JP5939143B2 - Thermoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、自動車等の車両に搭載された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。 The present invention relates to a thermoelectric generator that performs thermoelectric generation using exhaust gas discharged from an internal combustion engine mounted on a vehicle such as an automobile.
従来の熱電発電装置は、熱電変換モジュールとしての熱電素子を備えている。この熱電素子は、排気通路と冷却水通路との間に配置され、ゼーベック効果を利用して高温の排気ガスと低温の冷却水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。 A conventional thermoelectric generator includes a thermoelectric element as a thermoelectric conversion module. This thermoelectric element is arranged between the exhaust passage and the cooling water passage, and uses the Seebeck effect to generate a temperature difference between the high temperature exhaust gas and the low temperature cooling water. Yes.
このような熱電発電装置の一形態として、排気通路に受熱用のフィンを設け、このフィンを介して排気ガスから受熱した熱を熱電素子の一方の面(高温接触面)に伝熱するとともに、熱電素子の他方の面(低温接触面)を冷却水により冷却するようにした熱電ユニットが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As one form of such a thermoelectric generator, a heat receiving fin is provided in the exhaust passage, and heat received from the exhaust gas through the fin is transferred to one surface (high temperature contact surface) of the thermoelectric element, A thermoelectric unit is known in which the other surface (low temperature contact surface) of the thermoelectric element is cooled by cooling water (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1に記載されているような従来の熱電発電装置においては、実際に熱電素子を実装しようとすると、熱電素子間に熱電素子を繋ぐためのケーブル(または電極)が必要になる。このため、熱電素子間にケーブル等のための隙間が発生し、その隙間から排気ガスの熱が放射されてしまう。このような熱放射が発生すると、以降の熱電素子に伝熱される熱量が減少し(伝熱効率の低下)、発電量が低下する。 In the conventional thermoelectric generator as described in the above-mentioned Patent Document 1, when the thermoelectric element is actually mounted, a cable (or electrode) for connecting the thermoelectric element between the thermoelectric elements is required. For this reason, a gap for a cable or the like is generated between the thermoelectric elements, and the heat of the exhaust gas is radiated from the gap. When such heat radiation occurs, the amount of heat transferred to the subsequent thermoelectric elements decreases (decrease in heat transfer efficiency), and the power generation amount decreases.
また、熱電素子間に放射された熱により、熱電素子間に位置する冷却媒体の温度が上昇して熱電素子の上下面(高温接触面と低温接触面)の温度差が減少する。その結果、熱電発電装置の発電効率が低下し、発電量の低下につながる。 Further, due to the heat radiated between the thermoelectric elements, the temperature of the cooling medium located between the thermoelectric elements rises, and the temperature difference between the upper and lower surfaces (high temperature contact surface and low temperature contact surface) of the thermoelectric elements decreases. As a result, the power generation efficiency of the thermoelectric generator decreases, leading to a decrease in power generation.
また、熱電素子間に熱が放射されるため、熱電素子間の昇温によるケーブル等への熱負荷が過大になるおそれがあり、場合によっては、ケーブルや熱電素子等が損傷する等の熱害が生じ得る。 Also, since heat is radiated between thermoelectric elements, there is a risk that the thermal load on the cable, etc. due to the temperature rise between the thermoelectric elements may be excessive, and in some cases, thermal damage such as damage to the cable or thermoelectric element, etc. Can occur.
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、熱電変換モジュール間への熱放射を抑制し、熱電変換モジュールへの伝熱効率を高めて発電量を増加させるとともに、熱電変換モジュール間のケーブル等に対する熱害の防止に寄与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。 The present invention was made to solve the conventional problems as described above, suppresses heat radiation between the thermoelectric conversion modules, increases the heat transfer efficiency to the thermoelectric conversion modules and increases the amount of power generation, It is an object of the present invention to provide a thermoelectric generator that can contribute to prevention of heat damage to cables between thermoelectric conversion modules.
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)高温媒体が流通する第1の管と低温媒体が流通する第2の管との間に配置される複数個の熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、前記第1の管内に形成された受熱通路内に、隣り合う熱電変換モジュール間の高温媒体を当該熱電変換モジュールから遠ざけるように前記高温媒体の流れを変える案内部が設けられているものから構成されている。 In order to achieve the above object, the thermoelectric power generator according to the present invention is (1) a plurality of thermoelectric conversions arranged between a first pipe through which a high-temperature medium flows and a second pipe through which a low-temperature medium flows. A thermoelectric generator including a module, wherein the flow of the high-temperature medium is changed so that the high-temperature medium between adjacent thermoelectric conversion modules is kept away from the thermoelectric conversion module in a heat receiving passage formed in the first pipe. It is comprised from what the guide part is provided.
この熱電発電装置は、第1の管内に設けた案内部により、熱電変換モジュール間において高温媒体の流れが当該熱電変換モジュールから遠ざけられているので、高温媒体から熱電変換モジュール間への熱放射を抑制することができる。これにより、本発明の熱電発電装置は、当該熱電変換モジュール以降の熱電変換モジュールに伝熱される熱量を増加させることができ(伝熱効率の向上)、発電量を増加させることができる。 In this thermoelectric generator, since the flow of the high-temperature medium is kept away from the thermoelectric conversion module between the thermoelectric conversion modules by the guide portion provided in the first pipe, the heat radiation from the high-temperature medium to the thermoelectric conversion modules is performed. Can be suppressed. Thereby, the thermoelectric power generation device of the present invention can increase the amount of heat transferred to the thermoelectric conversion modules after the thermoelectric conversion module (improvement of heat transfer efficiency), and can increase the amount of power generation.
また、熱電変換モジュール間への熱放射が抑制されることで、熱電変換モジュール間に位置する第2の管内の低温媒体の温度上昇が抑制され、熱電変換モジュールの上下面の温度差が相対的に増大する。これにより、熱電発電装置の発電効率が高められ、発電量を増加させることができる。 Further, by suppressing the heat radiation between the thermoelectric conversion modules, the temperature rise of the low temperature medium in the second pipe located between the thermoelectric conversion modules is suppressed, and the temperature difference between the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion modules is relatively To increase. Thereby, the power generation efficiency of the thermoelectric power generator is increased, and the amount of power generation can be increased.
また、熱電変換モジュール間への熱放射量が低減されるので、熱電変換モジュール間を繋ぐケーブル等に対する損傷等の熱害の防止に寄与することができる。 In addition, since the amount of heat radiation between the thermoelectric conversion modules is reduced, it is possible to contribute to prevention of thermal damage such as damage to the cables connecting the thermoelectric conversion modules.
上記(1)に記載の熱電発電装置において、(2)前記案内部は、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部に向けて前記高温媒体を導くように設けられているものから構成されている。 In the thermoelectric generator according to (1) above, (2) the guide portion is provided so as to guide the high temperature medium toward a contact portion between the thermoelectric conversion module and the first tube. It is configured.
この熱電発電装置は、第1の管内に設けた案内部により、高温媒体が熱電変換モジュールと第1の管との接触部に向かうよう導かれているので、高温媒体から直接熱電変換モジュールに伝熱することができる。すなわち、案内部によって高温媒体から熱電変換モジュールに熱が速やかに伝わり易い構造となっている。 In this thermoelectric generator, the high-temperature medium is guided toward the contact portion between the thermoelectric conversion module and the first pipe by the guide portion provided in the first pipe, so that the high-temperature medium is directly transmitted from the high-temperature medium to the thermoelectric conversion module. Can be heated. That is, the structure is such that heat is easily transferred from the high-temperature medium to the thermoelectric conversion module by the guide portion.
これにより、本発明の熱電発電装置は、現状技術の熱回収フィンに見られるような、フィンを介して熱電素子に熱が伝わる構造(すなわち、熱電素子に熱が速やかに伝わり難い構造)を有した熱電発電装置と比べて、熱電変換モジュールへの伝熱効率を高めることができ、発電量をより一層増加させることができる。 As a result, the thermoelectric power generator of the present invention has a structure in which heat is transmitted to the thermoelectric element through the fins (that is, a structure in which heat is not easily transmitted to the thermoelectric element) as seen in the heat recovery fins of the state of the art. Compared to the thermoelectric power generator, the heat transfer efficiency to the thermoelectric conversion module can be increased, and the amount of power generation can be further increased.
上記(2)に記載の熱電発電装置において、(3)前記案内部は、前記第1の管を介して前記熱電変換モジュールと熱的に結合される吸熱フィンであり、前記吸熱フィンの壁面に前記高温媒体の流れの方向を規定する複数のリブを有し、前記複数のリブが、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部において前記高温媒体を当該接触部に沿って流すように配列された第1のリブと、前記高温媒体の流通方向において隣り合う熱電変換モジュール間において前記高温媒体を当該熱電変換モジュールから遠ざけて流すように配列された第2のリブと、を含むものから構成されている。 In the thermoelectric generator according to (2) above, (3) the guide portion is a heat absorption fin that is thermally coupled to the thermoelectric conversion module via the first tube, and is provided on a wall surface of the heat absorption fin. A plurality of ribs for defining a flow direction of the high temperature medium, the plurality of ribs flowing the high temperature medium along the contact portion at a contact portion between the thermoelectric conversion module and the first pipe; And a second rib arranged to flow the high temperature medium away from the thermoelectric conversion module between adjacent thermoelectric conversion modules in the flow direction of the high temperature medium. It is composed of
この熱電発電装置は、第1のリブにより、高温媒体を積極的に熱電変換モジュールと第1の管との接触部に向けて流すことができるので、熱電変換モジュールへの伝熱性がより一層高められ、発電量をより一層増加させることができる。 In this thermoelectric generator, the first rib can actively flow the high-temperature medium toward the contact portion between the thermoelectric conversion module and the first tube, so that the heat transfer to the thermoelectric conversion module is further enhanced. Therefore, the amount of power generation can be further increased.
また、第2のリブにより、高温媒体を積極的に熱電変換モジュールから遠ざけて流すことができるので、高温媒体から熱電変換モジュール間への熱放射をより一層抑制することができる。これは、以降の熱電変換モジュールへの伝熱効率の向上に寄与し、発電量の更なる増加に寄与する。 Moreover, since the high temperature medium can be actively moved away from the thermoelectric conversion module by the second rib, heat radiation from the high temperature medium to the thermoelectric conversion module can be further suppressed. This contributes to the improvement of the heat transfer efficiency to the subsequent thermoelectric conversion module and contributes to further increase in the amount of power generation.
上記(3)に記載の熱電発電装置において、(4)前記第1の管の、前記隣り合う熱電変換モジュール間に対応する部分に、第1の凹みが設けられ、前記第1の凹みが設けられている側と反対側の面上で、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部に対応する部分に、第2の凹みが設けられているものから構成されている。 In the thermoelectric generator according to (3) above, (4) a first recess is provided in a portion of the first tube corresponding to the space between the adjacent thermoelectric conversion modules, and the first recess is provided. On the surface on the side opposite to the side on which the thermoelectric conversion module is provided, a portion corresponding to the contact portion between the thermoelectric conversion module and the first tube is provided with a second recess.
この熱電発電装置は、第1の凹みによって高温媒体の流れを熱電変換モジュールから確実に遠ざけることができるので、上記(3)に記載の熱電発電装置と比べて、高温媒体から熱電変換モジュール間に放射される熱量をより一層低減することができる。これによって、以降の熱電変換モジュールへの伝熱効率を更に向上させることができ、発電量の更なる増加に寄与することができる。 In this thermoelectric generator, the flow of the high-temperature medium can be surely kept away from the thermoelectric conversion module by the first recess, so that the thermoelectric generator between the thermoelectric conversion modules is higher than the thermoelectric generator described in (3) above. The amount of heat radiated can be further reduced. Thereby, the heat transfer efficiency to the subsequent thermoelectric conversion module can be further improved, and it can contribute to the further increase in the electric power generation amount.
また、第2の凹みによって高温媒体の流れを積極的に接触部に指向させることができるので、上記(3)に記載の熱電発電装置と比べて、高温媒体から熱電変換モジュールへの伝熱効率をより一層高めることができる。 Further, since the flow of the high temperature medium can be actively directed to the contact portion by the second dent, the heat transfer efficiency from the high temperature medium to the thermoelectric conversion module can be improved as compared with the thermoelectric generator described in (3) above. It can be further increased.
上記(2)に記載の熱電発電装置において、(5)前記案内部は、前記第1の管を介して前記熱電変換モジュールと熱的に結合される吸熱フィンであり、前記高温媒体の流通方向と直交する前記第1の管の幅方向において前記熱電変換モジュールと接触していない部分の前記高温媒体の流れを、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部の方向に指向させる複数のリブが、前記吸熱フィンの壁面に設けられているものから構成されている。 In the thermoelectric generator according to (2) above, (5) the guide portion is an endothermic fin that is thermally coupled to the thermoelectric conversion module via the first tube, and the flow direction of the high-temperature medium A plurality of portions of the high-temperature medium that are not in contact with the thermoelectric conversion module in the width direction of the first tube orthogonal to the direction of the first tube toward the contact portion between the thermoelectric conversion module and the first tube. These ribs are constituted by those provided on the wall surface of the heat absorbing fin.
この熱電発電装置は、吸熱フィンの壁面に設けた複数のリブにより、第1の管の幅方向において熱電変換モジュールと接触していない部分の高温媒体を熱電変換モジュールとの接触部に集めることができるので、第1の管の幅方向において熱電変換モジュールと接触していない部分からの熱放射量を低減することができる。これにより、熱電発電装置の発電量をより一層増加させることができる。 In this thermoelectric generator, the plurality of ribs provided on the wall surface of the heat absorption fin can collect a portion of the high-temperature medium that is not in contact with the thermoelectric conversion module in the width direction of the first tube at the contact portion with the thermoelectric conversion module. Since it can do, the amount of thermal radiation from the part which is not in contact with the thermoelectric conversion module in the width direction of the 1st pipe can be reduced. Thereby, the electric power generation amount of a thermoelectric generator can be increased further.
また、熱電変換モジュールと接触していない部分からの熱放射量が低減されることで、第1の管の幅方向において隣り合う熱電変換モジュール間を繋ぐケーブル等に対する損傷等の熱害を防止することができる。 In addition, the amount of heat radiation from a portion not in contact with the thermoelectric conversion module is reduced, thereby preventing thermal damage such as damage to a cable or the like connecting adjacent thermoelectric conversion modules in the width direction of the first tube. be able to.
上記(5)に記載の熱電発電装置において、(6)前記吸熱フィンの壁面に設けられる前記複数のリブは、前記高温媒体の流通方向において上流側に位置する熱電変換モジュールに対応する部分におけるリブの設置個数が、下流側に位置する熱電変換モジュールに対応する部分におけるリブの設置個数よりも少なくなるよう配置されているものから構成されている。 In the thermoelectric generator according to (5) above, (6) the plurality of ribs provided on the wall surface of the heat sink fin are ribs in a portion corresponding to a thermoelectric conversion module positioned upstream in the flow direction of the high temperature medium. Is arranged so that the number of installed is less than the number of installed ribs in the portion corresponding to the thermoelectric conversion module located on the downstream side.
この熱電発電装置は、高温媒体の流通方向において上流側の熱電変換モジュールに対応する部分に配置される吸熱フィンのリブの設置個数を相対的に減らしているので、上記(5)に記載の熱電発電装置と比べて、上流側において第1の管の幅方向に隣り合う熱電変換モジュール間を繋ぐケーブル等に対する損傷等の熱害を一層抑制することができる。 Since this thermoelectric power generator relatively reduces the number of ribs of the heat-absorbing fins disposed in the portion corresponding to the upstream thermoelectric conversion module in the flow direction of the high-temperature medium, the thermoelectric generator described in (5) above is used. Compared with the power generation device, it is possible to further suppress thermal damage such as damage to a cable or the like connecting the thermoelectric conversion modules adjacent in the width direction of the first pipe on the upstream side.
また、この熱電発電装置は、高温媒体の流通方向において下流側の熱電変換モジュールに対応する部分に配置される吸熱フィンのリブの設置個数を相対的に増やしているので、この下流側の熱電変換モジュールとの接触部に高温媒体をより多く集めることができる。これにより、熱電発電装置全体としての発電量を増加させることができる。 In addition, this thermoelectric power generator relatively increases the number of installed ribs of the heat absorption fins disposed in the portion corresponding to the downstream thermoelectric conversion module in the flow direction of the high-temperature medium. More high temperature medium can be collected at the contact portion with the module. Thereby, the electric power generation amount as the whole thermoelectric power generator can be increased.
本発明によれば、熱電変換モジュール間への熱放射を抑制し、熱電変換モジュールへの伝熱効率を高めて発電量を増加させるとともに、熱電変換モジュール間のケーブル等に対する熱害の防止に寄与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。 According to the present invention, the heat radiation between the thermoelectric conversion modules is suppressed, the heat transfer efficiency to the thermoelectric conversion modules is increased to increase the amount of power generation, and the heat damage to the cables between the thermoelectric conversion modules is prevented. It is possible to provide a thermoelectric power generation apparatus that can
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。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。 Hereinafter, embodiments of a thermoelectric generator according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the thermoelectric generator is applied to a water-cooled multi-cylinder internal combustion engine mounted on a vehicle such as an automobile, for example, a four-cycle gasoline engine (hereinafter simply referred to as “engine”). Explains. The engine is not limited to a gasoline engine.
(第1の実施の形態)
図1〜図6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。このうち、図1は、第1の実施の形態の熱電発電装置17を備えたエンジンの排気系の概略構成を示し、図2は、熱電発電装置17を側面から見たときの断面構造を示し、図3は、図2のA−A線に沿って熱電発電装置17を正面から見たときの断面構造を示している。
(First embodiment)
FIGS. 1-6 is a figure which shows 1st Embodiment of the thermoelectric power generating apparatus which concerns on this invention. 1 shows a schematic configuration of an exhaust system of an engine provided with the
まず、第1の実施の形態の熱電発電装置17を備えたエンジンの排気系の構成について説明する。
First, the configuration of the exhaust system of the engine provided with the
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な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。 As shown in FIG. 1, an engine 1 as an internal combustion engine mounted on a vehicle such as an automobile is formed by mixing air supplied from an intake system and fuel supplied from a fuel supply system at an appropriate air-fuel ratio. After the air-fuel mixture is supplied to the combustion chamber and combusted, the exhaust gas generated with this combustion is discharged from the exhaust system to the atmosphere.
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。
The exhaust system includes an
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に伝達させないように、あるいは減衰させて伝達するようになっている。
The spherical joint 3 allows moderate swinging of the
排気管4上には、まず上流側に、2つの触媒5,6が直列に設置されており、これらの触媒5,6により排気ガスが浄化されるようになっている。
On the exhaust pipe 4, first, two
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、いわゆるスタートキャタリスタ(S/C)と呼ばれるものである。一方、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、いわゆる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。
The
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。
These
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」という。)が充填されている。 A water jacket is formed inside the engine 1 and the water jacket is filled with a coolant called long life coolant (LLC) (hereinafter simply referred to as “cooling water”).
この冷却水は、エンジン1に取り付けられた導出管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。
The cooling water is led out from a lead-out pipe 8 attached to the engine 1 and then supplied to the radiator 7, and is returned from the radiator 7 to the engine 1 through a cooling water recirculation pipe 9. The radiator 7 cools the cooling water circulated by the
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が介装されている。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。
In addition, a
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。
A
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。
The air heated by the heater core 14 is introduced into the vehicle interior by the
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が連結されており、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が連結されている。
The
このため、熱電発電装置17において排熱回収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。
For this reason, when exhaust heat recovery is performed in the
一方、エンジン1の排気系には、触媒6の後段に熱電発電装置17が設けられている。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。
On the other hand, in the exhaust system of the engine 1, a
図2および図3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Gが導入される内管21と、内管21の外方に設けられ、内管21との間で受熱通路22を形成する排気管としての外管23とを備えている。この外管23は、第1の管を構成している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
内管21の上流端は、排気管4に連結されており、内管21の内部には排気管4から排気ガスGが導入される排気通路25が形成されている。内管21は、支持部材24を介して外管23に固定されており、外管23は、その下流端がテールパイプ19(図1参照)に連結されている。
An upstream end of the
このため、エンジン1から排気管4を通して内管21の排気通路25に排出された排気ガスGは、排気通路25を通してテールパイプ19に排出された後、テールパイプ19から外気に排出される。
Therefore, the exhaust gas G discharged from the engine 1 through the exhaust pipe 4 to the
また、熱電発電装置17は、外管23の外周面上に設けられた複数個の熱電変換モジュール27と、熱電変換モジュール27の周囲を囲むように外管23と同軸上に設けられた筒状の冷却水管28とを備えている。この冷却水管28は、第2の管を構成している。
The
熱電変換モジュール27は、図4に示すように、高温側の受熱部を構成する受熱基板29と、低温側の放熱部を構成する放熱基板30と、ゼーベック効果により受熱部と放熱部との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とを備えている。受熱基板29および放熱基板30は、例えば、絶縁セラミックスから構成され、N型熱電変換素子31およびP型熱電変換素子32は、半導体素子から構成されている。
As shown in FIG. 4, the
この熱電変換モジュール27は、その受熱基板29が外管23に接触し、かつ、その放熱基板30が冷却水管28に接触するように配置されている。N型熱電変換素子31およびP型熱電変換素子32は、受熱基板29と放熱基板30との間にそれぞれ複数個設置されており、受熱基板29に接触する側の面に接続された電極33aおよび放熱基板30に接触する側の面に接続された電極33bを介して、交互にかつ直列に接続されている。
The
また、図2に示すように、排気ガスGの流通方向において隣り合う熱電変換モジュール27は、ケーブル34(図4に示す熱電変換モジュール27の入力用および出力用の配線35)を介して電気的に接続されている。すなわち、排気ガスGの流通方向において電気的に接続される各熱電変換モジュール27は、相互間にケーブル布設用の隙間37をあけて配置されている。
Further, as shown in FIG. 2, the
このように配置され電気接続された熱電変換モジュール27から発生される電流は、ケーブル34を介して熱電発電装置17から取り出され、図示しないDC−DCコンバータを介して補機バッテリに供給されるようになっている。
The current generated from the
また、本実施の形態においては、熱電変換モジュール27は、図4に示すようにプレート形状を有しており、その平面が平坦となっている。この熱電変換モジュール27の両面は、それぞれ外管23および冷却水管28に密着させる必要があるため、熱電変換モジュール27の一方の面および他方の面がそれぞれ接触する外管23および冷却水管28は、熱電変換モジュール27の形状に合わせてそれぞれ平坦となっている。本実施の形態においては、外管23および冷却水管28は、図3に示すように、その断面形状が四角形に形成されている。
Moreover, in this Embodiment, the
また、外管23および冷却水管28は、その断面形状が四角形に限らず、八角形等の多角形状、あるいは円形や楕円形等の曲線形状に形成されていてもよい。外管23および冷却水管28の断面形状を曲線形状とした場合、熱電変換モジュール27の一方の面(受熱基板29)および他方の面(放熱基板30)を外管23および冷却水管28の形状に合わせて湾曲させるように形成すればよい。
Further, the
図2および図3に示すように、冷却水管28は、上流側配管18aに連結される冷却水導入部28a、および下流側配管18bに連結される冷却水排出部28bを備えている。この冷却水管28は、冷却水導入部28aから冷却水管28に導入された冷却水Wが排気ガスGの排気方向と逆方向に流れるように、冷却水導入部28aに対して冷却水排出部28bが排気方向の上流側に設けられている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the cooling
このため、冷却水Wは、内管21と外管23の間の受熱通路22に流れる排気ガスGの排気方向と逆方向に流れることになる。このように冷却水Wと排気ガスGが互いに逆方向に流れる配置態様とすることで、いわゆる対数平均温度差により、熱電発電装置17の熱回収効率を高めることができる。
For this reason, the cooling water W flows in the direction opposite to the exhaust direction of the exhaust gas G flowing in the
なお、図2に示す冷却水導入部28aおよび冷却水排出部28bの配置態様は一例であり、これに限定されないことはもちろんである。図示の例とは逆に、冷却水管28に導入された冷却水Wが排気ガスGの排気方向と同じ方向に流れるように、冷却水導入部28aに対して冷却水排出部28bを排気方向の下流側に設けるようにしてもよい。
The arrangement of the cooling
図2に示すように、内管21には複数の連通孔36が形成されており、この連通孔36は、内管21の内部と受熱通路22とを連通している。各連通孔36は、内管21の円周方向に等間隔に形成されているとともに、図2には特に示していないが、内管21内を流れる排気ガスGの排気方向、すなわち、内管21の延在方向に沿って配列されている。なお、連通孔36は、等間隔に形成されるものに限定されない。
As shown in FIG. 2, a plurality of communication holes 36 are formed in the
また、支持部材24には、支持部材24の円周方向に亘って等間隔に連通孔24aが形成されている。受熱通路22は、支持部材24に形成された連通孔24aを通してテールパイプ19(図1参照)に連通している。なお、連通孔24aは、等間隔に形成されるものに限定されない。
In addition, communication holes 24 a are formed in the
また、内管21には開閉弁26が設けられており、この開閉弁26は、内管21の下流端に設けられ、内管21を開閉するように外管23に回動自在に取り付けられている。この開閉弁26は、排気通路25を流れる排気ガスGの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。なお、開閉弁26は、冷却水の温度に応じて作動するサーモアクチュエータ、あるいは電磁アクチュエータによって制御されるようにしてもよい。
The
この開閉弁26は、排気ガスGの圧力が低い場合には、図2に実線で示すように内管21を閉塞することにより、内管21に導入された排気ガスGを受熱通路22に導入するようになっている。
When the pressure of the exhaust gas G is low, the on-off
例えば、エンジン1の冷間始動時には、エンジン1のアイドリングが行われて排気ガスGの圧力が低いため、開閉弁26が閉じた状態となる。このため、排気管4から内管21の排気通路25に導入された排気ガスGが受熱通路22に導入され、受熱通路22を通過する排気ガスGによって冷却水管28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。
For example, when the engine 1 is cold started, the idling of the engine 1 is performed and the pressure of the exhaust gas G is low, so that the on-off
また、エンジン1の暖機後の低負荷走行時には、排気ガスGの温度が高温となっても排気ガスGの圧力が低いため、開閉弁26は閉じた状態のままであり、排気管4から内管21の排気通路25に導入された排気ガスGが受熱通路22に導入される。このときには、熱電変換モジュール27によって排気ガスGの熱エネルギーが電気エネルギーに効率よく変換される。
Further, when the engine 1 is running at a low load after warming up, even if the temperature of the exhaust gas G becomes high, the pressure of the exhaust gas G is low. Therefore, the on-off
一方、開閉弁26は、排気ガスGの圧力が高い場合には、図2に破線で示すように内管21を解放するようになっている。
On the other hand, when the pressure of the exhaust gas G is high, the on-off
例えば、エンジン1の高負荷走行時には、エンジン1が高回転となって排気ガスGの圧力が高くなるため、内管21に導入された排気ガスGの圧力が高くなり、開閉弁26が解放される。開閉弁26が解放されると、排気通路25とテールパイプ19(図1)が連通し、排気ガスGは、受熱通路22を流れずに、排気通路25からテールパイプ19に直接排出される。このため、高温の排気ガスGによって冷却水管28を流通する冷却水Wが昇温されることがない。
For example, when the engine 1 is traveling at a high load, the pressure of the exhaust gas G increases because the engine 1 rotates at a high speed, so that the pressure of the exhaust gas G introduced into the
このとき、サーモスタット11(図1)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。
At this time, the communication between the
また、エンジン1の高負荷走行時には開閉弁26が解放されるので、排気通路25を流れる排気ガスGの背圧が高くなることがなく、排気ガスGの排気性能が低下するのを防止することができる。
Further, since the on-off
本実施の形態の熱電発電装置17は、図2、図3および図6に示すように、内管21と外管23の間の受熱通路22に、排気ガスGを受熱通路22内で特定の方向に導くように排気ガスGの流れを変える案内部としての役割を果たす吸熱フィン40を備えている。
As shown in FIGS. 2, 3, and 6, the thermoelectric
本実施の形態の熱電発電装置17においては、図3に示すように、冷却水管28の冷却水導入部28aおよび冷却水排出部28bが設けられている方向において内管21を挟んで対向するように2個の吸熱フィン40が配置されている。
In the
吸熱フィン40は、排気ガスGの流通方向に沿って延在し(図2参照)、かつ、排気ガスGの流通方向と直交する面内で見たときに(図3参照)その断面形状が凹凸状または櫛歯状となる構造を有している。この吸熱フィン40は、図3、図6に示すように、その一方の壁面41aおよび他方の壁面41bに、排気ガスGの流れの方向を特定の方向に指向させる2種類のリブ42,43を備えている。
The
図3に示すように吸熱フィン40の断面形状は凹凸状または櫛歯状に成形されているので、同じ種類のリブ42であっても、1番目、3番目、……のリブ42、および2番目、4番目、……のリブ42は、それぞれ一方の壁面41aおよび他方の壁面41bに1個おきに交互に設けられている。もう一方の種類のリブ43についても、同様の配置態様で設けられている。
As shown in FIG. 3, the cross-sectional shape of the heat-absorbing
2種類のリブ42,43は、図5に示すように、吸熱フィン40と一体に形成されている。この吸熱フィン40は、1枚の板状部材をプレス加工等により成形することによって得られる。
As shown in FIG. 5, the two types of
すなわち、1枚の板状部材の所要の箇所に、打ち抜き加工等により長方形状の1辺を残して3辺を切り欠き、その切り欠いた部分を壁面41aに対して略90°の角度で起立させることにより、所望のリブ42,43を形成することができる。もう一方の壁面41bに対しても、同様の方法で所望のリブ42,43を形成することができる。
That is, at a required location of one plate-like member, three sides are cut out by leaving a rectangular shape by punching or the like, and the cut-out portion stands at an angle of about 90 ° with respect to the
これら2種類のリブ42,43のうち、吸熱フィン40の壁面41a,41b上で、熱電変換モジュール27と外管23との接触部38に対応する部位に設けられたリブ42(第1のリブ)は、図6に示すように、排気ガスGの流れを接触部38の方向に指向させるように配列されている。
Of these two types of
これにより、外管23と内管21の間の受熱通路22(図2、図3参照)を流れる排気ガスGは、熱電変換モジュール27と外管23との接触部38近傍においては、第1のリブ42により、図6において矢印で示すように接触部38に沿って流れるようになっている。
Thereby, the exhaust gas G flowing through the heat receiving passage 22 (see FIGS. 2 and 3) between the
また、吸熱フィン40の壁面41a,41b上で、隣り合う熱電変換モジュール27間に対応する部位に設けられたリブ43(第2のリブ)は、図6に示すように、排気ガスGの流れを当該熱電変換モジュール27から遠ざける方向に指向させるように配列されている。
Further, on the wall surfaces 41a and 41b of the
これにより、外管23と内管21の間の受熱通路22を流れる排気ガスGは、熱電変換モジュール27間においては、第2のリブ43により、図6において矢印で示すように当該熱電変換モジュール27から遠ざかって流れるようになっている。
As a result, the exhaust gas G flowing through the
本実施の形態の熱電発電装置17は、上述のような構成を備えることにより、以下の作用効果を奏する。
The thermoelectric
先ず、内管21と外管23の間の受熱通路22に配置した吸熱フィン40に、排気ガスGの流れを熱電変換モジュール27から遠ざけるように指向させる第2のリブ43を設けているので(図6参照)、熱電変換モジュール27間においては、排気ガスGを外管23の内壁部に沿わないように流すことができる。これにより、排気ガスGから熱電変換モジュール27間(すなわち、隙間37)に放射される熱量を低減することができる。
First, since the
このように熱電変換モジュール27間への熱放射を抑制できるので、以降の熱電変換モジュール27に伝熱される熱量を増加させることができ(伝熱効率の向上)、熱電発電装置17の発電量を増加させることができる。
Since heat radiation between the
また、熱電変換モジュール27間への熱放射が抑制されることで、熱電変換モジュール27間の上方に位置する冷却水Wの温度上昇が抑制され、熱電変換モジュール27の上下面(すなわち、外管23に接している側の面と、冷却水管28に接している側の面)の温度差が相対的に増大する。これにより、熱電発電装置17の発電効率が高められ、発電量を増加させることができる。
Further, by suppressing the heat radiation between the
また、熱電変換モジュール27間への熱放射量が低減されるので、熱電変換モジュール27間を接続するケーブル34に対する損傷等の熱害を防止することができる。
Moreover, since the amount of heat radiation between the
また、内管21と外管23の間の受熱通路22に配置した吸熱フィン40に、排気ガスGの流れを熱電変換モジュール27と外管23との接触部38に向けるように指向させる第1のリブ42を設けているので(図6参照)、接触部38近傍においては、排気ガスGを接触部38に沿って流すことができる。これによって、排気ガスGの熱を直接熱電変換モジュール27に伝えることができる。すなわち、第1のリブ42を備えた吸熱フィン40は、排気ガスGから熱電変換モジュール27に熱が速やかに伝わり易い構造となっている。
In addition, the
現状技術の一般的な熱回収フィン(例えば、ストレートフィン、ウェーブフィン、オフセットフィン等)を用いると、排気ガスがフィンの形状に沿うように流れるため、排気ガスから熱電素子へは、排気ガス→フィン→フィン基底部→排気管(管壁部)→熱電素子、といった多くの伝熱ステップを経る必要がある。すなわち、現状技術において用いられている一般的な熱回収フィンは、熱電素子に熱が速やかに伝わり難い構造となっている。 When using general heat recovery fins (for example, straight fins, wave fins, offset fins, etc.) of the current technology, exhaust gas flows along the shape of the fins. It is necessary to go through many heat transfer steps such as fin → fin base → exhaust pipe (tube wall) → thermoelectric element. That is, the general heat recovery fin used in the current technology has a structure in which heat is not easily transmitted to the thermoelectric element.
これに対して、本実施の形態の熱電発電装置17は、接触部38において積極的に沿うように排気ガスGを流すことで、排気ガスGから熱電変換モジュール27に伝わる伝熱のステップが「排気ガスG→吸熱フィン40の基底部→外管23→熱電変換モジュール27」となり、排気ガスGから熱電変換モジュール27に熱が速やかに伝わり易い構造となっている。
On the other hand, the thermoelectric
これにより、本実施の形態の熱電発電装置17は、現状技術の熱回収フィンを有した熱電発電装置と比べて、熱電変換モジュール27への伝熱効率を高めることができ、発電量をより一層増加させることができる。
Thereby, the thermoelectric
また、接触部38において積極的に沿うように排気ガスGを流すことで、その間の排気ガスGの流速が増加するため、ニュートンの冷却の法則により、伝熱効率をさらに高めることができ、発電量の更なる増加に寄与することができる。
In addition, since the exhaust gas G is allowed to flow along the
また、吸熱フィン40の壁面41a,41bからほぼ直交する方向にリブ42,43を突出させているので(図5参照)、壁面41a,41bに沿って流れる排気ガスGは、積極的にリブ42,43に衝突する。これにより、吸熱フィン40への伝熱性が向上し、発電量を増加させることができる。
Further, since the
さらに、吸熱フィン40にリブ42,43を設けることで、排気ガスGの流れにおいて渦が発生し強制対流をひき起こすため、吸熱フィン40に伝わる熱量が増加する。また、渦が消失する際には、その運動エネルギーが熱エネルギーに変換されるため、吸熱フィン40に伝わる熱量がさらに増加する。これにより、発電量をさらに増加させることができる。
Furthermore, by providing the
(第2の実施の形態)
図7〜図9は、本発明に係る熱電発電装置の第2の実施の形態を示したものである。このうち、図7は、第2の実施の形態の熱電発電装置17Aを側面から見たときの断面構造を示し、図8は、図7のB−B線に沿って熱電発電装置17Aを正面から見たときの断面構造を示している。図7、図8に示す構成のうち、第1の実施の形態の熱電発電装置17(図2、図3)と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。
(Second Embodiment)
7 to 9 show a second embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention. Among these, FIG. 7 shows a cross-sectional structure when the
上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17は、エンジン1から排出された排気ガスGが導入される内管21と、この内管21との間で受熱通路22を形成する外管23とを備えた構造としているが、この第2の実施の形態の熱電発電装置17Aは、排気ガスGが導入される単一構造の排気管21Aを備えている(図7、図8参照)。
The
この排気管21Aは、その断面形状が四角形であり、その4つの各周面に熱電変換モジュール27が配置されている(図8参照)。そして、これら各熱電変換モジュール27に熱接触するように冷却水管28が配置されている。
The
このため、第2の実施の形態の熱電発電装置17Aにおいては、排気管21A内に吸熱フィン45が設けられ、排気管21A内を流通する排気ガスGの流れを特定の方向に導く案内部としての役割を果たすようになっている。
For this reason, in the
この吸熱フィン45は、排気ガスGの流通方向に沿って延在し(図7参照)、かつ、排気ガスGの流通方向と直交する面内で見たときに(図8参照)その断面形状が凹凸状または櫛歯状となる構造を有している。この吸熱フィン45は、図8、図9に示すように、その一方の壁面46aおよび他方の壁面46bに、排気ガスGの流れの方向を特定の方向に指向させる2種類のリブ47a,47bおよび48a,48bを備えている。
The
これらのリブ47a,47b,48a,48bのうち、排気管21A内で上側に位置するリブ47a,48aは、排気管21Aの各周面に配置された熱電変換モジュール27のうち上側に配置された熱電変換モジュール27に対応して設けられている。一方、排気管21A内で下側に位置するリブ47b,48bは、排気管21Aの各周面に配置された熱電変換モジュール27のうち下側に配置された熱電変換モジュール27に対応して設けられている。
Of these
2種類のリブ47a,47bおよび48a,48bのうち、吸熱フィン45の壁面46a,46b上で、上下の熱電変換モジュール27と排気管21Aとの接触部38に対応する部位に設けられたリブ47a,47b(第1のリブ)は、図9に示すように、排気ガスGの流れを接触部38の方向に指向させるように配列されている。
Of the two types of
これにより、排気管21A内を流れる排気ガスGは、熱電変換モジュール27と排気管21Aとの接触部38近傍においては、第1のリブ47a,47bにより、図9において矢印で示すように接触部38に沿って流れるようになっている。
Thus, the exhaust gas G flowing through the
また、吸熱フィン45の壁面46a,46b上で、上下の隣り合う熱電変換モジュール27間に対応する部位に設けられたリブ48a,48b(第2のリブ)は、図9に示すように、排気ガスGの流れを当該熱電変換モジュール27から遠ざける方向に指向させるように配列されている。
Further,
これにより、排気管21A内を流れる排気ガスGは、熱電変換モジュール27間においては、第2のリブ48a,48bにより、図9において矢印で示すように当該熱電変換モジュール27から遠ざかって流れるようになっている。
As a result, the exhaust gas G flowing in the
この第2の実施の形態の熱電発電装置17Aは、吸熱フィン45に設けられる第1のリブ47a,47bおよび第2のリブ48a,48bが、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17における第1のリブ42および第2のリブ43の配置態様と同様の配置態様で設けられているので、第1の実施の形態の場合と同様の作用効果(発電量の増加、熱害の防止)を奏することができる。
In the
(第3の実施の形態)
図10は、本発明に係る熱電発電装置の第3の実施の形態を示したもので、この第3の実施の形態の熱電発電装置17Bの要部(吸熱フィン40aおよびその周辺部)を拡大して側面から見たときの断面構造を示している。図10に示す構成のうち、第1の実施の形態の熱電発電装置17(図6)と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 10 shows a third embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention, and enlarges the main part (the heat-absorbing
この第3の実施の形態の熱電発電装置17Bは、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17と比べて、外管23aの所定の箇所に凹みDP1を設けた点、および内管21aの所定の箇所に凹みDP2を設けた点で相違する。
The
具体的には、外管23a上で、隣り合う熱電変換モジュール27間に対応する部分の管壁部を、外管23aの内側に凹ませることによって、凹みDP1が形成されている(図10参照)。また、内管21a上で、熱電変換モジュール27と外管23aとの接触部38に対応する部分の管壁部を、内管21aの外側(すなわち、外管23aの内側)に凹ませることによって、凹みDP2が形成されている。
Specifically, on the
外管23aに設けられる凹みDP1、および内管21aに設けられる凹みDP2は、それぞれ外管23a、内管21aの材料となるシート状の金属材をプレス加工することによって、形成することができる。
The indentation DP1 provided in the
この第3の実施の形態の熱電発電装置17Bは、外管23aに設けた凹みDP1によって排気ガスGの流れを熱電変換モジュール27から確実に遠ざけることができるので、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17と比べて、排気ガスGから熱電変換モジュール27間(すなわち、隙間37)に放射される熱量をより一層低減することができる。
In the
これにより、当該熱電変換モジュール以降の熱電変換モジュール27に伝熱される熱量をより一層増加させることができ(伝熱効率の更なる向上)、熱電発電装置17Bの発電量をより一層増加させることができる。
Thereby, the amount of heat transferred to the
また、第3の実施の形態の熱電発電装置17Bは、内管21aに設けた凹みDP2によって排気ガスGの流れを積極的に接触部38に指向させることができるので、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17と比べて、排気ガスGから熱電変換モジュール27への伝熱効率をより一層高めることができる。これにより、熱電発電装置17Bの発電量の更なる増加に寄与することができる。
Moreover, since the
(第4の実施の形態)
図11および図12は、本発明に係る熱電発電装置の第4の実施の形態を示したものである。このうち、図11は、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cを平面的に見たときの断面構造を示し、図12は、図11のC−C線に沿って熱電発電装置17Cを正面から見たときの断面構造を示している。図11、図12に示す構成のうち、第1の実施の形態の熱電発電装置17(図2、図3)と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。
(Fourth embodiment)
11 and 12 show a fourth embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention. Among these, FIG. 11 shows a cross-sectional structure when the
上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17は、エンジン1から排出された排気ガスGが導入される内管21と、この内管21との間で受熱通路22を形成する外管23とを備えた構造としているが、この第4の実施の形態の熱電発電装置17Cは、排気ガスGが導入される単一構造の排気管21Bを備えている(図11、図12参照)。
The
この排気管21Bは、図12に示すように、その断面形状が偏平の四角形であり、その上下方向の各周面に熱電変換モジュール27が配置されている。そして、これら各熱電変換モジュール27に熱接触するように冷却水管28(図11、図12においては図示を省略、図2、図3参照)が配置されている。
As shown in FIG. 12, the
このため、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cにおいては、排気管21B内に吸熱フィン50が設けられ、排気管21B内を流通する排気ガスGの流れを特定の方向に導く案内部としての役割を果たすようになっている。
For this reason, in the
この吸熱フィン50は、排気ガスGの流通方向に沿って延在し(図11参照)、かつ、排気ガスGの流通方向と直交する面内で見たときに(図12参照)その断面形状が凹凸状または櫛歯状となる構造を有している。この吸熱フィン50は、図11、図12に示すように、その一方の壁面51aまたは他方の壁面51bに、排気ガスGの流れの方向を特定の方向に指向させる2種類のリブ52および53を備えている。
The
図11の例では、これらのリブ52,53の配置態様を見易くするために、熱電変換モジュール27の表示およびフィン50の表示を破線で示している。
In the example of FIG. 11, the display of the
上記の2種類のリブ52,53のうち、排気管21B内で排気ガスGの流通方向に沿った熱電変換モジュール27の中心線に対応する箇所の、上流側から下流側に向かって左側に位置するリブ52(図示の例では4列分または3列分のリブ52)は、排気ガスGの流れを右側斜め方向で下流側(図11において矢印で示す方向)に指向させるように配列されている。
Of the two types of
すなわち、このリブ52は、図11、図12に示すように、排気ガスGの流通方向と直交する排気管21Bの幅方向において、熱電変換モジュール27と熱的に接触していない部分(図示の例では、隣り合う熱電変換モジュール27間の隙間37a、および排気管21Bの両端近傍の部分37b)の排気ガスGの流れを、熱電変換モジュール27との接触部38の方向に指向させる役割を果たしている。
That is, as shown in FIGS. 11 and 12, the
一方、上記の2種類のリブ52,53のうち、排気管21B内で排気ガスGの流通方向に沿った熱電変換モジュール27の中心線に対応する箇所の、上流側から下流側に向かって右側に位置するリブ53(図示の例では3列分または4列分のリブ53)は、排気ガスGの流れを左側斜め方向で下流側(図11において矢印で示す方向)に指向させるように配列されている。
On the other hand, of the two types of
すなわち、このリブ53は、もう一方のリブ52と同様に、排気管21Bの幅方向において、熱電変換モジュール27と熱的に接触していない部分(すなわち、隣り合う熱電変換モジュール27間の隙間37a、および排気管21Bの両端近傍の部分37b)の排気ガスGの流れを、熱電変換モジュール27との接触部38の方向に指向させる役割を果たしている。
That is, as in the
この第4の実施の形態の熱電発電装置17Cは、吸熱フィン50の壁面51a,51bに設けた2種類のリブ52,53により、排気管21B内で排気ガスGの流通方向と直交する幅方向において熱電変換モジュール27と接触していない部分(すなわち、隣り合う熱電変換モジュール27間の隙間37a、および排気管21Bの両端近傍の部分37b)の排気ガスGの流れを、熱電変換モジュール27との接触部38の方向に指向させる構造となっている。
The
この構造により、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cは、排気管21Bの幅方向において熱電変換モジュール27と接触していない部分の排気ガスGを熱電変換モジュール27との接触部38に集めることができ、隣り合う熱電変換モジュール27間の隙間37aおよび排気管21Bの両端近傍の部分37bから放射される熱量を低減することができる。これにより、熱電発電装置17Cの発電量を増加させることができる。
With this structure, the
また、熱電変換モジュール27と接触していない部分からの無駄な熱放射が抑制されることで、熱電変換モジュール27の上下面(すなわち、排気管21Bに接している側の面と、図示しない冷却水管28に接している側の面)の温度差が相対的に増大する。これにより、熱電発電装置17Cの発電効率が高められ、発電量を増加させることができる。
Further, unnecessary heat radiation from a portion not in contact with the
また、熱電変換モジュール27と接触していない部分からの熱放射量が低減されることで、排気管21Bの幅方向において隣り合う熱電変換モジュール27間を接続するケーブル34に対する損傷等の熱害を防止することができる。
Further, the amount of heat radiation from the portion not in contact with the
このように、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cは、排気管21Bの幅方向において熱電変換モジュール27と接触していない部分から放射される無駄な熱量を低減するとともに、その接触していない部分の排気ガスGを熱電変換モジュール27との接触部38に集めることで、熱電発電装置17Cの発電量の増加および熱害の防止を図るようにしたものである。
As described above, the thermoelectric
この第4の実施の形態の熱電発電装置17Cは、排気管21Bの幅方向において熱電変換モジュール27と接触していない部分からの熱放射に起因する課題を解決することを意図している。しかしながら、必要に応じて、この第4の実施の形態の熱電発電装置17Cの構成に、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17(図6)の構成を組み合わせてもよい。あるいは、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cの構成に、上述した第2、第3の実施の形態の熱電発電装置17A,17B(図9、図10)の構成を組み合わせてもよい。
The thermoelectric
このような組み合わせによる熱電発電装置の構成によれば、排気管21Bの幅方向において熱電変換モジュール27と接触していない部分からの熱放射に起因する課題を解決できるとともに、排気管21B内で排気ガスGの流通方向において隣り合う熱電変換モジュール27間の隙間からの熱放射に起因する課題をも解決することができる。
According to the configuration of the thermoelectric power generation device by such a combination, it is possible to solve the problem caused by the thermal radiation from the portion that is not in contact with the
(第5の実施の形態)
図13は、本発明に係る熱電発電装置の第5の実施の形態を示したもので、第5の実施の形態の熱電発電装置17Dを平面的に見たときの断面構造を示している。図13に示す構成のうち、第4の実施の形態の熱電発電装置17C(図11)と同一の構成には同一の参照符号を付しており、重複する部分の説明は省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 shows a fifth embodiment of a thermoelectric generator according to the present invention, and shows a cross-sectional structure when a
この第5の実施の形態の熱電発電装置17Dは、上述した第4の実施の形態の熱電発電装置17Cと比べて、排気管21B内の排気ガスGの流通方向に沿って排気管21B上に配置された複数個(図示の例では2個)の熱電変換モジュール27に着目したときに、上流側(図示の例では左側)に位置する熱電変換モジュール27に対応する部分に配置される吸熱フィン50aのリブ52,53の設置個数を、下流側(図示の例では右側)に位置する熱電変換モジュール27に対応する部分に配置される吸熱フィン50aのリブ52,53の設置個数よりも少なくした点で相違する。
The thermoelectric
この第5の実施の形態の熱電発電装置17Dは、吸熱フィン50aに設けられる2種類のリブ52,53の各々の配列方向が、上述した第4の実施の形態の熱電発電装置17Cにおける2種類のリブ52,53の各々の配列方向と同じであるので、第4の実施の形態の場合と同様の作用効果(発電量の増加、熱害の防止)を奏することができる。
In the
また、この第5の実施の形態の熱電発電装置17Dは、排気管21B内の排気ガスGの流通方向において上流側の熱電変換モジュール27に対応する部分に配置される吸熱フィン50aのリブ52,53の設置個数を相対的に減らしているので、第4の実施の形態の熱電発電装置17Cと比べて、上流側において排気管21Bの幅方向に隣り合う熱電変換モジュール27間を接続するケーブル34(図12参照)に対する損傷等の熱害を一層抑制することができる。
Further, the thermoelectric
また、この第5の実施の形態の熱電発電装置17Dは、排気管21B内の排気ガスGの流通方向において下流側の熱電変換モジュール27に対応する部分に配置される吸熱フィン50aのリブ52,53の設置個数を相対的に増やしているので、この下流側の熱電変換モジュール27との接触部38(図12参照)に排気ガスGをより多く集めることができる。これにより、熱電発電装置17D全体としての発電量を増加させることができる。
Further, the thermoelectric
上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17においては、排気ガスGが流通する断面形状が四角形の排気管(図3に示す外管23)の上下方向に配置された2個の熱電変換モジュール27に熱接触するように2個の吸熱フィン40を配置した場合を例にとって説明したが、吸熱フィン40の配置形態がこれに限定されないことはもちろんである。
In the
例えば、図3の構成を参照すると、外管23の左右方向の周面上にも2個の熱電変換モジュール27を追加配置し、これら2個の熱電変換モジュール27に熱接触するように2個の吸熱フィン40を追加配置するようにしてもよい。このような配置形態を備えた熱電発電装置は、上述した第1の実施の形態の熱電発電装置17と比べて、発電量をより一層増加させることができる。
For example, referring to the configuration of FIG. 3, two
以上説明したように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュール間への熱放射を抑制し、熱電変換モジュールへの伝熱効率を高めて発電量を増加させるとともに、熱電変換モジュール間のケーブル等に対する熱害の防止に寄与することができるという効果を有し、自動車等の車両に搭載された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全般に有用である。 As described above, the thermoelectric power generation device according to the present invention suppresses heat radiation between the thermoelectric conversion modules, increases the heat transfer efficiency to the thermoelectric conversion modules and increases the amount of power generation, and the cable between the thermoelectric conversion modules. It is useful for general thermoelectric generators that perform thermoelectric generation using exhaust gas discharged from an internal combustion engine mounted on a vehicle such as an automobile. .
1…エンジン(内燃機関)、17,17A,17B,17C,17D…熱電発電装置、21,21a…内管、21A,21B…排気管(第1の管)、23,23a…外管(排気管、第1の管)、27…熱電変換モジュール、28…冷却水管(第2の管)、29…受熱基板、30…放熱基板、31,32…熱電変換素子、34…ケーブル、35…配線、37,37a…隙間(熱電変換モジュール間)、37b…排気管の両端近傍の部分、38…接触部、40,40a,45,50,50a…吸熱フィン(案内部)、41a,41b,46a,46b,51a,51b…壁面、42,47a,47b…第1のリブ、43,48a,48b…第2のリブ、52,53…2種類のリブ、DP1…凹み(第1の凹み)、DP2…凹み(第2の凹み)、G…排気ガス(高温媒体)、W…冷却水(低温媒体) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine (internal combustion engine) 17, 17A, 17B, 17C, 17D ... Thermoelectric power generation device, 21, 21a ... Inner pipe, 21A, 21B ... Exhaust pipe (first pipe), 23, 23a ... Outer pipe (exhaust) Tube, first tube), 27 ... thermoelectric conversion module, 28 ... cooling water tube (second tube), 29 ... heat receiving substrate, 30 ... heat dissipation substrate, 31, 32 ... thermoelectric conversion element, 34 ... cable, 35 ... wiring , 37, 37a ... gap (between thermoelectric conversion modules), 37b ... parts near both ends of the exhaust pipe, 38 ... contact part, 40, 40a, 45, 50, 50a ... heat absorbing fin (guide part), 41a, 41b, 46a , 46b, 51a, 51b ... wall surface, 42, 47a, 47b ... first rib, 43, 48a, 48b ... second rib, 52, 53 ... two kinds of ribs, DP1 ... depression (first depression), DP2 ... dent (second dent), G Exhaust gas (high temperature medium), W ... cooling water (low temperature medium)
Claims (6)
前記第1の管内に形成された受熱通路内に、隣り合う熱電変換モジュール間の高温媒体を当該熱電変換モジュールから遠ざけるように前記高温媒体の流れを変える案内部が設けられていることを特徴とする熱電発電装置。 A thermoelectric generator comprising a plurality of thermoelectric conversion modules arranged between a first pipe through which a high-temperature medium flows and a second pipe through which a low-temperature medium flows,
The heat receiving passage formed in the first pipe is provided with a guide portion for changing the flow of the high temperature medium so as to keep the high temperature medium between adjacent thermoelectric conversion modules away from the thermoelectric conversion module. A thermoelectric generator.
前記複数のリブが、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部において前記高温媒体を当該接触部に沿って流すように配列された第1のリブと、前記高温媒体の流通方向において隣り合う熱電変換モジュール間において前記高温媒体を当該熱電変換モジュールから遠ざけて流すように配列された第2のリブと、を含むことを特徴とする請求項2に記載の熱電発電装置。 The guide part is an endothermic fin that is thermally coupled to the thermoelectric conversion module via the first pipe, and has a plurality of ribs that define a flow direction of the high-temperature medium on a wall surface of the endothermic fin. And
The plurality of ribs are arranged so that the high temperature medium flows along the contact portion at the contact portion between the thermoelectric conversion module and the first tube, and in the flow direction of the high temperature medium. 3. The thermoelectric generator according to claim 2, comprising: a second rib arranged to flow the high temperature medium away from the thermoelectric conversion module between adjacent thermoelectric conversion modules.
前記高温媒体の流通方向と直交する前記第1の管の幅方向において前記熱電変換モジュールと接触していない部分の前記高温媒体の流れを、前記熱電変換モジュールと前記第1の管との接触部の方向に指向させる複数のリブが、前記吸熱フィンの壁面に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の熱電発電装置。 The guide part is an endothermic fin that is thermally coupled to the thermoelectric conversion module via the first pipe,
The flow of the high-temperature medium in a portion not in contact with the thermoelectric conversion module in the width direction of the first pipe perpendicular to the flow direction of the high-temperature medium is a contact portion between the thermoelectric conversion module and the first pipe. The thermoelectric power generator according to claim 2, wherein a plurality of ribs oriented in the direction of is provided on a wall surface of the heat sink fin.
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