JP2015140713A - Thermoelectric generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気ガス等の高温ガスの熱を回収して発電を行う熱電発電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation apparatus that recovers heat of a high-temperature gas such as exhaust gas and generates power.
自動車などのエンジンから排出される排気ガスは高温であり、その熱エネルギーの多くが利用されずに排出されている。そこで近年、排気ガスの熱エネルギーの利用効率の向上を図るため、排熱回収ユニットとして熱電素子(熱電変換素子)を用い、排気ガスの熱エネルギーを電力に変換して回収する熱電発電装置が提案されている。熱電素子は、ゼーベック効果(一般的に二種類の異種金属や半導体を接合し、一方の面と他方の面との間に温度差を設けることにより起電力が生じる効果をいう)を利用して発電するものである。
このような排気ガスの熱回収に用いられる熱電発電装置は、一般的にエンジンから排出される高温の排気ガスが通る排気管の途中部に配置されており、該排気管内には、熱電素子の一方の面に排気ガスの熱を該熱電素子の高温端面へと効率良く導くための集熱ピンが設けられ、熱電素子の他方の面は、空気放冷や水冷により冷却されるように構成されている。
Exhaust gas discharged from engines such as automobiles is high temperature, and much of the heat energy is discharged without being used. Therefore, in recent years, a thermoelectric generator that uses a thermoelectric element (thermoelectric conversion element) as an exhaust heat recovery unit and converts the exhaust gas thermal energy into electric power and recovers it has been proposed in order to improve the utilization efficiency of exhaust gas thermal energy. Has been. Thermoelectric elements use the Seebeck effect (generally an effect that an electromotive force is generated by joining two different kinds of metals and semiconductors and providing a temperature difference between one surface and the other). It generates electricity.
Such a thermoelectric generator used for heat recovery of exhaust gas is generally disposed in the middle of an exhaust pipe through which high-temperature exhaust gas exhausted from an engine passes, and in the exhaust pipe, there is a thermoelectric element. A heat collecting pin for efficiently guiding the heat of the exhaust gas to the high temperature end surface of the thermoelectric element is provided on one surface, and the other surface of the thermoelectric element is configured to be cooled by air cooling or water cooling. Yes.
ところで、現在知られている熱電発電装置のタイプとしては、熱電ユニットの内側で排気ガスが流れる排気流路に受熱フィンが配置されているとともに、排気ガスが流れる排気流路の内側に受熱フィンが排気流路の上流側から下流側まで均一にオーバーラップするように対向して設けられ、かつ流路面積は、排気流路の上流側から下流側まで均一に設定された熱電ユニットが挙げられる(例えば、特許文献1参照)。
また、排気ガスが流れる排気流路の内部に集熱フィンが設けられ、該集熱フィンの数と長さが排気流路の上流側から下流側に向かうに従って増大させるように構成された自動車用排熱発電装置が挙げられる(例えば、特許文献2参照)。
さらに、排気ガスの熱を熱電素子に伝えるための吸熱フィンとして、複数の固定フィンと、これら固定フィンの間に配置され、該固定フィンに対して移動自在に構成される可動フィンを用いることにより、固定フィンと可動フィンとの間に形成される排気ガスの流路の断面積が調整可能であり、かつ流路の上流側に配置される吸熱フィンの流路の断面積が、流路の下流側に配置される吸熱フィンの流路の断面積よりも大きく構成された熱電発電装置が挙げられる(例えば、特許文献3参照)。
By the way, as a type of the thermoelectric power generation apparatus currently known, a heat receiving fin is arranged in an exhaust passage through which exhaust gas flows inside the thermoelectric unit, and a heat receiving fin is arranged inside the exhaust passage through which exhaust gas flows. A thermoelectric unit that is provided so as to be uniformly overlapped from the upstream side to the downstream side of the exhaust flow path, and whose flow area is set uniformly from the upstream side to the downstream side of the exhaust flow path is exemplified ( For example, see Patent Document 1).
Further, heat collecting fins are provided inside the exhaust passage through which the exhaust gas flows, and the number and length of the heat collecting fins are configured to increase from the upstream side to the downstream side of the exhaust passage. An exhaust heat power generation apparatus is mentioned (for example, refer patent document 2).
Further, by using a plurality of fixed fins and movable fins arranged between the fixed fins and configured to be movable with respect to the fixed fins as heat absorption fins for transmitting the heat of the exhaust gas to the thermoelectric element. The cross-sectional area of the exhaust gas flow path formed between the fixed fin and the movable fin can be adjusted, and the cross-sectional area of the endothermic fin disposed on the upstream side of the flow path is A thermoelectric generator configured to be larger than the cross-sectional area of the flow path of the endothermic fin disposed on the downstream side (see, for example, Patent Document 3).
このような熱電発電装置において、熱電素子の性能を表す性能指数は該熱電素子に用いる材料によって変化し、さらに当該性能指数は温度依存の関数であってピーク値を持つため(例えば、900℃以上ではランタン−テルル系、シリコン−ゲルマニウム系、400℃〜600℃では鉛−錫及びテルル−セレン系、150℃以下ではビスマス−テルル系の材料がピーク値を持つ)、発電効率を向上させるには、熱電素子に伝わる熱量を最適に保つことが重要である。排気ガスの熱で熱電素子を用いて発電する場合、排気流路を流れる排気ガスは上流側が高温で熱量が大きく、発電量が多いのに対して、下流側へ行くにつれて熱が回収され、排気ガスの温度が低下していくので、下流側では発電量が低下することになる。そのため、熱電発電装置の全体的な発電効率が悪くなってしまう。
一方、集熱ピンに排気ガス中の気体分子が接触すると、熱が排気ガスから集熱ピンに伝達されることになる。したがって、排気ガスが熱電発電装置中を流れる際には、排気ガス中の気体分子を集熱ピンに頻繁に接触させることが重要である。
In such a thermoelectric generator, the figure of merit representing the performance of the thermoelectric element varies depending on the material used for the thermoelectric element, and the figure of merit is a temperature-dependent function and has a peak value (for example, 900 ° C. or higher). Lanthanum-tellurium-based, silicon-germanium-based, lead-tin and tellurium-selenium-based at 400 ° C to 600 ° C, and bismuth-tellurium-based materials at 150 ° C or lower) to improve power generation efficiency It is important to keep the amount of heat transferred to the thermoelectric element optimal. When generating heat using the thermoelectric element with the heat of the exhaust gas, the exhaust gas flowing through the exhaust flow path has a high temperature on the upstream side and a large amount of heat, while the amount of power generation is large. As the gas temperature decreases, the amount of power generation decreases on the downstream side. For this reason, the overall power generation efficiency of the thermoelectric power generation device is deteriorated.
On the other hand, when gas molecules in the exhaust gas come into contact with the heat collection pin, heat is transferred from the exhaust gas to the heat collection pin. Therefore, when the exhaust gas flows through the thermoelectric generator, it is important to frequently bring gas molecules in the exhaust gas into contact with the heat collecting pins.
ところが、上記観点から考えると、上述した特許文献1〜3の先行技術には、下記のような4つの課題を有している。
特許文献1の熱電ユニットでは、排気ガスが流れる流路の面積、及び受熱フィンのオーバーラップ量が共に流路の上流から下流まで均一である。そのため、排気ガスの温度は下流側で低下してしまうのに対して、受熱フィンの熱伝達能力は流路の上流から下流を通して同じであるので、流路の下流側の熱伝達量が低下することになる。したがって、熱電ユニットの発電量が結果的に低下し、発電効率が悪いという問題を有している。
However, from the above viewpoint, the prior arts of
In the thermoelectric unit of
また、特許文献2の自動車用排熱発電装置では、排気ガスが流れる流路の上流から下流へ行くにつれて、配置される集熱フィンの数と長さを増大させている。そのため、流路の上流側に配置される集熱フィンの数が少なく、集熱フィンの長さも短くなっており、流路の上流側の熱伝達量が小さく、発電効率が十分ではなくなる。その結果として、排熱発電装置の発電量が低下するという問題を有している。
Moreover, in the exhaust heat power generator for automobiles of
さらに、特許文献3の熱電発電装置では、固定フィンと可動フィンの二種類の集熱フィンが用いられている。そのため、熱電発電装置の構造が複雑となり、1ユニットの製作コストが高くなるという問題を有している。
しかも、特許文献3の熱電発電装置では、排気ガスが流れる流路の下流側の固定フィン及び可動フィンの傍を流れる熱媒体の流速を大きくすることにより、固定フィン又は可動フィンの吸熱量を増加させ、流路の下流側の熱伝達量を大きくしている。この場合、単位時間当たりの熱伝達量は増加しているものの、排気ガスの気体分子一つ当たりの固定フィン及び可動フィンに接触する頻度に変化は無く、排気ガスからの熱伝達が十分ではないという問題を有している。
Furthermore, in the thermoelectric generator of
Moreover, in the thermoelectric generator of
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスが流れる流路の上流側と下流側とに配置される熱電素子モジュールに伝わる熱伝達量を均一にすることにより全体的な発電効率を向上させるとともに、排気ガス中の気体分子が集熱ピンに接触する頻度を高めることにより熱伝達量を向上させることが可能な熱電発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to make the amount of heat transferred to the thermoelectric element modules arranged on the upstream side and the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows uniform. Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric generator capable of improving the overall power generation efficiency and increasing the frequency with which gas molecules in the exhaust gas come into contact with the heat collecting pins, thereby improving the amount of heat transfer.
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、エンジンから排出される排気ガスが内部の流路を流れる筐体モジュールと、該筐体モジュールの内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピンと、前記集熱ピンから伝わる熱によって発電する熱電素子モジュールとを備え、前記集熱ピンと前記熱電素子モジュールが対となって前記筐体モジュールの面に設けられる熱電発電装置において、前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されている。 In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention includes a casing module in which exhaust gas discharged from an engine flows through an internal flow path, and a plurality of the casing modules arranged at intervals on the inner surface of the casing module. In the thermoelectric generator provided with the heat collecting pin and the thermoelectric element module as a pair on the surface of the housing module, the heat collecting pin and the thermoelectric element module that generates electricity by the heat transmitted from the heat collecting pin, The tip portion of the heat collecting pin disposed on one surface of the housing module and the tip portion of the heat collecting pin disposed on the other surface of the housing module are disposed so as to overlap, and It arrange | positions so that the amount of overlaps of the front-end | tip part of the said heat collection pin may become large toward the downstream from the upstream of the said flow path through which exhaust gas flows.
また、本発明において、前記筐体モジュールの断面積は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されている。 In the present invention, the cross-sectional area of the housing module is formed so as to decrease from the upstream side to the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows.
さらに、本発明において、前記筐体モジュールは、断面積が異なる複数のユニット筐体から構成され、該ユニット筐体は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置され、前記流路の最も上流側に位置する前記ユニット筐体に設けられる前記集熱ピンは、先端部をオーバーラップさせないで配置されている。
そして、本発明において、前記ユニット筐体のそれぞれが接続されて前記筐体モジュールが構成され、前記ユニット筐体のそれぞれの接続部には段差が設けられている。
しかも、本発明において、前記ユニット筐体の一方の面に配置される集熱ピンと、前記ユニット筐体の他方の面に配置される集熱ピンとは、前記ユニット筐体の幅方向にオフセットされて配置され、前記集熱ピンがオフセットされる方向は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流から下流に向かって並んで配置される前記筐体ユニットごとに逆となるように配置されている。
Further, in the present invention, the housing module is composed of a plurality of unit housings having different cross-sectional areas, and the unit housing has a cross-sectional area from the upstream side to the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows. Are arranged in a stepwise manner, and the heat collecting pins provided in the unit casing located on the most upstream side of the flow path are arranged without overlapping the tip portions.
And in this invention, each of the said unit housing | casing is connected, the said housing | casing module is comprised, and the level | step difference is provided in each connection part of the said unit housing | casing.
Moreover, in the present invention, the heat collecting pins arranged on one surface of the unit housing and the heat collecting pins arranged on the other surface of the unit housing are offset in the width direction of the unit housing. The direction in which the heat collecting pins are arranged is offset so as to be reversed for each of the casing units arranged side by side from upstream to downstream of the flow path through which the exhaust gas flows.
また、本発明において、前記集熱ピンの表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工されている。
あるいは、本発明において、前記集熱ピンの表面は、触媒でコーティングされている。
In the present invention, the surface of the heat collecting pin is subjected to porous alumite processing or shot blast processing.
Alternatively, in the present invention, the surface of the heat collecting pin is coated with a catalyst.
さらに、本発明において、前記集熱ピンは、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側と下流側において、単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さが同じに形成されている。 Further, in the present invention, the heat collecting pins are arranged in the same number per unit area on the upstream side and the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows, and have the same length and thickness. Is formed.
上述の如く、本発明に係る熱電発電装置は、エンジンから排出される排気ガスが内部の流路を流れる筐体モジュールと、該筐体モジュールの内側面に間隔を空けて多数配置される集熱ピンと、前記集熱ピンから伝わる熱によって発電する熱電素子モジュールとを備え、前記集熱ピンと前記熱電素子モジュールが対となって前記筐体モジュールの面に設けられており、前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されているので、次のような効果を得ることができる。 As described above, the thermoelectric generator according to the present invention includes a housing module in which exhaust gas discharged from an engine flows through an internal flow path, and a large number of heat collectors arranged at intervals on the inner surface of the housing module. A thermoelectric element module that generates electricity by heat transmitted from the heat collecting pin, and the heat collecting pin and the thermoelectric element module are provided as a pair on the surface of the casing module, and one of the casing modules The tip portion of the heat collecting pin arranged on the surface of the housing module and the tip portion of the heat collecting pin arranged on the other surface of the housing module are arranged so as to overlap and the exhaust gas flows. Since it is arranged so that the amount of overlap of the tip portion of the heat collecting pin increases from the upstream side to the downstream side of the flow path, the following effects can be obtained.
すなわち、本発明の熱電発電装置においては、排気ガスの流路が下流に行くにつれて、集熱ピンのオーバーラップ量が大きくなるので、流路の下流側では集熱ピンの密集している場所に排気ガスを導くことができ、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、流路の上流側と、排気ガスの温度が下がる流路の下流側において、熱伝達量を均一化することが可能となり、熱電素子モジュールの発電効率を向上させることができる。
また、本発明の熱電発電装置では、下流側の流路に集熱ピンが密集して配置され、これら集熱ピンが障害物となり、排気ガスの流れが乱されて乱流となるので、排気ガス中の気体分子一つ当たりの集熱ピンに接触する頻度を高めることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、熱電素子モジュールへの熱伝達量を多くすることが可能になるため、従来の熱電発電装置と比べて発電量を大きくすることができる。
That is, in the thermoelectric power generator of the present invention, the amount of overlap of the heat collecting pins increases as the exhaust gas flow path goes downstream, so that the heat collecting pins are densely located downstream of the flow path. The exhaust gas can be guided and the heat transfer amount on the downstream side can be increased. Therefore, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, it is possible to make the heat transfer amount uniform between the upstream side of the flow path and the downstream side of the flow path where the temperature of the exhaust gas decreases, and the power generation efficiency of the thermoelectric element module Can be improved.
Further, in the thermoelectric generator of the present invention, the heat collecting pins are densely arranged in the downstream flow path, and these heat collecting pins become an obstacle, and the flow of the exhaust gas is disturbed and becomes a turbulent flow. The frequency of contacting the heat collecting pin per gas molecule in the gas can be increased. Therefore, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, it is possible to increase the amount of heat transfer to the thermoelectric element module, so that the power generation amount can be increased as compared with the conventional thermoelectric power generation device.
また、本発明において、前記筐体モジュールの断面積は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されているので、流路の下流側では集熱ピンの密集している場所に排気ガスをさらに効率良く導くことができ、下流側の熱伝達量をより一層大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、流路の上流側と、排気ガスの温度が下がる流路の下流側において、熱伝達量をさらに均一化することが可能となり、熱電素子モジュールの発電効率をより一層向上させることができる。しかも、本発明の熱電発電装置では、集熱ピンが密集するように配置された下流側の流路において、さらに排気ガスの流れが乱されて乱流となるので、排気ガス中の気体分子一つ当たりの集熱ピンに接触する頻度をさらに高めることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、熱電素子モジュールへの熱伝達量をさらに多くすることが可能になるため、従来の熱電発電装置と比べてより一層発電量を大きくすることができる。 In the present invention, the cross-sectional area of the housing module is formed so as to decrease from the upstream side to the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows. Exhaust gas can be guided more efficiently to a place where pins are densely packed, and the amount of heat transfer on the downstream side can be further increased. Therefore, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, it is possible to further uniform the heat transfer amount on the upstream side of the flow path and on the downstream side of the flow path where the temperature of the exhaust gas decreases. Efficiency can be further improved. Moreover, in the thermoelectric generator of the present invention, the flow of exhaust gas is further disturbed in the downstream flow path arranged so that the heat collecting pins are densely packed, resulting in turbulent flow. The frequency of contact with the heat collecting pin per pin can be further increased. Therefore, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, it is possible to further increase the amount of heat transfer to the thermoelectric element module, and therefore it is possible to further increase the power generation amount as compared with the conventional thermoelectric power generation device.
さらに、本発明において、前記筐体モジュールは、断面積が異なる複数のユニット筐体から構成され、該ユニット筐体は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置され、前記流路の最も上流側に位置する前記ユニット筐体に設けられる前記集熱ピンは、先端部をオーバーラップさせないで配置されているので、排気ガスの一部を、熱量を維持したまま下流側へ流すことが可能となり、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、上流側と下流側の熱伝達量を均一にできることで発電効率を向上させることができる。
しかも、本発明の熱電発電装置においては、集熱ピンを段階的にオーバーラップさせることができ、集熱ピンの設置面が傾斜していると構造上干渉してしまう下流側のユニット筐体に対向して配置される集熱ピンを曲げる必要がなくなる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、集熱ピンの曲げ加工なしで構造的な干渉を避けることが可能となり、コストダウンを図ることができる。
それに加えて、筐体モジュールを構成するユニット筐体によって下流側に行くほど小さくなっているので、熱電発電装置の下流側位置に組付けられるマフラーへ伝わる振動を低減させることができ、振動による締結ボルトの抜けを防ぎ、マフラーの脱落を防止することができる。
Further, in the present invention, the housing module is composed of a plurality of unit housings having different cross-sectional areas, and the unit housing has a cross-sectional area from the upstream side to the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows. Since the heat collecting pins provided in the unit housing located on the most upstream side of the flow path are arranged without overlapping the tip portion, the exhaust gas It becomes possible to flow a part to the downstream side while maintaining the amount of heat, and the heat transfer amount on the downstream side can be increased. Therefore, according to the thermoelectric power generator of the present invention, the power generation efficiency can be improved by making the amount of heat transfer on the upstream side and the downstream side uniform.
Moreover, in the thermoelectric generator of the present invention, the heat collecting pins can be overlapped in stages, and if the installation surface of the heat collecting pins is inclined, the downstream unit housing that interferes structurally There is no need to bend the heat collecting pins arranged opposite to each other. Therefore, according to the thermoelectric generator of the present invention, it is possible to avoid structural interference without bending the heat collecting pins, and the cost can be reduced.
In addition to that, the unit casing constituting the casing module is smaller as it goes downstream, so vibration transmitted to the muffler assembled at the downstream position of the thermoelectric generator can be reduced, and fastening by vibration Bolts can be prevented from coming off and the muffler can be prevented from falling off.
また、本発明において、前記ユニット筐体のそれぞれが接続されて前記筐体モジュールが構成され、前記ユニット筐体のそれぞれの接続部には段差が設けられているので、排気ガスが各ユニット筐体の接続部を流れる際に、該接続部の段差に衝突して流れが乱れることにより乱流となる。したがって、本発明の熱電発電装置によれば、排気ガスと集熱ピンとが接触する頻度が多くなるので、熱伝達量を増やすことが可能となり、発電量を増大させることができる。 In the present invention, each of the unit casings is connected to form the casing module, and a step is provided at each connection portion of the unit casing. When flowing through the connecting portion, the flow collides with the step of the connecting portion and the flow is disturbed, resulting in turbulent flow. Therefore, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, the frequency of contact between the exhaust gas and the heat collecting pins is increased, so that the amount of heat transfer can be increased and the amount of power generation can be increased.
さらに、本発明において、前記ユニット筐体の一方の面に配置される集熱ピンと、前記ユニット筐体の他方の面に配置される集熱ピンとは、前記ユニット筐体の幅方向にオフセットされて配置され、前記集熱ピンがオフセットされる方向は、前記排気ガスが流れる前記流路の上流から下流に向かって並んで配置される前記筐体ユニットごとに逆となるように配置されている。すなわち、本発明の熱電発電装置では、集熱ピンがユニット筐体の流路方向にオフセットされているだけではなく、幅方向にもオフセット(例えば、上下の集熱ピンの先端部が交互に配置されように、合わせて1ピン程度ずらすこと)され、さらにユニット筐体ごとに集熱ピンのオフセットされる方向が逆になるように配置されること(例えば、上流側位置のユニット筐体では上側に配置される集熱ピンは右方向に、下側に配置される集熱ピンは左方向にオフセットされ、隣接する下流側位置のユニット筐体では上側に配置される集熱ピンは左方向に、下側に配置される集熱ピンは右方向にオフセットされこと)により、上流側のユニット筐体に配置される複数の集熱ピンの間を通った排気ガスが、必ず隣接する下流側のユニット筐体に配置される複数の集熱ピンに接触することになるので、排気ガスの流れが乱されて乱流になりやすくなり、排気ガスが集熱ピンに接触する頻度をさらに高めることが可能となり、熱電素子モジュールへの熱伝達量をさらに増やし、発電量をより一層増大させることができる。 Further, in the present invention, the heat collecting pins arranged on one surface of the unit housing and the heat collecting pins arranged on the other surface of the unit housing are offset in the width direction of the unit housing. The direction in which the heat collecting pins are arranged is offset so as to be reversed for each of the casing units arranged side by side from upstream to downstream of the flow path through which the exhaust gas flows. That is, in the thermoelectric generator of the present invention, the heat collecting pins are not only offset in the flow direction of the unit housing, but also offset in the width direction (for example, the tip portions of the upper and lower heat collecting pins are arranged alternately. In other words, the unit is shifted by about 1 pin in total, and is further arranged so that the direction in which the heat collecting pins are offset is reversed for each unit housing (for example, the upper side of the unit housing at the upstream position) The heat collection pins arranged on the left are offset to the right and the heat collection pins arranged on the lower side are offset to the left. Therefore, the exhaust gas passing between the plurality of heat collecting pins arranged in the upstream unit housing must always be in the adjacent downstream side. Arranged in the unit housing Because it is in contact with a plurality of heat collecting pins, the flow of exhaust gas is disturbed and tends to become turbulent, and it becomes possible to further increase the frequency with which exhaust gas contacts the heat collecting pins. The amount of heat transfer to can be further increased, and the amount of power generation can be further increased.
一方、本発明において、前記集熱ピンの表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工されており、集熱ピンの表面に表面処理を施すことにより集熱ピンの表面積が増やされているので、排気ガスが集熱ピンに接触する頻度がさらに増えることとなり、熱電素子モジュールへの熱伝達量が増え、発電量の増大を図ることができる。
また、本発明において、前記集熱ピンの表面は、触媒でコーティングされているので、触媒の発熱効果による反応熱を直に集熱ピンに伝えることが可能となり、熱電素子モジュールへの熱伝達量を増やし、発電量をさらに増大させることができる。
On the other hand, in the present invention, the surface of the heat collection pin is processed by porous anodizing or shot blasting, and the surface area of the heat collection pin is increased by applying surface treatment to the surface of the heat collection pin. The frequency with which the gas contacts the heat collecting pins is further increased, the amount of heat transfer to the thermoelectric element module is increased, and the amount of power generation can be increased.
In the present invention, since the surface of the heat collecting pin is coated with a catalyst, it is possible to directly transfer reaction heat due to the heat generation effect of the catalyst to the heat collecting pin, and the amount of heat transfer to the thermoelectric element module. The power generation amount can be further increased.
さらに、本発明において、前記集熱ピンは、前記排気ガスが流れる前記流路の上流側と下流側において、単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さが同じに形成されているので、流路の上流側の発電量及び発電効率を共に高めることができるとともに、使用する集熱ピンの種類が1種類で済み、構造を簡単にすることができる。 Further, in the present invention, the heat collecting pins are arranged in the same number per unit area on the upstream side and the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows, and have the same length and thickness. Since it is formed, both the power generation amount and the power generation efficiency on the upstream side of the flow path can be increased, and only one type of heat collecting pin is used, and the structure can be simplified.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係る熱電発電装置について、以下に詳細に説明する。
図1〜図7は、本発明の第1実施形態に係る熱電発電装置を示すものである。なお、図4及び図5において、矢印W方向はユニット筐体の幅方向を示し、矢印X方向及び矢印Y方向は集熱ピンのオフセット方向を示している。
[First Embodiment]
The thermoelectric power generator according to the first embodiment of the present invention will be described in detail below.
1 to 7 show a thermoelectric generator according to a first embodiment of the present invention. 4 and 5, the arrow W direction indicates the width direction of the unit housing, and the arrow X direction and the arrow Y direction indicate the offset direction of the heat collecting pins.
本実施形態の熱電発電装置1は、図1に示すように、自動車や二輪車などのエンジン2から車両後方へ向かって延在する排気管3を介して排出される高温の排気ガス4の熱を回収し、排気ガス4の熱エネルギーを利用して電力に変換することにより発電を行う装置である。このため、熱電発電装置1は、エンジン2の排気系統において、排気ガス4が通る排気管3の車両前後方向の中間途中部に配置され、上下流端に位置するフランジ1a,1b等を介して接続されており、内部を排気ガス4が流れる構造となっている。また、熱電発電装置1とエンジン2との間であって、熱電発電装置1の上流側に位置する排気管3には、触媒5が配設され、熱電発電装置1の下流側に位置する排気管3には、マフラー6が配設されている。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態の熱電発電装置1は、図1〜図3に示すように、排気ガス4が内部の流路7aを流れ、上下壁に複数の開口部7bを有する筐体モジュール7と、該筐体モジュール7の内側面の上下に一定の間隔を空けながら対向して多数配置される上下集熱ピン8,9と、筐体モジュール7の開口部7bの周辺部の外側面に配置され、上下集熱ピン8,9から伝わる熱によって発電する熱電素子モジュール10とを備えており、上下集熱ピン8,9と熱電素子モジュール10が対となって筐体モジュール7の内外面に設けられている。上下集熱ピン8,9の基端側は、これら上下集熱ピン8,9と一体成形された板状体を有している。本実施形態の熱電発電装置1は、筐体モジュール7の一方の面である上面に配置される上集熱ピン8の先端部8aと、筐体モジュール7の他方の面である下面に配置される下集熱ピン9の先端部9aとはオーバーラップして配置され、かつ排気ガス4が流れる流路7aの上流側から下流側へ向かって、上下集熱ピン8,9の先端部8a,9aの上下方向におけるオーバーラップ量Lが大きくなるように配置されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
本実施形態の筐体モジュール7は、車両前後方向に沿って配置されており、当該筐体モジュール7の断面積は、排気ガス4が流れる流路7aの上流側から下流側へ向かって小さくなるように形成されている。すなわち、筐体モジュール7は、図1〜図3に示すように、断面積が異なる複数(本実施形態では4つ)のユニット筐体11,12,13,14から構成されており、これらユニット筐体11,12,13,14は、排気ガス4が流れる流路7aの上流側から下流側へ向かって断面積が段階的に小さくなるように配置されている。
このような形状の断面積を有する筐体モジュール7では、流路7aの下流側において上下集熱ピン8,9の密集している場所に排気ガス4が効率良く導かれ、下流側の熱伝達量が大きくなっている。そのため、筐体モジュール7の流路7aの上流側と、排気ガス4の温度が下がる筐体モジュール7の流路7aの下流側とにおける熱伝達量が均一化され、熱電素子モジュール10の発電効率の向上が図れるようになっている。また、上下集熱ピン8,9が多く配置された下流側の流路7aにおいて、排気ガス4の流れが乱されて乱流となり、排気ガス4中の気体分子一つ当たりの上下集熱ピン8,9に接触する頻度が高められ、熱電素子モジュール10への熱伝達量がさらに多く、発電量が大きくなっている。
The
In the
しかも、筐体モジュール7の流路7aの最も上流側に位置するユニット筐体11に設けられる上下集熱ピン8,9は、先端部8b,9bをオーバーラップさせないで配置されており、先端部8b,9bの上下間には、空間Sが形成されている。
これによって、上下集熱ピン8,9は段階的にオーバーラップされて配置されることになり、下流側のユニット筐体13,14に対向して配置される上下集熱ピン8,9の構造的な干渉を避けて大きなオーバーラップを確保するために、上下集熱ピン8,9を曲げ加工する必要がなくなり、上下集熱ピン8,9の構造及び製造が簡単となっている。また、筐体モジュール7は、ユニット筐体11,12,13,14によって下流側に行くほど小さくなっているため、熱電発電装置1の下流側に位置するマフラー6へ伝わる振動が低減され、マフラー6の脱落が防止されるとともに、軽量化によって筐体モジュール7の取付作業が容易に行えるようになっている。さらに、排気ガス4の一部は、空間Sを通って熱量を維持したまま下流側へ流されるため、下流側の熱伝達量が大きくなり、上流側と下流側の熱伝達量を均一にして発電効率が向上するように構成されている。
Moreover, the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 provided in the
As a result, the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 are arranged so as to be overlapped in stages, and the structure of the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 arranged so as to face the
また、本実施形態の熱電発電装置1においては、図4及び図5に示すように、ユニット筐体11,12,13,14の一方の面である上面に配置されるすべての上集熱ピン8と、ユニット筐体11,12,13,14の他方の面である下面に配置されるすべての下集熱ピン9とが、ユニット筐体11,12,13,14の幅方向Wにオフセットされて配置されている。上下集熱ピン8,9がオフセットされる方向は、排気ガス4が流れる筐体モジュール7の流路7aの上流から下流に向かって並んで配置される筐体ユニット11,12,13,14ごとに逆となるように配置されている。すなわち、本発明の熱電発電装置1では、上下集熱ピン8,9の先端部8a,8b,9a,9bが交互に配置されように、合わせて1ピン程度をユニット筐体11,12,13,14の幅方向Wにずらすことで上下集熱ピン8,9がユニット筐体の幅方向Wにもオフセットされ、さらにユニット筐体11,12,13,14ごとに上下集熱ピン8,9のオフセットされる方向が逆になるように配置されている。例えば、図4に示す上流側位置のユニット筐体11では上側に配置される上集熱ピン8は右方向Xに、下側に配置される下集熱ピン9は左方向Yにオフセットされ、図5に示す隣接する下流側位置のユニット筐体12では上側に配置される上集熱ピン8は左方向Yに、下側に配置される下集熱ピン9は右方向Xにオフセットされている。そして、ユニット筐体13では、上下集熱ピン8,9がユニット筐体11と同方向へオフセットされ、ユニット筐体14では、上下集熱ピン8,9がユニット筐体12と同方向へオフセットされている。
そのため、上流側のユニット筐体(例えば、ユニット筐体11)に配置される複数の上下集熱ピン8,9の間を通った排気ガス4は、必ず隣接する下流側のユニット筐体(例えば、ユニット筐体12)に配置される複数の上下集熱ピン8,9に接触することになる。これにより、流路7a中の排気ガス4の流れが乱されて乱流になりやすくなり、排気ガス4が上下集熱ピン8,9に接触する頻度が高められ、熱電素子モジュール10への熱伝達量が増え、発電量の増大が図れるようになっている。
Moreover, in the
Therefore, the
また、本実施形態の上下集熱ピン8,9は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の熱伝導性が良好な金属材料のほか、AIN、SiC等の高熱伝導性のセラミック材料で形成されている。また、上下集熱ピン8,9の表面は、ポーラスアルマイト加工又はショットブラスト加工といった表面処理が施されており、これら表面処理によって上下集熱ピン8,9の表面積が増やされ、排気ガス4が上下集熱ピン8,9に接触する頻度が増えることとなり、熱電素子モジュール10への熱伝達量が増え、発電量が増大されるように構成されている。あるいは、上下集熱ピン8,9の表面が、触媒でコーティングされていても良い。この触媒としては、既知の触媒を使用することが可能であり、好ましい触媒としては、白金−酸化アルミニウム触媒等が挙げられる。このような表面処理によって、触媒の化学反応に基づく発熱効果が利用可能となり、反応熱が直に上下集熱ピン8,9に伝えられることになり、上記表面処理と同様、熱電素子モジュール10への熱伝達量が増えて熱電素子モジュール10の温度が上昇し、発電量が増大されるようになっている。
さらに、上下集熱ピン8,9は、排気ガス4が流れる筐体モジュール7の流路7aの上流側と下流側において、各ユニット筐体11,12,13,14の単位面積当たりで同等の本数が配置されているとともに、長さ及び太さがすべて同じに形成されている。これによって、筐体モジュール7の流路7aの上流側に位置する熱電素子モジュール10の発電量及び発電効率が高められるとともに、上下集熱ピン8,9の種類が1種類で済み、構造及び製造が簡単となるように構成されている。
In addition, the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 of the present embodiment are made of a highly heat conductive ceramic material such as AIN or SiC, in addition to a metal material having a good heat conductivity such as aluminum, copper or stainless steel. . Further, the surface of the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 is subjected to surface treatment such as porous anodizing or shot blasting, and the surface treatment increases the surface area of the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 so that the
Further, the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 are equivalent per unit area of each
また、本実施形態の筐体モジュール7は、図3及び図6に示すように、隣接するユニット筐体11,12,13,14のそれぞれが接続されて構成されており、ユニット筐体11,12,13,14のそれぞれの接続部15,16,17には、段差が設けられている。このような段差を接続部15,16,17に設けることにより、排気ガス4がユニット筐体11,12,13,14の各接続部15,16,17を流れる際に、排気ガス4は、図6の矢印で示すように、各接続部15,16,17の段差に衝突して跳ね返り、流路7aの上流側から流れてくる排気ガス4とぶつかって流れが乱れて乱流となるように構成されている。そのため、排気ガス4と上下集熱ピン8,9とが接触する頻度が多くなり、熱電素子モジュール10への熱伝達量が増えて熱電素子モジュール10の発電量が増大するようになっている。
なお、各接続部15,16,17は、隣接するユニット筐体11,12,13,14の端部にステンレス鋼板を上下方向に配置し、これらユニット筐体11,12,13,14の端部とステンレス鋼板の上下端部との重ね合わせ部分を溶接によって接合することにより構成されており、気密性及び耐熱性が確保されている。
Further, as shown in FIGS. 3 and 6, the
In addition, each
一方、本実施形態の熱電発電装置1で使用される熱電素子モジュール10の種類は、特に限定されるものではないが、p型とn型の2種類の半導体で構成されるものが使用可能である。このような熱電素子モジュール10は、熱電素子の加熱面と冷却面との温度差によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで、発電できるように構成されている。このため、筐体モジュール7の内側面には、熱電素子モジュール10の加熱面へ排気ガス4の熱を伝達するために上下集熱ピン8,9が配置され、これら上下集熱ピン8,9と熱電素子モジュール10との間には、熱伝導性を向上させるために高熱伝導性グリースが塗布されて介在している。
On the other hand, the type of the
また、本実施形態の熱電素子モジュール10の冷却面は、大気と接触することによる空気放冷でも良いが、走行風が当たらないような場所に配置されていると、放熱が滞り易いために熱電素子モジュール10の冷却性が低下して温度差を確保できないことによる発電効率の低下が発生する可能がある。そのような場合を考慮して、本実施形態の熱電発電装置1では、水冷式の冷却モジュール18が使用されている。この冷却モジュール18は、ステンレス鋼や銅を用いて製作されており、モジュール内部には、冷却水を循環させるための水冷パイプ18aが埋め込まれている(もしくは、冷却水通路が繰り抜かれた構造のものでも良い)。さらに、冷却モジュール18は、上下集熱ピン8,9との間に熱電素子モジュール10を挟むように配置した状態で、各ユニット筐体11,12,13,14の外周部にネジによって固定されている。なお、流通させる冷却媒体を導入する手段としては、水冷エンジンの冷却水経路から配管を分岐したものを用いたり、あるいは冷却モジュール18専用の冷却水と循環経路を新たに設置したものを用いたりしても良い。
In addition, the cooling surface of the
本実施形態の熱電素子モジュール10で発電した電気エネルギーは、図7に示す電気回路におけるDC−DCコンバータ19で電圧を昇圧した後に、バッテリー20へ蓄えられるようになっている。このため、熱電素子モジュール10、DC−DCコンバータ19及びバッテリー20は、ケーブルなどを介して電気的に接続されている。バッテリー20に蓄えられた電気は、自動車や二輪車などで通常に使用することが可能である。
さらに、バッテリー20にDC12V−AC100Vコンバータ21を電気的に接続することによって、家庭用電気製品などの駆動用電源としても利用可能である。すなわち、排気ガス4の熱エネルギーを用いて、地震や火災などの緊急災害時の非常用発電ユニットとして、自動車や二輪車などの有効利用が図れるようになっている。
The electric energy generated by the
Further, by electrically connecting a DC12V-
このように本発明の第1実施形態に係る熱電発電装置1では、自動車などのエンジン2から排気管3を介して排出される排気ガス4が内部の流路7aを流れる筐体モジュール7と、筐体モジュール7の内側上下面に対向して多数配置される上下集熱ピン8,9と、筐体モジュール7の外側面に接するように配置され、上下集熱ピン8,9から伝わる熱によって発電する熱電素子モジュール10とを備えており、筐体モジュール7の一方の上面に配置される上集熱ピン8の先端部8aと、筐体モジュール7の他方の下面に配置される下集熱ピン9の先端部9aとはオーバーラップして配置されているとともに、排気ガス4が流れる流路7aの上流側から下流側へ向かって、上下集熱ピン8,9の先端部8a,9aの上下方向におけるオーバーラップ量Lが大きくなるように配置され、かつ筐体モジュール7が断面積の異なる4つのユニット筐体11,12,13,14から構成され、これらユニット筐体11,12,13,14の断面積が流路7aの上流側から下流側へ向かって段階的に小さくなるように配置されているので、流路7aの下流側において上下集熱ピン8,9の密集している場所に排気ガス4を確実に導くことができ、排気ガス4の流れが乱されて乱流となって上下集熱ピン8,9に接触する頻度を高めることが可能となり、下流側の熱伝達量を大きくすることができる。
したがって、本発明の熱電発電装置1によれば、流路7aの上流側と、筐体モジュール7の内部を通過する間に排気ガス4の温度が下がる流路7aの下流側において、熱電素子モジュール10への熱伝達量の均一化を図ることができ、熱電素子モジュール10の発電効率を向上させることができる。
As described above, in the
Therefore, according to the
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る熱電発電装置について、以下に詳細に説明する。
図8〜図10は、本発明の第2実施形態に係る熱電発電装置31を示すものであり、第2実施形態の熱電発電装置31は、基本的には第1実施形態の熱電発電装置1と同様に構成されている。第1実施形態と同様の構成要素は、第1実施形態と同様の符号及び用語を用いて説明する。ここでは、第1実施形態と異なる構成について説明する。
[Second Embodiment]
The thermoelectric generator according to the second embodiment of the present invention will be described in detail below.
8 to 10 show a
図8〜図10に示すように、本実施形態の筐体モジュール37は、一体成形された断面四角形状を有する1つの筒状体で構成され、車両前後方向に沿って配置されており、当該筐体モジュール37の断面積は、排気ガス4が流れる流路37aの上流側から下流側へ向かって徐々に小さくなるように形成されている。このような形状の断面積を有する筐体モジュール37では、上下集熱ピン8,9と熱電素子モジュール10が1対となって筐体モジュール7の内外面の上下流位置に間隔を空けて設けられている。また、熱電素子モジュール10の冷却面は、大気と接触するように露出して配置されており、空気放冷するように構成されている。なお、筐体モジュール37の上下壁には、複数の開口部37bが一定の間隔を空けて設けられている。
すなわち、本実施形態の熱電発電装置31では、先細り形状の断面積を有する一体成形された筒状体の筐体モジュール37の内外面に1対の上下集熱ピン8,9と熱電素子モジュール10が設けられているので、流路37aの下流側において上下集熱ピン8,9の密集している場所に排気ガス4を効率良く導くことができ、下流側の熱電素子モジュール10への熱伝達量を大きくすることができる。したがって、本実施形態の熱電発電装置31によれば、筐体モジュール37の流路37aの上流側と、排気ガス4の温度が下がる筐体モジュール37の流路37aの下流側の熱伝達量を均一にすることが可能となり、熱電素子モジュール10の発電効率を向上させることができる。また、上下集熱ピン8,9が多く配置された下流側の流路37aにおいて、排気ガス4の流れが乱されて乱流となり、排気ガス4中の気体分子一つ当たりの上下集熱ピン8,9に接触する頻度が高められるので、熱電素子モジュール10への熱伝達量を増やし、熱電素子モジュール10の発電量を大きくすることができる。
As shown in FIG. 8 to FIG. 10, the
In other words, in the
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、既述の第1実施形態の筐体モジュール7は、4つのユニット筐体11,12,13,14から構成されているが、2つ以上であればユニット筐体の数は任意に選択することができる。ただし、多数のユニット筐体を用いて筐体モジュール7が長くなり過ぎると、排気ガス4の温度が低下するおそれがある。
また、上下集熱ピン8,9の形状は、円柱以外にも角柱、星形柱などに変更して表面積を増やし、排気ガス4との接触面積を大きくしても良い。
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
For example, the
Further, the shape of the upper and lower heat collecting pins 8 and 9 may be changed to a prism or a star in addition to the cylinder to increase the surface area and increase the contact area with the
1,31 熱電発電装置
2 エンジン
3 排気管
4 排気ガス
5 触媒
6 マフラー
7,37 筐体モジュール
7a,37a 流路
8 上集熱ピン
8a,8b 先端部
9 下集熱ピン
9a,9b 先端部
10 熱電素子モジュール
11〜14 ユニット筐体
15〜17 接続部
18 冷却モジュール
L オーバーラップ量
S 空間
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記筐体モジュールの一方の面に配置される前記集熱ピンの先端部と、前記筐体モジュールの他方の面に配置される前記集熱ピンの先端部とはオーバーラップして配置され、かつ前記排気ガスが流れる前記流路の上流側から下流側へ向かって、前記集熱ピンの先端部のオーバーラップ量が大きくなるように配置されていることを特徴とする熱電発電装置。 A casing module in which exhaust gas discharged from the engine flows through an internal flow path, a plurality of heat collecting pins arranged at intervals on the inner surface of the casing module, and a thermoelectric power generated by heat transmitted from the heat collecting pins In the thermoelectric generator provided with the element module, the heat collecting pin and the thermoelectric element module are provided as a pair on the surface of the housing module,
A tip portion of the heat collecting pin disposed on one surface of the housing module and a tip portion of the heat collecting pin disposed on the other surface of the housing module are disposed so as to overlap; and The thermoelectric power generator is arranged such that the amount of overlap of the tip of the heat collecting pin increases from the upstream side to the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows.
The heat collecting pins have the same number and the same length and thickness per unit area on the upstream side and the downstream side of the flow path through which the exhaust gas flows. The thermoelectric power generator according to any one of claims 1 to 7,
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