JP5817687B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。

従来知られている熱電発電装置は、熱電変換モジュールを備えている。この熱電変換モジュールは、排気管と冷却水管との間に介在し、ゼーベック効果を利用して高温の排気ガスと低温の冷却水との間に温度差を生じさせて発電を行うものである。

一方、排気管内には、エンジンの運転時の排気脈動による入射波が導入されて排気管の下流側および上流側の開口端で反射を繰り返すことにより定在波が生じ、その定在波の波長と排気管の長さとの関係に依存して気柱共鳴が発生することが知られている。かかる気柱共鳴が発生すると、排気管内の音圧が増大し、騒音となってしまう。

このような騒音を低減する技術の一例として、騒音中の特定周波数と逆位相を有する音波を通電による電磁振動により発生させ、拡声器で騒音に干渉させて消音するようにした排ガス処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−９５７１４号公報

上記特許文献１に記載されているような従来の排ガス処理装置では、排気ガスの騒音を低減するために専用の拡声器を設ける必要があるため、そのための設置スペースを必要とし、装置構成も比較的複雑となる。また、消音用の拡声器等の部品点数が増加することで装置の製造コストが増大してしまう。

本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、既存の装置構成を利用して排気ガスの騒音を低減することができるとともに、コストの増大を防止することができる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管に高温部が対向するとともに、冷却媒体に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数個の熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、前記熱電発電装置が、前記排気管内の排気ガスによる音圧が高い部位に位置するように前記排気管に取り付けられ、前記複数個の熱電変換モジュールが、前記音圧を低減させる磁場を発生する電流経路を形成するように接続されているものから構成されている。

この熱電発電装置は、排気管内の排気ガスによる音圧が高い部位に配置され、複数個の熱電変換モジュールの接続によって形成された電流経路により音圧を低減させる磁場を発生させているので、この部材での音圧レベルを低減することができる。すなわち、熱電発電装置の既存の装置構成を利用して、排気ガスの騒音を低減することができる。

また、熱電発電装置から発生された電流を利用して排気系の消音を行うようにしているので、従来使用されていた消音専用の部品（例えば、特許文献１における消音用の拡声器）を設ける必要がなく、コストの増大を防止することができる。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記熱電発電装置が、前記排気管内に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の腹となる位置に配置され、前記複数個の熱電変換モジュールが、前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続されているものから構成されている。

この熱電発電装置は、複数個の熱電変換モジュールの接続によって形成された電流経路により、気中共鳴の定在波の音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生させているので、この磁場により、音圧分布の腹に向かって排気ガスの粒子を圧縮する圧縮力を打ち消すことができる。

これにより、音圧分布の腹での音圧レベルを低減することができ、排気ガスの騒音を低減することができる。

上記（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記複数個の熱電変換モジュールが、少なくとも２系統に分かれた複数個の熱電変換モジュールを含み、一方の系統の複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の上流側から前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続され、他方の系統の複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の下流側から前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続されているものから構成されている。

この熱電発電装置は、一方の系統の複数個の熱電変換モジュールの接続によって形成された電流経路と、他方の系統の複数個の熱電変換モジュールの接続によって形成された電流経路とにより、音圧分布の腹を基点として両方向に働く排気ガスの粒子を圧縮する圧縮力に対してそれぞれ逆方向に磁場を発生させるようにしているので、これらの磁場により両方向に働くそれぞれの圧縮力を打ち消すことができる。

これにより、上記（２）に記載の熱電発電装置と比べて、音圧分布の腹の位置での音圧レベルをより一層低減することができ、排気ガスの騒音をより一層低減することが可能となる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の延在方向に対して渦巻状に接続されているものから構成されている。

この熱電発電装置は、渦巻状に接続された複数個の熱電変換モジュールによって渦巻状の電流経路が形成されているので、この電流経路を通る渦巻状の電流により、電流経路の内側（電流経路によって囲まれる空間）に磁場を生成することができる。

したがって、このような磁場を生成することができる熱電発電装置を、排気管内の排気ガスによる音圧が高い部位（音圧分布の腹）に配置することで、この部分での音圧レベルを有効に低減することができる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（５）前記複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の延在方向と略直交する面内でループ状電流経路を構成するとともに該ループ状電流経路が前記排気管の延在方向に並列に繋がるように接続されているものから構成されている。

この熱電発電装置は、複数のループ状電流経路が並列に接続されているので、仮にいずれかのループ状電流経路に含まれる熱電変換モジュールが動作不良を起こしたとしても、残りのループ状電流経路を流れる電流によって消音用の磁場の生成を維持することができる。

本発明によれば、既存の装置構成を利用して排気ガスの騒音を低減することができるとともに、コストの増大を防止することができる。

本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）熱電変換モジュールの配列とその接続によって形成される電流経路との関係、および（ｂ）その電流経路を流れる電流とこの電流によって発生する磁場との関係を概略的に示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）排気系とこの排気系に発生する気柱共鳴の音圧分布との対応、および（ｂ）第１の実施の形態が奏する効果を模式的に示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）熱電変換モジュールの配列とその接続によって形成される電流経路との関係、および（ｂ）その電流経路を流れる電流とこの電流によって発生する磁場との関係を概略的に示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）熱電変換モジュールの配列とその接続によって形成される電流経路との関係、および（ｂ）その電流経路を流れる電流とこの電流によって発生する磁場との関係を概略的に示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、（ａ）排気系とこの排気系に発生する気柱共鳴の音圧分布との対応、および（ｂ）第３の実施の形態が奏する効果を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」という。）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１〜図５は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。

まず、構成について説明する。

図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合してなる混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないように、あるいは減衰させて伝達するようになっている。

排気管４上には、まず上流側に、２つの触媒５ａ，５ｂが直列に設置されており、これらの触媒５ａ，５ｂにより排気ガスが浄化されるようになっている。

これらの触媒５ａ，５ｂのうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５ａは、いわゆるスタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものである。一方、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒５ｂは、いわゆるメインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５ａ，５ｂは、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

さらに、排気管４上で触媒５ｂの下流側には、消音器としてのメインマフラ６ａ、熱電発電装置１７、および消音器としてのサブマフラ６ｂが直列に設置されている。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に「冷却水」という。）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取り付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。

ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装されている。このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中にヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には、後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが連結されており、熱電発電装置１７と還流管９との間には、熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが連結されている。

このため、熱電発電装置１７において排熱回収が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系では、メインマフラ６ａとサブマフラ６ｂの間に設けられた熱電発電装置１７が、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。

図２に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスＧが導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１との間で受熱通路２２を形成する排気管としての外管２３とを備えている。

内管２１の上流端は、排気管４に連結されており、内管２１の内部は、排気管４から排気ガスＧが導入される排気通路２５となっている。内管２１は、支持部材２４を介して外管（排気管）２３に固定されており、外管（排気管）２３の下流端は、排気管４に連結され、さらにサブマフラ６ｂを介してテールパイプ１９に繋がっている。

このため、エンジン１から排気管４を通して内管２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、排気通路２５を通して下流側の排気管４に排出された後、サブマフラ６ｂを介してテールパイプ１９から外気に排出される。

また、熱電発電装置１７は、外管（排気管）２３上に配列された複数個の熱電変換モジュール２７と、熱電変換モジュール２７の周囲を囲むように外管（排気管）２３と同軸上に設けられた筒状の冷却水管２８とを備えている。

冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａ、および下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。この冷却水管２８は、図２に一例として示すように、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水Ｗが排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水Ｗは、受熱通路２２に流れる排気ガスＧの排気方向と同方向に流れる。

なお、図２に示す冷却水Ｗと排気ガスＧが同方向に流れる配置態様は一例であり、これに限定されないことはもちろんである。例えば、冷却水管２８に導入された冷却水Ｗが排気ガスＧの排気方向と逆方向に流れるように、冷却水導入部２８ａおよび冷却水排出部２８ｂを設けるようにしてもよい。冷却水Ｗと排気ガスＧが逆方向に流れる配置態様とすることで、いわゆる対数平均温度差により、熱回収効率を高めることができる。

図２に示すように、内管２１には複数の連通孔３６が形成されており、この連通孔３６は、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通している。この連通孔３６は、内管２１の円周方向に等間隔に形成されているとともに、図２には特に示していないが、内管２１の延在方向（内管２１内を流れる排気ガスＧの排気方向）に沿って配列されている。なお、連通孔３６は、等間隔に形成されるものに限定されない。

また、支持部材２４には、支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されている。受熱通路２２は、支持部材２４に形成された連通孔２４ａを通して排気管４（図１）に連通し、さらにサブマフラ６ｂを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。

また、内管２１の下流端には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、内管２１を開閉するように外管（排気管）２３に回動自在に取り付けられている。この開閉弁２６は、排気通路２５を流れる排気ガスＧの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。

すなわち、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が低い場合（エンジン１のアイドリング時や低負荷走行時など）には、図２に実線で示すように、内管２１を閉塞することで、内管２１に導入された排気ガスＧを受熱通路２２に導入するようになっている。

また、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が高い場合（エンジン１の高負荷走行時など）には、図２に破線で示すように、内管２１を解放するようになっている。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。

本実施の形態では、後述するように、熱電発電装置１７において排気ガスＧが流れる部分（内管２１の内側、および、内管２１と外管（排気管）２３の間の受熱通路２２）に所定方向に磁場を発生させる必要がある。この磁場は、熱電変換モジュール２７から発生される電流、すなわち、複数個の熱電変換モジュール２７を接続して形成されるループ状の電流経路によって生成することができる。

このため、そのループ状の電流経路の内側に位置する外管（排気管）２３および内管２１は、強磁性体以外の材料を用いて形成するのが望ましい。強磁性体材料を用いた場合、外管（排気管）２３および内管２１が磁気シールド化してしまい、排気ガスＧが流れる部分に有効な磁場を生成することができないからである。

図３に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０と、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２とを備えている。

Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２は、受熱基板２９と放熱基板３０との間にそれぞれ複数個設置されており、受熱基板２９に接触する側の面に接続された電極３３ａおよび放熱基板３０に接触する側の面に接続された電極３３ｂを介して、交互にかつ直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３５を介して電気的に接続されている。

本実施の形態では、この熱電変換モジュール２７が複数個設けられている。図４（ａ）に示すように、複数個の熱電変換モジュール２７は、外管（排気管）２３の周面上に密に配列されている。ただし、各熱電変換モジュール２７は相互に接触しておらず、僅かな隙間をあけて配列されている。この隙間の部分は、熱電変換モジュール２７同士を接続するための配線３５を引き回す領域として利用される。

複数個の熱電変換モジュール２７は、図４（ａ）に示すように、外管（排気管）２３の延在方向（図示の例では左右方向）に対して渦巻状の電流経路ＩＰを形成するように直列に接続されている。このように接続された複数個の熱電変換モジュール２７から発生される電流Ｉ（図４（ｂ））は、ケーブル３４を介して熱電発電装置１７から取り出され、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータを介して補機バッテリに供給されるようになっている。

なお、熱電変換モジュール２７は、図３に示すように略正方形のプレート形状を有しており、その両面を外管（排気管）２３および冷却水管２８に密着させる必要があるため、外管（排気管）２３および冷却水管２８は、熱電変換モジュール２７の形状に応じて多角形に形成されている。図４（ａ）に示す例では、熱電変換モジュール２７の一方の面が接触する外管（排気管）２３は、その断面形状が四角形に形成されている。図４（ａ）には示していないが、熱電変換モジュール２７の他方の面が接触する冷却水管２８（図２）についても同様に、その断面形状が四角形に形成されている。

また、外管（排気管）２３および冷却水管２８の断面形状は、多角形に限らず、円形もしくは楕円形であってもよい。この場合、熱電変換モジュール２７の一方の面（受熱基板２９）および他方の面（放熱基板３０）を外管（排気管）２３および冷却水管２８の形状に合わせて湾曲させるように形成すればよい。

図４に示したように外管（排気管）２３の延在方向に対して渦巻状の電流経路ＩＰを形成するように接続された複数個の熱電変換モジュール２７を備えた熱電発電装置１７は、排気管４上で排気ガスＧによる音圧が高い部位に位置するように排気管４に取り付けられている。具体的には、図５（ａ）に示すように、熱電発電装置１７は、排気管４内に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の腹（排気系音圧共鳴モードの「腹」）ＳＢとなる位置に配置されている。

この場合、熱電発電装置１７は、排気管４上で音圧分布の腹ＳＢとなる位置の下流側に配置されるのが望ましい。この熱電発電装置１７は、後述するように、複数個の熱電変換モジュール２７から発生される電流によって磁場を生成し、この磁場を用いて排気音の消音を行うようにしている。生成される磁場の影響が及ぶ範囲を、排気音をひき起こす排気ガスの粒子Ｐ（図５（ｂ）参照）が密集する部分（腹ＳＢの位置）よりも下流側にした方が、消音効果をより高めることができるからである。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、上述のような構成を備えることにより、以下の作用効果を奏する。

先ず、外管（排気管）２３の周面上に複数個の熱電変換モジュール２７が密に配列されているので、排気管４から放出された熱が各熱電変換モジュール２７間の隙間から冷却水管２８に流れるのを防ぐことができる。すなわち、排気ガスの熱を無駄なく各熱電変換モジュール２７において有効に利用することができる。

このため、各熱電変換モジュール２７の受熱基板２９（外管（排気管）２３）に接している側）と放熱基板３０（冷却水管２８に接している側）との温度差を大きく保つことができ、熱電発電装置１７全体として熱電発電効率を最大限に維持することができる。

また、図４（ａ）に示すように、外管（排気管）２３上に配列された複数個の熱電変換モジュール２７が外管（排気管）２３の延在方向に対して渦巻状の電流経路ＩＰを形成するように接続されているので、この電流経路ＩＰを通る渦巻状の電流Ｉによって、電流経路ＩＰの内側（電流経路ＩＰによって囲まれる空間）に磁場Ｈを生成することができる。

この磁場Ｈは、図４（ｂ）に示すように、アンペールの右ネジの法則に従い、外管（排気管）２３の延在方向（図示の例では右方向）に生成される。なお、図示の例では、磁場Ｈが内管２１の内側にのみ生成されている状態を示しているが、実際には外管（排気管）２３と内管２１の間の部分にも磁場が生成される。

また、このような磁場Ｈを生成することができる熱電発電装置１７を、図５（ａ）に示すように、排気管４内の排気ガスによる音圧が高い部位（音圧分布の腹ＳＢ）に配置しているので、この部分での音圧レベルを低減することができる。

すなわち、排気管４内で音圧分布の腹ＳＢとなる位置では、図５（ｂ）に示すように、上流側から移動してきた排気ガスの粒子Ｐの移動方向（図示の例では右方向）に対して、該粒子Ｐの下流側への移動を妨げる方向（図示の例では左方向）に該粒子Ｐを圧縮する圧縮力ＣＦが作用する。このため、音圧分布の腹ＳＢとなる位置の近傍に排気ガスの粒子Ｐが密集し、この部分での音圧が増大する。

本実施の形態では、この音圧が高い部位（音圧分布の腹ＳＢ）に熱電発電装置１７を配置し、熱電発電時に複数個の熱電変換モジュール２７から発生された渦巻状の電流Ｉ（図４（ａ）の電流経路ＩＰ）により、排気管内で排気ガスの粒子Ｐを圧縮しようとする圧縮力ＣＦの作用方向と逆方向に磁場Ｈ（図５（ｂ））を発生させることで、その圧縮力ＣＦを打ち消すことができる。

その結果、図５（ａ）に破線部分および太い矢印で示すように、その音圧分布の腹ＳＢの位置での音圧レベルを低減することができ、排気系の消音を行うことができる。

このように本実施の形態の熱電発電装置１７は、既存の装置構成を利用して、熱電変換モジュール２７の配列およびその電気的接続を工夫することにより、排気ガスの騒音を有効に低減することができる。

また、熱電発電装置１７（熱電変換モジュール２７）から発生された電流を利用して排気系の消音を行うようにしているので、従来使用されていた消音専用の部品（例えば、特許文献１における消音用の拡声器）を設ける必要がない。

このため、消音専用の部品の設置スペースも不要となり、装置構成が複雑にならない。さらに、消音専用の部品を設ける必要がないので、熱電発電装置１７の製造コストが増大するのを防止することができる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態（図１〜図５）と同一の構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図６において、（ａ）は、熱電変換モジュール２７の配列と熱電変換モジュール２７の接続によって形成されるループ状電流経路ＩＰｓとの関係を斜視図の形態で示したものであり、（ｂ）は、そのループ状電流経路ＩＰｓを流れる電流Ｉｓとこの電流Ｉｓによって発生する磁場Ｈｓとの関係を断面図の形態で概略的に示したものである。

この第２の実施の形態では、図６に示すように、複数個の熱電変換モジュール２７が、外管（排気管）２３の延在方向と略直交する面内でループ状電流経路ＩＰｓを構成するとともに該ループ状電流経路ＩＰｓが外管（排気管）２３の延在方向に並列に繋がるように接続されている。

すなわち、各ループ状電流経路ＩＰｓの一端側が共通に接続され、この共通に接続された一端側から、複数個の熱電変換モジュール２７から発生されたトータルの電流Ｉｓが取り出されるようになっている。

この第２の実施の形態では、外管（排気管）２３上に配列された複数個の熱電変換モジュール２７が外管（排気管）２３の延在方向に対して複数のループ状電流経路ＩＰｓを形成するように接続されているので、各ループ状電流経路ＩＰｓを通るループ状の電流によって、各ループ状電流経路ＩＰｓの内側に所要の磁場Ｈｓ（図６（ｂ））を生成することができる。

第１の実施の形態の場合と同様の原理（図５参照）から、この磁場Ｈｓを用いて、排気管４内の排気ガスによる音圧が高い部分（音圧分布の腹ＳＢ）での音圧レベルを低減することができ、排気系の消音を行うことができる。

また、第１の実施の形態の場合と同様に既存の装置構成を利用しているので、熱電発電効率を最大限に維持できるとともに、熱電発電装置１７のコスト増大を防止することができる。

さらに、この第２の実施の形態では、複数のループ状電流経路ＩＰｓが並列に接続されているので、仮にいずれかのループ状電流経路ＩＰｓに含まれる熱電変換モジュール２７が動作不良を起こしたとしても、残りのループ状電流経路ＩＰｓを流れる電流によって消音用の磁場の生成を維持することができる。

（第３の実施の形態）
図７〜図８は、本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態（図１〜図５）と同一の構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図７において、（ａ）は、熱電変換モジュール２７の配列と熱電変換モジュール２７の接続によって形成される２つの電流経路ＩＰａ，ＩＰｂとの関係を斜視図の形態で示したものであり、（ｂ）は、各電流経路ＩＰａ，ＩＰｂを流れる電流Ｉａ，Ｉｂとこの電流Ｉａ，Ｉｂによって発生する磁場Ｈａ，Ｈｂとの関係を断面図の形態で概略的に示したものである。

また、図８において、（ａ）は、排気系とこの排気系に発生する気中共鳴の音圧分布との対応を示したものであり、（ｂ）は、第３の実施の形態が奏する効果を模式的に示したものである。

この第３の実施の形態では、図７および図８に示すように、外管（排気管）２３上に配列された複数個の熱電変換モジュール２７が、それぞれ同数の熱電変換モジュール２７を含むように２系統に分かれている。

一方の系統の複数個の熱電変換モジュール２７は、外管（排気管）２３の上流側から音圧分布の腹ＳＢに向かって移動する排気ガスの粒子Ｐの移動方向と逆方向に磁場Ｈｂを発生する電流経路ＩＰｂを形成するように接続され、他方の系統の複数個の熱電変換モジュール２７は、外管（排気管）２３の下流側から音圧分布の腹ＳＢに向かって移動する排気ガスの粒子Ｐの移動方向と逆方向に磁場Ｈａを発生する電流経路ＩＰａを形成するように接続されている。

すなわち、外管（排気管）２３上に配列された複数個の熱電変換モジュール２７は、２系統の熱電変換モジュール２７が中央を基点として互いに逆方向の磁場Ｈａ，Ｈｂを発生する電流経路ＩＰａ，ＩＰｂを形成するように接続されている。

そして、このように接続された複数個の熱電変換モジュール２７を備えた熱電発電装置１７は、図８に示すように、その中心部が排気管４内の音圧分布の腹ＳＢに位置するように排気管４に取り付けられている。

この第３の実施の形態では、音圧分布の腹ＳＢを基点として両方向に働く排気ガスの粒子Ｐを圧縮する圧縮力ＣＦに対して、それぞれ逆方向に磁場Ｈａ，Ｈｂを発生させるようにしている（図８（ｂ）参照）。したがって、これらの磁場Ｈａ，Ｈｂにより、両方向に働くそれぞれの圧縮力ＣＦを打ち消すことができる。

これにより、第１の実施の形態の場合（図５（ａ））と比べて、図８（ａ）に破線部分および太い矢印で示すように、その音圧分布の腹ＳＢの位置での音圧レベルをより一層低減することができ、排気ガスの騒音をより一層低減することが可能となる。

また、第１の実施の形態の場合と同様に既存の装置構成を利用しているので、熱電発電効率を最大限に維持できるとともに、熱電発電装置１７のコスト増大を防止することができる。

なお、上述した各実施の形態では、外管（排気管）２３の周面上に複数個の熱電変換モジュール２７を密に配列する場合を例にとって説明したが、熱電変換モジュール２７の配列形態がこれに限定されないことはもちろんである。要は、排気管内の排気ガスによって生じる騒音を低減させる磁場を発生するのに十分な電流経路を形成するように複数個の熱電変換モジュールが配列されていれば十分である。

例えば、熱電発電効率よりも消音効果を重視したい場合には、必ずしもモジュールを密に配列する必要はなく、少なくとも騒音を低減させる磁場を発生するのに十分な電流経路を形成するに足る数のモジュールを備えていればよい。この場合、熱電変換モジュール２７を密に配列しないで済む分、熱電発電装置１７全体のコスト低減に寄与することができる。

また、上述した第１および第３の実施の形態では、排気管の延在方向に対して渦巻状の電流経路ＩＰ（図４）、ＩＰａ，ＩＰｂ（図７）を形成するように複数個の熱電変換モジュール２７を接続した場合を例にとって説明したが、熱電変換モジュール２７の接続態様がこれに限定されないことはもちろんである。例えば、排気管の延在方向に対して螺旋状の電流経路を形成するように複数個の熱電変換モジュール２７を接続した場合も、騒音を低減するのに十分な磁場を発生させることが可能である。

以上説明したように、本発明に係る熱電発電装置は、既存の装置構成を利用して排気ガスの騒音を低減することができるとともに、コストの増大を防止することができるという効果を有し、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１…エンジン（内燃機関）、４…排気管、１７…熱電発電装置、２３…外管（排気管）、２７…熱電変換モジュール、２８…冷却水管、２９…受熱基板（高温部）、３０…放熱基板（低温部）、３１…Ｎ型熱電変換素子、３２…Ｐ型熱電変換素子、ＣＦ…排気ガスの粒子を圧縮する圧縮力、Ｇ…排気ガス、Ｈ，Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｓ…磁場、Ｉ，Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｓ…発生電流、ＩＰ，ＩＰａ，ＩＰｂ，ＩＰｓ…電流経路、Ｐ…排気ガスの粒子、ＳＢ…音圧分布の腹（排気ガスによる音圧が高い部位）、Ｗ…冷却水（冷却媒体）

Claims (5)

1. 内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管に高温部が対向するとともに、冷却媒体に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数個の熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、
   前記熱電発電装置が、前記排気管内の排気ガスによる音圧が高い部位に位置するように前記排気管に取り付けられ、前記複数個の熱電変換モジュールが、前記音圧を低減させる磁場を発生する電流経路を形成するように接続されていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記熱電発電装置が、前記排気管内に生じる気柱共鳴の定在波の音圧分布の腹となる位置に配置され、前記複数個の熱電変換モジュールが、前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続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. 前記複数個の熱電変換モジュールが、少なくとも２系統に分かれた複数個の熱電変換モジュールを含み、
   一方の系統の複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の上流側から前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続され、
   他方の系統の複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の下流側から前記音圧分布の腹に向かって移動する排気ガスの粒子の移動方向と逆方向に磁場を発生する電流経路を形成するように接続されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の延在方向に対して渦巻状に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。
5. 前記複数個の熱電変換モジュールが、前記排気管の延在方向と略直交する面内でループ状電流経路を構成するとともに該ループ状電流経路が前記排気管の延在方向に並列に繋がるように接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。

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