JP2013537594A - 熱電発電装置を含む排気ガス処理システム - Google Patents

Abstract

自動車エンジンの後処理装置は基材を含み、この基材は、前記基材の内部ボリューム内に配置される熱電発電素子を有する。前記基材は、第１端部と、第２端部と、そして内部ボリュームを画成する最外周側面と、を有し、そしてエンジン排気ガスを、前記第１端部から前記第２端部に流して、流れる前記排気ガスが、前記熱電発電素子と熱的に接触するようになるように構成される。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１０年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／３５６，８７０号の優先権を米国特許法第１１９条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９）に基づいて主張し、そして２０１０年９月９日に出願された米国特許出願第１２／８７８，６４７号の優先権を米国特許法第１２０条（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１２０）に基づいて主張するものであり、これらの出願の両方の内容は、本明細書で参照することにより、これらの出願の内容全体が援用され、そして本明細書に組み込まれる。

本開示は概して、排気ガス処理システムに関するものであり、特に熱電発電装置と一体化される触媒コンバータシステム及びパティキュレートフィルタシステムに関するものである。

燃料価格の上昇、及び政府の規制によって、小型車両製造業者及び大型車両製造業者は、燃料消費量及び排出量の両方を低減する技術を使用せざるを得なくなってきている。ディーゼルエンジン内での燃料燃焼により得られるエネルギーの僅か約３３％しか、車両を動かすために利用されていないのに対し、ガソリンエンジン内での燃焼エネルギーの僅か約２５％しか、動力伝達装置及び補助装置を駆動するために利用されていないと推定される。現在のエンジン構造では、燃焼エネルギーの大部分は、廃熱として失われる。燃料節減のための１つの手法では、エンジン廃熱を再利用し、この廃熱を動力または電力に原動機付き車両内で変換することができる。

廃熱回収の１つの方法が熱電（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＴＥ）発電であり、この熱電発電により、直流（ＤＣ）電力を、熱勾配の影響を受けるＴＥ発電素子（例えば、ｎ型半導体にｐ型半導体を加えた構造）により生成することができる。直列接続されるＴＥ発電素子群がＴＥ発電モジュールを形成する。幾つかのＴＥ発電モジュールは、直列と並列を組み合わせて接続することにより、ＴＥ発電装置（ＴＥＧ）を形成することができる。ＴＥＧを組み込んだ例示的な電気接続の図を図１に示す。図１に示すように、複数のＴＥ発電モジュール１０がＴＥＧ１１を形成し、このＴＥＧ１１は、例えば車両の電気バス１２及びエネルギー貯蔵システム（例えば、バッテリ）１３に電気的に接続される。当該接続を流れる電流は、例えば矢印及び参照記号Ｉで表示される。ＴＥＧ１１の電流及び電圧が変動する可能性があるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を用いて、電源ライン電圧を、車両の電気系統に適合する範囲に収まるように維持することができる。

正しく動作するために、ＴＥＧは、熱源（すなわち、より高い温度）及びヒートシンク（より低い温度）を必要とする。温度勾配が生じると、電荷キャリア流が、これらのＴＥ発電素子を流れるようになる。原動機付き車両の場合、熱源（ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ）とは普通、排気ガスから取り得る熱であり、そしてヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）とは普通、ラジエータまたは個別冷却システムの内部を循環する冷媒である。ＴＥＧは従って、車両の排気系統の種々の位置に設けることが提案されている。設置可能な箇所として、例えば排気管、具体的にはディーゼルエンジンの排気管、及び排気ガス再循環（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）通路を挙げることができる。プロトタイプのＴＥＧは、例えばテルル化Ｂｉ／Ｐｂ（ビスマス／鉛）により作製され、そして車両の排気管に取り付けられてきた。このようなテルル化物系モジュールは、最大約１０％の熱−電力変換効率を示した。ＥＧＲ通路に設置するＴＥＧも、スクッテルド鉱材料に主として注目して開発中であり、この熱電発電装置はこの適用形態の場合には、リサイクル割合によって異なるが、約３〜１０％の変換効率を有することができる。

しかしながら、ＴＥＧ（熱電発電装置）を設計し、そして排気系統内に配設する場合には、考慮すべき種々の要素が存在する。このような要素として、利用可能な高温、熱流、ＴＥＧに対する熱源及びヒートシンクの接近度、エンジンルームの内部で、または車両シャーシの下側で利用可能なスペースが制限されることを考慮したＴＥＧの設置面積、及び車両に加わる重量を最小に抑えたいという要望を挙げることができる。望ましくないことであるが、ＴＥＧを排気ガス流の中に設けることにより、エンジンの圧力低下が、またはエンジンにかかる背圧が更に大きくなって、燃料消費量が増大する。その結果、スペース制限、及び重量及び背圧の結果的な増大を考慮すると、様々な困難な解決すべき課題が、従来のＴＥＧを使用するに当たって生じてしまう。

従って、ＴＥＧを、例えば触媒基材及び／又はパティキュレートフィルタのような既存の排気ガス後処理装置内に一体化することにより、利用可能な高温（排気管の箇所と比較して）、高温熱流の利点を生かし、車両に搭載される部品群の点数を減らし、そしてエンジンにかかる背圧が更に大きくなるのを回避することが望ましい。更に、後処理装置の動作範囲（例えば、触媒変換装置の動作範囲及びフィルタ再生装置の動作範囲）は普通、高い温度によって狭く制限され、これにより、これらの装置の内部に温度勾配が生じ、そして熱機械的耐久性の低下をもたらす応力が生じる。従って、更に、ＴＥＧを排気ガス後処理装置内に一体化することにより、これらの後処理装置の動作範囲を、車両内での廃熱回収を更に最大化しながら広げることが望ましい。

これまでに説明した内容に鑑み、安価で効率的であり、かつ侵襲性を最小限に抑えた廃熱回収システムが望まれる。本開示は、上述した諸問題のうちの１つ以上の問題を解決することができ、そして／または上述した諸要求のうちの１つ以上の要求を満たすことができる。他の特徴及び／又は利点は、以下の説明から明らかになる。

本開示の種々の例示的な実施形態によれば、排気ガス後処理装置は、第１端部と、第２端部と、そして内部ボリュームを画成する最外周側面と、を有する基材を備えることができ、該基材は、排気ガスを、前記内部ボリュームを通って前記第１端部から前記第２端部に流すように構成される。前記排気ガス後処理装置は更に、前記内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つの熱電発電素子を備えることができる。

本開示の種々の更に別の例示的な実施形態によれば、排気ガスを処理する方法は、排気ガスを、第１端部と、第２端部と、そして内部ボリュームを画成する最外周側面と、を有する基材の内部ボリュームを通って流す工程を含むことができる。前記方法は更に、熱を、流れる前記排気ガスと、前記内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つの熱電発電素子との間で交換する工程を含むことができる。

本開示の更に別の特徴及び利点は、以下の詳細な説明に記載されており、そして或る程度は、この技術分野の当業者であれば、当該説明から容易に理解することができる、または本教示を、以下の詳細な説明、請求項、更には添付の図面を含む、本明細書における記載の通りに実施することにより容易に理解することができる。

これまでの概要説明及び以下の詳細な説明は共に、本開示の例示的な実施形態を提示することができ、そして概要または構成概念を提供することにより、本開示の本質及び特徴を、本開示が特許請求される通りに理解することができるようにしていることを理解されたい。添付の図面は、本開示に対する理解を深めるために取り込まれ、そして本明細書の一部に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する。これらの図面は、本開示の種々の実施形態を示しており、そして本開示の原理及び動作を説明するために詳細な説明と併せて利用される。

原動機付き車両内のＴＥＧに関する例示的な電気接続の模式図である。 ガソリンエンジンの後処理装置に対するＴＥＧの設置可能な位置を示している。 ディーゼルエンジンの後処理装置に対するＴＥＧの設置可能な位置を示している。 種々のＴＥ材料特性の相互関係を示している。 種々のＴＥ材料特性の相互関係を示している。 ＴＥ発電素子の模式図である。 熱電効率を性能指数（ＺＴ）に対して、２つの異なる高温側温度、及び１つの固定低温側温度についてプロットしたものである。 例示的なＴＥ発電モジュールの模式図である。 基材の直交方向（Ｒ）についての温度分布（Ｔ）を示す模式図である。 中心コア内に配置されるＴＥＧを有する後処理装置の模式図である。 ＴＥ発電素子パターンの例示的な実施形態を示している。 ＴＥ発電素子パターンの例示的な実施形態を示している。 基材の例示的な最外周側面を示している。 冷却回路が基材の中心コアに沿って配置される構成のＴＥＧを有する後処理装置の模式図である。 ドリルで開口して形成されるキャビティを有するモノリシック基材を示す模式図である。 押し出し成形によりその場で成形されるキャビティを有するモノリシック基材を示す模式図である。 複数の基材部分を使用して形成されるキャビティを有するモノリシック基材を示す模式図である。 円形キャビティ内に配置される管体状ＴＥＧ、及び共通の冷却流路を有する後処理装置を示している。 円形キャビティ内に配置される複数のＴＥＧ、及び共通の冷却流路を有する後処理装置を示している。 それぞれの冷却流路が円形キャビティ内に配置される構成の複数のＴＥＧを有する後処理装置を示している。 三角形キャビティ内に配置される複数のＴＥＧ、及び共通の冷却流路を有する後処理装置を示している。 方形キャビティ内に配置される複数のＴＥＧ、及び共通の冷却流路を有する後処理装置を示している。 十字形キャビティ内に配置される複数のＴＥＧ、及び共通の冷却流路を有する後処理装置を示している。 １つのＴＥＧが各キャビティ内に配置される構成の複数の円形キャビティを有する後処理装置を示している。 複数のＴＥ発電素子の間の電気相互接続を示す模式図である。 複数のＴＥ発電素子の間の電気相互接続を示す模式図である。 一体型ＴＥＧ群を有する後処理装置の継手構造を示す模式図である。 キャビティ群内に、かつ周辺スロット群の端部に配置されるＴＥＧ群を有する後処理装置を示している。 キャビティ群内に、かつ周辺スロット群の端部に配置される複数のＴＥＧ、及び冷却流路群を有する後処理装置を示している。 １つの周辺スロットを有する後処理装置の継手構造を示す模式図である。 キャビティ内に配置されるＴＥＧ群、及び後処理装置の外周の周りに位置するＴＥＧ群を有する後処理装置を示している。 基材の内部ボリューム内に部分的に配置されるＴＥＧ群を有する後処理装置を示している。 第１基材サンプルの場合の取り出し熱エネルギー（Ｗ）を車両速度（ｋｍ／ｈｒ）の関数として数値モデル化することにより得られる結果を示している。 第２基材サンプルの場合の取り出し熱エネルギー（Ｗ）を車両速度（ｋｍ／ｈｒ）の関数として数値モデル化することにより得られる結果を示している。 図２６及び２７の基材サンプルの場合の取り出し熱エネルギー流束（Ｗ／ｍ^２）を車両速度（ｋｍ／ｈｒ）の関数として数値モデル化することにより得られる結果を示している。 図２７の基材サンプルの場合の取り出し熱エネルギー（Ｗ）を内側マット部の熱伝導率（Ｗ／ｍ−Ｋ）の関数として数値モデル化することにより得られる結果を示している。

例示的な実施形態によれば、後処理用基材内に配置される熱電発電装置（ＴＥＧ）を有する排気後処理システムが開示される。本開示によれば、例えば触媒基材またはパティキュレートフィルタ基材のような基材は、排気ガスを基材の第１端部から基材の第２端部に、基材の内部ボリュームを画成する最外周側面内で流すように適合させる。内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置されるのが、少なくとも１つの熱電発電素子である。

熱電（ＴＥ）発電素子を基材の内部ボリューム内に設置することにより、高温側の温度を更に高くすることができ、従って変換効率を更に高くすることができる。更に、ＴＥ発電素子を内部ボリューム内に設置すると、特に基材の熱伝導率が低い場合に、基材の動作中の基材全体の温度の均一化を図ることができることにより、基材の動作範囲を大幅に広げることもできるので有利である。

ガソリンエンジンでは、例えば排気ガスは１つ以上の三元触媒（ＴＷＣ）基材を通って流れることができる。図２に模式的に示すように、代表的なガソリン後処理システムは、エンジン２１に近接接続されるＴＷＣ基材２０を、更に下流に位置する別の車両床下ＴＷＣ基材２０と併せて含んでいる。図２に示すように、種々の例示的な実施形態では、ガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）基材２２を更に設けることができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、エンジン２１の作動中、空気がエアインテーク（空気取り入れ口）２３を通って流入し、ターボチャージャ２４により圧縮され、インタークーラ２５で冷却され、そして吸気バルブ群２６を通ってエンジン２１のシリンダ群に流入する。燃料が添加され、そして燃料に着火した後、排気ガスが排気バルブ群２７から流出し、排気マニホールド２８内で混合され、ターボチャージャ２４（設けられる場合に）を回転させ、そしてこれらのＴＷＣ２０及びＧＰＦ２２を通って流れる。

これらのＴＷＣ基材２０及び／又はＧＰＦ基材２２の熱質量によって、後処理システムを通って流れる排気ガスの熱を蓄積する（すなわち、熱源）ことができ、そしてエンジン冷媒は、例えば後処理システムを通ってラジエータ２９から冷媒管路３０を経由して流すことにより、ヒートシンクとして作用することができる。従って、ガソリンエンジンでは、図２に示すように、ＴＥＧを後処理用基材内に一体化することができそうな種々の箇所（ＰＳ）が存在する。

ディーゼルエンジン３１の作動中は、図３に模式的に示すように、排気マニホールド２８から流出する排気ガスは、吸気バルブ群２６に至ることができる第２の戻り通路を有する、すなわちＥＧＲクーラ３６を通過する排気ガス再循環通路（ＥＧＲ）３２を経由することができる第２の戻り通路を有する。しかしながら、ガソリンエンジン２１の場合と同じように、残りの排気ガスは、直列接続される後処理部材群を通って流れる。触媒基材は、例えば図３に示すように、ディーゼル酸化触媒（ｄｉｅｓｅｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｃａｔａｌｙｓｔ：ＤＯＣ）基材３３と、選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：ＳＣＲ）触媒基材３４と、そしてアンモニアスリップ触媒基材３５と、を含むことができる。種々の例示的な実施形態では、ディーゼル車両はまた、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＬＮＴ）を、ＳＣＲ触媒基材及びアンモニアスリップ触媒基材の代わりに用いることができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、触媒基材は多くの場合、触媒材料で被覆される多孔質セラミック基材または金属基材により構成される。

種々の例示的な実施形態では、触媒基材の他に、図３に示すように、ディーゼルエンジン３１は更に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）基材３７を含むことができる。この技術分野の当業者であれば深く理解できることであるが、ＤＰＦ基材３７は、例えば両端面を目封止して端面が市松模様状を呈する構成の両端面を有する種々の多孔質セラミック基材を用いて作製することができる、または例えば波形金属板により形成されるパーシャルフローフィルタ（ｐａｒｔｉａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｌｔｅｒ）を用いることにより作製することができる。

上記のように、触媒基材３３，３４，及び３５、及び／又はＤＰＦ基材３７の熱質量が従って、後処理システムを通過して流れる排気ガスの熱を蓄積する手段（すなわち、熱源）として作用することができる。また、エンジン冷媒は、例えば後処理システムを通って、ラジエータ２９から冷媒管路３０を経由して流れるようにすることができるので、ヒートシンクとして作用することができる。従って、ディーゼルエンジンでは、図３に示すように、ＴＥＧを後処理用基材内に一体化することができそうな種々の箇所（ＰＳ）が存在する。

本明細書において使用されるように、「ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（基材）」または「ａｆｔｅｒ−ｔｒｅａｔｍｍｅｎｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（後処理用基材）」としては、汚染物質をエンジンの排気ガスから除去するために用いられる触媒基材及びパティキュレートフィルタ基材を挙げることができる。基材は、例えば種々の金属材料及びセラミック材料で構成される多孔質体を含むことができ、これらの材料として、これらには限定されないが、コーディエライト、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素、チタン酸アルミニウム（ＡＴ）、ユークリプタイト、ムライト、アルミン酸カルシウム、リン酸ジルコニウム、及びリシア輝石を挙げることができる。「ｃａｔａｌｙｓｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（触媒基材）」としては、例えば触媒を含浸させたＴＷＣ、ＤＯＣ、またはＳＣＲのような多孔質体を挙げることができ、この触媒は、化学反応を促進して、排気ガス中の様々な汚染物質（例えば、一酸化物、窒素酸化物、硫黄酸化物、炭化水素）の濃度を低減する、またはゼロにすることができる。「ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（パティキュレートフィルタ基材）」としては、例えば排気ガス流中の微粒子（例えば、煤及び灰）を捕集することにより低減するＧＰＦ基材またはＤＰＦ基材のような多孔質体を挙げることができる。

本開示の基材は、特定の用途に適する任意の形状または幾何学構造だけでなく、これらには限定されないが、フロースルー構造（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ウォールフロー構造（ｗａｌｌ−ｆｌｏｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、またはこれらの構造の任意の組み合わせ（例えば、パーシャルフロー構造）を含む多種多様な構成及び構造を有することができる。例示的なフロースルー構造としては、例えば流路または多孔質網目構造、或いは両方の端部で開放され、かつ排気ガスを、通路を通って一方の端部から反対側の端部に流すことができる他の通路を含む任意の構造を挙げることができる。例示的なウォールフロー構造としては、例えば流路または多孔質網目構造、或いは個々の通路が、両側の端面で開放され、そして閉塞されることにより、排気ガスが一方の端部から他方の端部に流れるときの流路壁を流れるガス流を強めることができる他の通路を含む任意の構造を挙げることができる。例示的なパーシャルフロー構造としては、例えば部分的にフロースルーし、かつ部分的にウォールフローする任意の構造を挙げることができる。種々の例示的な実施形態では、上に説明したこれらの基材構造を含む基材はモノリシック構造とすることができる。本教唆の種々の例示的な実施形態では、ハニカム形状の多孔質構造体を、多孔質構造体が、煤及び灰を堆積させるための単位容積当たりの表面積が広いので利用することを想到することができる。この技術分野の当業者であれば、ハニカム構造体のセル群の断面が、ほぼ任意の形状を有することができ、そして方形または六角柱に限定されないことが理解できるであろう。同様に、ハニカム構造体は、フロースルー構造、ウォールフロー構造、またはパーシャルフロー構造のいずれかの構造として構成することができる。

図２及び３を参照して上に示し、そして説明したように、後処理システムを通って流れる廃熱のような廃熱から電気を取り出すために、本開示では、種々の高温ＴＥ材料を後処理用基材内に一体化する構成を想到することができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、適切なＴＥ材料により普通、当該ＴＥ材料が温度勾配に曝されると大きな熱電力が発生することが理解できるであろう。例えば、適切な材料は普通、これらの材料のキャリア濃度の温度に対する依存性が強く、高いキャリア移動度及び低い熱伝導率を有する。この技術分野の当業者であれば深く理解できることであるが、熱エネルギーの大部分を取り出すことができる適切な材料は普通、Ｔを温度（単位：ケルビン）とし、Ｓをゼーベック係数または熱電能（単位：Ｖ／ｍ）とし、σを電気伝導率（単位：ジーメンス／ｍ）とし、そしてκを熱伝導率（単位：Ｗ／ｍＫ）とした場合に、ＺＴ＝Ｔ^＊Ｓ^２＊（σ／κ）として定義される大きな性能指数ＺＴを有する。これも理解できることであるが、ゼーベック電圧は、温度勾配に曝される材料に生じる電位差を表わし、そしてゼーベック係数は、ゼーベック電圧を温度勾配ゼロに外挿することにより得られる。材料の多数キャリアの導電型によって異なるが、ゼーベック係数は、正または負とすることができる。これらの関係を図４ａ及び４ｂに、種々の材料（すなわち、絶縁材料Ｉ、半導体材料ＳＣ、半金属材料または高濃度不純物添加半導体材料ＳＭ、及び金属材料Ｍ）について示すことにより、ゼーベック係数（α）Ｓ、力率（α^２／ρ＝α^２σ）ＰＦ、及び電気伝導率（σ＝１／ρ）Ｃの関係を示す。

図５ａを参照すると、図５ａに示されているように、例示的なＴＥ発電素子（例えば、相互接続されるｎ型半導体及びｐ型半導体を含む発電素子）はＴＥＧ（熱電発電装置）の構成要素である。ＴＥ発電素子対は、例えばｐ型ＴＥ材料及びｎ型ＴＥ材料により構成される相互接続ｐ脚部及びｎ脚部からなる組立体により形成される。図５ａに示すように、ＴＥ発電素子対が熱源Ｈ及びヒートシンクＣに曝されて、温度勾配ΔＴが当該対に生じると、電流Ｉが回路を時計回りに流れる。熱を電気に変換する効率を性能指数ＺＴの関数としてプロットした様子を図５ｂに示す。図５ｂに示すように、材料が約１．５のＺＴ値を有する場合、変換効率は、温度勾配が約２００Ｋ（すなわち、Ｔ_ｈｏｔ＝５００Ｋ−Ｔ_ｃｏｌｄ＝３００Ｋ）のときに約１０％であり、そして温度勾配が約５５０Ｋ（すなわち、Ｔ_ｈｏｔ＝８５０Ｋ−Ｔ_ｃｏｌｄ＝３００Ｋ）のときに約２０％である。

これもまた、この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、ＴＥ（熱電）材料及びＴＥ部品をＴＥＧ（熱電発電装置）内に一体化するためのＴＥ脚部の種々の形状及び配置が提案されている。例示目的に過ぎないが、１つの例示的なＴＥ発電モジュールを図６に示す。図６に示すように、ＴＥモジュール６０は、板材６３と６５との間に形成することができ、これらの板材は、モジュール６０の高温側Ａ及び低温側Ｒにそれぞれ配置される（例えば、矢印Ａ及びＲでそれぞれ示すように、熱は板材６３の上面を通って吸収され、そして板材６５の下面を通って排出される）。板材６３及び６５はこれにより、モジュール６０の熱源及びヒートシンクとしてそれぞれ作用する。交互に並ぶｐ脚部及びｎ脚部６１は、モジュール６０の高温側及び低温側の両方の側の金属相互接続６２によって直列に相互接続されるので、モジュール６０の合計電圧をリード端子６４から取り出すことができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、図６に示す簡単な板材６３及び６５ではなく、ＴＥＧは普通、加熱源と冷却源との間の高効率の熱交換を保持する高効率熱交換器を含む。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、種々のＴＥＧ（熱電発電装置）構造及び／又は構成が、本開示及び請求項により想定されることを理解できるであろう。

上記のように、種々の例示的な実施形態では、基材（例えば、触媒基材またはパティキュレートフィルタ基材）は、比較的高い熱伝導率を有する材料、及び／又は比較的低い熱伝導率を有する材料を含む多種多様な材料を含むことができる。種々の実施形態では、例えば基材は、約２０Ｗ／ｍＫ〜約２５Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する金属材料を含むことができる。これとは異なり、種々の更に別の実施形態では、基材は、約０．５Ｗ／ｍＫ〜約２０Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有するセラミック材料を含むことができる。種々の実施形態では、基材は更に、ハニカム構造体を含むことができ、この場合、総合熱伝導率は、空孔率を高くし、そして壁厚を薄くすることにより更に低くすることができる。

この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、基材（例えば、触媒基材またはパティキュレートフィルタ基材）内の温度分布は、多数のパラメータによって変わる。触媒基材の場合、基材温度（及び温度プロファイル）は、エンジンの種類、燃料の種類、後処理システムの構成、及び種々の他の要素によって変わり得る。図７に基材８０の横に示す温度分布プロファイルから分かるように、ガソリンエンジンでは、例えば基材８０は、コアよりも周辺において数百度冷たくなる可能性がある（この場合、Ｔは温度を指し、そしてＲは、温度分布プロファイルにおける直交方向距離を指す）。触媒基材が高効率で動作する場合、所望の動作パラメータとして、基材全体に亘る略均一な温度分布、ガス流均一性、及び高速の着火を挙げることができる。従って、図７に示す直交方向（例えば、図７の基材構造の半径方向）の温度勾配によって、触媒基材の場合の基材８０の低温側外周における触媒の利用効率が低くなってしまう、または触媒及び基材を必要な動作温度よりも極めて高い温度に過熱してしまう。

例えば、温度が通常、排気ガス系統内のフィルタの位置によって変わる構成（すなわち、標準的な構成と近接して接続される構成との関係）のＤＰＦ基材のような無触媒パティキュレートフィルタ基材では、平均基材温度は通常、平均触媒基材温度よりも低い。例えば、ＤＰＦ基材は、２つの主要領域、すなわち通常動作領域（すなわち、触媒フィルタまたは無触媒フィルタの何れかのフィルタの基準温度）及び再生領域で動作する。フィルタ再生中、温度がピークになってかなり高い値を指すようになり、この場合、フィルタのコア温度は、外周における温度よりも数百度高くなり得るので、この場合もまた、半径方向の温度勾配が急峻になる。このような温度勾配によって、基材（例えば、触媒基材及びパティキュレートフィルタ基材）が許容動作範囲で動作する状態を保持するのが困難となる。

従って、触媒基材及びパティキュレートフィルタ基材の両方における直交方向の温度勾配によって、低熱伝導率のフィルタの動作範囲が制限される。温度勾配を小さくする１つの手法では、より高い熱伝導率の材料を基材に使用する。本開示によれば、基材内の温度勾配は、少なくとも１つのＴＥ発電素子を基材内に一体化することにより小さくすることもできるので、基材の動作範囲を広げることができ、そして車両内での廃熱回収を実現することができる。

図８ａに示すように、本開示の種々の例示的な実施形態によれば、後処理装置１００は、第１端部１０１と、第２端部１０２と、そして内部ボリューム１０４を画成する最外周側面１０３と、を備えることができる。上に説明したように、後処理システム内に配置される場合、基材１０６は、排気ガスが内部ボリューム１０４を通って第１端部１０１から第２端部１０２に流れるように構成される。種々の実施形態では、例えば基材は、複数の流路１１５を備える構造体であり、これらの流路１１５によって、排気ガスがこれらの流路１１５を通って第１端部１０１から第２端部１０２に流れることができる。例示的な実施形態では、流路群を備える基材は、ハニカム構成を有することができるが；この技術分野の当業者であれば、これらの流路が、本開示の範囲を逸脱しない多種多様な配置及び構成（例えば、断面）を有することができることを理解できるであろう。単に図を見易くするために、流路群は図９〜１８及び２０〜２５には図示されていない。

本明細書において使用されるように、「ｏｕｔｅｒｍｏｓｔ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ（最外周側面）」とは、基材の中心と基材の表皮との間の最大距離で定義される外周境界面（外周境界面の一部は想像することができる）を指している。一例として、基材が円形断面を有する場合、「ｏｕｔｅｒｍｏｓｔ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ」は、基材の半径で画成される。従って、図示のように、例えば図９を参照すると、基材２００が完全な円ではない（すなわち、外周面に形成される切り欠き部群２０１または他の窪み群、スロット群、または開口部群を有する）場合、最外周側面２０３は、基材２００を包み込む凸部暗線で画成され、かつ基材２００の中心２０２と基材２００の表皮２０４との間の最大半径ｒで画成される（切り欠き部群２０１で生じる凹部群２０５を含む）。従って、図９の例示的な実施形態では、最外周側面の一部は、基材２００の外周面（切り欠き部群を除く表面）に一致し、そして他の部分は、想像面部分（すなわち、切り欠き部群２０１を含む表面）を含む。

本明細書において使用されるように、「ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｖｏｌｕｍｅ（内部ボリューム）」とは、最外周側面で区切られる容積を指す。図９を参照するに、内部ボリュームは、最外周側面２０３で画成される容積であり、この容積は、基材２００の容積、及び切り欠き部群２０１（凹部群２０５で画成される）の容積の両方の容積を含む。

本開示によれば、少なくとも１つの熱電（ＴＥ）発電素子は、内部ボリューム１０４内に少なくとも部分的に配置される。図８ｂ及び８ｃに示すように、ＴＥＧ１０５は、ＴＥ発電素子群１０９から成る異なるパターンを含むことができ、これらのパターンとして、例えばｎ型脚部及びｐ型脚部が交互に並んだ市松模様（図８ｂ）、ｎ型管体及びｐ型管体から成る積層体（図８ｃ）、半径方向に延びるｎ型及びｐ型フィン、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、ＴＥ発電素子群１０９から成る種々のパターンは、本開示または請求項から逸脱しない範囲で使用することができることが理解できるであろう。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、ｎ脚部群及びｐ脚部群は互いから分離される。適切な分離層は、例えばセラミックまたはガラス−セラミック発泡体、コーティング、または中間層のような低熱伝導率かつ低電気伝導率の材料により形成することができる。

種々の例示的な実施形態では、ＴＥ発電素子群１０９は基材１０６と直接、物理的に接触する。種々の更に別の実施形態では、ＴＥ発電素子群１０９は基材１０６と、熱伝導媒質を介して熱的に接触させることができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、熱伝導媒質は、任意の種類の熱伝導性形状追随材料により形成することができる。熱伝導媒質は、例えばＴＥ発電素子群１０９及び基材１０６の表面に追随して、熱源または冷却源からＴＥ発電モジュールへの熱伝導を効果的に向上させるように機能することができる。この技術分野の当業者であれば、適切な熱伝導材料は、低電気伝導率及び高熱伝導率を有する材料を含むことができ、これらの材料として、例えば金属発泡体、網目状構造、及び金属セラミックスを挙げることができる。

図７に関連して既に説明したように、基材は、当該基材の外周よりも当該基材のコアにおいて高い温度を示す。このような直交する半径方向の熱勾配によって、応力が基材内に生じる可能性があり、そして当該基材の熱機械耐力が低く抑えられ、動作範囲が狭く限定される可能性がある。従って、種々の例示的な実施形態では、基材全体に亘る温度勾配は、従って熱発生応力は、１つ以上のＴＥ発電素子または冷媒流を基材の最高温領域に配置する、すなわちコアに沿って配置することにより小さくすることができる。ＴＥ発電素子群１０９が基材１０６に近接し、かつ冷媒流が基材１０６の中心軸に沿って、ＴＥ発電素子群１０９と熱的に接触する一体型冷却回路１０８を通って流れる構成のこの幾何学構造を図８ａ及び１０に示す。図１０に示すように、例えば基材１０６は中心キャビティ１０７を含むことができ、この中心キャビティ１０７は、ＴＥ発電素子群１０９（例えば、図８ａ、８ｂ、及び８ｃに示すＴＥＧ１０５を構成する）を収容する容積部７０を有し、この場合、容積部７１は一体型冷却回路１０８（図８ａに示す）を収容する。このような構成では、冷却回路１０８（すなわち、ヒートシンク）による冷却効果によって、最高コア温度が低く抑えられ、そして基材全体に亘る温度勾配が小さくなり易くなる。従って、基材の熱機械信頼性が大幅に向上し、そして当該基材の動作範囲が広くなるので、フィルタ基材中の煤重量を増加させることができる、そして／またはより高温のスパイクを触媒基材中で行なうことができる。従って、種々の実施形態では、ＴＥ発電素子群１０９は、基材１０６を冷却するように構成することができる。種々の実施形態では、例えばＴＥ発電素子群１０９に隣接する冷媒流を利用して、ＴＥＧ１０５を基材１０６の温度に応じて制御することができる。例えば、種々の実施形態では、後処理装置１００は更に、内部ボリューム１０４の温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサを備えることができ、そして冷媒流は、測定温度に応じて調整する（増やす、または減らす）ことができる。種々の実施形態では、例えば冷媒流は、パティキュレートフィルタ基材に発現する再生現象に応じて調整することができる。種々の更に別の実施形態では、触媒コンバータ中の冷媒流を調整して、触媒が活性状態となる閾値温度を保持することができる。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、種々の更に別の実施形態では、基材から取り出される熱量を自動制御するために、材料のＺＴ（性能指数）特性が温度に対して急峻に階段状に変化するＴＥ（熱電）材料を任意に適用することにより、閾値を基準とする動作が可能となる。

ヒートシンク（すなわち、一体型冷却回路１０８）を基材の最高温度領域に、または最高温度領域の近傍に配置することにより、冷間始動時に熱を伝達してエンジン冷媒を温めることもできる。これにより、例えば原動機付き車両の客室だけでなく、エンジンブロック、及びエンジン摩擦を小さくすることができるエンジンオイルをより高速に加熱し易くすることができる。従って、種々の更に別の実施形態では、ＴＥ発電素子群１０９は、基材１０６を加熱するように構成することができる。

図８ａに示すように、キャビティ１０７（例えば、両方の端部で開放される導管）は、基材１０６の中心コア内（内部ボリューム１０４内）に形成することができ、そしてＴＥＧ１０５及び一体型冷却回路１０８は、キャビティ１０７内に配置することができる。従って、ＴＥＧ１０５は、熱源（基材１０６）とヒートシンク（冷却回路１０８）との間に配置される。この技術分野の当業者であれば理解できるように、特定の用途及び基材構造によって異なるが、ＴＥＧ１０５及び一体型冷却回路１０８は、種々の構成をキャビティ１０７内に有することができる。従って、本開示によれば、種々の基材構造、ＴＥＧ構造、及び排気後処理システム構成が以下に開示される。

この技術分野の当業者であれば深く理解できることであるが、多くの手法を用いて細長キャビティ１０７を基材１０６内に形成することができる。種々の実施形態では、図１１ａに示すように、基材１０６を成形することができ、そしてキャビティ１０７をドリルで開口して、既に形成されている基材１０６に開けることができる。しかしながら、キャビティ１０７をドリルで開口すると、キャビティ１０７の粗い内側表面１２０が残ってしまう。従って、基材１０６とＴＥＧとの熱的な接触を向上させるために、電気絶縁熱伝導媒質層１１０を、ドリルで開口したキャビティ１０７の内側表面１２０に設けることができる。当業者であれば理解できることであるが、電気絶縁熱層１１０は、これらには限定されないが、予備成形層のディップコーティング、スプレーコーティング、または直接接着方式を含む種々の方法により形成することができる。

種々の更に別の実施形態では、図１１ｂに示すように、キャビティ１０７は、基材１０６の成形中に、押し出し成形のような方法でその場で成形することができ、この場合、押し出し成形金型を、基材１０６を成形するときに変更してキャビティ１０７を成形する。ドリルで開口する図１１ａの実施形態の場合と同じように、電気絶縁熱伝導媒質層１１０は任意であるが、キャビティ１０７の内側表面１２０に形成することができる。

図１１ｃに示すように、種々の更に別の実施形態では、中心キャビティ１０７を有する基材組立体１０６は、例えば押し出し成形のような方法で、２つ以上の個別の基材部品１１１及び１１２を成形し、これらの基材部品を組み付けて（例えば、図１１ｃに例示のために図示されるエアギャップ１１３を閉じることにより）、所望のフォームファクタを実現することにより輪郭形成することができる。

キャビティは、円形（図８ａ，１０，１１に示すような）、方形、矩形、長円形などを含む任意の適切な幾何学構造及び／又は断面形状を有することができる。図１２は、例えば管体状ＴＥＧ３０５（図８ｃ）を内部に配置した構成の円形キャビティ３０７を有する基材３０６を示している。管体状ｐ脚部及びｎ脚部は、電気的熱的絶縁層を挟んで分離される。電気絶縁熱伝導層３１０（すなわち、熱伝導媒質）は、ＴＥＧ３０５を基材３０６の本体から分離する。任意の電気絶縁層３１１は、ＴＥＧ３０５を、例えば冷媒３１３を流すように構成されるパイプ３１２で画成される一体型冷却回路３０８（すなわち、共通冷却流路）のような冷却手段から分離する。上記のように、管体状ＴＥＧ３０５を、特に基材が円形キャビティ３０７を有する状態で利用することにより、ＴＥ発電素子群（図示せず）と基材３０６との熱的な接触を向上させることができる。

これもまた図１２に示されているのであるが、クロスハッチングを、これらの図全体を通じて使用して、図示の種々の構成要素の判別を容易にしている。この技術分野の当業者であれば、クロスハッチングが、他との区別のためにのみ用いられ、そして本開示または請求項を決して限定するものではないことが理解できるであろう。

複数の矩形ＴＥＧ４０５を含む中心の円形キャビティ３０７を有する基材４０６を図１３に示す。キャビティ３０７内では、電気絶縁熱伝導層４１０が、複数のＴＥＧ４０５を基材４０６の本体から分離しているのに対し、任意の電気絶縁層４１１は、これらのＴＥＧ４０５を、例えば冷媒４１３を流すように構成される矩形パイプ４１２で画成される一体型冷却回路４０８のような冷却手段から分離している。

図１４に示すように、別の実施形態では、中心の円形キャビティ５０７を有する基材５０６は、複数の（図１４の例示的な実施形態には４個が描かれている）矩形ＴＥＧ５０５を備えることができ、各矩形ＴＥＧ５０５は、冷媒５１３を流すように構成される矩形パイプ５１２で画成される該当する冷却回路５０８（すなわち、冷却流路）と熱的に接触している。電気絶縁熱伝導層５１０が、各ＴＥＧ５０５を基材５０６の本体から分離しているのに対し、任意の電気絶縁層５１１は、各ＴＥＧ５０５を冷却回路５０８から分離している。図１４の実施形態では、例えば各ＴＥＧ５０５は、電気絶縁熱伝導層５１０との熱的な接触を向上させることにより、基材５０６との熱的な接触を向上させるような向きになっている。

図１５〜１７に示すように、種々の例示的な実施形態では、円形キャビティではなく、ｉ_{ｅｌｅｍｅｎｔ}をキャビティ内に垂設して配置されるＴＥ発電素子群の個数とした場合にｉ_{ｅｌｅｍｅｎｔ}個の辺を有する多角形キャビティを用いることができる。更に、多角形キャビティを有する実施形態では、多角形のこれらの辺の長さは、等しくすることができる、または等しくならないようにすることができる。例えば、多角形のこれらの辺の長さは、これらのＴＥＧ自体の全てが同じ垂設寸法を有する場合に等しくすることができる。しかしながら、これらのＴＥＧが、異なる垂設寸法を有する場合、または基材の熱膨張率（ＣＴＥ）が異方性を示す（すなわち、ｘ方向及びｙ方向に異なる特性を有する）場合、キャビティ寸法を調整して、これらのＴＥＧを、１つの好適な方向により長くすることができる。

図１５は、例えば三角形キャビティ６０７を有する基材６０６を示している。図１５に示すように、３個のＴＥＧ６０５をキャビティ６０７内に取り付ける。上記のように、これらのＴＥＧ６０５は基材６０６から、電気絶縁熱伝導層６１０を挟んで分離され、そして中心の冷却回路６０８から、任意の電気絶縁層６１１を挟んで分離される。中心の冷却回路６０８は、冷媒６１３を流すように構成される三角パイプ６１２で画成される。

図１６は、方形キャビティ７０７を有する基材７０６を示している。図１６に示すように、４個のＴＥＧ７０５をキャビティ７０７内に取り付ける。これらのＴＥＧ７０５は基材７０６から、電気絶縁熱伝導層７１０を挟んで分離され、そして中心の冷却回路７０８から、任意の電気絶縁層７１１を挟んで分離される。中心の冷却回路７０８は、冷媒７１３を流すように構成される方形パイプ７１２で画成される。

図１７は、十字形キャビティ８０７を有する基材８０６を示している。図１７に示すように、１２個のＴＥＧ８０５をキャビティ８０７内に取り付ける。これらのＴＥＧ８０５は基材８０６から、電気絶縁熱伝導層８１０を挟んで分離され、そして中心の冷却回路８０８から、任意の電気絶縁層８１１を挟んで分離される。中心の冷却回路８０８は、冷媒８１３を流すように構成される十字形パイプ８１２で画成される。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、このような多辺構造を用いて、これらのＴＥＧ８０５と基材８０６との利用可能な接触表面積を大きくすることができる。

種々の更に別の例示的な実施形態では、図１８に示すように、複数のキャビティ１０７を基材１０６内に形成することができる。図１８に示すように、例えば３個の円形キャビティ１０７を基材１０６内に形成することができ、各キャビティ１０７は、ＴＥ発電素子群（例えば、ＴＥＧ群を構成する）を収容する容積部７０と、そして一体型冷却回路を収容することができる容積部７１と、を有する。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、図１８の実施形態は単なる例示に過ぎず、そして基材が種々の個数及び／又は構成のキャビティを、本開示及び請求項の範囲から逸脱しない限り有することができることを理解できるであろう。例えば、複数のキャビティを用いる場合に、種々のキャビティ形状を想到することもでき、そして１つのキャビティの形状は、２番目のキャビティの形状と同じとする、または異ならせることができることを理解されたい。従って、キャビティが１個だけ設けられる実施形態、及びキャビティが複数個設けられる実施形態の両方の実施形態において、当業者であれば、各キャビティの適切なサイズ及び位置を決定することができるであろう。例えば、キャビティ群を基材内に対称に、または非対称に配置することにより、ＣＴＥ（熱膨張率）の非対称性を無くすことができる。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、上記実施形態の全てにおいて、ＴＥ発電素子群及び冷媒流路群は、基材の内部ボリューム（基材の最外周側面で画成される）内に配置されるので、基材を収容することができるハウジングまたは排ガス容器（すなわち、収納缶体）の内側に配置される。この技術分野の当業者であれば更に、ＴＥ発電素子群及び／又は冷媒流路群は、基材の内部ボリュームの全長に亘って延設する、そして／またはほんの一部のみを、内部ボリュームの長さに沿って延設することができることを理解できるであろう。更に、複数のＴＥ発電素子は、内部ボリューム内に配置することができる。

構成可能な電気相互接続を介して図１２の例示的な基材３０６内の種々のＴＥ発電素子群３０９を接続する様子を表わす模式図を、図１９ａ及び１９ｂ（これらの図は、中心から外周に向かって見たときの基材の断面を示している）の部分断面図として示す。図示のように、ＴＥＧ３０５は、ＴＥ発電素子群３０９を交互に並べた種々のパターンを含むことができる。種々の実施形態では、例えばＴＥ発電素子群３０９は、複数のｎ型素子３２０と、そして複数のｐ型素子３２１と、を含むことができる。上記のように、種々の実施形態では、これらのｎ型素子３２０、及びこれらのｐ型素子３２１が、交互に市松模様（例えば、図８ｂに示すパターンと同様の）に配置されるのに対し、種々の更に別の実施形態では、これらのｎ型素子３２０、及びこれらのｐ型素子３２１は、交互に並んだｐ型及びｎ型の立方体、六角柱、管体（例えば、図８ｂに示すパターンと同様の）、フィン、またはその他の形状のブロックを含む。

図１９ａ及び１９ｂに示すように、電気絶縁熱伝導層３１０（すなわち、熱伝導媒質）は、ＴＥ発電素子群３０９を基材３０６の本体から分離し、そして電気絶縁層３１１は、ＴＥ発電素子群３０９を、例えば冷媒３１３を流すように構成されるパイプ３１２で画成される一体型冷却回路３０８のような冷却手段から分離する。種々の実施形態では、例えば絶縁層３１０及び３１１をパターニングすることにより、熱源側及びヒートシンク側の一方の側の、または両方の側の電流コレクタ３２３を分離することもできる。これらの電流コレクタ３２３を流れる電流は、図１９ａ及び１９ｂに矢印及び参照記号Ｉで図示されている。空気、ガス、または真空の空間３２２で、ｎ型素子群３２０をｐ型素子群３２１から分離する。図１９ａに示すように、種々の実施形態では、空間３２２を、電気絶縁材料（すなわち、絶縁層３１０及び３１１は連続している）で裏打ちすることができる。別の構成として、図１９ｂに示すように、種々の更に別の実施形態では、これらの電流コレクタ３２３は、電気絶縁材料で被覆されるようにすることができる（すなわち、絶縁層３１０及び３１１は連続ではなく、かつこれらの電流コレクタ３２３の寸法に一致する）。この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、パティキュレートフィルタ基材の実施形態の場合、電気絶縁材料が微粒子も通さないように裏打ちが施された空間３２２（図１９ａ）によってＴＥＧ機能を向上させることができる。このような構成によって、例えば排気ガスに含まれる導電性微粒子（これらの微粒子は、再生中に燃焼してしまう）が、ＴＥ発電素子群の直ぐ傍で収集されるのを防止することができ、そして場合によっては、ＴＥ発電素子群または電流コレクタ群３２３の短絡が生じる、そして／または化学的及び／又は熱的損傷がＴＥ発電素子群に生じるのを防止することができる。

この技術分野の当業者であれば、これらの電流コレクタ３２３は、種々の構成を有することができ、そして例えば、金属、合金、導電性酸化物、及び／又は他の導電性セラミックスを含む種々の導電性材料により形成することができることを理解できるであろう。更に、当業者であれば、これらのＴＥ発電素子３０９は、種々の構成及び／又はパターンを有することができ、そして例えば、スクッテルド鉱ＴＥ（熱電）材料を含む種々のＴＥ材料により形成することができ、そしてこれらのＴＥ発電素子３０９に使用される構成及び材料は、熱効率（すなわち、ＺＴ値）、コスト、及び他のこのような要素に基づき、必要に応じて選択することができることを理解できるであろう。

これもまた、この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、種々の継手を用いて、一体型冷却回路を流れる冷媒の流入口及び流出口だけでなく、ＴＥＧにより生成される電力の入口及び出口を設けることができる。種々の例示的な実施形態では、種々の継手を用いてフィードバック信号及び／又は制御信号を伝送することもできる。継手に発生する虞のある余分な背圧を最小にするために、種々の実施形態では、継手を図２０に示すように、前面投影面積が最小となるように配置することができる。

図２０に示すように、種々の例示的な実施形態では、図８ａの後処理装置１００のような後処理装置は更に、例えば基材１０６を収容する排ガス容器１３０のようなハウジングを備えることができる。従って、種々の実施形態では、基材１０６が容器１３０に収容される場合、ＴＥ発電素子群１０９（例えば、ＴＥＧ１０５を構成する）は全体が容器１３０内に配置される。従って、ＴＥＧ１０５に到達するようにするために、図２０に示すように、入口継手１３１及び出口継手１３２内の接続は、容器１３０から半径方向に（図２０に示すように）飛び出す、または容器１３０の入口１４０及び／又は出口１４１から飛び出す必要がある。入口継手１３１は、例えば冷媒流入管１３３と、電流を流し込む配線１３４と、そして制御配線１３５（必要に応じて）と、を含むことができ、そして出口継手１３２は、冷媒流出管１３６と、そして電流を流し出す配線１３７と、を含むことができる。種々の実施形態では、配線１３４，１３５，及び１３７は、継手１３１及び１３２を用いて熱的に、かつ電気的に絶縁することができる。

この技術分野の当業者であれば理解できることであるが、複数のキャビティを設ける実施形態の場合、複数の継手は、マニホールド入口群及び／又は出口群を配設することができる場合に用いることができる。

種々の更に別の例示的な実施形態では、図２１に示すように、閉鎖キャビティに代わる構成として、キャビティに通じる少なくとも１つのスロットを基材内に形成することができ、そしてＴＥ発電素子群及び付随する冷媒パイプをキャビティ及びスロットの内部に配置することができる。例えば、基材９０６の内部ボリューム内のキャビティ９１５から基材９０６を通って延在して基材９０６の外部に通じる一対のスロット９１４を有する基材９０６を図２１に示す。図２１に示すように、各キャビティ９１５は、ＴＥ発電素子群（例えば、ＴＥＧを含む）を収容する容積部７０と、そして一体型冷却回路を収容する容積部７１と、を含むことができる。種々の実施形態では、スロット群９１４は、冷媒パイプの入口／出口、及びキャビティ９１５から延出する電気配線／制御配線を支持することができる（例えば、図２３を参照）。

図２２は、図２１の実施形態の断面図を示している。図２２に示すように、基材９０６は、排ガス容器９３０内に配置される。ＴＥＧ群９０５は、各スロット９１４の端部に位置するこれらのキャビティ９１５内に取り付けられる。これらのＴＥＧ９０５は、基材９０６から電気絶縁熱伝導層９１０を挟んで分離され、そして中心の冷却回路９０８から任意の電気絶縁層９１１を挟んで分離される。中心の冷却回路９０８は、冷媒９１３を流すように構成されるパイプ９１２により画成される。

閉鎖キャビティを備える実施形態の場合と同じように、種々の継手を用いて、一体型冷却回路を流れる冷媒の流入口及び流出口だけでなく、ＴＥＧにより生成される電力の入口及び出口を設けることができる。更に、上記のように、種々の例示的な実施形態では、種々の継手を用いてフィードバック信号及び／又は制御信号を伝送することができる。継手で発生する虞のある余分な背圧を最小にするために、種々の実施形態では、継手はこの場合も、例えば図２３に示すように、前面投影面積が最小となるように配置することができる。

図２３に示すように、種々の例示的な実施形態では、後処理装置は更に、例えば基材９０６を収容する排ガス容器９３０のようなハウジングを備えることができる。従って、これまでのように、基材９０６が容器９３０に収容される場合、ＴＥＧ群９０５は全体が容器９３０内に配置される。従って、ＴＥＧ群９０５に到達するために、図２３に示すように、継手９３１内の接続は、容器９３０から半径方向に（図２３に示すように）飛び出す、または容器９３０の入口９４０及び／又は出口９４１から飛び出す必要がある。継手９３１は、例えば冷媒流入管９３３と、電流を流し込む配線９３４と、制御配線９３５（必要に応じて）と、冷媒流出管９３６と、そして電流を流し出す配線９３７と、を含むことができる。種々の実施形態では、配線９３４，９３５，及び９３７は、継手９３１を用いて熱的に、かつ電気的に絶縁することができる。

種々の更に別の例示的な実施形態では、図２４に示すように、基材内のキャビティ内に配置されるＴＥ発電素子群は更に、後処理装置の外周の周りに、かつ基材の内部ボリュームの外部に（例えば、排ガス容器の外部に）配置されるＴＥ発電素子群で補足することができる。本明細書において定義されるように、基材内のキャビティ群及びスロット群とは、基材の内部ボリューム内に設けられる容積部分を指す。従って、本開示による後処理装置は、内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つのＴＥ発電素子を備える。しかしながら、本開示による後処理装置は更に、内部ボリュームの外部に（すなわち、基材の内部ボリューム内のＴＥ発電素子群と組み合わせて）配置される少なくとも１つの熱電発電素子を備えることができる。このようなＴＥＧ群は、例えば冷間始動状態におけるヒータとして用いることにより、触媒基材の温度を上昇させて触媒作用を促進することができる。

図２４に示すように、後処理装置は、排ガス容器４３０に収容される図１３の基材４０６のような基材を備えることができる。基材４０６は、中心の円形キャビティ４０７を有し、この円形キャビティ４０７は、複数の矩形ＴＥＧ４０５を含む。キャビティ４０７内では、電気絶縁熱伝導層４１０がＴＥＧ群４０５を基材４０６の本体から分離するのに対し、任意の電気絶縁層４１１は、ＴＥＧ群４０５を、冷媒４１３を流すように構成される矩形パイプ４１２により画成される一体型冷却回路４０８から分離する。図２４に示すように、後処理装置は更に、複数の矩形ＴＥＧ４１５を、排ガス容器４３０の外周の周りに備えることができる。各ＴＥＧ４１５は、冷媒４２３を流すように構成される矩形パイプ４２２により画成される該当する冷却回路４１８（すなわち、冷却流路）と熱的に接触している。個々の電気絶縁熱伝導層４２０が各ＴＥＧ４１５を排ガス容器４３０の本体から分離するのに対し、個々の電気絶縁層４２１は各ＴＥＧ４１５を、当該ＴＥＧの該当する冷却回路４１８から分離する。

図２５に示すように、種々の更に別の実施形態では、後処理装置は、基材９６内に形成されるキャビティ群９５を有する基材９６を備えることができる。図２５に示すように、ＴＥＧ群９９及び付随する冷媒パイプ群９７は、これらのＴＥＧ９９が、基材９６の内部ボリューム９４内に少なくとも部分的に配置される（かつ、内部ボリューム９４の外部に少なくとも部分的に配置される）ように、これらのキャビティ９５に配置することができる。各キャビティ９５では、電気絶縁熱伝導層９１がＴＥＧ群９９を、基材９６の本体から分離するのに対し、任意の電気絶縁層９２はＴＥＧ群９９を、冷媒を流すように構成されるパイプ９７により画成される一体型冷却回路９８から分離する。

種々の更に別の例示的な実施形態では、本開示は、排気ガスを、本明細書において記載される、例えば図８ａの後処理装置１００のような後処理装置を用いて処理する方法に関するものである。更に詳細には、排気ガスを供給する方法は、排気ガスを、第１端部１０２と、第２端部１０２と、そして内部ボリューム１０４を画成する最外周側面１０３と、を有する基材１０６の内部ボリューム１０４を通過するように流す工程を含むことができる。当該方法は更に、熱を、流れる排気ガスと内部ボリューム１０４内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つのＴＥ発電素子１０９との間で交換する工程を含むことができる。図８ａに示すように、少なくとも１つの例示的な実施形態では、１つのＴＥＧ１０５を形成する複数のＴＥ発電素子１０９を設けることができ、そして当該方法は、電気をＴＥＧ１０５により、熱交換の結果として生成する工程を含むことができる。

特定の用途によって異なるが、種々の実施形態では、当該方法は更に、流れる排気ガスを、基材１０６内に配設される触媒と反応させる工程、または流れる排気ガスを、基材１０６内で濾過する工程を含むことができる。

熱吸収を行なうために、種々の更に別の実施形態では、当該方法は更に、冷媒を、ＴＥ発電素子１０９との間で熱の授受を行なう冷却回路１０８を通過するように流す工程を含むことができる。

本教示の種々の原理を示し、そして本明細書において開示される後処理装置を効果的に利用して廃熱を回収することができる様子を示すために、表１及び図２６〜２９を参照しながら以下の例に示され、かつ記載される触媒コンバータ内に配置されるＴＥＧをモデル化した種々の実験を行なった。

例
２つのハニカム触媒基材：４．２８インチ（約１０．９ｃｍ）の直径、４．５３インチ（約１１．５ｃｍ）の長さ、及び１インチ（約２．５４ｃｍ）の直径の中心円形キャビティを有する第１ハニカム触媒基材（例１、例えば図１２を参照）、及び４．８７インチ（約１２．４ｃｍ）の直径、４．５３インチ（約１．５ｃｍ）の長さ、及び十字形キャビティを有する第２ハニカム触媒基材（例２、例えば図１７を参照）を含む触媒コンバータの内部に配置されるＴＥＧによる代表的な中型セダン車における電力の発生をモデル化した結果が得られた。各基材は、表１に示すように、同じ長さ、及び前面投影面積を排気ガス通路に関して有していた。更に、内側電気絶縁熱伝導層（すなわち、内側マット部）を各基材とキャビティとの間に配置し、そして外側電気絶縁層（すなわち、外側マット部）を各基材と金属収納缶体との間に配置した。

表１に示すように、当該モデルでは、３つの異なる基材ウェブの熱伝導率：ｋ＝１，５，及び１５Ｗ／ｍ−Ｋについて考察し、これらの結果を図２６〜２９に示す。

図２６及び２７に示すように、これらのサンプルの熱伝導表面積（すなわち、サンプル２に対応する基材からＴＥＧへ熱を伝導する表面積は、サンプル１よりも約３８２％大きかった）に差があるので、ＴＥＧから取り出される合計熱エネルギーは、サンプル２の場合の方がサンプル１の場合よりも大きかった。しかしながら、図２８に示すように、取り出された合計熱エネルギーを熱伝導表面積で除算して測定された取り出し熱エネルギー流束は当然のことであるが、利用可能な表面積が増加するにつれて減少した。従って、取り出される熱エネルギーがより増大すると、基材温度がより低くなるので；取り出しエネルギー（すなわち、流束）の低下は、両方のサンプルに関して、約９０％のエネルギーが取り出される点で比較的緩やかになった。

従って、変換効率が約１０％であると仮定すると、約１４０Ｗの電力出力が高熱伝導率基材に対応して、約８０ｋｍ／ｈｒの走行速度（図２７参照）のときに得られた。

サンプル２に対応する図２９に示すように、マット部の熱伝導率が低い場合、基材から取り出される熱エネルギーが、使用する内側マット部材料の影響を更に受け易かった（図２９では、破線は、内側マット部が無い場合に取り出される熱エネルギーを表わしている）。当該影響は、調査対象の状態（すなわち、１００ｋｍ／ｈｒの走行速度、及び熱伝導率ｋ＝５Ｗ／ｍ−Ｋのときに取り出される熱エネルギー）において、例えばマット部の熱伝導率が約２Ｗ／ｍ−Ｋよりも低い場合に非常に大きかった。

本明細書において使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、本文で明らかに異なる意味に記載されていない限り、複数の指示対象を含む。従って、例えば「ａ ｍｅｔａｌ」と表記される場合、当該表記は、本文で明らかに異なる意味に記載されていない限り、２種類以上のこのような「ｍｅｔａｌｓ（金属群）」を有する例を含む。

「ｒａｎｇｅｓ（範囲）」は本明細書においては、「ａｂｏｕｔ（約）」１つの特定の値から「ａｂｏｕｔ（約）」別の特定の値までの値として表現することができる、そして／または「ａｂｏｕｔ（約）」１つの特定の値以降の値、または「ａｂｏｕｔ（約）」別の特定の値に至るまでの値として表現することができる。このような範囲を表現する場合、種々の例は、１つの特定の値から他の特定の値までの値を含む、そして／または１つの特定の値以降の値、または他の特定の値に至るまでの値を含む。同様に、複数の値を近似値として、先行詞「ａｂｏｕｔ（約）」を用いて表現する場合、特定の値が別の状態値を形成することを理解されたい。更に、これらの範囲の各範囲の両方の端点は、他方の端点を基準にしているとともに、他方の端点とは独立していることが重要であることを理解されたい。

明らかに異なる意味に記載されていない限り、本明細書において記載される如何なる方法も、当該方法のステップ群を特定の順序で実施する必要があるものとして決して解釈されるべきではない。従って、方法クレームに実際には、当該方法のステップ群が従うべき順序が記載されていない場合、または請求項または説明に具体的に異なる意味に記載されていないので、ステップ群が特定の順序に限定されてしまう場合、如何なる特定の順序も決して推測されてはならない。

また、本明細書では、本発明の構成要素が特定の態様で機能するように「ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ（構成される）」または「ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ（適合させる）」と表記されていることに留意されたい。この点に関して、このような構成要素は、特定の特性を具体化するように、または特定の様式で機能するように「ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ（構成され）」または「ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ（適合させ）」、この場合、このような記述は、意図した使用についての記述ではなく、構造的な記述である。更に詳細には、１つの構成要素が、様式に従って作用するように「ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ ｔｏ（構成される）」または「ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ（適合させる）」のように、様式を表記する場合、当該表記は、当該構成要素の現存する物理的な状態を指し、そのような物理的な状態が現存するので、当該構成要素の構造的特徴に関する明確な記述として捉えられるべきである。

この技術分野の当業者であれば、種々の変形及び変更を本発明に、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく加えることができることを理解できるであろう。この技術分野の当業者であれば、本発明の思想及び要旨を取り入れた開示の実施形態の変形の組み合わせ、部分的な組み合わせ、及び変更を想到し得るので、本発明は、添付の請求項、及びこれらの請求項の均等物の範囲に属する全てを含むものとして解釈されるべきである。

２０ 三元触媒（ＴＷＣ）基材
２１ ガソリンエンジン
２２ パティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）基材
２３ エアインテーク
２４ ターボチャージャ
２５ インタークーラ
２６ 吸気バルブ
２７ 排気バルブ
２８ 排気マニホールド
２９ ラジエータ
３０ 冷媒管路
３１ ディーゼルエンジン
３２ 排気ガス再循環通路
３３ ディーゼル酸化触媒基材
３４ 選択的触媒還元触媒基材
３５ アンモニアスリップ触媒基材
３６ ＥＧＲクーラ
３７ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）基材
６０ ＴＥモジュール
６１ ｐ脚部、ｎ脚部
６２ 金属相互接続
６３，６５ 板材
６４ リード端子
７０，７１ 容積部
８０，９６，１０６，２００，３０６，４０６，５０６，６０６，７０６，８０６，９０６ 基材
９１，１１０，３１０，４１０，４２０，５１０，６１０，７１０，８１０，９１０ 電気絶縁熱伝導媒質層、電気絶縁熱伝導層
９２，３１１，４１１，４２１，５１１，６１１，７１１，９１１ 電気絶縁層
９４，１０４ 内部ボリューム
９５，１０７，３０７，４０７，５０７，６０７，７０７，８０７，９１５ キャビティ
９７，３１２，４１２，４２２，５１２，６１２，７１２，８１２，９１２ パイプ
９８，１０８，３０８，４０８，４１８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８ 冷却回路
９９，１０５，３０５，４０５，４１５，５０５，７０５，８０５，９０５ ＴＥＧ
１００ 後処理装置
１０１ 第１端部
１０２ 第２端部
１０３，２０３ 最外周面

１０６ 基材組立体
１０９，３０９ ＴＥ発電素子
１１１，１１２ 基材部品
１１３ エアギャップ
１１５ 流路
１２０ 内側表面
１３０，４３０，９３０ 排ガス容器
１３１ 入口継手
１３２ 出口継手
１３３，９３３ 冷媒流入管
１３４，１３５，１３７，９３４，９３５，９３７ 配線
１３６，９３６ 冷媒流出管
１４０，９４０ 容器の入口
１４１，９４１ 容器の出口
２０１ 切り欠き部
２０２ 基材の中心
２０４ 基材の表皮
２０５ 凹部
３１３，４１３，４２３，５１３，６１３，７１３，８１３ 冷媒
３２０ ｎ型素子
３２１ ｐ型素子
３２２ 空間
３２３ 電流コレクタ
９１４ スロット
９３１ 継手
Ａ 高温側、矢印
Ｃ ヒートシンク
Ｈ 熱源
Ｉ 電流
ｒ 最大半径
Ｒ 低温側、矢印、直交方向距離
Ｔ 温度
ΔＴ 温度勾配
ＺＴ 性能指数

Claims (5)

1. 第１端部と、第２端部と、そして内部ボリュームを画成する側面と、を有する基材であって、排気ガスを、前記内部ボリュームを通って前記第１端部から前記第２端部に流すように構成される基材と、
   前記内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つの熱電発電素子と、
   を備える、排気ガス後処理装置。
2. 前記基材は触媒基材を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記基材はパティキュレートフィルタ基材を含む、請求項１に記載の装置。
4. 更に、前記内部ボリュームの温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサを備える、請求項１に記載の装置。
5. 排気ガスを処理する方法であって、該方法は：
   排気ガスを、第１端部と、第２端部と、そして内部ボリュームを画成する側面と、を有する基材の内部ボリュームに通して流す工程と、
   熱を、流れる前記排気ガスと、前記内部ボリューム内に少なくとも部分的に配置される少なくとも１つの熱電発電素子との間で交換する工程と、
   を含む、方法。

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