JP6020434B2

JP6020434B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP6020434B2
Application number: JP2013254950A
Authority: JP
Inventors: 入山　要次郎; 要次郎入山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP2015116005A

Description

本発明は、高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられる熱電発電装置に関する。

例えば特許文献１には、エンジンから排出される高温の排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電デバイスが記載されている。

この熱電デバイスは、熱電発電器モジュールの多数をエンジンの排気通路（ハウジング）内に組み込んだ構成とされている。

前記熱電発電器モジュールは、棒状に形成されており、その長手方向が前記排気通路内の排ガス流れ方向と直交するような状態で設けられている。この熱電発電器モジュールは、冷却剤が流通される内側ケーシングと、この内側ケーシングが挿通される外側ケーシングと、前記内側ケーシングと前記外側ケーシングとの対向間に設置される多数の熱電素子とを含んだ構成になっている。

そして、上下左右に多数配置される熱電発電器モジュールの内側ケーシングにそれぞれ同一方向に冷却剤を流す形態、つまり多数の熱電発電器モジュールに冷却剤を並列に流す形態にしている。

特表２０１２−５３３９７２号公報

上記特許文献１のように、前記多数の熱電発電器モジュールに冷却剤を並列に流す形態にしている場合、前記冷却剤の流路断面積が大きいため、冷却剤の圧力損失の増加を抑制できるものの、冷却剤の流速が低下して発電効率が低下することが懸念される。

仮に、前記多数の熱電発電器モジュールに冷却剤を直列に流す形態にする場合、前記冷却剤の流路断面積を小さく設計すると、冷却剤の流速が速くなるので発電効率を高めることが可能になるものの、低下冷却剤の圧力損失が増加して冷却剤導入用のポンプの消費電力が増加する。そこで、冷却剤の圧力損失の増加を抑制するために、前記冷却剤の流路断面積を大きく設計すると、熱電発電装置の設置スペースが大きくなって設置性が低下することが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、熱電発電装置において、大きな設置スペースを必要とすることなく、発電効率の向上と冷媒導入用のポンプの消費電力低減とを両立することを目的としている。

本発明は、高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられる熱電発電装置であって、前記多数の熱電モジュールにそれぞれ設けられる各冷媒流路の長手方向一端側それぞれに接続される第１接続管と、前記各冷媒流路の長手方向他端側それぞれに接続される第２接続管と、前記第１接続管において前記ガス流通方向最上流の冷媒流路との接続部位に接続される冷媒導入管と、前記第２接続管において前記ガス流通方向最下流の冷媒流路との接続部位に接続される冷媒還流管と、前記第１接続管において奇数列の冷媒流路とそれよりもガス流通方向下流側に位置する偶数列の冷媒流路との間に設けられるバルブと、前記第２接続管において偶数列の冷媒流路とそれよりもガス流通方向下流側に位置する奇数列の冷媒流路との間に設けられるバルブと、前記冷媒の流速に基づいて前記第１接続管側のバルブおよび前記第２接続管側のバルブの開閉状態を制御する制御部とを含む、ことを特徴としている。

この構成において、前記第１接続管側のバルブおよび前記第２接続管側のバルブを閉状態にすると、１列目の冷媒流路から下流側に配置される冷媒流路までが順次１本に連なる「直列流路」が形成される。一方、前記第１接続管側のバルブおよび前記第２接続管側のバルブを開状態にすると、冷媒がすべての冷媒流路において第１接続管側から第２接続管側へと並行して流通する「並列流路」が形成される。

前記直列流路を形成すると、前記並列流路に比べて冷媒の流速が速くなるので、熱電発電装置の発電効率を高めることが可能になる。

一方、前記並列流路を形成すると、冷媒流路の合計断面積が前記直列流路の場合に比べて大きくなって冷媒の圧力損失が下がるので、冷媒導入用のポンプの電力消費を抑制することが可能になる。

このような並列流路を形成することが可能になることに伴い、本発明に係る熱電発電装置は、多数の熱電モジュールの冷媒流路個々の流路断面積を必要以上に大きくせずに済むから、設置性を高めることが可能になる。

本発明は、熱電発電装置において、大きな設置スペースを必要とすることなく、発電効率の向上と冷媒導入用のポンプの消費電力低減とを両立することが可能になる。

本発明に係る熱電発電装置の一実施形態を示す図で、第１〜第４バルブを閉状態にすることにより直列流路を形成した形態を示している。図１において第１〜第４バルブを開状態にすることにより並列流路を形成した形態を示す図である。図１の熱電モジュールの熱電素子の配置パターンを示す図である。図１の熱電モジュールの断面構造を示す図である。図１の熱電発電装置において冷媒流通経路の切り替え制御を説明するために用いる図である。本発明に係る熱電発電装置の他実施形態で、第１、第２バルブを閉状態にして第３、第４バルブを開状態にすることにより併合流路を形成した形態を示す図である。本発明に係る熱電発電装置の他実施形態で、図４に対応する図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図５に、本発明の一実施形態を示している。図中、１は車両の排気通路、２は熱電発電装置である。

熱電発電装置２は、図示していないが、車両に搭載される。この熱電発電装置２は、エンジンから排出される高温の排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果を利用したものであって、ケース３に多数の熱電モジュール４を組み込んだ構成である。

ケース３は、角筒形に形成されており、その一方開口が排気通路１において排ガス流れ方向（白抜き矢印参照）の上流側に、また他方開口が排気通路１において排ガス流れ方向の下流側にそれぞれ連通連結されている。このケース３において排気通路１との前記両連結部分は、四角錐形状とされている。

多数の熱電モジュール４は、いずれも棒状に形成されており、ケース３に排ガス流れ方向に交差する姿勢、具体的に直交する姿勢でケース３の一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられている。

この実施形態では、ケース３内において熱電モジュール４が排ガス流れ方向に５列設けられている。熱電モジュール４の配列については、排ガス流れ方向の上流側から下流側へ向けて、第１列、第２列、第３列、第４列、第５列とする。

詳しくは、熱電モジュール４は、図４に示すように、アウターチューブ５内にインナーチューブ６を挿通し、アウターチューブ５とインナーチューブ６との対向間に多数の熱電材料として第１熱電素子（例えばｐ型半導体）７および第２熱電素子（例えばｎ型半導体）８を設置し、図３の破線で示すように、第１熱電素子７と第２熱電素子８とを電線９で接続した構成になっている。

アウターチューブ５は、断面が小判形状に形成されており、その２つの平坦な長辺５ａ，５ｂの外面には、外向きに突出する放熱フィン５ｃが長手方向所定ピッチ毎に設けられている。

インナーチューブ６は、断面が扁平な長方形形状に形成されており、アウターチューブ５の中心付近に非接触に配置されている。このインナーチューブ６内には、冷媒が流通されるようになっている。

ところで、アウターチューブ５は排ガスが触れる関係より「高温側部材」となり、また、インナーチューブ６はその内部を冷媒が流通する関係より「低温側部材」となる。

第１熱電素子７および第２熱電素子８は、図４に示すように、共に直方体または立方体のような形状とされていて、アウターチューブ（高温側部材）５とインナーチューブ（低温側部材）６との対向間に設置されている。

具体的に、第１熱電素子７および第２熱電素子８は、図３に示すように、アウターチューブ５の幅方向（排ガス流れ方向）に１個ずつ配置されているとともに、アウターチューブ５の長手方向に１個ずつ交互に配置されている。詳しく言えば、アウターチューブ５の長手方向での第１熱電素子７および第２熱電素子８の配置としては、第１熱電素子（ｐ型半導体）７−第２熱電素子（ｎ型半導体）８−第１熱電素子（ｐ型半導体）７−第２熱電素子（ｎ型半導体）８……という形態で所定ピッチ毎に並べられている。

図４に示すように、第１熱電素子７および第２熱電素子８の６つの面のうち、いずれか一つの面がアウターチューブ５の２つの平坦な長辺５ａ，５ｂの内面に、また、前記面と対向する面がインナーチューブ６の２つの長辺６ａ，６ｂの外面にそれぞれ面接触されている。そして、第１熱電素子７および第２熱電素子８における前記対向する２つの面の間で温度差が生じたときに電気エネルギー（電圧）を発生する。

電線９は、図３の破線で示すように、アウターチューブ５の長手方向および幅方向に配置されている第１熱電素子７と第２熱電素子８とを直列に接続することでクランク状に配線されている。

次に、ケース３に対する熱電モジュール４の組み込み形態について詳細に説明する。

上述しているように、「川」の字形に並べた状態で組み付けているすべての熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側それぞれには第１接続管１２が接続されており、すべての熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側それぞれには第２接続管１３が接続されている。

第１接続管１２において第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６に対する接続部位には冷媒導入管１１が接続されている。

第２接続管１３において第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６に対する接続部位には冷媒還流管１４が接続されている。

なお、アウターチューブ５の長手方向一端および他端は閉塞されており、この閉塞部分に冷媒導入管１１と第１、第２接続管１２，１３と冷媒還流管１４とが貫通させられ、冷媒導入管１１と第１、第２接続管１２，１３と冷媒還流管１４とがアウターチューブ５内でインナーチューブ６に連通連結されるようになっている。

第１接続管１２において第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６と第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６との間には第１バルブ２１が設けられており、また、第１接続管１２において第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６と第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６との間には第２バルブ２２が設けられている。

第２接続管１３において第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６と第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６との間には第３バルブ２３が設けられており、また、第２接続管１３において第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６と第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６との間には第４バルブ２４が設けられている。

上記第１〜第４バルブ２１〜２４は、電動式開閉弁とされ、その開閉動作が制御部（エレクトロニックコントロールユニット:ＥＣＵ）３０により適宜制御されるようになっている。

ここで、図１に示すように、第１〜第４バルブ２１〜２４を閉状態にすると、第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６から第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６に連なって、同様に第３列、第４列、第５列と順次１本に連なって蛇行する「直列流路」が形成される。

この直列流路を形成すると、冷媒は第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６から第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６、第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６、第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６、第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６へと順に流通するようになる。

詳しくは、冷媒導入管１１から第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側に冷媒が導入されると、第１列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側から第２接続管１３を経て第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側に流入され、第２列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側から第１接続管１２を経て第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側に流入され、第３列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側から第２接続管１３を経て第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側に流入され、さらに第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側から第１接続管１２を経て第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向一端側に流入され、第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６の長手方向他端側から冷媒還流管１４に排出されるようになる。

また、図２に示すように、第１〜第４バルブ２１〜２４を開状態にすると、１列目〜５列目すべての熱電モジュール４のインナーチューブ６が第１接続管１２側から第２接続管１３側へと冷媒が並行して流通する「並列流路」が形成される。

この並列流路を形成すると、冷媒導入管１１に導入される冷媒は、第１接続管１２を経て第１列〜第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６すべての長手方向一端側に導入されることになり、第１列〜第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６すべての長手方向他端側から第２接続管１３に流れて冷媒還流管１４に排出されるようになる。

このように、前記直列流路を形成すると、前記並列流路を形成する場合に比べて流路断面積が小さくなるので、各インナーチューブ６を流通する冷媒の流速が速くなる。また、前記並列流路を形成すると、前記直列流路を形成する場合に比べて流路断面積が大きくなるので、各インナーチューブ６を流通する冷媒の圧力損失が低下する。

次に、冷媒流通経路を直列流路（図１参照）と並列流路（図２参照）とに切り替える制御について説明する。

この実施形態では、熱電発電装置２に導入される冷媒についてエンジンの冷却システムの冷媒を利用するようになっている。その場合、エンジン制御によって冷媒の流量が最適化される関係より、熱電発電装置２に導入される冷媒の流量ならびに流速を任意に決定することができない。この冷媒導入管１１に導入される冷媒の流量ならびに流速は、図示していないが、エンジン冷却システムに備えるポンプ（ウォータポンプとも言う）の作動能力により決まる。

一般に、熱電モジュール４のインナーチューブ６を流通する冷媒の流速が遅くなるにつれて熱電発電装置２の発電効率が低下する。一方、前記冷媒の流速が速くなるにつれて熱電発電装置２の発電効率が高くなるものの冷媒の圧力損失が増加する。

そこで、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が遅い場合には、第１〜第４バルブ２１〜２４を閉じて直列流路（図１参照）を形成すれば、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒の流速を上げることができるので、熱電発電装置２の発電効率を可及的に高くすることが可能になる。

一方、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が速い場合には、第１〜第４バルブ２１〜２４を開いて並列流路（図２参照）を形成すれば、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒の流速を下げることができるので、冷媒の圧力損失を下げることができて、冷媒導入用のポンプの電力消費を低減することが可能になる。

ところで、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒の流速が上がると、熱電モジュール４による低温側部材（インナーチューブ６）の温度が下がることによる発電量増加で車両燃費が改善するものの、冷媒導入用のポンプの出力ロス（電動ポンプの場合の消費電力増加）により車両燃費が悪化することが判った。つまり、冷媒の流速が速くなり過ぎると、車両の合計燃費効果が低下する状況が発生することが判った。

前記合計燃費効果は、図５に示すように、冷媒流速が上がって熱電モジュール４による低温側部材（インナーチューブ６）の温度が下がることによる発電量増加で車両燃費が改善する分Ａ（図５の一点鎖線参照）と、冷媒流速が上がって冷媒導入用のポンプの出力ロス（電動ポンプの場合の消費電力増加）による車両燃費が悪化する分Ｂ（図５の二点鎖線参照）とを合計Ａ＋Ｂ（図５の実線参照）することにより求められる。

前記合計燃費効果は、図５中の実線で示すように、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒流速の上昇に伴い漸増するものの、前記冷媒流速が所定値に到達すると最大になり、それ以降は前記冷媒流速の上昇に伴い漸減するようになる。つまり、前記合計燃費効果は、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒流速に応じて決まると言える。この熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒流速は、冷媒流通経路を直列流路（図１参照）または並列流路（図２参照）に切り替えることにより変えることができる。

このようなことから、本願発明者は、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が変化しても、できるだけ前記合計燃費効果の高い領域を確保するように、第１〜第４バルブ２１〜２４の開閉状態を制御することにより直列流路（図１参照）と並列流路（図２参照）とを適宜に切り替えることが好ましいと考えるに至った。

前記合計燃費効果の高い領域とは、最大値の９０％以上（図５のハッチングで示す領域）のこととされる。詳しくは、前記合計燃費効果の高い領域とは、合計燃費効果が上昇する過程で前記合計燃費効果の最大値の９０％に到達する点（図５の符号１００参照）から、前記合計燃費効果が最大になってから下降する過程で前記合計燃費効果の最大値の９０％に到達する点（図５の符号２００参照）までのこととされる。

つまり、この実施形態の制御部３０では、前記合計燃費効果が９０％以上になるように第１〜第４バルブ２１〜２４を閉状態または開状態に適宜切り替えることによって熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒流速を調節するようにしている。

以上説明したように、この実施形態の熱電発電装置２では、前記したような並列流路を形成することが可能になるから、多数の熱電モジュール４のインナーチューブ６個々の流路断面積を必要以上に大きくする必要がない。そのため、熱電発電装置２の設置性を高めることが可能になるなど、設備コストの低減に貢献できるようになる。ちなみに、インナーチューブ６個々の流路断面積は、それらの外形サイズと冷媒の圧力損失との関係を考慮して設計される。

そして、この実施形態の熱電発電装置２では、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が変化しても、前記合計燃費効果の高い領域（例えば最大値の９０％以上）を確保することを目的として、直列流路（図１参照）と並列流路（図２参照）とを適宜切り替えることにより熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒流速を最適化するようにしている。

つまり、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が遅い場合には、第１〜第４バルブ２１〜２４を閉状態にして直列流路（図１参照）を形成することにより、熱電モジュール４のインナーチューブ６の１本あたりの冷媒の流速を上げるようにしているから、熱電発電装置２の発電効率を可及的に高めることが可能になる。一方、冷媒導入管１１に導入される冷媒の流速が速い場合には、第１〜第４バルブ２１〜２４を開状態にして並列流路（図２参照）を形成することにより、冷媒の圧力損失を下げるようにしているから、冷媒導入用のポンプの電力消費を抑制できるようになる。

これにより、本発明に係る熱電発電装置２では、車両への設置性が良好で、かつ車両の排ガスを有効利用して効率良く発電を行いながら、当該発電に伴う電力消費を可及的に抑制できるようになるから、車両の合計燃費を可及的に高くすることが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）上記実施形態では、冷媒流通経路を直列流路（図１参照）と並列流路（図２参照）とに切り替える例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

前記冷媒流通経路としては、第１〜第４バルブ２１〜２４の一部を閉状態にして残りを開状態にするように組み合わせることにより、前記直列流路と前記並列流路とを組み合わせた「併合流路」をさらに加えることも可能である。

この併合流路としては、例えば図６に示すように、第１バルブ２１および第２バルブ２２を開にする一方で第３バルブ２３および第４バルブ２４を閉にする形態にすることが可能である。

このような併合流路を形成すると、第１接続管１２に導入される冷媒は第１列〜第３列の熱電モジュール４の各インナーチューブ６から並列に第２接続管１３へと流通し、その後、第４列の熱電モジュール４のインナーチューブ６を経て第１接続管１２に流れ、さらに第５列の熱電モジュール４のインナーチューブ６を経て第２接続管１３へと直列に蛇行しながら流れて冷媒還流管１４に排出されるようになる。

この場合、冷媒の流通時の圧力損失を低減したうえで十分な発電効率を得ることが可能になる。したがって、このような冷媒流通経路を形成可能にした場合には、上記実施形態に比べて、さらに冷媒の流速に応じた細かい対処が可能になる。

（２）上記実施形態では、高温ガスとしてエンジンの排ガスを利用する例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばＥＧＲガスを利用することが可能である。

（３）上記実施形態では、ケース３内に熱電モジュール４を排ガス流れ方向に５列にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、少なくとも３列以上とすることが可能である。

（４）上記実施形態では、熱電発電装置２をケース３に熱電モジュール４を組み込んだ構成にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばケース３を無くして熱電モジュール４を排気通路１に直接組み込んだ構成とすることが可能である。

（５）上記実施形態では、ケース３を角筒形にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、例えばケース３を円筒形、楕円筒形などにすることが可能である。

（６）上記実施形態では、熱電モジュール４のアウターチューブ５およびインナーチューブ６を断面でほぼ矩形にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

例えば図７に示すように、熱電モジュール４のアウターチューブ５およびインナーチューブ６を断面でほぼ円形にすることが可能である。この場合、第１熱電素子７および第２熱電素子８を面でアウターチューブ５とインナーチューブ６とに接触させるようにしている。

本発明は、高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられる熱電発電装置に好適に利用することが可能である。

１排気通路
２熱電発電装置
３ケース
４熱電モジュール
５アウターチューブ
６インナーチューブ（冷媒流路）
１１冷媒導入管
１２第１接続管
１３第２接続管
１４冷媒還流管
２１第１バルブ
２２第２バルブ
２３第３バルブ
２４第４バルブ
３０制御部

Claims

高温ガスが流通される筒形のケースに多数の棒状の熱電モジュールがガス流通方向に交差する姿勢で前記ケースの一方開口から他方開口へ向けて隣り合うように組み付けられる熱電発電装置であって、
前記多数の熱電モジュールにそれぞれ設けられる各冷媒流路の長手方向一端側それぞれに接続される第１接続管と、
前記各冷媒流路の長手方向他端側それぞれに接続される第２接続管と、
前記第１接続管において前記ガス流通方向最上流の冷媒流路との接続部位に接続される冷媒導入管と、
前記第２接続管において前記ガス流通方向最下流の冷媒流路との接続部位に接続される冷媒還流管と、
前記第１接続管において奇数列の冷媒流路とそれよりもガス流通方向下流側に位置する偶数列の冷媒流路との間に設けられるバルブと、
前記第２接続管において偶数列の冷媒流路とそれよりもガス流通方向下流側に位置する奇数列の冷媒流路との間に設けられるバルブと、
前記冷媒の流速に基づいて前記第１接続管側のバルブおよび前記第２接続管側のバルブの開閉状態を制御する制御部とを含む、ことを特徴とする熱電発電装置。