JP2013125960A - 車用熱電発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、熱電発電効率の高い車用熱電発電機を提供する。
【解決手段】内部にエンジンからの排気ガスが通り、排気ガスと熱交換して加熱される排気管、排気管の外周面に排気管の長さ方向に延びた環状の第１フランジ、および第１フランジから排気管に対して垂直方向に延びた環状の第１熱伝達板を備えた高温部と、排気管外側に設置され、内部に冷却水が流れる環状の冷却水管、冷却水管の外側内周面に冷却水管の長さ方向に延びた環状の第２フランジ、および第２フランジから冷却水管に対して垂直方向に延びた環状の第２熱伝達板を備える低温部と、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合した環状で、一側は第１熱伝達板と接触し、他側は第２熱伝達板と接触し、両側面間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュールと、を含んで構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は熱電発電機に関し、より詳しくは、自動車の排気ガスの熱を利用して発電する車用熱電発電機に関する。

熱電素子とは、素子両端の温度差を電気に変換することによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、素子に電気を流すことによって素子両端に温度差を引き起こして電気エネルギーを熱エネルギーに変換する熱電現象を利用する素子を言う。このような熱電素子は、冷却装置、小規模な加熱装置、小規模な発電装置などに利用されている。

熱電素子が小規模な発電装置に利用されるものを、熱電発電装置または熱電発電機と呼び、主に、無電通信機の電源供給装置、宇宙船の電力供給装置、核潜水艦の動力供給装置、車の排気システムに設置される熱電発電機などに用いられる。

図１は、車用熱電発電機を示す断面図である。車の排気システムに設置される熱電発電機１０は、高温の排気ガスが通過する断面六角形状の排気熱回収装置４０、排気熱回収装置４０の外側に設置され、内部に冷却水が通過する冷却装置３０、および排気熱回収装置４０の外側と冷却装置３０内側に接触して両端の温度差によって電気を発生させる複数の熱電モジュール２０を含んで構成される。

排気熱回収装置４０の内部には高温の排気ガスが流れ、その熱が熱電モジュール２０に一つの面に伝達され、一方、冷却装置３０内部の冷却パイプ３２には冷却水が流れて、熱電モジュール２０の他方の面を冷却する。これにより、排気熱回収装置４０と接触した熱電モジュール２０の内側と、冷却装置３０と接触した熱電モジュール２０の外側との間に温度差が生じる。従って、熱電モジュール２０の内側と外側の温度差を大きくすることにより、自動車の排気システムに設置された熱電発電機の効率を増加させることができる。

熱電発電機の自動車への適用については、熱電素子によって自動車の排気ガスの熱を電気エネルギーに変換してバッテリーを充電する排気熱発電装置が提案されており（例えば、特許文献１参照）、さらに、複数の熱電発電素子が、排気管および冷却水管に対して排気の上流側から下流側へ順次取付けられ、冷却水管中の冷却水の流れを排気管を流れる排気方向と対向するようにして各熱電発電素子間の発電量差を小さくして、全体の発電量を大きくした排気熱発電装置〔特許文献２参照〕、取り出す電流を最適電流値に制御して最大電力の取り出しを可能にした熱電発電機〔特許文献３、特許文献４参照〕など、その発電効率を上げる努力が行われている。

熱電発電機で多くの電気を生産するためには、すなわち、熱電発電機の発電効率を高めるためには、排気ガスの熱エネルギーを熱電モジュールに効率的に伝達されなければならない。しかし、上述したような従来の車用熱電発電機では、熱エネルギーの回収能力が低く、排気ガスの熱エネルギーを充分効率良く伝達されていないという問題がある。

また、従来の車用熱電発電機は、冷却装置が広い面積を占めているにも拘わらず、熱交換面積が小さいために熱伝逹効率が低く、大きさに比べて熱電発電効率が低いという問題がある。

特開昭６１−２５４０８２号公報 特開２００５−２９９４１７号公報 特開２００５−２３７０５８号公報 特開２００９−１９５０６７号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、小さいながらも熱電発電効率の高い車用熱電発電機を提供することにある。

上記した本発明の目的を達成するためになされた車用熱電発電機は、内部にエンジンからの排気ガスが通り、排気ガスと熱交換して加熱される排気管、排気管の外周面に排気管の長さ方向に延びた環状の第１フランジ、および第１フランジから排気管に対して垂直方向に延びた環状の第１熱伝達板を備えた高温部と、排気管外側に設置され、内部に冷却水が流れる環状の冷却水管、冷却水管の外側内周面に冷却水管の長さ方向に延びた環状の第２フランジ、および第２フランジから冷却水管に対して垂直方向に延びた環状の第２熱伝達板を備える低温部と、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合した環状で、一側は第１熱伝達板と接触し、他側は第２熱伝達板と接触し、両側面間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュールと、を含んで構成される。

高温部は、さらに、排気管内に設置され、排気ガスをバイパスさせるバイパス管と、バイパス管末端に設置され、バイパス管を開閉するバイパスバルブと、バイパスバルブをバイパス管に弾性的に支持するスプリングと、バイパス管と排気管の間に設置され、排気ガスの熱エネルギーを排気管に伝達する熱交換メッシュと、を含むことができる。

冷却水管は、さらに、排気管の排気ガスの流れの下流側の外側に形成され、冷却水が流入する冷却水流入口と、冷却水流入管と対角線方向に形成され、冷却水が排出する冷却水出口と、冷却水管内部に形成されて流動経路を形成すると共に、円周方向に所定の角度隔てて開放部が設けられて、流動経路を流れる冷却水を隣接する流動経路とは円周方向に互いに反対方向にする環状のバッフルと、を含むことができる。

本発明の車用熱電発電機によれば、熱伝導板の構造が単純になり製造費用が節減され、生産性が向上する効果がある。また、熱電発電機の大きさが小さくなって車のパッケージングに有利となるばかりでなく、熱電発電機の長さが同じでも熱電モジュールの有効面積が増え、発電効率が向上する効果がある。さらに、熱電発電機で生産した電気を車のバッテリーに充電することでエンジンの負荷を下げ、エンジンの燃費を改善する効果がある。

従来の車用熱電発電機の断面図である。 本発明の車用熱電発電機における一実施形態の縦断面図である。 図２のＢ部分の拡大断面図である。 熱電発電機の第１熱交換ピン、熱電モジュール、および第２熱交換ピンを示す分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。 車用熱電発電機のバッフルを示す斜視図である。

以下、本発明の車用熱電発電機について、一実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
図２は、本発明の車用熱電発電機における一実施形態の縦断面図、図３は、図２のＢ部分の部分拡大断面図である。図４は、この実施形態における第１熱交換ピン、熱電モジュール、および第２熱交換ピンを示す分解斜視図である。図５は、図２のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図６は、熱電発電機のバッフルを示す斜視図である。

図に示すように、車用熱電発電機１００は、一側がエンジンからの高温の排気ガスと熱交換して加熱される高温部１１０、他側が、エンジンの冷却システムによって循環する冷却水が流れて冷却される低温部１２０となり、高温部１１０と低温部１２０の間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュール１３０を含んでいる。

高温部１１０は、高温の排気ガスが通り、排気ガスと熱交換して加熱される排気管１１２と、排気管１１２の外周面に排気管１１２の長さ方向に延びた環状の第１フランジ１１７と、第１フランジ１１７から排気管１１２に対して垂直方向に延びて熱電モジュール１３０と接触して支持する環状の第１熱伝達板１１９と、を有している。

排気管１１２は中空円筒形状であり、内部を流れる高温の排気ガスによって加熱される。加熱された排気管１１２は、その外周面に設置された第１熱伝達板１１９を加熱し、さらに第１熱伝達板１１９によって熱電モジュール１３０の一側面を加熱する。

排気管１１２の内部には、排気ガスがバイパスするバイパス管１１４が設置される。バイパス管１１４の末端には、スプリング１１５によって弾性的に支持されてバイパス管１１４の末端を開閉するバイパスバルブ１１６が装着されて、エンジンの負荷によって排気ガスをバイパス管１１４にバイパスさせている。

車が低速で走行しているとき、すなわち、エンジンの負荷が低いときには、バイパスバルブ１１６が閉じて、排気ガスはバイパス管１１４と排気管１１２の間を流れる。車が高速で走行となったとき、すなわち、エンジンの負荷が増加したときには、排気ガスの温度が高くなって排気管１１２が過熱されるようになるので、これを防ぐため、バイパスバルブ１１６が開き、その開放程度により排気ガスの一部がバイパス管１１４の内部を流れ、排気管１１２の内部でバイパス管１１４の内側と外側それぞれに流れる排気ガス量が調節される。

バイパス管１１４の外周面と排気管１１２の内周面の間には、熱交換メッシュ１１３が置かれ、高温の排気ガスと熱交換し、その熱エネルギーを吸収して排気管１１２に伝達する。すなわち、熱交換メッシュ１１３により、排気ガスの熱エネルギーは効率良く排気管１１２に伝達される。

高温部１１０の外側、すなわち、排気管１１２の外側には低温部１２０が設けられる。この低温部１２０は、中空円筒形状であり、内部には環状の冷却水管１２２が設けられて冷却水が流れる。冷却水管１２２は、排気ガスの流れの下流側の外側に冷却水流入口１２１と、排気ガスの流れの上流側の外側で中空円筒形状外周の冷却水流入口１２１とは反対側に冷却水排出口１２３を有して、冷却水の流動経路を形成している。冷却水は、冷却水流入口１２１から冷却水管１２２に入り、図２の縦断面図で示す対角線方向に流れて冷却水排出口１２３から出てエンジンの冷却システム（図示していない）に回収される。

低温部１２０は、排気管１１２外側に設置され、内部に冷却水が流れる環状の冷却水管１２２と、冷却水管１２２の外側内周面に冷却水管１２２の長さ方向に延びた環状の第２フランジ１２７と、第２フランジ１２７から冷却水管１２２に対して垂直方向に延びて熱電モジュール１３０と接触して支持する環状の第２熱伝達板１２９と、を有している。

冷却水管１２２の内部には、図６に示すように、一側が開放されたリング形状である複数のバッフル１２６が設置される。特に、バッフル１２６の開放部が、隣接するバッフル１２６の開放部と所定の角度、好ましくは９０度をなすようにする。これにより、冷却水は、互いに隣接するバッフル１２６間を通路として流れる流動経路とし、開放部から隣りの通路に移るが、開放部がそれぞれ円周方向に所定の角度隔てて設けられているために前の通路での流れ方向と反対方向に流れるようになり、低温部１２０の温度を一定に維持することができる。

熱電モジュール１３０は、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合して構成されて、第１フランジ１１７と第２フランジ１２７の間で、かつ第１熱伝達板１１９と第２熱伝達板１２９の間に挟まれている。従って、熱電モジュール１３０の一側面は第１熱伝達板１１９によって加熱され、他側面は第２熱伝達板１２９によって冷却される。

このようにして熱電モジュール１３０の両側面の間に温度差が生じ、この温度差によって熱電モジュール１３０に電気が発生する。発生した電気は、車のバッテリー（図示してない）に電気的に連結されて、バッテリーを充電することができる。

第１熱伝達板１１９、熱電モジュール１３０、および第２熱伝達板１２９は１つの熱電発電モジュールを形成し、排気管１１２と冷却水管１２２の間には複数の熱電発電モジュールが設置され、熱電モジュール１３０のそれぞれが互いに電気的に連結することで熱電発電モジュールから多量の電気を生産することができる。

本発明の車用熱電発電機１００の作用について説明する。
エンジンが駆動すると、エンジンからの排気ガスが排気管１１２を流れる。このとき、バイパスバルブ１１６はバイパス管１１４を閉鎖していて、排気ガスは、排気管１１２とバイパス管１１４の間を流れる。一方、エンジンの冷却システム（図示してない）によって循環する冷却水は、冷却水流入口１２１から冷却水管１２２に入る。

高い温度にある排気ガスは、バイパス管１１４と排気管１１２の間にある熱交換メッシュ１１３と熱交換して排気管１１２を加熱し、その熱が第１熱伝達板１１９に伝えられ、第１熱伝達板１１９と接触する熱電モジュール１３０の一側面の温度を高くする。

一方、冷却水は、冷却水流入口１２１から冷却水管１２２に入り、複数のバッフル１２６によって冷却水管１２２の周囲を交互に流動経路を反対方向に変えつつ流れる。冷却水によって第２熱伝達板１２９が冷却され、第２熱伝達板１２９と接触する熱電モジュール１３０のもう一方の側面を冷却する。

このようにして熱電モジュール１３０の両側面の間には温度差が生じる。この温度差により、熱電モジュール１３０それぞれの内部には電気が発生し、電気的に連結されたバッテリーを充電する。

車の速度が増したとき、エンジンの負荷が増加し、バイパスバルブ１１６がスプリング１１５の弾性力に勝ってバイパス管１１４を開放する。バイパス管１１４が開放されることにより、排気ガスの大部分はバイパス管１１４の内部を通って排気され、排気ガスの一部がバイパス管１１４と排気管１１２の間を流れる。以後の作用は、バイパスバルブ１１６が閉鎖している場合と同じであるため、これについての説明は省略する。

熱電発電モジュールは、複数の熱電モジュールを用いて多量の電気を生産することができ、自動車のバッテリーを充電することにより自動車の燃料費用を下げることができる。
さらに、本発明の車用熱電発電機によれば、熱電モジュールが高温部と低温部のそれぞれと大きな面積で接触することができて熱電効率が向上すると共に、排気ガスと熱交換メッシュとの熱交換する過程で排気ガスの騷音を軽減することもできる。従って、従来に比べて小型な車用熱電発電機を実現することができる。

１０：熱電発電機
２０：熱電モジュール
３０：冷却装置
４０：排気熱回収装置
１００：熱電発電機
１１０：高温部
１１２：排気管
１１４：バイパス管
１１５：スプリング
１１６：バイパスバルブ
１１７：第１フランジ
１１９：第１熱伝達板
１２０：低温部
１２１：冷却水流入口
１２２：冷却水管
１２３：冷却水排出口
１２６：バッフル
１２７：第２フランジ
１２９：第２熱伝達板
１３０：熱電モジュール

Claims (3)

1. 内部にエンジンからの排気ガスが通り、前記排気ガスと熱交換して加熱される排気管、前記排気管の外周面に前記排気管の長さ方向に延びた環状の第１フランジ、および前記第１フランジから前記排気管に対して垂直方向に延びた環状の第１熱伝達板を備えた高温部と、
   前記排気管外側に設置され、内部に冷却水が流れる環状の冷却水管、および前記冷却水管の外側内周面に前記冷却水管の長さ方向に延びた環状の第２フランジ、および前記第２フランジから前記冷却水管に対して垂直方向に延びた環状の第２熱伝達板を備える低温部と、
   Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合した環状で、一側は前記第１熱伝達板と接触し、他側は前記第２熱伝達板と接触し、両側面間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュールと、
   を含んで構成されることを特徴とする車用熱電発電機。
2. 前記高温部は、
   前記排気管内に設置され、前記排気ガスをバイパスさせるバイパス管と、
   前記バイパス管末端に設置され、前記バイパス管を開閉するバイパスバルブと、
   前記バイパスバルブを前記バイパス管に弾性的に支持するスプリングと、
   前記バイパス管と前記排気管の間に設置され、前記排気ガスの熱エネルギーを前記排気管に伝達する熱交換メッシュと、
   をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
3. 前記冷却水管は、
   前記排気管の排気ガスの流れの下流側の外側に形成され、冷却水が流入する冷却水流入口と、
   前記冷却水流入管と対角線方向に形成され、前記冷却水が排出する冷却水出口と、
   前記冷却水管内部に形成されて流動経路を形成すると共に、円周方向に所定の角度隔てて開放部が設けられて、前記流動経路を流れる冷却水を、隣接する流動経路とは円周方向に互いに反対方向にする環状のバッフルと、
   をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。

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