JP5737139B2

JP5737139B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP5737139B2
Application number: JP2011242361A
Authority: JP
Inventors: 拓臣神長; 一稔若月
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: JP2013099201A

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。

従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。

従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周面に熱電変換モジュールの高温側の一側面を接触させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に接触させたものが知られている。

この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気管と温度の低い冷却水管により、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。

また、熱電変換モジュールは、高温側と低温側との温度差が大きい程、発電効率が大きくなる性質を有している。このため、排気管と熱電変換モジュールの高温側との間の接触面圧が低下すると、排気ガスから熱電変換モジュールへの入熱が低下してしまい、熱電変換モジュールの発電効率が減少してしまうことになる。
したがって、排気管と熱電変換モジュールの高温側との接触面圧を増大させる必要がある。

従来、排気管と熱電変換モジュールの高温側との接触面圧を増大させることができる熱電発電装置としては、特許文献１に記載されたものが知られている。
この熱電発電装置は、エンジンから放出される排気ガスが流通し、断面周状の気体流路を形成する排気管の内周側と外周側とに、それぞれ熱電変換モジュールが設けられており、排気管の内周側に設けられた熱電変換モジュールの内側に、熱電変換モジュールを排気管に対して押圧する押圧部材が設けられている。

この押圧部材は、熱電変換モジュールと接触して熱電変換モジュールに押圧力を付与する板ばねと、板ばねに反力を付与するパイプ部材とから構成されており、パイプ部材は、排気管を流通する気体の流れ方向に沿って径が変化するテーパ形状に構成されている。

この熱電発電装置は、排気管の内周側に設けられた熱電変換モジュールの内側に、熱電変換素子を排気管に対して押圧する板ばねが設けられているため、排気管の内側に設けられた熱電変換モジュールと排気管との接触面圧を増大させることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

また、パイプ部材が、排気管を流通する気体の流れ方向に沿って径が変化するテーパ形状に形成されているため、熱電変換モジュールとパイプ部材との間に板ばねを配置した状態で、パイプ部材を排気管内に挿入するだけで、板ばねによって排気管に熱電変換モジュールを押圧することができ、熱電発電装置の組付け性を向上させることができる。

特開２００５−２０９７２４号公報

しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、排気管と熱電変換モジュールとを接触させて熱電変換モジュールに押圧力を付与する板ばねと、板ばねに反力を付与するパイプ部材とを設けているため、排気管と熱電変換モジュールとの接触面圧を増大させるための部品点数が多くなってしまう。このため、熱電発電装置の製造コストが増大してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、簡素な構成で熱電変換モジュールの発電効率を増大させることができ、製造コストが増大するのを防止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。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管の外周部に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管の外周部に接触するとともに他側面が前記冷却水管の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、前記排気管および前記冷却水管が、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成され、前記排気管の開口径が大きい排気方向一端部が前記冷却水管に固定され、前記排気管の開口径の小さい排気方向他端部が前記冷却水管に対して固定されない自由端として構成されている。

この熱電発電装置は、排気管および冷却水管が、排気ガスの排気方向に向かってテーパ状に形成され、排気管および冷却水管が、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成され、排気管の開口径が大きい排気方向一端部が冷却水管に固定され、排気管の開口径の小さい排気方向他端部が冷却水管に対して自由端となっているため、排気管を流通する排気ガスの熱によって排気管が熱膨張したときに、排気管が、冷却水管に固定されている排気方向一端部を基点として排気方向他端部に向かって延伸する。

このため、排気管が、開口径の大きい側から開口径の小さい側に延伸することになり、排気管と熱電変換モジュールの接触面圧を排気方向一端部から他端部に向かって増大させることができる。この結果、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

このように、熱電発電装置は、排気管および冷却水管をテーパ管として排気管の排気方向一端部を冷却水管に固定するだけの簡素な構成によって熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができるので、熱電発電装置の部品点数が増加するのを防止して、熱電発電装置の製造コストが増大するのを防止することができる。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（２）内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管の外周部に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管の外周部に接触するとともに他側面が前記冷却水管の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、前記排気管および前記冷却水管が、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成され、前記排気管の排気方向の略中央部が前記冷却水管に固定され、前記排気管の開口径の大きい排気方向一端部および開口径の小さい排気方向他端部が前記冷却水管に対して固定されない自由端として構成されている。

この熱電発電装置は、排気管の排気方向の略中央部が冷却水管に固定され、排気管の開口径の大きい排気方向一端部および開口径の小さい排気方向他端部が冷却水管に固定されない自由端として構成されているため、排気管を流通する排気ガスの熱によって排気管が熱膨張したときに、排気管が、冷却水管に固定されている排気方向の略中央部を基点として排気方向一端部および排気方向他端部に向かって延伸する。

このため、排気管が、排気方向の略中央部から開口径の小さい側に延伸することになり、排気管と熱電変換モジュールの接触面圧を排気方向一端部から他端部に向かって増大させることができる。この結果、排気ガスから熱電変換モジュールへの伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

上記（１）、（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記排気管の開口径の大きい排気方向一端部を排気方向上流側に設置したものから構成されている。

この熱電発電装置は、排気管の開口径の大きい排気方向一端部を排気方向上流側に設置したので、排気管内を流れる排気ガスの流速を上流側から下流側に向かって上昇させることができる。このため、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスの流速が上昇すると、排気ガスから下流側の熱電変換モジュールへの伝熱効率を上流側の熱電変換モジュールよりも向上させることができ、結果的に熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

すなわち、排気管内を流れる排気ガスは、排気ガスの排気方向の上流側の熱電変換モジュールによって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、排気管の下流側の排気ガスの熱量が低下してしまう。

このため、下流側の熱電変換モジュールの発電効率が上流側の熱電変換モジュールの発電効率に比べて低下し、結果的に熱電変換モジュールの全体の発電効率が低下してしまうおそれがある。

本発明の熱電発電装置は、排気ガスの流速を上流側から下流側に向かって上昇させて排気ガスから下流側の熱電変換モジュールへの伝熱効率を上流側の熱電変換モジュールよりも向上させることができるため、下流側の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができ、熱電変換モジュール全体の発電効率が低下するのを防止することができる。

また、排気管が排気方向の略中央部から開口径の大きい側（上流側）に延伸した場合には、上流側の熱電変換モジュールと排気管との接触面圧が低下し、排気管が排気方向の略中央部から開口径の小さい側（下流側）に延伸した場合には、下流側の熱電変換モジュールと排気管との接触面圧が増大する。

ここで、排気ガスの排気方向の上流側の熱電変換モジュールは、下流側の熱電変換モジュールに比べて高温の排気ガスに晒されてしまうため、上流側の熱電変換モジュールが熱害を受け易く、却って発電効率が低下しまうおそれがある。

本発明の熱電発電装置は、排気方向上流側の熱電変換モジュールと排気管との接触面圧を低下させることができるため、上流側の熱電変換モジュールの熱電効率を低下させて上流側の熱電変換モジュールが高温の排気ガスによって熱害を受けるのを防止することができる。

また、排気管内を流れる排気ガスは、排気ガスの排気方向の上流側の熱電変換モジュールによって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、排気管の下流側の排気ガスの熱量が低下してしまう。

本発明の熱電発電装置は、下流側の熱電変換モジュールと排気管との接触面圧を増大させることができるため、下流側の熱電変換モジュールの熱電効率を向上させて下流側の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができ、熱電変換モジュール全体の発電効率が低下するのを防止することができる。

本発明によれば、簡素な構成で熱電変換モジュールの発電効率を増大させることができ、製造コストが増大するのを防止することができる熱電発電装置を提供することができる。

本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、他の構成の熱電発電装置の断面図である。本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の断面図である。本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面図である。本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、図６のＡ−Ａ方向矢視断面図である。本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図であり、図７のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１〜図４は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。

排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。

この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。

ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。

例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。

このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系には、熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。

図２に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される排気管２１を備えており、この排気管２１の上流端は、排気管４に連結されているとともに、排気管２１の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。

そして、排気管２１の内部にはエンジン１から排出された排気ガスＧが排気管４を通して導入される排気通路２２が形成されており、この排気通路２２に導入された排気ガスＧは、テールパイプ１９を通して外部（大気）に排出される。

また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２３と筒状の冷却水管２４とを備えている。

図３に示すように、熱電変換モジュール２３は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂを介して交互に直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール２３は、配線３５を介して電気的に連結されている。

この熱電変換モジュール２３は、一側面である受熱基板２９が排気管２１の外周部２１ｃに接触するとともに、他側面である放熱基板３０が冷却水管２４の内周部２４ｃに接触しており、排気ガスＧの排気方向に並列に設置されている。なお、図１では、受熱基板２９および放熱基板３０を省略して熱電変換モジュール２３を簡略化している。

そして、熱電変換モジュール２３は、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル３４を介してバッテリに電力を供給するようになっている。

なお、熱電変換モジュール２３は、略正方形のプレート形状をしており、排気管２１および冷却水管２４の間に密着させる必要があるため、排気管２１および冷却水管２４は、多角形に形成されている。なお、排気管２１および冷却水管２４は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２３の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。

冷却水管２４は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２４ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２４ｂを備えている。

この冷却水管２４は、冷却水導入部２４ａから冷却水管２４に導入された冷却水Ｗが排気ガスＧの排気方向と同方向、すなわち、上流側から下流側に流れるように、冷却水導入部２４ａに対して冷却水排出部２４ｂが排気方向下流側に設けられている。

また、排気管２１および冷却水管２４は、排気ガスＧの排気方向に沿ってテーパ形状に形成されており、排気管２１は、冷却水管２４の一部分に環状のブラケット２５によって固定されている。

すなわち、排気管２１は、開口径が大きい排気方向一端部である上流部２１ａがブラケット２５を介して冷却水管２４に固定されており、開口径の小さい排気方向他端部である下流部２１ｂが冷却水管２４に対して固定されない自由端から構成されている。

なお、本実施の形態の排気管２１は、上流部２１ａが排気管４に固定されているが、下流部２１ｂが冷却水管２４には固定されていないため、排気管２１の下流部２１ｂは、冷却水管２４に対しては、自由端であると言える。

また、熱電発電装置１７は、排気管２１の開口径が大きい上流部２１ａが排気方向上流側に設置されており、排気管４から導入される排気ガスＧは、開口径が大きい上流部２１ａから開口径の小さい下流部２１ｂに流れるようになっている。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。

この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスにより昇温されることになる。

また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。
エンジン１の冷間始動時には、排気管４から排気管２１の排気通路２２に導入された排気ガスによって冷却水管２４を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。

エンジン１の暖機後には、排気管４から排気管２１の排気通路２２に導入された排気ガスＧの熱エネルギーが、熱電変換モジュール２３によって圧力エネルギーに効率よく変換される。

また、エンジン１の暖機後には、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水Ｗがラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水Ｗが供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管２１および冷却水管２４を、排気ガスＧの排気方向に沿ってテーパ形状に形成し、開口径の大きい排気管２１の上流部２１ａと冷却水管２４をブラケット２５によって固定し、開口径の小さい排気管２１の下流部２１ｂを冷却水管２４に対して固定されない自由端から構成している。

このため、排気管２１の排気通路２２を流通する排気ガスＧの熱によって排気管２１が熱膨張したときに、排気管２１が、冷却水管２４に固定されている開口径の大きい上流部２１ａを基点として開口径の小さい下流部２１ｂに向かって延伸する（図２に矢印Ｌで示す）。

このため、排気管２１と熱電変換モジュール２３の受熱基板２９との接触面圧を増大させ、排気ガスＧから熱電変換モジュール２３への伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができる。

なお、排気管２１の開口径の大きい上流部２１ａを自由端とし、開口径の小さい下流部２１ｂを冷却水管２４に固定した場合には、排気管２１が、冷却水管２４に固定されている開口径の小さい上流部２１ａを基点として開口径の大きい下流部２１ｂに向かって延伸する。
このため、排気管２１と熱電変換モジュール２３の受熱基板２９との間に隙間が形成されて接触面圧が低下することになり、熱電変換モジュール２３の受熱基板２９との接触面圧が低下する。

このように本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管２１をテーパ管として排気管２１の上流部２１ａを冷却水管２４に固定するだけの簡素な構成によって熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができるので、熱電発電装置１７の部品点数が増加するのを防止して、熱電発電装置１７の製造コストが増大するのを防止することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管２１の開口径の大きい上流部２１ａを排気ガスの排気方向の上流側に設置したので、すなわち、開口径の大きい上流部２１ａから排気管２１に排気ガスＧを導入するようにしたので、排気管２１の排気通路２２を流れる排気ガスＧの流速を上流部２１ａから下流部２１ｂに向かって上昇させることができる。

このため、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスＧの流速が上昇すると、排気ガスＧから下流側に位置する熱電変換モジュール２３への伝熱効率を上流側の熱電変換モジュール２３よりも向上させることができ、結果的に熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができる。

すなわち、排気管２１内を流れる排気ガスＧは、排気管２１の上流部２１ａの熱電変換モジュール２３によって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、排気管２１の下流部２１ｂの排気ガスＧの熱量が低下してしまう。

このため、下流側に位置する熱電変換モジュール２３の発電効率が上流側に位置する熱電変換モジュール２３の発電効率に比べて低下し、結果的に熱電変換モジュール２３の全体の発電効率が低下してしまうおそれがある。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気ガスＧの流速を排気管２１の上流部２１ａから下流部２１ｂに向かって上昇させて排気ガスＧから下流側に位置する熱電変換モジュール２３への伝熱効率を上流側に位置する熱電変換モジュール２３よりも向上させることができる。このため、下流側に位置する熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３全体の発電効率が低下するのを防止することができる。

なお、本実施の形態では、排気管２１の排気方向一端部である開口径の大きい側を上流部２１ａとし、排気方向他端部である開口径の小さい側を下流部２１ｂとしているが、これに限らず、図４に示すように、排気管２１の開口径の小さい側を上流部２１ｄとし、開口径の大きい側を下流部２１ｅとしてもよい。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

図５において、排気管４１の上流部４１ａは、排気管４に連結されており、排気管４１の下流部４１ｂは、テールパイプ１９に連結されている。

排気管４１の内部には排気管４およびテールパイプ１９に連通する排気通路４２が形成されており、排気管４から排出された排気ガスＧは、排気通路４２を通してテールパイプ１９に排気される。

この排気管４１の排気方向略中央部には環状のブラケット４３が設けられており、排気管４１は、ブラケット４３を介して冷却水管２４に固定されている。また、排気管４１の排気方向一端部である上流部４１ａおよび排気方向他端部である下流部４１ｂは、冷却水管２４に固定されない自由端から構成されている。

なお、本実施の形態の排気管４１は、上流部４１ａが排気管４に固定されているとともに下流部４１ｂがテールパイプ１９に固定されているが、上流部４１ａおよび下流部４１ｂが冷却水管２４には固定されていないため、排気管２１の上流部４１ａおよび下流部２１ｂは、冷却水管２４に対しては、自由端であると言える。

また、排気管４１の外周部４１ｃと冷却水管２４の内周部２４ｃとの間には図３の同一の構成を有する熱電変換モジュール２３が介装されており、この熱電変換モジュール２３は、ブラケット４３が設けられている排気管４１の中央部分には設けられていない。

また、排気管４１は、開口径の大きい上流部４１ａが排気ガスＧの排気方向上流側に設置されており、排気管４から導入される排気ガスＧは、開口径が大きい上流部４１ａから開口径の小さい下流部４１ｂに流れるようになっている。

本実施の形態では、排気管４１の排気通路４２を流通する排気ガスＧの熱によって排気管４１が熱膨張したときに、排気管４１が、冷却水管２４に固定されている略中央部を基点とし、略中央部から上流部４１ａ（矢印Ｌ１方向）および下流部４１ｂ（矢印Ｌ２方向）に向かって延伸する。

このため、排気管４１と下流側の熱電変換モジュール２３の接触面圧を増大させ、排気ガスＧから熱電変換モジュール２３への伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができる。

特に、本実施の形態では、排気管４１の開口径の大きい上流部４１ａを排気方向上流側に設置したので、排気管４１が排気方向の略中央部から開口径の大きい上流部４１ａに延伸した場合には、上流側に位置する熱電変換モジュール２３と排気管４１との接触面圧を低下させることができる。

また、排気管４１が排気方向の略中央部から開口径の小さい下流部４１ｂに延伸した場合には、下流側に位置する熱電変換モジュール２３と排気管４１との接触面圧を増大させることができる。

ここで、上流側に位置する熱電変換モジュール２３は、下流側に位置する熱電変換モジュール２３に比べて高温の排気ガスに晒されてしまうため、上流側に位置する熱電変換モジュールが熱害を受け易く、却って発電効率が低下しまうおそれがある。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、上流側に位置する熱電変換モジュール２３と排気管４１との接触面圧を低下させることができるため、上流側に位置する熱電変換モジュール２３の熱電効率を低下させて上流側に位置する熱電変換モジュール２３が高温の排気ガスによって熱害を受けるのを防止することができる。

また、排気管４１内を流れる排気ガスは、排気管２１の上流側に位置する熱電変換モジュール２３によって排気ガスの熱量の多くが奪われてしまい、排気管２１の下流側の排気ガスの熱量が低下してしまう。

このため、排気管４１の下流側の熱電変換モジュール２３の発電効率が上流側の熱電変換モジュールの２３の発電効率に比べて低下し、結果的に熱電変換モジュール２３の全体の発電効率が低下してしまうおそれがある。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管４１の下流側に位置する熱電変換モジュール２３と排気管４１との接触面圧を増大させることができるため、排気管４１の下流側に位置する熱電変換モジュール２３の熱電効率を向上させて下流側に位置する熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３全体の発電効率が低下するのを防止することができる。

（第３の実施の形態）
図６〜図８は、本発明に係る熱電発電装置の第３の実施の形態を示す図である。
図６〜図８において、熱電発電装置５１は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される多角形状の複数の排気管５２を備えており、この排気管５２の外周部５２ｃには多角形状の外管５３が設けられている。

この外管５３の上流端は、排気管４に連結されているとともに、外管５３の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。このため、排気管４から外管５３の上流端に導入された排気ガスＧは、複数の排気管５２にそれぞれ導入された後、排気管５２の下流端で合流されて外管５３の下流端からテールパイプ１９に排出されるようになっている。

また、熱電発電装置５１は、外管５３の内部が複数の仕切部材５４、５５によって排気方向に仕切られており、排気管５２は、仕切部材５４、５５を介して外管５３に保持されている。

また、外管５３の内部には排気管５２の外周部５２ｃに位置するようにして複数の内管５６が設けられており、この内管５６は、外管５３の内部を排気方向に仕切る仕切部材５７、５８によって外管５３に保持されている。

外管５３、内管５６および仕切部材５７、５８によって囲まれる空間は、冷却水Ｗが流通する冷却水路５９を画成している。本実施の形態では、外管５３および内管５６によって冷却水管が構成されている。

また、外管５３には上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部５３ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部５３ｂを備えており、冷却水Ｗは、冷却水導入部５３ａから冷却水路５９に導入された後、冷却水排出部５３ｂから排出される。

また、排気管５２の外周部５２ｃと内管５６の内周部５６ａとの間には図３に示すものと同一の構成を有する熱電変換モジュール２３が介装されている。

また、排気管５２および内管５６は、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成されており、排気管５２の上流部５２ａは、仕切部材５４に固定されている。また、排気管５２の下流部５２ｂは、円筒状のメッシュ６０を介して仕切部材５５に支持されており、排気管５２の下流部５２ｂは、仕切部材５５に対して固定されない自由端から構成されている。

本実施の形態の排気管５２は、開口径が大きい排気方向一端部である上流部５２ａが仕切部材５４を介して外管５３に固定されており、開口径の小さい排気方向他端部である下流部５２ｂが仕切部材５５を介して外管５３に固定されない自由端から構成されている。

すなわち、内管５６は、仕切部材５７、５８を介して外管５３に固定されており、排気管５２は、上流部５２ａが仕切部材５４を介して外管５３に固定されているとともに、下流部５２ｂが仕切部材５５を介して外管５３に固定されない自由端から構成されていることになる。したがって、排気管５２の上流部５２ａは、内管５６に固定され、排気管５２の下流部５２ｂは、内管５６に対して固定されない自由端となる。

また、熱電発電装置５１は、排気管５２の開口径が大きい上流部５２ａが排気方向上流側に設置されており、排気管４から導入される排気ガスＧは、開口径が大きい上流部５２ａから開口径の小さい下流部５２ｂに流れるようになっている。

本実施の形態では、排気管５２を流通する排気ガスＧの熱によって排気管５２が熱膨張したときに、排気管５２が、仕切部材５４を介して外管５３に固定されている上流部５２ａを基点とし、上流部５２ａから下流部５２ｂに向かって延伸する（図７にＬ３で示す）。

このため、排気管５２と熱電変換モジュール２３の接触面圧を増大させ、排気ガスＧから熱電変換モジュール２３への伝熱効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができる。

特に、本実施の形態では、排気管５２の開口径の大きい上流部５２ａを排気方向上流側に設置したので、ニュートンの冷却の法則により、排気ガスＧの流速が上昇すると、排気ガスＧから下流側に位置する熱電変換モジュール２３への伝熱効率を上流側の熱電変換モジュール２３よりも向上させることができ、結果的に熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができる。

このため、排気管５２の下流側に位置する熱電変換モジュール２３の熱電効率を向上させて下流側に位置する熱電変換モジュール２３の発電効率を向上させることができ、熱電変換モジュール２３全体の発電効率が低下するのを防止することができる。
なお、排気管５２および内管５６は、円形であってもよい。この場合にも熱電変換モジュール２３の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、簡素な構成で熱電変換モジュールの発電効率を増大させることができ、製造コストが増大するのを防止することができる熱電発電装置を提供することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１エンジン（内燃機関）
１７、５１熱電発電装置
２１、４１排気管
２１ａ、２１ｄ、４１ａ、５２ａ上流部
２１ｂ、２１ｅ、４１ｂ、５２ｂ下流部
２１ｃ、４１ｃ、５２ｃ外周部
２１ｄ上流部
２３熱電変換モジュール
２４冷却水管
２４ｃ内周部
５３外管（冷却水管）
５６内管（冷却水管）

Claims

内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管の外周部に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管の外周部に接触するとともに他側面が前記冷却水管の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、
前記排気管および前記冷却水管が、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成され、
前記排気管の開口径が大きい排気方向一端部が前記冷却水管に固定され、前記排気管の開口径の小さい排気方向他端部が前記冷却水管に対して固定されない自由端として構成されることを特徴とする熱電発電装置。
内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管の外周部に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管の外周部に接触するとともに他側面が前記冷却水管の内周部に接触し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、
前記排気管および前記冷却水管が、排気ガスの排気方向に沿ってテーパ形状に形成され、
前記排気管の排気方向の略中央部が前記冷却水管に固定され、前記排気管の開口径の大きい排気方向一端部および開口径の小さい排気方向他端部が前記冷却水管に対して固定されない自由端として構成されることを特徴とする熱電発電装置。
前記排気管の開口径の大きい排気方向一端部を排気方向上流側に設置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。