JP2008235702A

JP2008235702A - 熱電発電装置

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Publication number: JP2008235702A
Application number: JP2007075332A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Iwamoto; 昭一岩本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-02
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Also published as: JP4872741B2; WO2008123330A1

Abstract

【課題】熱回収部材が回収する熱量の変動により熱回収部材が径方向に熱膨張、熱収縮する際にも、熱電発電素子モジュールにその本来の熱発電能力を十分に発揮させることができる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気熱量の変動により各熱電発電ユニット２０を構成する高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂが径方向に熱膨張、熱収縮し、かつ、傾斜する際、熱電発電素子モジュール２３，２３のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端は、フロアピストン組立体２４のフロアピストン２４Ａ，２４Ａが傾動することにより、それぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに確実に押圧されて平面接触し、この状態でフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの径方向に相対的に摺動する。このため、熱電発電素子モジュール２３，２３は、その本来の熱発電能力を十分に発揮する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、例えば内燃機関の排気熱を回収して熱発電するのに好適な熱電発電装置に関するものである。

熱電発電装置として、内燃機関の排気熱を回収して熱発電するものが従来一般に知られている。この種の熱電発電装置は、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生する複数の熱電発電素子がＰＮ接続された熱電発電素子モジュールを備えている(例えば特許文献１参照)。

ここで、特許文献１には、内燃機関の排気が流通する熱回収部材としての吸熱管路と、この吸熱管路の外側に所定の間隔を開けて配設された放熱部材としての冷却管路との間に円環状に構成される熱電発電素子モジュールが開示されている。この円環状の熱電発電素子モジュールは、各熱電発電素子が円周方向にＰＮ接合されており、各熱電発電素子は、吸熱管路の周方向に沿ってその外周面に接触する高温電極と、冷却管路の周方向に沿ってその内周面に接触する低温電極との間に放射状に配列されている。
特開昭６１−２５４０８２号公報（第２図〜第４図）

前述したように、従来一般に知られている熱電発電装置においては、熱電発電素子モジュールを構成する各熱電発電素子が放射状に配列されており、その高温端が高温電極を介して吸熱管路の外周面に曲面接触し、低温端が低温電極を介して冷却管路の内周面に曲面接触している。このため、内燃機関の運転状態に応じた排気熱量の変動により熱回収部材である吸熱管路が径方向に熱膨張、熱収縮を繰り返すと、各熱電発電素子の高温端側と吸熱管路との接触性能が低下し、その結果、熱電発電素子モジュールがその熱発電能力を十分に発揮できなくなる恐れがある。

そこで、本発明は、熱回収部材が回収する熱量の変動により熱回収部材が径方向に熱膨張、熱収縮する際にも、熱電発電素子モジュールにその本来の熱発電能力を十分に発揮させることができる熱電発電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る熱電発電装置は、熱回収部材に高温端側が接触し、低温端側が放熱部材に接触することで熱発電可能な複数の熱電発電素子がＰＮ接続された熱電発電素子モジュールを備える熱電発電装置であって、熱電発電素子モジュールは、円環状に形成された熱回収部材の側面に高温側が押圧されて平面接触する円環状に構成されていることを特徴とする。

本発明に係る熱電発電装置では、熱回収部材が回収する熱量の変動により熱回収部材が径方向に熱膨張、熱収縮する際にも、熱電発電素子モジュールの高温側が熱回収部材の側面に確実に平面接触するため、熱電発電素子モジュールがその本来の熱発電能力を十分に発揮する。

本発明の熱電発電装置において、熱回収部材が放射状に配列された多数のくし歯状のフィンを有し、隣接する一対の熱回収部材のフィン同士が所定のクリアランスをあけて交互に噛み合うように構成されていると、フィンの占有スペースにおけるフィンの枚数が実質的に倍増して吸熱性能が向上するので好ましい。

また、本発明の熱電発電装置においては、熱電発電素子モジュールの高温側を熱回収部材の側面に押圧する手段として、球部材を介して相互に傾動可能な一対の押圧部材を備えることができる。この場合、熱回収部材の熱膨張、熱収縮によりその側面が傾いた際には、その傾いた側面に熱電発電素子モジュールの高温側が追従するように押圧部材が傾動するため、この押圧部材により押圧される熱電発電素子モジュールの高温側が熱回収部材の側面に確実に平面接触する。

本発明に係る熱電発電装置によれば、熱回収部材が回収する熱量の変動により熱回収部材が径方向に熱膨張、熱収縮する際にも、熱電発電素子モジュールの高温側が熱回収部材の側面に確実に平面接触するため、熱電発電素子モジュールにその本来の熱発電能力を十分に発揮させることができる。

また、熱回収部材が放射状に配列された多数のくし歯状のフィンを有し、隣接する一対の熱回収部材のフィン同士がクリアランスをあけて交互に噛み合うように構成されている場合には、フィンの占有スペースにおけるフィンの枚数が倍増するため、熱回収部材の吸熱性能を向上させることができる。

さらに、熱電発電素子モジュールの高温側を熱回収部材の側面に押圧する手段として、球部材を介して相互に傾動可能な一対の押圧部材を備えている場合には、熱回収部材の熱膨張、熱収縮によりその側面が傾いた際にも、その傾いた側面に熱電発電素子モジュールの高温側が追従するように押圧部材が傾動するため、この押圧部材により押圧される熱電発電素子モジュールの高温側を熱回収部材の側面に確実に平面接触させることができる。その結果、熱回収部材の熱膨張、熱収縮によりその側面が傾いた際にも、熱電発電素子モジュールにその本来の発電能力を十分に発揮させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電装置の最良の実施形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図、図２は図１に示した熱電発電装置の外観を示す斜視図、図３は図２に示した熱電発電装置の側面図、図４は同熱電発電装置の正面図、図５は同熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図、図６は同熱電発電装置の内部構造を示す分解斜視図断、図７は同熱電発電装置の内部構造を示す縦断面図である。

一実施形態に係る熱電発電装置は、車両に搭載された内燃機関の排気系に排出される排気から排気熱を回収して熱発電するように構成されている。このため、図１に示すように、一実施形態の熱電発電装置１は、内燃機関（図示省略）の排気系において、例えば、排気上流側の排気マニホールド２に接続された触媒コンバータ３と、排気下流側のマフラー４との間に介設されている。

熱電発電装置１により熱発電される電気エネルギーは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）５によってオン・オフ制御されるＤＣ−ＤＣコンバータ６を介してバッテリー７に充電されるように構成されている。

なお、車両の登坂運転時のような内燃機関の高負荷運転領域で熱電発電装置１の回収熱量を一時的に低減させたり、あるいは熱電発電装置１のシステム異常の際に熱回収を停止させるため、熱電発電装置１の中心部には、触媒コンバータ３からマフラー４側に排気を直接流通させるバイパス管８が貫通して設置されている。そして、このバイパス管８の排気流入口には、ＥＣＵ５によって開閉制御されるバイパスバルブ９が付設されている。

ここで、図２〜図７に示すように、熱電発電装置１は、その外周部を構成する中空円筒状の冷却水ケース１０、排気の流入部を構成する筒状の流入側ハウジング１１、排気の流出部を構成する筒状の流出側ハウジング１２、流入側ハウジング１１を覆う流入側ジャバラ管１３、流出側ハウジング１２を覆う流出側ジャバラ管１４等の部材を備えて構成されている。

冷却水ケース１０は、図８に示すように、円筒状内壁部材１０Ａの両端部に円筒状外壁部材１０Ｂの両端部がカシメ付けられることで中空円筒状に形成されている。この冷却水ケース１０の内部には、螺旋状の冷却水流路を形成するための螺旋状隔壁部材１０Ｃが設置されている。円筒状内壁部材１０Ａおよび螺旋状隔壁部材１０Ｃは、熱伝導率が大きくて軽量なアルミニウム材で構成されており、両者はロー付けにより一体化されている。一方、円筒状外壁部材１０Ｂは、飛び石等によってもひび割れが発生する恐れのない薄い鋼板で構成されている。

この円筒状外壁部材１０Ｂの後端部には、冷却水が流入する流入側ニップル１０Ｄが固定され、前端部には冷却水が流出する流出側ニップル１０Ｅが固定されている。これらの流入側ニップル１０Ｄおよび流出側ニップル１０Ｅは、図１に示したＥＣＵ５によりオン・オフ制御される冷却水循環ポンプ１５およびラジエータ１６を備えた冷却水の循環管路に接続されており、冷却水循環ポンプ１５がＥＣＵ５によりオン制御されると、ラジエータ１６で冷却された冷却水が冷却水ケース１０内を流通して循環するようになっている。

その際、流入側ニップル１０Ｄから冷却水ケース１０内に流入した冷却水は、螺旋状隔壁部材１０Ｃにより冷却水ケース１０内に形成された螺旋状の冷却水流路を淀みなく流通することにより、熱伝導率の大きなアルミニウム材で構成された円筒状内壁部材１０Ａの全周を確実に冷却する。

流入側ハウジング１１は、図５〜図７に示すよう、筒状のハウジング本体１１Ａと、このハウジング本体１１Ａの内端部に同心状にインロー嵌合するリング状の流入側挟持部材１１Ｂとの組み合わせ構造とされており、ハウジング本体１１Ａの内端部には、複数本の放射状連結部１１Ｃを介して連続する小径のリング状支持部１１Ｄが形成されている。

同様に、流入側挟持部材１１Ｂには、ハウジング本体１１Ａの各放射状連結部１１Ｃおよびリング状支持部１１Ｄに重なる複数本の放射状連結部１１Ｅおよびリング状支持部１１Ｆが形成されている。そして、ハウジング本体１１Ａおよび流入側挟持部材１１Ｂは、それぞれリング状支持部１１Ｄおよびリング状支持部１１Ｆがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。

流出側ハウジング１２も流入側ハウジング１１と同様に、複数本の放射状連結部１２Ｃおよび小径のリング状支持部１２Ｄを有する筒状のハウジング本体１２Ａと、複数本の放射状連結部１２Ｅおよび小径のリング状支持部１２Ｆを有するリング状の流出側挟持部材１２Ｂとの組み合わせ構造とされている。そして、この流出側ハウジング１２のハウジング本体１２Ａおよび流出側挟持部材１２Ｂは、それぞれリング状支持部１２Ｄおよびリング状支持部１２Ｆがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。

ここで、流入側ハウジング１１内に臨むバイパス管８の前端部には大径部８Ａが形成されている。この大径部８Ａの段部には、流入側ハウジング１１を構成するハウジング本体１１Ａのリング状支持部１１Ｄを介して流入側挟持部材１１Ｂのリング状支持部１１Ｆが係止されている。

一方、流出側ハウジング１２内に臨むバイパス管８の後端部には小径部８Ｂが形成されており、この小径部８Ｂには複数の皿ばね１７および押しナット１８が装着されている。そして、押しナット１８のねじ込みにより、皿ばね１７が流出側ハウジング１２を構成するハウジング本体１２Ａのリング状支持部１２Ｆを介して流出側挟持部材１２Ｂのリング状支持部１２Ｆを前方に押圧している。

流入側ジャバラ管１３は、その外端部に固定された接続リング１３Ａが流入側ハウジング１１のハウジング本体１１Ａの外端部に気密状態で嵌合固定され、その内端部に固定された接続リング１３Ｂが冷却水ケース１０の前端部に気密状態で嵌合固定されている。同様に、流出側ジャバラ管１４は、その外端部に固定された接続リング１４Ａが流出側ハウジング１２のハウジング本体１２Ａの外端部に気密状態で連結され、その内端部に固定された接続リング１４Ｂが冷却水ケース１０の他端部に気密状態で連結されている。

ここで、図５〜図７に示すよう、流入側ハウジング１１を構成する流入側挟持部材１１Ｂの外周部の側面と、流出側ハウジング１２を構成する流出側挟持部材１２Ｂの外周部の側面との間には、バイパス管８の外周および冷却水ケース１０の内周に摺動自在に嵌合するドーナツ状に組み立てられた熱電発電ユニット２０が排気流入側から排気流出側に向かって例えば１２段に設置されている。

各熱電発電ユニット２０は、図５に示すように、熱回収部材としてバイパス管８の外周に嵌合されるリング状の高温側フィン付熱流板２１と、放熱部材として冷却水ケース１０の内周に嵌合されるリング状の低温側熱流板２２と、両者の間に介設される熱電発電素子モジュール２３とで構成されている。

ここで、図７に示すように、各熱電発電ユニット２０を構成する各高温側フィン付熱流板２１の外周部付近は、流入側挟持部材１１Ｂの外周部側面と流出側挟持部材１２Ｂの外周部側面との間に所定の押付け荷重で挟持されている。この押付け荷重は、バイパス管８の小径部８Ｂに装着された押しナット１８のねじ込み量により皿ばね１７の反発力を調整することで最適化されている。

また、各熱電発電ユニット２０を構成する各低温側熱流板２２の外周面は、熱伝導性の高いシリコングリース層を介して冷却水ケース１０の内周面に密着している。そして、流入側ジャバラ管１３および流出側ジャバラ管１４により外気と遮断された冷却水ケース１０の内側空間には、熱電発電素子モジュール２３の酸化を防止するための窒素ガスなどの適宜の不活性ガスが充填されている。

ここで、熱電発電ユニット２０の高温側フィン付熱流板２１は、図９に分解して示すように、相互に対向して組み合わされる左右一対で構成されている。各高温側フィン付熱流板２１は、耐熱性のある絶縁性セラミックスにより一体に成形されており、リング状の本体２１Ａの左右方向の外端側に形成された大径のフランジ部２１Ｂと、本体２１Ａの内周側に放射状に配列されて形成された多数のくし歯状のフィン２１Ｃとを有する。

各高温側フィン付熱流板２１のくし歯状の多数のフィン２１Ｃは、本体２１Ａからフランジ部２１Ｂと反対側に突出している。そして、多数のフィン２１Ｃの突出方向に向くフランジ部２１Ｂの内側面には、熱電発電素子モジュール２３を構成する一群の小判形の高温側電極２３Ａが環状に配列されて嵌め込み接合される。

このような左右一対の高温側フィン付熱流板２１，２１は、くし歯状の多数のフィン２１Ｃ，２１Ｃ同士が所定のクリアランスをあけて交互に噛み合わされ、この状態で本体２１Ａ，２１Ａ同士が突当てられて組み合わされる。そして、この高温側フィン付熱流板２１，２１のくし歯状の多数のフィン２１Ｃ，２１Ｃがバイパス管８を囲んでその外周に嵌合されることにより（図５参照）、バイパス管８の周囲には、バイパス管８の軸方向に沿って排気が流通する所定のクリアランスが形成される。

熱電発電ユニット２０の低温側熱流板２２は、絶縁性セラミックスにより一体に成形されており、外周面が冷却水ケース１０の内周面に嵌合する幅の広い環状の嵌合部２２Ａと、内周部が左右一対の高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂ間に臨む幅の狭い環状の装着部２２Ｂとを有する。

低温側熱流板２２の装着部２２Ｂには、一群のフロアピストン組立体２４が環状に配列されて嵌合される。また、装着部２２Ｂの両側面には、熱電発電素子モジュール２３を構成する一群の小判形の低温側電極２３Ｂがそれぞれ環状に配列されて嵌め込まれる。そして、この低温側熱流板２２の両側部には、熱電発電素子モジュール２３を構成する左右一対のホルダ２３Ｃ，２３Ｃが各低温側電極２３Ｂを装着部２２Ｂとの間に挟み込んだ状態でそれぞれ装着される。

各ホルダ２３Ｃは、軟質の耐熱性樹脂で構成されており、低温側熱流板２２の嵌合部２２Ａの内周面に嵌合するツバ状の嵌合部２３Ｃ１と、低温側熱流板２２の装着部２２Ｂの側面に重なるリング状の装着部２３Ｃ２とを有する。そして、各ホルダ２３Ｃの装着部２３Ｃ２には、熱電発電素子モジュール２３を構成する一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端が若干の締め代をもって嵌合装着される。これにより、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎが交互に環状に配列される。なお、各ホルダ２３Ｃは、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端を装着部２３Ｃ２に嵌合装着しているため、不用意に高温となることがなく、耐熱性に問題がない。

熱電発電素子モジュール２３は、一方の高温側フィン付熱流板２１と低温側熱流板２２との間に構成されると共に、他方の高温側フィン付熱流板２１と低温側熱流板２２との間にも構成されている。すなわち、一つの熱電発電ユニット２０には、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３が構成されており、１ユニット２モジュールの構成となっている。

各熱電発電ユニット２０に構成される２組の熱電発電素子モジュール２３，２３は、それぞれ図１０に示すように、交互に環状に配列される一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎと、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端にそれぞれ接触してＰＮ接続される一群の低温側電極２３Ｂと、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端にそれぞれ接触してＰＮ接続される一群の高温側電極２３Ａとで環状に構成される。

ここで、前述したように熱電発電装置１の排気流入側から排気流出側に向かって例えば１２段に配置される各熱電発電ユニット２０のうち、排気流入側の６段の各熱電発電ユニット２０にそれぞれ構成される２組の熱電発電素子モジュール２３，２３は、両端部が出力端子２５，２６に接続された銅板配線２７を介して相互に直列に接続されており、合計１２組の熱電発電素子モジュール２３が電気的に１つのグループを構成している。

同様に、排気流出側の６段の各熱電発電ユニット２０にそれぞれ構成される２組の熱電発電素子モジュール２３，２３は、両端部が他の出力端子２５，２６に接続された他の銅板配線２７を介して相互に直列に接続されており、合計１２組の熱電発電素子モジュール２３が電気的に他の１つのグループを構成している。

各熱電発電素子モジュール２３におけるｐ型熱電発電素子Ｐとｎ型熱電発電素子ＮとのＰＮ対は３０対であり、１つのグループを構成する１２組の熱電発電素子モジュール２３のＰＮ対は３６０対であって、１対のＰＮ対の発電電圧を数百ｍＶとしても、１つのグループは数十Ｖの熱発電能力を有する。このため、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６による電圧変換時の電圧比を小さくすることができ、バッテリー７への充電効率がよい。

このように、排気流入側の６段の各熱電発電ユニット２０が電気的に１つのグループを構成し、排気流出側の６段の各熱電発電ユニット２０が電気的に他の１つのグループを構成しているため、内燃機関の排気熱量が少ない低負荷運転領域においても、その排気熱量を十分に吸収できる排気流入側の６段の各熱電発電ユニット２０によって確実に熱発電することが可能となる。

これに対し、仮に全１２段の各熱電発電ユニット２０が電気的に１つのグループを構成している場合、内燃機関の排気熱量が小さい低負荷運転領域では、その排気熱量の殆どが排気流入側の各熱電発電ユニット２０で吸収されてしまうため、排気流出側の各熱電発電ユニット２０は熱発電に寄与できなくなる。そしてこの場合、排気流出側の各熱電発電ユニット２０の熱電発電素子モジュール２３を構成するｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの内部抵抗や、これらと高温側電極２３Ａまたは低温側電極２３Ｂとの間の接合抵抗が増大するため、熱発電に寄与する排気流入側の各熱電発電ユニット２０の熱電発電素子モジュール２３も、その熱発電能力が低下する。

なお、図１０に示した銅板配線２７の一端部に接続された出力端子２５は、例えば図１１に示すように、流入側ジャバラ管１３の接続リング１３Ｂを貫通した状態で気密に接続リング１３Ｂに固定されている。すなわち、出力端子２５は、その外端部に螺合されたナット２８のねじ込みにより、外端部に装着された一方の絶縁カラー２９Ａが内端部に予めモールドされた他方の絶縁カラー２９Ｂとの間に接続リング１３Ｂを挟持することで接続リング１３Ｂに気密に固定されている。そして、この出力端子２５の外端部には、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６に接続されているリード線の丸端子（図示省略）がナット２８と一方の絶縁カラー２９Ａとの間に挟持されて接続される。

また、図１１に示すように、高温側フィン付熱流板２１の本体２１Ａ，２１Ａの対向面間には、冷却水ケース１０で覆われた空間に充填される不活性ガス（例えば窒素ガス）を封止するためにリング状のガスケットＧ１が挟持されている。さらに、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの対向面間およびフランジ部２１Ｂと流入側ハウジング１１の流入側挟持部材１１Ｂとの対向面間には、熱移動を抑制するためのリング状のガスケットＧ２が挟持されている。なお、図１１に図示されていない流出側ハウジング１２の流出側挟持部材１２Ｂとフランジ部２１Ｂとの対向面間にも同様のガスケットが挟持されている。

ここで、図１２に示すように、各高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂの内側面には、一群の小判形の高温側電極２３Ａが嵌め込まれる複数の小判形の凹部２１Ｄが形成されている。また、低温側熱流板２２の装着部２２Ｂの両側面には、それぞれ一群の小判形の低温側電極２３Ｂが嵌め込まれる複数の小判形の凹部２２Ｃが形成されている。そして、この低温側熱流板２２の装着部２２Ｂには、一群のフロアピストン組立体２４（図９参照）がそれぞれ遊嵌される複数のピストン収容孔２２Ｄが各凹部２２Ｃの両端部に開口して形成されている。

各フロアピストン組立体２４は、図１３に分解して示すように、左右一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａの対向面に形成された球面凹部２４Ｂ（一方のみ図示）間に真球部材２４Ｃを挟み込んで構成された組立体である。各フロアピストン２４Ａは、フッ素ゴムなどの耐熱ゴムからなる低弾性体層２４Ｄの両側に絶縁性セラミックス製のピストン本体２４Ｅ，２４Ｅが接合された構造を有する。一方、真球部材２４Ｃは、ステンレス鋼、アルミニウム、セラミックス等の材料で球形に形成されている。

ここで、図１４に拡大して示すように、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端および低温端には、その耐摩耗性を向上させるように、例えばニッケルなどの硬質メッキ層Ｍ１，Ｍ２が形成されている。そして、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端の硬質メッキ層Ｍ１の外周角部には、高温側電極２３Ａに対するエッジロードを緩和してｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの破損を防止するように、数μｍ程度のクラウニングが施されている。

一方、高温側電極２３Ａには、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端の硬質メッキ層Ｍ１に接触する面を除いて適宜の絶縁層Ｚ１が形成されている。同様に、低温側電極２３Ｂにも、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端の硬質メッキ層Ｍ２に接触する面を除いて適宜の絶縁層Ｚ２が形成されている。これにより、高温側電極２３Ａに絶縁層Ｚ１を介して接触する高温側フィン付熱流板２１、低温側電極２３Ｂに絶縁層Ｚ２を介して接触する低温側熱流板２２およびフロアピストン２４Ａ，２４Ａは、それぞれ適宜の金属材料で構成可能となっている。

ここで、図７に示したように、流入側挟持部材１１Ｂと流出側挟持部材１２Ｂとの間に外周部付近が所定の押付け荷重で挟持されている熱電発電ユニット２０の各高温側フィン付熱流板２１は、図１５に示すように、隣接する２つの熱電発電ユニット２０のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの外端面同士がガスケットＧ２を挟んで圧接している。そして、１つの熱電発電ユニット２０を構成する一対の高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内端面間には、低温側熱流板２２の両側に構成される２組の熱電発電素子モジュール２３，２３が低温側熱流板２２のピストン収容孔２２Ｄに遊嵌された一群のフロアピストン組立体２４を介して所定の押付け荷重により挟持されている。

このように組み立てられた各熱電発電ユニット２０において、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端は、それぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに平面接触することで、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの径方向に相対的に摺動自在となっており、また、フランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面の傾斜に追従して傾動可能となっている。

ここで、各フロアピストン組立体２４は、所定の押付け荷重の反力により、その両側の熱電発電素子モジュール２３，２３の低温側の各低温側電極２３Ｂ，２３Ｂを押圧することにより、高温側の各高温側電極２３Ａ，２３Ａをそれぞれ高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面に押圧する手段として機能している。この場合、各フロアピストン組立体２４は、一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａの中間部に設けられた低弾性体層２４Ｄ，２４Ｄが適宜伸縮することで、熱電発電素子モジュール２３，２３の厚み方向の寸法誤差や低温側熱流板２２の装着部２２Ｂの厚み方向の寸法誤差などを吸収する。

そして、このようなフロアピストン組立体２４は、低温側熱流板２２のピストン収容孔２２Ｄに遊嵌されていることで、押圧部材としての一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａが真球部材２４Ｃを支点にそれぞれ首振り状態に傾動自在となっている。なお、ピストン収容孔２２Ｄには、低温側電極２３Ｂ，２３Ｂからフロアピストン２４Ａ，２４Ａを介して装着部２２Ｂに流れる熱の抵抗を低減させるため、適宜の熱伝導グリスが充填されている。

以上のように構成された本実施形態の熱電発電装置１では、図示しない車両の内燃機関の運転開始に伴い、排気が熱電発電装置１の流入側ハウジング１１から流出側ハウジング１２に向けて流通すると、各段の熱電発電ユニット２０を構成するそれぞれ一対の高温側フィン付熱流板２１，２１が多数のくし歯状のフィン２１Ｃにより排気熱を回収する。その際、一対の高温側フィン付熱流板２１，２１は、多数のくし歯状のフィン２１Ｃ同士が所定のクリアランスをあけて交互に噛み合っているため、相互の温度が均一化されると共に、その吸熱性能が向上して効率良く排気熱を回収する。

そして、排気熱を回収した一対の高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂから低温側熱流板２２の両側に構成された２組の熱電発電素子モジュール２３，２３の高温側に熱入力が開始されることで、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３がそれぞれ熱発電を開始する。こうして、各段の熱電発電ユニット２０が熱発電を開始すると、その電気エネルギーがＥＣＵ５によってオン・オフ制御されるＤＣ−ＤＣコンバータ６を介してバッテリー７に充電される。

ここで、車両の低速走行時などの内燃機関の低負荷運転領域では排気流量と共に排気熱量が減少し、車両の登坂走行時などの内燃機関の高負荷運転領域では排気流量と共に排気熱量が増大する。すなわち、車両の走行状況に応じた内燃機関の負荷領域に応じて排気熱量が増減し、排気温度が大幅に変動する。この場合、熱電発電装置１を構成する各段の熱電発電ユニット２０においては、高温側フィン付熱流板２１，２１が熱膨張、熱収縮を繰り返す。

この場合、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂは、主として径方向に熱膨張、熱収縮を繰り返す。その際、各熱電発電ユニット２０を構成する２組の熱電発電素子モジュール２３，２３においては、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端がそれぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに対して径方向に相対的に摺動し、その低温端もそれぞれ低温側電極２３Ｂ，２３Ｂに対して径方向に相対的に摺動する。

従って、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂが径方向に熱膨張、熱収縮を繰り返しても、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎには剪断応力が発生せず、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの変形や破損が防止される。そして、特に、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端がそれぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに確実に平面接触し、その低温端がそれぞれ低温側電極２３Ｂ，２３Ｂに確実に平面接触するため、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３は、その本来の熱発電能力を十分に発揮する。

ここで、高温側フィン付熱流板２１，２１が熱膨張する際、そのフランジ部２１Ｂ，２１Ｂは、熱流入側である内周側の厚みが熱流出側である外周側の厚みより増大する傾向となるため、フランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面が若干傾斜することがある。

この場合、各フロアピストン組立体２４の一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａが真球部材２４Ｃを支点にそれぞれ首振り状態に傾動することで、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎがフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面の傾斜に追従して傾動する。そして、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端がそれぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに確実に平面接触する。従って、この場合にも、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３は、その本来の熱発電能力を十分に発揮する。

すなわち、本実施形態の熱電発電装置１によれば、各段の熱電発電ユニット２０を構成する高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂが径方向に熱膨張、熱収縮を繰り返しても、熱電発電素子モジュール２３，２３の高温側がフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面に確実に平面接触するため、熱電発電素子モジュール２３，２３にその本来の熱発電能力を十分に発揮させることができる。

また、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂが熱膨張、熱収縮して、その内側面が傾斜しても、フロアピストン組立体２４の一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａが真球部材２４Ｃを支点にそれぞれ首振り状態に傾動することで、熱電発電素子モジュール２３，２３の高温側がフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面の傾斜に追従して確実に平面接触するため、熱電発電素子モジュール２３，２３にその本来の熱発電能力を十分に発揮させることができる。

さらに、排気熱を回収する熱回収部材としての高温側フィン付熱流板２１，２１は、交互に所定のクリアランスをあけて噛み合う多数のくし歯状のフィン２１Ｃをそれぞれ有する構造とされており、これらのフィン２１Ｃ，２１Ｃが一般に製造困難な密集フィンを構成している。そして、実質的にフィンの枚数が倍増した密集フィンにより、高温側フィン付熱流板２１，２１の吸熱性能を向上させることができる。

なお、本実施形態の熱電発電装置１においては、車両の低速走行時などのように内燃機関が低負荷運転領域となって排気熱量が減少した場合にも、熱電発電装置１の排気流入側に配設された６段の各熱電発電ユニット２０を構成する１２組の各熱電発電素子モジュール２３が確実に熱発電する。

また、流入側ジャバラ管１３および流出側ジャバラ管１４により外気と遮断された冷却水ケース１０の内側空間に窒素ガスなどの適宜の不活性ガスを充填して各段の熱電発電ユニット２０の熱電発電素子モジュール２３の酸化を一括して防止するようにしているため、各段の熱電発電ユニット２０毎に熱電発電素子モジュール２３の酸化防止対策を施す必要がなくなり、その分、製造が容易となる。

本発明に係る熱電発電装置は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、熱電発電ユニット２０は、図７に示した例では全１２段であるが、その段数は適宜増減することができる。また、熱電発電ユニット２０の熱電発電素子モジュール２３は、図１０に示した例では合計１２組が６組ずつの２つのグループに電気的に２分割されているが、４組ずつの３つのグループに３分割し、あるいは３組ずつの４つのグループに４分割してもよい。

さらに、図８に示した冷却水ケース１０の螺旋状隔壁部材１０Ｃは、密集状態となるようにピッチ間隔を小さくしてもよい。この場合、放熱フィンとして機能する螺旋状隔壁部材１０Ｃの放熱面積が増大し、円筒状内壁部材１０Ａから冷却水への熱抵抗が減少するため、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端が効果的に冷却される。その結果、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と低温端との温度差Δｔが大きくなり、各熱電発電素子モジュール２３の熱発電量が増大する。

また、熱電発電ユニット２０は、図１６〜図２０に示すような構造に変更することができる。図１６に示す熱電発電ユニット２０には、冷却水ケース１０内の冷却水が一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａを貫通して低温側熱流板２２内を循環する冷却水通路３０が形成されている。そして、冷却水通路３０のシール構造として、低温側熱流板２２の嵌合部２２Ａの外周面にはＯリング３１を装着され、一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａの外周にはそれぞれＯリング３２が装着されている。

図１６に示した熱電発電ユニット２０では、一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａが冷却水通路３０を循環する冷却水により冷却されることで、その両側の２組の熱電発電素子モジュール２３，２３の低温側であるｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端が冷却される。その結果、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と低温端との温度差Δｔが大きくなり、各熱電発電素子モジュール２３の熱発電量が増大する。

ここで、図１６に示した一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａの対向面間には、図１５に示した真球部材２４Ｃに代えてコイルスプリング３３が介設されている。この場合、コイルスプリング３３のばね力を適宜の値に設定することで、一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａは、その両側の２組の熱電発電素子モジュール２３，２３の高温側であるｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端をそれぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａを介して高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面に最適な荷重で押圧することができる。

図１７に示す熱電発電ユニット２０では、２組の熱電発電素子モジュール２３，２３の低温側電極２３Ｂ，２３Ｂがそれぞれｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端に予めハンダ付け等により接合されている。また、高温側フィン付熱流板２１，２１は、セラミックス等の絶縁材料により、フランジ部２１Ｂ，２１Ｂの内側面が凹部２１Ｄ，２１Ｄの無い平坦面に形成されており、その平坦な内側面に絶縁層Ｚ１の無い高温側電極２３Ａ，２３Ａが直接接合されている。

図１７に示した熱電発電素子モジュール２３，２３では、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端がそれぞれ高温側電極２３Ａ，２３Ａに対して摺動自在に平面接触しているため、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂが径方向に熱膨張、熱収縮しても、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎにはせん断応力が発生しない。なお、低温側熱流板２２および低温側電極２３Ｂ，２３Ｂは、温度変動が小さく径方向の熱膨張、熱収縮が殆ど無いため、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎにはせん断応力が発生しないのであり、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの破損が防止される。

図１８に示す熱電発電ユニット２０は、図１７に示した一対のフロアピストン２４Ａ，２４Ａ間の真球部材２４Ｃを図１６に示したコイルスプリング３３に変更したものであり、その他の部分は図１７に示した熱電発電ユニット２０と同様に構成されている。このため、図１８に示す熱電発電ユニット２０においても、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎにはせん断応力が発生せず、その破損が防止される。

図１７、図１８に示した熱電発電ユニット２０において、高温側電極２３Ａ，２３Ａは、高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの平坦な内側面に接合することなく平面接触するようにし、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端にそれぞれ拡散接合してもよい。

図１９はこのように構成された片側の熱電発電素子モジュール２３を示しており、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、低温端に低温側電極２３Ｂがハンダ付け等により接合され、高温端に高温側電極２３Ａが拡散接合されている。この場合、高温側電極２３Ａが図１７、図１８に示した高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂの平坦な内側面に摺動自在に平面接触しているため、図１７、図１８に示した熱電発電ユニット２０と同様にｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの破損が防止される。

なお、図１９に示した低温側電極２３Ｂは、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端に接合することなく平面接触するように構成してもよい。図２０はこのように構成された片側の熱電発電素子モジュール２３を示しており、この場合にも図１７、図１８に示した熱電発電ユニット２０と同様にｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの破損が防止される。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図である。図１に示した熱電発電装置の外観を示す斜視図である。図２に示した熱電発電装置の側面図である。図３に示した熱電発電装置の正面図である。図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図である。図５に示した熱電発電装置の分解斜視図である。図５に示した熱電発電装置の内部構造を示す縦断面図である。図６に示した冷却水ケースの内部構造を示す断面斜視図である。図６に示した熱電発電ユニットの構造を示す分解斜視図である。図９に分解して示した熱電発電素子モジュールの組合わせ状態を示す斜視図である。図７に示した流入側ジャバラ管の近傍を拡大して図１０に示した出力端子の固定構造を示す部分拡大断面図である。図６に示した熱電発電ユニットの一部を切り出して示す分解斜視図である。図９に示したフロアピストン組立体の分解斜視図である。図１０に示した熱電発電素子モジュールのｐ型熱電発電素子（ｎ型熱電発電素子）と共に示す高温側電極および低温側電極の断面図である。図７に示した熱電発電ユニットの一部を拡大して示す部分拡大断面図である。図１５に示した低温側熱流板の変形例を示す熱電発電ユニットの部分拡大断面図である。図１５に示した熱電発電素子モジュールの変形例を示す熱電発電ユニットの部分拡大断面図である。図１７に示したフロアピストン組立体の変形例を示す熱電発電ユニットの部分拡大断面図である。図１７および図１８に示した熱電発電素子モジュールの斜視図である。図１９に示した熱電発電素子モジュールの変形例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…熱電発電装置、５…ＥＣＵ、６…ＤＣ−ＤＣコンバータ、７…バッテリー、８…バイパス管、９…バイパスバルブ、１０…冷却水ケース、１０Ａ…円筒状内壁部材、１０Ｂ…円筒状外壁部材、１０Ｃ…螺旋状隔壁部材、１０Ｄ…流入側ニップル、１０Ｅ…流出側ニップル、１１…流入側ハウジング、１２…流出側ハウジング、１３…流入側ジャバラ管、１４…流出側ジャバラ管、１５…冷却水循環ポンプ、１６…ラジエータ、１７…皿ばね、１８…押しナット、２０…熱電発電ユニット、２１…高温側フィン付熱流板(熱回収部材)、２１Ａ…本体、２１Ｂ…フランジ部、２１Ｃ…フィン、２２…低温側熱流板(放熱部材)、２２Ａ…嵌合部、２２Ｂ…装着部、２２Ｃ…凹部、２２Ｄ…ピストン収容孔、２３…熱電発電素子モジュール、２３Ａ…高温側電極、２３Ｂ…低温側電極、２３Ｃ…ホルダ、２４…フロアピストン組立体、２４Ａ…フロアピストン、２４Ｃ…真球部材、２４Ｄ…低弾性体層、２４Ｅ…ピストン本体、２５，２６…出力端子、２７…銅板配線、２８…ナット、２９Ａ，２９Ｂ…絶縁カラー、３０…冷却水通路、３３…コイルスプリング、Ｇ１，Ｇ２…ガスケット、Ｎ…ｎ型熱電発電素子、Ｐ…ｐ型熱電発電素子、Ｍ１，Ｍ２…硬質メッキ層、Ｚ１，Ｚ２…絶縁層。

Claims

熱回収部材に高温端側が接触し、低温端側が放熱部材に接触することで熱発電可能な複数の熱電発電素子がＰＮ接続された熱電発電素子モジュールを備える熱電発電装置であって、
前記熱電発電素子モジュールは、円環状に形成された前記熱回収部材の側面に高温側が押圧されて平面接触する円環状に構成されていることを特徴とする熱電発電装置。
前記熱回収部材は放射状に配列された多数のくし歯状のフィンを有し、隣接する一対の熱回収部材のフィン同士が所定のクリアランスをあけて交互に噛み合うように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。
前記熱電発電素子モジュールの高温側を前記熱回収部材の側面に押圧する手段として、球部材を介して相互に傾動可能な一対の押圧部材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。