(57)【要約】【課題】熱電発電素子モジュールの高温側電極へ流入する熱流量および低温側電極から流出する熱流量を十分に確保することができる熱電発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】冷却側熱流板２２は、複数のスリットにより部分的に弾性変形可能に分割された複数の舌片部を有し、各舌片部が低弾性体２４の弾性反力（押付ける圧力）で熱電発電素子モジュール２３の低温側電極２３Ｂに弾性的に圧接しているため、低温側電極２３Ｂの高さに不揃いがあった場合においても、複数の舌片部が部分的に弾性変形して低温側電極２３Ｂに確実に面接触する。その結果、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂから熱電発電素子モジュール２３を貫通して冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂへ流出する熱流量が十分に確保され、熱電発電素子モジュール２３の発電性能が向上する。【選択図】図９
2009278830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性の異なる一群の熱電発電素子が高温側電極および低温側電極を介して交互に直列にパイ型接続される円環状または平面状に構成された熱電発電素子モジュールと、熱電発電素子モジュールの高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流板と、熱電発電素子モジュールの低温側電極から熱を流出させる冷却側熱流板とを備えた熱電発電装置であって、
前記冷却側熱流板は、複数のスリットにより部分的に弾性変形可能に構成されており、この冷却側熱流板は、前記吸熱側熱流板との間に熱電発電素子モジュールを挟持するように低弾性体の弾性反力を受けて熱電発電素子モジュールの低温側電極に押圧されていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記冷却側熱流板は、金属板の間にグラファイトシートが挟み込まれた断面構造を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記グラファイトシートは複数枚が積層された構造を有し、前記冷却側熱流板の熱流入側および熱流出側の少なくとも一方の部分は、積層された複数枚のグラファイトシートが伝熱性の熱流分岐板により交互に挟み込まれた断面構造を有することを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱電発電素子モジュールが円環状に構成され、前記低温側電極が前記冷却側熱流板を兼用するように構成されており、この低温側電極には、前記熱電発電素子の低温端側への弾性力を付与するクッション部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記熱電発電素子モジュールが円環状に構成されており、前記高温側電極および低温側電極には、一群の熱電発電素子の配列方向および軸方向に柔軟性を付与するスリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば内燃機関の排気熱を回収して熱発電するのに好適な熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、熱電発電装置は、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＰ型およびＮ型からなる一群の熱電発電素子が高温側電極および低温側電極を介して交互に直列にパイ型接続された熱電発電素子モジュールを備えている。
【０００３】
この種の熱電発電素子モジュールを備えた熱電発電装置として、特許文献１には、内燃機関の排気が流通する吸熱管路と、この吸熱管路の外側に所定の間隔を開けて配設された冷却管路との間に円環状に構成される熱電発電素子モジュールを備えた熱電発電装置が記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載の熱電発電素子モジュールは、吸熱管路の周方向に沿ってその外周面に接触する高温電極と、冷却管路の周方向に沿ってその内周面に接触する低温電極との間に一群の熱電発電素子が交互にパイ型接続されて放射状に配列されている。
【０００５】
また、他の熱電発電装置として、特許文献２には、熱エネルギーが供給される筒状の内部支持体と、その外側に配置される筒状の外部支持体との間に円環状に構成される熱電発電素子モジュールを備えた熱電発電装置が記載されている。
【０００６】
特許文献２に記載の熱電発電素子モジュールは、特許文献１に記載の熱電発電素子モジュールと略同様に構成されているが、筒状の内部支持体の熱膨脹により各熱電発電素子が筒状の外部支持体との間で圧縮破壊するのを防止するため、筒状の外部支持体と低温側電極との間にゴムシート等の弾性層が介設されている。
【特許文献１】特開昭６１−２５４０８２号公報（第２図〜第４図）
【特許文献２】特開２００３−１１０１５７号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述した特許文献１に記載の熱電発電装置においては、熱電発電素子モジュールを構成する一群の熱電発電素子の長さの製造誤差により、低温側電極の高さに不揃いがあった場合、その低温側電極と冷却管路との接触面に隙間があいて低温側電極から冷却管路への熱流量が減少し、熱電発電素子モジュールの発電性能が低下する虞がある。
【０００８】
この点、特許文献２に記載の熱電発電装置においては、筒状の外部支持体と低温側電極との間にゴムシート等の弾性層が介設されているため、低温側電極の高さに不揃いがあっても、その不揃いを弾性層が吸収するものと思われる。しかしながら、ゴムシートは熱抵抗が大きいため、低温側電極から筒状の外部支持体への熱流量が減少するのであり、特許文献２に記載の熱電発電装置においても熱電発電素子モジュールの発電性能が低下する虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、熱電発電素子モジュールの高温側電極へ流入する熱流量および低温側電極から流出する熱流量を十分に確保することができる熱電発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る熱電発電装置は、極性の異なる一群の熱電発電素子が高温側電極および低温側電極を介して交互に直列にパイ型接続される円環状または平面状に構成された熱電発電素子モジュールと、熱電発電素子モジュールの高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流板と、熱電発電素子モジュールの低温側電極から熱を流出させる冷却側熱流板とを備えた熱電発電装置であって、冷却側熱流板は、複数のスリットにより部分的に弾性変形可能に構成されており、この冷却側熱流板は、吸熱側熱流板との間に熱電発電素子モジュールを挟持するように低弾性体の弾性反力を受けて熱電発電素子モジュールの低温側電極に押圧されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る熱電発電装置では、熱電発電素子モジュールを構成する一群の熱電発電素子の長さの製造誤差により、低温側電極の高さに不揃いがあっても、冷却側熱流板は、その高さの不揃いを吸収するように部分的に弾性変形して低温側電極に確実に面接触し、吸熱側熱流板との間に熱電発電素子モジュールを確実に挟持する。その結果、吸熱側熱流板から熱電発電素子モジュールの高温側電極へ流入する熱流量および低温側電極から冷却側熱流板へ流出する熱流量が十分に確保され、熱電発電素子モジュールの発電性能が向上する。
【００１２】
また、吸熱側熱流板が高温となって熱変形しても、その熱変形を吸収するように冷却側熱流板が部分的に弾性変形するため、この場合にも吸熱側熱流板から熱電発電素子モジュールの高温側電極へ流入する熱流量および低温側電極から冷却側熱流板へ流出する熱流量が十分に確保され、熱電発電素子モジュールの発電性能が向上する。
【００１３】
本発明の熱電発電装置において、冷却側熱流板は、金属板の間にグラファイトシートが挟み込まれた断面構造を有しているのが好ましい。この場合、グラファイトシートの高熱伝導特性により冷却側熱流板の熱抵抗が大幅に低減されるため、熱電発電素子モジュールの発電性能が向上する。
【００１４】
ここで、グラファイトシートは複数枚が積層された構造とすることができる。この場合、冷却側熱流板の熱流入側および熱流出側の少なくとも一方の部分は、積層された複数枚のグラファイトシートが伝熱性の熱流分岐板により交互に挟み込まれた断面構造を有しているのが好ましい。
【００１５】
また、本発明の熱電発電装置において、熱電発電素子モジュールが円環状に構成される場合、熱電発電素子モジュールの低温側電極は、冷却側熱流板を兼用するように構成することができる。この場合、冷却側熱流板を兼用する低温側電極には、熱電発電素子の低温端側への弾性力を付与するクッション部が形成されているのが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の熱電発電装置において、熱電発電素子モジュールが円環状に構成される場合、熱電発電素子モジュールの高温側電極および低温側電極には、一群の熱電発電素子の配列方向および軸方向に柔軟性を付与するスリットが形成されているのが好ましい。
【００１７】
この場合、円環状の熱電発電素子モジュールの高温側が径方向に熱膨脹しようとする際には、高温側電極および低温側電極が一群の熱電発電素子の配列方向および軸方向に柔軟性を発揮することにより、一群の熱電発電素子との間に発生する熱応力が緩和される。
【００１８】
加えて、高温側電極および低温側電極は、一群の熱電発電素子の軸方向に柔軟性を発揮して低弾性体による押圧方向に容易に変位するため、各熱電発電素子の長さや高温端および低温端の平面度のバラツキがあっても、これらに均一に接触することで、接触熱抵抗および電気抵抗を低減する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る熱電発電装置によれば、冷却側熱流板を複数のスリットにより部分的に弾性変形可能に構成し、この冷却側熱流板を低弾性体の弾性反力により熱電発電素子モジュールの低温側電極に押圧するという低コストな構造でありながら、熱電発電素子モジュールを構成する低温側電極の高さに不揃いがあった場合、あるいは、吸熱側熱流板が高温となって熱変形した場合においても、吸熱側熱流板から熱電発電素子モジュールの高温側電極へ流入する熱流量および低温側電極から冷却側熱流板へ流出する熱流量を十分に確保することができ、熱電発電素子モジュールの発電性能を向上させることができる。
【００２０】
また、冷却側熱流板の断面構造が金属板の間にグラファイトシートを挟み込んだ断面構造とされている熱電発電装置によれば、グラファイトシートの高熱伝導特性により冷却側熱流板の熱抵抗が大幅に低減されるため、熱電発電素子モジュールの発電性能をより向上させることができる。
【００２１】
さらに、熱電発電素子モジュールが円環状に構成され、熱電発電素子モジュールの高温側電極および低温側電極が交互にパイ型接続される２つの熱電発電素子の間の中央部分にスリットを有するＵ字状に形成されている熱電発電装置によれば、熱電発電素子モジュールが径方向に熱変形する際に、高温側電極および低温側電極のスリットの両側部分が熱電発電素子モジュールの円周方向に相対変位するため、各熱電発電素子と高温側電極および低温側電極との間に発生する応力を緩和することができる。
【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に係る熱電発電装置の最良の実施形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図、図２は図１に示した熱電発電装置の外観を示す斜視図、図３は図２に示した熱電発電装置の側面図、図４は同熱電発電装置の正面図、図５は同熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図、図６は同熱電発電装置の内部構造を示す縦断面図である。
【００２３】
図１に示すように、第１実施形態の熱電発電装置１は、車両に搭載された内燃機関（図示省略）の排気系に排出される排気から排気熱を回収して熱発電するように、例えば、排気上流側の排気マニホールド２に接続された触媒コンバータ３と、排気下流側のマフラー４との間に介設されている。そして、この熱電発電装置１により熱発電される電気エネルギーは、ＥＣＵ（Electronic  Control  Unit）５によって制御されるＤＣ−ＤＣコンバータ６を介してバッテリー７に充電されるように構成されている。
【００２４】
なお、車両の登坂運転時のような内燃機関の高負荷運転領域で熱電発電装置１の回収熱量を一時的に低減させたり、あるいは熱電発電装置１のシステム異常の際に熱回収を停止させるため、熱電発電装置１の中心部には、触媒コンバータ３からマフラー４側に排気を直接流通させるバイパス管８が貫通して設置されている。そして、このバイパス管８の排気流入口には、ＥＣＵ５によって開閉制御されるバイパスバルブ９が付設されている。
【００２５】
図２〜図６に示すように、熱電発電装置１は、その外周部を構成する中空円筒状の冷却水ケース１０、排気の流入部を構成する筒状の流入側ハウジング１１、排気の流出部を構成する筒状の流出側ハウジング１２、流入側ハウジング１１を覆う流入側ジャバラ管１３、流出側ハウジング１２を覆う流出側ジャバラ管１４等の部材を備えて構成されている。
【００２６】
図５および図６に示すよう、冷却水ケース１０の後端部には冷却水が流入する流入側ニップル１０Ａが接続され、冷却水ケース１０の前端部には冷却水が流出する流出側ニップル１０Ｂが接続されている。これらの流入側ニップル１０Ａおよび流出側ニップル１０Ｂは、図１に示したＥＣＵ５によりオン・オフ制御される冷却水循環ポンプ１５およびラジエータ１６を備えた冷却水の循環管路に接続されており、冷却水循環ポンプ１５がＥＣＵ５によりオン制御されると、ラジエータ１６で冷却された冷却水が冷却水ケース１０内を流通して循環するようになっている。
【００２７】
筒状の流入側ハウジング１１の内端部には、複数本の放射状連結部１１Ａを介して連続する小径のリング状支持部１１Ｂが形成されている。この流入側ハウジング１１は、リング状支持部１１Ｂがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。筒状の流出側ハウジング１２も流入側ハウジング１１と同様に構成されており、複数本の放射状連結部１２Ａを介して連続するリング状支持部１２Ｂがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。
【００２８】
流入側ハウジング１１内に臨むバイパス管８の前端部には大径部８Ａが形成されている。この大径部８Ａの段部には、流入側ハウジング１１のリング状支持部１１Ｂが係止されている。一方、流出側ハウジング１２内に臨むバイパス管８の後端部には小径部８Ｂが形成されており、この小径部８Ｂには複数の皿ばね１７および押しナット１８が装着されている。
【００２９】
流入側ジャバラ管１３は、その外端部が流入側ハウジング１１の外端部に気密状態で嵌合固定され、その内端部が冷却水ケース１０の前端部に気密状態で嵌合固定されている。同様に、流出側ジャバラ管１４は、その外端部が流出側ハウジング１２の外端部に気密状態で連結され、その内端部が冷却水ケース１０の後端部に気密状態で連結されている。そして、これらの流入側ジャバラ管１３および流出側ジャバラ管１４により外気と遮断された冷却水ケース１０の内側空間には、後述の熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電素子モジュール２３の酸化を防止するために、窒素ガスやアルゴンガスなどの適宜の不活性ガスが充填されている。
【００３０】
ここで、流入側ハウジング１１の後端面と、流出側ハウジング１２の前端面との間には、バイパス管８の外周および冷却水ケース１０の内周に摺動自在に嵌合する熱電発電ユニット２０が排気流入側から排気流出側に向かって例えば１２段に設置されている。これらの熱電発電ユニット２０は、流入側ハウジング１１の後端面と流出側ハウジング１２の前端面との間に所定の押付け荷重で挟持されており、その押付け荷重は、バイパス管８の小径部８Ｂに装着された押しナット１８のねじ込み量により、皿ばね１７の反発力を調整することで最適化されている。
【００３１】
各熱電発電ユニット２０は、図７および図８に分解して示すように、耐熱性のある絶縁性セラミックスによりドーナツ状に形成された一対の吸熱側熱流板２１，２１と、絶縁性セラミックスによりそれぞれＬ字型断面のリング状に形成されて吸熱側熱流板２１，２１の間に配置される一対の冷却側熱流板２２，２２と、各冷却側熱流板２２，２２と各吸熱側熱流板２１，２１との間に挟持される円環状に組み立てられた一対の熱電発電素子モジュール２３，２３とで構成されている。
【００３２】
各吸熱側熱流板２１は、幅の広いリング状本体２１Ａの中央部から外周側に突出する幅の狭いフランジ部２１Ｂと、リング状本体２１Ａから内周側に同幅で放射状に突出する多数のくし歯状のフィン２１Ｃとを有し、フランジ部２１Ｂの両側面には、熱電発電素子モジュール２３を構成する一群の小判形の高温側電極２３Ａを嵌め込んで保持する小判形の一群の保持凹部２１Ｄが形成されている。
【００３３】
このような吸熱側熱流板２１は、熱回収部材としてバイパス管８の外周に嵌合される。すなわち、多数のくし歯状のフィン２１Ｃの内端側がバイパス管８を囲んでその外周に嵌合される（図４〜図６参照）。これによりバイパス管８の周囲には、バイパス管８の軸方向に沿って排気が流通する所定のクリアランスが形成される。
【００３４】
一対の冷却側熱流板２２，２２は、図９に拡大して示すように、冷却水ケース１０の内周面に嵌合される外周リング部２２Ａ，２２Ａと、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂに対面するフランジ部２２Ｂ，２２Ｂとを有し、このフランジ部２２Ｂ，２２Ｂが相互に対面するように背面合わせの状態で配置される。そして、一対の冷却側熱流板２２，２２の外周リング部２２Ａ，２２Ａは、冷却水ケース１０の内周面に熱伝導性の高いシリコングリース層を介して密着状態で摺動可能に嵌合される。
【００３５】
熱電発電素子モジュール２３は、図１０および図１１に示すような円環状に構成されている。この熱電発電素子モジュール２３は、図７および図８に示した吸熱側熱流板２１の一群の保持凹部２１Ｄに嵌め込まれて環状に配列される小判型の一群の高温側電極２３Ａと、一群の高温側電極２３Ａに高温端を向けた状態で交互に環状に配列される一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎと、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端に予めハンダ接合されてパイ型接続される小判型の一群の低温側電極２３Ｂとを有し、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、一群の高温側電極２３Ａにそれぞれ高温端が圧接することで、交互に直列にパイ型接続されるようになっている。
【００３６】
なお、図示は省略するが、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂに対面する各高温側電極２３Ａの外面は、絶縁セラミックスやカプトンフィルム等で電気的に絶縁処理されている。同様に、冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂに対面する各低温側電極２３Ｂの外面も絶縁セラミックスやカプトンフィルム等で電気的に絶縁処理されている。
【００３７】
ここで、図１２に拡大して示すように、冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂには、その内周側から放射状に延びる複数のスリットＳにより円周方向に分割されることで、部分的に弾性変形可能な複数の舌片部Ｔが形成されている。これらの舌片部Ｔは、図１３に示すように、円環状の熱電発電素子モジュール２３を構成する小判型の各低温側電極２３Ｂに対応した幅およびピッチで形成されており、各低温側電極２３Ｂに弾性的に接触するようになっている。
【００３８】
そして、冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂに形成された各舌片部Ｔを各低温側電極２３Ｂ側に押圧するため、図９に示すように、フランジ部２２Ｂ，２２Ｂの対向面間には、ゴム材料（またはエラストマ樹脂）からなるリング状の低弾性体２４が予圧縮された状態で介設されている。このゴム製の低弾性体２４の両面はフランジ部２２Ｂ，２２Ｂの対向面に加硫接着などの手段でそれぞれ接合されている。
【００３９】
ここで、予圧縮されるゴム製の低弾性体２４の圧縮ひずみ量は、低弾性体２４に亀裂やへたりが発生しにくい範囲として、例えば２０％に設定されている。この場合、２０％の圧縮量に予圧縮された低弾性体２４が冷却側熱流板２２の各舌片部Ｔを介して熱電発電素子モジュール２３を吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂに押し付ける圧力、すなわち低弾性体２４の弾性反力は、ゴムの縦弾性係数（ヤング率）を１〜１０ＭＰａとすると、０．２〜２ＭＰａとなる。
【００４０】
ところで、低弾性体２４の弾性反力は熱電発電素子モジュール２３の発電量に大きく影響するため、実験的に低弾性体２４の弾性反力を０．２〜２ＭＰａの範囲で変化させて熱電発電素子モジュール２３の発電量を求めたところ、低弾性体２４の弾性反力が０．２〜１．４ＭＰａの範囲では熱電発電素子モジュール２３の発電量が漸次増大するが、弾性反力が１．４ＭＰａ以上では発電量が略一定となることが判明した。
【００４１】
図１４は、低弾性体２４の弾性反力と熱電発電素子モジュール２３の発電量との関係を示すグラフであり、縦軸は低弾性体２４の弾性反力が１．４ＭＰａのときの熱電発電素子モジュール２３の発電量を１００％とした発電出力比を示している。このグラフによれば、低弾性体２４の弾性反力が０．５ＭＰａ以上であれば１．４ＭＰａのときの９０％以上の発電量が得られることがわかる。そこで、本実施形態の熱電発電装置１においては、低弾性体２４の弾性反力を０．５〜１．４ＭＰａの範囲に設定している。すなわち、低弾性体２４として、縦弾性係数（ヤング率）が２．５〜７ＭＰａの範囲のゴムを使用している。
【００４２】
以上のように構成された第１実施形態の熱電発電装置１では、図示しない車両の内燃機関の運転開始に伴い、その排気が図５に白抜き矢印で示すように熱電発電装置１内を流入側ハウジング１１から流出側ハウジング１２に向けて流通すると、各段の熱電発電ユニット２０を構成する各吸熱側熱流板２１が多数のくし歯状のフィン２１Ｃにより排気熱を回収する。
【００４３】
そして、回収された排気熱が図９の点線矢印に示すように、各吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂからその両側の熱電発電素子モジュール２３，２３を貫通した後、冷却側熱流板２２，２２を介して冷却水ケース１０へと流れることで、各熱電発電素子モジュール２３が熱発電を開始し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６を介してバッテリー７に充電される。
【００４４】
ここで、各熱電発電素子モジュール２３の低温側電極２３Ｂに面接触する冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂは、図１３に示したように、複数のスリットＳにより部分的に弾性変形可能な複数の舌片部Ｔに分割されており、これらの舌片部Ｔは、予圧縮された低弾性体２４の弾性反力により０．５〜１．４ＭＰａの押付け圧力で低温側電極２３Ｂに弾性的に圧接している。
【００４５】
このため、熱電発電素子モジュール２３を構成する一群のｐ型熱電発電素子Ｐまたはｎ型熱電発電素子Ｎの長さの製造誤差により、一群の低温側電極２３Ｂの高さに不揃いがあっても、その高さの不揃いを吸収するように冷却側熱流板２２の複数の舌片部Ｔが部分的に弾性変形して低温側電極２３Ｂに確実に面接触し、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂとの間に熱電発電素子モジュール２３を０．５〜１．４ＭＰａの押付け圧力で確実に挟持する。
【００４６】
その結果、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂから熱電発電素子モジュール２３の高温側電極２３Ａへ流入する熱流量が十分に確保されると共に、熱電発電素子モジュール２３の低温側電極２３Ｂから冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂへ流出する熱流量が十分に確保され、こうして熱電発電素子モジュール２３の発電性能が向上する。
【００４７】
また、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂが高温となって熱変形により傾斜しても、その熱変形による傾斜を吸収するように冷却側熱流板２２の複数の舌片部Ｔが部分的に弾性変形するため、この場合にも吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂから熱電発電素子モジュール２３の高温側電極２３Ａへ流入する熱流量および低温側電極２３Ｂから冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂへ流出する熱流量が十分に確保され、熱電発電素子モジュール２３の発電性能が向上する。
【００４８】
すなわち、第１実施形態の熱電発電装置１によれば、熱電発電素子モジュール２３の低温側電極２３Ｂの高さに不揃いがあった場合、あるいは、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂが高温となって熱変形した場合においても、吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂから熱電発電素子モジュール２３の高温側電極２３Ａへ流入する熱流量および低温側電極２３Ｂから冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂへ流出する熱流量を十分に確保することができ、熱電発電素子モジュール２３の発電性能を向上させることができる。
【００４９】
そして、第１実施形態の熱電発電装置１によれば、冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂを複数のスリットＳにより部分的に弾性変形可能な複数の舌片部Ｔに分割し、これらの舌片部Ｔを低弾性体２４の弾性反力により熱電発電素子モジュール２３の低温側電極２３Ｂに押圧するという低コストで実現可能な構造により、このような作用効果を得ることができる。
【００５０】
ここで、第１実施形態の熱電発電装置１における熱電発電ユニット２０については、種々の変更が可能である。例えば図５、図６に示した熱電発電ユニット２０は、全１２段で構成されているが、その段数は適宜増減することができる。また、熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電素子モジュール２３の各低温側電極２３Ｂ（図１１参照）は、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端に予めハンダ接合されているが、高温側電極２３Ａと同様に、予め接合することなく平面接触するように構成されていてもよい。
【００５１】
特に、熱電発電ユニット２０を構成する冷却側熱流板２２（図１３参照）のフランジ部２２Ｂに形成されるスリットＳ，Ｓ…は、一組のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎに接合される一つの低温側電極２３Ｂに対応したピッチで形成されているが、その半分のピッチで形成されていてもよく、あるいは隣り合う２つまたは３つの低温側電極２３Ｂに対応するように２〜３倍のピッチで形成されていてもよい。
【００５２】
また、図９に示した低弾性体２４を挟持する一対の冷却側熱流板２２，２２は、図１５に示すような断面構造を有する単一の冷却側熱流板２５に変更してもよい。この冷却側熱流板２５は、冷却水ケース１０の内周面に嵌合される外周リング部２５Ａと、外周リング部２５Ａの内周側に突出する一対のフランジ部２５Ｂ，２５Ｂとを有するものであり、一対のフランジ部２５Ｂ，２５Ｂには、その内周側から放射状に延びる複数のスリットＳ，Ｓにより円周方向に分割されることで、部分的に弾性変形可能な複数の舌片部Ｔ，Ｔがそれぞれ形成されている。
【００５３】
さらに、熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電素子モジュール２３（図１０参照）の高温側電極２３Ａおよび低温側電極２３Ｂは、正面形状が熱電発電素子モジュール２３の円周方向に沿った横向きの小判形であったが、その正面形状は適宜変更することができる。図１６〜図１８はその一例を示しており、高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄの正面形状は、熱電発電素子モジュール２３の内周側を上側として見た場合、切込みの深いハート形ないしはＶ字（Ｕ字）形に形成されている。
【００５４】
図１８は、図１７に示した熱電発電素子モジュール２３の上部を高温側電極２３Ｃ側から見た部分拡大図であり、高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄは、熱電発電素子モジュール２３の外周側を上側として図示されているため、切込みの深いハート形ないしはＶ字（Ｕ字）形を上下に反転させた正面形状となっている。これらの高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄは、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎが接合される両端部の間の中央部に内周側から外周側に向けて放射状に延びるスリットＳを有し、このスリットＳの奥側の幅の狭い連結部Ｊを屈曲点として屈曲可能となっている。
【００５５】
すなわち、高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄは、スリットＳの奥側の連結部Ｊを屈曲点として、両端部がｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの円環状の配列方向に沿って相互に接近または離間可能となっている。同時に、高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄは、連結部Ｊを屈曲点として、両端部がｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの軸方向に柔軟に相対変位可能となっている。
【００５６】
図１６〜図１８に示した変形例では、図９に示した吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂが熱膨脹し、これに伴い環状に配列されたｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端側の直径が増大してｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの各軸が径方向に傾斜しようとする際には、各高温側電極２３ＣのスリットＳが閉じてその両側の両端部が相互に接近し、各低温側電極２３ＤのスリットＳが開いてその両側の両端部が相互に離間することで、環状に配列されたｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端側の直径と低温端側の直径との差の増大が抑制され、その結果、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの各軸の傾斜が抑制される。
【００５７】
加えて、隣合うｐ型熱電発電素子Ｐとｎ型熱電発電素子Ｎの軸の傾きに差が生じていても、高温側電極２３Ｃの両端部および低温側電極２３Ｄの両端部がそれぞれｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの軸方向に柔軟に相対変位するため、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、その高温端が各高温側電極２３Ｃを介して吸熱側熱流板２１のフランジ部２１Ｂに均一に接触し、その低温端が各低温側電極２３Ｄを介して冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂに均一に接触するようになる。そして、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端と各低温側電極２３Ｄとの間に過大な応力が発生することも抑制される。
【００５８】
その結果、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端の接触熱抵抗および低温端の接触熱抵抗が低減され、各熱電発電素子モジュール２３の発電量が増大する。加えて、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端と各低温側電極２３Ｄとの間に過大な応力が発生することも抑制される。
【００５９】
なお、図１６〜図１８に示した変形例は一例であり、図１９〜図２１に示すように、各高温側電極２３Ｃの正面形状は、熱電発電素子モジュール２３の外周側を上側として見た場合に切込みの深いハート形ないしはＶ字（Ｕ字）形に形成し、各低温側電極２３Ｄの正面形状は、熱電発電素子モジュール２３の内周側を上側として見た場合に切込みの深いハート形ないしはＶ字（Ｕ字）形に形成してもよい。
【００６０】
さらに、図示は省略するが、高温側電極２３Ｃおよび低温側電極２３Ｄの向きは、図１６〜図１８に示した例を熱電発電素子モジュール２３の径方向に反転させたものであってもよいし、図１９〜図２１に示した例を熱電発電素子モジュール２３の径方向に反転させたものであってもよい。
【００６１】
ここで、図５に示した熱電発電ユニット２０は、図２２〜図２４に示すような熱電発電ユニット３０に変更することができる。すなわち、図２２に示すような外観を呈し、図２２および図２４に示すように組み立てられる構造の熱電発電ユニット３０に変更することができる。この熱電発電ユニット３０は、図２５に分解して示すように、吸熱側熱流板３１、冷却側熱流板３２、熱電発電素子モジュール３３、低弾性体３４および冷却リング３５により構成されている。
【００６２】
吸熱側熱流板３１は、図７に示した吸熱側熱流板２１と同様に構成されており、リング状本体２１Ａ、フランジ部２１Ｂ、フィン２１Ｃに対応するリング状本体３１Ａ、フランジ部３１Ｂ、フィン３１Ｃを有する。また、熱電発電素子モジュール３３は、図１０に示した熱電発電素子モジュール２３と同様に構成されており、高温側電極２３Ａ、低温側電極２３Ｂ、ｐ型熱電発電素子Ｐ、ｎ型熱電発電素子Ｎに対応する高温側電極３３Ａ、低温側電極３３Ｂ、ｐ型熱電発電素子Ｐ、ｎ型熱電発電素子Ｎを有する。そして、低弾性体３４は、図８に示した低弾性体２４と略同様に構成されている。
【００６３】
冷却側熱流板３２は、図１２に示した冷却側熱流板２２のフランジ部２２Ｂに対応す部材であり、複数のスリットＳおよび舌片部Ｔを有する。また、冷却リング３５は、図１２に示した冷却側熱流板２２の外周リング部２２Ａに対応す部材であり、両端部にフランジ部３５Ａ，３５Ａが形成されている。
【００６４】
このような熱電発電ユニット３０は、図２６に拡大して示すように、冷却リング３５の両端部のフランジ部３５Ａ，３５Ａに冷却側熱流板３２，３２が複数のボルトＢにより固定されている。そして、隣り合う一対の熱電発電ユニット３０の一方の冷却側熱流板３２と他方の冷却側熱流板３２との対向面間に低弾性体３４が予圧縮状態で介設されている。
【００６５】
ここで、冷却側熱流板３２の断面構造は、図２７に拡大して示すように、グラファイトシート３２Ｅの両面にばね鋼板３２Ｆ，３２Ｆが積層された３層構造とされている。グラファイトシート３２Ｅは、結晶方向への熱伝導性が例えば６００〜８００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導性の高い軟質材であり、結晶方向が冷却側熱流板３２の径方向に沿うように形成されている。一方、ばね鋼板３２Ｆ，３２Ｆは、柔軟性を発揮できるように、例えば０．１ｍｍ程度の板厚とされている。
【００６６】
図２２〜図２７に示した熱電発電ユニット３０では、冷却側熱流板３２が熱伝導性が高いグラファイトシート３２Ｅと、柔軟性のあるばね鋼板３２Ｆ，３２Ｆとの積層構造とされているため、冷却側熱流板３２自体の熱抵抗が大幅に低減されると共に、冷却側熱流板３２と各低温側電極３３Ｂとの接触状態が良好となってその接触熱抵抗が低減される。加えて、各低温側電極３３Ｂがｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端に非接合で接触する場合には、その接触部の電気抵抗も低減される。その結果、熱電発電素子モジュール３３の発電性能が大幅に向上する。
【００６７】
なお、図２７に示した断面構造の冷却側熱流板３２は、図２８に示す断面構造の冷却側熱流板４２に変更可能である。この冷却側熱流板４２は、内周部および外周部を除く部分の断面構造が２層のグラファイトシート４２Ｅ，４２Ｅの両側にばね鋼板４２Ｆ，４２Ｆを積層した構造とされており、熱流入側の内周部および熱流出側の外周部の断面構造は、熱伝導性の良い銅やニッケル等からなる３層の熱流分岐板４２Ｇ，４２Ｇ，４２Ｇが２層のグラファイトシート４２Ｅ，４２Ｅを交互に挟み込むようにフォーク状の断面形状をなして積層された構造とされている。
【００６８】
図２８に示した断面構造の冷却側熱流板４２では、熱流入側の内周部に流入する熱は、３層の熱流分岐板４２Ｇ，４２Ｇ，４２Ｇにより増大された大きな接触面を介して２層のグラファイトシート４２Ｅ，４２Ｅに効率良く伝達され、このグラファイトシート４２Ｅ，４２Ｅの外周部から熱流出側の熱流分岐板４２Ｇ，４２Ｇ，４２Ｇへと効率良く伝達される。このため、冷却側熱流板４２の熱抵抗が大幅に低減されて熱電発電素子モジュール３３の発電性能が大幅に向上する。
【００６９】
ここで、図２５に示した冷却側熱流板３２は、図２９に示す一群の低温側電極３３Ｃまたは図３０に示す一群の低温側電極３３Ｄに変更可能である。図２９に示す各低温側電極３３Ｃは、内周側の端部にｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎが接合され、外周側の端部がボルトＢにより冷却リング３５のフランジ部３５Ａに固定されるものである。その断面構造は、図２８に示した冷却側熱流板４２の断面構造と略同様に構成されているが、グラファイトシートを覆うばね鋼板は、電気伝導率の大きい銅板に変更される。
【００７０】
一方、図３０に示す一群の低温側電極３３Ｄは、柔軟性を向上させるように湾曲した断面形状のクッション部Ｃが外周側の端部付近に形成されたものであり、その他は図２９に示した低温側電極３３Ｃと同様に構成されている。なお、図２９に示した各低温側電極３３Ｃおよび図３０に示した各低温側電極３３Ｄの外周側の端部と冷却リング３５のフランジ部３５Ａとの間の絶縁構造として、両者の間には図示しない絶縁材が介設される。また、ボルトＢは絶縁樹脂製のものが使用されるが、そうでない場合には、図示しない絶縁ワッシャを介して捩じ込まれる。
【００７１】
つぎに、図３１〜図３５を参照して第２実施形態に係る熱電発電装置を説明する。第２実施形態の熱電発電装置５０は、一般に熱電発電スタックと呼称されるものであり、図３１に示す側面形状を有する。この熱電発電装置５０は、排気の流入部を構成する流入側ハウジング５１と排気の流出部を構成する流出側ハウジング５２との間に例えば３段の熱電発電ユニット６０が構成されたものである。
【００７２】
熱電発電ユニット６０は、図３２に示すように、排気熱を回収するための多数のくし歯状のフィン６１Ａが内周側に放射状に形成され、かつ、外周側に６面のモジュール取付け面６１Ｂが形成された吸熱側熱流板６１と、吸熱側熱流板６１の各モジュール取付け面６１Ｂ上に設置される平板状に構成された６個の熱電発電素子モジュール６２と、各熱電発電素子モジュール６２を吸熱側熱流板６１の各モジュール取付け面６１Ｂに押圧する６個の冷却側熱流板６３とを備えている。
【００７３】
熱電発電素子モジュール６２は、図３３の分解斜視図に示すような内部構造を有する。すなわち、熱電発電素子モジュール６２は、吸熱側熱流板６１のモジュール取付け面６１Ｂ上に押圧される高温側の面を上にした状態で示す概略正方形の浅いボックス状に形成されたケース本体６２Ａと、このケース本体６２Ａの開口部を塞ぐケース蓋６２Ｂとの間に、一群の高温側電極６２Ｃ、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎ、一群の低温側電極６２Ｄ、冷却側熱流板６２Ｅ、複数本の低弾性体６２Ｆが上下に重ねられて圧縮状態で収容された内部構造を有する。
【００７４】
一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端には一群の低温側電極６２Ｄが予めハンダ接合によりパイ型接続されており、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、高温端に一群の高温側電極６２Ｃが圧接されることで、交互に直列にパイ型接続されるようになっている。
【００７５】
ここで、冷却側熱流板６２Ｅは、例えば縦３列、横４列に配列される１２個の小片に分割されており、各小片には、その両端から横方向に切り込まれた各スリットＳにより、部分的に弾性変形可能な４つの舌片部Ｔが形成されている。
【００７６】
低弾性体６２Ｆは、ゴム材料（またはエラストマ樹脂）により横長の長方形の断面形状を有する棒状に形成されており、その厚さは例えば５ｍｍに設定されている。この低弾性体６２Ｆは、冷却側熱流板６２Ｅの縦３列に配列された各列の小片に２本一組で対応するように合計６本配置されている。そして、この２本一組の低弾性体６２Ｆをそれぞれ位置決めするように、ケース蓋６２Ｂの内面には、３本のスペーサ突部６２Ｇが形成されている。
【００７７】
図３４は図３３に示した６本の低弾性体６２Ｆを横断する方向に熱電発電素子モジュール６２を切断した断面図であり、図３５は図３３に示した低弾性体６２Ｆに沿う方向に熱電発電素子モジュール６２を切断した断面図である。図３４に示すように、６本の低弾性体６２Ｆは、ケース蓋６２Ｂの内面の各スペーサ突部６２Ｇの両側に２本一組として位置決めされており、各２本一組の低弾性体６２Ｆは、冷却側熱流板６２Ｅの縦３列に配列された各列の小片の両側部分に対面して配置されている。すなわち、各低弾性体６２Ｆは、図３５に示すように、冷却側熱流板６２Ｅの各小片に形成された部分的に弾性変形可能な舌片部Ｔに対面している。
【００７８】
ここで、厚さが例えば５ｍｍに設定された各低弾性体６２Ｆは、ケース本体６２Ａとケース蓋６２Ｂとの間に挟持されることで、例えば４ｍｍの厚さに圧縮されている。すなわち、厚さ５ｍｍの２０％である１ｍｍの圧縮量に予圧縮されており、その弾性反力は第１実施形態の低弾性体２４と同程度の０．２〜２ＭＰａとなっている。そして、この場合、低弾性体６２Ｆの厚さが圧縮量１ｍｍの１０％の０．１ｍｍ変動した場合、、低弾性体６２Ｆの弾性反力の変動は僅かに２％に留まる。
【００７９】
以上のように構成された第２実施形態の熱電発電装置５０では、吸熱側熱流板６１のフィン６１Ａが排気熱を回収することで平板状に構成された各熱電発電素子モジュール６２が熱電発電を開始する。その際、吸熱側熱流板６１の各モジュール取付け面６１Ｂにはバイメタル変形が発生し易く、また、平板状の各熱電発電素子モジュール６２にもバイメタル変形が発生し易い。
【００８０】
しかしながら、このようなバイメタル変形が発生しても、予圧縮された各低弾性体６２Ｆが０．２〜２ＭＰａの弾性反力で冷却側熱流板６２Ｅの各小片に形成された部分的に弾性変形可能な各舌片部Ｔを低温側電極６２Ｄに向けて押圧しているため、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、高温側電極６２Ｃを介してケース本体６２Ａの高温面に確実に接触するようになる。
【００８１】
一方、熱電発電素子モジュール６２を構成する一群のｐ型熱電発電素子Ｐまたはｎ型熱電発電素子Ｎの長さの製造誤差により、一群の低温側電極６２Ｄの高さに不揃いがあっても、その高さの不揃いを吸収するように冷却側熱流板６２Ｅの各舌片部Ｔが部分的に弾性変形して低温側電極２３Ｂに確実に面接触する。
【００８２】
その結果、吸熱側熱流板６１の各モジュール取付け面６１Ｂからケース本体６２Ａおよび一群の高温側電極６２Ｃを介して一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端に流入する熱流量が十分に確保されると共に、一群の低温側電極６２Ｄから冷却側熱流板６２Ｅへ流出する熱流量が十分に確保され、こうして熱電発電素子モジュール２３の発電性能が向上する。加えて、一群の高温側電極６２Ｃと一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端との間の電気抵抗の増大も抑制ないし回避され、この点からも熱電発電素子モジュール６２の発電性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図である。
【図２】図１に示した熱電発電装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図２に示した熱電発電装置の側面図である。
【図４】図３に示した熱電発電装置の正面図である。
【図５】図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図である。
【図６】図５に示した熱電発電装置の内部構造を示す縦断面図である。
【図７】図６に示した熱電発電ユニットの構成を示す分解斜視図である。
【図８】図７に示した熱電発電ユニットを半断面として示す分解斜視図である。
【図９】図６に示した熱電発電ユニットの一部を拡大して示す部分断面図である。
【図１０】図７に示した熱電発電素子モジュールの組み立て状態を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示した熱電発電素子モジュールの分解斜視図である。
【図１２】図７に示した冷却側熱流板を拡大して示す斜視図である。
【図１３】図７に示した一方の冷却側熱流板および熱電発電素子モジュールの正面図である。
【図１４】図９に示した低弾性体の弾性反力と熱電発電素子モジュールの発電量との関係を示すグラフである。
【図１５】図９に示した一対の冷却側熱流板の変形例を示す半断面図である。
【図１６】図１０に示した熱電発電素子モジュールの変形例を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示した熱電発電素子モジュールの正面図である。
【図１８】図１７に示した熱電発電素子モジュールの上部を高温側電極側から見た部分拡大図である。
【図１９】図１６に示した熱電発電素子モジュールの変形例を示す斜視図である。
【図２０】図１９に示した熱電発電素子モジュールの正面図である。
【図２１】図２０に示した熱電発電素子モジュールの上部の部分拡大図である。
【図２２】図５に示した熱電発電ユニットの変形例の外観を示す斜視図である。
【図２３】図２２に示した熱電発電ユニットの内部構造を示す半断面斜視図である。
【図２４】図２２に示した熱電発電ユニットの内部構造を示す全断面図である。
【図２５】図２２に示した熱電発電ユニットの内部構造を示す分解斜視図である。
【図２６】図２４に示した熱電発電ユニットの一部を拡大して示す部分断面図である。
【図２７】図２６に示した冷却側熱流板の断面構造を示す部分拡大断面図である。
【図２８】図２７に示した冷却側熱流板の変形例の断面構造を示す部分断面図である。
【図２９】図２５に示した冷却側熱流板の変形例として構成された一群の低温側電極を示す斜視図である。
【図３０】図２９に示した一群の低温側電極の変形例を示す斜視図である。
【図３１】第２実施形態に係る熱電発電装置の外観を示す側面図である。
【図３２】図３０に示した熱電発電装置の内部構造を示す横断面図である。
【図３３】図３２に示した熱電発電素子モジュールの内部構造を示す分解斜視図である。
【図３４】図３２に示した熱電発電素子モジュールの横断面図である。
【図３５】図３２に示した熱電発電素子モジュールの縦断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…熱電発電装置、２０…熱電発電ユニット、２１…吸熱側熱流板、２１Ａ…リング状本体、２１Ｂ…フランジ部、２１Ｃ…フィン、２２…冷却側熱流板、２２Ａ…外周リング部、２２Ｂ…フランジ部、２３…熱電発電素子モジュール、２３Ａ…高温側電極、２３Ｂ…低温側電極、２４…低弾性体、Ｎ…ｎ型熱電発電素子、Ｐ…ｐ型熱電発電素子、Ｓ…スリット、Ｔ…舌片部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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