JP6064591B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温媒体と低温媒体との温度差に応じて発電を行う熱電発電装置に関する。

一般に、熱電変換モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生する複数の熱電変換素子が高温側の受熱基板と低温側の放熱基板との間に複数個設置されており、熱電変換モジュールの受熱基板に高温熱源である熱回収部材を接触させ、放熱基板に低温熱源を接触させることで熱電発電装置が構成される。
この熱電発電装置においては、熱回収部材から熱電変換モジュールの受熱基板への熱伝導性が発電性能に大きく影響することが知られている。

従来、発電性能を向上できる熱電発電装置としては、熱電変換モジュールの受熱基板に対向する熱回収部材の対向面に錫（Ｓｎ）等の低融点金属体を収容する凹部を形成し、凹部に充填された低融点金属体の表面をモリブデン等の酸化防止用の高融点金属皮膜で覆うようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このように構成することで高融点金属皮膜を受熱基板に均一な面圧で密着させて熱回収部材から受熱基板への熱伝導性を高めることができる。

特開２００７−１１６０８６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、酸素雰囲気中で低融点金属体の酸化を防止するために、低融点金属体の表面を高融点金属皮膜で覆うようにしているので、高融点金属皮膜を設ける分だけ熱電発電装置の部品点数が増大してしまい、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、部品点数を増大することなしに伝熱部材の酸化を防止することができ、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）高温媒体が導入される高温側支持部材に第１の伝熱部材を介して接触する第１の絶縁基板と、低温媒体が導入される低温側支持部材に第２の伝熱部材を介して接触する第２の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との間に介装された複数の熱電変換素子とを有し、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、少なくとも前記第１の絶縁基板と前記高温側支持部材とによって画成される閉空間に前記第１の伝熱部材を設置したものから構成されている。

この熱電発電装置は、少なくとも第１の絶縁基板と高温側支持部材とによって画成される閉空間に第１の伝熱部材が設けられるので、第１の伝熱部材を閉空間に密閉することができる。
このため、酸素雰囲気中に熱電変換モジュールが設置される場合に、少なくとも第１の伝熱部材が酸化するのを防止することができる。

また、少なくとも第１の絶縁基板または高温側支持部材の形状を変更するだけで、少なくとも第１の伝熱部材が酸化するのを防止することができるため、熱電発電装置の部品点数が増大するのを防止することができ、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。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記第１の絶縁基板の一部と前記高温側支持部材の一部とが接触し、前記第２の絶縁基板と前記低温側支持部材が非接触となるように構成されている。

この熱電発電装置は、高温媒体が作用する高温側支持部材と低温媒体が作用する低温側支持部材との熱膨張の違いにより低温側支持部材に対して高温側支持部材がより大きく熱膨張した場合に、第１の絶縁基板および第１の伝熱部材が第２の絶縁基板および第２の絶縁基板に対して相対移動してしまい、熱電変換素子が剪断変形するおそれがある。

本発明の熱電発電装置は、第１の絶縁基板の一部と高温側支持部材の一部とが接触し、第２の絶縁基板と低温側支持部材が非接触となるので、低温側支持部材に対して高温側支持部材がより大きく熱膨張した場合に、第２の絶縁基板および第２の伝熱部材が高温側支持部材に引きずられて低温側支持部材に対して相対移動する。このため、熱電変換素子が剪断変形するのを防止することができる。

上記（１）、（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記第２の伝熱部材および前記第２の絶縁基板の間の摩擦係数が、前記低温側支持部材および前記第２の伝熱部材の間の摩擦係数よりも大きく構成されている。

この熱電発電装置は、第２の伝熱部材と第２の絶縁基板の間の摩擦係数が、低温側支持部材および第２の伝熱部材の間の摩擦係数よりも大きく構成されているので、低温側支持部材に対して高温側支持部材がより大きく熱膨張した場合に、第２の絶縁基板および第２の伝熱部材が高温側支持部材に引きずられて低温側支持部材に対して相対移動する。このため、熱電変換素子が剪断変形するのを防止することができる。

また、熱伝導性を考慮すると、第２の伝熱部材を第２の絶縁部材よりも大きくすることが好ましいが、第２の伝熱部材を第２の絶縁部材よりも大きくすると、第２の絶縁基板および第２の伝熱部材が高温側支持部材に引きずられて低温側支持部材に対して相対移動するときに、第２の絶縁基板と第２の伝熱基板の相対移動により第２の伝熱部材が第２の絶縁基板のエッジ部に擦られて磨耗してしまうおそれがある。

本実施の形態の熱電発電装置は、第２の伝熱部材と第２の絶縁基板の間の摩擦係数が、低温側支持部材および第２の伝熱部材の間の摩擦係数よりも大きく構成されているので、第２の絶縁基板および第２の伝熱部材が高温側支持部材に引きずられて低温側支持部材に対して相対移動するときに、第２の伝熱部材および第２の絶縁部材が一体となって低温側支持部材に対して相対移動する。このため、第２の伝熱部材と第２の絶縁部材とが相対移動するのを抑制することができ、第２の伝熱部材が第２の絶縁部材のエッジ部によって擦られて磨耗するのを抑制することができる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）少なくとも前記高温側支持部材が、前記第１の絶縁基板から離隔する方向に窪んだ凹部を有し、前記凹部が前記第１の絶縁基板によって閉止されることにより、前記閉空間が形成されるものから構成されている。

この熱電発電装置は、高温側支持部材に形成された凹部を第１の絶縁基板によって閉止して閉空間に形成し、この閉空間に第１の伝熱部材を設置したので、高温側支持部材の形状を変更することによって少なくとも第１の伝熱部材が酸化するのを防止することができる。したがって、熱電発電装置の部品点数が増大するのを防止することができ、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。

また、第１の伝熱部材を高温側支持部材の凹部に収容しているため、高温側支持部材が熱膨張によって変形した場合に、第１の伝熱部材を高温側支持部材と共に移動させることができる。このため、高温側支持部材と第１の伝熱部材とが相対移動するのを防止することができ、第１の伝熱部材が高温側支持部材に擦られてしまうのを防止して第１の伝熱部材が磨耗するのを抑制することができる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（５）少なくとも前記高温側支持部材に対向する前記第１の絶縁基板の対向面に凹部が形成され、前記凹部が前記高温側支持部材によって閉止されることにより、前記閉空間が形成され、前記高温側支持部材が、前記高温側支持部材から前記低温側支持部材に向かって突出し、第１の絶縁基板の延在方向両端を挟持する突部を有するものから構成されている。

この熱電発電装置は、第１の絶縁基板に形成された凹部を高温側支持部材によって閉止して閉空間に形成し、この閉空間に第１の伝熱部材を設置したので、第１の絶縁基板の形状を変更することによって少なくとも第１の伝熱部材が酸化するのを防止することができる。したがって、熱電発電装置の部品点数が増大するのを防止することができ、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。

また、高温側支持部材が、高温側支持部材から低温側支持部材に向かって突出し、第１の絶縁基板の延在方向両端を挟持する突部を有するので、高温側支持部材が熱膨張によって変形した場合に、第１の伝熱部材を高温側支持部材と共に移動させることができる。このため、高温側支持部材と第１の伝熱部材とが相対移動するのを防止することができ、第１の伝熱部材が高温側支持部材に擦られてしまうのを防止して第１の伝熱部材が磨耗するのを抑制することができる。

本発明によれば、部品点数を増大することなしに伝熱部材の酸化を防止することができ、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内燃機関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、熱電発電装置の側面断面図である。 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、熱電変換モジュールの要部断面図である。 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に面圧を加える前の熱電発電装置の側面断面図である。 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、面圧を加える前の熱電変換モジュールの付近の要部断面図である。 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、熱電発電装置の側面断面図である。 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、熱電変換モジュールの要部断面図である。

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。
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。

吸気系は、エンジン１に接続された吸気マニホールド２と、吸気マニホールド２に接続された吸気管２ａとから構成されており、吸気管２ａは、吸気管２ａの上流側に設けられた図示しないエアダクトから取り入れた空気を図示しないエアクリーナで浄化して吸気マニホールド２に導入するようになっている。

吸気マニホールド２は、吸気管２ａから導入された空気をエンジン１の各気筒の燃焼室３に分配するようになっており、エンジン１の気筒数に応じた数の分岐管を備えている。例えば、４気筒エンジンであれば、分岐管が４つ設けられている。但し、エンジン１の気筒数は、特に４気筒に限定されるものではない。
吸気管２ａにはスロットルバルブ４が設けられており、スロットルバルブ４は、燃焼室３に導入される吸入空気量を調整するようになっている。また、吸気マニホールド２の各分岐管には燃料噴射弁５が設けられており、この燃料噴射弁５は、エンジン１の各燃焼室３に燃料を噴射供給するようになっている。

燃料噴射弁５から各燃焼室３に燃料が噴射されると、吸気管２ａから吸気マニホールド２に導入される空気と燃料とからなる混合気が燃焼室３内に充填され、この混合気が各気筒に設けられた点火プラグ６の点火によって燃焼される。このときの燃焼エネルギーによってエンジン１のピストン７が往復移動し、ピストン７の往復移動がエンジン１のクランクシャフト８の回転運動に変換される。

一方、排気系は、エンジン１に取付けられたエキゾーストマニホールド９と、このエキゾーストマニホールド９に球面継手１０を介して連結された排気管１１とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド９の内周部および排気管１１の内周部には排気通路が形成されている。

球面継手１０は、エキゾーストマニホールド９と排気管１１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１１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１１上には、２つの触媒１２、１３が直列に設置されており、この触媒１２、１３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１２、１３のうち、排気管１１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１２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１１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１３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１２、１３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）と呼ばれる低温媒体としての冷却液（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１４から導出された後、ラジエータ１５に供給され、このラジエータ１５から上流側配管１６に導入される。上流側配管１６に導入された冷却水は、熱電発電装置１７の後述する冷却タンクに導入された後、下流側配管１８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１５は、ウォータポンプ１９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、導出管１４にはバイパス管２０が連結されており、このバイパス管２０と導出管１４との間にはサーモスタット２１が介装され、このサーモスタット２１によって、ラジエータ１５を流通する冷却水量とバイパス管２０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２０側の冷却水量が増加されて暖機が促進され、暖機完了後にはバイパス管２０側の冷却水量を減少、または、バイパス管２０側に冷却水をバイパスしないようにしてエンジン１の冷却性能を向上させる。

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から排出される高温媒体としての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Ｇが導入される高温側支持部材としての排気管部３１を備えている。この排気管部３１の上流端は、排気管１１からバイパスされたバイパス管２２の上流配管２２ａに接続されており、排気管部３１の下流端は、バイパス管２２の下流配管２２ｂを介して排気管１１に接続されている（図１参照）。

排気管部３１の内部には排気通路３２が形成されており、排気通路３２は、上流配管２２ａの内部に形成された排気通路２２ｃを介して排気管１１の内部に形成された排気通路１１ａに連通しているとともに、下流配管２２ｂの内部に形成された排気通路２２ｄを介して排気通路１１ａに連通している。

このため、排気通路３２には排気通路１１ａから排気通路２２ｃを介して排気ガスが導入され、排気通路３２に導入された排気ガスは、排気通路２２ｄを介して排気通路１１ａに排出される。

また、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール３３と、排気管部３１と同軸上に設けられた低温側支持部材としての筒状の冷却タンク３４とを備えている。排気管部３１および冷却タンク３４は、例えば、ステンレス等から構成されている。

図３に示すように、熱電変換モジュール３３は、第１の絶縁基板を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板３５と、第２の絶縁基板を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３６との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生する熱電変換素子としてのＮ型熱電変換素子３７および熱電変換素子としてのＰ型熱電変換素子３８が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８が電極３９ａ、３９ｂ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３３は、配線４０を介して電気的に連結されている。

図１、図４に示すように、熱電変換モジュール３３は、第１の伝熱部材としての伝熱部材４１および第２の伝熱部材としての伝熱部材４２を備えている。伝熱部材４１は、受熱基板３５と排気管部３１との間に介装されており、受熱基板３５は、伝熱部材４１を介して排気管部３１に接触している。
伝熱部材４２は、放熱基板３６と冷却タンク３４との間に介装されており、放熱基板３６は、伝熱部材４２を介して冷却タンク３４に接触している。

伝熱部材４１、４２は、例えば、熱伝導性の高いグラファイトシートから構成されており、受熱基板３５および放熱基板３６よりも大きい面積を有している。

また、熱電変換モジュール３３に対向する排気管部３１の部位には折り曲げ部４４ａ、４４ｂおよび段部４４ｃ、４４ｄを介して凹部４３が形成されており、この凹部４３は、受熱基板３５から離隔する方向に窪んている。また、凹部４３には伝熱部材４１が収容されており、凹部４３は、受熱基板３５が段部４４ｃ、４４ｄに接触することにより、受熱基板３５によって閉止されている。

このため、伝熱部材４１は、受熱基板３５と排気管部３１の凹部４３とによって画成される閉空間４５に設置されている。また、凹部４３の側面４３ａ、４３ｂは、テーパ形状に形成されている。
本実施の形態の熱電発電装置１７の受熱基板３５の両端部は、排気管部３１の段部４４ｃ、４４ｄに接触しており、放熱基板３６は、冷却タンク３４に非接触となっている。

また、伝熱部材４２に対向する放熱基板３６の対向面の表面粗さに対して伝熱部材４２に対向する冷却タンク３４の対向面の表面粗さが細かく構成されており、伝熱部材４２および放熱基板３６の間の摩擦係数μ１は、冷却タンク３４および伝熱部材４２の間の摩擦係数μ２よりも大きく構成されている。

例えば、伝熱部材４２に対向する放熱基板３６の対向面の表面は、粗く形成されており、伝熱部材４２に対向する冷却タンク３４の対向面は、鏡面に形成されている。そして、熱電変換モジュール３３は、受熱基板３５と放熱基板３６との温度差に応じて発電を行うことにより、ケーブル４６を介して後述する補機バッテリに発電電力を供給（充電）するようになっている。

熱電変換モジュール３３は、略正方形のプレート形状をしており、排気管部３１および冷却タンク３４の間に密着させる必要があるため、排気管部３１および冷却タンク３４は、多角形に形成されている。

また、排気管部３１および冷却タンク３４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３３の受熱基板３５および放熱基板３６等を湾曲させるようにすればよい。

冷却タンク３４は、上流側配管１６に連結される冷却水導入部３４ａおよび下流側配管１８に連結される冷却水排出部３４ｂを備えている。

この冷却タンク３４は、冷却水導入部３４ａから冷却タンク３４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に流れるように、冷却水排出部３４ｂに対して冷却水導入部３４ａが排気方向上流側に設けられている。

また、冷却タンク３４の上流側と排気管部３１との間には連結部材４７が設けられており、この連結部材４７の両端部は冷却タンク３４と排気管部３１に溶接されている。また、冷却タンク３４の下流側と排気管部３１との間には連結部材４８が設けられており、連結部材４８の両端部は冷却タンク３４と排気管部３１に溶接されている。ここで、熱電変換モジュール３３が設置される空間は、密閉されておらず、熱電変換モジュール３３は、酸素雰囲気中、すなわち、大気に晒されている。

図１に示すように、排気管１１には開閉弁４９が設けられており、この開閉弁４９は、バイパス管２２の上流配管２２ａと下流配管２２ｂとの間に設けられ、排気管１１を開閉するように排気管１１に回動自在に取付けられている。

この開閉弁４９は、アクチュエータ５０によって開閉されるようになっている。アクチュエータ５０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５１によって制御されるようになっており、アクチュエータ５０は、ＥＣＵ５１からの駆動信号によって開閉弁４９を開閉制御する。

すなわち、アクチュエータ５０は、励磁電流がデューティ制御されることで開閉弁４９の開度を変化させるようになっており、ＥＣＵ５１は、アクチュエータ５０をデューティ制御するようになっている。

このため、開閉弁４９が排気管１１を閉塞することにより、上流配管２２ａから排気通路３２に導入される排気ガスの流量が増大し、開閉弁４９が解放されて開閉弁４９の解放量が多くなるにつれて排気管１１の開度が大きくなることにより、上流配管２２ａから排気通路３２に導入される排気ガスの流量が低下されることになる。

ここで、開閉弁４９は、電磁式のアクチュエータ５０ではなく、冷却水温に応じて作動するサーモアクチュエータから構成されてもよく、排気ガスの流速に応じて開閉するものであってもよい。

次に、作用を説明する。
まず、図５、図６に基づいて熱電変換モジュール３３を排気管部３１と冷却タンク３４に取付ける方法を説明する。

予め、圧縮される前の厚みを有する伝熱部材４１、４２を準備し、伝熱部材４１を凹部４３に位置決めするようにして熱電変換モジュール３３を排気管部３１と冷却タンク３４の間に介装する。

次いで、冷却タンク３４を上下方向から押圧して伝熱部材４１、４２に面圧を加えると、伝熱部材４１、４２が圧縮する。伝熱部材４１は、凹部４３内で上面が段部４４ｃ、４４ｄと同一面上に位置するように圧縮されながらテーパ形状の凹部４３の側面４３ａ、４３ｂに倣って変形する。

このため、伝熱部材４１の上下面の全面が排気管部３１および受熱基板３５に密着し、伝熱部材４２の上下面の全面が冷却タンク３４および放熱基板３６に密着する。また、伝熱部材４１は、受熱基板３５の両端が段部４４ｃ、４４ｄに当接することによって凹部４３および受熱基板３５によって囲まれる閉空間４５に密閉された状態で設置される。

ここで、伝熱部材４１は、面圧が加えられて圧縮する前の状態において、伝熱部材４１に面圧が加えられて圧縮後に、伝熱部材４１の上下面の全面が排気管部３１および受熱基板３５に密着して高い熱伝導性を得られ、かつ、閉空間４５に効率よく収容されるような厚みに設定されている。

特に、本実施の形態の熱電発電装置１７は、凹部４３の上部に折り曲げ部４４ａ、４４ｂを介して段部４４ｃ、４４ｄが形成されているため、受熱基板３５を段部４４ｃ、４４ｄに当接させるときに、受熱基板３５を折り曲げ部４４ａ、４４ｂに沿って段部４４ｃ、４４ｄに案内することができる。このため、受熱基板３５の位置決め精度を高くすることができ、結果的に熱電変換モジュール３３の取付け作業の作業性を向上させることができる。

次に、熱電発電装置１７の動作について説明を行う。
エンジン１の冷間始動時には、触媒１２、１３、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９を経て排気管１１に、低温の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒１２、１３が排気ガスにより昇温されることになる。

また、エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満と低いため、サーモスタット２１か導出管１４とバイパス管２０を連通する位置に切換られる。

このため、冷却水がラジエータ１５を通らずにバイパス管２０、上流側配管１６および下流側配管１８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。

また、冷間始動時にはエンジン１の負荷が小さいため、ＥＣＵ５１は、アクチュエータ５０を制御してアクチュエータ５０により開閉弁４９を閉じた状態にする。

このため、排気管１１から排気管部３１の排気通路３２に導入された排気ガスによって冷却タンク３４を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。

また、排気通路３２に導入される排気ガスの熱が伝熱部材４１を介して受熱基板３５に高い熱伝導性で作用し、冷却タンク３４に導入される冷却水の熱が伝熱部材４２を介して放熱基板３６に作用する。このため、受熱基板３５と放熱基板３６との温度差によって熱電変換モジュール３３が発電を行う。

また、暖機完了後には、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上になるため、サーモスタット２１か導出管１４とバイパス管２０を連通する位置に切換られ、冷却水がラジエータ１５を通らずにバイパス管２０、上流側配管１６および下流側配管１８を経てエンジン１に戻され、エンジン１が冷却される。

このとき、熱電発電装置１７は、受熱基板３５と放熱基板３６との温度差によって熱電変換モジュール３３が発電を行う。

また、例えば、エンジン１の運転状態が高負荷および高回転となると、ＥＣＵ５１は、アクチュエータ５０を制御してアクチュエータ５０により開閉弁４９を開放する。このため、排気ガスは、熱電発電装置１７を通過せずに排気管１１からそのまま大気に排出され、冷却水が高温の排気ガスで過度に昇温されるのを防止することができるとともに、排気ガスの背圧が上昇するのを抑制することができる。

一方、本実施の形態の熱電発電装置１７は、酸素雰囲気中に設置されているため、伝熱部材４１が酸化して劣化するおそれがある。
本実施の形態の熱電発電装置１７は、受熱基板３５と排気管部３１とによって画成される閉空間４５に伝熱部材４１が設置されるので、伝熱部材４１を閉空間４５に密閉することができる。このため、酸素雰囲気中に熱電変換モジュール３３を設置した場合であっても、伝熱部材４１が酸化するのを防止することができる。

特に、本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管部３１に形成された凹部４３を受熱基板３５によって閉止して閉空間４５に伝熱部材４１を設置したので、排気管部３１の形状を変更することによって伝熱部材４１が酸化するのを防止することができる。したがって、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止することができ、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。

一方、本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管部３１および冷却タンク３４がステンレスから構成されており、排気管部３１に、例えば、５００℃程度の高温の排気ガスが導入され、冷却タンク３４に、例えば、１００℃程度の低温の冷却水が導入される。

このため、排気管部３１が冷却タンク３４に対して大きく熱膨張する。ここで、図４において、冷却タンク３４が変形せず、排気管部３１が冷却タンク３４に対して右側に熱膨張したものを想定する。

伝熱部材４１は、凹部４３に収容されているため、排気管部３１の熱膨張により排気管部３１と伝熱部材４１とが右方に移動し、この移動に伴って受熱基板３５の左端が折り曲げ部４４ａに当接して受熱基板３５が排気管部３１と共に右側に移動する。

このとき、Ｎ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８の受熱基板３５側が放熱基板３６側に対して右方に移動してしまい、Ｎ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８が剪断変形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、放熱基板３６と冷却タンク３４とが非接触となっているとともに、伝熱部材４２および放熱基板３６の間の摩擦係数μ１が、冷却タンク３４および伝熱部材４２の間の摩擦係数μ２よりも大きく構成されている。

このため、冷却タンク３４に対して排気管部３１がより大きく熱膨張した場合に、伝熱部材４２および放熱基板３６が排気管部３１の右側への移動に引きずられて冷却タンク３４に対して右側に相対移動する。この結果、Ｎ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８が剪断変形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、伝熱部材４１、４２の熱伝導性を高くするために受熱基板３５および放熱基板３６に対する伝熱部材４１、４２の接触面積を大きくしている。

このため、排気管部３１の熱膨張により伝熱部材４２および放熱基板３６が排気管部３１に引きずられて冷却タンク３４に対して右方に相対移動するとき、および排気ガスが低温となることで伝熱部材４２および放熱基板３６が排気管部３１に引きずられて冷却タンク３４に対して左方に復帰するときに、伝熱部材４２と放熱基板３６との相対移動により伝熱部材４２が放熱基板３６のエッジ部（放熱基板３６の角部）に擦られて磨耗してしまうおそれがある。

これに対して、本実施の形態の熱電発電装置１７は、伝熱部材４２および放熱基板３６の間の摩擦係数μ１が、冷却タンク３４および伝熱部材４２の間の摩擦係数μ２よりも大きく構成されている。

このため、伝熱部材４２および放熱基板３６が排気管部３１に引きずられて冷却タンク３４に対して左右方向に相対移動するときに、伝熱部材４２および放熱基板３６を一体的に冷却タンク３４に対して相対移動させることができる。したがって、伝熱部材４２および放熱基板３６が相対移動するのを抑制することができ、伝熱部材４２が放熱基板３６のエッジ部によって擦られて磨耗するのを抑制することができる。

また、伝熱部材４１にあっては、凹部４３に収容されて排気管部３１と一体的に左右方向に移動することになるため、伝熱部材４１が受熱基板３５によって擦られて磨耗するのを抑制することができる。

ここで、本実施の形態の熱電発電装置１７は、冷却タンク３４にも凹部を形成して凹部を放熱基板３６によって密閉することで閉空間を形成し、この閉空間に伝熱部材４２を設置してもよい。

このようにすれば、排気管部３１および冷却タンク３４の形状を変更するだけで伝熱部材４１、４２が酸化するのを防止することができ、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止して、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。

（第２の実施の形態）
図７、図８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番号を付して説明を省略する。

図７、図８において、排気管部３１に対向する受熱基板３５の対向面には凹部３５ａが形成されており、この凹部３５ａが排気管部３１によって閉止されることにより、閉空間６１が形成されている。この閉空間６１には伝熱部材４１が設置されており、伝熱部材４１は、外気と密閉されている。

排気管部３１の外周部には複数の突部３１ａ、３１ｂが形成されており、この突部３１ａ、３１ｂは、排気管部３１から冷却タンク３４に向かって突出し、放熱基板３６の延在方向両端を挟持するようになっている。

このように本実施の形態の熱電発電装置１７は、受熱基板３５に形成された凹部３５ａを排気管部３１によって閉止して閉空間４５に伝熱部材４１を設置したので、受熱基板３５の形状を変更することによって伝熱部材４１が酸化するのを防止することができる。したがって、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止することができ、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、排気管部３１が、排気管部３１から冷却タンク３４に向かって突出し、受熱基板３５の延在方向両端を挟持する突部３１ａ、３１ｂを有するので、排気管部３１が熱膨張によって変形した場合に、伝熱部材４１を排気管部３１と共に移動させることができる。このため、排気管部３１と伝熱部材４１とが相対移動するのを防止することができ、伝熱部材４１が排気管部３１に擦られてしまうのを防止して伝熱部材４１が磨耗するのを抑制することができる。

ここで、放熱基板３６にも凹部を形成して凹部を冷却タンク３４によって閉止することで、凹部と冷却タンク３４とによって閉空間を形成し、この閉空間に伝熱部材４２を設置してもよい。

このようにすれば、放熱基板３６の形状を変更するだけで伝熱部材４１、４２が酸化するのを防止することができ、熱電発電装置１７の部品点数が増大するのを防止することができ、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。

なお、本実施の形態の熱電発電装置１７は、伝熱部材４１、４２として、グラファイトシートを用いているが、これに限定されるものではなく、錫、鉛、亜鉛、銀等の金属、あるいは、シリコン等の樹脂等から構成されてもよい。要は、伸縮自在で熱伝導性が高い材料であれば、どのような材料であってもよい。

ここで、各実施の形態の熱電発電装置１７を車両に適用しているが、これに限定されるものではなく、高温媒体が導入される高温側支持部材と低温媒体が導入される低温側支持部材との間に介装されるものであれば、その他の装置に適用することができる。
以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、部品点数を増大することなしに伝熱部材の酸化を防止することができ、製造コストが増大するのを防止することができるという効果を有し、高温媒体と低温媒体との温度差に応じて発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１７…熱電発電装置、３１…排気管部（高温側支持部材）、３１ａ，３１ｂ…突部、３３…熱電変換モジュール、３４…冷却タンク（低温側支持部材）、３５…受熱基板（第１の絶縁基板）、３５ａ…凹部（第１の絶縁基板の凹部）、３６…放熱基板（第２の絶縁基板）、３７…Ｎ型熱電変換素子（熱電変換素子）、３８…Ｐ型熱電変換素子（熱電変換素子）、４１…伝熱部材（第１の伝熱部材）、４２…伝熱部材（第２の伝熱部材）、４３…凹部（高温側支持部材の凹部）、４５，６１…閉空間

Claims (5)

1. 高温媒体が導入される高温側支持部材に第１の伝熱部材を介して接触する第１の絶縁基板と、低温媒体が導入される低温側支持部材に第２の伝熱部材を介して接触する第２の絶縁基板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との間に介装された複数の熱電変換素子とを有し、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、
   前記高温側支持部材および前記第１の絶縁基板のうち一方の部材には、前記高温側支持部材および前記第１の絶縁基板のうち他方の部材の一部に接触可能に対向する対向面を有するとともに該他方の部材の一部を収容する第１凹部が形成されており、
   前記一方の部材または前記他方の部材には、前記他方の部材の一部が前記一方の部材の前記対向面に接触するときに前記他方の部材または前記一方の部材との間に閉空間を画成する第２凹部が形成され、
   前記閉空間には、前記第１の伝熱部材が設置されていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記一方の部材が、前記高温側支持部材であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記第２の伝熱部材が、前記第２の絶縁基板と前記低温側支持部材とを非接触状態にするとともに、前記第２の絶縁基板および前記低温側支持部材に対して摩擦可能であり、
   前記第２の伝熱部材および前記第２の絶縁基板の間の摩擦係数が、前記低温側支持部材および前記第２の伝熱部材の間の摩擦係数よりも大きい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。
4. 前記高温側支持部材が、前記第１の絶縁基板から離隔する方向に窪んだ前記第１凹部および前記第２凹部を有し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の請求項に記載の熱電発電装置。
5. 前記高温側支持部材に前記第１凹部が形成される一方、前記第１の絶縁基板に前記第２凹部が形成されており、
   前記高温側支持部材が、前記高温側支持部材から前記低温側支持部材に向かって突出し、前記第１の絶縁基板の延在方向両端を挟持する突部を有す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の請求項に記載の熱電発電装置。

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