JP2010275872A

JP2010275872A - 熱電ユニット

Info

Publication number: JP2010275872A
Application number: JP2009126393A
Authority: JP
Inventors: Satoru Shiratori; 悟白鳥
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: JP5381328B2

Abstract

【課題】排気抵抗を上昇させることなく、排気ガスから積極的に受熱できる乱流熱伝達構造の熱電ユニットを提供する。
【解決手段】エンジンの排気通路２の対向する面に熱電素子３を設け、その熱電素子３の受熱フィン４を排気通路２内に臨ませた熱電ユニットにおいて、排気通路２内で対向する受熱フィン４が多数の円形ピン８からなり、該円形ピン８を、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置してなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電素子を用いてエンジンの排気ガスから電気としてエネルギーを回収する熱電ユニットに関するものである。

エンジンの高温の排気ガスから電気としてエネルギーを回収する熱電ユニットは、熱電素子（熱電変換素子）の片面を受熱フィン背面に配置し、他面には冷却装置を配置する構造が一般的である。

一般的な受熱フィンの構造を図６，７に示す。図６の受熱フィン６１は、断面視で櫛歯状に形成されており、板状の基部６２の表面から突出するように板状のフィン６３を等間隔で配置して、フィン６３間に排気ガスの流路を形成したものである。また、図７の受熱フィン７１は、２枚の対向した基部７２間に多数の板状のフィン７３を設け、フィン７３間に狭い排気ガスの流路を多数形成したものである。

特開２００２−１９９７６２号公報特開平１１−３４０５２４号公報

ところで、熱電ユニットでは、熱電素子で効率よく受熱するために、受熱フィンにおける排気ガスからの熱伝達率を高くすることが求められている。

しかしながら、図６の受熱フィン６１を用いた場合、排気ガスがフィン６３間を通過する際にフィン６３に熱を伝えるが、受熱フィン６１ではフィン６３の間隔が広いため、層流熱伝達領域を脱することが困難であり、熱伝達率が悪いという問題がある。

一般に、排気ガスなどの熱流体から受熱フィンで受熱する場合、熱流体が層流のままで受熱フィンを通過するよりも、乱流となって受熱フィンを通過した方が熱伝達率が高い。つまり、熱電ユニットにおける受熱フィンは、排気ガスに乱流を発生させる乱流熱伝達構造であることが望ましい。

そこで、図６の受熱フィン６１を向かい合わせにしてフィン６３を交互に配置することでフィン６３の枚数を増やす、あるいは、狭い排気ガスの流路を多数形成した図７の受熱フィン７１を用いることで、排気ガスに乱流を発生させて熱伝達率を向上させることが考えられる。

しかし、この場合、排気ガスが通過するための流路が狭くなるために排気抵抗が上昇し、エンジンの性能低下につながるという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排気抵抗を上昇させることなく、排気ガスから積極的に受熱できる乱流熱伝達構造の熱電ユニットを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、エンジンの排気通路の対向する面に熱電素子を設け、その熱電素子の受熱フィンを前記排気通路内に臨ませた熱電ユニットにおいて、前記排気通路内で対向する受熱フィンが多数の円形ピンからなり、該円形ピンを、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置してなる熱電ユニットである。

前記受熱フィンは、前記円形ピンの前記偶数列と前記奇数列とが対向するように、前記排気通路に対向して設けられてもよい。

前記受熱フィンは、前記円形ピンがオーバーラップするように、前記排気通路に対向して設けられてもよい。

本発明によれば、排気抵抗を上昇させることなく、排気ガスから積極的に受熱できる乱流熱伝達構造の熱電ユニットを提供できる。

本発明の一実施形態に係る熱電ユニットを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその側断面図である。図１の熱電ユニットで用いる受熱フィンを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はその２Ｂ−２Ｂ線断面図である。図２の受熱フィンを対向させて排気通路を形成したときの図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側断面図、（ｄ）は下面図である。図１の熱電ユニットにおける排気ガスの流れを説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側断面図である。本発明の熱電ユニットが搭載される車両の排気システムの概略図である。従来の熱電ユニットに用いる受熱フィンの一例を示す斜視図である。従来の熱電ユニットに用いる受熱フィンの一例を示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る熱電ユニットの平面図、図１（ｂ）はその側断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、熱電ユニット１は、エンジンの排気通路２の対向する面に熱電素子（熱電変換素子）３を設け、その熱電素子３の受熱フィン４を排気通路２内に臨ませてなる。熱電ユニット１は、排気通路２を通過するエンジンからの排気ガスＧから受熱フィン４にて熱を受熱し、これを熱電素子３に伝達することにより、排気ガスＧの熱から電気を回収するものである。

本実施の形態では、排気通路２の対向する面（図１（ｂ）では上下面）を受熱フィン４で形成すると共に、それら受熱フィン４の両側を側板５で接合して排気通路２を形成するようにしている。受熱フィン４は、平板７にフィンとしての円形ピン８を形成したものである。受熱フィン４の詳細については後述する。

受熱フィン４の背面（排気通路２と反対側の面）には、高温接触面を受熱フィン４側として複数（図１では上下８個ずつ）の熱電素子３が配置される。熱電素子３の他方の面である低温接触面には、冷却装置（放熱側冷却装置）６が設けられる。なお、図１（ａ）では、図の簡略化のため、冷却装置６を省略している。

熱電素子３は、低温接触面と高温接触面に温度差を与えると、ゼーベック効果により電圧を生じるものであり、一般にペルチェ素子、あるいはゼーベック素子と呼ばれるものである。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、受熱フィン４は、平板７と、平板７の表面から突出するように形成された、フィンとしての多数の円柱状の円形ピン（円管）８とからなる。

円形ピン８は、平板７に整列して配置され、その偶数列と奇数列（あるいは偶数行と奇数行）でオフセットさせて千鳥構造に配置される。奇数列の円形ピン８は、偶数列の円形ピン８の中間に位置するようにオフセットして配置される。各円形ピン８は、ロウ付け等により平板７に固定される。

本実施の形態では、フィンとして円形ピン８を用いたが、多角形状あるいは円筒状のピンを用いることも可能である。

図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、２枚の受熱フィン４を円形ピン８の偶数列と奇数列とが対向するように、すなわち各円形ピン８の位相が交互になるように向かい合わせ、向かい合わせた受熱フィン４の両側を側板５を以て接合し、排気通路２を形成する。

このとき、両受熱フィン４は、円形ピン８がオーバーラップするようにされる。具体的には、排気抵抗が上昇しない範囲で円形ピン８が数ミリ〜数十ミリのオーバーラップｄを有した状態となるようにされる。これにより、円形ピン８の上下にも排気通路２が形成される。

ここで、熱電ユニット１における排気ガスＧの流れを図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

図４（ａ）に示すように、受熱フィン４の前面（図示左側）から流入した排気ガスＧは、１列目の円形ピン８に衝突し、１列目の円形ピン８の隙間を通過する。１列目の円形ピン８の隙間を通過した排気ガスＧは、次なる千鳥状に配置した２列目の円形ピン８に衝突して、さらに左右に流路を強制されることとなる。また、図４（ｂ）に示すように、排気ガスＧは、円形ピン８のオーバーラップにより上下方向にも流路を強制されることとなる。

これにより、排気ガスＧは乱流を形成し、発生した乱流は、熱電ユニット１の後端（図示右側）まで持続することとなる。つまり、本実施の形態における受熱フィン４は、排気ガスＧに乱流を発生させる乱流熱伝達構造となっており、そのため、受熱フィン４は、排気ガスＧから積極的に受熱でき、受熱フィン４の熱伝達率は格段に上昇する。

したがって、両受熱フィン４の背面（図４（ｂ）では上側の受熱フィン４の上面及び下側の受熱フィン４の下面）に熱電素子３を配置することで、排気ガスＧの熱から効率的に電気を回収できることとなる。

本実施の形態に係る熱電ユニット１は、車両に搭載され、エンジンの排気通路２に配置される。図５に示すように、エンジンＥの排気通路２には、フレキシブルジョイント５１、触媒５２、サイレンサ（マフラー）５３等が配置されており、エンジンＥからの排気ガスＧはこれらを経由して大気中に排出される。熱電ユニット１は、例えば、サイレンサ５３の部分に設けられる。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱電ユニット１では、排気通路２内で対向する受熱フィン４を多数の円形ピン８で形成し、その円形ピン８を、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置している。

これにより、受熱フィン４に作用する排気ガスＧの流れを乱流とし、熱電ユニット１の後端まで持続することが可能となり、排気抵抗を上昇させることなく、排気ガスＧから積極的に受熱することが可能となり、乱流熱伝達構造を実現できる。したがって、熱伝達率を向上し、効率よく受熱、発電することが可能な熱電ユニット１を実現できる。

また、熱電ユニット１では、受熱フィン４のフィンとして円形ピン８を用いているため、排気ガスＧの流路が狭くなることがなく、排気抵抗の上昇を招くことない。よって、エンジン性能を低下させない。

さらに、熱電ユニット１では、受熱フィン４を、円形ピン８の偶数列と奇数列とが対向するように、かつ、円形ピン８がオーバーラップするように、排気通路２に対向して設けているため、排気ガスＧの流路を上下方向にも強制でき、乱流を発生させることができるため、より熱伝達率を向上し、より効率よく受熱、発電することが可能となる。

１熱電ユニット
２排気通路
３熱電素子
４受熱フィン
５側板
６冷却装置
７平板
８円形ピン

Claims

エンジンの排気通路の対向する面に熱電素子を設け、その熱電素子の受熱フィンを前記排気通路内に臨ませた熱電ユニットにおいて、
前記排気通路内で対向する受熱フィンが多数の円形ピンからなり、該円形ピンを、偶数列と奇数列でオフセットさせて千鳥構造に配置してなることを特徴とする熱電ユニット。
前記受熱フィンは、前記円形ピンの前記偶数列と前記奇数列とが対向するように、前記排気通路に対向して設けられる請求項１記載の熱電ユニット。
前記受熱フィンは、前記円形ピンがオーバラップするように、前記排気通路に対向して設けられる請求項１または２記載の熱電ユニット。