JP2014088789A - 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、排気ガスが一方向に流れる主通路部４４と、主通路部４４に隣接して設けられた副通路部４５と、副通路部４５を流れる排気ガスを、主通路部４４を流れる排気ガスの流れる方向と反対方向に逆流して主通路部４４に還流させる絞り部材４６とを含んで構成され、熱電変換モジュール２９の受熱基板が主通路部４４および副通路部４５に対向している。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特に、高温媒体と低温媒体との温度差に応じて発電を行う熱電発電装置に関する。

従来、高温の排気ガスが流れる排気管と低温の冷却水が流れる冷却装置との間に排気ガスと冷却水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を配置した熱電発電装置が知られている。この熱電発電装置は、排気ガスの熱が排気管に伝達され易くするために排気管に吸熱フィンを設けるようにしている。

特開２０１０−２７５９７５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、排気管に吸熱フィンを設けているため、上流側の熱電変換モジュールが高温に晒されてしまう。このため、熱電変換モジュールの使用上限温度以上に温度が上昇する場合には、熱電変換モジュールが熱害を受けてしまう。

また、排気管内を流れる排気ガスは、上流側の熱電変換モジュールによって熱量の多くが奪われてしまい、排気管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、排気管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）高温媒体が流通する高温媒体流通部と、低温媒体が流通する低温媒体流通部と、前記高温媒体流通部に高温部が対向するとともに前記低温媒体流通部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、前記高温媒体流通部は、前記高温媒体が一方向に流れる主通路部と、前記主通路部に隣接して設けられた副通路部と、前記副通路部を流れる前記高温媒体を、前記主通路部を流れる高温媒体の前記一方向と反対方向に逆流させて前記主通路部に還流させる逆流部とを含んで構成され、前記熱電変換モジュールの高温部が前記主通路部および前記副通路部に対向するものから構成されている。

この熱電発電装置は、高温媒体流通部が、高温媒体が一方向に流れる主通路部と、主通路部に隣接して設けられ、逆流部の作用によって高温媒体を主通路部に還流させる副通路部とを備えるので、主通路部に導入された新規の高温媒体が、副通路部から主通路部に還流した熱回収後の高温媒体と混合される。

このため、主通路部の高温媒体の流れ方向上流側の熱電変換モジュールに高温の新規の高温媒体を直接接触させないようにすることができる。したがって、主通路部の高温媒体の流れ方向上流側の熱電変換モジュールが高温媒体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、主通路部から副通路部に導入された新規の高温媒体と熱回収後の高温媒体との混合媒体は、副通路部の高温媒体の流れ方向下流側に移動するにつれて冷却媒体によって熱を奪われるが、この混合媒体は、主通路部に導入された新規の高温媒体の放射熱によって温められることで熱量を回復することができる。

すなわち、副通路部を流れる高温媒体の温度を略均一にすることができ、副通路部を流れる略均一の温度の高温媒体と主通路部を流れる高温媒体との間で熱交換が行われることになる。

したがって、主通路部と副通路部とを流れる高温媒体の温度が高温媒体の流れ方向においてばらついてしまうのを防止しつつ、主通路部と副通路部とを流れる高温媒体を熱電変換モジュールの高温部に作用させることができる。この結果、熱電変換モジュールの高温部と低温部との温度差が高温媒体の流れ方向にばらついてしまうのを防止することができ、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。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記逆流部は、前記主通路部に対して排気ガスの流れ方向の上流側に設けられ、前記主通路部の流路面積よりも小さい流路面積を有する絞り部材を備え、前記主通路部の一端側と前記副通路の一端側とが連通するとともに、前記主通路部の他端側と前記副通路の他端側とが連通するものから構成されている。

この熱電発電装置は、主通路部の上流側に、主通路部の流路面積よりも小さい流路面積を有する逆流部材が設けられるので、絞り部材を通過して主通路部に導入される高温媒体の流速が増加され、絞り部材の下流側でベンチュリ効果による負圧を発生させることができる。

また、熱電発電装置は、主通路部の一端側と副通路の一端側とが連通するとともに主通路部の他端側と副通路部の他端側とが連通しているので、絞り部材の下流側で発生した負圧によって主通路部を流れる高温媒体の一部を副通路部を通して主通路部の上流側に還流させることができる。

この結果、主通路部に導入された新規の高温媒体を副通路部から主通路部に還流した熱回収後の高温媒体と混合させることができ、熱電変換モジュール高温媒体が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）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記高温媒体流通部は、前記高温媒体が流通する排気管部と、前記排気管部の内部に設けられ、前記排気管部の内部を前記排気管部の延在方向に沿って延在する前記主通路部と前記主通路部に隣接して前記排気管部の延在方向に沿って延在する前記副通路部とに区画し、前記排気管部に前記高温媒体の熱を伝達する吸熱フィンとを含んで構成され、前記排気管部に前記熱電変換モジュールの高温部が対向するものから構成されている。

この熱電発電装置は、排気管部の内部に設けられた吸熱フィンによって主通路部と副通路部とが構成されるので、高温媒体の熱を排気管部に効率よく伝達することができ、熱電変換モジュールの高温部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。

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車両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、熱電発電装置の側面断面図である。 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、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。 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、図２のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。 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、絞り部材および吸熱フィンの要部斜視図である。 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、熱電発電装置を備える車両の概略構成図である。 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、熱電発電装置の縦断面図である。 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、図８のＣ−Ｃ方向矢視断面図である。 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、図８のＤ−Ｄ方向矢視断面図である。 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、吸熱フィンおよび絞り部材の他の構成を示す図である。

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高温媒体としての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）と呼ばれる低温媒体としての冷却水が充填されている。

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両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によって車両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、排気管４に接続されている。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ものである。

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流通する排気管部としての内管２２と、内管２２の外方に設けられた排気管部としての外管２３とを備えている。

内管２２の上流端は、排気管４に連結されており、内管２２の内部には排気管４から排気ガスが流通するバイパス通路２４が形成されている。内管２２は、支持部材２５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（図１参照）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２２のバイパス通路２４に排出された排気ガスＧは、バイパス通路２４を通してテールパイプ２６に排出された後、テールパイプ２６から外気に排出される。

また、内管２２の外周面２２ａと外管２３の内周面２３ａとの間には受熱通路２７が画成されている。この受熱通路２７は、内管２２に形成された連通孔２８を通してバイパス通路２４に連通しており、連通孔２８は、内管２２の周方向に形成されている。

また、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール２９と低温媒体流通部としての筒状の冷却水管３０とを備えている。

図３に示すように、熱電変換モジュール２９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２９は、配線３６を介して電気的に連結されている。

また、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４としては、例えば、高温部の使用上限値（耐熱温度）が約３００℃のＢｉ−Ｔｅ系の熱電変換素子あるいは、高温部の使用上限が約５００℃のＳｉ−Ｇｅ系の熱電変換素子等が用いられる。なお、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４は、これに限定されるものではない。

熱電変換モジュール２９は、受熱基板３１が外管２３に対向して外管２３に接触するとともに、放熱基板３２が冷却水管３０に対向して冷却水管３０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２では、図３に示す熱電変換モジュール２９を簡略化している。

そして、熱電変換モジュール２９は、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発電電力を供給（充電）するようになっている。

なお、熱電変換モジュール２９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３０の間に密着させる必要があるため、内管２２、外管２３および冷却水管３０は、多角形に形成されている。

また、内管２２、外管２３および冷却水管３０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２９の受熱基板３１および放熱基板３２等を湾曲させるようにすればよい。

冷却水管３０は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部３０ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部３０ｂを備えている。なお、本実施の形態の上流側配管１８ａは、バイパス通路２４を流れる排気ガスの排気方向の下流側に設けられ、下流側配管１８ｂは、上流側配管１８ａに対して上流側に設けられているが、上流側配管１８ａが上流側に設けられ、下流側配管１８ｂが下流側に設けられてもよい。

また、冷却水管３０の上流側と内管２２との間にはプレート３８が設けられており、冷却水管３０の下流側と外管２３との間にはプレート３９が設けられている。このため、熱電変換モジュール２９は、プレート３８、３９、冷却水管３０の内周面３０ｃおよび外管２３の外周面２３ｂによって囲まれる密閉空間であるモジュール室４０に収容されている。

一方、受熱通路２７を構成する内管２２および外管２３は、高温媒体流通部を構成しており、内管２２の外周面２２ａおよび外管２３の内周面２３ａの間には吸熱フィン４１が設けられている。この吸熱フィン４１は、内管２２および外管２３の長手方向（延在方向）に延在するとともに、内管２２および外管２３の幅方向に沿って櫛歯状に延在している。

図４に示すように、吸熱フィン４１は、内管２２の外周面２２ａに当接する底部４１ａと、外管２３の内周面２３ａに当接する天井部４１ｂと、底部４１ａと天井部４１ｂとを連接して縦方向に延在する仕切壁４１ｃとを含んで構成されている。

図４、図５に示すように、吸熱フィン４１の仕切壁４１ｃおよび底部４１ａと外管２３の内周面２３ａとによって囲まれる空間は、排気ガスが流れる主通路４２を構成しており、吸熱フィン４１の仕切壁４１ｃおよび天井部４１ｂと内管２２の外周面２２ａとによって囲まれる空間は、排気ガスが流れる副通路４３を構成している。
そして、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１は、主通路４２および副通路４３に対向するように外管２３の外周面２３ｂに接触している。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、仕切壁４１ｃ、底部４１ａおよび外管２３が主通路部４４を構成し、仕切壁４１ｃ、天井部４１ｂおよび内管２２が主通路部４４に隣接する副通路部４５を構成している。

また、主通路部４４の排気管４側の一端側は、副通路部４５の排気管４側の一端側に連通しており、主通路部４４のテールパイプ２６側の他端側は、副通路部４５のテールパイプ２６側の他端側に連通している。

また、図５、図６に示すように、主通路４２の上流側には逆流部を構成する絞り部材４６が設けられており、この絞り部材４６は、主通路４２に連通する開口部４７ａを有するフレーム４７を備えている。このフレーム４７のそれぞれの開口部４７ａには、それぞれの開口部４７ａから主通路４２に向かって突出し、突出方向先端が絞られた一対の絞り片４７ｂが設けられている。

このため、開口部４７ａを流れる排気ガスは、絞り片４７ｂによって絞られて主通路４２に導入されることになる。すなわち、開口部４７ａの流路面積は、絞り片４７ｂによって主通路４２の流路面積よりも小さい流路面積に絞られる。
なお、本実施の形態の熱電発電装置１７は、主通路部４４、副通路部４５および絞り部材４６が高温媒体流通部を構成している。

また、支持部材２５には支持部材２５の円周方向に亘って連通孔２５ａが形成されており、受熱通路２７は、連通孔２５ａを通してテールパイプ２６に連通している。

図２に示すように、内管２２には開閉弁４８が設けられており、この開閉弁４８は、内管２２の下流端に設けられ、内管２２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４８は、図示しないアクチュエータによって開閉制御されるようになっており、アクチュエータによって開閉弁４８がバイパス通路２４を閉塞することにより、バイパス通路２４から受熱通路２７に導入される排気ガスの流量を増大させるようになっている。

また、開閉弁４８がアクチュエータによって解放されて開閉弁４８の解放量が大きくなるにつれて、バイパス通路２４の開度が大きくなることにより、バイパス通路２４から受熱通路２７に導入される排気ガスの流量が低下されるようになっている。

なお、このアクチュエータは、冷却水の温度に応じて作動するサーモアクチュエータ、あるいは、電子制御装置によって制御される電磁アクチュエータから構成されている。なお、アクチュエータは、これらサーモアクチュエータや電磁アクチュエータに限定されるものではない。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時等のように冷却水の温度が低い場合には、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、排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスの熱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冷却水の温度が上昇されることになる。

一方、冷却水の温度が所定温度以下の場合にアクチュエータによって開閉弁４８が閉じた状態に制御される。なお、この所定温度は、暖気温度、あるいは、暖気温度以上の温度でもよく、特に限定されるものではない。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気ガスが一方向に流れる主通路部４４と、主通路部４４に隣接して設けられた副通路部４５と、副通路部４５を流れる排気ガスを、主通路部４４を流れる排気ガスの流れる方向と反対方向に逆流して主通路部４４に還流させる絞り部材４６とを含んで構成され、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１が主通路部４４および副通路部４５に対向している。

このため、開閉弁４８が閉じた状態となると、排気管４からバイパス通路２４に導入された排気ガスが連通孔２８を通して受熱通路２７に設けられた主通路４２に導入される。主通路４２に導入される排気ガスは、絞り片４７ｂによって絞られることにより、流速が上昇し、絞り片４７ｂの下流側でベンチュリ効果による負圧が発生する。

したがって、主通路４２の下流側に流れる排気ガスの一部が副通路４３に導入されて、副通路４３を流れる排気ガスは、主通路４２を流れる排気ガスの流れと逆流する流れとなる。なお、図５では、主通路４２における排気ガスの流れをＧ１で示し、副通路４３における排気ガスの流れをＧ２で示す。

すなわち、本実施の形態の熱電発電装置１７は、絞り部材４６によって生じるベンチュリ効果によって、副通路部４５を流れる排気ガスを、主通路部４４を流れる排気ガスの排気方向（一方向）と反対方向に逆流させ主通路部４４に還流させることができる。

また、主通路４２および副通路４３を流れる（受熱通路２７を流れる）高温の排気ガスは、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１に作用し、冷却水管３０を流通する低温の冷却水は、熱電変換モジュール２９の放熱基板３２に作用する。

このため、熱電変換モジュール２９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、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。

一方、主通路４２を流れる排気ガスの一部は、主通路４２の下流端から副通路４３に導入されて副通路４３から主通路４２の上流側に還流されるので、この還流される排気ガスは、主通路４２の上流側にエンジン１から排気管４を通して導入される新規の排気ガスと混合されることになる。

このため、上流側の熱電変換モジュール２９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、上流側の熱電変換モジュール２９のＮ型熱電変換素子３３やＰ型熱電変換素子３４、あるいは、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、冷却水管３０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、冷却水が過度に昇温されてしまうのを抑制することができ、冷却水管３０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２９の発電効率が低下するのを防止することができる。

一方、主通路４２から副通路４３に導入される熱回収後の排気ガスは、副通路４３内を下流側（主通路４２に対しては上流側となる）に移動するにつれて冷却水管３０を流通する冷却水によって熱を奪われるが、主通路４２に導入された高温の新規の排気ガスの放射熱によって温められることで熱量が回復する。

このため、副通路４３を流れる排気ガスの温度を副通路４３の上流側から下流側に向かって略均一にすることができ、副通路４３を流れる略均一の温度の排気ガスと主通路４２を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われることになる。

したがって、主通路４２と副通路４３とを流れる排気ガスの温度が排気ガスの流れ方向においてばらついてしまうのを防止しつつ、主通路４２と副通路４３とを流れる排気ガスを熱電変換モジュール２９の受熱基板３１に作用させることができる。

この結果、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１と放熱基板３２との温度差が排気ガスの流れ方向にばらついてしまうのを防止することができ、熱電変換モジュール２９の発電効率が低下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、絞り部材４６の絞り片４７ｂによって主通路部４４に導入される排気ガスの流速を上昇させるようにしたので、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスから熱電変換モジュール２９の受熱基板３１への伝熱効率を向上させることができる。したがって、熱電変換モジュール２９の発電効率をより一層向上させることができる。

（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実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の符号には同一番号を付して説明を省略する。なお、熱電変換モジュール２９の構成は、図３と同一であり、吸熱フィン４１および絞り部材４６の構成は、図６と同一であるため、熱電変換モジュール２９、吸熱フィン４１および絞り部材４６については、図３、図６を用いて説明する。

図７、図８において、熱電発電装置５０は、排気管４からバイパスされたバイパス管５１に取付けられている。熱電発電装置５０は、エンジン１から排出された高温媒体としての排気ガスＧが導入される高温媒体流通部としての排気管部５２を備えている。

排気管部５２の上流端は、バイパス管５１の上流管部５１ａに接続されているとともに、排気管部５２の下流端は、バイパス管５１の下流管部５１ｂに接続されており、排気管部５２の内部には排気管４からバイパス管５１の上流管部５１ａに導入された排気ガスＧが導入される排気通路５３が形成されている。また、排気通路５３は、バイパス管５１の下流管部５１ｂを通して排気管４に排気ガスＧを排出するようになっている。

このため、エンジン１から排気管４を通して排気管部５２の排気通路５３に排出された排気ガスＧは、再び排気管４を通して外部に排出される。

また、熱電発電装置５０は、排気ガスＧの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール２９（図３参照）と、排気管部５２と同軸上に設けられた低温媒体流通部としての筒状の冷却水管６２とを備えている。

一方、排気管部５２の内部には図６に示す吸熱フィン４１が設けられており、この吸熱フィン４１は、排気管部５２の長手方向（延在方向）に延在するとともに、排気管部５２の幅方向に沿って櫛歯状に延在している。

図９に示すように、吸熱フィン４１の天井部４１ｂは、排気管部５２の内周上面５２ａに当接しており、吸熱フィン４１の底部４１ａは、排気管部５２の内周底面５２ｂに当接している。

図９、図１０に示すように、吸熱フィン４１の仕切壁４１ｃ、底部４１ａおよび排気管部５２の内周上面５２ａによって囲まれる空間は、排気ガスが流れる主通路５４を構成しており、吸熱フィン４１の仕切壁４１ｃ、天井部４１ｂおよび排気管部５２の内周底面５２ｂによって囲まれる空間は、排気ガスが流れる副通路５５を構成している。

そして、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１は、主通路５４および副通路５５に対向するように排気管部５２の外周面５２ｃに接触している。

本実施の形態の熱電発電装置５０は、仕切壁４１ｃ、底部４１ａおよび排気管部５２が主通路部５６を構成し、仕切壁４１ｃ、天井部４１ｂおよび排気管部５２が主通路部５６に隣接する副通路部５７を構成している。

また、主通路部５６の上流管部５１ａ側の一端側は副通路部５７の上流管部５１ａ側の一端側に連通しており、主通路部５６の下流管部５１ｂ側の他端側は副通路部５７の下流管部５１ｂ側の他端側に連通している。

また、主通路５４の上流側には逆流部を構成する絞り部材４６（図６参照）が設けられており、絞り部材４６の開口部４７ａを流れる排気ガスは、絞り片４７ｂによって絞られて主通路５４に導入される。

なお、本実施の形態の熱電発電装置５０は、主通路部５６、副通路部５７および絞り部材４６が高温媒体流通部を構成している。

図７に示すように、排気管４には開閉弁５８が設けられており、この開閉弁５８は、上流管部５１ａと下流管部５１ｂとの間に設けられ、排気管４を開閉するように排気管４に回動自在に取付けられている。

この開閉弁５８は、図示しないアクチュエータによって開閉制御されるようになっており、アクチュエータによって開閉弁５８が排気管４の排気通路４ａを閉塞することにより、排気通路４ａから排気管部５２の排気通路５３に導入される排気ガスの流量を増大させるようになっている。

また、開閉弁５８がアクチュエータによって解放されて開閉弁５８の解放量が大きくなるにつれて、排気通路４ａの開度が大きくなることにより、排気通路４ａから排気通路５３に導入される排気ガスの流量が低下されるようになっている。

一方、排気管部５２と冷却水管６２との間の空間は、熱電変換モジュール２９が配置される密閉空間としてのモジュール室５９を画成している。すなわち、排気管部５２の上流側と冷却水管６２との間にはプレート６０が取付けられており、このプレート６０によってモジュール室５９の上流端が閉止されている。

また、排気管部５２の下流側と冷却水管６２との間にはプレート６１が取付けられており、このプレート６１によってモジュール室５９の下流端が閉止されている。したがって、モジュール室５９は、排気管部５２の外周面５２ｃおよび冷却水管６２の内周面６２ｃおよびプレート６０、６１によって囲まれる密閉空間から構成される。

次に、作用を説明する。
冷却水の温度が所定温度以下の場合にアクチュエータによって開閉弁５８が閉じた状態に制御される。なお、この所定温度は、暖気温度、あるいは、暖気温度以上の温度でもよく、特に限定されるものではない。

本実施の形態の熱電発電装置５０は、排気ガスが一方向に流れる主通路部５６と、主通路部５６に隣接して設けられた副通路部５７と、副通路部５７を流れる排気ガスを、主通路部５６を流れる排気ガスの流れる方向と反対方向に逆流して主通路部５６に還流させる絞り部材４６とを含んで構成され、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１が主通路部５６および副通路部５７に対向している。

このため、開閉弁５８が閉じた状態となると、排気ガスが排気管４から上流管部５１ａを通して排気通路５３に設けられた主通路５４に導入され、主通路５４に導入される排気ガスは、絞り片４７ｂによって絞られることにより、流速が上昇し、絞り片４７ｂの下流側でベンチュリ効果による負圧が発生する。

したがって、主通路５４の下流側に流れる排気ガスの一部が副通路５５に導入されて、副通路５５を流れる排気ガスは、主通路５４を流れる排気ガスの流れと逆流する流れとなる。なお、図８では、主通路５４における排気ガスの流れをＧ１で示し、副通路５５における排気ガスの流れをＧ２で示す。

すなわち、本実施の形態の熱電発電装置５０は、絞り部材４６によって生じるベンチュリ効果によって、副通路５５を流れる排気ガスを、主通路５４を流れる排気ガスの排気方向（一方向）と反対方向に逆流させ主通路部５６に還流させることができる。

また、主通路５４および副通路５５を流れる（排気通路５３を流れる）高温の排気ガスは、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１に作用し、冷却水管６２を流通する低温の冷却水は、熱電変換モジュール２９の放熱基板３２に作用する。

このため、熱電変換モジュール２９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、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。

一方、主通路５４を流れる排気ガスの一部は、主通路５４の下流端から副通路５５に導入されて副通路５５から主通路５４の上流側に還流されるので、この還流される排気ガスは、主通路５４の上流側にエンジン１から排気管４を通して導入される新規の排気ガスと混合されることになる。

このため、上流側の熱電変換モジュール２９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、上流側の熱電変換モジュール２９のＮ型熱電変換素子３３やＰ型熱電変換素子３４、あるいは、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、冷却水管６２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、冷却水が過度に昇温されてしまうのを抑制することができ、冷却水管６２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２９の発電効率が低下するのを防止することができる。

一方、主通路５４から副通路５５に導入される熱回収後の排気ガスは、副通路５５内を下流側（主通路５４に対しては上流側となる）に移動するにつれて冷却水管６２を流通する冷却水によって熱を奪われるが、主通路５４に導入された高温の新規の排気ガスの放射熱によって温められることで熱量が回復する。

このため、副通路５５を流れる排気ガスの温度を副通路５５の上流側から下流側に向かって略均一にすることができ、副通路５５を流れる略均一の温度の排気ガスと主通路５４を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われることになる。

したがって、主通路５４と副通路５５とを流れる排気ガスの温度が排気ガスの流れ方向においてばらついてしまうのを防止しつつ、主通路５４と副通路５５とを流れる排気ガスを熱電変換モジュール２９の受熱基板３１に作用させることができる。

この結果、熱電変換モジュール２９の受熱基板３１と放熱基板３２との温度差が排気ガスの流れ方向にばらついてしまうのを防止することができ、熱電変換モジュール２９の発電効率が低下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５０は、絞り部材４６の絞り片４７ｂによって主通路部５６に導入される排気ガスの流速を上昇させるようにしたので、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスから熱電変換モジュール２９の受熱基板３１への伝熱効率を向上させることができる。したがって、熱電変換モジュール２９の発電効率をより一層向上させることができる。

なお、上記各実施の形態において、主通路４２、５４の幅を副通路４３、５５の幅よりも広くするようにしてもよい（図１１参照）。このようにすれば、主通路４２、５４に導入される排気ガスの背圧が増大するのを抑制することができる。

また、主通路４２、５４の幅を広くする場合には、開口部４７ａの流路面積を絞り片４７ｂによって主通路４２、５４の流路面積よりも小さい流路面積に絞ればよい。このようにすれば、上記各実施の形態と同様に、ベンチュリ効果によって副通路４３、５５から主通路４２、５４に排気ガスを還流させることができる。

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、高温媒体と低温媒体との温度差に応じて発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１７，５０…熱電発電装置、２２…内管（排気管部、高温媒体流通部）、２３…外管（排気管部、高温媒体流通部）、２９…熱電変換モジュール、３０，６２…冷却水管（低温媒体流通部）、３１…受熱基板（高温部）、３２…放熱基板（低温部）、４１…吸熱フィン、４４，５６…主通路部（高温媒体流通部）、４５，５７…副通路部（高温媒体流通部）、４６…絞り部材（逆流部、高温媒体流通部）、５２…排気管部

Claims (3)

1. 高温媒体が流通する高温媒体流通部と、低温媒体が流通する低温媒体流通部と、前記高温媒体流通部に高温部が対向するとともに前記低温媒体流通部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、
   前記高温媒体流通部は、前記高温媒体が一方向に流れる主通路部と、前記主通路部に隣接して設けられた副通路部と、前記副通路部を流れる前記高温媒体を、前記主通路部を流れる高温媒体の前記一方向と反対方向に逆流させて前記主通路部に還流させる逆流部とを含んで構成され、前記熱電変換モジュールの高温部が前記主通路部および前記副通路部に対向することを備えたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記逆流部は、前記主通路部に対して排気ガスの流れ方向の上流側に設けられ、前記主通路部の流路面積よりも小さい流路面積を有する絞り部材を備え、
   前記主通路部の一端側と前記副通路の一端側とが連通するとともに、前記主通路部の他端側と前記副通路の他端側とが連通することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記高温媒体流通部は、前記高温媒体が流通する排気管部と、前記排気管部の内部に設けられ、前記排気管部の内部を前記排気管部の延在方向に沿って延在する前記主通路部と前記主通路部に隣接して前記排気管部の延在方向に沿って延在する前記副通路部とに区画し、前記排気管部に前記高温媒体の熱を伝達する吸熱フィンとを含んで構成され、
   前記排気管部に前記熱電変換モジュールの高温部が対向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。

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