JP2008235702A - 熱電発電装置 - Google Patents

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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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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