(57)【要約】【課題】  熱電モジュールの両側伝熱面と、高温部・低温部との熱伝達を確実ならしめること。【解決手段】  排気管１には平滑な平面部２ａを有する高温部２が排気管１と熱伝達可能に結合される。冷却器４は冷却水の出入口を有するとともに両側に一対の平行平滑な平面部４４，４５を有する。熱電モジュール１０は平板状であって、高温部２と平面部４５との間にその両方に接触して配置される。また、複数のボルト挿通孔を有する平板状の押圧板７が冷却器４の他方の平面部４４側に配置され、押圧板７がボルトの締結により冷却器４を押圧することで、熱電モジュール１０が高温部２と冷却器４の平面部４５とに所定の圧力をもって接触される。さらに、冷却器４の内部には押圧方向に両平面部４４，４５を連結するリブ４３が形成される。【選択図】  図３
2007165560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管と、
冷却水が循環する冷却器と、
一方側が排気管側に、他方側が冷却器側と熱伝導可能に取り付けられることにより起電する熱電モジュールと、
を有する排熱発電装置であって、
前記排気管には、平滑な平面部を有する高温部が前記排気管と熱伝達可能に結合され、
前記冷却器は、冷却水の出入口を有するとともに、両側に一対の平行平滑な平面部を有する容器であり、
前記熱電モジュールは、平板状であって、前記高温部と前記冷却器の排気管側の平面部との間にその両方に接触して配置され、
複数のボルト挿通孔を有する平板状の押圧板が前記冷却器の他方の平面部側に配置され、
前記押圧板がボルトの締結により前記冷却器を押圧することで、前記熱電モジュールが前記高温部と前記冷却器の平面部とに所定の圧力をもって接触され、
前記冷却器の内部には押圧方向に前記両平面部を連結するリブが形成されている
ことを特徴とする排熱発電装置。
【請求項２】
前記高温部は、その平面部の反対側に、前記排気管の一部外形に沿った形状の溝部を備え、
前記溝部には熱交換器が配置され、
前記排気管の管壁の一部が開穿されており、
この開穿された部分を覆い隠すように前記溝部が前記排気管に沿って結合される
ことを特徴とする請求項１に記載の排熱発電装置。
【請求項３】
前記熱電モジュールの全周を囲む断熱材を更に備え、前記断熱材は前記高温部と前記冷却器の平面部とによって押圧されて支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の排熱発電装置。
【請求項４】
前記ボルトは、前記熱電モジュールの外周を囲むように複数本配置され、
前記押圧板と前記冷却器との間には、積層方向で前記熱電モジュールと重複する位置に、所定厚さの平板状のスペーサが配置される
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の排熱発電装置。
【請求項５】
前記ボルトは、前記熱電モジュールの外周を囲むように複数本配置され、
前記押圧板には、積層方向で前記熱電モジュールと重複する位置にネジ孔が開穿され、このネジ孔に押圧調整用ボルトを螺合して、前記冷却器を押圧することによって、前記熱電モジュールの接触圧力を調整する
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の排熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排熱発電装置に関し、特に、熱電モジュールによってエンジンの排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって排気ガスの熱エネルギを回収する排熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動車はさまざまな部分の電化が進んでおり、これに応える大容量の電源の確保が課題となっている。
【０００３】
自動車の場合、エンジンの持つエネルギのうち動力として使われるのは２割程度にすぎず、残りの約８割は排熱として大気に放出されているのが現状である。そこで、この捨てられている熱を利用して発電する技術が注目されつつある。
【０００４】
これを実現するものとして、熱電半導体の一方側と他方側とに温度差を生じさせることで発電する熱電モジュールが知られている。この熱電モジュールの一方側をエンジンの排気管（高温側伝熱面）に接触させ、他方側を冷却器（低温側伝熱面）に接触させるように熱電モジュールを配置することで、エンジンの排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することが可能である。
【０００５】
このような技術に関し、特許文献１は、ボルト締めによって排気管と冷却ジャケットとの間に熱電モジュールを挟む構造を開示している。具体的には、同文献は、常用域での排気温度よりも高温となった時に、ボルトの熱膨張により排気管と熱電モジュールとの接触圧力を下げるようにした構造を開示している。
【０００６】
また、特許文献２は、熱電モジュールを収容する収容凹溝と放熱フィンが一体形成された外筒によって、熱電モジュールを排気管に相当するインナシェルに圧着させる構造を開示している。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２９７６９９号公報
【特許文献２】特開平１０ー２３４１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱電モジュールは、その内部に配列された多数の半導体素子を有し、これらが電気的に連結されているため、これら各半導体素子に均一の温度差をそれぞれ与えてやらなければ、たとえば温度差の小さな半導体素子が内部抵抗となって、本来の発電能力を発揮することができない。したがって、その発電モジュールの伝熱面には、その面全体に亘って均一の接触圧力にて高温または低温の平面部を押圧することで、この高温または低温の平面部から同伝熱面に、その面全体に亘って均一に熱伝達を行わせることが重要である。
【０００９】
しかし、上記した特許文献１，２には、このような１つのモジュール中で面圧を一様一定にするという課題の認識はない。なお、特許文献２には、複数の熱電モジュール間での接触圧力を均一にすることについては開示はあるが、これについては、シリコン系ゴム等の緩衝材を挟む程度の開示があるにすぎない。
【００１０】
本発明の目的は、たとえば、熱電モジュールの両側伝熱面と、高温部・低温部との熱伝達を確実ならしめることである。その他の目的および利点については、以下の説明によって明らかになろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面に係る排熱発電装置は、内燃機関の排気管と、冷却水が循環する冷却器と、一方側が排気管側に、他方側が冷却器側と熱伝導可能に取り付けられることにより起電する熱電モジュールとを有する排熱発電装置に係り、前記排気管には、平滑な平面部を有する高温部が前記排気管と熱伝達可能に結合され、前記冷却器は、冷却水の出入口を有するとともに、両側に一対の平行平滑な平面部を有する容器であり、前記熱電モジュールは、平板状であって、前記高温部と前記冷却器の排気管側の平面部との間にその両方に接触して配置され、複数のボルト挿通孔を有する平板状の押圧板が前記冷却器の他方の平面部側に配置され、前記押圧板がボルトの締結により前記冷却器を押圧することで、前記熱電モジュールが前記高温部と前記冷却器の平面部とに所定の圧力をもって接触され、前記冷却器の内部には押圧方向に前記両平面部を連結するリブが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、熱電モジュールの両側面に確実に温度差を生じさせることができる。また、冷却器はその内部に両平面部を連結するリブが形成されているので強度が向上し、積層に当たり押圧されても冷却器が撓むことはない。さらに、冷却器内部に形成されたリブによって、冷却器内熱交換率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の好適な実施形態によれば、前記高温部は、その平面部の反対側に、前記排気管の一部外形に沿った形状の溝部を備え、前記溝部には熱交換器が配置され、前記排気管の管壁の一部が開穿されており、この開穿された部分を覆い隠すように前記溝部が前記排気管に沿って結合されることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、排気管壁を介さずに、直接排気の高熱を熱電モジュールに伝達することができる。
【００１５】
本発明の好適な実施形態によれば、前記熱電モジュールの全周を囲む断熱材を更に備え、前記断熱材は前記高温部と前記冷却器の平面部とによって押圧されて支持されることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、熱電モジュールが床下車外環境から保護されるとともに、高温部と冷却器とを断熱することができる。しかも、この断熱材によって熱電モジュールの位置決めを行うことも容易になる。
【００１７】
本発明の好適な実施形態によれば、前記ボルトは、前記熱電モジュールの外周を囲むように複数本配置され、前記押圧板と前記冷却器との間には、積層方向で前記熱電モジュールと重複する位置に、所定厚さの平板状のスペーサが配置されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、スペーサの存在によって、熱電モジュールの伝熱面の周縁部のみならず、その中心部も押圧できるため、同伝熱面の全域に亘って均一な接触圧力を得ることができる。
【００１９】
本発明の好適な実施形態によれば、前記ボルトは、前記熱電モジュールの外周を囲むように複数本配置され、前記押圧板には、積層方向で前記熱電モジュールと重複する位置にネジ孔が開穿され、このネジ孔に押圧調整用ボルトを螺合して、前記冷却器を押圧することによって、前記熱電モジュールの接触圧力を調整することが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、熱電モジュールの各々の押圧力を調整することができ、すべての熱電モジュールにおいて均一な接触圧力を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、熱電モジュールの両側伝熱面と、高温・低温平面部との熱伝達を確実ならしめることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決手段として必須のものであるとは限らない。
【００２３】
図１は本実施形態における排熱発電装置の分解斜視図、図２はその排熱発電装置の組立完成図である。また、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
符号１は不図示のエンジンからの排気ガスをたとえば矢印Ｆの示す方向に導出する排気管である。この排気管１には、平滑な平面部２ａを有する高温部２が排気管１に結合される。平面部２は好ましくは鏡面状に仕上げられ、ここに後述する熱電モジュール１０の一側面が熱伝達可能に接触することになる。また、この平面部２ａの周囲には、後述する６本のボルト９をそれぞれ挿入する６個のボルト挿入穴２ｂが設けられている。
【００２５】
高温部２は排気管１からの熱を伝達可能にすべく、たとえば鉄で構成されている。また本実施形態では、この熱伝達をより高効率とするため次のような構成を備える。図４に、そのような高温部２の具体的構成例および排気管１への取り付け例を示す。
【００２６】
同図（ａ）には排気管１が示されている。この（ａ）に示されるように、この排気管１には管壁の一部を開穿してできた開口部１ａが設けられている。一方、同図（ｂ）には、手前側に二点鎖線で示される位置に熱電モジュール１０が接触することになる平面部２ａが向いた状態の高温部２が示されている。平面部２ａの反対側には、その長手方向に、排気管１の外形に沿った形状の溝部２１が形成されている。そして、この溝部２１が、（ａ）に示した排気管１の開口部１ａを覆い隠すようにして排気管１に沿って結合される。この結合は、排気ガスが漏れないように溶接によってなされることが好ましい（図３の１５，１５参照）。このような構成によれば、排気管１の管壁を介すことなく、排気ガスの熱を高温部２へと直接伝えることができる。
【００２７】
同図（ｃ）は、（ｂ）に示した高温部２の矢印Ｂから見た矢視図である。この（ｃ）に示すように、この溝部２１には、熱交換器としての複数の集熱フィン２２が高温部２の長手方向に沿って設けられている。この集熱フィン２２によって排気ガスの熱をより効果的に高温部２から、そこに接触される熱電モジュール１０へと伝えることが可能になる。
【００２８】
熱電モジュール１０としてはたとえば、株式会社東芝製の熱電モジュールGiga Topazが好適である。このモジュールは、約４ｃｍ×４ｃｍの平板状に構成され、高温側を５００℃、低温側を２０℃（温度差４８０℃）とすることで最大１５Ｗの出力を得ることができる。本実施形態では、図１に示すように、このような熱電モジュール１０を２個使用するものとし、それぞれ排気管１の軸に沿って配置する。熱電モジュール１０の高温側伝熱面は高温部２の平面部２ａに接触され、一方、熱電モジュール１０の低温側伝熱面は、冷却器としてのウォータージャケット４の一側面に接触され、こうして熱電モジュール１０は高温部２とウォータージャケット４とによって挟持される。
【００２９】
図５はウォータージャケット４の平面図、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。ウォータージャケット４は、不図示のラジエータとの間で冷却水の循環経路を構成しており、ラジエータで冷却された冷却水でもって、熱電モジュール１０の低温側伝熱面を冷却する。図１および図５において、４１はラジエータからの冷却水を導入する第１パイプ、４２はラジエータに送り返す冷却水を導出する第２パイプである。また、図１および図６に示されるように、このウォータージャケット４は、両側に一対の平行かつ平滑な平面部４４および４５を有する。このうちたとえば平面部４５が熱電モジュール１０の低温側伝熱面と接触される。さらに、この一対の平面部４４と４５とを連結する複数のリブ４３が形成されている。このようなリブ４３が形成されていることによって、曲げに対する剛性を高めることができ、かつ、冷却水との接触面積を増やすことができ、ウォータージャケット４の冷却効果を高めることができる。
【００３０】
ところで本実施形態では、図１に示すように、熱電モジュール１０の全周を囲む第１断熱材３を有する。この第１断熱材３は、図示のように、高温部２の平面部２ａと同一の外形形状であり、熱電モジュール１０，１０それぞれの形状に即した２つの開口３１，３１を有している。この開口３１，３１にそれぞれ、熱電モジュール１０，１０が収容される。第１断熱材３は、高温部２の平面部２ａとウォータージャケット４の平面部４５とによって押圧され、熱電モジュール１０，１０とともに挟持される。この第１断熱材３により、熱電モジュール１０，１０を床下車外環境から保護することができ、なおかつ、高温部２とウォータージャケット４との間を断熱することができる。また、第１断熱材３には、熱電モジュール１０，１０を収容する開口３１，３１があらかじめ設けられているから、熱電モジュール１０，１０を設置する際の位置決めも容易である。
【００３１】
また、ウォータージャケット４は、第２断熱材５によってその全周を囲まれ、さらに、ウォータージャケット４の熱電モジュール１０側とは反対側の側面に第３断熱材６が積層される。この第２断熱材５は、ウォータージャケット４の厚みとほぼ同一の厚みＤを有することが好ましい。こうすることでウォータージャケット４はその周囲全てが断熱材で覆われることになり（図２参照）、冷却効果の向上に寄与することができる。
【００３２】
本実施形態における第３断熱材６は、熱電モジュール１０，１０に対応する位置に、第１断熱材３の開口３１，３１と同様の開口６１，６１を有し、そこに所定厚さの平板状のスペーサ１１，１１が収容される。
【００３３】
符号７は、高温部２の平面部２ａとの間に挟まれる以上の構成要素を高温部２に向けて押圧する押圧板である。この押圧板７の周囲には、たとえば６本のボルト９をそれぞれ挿通する６個のボルト挿通孔９ａが設けられている。そして、図３に示されるように、ボルト９を、ボルト挿通孔９ａに挿通させ、さらに第３断熱材６、第２断熱材５、および第１断熱材３を貫通させ、そして、高温部２の平面部２に設けられたボルト挿入穴２ｂに締結することによって、ウォータージャケット４を押圧することができる。
【００３４】
この押圧によって熱電モジュール１０，１０は高温部２の平面部２ａとウォータージャケット４の平面部４５とに所定の圧力をもって接触される。上記のとおり、ウォータージャケット４は平面部４４と４５を連結するリブ４３を備えているため強度が確保されており、このため、このようにウォータージャケット４の周囲をボルトで押圧したとしてもウォータージャケット４は撓むことなく、熱電モジュール１０，１０と均一な接触圧力を得ることが可能である。しかも本実施形態では、熱電モジュール１０，１０に対応する位置にスペーサ１１，１１が介挿されているため、熱電モジュール１０の中心部にも圧力を与えることができる。よって、１個の熱電モジュールに対する均一な接触圧力を得ることもできる。
【００３５】
なお、熱電モジュールに対する均一な接触圧力を高精度に得るためには、ボルト９やスペーサ１１にはチタン、セラミックなどの耐熱性、断熱性に優れた材料を使用するとさらによいであろう。
【００３６】
以上の構成により、本件発明者等は、熱電モジュールの伝熱面全体に均一な接触圧力が得られるものと予想していた。しかし、実物を製作し、伝熱面に圧力センサを離間させて複数個配置（たとえば、伝熱面上に所定半径の円周上に６０°間隔で３個配置）し、これらが示す接触圧力を計測したところ、複数のボルト９による押圧をそれぞれ、いかように調整しても、接触圧力を均一に揃えることができなかったここで、同熱電モジュールに推奨されている接触圧力は、約１ＭＰａである。
【００３７】
そこで、熱電モジュール伝熱面全域で均一な接触圧力が得られる構造を種々検討した結果、次の改良を施すことでこれを実現できることが分かった。すなわち、図１に示すように、押圧板７の、熱電モジュール１０の積層方向で重複する位置に、ネジ孔８ａを開穿して、これに押圧調整用ボルト９を螺合して、該押圧調整用ボルトによりスペーサ１１を押圧する構造とする。この押圧調整用ボルト９のねじ込み量を調整することにより、熱電モジュールの伝熱面全体に均一な圧力が得られると共に、この均一な圧力の大きさを任意に設定できる。このとき、押圧調整用ボルト９を螺合する前に、複数のボルト９は、熱電モジュール１０の伝熱面に、推奨される所定の接触圧力より小さい接触圧力を与えておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態における排熱発電装置の分解斜視図である。
【図２】図１の排熱発電装置の組立完成図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の実施形態における高温部の具体的構成例および排気管への取り付け例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態におけるウォータージャケットの平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ｆ：排気ガスの流れ方向
１：排気管
１ａ：排気管の開口部
２：高温部
２ａ：平面部
２１：溝部
２２：周熱フィン
３：第１断熱材
４：ウォータージャケット
４１：第１パイプ
４２：第２パイプ
４３：リブ
４４，４５：平面部
５：第２断熱材
６：第３断熱材
７：押圧板
８：押圧調整用ボルト
９：ボルト
１０：熱電モジュール
１１：スペーサ
【図１】
2007165560.tif 000003
【図２】
2007165560.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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