JP6236336B2 - 熱電発電ユニット - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排気ガスから電気エネルギーを回収する熱電発電ユニットに関する。

エンジンの高温の排気ガスから電気エネルギーを回収する熱電発電ユニットにおいては、熱電素子の片面で排気ガスからの熱を受け、熱電素子の他面を冷却することにより、熱電素子の両面に温度差を生じさせて起電力を発生させている。

しかしながら、油圧ショベルなどの作業機械においては、燃料負荷によってエンジンの排気ガスの温度が変動する。排気ガスの通路が熱膨張することで、熱電素子に過大な面圧が掛かると、熱電素子が破損するおそれがある。

また、作業機械などにおいては、車両やエンジンの振動に起因して、熱電素子に過大な面圧が掛かり、熱電素子が破損するおそれがある。

そこで、特許文献１には、振動や排気通路の熱膨張によって熱電素子が破損しないようにした熱電ユニットが開示されている。この熱電ユニットでは、熱電素子を受熱体に押し付けて固定する固定機構に、熱電素子を受熱体に押し付ける面圧を調整する面圧調整機構を設けて、面圧を調整するようにしている。

特開２０１０−２７５９７６号公報

しかしながら、特許文献１の熱電ユニットでは、排気ガスの流通方向に沿って設けた複数のコイルスプリングで面圧を調整するようにしている。このコイルスプリングは、一度に締め付けることが可能な量が非常に小さいために、工数が多くかかる。そのため、熱電素子に偏荷重がかからないように、複数のコイルスプリングを少しずつ締め付けている最中に、熱電素子が所定の位置からずれてしまう場合がある。特に、伝熱を促進するためのグリスを熱電素子に塗った場合には、熱電素子が滑りやすくなるので、熱電素子が所定の位置からずれやすくなる。熱電素子のずれが大きいと、発電性能が低下したり、場合によっては熱電素子が破損したりする。

また、熱電ユニットを大型化した場合に、熱電素子の枚数が増え、コイルスプリングの数が増える。これらコイルスプリングを、熱電素子に偏荷重がかからないようにしながら１本ずつ締め付けていくには、工数がかかりすぎる。

本発明の目的は、熱電素子の面圧の調整にかかる工数を削減することが可能な熱電発電ユニットを提供することである。

本発明は、第１の媒体で満たされた断面矩形の第１の配管と、前記第１の配管と平行に設けられ、前記第１の媒体とは温度が異なる第２の媒体で満たされた断面矩形の第２の配管と、前記第１の配管と前記第２の配管とで挟まれた熱電素子と、前記第１の配管と前記第２の配管とが前記熱電素子を挟む挟持方向から、前記第１の配管および前記第２の配管を挟む一対の板部材と、前記板部材同士を連結する連結部材と、前記第２の配管と、これに隣接する前記板部材との間に設けられ、前記第２の配管を前記熱電素子の方に付勢する付勢手段と、を有することを特徴とする。

本発明によると、第２の配管と、これに隣接する板部材との間に設けた付勢手段で、第２の配管を熱電素子の方に付勢する。この付勢手段は、第２の配管と板部材との間に設けられるため、一度組み込まれると、設定された付勢力で第２の配管を熱電素子の方に付勢しつづける。そして、付勢手段の付勢力を、高温の媒体で満たされた配管の熱膨張を考慮して設計しておけば、ユニットを組んだのちに、熱電素子の面圧を調整する必要がない。よって、熱電素子の面圧の調整にかかる工数を削減することができる。

作業機械の後部の斜視図である。 熱電発電ユニットの一部の透過斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 板バネの斜視図である。 図２をＥ方向から見た透過斜視図である。 図３の要部Ｆの拡大図である。 図６のＧ−Ｇ断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（作業機械の構成）
本発明の実施形態による熱電発電ユニット１は、作業機械２０に設けられる。作業機械２０は、例えば油圧ショベルなどである。作業機械２０は、後部の斜視図である図１に示すように、図示しない下部走行体に対して旋回可能に搭載された上部旋回体２１を備える。上部旋回体２１の後部には、おもりであるカウンタウエイト２２が設けられている。カウンタウエイト２２の前側は、エンジンなどを搭載したエンジンルーム２３となっている。本実施形態の熱電発電ユニット１は、エンジンルーム２３の上方に設けられており、エンジンの排気ガスから電気エネルギーを回収するものである。

（熱電発電ユニットの構成）
熱電発電ユニット１の一部の透過斜視図である図２に示すように、熱電発電ユニット１は、高温流体（第１の媒体）で満たされた断面矩形の第１の配管２と、第１の配管２と平行に設けられ、高温流体とは温度が異なる低温流体（第２の媒体）で満たされた断面矩形の第２の配管３と、を有している。本実施形態において、第２の配管３は、第１の配管２の両側にそれぞれ設けられている。即ち、第１の配管２の図中奥側に第２の配管３ａが設けられており、第１の配管２の図中手前側に第２の配管３ｂが設けられている。また、本実施形態において、高温流体は数百度の排気ガスであるが、これに限定されず、空気、ガス、蒸気、温水（排水など）などであってもよい。また、本実施形態において、低温流体は、約４０℃の冷却水であるが、これに限定されず、空気、冷却油、冷媒、液化ガスなどの流体や固体であってもよい。

第２の配管３には、流入管３ｃおよび流出管３ｄがそれぞれ接続されている。流入管３ｃを通って第２の配管３の内部に流入した冷却水は、第２の配管３内を流通し、流出管３ｄを通って第２の配管３の内部から排出される。第２の配管３から排出された冷却水は冷却されて、再度、第２の配管３に送られる。

図２のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、熱電発電ユニット１は、第１の配管２と第２の配管３とで挟まれた熱電素子４を有している。この熱電素子４は、外部に通電する通電部４ａを有し、両面の温度差により起電力を発生させるものである。熱電素子４は、図中左側の第２の配管３ａと第１の配管２との間、および、図中右側の第２の配管３ｂと第１の配管２との間にそれぞれ設けられている。熱電素子４を挟む第１の配管２および第２の配管３の側面は、熱電素子４の全面に接触している。

なお、第１の配管２の内部は、高温流体との接触面積が増えるように、複数の流路に分割されている。これにより、第１の配管２内を流通する高温流体の熱を効率よく熱電素子４の一方の面に伝えることができる。

また、熱電発電ユニット１は、第１の配管２と第２の配管３とが熱電素子４を挟む挟持方向Ｂから、第２の配管３ａ、第１の配管２、および、第２の配管３ｂを挟む一対の筐体５，６を有している。一対の筐体５，６は、それぞれ剛体である。

筐体５は、板部（板部材）５ａと、一対の連結部（連結部材）５ｂと、を有している。板部５ａには、第２の配管３の長手方向Ｃに沿って凹部５ｃが設けられている。板部５ａに隣接する図中左側の第２の配管３ａは、凹部５ｃに嵌っている。このため、組み立てやすくなっているとともに、第２の配管３ａの幅方向Ｄに第２の配管３ａの振動が抑制されている。

筐体（板部材）６には、第２の配管３の長手方向Ｃに沿って凹部６ａが設けられている。筐体６に隣接する図中右側の第２の配管３ｂは、凹部６ａに嵌っている。このため、組み立てやすくなっているとともに、第２の配管３ｂの幅方向Ｄに第２の配管３ｂの振動が抑制されている。

一対の連結部５ｂの内側には、第１の配管２が収容されている。一対の連結部５ｂは、筐体６にボルト７でそれぞれ連結されている。一対の筐体５，６は、それぞれ剛体である。そして、一対の連結部５ｂは、板部５ａと筐体６とを強固に連結している。そのため、第１の配管２が熱膨張しても、一対の筐体５，６の間隔は変化しない。なお、一対の筐体５，６を締結する手段は、ボルト７に限定されず、一対の筐体５，６を結束するゴムなどであってもよい。

なお、本実施形態においては、熱電発電ユニット１の外部の雰囲気温度に近い温度である冷却水が流通する第２の配管３を一対の筐体５，６内の外寄りに、第１の配管２を一対の筐体５，６内の中央に、それぞれ配置することで、熱電発電ユニット１の外部に漏れる熱量が少なくなるようにしている。しかし、低温流体が液化ガスなどであって、高温流体の方が外部の雰囲気温度に近い場合には、第２の配管３を一対の筐体５，６内の中央に、第１の配管２を一対の筐体５，６内の外寄りに、それぞれ配置することで、熱電発電ユニット１の外部に漏れる熱量が少なくなるようにしてよい。即ち、図３において、第１の配管２と第２の配管３の配置を逆にしてよい。

また、熱電発電ユニット１は、板部５ａの凹部５ｃの底面と、凹部５ｃに嵌る第２の配管３ａとの間に設けられた板バネ（付勢手段）８を有している。板バネ８は、第２の配管３ａを熱電素子４の方に付勢している。そして、板バネ８の付勢力は、第１の配管２の熱膨張を考慮して設計されている。

斜視図である図４に示すように、板バネ８は、板状の本体８ａを有している。第２の配管３ａの長手方向Ｃおよび挟持方向Ｂに直交する幅方向Ｄにおいて、本体８ａの一端部および他端部には、第２の配管３ａを付勢する付勢部８ｂが対称に設けられている。また、幅方向Ｄの一端部に設けられた付勢部８ｂと、幅方向Ｄの他端部に設けられた付勢部８ｂとは、第２の配管３ａの長手方向Ｃにおいて、交互に設けられている。

図３に示すように、板バネ８は、本体８ａが板部５ａに当接し、付勢部８ｂの先端が第２の配管３ａに接触するように配置されている。板バネ８は、幅方向Ｄにおいて、第２の配管３ａの両端部をまたぐ範囲で、第２の配管３ａを付勢している。ここで、第２の配管３ａの端部とは、第２の配管３ａの幅方向Ｄの長さ（幅）を３等分したときの、端から１／３幅の範囲の部分である。このような範囲で第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａは幅方向Ｄに対して傾斜しない。

また、図２をＥ方向から見た透過斜視図である図５に示すように、板バネ８は、第２の配管３ａの長手方向Ｃにおいて、第２の配管３ａの中央を中心とする７０％以上１００％以下の範囲にわたって、第２の配管３ａを付勢している。このような範囲で第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａは長手方向Ｃに対して傾斜しない。

図３に示すように、板バネ８は、板部５ａと第２の配管３ａとの間に設けられるため、一度組み込まれると、設定された付勢力で第２の配管３ａを熱電素子４の方に付勢しつづける。そして、板バネ８の付勢力を、第１の配管２の熱膨張を考慮して設計しておけば、熱電発電ユニット１を組んだのちに、熱電素子４の面圧を調整する必要がない。よって、熱電素子４の面圧の調整にかかる工数を削減することができる。

また、一対の連結部５ｂを介して板部５ａと筐体６とを強固に連結することで、第１の配管２が熱膨張しても、板部５ａと筐体６との間隔が変化しないようにすることができる。よって、板バネ８における、熱膨張を考慮した付勢力の設計を容易に行うことができる。

また、幅方向Ｄにおいて、第２の配管３ａの両端部をまたぐ範囲で、第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａが幅方向Ｄに対して傾斜しないようにすることができる。これにより、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に熱電素子４に接触させることができる。

また、長手方向Ｃにおいて、第２の配管３ａの中央を中心とする７０％以上１００％以下の範囲にわたって、第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａが長手方向Ｃに対して傾斜しないようにすることができる。これにより、第２の配管３ａを長手方向Ｃに沿って均等に熱電素子４に接触させることができる。

また、板バネ８の幅方向Ｄの一端部および他端部に、第２の配管３ａを付勢する付勢部８ｂを対称に設けることで、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に付勢することができる。

また、幅方向Ｄの一端部に設けられた付勢部８ｂと、幅方向Ｄの他端部に設けられた付勢部８ｂとを、長手方向Ｃに交互に設けることで、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に付勢することができる。

なお、図３に示すように、本実施形態において、板バネ８は、本体８ａが板部５ａに当接し、付勢部８ｂの先端が第２の配管３ａに接触するように配置されているが、逆であってもよい。即ち、板バネ８は、付勢部８ｂの先端が板部５ａに接触し、本体８ａが第２の配管３ａに当接するように配置されていてもよい。

また、熱電発電ユニット１は、図３に示すように、連結部５ｂと第１の配管２との間に設けられた一対の板バネ（振動抑制手段）９を有している。これら板バネ９は、図４に示す板バネ８と同等のものであって、図中上側の連結部５ｂと第１の配管２との間、および、図中下側の連結部５ｂと第１の配管２との間にそれぞれ設けられている。板バネ９は、第１の配管２の熱を外部に漏らさないように、熱伝導しにくい形状、もしくは材質からなる。板バネ９は、幅方向Ｄにおいて、第１の配管２の振動を抑制する。

なお、一対の板バネ９の代わりに、一対の連結部５ｂを幅方向Ｄにそれぞれ貫通して第１の配管２の上下面にそれぞれ当接する複数のボルトを用いて、第１の配管２を幅方向Ｄに支持することで、第１の配管２の幅方向Ｄの振動を抑制してもよい。

また、図３の要部Ｆの拡大図である図６に示すように、第１の配管２の熱電素子４に当接する壁面には、長手方向Ｃに沿って凹部２ａが設けられている。熱電素子４は、この凹部２ａに嵌っている。これにより、熱電素子４が幅方向Ｄにずれないようにすることができる。

また、図６のＧ−Ｇ断面図である図７に示すように、第２の配管３ａの熱電素子４に当接する壁面には、幅方向Ｄに沿って凹部３ｅが設けられている。熱電素子４は、この凹部３ｅに嵌っている。これにより、熱電素子４が長手方向Ｃにずれないようにすることができる。

なお、図７に示すように、第１の配管２と第２の配管３との間には、隙間１０が設けられている。これにより、第１の配管２と第２の配管３との間で熱交換が行われないようにされている。

なお、凹部２ａや凹部３ｅの代わりに、熱電素子４の外形に沿った窪みを設けて、その窪みに熱電素子４を嵌めてもよい。また、凹部２ａおよび凹部３ｅのどちらか一方のみを設ける構成であってもよい。

また、図３に示すように、第２の配管３の長手方向Ｃに直交する断面視において、第１の配管２、第２の配管３、熱電素子４、板バネ８、および、板バネ９を、一対の筐体５，６で囲うことで、熱電素子４にごみが付着するのを抑制することができる。これにより、熱電素子４の通電部４ａを絶縁破壊しにくくすることができる。

（変形例）
なお、図２のＡ−Ａ断面図である図８に示すように、板バネ８は、板部５ａの凹部５ｃの底面と第２の配管３ａとの間ではなく、筐体６の凹部６ａの底面と、凹部６ａに嵌る第２の配管３ｂとの間に設けられていてもよい。もちろん、板部５ａの凹部５ｃの底面と第２の配管３ａとの間、および、筐体６の凹部６ａの底面と第２の配管３ｂとの間に、板バネ８がそれぞれ設けられていてもよい。

また、図２のＡ−Ａ断面図である図９に示すように、第２の配管３は１つであってもよい。

また、図２のＡ−Ａ断面図である図１０に示すように、第２の配管３は、第１の配管２のまわりに４つ設けられていてもよい。４つの第２の配管３の各々と、第１の配管２との間には、熱電素子４がそれぞれ設けられる。この場合、挟持方向Ｂにおいて、２つの第２の配管３の少なくとも一方を熱電素子４の方に付勢する板バネ８と、幅方向Ｄにおいて、２つの第２の配管３の少なくとも一方を熱電素子４の方に付勢する板バネ８と、をそれぞれ設けることで、各熱電素子４の面圧を設定値に保つことができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る熱電発電ユニット１によると、図３に示すように、第２の配管３ａと、これに隣接する板部５ａとの間に設けた板バネ８で、第２の配管３ａを熱電素子４の方に付勢する。この板バネ８は、第２の配管３ａと板部５ａとの間に設けられるため、一度組み込まれると、設定された付勢力で第２の配管３ａを熱電素子４の方に付勢しつづける。そして、板バネ８の付勢力を、第１の配管２の熱膨張を考慮して設計しておけば、熱電発電ユニット１を組んだのちに、熱電素子４の面圧を調整する必要がない。よって、熱電素子４の面圧の調整にかかる工数を削減することができる。

また、連結部５ｂを介して一対の筐体５，６を強固に連結することで、第１の配管２が熱膨張しても、一対の筐体５，６の間隔が変化しないようにすることができる。よって、板バネ８における、熱膨張を考慮した付勢力の設計を容易に行うことができる。

また、幅方向Ｄにおいて、第２の配管３ａの両端部をまたぐ範囲で、板バネ８で第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａが幅方向Ｄに対して傾斜しないようにすることができる。これにより、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に熱電素子４に接触させることができる。

また、図５に示すように、長手方向Ｃにおいて、第２の配管３ａの中央を中心とする７０％以上１００％以下の範囲にわたって、板バネ８で第２の配管３ａを付勢することで、第２の配管３ａが長手方向Ｃに対して傾斜しないようにすることができる。これにより、第２の配管３ａを長手方向Ｃに沿って均等に熱電素子４に接触させることができる。

また、図４に示すように、板バネ８の幅方向Ｄの一端部および他端部に、第２の配管３ａを付勢する付勢部８ｂを対称に設けることで、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に付勢することができる。

また、幅方向Ｄの一端部に設けられた付勢部８ｂと、幅方向Ｄの他端部に設けられた付勢部８ｂとを、長手方向Ｃに交互に設けることで、第２の配管３ａを幅方向Ｄに沿って均等に付勢することができる。

また、図３に示すように、板部５ａに隣接する第２の配管３ａを凹部５ｃに嵌めることで、組み立て性が向上するとともに、第２の配管３ａが幅方向Ｄに振動しないようにすることができる。

また、連結部５ｂと第１の配管２との間に板バネ９を設けることで、第１の配管２の幅方向Ｄの振動を抑制することができる。

また、図６、図７に示すように、第１の配管２および第２の配管３において、熱電素子４に当接する面に凹部２ａ，３ｅを設けて熱電素子４を嵌めることで、組み立て性が向上するとともに、熱電素子４が幅方向Ｄや長手方向Ｃにずれないようにすることができる。

また、図３に示すように、第２の配管３ａの長手方向Ｃに直交する断面視において、第１の配管２、第２の配管３、熱電素子４、および、板バネ８，９を、一対の筐体５，６で囲うことで、熱電素子４にごみが付着するのを抑制することができる。これにより、熱電素子４の通電部４ａを絶縁破壊しにくくすることができる。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、第２の配管３を熱電素子４の方に付勢する付勢手段として板バネ８を用いたが、多数のコイルスプリングが全面に取り付けられたパネルなど、他の付勢手段を用いてもよい。他の付勢手段で、幅方向Ｄにおいて第２の配管３の両端部をまたぐ範囲で第２の配管３を付勢し、且つ、長手方向Ｃにおいて第２の配管３の中央を中心とする７０％以上１００％以下の範囲にわたって第２の配管３を付勢するようにすることで、第２の配管３を幅方向Ｄおよび長手方向Ｃに沿って均等に熱電素子４に接触させることができる。

１ 熱電発電ユニット
２ 第１の配管
２ａ 凹部
３，３ａ，３ｂ 第２の配管
３ｃ 流入管
３ｄ 流出管
３ｅ 凹部
４ 熱電素子
４ａ 通電部
５ 筐体
５ａ 板部（板部材）
５ｂ 連結部（連結部材）
５ｃ 凹部
６ 筐体（板部材）
６ａ 凹部
７ ボルト
８ 板バネ（付勢手段）
８ａ 本体
８ｂ 付勢部
９ 板バネ（振動抑制手段）
１０ 隙間
２０ 作業機械
２１ 上部旋回体
２２ カウンタウエイト
２３ エンジンルーム

Claims (8)

1. 第１の媒体で満たされた断面矩形の第１の配管と、
   前記第１の配管と平行に設けられ、前記第１の媒体とは温度が異なる第２の媒体で満たされた断面矩形の第２の配管と、
   前記第１の配管と前記第２の配管とで挟まれた熱電素子と、
   前記第１の配管と前記第２の配管とが前記熱電素子を挟む挟持方向から、前記第１の配管および前記第２の配管を挟む一対の板部材と、
   前記板部材同士を連結する連結部材と、
   前記第２の配管と、これに隣接する前記板部材との間に設けられ、前記第２の配管を前記熱電素子の方に付勢する付勢手段と、
   を有し、
   前記付勢手段は、板バネであり、
   前記第２の配管の長手方向および前記挟持方向に直交する幅方向において、前記付勢手段の一端部および他端部には、前記第２の配管を付勢する付勢部が対称に設けられており、
   前記幅方向の一端部に設けられた前記付勢部と、前記幅方向の他端部に設けられた前記付勢部とは、前記第２の配管の長手方向において、交互に設けられていることを特徴とする熱電発電ユニット。
2. 前記一対の板部材と前記連結部材とは、剛体であって、
   前記連結部材を介して前記一対の板部材が強固に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電ユニット。
3. 前記付勢手段は、前記第２の配管の長手方向および前記挟持方向に直交する幅方向において、前記第２の配管の両端部をまたぐ範囲で、前記第２の配管を付勢していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電ユニット。
4. 前記付勢手段は、前記第２の配管の長手方向において、前記第２の配管の中央を中心とする７０％以上１００％以下の範囲にわたって、前記第２の配管を付勢していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。
5. 前記板部材には、前記第２の配管の長手方向に沿って凹部が設けられており、
   前記板部材に隣接する前記第２の配管は、前記凹部に嵌っていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。
6. 前記連結部材と前記第１の配管との間に設けられ、前記第１の配管の長手方向および前記挟持方向に直交する幅方向において、前記第１の配管の振動を抑制する振動抑制手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。
7. 前記第１の配管および前記第２の配管の少なくとも一方の前記熱電素子に当接する壁面には、凹部が設けられており、
   前記熱電素子が前記凹部に嵌っていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。
8. 前記第２の配管の長手方向に直交する断面視において、前記一対の板部材および前記連結部材によって、少なくとも、前記第１の配管、前記第２の配管、前記熱電素子、および、前記付勢手段が囲われていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。
   

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