JP4479408B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電素子に温度差を与えゼーベック効果によって発電を行う熱電発電装置に関するものである。

従来の熱電発電装置として、例えば特許文献１に示されるように、複数の熱電素子（熱電発電モジュール）を並列配置すると共に、この複数の熱電素子を高温側熱源部（高温側となる吸熱構造体）と低温側熱源部（低温側となる放熱構造体）との間に挟持して、高温側熱源部と低温側熱源部との間に生じる温度差によって、電力を発生するものが知られている。

ここでは、熱電素子に対する高温側熱源部あるいは低温側熱源部の一方の接触面を、弾性平板に一体的に保持されると共に、複数の熱電素子の各々に対して独立して接合される複数の金属平板から成るようにしており、各々の熱電素子の厚さにバラツキがあっても、そのバラツキが弾性平板により吸収され、各々の熱電素子すべてにおいて確実に密接接合した熱的接触の良好な状態を確保できるようにしている。
特開平１１−４０８６３号公報

しかしながら、複数の熱電素子を高温側熱源部および低温側熱源部によって挟持する際に、各熱電素子の位置ずれを防止するために、これら熱電素子をそれぞれの金属平板に接合しており、組付けに手間を要するものとなっている。

尚、特許文献１中には、上記位置決めを容易にするために、金属平板の外周に案内用のリブを設けることが開示されているが、リブの加工により、金属平板の面粗度や平面度の低下を招くおそれがあり、本来の狙いであるところの良好な熱的接触が損なわれる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、複数の熱電素子を挟持するものにおいて、高温側熱源部と低温側熱源部との良好な熱的接触を確保しつつ、複数の熱電素子を容易に組付け可能とする熱電発電装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、高温流体を熱源とする高温側熱源部（１１０）と、高温流体より低温となる低温流体を熱源とする低温側熱源部（１２０）との間に、複数の熱電素子（１３０）が並列に介在されて成る熱電発電装置において、高温側熱源部（１１０）あるいは低温側熱源部（１２０）の少なくとも一方には、複数の熱電素子（１３０）の周りを囲む枠体（１４０）が接合されたことを特徴としている。

これにより、複数の熱電素子（１３０）に対する高温側熱源部（１１０）および低温側熱源部（１２０）の接触面の面粗度や平行度を低下させること無く、良好な熱的接触を確保しつつ、複数の熱電素子（１３０）の位置決めが可能となり、複数の熱電素子（１３０）の高温側熱源部（１１０）あるいは低温側熱源部（１２０）への接合を不要として、組付け性を向上することができる。

ここで、複数の熱電素子（１３０）は、直列あるいは並列となるように互いに接続されるものであるが、熱電素子（１３０）から延びるリード線（１３１）を互いにより合わせてろう接等で接続したり、コネクタ等によって接続すると、熱電素子（１３０）からのリード線（１３１）部分が長く突出した形となり、組付け時の妨げとなる。また、外部から振動負荷を受けると、リード線（１３１）の先端側がフリーな状態であるため、付け根部に応力が集中し、リード線（１３１）が断線するというおそれが生ずる。

そこで、請求項２に記載の発明では、複数の熱電素子（１３０）は、枠体（１４０）に設けられた複数の通電部（１４３）を介して、互いに接続されたことを特徴としている。

これにより、上記のようなリード線（１３１）の不要な突出を無くし、組付け時の妨げを無くすことができる。また、リード線（１３１）は通電部（１４３）に固定されるので、外部の振動負荷に対して、断線に至る心配が無くなる。

請求項２における接続は、請求項３に記載の発明のように、複数の通電部（１４３）における接続は、ろう接により接続することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、複数の通電部（１４３）における接続は、通電部（１４３）に設けられた孔部（１４３ａ）に、複数の熱電素子（１３０）のリード線（１３１）が挿入されて成る接続としても良く、これにより、ワンタッチでの接続を可能として、請求項３に記載のようなろう接を不要とすることができる。

更に、請求項５に記載の発明のように、リード線（１３１）および孔部（１４３ａ）のあけられる方向を枠体（１４０）内に複数の熱電素子（１３０）が挿入される方向と同一となるようにすれば、熱電素子（１３０）を枠体（１４０）内へ挿入させつつ、リード線（１３１）を孔部（１４３ａ）へ挿入することができ、作業性を向上することができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の熱電発電装置１００は、水冷式のエンジン１０を有する車両に適用され、エンジン１０の冷却に伴う排熱エネルギーを電気エネルギーに回収するものとしており、まず、図１〜図４を用いてその基本構成について説明する。尚、図１はエンジン１０を含む全体構成を示す模式図、図２は熱電発電装置１００の全体構成を示す分解斜視図、図３は枠体１４０を示す平面図、図４は枠体１４０内に配設される各熱電素子１３０のリード線１３１の接続状態を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図１に示すように、エンジン１０にはエンジン冷却水回路２０およびラジエータ２１が設けられており、エンジン１０内の冷却水は、ウォータポンプ１１によってエンジン冷却水回路２０、ラジエータ２１を循環する。そして、ラジエータ２１の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１０の作動温度が適切に制御される。尚、エンジン冷却水回路２０には、ラジエータ２１をバイパスするバイパス流路２２と、ラジエータ２１側あるいはこのバイパス流路２２側への冷却水流量を調節するサーモスタット２３とが設けられている。

熱電発電装置１００は、上記エンジン冷却水回路２０のうち、ラジエータ２１とバイパス流路２２との間に配設されており、エンジン１０から流出する冷却水（高温水であり、本発明の高温流体に対応する）は、後述する高温側熱源部１１０を流通するようにしており、ラジエータ２１を通過した後の冷却水（低温水であり、本発明の低温流体に対応する）は、後述する低温側熱源部１２０を流通するようにしている。

以下、熱電発電装置１００の詳細について説明する。図２に示すように、熱電発電装置１００は、交互に複数積層される高温側熱源部１１０と低温側熱源部１２０との間にゼーベック効果を利用して発電を行う複数の熱電素子１３０が並列に介在されることで形成されている。ここでは、高温側熱源部１１０が３つ、低温側熱源部１２０が４つ、熱電素子１３０が９６個（各熱源部１１０、１２０間で１６個×６段）使用されるものとしており、全体が１３層構造となっている。高温側熱源部１１０と熱電素子１３０との間、低温側熱源部１２０と熱電素子１３０との間には、それぞれ接触熱抵抗を低減させるための熱伝導グリスが塗布、あるいは伝熱シートが介在されている。尚、各熱源部１１０、１２０の積層方向を以下、図２に合わせて上下方向と呼ぶことにする。

高温側熱源部１１０は、外周部に縁立て成形された一対のプレート部材が最中合わせされることによって形成される扁平方形状の容器体であり、一端側に張出し部１１１が設けられ、中央部にはボルト１７１挿通用のボルト穴１１２が設けられている。尚、高温側熱源部１１０の内部には、高温水の熱を熱電素子１３０に効率良く伝達するためのインナーフィン（図示せず）が挿入されている。

そして、高温側熱源部１１０の基本形状としては、張出し部１１１には、下側に延びる大径パイプ１１３と、上側に延びる小径パイプ１１４とが、それぞれ高温側熱源部１１０の内部と連通するように接合されている。そして、小径パイプ１１４の先端側には円周方向に溝が形成されており、ここにＯリング１１５が装着されるようにしている。

尚、複数積層される高温側熱源部１１０のうち、最上段に位置するものについては、小径パイプ１１４に代えて、高温入口パイプ１１６、高温出口パイプ１１７を設けており、また、最下段に位置するものについては、大径パイプ１１３を設けないものとしている。

一方、低温側熱源部１２０は、張出し部１２１の位置が上記高温側熱源部１１０の張出し部１１１を避ける位置となるようにしている点が異なっている。その他の点は同一であり、低温側熱源部１２０は、中央部にボルト穴１２２を有し、内部には熱電素子１３０から低温水への熱伝達を効率良く行なうためのインナーフィン（図示せず）が挿入されている。そして、張出し部１２１には、大径パイプ１２３と、Ｏリング１２５が装着される小径パイプ１２４とが設けられている。尚、最上段に位置する低温側熱源部１２０には、小径パイプ１２４に代えて、低温入口パイプ１２６、低温出口パイプ１２７を設けており、最下段に位置する低温側熱源部１２０には、大径パイプ１２３を設けないものとしている。

熱電素子１３０は、ゼーベック効果を利用して発電を行う（あるいはペルチェ効果を利用して熱を発生する）周知の素子であり、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが金属電極を介して交互に直列に接続されて形成されたものである。Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接続するリード線１３１は、熱電素子１３０の一端側の２箇所で突出している。ここでは、１つの発電素子１３０は、一辺が略４０ｍｍの正方形を成すものとしており、１６個の熱電素子１３０が高温側熱源部１１０と低温側熱源部１２０との間に並列（一面上）に配置され、それぞれの熱電素子１３０がリード線１３１によって直列に接続されている（接続方法の詳細については、後述する）。

そして、本発明においては、上記複数の熱電素子１３０の位置決め用および接続用に枠体１４０を新たに設けるようにしている。枠体１４０は樹脂材から成り、図３に示すように、外形が各熱源部１１０、１２０よりも一回り小さい正方形を成し、厚みは熱電素子１３０よりも薄くなるように（熱電素子１３０の略半分となるように）形成されている。枠体１４０の内側には２つの開口部１４１が形成されており、各開口部１４１には、それぞれ８個の熱電素子１３０がほぼ隙間無く挿入されるようにしている（枠体１４０は、複数の熱電素子１３０の周りを囲む）。

また、２つの開口部１４１の間には、各熱源部１１０、１２０のボルト穴１１２、１２２に対応するように、ボルト穴１４２（２つ）が形成されている。因みに、ボルト穴１４２の外周側には、対向する各熱源部１１０、１２０のボルト穴１１２、１２２に挿入される円筒状の凸部が形成されており、枠体１４０と各熱源部１１０、１２０との組付け時に位置決めできるようにしている。

枠体１４０の外周部および開口部１４１の間には、各熱電素子１３０のリード線１３１の位置に対応するように、銅板から成る複数の通電部１４３が接合されており、この枠体１４０はいわゆるプリント基板を形成している。図３中の左側および右側中段部においては、通電部１４３が縦方向に延びる形となっており、この通電部１４３の中間部（図３中の破線表示部）の表面にはコーティング材による絶縁部１４４が設けられ、外部と絶縁されるようにしている。

そして、上記枠体１４０を用いて熱電発電装置１００を以下のように組付けする。即ち、図４に示すように、各熱源部１１０、１２０の上側面に枠体１４０を配置して、接着剤等で接合する。この時、上記で説明したように、枠体１４０は、各熱源部１１０、１２０に対して、ボルト穴１１２、１２２、１４２部において、位置決めされる。

次に、各枠体１４０の開口部１４１内に、リード線１３１と通電部１４３との位置が一致するように、熱電素子１３０（１６個）を挿入する。そして、各リード線１３１と通電部１４３との半田付け（本発明におけるろう接）を行い、半田付けの後にリード線１３１の表面にシリコン剤等で防水処理を施す。この枠体１４０によって、１６個の熱電素子１３０は、各熱源部１１０、１２０の上側面に位置決め、配置され、且つ直列に接続（電気接続）されることになる。

次に、図２に示すように、下側から低温側熱源部１２０（熱電素子１３０装着あり）、高温側熱源部１１０（熱電素子１３０装着あり）を交互に積層し、最上段に低温側熱源部１２０（熱電素子１３０装着なし）をセットする。この時、下側に位置する低温側熱源部１２０の小径パイプ１２４が上側に位置する低温側熱源部１２０の大径パイプ１２３に挿入され、Ｏリング１２５が大径パイプ１２３の内周面と小径パイプ１２４の外周面との間に介在されて接続される。この大径パイプ１２３、小径パイプ１２４、Ｏリング１２５によって、複数の低温側熱源部１２０は、互いに連通することになり、最上段の低温側熱源部１２０の上側には低温入口パイプ１２６、低温出口パイプ１２７が開口する形となる。

同様に、下側に位置する高温側熱源部１１０の小径パイプ１１４が上側に位置する高温側熱源部１１０の大径パイプ１１３に挿入され、Ｏリング１１５を介して接続される。この大径パイプ１１３、小径パイプ１１４、Ｏリング１１５によって、複数の高温側熱源部１１０は、互いに連通することになり、最上段の高温側熱源部１１０の上側には高温入口パイプ１１６、高出口パイプ１１７が開口する形となる。

次に、最下段の低温側熱源部１２０の下側に下側プレート１５０をセットし、また、最上段の低温側熱源部１２０の上側に上側プレート１６０をセットし、複数の高温側熱源部１１０、低温側熱源部１２０、熱電素子１３０を挟み込んで、ボルト１７１およびナット１７２によって一体的に固定する。そして、各熱電素子１３０が所定の面圧で対向する各熱源部１１０、１２０と接触する熱電発電装置１００として形成される。

熱電発電装置１００の高温入口パイプ１１６、高温出口パイプ１１７は、エンジン冷却回路２０のラジエータ２１上流側に接続される。また、低温入口パイプ１２６、低温出口パイプ１２７はラジエータ２１下流側に接続される。

上記の熱電発電装置１００においては、エンジン１０作動後に冷却水が温度上昇して所定温度を超えて（例えば９０℃を超えて）、サーモスタット２３がラジエータ２１側に開くと、エンジン１０から流出する高温水は、熱電発電装置１００の高温入口パイプ１１６を経て、複数の高温側熱源部１１０を流通し、高温出口パイプ１１７を通ってラジエータ２１に流入する。

また、ラジエータ２１を通過した後の低温水は、低温入口パイプ１２６から複数の低温側熱源部１２０を流通し、低温出口パイプ１２７を通ってエンジン１０に戻る。

そして、複数の熱電素子１３０は、高温側熱源部１１０を流通する高温水と低温側熱源部１２０と流通する低温水とによって温度差が与えられ、所定の発電量をもって発電することなり、この発電によって得られた電力は、図示しない充電器（バッテリ）へ充電されたり、各種補機作動のために使用される。

尚、冷却水温度が所定温度（例えば９０℃）以下においては、サーモスタット２３によってラジエータ２１側が閉じられ、冷却水がバイパス流路２２側を流通することでエンジン１０の暖機が促進されることになる。

上記のように１つの熱源部１１０、１２０間に複数の熱電素子１３０が介在される熱電発電装置１００においては、その組付け作業に手間のかかるものとなるが、本発明においては、枠体１４０を設けるようにしているので、複数の熱電素子１３０に対する高温側熱源部１１０および低温側熱源部１２０の接触面の面粗度や平行度を低下させること無く、良好な熱的接触を確保しつつ、複数の熱電素子１３０の位置決めが可能となり、複数の熱電素子１３０の高温側熱源部１１０あるいは低温側熱源部１２０への接合（本明細書中の課題の項で説明した内容）を不要として、組付け性を向上することができる。

更に、複数の熱電素子１３０は、枠体１４０に設けられた複数の通電部１４３を介して、半田付けによって互いに接続されるようにしているので、リード線１３１の不要な突出を無くし、組付け時の妨げを無くすことができる。また、リード線１３１は通電部１４３に固定されるので、外部の振動負荷に対して、断線に至る心配が無くなる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５〜図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、リード線１３１の接続方法を変更したものである。

具体的には、枠体１４０の通電部１４３に熱電素子１３０のリード線１３１が挿入される孔部１４３ａを設けている。併せて枠体１４０には、孔部１４３ａに対応する下穴１４５を設けている。そして、この孔部１４３ａおよび下穴１４５があけられる方向は、枠体１４０の開口部１４１内に熱電素子１３０が挿入される方向（各熱源部１１０、１２０の積層方向）と同一としている。また、熱電素子１３０のリード線１３１の先端側は、折り曲げられて、上記孔部１４３ａ、下穴１４５のあけられる方向と同一としている。

熱電素子１３０の組付け時においては、熱電素子１３０を枠体１４０の開口部１４１内に挿入しながら、リード線１３１を孔部１４３ａ（下穴１４５）に挿入して、嵌合させる（機械的接合）。

これにより、上記第１実施形態のような半田付けを不要として、ワンタッチでリード線１３１を通電部１４４に接合でき、作業性を向上することができる。

尚、リード線１３１および孔部１４３ａの方向は、上記実施形態のものに限らず、他の設計上、製造上の制約等に応じて、変更しても良い。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、熱電発電装置１００の高温流体、低温流体としてそれぞれ、エンジン冷却水回路２０のエンジン１０から流出する冷却水（高温水）とラジエータ２１を通過した後の冷却水（低温水）とを用いたが、これに限らず、例えば、高温流体としてエンジン１０の排気ガスとしたり、低温流体としてエンジン冷却水回路２０とは別に設けられる専用の冷却水回路の冷却水等としても良い。

また、各熱源部１１０、１２０は複数設けられ、積層されて複数組の熱電素子１３０を挟持するものとして説明したが、これに限らず、各１つの高温側熱源部１１０と低温熱源部１２０とによって熱電素子１３０が挟持されるものとしても良い。

エンジンを含む全体構成を示す模式図である。 熱電発電装置の全体構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態における枠体を示す平面図である。 図３における枠体内に配設される各熱電素子のリード線の接続状態を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 第２実施形態における枠体を示す平面図である。 図５における枠体内に配設される各熱電素子のリード線の接続状態を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図６におけるＡ−Ａ部を示す断面図である。

符号の説明

１００ 熱電発電装置
１１０ 高温側熱源部
１２０ 低温側熱源部
１３０ 熱電素子
１３１ リード線
１４０ 枠体
１４３ 通電部
１４３ａ 孔部

Claims (5)

1. 高温流体を熱源とする高温側熱源部（１１０）と、前記高温流体より低温となる低温流体を熱源とする低温側熱源部（１２０）との間に、複数の熱電素子（１３０）が並列に介在されて成る熱電発電装置において、
   前記高温側熱源部（１１０）あるいは前記低温側熱源部（１２０）の少なくとも一方には、前記複数の熱電素子（１３０）の周りを囲む枠体（１４０）が接合されたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記複数の熱電素子（１３０）は、前記枠体（１４０）に設けられた複数の通電部（１４３）を介して、互いに接続されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記複数の通電部（１４３）における接続は、ろう接による接続としたことを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記複数の通電部（１４３）における接続は、前記通電部（１４３）に設けられた孔部（１４３ａ）に、前記複数の熱電素子（１３０）のリード線（１３１）が挿入されて成る接続としたことを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
5. 前記リード線（１３１）および前記孔部（１４３ａ）のあけられる方向は、前記枠体（１４０）内に前記複数の熱電素子（１３０）が挿入される方向と同一となるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。

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