JP2014086713A - 車両用熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源と冷却源の温度差を大きくして発電効率を高め、組み立てが容易、故障発生時の部品交換が簡単な車両用熱電発電装置を提供する。
【解決手段】排気ガスと冷却水の温度差を利用して電気を生産する車両用熱電発電装置であって、ａ）パイプ形状として、排気パイプが内部を貫通するように取り付けられたハウジング、ｂ）ハウジングの外周面に取り付けられ、ハウジングの長さ方向に沿って複数の列をなすように取り付けられた熱電モジュール、ｃ）熱電モジュールをハウジングに密着させるように取り付けられ、熱電モジュールの各列ごとに密着する複数の冷却水チューブ、ｄ）ハウジングの縦方向に沿って一側に位置する冷却水チューブの両側末端各々に取り付けられた第１冷却水筒と、ｅ）ハウジングの縦方向に沿って他側に位置する冷却水チューブ冷却水チューブの両側末端各々に取り付けられた第２冷却水筒で構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用熱電発電装置に関し、より詳しくは、熱電モジュールの両側の温度差を大きくして発電効率性をより向上させ、組み立ておよび部品交換が容易にできる車両用熱電発電装置に関するものである。

熱電発電は、加熱素子と冷却素子との間の温度差を利用して電気を得る構造であり、機械的な作動がなく、熱源から直接に電気エネルギーを生産できる長所がある。
熱電発電方式は、自動車以外の分野においては、以前から既に用いられており、僻地での電源施設、惑星探査船（Ｖｏｙａｇｅｒ ＩＩ）などに用いられた事例があり、最近では、ゴミ焼却炉の廃熱利用システム、地熱発電、海洋温度差発電などへの適用も検討されている。

一方、自動車におけるエネルギー流れを調べてみれば、ガソリンが有する化学エネルギーはエンジンにおいて燃焼して機械エネルギーに変換されるが、この時の熱効率は３０％程度に過ぎず、残りのエネルギーは熱エネルギー、振動エネルギー、音響エネルギーなどとして放出される。
したがって、燃費向上のためには、放出されたエネルギーを再利用することが求められる。また、放出された熱エネルギーの中でも温度が高い方がエネルギーとしての効用が高いため、数百度の高い温度領域を有するエンジンの排気熱を高温熱源として用いる方法が開発されている。

一方、車両に電気を供給するために用いられるオルタネータ（ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）は、その効率が約３３％程度に過ぎないだけでなく、車両の所要電力が増加すれば軸動力を増大させなければならないため、軸動力の損失も増加して、燃料消耗が大きく、さらにこれによる公害排出物が増大するという問題点があった。

この時、オルタネータの駆動に消費されるエネルギーは車両の運転状態および電力使用状態によって変化するが、電力使用の少ない昼間の一般運転時にも消費される。
したがって、熱電発電などを介した追加的な発電は、オルタネータの機能を分担することで燃費向上の効果が期待できる。

車両に適用されて、排気ガスの排気熱と冷却水を用いて電気を生産する構造の熱電発電として、エンジンの排気系に熱電素子を配置して発電する排熱発電装置の提案がなされている〔例えば、特許文献１、特許文献２参照〕。具体的には、Ｐ型あるいはＮ型の半導体で構成された熱電モジュールを排気パイプに取り付け、一方を高温の排気ガス系に接し、他方を低温の冷却水系に接するようにして構成される。この時、熱電モジュールの発電効率を高くするためには、熱電モジュールに伝えられる熱源（排気ガス）と冷却源（冷却水）間の温度差を大きくしなければならない。

特開２００７−１６７４７号公報 特開２０１０−２５５６３２号公報

そこで、本発明の目的は、熱源と冷却源の温度差を大きくすることで発電効率を高めることができ、組み立てが容易で、故障発生時の部品交換が簡単な車両用熱電発電装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の車両用熱電発電装置は、排気ガスが流れる排気パイプに取り付けられ、排気ガスと冷却水の温度差を利用して電気を生産する車両用熱電発電装置であって、ａ）パイプ形状として、排気パイプが内部を貫通するように取り付けられたハウジングと、ｂ）ハウジングの外周面に取り付けられ、ハウジングの長さ方向に沿って複数の列をなすように取り付けられ、温度差によって電気を生産する熱電モジュールと、ｃ）内部に冷却水が流れ、熱電モジュールをハウジングに密着させるように取り付けられ、熱電モジュールの各列ごとに密着する複数の冷却水チューブと、ｄ）ハウジングの縦方向に沿って一側に位置する冷却水チューブが開通するように冷却水チューブの両側末端の各々に取り付けられ、冷却水が出入りする第１冷却水筒と、ｅ）ハウジングの縦方向に沿って他側に位置する冷却水チューブが開通するように冷却水チューブの両側末端の各々に取り付けられ、冷却水が出入りする第２冷却水筒と、を有して構成される。

好ましい形態では、排気パイプは、ハウジングと排気パイプとの間に排気ガスが流入されるように取り付けられ、排気パイプは、長さ方向に沿って相対的に前方側に位置する第１排気パイプと、相対的に後方側に位置する第２排気パイプに分けられ、第１排気パイプの後方末端には、スプリングに連結され、排気ガスの圧力に応じて第１排気パイプの後方末端を遮蔽するバルブプレートが取り付けられ、第１排気パイプの後方末端が遮蔽された時に、排気ガスが流れる孔が第１排気パイプの外周面に形成される。

また、排気パイプとハウジングとの間には、熱伝導部材が内蔵され、熱伝導部材は、排気ガスが通過可能であり、熱を吸収できる多孔性のメッシュ構造で形成される。
冷却水チューブの両末端には弾性を有する連結部材が取り付けられ、冷却水チューブは連結部材を介して第１冷却水筒または第２冷却水筒と連結される。

さらに、冷却水チューブが熱電モジュールに密着するようにハウジングの周縁に沿って巻かれるクランプをさらに含んで構成される。
冷却水チューブは、金属材で製造される。

上記のように構成された本発明は、冷却水チューブが第１冷却水筒および第２冷却水筒にモジュール化された形態で組み立てられることにより、組み立て性が向上し、故障時に部分的な部品交換が容易な効果がある。
本発明の構造において、冷却水チューブは、冷却水チューブ全体の熱交換ではなく、熱電モジュールと接触した部位にのみ熱交換が集中できるので、発電効率をより大きくすることができる。

本発明では、適当量の排気ガスが流れれば発電が行われるが、（スプリングの弾性力を克服するほどの）多量の排気ガスが流れたときには、迅速に排気ガスを排出して、エンジンの出力低下を防止し、熱電モジュールの過熱を防止することができる。
冷却水チューブは、弾性を有する連結部材やラバーを介して第１冷却水筒または第２冷却水筒と連結されることにより、組立の誤差および部品間に発生した間隙を吸収できる効果がある。

本発明による車両用熱電発電装置の斜視図である。 （ａ）は図１において第１冷却水筒および第２冷却水筒の各々のカバー部を除去した様子を示す斜視図であり、（ｂ）は図１においてハウジング内部に取り付けられた排気パイプの様子が表れるように透視して示す図である。 図１に示されたＡ−Ａ方向に沿って切開した様子を示す断面図である。 図１に示されたＢ−Ｂ方向に沿って切開した様子を示す断面図である。 図１に示されたＣ−Ｃ方向に沿って切開した様子を示す断面図である。

以下、図面を参照し、本発明による車両用熱電発電装置を、好ましい実施形態を挙げて詳細に説明する。
図１と図２を参照すると、車両用熱電発電装置のハウジング５０は、パイプ形状とし、排気パイプ（６０：６０ａ、６０ｂ）が内部を貫通するように取り付けられる。排気パイプ６０は、前方側（図面の左側）はエンジンと連結され、後方側（図面の右側）に排気ガスが排出されるように構成される。通常の場合（排気ガスが適正量である場合）、排気ガスは、ハウジング５０と排気パイプ６０との間に流れる。排気パイプ６０は、長さ方向に沿って相対的に前方側に位置する第１排気パイプ６０ａと、相対的に後方側に位置する第２排気パイプ６０ｂに分けられて構成される。

第１排気パイプ６０ａの後方末端にはスプリング６２が連結され、排気ガスの圧力に応じて第１排気パイプ６０ａの後方末端を遮蔽するバルブプレート６１が取り付けられている。また、第１排気パイプ６０ａの外周面には孔６３が形成されていて、第１排気パイプ６０ａの後方末端が遮蔽された時、排気ガスが迂回することができるバイパス（ｂｙｐａｓｓ）を形成する。

ハウジング５０の外周面には、温度差によって電気を生産する複数の熱電モジュール４０が取り付けられる。熱電モジュール４０は、２つの平面がある板状であって、ハウジング５０の長さ方向に沿って複数の列をなすように取り付けられる。複数の熱電モジュール４０がなす列は、ハウジング５０の周縁に沿って並んで配置される。

熱電モジュール４０の平面のうちの１つの面はハウジング５０の外周面に向けられ、他の面は冷却水チューブ７０に向いて加圧されるように密着される。冷却水チューブ７０は、長さ方向に沿って内部に冷却水が流れ、熱電モジュール４０の各列ごとに密着するように複数で構成される。

この実施形態では、冷却水チューブ７０をハウジング５０に固定させるように第１冷却水筒（１０：１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）と第２冷却水筒（２０：２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が設けられ、第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０のそれぞれは、排気パイプ６０を挟んで、ハウジング５０の前方側と後方側に取り付けられるように互いに向き合う括弧状、すなわち、“（”形状と“）”形状を持つようにする。

第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０それぞれは、連結部材３０が嵌められるカバー部（１０ｂ、１０ｄ、２０ｂ、２０ｄ）と、カバー部に結合されて冷却水が流れることができる空間を作るバルク部（１０ａ、１０ｃ、２０ａ、２０ｃ）で構成される。

図示したように、第１冷却水筒１０は、ハウジング５０の縦方向（長さ方向）に沿って一側に位置し、第２冷却水筒２０は、ハウジング５０の縦方向に沿って第１冷却水筒１０と向き合う他側に位置し、第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０は、冷却水チューブ７０の両側それぞれの末端で、冷却水流入管８０と冷却水吐出管９０が連結される。

一方、図３と図５に示すように、冷却水チューブ７０の両末端には連結部材３０が取り付けられ、冷却水チューブ７０が連結部材３０を介して第１冷却水筒１０または第２冷却水筒２０に連結される。

連結部材３０は、通常、組立時の誤差を吸収することができるように弾性を有する合成ゴム材または合成樹脂材で製造される。また、連結部材３０を冷却水チューブ７０と一体に成形するようにしてもよく、この場合、前述したような組立誤差を吸収できるように弾性を有するラバー２１をカバー部（１０ｂ、１０ｄ、２０ｂ、２０ｄ）と連結部材３０との間に設けるようにするのがよい。

本発明では、排気ガスが流れる時に、排気ガスとの接触面積を大きくするように、図４に示すように排気パイプ６０とハウジング５０との間には熱伝導部材５１が内蔵される。排気パイプ６０とハウジング５０との間は、排気ガスの流路でもあるので、熱伝導部材５１は、排気ガスが通過可能で、熱を吸収できる多孔性構造を有するものを選ぶ。例えば、熱伝導性の良いスチールまたはアルミニウムのような金属材をメッシュ（ｍｅｓｈ）形態で加工した後、ハウジング５０内に挿入可能に成形してハウジング５０内に挿入してもよい。

冷却水チューブ７０は、第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０によってハウジング５０の両末端に固定され、中間位置（ハウジングの中間位置）で冷却水チューブ７０と熱電モジュール４０の間が離れたり密着力が低下したりすることがないように、１つ以上のクランプ（図示していない）で押さえるのがよい。すなわち、クランプは、冷却水チューブ７０が熱電モジュール４０に密着するように（冷却水チューブの外側からハウジングの周縁に沿って）巻くようにして設置する。

本発明による冷却水チューブ７０は、金属材で製造可能でもあるが、不要な部分（熱電モジュールと接触しない部分）まで熱が伝導することを防止するために相対的に熱伝導性の低い合成樹脂材で製造することが好ましい。

上記のように構成された本発明の車両用熱電発電装置は、排気ガスの高熱と冷却水の低温との温度差を利用して発電することができ、さらに、バイパス（ｂｙｐａｓｓ）構造を有することにより、排気ガスが多いときには多くの排ガスがバイパスを通って流れて熱電モジュール４０の過熱を防止し、排気ガスを迅速に排出してエンジンの出力低下を防止し、適正量の排気ガスが排出しているときにだけ発電が行われるようにしている。

本発明は、第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０が分離した状態で冷却水チューブ７０に連結されることにより、組み立てが容易であり、部品交換が容易な長所があり、（図１に示すように）冷却水の流入は第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０の下方で行われ、冷却水の排出は第１冷却水筒１０と第２冷却水筒２０の上方で行われるように構成されるので、冷却水の循環が効率的に行われる効果がある。

上記した実施形態は、本発明の理解を助けるために提示したものであって、これにより本発明の範囲を限定するものではない。ここに開示した実施形態以外にも本発明の技術的思想に基づいた他の変形例が実施可能であるということは、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者にとって明らかである。

１０：第１冷却水筒
１０ａ、１０ｃ：（第１冷却水筒の）バルク部
１０ｂ、１０ｄ：（第１冷却水筒の）カバー部
２０：第２冷却水筒
２０ａ、２０ｃ：（第２冷却水筒の）バルク部
２０ｂ、２０ｄ：（第２冷却水筒の）カバー部
２１：ラバー
３０：連結部材
４０：熱電モジュール
５０：ハウジング
５１：熱伝導部材
６０、６０ａ、６０ｂ：排気パイプ
６１：バルブプレート
７０：冷却水チューブ
８０：冷却水流入管
９０：冷却水吐出管

Claims (6)

1. 排気ガスが流れる排気パイプに取り付けられ、排気ガスと冷却水の温度差を利用して電気を生産する車両用熱電発電装置であって、
   パイプ形状として、排気パイプが内部を貫通するように取り付けられたハウジングと、
   前記ハウジングの外周面に取り付けられ、前記ハウジングの長さ方向に沿って複数の列をなすように取り付けられ、温度差によって電気を生産する熱電モジュールと、
   内部に冷却水が流れ、前記熱電モジュールをハウジングに密着させるように取り付けられ、前記熱電モジュールの各列ごとに密着する複数の冷却水チューブと、
   前記ハウジングの縦方向に沿って一側に位置する前記冷却水チューブが開通するように前記冷却水チューブの両側末端の各々に取り付けられ、冷却水が出入りする第１冷却水筒と、
   前記ハウジングの縦方向に沿って他側に位置する前記冷却水チューブが開通するように前記冷却水チューブの両側末端の各々に取り付けられ、冷却水が出入りする第２冷却水筒と、
   を有してなることを特徴とする車両用熱電発電装置。
2. 前記排気パイプは、ハウジングと排気パイプとの間に排気ガスが流入されるように取り付けられ、
   前記排気パイプは、長さ方向に沿って相対的に前方側に位置する第１排気パイプと、相対的に後方側に位置する第２排気パイプに分けられ、
   前記第１排気パイプの後方末端には、スプリングに連結され、排気ガスの圧力に応じて第１排気パイプの後方末端を遮蔽するバルブプレートが取り付けられ、
   前記第１排気パイプの後方末端が遮蔽された時に、排気ガスが流れる孔が前記第１排気パイプの外周面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電装置。
3. 前記排気パイプと前記ハウジングとの間には、熱伝導部材が内蔵され、前記熱伝導部材は、排気ガスが通過可能であり、熱を吸収できる多孔性のメッシュ構造で形成されることを特徴とする請求項２に記載の車両用熱電発電装置。
4. 前記冷却水チューブの両末端には連結部材が取り付けられ、前記冷却水チューブは前記連結部材を介して前記第１冷却水筒または前記第２冷却水筒と連結されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用熱電発電装置。
5. 前記冷却水チューブが熱電モジュールに密着するようにハウジングの周縁に沿って巻かれるクランプをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用熱電発電装置。
6. 前記冷却水チューブは、金属材で製造されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用熱電発電装置。

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