JP2017034132A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なくすることができる熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱電発電装置１０は、配置領域４０において排ガスの温度が高い高温領域４０ａに配置される熱電素子１２の素子密度は、排ガスの温度が低い低温領域４０ｂに配置される熱電素子１２の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子１２の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子１２の熱交換量を少なくすることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスの熱を利用して発電する熱電発電装置に関する。

従来の熱電発電装置は、内燃機関の排ガスを高温側熱源とし、内燃機関の冷却水を低温側熱源として、排ガスと冷却水の温度差を利用して熱電素子によって発電している。したがって大気に放出されて無駄になる排ガスの熱エネルギーを、電気エネルギーに用いることができる。このような熱電素子の発電効率は、高温側と低温側との温度差が大きいほど高くなる。また熱電素子は、低い電気抵抗および低い熱伝導率の方が高い発電性能を発揮する。そこで特許文献１に記載の従来技術では、高温側に配置される電極板の気孔率を０．５％以下とし、電気抵抗および熱伝導率を小さくしている。

特開平１１−２９８０５２号公報

前述の特許文献１に記載の技術では、排ガス流れの上流側に位置する熱電素子の高温側温度が高くなる。なぜなら排ガスは下流側に向かうにつれて熱電素子と熱交換するので、排ガスの温度は下流側にいくほど低くなるためである。したがって上流側に配置される熱電素子には、耐熱性が求められる。

また配列する素子数が少ないほど素子一個当たりの発電性能が高くなる。これは素子数が少なくなると、素子一個当たりの熱交換量が大きくなるので、温度差が大きくなり、素子一個当たりの発電量が大きくなるからである。素子数が少ない方が、熱電発電装置の製造コストも低くなるので好ましい。しかし熱電素子には耐熱温度があるので、配列する素子数を減らしすぎると、熱電素子が高温になって損傷するおそれがある。したがって排ガス流れ方向の排ガス温度と熱電素子の耐熱温度を考慮しつつ、熱電素子の配列を考慮する必要がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なくすることができる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、高温流路（２４）側の端部（１２ａ）には高温流体の熱量が伝わり、低温流路（２５）側の端部（１２ｂ）から低温流体へ熱量を伝え、高温流体と低温流体との温度差によって発電する熱電素子（１２）を含み、熱電素子は、予め定める配置領域（４０）に複数配置されており、
配置領域における高温流体の温度分布に基づいて、温度が高い領域（４０ａ）に配置される熱電素子の素子密度は、温度が低い領域（４０ｂ）に配置される熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする熱電発電装置である。

このような本発明に従えば、配置領域において高温流体の温度が高い高温領域に配置される熱電素子の素子密度は、高温流体の温度が低い低温領域に配置される熱電素子の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子の熱交換量を少なくすることができる。したがって高温領域において各熱電素子が高温になりすぎることを抑制することができる。

また低温領域では、素子密度を低くして、素子一個当たりの発電性能を高くしている。したがって低温領域では、素子数を少なくしても発電性能の低下を抑制することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なくすることができる熱電発電装置を実現することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

熱電発電装置１０とエンジン１１との配管関係を示す図である。 熱電発電装置１０を拡大して示す断面図である。 熱電素子１２の配置例を示す図である。 熱電素子１２の他の配置例を示す図である。 同出力における素子数を示すグラフである。 第２実施形態の熱電素子１２の配置例を示す図である。 熱電素子１２の他の配置例を示す図である。 熱電素子１２のさらに他の配置例を示す図である。 第３実施形態の熱電素子１２の配置例を示す図である。 熱電素子１２の他の配置例を示す図である。 熱電素子１２のさらに他の配置例を示す図である。 第４実施形態の熱電素子１２の配置例を示す図である。 第５実施形態の熱電素子１２の配置例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態を用いて説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図５を用いて説明する。第１実施形態の熱電発電装置１０は、水冷式のエンジン１１を有する車両に適用される。熱電発電装置１０は、複数の熱電素子１２を有し、エンジン１１の排ガスとエンジン１１の冷却水との温度差よって発電を行う。

内燃機関であるエンジン１１には燃焼用の空気を吸入する吸気管（図示せず）と、燃焼後の排ガスを排出する排気管１３が設けられている。吸気管内には車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量に応じて開度が可変されるスロットルバルブが設けられている。

エンジン１１は、エンジン制御装置（図示せず）によって最適な作動が制御される。具体的には、エンジン制御装置には、エンジン回転数信号、スロットルバルブ開度信号、および車速信号等が入力される。エンジン制御装置は、エンジン回転数信号およびスロットルバルブ開度信号に対する燃料噴射量を対応付けた制御マップを予め記憶しており、制御マップに基づいて吸気管側に所定のタイミングで必要とされる燃料が噴射される。エンジン制御装置は熱電発電装置１０の制御装置１０ａと互いの信号の授受が可能となるように接続されている。

また、エンジン１１にはエンジン冷却水回路１４が設けられている。エンジン冷却水回路１４は、エンジン１１を冷却するためエンジン１１内の冷却水がウォータポンプ１５によって冷却水出口部１６からラジエータ１７を通って、冷却水入口部１８に循環するようにした回路である。ここではウォータポンプ１５はエンジン１１の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。そして、ラジエータ１７の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１１の作動温度が適切に制御される。

エンジン冷却水回路１４には、ラジエータ１７をバイパスするバイパス流路１９と、ラジエータ１７側あるいはバイパス流路１９側への冷却水流量を調節するサーモスタット２０とが設けられている。冷却水温度が第１所定温度（例えば８５℃）以下においては、サーモスタット２０によってラジエータ１７側が閉じられ、冷却水がバイパス流路１９側を流通することで冷却水の過冷却が防止される。これは、例えばエンジン始動直後のように冷却水が充分に昇温していない場合（低温始動時）に対応し、エンジン１１の暖機が促進される。さらにサーモスタット２０は、エンジン１１の暖機が終了して冷却水温度が第１所定温度を超えると、ラジエータ１７側を開き始め、第２所定温度（例えば９０℃）以上でバイパス流路１９側を閉じ、ラジエータ１７側を全開とする。

エンジン冷却水回路１４には、ラジエータ１７に対して並列となるようにヒータコア２１が配設されている。ヒータコア２１は、エンジン冷却水回路１４の一部を構成するヒータ温水回路２２に設けられている。ヒータコア２１は、冷却水（温水）を熱源として空調用空気を加熱する暖房装置用の熱交換器である。

そして、熱電発電装置１０は、エンジン１１の燃焼後の排ガスおよびエンジン冷却水回路１４の冷却水を用いたものとしており、熱電発電器２３と制御装置１０ａとを含んで構成される。熱電発電器２３は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電素子１２に分岐流路２４およびエンジン入口側流路２５が配設されたものとしている。

分岐流路２４は、エンジン１１の排気管１３から分岐して再び排気管１３に合流するように形成された流路であり、排ガスの一部が流通できるようにしている。そして、分岐流路２４は、熱電素子１２の一側面側に当接され、排ガスが熱電素子１２の高温側熱源となるようにしている。また、分岐流路２４の熱電素子１２に対する排ガスの下流側には、この分岐流路２４を開閉する分岐開閉弁２６が設けられている。

一方、エンジン入口側流路２５は、バイパス流路１９よりもエンジン１１側となる流路であり、ここでは、ラジエータ１７の下流側で、且つ、サーモスタット２０と冷却水入口部１８とを繋ぐ流路としている。そして、このエンジン入口側流路２５が熱電素子１２の他側面側に当接されるようにしている。即ち、バイパス流路１９からサーモスタット２０を流れる冷却水、あるいは、ラジエータ１７を通過しサーモスタット２０を流れる冷却水が熱電素子１２側に供給され、この冷却水が熱電素子１２の低温側熱源となるようにしている。

制御装置１０ａは、軸トルクマップ、エンジン１１の冷却損失熱量マップ、エンジン１１の通水流量マップ、ラジエータ１７の基準放熱量マップ、分岐開閉弁２６の開度マップや各種演算式を予め記憶している。そして制御装置１０ａは、これらのマップや演算式に基づいて分岐開閉弁２６の開度を制御する。

軸トルクマップは、エンジン制御装置から得られる燃料噴射量と軸トルクとを予め関係付けたものであり、エンジン作動時における軸トルクを算出するために用いられる。そして、この軸トルクとエンジン制御装置から得られるエンジン回転数とから軸出力を算出するようにしている。

冷却損失熱量マップは、軸出力をパラメータとして、エンジン回転数とエンジン１１の冷却損失熱量とを予め関係付けたものであり、エンジン作動時における冷却損失熱量を算出するために用いられる。冷却損失熱量は、エンジン１１における燃料の全燃焼熱量に冷却損失を乗じたものであり、ラジエータ１７で放熱される熱量である。

通水流量マップは、エンジン回転数をパラメータにしたウォータポンプ特性と、エンジン冷却水回路１４、ヒータ温水回路２２を含めた通水抵抗特性とを示したもので、エンジン１１を流通するエンジン通水流量を算出するために用いられる。そして、通水流量マップから得られたエンジン通水流量からラジエータ１７を流通するラジエータ通水流量を算出するようにしている。

基準放熱量マップは、ラジエータ１７通水流量をパラメータとして、ラジエータ１７のコア部前面に流入する空気の前面風速とラジエータ１７の基準放熱量とを予め関係付けたものであり、エンジン作動時における基準放熱量を算出するために用いられる。開度マップは、排気放熱量と分岐開閉弁２６の開度とを予め関係付けたものである。

次に、上記構成に基づく作動について説明する。エンジン１１の作動において、スロットルバルブの開度に応じて、吸入管から燃焼用の空気が吸入され、図示しないインジェクタから噴射される燃料と混合されて燃焼される。そして、燃焼後の排ガスは図示しない触媒によって浄化されて排気管１３から大気に排出される。また、ウォータポンプ１５の作動により、冷却水はエンジン冷却水回路１４およびヒータ温水回路２２を循環する。

冷却水の温度が第１所定温度以下の低温始動時においては、サーモスタット２０はラジエータ１７側を閉じており、冷却水はバイパス流路１９、エンジン入口側流路２５を通りエンジン１１を循環し、また一部の冷却水はヒータ温水回路２２を循環する。制御装置１０ａは、分岐開閉弁２６の開度を全開にして熱電素子１２による発電を行う。

そして、エンジン１１の暖機が終了して、冷却水の温度が第１所定温度を超えると、サーモスタット２０はラジエータ１７側を開き、冷却水はラジエータ１７、エンジン入口側流路２５を通りエンジン１１を循環する。また一部の冷却水はヒータ温水回路２２を循環する。制御装置１０ａは、各マップに基づいて分岐開閉弁２６の開度を調整する。

熱電素子１２の低温側の熱源をエンジン入口側流路２５を流れる冷却水を用いるようにしているので、エンジン１１の低温始動時においては、バイパス流路１９を流れる冷却水を熱電素子１２へ供給できる。したがってラジエータ１７による冷却を受けないようにすることができる。

また、エンジン１１の暖機終了時においては、サーモスタット２０の作動によって冷却水がラジエータ１７側を流れ、温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができるので、高温側熱源（排ガス）との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。そして、熱電素子１２の発電によりエンジン１１においては本来の発電機に要する作動負荷を低減できるので、エンジン１１の燃費を向上させることができる。

次に、熱電発電装置１０の具体的な構成に関して、図２を用いて説明する。以下、理解を容易にするため、排気管１３を高温流路１３と、エンジン入口側流路２５を低温流路２５ということがある。分岐流路２４は、前述のように分岐部１３ａにて高温流路１３から分岐している。熱電素子１２は、図２に示すように、分岐流路２４と低温流路２５との間に、排ガスの流れ方向Ｘに沿って複数、配置されている。

各熱電素子１２の端部１２ａ，１２ｂには、電極が設けられている。電極は、導電性を有し、隣接する熱電素子１２を電気的に接続している。また電極は、各熱電素子１２が直列に接続されるように、高温流路１３側と低温流路２５側とが交互に接続されている。

電極の外側には、絶縁層がそれぞれ設けられている。絶縁層は、絶縁性を有し、電極を覆うことによって、電極への異物の付着を防いでいる。したがって２枚の絶縁層は、その間を電極と熱電素子とが配置される空間としている。熱電素子１２は、図２に示すように、高温流路１３および低温流路２５とが対向している配置領域に間隔をあけて配置されている。

低温流路２５は、分岐流路２４の内部を排ガスの流れ方向Ｘに直交する方向に交差している。したがって冷却水は、低温流路２５内を図２の紙面に垂直な方向に流れ、排ガスの流れ方向Ｘと冷却水の流れ方向Ｘは直交する。

熱電素子１２は、分岐流路２４側の端部１２ａには排ガスの熱量が伝わり、低温流路２５側の端部１２ｂから冷却水へ熱量を伝える。そして熱電素子１２は、高温流体である排ガスと低温流体である冷却水との温度差によって発電する。熱電素子１２は、たとえばハーフホイスラーやビスマステルルやマグネシウムシリサイトからなる。

分岐流路２４には、熱電素子１２への伝熱を促進する促進部として、フィン３０が設けられており、フィン３０は、コルゲートフィン、オフセットフィン、モノリス形状で構成される。フィン３０は、絶縁層に外側に設けられ、高温流路１３から熱電素子１２への伝熱を促進する。フィン３０は、熱伝導に優れる材料からなり、たとえばステンレスからなる。

図２に仮想線で示すように、分岐開閉弁２６によって分岐流路２４が閉状態である場合には、排ガスは分岐流路２４を流れず高温流路１３を流れる。高温流路１３を流れる排ガスは、発電に用いられることなく、そのまま排出される。

また図２に実線で示すように、分岐開閉弁２６によって分岐流路２４が開状態である場合には、排ガスは高温流路１３を流れず分岐流路２４を流れる。分岐流路２４を流れる排ガスは、フィン３０によって熱が回収されて熱電素子１２の一端部１２ａを加熱する。すると熱電素子１２は、分岐流路２４と低温流路２５との温度差によって発電する。

次に複数の熱電素子１２の配置に関して、図３および図４を用いて説明する。図３および図４では、図２の上方から下方に熱電素子１２を見た図であり、排ガスが上方から下方に流れる場合を示している。図３および図４に示すように、高温流路１３と低温流路２５とが対向する配置領域４０に、複数の熱電素子１２がマトリクス状に配置されている。したがって配置領域４０は、絶縁層の平面領域である。本実施形態では、配置領域４０の幅は、高温流路１３の幅と略等しい。そして配置領域４０において、排ガスの流れ方向Ｘの上流側に配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。

ここで素子密度は、単位面積当たりの素子数、または単位面積当たりの素子が占める面積のいずれかを用いる。熱電素子１２のサイズが互いに等しい場合は、素子密度は単位面積当たりの素子数を用いる。また複数の熱電素子１２のうちサイズが異なる熱電素子１２が１つでもある場合には、単位面積当たりの素子が占める面積を用いる。図３および図４では、熱電素子１２の大きさは互いに等しいので、単位面積当たりの素子数を用いる。

図３に示す配置例では、流れ方向Ｘに隣接する素子の間隔が徐々に大きくなっている。これによって素子密度が上流側の方が下流側よりも高い。また図４では、配置領域４０が仮想線で示すように、３つの領域に分かれている。各領域における素子密度が互いに異なる。具体的には、最も上流側の領域は、素子数が最も多い。また最も下流の領域では、素子数が最も少ない。そして中間の領域は、素子数が２番目に多い。これによって上流側の領域は、中間の領域および下流の領域よりも素子密度が高い。

熱電素子１２の素子密度が高くなると、すなわち素子が密に配置されると、各熱電素子１２の熱抵抗が低減する。これによって全ての熱電素子１２の熱抵抗の合計である全熱抵抗も低減する。熱抵抗が低減すると、熱電素子１２が高温になりにくくなる。逆に、素子密度が低くなると、すなわち熱電素子１２が疎に配置されると、熱抵抗が増大し、全熱抵抗も増大する。熱抵抗が増大すると、熱電素子１２が高温になりやすくなる。

次に、各配置例における素子数に関して、図５を用いて説明する。図５では、同じ配置領域４０に、均一に熱電素子１２を配置した比較例と、図４のように一部密にした配置例と、図３のようにグラデーションのように徐々に密にした配置例とが示されている。そして図５では、この３つの配置例において、同じ発電出力を得るために必要な熱電素子１２の素子数が示されている。図５によると、均一な比較例が最も素子数が必要であり、一部密の配置例では１４％素子数を低減でき、グラデーションの配置例では、２４％素子数を低減できる。

以上説明したように本実施形態の熱電発電装置１０は、配置領域４０において排ガスの温度が高い高温領域に配置される熱電素子１２の素子密度は、排ガスの温度が低い低温領域に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子１２の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子１２の熱交換量を少なくすることができる。したがって高温領域において各熱電素子１２が高温になりすぎることを抑制することができる。

また低温領域では、素子密度を低くして、素子一個当たりの発電性能を高くしている。したがって低温領域では、素子数を少なくしても発電性能の低下を抑制することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子１２の素子数を少なくすることができる熱電発電装置１０を実現することができる。

さらに本実施形態では、配置領域４０において、排ガスの上流側に位置する高温領域４０ａに配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に位置する低温領域４０ｂに配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。従来のように熱電素子１２を均一に配置すると、排ガスの上流側の高温側では熱電素子１２が高温になりすぎる場合がある。このような従来の配置では、熱電素子１２は高温環境でも耐えられる性能が求められる。しかし低温度域で高効率の素子、たとえばＢｉＴｅは耐熱性が劣るので、高効率の素子を用いることができない。そこで本実施形態では、素子密度を排ガスの上流側と下流側とで変化させている。これによって上流側の高温領域４０ａでは熱電素子１２が密に配置されるので、熱電素子１２が高温になりすぎることを抑制することができる。また下流側の低温領域４０ｂでは熱電素子１２が疎に配置されるので、下流側では排ガスの温度が低くなっていても、熱電素子１２に充分な温度差をつけることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図６〜図８を用いて説明する。本実施形態では、配置領域４０には、複数の熱電素子１２の集合体であるモジュール４１が複数配置されている点に特徴を有する。

各モジュール４１は、複数の熱電素子１２と電極とこれらを挟んで支持する２枚の基板とを含む。そして２枚の絶縁層の間に、モジュール４１が配置される。

各モジュール４１は、図６に示すように、上面から見た形状が正方形状であって、正方形の基体の上に複数の熱電素子１２がマトリクス状に配置されている。図６に示す実施例では、５つのモジュール４１が配置領域４０に配置されており、各モジュール４１の構成は互いに等しい。また排ガスの上流側に配置されるモジュール４１は、下流側に配置されるモジュール４１よりも多い。図６に示す実施例では、上流側の高温領域４０ａには３つのモジュール４１が配置され、下流側の低温領域４０ｂには２つのモジュール４１が配置されている。

また図７に示す実施例では、高温領域４０ａに配置されるモジュール４１と低温領域４０ｂに配置されるモジュール４１とでは、素子密度が互いに異なる。高温領域４０ａのモジュール４１は、熱電素子１２が密に配置されており、素子密度が高い。これに対して低温領域４０ｂのモジュール４１は、熱電素子１２が高温領域４０ａのモジュール４１よりも疎に配置されており、素子密度が低い。具体的には、低温領域４０ｂのモジュール４１では、熱電素子１２の配置間隔が高温領域４０ａのモジュール４１よりも大きくなっている。

さらに図８に示す実施例では、高温領域４０ａに配置されるモジュール４１と低温領域４０ｂに配置されるモジュール４１とでは、素子密度が互いに異なる。図８に示す実施例は、図７と同様に、高温領域４０ａのモジュール４１は、低温領域４０ｂのモジュール４１よりも熱電素子１２が密に配置されている。さらに各モジュール４１内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。換言すると、１つのモジュール４１内において、排ガスの流れ方向Ｘの間隔が下流に向かうにつれて徐々に大きくなっている。

本実施形態では、配置領域４０には、複数の熱電素子１２の集合体であるモジュール４１が複数配置されている。これによってモジュール４１単位で熱電素子１２を取り扱うことができる。したがって１つ１つ熱電素子１２を扱うよりも、取り扱いが容易となる。

さらに本実施形態では、排ガスの上流側に配置されるモジュール４１は、下流側に配置されるモジュール４１よりも多い。これによって配置領域４０全体で見た場合、熱電素子１２の素子密度が上流側を下流側よりも高くすることができる。これによってモジュール４１の個数を選択することによって、上流と下流とで疎密を作ることができる。

また本実施形態では、図７に示すように排ガスの上流側に配置されるモジュール４１の熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置されるモジュール４１の熱電素子１２の素子密度よりも高い。したがって取り扱うモジュール４１の種類は増えるが、より排ガスの温度に応じた素子密度のモジュール４１を用いることができる。これによって排ガスの温度に適した素子密度を選択して、発電性能を高くすることができる。

また本実施形態では、図８に示すように、モジュール４１内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。モジュール４１内においても排ガスが流れることによって、排ガスの温度が変化している。この温度変化に対応するように、熱電素子１２の間隔を選択して、発電性能を高くすることができる。

本実施形態では、モジュール４１は、高温領域４０ａと低温領域４０ｂにそれぞれ１列設けられているが、１列、合計２列に限るものではない。３列以上であってもよく、本実施形態の各モジュール４１を組み合わせることもできる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図９〜図１１を用いて説明する。本実施形態では、配置領域４０には、第２実施形態と同様に、モジュール４１が複数配置されており、高温領域４０ａと低温領域４０ｂとのモジュール数が等しい点に特徴を有する。

本実施形態では、各モジュール４１は、図９〜図１１に示すように、６つのモジュール４１が配置領域４０に配置されている。また高温領域４０ａに配置されるモジュール数は３つであり、低温領域４０ｂに配置されるモジュール数も３つである。

図９に示す実施例では、６つのモジュール４１における熱電素子１２の配置は互いに等しい。そして各モジュール４１内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。

また図１０に示す実施例では、高温領域４０ａに配置されるモジュール４１と低温領域４０ｂに配置されるモジュール４１とでは、素子密度が互いに異なる。図７の実施例と同様に、高温領域４０ａのモジュール４１は、低温領域４０ｂのモジュール４１よりも素子密度が高い。具体的には、低温領域４０ｂのモジュール４１では、熱電素子１２の配置間隔が高温領域４０ａのモジュール４１よりも大きくなっている。

さらに図１１に示す実施例では、高温領域４０ａに配置されるモジュール４１と低温領域４０ｂに配置されるモジュール４１とでは、素子密度が互いに異なる。図１０に示す実施例と同様に、高温領域４０ａのモジュール４１は、低温領域４０ｂのモジュール４１よりも素子密度が高い。さらに各モジュール４１内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子１２の素子密度は、下流側に配置される熱電素子１２の素子密度よりも高い。

このように本実施形態では、モジュール数は高温領域４０ａと低温領域４０ｂとで等しいが、配置領域４０全体でみると、上流側が下流側よりも素子密度が高くなるように構成されている。これによって前述の第２実施形態と同様に、発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子１２の素子数を少なくすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図１２を用いて説明する。本実施形態では、熱電素子１２のサイズが複数ある点に特徴を有する。本実施形態では、４つのサイズの熱電素子１２が用いられている。各サイズの熱電素子１２は、配置領域４０の４つの領域にそれぞれ配置されている。

各領域における素子密度は、上流側が最も高く、下流側に向かうにつれて、順次、小さくなる。本実施形態では、熱電素子１２のサイズが異なるので、素子密度は、単位面積当たりの素子が占める面積が用いられる。

最も上流側の第１領域４０１にサイズが最も大きい熱電素子１２が配置されている。上流側から２番目の第２領域４０２にサイズが２番目に大きい熱電素子１２が配置されている。上流側から３番目の第３領域４０３にサイズが３番目に大きい熱電素子１２が配置されている。最も下流側の第４領域４０４にサイズが最も小さい熱電素子１２が配置されている。そして各領域において、流れ方向Ｘの間隔が調整されて、素子密度が第１領域４０１で最も高くなるように構成されている。

このように本実施形態では、熱電素子１２のサイズが４種類あるが、このようにサイズが異なる熱電素子１２を用いても、素子密度を変更することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、各領域における素子数を少なくすることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に関して、図１３を用いて説明する。本実施形態では、流れ方向Ｘだけでなく、流れ方向Ｘに直交する幅方向Ｙに関しても、素子密度が異なる点に特徴を有する。素子密度は、排ガスが高温の領域において、高くすることが好ましい。そして排ガスの温度分布は、幅方向Ｙに一様でない場合があり、たとえば配置領域４０の幅方向Ｙの中央の温度が高温の場合がある。このような場合には、幅方向Ｙにおいても、素子密度を一様にするのではなく、図１３に示すように、中央の領域４０５を左右の領域４０６よりも素子密度が高くなるように構成している。

このように排ガスの配置領域４０における温度分布に応じて、素子密度を設定することが好ましい。これによって排ガスの温度に適した素子密度にすることができる。したがって熱電素子１２が高温になることを抑制しつつ、素子数を低減することができる。

また排ガスの配置領域４０における温度分布が、たとえば本実施形態とは逆に、中央の領域４０５が左右の領域４０６よりも低温の場合には、当然に、素子密度が中央の領域４０５が低くなるように構成される。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、分岐流路２４の下流側は、高温流路１３の分岐部１３ａの下流側に位置する合流部１３ｂに連結されているが、分岐流路２４はこのような構成に限るものではない。分岐流路２４は、合流せずにそのまま別ルートで大気に放出されてもよい。

前述の第１実施形態では、分岐流路２４の中央を低温流路２５が貫通する構成であるが、このような構成に限るものではなく分岐流路２４の上方に低温流路２５が並行するように設けてもよい。

前述の第１実施形態では、熱電素子１２は、高温流体である排ガスと、低温流体である冷却水とによって発電しているが高温流体と低温流体とは排ガスと冷却水に限るものではない。たとえば高温流体は、内燃機関以外の排ガスであってもよい。また低温流体は、冷却水でなく外気を導入してもよい。また車両に限るものではなく、他の乗り物、また工場および一般住宅に適用してもよい。

前述の第１実施形態では、分岐流路２４と高温流路１３とはそれぞれ１つであってが、１つに限るものではなく、いずれか一方が複数でもよく、両方が複数であってもよい。

前述の第１実施形態では、分岐流路２４の下流側に分岐開閉弁２６が設けられているが下流側に限るものではない。分岐開閉弁２６は、分岐流路２４の上流側に設けてもよい。

前述の第１実施形態では、排ガスの流路幅は、流れ方向Ｘに同じであるが、流路幅が同じなくてもよい。たとえば下流側の流路幅が狭くして、排ガスが高温になるように構成してもよい。また上流側の流路幅を広くして、排ガスが低温になるように構成してもよい。

前述の第１実施形態では、熱電素子１２は、全て同じ発電特性および耐熱特性を有しているが、このような同じ熱電素子１２に限るものではない。たとえば熱電素子１２の材質および製造方法を替えて、上流側は耐熱性に優れる熱電素子１２を用いてもよい。

前述の第１実施形態では、熱電素子１２は、平面視で正方形状であったが、正方形状に限るものではなく、長方形状、円形状、楕円形状、その他の多角形状あってもよい。素子密度を調整する際に、適宜、形状が選択される。

前述の第１実施形態では、排ガスの流れ方向Ｘに温度差があるが、排ガスでなく高温流体が液体の場合には、流れ方向Ｘに温度差が少なく、幅方向Ｙに温度差がある場合もある。このような温度差、すなわち幅方向Ｙに温度分布の変化がある場合にも、温度分布に応じて素子密度を変更してもよい。

１０…熱電発電装置 １２…熱電素子 １３…排気管 １４…エンジン冷却水回路
２３…熱電発電器 ２４…分岐流路（高温流路）
２５…エンジン入口側流路（低温流路） ２６…分岐開閉弁 ３０…フィン
４０…配置領域 ４０ａ…高温領域 ４０ｂ…低温領域 ４１…モジュール
４０１…第１領域 ４０２…第２領域 ４０３…第３領域 ４０４…第４領域
４０５…中央の領域 ４０６…左右の領域 Ｘ…流れ方向

Claims (7)

1. 高温流体が流れる高温流路（２４）と、
   前記高温流体より低温の低温流体が流れる低温流路（２５）と、
   前記高温流路と前記低温流路との間に設けられる熱電素子であって、前記高温流路側の端部（１２ａ）には前記高温流体の熱量が伝わり、前記低温流路側の端部（１２ｂ）から前記低温流体へ熱量を伝え、前記高温流体と前記低温流体との温度差によって発電する熱電素子（１２）と、を含み、
   前記熱電素子は、予め定める配置領域（４０）に複数配置されており、
   前記配置領域における前記高温流体の温度分布に基づいて、温度が高い領域（４０ａ）に配置される前記熱電素子の素子密度は、温度が低い領域（４０ｂ）に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記配置領域において、前記高温流体の流れ方向（Ｘ）の上流側に配置される前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記配置領域には、複数の前記熱電素子の集合体であるモジュール（４１）が複数配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記モジュールは、前記流れ方向の下流側に配置される前記モジュールよりも多いことを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記モジュール内において、前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする請求項３または４に記載の熱電発電装置。
6. 前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記モジュールの前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記モジュールの前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
7. 前記熱電素子の素子密度は、単位面積当たりの素子数、および単位面積当たりの素子が占める面積のいずれか一方であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱電発電装置。

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