熱電発電装置
【課題】熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下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。
【解決手段】熱電発電装置は、プレート４１が、熱電変換モジュール２７が嵌合される嵌合孔４１ａを有し、外管２３の外周部２３ａに対向する一方の面４１Ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに対向する他方の面に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１が、突起４２ａ、４２ｂによって熱伝導シート４３、４４を介して外管２３および冷却水管２８に点接触される。
【解決手段】熱電発電装置は、プレート４１が、熱電変換モジュール２７が嵌合される嵌合孔４１ａを有し、外管２３の外周部２３ａに対向する一方の面４１Ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに対向する他方の面に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１が、突起４２ａ、４２ｂによって熱伝導シート４３、４４を介して外管２３および冷却水管２８に点接触される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。
【０００３】
従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周部に熱電変換モジュールの高温側の一側面を対向させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に対向させたものが知られている。
【０００４】
この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気ガスと温度の低い冷却水とにより、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。
【０００５】
この熱電変換モジュールは、保持部材によって保持されることにより、排気ガスの排気方向に沿って配列されている。この保持部材としては、例えば、熱電変換モジュールの全周を取り囲むようにして熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有する断熱材が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に示す熱電変換素子は、高温側と低温側の温度差が大きい程、発電効率が向上する性質を有している。このため、熱電変換モジュールを断熱材によって保持して熱電変換モジュールを排気管と冷却水管（ウォータジャケット）との間に位置決めすることにより、断熱材を通して熱が移動するのを阻止し、熱電変換モジュールを通して熱の移動を行うことができ、発電効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、断熱材によって熱電変換モジュールを保持するようにしているが、断熱材の材料が明確に示されていない。断熱性を有する材料としては、無機鉱物や粘土系の材料が考えられるが、これらの材料は、耐熱性、および断熱性のバランスがよいものの、脆い性質を有しているため、熱電発電装置に加わる振動等によって断熱材の耐久性が悪化してしまい、熱電変換モジュールを安定して保持することができない。
【０００９】
これに対して、断熱材として金属材料やセラミックス材料を用いれば、剛性が大きくなり、振動等に対して十分に耐えることができる。ところが、これらの材料の断熱材は、熱伝導性が高いため、排気ガスの熱の多くが断熱材を通して冷却水に流れてしまい、熱電変換モジュールの発電効率が悪化してしまう。
【００１０】
また、断熱材として樹脂材料を用いた場合には、高温の排気ガスに晒される環境下では耐熱性の面で問題があり、排気系には使用困難である。また、セラミック繊維等のマット材を使用した場合には、耐熱性、断熱性を確保できるが、剛性が低いため、熱電変換モジュールを安定して保持することができない。
【００１１】
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、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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）内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールと、前記排気管と前記冷却水管との間に介装され、複数の前記熱電変換モジュールを保持する保持部材とを備えた熱電発電装置であって、前記保持部材が、前記熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、前記排気管に対向する面または前記冷却水管に対向する面の少なくとも一方の面に突起が形成されるものから構成されている。
【００１３】
この熱電発電装置は、保持部材が、熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、排気管に対向する面または冷却水管に対向する少なくとも一方の面に突起が形成されるので、保持部材が突起によって排気管および冷却水管の少なくとも一方に点接触する。
【００１４】
このため、保持部材と排気管および冷却水管との接触面積を少なくすることができ、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われるのを防止して、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのを防止することができる。また、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、保持部材として熱伝導性が高い材料を用いることができ、保持部材の剛性を高くすることができる。
【００１５】
この結果、熱電発電装置に振動等が加わった場合に保持部材の耐久性が悪化するのを防止することができ、保持部材によって熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間に安定して保持することができる。
【００１６】
上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記保持部材が、金属材料またはセラミックス材料から構成されている。
【００１７】
この熱電発電装置は、保持部材が、金属材料またはセラミックス材料から構成されるので、保持部材の剛性を高くすることができ、突起による点接触であっても振動等による耐久性が悪化するのを防止することができる。このため、熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間により一層安定して保持することができる。
【００１８】
また、剛性が高い材料を用いても保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのをより一層防止することができる。
【００１９】
上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記保持部材の嵌合孔は、前記排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記嵌合孔の周縁に前記突起が形成されるものから構成されている。
【００２０】
この熱電発電装置は、保持部材の嵌合孔は、排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、嵌合孔の周縁に突起が形成されるので、保持部材が排気方向に亘って排気管または冷却水管に点接触する。
【００２１】
このため、排気方向に亘って保持部材を通して余分な熱の移動が行われるのを防止して、保持部材によって複数の熱電変換モジュールを安定して保持しつつ熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００２２】
上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装されるものから構成されている。
【００２３】
この熱電発電装置は、保持部材および熱電変換モジュールと排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、保持部材および熱電変換モジュールと冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装されるので、熱電変換モジュールの一側面と排気管との密着性および熱電変換モジュールの他側面と冷却水管との密着性が向上して熱の伝達効率を向上させることができる。
【００２４】
そして、突起が高温側熱伝導シートおよび低温側熱伝導シートを介して排気管および冷却水管の少なくとも一方に点接触するので、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがなく、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００２５】
これに加えて、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、保持部材として熱伝導性が高い材料を用いることができ、保持部材の剛性を高くすることができる。
【００２６】
この結果、熱電発電装置に振動等が加わった場合に保持部材の耐久性が悪化するのを防止することができ、保持部材によって熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間に安定して保持することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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エンジンの排気系の概略構成図である。
【図２】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。
【図３】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、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。
【図４】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、熱電発電モジュールの斜視図である。
【図５】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、熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図６】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、プレートの上面図である。
【図７】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図８】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図９】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
図１〜図９は、本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図である。
【００３０】
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混合気を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。
【００３１】
排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。
【００３２】
球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４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４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。
【００３３】
排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。
【００３４】
この触媒５、６のうち、排気管４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５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４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６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。
【００３５】
これらの触媒５、６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。
【００３６】
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）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。
【００３７】
この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
【００３８】
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０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。
【００３９】
また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
【００４０】
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。
【００４１】
バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。
【００４２】
このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。
【００４３】
また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。
【００４４】
このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。
【００４５】
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。
【００４６】
図２、図３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が導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１との間で受熱通路２２を形成する排気管としての外管２３とを備えている。
【００４７】
内管２１の上流端は、排気管４に連結されており、内管２１の内部には排気管４から排気ガスＧが導入される排気通路２５が形成されている。内管２１は、支持部材２４を介して外管２３に固定されており、外管２３の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。
【００４８】
このため、エンジン１から排気管４を通して内管２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、排気通路２５を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７と、外管２３と同軸上に設けられた冷却部材としての筒状の冷却水管２８とを備えている。
【００４９】
図４に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂ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２７は、配線３５を介して電気的に連結されている。
【００５０】
この熱電変換モジュール２７は、ステンレス等の金属材料またはアルミナ等のセラミックス材料からなる保持部材としてのプレート４１に保持されており、このプレート４１によって外管２３と冷却水管２８との間に介装されている。
【００５１】
図５、図６に示すように、プレート４１には嵌合孔４１ａが形成されており、この嵌合孔４１ａは、排気ガスＧの排気方向に沿って一定の間隔で配列されている。
熱電変換モジュール２７は、全周が嵌合孔４１ａに取り囲まれるようにして嵌合孔４１ａに嵌合されるようになっており、プレート４１に保持されている。
【００５２】
また、嵌合孔４１ａの周縁には突起４２ａ、４２ｂが形成されている。突起４２ａは、外管２３の外周部２３ａに対向するプレート４１の一方の面４１Ａに設けられており、プレート４１の一方の面４１Ａから外管２３に向かって突出している。
【００５３】
また、突起４２ｂは、冷却水管２８の内周部２８ｃに対向するプレート４１の他方の面４１Ｂに設けられており、プレート４１の他方の面４１Ｂから冷却水管２８に向かって突出している。
【００５４】
また、プレート４１および熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａとの間には高温側熱伝導シートとしての熱伝導シート４３が介装されており、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および突起４２ａは、熱伝導シート４３を介して外管２３の外周部２３ａに接触している。
【００５５】
また、プレート４１および熱電変換モジュール２７と冷却水管２８の内周部２８ｃとの間には低温側熱伝導シートとしての熱伝導シート４４が介装されており、熱電変換モジュール２７の放熱基板３０および突起４２ｂは、熱伝導シート４４を介して冷却水管２８の内周部２８ｃに接触している。
【００５６】
これら熱伝導シート４３、４４は、例えば、繊維状金属を主材料とする弾性シートから構成されており、外管２３と熱電変換モジュール２７との密着性および冷却水管２８と熱電変換モジュール２７との密着性を高める機能を有している。なお、図２では、受熱基板２９および放熱基板３０を省略して熱電変換モジュール２７を簡略化している。
【００５７】
この熱電変換モジュール２７は、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル３５を介してバッテリに電力を供給するようになっている。
【００５８】
なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管２３および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管２３および冷却水管２８は、図３に示すように、多角形に形成されている。
【００５９】
また、外管２３および冷却水管２８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２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。
【００６０】
冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。
【００６１】
この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水は、受熱通路２２に流れる排気ガスＧの流れと同方向に流れる。
【００６２】
図２に示すように、内管２１には複数の連通孔３６が形成されており、この連通孔３６は、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通している。この連通孔３６は、内管２１の円周方向に等間隔に形成されているとともに、内管２１内を流れる排気ガスＧの排気方向、すなわち、内管２１の延在方向に沿って配列されている。なお、連通孔３６は、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６３】
また、支持部材２４には支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されており、受熱通路２２は、連通孔２４ａを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６４】
また、内管２１には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、内管２１の下流端に設けられ、内管２１を開閉するように外管２３に回動自在に取付けられている。この開閉弁２６は、排気通路２５を流れる排気ガスＧの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。
【００６５】
すなわち、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低負荷走行時には、図２に実線で示すように、内管２１を閉塞することにより、内管２１に導入された排気ガスＧを受熱通路２２に導入する。
【００６６】
また、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が高いエンジン１の高負荷走行時には、図２に破線で示すように、内管２１を解放する。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。
【００６７】
次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、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。
【００６８】
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２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスＧが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスＧにより昇温されることになる。
また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２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。
【００６９】
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排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入され、受熱通路２２を通過する排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。
【００７０】
また、エンジン１の暖機後のエンジン１が低負荷走行時には、排気ガスＧの温度が高温となっても排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスＧの熱エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換される。
【００７１】
また、エンジン１の高負荷走行時にはエンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高負荷走行時には、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスＧの圧力が高くなるため、内管２１に導入された排気ガスＧの圧力が高くなり、開閉弁２６が解放される。
【００７２】
開閉弁２６が解放されると、排気通路２５とテールパイプ１９が連通し、排気ガスＧは、受熱通路２２を流れることがなく、排気通路２５からテールパイプ１９に直接、排出される。このため、高温の排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温されることがない。
【００７３】
このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。
【００７４】
このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。
【００７５】
また、エンジン１の高負荷走行時には開閉弁２６が解放されるので、排気通路２５を流れる排気ガスＧの背圧が高くなることがなく、排気ガスＧの排気性能が低下するのを防止することができる。
【００７６】
次いで、暖機終了後のエンジン１の低負荷走行時の熱電発電装置１７の作用を説明する。
排気ガスＧの圧力が小さいと、開閉弁２６によって内管２１が閉塞され、排気通路２５とテールパイプ１９との連通が遮断される。
【００７７】
本実施の形態の熱電発電装置１７は、プレート４１が、熱電変換モジュール２７が嵌合される嵌合孔４１ａを有し、外管２３の外周部２３ａに対向する一方の面４１Ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに対向する他方の面に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１の突起４２ａ、４２ｂが熱伝導シート４３、４４を介して外管２３および冷却水管２８に点接触される。
【００７８】
このため、プレート４１と外管２３および冷却水管２８との接触面積を少なくすることができ、プレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われるのを防止することができる。このため、熱電変換モジュール２７に熱を集中させることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００７９】
また、プレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われることがないので、プレート４１として熱伝導性が高い金属材料やセラミック材料等を用いることができ、プレート４１の剛性を高くすることができる。
【００８０】
この結果、熱電発電装置１７に振動等が加わった場合にプレート４１の耐久性が悪化するのを防止することができ、プレート４１によって熱電変換モジュール２７を外管２３と冷却水管２８との間に安定して保持することができる。
【００８１】
また、プレート４１の材料を金属材料またはセラミックス材料等から構成することができるため、プレート４１の剛性を高くすることができ、突起４２ａ、４２ｂによる点接触であっても振動等による耐久性が悪化するのを防止することができる。このため、熱電変換モジュール２７を外管２３と冷却水管２８との間により一層安定して保持することができる。
【００８２】
また、剛性が高い材料を用いてもプレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われることがないので、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのをより一層防止することができる。
【００８３】
また、本実施の形態のプレート４１は、嵌合孔４１ａが受熱通路２２を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、嵌合孔４１ａの周縁に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１の排気方向に亘って外管２３の外周部２３ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに突起４２ａ、４２ｂを介してプレート４１を点接触させることができる。
【００８４】
このため、排気方向に亘ってプレート４１を通して余分な熱の移動が行われるのを防止して、プレート４１によって複数の熱電変換モジュール２７を安定して保持しつつ熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【００８５】
また、本実施の形態では、プレート４１および熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａの間およびプレート４１および熱電変換モジュール２７と冷却水管２８の内周部２８ｃとの間に熱伝導シート４３、４４を介装し、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と外管２３との密着性および熱電変換モジュール２７の放熱基板３０と冷却水管２８との密着性を向上させて熱の伝達効率を向上させることができる。
【００８６】
なお、本実施の形態では、プレート４１の一方の面４１Ａおよび他方の面４１Ｂに突起４２ａ、４２ｂを形成しているが、両方に形成しなくてもよい。プレート４１の一方の面４１Ａおよび他方の面４１Ｂに突起が形成されていればよい。この場合には、高温の排気ガスにＧに晒されるプレート４１の一方の面４１ａに突起が形成されることが好ましい。
【００８７】
図７〜図９は、他の構成を有する熱電発電装置を示す図であり、本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に示す熱電発電装置５１は、突起に代えてプレート４１の嵌合孔４１ａの周縁に絶縁性のアルミナマット５２ａ、５２ｂを設けている。
【００８８】
このようにすれば、アルミナマット５２ａ、５２ｂを介してプレート５１と外管２３および冷却水管２８とを接触させることができるので、プレート４１の剛性を高くしつつ、プレート５１に断熱性を付与することができる。
【００８９】
図８に示す熱電発電装置６１は、突起に代えて、プレート４１の他方の面４１Ｂのプレート４１の嵌合孔４１ａの周縁に絶縁性のゴム板６２を設け、ゴム板６２を冷却水管２８の内周部２８ｃに接触させている。
【００９０】
このようにすれば、ゴム板６２を介してプレート５１と外管２３および冷却水管２８とを接触させることができるので、プレート４１の剛性を高くしつつ、プレート５１に断熱性を付与することができる。
【００９１】
図９に示す熱電発電装置７１は、放熱基板３０の端部を延長して延長部３０ａを形成し、この延長部３０ａに開口を形成し、この開口に延長部にコの字形状の枠部材７２の両端を嵌合することにより、枠部材７２を介して隣接する熱電変換モジュール２７を連結したものである。
【００９２】
このようにすれば、プレート４１を廃止して熱電変換モジュール２７を排気方向に配列することができる。また、外管２３と枠部材７２との間には距離があり、外管２３と枠部材７２との間の空間が断熱層となるので、枠部材７２として、ＰＰＳや芳香族ＰＡ等の耐熱性の樹脂から構成することができる。このようにすれば、排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われるのを防止して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００９３】
以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１ エンジン（エンジン）
１７ 熱電発電装置
２３ 外管（排気管）
２７ 熱電変換モジュール
２８ 冷却水管
２８ｃ 内周部
３６ 連通孔
４１ プレート（保持部材）
４１ａ 嵌合孔
４１Ａ 一方の面
４１Ｂ 他方の面
４２ａ、４２ｂ 突起
４３ 熱伝導シート（高温側熱伝導シート）
４４ 熱伝導シート（低温側熱伝導シート）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。
【０００３】
従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管の外周部に熱電変換モジュールの高温側の一側面を対向させるとともに、熱電変換モジュールの低温側の他側面を冷却水が流通する冷却水管に対向させたものが知られている。
【０００４】
この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温側となる受熱基板および低温側となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気ガスと温度の低い冷却水とにより、熱電変換モジュールの高温側と低温側との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。
【０００５】
この熱電変換モジュールは、保持部材によって保持されることにより、排気ガスの排気方向に沿って配列されている。この保持部材としては、例えば、熱電変換モジュールの全周を取り囲むようにして熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有する断熱材が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に示す熱電変換素子は、高温側と低温側の温度差が大きい程、発電効率が向上する性質を有している。このため、熱電変換モジュールを断熱材によって保持して熱電変換モジュールを排気管と冷却水管（ウォータジャケット）との間に位置決めすることにより、断熱材を通して熱が移動するのを阻止し、熱電変換モジュールを通して熱の移動を行うことができ、発電効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６５５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、断熱材によって熱電変換モジュールを保持するようにしているが、断熱材の材料が明確に示されていない。断熱性を有する材料としては、無機鉱物や粘土系の材料が考えられるが、これらの材料は、耐熱性、および断熱性のバランスがよいものの、脆い性質を有しているため、熱電発電装置に加わる振動等によって断熱材の耐久性が悪化してしまい、熱電変換モジュールを安定して保持することができない。
【０００９】
これに対して、断熱材として金属材料やセラミックス材料を用いれば、剛性が大きくなり、振動等に対して十分に耐えることができる。ところが、これらの材料の断熱材は、熱伝導性が高いため、排気ガスの熱の多くが断熱材を通して冷却水に流れてしまい、熱電変換モジュールの発電効率が悪化してしまう。
【００１０】
また、断熱材として樹脂材料を用いた場合には、高温の排気ガスに晒される環境下では耐熱性の面で問題があり、排気系には使用困難である。また、セラミック繊維等のマット材を使用した場合には、耐熱性、断熱性を確保できるが、剛性が低いため、熱電変換モジュールを安定して保持することができない。
【００１１】
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、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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）内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールと、前記排気管と前記冷却水管との間に介装され、複数の前記熱電変換モジュールを保持する保持部材とを備えた熱電発電装置であって、前記保持部材が、前記熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、前記排気管に対向する面または前記冷却水管に対向する面の少なくとも一方の面に突起が形成されるものから構成されている。
【００１３】
この熱電発電装置は、保持部材が、熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、排気管に対向する面または冷却水管に対向する少なくとも一方の面に突起が形成されるので、保持部材が突起によって排気管および冷却水管の少なくとも一方に点接触する。
【００１４】
このため、保持部材と排気管および冷却水管との接触面積を少なくすることができ、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われるのを防止して、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのを防止することができる。また、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、保持部材として熱伝導性が高い材料を用いることができ、保持部材の剛性を高くすることができる。
【００１５】
この結果、熱電発電装置に振動等が加わった場合に保持部材の耐久性が悪化するのを防止することができ、保持部材によって熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間に安定して保持することができる。
【００１６】
上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記保持部材が、金属材料またはセラミックス材料から構成されている。
【００１７】
この熱電発電装置は、保持部材が、金属材料またはセラミックス材料から構成されるので、保持部材の剛性を高くすることができ、突起による点接触であっても振動等による耐久性が悪化するのを防止することができる。このため、熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間により一層安定して保持することができる。
【００１８】
また、剛性が高い材料を用いても保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのをより一層防止することができる。
【００１９】
上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記保持部材の嵌合孔は、前記排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記嵌合孔の周縁に前記突起が形成されるものから構成されている。
【００２０】
この熱電発電装置は、保持部材の嵌合孔は、排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、嵌合孔の周縁に突起が形成されるので、保持部材が排気方向に亘って排気管または冷却水管に点接触する。
【００２１】
このため、排気方向に亘って保持部材を通して余分な熱の移動が行われるのを防止して、保持部材によって複数の熱電変換モジュールを安定して保持しつつ熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。
【００２２】
上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装されるものから構成されている。
【００２３】
この熱電発電装置は、保持部材および熱電変換モジュールと排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、保持部材および熱電変換モジュールと冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装されるので、熱電変換モジュールの一側面と排気管との密着性および熱電変換モジュールの他側面と冷却水管との密着性が向上して熱の伝達効率を向上させることができる。
【００２４】
そして、突起が高温側熱伝導シートおよび低温側熱伝導シートを介して排気管および冷却水管の少なくとも一方に点接触するので、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがなく、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００２５】
これに加えて、保持部材を通して排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われることがないので、保持部材として熱伝導性が高い材料を用いることができ、保持部材の剛性を高くすることができる。
【００２６】
この結果、熱電発電装置に振動等が加わった場合に保持部材の耐久性が悪化するのを防止することができ、保持部材によって熱電変換モジュールを排気管と冷却水管との間に安定して保持することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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エンジンの排気系の概略構成図である。
【図２】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。
【図３】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、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。
【図４】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、熱電発電モジュールの斜視図である。
【図５】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、熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図６】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、プレートの上面図である。
【図７】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図８】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【図９】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、他の構成を有する熱電発電装置の要部側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
図１〜図９は、本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図である。
【００３０】
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混合気を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。
【００３１】
排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。
【００３２】
球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４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４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。
【００３３】
排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。
【００３４】
この触媒５、６のうち、排気管４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５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４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６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。
【００３５】
これらの触媒５、６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。
【００３６】
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）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。
【００３７】
この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
【００３８】
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０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。
【００３９】
また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
【００４０】
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。
【００４１】
バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。
【００４２】
このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。
【００４３】
また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。
【００４４】
このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。
【００４５】
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。
【００４６】
図２、図３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が導入される内管２１と、内管２１の外方に設けられ、内管２１との間で受熱通路２２を形成する排気管としての外管２３とを備えている。
【００４７】
内管２１の上流端は、排気管４に連結されており、内管２１の内部には排気管４から排気ガスＧが導入される排気通路２５が形成されている。内管２１は、支持部材２４を介して外管２３に固定されており、外管２３の下流端は、テールパイプ１９に連結されている。
【００４８】
このため、エンジン１から排気管４を通して内管２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、排気通路２５を通してテールパイプ１９に排出された後、テールパイプ１９から外気に排出される。
また、熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７と、外管２３と同軸上に設けられた冷却部材としての筒状の冷却水管２８とを備えている。
【００４９】
図４に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂ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２７は、配線３５を介して電気的に連結されている。
【００５０】
この熱電変換モジュール２７は、ステンレス等の金属材料またはアルミナ等のセラミックス材料からなる保持部材としてのプレート４１に保持されており、このプレート４１によって外管２３と冷却水管２８との間に介装されている。
【００５１】
図５、図６に示すように、プレート４１には嵌合孔４１ａが形成されており、この嵌合孔４１ａは、排気ガスＧの排気方向に沿って一定の間隔で配列されている。
熱電変換モジュール２７は、全周が嵌合孔４１ａに取り囲まれるようにして嵌合孔４１ａに嵌合されるようになっており、プレート４１に保持されている。
【００５２】
また、嵌合孔４１ａの周縁には突起４２ａ、４２ｂが形成されている。突起４２ａは、外管２３の外周部２３ａに対向するプレート４１の一方の面４１Ａに設けられており、プレート４１の一方の面４１Ａから外管２３に向かって突出している。
【００５３】
また、突起４２ｂは、冷却水管２８の内周部２８ｃに対向するプレート４１の他方の面４１Ｂに設けられており、プレート４１の他方の面４１Ｂから冷却水管２８に向かって突出している。
【００５４】
また、プレート４１および熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａとの間には高温側熱伝導シートとしての熱伝導シート４３が介装されており、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および突起４２ａは、熱伝導シート４３を介して外管２３の外周部２３ａに接触している。
【００５５】
また、プレート４１および熱電変換モジュール２７と冷却水管２８の内周部２８ｃとの間には低温側熱伝導シートとしての熱伝導シート４４が介装されており、熱電変換モジュール２７の放熱基板３０および突起４２ｂは、熱伝導シート４４を介して冷却水管２８の内周部２８ｃに接触している。
【００５６】
これら熱伝導シート４３、４４は、例えば、繊維状金属を主材料とする弾性シートから構成されており、外管２３と熱電変換モジュール２７との密着性および冷却水管２８と熱電変換モジュール２７との密着性を高める機能を有している。なお、図２では、受熱基板２９および放熱基板３０を省略して熱電変換モジュール２７を簡略化している。
【００５７】
この熱電変換モジュール２７は、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル３５を介してバッテリに電力を供給するようになっている。
【００５８】
なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管２３および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管２３および冷却水管２８は、図３に示すように、多角形に形成されている。
【００５９】
また、外管２３および冷却水管２８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２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。
【００６０】
冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。
【００６１】
この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水は、受熱通路２２に流れる排気ガスＧの流れと同方向に流れる。
【００６２】
図２に示すように、内管２１には複数の連通孔３６が形成されており、この連通孔３６は、内管２１の内部と受熱通路２２とを連通している。この連通孔３６は、内管２１の円周方向に等間隔に形成されているとともに、内管２１内を流れる排気ガスＧの排気方向、すなわち、内管２１の延在方向に沿って配列されている。なお、連通孔３６は、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６３】
また、支持部材２４には支持部材２４の円周方向に亘って等間隔に連通孔２４ａが形成されており、受熱通路２２は、連通孔２４ａを通してテールパイプ１９に連通している。なお、連通孔２４ａは、等間隔に形成されるものに限定されない。
【００６４】
また、内管２１には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、内管２１の下流端に設けられ、内管２１を開閉するように外管２３に回動自在に取付けられている。この開閉弁２６は、排気通路２５を流れる排気ガスＧの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。
【００６５】
すなわち、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低負荷走行時には、図２に実線で示すように、内管２１を閉塞することにより、内管２１に導入された排気ガスＧを受熱通路２２に導入する。
【００６６】
また、開閉弁２６は、排気ガスＧの圧力が高いエンジン１の高負荷走行時には、図２に破線で示すように、内管２１を解放する。このため、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。
【００６７】
次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、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。
【００６８】
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２を経て排気管４に、例えば３００〜４００℃の排気ガスＧが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスＧにより昇温されることになる。
また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２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。
【００６９】
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排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入され、受熱通路２２を通過する排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。
【００７０】
また、エンジン１の暖機後のエンジン１が低負荷走行時には、排気ガスＧの温度が高温となっても排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管２１の排気通路２５に導入された排気ガスＧが受熱通路２２に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスＧの熱エネルギーを圧力エネルギーに効率よく変換される。
【００７１】
また、エンジン１の高負荷走行時にはエンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高負荷走行時には、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスＧの圧力が高くなるため、内管２１に導入された排気ガスＧの圧力が高くなり、開閉弁２６が解放される。
【００７２】
開閉弁２６が解放されると、排気通路２５とテールパイプ１９が連通し、排気ガスＧは、受熱通路２２を流れることがなく、排気通路２５からテールパイプ１９に直接、排出される。このため、高温の排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温されることがない。
【００７３】
このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。
【００７４】
このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。
【００７５】
また、エンジン１の高負荷走行時には開閉弁２６が解放されるので、排気通路２５を流れる排気ガスＧの背圧が高くなることがなく、排気ガスＧの排気性能が低下するのを防止することができる。
【００７６】
次いで、暖機終了後のエンジン１の低負荷走行時の熱電発電装置１７の作用を説明する。
排気ガスＧの圧力が小さいと、開閉弁２６によって内管２１が閉塞され、排気通路２５とテールパイプ１９との連通が遮断される。
【００７７】
本実施の形態の熱電発電装置１７は、プレート４１が、熱電変換モジュール２７が嵌合される嵌合孔４１ａを有し、外管２３の外周部２３ａに対向する一方の面４１Ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに対向する他方の面に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１の突起４２ａ、４２ｂが熱伝導シート４３、４４を介して外管２３および冷却水管２８に点接触される。
【００７８】
このため、プレート４１と外管２３および冷却水管２８との接触面積を少なくすることができ、プレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われるのを防止することができる。このため、熱電変換モジュール２７に熱を集中させることができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００７９】
また、プレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われることがないので、プレート４１として熱伝導性が高い金属材料やセラミック材料等を用いることができ、プレート４１の剛性を高くすることができる。
【００８０】
この結果、熱電発電装置１７に振動等が加わった場合にプレート４１の耐久性が悪化するのを防止することができ、プレート４１によって熱電変換モジュール２７を外管２３と冷却水管２８との間に安定して保持することができる。
【００８１】
また、プレート４１の材料を金属材料またはセラミックス材料等から構成することができるため、プレート４１の剛性を高くすることができ、突起４２ａ、４２ｂによる点接触であっても振動等による耐久性が悪化するのを防止することができる。このため、熱電変換モジュール２７を外管２３と冷却水管２８との間により一層安定して保持することができる。
【００８２】
また、剛性が高い材料を用いてもプレート４１を通して排気ガスＧと冷却水Ｗとの間で余分な熱の移動が行われることがないので、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのをより一層防止することができる。
【００８３】
また、本実施の形態のプレート４１は、嵌合孔４１ａが受熱通路２２を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、嵌合孔４１ａの周縁に突起４２ａ、４２ｂが形成されるので、プレート４１の排気方向に亘って外管２３の外周部２３ａおよび冷却水管２８の内周部２８ｃに突起４２ａ、４２ｂを介してプレート４１を点接触させることができる。
【００８４】
このため、排気方向に亘ってプレート４１を通して余分な熱の移動が行われるのを防止して、プレート４１によって複数の熱電変換モジュール２７を安定して保持しつつ熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。
【００８５】
また、本実施の形態では、プレート４１および熱電変換モジュール２７と外管２３の外周部２３ａの間およびプレート４１および熱電変換モジュール２７と冷却水管２８の内周部２８ｃとの間に熱伝導シート４３、４４を介装し、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９と外管２３との密着性および熱電変換モジュール２７の放熱基板３０と冷却水管２８との密着性を向上させて熱の伝達効率を向上させることができる。
【００８６】
なお、本実施の形態では、プレート４１の一方の面４１Ａおよび他方の面４１Ｂに突起４２ａ、４２ｂを形成しているが、両方に形成しなくてもよい。プレート４１の一方の面４１Ａおよび他方の面４１Ｂに突起が形成されていればよい。この場合には、高温の排気ガスにＧに晒されるプレート４１の一方の面４１ａに突起が形成されることが好ましい。
【００８７】
図７〜図９は、他の構成を有する熱電発電装置を示す図であり、本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に示す熱電発電装置５１は、突起に代えてプレート４１の嵌合孔４１ａの周縁に絶縁性のアルミナマット５２ａ、５２ｂを設けている。
【００８８】
このようにすれば、アルミナマット５２ａ、５２ｂを介してプレート５１と外管２３および冷却水管２８とを接触させることができるので、プレート４１の剛性を高くしつつ、プレート５１に断熱性を付与することができる。
【００８９】
図８に示す熱電発電装置６１は、突起に代えて、プレート４１の他方の面４１Ｂのプレート４１の嵌合孔４１ａの周縁に絶縁性のゴム板６２を設け、ゴム板６２を冷却水管２８の内周部２８ｃに接触させている。
【００９０】
このようにすれば、ゴム板６２を介してプレート５１と外管２３および冷却水管２８とを接触させることができるので、プレート４１の剛性を高くしつつ、プレート５１に断熱性を付与することができる。
【００９１】
図９に示す熱電発電装置７１は、放熱基板３０の端部を延長して延長部３０ａを形成し、この延長部３０ａに開口を形成し、この開口に延長部にコの字形状の枠部材７２の両端を嵌合することにより、枠部材７２を介して隣接する熱電変換モジュール２７を連結したものである。
【００９２】
このようにすれば、プレート４１を廃止して熱電変換モジュール２７を排気方向に配列することができる。また、外管２３と枠部材７２との間には距離があり、外管２３と枠部材７２との間の空間が断熱層となるので、枠部材７２として、ＰＰＳや芳香族ＰＡ等の耐熱性の樹脂から構成することができる。このようにすれば、排気ガスと冷却水との間で余分な熱の移動が行われるのを防止して、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下してしまうのを防止することができる。
【００９３】
以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールを安定して保持しつつ、高い断熱性を確保して熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１ エンジン（エンジン）
１７ 熱電発電装置
２３ 外管（排気管）
２７ 熱電変換モジュール
２８ 冷却水管
２８ｃ 内周部
３６ 連通孔
４１ プレート（保持部材）
４１ａ 嵌合孔
４１Ａ 一方の面
４１Ｂ 他方の面
４２ａ、４２ｂ 突起
４３ 熱伝導シート（高温側熱伝導シート）
４４ 熱伝導シート（低温側熱伝導シート）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールと、前記排気管と前記冷却水管との間に介装され、複数の前記熱電変換モジュールを保持する保持部材とを備えた熱電発電装置であって、
前記保持部材が、前記熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、前記排気管に対向する面または前記冷却水管に対向する面の少なくとも一方の面に突起が形成されることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記保持部材が、金属材料またはセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記保持部材の嵌合孔は、前記排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記嵌合孔の周縁に前記突起が形成される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。
【請求項４】
前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装され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項に記載の熱電発電装置。
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、一側面が前記排気管に対向するとともに他側面が前記冷却水管に対向し、前記一側面と前記他側面との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールと、前記排気管と前記冷却水管との間に介装され、複数の前記熱電変換モジュールを保持する保持部材とを備えた熱電発電装置であって、
前記保持部材が、前記熱電変換モジュールが嵌合される嵌合孔を有し、前記排気管に対向する面または前記冷却水管に対向する面の少なくとも一方の面に突起が形成されることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記保持部材が、金属材料またはセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記保持部材の嵌合孔は、前記排気管を流れる排気ガスの排気方向に沿って配列され、前記嵌合孔の周縁に前記突起が形成される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。
【請求項４】
前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記排気管との間に高温側熱伝導シートが介装され、前記保持部材および前記熱電変換モジュールと前記冷却水管との間に低温側熱伝導シートが介装され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項に記載の熱電発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１０２１８（Ｐ２０１３−１１０２１８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２８５８（Ｐ２０１１−２５２８５８）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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