JP6390463B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスの熱を利用して発電する熱電発電装置に関する。

従来の熱電発電装置は、内燃機関の排ガスを高温側熱源とし、内燃機関の冷却水を低温側熱源として、排ガスと冷却水の温度差を利用して熱電素子によって発電している。したがって大気に放出されて無駄になる排ガスの熱エネルギーを、電気エネルギーに用いることができる。特許文献１に記載の熱電発電装置では、排ガスの流れ方向に複数の熱電素子を配置している。

米国特許出願公開第２０１３／０１８６４４８号明細書

前述の特許文献１に記載の技術では、熱電発電器が複数、排ガスの流れ方向に対して並んでいるので、上流に位置する熱電発電器は高温に曝される。したがって上流に位置する熱電素子が高温劣化しやすい。また排ガスが流れるにつれ、排ガス温度が低下するので下流に設置された熱電素子の発電性能が低下するという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、上流に位置する熱電素子が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電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。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、高温流路（１３）が第１流路（３５）、および第１流路よりも下流側に位置し、第１流路よりも流路断面積が小さい第２流路（３６）を有し、複数の熱電発電器（２３）は、第１流路および第２流路に配置され、高温流体の流れ方向に見て、第１流路よりも第２流路の方が熱電発電器の配置数が少ないことを特徴とする熱電発電装置である。

このような本発明に従えば、複数の熱電発電器は第１流路および第２流路に配置される。そして第１流路および第２流路を流れる高温流体と、低温流路を流れる低温流体によって、各熱電発電器は発電する。第２流路は、第１流路よりも下流側に位置し、第１流路よりも流路断面積が小さい。また高温流体の流れ方向に見て、第１流路よりも第２流路の方が熱電発電器の配置数が少ない。したがって第１流路の方が第２流路よりも単位断面積当たりの流量が減少する。これによって第１流路では対流熱伝達率が低下し、第１流路の熱電発電器が高温になることを抑制することができる。

また第２流路の熱電発電器では流路断面積の減少によって単位断面積当たりの流量が増加する。これによって第２流路では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。したがって上流に位置する熱電発電器が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電することができる熱電発電装置を実現することができる。

また本発明は、高温流路（１３）が第１流路（３５）と、第１流路よりも下流側に位置する第２流路（３６）と、第１流路を通過せずに第２流路に高温流体を導く第３流路（３７）と、を有し、第２流路は、第１流路よりも流路断面積が大きく、複数の熱電発電器は、第１流路および第２流路に配置され、第１流路および第２流路を流れる高温流体を用いて発電し、高温流体の流れ方向に見て、第１流路よりも第２流路の方が熱電発電器の配置数が多いことを特徴とする熱電発電装置である。
さらに本発明は、高温流体が流れる高温流路（１３）と、高温流体より低温の低温流体が流れる低温流路（２５）と、高温流路と低温流路との間に設けられる熱電発電器であって、高温流路側の端部には高温流体の熱量が伝わり、低温流路側の端部から低温流体へ熱量を伝え、高温流体と低温流体との温度差によって発電する複数の熱電発電器（２３）と、を含み、
高温流路は、第１流路（３５）と、第１流路よりも下流側に位置する第２流路（３６）と、第１流路を通過せずに第２流路に高温流体を導く第３流路（３７）と、を有し、第１流路は、第２流路よりも流路断面積が大きく、複数の熱電発電器は、第１流路および第２流路に配置され、第１流路および第２流路を流れる高温流体を用いて発電し、高温流体の流れ方向に見て、第２流路よりも第１流路の方が熱電発電器の配置数が多いことを特徴とする熱電発電装置である。

このような本発明に従えば、複数の熱電発電器は第１流路および第２流路に配置される。そして第１流路および第２流路を流れる高温流体と、低温流路を流れる低温流体によって、各熱電発電器は発電する。第２流路は、第１流路よりも下流側に位置する。第３流路は、第１流路を通過せずに第２流路に高温流体を導く。したがって第１流路に流入する流量を抑制して、第１流路の熱電発電器が高温になることを抑制することができる。

また第２流路では、第１流路よりも流量が増大することになる。したがって第２流路では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。したがって上流に位置する熱電発電器が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電することができる熱電発電装置を実現することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態の熱電発電装置１０とエンジン１１との配管関係を示す図である。 熱電発電器２３の内部構成を示す図である。 熱電発電装置１０を示す図である。 第２実施形態の熱電発電装置１０２を示す図である。 第３実施形態の熱電発電装置１０３を示す図である。 第４実施形態の熱電発電装置１０４を示す図である。 第５実施形態の熱電発電装置１０５を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図３を用いて説明する。第１実施形態の熱電発電装置１０は、水冷式のエンジン１１を有する車両に適用される。熱電発電装置１０は、熱電素子１２を有し、エンジン１１の排ガスとエンジン１１の冷却水との温度差よって発電を行う。

内燃機関であるエンジン１１には燃焼用の空気を吸入する吸気管（図示せず）と、燃焼後の排ガスを排出する排気管１３が設けられている。吸気管内には車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量に応じて開度が可変されるスロットルバルブが設けられている。

エンジン１１は、エンジン制御装置（図示せず）によって最適な作動が制御される。具体的には、エンジン制御装置には、エンジン回転数信号、スロットルバルブ開度信号、および車速信号等が入力される。エンジン制御装置は、エンジン回転数信号およびスロットルバルブ開度信号に対する燃料噴射量を対応付けた制御マップを予め記憶しており、制御マップに基づいて吸気管側に所定のタイミングで必要とされる燃料が噴射される。エンジン制御装置は熱電発電装置１０の制御装置１０ａと互いの信号の授受が可能となるように接続されている。

また、エンジン１１にはエンジン冷却水回路１４が設けられている。エンジン冷却水回路１４は、エンジン１１を冷却するためエンジン１１内の冷却水がウォータポンプ１５によって冷却水出口部１６からラジエータ１７を通って、冷却水入口部１８に循環するようにした回路である。ここではウォータポンプ１５はエンジン１１の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。そして、ラジエータ１７の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１１の作動温度が適切に制御される。

エンジン冷却水回路１４には、ラジエータ１７をバイパスするバイパス流路１９と、ラジエータ１７側あるいはバイパス流路１９側への冷却水流量を調節するサーモスタット２０とが設けられている。冷却水温度が第１所定温度（例えば８５℃）以下においては、サーモスタット２０によってラジエータ１７側が閉じられ、冷却水がバイパス流路１９側を流通することで冷却水の過冷却が防止される。これは、例えばエンジン始動直後のように冷却水が充分に昇温していない場合（低温始動時）に対応し、エンジン１１の暖機が促進される。さらにサーモスタット２０は、エンジン１１の暖機が終了して冷却水温度が第１所定温度を超えると、ラジエータ１７側を開き始め、第２所定温度（例えば９０℃）以上でバイパス流路１９側を閉じ、ラジエータ１７側を全開とする。

エンジン冷却水回路１４には、ラジエータ１７に対して並列となるようにヒータコア２１が配設されてエンジン冷却水回路１４を形成するヒータ温水回路２２が設けられている。ヒータコア２１は、冷却水（温水）を熱源として空調用空気を加熱する暖房装置用の熱交換器である。

そして、熱電発電装置１０は、エンジン１１の燃焼後の排ガスおよびエンジン冷却水回路１４の冷却水を用いて発電する複数の熱電発電器２３と制御装置１０ａとを含んで構成される。各熱電発電器２３は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電素子１２を複数備える。熱電素子１２の近傍には、排ガスが流れる分岐流路２４およびエンジン入口側流路２５が配設されている。

分岐流路２４は、エンジン１１の排気管１３から分岐して再び排気管１３に合流するように形成された流路であり、排ガスの一部が流通できるようにしている。そして、分岐流路２４は、熱電素子１２の一側面側に当接され、排ガスが熱電素子１２の高温側熱源となるようにしている。また、分岐流路２４の熱電素子１２に対する排ガスの上流側には、この分岐流路２４を開閉する分岐開閉弁２６が設けられている。

一方、エンジン入口側流路２５は、バイパス流路１９よりもエンジン１１側となる流路であり、ここでは、ラジエータ１７の下流側で、且つ、サーモスタット２０と冷却水入口部１８とを繋ぐ流路としている。そして、このエンジン入口側流路２５が熱電素子１２の他側面側に当接されるようにしている。即ち、バイパス流路１９からサーモスタット２０を流れる冷却水、あるいは、ラジエータ１７を通過しサーモスタット２０を流れる冷却水が熱電素子１２側に供給され、この冷却水が熱電素子１２の低温側熱源となるようにしている。

制御装置１０ａは、軸トルクマップ、エンジン１１の冷却損失熱量マップ、エンジン１１の通水流量マップ、ラジエータ１７の基準放熱量マップ、分岐開閉弁２６の開度マップや各種演算式を予め記憶している。そして制御装置１０ａは、これらのマップや演算式に基づいて分岐開閉弁２６の開度を制御する。

軸トルクマップは、エンジン制御装置から得られる燃料噴射量と軸トルクとを予め関係付けたものであり、エンジン１１作動時における軸トルクを算出するために用いられる。そして、この軸トルクとエンジン制御装置から得られるエンジン回転数とから軸出力を算出するようにしている。

冷却損失熱量マップは、軸出力をパラメータ（ここでは無負荷全負荷）として、エンジン回転数とエンジン１１の冷却損失熱量とを予め関係付けたものであり、エンジン１１作動時における冷却損失熱量を算出するために用いられる。冷却損失熱量は、エンジン１１における燃料の全燃焼熱量に冷却損失を乗じたものであり、ラジエータ１７で放熱される熱量である。

通水流量マップは、エンジン回転数をパラメータにしたウォータポンプ特性と、エンジン冷却水回路１４、ヒータ温水回路２２を含めた通水抵抗特性とを示したもので、エンジン１１を流通するエンジン通水流量を算出するために用いられる。そして、通水流量マップから得られたエンジン通水流量からラジエータ１７を流通するラジエータ通水流量を算出するようにしている。

基準放熱量マップは、ラジエータ通水流量をパラメータとして、ラジエータ１７のコア部前面に流入する空気の前面風速とラジエータ１７の基準放熱量とを予め関係付けたものであり、エンジン１１作動時における基準放熱量を算出するために用いられる。開度マップは、排気放熱量と分岐開閉弁２６の開度とを予め関係付けたものである。

次に、上記構成に基づく作動について説明する。エンジン１１の作動において、スロットルバルブの開度に応じて、吸入管から燃焼用の空気が吸入され、図示しないインジェクタから噴射される燃料と混合されて燃焼される。そして、燃焼後の排ガスは図示しない触媒によって浄化され、排気管１３から大気に排出される。また、ウォータポンプ１５の作動により、冷却水はエンジン冷却水回路１４およびヒータ温水回路２２を循環する。

冷却水の温度が第１所定温度以下の低温始動時においては、サーモスタット２０はラジエータ１７側を閉じており、冷却水はバイパス流路１９、エンジン入口側流路２５を通りエンジン１１を循環し、また一部の冷却水はヒータ温水回路２２を循環する。制御装置１０ａは、分岐開閉弁２６の開度を大きくして（全開にして）、熱電素子１２による発電を行う。

そして、エンジン１１の暖機が終了して、冷却水の温度が第１所定温度を超えると、サーモスタット２０はラジエータ１７側を開き、冷却水はラジエータ１７、エンジン入口側流路２５を通りエンジン１１を循環する。また一部の冷却水はヒータ温水回路２２を循環する。制御装置１０ａは、各マップに基づいて分岐開閉弁２６の開度を調整する。

熱電素子１２の低温側の熱源として、エンジン入口側流路２５を流れる冷却水を用いている。これによってエンジン１１の低温始動時に、バイパス流路１９を流れる冷却水を熱電素子１２へ供給できる。したがってラジエータ１７による冷却を受けないようにすることができる。また、排ガスからの吸熱によって昇温させることができ、エンジン１１の暖機性能を向上させることができる。よって、フリクションロスを低減してエンジン１１の燃費性能を向上させることができる。併せて、ヒータコア２１の暖房能力を向上させることができる。

また、エンジン１１の暖機終了時においては、サーモスタット２０の作動によって冷却水がラジエータ１７側を流れ、温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができるので、高温側熱源（排ガス）との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。

そして、熱電素子１２の発電によりエンジン１１においては本来の発電機（オルターネータ）に要する作動負荷を低減できるので、エンジン１１の燃費を向上させることができる。

次に、熱電発電器２３の具体的な構成に関して、図２および図３を用いて説明する。以下、理解を容易にするため、分岐流路２４を高温流路２４と、エンジン入口側流路２５を低温流路２５ということがある。図２では、１つの熱電発電器２３を示している。図３では、３つの熱電発電器２３の配置を示している。先ず、図２を用いて、１つの熱電発電器２３の構成に関して説明する。

高温流路２４は、前述のように排気管１３に連通し、分岐開閉弁２６の開閉によって排気ガスが流れている。熱電発電器２３は、複数の熱電素子１２を備える。熱電素子１２は、図２に示すように、高温流路２４と低温流路２５との間に、排ガスの流れ方向に沿って複数配置されている。熱電素子１２は、図２に示すように、伝熱面上に間隔をあけて配置されている。

低温流路２５は、高温流路２４の内部を排ガスの流れ方向に直交する方向に交差している。したがって冷却水は、低温流路２５内を図２の紙面に垂直な方向に流れ、排ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向は直交する。

熱電素子１２は、高温流路２４側の端部には高温流体の熱量が伝わり、低温流路２５側の端部から低温流体へ熱量を伝える。そして熱電素子１２は、高温流体である排ガスと低温流体である冷却水との温度差によって発電する。熱電素子１２は、たとえばハーフホイスラーやビスマステルルやマグネシウムシリサイトからなる。

高温流路２４には、熱電素子１２への伝熱を促進する促進部として、フィン３０が設けられており、フィン３０は、コルゲートフィン、オフセットフィン、モノリス形状で構成される。フィン３０は、高温流路２４から熱電素子１２への伝熱を促進する。フィン３０は、熱伝導に優れる材料からなり、たとえばステンレスからなる。

次に、図３を用いて、熱電発電器２３の配置について説明する。図３に示すように、熱電発電装置１０の内部の高温流路２４は、隔壁３１によって２つに独立した流路が形成されている。一方の流路は発電流路３２であって、３つの熱電発電器２３が配置されている。他方の流路は迂回流路３３であって、熱電発電器２３が配置されず、発電流路３２に流入する排ガスの流量を調節する調節ドア３４が設けられている。

発電流路３２は、第１流路３５、および第１流路３５よりも下流側に位置し、第１流路３５よりも流路断面積が小さい第２流路３６を有する。第１流路３５には、高温流体の流れ方向に見て、２つの熱電発電器２３が配置されている。換言すると、高温流体の流れ方向に交差する方向に、２つの熱電発電器２３が並んで配置されている。第２流路３６には、高温流体の流れ方向に見て、１つの熱電発電器２３が配置されている。このように高温流体の流れ方向に見て、第１流路３５よりも第２流路３６の方が熱電発電器２３の配置数が少ない。また１つの熱電発電器２３と、その熱電発電器２３の上下を流れる高温流体の流路断面積は、それぞれ略等しくなるように発電流路３２の形状が選択されている。

また第１流路３５の高温流体の流れは、層流となるように管形状などが選択されている。第２流路３６の高温流体の流れは、乱流となるように管形状などが選択されている。したがって第１流路３５を層流で流れた高温流体は、２つの熱電発電器２３の発電に寄与した後、第２流路３６に流入する。第２流路３６では、乱流となった高温流体によって１つの熱電発電器２３の発電に寄与する。

調節ドア３４は、調節手段であって、制御装置１０ａによって開閉が制御され、発電流路３２に流入する流量を調節する。調節ドア３４は、迂回流路３３の上流側の端部に設けられる片持ちドアによって実現される。調節ドア３４の開度を調節することによって、発電流路３２に流入する高温流体の流量を高精度に調節することができる。したがって制御装置１０ａは、分岐開閉弁２６と調節ドア３４によって、発電流路３２に流入する流量を調節することができる。また分岐開閉弁２６と調節ドア３４のいずれか一方だけ備える構成であってもよい。

以上説明したように本実施形態の熱電発電装置１０では、複数の熱電発電器２３が第１流路３５および第２流路３６に配置される。そして第１流路３５および第２流路３６を流れる高温流体と、低温流路２５を流れる低温流体によって、各熱電発電器２３は発電する。第２流路３６は、第１流路３５よりも下流側に位置し、第１流路３５よりも流路断面積が小さい。また高温流体の流れ方向に見て、第１流路３５よりも第２流路３６の方が熱電発電器２３の配置数が少ない。したがって第１流路３５の方が第２流路３６よりも単位断面積当たりの流量が減少する。これによって第１流路３５では対流熱伝達率が低下し、第１流路３５の熱電発電器２３が高温になることを抑制することができる。したがって第１流路３５の熱電発電器２３を構成する熱電素子１２が高温になることを抑制することができる。

また第２流路３６の熱電発電器２３では流路断面積の減少によって単位断面積当たりの流量が増加する。これによって第２流路３６では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。したがって上流に位置する熱電発電器２３が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電することができる熱電発電装置１０を実現することができる。

換言すると、前段に複数の熱電発電器２３を並列に設置し、排ガスの流れ方向に進むに従い、流路が狭まるように、熱電発電器２３の並列数を減らしている。これにより、前段の熱電発電器２３では、単位ガス流路における排ガス流量が減少し、対流熱伝達率の低下により、前段の熱電発電器２３がより高温の排ガスまで対応が可能となる。一方で、後段の熱電発電器２３では、排ガス流路の減少により、単位ガス流路における排ガス流量が増加し、対流熱伝達率の増大により、熱交換効率の向上及び発電効率が向上する。

また本実施形態では、第１流路３５の高温流体の流れは、層流であり、第２流路３６の高温流体の流れは、乱流である。換言すると、前段の熱電発電器２３では、エンジン回転数と排気量の積で定義されるガス流速に対し、Ｒｅが層流域になるようなガス流路が形成される。後段の熱電発電器２３では、Ｒｅが乱流域になるようなガス流路が形成されている。したがって層流よりも乱流の方が、対流熱伝達率が増大する。したがって下流に位置する第２流路３６にて、さらに対流熱伝達率を増大することができる。これによって下流側における発電性能を向上することができる。

さらに本実施形態では、第１流路３５に流入する高温流体の流量を調節する調節ドア３４を有する。これによって第１流路３５に流入する高温流体の流量を調節することができる。したがって排気管１３からの高温流体の流量が多すぎて、熱電発電器２３が高温になるおそれがある場合には、発電流路３２に流入する流量を減らすことができる。したがって熱電発電器２３が高温になることを抑制することができる。また調節ドア３４によって第１流路３５に流入する高温流体の温度を調節することができるので、発電効率に優れる温度域に調節することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図４を用いて説明する。本実施形態では、熱電発電器２３の配置に特徴を有する。図４に示すように、熱電発電装置１０２の内部の高温流路２４は、隔壁３１によって４つの流路が形成されている。４つの流路を、第１流路３５、第２流路３６、第３流路３７および第４流路３８とする。上流側に第１流路３５と第３流路３７が並走するように配置される。下流側に、第２流路３６と第４流路３８とが並走するように配置される。

第１流路３５は、１つの熱電発電器２３が配置され、第２流路３６よりも上流側に位置する。第２流路３６は、２つの熱電発電器２３が配置され、第１流路３５よりも下流側に位置する。第２流路３６には、第１流路３５および第３流路３７を通過した高温流体が流れる。

第３流路３７は、熱電発電器２３が配置されず、第４流路３８よりも上流側に位置する。第３流路３７は、第１流路３５を通過させずに第２流路３６および第４流路３８に高温流体を導く。第４流路３８は、熱電発電器２３が配置されず、第３流路３７よりも下流側に位置する。また第４流路３８には、第２流路３６に流入する排ガスの流量を調節する調節ドア３４が設けられている。

第２流路３６は、第１流路３５よりも流路断面積が大きい。第１流路３５には、高温流体の流れ方向に見て、１つの熱電発電器２３が配置されている。第２流路３６には、高温流体の流れ方向に見て、２つの熱電発電器２３が配置されている。このように高温流体の流れ方向に見て、第１流路３５よりも第２流路３６の方が熱電発電器２３の配置数が多い。また１つの熱電発電器２３と、その熱電発電器２３の上下を流れる高温流体の流路は、それぞれ略等しくなるように発電流路３２の形状が選択されている。

調節ドア３４は、調節手段であって、制御装置１０ａによって開閉が制御され、第３流路３７から第２流路３６に流入する流量を調節する。換言すると、調節ドア３４は、第３流路３７を流れる高温流体を、第２流路３６と第４流路３８とに振り分ける。調節ドア３４は、第４流路３８の上流側の端部に設けられる片持ちドアによって実現される。調節ドア３４の開度を調節することによって、第２流路３６に流入する高温流体の流量を高精度に調節することができる。したがって制御装置１０ａは、分岐開閉弁２６と調節ドア３４によって、第２流路３６に流入する流量を調節することができる。

このように本実施形態では、複数の熱電発電器２３が第１流路３５および第２流路３６に配置される。そして第１流路３５および第２流路３６を流れる高温流体と、低温流路２５を流れる低温流体によって、各熱電発電器２３は発電する。第２流路３６は、第１流路３５よりも下流側に位置する。第３流路３７は、第１流路３５を通過せずに第２流路３６に高温流体を導く。したがって第１流路３５に流入する流量を抑制して、第１流路３５の熱電発電器２３が高温になることを抑制することができる。

また第２流路３６では、第１流路３５よりも流量が増大することになる。したがって第２流路３６では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。したがって上流に位置する熱電発電器２３が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電することができる熱電発電装置１０２を実現することができる。

換言すると、排ガスの流量を分割し、一部を前段の熱電発電器２３に供給し、残りを後段から供給し、前段の熱電発電器２３を通過した排ガスと混合して、後段の熱電発電器２３に供給している。これによって、高温の排ガスに対応することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図５を用いて説明する。本実施形態では、第２実施形態と類似しており、調節ドア３４の位置が第２実施形態とは異なる。本実施形態の調節ドア３４は、図５に示すように、第４流路３８の下流側の端部に設けられる片持ちドアによって実現される。調節ドア３４の開度を調節することによって、第２流路３６に流入する高温流体の流量を調節することができる。

調節ドア３４は、第２実施形態よりも下流側に位置するので、調節ドア３４付近の高温流体の温度が第２実施形態よりも低い。したがって調節ドア３４が高温になることを防ぐことができ、耐熱性が低い構成も採用することができる。したがって調節ドア３４の製造コストを低減することができる。

また本実施形態では、各熱電発電器２３は、温度に応じて発電特性が異なる。第１流路３５に配置されている熱電発電器２３は、第２流路３６に配置されている熱電発電器２３よりも高い温度の高温流体の温度域にて発電効率が高い。換言すると、前段の熱電発電器２３は、後段の熱電発電器２３よりも高温の温度域で発電効率が高い。第１流路３５の熱電発電器２３は、ハーフホイスラーからなる熱電素子１２が用いられる。第２流路３６の熱電発電器２３は、ビスマステルルからなる熱電素子１２が用いられる。ビスマステルルの熱電素子１２は、低温度域で発電効率が高く、ハーフホイスラーの熱電素子１２は、高温域での発電効率が高いからである。

これによって第１流路３５を流れる高温の排ガスを用いて、高効率で発電することができる。また第２流路３６を流れる第１流路３５よりも低温の排ガスを用いて、高効率で発電することができる。このように排ガスの温度に応じて、適した熱電発電器２３を用いることによって、高い発電効率を実現することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図６を用いて説明する。本実施形態では、第２実施形態と類似しており、第１流路３５と第２流路３６とが同じ流路断面積であり、熱電発電器２３の配置数も同数である点に特徴を有する。

第１流路３５は、第２流路３６と同じ流路断面積を有する。第１流路３５には、高温流体の流れ方向に見て、２つの熱電発電器２３が配置され、第２流路３６には、第２実施形態と同様に、高温流体の流れ方向に見て、２つの熱電発電器２３が配置されている。このように高温流体の流れ方向に見て、第１流路３５と第２流路３６とでは熱電発電器２３の配置数が等しい。

調節ドア３４は、第３流路３７から第２流路３６に流入する流量を調節する。したがって第２流路３６には、第１流路３５と第３流路３７とからの高温流体を流すことができる。これによって第２流路３６では、第１流路３５よりも流量が増大することになる。したがって第２実施形態と同様に、第２流路３６では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。したがって上流に位置する熱電発電器２３が高温になることを抑制しつつ、効率よく発電することができる熱電発電装置１０４を実現することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に関して、図７を用いて説明する。本実施形態では、第２実施形態と類似しており４つの流路を備える。そして本実施形態では、第１流路３５の方が第２流路３６よりも流路断面積が大きく、熱電発電器２３の配置数も第１流路３５の方が多い点に特徴を有する。

前述のように、調節ドア３４は、第３流路３７から第２流路３６に流入する流量を調節する。したがって第２流路３６には、第１流路３５と第３流路３７とからの高温流体を流して、第２流路３６に流れる高温流体の流量を調節することができる。これによって第２流路３６では対流熱伝達率が増大し、熱交換効率が向上し、発電効率を向上することができる。

また上流には、第２流路３６よりも多い数の熱電発電器２３が配置されている。これによって第１流路３５の熱電発電器２３が高温になることを抑制することができる。したがって前述のように第１流路３５の熱電発電器２３を構成する熱電素子１２が高温になることを抑制することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、各熱電発電器２３は、互いに等しい構成であるが、互いに等しい構成に限るものではない。たとえば第１流路３５に配置される熱電発電器２３と、第２流路３６とに配置される熱電発電器２３では、周囲を流れる高温流体の温度および流速が異なるので、高温流体の物性値に応じて発電効率に優れる熱電発電器２３を採用してもよい。

前述の第１実施形態では、冷却水は排ガスと交差する方向に流しているが、このような構成に限るものではない。たとえば冷却水は、熱電発電器２３の前段から供給し、前段、後段と直列に流すようにしてもよい。換言すると、高温流体と冷却水とが並走するようにしてもよい。これによってより高温排熱に対応することができる。また冷却水は、後段の熱電発電器２３から供給し、後段、前段と直列に流すようにしてもよい。換言すると、高温流体と冷却水とが逆走するようにしてもよい。これによってより、高温流体と冷却水とで温度差がつきやすいので、発電効率を向上することができる。

前述の第１実施形態では、熱電素子１２は、高温流体である排ガスと、低温流体である冷却水とによって発電しているが高温流体と低温流体とは排ガスと冷却水に限るものではない。たとえば高温流体は、内燃機関以外の排ガスであってもよい。また低温流体は、冷却水でなく外気を導入してもよい。また車両に限るものではなく、他の乗り物、また工場および一般住宅に適用してもよい。

１０…熱電発電装置 １１…エンジン（内燃機関） １２…熱電素子
１３…排気管（高温流路） ２３…熱電発電器 ２４…高温流路
２５…エンジン入口側流路（低温流路） ２６…分岐開閉弁
３０…フィン ３１…隔壁 ３２…発電流路
３３…迂回流路 ３４…調節ドア（調節手段） ３５…第１流路
３６…第２流路 ３７…第３流路 ３８…第４流路

Claims (8)

1. 高温流体が流れる高温流路（１３）と、
   前記高温流体より低温の低温流体が流れる低温流路（２５）と、
   前記高温流路と前記低温流路との間に設けられる熱電発電器であって、前記高温流路側の端部には前記高温流体の熱量が伝わり、前記低温流路側の端部から前記低温流体へ熱量を伝え、前記高温流体と前記低温流体との温度差によって発電する複数の熱電発電器（２３）と、を含み、
   前記高温流路は、第１流路（３５）、および前記第１流路よりも下流側に位置し、前記第１流路よりも流路断面積が小さい第２流路（３６）を有し、
   複数の前記熱電発電器は、前記第１流路および前記第２流路に配置され、前記高温流体の流れ方向に見て、前記第１流路よりも前記第２流路の方が前記熱電発電器の配置数が少ないことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記第１流路の前記高温流体の流れは、層流であり、
   前記第２流路の前記高温流体の流れは、乱流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１流路に流入する前記高温流体の流量を調節する調節手段（３４）をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 高温流体が流れる高温流路（１３）と、
   前記高温流体より低温の低温流体が流れる低温流路（２５）と、
   前記高温流路と前記低温流路との間に設けられる熱電発電器であって、前記高温流路側の端部には前記高温流体の熱量が伝わり、前記低温流路側の端部から前記低温流体へ熱量を伝え、前記高温流体と前記低温流体との温度差によって発電する複数の熱電発電器（２３）と、を含み、
   前記高温流路は、
   第１流路（３５）と、
   前記第１流路よりも下流側に位置する第２流路（３６）と、
   前記第１流路を通過せずに前記第２流路に前記高温流体を導く第３流路（３７）と、を有し、
   前記第２流路は、前記第１流路よりも流路断面積が大きく、
   複数の前記熱電発電器は、前記第１流路および前記第２流路に配置され、前記第１流路および前記第２流路を流れる前記高温流体を用いて発電し、
   前記高温流体の流れ方向に見て、前記第１流路よりも前記第２流路の方が前記熱電発電器の配置数が多いことを特徴とする熱電発電装置。
5. 高温流体が流れる高温流路（１３）と、
   前記高温流体より低温の低温流体が流れる低温流路（２５）と、
   前記高温流路と前記低温流路との間に設けられる熱電発電器であって、前記高温流路側の端部には前記高温流体の熱量が伝わり、前記低温流路側の端部から前記低温流体へ熱量を伝え、前記高温流体と前記低温流体との温度差によって発電する複数の熱電発電器（２３）と、を含み、
   前記高温流路は、
   第１流路（３５）と、
   前記第１流路よりも下流側に位置する第２流路（３６）と、
   前記第１流路を通過せずに前記第２流路に前記高温流体を導く第３流路（３７）と、を有し、
   前記第１流路は、前記第２流路よりも流路断面積が大きく、
   複数の前記熱電発電器は、前記第１流路および前記第２流路に配置され、前記第１流路および前記第２流路を流れる前記高温流体を用いて発電し、
   前記高温流体の流れ方向に見て、前記第２流路よりも前記第１流路の方が前記熱電発電器の配置数が多いことを特徴とする熱電発電装置。
6. 前記第３流路から前記第２流路に流入する前記高温流体の流量を調節する調節手段（３４）をさらに含むことを特徴とする請求項４または５に記載の熱電発電装置。
7. 前記第１流路に配置されている前記熱電発電器は、前記第２流路に配置されている前記熱電発電器よりも高い温度の前記高温流体の温度域にて発電効率が高いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
8. 前記高温流体は、内燃機関（１１）からの排ガスとであり、
   前記低温流体は、前記内燃機関を冷却する冷却水であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱電発電装置。

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