JP2009295752A - Thermoelectric power generation module - Google Patents
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Description
本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換することが可能な熱電発電モジュール(熱電変換モジュール)に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric power generation module (thermoelectric conversion module) capable of directly converting thermal energy into electrical energy.
熱電発電モジュールは、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2種類の極性の異なるp型およびn型の熱電発電素子が高温側電極および低温側電極を介して交互に直列にパイ型接続された構造を有する。 The thermoelectric power generation module is composed of two types of p-type and n-type thermoelectric generators with different polarities that generate thermoelectromotive force according to a temperature difference by the Seebeck effect, and are alternately connected in series via a high temperature side electrode and a low temperature side electrode. It has a die-connected structure.
この熱電発電モジュールは、熱エネルギを電気エネルギに直接変換する熱電発電装置などの主要部を構成するものであり、その形態としては、一群の熱電発電素子が縦横に配列された平板型モジュールや、一群の熱電発電素子が円環状に配列された円環型モージュールが一般に知られている。 This thermoelectric power generation module constitutes a main part of a thermoelectric power generation device or the like that directly converts thermal energy into electrical energy, and as its form, a flat module in which a group of thermoelectric power generation elements are arranged vertically and horizontally, An annular module in which a group of thermoelectric generators are arranged in an annular shape is generally known.
この種の熱電発電モジュールは、高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流部材と、低温側電極から熱を流出させる冷却側熱流部材との間に所定のモジュール荷重で挟持され、この状態で一群の熱電発電素子の高温端から低温端に向かって熱流が貫通することにより、その熱エネルギを電気エネルギに直接変換して発電する。 This type of thermoelectric power generation module is sandwiched between a heat absorption side heat flow member that allows heat to flow into the high temperature side electrode and a cooling side heat flow member that causes heat to flow out of the low temperature side electrode under a predetermined module load. When the heat flow penetrates from the high temperature end to the low temperature end of the thermoelectric power generation element, the heat energy is directly converted into electric energy to generate electric power.
ここで、熱電発電モジュールの高温側電極は、隣接するp型とn型の二つの熱電発電素子の高温端同士を接続するものであり、通常、二つの熱電発電素子の高温側の端面に跨って平面接触する平板状に形成されている。一方、低温側電極は、隣接するn型とp型の二つの熱電発電素子の低温端同士を接続するものであり、通常、二つの熱電発電素子の低温側の端面に跨って平面接触する平板状に形成されている。 Here, the high temperature side electrode of the thermoelectric power generation module connects the high temperature ends of two adjacent p-type and n-type thermoelectric power generation elements, and usually straddles the end faces on the high temperature side of the two thermoelectric power generation elements. It is formed in a flat plate shape that comes into flat contact. On the other hand, the low-temperature side electrode connects the low-temperature ends of two adjacent n-type and p-type thermoelectric power generation elements, and is usually a flat plate that is in plane contact across the low-temperature end surfaces of the two thermoelectric power generation elements. It is formed in a shape.
ところで、熱電発電素子の端面に電極がロウ付けなどにより接合された熱電発電モジュールでは、両者の熱膨張の相違から熱電発電素子と電極との接合部に熱応力が発生し、その接合部が破損する恐れがある。そこで、従来、熱電発電素子と電極との間に発生する熱応力を緩和する種々の技術手段が提案されている(例えば特許文献1〜5参照)。
By the way, in a thermoelectric power generation module in which an electrode is joined to the end face of a thermoelectric power generation element by brazing or the like, thermal stress is generated at the joint between the thermoelectric power generation element and the electrode due to the difference in thermal expansion between the two, and the joint is damaged. There is a fear. Therefore, conventionally, various technical means for relaxing the thermal stress generated between the thermoelectric generator and the electrode have been proposed (see, for example,
すなわち、電極に収縮可能な蛇行部を設けた技術手段が特許文献1に、電極をワイヤで構成した技術手段が特許文献2に、熱電発電素子の線膨張係数に近似する線膨張係数をもつ導電性材料で電極を構成した技術手段が特許文献3に、剛性の低い導電性金属で電極を構成した技術手段が特許文献4に、電極を接合するハンダ層にボイドを設けた技術手段が特許文献5において提案されている。また、電極を一対のキャップ状のバネ式のクリップで構成し、両者を導線により接続した技術手段が特許文献5において開示されている。
ところで、熱電発電モジュールの高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流部材は、昇温によりバイメタル変形するため、その変形量が大きいと、熱電発電モジュールの高温側電極側との間に大きな隙間があいて空気層が発生する。この場合、吸熱側熱流部材と高温側電極との間の熱流抵抗が増大して高温側電極への熱流量が減少し、その結果、熱電発電モジュールの発電性能が低下するという問題がある。しかしながら、このような問題点は、前述した特許文献1〜5に記載の技術手段では解消することができない。
By the way, since the heat absorption side heat flow member that allows heat to flow into the high temperature side electrode of the thermoelectric power generation module is deformed by bimetal due to temperature rise, if the deformation amount is large, a large gap is formed between the high temperature side electrode side of the thermoelectric power generation module. An air layer is generated. In this case, there is a problem that the heat flow resistance between the heat absorption side heat flow member and the high temperature side electrode increases and the heat flow rate to the high temperature side electrode decreases, and as a result, the power generation performance of the thermoelectric power generation module decreases. However, such a problem cannot be solved by the technical means described in
もっとも、熱電発電モジュールを吸熱側熱流部材と冷却側熱流部材との間に挟持するモジュール荷重を増大させれば、バイメタル変形した吸熱側熱流部材に熱電発電モジュールの高温側電極側を追従させて両者の間の熱抵抗を減少させ、高温側電極への熱流量を確保して熱電発電モジュールの発電性能の低下を抑制することも可能ではある。 However, if the module load that sandwiches the thermoelectric power generation module between the heat absorption side heat flow member and the cooling side heat flow member is increased, the heat absorption side heat flow member deformed by the bimetal is made to follow the high temperature side electrode side of the thermoelectric generation module. It is also possible to reduce the thermal resistance between the two and secure a heat flow rate to the high temperature side electrode to suppress a decrease in the power generation performance of the thermoelectric power generation module.
しかしながら、このような対応手段は、吸熱側熱流部材のバイメタル変形が絶えず繰り返される場合の信頼性が低い。また、過大荷重によって熱電発電素子が破損する虞もある。さらに、吸熱側熱流部材および冷却側熱流部材を堅牢に構成する必要があり、その結果、重量の増大や製造コストの上昇を招くという問題もある。 However, such a countermeasure is low in reliability when the bimetal deformation of the heat absorption side heat flow member is continuously repeated. Moreover, there is a possibility that the thermoelectric power generation element may be damaged by an excessive load. Furthermore, the heat absorption side heat flow member and the cooling side heat flow member need to be constructed firmly, and as a result, there is a problem that the weight increases and the manufacturing cost increases.
そこで、本発明は、モジュール荷重を増大させることなく、吸熱側熱流部材のバイメタル変形に伴う熱電発電モジュールの発電性能の低下を高い信頼性をもって抑制することができる熱電発電モジュールを提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has an object to provide a thermoelectric power generation module that can highly reliably suppress a decrease in power generation performance of the thermoelectric power generation module due to bimetal deformation of the heat absorption side heat flow member without increasing the module load. And
本発明に係る熱電発電モジュールは、極性の異なる2種類の熱電発電素子が高温側電極および低温側電極を介して交互に直列にパイ型接続される熱電発電モジュールであって、高温側電極は、隣接する二つの熱電発電素子の高温端にそれぞれ接合される一対の高温側第1電極と、一対の高温側第1電極を弾性的に包持して熱電発電素子の軸方向にスライド可能な高温側第2電極との組合わせにより構成されていることを特徴とする。 A thermoelectric power generation module according to the present invention is a thermoelectric power generation module in which two types of thermoelectric power generation elements having different polarities are alternately connected in series via a high temperature side electrode and a low temperature side electrode, A pair of high temperature side first electrodes respectively joined to the high temperature ends of two adjacent thermoelectric power generation elements and a pair of high temperature side first electrodes that elastically enclose and can slide in the axial direction of the thermoelectric power generation elements It is comprised by the combination with a side 2nd electrode.
本発明に係る熱電発電モジュールでは、高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流部材が昇温によりバイメタル変形する際、そのバイメタル変形に追従して高温側第2電極が一対の高温側第1電極を弾性的に包持しつつ熱電発電素子の軸方向にスライドする。このため、吸熱側熱流部材から高温側第2電極に確実に熱が流入するようになり、この高温側第2電極から高温側第1電極を介して各熱電発電素子の高温端に流入する熱流量が十分に確保される。 In the thermoelectric power generation module according to the present invention, when the heat absorption side heat flow member that allows heat to flow into the high temperature side electrode undergoes bimetal deformation due to temperature rise, the high temperature side second electrode follows the bimetal deformation and the pair of high temperature side first electrodes. Is slid in the axial direction of the thermoelectric power generation element while elastically holding. For this reason, heat surely flows from the heat absorption side heat flow member to the high temperature side second electrode, and heat flows from the high temperature side second electrode to the high temperature end of each thermoelectric power generation element via the high temperature side first electrode. A sufficient flow rate is secured.
その結果、吸熱側熱流部材のバイメタル変形に起因する熱電発電モジュールの発電性能の低下が高い信頼性をもって抑制される。また、各熱電発電素子には過大なモジュール荷重が作用しないため、各熱電発電素子の破損も防止される。 As a result, a decrease in power generation performance of the thermoelectric power generation module due to the bimetal deformation of the heat absorption side heat flow member is suppressed with high reliability. Moreover, since an excessive module load does not act on each thermoelectric power generation element, each thermoelectric power generation element is prevented from being damaged.
本発明の熱電発電モジュールにおいては、低温側電極も高温側電極と同様に、隣接する二つの熱電発電素子の低温端にそれぞれ接合される一対の低温側第1電極と、一対の低温側第1電極を弾性的に包持して熱電発電素子の軸方向にスライド可能な低温側第2電極との組合わせにより構成されているのが好ましい。 In the thermoelectric power generation module of the present invention, a pair of low temperature side first electrodes and a pair of low temperature side first electrodes, which are respectively joined to the low temperature ends of two adjacent thermoelectric power generation elements as well as the high temperature side electrodes. It is preferable that the electrode is formed by a combination with a second electrode on the low temperature side that can elastically hold the electrode and slide in the axial direction of the thermoelectric generator.
この場合、吸熱側熱流部材が昇温によりバイメタル変形する際には、そのバイメタル変形に追従して低温側第2電極が一対の低温側第1電極を弾性的に包持しつつ熱電発電素子の軸方向にスライドするため、この低温側第2電極から冷却側熱流部材へ確実に熱が流出するようになり、各熱電発電素子を貫通する熱流量が十分に確保される。 In this case, when the heat absorption side heat flow member is deformed by bimetal due to temperature rise, the low temperature side second electrode elastically encloses the pair of low temperature side first electrodes following the deformation of the bimetal, and the thermoelectric power generation element. Since it slides in the axial direction, heat surely flows out from the low temperature side second electrode to the cooling side heat flow member, and a sufficient heat flow through each thermoelectric power generation element is secured.
ここで、高温側電極の高温側第2電極および低温側電極の低温側第2電極は、熱電発電素子の軸方向にスライド可能な一対のクランプ部と、一対のクランプ部を相対変位可能に弾性的に連結する弾性連結部とが一体に形成されたものとされ、一対のクランプ部の剛性が弾性連結部の剛性よりも大きく設定されているのが好ましい。 Here, the high temperature side second electrode of the high temperature side electrode and the low temperature side second electrode of the low temperature side electrode are elastic so that the pair of clamp portions slidable in the axial direction of the thermoelectric generator and the pair of clamp portions can be relatively displaced. It is preferable that the elastic connecting portion to be integrally connected is integrally formed, and the rigidity of the pair of clamp portions is set larger than the rigidity of the elastic connecting portion.
この場合、高温側電極と低温側電極との間に熱膨脹差が発生した際には、一対のクランプ部よりも剛性の小さい弾性連結部が弾性変形して一対のクランプ部を相対変位させるため、一対のクランプ部を介して包持された熱電発電素子が無理なく傾動するようになり、熱電発電素子には過大な熱応力が発生しなくなる。 In this case, when a thermal expansion difference occurs between the high temperature side electrode and the low temperature side electrode, the elastic coupling portion having a rigidity smaller than that of the pair of clamp portions is elastically deformed to relatively displace the pair of clamp portions. The thermoelectric power generation element held via the pair of clamp portions comes to tilt without difficulty, and no excessive thermal stress is generated in the thermoelectric power generation element.
なお、このような高温側第2電極および低温側第2電極は、一対のクランプ部および弾性連結部が曲げ加工された板金製とすることができ、そうすることで、高温側第2電極および低温側第2電極の製造コストが低減される。 In addition, such a high temperature side second electrode and a low temperature side second electrode can be made of a sheet metal in which a pair of clamp portions and an elastic connection portion are bent, and by doing so, the high temperature side second electrode and The manufacturing cost of the low temperature side second electrode is reduced.
また、このような高温側第2電極および低温側第2電極を有する本発明の熱電発電モジュールは、一群の熱電発電素子が縦横に配列された平型モジュールに限らず、一群の熱電発電素子が円環状に配列された円環型モージュールとしても構成可能である。 In addition, the thermoelectric power generation module of the present invention having such a high temperature side second electrode and a low temperature side second electrode is not limited to a flat module in which a group of thermoelectric power generation elements are arranged vertically and horizontally. It can also be configured as an annular module arranged in an annular shape.
本発明に係る熱電発電モジュールによれば、高温側電極に熱を流入させる吸熱側熱流部材のバイメタル変形に追従して高温側第2電極が一対の高温側第1電極を弾性的に包持しつつ熱電発電素子の軸方向にスライドするため、吸熱側熱流部材から高温側第2電極に確実に熱が流入するようになり、この高温側第2電極から高温側第1電極を介して各熱電発電素子の高温端に流入する熱流量が十分に確保される。従って、吸熱側熱流部材のバイメタル変形に伴う熱電発電モジュールの発電性能の低下を高い信頼性をもって抑制することができる。また、各熱電発電素子には過大なモジュール荷重が作用しないため、各熱電発電素子の破損も防止することができる。 According to the thermoelectric power generation module of the present invention, the high temperature side second electrode elastically encloses the pair of high temperature side first electrodes following the bimetal deformation of the heat absorption side heat flow member that allows heat to flow into the high temperature side electrode. However, since the thermoelectric power generation element slides in the axial direction, heat surely flows from the heat absorption side heat flow member to the high temperature side second electrode, and each thermoelectric element passes from the high temperature side second electrode via the high temperature side first electrode. The heat flow flowing into the high temperature end of the power generation element is sufficiently secured. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the thermoelectric power generation module due to the bimetal deformation of the heat absorption side heat flow member with high reliability. Moreover, since an excessive module load does not act on each thermoelectric power generation element, damage to each thermoelectric power generation element can also be prevented.
また、本発明の熱電発電モジュールにおいて、熱電発電素子の軸方向にスライド可能な一対のクランプ部と、一対のクランプ部を相対変位可能に弾性的に連結する弾性連結部とが高温側電極の高温側第2電極および低温側電極の低温側第2電極に一体に形成されており、一対のクランプ部の剛性が弾性連結部の剛性よりも大きく設定されていると、高温側電極と低温側電極との間に熱膨脹差が発生した際に、弾性連結部が弾性変形して一対のクランプ部を相対変位させるため、一対のクランプ部を介して包持された熱電発電素子を無理なく傾動させることができ、熱電発電素子に過大な熱応力が発生して熱電発電素子が破損するのを回避することができる。 In the thermoelectric power generation module of the present invention, the pair of clamp parts slidable in the axial direction of the thermoelectric power generation element and the elastic connection part that elastically connects the pair of clamp parts so as to be relatively displaceable include a high temperature side electrode. The high temperature side electrode and the low temperature side electrode are formed integrally with the low temperature side second electrode of the side second electrode and the low temperature side electrode, and the rigidity of the pair of clamp portions is set to be larger than the rigidity of the elastic coupling portion. When the thermal expansion difference occurs between the two and the elastic coupling portion is elastically deformed to relatively displace the pair of clamp portions, the thermoelectric power generation element held via the pair of clamp portions should be tilted without difficulty. It is possible to prevent the thermoelectric power generation element from being damaged due to excessive thermal stress generated in the thermoelectric power generation element.
以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電モジュール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は本発明に係る熱電発電モジュールを備えた高温型熱電スタックおよび低温型熱電スタックが介設されている内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図、図2は図1に示した高温型熱電スタックの外観を示す斜視図、図3は図2に示した高温型熱電スタックの側面図、図4は図2に示した高温型熱電スタックの分解斜視図である。 Hereinafter, the best embodiment of a thermoelectric power generation module according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a plan view showing a schematic structure of an exhaust system of an internal combustion engine in which a high temperature type thermoelectric stack including a thermoelectric power generation module according to the present invention and a low temperature type thermoelectric stack are interposed, and FIG. FIG. 3 is a side view of the high temperature type thermoelectric stack shown in FIG. 2, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the high temperature type thermoelectric stack shown in FIG.
本発明の第1実施形態および第2実施形態に係る熱電発電モジュールは、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ものである。図1に示すように、第1実施形態の熱電発電モジュールは、高温型の熱電発電装置である高温型熱電スタック1に組み込まれ、第2実施形態の熱電発電モジュールは、低温型の熱電発電装置である低温型熱電スタック2に組み込まれている。
The thermoelectric power generation module according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention recovers exhaust heat from exhaust discharged to an exhaust system of an internal combustion engine mounted on a vehicle to generate thermoelectric power. As shown in FIG. 1, the thermoelectric power generation module of the first embodiment is incorporated in a high temperature
高温型熱電スタック1は、内燃機関(図示省略)の排気系の上流側となる排気マニホールド3と触媒コンバータ4との間に介設されている。一方、低温型熱電スタック2は、排気系の下流側となる触媒コンバータ4とマフラー5との間に介設されている。高温型熱電スタック1は、内燃機関の高負荷運転時における高温の排気熱で触媒コンバータ4が劣化することのないように、触媒コンバータ4の浄化温度を保持できる範囲で排気熱を回収するように構成されている。
The high temperature type
高温型熱電スタック1の中心部には、排気マニホールド3からの排気を触媒コンバータ4側に直接流通させるためのバイパス流路6が構成され、その周囲には熱回収流路7が構成されている。そして、バイパス流路6の排気流入口には、内燃機関の低負荷運転時に開き、高負荷運転時には閉じるように開閉制御される流路切換バルブ8が付設されている。
At the center of the high-temperature type
ここで、内燃機関の低負荷運転時には、流路切換バルブ8がバイパス流路6を開くため、排気マニホールド3からの排気がバイパス流路6から触媒コンバータ4を介して低温型熱電スタック2に流通するようになる。このため、低温型熱電スタック2のみが排気熱を回収して熱電発電を開始し、その電気エネルギーが図示しないDC−DCコンバータを介してバッテリに充電される。
Here, during low load operation of the internal combustion engine, the flow
一方、内燃機関の高負荷運転時には、流路切換バルブ8がバイパス流路6を閉じるため、排気マニホールド3からの排気が熱回収流路7を流通した後、触媒コンバータ4を介して低温型熱電スタック2に流通するようになる。このため、高温型熱電スタック1および低温型熱電スタック2の両方が排気熱を回収して熱電発電を開始し、その電気エネルギが図示しないDC−DCコンバータを介してバッテリに蓄電される。
On the other hand, when the internal combustion engine is operating at a high load, the flow
ここで、第1実施形態の熱電発電モジュールが組み込まれている高温型熱電スタック1は、図2の斜視図および図3の側面図に示すような外観を呈するものであり、排気の流入部を構成するハウジングである流入側コーン部1Aと排気の流出部を構成するハウジングである流出側コーン部1Bとの間に例えば前後3段の熱電発電ユニット10,10,10を備えている。
Here, the high-temperature
各熱電発電ユニット10は、図4の分解斜視図に示すように、流入側コーン部1Aと流出側コーン部1Bとの間に配置されるスタック本体11と、スタック本体11の外周に形成された各モジュール取付面11A上にそれぞれ設置される第1実施形態の熱電発電モジュール12と、各熱電発電モジュール12上に設置される冷却水ケース13と、各冷却水ケース13をスタック本体11の外周に包持するバンド部材14と、各バンド部材14を支持部材として各冷却水ケース13から各熱電発電モジュール12にモジュール荷重を加える押圧手段15などを備えて構成されている。
As shown in the exploded perspective view of FIG. 4, each thermoelectric
スタック本体11は、吸熱側熱流部材を構成するものであり、例えばステンレス鋼(SUS)系などの耐熱性のある材料により、図5の分解斜視図に示すような概略六角形の筒状に形成されている。このスタック本体11の外周には四角形のモジュール取付面11Aが6面形成され、その内周には吸熱用の多数のくし歯状のフィン11Bが放射状に形成され、その前後の端部には接続用のフランジ部11Cが形成されている。
The
スタック本体11の内周に放射状に形成された多数のフィン11Bの内端部は中心穴を形成しており、この中心穴には、バイパス流路6(図1参照)を構成する管状のボルト部材1Cが貫通する。そして、この管状のボルト部材1Cの周囲に熱回収流路7(図1参照)が構成される。すなわち、スタック本体11の内周に放射状に形成された多数のフィン11Bの間の隙間と、この隙間に連通するように流入側コーン部1Aおよび流出側コーン部1Bに形成された排気通過孔1D,1Dとによって熱回収流路7が構成される。
The inner ends of a large number of
前後3段に配置される各スタック本体11は、例えば6本の位置決めロッド1Eが各フランジ部11Cを貫通した状態で流入側コーン部1Aと流出側コーン部1Bとの間にガスケット1F,1F…と交互に配置される。そして、流入側コーン部1Aから流出側コーン部1Bへと貫通する管状のボルト部材1Cの頭部と、このボルト部材1Cの先端部に皿バネ1Gを介して螺合されるナット部材1Hとによって流入側コーン部1Aと流出側コーン部1Bとが相互に締結されることで、前後3段の各スタック本体11は、流入側ハウジング1Aと流出側ハウジング1Bとの間に皿バネ1Gの圧縮反力を受けた状態でガスケット1Fと交互に挟持される。
Each of the
熱電発電モジュール12は、図4に示すような四角形の平板型に構成されている。この熱電発電モジュール12は、四角形の枠状に形成されたモジュールステー16に嵌め込まれ、このモジュールステー16を介して吸熱側熱流部材11のモジュール取付面11A上に高温面が密着するように装着される。
The thermoelectric
冷却水ケース13は、熱電発電モジュール12を冷却する冷却側熱流部材を構成するものであり、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導性の高い材料により、熱電発電モジュール12の低温面に密着する四角形のブロック状に形成されている(図6参照)。
The cooling
各冷却水ケース13は、図示しないラジエータとの間で冷却水が循環するように構成されている。すなわち、前後3段の各冷却水ケース13は、ジョイントパイプ13A,13Aを介して相互に連通されると共に、後段の冷却水ケース13にはラジエータから冷却水が流入する流入側ニップル13Bが接続され、前段の冷却ケース13にはラジエータに向けて冷却水が流出する流出側ニップル13Cが接続されている。
Each cooling
ここで、前後3段の各冷却水ケース13が熱電発電モジュール12を押圧するモジュール荷重の方向に相対的に変位できるようにするため、ジョイントパイプ13Aは、なまし銅やアルミニウムなどの柔軟性のある材料で構成されている。なお、このジョイントパイプ13Aは、ゴムホースや蛇腹管などで構成されていてもよい。
Here, the
このように前後3段に分割された各冷却ケース13が柔軟性のあるジョイントパイプ13Aを介して連結されているため、各冷却ケース13は、モジュール荷重の方向に相対的に変位でき、その結果、各熱電発電モジュール12の低温面と各冷却ケース13のモジュール接触面との間、および、各熱電発電モジュール12の高温面とスタック本体11のモジュール取付面11Aとの間には隙間による空気層が発生しにくくなっている。
Thus, since each cooling
バンド部材14は、剛性のある金属材料により、各冷却ケース13を包持する環状に構成されている(図4参照)。このバンド部材14には、スタック本体11の径方向の熱膨脹を吸収するためのクッション部14Aが周方向に等間隔で例えば6箇所に形成されている。各クッション部14Aは、半径方向に蛇行して屈曲することで周方向に伸縮可能となっている。
The
押圧手段15は、複数枚の皿バネ15Aを挟み込む第1バネサポータ15Bおよび第2バネサポータ15Cと、冷却水ケース13の外面に形成された湾曲面の受け凹部13Dに嵌め込まれることで第2バネサポータ15Cを受け止める円板状のベースキャップ15Dと、冷却水ケース13の外面上に固定されることで、第1バネサポータ15Bおよび複数枚の皿バネ15Aを包囲する筒状のカバーキャップ15Eとを備えている(図7参照)。
The pressing means 15 is fitted into the
また、押圧手段15は、図7に示すようにバンド部材14にねじ込まれることで、第1バネサポータ15Bを押し込んで各皿バネ15Aを撓ませる押ネジ部材15Fと、この押ネジ部材15Fのねじ込み位置を保持するように押ネジ部材15Fに螺合されるナット部材15Gとを備えている。
Further, the pressing means 15 is screwed into the
このような押圧手段15の各皿バネ15Aの圧縮反力は、バンド部材14のクッション部14Aの弾性力と協働してモジュール荷重を発生するのであり、このモジュール荷重が各冷却水ケース13を介して各熱電発電モジュール12に加えられることで、各冷却ケース13のモジュール接触面が各熱電発電モジュール12の低温面に密着し、各熱電発電モジュール12の高温面がスタック本体11のモジュール取付面11Aに密着するようになっている。
The compression reaction force of each
そして、スタック本体11が径方向に熱膨張する際には、押圧手段15の各皿バネ15Aが撓み、バンド部材14のクッション部14Aが伸張することで、スタック本体11や熱電発電モジュール12に過大な熱応力が発生しないようになっている。
When the
ここで、熱電発電モジュール12は、図8の断面図に示すような内部構造を有する。すなわち、熱電発電モジュール12は、中空板状に形成されたケーシング12A内に、極性の異なる2種類の熱電発電素子であるp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nが高温側電極12Bおよび低温側電極12Cを介して交互に直列にパイ型接続されて縦横に平板状に配列された内部構造を備えている。
Here, the thermoelectric
ケーシング12Aは、例えばステンレス鋼(SUS)系などの耐熱性のある材料で構成されており、スタック本体11のモジュール取付面11Aに押圧される高温面側の吸熱板部12Dと、冷却水ケース13のモジュール接触面が押圧される低温面側の放熱板部12Eとを有する。
The
ここで、ケーシング12Aの高温面側の吸熱板部12Dは、スタック本体11の昇温に伴いモジュール取付面11Aが凹面状にバイメタル変形する際、そのバイメタル変形に柔軟に追従できるように、厚さが0.2mm程度に薄く設定されている。そして、この吸熱板部12Dの裏面には、セラミック繊維からなる薄い絶縁シート12Fが接合されている。一方、ケーシング12Aの低温面側の放熱板部12Eは、吸熱板部12Dよりも若干厚い厚さに設定されており、その裏面には、セラミック製の絶縁板12Gが接合されている。
Here, the
このようなケーシング12Aの内部空間には、p型熱電発電素子P、n型熱電発電素子N、高温側電極12Bおよび低温側電極12Cなどが高温下で酸化するのを防止するため、窒素ガスやアルゴンガスなどの適宜の不活性ガスが充填されている。
In such an inner space of the
p型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nは、例えば円柱状に形成されており、その軸方向にモジュール荷重が作用する向きでケーシング12A内に交互に縦横に配列されている(図9参照)。すなわち、p型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nは、それらの高温端側が吸熱板部12D側に向き、それらの低温端側が放熱板部12E側に向くように配列されている。
The p-type thermoelectric power generation element P and the n-type thermoelectric power generation element N are formed in, for example, a cylindrical shape, and are alternately arranged vertically and horizontally in the
このように配列されたp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nは、ゼーベック効果により高温端と低温端との温度差に応じた熱起電力をそれぞれ発生する。その際、p型熱電発電素子Pは、高温端側が−極となり、低温端側が+極となる。反対に、n型熱電発電素子Nは、高温端側が+極となり、低温端側が−極となる。 The p-type thermoelectric power generation element P and the n-type thermoelectric power generation element N arranged in this way generate thermoelectromotive forces according to the temperature difference between the high temperature end and the low temperature end due to the Seebeck effect. At that time, in the p-type thermoelectric power generation element P, the high temperature end side becomes a negative pole, and the low temperature end side becomes a positive pole. On the contrary, the n-type thermoelectric power generation element N has a positive pole on the high temperature end side and a negative pole on the low temperature end side.
そこで、n型熱電発電素子Nの+極となる高温端側と、p型熱電発電素子Pの−極となる高温端側とが高温側電極12Bを介して交互に接続され、p型熱電発電素子Pの+極となる低温端側と、n型熱電発電素子Nの−極となる低温端側とが低温側電極12Cを介して交互に接続される。
Therefore, the high temperature end side serving as the + pole of the n-type thermoelectric power generation element N and the high temperature end side serving as the negative pole of the p-type thermoelectric power generation element P are alternately connected via the high
ここで、高温側電極12Bおよび低温側電極12Cは、図10および図11に示すような構造とされている。すなわち、高温側電極12Bは、左右に隣接する二つのn型熱電発電素子Nおよびp型熱電発電素子Pの高温側端面にそれぞれハンダやロウ付けなどで接合される短円柱状の一対の高温側第1電極12B1,12B1と、一対の高温側第1電極12B1,12B1の周面を弾性的に包持してn型熱電発電素子Nおよびp型熱電発電素子Pの軸方向にスライド可能な高温側第2電極12B2との組合わせにより構成されている。
Here, the high
同様に、低温側電極12Cは、左右に隣接する二つのp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nの低温側端面にそれぞれハンダやロウ付けなどで接合される短円柱状の一対の低温側第1電極12C1,12C1と、一対の低温側第1電極12C1,12C1の周面を弾性的に包持してp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nの軸方向にスライド可能な低温側第2電極12C2との組合わせにより構成されている。
Similarly, the low
高温側電極12Bを構成する一対の高温側第1電極12B1,12B1および単一の高温側第2電極12B2は、高温酸化や高温クリープに対する耐性を備えた耐熱性のあるステンレス鋼(SUS)系などの材料で構成されている。一方、低温側電極12Cを構成する一対の低温側第1電極12C1,12C1および単一の低温側第2電極12C2は、良好な熱伝導性を備えた銅やアルミニウムなどの材料で構成されている。
The pair of high temperature side first electrodes 12B1 and 12B1 and the single high temperature side second electrode 12B2 constituting the high
高温側第2電極12B2は、例えばステンレス鋼の帯金を概略C字形のクリップ状に折り曲げ加工した板金製であり、その両端部には、内向きに開口するC字形の円弧状に屈曲することで一対の高温側第1電極12B1,12B1の周面を弾性的に包持する一対のクランプ部12B3,12B3が形成されている。また、一対のクランプ部12B3,12B3の間の中央部には、外向きの山形に屈曲することで一対のクランプ部12B3,12B3を相互に傾動変位可能に弾性的に連結する弾性連結部12B4が形成されている。 The high temperature side second electrode 12B2 is made of, for example, a sheet metal obtained by bending a stainless steel band into a generally C-shaped clip, and bent at both ends thereof into a C-shaped arc that opens inward. A pair of clamp portions 12B3 and 12B3 are formed which elastically enclose the peripheral surfaces of the pair of high temperature side first electrodes 12B1 and 12B1. In addition, an elastic connecting portion 12B4 that elastically connects the pair of clamp portions 12B3 and 12B3 to each other so as to be tiltable and displaceable by bending outwardly in a central shape between the pair of clamp portions 12B3 and 12B3. Is formed.
この弾性連結部12B4の剛性は、一対のクランプ部12B3,12B3の剛性より小さく設定されている。換言すれば、一対のクランプ部12B3,12B3の剛性は、弾性連結部12B4の剛性より大きく設定されている。その結果、一対のクランプ部12B3,12B3は、一対の高温側第1電極12B1,12B1の周面を弾性的に包持した状態を維持しつつ相互に傾動変位可能となっている。そして、このような高温側第2電極12B2の弾性連結部12B4は、図8に示した絶縁シート12Fを介してケーシング12Aの吸熱板部12Dに接合されている。
The rigidity of this elastic connection part 12B4 is set smaller than the rigidity of a pair of clamp part 12B3, 12B3. In other words, the rigidity of the pair of clamp parts 12B3 and 12B3 is set larger than the rigidity of the elastic coupling part 12B4. As a result, the pair of clamp parts 12B3 and 12B3 can be tilted and displaced from each other while maintaining the state of elastically holding the peripheral surfaces of the pair of high temperature side first electrodes 12B1 and 12B1. And the elastic connection part 12B4 of such a high temperature side 2nd electrode 12B2 is joined to the heat-absorbing-
一方、低温側第2電極12C2は、例えば銅の帯金を概略C字形のクリップ状に折り曲げ加工した板金製であり、その両端部には、内向きに開口するC字形の円弧状に屈曲することで一対の低温側第1電極12C1,12C1の周面を弾性的に包持する一対のクランプ部12C3,12C3が形成されている。また、一対のクランプ部12C3,12C3の間の中央部には、外向きの山形に屈曲することで一対のクランプ部12C3,12C3を相互に傾動変位可能に弾性的に連結する弾性連結部12C4が形成されている。 On the other hand, the low temperature side second electrode 12C2 is made of, for example, a sheet metal obtained by bending a copper band into a substantially C-shaped clip, and bent at both ends thereof into a C-shaped arc opening inward. Thus, a pair of clamp portions 12C3 and 12C3 that elastically enclose the peripheral surfaces of the pair of low temperature side first electrodes 12C1 and 12C1 are formed. In addition, an elastic connecting portion 12C4 that elastically connects the pair of clamp portions 12C3 and 12C3 to each other so as to be tiltable and displaceable by bending outwardly in a central shape between the pair of clamp portions 12C3 and 12C3. Is formed.
この弾性連結部12C4の剛性は、一対のクランプ部12C3,12C3の剛性より小さく設定されている。換言すれば、一対のクランプ部12C3,12C3の剛性は、弾性連結部12C4の剛性より大きく設定されている。その結果、一対のクランプ部12C3,12C3は、一対の低温側第1電極12C1,12C1の周面を弾性的に包持した状態を維持しつつ相互に傾動変位可能となっている。そして、このような低温側第2電極12C2の弾性連結部12C4は、図8に示した絶縁板12Gを介してケーシング12Aの放熱板部12Eに接合されている。
The rigidity of the elastic connecting portion 12C4 is set smaller than the rigidity of the pair of clamp portions 12C3 and 12C3. In other words, the rigidity of the pair of clamp parts 12C3 and 12C3 is set larger than the rigidity of the elastic coupling part 12C4. As a result, the pair of clamp parts 12C3 and 12C3 can be tilted and displaced from each other while maintaining the state of elastically holding the peripheral surfaces of the pair of low temperature side first electrodes 12C1 and 12C1. And the elastic connection part 12C4 of such a low temperature side 2nd electrode 12C2 is joined to the
以上のように構成された高温型熱電スタック1においては、内燃機関の高負荷運転時に図1に示した流路切換バルブ8によってバイパス流路6が閉じられ、排気マニホールド3からの排気が熱回収流路7を流通すると、前後3段の熱電発電ユニット10,10,10を構成する各スタック本体11の内周に放射状に形成された多数のフィン11Bの間の隙間を高温の排気が流通することで、各熱電発電ユニット10が熱電発電を開始する。
In the high-temperature
すなわち、多数のフィン11Bにより回収された排気熱が各スタック本体11のモジュール取付面11Aから各熱電発電モジュール12の高温面に伝達されることで、各熱電発電モジュール12が熱電発電を開始し、その電気エネルギーが図示しないDC−DCコンバータを介してバッテリに充電される。
That is, the exhaust heat recovered by the large number of
ここで、各熱電発電モジュール12が熱電発電している状況では、排気熱を回収して昇温した各スタック本体11のモジュール取付面11Aに凹面状の熱変形であるバイメタル変形が発生する。そして、このバイメタル変形が大きい場合には、熱電発電モジュール12の高温面を構成するケーシング12Aの吸熱板部12Dの剛性が従来例のように大きいと、図12に模式的に示すように、スタック本体11のモジュール取付面11Aと熱電発電モジュール12の吸熱板部12Dとの間に大きな隙間があいて空気層Aが発生する。
Here, in a situation where each thermoelectric
このようにスタック本体11のモジュール取付面11Aと熱電発電モジュール12の吸熱板部12Dとの間に空気層Aが発生すると、両者の間の熱流抵抗が増大し、モジュール取付面11Aから吸熱板部12Dを介して各高温側電極12Bに流入する熱流量が減少して熱電発電モジュール12の発電性能が低下してしまう。
As described above, when the air layer A is generated between the
しかしながら、第1実施形態の熱電発電モジュール12においては、ケーシング12Aの吸熱板部12Dの厚さが0.2mm程度に薄く設定されており、その裏面に接合される絶縁部材も薄い絶縁シート12Fで構成されているため、スタック本体11のモジュール取付面11Aがバイメタル変形すると、ケーシング12Aの吸熱板部12Dは、冷却水ケース13側から受けるモジュール荷重により、スタック本体11のモジュール取付面11Aのバイメタル変形に柔軟に追従する(図13参照)。
However, in the thermoelectric
そして、図13に示すようにケーシング12Aの吸熱板部12Dがスタック本体11のモジュール取付面11Aのバイメタル変形に柔軟に追従する際、吸熱板部12Dに接合された各高温側第2電極12B2が吸熱板部12Dと共にモジュール取付面11Aのバイメタル変形に追従して移動し、一対の高温側第1電極12B1,12B1に対してその周面を弾性的に包持した状態を維持しつつスライドする。
Then, as shown in FIG. 13, when the heat absorbing
ここで、高温側第2電極12B2および低温側第2電極12C2の熱膨脹が大きい場合には、図14に示すようp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nが相互に傾動することとなるが、その場合、図15に示すように、高温側第2電極12B2の一対のクランプ部12B3,12B3が一対の高温側第1電極12B1,12B1の周面を弾性的に包持した状態を維持しつつ相互に傾動変位する。同様に、低温側第2電極12C2の一対のクランプ部12C3,12C3が一対の低温側第1電極12C1,12C1の周面を弾性的に包持した状態を維持しつつ相互に傾動変位する。このため、p型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nに過大な熱応力が発生することはない。 Here, when the thermal expansion of the high temperature side second electrode 12B2 and the low temperature side second electrode 12C2 is large, the p-type thermoelectric generation element P and the n-type thermoelectric generation element N tilt relative to each other as shown in FIG. However, in this case, as shown in FIG. 15, the pair of clamp portions 12B3 and 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 is maintained elastically surrounding the peripheral surfaces of the pair of high temperature side first electrodes 12B1 and 12B1. However, they are tilted and displaced from each other. Similarly, the pair of clamp portions 12C3 and 12C3 of the low temperature side second electrode 12C2 are tilted and displaced from each other while maintaining the state of elastically holding the peripheral surfaces of the pair of low temperature side first electrodes 12C1 and 12C1. For this reason, excessive thermal stress does not occur in the p-type thermoelectric power generation element P and the n-type thermoelectric power generation element N.
このように、第1実施形態の熱電発電モジュール12においては、ケーシング12Aの吸熱板部12Dがスタック本体11のモジュール取付面11Aのバイメタル変形に柔軟に追従するため、両者の間に空気層Aが発生することがなく、モジュール取付面11Aから吸熱板部12Dへの熱流量が十分に確保される。また、高温側電極12Bの各高温側第2電極12B2が吸熱板部12Dと共にモジュール取付面11Aのバイメタル変形に追従して移動するため、吸熱板部12Dから各高温側第2電極12B2への熱流量も十分に確保される。
Thus, in the thermoelectric
その際、各高温側第2電極12B2の一対のクランプ部12B3,12B3が一対の高温側第1電極12B1,12B1の周面を弾性的に包持しつつスライドするため、各高温側第2電極12B2から一対の高温側第1電極12B1,12B1を介してn型熱電発電素子Nおよびp型熱電発電素子Pの高温端へ流入する熱流量も十分に確保される。同時に各高温側第2電極12B2と一対の高温側第1電極12B1,12B1との間の電気的導通状態が十分に確保される。 At that time, since the pair of clamp portions 12B3 and 12B3 of each high temperature side second electrode 12B2 slide while elastically holding the peripheral surfaces of the pair of high temperature side first electrodes 12B1 and 12B1, each high temperature side second electrode A sufficient amount of heat flows from 12B2 to the high temperature ends of the n-type thermoelectric generator N and the p-type thermoelectric generator P via the pair of high temperature side first electrodes 12B1, 12B1. At the same time, a sufficient electrical continuity between each high temperature side second electrode 12B2 and the pair of high temperature side first electrodes 12B1, 12B1 is ensured.
さらに、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nには過大なモジュール荷重が作用せず、しかも、高温側第2電極12B2および低温側第2電極12C2の熱膨脹が大きい場合には、高温側第2電極12B2の一対のクランプ部12B3,12B3が相互に傾動変位し、低温側第2電極12C2の一対のクランプ部12C3,12C3も相互に傾動変位するため、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nは無理なく傾動することができ、これらに過大な熱応力が発生するのが抑制される。 Furthermore, an excessive module load does not act on the group of p-type thermoelectric generators P and n-type thermoelectric generators N, and the thermal expansion of the high temperature side second electrode 12B2 and the low temperature side second electrode 12C2 is large. Since the pair of clamp portions 12B3 and 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 are tilted and displaced relative to each other, and the pair of clamp portions 12C3 and 12C3 of the low temperature side second electrode 12C2 are also tilted and displaced relative to each other, a group of p-type thermoelectric generation The element P and the n-type thermoelectric power generation element N can be tilted without difficulty, and generation of excessive thermal stress on them is suppressed.
従って、第1実施形態の熱電発電モジュール12によれば、スタック本体11のモジュール取付面11Aのバイメタル変形に起因する発電性能の低下を高い信頼性をもって抑制することができ、また、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nの破損も防止することができる。加えて、各高温側第2電極12B2および各低温側第2電極12C2は、図10に示した形状に曲げ加工された板金製であるため、その製造コストを低減することができる。
Therefore, according to the thermoelectric
ここで、高温型熱電スタック1に組み込まれた熱電発電ユニット10および第1実施形態の熱電発電モジュール12については、種々の変更が可能である。例えば熱電発電ユニット10の段数は、図2、図3に示した例では全3段であるが、その段数は適宜増減することができる。
Here, the thermoelectric
特に、図9〜図11に示した高温側第2電極12B2および低温側第2電極12C2の形状は一例に過ぎず、適宜変更することができる。例えば、図9〜図11に示した高温側第2電極12B2の一対のクランプ部12B3,12B3は、図16〜図18に示すように、外向きにC字形に開口する一対のクランプ部12B5,12B5に変更することができる。 In particular, the shapes of the high temperature side second electrode 12B2 and the low temperature side second electrode 12C2 shown in FIGS. 9 to 11 are merely examples, and can be appropriately changed. For example, the pair of clamp portions 12B3 and 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 shown in FIGS. 9 to 11 includes a pair of clamp portions 12B5 that open outwardly in a C shape as shown in FIGS. It can be changed to 12B5.
低温側第2電極12C2の形状についても同様であり、その一対のクランプ部12C3,12C3は、外向きにC字形に開口する一対のクランプ部12C5,12C5に変更することができる。なお、図16〜図18に示した形状の高温側第2電極12B2および低温側第2電極12C2は、板金の折曲げ加工ではなく、適宜の合成樹脂などにより一体成形される。 The same applies to the shape of the low temperature side second electrode 12C2, and the pair of clamp portions 12C3 and 12C3 can be changed to a pair of clamp portions 12C5 and 12C5 that open outwardly in a C shape. Note that the high-temperature side second electrode 12B2 and the low-temperature side second electrode 12C2 having the shapes shown in FIGS. 16 to 18 are integrally formed of an appropriate synthetic resin or the like instead of bending a sheet metal.
また、図9〜図11に示した高温側第1電極12B1の形状は、図19および図20に示すように、高温側第2電極12B2のクランプ部12B3の端面に係合可能なツバ部を有する短円柱状の形状に変更してもよい。同様に、低温側第1電極12C1の形状は、低温側第2電極12C2のクランプ部12C3の端面に係合可能なツバ部を有する形状に変更してもよい。 Further, the shape of the high temperature side first electrode 12B1 shown in FIGS. 9 to 11 is such that the flange portion engageable with the end face of the clamp portion 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 is formed as shown in FIGS. You may change into the shape of the short cylinder which has. Similarly, the shape of the low temperature side first electrode 12C1 may be changed to a shape having a flange portion that can be engaged with the end face of the clamp portion 12C3 of the low temperature side second electrode 12C2.
さらに、図9〜図11に示した高温側第1電極12B1と高温側第2電極12B2のクランプ部12B3とは、図21および図22に示すように、軸方向にスライド可能にテーパ嵌合させてもよい。すなわち、高温側第1電極12B1の形状を外テーパ面を有する円錐台状に変更し、これに対応して高温側第2電極12B2のクランプ部12B3には、弾性的に縮径可能な内テーパ面を形成してもよい。 Further, the high temperature side first electrode 12B1 and the clamp portion 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 shown in FIGS. 9 to 11 are taper-fitted so as to be slidable in the axial direction as shown in FIGS. May be. That is, the shape of the high temperature side first electrode 12B1 is changed to a frustoconical shape having an outer taper surface, and the clamp portion 12B3 of the high temperature side second electrode 12B2 correspondingly has an inner taper that can be elastically reduced in diameter. A surface may be formed.
この場合、図13および図14に示したように、熱電発電モジュール12のケーシング12Aの吸熱板部12Dがスタック本体11のモジュール取付面11Aのバイメタル変形に追従して変形する際には、高温側電極12Bのクランプ部12B3が図22に示すように弾性的に縮径して高温側第1電極12B1の軸方向にスライドする。このため、高温側電極12Bは、吸熱板部12Dに接合されていなくても、吸熱板部12Dと共にモジュール取付面11Aのバイメタル変形に追従して移動することができる。
In this case, as shown in FIG. 13 and FIG. 14, when the
つぎに、図23〜図28を参照して第2実施形態の熱電発電モジュールが組み込まれている低温型熱電スタック2について説明する。この低温型熱電スタック2は、図23の斜視図に示すような外観を呈し、図24の縦断面図に示すような内部構造を有するものである。
Next, the low temperature type
低温型熱電スタック2は、その外周部を構成する中空円筒状の冷却水ケース2A、その内周に摺動自在に嵌合されたドーナツ状の全12段の熱電発電ユニット20、その中心部を貫通する排気のバイパス管2B、その周囲に排気の流入部および流出部をそれぞれ構成し、かつ、各段の熱電発電ユニット20を挟持する筒状の流入側ハウジング2Cおよび流出側ハウジング2D、流入側ハウジング2Cの周囲を却水ケース2Aの前端部との間で覆う流入側ジャバラ管2E、流出側ハウジング2Dの周囲を却水ケース2Aの後端部との間で覆う流出側ジャバラ管2F等の部材を備えて構成されている。
The low-temperature type
冷却水ケース2Aには、冷却水が流入する流入側ニップル2A1と、冷却水が流出する流出側ニップル2A2とが接続されており、この冷却水ケース2Aは、図示しないラジエータとの間で冷却水が循環するように構成されている。
The cooling
流入側ハウジング2Cおよび流出側ハウジング2Dは、バイパス管2Bの後端部に押しナット2Gと共に装着された複数枚の皿ばね2Hのばね反力により各段熱電発電ユニット20を所定のモジュール荷重で挟持しており、そのモジュール荷重は、押しナット2Gのねじ込み量により、皿ばね2Hのばね反力を調整することで最適化されている。
The
流入側ジャバラ管2Eおよび流出側ジャバラ管2Fにより気密に覆われて外気と遮断されたた冷却水ケース2Aの内側空間には、熱電発電ユニット20の構成部材の酸化を防止するための窒素ガスやアルゴンガスなどの適宜の不活性ガスが充填されている。
In the inner space of the cooling
ここで、各熱電発電ユニット20は、図25に分解して示すように、耐熱性のある絶縁性セラミックスによりドーナツ状に形成された一対の吸熱側熱流板21,21と、絶縁性セラミックスによりそれぞれL字型断面のリング状に形成されて吸熱側熱流板21,21の間に背面合わせ状態で配置される一対の冷却側熱流板22,22とを備えている。そして、一方の吸熱側熱流板21と一方の冷却側熱流板22との間、および、他方の吸熱側熱流板21と他方の冷却側熱流板22との間には、図26に示すように円環状に組み立てられた熱電発電モジュール23がそれぞれ挟持される。
Here, each thermoelectric
図25に示したように、各吸熱側熱流板21は、幅の広いリング状本体21Aの中央部から外周側に突出する幅の狭いフランジ部21Bと、リング状本体21Aから内周側に同幅で放射状に突出する多数のくし歯状のフィン21Cとを有する。この吸熱側熱流板21の多数のフィン21Cの内端側は、図27に拡大して示すように、バイパス管2Bを囲んでその外周に嵌合される。これによりバイパス管2Bの周囲には、バイパス管2B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。
As shown in FIG. 25, each of the heat absorption side
一対の冷却側熱流板22,22は、冷却水ケース2Aの内周面に嵌合される外周リング部22A,22Aと、吸熱側熱流板21のフランジ部21B,21Bに対面するフランジ部22B,22Bとを有し、このフランジ部22B,22Bが相互に対面するように背面合わせ状態で配置される。そして、この冷却側熱流板22のフランジ部22Bと、これに対面する吸熱側熱流板21のフランジ部21Bとの間にそれぞれ熱電発電モジュール23が挟持される。なお、一対の冷却側熱流板22,22の外周リング部22A,22Aは、冷却水ケース2Aの内周面に熱伝導性の高いシリコングリース層を介して密着状態で摺動可能に嵌合される。
The pair of cooling-side
熱電発電モジュール23は、図28に拡大して示すように、図18に示した高温側第1電極12B1、高温側第2電極12B2、低温側第1電極12C1、低温側第2電極12C2と同様に構成された高温側第1電極23A1、高温側第2電極23A2、低温側第1電極23B1、低温側第2電極23B2を備えて構成されている。
The
ここで、高温側第2電極23A2は、図18に示した高温側第2電極12B2の一対のクランプ部12B5,12B5および弾性連結部12B4と同様に構成された一対のクランプ部23A3,23A3および弾性連結部23A4を有する。同様に、低温側第2電極23B2は、図18に示した低温側第2電極12C2の一対のクランプ部12C5,12C5および弾性連結部12C4と同様に構成された一対のクランプ部23B3,23B3および弾性連結部23B4を有する。 Here, the high temperature side second electrode 23A2 includes a pair of clamp portions 23A3 and 23A3 configured in the same manner as the pair of clamp portions 12B5 and 12B5 and the elastic connection portion 12B4 of the high temperature side second electrode 12B2 illustrated in FIG. It has connection part 23A4. Similarly, the low temperature side second electrode 23B2 includes a pair of clamp portions 23B3 and 23B3 configured in the same manner as the pair of clamp portions 12C5 and 12C5 and the elastic coupling portion 12C4 of the low temperature side second electrode 12C2 illustrated in FIG. It has connection part 23B4.
一方、図25に示すように、冷却側熱流板22のフランジ部22Bには、その内周側から放射状に延びる複数のスリットSにより円周方向に分割されることで、部分的に弾性変形可能な複数の舌片部Tが形成されている。これらの舌片部Tは、図27に示した低温側第2電極23B2に対応した幅およびピッチで形成されており、各低温側第2電極23B2に弾性的に接触するようになっている。
On the other hand, as shown in FIG. 25, the
そして、冷却側熱流板22のフランジ部22Bに形成された各舌片部Tを各低温側第2電極23B2に押圧するため、フランジ部22B,22Bの対向面間には、ゴム材料(またはエラストマ樹脂)からなるリング状の低弾性体24が予圧縮された状態で介設されている(図27参照)。このゴム製の低弾性体24の両面はフランジ部22B,22Bの対向面に加硫接着などの手段でそれぞれ接合されている。
Further, in order to press each tongue piece T formed on the
以上のように構成された低温型熱電スタック2においては、図1に示した排気マニホールド3から排出される排気が触媒コンバータ4を通過して図24に示した低温型熱電スタック2の流入側ハウジング2Cから流出側ハウジング2Dに向けて流通すると、全12段の熱電発電ユニット20を構成する各吸熱側熱流板21の多数のくし歯状のフィン21Cの間を排気が流通することで、多数のくし歯状のフィン21Cが排気熱を回収する。
In the low temperature type
そして、回収された排気熱が図27の点線矢印に示すように、各吸熱側熱流板21のフランジ部21Bからその両側の熱電発電モジュール23,23を貫通した後、冷却側熱流板22,22を介して冷却水ケース2Aへと流れることで、各熱電発電モジュール23が熱発電を開始し、その電気エネルギーが図示しないDC−DCコンバータを介してバッテリに充電される。
Then, as shown by the dotted arrows in FIG. 27, the recovered exhaust heat passes through the thermoelectric
ここで、各熱電発電モジュール23が熱電発電している状況では、排気熱を回収して昇温した吸熱側熱流板21のフランジ部21Bの側面に凹面状の熱変形であるバイメタル変形が発生する。そして、このバイメタル変形が大きい場合には、熱電発電モジュール23との間に隙間があいて熱流抵抗が増大し、熱電発電モジュール23に流入する熱流量が減少して熱電発電モジュール12の発電性能が低下する虞がある。
Here, in the situation where each thermoelectric
しかしながら、第2実施形態の熱電発電モジュール23においては、吸熱側熱流板21のフランジ部21Bのバイメタル変形に追従して各高温側第2電極23A2(図27、28参照)が移動する。すなわち、各高温側第2電極23A2が一対の高温側第1電極23A1,23A1に対してその周面を弾性的に包持した状態を維持しつつスライドする。
However, in the
このため、吸熱側熱流板21のフランジ部21Bから熱電発電モジュール23の各高温側第2電極23A2への熱流量が十分に確保され、各高温側第2電極23A2から一対の高温側第1電極23A1,23A1を介してn型熱電発電素子Nおよびp型熱電発電素子Pの高温端へ流入する熱流量も十分に確保される。同時に各高温側第2電極23A2と一対の高温側第1電極23A1,23A1との間の電気的導通状態が十分に確保される。
For this reason, a sufficient heat flow from the
さらに、高温側第2電極23A2および低温側第2電極23B2の熱膨脹が大きい場合には、高温側第2電極23A2の一対のクランプ部12A3,12A3が相互に傾動変位し、低温側第2電極23B2の一対のクランプ部23B3,23B3も相互に傾動変位するため、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nは無理なく傾動することができ、これらに過大な熱応力が発生するのが抑制される。 Further, when the thermal expansion of the high temperature side second electrode 23A2 and the low temperature side second electrode 23B2 is large, the pair of clamp portions 12A3, 12A3 of the high temperature side second electrode 23A2 are tilted and displaced, and the low temperature side second electrode 23B2 Since the pair of clamp portions 23B3 and 23B3 are also tilted and displaced with each other, the group of p-type thermoelectric power generation elements P and n-type thermoelectric power generation elements N can be tilted without difficulty, and excessive thermal stress is generated in them. Is suppressed.
従って、第2実施形態の熱電発電モジュール23によれば、吸熱側熱流板21のフランジ部21Bのバイメタル変形に起因する発電性能の低下を高い信頼性をもって抑制することができ、また、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nの破損も防止することができる。
Therefore, according to the thermoelectric
ここで、低温型熱電スタック2に組み込まれた熱電発電ユニット20および第2実施形態の熱電発電モジュール23については、種々の変更が可能である。例えば図24に示した熱電発電ユニット20は、全12段で構成されているが、その段数は適宜増減することができる。
Here, various changes can be made to the thermoelectric
また、図26に示した円環状の熱電発電モジュール23は、図29に示すように一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nが半径方向にジグザグに配置される2重の円環状に構成することができる。
Further, the annular thermoelectric
さらに、本発明の熱電発電モジュールは、図16に示したように一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nが縦横に配列される平板状のものに限らず、図30に示すように、一群のp型熱電発電素子Pおよびn型熱電発電素子Nが直線状に配列されるライン状に構成することができる。 Further, the thermoelectric power generation module of the present invention is not limited to a flat plate in which a group of p-type thermoelectric power generation elements P and n-type thermoelectric power generation elements N are arranged vertically and horizontally as shown in FIG. In this way, a group of p-type thermoelectric power generation elements P and n-type thermoelectric power generation elements N can be configured in a linear shape.
1…高温型熱電スタック、2…低温型熱電スタック、6…バイパス流路、7…熱回収流路、10…熱電発電ユニット、11…スタック本体、11A…モジュール取付面、11B…フィン、11C…フランジ部、12…熱電発電モジュール、12A…ケーシング、12B…高温側電極、12B1…高温側第1電極、12B2…高温側第2電極、12B3…クランプ部、12B4…弾性連結部、12C…低温側電極、12C1…低温側第1電極、12C2…低温側第2電極、12C3…クランプ部、12C4…弾性連結部、12D…吸熱板部、12E…放熱板部、12F…絶縁シート、12G…絶縁板、13…冷却水ケース、13A…ジョイントパイプ、13B…流入側ニップル、13C…流出側ニップル、13D…受け凹部、14…バンド部材、14A…クッション部、15…押圧手段、15A…皿バネ、15B…第1バネサポータ、15C…第2バネサポータ、15D…ベースキャップ、15E…カバーキャップ、15F…押ネジ部材、15G…ナット部材、N…n型熱電発電素子、P…p型熱電発電素子。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記高温側電極は、隣接する二つの熱電発電素子の高温端にそれぞれ接合される一対の高温側第1電極と、一対の高温側第1電極を弾性的に包持して熱電発電素子の軸方向にスライド可能な高温側第2電極との組合わせにより構成されていることを特徴とする熱電発電モジュール。 Two types of thermoelectric generators with different polarities are pie-type connected alternately in series via a high temperature side electrode and a low temperature side electrode,
The high temperature side electrode includes a pair of high temperature side first electrodes that are respectively joined to the high temperature ends of two adjacent thermoelectric power generation elements, and a pair of high temperature side first electrodes that elastically enclose the shaft of the thermoelectric power generation element. A thermoelectric power generation module comprising a combination with a second electrode on a high temperature side slidable in a direction.
The thermoelectric power generation module according to claim 4, wherein the second electrode on the low temperature side is made of a sheet metal in which a pair of clamp portions and an elastic connection portion are bent.
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