JP2017172437A - 排ガス発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる熱電変換ユニットを提供すること。【解決手段】エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられた複数の熱電変換モジュールと、前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有すること。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガスの流路にゼーベック効果によって熱電変換を行う熱電変換素子を配設した排ガス発電ユニットに関する。

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果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が可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。また、このような熱電モジュールは、自動車及びその他のエンジンを備える産業機器における排ガスの廃熱を利用して発電するために、エンジン等の高温熱源の下流側に配置されることになる。このような熱電変換モジュールの利用及び当該熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置は、例えば、特許文献２に開示されている。

特開２０１３−１１５３５９号公報 特開２００７−２２１８９５号公報

しかしながら、エンジンからの排ガスは下流（すなわち、排気側）に進むにつれて温度の低下に伴って熱量が不足するため、下流側に配置された熱電変換モジュールにおいては十分な発電が行えず、熱電変換装置自体の発電量の向上を図ることができない問題が生じていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる排ガス発電ユニットを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の排ガス発電ユニットは、エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられた複数の熱電変換モジュールと、前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有する。

上述した排ガス発電ユニットにおいて、前記流速増加手段は、エンジンユニット側から排気ユニット側に向って前記接続管の開口寸法を小さくすることでもよく、前記接続管の中心線の近傍領域から内側表面に向って前記排ガスを誘導する少なくとも１つの導風板であってもよい。いずれの場合であっても、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量を向上することができる。

また、上述した導風板を備える排ガス発電ユニットにおいて、前記導風板は、前記接続管の中心線と交差する領域に開口を備えるとともに、前記排ガス流路の上流側から前記熱電変換モジュールのそれぞれに向けて延在してもよい。一方、前記導風板が、前記接続管のエンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記排ガスの流路を狭くしていてもよい。いずれの場合であっても、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量をより向上することができる。

本発明に係る排ガス発電ユニットによれば、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる。

実施例１に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例１に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。 実施例２に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例２に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。 実施例３に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例３に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。

以下、図面を参照し、本発明による排ガス発電ユニットの実施の形態について、各実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、各実施例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による排ガス発電ユニット及びその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、各実施例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例１＞
以下において、図１及び図２を参照しつつ、本実施例に係る排ガス発電ユニット１の構造について説明する。ここで、図１は、本実施例に係る排ガス発電ユニット１及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット１内部の構造を可視化して示している。また、図２は、本実施例に係る排ガス発電ユニット１及びその他のユニットを含む概略側面図である。

図１及び図２から分かるように、本実施例に係る排ガス発電ユニット１は、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット２と、排気ユニット３との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット１は、エンジンユニット２と排気ユニット３とを接続する配管であって、エンジンユニット２から排出される排ガスの流路を構成する接続管１１を有している。更に、排ガス発電ユニット１は、当該接続管１１の内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール１２を有している。なお、熱電変換モジュール１２の数量は、６個に限定されることなく、排ガス発電ユニット１の寸法、要求される発電量、及び熱電変換モジュール１２の寸法に応じて適宜変更することができる。

図１から分かるように、接続管１１においては、排ガスの流路の幅がエンジンユニット２との接続部から徐々に広がり、所望の幅寸法まで広がった後に、排気ユニット３の接続部に向けて徐々にその幅が狭くなっている。すなわち、接続管１１は、エンジンユニット２との接続部においてその幅が一度広がるものの、エンジンユニット２側から排気ユニット３側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。また、図２から分かるように、接続管１１においては、排ガス流路の高さがエンジンユニット２側から排気ユニット３側に向けて徐々に小さくなっている。すなわち、接続管１１の高さ方向においても、エンジンユニット２側から排気ユニット３側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。以上のことから、接続管１１の開口寸法は、エンジンユニット２の近傍において一度大きくなるものの、接続管１１の全体的な構造としては、エンジンユニット２側から排気ユニット３側に向って、開口寸法が小さくなっていることになる。

このような、接続管１１の形状により、エンジンユニット２から排出される高温の排ガスは、接続管１１内で一度広がるものの、排気ユニット３に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット３に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管１１のエンジンユニット２の近傍における排ガスの流速に比して、接続管１１の排気ユニット３の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような接続管１１に形状は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該接続管１１の形状により、排ガスの流束密度も、排気ユニット３側において増加することになる。

接続管１１の材料は、耐熱性を有し、且つ熱伝導性が比較的に低いものが使用される。これにより、排ガスの温度を低下させることがなくなり、熱電変換モジュール１２における発電を効率よく行うことができる。

熱電変換モジュール１２は、例えば、電極を介して複数の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電気的に直列に接続した公知のものを使用することができる。熱電変換モジュール１２は、接続管１１の内側の側面に並設されている。なお、熱電変換モジュール１２の構造は限定されることなく、公知の種々のタイプのものを使用することができる。

本実施例に係る排ガス発電ユニット１においては、上述した接続管１１の形状により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、接続管１１の形状が端部に向けて絞られないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール１２に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール１２にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。

なお、本実施例においては、接続管１１の開口形状は台形となっていたが、接続管１１の開口形状が円形である円筒の管を使用してもよい。この場合であっても、排気ユニット３側に位置する接続管の端部を、エンジンユニット２側に位置する他端よりも絞るように形成（すなわち、開口寸法が小さくなるように）する必要がある。また、熱電変換モジュール１２の設置箇所は、接続管１１の内側の側面に限定されることなく、例えば、接続管１１の内側の上面又は底面であってもよく、接続管１１の内側表面から適宜選択することができる。

＜実施例２＞
実施例１においては、接続管１１の形状を流速増加手段として機能させていたが、排ガスを誘導する導風板（導風体、風導版とも称する）を設けて、当該風導版を流速増加手段として機能させてもよい。以下において、図３及び図４を参照しつつ、このような導風板を有する排ガス発電ユニット１０１を実施例２として説明する。ここで、図３は、本実施例に係る排ガス発電ユニット１０１及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット１０１内部の構造を可視化して示している。また、図４は、本実施例に係る排ガス発電ユニット１０１及びその他のユニットを含む概略側面図である。

図３及び図４から分かるように、本実施例に係る排ガス発電ユニット１０１も、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット１０２と、排気ユニット１０３との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット１０１は、エンジンユニット１０２と排気ユニット１０３とを接続し、エンジンユニット１０２から排出される排ガスの流路を構成する接続管１１１を有している。更に、排ガス発電ユニット１０１は、当該接続管１１１の内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール１１２を有している。

図３から分かるように、接続管１１１においては、排ガスの流路の幅がエンジンユニット２との接続部から徐々に広がり、所望の幅寸法まで広がると当該寸法が維持され、排気ユニット１０３との接続部の近傍から排気ユニット１０３に向けて徐々にその幅が狭くなっている。すなわち、接続管１１１は、エンジンユニット２との接続部においてその幅が一度広がり、且つ排気ユニット１０３との接続部においてその幅が徐々に狭くなるものの、接続管１１１の大部分においてその幅は一定に保たれている。また、図４から分かるように、接続管１１１においては、排ガス流路の高さがエンジンユニット１０２側から排気ユニット１０３側に向けて徐々に小さくなっている。すなわち、接続管１１１の高さ方向においては、エンジンユニット１０２側から排気ユニット１０３側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。更に、接続管１１１の材料は、実施例１の接続管１１と同様であり、耐熱性を有し且つ熱伝導性が比較的に低いものが使用される。

熱電変換モジュール１１２は、実施例１の熱電変換モジュール１２と同様に、電極を介して複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続した公知のものを使用することができる。また、熱電変換モジュール１１２も、接続管１１１の内側の側面に並設されている。

図３に示すように、接続管１１１の内部には、３つの導風板１２１、１２２、１２３が設けられている。具体的には、排ガスの流路（すなわち、接続管１１１）の上流側から各熱電変換モジュール１１２に向って、各導風板が配設されている。

導風板１２１は、最上流に位置する熱電変換モジュール１１２よりも更に上流側であって、接続管１１１の内側の側面近傍に配設されている。導風板１２１は、接続管１１１の内側の側面近傍から最上流に位置する熱電変換モジュール１１２（図３において左側に位置している）に向けて直線状に延在する２枚の板状部材１２１ａ、１２１ｂから構成されている。すなわち、導風板１２１は、板状部材１２１ａ、１２１ｂが当該中心線Ｏの近傍及びその周囲において離間した構造を有している。換言すると、導風板１２１は、接続管１１１と交差する領域に開口１２１ｃを備えることになる。

また、導風板１２２は、導風板１２１よりも内側、すなわち、その一部が導風板１２１によって囲まれるように配設されている。
導風板１２２は、接続管１１１の中心線Ｏ（図３において破線にて示す）の近傍から中流に位置する熱電変換モジュール１１２（図３において中央に位置している）に向けて直線状に延在する２枚の板状部材１２２ａ、１２２ｂから構成されている。すなわち、導風板１２２は、板状部材１２２ａ、１２２ｂが当該中心線Ｏの近傍において離間した構造を有している。換言すると、導風板１２２は、接続管１１１と交差する領域に開口１２２ｃを備えることになる。また、導風板１２２の長さは、導風板１２１の長さよりも大きくなっている。

更に、導風板１２３は、導風板１２１、１２２よりも内側、すなわち、その一部が導風板１２１、１２２によって囲まれるように配設されている。導風板１２３は、接続管１１１の中心線Ｏの近傍から最下流に位置する熱電変換モジュール１１２（図３において右に位置している）向けて直線状に延在する２枚の板状部材１２３ａ、１２３ｂから構成されている。すなわち、導風板１２３も、導風板１２２と同様に、板状部材１２３ａ、１２３ｂが当該中心線Ｏの近傍において離間した構造を有している。換言すると、導風板１２３は、接続管１１１と交差する領域に開口１２３ｃを備えることになる。また、導風板１２３の長さは、導風板１２１、１２２の長さよりも大きくなっている。

すなわち、導風板１２１、１２２、１２３のそれぞれは、排ガス流路の上流側から前記熱電変換モジュール１１２のそれぞれに向けて延在している。このような導風板１２１、１２２、１２３の構造及び配置から、上流側から流れる排ガス（図３において、最も太い矢印で示す）の一部は、接続管１１１と導風板１２１とよって形成された流路を経由して最上流に位置する熱電変換モジュール１１２に向けて誘導される。また、上流側から流れる排ガスの一部は、導風板１２１と導風板１２２によって形成された流路を経由して、最上流に位置する熱電変換モジュール１１２及び中央に位置する熱電変換モジュール１１２に向けて誘導される。更に、上流側から流れる排ガスの一部は、導風板１２２と導風板１２３によって形成された流路を経由して、中央に位置する熱電変換モジュール１１２及び最下流に位置する熱電変換モジュール１１２に向けて誘導される。従って、エンジンユニット１０２から排出された排ガスは、導風板１２１、１２２、１２３に沿って接続管１１１の両側部に誘導され、接続管１１１の内側の側面に設けられた熱電変換モジュール１１２に向けて進むことになり、当該熱電変換モジュール１１２において優れた熱エネルギー効率で吸熱されることになる。

また、このような導風板１２１、１２２、１２３により、エンジンユニット２から排出される高温の排ガスは接続管１１１内の上流側で一度広がるものの、導風板１２１、１２２、１２３の設置箇所及びこれより下流側においては接続管１１１の側部に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット１０３に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管１１１のエンジンユニット１０２の近傍における排ガスの流速に比して、接続管１１１の排気ユニット１０３の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような導風板１２１、１２２、１２３は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該導風板１２１、１２２、１２３により、排ガスの流束密度も、排気ユニット１０３側において増加することになる。

本実施例に係る排ガス発電ユニット１０１においては、上述した導風板１２１、１２２、１２３により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、導風板１２１、１２２、１２３が存在しないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール１１２に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール１１２にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。

なお、本実施例においては、導風板１２１、１２２、１２３のそれぞれが２枚の板状部材から構成されていたが、これに限定されることなく、例えば１枚の板状部材を湾曲及び屈曲させ、必要に応じて開口を形成したものから構成されていてもよく、２枚以上の板状部材から構成されてもよい。また、本実施例において、導風板１２１、１２２、１２３は接続管１１１の両側部に排ガスを誘導していたが、熱電変換モジュール１１２が接続管１１１の上面及び底面にも設けられる場合には、排ガスを接続管１１１の上面及び底面に誘導するような構造を備えていてもよい。このような場合には、接続管１１１の形状は角筒状であってもよい。更に、接続管１１１の外形は、実施例１の接続管１１のように、一端（すなわち、排ガスの流路の下流側）に向けて絞られていてもよい。そして、各導風板を構成する各板状部材は直線状ではなく、湾曲して形状を有してもよい。また、導風板１２３については、開口１２３ｃが形成されていなくてもよい。これにより、エンジンユニット１０２から排出されたすべての排ガスが、接続管１１１の両側部に誘導されることになり、更なる発電効率の向上を図ることが可能になる。

＜実施例３＞
実施例２においては、３つの導風板１２１、１２２、１２３を流速増加手段として機能させていたが、１つの導風板を流速増加手段として機能させてもよい。以下において、図５及び図６を参照しつつ、このような導風板を有する排ガス発電ユニット２０１を実施例３として説明する。ここで、図５は、本実施例に係る排ガス発電ユニット２０１及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット２０１内部の構造を可視化して示している。また、図６は、本実施例に係る排ガス発電ユニット２０１及びその他のユニットを含む概略側面図である。

図５及び図６から分かるように、本実施例に係る排ガス発電ユニット２０１も、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット２０２と、排気ユニット２０３との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット２０１は、実施例２の排ガス発電ユニット１０１と同様に、接続管２１１及び当該接続管２１１内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール２１２を有している。なお、接続管２１１の形状及び材料は、実施例２の接続管１１１と同一であり、熱電変換モジュール２１２も実施例２の熱電変換モジュール１１２と同一であるため、これらの説明は省略する。

図５に示すように、接続管２１１の内部には、導風板２２４が設けられている。具体的には、排ガスの流路（すなわち、接続管２１１）の中央から下流側において、三角柱状の導風板２２４が配設されている。導風板は、接続管２１１の中心線Ｏ（図５において破線にて示す）から接続管２１１の内側の側面に向けて延在する側面２２４ａ、２２４ｂを有している。すなわち、導風板２２４は、接続管２１１のエンジンユニット２０２側から排気ユニット２０３側に向って、排ガスの流路を狭くするような構造体である。なお、導風板２２４の形状は、三角柱状に限定されることなく、排ガスの流路を下流に向って徐々に狭くすることができれば、その他の形状の構造体であってもよく、また、接続管２１１の開口形状によっても適宜変更することができる。

このような、導風板２２４の形状により、エンジンユニット２０２から排出される高温の排ガスは、接続管２１１内で一度広がるものの、排気ユニット２０３に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット２０３に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管２１１のエンジンユニット２０２の近傍における排ガスの流速に比して、接続管２１１の排気ユニット２０３の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような導風板２２４の形状は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該導風板２２４の形状により、排ガスの流束密度も、排気ユニット２０３側において増加することになる。

本実施例に係る排ガス発電ユニット２０１においては、上述した導風板２２４の形状により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、導風板２２４が設けられていないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール２１２に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール２１２にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。

１ 排ガス発電ユニット
２ エンジンユニット
３ 排気ユニット
１１ 接続管
１２ 熱電変換モジュール
１０１ 排ガス発電ユニット
１０２ エンジンユニット
１０３ 排気ユニット
１１１ 接続管
１１２ 熱電変換モジュール
１２１ 導風板
１２２ 導風板
１２３ 導風板
２０１ 排ガス発電ユニット
２０２ エンジンユニット
２０３ 排気ユニット
２１１ 接続管
２１２ 熱電変換モジュール
２２４ 導風板

Claims (5)

1. エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、
   前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、
   前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられた複数の熱電変換モジュールと、
   前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有する排ガス発電ユニット。
2. 前記流速増加手段は、エンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記接続管の開口寸法を小さくする請求項１に記載の排ガス発電ユニット。
3. 前記流速増加手段は、前記接続管の中心線の近傍領域から内側表面に向って前記排ガスを誘導する少なくとも１つの導風板である請求項１に記載の排ガス発電ユニット。
4. 前記導風板は、前記接続管の中心線と交差する領域に開口を備えるとともに、前記排ガス流路の上流側から前記熱電変換モジュールのそれぞれに向けて延在する請求項３に記載の排ガス発電ユニット。
5. 前記導風板は、前記接続管のエンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記排ガスの流路を狭くする請求項３に記載の排ガス発電ユニット。

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