JP6139865B2 - 車両用熱電発電機 - 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両用熱電発電機に関する。

熱電素子は、素子両端の温度差を電気に切り換えることによって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、あるいは逆に素子に電気を流すことによって素子両端に温度差を生じさせて電気エネルギーを熱エネルギーに変換するといった熱電現象を用いる素子をいう。このような熱電素子は、小規模冷却装置、小規模加熱装置、または小規模発電装置に用いられている。

熱電素子が小規模発電装置に用いられるのを熱電発電装置または熱電発電機と呼ぶ。このような熱電発電機は、主に、無線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、および車両の排気システムに設けられる熱電発電機に使用される。車両に関しては、エンジンの排気系に熱電素子を配置して発電する排熱発電装置の提案がなされている〔例えば、特許文献１、特許文献２参照〕。

図１は、車両の熱電発電機を示す断面図である。図に示したように、車両の排気システムに設けられる熱電発電機１０は、高温の排気ガスが流れる六角形状の排気熱回収装置４０、排気熱回収装置４０の外側に設けられ、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の内側に接触し、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を有している。

排気熱回収装置４０の内部には高温の排気ガスが流れ、排気ガス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が形成され、排気熱回収装置４０と接触する熱電モジュール２０の内側と冷却装置３０と接触する熱電モジュール２０の外側との間の温度差を大きくする。このように熱電モジュール２０の内側と外側の温度差を大きくすることにより、自動車の排気システムに設けられた熱電発電機の効率を高めることができる。

熱電発電機により多くの電気を生産する、すなわち熱電発電効率を高めるためには、排気ガスの熱が熱電モジュールに効率的に伝達されなければならない。しかし、従来の車両用熱電発電機では排気ガスの熱が高温部に十分に伝達されないために排気ガスの熱エネルギーの回収能力が落ち、熱電発電機の熱電効率を低下させる問題を抱いていた。
また、従来の車両用熱電発電機は、冷却装置３０が大きな空間を占めているに拘らず、熱交換面積が小さく、かつ熱伝達率が低いため、大きさに比べて熱電発電効率が低いといった問題もあった。

特開２００７−１６７４７号公報 特開２０１０−２５５６３２号公報

本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小さく、且つ、熱電発電効率を高めることができる車両用熱電発電機を提供することにある。

本発明の車両用熱電発電機は、内部に高温の排気ガスが流れ、排気ガスと熱交換して加熱される排気管、および排気管の外周面に所定間隔で取り付けられ、排気管によって加熱される複数対の熱伝達板を備える高温部と、内部に冷却水が流れる環状平板の冷却水通路を備える低温部と、Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合してなり、熱伝達板と冷却水通路に挟まれて熱電現象を利用して電気を発生し、互いに電気的に連結された複数対の熱電モジュールと、を含んで構成され、熱電モジュールのそれぞれは、その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、その間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生し、
低温部は、熱電モジュールそれぞれの間に位置し、内部に冷却水が流れ、一側面に冷却水が流入する冷却水流入口が形成され、他側面に冷却水が排出される冷却水排出口が形成される環状平板の複数の冷却水通路と、前記冷却水通路は互いに１８０度回転した状態で並べられ、複数の冷却水通路のうち隣接した冷却水通路の冷却水流入口と隣接した他の冷却水通路の冷却水排出口とを連結する冷却水通路連結部、を有することを特徴とする。

冷却水通路連結部の一つの形態は、冷却水流入口と冷却水排出口の外周面に取り付けられたホースで連結され、ホースをクランプで加圧して固定されてなる。

冷却水通路連結部の別の形態は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口を、互いに溶接して連結されてなる。

冷却水通路連結部のまた別の形態は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口に形成された左ねじと、隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口に形成された右ねじを、連結ナットの両端のそれぞれにねじ連結されてなる。

冷却水通路連結部のまた別の形態は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と、隣接した他の１つの冷却水通路にあって冷却水流入口より大きい直径の冷却水排出口を、圧入シーリングで連結されてなる。

冷却水通路連結部のまた別の形態は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と、隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口とを、フィッティングユニオンで連結されてなる。

本発明の車両用熱電発電機によれば、排気ガスが熱電モジュールと接触する面積は大きいが、熱電発電機全体の大きさを小さくすることができる。
また、構造が簡単で、部品数が少なく済むので製造費用を下げ、生産性が向上する。
本発明の車両用熱電発電機は、その大きさが小さいので車両パッケージングにその取り付けが容易であって、様々な車両に適用することができる。

本発明では、高温部と熱電モジュールとの間に熱交換メッシュを設けており、これにより排気ガスとの接触面積を増加させ、排気ガスの熱を効率的に熱電モジュールに伝達することができ、また通過する排気ガスの騒音も減少する効果がある。

従来の車両用熱電発電機を示す断面図である。 本発明に係る車両用熱電発電機の一実施形態を示す斜視図である。 図２の車両用熱電発電機の高温部、熱電モジュール、および低温部の分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、高温部、熱電モジュール、および低温部の結合状態を示す。 図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、低温部の内部を流動する冷却水の流れを示す。 図２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 車両用熱電発電機における冷却水通路連結部を、ホースにより連結した方式の断面図である。 車両用熱電発電機における冷却水通路連結部を、溶接により連結した方式の断面図である。 車両用熱電発電機における冷却水通路連結部を、ねじにより連結した方式の断面図である。 車両用熱電発電機における冷却水通路連結部を、シーリングにより連結した方式の断面図である。 車両用熱電発電機における冷却水通路連結部を、フィッティングユニオンにより連結した方式の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態による車両用熱電発電機を詳しく説明する。
本発明の車両用熱電発電機１００は、エンジンから排出された高温の排気ガスと熱交換して加熱される高温部、高温部の外側に設けられ、エンジンの冷却システムから循環する冷却水が流れる低温部、および高温部と低温部との間にあり、高温部による高温度と低温部による低温度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熱電モジュール１３０を備えている。

高温部は、内部に高温の排気ガスが流れるときに加熱される排気管１１２、および排気管１１２の外周面に所定間隔で設けられたドーナツ形状の複数対の熱伝達板１１４とを有している。

熱伝達板１１４は、図３に示すように、内周面に長さ方向に延びて配列され、排気管１１２の外周面に接触するフランジ１１５、および一側に形成された開口部１１３を有している。フランジ１１５は、排気管１１２を通して排気ガスの熱を熱伝達板１１４に伝達する役割をする。

排気管１１２は中空の円筒形状で、内部に高温の排気ガスが流れて加熱される。加熱された排気管１１２は、その外周面に設けられた熱伝達板１１４を加熱する。排気管１１２の内部には排気ガスがバイパスされるバイパス管１１７が設けられる。バイパス管１１７の末端には、エンジンの負荷に応じて排気ガスをバイパスさせるようにバイパス管１１７の末端を開閉するバイパスバルブ１１６が取り付けられる。バイパスバルブ１１６はスプリング１１８によってバイパス管１１７に弾性的に支持される。バイパス管１１７の上流には、バイパスバルブ１１６が閉鎖された場合に排気ガスが流れる複数の排気孔（図示していない）が形成される。

バイパス管１１７の外周面と排気管１１２の内周面との間には熱交換メッシュ１１１が配置される。熱交換メッシュ１１１は、高温の排気ガスが流れて熱交換し、排気ガスの熱を吸収し、この熱を排気管１１２に伝達する。すなわち、熱交換メッシュ１１１によって排気ガスの熱は排気管１１２に効率良く伝達される。

車両が高速で運行している時、すなわち、エンジンの負荷が増加すると排気管が過熱されることがある。これを防止するために、エンジンが高負荷時には、バイパスバルブ１１６が開放され、高温の排気ガスはバイパス管１１７を通して多く排気され、バイパス管１１７と排気管１１２との間を流れる排気ガスの量が調節される。

低温部は、高温部である複数対の熱伝達板１１４の間に位置して、環状平板の冷却水通路１２２と、冷却水通路１２２に対し１８０度毎に交互に位置を変えて連結された複数の冷却水通路連結部１２４を有してなっている。

複数ある冷却水通路１２２のそれぞれは、図３に示すように環状平板であり、エンジンの冷却システム（図示していない）によって循環する冷却水が流入する冷却水流入口１２１、および冷却水流入口１２１に対し反対面の対角線方向に形成され、冷却水が排出される冷却水排出口１２３を有している。複数の冷却水通路１２２は、１つの冷却水通路１２２の冷却水流入口１２１と他の１つの冷却水通路１２２の冷却水排出口１２３とが冷却水通路連結部１２４で長さ方向に連結して互いに連結される。すなわち、隣接した２つの冷却水通路１２２は、互いに１８０度回転した状態で並べられて、一方の冷却水通路１２２の冷却水排出口１２３と他方の冷却水流入口１２１が互いに面して冷却水通路連結部１２４によって長さ方向に連結している。このように連結された冷却水通路１２２を図４と５に示す。

冷却水通路１２２が相互に連結されると、図５に示すように、冷却水は排気管１１２の中心線に沿ってジグザグ形態で流動する。隣接した１つの冷却水通路１２２の冷却水流入口１２１と、隣接した他の１つの冷却水通路１２２の冷却水排出口１２３を連結する方式は様々であり、その例を図７〜１１に示している。

図７は、ホースによる連結方式を示す。冷却水通路１２２の冷却水流入口１２１と冷却水排出口１２３をそれぞれホースに挿入し、ホースの外周面をクランプで固定する方式である。

図８は、溶接による冷却水通路連結方式を示す。この例では、冷却水流入口１２１と冷却水排出口１２３はその直径が互いに異なっており、冷却水流入口（または冷却水排出口）が冷却水排出口（または冷却水流入口）の中に挿入され、それらの間を溶接することによって２つの冷却水通路１２２が連結される。

図９は、ねじによる冷却水通路連結方式を示す。この方式によれば、冷却水流入口１２１と冷却水排出口１２３の外周面にそれぞれ異なる方向のねじが形成される。例えば、冷却水流入口１２１の外周面に左ねじが形成され、冷却水排出口１２３の外周面には右ねじが形成され、連結ナットの両端のそれぞれにねじ連結されて結合される。このとき、冷却水流入口１２１に右ねじ、冷却水排出口１２３に左ねじとしてもよい。ナットを回転させることだけで冷却水流入口１２１と冷却水排出口１２３が結合できる。

図１０は、シーリングによる冷却水通路連結方式を示す。この方式においては、冷却水流入口１２１と冷却水排出口１２３の直径が互いに異なって、冷却水流入口１２１が冷却水排出口１２３より直径が小さいか、またはその逆となる。冷却水流入口（または冷却水排出口）が冷却水排出口（または冷却水流入口）の中に挿入され、その間に１つまたはそれ以上の圧入シーリングが圧入されることにより、冷却水流入口と冷却水排出口が連結される。

図１１は、フィッティングユニオンによる冷却水通路連結方式を示す。この場合、冷却水流入口と冷却水排出口はフィッティングユニオンを利用して簡単に連結することができる。

熱電モジュール１３０はＰ−型半導体とＮ−型半導体を接合してなり、一端が開放された開口部１３２を有する環状平板に製作される。一対の熱電モジュール１３０は、低温部である１つの冷却水通路１２２の両側面に付着され、その外側面には一対の熱伝達板１１４が位置する。複数の熱電モジュール１３０は互いに電気的に連結さて車両のバッテリー（図示していない）と電気的に連結される。

詳しく説明すると、熱電モジュール１３０の一側面は熱伝達板１１４と接触して加熱され、他側面は冷却水通路１２２と接触して冷却される。これにより、熱電モジュール１３０の両側面に温度差が生じ、この温度差によって熱電現象が発生して電気が生産される。生産された電気は、熱電モジュール１３０と電気的に連結されたバッテリを充電していく。

上で説明した車両用熱電発電機１００の作用を説明する。
エンジンが駆動されたとき、エンジンからの排気ガスが排気管１１２の内部に流れ、この時、バイパスバルブ１１６がバイパス管１１７を閉鎖している。一方、エンジンの冷却システム（図示していない）で循環する冷却水は、冷却水流入口１２１から冷却水通路１２２に流入し、内部を流れて、冷却水排出口１２３から冷却水通路連結部１２４を経て隣接の冷却水流入口１２１から冷却水通路１２２に流れていく。

排気ガスは排気管１１２の内部を流れて排気管１１２を加熱し、さらにその外周面に設けられる熱伝達板１１４を加熱し、熱伝達板１１４と接する熱電モジュール１３０の一側を加熱する。
一方、冷却水は、冷却水流入口１２１から冷却水通路１２２を経て冷却水排出口１２３に流れ、冷却水通路１２２と接する熱電モジュール１３０の他側面を冷却する。

これにより、排気管１１２の外周面に所定間隔で配列された複数の熱電モジュール１３０は、熱伝達板１１４と冷却水通路１２２に挟まれて両側面の間に温度差が生じる。この温度差により複数の熱電モジュール１３０それぞれで電気が発生し、複数の熱電モジュール１３０に発生した電気は、電気的に連結されたバッテリを充電する。

車両の速度が増したとき、すなわち、エンジンの負荷が増加したとき、バイパスバルブ１１６がスプリング１１８の弾性力に勝ってバイパス管１１７を開放する。バイパス管１１７が開放されることにより、排気ガスの大半はバイパス管１１７に流れてそのまま排気され、残りはバイパス管１１７と排気管１１２との間を流動する。バイパス管１１７と排気管１１２との間には熱交換メッシュ１１１があり、排気ガスと熱交換して排気管１１２を加熱し、その後の作用はバイパスバルブ１１６が閉鎖される場合と同様である。

このように、本発明の車両用熱電発電機によれば、その構造が簡単で部品数が少なく済むので製造費用が減少し、生産性が向上する。車両に取り付けが容易であり、様々な車両に適用可能である。

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
１００：熱電発電機
１１１：熱交換メッシュ
１１２：排気管
１１３：（熱伝達板にある）開口部
１１４：熱伝達板
１１５：フランジ
１１６：バイパスバルブ
１１７：バイパス管
１１８：スプリング
１２１：冷却水流入口
１２２：冷却水通路
１２３：冷却水排出口
１２４：冷却水通路連結部
１３０：熱電モジュール
１３２：（熱電モジュールにある）開口部

Claims (6)

1. 内部に高温の排気ガスが流れ、前記排気ガスと熱交換して加熱される排気管、および前記排気管の外周面に所定間隔で取り付けられ、前記排気管によって加熱される複数対の熱伝達板を備える高温部と、
   内部に冷却水が流れる環状平板の冷却水通路を備える低温部と、
   Ｐ−型半導体とＮ−型半導体を接合してなり、前記熱伝達板と前記冷却水通路に挟まれて、熱電現象を利用して電気を発生し、互いに電気的に連結された複数対の熱電モジュールと、を含んで構成され、
   前記熱電モジュールのそれぞれは、その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、その間の温度差による熱電現象を利用して電気を発生し、
   前記低温部は、
   前記熱電モジュールそれぞれの間に位置し、内部に冷却水が流れ、一側面に冷却水が流入する冷却水流入口が形成され、他側面に冷却水が排出される冷却水排出口が形成される環状平板の複数の冷却水通路と、
   前記冷却水通路は互いに１８０度回転した状態で並べられ、前記複数の冷却水通路のうち隣接した冷却水通路の前記冷却水流入口と隣接した他の冷却水通路の前記冷却水排出口とを連結する冷却水通路連結部、を有することを特徴とする車両用熱電発電機。
2. 前記冷却水通路連結部は、前記冷却水流入口と前記冷却水排出口の外周面に取り付けられたホースで連結され、前記ホースをクランプで加圧して固定されてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電機。
3. 前記冷却水通路連結部は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口を、互いに溶接して連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電機。
4. 前記冷却水通路連結部は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口に形成された左ねじと、隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口に形成された右ねじを、連結ナットの両端のそれぞれにねじ連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電機。
5. 前記冷却水通路連結部は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と、隣接した他の１つの冷却水通路にあって前記冷却水流入口より大きい直径の冷却水排出口を、圧入シーリングで連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電機。
6. 前記冷却水通路連結部は、隣接した１つの冷却水通路の冷却水流入口と、隣接した他の１つの冷却水通路の冷却水排出口とを、フィッティングユニオンで連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の車両用熱電発電機。
   

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