特許 6348207 排気系のための熱電発電装置および熱電発電装置の接点部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6348207

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】排気系のための熱電発電装置および熱電発電装置の接点部材

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/08 20060101AFI20180618BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20180618BHJP

   F02G 5/02 20060101ALI20180618BHJP

   H01L 35/32 20060101ALI20180618BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20180618BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/08

   F01N5/02 B

   F02G5/02 C

   H01L35/32 A

   H02N11/00 A

【請求項の数】16

【外国語出願】

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-110862(P2017-110862)

(22)【出願日】2017年6月5日

(65)【公開番号】特開2018-22881(P2018-22881A)

(43)【公開日】2018年2月8日

【審査請求日】2017年8月28日

(31)【優先権主張番号】10 2016 110 625.9

(32)【優先日】2016年6月9日

(33)【優先権主張国】DE

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】513212291

【氏名又は名称】エーバーシュペッヒャー・エグゾースト・テクノロジー・ゲーエムベーハー・ウント・コンパニー・カーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110000040

【氏名又は名称】特許業務法人池内・佐藤アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】ガイザー、ゲルト

(72)【発明者】

【氏名】フロベニウス、ファビアン

(72)【発明者】

【氏名】ハンセ、マティアス

【審査官】 鈴木 肇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−００６６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５２３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８６４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１０８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２２０４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５２６９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０１２２４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１６

Ｈ０１Ｌ ３５／００−３７／０４

Ｈ０２Ｋ ２４／００−２７／３０

Ｈ０２Ｋ ３１／００−３１／０４

Ｈ０２Ｋ ３５／００−３５／０６

Ｈ０２Ｋ ３９／００

Ｈ０２Ｋ ４７／００−４７／３０

Ｈ０２Ｋ ５３／００

Ｈ０２Ｋ ９９／００

Ｈ０２Ｎ １／００− １／１２

Ｈ０２Ｎ ３／００−９９／００

Ｆ０１Ｎ １／００− １／２４

Ｆ０１Ｎ ５／００− ５／０４

Ｆ０１Ｎ １３／００−９９／００

Ｆ０２Ｇ １／００− ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温流体を通過させるための入口（１１）と出口（１２）とを有する第１の流路（１）であって、該第１の流路（１）の該入口（１１）と該出口（１２）とが前記高温流体のための第１の流れ方向（１０）を規定する第１の流路（１）と、
低温流体を通過させるための入口（２１）と出口（２２）とを有する第２の流路（２）であって、該第２の流路（２）の該入口（２１）と該出口（２２）とが前記低温流体のための第２の流れ方向（２０）を規定する第２の流路（２）と、
前記第１の流路（１）と前記第２の流路（２）との間に配置され、前記第１の流れ方向（１０）に沿って互いに隣接する複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と、
前記複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第１の流路（１）の壁との間に配置され、個々の前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）に対応付けられた接点部分（４１，４２，４３）を含む第１の接点部材（４）であって、該接点部分（４１，４２，４３）がそれぞれに対応付けられた前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第１の流路（１）の壁との間に熱伝導結合を提供する、第１の接点部材（４）と、
前記複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第２の流路（２）の壁との間に配置され、個々の前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）に対応付けられた接点部分（５１，５２，５３）を含む第２の接点部材（５）であって、該接点部分（５１，５２，５３）がそれぞれに対応付けられた前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第２の流路（２）の壁との間に熱伝導結合を提供する、第２の接点部材（５）と、を含み、
前記第１の流れ方向（１０）に沿って第２の熱電対素子（３２）の上流に位置する第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた前記第１および第２の接点部材（４，５）の接点部分（４１，５１）の熱抵抗の和が、前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた前記第１および第２の接点部材（４，５）の接点部分（４２，５２）の熱抵抗の和よりも大きく、
前記第１の接点部材（４）の前記接点部分（４１，４２，４３）における異なる熱抵抗が、以下の手段のうちの１つもしくは複数に基づくものであり、該手段は、
前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）における前記第１の接点部材（４）の厚さが、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）における前記第１の接点部材（４）の厚さよりも大きいこと、および／または、
前記第１の接点部材（４）の、高い熱伝導性を有する物質の含有量が、前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）において、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）におけるよりも低いこと、および／または、
前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）における前記第１の接点部材（４）の有効断面積が、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）における前記第１の接点部材（４）の有効断面積よりも小さいこと、および／または、
前記第１の接点部材（４）が前記接点部分（４１）において前記第１の熱電対素子（３１）に接触する表面の大きさが、前記第１の接点部材（４）が前記接点部分（４２）において前記第２の熱電対素子（３２）に接触する表面の大きさよりも小さいことであり、
前記第１の接点部材（４）が、少なくとも１つの接点部分（４１，４２）に、前記第１の流れ方向（１０）に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（４６）を含む、熱電発電装置（７）。

【請求項2】

前記第２の接点部材（５）の前記接点部分（５１，５２，５３）における異なる熱抵抗が、以下の手段のうちの１つもしくは複数に基づくものであり、該手段は、
前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）における前記第２の接点部材（５）の厚さが、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）における前記第２の接点部材（５）の厚さと異なること、および／または、
前記第２の接点部材（５）の、高い熱伝導性を有する物質の含有量が、前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）と、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）とで異なること、および／または、
前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）における前記第２の接点部材（５）の有効断面積が、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）における前記第２の接点部材（５）の有効断面積と異なること、および／または、
前記第２の接点部材（５）が前記接点部分（５１）において前記第１の熱電対素子（３１）に接触する表面の大きさが、前記第２の接点部材（５）が前記接点部分（５２）において前記第２の熱電対素子（３２）に接触する表面の大きさと異なることである、請求項１に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項3】

高温流体を通過させるための入口（１１）と出口（１２）とを有する第１の流路（１）であって、該第１の流路（１）の該入口（１１）と該出口（１２）とが前記高温流体のための第１の流れ方向（１０）を規定する第１の流路（１）と、
低温流体を通過させるための入口（２１）と出口（２２）とを有する第２の流路（２）であって、該第２の流路（２）の該入口（２１）と該出口（２２）とが前記低温流体のための第２の流れ方向（２０）を規定する第２の流路（２）と、
前記第１の流路（１）と前記第２の流路（２）との間に配置され、前記第１の流れ方向（１０）に沿って互いに隣接する複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と、
前記複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第１の流路（１）の壁との間に配置され、個々の前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）に対応付けられた接点部分（４１，４２，４３）を含む第１の接点部材（４）であって、該接点部分（４１，４２，４３）がそれぞれに対応付けられた前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第１の流路（１）の壁との間に熱伝導結合を提供する、第１の接点部材（４）と、
前記複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第２の流路（２）の壁との間に配置され、個々の前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）に対応付けられた接点部分（５１，５２，５３）を含む第２の接点部材（５）であって、該接点部分（５１，５２，５３）がそれぞれに対応付けられた前記熱電対素子（３；３１，３２，３３）と前記第２の流路（２）の壁との間に熱伝導結合を提供する、第２の接点部材（５）と、を含み、
前記第１の流れ方向（１０）に沿って第２の熱電対素子（３２）の上流に位置する第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた前記第１および第２の接点部材（４，５）の接点部分（４１，５１）の熱抵抗の和が、前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた前記第１および第２の接点部材（４，５）の接点部分（４２，５２）の熱抵抗の和よりも大きく、
前記第２の接点部材（５）の前記接点部分（５１，５２，５３）における異なる熱抵抗が、以下の手段のうちの１つもしくは複数に基づくものであり、該手段は、
前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）における前記第２の接点部材（５）の厚さが、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）における前記第２の接点部材（５）の厚さと異なること、および／または、
前記第２の接点部材（５）の、高い熱伝導性を有する物質の含有量が、前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）と、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）とで異なること、および／または、
前記第１の熱電対素子（３１）と第２の流路（２）との間の接点部分（５１）における前記第２の接点部材（５）の有効断面積が、前記第２の熱電対素子（３２）と第２の流路（２）との間の接点部分（５２）における前記第２の接点部材（５）の有効断面積と異なること、および／または、
前記第２の接点部材（５）が前記接点部分（５１）において前記第１の熱電対素子（３１）に接触する表面の大きさが、前記第２の接点部材（５）が前記接点部分（５２）において前記第２の熱電対素子（３２）に接触する表面の大きさと異なることであり、
前記第２の接点部材（５）が、少なくとも１つの接点部分（５１，５２）に、前記第２の流れ方向（２０）に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（５６）を含む、熱電発電装置（７）。

【請求項4】

前記第１の接点部材（４）の前記接点部分（４１，４２，４３）における異なる熱抵抗が、以下の手段のうちの１つもしくは複数に基づくものであり、該手段は、
前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）における前記第１の接点部材（４）の厚さが、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）における前記第１の接点部材（４）の厚さよりも大きいこと、および／または、
前記第１の接点部材（４）の、高い熱伝導性を有する物質の含有量が、前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）において、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）におけるよりも低いこと、および／または、
前記第１の熱電対素子（３１）と第１の流路（１）との間の接点部分（４１）における前記第１の接点部材（４）の有効断面積が、前記第２の熱電対素子（３２）と第１の流路（１）との間の接点部分（４２）における前記第１の接点部材（４）の有効断面積よりも小さいこと、および／または、
前記第１の接点部材（４）が前記接点部分（４１）において前記第１の熱電対素子（３１）に接触する表面の大きさが、前記第１の接点部材（４）が前記接点部分（４２）において前記第２の熱電対素子（３２）に接触する表面の大きさよりも小さいことである、請求項３に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項5】

前記第１および第２の接点部材（４，５）のうちの少なくとも一方が、前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（４１，５１）と前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（４２，５２）との間に、熱抵抗を隣接する接点部分（４１，４２；５１，５２）の平均熱抵抗に対して少なくとも５倍増大させた隔離領域（４５，５５）を含むか、または、
前記第１および第２の接点部材（４，５）のうちの少なくとも一方が、前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（４１，５１）と前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（４２，５２）との間に、熱抵抗を隣接する接点部分（４１，４２；５１，５２）の平均熱抵抗に対して少なくとも１０倍増大させた隔離領域（４５，５５）を含む、請求項１、２、３、または４に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項6】

前記第２の接点部材（５）が、少なくとも１つの接点部分（５１，５２）に、前記第２の流れ方向（２０）に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（５６）を含む、請求項１または２に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項7】

前記第１の接点部材（４）が、少なくとも１つの接点部分（４１，４２）に、前記第１の流れ方向（１０）に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（４６）を含む、請求項３または４に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項8】

前記第１の接点部材（４）が、前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（４１）と前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（４２）との間に、前記第１の流れ方向（１０）を横断する方向に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（４５）を含み、かつ／または、
前記第２の接点部材（５）が、前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（５１）と前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（５２）との間に、前記第２の流れ方向（２０）を横断する方向に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部（５５）を含む、請求項１から７のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項9】

前記第１の接点部材（４）の前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（４１）における熱抵抗が、前記第１の接点部材（４）の前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（４２）における熱抵抗よりも高い、請求項１から８のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項10】

前記第１の流れ方向（１０）と前記第２の流れ方向（２０）とが同じ向きである場合、前記第２の接点部材（５）の前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（５１）における熱抵抗が、前記第２の接点部材（５）の前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（５２）における熱抵抗よりも高く、
前記第１の流れ方向（１０）と前記第２の流れ方向（２０）とが反対向きである場合、前記第２の接点部材（５）の前記第１の熱電対素子（３１）に対応付けられた接点部分（５１）における熱抵抗が、前記第２の接点部材（５）の前記第２の熱電対素子（３２）に対応付けられた接点部分（５２）における熱抵抗よりも低い、請求項１から９のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項11】

前記第１の接点部材（４）が配置された前記第１の流路（１）の壁が、平滑で、冷却フィンを有しないか、もしくは、
前記第１の接点部材（４）が配置された前記第１の流路（１）の壁が、前記第１の流れ方向（１０）に沿って均一に分布された冷却フィン（６１）を有し、かつ／または、
前記第２の接点部材（５）が配置された前記第２の流路（２）の壁が、平滑で、冷却フィンを有しないか、もしくは、
前記第２の接点部材（５）が配置された前記第２の流路（２）の壁が、前記第２の流れ方向（２０）に沿って均一に分布された冷却フィン（６２）を有する、請求項１から１０のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項12】

前記第１の接点部材（４）が、全ての接点部分（４１，４２，４３）をモノブロックの設計で提供し、かつ／または、
前記第２の接点部材（５）が、全ての接点部分（５１，５２，５３）をモノブロックの設計で提供する、請求項１から１１のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項13】

前記複数の熱電対素子（３１，３２，３３）が、前記第１の流路（１）と前記第２の流路（２）との間に単一層として配置された、請求項１から１２のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項14】

前記第１の熱電対素子（３１）および前記第２の熱電対素子（３２）の構造が同一であるか、または、
前記複数の熱電対素子（３；３１，３２，３３）のうちの全ての熱電対素子（３；３１，３２，３３）の構造が同一である、請求項１から１３のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項15】

前記第１の接点部材（４）が、黒鉛、シリコーンゴム、ポリイミド、アルミナ、マイカナイト、もしくはアクリルポリマーからなる熱伝導フィルムであり、かつ／または、
前記第２の接点部材（５）が、黒鉛、シリコーンゴム、ポリイミド、アルミナ、マイカナイト、もしくはアクリルポリマーからなる熱伝導フィルムである、請求項１から１４のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）。

【請求項16】

内燃機関によって駆動される車両のための排気系（８）であって、請求項１から１５のうちの一項に記載の熱電発電装置（７）を含み、前記第１の流路（１）が、該排気系の排気ガス配管であるか、または、該排気系の排気ガス配管（８１）に連結されるように構成されている、排気系（８）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温流体（例えば、内燃機関によって駆動される車両の排気ガス）に含まれる熱エネルギーを少なくとも部分的に電気エネルギーに変換するように構成された熱電発電装置に関する。このようにすることで、高温流体に含まれる熱エネルギーが損失となるシステムの全体効率が改善される。車両の場合は、これにより、１キロメートル当たりの燃料消費量および排出物質が減少する。本発明は、さらに、このような熱電発電装置のための接点部材に関する。

【背景技術】

【0002】

熱電発電装置（ＴＥＧ：thermoelectric generator）は、熱（より正確には、熱電発電装置を通過する熱流）を電気エネルギーに直接変換する。この点で、熱電発電装置は、熱電発電装置の低温側と高温側との間に搭載されて直列および／または並列に電気的に接続された複数の熱電対素子（しばしば「熱電モジュール」とも呼ばれる）（ＴＥＭ）からなる。熱電対素子は、熱エネルギーから電気エネルギーへの実際の変換を行う。当該変換は、様々な効果（例えば、ゼーベック効果またはトムソン効果）に基づき得る。ある熱伝導性を低温側と高温側と各熱電対素子との間で得るために、熱電発電装置は、熱伝導性の高い材料からなる１つまたは複数の接点部材を含むことが多い。このような接点部材は、特に、凹凸をならすことで熱電対素子の全表面において熱伝導を可能にする働きがある。

【0003】

公知の熱電対素子が適度な効率を有する動作温度範囲は比較的狭い。この動作温度範囲内では、熱電対素子の効率は、低温側と高温側との間の温度差によって決まる。当該効率は、熱電対素子によって提供される（電気）電圧にとりわけ影響を及ぼす。一般的な熱電対素子は、基本的に、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、ＰｂＴｅ、ＳｉＧｅ、ＢｉＳｂ、またはＦｅＳｉ₂から成る。

【0004】

熱電発電装置を用いる際、損傷を受けやすい（特に、圧力による損傷を受けやすい）熱電対素子を、流体流（例えば、内燃機関によって駆動される車両の排気管）の中に、流体の背圧を増加させないか、またはわずかにしか増加させないようにしながら、使用可能な最大温度差が該熱電対素子の表面に加えられるように、組み込むことが重要である。これは、背圧が増加すると、流体の移送に必要なエネルギー（また、ひいては、内燃機関によって駆動される車両の燃料消費量）の増加にもつながるからである。最後に、可能であれば、熱電対素子をそれらが適度な効率を示す動作温度範囲で動作させることが望ましい。車両で使用する場合には、車両内または車両下方の空間が限られているため、これらの問題を解決することは困難でもある。

【0005】

内燃機関によって駆動される車両の排気系における熱電発電装置の使用が従来技術から知られている。例えば、欧州特許出願公開第１４７５５３２（Ａ２）号明細書、特開平０７−０１２００９号公報、および国際公開第２００９／１３８１５８（Ａ１）号を参照されたい。

【0006】

国際公開第２００９／１３８１５８（Ａ１）号からは、使用される熱電発電装置の低温側を冷媒回路に連結することによって熱電発電装置を冷却することが知られている。さらに、国際公開第２００９／１３８１５８（Ａ１）号からは、使用される熱電発電装置の高温側においてフィンを用いて高熱の排気ガスからの熱吸収を増加させることが知られている。高熱の排気ガス流の上流領域における熱電対素子の熱伝導性を該高熱の排気ガス流の下流領域における熱電対素子よりも低くするために、使用するフィンの密度またはフィンの種類を、排気ガス流の流れ方向に沿って変化させなければならない。

【0007】

従来技術のシステムの短所は、高温流体の温度にばらつきがある場合に、高温流体の幅広い温度範囲の使用を可能にするために、多くの場合において、異なる動作温度範囲になるように構成されたいくつかの熱電発電装置が高温流体のためのバイパスと組み合わせて用いられる点である。しかしながら、バイパスは、複数の熱電発電装置が使用されるため、多くのスペースを必要とし、かつ高価である。

【0008】

さらに、従来技術のシステムの問題の１つは、多くの場合において、高温流体から熱エネルギーが取り出されるため、高温流体の流れ方向に沿って並列／直列に配置された熱電発電装置の熱電対素子が、異なる温度差に遭遇する点である。この結果、熱電対素子は、接続される電力変換装置（power electronic）の複雑な構成の原因となる異なる電気電圧を発生させる（そして、異なる出力を生じる）。

【0009】

また、従来技術のシステムには、高温流体の上流に位置する熱電発電装置の熱電対素子の熱的過負荷を防止しなければならないという問題がある。

【0010】

最後に、熱電発電装置の取付けは、複数の構成要素（熱電対素子および接点部材）のために、労力を要する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】欧州特許出願公開第１４７５５３２号明細書

【特許文献2】特開平０７−０１２００９号公報

【特許文献3】国際公開第２００９／１３８１５８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

実施形態は、流体に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのコンパクトな熱電発電装置であって、動作温度範囲が特に広く、かつ製造が容易な熱電発電装置を提供する。

【0013】

さらなる実施形態は、流体に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのコンパクトな熱電発電装置であって、当該熱電発電装置を形成する全ての熱電対素子が実質的に同じ熱流を受け取る熱電発電装置を提供する。本明細書中、実質的に同じ熱流とは、個々の熱電対素子に伝えられる熱流のパワーの差が２０％未満、特に、１０％未満である熱流をいう。その結果として、各熱電対素子のパワーもほぼ同じである。

【0014】

さらなる実施形態は、流体に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのコンパクトな熱電発電装置であって、高温流体の上流の熱電対素子が熱的に過負荷になることを防止する熱電発電装置を提供する。

【0015】

さらなる実施形態は、上記熱電発電装置に適し、かつ、設置にかかる手間を簡略化する接点部材を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0016】

熱電発電装置の実施形態は、高温流体を通過させるための第１の流路と、低温流体を通過させるための第２の流路と、上記第１の流路と上記第２の流路との間に配置された複数の熱電対素子と、上記複数の熱電対素子と上記第１の流路の壁との間に位置する第１の接点部材と、上記複数の熱電対素子と上記第２の流路の壁との間に位置する第２の接点部材とを含む。上記第１の流路は、入口と出口とを含み、これにより上記高温流体のための第１の流れ方向を規定する。よって、上記高温流体は、第１の流路の入口を通って第１の流路に入り、出口を通って第１の流路から出ていく。したがって、上記第２の流路も、入口と出口とを含み、これにより上記低温流体のための第２の流れ方向を規定する。よって、上記低温流体は、第２の流路の入口を通って第２の流路に入り、出口を通って第２の流路から出ていく。上記複数の熱電対素子のうちのいくつかの熱電対素子は、上記第１の流路と上記第２の流路との間に、上記第１の流れ方向に沿って対をなして互いに隣接するように配置される（これにより、上記第１の流れ方向に沿う熱電対素子の直列配列が得られる）。隣接する熱電対素子は、互いに直接隣り合っていてもよく、離間されていてもよい。上記複数の熱電対素子と上記第１の流路の壁との間に配置された上記第１の接点部材は、個々の熱電対素子に対応付けられた接点部分であって、それぞれの熱電対素子と上記第１の流路の壁との間に熱伝導結合を提供する接点部分を含む。この熱伝導結合は、熱抵抗を有し、熱伝導を促進（比較的低い熱抵抗の場合）または阻害（比較的高い熱抵抗の場合）し得る。したがって、上記複数の熱電対素子と上記第２の流路の壁との間に配置された第２の接点部材も、個々の熱電対素子に対応付けられた接点部分であって、それぞれの熱電対素子と上記第２の流路の壁との間に熱伝導結合を提供する接点部分を含む。この熱伝導結合は、熱抵抗を有し、熱伝導を促進（比較的低い熱抵抗の場合）または阻害（比較的高い熱抵抗の場合）し得る。上記第１の流れ方向において第２の熱電対素子の上流（よって、上記高温流体の入口に近い方）に位置する第１の熱電対素子に対応付けられた上記第１および第２の接点部材の接点部分の熱抵抗の和は、第２の熱電対素子（上記高温流体の入口から遠い方に位置する）に対応付けられた上記第１および第２の接点部材の接点部分の熱抵抗の和よりも大きい。

【0017】

本明細書中、第１の流路を通る流体に関する「高温」という形容詞は、当該流体の温度が第２の流路を通る「低温」流体よりも高いことを意味する。

【0018】

さらに、本明細書中、「流路」という用語は、一般に、例えば管路のような、流体流を通過させるための本体（body）をいう。流体流を通過させる本体の断面は一定であることが好ましい。

【0019】

本明細書中、「熱電対素子（thermocouple element）」という用語は、熱を電気エネルギーに直接変換することを可能にする電気デバイスをいう。

【0020】

最後に、本明細書中、「熱抵抗」という用語は、各接点部材の各接点部分の熱伝達率と伝達面積の大きさとの積の逆数をいう。熱伝達率は、ある一定期間に各接点部分を通して伝達される熱量を測定することによって測定され得、一実施形態によると、対応付けられた熱電対素子が最も高い効率を示す各接点部分の前後における温度差に温度差が用いられる。あるいは、８００℃（高温側）と３００℃（低温側）との温度差が熱伝達率を測定するために用いられてもよい。

【0021】

上記の構成により、熱電発電装置は、従来技術に比べて、高温流体に関して、より高い温度で動作することが可能である。これは、上記第１の接点部材のそれぞれの熱電対素子に対応付けられた接点部分に相応に高い熱抵抗を故意に付与することによって、上記第１の流路の入口近傍に配置された熱電対素子の熱的過負荷を防止することができるからである。この結果、熱電発電装置の特に広い範囲の動作温度がバイパスを必要とすることなく達成されることにもなる。

【0022】

また、第１の流れ方向に沿って配置された熱電対素子に対応付けられた第１および第２の接点部材の接点部分の熱抵抗の和のそれぞれを、高温流体および低温流体の温度、流量、および熱容量に対して適切に調節することによって、上記第１の流路と上記第２の流路との間で上記第１の熱電対素子を通って伝達される熱量（熱流）と、上記第１の流路と上記第２の流路との間で上記第２の熱電対素子（および上記第１の流れ方向に沿って下流に（次に）配置された各熱電対素子）を通って伝達される熱量とが、確実にほぼ同じになり得る。このことは、第１の流れ方向に沿って順次配置された熱電対素子のそれぞれに、ほぼ同じ温度差を与えること、ひいては同じ効率範囲での動作を可能にする。この結果、ほぼ同一の出力が熱電対素子から得られることになる。そして、熱電対素子がほぼ同一の電気電圧も提供するため、接続される電力変換装置の構成が簡単化される。

【0023】

一実施形態によると、上記第１の接点部材の異なる熱抵抗は、上記第１の熱電対素子と上記第１の流路との間の接点部分における上記第１の接点部材の厚さが、上記第２の熱電対素子（および、任意に、上記第１の流れ方向に沿って下流に（次に）配置された各熱電対素子）と上記第１の流路との間の接点部分における上記第１の接点部材の厚さよりも大きいことによって達成される。しかしながら、これには、上記各熱電対素子と上記第１の流路との間の距離を異ならせることが必要である。そこで、上記第１の熱電対素子を、上記第１の流れ方向に沿って下流に配置された熱電対素子よりも、上記第１の流路の壁から遠くに位置させる。

【0024】

一実施形態によると、上記第１の接点部材の異なる熱抵抗は、上記第１の接点部材の、高い熱伝導性を有する物質の含有量が、上記第１の熱電対素子と上記第１の流路との間の接点部分において、上記第２の熱電対素子（および、任意に、上記第１の流れ方向に沿って下流に（次に）配置された各熱電対素子）と上記第１の流路との間の接点部分におけるよりも低いことによって、達成される。したがって、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第１の接点部材の材料組成は、上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第１の接点部材の材料組成とは異なる。上記第１の接点部材は、例えば、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分において、熱伝導性が比較的低い材料を、上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分におけるよりも高い含有量で備えていてもよい。

【0025】

一実施形態によると、上記第１の接点部材の異なる熱抵抗は、上記第１の熱電対素子と第１の流路との間の接点部分における上記第１の接点部材の有効断面積が、上記第２の熱電対素子（および、任意に、上記第１の流れ方向に沿って下流に（次に）配置された各熱電対素子）と第１の流路との間の上記第１の接点部材の有効断面積よりも小さいことによって達成される。ここで、一実施形態に係る上記第１の接点部材の有効断面積は、上記第１の流路の壁と上記対応付けられた熱電対素子との中間で測定される。有効断面積は、例えば、上記第１の接点部材のそれぞれの接点部分に空洞または凹部を形成することによって操作されてもよく、そのことにより、大体において、上記第１の接点部材の接点部分の密度が異なることにもなる。

【0026】

一実施形態によると、上記第１の接点部材の異なる熱抵抗は、上記第１の熱電対素子に接触する上記第１の接点部材の接点部分の表面の大きさが、上記第２の熱電対素子（または、任意に、上記第１の流れ方向に沿って下流に配置された各熱電対素子）に接触する上記第１の接点部材の接点部分の表面の大きさよりも小さいことによって達成される。例えば、上記第１の流路の壁と上記対応付けられた熱電対素子との間のそれぞれの接点部分において上記第１の接点部材を完全に貫通する凹部を、上記第１の接点部材の接点部分に設けてもよい。この場合、熱抵抗の調節は、上記第１の接点部材のそれぞれの接点部分における凹部の数および大きさによって達成されてもよい。

【0027】

実施形態によると、上記第２の接点部材の上記接点部分における異なる熱抵抗も、上記第１の接点部材に関して説明した手段のうちの１つまたは複数によって達成され得る。

【0028】

例えば、上記第１の熱電対素子と第２の流路との間の接点部分における上記第２の接点部材の厚さが、上記第２の熱電対素子と第２の流路との間の接点部分における上記第２の接点部材の厚さと異なっていてもよく、それにより、この場合においても、上記第１および第２の熱電対素子の上記第２の流路までの距離が異なることになる。あるいは、またはさらに、上記第２の接点部材が上記第１の熱電対素子と第２の流路との間の接点部分において備える高い熱伝導性を有する物質の含有量が、第２の熱電対素子と上記第２の流路との間の接点部分における高い熱伝導性を有する物質の含有量と異なっていてもよく、それにより、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の材料組成は、前記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の材料組成とは異なることになる。あるいは、またはさらに、上記第１の熱電対素子と記第２の流路との間の接点部分における上記第２の接点部材の有効断面積が、上記第２の熱電対素子と第２の流路との間の接点部分における上記第２の接点部材の有効断面積と異なっていてもよく、この場合においても、一実施形態に係る上記第２の接点部材の有効断面積は、上記第２の流路の壁と上記対応付けられた熱電対素子との中間で測定される。あるいは、またはさらに、上記第１の熱電対素子に接触する上記第２の接点部材の接点部分の表面の大きさが、上記第２の熱電対素子に接触する上記第２の接点部材の接点部分の表面の大きさと異なっていてもよい。この場合においても、上記第２の熱電対素子は、上記第１の流れ方向において上記第１の熱電対素子の下流に（次に）配置された各熱電対素子を象徴的に代表するものである。

【0029】

上記の手段は、容易に低コストで実施することができ、それぞれの熱抵抗の精密な調整を可能にする。

【0030】

一実施形態によると、上記第１および第２の接点部材のうちの少なくとも一方が、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分と上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分との間に、熱抵抗を平均熱抵抗に比較して少なくとも５倍、特に少なくとも１０倍増大させた隔離領域を含む。

【0031】

一実施形態によると、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分と上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分との間の隔離領域（内）における接点部材の熱抵抗は、当該接点部材の隣接する接点部分の平均熱抵抗に比べて１００００倍未満、特には１０００倍未満、さらに特には１００倍未満で増大される。このため、本実施形態においては以下の範囲が可能である。

【0032】

５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大。

【0033】

このことにより、それぞれの接点部材にわたり、流れ方向において互いに隣接する熱電対素子間の不所望な熱流を低減する、または防止さえもすることが可能になる。

【0034】

一実施形態によると、上記第１の接点部材は、少なくとも１つの接点部分に、上記第１の流れ方向に沿う向きに最大寸法を有する凹部を含む。一実施形態によると、該凹部は長穴である。一実施形態によると、上記第２の接点部材は、少なくとも１つの接点部分に、上記第２の流れ方向に沿う向きに最大寸法を有する凹部を含む。一実施形態によると、該凹部は長穴である。

【0035】

そうすることにより、それぞれの接点部材の接点部分を流れる熱流に、それぞれの流体の流れ方向に沿う向きの優先方向を与えることができる。このことは、それぞれの流体の流れ方向に沿う熱電対素子の表面に実質的に同じ高さの温度を与えるのに役立つ。これは、接点部材の内部においてそれぞれの流体の流れの方向に沿う熱伝導が抑制されない、または実質的に抑制されないからである。

【0036】

一実施形態によると、上記第１の接点部材は、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分と上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分との間に、最大寸法が上記第１の流れ方向を横断するように配置された少なくとも１つの凹部を含む。一実施形態によると、該凹部は長穴である。一実施形態によると、上記第２の接点部材は、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分と上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分との間に、最大寸法が上記第１の流れ方向を横断するように配置された少なくとも１つの凹部を含む。一実施形態によると、該凹部は長穴である。

【0037】

このことにより、それぞれの接点部材にわたり、それぞれの流体の流れ方向において互いに隣接する熱電対素子間の不所望な熱流をほぼ完全に防止することが可能になる。

【0038】

一実施形態によると、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第１の接点部材の熱抵抗は、上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第１の接点部材の熱抵抗よりも高い。

【0039】

このことにより、高温流体のための第１の流路の入口近傍に位置する熱電対素子の熱的過負荷が確実に防止される。

【0040】

一実施形態によると、上記第１の流れ方向と上記第２の流れ方向とが同じ向きである場合、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の熱抵抗は、上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の熱抵抗よりも高く、上記第１の流れ方向と上記第２の流れ方向とが反対向きである場合、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の熱抵抗は、上記第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分における上記第２の接点部材の熱抵抗よりも低い。

【0041】

一実施形態によると、上記第１の接点部材が配置された上記第１の流路の壁は、平滑であり、冷却フィンを有しない。代替の実施形態によると、上記第１の接点部材が配置された上記第１の流路の壁は、上記第１の流れ方向に沿って均一に分布された冷却フィンを有する。一実施形態によると、上記第２の接点部材が配置された上記第２の流路の壁は、平滑であり、冷却フィンを有しない。代替の実施形態によると、上記第２の接点部材が配置された上記第２の流路の壁は、上記第２の流れ方向に沿って均一に分布された冷却フィンを有する。一実施形態によると、上記冷却フィンは、それぞれの流路の壁の、流体と接触し、それぞれの接点部材とは接触しない側に設けられる。このため、上記冷却フィンは、それぞれの流路の内部に設けられる。

【0042】

平滑な壁を有する流路を使用し、流路内部に配置される冷却フィンを省略することによって、流路を通過する流体の流れ抵抗の増加が回避され、ひいては、流れ損失による全体効率の低下が回避される。そうでない場合は、冷却フィンを設けることによって、熱伝導に利用可能な面積が増加する。そして、それぞれの流れ方向に沿う冷却フィンの均一な分布により、熱伝達に利用可能な面積は、それぞれの流路の延びる全範囲にわたって確実にほぼ同じとなる。そのうえ、流れ抵抗も、それぞれの流路の延びる全範囲にわたってほぼ同じとなる。

【0043】

一実施形態によると、全ての接点部分が上記第１の接点部材によってモノブロック（monobloc）の設計で提供される。一実施形態によると、全ての接点部分が上記第２の接点部材によってモノブロックの設計で提供される。

【0044】

接点部材とこれに対応する接点部分のモノブロックの設計により、熱電発電装置の組み立てが容易になる。これは、使用される部品の数が少なく抑えられるためである。さらに、モノブロックの設計により、接点部分の配列順序が固定された仕様が可能になる。

【0045】

一実施形態によると、上記複数の熱電対素子は、上記第１の流路と上記第２の流路との間に単一層として配置される。

【0046】

一実施形態によると、上記第１の熱電対素子および上記第２の熱電対素子（すなわち、上記第１の流れ方向に沿って互いに隣り合って配置された熱電対素子）が、対をなして、互いに構造が同一であるか、または、上記複数の熱電対素子のうちの全ての熱電対素子が、互いに構造が同一である。

【0047】

一実施形態によると、上記第１の接点部材は、黒鉛、シリコーンゴム、ポリイミド、アルミナ、マイカナイト、またはアクリルポリマーからなる熱伝導フィルムである。一実施形態によると、上記第２の接点部材は、黒鉛、シリコーンゴム、ポリイミド、アルミナ、マイカナイト、またはアクリルポリマーからなる熱伝導フィルムである。

【0048】

これらの材料に穴を導入することによって、熱抵抗が異なる接点部分を容易に設けることができる。

【0049】

上記熱電発電装置の実施形態にはバイパス導管がない。

【0050】

代替の熱電発電装置の実施形態は、流体を通過させるための入口と出口とを有する流路であって、該流路の該入口と該出口とが該流体のための流れ方向を規定する流路を含む。熱電発電装置は、上記流路の隣に上記流れ方向において互いに隣接して配置された複数の熱電対素子を含む。さらに、熱電発電装置は、上記複数の熱電対素子と上記流路の壁との間に位置する接点部材を含み、該接点部材は、それぞれが１つの熱電対素子に対応付けられた接点部分であって、それぞれに対応付けられた熱電対素子と上記流路の壁との間に熱伝導結合を提供する接点部分を含む。上記接点部材は、直接隣り合う熱電対素子に対応付けられた直接隣り合う接点部分の間に、当該直接隣り合う接点部分の熱抵抗を、上記接点部材の当該直接隣り合う接点部分の平均熱抵抗に比べて少なくとも５倍、特に、少なくとも１０倍増大させた隔離領域を含む。

【0051】

一実施形態によると、直接隣り合う熱電対素子に対応付けられた直接隣り合う接点部分の間の隔離領域（内）における上記接点部材の熱抵抗は、上記接点部材の当該直接隣り合う接点部分の平均熱抵抗に比べて１００００倍未満、特に、１０００倍未満、さらには、特に１００倍未満で増大される。このため、本実施形態においては以下の範囲が可能である。

【0052】

５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大。

【0053】

隔離領域を設けることにより、上記接点部材にわたり、隣接する熱電対素子間の熱流が低減または完全に防止され得る。さらに、モノブロックの接点部材を用いることにより、組み立ての手間が低減される。

【0054】

一実施形態によると、上記直接隣り合う熱電対素子は、異なる温度領域用に構成されたものである。このことにより、上記熱電対素子の熱的過負荷を避けることが可能になる。これは、上記接点部材にわたり、隣接する熱電対素子間の熱流をなくすことが可能だからである。

【0055】

一実施形態によると、上記接点部材は、上記第１の熱電対素子に対応付けられた接点部分と上記隣接する第２の熱電対素子に対応付けられた接点部分との間に、流れ方向を横断する方向に最大寸法を有する少なくとも１つの凹部を含む。一実施形態によると、該凹部は長穴である。

【0056】

このことにより、それぞれの接点部材にわたり、それぞれの流体の流れ方向において互いに隣接する熱電対素子間の不所望な熱流をほぼ完全に防止することが可能になる。

【0057】

内燃機関によって駆動される車両のための排気系の実施形態は、上記の熱電発電装置を含み、ここで、上記第１の流路は、該排気系の排気ガス配管であるか、または、該排気系の排気ガス配管に連結されるように構成される。

【0058】

熱電発電装置のための接点部材の実施形態は、複数の接点部分を含み、該複数の接点部分は、熱電発電装置の該複数の接点部分のそれぞれに対応付けられた隣り合う熱電対素子と流路の隣接した壁との間に熱伝導結合を提供するように構成されている。上記接点部材は、互いに隣接する熱電対素子に対応付けられた隣接する接点部分の間に、隔離領域を含み、当該隔離領域（内）における熱抵抗は、上記隣接する接点部分の平均熱抵抗に比べて少なくとも５倍、特には、少なくとも１０倍増大されている。このことは、例えば、上記隔離領域において上記接点部材に異なる材料組成を用いてか、または、上記接点部材の上記隔離領域における密度もしくは材料厚さを上記隣接する接点部分におけるよりも少なくすることによって、実施され得る。あるいは、上記接点部材は、隣接する熱電対素子に対応付けられた隣接する接点部分の間に、隣接する接点部分間の分離線の方向に沿う方向に最大寸法を有する凹部（またはいくつかの凹部）を含み得る。該凹部は、例えば、長穴、または、ある線に沿って配置されたいくつかの（円形）穴であり得る。

【0059】

一実施形態によると、互いに隣接する熱電対素子に対応付けられた隣接する接点部分間の隔離領域（内）における上記接点部材の熱抵抗は、上記接点部材の当該隣接する接点部分の平均熱抵抗に比べて１００００倍未満、特には１０００倍未満、さらに特には１００倍未満で増大される。このため、本実施形態においては以下の範囲が可能である。

【0060】

５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；５倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１０００倍の増大；１０倍の増大≦隔離領域における熱抵抗＜１００倍の増大。

【0061】

このことにより、上記接点部材にわたり、隣接する熱電対素子間の熱流を低減または防止することが可能になる。

【0062】

一実施形態によると、上記接点部材は、平行な２つの長辺と平行な２つの短辺とを有する矩形の形状を有し、上記接点部材の上記短辺に平行な方向に最大寸法を有する凹部が、隣接する熱電対素子に対応付けられた隣接する接点部分の間に設けられる。

【0063】

一実施形態によると、上記接点部材は、全ての接点部分をモノブロックの設計で提供する。

【0064】

一実施形態によると、上記接点部材は、黒鉛、シリコーンゴム、ポリイミド、アルミナ、マイカナイト、またはアクリルポリマーからなる熱伝導フィルムである。

【図面の簡単な説明】

【0065】

本発明のさらなる特徴は、以下の代表的な実施形態の説明ならびに請求項および図面から明らかになる。図面において、同等または類似の要素には、同等または類似の参照符号が割り当てられている。なお、本発明は、本明細書中に説明する代表的な実施形態の構成に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって定められる。本発明に係る各実施形態は、特に、個々の特徴を以下に説明する例とは異なる数および組み合わせで実施し得る。下記の、代表的な実施形態の説明において、次の添付の図面を参照する。

【図1】図１Ａは、第１の実施形態に係る熱電発電装置の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの熱電発電装置の概略断面図である。図１Ｃは、図１Ａの熱電発電装置において用いられる第１および第２の接点部材の概略平面図である。

【図2】図２Ａは、第２の実施形態に係る熱電発電装置の概略斜視図である。図２Ｂは、図２Ａの熱電発電装置の概略断面図である。

【図3】図３Ａは、第３の実施形態に係る熱電発電装置の概略斜視図である。図３Ｂは、図３Ａの熱電発電装置の概略断面図である。図３Ｃは、図３Ａの熱電発電装置において用いられる第１および第２の接点要素の概略平面図である。

【図4】図４は、第４の実施形態に係る熱電発電装置の概略斜視図である。

【図5】図５は、第５の実施形態に係る熱電発電装置の概略斜視図である。

【図6】図６は、第５の実施形態に係る熱電発電装置を用いた排気系の概略図である。

【図7】図７Ａは、第６の実施形態に係る熱電発電装置の斜視図である。図７Ｂは、図７Ａの熱電発電装置の概略断面図である。図７Ｃは、図７Ａの熱電発電装置において用いられる第１および第２の接点要素の概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0066】

図１Ａ〜図１Ｃを参照して、熱電発電装置７ならびに対応する接点部材４および５の第１の実施形態を説明する。図１Ｂは、図１Ａにおいて斜視図で示した熱電発電装置のＡ−Ａ線に沿った断面を示し、図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂの熱電発電装置において用いられる第１の接点部材４および第２の接点部材５の平面図を示す。

【0067】

図１Ａおよび図１Ｂに特に分かりやすく示されているように、熱電発電装置７は、各図中の最も上側に配置された第１の流路１と、各図中の最も下側に配置された第２の流路２とを含む。図示した実施形態において、流路１および２はどちらもステンレス鋼シートからなり、それぞれ一定の矩形断面を有する。

【0068】

図示した実施形態において、図１Ｂにおいて右側に位置する入口１１を通って第１の流路１に入り、図１Ｂにおいて左側に位置する出口１２を通って第１の流路１から出ていく８００℃の高温の排気流は、上側の第１の流路１を矢印で示す流れ方向１０に沿って通過する。図１Ｂにおいて左側に位置する入口２１を通って第２の流路２に入り、図１Ｂにおいて右側に位置する出口２２を通って第２の流路２から出ていく４０℃の高温、よって比較的に低温の、空気流は、最も下側の第２の流路２を矢印で示す流れ方向２０に沿って通過する。図示した実施形態において、第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０は、最も上側の第１の流路１内を通過させる高温の排気流と最も下側の流路２内を通過させる低温の空気流とが熱電発電装置７を向流として流れるように、明らかに反対の向きになっている。

【0069】

第１の流路１と第２の流路２との間には、構造が同一の３つの熱電対素子３１、３２、および３３が、第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０に沿って単一層内で互いに隣接して一列に並んで配置されるように、平面３内に配置される。直接に隣接するそれぞれの熱電対素子３１、３２、および３３の間には小さい隙間が存在する。第１の流路１の壁と上記平面３内に配置された熱電対素子３１、３２、および３３との間の熱結合は、第１の接点部材４によって提供され、本実施形態においてはこの第１の接点部材４はマイカナイトからなる熱伝導フィルムである。上記平面３内に配置された熱電対素子３１、３２、および３３と第２の流路２の壁との間の熱結合は、第２の接点部材５によって成立し、本実施形態においてはこの第２の接点部材５は黒鉛からなる熱伝導フィルムである。８００℃の高熱の排気流と４０℃の低温の空気流との間の温度差により、２つの流路１および２の間に第１の接点部材４と熱電対素子３１、３２、および３３と第２の接点部材５とを通過する熱流が生じる。

【0070】

第１の接点部材４および第２の接点部材５は、第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０に沿って変化する熱抵抗を有する。

【0071】

図１Ｃの第１の接点部材４および第２の接点部材５の平面図において特に良く分かるように、第１の接点部材４を形成するマイカナイト製熱伝導フィルムは、第１の接点部材４をその深さ方向に完全に貫通し、第１の流れ方向１０を横断する方向に最大寸法を有する２つの長穴４５によって、３つの接点部分４１、４２、および４３に分割される。長穴４５として構成されたこれらの凹部は、第１の接点部材４の熱伝導性が隣接する接点部分４１・４２または４２・４３のそれぞれの間においてゼロに近くなることを保証する。第２の接点部材５を形成する黒鉛製熱伝導フィルムも、第２の流れ方向２０に沿って間隔を置いて設けられた、第２の接点部材５をその深さ方向に完全に貫通する２つの長穴５５によって、３つの接点部分５１、５２、および５３に分割される。この場合も、長穴５５として構成された凹部は、流れ方向２０を横断する方向に最大寸法を有するような向きで設けられ、それにより、隣接する接点部分５１・５２または５２・５３のそれぞれの間の熱伝導をかなり防止する。

【0072】

第１の接点部材４および第２の接点部材５の各接点部分４１、４２、４３、５１、５２、５３は、１つの熱電対素子３１、３２、３３に対応付けられている。第１の接点部材４および第２の接点部材５はそれぞれ、接点部分４１、４２、４３、５１、５２、５３のそれぞれにおいて異なる熱抵抗を有する。図示した実施形態において、このことは、第１の接点部材４を形成するマイカナイト製熱伝導フィルムの接点部分４１および４２が、長穴４６として形成された異なる数の凹部を有することにより達成されている。長穴４６は、接点部分４１および４２のそれぞれの内部において第１の流れ方向１０に沿う熱伝導を容易にするために、第１の流れ方向１０に沿う方向に最大寸法を有する。第１の接点部材４は、長穴４６の数が最も多い接点部分４１において最小有効断面積を有し、凹部のない接点部分４３において最大有効断面積を有する。さらに、第１の接点要素４は、接点部分４１において第１の熱電対素子３１に接触する表面が最小であり、接点部分４３において第３の熱電対素子３３に接触する表面が最大である。

【0073】

したがって、第２の接点部材５を形成する黒鉛製熱伝導フィルムの接点部分５２および５３も、長穴５６によって形成される異なる数の凹部を有する。この結果、ここでも、第２の接点部材５の有効断面積および第１の熱電対素子３１に接触する表面の大きさは、接点部分５１において最大であり、接点部分５３において最小である。

【0074】

熱電対素子３１、３２、および３３にそれぞれ対応付けられた第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４１・５１、４２・５２、および４３・５３は、それぞれの熱抵抗に関して、第１の熱電対素子３１に対応付けられた第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４１および５１の熱抵抗の和が第２の熱電対素子３２に対応付けられた第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４２および５２の熱抵抗の和よりも大きく、第２の熱電対素子３２に対応付けられた第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４２および５２の熱抵抗の和が第３の熱電対素子３３に対応づけられた第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４３および５３の熱抵抗の和よりも大きくなるように、調整される。これにより、第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４１、４２、４３、５１、５２、５３の熱抵抗の和は、第１の流れ方向１０に沿って減少する。この調整は、第１の接点部材４および第２の接点部材５を作製する材料の選択と、接点部分４１、４２、５２、５３に形成される凹部の配置、大きさ、および数とによってなされる。第１の流れ方向１０に沿って第１の流路１の入口１１の最も近傍に位置する第１の熱電対素子３１に比較的高い熱抵抗を故意に付与することによって、この第１の熱電対素子３１は熱的過負荷から良好に保護される。

【0075】

さらに、第２の接点部材５の熱抵抗は、第１の熱電対素子４１に対応付けられた接点部分５１において、第２の熱電対素子３２に対応付けられた第２の接点部分５２の熱抵抗よりも低いため、第１の熱電対素子３１と第２の流路２の壁との間の良好な熱伝導がさらに保証され、その結果、第１の熱電対素子３１から伝達される熱量は、大体において、第２の熱電対素子３２および第３の熱電対素子３３によって伝達される熱量と等しくなるように調節され得る。

【0076】

図示した実施形態においては、第１の接点部材４の接点部分４１、４２、および４３ならびに第２の接点部材５の接点部分５１、５２、および５３がそれぞれモノブロックの設計で設けられているため、対応する接点部分４１、４２、４３、５１、５２、５３を備える接点部材４および５の組み立てが容易である。さらに、熱抵抗が異なる接点部分４１、４２、４３、５１、５２、５３の配置が固定されているため、組み立て時の失敗が防止される。

【0077】

図示した実施形態においては、両流路１および２の内壁が、熱電対素子３１、３２、３３に対向する／接する側において平滑であり、よって冷却フィンを備えずに形成されているため、第１の流路１および第２の流路２の流体抵抗は非常に低くなっている。

【0078】

図１Ａ〜図１Ｃに示した実施形態の第１の接点部材４および第２の接点部材５は異なる材料からなるものであるが、本発明はこれに限定されない。第１の接点部材４および第２の接点部材５は同じ材料からなるものであってもよい。

【0079】

図２Ａおよび図２Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態を以下に説明する。繰り返しを避けるために、ここでは、図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら説明した第１の実施形態との相違点のみを取り上げる。ここでも、図２Ｂは、熱電発電装置７を斜視図で示す図２ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

【0080】

第２の実施形態に係る熱電発電装置７は、第２の実施形態に係る第１の接点部材４および第２の接点部材５のそれぞれが凹部を有さずに形成されている点で、上記第１の実施形態の熱電発電装置７と異なる。代わりに、第１の熱電対素子３１に対応付けられた接点部材４の接点部分４１と、第２の熱電対素子３２に対応付けられた接点部材４の接点部分４２と、第３の熱電対素子３１に対応付けられた接点部材４の接点部分４３とにおける異なる熱抵抗は、第１の接点部材４の厚さを第１の流れ方向１０に沿って減少させることによって達成されている。このため、第１の接点部材４の厚さは、第１の流れ方向１０の一番上流に位置する熱電対素子３１に対応付けられた接点部分４１において最大となり、第１の流れ方向１０に沿って一番下流に位置する熱電対素子３３に対応付けられた接点部分４３において最小となる。それにもかかわらず第１の流路１と第２の流路２との間隔を確実に一定にするために、接点部分５１、５２、および５３における第２の接点部材５の厚さは、第１の接点部材４の厚さと厳密な補完関係にある。

【0081】

この結果、第１の流れ方向１０に沿って最も上流に位置する第１の熱電対素子３１は、第１の流路１の壁から最も遠く、かつ、第２の流路２の壁に最も近くなり、第１の流れ方向１０に沿って最も下流に位置する第３の熱電対素子３３は、第１の流路１の壁に最も近く、かつ、第２の流路２の壁から最も遠くなっている。

【0082】

第１の接点部材４および第２の接点部材５の材料厚さを異ならせるために、図示した実施形態の接点部分４および５は、異なる量の磁器ビーズが添加され、第１の流路１および第２の流路２のそれぞれに印刷されたシリコーンゴムからなる。この実施形態においても、隣接する熱電対素子３１・３２および３２・３３は、対をなして、同一の構造である。この実施形態においても、熱電対素子３１、３２、および３３に対応付けられた接点部分４１・５１、４２・５２、および４３・５３の熱抵抗の和は、第１の流れ方向１０に沿って減少する。

【0083】

図３Ａ〜図３Ｃを参照して、熱電発電装置７ならびに対応する接点部材４および５の第３の実施形態を以下に説明する。不必要な繰り返しを避けるために、上記各実施形態を参照し、相違点のみを詳細に取り上げる。

【0084】

図３Ａから特に良く分かるように、図示した実施形態の第１の流路１および第２の流路２の壁はそれぞれ、熱電対素子３１、３２、３３に対向する側に、第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０のそれぞれに沿って均一に分布された冷却フィン６１および６２を含む。この結果、熱伝達に利用可能な第１の流路１および第２の流路２の壁の面積は、より大きくなる。

【0085】

上記第１および第２の実施形態とは異なり、第３の実施形態においては第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０が同じ方向に向けられていることで、第１の流路１および第２の流路２が並流で動作可能となっている。

【0086】

それにより、第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４１および５１は、第１の流れ方向１０および第２の流れ方向２０に沿って最も上流に位置する第１の熱電対素子３１に対応付けられ、最も高い熱抵抗を有し、第１の接点部材４および第２の接点部材５の接点部分４３および５３は、最も下流に位置する第３の熱電対素子３３に対応付けられ、最も低い熱抵抗を有する。

【0087】

図３Ｃからかなり良く分かるように、この実施形態においてはそれぞれアクリルポリマーからなる第１の接点部材４および第２の接点部材５の熱抵抗は、凹部４６および５６をそれぞれに形成することによって調節される。但し、ここで図示した実施形態においては、第１の実施形態のように凹部４６および５６の数によって熱抵抗を変化させるのではなく、それぞれの凹部４６および５６の大きさによって熱抵抗を変化させている。

【0088】

さらに、第３の実施形態において、第１の接点部材４の接点部分４１、４２、および４３ならびに第２の接点部材５の接点部分５１、５２、および５３は、第１の実施形態とは異なり、長穴によって分割されるのではなく、第１の接点部材４および第２の接点部材５の熱伝導性が低い物質の含有量を大幅に増加させた領域４５および５５によって分割されている。図示した実施形態において、この熱伝導性が低い物質はアルミナである。この結果、隣接する接点部分４１・４２間および４２・４３間、ならびに、５１・５２間および５２・５３間のそれぞれの領域４５および５５の熱抵抗は、図示した実施形態においては、それぞれの隣り合う接点部分の平均熱抵抗の１１倍高い。

【0089】

あるいは、部分４５および５５において用いられる、熱抵抗を変化させるために材料組成を調節する技術が、第１の接点部材４の接点部分４１、４２、および４３ならびに／または第２の接点部材５の接点部分５１、５２、および５３の熱抵抗を調節するために用いられてもよい。

【0090】

図４を参照して、熱電発電装置７の第４の実施形態を以下に説明する。第１の実施形態との相違点のみを詳細に取り上げ、その他については第１の実施形態の説明を参照する。

【0091】

図４に示す第４の実施形態は、低温の空気流を通過させる２つの第２の流路２が設けられ、それらの間に高温の排気流を通過させる第１の流路１が配置されている点で、図１Ａ〜図１Ｃに示す第１の実施形態とは異なる。第１の流路１とこれに隣接する各第２の流路２との間にそれぞれの熱電対素子３が配置され、第１の流路１と各熱電対素子３との間の熱伝導は、それぞれ、第１の接点層４によって提供される。熱電対素子３とこれに隣接する各第２の流路２との間の熱伝導は、第２の接点部材５によって提供される。図４に示した構成により、第１の流路１を通過させる高温の排気流のエネルギーを特に有効に利用することが可能になる。

【0092】

図５を参照して、熱電発電装置７の第５の実施形態を以下に説明する。第４の実施形態との相違点のみを取り上げ、その他については上記各実施形態の説明を参照する。

【0093】

図５に示す熱電発電装置７は、発電装置に向流ではなく直交流を通過させる点のみが、図４に示す熱電発電装置７と異なる。したがって、第１の流路１と２つの第２の流路２との間の単一層内に配置された各熱電対素子３は、いくつかの平行な列に配置される。

【0094】

図６を参照して、図５に示した実施形態に係る熱電発電装置７を用いる排気系８の一実施形態を以下に説明する。

【0095】

図６から明らかなように、エンジン制御装置９１を有する内燃機関９０が発生させた排気ガスは、第１の流路１の入口を介して熱電発電装置７に通される。第１の流路１の出口は、テールパイプ８２で終端する排気ガス配管８１によって排気系８に連結される。

【0096】

排気系８は、消音器またはエミッションコントロールシステム等をさらに含み得ることが理解される。便宜上、これらの構成要素は図示されていない。

【0097】

図７Ａ〜図７Ｃを参照して、熱電発電装置７’の第６の実施形態を以下に説明する。繰り返しを避けるために、図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら説明した上記第１の実施形態との相違点のみを取り上げ、その他については上記の説明を参照する。

【0098】

第６の実施形態の熱電発電装置７’ならびに対応する接点部材４’および５’は、第１の接点部材４’および第２の接点部材５’のそれぞれが、熱電対素子３１’、３２’、および３３’に対応付けられた接点部分４１’、４２’、４３’、５１’、５２’、および５３’において同じ熱伝導性を有する点で、第１の実施形態の熱電発電装置７ならびに対応する接点部材４および５と異なる。したがって、第１の接点部材４’および第２の接点部材５’は、それらの接点部分４１’、４２’、４３’、５１’、５２’、および５３’に長穴等を有しておらず、接点部材４’および５’を接点部分４１’、４２’、４３’、５１’、５２’に分割し、隣接する熱電対素子３１’と３２’と３３’の間で接点部材４’および５’にわたって熱伝導が生じることを防止する長穴４５および５５のみが設けられている。上記２つの接点部材４’および５’は、長穴４５および５５を除いては、材料および厚さが一定のマイカナイト製熱伝導フィルムからなる。

【0099】

これに対して、熱電対素子３１’、３２’、および３３’は、この実施形態においては構造が同一ではなく、異なる温度範囲用に構成される。具体的には、第１の流れ方向１０に沿って第１の流路１の入口１１の最も近傍に位置する第１の熱電対素子３１’は、第１の流路１における７００℃から第２の流路２における２００℃までの温度差において最も効率が高く、第１の流れ方向１０に沿って下流に位置する第２の熱電対素子３２’は、第１の流路１における６５０℃から第２の流路２における１５０℃までの温度差において最も効率が高い。

【0100】

したがって、異なる温度差への適合は、本実施形態においては、熱電対素子３’を対応して選択することによって達成される。接点部材４’および５’における長穴４５および５５は、接点部材４’および５’にわたって、隣接する熱電対素子３’間の熱流を防止する。さらに、接点部材４’および５’がモノブロックの設計であるため、熱電発電装置７’の簡単な組み立てが可能である。

【0101】

なお、熱電対素子と、対応する電力変換装置との電気配線の説明は、これらが本発明の機能性の理解には関係がないため、上記実施形態からは省略した。同じ理由で、上記２つの流路２を満たす低温の空気流の通路の詳細な説明は、図６では省略した。

【0102】

本発明の上記実施形態を単なる例として説明したが、以下の請求項において開示される発明の範囲および要旨から逸脱することなく、多くの変形、追加、および代替が可能であることは、当業者にとって明らかである。

【0103】

したがって、本発明に係る熱電発電装置は、原則的に、任意の流体に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するのに適しており、内燃機関によって駆動される車両の排気ガスに含まれる熱エネルギーに限定されるわけではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】