JP2013150419A

JP2013150419A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP2013150419A
Application number: JP2012007984A
Authority: JP
Inventors: Takuomi Kaminaga; 拓臣神長
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-08-01

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量を増加させることができる熱電発電装置を提供すること。
【解決手段】主通路２５を形成する下流側内管２４と副通路２８を形成する外管２２とを連通孔４７によって連通するとともに、連通孔４７に対して下流側の下流側内管２４と外管２２とを連通孔４８ａによって連通し、連通孔４７に対して上流側の上流側内管２３に縮径部２３ａを形成する。また、下流側内管２４の上流部と冷却水管２９の上流部との間に作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０を設け、下流側内管２４の下流部と冷却水管２９の下流部との間に作動温度領域が低い熱電変換モジュール３８を設ける。
【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に熱電変換モジュールの高温部を接触させるとともに、熱電変換モジュールの低温部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、高温部となる受熱基板および低温部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ガスと温度の低い冷却水により、熱電変換モジュールの高温部と低温部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部と低温部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、作動温度領域が１００℃から２００℃程度で熱電変換効率が高くなり、Ｍｇ−Ｓｉ系の熱電材料を使用した熱電変換モジュールは、作動温度領域が４００℃〜５００℃程度で熱電変換効率が高くなる。
また、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部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しつつ、発電効率を向上させることができるようにした熱電発電装置としては、例えば、特許文献１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としての遮熱空間を画成する外管と、高温部が外管に接触するとともに、低温部が冷却水管に接触し、高温部と低温部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、排気管の排気方向上流側に形成され、排気管の内部と遮熱空間とを連通する排気ガス導入通路と、排気管の排気方向下流側に設けられ、排気管の内部と遮熱空間とを連通する排気ガス排出通路とを備えている。

このような構成を有する熱電発電装置は、熱電変換モジュールの耐熱温度以上に温度が上昇する場合には、開閉弁を開方向に駆動し、排気ガス導入通路を通して排気管と遮熱空間を連通することにより、遮熱空間内に流れる排気ガスの流量を低減させる。

このため、遮熱空間を断熱層として作用させることにより、熱電変換モジュールの高温部の表面温度を下げて、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。

また、エンジンの始動直後や、アイドリング時等のように排気ガスの温度が低いときには、開閉弁を閉じ、遮熱空間に排気ガスを積極的に流すことにより、熱電変換モジュールの高温部の温度を早期に上昇させることができる。

特開２０００−１８０９５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、熱電変換モジュールの耐熱温度以上に温度が上昇する場合には、開閉弁を開方向に駆動し、排気ガス導入通路を通して排気管と遮熱空間を連通するようにしているので、受熱通路を流れる排気ガスは、遮熱空間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、遮熱空間の下流側において排気ガスの熱量が低下してしまう。

この結果、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に比べて低下し、下流側で電力を十分に回収することができず、結果的に熱電変換モジュールの発電量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量を増加させ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）排気ガスが流れる排気ガス通路に高温部が対向するとともに、冷却水が流れる冷却水通路に低温部が対向し、作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールおよび前記第１の熱電変換モジュールよりも作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、前記排気ガス通路が、内燃機関から排出された排気ガスが導入される主通路を形成する第１の排気管と、前記第１の排気管と同軸上に設けられ、副通路を形成する第２の排気管と、前記第１の排気管と前記第２の排気管とを連通する第１の連通路と、前記第１の連通路に対して排気方向下流側に位置し、前記第１の排気管と前記第２の排気管とを連通する第２の連通路とを含んで構成され、前記第１の連通路に対して排気方向上流側の前記第１の排気管に縮径部を形成し、前記第２の熱電変換モジュールの高温部を前記第２の排気管に対向させるとともに、前記第１の熱電変換モジュールの高温部を前記第１の排気管および前記第２の排気管のいずれか一方に対向させたものから構成されている。

この熱電発電装置は、主通路を形成する第１の排気管と第１の排気管と共に副通路を形成する第２の排気管とが第１の連通路によって連通されるとともに、第１の連通路に対して下流側の第１の排気管と第２の排気管とが第２の連通路によって連通され、第１の連通路に対して上流側の第１の排気管に縮径部が形成される。

このため、縮径部の下流側の排気ガスの流速を増加させることができ、縮径部の排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧が発生して、第１の連通路を通して副通路に負圧が発生する。この負圧により、主通路を流れる排気ガスが第２の連通路を通して副通路に導入される。

このため、主通路において高温の排気ガスを作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールで回収した後に、低温となった排気ガスを副通路において作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールによって回収することができる。この結果、排気ガスの熱を第１の熱電変換モジュールおよび第２の熱電変換モジュールによって効率よく回収することができ、熱電変換モジュールの発電量を増大させることができる。

また、負圧によって第１の排気管を流れる排気ガスが第２の連通路を通して副通路に導入されて、主通路を流れる排気ガスの流れと逆流し、第１の連通路を通して再び主通路に導入されるので、内燃機関から主通路に排出された新規の排気ガスが、第１の連通路を通して主通路に導入された熱回収後の排気ガスと混合されて温度が低下する。

このため、上流側の第１の熱電変換モジュールに高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができ、第１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。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記第２の排気管は、前記第１の排気管の外方に前記冷却水通路を形成する冷却水管を挟んで設けられ、前記冷却水管と前記第１の排気管との間に前記第１の熱電変換モジュールが介装されるとともに、前記冷却水管と前記第２の排気管との間に前記第２の熱電変換モジュールが介装されるものから構成されている。

この熱電発電装置は、冷却水管と第１の排気管との間に第１の熱電変換モジュールが介装されるとともに、冷却水管と第２の排気管との間に第２の熱電変換モジュールが介装されるので、主通路において高温の排気ガスを作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールで回収した後に、低温となった排気ガスを副通路において作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールによって回収することができる。

また、内燃機関から主通路に排出された新規の排気ガスを第１の連通路を通して主通路に導入された熱回収後の排気ガスと混合して主通路から副通路に導入することができるため、上流側の第１の熱電変換モジュールに高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができ、第１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。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（３）前記第２の排気管が前記冷却水通路を形成する冷却水管と前記第１の排気管との間に位置するように前記第１の排気管の外方に設けられ、前記第１の熱電変換モジュールが前記冷却水管と前記第２の排気管の排気方向上流側に設けられるとともに、前記第２の熱電変換モジュールが前記冷却水管と前記第２の排気管の排気方向下流側に設けられ、前記副通路が、前記第１の排気管の排気方向上流側と前記第２の排気管の排気方向上流側との間に形成され、前記第１の熱電変換モジュールに排気ガスの熱を伝達する第１の受熱路と、前記第１の排気管の排気方向下流側と前記第２の排気管の排気方向下流側との間に形成され、前記第２の熱電変換モジュールに排気ガスの熱を伝達する第２の受熱路とから構成され、前記第１の受熱路と前記第２の受熱路との間に位置するように前記第２の連通路が形成されるとともに、前記第２の受熱路の排気方向下流側に、前記第２の受熱路から排気ガスを排出する排出孔が形成され、前記第１の排気管に前記内燃機関の回転数に応じて前記第１の排気管を開閉する開閉弁が設けられるものから構成されている。

この熱電発電装置は、第１の熱電変換モジュールが設置された上流側の第１の受熱路と第２の熱電変換モジュールが設置された下流側の第２の受熱路との間に主通路と連通する第２の連通路が形成され、第１の排気管に内燃機関の回転数に応じて開閉される開閉弁が設けられる。

このため、内燃機関の回転数に応じた流速の排気ガスによって開閉弁の開度が調整されることにより、内燃機関の回転数に応じた温度の排気ガスが第１の受熱路および第２の受熱路に選択的に供給され、第１の熱電変換モジュールおよび第２の熱電変換モジュールが排気ガスの温度に応じた発電を行うことができる。
このため、排気ガスの熱を第１の熱電変換モジュールおよび第２の熱電変換モジュールによってより効率よく回収することができ、熱電変換モジュールの発電量をより増大させることができる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記第１の排気管が、内燃機関から排気ガスが導入される上流側排気管と、前記上流側排気管に対して排気方向下流側に設けられた下流側排気管とから構成され、前記上流側排気管の排気方向下流部の内径が前記下流側排気管の内径よりも絞られているものから構成されている。

この熱電発電装置は、上流側排気管の下流部の内径を下流側排気管の内径よりも絞ることにより、縮径部を通過した排気ガスによって縮径部の下流側に負圧を発生させることができ、副通路に負圧を発生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量を増加させることができる熱電発電装置を提供することができる。

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、作動温度領域が高い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１の実施の形態を示す図であり、作動温度領域が低い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１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の排気ガスの流れを示す図である。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、他の構成の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、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、エンジンの低回転域における排気ガスの流れを示す図である。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、エンジンの中回転域における排気ガスの流れを示す図である。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、エンジンの高回転域における排気ガスの流れを示す図である。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、他の構成の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６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、または、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第１の排気管としての内管２１と、内管２１の外方に内管２１と同軸上に設けられ、下流端がテールパイプ１９に連結される第２の排気管としての外管２２とを備えている。

内管２１は、上流側の排気管４に連結された上流側排気管としての上流側内管２３と、上流側内管２３に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられた下流側排気管としての下流側内管２４とを備えており、上流側内管２３および下流側内管２４の内部によって排気ガスが流れる主通路２５が形成されている。

このため、排気管４から内管２１に排出された排気ガスは、主通路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。

なお、本発明の熱電発電装置１７において定義される排気方向とは、内管２１を流れる排気ガスの排気方向のことを指すものであり、上流および下流とは、この排気方向に対する方向である。すなわち、熱電発電装置１７に対して上流側とはエンジン１側であり、下流側とはテールパイプ１９側である。

このため、後述する副通路２８を流れる排気ガスの方向が主通路２５の排気ガスの流れ方向と反対方向であっても、副通路２８を流れる排気ガスは、表現上、排気方向の下流側から上流側に流れるものとする。

また、外管２２は、アウターパイプ２６およびインナーパイプ２７から構成されており、アウターパイプ２６とインナーパイプ２７とによって副通路２８が形成されている。

また、下流側内管２４およびインナーパイプ２７の間には冷却水通路を形成する冷却水管２９が介装されており、冷却水管２９は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２９ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２９ｂを備えている。

また、インナーパイプ２７には上流側配管１８ａおよび下流側配管１８ｂが挿通される開口２７ａ、２７ｂが形成されている。なお、本実施の形態では、主通路２５および副通路２８が排気ガス通路を構成している。

また、インナーパイプ２７の上流端は、下流側内管２４の上流端に固定されることによってインナーパイプ２７の上流端に支持されている。

また、インナーパイプ２７の下流端は、下流側内管２４の下流端に固定されているとともに、アウターパイプ２６は、支持ブラケット４８を介して下流側内管２４に連結されており、下流側内管２４の下流側は、支持ブラケット４８によってインナーパイプ２７に支持されている。

また、上流側配管１８ａが冷却水管２９を介してインナーパイプ２７に取付けられることにより、下流側内管２４の上流部は、アウターパイプ２６に支持される。

下流側内管２４と冷却水管２９との間には第１の熱電変換モジュールとしての複数の熱電変換モジュール３０が設けられており、この熱電変換モジュール３０は、排気方向に直列に設けられている。

図３に示すように、熱電変換モジュール３０は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板３１と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３２との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するＮ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４が電極３５ａ、３５ｂ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３０は、配線３６を介して電気的に接続されている。

この熱電変換モジュール３０は、受熱基板３１が下流側内管２４に接触するとともに、放熱基板３２が冷却水管２９に接触しており、受熱基板３１と放熱基板３２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３７を介してバッテリに電力を供給するようになっている。

また、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４は、Ｍｇ−Ｓｉ系等の熱電材料から構成されており、作動温度領域が４００℃〜５００℃程度で熱電変換効率が高くなる特性を有している。なお、図２では、熱電変換モジュール３０を簡略化している。

また、インナーパイプ２７と冷却水管２９との間には第２の熱電変換モジュールとしての複数の熱電変換モジュール３８が設けられており、この熱電変換モジュール３８は、排気方向に直列に設けられている。

図４に示すように、熱電変換モジュール３８は、受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板３９と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板４０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するＮ型熱電変換素子４１およびＰ型熱電変換素子４２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子４１およびＰ型熱電変換素子４２が電極４３ａ、４３ｂ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３８は、配線４４を介して電気的に接続されている。

この熱電変換モジュール３８は、受熱基板３９がインナーパイプ２７に接触するとともに、放熱基板４０が冷却水管２９に接触しており、受熱基板３９と放熱基板４０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４６を介してバッテリに電力を供給するようになっている。

また、Ｎ型熱電変換素子４１およびＰ型熱電変換素子４２は、Ｂｉ−Ｔｅ系等の熱電材料から構成されており、作動温度領域が１００℃〜２００℃程度で熱電変換効率が高くなる特性を有している。なお、図２では、熱電変換モジュール３８を簡略化している。

すなわち、本実施の形態の熱電変換モジュール３０は、作動温度領域が高く設定されており、熱電変換モジュール３８は、熱電変換モジュール３０に対して作動温度領域が低く設定されている。

なお、熱電変換モジュール３０、３８は、略正方形のプレート形状をしており、下流側内管２４、インナーパイプ２７および冷却水管２９のそれぞれに密着させる必要があるため、内管２１、外管２２および冷却水管２９は、多角形に形成されている。

さらに、内管２１、外管２２および冷却水管２９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３０、３８の受熱基板３１、３９および放熱基板３２、４０等を湾曲させるようにすればよい。

また、上流側内管２３の下流側には縮径部２３ａが形成されており、この縮径部２３ａの流路面積は、下流側内管２４の流路面積よりも小さくなっている。また、上流側内管２３の下流端と下流側内管２４の上流端との間には隙間が画成されており、この隙間によって内管２１と外管２２とが連通、すなわち、主通路２５の上流側と副通路２８とが連通されている。本実施の形態では、上流側内管２３の下流端と下流側内管２４の上流端との間の隙間が第１の連通路としての連通孔４７を構成している。

また、連通孔４７に対して下流側の支持ブラケット４８には連通孔４８ａが形成されており、内管２１および外管２２は、連通孔４８ａを介して連通、すなわち、主通路２５の下流側と副通路２８とが連通されている。本実施の形態では、連通孔４８ａが第２の連通路を構成している。なお、連通孔４７および連通孔４８ａは、排気ガス通路を構成している。

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、低温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、排気管４から内管２１の主通路２５に導入された排気ガスによって冷却水管２９を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。

エンジン１の暖機後には、排気管４から内管２１の主通路２５に導入された排気ガスの熱エネルギーが、熱電変換モジュール３０によって電気エネルギーに効率よく変換される。

また、エンジン１の暖機後には、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Ｗ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Ｗ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。

次に、図５に基づいて暖機終了後の熱電発電装置１７の作用を説明する。
本実施の形態の熱電発電装置１７は、内管２１が、上流側内管２３と、上流側内管２３に対して下流側に設けられた下流側内管２４とを備え、上流側内管２３の下流部に、下流側内管２４の流路面積よりも小さい流路面積を構成する縮径部２３ａが形成されている。

このため、上流側内管２３から下流側内管２４の主通路２５に導入される排気ガスＧ１は、上流側内管２３の下流部に形成された縮径部２３ａを通過するときに流速が増加され、縮径部２３ａの排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧が発生する。

縮径部２３ａの下流側には主通路２５と副通路２８とを連通する連通孔４７が形成されているため、連通孔４７を通して副通路２８に負圧が発生する。

副通路２８に負圧が発生すると、主通路２５を流れる排気ガスＧ１が連通孔４７よりも下流に設けられた連通孔４８ａを通して副通路２８に導入されて、主通路２５を流れる排気ガスＧ１の流れと逆流する流れとなる。なお、図５では、主通路２５の排気ガス流れをＧ１で示し、副通路２８の排気ガスの流れをＧ２で示す。

上流側内管２３から下流側内管２４の主通路２５に導入された排気ガスＧ１は、作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０の受熱基板３１に作用し、冷却水管２９を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール３０の放熱基板３２に作用することにより、熱電変換モジュール３０の受熱基板３１と放熱基板３２との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル３７を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。

主通路２５を流れる高温の排気ガスは、主通路２５の下流側に行くに従って冷却水によって熱を奪われて低温となり、１回目の熱回収が行われた低温の排気ガスＧ２は、負圧が作用する副通路２８に連通孔４８ａを介して導入される。

ここで、上流側内管２３に導入される新規の排気ガスＧの温度を、例えば、６００℃とすると、主通路２５の出口側の排気ガスＧ２の温度は、２００℃程度まで低下して副通路２８に導入される。

副通路２８に導入された低温の排気ガスＧ２は、作動温度領域が低い熱電変換モジュール３８の受熱基板３９に作用し、冷却水管２９を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール３８の放熱基板４０に作用することにより、熱電変換モジュール３８の受熱基板３９と放熱基板４０との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル４６を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。すなわち、排気ガスＧ２は、副通路２８で２回目の熱回収が行われる。

副通路２８を流れる２回目の熱回収後の排気ガスＧ２は、温度が１００℃程度まで低下する。この排気ガスＧ２は、連通孔４７を通して副通路２８から主通路２５に導入され、主通路２５に導入される新規の排気ガスＧに混合されることにより、主通路２５を流れる排気ガスが５００℃程度まで下がり、熱電変換モジュール３０の作動温度領域の上限値、すなわち、耐熱温度の上限値となる。

主通路２５を流れる混合ガスは、熱電変換モジュール３０によって熱回収される。このため、主通路２５の排気方向に配列された熱電変換モジュール３０は、高温の排気ガスＧに晒されることがなく、熱電変換モジュール３０の熱害を防止することができる。

このように本実施の形態では、主通路２５を形成する下流側内管２４と副通路２８を形成する外管２２とを連通孔４７によって連通するとともに、連通孔４７に対して下流側の下流側内管２４と外管２２とを連通孔４８ａによって連通し、連通孔４７に対して上流側の上流側内管２３に縮径部２３ａを形成した。

このため、縮径部２３ａの下流側の排気ガスの流速を増加させることができ、縮径部２３ａの排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧を発生させて、連通孔４７を通して副通路２８に負圧を発生させることができる。そして、この負圧により、主通路２５を流れる排気ガスを連通孔４８ａを通して副通路２８に導入することができる。

このため、主通路２５において高温の排気ガスを作動温度領域が熱電変換モジュール３０で回収した後に、低温となった排気ガスを副通路２８において作動温度領域が低い熱電変換モジュール３８によって回収することができる。

この結果、排気ガスの熱を熱電変換モジュール３０、３８によって効率よく回収することができ、熱電変換モジュール３０、３８の発電量を増大させることができる。

また、下流側内管２４の主通路２５を流れる排気ガスＧ１を、副通路２８に発生する負圧によって連通孔４８ａを通して副通路２８に導入して、主通路２５を流れる排気ガスの流れと逆流させ、連通孔４７を通して再び主通路２５に導入させることができるため、エンジン１から主通路２５に排出された新規の排気ガスＧを、連通孔４７を通して主通路２５に導入された熱回収後の排気ガスＧ２と混合させて温度を下げることができる。

このため、上流側に設置された熱電変換モジュール３８に高温の新規の排気ガスＧを直接接触させないようにすることができ、熱電変換モジュール３０のＮ型熱電変換素子３３、Ｐ型熱電変換素子３４、ケーブル３７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、上流側の冷却水管２９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、冷却水が高温になるのを抑制することができ、冷却水管２９が破損したり、エンジン１の冷却性能が低下するのを防止することができる。

また、冷却水の温度が上昇するのを抑制することができるため、排気ガスと冷却水との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール３８の発電効率を向上させることができる。

なお、排気量が大きい車両等によっては、副通路２８で熱回収した排気ガスが高くなり、温度条件が厳しくなることがある。このため、図６に示すように、副通路２８の下流側（副通路２８に逆流する排気ガスＧ２に対して上流側）に作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０を設置するようにしてもよい。また、副通路２８に設置する熱電変換モジュール３０は、車両の温度環境に応じて適宜の数を設置すればよい。

なお、本実施の形態では、排気方向に６つの熱電変換モジュール３０、３８を設けているが、熱電変換モジュール３０、３８の数は、特に限定されるものではない。

（第２の実施の形態）
図７〜図１１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７において、熱電発電装置５１は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される第１の排気管としての内管５２と、内管５２の外方に内管５２と同軸上に設けられ、下流端がテールパイプ１９に連結される第２の排気管としての外管５３とを備えている。

内管５２は、上流側の排気管４に連結された上流側排気管としての上流側内管５４と、上流側内管５４に対して排気ガスの排気方向下流側に設けられた下流側排気管としての下流側内管５５とを備えており、上流側内管５４および下流側内管５５の内部によって排気ガスが流れる主通路５６が形成されている。

このため、排気管４から内管５２に排出された排気ガスは、主通路５６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。
なお、本発明の熱電発電装置５１において定義される排気方向とは、内管５２を流れる排気ガスの排気方向のことを指すものであり、上流および下流とは、この排気方向に対する方向である。すなわち、熱電発電装置５１に対して上流側とはエンジン１側であり、下流側とはテールパイプ１９側である。

このため、後述するように副通路６０を流れる排気ガスの方向が主通路５６の排気ガスの流れ方向と反対方向であっても、副通路６０を流れる排気ガスは、表現上、排気方向の下流側から上流側に流れるものとする。

また、外管５３の上流端は、上流側内管５４に固定されており、外管５３の下流端は、支持ブラケット５７を介して下流側内管５５に固定されている。このため、上流側内管５４および下流側内管５５は、外管５３に支持されている。

また、熱電発電装置５１は、図３、図４に示すものと同一の第１の熱電変換モジュールとしての熱電変換モジュール３０と、第２の熱電変換モジュールとしての熱電変換モジュール３８と、筒状の冷却水管５８とを備えている。なお、図７では、熱電変換モジュール３０、３８を簡略化している。

熱電変換モジュール３０は、上流側内管５４の上流側と冷却水管５８との間に排気方向に直列に介装されており、受熱基板３１が上流側内管５４に接触するとともに、放熱基板３２が冷却水管５８に接触している。

また、熱電変換モジュール３８は、上流側内管５４の下流側と冷却水管５８との間に排気方向に直列に介装されており、受熱基板３９が上流側内管５４に接触するとともに、放熱基板４０が冷却水管５８に接触している。

なお、熱電変換モジュール３０、３８は、略正方形のプレート形状をしており、外管５３および冷却水管５８の間に密着させる必要があるため、外管５３および冷却水管５８は、多角形に形成されている。

さらに、外管５３および冷却水管５８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３０、３８の受熱基板３１、３９および放熱基板３２、４０等を湾曲させるようにすればよい。

また、上流側内管５４の下流側には縮径部５４ａが形成されており、この縮径部５４ａの流路面積は、下流側内管５５の流路面積よりも小さくなっている。また、上流側内管５４の下流端と下流側内管５５の上流端との間には隙間が画成されており、この隙間によって内管５２と外管５３とが連通、すなわち、主通路５６の上流側と副通路６０とが連通されている。

本実施の形態では、上流側内管５４の下流端と下流側内管５５の上流端との間の隙間が第１の連通路としての連通孔５９を構成している。

冷却水管５８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部５８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部５８ｂを備えており、外管５３は、内管５２と冷却水管５８との間に設けられている。
すなわち、本実施の形態の熱電発電装置５１は、外管５３が冷却水管５８と内管５２との間に位置するように内管５２の外方に設けられている。

下流側内管５５と外管５３との間に形成された副通路６０は、熱電変換モジュール３０に排気ガスの熱を伝達する第１の受熱路としての受熱路６２と、熱電変換モジュール３８に排気ガスの熱を伝達する第２の受熱路としての受熱路６３から構成されており、受熱路６２と受熱路６３との間に位置するように第２の連通路としての連通孔６１が形成されている。
本実施の形態では、連通孔５９および連通孔６１は、排気ガス通路を構成している。

また、支持ブラケット５７には排出孔５７ａが形成されており、この排出孔５７ａは、外管５３の下流に接続されたテールパイプ１９と受熱路６３とを連通し、受熱路６３内の排気ガスをテールパイプ１９に排出するようになっている。

また、下流側内管５５には開閉弁６４が設けられており、この開閉弁６４は、連通孔６１に対して下流側に設けられ、下流側内管５５を開閉するように外管５３に回動自在に取付けられている。

この開閉弁６４は、主通路５６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。なお、排気ガスの圧力の大きさは、エンジン１の回転数に相関関係があり、エンジン１の回転数が大きくなる程、排気ガスの圧力は、大きくなる。

すなわち、開閉弁６４は、エンジン１のアイドリング時や低回転域では、排気ガスの圧力が低いため、下流側内管５５を閉塞する。また、開閉弁６４は、エンジン１の中回転域では、排気ガスの圧力が高くなるため、小さい開度で開いて、または、閉じたままとなり、下流側内管５５を少しだけ解放、または、閉塞する。さらに、エンジン１の高回転域では、排気ガスの圧力がさらに高くなるため、下流側内管５５を解放する。

次に、作用を説明する。
本実施の形態の熱電発電装置５１は、熱電変換モジュール３０が設置された上流側の受熱路６２と熱電変換モジュール３８が設置された下流側の受熱路６３との間に主通路５６と連通する連通孔６１が形成され、下流側内管５５にエンジン１の回転数に応じて開閉される開閉弁６４が設けられている。

エンジン１の低回転域では、図８に示すように、上流側内管５４に導入される新規の排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁６４は、閉じた状態となる。このとき、上流側内管５４の下流部に形成された縮径部５４ａを通過する排気ガスによる負圧が小さいため、連通孔６１から受熱路６２に逆流する排気ガスが少なく、下流側内管５５を流れる排気ガスＧ１の多くが、Ｇ２で示すように、連通孔６１から受熱路６３に導入される。

また、エンジン１の低回転域では、排気ガスの温度が低いため、受熱路６３に導入された低温の排気ガスＧ２が、作動温度領域が低い熱電変換モジュール３８の受熱基板３９に作用し、冷却水管２９を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール３８の放熱基板４０に作用する。

このため、熱電変換モジュール３８の受熱基板３９と放熱基板４０との間の温度差によって発電が行われ、発電された電力は、ケーブル４６を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。
したがって、エンジン１の低回転域では作動温度領域が低い熱電変換モジュール３８によって効率よく発電を行うことができる。また、受熱路６２に導入された排気ガスは、排出孔５７ａを通してテールパイプ１９に排出される。

また、エンジン１の中回転域では、図９に示すように、上流側内管５４に導入される新規の排気ガスＧの圧力が高くなるため、開閉弁６４が閉じたまま（または、低開度となり）、上流側内管５４が閉塞（または、少しだけ解放）される。

このとき、上流側内管５４の下流部に形成された縮径部５４ａを排気ガスが通過するときに流速が増加され、縮径部５４ａの排気方向下流側でベンチュリ効果による負圧が大きくなり、連通孔５９を通して副通路６０に負圧が発生する。

副通路６０に負圧が発生すると、主通路５６を流れる排気ガスＧ１が連通孔５９よりも下流に設けられた連通孔６１を通してＧ２で示すように受熱路６２に導入されて、受熱路６２を流れる排気ガスＧ２が主通路５６を流れる排気ガスＧ１の流れと逆流する流れとなる。

このため、受熱路６２に導入された排気ガスＧ２は、作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０の受熱基板３１に作用し、冷却水管２９を流通する低温の冷却水が熱電変換モジュール３０の放熱基板３２に作用することにより、熱電変換モジュール３０の受熱基板３１と放熱基板３２との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル３７を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。

また、受熱路６２を逆流する排気ガスＧ２は、上流側に行くに従って冷却水によって熱を奪われて低温となるが、上流側内管５４から下流側内管５５に流れる高温の新規の排気ガスの輻射熱によって、熱電変換モジュール３０で熱回収された排気ガスの熱量が回復され、熱電変換モジュール３０の発電効率が低下することがない。

一方、受熱路６２を流れる排気ガスＧ２は、連通孔５９を通して再び下流側内管５５に導入される。エンジン１から排気管４を通して上流側内管５４に排出された新規の排気ガスは、連通孔５９を通して下流側内管５５に導入された熱回収後の排気ガスと混合され、符号Ｇ２で示すように、下流側内管５５から連通孔６１を通して受熱路６２に導入される。

このため、熱電変換モジュール３０に高温の新規の排気ガスを直接接触させないようにすることができ、熱電変換モジュール３０のＮ型熱電変換素子３３やＰ型熱電変換素子３４、または、ケーブル３７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、上流側の冷却水管５８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、冷却水が高温になるのを抑制することができ、冷却水管５８が破損したり、エンジン１の冷却性能が低下するのを防止することができる。

上述したように受熱路６２によって１回目の熱回収が行われ、この熱回収された排気ガスは、Ｇ３で示すように連通孔６１を通して受熱路６３に導入され、熱電変換モジュール３８によって２回目の熱回収が行われた後、排出孔５７ａを通してテールパイプ１９に排出される。

エンジン１の高回転域では、図１０に示すように、上流側内管５４に導入される排気ガスＧの圧力が中回転域よりも高く、かつ高温となるため、開閉弁６４は、全開となる。このとき、上流側内管５４の下流部に形成された縮径部５４ａを通過する排気ガスの流速がさらに大きくなるため、受熱路６２の負圧がさらに大きくなり、連通孔６１から受熱路６２に逆流する排気ガスＧ２の量が多くなる。

このため、受熱路６２に導入された排気ガスＧ２は、作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０によって熱回収され、ケーブル３７を介してバッテリに充電される。

また、主通路５６を逆流する排気ガスＧ２は、上流側に行くに従って冷却水によって熱を奪われて低温となるが、上流側内管５４から下流側内管５５に流れるより高温の新規の排気ガスの輻射熱によって熱電変換モジュール３０によって熱回収された排気ガスの熱量が回復され、熱電変換モジュール３０の発電効率が低下することがない。

一方、受熱路６２を流れる排気ガスＧ２は、連通孔５９を通して再び下流側内管５５に導入される。エンジン１から排気管４を通して上流側内管５４に排出された新規の排気ガスに混合されて温度が下げられ、下流側内管５５を流れ、連通孔６１を通して受熱路６２に導入される。

また、開閉弁６４が全開状態であることから、上流側内管５４を流れる新規の排気ガスＧと連通孔５９を通して下流側内管５５に導入された熱回収後の排気ガスとの混合ガスＧ３は、受熱路６３に導入されることなく、テールパイプ１９に排出される。

このとき、上流側内管５４を流れる混合ガスＧ３は、輻射熱となるとともに、受熱路６３が空気層（断熱層）となることにより、熱電変換モジュール３８に伝達される輻射熱の温度が低下されて熱電変換モジュール３８に伝達される。このため、混合ガスＧ３が熱電変換モジュール３８によって熱回収され、熱電変換モジュール３８が発電を行うことにより、バッテリに供給され、バッテリに充電される。

すなわち、エンジン１の高回転域では、高温の排気ガスＧが受熱路６３に導入されることがなく、テールパイプ１９に排出されることで、熱電変換モジュール３８のＮ型熱電変換素子４１やＰ型熱電変換素子４２、ケーブル４６が排気ガスの熱害を受けて損傷するのを防止しつつ、熱電変換モジュール３８の発電量が低下するのを防止することができる。

このように本実施の形態では、熱電変換モジュール３０が設置された上流側の受熱路６２と熱電変換モジュール３８が設置された下流側の受熱路６３との間に主通路５６と連通する連通孔６１を形成し、上流側内管５４にエンジン１の回転数に応じて開閉される開閉弁６４を設けたので、エンジン１の回転域に応じた流速の排気ガスによって開閉弁６４の開度を調整することができる。

このため、エンジン１の回転域に応じた温度の排気ガスを受熱路６２、６３に選択的に供給して、熱電変換モジュール３０、３８が排気ガスの温度に応じた発電を行うことができる。

この結果、排気ガスの熱を熱電変換モジュール３０、３８によってより効率よく回収することができ、熱電変換モジュール３０、３８の発電量をより増大させることができる。

なお、排気量が大きい車両等によっては、副通路６０で熱回収した排気ガスが高くなり、温度条件が厳しくなることがある。このため、図１１に示すように、副通路６０の下流側（副通路６０に逆流する排気ガスに対して上流側）に作動温度領域が高い熱電変換モジュール３０を設置するようにしてもよい。また、副通路６０に設置する熱電変換モジュール３０は、車両の温度環境に応じて適宜の数を設置すればよい。
なお、本実施の形態では、排気方向に６つの熱電変換モジュール３０、３８を設けているが、熱電変換モジュール３０、３８の数は、特に限定されるものではない。

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量を増加させ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）
１７、５１熱電発電装置
２１、５２内管（第１の排気管）
２２、５３外管（第２の排気管）
２３、５４上流側内管（上流側排気管）
２３ａ、５４ａ縮径部
２４、５５下流側内管（下流側排気管）
２５、５６主通路（排気ガス通路）
２８、６０副通路（排気ガス通路）
２９、５８冷却水管
３０熱電変換モジュール（第１の熱電変換モジュール）
３８熱電変換モジュール（第２の熱電変換モジュール）
４７、５９連通孔（第１の連通路、排気ガス通路）
４８ａ、６１連通孔（第２の連通路、排気ガス通路）
５７ａ排出孔
６２受熱路（第１の受熱路）
６３受熱路（第２の受熱路）
６４開閉弁

Claims

排気ガスが流れる排気ガス通路に高温部が対向するとともに、冷却水が流れる冷却水通路に低温部が対向し、作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールおよび前記第１の熱電変換モジュールよりも作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、
前記排気ガス通路が、内燃機関から排出された排気ガスが導入される主通路を形成する第１の排気管と、前記第１の排気管と同軸上に設けられ、副通路を形成する第２の排気管と、前記第１の排気管と前記第２の排気管とを連通する第１の連通路と、前記第１の連通路に対して排気方向下流側に位置し、前記第１の排気管と前記第２の排気管とを連通する第２の連通路とを含んで構成され、
前記第１の連通路に対して排気方向上流側の前記第１の排気管に縮径部を形成し、前記第２の熱電変換モジュールの高温部を前記第２の排気管に対向させるとともに、前記第１の熱電変換モジュールの高温部を前記第１の排気管および前記第２の排気管のいずれか一方に対向させたことを特徴とする熱電発電装置。
前記第２の排気管は、前記第１の排気管の外方に前記冷却水通路を形成する冷却水管を挟んで設けられ、前記冷却水管と前記第１の排気管との間に前記第１の熱電変換モジュールが介装されるとともに、前記冷却水管と前記第２の排気管との間に前記第２の熱電変換モジュールが介装されることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記第２の排気管が前記冷却水通路を形成する冷却水管と前記第１の排気管との間に位置するように前記第１の排気管の外方に設けられ、
前記第１の熱電変換モジュールが前記冷却水管と前記第２の排気管の排気方向上流側に設けられるとともに、前記第２の熱電変換モジュールが前記冷却水管と前記第２の排気管の排気方向下流側に設けられ、
前記副通路が、前記第１の排気管の排気方向上流側と前記第２の排気管の排気方向上流側との間に形成され、前記第１の熱電変換モジュールに排気ガスの熱を伝達する第１の受熱路と、前記第１の排気管の排気方向下流側と前記第２の排気管の排気方向下流側との間に形成され、前記第２の熱電変換モジュールに排気ガスの熱を伝達する第２の受熱路とから構成され、
前記第１の受熱路と前記第２の受熱路との間に位置するように前記第２の連通路が形成されるとともに、前記第２の受熱路の排気方向下流側に、前記第２の受熱路から排気ガスを排出する排出孔が形成され、
前記第１の排気管に前記内燃機関の回転数に応じて前記第１の排気管を開閉する開閉弁が設けられることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記第１の排気管が、内燃機関から排気ガスが導入される上流側排気管と、前記上流側排気管に対して排気方向下流側に設けられた下流側排気管とから構成され、前記上流側排気管の排気方向下流部の内径が前記下流側排気管の内径よりも絞られていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。