JP2007236122A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変形に起因する発電量の低下を防止することが可能な熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱電発電装置３は、熱媒体から熱を回収する吸熱フィン２２ｃ，２３ｃ，２４ｃと、当該吸熱フィンのケース部２２ｂ，２３ｂ，２４ｂとを有し、熱媒体の流れ方向に並べて配置された複数の熱交換部材２２，２３，２４と、熱交換部材により回収された熱を利用して発電を行う熱電発電部４０と、複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の上流側に配置された第１固定部材２１と、複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の下流側に配置された第２固定部材２５と、第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させる固定手段２７，３０と、を備える。
【選択図】図１２

Description

本発明は、高温の熱媒体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する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では、排気通路の一部となる管部材の内部に多数の集熱板を並べて配置することでユニットを形成し、このようなユニットを複数個つなげることで熱電発電装置が構成されている。管部材の外面には熱電発電部が配置されており、集熱板から熱の供給を受けて発電が行われる。なお、管部材のそれぞれの両端にはボルト穴を有するフランジが形成されており、フランジを重ね合わせてボルト止めすることにより、複数のユニットが互いに固定されている。

上述した熱電発電装置の構造では、熱電発電装置を構成する各部材は複数種類の材料を用いて構成されているため、温度変化の大きい環境で熱電発電装置を使用することができない。即ち、温度変化の大きい環境では、熱電発電装置を構成する各部材の熱膨張差が大きいため、各部材には過大な応力が作用し、各部材の熱変形が大きい。このため、管部材と熱電発電部との密着が損なわれてしまい、熱電発電部の発電量が低下してしまう。また、各部材には熱膨張差に起因して過大な応力が作用し、熱電発電装置の耐久性が低下してしまう、という問題がある。よって、上述した熱電発電装置は、熱膨張差があまり問題とならない温度変化の小さな環境でしか使用することができない。
特開２００２−１９９７６２号公報

しかしながら、温度変化の大きい環境で熱電発電装置を使用する要求がある。例えば、自動車であればエキゾーストマニホールド直下に熱電発電装置を配置することが考えられる。このように温度変化の大きい環境で熱電発電装置を使用する場合には、熱変形に起因する発電量の低下や耐久性の低下を如何に防止するかが問題となる。

そこで、本発明は、熱変形に起因する発電量の低下を抑制することが可能な熱電発電装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る熱電発電装置は、熱媒体から熱を回収する吸熱フィンと、当該吸熱フィンのケース部とを有し、熱媒体の流れ方向に並べて配置された複数の熱交換部材と、熱交換部材により回収された熱を利用して発電を行う熱電発電部と、複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の上流側に配置された第１固定部材と、複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の下流側に配置された第２固定部材と、第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させる固定手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、熱媒体の流れる方向に積層して配置された複数の熱交換部材は、第１固定部材及び第２固定部材により押圧されて固定される。ここで、熱媒体から回収する熱により熱交換部材のそれぞれは熱変形するが、複数の熱交換部材が並べられた構造となっているため、一つの熱交換部材の熱変形が隣接する熱交換部材に伝達されない。よって、熱交換部材の熱変形に起因して熱電発電部の発電効率が低下することを抑制するとともに、熱電発電装置の耐久性を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、固定手段は、熱交換部材の中央を通過して第１固定部材及び第２固定部材と係合し、第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させる部材を有することが好ましい。この構成によれば、熱交換部材の中央を通過する部材が第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させるため、第１固定部材及び第２固定部材は熱交換部材を各位置において均一な力で押圧し、良好に熱交換部材を固定することができる。

上述した熱電発電装置は、第１固定部材及び第２固定部材による熱交換部材の押圧に応じて変形するバネ部材をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、熱交換部材に熱変形が生じても、その熱変形はバネ部材の変形により吸収されるため、安定した力で熱交換部材を押圧することができる。よって、熱交換部材の熱変形に起因して熱電発電部の発電効率が低下することを抑制するとともに、熱電発電装置の耐久性を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、固定手段は、熱媒体のバイパス通路が内部に形成されると共に第１固定部材及び第２固定部材と係合し、第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させる部材を有することが好ましい。この構成によれば、第１固定部材及び第２固定部材に熱交換部材を押圧させる部材には、熱媒体のバイパス通路が内部に形成されている。よって、バイパス通路を有する熱電発電装置の構造を簡略化して、熱電発電装置をコンパクトにすることができる。

上述した熱電発電装置は、熱交換部材の位置決めを行うための位置決め手段を、さらに備えることが好ましい。この構成によれば、位置決め手段により熱交換部材の位置が調整されるため、熱交換部材を所望の位置に配置することができる。

上述した熱電発電装置において、複数の熱交換部材の少なくとも１つは、他の熱交換部材と異なる材料で構成されていることが好ましい。この構成によれば、複数の熱交換部材の少なくとも１つが、他の熱交換部材と異なる材料で構成されている。即ち、既述のとおり熱電発電装置は複数の熱交換部材が並べて配置された構造となっているため、熱交換部材のそれぞれを所望の材料で構成することができる。

上述した熱電発電装置において、熱交換部材のケース部において吸熱フィンと反対側の位置に熱電発電部が配置されており、熱電発電部がケース部に接触する面積よりも、吸熱フィンがケース部に設けられる面積のほうが大きいことが好ましい。この構成によれば、熱電発電部がケース部に接触する面積よりも吸熱フィンがケース部に設けられる面積の方が大きいため、吸熱フィンにより回収された熱を熱電発電部に十分に供給することができ、熱電発電部の発電効率を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、熱交換部材は、複数の板状部材を積層して構成されていることが好ましい。この構成によれば、板状部材は比較的に容易に加工できるため、熱電発電装置を容易に製造することができる。

上述した熱電発電装置において、上流側の板状部材の吸熱フィンエレメントに対して、下流側の板状部材の吸熱フィンエレメントは周方向にずらされており、吸熱フィンに段差が形成されていることが好ましい。この構成によれば、吸熱フィンに段差が形成されるため、吸熱フィンにより回収される熱媒体の熱量を増加させることができる。

上述した熱電発電装置において、複数の板状部材の少なくとも１つは、他の板状部材と異なる材料で構成されていることが好ましい。この構成によれば、複数の板状部材の少なくとも１つが、他の板状部材と異なる材料で構成されている。即ち、既述のとおり熱交換部材は複数の板状部材が積層された構造となっているため、板状部材のそれぞれを所望の材料で構成することができる。

上述した熱電発電装置において、上流側の熱交換部材において所定位置を流れた熱媒体が、下流側の熱交換部材において熱電発電部に対して相対的に異なる位置を流れるように構成されていることが好ましい。この構成によれば、上流側の熱交換部材において所定位置を流れた熱媒体が、下流側の熱交換部材において相対的に異なる位置を流れるように構成されているため、上流側の熱交換部材においてあまり吸熱されなかった比較的に高温の熱媒体を、下流側の熱交換部材において熱電発電部に近い位置に流すことができ、熱電発電部の発電量を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、上流側の熱交換部材の吸熱フィンと下流側の熱交換部材の吸熱フィンとの間には、前記熱媒体の流れ方向に対して傾斜が付けられており、熱媒体の流れる位置を変えるプレートが配置されていることが好ましい。この構成によれば、上流側の吸熱フィンと下流側の吸熱フィンとの間に配置されたプレートにより熱媒体の流れる位置が変更されるため、上流側の熱交換部材においてあまり吸熱されなかった比較的に高温の熱媒体を、下流側の熱交換部材において熱電発電部に近い位置に流すことができ、熱電発電部の発電量を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、上流側の熱交換部材の取付け面に対して、下流側の熱交換部材の取付け面は、周方向にずれた位置に設けられていることが好ましい。この構成によれば、上流側の熱交換部材の取付け面に対して、下流側の熱交換部材の取付け面は、周方向にずれた位置に設けられているため、上流側の熱交換部材においてあまり吸熱されなかった比較的に高温の熱媒体を、下流側の熱交換部材において熱電発電部に近い位置に流すことができ、熱電発電部の発電量を向上することができる。

上述した熱電発電装置において、上流側の熱交換部材の吸熱フィンと下流側の熱交換部材の吸熱フィンとの間には、熱媒体が流入する上流側開口と熱媒体が流出する下流側開口とが異なる位置に設けられている管状部材が配置されていることが好ましい。この構成によれば、上流側の熱交換部材の吸熱フィンと下流側の熱交換部材の吸熱フィンとの間に配置された管状部材により、熱媒体の流れる位置が変更されるため、上流側の熱交換部材においてあまり吸熱されなかった比較的に高温の熱媒体を、下流側の熱交換部材において熱電発電部に近い位置に流すことができ、熱電発電部の発電量を向上することができる。

本発明に係る熱電発電装置によれば、熱変形に起因する発電効率の低下を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る好適な実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を備えた熱電発電システムを示す概略構成図である。同図において、熱電発電システム１は、自動車等の車両の排気系に配設されるものである。

熱電発電システム１は、エンジンのエキゾーストマニホールド２と接続された高温用の熱電発電装置３と、この熱電発電装置３に排気管４及び触媒５を介して接続された低温用の熱電発電装置６とを備えている。熱電発電装置６における触媒５の反対側には、マフラー７が接続されている。熱電発電装置３，６は、エンジンから排出される熱媒体である排気ガスの熱を利用して発電を行う装置である。熱電発電装置３は、熱回収流路８及びバイパス流路９を有している。熱電発電装置３よりも排気ガス流れ方向の上流側位置には、熱回収流路８とバイパス流路９とを切り換える排気ガス通路切換バルブ１０が配置されている。

排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択された場合には、エンジンからの排気ガスは、バイパス流路９を通り、更に触媒５を通過して熱電発電装置６に取り込まれる。そして、その排気ガスの熱が熱電発電装置６により熱回収され、発電が行われる。一方、排気ガス通路切換バルブ１０によって熱回収流路８が選択された場合には、エンジンからの排気ガスが熱回収流路８を通り、排気ガスの熱が熱電発電装置３により熱回収され、発電が行われる。その後、残った排気ガスが触媒５を通って熱電発電装置６に取り込まれ、その排気ガスの熱が熱電発電装置６により熱回収される。熱電発電装置３，６により得られた電気は、図示はしないが、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換された後、バッテリー等に蓄えられる。

なお、通常は排気ガス通路切換バルブ１０によって熱回収流路８が選択され、熱電発電装置３により発電が行われる。但し、エンジンの低負荷運転時には排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択され、触媒５の温度が活性温度まで上昇するまで保持される。また、排気ガスの温度が熱電発電素子の使用限界を超える場合には、排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択される。また、熱電発電装置３における排気ガスの圧力損失が問題となる場合には、排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択される。

図２は、第１実施形態に係る熱電発電装置３の外観を示す斜視図である。図２において手前側が熱電発電装置３の上流側の一端であり、エキゾーストマニホールド２に接続されている。熱電発電装置３の上流側の一端には開口３ａが形成されており、この開口３ａから熱電発電装置３の内部の熱回収流路８に排気ガスが流入する。また、熱電発電装置３の上流側の一端の中央には開口３ｂが形成されており、この開口３ｂから熱電発電装置３の内部のバイパス流路９に排気ガスが流入する。一方、図２において奥側が熱電発電装置３の下流側の一端であり、排気管４に接続されている。熱電発電装置３の下流側の一端の中央には開口３ｃ（図５参照）が形成されており、この開口３ｃを通って熱電発電装置３の内部から排気ガスが流出する。

以下の説明では、熱電発電装置３の手前側から奥側へ進む方向を、排気ガスの流れ方向と呼ぶ。また、熱電発電装置３の中心線Ｃを中心として角度が変化する方向を周方向と呼び、その中心線Ｃから熱電発電装置３の外側に向かう方向を径方向と呼ぶ。より詳細な理解のために、図２において排気ガス流れ方向（ＩＩＩ）から見た熱電発電装置３を図３に示し、図２の排気ガス流れ方向と直行する側方（ＩＶ）から見た熱電発電装置３を図４に示す。また、図３におけるＶ−Ｖ断面を図５に示し、ＶＩ−ＶＩ断面を図６に示し、図４におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面を図７に示す。

図８は、熱電発電装置３から熱電モジュール４０、冷却ケース５０及びそれらを固定する部材６０等を取り外して示した斜視図である。図８に示されるように、熱電発電装置本体２０の外周には、平面状の取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａが複数形成されており、それぞれの取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａに熱電モジュール４０が密着した状態で取り付けられるようになっている。取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａは、排気ガスの流れ方向のある位置において周方向に６０°間隔で６つ形成されており、さらにこのような６つの取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａが排気ガスの流れ方向に３段連続して形成されている。

図９は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電部として構成された熱電モジュール４０の内部構造を示す断面図である。図９に示されるように、熱電モジュール４０のケース４１の内部には、複数の熱電変換素子４２が配置される空間が形成されている。ここで、ケース４１の内部空間には、熱電変換素子４２が高温時に酸化されないように不活性ガス（例えば窒素）が充填され、外気が遮断されている。熱電モジュール４０のケース４１は、取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａ側の高温側端面４１ａと、取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａ側とは反対側（冷却ケース５０側）の低温側端面４１ｂとを有し、内部空間には高温側端面４１ａ及び低温側端面４１ｂに密接して絶縁板４３が配置されている。さらに、絶縁板４３に密接して電極４４が配置されており、それらの電極４４の間に複数の熱電変換素子４２（例えばＢｉ２Ｔｅ３等からなるｐ型半導体及びｎ型半導体）が配置されている。熱電変換素子４２は、両端面４１ａ，４１ｂ間に生じる温度差に応じて、ゼーベック効果により起電力を発生させる。

図１０に示されるように、熱電モジュール４０は、樹脂製のモジュールステー３９に嵌められてから、取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａに取り付けられる。モジュールステー３９は、熱電モジュール４０の外形に合わせて形成された略矩形形状の枠部材であり、互いに反対にある２辺の中央には位置決め用の貫通穴３９ａ，３９ｂが形成されている。一方、取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａは、熱電モジュール４０の外形に合わせて形成された略矩形形状の平面であり、取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａの近傍には、モジュールステー３９の貫通穴３９ａ，３９ｂに対応して位置決め部材であるピン３２が圧入して固定されている。モジュールステー３９の貫通穴３９ａ，３９ｂのそれぞれが取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａの近傍に配置されたピン３２に嵌め込まれることにより、熱電モジュール４０が取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａ上で位置決めされる。なお、貫通穴の一方３９ａはピン３２とほぼ同径であるが、貫通穴３９ａの他方３９ｂは長穴となっている。これにより、各部材の熱膨張差により生じる寸法変化を許容している。

図１１には、図８の一部が拡大して示されている。図１１に示されるように、熱電モジュール４０の端には、リード端子４５が接続され、その接続部位は絶縁体でなるカバー４６で覆われる。熱電モジュール４０の低温側端面４１ｂに密接して冷却ケース５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃが配置される。冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃは熱電モジュール４０を冷却するための冷却部材であり、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの内部には冷却水が通る冷却水通路が形成されている。最上流側に位置する冷却ケース５０Ａの冷却水通路及び最下流側に位置する冷却ケース５０Ｃの冷却水通路は、冷却水管５１，５４を介してラジエータ（図示せず）に繋がっており、隣接する冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの冷却水通路どうしが冷却水管５２，５３を介して互いに繋がっている。これにより、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの内部には、冷却水管５１〜５４及びラジエータを介して冷却水が循環するようになる。なお、隣接する冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃを接続する冷却水管５２，５３は、例えばなまし銅やアルミニウムなどの軟質な材料で形成することで、隣接する冷却ケース５０Ａ〜Ｃの位置が相対的に変化することを可能とし、各冷却ケース５０の動きを自由にしている。これにより、各部材の熱膨張差により生じる寸法変化を許容している。また、隣接する冷却ケース５０を接続する冷却水管は、ゴムホースや蛇腹管などを用いてもよい。

また、図１１に示されるように、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの外側面には円形に窪んだ凹部５０ａが形成されており、この凹部５０ａに熱電モジュール４０及び冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃを固定するための部材６０が配置される。熱電モジュール４０及び冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃを固定するための部材６０は、内側から順に、円板状のキャップ６１、バネサポータ６２、４枚の皿バネ６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄ、バネサポータ６４、円筒状のキャップ６５である。円板状のキャップ６１を凹部５０ａに配置してから、その上にバネサポータ６２、４枚の皿バネ６３Ａ〜６３Ｄ、バネサポータ６４を載せて、それらの部材に円筒状のキャップ６５を被せることで、各部材６２〜６４が２つのキャップ６１，６５の間に収納される。円筒状のキャップ６５の外側にバンド部材６６（図８参照）を配置して、バンド部材６６に形成されたネジ穴６６ａにスクリューネジ６７を締め付けて、さらに緩み防止用のナット６８をスクリューネジ６７に螺着すると、図７に示される状態となる。なお、ナット６８はスクリューネジ６７に螺着されてからさらにかしめられて、緩み防止が施される。

図７に示されるように、スクリューネジ６７が締め付けられると、４枚の皿バネ６３Ａ〜６３Ｄ及びその両側のバネサポータ６２，６４を介して冷却ケース５０が押圧され、さらに冷却ケース５０により熱電モジュール４０が押圧される。ここで、熱電モジュール４０は皿バネ６３Ａ〜６３Ｄを介して押圧されているため、熱電発電装置３が径方向に膨張しても熱変形が皿バネ６３Ａ〜６３Ｄの変形により吸収されるため、熱電発電装置３の各部に生じる熱変形の影響により熱電モジュール４０と冷却部材との密着状態が損なわれることが防止されている。なお、熱電発電装置３が径方向に膨張しても、バンド部材６６の湾曲部６６ｂと皿バネ６３Ａ〜６３Ｄが弾性変形するため、熱電モジュール４０に作用する押圧荷重は過大にならないように設定されている。

図１２は、熱電発電装置本体２０を分解して示した斜視図である。熱電発電装置本体２０は、排気ガスの流れ方向に並べて配置された３個の熱交換部材２２，２３，２４と、その上流側に配置された第１固定部材２１と、その下流側に配置された第２固定部材２５とを備えている。また、熱電発電装置本体２０は、３つの熱交換部材２２〜２４、第１固定部材２１及び第２固定部材２５を積層された状態で固定するための手段として、それぞれの部材の中心に形成された空洞に挿通されるボルト部材２７と、ボルト部材２７に螺着されてボルト部材２７と係合するナット部材３０とを備えており、ボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられることにより、両固定部材２１，２５により熱交換部材２２〜２４が挟まれて固定される。なお、第１固定部材２１、熱交換部材２２〜２４及び第２固定部材２５の間には、排気ガスの外部への漏れを防止するためのリング状のガスケット２６が挿入されている。

熱交換部材２２〜２４のそれぞれは、内側の空間が排気ガスの通路となる管状のケース部２２ｂ，２３ｂ，２４ｂと、そのケース部２２ｂ〜２４ｂの内側面から中心線に向けて延びる多数の吸熱フィン２２ｃ，２３ｃ，２４ｃと、ケース部２２ｂ〜２４ｂの上流側端部及び下流側端部のそれぞれに設けられた六角形形状のフランジ部２２ｄ，２３ｄ，２４ｄと、熱電モジュール４０が取り付けられる取付け面２２ａ，２３ａ，２４ａとを有しており、これらの部分が同一材料で一体的に構成されている。吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃは薄い板状の部材であり、その板面は排気ガスの流れ方向に平行にケース部２２ｂ〜２４ｂから中心に向けて延びている。吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃは、ケース部２２ｂ〜２４ｂの内面に周方向に隙間を空けて一定間隔ごとに設けられている。フランジ部２２ｄ〜２４ｄのガスケット２６と当接する位置には、面粗度が小さくされた当接面２２ｅ，２３ｅ，２４ｅが形成されている。また、フランジ部２２ｄ〜２４ｄには、六角形状の角部のそれぞれの近傍に、断面円形の棒状の部材である位置決め部材３１を挿通するための貫通穴２２ｆ，２３ｆ，２４ｆが形成されている。

上述した熱交換部材２２〜２４によれば、熱交換部材２２〜２４のケース部２２ｂ〜２４ｂにおいて吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃと反対側の位置に、熱電モジュール４０が取り付けられる取付け面２２ａ〜２４ａが形成されている。ここで、図７が簡略化された図１３に示されるように、１つの取付け面２２ａ〜２４ａには６０°の範囲の吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃが対応しており、熱電モジュール４０の幅に対して、対応関係にある吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの幅が大きい。また、図５が簡略化された図１４に示されるように、熱電モジュール４０の長さに対して、対応関係にある吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの長さが大きい。よって、熱電モジュール４０がケース部２２ｂ〜２４ｂに接触する面積に対して、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃがケース部２２ｂ〜２４ｂに設けられる面積が大きい。この構成によれば、熱電モジュール４０がケース部２２ｂ〜２４ｂに接触する面積よりも吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃがケース部２２ｂ〜２４ｂに設けられる面積の方が大きいため、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃにより回収された熱を熱電モジュール４０に十分に供給することができ、熱電モジュール４０の発電効率を向上することができる。

再び図１２を参照すると、第１固定部材２１及び第２固定部材２５はほぼ同形状であるため、第１固定部材２１の形状は、図１２に示される第１固定部材２１の形状を参照することに加え、第２固定部材２５の形状を参照することで、より詳しく理解することができる。また同様に、第２固定部材２５の形状は、図１２に示される第２固定部材２５の形状を参照することに加え、第１固定部材２１の形状を参照することで、より詳しく理解することができる。また、第１固定部材２１及び第２固定部材２５の形状は、図２〜図７を参照することで、より詳しく理解することができる。

図１２に示されるように、第１固定部材２１において上流側にある環状の部分は、４つの貫通穴２１ａが形成されたフランジ部２１ｂである。熱電発電装置３が組み上げられた後に、第１固定部材２１は貫通穴２１ａを利用してエキゾーストマニホールド２にボルト止め固定される。第１固定部材２１において下流側にある環状の部分は、熱交換部材２２を押圧する押圧部２１ｃである。なお、フランジ部２１ｂと押圧部２１ｃとの間は、フランジ部２１ｂから拡径しつつ押圧部２１ｃまで延びる管状の接続部２１ｄにより接続されている。

押圧部２１ｃの外形は六角形形状である。押圧部２１ｃにおいて熱交換部材２２側の面は、熱交換部材２２を押圧する当接面２１ｅ（図５参照）である。当接面２１ｅにおいて六角形形状の角部の近傍には、位置決め部材３１を嵌入するための有底穴２１ｆ（図６参照）が形成されている。有底穴２１ｆの内径は位置決め部材３１の外径より若干大きい程度であり、位置決め部材３１は殆ど隙間のない状態で有底穴２１ｆに嵌合する。なお、熱電発電装置本体２０が組み上げられた後に、押圧部２１ｃの六角形形状の角部のそれぞれには補強板３３（図２参照）がネジ止め固定され、熱電発電装置本体２０が補強される。

押圧部２１ｃの内側には押圧部２１ｃよりも直径が小さい環状の係合部２１ｇが形成されている。押圧部２１ｃと係合部２１ｇとの間は、６本の梁部２１ｈが架設されて接続されている。ボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられると、ボルト部材２７の頭部２７ｂが第１固定部材２１の係合部２１ｇに係合する。

一方、第２固定部材２５は、第１固定部材２１とほぼ同じ形状であるが、上流側と下流側とが逆になっている。第２固定部材２５において下流側にある環状の部分は、４つの貫通穴２５ａが形成されたフランジ部２５ｂである。熱電発電装置３が組み上げられた後に、第２固定部材２５は貫通穴２５ａを利用して排気管４にボルト止め固定される。第２固定部材２５において上流側にある環状の部分は、熱交換部材２４を押圧する押圧部２５ｃである。なお、フランジ部２５ｂと押圧部２５ｃとの間は、フランジ部２５ｂから拡径しつつ押圧部２５ｃまで延びる管状の接続部２５ｄにより接続されている。

押圧部２５ｃの外形は六角形形状である。押圧部２５ｃにおいて熱交換部材２２側の面は、熱交換部材２４を押圧する当接面２５ｅである。当接面２５ｅにおいて六角形形状の角部の近傍には、位置決め部材３１を嵌入するための有底穴２５ｆ（図６参照）が形成されている。有底穴２５ｆの内径は位置決め部材３１の外径より若干大きい程度であり、位置決め部材３１は殆ど隙間のない状態で有底穴２５ｆに嵌合する。なお、熱電発電装置本体２０が組み上げられた後に、押圧部２５ｃの六角形形状の角部のそれぞれには補強板３３（図２参照）がネジ止め固定され、熱電発電装置本体２０が補強される。

押圧部２５ｃの内側には押圧部２５ｃよりも直径が小さい環状の係合部２５ｇが形成されている。押圧部２５ｃと係合部２５ｇとの間には、６本の梁部２５ｈが架設されている。ボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられると、皿バネ２８が第２固定部材２５の係合部２５ｇに係合する。

ボルト部材２７は、排気ガスの流れ方向に延びる略円筒形状の部材であり、その内部には上流側から下流側まで貫通する貫通穴２７ａが形成されている。このボルト部材２７の貫通穴２７ａが、排気ガスをバイパスさせるためのバイパス流路９として利用されている。このようにボルト部材２７の内部にバイパス流路９を設けることで、熱電発電装置３を全体として小型化することができる。なお、バイパス流路９には、コールドスタート用の触媒を内蔵してもよい。

ボルト部材２７の上流側の端部は、直径が大きな頭部２７ｂとなっている。ボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられると、ボルト部材２７の頭部２７ｂが第１固定部材２１の係合部２１ｇに係合する。一方、ボルト部材２７の下流側の端部は、直径が小さな雄ネジ部２７ｃとなっている。２枚の皿バネ２８，２９は、一般的に用いられている皿バネであり、ボルト部材２７の直径に適合するものが選択されている。ナット部材３０は、略円板形状の部材であり、皿バネ２９と当接する平面状の当接部３０ａと、中央の貫通穴に形成された雌ネジ部３０ｂと、当接部３０ａとは反対側に形成された六角柱状の突出部３０ｃとを有している。六角柱状の突出部３０ｃは、ボルト部材２７にナット部材３０を締め付けるときに締付け工具により把持されて、ナット部材３０を回転させるために利用される。

リング状のガスケット２６は、第１固定部材２１、第２固定部材２５及び熱交換部材２２〜２４に形成された当接面２１ｅ〜２５ｅの形状に合わせて作られており、その板面には漏れ防止のためのビードが形成されている。なお、ガスケット２６は、ビード付きの薄いステンレス鋼を材料とするガスケットでもよいし、銅などの軟質の金属を材料とする金属ガスケットでもよいし、カーボン材を主な材料とするガスケットでもよい。位置決め部材３１は断面円形の棒状部材であり、位置決め部材３１の両端部のそれぞれは第１固定部材２１及び第２固定部材２５の有底穴２１ｆ，２５ｆに嵌め込まれると共に、位置決め部材３１の中央部は熱交換部材２２〜２４の貫通穴２２ｆ〜２４ｆに挿通されて嵌合する。位置決め部材３１が第１固定部材２１，第２固定部材２５及び熱交換部材２２〜２４に嵌合することにより、第１固定部材２１及び第２固定部材２５に対して熱交換部材２２〜２４を所望の位置に配置することができる。

図１５は、熱交換部材２２〜２４に形成された貫通穴２２ｆ〜２４ｆの配置を示す配置図であり、図７に示される断面が簡略化して示されている。図１５に示されるように、熱交換部材２２〜２４に形成された貫通穴２２ｆ〜２４ｆは、周方向に短く、径方向に長い６つの長穴であり、略六角形状の角部の近傍に６０°間隔で配置されている。貫通穴２２ｆ〜２４ｆを長穴とすることにより、熱交換部材２２から２４を周方向に位置決めすると共に、熱交換部材２２〜２４と第１固定部材２１及び第２固定部材２５との径方向の熱膨張差を許容することができる。なお、熱交換部材２２〜２４に形成される貫通穴２２ｆ〜２４ｆの位置及び個数は、上述した実施形態に限らない。即ち、熱交換部材２２〜２４に形成される貫通穴２２ｆ〜２４ｆは２つ以上の個数であればよく、熱交換部材２２〜２４の任意の位置に設けられればよい。例えば、図１６に示されるように、熱交換部材２２〜２４に３つの長穴２２ｆ，２３ｆ、２４ｆを１２０°間隔で設けてもよい。

なお、上述した熱電発電装置３を構成する各部材は、鍛造、鋳造、引き抜き、焼結、プレス成形などの公知の手法により製造することができる。

上述した第１固定部材２１、第２固定部材２５、熱交換部材２２〜２４等が組み上げられて熱電発電装置３が完成した後の状態を、図５及び図６を参照して説明する。熱電発電装置３の完成後には、ボルト部材２７の頭部２７ｂは第１固定部材２１の係合部２１ｇと当接して係合し、ボルト部材２７の頭部２７ｂにより第１固定部材２１の係合部２１ｇが押圧される。一方、ナット部材３０の当接部３０ａは皿バネ２９と当接し、ナット部材３０の当接部３０ａにより皿バネ２９が押圧される。これにより、互いに当接する２枚の皿バネ２８，２９は、ナット部材３０の当接部３０ａと第２固定部材２５の係合部２５ｇとの間で圧縮されて弾性変形する。さらに、皿バネ２８は第２固定部材２５の係合部２５ｇと当接し、皿バネ２８により第２固定部材２５の係合部２５ｇが押圧される。

ボルト部材２７の頭部２７ｂから第１固定部材２１の係合部２１ｇに付与された押圧力は、第１固定部材２１の係合部２１ｇと押圧部２１ｃとの間に架設された梁部２１ｈを介して第１固定部材２１の押圧部２１ｃに伝達されるため、第１固定部材２１の押圧部２１ｃによりガスケット２６を介して熱交換部材２２が押圧される。一方、ナット部材３０から第２固定部材２５の係合部２５ｇに付与された押圧力は、第２固定部材２５の係合部２５ｇと押圧部２５ｃとの間に架設された梁部２５ｈを介して第２固定部材２５の押圧部２５ｃに伝達されるため、第２固定部材２５の押圧部２５ｃにより熱交換部材２４が押圧される。このようにして３つの熱交換部材２２〜２４は、第１固定部材２１及び第２固定部材２５により挟まれて固定される。

上述した熱電発電装置３の構成によれば、排気ガスの流れる方向に並べて配置された複数の熱交換部材２２〜２４は、第１固定部材２１及び第２固定部材２５から押圧力を受けて、その位置が固定される。ここで、排気ガスから回収する熱により熱交換部材２２〜２４のそれぞれは熱変形するが、上記の固定方法が採用されたことにより、熱交換部材２２〜２４において熱電モジュール４０の取付け面２２ａ〜２４ａに生じる熱変形が小さいため、熱交換部材２２〜２４の熱変形に起因して熱電モジュールの発電効率が低下することを防止することができる。また、熱交換部材２２〜２４は材料強度の観点から有利な押圧力により固定されるため、熱交換部材２２〜２４は破損しづらく、熱電発電装置３の耐久信頼性を向上することができる。

また、上述した熱電発電装置３によれば、複数の熱交換部材２２〜２４は排気ガスの流れる方向に並べて配置された構造であるため、熱交換部材２２〜２４に互いに熱膨張差がある場合でも、熱交換部材２２〜２４の取付け面２２ａ〜２４ａと熱電モジュール４０の密着状態を維持して、発電効率の低下を防止することができる。例えば、一つの熱交換部材２３とこれに隣接する熱交換部材２２，２４に熱膨張差がある場合でも、熱交換部材２２〜２４は互いの境界に配置されたガスケット２６の表面で滑るため、一つの熱交換部材２３からこれに隣接する熱交換部材２２，２４に熱膨張による変形が伝達されない。よって、隣接する熱交換部材２２，２４の取付け面２２ａ，２４ａは変形しないため、熱交換部材２２，２４の取付け面２２ａ，２４ａと熱電モジュール４０との密着状態が維持されて、発電効率の低下を防止することができる。

また、上述した熱電発電装置３の構成によれば、ボルト部材２７は熱交換部材２２〜２４の中心線に沿って延びてナット部材３０と係合することで、第１固定部材２１及び第２固定部材２５に熱交換部材２２〜２４を押圧させている。この構成によれば、熱交換部材２２〜２４の中央を通過するボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられることにより、第１固定部材２１及び第２固定部材２５は熱交換部材２２〜２４をより均一な力で押圧するため、熱交換部材２２〜２４を好適に固定することができる。

仮に、従来技術（特開２００２−１９９７６２号公報）のように、熱回収用の管部材どうしを複数箇所でボルト止め固定した場合には、これらの管部材には局部的に大きな応力が作用するため、管部材に低強度の材料を用いることができなかった。これに対して、上述した構成によれば、熱交換部材２２〜２４の中央を通過するボルト部材２７にナット部材３０が締め付けられることにより、第１固定部材２１及び第２固定部材２５は熱交換部材２２〜２４を広い当接面積でより均一な力で押圧するため、熱交換部材２２〜２４には過大な応力が作用しないため、熱交換部材２２〜２４に銅やニッケルなどの低強度の材料を用いることができるようになった。

また、上述した熱電発電装置３の構成によれば、ナット部材３０と第２固定部材２５との間に皿バネ２８，２９が配置されているため、ボルト部材２７と熱交換部材２２〜２４との間に熱膨張差があっても、その熱膨張差は皿バネ２８，２９の弾性変形により吸収されるため、熱交換部材２２〜２４の熱変形に起因して、熱交換部材２２〜２４の取付け面２２ａ〜２４ａと熱電モジュール４０との間に隙間ができることが防止され、熱電モジュール４０の発電効率が低下することを防止することができる。

特に、皿バネ２８，２９として最適なバネ定数を有するものを選択することで、排気ガスの漏れを防止するために最低限必要なガスケット２６の面圧を確保するとともに、熱交換部材２２〜２４に作用する押圧力を出来るだけ小さくして熱交換部材２２〜２４が変形することを防止することができる。なお、上述した実施形態では、ナット部材３０と第２固定部材２５との間に皿バネ２８，２９が配置されたが、他の実施形態では、ボルト部材２７の頭部２７ｂと第１固定部材２１との間に皿バネ２８，２９が配置されてもよい。また、上述した実施形態では、皿バネ２８，２９を用いたが、他の形状のバネ部材であってもよい。

上述した実施形態における第１固定部材２１、第２固定部材２５及び熱交換部材２２〜２４の材料の選択について説明する。第１固定部材２１、第２固定部材２５及び熱交換部材２２〜２４には、様々な材料が用いられる。例えば、第１固定部材２１及び第２固定部材２５を高温環境下でもクリープが極めて小さく強度的に優れるステンレス鋼を用いて構成し、熱交換部材２２〜２４のそれぞれを熱伝導率の高いステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属材料やカーボンなどのセラミック材を用いて構成することができる。これらの中でも特に熱伝導率の高い銅、アルミニウム、ニッケルなどの材料は高温強度が比較的に小さいため破損を招きやすいが、上述した実施形態における熱交換部材２２〜２４の固定方法によれば、熱交換部材２２〜２４は広い面積で均一に押圧されるため、高温強度が比較的に小さい銅、アルミニウムなどの材料を使用することができる。

また、熱交換部材２２〜２４のそれぞれを異なる材料で構成してもよい。例えば、上流側の熱交換部材２２を吸熱性能が比較的に低い材料（例えば、ステンレス鋼）で構成し、中央の熱交換部材２３を吸熱性能がより高い材料（例えば、ニッケル）で構成し、下流側の熱交換部材２４を吸熱性能がさらに高い材料（例えば、銅、アルミニウム）で構成してもよい。このように熱交換部材２２〜２４の材料を選択した場合には、上流側の熱交換部材２２は吸熱性能が比較的に低い材料で構成されているものの、排気ガスは極めて高温であることから十分な排熱が熱電モジュール４０に供給されるため、熱電モジュール４０に良好に発電させることができる。また、上流側の熱交換部材２２により排熱が回収されるため、排気ガスが中央の熱交換部材２３に到達したときには排気ガスの温度は若干低下しているが、中央の熱交換部材２３は吸熱性能がより高い材料で構成されており、十分な排熱が熱電モジュール４０に供給されるため、熱電モジュール４０に良好に発電させることができる。また、上流側の熱交換部材２２及び中央の熱交換部材２３により排熱が回収されるため、排気ガスが下流側の熱交換部材２４に到達したときには排気ガスの温度はさらに低下しているが、下流側の熱交換部材２４は吸熱性能がさらに高い材料で構成されており、十分な排熱が熱電モジュール４０に供給されるため、熱電モジュール４０に良好に発電させることができる。

次に、上述した実施形態の変形例に係る熱電発電装置８０について説明する。図１７は、変形例に係る熱電発電装置８０の側面図であり、図１８は、図１７の熱電発電装置８０を断面化して示した図である。この変形例に係る熱電発電装置８０では、６つの熱交換部材８１〜８６が積層して配置されている。このように積層される熱交換部材８１〜８６の個数は２つ以上の任意の個数とすることができる。このように熱交換部材８１〜８６の個数を変更することにより熱電発電装置８０の寸法を調節可能とすれば、共通の部品を利用して異なる車種用の熱電発電装置８０を構成できる。よって、熱電発電装置８０の部品を共通化したり、製造ラインの自動化が容易であることなどから、熱電発電装置８０の製造に要するコストを低減することができる。

なお、熱交換部材８１〜８６の個数を増やした場合でも、上述した実施形態と同様に、熱交換部材８１〜８６に様々な材料を用いることができる。例えば、最も上流側の熱交換部材８１〜８６を高温環境下でもクリープが極めて小さい材料（例えば、ステンレス鋼）で構成し、上流側から二番目の熱交換部材８１〜８６を吸熱性能がより高い材料（例えば、ニッケル）で構成し、上流側から三番目の熱交換部材８１〜８６を吸熱性能がより高い材料（例えば、銅）で構成し、下流側の３つの熱交換部材８１〜８６を吸熱性能がさらに高い材料（例えば、アルミニウム）で構成してもよい。このように熱交換部材８１〜８６の材料を最適に選択した場合には、熱交換部材８１〜８６の吸熱性能を向上させるとともに耐久性を向上することができる。

［第２実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について重点的に説明する。

第１実施形態の熱電発電装置３では、熱交換部材２２，２３，２４のそれぞれは単一の部材として構成されたが、第２実施形態の熱電発電装置では、熱交換部材１０１のそれぞれは多数枚の薄い板状の部材１０２を積層して構成されている。図１９には、熱交換部材１０１を構成する板状部材１０２が示されている。図１９では、説明の便宜のため、板状部材１０２及びガスケット１０３を２枚ずつ示しているが、実際には熱交換部材１０１は数十枚から数百枚の板状部材１０２及びガスケット１０３を交互に積層して構成されている。

板状部材１０２のそれぞれは、厚さの薄い金属板をプレス加工により円環部１０２ａ及び吸熱フィンエレメント１０２ｂを有する形状に打ち抜いて製造される。円環部１０２ａの外周は略六角形形状であり、その角部の近傍には位置決め用の貫通穴１０２ｃが形成されている。また、円環部１０２ａの略六角形形状の外周において、角部と角部の間の辺の部分（縁部）１０２ｄが熱電モジュール４０を取り付けるための取付け面となっている。ここで、金属板の厚さは、吸熱フィンエレメント１０２ｂの延出長さや吸熱フィンエレメント１０２ｂどうしの隙間の大きさなどを考慮して打ち抜き加工が実施可能なものが選択される。打ち抜き加工により板状部材１０２は比較的に容易に加工できるため、熱電発電装置を容易に製造することができ、熱電発電装置の製造に要するコストを低減することができる。

板状部材１０２の円環部１０２ａに形成された貫通穴１０２ｃは、位置決め部材３１の外径よりも若干小さな内径を有している。製造時には、板状部材１０２の貫通穴１０２ｃを位置決め部材３１に圧入して、板状部材１０２を位置決め部材に固定する。そして、多数の板状部材１０２の縁部１０２ｄで形成されるため表面が粗くなっている取付け面を機械加工で削って整えることで、取付け面の平面度を向上させる。ガスケット１０３は、およそ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのステンレス鋼の薄板をプレス加工することでより製造される。ガスケット１０３は、板状部材との接触圧を上昇させるため湾曲形状のビードを設けた構造とすることが好ましい。なお、ガスケット１０３は、銅などの軟質の金属を材料とする金属ガスケットでもよい。この場合、銅の表面にニッケルメッキを施せば、銅を材料とするガスケット１０３とステンレス鋼を材料とする板状部材１０２をロー付けにより接合できるため好ましい。また、上述した実施形態では、ガスケット１０３により板状部材１０２の間のシールを行っているが、ガスケット１０３を用いることなく板状部材１０２どうしをロー付けにより接合してもよい。

上述した実施形態の効果を従来技術と対比しつつ説明する。仮に、従来技術のように板金加工することで熱交換部材１０１を製作する場合には、円環部用の部材と吸熱フィン用の部材を別部材として形成し、これらの部材をロー付け、かしめ等の方法で接合させて一体化させることになる。このような熱交換部材１０１の製作方法は、部材どうしの接合部において伝熱抵抗が大きくなるため、吸熱フィンで吸熱した熱を熱電モジュールへ十分に伝えにくくなるという問題がある。

一方、押出し、鋳造、機械加工等の方法で熱交換部材１０１を一体的に製作すれば、円環部と吸熱フィンとの間の接合部はなくなるため、その分伝熱抵抗を小さくすることができ、吸熱フィンで吸熱した熱を熱電モジュール４０へ伝えやすくなる。しかし、鋳造、機械加工等の方法で熱交換部材を製作した場合には、コストが上昇してしまうため好ましくない。押出し成形で熱交換部材１０１を製作した場合には、唯一コストを抑えることができるが、ステンレス鋼等の硬質の金属を材料とすることができず、素材がアルミニウム、銅等の軟質の金属に限定される。

これに対して、本実施形態では、多数枚の板状部材１０２が積層されることで熱交換部材を構成しているため、上述した問題点を解消している。即ち、本実施形態では、熱交換部材１０１を構成する各板状部材１０２は薄いため、プレス成形である打ち抜き加工によって、円環部１０２ａから吸熱フィンエレメント１０２ｂが延びる複雑な形状の板状部材１０２を製作することが可能となった。この製作方法によれば、複雑な形状の板状部材１０２を製作するに際して、比較的容易に製作できるためコストを抑えることができ、吸熱フィンエレメント１０２ｂで吸熱した熱を熱電モジュール４０へ伝えやすく、アルミニウム、銅等の軟質の金属だけでなく、ステンレス鋼等の硬質の金属を材料とすることができる。

図２０は、複数の板状部材１０２が積層された様子が示されている。図２０では、図示を簡略化して６枚の板状部材１０２のみを示し、さらに周方向の一定範囲を切り出して示している。図２０において板状部材１０２の積層体を矢視方向に見た図が、図２１である。

図２０及び図２１に示されるように、最も手前側の板状部材１０２Ａの吸熱フィンエレメント１０２ｂに対して、二番目に手前側の板状部材１０２Ｂの吸熱フィンエレメント１０２ｂは、周方向に若干位置がずれている。二番目に手前側の板状部材１０２Ｂの吸熱フィンエレメント１０２ｂに対して、三番目に手前側の板状部材１０２Ｃの吸熱フィンエレメント１０２ｂは、周方向に若干位置がずれている。三番目に手前側の板状部材１０２Ｃの吸熱フィンエレメント１０２ｂに対して、四番目に手前側の板状部材１０２Ｄの吸熱フィンエレメント１０２ｂは、周方向に若干位置がずれている。四番目に手前側の板状部材１０２Ｄの吸熱フィンエレメント１０２ｂに対して、五番目に手前側の板状部材１０２Ｅの吸熱フィンエレメント１０２ｂは、周方向に若干位置がずれている。五番目に手前側の板状部材１０２Ｅの吸熱フィンエレメント１０２ｂに対して、六番目に手前側の板状部材１０２Ｆの吸熱フィンエレメント１０２ｂは、周方向に若干位置がずれている。さらに、奥側に積層される板状部材（図示せず）の吸熱フィンエレメントも同様に、その一つ手前側の板状部材の吸熱フィンエレメントに対して周方向に若干位置がずれている。このように、板状部材１０２の吸熱フィンエレメント１０２ｂは周方向に徐々にずらされており、吸熱フィンの板面には段差が形成されている。

上述したように、吸熱フィンの板面には段差が形成されているため、吸熱フィンの板面が退避するように形成された段差１０４では、排気ガスの乱流化が促進され、排気ガスから吸熱フィンへの熱伝達率を向上することができる。一方、吸熱フィンの板面が突出するように形成された段差１０５では、段差がない場合に比べて温度境界層が薄くなり、排気ガスから吸熱フィンへの熱伝達率を向上することができる。このように排気ガスから吸熱フィンへの熱伝達率を向上することにより、吸熱フィンの吸熱性能を向上することができる。吸熱フィンの吸熱量が増大することは、次の数式（１）からも理解できる。即ち、排気ガスが乱流化したり温度境界層が薄くなると、排気ガスと吸熱フィン表面の境界層温度差ΔＴが大きくなるため、吸熱フィンの吸熱量を増大させることができる。

Ｑ ＝ Ｋ × Ｓ × Ｅ × ΔＴ ・・・（１）
ここで、
Ｑ ： 吸熱量（Ｗ）
Ｋ ： 排気ガスと吸熱フィン表面の熱伝達率（Ｗ／ｍ^２／Ｋ）
Ｓ ： 吸熱フィン表面積（ｍ^２）
Ｅ ： 吸熱フィン効率
ΔＴ： 排気ガスと吸熱フィン表面の境界層温度差（Ｋ）

図２２は、上述した熱交換部材１０１の変形例を示す図である。図２２に示されるように、変形例に係る熱交換部材１１１において、板状部材１１２のそれぞれは、厚さの薄い金属板をプレス加工により円環部１１２ａ及び吸熱フィンエレメント１１２ｂを有する形状に打ち抜いて製造される。ここで、吸熱フィンエレメント１１２ｂは、円環部１１２ａから中心に向けて延出するとともに湾曲した形状となっている。このように吸熱フィンエレメント１１２ｂを湾曲した形状とすることで、吸熱フィンの表面積を増加して、吸熱フィンの吸熱性能をさらに向上することができる。なお、このような複雑な形状の吸熱フィンエレメント１１２ｂをプレス加工で製造するためには、素材となる金属板の板厚をさらに薄くすればよい。

図２３は、上述した熱交換部材１０１の別の変形例を示す図である。図２３に示されるように、この変形例に係る熱交換部材１２１では、ステンレス鋼を材料とする板状部材１２２Ａと、銅を材料とする板状部材１２２Ｂとが交互に積層されている。ここで、銅は比較的に強度に劣る材料であるため、ステンレス鋼でなる板状部材１２２Ａよりも銅でなる板状部材１２２Ｂは薄いものが用いられている。このように異なる種類の材料でなる板状部材１２２Ａ，１２２Ｂを積層することで、それぞれの材料の優れた特性を利用することができる。

特に、上述したようにステンレス鋼でなる板状部材１２２Ａと銅でなる板状部材１２２Ｂとを積層することで、ステンレス鋼の高温強度に優れた特性と、銅の熱伝導率が優れた特性を利用して、熱交換部材１２１の耐久性を確保しつつ吸熱性能を向上することができる。上述した構成では、熱電モジュール４０を取り付けるための取付け面が、両板状部材１２２Ａ，１２２Ｂが積層されて形成されるため、熱電モジュール４０の押付け荷重が大きい場合には、ステンレス鋼でなる板状部材１２２Ａの厚さを大きくし、銅でなる板状部材１２２Ｂの厚さを薄くすればよい。このように板状部材１２２Ａ，１２２Ｂの厚さを調節することで、熱電モジュール４０から受ける荷重による取付け面の変形を抑えることができる。

なお、図２３に示される変形例では、両板状部材１２２Ａ，１２２Ｂは交互に積層されているが、一方の板状部材１２２Ａ又は１２２Ｂの間に他方の板状部材１２２Ｂ又は１２２Ａが複数枚配置されてもよい。また、一方の板状部材１２２Ａの材料をステンレス鋼とし、他方の板状部材１２２Ｂの材料を銅としているが、他の種類の材料でなる板状部材を積層してもよい。例えば、上述した変形例であれば、一方の板状部材１２２Ｂの材料である銅に代えて、同じく熱伝導率が優れたニッケルを用いることもできる。また、板状部材の材料の種類は３種類以上であってもよい。

図２４及び図２５は、上述した熱交換部材１０１のさらに別の変形例を示す図である。図２４に示されるように、この変形例に係る熱交換部材１３１では、一方の板状部材１３２Ａが、他方のシェル状の板状部材１３２Ｂに嵌めこまれて一体化される。一体化された板状部材１３２Ａ，１３２Ｂの吸熱フィンエレメント１３３Ａ，１３３Ｂが積層された様子が、図２５に示される。ここで、一方の板状部材１３２Ａの材料は銅であり、他方の板状部材１３２Ｂの材料はステンレス鋼である。このように異なる種類の材料でなる板状部材１３２Ａ，１３２Ｂを積層することで、それぞれの材料の優れた特性を利用することができる。

特に、上述したように銅でなる板状部材１３２Ａとステンレス鋼でなる板状部材１３２Ｂとを積層することで、ステンレス鋼の高温強度に優れた特性と、銅の熱伝導率が優れた特性を利用して、熱交換部材１３１の耐久性を確保しつつ吸熱性能を向上することができる。また、一方の板状部材１３２Ａの材料を銅とし、他方の板状部材１３２Ｂの材料をステンレス鋼としているが、他の種類の材料でなる板状部材を積層してもよい。例えば、上述した変形例であれば、一方の板状部材１３２Ａの材料である銅に代えて、同じく熱伝導率が優れたニッケルを用いることもできる。また、カーボンなどの非金属の材料を用いることもできる。

［第３実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る第３実施形態について説明する。上述した第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について重点的に説明する。

上述した第１実施形態の熱電発電装置３では、熱電発電装置３の内部で排気ガスが上流側から下流側へと流れるに伴って、熱交換部材２２〜２４の吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃにより排気ガスの熱が奪われるため、排気ガスの温度は低下していく。ここで、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃが排気ガスから奪う熱量は、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの位置によって異なる。具体的には、熱交換部材２２〜２４において取付け面２２ａ〜２４ａの反対側に設けられた吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃは、排気ガスから奪った熱を取付け面２２ａ〜２４ａから熱電モジュール４０に逃がしやすいため、隣り合う２つの取付け面２２ａ〜２４ａの中間位置の内側に設けられた吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃよりも、排気ガスから多くの熱を奪う傾向にある。また、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの根元側部位は、排気ガスから奪った熱を取付け面２２ａ〜２４ａから熱電モジュール４０に逃がしやすいため、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの先端側部位よりも、排気ガスから多くの熱を奪う傾向にある。

このように、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃにより排気ガスから奪われる熱量が吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの位置によって異なるため、排気ガスが下流側へ流れて行くほど排気ガスには温度差が生じる。よって、排気ガスが下流側へ流れて行くほど、排気ガスから多くの熱を奪うことが可能な位置にある吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの近傍には、その上流側で既に吸熱されて温度が比較的に低くなった排気ガスが流れる一方で、排気ガスからあまり熱を奪わない位置にある吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの近傍には、上流側であまり吸熱されないで温度が比較的に高い排気ガスが流れる。このため、下流側の吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃでは、排気ガスの熱が有効に回収されず、全体として排気ガスからの吸熱量が小さく、発電量の低下を招いてしまう。このような問題に対処した第３実施形態の熱電発電装置を、以下に説明する。

図２６には、第３実施形態に係る熱電発電装置２００が示されている。図２６では、説明の便宜のため、中央の熱交換部材２３を省略している。図２６に示されるように、中央の熱交換部材２３と下流側の熱交換部材２４との間には、複数のプレート２０１が配置されている。図２７には、複数のプレート２０１を排気ガスの流れ方向から見た様子が示されており、図２８には、１つのプレート２０１を径方向から見た様子が示されている。

図２７に示されるように、ボルト部材２７の外周にはリング状の基部２０２が固定されており、このリング状の基部２０２の周囲には６つのプレート２０１が周方向に６０°間隔で設けられている。各プレート２０１は、基部２０２から径方向外側に延びている。ここで、各プレート２０１は、基部２０２から六角形状の角部に向かって延びており、言い換えれば、各プレート２０１は、基部２０２から隣り合う２つの取付け面２４ａの中間位置に向かって延びている。なお、図２８に示されるように、各プレート２０１は、排気ガスの流れ方向に対して傾斜が付けられている。

図２９に示されるように、上流側から流れてきた排気ガスがプレート２０１に至ると、排気ガスの流れの向きはプレート２０１により変えられる。これにより、上流側の吸熱フィン２３ｃにおいて隣り合う２つの取付け面の中間位置の内側を流れてきた排気ガスが、下流側の吸熱フィン２４ｃでは取付け面の内側を流れることとなる。よって、上流側の吸熱フィン２３ｃによってあまり吸熱されず温度が高いままの排気ガスが、下流側の吸熱フィン２４ｃでは効率良く吸熱されるため、排気ガスの熱が有効に回収されて、全体として排気ガスからの吸熱量が大きくし、熱電モジュール４０の発電量を向上することができる。なお、上流側から２番目の熱交換部材２３と上流側から３番目の熱交換部材２４との間に配置されたプレート２０１について説明したが、上流側から１番目の熱交換部材２２と上流側から２番目の熱交換部材２３との間にも同様にプレートが配置されている。

［第４実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る第４実施形態について説明する。第４実施形態の熱電発電装置３００では、第３実施形態と同様に排気ガスの温度差に起因して発電効率が低下する問題に対処している。上述した第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について重点的に説明する。

図３０には、第４実施形態に係る熱電発電装置３００が示されている。図３０に示されるように、第４実施形態に係る熱電発電装置３００では、４つの熱交換部材３０１，３０２，３０３，３０４が積層されて配置されている。ここで、熱交換部材３０１〜３０４は、互いに周方向にずらされている。熱電発電装置３００を側方から見た様子が図３１に示されており、さらに図３１のＲ−Ｒ断面が図３２に示され、Ｔ−Ｔ断面が図３３に示されている。

図３０〜図３３を参照すると理解できるように、最も上流側の熱交換部材３０１の取付け面３０１ａに対して、上流側から２番目の熱交換部材３０２の取付け面３０２ａは周方向に３０°ずらされている。上流側から２番目の熱交換部材３０２の取付け面３０２ａに対して、上流側から３番目の熱交換部材３０３の取付け面３０３ａは周方向に３０°ずらされている。上流側から３番目の熱交換部材３０３の取付け面３０３ａに対して、上流側から４番目の熱交換部材３０４の取付け面３０４ａは周方向に３０°ずらされている。

上述した熱交換部材３０１〜３０４によれば、最も上流側の熱交換部材３０１において隣り合う２つの取付け面３０１ａの中間位置の内側を流れてきた排気ガスは、上流側から２番目の熱交換部材３０２において取付け面３０２ａの内側を流れることとなる。同様に、上流側から２番目の熱交換部材３０２において隣り合う２つの取付け面３０２ａの中間位置の内側を流れてきた排気ガスは、上流側から３番目の熱交換部材３０３において取付け面３０３ａの内側を流れることとなる。同様に、上流側から３番目の熱交換部材３０３において隣り合う２つの取付け面３０３ａの中間位置の内側を流れてきた排気ガスは、上流側から４番目の熱交換部材３０４において取付け面３０４ａの内側を流れることとなる。

上述したように、上流側の熱交換部材３０１，３０２又は３０３において、隣り合う２つの取付け面３０１ａ，３０２ａ又は３０３ａの中間位置の内側を流れてきた排気ガスは、次段の下流側の熱交換部材３０２，３０３又は３０４において、取付け面３０２ａ，３０３ａ又は３０４ａの内側を流れることとなる。よって、上流側の吸熱フィン３０１ｂ，３０２ｂ又は３０３ｂによりあまり吸熱されず温度が高いままの排気ガスが、次段の下流側の吸熱フィン３０２ｂ，３０３ｂ又は３０４ｂの効率良く吸熱されるため、排気ガスの熱が有効に回収されて、全体として排気ガスからの吸熱量が大きくし、熱電モジュール４０の発電量を向上することができる。

［第５実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る第５実施形態について説明する。第５実施形態の熱電発電装置４００では、第３実施形態と同様に排気ガスの温度差に起因して発電効率が低下する問題に対処している。上述した第１実施形態と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について重点的に説明する。

図３４には、第５実施形態に係る熱電発電装置４００が示されている。図３４では、説明の便宜のため、中央の熱交換部材２３を省略している。図３４に示されるように、第５実施形態に係る熱電発電装置４００では、中央の熱交換部材２３と下流側の熱交換部材２４との間には、多数の扁平形状の管状部材４０２が積層されて一体化された積層体４０１が配置されている。吸熱フィン２４ｃと同数の管状部材４０２が積層されており、積層した状態で互いにロー付けされて接合されることで一体化され、全体としてリング状となっている。多数の管状部材４０２が一体化された積層体４０１は、下流側の熱交換部材２４の吸熱フィン２４ｃにロー付けされて固定されている。

熱電発電装置４００から取り外された熱交換部材２４が図３５に示されている。さらに、熱交換部材２４を排気ガスの流れ方向に見た様子が図３６に示されており、熱交換部材２４を側方から見た様子が図３７に示されている。なお、図３６に示されるように、多数の管状部材４０２は中央側の位置で互いに接合されて固定されており、外側の位置では２つの隣接する管状部材４０２の間に隙間４０３が存在している。

図３８には、管状部材４０２の一つが拡大して示されている。排気ガスの流路内において、管状部材４０２は、上流側の位置から下流側の位置まで延設されている。管状部材４０２の上流側の位置には、排気ガスの入口となる開口４０２ａが形成されており、管状部材４０２の下流側の位置には排気ガスの出口となる開口４０２ｂが形成されている。管状部材４０２の上流側の開口４０２ａと管状部材４０２の下流側の開口４０２ｂとは、径方向及に異なる位置に設けられている。即ち、管状部材４０２の上流側の開口４０２ａは、熱交換部材２４の中央でボルト部材２７が配置される位置の近傍にあり、管状部材４０２の下流側の開口４０２ｂは、熱交換部材２４の外側で熱交換部材２４のケース部２４ｂの近傍にある。また、管状部材４０２の上流側の開口４０２ａと管状部材４０２の下流側の開口４０２ｂとは、周方向に若干異なる位置に設けられている。

上流側から流れてきた排気ガスは、管状部材４０２の上流側の開口４０２ａから流入すると、管状部材４０２の内部を通過して、管状部材４０２の下流側の開口４０２ｂから流出する。これにより、排気ガスの流路内において内側を流れていた排気ガスは、管状部材４０２を通過した後には外側を流れるようになる。一方、既述のとおり隣接する２つの管状部材４０２の間には隙間４０３があるため、排気ガスの流路内において外側を流れていた排気ガスは、管状部材４０２を通過した後には内側を流れるようになる。

既述のとおり、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの根元側部位は、排気ガスから奪った熱を取付け面２２ａ〜２４ａから熱電モジュール４０に逃がしやすい。このため、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの根元側部位は、吸熱フィン２２ｃ〜２４ｃの先端側部位よりも、排気ガスから多くの熱を奪う傾向にある。よって、排気ガスが下流側へ流れて行くほど排気ガスには温度差が生じる。これに対して、上述したように熱交換部材２３と熱交換部材２４との間に管状部材４０２を配置することで、上流側の熱交換部材２３では吸熱フィン２３ｃの先端側部位を流れてきた排気ガスが、下流側の熱交換部材２４では吸熱フィン２４ｃの根元側部位を流れることとなり、上流側の熱交換部材２３では吸熱フィン２３ｃの根元側部位を流れてきた排気ガスが、下流側の熱交換部材２４では吸熱フィン２４ｃの先端側部位を流れることとなる。よって、上流側の吸熱フィン２３ｃによりあまり吸熱されず温度が高いままの排気ガスが、下流側の吸熱フィン２４ｃでは効率良く吸熱されるため、排気ガスの熱が有効に回収して、全体として排気ガスからの吸熱量が大きくし、熱電モジュール４０の発電量を向上することができる。

上述した実施形態では、上流側から２番目の熱交換部材２３と上流側から３番目の熱交換部材２４との間に配置された管状部材４０２について説明したが、上流側から１番目の熱交換部材２２と上流側から２番目の熱交換部材２３との間にも同様に管状部材が配置されている。また、上述した実施形態では、管状部材４０２は周方向の全ての位置に設けられたが、管状部材４０２は周方向の一部の位置にのみ設けられてもよい。また、上述した実施形態では、管状部材４０２は吸熱フィンと同数であったが、管状部材４０２は吸熱フィンよりも多くてもよいし少なくてもよい。

本発明に係る熱電発電装置の一実施形態を備えた熱電発電システムを示す概略構成図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置の外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を上流側から見た図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を側方から見た図である。 図３のＶ−Ｖ断面を示す断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ断面を示す断面図である。 図４のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す断面図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を分解して示す斜視図である。 熱電モジュールの内部構造を示す断面図である。 熱電モジュールが取り付けられる様子を示す斜視図である 熱電モジュールを固定するための部材を示す斜視図である。 熱電発電装置本体を分解して示す斜視図である。 図７の一部を拡大して示す簡略化された断面図である。 図５の一部を拡大して示す簡略化された断面図である。 第１実施形態における位置決め部材の配置を示す概略図である。 第１実施形態の変形例における位置決め部材の配置を示す概略図である。 第１実施形態の変形例に係る熱電発電装置の外観を示す側面図である。 第１実施形態の変形例に係る熱電発電装置の内部構造を示す断面図である。 第２実施形態に係る熱電発電装置において積層される板状部材及びガスケットを示す斜視図である。 第２実施形態の熱電発電装置における板状部材の積層構造を示す斜視図である。 図２０の板状部材を矢視方向に見た図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第１変形例における板状部材の積層構造を示す斜視図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第２変形例における板状部材の積層構造を示す図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第３変形例における板状部材を示す斜視図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第３変形例における板状部材の積層構造を示す図である。 第３実施形態に係る熱電発電装置の構造を示す斜視図である。 第３実施形態のプレートを上流側から見た図である。 第３実施形態のプレートを径方向から見た図である。 第３実施形態のプレートの周辺における排気ガスの流れを示す斜視図である。 第４実施形態に係る熱電発電装置の外観を示す斜視図である。 第４実施形態に係る熱電発電装置を側方から見た図である。 図３１のＲ−Ｒ断面を示す断面図である。 図３１のＴ−Ｔ断面を示す断面図である。 第５実施形態に係る熱電発電装置の構造を示す斜視図である。 第５実施形態に係る熱交換部材及び管状部材を示す斜視図である。 第５実施形態に係る熱交換部材及び管状部材を上流側から見た図である。 第５実施形態に係る熱交換部材及び管状部材を側方から見た図である。 第５実施形態に係る管状部材を拡大して示す図である。

符号の説明

１…熱電発電システム、２…エキゾーストマニホールド、３…熱電発電装置、４…排気管、８…熱回収流路、９…バイパス流路、１０…排気ガス通路切換バルブ、２０…熱電発電装置本体、２１…第１固定部材、２５…第２固定部材、２２，２３，２４…熱交換部材、２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ…ケース部、２２ｃ，２３ｃ，２４ｃ…吸熱フィン、２６…ガスケット、２７…ボルト部材（固定手段）、２８，２９…皿バネ、３０…ナット部材（固定手段）、３１…位置決め部材、４０…熱電モジュール（熱電変換部）。

Claims (14)

1. 熱媒体から熱を回収する吸熱フィンと、当該吸熱フィンのケース部とを有し、熱媒体の流れ方向に並べて配置された複数の熱交換部材と、
   前記熱交換部材により回収された熱を利用して発電を行う熱電発電部と、
   前記複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の上流側に配置された第１固定部材と、
   前記複数の熱交換部材に対して熱媒体の流れ方向の下流側に配置された第２固定部材と、
   前記第１固定部材及び前記第２固定部材に前記熱交換部材を押圧させる固定手段と、
   を備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記固定手段は、前記熱交換部材の中央を通過して前記第１固定部材及び前記第２固定部材と係合し、前記第１固定部材及び前記第２固定部材に前記熱交換部材を押圧させる部材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。
3. 前記第１固定部材及び前記第２固定部材による前記熱交換部材の押圧に応じて変形するバネ部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
4. 前記固定手段は、熱媒体のバイパス通路が内部に形成されると共に前記第１固定部材及び前記第２固定部材と係合し、前記第１固定部材及び前記第２固定部材に前記熱交換部材を押圧させる部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
5. 前記熱交換部材の位置決めを行うための位置決め手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
6. 複数の前記熱交換部材の少なくとも１つは、他の前記熱交換部材と異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
7. 前記熱交換部材のケース部において前記吸熱フィンと反対側の位置に前記熱電発電部が配置されており、
   前記熱電発電部が前記ケース部に接触する面積よりも、前記吸熱フィンが前記ケース部に設けられる面積のほうが大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
8. 前記熱交換部材は、複数の板状部材を積層して構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
9. 上流側の前記板状部材の前記吸熱フィンエレメントに対して、下流側の前記板状部材の前記吸熱フィンエレメントは周方向にずらされており、前記吸熱フィンに段差が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱電発電装置。
10. 複数の前記板状部材の少なくとも１つは、他の前記板状部材と異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の熱電発電装置。
11. 上流側の前記熱交換部材において所定位置を流れた熱媒体が、下流側の前記熱交換部材において前記熱電発電部に対して相対的に異なる位置を流れるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
12. 上流側の前記熱交換部材の前記吸熱フィンと下流側の前記熱交換部材の前記吸熱フィンとの間には、前記熱媒体の流れ方向に対して傾斜が付けられており、熱媒体の流れる位置を変えるプレートが配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電装置。
13. 上流側の熱交換部材の取付け面に対して、下流側の熱交換部材の取付け面は、周方向にずれた位置に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電装置。
14. 上流側の熱交換部材の吸熱フィンと下流側の熱交換部材の吸熱フィンとの間には、前記熱媒体が流入する上流側開口と前記熱媒体が流出する下流側開口とが異なる位置に設けられている管状部材が配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電装置。

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