JP2015097228A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置２において、熱電モジュール４とケース３との取り付け部位に当該両者の熱膨張差に起因する熱歪の発生を抑制または防止する。
【解決手段】高温ガスが流通される筒形のケース３に多数の棒状の熱電モジュール４がガス流通方向に交差する姿勢でケース３の一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられている。熱電モジュール４の長手方向一端側はケース３の周壁から外側へ突き出す状態で固定されている。熱電モジュール４の長手方向他端側はケース３内部に相対変位可能に取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置に関する。

例えば特許文献１には、エンジンから排出される高温の排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電デバイスが記載されている。

この熱電デバイスは、熱電発電器モジュールの多数をエンジンの排気通路（ハウジング）内に組み込んだ構成とされている。

前記熱電発電器モジュールは、棒状に形成されており、その長手方向が前記排気通路内の排ガス流れ方向と直交するような状態で設けられている。前記熱電発電器モジュールは、冷却剤が流通される内側ケーシングと、この内側ケーシングが挿通される外側ケーシングと、前記内側ケーシングと前記外側ケーシングとの対向間に設置される多数の熱電素子とを含んだ構成になっている。

特表２０１２−５３３９７２号公報

上記特許文献１は、前記各熱電発電器モジュールの長手方向両端を前記ハウジング内に固定するようになっているが、前記ハウジングの熱膨張率と前記各熱電発電器モジュールの熱膨張率とに差がある場合、エンジンの運転と停止とによる温度変化に伴い前記ハウジングに対する前記各熱電発電器モジュールの固定部分（前記長手方向両端）に応力が集中して、熱歪が発生するおそれがある。

このような事情に鑑み、本発明は、高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置において、熱電モジュールとケースとの取り付け部位に当該両者の熱膨張差に起因する熱歪の発生を抑制または防止することを目的としている。

本発明は、高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置であって、高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられており前記熱電モジュールの長手方向一端側が前記ケースの周壁から外側へ突き出す状態で固定されており、前記熱電モジュールの長手方向他端側が前記ケース内部に相対変位可能に取り付けられている、ことを特徴としている。

この構成では、前記熱電モジュールの熱膨張率が前記ケースの熱膨張率よりも小さいなど、当該両者の熱膨張率に差がある場合に前記ケースが熱膨張すると、それに伴い当該ケースに固定されている前記熱電モジュールの長手方向一端側が引っ張られることがあるが、そのときに、当該熱電モジュールの長手方向他端側が前記ケース内部の取り付け部位で相対変位することになるから、当該取り付け部位で前記両者の熱膨張差が吸収されるようになる。これにより、前記ケースに対する前記熱電モジュールの取り付け部位に応力が集中せずに済むようになるので、当該取り付け部位に前記熱膨張差に起因する熱歪が発生することを抑制または防止できるようになる。

好ましくは、前記熱電モジュールは、アウターチューブ内にインナーチューブを挿通し、前記アウターチューブと前記インナーチューブとの対向間に多数の熱電材料としてｐ型半導体およびｎ型半導体のいずれか一方の熱電素子と残り他方の熱電素子とを設置し、当該両熱電素子を電線で接続した構成とされる。

好ましくは、前記熱電モジュールの長手方向他端側には、輪状部材が隙間を持つ状態で外嵌され、この輪状部材が前記ケースの周壁内面に固定される。

ここでは、前記熱電モジュールの長手方向他端側をケースに相対変位可能に取り付ける形態として、前記輪状部材を用いることを特定している。この特定により、熱電発電装置の設備コストの上昇を抑制することが可能になる。

本発明は、熱電モジュールとケースとの取り付け部位に当該両者の熱膨張差に起因する熱歪の発生を抑制または防止することが可能な熱電発電装置を提供できるようになる。

本発明に係る熱電発電装置の一実施形態で、その外観を部分的に示す斜視図である。 図１の熱電発電装置の内部を透視して示す平面図である。 図２において熱電モジュールの多数の熱電素子の接続形態を示す図である。 図２の（４）−（４）線断面の矢視図である。 図２の（５）−（５）線断面の矢視図である。 図４の（６）を拡大して示す図である。 図６の（７）−（７）線断面の矢視図である。 図２の（８）−（８）線断面の矢視図である。 本発明に係る熱電発電装置の他実施形態で、図６に対応する図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図８に、本発明の一実施形態を示している。図中、１は排気通路、２は熱電発電装置である。

熱電発電装置２は、エンジンから排出される高温の排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果を利用したものであって、ケース３に多数の熱電モジュール４を組み込んだ構成である。

ケース３は、図１に示すように、角筒形に形成されており、その一方開口が排気通路１において排ガス流れ方向（白抜き矢印参照）の上流側に、また他方開口が排気通路１において排ガス流れ方向の下流側にそれぞれ連通連結されている。このケース３において排気通路１との前記両連結部分は、四角錐形状とされている。

多数の熱電モジュール４は、図５および図６に示すように、いずれも棒状に形成されており、ケース３に排ガス流れ方向に交差する姿勢、具体的に直交する姿勢でケース３の一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられている。

この実施形態では、図２に示すように、ケース３内において熱電モジュール４が上下方向に２段、排ガス流れ方向に４列設けられている。熱電モジュール４の配列については、排ガス流れ方向の上流側から下流側へ向けて、第１列、第２列、第３列、第４列とする。

詳しくは、熱電モジュール４は、図６および図７に示すように、アウターチューブ５内にインナーチューブ６を挿通し、アウターチューブ５とインナーチューブ６との対向間に多数の熱電材料として第１熱電素子（例えばｐ型半導体）７および第２熱電素子（例えばｎ型半導体）８を設置し、図３の破線で示すように、第１熱電素子７と第２熱電素子８とを電線９で接続した構成になっている。

アウターチューブ５は、断面が小判形状に形成されており、その２つの平坦な長辺５ａ，５ｂの外面には、外向きに突出する放熱フィン５ｃが長手方向所定ピッチ毎に設けられている。

インナーチューブ６は、断面が扁平な長方形形状に形成されており、アウターチューブ５の中心付近に非接触に配置されている。このインナーチューブ６内には、冷媒が流通されるようになっている。

なお、第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側に冷媒導入管１１が連通連結され、第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側と第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側とが第１接続管１２で連通連結され、第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側と第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側とが第２接続管１３で連通連結され、第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側と第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側とが第３接続管１４で連通連結され、さらに第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側が冷媒還流管１５に連通連結されている。そして、アウターチューブ５の長手方向一端および他端は閉塞されており、この閉塞部分に冷媒導入管１１と第１〜第３接続管１２〜１４と冷媒還流管１５とが貫通させられ、冷媒導入管１１と第１〜第３接続管１２〜１４と冷媒還流管１５とがアウターチューブ５内でインナーチューブ６に連通連結されるようになっている。このようなことから、冷媒は第１列の熱電モジュール４から第２列の熱電モジュール４、第３列の熱電モジュール４、第４列の熱電モジュール４へと順に流通するようになる。

第１熱電素子７および第２熱電素子８は、図６および図７に示すように、共に直方体または立方体のような形状とされていて、アウターチューブ（高温側部材）５とインナーチューブ（低温側部材）６との対向間に設置されている。

具体的に、第１熱電素子７および第２熱電素子８は、図３に示すように、アウターチューブ５の幅方向（排ガス流れ方向）に１個ずつ配置されているとともに、アウターチューブ５の長手方向に１個ずつ交互に配置されている。詳しく言えば、アウターチューブ５の長手方向での第１熱電素子７および第２熱電素子８の配置としては、第１熱電素子（ｐ型半導体）７−第２熱電素子（ｎ型半導体）８−第１熱電素子（ｐ型半導体）７−第２熱電素子（ｎ型半導体）８……という形態で所定ピッチ毎に並べられている。

第１熱電素子７および第２熱電素子８の６つの面のうち、いずれか一つの面がアウターチューブ５の２つの平坦な長辺５ａ，５ｂの内面に、また、前記面と対向する面がインナーチューブ６の２つの長辺６ａ，６ｂの外面にそれぞれ面接触されている。そして、第１熱電素子７および第２熱電素子８における前記対向する２つの面の間で温度差が生じたときに電気エネルギー（電圧）を発生する。

電線９は、アウターチューブ５の長手方向および幅方向に配置されている多数の第１熱電素子７と多数の第２熱電素子８とを１つずつ交互に直列に接続するものである。この電線９の配線パターンは図３の破線で示すようなクランク状の配線パターンになっている。

この電線９においてケース３内に露呈される部分は、排ガスの熱影響を受けやすくなるので、当該露呈部分については、第１〜第３接続管１２〜１４の外壁に抱き合わせるように付設し、それらを保護材１６で包むようにしている（図８参照）。これにより、電線９の熱劣化を抑制または防止することが可能になる。なお、電線９においてケース３の外側に露呈される部分は、図示していないが、前記同様に、ケース３の外側に配置されている冷媒導入管１１および冷媒還流管１５に抱き合わせるように付設し、それらを保護材（図示省略）で包む形態にしてもよいし、また、冷媒導入管１１および冷媒還流管１５に沿わせるだけで前記保護材で包まない形態にしてもよい。

なお、アウターチューブ５は排ガスが触れる関係より「高温側部材」となり、また、インナーチューブ６はその内部を冷媒が流通する関係より「低温側部材」となる。

次に、ケース３に対する熱電モジュール４の組み込み形態について詳細に説明する。

上述しているように、多数の熱電モジュール４を角筒形のケース３に「川」の字形に並べた状態で組み付けているが、すべての熱電モジュール４の長手方向一端側をケース３の周壁から外側へ突き出す状態で固定し、すべての熱電モジュール４の長手方向他端側をケース３内部に相対変位可能に取り付けるようにしている。

詳しくは、熱電モジュール４の長手方向一端側は、ケース３の周壁を貫通させておいて、熱電モジュール４のアウターチューブ５の外周とケース３の周壁の貫通孔（図示省略）の縁とを溶接（図１の太線部分参照）することによって、ケース３においてアウターチューブ５の貫通部分を密封するようにしている。この溶接は、アーク溶接（例えばＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接など）のように肉盛りするような形態とすることが好ましい。

また、熱電モジュール４の長手方向他端側は、ケース３の周壁内面にフレキシブルクランプ２１および取付片２２を介して支持されている。

具体的に、熱電モジュール４の長手方向他端側には、フレキシブルクランプ２１が隙間を持つ状態で外嵌されており、このフレキシブルクランプ２１が取付片２２を介してケース３の周壁内面に取り付けられている。前記熱電モジュール４の長手方向他端側とフレキシブルクランプ２１との間の隙間には、金属製のワイヤーメッシュなどの弾性部材２３が弾性変形可能な状態で介装されている。

このように、熱電モジュール４の長手方向他端側とフレキシブルクランプ２１との間に弾性部材２３を介装させることによって、ケース３に固定のフレキシブルクランプ２１に対して熱電モジュール４の長手方向他端側が長手方向ならびに径方向に相対変位可能になるのである。

ところで、熱電モジュール４の長手方向他端側においてフレキシブルクランプ２１が外嵌装着される領域には、放熱フィン５ｃが設けられていない（図２の左側に配置される第１列の熱電モジュール４および第２列の熱電モジュール４を参照、あるいは図６参照）。

フレキシブルクランプ２１は、帯状板を輪状にした部材とされており、その円周方向１ヶ所が離れている。また、取付片２２は、帯状板を側面視でほぼＺ字形状にした部材とされている。

フレキシブルクランプ２１および取付片２２は、主として耐熱性および耐蝕性に優れた材料（例えばステンレスなど）で形成される。それらを共にステンレスで形成する場合にはフレキシブルクランプ２１と取付片２２との結合および取付片２２とケース３との結合を例えば溶接（太線部分参照）とすることができる。その場合、アウターチューブ５およびケース３についても、主として耐熱性および耐蝕性に優れた金属材料（例えばステンレスなど）で形成する必要がある。

ところで、熱電モジュール４については、多数の構成要素を組み合わせた複合構造である関係より、たとえ前記多数の構成要素のうちのアウターチューブ５の素材がケース３と同一素材であっても、熱電モジュール４の熱膨張率については、ケース３の熱膨張率と相違するものになる。

そのため、熱電モジュール４の熱膨張率がケース３の熱膨張率よりも小さいなど、両者の熱膨張率に差がある場合にケース３が熱膨張すると、それに伴い当該ケース３に固定されている熱電モジュール４の長手方向一端側が引っ張られることがあるが（図２の矢印１００参照）、そのときに、当該熱電モジュール４の長手方向他端側がケース３に固定のフレキシブルクランプ２１に対して相対変位するようになるから、当該取り付け部位で熱電モジュール４とケース３との熱膨張差が吸収されるようになる。これにより、ケース３に対する熱電モジュール４の取り付け部位に応力が集中せずに済むようになる。

以上説明したように本発明を適用した実施形態では、ケース３の周壁に熱電モジュール４の長手方向一端側のみを固定して、熱電モジュール４の長手方向他端側をケース３の周壁内部にフレキシブルクランプ２１および取付片２２を介して相対変位可能に取り付けることにより、ケース３と熱電モジュール４との熱膨張差に起因してケース３に対する熱電モジュール４の取り付け部位に応力が集中することを回避させるようにしている。

これにより、ケース３に対する熱電モジュール４の取り付け部位に当該両者の熱膨張差に起因する熱歪が発生することを抑制または防止できるようになるので、熱電発電装置２の信頼性向上に貢献できる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、高温ガスとしてエンジンの排ガスを利用する例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばＥＧＲガスを利用することが可能である。

（２）上記実施形態では、ケース３内に熱電モジュール４を上下方向に２段にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えば１段あるいは３段以上とすることが可能である。

（３）上記実施形態では、ケース３内に熱電モジュール４を排ガス流れ方向に４列にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えば１列、２列、３列あるいは５列以上とすることが可能である。

（４）上記実施形態では、フレキシブルクランプ２１と取付片２２とを別体にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えば一体に形成することが可能である。

（５）上記実施形態では、熱電発電装置２をケース３に熱電モジュール４を組み込んだ構成にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばケース３を無くして熱電モジュール４を排気通路１に直接組み込んだ構成とすることが可能である。

（６）上記実施形態では、ケース３を角筒形にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばケース３を円筒形、楕円筒形などにすることが可能である。

（７）上記実施形態では、熱電モジュール４のアウターチューブ５およびインナーチューブ６を断面でほぼ矩形にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えば図９に示すように、熱電モジュール４をアウターチューブ５およびインナーチューブ６を断面でほぼ円形にすることが可能である。この場合、第１熱電素子７および第２熱電素子８を面でアウターチューブ５とインナーチューブ６とに接触させるようにしている。

本発明は、高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置に好適に利用することが可能である。

１ 排気通路
２ 熱電発電装置
３ ケース
４ 熱電モジュール
５ アウターチューブ
５ａ，５ｂ アウターチューブの２つの長辺
５ｃ アウターチューブの放熱フィン
６ インナーチューブ
６ａ，６ｂ インナーチューブの２つの長辺
７ 第１熱電素子
８ 第２熱電素子
９ 電線
１１ 冷媒導入管
１２ 第１接続管
１３ 第２接続管
１４ 第３接続管
１５ 冷媒還流管
１６ 保護材
２１ フレキシブルクランプ
２２ 取付片
２３ 弾性部材

Claims (1)

1. 高温ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置であって、
   前記高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられており、
   前記熱電モジュールの長手方向一端側が前記ケースの周壁から外側へ突き出す状態で固定されており、
   前記熱電モジュールの長手方向他端側が前記ケース内部に相対変位可能に取り付けられている、ことを特徴とする熱電発電装置。

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