JP2015140713A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスが流れる流路の上流側と下流側とに配置される熱電素子モジュールに伝わる熱伝達量を均一にして全体的な発電効率を向上させ、排気ガス中の気体分子が集熱ピンに接触する頻度を高めて熱伝達量を向上させることにある。【解決手段】エンジン２から排出される排気ガス４が内部の流路７ａを流れる筐体モジュール７と、筐体モジュール７の内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピン８，９と、集熱ピン８，９から伝わる熱で発電する熱電素子モジュール１０とを備え、集熱ピン８，９と熱電素子モジュール１０が対となって筐体モジュール７の面に設けられ、筐体モジュール７の上面に配置される集熱ピン８の先端部８ａと、筐体モジュール７の下面に配置される集熱ピン９の先端部９ａとはオーバーラップして配置され、排気ガス４が流れる流路７ａの上流側から下流側へ向かって、先端部８ａ，９ａのオーバーラップ量Ｌが大きくなるように配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガス等の高温ガスの熱を回収して発電を行う熱電発電装置に関する。

自動車などのエンジンから排出される排気ガスは高温であり、その熱エネルギーの多くが利用されずに排出されている。そこで近年、排気ガスの熱エネルギーの利用効率の向上を図るため、排熱回収ユニットとして熱電素子（熱電変換素子）を用い、排気ガスの熱エネルギーを電力に変換して回収する熱電発電装置が提案されている。熱電素子は、ゼーベック効果（一般的に二種類の異種金属や半導体を接合し、一方の面と他方の面との間に温度差を設けることにより起電力が生じる効果をいう）を利用して発電するものである。
このような排気ガスの熱回収に用いられる熱電発電装置は、一般的にエンジンから排出される高温の排気ガスが通る排気管の途中部に配置されており、該排気管内には、熱電素子の一方の面に排気ガスの熱を該熱電素子の高温端面へと効率良く導くための集熱ピンが設けられ、熱電素子の他方の面は、空気放冷や水冷により冷却されるように構成されている。

ところで、現在知られている熱電発電装置のタイプとしては、熱電ユニットの内側で排気ガスが流れる排気流路に受熱フィンが配置されているとともに、排気ガスが流れる排気流路の内側に受熱フィンが排気流路の上流側から下流側まで均一にオーバーラップするように対向して設けられ、かつ流路面積は、排気流路の上流側から下流側まで均一に設定された熱電ユニットが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
また、排気ガスが流れる排気流路の内部に集熱フィンが設けられ、該集熱フィンの数と長さが排気流路の上流側から下流側に向かうに従って増大させるように構成された自動車用排熱発電装置が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
さらに、排気ガスの熱を熱電素子に伝えるための吸熱フィンとして、複数の固定フィンと、これら固定フィンの間に配置され、該固定フィンに対して移動自在に構成される可動フィンを用いることにより、固定フィンと可動フィンとの間に形成される排気ガスの流路の断面積が調整可能であり、かつ流路の上流側に配置される吸熱フィンの流路の断面積が、流路の下流側に配置される吸熱フィンの流路の断面積よりも大きく構成された熱電発電装置が挙げられる（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−２７５９７６号公報 特開２００１−１２２４０号公報 特開２００８−４２９９４号公報

このような熱電発電装置において、熱電素子の性能を表す性能指数は該熱電素子に用いる材料によって変化し、さらに当該性能指数は温度依存の関数であってピーク値を持つため（例えば、９００℃以上ではランタン−テルル系、シリコン−ゲルマニウム系、４００℃〜６００℃では鉛−錫及びテルル−セレン系、１５０℃以下ではビスマス−テルル系の材料がピーク値を持つ）、発電効率を向上させるには、熱電素子に伝わる熱量を最適に保つことが重要である。排気ガスの熱で熱電素子を用いて発電する場合、排気流路を流れる排気ガスは上流側が高温で熱量が大きく、発電量が多いのに対して、下流側へ行くにつれて熱が回収され、排気ガスの温度が低下していくので、下流側では発電量が低下することになる。そのため、熱電発電装置の全体的な発電効率が悪くなってしまう。
一方、集熱ピンに排気ガス中の気体分子が接触すると、熱が排気ガスから集熱ピンに伝達されることになる。したがって、排気ガスが熱電発電装置中を流れる際には、排気ガス中の気体分子を集熱ピンに頻繁に接触させることが重要である。

ところが、上記観点から考えると、上述した特許文献１〜３の先行技術には、下記のような４つの課題を有している。
特許文献１の熱電ユニットでは、排気ガスが流れる流路の面積、及び受熱フィンのオーバーラップ量が共に流路の上流から下流まで均一である。そのため、排気ガスの温度は下流側で低下してしまうのに対して、受熱フィンの熱伝達能力は流路の上流から下流を通して同じであるので、流路の下流側の熱伝達量が低下することになる。したがって、熱電ユニットの発電量が結果的に低下し、発電効率が悪いという問題を有している。

また、特許文献２の自動車用排熱発電装置では、排気ガスが流れる流路の上流から下流へ行くにつれて、配置される集熱フィンの数と長さを増大させている。そのため、流路の上流側に配置される集熱フィンの数が少なく、集熱フィンの長さも短くなっており、流路の上流側の熱伝達量が小さく、発電効率が十分ではなくなる。その結果として、排熱発電装置の発電量が低下するという問題を有している。

さらに、特許文献３の熱電発電装置では、固定フィンと可動フィンの二種類の集熱フィンが用いられている。そのため、熱電発電装置の構造が複雑となり、１ユニットの製作コストが高くなるという問題を有している。
しかも、特許文献３の熱電発電装置では、排気ガスが流れる流路の下流側の固定フィン及び可動フィンの傍を流れる熱媒体の流速を大きくすることにより、固定フィン又は可動フィンの吸熱量を増加させ、流路の下流側の熱伝達量を大きくしている。この場合、単位時間当たりの熱伝達量は増加しているものの、排気ガスの気体分子一つ当たりの固定フィン及び可動フィンに接触する頻度に変化は無く、排気ガスからの熱伝達が十分ではないという問題を有している。

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスが流れる流路の上流側と下流側とに配置される熱電素子モジュールに伝わる熱伝達量を均一にすることにより全体的な発電効率を向上させるとともに、排気ガス中の気体分子が集熱ピンに接触する頻度を高めることにより熱伝達量を向上させることが可能な熱電発電装置を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、エンジンから排出される排気ガスが内部の流路を流れる筐体モジュールと、該筐体モジュールの内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピンと、前記集熱ピンから伝わる熱によって発電する熱電素子モジュールとを備え、前記集熱ピンと前記熱電素子モジュールが対となって前記筐体モジュールの面に設けられる熱電発電装置において、前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されている。

また、本発明において、前記筐体モジュールの断面積は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されている。

さらに、本発明において、前記筐体モジュールは、断面積が異なる複数のユニット筐体から構成され、該ユニット筐体は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置され、前記流路の最も上流側に位置する前記ユニット筐体に設けられる前記集熱ピンは、先端部をオーバーラップさせないで配置されている。
そして、本発明において、前記ユニット筐体のそれぞれが接続されて前記筐体モジュールが構成され、前記ユニット筐体のそれぞれの接続部には段差が設けられている。
しかも、本発明において、前記ユニット筐体の一方の面に配置される集熱ピンと、前記ユニット筐体の他方の面に配置される集熱ピンとは、前記ユニット筐体の幅方向にオフセットされて配置され、前記集熱ピンがオフセットされる方向は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流から下流に向かって並んで配置される前記筐体ユニットごとに逆となるように配置されている。

また、本発明において、前記集熱ピンの表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工されている。
あるいは、本発明において、前記集熱ピンの表面は、触媒でコーティングされている。

さらに、本発明において、前記集熱ピンは、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側と下流側において、単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さが同じに形成されている。

上述の如く、本発明に係る熱電発電装置は、エンジンから排出される排気ガスが内部の流路を流れる筐体モジュールと、該筐体モジュールの内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピンと、前記集熱ピンから伝わる熱によって発電する熱電素子モジュールとを備え、前記集熱ピンと前記熱電素子モジュールが対となって前記筐体モジュールの面に設けられており、前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されているので、次のような効果を得ることができる。

すなわち、本発明の熱電発電装置においては、排気ガスの流路が下流に行くにつれて、集熱ピンのオーバーラップ量が大きくなるので、流路の下流側では集熱ピンの密集している場所に排気ガスを導くことができ、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、流路の上流側と、排気ガスの温度が下がる流路の下流側において、熱伝達量を均一化することが可能となり、熱電素子モジュールの発電効率を向上させることができる。
また、本発明の熱電発電装置では、下流側の流路に集熱ピンが密集して配置され、これら集熱ピンが障害物となり、排気ガスの流れが乱されて乱流となるので、排気ガス中の気体分子一つ当たりの集熱ピンに接触する頻度を高めることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、熱電素子モジュールへの熱伝達量を多くすることが可能になるため、従来の熱電発電装置と比べて発電量を大きくすることができる。

また、本発明において、前記筐体モジュールの断面積は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されているので、流路の下流側では集熱ピンの密集している場所に排気ガスをさらに効率良く導くことができ、下流側の熱伝達量をより一層大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、流路の上流側と、排気ガスの温度が下がる流路の下流側において、熱伝達量をさらに均一化することが可能となり、熱電素子モジュールの発電効率をより一層向上させることができる。しかも、本発明の熱電発電装置では、集熱ピンが密集するように配置された下流側の流路において、さらに排気ガスの流れが乱されて乱流となるので、排気ガス中の気体分子一つ当たりの集熱ピンに接触する頻度をさらに高めることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、熱電素子モジュールへの熱伝達量をさらに多くすることが可能になるため、従来の熱電発電装置と比べてより一層発電量を大きくすることができる。

さらに、本発明において、前記筐体モジュールは、断面積が異なる複数のユニット筐体から構成され、該ユニット筐体は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置され、前記流路の最も上流側に位置する前記ユニット筐体に設けられる前記集熱ピンは、先端部をオーバーラップさせないで配置されているので、排気ガスの一部を、熱量を維持したまま下流側へ流すことが可能となり、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、上流側と下流側の熱伝達量を均一にできることで発電効率を向上させることができる。
しかも、本発明の熱電発電装置においては、集熱ピンを段階的にオーバーラップさせることができ、集熱ピンの設置面が傾斜していると構造上干渉してしまう下流側のユニット筐体に対向して配置される集熱ピンを曲げる必要がなくなる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、集熱ピンの曲げ加工なしで構造的な干渉を避けることが可能となり、コストダウンを図ることができる。
それに加えて、筐体モジュールを構成するユニット筐体によって下流側に行くほど小さくなっているので、熱電発電装置の下流側位置に組付けられるマフラーへ伝わる振動を低減させることができ、振動による締結ボルトの抜けを防ぎ、マフラーの脱落を防止することができる。

また、本発明において、前記ユニット筐体のそれぞれが接続されて前記筐体モジュールが構成され、前記ユニット筐体のそれぞれの接続部には段差が設けられているので、排気ガスが各ユニット筐体の接続部を流れる際に、該接続部の段差に衝突して流れが乱れることにより乱流となる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、排気ガスと集熱ピンとが接触する頻度が多くなるので、熱伝達量を増やすことが可能となり、発電量を増大させることができる。

さらに、本発明において、前記ユニット筐体の一方の面に配置される集熱ピンと、前記ユニット筐体の他方の面に配置される集熱ピンとは、前記ユニット筐体の幅方向にオフセットされて配置され、前記集熱ピンがオフセットされる方向は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流から下流に向かって並んで配置される前記筐体ユニットごとに逆となるように配置されている。すなわち、本発明の熱電発電装置では、集熱ピンがユニット筐体の流路方向にオフセットされているだけではなく、幅方向にもオフセット（例えば、上下の集熱ピンの先端部が交互に配置されように、合わせて１ピン程度ずらすこと）され、さらにユニット筐体ごとに集熱ピンのオフセットされる方向が逆になるように配置されること（例えば、上流側位置のユニット筐体では上側に配置される集熱ピンは右方向に、下側に配置される集熱ピンは左方向にオフセットされ、隣接する下流側位置のユニット筐体では上側に配置される集熱ピンは左方向に、下側に配置される集熱ピンは右方向にオフセットされこと）により、上流側のユニット筐体に配置される複数の集熱ピンの間を通った排気ガスが、必ず隣接する下流側のユニット筐体に配置される複数の集熱ピンに接触することになるので、排気ガスの流れが乱されて乱流になりやすくなり、排気ガスが集熱ピンに接触する頻度をさらに高めることが可能となり、熱電素子モジュールへの熱伝達量をさらに増やし、発電量をより一層増大させることができる。

一方、本発明において、前記集熱ピンの表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工されており、集熱ピンの表面に表面処理を施すことにより集熱ピンの表面積が増やされているので、排気ガスが集熱ピンに接触する頻度がさらに増えることとなり、熱電素子モジュールへの熱伝達量が増え、発電量の増大を図ることができる。
また、本発明において、前記集熱ピンの表面は、触媒でコーティングされているので、触媒の発熱効果による反応熱を直に集熱ピンに伝えることが可能となり、熱電素子モジュールへの熱伝達量を増やし、発電量をさらに増大させることができる。

さらに、本発明において、前記集熱ピンは、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側と下流側において、単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さが同じに形成されているので、流路の上流側の発電量及び発電効率を共に高めることができるとともに、使用する集熱ピンの種類が１種類で済み、構造を簡単にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置がエンジンの排気系統に配置されている状態を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の筐体モジュールを構成するユニット筐体の接続部付近における排気ガスの流れを示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の電気回路を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置がエンジンの排気系統に配置されている状態を示す概念図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 図９におけるＤ−Ｄ線断面図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置について、以下に詳細に説明する。
図１〜図７は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を示すものである。なお、図４及び図５において、矢印Ｗ方向はユニット筐体の幅方向を示し、矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向は集熱ピンのオフセット方向を示している。

本実施形態の熱電発電装置１は、図１に示すように、自動車や二輪車などのエンジン２から車両後方へ向かって延在する排気管３を介して排出される高温の排気ガス４の熱を回収し、排気ガス４の熱エネルギーを利用して電力に変換することにより発電を行う装置である。このため、熱電発電装置１は、エンジン２の排気系統において、排気ガス４が通る排気管３の車両前後方向の中間途中部に配置され、上下流端に位置するフランジ１ａ，１ｂ等を介して接続されており、内部を排気ガス４が流れる構造となっている。また、熱電発電装置１とエンジン２との間であって、熱電発電装置１の上流側に位置する排気管３には、触媒５が配設され、熱電発電装置１の下流側に位置する排気管３には、マフラー６が配設されている。

本実施形態の熱電発電装置１は、図１〜図３に示すように、排気ガス４が内部の流路７ａを流れ、上下壁に複数の開口部７ｂを有する筐体モジュール７と、該筐体モジュール７の内側面の上下に一定の間隔を空けながら対向して多数配置される上下集熱ピン８，９と、筐体モジュール７の開口部７ｂの周辺部の外側面に配置され、上下集熱ピン８，９から伝わる熱によって発電する熱電素子モジュール１０とを備えており、上下集熱ピン８，９と熱電素子モジュール１０が対となって筐体モジュール７の内外面に設けられている。上下集熱ピン８，９の基端側は、これら上下集熱ピン８，９と一体成形された板状体を有している。本実施形態の熱電発電装置１は、筐体モジュール７の一方の面である上面に配置される上集熱ピン８の先端部８ａと、筐体モジュール７の他方の面である下面に配置される下集熱ピン９の先端部９ａとはオーバーラップして配置され、かつ排気ガス４が流れる流路７ａの上流側から下流側へ向かって、上下集熱ピン８，９の先端部８ａ，９ａの上下方向におけるオーバーラップ量Ｌが大きくなるように配置されている。

本実施形態の筐体モジュール７は、車両前後方向に沿って配置されており、当該筐体モジュール７の断面積は、排気ガス４が流れる流路７ａの上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されている。すなわち、筐体モジュール７は、図１〜図３に示すように、断面積が異なる複数（本実施形態では４つ）のユニット筐体１１，１２，１３，１４から構成されており、これらユニット筐体１１，１２，１３，１４は、排気ガス４が流れる流路７ａの上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置されている。
このような形状の断面積を有する筐体モジュール７では、流路７ａの下流側において上下集熱ピン８，９の密集している場所に排気ガス４が効率良く導かれ、下流側の熱伝達量が大きくなっている。そのため、筐体モジュール７の流路７ａの上流側と、排気ガス４の温度が下がる筐体モジュール７の流路７ａの下流側とにおける熱伝達量が均一化され、熱電素子モジュール１０の発電効率の向上が図れるようになっている。また、上下集熱ピン８，９が多く配置された下流側の流路７ａにおいて、排気ガス４の流れが乱されて乱流となり、排気ガス４中の気体分子一つ当たりの上下集熱ピン８，９に接触する頻度が高められ、熱電素子モジュール１０への熱伝達量がさらに多く、発電量が大きくなっている。

しかも、筐体モジュール７の流路７ａの最も上流側に位置するユニット筐体１１に設けられる上下集熱ピン８，９は、先端部８ｂ，９ｂをオーバーラップさせないで配置されており、先端部８ｂ，９ｂの上下間には、空間Ｓが形成されている。
これによって、上下集熱ピン８，９は段階的にオーバーラップされて配置されることになり、下流側のユニット筐体１３，１４に対向して配置される上下集熱ピン８，９の構造的な干渉を避けて大きなオーバーラップを確保するために、上下集熱ピン８，９を曲げ加工する必要がなくなり、上下集熱ピン８，９の構造及び製造が簡単となっている。また、筐体モジュール７は、ユニット筐体１１，１２，１３，１４によって下流側に行くほど小さくなっているため、熱電発電装置１の下流側に位置するマフラー６へ伝わる振動が低減され、マフラー６の脱落が防止されるとともに、軽量化によって筐体モジュール７の取付作業が容易に行えるようになっている。さらに、排気ガス４の一部は、空間Ｓを通って熱量を維持したまま下流側へ流されるため、下流側の熱伝達量が大きくなり、上流側と下流側の熱伝達量を均一にして発電効率が向上するように構成されている。

また、本実施形態の熱電発電装置１においては、図４及び図５に示すように、ユニット筐体１１，１２，１３，１４の一方の面である上面に配置されるすべての上集熱ピン８と、ユニット筐体１１，１２，１３，１４の他方の面である下面に配置されるすべての下集熱ピン９とが、ユニット筐体１１，１２，１３，１４の幅方向Ｗにオフセットされて配置されている。上下集熱ピン８，９がオフセットされる方向は、排気ガス４が流れる筐体モジュール７の流路７ａの上流から下流に向かって並んで配置される筐体ユニット１１，１２，１３，１４ごとに逆となるように配置されている。すなわち、本発明の熱電発電装置１では、上下集熱ピン８，９の先端部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂが交互に配置されように、合わせて１ピン程度をユニット筐体１１，１２，１３，１４の幅方向Ｗにずらすことで上下集熱ピン８，９がユニット筐体の幅方向Ｗにもオフセットされ、さらにユニット筐体１１，１２，１３，１４ごとに上下集熱ピン８，９のオフセットされる方向が逆になるように配置されている。例えば、図４に示す上流側位置のユニット筐体１１では上側に配置される上集熱ピン８は右方向Ｘに、下側に配置される下集熱ピン９は左方向Ｙにオフセットされ、図５に示す隣接する下流側位置のユニット筐体１２では上側に配置される上集熱ピン８は左方向Ｙに、下側に配置される下集熱ピン９は右方向Ｘにオフセットされている。そして、ユニット筐体１３では、上下集熱ピン８，９がユニット筐体１１と同方向へオフセットされ、ユニット筐体１４では、上下集熱ピン８，９がユニット筐体１２と同方向へオフセットされている。
そのため、上流側のユニット筐体（例えば、ユニット筐体１１）に配置される複数の上下集熱ピン８，９の間を通った排気ガス４は、必ず隣接する下流側のユニット筐体（例えば、ユニット筐体１２）に配置される複数の上下集熱ピン８，９に接触することになる。これにより、流路７ａ中の排気ガス４の流れが乱されて乱流になりやすくなり、排気ガス４が上下集熱ピン８，９に接触する頻度が高められ、熱電素子モジュール１０への熱伝達量が増え、発電量の増大が図れるようになっている。

また、本実施形態の上下集熱ピン８，９は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の熱伝導性が良好な金属材料のほか、ＡＩＮ、ＳｉＣ等の高熱伝導性のセラミック材料で形成されている。また、上下集熱ピン８，９の表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工といった表面処理が施されており、これら表面処理によって上下集熱ピン８，９の表面積が増やされ、排気ガス４が上下集熱ピン８，９に接触する頻度が増えることとなり、熱電素子モジュール１０への熱伝達量が増え、発電量が増大されるように構成されている。あるいは、上下集熱ピン８，９の表面が、触媒でコーティングされていても良い。この触媒としては、既知の触媒を使用することが可能であり、好ましい触媒としては、白金−酸化アルミニウム触媒等が挙げられる。このような表面処理によって、触媒の化学反応に基づく発熱効果が利用可能となり、反応熱が直に上下集熱ピン８，９に伝えられることになり、上記表面処理と同様、熱電素子モジュール１０への熱伝達量が増えて熱電素子モジュール１０の温度が上昇し、発電量が増大されるようになっている。
さらに、上下集熱ピン８，９は、排気ガス４が流れる筐体モジュール７の流路７ａの上流側と下流側において、各ユニット筐体１１，１２，１３，１４の単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さがすべて同じに形成されている。これによって、筐体モジュール７の流路７ａの上流側に位置する熱電素子モジュール１０の発電量及び発電効率が高められるとともに、上下集熱ピン８，９の種類が１種類で済み、構造及び製造が簡単となるように構成されている。

また、本実施形態の筐体モジュール７は、図３及び図６に示すように、隣接するユニット筐体１１，１２，１３，１４のそれぞれが接続されて構成されており、ユニット筐体１１，１２，１３，１４のそれぞれの接続部１５，１６，１７には、段差が設けられている。このような段差を接続部１５，１６，１７に設けることにより、排気ガス４がユニット筐体１１，１２，１３，１４の各接続部１５，１６，１７を流れる際に、排気ガス４は、図６の矢印で示すように、各接続部１５，１６，１７の段差に衝突して跳ね返り、流路７ａの上流側から流れてくる排気ガス４とぶつかって流れが乱れて乱流となるように構成されている。そのため、排気ガス４と上下集熱ピン８，９とが接触する頻度が多くなり、熱電素子モジュール１０への熱伝達量が増えて熱電素子モジュール１０の発電量が増大するようになっている。
なお、各接続部１５，１６，１７は、隣接するユニット筐体１１，１２，１３，１４の端部にステンレス鋼板を上下方向に配置し、これらユニット筐体１１，１２，１３，１４の端部とステンレス鋼板の上下端部との重ね合わせ部分を溶接によって接合することにより構成されており、気密性及び耐熱性が確保されている。

一方、本実施形態の熱電発電装置１で使用される熱電素子モジュール１０の種類は、特に限定されるものではないが、ｐ型とｎ型の２種類の半導体で構成されるものが使用可能である。このような熱電素子モジュール１０は、熱電素子の加熱面と冷却面との温度差によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで、発電できるように構成されている。このため、筐体モジュール７の内側面には、熱電素子モジュール１０の加熱面へ排気ガス４の熱を伝達するために上下集熱ピン８，９が配置され、これら上下集熱ピン８，９と熱電素子モジュール１０との間には、熱伝導性を向上させるために高熱伝導性グリースが塗布されて介在している。

また、本実施形態の熱電素子モジュール１０の冷却面は、大気と接触することによる空気放冷でも良いが、走行風が当たらないような場所に配置されていると、放熱が滞り易いために熱電素子モジュール１０の冷却性が低下して温度差を確保できないことによる発電効率の低下が発生する可能がある。そのような場合を考慮して、本実施形態の熱電発電装置１では、水冷式の冷却モジュール１８が使用されている。この冷却モジュール１８は、ステンレス鋼や銅を用いて製作されており、モジュール内部には、冷却水を循環させるための水冷パイプ１８ａが埋め込まれている（もしくは、冷却水通路が繰り抜かれた構造のものでも良い）。さらに、冷却モジュール１８は、上下集熱ピン８，９との間に熱電素子モジュール１０を挟むように配置した状態で、各ユニット筐体１１，１２，１３，１４の外周部にネジによって固定されている。なお、流通させる冷却媒体を導入する手段としては、水冷エンジンの冷却水経路から配管を分岐したものを用いたり、あるいは冷却モジュール１８専用の冷却水と循環経路を新たに設置したものを用いたりしても良い。

本実施形態の熱電素子モジュール１０で発電した電気エネルギーは、図７に示す電気回路におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１９で電圧を昇圧した後に、バッテリー２０へ蓄えられるようになっている。このため、熱電素子モジュール１０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１９及びバッテリー２０は、ケーブルなどを介して電気的に接続されている。バッテリー２０に蓄えられた電気は、自動車や二輪車などで通常に使用することが可能である。
さらに、バッテリー２０にＤＣ１２Ｖ−ＡＣ１００Ｖコンバータ２１を電気的に接続することによって、家庭用電気製品などの駆動用電源としても利用可能である。すなわち、排気ガス４の熱エネルギーを用いて、地震や火災などの緊急災害時の非常用発電ユニットとして、自動車や二輪車などの有効利用が図れるようになっている。

このように本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１では、自動車などのエンジン２から排気管３を介して排出される排気ガス４が内部の流路７ａを流れる筐体モジュール７と、筐体モジュール７の内側上下面に対向して多数配置される上下集熱ピン８，９と、筐体モジュール７の外側面に接するように配置され、上下集熱ピン８，９から伝わる熱によって発電する熱電素子モジュール１０とを備えており、筐体モジュール７の一方の上面に配置される上集熱ピン８の先端部８ａと、筐体モジュール７の他方の下面に配置される下集熱ピン９の先端部９ａとはオーバーラップして配置されているとともに、排気ガス４が流れる流路７ａの上流側から下流側へ向かって、上下集熱ピン８，９の先端部８ａ，９ａの上下方向におけるオーバーラップ量Ｌが大きくなるように配置され、かつ筐体モジュール７が断面積の異なる４つのユニット筐体１１，１２，１３，１４から構成され、これらユニット筐体１１，１２，１３，１４の断面積が流路７ａの上流側から下流側へ向かって段階的に小さくなるように配置されているので、流路７ａの下流側において上下集熱ピン８，９の密集している場所に排気ガス４を確実に導くことができ、排気ガス４の流れが乱されて乱流となって上下集熱ピン８，９に接触する頻度を高めることが可能となり、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。
したがって、本発明の熱電発電装置１によれば、流路７ａの上流側と、筐体モジュール７の内部を通過する間に排気ガス４の温度が下がる流路７ａの下流側において、熱電素子モジュール１０への熱伝達量の均一化を図ることができ、熱電素子モジュール１０の発電効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置について、以下に詳細に説明する。
図８〜図１０は、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置３１を示すものであり、第２実施形態の熱電発電装置３１は、基本的には第１実施形態の熱電発電装置１と同様に構成されている。第１実施形態と同様の構成要素は、第１実施形態と同様の符号及び用語を用いて説明する。ここでは、第１実施形態と異なる構成について説明する。

図８〜図１０に示すように、本実施形態の筐体モジュール３７は、一体成形された断面四角形状を有する１つの筒状体で構成され、車両前後方向に沿って配置されており、当該筐体モジュール３７の断面積は、排気ガス４が流れる流路３７ａの上流側から下流側へ向かって徐々に小さくなるように形成されている。このような形状の断面積を有する筐体モジュール３７では、上下集熱ピン８，９と熱電素子モジュール１０が１対となって筐体モジュール７の内外面の上下流位置に間隔を空けて設けられている。また、熱電素子モジュール１０の冷却面は、大気と接触するように露出して配置されており、空気放冷するように構成されている。なお、筐体モジュール３７の上下壁には、複数の開口部３７ｂが一定の間隔を空けて設けられている。
すなわち、本実施形態の熱電発電装置３１では、先細り形状の断面積を有する一体成形された筒状体の筐体モジュール３７の内外面に１対の上下集熱ピン８，９と熱電素子モジュール１０が設けられているので、流路３７ａの下流側において上下集熱ピン８，９の密集している場所に排気ガス４を効率良く導くことができ、下流側の熱電素子モジュール１０への熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本実施形態の熱電発電装置３１によれば、筐体モジュール３７の流路３７ａの上流側と、排気ガス４の温度が下がる筐体モジュール３７の流路３７ａの下流側の熱伝達量を均一にすることが可能となり、熱電素子モジュール１０の発電効率を向上させることができる。また、上下集熱ピン８，９が多く配置された下流側の流路３７ａにおいて、排気ガス４の流れが乱されて乱流となり、排気ガス４中の気体分子一つ当たりの上下集熱ピン８，９に接触する頻度が高められるので、熱電素子モジュール１０への熱伝達量を増やし、熱電素子モジュール１０の発電量を大きくすることができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、既述の第１実施形態の筐体モジュール７は、４つのユニット筐体１１，１２，１３，１４から構成されているが、２つ以上であればユニット筐体の数は任意に選択することができる。ただし、多数のユニット筐体を用いて筐体モジュール７が長くなり過ぎると、排気ガス４の温度が低下するおそれがある。
また、上下集熱ピン８，９の形状は、円柱以外にも角柱、星形柱などに変更して表面積を増やし、排気ガス４との接触面積を大きくしても良い。

１，３１ 熱電発電装置
２ エンジン
３ 排気管
４ 排気ガス
５ 触媒
６ マフラー
７，３７ 筐体モジュール
７ａ，３７ａ 流路
８ 上集熱ピン
８ａ，８ｂ 先端部
９ 下集熱ピン
９ａ，９ｂ 先端部
１０ 熱電素子モジュール
１１〜１４ ユニット筐体
１５〜１７ 接続部
１８ 冷却モジュール
Ｌ オーバーラップ量
Ｓ 空間

Claims (8)

1. エンジンから排出される排気ガスが内部の流路を流れる筐体モジュールと、該筐体モジュールの内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピンと、前記集熱ピンから伝わる熱によって発電する熱電素子モジュールとを備え、前記集熱ピンと前記熱電素子モジュールが対となって前記筐体モジュールの面に設けられる熱電発電装置において、
   前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記筐体モジュールの断面積は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記筐体モジュールは、断面積が異なる複数のユニット筐体から構成され、該ユニット筐体は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置され、前記流路の最も上流側に位置する前記ユニット筐体に設けられる前記集熱ピンは、先端部をオーバーラップさせないで配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記ユニット筐体のそれぞれが接続されて前記筐体モジュールが構成され、前記ユニット筐体のそれぞれの接続部には段差が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記ユニット筐体の一方の面に配置される集熱ピンと、前記ユニット筐体の他方の面に配置される集熱ピンとは、前記ユニット筐体の幅方向にオフセットされて配置され、前記集熱ピンがオフセットされる方向は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流から下流に向かって並んで配置される前記筐体ユニットごとに逆となるように配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の熱電発電装置。
6. 前記集熱ピンの表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置。
7. 前記集熱ピンの表面は、触媒でコーティングされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置。
8. 前記集熱ピンは、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側と下流側において、単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さが同じに形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱電発電装置。
   

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