(57)【要約】      （修正有）【課題】外部への熱損失を最少にして低温部と高温部の温度差を十分に確保するとともに、熱電モジュールの損傷を防止できる熱電発電システムを提供する。【解決手段】本発明は、熱源部５の上面に取り付けられる一つ以上の熱電モジュール１０と、前記熱電モジュール１０の上部に配置されている冷却部２０と、前記冷却部２０及び前記熱電モジュール１０を前記熱源部５側に加圧する加圧手段と、前記加圧部の上部を覆うように設けられるカバー４０とを有し、前記加圧手段は、前記冷却部２０を加圧して、前記熱電モジュール１０を前記熱源部５に密着させる加圧マット３１であり、前記加圧マット３１は、所定の圧縮率を有し、前記圧縮率に従って面圧の調節が可能な素材からなり、前記加圧マット３１は、セラミック繊維と層状シリケート素材を有する複合マットであることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源部の上面に取り付けられる一つ以上の熱電モジュール、
前記熱電モジュールの上部に配置されている冷却部、
前記冷却部及び前記熱電モジュールを前記熱源部側に加圧する加圧手段、及び
加圧部の上部を覆うように設けられるカバー、を含むことを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】
前記熱電モジュールの周りに満たされる断熱材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３】
前記加圧手段は、前記冷却部を加圧して、前記熱電モジュールを前記熱源部に密着させる加圧マットであることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項４】
前記加圧マットは、所定の圧縮率を有し、前記圧縮率に従って面圧の調節が可能な素材からなることを特徴とする請求項３に記載の熱電発電システム。
【請求項５】
前記加圧マットは、セラミック繊維と層状シリケート素材を有する複合マットであることを特徴とする請求項３に記載の熱電発電システム。
【請求項６】
前記加圧手段は、メタルメッシュであることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項７】
前記カバーは、前記熱電モジュール、前記冷却部、前記加圧手段の側面を取り囲む側壁を有し、前記カバーの側壁の下段縁部には結合フランジが形成され、前記カバーの結合フランジが前記熱源部の縁部に結合されることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項８】
前記カバーは、プレート状に構成され、前記カバーの縁部が締結具によって前記熱源部に結合されることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項９】
熱源部の上面に安着される一つ以上の熱電モジュール、
前記熱電モジュールの上部に配置されている冷却部、
前記熱電モジュールに対し緩衝性を与える緩衝手段、及び
前記緩衝手段の上部を覆うように設けられるカバー、
を含むことを特徴とする熱電発電システム。
【請求項１０】
前記緩衝手段は、前記冷却部と前記カバーの間に介在しる一つ以上の緩衝バネであることを特徴とする請求項９に記載の熱電発電システム。
【請求項１１】
前記冷却部は、冷却流体が通過する冷却ジャケットを含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電発電システム。
【請求項１２】
前記冷却ジャケットは、前記緩衝バネが収容される収容溝を有することを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電システム。
【請求項１３】
前記熱源部の上面には、前記熱電モジュールが嵌め込まれる嵌入溝が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の熱電発電システム。
【請求項１４】
前記熱電モジュールの周りに満たされる断熱材をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電システムに係り、より詳しくは、高温部に熱電モジュールを堅固に取り付けることにより、高温振動による熱電モジュールの損傷などを防止するとともに、熱電モジュールにおける熱損失を防止して、高温部及び低温部の間の温度差の確保による出力向上を具現することができる熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、熱電発電システムは熱電モジュール（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｏｄｕｌｅ）によって発電するように構成され、熱電モジュールは、その両面の温度差によって熱起電力を発生するゼーベック（ｓｅｅｂａｃｋ）効果を利用して発電するものである。
従来の熱電発電システムは、その発電量を増大させるため、熱電モジュールの一面が車両の排気パイプに取り付けられるのが一般的であり、その温度差を確保するため、熱電モジュールの他面には水冷式冷却システムを取り付けるように構成される。
【０００３】
このように、従来の熱電発電システムは、熱電モジュールが高温（４００℃以上）の排気パイプに外部に対して開放された構造で取り付けられるため、高温と低温に反復的に露出され、熱損失が甚だしく発生して高温部と低温部の温度差を確保し難く、熱衝撃によって熱電モジュールの接合部、熱電素子などが損傷することがあり、熱電モジュールの耐久性が大幅に低下する欠点があった。
さらに、従来の熱電発電システムは、排気パイプ、排気マフラーなどのような排気系に取り付けられ、高温部と低温部の間の温度差を十分に確保できず、従って、高い出力電流を得ることができない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４２９９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記のような従来の技術の幾多の欠点を克服するためになされたものであって、高温の熱源部において熱電モジュールをカバーを介して取り付けることにより、外部への熱損失を最少化して低温部と高温部の温度差を十分に確保するとともに、熱電モジュールの損傷を防止できる熱電発電システムを提供することにその目的がある。
特に、本発明は、カバーによって排気系より高い高温の熱源であるエンジン側に容易に取り付けることができるので、より高温の熱を利用することができ、これを介して高温部と低温部の温度差を最大にして高い出力電流を得ることができる熱電発電システムを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するための本発明の熱電発電システムは、
熱源部の上面に取り付けられる一つ以上の熱電モジュール、
前記熱電モジュールの上部に配置されている冷却部、
前記冷却部及び前記熱電モジュールを前記熱源部側に加圧する加圧手段、及び前記加圧部の上部を覆うように設けられるカバー、を含むことを特徴とする。
前記冷却部は、冷却流体が通過する冷却ジャケットを含むことを特徴とする。
【０００７】
前記熱電モジュールの周りに満たされる断熱材をさらに含むことを特徴とする。
【０００８】
前記加圧手段は、前記冷却部を加圧して、前記熱電モジュールを前記熱源部に密着させる加圧マットであり、
前記加圧マットは、所定の圧縮率を有し、前記圧縮率に従って面圧の調節が可能な素材からなり、
前記加圧マットは、セラミック繊維と層状シリケート素材を有する複合マットであることを特徴とする。
【０００９】
前記加圧手段は、メタルメッシュであることを特徴とする。
【００１０】
前記カバーは、前記熱電モジュール、前記冷却部、前記加圧手段の側面を取り囲む側壁を有し、前記カバーの側壁の下段縁部には結合フランジが形成され、前記カバーの結合フランジが前記熱源部の縁部に結合されることを特徴とする。
【００１１】
前記カバーは、プレート状に構成され、前記カバーの縁部が締結具によって前記熱源部に結合されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る熱電発電システムは
熱源部の上面に安着される一つ以上の熱電モジュール、
前記熱電モジュールの上部に配置されている冷却部、
前記熱電モジュールに対し緩衝性を与える緩衝手段、及び
前記緩衝手段の上部を覆うように設けられるカバー、を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記緩衝手段は、前記冷却部と前記カバーの間に介在する一つ以上の緩衝バネであることを特徴とする。
【００１４】
前記冷却部は、冷却流体が通過する冷却ジャケットを含み、前記緩衝バネが収容される収容溝を有することを特徴とする。
【００１５】
前記熱源部の上面には、前記熱電モジュールが嵌め込まれる嵌入溝が形成され、る。
前記熱電モジュールの周りに満たされる断熱材をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高温の熱源部にカバーを介して熱電モジュールを取り付けることにより、外部への熱損失を最少にして低温部と高温部の温度差を十分に確保するとともに、熱電モジュールの損傷を防止することができるという利点がある。
特に、本発明は、カバーによって排気系より高い高温の熱源であるエンジン側に容易に取り付けることができるため、より高い高温の熱を利用することができ、低温部と高温部の温度差を最大にして高い出力電流を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電発電システムの断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る熱電発電システムの断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面を示した図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。  図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電システムの断面図である。
図１に示す通り、本発明の第１実施形態に係る熱電発電システムは、車両のエンジンなどのような熱源部５の上面に取り付けられる一つ以上の熱電モジュール１０と、熱電モジュール１０の上部に配置される冷却部２０と、熱電モジュール１０及び冷却部２０を熱源部５側に加圧する加圧手段と、加圧手段の上部を覆うように設けられるカバー４０とを含む。
熱電モジュール１０は、互いに反対極性である少なくとも一対の半導体素子（Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子）を有する半導体部と、半導体部を電気的に接続する電極部とを有する。
熱電モジュール１０は、熱源部５の上面に取り付けられることにより、熱源部５から高温の熱の伝達を受けて高温部を構成する。
冷却部２０は、熱電モジュール１０の上部に設けられて熱電モジュール１０の上部を冷却させることにより、熱電モジュール１０の上側に低温部を構成する。
【００１９】
一実施形態によれば、冷却部２０は、冷却媒体が通過する冷却通路を備えた冷却ジャケット２１を有する。
このように、熱電モジュール１０の下部は熱源部５によって高温部に構成され、熱電モジュール１０の上部は冷却部２０によって低温部に構成されることにより、熱電モジュール１０は、高温部と低温部の間の温度差を利用して熱電発電を行うことができる。
加圧手段は、熱電モジュール１０及び冷却部２０を熱源部５側に加圧する構成を有することによって、熱電モジュール１０及び冷却部２０を熱源部５側に一層堅固に加圧することができ、これを介して振動などから熱電モジュール１０が損傷されることを効果的に防止することができる利点がある。
一実施形態によれば、加圧手段は加圧マット３１からなり、加圧マット３１は冷却部２０の上面に配置されて冷却部２０及び熱電モジュール１０を熱源部５側に加圧し、これを介し、熱電モジュール１０は熱源部５に密着させることで冷却部２０及び熱電モジュール１０の堅固な取付性能を維持することができる。
【００２０】
加圧マット３１は所定の圧縮率を有し、加圧マット３１の圧縮率に従ってその面圧が調節され、熱電モジュール１０に対する適した加圧性能が確保可能となる。
加圧マット３１は、セラミック繊維と層状シリケート素材が複合された複合マットからなってもよい。
そして、熱電モジュール１０の周りにグラスウール（ｇｌａｓｓ  ｗｏｏｌ）などのような断熱材を密集して充填してもよく、熱電モジュール１０の各種の部品等の外部離脱を防止するだけでなく、外部への熱損失を効果的に防止することができる。また、これを介して熱電モジュール１０の低温部及び高温部の間の温度差を十分に確保することができる。
【００２１】
さらに、断熱材５０は、熱電モジュール１０の周りだけでなく熱電モジュール１０と冷却部２０の間に充填してもよく、併せて、冷却部２０と加圧マット３１の間に充填してもよい。
カバー４０は、加圧マット３１の上部を覆うように設けられることにより、熱電モジュール１０、冷却部２０、加圧マット３１などを外部の物理的及び熱的影響から安定的に保護することができる。
このようなカバー４０は、熱電モジュール１０、冷却部２０、加圧マット３１などの側面を覆う側壁を有し、カバー４０が熱電モジュール１０、冷却部２０、加圧マット３１などを取り囲んで熱源部５に結合されることによって、カバー４０は、熱電モジュール１０、冷却部２０、加圧マット３１をカプセル化して保護することができる。
【００２２】
そして、カバー４０の側壁の下段縁部には結合フランジ４１が形成され、カバー４０の結合フランジ４１が溶接などを介して熱源部５の縁部側に結合されてよい。
このように、加圧マット３１によって冷却部２０及び熱電モジュール１０が適宜加圧された状態で、カバー４０が加圧マット３１の上部を覆うように結合されることにより、熱電モジュール１０及び冷却部２０などが一層堅固に熱源部５に取り付けられる。
【００２３】
図２は、本発明の第２実施形態に係る熱電発電システムを示した断面図である。
図２に示す通り、加圧手段は、緩衝性及び加圧性を兼備したメタルメッシュ（ｍｅｔａｌ  ｍｅｓｈ）３２からなっており、このメタルメッシュ３２は加圧マット３１と同様に所定の圧縮率を有し、メタルメッシュ３２の圧縮率に従ってその面圧が調節され、熱電モジュール１０に適した加圧性能が確保可能である。
さらに、メタルメッシュ３２は、緩衝性を備えることにより熱電モジュール１０の熱膨張に適した緩衝機能を有し、これを介して熱電モジュール１０の損傷を一層効果的に防止することもできる。
本発明の第２実施形態によれば、カバー４０はプレートで形成され、その縁部が一つ以上の締結具４５によって熱源部５側に結合される。締結具４５は、ボルトまたは熱源部５の上面から一体に突出したスタッドなどからなっている。よって、複数の締結具４５がカバー４０及び熱源部５を貫いて締結されることにより、カバー４０が熱源部５に堅固に結合される。
【００２４】
一方、図３に示す通り、冷却部２０の冷却ジャケット２１の縁部（特に、角部分）には締結具４５が通過する複数の溝部２５が設けられ、冷却ジャケット２１はその溝部２５が複数の締結具４５に対して位置付けられることにより、冷却ジャケット２１の取付構造が堅固になって外部離脱が確実に防止可能となる。
このように、本発明の第２実施形態は、締結具４５によってカバー４０が熱源部５に結合される構造であり、第１実施形態（カバー４０の結合フランジ４１が熱源部５の縁部に結合される構造）に比べてカバー４０と熱源部５の間の接触面積を低減させることにより、熱源部５の熱がカバー４０に伝達されることを最小限に留めて熱損失を最少にすることができる。  その他の構成は、第１実施形態と類似ないし同一であるので、詳しい説明は省略する。
【００２５】
図４は、本発明の第３実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
図４に示す通り、本発明の第３実施形態に係る熱電発電システムは、車両のエンジンなどのような熱源部５の上面に取り付けられる一つ以上の熱電モジュール１０と、熱電モジュール１０の上部に配置される冷却部２０と、熱電モジュール１０に対して緩衝性を与える緩衝手段と、緩衝手段の上部を覆うように設けられるカバー４０とを含む。
冷却部２０は一つ以上の冷却ジャケット２１を有し、冷却ジャケット２１には冷却媒体が通過する冷却通路２３が形成されている。
そして、冷却ジャケット２１は、熱電モジュール１０の個数に対応する個数からなっており、各冷却ジャケット２１は各熱電モジュール１０の上面に個別的に配置されている。
【００２６】
緩衝手段は一つ以上の緩衝バネ６１からなっており、緩衝バネ６１は、冷却ジャケット２１の上部に配置され、冷却ジャケット２１と熱電モジュール１０に対して上下方向に緩衝性を与えることができ、熱電モジュール１０、冷却ジャケット２１などが熱膨張などのような熱影響によって破損されることを確実に防止することができる。
一方、各冷却ジャケット２１の上部には緩衝バネ６１が収容される収容溝２２が形成され、緩衝バネ６１の外部離脱が防止可能となり、緩衝バネ６１は熱源部５の熱影響を受けることが少ないので、弾性係数などの特性変化の防止が可能である。
カバー４０は、第１実施形態と同様に、結合フランジ４１を熱源部５の縁部に溶接して結合される。
その他の構成は、第１、第２実施形態と類似ないし同一なので、その詳しい説明は省略する。
【００２７】
図５は、本発明の第４実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
図５に示す通り、熱源部５の上面に一つ以上の熱電モジュール１０が個別に嵌め込まれる嵌入溝５ａが形成される。熱電モジュール１０は熱源部５の上面に非常に堅固かつ安定的に取り付けられているため、組立ての途中または取り付後の脱落などが確実に防止可能である。
その他の残りの構成は、第１、第２、第３実施形態と類似ないし同一なので、その詳しい説明は省略する。
【００２８】
図６は、本発明の第５実施形態に係る熱電発電システムを示した側面図である。
図６に示す通り、第３実施形態（図４を参照）の緩衝手段を備え、第２実施形態（図２を参照）の締結具４５によってカバー４０が熱源部５側に結合される構造である。
その他の残りの構成は、第１、第２、第３実施形態と類似ないし同一なので、その詳しい説明は省略する。
【００２９】
以上、本発明に関する好適な実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００３０】
５  熱源部
１０  熱電モジュール
２０  冷却部
３１  加圧マット
３２  メタルメッシュ
４０  カバー
６１  緩衝バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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