JP2013093466A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供すること。
【解決手段】熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１の外周部との間で受熱通路２２を形成する内周部を有する外管２３と、一側面が外管２３の外周部に接触するとともに他側面が冷却水管２８に接触し、一側面と他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュール２７と、内管２１を開閉する開閉弁２６とを備え、内管２１が、内管２１内を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通する複数の連通孔３６を有し、連通孔３６の開口面積が、排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。

従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。

従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周面に熱電変換モジュールの高温側の一側面を接触させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に接触させたものが知られている。

この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気管と温度の低い冷却水管により、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。

ところで、熱電変換モジュールの発電効率は、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間の温度差が大きくなるほど大きくなるが、熱電変換素子として多用される、例えばＢｉ−Ｔｅ系の熱電材料を使用した熱電変換モジュールは、耐熱温度が２００℃程度であり、Ｍｇ−Ｓｉ系熱の熱電材料を使用した熱電変換モジュールは、耐熱温度が５００℃程度である。
このため、耐熱温度を超えると熱電変換モジュールの熱電変換素子やケーブル等が熱害を受けて損傷してしまうことがあり、却って発電効率が低下しまうおそれがある。したがって、熱電変換モジュールを用いる場合には高温側の温度を耐熱温度以下のなるべく高い温度にすることで、最も良い発電効率を得られるようにする必要がある。

従来、熱電変換モジュールの熱害を防止することができる熱電発電装置としては、例えば、特許文献１参照に記載されたものが知られている。
この熱電発電装置は、内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管としての排気管と、排気管の外方に設けられ、排気管と共に受熱通路を画成する排気管壁と、一側面である高温側が排気管壁の外周部に接触するとともに、他側面である低温側がウォータジャケットに接触し、高温側と低温側との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、排気管の内部に設けられ、排気管を開閉する開閉弁とを備えている。

また、この熱電発電装置は、排気管に、排気ガスの排気方向に配列された連通孔が形成されており、この連通孔は、受熱通路と排気管内とを連通している。このため、内燃機関から排気管に導入された排気ガスが一旦、排気管に導入された後に連通孔を通して受熱通路に導入される。

したがって、排気管に導入された排気ガスが上流側の熱電変換モジュールに集中することがなく、上流側の熱電変換モジュールの高温側の表面温度を下げて、上流側の熱電変換モジュールの温度がさらに上昇するのを防止することにより、熱電変換モジュールが破損するのを防止することができる。

実開平６−７９１６８号公報

しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、排気管と受熱通路とを排気管に形成された連通孔を通して連通しているため、上流側の熱電変換モジュールに排気ガスが集中して導入されることがないが、下流側の熱電変換モジュールに比べて上流側の熱電変換モジュールに多量の排気ガスが導入されてしまう。このため、上流側の熱電変換モジュールの熱害を十分に防止することができない。

これに加えて、受熱通路を流れる排気ガスは、受熱通路の上流側の熱電変換モジュールによって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、受熱通路の下流側において排気ガスの熱量が低下してしまう。

このため、受熱通過の上流側と下流側とで排気ガスの熱量のばらつきが発生してしまい、下流側の熱電変換モジュールの発電効率が上流側の熱電変換モジュールの発電効率に比べて低下し、結果的に熱電変換モジュールの全体の発電効率が低下してしまうという問題が発生してしまった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管と、前記内管の外方に設けられ、前記内管との間で受熱通路を形成する外管と、一側面が前記外管の外周部に接触するとともに他側面が冷却部材の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、前記内管を開閉する開閉弁とを備えた熱電発電装置であって、前記内管が、前記内管内を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する複数の連通孔を有し、前記連通孔の開口面積が、前記排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成されるものから構成されている。

この熱電発電装置は、内管が、内管内を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、内管の内部と受熱通路とを連通する複数の連通孔を有し、連通孔の開口面積が、排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成されるので、受熱通路の上流側に排気ガスを導入し難くすることができるとともに、受熱通路の下流側に排気ガスを導入し易くすることができる。

このため、受熱通路の上流側の排気ガスの熱量を減少させ、受熱通路の下流側の排気ガスの熱量を増加させることができ、熱電変換モジュールの排気方向の排気ガスの温度のばらつきを小さくすることができる。

このため、上流側の熱電変換モジュールの熱電変換素子やケーブル等が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止することができるとともに、熱電変換モジュールの高温側の一側面と低温側の他側面との温度差が排気方向にばらついてしまうのを防止して、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。

これに加えて、上流側の冷却部材に伝達される排気ガスの熱量を少なくすることができるため、冷却部材が損傷するのを防止することができる。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記冷却部材は、冷却水が流通する冷却水管から構成され、前記冷却水管は、冷却水を前記排気方向下流側から前記排気方向上流側に向かって流すように構成されている。

この熱電発電装置は、冷却水管内を流れる冷却水が、排気方向下流側から排気方向上流側に向かって流れるので、冷却水の流れる方向が受熱通路を流れる排気ガスと逆方向になる。

すなわち、受熱通路を流れる高温の排気ガスと冷却水管を流れる低温の冷却水との向きが同一方向（並流）である場合よりも、受熱通路を流れる高温の排気ガスと冷却水管を流れる低温の冷却水との向きが向かい合わせ（向流）である場合の方が対数平均温度差を大きくすることができる。この結果、排気ガスと冷却水の向きが並流の場合よりも熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記内管の外周部に、前記受熱通路に向かって前記内管から突出する突出部を設け、前記突出部の内周部が前記連通孔に連通するものから構成されている。

この熱電発電装置は、内管の外周部に、受熱通路に向かって内管から突出する突出部を設け、突出部の内周部が連通孔に連通するので、内管から連通孔を通して受熱通路に導入される排気ガスを突出部によって熱電変換モジュールの一側面に案内することができる。

このため、熱電変換モジュールの一側面に多くの排気ガスを接触させて、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

上記（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記突出部に、前記突出部の内周部を流れる排気ガスの流速を上昇させる排気ガス速度上昇部を形成したものから構成されている。

この熱電発電装置は、突出部に、突出部の内周部を流れる排気ガスの流速を上昇させる排気ガス速度上昇部を形成したので、内管から連通孔を通して受熱通路に導入される排気ガスの流速を増加させて熱電変換モジュールの一側面に案内することができる。

このため、熱電変換モジュールの一側面に多くの排気ガスを高い流速で効率よく接触させることができる。したがって、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

上記（１）〜（４）に記載の熱電発電装置において、（５）前記内管の外周部に、前記排気ガスの排気方向に沿ってスパイラル状に延在して排気通路を形成する外周突部を設け、前記外周突部に前記連通孔が形成されるものから構成されている。

この熱電発電装置は、内管の外周部に、排気ガスの排気方向に沿ってスパイラル状に延在して排気通路を形成する外周突部を設け、外周突部に連通孔が形成されるので、外周突部内の排気通路で排気ガスの螺旋流を発生させ、スパイラル状の排気通路から連通孔を通して受熱通路を導入される排気ガスの流速を上昇させることができる。

したがって、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

本発明によれば、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。

本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、円筒部の構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、他の形状の円筒部の断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は、他の形状の円筒部の断面図、（ｂ）は、円筒部の斜視部である。 本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１〜図３は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。

排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。

この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。

ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。

このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系には、熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。

図２に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１との間で受熱通路２２を形成する外管２３とを備えている。

内管２１の上流端は、排気管４に連結されており、内管２１の内部には排気管４から排気ガスが導入される排気通路２５が形成されている。内管２１は、支持部材２４を介して外管２３に固定されており、外管２３の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。

このため、エンジン１から排気管４を通して内管２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、排気通路２５を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７と冷却部材としての筒状の冷却水管２８とを備えている。

図３に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、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Ｎ型熱電熱電変換素子３１およびＰ型熱電熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電熱電変換素子３１およびＰ型熱電熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂを介して交互に直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３５を介して電気的に連結されている。

この熱電変換モジュール２７は、一側面である受熱基板２９が外管２３の外周部２３ａに接触するとともに、他側面である放熱基板３０が冷却水管２８の内周部２８ｃに接触しており、排気ガスＧの排気方向に並列に設置されている。なお、図１では、受熱基板２９および放熱基板３０を省略して熱電変換モジュール２７を簡略化している。

そして、熱電変換モジュール２７は、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル３４を介してバッテリに電力を供給するようになっている。

なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管２３および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管２３および冷却水管２８は、多角形に形成されている。
なお、外管２３および冷却水管２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。
冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。

この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水Ｗが排気ガスＧの排気方向と逆方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向上流側に設けられている。このため、冷却水Ｗは、受熱通路２２に流れる排気ガスの流れと逆方向に流れる。

一方、内管２１には複数の連通孔３６が形成されており、この連通孔３６は、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通している。この連通孔３６は、内管２１の円周方向に等間隔に形成されているとともに、内管２１内を流れる排気ガスＧの排気方向、すなわち、内管２１の延在方向に沿って配列されており、連通孔３６の開口面積は、排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成されている。なお、連通孔３６は、等間隔に形成されるものに限定されない。

また、支持部材２４には支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されており、受熱通路２２は、連通孔２４ａを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。

また、内管２１には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、内管２１の下流端に設けられ、内管２１を開閉するように外管２３に回動自在に取付けられている。この開閉弁２６は、排気通路２５を流れる排気ガスの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。

すなわち、開閉弁２６は、排気ガスの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低負荷走行時には、図２に実線で示すように、内管２１を閉塞することにより、内管２１に導入された排気ガスを連通孔３６を通して受熱通路２２に導入する。

また、開閉弁２６は、排気ガスの圧力が高いエンジン１の高負荷走行時には、図２に破線で示すように、内管２１を解放する。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。

この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスにより昇温されることになる。
また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。

エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて排気ガスの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスが受熱通路２２に導入され、受熱通路２２を通過する排気ガスによって冷却水管２８を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。

また、エンジン１の暖機後のエンジン１が低負荷走行時には、排気ガスの温度が高温となっても排気ガスの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスが受熱通路２２に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスの熱エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換される。

また、エンジン１の高負荷走行時には、エンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高負荷走行時には、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスの圧力が高くなるため、内管２１に導入された排気ガスの圧力が高くなり、開閉弁２６が解放される。

開閉弁２６が解放されると、排気通路２５とテールパイプ１９が連通し、排気ガスは、受熱通路２２を流れることがなく、排気通路２５からテールパイプ１９に直接、排出される。このため、高温の排気ガスによって冷却水管２８を流通する冷却水が昇温されることがない。

このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。

また、エンジン１の高負荷走行時には開閉弁２６が解放されるので、排気通路２５を流れる排気ガスの背圧が高くなることがなく、排気ガスの排気性能が低下するのを防止することができる。

次いで、暖機終了後のエンジン１の低負荷走行時の熱電発電装置１７の作用を説明する。
排気ガスの圧力が小さいと、開閉弁２６によって内管２１が閉塞され、排気通路２５とテールパイプ１９との連通が遮断される。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、内管２１が、内管２１内を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通する複数の連通孔３６を有し、連通孔３６の開口面積が、排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成される。

このため、受熱通路２２の上流側に排気ガスを導入し難くすることができるとともに、受熱通路２２の下流側に排気ガスを導入し易くすることができる。このため、受熱通路２２の上流側の排気ガスの熱量を減少させ、受熱通路２２の下流側の排気ガスの熱量を増加させることができ、受熱通路２２内の排気ガスの温度が排気方向のばらつきを小さくすることができる。

この結果、上流側の熱電変換モジュール２７のＮ型熱電熱電変換素子３１およびＰ型熱電熱電変換素子３２やケーブル３４等が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止することができる。また、熱電変換モジュール２７の高温側の一側面と低温側の他側面との温度差が排気方向にばらついてしまうのを防止して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。

これに加えて、上流側の冷却水管２８に伝達される排気ガスの熱量を少なくすることができ、冷却水が沸騰したり、冷却水管２８が損傷するのを防止することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、冷却水管２８を流れる冷却水Ｗが排気方向下流側から排気方向上流側に向かって流れるので、冷却水管２８を流れる冷却水Ｗの方向を、受熱通路２２を流れる排気ガスの流れる方向と逆方向にすることができる。

すなわち、本実施の形態の熱電発電装置１７は、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスと冷却水管２８を流れる低温の冷却水との向きが同一方向（並流）である場合に比べて、図２に示すように、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスＧと冷却水管２８を流れる低温の冷却水Ｗとの向きを向かい合わせ（向流）にすることで、対数平均温度差を大きくすることができる。この結果、排気ガスと冷却水の向きが並流の場合よりも熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。

ここで、従来のように、例えば、受熱通路２２の上流側の排気ガスの温度が受熱通路２２の下流側の排気ガスの温度よりも高温になる場合には、受熱通路２２の上流側で冷却水が沸騰するおそれがある。このため、排気ガスの排気方向と冷却水の流れる方向が排気方向の上流側から下流側に向かって同方向に流れる（並流）ようにした方が、受熱通路２２の上流側の冷却水の温度が沸騰するのを防止する上で効果的であるが、この場合には、対数平均温度差が小さくなって発電効率が低下してしまう。

本実施の形態では、受熱通路２２内を流れる排気ガスの温度を略均一にすることができるので、受熱通路２２を流れる高温の排気ガスＧと冷却水管２８を流れる低温の冷却水Ｗとの向きを向かい合わせ（向流）にすることによって、対数平均温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができるのである。

なお、本実施の形態の開閉弁２６は、冷却水温に応じて開閉させるようにしてもよい。例えば、下流側配管１８ｂを流通する冷却水温に感応して作動するサーモスタットに開閉弁２６を連結し、下流側配管１８ｂを流通する冷却水温度が所定値以上になった場合には、サーモスタットによって開閉弁２６を解放するように構成する。

このようにすれば、冷却水が沸騰する前に開閉弁２６を解放して排気通路２５とテールパイプ１９とを連通して受熱通路２２に排気ガスが流れないようにすることができ、冷却水が蒸発するのを防止することができ、エンジン１の冷却性能を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
図４〜図７は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。
図４、図５において、内管２１の外周部には突出部としての円筒部４１が設けられており、この円筒部４１は、受熱通路２２に向かって内管２１から突出し、内周部４１ａが連通孔３６に連通している。

このため、内管２１から連通孔３６を通して受熱通路２２に導入される排気ガスを円筒部４１によって熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に案内することができる。
したがって、本実施の形態の熱電発電装置１７は、第１の実施の形態と同一の効果に加えて、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に多くの排気ガスを接触させて、排気ガスから熱電変換モジュール２７への伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができるという効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、円筒部４１の円筒形状にしているが、これに限らず、図６に示すように、連通孔３６に連通する内周部４２ａを有する突出部としての円筒部４２を設け、円筒部４２の内周部４２にスクリュー部４２ｂを形成してもよい。なお、本実施の形態のスクリュー部４２ｂが排気ガス速度上昇部を構成している。

このようにすれば、スクリュー部４２ｂによって連通孔３６から受熱通路２２に導入される排気ガスに螺旋流を発生させて排気ガスの流速を向上させて熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に案内することができる。

このため、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に多くの排気ガスを高い流速で効率よく接触させることができる。したがって、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュール２７への伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。

また、排気ガス速度上昇部としては、スクリュー部４２ｂに限定されるものではない。例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、内管２１の外周部には突出部４３を設け、この突出部４３の中央部を押し潰しすることにより、突出部４３の内周部を、連通孔３６に連通する絞り部４３ａ、４３ｂから構成してもよい。この場合には、絞り部４３ａ、４３ｂが排気ガス速度上昇部を構成する。

このようにしても絞り部４３ａ、４３ｂによって連通孔３６から受熱通路２２に導入される排気ガスに螺旋流を発生させて排気ガスの流速を向上させて熱電変換モジュール２７の受熱基板２９に案内することができる。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

内管５１は、外管２３と内周部との間で受熱通路２２を形成しており、内管５１の外周部には排気方向に沿ってスパイラル状に延在して排気通路５２を形成する外周突部５３が形成されている。この外周突部５３には内管５１の内部と受熱通路２２とを連通する連通孔５４が形成されており、この連通孔５４の開口面積は、上流側から下流側に向かって大きく形成されている。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、内管５１の外周部に、排気ガスの排気方向に沿ってスパイラル状に延在して排気通路５２を形成する外周突部５３を設け、外周突部５３に連通孔５４を形成したので、外周突部５３内の排気通路５２で排気ガスの螺旋流を発生させ、スパイラル状の排気通路５２から連通孔５４を通して受熱通路２２を導入される排気ガスの流速を上昇させることができる。

したがって、第１の実施の形態と同一の効果に加えて、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから熱電変換モジュール２７への伝熱効率を向上させることができるため、結果的に熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができるという効果を得ることができる。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールの熱害による損傷を防止しつつ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１ エンジン（内燃機関）
４ 排気管
１７ 熱電発電装置
２１、５１ 内管
２２ 受熱通路
２３ 外管
２３ａ 外周部
２７ 熱電変換モジュール
２８ 冷却水管（冷却部材）
２８ｃ 内周部
２９ 受熱基板（熱電変換モジュールの一側面）
３０ 放熱基板（熱電変換モジュールの他側面）
３６、５４ 連通孔
３９ 開閉弁
４１、４２ 円筒部（突出部）
４１ａ、４２ａ 内周部
４１ｂ スクリュー部（排気ガス速度上昇部）
４３ 突出部
４３ａ、４３ｂ 絞り部（内周部）
５２ 排気通路
５３ 外周突部

Claims (5)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが導入される内管と、前記内管の外方に設けられ、前記内管との間で受熱通路を形成する外管と、一側面が前記外管の外周部に接触するとともに他側面が冷却部材の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、前記内管を開閉する開閉弁とを備えた熱電発電装置であって、
   前記内管が、前記内管内を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記内管の内部と前記受熱通路とを連通する複数の連通孔を有し、前記連通孔の開口面積が、前記排気方向上流側から下流側に向かうに従って大きく形成されることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記冷却部材は、冷却水が流通する冷却水管から構成され、前記冷却水管は、冷却水を前記排気方向下流側から前記排気方向上流側に向かって流すことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記内管の外周部に、前記受熱通路に向かって前記内管から突出する突出部を設け、前記突出部の内周部が前記連通孔に連通することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記突出部に、前記突出部の内周部を流れる排気ガスの流速を上昇させる排気ガス速度上昇部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記内管の外周部に、前記排気ガスの排気方向に沿ってスパイラル状に延在して排気通路を形成する外周突部を設け、前記外周突部に前記連通孔が形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。

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