JP2015220275A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収量の増大を図ることができる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】排気管１に隣接して熱電発電装置２を配置する。熱電発電装置２のケーシング３１内を仕切板３２によって上側通路３３と下側通路３４とに仕切る。上側通路３３の流入部３Ｂを排気通路１Ａに連通させ、下側通路３４の流出部３Ｃを、排気ガスを排気通路１Ａに戻すための戻し管４に連通させる。複数の熱電モジュール５１〜５６を、その長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように各空間３３，３４に配設すると共に、これら熱電モジュール５１〜５６を、流入部３Ｂから流出部３Ｃに向かって流れる排気ガスの流れ方向に直列に配置する。これにより、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガスの質量流量が多くなり、境膜熱抵抗が小さくなって、排熱回収量の増大を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は熱電発電装置に係る。特に、本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの熱エネルギを利用して発電を行う熱電発電装置の改良に関する。

従来、自動車等に搭載される内燃機関（以下、エンジンという場合もある）から排出される排気ガスの熱エネルギを回収して発電を行う熱電発電装置が知られている（例えば非特許文献１）。

この熱電発電装置は複数の熱電モジュール（例えばカートリッジタイプの熱電モジュール）を備えている。各熱電モジュールは例えば円柱形状に形成されている。各熱電モジュールは、冷却水が流通するインナパイプと、このインナパイプが挿通されるアウタパイプと、前記インナパイプと前記アウタパイプとの間に配置された多数の熱電変換素子とを備えている。そして、排気ガスによってアウタパイプ（受熱部）を加熱すると共に冷却水によってインナパイプ（放熱部）を冷却する。これにより、熱電変換素子の一方側（受熱部側）と他方側（放熱部側）との間に温度差を生じさせ、熱電変換素子におけるゼーベック効果によって発電を行う。

前記熱電モジュールの配置形態として、非特許文献１には、排気通路の延長方向に沿って延びる熱電モジュールを、排気通路の外周側において周方向に亘って複数配設し、排気通路を流れてきた排気ガスを複数の流れに分流して、これら分流した排気ガスそれぞれを各熱電モジュールの外周面に沿って個別に流す構成が開示されている。

特開２００４−３６０６８１号公報 米国特許出願公開第２０１３／０１８６４４８号明細書

自動車技術誌（ＡＴＺ）２０１３年９月号の寄稿論文、第７１４頁〜第７１９頁

前記非特許文献１に開示されている熱電発電装置は、排気ガスを複数の流れに分流して、これら分流した排気ガスそれぞれを各熱電モジュールの外周面に沿って個別に流すようにしているため、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができない。このため、排熱回収量も十分に得ることができない。これは、排気ガスを分流した場合に、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガスの質量流量（熱電モジュールの外周囲を流れる排気ガスの単位時間当たりの質量）が十分に得られないことに起因する。つまり、熱電モジュールの外周囲に沿って流れる排気ガスの流速が高く排気ガスの質量流量が多いほど、熱電モジュールの外周囲における境膜熱抵抗が小さくなり、排熱回収量は多く得られることになるが、前述の如く排気ガスを分流してそれぞれを各熱電モジュールの外周面に沿って個別に流すようにした場合には、熱電モジュールの外周囲に沿って流れる排気ガスの質量流量が少なく、前記境膜熱抵抗が大きくなり、排熱回収量を十分に得ることができないものとなる。

本発明は、排熱回収量の増大を図ることができる熱電発電装置を提供する。

−発明の解決原理−
本発明の解決原理は、排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向に延びる熱電モジュールを備えさせることによって熱電モジュールの長さ寸法が長く確保できるようにすると共に、排気通路を流れてきた排気ガスを、複数の熱電モジュールに亘って順に流していくことにより、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得て、排熱回収量が十分に得られるようにしていることにある。更に、熱電モジュール収容空間（熱電モジュールに熱を与えるための排気ガスが流れる空間）を形成している壁体の両面に沿って排気ガスを流すことで、前記熱電モジュール収容空間を流れる排気ガスの外気への放熱量を低減し、これによっても排熱回収量が十分に得られるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気系を流れる排気ガスの熱エネルギを利用して発電を行う複数の熱電モジュールを備えた熱電発電装置を前提とする。この熱電発電装置に対し、前記排気系の排気通路から排気ガスが流入する流入部と排気ガスを流出する流出部とを有し、前記流入部から流入した排気ガスを前記流出部に向けて流す分岐通路を設ける。また、前記各熱電モジュールを、その長手方向が前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように前記分岐通路に配設すると共に、これら熱電モジュールを、前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向に直列に配置する。そして、前記分岐通路を形成している各壁体のうちの少なくとも一つの壁体を、当該壁体を挟んだ両側に排気ガスが流れる構成としている。

この特定事項により、排気系の排気通路から流入部を経て分岐通路に流入した排気ガスは、この分岐通路を、流入部から流出部に向かって流れる。この場合に、各熱電モジュールは、この排気ガスの流れ方向に直列に配置されているので、分岐通路を流れる排気ガスの略全量が、各熱電モジュールの外周囲を順に流れていく。つまり、排気ガスの略全量が各熱電モジュールに対して順に熱を与えていく。このため、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ（排気ガスが各熱電モジュールに個別に分流される従来技術に比べて、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ）、排熱回収量を十分に得ることができる。つまり、従来技術（例えば前記非特許文献１）に比べて、各熱電モジュールそれぞれの外周囲に沿って流れる排気ガスの流速が高くなり、排気ガスの質量流量が多くなる。このため、各熱電モジュールそれぞれの外周囲における境膜熱抵抗が小さくなり、排熱回収量の増大を図ることができる。

また、各熱電モジュールは、その長手方向が排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように分岐通路に配設されている。このため、各熱電モジュールの長さ寸法が大きく制約を受けることはなく、各熱電モジュールの長さ寸法を比較的長く設定することができる（熱電モジュールの長手方向が排気通路における排気ガスの流れ方向に対して直交する方向に設定される場合に比べて、各熱電モジュールの長さ寸法を比較的長く設定することができる）。このため、熱電モジュール１本当たりの排熱回収量の増大を図ることができ、熱電発電装置全体としての排熱回収量の増大を図ることができる。

更に、分岐通路を形成している各壁体のうちの少なくとも一部の壁体の両側に排気ガスが流れているため、この壁体から外気への放熱量は殆ど無く、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下も小さくなる。このため、熱電モジュールに与えられる熱量が増大し、これによっても、排熱回収量の増大を図ることができる。

前記各熱電モジュールの配置形態としては、以下のものが挙げられる。

例えば、前記分岐通路における前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向が、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に対して交差する方向となっている場合に、前記分岐通路に配設されている前記各熱電モジュールを、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に対して交差する方向に直列に配置するものである。

また、例えば、前記分岐通路における前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向が、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向となっている場合に、前記分岐通路に配設されている前記各熱電モジュールを、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向に直列に配置するものであってもよい。

これら構成によれば、分岐通路での排気ガスの流れ方向に適した各熱電モジュールの配置形態を得ることができる。

また、前記各熱電モジュールの外面に複数の受熱フィンを設け、これら受熱フィンを、前記分岐通路における排気ガスの流れ方向に沿うように設けておくことが好ましい。

これによれば熱電モジュールに向かって流れてきた排気ガスはその流れ方向を殆ど変化させることなしに受熱フィンに沿って流れることになるため、受熱フィンが排気ガスの流れの抵抗となることを抑制できる。このため、受熱フィン同士の間を流れる排気ガスの流速が高く維持される。その結果、各熱電モジュールそれぞれの外周囲における境膜熱抵抗を低く抑えることができ、排熱回収量の増大を図ることができる。

前記分岐通路の構成として、前記排気通路から流入部を経て流入した排気ガスを一方向に流す上流側通路と、この上流側通路を流れた排気ガスを、前記上流側通路での流れとは逆方向に前記流出部へ向けて流す下流側通路とを備えさせる。そして、これら上流側通路と下流側通路とを、前記壁体を挟んで、これら通路における排気ガスの流れ方向に対して直交する方向で隣り合わせることが好ましい。

この場合に、前記壁体を、前記分岐通路を形成するケーシングの内部を、前記上流側通路と前記下流側通路とに仕切る仕切板とし、これら上流側通路と下流側通路とを、前記仕切板とケーシング内面との間に形成された連通路または仕切板に形成された連通孔によって連通させる。そして、前記流入部を経て前記上流側通路に流入した排気ガスを、前記連通路または前記連通孔を経て前記下流側通路に流れ込ませる構成とすることが好ましい。

これら構成によれば、上流側通路と下流側通路とは、排気ガスの流れ方向に対して直交する方向で壁体を挟んで隣り合っている（前記仕切板を備えさせたものにあっては、通路同士が仕切板を挟んで隣り合っている）ことになる。これにより、比較的簡素な構成で、分岐通路を形成する壁体に、外気に晒されない領域を存在させることが可能になり、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下を抑制することができる。

また、例えば、前記流入部と前記流出部とを、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向で互いにオフセットした位置に設けるようにしてもよい。

また、前記流入部が設けられている壁体が、前記排気通路に面した構成とすることが好ましい。

この構成によれば、分岐通路を形成する壁体において外気に晒されない領域を比較的大きく確保することが可能となり、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下を抑制することができ、排熱回収量の増大を図ることができる。

また、前記分岐通路を、前記排気通路の一部の外周囲を覆うように配設し、この分岐通路を形成している各壁体のうち前記排気通路側の壁体が前記排気通路に面した構成とすることが好ましい。

この場合に、前記分岐通路を、前記排気通路の一部の外周囲をその周方向全体に亘って覆う空間として配設し、この分岐通路を形成している各壁体のうち前記排気通路側の壁体の全体が前記排気通路に面した構成とすることが好ましい。

これら構成によっても、分岐通路を形成する壁体において外気に晒されない領域を比較的大きく確保することが可能となり、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下を抑制することができ、排熱回収量の増大を図ることができる。

また、例えば、前記流入部を、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に沿って延びる開口としてもよい。

また、例えば、前記流入部を、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に亘って複数箇所に形成された開口により構成してもよい。

また、例えば、前記分岐通路において排気ガスの流れ方向の最上流位置に配設された熱電モジュールと前記流入部との間に、この流入部から前記熱電モジュールに向けて流れる排気ガスの流れを整流する整流部材を設けるようにしてもよい。

また、例えば、前記排気通路に、前記流入部の開口範囲のうち、前記排気通路での排気ガス流れ方向の上流側領域を覆うと共に下流側領域を開放する規制部材を設けるようにしてもよい。

これらの構成によれば、分岐通路の比較的広い範囲に排気ガスを流すことが可能になり、熱電モジュール１本当たりの排熱回収量の増大を図ることができ、熱電発電装置全体としての排熱回収量の増大を図ることができる。

また、前記排気通路において、前記流入部の配設位置よりも下流側に、前記排気通路を開閉する開閉弁を設けておくことが好ましい。

この場合、前記分岐通路の前記流出部と前記排気通路との間を、前記流出部から流出した排気ガスを前記排気通路に戻すための戻し管によって接続する。そして、前記排気通路を開放する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を遮断し、前記排気通路を閉鎖する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を連通させるように前記開閉弁を開閉制御する制御手段を備えさせることが好ましい。

これらの構成によれば、分岐通路への排気ガスの流入量を開閉弁の開度によって調整することが可能になる。このため、熱電モジュールの発電に適した量の排気ガスを分岐通路に流すことができる。

本発明では、複数の熱電モジュールを、流入部から流出部に向かう排気ガス流れ方向に直列に配置したことにより、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量の増大を図ることができる。

第１実施形態における排気管および熱電発電装置の概略構成図であって、各熱電モジュールおよび開閉弁を実線で示しその他の部材を仮想線で示した図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置の上側通路の内部およびその周辺部の構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る熱電発電装置の下側通路の内部およびその周辺部の構成を示す断面図である。 図２におけるIV−IV線に対応した位置における断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ線に対応した位置から見た図である。 図２におけるVI−VI線に対応した位置における断面図である。 熱電モジュールの軸線に沿った方向での断面図である。 熱電モジュールの軸線に直交する方向での断面図である。 熱電発電装置に排気ガスを導入しない状態を示す図であって、図９（ａ）は図２に相当する図、図９（ｂ）は図４に相当する図である。 熱電発電装置に排気ガスの全量を導入する状態を示す図であって、図１０（ａ）は図２に相当する図、図１０（ｂ）は図３に相当する図、図１０（ｃ）は図４に相当する図、図１０（ｄ）は図６に相当する図である。 熱電発電装置に排気ガスの一部を導入する状態を示す図であって、図１１（ａ）は図２に相当する図、図１１（ｂ）は図３に相当する図、図１１（ｃ）は図４に相当する図である。 受熱フィンの近傍を流れる排気ガスの流速と、この受熱フィンの周囲の境膜との関係を説明するための図である。 熱電モジュールの周囲を流れる排気ガスの質量流量と受熱フィン周囲の境膜熱抵抗との関係を示す図である。 熱電モジュールの周囲を流れる排気ガスの質量流量と熱電モジュールの発電量との関係を示す図である。 フロアパネル下部に排気管および熱電発電装置を配設した状態を示す概略図である。 開閉弁の開度制御の手順を示すフローチャート図である。 熱電変換素子の受熱基板の温度と放熱基板の温度との平均温度と、発電量との関係の一例を示す図である。 実験例において、従来技術における熱電モジュールの配置と各熱電モジュールの周囲を流れる排気ガス流れとを示す模式図である。 実験例において、実施形態における熱電モジュールの配置と各熱電モジュールの周囲を流れる排気ガス流れとを示す模式図である。 実験例において、従来技術および実施形態それぞれにおける熱電モジュールへの伝達熱量および熱電モジュールの発電量の測定結果を示す図である。 第２実施形態に係る熱電発電装置を示す図であって、図２１（ａ）は図２に相当する図であり、図２１（ｂ）は図６に相当する図である。 第３実施形態に係る熱電発電装置における図２に相当する図である。 第４実施形態に係る熱電発電装置における図２に相当する図である。 第５実施形態における排気管および熱電発電装置の概略構成図であって、各熱電モジュールを省略し、開閉弁を実線で示し、その他の部材を仮想線で示した図である。 図２４におけるXXV−XXV線に対応した位置における断面図である。 図２４におけるXXVI−XXVI線に対応した位置における断面図である。 第６実施形態における排気管および熱電発電装置の概略構成図であって、開閉弁を実線で示し、その他の部材を仮想線で示した図である。 熱電発電装置の流入部および流出部の第１の変形例を示し、図２８（ａ）は図２に相当する図であり、図２８（ｂ）は図３に相当する図である。 熱電発電装置の流入部および流出部の第２の変形例を示し、図２９（ａ）は図２に相当する図であり、図２９（ｂ）は図３に相当する図である。 熱電発電装置の流入部および流出部の第３の変形例を示し、図３０（ａ）は図２に相当する図であり、図３０（ｂ）は図３に相当する図である。 熱電発電装置の流入部および流出部の第４の変形例を示し、図３１（ａ）は図２に相当する図であり、図３１（ｂ）は図３に相当する図である。 熱電発電装置の流入部および流出部の第５の変形例を示し、図３２（ａ）は図２に相当する図であり、図３２（ｂ）は図３に相当する図である。 熱電発電装置のケーシングの第１の変形例における図６に相当する図である。 熱電発電装置のケーシングの第２の変形例を示し、図３４（ａ）は図２に相当する図であり、図３４（ｂ）は図３に相当する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジン（内燃機関）の排気系に備えられた熱電発電装置に本発明を適用した場合について説明する。また、本実施形態では円柱形状のカートリッジタイプの熱電モジュールを備えた熱電発電装置に本発明を適用した場合について説明する。

（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。

図１は、排気管１および熱電発電装置２の概略構成図であって、後述する各熱電モジュール（カートリッジ型熱電モジュール）５１〜５６および開閉弁６を実線で示しその他の部材を仮想線で示している。

図１におけるＸ方向は車幅方向であり、Ｙ方向は高さ方向（鉛直方向）であり、Ｚ方向は車体前後方向である。また、以下では、前記Ｘ方向（車幅方向）において車体左側（図１における右側）をＸ１方向と呼び、車体右側（図１における左側）をＸ２方向と呼ぶ。また、前記Ｙ方向（高さ方向）において上側をＹ１方向と呼び、下側をＹ２方向と呼ぶ。更に、前記Ｚ方向（車体前後方向）において車体後方側（図中の奥側）をＺ１方向と呼び、車体前方側（図中の手前側）をＺ２方向と呼ぶ。

図２は熱電発電装置２において後述する上側通路３３の内部およびその周辺部の構成を示す断面図（上側通路３３の内部およびその周辺部を上方から見た図）である。図３は熱電発電装置２において後述する下側通路３４の内部およびその周辺部の構成を示す断面図（下側通路３４の内部およびその周辺部を上方から見た図）である。図４は図２におけるIV−IV線に対応した位置における断面図である。図５は図２におけるＶ−Ｖ線に対応した位置から見た図である。図６は図２におけるVI−VI線に対応した位置における断面図である。

図１〜図６に示すように、熱電発電装置２は、排気管１に一体的に取り付けられている。また、この熱電発電装置２は、装置本体３と、この装置本体３から流出した排気ガスを排気管１へ戻すための戻し管４とを備えている。

前記戻し管４は、排気管１の下面１１（Ｙ２方向側に位置する面）に一体的に取り付けられている。装置本体３は、排気管１の側面１２（Ｘ２方向側に位置する側面）および戻し管４の側面４１（Ｘ２方向側に位置する側面）に一体的に取り付けられている。つまり、装置本体３は、排気管１の側面１２から戻し管４の側面４１に亘って配設され、この装置本体３の上側半分が排気管１の側面１２に、装置本体３の下側半分が戻し管４の側面４１にそれぞれ一体的に取り付けられている。

以下、各部材について具体的に説明する。

−排気管−
図１、図２、図４および図６に示すように、排気系の排気通路１Ａを形成する排気管１は、車体前後方向（Ｚ方向）に延びて配設され、車体前方側の端部（Ｚ２方向側の端部）がエンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続されている。これにより、排気管１は、エンジンから排出された排気ガスを車体後方（Ｚ１方向側）に流して大気中に放出する。なお、この排気管１には図示しない触媒コンバータやマフラが備えられている。

本実施形態における排気管１は、断面（排気管１の長手方向（Ｚ方向）に対して直交する方向の断面）が矩形状となっている。なお、この排気管１は断面が円形状や楕円形状であってもよい。

この排気管１の側面１２（Ｘ２方向側に位置する側面）には、前記熱電発電装置２の装置本体３に排気ガスを流入させるための開口１３が形成されている。この開口１３における車体前後方向長さは、前記装置本体３の車体前後方向長さよりも僅かに短く設定されている。

また、排気管１の下面１１（Ｙ２方向側に位置する面）において、前記戻し管４における車体後方側の端部（Ｚ１方向側の端部）に対向した位置には開口１４が形成されている。この開口１４は、戻し管４から戻される排気ガスを排気通路１Ａに流入させるためのものである。

−装置本体−
前記熱電発電装置２の装置本体３は、ケーシング３１の内部空間である分岐通路３Ａ（排気管１の内部空間である排気通路１Ａから分岐された通路）に複数本の熱電モジュール５１〜５６が配設された構成となっている。

前記ケーシング３１は直方体形状である。また、図１、図２および図６に示すように、このケーシング３１の高さ方向（Ｙ方向）の略中央部分には、このケーシング３１の内部空間を上下に仕切る仕切板３２が設けられている。この仕切板３２は、Ｘ２方向側に位置している端縁がケーシング３１の内面（Ｘ２方向側に位置している内面）に対して所定間隔を存した位置となっている。また、仕切板３２のその他の端縁はケーシング３１の内面に接続されている。このため、この仕切板３２で仕切られたケーシング３１内部の上側の通路３３と下側の通路３４とは、仕切板３２のＸ２方向側に位置している端縁とケーシング３１の内面との間に形成された連通路Ｓのみによって連通している。以下、この上側の通路３３を「上側通路３３（本発明でいう上流側通路）」と呼び、下側の通路３４を「下側通路３４（本発明でいう下流側通路）」と呼ぶこととする。これにより、ケーシング３１内には、排気ガスが流通する上側通路３３から下側通路３４に亘る前記分岐通路３Ａが形成されている。

また、前記仕切板３２は、上側通路３３の底板を構成していると共に下側通路３４の天板を構成していることになる。このため、この仕切板３２が本発明でいう「分岐通路を形成する壁体であって、両側に排気ガスが流れる壁体」となる。

図６に示すように、ケーシング３１におけるＸ１方向側は開放されている。これにより、ケーシング３１の上側通路３３は、排気管１に形成されている前記開口１３に臨んでおり、この上側通路３３は、この開口１３を介して排気管１の内部空間（排気通路１Ａ）に連通している。つまり、この上側通路３３には、排気管１からの排気ガスの流入が可能となっている。これにより、このケーシング３１におけるＸ１方向側の開放部分と前記開口１３とによって分岐通路３Ａの流入部３Ｂが構成されており、この流入部３Ｂによって、排気通路１Ａから分岐通路３Ａへの排気ガスの流入が可能となっている。なお、この流入部３Ｂは、排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向に沿って比較的長く延びる開口で形成されている。

前述した如く、ケーシング３１の内部空間である分岐通路３Ａには複数本の熱電モジュール５１〜５６が配設されている。本実施形態に係る熱電発電装置２は、ケーシング３１の上側通路３３および下側通路３４にそれぞれ３本ずつ合計６本の熱電モジュール５１〜５６が配設されている。

上側通路３３に配設されている３本の熱電モジュール５１，５２，５３は、それぞれの軸心がＺ方向に沿うように配置され、且つＸ方向に沿って順に並べられている。ここでは、Ｘ１方向側に配設されている熱電モジュール５１から、Ｘ２方向側に配設されている熱電モジュール５２，５３に亘って、順に、第１熱電モジュール５１、第２熱電モジュール５２、第３熱電モジュール５３と呼ぶこととする。

同様に、下側通路３４に配設されている３本の熱電モジュール５４，５５，５６も、それぞれの軸心がＺ方向に沿うように配置され、且つＸ方向に沿って順に並べられている。ここでは、Ｘ２方向側に配設されている熱電モジュール５４から、Ｘ１方向側に配設されている熱電モジュール５５，５６に亘って、順に、第４熱電モジュール５４、第５熱電モジュール５５、第６熱電モジュール５６と呼ぶこととする。

これら熱電モジュール５１〜５６は、その長手方向の前端部（Ｚ２方向側の端部）が、ケーシング３１のＺ２方向側に位置する前板３５を貫通し、この前板３５に支持されている。同様に、これら熱電モジュール５１〜５６の長手方向の後端部（Ｚ１方向側の端部）は、ケーシング３１のＺ１方向側に位置する後板３６を貫通し、この後板３６に支持されている。

このように、各熱電モジュール５１〜５６は、その長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向（排気管１の長手方向）と同じ方向となるように分岐通路３Ａ（ケーシング３１の内部空間）に配設されていると共に、これら熱電モジュール５１〜５６は、前記流入部３Ｂから後述する流出部３Ｃに向かう排気ガス流れ方向（Ｘ方向；排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向に対して交差する方向）に直列に配置されている。

ここで、熱電モジュール５１〜５６の構成について説明する。各熱電モジュール５１〜５６の構成は共に同一であるため、ここでは第１熱電モジュール５１を代表して説明する。

図７は熱電モジュール５１の軸線に沿った方向での断面図である。図８は熱電モジュール５１の軸線に直交する方向での断面図である。

熱電モジュール５１は、排気ガスの熱エネルギを利用して発電を行うものであって、アウタパイプ５１ａ、インナパイプ５１ｂ、モジュール本体５１ｃ、受熱フィン５１ｄを備えている。

モジュール本体５１ｃは、円筒形状に形成されており、その内部に前記インナパイプ５１ｂが挿入されている。また、モジュール本体５１ｃは、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板との間に、温度差に応じた起電力をゼーベック効果により発生するＮ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子（何れも図示省略）が複数個設置された構成となっている。具体的に、前記受熱基板はモジュール本体５１ｃの外周部分に設けられ、前記放熱基板はモジュール本体５１ｃの内周部分に設けられている。本実施形態のモジュール本体５１ｃは、これら受熱基板、放熱基板および熱電変換素子から成る熱電変換ユニットの複数個を電気的に直列接続したπ型モジュールとして構成されている。また、図示されていないが、複数のモジュール本体５１ｃ，５１ｃ，…は電気的に接続されている。なお、前記Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子としては、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、或いは、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。これら基板および熱電変換素子の構成は周知であるため、ここでの説明は省略する。

前記インナパイプ５１ｂは、前述した如くモジュール本体５１ｃの内部に挿入されており、このインナパイプ５１ｂの内部を流れる冷媒によってモジュール本体５１ｃの内側、つまり放熱基板を冷却するようになっている。この冷媒としては例えばエンジン冷却水が使用される。つまり、エンジンの冷却水循環回路から前記インナパイプ５１ｂが分岐されており、この冷却水循環回路を流れる冷却水の一部が必要に応じてインナパイプ５１ｂに流入されることによって、前記放熱基板の冷却に寄与するようになっている。なお、このインナパイプ５１ｂの内部を流れる冷媒としてはエンジン冷却水には限定されない。

また、前記熱電モジュール５１の断面形状（軸線に直交する方向の断面形状）は、円形に限らず、楕円形や多角形であってもよい。

各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプは、第１熱電モジュール５１から第６熱電モジュール５６に向かって冷却水が順に流れるように直列に接続されている。具体的には、図２および図３に示すように、各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプは接続管５７ａ〜５７ｅによって連結されている。

なお、冷却水を流す方向としては、第６熱電モジュール５６から第１熱電モジュール５１に向かって順に流すようにしてもよい。また、各熱電モジュール５１〜５６の各インナパイプは、直列接続に限らず、並列接続されていてもよい。

前記受熱フィン５１ｄは、前記アウタパイプ５１ａの外周面に一体的に形成されており、熱電モジュール５１の軸線に対して略直交する方向に延び且つ外縁が略円形の金属製のプレートで形成されている。各受熱フィン５１ｄ，５１ｄ，…は、熱電モジュール５１の長手方向に所定ピッチを存して配設されている。このように、各受熱フィン５１ｄ，５１ｄ，…は、前記分岐通路３Ａにおける排気ガスの流れ方向に沿う方向に設けられている。

また、互いに隣り合う熱電モジュール５１〜５６にそれぞれ形成されている受熱フィン５１ｄ，５１ｄ同士は、Ｘ方向において対応する位置に設けられている。つまり、各受熱フィン５１ｄ，５１ｄは、Ｚ方向における位相が互いに一致した位置に配設されている。

このような各受熱フィン５１ｄ，５１ｄ，…の配設形態により、排気ガスは各受熱フィン５１ｄ，５１ｄ，…の延長方向に略沿って流れることになるため、受熱フィン５１ｄ，５１ｄ，…が排気ガスの流れの抵抗となることを抑制できる。

−戻し管−
前記戻し管４は、前述した如く、排気管１の下面１１に一体的に取り付けられている。この戻し管４は前面側（Ｚ２方向側）および後面側（Ｚ１方向側）がそれぞれ閉鎖された配管で成る。そして、この戻し管４の側面４１（Ｘ２方向側に位置する側面）には、前記分岐通路３Ａ（ケーシング３１の内部空間）を流れた排気ガスを回収するための開口４２が形成されている。この開口４２における車体前後方向長さは、装置本体３の車体前後方向長さよりも僅かに短く設定されている。

前述したように、ケーシング３１におけるＸ１方向側は開放されている。このため、ケーシング３１の下側通路３４は、戻し管４に形成されている前記開口４２に臨んでおり、この下側通路３４は、この開口４２を介して戻し管４の内部空間に連通している。つまり、この下側通路３４は、戻し管４への排気ガスの流出が可能となっている。これにより、このケーシング３１におけるＸ１方向側の開放部分と前記開口４２とによって分岐通路３Ａの流出部３Ｃが構成されており、この流出部３Ｃによって、分岐通路３Ａからの排気ガスの流出が可能となっている。

以上の如く分岐通路３Ａは、流入部３Ｂと流出部３Ｃとを有しており、流入部３Ｂから流入した排気ガスを流出部３Ｃに向けて流すようになっている。つまり、流入部３Ｂから流入した排気ガスは、上側通路３３を流れ、前記連通路Ｓを通過する際に流れ方向が反転した後、下側通路３４を経て流出部３Ｃから流出することになる。このため、前記分岐通路３Ａを構成している上側通路３３と下側通路３４とは、これら通路３３，３４における排気ガスの流れ方向に対して略直交する方向（Ｙ方向）で仕切板３２を挟んで隣り合っていることになる。

また、図１および図４に示すように、前記排気管１に形成されている開口１３と、戻し管４に形成されている開口４２とはＺ方向でオフセットされている。具体的には、排気管１に形成されている開口１３が、戻し管４に形成されている開口４２よりもＺ２方向側に位置している。これにより、前記流入部３Ｂおよび前記流出部３ＣもＺ方向（排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向と同じ方向）でオフセットされていることになる。

また、戻し管４のＺ１方向側に位置する後板４３は、前記排気管１の下面１１に形成されている前記開口１４よりもＺ１方向側（排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向の下流側）に位置している。このため、熱電発電装置２の装置本体３から戻し管４に排気ガスが回収される場合には、この排気ガスが戻し管４を流れ、開口１４を経て排気管１に流入可能な構成となっている。

−開閉弁−
前記排気通路１Ａにおいて、前記流入部３Ｂの開口位置よりも下流側（Ｚ１方向側）であって、前記開口１４の近傍には開閉弁６が設けられている。この開閉弁６は、排気管１の断面形状に略一致した矩形状となっており、排気管１の底板上に配設されてＸ方向に沿って延びる回動軸６１に支持されている。そして、この開閉弁６の回動軸６１は電動モータ６２（図２を参照）に連結されており、この電動モータ６２の作動によって開閉弁６の開度が調整可能となっている。この電動モータ６２は、ＥＣＵ１００（例えばエンジンの制御を行うエンジンＥＣＵ；制御手段）からの開度制御信号を受けて作動し、開閉弁６の開度を調整する。具体的には、図４に実線で示す全閉位置（排気通路１Ａを全閉状態にする位置；前記開口１４を全開状態にする位置）と、図４に仮想線で示す全開位置（排気通路１Ａを全開状態にする位置；前記開口１４を全閉状態にする位置）との間で開度調整が可能となっている。

−排気ガスの流れ−
次に、本実施形態における排気ガスの流れについて説明する。この排気ガスの流れは、前記開閉弁６の開度によって変更可能となっている。以下、開閉弁６の全開時、全閉時、半開時それぞれにおける排気ガスの流れについて説明する。

＜開閉弁の全開時＞
図９は、開閉弁６が全開位置にある場合の排気ガスの流れを示す図であって、図９（ａ）は図２に相当する図、図９（ｂ）は図４に相当する図である。

このように開閉弁６が全開位置にある場合、前記開口１４が全閉となっているために、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、分岐通路３Ａに流入することなく、そのまま排気通路１Ａの下流側に向かって流れ、大気中に放出されることになる（図９における矢印を参照）。

このように、分岐通路３Ａに排気ガスを流入させない場合には、各熱電モジュール５１〜５６に対する発電要求がない、または、発電を禁止する状況であるため、各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプに冷却水を流す必要がない。このインナパイプに冷却水を流さないための構成としては、例えば、冷却水循環回路と前記第１熱電モジュール５１のインナパイプ５１ｂとの間に電磁弁を設けておき、この電磁弁を閉鎖することが挙げられる。これにより、無駄な冷却水の流れを生じさせないようにすることができる。

＜開閉弁の全閉時＞
図１０は、開閉弁６が全閉位置にある場合の排気ガスの流れを示す図であって、図１０（ａ）は図２に相当する図、図１０（ｂ）は図３に相当する図、図１０（ｃ）は図４に相当する図、図１０（ｄ）は図６に相当する図である。この開閉弁６の全閉時にあっては前記冷却水循環回路を流れている冷却水の一部が各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプに流される。

このように開閉弁６が全閉位置にある場合、前記開口１４が全開となっているために、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスの略全量が、分岐通路３Ａに流入することになる。つまり、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、前記流入部３Ｂを通過してケーシング３１内の上側通路３３に流入し、第１熱電モジュール５１、第２熱電モジュール５２、第３熱電モジュール５３の外周囲を順に流れた後に、前記連通路Ｓ（上側通路３３と下側通路３４とを連通させる連通路Ｓ）を通過し、その流れが反転して、ケーシング３１内の下側通路３４に流入する。この下側通路３４に流入した排気ガスは、第４熱電モジュール５４、第５熱電モジュール５５、第６熱電モジュール５６の外周囲を順に流れた後に、前記流出部３Ｃを経て戻し管４内に流入する（図１０における矢印を参照）。

このように排気ガスが流れることにより、排気ガスから各熱電モジュール５１〜５６に熱が与えられ、各熱電モジュール５１〜５６では、前述した温度差に応じた起電力がゼーベック効果により発生することになる。

そして、戻し管４内に流入した排気ガスは、この戻し管４の下流端に達した後、その流れ方向が上向きに変化し、前記開口１４を通過して排気通路１Ａに戻されることになる。

このように分岐通路３Ａに排気ガスを流した場合、本実施形態にあっては、排気ガスの略全量が、第１熱電モジュール５１から第６熱電モジュール５６に亘って順に流れることになる。このため、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量も十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。つまり、各熱電モジュール５１〜５６それぞれの外周囲に沿って流れる排気ガスの流速が高く維持され、排気ガスの質量流量が十分に得られる。このため、各熱電モジュール５１〜５６それぞれの外周囲における境膜熱抵抗が小さく、排熱回収量が多く得られることになって発電量の増大を図ることができる。

ここで、各熱電モジュール５１〜５６それぞれの外周囲に沿って流れる排気ガスの流速、排気ガスの質量流量、および、境膜熱抵抗の関係について説明する。

図１２は、受熱フィン５１ｄの近傍を流れる排気ガスの流速と、この受熱フィン５１ｄの周囲の境膜との関係を説明するための図である。この図１２において、実線で示すガス温度は、排気ガスの流速が比較的高い場合における受熱フィン５１ｄ周辺の温度分布を示している。また、破線で示すガス温度は、排気ガスの流速が比較的低い場合における受熱フィン５１ｄ周辺の温度分布を示している。

この図１２からも解るように、受熱フィン５１ｄの近傍を流れる排気ガスの流速が高く排気ガスの質量流量が多いほど、この受熱フィン５１ｄの周囲の境膜は薄く、境膜熱抵抗は小さくなる（図１２に実線で示す境膜（高流速時）および破線で示す境膜（低流速時）を参照）。このため、受熱フィン５１ｄの近傍を流れる排気ガスの温度分布としては、排気ガスの流速が高いほど、高温域が受熱フィン５１ｄに近い位置となり、受熱フィン５１ｄに与えられる熱量は多くなる。その結果、熱電モジュール５１〜５６での排熱回収量は多く得られることになる。

図１３は、熱電モジュールの周囲を流れる排気ガスの質量流量と受熱フィン周囲の境膜熱抵抗との関係を示す図である。図１４は、熱電モジュールの周囲を流れる排気ガスの質量流量と熱電モジュールの発電量との関係を示す図である。

これらの図に示すように、排気ガスの質量流量が大きいほど受熱フィン周囲の境膜熱抵抗は小さくなり、排熱回収量の増大に伴って熱電モジュールの発電量は多くなっている。

本実施形態では、前述した如く、分岐通路３Ａに流入した排気ガスは、その略全量が、第１熱電モジュール５１から第６熱電モジュール５６に亘って順に流れることにより、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができる。つまり、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガスの質量流量が大きくなっている。このため、受熱フィン５１ｄの周囲の境膜熱抵抗は小さくなっており、その結果、熱電モジュール５１〜５６の排熱回収量が増大して発電量の増大を図ることができる。

＜開閉弁の半開時＞
図１１は、開閉弁６が半開位置にある場合の排気ガスの流れを示す図であって、図１１（ａ）は図２に相当する図、図１１（ｂ）は図３に相当する図、図１１（ｃ）は図４に相当する図である。

このように開閉弁６が半開位置にある場合、前記開口１４も半開となっている。このため、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスの一部は、分岐通路３Ａに流入することなく、そのまま排気管１の下流側に向かって流れ、他の排気ガスは、分岐通路３Ａに流入する（図１１における矢印を参照）。

分岐通路３Ａに流入した排気ガスは、前述した場合と同様に、ケーシング３１内の上側通路３３から下側通路３４に亘って流れ、各熱電モジュール５１〜５６に熱を与えた後、戻し管４内に流入する。そして、戻し管４内に流入した排気ガスは、この戻し管４の下流端に達した後、その流れ方向が上向きに変化し、前記開口１４を通過して排気通路１Ａに戻される。つまり、排気通路１Ａを流れている排気ガスと合流することになる。

この開閉弁６の半開時においても、熱電発電装置２の装置本体３に流入した排気ガスは、第１熱電モジュール５１から第６熱電モジュール５６に亘って順に流れることになる。このため、前述の場合と同様に、排熱回収量を十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。

−排気管および熱電発電装置の配設状態−
前記排気管１および熱電発電装置２は、車両のフロアパネルの下部に配設されている。具体的には、フロアパネルに形成されたトンネル部の内部に収容されている。

図１５は、フロアパネル７の下部に排気管１および熱電発電装置２を配設した状態を示す概略図である。この図１５に示すように、フロアパネル７のトンネル部７１と、排気管１および熱電発電装置２との間には、ヒートインシュレータ７２が配設されている。このヒートインシュレータ７２の断面形状は、前記トンネル部７１の断面形状に略一致している。

また、排気管１および熱電発電装置２とヒートインシュレータ７２との間、および、排気管１および熱電発電装置２と路面との間のそれぞれには、所定間隔が設けられている。この間隔は、車両の走行時などにおける振動によって排気管１および熱電発電装置２がヒートインシュレータ７２や路面に接触することのない長さに設定されている。このように排気管１および熱電発電装置２がヒートインシュレータ７２や路面に接触しないようにするためには、図中に二点鎖線Ａで示す範囲内に排気管１および熱電発電装置２を設置する必要がある。

このため、従来技術（例えば特許文献２）の如く、排気通路の延長方向に対して直交する方向に延びる複数の熱電モジュールを配設する構成にあっては、熱電モジュールの長手方向の寸法としては、最大でも図中の寸法ｔ１（例えば２００ｍｍ）程度が限界となる。

本実施形態にあっては、各熱電モジュール５１〜５６の長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向と同じ方向となっているので、それぞれの長さ寸法がトンネル部７１の断面形状によって制約を受けるといったことがない。このため、熱電モジュール５１〜５６の長手方向の寸法として、例えば５００ｍｍ程度に設定することが可能である。

−開閉弁の開度制御−
次に、前述の如く排気ガスの流れを切り換える開閉弁６の開度制御（前記ＥＣＵ１００による開度制御）について説明する。

図１６は、この開閉弁６の開度制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジンの始動後、所定時間（数ｍｓｅｃ）毎に実行される。

まず、ステップＳＴ１において温度情報を取得する。具体的には、排気通路１Ａを流れる排気ガスの温度情報、および、冷却水循環回路を流れる冷却水の温度情報を取得する。

排気ガスの温度情報は、排気管１に設けられた排気温センサからの信号に基づいて取得される。この排気温センサの取り付け位置としては、排気管１における熱電発電装置２の取り付け位置近傍であって、この熱電発電装置２の取り付け位置よりも上流側（排気ガスの流れ方向の上流側）であることが好ましい。冷却水の温度情報は、冷却水循環回路に設けられた水温センサからの信号に基づいて取得される。この水温センサの取り付け位置としては、冷却水循環回路における第１熱電モジュール５１のインナパイプ５１ｂの分岐位置近傍であって、この分岐位置よりも上流側（冷却水の流れ方向の上流側）であることが好ましい。

ステップＳＴ２では、前記排気ガス温度が所定値α以上となっているか否かを判定する。この所定値αは、前記熱電変換素子の耐熱温度に所定の安全率を乗算した値、或いは、耐熱温度から所定温度を減算した値として設定される。

排気ガス温度が所定値α以上となっており、ステップＳＴ２でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ４に移り、現時点で排気ガスを分岐通路３Ａに流入させた場合には熱電変換素子に悪影響（熱害）を及ぼす可能性があるとして開閉弁６を全開にし、リターンされる。つまり、分岐通路３Ａに排気ガスを流入させず（熱電発電装置２をバイパスさせ）排気通路１Ａのみに排気ガスを流すようにする。

この場合、熱電モジュール５１〜５６での発電を強制的に禁止することになるので、前記各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプへの冷却水の流入も停止させる。つまり、前述した構成の場合には、冷却水循環回路とインナパイプ５１ｂとの間に設けられた電磁弁を閉鎖することになる。なお、熱電変換素子を前記熱害から保護するために（排気ガスからの輻射による熱害から保護するために）前記インナパイプに冷却水を流しておくようにしてもよい。

排気ガス温度が所定値α未満となっており、ステップＳＴ２でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ３に移り、前記冷却水温度が所定値β以上となっているか否かを判定する。この所定値βは、エンジンがオーバヒートに達する温度（例えば１２０℃）に所定の安全率を乗算した値、或いは、オーバヒートに達する温度から所定温度を減算した値として設定される。

冷却水温度が所定値β以上となっており、ステップＳＴ３でＹＥＳ判定された場合には、現時点で冷却水を熱電モジュール５１〜５６に流入させた場合に、熱電モジュール５１〜５６からの熱を受けることで冷却水温度が過剰に高くなってエンジンのオーバヒートを招く可能性があるとして、この場合も、開閉弁６を全開にし（ステップＳＴ４）、リターンされる。つまり、分岐通路３Ａに排気ガスを流入させず（熱電発電装置２をバイパスさせ）排気通路１Ａのみに排気ガスを流すようにする。この場合、各熱電モジュール５１〜５６のインナパイプへの冷却水の流入も停止させる。

冷却水温度が所定値β未満となっており、ステップＳＴ３でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ５に移り、前記受熱基板の温度Ｔｈと前記放熱基板の温度Ｔｃとの平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ１以下となっているか否かを判定する。これら受熱基板の温度Ｔｈおよび放熱基板の温度Ｔｃは、温度センサによって検出するようにしてもよいし、前記ケーシング３１内に配置した排気温センサからの信号に基づいて受熱基板の温度Ｔｈを推定し、前記インナパイプ５１ｂ内に配置した水温センサからの信号に基づいて放熱基板の温度Ｔｃを推定するようにしてもよい。

この受熱基板の温度Ｔｈと放熱基板の温度Ｔｃとの平均温度は、現在の熱電モジュール５１〜５６における発電量に相関のある値となっている。つまり、前記熱電変換素子は、前記平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」に応じて発電量が異なる。図１７は、これら平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」と発電量との関係の一例を示す図である。この図１７に示すように、平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」がＴ１からＴ２の間であれば発電量が図中のＰｔ以上となり、発電量を十分に得ることができる。なお、この平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」と発電量との関係は、熱電変換素子の材料等によって異なる。

このため、現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ１以下となっている場合や、所定温度Ｔ２以上となっている場合には、十分な発電量（発電量Ｐｔ）が得られない可能性がある。

ステップＳＴ５は、現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ１以下となっていて十分な発電量が得られない状況であるか否かを判定するものである。

現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ１以下であって、ステップＳＴ５でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ６に移り、開閉弁６の開度を、現在の開度よりも所定量γだけ小さくする。つまり、開閉弁６を閉鎖側に所定量だけ回動させ、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量を増大させる。例えば開閉弁６の開度を５°だけ小さくして、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量を増大させる。これにより、各熱電モジュール５１〜５６に与える熱量を増大させ、前記平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が上昇するようにして熱電モジュール５１〜５６の発電量を増加させる。

一方、現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ１を超えており、ステップＳＴ５でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ７に移り、前記平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ２以上となっているか否かを判定する。つまり、図１７に示したように、平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が、発電量Ｐｔが得られない程度に高くなっているか否かを判定する。

現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ２以上であって、ステップＳＴ７でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ８に移り、開閉弁６の開度を、現在の開度よりも所定量γだけ大きくする。つまり、開閉弁６を開放側に所定量だけ回動させ、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量を減少させる。例えば開閉弁６の開度を５°だけ大きくして、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量を減少させる。これにより、各熱電モジュール５１〜５６に与える熱量を減少させ、前記平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が低下するようにして熱電モジュール５１〜５６の発電量を増加させる。

また、現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」が所定温度Ｔ２未満となっており、ステップＳＴ７でＮＯ判定された場合には、現在の開閉弁６の開度を変化させず、つまり、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量を変化させずリターンされる。つまり、現在の平均温度「（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２」は所定温度Ｔ１とＴ２との間にあって、発電量がＰｔを超えており、開閉弁６の開度が適正に得られているとしてリターンされる。

このような動作が繰り返されることにより、排気ガスの温度および冷却水の温度が共に許容範囲内にある場合に、高い発電量が得られることになる。

−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態によれば、各熱電モジュール５１〜５６が、分岐通路３Ａ（ケーシング３１の内部空間）における排気ガスの流れ方向に直列に配置されているので、この分岐通路３Ａを流れる排気ガスの略全量が、各熱電モジュール５１〜５６の外周囲を順に流れていくことになる。つまり、排気ガスの略全量が各熱電モジュール５１〜５６に対して順に熱を与えていくことになる。このため、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ（排気ガスが各熱電モジュールに個別に分流される従来技術に比べて、熱電モジュール１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ）、排熱回収量を十分に得ることができる。つまり、各熱電モジュール５１〜５６それぞれの外周囲に沿って流れる排気ガスの流速が高く維持でき、排気ガスの質量流量が多くなる。その結果、各熱電モジュール５１〜５６それぞれの外周囲における境膜熱抵抗が小さくなり、排熱回収量の増大を図ることができて、発電量の増大を図ることができる。

また、各熱電モジュール５１〜５６は、その長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように分岐通路３Ａに配設されている。このため、各熱電モジュール５１〜５６の長さ寸法が大きく制約を受けることはなく（前記トンネル部７１の幅寸法によって制約を受けるといったことはなく）、各熱電モジュール５１〜５６の長さ寸法を比較的長く設定することができる（熱電モジュールの長手方向が排気通路における排気ガスの流れ方向に対して直交する方向に設定される従来技術に比べて、各熱電モジュールの長さ寸法を比較的長く設定することができる）。このため、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりの排熱回収量の増大を図ることができ、熱電発電装置２全体としての排熱回収量も増大することができて、発電量の増大を図ることができる。

更に、分岐通路３Ａを構成している上側通路３３と下側通路３４とは仕切板３２を介して隣り合っている。このため、上側通路３３の下面側および下側通路３４の上面側は、外気に臨んでおらず、この部分からの外気への放熱量は殆ど無い。従って、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下量が少なくなり（従来技術（例えば特許文献１）の如く熱電発電装置の外面の全面が外気に晒されているものに比べて、外気への放熱に起因する排気ガス温度の低下量が少なくなり）、各空間３３，３４を流れる排気ガスの温度を高く維持することができる。その結果、熱電モジュール５１〜５６に与えられる熱量が増大し、これによっても、排熱回収量の増大を図ることができて、発電量の増大を図ることができる。

また、排気管１と熱電発電装置２とを一体構造としたことにより、これらの配設スペースの小型化を図ることができる。

また、本実施形態にあっては、ケーシング３１を矩形断面としたことにより（Ｚ方向に対して直交する方向の断面を矩形断面としたことにより）、円形断面とした場合に比べて、熱電発電装置２の高さ寸法を短く設定することが可能になる。つまり、ケーシング３１の断面積を同一にする場合、円形断面のものに比べて、幾何学上、高さ寸法を１２％程度短くすることができる。このため、車両への搭載性が良好である。

加えて、前述した如く各熱電モジュール５１〜５６の受熱量が多くなることから、その分だけケーシング３１等のその他の部材に伝達される熱量を少なくすることができる。このため、これら部材の熱膨張量を抑制できて、その耐久性の向上を図ることができる。

−実験例−
次に、本実施形態の効果を確認するために行った実験例およびその結果について説明する。

図１８は、比較例として、従来技術（前記非特許文献１）における熱電モジュールａ，ａ，…の配置と、各熱電モジュールａ，ａ，…の周囲を流れる排気ガス流れとを示す模式図である。つまり、排気ガスを各熱電モジュールａ，ａ，…毎に分流し、これら分流した排気ガスそれぞれを各熱電モジュールａ，ａ，…の外周面に沿って個別に流す構成である（以下、並列配置と呼ぶ）。

一方、図１９は、前記実施形態における熱電モジュール５１〜５６の配置と、各熱電モジュール５１〜５６の周囲を流れる排気ガス流れとを示す模式図である。つまり、排気ガスを各熱電モジュール５１〜５６の外周囲に順に流す構成である（以下、直列配置と呼ぶ）。

本実験では、これら並列配置のものおよび直列配置ものそれぞれに対して同一温度で同一流量の排気ガスを流し、それぞれにおける伝達熱量および発電量を測定して比較した。

図２０は、これら並列配置（比較例）および直列配置（実施形態の構成）それぞれにおける熱電モジュールへの伝達熱量（熱電モジュール６個分の伝達熱量）および熱電モジュールの発電量（熱電モジュール６個分の発電量）の測定結果である。この図２０から明らかなように、直列配置のものは並列配置のものに比べて伝達熱量および発電量ともに大幅に高くなっている。例えば、直列配置における伝達熱量は、並列配置における伝達熱量に比べて約１．５倍となっている。また、直列配置における発電量は、並列配置における発電量に比べて約２．３倍となっている。これにより、本実施形態の効果が確認されたことになる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。

本実施形態は、装置本体３のケーシング３１の構成が前記第１実施形態のものと異なっている。従って、ここでは、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図２１は本実施形態に係る熱電発電装置２を示す図であって、図２１（ａ）は図２に相当する図であり、図２１（ｂ）は図６に相当する図（図２１（ａ）におけるＢ−Ｂ線に対応した位置における断面図）である。

これらの図に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置２の仕切板３２は、そのＸ１方向側およびＸ２方向側それぞれに位置している端縁がそれぞれケーシング３１の内面に接続されている。

そして、この仕切板３２におけるＸ２方向側に位置している端縁の近傍の４箇所には、この仕切板３２を貫通する（Ｙ方向に貫通する）複数の連通孔３２ａ，３２ａ，…が形成されている。このため、この仕切板３２で仕切られたケーシング３１内部の上側通路３３と下側通路３４とは、これら連通孔３２ａ，３２ａ，…のみによって連通している。

本実施形態における分岐通路３Ａでの排気ガスの流れとしては、上側通路３３を、第１熱電モジュール５１、第２熱電モジュール５２、第３熱電モジュール５３の順でそれぞれの外周囲を流れた排気ガスが、各連通孔３２ａ，３２ａ，…を通過して下側通路３４に流れ込む。そして、この下側通路３４に流れ込んだ排気ガスは、第４熱電モジュール５４、第５熱電モジュール５５、第６熱電モジュール５６の順でそれぞれの外周囲を流れることになる。

その他の構成および発電のための動作等は第１実施形態のものと同様である。

本実施形態によれば、連通孔３２ａ，３２ａ，…の個数、孔径、配設位置を任意に設定することが可能であり、これらの設定によって、上側通路３３および下側通路３４それぞれにおける排気ガスの流れを調整することが可能である。このため、この排気ガスの流れの調整に関する設計自由度の向上を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。

本実施形態は、分岐通路３Ａに配設されている複数本の熱電モジュール５１〜５６の配設形態が前記第１実施形態のものと異なっている。従って、ここでも、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図２２は本実施形態に係る熱電発電装置２における図２に相当する図である。

この図２２に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置２は、ケーシング３１の前後方向（Ｚ方向）の略中央部分に、このケーシング３１の内部空間を前後（Ｚ１方向側とＺ２方向側）に仕切る仕切板３２Ａが設けられている。この仕切板３２Ａは、Ｘ２方向側に位置している端縁がケーシング３１の内面（Ｘ２方向側に位置している内面）に対して所定間隔を存した位置となっている。また、仕切板３２Ａの他の端縁はケーシング３１の内面に接続されている。このため、この仕切板３２Ａで仕切られたケーシング３１の内部の前側通路３３Ａと後側通路３４Ａとは、仕切板３２ＡのＸ２方向側に位置している端縁とケーシング３１の内面との間に形成された連通路Ｓのみによって連通している。

ケーシング３１におけるＸ１方向側は開放されていると共に、排気管１には、前記前側通路３３Ａおよび後側通路３４Ａそれぞれに対応する位置に開口１３Ａ，１４Ａが形成されている。このため、ケーシング３１の開放部分と前記開口１３Ａとによって流入部３Ｂが構成されていると共に、ケーシング３１の開放部分と前記開口１４Ａとによって流出部３Ｃが構成されている。

前側通路３３Ａには３本の熱電モジュール５１，５２，５３が収容されている。これら熱電モジュール５１，５２，５３は、それぞれの軸心がＺ方向に沿うように配置され、且つＸ方向に沿って順に並べられている。同様に、後側通路３４Ａにも３本の熱電モジュール５４，５５，５６が収容されている。これら熱電モジュール５４，５５，５６も、それぞれの軸心がＺ方向に沿うように配置され、且つＸ方向に沿って順に並べられている。なお、本実施形態では、ケーシング３１の内部は上下（Ｙ方向）に仕切られておらず、同一平面上に全ての熱電モジュール５１〜５６が配置されている。

このように、各熱電モジュール５１〜５６は、その長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向（排気管１の長手方向）と同じ方向となるように分岐通路３Ａに配設されていると共に、これら熱電モジュール５１〜５６は、前記流入部３Ｂから流出部３Ｃに向かう排気ガス流れ方向に直列に配置されている。

また、排気管１における各開口１３Ａ，１４Ａ同士の間には開閉弁６Ａが設けられている。この開閉弁６Ａは、排気管１の断面形状に略一致した矩形状となっており、排気管１の側面に配設されてＹ方向に沿って延びる回動軸６１Ａに支持されている。そして、この開閉弁６Ａの回動軸６１Ａは電動モータ（図示省略）に連結されており、この電動モータの作動によって開閉弁６Ａの開度が調整可能となっている。具体的には、図２２に実線で示す全閉位置（排気通路１Ａを全閉状態にする位置）と図２２に仮想線で示す全開位置（排気通路１Ａを全開状態にする位置）との間で開度調整が可能となっている。

開閉弁６Ａが、図２２に実線で示す全閉位置となった場合には、排気通路１Ａが閉鎖され、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、流入部３Ｂからケーシング３１の前側通路３３Ａに流入する。その後、排気ガスは、連通路Ｓを経て後側通路３４Ａを流れ、流出部３Ｃから排気通路１Ａに排出されることになる。また、開閉弁６Ａが、図２２に仮想線で示す全開位置となった場合には、排気通路１Ａが開放され、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、分岐通路３Ａに流入することなく、そのまま排気通路１Ａの下流側に向かって流れることになる。また、開閉弁６が全閉位置と全開位置との間の半開位置に設定された場合には、その位置に応じて、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量と、この分岐通路３Ａに流入することなく排気通路１Ａを流れる排気ガスの量（熱電発電装置２をバイパスする排気ガスの量）との割合が調整可能となる。

その他の構成および発電のための動作等は第１実施形態のものと同様である。

本実施形態にあっては、開閉弁６Ａが全閉位置または半開位置にある場合、排気通路１Ａを流れる排気ガスが分岐通路３Ａに流入する。この分岐通路３Ａに流入した排気ガスは、前側通路３３Ａから後側通路３４Ａに亘って流れる際に、第１熱電モジュール５１から第６熱電モジュール５６に亘って順に流れ、各熱電モジュール５１〜５６に熱を与えていく。このため、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量も十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。

本実施形態も、分岐通路３Ａに配設されている複数本の熱電モジュールの配設形態が前記第１実施形態のものと異なっている。従って、ここでも、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図２３は本実施形態に係る熱電発電装置２における図２に相当する図である。

この図２３に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置２は、ケーシング３１におけるＸ１方向側が開放されていると共に、排気管１には、ケーシング３１の長手方向の一方側（Ｚ２方向側）の端部近傍に対応した位置に前側開口１３Ｂが、ケーシング３１の長手方向の他方側（Ｚ１方向側）の端部近傍に対応した位置に後側開口１４Ｂがそれぞれ形成されている。これにより、ケーシング３１の開放部分と前側開口１３Ｂとによって流入部３Ｂが構成されていると共に、ケーシング３１の開放部分と後側開口１４Ｂとによって流出部３Ｃが構成されている。この構成にあっては、排気管１の一部が、分岐通路３Ａを形成して排気通路１Ａに面する壁体に相当することになる。

ケーシング３１の内部空間には３本の熱電モジュール５１，５２，５３が収容されている。これら熱電モジュール５１，５２，５３は、それぞれの軸心がＺ方向（排気通路１Ａの長手方向）に沿うように配置され、且つＺ方向に順に並べられている。つまり、各熱電モジュール５１，５２，５３の中心軸が同一直線上となるようにそれぞれ配設されている。

また、これら熱電モジュール５１，５２，５３の外周面に一体的に形成されている受熱フィン５１ｄ，５２ｄ，５３ｄは、熱電モジュール５１，５２，５３の軸線に沿う方向に延びている。各受熱フィン５１ｄ，５２ｄ，５３ｄは熱電モジュール５１，５２，５３の周方向に所定ピッチを存して配設されている。このように、各受熱フィン５１ｄ，５２ｄ，５３ｄは、その延長方向が、前記分岐通路３Ａにおける排気ガスの流れ方向に略沿う方向（Ｚ方向）に設定されている
このように、本実施形態にあっては、各熱電モジュール５１，５２，５３は、その長手方向が排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように分岐通路３Ａに配設されていると共に、これら熱電モジュール５１，５２，５３は、流入部３Ｂから流出部３Ｃに向かって流れる排気ガスの流れ方向に直列に配置されている。

また、排気管１における各開口１３Ｂ，１４Ｂ同士の間には開閉弁６Ｂが設けられている。この開閉弁６Ｂの構成は第３実施形態のものと同様であるのでここでの説明は省略する。

その他の構成および発電のための動作等は第１実施形態のものと同様である。

本実施形態にあっては、開閉弁６Ｂが全閉位置または半開位置にある場合、排気通路１Ａを流れてきた排気ガスが分岐通路３Ａに流入する。この分岐通路３Ａに流入した排気ガスは、分岐通路３Ａを流れる際に、第１熱電モジュール５１から第３熱電モジュール５３に亘って順に流れ、各熱電モジュール５１，５２，５３に熱を与えていく。このため、熱電モジュール５１，５２，５３の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量も十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。

図２４は、本実施形態における排気管１および熱電発電装置２の概略構成図であって、各熱電モジュールを省略し、開閉弁６Ｃを実線で示し、その他の部材を仮想線で示した図である。また、図２５は、図２４におけるXXV−XXV線に対応した位置における断面図であり、図２６は、図２４におけるXXVI−XXVI線に対応した位置における断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置２は、排気管１の外周囲を囲むように配設されている。つまり、排気管１の外径よりも所定寸法だけ大きい外径を有するケーシング３１Ａが備えられ、排気管１の外面とケーシング３１Ａの内面との間に分岐通路３Ａを構成する空間が形成されている。すなわち、分岐通路３Ａは、排気通路１Ａの一部（排気通路１Ａの長手方向の一部）の外周囲をその周方向全体に亘って覆う空間として配設されており、この分岐通路３Ａにおける排気通路１Ａ側の壁体の全体が外気に臨むことなく排気通路１Ａに面した構成となっている。

また、図２４および図２５に示すように、排気管１の外周面には、排気ガスの流れ方向の上流側（Ｚ２方向側）に位置し、排気通路１Ａから分岐通路３Ａに排気ガスを流入する流入部３Ｂとなる開口と、この流入部３Ｂよりも排気ガスの流れ方向の下流側（Ｚ１方向側）に位置し、排気通路１Ａに排気ガスを流出する流出部３Ｃとなる開口とが形成されている。

また、図２６に示すように、ケーシング３１Ａの内部には、このケーシング３１Ａの内部空間をＺ２方向側とＺ１方向側とに仕切る仕切板３９が設けられている。この仕切板３９の配設位置は、Ｚ方向において前記流入部３Ｂと前記流出部３Ｃとの間に設定されている。これにより、仕切板３９によって仕切られたケーシング３１Ａの内部空間のうち前側（Ｚ２方向側）の空間が分岐通路３Ａとして形成され、後側（Ｚ１方向側）の空間が戻し通路３Ｄとして形成されている。

そして、前記分岐通路３Ａに、この分岐通路３Ａの周方向に沿って６本の熱電モジュール５１〜５６が順に配置されている。

前記分岐通路３Ａにおいて、排気管１の外面とケーシング３１Ａの内面との間には、半径方向に延びる３枚の隔壁３ａ，３ｂ，３ｃが設けられている。これら隔壁３ａ，３ｂ，３ｃにより、排気管１の外面とケーシング３１Ａの内面との間の空間（分岐通路３Ａ）は、周方向に３つの空間３ｄ，３ｅ，３ｆに区画されている。図２５および図２６に示すように、第１の隔壁３ａは第１熱電モジュール５１と第６熱電モジュール５６との間に位置している。第２の隔壁３ｂは第１熱電モジュール５１と第２熱電モジュール５２との間に位置している。このため、第１の隔壁３ａと第２の隔壁３ｂとの間で囲まれた空間には、第１熱電モジュール５１が配設されている。以下、この空間を第１空間３ｄと呼ぶ。前記流入部３Ｂは、この第１空間３ｄに開放されている。

第３の隔壁３ｃは第５熱電モジュール５５と第６熱電モジュール５６との間に位置している。このため、第２の隔壁３ｂと第３の隔壁３ｃとの間で囲まれた空間には、第２熱電モジュール５２、第３熱電モジュール５３、第４熱電モジュール５４、第５熱電モジュール５５が周方向に亘って順に配設されている。以下、この空間を第２空間３ｅと呼ぶ。

また、第３の隔壁３ｃと第１の隔壁３ａとの間で囲まれた空間には、第６熱電モジュール５６が配設されている。以下、この空間を第３空間３ｆと呼ぶ。

第２の隔壁３ｂおよび第３の隔壁３ｃには、それぞれ開口３ｇ，３ｈが形成されている。このため、排気通路１Ａから流入部３Ｂを経て第１空間３ｄに流れ込んだ排気ガスは、第１熱電モジュール５１の外周囲を流れた後、第２の隔壁３ｂの開口３ｇを通過して第２空間３ｅに流れ込む。これにより、排気ガスは、第２熱電モジュール５２の外周囲から第５熱電モジュール５５の外周囲に亘って順に流れた後、第３の隔壁３ｃの開口３ｈを通過して第３空間３ｆに流れ込む。これにより、排気ガスは、第６熱電モジュール５６の外周囲を流れる。

前記仕切板３９には、前記分岐通路３Ａと戻し通路３Ｄとを連通させる開口３９ａが形成されている。この開口３９ａは、仕切板３９における第１の隔壁３ａの接続位置と第３の隔壁３ｃの接続位置との間、つまり、第３空間３ｆに臨んでいる。

また、前記排気管１には、開閉弁６Ｃが設けられている。この開閉弁６Ｃの配設位置は、Ｚ方向において前記流入部３Ｂと流出部３Ｃとの間に設定されている。

このため、開閉弁６Ｃの全閉状態では、排気通路１Ａが閉鎖され、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、流入部３Ｂから分岐通路３Ａに流入することになる。そして、前述したように、第２の隔壁３ｂおよび第３の隔壁３ｃそれぞれの開口３ｇ，３ｈを通過しながら、排気ガスは、第１熱電モジュール５１の外周囲から第６熱電モジュール５６の外周囲に沿って順に流れる。その後、排気ガスは、仕切板３９の開口３９ａを経て戻し通路３Ｄに流入し、流出部３Ｃから排気通路１Ａに戻される。

また、開閉弁６Ｃの開放状態では、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスの殆どは、分岐通路３Ａに流入することなく、そのまま排気通路１Ａの下流側に向かって流れることになる。

また、開閉弁６Ｃの半開状態では、その位置に応じて、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量と、この分岐通路３Ａに流入することなく排気通路１Ａを流れる排気ガスの量（熱電発電装置２をバイパスする排気ガスの量）との割合が調整可能となる。

その他の構成および発電のための動作等は第１実施形態のものと同様である。

本実施形態の構成にあっても、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量を十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。

図２７は、本実施形態における排気管１および熱電発電装置２の概略構成図であって、開閉弁６Ｄを実線で示し、その他の部材を仮想線で示した図である。

本実施形態に係る熱電発電装置２は、前記第１実施形態のものと同様に、装置本体３と、この装置本体３から流出した排気ガスを排気通路１Ａへ戻すための戻し管４とを備えている。戻し管４は、排気管１に対してＸ２方向側で接続されている。また、装置本体３は、断面（Ｚ方向に直交する方向の断面）が台形状に形成されており、排気管１および戻し管４の上面（Ｙ１方向側に位置する面）、排気管１の側面（Ｘ１方向側に位置する面）、戻し管４の側面（Ｘ２方向側に位置する面）をそれぞれ覆っている。

そして、排気管１におけるＸ１方向側の側面には、排気通路１Ａから分岐通路（装置本体３の内部空間）３Ａに排気ガスを流入する流入部３Ｂとなる開口が形成されている。また、戻し管４におけるＸ２方向側の側面には、分岐通路３Ａから排気通路１Ａに向けて排気ガスを流出するための流出部３Ｃとなる開口が形成されている。

そして、前記分岐通路３Ａに、この分岐通路３Ａでの排気ガスの流れ方向に沿って６本の熱電モジュール５１〜５６が順に配置されている（図２７では、熱電モジュール５１〜５６の端面（Ｚ２方向側の端面）の位置のみを示している）。

また、前記排気管１には、開閉弁６Ｄが設けられている。この開閉弁６Ｄの配設位置は、前記流入部３Ｂの位置よりも排気ガスの流れ方向（排気通路１Ａでの排気ガスの流れ方向）の下流側となっている。

このため、開閉弁６Ｄの全閉状態（図２７に実線で示す状態）では、排気通路１Ａが閉鎖され、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、流入部３Ｂから分岐通路３Ａに流入することになる。そして、この分岐通路３Ａに流入した排気ガスは、第１熱電モジュール５１の外周囲から第６熱電モジュール５６の外周囲に沿って順に流れる。その後、排気ガスは、流出部３Ｃを経て戻し管４を流れた後に排気通路１Ａに戻される（図２７における矢印を参照）。

また、開閉弁６Ｄの開放状態（図２７に仮想線で示す状態）では、排気通路１Ａの上流側から流れてきた排気ガスは、分岐通路３Ａに流入することなく、そのまま排気通路１Ａの下流側に向かって流れることになる。

また、開閉弁６Ｄの半開状態では、その位置に応じて、分岐通路３Ａに流入する排気ガスの量と、この分岐通路３Ａに流入することなく排気通路１Ａを流れる排気ガスの量（熱電発電装置２をバイパスする排気ガスの量）との割合が調整可能となる。

その他の構成および発電のための動作等は第１実施形態のものと同様である。

本実施形態の構成にあっても、熱電モジュール５１〜５６の１本当たりに対する排気ガス流量を十分に得ることができ、排熱回収量を十分に得ることができて、発電量の増大を図ることができる。

また、本実施形態の構成では、装置本体３の断面（Ｚ方向に直交する方向の断面）を台形状としたことにより、図１５において二点鎖線Ａで示した範囲の形状（排気管１および熱電発電装置２がヒートインシュレータ７２や路面に接触しないために制約される配設スペースの形状）に略合致させることができ、車室内空間を犠牲にすることなく、前記スペースを最大限に利用した大型の熱電発電装置２を実現することができる。

（流入部および流出部の変形例）
次に、前記流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの複数の変形例を説明する。ここでは、前述した第１実施形態に対する変形例として説明するが、他の実施形態に対する変形例として適用してもよい。

−第１の変形例−
図２８は、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの第１の変形例を示し、図２８（ａ）は図２に相当する図であり、図２８（ｂ）は図３に相当する図である。

この図２８に示すものでは、流入部３ＢのＺ方向（排気通路１Ａの長手方向）での開口位置と流出部３ＣのＺ方向での開口位置とを互いに一致させている。つまり、流入部３Ｂと流出部３Ｃとを、排気通路１Ａにおける排気ガスの流れ方向でオフセットさせない構成としている。

−第２の変形例−
図２９は、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの第２の変形例を示し、図２９（ａ）は図２に相当する図であり、図２９（ｂ）は図３に相当する図である。

この図２９に示すものでは、流入部３Ｂの開口位置と流出部３Ｃの開口位置とのオフセット量（Ｚ方向におけるオフセット量）を大きくしている。つまり、流入部３Ｂの開口位置をＺ１方向側に、流出部３Ｃの開口位置をＺ２方向側にそれぞれ偏らせた構成となっている。

−第３の変形例−
図３０は、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの第３の変形例を示し、図３０（ａ）は図２に相当する図であり、図３０（ｂ）は図３に相当する図である。

この図３０に示すものは、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃそれぞれを、Ｚ方向に亘って間欠的に形成した開口３ｉ，３ｉ，…、３ｊ，３ｊ，…によって構成している。

この構成によれば、図中に矢印で示す如く、分岐通路３Ａを流れる排気ガスを整流でき、各熱電モジュール５１〜５６それぞれに対して、その長手方向の略全体に亘って排気ガスを流すことが可能となる。

−第４の変形例−
図３１は、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの第４の変形例を示し、図３１（ａ）は図２に相当する図であり、図３１（ｂ）は図３に相当する図である。

この図３１に示すものは、前述した第３の変形例の構成に加えて、流入部３Ｂに対向してケーシング３１の内側（分岐通路３Ａにおいて排気ガスの流れ方向の最上流に位置する第１熱電モジュール５１と流入部３Ｂとの間）に整流板（整流部材）８を配設し、この整流板８にもＺ方向に亘って間欠的に開口８１，８１，…を形成した構成となっている。また、前記開口３ｉ，３ｉ，…の位置と整流板８の開口８１，８１，…の位置とがＺ方向でオフセットされ、Ｘ方向で対向しないようになっている。

この構成によれば、図中に矢印で示す如く、排気ガスの整流効果をよりいっそう発揮でき、各熱電モジュール５１〜５６それぞれに対して、その長手方向の略全体に亘って排気ガスを流すことが可能となる。

−第５の変形例−
図３２は、流入部３Ｂおよび流出部３Ｃの第５の変形例を示し、図３２（ａ）は図２に相当する図であり、図３２（ｂ）は図３に相当する図である。

この図３２に示すものは、前述した第３の変形例の構成に加えて、流入部３Ｂに対向してケーシング３１の外側（排気通路１Ａ側）にガイド板（規制部材）９を配設している。このガイド板９は、流入部３Ｂの開口範囲（Ｚ方向の開口範囲）のうち、排気通路１Ａでの排気ガス流れ方向の上流側領域を覆うと共に下流側領域を開放するものとなっている。

この構成によっても、図中に矢印で示す如く、排気ガスの整流効果をよりいっそう発揮でき、各熱電モジュール５１〜５６それぞれに対して、その長手方向の略全体に亘って排気ガスを流すことが可能となる。

なお、前述した各変形例の構成は、互いに組み合わせることが可能である。

（ケーシングの変形例）
次に、前記ケーシング３１の複数の変形例を説明する。ここでも、前述した第１実施形態に対する変形例として説明するが、他の実施形態に対する変形例として適用してもよい。

−第１の変形例−
図３３は、ケーシングの第１の変形例における図６に相当する図である。

この図３３に示すように、ケーシング３１におけるＸ２方向側に位置する縦板３１ａと前記天板３７との境界部分、および、この縦板３１ａと前記底板３８との境界部分のそれぞれを湾曲させ、この湾曲部分の内面を、前記反転する排気ガスの流れ方向に沿うガイド面３１ｂ，３１ｂとして形成している。このガイド面３１ｂの曲率は、例えば熱電モジュール５１〜５６の外面の曲率（例えば受熱フィン５１ｄの外縁の曲率）に略一致している。

これによれば、上側通路３３から下側通路３４に向けて排気ガスの流れ方向が反転する際に、排気ガスの流速の低減量を少なくでき、下側通路３４に流れ込む排気ガスの流速を高く維持できる。このため、下側通路３４に配設されている熱電モジュール５４，５５，５６の周囲を流れる排気ガスの質量流量が十分に得られ、熱電モジュール５４，５５，５６の外周囲における境膜熱抵抗を抑えることができて、排熱回収量を多く得ることができる。

−第２の変形例−
図３４は、ケーシングの第２の変形例を示し、図３４（ａ）は図２に相当する図であり、図３４（ｂ）は図３に相当する図である。

この図３４に示すように、ケーシング３１の前板３５および後板３６を排気ガスの流れ方向に沿うように湾曲させ、この湾曲部分の内面をガイド面３５ａ，３５ｂ、３６ａ，３６ｂとして形成している。具体的には、上側通路３３を形成している前板３５および後板３６のガイド面３５ａ，３６ａを、Ｘ２方向側に向かうに従ってＺ１方向側に向かうにように湾曲した曲面とする。また、下側通路３４を形成している前板３５および後板３６のガイド面３５ｂ，３６ｂを、Ｘ１方向側に向かうに従ってＺ１方向側に向かうにように湾曲した曲面とする。

これによれば、上側通路３３に流れ込む排気ガス、および、下側通路３４を流れる排気ガスそれぞれの流速の低減量を少なくでき、上側通路３３および下側通路３４それぞれにおいて排気ガスの流速を高く維持できる。このため、熱電モジュール５１〜５６の外周囲を流れる排気ガスの質量流量が十分に得られ、熱電モジュール５１〜５６の外周囲における境膜熱抵抗を抑えることができて、排熱回収量を多く得ることができる。

−他の実施形態−
以上説明した各実施形態および各変形例は、自動車用エンジンの排気系に備えられた熱電発電装置２に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、自動車用以外の用途に使用されるエンジンの排気系に備えられた熱電発電装置に対しても適用が可能である。

また、熱電発電装置２に備えられる熱電モジュール５１〜５６の本数や、配設段数は、前述した各実施形態のものには限定されず、適宜設定が可能である。特に、熱電モジュール５１〜５６の本数は、要求される発電能力やフロアパネル下側の配置スペースに応じて適宜変更されるものである。このため、熱電モジュール５１〜５６の本数を少なくすれば、比較的小型の車両（フロアパネル７のトンネル部７１の下側空間が比較的小さい車両）に対しても本発明は適用が可能である。

また、前記各実施形態および各変形例では、開閉弁６を電動モータ６２により作動するものとしていた。本発明はこれに限らず、電磁弁により構成してもよいし、サーモワックスを内蔵して排気ガスの温度に応じて開度が変化するものであってもよい。

更に、前記各実施形態および各変形例では、排気通路１Ａから分岐通路３Ａに流れ込んで各熱電モジュール５１〜５６に熱を与えた排気ガスを再び排気通路１Ａに戻す構成としていた。本発明はこれに限らず、各熱電モジュール５１〜５６に熱を与えた排気ガスを排気通路１Ａに戻すことなく大気中に放出するようにしてもよい。但し、この場合、分岐通路３Ａから排出される排気ガスの排気エミッションを悪化させないために、個別の排気浄化装置を備えさせておく必要がある。

また、前記第４実施形態以外の各実施形態および各変形例では、複数の受熱フィン５１ｄそれぞれが互いに独立した円形のプレートで構成されていた。本発明はこれに限らず、螺旋形状の受熱フィンであってもよい。

本発明は、エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを利用して発電を行う熱電発電装置に適用可能である。

１ 排気管
１Ａ 排気通路
２ 熱電発電装置
３Ａ 分岐通路
３Ｂ 流入部
３Ｃ 流出部
３１ ケーシング
３２ 仕切板（壁体）
３２ａ 連通孔
３３ 上側通路（上流側通路）
３４ 下側通路（下流側通路）
３３Ａ 前側通路（上流側通路）
３４Ａ 後側通路（下流側通路）
３ｉ，３ｊ 開口
４ 戻し管
５１〜５６ 熱電モジュール
５１ｄ 受熱フィン
６ 開閉弁
８ 整流板
９ ガイド板（規制板）
１００ ＥＣＵ（制御手段）
Ｓ 連通路

また、前記分岐通路の前記流出部と前記排気通路との間を、前記流出部から流出した排気ガスを前記排気通路に戻すための戻し管によって接続する。また、前記排気通路において、前記流入部の配設位置よりも下流側に、前記排気通路を開閉する開閉弁を設ける。そして、前記排気通路を開放する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を遮断し、前記排気通路を閉鎖する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を連通させるように前記開閉弁を開閉制御する制御手段を備えさせることが好ましい。

Claims (16)

1. 内燃機関の排気系を流れる排気ガスの熱エネルギを利用して発電を行う複数の熱電モジュールを備えた熱電発電装置において、
   前記排気系の排気通路から排気ガスが流入する流入部と排気ガスを流出する流出部とを有し、前記流入部から流入した排気ガスを前記流出部に向けて流す分岐通路が設けられ、
   前記各熱電モジュールは、その長手方向が前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向となるように前記分岐通路に配設されていると共に、これら熱電モジュールは、前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向に直列に配置されており、
   前記分岐通路を形成している各壁体のうちの少なくとも一部の壁体は、当該壁体を挟んだ両側に排気ガスが流れる構成となっていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 請求項１記載の熱電発電装置において、
   前記分岐通路における前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向は、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に対して交差する方向となっており、
   前記分岐通路に配設されている前記各熱電モジュールは、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に対して交差する方向に直列に配置されていることを特徴とする熱電発電装置。
3. 請求項１記載の熱電発電装置において、
   前記分岐通路における前記流入部から前記流出部に向かう排気ガス流れ方向は、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向となっており、
   前記分岐通路に配設されている前記各熱電モジュールは、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向に直列に配置されていることを特徴とする熱電発電装置。
4. 請求項１、２または３記載の熱電発電装置において、
   前記各熱電モジュールの外面には複数の受熱フィンが設けられており、これら受熱フィンは、前記分岐通路における排気ガスの流れ方向に沿うように設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
5. 請求項１〜４のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
   前記分岐通路は、前記排気通路から流入部を経て流入した排気ガスを一方向に流す上流側通路と、この上流側通路を流れた排気ガスを、前記上流側通路での流れとは逆方向に前記流出部へ向けて流す下流側通路とを備えており、
   これら上流側通路と下流側通路とが、前記壁体を挟んで、これら通路における排気ガスの流れ方向に対して直交する方向で隣り合っていることを特徴とする熱電発電装置。
6. 請求項５記載の熱電発電装置において、
   前記壁体は、前記分岐通路を形成するケーシングの内部を、前記上流側通路と前記下流側通路とに仕切る仕切板であって、これら上流側通路と下流側通路とは、前記仕切板とケーシング内面との間に形成された連通路または仕切板に形成された連通孔によって連通しており、前記流入部を経て前記上流側通路に流入した排気ガスが、前記連通路または前記連通孔を経て前記下流側通路に流れ込む構成となっていることを特徴とする熱電発電装置。
7. 請求項６記載の熱電発電装置において、
   前記流入部と前記流出部とは、前記排気通路における排気ガスの流れ方向と同じ方向で互いにオフセットした位置に設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
8. 請求項１〜７のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
   前記流入部が設けられている壁体は前記排気通路に面していることを特徴とする熱電発電装置。
9. 請求項１〜４のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
   前記分岐通路は、前記排気通路の一部の外周囲を覆うように配設されており、この分岐通路を形成している各壁体のうち前記排気通路側の壁体が前記排気通路に面した構成となっていることを特徴とする熱電発電装置。
10. 請求項９記載の熱電発電装置において、
    前記分岐通路は、前記排気通路の一部の外周囲をその周方向全体に亘って覆う空間として配設されており、この分岐通路を形成している各壁体のうち前記排気通路側の壁体の全体が前記排気通路に面した構成となっていることを特徴とする熱電発電装置。
11. 請求項１〜１０のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
    前記流入部は、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に沿って延びる開口であることを特徴とする熱電発電装置。
12. 請求項１〜１０のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
    前記流入部は、前記排気通路における排気ガスの流れ方向に亘って複数箇所に形成された開口により構成されていることを特徴とする熱電発電装置。
13. 請求項１〜１２のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
    前記分岐通路において排気ガスの流れ方向の最上流位置に配設された熱電モジュールと前記流入部との間には、この流入部から前記熱電モジュールに向けて流れる排気ガスの流れを整流する整流部材が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
14. 請求項１〜１２のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
    前記排気通路に、前記流入部の開口範囲のうち、前記排気通路での排気ガス流れ方向の上流側領域を覆うと共に下流側領域を開放する規制部材が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
15. 請求項１〜１４のうち何れか一つに記載の熱電発電装置において、
    前記排気通路において、前記流入部の配設位置よりも下流側には前記排気通路を開閉する開閉弁が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。
16. 請求項１５記載の熱電発電装置において、
    前記分岐通路の前記流出部と前記排気通路との間は、前記流出部から流出した排気ガスを前記排気通路に戻すための戻し管によって接続されており、
    前記排気通路を開放する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を遮断し、前記排気通路を閉鎖する際に、前記戻し管と前記排気通路との間を連通させるように前記開閉弁を開閉制御する制御手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。

Images