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技術 熱電発電装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 早瀬友宏今村朋範
出願日 2015年8月3日 (3年11ヶ月経過) 出願番号 2015-153583
公開日 2017年2月9日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2017-034132
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 排気消音装置 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 全熱抵抗 低温流路 作動負荷 高温流路 高温側熱源 低温側熱源 熱電発電器 前面風速
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子素子数を少なくすることができる熱電発電装置を提供する。

解決手段

熱電発電装置10は、配置領域40において排ガスの温度が高い高温領域40aに配置される熱電素子12の素子密度は、排ガスの温度が低い低温領域40bに配置される熱電素子12の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子12の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子12の熱交換量を少なくすることができる。

概要

背景

従来の熱電発電装置は、内燃機関排ガス高温側熱源とし、内燃機関の冷却水低温側熱源として、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。このような熱電素子の発電効率は、高温側と低温側との温度差が大きいほど高くなる。また熱電素子は、低い電気抵抗および低い熱伝導率の方が高い発電性能を発揮する。そこで特許文献1に記載の従来技術では、高温側に配置される電極板気孔率を0.5%以下とし、電気抵抗および熱伝導率を小さくしている。

概要

発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なくすることができる熱電発電装置を提供する。熱電発電装置10は、配置領域40において排ガスの温度が高い高温領域40aに配置される熱電素子12の素子密度は、排ガスの温度が低い低温領域40bに配置される熱電素子12の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子12の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子12の熱交換量を少なくすることができる。

目的

本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なくすることができる熱電発電装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

高温流体が流れる高温流路(24)と、前記高温流体より低温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素子であって、前記高温流路側の端部(12a)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(12b)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熱電素子(12)と、を含み、前記熱電素子は、予め定める配置領域(40)に複数配置されており、前記配置領域における前記高温流体の温度分布に基づいて、温度が高い領域(40a)に配置される前記熱電素子の素子密度は、温度が低い領域(40b)に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする熱電発電装置

請求項2

前記配置領域において、前記高温流体の流れ方向(X)の上流側に配置される前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高い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

前記配置領域には、複数の前記熱電素子の集合体であるモジュール(41)が複数配置されている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。

請求項4

前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記モジュールは、前記流れ方向の下流側に配置される前記モジュールよりも多いことを特徴とする請求項3に記載の熱電発電装置。

請求項5

前記モジュール内において、前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする請求項3または4に記載の熱電発電装置。

請求項6

前記高温流体の流れ方向の上流側に配置される前記モジュールの前記熱電素子の素子密度は、前記流れ方向の下流側に配置される前記モジュールの前記熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つに記載の熱電発電装置。

請求項7

前記熱電素子の素子密度は、単位面積当たり素子数、および単位面積当たりの素子が占める面積のいずれか一方である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。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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。このような熱電素子の発電効率は、高温側と低温側との温度差が大きいほど高くなる。また熱電素子は、低い電気抵抗および低い熱伝導率の方が高い発電性能を発揮する。そこで特許文献1に記載の従来技術では、高温側に配置される電極板気孔率を0.5%以下とし、電気抵抗および熱伝導率を小さくしている。

先行技術

0003

特開平11−298052号公報

発明が解決しようとする課題

0004

前述の特許文献1に記載の技術では、排ガス流れ上流側に位置する熱電素子の高温側温度が高くなる。なぜなら排ガスは下流側に向かうにつれて熱電素子と熱交換するので、排ガスの温度は下流側にいくほど低くなるためである。したがって上流側に配置される熱電素子には、耐熱性が求められる。

0005

また配列する素子数が少ないほど素子一個当たりの発電性能が高くなる。これは素子数が少なくなると、素子一個当たりの熱交換量が大きくなるので、温度差が大きくなり、素子一個当たりの発電量が大きくなるからである。素子数が少ない方が、熱電発電装置の製造コストも低くなるので好ましい。しかし熱電素子には耐熱温度があるので、配列する素子数を減らしすぎると、熱電素子が高温になって損傷するおそれがある。したがって排ガス流れ方向排ガス温度と熱電素子の耐熱温度を考慮しつつ、熱電素子の配列を考慮する必要がある。

0006

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、発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なく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

0007

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。

0008

本発明は、高温流路(24)側の端部(12a)には高温流体の熱量が伝わり低温流路(25)側の端部(12b)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熱電素子(12)を含み、熱電素子は、予め定める配置領域(40)に複数配置されており、
配置領域における高温流体の温度分布に基づいて、温度が高い領域(40a)に配置される熱電素子の素子密度は、温度が低い領域(40b)に配置される熱電素子の素子密度よりも高いことを特徴とする熱電発電装置である。

0009

このような本発明に従えば、配置領域において高温流体の温度が高い高温領域に配置される熱電素子の素子密度は、高温流体の温度が低い低温領域に配置される熱電素子の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子の熱交換量を少なくすることができる。したがって高温領域において各熱電素子が高温になりすぎることを抑制することができる。

0010

また低温領域では、素子密度を低くして、素子一個当たりの発電性能を高くしている。したがって低温領域では、素子数を少なくしても発電性能の低下を抑制することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子の素子数を少なく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。

0011

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。

図面の簡単な説明

0012

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。
熱電発電装置10を拡大して示す断面図である。
熱電素子12の配置例を示す図である。
熱電素子12の他の配置例を示す図である。
同出力における素子数を示すグラフである。
第2実施形態の熱電素子12の配置例を示す図である。
熱電素子12の他の配置例を示す図である。
熱電素子12のさらに他の配置例を示す図である。
第3実施形態の熱電素子12の配置例を示す図である。
熱電素子12の他の配置例を示す図である。
熱電素子12のさらに他の配置例を示す図である。
第4実施形態の熱電素子12の配置例を示す図である。
第5実施形態の熱電素子12の配置例を示す図である。

実施例

0013

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、複数の形態を用いて説明する。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。

0014

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に関して、図1図5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、複数の熱電素子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。

0015

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踏み込み量に応じて開度可変されるスロットルバルブが設けられている。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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が配設されている。ヒータコア21は、エンジン冷却水回路14の一部を構成するヒータ温水回路22に設けられている。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。

0020

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の冷却水を用いたものとしており、熱電発電器23と制御装置10aとを含んで構成される。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に分岐流路24およびエンジン入口側流路25が配設されたものとしている。

0021

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に対する排ガスの下流側には、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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

冷却損失熱量マップは、軸出力をパラメータとして、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。

0026

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。

0027

基準放熱量マップは、ラジエータ17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。

0028

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て排気管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。

0029

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の開度を全開にして熱電素子12による発電を行う。

0030

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。

0031

熱電素子12の低温側の熱源をエンジン入口側流路25を流れる冷却水を用いるようにしているので、エンジン11の低温始動時においては、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。

0032

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。

0033

次に、熱電発電装置10の具体的な構成に関して、図2を用いて説明する。以下、理解を容易にするため、排気管13を高温流路13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。分岐流路24は、前述のように分岐部13aにて高温流路13から分岐している。熱電素子12は、図2に示すように、分岐流路24と低温流路25との間に、排ガスの流れ方向Xに沿って複数、配置されている。

0034

各熱電素子12の端部12a,12bには、電極が設けられている。電極は、導電性を有し、隣接する熱電素子12を電気的に接続している。また電極は、各熱電素子12が直列に接続されるように、高温流路13側と低温流路25側とが交互に接続されている。

0035

電極の外側には、絶縁層がそれぞれ設けられている。絶縁層は、絶縁性を有し、電極を覆うことによって、電極への異物の付着を防いでいる。したがって2枚の絶縁層は、その間を電極と熱電素子とが配置される空間としている。熱電素子12は、図2に示すように、高温流路13および低温流路25とが対向している配置領域に間隔をあけて配置されている。

0036

低温流路25は、分岐流路24の内部を排ガスの流れ方向X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紙面に垂直な方向に流れ、排ガスの流れ方向Xと冷却水の流れ方向Xは直交する。

0037

熱電素子12は、分岐流路24側の端部12aには排ガスの熱量が伝わり、低温流路25側の端部12bから冷却水へ熱量を伝える。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ビスマステルルマグネシウムシリサイトからなる。

0038

分岐流路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、絶縁層に外側に設けられ、高温流路13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。

0039

図2仮想線で示すように、分岐開閉弁26によって分岐流路24が閉状態である場合には、排ガスは分岐流路24を流れず高温流路13を流れる。高温流路13を流れる排ガスは、発電に用いられることなく、そのまま排出される。

0040

また図2実線で示すように、分岐開閉弁26によって分岐流路24が開状態である場合には、排ガスは高温流路13を流れず分岐流路24を流れる。分岐流路24を流れる排ガスは、フィン30によって熱が回収されて熱電素子12の一端部12aを加熱する。すると熱電素子12は、分岐流路24と低温流路25との温度差によって発電する。

0041

次に複数の熱電素子12の配置に関して、図3および図4を用いて説明する。図3および図4では、図2の上方から下方に熱電素子12を見た図であり、排ガスが上方から下方に流れる場合を示している。図3および図4に示すように、高温流路13と低温流路25とが対向する配置領域40に、複数の熱電素子12がマトリクス状に配置されている。したがって配置領域40は、絶縁層の平面領域である。本実施形態では、配置領域40の幅は、高温流路13の幅と略等しい。そして配置領域40において、排ガスの流れ方向Xの上流側に配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。

0042

ここで素子密度は、単位面積当たりの素子数、または単位面積当たりの素子が占める面積のいずれかを用いる。熱電素子12のサイズが互いに等しい場合は、素子密度は単位面積当たりの素子数を用いる。また複数の熱電素子12のうちサイズが異なる熱電素子12が1つでもある場合には、単位面積当たりの素子が占める面積を用いる。図3および図4では、熱電素子12の大きさは互いに等しいので、単位面積当たりの素子数を用いる。

0043

図3に示す配置例では、流れ方向Xに隣接する素子の間隔が徐々に大きくなっている。これによって素子密度が上流側の方が下流側よりも高い。また図4では、配置領域40が仮想線で示すように、3つの領域に分かれている。各領域における素子密度が互いに異なる。具体的には、最も上流側の領域は、素子数が最も多い。また最も下流の領域では、素子数が最も少ない。そして中間の領域は、素子数が2番目に多い。これによって上流側の領域は、中間の領域および下流の領域よりも素子密度が高い。

0044

熱電素子12の素子密度が高くなると、すなわち素子が密に配置されると、各熱電素子12の熱抵抗が低減する。これによって全ての熱電素子12の熱抵抗の合計である全熱抵抗も低減する。熱抵抗が低減すると、熱電素子12が高温になりにくくなる。逆に、素子密度が低くなると、すなわち熱電素子12が疎に配置されると、熱抵抗が増大し、全熱抵抗も増大する。熱抵抗が増大すると、熱電素子12が高温になりやすくなる。

0045

次に、各配置例における素子数に関して、図5を用いて説明する。図5では、同じ配置領域40に、均一に熱電素子12を配置した比較例と、図4のように一部密にした配置例と、図3のようにグラデーションのように徐々に密にした配置例とが示されている。そして図5では、この3つの配置例において、同じ発電出力を得るために必要な熱電素子12の素子数が示されている。図5によると、均一な比較例が最も素子数が必要であり、一部密の配置例では14%素子数を低減でき、グラデーションの配置例では、24%素子数を低減できる。

0046

以上説明したように本実施形態の熱電発電装置10は、配置領域40において排ガスの温度が高い高温領域に配置される熱電素子12の素子密度は、排ガスの温度が低い低温領域に配置される熱電素子12の素子密度よりも高くなるように構成されている。これによって高温領域に配置される熱電素子12の素子密度が高いので、高温領域では一個当たりの熱電素子12の熱交換量を少なくすることができる。したがって高温領域において各熱電素子12が高温になりすぎることを抑制することができる。

0047

また低温領域では、素子密度を低くして、素子一個当たりの発電性能を高くしている。したがって低温領域では、素子数を少なくしても発電性能の低下を抑制することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子12の素子数を少なく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。

0048

さらに本実施形態では、配置領域40において、排ガスの上流側に位置する高温領域40aに配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に位置する低温領域40bに配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。従来のように熱電素子12を均一に配置すると、排ガスの上流側の高温側では熱電素子12が高温になりすぎる場合がある。このような従来の配置では、熱電素子12は高温環境でも耐えられる性能が求められる。しかし低温度域で高効率の素子、たとえばBiTeは耐熱性が劣るので、高効率の素子を用いることができない。そこで本実施形態では、素子密度を排ガスの上流側と下流側とで変化させている。これによって上流側の高温領域40aでは熱電素子12が密に配置されるので、熱電素子12が高温になりすぎることを抑制することができる。また下流側の低温領域40bでは熱電素子12が疎に配置されるので、下流側では排ガスの温度が低くなっていても、熱電素子12に充分な温度差をつけることができる。

0049

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に関して、図6図8を用いて説明する。本実施形態では、配置領域40には、複数の熱電素子12の集合体であるモジュール41が複数配置されている点に特徴を有する。

0050

各モジュール41は、複数の熱電素子12と電極とこれらを挟んで支持する2枚の基板とを含む。そして2枚の絶縁層の間に、モジュール41が配置される。

0051

各モジュール41は、図6に示すように、上面から見た形状が正方形状であって、正方形の基体の上に複数の熱電素子12がマトリクス状に配置されている。図6に示す実施例では、5つのモジュール41が配置領域40に配置されており、各モジュール41の構成は互いに等しい。また排ガスの上流側に配置されるモジュール41は、下流側に配置されるモジュール41よりも多い。図6に示す実施例では、上流側の高温領域40aには3つのモジュール41が配置され、下流側の低温領域40bには2つのモジュール41が配置されている。

0052

また図7に示す実施例では、高温領域40aに配置されるモジュール41と低温領域40bに配置されるモジュール41とでは、素子密度が互いに異なる。高温領域40aのモジュール41は、熱電素子12が密に配置されており、素子密度が高い。これに対して低温領域40bのモジュール41は、熱電素子12が高温領域40aのモジュール41よりも疎に配置されており、素子密度が低い。具体的には、低温領域40bのモジュール41では、熱電素子12の配置間隔が高温領域40aのモジュール41よりも大きくなっている。

0053

さらに図8に示す実施例では、高温領域40aに配置されるモジュール41と低温領域40bに配置されるモジュール41とでは、素子密度が互いに異なる。図8に示す実施例は、図7と同様に、高温領域40aのモジュール41は、低温領域40bのモジュール41よりも熱電素子12が密に配置されている。さらに各モジュール41内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。換言すると、1つのモジュール41内において、排ガスの流れ方向Xの間隔が下流に向かうにつれて徐々に大きくなっている。

0054

本実施形態では、配置領域40には、複数の熱電素子12の集合体であるモジュール41が複数配置されている。これによってモジュール41単位で熱電素子12を取り扱うことができる。したがって1つ1つ熱電素子12を扱うよりも、取り扱いが容易となる。

0055

さらに本実施形態では、排ガスの上流側に配置されるモジュール41は、下流側に配置されるモジュール41よりも多い。これによって配置領域40全体で見た場合、熱電素子12の素子密度が上流側を下流側よりも高くすることができる。これによってモジュール41の個数を選択することによって、上流と下流とで疎密を作ることができる。

0056

また本実施形態では、図7に示すように排ガスの上流側に配置されるモジュール41の熱電素子12の素子密度は、下流側に配置されるモジュール41の熱電素子12の素子密度よりも高い。したがって取り扱うモジュール41の種類は増えるが、より排ガスの温度に応じた素子密度のモジュール41を用いることができる。これによって排ガスの温度に適した素子密度を選択して、発電性能を高くすることができる。

0057

また本実施形態では、図8に示すように、モジュール41内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。モジュール41内においても排ガスが流れることによって、排ガスの温度が変化している。この温度変化に対応するように、熱電素子12の間隔を選択して、発電性能を高くすることができる。

0058

本実施形態では、モジュール41は、高温領域40aと低温領域40bにそれぞれ1列設けられているが、1列、合計2列に限るものではない。3列以上であってもよく、本実施形態の各モジュール41を組み合わせることもできる。

0059

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に関して、図9図11を用いて説明する。本実施形態では、配置領域40には、第2実施形態と同様に、モジュール41が複数配置されており、高温領域40aと低温領域40bとのモジュール数が等しい点に特徴を有する。

0060

本実施形態では、各モジュール41は、図9図11に示すように、6つのモジュール41が配置領域40に配置されている。また高温領域40aに配置されるモジュール数は3つであり、低温領域40bに配置されるモジュール数も3つである。

0061

図9に示す実施例では、6つのモジュール41における熱電素子12の配置は互いに等しい。そして各モジュール41内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。

0062

また図10に示す実施例では、高温領域40aに配置されるモジュール41と低温領域40bに配置されるモジュール41とでは、素子密度が互いに異なる。図7の実施例と同様に、高温領域40aのモジュール41は、低温領域40bのモジュール41よりも素子密度が高い。具体的には、低温領域40bのモジュール41では、熱電素子12の配置間隔が高温領域40aのモジュール41よりも大きくなっている。

0063

さらに図11に示す実施例では、高温領域40aに配置されるモジュール41と低温領域40bに配置されるモジュール41とでは、素子密度が互いに異なる。図10に示す実施例と同様に、高温領域40aのモジュール41は、低温領域40bのモジュール41よりも素子密度が高い。さらに各モジュール41内において、排ガスの上流側に配置される熱電素子12の素子密度は、下流側に配置される熱電素子12の素子密度よりも高い。

0064

このように本実施形態では、モジュール数は高温領域40aと低温領域40bとで等しいが、配置領域40全体でみると、上流側が下流側よりも素子密度が高くなるように構成されている。これによって前述の第2実施形態と同様に、発電性能の低下を抑制しつつ、熱電素子12の素子数を少なくすることができる。

0065

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に関して、図12を用いて説明する。本実施形態では、熱電素子12のサイズが複数ある点に特徴を有する。本実施形態では、4つのサイズの熱電素子12が用いられている。各サイズの熱電素子12は、配置領域40の4つの領域にそれぞれ配置されている。

0066

各領域における素子密度は、上流側が最も高く、下流側に向かうにつれて、順次、小さくなる。本実施形態では、熱電素子12のサイズが異なるので、素子密度は、単位面積当たりの素子が占める面積が用いられる。

0067

最も上流側の第1領域401にサイズが最も大きい熱電素子12が配置されている。上流側から2番目の第2領域402にサイズが2番目に大きい熱電素子12が配置されている。上流側から3番目の第3領域403にサイズが3番目に大きい熱電素子12が配置されている。最も下流側の第4領域404にサイズが最も小さい熱電素子12が配置されている。そして各領域において、流れ方向Xの間隔が調整されて、素子密度が第1領域401で最も高くなるように構成されている。

0068

このように本実施形態では、熱電素子12のサイズが4種類あるが、このようにサイズが異なる熱電素子12を用いても、素子密度を変更することができる。これによって発電性能の低下を抑制しつつ、各領域における素子数を少なくすることができる。

0069

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態に関して、図13を用いて説明する。本実施形態では、流れ方向Xだけでなく、流れ方向Xに直交する幅方向Yに関しても、素子密度が異なる点に特徴を有する。素子密度は、排ガスが高温の領域において、高くすることが好ましい。そして排ガスの温度分布は、幅方向Yに一様でない場合があり、たとえば配置領域40の幅方向Yの中央の温度が高温の場合がある。このような場合には、幅方向Yにおいても、素子密度を一様にするのではなく、図13に示すように、中央の領域405を左右の領域406よりも素子密度が高くなるように構成している。

0070

このように排ガスの配置領域40における温度分布に応じて、素子密度を設定することが好ましい。これによって排ガスの温度に適した素子密度にすることができる。したがって熱電素子12が高温になることを抑制しつつ、素子数を低減することができる。

0071

また排ガスの配置領域40における温度分布が、たとえば本実施形態とは逆に、中央の領域405が左右の領域406よりも低温の場合には、当然に、素子密度が中央の領域405が低くなるように構成される。

0072

(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。

0073

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。

0074

前述の第1実施形態では、分岐流路24の下流側は、高温流路13の分岐部13aの下流側に位置する合流部13bに連結されているが、分岐流路24はこのような構成に限るものではない。分岐流路24は、合流せずにそのまま別ルートで大気に放出されてもよい。

0075

前述の第1実施形態では、分岐流路24の中央を低温流路25が貫通する構成であるが、このような構成に限るものではなく分岐流路24の上方に低温流路25が並行するように設けてもよい。

0076

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。

0077

前述の第1実施形態では、分岐流路24と高温流路13とはそれぞれ1つであってが、1つに限るものではなく、いずれか一方が複数でもよく、両方が複数であってもよい。

0078

前述の第1実施形態では、分岐流路24の下流側に分岐開閉弁26が設けられているが下流側に限るものではない。分岐開閉弁26は、分岐流路24の上流側に設けてもよい。

0079

前述の第1実施形態では、排ガスの流路幅は、流れ方向Xに同じであるが、流路幅が同じなくてもよい。たとえば下流側の流路幅が狭くして、排ガスが高温になるように構成してもよい。また上流側の流路幅を広くして、排ガスが低温になるように構成してもよい。

0080

前述の第1実施形態では、熱電素子12は、全て同じ発電特性および耐熱特性を有しているが、このような同じ熱電素子12に限るものではない。たとえば熱電素子12の材質および製造方法を替えて、上流側は耐熱性に優れる熱電素子12を用いてもよい。

0081

前述の第1実施形態では、熱電素子12は、平面視で正方形状であったが、正方形状に限るものではなく、長方形状円形状、楕円形状、その他の多角形状あってもよい。素子密度を調整する際に、適宜、形状が選択される。

0082

前述の第1実施形態では、排ガスの流れ方向Xに温度差があるが、排ガスでなく高温流体が液体の場合には、流れ方向Xに温度差が少なく、幅方向Yに温度差がある場合もある。このような温度差、すなわち幅方向Yに温度分布の変化がある場合にも、温度分布に応じて素子密度を変更してもよい。

0083

10…熱電発電装置12…熱電素子13…排気管14…エンジン冷却水回路
23…熱電発電器24…分岐流路(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
40…配置領域 40a…高温領域 40b…低温領域 41…モジュール
401…第1領域 402…第2領域 403…第3領域 404…第4領域
405…中央の領域 406…左右の領域 X…流れ方向

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