JP2007110813A

JP2007110813A - 伝熱部品

Info

Publication number: JP2007110813A
Application number: JP2005297862A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Fukada; 善樹深田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる伝熱部品を提供する。
【解決手段】一群の伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に一群の伝熱フィン２，２，２…の低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６の熱膨張量と低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィン２，２，２…の高温側の端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器や放熱機あるいは熱電発電装置において、その伝熱部を構成する伝熱部品に関し、詳しくは、一群の伝熱フィンを備えた伝熱部品に関するものである。

従来、内燃機関などから排出される高温の排気ガスの熱エネルギーを回収して発電する熱電発電装置が一般に知られている（例えば特許文献１参照）。この熱電発電装置は、高温の排気ガスが流通する内筒の集熱面に熱電発電モジュールの高温側端面が密着し、空冷または水冷される外筒の放熱面に熱電発電モジュールの低温側端面が密着して構成されている。

ここで、熱電発電モジュールの高温側端面への伝熱部品である内筒の内面には、集熱フィンとしての一群の伝熱フィンが設けられている。また、熱電発電モジュールの低温側端面からの伝熱部品である外筒の外面には、放熱フィンとしての一群の伝熱フィンが設けられている。
特開平１１−１２２９６０号公報（要約書）

ところで、伝熱部品に設けられる一群の伝熱フィンが複数組の締結具を介して一体に締結されることで相互に所定間隙を開けて配列される構造の場合、一群の伝熱フィンが高温下に置かれる使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を貫通する締結具は、低温側を貫通する締結具より大きく熱膨張して長くなる。その結果、一群の伝熱フィンは高温側の端部の相互間隔が広がった状態に不用意に熱変形し、高温側端部での伝熱フィンの集熱効率が低下するという問題が発生する。

そこで、本発明は、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる伝熱部品を提供することを課題とする。

本発明に係る伝熱部品は、一群の伝熱フィンと、これらの伝熱フィンを相互に所定間隔を開けて配列させるように一体に締結する複数組の締結具とを備えた伝熱部品であって、締結具のうち一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は熱膨張率の大きい材料で構成され、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具は熱膨張率の小さい材料で構成されていることを特徴とする。

本発明に係る伝熱部品では、その使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィンの低温側を締結する締結具が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具の熱膨張量と低温側を締結する締結具の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制される。

本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は鉄系の材料で構成し、高温側を締結する締結具はインバーで構成することができる。この場合、一群の伝熱フィンの高温側を締結するインバー製の締結具は、使用状態において殆ど熱膨張しないため、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が確実に抑制される。

ここで、一群の伝熱フィンを一体に締結する締結具としては、ボルト・ナットやピンを使用することができる。また、一群の伝熱フィンは、熱回収用の集熱フィンとして構成してもよいし、熱放出用の放熱フィンとして構成してもよい。

本発明に係る伝熱部品によれば、その使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィンの低温側を締結する締結具が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具の熱膨張量と低温側を締結する締結具の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる。その結果、一群の伝熱フィンの高温側端部での集熱効率の低下を抑制することができる。

本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具が鉄系の材料で構成され、高温側を締結する締結具がインバーで構成されている場合、一群の伝熱フィンの高温側を締結するインバー製の締結具は、使用状態において殆ど熱膨張しないため、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を確実に抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る伝熱部品の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係る伝熱部品の構造を示す分解斜視図、図２は図１に示した伝熱部品が組み付けられた熱電発電装置の正面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る伝熱部品１は、縦長の長方形の板状に形成された複数枚の一群の伝熱フィン２，２，２…と、各伝熱フィン２，２，２…の低温側の端部となる上部の片面に添設される横長の長方形の板状に形成された一群のスペーサプレート３，３，３…とを備えている。これらの伝熱フィン２，２，２…およびスペーサプレート３，３，３…は、耐熱性があって熱伝導性の高い銅合金で構成されている。

各スペーサプレート３から各伝熱フィン２の上部を貫通して例えば６個のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ６が形成されている。そして、６個のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ６に６本のボルトＢ１〜Ｂ６が挿通され、その先端部にそれぞれナットＮが螺合されることで、一群の伝熱フィン２，２，２…が一群のスペーサプレート３，３，３…を介して相互に所定間隙を開けた状態で一体に締結されている。

６個のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ６は、図示の向きでは上下２段、左右３列に配列されており、ボルトＢ１〜Ｂ３は、各伝熱フィン２，２，２…において熱伝導方向の下流側となる低温側の上段３列のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ３を貫通している。一方、ボルトＢ４〜Ｂ６は、上段３列のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ３よりも熱伝導方向の上流側となる高温側の下段３列のボルト挿通孔Ｈ４〜Ｈ６を貫通している。

ここで、伝熱フィン２，２，２…の低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３は、熱膨張率の大きいＳＵＳ材やその他の鉄系の材料で構成されている。一方、伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー（不変鋼）で構成されている。

インバー（不変鋼）は、常温付近で熱膨張率が小さい合金であり、スーパーインバー、ステンレスインバー、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ合金、３６％ニッケル鋼などが知られている。ちなみに、３６％ニッケル鋼の線膨張係数は、１．４×１０^−６／℃である。

図１に示した構造を有する第１実施形態の伝熱部品１は、例えば図２に示すような熱電発電装置１０の構成部品として組み付けられる。この熱電発電装置１０は、図示しない内燃機関などから排出される高温の排気ガスの熱エネルギーを回収して発電するものであり、受熱基板１１Ａおよび放熱基板１１Ｂを有する熱電発電モジュール１１と、この熱電発電モジュール１１の受熱基板１１Ａに接触する第１実施形態の伝熱部品１と、熱電発電モジュール１１の放熱基板１１Ｂに接触する放熱ブロック１２とを備えている。

熱電発電モジュール１１は、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が高温側の受熱基板１１Ａと低温側の放熱基板１１Ｂとの間に複数個設置された構造を有し、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。

放熱ブロック１２は、熱電発電モジュール１１の放熱基板１１Ｂとの間の熱交換により放熱基板１１Ｂから十分に吸熱できるように、熱伝導性の高い銅合金やアルミニウム合金の材料で構成されており、その内部には冷却水の流通路（図示省略）が形成されている。

ここで、伝熱部品１は、高温の排気ガスが導入される長方形断面のガイド部材１３の左右の壁部をボルトＢ１〜Ｂ６が貫通し、その先端部に一群のナットＮが螺合されることでガイド部材１３に装着されている。そして、ガイド部材１３の内側に配置された集熱フィンとしての伝熱フィン２，２，２…およびスペーサプレート３，３，３…は、ボルトＢ１〜Ｂ６の頭部側に螺合された一群のナットＮと、ボルトＢ１〜Ｂ６の先端側に螺合された一群のナットＮとの間に挟持されており、この状態で一群の伝熱フィン２，２，２…は、相互に所定間隔を保持して平行に配列されている。

ガイド部材１３に装着された伝熱部品１の熱伝導方向の下流側となる低温側の端面、すなわち、一群の伝熱フィン２，２，２…の間に一群のスペーサプレート３，３，３…が介設された低温側の端面には、熱電発電モジュール１１が重ねられてその受熱基板１１Ａが接触している。そして、この熱電発電モジュール１１の受熱基板１１Ａを伝熱部品１の低温側の端面に密着させるため、ガイド部材１３の周囲には押枠部材１４が配設されている。

押枠部材１４は、伝熱部品１が装着されたガイド部材１３を囲む長方形の断面形状を有し、熱電発電モジュール１１に重ねられた放熱ブロック１２に対面する一辺には、押込みボルト１５が進退自在にねじ込まれている。そして、この押込みボルト１５がばね受け１６およびこれに係止されたコイルばね１７を介して放熱ブロック１２を押圧することにより、熱電発電モジュール１１の受熱基板１１Ａが伝熱部品１の低温側の端面に密着するように構成されている。

ここで、第１実施形態の伝熱部品１が図２に示すように組み付けられた熱電発電装置１０は、図示しない内燃機関などから排出される高温の排気ガスがガイド部材１３の内側に配置された伝熱部品１の一群の伝熱フィン２，２，２…の間を流通するように設置される。

このような設置状態において、排気ガスの熱が伝熱部品１の各伝熱フィン２，２，２…から熱電発電モジュール１１の受熱基板１１Ａに伝熱され、熱電発電モジュール１１の放熱基板１１Ｂから放熱ブロック１２へ放熱される。その結果、熱電発電モジュール１１の受熱基板１１Ａと放熱基板１１Ｂとの間に温度差が発生し、その温度差に応じて熱電発電モジュール１１の各ｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が起電力を発生して発電する。

このような熱電発電装置１０の使用状態において、伝熱部品１の一群の伝熱フィン２，２，２…の間を流通する排気ガスの温度は、例えば２５０℃以上の高温となる。

このため、伝熱部品１の一群の伝熱フィン２，２，２…を締結するボルトＢ１〜Ｂ６の材料が全て同種の鉄系材料で構成されていると仮定すると、伝熱フィン２，２，２…の熱伝導方向の上流側となる高温側のボルト挿通孔Ｈ４〜Ｈ６を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６は、熱伝導方向の下流側となる低温側のボルト挿通孔Ｈ１〜Ｈ３を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３に較べて大きく熱膨張して長くなる。その結果、一群の伝熱フィン２，２，２…は、図３に示すように、高温側端部の相互間隔が広がった状態に不用意に熱変形し、高温側端部での伝熱フィン２，２，２…の集熱効率が低下する。

しかしながら、第１実施形態の伝熱部品１では、伝熱フィン２，２，２…の低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３が熱膨張率の大きいＳＵＳ材やその他の鉄系の材料で構成されているのに対し、伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６が熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー（不変鋼）で構成されているため、伝熱フィン２，２，２…の低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３が大きい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６が小さい熱膨張率で熱膨張する。

すなわち、伝熱フィン２，２，２…の低温側を貫通するボルトＢ１〜Ｂ３の熱膨張量と、伝熱フィン２，２，２…の高温側を貫通するボルトＢ４〜Ｂ６の熱膨張量とが近づく傾向となり、その結果、一群の伝熱フィン２，２，２…は、図２に示すように、高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制されるのであり、高温側端部での伝熱フィン２，２，２…の集熱効率が向上する。

図４は、本発明の第２実施形態に係る伝熱部品２０を示している。この伝熱部品２０は、例えば短冊状の板状に形成された複数枚の一群の伝熱フィン２１，２１，２１…と、各伝熱フィン２１，２１，２１の熱伝導方向の中流部位となる略中央部の片面に添設される板状の一群のスペーサプレート２２，２２，２２…と、このスペーサプレート２２，２２，２２…と共に伝熱フィン２１，２１，２１…の中央部を貫通する一群のボルト２３および他の一群のボルト２４と、これらのボルト２３，２４の先端部にそれぞれ螺合されるナット２５とを備えている。

この伝熱部品２０は、熱交換器３０の高温媒体と低温媒体とが区画されて流通する長方形断面の通路部材３１の内部に一群の伝熱フィン２１，２１，２１…およびスペーサプレート２２，２２，２２…が収容されており、通路部材３１の左右の壁部を一群のボルト２３および他の一群のボルト２４が貫通し、その先端部にそれぞれナット２５が螺合されることで通路部材３１に組み付けられている。

ここで、一群の伝熱フィン２１，２１，２１…の中央部から一端側の部分は、低温媒体の流路内に突出する低温部２１Ａ，２１Ａ，２１Ａ…とされており、伝熱フィン２１，２１，２１…の中央部から他端側の部分は、高温媒体の流路内に突出する高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂ…とされている。

そして、伝熱フィン２１，２１，２１…の低温部２１Ａ，２１Ａ，２１Ａ…に近い部分を貫通する一群のボルト２３は、熱膨張率の大きいＳＵＳ材やその他の鉄系の材料で構成されており、伝熱フィン２１，２１，２１…の高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂに近い部分を貫通する他の一群のボルト２４は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー（不変鋼）で構成されている。

なお、伝熱フィン２１，２１，２１…およびスペーサプレート２２，２２，２２…は、耐熱性があって熱伝導性の高い銅合金で構成されている。

この第２実施形態の伝熱部品２０が組み付けられた熱交換器３０においては、通路部材３１の内部に収容された伝熱フィン２１，２１，２１の高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂ…の周囲を高温媒体が流通し、低温部２１Ａ，２１Ａ，２１Ａ…の周囲を低温媒体が流通することにより、伝熱フィン２１，２１，２１…を介して高温媒体から低温媒体へと熱交換される。

その際、伝熱フィン２１，２１，２１…の低温部２１Ａ，２１Ａ，２１Ａ…に近い部分を貫通する一群のボルト２３は、熱膨張率の大きいＳＵＳ材やその他の鉄系の材料で構成されているため、大きい熱膨張率で熱膨張し、伝熱フィン２１，２１，２１…の高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂ…に近い部分を貫通する他の一群のボルト２４は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー（不変鋼）で構成されているため、小さい熱膨張率で熱膨張する。

すなわち、伝熱フィン２１，２１，２１…の低温部付近を貫通する一群のボルト２３の熱膨張量と、伝熱フィン２１，２１，２１…の高温部付近を貫通する他の一群のボルト２４の熱膨張量とが近づく傾向となり、その結果、一群の伝熱フィン２１，２１，２１…は、図４に示すように、高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂ…の端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制されるのであり、その高温部２１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｂ…の集熱効率が向上する。

本発明の第１実施形態に係る伝熱部品の構造を示す分解斜視図である。図１に示した伝熱部品が組み付けられた熱電発電装置の概略構造を示す正面図である。図２に示した伝熱部品の作用の比較例を示す熱電発電装置の正面図である。本発明の第２実施形態に係る伝熱部品の構造を示す正面図である。

符号の説明

１伝熱部品
２伝熱フィン
３スペーサプレート
１０熱電発電装置
１１熱電発電モジュール
１２放熱ブロック
１３ガイド部材
１４押枠部材
１５押込みボルト
１６ばね受け
１７コイルばね
Ｎナット
Ｂ１〜Ｂ６ボルト
Ｈ１〜Ｈ６ボルト挿通孔

Claims

一群の伝熱フィンと、これらの伝熱フィンを相互に所定間隔を開けて配列させるように一体に締結する複数組の締結具とを備えた伝熱部品であって、
前記締結具のうち一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は熱膨張率の大きい材料で構成され、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具は熱膨張率の小さい材料で構成されていることを特徴とする伝熱部品。
前記伝熱フィンの低温側を締結する締結具は鉄系の材料で構成され、前記伝熱フィンの高温側を締結する締結具はインバーで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱部品。
前記締結具が前記伝熱フィンを貫通するボルトを有することを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱部品。
前記伝熱フィンが熱回収用の集熱フィンとして構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の伝熱部品。