JP6018787B2 - 車用熱電発電機 - Google Patents

Description

本発明は熱電発電機に関し、より詳しくは、自動車の排気ガスの熱を利用して発電する車用熱電発電機に関する。

熱電素子（熱電変換素子）は、素子両端の温度差を電気に変換することによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、素子に電気を流すことによって素子両端に温度差を引き起こして電気エネルギーを熱エネルギーに変換する熱電現象を利用する素子を言う。このような熱電素子は、冷却装置、小規模な加熱装置、または小規模な発電装置に利用されている。

熱電素子を小規模な発電装置に利用したものを熱電発電装置または熱電発電機と呼ばれ、主に、無電通信機の電源供給装置、宇宙船の電力供給装置、核潜水艦の動力供給装置、車の排気システムに設置される熱電発電機などに用いられている。

熱電発電機の自動車への適用については、熱電素子によって自動車の排気ガスの熱を電気エネルギーに変換してバッテリーを充電する排気熱発電装置が提案されており（例えば、特許文献１参照）、さらに、複数の熱電発電素子が、排気管および冷却水管に対して排気の上流側から下流側へ順次取付けられ、冷却水管中の冷却水の流れを排気管を流れる排気方向と対向するようにして各熱電発電素子間の発電量差を小さくして、全体の発電量を大きくした排気熱発電装置〔特許文献２参照〕、取り出す電流を最適電流値に制御して最大電力の取り出しを可能にした熱電発電機〔特許文献３、特許文献４参照〕など、その発電効率を上げる努力が行われている。

図１は、従来の車用熱電発電機の断面図である。図に示すように、車の排気システムに設置された熱電発電機１０は、高温の排気ガスが通過する六角形状の排気熱回収装置４０、排気熱回収装置４０の外側に設置され、内部に冷却水が流れる冷却装置３０、および排気熱回収装置４０の外側と冷却装置３０内側に接触して両端の温度差によって電気を発生させる複数の熱電モジュール２０で構成されている。

排気熱回収装置４０の内部には、高温の排気ガスが流れてその熱エネルギーが熱電モジュール２０に伝達される。冷却装置３０の内部には冷却パイプ３２が設けられて冷却水が流れる。これにより、熱電モジュール２０の内側は排気熱回収装置４０と接触して高温になり、熱電モジュール２０の外側は冷却装置３０と接触して低温となって温度差が生じ、熱電モジュール２０による発電ができる。

熱電発電機による発電量を大きくする、すなわち、熱電発電効率を高めるには、排気ガスの熱エネルギーを効率良く熱電モジュールに伝達すると共に、他方の冷却を良く行うことが重要となる。しかし、従来の車用熱電発電機では、排気ガスの熱エネルギーが高温部に充分伝達されず、他方、冷却装置３０が大きい容積を占めているにも拘わらず熱交換面積が小さくて熱伝逹率が低く、熱電発電機の熱電効率が低いという問題があった。

特開昭６１−２５４０８２号公報 特開２００５−２９９４１７号公報 特開２００５−２３７０５８号公報 特開２００９−１９５０６７号公報

上述した従来技術の問題点を解決すべくなされた本発明の目的は、小さいながらも熱電発電効率を高めることができる車用熱電発電機を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の車用熱電発電機は、消音器内部に設置されて、エンジンからの排気ガスが流れる排気管の外周面に装着され、排気ガスにより加熱される高温部と、排気管の外周面に装着され、内部に冷却水が流れる低温部と、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体の接合体であり、排気管の外周面で高温部と低温部の間に位置して装着され、一側面が高温部によって加熱され、他側面が低温部によって冷却されて一側面と他側面の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュールと、を含んで構成される。

高温部は、その外周縁が消音器の内周面と接し、中心部に第１装着孔が形成されて排気管が貫通されると共に、第１装着孔の内周縁が排気管の外周面と接して装着された第１熱交換板と、その外周縁が消音器の内周面と接し、中心部に第２装着孔が形成されて排気管が貫通されると共に、第２装着孔の内周縁が排気管の外周面に接して装着された第２熱交換板とでなり、第１熱交換板と第２熱交換板が、排気管を流れる排気ガスによって加熱されて熱電モジュールの一つの側面を加熱する構成とすることができる。

低温部は、その外周縁が消音器の内周面と接すると共に、外周縁の一側に冷却水流入口と、外周縁の他側に冷却水排出口が備えられ、中心部に第３装着孔が形成されて排気管が貫通されると共に、第３装着孔の内周縁が排気管の外周面に接して装着され、冷却水流入口から流入し冷却水排出口から排出される冷却水により冷却されて熱電モジュールの一つの側面を冷却する構成とすることができる。

熱電モジュールは、低温部を中心にして第１熱電素子との間に第１熱電素子が、第２熱電素子との間に第２熱電素子が配置された形状であり、第１熱電素子は、その外周縁が消音器の内周面と接し、中心部に第４装着孔が形成されて排気管が貫通されると共に、第４装着孔の内周縁が排気管の外周面に接して装着され、一側面が第１熱交換板と面接触して加熱され、他側面が低温部と面接触して冷却されて、第１熱交換板との接触面と低温部との接触面との間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させ、
第２熱電素子は、その外周縁が消音器の内周面と接し、中心部に第５装着孔が形成されて排気管が貫通されると共に、第５装着孔の内周縁が排気管の外周面に接して装着され、一側面が第２熱交換板と面接触して加熱され、他側面が低温部と面接触して冷却されて、第２熱交換板との接触面と低温部との接触面との間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる構成とすることができる。

また、消音器は、第１熱交換板および第２熱交換板それぞれの外周縁が消音器内周面に接して位置するバッフルで形成させると、熱電モジュールにより電気を発生させると共に、騒音を低減させることができる。

本発明の車用熱電発電機によれば、電気を生産する熱電モジュールの高温部は、良好な熱伝導率で高温の排気ガスからの熱が伝えられ、低温部は、冷却水により広い接触面積で冷却されて、高温部と低温部の温度差により効率良く発電ができる。さらに、熱電モジュールの数を増やして、製作費用を少なく、全体重量を増やすことなく、発電量を高めることができる。

本発明の車用熱電発電機は車の消音器（マフラー）内部に設置しており、従って、消音器は、排気ガスの騒音を減少させると共に、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに転換できるという一石二鳥の作用をしている。

本発明の車用熱電発電機は、その大きさが小さくてパッケージングに有利であり、その構造が単純であるため製品の生産性を高めることができる長所がある。

従来の車用熱電発電機を示す断面図である。 本発明の一実施形態による車の消音器に装着された車用熱電発電機を示す断面図である。 本発明の一実施形態による車用熱電発電機の車の消音器に装着された状態を示す部分斜視図である。 本発明の一実施形態による車用熱電発電機を示す分解斜視図である。

以下、本発明による車用熱電発電機を、一実施形態を挙げて添付の図面を参照しつつ詳しく説明する。
図２は、本発明の一実施形態であり、車の消音器に装着された車用熱電発電機１００を示す断面図である。図３は、車用熱電発電機１００が、車消音器に装着された状態を示す部分斜視図である。図４は、本発明の一実施形態による車用熱電発電機１００を示す分解斜視図である。

図に示すように、本発明の一実施形態による車用熱電発電機１００は、消音器６０内部を貫通する排気管６２に設置された高温部１１０、内部に冷却水が流れる低温部１３０、および高温部１１０と低温部１３０の間に位置して電気を発生させる熱電モジュール１２０を含む構成である。

高温部１１０は、排気管６２の外周面に接して設置された第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４が対をなして互いに間隔をおいて配置され、第１熱交換板１１２の中心部には第１装着孔１１３が、第２熱交換板１１４の中心部には第２装着孔１１５が形成されている。

そして、第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４は、いずれもその外周縁が消音器６０の内周面に接し、その中心部にある第１装着孔１１３と第２装着孔１１５に排気管６２が貫通されると共に、第１装着孔１１３と第２装着孔１１５の内周縁が排気管６２の外周面に接して装着される。

一方、低温部１３０は、第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４の間にあり、その外周縁の一側に冷却水が流入する冷却水流入口１３１が、他側には冷却水が排出される冷却水排出口１３２がそれぞれ形成されている。低温部１３０は、第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４と同じようにその外周縁が消音器６０の内周面に接し、中心部には第１装着孔１１３および第２装着孔１１５と同じように第３装着孔１３３が形成されて排気管６２が貫通されると共に、第３装着孔１３３の内周縁が排気管６２の外周面に接して装着される。

熱電モジュール１２０は、高温部１１０と低温部１３０の間に位置し、第１熱電素子１２２は、高温部１１０の第１熱交換板１１２と低温部１３０の間にあって、一側面が第１熱交換板１１２と面接触し、他側面が低温部１３０と面接触する。同様に、第２熱電素子１２４は、高温部１１０の第２熱交換板１１４と低温部１３０の間にあって、一側面が第２熱交換板１１４と面接触し、他側面が低温部１３０と面接触する。
第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４は、いずれもその外周縁が消音器６０の内周面に接し、中心部にはそれぞれ第４装着孔１２３と第５装着孔１２５が形成されて排気管６２が貫通されると共に、第４装着孔１２３と第５装着孔１２５の内周縁が外周面に接して装着される。

第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４は、ともにＰ−型半導体とＮ−型半導体の接合体である。

この構造により、第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４は、排気管６２に流れる高温の排気ガスによって加熱され、さらに第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４のそれぞれ第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４と面接触している側を加熱する。一方、エンジン冷却システムを循環する冷却水が、冷却水流入口１３１から低温部１３０内部に流入し冷却水排出口１３２から排出する流れを作って第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４のそれぞれ低温部１３０と面接触している側を加熱する。

第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４は、高温部１１０の第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４、および低温部１３０に対し熱伝導を良くするために溶接または導電性テープによって接着させるのがよい。このように設置されることにより、熱電モジュール１２０では第１熱電素子１２２においても第２熱電素子１２４においても、一側が高温になり他側が低温になり、両側面での温度差によって、第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４内部では、熱電現象によって電気が発生する。第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４を互いに電気的に連結し、車のバッテリー（図示してない）に電気的に連結することによってバッテリーを充電することができる。

このように構成された本発明の車用熱電発電機１００は、消音器６０の内部にモジュールの形態で複数個装着することができる。複数個の車用熱電発電機１００が装着されれば、より多くに電気を発生させることができ、エンジンの燃費効率を高めることができる。同時に、消音器６０は、その本来の機能である騒音の減少を図ることができる。

上述した本発明の車用熱電発電機の作用について説明する。
エンジンが駆動すると、エンジンからの排気ガスが排気管６２を通って消音器６０の内部に入り、これと同時に、エンジン冷却水が冷却水流入口１３１から低温部１３０内部に流入する。

排気管６２には、高温の排気ガスが流れて第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４を加熱し、加熱された第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４によって熱電モジュール１２０の第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４の外側面を加熱する。一方、低温部１３０に流入した冷却水は、低温部１３０と面接触する第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４の内側面を冷却させる。従って、第１熱電素子１２２と第２熱電素子１２４は、いずれもその内外側面の間に温度差が生じ、この温度差により第１熱電素子１２２と第２熱電素子に電気が発生する。このようにして生産された電気を電気的に連結することで車のバッテリーを充電することができる。

また、本発明の一実施形態によれば、第１熱交換板１１２と第２熱交換板１１４は、その外周縁が消音器６０の内周面と接して位置するバッフルで形成することができ、これによってバッフルの作用によって消音器６０内部の騒音を低減させることができ、特に、必要に応じてバッフルで形成される第１熱交換板１１２および第２熱交換板１１４の大きさおよび位置を適切にすることにより騒音を効果的に減らすことができる。

このように、消音器６０では、車両エンジンからの排気ガスが熱電モジュール１２０の高温部１１０を加熱し、エンジン冷却水が低温部１３０を冷却させて熱電モジュール１２０により電気を発生させると共に、本来の機能である騒音の発生を抑えることができる。すなわち、熱電発電と共に騒音低減という２つの効果を同時に達成することができる。

本発明の車用熱電発電機は、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして有効利用でき、車の消音器に装着されることで車両の空間を占有しないことで非常に効率がよい。部品数が少なく製作でき、製作費用が減少し、構造が簡単であることで生産性が向上し、エンジンの燃費が向上するという特徴がある。

１０：熱電発電機
２０：熱電モジュール
３０：冷却装置
４０：排気熱回収装置
６０：消音器
６２：排気管
１００：熱電発電機
１１０：高温部
１１２：第１熱交換板
１１３：第１装着孔
１１４：第２熱交換板
１１５：第２装着孔
１２０：熱電モジュール
１２２：第１熱電素子
１２３：第４装着孔
１２４：第２熱電素子
１２５：第５装着孔
１３０：低温部
１３１：冷却水流入口
１３２：冷却水排出口
１３３：第３装着孔

Claims (5)

1. 消音器内部に設置される車用熱電発電機であって、
   エンジンからの排気ガスが流れる排気管の外周面に装着され、前記排気ガスにより加熱される高温部と、
   前記排気管の外周面に装着され、内部に冷却水が流れる低温部と、
   Ｐ−型半導体とＮ−型半導体の接合体であり、前記排気管の外周面で前記高温部と前記低温部の間に位置して装着され、一側面が前記高温部によって加熱され、他側面が前記低温部によって冷却されて前記一側面と前記他側面の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させる熱電モジュールと、
   を含んで構成されることを特徴とする車用熱電発電機。
2. 前記高温部は、その外周縁が前記消音器の内周面と接し、中心部に第１装着孔が形成されて前記排気管が貫通されると共に、前記第１装着孔の内周縁が前記排気管の外周面と接して装着された第１熱交換板と、その外周縁が前記消音器の内周面と接し、中心部に第２装着孔が形成されて前記排気管が貫通されると共に、前記第２装着孔の内周縁が前記排気管の外周面に接して装着された第２熱交換板とでなり、前記第１熱交換板と前記第２熱交換板が、前記排気管を流れる排気ガスによって加熱されて前記熱電モジュールの一つの側面を加熱することを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
3. 前記低温部は、その外周縁が前記消音器の内周面と接すると共に、前記外周縁の一側に冷却水流入口と、前記外周縁の他側に冷却水排出口が備えられ、中心部に第３装着孔が形成されて前記排気管が貫通されると共に、前記第３装着孔の内周縁が前記排気管の外周面に接して装着され、前記冷却水流入口から流入し前記冷却水排出口から排出される冷却水により冷却されて前記熱電モジュールの一つの側面を冷却することを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
4. 前記熱電モジュールは、前記低温部を中心にして第１熱交換板との間に第１熱電素子が、第２熱交換板との間に第２熱電素子が配置された形状であり、
   前記第１熱電素子は、その外周縁が前記消音器の内周面と接し、中心部に第４装着孔が形成されて前記排気管が貫通されると共に、前記第４装着孔の内周縁が前記排気管の外周面に接して装着され、一側面が前記第１熱交換板と面接触して加熱され、他側面が前記低温部と面接触して冷却されて、前記第１熱交換板との接触面と前記低温部との接触面との間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させ、
   前記第２熱電素子は、その外周縁が前記消音器の内周面と接し、中心部に第５装着孔が形成されて前記排気管が貫通されると共に、前記第５装着孔の内周縁が前記排気管の外周面に接して装着され、一側面が前記第２熱交換板と面接触して加熱され、他側面が前記低温部と面接触して冷却されて、前記第２熱交換板との接触面と前記低温部との接触面との間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生させることを特徴とする請求項１に記載の車用熱電発電機。
5. 前記消音器は、前記第１熱交換板および第２熱交換板それぞれの外周縁が前記消音器内周面に接して位置するバッフルで形成され、前記熱電モジュールにより電気を発生させると共に、騒音を低減させることを特徴とする請求項２に記載の車用熱電発電機。

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