JP5954103B2 - Thermoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、熱電発電装置に関し、特に電気的に直列接続される複数の熱電素子を高温側の伝熱板と低温側の伝熱板との間に熱的に並列に配置する熱電発電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation device, and more particularly to a thermoelectric power generation device in which a plurality of thermoelectric elements electrically connected in series are thermally arranged in parallel between a high temperature side heat transfer plate and a low temperature side heat transfer plate. .
従来、熱電素子の両側の温度差に応じて発電する熱電発電装置として、例えば熱電素子の設置空間を真空ラミネータ等により真空にして密閉することで、吸放熱効率の向上と、結露に伴うモジュールの破損の回避を図ったものが知られている(例えば、特許文献1の段落0052、0057等参照)。 Conventionally, as a thermoelectric generator that generates electricity according to the temperature difference between the two sides of the thermoelectric element, for example, the installation space of the thermoelectric element is evacuated and sealed with a vacuum laminator etc. A device for avoiding breakage is known (see, for example, paragraphs 0052 and 0057 of Patent Document 1).
また、バンドを用いた保持機構により複数の熱電素子を保持することで、熱膨張差が生じる高温側と低温側との間で熱歪みを吸収しつつ複数の熱電素子を適正に保持できるようにしたものも知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, by holding a plurality of thermoelectric elements by a holding mechanism using a band, it is possible to appropriately hold a plurality of thermoelectric elements while absorbing thermal strain between a high temperature side and a low temperature side where a difference in thermal expansion occurs. Is also known (see, for example, Patent Document 2).
さらに、熱電変換モジュールの両端側の絶縁層と高温側および低温側の伝熱板との間にそれぞれ軟金属層を介在させて両者の接触面凹凸を吸収させ、接触面積の増加により熱伝達効率を向上させることで、発電出力を高めるものがある(例えば、特許文献3参照)。 Furthermore, a soft metal layer is interposed between the insulating layers on both ends of the thermoelectric conversion module and the heat transfer plates on the high temperature side and the low temperature side to absorb the unevenness of the contact surfaces between them, and the heat transfer efficiency is increased by increasing the contact area. There is one that improves the power generation output by improving the power (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、上述のような従来の熱電発電装置にあっては、複数の熱電素子の伝熱面の安定接触状態を確保するために装置構成の複雑化を招き易くなり、装置構成を簡素にすると、熱歪み等に伴う接触面積の低下により熱電発電効率が低下してしまい易くなるという問題があった。 However, in the conventional thermoelectric power generation device as described above, it becomes easy to invite complication of the device configuration in order to ensure a stable contact state of the heat transfer surfaces of the plurality of thermoelectric elements, and when the device configuration is simplified, There has been a problem that thermoelectric power generation efficiency tends to decrease due to a decrease in contact area due to thermal strain or the like.
そこで、本発明は、熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has an object to provide a simple high power generation efficiency thermoelectric generator having a configuration capable of ensuring a stable contact state between the heat transfer surface of the thermoelectric element and the heat transfer plates on the high temperature side and the low temperature side. And
本発明に係る熱電発電装置は、上記目的達成のため、(1)高温側の伝熱板および低温側の伝熱板と、それぞれ前記高温側の伝熱板に接触する吸熱面および前記低温側の伝熱板に接触する放熱面を有する複数の熱電素子と、を備え、前記熱電素子により前記吸熱面および前記放熱面の間の温度差に応じて発電する熱電発電装置であって、前記高温側の伝熱板および前記低温側の伝熱板のうち少なくとも一方の伝熱板は、前記熱電素子に接する接触領域と前記熱電素子に接しない非接触領域とを有し、前記接触領域の壁面部分は、前記非接触領域の壁面部分より剛性が低くなっていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the thermoelectric power generator according to the present invention includes (1) a high-temperature side heat transfer plate and a low-temperature side heat transfer plate, and a heat-absorbing surface and the low-temperature side that are in contact with the high-temperature side heat transfer plate A plurality of thermoelectric elements having a heat radiating surface in contact with the heat transfer plate, wherein the thermoelectric power generator generates electric power according to a temperature difference between the heat absorbing surface and the heat radiating surface by the thermoelectric element, wherein the high temperature At least one of the heat transfer plate on the side and the heat transfer plate on the low temperature side has a contact region in contact with the thermoelectric element and a non-contact region not in contact with the thermoelectric element, and the wall surface of the contact region The portion has a lower rigidity than the wall surface portion of the non-contact region.
この熱電発電装置では、熱電素子に接触する少なくとも一方の伝熱板における接触領域の壁面部分が、その伝熱板における非接触領域の壁面部分より低剛性となっていることから、非接触領域で所要の支持剛性を持つ少なくとも一方の伝熱板にあって部分的に低剛性となる接触領域の壁面部分に、複数の熱電素子の吸熱面および放熱面のうち少なくとも一方の面が低支持剛性で支持できることになる。したがって、複数の熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との間で、熱歪みや接触面凹凸が吸収され易くなり、熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との安定接触状態を確保できる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置となる。なお、少なくとも一方の伝熱板であるから、高温側か低温側かいずれか一方の伝熱板の接触領域の壁面部分のみを低剛性とすることができる。その場合、一方の伝熱板の接触領域の壁面部分を他方の伝熱板の接触領域の壁面部分より低剛性としてもよい。 In this thermoelectric generator, the wall surface portion of the contact region in at least one heat transfer plate that contacts the thermoelectric element is less rigid than the wall surface portion of the non-contact region in the heat transfer plate. At least one of the heat absorbing surface and the heat radiating surface of the plurality of thermoelectric elements has a low support rigidity on the wall surface portion of the contact region that is partially low in the heat transfer plate having the required support rigidity. It can be supported. Therefore, thermal distortion and contact surface irregularities are easily absorbed between the heat transfer surfaces of the plurality of thermoelectric elements and the high temperature side and low temperature side heat transfer plates. A thermoelectric generator with a simple and high power generation efficiency having a configuration capable of ensuring a stable contact state with the heat transfer plate. Since at least one of the heat transfer plates is used, only the wall surface portion of the contact region of either the high temperature side or the low temperature side can be made to have low rigidity. In that case, the wall surface portion of the contact region of one heat transfer plate may have a lower rigidity than the wall surface portion of the contact region of the other heat transfer plate.
本発明の熱電発電装置は、好ましくは、(2)前記高温側の伝熱板および前記低温側の伝熱板の間に前記熱電素子を設置する閉じた設置空間が形成されており、前記設置空間の内部の圧力が大気圧より低い圧力に保持されているものである。 In the thermoelectric generator of the present invention, preferably, (2) a closed installation space for installing the thermoelectric element is formed between the high temperature side heat transfer plate and the low temperature side heat transfer plate, The internal pressure is maintained at a pressure lower than atmospheric pressure.
この構成により、熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との接触状態がより安定するとともに、設置空間内での空気による熱伝達が抑制され、熱電素子の周囲の高温側の伝熱板と低温側の伝熱板の間に効果的な断熱層が形成された状態で、熱電素子による吸熱と放熱が効果的に行われることになる。したがって、高発電効率の熱電発電装置となる。 With this configuration, the contact state between the heat transfer surface of the thermoelectric element and the heat transfer plate on the high temperature side and the low temperature side is more stable, and heat transfer by air in the installation space is suppressed, and the high temperature side around the thermoelectric element With the effective heat insulation layer formed between the heat transfer plate and the low-temperature heat transfer plate, heat absorption and heat dissipation by the thermoelectric element are effectively performed. Therefore, it becomes a thermoelectric power generator with high power generation efficiency.
なお、複数の熱電素子を設置する設置空間は、少なくとも一方の伝熱板によって形成されることになり、設置空間が一方の伝熱板の内方に形成される場合、一方の伝熱板は閉止可能なケース状のものとなる。 The installation space for installing the plurality of thermoelectric elements is formed by at least one heat transfer plate. When the installation space is formed inside one heat transfer plate, one heat transfer plate is It will be a case that can be closed.
上記(2)の構成を有する熱電発電装置においては、(3)前記一方の伝熱板が、前記高温側の伝熱板を介して前記熱電素子に吸熱させる高温側の熱媒体と前記低温側の伝熱板を介して前記熱電素子から放熱させる低温側の熱媒体とのうちいずれか一方の熱媒体を通す配管の管壁によって構成されていてもよい。 In the thermoelectric generator having the configuration of (2) above, (3) the one heat transfer plate absorbs heat from the thermoelectric element via the high temperature side heat transfer plate and the low temperature side It may be configured by a pipe wall of a pipe through which any one of the low-temperature-side heat medium that radiates heat from the thermoelectric element through the heat transfer plate.
この場合、一方の熱媒体を通す配管の管壁が、非接触領域と接触領域を有することになり、その接触領域の壁面部分に、複数の熱電素子が伝熱面を接触させつつ低支持剛性で支持される。したがって、接触領域の壁面部分となる一部でのみ低剛性となる配管に複数の熱電素子を直接的に支持させることができ、構成が非常に簡素な熱電発電装置となる。 In this case, the pipe wall of the pipe through which one heat medium passes has a non-contact area and a contact area, and a low support rigidity while a plurality of thermoelectric elements are in contact with the heat transfer surface on the wall surface portion of the contact area. Supported by Therefore, a plurality of thermoelectric elements can be directly supported by a pipe having low rigidity only at a part of the wall surface portion of the contact region, and a thermoelectric generator having a very simple configuration can be obtained.
上記(1)または(2)の構成を有する熱電発電装置においては、(4)前記一方の伝熱板が、前記高温側の伝熱板に熱を吸収させる高温側の熱媒体と前記低温側の伝熱板から熱を放出させる低温側の熱媒体とのうちいずれか一方の熱媒体を通す配管の管壁と、一面側で前記配管の管壁に接触するとともに他面側で前記熱電素子に接触する熱伝導性電気絶縁基板とによって構成されていてもよい。 In the thermoelectric generator having the configuration of (1) or (2), (4) the one heat transfer plate absorbs heat by the high temperature heat transfer plate and the low temperature side heat medium. The pipe wall of the pipe through which any one of the low-temperature side heat medium that releases heat from the heat transfer plate, and the thermoelectric element in contact with the pipe wall of the pipe on one side and on the other side And a thermally conductive and electrically insulating substrate in contact with the substrate.
この場合、一方の熱媒体を通す配管の管壁とその管壁に接触する熱伝導性電気絶縁基板とによって構成される一方の伝熱板が非接触領域と接触領域を有し、その接触領域の壁面部分を構成する熱伝導性電気絶縁基板に対し、複数の熱電素子が伝熱面を接触させつつ低支持剛性で支持されることになる。したがって、複数の熱電素子の伝熱面を、熱伝導性電気絶縁基板の一部を含み低剛性部となる一方の伝熱板の接触領域の壁面部分に安定接触させることができる。 In this case, one heat transfer plate constituted by the pipe wall of the pipe through which one heat medium passes and the heat conductive electrically insulating substrate in contact with the pipe wall has a non-contact area and a contact area, and the contact area A plurality of thermoelectric elements are supported with low support rigidity while contacting the heat transfer surface with respect to the thermally conductive electrically insulating substrate constituting the wall surface portion of the substrate. Therefore, the heat transfer surfaces of the plurality of thermoelectric elements can be stably brought into contact with the wall surface portion of the contact region of one heat transfer plate that includes a part of the heat conductive electrically insulating substrate and becomes the low rigidity portion.
上記(4)の構成を有する熱電発電装置においては、(5)前記複数の熱電素子が、前記熱伝導性電気絶縁基板の前記他面側に互いに間隔を隔てて配置されており、前記熱伝導性電気絶縁基板が、前記複数の熱電素子との非接触部に、板厚方向に貫通する貫通穴を有していてもよい。 In the thermoelectric generator having the configuration of (4) above, (5) the plurality of thermoelectric elements are arranged on the other surface side of the thermally conductive electrically insulating substrate with a space therebetween, and the heat conduction The electrically insulating substrate may have a through hole penetrating in the thickness direction in a non-contact portion with the plurality of thermoelectric elements.
この場合、熱伝導性電気絶縁基板とその一面側の管壁との密着時に、両者間の空気を貫通穴を通して容易に排出させることができ、残存空気により熱伝導性電気絶縁基板と管壁との密着性が低下することを抑制することができる。 In this case, when the heat conductive electrically insulating substrate and the tube wall on the one surface side thereof are in close contact with each other, the air between them can be easily discharged through the through-hole, and the remaining air allows the heat conductive electrically insulating substrate and the tube wall to be discharged. It can suppress that adhesiveness falls.
本発明によれば、熱電素子に接触する一方の伝熱板の接触領域の壁面部分を非接触領域の壁面部分より低剛性として、複数の熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との間で、熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くしているので、熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。 According to the present invention, the wall surface portion of the contact region of one heat transfer plate that contacts the thermoelectric element is made to be less rigid than the wall surface portion of the non-contact region, and the heat transfer surfaces of the plurality of thermoelectric elements are transferred to the high temperature side and the low temperature side. Because it is easy to absorb thermal distortion and contact surface unevenness between the heat plate and the heat transfer surface of the thermoelectric element, the configuration that can ensure a stable contact state between the high temperature side and low temperature side heat transfer plate It is possible to provide a simple thermoelectric generator with high power generation efficiency.
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1〜図3に、本発明の第1実施形態に係る熱電発電装置およびその装置を備えた内燃機関の排気熱回収システムを示している。
(First embodiment)
1 to 3 show a thermoelectric generator according to a first embodiment of the present invention and an exhaust heat recovery system for an internal combustion engine equipped with the device.
本実施形態の排気熱回収システムは、自動車(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に装備されている。勿論、本発明に係る熱電発電装置およびこれを備えた排気熱回収システムは、燃料が異なる他のエンジンに装備されるものであってもよい。また、本発明の熱電発電装置が内燃機関の排気熱回収システム以外にも使用できることはいうまでもなく、熱電素子による高温側熱源からの吸熱と低温側熱源への放熱が可能なものであれば、熱源も限定されるものではない。もっとも、本発明は、複数の熱電素子(熱電変換素子)を用いて2つの熱媒体間で熱交換させつつ発電させる熱電発電装置に好適である。 The exhaust heat recovery system of the present embodiment is installed in a water-cooled multi-cylinder internal combustion engine, for example, a 4-cycle gasoline engine, which is mounted on an automobile (vehicle). Of course, the thermoelectric generator according to the present invention and the exhaust heat recovery system including the thermoelectric generator may be mounted on another engine having different fuel. In addition, it goes without saying that the thermoelectric generator of the present invention can be used other than the exhaust heat recovery system of an internal combustion engine, as long as it can absorb heat from the high temperature side heat source and release heat to the low temperature side heat source by the thermoelectric element. The heat source is not limited. However, the present invention is suitable for a thermoelectric power generation apparatus that generates power while performing heat exchange between two heat media using a plurality of thermoelectric elements (thermoelectric conversion elements).
まず、本実施形態の構成について説明する。 First, the configuration of the present embodiment will be described.
図1に示すように、エンジン1は、その本体ブロック11の各気筒11c内に往復動可能なピストン2を収納して燃焼室3を形成しており、ピストン2は、コネクティングロッド4を介してクランクシャフト5に連結されている。燃焼室3の上部には、図示しない動弁機構によりクランクシャフト5の回転に応じて開閉される吸気弁6および排気弁7と、燃焼室3内に火花点火可能に露出する点火プラグ8とが設けられている。吸気弁6は、その開弁時に燃焼室3を吸気管21Pの内部通路を含む吸気通路21に連通させ、排気弁7は、その開弁時に燃焼室3を排気管31Pの内部通路を含む排気通路31に連通させるようになっている。そして、吸気弁6の開弁により燃焼室3が吸気通路21に連通した状態でピストン2が下降するとき、燃焼室3は、吸気通路21を通して空気を吸入することができる。また、排気弁7の開弁により燃焼室3が排気通路31に連通した状態でピストン2が上昇するとき、燃焼室3は、排気通路31を通し排気ガスを排出することができる。
As shown in FIG. 1, the
吸気通路21は、図示しないエアクリーナを通して空気を導入可能であるとともに、スロットル弁22の開度に応じて吸入空気量が調節可能であり、エアフローメータ23によってその吸入空気量が検出されるようになっている。また、スロットル弁22より下流側には、吸気通路21内の圧力脈動を緩和するサージタンク24が設けられており、そのサージタンク24より下流側で各気筒11cに分岐する吸気ポート部分21cには、吸気通路21内に燃料を噴射して吸入空気中に燃料を混合させるインジェクタ25が設けられている。なお、点火プラグ8、スロットル弁22およびインジェクタ25は、それぞれ車載用の電子制御ユニット(以下、ECUという)50によって、その点火時期、スロットル開度および噴射量(噴射時間)を制御されるようになっている。各気筒11cに対応する各インジェクタ25は、図示しない燃料ポンプからの燃料を蓄圧・貯留するデリバリパイプ26に接続されており、デリバリパイプ26から分配される所定燃圧の燃料を燃焼室3内に噴射するよう開弁するとともに、その噴射量を開弁時間のデューティ制御によって制御できるようになっている。
The
一方、エンジン1の各気筒11cを形成するシリンダブロックおよびシリンダヘッドの内部には、冷却水を通すウォータジャケット11wが形成されている。詳細は図示しないが、ウォータジャケット11wを通過した冷却水は、エンジン1のシリンダヘッドに形成された冷却水出口から流出するようになっており、エンジン1から流出した冷却水は、ラジエータ12によって外部の空気との熱交換により冷却されるようになっている。また、エンジン1のウォータジャケット11wの上流側にはウォータポンプ15が配置されており、そのウォータポンプ15の吸入側に冷却水の温度に感応して開弁および閉弁するサーモスタット14が配置されている。
On the other hand, a
エンジン1から流出した冷却水は、車室内の暖房等のために冷却水と空気との間の熱交換を行う図示しないヒータコア等にも供給されるようになっている。そして、そのヒータコア等を通過したエンジン冷却水は、冷却水通路19の分岐通路19a,19bを通して、EGRクーラ18と、排気熱再循環および熱電発電装置40とに、それぞれ供給されるようになっている。エンジン1から流出する冷却水は、また、吸気通路の一部を形成するとともにスロットルバルブの一部を構成する図示しないスロットルボデーにも通水されるようになっている。
The cooling water that has flowed out of the
排気熱再循環および熱電発電装置40(以下、単に熱電発電装置40という)は、エンジン1の排気管中を通る排気ガスとエンジン冷却水との間の熱交換により排気熱を回収することで前述のヒータコアやエンジン1の暖機性能を向上させることができるようになっている。
The exhaust heat recirculation and thermoelectric generator 40 (hereinafter simply referred to as the thermoelectric generator 40) recovers exhaust heat by exchanging heat between the exhaust gas passing through the exhaust pipe of the
この熱電発電装置40には、冷却水通路19に接続されたサーモスタットタイプの排気ガス制御アクチュエータ41が設けられており、この排気ガス制御アクチュエータ41は、排気通路31の一部を絞ることができる弁体41aを有している。
The
より具体的には、図3に示すように、熱電発電装置40の弁体41aは排気通路31の主通路部分31aに装着されており、熱電発電装置40の本体部40Mは弁体41aをバイパスするよう排気通路31の主通路部分31aに並列に接続するバイパス通路部分31bに装着されている。そして、弁体41aにより排気通路31の主通路部分31aが絞られるとき、熱電発電装置40の本体部40Mが装着されたバイパス通路部分31bの内部を通過する排気ガスの流量が増加するようになっている。
More specifically, as shown in FIG. 3, the
また、図2に示すように、排気通路31のバイパス通路部分31bは、排気管31Pに接続されたバイパス配管32によって形成されており、そのバイパス配管32の内周面32i側には、複数の吸熱フィン部33fおよび一対の集熱壁部33sを有する吸熱部材33が設けられている。複数の吸熱フィン部33fは、バイパス配管32内を通る排気ガスからの熱伝達面を大きくして吸熱し易くしたものである。また、集熱壁部33sは、複数の吸熱フィン部33fと一体に形成され、複数の吸熱フィン部33fに吸熱された熱をバイパス配管32の内周面32i側に移動させる高熱伝導率の部材である。
As shown in FIG. 2, the
一方、バイパス配管32の外周側には、P型半導体素子およびN型半導体素子の対(ペルチェ素子)を複数含んで構成され、少なくとも1つ例えば複数の熱電発電モジュールを形成する複数の熱電素子43と、これら複数の熱電素子43およびバイパス配管32の偏平な中間部分を取り囲むように、筒状の冷却水配管45が設けられている。
On the other hand, on the outer peripheral side of the
これらバイパス配管32、複数の熱電素子43および冷却水配管45は、熱電発電装置40の主要部を構成しており、排気ガス制御アクチュエータ41によってバイパス配管32の内部を通過する排気ガスの流量が増量されるとき、複数の熱電素子43によって発電するようになっている。
The
具体的には、バイパス配管32は、少なくともその通路延在方向の中間部分で偏平管形状をなしており、その一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bと、これら平坦管壁部32a,32bを連結してバイパス通路部分31bの一部を形成する両側壁部32c,32dと、によって構成されている。
Specifically, the
バイパス配管32の平坦管壁部32a,32bは、バイパス配管32の内周面32i側では、吸熱部材33の一対の集熱壁部33sに広範囲に接触している。また、これら一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bは、バイパス配管32の外周面側では、複数の熱電素子43に接触している。
The flat
バイパス配管32の一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bは、高温の排気ガスから吸熱する吸熱部材33によって高温に加熱されるときに複数の熱電素子43に吸熱させることができる高温側の伝熱板となっている。
The flat
複数の熱電素子43は、筒状の冷却水配管45とバイパス配管32との間に熱的には並列に配置されるとともに電気的には直列に接続されている。
The plurality of
また、各熱電素子43は、バイパス配管32の一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bに接触する平坦な高温側の端面部43a(吸熱面)と、高温側の端面部43aに対し平行な低温側の端面部43b(放熱面)とを有している。
In addition, each
これら複数の熱電素子43は、それぞれのペルチェ素子に高温側および低温側の端面部43a,43bの温度差に応じたゼーベック効果(N型半導体素子内での電子の低温側への移動およびP型半導体素子内での正孔の低温側への移動)を生じさせることで、発電することができるようになっている。また、複数の熱電素子43は、直列に接続された複数個を1組の熱電素子43とするとき、少なくとも1組の熱電素子43によって発電できるようにも構成されている。すなわち、熱電発電装置40は、複数の熱電素子43により、それらの両端面部43a,43bの温度差に応じて発電する機能を有している。
The plurality of
冷却水配管45は、複数の熱電素子43の低温側の平坦な端面部43bに接触する内管壁部45a(一方の伝熱板)と、この内管壁部45aを内部の定位置に収納保持しつつ内管壁部45aとの間に冷却水通路45cを形成する筒状の外管壁部45bと、バイパス配管32の軸線方向における内管壁部45aおよび外管壁部45bの両端側で冷却水通路45cを閉止する両端側壁部45dとによって構成されている。
The cooling
この冷却水配管45の内管壁部45aは、冷却水通路45c内を通るエンジン冷却水により冷却されるときに複数の熱電素子43から放熱させることができる低温側の伝熱板となっている。
The
また、冷却水配管45の内管壁部45aは、電気的に直列に接続された複数の熱電素子43の伝熱面群、例えば同一平面上に等間隔に配置された複数の端面部43bの島状の集まりに接する接触領域R1と、複数の熱電素子43の伝熱面群に接しない非接触領域R2とを有している。そして、内管壁部45aの内周面45i(片面)側における図2中の上下両側の接触領域R1の壁面部分45a1は、内管壁部45aにおける非接触領域R2の壁面部分45a2より薄肉(厚さが相対的に小さい壁部)に形成され、非接触領域R2の壁面部分45a2に対して相対的に剛性(ここでは加わる力に耐えて変形を抑制する剛さの意で、例えば曲げ剛性を含むものである)が低くなっている。ここにいう薄肉化の程度は、例えば内管壁部45aの接触領域R1の壁面部分45a1が冷却水通路45cを通る冷却水の圧力と設置空間46内の圧力とに応じて容易に弾性変形し、各熱電素子43の端面部43bと接触領域R1の壁面部分45a1との密着性が高まる程度の薄肉化である。
In addition, the
この冷却水配管45の内管壁部45aは、バイパス配管32の平坦管壁部32a,32bを介して複数の熱電素子43に吸熱させる排気ガス(高温側の熱媒体)とこの冷却水配管45の内管壁部45aを介して複数の熱電素子43から放熱させるエンジン冷却水(低温側の熱媒体)とのうちいずれか一方の熱媒体、例えばエンジン冷却水を通す配管の管壁となっている。
The inner
なお、複数の熱電素子43は、それぞれ複数個の素子を一体化した複数の熱電発電モジュール43M(図2参照)として構成される場合、各壁面部分45a1の面積は、1つの熱電発電モジュールを構成する各熱電発電チップの端面の面積と同じ面積であるかまたはそれより広くなっており、例えば各熱電発電モジュールの端面の面積よりわずかに広くなっている。また、冷却水配管45の冷却水通路45cは、その通路形状が限定されるものではないが、例えば図1に示すように、冷却水通路45cの冷却水導入口位置が冷却水通路45cの冷却水排出口位置よりも排気方向における下流側に位置するように設定されている。
When the plurality of
バイパス配管32と内管壁部45aの間、少なくともバイパス配管32の一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bと冷却水配管45の内管壁部45aとの間には、複数の熱電素子43を設置する閉じた設置空間46が形成されている。そして、この設置空間46の内部の圧力は、大気圧より低い圧力に保持されている。
Between the
具体的には、冷却水配管45は、バイパス配管32の周囲を取り囲むとともに、その内管壁部45aおよび外管壁部45bが、両者間に設置空間46を画成するように互いに接続されている。
Specifically, the cooling
この設置空間46は、公知の一方向弁(逆止弁)47が装着された減圧配管48を通してサージタンク24の内部に連通可能であり、サージタンク24内の圧力が設置空間46内の圧力より低圧となるとき、一方向弁47が開弁して設置空間46の内部がサージタンク24内の吸気負圧(例えば、スロットル弁22の開度が低開度に絞られた状態で燃焼室3内に空気が吸入されるときの吸気管内の圧力)により減圧されるようになっている。すなわち、サージタンク24、一方向弁47および減圧配管48は、エンジン1の吸気負圧(吸気管内の負圧)を設置空間46に導入して設置空間46の内部を減圧することができる減圧機構49を構成している。この減圧機構49は、一方向弁47の閉弁時に減圧配管48と協働して設置空間46の内部の圧力を所定の減圧状態に保持することができる減圧状態保持機構となっている。
The
より具体的には、一方向弁47は、サージタンク24内に吸気負圧が発生してその一方向弁47の前後差圧が所定値に達した状態下で、設置空間46の内部の圧力が減圧機構49によって減圧されるのを許容するように開弁し、サージタンク24内に吸気負圧が低下してその前後差圧が所定値を下回った状態下で、設置空間46の内部の圧力を保持するよう閉弁状態を保持することができるようになっている。
More specifically, the one-
また、ここでの設置空間46は、バイパス配管32の軸線方向における内管壁部45aの両端部をバイパス配管32側に接近させるように、内管壁部45aの両端部およびその近傍のバイパス配管32のうち少なくとも一方の管径を変化させ、バイパス配管32と内管壁部45aの両端部とによって複数の熱電素子43を設置可能な筒状の閉じた空間としたものである。
In addition, the
勿論、設置空間46は、複数の熱電素子43の配列パターンや排気管31Pおよび冷却水配管45の形状等に応じて、任意の断面形状を採り得るとともに、排気管31Pまたはそのバイパス配管32の周方向に隣り合う複数の平行な設置空間(筒状空間を複数の略短冊状空間に分割した形状等)となってもよいし、排気管31Pまたはそのバイパス配管32の軸線方向に隣り合う複数の筒状空間となっていてもよい。また、冷却水通路45cの内部に1つの仕切り板や放熱フィンを設けてもよい。
Of course, the
なお、設置空間46は、高温側および低温側の伝熱板のうち少なくとも一方の伝熱板によって形成されることになり、設置空間46が一方の伝熱板の内方に形成される場合、一方の伝熱板は閉止可能なケース状のものとなる。
The
次に、作用について説明する。 Next, the operation will be described.
上述のように構成された本実施形態の熱電発電装置を備えた排気熱回収システムにおいては、冷却水通路19を通る冷却水の温度が閾値温度以下で、冷却水への熱回収を優先すべき条件が成立すると、ECU50が排気ガス制御アクチュエータ41を作動させ、排気通路31の主通路部分31aを閉塞するよう、弁体41aを閉弁位置側に変位させる。
In the exhaust heat recovery system provided with the thermoelectric power generator of the present embodiment configured as described above, the temperature of the cooling water passing through the cooling
このとき、高温の排気ガスが排気通路31のバイパス通路部分31bに入り、この排気ガスからバイパス配管32内の吸熱部材33への熱伝達によって、排気ガスの熱が吸熱部材33を介して複数の熱電素子43の高温側の端面部43aに吸熱され、その端面部43aの温度が上昇する。また、冷却水配管45の冷却水通路45cにエンジン冷却水が流れることで、複数の熱電素子43の低温側の端面部43bから冷却水配管45内の冷却水に内管壁部45aを介して放熱され、複数の熱電素子43の低温側の端面部43bの温度が低下する。
At this time, high-temperature exhaust gas enters the
したがって、各熱電素子43を構成するN型半導体素子内での電子の低温側への移動とP型半導体素子内での正孔の低温側への移動とが生じるとともに、排気通路31を通る排気ガスの持つ熱の一部が複数の熱電素子43を介し冷却水配管45側に伝熱されて冷却水に回収される。その結果、エンジン1の冷却水の温度が上昇し、例えば冷間始動時におけるエンジン1の暖機が促進されるとともに、複数の熱電素子43による発電出力が得られることになる。
Therefore, movement of electrons in the N-type semiconductor element constituting each
一方、冷却水通路45cを通る冷却水の温度が閾値温度を超えると、ECU50が排気ガス制御アクチュエータ41を作動させ、排気通路31の主通路部分31aを開放するよう、弁体41aを開弁位置側に復帰させる。このとき、排気通路31内の排気ガスは主通路部分31aを通して抵抗なく下流側に通過することができるので、エンジン1の出力優先の運転が可能となる。
On the other hand, when the temperature of the cooling water passing through the cooling
ところで、本実施形態の熱電発電装置では、複数の熱電素子43に接触する冷却水配管45の内管壁部45aにおいて、接触領域R1の壁面部分45a1が非接触領域R2の壁面部分45a2よりも薄肉に形成されて低剛性となっている。
By the way, in the thermoelectric generator of this embodiment, in the inner
したがって、非接触領域R2で所要の大きな支持剛性を持つ冷却水配管45の内管壁部45aにあって部分的に低剛性となる接触領域R1の壁面部分45a1に、複数の熱電素子43の伝熱面である放熱面側の端面部43bが低支持剛性で支持されることになる。
Accordingly, the plurality of
そして、複数の熱電素子43の端面部43bと冷却水配管45の内管壁部45aとの間、さらには、複数の熱電素子43の他の端面部43aとバイパス配管32の一面側および他面側の平坦管壁部32a,32bとの間で、熱歪みや接触面凹凸が吸収され易くなる。その結果、熱電素子43の端面部43a,43bと高温側のバイパス配管32および低温側の冷却水配管45との間に、空気溜まりのない安定した密着接触状態を確保することができ、伝熱面接触状態が安定した構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置となる。
And between the
また、本実施形態では、高温側の伝熱板であるバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bと低温側の伝熱板である冷却水配管45の内管壁部45aとの間に熱電素子43を設置する閉じた設置空間46が形成され、その設置空間の内部の圧力が大気圧より低い圧力に保持されている。
In the present embodiment, the thermoelectric power is provided between the flat
したがって、熱電素子43の端面部43a,43bと高温側のバイパス配管32および低温側の冷却水配管45との接触状態が設置空間46内の負圧により安定することに加えて、設置空間46内での空気による熱伝達が抑制され、バイパス配管32と冷却水配管45の内管壁部45aとの間の熱電素子43の周囲に効果的な断熱層が形成される。その結果、複数の熱電素子43によるバイパス配管32からの吸熱と冷却水配管45への放熱とが効果的に行われることになり、排気熱再循環および熱電発電装置40が高発電効率となる。
Therefore, in addition to the contact state between the
加えて、部分的に低剛性となる伝熱板が、低温側の熱媒体であるエンジン冷却水を通す冷却水配管45の内管壁部45aによって構成されているので、エンジン冷却水を通す冷却水配管45の内管壁部45aが、剛性の高い非接触領域R2と剛性の低い接触領域R1とのうち低剛性の接触領域R1の壁面部分45a1に、複数の熱電素子43の低温側の端面部43bを接触させつつ低支持剛性で支持させることができる。
In addition, since the heat transfer plate that is partially low in rigidity is constituted by the inner
その結果、本実施形態では、接触領域R1の壁面部分45a1となる一部でのみ低剛性となる冷却水配管45の内管壁部45aに複数の熱電素子43を直接的に支持させることができ、構成が非常に簡素な熱電発電装置となる。
As a result, in the present embodiment, the plurality of
(第2実施形態)
図4および図5に、本発明の第2実施形態に係る熱電発電装置の要部を示している。
(Second Embodiment)
4 and 5 show the main part of a thermoelectric generator according to the second embodiment of the present invention.
なお、本実施形態は、熱電発電装置の一部の構成が上述の第1実施形態とは相違するものの、内燃機関の配管構成等とった周辺の構成は第1実施形態と類似するものである。したがって、上述の第1実施形態と同一または類似の構成要素については、図1〜図3中の対応する構成要素と同一の符号を用いつつ、以下に第1実施形態との相違点について説明する。 Although the present embodiment is different from the first embodiment in the configuration of a part of the thermoelectric generator, the peripheral configuration such as the piping configuration of the internal combustion engine is similar to the first embodiment. . Accordingly, the same or similar components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals as the corresponding components in FIGS. 1 to 3, and differences from the first embodiment will be described below. .
図4および図5に示すように、本実施形態においては、高温側の熱媒体である排気ガスを通すバイパス配管32の平坦管壁部32a,32b(管壁)と、一面側でバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bに接触する一対の高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aとによって、複数の熱電素子43の吸熱に関与する一対の高温側の伝熱板61が構成されている。各々の高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの他面側は、高温側の回路用電極部42aを介して複数の熱電素子43に接合されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, in the present embodiment, the flat
また、低温側の熱媒体であるエンジン冷却水を通す冷却水配管45の内管壁部45aと、それぞれ一面側で冷却水配管45の内管壁部45a(管壁)に接触する一対の低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bとによって、複数の熱電素子43の放熱に関与する一対の低温側の伝熱板62が構成されている。各々の低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの他面側は、低温側の回路用電極部42bを介して複数の熱電素子43に接合されている。そして、複数の熱電素子43は、高温側の回路用電極部42aおよび低温側の回路用電極部42bにより電気的に直列に接続されている。
In addition, a pair of low temperatures that contact the
より具体的には、図5に示すように、複数の熱電素子43は、互いに図5中の上下および左右方向に所定の空間を隔てて、例えば等間隔に離間した状態で配置されており、図4に示すように、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの他面上において高温側の回路用電極部42aに電気的に接続され、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの他面上において低温側の回路用電極部42bに電気的に接続されている。これにより、複数の熱電素子43は、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aおよび低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの間に熱的に並列に配置されつつ、高温側の回路用電極部42aおよび低温側の回路用電極部42bを介して直列に接続されている。また、直列に接続された1組の複数の熱電素子43が、一対の接続端子42cを介して図外の電気負荷の正負端子に接続されるようになっている。
More specifically, as shown in FIG. 5, the plurality of
低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bは、低温側の回路用電極部42bを介して複数の熱電素子43に熱伝導可能に接触する複数の接触部44e,44fと、それら複数の接触部44e,44fの間にあって複数の熱電素子43に接触しない非接触部44gとを有している。さらに、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの非接触部44gには、各接触部44e,44fの四隅の近傍に位置するよう、熱伝導性電気絶縁基板44Bの板厚方向を深さ方向とする複数の円形の貫通孔44hが形成されている。これらの貫通孔44hは、各熱電発電材料チップ43cに対応する接触部44eや図5中のクロスハッチング部分の周囲で低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bを板厚方向として貫通するのと同時に、低温側の回路用電極部42bを介して各一対の熱電発電材料チップ43c(P型およびN型半導体素子の対)に接触する接触部44fの周囲でも低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bを板厚方向に貫通している。
The low-temperature-side thermally conductive electrical insulating
図4および図5においては、複数の熱電素子43は、P型半導体素子およびN型半導体素子の対を相互に電気接続するとともに少なくとも1組の熱電素子43を直列に接続した状態を示しており、図示の便宜上、複数の熱電素子43の数を制限して図示している。すなわち、両図中に示す各熱電素子43は、熱電発電モジュールの一部を構成する熱電発電材料チップ43c(P型半導体素子またはN型半導体素子)に相当するものであり、モジュール化されたものではない。
4 and 5, the plurality of
低温側の伝熱板62を構成する冷却水配管45の内管壁部45aおよび低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bのうち少なくとも一方は、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの複数の接触部44e,44fの近傍の部分において、非接触部44gの近傍の部分より低剛性となっており、複数の熱電素子43の低温側の端面部43b(伝熱面)を接触させつつ低支持剛性で支持させることができるようになっている。例えば、図4に示すように、冷却水配管45の内管壁部45aは、接触領域R1の各壁面部分45a1において薄肉とされ得るし、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの複数の接触部44e,44fは、非接触部44gより薄肉に形成されるか非接触部44gより低剛性の素材で形成され得る。前者の場合、接触領域R1の各壁面部分45a1は、接触部44e,44fのうちいずれか1つの面積と略同一面積かそれよりわずかに広くなっており、あるいは、複数の接触部44e,44fのうち対応する一部の複数の接触部44e,44fあるいは対応する一部の複数の接触部44fの面積の総和より広い面積を有している。ここで、接触領域R1の各壁面部分45a1の広さは、1つの熱電発電モジュールの接触領域より広くなってもよいが、複数の壁面部分45a1の間および各壁面部分45a1の周囲に非接触領域R2の壁面部分45a2が配置される。
At least one of the
高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aには、複数の貫通孔44hが形成されていない。
A plurality of through
なお、複数の貫通孔44hは、非円形形状でもよい。また、複数の貫通孔44hに代えて、少なくとも1本の溝形状の貫通穴としてもよい。複数の貫通孔44hを設けると、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bと冷却水配管45の内管壁部45aとの密着時に、両者間の空気を複数の貫通穴である貫通孔44hを通して各接合部44eの周囲から排出させることができ、残存空気により低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bと冷却水配管45の内管壁部45aとの密着性が低下することも抑制することができる。
The plurality of through
本実施形態の熱電発電装置においては、低温側の伝熱板62が、冷却水配管45の内管壁部45aとこれに接触する低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bとによって構成され、その接触領域R1の壁面部分を構成する低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの複数の接触部44e,44fに、複数の熱電素子43の低温側の端面部43b(伝熱面)を接触させつつ低支持剛性で支持させることができる。したがって、複数の熱電素子43の伝熱面を、低温側の伝熱板62の接触領域R1の壁面部分に密着状態で安定接触させることができる。
In the thermoelectric generator of the present embodiment, the low-temperature
しかも、本実施形態では、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの接触部44e,44fの周囲に位置する非接触部44gに複数の貫通孔44hを形成しているので、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bと冷却水配管45の内管壁部45aとの密着性が低下することによる発電量の低下を有効に防止することができる。
In addition, in this embodiment, since the plurality of through
このように、本実施形態においても、複数の熱電素子43に接触する一方の伝熱板62の接触領域R1の壁面部分を、非接触領域R2の壁面部分より低剛性として、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との間で、熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くできる。その結果、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。
Thus, also in this embodiment, the wall surface part of the contact region R1 of the one
(第3実施形態)
図6に、本発明の第3実施形態に係る熱電発電装置の要部を示している。
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a main part of a thermoelectric generator according to the third embodiment of the present invention.
なお、前述の第2実施形態が低温側の伝熱板62の複数の熱電素子43との接触領域R1の壁面部分の一部を構成する低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bに部分的な低剛性部を設けていたのに対して、本実施形態は、高温側の伝熱板61の複数の熱電素子43との接触領域R3の壁面部分を構成する高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aに部分的な低剛性部を設けたものである。したがって、上述の第1、第2実施形態と同一または類似の構成要素については、図1〜図5中の対応する構成要素と同一の符号を用いつつ、以下に第2実施形態との相違点について説明する。
Note that the second embodiment described above is partially applied to the low-temperature side heat conductive electrically insulating
図6に示すように、本実施形態においては、複数の熱電素子43の吸熱に関与する一対の高温側の伝熱板61が、排気ガスを通すバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bと、それぞれ一面側でバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bに接触するとともに他面側で高温側の回路用電極部42aを介して複数の熱電素子43に接合された一対の高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aとによって構成されている。このように配管の管壁部と伝熱板とで構成される点は、第2実施形態と同様である。
As shown in FIG. 6, in this embodiment, the pair of high-temperature side
しかし、本実施形態では、高温側の伝熱板61を構成するバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bおよび高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aのうち少なくとも一方が、低剛性となっている。
However, in this embodiment, at least one of the flat
具体的には、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aは、高温側の回路用電極部42aを介して複数の熱電素子43に熱伝導可能に接触する複数の接触部と、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの複数の熱電素子43との非接触部とを有している。なお、説明の便宜上、ここでは、第2実施形態についての図5中の符号を用いて、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの複数の接触部を接触部44e,44fといい、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの非接触部を非接触部44gという。
Specifically, the high-temperature-side thermally conductive electrical insulating
そして、高温側の伝熱板61を構成するバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bおよび高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aのうち少なくとも一方は、複数の接触部44e,44fの近傍の部分において非接触部44gの近傍の部分より低剛性となっており、複数の熱電素子43の高温側の端面部43a(伝熱面)を接触させつつ低支持剛性で支持させることができるようになっている。
At least one of the flat
例えば、バイパス配管32の平坦管壁部32a,32bは、接触領域R3の壁面部分のうち高温側の回路用電極部42aに近接する部分で薄肉とされ得るし、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの複数の接触部44e,44fは、非接触部44gより薄肉に形成されるか非接触部44gより低剛性の素材で形成され得る。
For example, the flat
本実施形態では、また、第2実施形態における低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bと同様に、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの複数の熱電素子43との非接触部44gに、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの板厚方向を深さ方向とする複数の円形の貫通孔44hが所定間隔で形成されている。そして、この高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの他面側(図6中で上面側)において、複数の熱電素子43は、等間隔に離間しつつ高温側の回路用電極部42aを介して相互に直列に接続され、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aおよびバイパス配管32に対して熱的に並列に接合されている。勿論、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aに形成される複数の貫通孔44hは、非円形形状でよいし、少なくとも1本の溝形状の貫通穴として形成されてもよい。
In the present embodiment, similarly to the low-temperature-side thermally conductive electrical insulating
一方、本実施形態における低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bは、第2実施形態における高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aと同様に、複数の貫通孔44hが形成されておらず、接触領域R1の全域で一様な剛性を有している。
On the other hand, the low temperature side thermally conductive electrical insulating
前述の接触領域R3は、電気的に直列に接続された複数の熱電素子43の伝熱面群、例えば同一平面上に等間隔に配置された複数の端面部43aの島状の集まりに接する領域であり、バイパス配管32の図6中の上下両側に形成される。
The aforementioned contact region R3 is a region in contact with a heat transfer surface group of a plurality of
また、高温側の伝熱板61を構成するバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bおよび高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aのうち少なくとも一方は、高温側の伝熱板61の接触領域R3における外周側の伝熱壁面部分を、低温側の伝熱板62の内周側の壁面部分である低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの伝熱壁面部分よりも低剛性にする機能を併有している。
Further, at least one of the flat
本実施形態においても、高温側の伝熱板61が、排気管31Pの一部であるバイパス配管32とこれに接触する高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aとによって構成され、その伝熱板61の接触領域R3の壁面部分に、複数の熱電素子43の高温側の端面部43b(伝熱面)を接触させつつ低支持剛性で支持させることができる。よって、複数の熱電素子43の伝熱面を、高温側の伝熱板61の接触領域R3の壁面部分に安定接触させることができる。
Also in this embodiment, the
しかも、本実施形態では、複数の熱電素子43の高温側の端面部43bに傾きや段差が生じていても、そのような高温側の端面部43bの接触面ずれをバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bおよび高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aのうち少なくとも一方で吸収させることができ、複数の熱電素子43の伝熱面を高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの表面に安定接触させることができる。その結果、複数の熱電素子43の高温側および低温側の端面部43a,43bが、高温側および低温側の熱伝導性電気絶縁基板44A,44Bの表面にそれぞれに安定接触可能となり、複数の熱電素子43の発電効率が向上する。
In addition, in the present embodiment, even if the end surfaces 43b on the high temperature side of the plurality of
さらに、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの非接触部44gに複数の貫通穴44hが形成されているので、複数の熱電素子43の高温側の端面部43bを高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの表面に接触させる作業やそれらをバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bに接触させる作業を容易かつ確実化できる。
Further, since the plurality of through
このように、本実施形態においても、複数の熱電素子43に接触する一方の伝熱板61の片面側における接触領域R3の壁面部分を、その片面側における非接触領域R4の壁面部分より低剛性として、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との間で、熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くできる。その結果、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。
Thus, also in this embodiment, the wall surface portion of the contact region R3 on one side of the one
(第4実施形態)
図7に、本発明の第4実施形態に係る熱電発電装置の要部を示している。
(Fourth embodiment)
In FIG. 7, the principal part of the thermoelectric power generating apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention is shown.
なお、前述の第2、第3実施形態が高温側の伝熱板61および低温側の伝熱板62のうちいずれか一方にのみ低剛性部を設けていたのに対して、本実施形態は、高温側および低温側の伝熱板61,62の双方に、低剛性部を設けたものである。したがって、上述の第2、第3実施形態と同一または類似の構成要素については、図1〜図6中の対応する構成要素と同一の符号を用いつつ、以下に第2、第3実施形態との相違点について説明する。
In the second and third embodiments described above, the low-rigidity portion is provided only in one of the high-temperature side
図7に示すように、本実施形態においては、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aおよび低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bが、第2実施形態における低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bおよび第3実施形態における高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aと同様に構成されている。すなわち、低温側の伝熱板62を構成する冷却水配管45の内管壁部45aおよび低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bのうち少なくとも一方が、低温側の熱伝導性電気絶縁基板44Bの複数の接触部44e,44fの近傍の部分において、非接触部44gの近傍の部分より低剛性となっている。また、高温側の伝熱板61を構成するバイパス配管32の平坦管壁部32a,32bおよび高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aのうち少なくとも一方が、高温側の熱伝導性電気絶縁基板44Aの複数の接触部44e,44fの近傍の部分において、非接触部44gの近傍の部分より低剛性となっている。そして、各熱伝導性電気絶縁基板44A,44Bには、その板厚方向を深さ方向とする複数の円形の貫通孔44hが所定間隔で形成されている。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the high temperature side heat conductive electrically insulating
したがって、本実施形態においても、複数の熱電素子43に接触する一方および他方の伝熱板61,62の対向する接触領域R1,R3の壁面部分を、非接触領域R2,R4の壁面部分より低剛性として、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との間で、熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くできる。その結果、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板61,62との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。
Therefore, also in the present embodiment, the wall surface portions of the contact regions R1, R3 facing each other and the other
(第5実施形態)
図8に、本発明の第5実施形態に係る熱電発電装置の要部を示している。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a main part of a thermoelectric generator according to the fifth embodiment of the present invention.
前述の第1実施形態が冷却水配管45の内管壁部45a(低温側の伝熱板)の複数の熱電素子43との接触領域R1における壁面部分45a1のみを薄肉にしていたのに対して、本実施形態では、その冷却水配管45の構成に加え、高温側の伝熱板61を構成する上下の偏平な排気管32U,32Lの複数の熱電素子43との接触領域R3を非接触部R4よりも薄肉にして吸熱側の接触壁面剛性をも低剛性化したものである。したがって、上述の第1実施形態と同一または類似の構成要素については、図1〜図3中の対応する構成要素と同一の符号を用いつつ、以下に第1実施形態との相違点について説明する。
In contrast to the first embodiment described above, only the wall surface portion 45a1 in the contact region R1 of the inner
図8に示すように、本実施形態においては、冷却水配管45の内管壁部45aの内部に収納されつつ片面側で互いに接触する上下の偏平な排気管32U,32Lの内部に、それぞれ複数の吸熱フィン部83fおよび複数の集熱壁部83sを有する吸熱部材83が設けられている。
As shown in FIG. 8, in the present embodiment, a plurality of upper and lower
排気管32U,32Lは、第1実施形態におけるバイパス配管32に代えて接触領域R3の管壁を薄肉にするとともに、第1実施形態の吸熱部材33より低剛性の吸熱部材83をそれぞれに収納したものである。ここにいう薄肉化の程度は、例えば排気管32U,32Lの接触領域R3の壁面部分である平坦管壁部32a,32bが排気管32U,32L内を通る排気ガスの圧力と設置空間46内の圧力とに応じて容易に弾性変形し、各熱電素子43の端面部43aと接触領域R3の平坦管壁部32a,32bとの密着性が高まる程度の薄肉化である。
The
また、本実施形態においては、各熱電素子43は、例えば電極板や冷却板で複数個の熱電発電材料チップを一体化した熱電発電モジュール43Mとして構成されている。
Further, in the present embodiment, each
したがって、本実施形態においても、複数の熱電素子43に接触する冷却水配管45およびバイパス配管32(一方および他方の伝熱板)における接触領域R1,R3の壁面部分(壁面部分45a1等)を、非接触領域R2,R4の壁面部分より低剛性として、複数の熱電素子43の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板となる冷却水配管45およびバイパス配管32との間で、熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くできる。その結果、複数の熱電素子43の伝熱面の安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。
Therefore, also in the present embodiment, the wall surface portions (wall surface portions 45a1 and the like) of the contact regions R1, R3 in the cooling
なお、上述の実施形態におけるように肉厚を小さくしたり素材を低剛性にしたりして接触領域R1,R3内に部分的な低剛性部を形成する方法だけでなく、リブや曲げ、補強部材の貼り合わせ等によって部分的に高剛性化し、そのような高剛性化がされない低剛性部を形成することも考えられる。 In addition, as in the above-described embodiment, not only a method of forming partial low rigidity portions in the contact regions R1 and R3 by reducing the thickness or making the material low rigidity, but also ribs, bends, reinforcing members It is also conceivable to form a low-rigidity part that is partially made highly rigid by bonding or the like, and that is not made highly rigid.
さらに、設置空間46の内部は、大気圧より低い圧力状態、例えば吸気負圧により一方向弁47を介して減圧されるものとしたが、設置空間46を真空引きした後に完全に封止することや、他の負圧源に接続することも考えられる。また、複数の熱電素子43や冷却水通路45c等を多層に積層する構成を採用できるのはいうまでもない。
Further, the inside of the
以上説明したように、本発明は、熱電素子に接触する伝熱板に低剛性部を設けて、複数の熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との間における熱歪みや接触面凹凸を吸収し易くしているので、熱電素子の伝熱面と高温側および低温側の伝熱板との安定接触状態を確保することができる構成の簡素な高発電効率の熱電発電装置を提供することができる。このような本発明は、電気的に直列接続される複数の熱電素子を高温側の伝熱板と低温側の伝熱板との間に熱的に並列に配置する熱電発電装置全般に有用である。 As described above, the present invention provides a thermal strain between the heat transfer surface of a plurality of thermoelectric elements and the heat transfer plates on the high temperature side and the low temperature side by providing a low rigidity portion on the heat transfer plate in contact with the thermoelectric elements. And the contact surface irregularities are easily absorbed, so that the thermoelectric power generation with a simple and high power generation efficiency can secure a stable contact state between the heat transfer surface of the thermoelectric element and the heat transfer plate on the high temperature side and the low temperature side. An apparatus can be provided. The present invention is useful for all thermoelectric generators in which a plurality of thermoelectric elements electrically connected in series are thermally arranged in parallel between a high temperature side heat transfer plate and a low temperature side heat transfer plate. is there.
1…エンジン(内燃機関)、11…本体ブロック、11c…気筒、11w…ウォータジャケット、12…ラジエータ、14…サーモスタット、15…ウォータポンプ、18…EGRクーラ、19…冷却水通路、19a,19b…分岐通路、24…サージタンク、31…排気通路、31a…主通路部分、31b…バイパス通路部分、32…バイパス配管、32a,32b…平坦管壁部(高温側の伝熱板、接触領域の壁面部分)、32c,32d…側壁部(非接触領域の壁面部分)、32i…内周面、32U,32L…排気管、33,83…吸熱部材、33f,83f…吸熱フィン部、33s,83s…集熱壁部、40…熱電発電装置(排気熱再循環および熱電発電装置、熱電変換装置)、41…排気ガス制御アクチュエータ、41a…弁体、42a,42b…回路用電極部、43…熱電素子、43a,43b…端面部(伝熱面)、43c…熱電発電材料チップ、43M…熱電発電モジュール、44A…高温側の熱伝導性電気絶縁基板、44B…低温側の熱伝導性電気絶縁基板(一方の伝熱板の壁面部分)、44e,44f…接触部、44g…非接触部、44h…貫通穴、45…冷却水配管、45a…内管壁部(低温側の伝熱板、一方の伝熱板の壁面部分)、45a1…壁面部分(接触領域の壁面部分)、45a2…壁面部分(非接触領域の壁面部分)、45b…外管壁部、45c…冷却水通路、45d…両端側壁部、45i…内周面(片面)、46…設置空間、47…一方向弁(逆止弁)、49…減圧機構、61…高温側の伝熱板、62…低温側の伝熱板、R1,R3…接触領域、R2,R4…非接触領域
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記熱電素子により前記吸熱面および前記放熱面の間の温度差に応じて発電する熱電発電装置であって、
前記高温側の伝熱板および前記低温側の伝熱板のうち一方の伝熱板は、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とのうち対応する一方の熱媒体を通す通路の一部を外周面側に形成する一方で内周面側に前記熱電素子の設置空間を形成する管壁を構成し、かつ、前記熱電素子に接する接触領域と前記熱電素子に接しない非接触領域とを有しており、前記接触領域の壁面部分が前記非接触領域の壁面部分より剛性が低くなるよう、前記接触領域と前記非接触領域とに剛性差を生じさせる凹凸面が、前記管壁の前記外周面側に配置されていることを特徴とする熱電発電装置。 A plurality of thermoelectric elements each having a heat transfer plate on the high temperature side and a heat transfer plate on the low temperature side, and a heat absorption surface in contact with the heat transfer plate on the high temperature side and a heat dissipation surface in contact with the heat transfer plate on the low temperature side, respectively. Prepared,
A thermoelectric generator that generates electric power according to a temperature difference between the heat absorption surface and the heat dissipation surface by the thermoelectric element,
The hot side of the heat transfer plate and the cold-side one of the heat transfer plates of the heat transfer plate of a portion of the passage through the corresponding one of the heat medium of high temperature side of the heat medium and the low temperature side of the heat medium Is formed on the outer peripheral surface side, and the inner peripheral surface side is formed with a tube wall that forms the installation space for the thermoelectric element, and a contact area that is in contact with the thermoelectric element and a non-contact area that is not in contact with the thermoelectric element are formed. has, as described above the wall portion of the contact region is stiffer than the wall portions of the pre-Symbol noncontacting region is low, uneven surface causing stiffness difference and the contact region and the non-contact region, said tube wall A thermoelectric generator arranged on the outer peripheral surface side .
前記熱伝導性電気絶縁基板が、前記複数の熱電素子との非接触部に、板厚方向に貫通する貫通穴を有していることを特徴とする請求項3に記載の熱電発電装置。The thermoelectric generator according to claim 3, wherein the thermally conductive electrically insulating substrate has a through hole penetrating in a thickness direction in a non-contact portion with the plurality of thermoelectric elements.
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