JP2006211780A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電変換素子に対して均一に圧縮力を付与することにより、熱電変換素子の性能を十分に発揮させることができる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】 熱電発電装置１は、エンジンからの排ガスが通る通路２の一部を形成する角形パイプ３と、角形パイプ３に取り付けられた複数の熱電発電ユニット４とを備えている。熱電発電ユニット４は、基台９及び複数の熱交換フィン１０からなり、排ガスの熱を回収する熱交換部８と、その回収熱を角形パイプ３の側方に移動させるように基台９に立設された熱輸送部１３とを有している。熱輸送部１３の両側には、熱交換部８で回収された熱を電気に変換する熱電変換素子１５が配置され、各熱電変換素子１５の外側には冷却部材１７が配置されている。また、熱電発電ユニット４は、各熱電変換素子１５に対して両側から圧縮方向の力（圧縮力）を付与するための押圧具２０を更に有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばエンジンから排出される排気ガス等の熱を利用して発電を行う熱電発電装置に関するものである。

従来の熱電発電装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行うものが知られている。特許文献１に記載の熱電発電装置は、熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの一面側に配置され、排気ガスの熱を回収する熱交換部材と、熱電変換モジュールの他面側に配置され、熱電変換モジュールを冷却する冷却部材とを有し、熱電変換モジュールの一面側（高温側）と他面側（低温側）との温度差に応じた熱電効果によって発電を行う。
特開２００４−２０８４７６号公報

上記のような熱電発電装置においては、熱電変換モジュール（熱電変換素子）の構造上、熱電変換素子に対して圧縮方向の力（圧縮力）が均一に付与されないと、熱電変換素子の性能を十分に発揮できないことがある。この場合には、熱電変換素子の熱電変換効率が低下する可能性があるため、発電効率の低下につながる。

本発明の目的は、熱電変換素子に対して均一に圧縮力を付与することにより、熱電変換素子の性能を十分に発揮させることができる熱電発電装置を提供することである。

本発明は、熱源からの熱媒体の熱を利用して発電を行う熱電発電装置であって、熱媒体が通る通路を形成する管部材と、管部材に取り付けられ、通路を通る熱媒体の熱を回収する熱交換部と、熱交換部で回収された熱を管部材の側方に移動させるように設けられた熱輸送部と、熱輸送部の側面に接触するように配置され、熱交換部で回収された熱を電気に変換する熱電変換素子と、熱電変換素子における熱輸送部の反対側に配置され、熱電変換素子を冷却するための冷却部材と、熱電変換素子に対して両側から圧縮方向の力を付与する押圧手段とを備えることを特徴とするものである。

このような本発明の熱電発電装置では、通路を通る熱媒体の熱が熱交換部により回収されると、その回収熱が熱輸送部に導かれる。そして、熱電変換素子において、熱輸送部側（高温側）の側面と冷却部材側（低温側）の側面との温度差に応じた熱電変換がなされ、発電が行われる。このとき、押圧手段によって熱電変換素子に対して両側から圧縮方向の力（圧縮力）を付与することにより、その力を熱輸送部及び冷却部材の両方で受けることになるため、熱輸送部または冷却部材の変形が発生することは殆ど無い。このため、熱電変換素子の高温側の側面に加わる圧縮力の面内均一性が高くなり、熱電変換素子の低温側の側面に加わる圧縮力の面内均一性も高くなる。これにより、熱電変換素子と熱輸送部及び冷却部材との間の良好な熱伝導性が確保されるため、熱電変換素子の性能を十分に発揮させることができる。

好ましくは、熱電変換素子及び冷却部材は、熱輸送部を挟むように熱輸送部の両側にそれぞれ配置され、押圧手段は、各冷却部材を熱電変換素子に対して押し付ける手段である。このように熱電変換素子を熱輸送部の両側に設けることにより、１つの熱交換部で回収された熱を有効利用して、効率良く発電を行うことができる。このとき、熱電変換素子及び冷却部材は熱輸送部に対して対称に配置されることになるので、各熱電変換素子に対して同等の圧縮力を容易に付与することができる。

また、好ましくは、熱交換部と冷却部材との間には断熱材が配置されている。これにより、熱交換部により回収された熱が冷却部材に伝わることは無いので、熱電変換素子における高温側の側面と低温側の側面との温度差が小さくなることが防止される。従って、熱電変換素子の熱電変換効率が更に向上する。

さらに、好ましくは、熱輸送部はヒートパイプを有する。これにより、熱交換部により回収された熱が熱輸送部の先端に向けて素早く移動するようになるため、熱輸送部の基端部と先端部との温度差が十分に小さくなる。従って、熱電変換素子の熱電変換効率が更に向上する。

本発明によれば、熱電変換素子に対して均一に圧縮力が付与されるため、熱電変換素子の熱電変換性能を十分に発揮させることができる。これにより、熱電発電装置の発電効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係わる熱電発電装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる熱電発電装置の一実施形態を示す断面図である。同図において、本実施形態の熱電発電装置１は、自動車に搭載され、エンジン（熱源）から排出される排ガス（熱媒体）の熱を利用して発電を行うものである。熱電発電装置１は、エンジンのエキゾーストマニホールドと繋がる排気系の任意の箇所に配設される。

熱電発電装置１は、図１及び図２に示すように、エンジンからの排ガスが通る通路２の一部を形成する角形パイプ３と、この角形パイプ３を構成する複数（ここでは４つ）の側板３ａの外面にそれぞれ取り付けられた熱電発電ユニット４とを備えている。角形パイプ３は、例えばステンレス鋼等で形成されている。また、角形パイプ３の各側板３ａには、熱電発電ユニット４を組み付けるための四角形状の開口部５及び複数のボルト孔６が形成されている。複数のボルト孔６は、開口部５を挟むように設けられている。

なお、図１及び図２では、熱電発電ユニット４として、角形パイプ３の側板３ａに沿った４つしか示していないが、角形パイプ３の長手方向（排ガスの流通方向）にも複数配置しても良い。

熱電発電ユニット４は、図１〜図３に示すように、通路２内を通る排ガスの熱エネルギーを伝導する熱伝導部材７を有している。熱交換部材７は、銅やニッケル等といった熱伝導率の良い材料で形成されている。

熱伝導部材７は、排ガスの熱を回収する熱交換部８を有している。熱交換部８は、基台９と、この基台９の裏面に固定された複数の熱交換フィン１０とからなっている。基台９の両端部には、角形パイプ３のボルト孔６にねじ込まれるボルト１１を通すための孔部１２が形成されている。各熱交換フィン１０は、角形パイプ３の内部に収容される部分である（図１参照）。また、各熱交換フィン１０は、所望の間隔をもって配列されている。各熱交換フィン１０の高さは、内側よりも外側が低くなるように構成されている。

また、熱伝導部材７は、各熱交換フィン１０で回収された熱を角形パイプ３の側板３ａの側方に移動させるように基台９の表面に立設された平板状の熱輸送部１３を更に有している。熱輸送部１３は、熱交換部８と一体的に形成されている。熱輸送部１３の内部には、ヒートパイプ１４が埋め込まれているのが好ましい。ヒートパイプ１４は、例えばステンレス鋼や銅等で形成されたパイプの内壁に、ガラス繊維や網状の細い銅線等で作ったウィック材を張り、内部に少量の液体（作動液）を真空封入したものである。このようなヒートパイプ１４を内蔵することにより、各熱交換フィン１０で回収された熱が熱輸送部１３の先端まで素早く導かれるようになり、熱輸送部１３の基端部と先端部との温度差を最小限に抑えることが可能となる。

熱輸送部１３の両側には、熱交換部８で回収された熱を電気に変換する熱電変換素子１５が配置されている。これらの熱電変換素子１５は、熱輸送部１３の側面１３ａに接触するように熱輸送部１３に対して対称に配置されている。熱電変換素子１５は、熱輸送部１３側の高温側面１５ａと、熱輸送部１３側とは反対側の低温側面１５ｂとを有し、両側面１５ａ，１５ｂ間に生じる温度差に応じて、ゼーベック効果による起電力が発生する。各熱電変換素子１５には、得られた電気信号を取り出すための電極１６（図２参照）が設けられている。

各熱電変換素子１５の外側、つまり各熱電変換素子１５における熱輸送部１３の反対側には、冷却部材１７がそれぞれ配置されている。これらの冷却部材１７は、熱電変換素子１５の低温側面１５ｂに接触するように熱輸送部１３に対して対称に配置されている。冷却部材１７には、熱電変換素子１５の低温側面１５ｂを冷却するための冷却水が通る複数の冷却水通路１８が設けられている。この冷却水通路１８は、冷却水管（図示せず）と接続されている。冷却部材１７は、例えばアルミニウム等で形成されている。なお、冷却部材１７としては、上記のような水冷式に限られず、空冷式を採用しても良い。

熱交換部８の基台９と各冷却部材１７及び各熱電変換素子１５との間には、平板状の断熱材１９がそれぞれ配置されている。断熱材１９は、熱交換部８で回収された高温の熱に耐え得るガラス等からなっている。このような断熱材１９を設けることにより、例えば装置１の小型化等の観点から冷却部材１７を基部９に対して近接配置した場合でも、熱交換部８で回収された熱が冷却部材１７に伝わることは無い。

また、熱電発電ユニット４は、各熱電変換素子１５に対して両側から圧縮方向の力（圧縮力）を付与するための押圧具２０を更に有している。押圧具２０は、各熱電変換素子１５及び各冷却部材１７を熱輸送部１３に対して挟み込むためのＵ字状の押え部材２１と、この押え部材２１の両端側にそれぞれ形成されたネジ孔にねじ込まれる１対の締付ネジ２２とからなっている。このような押圧具２０において、各締付ネジ２２により各冷却部材１７を外側から熱電変換素子１５に対して押し付けることにより、各熱電変換素子１５に対して両側から圧縮力を付与する。このとき、締付ネジ２２の締込力を調整することで、各熱電変換素子１５に加わる圧縮力を調整することができる。

このような熱電発電ユニット４を角形パイプ３に組み付けるときは、熱伝導部材７の各熱交換フィン１０を角形パイプ３の開口部５から角形パイプ３内に収容した状態で、ボルト１１により熱伝導部材７の基台９を角形パイプ３の側板３ａに固定する。

以上のように構成した熱電発電装置１において、エンジン（図示せず）から角形パイプ３の内部（通路２）に導入された排ガスは、熱交換部８の各熱交換フィン１０間を通り抜けて、下流に流れていく。このとき、高温の排ガスの熱は、各熱交換フィン１０によって回収される。そして、この回収熱は、直ちに基台９を介して熱輸送部１３に導かれる。このため、熱輸送部１３に接している各熱電変換素子１５の高温側面５ａは高温状態に維持される。また、各冷却部材１７の冷却水通路１８には、冷却水が流通している。このため、各熱電変換素子１５の低温側面１５ｂは、各冷却部材１７により冷却される。これにより、各熱電変換素子１５において、高温側面１５ａと低温側面１５ｂとの温度差に応じた電気エネルギーが生成され、その電気エネルギーが電極１６から出力される。

ここで、比較例として、従来一般の熱電発電ユニットを図４に示す。同図において、熱電発電ユニット１００は熱電変換素子１０１を有し、この熱電変換素子１０１の裏面側には熱伝導部材１０２が配置され、熱電変換素子１０１の表面側には冷却部材１０３が配置されている。熱伝導部材１０２は、基台１０４と複数の熱交換フィン１０５とで構成されている。このような熱電発電ユニット１００では、図示しない締付ネジやベルト等により冷却部材１０３を外側から熱電変換素子１０１に対して押圧している。つまり、熱電変換素子１０１には、熱伝導部材１０２側（高温側）に対してのみ圧縮力が付与されている。

しかし、熱電発電ユニット１００の高温側領域は、高温の排気ガスを通すために、熱交換フィン１０５を有する中空構造となっている。このため、熱伝導部材１０２は、図４に示すように、熱電変換素子１０１に対して付与される圧縮力に耐えられず、或いは熱応力により歪んでしまう可能性がある。この場合には、熱電変換素子１０１と熱伝導部材１０２との面圧力が不均一になり、熱電変換素子１０１と熱伝導部材１０２との面接触性が低下するため、熱電変換素子１０１の種類等によっては熱電変換素子１０１の機能を十分に発揮できない虞がある。

これに対し、本実施形態の熱電発電ユニット４では、熱伝導部材７の基台９の表面に立設された熱輸送部１３の両側に熱電変換素子１５及び冷却部材１７をそれぞれ配置し、その状態で、押圧具２０によって各冷却部材１７を押圧することで、図５に示すように、各熱電変換素子１５に対して両側から圧縮力を加えるようにする。このとき、熱輸送部１３に加わる力は熱輸送部１３の両側面１３ａで受けることになるので、熱輸送部１３が一側に歪んだり変形することは殆ど無い。これにより、熱電変換素子１５の高温側面１５ａと熱輸送部１３との面圧力が均一になり、熱電変換素子１５と熱輸送部１３との良好な面接触性が得られると共に、熱電変換素子１５の低温側面１５ｂと冷却部材１７との面圧力が均一になり、熱電変換素子１５と冷却部材１７との良好な面接触性が得られる。このように熱電変換素子１５の高温側面１５ａ及び低温側面１５ｂには均一に圧縮力が付加されるため、熱電変換素子１５と熱輸送部１３及び冷却部材１７との間の良好な熱伝導性が確保される。従って、熱電変換素子１５の種類等に拘らず、熱電変換という熱電変換素子１５の機能を十分且つ確実に発揮させることができる。

このとき、熱交換部８の基台９と各冷却部材１７との間には断熱材１９が設けられているので、熱交換部８で回収された熱が無駄に各冷却部材１７に伝わることは無い。このため、熱輸送部１３に導かれる回収熱の温度低下が抑えられると共に、熱電変換素子１５における高温側面１５ａと低温側面１５ｂとの温度差が小さくなることが抑制される。これにより、熱電変換素子１５の熱電変換効率が高くなる。

以上により、１台の熱電発電ユニット４に２つの熱電変換素子１５を備えたことと相俟って、熱電発電装置１の発電効率を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、基台９及び複数の熱交換フィン１０からなる熱交換部８と熱輸送部１３とを一体形成する構造としたが、熱交換部８と熱輸送部１３とを別部材で形成しても良い。この場合、熱交換部８がニッケル製、熱輸送部１３が銅製というように、熱交換部８及び熱輸送部を異なる材料で形成しても良い。

また、上記実施形態では、熱輸送部１３の両側に熱電変換素子１５を配置し、更にその外側に冷却部材１７を配置する構成としたが、熱電変換素子１５及び冷却部材１７を熱輸送部１３の一側のみに配置しても良い。この場合には、熱輸送部１３の他側にスペーサを配置した状態で、押圧具２０により冷却部材１７及びスペーサを熱電変換素子１５に対して押し付けても良いし、そのようなスペーサを設けずに、別の押圧具により冷却部材１７及び熱輸送部１３を熱電変換素子１５に対して押し付けても良い。

さらに、上記実施形態の熱電発電装置１は、自動車のエンジンから排出される排ガスの熱を回収して発電を行うものであるが、本発明は、自動車等の車両以外にも適用可能であり、例えば工場の高炉等から排出されるガスの熱を利用して発電を行うこともできる。この場合、熱源からの熱媒体としては、ガス等の気体に限られず、液体を使用しても良い。

本発明に係わる熱電発電装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示した角形パイプ及び熱電発電ユニットの斜視図である。 図１に示した熱電発電ユニットの一部分解斜視図である。 従来一般の熱電発電ユニットを示す断面図である。 図１に示した熱電発電ユニットの一部断面図である。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…通路、３…角形パイプ（管部材）、４…熱電発電ユニット、７…熱伝導部材、８…熱交換部、９…基台、１０…熱交換フィン、１３…熱輸送部、１３ａ…側面、１４…ヒートパイプ、１５…熱電変換素子、１５ａ…高温側面、１５ｂ…低温側面、１７…冷却部材、１９…断熱材、２０…押圧具（押圧手段）。

Claims (4)

1. 熱源からの熱媒体の熱を利用して発電を行う熱電発電装置であって、
   前記熱媒体が通る通路を形成する管部材と、
   前記管部材に取り付けられ、前記通路を通る前記熱媒体の熱を回収する熱交換部と、
   前記熱交換部で回収された熱を前記管部材の側方に移動させるように設けられた熱輸送部と、
   前記熱輸送部の側面に接触するように配置され、前記熱交換部で回収された熱を電気に変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子における前記熱輸送部の反対側に配置され、前記熱電変換素子を冷却するための冷却部材と、
   前記熱電変換素子に対して両側から圧縮方向の力を付与する押圧手段とを備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記熱電変換素子及び前記冷却部材は、前記熱輸送部を挟むように前記熱輸送部の両側にそれぞれ配置され、
   前記押圧手段は、前記各冷却部材を前記熱電変換素子に対して押し付ける手段であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記熱交換部と前記冷却部材との間には断熱材が配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱電発電装置。
4. 前記熱輸送部はヒートパイプを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の熱電発電装置。

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