JP2005294695A - 排熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】排熱回収装置を構成する熱電モジュール2は、高温側端部21と低温側端部22との温度差を電気に変換する熱電素子3を構成するp型半導体3p及びn型半導体3nを有してなる。熱電モジュール2では、断熱支持部材41、42及び電極部材を介設して、排気管部20の長手方向に沿ってn型半導体3nとp型半導体3pとを交互に積層してなり、高温側端部21及び低温側端部22では、電極部材を介在してn型半導体3nとp型半導体3pとが電気的に接続されている。
【選択図】図3
Description
しかしながら、上記従来の技術におけるエネルギー回収効率は十分なものではなく、エネルギー回収効率を向上し得る新たな排熱回収装置の開発が望まれている。
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる空間である排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するp型半導体及びn型半導体と、
上記低温側端部に配設される低温側熱交換部と、
上記高温側端部に配設される高温側熱交換部とを有してなり、
上記熱電モジュールでは、断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記n型半導体と上記p型半導体とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記n型半導体と上記p型半導体とが電気的に接続されていることを特徴とする排熱回収装置にある(請求項1)。
また、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部は、表面積の大きいフィン形状を呈していることが好ましい。さらに、上記断熱支持部材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。さらにまた、上記排気管部内には、例えば、排気ガスを流通する配管等を、上記高温側熱交換部と近接して配置することもできる。
この場合には、最大熱電効率が得られるピーク温度が高い上記分割熱電素子を構成する上記各半導体を、上記排気管部に近づけて配置することで、各分割熱電素子の特性をより効率よく発揮させることができ、エネルギー回収効率を高めることができる。
この場合には、上記排気管部を流動する排気ガスの排熱を、上記熱電素子に直接的に伝達可能な構造を実現できる。そのため、上記排熱回収装置は、エネルギー回収効率の高いものとなる。
この場合には、上記断熱支持部材の外表面に配設した上記導電層よりなる上記電極部材を介して、隣り合わせて積層した上記p型半導体と上記n型半導体とを確実性高く電気的に接続できる。
この場合には、上記n型半導体と上記p型半導体とを電気的に接続する上記電極部材としての上記各熱交換部を介して、効率良く熱交換することができる。これにより、上記各半導体から外部へ至る熱抵抗を抑制して、排熱の回収効率をさらに向上することができる。
この場合には、上記排気ガスと上記高温側熱交換部との間の熱交換を促進して、上記排熱回収装置による排熱の回収効率を向上することができる。
本発明の実施例に係る排熱回収装置につき、図1〜図11を用いて説明する。
本例の排熱回収装置1は、図1及び図2に示すごとく、内燃機関6の排気ガスを通す排気経路10と、該排気経路10中に配設した熱電モジュール2とを有するものである。
熱電モジュール2は、図3及び図4に示すごとく、排気ガスを流通させる排気管部20と、高温側端部21と低温側端部22との温度差を電気に変換する熱電素子3を構成するp型半導体3p及びn型半導体3nと、熱電モジュール2の低温側端部22に配設される低温側熱交換部220と、熱電モジュール2の高温側端部21に配設される高温側熱交換部210とを有してなる。
以下に、この内容について詳しく説明する。
なお、本例の高温側熱交換部210の各リブ215の表面に白金、パラジウム、ロジウム等よりなる触媒(図示略)を担持することもできる。この場合には、排ガスに触媒が反応して活性化する際の発熱により、さらに高温の熱を取り込むことができる。
なお、本例では、隣り合って積層したn型半導体3nとp型半導体3pとが各熱交換部210、220を介して電気的に短絡しないよう、各熱交換部210、220の外表面のうちの少なくとも両側面(積層面)には、電気的絶縁を図ると共に熱電導性を維持するためのアルミナ溶射膜(図示略)を形成してある。
なお、本例では、高温用の熱電素子を構成するn型半導体31nとしてCoSbを、p型半導体31pとしてZnSbを用いた。また、低温用の熱電素子を構成するn型半導体32nとしてBi2Te3を、p型半導体32pとしてBi2Te3を用いた。
まず、外周面及び両側面の外周縁部にスパッタ膜301を形成した第1の断熱支持部材41と、両側面にアルミナ溶射膜を形成した高温側熱交換部210とを組み合わせた略円環平板状の部品を準備する。そして、円盤状に回転させた上記略円環平板状の部品の表面における径方向所定の位置から内周側に拡がる範囲に、p型半導体31pを形成するZnSbを溶射した。その後、上記該所定の位置から外周縁部までの範囲に、p型半導体32pを形成するBi2Te3を溶射した。
なお、上記溶射処理においては、p型半導体31p(n型半導体31n)とp型半導体32p(n型半導体32n)との境界部においては、徐々に材質を変更して上記境界部の径方向の厚さを厚くしても良く、上記境界部の径方向の厚さを薄くして径方向に材質が急変するようにしても良い。
そして、本例では、上記積層部品20aと上記積層部品20bとを交互に46層積層して熱電モジュール2を得た。なお、積層部品20aと積層部品20bを積層するに当たっては、高温用銀ペーストを用いて上記各積層部品20a、20bを接合した。
上記排熱回収装置1では、図1に示すごとく、上記各熱電モジュール2の熱電素子3と電気的に接続した一対のリード線14は、変換回路17を介してバッテリ16に接続してある。また、変換回路17は、ECU18に電気的に接続され、ECU18の指示に基づいて回路を切り替えて、上記熱電モジュール2の発電モードを適切なタイミングで実行するように構成してある。なお、熱電モジュール2の発電モードとは、熱電素子3の高温側端部21と低温側端部22との温度差を電気に変換する動作を行うモードをいう。
本例は、実施例1の排熱回収装置を基にして、熱電モジュール2の製造方法を変更した例である。この内容について、図6、図7、図12及び図13を用いて説明する。
本例では、図12に示すごとく、予め、略円環平板状を呈する各半導体31p、32p(31n、32n)を準備しておき、これらを組み合わせて図13に示す半導体3p(3n)を得る。その後、各断熱支持部材41、42と、半導体3p、3nとを積層して熱電モジュールを得た。
そして、積層部品20aと、第2の断熱支持部材42に低温側熱交換部220を外挿した積層部品20b(図7)とを所定の枚数、交互に積層することで実施例1と同様の熱電モジュールを得る。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
本例は、実施例1の熱電モジュールを基にして、分割熱電素子の構成を変更した例である。この内容について、図14及び図15を用いて説明する。
本例の熱電モジュール2では、図14(A)及び図15に示すごとく、高温側端部21の分割熱電素子である高温素子31p、31nの径方向の厚さA(図15)と、低温側端部22の分割熱電素子である低温素子32p、32nの径方向の厚さB(図15)との比(A/B)を、排気管部20の長手方向に応じて変更してある。
なお、その他の構成及び、作用効果については、実施例1と同様である。
さらになお、熱電モジュール2を構成するのに必要となる部品種類を少なくするためには、熱電モジュール2の長手方向を数セクションに分割し、各セクション内では、上記厚さの比(A/B)を同一の値することが有効である。
2 熱電モジュール
20 排気管部
21 高温側端部
22 低温側端部
210 高温側熱交換部
220 低温側熱交換部
3 熱電素子
3p p型半導体
3n n型半導体
4 断熱支持部材
41 第1の断熱支持部材
42 第2の断熱支持部材
6 内燃機関
61 排気経路
62 触媒装置
Claims (7)
- 内燃機関の排気ガスを通す排気経路と、該排気経路中に配設した熱電モジュールとを有する排熱回収装置であって、
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる空間である排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するp型半導体及びn型半導体と、
上記低温側端部に配設される低温側熱交換部と、
上記高温側端部に配設される高温側熱交換部とを有してなり、
上記熱電モジュールでは、断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記n型半導体と上記p型半導体とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記n型半導体と上記p型半導体とが電気的に接続されていることを特徴とする排熱回収装置。 - 請求項1において、上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子が構成されており、上記ピーク温度が高い分割熱電素子を構成する上記各半導体が、上記排気管部に近づけて配置されていることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項1又は2において、上記熱電モジュールでは、上記n型半導体と上記p型半導体との組み合わせが、上記排気管部の長手方向に沿って2層以上積層されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みAと、上記ピーク温度が最も低い低温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みBとの比(A/B)が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変更してあることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、上記n型半導体、上記p型半導体及び上記断熱支持部材は、それぞれ、内周部に貫通穴を設けた環状をなし、上記排気管部は、上記各貫通穴が相互に連通するように積層した上記n型半導体、上記p型半導体及び上記断熱支持部材の内周側に形成されていることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記電極部材は、上記断熱支持部材の外表面の一部に配設した導電層であることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記電極部材は、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部であることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、上記高温側熱交換部は、上記排気管部の内部に突出していることを特徴とする排熱回収装置。
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