JP5765363B2

JP5765363B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP5765363B2
Application number: JP2013085443A
Authority: JP
Inventors: 入山　要次郎; 要次郎入山; 拓臣神長
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: JP2014207837A; WO2014170738A1; EP2987188A1; US20160072035A1

Description

本発明は、熱電発電装置に関する。

従来、加熱板と冷却板との間に、熱電素子としての熱半導体を配置し、熱半導体を全体に覆う容器を設けて、熱半導体を密封する閉空間を形成した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

熱電変換モジュールの容器は、熱半導体が発電した電力を容器の外部に取り出すための導通部を有している。この導通部は、シール部材を兼ねた遮断部材としての電気絶縁体を介して容器の所定個所を貫通している。そして、電気絶縁体は、容器の密封性を保つ役割を担っている。

特開２００６−０４９８７２号公報

しかしながら、特許文献１の熱電変換モジュールを自動車に搭載して、高温媒体である内燃機関の排出ガスを高温熱源に用い、かつ低温媒体である内燃機関の冷却水を低温熱源に用いた場合には、電気絶縁体が高温の排出ガスの影響で劣化して、容器の密封性を保持できなくなる。このため、熱半導体（熱電素子）が高温の大気に曝されて、高温酸化することが懸念される。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するものであり、排出ガスに起因する遮断部材の劣化を抑制して、熱電素子の高温酸化を防止し得る熱電発電装置を提供することを目的としている。

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）高温媒体と低温媒体との間に閉空間を形成する構造体と、前記閉空間に配置した熱電素子と、前記閉空間に連通するよう一端部が前記構造体に接続され、かつ他端部に開口部を有する中空状のポート部材と、前記ポート部材に挿通され、かつ一端部が前記熱電素子に接続されるとともに、他端部が前記開口部から前記ポート部材の外部に引き出された電線と、前記ポート部材に嵌め込まれ、かつ前記電線が貫通する遮断部材とを備え、前記遮断部材を冷却する冷却手段を設け、前記閉空間を低酸素状態にし、前記冷却手段は、前記遮断部材に対応するよう前記ポート部材の外側部に設けた放熱フィンである構成としている。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、冷却手段が遮断部材を冷却するため、高温媒体に起因する遮断部材の劣化が抑制される。よって、熱電素子が高温の大気に曝されず、熱電素子の高温酸化を防止することができる。

なお、上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記ポート部材は、前記構造体から外方へ延びるよう形成され、前記遮断部材は、前記ポート部材の開口部に嵌め込まれている構成としてもよい。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、遮断部材が高温媒体から離れ、遮断部材が受ける熱量が低減するため、高温媒体に起因する遮断部材の劣化が抑制される。よって、熱電素子が高温の大気に曝されず、熱電素子の高温酸化を効果的に防止することができる。

上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記冷却手段は、前記遮断部材に対応するようポート部材の外側部に設けた放熱フィンである構成としてもよい。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、放熱フィンが高温媒体から受ける熱を放出して遮断部材を冷却するため、高温媒体に起因する遮断部材の劣化が抑制される。よって、熱電素子が高温の大気に曝されず、熱電素子の高温酸化を効果的に防止することができる。

上記（１）ないし（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記遮断部材は、低温媒体流通経路の近傍に位置している構成としてもよい。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、低温媒体流通経路を流れる低温媒体が遮断部材を冷却するため、高温媒体に起因する遮断部材の劣化が抑制される。よって、熱電素子が高温の大気に曝されず、熱電素子の高温酸化を効果的に防止することができる。

上記（１）ないし（４）に記載の熱電発電装置において、（５）前記閉空間は、減圧されている構成としてもよい。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、閉空間を減圧して、低酸素状態に保持するため、熱電素子の高温酸化を効果的に防止することができる。

上記（１）ないし（４）に記載の熱電発電装置において、（６）前記閉空間は、不活性ガスが充填されている構成としてもよい。

この構成により、本発明の熱電発電装置は、閉空間に不活性ガスを充填して、低酸素状態に保持するため、熱電素子の高温酸化を効果的に防止することができる。

本発明によれば、排出ガスに起因する遮断部材の劣化を抑制して、熱電素子の高温酸化を防止し得る熱電発電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る熱電発電装置を模式的に示す縦断面図である。本発明の実施の形態に係る熱電発電装置の横断面図である。図１に示す熱電発電装置のＡ−Ａ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。

図１、図２に示すように、本実施の形態に係る熱電発電装置１は、第１の中空体１１、第２の中空体１２、第３の中空体１３、ポート部材２１、熱電素子３１、電線３２、遮断部材４１および放熱フィン５１を含んで構成されている。また、第１の中空体１１、第２の中空体１２、第３の中空体１３、ポート部材２１および放熱フィン５１等は、同じ金属によって形成されている。

この熱電発電装置１は、自動車に搭載された内燃機関を対象とするもので、高温媒体である内燃機関の排出ガスＧを高温熱源に用い、低温媒体である内燃機関の冷却水Ｗを低温熱源に用いている。

第１の中空体１１は、略長方形の横断面形状を有している。第１の中空体１１の内部には、吸熱フィン１４が設けられている。吸熱フィン１４は、第１の中空体１１と同じ金属によって形成されている。第１の中空体１１の内部は、内燃機関から送出される排出ガスＧが流通し得る高温媒体通路１５となっている。排出ガスＧは、内燃機関の排気系統から分流させたものである。

第２の中空体１２は、略長方形の横断面形状を有し、第１の中空体１１を周方向に取り囲んでいる。第２の中空体１２は、一端部および他端部に、周縁部分の全周から第１の中空体１１の外側部の全周へ当接するよう延びる端壁部１２ａ，１２ｂが設けられている。

端壁部１２ａ，１２ｂの内周部は、第１の中空体１１の外側部に溶接により気密を保つよう固定されている。そして、第１の中空体１１の外側部と、第２の中空体１２の内側部と、端壁部１２ａ，１２ｂとによって、閉空間１６を形成している。

第３の中空体１３は、略長方形の横断面形状を有し、第２の中空体１２を周方向に取り囲んでいる。第３の中空体１３は、一端部および他端部に、周縁部分の全周から第２の中空体１２の外側部の全周へ当接するよう延びる端壁部１３ａ，１３ｂが設けられている。

端壁部１３ａ，１３ｂの内周部は、第２の中空体１２の外側部に溶接により気密を保つよう固定されている。第３の中空体１３の一端側部には、冷却水送給管１７が溶接により接続され、第３の中空体１３の他端側部には、冷却水送出管１８が溶接により接続されている。冷却水送給管１７および冷却水送出管１８は、第１の中空体１１と同じ金属で形成されている。

そして、第２の中空体１２の外側部と、第３の中空体１３の内側部と、端壁部１３ａ，１３ｂとによって、冷却水Ｗが流通し得る低温媒体通路１９を形成している。冷却水送給管１７は、低温媒体通路１９に冷却水Ｗを送給する役割を担っている。冷却水送出管１８は、低温媒体通路１９から冷却水Ｗを送出する役割を担っている。冷却水Ｗは、内燃機関の冷却水循環系統から分流させたものである。

ポート部材２１は、図３に示すように円形の横断面形状を有している。ポート部材２１は、一端部が第２の中空体１２の他端側部に溶接により接続され、内部空間が閉空間１６に連通するようになっている。また、ポート部材２１は、他端部に開口部２１ａを有している。さらに、ポート部材２１は、第２の中空体１２から外方へ延び、かつ低温媒体通路１９に沿うとともに、開口部２１ａが高温媒体通路１５から離れるようになっている。

熱電素子３１は、ペルチェ素子により構成され、高温側の端面部３１ａおよび低温側の端面部３１ｂの温度差に応じたゼーベック効果によって、起電力を発生する公知のものである。

熱電素子３１は、それぞれ高温側の端面部３１ａが第１の中空体１１の外側部に接するとともに、低温側の端面部３１ｂが第２の中空体１２の内側面に接するよう、閉空間１６に複数配置されている。

電線３２は、ポート部材２１に挿通されており、一端部が熱電素子３１に接続されるとともに、他端部が開口部２１ａからポート部材２１の外部に引き出されている。

遮断部材４１は、シリコーンゴム、あるいは合成ゴム等の弾力性に富む樹脂材料により形成されている。遮断部材４１は、ポート部材２１の開口部２１ａに嵌め込まれ、外周部が開口部２１ａの内周部に密着して閉空間１６を密封するようになっている。また、遮断部材４１には、電線３２が密封性を保つよう貫通している。

放熱フィン５１は、ポート部材２１の他端部の外側部に溶接により複数固定されている。複数の放熱フィン５１は、ポート部材２１の他端部の軸線方向視において、ポート部材２１の軸線に対して放射状に配置されている。また、放熱フィン５１のポート部材２１の軸線方向位置は、遮断部材４１のポート部材２１の軸線方向位置に対応している。

放熱フィン５１は、排出ガスＧから種々の経路を経てポート部材２１に伝わる熱を外部に放出し、遮断部材４１を冷却する役割を担っている。なお、放熱フィン５１は、ポート部材２１に対して一体に形成するようにしてもよい。

さらに、熱電素子３１が配置される閉空間１６は低酸素状態に保持されている。閉空間１６を低酸素状態にするのには、閉空間１６を減圧して真空に近付ける手法、あるいは、閉空間１６にアルゴン等の不活性ガスを充填して空気を払い出す手法を採ることができる。

次に、本実施の形態に係る熱電発電装置１の作動を説明する。

熱電発電装置１は、第１の中空体１１の内部の高温媒体通路１５に、内燃機関から送出される排出ガスＧが流通することにより、排出ガスＧの熱が、第１の中空体１１を介して熱電素子３１の高温側の端面部３１ａに伝達され、この端面部３１ａの温度が上昇する。

また、熱電発電装置１は、第２の中空体１２の外側部と第３の中空体１３の内側部との間の低温媒体通路１９に、内燃機関の冷却水循環系統から分流させた冷却水Ｗが流通することにより、熱電素子３１の低温側の端面部３１ｂから熱が、第２の中空体１２を介して冷却水Ｗに放出され、この端面部３１ｂの温度が低下する。

熱電発電装置１は、高温側の端面部３１ａの温度が上昇し、かつ低温側の端面部３１ｂの温度が低下すると、高温側の端面部３１ａと低温側の端面部３１ｂとの温度差に応じたゼーベック効果によって、起電力を発生する。そして、熱電素子３１で発生した電力は、電線３２を介して自動車に搭載されているバッテリ等に送り込まれるようになっている。

熱電発電装置１は、ポート部材２１が第２の中空体１２から外方へ延びて、ポート部材２１の開口部２１ａが高温媒体通路１５から離れているため、遮断部材４１が排出ガスＧから受ける熱量を低減することができる。

また、熱電発電装置１は、ポート部材２１が低温媒体通路１９に沿っているため、低温媒体通路１９を流通する冷却水Ｗにより、遮断部材４１の温度上昇を抑えることができる。

熱電発電装置１は、複数の放熱フィン５１がポート部材２１の他端部に、軸線方向視において放射状固定されている。さらに、熱電発電装置１は、放熱フィン５１のポート部材２１の軸線方向位置が、遮断部材４１のポート部材２１の軸線方向位置に対応している。

すなわち、熱電発電装置１は、複数の放熱フィン５１が、排出ガスＧから種々の経路を経てポート部材２１に伝わる熱を外部に放出して遮断部材４１を冷却するため、高温媒体である排出ガスＧに起因する遮断部材４１の劣化を抑制することができる。これに加えて、熱電発電装置１は、自動車の走行時に空気の流れ（走行風）が放熱フィン５１に当たることで、熱放出効率が向上するようになる。

熱電発電装置１は、遮断部材４１が排出ガスＧから受ける熱量を低減させ、冷却水Ｗにより遮断部材４１の温度上昇が抑え、放熱フィン５１によって熱を外部に放出し、さらに、閉空間１６を低酸素状態にしているので、排出ガスＧに起因する遮断部材４１の劣化が抑制される。よって、熱電素子３１が高温の大気に曝されず、熱電素子３１の高温酸化を効果的に防止することができる。

なお、本発明に係る熱電発電装置の技術的範囲は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限り、特許請求の範囲に記載した各構成要素の種々の変更を含むものである。

以上述べたように、本発明に係る熱電発電装置は、排出ガスに起因する遮断部材の劣化を抑制して、熱電素子の高温酸化を防止し得るという効果を奏するものであって、各種の内燃機関に有用である。

１…熱電発電装置、１１…第１の中空体（構造体）、１２…第２の中空体（構造体）、１６…閉空間、１９…低温媒体流路（低温媒体流通経路）、２１…ポート部材、２１ａ…開口部、３１…熱電素子、３２…電線、４１…遮断部材、５１…放熱フィン、Ｇ…排出ガス（高温媒体）、Ｗ…冷却水（低温媒体）

Claims

高温媒体と低温媒体との間に閉空間を形成する構造体と、
前記閉空間に配置した熱電素子と、
前記閉空間に連通するよう一端部が前記構造体に接続され、かつ他端部に開口部を有する中空状のポート部材と、
前記ポート部材に挿通され、かつ一端部が前記熱電素子に接続されるとともに、他端部が前記開口部から前記ポート部材の外部に引き出された電線と、
前記ポート部材に嵌め込まれ、かつ前記電線が貫通する遮断部材とを備え、
前記遮断部材を冷却する冷却手段を設け、前記閉空間を低酸素状態にし、
前記冷却手段は、前記遮断部材に対応するよう前記ポート部材の外側部に設けた放熱フィンであることを特徴とする熱電発電装置。
前記ポート部材は、前記構造体から外方へ延びるよう形成され、
前記遮断部材は、前記ポート部材の開口部に嵌め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記遮断部材は、低温媒体流通経路の近傍に位置している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。
前記閉空間は、減圧されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
前記閉空間は、不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。