JP4923997B2 - 熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電装置に関する。

エンジンから排出された排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、排熱からエネルギーを回収する熱発電装置が開発されている。この熱発電装置としては、熱流路を構成する排気管を周方向に四分割構造とすると共に、隣接する排気管同士を接続（連結）し、排気管内の熱エネルギーを回収するための複数のフィンを各排気管内に配置すると共に、これらのフィンを保持するフィン基台の各々を各排気管に固定し、各フィン基台の裏面側に、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電モジュールを各々配置すると共に、各熱発電モジュールの裏面側に冷却部材を各々配置し、各冷却部材を外側から各押圧手段により押圧することで、冷却部材と熱発電モジュールを密着させると共に熱発電モジュールとフィン基台を密着させ、これにより面接触性を高め、熱電変換効率の向上を図る熱発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２０８４７６号公報

しかしながら、上記熱発電装置にあっては、各排気管ごとに各押圧手段による押圧力が働くため、排気管同士の接続部に応力が生じ、また、各排気管ごとに熱膨張による変形が生じるため、排気管同士の接続部に応力が生じてしまい、その結果、当該接続部が破損する虞がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、接続部での応力を緩和できる熱発電装置を提供することを目的とする。

本発明による熱発電装置は、熱流路の熱エネルギーを回収する複数の熱回収部と、熱回収部で回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電モジュールと、この熱発電モジュールを冷却する冷却部材とを重ねて具備し、押圧することで冷却部材と熱発電モジュールと熱回収部とを接触させる押圧手段を備えた熱発電装置において、熱回収部間の接続部に、当該接続部の周辺部に比して剛性を低くした低剛性部を設けたことを特徴としている。

このような熱発電装置によれば、熱回収部間の接続部が、当該接続部の周辺部に比して剛性を低くした低剛性部を有する構成のため、押圧手段の押圧力による各熱回収部の変位、及び、熱膨張による各熱回収部の変形に追従するようにして、熱回収部間の低剛性部が変形し、接続部での応力を緩和することができる。

ここで、上記作用を好適に奏する低剛性部としては、屈曲した形状を備える構成とするのが好ましい。このような構成を採用した場合、押圧手段の押圧力による各熱回収部の変位、及び、熱膨張による各熱回収部の変形に容易に追従するように変形することができる。

また、熱流路は、押圧手段により押圧された熱回収部を当接支持する支持部材を備えているのが好ましい。このような構成を採用した場合、冷却部材と熱発電モジュールと熱回収部とを密着させる押圧手段による押圧を、良好に行うことができる。

また、熱回収部は、複数のフィンを有し、支持部材は、フィンの先端が当接する弾性部材を含む構成であるのが好ましい。このような構成を採用した場合、押圧による変位や熱膨張による変形に従って、フィン先端の位置に押圧方向の偏りが生じても、この偏りは弾性部材により吸収され各フィンには均一な荷重が作用する。このため、熱回収部と熱発電モジュールとの密着性を高めることができる。

このように本発明による熱発電装置によれば、熱回収部間の接続部での応力を緩和することが可能となる。

以下、本発明に係る熱発電装置の好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第一実施形態に係る熱発電装置を示す横断面図、図２は、図１中の熱流路を構成するフィンを含む外管を示す斜視図であり、本実施形態の熱発電装置は、例えば、ガソリンエンジンのエキゾーストマニホールドに繋がる排気管の任意の箇所に配設されているもので、ガソリンエンジンから排出された排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、排熱からエネルギーを回収するものである。

図１に示すように、熱発電装置１００は、排気管１０内の熱エネルギーを回収する複数の熱回収部２と、この熱回収部２で回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電モジュール３と、この熱発電モジュール３を冷却する冷却部材４とを重ねて備えると共に、冷却部材４を押圧する押圧手段５と、を備えている。

排気管１０は、外管７と内管８により構成され、外管７と内管８との間に画成される領域が熱流路１とされている。外管７は、複数の熱回収部２を接続部６を介して繋ぐことで構成され、その外形は、多角形状（本実施形態では六角形）とされている。また、内管８（後述するクッション材９を除く）は高剛性とされ、その外形は、外管７に対応した多角形状（本実施形態では六角形）とされている。

外管７を構成する熱回収部２は、複数のフィン２ａと、これの基端を保持するフィン天板２ｂと、を備えている。フィン２ａは、熱流路１に位置し集熱するためのものであり、図２に示すように、熱流路１のガス流れに平行に延在し、フィン天板２ｂの内管８側の面に複数が立設されている。図１及び図２に示すように、フィン天板２ｂの中央側の複数のフィンは、内管８側への突出長が同一とされ、フィン天板２ｂの中央側より外側の複数のフィンは、外側に行くに従って、内管８側への突出長が徐々に短くされている。

フィン天板２ｂは、薄肉の板状とされて柔軟性を有し、熱発電モジュール３側の面が平面に構成されている。

そして、複数の熱回収部２と、隣接するフィン天板２ｂ．２ｂ同士を接続する接続部（詳しくは後述）６とは、一体に成形されて外管７を構成し、その外形は、上述のように多角形とされている。

図１に示すように、熱発電モジュール３は、各熱回収部２に対応して配設され、直方体形状を成し、複数の熱発電素子（ｐ型とｎ型の二種類の半導体）を備える構成とされている。この熱発電モジュール３のフィン天板２ｂ側の面及びこれとは反対側の冷却部材４側の面は、平行な平面に構成され、熱回収部２側の面が高温側の面、冷却部材４側の面が低温側の面とされ、両側の面の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを電極を介して取り出す。

冷却部材４は、例えば水冷により熱発電モジュール３を冷却するものであり、各熱発電モジュール３に対応して配設されている。この冷却部材４は、直方体形状を成し、内部にフィンを備えると共に冷却水が流れる構成されている。この冷却部材４の熱発電モジュール３側の面及びこれとは反対側の押圧手段５側の面は、平行な平面に構成されている。

押圧手段５は、各冷却部材４に対応して配設され、冷却部材４を外側から押圧することで、冷却部材４と熱発電モジュール３の対面する平面同士を接触させて密着させると共に熱発電モジュール３とフィン天板２ｂの対面する平面同士を接触させて密着させ、フィン天板２ｂと熱発電モジュール３と冷却部材４の各面接触性を高めるものである。なお、図１においては、図が煩雑になるのを避けるために、押圧手段５は１個しか示されていない。

また、前述した内管８は、押圧手段５により押圧されたフィン２ａのその先端が当接しこれを支持する支持部材としての機能を備え、特に、外周面に、弾性部材であるクッション材９を有している。

このクッション材９は、熱流路１を流れる排ガスの熱に耐え得る素材より形成されて十分な柔軟性を有し、例えば、セラミックや炭素、金属の繊維を綿状或いは織物に加工したもの、又は、金属の波板等が用いられる。

図１及び図２に示すように、隣接するフィン天板２ｂ．２ｂ同士を接続する接続部６は、多角形の角部に位置するもので、特に本実施形態にあっては、低剛性部６ａを備えている。この低剛性部６ａは、接続部６の周辺部（例えばフィン天板２ｂ等）に比して剛性が低いものであり、ここでは、横断面略Ｕ字状の屈曲した形状を有する構成とされている。

このような熱発電装置１００によれば、外管７及び内管８より画成される熱流路１に、排気ガスが導入され、当該熱流路１の熱エネルギーがフィン２ａにより回収される。このフィン２ａにより回収された熱エネルギーは、フィン天板２ｂを介して熱発電モジュール３の熱回収部２側の面である高温側の面に伝えられ、一方、冷却部材４側の面である低温側の面は冷却部材４により冷却され、大きくされた両側の面の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。

このとき、各押圧手段５による押圧が行われ、冷却部材４と熱発電モジュール３と熱回収部２は、内管８側に変位（移動）し、フィン２ａの先端が支持部材である内管８に当接し、当該内管８により支持される。これにより、冷却部材４と熱発電モジュール３と熱回収部２のフィン天板２ｂとを密着させる押圧手段５による押圧が良好に行われ、各面接触性が高められて熱発電変換効率が高められる。

このように、各熱回収部２ごとに各押圧手段５による押圧力が働いている状態にあっては、各熱回収部２が変位するが、本実施形態にあっては、各熱回収部２の変位に追従するようにして、熱回収部２，２間の低剛性部６ａが変形するため、接続部６での応力が緩和される。

また、熱回収部２にあっては、各熱回収部２ごとに熱膨張による変形が生じるが、本実施形態にあっては、熱膨張による各熱回収部２の変形に追従するようにして、熱回収部２，２間の低剛性部６ａが変形するため、接続部６での応力が緩和される。

すなわち、本実施形態においては、押圧手段５の押圧力による各熱回収部２の変位、及び、熱膨張による各熱回収部２の変形に追従するようにして、低剛性部６ａが変形し、接続部６での応力を緩和することができるため、従来のように接続部に応力が集中し当該接続部が破損してしまうということが防止されている。

また、本実施形態においては、押圧による変位や熱膨張による変形に従って、フィン２ａの先端の位置には押圧方向の偏りが生じるが、当該フィン２ａの先端はクッション材９に押し付けられ、この偏りはクッション材９のクッション効果により吸収され、各フィン２ａには均一な荷重が作用する。このため、フィン天板２ｂと熱発電モジュール３との密着性が一層高められ、熱発電変換効率が一層高められている。

また、フィン天板２ｂは、薄肉により柔軟性を有しているため、フィン天板２ｂと熱発電モジュール３との密着性が一層高められ、熱発電変換効率が一層高められている。また、このように、フィン天板２ｂと熱発電モジュール３とが良好に密着するため、フィン天板２ｂの平面度を高める必要が無く、従って、製造コストの低減が図られている。

次の第二実施形態では、熱回収部２がセラミックや難加工性の特殊金属より形成され当該熱回収部２を分割構造とした場合について述べる。

図３は、本発明の第二実施形態に係る熱発電装置示す横断面図、図４は、図３中の接続部を示す斜視図である。なお、図３においては、押圧手段５、冷却部材４及び熱発電モジュール３は省略されて描かれていないが、これらは第一実施形態と同様に設けられている。

この第二実施形態の熱発電装置が第一実施形態の熱発電装置１００と違う点は、複数の熱回収部２と接続部６を一体に成形した外管７に代えて、複数の熱回収部２を個々に分割し、隣接する熱回収部２，２同士を接続部であるジョイント部材１１により接続した外管１７を用いた点である。

ジョイント部材１１は、薄肉の金属で形成されると共に、第一実施形態の低剛性部６ａを同様に備え、この低剛性部６ａの両側端部が、フィン天板２ｂの側端部を進入可能とするコの字状部６ｂに構成されている。そして、このジョイント部材１１のコの字状部６ｂにフィン天板２ｂの側端部が進入し連結されることで、分割された熱回収部２をジョイント部材１１で繋いで成る外管１７が構成されている。この外管１７は、内管８とにより、第一実施形態の排気管１０と同様に機能する排気管２０を構成している。

このような構成を有する第二実施形態の熱発電装置にあっても、第一実施形態と同様な作用・効果を奏するというのはいうまでもない。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、特開２００４−２０８４７６号公報に記載のように、熱流路（排気管）が分割タイプに対しても適用可能である。

本発明の第一実施形態に係る熱発電装置を示す横断面図である。 図１中の熱流路を構成するフィンを含む外管を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る熱発電装置を示す横断面図である。 図３中の接続部を示す斜視図である。

符号の説明

１…熱流路、２…熱回収部、２ａ…フィン、２ｂ…フィン天板、３…熱発電モジュール、４…冷却部材、５…押圧手段、６…接続部、６ａ…低剛性部、７，１７…外管、８…内管（支持部材）、９…クッション材（弾性部材）、１１…ジョイント部材（接続部）、１００…熱発電装置。

Claims (4)

1. 熱流路の熱エネルギーを回収する複数の熱回収部と、前記熱回収部で回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電モジュールと、この熱発電モジュールを冷却する冷却部材とを重ねて具備し、押圧することで前記冷却部材と前記熱発電モジュールと前記熱回収部とを接触させる押圧手段を備えた熱発電装置において、
   熱回収部間の接続部に、当該接続部の周辺部に比して剛性を低くした低剛性部を設けたことを特徴とする熱発電装置。
2. 前記低剛性部は、屈曲した形状を備えることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
3. 前記熱流路は、前記押圧手段により押圧された前記熱回収部を当接支持する支持部材を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱発電装置。
4. 前記熱回収部は、複数のフィンを有し、
   前記支持部材は、前記フィンの先端が当接する弾性部材を含むことを特徴とする請求項３記載の熱発電装置。

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