JP2000208823A - 熱電発電器 - Google Patents

熱電発電器

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JP2000208823A
JP2000208823A JP11008802A JP880299A JP2000208823A JP 2000208823 A JP2000208823 A JP 2000208823A JP 11008802 A JP11008802 A JP 11008802A JP 880299 A JP880299 A JP 880299A JP 2000208823 A JP2000208823 A JP 2000208823A
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source fluid
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temperature
outlet
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Masakazu Kobayashi
正和 小林
Kazuhiko Shinohara
和彦 篠原
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Kenji Furuya
健司 古谷
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型・軽量で、高い熱−電気変換効率を有す
るとともに、信頼性の高い熱電発電器を提供すること。 【解決手段】 吸熱器を単一の熱源流体排出口を有する
円筒形状とし、吸熱器の側面外側に、排出口に近い側か
ら、最適動作温度の異なる2種類以上の熱電発電モジュ
ールを、最適動作温度の低い順に階層的に設置し、各階
層の最も排出口から遠い端に接線方向から熱源流体を流
入させる流入口を各階層毎に設けるとともに、熱源流体
の温度が低くなるに従って、より排出口に近い流入口か
ら熱源流体を流入させるように制御する機構を有する構
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゼーベック効果を
利用して電力を得る熱電発電器に係わり、小型・軽量
で、高い熱−電気変換効率を有するとともに、高温熱源
流体の温度変化に対応して常に最適な発電性能を維持す
る、信頼性の高い熱電発電器に関する。
【0002】
【従来の技術】ゼーベック効果を利用して電力を得る熱
電発電器としては、従来から様々な構造のものが考案さ
れている。例えば、自動車排気ガスから熱エネルギーを
回収して電力に変換するための熱電発電器としては、特
開昭61−254082号公報、特開昭63−2620
75号公報、特開平7−307493号公報に開示され
ているようなものがある。
【0003】これらの熱電発電器は、直線状の流路を有
する円筒状あるいは箱状の吸熱器の外側に、熱電発電素
子/モジュールを、水冷あるいは空冷の放熱器で加圧固
定する構造を有し、排気管の途中に取り付けて吸熱器に
排気ガスを通過させることにより、放熱器との温度差を
利用してゼーベック効果により発電を行うようになって
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の熱電発電器の場合、排気ガスの流路が直線的
である上、流速が比較的大きいため、吸熱器の熱交換性
能が、あまり高くない、という問題点があった。
【0005】また、排気ガスの温度は自動車の走行状態
によって大きく変動するため、ある走行モードで最適な
発電性能が得られるように熱電発電器を設計した場合、
その走行モードより低負荷領域では排気ガスの温度・量
が低下するため十分な発電性能が得られず、一方、その
走行モードより高負荷領域では排気ガスの温度・量の上
昇によって熱電発電モジュールが破壊してしまう恐れが
ある、という問題点があった。
【0006】上記2番目の問題点に対処するため、高温
用の熱電発電器と低温用の熱電発電器を併設して、排気
ガスの温度によって高温用あるいは低温用の熱電発電器
に排気ガスの流路を切り替えたり、あるいは、排気ガス
の流れ方向に高温用と低温用の熱電発電器を直線的に連
結するとともに、高温用の熱電発電器の入り口から低温
用の熱電発電器の入り口へ排気ガスのバイパス流路を設
けておき、排気ガスの温度が低いとき、排気ガスをバイ
パス流路に流すことにより、排気ガスの温度変化に対応
して最適な発電性能を維持し、かつ、熱電発電モジュー
ルの破損を回避する方法が公開されている(特開平5−
195765号公報参照)。
【0007】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、小型・軽量で、高い熱−電気変換効
率を有するとともに、自動車排気ガス等のような高温熱
源流体の温度変化に対応して常に最適な発電性能を維持
する、信頼性の高い熱電発電器を提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電発電器
は、上述の課題を解決するために、請求項1に記載され
ているように、吸熱器を単一の熱源流体排出口を有する
円筒形状とし、吸熱器の側面外側に、排出口に近い側か
ら、最適動作温度の異なる2種類以上の熱電発電モジュ
ールを、最適動作温度の低い順に階層的に設置し、各階
層の最も排出口から遠い端に接線方向から熱源流体を流
入させる流入口を各階層毎に設けるとともに、熱源流体
の温度が低くなるに従って、より排出口に近い流入口か
ら熱源流体を流入させるように制御する機構を有するよ
うになっている。
【0009】また、請求項2に記載されているように、
上記熱源流体の排出口が、円筒形状の吸熱器の高さ方向
に沿って底面に設置されているか、あるいは、底面付近
の円筒の接線方向に沿って側面に設置された構成となっ
ている。
【0010】また更に、請求項3に記載されているよう
に、上記円筒形状の吸熱器の内部に階層的に設置したモ
ジュールの境界付近に、熱源流体の逆流を抑制するルー
バー隔壁を設置した構成となっている。
【0011】更に、請求項4に記載されているように、
上記円筒形状の吸熱器の側面内側に、熱電発電器の螺旋
流を誘導するような熱交換フィンを設置した構成となっ
ている。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明による熱電発電器の
実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。 (第1の実施の形態)図1(a)は、本発明による熱電
発電器の第1の実施の形態を示す図である。まず、構成
を説明する。円筒形状の吸熱器10の片側の底面には、
熱源流体の排出口11が設けられており、別の底面は、
熱源流体が漏れ出さないように塞がれている。
【0013】この排出口11に近い側から順に、低温
用、中温用、高温用の熱電発電モジュール12,13,
14が、それぞれ円筒の側面外側に階層的に設置され、
水冷あるいは空冷ジャケットで固定されている。これら
の熱電発電モジュールとしては、低温用にはBi−Te
系、中温用にはPb−Te系やCo−Sb系、高温用に
はSi−Ge系の材料を使用したものを用いることがで
きる。
【0014】熱源流体の流路は、吸熱器10に入る手前
で3系統に分岐し、各階層の排出口11から最も遠い端
に接線方向から熱源流体を流入させる流入口15に接続
されている。
【0015】各流入口15には、熱源流体の流入を制御
するための流路制御弁16が設けられており、熱源流体
の温度が低くなるほど、排出口11に近い流入口15か
ら熱源流体を流入させるように制御される。例えば、高
温用にSi−Ge系、中温用にPb−Te系やCo−S
b系、低温用にBi−Te系の材料を使用したモジュー
ルを用いた場合、熱源流体の温度が450℃以上では最
も排出口11から遠い流入口15から、450℃〜25
0℃では真ん中の流入口15から、250℃以下では最
も排出口11に近い流入口15から熱源流体を流入させ
るように、流路制御弁16を制御する。また、流路切り
替えの制御に用いる情報としては、自動車等の場合、熱
源流体の温度の他、エンジンの負荷状態などを用いても
よい。
【0016】図1(b)は、真ん中の流入口15から熱
源流体を流入させたときの、吸熱器10内部での熱源流
体の流れを模式的に示している。円筒形状の吸熱器10
の円周に沿って熱源流体を流入させることにより、吸熱
器10内部に、熱源流体の螺旋流が生じ、高い熱交換性
能を得ることができる。
【0017】(第2の実施の形態)図2(a)は、本発
明による熱電発電器の第2の実施の形態を示す図であ
る。第2の実施の形態は、排出口21付近にテーパー2
7をつけてコーン状にすることにより、排出口21付近
の熱源流体の流れをスムーズにして、逆流を防止する構
造になっている。
【0018】図2(b)は、図1(b)と同様に、真ん
中の流入口25から熱源流体を流入させたときの、吸熱
器20内部での熱源流体の流れを模式的に示したもので
ある。
【0019】(第3の実施の形態)図3(a)は、本発
明による熱電発電器の第3の実施の形態を示す図であ
る。第3の実施の形態では、排出口31が、底面ではな
く、円筒側面に、接線方向に熱源流体を流出させる位置
に取り付けられており、排出口31付近の熱源流体の流
れをスムーズにして、逆流を防止する構造になってい
る。
【0020】図3(b)は、図1(b)と同様に、真ん
中の流入口35から熱源流体を流入させたときの、吸熱
器30内部での熱源流体の流れを模式的に示したもので
ある。
【0021】(第4の実施の形態)図4は、本発明によ
る熱電発電器の第4の実施の形態を示す図である。第4
の実施の形態は、熱源流体の流入口45a付近に、熱源
流体の逆流を防止する目的でルーバー隔壁48を設置し
たものである。
【0022】吸熱器40上段の流入口45aから熱源流
体を流入させたとき、吸熱器40下段への熱源流体の流
入が効果的に防止される。一方、吸熱器40下段の流入
口45bから熱源流体を流入させたときには、スムーズ
に吸熱器40上段に熱源流体が流入する。
【0023】(第5の実施の形態)図5は、本発明によ
る熱電発電器の第5の実施の形態を示す図である。第5
の実施の形態は、吸熱器50内部の熱源流体の螺旋流を
誘導する熱交換フィン59を、吸熱器50内部に設置し
たものである。
【0024】吸熱器50の側面内側に螺旋状の熱交換フ
ィン59が設置されており、熱交換性能が向上するとと
もに、熱源流体の逆流防止効果、吸熱器50の強度を高
める効果もある。また、第4の実施の形態で説明したル
ーバー隔壁48との併用も可能である。
【0025】
【発明の効果】本発明の請求項1に係る熱電発電器によ
れば、吸熱器を円筒形状とした上、円周接線方向から熱
源流体を流入させるような流入口を設けたことにより、
吸熱器内部の熱源流体の流れが、旋回流あるいは螺旋流
になるため、熱交換性能が著しく向上する。
【0026】また、この旋回流あるいは螺旋流により十
分な熱交換性能が得られるため、吸熱器内部に設ける熱
交換フィンを小型化あるいは省略することができて、熱
電発電器の大幅な小型・軽量化を達成することができ
る。
【0027】更に、熱源流体の排出口を一個所とし、吸
熱器の側面外側に、排出口に近い側から、最適動作温度
の異なる2種類以上の熱電発電モジュールを、最適動作
温度の低い順に階層的に設置し、各階層の最も排出口か
ら遠い端に上記流入口を各階層毎に設け、熱源流体の温
度が低くなるに従って、より排出口に近い流入口から熱
源流体を流入させるように制御することにより、熱源流
体の温度変化に応じて最適な発電性能が維持されるとと
もに、低温用熱電発電モジュールの高温の熱源流体によ
る破壊も回避できるようになり、熱電発電器全体の信頼
性が高くなる。
【0028】本発明の請求項2に係る熱源流体の排出口
の位置によれば、熱源流体が高温のときは、排出口から
遠い位置に設置した流入口から熱源流体を流入させるこ
とにより、高温用熱電発電モジュール部および低温用熱
電発電モジュール部に最適な熱量を供給することがで
き、熱源流体が低温のときは、排出口に近い位置に設置
した流入口から熱源流体を流入させることにより、高温
用熱電発電モジュール部をバイパスして低温用熱電発電
モジュール部のみに熱量を供給することができ、常に最
適な発電性能を維持することができるという効果を最大
限に活かしたまま、小型・軽量化を達成することができ
る。
【0029】更に、本発明の請求項3に係る熱電発電器
によれば、円筒形状の吸熱器の外側に階層的に設置した
各モジュール部の境界付近の吸熱器内部にルーバー隔壁
を設置することにより、熱源流体が低温のとき、高温用
熱電発電モジュール部をバイパスする効果が、より確実
なものとなり、最適な発電性能を維持することができ
る。
【0030】また更に、本発明の請求項4に係る熱電発
電器によれば、円筒形状の吸熱器の側面内側に、熱源流
体の螺旋流を誘導するようなフィンを設置することによ
り、やはり、熱源流体が低温のとき、高温用熱電発電モ
ジュール部をバイパスする効果が確実なものとなり、最
適な発電性能を維持することができる上、熱源流体との
熱交換性能が一層向上し、高い熱−電気変換効率を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による熱電発電器の第1の実施の形態を
説明する図である。
【図2】本発明による熱電発電器の第2の実施の形態を
説明する図である。
【図3】本発明による熱電発電器の第3の実施の形態を
説明する図である。
【図4】本発明による熱電発電器の第4の実施の形態を
説明する図である。
【図5】本発明による熱電発電器の第5の実施の形態を
説明する図である。
【符号の説明】
10,20,30,40,50 吸熱器 11,21,31 排出口 12,22,32 低温用熱電発電モジュール 13,23,33 中温用熱電発電モジュール 14,24,34 高温用熱電発電モジュール 15,25,35,45a,45b,55a,55b
流入口 16 流路制御弁 27 テーパー 48 ルーバー隔壁 59 螺旋状の熱交換フィン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 健司 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単一の熱源流体排出口を有する円筒形状
    の吸熱器の側面外側に、前記排出口に近い側から、最適
    動作温度の異なる2種類以上の熱電発電モジュールを、
    最適動作温度の低い順に階層的に設置し、各階層の最も
    前記排出口から遠い端に接線方向から前記熱源流体を流
    入させる流入口を各階層毎に設けるとともに、前記熱源
    流体の温度が低くなるに従って、より前記排出口に近い
    前記流入口から前記熱源流体を流入させるように制御す
    る機構を有することを特徴とする熱電発電器。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の熱電発電器において、 前記熱源流体排出口が、前記円筒形状の吸熱器の高さ方
    向に沿って底面に設置されているか、あるいは、底面付
    近の円筒の接線方向に沿って側面に設置されていること
    を特徴とする熱電発電器。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の熱電発電器に
    おいて、 前記円筒形状の吸熱器の内部に階層的に設置した前記モ
    ジュールの境界付近に、前記熱源流体の逆流を抑制する
    ルーバー隔壁を設置したことを特徴とする熱電発電器。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電
    発電器において、 前記円筒形状の吸熱器の側面内側に、前記熱源流体の螺
    旋流を誘導する熱交換フィンを設置したことを特徴とす
    る熱電発電器。
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