JP2011526141A - 電気エネルギーを発生させる装置、この装置を備える熱交換管束、及びこの管束を備える熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより電気エネルギーを発生させる装置に関し、
−温度Ｔ１を有する高温流体を流す第１ダクト（５）と、
−前記高温流体の温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２を有する低温流体を流す第２ダクト（６）と、
−少なくとも２つの面（１０Ａ，１０Ｂ）を有する熱電変換素子（１０，１０’）であって、前記少なくとも２つの面（１０Ａ，１０Ｂ）が、電流を前記熱電変換素子のこれらの面の間に、これらの面が異なる温度になるときに発生させるようになっている、前記熱電変換素子（１０，１０’）とを備え、
−前記熱電変換素子（１０，１０’）のこれらの面は、それぞれ、異なる温度の流体を流す前記ダクト（５，６）に、伝熱手段（１５，１６）を介して連結されている。

【選択図】図７

Description

本発明は、熱電気の分野に関し、特に熱エネルギーを電気エネルギーに変換する分野に関するものである。

本発明の１つの目的は、原動機付き車両からの汚染微粒子の排出量を、燃料から取り出される車両のエネルギーの消費量を抑え、かつ部分的な代替用として、熱電変換素子により発生する電気エネルギーを使用することにより低減させることにある。

熱電変換素子は、少なくとも２つの面を有し、これらの面は、電流を前記素子の２つの面の間に、これらの面が異なる温度になっているときに発生させるという特異な性質を持っている。別の表現をすると、熱電変換素子の一方の面が、熱電変換素子の他方の面が冷却されている状態で加熱される場合に、これによって、電子が、熱電変換素子の高温面と低温面との間で移動し、電子が移動することによって電流が流れる。熱電変換素子のこれらの面の間の温度差が大きくなると、当該素子によって発生する電気エネルギーが大きくなる。温度差（温度勾配）の影響を受ける熱電変換素子による電流の発生は、「ゼーベック効果」という名で知られている。

熱電変換素子は、主として人工衛星の翼の製造に使用されている。衛星の翼は、太陽に向けた第１高温面と、第１面とは反対側の恒星間空間に向けた第２低温面とを備えている。このように、熱電変換素子を、人工衛星の翼の２つの面の間に配置することにより、電流を発生させて、衛星の種々の電気機器部品に給電することができる。

熱電変換素子の種々の不具合のうちの１つは、熱電変換素子の熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率がきわめて低いことであり、この効率は、従来より、約１〜１０％である。従って、極めて大量の熱を熱電変換素子に供給して、少なくとも１つの電気機器部品に給電するために、十分な電流を発生させる必要がある。

熱損失を抑え、そして変換効率を高めるために、少なくとも２つの面を有する熱電変換素子の面が、低温熱源及び高温熱源に直接それぞれ接触するようにした電気エネルギー発生装置が知られている。熱源（低温熱源または高温熱源）と熱電変換素子の１つの面とが、直接接触する場合、熱源から発する熱エネルギーは、熱損失をほとんど伴なうことなく、熱電変換素子に伝達される。これとは異なり、電気的観点からは、熱源（低温熱源または高温熱源）と熱電変換素子の１つの面とが、直接に接触するので、電気エネルギーは、熱源として、利用されることなく、放散されてしまう。

例えば、高温熱源及び低温熱源が、それぞれ、金属製流体ダクトを循環する高温流体、及び低温流体の形態である場合、電気のリークが、金属製流体ダクト及び流体自体の両方に生じる。電気損失が生じるので、利用可能な熱エネルギー量は非常に小さい。

熱電変換素子の２つの面の間に、ゼーベック効果により発生する電流は、通常、電気エネルギー発生装置から、前記熱電変換素子のこれらの面に連結されている電気ケーブルを介して誘導される。しかしながら、このようなケーブルを熱電変換素子に、当該熱電変換素子が２つの金属製流体ダクトの間に「挟まれる」（挿入される）ときに接続する作業が複雑になる。更に、電流を流すケーブルを設けると、短絡が電気エネルギー発生装置内で生じる危険が高くなる。

これらの不具合を解決するために、本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより、電気エネルギーを発生させる装置を提供するものであり、この装置は、
−温度Ｔ１を有する高温流体を流す第１ダクトと、
−前記高温流体の前記温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２を有する低温流体を流す第２ダクトと、
−少なくとも２つの面を有する熱電変換素子であって、前記少なくとも２つの面が、電流を前記熱電変換素子のこれらの面の間に、これらの面が異なる温度になるときに発生させるように配置される、前記熱電変換素子とを備え、
−前記熱電変換素子のこれらの面は、それぞれ、異なる温度の流体を流す前記ダクトに伝熱手段を介して連結されている。

電気エネルギー発生装置の伝熱手段によって、熱を、熱電変換素子と流体ダクト群との間で優先的に伝えることができ、これにより、大量の熱エネルギーを供給し、大量の電気エネルギーを、ゼーベック効果により発生させることができるので有利である。

更に、伝熱手段は、流体ダクト群と熱電変換素子との間の導電媒体を形成するので、熱電変換素子から流体ダクト群及び流体群自体に至る電気的損失を抑えることができる。

前記伝熱手段を、前記熱電変換素子とともに電気バッテリを形成するように配置し、前記電気バッテリのうちの伝熱手段を端子とするのが好ましい。

このように、熱電変換素子によって発生させられる電流は、伝熱手段を介して取り出すことができるので、電流を流すのに、嵩張って短絡を生じ易い電気ケーブルを使用しなくても済む。

前記伝熱手段を、熱電変換素子の流体ダクト群を電気的に絶縁するように配置すると、装置内の電気的損失を一層効果的に抑えることができるので有利である。

伝熱手段は、このように、２つの機能（伝熱機能及び電気絶縁機能）を満たすので有利であり、これにより、装置をコンパクトと維持しながら、熱エネルギー変換効率を高めることができる。

更に、前記伝熱手段を、確実に前記流体ダクト群が所定位置に保持されるように配置するのが好ましい。このようにすると、伝熱手段は付加的な固定機能を発揮し、非常にコンパクトなエネルギー発生装置を形成することができる。

本発明の特定の実施形態によれば、前記伝熱手段は、高温流体ダクトに連結されている第１高温熱伝導性セパレータ、例えば金属製プレート、及び低温流体ダクトに連結されている第２低温熱伝導性セパレータ、例えば金属製プレートの形態であり、前記高温及び低温セパレータ群は、前記熱電変換素子の２つの異なる面に連結されている。

各セパレータは、断熱孔及び伝熱孔を有し、各流体ダクトは、前記２つのセパレータを貫通しているのが好ましい。

本発明は更に、被冷却流体を冷却するようになっている原動機付き車両用熱交換器の熱交換管束にも関するものであり、前記被冷却流体は、少なくとも１つの被冷却流体用ダクトを循環し、この被冷却流体は、その温度よりも低温のクーラントにより冷却され、前記クーラントは、少なくとも１つのクーラントダクトを循環し、かつ前記管束は、上に説明した電気エネルギー発生装置を備え、前記被冷却流体用ダクトは前記高温流体ダクトを形成し、前記クーラントダクトは前記低温流体ダクトを形成するようになっている。

エネルギー発生装置を熱交換管束と一体化することにより、利用されてないエネルギーを、エンジンから排出される高温ガスから取り出すことができ、かつこの当該エネルギーを、車両の電気機器部品に給電される電気エネルギーに変換することができる。

熱電変換素子を、熱交換管束の流体循環ダクト群（ガスダクト及び／又は液体ダクト）の間に組み込むことにより、エネルギーを、熱交換器の配置を変更することなく、または熱交換器の容積を増やすことなく発生させることができるので有利である。

前記管束は、複数の被冷却流体用ダクトと、複数のクーラントダクトとを備え、前記被冷却流体用ダクト群は、前記クーラントダクト群と空間的に交互に配置されているのが好ましい。

また、前記複数のクーラントダクトを、複数の低温セパレータにより所定位置に保持し、前記複数の被冷却流体用ダクトを、複数の高温セパレータにより所定位置に保持し、前記低温セパレータ群を、前記高温セパレータ群と空間的に交互に配置するのが好ましい。

前記クーラントダクト群及び前記被冷却流体用ダクト群は、平行であり、かつ同一平面に在り、前記高温セパレータ及び低温セパレータとともに、前記熱交換管束の１つの列を形成しているのが好ましい。

更に、熱電変換素子群を、前記低温セパレータ群と高温セパレータ群との間に配置し、各熱電変換素子は、１つの高温セパレータに接触する１つの面と、１つの低温セパレータに接触する別の面とを有するのが好ましい。

複数の熱電変換素子接合構造を、２つの連続する低温セパレータの間に配置し、１つの熱電変換素子接合構造を、逆方向に取り付け、かつ１つの高温セパレータにより分離されている２つの熱電変換素子を備えているのが好ましい。

この熱電変換素子接合構造によって、発生する電気エネルギーの量を、熱交換器の構成を変更することなく、大きくすることができる。

本発明の別の特徴によれば、低温セパレータを、互いに電気的に、かつ直列に接続してある。

このようにすると、熱交換管束の１つの列のすべての熱電変換素子群が発生する電圧を取り出すことができるので有利である。

更に、前記熱交換管束は、複数の列をなしているのが好ましい。平行であって、同一面に在り、かつ前記高温セパレータ及び低温セパレータにより保持されている前記クーラントダクト群及び前記被冷却流体用ダクト群は、熱交換管束の１つの列を形成する。

更に、前記熱交換管束の複数の列は、互いに電気的に直列に接続されているのが好ましい。

このようにすると、熱交換管束の列群の全てにより発生する電圧を取り出すことができるので有利である。

有利な実施形態においては、前記被冷却流体は、原動機付き車両の内燃エンジンからの排気ガス流である。

これにより、車両からの排気ガスの熱を、電気を発生させながら還元することができるので有利である。

本発明は更に、上に説明した熱交換管束を備える熱交換器にも関するものである。

添付の図面を参照することにより、本発明をより良く理解しうると思う。

本発明による熱交換器の外観図である。 図１の熱交換器の熱交換管束のチューブ積層体を模式的に示す図である。 ２つの熱伝導性セパレータ及び１つの熱電変換素子を有する熱交換管束の２つのチューブの連結状態を示す斜視図である。 図３の分解図である。 図３のセパレータの正面図である。 ３つの熱伝導性セパレータ及び２つの熱電変換素子を有する熱交換管束の２つのチューブの連結状態を示す模式平面図である。 本発明による熱交換管束の模式平面図であり、熱伝導性セパレータ群を正面図で示している。 電気的に並列して取り付けられた熱伝導性セパレータ群を有する熱交換管束の１列を示す図である。 電気的に直列して取り付けられた熱伝導性セパレータ群を有する熱交換管束の１列を示す図である。

本発明の一例を、電気エネルギーを発生させる原動機付き車両の熱交換器として示す。しかし、本発明は、異なる温度の２つの熱源を備えるいかなる電気エネルギー発生装置にも適用することができることは言うまでもない。

従来、原動機付き車両の熱交換器１またはクーラは、当該車両のガス冷却配管に取り付けられている。図１及び図２において、熱交換器１は熱交換管束３を備え、この熱交換管束３は、被冷却流体を、この場合には、温度Ｔ１の高温ガスを循環させる、高温ガスチューブ群５すなわちダクト群と、高温ガスの温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２のクーラントを循環させる、冷却チューブ群６すなわちダクト群とを含んでいる。熱交換管束３は、以後、熱交換器１のＸ軸と呼ぶ軸Ｘに沿って延在している。

高温ガスチューブ群５及び冷却チューブ群６は、異なる温度の流体を流すダクト群を形成している。

高温ガス及びクーラントは、熱交換器１のチューブ管束に、熱交換器１のチューブ管束３の入口に配置されている入口マニホールドボックス２を介して流入させられる。熱交換器１の入口に取り付けられるタイプと同じタイプの出口マニホールドボックス４を、熱交換器１の出口に設けて、高温ガスチューブ群５及び冷却チューブ群６を通過してきた流体を流入させる。入口マニホールドボックス２は、この場合、高温ガス流入ノズル２１及びクーラント流入ノズル２２を含み、出口マニホールドボックス４は同様に、高温ガス及びクーラントの排出を可能にする２つの流出ノズル４１，４２を含んでいる。

熱交換管束３の高温ガスチューブ群５及び冷却チューブ群６は、入口マニホールドボックス２及び出口マニホールドボックス４に収容されているマニホールドプレート群（またはマニホールド群）により、これらのチューブの両端で保持され、図示しないこれらのマニホールドプレートは、高温ガスチューブ群５及び冷却チューブ群６を固定するための孔の群を有している。

次に、図２に示すように、これらの高温ガスチューブ５は、熱交換管束３内に１つ以上の列（Ｒ１，Ｒ２）をなして並列配置され、これらのチューブ５は、高温ガスを循環させるように構成され、高温ガスは、この例では、車両の内燃熱エンジンからの排出ガスである。２００℃を超える温度を有するこれらの排出ガスは、熱交換器１により、排出ガスの温度よりも低い温度を有するクーラントを循環させることにより冷却されるようになっている。

図２に示すように、熱交換管束３は、冷却チューブ６の群を有し、冷却チューブ６は、熱交換管束３の各チューブ列（Ｒ１，Ｒ２）に対応する高温ガスチューブ群５の間に配置され、冷却チューブ６には、クーラントを、この場合は、約６０℃の温度Ｔ２を有するグリコール添加水を循環させるようになっている。

別の表現をすると、１列の熱交換チューブ（Ｒ１，Ｒ２）は、複数の冷却チューブ６及び高温ガスチューブ５からなる集合体の形態であり、これらの全てのチューブは、１つの同じ平面内に、互いから等距離に並列されている。冷却チューブ６は、高温ガスチューブ５と交互に配置され、高温排出ガス（Ｔ１＞２００℃）から、クーラント（Ｔ２＝６０℃）への熱交換を可能にしている。図２においては、冷却チューブ６及び高温ガスチューブ５は、一例として、２列（Ｒ１，Ｒ２）に配置されている。

この例では、高温流体及び低温流体は、熱交換管束３の一方の端部から他方の端部へ、熱交換器１の軸Ｘに沿って延在する直線状の金属製チューブ５，６を循環する。熱交換管束３の金属製チューブ５，６は、アルミニウム、銅、またはステンレス鋼のような金属により作製されている。チューブ５，６の直径は、各チューブを循環する流体に応じて異ならせられる。

熱交換器の冷却機能の他に、熱交換器１は、車両からの排出ガスの熱エネルギーから、電気エネルギーを発生させる副機能を有する。このような熱交換器１によって、車両の電気機器部品（ヘッドライト、空調システムなど）に給電することができる。この給電により、車両の燃料消費量が抑えられ、その結果、二酸化炭素（ＣＯ₂）のような汚染微粒子の大気中への排出量を抑制することができる。

電気エネルギーを発生させるために、熱交換器１は、少なくとも２つの面１０Ａ，１０Ｂを有する熱電変換素子１０を備えている。熱電変換素子１０によって、電流を当該熱電変換素子の２つの面１０Ａ，１０Ｂの間に、これらの面が異なる温度になっているときに発生させることができる。別の表現をすると、熱電変換素子１０の一方の面１０Ａが、当該熱電変換素子の他方の面１０Ｂが冷却されている状態で加熱されると、電子の移動が熱電変換素子１０の高温面１０Ａと低温面１０Ｂとの間で生じ、電子の移動により電流が流れる。熱電変換素子１０の面１０Ａと面１０Ｂとの温度差（Ｔ１−Ｔ２）が大きくなると、熱電変換素子１０によって発生する電気エネルギーが大きくなる。

図３に示すように、熱電変換素子１０は、２つの熱伝導性セパレータ１５，１６の間に配置され、これらのセパレータは、熱電変換素子１０の２つの面１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ接触している。

一例として、図３及び図４に示すように、以後、高温セパレータ１５と呼ぶ第１熱伝導性セパレータ１５は、高温ガスチューブ５を、熱電変換素子１０の高温面１０Ａである第１面に熱的に結合させる。同様に、以後、低温セパレータ１６と呼ぶ第２熱伝導性セパレータ１６は、冷却チューブ６を、熱電変換素子１０の低温面１０Ｂである第２面に熱的に結合させる。この場合、高温セパレータ群１５及び低温セパレータ群１６を、冷却チューブ群５及び高温ガスチューブ群６の両方が貫通する。

高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６に対する熱電変換素子１０の位置決めの様子を示す図４のように、熱電変換素子１０は、単一の平行六面体の形態、または１０ｍｍにほぼ等しい辺を有し、かつ約５ｍｍの厚さを有する正方形を形成する幾つかの平行６面体から成る集合体の形態である。熱電変換素子１０は、それ自体は公知であり、この例では、ビスマス及びテルル（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）を含んでいる。言うまでもないことであるが、熱電変換素子は更に、ＴＡＧＳ（テルル、砒素、ゲルマニウム、珪素），ＰｂＴｅ（鉛−テルル），または平行層として組み付けられる他の成分元素を含むことができる。

熱電変換素子１０は、特定の方位を有し、この方位は、当該熱電変換素子を構成する材料層の配置により決定される。従って、一例として、熱電変換素子１０が、Ｂｉ₂Ｔｅ₃層とＰｂＴｅ層とを含む場合、熱電変換素子１０の低温面１０Ｂは、Ｂｉ₂Ｔｅ₃層に対応するのに対し、熱電変換素子の高温面１０Ａは、ＰｂＴｅ層に対応する。このように、熱電変換素子１０が、２つのセパレータ１５，１６の間に取り付けられる場合、熱電変換素子１０の方位に注意を払って、熱電変換素子の高温面１０Ａ及び低温面１０Ｂが、それぞれ、高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６に接触するようにすることが肝要である。

熱伝導性セパレータ１５，１６は、熱交換管束３のチューブ５，６に対して直交する方向に、かつ互いに平行に延在し、高温セパレータ群１５は、低温セパレータ群１６と交互に配置されている。熱伝導性セパレータ１５，１６は、高温セパレータまたは低温セパレータのいずれであっても、１ｍｍにほぼ等しい厚さの直線状の薄板の形態である。この薄板は金属であり、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、または別の熱伝導性金属材料とすることができる。

各熱伝導性セパレータは、高温セパレータ１５または低温セパレータ１６のいずれであっても、長さ方向に、孔１５１，１５２，１６１，１６２を有し、これらの孔は、金属製高温ガスチューブ群５及び金属製冷却チューブ群６を挿通しうるようになっている。各熱伝導性セパレータ１５，１６は、２つのタイプの孔、すなわち伝熱孔１５２，１６２及び断熱孔１５１，１６１を有し、これらの伝熱孔及び断熱孔は、セパレータ１５，１６に、その長さ方向に交互配置されている。

図３〜図５に示すように、熱交換管束３の冷却チューブ６及び高温ガスチューブ５は、２つの熱伝導性セパレータ１５，１６を介して、熱電変換素子１０に連結されている。

図５を更に詳細に参照すると、高温セパレータ１５は、伝熱孔１５２を有し、この伝熱孔１５２内に、高温ガスチューブ５が所定位置に保持され、電気絶縁手段７０が、この場合、高温ガスチューブ５の外側面と高温セパレータ１５の伝熱孔１５２の内側面との間に配置されている。この例では、高温ガスチューブ５は、電気絶縁塗料またはワニス７０で被覆され、電流が高温セパレータ１５と金属製高温ガスチューブ５との間で流れるのを阻止している。エラストマーリングのような他の電気絶縁手段７０も、適切な手段と成り得るが、この電気絶縁手段７０は、高温ガスチューブ５と高温セパレータ１５の伝熱孔１５２との間に配置される。重要なことは、電気絶縁手段７０が熱伝導の邪魔にならないことである。

高温セパレータ１５は、更に断熱孔１５１を有し、この断熱孔１５１に、冷却チューブ６が挿通され、断熱／電気絶縁手段８０は、この場合、冷却チューブ６の外側表面と高温セパレータ１５の断熱孔１５１の内側表面との間に配置されている。この例では、低温チューブ６は、断熱孔１５１に接触することなく挿通され、空気８０が、高温セパレータ１５と金属製冷却チューブ６とを絶縁している。セラミックリングのような他の断熱／電気絶縁手段８０も、適切な手段と成り得るので、高温セパレータ１５と冷却チューブ６との間の熱／電気エネルギーの伝導を断絶することができ、セラミックリング８０によって、確実に、冷却チューブ６を所定位置に高温セパレータ１５で保持することもできる。

同様に、低温セパレータ１６は断熱孔１６１を有し、この断熱孔１６１内に、高温ガスチューブ５が所定位置に保持され、前に説明した手段と同様の断熱／電気絶縁手段８０が、高温ガスチューブ５と低温セパレータ１６の断熱孔１６１との間に配置されている。同様に、低温セパレータ１６は伝熱孔１６２を有し、この伝熱孔１６２内に、冷却チューブ６が所定位置に保持され、前に説明した手段と同様の電気絶縁手段７０が、冷却チューブ６の外側面と低温セパレータ１６の伝熱孔１６２の内側面との間に配置されている。

図３に示すように、高温ガスチューブ５は、高温セパレータ１５の固定用伝熱孔１５２に、そして低温セパレータ１６の断熱孔１６１に連続的に挿通されている。同様に、冷却チューブ６は、高温セパレータ１５の断熱孔１５１に、そして低温セパレータ１６の固定用伝熱孔１６２に連続的に挿通されている。

高温ガスチューブ群５、冷却チューブ群６、高温セパレータ群１５、及び低温セパレータ群１６の固定は、すべて、例えば固定具をこれらのチューブ内に挿入して、これらのチューブの壁を変形させ、これらの壁を、セパレータ１５及び１６に開けた孔１５１，１５２，１６１，１６２に押し付けて固定することにより行なうことができる。このタイプの組み付けは、機械式組み付けと言いうる。既に上に示したように、これらのチューブの端部は、マニホールドボックス内で、前記ボックスのマニホールドプレートに開けた孔の位置で終端している。機械式組み付け形態によって変わるが、シール部を、前記孔群の位置のチューブ群とプレートとの間に設けることができる。

高温ガスチューブ群５、冷却チューブ群６、高温セパレータ群１５、及び低温セパレータ群１６の全ての固定は、チューブ５，６を機械的に膨張させて、これらのチューブに、セパレータ１５，１６上で予め応力を加えておくことにより行なうこともできる。

これにより、熱電変換素子１０は、高温セパレータ１５と低温セパレータ１６との間に保持され、熱電変換素子１０の面１０Ａ，１０Ｂは、これらの熱伝導性セパレータのうち、固定用伝熱孔１５２，１６２と断熱孔１５１，１６１との間に含まれる表面に接触する。

本発明の構造を説明したので、次に本発明の動作、及び本発明の実施形態について説明する。

まず、本発明の動作について、個別的な観点から、熱電変換素子が１つだけの場合、次に２つの熱電変換素子を接続した場合、そして最後に、熱電変換素子を熱交換器の熱交換管束の全体に亘って設けた場合について説明する。

単一の熱電変換素子による電気エネルギーの発生

図３に示すように、高温ガス流動用金属製チューブ５は、高温セパレータ１５に熱的に結合され、この高温セパレータ１５の温度は、前記高温ガスチューブ５を循環する排出ガスの温度とほぼ等しい。同様に、クーラント流動用金属製チューブ６は、低温セパレータ１６に熱的に結合され、この低温セパレータ１６の温度は、前記冷却チューブ６を循環するクーラントの温度とほぼ等しい。

熱電変換素子１０の高温面１０Ａ及び低温面１０Ｂは、それぞれ、高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６と面接触し、熱勾配が熱電変換素子１０の面１０Ａと面１０Ｂとの間に形成されて、電流が前記面１０Ａと前記面１０Ｂとの間に、ゼーベック効果により流れるようになる。電流は、高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６を循環して、これらのセパレータの端部で取り出されて使用される。次に電流の取り出しについて、詳細に説明する。

２つの接続熱電変換素子による電気エネルギー発生

ゼーベック効果は、熱電変換素子１０が１つだけの場合に生じ得るが、この効果は、強めることができるので、発生する電気エネルギーは、２つの熱電変換素子１０を接続することにより大きくすることができ、従って電流を発生する熱電変換素子接合構造を形成することができる。

熱電変換素子接合構造は、ｐ型とされる第１熱電変換素子１０と、ｎ型とされる第２熱電変換素子１０’とを含んでいる。これらの２つの熱電変換素子１０，１０’は、ゼロであると推定される熱起電力を有する導電材料により、直列に連結されている。

例えば、図６に示すように、熱電変換素子接合構造は積層体として設けられ、この積層体は、第１低温セパレータ１６と、第１熱電変換素子１０（リンクＰを形成する）と、高温セパレータ１５と、第２熱電変換素子１０’ （リンクＮを形成する）と、第２低温セパレータ１６’とを、連続的に備えている。熱電変換素子１０，１０’は、この場合、反対方向に取り付けられる。各熱電変換素子１０，１０’の方位は、図６の矢印により表わされ、この矢印は、熱電変換素子１０，１０’の低温面の方を示している。前に示したように、熱電変換素子１０，１０’は、当該熱電変換素子を構成する材料の複数層の配置により決定される方位を有する。この例では、熱電変換素子１０，１０’の方位は、反対方向を示しているので、熱電変換素子の高温面１０Ａ，１０Ａ’は、高温セパレータ１５に接触し、これらの熱電変換素子の低温面１０Ｂ，１０Ｂ’は、第１及び第２低温セパレータ１６，１６’に接触している。

ゼーベック効果により、個別電流が、熱電変換素子１０，１０’の各熱電変換素子を流れる。熱電変換素子１０，１０’の方位が反対方向を示しているので、電流は、単一の熱電変換素子１０または１０’から生成される個別電流の密度よりも高い密度で流れる。

このように、電流が、第１低温セパレータ１６と第２低温セパレータ１６’との間を流れ、この全体を流れる電流を取り出して、電気機器部品に給電することができる。

熱交換管束のチューブ列における電気エネルギー発生

図８Ａに示すように、熱交換管束の１つのチューブ列では、高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６を交互に並べて、金属製チューブ５，６を平行に、かつ同一平面に保持する。

熱交換管束３の１列の拡大図である図７に示すように、熱電変換素子接合構造は、２つの連続する低温セパレータ１６の間に設けられ、かつこの熱電変換素子接合構造は、各高温ガスチューブ５と各冷却チューブ６との間に設けられている。

図６に示すように、３つの熱電変換素子接合構造の各熱電変換素子接合構造が、２つの連続する低温セパレータ１６の間に配置されるが、各熱電変換素子接合構造により発生する電流は合算されて、大きい絶対値の電位差（ΔＶ）が、これらの低温セパレータ１６の間に生じる。別の表現をすると、チューブ群及びセパレータ群の数を増やすと、発生する電気エネルギー量が大きくなる。

図８Ａに示すように、熱交換管束の１つの同じチューブ列の低温セパレータ群１６は、電気的に並列に取り付けられている。これらの低温セパレータ１６を並列に取り付けると、高電流密度の電流を取り出して、車両の電気機器部品群に給電することができるので有利である。低温セパレータ群１６の端部（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）が電気端子群を形成し、これらの電気端子は、熱交換管束３のチューブ列によって発生する電流の取り出しを可能にするようになっている。

この実施形態では、隣接する１つの高温セパレータと、１つの低温セパレータとの間に挿入されるこれらの熱電変換素子は、同じ導電型である（別の表現をすると、これらの熱電変換素子は全て、ｐ型またはｎ型である）。別の表現をすると、この実施形態では、隣接する１つの高温チューブと１つの低温チューブとの間には、異なる導電型の熱電変換素子が交互に並び（ｐ型、次にｎ型、次にｐ型、次にｎ型）、各熱電変換素子は、当該熱電変換素子に隣接する熱電変換素子からセパレータによって分離される。

別の実施形態では、図８Ｂに示すように、熱交換管束３の１つの同じチューブ列の低温セパレータ群１６が、電気的に直列に取り付けられている。別の表現をすると、所定の低温セパレータに関して、当該低温セパレータの端部群は、それぞれ、当該低温セパレータのチューブ列のうち、低温セパレータに最も近い低温セパレータ群に連結されている。すなわち、図８Ｂに示す前記の低温セパレータの上方に、そして下方に取り付けられるセパレータ群に連結されている。低温セパレータ群１６を直列に取り付けると、大きな電圧を取り出して、車両の電気機器部品群に給電することができるので有利である。図８Ｂにおいては、熱交換管束３の４つの低温セパレータ１６は、直列に連結され、１つの低温セパレータが、列のほぼ中央に配置され、一方の端部が、低温セパレータの上方に配置されている低温セパレータに接続され、かつ別の端部が、低温セパレータの下方に配置されている低温セパレータに接続されている。

図８Ｂに示すように、熱交換管束３の１つの列の両端部に配置される低温セパレータ群１６は、それぞれ、自由端子Ｓ１，Ｓ２を有し、これらの自由端子は、当該列の他の低温セパレータ群に接続されていない。自由端子Ｓ１，Ｓ２は、電気端子Ｓ１，Ｓ２を形成し、これらの電気端子を介して、熱交換管束３の当該列によって発生する電気エネルギーを取り出して、この電気エネルギーを使用することができるようにしている。以後、熱交換管束の「直列接続」列という表現を使用して、高温ガスチューブ群５及び冷却チューブ群６が、並列であり、かつ同一平面にあり、更に、高温セパレータ１５及び低温セパレータ１６によって固定され、かつこれらのチューブの低温セパレータ群が直列に接続されている構成を指すこととする。

熱交換管束における電気エネルギーの発生

更に、ある実施形態では、熱交換管束３は、「直列接続」タイプの複数列を含み、これらの列は、互いに直列に電気的に連結されている。

熱交換管束３が、「直列接続」タイプの数列から成る垂直積層体を含む場合、各列は、前に詳述したように、２つの自由端子Ｓ１，Ｓ２を含んでいる。この積層体の１つの列Ｒ_nに関して、列Ｒ_nの第１自由端子Ｓ_n１は、積層体のうち、前記列Ｒ_nの上方に取り付けられる列Ｒ_n+1の自由端子（Ｓ_n+1１，Ｓ_n+1２）に電気的に接続される。同様に、前記列Ｒ_nの第２自由端子Ｓ_n２は、積層体のうち、前記列Ｒ_nの下方に取り付けられる列Ｒ_n-1の自由端子（Ｓ_n-1１，Ｓ_n-1２）に電気的に接続される。

一旦、「直列接続」タイプの複数列の全てが互いに接続されてしまうと、垂直積層体の上端及び下端に配置される列のみが、未接続電気端子を有する。熱交換管束の「直列接続」タイプの複数列から成る積層体によって発生する電気エネルギーは、前記未接続電気端子を介して取り出される。

以上、熱電変換素子接合構造が、２つの低温セパレータ１６の間に位置する構成について説明してきた。言うまでもないことであるが、熱電変換素子接合構造は、２つの高温セパレータ１５の間に形成することもできる。

記載しない別の実施形態においては、各流体循環チューブは屈曲しており、かつＵ字形である。この構成によれば、高温ガスを、熱交換器の第１端部に配置される第１マニホールドボックス内に形成される高温ガスノズルを介して、熱交換器に流入させ、熱交換器から排出し、クーラントを、高温ガスが循環するときに通過する第１端部の反対側の熱交換器の第２端部に配置されている第２マニホールドボックス内に形成されたノズルを介して、熱交換器に流入させ、熱交換器から排出する。

別の表現をすると、高温ガスを、熱交換管束の一方の端部を介して流入させ、そして排出するのに対し、冷却流体を、反対側の端部を介して流入させ、そして排出する。熱交換器のこのような構成によると、循環する高温流体を、循環する低温流体から切り離すことができるので有利である。この場合、熱交換管束の一方の端部は、高温流体を循環させるために用いられ、別の端部は、低温流体を循環させるために用いられる。

金属製チューブの例示的な実施形態について上に記載してきた。しかしながら、言うまでもないことであるが、これらのチューブを、他の材料により作製して、循環する流体からの熱を熱伝導させることもできる。

１ 熱交換器
２ 入口マニホールドボックス
３ 熱交換管束
４ 出口マニホールドボックス
５ 高温ガスチューブ（金属製チューブ、高温ダクト、高温ガス流動用金属製チューブ）
６ 冷却チューブ（金属製チューブ、冷却ダクト、クーラント流動用金属製チューブ）
１０ 熱電変換素子
１０’ 熱電変換素子
１０Ａ、１０Ｂ 面
１５ 熱伝導性セパレータ（高温セパレータ）
１６ 熱伝導性セパレータ（低温セパレータ）
１６’ 第２低温セパレータ
２１ 高温ガス流入ノズル
２２ クーラント流入ノズル
４１，４２ 流出ノズル
７０ 電気絶縁手段（ワニス）
８０ 断熱／電気絶縁手段（空気、セラミックリング）
１５１，１６１ 断熱孔
１５２，１６２ 固定用伝熱孔
１０Ａ 高温面（第１面）
１０Ａ’高温面
１０Ｂ 低温面（第２面）
１０Ｂ’ 低温面
Ｐ，Ｎ リンク
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 端部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ_n，Ｒ_n+1 チューブ列
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ_n-1１，Ｓ_n-1２，Ｓ_n+1１，Ｓ_n+1２ 自由端子（電気端子）
Ｔ１，Ｔ２ 温度
ΔＶ 電位差
Ｘ 軸

Claims (17)

1. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより電気エネルギーを発生させる装置であって、
   高温流体用の第１ダクト（５）と、
   低温流体用の第２ダクト（６）と、
   熱電素子（１０，１０’）を備え、高温流体は温度Ｔ１を有し、低温流体は温度Ｔ２を有し、温度Ｔ２は高温流体の温度Ｔ１よりも低く、前記熱電素子（１０，１０’）は、少なくとも２つの面（１０Ａ，１０Ｂ）を有し、前記面（１０Ａ，１０Ｂ）は、前記面（１０Ａ，１０Ｂ）が異なる温度のときに、前記面（１０Ａ，１０Ｂ）の間に電流を発生させるように配置され、
   前記熱電素子（１０，１０’）の前記面（１０Ａ，１０Ｂ）は、熱伝導手段（１５，１６）を介して、異なる温度の流体用のダクト（５，６）とそれぞれ関連付けられている装置。
2. 前記熱伝導手段（１５，１６）は、前記熱電素子（１０，１０’）とともに電気バッテリを形成するようになっており、前記電気バッテリのうちの前記熱伝導手段（１５，１６）が端子である、請求項１に記載の装置。
3. 前記熱伝導手段（１５，１６）は、前記熱電素子（１０，１０’）の前記流体ダクト（５，６）を電気的に絶縁するようになっている、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記熱伝導手段（１５，１６）は、確実に前記流体ダクト（５，６）が所定位置に保持されるようになっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記熱伝導手段（１５，１６）は、第１高温熱伝導セパレータ（１５）と第２低温熱伝導セパレータ（１６）の形態であり、前記第１高温熱伝導セパレータ（１５）は、例えば金属製プレートであり、前記高温流体ダクト（５）につながり、前記第２低温熱伝導セパレータ（１６）は、例えば金属製プレートであり、前記低温流体ダクト（６）につながり、前記高温及び低温セパレータ（１５，１６）は、前記熱電素子（１０，１０’）の２つの異なる面（１０Ａ，１０Ｂ）につながっている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 各セパレータ（１５，１６）は、断熱孔（１５１，１６１）と熱伝導孔（１５２，１６２）を含み、各流体ダクト（５，６）は、２つのセパレータ（１５，１６）を貫通している、請求項５に記載の装置。
7. 被冷却流体を冷却するように構成されている車両用熱交換器（１）の熱交換管束（３）であって、前記被冷却流体は、少なくとも１つの被冷却流体用ダクトを循環し、かつ前記被冷却流体の温度よりも低い温度のクーラントにより冷却され、前記クーラントは、少なくとも１つのクーラントダクトを循環し、前記管束（３）は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気エネルギー発生装置を含み、前記被冷却流体用ダクトは前記高温流体ダクト（５）を形成し、前記クーラントダクトは前記低温流体ダクト（６）を形成している熱交換管束（３）。
8. 複数の被冷却流体用ダクト（５）と、複数のクーラントダクト（６）とを備え、前記被冷却流体用ダクト（５）は、前記クーラントダクト（６）と空間的に交互に配置されている、請求項７に記載の管束。
9. 前記複数のクーラントダクト（６）は、複数の低温セパレータ（１６）により所定位置に保持され、前記複数の被冷却流体用ダクト（５）は、複数の高温セパレータ（１５）により所定位置に保持され、前記低温セパレータ（１６）は、前記高温セパレータ（１５）と空間的に交互に配置されている、請求項８に記載の管束。
10. 前記クーラントダクト（６）と前記被冷却流体用ダクト（５）は、平行であって、かつ同一平面にあり、前記高温及び低温セパレータ（１５，１６）とともに、前記熱交換管束（３）の列（Ｒ１，Ｒ２）を形成している、請求項９に記載の管束。
11. 前記熱電素子（１０）は、前記低温セパレータ（１６）と前記高温セパレータ（１５）との間に配置され、各熱電素子（１０）は、高温セパレータ（１５）に接触する面と、低温セパレータ（１６）に接触する別の面とを有する、請求項９または１０に記載の管束。
12. 熱電接合は、２つの連続する低温セパレータ（１６）の間に配置され、２つの熱電素子（１０，１０’）を含み、前記２つの熱電素子（１０，１０’）は、逆方向に取り付けられ、かつ高温セパレータ（１５）により分離されている、請求項１１に記載の管束。
13. 前記低温セパレータ（１６）は、互いに直列に電気的に接続されている、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の管束。
14. 前記熱交換管束（３）は、複数の列（Ｒ１，Ｒ２）を含む、請求項１０と１３に記載の管束。
15. 前記熱交換管束（３）の前記列（Ｒ１，Ｒ２）は、互いに直列に電気的に接続されている、請求項１４に記載の管束。
16. 被冷却高温ガス流は、車両の内燃エンジンからの排気ガス流である、請求項８〜１５のいずれか１項に記載の管束。
17. 請求項８〜１６のいずれか１項に記載の熱交換管束を備える熱交換器。

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