JP2006348844A - 熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導効率が良好で複数の熱電変換モジュールへの熱伝導がほぼ均一であるとともに，製造が容易で低コストで実現可能な熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置を提供すること。
【解決手段】本発明の熱回収器１０は，ステンレス鋼製の複数の集熱フィン１２を間隔をあけて積層してなる熱回収器１０であって，複数の集熱フィン１２の積層体の一端に，集熱フィン１２間の間隔を閉塞した閉塞部１０ｄが形成されており，複数の集熱フィン１２の積層体のうち閉塞部１０ｄ以外の部分が，集熱フィン１２間にガスを通す通気部１０ｃとなっており，複数の集熱フィン１２の一端が，閉塞部１０ｄにおける通気部１０ｃの反対側の面（裏面１０ａ）に露出しているものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は，例えば内燃機関等から排出される排ガスの熱を回収する熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置に関する。さらに詳細には，排ガスに接触して熱を回収するとともに，その熱エネルギーを熱電変換モジュールに伝達させて有効利用するための熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置に関するものである。

従来より，内燃機関等から排出される高温の排ガスから熱エネルギーを回収し，回収した熱エネルギーを電気エネルギーに変換して有効利用するための熱電変換装置が用いられている。このような熱電変換装置としては，高温側と低温側との温度差を利用して発電される熱電変換モジュールを使用するものがある。さらに，その熱電変換モジュールの高温側へ排ガスの熱を効率よく伝導するために，一般に，複数の金属製の板材を並べたフィン状の熱回収器が用いられている。

例えば，特許文献１には，排気管内に高さが異なる集熱フィンを交互に対向させ，排ガスの流れ方向に対して平行に配置した熱電変換装置が提案されている。この文献によれば，このように配置することにより，排ガスの通気抵抗を増加することなく，集熱効率を向上させることができるとされている。また，特許文献２には，複数の熱交換部材を排ガス流路の長手方向に並べ，それらのフィン間ピッチを下流ほど狭く形成された熱電変換装置が提案されている。このようにすれば，長手方向に並べられた各熱電変換モジュールでの高温側の温度が一様になるとされている。
特開平１１−１２２９６０号公報（第７頁） 特開２００４−２０８４７６号公報（第８頁）

しかしながら，前記した従来の熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置には，次のような問題点があった。一般にフィンを構成する板材の熱容量が大きく，フィン自体の昇温に熱が奪われるため，熱電変換モジュールへ効果的に熱を供給することができないおそれがあった。特に，フィンがステンレス鋼製のものの場合では，ステンレス鋼は熱抵抗が高いため非効率になりがちであった。一方で，熱伝導性に優れた銅材は，高温下で強度が小さく腐食されやすいため，フィンとして使用するには適しているとはいえなかった。

さらに，特許文献１に記載の技術では，排気管の断面形状が扁平であり，その両側部にはガスが流れにくい。そのため，効率が上がりにくいという問題点があった。また，特許文献２に記載の技術では，長手方向にそれぞれフィン間ピッチの異なる熱回収器を用意する必要があるので，製造工程が煩雑になるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，熱伝導効率が良好で複数の熱電変換モジュールへの熱伝導がほぼ均一であるとともに，製造が容易で低コストで実現可能な熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の熱回収器は，ステンレス鋼製の複数の集熱フィンを間隔をあけて積層してなる熱回収器であって，複数の集熱フィンの積層体の一端に，集熱フィン間の間隔を閉塞した閉塞部が形成されており，複数の集熱フィンの積層体のうち閉塞部以外の部分が，集熱フィン間にガスを通す通気部となっており，複数の集熱フィンの一端が，閉塞部における通気部の反対側の裏面に露出しているものである。

本発明によれば，集熱フィンの間にガスが通されるので，各フィンにガスの熱が伝達されるとともに，その集熱フィンの一端に閉塞部が形成されているので，その閉塞部を把持する等によって全体として取り扱うことができる。さらに，閉塞部における通気部の反対側の裏面に集熱フィンの一端が露出されているので，その裏面に熱電変換モジュール等を接触させれば，効率よく熱を伝達することができる。また，集熱フィンは積層によって製造されるので，製造は容易である。従って，熱伝導効率が良好であり，製造が容易で低コストで実現可能な熱回収器となっている。

さらに本発明では，閉塞部は，複数の集熱フィン間に挟持されたステンレス鋼製の複数のスペーサを有し，複数の集熱フィンと複数のスペーサとが接合されて一体化されたものであることが望ましい。
このようにすれば，集熱フィンとスペーサはともにステンレス鋼製であり，例えば溶接等により容易に接合できる。従って，製造が容易で低コストで実現可能な熱回収器となっている。

さらに本発明では，複数の集熱フィンの一端にリブが形成されており，閉塞部は，複数の集熱フィンがそれらのリブの部分で互いに接合されて一体化されたものであることが望ましい。
このようにすれば，閉塞部を形成するために別部材を必要とすることが無い。さらに，例えばプレス加工等によってフィンにリブを形成することは容易であり，製造は容易である。

さらに本発明では，閉塞部を囲むとともに，閉塞部に接合されて一体化しているステンレス鋼製の取り付け枠を有することが望ましい。
このようにすれば，取扱が容易であり，取り付け枠を使用して他部材に固定することができる。さらに，取り付け枠がステンレス鋼製であれば，他部材と同様に腐食に強いものとなる。

さらに本発明では，集熱フィンの厚さが，０．０５〜０．４ｍｍの範囲内にあり，閉塞部における通気部の反対側の裏面が切削または研削により平坦化されていることが望ましい。
このようにすれば，各集熱フィンが薄いものであるので，集熱フィンの製造が容易であるとともに熱容量が小さい。従って，熱伝導効率が良好なものとなる。また，閉塞部における通気部の反対側の裏面が平坦化されているので，熱電変換モジュール等を密着させることができ，さらに熱伝導効率が良好なものとなる。

また，本発明の熱電変換装置は，高温ガスからの排熱により熱発電素子を加熱して発電させる熱電変換装置であって，高温ガスの入力を一端から受けるとともに，高温ガスを外部へ漏出させる通気孔が側面に形成された入力管と，入力管の通気孔から高温ガスの流れを受ける位置に配置された熱回収器とを有し，熱回収器は，ステンレス鋼製の複数の集熱フィンを，入力管の通気孔から高温ガスの流れと交差しない方向に，間隔をあけて積層してなり，複数の集熱フィンの積層体の一端に，集熱フィン間の間隔を閉塞した閉塞部が形成されており，複数の集熱フィンの積層体のうち閉塞部以外の部分が，集熱フィン間にガスを通す通気部となっており，複数の集熱フィンの一端が，閉塞部における通気部の反対側の裏面に露出しており，閉塞部は，入力管の通気孔から高温ガスの流れが当たる方向に配置されており，裏面から熱発電素子へ熱を供給するものである。

本発明の熱電変換装置によれば，高温ガスは入力管に入力されて通気孔から漏出され，熱回収器で受けられる。熱回収器は，集熱フィンを通気孔からの高温ガスの流れと交差しない方向に，間隔をあけて積層されているので，この集熱フィンの間隔を高温ガスは通過できる。さらに，閉塞部に高温ガスの流れが当てられるので，高温ガスの熱は集熱フィンによって効率よく集められる。さらに，その集熱フィンの一端が裏面に露出しているとともに，その裏面から熱発電素子へ熱が供給されるので，熱伝導効率が良好な熱電変換装置となっている。

さらに本発明では，入力管は，他端が閉塞されるとともに，複数の通気孔が管内のガスの流れ方向に沿って形成されたものであり，入力管の複数の通気孔に対応して複数の熱回収器が配置されており，入力管の複数の通気孔のサイズが，管内のガスの流れ方向の上流側のものほど大きいことが望ましい。
このようにすれば，入力管に入力されたガスは，他端が閉塞されているため，入力側から下流へ向かって次第に高圧となる。このとき，入力管の通気孔のサイズが，ガスの流れ方向の上流側のものほど大きいので，各通気孔から漏出するガス量をほぼ同量となるようにすることができる。従って，各熱回収器に伝達される熱量をほぼ均一とできることから，複数の熱電変換モジュールへの熱伝導がほぼ均一である熱電変換装置とすることができる。

本発明の熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置によれば，熱伝導効率が良好で複数の熱電変換モジュールへの熱伝導がほぼ均一であるとともに，製造が容易で低コストで実現可能なものとなっている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，自動車の排ガスから熱を回収して熱電変換モジュールへ伝導するための熱回収器およびそれを用いた熱電変換装置に本発明を適用したものである。

本形態の熱回収器１０は，図１と図２に示すように，取付枠１１に，複数枚のフィン１２とその間のスペーサ１３，端部プレート１４が取りつけられているものである。取付枠１１は，中央部に四角い貫通孔が設けられた枠状の部材である。フィン１２と端部プレート１４とは，厚さが異なるものの，面サイズがほぼ等しい長方形板状の部材である。スペーサ１３は，一辺の長さがフィン１２の一辺と等しく，他辺は取付枠１１の厚さよりやや大きい棒状部材である。

ここで，本形態の熱回収器１０のフィン１２は，１８Ｃｒ以上のステンレス鋼製の箔で形成されている。このフィン１２の厚さは，一般に箔と呼ばれる０．０５〜０．４ｍｍの範囲内であることが好ましく，特に０．０５〜０．１ｍｍの範囲が好ましい。一方，スペーサ１３と端部プレート１４とは，いずれも一般的なステンレス鋼製の板材で形成され，その厚さは０．５ｍｍ程度が好ましい。また，取付枠１１もステンレス鋼製であり，その厚さや大きさは，熱回収器１０が適切な強度を有するように選択される。

そして，図１と図２に示すように，複数枚のフィン１２とスペーサ１３とは，その一辺を揃えて交互に積層され，その積層両端が端部プレート１４によって挟み込まれている。熱回収器１０は，この積層されたフィン１２とスペーサ１３と端部プレート１４とが，取付枠１１の貫通孔にきっちりはめ込まれたものである。このとき，図２に示すように，取付枠１１，フィン１２，スペーサ１３，端部プレート１４のすべての図中下端は，ほぼ裏面１０ａ内に配置されるように揃えられている。

さらに，熱回収器１０の裏面１０ａは，図３に示すように，取付枠１１とその枠内にはめ込まれたフィン１２，スペーサ１３，端部プレート１４がすべてまとめて，数カ所で溶接されることにより一体化されている。図３では，その溶接箇所１５を破線で示している。各溶接箇所１５は，フィン１２の積層方向に細長い帯状であり，フィン１２の一辺方向に数カ所がバランスよく設けられている。ここでは，全面溶接は行わない。また，各部材１１，１２，１３，１４は，いずれもステンレス鋼材で形成されているので，溶接は容易である。

さらに，溶接後に０．０５〜０．２ｍｍ程度切削することにより，この裏面１０ａは滑らかな平面に加工されている。そのため，裏面１０ａはあたかも一枚板のように見えるが，図３に一点鎖線で示した範囲１０ｂの内側には，フィン１２，スペーサ１３，端部プレート１４の一部がそれぞれ露出されている。使用時には，熱電変換モジュールをこの裏面１０ａに接触させて設置する。

また，熱回収器１０では，図２に示すように，フィン１２のうちスペーサ１３に接触していない図中上方の部分では，隣接するフィン１２との間に所定の空隙ができている。ガスはこの空隙を積層方向に垂直な方向に通過できるので，この部分が通気部１０ｃとなっている。そして，通気部１０ｃの下方は，各フィン１２間の間隔がスペーサ１３によって閉塞された閉塞部１０ｄとなっている。取付枠１１の厚さは，閉塞部１０ｄの高さ以下とされている。

次に，本形態の熱回収器１０の製造方法を説明する。まず，取付枠１１，各フィン１２，スペーサ１３，端部プレート１４をプレス加工等によりそれぞれ製造する。次に，各フィン１２とスペーサ１３とを交互に積層し，２枚の端部プレート１４で挟んで，取付枠１１に圧入する。このとき，下側は多少凹凸があってもよい。さらに，下側から上記のように帯状に数カ所を溶接し，その後切削して滑らかな平面である裏面１０ａを形成する。以上で，熱回収器１０の完成である。この製造方法では，積層工程の自動化が可能であり，また全工程とも実施は容易である。

次に，本形態の熱回収器１０を使用した熱電変換装置２０について説明する。熱電変換装置２０は，図４に示すように，排ガスを流通させる流路２１が形成され，その流路２１中に熱回収器１０が複数個並べて設けられている。流路２１は，排ガスの入力を受ける入力管２１ａと熱回収器１０を通過した排ガスを出力させる出力管２１ｂとによって形成されている。入力管２１ａは，図４に示すように，図中左端から排ガスの入力を受けて図中右方向へ流すとともに，その壁面には，排ガスの流れ方向に沿って複数の貫通孔２２，２３，２４，２５が形成されている。また，入力管２１ａの図４中右端側は閉止されている。従って，入力管２１ａに入力された排ガスはすべて，各貫通孔２２，２３，２４，２５から外部へ漏出する。図４では，ガスの流れを矢印で示している。

そして，各熱回収器１０は，図４に示すように，各貫通孔２２，２３，２４，２５から漏出する排ガスを受ける位置にそれぞれ配置されている。すなわち，各熱回収器１０は，図４中奥行き方向がフィン１２の積層方向であり，図４中上方向に通気部１０ｃを向けるように配置されている。そして，熱回収器１０に対して排ガスの流れの上流側に各貫通孔２２，２３，２４，２５が配置されている。各熱回収器１０を通過した排ガスは，出力管２１ｂによって図４中右方へ導かれて，排出される。

従って，排ガスは，熱回収器１０の各フィン１２の間の全体を通って下流方向へ流れるので，フィン１２の表面積が有効に利用される。さらに，図５に示すように，排ガスが斜め上方から吹き付けられるので，排ガスは，各熱回収器１０の通気部１０ｃにおいて各フィン１２の間隙を通り，閉塞部１０ｄにも当たる。なお，ここで使用されている各熱回収器１０は，図１〜図３に示したものであり，いずれも同じ構成のものである。

さらに，各熱回収器１０の裏面１０ａに接して，それぞれ熱電変換モジュール２６の高温側が配置されている。この裏面１０ａは，閉塞部１０ｄのうち通気部１０ｃの反対側の面であり，ここには上記のように各フィン１２の一端部が露出されている。従って，熱電変換モジュール２６の高温側は，各フィン１２の一端部と直接接触していることになる。

次に，各貫通孔２２，２３，２４，２５の大きさについて説明する。各貫通孔２２，２３，２４，２５の奥行きＴはいずれも，図５に示すように，熱回収器１０のフィン１２の積層方向の幅Ｗと同程度とされている。一方，各貫通孔２２，２３，２４，２５のスリット幅Ｓ１〜Ｓ４は，一定ではなく，排ガスの流れ方向の上流側に配置されるものほど大きくされている。すなわち，図６に示すように，Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４とされている。これは，上記のように入力管２１ａの図６中右端が閉止されているため，流路２１の内部の排ガス圧力は，Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４となっているからである。そのため，スリット幅Ｓ１〜Ｓ４を，上記のように設定することによって，各熱回収器１０が受ける排ガスの量がほぼ同じになるように調整されている。

このように，各熱回収器１０に対して，ほぼ同量の排ガスが流通路から直接流れ込むようにされているので，各熱回収器１０において，ほぼ等しい量の熱をそれぞれ回収することができる。すなわち，本形態の熱電変換装置２０では，前段の熱回収器１０を通過した排ガスが後段の熱回収器１０に流れ込むわけではないので，同じ熱回収器１０および熱電変換モジュール２６がガスの流通方向に複数個並べられて使用されても，各モジュール間の発電効率に差が生じることはない。

さらに，各熱回収器１０のフィン１２に対して，排ガスが斜め上方から吹き付けるようにされているので，排ガスを通気部１０ｃを通って閉塞部１０ｄまで到達させることができる。従って，フィン１２の表面積の全体を有効に利用している。また，フィン１２が箔で構成されているので，熱容量が小さく，早く温度上昇させることができるとともに，比較的小さい領域に多数枚を並べることができ，排ガスとの接触面積を大きいものとすることができる。

この熱回収器１０では，フィン１２がステンレス鋼製であり，ステンレス鋼の熱伝導率自体は，銅などと比較してあまりよいとはいえない。しかし，各熱回収器１０の裏面１０ａには，フィン１２の端部が露出しており，フィン１２と熱電変換モジュール２６の高温側とが直接接触している。従って，実際に変換に寄与する熱となる裏面１０ａの温度を早く上昇させることができ，熱電変換モジュール２６への熱供給を，早く行うことができる。これにより，熱伝導率のよくない点を補ってあまりある効果を発することができる。

また，各フィン１２の材質として，１８Ｃｒ以上のステンレス鋼材を使用したので腐食に強く，排気ガス中の水蒸気や酸化雰囲気中においても錆びることはない。さらに，各フィン１２は排気ガスの熱によって多少熱膨張するものであるが，箔であるために剛性が小さく，変形することによって熱膨張分が吸収される。また，ステンレス鋼自体の熱膨張率は比較的小さく，ステンレス鋼の種類によって多少熱膨張率が異なっているとしても，その差は小さいものである。さらに，フィン１２と取付枠１１とが部分溶接によって取りつけられているので，これらの熱膨張率が多少異なる場合でも，溶接されていない部分によって差分が吸収できる。これらのことから，本形態の熱回収器１０は，排ガスの熱の作用により破損することがない。

さらに，本形態の熱回収器１０では，フィン１２が箔なので，プレスによる打ち抜きや切断等の加工法によって容易に製造できる。また，積層工程は自動化することが可能であり，溶接工程は安価な接合工程である。すなわち，プレートに板材をロウ付けしたり，削り出しによってフィンを形成したりすることと比較すると，本形態の熱回収器１０の製造コストはかなり安価なものとなっている。

また，上記の熱回収器１０に加えて，フィン１２にはプレス加工により，リブ付けが可能である。そこで，例えば図７に示すように，両端部にリブ３１ａを設けたフィン３１を積層することで面剛性を高めることができる。フィン３１の両端部には，所定の間隔をあけて複数のリブ３１ａが設けられている。このようなフィン３１を積層すれば，図７に示すように，リブ３１ａによってフィン３１同士の適切な間隔が保持されるとともに，リブ３１ａの間からガスを通すことができる。

さらに，図８や図９に示すように，面内に複数の突起形状３２ａ，３３ａを形成したフィン３２，３３を積層して使用してもよい。このようなものでも面剛性を高めることができ，さらに，ガスの流れ方向制御を行うこともできる。さらには，これらのリブ形状や突起形状を適切に形成することにより，スペーサ１３を省略することもできる。

以上詳細に説明したように，本形態の熱回収器１０によれば，フィン１２が，ステンレス鋼製の箔によって形成されている。さらに，フィン１２とスペーサ１３と端部プレート１４とが積層され，取付枠１１の貫通孔にはめ込まれている。従って，フィン１２の熱容量が小さく熱効率が良好であるとともに，熱電変換モジュール２６へ素早く熱を伝達することができる。また，本形態では，熱回収器１０を入力管２１ａの外側に並べ，その入力管２１ａには，各熱回収器１０に対応して，大きさの異なる貫通孔２２，２３，２４，２５が設けられているので，各熱回収器１０にほぼ均一に熱が加えられる。また，熱回収器１０の製造工程のうち積層工程や溶接工程については自動化が可能であり，低コストで容易に製造できる。従って，熱伝導効率が良好で複数の熱電変換モジュール２６への熱伝導がほぼ均一であるとともに，製造が容易で低コストで実現可能な熱回収器となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，熱回収器１０を入力管２１ａに沿って１列に４個を並べるとした。しかし，１列や４個に限らず，複数列とすることもできるし，１列の個数を３個または５個等と変更することももちろん可能である。排ガスの流量等に応じてその個数を決定すればよい。
また例えば，図８や図９に示した突起形状３２ａ，３３ａの形状は，円柱形に限らず，四角柱や円錐台等でもよい。

本形態の熱回収器の概略外観を示す斜視図である。 本形態の熱回収器の概略構成を示す断面図である。 本形態の熱回収器の裏面を示す説明図である。 熱電変換装置を示す説明図である。 使用時の熱回収器を示す説明図である。 熱電変換装置を示す説明図である。 フィンにリブ付けした例を示す説明図である。 フィンに突起を形成した例を示す説明図である。 フィンに突起を形成した例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 熱回収器
１０ｃ 通気部
１０ｄ 閉塞部
１１ 取付枠
１２ フィン
１３ スペーサ
２０ 熱電変換装置
２１ 流路
２１ａ 入力管
２２，２３，２４，２５ 貫通孔
３１ａ リブ

Claims (7)

1. ステンレス鋼製の複数の集熱フィンを間隔をあけて積層してなる熱回収器において，
   前記複数の集熱フィンの積層体の一端に，集熱フィン間の間隔を閉塞した閉塞部が形成されており，
   前記複数の集熱フィンの積層体のうち前記閉塞部以外の部分が，集熱フィン間にガスを通す通気部となっており，
   前記複数の集熱フィンの一端が，前記閉塞部における前記通気部の反対側の裏面に露出していることを特徴とする熱回収器。
2. 請求項１に記載の熱回収器において，前記閉塞部は，
   前記複数の集熱フィン間に挟持されたステンレス鋼製の複数のスペーサを有し，
   前記複数の集熱フィンと前記複数のスペーサとが接合されて一体化されたものであることを特徴とする熱回収器。
3. 請求項１に記載の熱回収器において，
   前記複数の集熱フィンの一端にリブが形成されており，
   前記閉塞部は，前記複数の集熱フィンがそれらのリブの部分で互いに接合されて一体化されたものであることを特徴とする熱回収器。
4. 請求項２または請求項３に記載の熱回収器において，
   前記閉塞部を囲むとともに，前記閉塞部に接合されて一体化しているステンレス鋼製の取り付け枠を有することを特徴とする熱回収器。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の熱回収器において，
   前記集熱フィンの厚さが，０．０５〜０．４ｍｍの範囲内にあり，
   前記閉塞部における前記通気部の反対側の裏面が切削または研削により平坦化されていることを特徴とする熱回収器。
6. 高温ガスからの排熱により熱発電素子を加熱して発電させる熱電変換装置において，
   高温ガスの入力を一端から受けるとともに，高温ガスを外部へ漏出させる通気孔が側面に形成された入力管と，
   前記入力管の通気孔から高温ガスの流れを受ける位置に配置された熱回収器とを有し，
   前記熱回収器は，
   ステンレス鋼製の複数の集熱フィンを，前記入力管の通気孔から高温ガスの流れと交差しない方向に，間隔をあけて積層してなり，
   前記複数の集熱フィンの積層体の一端に，集熱フィン間の間隔を閉塞した閉塞部が形成されており，
   前記複数の集熱フィンの積層体のうち前記閉塞部以外の部分が，集熱フィン間にガスを通す通気部となっており，
   前記複数の集熱フィンの一端が，前記閉塞部における前記通気部の反対側の裏面に露出しており，
   前記閉塞部は，前記入力管の通気孔から高温ガスの流れが当たる方向に配置されており，
   前記裏面から前記熱発電素子へ熱を供給することを特徴とする熱電変換装置。
7. 請求項６に記載の熱電変換装置において，
   前記入力管は，他端が閉塞されるとともに，複数の通気孔が管内のガスの流れ方向に沿って形成されたものであり，
   前記入力管の複数の通気孔に対応して複数の熱回収器が配置されており，
   前記入力管の複数の通気孔のサイズが，管内のガスの流れ方向の上流側のものほど大きいことを特徴とする熱電変換装置。

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