JP2007252125A - 熱交換器及び熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができる熱交換器、及び熱発電装置を得る。
【解決手段】排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２は、
排気ガス流路１８Ｃの一部を構成し排気ガス流路１８Ｃ側とは反対側の上側伝熱面１２Ａが熱発電モジュール１６と接触する天壁４０と、平板部４８と該平板部４８からフィン部材５０とを有するフィン集熱体２０と、平板部４８におけるフィン部材５０側とは反対側の接合面４８Ａと天壁４０の内面４０Ａとの間に設けられた低温溶融材より成る接合部材５２の層とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換媒体の熱をシェルの伝熱面に接触した熱伝達対象に伝達するための熱交換器、及び該熱交換器を備える熱発電装置に関する。

自動車等の車両において、エンジンの排気熱を利用して発電を行なう排熱発電装置を搭載したものがある（例えば、特許文献１参照）。この排熱発電装置を構成する熱交換器は、セラミックスから成るフィン構造体を、排気ガス流路を構成するステンレス製の構造部材に、アルミを鋳込むことで形成された被覆部材にて固定して構成されている。
特開２００３−３４８８６７号公報

ところで、例えば排気ガス流路を構成する金属製のケースに金属製のフィンを固定する場合、ロウ付けによる接合を用いることが考えられるが、この場合、排気ガスの高温に耐え得る高価なロウ材を用いることとなり、コストアップの原因となる。特に、フィンの両側をケースに固定する構造では、フィンの寸法誤差を吸収するためにロウ材の使用量が増し、上記問題が顕著となる。

本発明は上記事実を考慮して、安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができる熱交換器、及び熱発電装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱交換器は、熱交換媒体の流路の一部を構成し、前記流路側とは反対側の面が熱伝達対象と接触する伝熱壁と、平板状の基部と該基部から立設された複数のフィンとを有する集熱体と、前記基部における前記フィンの立設側とは反対側の面と、前記伝熱壁における前記流路側の面との間に設けられた低温溶融材層と、を備えている。

請求項１記載の熱交換器では、流路を流れる熱交換媒体の熱が集熱体の複数のフィンによって集熱され、この熱は集熱体の基部、低温溶融材層を経由して伝熱壁から熱伝達対象に伝達される。ここで、集熱体の基部と伝熱壁との間に介在する低温溶融材層は、その融点よりも高温の熱交換媒体からの熱によって溶融した場合でも、基部から伝熱壁への伝熱機能が維持される。特に、溶融状態の低温溶融材層は、基部と伝熱壁との平面度のばらつきを吸収して略均一な伝熱経路を構成するので、安定して良好な伝熱性能を確保することができる。これにより、高温の熱交換媒体からの受熱による溶融が許容される安価な低温溶融材層を用いて、所要の伝熱性能を得ることができる。

このように、請求項１記載の熱交換器では、安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができる。なお、低温溶融材層は、溶融・固化して基部と伝熱壁とを接合するものであっても良く、単なる熱伝達媒体であっても良い。何れの構成においても、集熱体の基部と伝熱壁との離間を規制する集熱体保持構造（重力を利用した伝熱壁上への基部の載置を含む）を有することが好ましい。この集熱体保持構造を設けることで、溶融した低温溶融材層を表面張力によって基部と伝熱壁との間に保持させることができる。集熱体保持構造としては、例えば伝熱壁を、流路を構成する他の部品に接続・保持する構造（拘束力）等によって、該伝熱壁に対する基部の離間を規制する構成とすることができる。

請求項２記載の発明に係る熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、互いに対向して共通の前記流路を構成する一対の前記伝熱壁を備え、前記集熱体は、前記フィンを介して一方の前記伝熱壁側の前記基部から他方の前記伝熱壁側の前記基部側に荷重を伝達可能に設けられている。

請求項２記載の熱交換器では、一対の伝熱壁は共通の流路を構成して互いに拘束（保持）されており、この拘束に基づく荷重がフィンを介して一方の基部から他方の基部側に伝達されることで、各伝熱壁と基部との間にそれぞれ低温溶融材層が挟み込まれる（集熱体保持構造が構成されている）。このため、低温溶融材層が溶融した場合に各伝熱壁と基部とが接離することが複数のフィンによって規制され、各低温溶融材層は表面張力にてそれぞれの伝熱壁と基部との間に確実に保持される。

請求項３記載の発明に係る熱交換器は、請求項２記載の熱交換器において、前記集熱体は、前記集熱体は、それぞれ前記基部及び前記複数のフィンを有すると共に前記基部が前記一対の伝熱壁のうち対応する伝熱壁に接合された一対の分割集熱体を含んで構成されており、前記一対の伝熱壁が共通の前記流路を構成する状態で、各分割体のフィンの端部同士が一方の分割集熱体の基部から他方の分割集熱体の基部に荷重を伝達可能に当接されている。

請求項３記載の熱交換器では、集熱体は、一対の伝熱壁毎に独立して設けられた一対の分割集熱体の集合体とされており、一対の伝熱壁が共通の流路を形成する前に、それぞれの分割集熱体基部が対応する伝熱壁に低温溶融材層を介して接合されている。これにより、一方の伝熱壁と他方の伝熱壁とを流路を構成するように組み付けることで、該流路内にフィンが配設され、組み付けが容易である。そして、各分割集熱体のフィンの端部同士が互いに当接して一対の基部（伝熱壁）間の荷重伝達部材として機能するので、集熱体を分割した構成でありながら、各伝熱壁と基部との間に低温溶融材を挟み込んで保持することができる。

請求項４記載の発明に係る熱交換器は、請求項２記載の熱交換器において、前記集熱体は、前記フィンの両側に、互いに異なる前記伝熱壁との間に前記低温溶融材層を挟み込む前記基部が設けられて構成されている。

請求項４記載の熱交換器では、一対の基部間をフィンで連結して構成された集熱体が一部材として取り扱い可能とされており、この集熱体を一対の基部の外側からそれぞれ層状の低温溶融材（層）を伝熱壁で挟み込むようにして、一対の伝熱壁を互いに保持することで構成することができる。このため、低温溶融材層を溶融することなく各部の組み付け（仮り組みを含む）を行うことができる。また、例えば低温溶融材層の融点よりも高温の熱交換媒体からの熱（本熱交換器を含むシステムの運転）によって低温溶融材層を溶融することができ、熱交換器の製造工程を削減することができる。

請求項５記載の発明に係る熱交換器は、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱交換器において、前記伝熱壁と前記基部との間に、前記低温溶融材層の流出を防止するための流出防止手段を設けた。

請求項５記載の熱交換器では、基部と伝熱壁との間で低温溶融材層が溶融した場合に、該低温溶融材層の基部と伝熱壁との間からの流出が、流出防止手段によって確実に防止される。

請求項６記載の発明に係る熱交換器は、請求項５記載の熱交換器において、前記流出防止手段は、前記基部の周縁部から延設され前記伝熱壁に当接する封止部と、前記封止部と前記伝熱壁との当接状態を維持するための当接保持手段とを含んで構成されている。

請求項６記載の熱交換器では、流路を構成する構造材として機能する伝熱壁と比較して薄肉に形成することが可能な基部から封止部を延設し、この封止部を当接保持手段によって伝熱壁との当接状態に維持する（例えば、押し付ける）ことで流出防止手段が構成されている。これにより、簡単な構造で、基部と伝熱壁との間で低温溶融材層が溶融した場合に、該低温溶融材層の基部と伝熱壁との間からの流出が、流出防止手段によって確実に防止される。

請求項７記載の発明に係る熱交換器は、請求項６記載の熱交換器において、前記当接保持手段は、前記伝熱壁との間に前記封止部を挟み込んで、前記伝熱壁と共に前記流路を構成する側壁である。

請求項７記載の熱交換器では、側壁が伝熱壁との間に封止部を挟み込みつつ該伝熱壁とで流路（の少なくとも一部）を構成することで、封止部と伝熱壁との当接状態が維持される。このように、必須の構成部品にて当接保持手段が構成される。

請求項８記載の熱発電装置は、高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる熱発電体と、前記熱発電体の低温側を冷却するための冷却部と、前記熱発電体の高温側を加熱するための加熱部とを備えた熱発電装置であって、前記加熱部は、前記熱交換媒体として排気ガスを用いると共に前記熱伝達対象を前記熱発電体の高温側とした請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器である。

請求項８記載の熱発電装置では、熱発電体は、高温側（吸熱側）が加熱部にて加熱されると共に低温側（放熱側）が冷却部にて冷却されることにより生じる（維持される）該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる。ここで、加熱部として請求項１〜７の何れか１つの熱交換器を用いているため、安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができる。

以上説明したように本発明に係る熱交換器及び熱発電装置は、安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換器である高温側熱交換器１２が適用された排気熱発電装置１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。なお、以下の説明では、便宜上、矢印Ｕで示す方向を上方向、矢印Ｗで示す方向を幅方向とする。先ず、排気熱発電装置１０の概略全体構成を説明し、次いで、本発明の要部である高温側熱交換器１２について詳細に説明することとする。

（排気熱発電装置の全体構成）
図３には、排気熱発電装置１０の概略全体構成が正面断面図にて示されている。この図に示される如く、排気熱発電装置１０は、本発明における熱交換器（熱回収器）としての高温側熱交換器１２と、冷却部としての低温側熱交換器１４との間に、それぞれ熱発電体としての複数の熱発電モジュール１６を挟み込んで構成されている。各熱発電モジュール１６は、それぞれ上下方向に扁平した平面視矩形状に形成されている。

高温側熱交換器１２は、上下高が幅と比較して小さい扁平矩形状に形成されており、上側伝熱面１２Ａと上側の低温側熱交換器１４との間に複数の熱発電モジュール１６を挟み込んで保持すると共に、下側伝熱面１２Ｂと下側の低温側熱交換器１４との間に上側と同数の熱発電モジュール１６を挟み込んで保持している。この実施形態では、排気熱発電装置１０は、高温側熱交換器１２の上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂのそれぞれにおいて、幅方向に２つの熱発電モジュール１６を保持しており、図３に示す断面において計４つの熱発電モジュール１６を保持している。図示は省略するが、上記の如く４つで１組の熱発電モジュール１６は、排気ガス流れ方向にも複数配設されている。

詳細は後述するが、高温側熱交換器１２は、排気ガスの流れ方向のとの直交面に沿う断面視で扁平矩形状の排気ガス流路を形成する高温側熱交換器ケース（シェル）１８内に、集熱体としてのフィン集熱体２０を配設した構造とされている。高温側熱交換器ケース１８は、図示しない上流端が上流側ダクト部材を介して排気管や排気系部品（触媒コンバータ等）に接続されており、内燃機関エンジンの高温の排ガスが導入されるようになっている。また、高温側熱交換器ケース１８は、図示しない下流端が下流側ダクト部材を介して排気管や排気系部品（マフラ等）に接続されており、熱回収後の排気ガスを排出するようになっている。なお、高温側熱交換器ケース１８内におけるフィン集熱体２０に対する幅方向外側に位置する空間は、後述する内部に排気ガス流路１８Ｃとは区画された断熱空気層２１とされている。

複数の熱発電モジュール１６は、それぞれ多数の熱発電素子（図示省略）をモジュール化して構成されており、上記の通り扁平した矩形状に形成されている。各熱発電モジュール１６は、例えば、ゼーベック効果等によって高温側と低温側との温度差（熱落差）に基づく起電力を生じるようになっている。したがって、各熱発電モジュール１６は、高温側の面１６Ａを高温側熱交換器１２（上側伝熱面１２Ａ又は下側伝熱面１２Ｂ）に接触させ、低温側の面１６Ｂを低温側熱交換器１４に接触している。

低温側熱交換器１４は、平面視で高温側熱交換器ケース１８とほぼ同等の長さ及び幅を有する矩形状に形成されると共に上下方向に扁平して形成されている。図３に示される如く、低温側熱交換器１４は、高温側熱交換器１２側に開口する低温側熱交換器ケース２２と、低温側熱交換器ケース２２の開口端を閉止する蓋板２４と、蓋板２４から低温側熱交換器ケース２２側に立設された放熱フィン２６と、低温側熱交換器ケース２２と蓋板２４との間をシールする防水パッキン２８とを主要構成要素として構成されている。

この低温側熱交換器１４は、低温側熱交換器ケース２２と蓋板２４とは接合されず、低温側熱交換器１４と高温側熱交換器１２との間に熱発電モジュール１６を挟み込んで保持するための荷重を付与する保持荷重によって、防水パッキン２８を挟んだ低温側熱交換器ケース２２と蓋板２４とが保持されて構成されるようになっている。図示は省略するが、低温側熱交換器１４には、内部にエンジン冷却水を導入するための冷却水導入部、エンジン冷却水を排出するための冷却水排出部がそれぞれ設けられている。

また、排気熱発電装置１０は、ブラケット３０と、ブラケット３０と低温側熱交換器１４との間に圧縮状態で配設された皿ばね３２とを備えている。排気熱発電装置１０では、皿ばね３２の付勢力（復元力）に基づく上下方向の保持荷重によって、低温側熱交換器１４と高温側熱交換器１２との間に熱発電モジュール１６を保持するようになっている。ブラケット３０は、ブラケット３０は、それぞれ正面視でハット形状に形成された半体３０Ａ、４０Ｂのフランジ部３０Ｃがボルト・ナットである締結手段３０Ｄにて固定されることで、全体として環状に形成されている。環状に形成され高温側熱交換器１２に対し非接触であるブラケット３０は、該高温側熱交換器１２からの熱影響を受け難い構成とされている。

また、この実施形態では、１つの熱発電モジュール１６に対し１つの皿ばね３２が設けられている。これにより、排気熱発電装置１０では、各熱発電モジュール１６に対応する皿ばね３２の保持荷重が作用するようになっている。より具体的には、図３に示される如く、高温側熱交換器１２の周方向に沿って配設された上下各２つの熱発電モジュール１６に対応してそれぞれ皿ばね３２が設けられ、これら４つの皿ばね３２を共通のブラケット３０が支持するようになっている。

さらに、この実施形態では、図３に示される如く、排気熱発電装置１０は、皿ばね３２の圧縮量すなわち皿ばね３２の復元力に基づく保持荷重（皿ばね３２の圧縮量）を調節可能な荷重調節機構３４を備えている。荷重調節機構３４は、ブラケット３０に固定したウェルドナット３５に対する荷重調節ボルト３６の螺合量を変化させることで、押圧部材３８を介して荷重調節ボルト３６に押圧される皿ばね３２の圧縮量が調整される構成とされている。

（高温側熱交換器の構造）
図２（Ａ）には、高温側熱交換器１２の分解正面図が示されており、図２（Ｂ）には、高温側熱交換器１２の正面図が示されている。これらの図に示される如く、高温側熱交換器ケース１８は、下向きに開口するアッパケース１８Ａと、上向きに開口するロアケース１８Ｂとの接合によって前後に開口する扁平筒状に構成されている。具体的には、アッパケース１８Ａは、伝熱壁としての天壁４０と、天壁４０の幅方向両端からそれぞれ垂下された一対の上側壁４２とを含んで構成されている。一方、ロアケース１８Ｂは、伝熱壁としての底壁４４と、底壁４４の幅方向両端からそれぞれ立設された一対の下側壁４６とを含んで構成されている。

そして、高温側熱交換器ケース１８は、各上側壁４２の下端面４２Ａと、各下側壁４６の上端面４６Ａとを突き当てて、該上側壁４２と下側壁４６とを溶接等にて接合することで、内部に排気ガス流路１８Ｃが形成された中空構造体として構成されている。したがって、高温側熱交換器ケース１８では、天壁４０の外面が上側伝熱面１２Ａとなり、底壁４４の下面が下側伝熱面１２Ｂとなる構成である。なお、アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂとは、例えば、各上側壁４２、各下側壁４６の端部から延設したフランジにおいて締結結合（ビス止め、ボルト・ナット、リベット等による締結）するようにしても良い。

図２（Ａ）に示される如く、天壁４０における排気ガス流路１８Ｃ側（上側伝熱面１２Ａ側とは反対側）の面である内面４０Ａには、フィン集熱体２０の上部を構成する分割集熱体としての上側フィン構造体２０Ａが固定されており、底壁４４における排気ガス流路１８Ｃ側（下側伝熱面１２Ｂとは反対側）である内面４４Ａには、フィン集熱体２０の下部を構成する分割集熱体としての下側フィン構造体２０Ｂが固定されている。

図１にも示される如く、上側フィン構造体２０Ａは、内面４０Ａに沿って延在する薄板状に形成された基部としての平板部４８と、平板部４８における天壁４０側とは反対側（排気ガス流路１８Ｃ側）に固定的に設けられたフィンとしてしてのフィン部材５０とを備えている。図２（Ａ）に示される如く、フィン部材５０は、上下方向及び排気ガス流れ方向に沿って延在する多数のフィン部５０Ａの上下端が、千鳥状に（上下交互に）配置された基部側連結部５０Ｂ、自由端側連結部５０Ｃにて隣り合うフィン部５０Ａと連結されることで、所謂コルゲートフィンとして構成されている。フィン部材５０は、各基部側連結部５０Ｂにおいて、レーザ溶接等の溶融溶接（母材を溶融させて溶接金属を用いることなく、母材同士を直接的に接合する溶接方法）によって、接合されている。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示される如く、下側フィン構造体２０Ｂは、上側フィン構造体２０Ａと上下方向及び幅方向にそれぞれ対称に構成されているので、上側フィン構造体２０Ａの構成要素と同じ符号を用いることとして説明を省略する。また、この実施形態では、アッパケース１８Ａ、ロアケース１８Ｂについても上下及び幅方向にそれぞれ対称に構成されている。具体的には、一対の上側壁４２、下側壁４６の高さＨが同じとされている。

そして、高温側熱交換器１２では、上側フィン構造体２０Ａ、下側フィン構造体２０Ｂは、低温溶融材層としての接合部材５２にて天壁４０、底壁４４に接合されている。接合部材５２は、例えばハンダ等の融点（例えば２４０℃〜２６０℃程度）が排気ガス温度（略８００℃）よりも低い低温溶融材より成り、天壁４０の内面４０Ａと平板部４８との間、底壁４４の内面４４Ａと平板部４８との間に略前面に亘って配設されて溶融、固化することで、天壁４０（アッパケース１８Ａ）と上側フィン構造体２０Ａ、底壁４４（ロアケース１８Ｂ）と下側フィン構造体２０Ｂとをそれぞれ接合している。

具体的には、平板部４８におけるフィン部材５０設置側とは反対側の接合面４８Ａ（図１参照）に薄板上若しくはペースト状の接合部材５２を載置すると共に、該接合部材５２上に天壁４０又は底壁４４を載置し、これらを接合部材５２の融点まで加熱した後、これらを常温に冷却することで、平板部４８と天壁４０、底壁４４とが接合されるようになっている。この実施形態では、アッパケース１８Ａと上側フィン構造体２０Ａ、ロアケース１８Ｂと下側フィン構造体２０Ｂとは、アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂとの接合前に接合されている。

したがって、高温側熱交換器１２は、上側フィン構造体２０Ａが接合されているアッパケース１８Ａと、下側フィン構造体２０Ｂが接合されているロアケース１８Ｂとを、上記の如くそれぞれ一対の上側壁４２と下側壁４６とを溶接接合することで構成される。この状態では、上側フィン構造体２０Ａを構成するフィン部材５０の自由端側連結部５０Ｃと、下側フィン構造体２０Ｂを構成するフィン部材５０の自由端側連結部５０Ｃが互いに当接している。

これにより、一対の上側壁４２、下側壁４６を介して互いに接合保持された天壁４０、底壁４４間に、上側フィン構造体２０Ａ及び下側フィン構造体２０Ｂフィン部材５０を介して荷重支持構造（荷重伝達経路）が構成されている。すなわち、高温側熱交換器１２では、アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂと（上側壁４２と下側壁４６と）の接合による拘束荷重が、上記したフィン部材５０（による荷重伝達経路）で支持することで、上下の平板部４８と天壁４０、底壁４４との間にそれぞれ接合部材５２が挟み込まれている。

以上説明した高温側熱交換器１２は、内部に排気ガス流路１８Ｃを構成すると共に低温側熱交換器１４との間に熱発電モジュール１６を挟み込む荷重を支持する高温側熱交換器ケース１８が例えばステンレス鋼等の金属材にて構成されており、フィン集熱体２０（平板部４８、フィン部材５０）が高温側熱交換器ケース１８と線膨張係数の差が小さい金属材（例えばステンレス鋼）にて構成されている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の排気熱発電装置１０では、自動車の内燃機関エンジンが始動すると、このエンジンの排気ガスが高温側熱交換器１２（高温側熱交換器ケース１８）に導入される。この排気ガスの熱は、フィン集熱体２０のフィン部材５０との熱交換によって該フィン部材５０に集熱され、高温側熱交換器ケース１８の天壁４０、底壁４４に伝えられる。これにより、天壁４０、底壁４４の外面である上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂに接触している各熱発電モジュール１６の高温側が加熱される。上記熱交換によって冷却されつつ高温側熱交換器１２を通過した排気ガスは、下流側に接続された排気管を通じて装置外に排出される。

一方、エンジン冷却水は、エンジンの図示しないウォータポンプの作動によって、例えば上下の低温側熱交換器１４、内燃機関エンジン、ラジエータの順に循環する。低温側熱交換器１４を通過するエンジン冷却水は、複数の放熱フィン２６、蓋板２４と接触してこれらと熱交換し、蓋板２４から熱を奪う。これにより、蓋板２４に接触している各熱発電モジュール１６の低温側が冷却される。

以上のように、各熱発電モジュール１６の高温側が排気ガスの熱を有効利用して加熱されると共に、各熱発電モジュール１６の低温側がエンジン冷却水にて冷却されることで、各熱発電モジュール１６の高低温側間の温度差が確保され、各熱発電モジュール１６は、この温度差に基づく起電力を生じる。すなわち、排気熱発電装置１０では、各熱発電モジュール１６が発電を行なう。発電された電力は、例えば自動車に搭載された蓄電池であるバッテリ等に蓄えられる（バッテリを充電する）。

ここで、高温側熱交換器１２では、高温側熱交換器ケース１８とフィン集熱体２０とが低温溶融材より成る接合部材５２によって接合されているため、安価な構造で、天壁４０、底壁４４と平板部４８との熱伝達性能を確保することができる。すなわち、例えば図６に示される比較例に係る熱交換器２００の如く、高温側熱交換器ケース１８とフィン部材２０２とを直接的に接合部材２０４で接合する構成では、高温の排気ガスの流通状態で高温側熱交換器ケース１８とフィン部材２０２との接合（伝熱）を維持するために、接合部材２０４として排気ガスの高温に耐え得る（排気ガス温度以上の融点を有する）高価なロウ材を用いる必要があり、特にフィン部材２０２の上下端をそれぞれ高温側熱交換器ケース１８に固定する場合には、フィン部材５０の上下方向の寸法誤差を吸収するために多量の接合部材２０４を用いなければならず、熱交換器２００が高価になってしまう。

これに対して高温側熱交換器１２では、薄板上の平板部４８と天壁４０又は底壁４４との間に配設した接合部材５２によって、フィン集熱体２０と高温側熱交換器ケース１８とが接合されているため、排気ガス流路１８Ｃを流通する排気ガスからの熱で接合部材５２が溶融すると、該接合部材５２は、表面張力によって平板部４８と天壁４０又は底壁４４との間に保持されつつ、天壁４０、底壁４４と平板部４８との平面度のばらつきを吸収して均一な熱伝達経路を形成する。これにより、天壁４０、底壁４４と平板部４８との接触熱抵抗が低減され、該平板部４８から天壁４０又は底壁４４への所要の伝熱性能が確保され又は伝熱性能が向上する。

以上により、ハンダ等の安価な低温溶融材（ロウ材）を用いて高温側熱交換器ケース１８とフィン集熱体２０とを接合して、良好な伝熱性能を有する高温側熱交換器１２を安価に構成することが実現された。しかも、接合部材５２がフィン部材５０を保持する構造ではないため、換言すれば、フィレットによる接合強度の確保が不要であるため、接合部材５２の使用量を少なくすることができる。

このように、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２では、安価な構造で所要の伝熱性能を確保することができる。

またここで、上側伝熱面１２Ａ側及び下側伝熱面１２Ｂ側において熱発電モジュール１６を加熱する高温側熱交換器１２では、上側伝熱面１２Ａを形成する天壁４０と下側伝熱面１２Ｂを形成する底壁４４とが共通の排気ガス流路１８Ｃを構成しつつ互いに拘束されている。そして、この拘束に基づく荷重が上下のフィン部材５０を介して上下の平板部４８間に伝達されることで、天壁４０、底壁４４と対応する平板部４８との間にそれぞれ接合部材５２が挟み込まれる。このため、接合部材５２が溶融した場合に天壁４０、底壁４４と対応する平板部４８とが接離することがフィン部材５０（複数のフィン部５０Ａ）によって規制され、上下の接合部材５２は表面張力にて天壁４０又は底壁４４と対応する平板部４８との間に確実に保持される。

さらに、高温側熱交換器１２では、上下分割構造である高温側熱交換器ケース１８に対応してフィン集熱体２０が上側フィン構造体２０Ａ、フィン集熱体２０とに分割されており、上側フィン構造体２０Ａが接合部材５２によってアッパケース１８Ａに予め接合されると共に下側フィン構造体２０Ｂが接合部材５２によってロアケース１８Ｂに予め接合されているため、組み付けが容易である。すなわち、単に上側フィン構造体２０Ａが接合されているアッパケース１８Ａと、下側フィン構造体２０Ｂが接合されているロアケース１８Ｂとを接合することで、高温側熱交換器ケース１８内にフィン集熱体２０が設けられた高温側熱交換器１２が構成される。

特に、アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂとが上下及び幅方向にそれぞれ対称に形成されると共に、これらに予め接合される上側フィン構造体２０Ａと下側フィン構造体２０Ｂとが上下及び幅方向にそれぞれ対称に形成されるため、アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂ、上側フィン構造体２０Ａと下側フィン構造体２０Ｂ、及び中間構造体（アッパケース１８Ａに上側フィン構造体２０Ａを接合したものと、ロアケース１８Ｂに下側フィン構造体２０Ｂを接合したもの）を、それぞれ同じ構造体として構成する（取り扱う）ことができる。これにより、部品点数が削減され、部品管理が容易となり高温側熱交換器１２の生産性も向上する。

しかも、上側フィン構造体２０Ａを構成するフィン部材５０の自由端側連結部５０Ｃと、下側フィン構造体２０Ｂを構成するフィン部材５０の自由端側連結部５０Ｃとが上下方向に荷重伝達可能に突き当てられるため、フィン集熱体２０を上下に分割した構造でありながら、高温側熱交換器ケース１８の拘束荷重によって上下の天壁４０、底壁４４と対応する平板部４８との間にそれぞれ接合部材５２を挟み込む構成が実現された。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する。また、以下の実施形態に係る高温側熱交換器６０、７０は、何れも高温側熱交換器１２に代えて排気熱発電装置１０に適用され得るものであり、排気熱発電装置１０への適用については説明を省略する。

（第２の実施形態）
図４（Ａ）には、第２の実施形態に係る高温側熱交換器６０が分解正面図にて示されており、図４（Ｂ）には、高温側熱交換器６０の正面図が示されている。これらの図に示される如く、高温側熱交換器６０は、上下分割構造のフィン集熱体２０に代えて、上下一体構造のフィン集熱体６２を備える点で、第１の実施形態に係る高温側熱交換器１２とは異なる。

フィン集熱体６２は、上下一対の平板部４８がフィン部材６４にて連結されて構成されている。フィン部材６４は、上下方向及び排気ガス流れ方向に沿って延在する多数のフィン部６４Ａの上下端が、千鳥状に（上下交互に）配置された上側連結部６４Ｂ、下側連結部６４Ｃにて隣り合うフィン部６４Ａと連結されることで、所謂コルゲートフィンとして構成されている。フィン部材６４は、各上側連結部６４Ｂにおいて上側の平板部４８と溶融溶接によって接合されると共に、各下側連結部６４Ｃにおいて下側の平板部４８と溶融溶接によって接合されている。

高温側熱交換器６０の組み付けに当たっては、各平板部４８と対応する天壁４０、底壁４４との間に薄板状若しくはペースト状の接合部材５２を挟み込んだ状態で、アッパケース１８Ａ（上側壁４２）とロアケース１８Ｂ（下側壁４６）とを接合する。高温側熱交換器６０は、上記アッパケース１８Ａとロアケース１８Ｂとの接合後に、接合部材５２を溶融、固化するために加熱、冷却工程を行っても良いが、この実施形態では、この加熱・冷却工程を不要とすることができる。

すなわち、融点が排気ガスの温度よりも低い接合部材５２は、排気ガス流路１８Ｃに排気ガスを流通させる排気熱発電装置１０の運転によって溶融することで、天壁４０、底壁４４と対応する平板部４８との接触熱抵抗を低減し、所要の伝熱性能を発揮することができる。高温側熱交換器６０の他の構造は、高温側熱交換器１２の対応する構造と同じである。

したがって、第２の実施形態に係る高温側熱交換器６０によっても、分割構造であるフィン集熱体２０に係る作用効果を除いて、第１の実施形態に係る高温側熱交換器１２と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、高温側熱交換器６０では、上記の通り製造段階で接合部材５２を溶融する（平板部４８と天壁４０又は底壁４４とを接合する）工程が不要である（例えば、高温側熱交換器１２と比較して、接合しなくても容易に組み付けることができる）ため、製造工程の簡素化、生産時間の短縮が図られる。

（第３の実施形態）
図５（Ａ）には、第３の実施形態に係る高温側熱交換器７０が分解正面図にて示されており、図５（Ｂ）には、高温側熱交換器７０の正面図が示されている。また、図５（Ｃ）には、高温側熱交換器７０の要部が拡大断面図にて示されている。これらの図に示される如く、高温側熱交換器７０は、接合部材５２を密封する流出防止手段としての密封構造７２が設けられている点で、第２の実施形態に係る高温側熱交換器６０とは異なる。また、高温側熱交換器７０は、高温側熱交換器ケース１８に代えて、天壁４０、底壁４４とは別部材である一対の側壁７４を有する高温側熱交換器ケース７６を備えて構成されている。

密封構造７２は、各平板部４８の周縁部から張り出した封止部７８と、封止部７８を天壁４０、底壁４４に当接させる当接保持手段とを備えており、この実施形態では、一対の側壁７４が当接保持手段を構成している。具体的には、封止部７８は、外周縁部が天壁４０、底壁４４の外周縁にほぼ一致するように構成されており、一対の側壁７４は、上端７４Ａと天壁４０との間に上側の封止部７８を挟み込むと共に、下端７４Ｂと底壁４４との間に下側の封止部７８を挟み込んでいる。

この状態で、天壁４０、封止部７８、及び側壁７４は３部材重ね合わせ状態で溶融溶接によって接合され、底壁４４、封止部７８、及び側壁７４は３部材重ね合わせ状態で溶融溶接によって接合されている。この接合によって、排気ガス流れ方向上下流に開口する扁平筒状の高温側熱交換器ケース７６が構成されている。

そして、このケース７６を構成する接合によって、図５（Ｃ）に示される如く、封止部７８は、接合部材５２の厚み分だけ屈曲又は湾曲して天壁４０、底壁４４に当接し、その当接状態が側壁７４（を含む上記３部材の接合）によって維持されている。これにより、接合部材５２は、密封構造７２にて幅方向に密閉され、平板部４８と天壁４０又は底壁４４との間から、幅方向に流出することが防止されている。

図示は省略するが、排気ガス流れ方向の上下流端においては、ケース７６の開口端に内嵌するダクトの縁部が、封止部７８、天壁４０又は底壁４４との３枚重ね合わせ状態で溶融溶接されることで、密封構造７２が構成されている。したがって、接合部材５２は、密封構造７２によって全周に亘って密閉されている。高温側熱交換器７０の他の構成は、高温側熱交換器６０（排気熱発電装置１０）の対応する構成と同じである。

したがって、第３の実施形態に係る高温側熱交換器７０によっても、製造段階で接合部材５２の溶融を不要とすることができる効果を含めて、第２の実施形態に係る高温側熱交換器６０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、高温側熱交換器７０では、接合部材５２の周囲を密閉する密封構造７２を有するため、溶融状態の接合部材５２が天壁４０、底壁４４と平板部４８との間から流出することが確実に防止される。この構成は、天壁４０、底壁４４、平板部４８の平面度が悪いために天壁４０、底壁４４と平板部４８との間に大きな隙間が生じる（表面張力が弱くなる）ことを許容する。また、ケース７６（天壁４０、底壁４４）と平板部４８とで材料の線膨張係数が比較的大きく異なることが許容され、設計自由度が向上する。

なお、上記第１乃至第３の実施形態では、高温側熱交換器１２、６０、７０の両面が伝熱面（上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂ）とされることで、フィン部材５０、フィン部材６４がケースの拘束荷重に基づく接合部材５２の挟み込み荷重を天壁４０、底壁４４間で支持する（天壁４０、底壁４４間に伝達する）例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、フィン部材５０の自由端側連結部５０Ｃ（フィン部材６４の上側連結部６４Ｂ又は下側連結部６４Ｃ）を排気ガスの流路中に自由端として（非拘束状態で）配置する構成としても良い。この場合、第３の実施形態の如き密封構造７２を設けることが好ましいが、例えば高剛性とされた平板部４８の端部に天壁４０等に対する支持荷重を掛ける構造としても良く、また例えば排気ガス（熱交換媒体）の圧力を利用して運転時に天壁４０と平板部４８との間に接合部材５２を挟み込む荷重を作用させるようにしても良い。

また、上記第１乃至第３の実施形態では、本発明が排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２、６０、７０に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、本発明の熱交換器は主に高温流体の熱を回収するための各種用途に適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る高温側熱交換器の要部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る高温側熱交換器を示す図であって、（Ａ）は分解正面図、（Ｂ）は正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る高温側熱交換器が適用された排気熱発電装置の正面断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る高温側熱交換器を示す図であって、（Ａ）は分解正面図、（Ｂ）は正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る高温側熱交換器を示す図であって、（Ａ）は分解正面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は要部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施形態との比較例に係る熱交換器の正面図である。

符号の説明

１０ 排気熱発電装置（熱発電装置）
１２ 高温側熱交換器（熱交換器、加熱部）
１４ 低温側熱交換器（冷却部）
１６ 熱発電モジュール（熱発電体）
１８Ｃ 排気ガス流路（流路）
２０ フィン集熱体（集熱体）
２０Ｂ 下側フィン構造体（分割集熱体）
２０Ａ 上側フィン構造体（分割集熱体）
４０ 天壁（伝熱壁）
４４ 底壁（伝熱壁）
４８ 平板部（基部）
５０ フィン部材（フィン）
５２ 接合部材（低温溶融材層）
６０・７０ 高温側熱交換器（熱交換器、加熱部）
６２ フィン集熱体（集熱体）
６４ フィン部材（フィン）
７２ 密封構造（流出防止手段）
７４ 側壁（当接保持手段）
７８ 封止部

Claims (8)

1. 熱交換媒体の流路の一部を構成し、前記流路側とは反対側の面が熱伝達対象と接触する伝熱壁と、
   平板状の基部と該基部から立設された複数のフィンとを有する集熱体と、
   前記基部における前記フィンの立設側とは反対側の面と、前記伝熱壁における前記流路側の面との間に設けられた低温溶融材層と、
   を備えた熱交換器。
2. 互いに対向して共通の前記流路を構成する一対の前記伝熱壁を備え、
   前記集熱体は、前記フィンを介して一方の前記伝熱壁側の前記基部から他方の前記伝熱壁側の前記基部側に荷重を伝達可能に設けられている請求項１記載の熱交換器。
3. 前記集熱体は、
   それぞれ前記基部及び前記複数のフィンを有すると共に前記基部が前記一対の伝熱壁のうち対応する伝熱壁に接合された一対の分割集熱体を含んで構成されており、
   前記一対の伝熱壁が共通の前記流路を構成する状態で、各分割体のフィンの端部同士が一方の分割集熱体の基部から他方の分割集熱体の基部に荷重を伝達可能に当接されている請求項２記載の熱交換器。
4. 前記集熱体は、前記フィンの両側に、互いに異なる前記伝熱壁との間に前記低温溶融材層を挟み込む前記基部が設けられて構成されている請求項２記載の熱交換器。
5. 前記伝熱壁と前記基部との間に、前記低温溶融材層の流出を防止するための流出防止手段を設けた請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱交換器。
6. 前記流出防止手段は、前記基部の周縁部から延設され前記伝熱壁に当接する封止部と、前記封止部と前記伝熱壁との当接状態を維持するための当接保持手段とを含んで構成されている請求項５記載の熱交換器。
7. 前記当接保持手段は、前記伝熱壁との間に前記封止部を挟み込んで、前記伝熱壁と共に前記流路を構成する側壁である請求項６記載の熱交換器。
8. 高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる熱発電体と、前記熱発電体の低温側を冷却するための冷却部と、前記熱発電体の高温側を加熱するための加熱部とを備えた熱発電装置であって、
   前記加熱部は、前記熱交換媒体として排気ガスを用いると共に前記熱伝達対象を前記熱発電体の高温側とした請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器である熱発電装置。

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