JP4285438B2 - 熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車のエンジンの排気等の高温流体が有する熱を利用して発電を行なう熱発電装置に関する。

自動車等の車両において、エンジンの排気熱を利用して発電を行なう熱発電装置を搭載したものがある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、排気管の上下にそれぞれ複数配置された熱発電素子を、各熱発電素子に対応して設けられた複数の低温側部材と排気管との間に挟み込んで熱発電装置を構成している。排気管上下の各低温側部材は、それぞれ排気管の上下に設けられた冷却パイプによって連通しており、各冷却パイプを通じて流されるエンジン冷却水によって冷却されるようになっている。
特開２００２−３２５４７０号公報 特開２００４−２０８４７６号公報 特開平７−２６０２８７号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、排気管上下の冷却パイプにエンジン冷却水を均等に流すことについて考慮されておらず、排気管上下の冷却パイプにエンジン冷却水が均等に流れないことが懸念される。

本発明は上記事実を考慮して、加熱部の外側に周方向に沿って配置された複数の冷却部に冷媒を均等に流すことができる熱発電装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱発電装置は、加熱部の外側に該加熱部の周方向に沿って配置され、それぞれ前記加熱部との間に熱発電素子を挟み込んだ複数の冷却部と、前記各冷却部に冷媒を分配するための分配用流路と、前記分配用流路と前記冷却部とを連通する少なくとも２つの分岐流路と、前記分配用流路における前記２つの分岐流路間に設けられ、該分配用流路に冷媒を導入するための冷媒導入部と、を備えている。

請求項１記載の熱発電装置では、冷媒導入部から分配用流路に導入された冷媒は、少なくとも２つの分岐流路（分岐流路は、さらに分岐して複数の冷却部に接続されても良い）を経由して加熱部の周方向に沿って配置された各冷却部に分配される。各熱発電素子は、それぞれ冷媒が通過する冷却部よって低温側が冷却されると共に加熱部によって高温側が加熱されることで、該高温側と低温側との温度差に応じた起電力を生じる（すなわち発電を行なう）。ここで、分配用流路から分岐した２つの分岐流路が冷媒導入部を挟んで反対側に（並列的に）配置されているため、各分岐流路が冷媒導入部に対し同じ側に直列的に配置されている構成と比較して、冷媒を各冷却部に均等に分配することができる。

このように、請求項１記載の熱発電装置では、加熱部の外側に周方向に沿って配置された複数の冷却部に冷媒を均等に流すことができる。これにより、各冷却部が均等に冷却され、発電効率が向上することが期待される。

請求項２記載の発明に係る熱発電装置は、請求項１記載の熱発電装置において、前記分岐流路は、前記各分岐流路を結ぶ円弧状に形成されている。

請求項２記載の熱発電装置では、分配用流路が加熱部との干渉を回避するように各分岐流路を結ぶ円弧状に形成されているため、分配用流路での流れの乱れが少なく、冷媒が各冷却部に一層均等に分配される。また、分配用流路での冷媒の流動抵抗も低減される。

請求項３記載の発明に係る熱発電装置は、請求項２記載の熱発電装置において、前記冷却部は、前記加熱部の周方向に３つ以上配置されており、前記分岐流路は、前記分配用流路と各冷却部とをそれぞれ独立して接続すると共に前記加熱部の周方向に等間隔に配置されており、前記分配用流路は、両端部に２つの前記分岐流路が配置されるようにＣ字形状に形成されている。

請求項３記載の熱発電装置では、所定の円弧に沿うＣ字状に形成された分配用流路の長手方向（周方向）両端を含む３箇所以上の部位に等間隔又は不等間隔（一部が等間隔の場合を含む）で配置された各分岐流路が、それぞれ対応する冷却部と分配用流路とを連通している。冷媒導入部は、分配用流路の長手方向端部以外の部分に設けられている。分岐流路が３つ以上設けられているため、Ｃ字形状の分配用流路が好適に適用される。すなわち、Ｃ字形状の分配用流路は、加熱部との干渉を回避しつつ、冷媒の流れを乱さないように各、３つ以上の分岐流路を連通する構成を実現する。特に、各冷却部が配置される仮想円と分配用流路とが略同軸同径となる構成とすれば、分岐流路長を均等化することができ、冷媒の均等分配性が向上する。

請求項４記載の発明に係る熱発電装置は、請求項３記載の熱発電装置において、前記３つ以上の分岐流路は、前記冷媒導入部に対し対称に配置されている。

請求項４記載の熱発電装置では、各分岐流路がＣ字形状の分配用流路における冷媒導入部の両側に対称に配置されるため、各冷却部に冷媒が均等に分配される。

請求項５記載の発明に係る熱発電装置は、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱発電装置記載の熱発電装置において、前記各分岐流路は、前記冷媒導入部から離間しているものよりも該冷媒導入部に近接しているものの方が同流量の冷媒を通過させた場合の流動抵抗が小さい設定とされている。

請求項５記載の熱発電装置では、冷媒導入部に近接して位置する（分配用流路の末端から離間する）ために冷却部上流側の圧力が低くなる分岐流路は、冷媒導入部から離間して位置する分岐流路に対し同流量の冷媒を流した場合の流動抵抗（流動抵抗係数）が小さくなる設定であるため、換言すれば、配置上は相対的に冷媒が流れにくい分岐流路を単体では相対的に冷媒が流れ易い寸法形状としたため、冷媒は各分岐流路すなわち冷却部に一層均等に流れる。

請求項６記載の発明に係る熱発電装置は、請求項５記載の熱発電装置において、前記各分岐流路は、それぞれ円形断面とされており、前記冷媒導入部から離間しているものよりも該冷媒導入部に近接しているものの方が大径とされている。

請求項６記載の熱発電装置では、冷媒導入部に近接して位置する分岐流路と、冷媒導入部から離間して位置する分岐流路とで内径を異ならせることで、前者の流動抵抗が小さくなる構成、すなわち冷媒を各冷却部に均等に分配する構成を実現している。

以上説明したように本発明に係る熱発電装置は、加熱部の外側に周方向に沿って配置された複数の冷却部に冷媒を均等に流すことができるという優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る熱発電装置である排気熱発電装置１０について、図１乃至図４に基づいて説明する。

図１には、排気熱発電装置１０の概略全体構成が正面図にて示されており、図２には排気熱発電装置１０の概略全体構成が側面図にて示されている。また、図３には、図２の３−３線に沿う断面図が示されている。これらの図に示される如く、排気熱発電装置１０は、自動車に適用され、内燃機関エンジンの排気ガスによって加熱される加熱部としての高温側熱交換部１２と、エンジン冷却水によって冷却される冷却部としての低温側熱交換器１４との間に挟まれた複数の熱発電素子（熱電素子モジュールともいう）１６を備え、この熱発電素子１６が高温側と低温側との温度差に応じた起電力を生じる発電装置とされている。以下、具体的に説明する。

図１乃至図３に示される如く、排気熱発電装置１０は、高温側ハウジング１８を備えている。図３に示される如く、高温側ハウジング１８は、略正方形筒状に形成されており、その四隅にはそれぞれ略正方形筒状に形成された角パイプ２０が配設されている。高温側ハウジング１８における上下方向又は左右方向に隣り合う角パイプ２０間には、それぞれ貫通孔１８Ａが形成されており、これらの貫通孔１８Ａはそれぞれ集熱部材２２の素子接触板２２Ａにて閉止されている。各素子接触板２２Ａからは、それぞれ複数の集熱フィン２２Ｂが立設されており、集熱フィン２２Ｂは素子接触板２２Ａが貫通孔１８Ａを閉止した状態で高温側ハウジング１８内に入り込んでいる。これら高温側ハウジング１８と各集熱部材２２とが、後述する高温ガス導入パイプ２４を囲むように高温側熱交換部１２を構成しており、素子接触板２２Ａにおける集熱フィン２２Ｂ立設側と反対側の面が高温側熱交換部１２の外面１２Ａを構成している。

また、高温側ハウジング１８の軸心部には、該高温側ハウジング１８の軸線方向に長手方向を一致させた高温ガス導入パイプ（排気管）２４が配設されている。高温ガス導入パイプ２４は、そのパイプ壁に連通孔２４Ａが設けられており、図示しない内燃機関エンジンから導入された高温の排気ガスを高温側ハウジング１８内に導出するようになっている。連通孔２４Ａは、各集熱部材２２側を向けて放射状に、高温ガス導入パイプ２４の周方向に沿う複数箇所（この実施形態では４箇所）に設けられている。

これにより、高温側ハウジング１８内では、高温ガス導入パイプ２４の外面と各素子接触板２２Ａとの間に形成された計４つの高温側熱交換路２６が、高温側ハウジング１８（高温ガス導入パイプ２４）の周方向に沿って配置されている。各集熱部材２２の集熱フィン２２Ｂは、それぞれ対応する高温側熱交換路２６内に位置している。なお、高温ガス導入パイプ２４から各高温側熱交換路２６に導入された排気ガスは、該高温側熱交換路２６を通過した後には角パイプ２０の内部を通って装置外（自動車のマフラー装置等）に排出されるようになっている。

そして、図３に示される如く、各集熱部材２２の素子接触板２２Ａにおける集熱フィン２２Ｂ立設側と反対側の面、すなわち高温側熱交換部１２の外面１２Ａには、それぞれ熱発電素子１６の高温側の面が接触している。一方、平板状に形成された各熱発電素子１６の高温側の面とは反対側の面、すなわち低温側の面には、それぞれ低温側熱交換器１４が接触している。低温側熱交換器１４は、熱発電素子１６ごとに設けられており、それぞれの内部を通過する冷媒としてのエンジン冷却水との熱交換によって熱発電素子１６を冷却するようになっている。

熱発電素子１６は、例えばゼーベック効果等によって、高温側（排気ガス）と低温側（エンジン冷却水）との温度差に基づく起電力を生じる構成とされている。図１に示される如く、１つの熱発電素子１６、これに接触する集熱部材２２（高温側熱交換路２６）及び低温側熱交換器１４が、１つの発電ユニット２８を構成している。また、図３に示される如く、高温側ハウジング１８（高温側熱交換部１２）の周方向に沿って配置された複数（この実施形態では４つ）の発電ユニット２８が１つの発電ユニット群３０を構成している。したがって、各発電ユニット群３０では、４つの低温側熱交換器１４が高温側熱交換部１２の周方向に等間隔で配置されている。

図２に示される如く、この実施形態では、高温側ハウジング１８の軸線方向に沿って３つの発電ユニット群３０が設けられている。そして、各発電ユニット群３０では、複数（４つ）の発電ユニット２８を構成する熱発電素子１６が、集熱部材２２、低温側熱交換器１４が、各低温側熱交換器１４の外側から巻き掛けられる図示しない共通のバンド状部材によって拘束されることで、高温側ハウジング１８に保持されている。

また、高温側ハウジング１８の軸線方向に隣り合う発電ユニット群３０は、高温側ハウジング１８の周方向における各発電ユニット２８（低温側熱交換器１４）の位置を一致させている。これにより、図２に示される如く、高温側ハウジング１８の軸線方向に沿って直線状に配置された複数（この実施形態では３つ）の発電ユニット２８が１つの発電ユニット列３２を構成している。この実施形態では、高温側ハウジング１８の周方向に沿って４つの発電ユニット列３２が設けられている。各発電ユニット列３２では、高温側ハウジング１８の軸線方向に隣り合う低温側熱交換器１４が連通パイプ３４によって接続されている。

そして、排気熱発電装置１０は、各発電ユニット列３２に冷媒としてのエンジン冷却水を分配するための冷却水分配構造３５を備えている。この冷却水分配構造３５では、各発電ユニット列３２におけるエンジン冷却水の流れ方向の最上流（図２の左端）に位置する各低温側熱交換器１４の上流端に、それぞれ分岐流路としての分岐管３６が接続されている。一方、各発電ユニット列３２におけるエンジン冷却水の流れ方向の最下流（図２の右端）に位置する各低温側熱交換器１４の下流端には、それぞれ分岐流路としての合流管３８が接続されている。

さらに、各発電ユニット列３２の分岐管３６は、分配用流路としての共通の冷却水入口ヘッダ４０に接続されており、各発電ユニット列３２の合流管３８は、共通の冷却水出口ヘッダ４２に接続されている。冷却水入口ヘッダ４０には、冷却水導入部としての冷却水導入管４４が接続されており、冷却水出口ヘッダ４２には、冷却水導出部である冷却水排出管４６が接続されている。図２に示される如く、各発電ユニット列３２では、分岐管３６、連通パイプ３４、合流管３８は、高温側ハウジング１８の軸線方向に沿う一直線状に配置されている。また、この実施形態では、図１に示される如く、分岐管３６、連通パイプ３４、合流管３８は、低温側熱交換器１４の幅方向中央部に接続されている。

これにより、排気熱発電装置１０の冷却水分配構造３５では、冷却水導入管４４から冷却水入口ヘッダ４０に導入されたエンジン冷却水が各分岐管３６に分配されて各発電ユニット列３２の低温側熱交換器１４（連通パイプ３４）を直線的に通過し、このエンジン冷却水が各合流管３８を経由して冷却水出口ヘッダ４２で合流して冷却水排出管４６から系外（ラジエータ等）に排出されるようになっている。この冷却水の流れによって、各発電ユニット２８において低温側熱交換器１４が熱発電素子１６を冷却する構成である。

ここで、図１に示される如く、冷却水入口ヘッダ４０は、正面視で、高温側ハウジング１８の周方向に等間隔で配置された４つの分岐管３６を結ぶ仮想円（図示省略）に沿う円弧状に形成されている。より具体的には、冷却水入口ヘッダ４０は、４つの分岐管３６のうち周方向に隣り合う２つの分岐管３６（図４に示す分岐管３６Ａ）が周方向（冷却水入口ヘッダ４０の長手方向）両端に位置するように、正面視で略Ｃ字状に形成されている。これにより、冷却水入口ヘッダ４０は、有端とされており、その内部でエンジン冷却水の環状流が生成されない構成とされている。以下の説明では、各分岐管３６を区別する場合に、冷却水入口ヘッダ４０の両端に位置する２つの分岐管３６を分岐管３６Ａ、残余の２つの分岐管３６を分岐管３６Ｂという。なお、符号３６Ａ、３６Ｂは図４（Ａ）にのみ図示している。

そして、本冷却水分配構造３５では、冷却水導入管４４は、冷却水入口ヘッダ４０における２つの分岐管３６Ａ接続部位の間に接続されている。この実施形態では、冷却水導入管４４は、その両側に分岐管３６が２つずつ対称に位置するように冷却水入口ヘッダ４０の長手方向中央部に接続されている。したがって、図４（Ａ）に示される如く、冷却水入口ヘッダ４０の両端に位置する２つの分岐管３６Ａから冷却水導入管４４までの距離はほぼ等しく、また残余の２つの分岐管３６Ｂから冷却水導入管４４間での距離はほぼ等しい構成とされている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の排気熱発電装置１０では、自動車のエンジンが始動すると、エンジンの排気ガスが高温ガス導入パイプ２４を通じて各高温側熱交換路２６内、すなわち高温側熱交換部１２に導入される。この排気ガスは、集熱フィン２２Ｂと接触しつつ素子接触板２２Ａに熱を与える（熱交換する）。これにより、各発電ユニット２８において、熱発電素子１６の高温側が加熱される。上記熱交換によって冷却されつつ高温側熱交換部１２を通過した排気ガスは、角パイプ２０内を通じて装置外に排出される。一方、エンジン冷却水は、エンジンのウォータポンプの作動によって、例えば各発電ユニット列３２の各発電ユニット２８の低温側熱交換器１４、エンジン、ラジエータの順に循環し、各低温側熱交換器１４を介して熱発電素子１６の低温側を冷却する。

以上のように、各発電ユニット２８を構成する熱発電素子１６の高温側が排気ガスの熱を有効利用して加熱されると共に、各熱発電素子１６の低温側が冷却水にて冷却されることで、各熱発電素子１６の高低温側間の温度差が確保され、各熱発電素子１６は、この温度差に基づく起電力を生じる。すなわち、各発電ユニット２８では、熱発電素子１６が発電を行なう。発電された電力は、自動車に搭載された蓄電池であるバッテリ等に蓄えられる（バッテリを充電する）。

ここで、排気熱発電装置１０では、冷却水導入管４４が冷却水入口ヘッダ４０における２つの分岐管３６Ａの接続部位の間に配置された冷却水分配構造３５を備えるため、各分岐管３６すなわち発電ユニット列３２の低温側熱交換器１４を流れる（供給される）エンジン冷却水の偏りを抑制することができる。具体的には、有端の冷却水入口ヘッダ４０では、その端部４０Ａで圧力が高くなるために端部４０Ａに近い分岐管３６のエンジン冷却水流量が端部４０Ａから遠い分岐管３６におけるエンジン冷却水流量よりも大きくなるので、例えば図４（Ｂ）に比較例として示す如き冷却水入口ヘッダ４０の一端部に接続された冷却水導入管４４に対し分岐管３６が他端側にのみ直列的に配置された比較例では、該他端４０Ａから遠い順にエンジン冷却水の流量が少なくなる。しかも、この比較例では、両端の分岐管３６の距離が大きい（２７０°相当）ため、各分岐管３６の流量差が大きい。

これに対して排気熱発電装置１０の冷却水分配構造３５では、図４（Ａ）に示される如く、冷却水導入管４４を冷却水入口ヘッダ４０における２つの分岐管３６Ａの接続部位の間に配置することで、冷却水導入管４４の両側にそれぞれ分岐管３６が並列的に配置され、各発電ユニット列３２でのエンジン冷却水通過による圧力損失差（上流側の圧力差）が小さくなり、エンジン冷却水流量が均等に各分岐管３６に導入される。特に、排気熱発電装置１０では、冷却水導入管４４が冷却水入口ヘッダ４０の長手方向中央部に配置され、該冷却水導入管４４の両側に同数（２つ）ずつの分岐管３６が略対称に位置しているため、エンジン冷却水が各分岐管３６に一層均等に導入される。すなわち、冷却水入口ヘッダ４０の両端４０Ａ近傍に接続された２つの分岐管３６Ａに導入されるエンジン冷却水の流量はほぼ等しくなり、また残余の２つの分岐管３６Ｂに導入されるエンジン冷却水流量はほぼ等しくなり、かつ分岐管３６Ａと分岐管３６Ｂとの距離が小さい（９０°相当）ために該分岐管３６Ａと分岐管３６Ｂとのエンジン冷却水流量差が小さい。

このように、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０では、高温側熱交換部１２の外側に周方向に沿って配置された複数の低温側熱交換器１４（の集合体を含む発電ユニット列３２）に、エンジン冷却水を均等に流すことができる。また、冷却水入口ヘッダ４０有端であるため、環状のヘッダを設けた構成のようにヘッダ内に環状流が形成されて冷却水の循環動力が増大してしまうことが防止されている。以上により、排気熱発電装置１０では、各発電ユニット２８において熱発電素子１６の低温側が低温側熱交換器１４によって均等に冷却され、各発電ユニット列３２での冷却効率が均一化されるので、全体としての発電効率が向上する。

次に、本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。

図５には、第２の実施形態に係る排気熱発電装置１０を構成する冷却水分配構造５０が図４（Ａ）に対応する背面図にて示されている。この図に示される如く、冷却水分配構造５０では、冷却水入口ヘッダ４０の両端に、分岐管３６（分岐管３６Ａ）に代えて、それぞれ分岐管４８が接続されている。分岐管４８は、分岐管３６よりも小径とされており、同流量のエンジン冷却水の通過に伴う流動抵抗（圧力損失）が相対的に大きくなる構成である。

したがって、第２の実施形態に係る冷却水分配構造５０では、冷却水入口ヘッダ４０に対する配置上は分岐管４８よりもエンジン冷却水が流れにくい分岐管３６（分岐管３６Ｂ）を、相対的に大径にして該分岐管４８単体ではエンジン冷却水が流れ易い構造とすることで、各分岐管３６、４８に導入されるエンジン冷却水流量を一層均等化する構成とされている。そして、各分岐管３６、４８の内径は、エンジン冷却水流量が均等になるように、数値解析（ＣＡＥ等）によって決められている。なお、分岐管３６、４８の内径を異ならせるだけでなく、各発電ユニット列３２ごとに連通パイプ３４の内径を異ならせて構成しても良い。また、分岐管３６及び分岐管４８の断面形状や断面積を異ならせることで、各発電ユニット列３２にエンジン冷却水が均等に流れる構成としても良い。

以上により、第２の実施形態に係る排気熱発電装置１０では、各分岐管３６、４８すなわち各発電ユニット列３２に一層均等にエンジン冷却水が流れる。これにより、各発電ユニット列３２での冷却効率が一層均一化されるので、全体としての発電効率が一層向上する。

なお、上記各実施形態では、各発電ユニット群３０が高温側ハウジング１８の周方向に等間隔で配置された４つの発電ユニット２８（すなわち低温側熱交換器１４）を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、各発電ユニット群３０が２つ、３つ又は５つ以上の発電ユニット２８を有して構成されても良い。

また、上記実施形態では、複数の発電ユニット群３０が設けることで発電ユニット列３２が構成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気熱発電装置が単一の発電ユニット群３０を備える構成としたり、各発電ユニット群３０ごとに冷却水入口ヘッダ４０を有する構成としたりすることも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置の概略全体構成を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置の側面図である。 図２の３−３線に沿った断面図である。 （Ａ）は図２の４Ａ−４Ａ線から見た背面図、（Ｂ）は比較例に係る冷却水分配構造を示す背面図である。 本発明の第２の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する冷却水分配構造の背面図である。

符号の説明

１０ 排気熱発電装置（熱発電装置）
１２ 高温側熱交換部（加熱部）
１４ 低温側熱交換器（冷却部）
１６ 熱発電素子
３６ 分岐管（分岐流路）
４０ 冷却水入口ヘッダ（分配用流路）
４４ 冷却水導入管（冷媒導入部）
４８ 分岐管（分岐流路）

Claims (6)

1. 加熱部の外側に該加熱部の周方向に沿って配置され、それぞれ前記加熱部との間に熱発電素子を挟み込んだ複数の冷却部と、
   前記各冷却部に冷媒を分配するための分配用流路と、
   前記分配用流路と前記冷却部とを連通する少なくとも２つの分岐流路と、
   前記分配用流路における前記２つの分岐流路間に設けられ、該分配用流路に冷媒を導入するための冷媒導入部と、
   を備えた熱発電装置。
2. 前記分岐流路は、前記各分岐流路を結ぶ円弧状に形成されている請求項１記載の熱発電装置。
3. 前記冷却部は、前記加熱部の周方向に３つ以上配置されており、
   前記分岐流路は、前記分配用流路と各冷却部とをそれぞれ独立して接続すると共に前記加熱部の周方向に等間隔に配置されており、
   前記分配用流路は、両端部に２つの前記分岐流路が配置されるようにＣ字形状に形成されている請求項２記載の熱発電装置。
4. 前記３つ以上の分岐流路は、前記冷媒導入部に対し対称に配置されている請求項３記載の熱発電装置。
5. 前記各分岐流路は、前記冷媒導入部から離間しているものよりも該冷媒導入部に近接しているものの方が同流量の冷媒を通過させた場合の流動抵抗が小さい設定とされている請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱発電装置。
6. 前記各分岐流路は、それぞれ円形断面とされており、前記冷媒導入部から離間しているものよりも該冷媒導入部に近接しているものの方が大径とされている請求項５記載の熱発電装置。

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