JP2015032657A - Thermoelectric power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とを通しつつ両熱媒体の温度差を利用して熱電発電する熱電発電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric generator that performs thermoelectric generation using a temperature difference between both heat media while passing a high temperature side heat medium and a low temperature side heat medium.
従来、高温熱源と低温熱源の間に複数の熱電変換素子を配置して熱電発電する熱電発電装置として、例えば、内燃機関の排気ガスによる排熱を電気エネルギーに変換しつつ回収する排熱回収型の熱電発電装置が知られている。 Conventionally, as a thermoelectric power generator that thermoelectrically generates by arranging a plurality of thermoelectric conversion elements between a high-temperature heat source and a low-temperature heat source, for example, an exhaust heat recovery type that recovers while converting exhaust heat from exhaust gas of an internal combustion engine into electric energy A thermoelectric generator is known.
このような熱電発電装置としては、例えば、排気ガスを通す内管とこの内管を取り囲む放熱フィン付きの外殻とをそれぞれ扁平に形成し、内管および外殻の間に熱電変換素子を扁平にモジュール化したものを挟持させたものがある(例えば、特許文献1参照)。 As such a thermoelectric generator, for example, an inner pipe through which exhaust gas passes and an outer shell with a radiating fin surrounding the inner pipe are formed flat, and a thermoelectric conversion element is flattened between the inner pipe and the outer shell. There is one in which a module is sandwiched between them (see, for example, Patent Document 1).
また、モジュール化した複数の熱電変換素子を内蔵する筒状の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置し、各熱電発電ユニットの内部に冷却水を通すようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。 In addition, there is a type in which a cylindrical thermoelectric power generation unit containing a plurality of modularized thermoelectric conversion elements is arranged perpendicular to the flow direction of exhaust gas, and cooling water is passed through each thermoelectric power generation unit. (For example, refer to Patent Document 2).
しかしながら、上述の特許文献1に記載されるような従来の熱電発電装置にあっては、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して平行に配置した場合、排気ガスは熱電発電ユニットの外面に沿って流動するため、排気ガスの流れが層流になり易い。排気ガスの流れが層流になると、その排気ガスの一部が、熱電発電ユニットの吸熱部、すなわち、熱電発電ユニットの高温側の端面に当たり難くなり、あるいはその高温側の端面に接触しない可能性がある。 However, in the conventional thermoelectric power generation apparatus as described in Patent Document 1 described above, when a plurality of thermoelectric power generation units are arranged in parallel with the flow direction of the exhaust gas, the exhaust gas is the thermoelectric power generation unit. Since it flows along the outer surface, the flow of exhaust gas tends to be laminar. If the flow of exhaust gas becomes laminar, it may be difficult for some of the exhaust gas to hit the endothermic part of the thermoelectric power generation unit, that is, the end surface on the high temperature side of the thermoelectric power generation unit, or not touch the end surface on the high temperature side There is.
そのため、熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率が低下し、排熱回収型の熱電発電装置における熱回収効率、すなわち、熱電発電装置の効率(発電効率、エネルギー回収効率)が低下してしまう可能性があった。 Therefore, the heat transfer efficiency in the heat absorption part of the thermoelectric power generation unit is reduced, and the heat recovery efficiency in the exhaust heat recovery type thermoelectric power generator, that is, the efficiency of the thermoelectric power generator (power generation efficiency, energy recovery efficiency) may be reduced. There was sex.
これに対し、上述の特許文献2に記載されるような、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置する形態とすれば、排気ガスが熱電発電ユニットの吸熱部に当たり易くなるため、排気ガスの流れ方向と平行に配置する形態と比べると、熱電発電ユニットにおける熱伝達効率を高めることが可能である。 On the other hand, if it is set as the form which arrange | positions a some thermoelectric power generation unit perpendicular | vertical with respect to the flow direction of exhaust gas as described in the above-mentioned patent document 2, it will be easy for exhaust gas to hit the heat absorption part of a thermoelectric power generation unit. Therefore, it is possible to increase the heat transfer efficiency in the thermoelectric power generation unit as compared with the configuration in which the exhaust gas is arranged in parallel to the flow direction.
しかしながら、複数の熱電発電ユニットを排気ガスの流れ方向に対して垂直に配置する形態では、排気ガスの流速が比較的大きくなると、各熱電発電ユニットの上流側外周壁面を通過した排気ガスが外周壁面から離反し易くなり、排気ガスが各熱電発電ユニットの下流側外周壁面に沿って流れ難くなる。 However, in a form in which a plurality of thermoelectric power generation units are arranged perpendicular to the flow direction of the exhaust gas, when the exhaust gas flow rate becomes relatively large, the exhaust gas that has passed through the upstream outer peripheral wall surface of each thermoelectric power generation unit The exhaust gas is less likely to flow along the downstream outer peripheral wall surface of each thermoelectric power generation unit.
特に、排気ガスの流れ方向において上流側から見て各熱電発電ユニットが同一平面上に重なるように並列配置された場合、排気ガスの流速が比較的大きくなると、排気ガスは、各熱電発電ユニットの下流側外周壁面だけでなく、その下流側の熱電発電ユニットの上流側外周壁面に沿っても流れ難くなる。 In particular, when the thermoelectric power generation units are arranged in parallel so as to overlap on the same plane when viewed from the upstream side in the flow direction of the exhaust gas, when the flow rate of the exhaust gas becomes relatively large, the exhaust gas flows into each thermoelectric power generation unit. It becomes difficult to flow along not only the downstream outer peripheral wall surface but also the upstream outer peripheral wall surface of the downstream thermoelectric power generation unit.
そのため、排気ガスが熱電発電ユニットの吸熱部と十分に接触せず、熱電発電ユニットにおける熱伝達効率が相対的に低下し、熱電発電装置における熱回収効率が低下してしまう可能性があった。 For this reason, the exhaust gas is not sufficiently in contact with the heat absorption part of the thermoelectric power generation unit, so that the heat transfer efficiency in the thermoelectric power generation unit is relatively lowered, and the heat recovery efficiency in the thermoelectric power generation device may be reduced.
本発明は、上述のような従来の課題を解決するためになされたもので、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上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。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and can improve the heat transfer efficiency in the heat absorption part of a plurality of thermoelectric power generation units and improve the heat recovery efficiency as a whole. The purpose is to provide.
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)低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうちいずれか一方の熱媒体を通す第1の熱媒体通路を形成するケースと、それぞれ内周側に前記低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうち他方の熱媒体を通す第2の熱媒体通路を形成するとともに外周側で前記一方の熱媒体に接触する複数の熱電発電ユニットと、を備え、前記複数の熱電発電ユニットが、それぞれ前記第1の熱媒体通路の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう前記第1の熱媒体通路中に設けられ、前記複数の熱電発電ユニットのうち前記第1の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側に位置する第1の熱電発電ユニットと、該第1の熱電発電ユニットよりも下流側に位置する第2の熱電発電ユニットとは、前記第1の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置されているものから構成されている。 In order to achieve the above object, the thermoelectric generator according to the present invention is (1) a case in which a first heat medium passage through which one of the low temperature side heat medium and the high temperature side heat medium passes is formed. And forming a second heat medium passage through which the other heat medium out of the low temperature side heat medium and the high temperature side heat medium is formed on the inner peripheral side and contacting the one heat medium on the outer peripheral side. A thermoelectric power generation unit, and the plurality of thermoelectric power generation units are provided in the first heat medium passage so as to extend in a direction intersecting the axial direction of the first heat medium passage, A first thermoelectric power generation unit located upstream in the flow direction of the one heat medium in the first heat medium passage among the plurality of thermoelectric power generation units; and a downstream side of the first thermoelectric power generation unit. Second heat located The power generation unit, and a what is arranged to intersect with the axial direction of the first heat medium passage.
本発明に係る熱電発電装置は、第1の熱電発電ユニットと第2の熱電発電ユニットとが第1の熱媒体通路(例えば、排気ガス通路)における一方の熱媒体(例えば、排気ガス)の流れ方向に対して交差し、かつ、第1の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置されているので、排気ガスの流動が妨げられ、第1、第2の各熱電発電ユニットの下流側外周壁面近傍で排気ガスが渦を巻くような流れとなり、その部分での排気ガスの流れに乱れが生じる(乱流の発生)。 In the thermoelectric power generation device according to the present invention, the flow of one heat medium (for example, exhaust gas) in the first heat medium path (for example, exhaust gas path) is the first thermoelectric power generation unit and the second thermoelectric power generation unit. Since it is arranged so as to intersect with the direction and intersect with the axial direction of the first heat medium passage, the flow of the exhaust gas is hindered, and the downstream outer periphery of each of the first and second thermoelectric power generation units The exhaust gas flows in a vortex in the vicinity of the wall surface, and the flow of the exhaust gas in that portion is disturbed (generation of turbulence).
すなわち、第1、第2の各熱電発電ユニットは排気ガスの流れ方向の上流側から見て同一平面状に重なるように並列配置されていないので、排気ガスの流速が大きくなった場合でも、第1の熱電発電ユニットの下流側外周壁面近傍に発生した乱流によって、その下流側に位置する第2の熱電発電ユニットの上流側外周壁面に排気ガスをより確実に当てることができる。これにより、第2の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高めることができ、熱電発電装置の発電性能を向上させることができる。 That is, the first and second thermoelectric power generation units are not arranged in parallel so as to overlap in the same plane when viewed from the upstream side in the exhaust gas flow direction, so even if the exhaust gas flow rate increases, Due to the turbulent flow generated in the vicinity of the downstream outer peripheral wall surface of the first thermoelectric power generation unit, the exhaust gas can be more reliably applied to the upstream outer peripheral wall surface of the second thermoelectric power generation unit located on the downstream side. Thereby, the heat transfer efficiency in the heat absorption part of a 2nd thermoelectric power generation unit can be improved, and the electric power generation performance of a thermoelectric power generator can be improved.
したがって、本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができる。 Therefore, the thermoelectric power generation device according to the present invention can increase the heat transfer efficiency in the heat absorption part of the plurality of thermoelectric power generation units, and can improve the heat recovery efficiency as a whole.
上記(1)に記載の熱電発電装置において、(2)前記第1の熱電発電ユニットおよび前記第2の熱電発電ユニットのうち少なくとも一方の熱電発電ユニットが、前記第1の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置されているものであってもよい。 In the thermoelectric power generation device according to (1) above, (2) at least one of the first thermoelectric power generation unit and the second thermoelectric power generation unit is the one in the first heat medium passage. It may be arranged so as to incline from the upstream side toward the downstream side in the flow direction of the heat medium.
本発明に係る熱電発電装置は、第1の熱電発電ユニットおよび第2の熱電発電ユニットのうち少なくとも一方の熱電発電ユニットが第1の熱媒体通路(例えば、排気ガス通路)において上流側から下流側に向けて傾斜しているので、一方の熱媒体(例えば、排気ガス)が当該熱電発電ユニットの延在方向の壁面に沿って排気ガス通路の外周側から内周側に向かって流動し易い構造となっている。これにより、排気ガス通路の外周近傍を流動している排気ガスを排気ガス通路の内周方向へ導くことができ、外周方向で流動していた排気ガスの排熱回収効率を向上させることができる。 The thermoelectric power generation device according to the present invention is such that at least one of the first thermoelectric power generation unit and the second thermoelectric power generation unit has a first heat medium passage (for example, an exhaust gas passage) from the upstream side to the downstream side. The structure in which one heat medium (for example, exhaust gas) easily flows from the outer peripheral side of the exhaust gas passage toward the inner peripheral side along the wall surface in the extending direction of the thermoelectric power generation unit. It has become. As a result, the exhaust gas flowing in the vicinity of the outer periphery of the exhaust gas passage can be guided to the inner peripheral direction of the exhaust gas passage, and the exhaust heat recovery efficiency of the exhaust gas flowing in the outer peripheral direction can be improved. .
上記(1)または(2)に記載の熱電発電装置において、(3)前記複数の熱電発電ユニットの各々が、当該熱電発電ユニットの外周側で前記第2の熱媒体通路の軸線方向に沿って互いに離間する複数のフィンを有し、該複数のフィンが、前記第1の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向に沿った向きに設けられているものであってもよい。 In the thermoelectric power generation device according to (1) or (2) above, (3) each of the plurality of thermoelectric power generation units extends along the axial direction of the second heat medium passage on the outer peripheral side of the thermoelectric power generation unit. It may have a plurality of fins spaced apart from each other, and the plurality of fins may be provided in a direction along the flow direction of the one heat medium in the first heat medium passage.
本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの各々に複数のフィンが設けられているので、複数のフィンを介して各熱電発電ユニットと一方の熱媒体(例えば、排気ガス)との間で熱交換を行う面積(伝熱面積)を増やすことができる。これにより、複数の熱電発電ユニットの外周壁面における熱伝達効率がより高くなり、発電効率が高くなることで、熱電発電装置全体として熱回収効率をさらに向上させることができる。 In the thermoelectric power generation device according to the present invention, since a plurality of fins are provided in each of the plurality of thermoelectric power generation units, each thermoelectric power generation unit and one heat medium (for example, exhaust gas) are interposed via the plurality of fins. It is possible to increase the area (heat transfer area) for heat exchange between the two. Thereby, the heat transfer efficiency in the outer peripheral wall surface of a some thermoelectric power generation unit becomes higher, and since heat generation efficiency becomes high, heat recovery efficiency can further be improved as the whole thermoelectric power generation apparatus.
上記(1)〜(3)に記載の熱電発電装置において、(4)前記複数の熱電発電ユニットの各々が、前記第2の熱媒体通路を形成する内周壁面を有する内側の筒状伝熱部材と、該内側の筒状伝熱部材を取り囲むとともに前記第1の熱媒体通路中で前記一方の熱媒体に接触する外周壁面を有する外側の筒状伝熱部材と、前記内側の筒状伝熱部材および前記外側の筒状伝熱部材の間に介装された複数の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、を有するものであってもよい。 (1) In the thermoelectric generator according to (1) to (3), (4) an inner cylindrical heat transfer in which each of the plurality of thermoelectric generator units has an inner peripheral wall surface that forms the second heat medium passage. A member, an outer cylindrical heat transfer member that surrounds the inner cylindrical heat transfer member and has an outer peripheral wall surface that contacts the one heat medium in the first heat medium passage, and the inner cylindrical heat transfer member And a thermoelectric conversion module including a plurality of thermoelectric conversion elements interposed between the heat member and the outer cylindrical heat transfer member.
本発明に係る熱電発電装置は、内側の筒状伝熱部材および外側の筒状伝熱部材とともに複数の熱電変換素子をモジュール化した熱電発電ユニットを、ケースに対し装着の容易なカートリッジとして構成することができる。 The thermoelectric power generation device according to the present invention comprises a thermoelectric power generation unit in which a plurality of thermoelectric conversion elements are modularized together with an inner cylindrical heat transfer member and an outer cylindrical heat transfer member as a cartridge that can be easily mounted on a case. be able to.
本発明によれば、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上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。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric generator that can increase the heat transfer efficiency in the heat absorption part of a plurality of thermoelectric power generation units and improve the heat recovery efficiency as a whole.
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a thermoelectric generator according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1ないし図4は、本発明の第1の実施形態に係る熱電発電装置の構成を示している。
(First embodiment)
1 to 4 show the configuration of a thermoelectric power generator according to a first embodiment of the present invention.
本実施形態に係る熱電発電装置は、高温熱源として、自動車等の車両に搭載される内燃機関(以下、単に「エンジン」という。)の排気ガスを用い、低温熱源として、エンジンの冷却水等の冷却媒体(必ずしも水に限定されず、低温熱源として好適な冷却剤)を用いるものである。 The thermoelectric generator according to the present embodiment uses exhaust gas of an internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “engine”) mounted on a vehicle such as an automobile as a high-temperature heat source, and uses engine cooling water or the like as a low-temperature heat source. A cooling medium (not necessarily limited to water but a coolant suitable as a low-temperature heat source) is used.
この熱電発電装置は、高温熱源と低温熱源との間に複数の熱電変換素子を介在させ、これら複数の熱電変換素子を熱的には並列に、電気的には直列に接続して熱電発電することにより、エンジンの排気ガスによる排熱を電気エネルギーに変換しつつ回収する排熱回収機能を有している。 In this thermoelectric generator, a plurality of thermoelectric conversion elements are interposed between a high-temperature heat source and a low-temperature heat source, and the plurality of thermoelectric conversion elements are connected in parallel and electrically in series to generate thermoelectric power. Thus, the exhaust heat recovery function of recovering the exhaust heat generated by the exhaust gas of the engine while converting it into electric energy is provided.
高温熱源は、本発明に係る低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうちいずれか一方の熱媒体としての高温側の熱媒体を構成し、低温熱源は、本発明に係る低温側の熱媒体および高温側の熱媒体のうち他方の熱媒体としての低温側の熱媒体を構成する。高温側の熱媒体とは、低温側の熱媒体を第1の熱媒体としたときに、この第1の熱媒体よりも高温にある第2の熱媒体をいう。 The high temperature heat source constitutes a high temperature side heat medium as one of the low temperature side heat medium and the high temperature side heat medium according to the present invention, and the low temperature heat source represents the low temperature side heat medium according to the present invention. A low temperature side heat medium as the other heat medium of the medium and the high temperature side heat medium is configured. The high temperature side heat medium refers to a second heat medium having a higher temperature than the first heat medium when the low temperature side heat medium is the first heat medium.
まず、本実施形態に係る熱電発電装置の構成について説明する。 First, the configuration of the thermoelectric generator according to this embodiment will be described.
図1に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置10は、図示しない車両走行駆動用のエンジンから排出された排気ガスGが導入されるケース11を備えており、このケース11は、第1の熱媒体通路としての排気ガス通路12を有している。
As shown in FIG. 1, the
ケース11は、図示しないエンジンの排気管1に取り付けられた排気ガス制御弁2をバイパスするバイパス管3の一部を構成しており、排気ガス制御弁2によって排気通路1aの一部が絞られるとき、高温側の熱媒体である排気ガスGの一部が排気ガス通路12内に流入するようになっている。
The
排気ガス制御弁2は、低温側の熱媒体であるエンジンの冷却水Wを導入し、その冷却水Wの温度に応じて排気制御弁体2aを回動させるサーモスタットタイプのものである。
The exhaust gas control valve 2 is a thermostat type that introduces engine cooling water W, which is a low-temperature heat medium, and rotates the exhaust
なお、ケース11がバイパス管3の一部でなく排気管1の一部であってもよいし、排気ガス制御弁2がアクチュエータや形状記憶合金等を用いた他方式のものであってもよいことはもちろんである。
Note that the
ケース11は、両端が開口した筒状の本体部P1と、本体部P1の一方の開口端に接合された排気ガス導入部P2と、本体部P1の他方の開口端に接合された排気ガス排出部P3と、を備えている。ケース11の本体部P1は、図2に示すように、その断面形状が正六角形となるように形成されている。
The
また、ケース11の排気ガス導入部P2は、本体部P1の一方の開口端から、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において上流側に向かってその断面積が徐々に小さくなるテーパ状に形成された部分を有しており、このテーパ状に形成された部分を介して上流側の断面形状が例えば円形となるように形成されている。
Further, the exhaust gas introduction portion P2 of the
同様に、ケース11の排気ガス排出部P3は、本体部P1の他方の開口端から、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において下流側に向かってその断面積が徐々に小さくなるテーパ状に形成された部分を有しており、このテーパ状に形成された部分を介して下流側の断面形状が例えば円形となるように形成されている。
Similarly, the exhaust gas discharge part P3 of the
本実施形態に係る熱電発電装置10においては、排気ガス通路12を形成するケース11の本体部P1の断面形状を正六角形としているが、断面形状はこれに限定されず、他の多角形(四角形、八角形等)や、円形、楕円形等であってもよい。
In the
ケース11の本体部P1の内部には、図1、図2に示すように、排気ガス通路12の軸線方向(図中X方向)に対して交差する方向に筒状の複数の熱電発電ユニット13が延在するよう配置されている。具体的には、複数の熱電発電ユニット13は、それぞれ排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向と直交する面(図中、Y方向およびZ方向を含む平面)内で、排気ガス通路12を形成するケース11の周壁面11sに向かう方向に延在するよう設けられている。また、熱電発電ユニット13は、その両端13a,13bがケース11の周壁面11sの対向する面に位置するように設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of cylindrical thermoelectric
複数の熱電発電ユニット13は、図2に示すように、本実施形態では3つのグループ、すなわち、第1グループの熱電発電ユニット13A、第2グループの熱電発電ユニット13B、および第3グループの熱電発電ユニット13Cに分かれて配置されている。各熱電発電ユニット13A,13B,13Cは、それぞれ2つの熱電発電ユニット13をグループとして含み、これら2つの熱電発電ユニット13は、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向と直交する同一平面上で等間隔に離間して平行配置されている。
As shown in FIG. 2, the plurality of thermoelectric
また、第1グループの熱電発電ユニット13A、第2グループの熱電発電ユニット13B、および第3グループの熱電発電ユニット13Cは、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において上流側から下流側に向かってこの順に、排気ガス通路12の軸線方向に沿って離間して排気ガス通路12中に設けられている。
Further, the first group thermoelectric
各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cのうち、排気ガスGの流れ方向において最上流側に位置する第1グループの熱電発電ユニット13Aは、本発明に係る第1の熱電発電ユニットを構成する。この場合、第2グループの熱電発電ユニット13Bまたは第3グループの熱電発電ユニット13Cが、本発明に係る第2の熱電発電ユニットを構成する。また、上流側に位置する第2グループの熱電発電ユニット13Bが本発明に係る第1の熱電発電ユニットを構成する場合、その下流側に位置する第3グループの熱電発電ユニット13Cが、本発明に係る第2の熱電発電ユニットを構成する。
Among the thermoelectric
また、排気ガス通路12の軸線方向に離間して配置される各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cは、図2(b)に示すように排気ガスGの流れ方向において上流側から見たときに、各熱電発電ユニット13A,13B,13Cの両端13a,13bが、排気ガス通路12を形成するケース11の周方向に互いに所定角度θずつずれるように配置されている。つまり、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cは、排気ガス通路12の軸線方向で交差するよう配置されている。
Further, the thermoelectric
具体的には、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cは、排気ガスGの流れ方向において最上流側に位置する第1グループの熱電発電ユニット13Aとその下流側に位置する第2グループの熱電発電ユニット13Bとがケース11の周方向に60°ずれ、第2グループの熱電発電ユニット13Bとその下流側に位置する第3グループの熱電発電ユニット13Cとが同じ周方向に60°ずれ、第3グループの熱電発電ユニット13Cとその下流側に位置する第1グループの熱電発電ユニット13Aとが同じ周方向に60°ずれるように配置されている。
Specifically, each group of thermoelectric
なお、図1の例では、ケース11内の複数の熱電発電ユニット13の配置を見易くするため、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cのうち第1グループの熱電発電ユニット13Aのみを代表的に示している。
In the example of FIG. 1, only the first group of thermoelectric
本実施形態に係る熱電発電装置10は、複数の熱電発電ユニット13が3つのグループに分けられているが、4つ以上のグループに分かれるよう構成してもよい。この場合も同様に、4つ以上の各グループの熱電発電ユニットは、排気ガス通路12の軸線方向に沿って離間して排気ガス通路12中に設けられるとともに、排気ガスGの流れ方向の上流側から見て排気ガス通路12を形成するケース11の周方向に互いに所定角度ずつ(例えば、6つのグループに分かれていれば30°ずつ)ずれるように配置される。
The thermoelectric
また、本実施形態に係る熱電発電装置10は、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cがそれぞれ2つの熱電発電ユニット13を含んでいるが、3つ以上の熱電発電ユニット13をグループとして含むように構成してもよい。あるいは、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cがそれぞれ1つの熱電発電ユニット13を含むように構成してもよい。
In the
第1グループ、第2グループ、第3グループの各熱電発電ユニット13A,13B,13Cを構成する複数の熱電発電ユニット13は、後述する熱電変換モジュール35同士を電気的に接続する素子リード線38等の電気配線に介して相互に接続されるとともに、図示しないバッテリ充電回路に接続されている。これにより、複数の熱電発電ユニット13は、排気ガスによる排熱から回収した電気エネルギーをバッテリに蓄えることができるようになっている。
The plurality of thermoelectric
図3および図4に示すように、熱電発電ユニット13は、内側の筒状伝熱部材32と、外側の筒状伝熱部材33と、内側の筒状伝熱部材32および外側の筒状伝熱部材33の間に介装された複数の熱電変換素子34a,34bを含む熱電変換モジュール35と、を備えている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the thermoelectric
内側の筒状伝熱部材32は、その内部に第2の熱媒体通路としての冷却媒体通路31を有している。具体的には、内側の筒状伝熱部材32は、その内部に冷却水Wを通す冷却媒体通路31を形成する内周壁面32aを有しており、冷却媒体通路31が軸線方向に延びる円筒状のパイプとなっている。
The inner cylindrical
外側の筒状伝熱部材33は、内側の筒状伝熱部材32の外径より大きい径の内周壁面33aと、排気ガス通路12中で排気ガスGに接触する外周壁面33bと、を有している。外側の筒状伝熱部材33は、内側の筒状伝熱部材32を外周側から取り囲むとともに内側の筒状伝熱部材32の外周壁面32bに対し所定の径方向離間距離を隔てるように、内側の筒状伝熱部材32と同一中心軸線上に配置されている。
The outer cylindrical
本実施形態においては、内側の筒状伝熱部材32および外側の筒状伝熱部材33の断面形状をそれぞれ円形としているが、断面形状はこれに限定されず、楕円形や長円形、四角形等の多角形であってもよい。
In the present embodiment, the inner cylindrical
熱電変換モジュール35は、高温側の端面を構成する図示しない受熱基板と、低温側の端面を構成する図示しない放熱基板と、ゼーベック効果により受熱基板と放熱基板との温度差に応じた起電力を発生するN型の熱電変換素子34aおよびP型の熱電変換素子34bと、を備えている。受熱基板および補強基板は、例えば、絶縁セラミックスから構成され、N型の熱電変換素子34aおよびP型の熱電変換素子34bは、半導体素子から構成されている。
The
熱電変換モジュール35は、N型の熱電変換素子34aおよびP型の熱電変換素子34bが複数対で構成され、N型の熱電変換素子34aおよびP型の熱電変換素子34bがそれぞれ内側の電極36aおよび外側の電極36bを介して周方向に直列に電気接続されることにより、構成されている。つまり、熱電変換モジュール35は、各一対の熱電変換素子34a,34bが内側の電極36aまたは外側の電極36bのいずれか1つとともにいわゆるπ型構造をなしている。
The
本実施形態に係る熱電発電装置10においては、熱電変換素子34a,34bを熱電発電ユニット13に搭載する形態としてπ型構造を採用しているが、必ずしもこれに限定されず、例えば、Y型やN型等の構造を採用することも可能である。
In the
また、N型およびP型の各熱電変換素子34a,34bは、内側の筒状伝熱部材32および外側の筒状伝熱部材33の周方向に等角度間隔に平行配置された棒状のものであり、それぞれの長さが排気ガス通路12を形成するケース11の外径(対向する周壁面11s間の長さ)に近い長さを有している。
The N-type and P-type
本実施形態に係る熱電発電装置10においては、熱電発電ユニット13が、棒状の複数の熱電変換素子34a,34bを等角度間隔に平行配置した熱電変換モジュール35を構成するものとしているが、この形態に限定されないことはもちろんである。
In the thermoelectric
例えば、熱電発電ユニット13が、それぞれ環状に形成したN型の熱電変換素子および筒状に形成したP型の各熱電変換素子を軸方向に交互に複数対配置するものであってもよい。また、複数の棒状または板状の熱電変換素子34a,34bを軸方向に複数に分割したりそれら分割体の配置を周方向にずらしたりできることはいうまでもない。
For example, the thermoelectric
より具体的には、各熱電変換ユニット13の低温部を構成する内側の筒状伝熱部材32は、少なくとも複数の内側の電極36aに接する外周部分において、複数の内側の電極36a同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有している。同様に、各熱電変換ユニット13の高温部を構成する外側の筒状伝熱部材33は、少なくとも複数の外側の電極36bに接する内周部分において、複数の外側の電極36b同士を電気的に絶縁する電気絶縁性を有している。
More specifically, the inner cylindrical
また、図3、図4に示すように、熱電変換モジュール35の配置空間である内側の筒状伝熱部材32と外側の筒状伝熱部材33との間の円筒状の空間Sは、一対の環状閉止部材37a,37bによって閉止されており、その内部に熱電変換モジュール35の酸化劣化防止剤として例えば不活性ガスが封入されている。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, a cylindrical space S between the inner cylindrical
一対の環状閉止部材37a,37bは、外側の筒状伝熱部材33の軸方向両端側に突出しており、ケース11の側板部11aに形成された取付穴部11bに気密に固定支持されている。
The pair of
すなわち、本実施形態に係る熱電発電ユニット13は、一対の環状閉止部材37a,37bを介して内側の筒状伝熱部材32の外周側の両端近傍部分と外側の筒状伝熱部材33の内周側の両端近傍部分とが接合された構造を有している。この構造において、内側の筒状伝熱部材32の両端および外側の筒状伝熱部材33の両端は、本発明に係る熱電発電ユニットの両端を構成する。
That is, the thermoelectric
また、熱電発電ユニット13は、図3に示すように、その外周側で冷却媒体通路31の軸線方向(図中Z方向)に沿って互いに離間する複数のフィン41を有している。複数のフィン41は、排気ガス通路12(図2参照)における排気ガスGの流れ方向(図2中X方向)に沿った向きに設けられている。
Further, as shown in FIG. 3, the thermoelectric
より具体的には、複数のフィン41は、それぞれ外側の筒状伝熱部材33から放射外方に一定高さで突出する円環板状のもので、熱電発電ユニット13の外周側で冷却媒体通路31の軸線方向に互いに離間するよう平行配置されている。これら複数のフィン41は、排気ガス通路12中を流れる排気ガスGからの熱伝達により排気ガスの熱を吸収しつつ、高温側の受熱材である外側の筒状伝熱部材33に効率よく熱伝導する吸熱フィンとしての機能を有している。
More specifically, each of the plurality of
複数の熱電発電ユニット13の冷却媒体通路31には、例えば、排気ガス制御弁2(図1参照)を通過した冷却水Wもしくはエンジンからの冷却水Wが、図示しない冷却剤配管を通して導入されるようになっている。
For example, the cooling water W that has passed through the exhaust gas control valve 2 (see FIG. 1) or the cooling water W from the engine is introduced into the cooling
例えば、ケース11に、少なくとも側板部11aによって排気ガス通路12から仕切られた冷却水タンクを併設し、この冷却水タンクによって複数の熱電発電ユニット13の冷却媒体通路31に冷却水Wを分配するようにしてもよい。
For example, the
また、排気ガスGの流れ方向において最下流に位置する冷却媒体通路31に最初に冷却水Wが通水され、排気ガスGの流れ方向において最上流に位置する冷却媒体通路31からエンジン側あるいはラジエータ側に冷却水が戻るようにしてもよい。
In addition, the cooling water W is first passed through the cooling
次に、作用について説明する。 Next, the operation will be described.
上述のように構成された本実施形態の熱電発電装置10においては、筒状の複数の熱電発電ユニット13がそれぞれ排気ガス通路12の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう配置され、かつ、各熱電発電ユニット13の両端13a,13bが排気ガス通路12を形成するケース11の周方向に互いに所定角度θずつずれるように配置されているので、排気ガス通路12内での排気ガスGの流動が妨げられ、各熱電発電ユニット13の下流側外周壁面近傍で排気ガスGが渦を巻くような流れとなり、その部分での排気ガスGの流れに乱れが生じる(乱流の発生)。
In the thermoelectric
すなわち、各熱電発電ユニット13は、図2(b)に示すように排気ガスGの流れ方向の上流側から見て同一平面上に重なるように配置されていないので、排気ガスGの流速が大きくなった場合でも、相対的に上流側に位置する熱電発電ユニット13の下流側外周壁面近傍に発生した乱流によって、その下流側に位置する熱電発電ユニット13の上流側外周壁面に排気ガスGをより確実に当てることができる。
That is, each thermoelectric
これにより、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において相対的に下流側に位置する熱電発電ユニット13の上流側外周壁面に当たる排気ガスGの量を、上流側で発生させた乱流によって増大させることができる。その結果、相対的に下流側に位置する熱電発電ユニット13の吸熱部(すなわち、熱電変換ユニット13の高温部を構成する外側の筒状伝熱部材33)における熱伝達効率を高めることができ、熱電発電装置10の発電性能を向上させることができる。
As a result, the amount of exhaust gas G hitting the upstream outer peripheral wall surface of the thermoelectric
このように、本実施形態に係る熱電発電装置10は、複数の熱電発電ユニット13の吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができる。
Thus, the thermoelectric
また、本実施形態に係る熱電発電装置10は、複数の熱電発電ユニット13の各々に複数のフィン41が設けられているので、複数のフィン41を介して各熱電発電ユニット13の外側の筒状伝熱部材33と排気ガスGとの間で熱交換を行う面積(伝熱面積)を増やすことができる。これにより、複数の熱電発電ユニット13の外周壁面における熱伝達効率がより高くなり、発電効率が高くなることで、熱電発電装置10全体として熱回収効率をさらに向上させることができる。
Further, in the
また、本実施形態に係る熱電発電装置10は、内側の筒状伝熱部材32および外側の筒状伝熱部材33とともに複数の熱電変換素子34a,34bをモジュール化した熱電発電ユニット13を、ケース11に対する装着が容易なカートリッジとして構成することができる。これにより、熱電発電ユニット13の積載効率を十分に高めることができ、熱電発電装置10の製造時の組立作業等の容易化を図ることもできる。
Further, the thermoelectric
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係る熱電発電装置における熱電発電ユニットの構成を示している。
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a configuration of a thermoelectric power generation unit in the thermoelectric power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
上述した第1の実施形態では、各熱電発電ユニット13の断面形状を円筒状のものとしたが(図4参照)、この第2の実施形態では、熱電変換モジュールをその両面から挟み込む内側の筒状伝熱部材および外側の筒状伝熱部材の断面形状を矩形もしくは長円形としている点で相違する。
In the first embodiment described above, the cross-sectional shape of each thermoelectric
図5に示すように、本実施形態に係る熱電発電ユニット50は、その断面形状が上述した第1の実施形態と相違するものの、他の部分を含めた全体構成は、第1の実施形態と実質的に同一である。よって、第1の実施形態と同一である構成については、図1ないし図4中の対応する構成要素と同一の参照符号を用いつつ、本実施形態と第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
As shown in FIG. 5, the thermoelectric
図5に示すように、熱電発電ユニット50は、内側の筒状伝熱部材52と、外側の筒状伝熱部材53と、内側の筒状伝熱部材52および外側の筒状伝熱部材53の間に介装された複数の熱電変換素子54a,54bを含む熱電変換モジュール55と、を備えている。
As shown in FIG. 5, the thermoelectric
内側の筒状伝熱部材52は、その内部に第2の熱媒体通路としての冷却媒体通路51を有している。具体的には、内側の筒状伝熱部材52は、その内部に冷却水を通す冷却媒体通路51を形成する内周壁面52aを有しており、冷却媒体通路31が軸線方向(図中Z方向)に延びる長円形断面を有するパイプとなっている。
The inner cylindrical
外側の筒状伝熱部材53は、内側の筒状伝熱部材52の外径より大きい径の内周壁面53aと、排気ガス通路12中で排気ガスGに接触する外周壁面53bと、を有している。外側の筒状伝熱部材53は、内側の筒状伝熱部材52を外周側から取り囲むとともに内側の筒状伝熱部材52の外周壁面52bに対し所定の径方向離間距離を隔てるように、内側の筒状伝熱部材52と同一中心軸線上に配置されている。
The outer cylindrical
熱電変換モジュール55は、高温側の端面を構成する図示しない受熱基板と、低温側の端面を構成する図示しない放熱基板と、ゼーベック効果により受熱基板と放熱基板との温度差に応じた起電力を発生するN型の熱電変換素子54aおよびP型の熱電変換素子54bと、を備えている。上述した第1の実施形態と同様に、受熱基板および補強基板は、絶縁セラミックスから構成され、N型の熱電変換素子54aおよびP型の熱電変換素子54bは、半導体素子から構成されている。
The
また、熱電変換モジュール55は、N型の熱電変換素子54aおよびP型の熱電変換素子54bが複数対で構成され、N型の熱電変換素子54aおよびP型の熱電変換素子54bがそれぞれ内側の電極56aおよび外側の電極56bを介して周方向に直列に電気接続されることにより、構成されている。
The
また、熱電発電ユニット50は、図5に示すように、その外周側で冷却媒体通路31の軸線方向(図中Z方向)に互いに離間する複数のフィン61を有している。複数のフィン61は、排気ガス通路12(図2参照)における排気ガスGの流れ方向(図中X方向)に沿った向きに設けられている。具体的には、複数のフィン61は、略長方形断面を有する外側の筒状伝熱部材53の上下方向(図中Y方向)に対向する面から外方にそれぞれ一定高さで突出する長方形板状のものであり、上述した第1の実施形態と同様に、吸熱フィンとしての機能を有している。
Further, as shown in FIG. 5, the thermoelectric
上述のように構成された第2の実施形態に係る熱電発電装置は、熱電発電ユニット50の断面形状が上述した第1の実施形態と相違するものの、複数の熱電発電ユニット13の排気ガス通路12における配置態様は第1の実施形態と同一であるので、第1の実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。
The thermoelectric generator according to the second embodiment configured as described above is different from the first embodiment described above in the cross-sectional shape of the
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係る熱電発電装置における熱電発電ユニットの構成を示している。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a configuration of a thermoelectric power generation unit in a thermoelectric power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
上述した第1の実施形態では、複数の熱電発電ユニット13を排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向に対して直交する方向に配置したが(図1、図2参照)、この第3の実施形態では、複数の熱電発電ユニット13を排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置した点で相違する。
In the first embodiment described above, the plurality of thermoelectric
図6(a)、(b)にそれぞれ示す熱電発電装置10A、10Bは、それぞれ複数の熱電発電ユニット13の排気ガス通路12における配置態様が上述した第1の実施形態と相違するものの、他の部分を含めた全体構成は、第1の実施形態と実質的に同一である。よって、第1の実施形態と同一である構成については、図1ないし図4中の対応する構成要素と同一の参照符号を用いつつ、本実施形態と第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
The
図6(a)に示す熱電発電装置10Aは、複数の熱電発電ユニット13が、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において上流側から下流側に向けて、すべて同じ向きに所定角度θ1だけ傾斜するよう配置されている。一方、図6(b)に示す熱電発電装置10Bは、複数の熱電発電ユニット13が、排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向において上流側から下流側に向けて、所定個数毎に交互に反対側の向きに所定角度θ2だけ傾斜するよう配置されている。
In the thermoelectric
なお、図6に示す例では、ケース11内の複数の熱電発電ユニット13の配置を見易くするため、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13C(図2参照)のうち第1グループの熱電発電ユニット13Aのみを代表的に示している。
In the example shown in FIG. 6, the thermoelectric power generation of the first group among the thermoelectric
また、図6に示す例では、複数の熱電発電ユニット13のすべてが排気ガスGの流れ方向の上流側から下流側に向けて傾斜するよう配置しているが、これに限定されず、複数の熱電発電ユニット13のうち少なくとも一部の熱電発電ユニットのみが傾斜するよう配置してもよい。具体的には、各グループの熱電発電ユニット13A,13B,13Cのうち第1グループの熱電発電ユニット13Aのみを傾斜させ、第2グループ、第3グループの各熱電発電ユニット13B,13Cについては、上述した第1の実施形態と同様に排気ガス通路12における排気ガスGの流れ方向に対して直交する方向に配置したままとしてもよい。
Further, in the example shown in FIG. 6, all of the plurality of thermoelectric
このように構成された第3の実施形態に係る熱電発電装置10A,10Bは、各熱電発電ユニット13が排気ガス通路12において上流側から下流側に向けて傾斜して配置されていることで、排気ガスGが熱電発電ユニット13の延在方向の壁面に沿って排気ガス通路12の外周側から内周側に向かって流動し易い構造となっている。
The
したがって、第3の実施形態に係る熱電発電装置10A,10Bは、排気ガス通路12の外周近傍を流動している排気ガスGを排気ガス通路12の内周方向へ導くことができるので、上述した第1の実施形態の場合と比べて、外周方向で流動していた排気ガスGの排熱回収効率をより一層向上させることができる。
Therefore, the
なお、上述した各実施形態においては、ケース11内に高温側の熱媒体通路である排気ガス通路12が形成され、その排気ガス通路12の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう排気ガス通路12中に配置された複数の熱電発電ユニット13の内部に低温側の熱媒体通路である冷却媒体通路31が形成されている場合について説明を行ってきた。
In each of the above-described embodiments, the
しかし、排気ガス通路12と冷却媒体通路31との配置関係を上述した各実施形態の場合と逆にしてもよい。すなわち、ケース11内に低温側の熱媒体通路である冷却媒体通路が形成され、その冷却媒体通路に対し軸交差するように配置された複数の熱電発電ユニット13の内部に高温側の熱媒体通路である排気ガス通路が形成されるようにしてもよい。また、高温側の熱媒体がエンジンの排気ガスに限定されず、低温側の熱媒体が冷却水に限定されないことはいうまでもない。
However, the positional relationship between the
また、上述した各実施形態においては、各熱電発電ユニット13を構成する外側の筒状伝熱部材の内側に1つの内部通路(内側の筒状伝熱部材)を設けた場合について説明したが、この形態に限らず、各熱電発電ユニット13内に複数の内部通路が形成されていてもよい。
Moreover, in each embodiment mentioned above, although the case where one internal channel | path (inner cylindrical heat-transfer member) was provided inside the outer cylindrical heat-transfer member which comprises each thermoelectric
また、各熱電発電ユニット13は必ずしも真直ぐなものである必要はなく、湾曲した形状であってもよい。要は、各熱電発電ユニット13が排気ガス通路12の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう排気ガス通路12中に設けられていれば十分である。
Moreover, each thermoelectric
以上説明したように、本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電発電ユニットの吸熱部における熱伝達効率を高め、全体として熱回収効率を向上させることができるという効果を有し、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とを通しつつ両熱媒体の温度差を利用して熱電発電する熱電発電装置全般に有用である。 As described above, the thermoelectric power generation device according to the present invention has the effect that the heat transfer efficiency in the heat absorption part of the plurality of thermoelectric power generation units can be improved and the heat recovery efficiency can be improved as a whole. The present invention is useful for all thermoelectric power generation apparatuses that perform thermoelectric power generation using a temperature difference between both heat mediums while passing through the heat medium and the low temperature side heat medium.
1…排気管、3…バイパス管、10,10A,10B…熱電発電装置、11…ケース、11a…側板部、11b…取付穴部、11s…周壁面、12…排気ガス通路(第1の熱媒体通路)、13…熱電発電ユニット、13A…第1グループの熱電発電ユニット(第1の熱電発電ユニット)、13B…第2グループの熱電発電ユニット(第2の熱電発電ユニットまたは第1の熱電発電ユニット)、13C…第3グループの熱電発電ユニット(第2の熱電発電ユニット)、13a,13b…両端、31…冷却媒体通路(第2の熱媒体通路)、32…内側の筒状伝熱部材、32a…内周壁面、33…外側の筒状伝熱部材、33b…外周壁面、34a,34b…熱電変換素子、35…熱電変換モジュール、36a…内側の電極、36b…外側の電極、37a,37b…環状閉止部材、38…素子リード線、41…フィン、50…熱電発電ユニット、61…フィン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exhaust pipe, 3 ... Bypass pipe, 10, 10A, 10B ... Thermoelectric power generator, 11 ... Case, 11a ... Side plate part, 11b ... Mounting hole part, 11s ... Circumferential wall surface, 12 ... Exhaust gas passage (first heat Medium passage), 13 ... thermoelectric generation unit, 13A ... first group thermoelectric generation unit (first thermoelectric generation unit), 13B ... second group thermoelectric generation unit (second thermoelectric generation unit or first thermoelectric generation) Unit), 13C ... Third group thermoelectric power generation unit (second thermoelectric power generation unit), 13a, 13b ... both ends, 31 ... cooling medium passage (second heat medium passage), 32 ... inner cylindrical
Claims (4)
前記複数の熱電発電ユニットが、それぞれ前記第1の熱媒体通路の軸線方向に対して交差する方向に延在するよう前記第1の熱媒体通路中に設けられ、
前記複数の熱電発電ユニットのうち前記第1の熱媒体通路における前記一方の熱媒体の流れ方向において上流側に位置する第1の熱電発電ユニットと、該第1の熱電発電ユニットよりも下流側に位置する第2の熱電発電ユニットとは、前記第1の熱媒体通路の軸線方向で交差するよう配置されていることを特徴とする熱電発電装置。 A case forming a first heat medium passage through which one of the low temperature side heat medium and the high temperature side heat medium passes, and the low temperature side heat medium and the high temperature side heat medium on the inner peripheral side, respectively A plurality of thermoelectric power generation units that form a second heat medium passage through which the other heat medium passes and contact the one heat medium on the outer peripheral side,
The plurality of thermoelectric power generation units are provided in the first heat medium passage so as to extend in directions intersecting with the axial direction of the first heat medium passage,
A first thermoelectric power generation unit located upstream in the flow direction of the one heat medium in the first heat medium passage among the plurality of thermoelectric power generation units; and a downstream side of the first thermoelectric power generation unit. The second thermoelectric power generation unit positioned is arranged so as to intersect in the axial direction of the first heat medium passage.
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