JP2008042994A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されたタイプの熱電発電装置であって、管部材の流路断面積が調節可能に構成された熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱電発電装置は、熱媒体が内部を流れる管部材７１ｂ，８１ｂ，９１ｂと、管部材の内側に並べて配置されると共に、管部材に固定された複数の固定フィン７１ｃ，８１ｃ，９１ｃと、複数の固定フィンの間に配置されると共に、固定フィンに対して移動自在に構成されることで、固定フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積を調節可能とした複数の可動フィン７２ｂ，８２ｂ，９２ｂと、管部材の外側に配置され、固定フィン又は可動フィンからの熱を利用して発電を行う熱電発電部４０と、を備える。
【選択図】図１１

Description

本発明は、高温の熱媒体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置に関するものである。

従来の熱電発電装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、熱媒体である熱媒体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行うものが知られている。特許文献１では、排気通路の一部となる管部材の内側に、多数の吸熱フィンが並べて立設されると共に、管部材の外側に熱電発電部が配置されることで、熱電発電装置が構成されている。ここで、この熱電発電装置の吸熱フィンは短いものであり、管部材の内側表面付近にのみ配置されている。

また、特許文献１の熱電発電装置では、管部材の内側において前述した吸熱フィンが配置されない位置に、管部材の内側の熱媒体の流路の断面積を調節するための部材が設けられている。具体的には、管部材の内側の一方面にのみ吸熱フィンが配置されている場合には、管部材の他方面に当該部材が設けられている。また、管部材の内側の全周にわたり吸熱フィンが配置されている場合には、管部材の内側の中央に当該部材が設けられている。

また、特許文献１の熱電発電装置では、熱媒体が流れる管部材の内部に、熱媒体の流れを遮るように回転自在な旋回羽根又は可動フィンを設けることで、熱媒体の流れを緩めることにより熱媒体と吸熱フィンとの間の熱伝達率を調節可能とした熱電発電装置が提案されている。
特開平１０−２９０５９０号公報

既述のとおり、上述した特許文献１の熱電発電装置は、管部材の内側表面付近に吸熱フィンが僅かに配置されたものである。このように吸熱フィンが僅かに配置されるタイプの熱電発電装置では、吸熱フィンに晒されない熱媒体が多く、熱媒体の熱を十分に利用することができないため、熱電発電装置の発電量を大きくするには限界がある。そこで、熱電発電装置の発電量を飛躍的に向上したものとして、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されるタイプの熱電発電装置がある。

しかしながら、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されるタイプの熱電発電装置では、吸熱フィンが密集していることに起因して熱媒体の圧力損失が大きく、これによる不具合が生じやすい。例えば、熱電発電装置が内燃機関の排気系に取り付けられた場合には、内燃機関が高負荷運転状態となると排気ガスが排出されづらくなるため、内燃機関の気筒内に残留ガスが残り、内燃機関の燃費が悪化してしまうという問題があった。

このような問題と解消するために、上述した特許文献１のように熱媒体の流路の断面積を調節可能に構成することを考慮した場合には、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されるタイプの熱電発電装置においては、特許文献１に記載される熱電発電装置のように、吸熱フィンが配置されない管部材の部位に熱媒体の流路の断面積を調節するための部材を設けたり、管部材の内側の中央に当該部材を設けることができない。よって、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されるタイプの熱電発電装置では、管部材の流路断面積を調節可能に構成することは容易でなく、如何に構成するかが問題となる。

また、特許文献１に記載される熱電発電装置のように、熱媒体の流路の断面積を調節するために、管部材の一部や管部材の中央などの吸熱フィンから離れた位置に熱媒体の流路の断面積を調節するための部材が設けられた場合には、吸熱フィンの傍を通過する熱媒体の流速は大きく変化しないため、吸熱フィンの吸熱量は十分に増加せず、熱電発電装置の発電能力は向上しない、という問題がある。また、特許文献１に記載される旋回羽根又は可動フィンは、熱媒体の流れを遮って吸熱フィンの傍を通過する熱媒体の流速を低下させるものであるため、吸熱フィンの吸熱量が増加しないことについては変わりがなく、依然として熱電発電装置の発電能力が向上しないという問題がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されたタイプの熱電発電装置であって、管部材の流路断面積が調節可能に構成された熱電発電装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る熱電発電装置は、熱媒体が内部を流れる管部材と、管部材の内側に並べて配置されると共に、管部材に固定された複数の固定フィンと、複数の固定フィンの間に配置されると共に、固定フィンに対して移動自在に構成されることで、固定フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積を調節可能とした複数の可動フィンと、管部材の外側に配置され、固定フィン又は可動フィンからの熱を利用して発電を行う熱電発電部と、を備えることを特徴とする。

上述した熱電発電装置によれば、可動フィンを固定フィンに対して移動することで、可動フィンと固定フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積を調節することができる。よって、上述した熱電発電装置によれば、熱媒体の圧力損失が大きい場合に、熱媒体の流路の断面積を大きくすることで、熱媒体の圧力損失が大きいことに起因する不具合を抑制することができる。また、上述した熱電発電装置によれば、熱媒体の圧力損失が大きいことに起因する不具合が生じない範囲で熱媒体の流路の断面積を小さくすることで、固定フィン及び可動フィンの傍を流れる熱媒体の流速を大きくして、固定フィン又は可動フィンの吸熱量を増加させて熱電発電装置の発電能力を向上することができる。

また、上述した熱電発電装置において、可動フィンは、熱媒体の流れ方向に並べて配置された複数の部材であって、各々が独立して移動自在である複数の部材により構成されていることが好ましい。この熱電発電装置によれば、可動フィンを構成する各部材はそれぞれ独立して移動自在であるため、熱媒体の流れ方向の位置に応じて熱媒体の流路の断面積を適度に調節することができる。

また、上述した熱電発電装置において、可動フィンを構成する複数の部材のうち、熱媒体の流れ方向の上流側に配置された部材は、熱媒体の流れ方向の下流側に配置された部材よりも、熱媒体の流路の断面積を大きくするように設定されていることが好ましい。この熱電発電装置によれば、熱媒体の流れ方向の上流側では、熱媒体は比較的に高温であり熱膨張していることに応じて、熱媒体の流路の断面積を大きくして、熱媒体の圧力損失が大きいことに起因する不具合を抑制することができる。一方、熱媒体の流れ方向の下流側では、上流側で吸熱された熱媒体は比較的に低温であり収縮していることに応じて、熱媒体の流路の断面積を小さくすることで、固定フィン及び可動フィンの傍を流れる熱媒体の流速を大きくして、熱電発電装置の発電能力を向上することができる。

また、上述した熱電発電装置において、固定フィンは上流側ほど厚くなる断面形状を有するものであり、可動フィンは上流側ほど薄くなる断面形状を有するものであり、可動フィンが下流側に移動することで、固定フィンと可動フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積が大きくなることが好ましい。この熱電発電装置によれば、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されていても、比較的に簡易な構成で熱媒体の流路の断面積を調節可能とすることができる。

また、上述した熱電発電装置において、可動フィンは、熱媒体から力を受けて下流側に移動するものであることが好ましい。この熱電発電装置によれば、可動フィンは、熱媒体から力を受けて下流側に移動するものであるため、特段の駆動機構を設ける必要がなく、熱電発電装置を比較的に簡易な構成とすることができる。

また、上述した熱電発電装置において、熱電発電装置は内燃機関の排気系に取り付けられるものであり、可動フィンが移動することにより内燃機関の排気ガスの出口圧力が低下されることが好ましい。この熱電発電装置によれば、内燃機関の排気ガスの出口圧力が大きくなった場合に、可動フィンが移動して熱媒体の流路の断面積を大きくすることで、内燃機関の気筒内の残留ガスを少なくし、内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。一方、内燃機関の排気ガスの出口圧力が小さくなった場合に、可動フィンが移動して熱媒体の流路の断面積を小さくすることで、固定フィン及び可動フィンの傍を流れる熱媒体の流速を大きくして、固定フィン又は可動フィンの吸熱量を増加させて熱電発電装置の発電能力を向上することができる。

また、上述した熱電発電装置において、可動フィンの移動距離は、内燃機関及び熱電発電装置の総合的な燃費を所定値以上にするように設定されたことが好ましい。ここで、「内燃機関及び熱電発電装置の総合的な燃費」とは、単位重量の燃料を用いて内燃機関を駆動した場合に、内燃機関が出力する機械的エネルギーと、熱電発電装置により得られる電気的エネルギーとの総和を意味している。また、「燃費を所定値以上にする」とは、内燃機関及び熱電発電装置の総合的な燃費を最大にする場合の他、内燃機関及び熱電発電装置の総合的な燃費をその最大値の一定割合以上（例えば、９５％以上、９０％以上、８５％以上）にすることを意味している。

本発明によれば、管部材の内側に多数の吸熱フィンが密集して配置されたタイプの熱電発電装置であって、管部材の流路断面積が調節可能に構成された熱電発電装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の熱電発電装置に係る好適な実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置を備えた熱電発電システムを示す概略構成図である。同図において、熱電発電システム１は、自動車等の車両の排気系に配設されるものである。

熱電発電システム１は、エンジンのエキゾーストマニホールド２と接続された高温用の熱電発電装置３と、この熱電発電装置３に排気管４及び触媒５を介して接続された低温用の熱電発電装置６とを備えている。熱電発電装置６における触媒５の反対側には、マフラー７が接続されている。熱電発電装置３，６は、エンジンから排出される排気ガスである排気ガスの熱を利用して発電を行う装置である。熱電発電装置３は、熱回収流路８及びバイパス流路９を有している。熱電発電装置３よりも排気ガス流れ方向の上流側位置には、熱回収流路８とバイパス流路９とを切り換える排気ガス通路切換バルブ１０が配置されている。

排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択された場合には、エンジンからの排気ガスは、バイパス流路９を通り、更に触媒５を通過して熱電発電装置６に取り込まれる。そして、その排気ガスの熱が熱電発電装置６により熱回収され、発電が行われる。一方、排気ガス通路切換バルブ１０によって熱回収流路８が選択された場合には、エンジンからの排気ガスが熱回収流路８を通り、排気ガスの熱が熱電発電装置３により熱回収され、発電が行われる。その後、残った排気ガスが触媒５を通って熱電発電装置６に取り込まれ、その排気ガスの熱が熱電発電装置６により熱回収される。熱電発電装置３，６により得られた電気は、図示はしないが、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換された後、バッテリー等に蓄えられる。

なお、通常は排気ガス通路切換バルブ１０によって熱回収流路８が選択され、熱電発電装置３により発電が行われる。但し、エンジンの低負荷運転時には排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択され、触媒５の温度が活性温度まで上昇するまで保持される。また、排気ガスの温度が熱電発電素子の使用限界を超える場合には、排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択される。また、熱電発電装置３における排気ガスの圧力損失が問題となる場合には、排気ガス通路切換バルブ１０によってバイパス流路９が選択される。

図２は、第１実施形態に係る熱電発電装置３の外観を示す斜視図である。図２において手前側が熱電発電装置３の上流側の一端であり、エキゾーストマニホールド２に接続されている。熱電発電装置３の上流側の一端には開口３ａが形成されており、この開口３ａから熱電発電装置３の内部の熱回収流路８に排気ガスが流入する。また、熱電発電装置３の上流側の一端の中央には開口３ｂが形成されており、この開口３ｂから熱電発電装置３の内部のバイパス流路９に排気ガスが流入する。一方、図２において奥側が熱電発電装置３の下流側の一端であり、排気管４に接続されている。熱電発電装置３の下流側の一端の中央には開口３ｃ（図５参照）が形成されており、この開口３ｃを通って熱電発電装置３の内部から排気ガスが流出する。

以下の説明では、熱電発電装置３の手前側から奥側へ進む方向を、排気ガスの流れ方向と呼ぶ。また、熱電発電装置３の中心線Ｃを中心として角度が変化する方向を周方向と呼び、その中心線Ｃから熱電発電装置３の外側に向かう方向を径方向と呼ぶ。より詳細な理解のために、図２において排気ガス流れ方向（ＩＩＩ）から見た熱電発電装置３を図３に示し、図２の排気ガス流れ方向と直行する側方（ＩＶ）から見た熱電発電装置３を図４に示す。また、図３におけるＶ−Ｖ断面を図５に示し、図４におけるＶＩ−ＶＩ断面を図６に示す。

図７は、熱電発電装置３から熱電モジュール４０、冷却ケース５０及びそれらを固定する部材６０等を取り外して示した斜視図である。図７に示されるように、熱電発電装置本体２０の外周には、平面状の取付け面７１ａ，８１ａ，９１ａが複数形成されており、それぞれの取付け面７１ａ，８１ａ，９１ａに熱電モジュール４０が密着した状態で取り付けられるようになっている。取付け面７１ａ，８１ａ，９１ａは、排気ガスの流れ方向のある位置において周方向に６０°間隔で６つ形成されており、さらにこのような６つの取付け面７１ａ，８１ａ，９１ａが排気ガスの流れ方向に３段連続して形成されている。

熱電モジュール４０は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電部として構成されている。熱電モジュール４０の内部には、複数の熱電変換素子（例えばＢｉ２Ｔｅ３等からなるｐ型半導体及びｎ型半導体）が配置されると共に、熱電変換素子が高温時に酸化されないように不活性ガス（例えば窒素）が充填されている。熱電変換素子４２は、熱電モジュール４０の熱電発電装置本体２０側の面と冷却ケース５０側の面との間に生じる温度差に応じて、ゼーベック効果により起電力を発生させる。

図８には、図７の一部が拡大して示されている。図８に示されるように、熱電モジュール４０の端には、リード端子４５が接続され、その接続部位は絶縁体でなるカバー４６で覆われる。熱電モジュール４０の低温側端面４１ｂに密接して冷却ケース５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃが配置される。冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃは熱電モジュール４０を冷却するための冷却部材であり、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの内部には冷却水が通る冷却水通路が形成されている。最上流側に位置する冷却ケース５０Ａの冷却水通路及び最下流側に位置する冷却ケース５０Ｃの冷却水通路は、冷却水管５１，５４を介してラジエータ（図示せず）に繋がっており、隣接する冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの冷却水通路どうしが冷却水管５２，５３を介して互いに繋がっている。これにより、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの内部には、冷却水管５１〜５４及びラジエータを介して冷却水が循環するようになる。

また、図８に示されるように、冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃの外側面には円形に窪んだ凹部５０ａが形成されており、この凹部５０ａに熱電モジュール４０及び冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃを固定するための部材６０が配置される。熱電モジュール４０及び冷却ケース５０Ａ〜５０Ｃを固定するための部材６０は、内側から順に、円板状のキャップ６１、バネサポータ６２、４枚の皿バネ６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄ、バネサポータ６４、円筒状のキャップ６５である。円板状のキャップ６１を凹部５０ａに配置してから、その上にバネサポータ６２、４枚の皿バネ６３Ａ〜６３Ｄ、バネサポータ６４を載せて、それらの部材に円筒状のキャップ６５を被せることで、各部材６２〜６４が２つのキャップ６１，６５の間に収納される。円筒状のキャップ６５の外側にバンド部材６６（図７参照）を配置して、バンド部材６６に形成されたネジ穴６６ａにスクリューネジ６７を締め付けて、さらに緩み防止用のナット６８をスクリューネジ６７に螺着すると、図６に示される状態となる。なお、ナット６８はスクリューネジ６７に螺着されてからさらにかしめられて、緩み防止が施される。

図９は、熱電発電装置本体２０を分解して示した斜視図である。熱電発電装置本体２０は、排気ガスの流れ方向に並べて配置された３個の熱交換部材７０，８０，９０と、その上流側に配置された第１押圧部材２１と、その下流側に配置された第２押圧部材２５とを備えている。また、熱電発電装置本体２０は、３つの熱交換部材７０〜９０、第１押圧部材２１及び第２押圧部材２５を積層された状態で固定するための手段として、それぞれの部材の中心に形成された空洞に挿通されるボルト部材２７と、ボルト部材２７に螺着されてボルト部材２７と係合するナット部材３０とを備えており、ボルト部材２７のネジ部２７ｃにナット部材３０が締め付けられることにより、両押圧部材２１，２５により熱交換部材７０〜９０が挟まれて固定される。なお、ナット部材３０と第２押圧部材２５との間には、２枚の皿バネ２８，２９が重ねて配置されており、熱交換部材７０〜９０の温度変化による寸法変化を許容している。

位置決め部材３１は断面円形の棒状部材であり、位置決め部材３１の両端部のそれぞれは第１押圧部材２１及び第２押圧部材２５の有底穴２１ｆ，２５ｆに嵌め込まれると共に、位置決め部材３１の中央部は熱交換部材７０〜９０の貫通穴７１ｆ，８１ｆ，９１ｆに挿通されて嵌合する。位置決め部材３１が第１押圧部材２１，第２押圧部材２５及び熱交換部材７０〜９０に嵌合することにより、第１押圧部材２１及び第２押圧部材２５に対して熱交換部材７０〜９０を所望の位置に配置することができる。なお、第１押圧部材２１、熱交換部材７０〜９０及び第２押圧部材２５の間には、排気ガスの外部への漏れを防止するためのリング状のガスケット２６が挿入されている。

上記のボルト部材２７は、排気ガスの流れ方向に延びる略円筒形状の部材であり、その内部には上流側から下流側まで貫通する貫通穴２７ｄが形成されている。このボルト部材２７の貫通穴２７ｄが、排気ガスをバイパスさせるためのバイパス流路９として利用されている。このようにボルト部材２７の内部にバイパス流路９を設けることで、熱電発電装置３を全体として小型化することができる。バイパス流路９には、コールドスタート用の触媒を内蔵してもよい。なお、ボルト部材２７の外側面２７ａにはスプライン加工が施されており、排気ガス流れ方向に沿って凹凸が形成されている。また、ボルト部材２７の排気ガス流れ方向の所定の位置には、ボルト部材２７の全周にわたるリング溝２７ｂが形成されている。

熱交換部材７０〜９０のそれぞれは、熱電発電装置３がエキゾーストマニホールド２及び排気管４に接続された際に、エキゾーストマニホールド２及び排気管４に対して固定される固定部材７１，８１，９１と、固定部材７１〜９１に対して排気ガス流れ方向に移動自在に構成される可動部材７２，８２，９２とを備えている。これらの熱交換部材７０〜９０の内部構造について、図９〜図１５を参照して説明する。図１０は、熱交換部材７０〜９０の一部を切断して示す斜視図である。図１１は、熱交換部材７０〜９０の一つを分解して示す斜視図である。図１２は、熱電発電装置３を排気ガス流れ方向に沿って切断して示す断面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面を示す断面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面を示す断面図である。図１５は、図１３のＸＶ−ＸＶ断面を示す断面図である。

図１１に示されるように、固定部材７１〜９１は、内側の空間が排気ガスの通路となる管状のケース部（管部材）７１ｂ，８１ｂ，９１ｂと、そのケース部７１ｂ〜９１ｂの内側面から中心線に向けて延びる吸熱用の多数の固定フィン７１ｃ，８１ｃ，９１ｃと、ケース部７１ｂ〜９１ｂの上流側端部及び下流側端部のそれぞれに設けられた六角形形状のフランジ部７１ｄ，８１ｄ，９１ｄと、熱電モジュール４０が取り付けられる取付け面７１ａ，８１ａ，９１ａとを有しており、これらの部分が同一材料で一体的に構成されている。フランジ部７１ｄ〜９１ｄには、六角形状の角部のそれぞれの近傍に、断面円形の棒状の部材である位置決め部材３１を挿通するための貫通穴７１ｆ，８１ｆ，９１ｆが形成されている。なお、固定部材７１〜９１の材料としては、熱伝導率の高いステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属材料やカーボンなどのセラミック材を用いればよい。

固定フィン７１ｃ〜９１ｃは薄い板状の部材であり、その板面は排気ガスの流れ方向に平行にケース部７１ｂ〜９１ｂから中心に向けて延びており、その先端はケース部７１ｂ〜９１ｂの中心付近であるボルト部材２７の近傍まで至っている。また、固定フィン７１ｃ〜９１ｃは、ケース部７１ｂ〜９１ｂの内面に周方向に若干の隙間を空けて一定間隔ごとに設けられている。本実施形態の熱電発電装置３は、上述したように熱回収流路８の内部で多数の固定フィン７１ｃ〜９１ｃが密集して設けられているタイプである。なお、固定フィン７１ｃ〜９１ｃのそれぞれは、楔形の断面形状を有し、上流側ほど厚くなり、下流側ほど薄くなっている。

可動部材７２〜９２は、固定部材７１〜９１と同心状に配置された円筒状のベース部７２ａ，８２ａ，９２ａと、このベース部７２ａ〜９２ａから放射状に延びる多数の可動フィン７２ｂ，８２ｂ，９２ｂとを備えている。可動フィン７２ｂ〜９２ｂは薄い板状の部材であり、その板面は排気ガスの流れ方向に平行にベース部７２ａ〜９２ａから径方向の外側に向けて延びており、その先端はケース部７１ｂ〜９１ｂの近傍まで至っている。また、可動フィン７２ｂ〜９２ｂは、ベース部７２ａ〜９２ａの外面に周方向に若干の隙間を空けて一定間隔ごとに設けられている。可動フィン７２ｂ〜９２ｂの１つに着目すると、１つの可動フィン７２ｂ〜９２ｂは、２つの固定フィン７１ｃ〜９１ｃの丁度中間の位置に延びている（図１３参照）。なお、可動フィン７２ｂ〜９２ｂのそれぞれは、楔形の断面形状を有し、上流側ほど薄くなり、下流側ほど厚くなっている。

図１１及び図１２に示されるように、ベース部７２ａ〜９２ａの内部には、ベース部７２ａ〜９２ａの下流側端面から上流側端面付近まで延びる円筒溝７２ｃ，８２ｃ，９２ｃが形成されている。言い換えれば、ベース部７２ａ〜９２ａは、２つの直径の異なる円筒状部分が隙間（円筒溝７２ｃ〜９２ｃ）をもって同心状に配置されており、これらの２つの円筒状部分が上流側端部で接続された形状となっている。また、図１１及び図１３に示されるように、ボルト部材２７と接するベース部７２ａ〜９２ａの内面には、全周にわたりスプライン加工が施されており、排気ガス流れ方向に沿って凹凸が形成されている。この可動部材７２〜９２に形成された凹凸が、ボルト部材２７に形成された凹凸と嵌合することにより、可動部材７２〜９２が排気ガス流れ方向に案内されると共に、可動部材７２〜９２が周方向に回転することが防止されている。

図１２に示されるように、ベース部７２ａ〜９２ａの内部に形成された円筒溝７２ｃ〜９２ｃには、当該円筒溝７２ｃ〜９２ｃと直径がほぼ等しいコイルスプリング７３，８３，９３が配置される。また、ボルト部材２７に形成されたリング溝２７ｂには、リング状の止め部材７４，８４が嵌合される。コイルスプリング７３〜９３は、可動部材７２〜９２と止め部材７４，８４との間で圧縮状態で保持され、可動部材７２〜９２を上流側に押圧する。熱交換部材７０〜９０の組み付け時には、ボルト部材２７の外側に固定部材７１〜９１及び可動部材７２〜９２を配置し、可動部材７２〜９２のベース部７２ａ〜９２ａに形成された円筒溝７２ｃ〜９２ｃにコイルスプリング７３〜９３を挿入し、ボルト部材２７に形成されたリング溝２７ｂに止め部材７４，８４を嵌合させる。

可動フィン７２ｂ〜９２ｂがコイルスプリング７３〜９３からの上流側に押圧する力のみを受ける場合には、可動フィン７２ｂ〜９２ｂは最も上流側の位置にある。この時の固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの配置関係が図１４に示されている。一方、上流側から流れてくる排気ガスにより可動フィン７２ｂ〜９２ｂが強い力を受けた場合には、可動フィン７２ｂ〜９２ｂは最も下流側の位置にある。この時の固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの配置関係が図１５に示されている。

図１６には、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガスから力を受けることにより、固定フィン７１ｃ〜９１ｃに対して移動する様子が示されている。図１６（ａ）に示される状態では、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガスから殆ど力を受けておらず、可動フィン７２ｂ〜９２ｂがコイルスプリング７３〜９３により上流側に押し付けられているため、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間の隙間Ｗが狭くなっている。この状態では、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間に形成される排気ガスの流路断面積は小さいため、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間を通過する排気ガスの流速は大きく、排気ガスから固定フィン７１ｃ〜９１ｃへの熱伝達率が大きい。よって、固定フィン７１ｃ〜９１ｃを介して熱電モジュール４０に多くの熱を供給することができ、熱電モジュール４０での発電量を大きくすることができる。

図１６（ｂ）に示される状態では、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガスからある程度の力を受けており、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが移動可能範囲の中域に位置しているため、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間の隙間Ｗが図１６（ａ）の状態よりも拡げられている。さらに、図１６（ｃ）に示される状態では、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガスから強い力を受けており、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガスにより下流側に押し付けられているため、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間の隙間Ｗが最大となっている。図１６（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間の隙間Ｗが拡げられた場合には、固定フィン７１ｃ〜９１ｃと可動フィン７２ｂ〜９２ｂとの間に形成される排気ガスの流路断面積は大きくなるため、熱電発電装置３の上流側の排気ガスを下流側に逃がし、熱電発電装置３の上流側の高圧状態を緩和することができる。これにより、内燃機関の排気ガスの出口圧力が高くなることにより内燃機関の燃費が低下することを防止することができる。

上述した本実施形態に係る熱電発電装置３によれば、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが固定フィン７１ｃ〜９１ｃに対して移動することで、可動フィン７２ｂ〜９２ｂと固定フィン７１ｃ〜９１ｃとの間に形成される排気ガスの流路の断面積を調節可能となっている。よって、上述した熱電発電装置３によれば、排気ガスの圧力損失が大きい場合に、排気ガスの流路の断面積を大きくすることで、排気ガスの圧力損失が大きいことに起因する不具合を抑制することができる。即ち、本実施形態では、内燃機関の排気ガスの出口圧力が大きくなった場合に、可動フィン７２ｂ〜９２ｂが移動して排気ガスの流路の断面積を大きくすることで、内燃機関の気筒内の残留ガスを少なくし、内燃機関の燃費が悪化することを抑制することができる。また、上述した熱電発電装置３によれば、排気ガスの圧力損失が大きいことに起因する不具合が生じない範囲で、排気ガスの流路の断面積を小さくすることで、固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの傍を流れる排気ガスの流速を大きくして、固定フィン７１ｃ〜９１ｃ又は可動フィン７２ｂ〜９２ｂの吸熱量を増加させて熱電発電装置３の発電能力を向上することができる。

また、上述した本実施形態に係る熱電発電装置３によれば、３つの熱交換部材７０〜９０が排気ガス流れ方向に並べて配置されているため、可動フィンを構成する３つの部材７２ｂ，８２ｂ，９２ｂが排気ガス流れ方向に並べて配置されている。可動フィンを構成する３つの部材７２ｂ〜９２ｂは、各々が独立して排気ガス流れ方向に移動自在であるため、可動フィンを構成する各部材７２ｂ〜９２ｂを、その部材７２ｂ〜９２ｂが配置される排気ガス流れ方向の位置に応じて適度に移動させることで、排気ガスの流路の断面積を適度に調節することができる。特に、このように可動フィンを構成する各部材７２ｂ〜９２ｂが独立して移動自在に構成された場合には、可動フィンを構成する３つの部材７２ｂ〜９２ｂのうち、排気ガスの流れ方向の上流側に配置された部材７２ｂ（８２ｂ）は、排気ガスの流れ方向の下流側に配置された部材８２ｂ，９２ｂ（９２ｂ）よりも、排気ガスの流路の断面積を大きくするように設定されることが好ましい。排気ガスの流れ方向の上流側において排気ガスは比較的に高温であり熱膨張していることに応じて、排気ガスの流路の断面積を大きくすれば、内燃機関の燃費が悪化する不具合を抑制することができる。一方、排気ガスの流れ方向の下流側において上流側で吸熱された排気ガスは比較的に低温であり収縮していることに応じて、排気ガスの流路の断面積を小さくすれば、固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの傍を流れる排気ガスの流速を大きくして、熱電発電装置３の発電能力を向上することができる。

各可動フィン７２ｂ〜９２ｂの移動距離は、内燃機関及び熱電発電装置３の総合的な燃費を所定値以上にするように設定されている。ここで、「内燃機関及び熱電発電装置３の総合的な燃費」とは、単位重量の燃料を用いて内燃機関を駆動した場合に、内燃機関が出力する機械的エネルギーと、熱電発電装置３により得られる電気的エネルギーとの総和を意味している。即ち、図１７に示されるように、固定フィン７１ｃ〜９１ｃの吸熱性能に応じて得られる燃費は、排気ガスの流路断面積に対して概ね線形に変化する。一方、固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの圧力損失により失われる燃費は、排気ガスの流路断面積が大きい場合には変化が小さく、排気ガスの流路断面積が小さい場合には変化が大きい。よって、固定フィン７１ｃ〜９１ｃの吸熱性能に応じて得られる燃費から圧力損失により失われる燃費を減算した値Ｄは、ある流路断面積Ｓｍａｘにおいて最大となる。このように総合的な燃費Ｄを最大にする流路断面積Ｓｍａｘとなるように、固定フィン７１ｃ〜９１ｃの形状、可動フィン７２ｂ〜９２ｂの形状、コイルスプリング７３〜９３のバネ定数や自由長などが設計されている。特に、本実施形態のように３つの熱交換部材７０〜９０が設けられた場合には、熱交換部材７０〜９０ごとに、固定フィン７１ｃ〜９１ｃ、可動フィン７２ｂ〜９２ｂ及びコイルスプリング７３〜９３を異なるものとして、排気ガス流れ方向の位置に応じた最適設計を行い、内燃機関及び熱電発電装置３の総合的な燃費Ｄを最大にすればよい。なお、内燃機関及び熱電発電装置３の総合的な燃費Ｄを最大にするような流路断面積Ｓｍａｘが設定されることが好ましいが、内燃機関及び熱電発電装置３の総合的な燃費Ｄをその最大値の一定割合以上（例えば、９５％以上、９０％以上、８５％以上）にするような流路断面積が設定されるのみでも総合的な燃費を改善する効果が得られる。

［第１変形例］
上述した実施形態の第１変形例について説明する。図１８には、第１変形例のフィン構造が、上述した実施形態のフィン構造と対比して示されている。図１８（ａ）には、上述した実施形態における固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの構造が示されており、図１８（ｂ）には、第１変形例における固定フィン１７１ｃ，１８１ｃ，１９１ｃ及び可動フィン１７２ｂ，１８２ｂ，１９２ｂの構造が示されている。上述した実施形態におけるフィン構造では、１つの熱交換部材７０〜９０につき３段の固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂが排気ガス流れ方向に並べて配置されていた。これに対して、第１変形例におけるフィン構造では、１つの熱交換部材７０〜９０につき１段の固定フィン１７１ｃ〜１９１ｃ及び可動フィン１７２ｂ〜１９２ｂだけが配置されている。また、この変形例においては、固定フィン１７１ｃ〜１９１ｃ及び可動フィン１７２ｂ〜１９２ｂが厚くなっていることに応じて、固定フィン１７１ｃ〜１９１ｃと可動フィン１７２ｂ〜１９２ｂとの間の隙間Ｗが大きく設定されており、排気ガスの流路断面積が確保されている。

［第２変形例］
上述した実施形態の第２変形例について説明する。図１９には、第２変形例のフィン構造が、上述した実施形態のフィン構造と対比して示されている。図１９（ａ）には、上述した実施形態における固定フィン７１ｃ〜９１ｃ及び可動フィン７２ｂ〜９２ｂの構造が示されており、図１９（ｂ）には、第２変形例における固定フィン２７１ｃ，２８１ｃ，２９１ｃ及び可動フィン２７２ｂ，２８２ｂ，２９２ｂの構造が示されている。上述した実施形態におけるフィン構造では、固定フィン７１ｃ〜９１ｃが、上流側端部が最も太く、下流側に行くほど細くなる楔形断面を有していた。これに対して、第２変形例におけるフィン構造では、固定フィン２７１ｃ〜２９１ｃが、上流側端部から下流側端部まで一様な太さの矩形断面を有している。

［第３変形例］
上述した実施形態の第３変形例について説明する。図２０には、上述した実施形態の第３変形例が示されている。図２０では、排気ガス流れ方向は紙面に垂直な方向と一致しており、排気ガスは紙面の手前側から奥側に向けて流れる。即ち、図２０は、第３変形例に係る熱電発電装置３０３を上流側から見た断面図である。

固定部材３７１は、矩形の筒状をしたケース部３７１ｂと、このケース部３７１ｂの一部である左側板部３７１ｄから右方に延びる複数の固定フィン３７１ｃと、同じくケースの一部である右側板部３７１ｅから左方に延びる固定フィン３７１ｃとを含み構成されている。固定フィン３７１ｃは、図２０では明確でないが、排気ガス流れ方向の上流側で厚く、排気ガス流れ方向の下流側に行くほど薄くなる形状をしている。一方、可動部材３７２は、固定部材７１〜９１の内部で上下方向に延びるベース部３７２ａと、このベース部３７２ａから左方に延びる可動フィン３７２ｂと、ベース部３７２ａから右方に延びる可動フィン３７２ｂとを含み構成されている。可動フィン３７２ｂは、図２０では明確でないが、排気ガス流れ方向の上流側で薄く、排気ガス流れ方向の下流側に行くほど厚くなる形状をしている。そして、固定フィン３７１ｃと可動フィン３７２ｂとの間に形成された隙間が、排気ガスの流路となっている。

可動部材３７２の中央には排気ガス流れ方向に沿って楕円穴が形成されており、この楕円穴には断面楕円状の軸部材３８０が挿通されている。このように構成されることにより、可動部材３７２が排気ガス流れ方向に移動自在となっている。そして、可動部材３７２が排気ガスから力を受けて下流側に移動するほど、排気ガスの流路断面積が大きくなる。固定部材３７１の左側には、２つの熱電モジュール３４０が密接して配置されており、さらに各熱電モジュール３４０の左側には冷却ケース３５０が配置されている。同様に、固定部材３７１の右側には、２つの熱電モジュール３４０が密接して配置されており、さらに各熱電モジュール３４０の右側には冷却ケース３５０が配置されている。

［第４変形例］
上述した実施形態の第４変形例について説明する。図２１には、上述した実施形態の第４変形例が示されている。図２１では、排気ガス流れ方向は紙面に垂直な方向と一致しており、排気ガスは紙面の手前側から奥側に向けて流れる。即ち、図２１は、第４変形例に係る熱電発電装置４０３を上流側から見た断面図である。

固定部材４７１は、左側板部４７１ｄと、この左側板部４７１ｄから右方に延びる複数の固定フィン４７１ｃとを含み構成されている。固定フィン４７１ｃは、図２１では明確でないが、排気ガス流れ方向の上流側で厚く、排気ガス流れ方向の下流側に行くほど薄くなる形状をしている。一方、可動部材４７２は、右側板部４７２ｄと、この右側板部４７２ｄから左方に延びる複数の可動フィン４７２ｂとを含み構成されている。可動フィン４７２ｂは、図２１では明確でないが、排気ガス流れ方向の上流側で薄く、排気ガス流れ方向の下流側に行くほど厚くなる形状をしている。そして、固定フィン４７１ｃと可動フィン４７２ｂとの間に形成された隙間が、排気ガスの流路となっている。

固定部材４７１には、左側板部４７１ｄの上端から右方に上側板部４７１ｅが延びており、上側板部４７１ｅの先端に形成されたガイド溝４７１ｆに、可動部材４７２の右側板部４７２ｄの上端が嵌合されている。同様に、固定部材４７１には、左側板部４７１ｄの下端から右方に下側板部４７１ｇが延びており、下側板部４７１ｇの先端に形成されたガイド溝４７１ｈに、可動部材４７２の右側板部４７２ｄの下端が嵌合されている。このように可動部材４７２が固定部材４７１により保持されることにより、可動部材４７２が排気ガス流れ方向に移動自在となっている。そして、可動部材４７２が排気ガスから力を受けて下流側に移動するほど、排気ガスの流路断面積が大きくなる。なお、左側板部４７１ｄ、上側板部４７１ｅ、下側板部４７１ｇ及び右側板部４７２ｄにより、排気ガスが流れる管部材が形成されている。

固定部材４７１の左側には、２つの熱電モジュール４４０が密接して配置されており、さらに各熱電モジュール４４０の左側には冷却ケース４５０が配置されている。同様に、可動部材４７２の右側には、２つの熱電モジュール４４０が密接して配置されており、さらに各熱電モジュール４４０の右側には冷却ケース４５０が配置されている。上述した実施形態に係る熱電発電装置４０３では、熱電モジュール４４０は固定部材４７１に密接して配置されるものであったが、第４変形例に係る熱電発電装置４０３では、熱電モジュール４４０は固定部材４７１だけでなく、可動部材４７２にも密接して配置されている。

以上、本発明の熱電発電装置の好適な実施形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態及びその変形例では、固定フィン及び可動フィンが楔形であったが、可動フィンの移動に応じて排気ガスの流路断面積が変化するものであれば、固定フィン及び可動フィンは他の形状であってもよい。また、可動フィンは排気ガス流れ方向の下流側に移動するものであったが、排気ガスの流路断面積が可動フィンの移動に応じて変化すれば、可動フィンは排気ガス流れ方向の上流側に移動するものでもよいし、排気ガス流れ方向に対して垂直に移動するものでもよい。また、可動フィンは排気ガスからの力を受けて移動するものであったが、可動フィンはアクチュエータ（例えばモータなど）からの駆動力により移動するものであってもよい。

本発明に係る熱電発電装置の一実施形態を備えた熱電発電システムを示す概略構成図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置の外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を上流側から見た図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を側方から見た図である。 図３のＶ−Ｖ断面を示す断面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ断面を示す断面図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置を分解して示す斜視図である。 熱電モジュールを固定するための部材を示す斜視図である。 熱電発電装置本体を分解して示す斜視図である。 熱交換部材の一部を切断して示す斜視図である。 熱交換部材の一つを分解して示す斜視図である。 熱電発電装置を排気ガス流れ方向に沿って切断して示す断面図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面を示す断面図である。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面を示す断面図である。 図１３のＸＶ−ＸＶ断面を示す断面図である。 可動フィンが移動する様子を示す断面図である。 流路断面積に対する燃費の変化を示すグラフである。 第１変形例に係るフィン構造を示す断面図である。 第２変形例に係るフィン構造を示す断面図である。 第３変形例に係る熱電発電装置を示す断面図である。 第４変形例に係る熱電発電装置を示す断面図である。

符号の説明

１…熱電発電システム、２…エキゾーストマニホールド、３，６…熱電発電装置、４…排気管、５…触媒、７…マフラー、１０…排気ガス通路切換バルブ、２０…熱電発電装置本体、２１…第１押圧部材、２５…第２押圧部材、２６…ガスケット、２７…ボルト部材、２８，２９…皿バネ、３０…ナット部材、３１…位置決め部材、４０…熱電モジュール（熱電発電部）、５０…冷却ケース、７０，８０，９０…熱交換部材、７１，８１，９１…固定部材、７１ａ，８１ａ，９１ａ…取付け面、７１ｂ，８１ｂ，９１ｂ…ケース部（管部材）、７１ｃ，８１ｃ，９１ｃ…固定フィン、７１ｄ，８１ｄ，９１ｄ…フランジ部、７１ｆ，８１ｆ，９１ｆ…貫通穴、７２，８２，９２…可動部材、７２ａ，８２ａ，９２ａ…ベース部、７２ｂ，８２ｂ，９２ｂ…可動フィン、７２ｃ，８２ｃ，９２ｃ…円筒溝、７３，８３，９３…コイルスプリング、７４，８４…止め部材。

Claims (7)

1. 熱媒体が内部を流れる管部材と、
   前記管部材の内側に並べて配置されると共に、前記管部材に固定された複数の固定フィンと、
   前記複数の固定フィンの間に配置されると共に、前記固定フィンに対して移動自在に構成されることで、前記固定フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積を調節可能とした複数の可動フィンと、
   前記管部材の外側に配置され、前記固定フィン又は前記可動フィンからの熱を利用して発電を行う熱電発電部と、
   を備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記可動フィンは、熱媒体の流れ方向に並べて配置された複数の部材であって、各々が独立して移動自在である複数の部材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記可動フィンを構成する複数の部材のうち、熱媒体の流れ方向の上流側に配置された部材は、熱媒体の流れ方向の下流側に配置された部材よりも、熱媒体の流路の断面積を大きくするように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記固定フィンは上流側ほど厚くなる断面形状を有するものであり、前記可動フィンは上流側ほど薄くなる断面形状を有するものであり、前記可動フィンが下流側に移動することで、前記固定フィンと前記可動フィンとの間に形成される熱媒体の流路の断面積が大きくな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装置。
5. 前記可動フィンは、熱媒体から力を受けて下流側に移動するものであることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
6. 前記熱電発電装置は内燃機関の排気系に取り付けられるものであり、前記可動フィンが移動することにより内燃機関の排気ガスの出口圧力が低下され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装置。
7. 前記可動フィンの移動距離は、内燃機関及び熱電発電装置の総合的な燃費を所定値以上にするように設定されたことを特徴とする請求項６に記載の熱電発電装置。
   

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