JP2004208476A

JP2004208476A - Waste heat power generator

Info

Publication number: JP2004208476A
Application number: JP2002377862A
Authority: JP
Inventors: Kiyohito Murata; 清仁村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat power generator exhibiting excellent thermoelectric conversion efficiency. <P>SOLUTION: The waste heat power generator 1 comprises a heat exchanging means (heat exchanging members) 12A for conducting thermal energy of waste gas flowing through an exhaust pipe, a cooling means (cooling sections) 8, and a thermoelectric conversion means (thermoelectric conversion modules) 13 disposed between the heat exchanging means 12 and the cooling means 8 and converting heat energy conducted by the heat exchanging means 12 into electric energy. Rigidity of the cooling means 8 is highest in a system through which heat energy moves, rigidity of the base of the heat exchanging means 12 is highest in an exhaust passage system consisting of a pipe body (divided exhaust pipe body) 5 and the heat exchanging means 12, and the thermoelectric conversion means 13 is secured by pressing the cooling means 8 with a resilient means (spring clamp part) 14 from the outside. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンからの排出された排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排熱からエネルギを回収する排熱発電装置が開発されている。排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している（特許文献１参照）。排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。そのためには、高温側及び低温側の各部材の熱伝導性を良くするとともに、熱電変換モジュールと排気管及び冷却部とを適切な面圧力によって接触させ、熱電変換モジュールとの間における熱伝導性を良くしなければならない。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３６９８１号公報（図３〜図５等参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
排熱発電装置の高温側では最高８００℃程度まで上昇するので、その温度に応じて長手方向、幅方向、厚さ方向の熱膨張が大きくなり、一方、低温側では最大でも１００℃程度までしか上昇しないので、熱膨張が小さい。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側とでは、ずれが生じ、歪が発生する場合がある。その結果、熱電変換モジュールと排気管や冷却部との間に位置ずれが発生したり、あるいは、熱電素子等が変形したり、変形が激しい場合には破損したりする。さらに、その熱膨張によって熱電変換モジュールと排気管や冷却部との面接触性が悪化するので、熱電変換モジュールとの間の熱伝導性が悪くなり、熱電変換効率が低下する。特に、従来の排熱発電装置は、排気管や冷却部が取り付けられる外管が一枚ものの部材で形成されており、歪を吸収するための自由度が少ないので、歪が装置全体に広がっていた。また、冷却部が剛性の高い水冷システムで構成されている場合、ばね定数が低いので、歪を更に吸収しにくくなる。
【０００５】
そこで、従来の排熱発電装置では、熱歪を抑えるために、排気管、冷却部、冷却部が取り付けられる外管等が熱膨張率の小さいステンレス鋼等の材料によって形成されている。しかし、このようなステンレス鋼等の材料は、熱伝導率が小さいため、熱抵抗が大きい。そのため、熱電変換モジュールに伝達される前に高温側や低温側の各部材において熱エネルギを損失してしまい、熱電変換効率が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、熱電変換効率に優れる排熱発電装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排熱発電装置は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段と、熱電変換手段の一面側に配置され、排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段と、熱電変換手段の他面側に配置され、熱電変換手段を冷却する冷却手段とを備える排熱発電装置であって、熱電変換手段、熱交換手段及び冷却手段において冷却手段の剛性を最も高くすることを特徴とする。
【０００８】
この排熱発電装置では、排気管を流れる排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を配置して熱エネルギが移動する系を構成しており、その熱エネルギが移動する系において冷却手段の剛性を最も高くする。このように構成することによって、熱エネルギが移動する系において冷却手段が基準となり、冷却手段から熱電変換手段に適切な面圧力を作用させることができ、冷却手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、冷却手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。そのため、熱電変換手段との間での熱エネルギの伝達が良くなり、熱電変換効率が向上する。
【０００９】
本発明の上記排熱発電装置では、熱交換手段は、排気ガスの熱エネルギを伝導する熱交換フィンと、一面に熱交換フィンが設けられるとともに他面に熱電変換手段が配置される基台とを有し、排気管は、排気通路の骨格を形成する管本体を有し、管本体に基台が取り付けられて、熱交換フィンが排気管内に位置し、排気管と熱交換手段とにより排気通路系を構成し、排気通路系において基台の剛性を最も高くするように構成してもよい。
【００１０】
この排熱発電装置では、熱交換手段が熱交換フィンと熱電変換手段が配置される基台を有しており、排気管が排気通路の骨格を形成する管本体を有している。そして、排熱発電装置では、管本体に熱交換手段の基台を取り付けて排気通路系を構成しており、排気通路系において熱交換手段の基台の剛性を最も高くする。このように構成することによって、熱交換手段から熱電変換手段に適切な面圧力を作用させることができ、熱交換手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、熱交換手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。そのため、熱電変換手段との間での熱エネルギの伝達が良くなり、熱電変換効率が向上する。
【００１１】
本発明の上記排熱発電装置では、管本体を熱交換手段より熱膨張率の小さい材料で形成するように構成してもよい。
【００１２】
この排熱発電装置では、熱エネルギが移動する系に含まれない管本体を熱交換手段より熱膨張率の小さい材料（ステンレス鋼等）で形成する。このように構成することによって、管本体は排気ガスの熱の影響によって膨張しにくいので、装置全体としての歪を抑えることができる。また、排熱発電装置では、熱エネルギが移動する系（熱交換手段、冷却手段等）をアルミニウム等の熱膨張率が大きいが、熱伝導率も大きい材料で形成することができ、この系における熱抵抗を小さくでき、熱電変換効率が向上する。
【００１３】
本発明の上記排熱発電装置では、管本体を排熱発電装置の中央部に配置し、管本体に取り付けられた熱交換手段の外周部に熱電変換手段を配置し、熱電変換手段の外周部に冷却手段を配置し、冷却手段の外側に配置される弾性手段を備え、弾性手段により冷却手段を外側から押圧して熱電変換手段を固定する弾性システムを構成してもよい。
【００１４】
この排熱発電装置では、管本体を装置の中央部に配置し、その管本体に取り付けられている熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を配置する。そして、排熱発電装置では、弾性手段によって外側から冷却手段に押圧し、熱交換手段と冷却手段との間に熱電変換手段を固定する弾性システムを構成する。この弾性システムでは、弾性手段の作用により、小さいばね定数で熱電変換手段を熱交換手段と冷却手段との間に押えつけるとともに熱交換手段及び冷却手段から適切な面圧力を熱電変換手段に加えることによって熱電変換手段を固定する。そのため、熱電変換モジュールの高温側（熱交換手段）と低温側（冷却手段）との間で歪が発生しても、小さいばね定数によって歪を吸収することができる。
【００１５】
本発明の上記排熱発電装置では、熱電変換手段は、熱電素子からなるモジュールで構成され、弾性システムの１つのユニットをモジュール単位で構成してもよい。
【００１６】
この排熱発電装置では、熱電変換手段が複数の熱電素子からなるモジュールで構成されており、弾性システムの１つのユニットを熱電変換手段のモジュール単位で構成する。したがって、排熱発電装置としては、管本体に長手方向や周方向に沿って配置された複数のユニットの弾性システムで構成されることになる。このように構成することによって、１つのユニットの弾性システムにおいて熱による歪が発生しても、他のユニットから独立しているので、他のユニットに対して歪が広がっていかない。したがって、各ユニットが発生した歪は、累積されない。
【００１７】
本発明の上記排熱発電装置では、弾性手段は、ばねと、押圧部材とを有し、押圧部材がばねに対して点接触又は線接触するように構成してもよい。
【００１８】
この排熱発電装置では、熱により歪等が発生して弾性手段による冷却手段への押圧箇所が位置ずれしても、弾性手段においてばねと押圧部材とが点接触又は線接触しているので、弾性手段から冷却手段に（ひいては、冷却手段から熱電変換手段に）面圧力を均一に与えることができる。そのため、冷却手段と熱電変換手段との面当りが均一化し、冷却手段と熱電変換手段との間の面接触性が良くなる。
【００１９】
本発明の上記排熱発電装置では、熱交換手段及び管本体は、変形可能な形状を有し、熱交換手段の変形方向と管本体の変形方向とが逆方向になるように構成してもよい。
【００２０】
この排熱発電装置では、熱交換部材の変形方向と管本体の変形方向とが逆方向になるように構成することによって、２つの逆方向の変形力が相殺されて、排気通路系における変形を抑制することができる。そのため、熱の影響によって熱交換フィン等が変形（膨張）しても、弾性システム（ひいては、装置全体）としての歪を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排熱発電装置の実施の形態を説明する。
【００２２】
本実施の形態では、本発明に係る排熱発電装置を、自動車に搭載され、ガソリンエンジンからの排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排熱発電装置に適用する。本実施の形態に係る排熱発電装置は、排気管が周方向に４分割構造であり、周方向に４個の排熱発電ユニットが構成され、長手方向にも４個の排熱発電ユニットが構成され、合計１６個の排熱発電ユニットを有している。
【００２３】
図１〜図６を参照して、排熱発電装置１の全体構成について説明する。図１は、排熱発電装置の斜視図である。図２は、図１の排熱発電装置の正面図である。図３は、図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。図４は、図３の側面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図５は、図２の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図６は、図２の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【００２４】
排熱発電装置１は、ガソリンエンジン（図示せず）のエキゾーストマニホールドに繋がる排気系の任意の箇所（例えば、エキゾーストマニホールドの直近、排気浄化触媒の上流側、マフラの上流側等）に配設される。排熱発電装置１は、排気管の周方向に沿って４分割構造とし、１６個の排熱発電ユニット２，・・・を有している。排熱発電装置１には、周方向に沿って４個の排熱発電ユニット２，２，２，２が配置され（図３参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが配置される（図２参照）。排熱発電装置１では、各排熱発電ユニット２，・・・で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）等を介してバッテリ（図示せず）に充電する。
【００２５】
排熱発電装置１には、最上流部に上流側の排気管（図示せず）と接続する排気導入管３が配設され、最下流部に下流側の排気管（図示せず）と接続する排気排出管４が配設される。排気導入管３と排気排出管４との間には、４個の分割排気管本体５，５，５，５が溶接等によって接続される。分割排気管本体５，５，５，５は、排熱発電装置１の中央部に９０°毎に配置され（図５等参照）、４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷの骨格を形成している。なお、本実施の形態では、分割排気管本体５，５，５，５が特許請求の範囲に記載する管本体に相当する。
【００２６】
図７も参照して、分割排気管本体５について説明する。図７は、分割排気管本体であり、（ａ）が側面図であり、（ｂ）が長手方向の一部を示す平面図である。
【００２７】
分割排気管本体５は、主要部が薄板状であり、ステンレス鋼で形成される。分割排気管本体５は、図７（ａ）に示すように、側面視して等脚台形状である。この等脚台形状では、平行な長辺部５ａと短辺部５ｂを結ぶ２つの側辺部５ｃ，５ｃと長辺部５ａとのなす角が４５°である。また、分割排気管本体５は、等脚台形状の長辺部５ａをなす外板５ｄには、長手方向に沿って４つの開口部５ｅ，・・・が形成されている（図７（ａ）には２つの開口部５ｅ，５ｅのみ示している）。開口部５ｅは、略正方形であり、熱交換部材１２の熱交換フィン１２ｂが挿入される（図１０参照）。また、外板５ｄには、開口部５ｅの外周に沿って熱交換部材１２をボルトで締結して取り付けるためのボルト孔５ｆ，・・・が形成されており、他の箇所より肉厚に形成されている。ボルト孔５ｆには、メスねじが切られている。
【００２８】
各分割排気管本体５の側板５ｇ，５ｇは、９０°をなす位置に配置された両側の分割排気管本体５，５の各側板５ｇに溶接によって各々接着されている。そして、４個の分割排気管本体５，５，５，５は、周方向に沿って連結され、側面視して略正方形になる（図５等参照）。また、各分割排気管本体５には４個の熱交換部材１２，１２，１２，１２が取り付けられ、４つの開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅが閉じることによって分割排気通路ＣＷが形成される。さらに、連結された４個の分割排気管本体５，５，５，５の内板５ｉ，５ｉ，５ｉ，５ｉの両端には、その上流側に分流部材６が溶接によって接続され、その下流側に合流部材７が溶接によって接続される（図４参照）。分流部材６は、上流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、排気導入管３からの排気ガスを４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷに分流させる。また、合流部材７は、下流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、４つの分割排気通路ＣＷ，Ｃｗ，ＣＷ，ＣＷを流れる排気ガスを合流させる。
【００２９】
分割排気管本体５は、アルミニウム等に比べて熱膨張率が小さいステンレス鋼で形成されているので、排熱発電装置１の他の部材に比べて熱に対する膨張量が少ない。また、分割排気管本体５は、薄板状に形成されているので、排熱発電装置１の他の部材（特に、熱交換部材１２）に比べて剛性が小さいとともに、等脚台形状である。そのため、分割排気管本体５の変形方向は、図７（ａ）の矢印で示すように、側板５ｇ，５ｇが短壁５ｉ側に広がるような方向となる。また、分割排気管本体５は、冷却部８に比べて剛性が小さいので、冷却部８の熱伝達面の形状に追従して変形することができる。
【００３０】
排熱発電ユニット２は、熱電変換モジュール１３単位に構成され、熱電変換モジュール１３の大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット２では、熱電変換モジュール１３に対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１４ｋｇ／ｃｍ²）を加えるとともにユニット全体をばね系により柔軟に押えつけ、熱電変換モジュール１３の熱電変換効率を上げている。そして、排熱発電ユニット２は、各分割排気管本体５，５，５，５の開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅに配置される。このように、排熱発電装置１では、上流側から下流側に４つの排熱発電ユニット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが配置されるが、上流でも下流でも一様の熱電変換効率が得られるように構成されている。そのために、排熱発電ユニット２は、冷却部８、熱交換部材１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ）、熱電変換モジュール１３、ばねクランプ部１４を備えており、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。なお、本実施の形態では、排熱発電ユニット２が特許請求の範囲に記載の弾性システムに相当し、冷却部８が特許請求の範囲に記載の冷却手段に相当し、熱交換部材１２が特許請求の範囲に記載の熱交換手段に相当し、熱電変換モジュール１３が特許請求の範囲に記載の熱電変換手段に相当し、ばねクランプ部１４が特許請求の範囲に記載の弾性手段に相当し、分割排気管本体５と熱交換部材１２とにより特許請求の範囲に記載する排気通路系を構成している。
【００３１】
図８及び図９も参照して、冷却部８を説明する。図８は、冷却部の冷却蓋であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図９は、冷却部の冷却本体であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ｃ）が（ａ）の平面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【００３２】
冷却部８は、熱電変換モジュール１３の低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。また、冷却部８は、排熱発電ユニット２（特に、熱エネルギが移動する系）のなかで最も剛性が高く、排熱発電ユニット２（特に、ばねクランプシステム）における熱電変換モジュール１３を固定するための基準となっている。そのために、冷却部８は、冷却蓋９、冷却本体１０及び冷却水管１１，１１を備えている。
【００３３】
冷却蓋９は、冷却本体１０の蓋であり、アルミニウムで形成される。冷却蓋９は、幅方向が冷却本体１０と同寸法であり、長手方向が冷却本体１０より若干長い寸法の肉厚の板部９ａを有している。板部９ａの中央部には、押圧部材１７を載置するために、押圧部材１７が嵌る円形で有底の穴９ｂが形成されている。また、板部９ａの穴９ｂの両側には、複数枚の板ばね１６，・・・を両側から囲んで支持するとともに冷却水管１１，１１を設置するために、支持部９ｃ，９ｃが設けられている。支持部９ｃ，９ｃは、板ばね１６の長手方向の長さより若干長い間隔となる位置に設けられ、その上面が複数枚の板ばね１６，・・・の上面より若干低くなる高さを有する。支持部９ｃ，９ｃの穴９ｂ側の形状は、板ばね１６の両端形状に沿った形状である。支持部９ｃ，９ｃの外端側には、冷却水管１１，１１を設置するために、冷却水管１１，１１が嵌る取付孔９ｄ，９ｄが形成されている。さらに、支持部９ｃ，９ｃには、取付孔９ｄ，９ｄの下部の側部に繋がる冷却水孔９ｅ，９ｅが形成されている。冷却水孔９ｅ，９ｅは、冷却蓋９の底面まで貫通し、冷却本体１０の冷却部１０ａに繋がる。また、板部９ａの四隅には、冷却本体１０に取り付けられた際にボルトで締結するために、孔９ｆ，９ｆ，９ｆ，９ｆが形成されている。
【００３４】
冷却本体１０は、冷却部９を蓋とする箱であり、アルミニウムで形成される。冷却本体１０は、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール１３より若干長い寸法を有する肉厚の箱形状であり、その箱の凹部が冷却水が流れる冷却部１０ａとなる。冷却部１０ａには、冷却水を冷やすために、冷却フィン部１０ｂが設けられている。冷却フィン部１０ｂの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体１０に冷却蓋９が取り付けられた場合に冷却蓋９の底面に接する程度の高さである。冷却本体１０の底面は、熱電変換モジュール１３の低温端面と密着するために、水平面となっている。また、冷却本体１０の四隅には、冷却蓋９を取り付ける際にボルトで締結するために、有底のボルト穴１０ｃ，１０ｃ，１０ｃ，１０ｃが形成されている。ボルト穴１０ｃには、雌ねじが切られている。
【００３５】
冷却部８は、冷却蓋９が冷却本体１０に載せられて４本のボルト（図示せず）で締結され、さらに、冷却蓋９に２本の冷却水管１１，１１が溶接等によって取り付けられて構成される。このように、冷却部８は、熱電変換モジュール１３の大きさを基本として形成されているので面積が小さく、肉厚の箱形状なので、排熱発電ユニット２において最も剛性が高く、熱電変換モジュール１３を固定するための基準となる。そのため、冷却部８は、熱電変換モジュール１３の低温端面との面当りが均一となり、その低温端面との熱的な接触性が非常に良い。したがって、冷却部８と熱電変換モジュール１３との間では、熱伝達性が非常に良い。
【００３６】
排熱発電装置１では、長手方向に４つの冷却部８，８，８，８が並んでおり（図４参照）、最上流の冷却部８の上流側の冷却水管１１と最下流の冷却部８の下流側の冷却水管１１とがラジエータ（図示せず）にラジエータホース（図示せず）を介して繋がるとともに、その他の冷却水管１１，・・・が隣接する冷却部８，８間で繋がる。そして、各冷却部８では、ラジエータで冷やされた冷却水が冷却水管１１、冷却水孔９ｅを通って冷却部１０ａに導入され、冷却フィン部１０ｂの各フィンの間を冷却水が流れることによって冷却水を冷やして低温性を保っている。また、冷却部８は、ステンレス鋼等に比べて非常に熱伝導率が小さいアルミニウムで形成されているので、熱抵抗が小さい。そのため、冷却部８は、低温性をそれほど落とすことなく、熱電変換モジュール１３に伝えることができる。
【００３７】
図１０も参照して、熱交換部材１２について説明する。図１０は、熱交換部材であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が側面図であり、（ｃ）が底面図である。
【００３８】
熱交換部材１２は、主に、基台１２ａ及び熱交換フィン部１２ｂからなり、アルミニウムで形成される。基台１２ａは、肉厚の板状である。基台１２ａの中央部には、熱電変換モジュール１３を載置するために、外周部より若干肉厚の載置部１２ｃが形成されている。載置部１２ｃは、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール１３より若干長い寸法を有する。載置部１２ｃの載置面は、熱電変換モジュール１３の高温端面と密着するために、水平面となっている。基台１２ａの外周部は、熱交換部材１２を分割排気管本体５に取り付けた際にその外板５ｄに係止するフランジ部１２ｄとなっている。フランジ部１２ｄには、分割排気管本体５に取り付けられた際にボルトで締結するために、孔１２ｅ，・・・が形成されている。基台１２ａの熱交換フィン部１２ｂ側の面には、フィン台１２ｆが形成されている。フィン台１２ｆは、分割排気管本体５の開口部５ｅに嵌合する大きさを有している。熱交換フィン部１２ｂは、フィン台１２ｆに設けられ、熱交換部材１２が分割排気管本体５に取り付けられた場合に各フィンの高さが側板５ｇ，５ｇ及び内板５ｉに接しない程度に沿うような高さである。したがって、図１０（ａ）に示すように、熱交換フィン部１２ｂの全てのフィンによって、略等脚台形状が形成される。排熱発電装置１では長手方向に４つの熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが並んでおり（図４参照）、熱交換部材１２の熱交換フィン部１２ｂのフィン間のピッチは下流ほど狭く形成されている（図５及び図６参照）。つまり、下流に位置する熱交換部材１２ほど、熱交換フィン部１２ｂのフィンの本数が多くなる。
【００３９】
熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが分割排気管本体５の開口部５ｅ，５ｅ，５ｅ，５ｅに各々嵌め込まれボルト２０，・・・によって締結され、分割排気通路ＣＷを形成する（図４〜図６参照）。熱交換部材１２の基台１２ａは、熱電変換モジュール１３の大きさを基本として形成されているので面積が小さく、肉厚の板状なので、分割排気通路ＣＷを構成する分割排気管本体５及び熱交換部材１２において最も剛性が高い。そのため、熱電変換モジュール１３の高温端面との面当りが均一となり、その高温端面との熱的な接触性が非常に良い。したがって、熱伝導部材１２と熱電変換モジュール１３との間では、熱伝達性が非常に良い。
【００４０】
熱交換部材１２では、排熱発電装置１における長手方向の位置に応じて熱交換フィン部１２ｂのフィン間のピッチを変え、熱交換フィン部１２ｂの表面積を変えている。というのは、下流ほど、排気ガスの温度が低下する（熱エネルギが少なくなる）。一方、熱交換部材１２では、下流ほどピッチを狭くして熱交換フィン部１２ｂの表面積を大きくすることによって、排気ガスとの接触面積を大きくし、排気ガスの熱エネルギの吸収量を多くしている。このように構成することによって、排熱発電装置１の長手方向に配置される熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄでの熱エネルギの吸収量が同じになるようにし、熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと熱電変換モジュール１３，１３，１３，１３との接触面における温度が一様な温度（例えば、４００℃）になるようにしている。
【００４１】
また、熱交換部材１２は、基台１２ａが肉厚で剛性が高く、かつ、熱交換フィン１２ｂの各フィンの高さが略等脚台形になるように形成されている。そのため、熱交換部材１２の変形方向は、図１０（ａ）の矢印で示すように、熱交換フィン１２ｂの各フィンが基台１２ａ側に広がるような方向となる。
【００４２】
熱電変換モジュール１３について説明する。熱電変換モジュール１３は、複数の熱電素子（例えば、Ｂｉ₂Ｔｅ₃等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。また、熱電変換モジュール１３は、小面積の略正方形状であり、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。熱電変換モジュール１３では、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを２つの電極（図示せず）から出力する。
【００４３】
図１１〜図１３も参照して、ばねクランプ部１４について説明する。図１１は、クランプであり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が正面図である。図１２は、板ばねの平面図である。図１３は、押圧部材であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【００４４】
ばねクランプ部１４は、冷却部８の外側から所定の圧力を印加し、熱電変換モジュール１３を冷却部８と熱交換部材１２との間に固定する。この際、ばねクランプ部１４では、数枚の板ばねによる弾性力によって、排熱発電ユニット２全体をしなやかに押えつけている。また、排熱発電装置１では、周方向に沿って４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４が締結され、この４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４によって装置全体を締め付けている。そのために、ばねクランプ部１４は、クランプ１５、数枚の板ばね１６，・・・及び押圧部材１７を備えている。なお、所定の圧力は、熱電変換モジュール１３と冷却部８及び熱交換部材１２との面圧力が適切な圧力になる程度の圧力である。
【００４５】
クランプ１５は、収納部１５ａ、接続部１５ｂ，１５ｂ、締結部１５ｃ，１５ｃ及び側板部１５ｄ，１５ｄを有し、鉄で形成される。収納部１５ａ、接続部１５ｂ，１５ｂ及び締結部１５ｃ，１５ｃは一枚の板で形成され、その一枚の板の両側に板状の側板部１５ｄ，１５ｄが立設している。収納部１５ａは、正面視して凹状でかつ平面視して略楕円形状である。収納部１５ａの中央部には、板ばね１６と同形状で大きさが若干小さい開口孔１５ｅが形成されており、この開口孔１５ｅの外周部で板ばね１６を押えつけている。収納部１５ａの両側には、冷却部８の冷却水管１１，１１が嵌め込まれる開口孔１５ｆ，１５ｆが形成されている。接続部１５ｂは、収納部１５ａと両端の締結部１５ｃ，１５ｃとを連結する。締結部１５ｃは、接続部１５ｂに対して略垂直に折れ曲がっており、隣接するクランプ１５の締結部１５ｃと底面同士が接する形状となっている。締結部１５ｃには、ボルトが貫通する３つのボルト孔１５ｇ，１５ｇ，１５ｇが形成されている。ちなみに、４個のクランプ１５、１５，１５，１５が締結されると、その４個のクランプ１５、１５，１５，１５が断面視して略円形状となり、排熱発電装置１の最外部を被う（図５及び図６参照）。
【００４６】
板ばね１６は、平面視して略楕円形状であり（図１２参照）、鉄で形成される。板ばね１６は、小さいばね定数を有する。ちなみに、ばねクランプ部１４では、板ばね１６を数枚重ねて弾性力を発生させている。
【００４７】
押圧部材１７は、板ばね１６と点接触するために半球状であり、鉄で形成される。押圧部材１７の円形状の底面は、冷却部８の穴９ｂに嵌合する大きさを有する（図８参照）。また、押圧部材１７の底面側には、その中央部には有底の穴１７ａが形成されている。
【００４８】
ばねクランプ部１４では、冷却部８の冷却蓋９の穴９ｂに押圧部材１７が嵌め込まれ、その押圧部材１７の上に数枚の板ばね１６，・・・が載置され、板ばね１６，・・・及び冷却部８の一部を収納部１５ａで被うようにクランプ１５が板ばね１６の上に載置される。この際、板ばね１６・・・は、冷却蓋９の支持部９ｃ，９ｃで両側から支えられており、その最上面が支持部９ｃ，９ｃよりも高くなっている。さらに、ばねクランプ部１４では、クランプ１５の締結部１５ｃ，１５ｃが両側のクランプ１５，１５の各締結部１５ｃ，１５ｃに合わせられ、隣接するクランプ１５，１５の締結部１５ｃ，１５ｃがボルト２１，・・・及びナット２２，・・・によって締結される（図５及び図６参照）。そして、周方向に沿って締結されている４つのばねクランプ１４、１４，１４，１４によって、装置全体をベルトのように締め付けている。
【００４９】
ばねクランプ部１４では、板ばね１６，・・・及び押圧部材１７を介するクランプ１５による押えつけによって、冷却部８（ひいては、熱電変換モジュール１３や熱交換部材１２）に押圧部材１７から所定の圧力を加える。この所定の圧力は、ボルト２１，・・・及びナット２２，・・・の締め付け力によって調整することができる。ちなみに、板ばね１６やクランプ１５の位置がずれて、押えつけに偏りが発生しても、板ばね１６と押圧部材１７とは点接触しているので、押圧部材１７から冷却部８に均一な圧力を加えることができる。そのため、冷却部８には、均一な面圧力が発生する。また、小さいばね定数の板ばね１６を数枚重ねて弾性力を発生させているので、熱電変換モジュール１３を柔軟に押えつけることができる。
【００５０】
このように、排熱発電ユニット２では、排熱発電装置１の中央側から熱交換部材１２、熱電変換モジュール１３、冷却部８、ばねクランプ部１４が配置され、冷却部８を固定の基準としてばねクランプ１４の押えつけによって熱電変換モジュール１３を適切な面圧力により柔軟性豊かに固定する。そして、排気発電装置１では、４つの分割排気管本体５，５，５，５に、周方向に４つづつかつ長手方向に４つづつの排熱発電ユニット２，・・・を配置し、排熱発電ユニット２，・・・を各々独立させている。
【００５１】
図１〜図６を参照して、排熱発電装置１の動作について説明する。
【００５２】
排熱発電装置１には、排気導入管３から排気ガスが導入され、最上流の冷却水管１１，…から冷却水が流通される。導入した排気ガスは、分流部材６によって４つの分割排気通路ＣＷ，・・・に分流される。
【００５３】
各分割排気通路ＣＷでは、排気ガスが、長手方向に配置された４個の熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの各熱交換フィン部１２ｂのフィンの間を通り抜け（図１０参照）、下流に流れていく。熱交換フィン部１２ｂでは、排気ガスから熱エネルギを吸収する。この際、下流ほど、排気ガスの熱エネルギが奪われて排気温度が低下するが、熱交換フィン部１２ではフィンピッチを狭めて排気ガスの熱エネルギの吸収効率良くしている。そして、熱交換部材１２では、その吸収した熱エネルギを載置部１２ｃまで伝導する（図１０参照）。熱交換部材１２は、熱抵抗の少ないアルミニウムで形成されているので、載置部１２ｃに伝導するまで高温性をあまり損なわない。そして、熱交換部材１２では、熱エネルギを熱電変換モジュール１３の高温端面に伝達する。この際、熱電変換モジュール１３の高温端面から載置部１２ｃの載置面には適度な面圧力が加えられている。さらに、載置部１２ｃの載置面は、その平面性が確保されており、熱電変換モジュール１３の高温端面と均一に接触している。また、上流下流に関係なく、熱交換部材１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄから同程度の熱エネルギが伝達され、熱電変変換モジュール１３の高温端面の温度は同程度の温度となっている。そして、４つの分割排気通路ＣＷ，ＣＷ，ＣＷ，ＣＷを流れた排気ガスは、合流部材７で合流し、排気発電装置１から下流の排気管に排出される。この際、排気ガスは、熱エネルギが奪われ、温度が低下している。
【００５４】
一方、冷却水は、長手方向に配置された４個の冷却部８，８，８，８の各冷却部１０ａ内の冷却フィン部１０ｂのフィンの間を通り抜け（図９参照）、下流に流れていく。冷却フィン部１０ｂでは、冷却水を更に冷却する。そして、冷却部８では、その冷却水による低温性を冷却本体１０の底面まで伝導する。冷却部８は、熱抵抗の少ないアルミニウムで形成されているので、底面に伝導するまで低温性をあまり損なわない。そして、冷却部８では、その低温を熱電変換モジュール１３の低温端面に伝達する。この際、冷却本体１０の底面から熱電変換モジュール１３の低温端面には適度な面圧力が加えられている。さらに、冷却本体１０の底面は、その平面性が確保されており、熱電変換モジュール１３の低温端面と均一に接触している。そして、最下流の冷却部８から出た冷却水は、排気発電装置１から排出される。
【００５５】
各熱電変換モジュール１３では、高温端面に伝達された高温と低温端面に伝達された低温との温度差に応じて発電し、その電気エネルギをバッテリに充電する。この際、高温性と低温性が十分に保たれているので、温度差が大きく、発電力も大きい。つまり、熱電効変換率が高い。また、上流下流に関係なく、高温側の温度が同じ程度になるように調整されているので、下流側でも熱電変換効率が落ちない。
【００５６】
ちなみに、任意の排熱発電ユニット２において熱の影響によって歪が発生しても、各排熱発電ユニット２が独立して配置されているので、排熱発電装置１全体に影響を及ぼさない。つまり、各排熱発電ユニット２で発生した歪が、累積されない。さらに、排熱発電装置１の骨格を形成する４個の分割排気管本体５，５，５，５は熱膨張率の小さいステンレス鋼で形成されているので、装置全体における熱による膨張が小さく、変形も少ない。特に、排熱発電装置１では、分割排気管本体５の変形方向と各熱交換部材１２の変形方向とが逆方向になるように構成しているので、高温の排気ガスで分割排気管本体５及び熱交換部材１２が変形したとしても、互いの変形方向によってその変形を相殺し、排熱発電ユニット２としての変形を抑えることができる。
【００５７】
また、各排熱発電ユニット２で熱によって歪が発生しても、数枚の板ばね１６，・・・の弾性力によって柔軟に押えつけているので、その歪を吸収することができる。さらに、部材間で位置ずれが発生しても、押圧部材１７で点接触によって圧力を加えるようにしているので、冷却部８、熱電変換モジュール１３及び熱交換部材１２には各接触面で一様な面圧力が加えられている。
【００５８】
この排熱発電装置１によれば、冷却部８の剛性を最も大きくして排熱発電ユニット２の基準とすることによって、熱電変換モジュール１３に対して適切な面圧力を加えることができ、冷却部８と熱電変換モジュール１３の低温端面との面接触性が良く、熱電変換モジュール１３の低温端面の低温化を図ることができる。また、排熱発電装置１によれば、熱交換部材１２の基台１２ａの剛性を高温側では最も大きくすることによって、熱電変換モジュール１３に対して適切な面圧力を加えることができ、基台１２ａと熱電変換モジュール１３の高温端面との面接触性が良く、熱電変換モジュール１３の高温端面の高温化を図ることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、排熱発電ユニット２の熱エネルギが移動する系を熱伝導率の大きいアルミニウムで構成することによって、各部材における熱抵抗が小さくなり、熱電変換モジュール１３の高温側での高温化及び低温側での低温化を図ることができる。そのため、排熱発電装置１では、各排熱発電ユニット２において熱電変換効率が非常に高い。
【００５９】
また、排熱発電装置１によれば、複数の板ばね１６，・・・によって外側から熱電変換モジュール１３を柔軟性豊かに固定するので、熱の影響によって歪が発生してもその歪による変形を抑えることができ（ひいては、熱電素子等の破損をなくすことができ）、適切な面圧力を発生させることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、周方向に４つのばねクランプ部１４，・・・を配して装置全体をベルトのように締めるので、装置全体をしっかりと固定できるとともに柔軟性もある。また、排熱発電装置１によれば、各ばねクランプ部１４において押圧部材１７で点接触によって圧力を加えることができるので、常時、均一な面圧力を加えることができる。
【００６０】
また、排熱発電装置１によれば、熱膨張率の小さいステンレス鋼によって装置全体の骨格となる分割排気管本体５を構成しているので、装置全体としての熱変形を抑えることができる。さらに、排熱発電装置１によれば、熱電変換モジュール１３の大きさを基準として小面積単位で排熱発電ユニット２を構成し、排熱発電ユニット２を分割排気管本体５に組み付けているので、各排熱発電ユニット２において熱による歪を抑えることができ、その歪の影響を他の排熱発電ユニット２に広げない。また、排熱発電装置１によれば、分割排気管本体５の変形方向と熱交換部材１２の変形方向とが逆方向になるように構成しているので、分割排気管本体５及び熱交換部材１２が熱によって変形してもその変形を互いに相殺し、排熱発電ユニット２としての変形を抑えることができる。
【００６１】
図１４を参照して、排熱発電装置２１を排気系に配設した一例を説明する。図１４は、排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直近に配設した場合の斜視図である。
【００６２】
排熱発電装置２１は、エキゾーストマニホールドＥＭの排出口に直接接続しており、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設される。排熱発電装置２１は、排気管が６分割構造であり、周方向に沿って６個の排熱発電ユニット２２，・・・が構成されるとともに長手方向に沿って２個の排熱発電ユニット２２，２２が構成され、合計１２個の排熱発電ユニット２２，・・・を有している。エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置した場合、排熱発電装置２１には、排気系において最も高温の排気ガスが流れる。そのため、各排熱発電ユニット２２における熱電変換モジュール（図示せず）の高温側が高温となり、熱電変換効率が向上する。
【００６３】
ちなみに、従来の排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直下に配設した場合、高温の排気ガスにより歪が大きくなるので、その歪によって熱電素子等を変形や破損する恐れがあった。そのため、従来の排熱発電装置は、エキゾーストマニホールドの直下に配設することができなかった。しかし、排熱発電装置２１は、その熱歪を極力抑えることができる構成となっているので、エキゾーストマニホールドＥＭの直下でも配設することができ、高温の排気ガスから熱エネルギを高効率で回収することできる。
【００６４】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００６５】
例えば、本実施の形態では排熱発電装置を自動車に適用したが、排気ガスを排出する内燃機関を備える他のものに適用してもよい。
【００６６】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットを１６個又は１２個有する排熱発電装置を構成したが、配置するスペースや形状等を考慮して、周方向や長手方向に適宜の個数の排熱発電ユニットを配置し、適宜の個数の排熱発電ユニットを有する排熱発電装置を構成してもよい。
【００６７】
また、本実施の形態では下流ほど熱交換フィンのピッチが狭い熱交換部材を配置させることによって上流側から下流側までの温度が一様になるように構成したが、下流ほど熱伝導率が大きい材料によって形成した熱交換部材を配置することによって上流側から下流側までの温度が一様になるように構成してもよいし、あるいは、ピッチが異なる熱交換フィンと熱伝導率の異なる材料とを組み合わせて上流側から下流側までの温度が一様になるように構成してもよい。
【００６８】
また、本実施の形態では熱エネルギが移動する系の各部材をアルミニウムで構成し、分割排気管本体をステンレス鋼で構成したが、熱エネルギが移動する系の各部材については熱伝導率の大きい他の材料で構成し、あるいは、分割排気管本体を熱膨張率の小さい他の材料で構成してもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では熱電変換モジュールの高温端面側に熱交換部材を配置し、低温端面側に冷却部を配置する構成としたが、その間に絶縁板等の部材を配してもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では冷却部を水冷式で構成したが、空冷式で構成してもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱による歪の影響を抑え、熱電変換効率に優れる排熱発電装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る排熱発電装置の斜視図である。
【図２】図１の排熱発電装置の正面図である。
【図３】図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。
【図４】図３の側面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】図２の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】図２の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図７】図５等に示す分割排気管本体であり、（ａ）が側面図であり、（ｂ）が長手方向の一部を示す平面図である。
【図８】図５等に示す冷却部の冷却蓋であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図９】図５等に示す冷却部の冷却本体であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図であり、（ｃ）が（ａ）の平面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１０】図５等に示す熱交換部材であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が側面図であり、（ｃ）が底面図である。
【図１１】図５等に示すクランプであり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が正面図である。
【図１２】図５等に示す板ばねの平面図である。
【図１３】図５等に示す押圧部材であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）の平面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図１４】本実施の形態に係る排熱発電装置をエキゾーストマニホールドの直近に配設した場合の斜視図である。
【符号の説明】
１，２１…排熱発電装置、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２２…排熱発電ユニット、３…排気導入管、４…排気排出管、５…分割排気管本体、５ａ…長辺部、５ｂ…短辺部、５ｃ…側辺部、５ｄ…外板、５ｅ…開口部、５ｆ…ボルト孔、５ｇ…側板、５ｉ…内板、６…分流部材、７…合流部材、８…冷却部、９…冷却蓋、９ａ…板部、９ｂ…穴、９ｃ…支持部、９ｄ…取付孔、９ｅ…冷却水孔、９ｆ…ボルト孔、１０…冷却本体、１０ａ…冷却部、１０ｂ…冷却フィン部、１０ｃ…ボルト穴、１１…冷却水管、１２、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…熱交換部材、１２ａ…基台、１２ｂ…熱交換フィン部、１２ｃ…載置部、１２ｄ…フランジ部、１２ｅ…ボルト孔、１２ｆ…フィン台、１３…熱電変換モジュール、１４…ばねクランプ部、１５…クランプ、１５ａ…収納部、１５ｂ…接続部、１５ｃ…締結部、１５ｄ…側板部、１５ｅ…開口孔、１５ｆ…開口孔、１５ｇ…ボルト孔、１６…板ばね、１７…押圧部材、１７ａ…穴[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust heat power generation device that converts heat energy of exhaust gas into electric energy.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An exhaust heat power generator that recovers energy from exhaust heat by converting thermal energy of exhaust gas exhausted from an engine into electric energy has been developed. In the exhaust heat power generation device, a thermoelectric conversion module is arranged between an exhaust pipe (high temperature side) through which exhaust gas flows and a cooling unit (low temperature side), and a thermoelectric conversion module is provided according to a temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. (See Patent Document 1). In order to improve the thermoelectric conversion efficiency in the exhaust heat power generation device, it is necessary to increase the temperature on the high temperature side and increase the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. To this end, the thermal conductivity of each member on the high-temperature side and the low-temperature side is improved, and the thermoelectric conversion module is brought into contact with the exhaust pipe and the cooling section by an appropriate surface pressure, so that the thermal conductivity between the thermoelectric conversion module and the thermoelectric conversion module is improved. Must be better.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-36981 (see FIGS. 3 to 5 and the like)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
On the high-temperature side of the exhaust heat power generator, the temperature rises to a maximum of about 800 ° C., so that the thermal expansion in the longitudinal, width, and thickness directions increases according to the temperature. Since it does not rise, its thermal expansion is small. For this reason, a difference may occur between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric conversion module, and distortion may occur. As a result, a position shift occurs between the thermoelectric conversion module and the exhaust pipe or the cooling unit, or the thermoelectric element or the like is deformed, or is damaged if the deformation is severe. Furthermore, since the thermal expansion deteriorates the surface contact between the thermoelectric conversion module and the exhaust pipe or the cooling unit, the thermal conductivity between the thermoelectric conversion module and the thermoelectric conversion module is deteriorated, and the thermoelectric conversion efficiency is reduced. In particular, in the conventional exhaust heat power generator, the exhaust pipe and the outer pipe to which the cooling unit is attached are formed by one piece of member, and the degree of freedom for absorbing the distortion is small, so the distortion is spread throughout the apparatus. Was. In addition, when the cooling unit is configured by a water cooling system having high rigidity, the spring constant is low, so that it becomes more difficult to absorb distortion.
[0005]
Therefore, in the conventional exhaust heat power generation device, in order to suppress thermal distortion, the exhaust pipe, the cooling unit, the outer tube to which the cooling unit is attached, and the like are formed of a material such as stainless steel having a small coefficient of thermal expansion. However, such a material as stainless steel has a low thermal conductivity and thus a large thermal resistance. Therefore, before being transmitted to the thermoelectric conversion module, heat energy is lost in each of the members on the high temperature side and the low temperature side, and the thermoelectric conversion efficiency is reduced.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a waste heat power generation device having excellent thermoelectric conversion efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An exhaust heat power generation device according to the present invention includes a thermoelectric conversion unit that converts heat energy of exhaust gas into electric energy, and a heat exchange that is disposed on one surface side of the thermoelectric conversion unit and that conducts heat energy of exhaust gas flowing through an exhaust pipe. Means and a cooling means arranged on the other surface side of the thermoelectric conversion means and cooling the thermoelectric conversion means, wherein the thermoelectric conversion means, the heat exchange means and the cooling means have the most rigidity of the cooling means. It is characterized by being raised.
[0008]
In this exhaust heat power generator, a thermoelectric conversion means is arranged between a heat exchange means for conducting heat energy of exhaust gas flowing through an exhaust pipe and a cooling means to constitute a system in which heat energy moves. The rigidity of the cooling means is maximized in a system in which energy moves. With this configuration, the cooling means is used as a reference in the system in which the thermal energy moves, and an appropriate surface pressure can be applied from the cooling means to the thermoelectric conversion means, and the contact between the cooling means and the thermoelectric conversion means is reduced. It is made uniform and the surface contact between the cooling means and the thermoelectric conversion means is improved. Therefore, the transfer of thermal energy to and from the thermoelectric conversion means is improved, and the thermoelectric conversion efficiency is improved.
[0009]
In the exhaust heat power generation device of the present invention, the heat exchange means includes a heat exchange fin that conducts heat energy of exhaust gas, and a base on which the heat exchange fin is provided on one surface and the thermoelectric conversion means is arranged on the other surface. The exhaust pipe has a pipe main body forming a skeleton of an exhaust passage, a base is attached to the pipe main body, heat exchange fins are located in the exhaust pipe, and exhaust is performed by the exhaust pipe and the heat exchange means. A passage system may be configured to maximize the rigidity of the base in the exhaust passage system.
[0010]
In this exhaust heat power generation device, the heat exchange means has a base on which the heat exchange fins and the thermoelectric conversion means are arranged, and the exhaust pipe has a pipe main body forming a skeleton of an exhaust passage. In the exhaust heat power generator, an exhaust passage system is formed by attaching a base of the heat exchange means to the pipe body, and the rigidity of the base of the heat exchange means in the exhaust passage system is maximized. With this configuration, an appropriate surface pressure can be applied from the heat exchange unit to the thermoelectric conversion unit, the surface contact between the heat exchange unit and the thermoelectric conversion unit becomes uniform, and the heat exchange unit, the thermoelectric conversion unit, The surface contact between them is improved. Therefore, the transfer of thermal energy to and from the thermoelectric conversion means is improved, and the thermoelectric conversion efficiency is improved.
[0011]
In the exhaust heat power generator of the present invention, the pipe body may be formed of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the heat exchange means.
[0012]
In this exhaust heat power generation device, a pipe body not included in a system in which thermal energy moves is formed of a material (stainless steel or the like) having a smaller coefficient of thermal expansion than the heat exchange means. With this configuration, the pipe body is unlikely to expand due to the influence of the heat of the exhaust gas, so that distortion of the entire apparatus can be suppressed. Further, in the exhaust heat power generation device, a system in which heat energy is transferred (heat exchange means, cooling means, etc.) can be formed of a material having a large coefficient of thermal expansion such as aluminum but having a large heat conductivity. Thermal resistance can be reduced, and thermoelectric conversion efficiency improves.
[0013]
In the waste heat power generator of the present invention, the tube main body is disposed at the center of the waste heat power generator, and the thermoelectric conversion means is disposed at the outer periphery of the heat exchange means attached to the tube main body. An elastic system may be provided in which a cooling means is provided, and an elastic means is provided outside the cooling means, and the thermoelectric conversion means is fixed by pressing the cooling means from the outside by the elastic means.
[0014]
In this exhaust heat power generation device, a tube main body is arranged at the center of the device, and a thermoelectric conversion unit is arranged between a heat exchange unit and a cooling unit attached to the tube main unit. Then, in the exhaust heat power generator, an elastic system is configured in which the elastic means presses the cooling means from the outside and the thermoelectric conversion means is fixed between the heat exchange means and the cooling means. In this elastic system, by the action of the elastic means, the thermoelectric conversion means is pressed between the heat exchange means and the cooling means with a small spring constant, and an appropriate surface pressure is applied to the thermoelectric conversion means from the heat exchange means and the cooling means. To fix the thermoelectric conversion means. Therefore, even if distortion occurs between the high temperature side (heat exchange means) and the low temperature side (cooling means) of the thermoelectric conversion module, the distortion can be absorbed by a small spring constant.
[0015]
In the exhaust heat power generation device of the present invention, the thermoelectric conversion means may be constituted by a module comprising a thermoelectric element, and one unit of the elastic system may be constituted by a module unit.
[0016]
In this exhaust heat power generator, the thermoelectric conversion means is constituted by a module comprising a plurality of thermoelectric elements, and one unit of the elastic system is constituted by a module unit of the thermoelectric conversion means. Therefore, the exhaust heat power generator is constituted by an elastic system of a plurality of units arranged in the pipe body along the longitudinal direction and the circumferential direction. With such a configuration, even if heat distortion occurs in the elastic system of one unit, the distortion does not spread to the other units because it is independent of the other units. Therefore, the distortion generated by each unit is not accumulated.
[0017]
In the exhaust heat generating apparatus of the present invention, the elastic means may include a spring and a pressing member, and the pressing member may be configured to make point contact or line contact with the spring.
[0018]
In this exhaust heat power generation device, even if a distortion or the like is generated due to heat and a pressing position of the elastic means against the cooling means is displaced, since the spring and the pressing member are in point contact or line contact with each other in the elastic means, The surface pressure can be uniformly applied from the elastic means to the cooling means (and eventually from the cooling means to the thermoelectric conversion means). Therefore, the surface contact between the cooling means and the thermoelectric conversion means is made uniform, and the surface contact between the cooling means and the thermoelectric conversion means is improved.
[0019]
In the above-mentioned waste heat power generation device of the present invention, the heat exchange means and the pipe main body may have deformable shapes, and the deformation direction of the heat exchange means and the deformation direction of the pipe main body may be opposite to each other. Good.
[0020]
In this exhaust heat power generator, the deformation direction of the heat exchange member and the deformation direction of the pipe main body are configured to be opposite to each other, so that the two deformation forces in the opposite directions are cancelled, and the deformation in the exhaust passage system is reduced. Can be suppressed. Therefore, even if the heat exchange fins and the like are deformed (expanded) by the influence of heat, the distortion of the elastic system (and, as a result, the entire apparatus) can be suppressed.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a waste heat power generation device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
In the present embodiment, the exhaust heat power generation device according to the present invention is applied to an exhaust heat power generation device that is mounted on an automobile and converts heat energy of exhaust gas from a gasoline engine into electric energy. In the exhaust heat power generation device according to the present embodiment, the exhaust pipe has a four-part structure in the circumferential direction, four exhaust heat power generation units are configured in the circumferential direction, and four exhaust heat power generation units are also provided in the longitudinal direction. It has a total of 16 exhaust heat generation units.
[0023]
The overall configuration of the exhaust heat power generator 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of the exhaust heat power generation device. FIG. 2 is a front view of the exhaust heat power generation device of FIG. FIG. 3 is a side view (upstream side) of the exhaust heat power generation device of FIG. 1. FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in the side view of FIG. FIG. 5 is a sectional view taken along line BB in the front view of FIG. FIG. 6 is a sectional view taken along line CC in the front view of FIG.
[0024]
The exhaust heat power generation device 1 is disposed at an arbitrary point in an exhaust system connected to an exhaust manifold of a gasoline engine (not shown) (for example, immediately near the exhaust manifold, upstream of an exhaust purification catalyst, upstream of a muffler, and the like). You. The exhaust heat power generation device 1 has a four-part structure along the circumferential direction of the exhaust pipe, and has 16 exhaust heat power generation units 2. In the exhaust heat power generation device 1, four exhaust heat power generation units 2, 2, 2, 2 are arranged along the circumferential direction (see FIG. 3), and four exhaust heat power generation units 2A, 2A, 2B, 2C and 2D are arranged (see FIG. 2). In the exhaust heat power generation device 1, the heat energy of the exhaust gas is converted into electric energy in each exhaust heat power generation unit 2,..., And the electric energy is converted into a battery (not shown) via a DC / DC converter (not shown). (Not shown).
[0025]
The exhaust heat power generator 1 is provided with an exhaust gas introduction pipe 3 connected to an upstream exhaust pipe (not shown) at the most upstream part, and connected to a downstream exhaust pipe (not shown) at the most downstream part. Exhaust pipe 4 is disposed. Between the exhaust introduction pipe 3 and the exhaust discharge pipe 4, four divided exhaust pipe bodies 5, 5, 5, 5 are connected by welding or the like. The divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5 are arranged at every 90 ° in the central portion of the exhaust heat power generator 1 (see FIG. 5 and the like) and form a skeleton of four divided exhaust passages CW, CW, CW, CW. Has formed. In the present embodiment, the divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5 correspond to the pipe main bodies described in the claims.
[0026]
The split exhaust pipe main body 5 will be described with reference to FIG. 7A and 7B show a divided exhaust pipe main body, in which FIG. 7A is a side view, and FIG. 7B is a plan view showing a part in a longitudinal direction.
[0027]
The main part of the divided exhaust pipe main body 5 has a thin plate shape and is made of stainless steel. As shown in FIG. 7 (a), the divided exhaust pipe main body 5 has an isosceles base shape in a side view. In this isosceles trapezoidal shape, an angle formed between two long sides 5c, 5c connecting the parallel long side 5a and short side 5b and the long side 5a is 45 °. Further, in the divided exhaust pipe main body 5, four openings 5e,... Are formed along the longitudinal direction on the outer plate 5d forming the long sides 5a of the trapezoidal trapezoidal shape (FIG. ) Shows only two openings 5e, 5e). The opening 5e has a substantially square shape, into which the heat exchange fins 12b of the heat exchange member 12 are inserted (see FIG. 10). Bolt holes 5f,... For fastening the heat exchange member 12 with bolts are formed along the outer periphery of the opening 5e in the outer plate 5d, and are formed thicker than other portions. Have been. A female screw is cut in the bolt hole 5f.
[0028]
The side plates 5g, 5g of each divided exhaust pipe main body 5 are bonded by welding to the respective side plates 5g of the divided exhaust pipe main bodies 5, 5 on both sides arranged at a position forming 90 °. The four divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5 are connected along the circumferential direction and have a substantially square shape when viewed from the side (see FIG. 5 and the like). Further, four heat exchange members 12, 12, 12, 12 are attached to each of the divided exhaust pipe main bodies 5, and the divided exhaust passages CW are formed by closing the four openings 5e, 5e, 5e, 5e. . Further, a flow dividing member 6 is connected to both ends of the inner plates 5i, 5i, 5i, 5i of the four divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5 by welding on the upstream side, and on the downstream side thereof. Is joined by welding (see FIG. 4). The flow dividing member 6 has a quadrangular pyramid-like pipe shape that becomes thinner toward the upstream side, and diverts the exhaust gas from the exhaust introduction pipe 3 into four divided exhaust passages CW, CW, CW, and CW. The merging member 7 has a quadrangular pyramid-like tubular shape that becomes thinner toward the downstream side, and merges the exhaust gases flowing through the four divided exhaust passages CW, Cw, CW, and CW.
[0029]
Since the split exhaust pipe main body 5 is formed of stainless steel having a smaller coefficient of thermal expansion than aluminum or the like, the amount of expansion with respect to heat is smaller than other members of the exhaust heat power generator 1. Further, since the divided exhaust pipe main body 5 is formed in a thin plate shape, it has a lower rigidity than other members of the exhaust heat power generation device 1 (particularly, the heat exchange member 12), and has a shape of an equiped base. Therefore, the deformation direction of the divided exhaust pipe main body 5 is a direction in which the side plates 5g, 5g spread to the short wall 5i side as shown by the arrow in FIG. Further, since the divided exhaust pipe main body 5 has a lower rigidity than the cooling unit 8, it can be deformed following the shape of the heat transfer surface of the cooling unit 8.
[0030]
The waste heat power generation unit 2 is configured in units of the thermoelectric conversion module 13, and each unit configuring the unit based on the size of the thermoelectric conversion module 13 is configured. In the waste heat power generation unit 2, an appropriate pressure (for example, 14 kg / cm) is applied to the thermoelectric conversion module 13 from the low temperature side and the high temperature side. ^Two ) Is added and the whole unit is flexibly pressed by a spring system, thereby increasing the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion module 13. The exhaust heat power generation unit 2 is disposed in the openings 5e, 5e, 5e, 5e of the divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5. As described above, in the waste heat power generation device 1, the four waste heat power generation units 2A, 2B, 2C, and 2D are arranged from the upstream side to the downstream side, and uniform thermoelectric conversion efficiency can be obtained both upstream and downstream. Is configured. To this end, the exhaust heat power generation unit 2 includes a cooling unit 8, a heat exchange member 12 (12A, 12B, 12C, 12D), a thermoelectric conversion module 13, and a spring clamp unit 14. It constitutes a clamping system. In the present embodiment, the exhaust heat power generation unit 2 corresponds to the elastic system described in the claims, the cooling unit 8 corresponds to the cooling means described in the claims, and the heat exchange member 12 corresponds to the patent document. The thermoelectric conversion module 13 corresponds to the heat exchange means described in the claims, the thermoelectric conversion module described in the claims corresponds, the spring clamp portion 14 corresponds to the elastic means described in the claims, The divided exhaust pipe main body 5 and the heat exchange member 12 constitute an exhaust passage system described in the claims.
[0031]
The cooling unit 8 will be described with reference to FIGS. 8A and 8B show a cooling lid of the cooling unit, wherein FIG. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line DD in the plan view of FIG. 9A and 9B illustrate a cooling main body of the cooling unit, in which FIG. 9A is a plan view, FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 9A, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line FF in the plan view of FIG.
[0032]
The cooling unit 8 applies an appropriate pressure to the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 to fix the low-temperature end face, and cools the low-temperature end face by water cooling. The cooling unit 8 has the highest rigidity among the exhaust heat power generation units 2 (particularly, a system in which thermal energy moves), and fixes the thermoelectric conversion module 13 in the exhaust heat power generation unit 2 (particularly, a spring clamp system). It has become a standard for. To this end, the cooling unit 8 includes a cooling lid 9, a cooling main body 10, and cooling water pipes 11, 11.
[0033]
The cooling lid 9 is a lid of the cooling main body 10 and is made of aluminum. The cooling lid 9 has a thick plate portion 9a whose width direction is the same dimension as the cooling main body 10 and whose longitudinal direction is slightly longer than the cooling main body 10. At the center of the plate portion 9a, a circular bottomed hole 9b into which the pressing member 17 fits is formed for mounting the pressing member 17. Further, support portions 9c, 9c are provided on both sides of the hole 9b of the plate portion 9a to surround and support the plurality of leaf springs 16,... From both sides and to install the cooling water pipes 11, 11. ing. The support portions 9c, 9c are provided at positions that are slightly longer than the length of the leaf spring 16 in the longitudinal direction, and have upper surfaces whose heights are slightly lower than the upper surfaces of the plurality of leaf springs 16,. The shape of the support portions 9c, 9c on the hole 9b side is a shape along the shape of both ends of the leaf spring 16. At the outer end side of the support portions 9c, 9c, mounting holes 9d, 9d into which the cooling water pipes 11, 11 are fitted are formed for installing the cooling water pipes 11, 11. Further, cooling water holes 9e, 9e are formed in the support portions 9c, 9c so as to be connected to lower side portions of the mounting holes 9d, 9d. The cooling water holes 9e, 9e penetrate to the bottom surface of the cooling lid 9 and are connected to the cooling unit 10a of the cooling main body 10. Holes 9f, 9f, 9f, 9f are formed at four corners of the plate portion 9a for fastening with bolts when the plate portion 9a is attached to the cooling main body 10.
[0034]
The cooling main body 10 is a box having the cooling unit 9 as a lid, and is formed of aluminum. The cooling main body 10 has a thick box shape having a dimension slightly longer than the thermoelectric conversion module 13 in both the width direction and the longitudinal direction, and a concave portion of the box serves as a cooling unit 10a through which cooling water flows. The cooling unit 10a is provided with a cooling fin unit 10b for cooling the cooling water. All the fins of the cooling fin portion 10b have the same height, and have such a height as to contact the bottom surface of the cooling lid 9 when the cooling lid 9 is attached to the cooling main body 10. The bottom surface of the cooling main body 10 is in a horizontal plane so as to be in close contact with the low-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13. In addition, bolt holes 10c, 10c, 10c, 10c having bottoms are formed at four corners of the cooling main body 10 to fasten the cooling lid 9 with bolts when attaching the cooling lid 9. A female screw is cut in the bolt hole 10c.
[0035]
The cooling unit 8 includes a cooling lid 9 mounted on the cooling body 10 and fastened with four bolts (not shown). Further, two cooling water pipes 11 are attached to the cooling lid 9 by welding or the like. Be composed. As described above, since the cooling unit 8 is formed based on the size of the thermoelectric conversion module 13 and has a small area and a thick box shape, the cooling unit 8 has the highest rigidity in the waste heat power generation unit 2 and the thermoelectric conversion module 13 Is a reference for fixing. Therefore, the cooling unit 8 has a uniform contact with the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 and has very good thermal contact with the low-temperature end face. Therefore, heat transfer between the cooling unit 8 and the thermoelectric conversion module 13 is very good.
[0036]
In the exhaust heat power generator 1, four cooling units 8, 8, 8, 8 are arranged in a longitudinal direction (see FIG. 4), and the cooling water pipe 11 on the upstream side of the cooling unit 8 on the upstream side and the cooling unit on the downstream side. 8 is connected to a radiator (not shown) via a radiator hose (not shown), and the other cooling water pipes 11 are connected between adjacent cooling units 8, 8. . In each cooling unit 8, the cooling water cooled by the radiator is introduced into the cooling unit 10a through the cooling water pipe 11 and the cooling water hole 9e, and the cooling water flows between the fins of the cooling fin unit 10b. Cooling water is cooled to maintain low temperature. Further, since the cooling unit 8 is formed of aluminum having a very low thermal conductivity as compared with stainless steel or the like, it has low thermal resistance. Therefore, the cooling unit 8 can transmit the low-temperature property to the thermoelectric conversion module 13 without significantly lowering the low-temperature property.
[0037]
The heat exchange member 12 will be described with reference to FIG. 10A and 10B show a heat exchange member, wherein FIG. 10A is a front view, FIG. 10B is a side view, and FIG. 10C is a bottom view.
[0038]
The heat exchange member 12 mainly includes a base 12a and a heat exchange fin portion 12b, and is formed of aluminum. The base 12a is a thick plate. A mounting portion 12c slightly thicker than the outer peripheral portion is formed at the center of the base 12a for mounting the thermoelectric conversion module 13. The mounting portion 12c has a dimension slightly longer than the thermoelectric conversion module 13 in both the width direction and the longitudinal direction. The mounting surface of the mounting portion 12c is a horizontal surface so as to be in close contact with the high-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13. The outer peripheral portion of the base 12a is a flange portion 12d which is engaged with the outer plate 5d when the heat exchange member 12 is attached to the divided exhaust pipe main body 5. Holes 12e,... Are formed in the flange portion 12d for fastening with bolts when the flange portion 12d is attached to the divided exhaust pipe main body 5. A fin base 12f is formed on a surface of the base 12a on the heat exchange fin portion 12b side. The fin base 12f has a size that fits into the opening 5e of the divided exhaust pipe main body 5. The heat exchange fin portion 12b is provided on the fin base 12f, and when the heat exchange member 12 is attached to the divided exhaust pipe main body 5, the height of each fin does not contact the side plates 5g, 5g and the inner plate 5i. It is such a height. Therefore, as shown in FIG. 10A, a substantially equal-leg trapezoidal shape is formed by all the fins of the heat exchange fin portion 12b. In the exhaust heat power generator 1, four heat exchange members 12A, 12B, 12C, and 12D are arranged in the longitudinal direction (see FIG. 4), and the pitch between the fins of the heat exchange fin portions 12b of the heat exchange member 12 becomes narrower toward the downstream. (See FIGS. 5 and 6). That is, the number of fins of the heat exchange fin portion 12b increases as the heat exchange member 12 is located downstream.
[0039]
The heat exchange members 12A, 12B, 12C, and 12D are respectively fitted into the openings 5e, 5e, 5e, 5e of the divided exhaust pipe main body 5 and fastened by bolts 20,... To form a divided exhaust passage CW (FIG. 4). To FIG. 6). The base 12a of the heat exchange member 12 is formed on the basis of the size of the thermoelectric conversion module 13 and has a small area and a thick plate shape. The exchange member 12 has the highest rigidity. Therefore, the surface contact with the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 becomes uniform, and the thermal contact with the high-temperature end face is very good. Therefore, heat transfer between the heat conducting member 12 and the thermoelectric conversion module 13 is very good.
[0040]
In the heat exchange member 12, the pitch between the fins of the heat exchange fins 12b is changed according to the position in the longitudinal direction in the exhaust heat power generator 1, and the surface area of the heat exchange fins 12b is changed. This is because the temperature of the exhaust gas decreases (the heat energy decreases) as it goes downstream. On the other hand, in the heat exchange member 12, by increasing the surface area of the heat exchange fin portion 12b by decreasing the pitch toward the downstream, the contact area with the exhaust gas is increased, and the amount of heat energy absorbed by the exhaust gas is increased. I have. With such a configuration, the heat exchange members 12A, 12B, 12C, and 12D arranged in the longitudinal direction of the exhaust heat power generation device 1 have the same heat energy absorption amount, and the heat exchange members 12A and 12B. , 12C, 12D and the thermoelectric conversion modules 13, 13, 13, 13 so that the temperature at the contact surface is uniform (for example, 400 ° C.).
[0041]
Further, the heat exchange member 12 is formed such that the base 12a is thick and has high rigidity, and the heights of the fins of the heat exchange fins 12b are substantially trapezoidal. Therefore, the direction of deformation of the heat exchange member 12 is such that the fins of the heat exchange fins 12b spread toward the base 12a, as indicated by arrows in FIG.
[0042]
The thermoelectric conversion module 13 will be described. The thermoelectric conversion module 13 includes a plurality of thermoelectric elements (for example, Bi _Two Te _Three And the like (not shown), and these thermoelectric elements are electrically arranged in series and thermally in parallel. The thermoelectric conversion module 13 has a small area and a substantially square shape, and has parallel and horizontal high-temperature end faces and low-temperature end faces. The thermoelectric conversion module 13 converts heat energy into electric energy by the Seebeck effect according to the temperature difference between both end surfaces, and outputs the electric energy from two electrodes (not shown).
[0043]
The spring clamp 14 will be described with reference to FIGS. 11A and 11B show a clamp, wherein FIG. 11A is a plan view and FIG. 11B is a front view. FIG. 12 is a plan view of the leaf spring. FIGS. 13A and 13B are pressing members, wherein FIG. 13A is a plan view, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line GG in the plan view of FIG.
[0044]
The spring clamp unit 14 applies a predetermined pressure from outside the cooling unit 8 and fixes the thermoelectric conversion module 13 between the cooling unit 8 and the heat exchange member 12. At this time, in the spring clamp portion 14, the entire exhaust heat power generation unit 2 is pressed down flexibly by the elastic force of several leaf springs. Further, in the exhaust heat power generator 1, four spring clamps 14, 14, 14, 14 are fastened along the circumferential direction, and the entire apparatus is tightened by the four spring clamps 14, 14, 14, 14. For this purpose, the spring clamp section 14 includes a clamp 15, several leaf springs 16,... And a pressing member 17. The predetermined pressure is such that the surface pressure of the thermoelectric conversion module 13, the cooling unit 8, and the heat exchange member 12 becomes an appropriate pressure.
[0045]
The clamp 15 has a storage portion 15a, connection portions 15b, 15b, fastening portions 15c, 15c, and side plate portions 15d, 15d, and is formed of iron. The storage portion 15a, the connection portions 15b, 15b, and the fastening portions 15c, 15c are formed of a single plate, and plate-like side plate portions 15d, 15d are provided upright on both sides of the single plate. The storage portion 15a is concave when viewed from the front and substantially elliptical when viewed from the top. An opening 15e having the same shape and a slightly smaller size as the leaf spring 16 is formed at the center of the storage portion 15a, and the outer periphery of the opening 15e presses the leaf spring 16 down. Openings 15f, 15f into which the cooling water pipes 11, 11 of the cooling section 8 are fitted are formed on both sides of the storage section 15a. The connection part 15b connects the storage part 15a and the fastening parts 15c, 15c at both ends. The fastening portion 15c is bent substantially perpendicularly to the connection portion 15b, and has a shape in which the bottom surface and the fastening portion 15c of the adjacent clamp 15 are in contact with each other. The fastening portion 15c is formed with three bolt holes 15g, 15g, 15g through which bolts pass. Incidentally, when the four clamps 15, 15, 15, 15 are fastened, the four clamps 15, 15, 15, 15 become substantially circular in cross section, and the outermost part of the exhaust heat power generation device 1 (See FIGS. 5 and 6).
[0046]
The leaf spring 16 has a substantially elliptical shape in plan view (see FIG. 12), and is formed of iron. The leaf spring 16 has a small spring constant. Incidentally, in the spring clamp part 14, several leaf springs 16 are piled up to generate an elastic force.
[0047]
The pressing member 17 has a hemispherical shape so as to make point contact with the leaf spring 16 and is formed of iron. The circular bottom surface of the pressing member 17 has a size that fits into the hole 9b of the cooling unit 8 (see FIG. 8). A bottomed hole 17a is formed in the center of the bottom surface of the pressing member 17.
[0048]
In the spring clamp section 14, a pressing member 17 is fitted into the hole 9b of the cooling lid 9 of the cooling section 8, and several leaf springs 16,. And the clamp 15 is mounted on the leaf spring 16 so as to cover a part of the cooling section 8 with the storage section 15a. At this time, the plate springs 16 are supported from both sides by the support portions 9c of the cooling lid 9, and the uppermost surface thereof is higher than the support portions 9c. Further, in the spring clamp portion 14, the fastening portions 15c, 15c of the clamp 15 are aligned with the fastening portions 15c, 15c of the clamps 15, 15 on both sides, and the fastening portions 15c, 15c of the adjacent clamps 15, 15 are bolts 21, . And the nuts 22 (see FIGS. 5 and 6). The entire device is fastened like a belt by four spring clamps 14, 14, 14, and 14 fastened along the circumferential direction.
[0049]
In the spring clamp section 14, a predetermined pressure is applied from the pressing member 17 to the cooling section 8 (therefore, the thermoelectric conversion module 13 and the heat exchange member 12) by pressing by the clamps 15 via the leaf springs 16,. Add. This predetermined pressure can be adjusted by the tightening force of the bolts 21,... And the nuts 22,. Incidentally, even if the positions of the leaf spring 16 and the clamp 15 are shifted and the pressing is biased, the leaf spring 16 and the pressing member 17 are in point contact with each other, so that the pressing member 17 is uniformly applied to the cooling unit 8. Pressure can be applied. Therefore, a uniform surface pressure is generated in the cooling unit 8. In addition, since the elastic force is generated by stacking several leaf springs 16 having a small spring constant, the thermoelectric conversion module 13 can be pressed down flexibly.
[0050]
As described above, in the waste heat power generation unit 2, the heat exchange member 12, the thermoelectric conversion module 13, the cooling unit 8, and the spring clamp unit 14 are arranged from the center side of the waste heat power generation device 1, and the cooling unit 8 is used as a fixed reference. By pressing the spring clamp 14, the thermoelectric conversion module 13 is flexibly fixed by an appropriate surface pressure. In the exhaust power generator 1, four exhaust heat generating units 2,..., Four in the circumferential direction and four in the longitudinal direction are arranged in the four divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5, respectively. The thermoelectric generation units 2 are made independent.
[0051]
The operation of the exhaust heat power generation device 1 will be described with reference to FIGS.
[0052]
Exhaust gas is introduced into the exhaust heat power generation device 1 from the exhaust gas introduction pipe 3, and cooling water flows from the cooling water pipes 11,. The introduced exhaust gas is divided by the dividing member 6 into four divided exhaust passages CW,.
[0053]
In each of the divided exhaust passages CW, the exhaust gas passes between the fins of the heat exchange fin portions 12b of the four heat exchange members 12A, 12B, 12C, and 12D arranged in the longitudinal direction (see FIG. 10), and flows downstream. It flows to. The heat exchange fins 12b absorb heat energy from the exhaust gas. At this time, the heat energy of the exhaust gas is deprived and the exhaust temperature decreases as the temperature decreases, but the fin pitch is narrowed in the heat exchange fin portion 12 to improve the heat energy absorption efficiency of the exhaust gas. Then, in the heat exchange member 12, the absorbed heat energy is transmitted to the mounting portion 12c (see FIG. 10). Since the heat exchange member 12 is formed of aluminum having low thermal resistance, the heat exchange property is not significantly impaired until the heat is transmitted to the mounting portion 12c. Then, the heat exchange member 12 transmits the heat energy to the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13. At this time, an appropriate surface pressure is applied from the high-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13 to the mounting surface of the mounting portion 12c. Further, the mounting surface of the mounting portion 12c has its flatness secured, and is in uniform contact with the high-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13. Further, regardless of the upstream and downstream, the same heat energy is transmitted from the heat exchange members 12A, 12B, 12C, and 12D, and the temperature of the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 is substantially the same. Then, the exhaust gas flowing through the four divided exhaust passages CW, CW, CW, CW joins at the joining member 7 and is discharged from the exhaust power generator 1 to a downstream exhaust pipe. At this time, the exhaust gas is deprived of thermal energy, and the temperature is lowered.
[0054]
On the other hand, the cooling water passes between the fins of the cooling fin portions 10b in the cooling portions 10a of the four cooling portions 8, 8, 8, 8 arranged in the longitudinal direction (see FIG. 9), and flows downstream. To go. In the cooling fin portion 10b, the cooling water is further cooled. In the cooling unit 8, the low-temperature property of the cooling water is transmitted to the bottom of the cooling main body 10. Since the cooling unit 8 is made of aluminum having a low thermal resistance, the low-temperature property is not significantly impaired until it is conducted to the bottom surface. Then, the cooling unit 8 transmits the low temperature to the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13. At this time, an appropriate surface pressure is applied from the bottom surface of the cooling main body 10 to the low-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13. Further, the bottom surface of the cooling main body 10 has its flatness secured, and is in uniform contact with the low-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 13. Then, the cooling water flowing out of the cooling unit 8 at the most downstream is discharged from the exhaust power generation device 1.
[0055]
Each thermoelectric conversion module 13 generates electric power according to the temperature difference between the high temperature transmitted to the high temperature end face and the low temperature transmitted to the low temperature end face, and charges the electric energy to the battery. At this time, since the high temperature property and the low temperature property are sufficiently maintained, the temperature difference is large and the power generation is large. That is, the thermoelectric conversion rate is high. In addition, since the temperature on the high-temperature side is adjusted to be the same regardless of the upstream and downstream, the thermoelectric conversion efficiency does not decrease on the downstream side.
[0056]
By the way, even if distortion occurs due to heat in an arbitrary exhaust heat power generation unit 2, it does not affect the entire exhaust heat power generation device 1 because each exhaust heat power generation unit 2 is arranged independently. That is, the distortion generated in each exhaust heat power generation unit 2 is not accumulated. Furthermore, since the four divided exhaust pipe main bodies 5, 5, 5, 5 forming the skeleton of the exhaust heat power generation device 1 are formed of stainless steel having a small coefficient of thermal expansion, expansion of the entire device due to heat is small, Less deformation. In particular, since the exhaust heat power generator 1 is configured such that the deformation direction of the divided exhaust pipe main body 5 and the deformation direction of each heat exchange member 12 are opposite to each other, the split exhaust pipe main body 5 is heated with high-temperature exhaust gas. Even if the heat exchange member 12 is deformed, the deformation is canceled by the deformation directions of each other, and the deformation of the exhaust heat power generation unit 2 can be suppressed.
[0057]
Further, even if distortion occurs due to heat in each exhaust heat power generation unit 2, since the elastic force of the several leaf springs 16,... Flexibly presses, the distortion can be absorbed. Further, even if a positional displacement occurs between the members, pressure is applied by point contact with the pressing member 17, so that the cooling unit 8, the thermoelectric conversion module 13, and the heat exchange member 12 have uniform contact surfaces at each contact surface. Surface pressure is applied.
[0058]
According to the exhaust heat power generation device 1, by setting the rigidity of the cooling unit 8 to be the maximum and setting it as the reference of the exhaust heat power generation unit 2, it is possible to apply an appropriate surface pressure to the thermoelectric conversion module 13, and The surface contact between the portion 8 and the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 is good, and the temperature of the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 can be reduced. Further, according to the exhaust heat power generator 1, by making the rigidity of the base 12a of the heat exchange member 12 the highest on the high temperature side, it is possible to apply an appropriate surface pressure to the thermoelectric conversion module 13, The surface contact between the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 and the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 13 is good. Furthermore, according to the exhaust heat power generation device 1, the system in which the heat energy of the exhaust heat power generation unit 2 moves is made of aluminum having a high thermal conductivity, so that the thermal resistance of each member is reduced, and the thermoelectric conversion module 13 Higher temperatures on the higher temperature side and lower temperatures on the lower temperature side can be achieved. Therefore, in the exhaust heat power generation device 1, the thermoelectric conversion efficiency in each exhaust heat power generation unit 2 is very high.
[0059]
In addition, according to the exhaust heat power generation device 1, since the thermoelectric conversion module 13 is fixed from the outside by the plurality of leaf springs 16,... (And thus breakage of the thermoelectric element and the like can be eliminated), and an appropriate surface pressure can be generated. Furthermore, according to the exhaust heat power generation device 1, since the entire device is fastened like a belt by arranging four spring clamp portions 14,... In the circumferential direction, the entire device can be firmly fixed and also has flexibility. . Further, according to the exhaust heat power generator 1, since the pressure can be applied by point contact with the pressing member 17 in each spring clamp portion 14, a uniform surface pressure can always be applied.
[0060]
Further, according to the exhaust heat power generation device 1, since the divided exhaust pipe main body 5 serving as the skeleton of the entire device is formed of stainless steel having a small coefficient of thermal expansion, thermal deformation of the entire device can be suppressed. Furthermore, according to the exhaust heat power generation device 1, the exhaust heat power generation unit 2 is configured in small area units based on the size of the thermoelectric conversion module 13, and the exhaust heat power generation unit 2 is assembled to the divided exhaust pipe main body 5. In addition, distortion due to heat can be suppressed in each exhaust heat power generation unit 2, and the influence of the distortion is not spread to other exhaust heat power generation units 2. Further, according to the exhaust heat power generator 1, since the deformation direction of the split exhaust pipe main body 5 and the deformation direction of the heat exchange member 12 are opposite to each other, the split exhaust pipe main body 5 and the heat exchange member Even if 12 deforms due to heat, the deformations cancel each other, and the deformation as the exhaust heat power generation unit 2 can be suppressed.
[0061]
An example in which the exhaust heat power generation device 21 is provided in the exhaust system will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a perspective view in the case where the exhaust heat power generation device is disposed immediately adjacent to the exhaust manifold.
[0062]
The exhaust heat power generation device 21 is directly connected to the exhaust port of the exhaust manifold EM, and is disposed immediately below the exhaust manifold EM. The exhaust heat power generation device 21 has a six-part exhaust pipe structure, is configured with six exhaust heat power generation units 22, ... along the circumferential direction, and has two exhaust heat power generation units along the longitudinal direction. , 22, and has a total of twelve exhaust heat generation units 22,. When disposed directly below the exhaust manifold EM, the exhaust gas having the highest temperature in the exhaust system flows through the exhaust heat power generator 21. Therefore, the high temperature side of the thermoelectric conversion module (not shown) in each exhaust heat power generation unit 22 becomes high temperature, and the thermoelectric conversion efficiency is improved.
[0063]
By the way, when the conventional exhaust heat power generation device is disposed immediately below the exhaust manifold, the high temperature exhaust gas increases the distortion, which may cause the thermoelectric element or the like to be deformed or damaged. For this reason, the conventional exhaust heat power generator could not be disposed immediately below the exhaust manifold. However, since the exhaust heat power generation device 21 has a configuration capable of suppressing the thermal distortion as much as possible, it can be disposed even immediately below the exhaust manifold EM, and recovers heat energy from high-temperature exhaust gas with high efficiency. You can do it.
[0064]
As described above, the embodiments according to the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above embodiments, but may be embodied in various forms.
[0065]
For example, in the present embodiment, the exhaust heat power generation device is applied to an automobile, but may be applied to another device having an internal combustion engine that emits exhaust gas.
[0066]
Further, in the present embodiment, an exhaust heat power generation device having 16 or 12 exhaust heat power generation units is configured. However, an appropriate number of heat exhaust A power generation unit may be arranged to configure a waste heat power generation device having an appropriate number of heat recovery power generation units.
[0067]
In the present embodiment, the heat exchange members are arranged such that the pitch of the heat exchange fins is narrower toward the downstream side so that the temperature from the upstream side to the downstream side is uniform, but the thermal conductivity is higher at the downstream side. By arranging a heat exchange member formed of a material, the temperature from the upstream side to the downstream side may be configured to be uniform, or a heat exchange fin having a different pitch and a material having a different heat conductivity may be used. May be combined so that the temperature from the upstream side to the downstream side becomes uniform.
[0068]
Further, in the present embodiment, each member of the system in which the heat energy moves is made of aluminum, and the divided exhaust pipe main body is made of stainless steel. However, each member of the system in which the heat energy moves has a large thermal conductivity. It may be made of another material, or the divided exhaust pipe main body may be made of another material having a small coefficient of thermal expansion.
[0069]
In the present embodiment, the heat exchange member is arranged on the high-temperature end face side of the thermoelectric conversion module, and the cooling unit is arranged on the low-temperature end face side. However, a member such as an insulating plate may be arranged therebetween.
[0070]
Further, in the present embodiment, the cooling unit is configured by a water-cooled type, but may be configured by an air-cooled type.
[0071]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the influence of the distortion by heat can be suppressed and the exhaust-heat power generation apparatus excellent in thermoelectric conversion efficiency can be comprised.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an exhaust heat power generation device according to the present embodiment.
FIG. 2 is a front view of the exhaust heat power generation device of FIG.
FIG. 3 is a side view (upstream side) of the exhaust heat power generation device of FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in the side view of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB in the front view of FIG. 2;
FIG. 6 is a sectional view taken along line CC in the front view of FIG. 2;
7 is a divided exhaust pipe main body shown in FIG. 5 and the like, (a) is a side view, and (b) is a plan view showing a part in a longitudinal direction.
8A and 8B are cooling lids of the cooling unit shown in FIG. 5 and the like, wherein FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line DD in the plan view of FIG.
9 is a cooling main body of the cooling unit shown in FIG. 5 and the like, (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view taken along line EE in the plan view of (a), FIG. 3C is a cross-sectional view along the line FF in the plan view of FIG.
10 (a) is a front view, FIG. 10 (b) is a side view, and FIG. 10 (c) is a bottom view.
11 is a clamp shown in FIG. 5 and the like, wherein (a) is a plan view and (b) is a front view.
FIG. 12 is a plan view of the leaf spring shown in FIG. 5 and the like.
13 (a) is a plan view, and FIG. 13 (b) is a sectional view taken along line GG in the plan view of FIG. 5 (a).
FIG. 14 is a perspective view in a case where the exhaust heat power generation device according to the present embodiment is disposed immediately adjacent to an exhaust manifold.
[Explanation of symbols]
1, 21: Exhaust heat generator, 2, 2A, 2B, 2C, 2D, 22: Exhaust heat generator unit, 3: Exhaust introduction pipe, 4: Exhaust exhaust pipe, 5: Split exhaust pipe main body, 5a: Long side portion 5b: Short side portion, 5c: Side portion, 5d: Outer plate, 5e: Opening, 5f: Bolt hole, 5g: Side plate, 5i: Inner plate, 6: Dividing member, 7: Merging member, 8: Cooling Part, 9 ... cooling lid, 9a ... plate part, 9b ... hole, 9c ... support part, 9d ... mounting hole, 9e ... cooling water hole, 9f ... bolt hole, 10 ... cooling body, 10a ... cooling part, 10b ... cooling Fin portion, 10c: bolt hole, 11: cooling water pipe, 12, 12A, 12B, 12C, 12D: heat exchange member, 12a: base, 12b: heat exchange fin portion, 12c: mounting portion, 12d: flange portion, 12e: bolt hole, 12f: fin base, 13: thermoelectric conversion module, 14: spring clamp part, Reference numeral 5: clamp, 15a: storage portion, 15b: connection portion, 15c: fastening portion, 15d: side plate portion, 15e: opening hole, 15f: opening hole, 15g: bolt hole, 16: leaf spring, 17: pressing member, 17a …hole

Claims

Thermoelectric conversion means for converting the heat energy of the exhaust gas into electric energy; heat exchange means arranged on one surface of the thermoelectric conversion means for conducting the heat energy of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe; and the other surface of the thermoelectric conversion means And a cooling means for cooling the thermoelectric conversion means, comprising:
A waste heat power generator wherein the rigidity of the cooling means is the highest among the thermoelectric conversion means, the heat exchange means and the cooling means.

The heat exchange unit has a heat exchange fin that conducts heat energy of exhaust gas, and a base on which the heat exchange fin is provided on one surface and the thermoelectric conversion unit is arranged on the other surface.
The exhaust pipe has a pipe main body forming a skeleton of an exhaust passage,
The base is attached to the pipe body, the heat exchange fins are located in the exhaust pipe, and the exhaust pipe and the heat exchange means constitute an exhaust passage system,
2. The exhaust heat power generator according to claim 1, wherein the rigidity of the base is maximized in the exhaust passage system.

The exhaust heat power generator according to claim 2, wherein the pipe main body is formed of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the heat exchange means.

The pipe main body is disposed at a central portion of the exhaust heat power generator, the thermoelectric conversion means is disposed at an outer peripheral portion of the heat exchange means attached to the pipe main body, and the cooling means is disposed at an outer peripheral portion of the thermoelectric conversion means. And place
Comprising elastic means arranged outside the cooling means,
The exhaust heat power generator according to claim 2 or 3, wherein an elastic system for fixing the thermoelectric conversion unit by pressing the cooling unit from the outside by the elastic unit is configured.

The thermoelectric conversion unit is configured by a module including a thermoelectric element,
The exhaust heat power generator according to claim 4, wherein one unit of the elastic system is configured in the module unit.

The elastic means has a spring and a pressing member,
The exhaust heat power generator according to claim 4, wherein the pressing member makes a point contact or a line contact with the spring.

The heat exchange means and the tube main body have a deformable shape,
The exhaust heat power generator according to any one of claims 2 to 6, wherein a deformation direction of the heat exchange means and a deformation direction of the tube main body are opposite to each other.