JP2000297699A - 自動車用排熱発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱電素子を用いる排熱発電装置において、排温
が高くなっても熱電素子の温度が上限値を超えないよう
にすると共に、排温が低いときの発電効率を確保する。 【解決手段】排気管３の両側に熱電素子４及び冷却ジャ
ケット５を配置し、排気管３及び冷却ジャケット５を貫
通させたボルト７によって、冷却ジャケット５の外側か
ら挟み込むようにして締結させる。ここで、ボルト７の
材料として、排気管３及び熱電素子４の熱膨張率よりも
大きなものを選択する。これにより、排温が高くなった
ときに、熱電素子４と排気管３との接触圧が減少して熱
抵抗が増大し、熱電素子４の温度が上限を超えて上昇す
ることを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車用排熱発電装
置に関し、詳しくは、熱電素子によってエンジンの排温
エネルギーを電気エネルギーとして回収する構成の自動
車用排熱発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記構成の自動車用排熱発電装置
としては、特開平６−０８１６３９号公報、特開平８−
２６１０６４号公報、特開平１０−２３４１９４号公報
に開示されるようなものがあった。

【０００３】このものは、エンジンからの排気を導出す
る排気管の外表面に、熱電素子の一側面を接触させて取
り付けると共に、該熱電素子の他側面を水冷式や空冷式
の冷却部に接触させ、前記熱電素子のゼーベック効果を
利用し、前記熱電素子の一側面と他側面との温度差に応
じた起電力を発生させるものであり、前記温度差が大き
いほど発電効率が良く、出力も大きくなる。

【０００４】尚、前記熱電素子としては、Ｂi−Ｔe，Ｓ
i−Ｇe等の熱電素子が用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、自動車にお
いて、前記排熱発電装置を有効利用するためには、常用
域である比較的出力の低い領域で、最大の発電出力を得
る必要がある。このため、従来では、熱電素子の高温端
温度（排気管側温度）はできるだけ排気温度に近づけて
高く、また、熱電素子の低温端温度（冷却部側温度）は
できるだけ低くなるように、冷却部と熱電素子との間、
及び、熱電素子と排気管との間における熱抵抗がなるべ
く小さくなるようにしていた。

【０００６】しかし、高出力での運転が行われると排気
温度が大きく上昇し、運転状況によっては例えば900℃
を超えるような高温になることがあるが、上記のように
熱抵抗をなるべく小さくしてあるため、該排気温度の上
昇に応じて熱電素子の高温端温度も上昇し、熱電素子に
固有の上限温度（例えばＢi−Ｔe系材料では約300℃、
Ｓi−Ｇe系材料では700℃）を超えるようになって、熱
電素子の信頼性を低下させたり、熱電素子を損傷させる
可能性があった。

【０００７】ここで、上記高排気温時においても、熱電
素子がその上限温度を超えることのないように熱抵抗を
高く設定すると、排気温度が比較的低い常用域において
熱電素子における温度差が小さくなって効率の良い発電
を行わせることができなくなってしまう。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、排気温度が比較的低い低出力域での発電効率を確
保しつつ、排気温度が高くなっても熱電素子が上限温度
を超えることのない自動車用排熱発電装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そのため請求項１記載の
発明に係る自動車用排熱発電装置は、熱電素子の一側面
を排気管の外表面に接触させる一方、前記熱電素子の他
側面を冷却部に接触させ、前記熱電素子によりエンジン
の排温エネルギーを電気エネルギーとして回収する構成
において、前記熱電素子の一側面と前記排気管の外表面
との接触圧が、排温の上昇に対して減少変化するよう構
成した。

【００１０】かかる構成によると、熱電素子の一側面と
排気管の外表面との接触圧が、排温の上昇に対して減少
変化し、接触圧の減少は熱抵抗を増大させることになる
ので、排温が低く接触圧が比較的高いときには、熱電素
子の一側面の温度を排温に近い温度に高めることができ
る一方、排温が高くなると接触圧が減少して熱抵抗が増
大するので、排温と熱電素子の一側面の温度との差が広
がり、熱電素子の一側面の温度上昇が抑制されることに
なる。

【００１１】請求項２記載の発明に係る自動車用排熱発
電装置は、熱電素子の一側面を排気管の外表面に接触さ
せる一方、前記熱電素子の他側面を冷却部に接触させ、
前記熱電素子によりエンジンの排温エネルギーを電気エ
ネルギーとして回収する構成において、前記排気管及び
冷却部を貫通して設けられる棒状部材の両端部の間に前
記排気管，前記熱電素子及び冷却部を挟み込むようにし
て締結する構成とし、かつ、前記棒状部材を、前記排気
管及び熱電素子よりも熱膨張率の大きな材料で形成する
構成とした。

【００１２】かかる構成によると、棒状部材の両端部の
間に排気管，熱電素子及び冷却部を挟み込むようにして
締結されるが、排気管，熱電素子の熱膨張よりも、棒状
部材の熱膨張が大きく、また、前記棒状部材は排気管を
貫通して設けられることで排気温度に応じて熱膨張する
ので、排温が高くなるほど前記締結力が弱まり、これに
伴って排気管と熱電素子との接触圧が減少し、該接触圧
の減少に応じて熱抵抗が増大することになる。即ち、排
気温度が低い場合には、比較的高い接触圧により熱抵抗
が低く、熱電素子の一側面の温度が排気温度に近い温度
にまで高められるが、排気温度が高くなるに従って前記
棒状部材による締結力が弱まって、排気管と熱電素子と
の接触圧が減少し、該接触圧の減少に応じて熱抵抗が増
大するので、熱電素子の温度上昇が抑制されることにな
る。

【００１３】請求項３記載の発明では、前記熱電素子の
一側面と排気管の外表面との間に、熱伝導材料で形成さ
れ弾性変形して平板状となる熱伝導部材を介在させる構
成とした。

【００１４】かかる構成によると、例えば熱伝導材料で
波板に形成された熱伝導部材が、熱電素子と排気管との
間に介装され、排気温度が低く締結力が強いときには、
熱伝導部材が弾性変形して潰れて平板状となり、熱伝導
部材と熱電素子・排気管それぞれとの接触面積が大き
く、熱電素子と排気管との間における熱抵抗は、熱伝導
部材を介在させない場合と同等になるのに対し、排気温
度が高く締結力が弱まると、前記熱伝導部材の形状が平
板状から歪んだ形状に弾性復帰し、熱電素子・排気管に
対する接触面積が減少するため、熱電素子と排気管との
間における熱抵抗は、熱伝導部材を介在させない場合よ
りも増大する。従って、前記熱伝導部材を介在させるこ
とで、排温の高いときの熱抵抗の増大割合が増すことに
なる。

【００１５】請求項４記載の発明では、前記棒状部材と
冷却部との間に断熱材を介在させる構成とした。かかる
構成によると、排気管を貫通して設けられることで排気
熱を受熱するよう構成される棒状部材と冷却部との間
に、断熱材が介在され、排気熱が、熱電素子をバイパス
して棒状部材を経由して冷却部に逃げることを防止す
る。

【００１６】請求項５記載の発明では、前記排気管の軸
に直交する平面において、前記棒状部材を複数平行に配
置する構成とした。かかる構成によると、排気管及び冷
却部を貫通して設けられる棒状部材が、排気管の軸に直
交する平面において複数平行に配置され、排気管の幅方
向の複数個所で締結される。

【００１７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によると、排温の上
昇に対して熱電素子と排気管との接触圧が減少し、以っ
て、熱抵抗が増大変化するので、低排温時には排温に近
い温度にまで熱電素子の一側面の温度を高めることがで
きる一方、排温が高くなると、排温と熱電素子との間の
温度差を拡大し、熱電素子の温度が上限値を超えて上昇
することを防止できるので、常用域での発電効率を確保
しつつ、熱電素子の熱による損傷を回避できるという効
果がある。

【００１８】請求項２記載の発明によると、熱電素子及
び冷却部を締結する棒状部材が、高排温時に熱電素子や
排気管よりも大きく熱膨張することで、熱電素子と排気
管との接触圧を減少させ、以って、熱抵抗を増大変化さ
せることができるので、常用域での発電効率を確保しつ
つ、熱電素子の熱による損傷を回避できるという効果が
ある。

【００１９】請求項３記載の発明によると、高排温時
で、熱電素子と排気管との接触圧が低下するときの熱抵
抗の増大割合をより大きくすることができ、排温の温度
上昇に対する熱電素子の温度上昇をより効果的に制限す
ることができるという効果がある。

【００２０】請求項４記載の発明によると、熱電素子及
び冷却部を締結する棒状部材の熱が冷却部によって奪わ
れることを防止できるので、熱電素子をバイパスして排
気熱が棒状部材を介して冷却部に逃げることがなく、熱
電素子における温度差を大きく確保して、棒状部材の設
置による発電効率の低下を防止できるという効果があ
る。

【００２１】請求項５記載の発明によると、冷却部の剛
性が比較的低くても、熱電素子と排気管との接触圧を高
くかつ均等に保つことができるため、排熱発電装置の重
量を軽くすることができるという効果がある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図１は、実施の形態における
自動車用排熱発電装置の全体構成を示す概略図である。

【００２３】この図１において、排熱発電装置１は、図
示しないエンジンからの排気１４を導出する排気管３の
外表面に一側面が接触するように取り付けられる熱電素
子４と、該熱電素子４の他側面に接触するようにして取
り付けられる冷却ジャケット（冷却部）５とによって構
成される。

【００２４】そして、前記熱電素子４において、排気管
３の外表面と接触する高温端４ａと、冷却ジャケット５
と接触する低温端４ｂとの間で温度差を生じさせること
で、熱電素子４に起電力を発生させ、排温エネルギーを
電気エネルギーとして回収するものである。

【００２５】前記冷却ジャケット５は、冷却媒体として
の冷却水２をラジエータ１５との間で循環される経路を
構成し、該冷却ジャケット５の下流側に介装されるポン
プタービン１８により、冷却ジャケット５を通過した冷
却水をラジエータ１５に送り返し、ラジエータ１５で放
熱した冷却水を、再度冷却ジャケット５に送り込んで、
熱電素子４の他側面を冷却するようになっている。

【００２６】前記ポンプタービン１８は、排気の流れに
よって回転駆動されるタービンと、該タービンの回転が
伝達されるスクリュウとからなり、排気エネルギーを利
用して冷却水を循環経路内に流通させる。

【００２７】また、前記ラジエータ１５の上流側にはサ
ーモスタット１７が介装され、冷却水の温度が低い場合
に、前記ラジエータ１５をバイパスする分岐通路１９側
に冷却水を流し、熱電素子４が過冷却されないようにし
てある。

【００２８】更に、前記ラジエータ１５には予備ファン
１６が付設されており、ラジエータ１５における放熱が
十分に行われないときに、前記予備ファン１６を駆動し
て放熱を促進させるようにしてある。

【００２９】図２（ａ），（ｂ）は、前記排熱発電装置
１の第１の実施形態を示すものであり、排気管３は、前
記排熱発電装置１が設けられる部分で断面が細長い箱状
に形成される。

【００３０】そして、前記排気管３の断面における長手
方向の外表面の上側に、複数の熱電素子４を排気管３の
軸方向に沿って２列に配置し、同様に、長手方向の外表
面の下側にも、複数の熱電素子４を排気管３の軸方向に
沿って２列に配置し、複数の熱電素子４が排気管３を介
して平行に対向するようにしてある。

【００３１】前記排気管３の上下面に配置される複数の
熱電素子４は、冷却水２を収容する中空部が形成される
板状の冷却ジャケット５によって上下から挟み込むよう
にして保持される。

【００３２】前記上下一対の冷却ジャケット５には、排
気管３の軸方向に沿って３箇所に、幅方向の略中央位置
にボルト用貫通孔５ａを開口させてあり、また、前記ボ
ルト用貫通孔５ａに位置合わせして排気管３の周壁にも
ボルト用貫通孔３ａを開口させてある。

【００３３】そして、下側の冷却ジャケット５に開口さ
れたボルト用貫通孔５ａから差し入れたボルト７（棒状
部材）を、排気管３の下側に配置される複数の熱電素子
４の間隙を通し、更に、排気管３のボルト用貫通孔３ａ
に挿通させて排気管３内部を横断させる。

【００３４】そして、排気管３の上側に配置される複数
の熱電素子４の間隙を通したボルト７の先端を、上側の
冷却ジャケット５に開口されたボルト用貫通孔５ａに挿
通させ、該上側の冷却ジャケット５のボルト用貫通孔５
ａから突出させたボルト７の先端の雄ねじ部にナット８
を螺合させ、該ナット８の締め付けにより上下の冷却ジ
ャケット５で熱電素子４を挟み込むようにして固定す
る。

【００３５】前記ナット８の締め付け力によって、熱電
素子４の初期荷重、換言すれば、排気管３と熱電素子４
のと初期接触圧が与えられることになる。ここで、前記
ボルト７の材料として、排気管３及び熱電素子４の熱膨
張率よりも大きな材料を選定してある。

【００３６】尚、排気管３のボルト用貫通孔３ａには、
排気漏れを防止するためのシール３bを設けてある。上
記構成の排熱発電装置１において、熱電素子４の高温端
４ａが排気管３と接触することで排気熱を受熱して温度
上昇する一方、熱電素子４の低温端４ｂは冷却ジャケッ
ト５によって冷却されるため、熱電素子４の高温端４ａ
と低温端４ｂとの間に温度差が生じて熱電素子４が起電
力を発生し、排温エネルギーを電気エネルギーとして回
収する。

【００３７】排気温度は運転状態に応じて大きく変動
し、登坂時などは通常温度を大きく超える高温になる
が、前記ボルト７は排気管３内を横断するようにして設
けられ、排気に晒されるようになっているため、排気温
度の上昇に伴ってボルト７も温度上昇する。

【００３８】排気温度が上昇すると、排気管３及び熱電
素子４が温度上昇し熱膨張することになるが、前述のよ
うに、ボルト７の材料として排気管３及び熱電素子４の
熱膨張率よりも大きな材料を選定してあるため、ボルト
７の軸方向の熱膨張が、排気管３及び熱電素子４の熱膨
張を上回り、熱電素子４の締め付け力が、排気温度が高
くなるほど減少し、熱電素子４と排気管３との接触圧が
減少する。

【００３９】熱電素子４と排気管３との接触圧が減少変
化すると、熱電素子４と排気管３との間の熱抵抗が増大
する。従って、常温時の熱抵抗のままでは、熱電素子４
の高温端４ａの温度が許容上限値を超えるような高い排
気温度にまで上昇としたとしても、上記接触圧の減少変
化による熱抵抗の増大によって、排気温度の上昇に伴っ
て熱電素子４の高温端４ａの温度が許容上限値を超える
ようになることを回避でき、熱電素子４の信頼性の低下
や熱による損傷を防止できる。

【００４０】一方、排気温度が低い場合には、上記とは
逆に、熱電素子４と排気管３との接触圧がより高くな
り、熱抵抗が減少するので、熱電素子４の高温端４ａの
温度を排気温度に近い温度にまで高めることができ、効
率良く発電を行わせることができる。

【００４１】以上のように、上記構成の排熱発電装置１
によると、排気温度が低い場合には、効率良く発電を行
わせて必要な発電電力を得ることができ、排気温度が高
い場合には、熱電素子４の高温端４ａの温度が過剰に高
くなることを防止して、熱電素子４の信頼性の低下や損
傷を防止できる。

【００４２】また、排気の流れに沿って熱電素子４を配
置した場合には、下流側ほど排気温度が低くなり、排温
エネルギーの回収効率が悪くなるのが一般的であるが、
本実施の形態によると、排気温度が下流側で下がって
も、排気温度が低くなるほど熱電素子４と排気管３との
接触圧が高くなって熱抵抗が減少するので、上流側の熱
電素子４と下流側の熱電素子４とで高温端４ａの温度を
略一定にできる。このため、各熱電素子における低温端
４ｂと高温端４ａとの温度差を近づけることができ、効
率良く排温エネルギーを回収させることができる。

【００４３】図３（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態を
示すものであり、前記図２（ａ），（ｂ）に示した第１
の実施形態に対し、熱電素子４の高温端４ａと排気管３
との間に、熱伝導部材９を介在させた点のみが異なる。

【００４４】前記熱伝導部材９は、熱伝導材料で波型に
形成されたものであり、外力の作用しない状態では波型
であるが、両側から挟み込んで潰すように外力を与える
と、弾性変形して平板状となる部材である（図３（ｂ）
参照）。

【００４５】上記構成によると、排気温度が低く締結力
が強いときには、熱伝導部材９が弾性変形して潰れて平
板状となり、熱伝導部材９と熱電素子４・排気管３それ
ぞれとの接触面積が大きく、熱電素子４と排気管３との
間における熱抵抗は、熱伝導部材９を介在させない場合
と同等になるのに対し、排気温度が高く締結力が弱まる
と、前記熱伝導部材９の形状が平板状から波型（歪んだ
形状）に弾性復帰し、熱電素子４・排気管３に対する接
触面積が減少するため、熱電素子４と排気管３との間に
おける熱抵抗は、熱伝導部材９を介在させない場合より
も増大する。従って、前記熱伝導部材９を介在させるこ
とで、排温の高いときの熱抵抗の増大割合が増すことに
なり、排温の上昇に対する熱電素子４の高温端の温度上
昇をより効果的に制限することができる。

【００４６】尚、前記熱伝導部材９の外力が作用しない
状態での形状を波型に限定するものではなく、弾性変形
して平板状となる部材であれば良い。図４（ａ），
（ｂ）は、第３の実施形態を示すものであり、前記第１
の実施形態に対し、ボルト７・ナット８それぞれに断熱
性の材料で形成した座金１１（断熱材）を介在させてあ
ると共に、前記座金１１が当接する冷却ジャケット５の
ボルト用貫通孔５ａの周囲を円筒状に一段高くし、該円
筒部から幅方向の両側に向けリブ１０を延設させてあ
る。

【００４７】上記のようにリブ１０を設ければ、冷却ジ
ャケット５の剛性が高められ、幅方向の両端部における
撓み（反り）の発生を抑止できるため、排気管３・冷却
ジャケット５に対する接触圧が、同じ熱電素子４内で偏
ることを防止でき、排気管３・冷却ジャケット５との間
における熱抵抗を小さくでき、排温が低いときの発電効
率を高めることができる。

【００４８】また、座金１１は、ボルト７・ナット８と
冷却ジャケット５との間に介在し、ボルト７・ナット８
の熱が冷却ジャケット５に伝わることを防ぐので、排気
熱が熱電素子４をバイパスし、ボルト７・ナット８を介
して冷却ジャケット５に逃げることを防止でき、以っ
て、熱電素子４の高温端４ａの温度を排気温度に近づけ
て低温端４ｂとの間における温度差を高くできるので、
ボルト７・ナット８を備えることによる発電効率の低下
を防止できるという効果がある。

【００４９】図５（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態を
示すものであり、前記第１〜第３の実施形態に対し、ボ
ルト７・ナット８による締結個所を増やしてある。即
ち、第１〜第３の実施形態では、ボルト７・ナット８は
排気管３の軸方向に１列に設けたが、第４の実施形態で
は、前記第１〜３の実施形態と同様に幅方向の中央で、
ボルト７・ナット８による締結を行わせると共に、幅方
向の両端部においてもボルト７・ナット８による締結を
行わせるよう構成し、排気管３の軸に直交する平面にお
いて相互に平行な３本のボルト７によって締結を行わせ
る構成としてある。

【００５０】上記のように、幅方向の中央位置に加えて
両端部においても、ボルト７・ナット８による締結を行
わせる構成であれば、冷却ジャケット５の剛性が比較的
低くても、熱電素子４と排気間３との接触圧を高くかつ
均等に与えることができるため、前記第３の実施形態の
ようにリブ１０を設ける必要がなく、また、締結個所を
増やすことで、ボルト７の径が比較的細いものを用いて
も、必要な締結力を得ることができ、排熱発電装置１の
重量を軽くすることができる。

【００５１】但し、排気管３の軸に直交する平面におけ
るボルト７の数を２又は４本以上としても良い。また、
上記第４の実施形態においては、第３の実施形態と同様
に、ボルト７・ナット８と冷却ジャケット５との間に座
金１１を介在させ、ボルト７・ナット８を介して排気熱
が冷却ジャケット５に逃げることを防止するように構成
してある。

【００５２】尚、上記実施の形態においては、冷却部を
水冷式の冷却ジャケット５で構成したが、複数の冷却フ
ィンを備えた空冷式の冷却部を用いる構成であっても良
い。また、上記実施の形態では、排気管３の上下に熱電
素子４及び冷却ジャケット５を配置したが、排気管３の
一方の面にのみ、熱電素子４及び冷却ジャケット５を配
置し、ボルト７・ナット８が排気管３と冷却ジャケット
５とを挟み込む構成としても良い。

【００５３】更に、上記実施の形態では、棒状部材とし
てボルト７・ナット８を用いる構成としたが、これに限
定されるものではなく、例えば、排気管３及び冷却ジャ
ケット５に貫通させた棒状部材の端部に押さえ用の部材
を接着又は溶接するなどしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】排熱発電装置の全体構成を示す概略配置図。

【図２】排熱発電装置の第１の実施形態を示す断面図。

【図３】排熱発電装置の第２の実施形態を示す断面図。

【図４】排熱発電装置の第３の実施形態を示す断面図。

【図５】排熱発電装置の第４の実施形態を示す断面図。

【符号の説明】

１…排熱発電装置 ２…排気 ３…排気管 ４…熱電素子 ５…冷却ジャケット（冷却部） ７…ボルト（棒状部材） ８…ナット ９…熱伝導部材 １０…リブ １１…座金（断熱材）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱電素子の一側面を排気管の外表面に接触
   させる一方、前記熱電素子の他側面を冷却部に接触さ
   せ、前記熱電素子によりエンジンの排温エネルギーを電
   気エネルギーとして回収する自動車用排熱発電装置にお
   いて、 前記熱電素子の一側面と前記排気管の外表面との接触圧
   が、排温の上昇に対して減少変化するよう構成したこと
   を特徴とする自動車用排熱発電装置。
2. 【請求項２】熱電素子の一側面を排気管の外表面に接触
   させる一方、前記熱電素子の他側面を冷却部に接触さ
   せ、前記熱電素子によりエンジンの排温エネルギーを電
   気エネルギーとして回収する自動車用排熱発電装置にお
   いて、 前記排気管及び冷却部を貫通して設けられる棒状部材の
   両端部の間に前記排気管，前記熱電素子及び冷却部を挟
   み込むようにして締結する構成とし、かつ、前記棒状部
   材を、前記排気管及び熱電素子よりも熱膨張率の大きな
   材料で形成したことを特徴とする自動車用排熱発電装
   置。
3. 【請求項３】前記熱電素子の一側面と排気管の外表面と
   の間に、熱伝導材料で形成され弾性変形して平板状とな
   る熱伝導部材を介在させたことを特徴とする請求項２記
   載の自動車用排熱発電装置。
4. 【請求項４】前記棒状部材と冷却部との間に断熱材を介
   在させたことを特徴とする請求項２又は３記載の自動車
   用排熱発電装置。
5. 【請求項５】前記排気管の軸に直交する平面において、
   前記棒状部材を複数平行に配置したことを特徴とする請
   求項２〜４のいずれか１つに記載の自動車用排熱発電装
   置。