JP6668266B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電発電装置に関する。

排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電発電装置が知られている。熱電発電装置に関する従来技術として特許文献１に開示される技術がある。

図５を参照する。図５は、特許文献１の図１１を再掲した図である。符号は、適宜振り直している。特許文献１に示されるような、熱電発電装置１００は、排気ガスが流れる第１流路１０１と、この第１流路１０１に沿って設けられた第２流路１０２と、この第２流路１０２に設けられ発電を行う発電部１０３と、第１流路１０１を開閉可能に設けられ排気ガスの流れる流路を制御するバルブ装置１０４と、を備えている。

発電部１０３は、排気ガスが通過する排気ガス路１１１と、この排気ガス路に沿って隙間を介して設けられ媒体が通過する媒体路１１２と、これらの排気ガス路１１１及び媒体路１１２の間の隙間に配置され排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子１１３と、を有する。

熱電発電装置１００は、第１流路１０１、及び、第１流路１０１を開閉可能なバルブ装置１０４と、を備えている。この理由は、以下のように考えられる。

第２流路１０２を流れる排気ガスの一部は、発電部１０３の上流側の端部である前壁１０５に接触する。これにより、前壁１０５を介して排気ガスの熱が媒体に伝わる。連続的に発電部１０３に排気ガスを流し続けると、媒体の温度が上昇する。熱電発電装置１００は、排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う。排気ガスの温度の変化が小さく、媒体の温度が上昇すると、排気ガスと媒体との温度差は小さくなる。温度差が小さいと、発電効率が悪化する。排気ガスの熱によって媒体が温まりすぎることを抑制するために、媒体の温度が所定の温度に達したときには、第１流路１０１を開放する。排気ガスを第１流路１０１に流すことにより、媒体が温められることを防止し、媒体の温度を下げる。

ところで、熱電発電装置１００は、排気ガスを発生する内燃機関の近傍に設けられることが望ましい。これにより、高温の排気ガスを導入することができ、媒体との温度差を大きくし、効率的に発電を行うことができるからである。熱電発電装置１００をコンパクトにすることができれば、配置の自由度が高まり、熱電発電装置１００をより内燃機関の近傍に設けることができる。

第１流路１０１、及び、バルブ装置１０４を用いずに媒体の温度の上昇を防ぐことができれば、小型でありながら発電の効率が高い熱電発電装置１００を提供することができる。

特開２０１４−９５３６２号公報

本発明は、第１流路、及び、バルブ装置を必要とせず、小型でありながら発電の効率が高い熱電発電装置の提供を課題とする。

請求項１による発明によれば、筒状のケースと、このケースの両端をそれぞれ閉じる一対のエンドプレートと、これらのエンドプレートによって両端が支持され内部に排気ガスが通過する排気ガス路と、この排気ガス路に沿って隙間を介して前記ケースの内部に設けられ媒体が通過する媒体路と、これらの排気ガス路及び媒体路の間の隙間に配置され前記排気ガスの熱と前記媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子と、を有する熱電発電装置において、
前記一対のエンドプレートのうち、前記排気ガスの流れを基準として、少なくとも上流側の前記エンドプレートは、前記媒体路の上流側の端部を塞いでいる部位に断熱部を有していることを特徴とする熱電発電装置が提供される。

請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記一対のエンドプレートのうち、前記排気ガスの流れを基準として、下流側のエンドプレートは、前記排気ガス路の端部が差し込まれた排気ガス路差込部と、この排気ガス路差込部及び前記ケースを接続し前記排気ガス路の熱伸びを吸収する熱伸び吸収部と、を有し、
前記熱伸び吸収部は、少なくとも前記排気ガス路が熱によって伸びたときに、前記排気ガスの流れ方向に対して傾く傾斜部を有し、
この傾斜部の傾斜角度は、前記熱伸びの前後において変化する。

請求項３に記載のごとく、好ましくは、前記排気ガス路は、前記排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて配置されている。

請求項１に係る発明では、上流側のエンドプレートは、媒体路の上流側の端部を塞いでいる部位に断熱部を有している。これにより、排気ガスの熱によって媒体が温まることを抑制することができる。これにより、媒体の温度が上昇することによる発電の効率の低下を抑制する。また、排気ガスの熱によって媒体が温まりすぎることを抑制することができるために、排気ガスを逃がすための流路や流路を切り替えるためのバルブが不要となる。即ち、第１流路、及び、バルブ装置を必要とせず、小型でありながら発電の効率が高い熱電発電装置を提供することができる。

請求項２に係る発明では、下流側のエンドプレートは、排気ガス路の熱伸びを吸収する熱伸び吸収部を有し、熱伸び吸収部は、排気ガスの流れ方向に対して傾き、熱延びの前後において傾斜角度が変化する傾斜部を有している。高温の排気ガスが通過することにより、排気ガス路は熱伸びをする。排気ガス路の熱伸びにより、エンドプレートには、排気ガスの流れ方向を基準として、ケースから離れる方向に力が加わる。ここで、エンドプレートのなかの熱伸び吸収部は、傾斜部を有している。そのため、傾斜部のエンドプレート側の端部は、ケースから離れる方向に変位し、傾斜部は、排気ガスの流れ方向との傾斜が小さくなる方向に傾く。傾斜部が傾くと、排気ガスの流れ方向を基準として、熱伸び吸収部の長さは長くなる。即ち、排気ガス路の熱伸びは、エンドプレートの一部を構成する熱伸び吸収部の変形により吸収される。そのため、エンドプレートに加わる負荷を抑制することができる。本発明による熱電発電装置は、第１流路、及び、バルブ装置を使用しないことを前提としている。このため、エンジンの作動中において排気ガス路には、常に排気ガスが流れ続けることとなる。このため、熱伸びによる負荷も常に加わることとなる。このような熱電発電装置において、簡便な構成の熱伸び吸収部を有することは、特に有益である。

請求項３に係る発明では、前記排気ガス路は、前記排気ガスを発生させるエンジンに沿って、前記排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて配置されている。排気ガス路をエンジンに沿わせて上下方向に向けて配置することにより、熱電発電装置をエンジンに近接させることができる。エンジンに近接させることにより、高温の排気ガスを導入することができる。媒体との温度差を大きくし、効率的に発電を行うことができる。

本発明の実施例１による熱電発電装置の斜視図である。 図１に示された熱電発電装置の断面図である。 本発明の実施例２による熱電発電装置の断面図である。 図３の４部拡大図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
＜実施例１＞

図１を参照する。熱電発電装置２０は、エンジンＥｎの後面に沿って縦向きに配置されている。エンジンＥｎには、内部で発生した排気ガスをエンジンＥｎの外部へ排出するための排出口を有し、この排出口に接続管１１の一端が接続されている。接続管１１は、エンジンＥｎの排出口から、熱電発電装置２０まで延びている。即ち、熱電発電装置２０は、接続管１１を介してエンジンＥｎに接続されている。

図２を参照する。熱電発電装置２０は、接続管１１（図１参照）に接続するための上流側フランジ２１と、この上流側フランジ２１に接続された排気ガス導入部材２２と、この排気ガス導入部材２２に接続されたケース２３と、このケース２３の両端をそれぞれ閉じる一対のエンドプレート２４，２５と、これらのエンドプレート２４，２５によって両端が支持され内部に排気ガスが通過する排気ガス路２６と、この排気ガス路２６に沿って隙間を介してケース２３の内部に設けられ媒体が通過する媒体路２７と、この媒体路２７に設けられた媒体用フィン２８と、これらの排気ガス路２６及び媒体路２７の間の隙間に配置され排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子２９（ペルチェ素子）と、一対のエンドプレート２４，２５にそれぞれ取り付けられた断熱部３１，３２と、ケース２３から下流側に延びる排気ガス排出部材３３と、排気ガス排出部材３３の下流側の端部に設けられた下流側フランジ３４と、を有する。

ここで、上流側とは、排気ガスの流れを基準として上流側をいう。下流側とは、排気ガスの流れを基準として下流側をいう。以下についても同様である。

ケース２３は、筒状を呈し排気ガス導入部材２２に接続された上流側ケース体２３ａと、この上流側ケース体２３ａに接続され排気ガス排出部材３３が接続された下流側ケース半体２３ｂと、を有する。

上流側のエンドプレート２４は、上流側ケース体２３ａの上流側の端部を覆っていると共に、排気ガス路２６の上流側の端部が差し込まれている。

下流側のエンドプレート２５は、下流側ケース半体２３ｂの下流側の端部を覆っていると共に、排気ガス路２６の下流側の端部が差し込まれている。

排気ガス路２６は、扁平チューブ状に形成されたチューブ２６ａと、このチューブ２６ａの内部に配置された板状のセパレータ２６ｂと、このセパレータ２６ｂの両面にそれぞれ配置された排気ガス用フィン２６ｃ，２６ｄと、からなる。

排気ガス路２６に沿ってケース３５が配置されている。これらの排気ガス路２６とケース３５との間に隙間が形成されている。

上流側のエンドプレート２４に設けられた上流側の断熱部３１は、エンドプレート２４の上流側の面に設けられている。断熱部３１は、上流側のエンドプレート２４のうち、媒体路２７の上流側の端部を塞いでいる部位に設けられている。断熱部３１は、上流側のエンドプレート２４の媒体路２７に接している部位へ排気ガスの熱が伝わることを抑制する部材である。また、この部位に排気ガスが接触することを抑制する。

下流側のエンドプレート２５に設けられた下流側の断熱部３２は、エンドプレート２５の下流側の面に設けられている。断熱部３２は、下流側のエンドプレート２５のうち、媒体路２７の下流側の端部を塞いでいる部位に設けられている。断熱部３２は、下流側のエンドプレート２５の媒体路２７に接している部位へ排気ガスの熱が伝わることを抑制する部材である。また、この部位に排気ガスが接触することを抑制する。

以上の構成による熱電発電装置２０の作用を、以下に説明する。

エンジンＥｎ（図１参照）において発生した排気ガスは、熱電発電装置２０に導入される。導入された排気ガスは、排気ガス路２６を通過する。排気ガス路２６は、排気ガスの熱により温められ、高温になる。一方、媒体路２７には、排気ガスよりも低温の媒体が流れている。ケース３５は、低温の媒体によって冷却されている。

熱電素子２９は、一端が排気ガス路２６の外周に接し、他端が媒体路２７の外周に接している。そして、排気ガス路２６は、高温であり、媒体路２７は、排気ガス路２６よりも低温である。熱電素子２９は、これらの温度差に基づいて発電を行う。

以上に説明した本発明によれば、以下の効果を奏する。

上流側のエンドプレート２４は、媒体路２７の上流側の端部を塞いでいる部位に断熱部３１を有している。これにより、排気ガスの熱によって媒体が温まることを抑制することができる。これにより、媒体の温度が上昇することによる発電の効率の低下を抑制する。また、排気ガスの熱によって媒体が温まりすぎることを抑制することができるために、排気ガスを逃がすための流路や流路を切り替えるためのバルブが不要となる。即ち、第１流路１０１（図５参照）、及び、バルブ装置１０４（図５参照）を必要とせず、小型でありながら発電の効率が高い熱電発電装置２０を提供することができる。

図１を併せて参照する。排気ガス路２６は、排気ガスを発生させるエンジンＥｎに沿って、排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて配置されている。排気ガス路２６をエンジンＥｎに沿わせて上下方向に向けて配置することにより、熱電発電装置２０をエンジンＥｎに近接させることができる。エンジンＥｎに近接させることにより、高温の排気ガスを導入することができる。媒体との温度差を大きくし、効率的に発電を行うことができる。
＜実施例２＞

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図３は実施例２の熱電発電装置の断面構成を示し、上記図２に対応させて表している。

図３には、実施例２による熱電発電装置２０Ａの断面構成が示されている。実施例２による熱電発電装置２０Ａにおいては、実施例１による熱電発電装置２０（図２参照）に用いた下流側のエンドプレート２５（図２参照）に代え、複数部材からなる下流側のエンドプレート２５Ａが採用されている。その他の基本的な構成については、実施例１による熱電発電装置２０と共通する。実施例１と共通する部分については、符号を流用すると共に、詳細な説明を省略する。

図４を参照する。下流側のエンドプレート２５Ａは、排気ガス路２６の端部が差し込まれた排気ガス路差込部４１と、この排気ガス路差込部４１に接続され排気ガス路２６の熱伸びを吸収する熱伸び吸収部４２と、この熱伸び吸収部４２からケース２３まで接続された接続部４３と、を有している。熱伸び吸収部４２は、接続部４３を介してケース２３に接続されている。

排気ガス路差込部４１は、断面視において下流側に開口する略Ｕ字状を呈する。即ち、排気ガス路差込部４１は、排気ガスの流れに対して垂直に延びる差込部底部４１ａと、この差込部底部４１ａの周縁から下流側に向かって立ち上げられた差込部側壁部４１ｂ，４１ｃと、を有する。

一方の差込部側壁部４１ｂは、排気ガス路２６が接合され、他方の差込部側壁部４１ｃは、熱伸び吸収部４２が接合されている。差込部底部４１ａは、熱伸び吸収部４２に対して離間している。

熱伸び吸収部４２は、差込部側壁部４１ｃに沿って延びる第１接合部４２ａと、この第１接合部から排気ガス路２６に向かって斜めに延びる傾斜部４２ｂと、この傾斜部４２ｂから上流側に伸び接続部４３が接合された第２接合部４２ｃと、を有している。

第１接合部４２ａ、及び、第２接合部４２ｃは、排気ガスの流れ方向に沿って延び、傾斜部４２ｂは、排気ガスの流れ方向に対して傾いている。傾斜部４２ｂは、排気ガスの流れ方向に対して垂直な線に対しても傾いている。

接続部４３は、略Ｊ字断面を呈し、第２接合部４２ｃに沿って延び第２接合部４２ｃに接合された短辺部４３ａと、この短辺部４３ａから垂直に立ち上げられた接続部底部４３ｂと、この接続部底部４３ｂから上流に向かって延びケース２３に接合される長辺部４３ｃと、からなる。接続部底部４３ｂは、熱伸び吸収部４２に対して離間している。

以上のような構成による熱電発電装置２０Ａにおいても、本発明所定の効果を得ることができる。

さらに、下流側のエンドプレート２５Ａは、排気ガス路２６の熱伸びを吸収する熱伸び吸収部４２を有し、熱伸び吸収部４２は、排気ガスの流れ方向に対して傾き、熱延びの前後において傾斜角度が変化する傾斜部４２ｂを有している。高温の排気ガスが通過することにより、矢印（１）によって示されるように、排気ガス路２６は熱伸びをする（ケース３５やケース２３も熱伸びするが、排気ガス路２６に比べて伸び量が小さいため、相対的に矢印（１）に示すようになる。）。排気ガス路２６の熱伸びにより、下流側のエンドプレート２５Ａには、排気ガスの流れ方向を基準として、ケース２３から離れる方向に力が加わる。ここで、エンドプレート２５Ａのなかの熱伸び吸収部４２は、傾斜部４２ｂを有している。そのため、傾斜部４２ｂのエンドプレート側の端部は、ケース２３から離れる方向に変位し、傾斜部４２ｂは、排気ガスの流れ方向との傾斜が小さくなる方向に傾く。傾斜部４２ｂが傾くと、排気ガスの流れ方向を基準として、熱伸び吸収部４２の長さは長くなる。即ち、排気ガス路２６の熱伸びは、エンドプレートの一部を構成する熱伸び吸収部４２の変形により吸収される。そのため、エンドプレート２５Ａに加わる負荷を抑制することができる。なお、傾斜部４２ｂのみならず、接続部４３（特に、接続部底部４３ｂ）も熱伸びを吸収するように傾斜することが望ましい。これにより、熱伸びの吸収量を増加させることができる。

本発明による熱電発電装置２０Ａは、第１流路１０１（図５参照）、及び、バルブ装置１０４（図５参照）を使用しないことを前提としている。このため、エンジンＥｎ（図１参照）の作動中において排気ガス路２６には、常に排気ガスが流れ続けることとなる。このため、熱伸びによる負荷も常に加わることとなる。このような熱電発電装置２０Ａにおいて、簡便な構成の熱伸び吸収部４２を有することは、特に有益である。

さらに、熱伸び吸収部４２、及び、接続部４３の板厚は、排気ガス路２６、及び、排気ガス路差込部４１の板厚よりも薄い。このため、熱伸び吸収部４２、及び、接続部４３の曲げ剛性は、排気ガス路２６、及び、排気ガス路差込部４１の曲げ剛性よりも低い。これにより、傾斜部４２ｂ、及び、接続部４３を確実に変位させ、他の部位に加わり得る負荷を軽減する。即ち、傾斜部４２ｂのみならず、接続部４３（特に、接続部底部４３ｂ）も熱伸びを吸収するように傾斜することが望ましい。

尚、本発明の熱電発電装置は、実施の形態では四輪車に適用したが、車両全般に適用可能であり、さらに車両以外の乗り物、さらに乗り物以外の用途にも適用可能である。

断熱部は、排気ガスの熱が媒体路２７へ伝熱することを抑制できればよい。このため、真空層やガス層等の流体による断熱層、断熱マットやセラミック材等の断熱材、断熱塗装によってもよく、任意の手段を採用することができる。

即ち、本発明は、作用及び効果を奏する限りにおいて、実施例に限定されるものではない。

本発明の排熱回収装置は、四輪車に好適である。

２０，２０Ａ…熱電発電装置
２３…ケース
２４…上流側のエンドプレート
２５，２５Ａ…下流側のエンドプレート
２６…排気ガス路
２７…媒体路
３１…断熱部
４１…排気ガス路差込部
４２…熱伸び吸収部
４２ｂ…傾斜部
Ｅｎ…エンジン

Claims (3)

1. 筒状のケースと、このケースの両端をそれぞれ閉じる一対のエンドプレートと、これらのエンドプレートによって両端が支持され内部に排気ガスが通過する排気ガス路と、この排気ガス路に沿って隙間を介して前記ケースの内部に設けられ媒体が通過する媒体路と、これらの排気ガス路及び媒体路の間の隙間に配置され前記排気ガスの熱と前記媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子と、を有する熱電発電装置において、
   前記一対のエンドプレートのうち、前記排気ガスの流れを基準として、少なくとも上流側の前記エンドプレートは、前記媒体路の上流側の端部を塞いでいる部位に断熱部を有していることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記一対のエンドプレートのうち、前記排気ガスの流れを基準として、下流側のエンドプレートは、前記排気ガス路の端部が差し込まれた排気ガス路差込部と、この排気ガス路差込部及び前記ケースを接続し前記排気ガス路の熱伸びを吸収する熱伸び吸収部と、を有し、
   前記熱伸び吸収部は、少なくとも前記排気ガス路が熱によって伸びたときに、前記排気ガスの流れ方向に対して傾く傾斜部を有し、
   この傾斜部の傾斜角度は、前記熱伸びの前後において変化することを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記排気ガス路は、前記排気ガスを発生させるエンジンに沿って、前記排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱電発電装置。

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