(57)【要約】      （修正有）【課題】小型ながらも熱電発電効率が高い車用熱電発電機を提供する。【解決手段】排気管の外周面に設置され、排気管によって加熱される環状の第１熱伝達板１１９、排気管の直径よりも大きい直径を有し、排気管と同心円状に設置される内部ケーシング、内部ケーシングとの間に冷却水が流れる冷却水通路を形成し、内部ケーシングの直径よりも大きい直径を有し、排気管および内部ケーシングと同心円をなすように設置される外部ケーシング、内部ケーシング内周面に接触するように設置される環状の第２熱伝達板１２９、複数の第２熱交換ピン１２７を備える低温部、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体が接合され、一側面は複数の第１熱交換ピン１１７と接触し、他側面は複数の第２熱交換ピン１２７と接触し、第１熱交換ピン１１７と第２熱交換ピン１２７の間の温度差によって熱電現象を利用して電気を生産する複数の熱電モジュール、を含むことを特徴とする。【選択図】図３
2013126370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を高温の排気ガスが通過し、前記排気ガスと熱交換して加熱される排気管、前記排気管の外周面に設置され、前記排気管によって加熱される環状の第１熱伝達板、および、前記第１熱伝達板に所定の角度ごとに放射状に配列される複数の第１熱交換ピンを備える高温部、
前記排気管の直径よりも大きい直径を有し、前記排気管と同心円状に設置される内部ケーシング、
前記内部ケーシングとの間に冷却水が流れる冷却水通路を形成し、前記内部ケーシングの直径よりも大きい直径を有し、前記排気管および前記内部ケーシングと同心円をなすように設置される外部ケーシング、
前記内部ケーシング内周面に接触するように設置される環状の第２熱伝達板、および前記第２熱伝達板に一体に形成され、前記複数の第１熱交換ピンと同じ角度ごとに放射状に配列される複数の第２熱交換ピンを備える低温部、および
Ｐ−型半導体とＮ−型半導体が接合され、それぞれの一側面は前記複数の第１熱交換ピンと接触し、それぞれの他側面は前記複数の第２熱交換ピンと接触し、前記第１熱交換ピンと前記第２熱交換ピンの間の温度差によって熱電現象を利用して電気を生産する複数の熱電モジュール、
を含むことを特徴とする車用熱電発電機。
【請求項２】
前記高温部は、
前記排気管内部に設置され、前記排気ガスがバイパスするバイパス管、
前記バイパス管の末端に設置され、前記バイパスする排気ガスの量を調節するバイバスバルブ、
前記バイパスバルブを前記バイパス管の末端に弾性的に支持するスプリング、および
前記排気管と前記バイパス管の間に設置され、前記排気ガスと熱交換して前記排気管を加熱する熱交換メッシュ、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
【請求項３】
前記低温部は、
一側に形成されて冷却水が流入する冷却水流入口、
他側に形成されて前記冷却水が排出する冷却水排出口、
前記内部ケーシングと前記外部ケーシングの間に設置されて一側が開放し、前記開放した一側が互いに所定の角度をなすように設置される複数の冷却水バッフル、をさらに含み、
前記冷却水流入口は前記排気ガスの流動経路の下流側に形成され、前記冷却水排出口は前記排気ガスの流動経路の上流側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
【請求項４】
前記内部ケーシング、前記外部ケーシング、および前記複数のバッフルによって形成される前記冷却水は、円周方向に形成されるそれぞれの冷却水流動経路のうち、隣接する移動経路と反対方向に形成される冷却水の移動経路に沿って流動することを特徴とする請求項３に記載の車用熱電発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車用熱電発電機に係り、より詳しくは、自動車の排気ガスの熱気を利用して発電する車用熱電発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子とは、素子両端の温度差を電気に変換することによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、素子に電気を流すことによって素子両端に温度差を引き起こして電気エネルギーを熱エネルギーに変換する熱電現象を利用する素子を言う。このような熱電素子は、冷却装置、小規模な加熱装置、または小規模な発電装置に利用される。
【０００３】
熱電素子が小規模な発電装置に利用されるものを、熱電発電装置または熱電発電機と呼ぶ。このような熱電発電機は、主に、無電通信機の電源供給装置、宇宙船の電力供給装置、核潜水艦の動力供給装置、または車の排気システムに設置される熱電発電機に用いられる。
【０００４】
図１は、車の熱電発電機を示す断面図である。
図に示すように、車の排気システムに設置される熱電発電機１０は、高温の排気ガスが通過する六角形の排気熱回収装置４０、排気熱回収装置４０の外側に設置され、内部に冷却水が通過する冷却装置３０、および排気熱回収装置４０の外側と冷却装置３０内側に接触し、両端の温度差によって電気を発生させる複数の熱電モジュール２０を含む。
【０００５】
排気熱回収装置４０の内部には、高温の排気ガスが流れながら熱エネルギーが熱電モジュール２０に伝達される。冷却装置３０の内部には冷却水が流れる冷却パイプ３２が形成され、排気熱回収装置４０と接触する熱電モジュール２０の内側と冷却装置３０と接触する熱電モジュール２０の外側の間の温度差を増加させる。このように、熱電モジュール２０の内側と外側の温度差を大きくすることにより、自動車の排気システムに設置される熱電発電機の効率を増加させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２２７２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱電発電機で多くの電気を得るため、即ち、熱電発電効率を高めるためには、排気ガスの熱エネルギーが熱電モジュールに効率的に伝達されなければならない。しかし、上述した従来の車用熱電発電機では、排気ガスの熱エネルギーが高温部に十分に伝達されずに車の熱エネルギー回収能力が低下することにより、熱電発電機の熱電効率が低下するという問題があった。
また、従来の車用熱電発電機は、冷却装置３０が多くの面積を占めているにもかかわらず熱交換面積が小さくて熱伝逹率が低く、大きさに比べて熱電発電効率が低いという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、小さいながらも熱電発電効率が高い車用熱電発電機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述目的を達成するための本発明は、内部を高温の排気ガスが通過し、前記排気ガスと熱交換して加熱される排気管、前記排気管の外周面に設置され、前記排気管によって加熱される環状の第１熱伝達板、および、前記第１熱伝達板に所定の角度ごとに放射状に配列される複数の第１熱交換ピンを備える高温部、前記排気管の直径よりも大きい直径を有し、前記排気管と同心円状に設置される内部ケーシング、前記内部ケーシングとの間に冷却水が流れる冷却水通路を形成し、前記内部ケーシングの直径よりも大きい直径を有し、前記排気管および前記内部ケーシングと同心円をなすように設置される外部ケーシング、前記内部ケーシング内周面に接触するように設置される環状の第２熱伝達板、および前記第２熱伝達板に一体に形成され、前記複数の第１熱交換ピンと同じ角度ごとに放射状に配列される複数の第２熱交換ピンを備える低温部、およびＰ−型半導体とＮ−型半導体が接合され、それぞれの一側面は前記複数の第１熱交換ピンと接触し、それぞれの他側面は前記複数の第２熱交換ピンと接触し、前記第１熱交換ピンと前記第２熱交換ピンの間の温度差によって熱電現象を利用して電気を生産する複数の熱電モジュール、を含むことを特徴とする。
【０００９】
前記高温部は、前記排気管内部に設置され、前記排気ガスがバイパスするバイパス管、前記バイパス管の末端に設置され、前記バイパスする排気ガスの量を調節するバイバスバルブ、前記バイパスバルブを前記バイパス管の末端に弾性的に支持するスプリング、および前記排気管と前記バイパス管の間に設置され、前記排気ガスと熱交換して前記排気管を加熱する熱交換メッシュ、をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
前記低温部は、一側に形成されて冷却水が流入する冷却水流入口、他側に形成されて前記冷却水が排出する冷却水排出口、前記内部ケーシングと前記外部ケーシングの間に設置されて一側が開放し、前記開放した一側が互いに所定の角度をなすように設置される複数の冷却水バッフル、をさらに含み、前記冷却水流入口は前記排気ガスの流動経路の下流側に形成され、前記冷却水排出口は前記排気ガスの流動経路の上流側に形成されることを特徴とする。
【００１１】
前記内部ケーシング、前記外部ケーシング、および前記複数のバッフルによって形成される前記冷却水は、円周方向に形成されるそれぞれの冷却水流動経路のうち、隣接する移動経路と反対方向に形成される冷却水の移動経路に沿って流動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の車用熱電発電機によれば、排気ガスが熱電モジュールと接触する面積が広くできる反面、全体の熱電発電機の大きさは小さくできる効果がある。
また、自動車エンジンに設置されて電気を発生させることにより、バッテリーを充電することができるため、車の燃費が向上する効果がある。
さらに、高温部と熱電モジュールの間に熱交換メッシュが設置されて排気ガスとの接触面積を増加させることにより、排気ガスの熱エネルギーが熱電モジュールにより効率的に伝達されるだけでなく、これを通過する排気ガスの騒音も減少できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の車用熱電発電機を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による車用熱電発電機を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による車用熱電発電機の第１熱伝達板、第２熱伝達板、および熱電モジュールを示す分解斜視図である。
【図４】図３の第１熱伝達板、第２熱伝達板、および熱電モジュールが排気管に装着された様子を示す、本発明の一実施形態による車用熱電発電機の斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による熱電発電機の低温部に用いられるバッフルの装着を説明するための概念図である。
【図６】図２のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
【図７】図６のＣ部分の拡大断面図である。
【図８】図２のＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態による車用熱電発電機について詳しく説明する。
図２は、本発明の一実施形態による車用熱電発電機を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態による車用熱電発電機の第１熱伝達板、第２熱伝達板、および熱電モジュールを示す分解斜視図である。図４は、図３の第１熱伝達板、第２熱伝達板、および熱電モジュールが排気管に装着された様子を示す本発明の一実施形態による車用熱電発電機の斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による熱電発電機の低温部に用いられるバッフルの装着を説明するための概念図である。図６は、図２のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図７は、図６のＣ部分の拡大断面図である。図８は、図２のＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図である。
【００１５】
図に示すように、本発明の一実施形態による車用熱電発電機１００は、エンジンから排出される高温の排気ガスと熱交換して加熱される高温部１１０、エンジンの冷却システムによって循環する冷却水が流れて高温部１１０外側に設置される低温部１２０、および高温部１１０と低温部１２０に介在し、高温部１１０と低温部１２０の間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュール１３０を含む。
【００１６】
高温部１１０は、内部を高温の排気ガスが通過する間に加熱される排気管１１２、排気管の外周面に設置される環状の第１熱伝達板１１９、第１熱伝達板１１９と一体に形成され、所定の角度ごとに放射状に配列される複数の第１熱交換ピン１１７を含む。
排気管１１２は中空円筒形状を有し、内部を流れる高温の排気ガスによって加熱される。このように加熱された排気管１１２は、その外周面に設置される第１熱伝達板１１９を加熱し、第１熱伝達板１１９によって第１熱伝達板１１９と一体に形成される複数の第１熱交換ピン１１７が加熱される。
【００１７】
排気管１１２内部には、排気ガスがバイパスするバイパス管１１４が設置される。バイパス管１１４の末端には、エンジンの負荷によって排気ガスをバイパスさせるために、バイパス管１１４の末端を開閉するバイパスバルブ１１６装着される。バイパスバルブ１１６は、スプリング１１８によってバイパス管１１４に弾性的に支持される。バイパス管１１４の上流には、バイパスバルブ１１６が閉鎖される場合に排気ガスが流動する複数の排気ホール１１３が形成される。
【００１８】
バイパス管１１４の外周面と排気管１１２の内周面の間には、熱交換メッシュ１１１が介在する。熱交換メッシュ１１１は高温の排気ガスと熱交換し、排気ガスの熱エネルギーを吸収して排気管１１２に伝達する。すなわち、熱交換メッシュ１１１により、排気ガスの熱エネルギーは排気管１１２に効率的に伝達される。
車が高速運行されるとき、すなわち、エンジンの負荷が増加すれば、排気管が過熱する。これを防ぐために、エンジンの高負荷時に、バイパスバルブ１１６は開放され、高温の排気ガスはバイパス管１１４を通じて大部分が排気され、バイパス管１１４と排気管１１２の間を流れる排気ガスの量が調節される。
【００１９】
高温部１１０の外側、すなわち、排気管１１２の外側には低温部１２０が装着される。低温部１２０は、排気管１１２の外側に設置される内部ケーシング１２２、内部ケーシング１２２と共に冷却水流動経路を形成する外部ケーシング１２４、内部ケーシング１２２の内周面に接触するように設置される環状の第２熱伝達板１２９、および第２熱伝達板１２９の内周面に第２熱伝達板１２９と一体に形成され、所定の角度ごとに形成される複数の第２熱交換ピン１２７を含む。
内部ケーシング１２２と外部ケーシング１２４は、排気管１１２と同心円をなす。外部ケーシング１２４は、一側に形成されて冷却水が流入する冷却水流入口１２１と、他側に形成されて冷却水が排出される冷却水排出口１２３とを含む。
【００２０】
低温部１２０は、内部ケーシング１２２と外部ケーシング１２４の間に設置されて一側が開放され、開放された一側が互いに所定の角度をなすように設置される複数の冷却水バッフル１２６をさらに含む。
複数の冷却水バッフル１２６は環形状を有し、一部分が開放された形態を有する。冷却水バッフル１２６は、開放された部分が隣接する冷却水バッフル１２６の開放された部分と所定の角度、好ましくは９０度をなすように設置される。このように複数の冷却水バッフル１２６が設置されることにより、冷却水は図２に示すように、隣接するバッフル１２６によって形成される冷却水の流動経路の方向と反対方向に流れる。
【００２１】
冷却水の方向を互いに反対方向に設定する理由は、低温部１２０の温度を一定に維持するためである。また、冷却水流入口１２１は排気管１１２の下流側に形成され、冷却水排出口１２３は排気管１１２の上流側に形成される。すなわち、冷却水の流動方向は排気ガスの流動方向と反対になり、高温部１１０と低温部１２０の温度を均一に維持することができるようになり、熱電モジュール１３０で均一に電気を得ることができる。
熱電モジュール１３０は、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体が接合して形成され、高温部１１０の複数の第１熱交換ピン１１７と低温部１２０の複数の第２熱交換ピン１２７の間に放射状に介在する。
【００２２】
上記の通り、第１熱交換ピン１１７は第１熱伝達板１１９によって加熱されて高温となり、第２熱交換ピン１２７は第２熱伝達板１２９によって低温となり、第１熱交換ピン１１７と第２熱交換ピン１２７の間に介在する複数の熱電モジュール１３０の両面では温度差が発生する。このように、熱電モジュール１３０の両側面に温度差が発生すれば、複数の熱電モジュール１３０内部で電気が発生する。
複数の熱電モジュール１３０はそれぞれ一対の電気端子を備え、互いに電気的に連結される。また、互いに電気的に連結される複数の熱電モジュール１３０は車のバッテリー（図示せず）に電気的に連結され、熱電現象によって生産された電気を利用してバッテリーを充電する。
【００２３】
以下、車用熱電発電機１００の作用について説明する。
エンジンが駆動すれば、エンジンから排気ガスが排出されて排気管１１２の内部に流れ、このとき、バイパスバルブ１１６は、バイパス管１１４を閉鎖する。一方、エンジンの冷却システム（図示せず）によって循環する冷却水は、冷却水流入口１２１に流入する。
排気ガスは、排気管１１２の内部を流動しながら排気管１１２と熱交換され、排気管１１２は加熱される。排気管１１２の外周面に設置される第１熱電伝達板１１９は、加熱された排気管１１２によって加熱され、加熱された第１熱伝達板１１９によって排気ガスの熱エネルギーは複数の第１熱交換ピン１１７に伝達され、複数の熱電モジュール１３０の一側面が加熱される。
【００２４】
一方、冷却水流入口１２１に流入した冷却水は、内外部ケーシング１２２、１２４の内部を、隣接するバッフル１２６によって形成された冷却水流動経路を１つ越えて１つずつ反対方向に流動する。流動する冷却水によって第２熱伝達板１２９が冷却され、第２熱伝達板１２９と一体に形成される第２熱交換ピン１２７が冷却される。冷却された複数の第２熱交換ピン１２７と接触する複数の熱電モジュール１３０の他側面は冷却される。
このようになされることで、放射状に配列される複数の熱電モジュール１３０の両側面の間には温度差が発生する。温度差により、複数の熱電モジュール１３０内部では電気が発生する。複数の熱電モジュール１３０によって生産された電気は、複数の熱電モジュール１３０に電気的に連結されるバッテリーに充電される。
【００２５】
車の速度が上がるとき、すなわち、エンジンの負荷が増加する時は、バイパスバルブ１１６がスプリング１１８の弾性力に勝ればバイパス管１１４が開放される。バイパス管１１４が開放されることにより、排気ガスの大部分はバイパス管１１４を通じて排気され、残りはバイパス管１１４と排気管１１２の間を流動する。バイパス管１１４と排気管１１２の間に介在する熱交換メッシュ１１１は、排気ガスと熱交換されて排気管１１２を加熱する。以後の作用はバイパスバルブ１１６が閉鎖される場合と同じであるため、これについての説明は省略する。
【００２６】
このように、複数の熱電モジュールを用いることができるため多量の電気を生産することができ、このように生産される電気を利用して自動車のバッテリーを充電することによって自動車の燃費を向上させることができる。
さらに、本発明の一実施形態による車用熱電発電機によれば、排気ガスと熱交換メッシュが熱交換される過程において排気ガスの騷音が軽減される。
また、高温部と熱電モジュールの接触面積が大きく、複数の熱電モジュールの他側は低温部によって迅速に冷却されるため熱電効率が向上する。したがって、従来に比べて小型の車用熱電発電機を実現することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１００  ・・・車用熱電発電機
１１０  ・・・高温部
１１２  ・・・排気管
１１４  ・・・バイパス管
１１６  ・・・バイパスバルブ
１１７  ・・・第１熱交換ピン
１１８  ・・・スプリング
１１９  ・・・第１熱伝達板
１２０  ・・・低温部
１２１  ・・・冷却水流入口
１２２  ・・・内部ケーシング
１２３  ・・・冷却水排出口
１２４  ・・・外部ケーシング
１２７  ・・・第２熱交換ピン
１２９  ・・・第２熱伝達板
１３０  ・・・熱電モジュール
【図１】
2013126370.tif 000003
【図２】
2013126370.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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【図７】
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【図８】
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