JP3564274B2 - 排熱発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のエンジン等から排出される排ガスの排熱を回収して電力に変換するための排熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温の排ガスを排出する自動車，工場等では、エンジン，炉等から排出される排ガスの排熱から熱エネルギを回収して電力に変換するために、例えば、特開昭６１−２５４０８２号公報，特開昭６３−２６２０７５号公報，実開平６−７９１６８号公報，「熱電変換システム技術総覧」（株式会社リアライズ社発行（１９９５年）第１６２頁）に開示される排熱発電装置が広く用いられている。
【０００３】
図１１は、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示される排熱発電装置を示すもので、この排熱発電装置では、自動車のエンジンから排出される排ガスが流れる排気管１に箱形状の吸熱筒２が介装されている。
吸熱筒２には、対向する平面が形成され、排ガスの流れに対して角度を付けたフィンが設置されている。
【０００４】
これ等の平面には、熱電変換モジュール３が対向して配置されており、熱電変換モジュール３の高温端面と吸熱筒２の平面とが接合されている。
そして、熱電変換モジュール３の低温端面側には、内部に冷却水が環流される冷却ジャケット４が対向して配置されており、熱電変換モジュール３の低温端面と冷却ジャケット４の冷却面とが接合されている。
【０００５】
上述した排熱発電装置では、排気管１から流入された排ガスの高温の排熱が吸熱筒２の平面を介して熱電変換モジュール３の高温端面に伝導される。
また、同時に熱電変換モジュール３の低温端面は、冷却ジャケット４内を環流される低温の冷却水により冷却される。
そして、熱電変換モジュール３の高温端面と低温端面との間に生じた温度勾配に応じて熱起電力が発生し（ゼーベック効果）発電されるため、排ガスの排熱から熱エネルギを回収して電力に変換することができ、エネルギを有効に利用することができる。
【０００６】
図１２は、特開昭６１−２５４０８２号公報に開示される排熱発電装置を示すもので、この排熱発電装置では、自動車のエンジンから排出される排ガスが流れる排気管５に横断面円形状の内筒６が介装されている。
この内筒６の外側には、横断面円形状の外筒７が配置されており、内筒６と外筒７とは、間隔を置いて同心状に配置されている。
【０００７】
内筒６の外周面と外筒７の内周面との間には、複数の熱電変換素子８が円環状に配置されている。
これ等の熱電変換素子８は、高温端面が内筒６側に対向し、低温端面が外筒７側に対向して配置されている。
上述した排熱発電装置では、排気管５から流入された排ガスの高温の排熱が内筒６を介して熱電変換素子８の高温端面に伝導され、低温端面の熱が外筒７を介して外側に放熱される。
【０００８】
そして、熱電変換素子８の低温端面と高温端面との間に生じた温度勾配に応じて熱起電力が発生し発電されるため、排ガスの排熱から熱エネルギを回収して電力に変換することができ、エネルギを有効に利用することができる。
また、実開平６−７９１６８号公報には、横断面円形状の内筒と外筒の間に熱電変換素子を設置し、排ガスからの熱伝達を改善するため、内筒の内側に複数の開口からなるディフューザを有する熱交換器を設けた構成が開示されている。
【０００９】
また、「熱電変換システム技術総覧」（第１６２頁）には、横断面円形状の内筒内に排ガスを拡散・乱流させるための渦巻き形状のディフューザを設置した構成が開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開昭６３−２６２０７５号公報に開示される排熱発電装置では、吸熱部の形状を扁平形状にして、レイアウト制約を緩和しているが、吸熱部の排ガス通路側吸熱面に設けたフィンの向きが排ガス流れ方向に対して角度をもっているため、これらのフィンによって通気抵抗が悪化するという問題があった。
【００１１】
また、上述した特開昭６１−２５４０８２号公報に開示される排熱発電装置では、排ガスの排熱を横断面円形状の内筒６を介して熱電変換素子８の高温端面に伝導しているため、内筒６の中心部を流れる排ガスが流入された状態のまま流出され、中心部を流れる排ガスの排熱を回収することができず、熱電変換素子８の熱発電効率が悪いという問題があった。
【００１２】
また、同心状に配置される内筒６と外筒７との間に、熱電変換素子８が円環状に配置されているため、熱電変換素子８の高温端面の表面積が低温端面の表面積よりも極度に小さく、排ガスの排熱の回収効率が悪いという問題があった。
さらに、上述した実開平６−７９１６８号公報においては、排気管と熱電変換素子とが同心円形状に位置され内筒の内側にディフューザを有する熱交換器を設けているため、通気抵抗を下げるためには、形状を大きくしてこれら相互間の間隔を大きくとる必要があり、レイアウト上の制約を受けるという問題があった。
【００１３】
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、その目的は、内燃機関あるいはその他燃焼の排ガスで高温端面を加熱し、低温端面を空冷あるいは水冷する排熱発電装置において、排ガスからの集熱効率を良好にすることにより発電出力が大きく、かつコンパクトな排熱発電装置を提供することにある。本発明の別の目的は、排ガスから熱電変換モジュールの高温端部への熱伝導性を向上させるとともに、自動車エンジンの排ガスの排熱を回収して発電する車載用の熱発電装置に使用することができるコンパクトで信頼性が高く、走行風により空冷できる排熱発電装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の排熱発電装置は、内部に排ガスが流れる排気管と、内面に集熱フィンが形成された集熱面を少なくとも一面に有し、内部に排気管から排ガスが流入される偏平形状の内筒と、内部に内筒が間隔を置いて収容され、内筒の集熱面に対向する放熱面が形成される外筒と、内筒の集熱面と外筒の放熱面との間に配置され、高温端面が集熱面に密着される熱電変換モジュールとを備え、集熱フィンは、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、高さが異なる複数の板状体を、排ガスの流れ方向に対して平行に配置することにより構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の排熱発電装置は、請求項１記載の熱電変換装置において、集熱フィンは、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、板状体の設置間隔と厚みの比が１０／３〜１０／１０となっていることを特徴とする。
請求項３記載の排熱発電装置は、請求項１または請求項２記載の熱電変換装置において、集熱フィンは、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、高さが異なる複数の板状体を、長軸方向に交互にかつ排ガスの流れ方向に対して平行に複数配置することにより構成されるとともに、高い板状体と低い板状体の比が２〜６となっていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の排熱発電装置は、内部に排ガスが流れる排気管と、内面に集熱フィンが形成された集熱面を少なくとも一面に有し、内部に排気管から排ガスが流入される偏平形状の内筒と、内部に内筒が間隔を置いて収容され、内筒の集熱面に対向する放熱面が形成される外筒と、内筒の集熱面と外筒の放熱面との間に配置され、高温端面が集熱面に密着される熱電変換モジュールとを備え、集熱フィンは、排ガスの流れ方向に対して高部と底部とを交互に有するとともに排ガスの上流側が高部から始まる板状体と、高部と底部とを交互に有するとともに上流側が底部から始まる板状体とを、排ガスの流れ方法に対して平行に植立する一方、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、集熱面に交互に複数植立して配置することにより構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の排熱発電装置は、請求項４記載の熱電変換装置において、集熱フィンは、板状体と板状体とを、集熱面の相対する面から同軸上に植立するとともに、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、一定間隔で植立して配置することにより構成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項６記載の排熱発電装置は、請求項４または請求項５記載の熱電変換装置において、高部と底部とを交互に有する複数の板状体の高さの最高値と最低値の比が２〜６であることを特徴とする。
請求項７記載の排熱発電装置は、請求項４ないし請求項６の何れか１項記載の熱電変換装置において、高部と底部として交互に有する複数の板状体の高さの最高値と最低値から算出される単純平均高さ値から最低値を通って次の単純平均高さ値までの距離と排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向における板状体の厚みの比が３〜３０であることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の排熱発電装置は、請求項１記載の熱電変換装置において、板状体の高さは、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向においてある板状体の高さが最高値の場合には相隣接する板状体の高さが最低値となるように排ガスの流れ方向に沿って亜鉛記板状体に高部と底部とを交互に設け、かつ各板状体の設置間隔と厚みの比が１０／３〜１０／１０となっていることを特徴とする。
【００２０】
請求項９記載の排熱発電装置は、請求項８記載の熱電変換装置において、板状体の高さの最高値と最低値の比が２〜６であることを特徴とする。
請求項１０記載の排熱発電装置は、請求項８または請求項９記載の熱電変換装置において、最高値と最低値から算出される単純平均高さ値から最低値を通って次の単純平均高さ値までの距離と排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向における板状体の厚みの比が３〜３０であることを特徴とする。
【００２１】
（作用）
請求項１記載の排熱発電装置では、内筒の集熱面に、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において高さが異なる複数の板状体を、排ガスの流れ方向に対して平行に配置することにより集熱フィンを設けているので、排気管から内筒に流入された排ガスが集熱面に沿って拡散された後、排ガスの排熱が内筒の集熱面に設けた集熱フィンを介して熱電変換モジュールの高温端面に伝導され、熱電変換モジュールの高温端面が加熱される。
【００２２】
また、同時に熱電変換モジュールの低温端面の熱が外筒の放熱面を介して、一体形成された放熱フィンから外筒の外側に放熱され、熱電変換モジュールの低温端面が冷却される。
そして、熱電変換モジュールの高温端面と低温端面との間に生じた温度勾配に応じて、熱起電力が発生して発電される。
【００２３】
請求項２記載の排熱発電装置では、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。
請求項３記載の排熱発電装置では、排ガスの拡散する効果を維持しつつ集熱効率を向上させることができる。
請求項４記載の排熱発電装置では、相隣接する板状体の対向面側の段差によって、排ガスが拡散され、複数の流路に分岐し、攪乱減少を起こすため、排ガス温度を各板状体へ確実に伝播することができる。
【００２４】
請求項５記載の排熱発電装置では、請求項４記載の排熱発電装置の作用を一段と向上させることができる。
請求項６記載の排熱発電装置では、通気抵抗を抑制して集熱効率を向上させることができる。
請求項７記載の排熱発電装置では、排ガスの拡散効率を向上させることができる。
【００２５】
請求項８記載の排熱発電装置では、排ガスの通気抵抗を増加させることなく、集熱効率を向上させることができる。
請求項９記載の排熱発電装置では、排ガスの通気抵抗を増加させることなく、集熱効率を向上させることができる。
請求項１０記載の排熱発電装置では、排ガスの通気抵抗を増加させることなく、集熱効率を向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態について説明する。
図１ないし図３は、本発明の排熱発電装置を自動車の排気系に適応した一実施形態（請求項１ないし請求項３に対応）を示しており、図において符号１１は、断面形状が矩形扁平形状に形成される外筒を示している。
【００２７】
外筒１１は、図１および図２に示すように、排ガスＧの流れ方向、すなわち長手（ｘ軸）方向に分割されており、排ガスＧの流れ方向に対して直交する長軸（ｚ軸）方向における断面（ｙ−ｚ断面）形状がコ字形状をなすとともにこの開口側が対向して配置されるアッパアウタシェル１３Ａとロアアウタシェル１３Ｂとを有している。
【００２８】
これ等のアッパアウタシェル１３Ａとロアアウタシェル１３Ｂとは、図２に示すように、平面状の放熱面１３ａを有している。
放熱面１３ａの両端部には、放熱面１３ａと直角に同一方向に屈曲した側面１３ｂが形成され、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂはそれぞれコ字状に形成されている。
【００２９】
これ等の側面１３ｂの先端には、放熱面１３ａと平行に外側に突出するボルト固定リブ１３ｃが一体形成されている。
また、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの両角部には、内周面形状が円弧形状のビス取付リブ１３ｄが一体形成されている。
アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａの外側には、外方に突出する複数の放熱フィン１３ｇが一体形成されている。
【００３０】
そして、アッパアウタシェル１３Ａとロアアウタシェル１３Ｂとは、後述する熱電変換モジュール３３を収容し、後述するインナシェル（内筒）１９を収容した後、ボルト固定リブ１３ｃに複数形成されるボルト挿通穴（図示せず）に、アッパアウタシェル１３Ａ側からボルト１５を挿通し、ロアアウタシェル１３Ｂ側からナット１７をボルト１５に螺合することにより固定される。
【００３１】
また、この実施形態では、外筒１１の内側に、図１および図２に示すように、ステンレス鋼板からなり、断面形状（ｙ−ｚ断面）が楕円扁平形状のインナシェル（内筒）１９が間隔を置いて収容されている。
インナシェル１９は、自動車のエンジンの排気管（図示せず）に接続されるとともに、外筒１１の放熱フィン１３ｇは自動車の走行方向に沿うように介装されており、この実施形態では、インナシェル１９の短径寸法（ｙ軸方向）は、排気管の直径寸法とほぼ同一寸法とされている。
【００３２】
そして、インナシェル１９と排気管との接続は、長径方向（ｚ軸方向）に拡径したディフューザ（図示せず）を介してなされている。
このディフューザは、断面が楕円形状であるインナシエル１９と円形形状である排気管の間に設置され、形状の異なる管を繋ぎ、排ガスを効率良くインナシェル１９内部および後述する集熱フィン２１表面に流す目的で設置されるものである。
【００３３】
本発明の特徴は、インナシェル１９内部に設置された集熱フィン２１の形状にあり、ディフューザの形状に依存するものではない。
インナシェル１９は、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａと間隔を置いて平行に形成される集熱面１９ａを有している。
集熱面１９ａの内側には、図２および図３に示すように、集熱フィン２１が形成されている。
【００３４】
集熱フィン２１は、排ガスＧの流れ方向（ｘ軸方向）に対して平行に配置されている。そして、図１中のある点においてｘ軸に垂直なＩＩ−ＩＩ線に沿って切り取ったｙ−ｚ断面図である図２では、短径方向（ｙ軸）において高さが異なる板状体２１ａ，２１ｂが長径方向（ｚ軸方向）に複数設置されてなる集熱フィン２１が形成されている（請求項１に対応）。
【００３５】
図２に示すように、板状体２１ａ，２１ｂの設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔは、２／１となるように設置され（請求項２に対応）、さらに２種類の板状体２１ａ，２１ｂの高さの比Ｆｙｈ／Ｆｙｌが４となるように設置されている（請求項３に対応）。ここでは、板状体２１ａを高い値Ｆｙｈとし、板状体２１ｂを低い値Ｆｙｌとした。
【００３６】
板状体２１ａ，２１ｂの設置間隔Ｌと厚みＴの比Ｌ／Ｔは、１０／３〜１０／１０とすることが好ましく、Ｌ／Ｔが１０／３を超えると、集熱効率を向上させる効果が小さいため好ましくない。また、Ｌ／Ｔが１０／１０未満では通気抵抗が大きくなったり、インナシェル１９全体の重量が増加したりして好ましくない。
２種類の板状体２１ａ，２１ｂの高さの比Ｆｙｈ／Ｆｙｌは、２〜６が好ましく、Ｆｙｈ／Ｆｙｌが２未満では、排ガスを拡散する効果が小さいため集熱効率を向上させる効果が小さい。Ｆｙｈ／Ｆｙｌが６を超えると、排ガスの拡散効果が小さくなるとともに、集熱フィン２１の表面積が小さくなりすぎるため、集熱効率の向上効果が小さく好ましくない。
【００３７】
インナシェル１９は、排ガスＧの流入側に排ガス流入口１９ｂを有し、流出側に排ガス流出口１９ｃを有している。
この実施形態では、インナシェル１９の排ガス流入口１９ｂ側に配置される集熱フィン２１の外側先端は、図３に示すように、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの端面よりも外側に延在されている。
【００３８】
インナシェル１９の排ガス流入口１９ｂの外周には、楕円環形状の流入側排気管取付フランジ２３が嵌合され、全周溶接によりインナシェル１９に固定されている。
さらに、排ガス流出口１９ｃの外周には、楕円環形状の流出側排気管取付フランジ２５が嵌合され、全周溶接によりインナシェル１９に固定されている。
【００３９】
また、インナシェル１９の外側面には、図１および図３に示すように、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの両端面の近傍に、一対のアウタシェル固定板２７が対向して配置されており、インナシェル１９に溶接により固定されている。
アウタシェル固定板２７には、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂのビス取付リブ１３ｄに対応する位置に、長穴形状のビス挿通穴２７ａが形成されている。
【００４０】
アウタシェル固定板２７とアッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの両端面との間には、インナシェル１９側の端面形状がインナシェル１９の外周面形状に対応する一対のブラケット２９が挟持されている。
インナシェル１９とアッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂとは、アウタシェル固定板２７のビス挿通穴２７ａを挿通するビス３１をビス取付リブ１３ｄに螺合することにより固定されている。
【００４１】
すなわち、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａとインナシェル１９の集熱面１９ａとの間の空間は、ブラケット２９により閉塞されている。
そして、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａとインナシェル１９の集熱面１９ａとの間には、図２に示すように、熱電変換モジュール３３が複数配置されている。
【００４２】
熱電変換モジュール３３は、高温端面３３ａが放熱面１３ａに対向するように収容されており、この実施形態では、６０個の熱電変換モジュール３３が収容されている。
熱電変換モジュール３３は、低温端面３３ｂに発電電力を取り出す出力端子が取り付けられ、所望の発電電力や排ガス、空冷風の運転状況に応じて、電気的に直列あるいは並列に接続することができる。
【００４３】
ここで使用される熱電変換モジュール３３は、ｐ型半導体とｎ型半導体からなる複数の熱電素子対が、熱的には並列に、電気的には素子対の両端に形成された電極を介して直列に接合された熱電素子の集合体である。
この熱電変換モジュール３３は、使用される環境や半導体の特性に応じて、熱電変換モジュール３３内の熱電素子の間の空隙が断熱絶縁性物質で埋められた構成をとることもできる。
【００４４】
この熱電変換モジュール３３は、電極が形成された高温端面３３ａと低温端面３３ｂが平行平面である立方体型の熱電変換モジュールが用いられている。これは汎用性が高く、大量生産に適する特徴がある。
また、熱電変換モジュール３３とインナシェル１９あるいは外筒１１との電気的絶縁は、電極が形成された熱電変換モジュール３３の両端面上に絶縁性層を設けることによってもできるし、またインナシェル１９あるいは外筒１１の少なくとも熱電変換モジュール３３が接触する表面を絶縁処理することによってもできる。
【００４５】
外筒１１の放熱面１３ａと熱電変換モジュール３３の低温端面３３ｂとの間には、緩衝部材３５が挟持されている。
この緩衝部材３５は、熱伝達性に優れるとともに適度な柔軟性を有する部材で、インナシェル１９の集熱面１９ａに熱電変換モジュール３３を押圧した際、機械的振動を緩衝する機能を有するとともに、急激な排ガスの温度変化や流量変化に伴うインナシェル１９の温度変化が、熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａに与える熱衝撃を緩衝する機能を有する。
【００４６】
上述した排熱発電装置では、排気管からインナシェル１９の排ガス流入口１９ｂに流入された排ガスＧが集熱面１９ａに沿って拡散された後、排ガスＧの排熱がインナシェル１９の集熱フィン２１により集熱され、この排熱が集熱面１９ａを介して熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａに伝導され、熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａが加熱される。
【００４７】
また、同時に熱電変換モジュール３３の低温端面３３ｂの熱がアッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａを介して、走行風が吹き付けられる放熱フィン１３ｇから外筒１１の外側に放熱され、熱電変換モジュール３３の低温端面３３ｂが冷却される。
そして、熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａと低温端面３３ｂとの間に生じた温度勾配に応じて、熱電変換モジュール３３に熱起電力が発生して発電される。
【００４８】
また、熱電変換モジュール３３の低温端面３３ｂと外筒１１の放熱面１３ａとの間に挟持される緩衝部材３５の弾性力により、熱電変換モジュール３３の低温端面３３ｂがアッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの放熱面１３ａの内側に押圧され密着される。
以上のように構成された排熱発電装置では、アッパアウタシェル１３Ａとロアアウタシェル１３Ｂとからなる外筒１１の内部に、内部に排気管から排ガスＧが流入される楕円扁平形状のインナシェル１９を間隔を置いて収容し、インナシェル１９の集熱面１９ａと外筒１１の放熱面１３ａとの間に、高温端面３３ａが集熱面１９ａに密着され、低温端面３３ｂが緩衝部材３５を挟持して放熱面１３ａの内側に密着される熱電変換モジユール３３を配置し、インナシェル１９の集熱面１９ａに、排ガスＧの流れ方向、すなわち長軸（ｘ軸）方向に対して直交する長径（ｚ軸）方向における断面（ｙ−ｚ断面）から見た高さが異なる複数の板状体２１ａ、２１ｂからなる集熱フィン２１を長手方向（ｘ軸方向）に平行に設置したので、インナシェル１９に流入した排ガスＧから熱電変換モジユール３３の高温端面３３ａへの熱伝達効率を向上させることができ、これにより熱電変換モジユール３３に大きな温度勾配を確実に作用させることができるとともに、熱電変換効率を従来よりも大幅に向上することができる。
【００４９】
また、集熱フィン２１を設置した偏平断面形状のインナシェル１９とすることにより、汎用性が高い立方型の熱電変換モジユール３３を設置することができ、コンパクトでかつ集熱効率が高くすることができる。
さらに、集熱フィン２１を設置することにより、通気抵抗を向上させることなく効率的に排ガスＧから熱エネルギを伝達することができるので、排ガスＧを発生させるエンジンの運転効率を悪化させたり、不要な運転負荷をかけたりすることなく、熱電変換装置を作動させることができる効果がある。
【００５０】
さらに、インナシェル１９を自動車のエンジンの排気管に連結するとともに、外筒１１の放熱フィン１３ｇを自動車の走行方向に沿うように介装したので、放熱フィン１３ｇに吹き付けられる走行風により確実に放熱することができる。
さらに、インナシェル１９と集熱フィン２１とをステンレス鋼板により形成したので、排ガスＧによる腐蝕を確実に防止することができる。
【００５１】
また、上述した実施形態では、インナシェル１９の排ガス流入口１９ｂ側に配置される集熱フィン２１の外側先端を、図３に示したように、アッパアウタシェル１３Ａ，ロアアウタシェル１３Ｂの端面よりも外側に延在したので、外筒１１の外側に露出するインナシェル１９の外周面からの冷気が、熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａの排ガス流入口１９ｂ側に伝導するのを防止することができ、熱電変換モジュール３３の高温端面３３ａに均一に排熱を伝導することができる。
【００５２】
なお、上述した本実施形態では、外筒１１は放熱フィン１３ｇが一体成形されたアッパアウターシェル１３Ａとロアアウタシェル１３Ｂを使用した、空冷型の熱電発電装置について説明したが、外筒１１が水冷ジャケット構造となっている水冷やその他冷媒によって冷却するタイプとすることもできる。
また、上述した実施形態では、インナシェル１９をエンジンの排気管に介装し、自動車のエンジンから排出される排ガスＧの排熱を回収して発電した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、工場の炉等から排出される排ガスの排熱を回収して発電することもできる。
【００５３】
さらに、上述した実施形態では、インナシェル１９の集熱面１９ａの内側に設けられる集熱フィン２１として、図２および図３に示すように、２種類のステンレス鋼板からなる集熱フィン２１が長手方向（ｘ軸方向）に平行に複数配置されてなる板状体２１ａ，２１ｂの場合について説明したが、本発明はこれに限らず、集熱フィン２１を３種類以上の板状体から構成することもできる。図４，図５に示すような集熱フィン２１にすることにより、より集熱性能を高めることが可能となる。
【００５４】
図４ないし図７に示す排熱発電装置においては、図１におけるステンレス鋼板からなるインナシェル１９を二つ割りの角形扁平形状としている。その他の構造は図１と同様であるので、外筒１１および熱発電素子３３を省略して説明する。図４（Ａ），（Ｂ）に示す排熱発電装置（イ）の集熱フィン形状は、図１〜３と同様に、高さの異なる複数の板状体２１ａ，２１ｂが、排ガスＧの流れ方向、すなわち長手方向（ｘ軸方向）に平行で、設置間隔Ｌと厚さＴの比が、Ｌ／Ｔ＝４／３、排ガスＧの流れ方向に対して直交する長軸（ｚ軸）方向の断面（ｙ−ｚ断面）における高い板状体２１ａの高さＦｙｈと低い板状体２１ｂの高さＦｙｌの比Ｆｙｈ／Ｆｙｌが３となるように設置されている。
【００５５】
本実施形態ではインナシェル１９を２つ割りの角型偏平形状とし、高い板状体２１ａはインナシェル１９の片側の高さと同等としたが、楕円型偏平形状や多角形型偏平形状とすることもでき、また高い板状体２１ａの高さは、インナシェル１９の片側の高さより高くすることも可能である。
図５（Ａ），（Ｂ）に示す排熱発電装置（ロ）はインナシエル１９の集熱面１９ａの内側に、長手方向（ｘ軸方向）に平行に複数の板状体２１ａ，２１ｂが設置され、一本の板状体２１ａ，２１ｂの高さは長手方向（ｘ軸方向）に変調している集熱フィン２１を備えているものである。
【００５６】
本発明における板状体２１ａ，２１ｂの高さの変調とは、板状体２１ａ，２１ｂの高さの連続的・周期的変化あるいはパルス波形状の変化のことをいう。
図５（Ａ）は、排熱発電装置（ロ）の集熱フィン２１の長手方向（ｘ軸方向）の断面図であり、（Ｂ）は同フィン１の排ガス流入口１９ｂでの排ガスＧの流れ方向に対して直交する長軸方向（ｚ軸方向）の断面（ｙ−ｚ断面）図である。
【００５７】
この集熱フィン２１は、図５（Ａ）に示すように、高部と底部を交互に有し、排ガスＧの上流側が最高値Ｆｘｈの高部から始まる板状体２１ａと、同側が最低値Ｆｘｌの底部から始まる板状体２１ｂとからなり、この板状体２１ａ、２１ｂが排ガスＧの流れ方向（ｘ軸方向）に平行に複数枚設置されている。
すなわち、長軸方向（ｘ軸方向）の断面では、図５（Ｂ）に示すように、最高値Ｆｘｈの高部の端面が現れる板状体２１ａと、最低値Ｆｘｌの底部の端面が現れる板状体２１ｂとが、交互に複数配列された配置となっている。
【００５８】
そして、図５（Ａ）から明らかなように、排ガス入口１９ｂ側が高部で始まる板状体２１ａは、高部−底部−高部−底部−高部−底部と変調しており、排ガス入口１９ｂ側が底部で始まる板状体２１ｂは、底部−高部−底部−高部−底部−高部と変調している（請求項４および５に対応）。
さらに、通気抵抗を抑制して集熱効率を向上させるためには、Ｆｘｈ／Ｆｘｌの比は２〜６が好ましい。Ｆｘｈ／Ｆｘｌ比が６を超えると、排ガスの拡散効果が小さいため、集熱効率の向上効果が小さくなったり、通気抵抗が増加したりするので好ましくない。Ｆｘｈ／Ｆｘｌ比が２未満では、加工コストがかかる割に集熱効率が上がらないので好ましくない（請求項６に対応）。
【００５９】
また、排ガスの拡散効率を向上させるために、最高値Ｆｘｈと最低値Ｆｘｌの単純平均高さ値Ｆｍ＝（Ｆｘｈ＋Ｆｘｌ）／２を持つ排ガス流れ方向（ｘ軸方向）上の点から、高さが最低値を示す点を通って次の単純平均高さ値Ｆｍを示す点までの距離Ｄ（図５（Ａ）参照）と厚さＴの比Ｄ／Ｔは３〜３０が好ましい。Ｄ／Ｔが３未満では、排ガスが十分拡散することができないため、加工コストの増加の割に、集熱効率の向上幅が小さくこのましくない。また、Ｄ／Ｔが３０を超える場合もまた、排ガスが十分拡散することができず、加工コストが大幅に増加するので好ましくない（請求項７に対応）。
【００６０】
また、長手方向（ｘ軸方向）に高さが変調し長手方向（ｘ軸方向）にＦｘｈ／Ｆｘｌの比が２〜６である特徴やあるいは、最高値Ｆｘｈと最低値Ｆｘｌの単純平均高さ値Ｆｍ＝（Ｆｘｈ＋Ｆｘｌ）／２を持つ長手方向（ｘ軸方向）上の点から、最低値Ｆｘｌを示す点を通って次の単純平均高さ値Ｆｍを示す点までの距離Ｄと厚さＴの比Ｄ／Ｔが３〜３０である特徴を有するとともに、長手方向（ｘ軸方向）と直交する長軸方向（ｚ軸方向）における断面（ｙ−ｚ断面）では設置間隔Ｌと厚さＴの比Ｌ／Ｔが１０／３〜１０／１０である特徴を有する集熱フィン２１を形成することが可能である。
【００６１】
本発明の集熱フィン２１では、長手方向（ｘ軸方向）における特徴か、長手方向（ｘ軸方向）と直交する長軸方向（ｚ軸方向）における断面（ｙ−ｚ断面）における特徴のいずれかが満たされていれば、本発明の目的を果たし、通気抵抗を増加させることなく、集熱効率を向上させる効果を発揮することが可能であるが、両方の特徴を満足する集熱フィンを形成することにより、より一層集熱効率を向上させることができる。
【００６２】
従って、排熱発電装置（イ）（図３（Ａ）（Ｂ）参照）に、排熱発電装置（ロ）（図５（Ａ）（Ｂ）参照）の板状体２１ａ、２１ｂの高部および底部を交互に設けるなどの種々の構造を同様に設けることは有効である（請求項８、９、１０に対応）。
また、本発明の集熱フィン２１は、インナシェル１９の排ガス流入口１９ｂでの排ガスの流れ方向（Ｘ軸）に平行に設置された複数の板状体２１ａ，２１ｂで、一本の板状体２１ａ，２１ｂの長手方向（ｘ軸方向）の形状あるいは長手方向（ｘ軸方向）と直交する長軸方向（ｚ軸方向）における断面（ｙ−ｚ断面）での隣接する複数の板状体２１ａ，２１ｂの形状に特徴があるもので、個々の板状体２１ａ，２１ｂの表面粗さに限定されるものではない。例えば、集熱フィン２１の表面積を増大する目的で、表面粗さを大きくしたり、表面に凹凸やディンプルを形成したりすることもできる。
【００６３】
さらに、本発明においては集熱フィン２１およびインナシェル１９をステンレス鋼板によって製造したが、利用する排ガスの温度あるいは成分によっては、熱伝導性が良好であるその他金属を使用することもできる。例えば、銅、真鋳、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、炭素鋼、インコネル、ハステロイ、モネルなどを挙げることができる。また、これらの金属の表面の表面積を大きくする自的や、耐久性を向上させる目的、熱伝導性を向上させる目的、熱変形を制御する目的などで、集熱フィン２１あるいはインナシェル１９内部表面の部分的あるいは全面的に別の金属層やセラミックス層を形成することもできる。
【００６４】
図６（Ａ），（Ｂ）に示す排熱発電装置（ハ）は、比較例を示す図で、インナシェル１９の集熱面１９ａの内側に、同じ高さの複数の板状体２１３からなる集熱フィン２１が、集熱面１９ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って対向して一体的に設けられている。
図７（Ａ），（Ｂ）に示す排熱発電装置（ニ）は、比較例を示す図で、インナシェル１９の集熱面１９ａの内側に、集熱フィン２１を設けていないものである。
【００６５】
次に、図４ないし図７に示す各排熱発電装置（イ）〜（ニ）を、ＤＯＨＣ３リットルエンジンの排気管に接続し、エンジン回転数３０００ｒｐｍ、トルク１２ｋｇｍ、ブースト−２５５ｍｍＨｇ、燃費１４．９Ｌ／ｈ、水温７３．６℃、油温７９℃、油圧４．２ｋｇ／ｃｍ^２、吸気温３．１℃、冷却風速１５ｍ／ｓの運転条件下で、温度飽和後３０分保持後、インナシェル１９の表面温度を３分間測定した。なお、入口の排気温度６４０℃、外気温４０℃であった。
【００６６】
なお、図５に示す排熱発電装置（ロ）の集熱フィン２１は、排ガス流入口側１９ｂ側において、フィン高さが最高値Ｆｘｈとなっている板状体２１ａでは、最高値部−最低値部−最高値部−最低値部−最高値部−最低値部となっており、その寸法は１００−６０−６０−６０−６０−１００ｍｍ、集熱フィン２１の全長は４４０ｍｍであり、排ガス流入口１９ｂ側において、フィン高さが最低値Ｆｘｌとなっている板状体２１ｂでは、上述と逆の関係になっている。
【００６７】
また、最高値Ｆｘｈは１７ｍｍ、最低値Ｆｘｌは８．５ｍｍ、フィン厚さは３ｍｍ、設置間隔（ｚ軸方向）は４ｍｍとなっている。
その他、図４に示す排熱発電装置（イ）の集熱フィン２１の高い板状体２１ａは、図５に示す排熱発電装置（ロ）の集熱フィン２１の最高値と同一、低い板状体２１ｂは、図５に示す排熱発電装置（ロ）の集熱フィン２１の最低値と同一であり、図６に示す、排熱発電装置（ハ）の集熱フィン２１は、図５に示す排熱発電装置（ロ）の集熱フィン２１の最低値と同一である。
【００６８】
また、全ての集熱フィン２１の板状体２１ａ，２１ｂの設置間隔Ｌ、板厚Ｔ、全長は同一であり、全ての排熱発電装置（イ）〜（ニ）のその他の条件は同一である。
その結果を、図８に示す。
図８から明らかなように、インナシェル１９の表面温度は、図５に示す対向面側がパルス波形状に段差２１２を有する複数の板状体２１ａ，２１ｂからなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（ロ）（高さ違い段差フィン）が最も高く約４５０℃あった。
【００６９】
この理由は、図５に示す集熱フィン２１においては、図９に示すように、対向面側のパルス波形状をなす段差２１２によって、排ガスが拡散され、複数の流路に分岐し、攪乱減少を起こすため、排ガス温度を集熱フィン２１へ確実に伝播することができるためと思われる。
次に、図４に示す高さの異なる複数の板状体２１ａ，２１ｂからなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（イ）（高さ違い連続フィン）で、約４１０℃であった。
【００７０】
次に、図６に示す同じ高さの複数の板状体２１３からなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（ハ）（連続フィンのみ）で、約３００℃であった。
図７に示す集熱フィン２１の無い排熱発電装置（ニ）（フィンなし）が最も低く、約２３０℃であった。
次に、図１０により排気差圧を測定した結果を説明する。
【００７１】
当然のことながら、図７に示す集熱フィン２１の無い排熱発電装置（ニ）（フィンなし）が最も低く、約３ｍｍＨｇであった。
次に、図６に示す同じ高さの複数の板状体２１３からなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（ハ）（連続フィンのみ）で、約５ｍｍＨｇであった。
次に、図４に示す高さの異なる複数の板状体２１ａ，２１ｂからなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（イ）（高さ違い連続フィン）で、約９ｍｍＨｇであった。
【００７２】
次に、図５に示す対向面側がパルス波形状に段差２１２を有する複数の板状体２１ａ，２１ｂからなる集熱フィン２１を設けた排熱発電装置（ロ）（高さ違い段差フィン）で、約１１〜１２．３ｍｍＨｇであった。
本実施形態の熱電発電装置の代わりに、通常使用される排気浄化用触媒コンバーターを装着し、同様にして通気抵抗を測定した。触媒コンバータを装着した場合の通気抵抗は１００〜１５０ｍｍＨｇであった。
【００７３】
すなわち、排熱発電装置（ロ）の排気差圧は、触媒コンバータの排気差圧に比較して十分小さく、エンジン駆動にそれほど支障にはならない。
以上のように本発明の集熱フィン形状に特徴がある熱電発電装置によれば、通気抵抗が小さく、集熱効率を向上させることができる。さらには、車載用エンジンに不要な負荷をかけて、走行特性を劣化させることなく、車載可能なコンパクトな大きさ・形状に製造することができ、かつガス拡散効率を向上させることにより熱電発電効率を向上させることができた。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１ないし請求項１０記載の排熱発電装置では、内筒の集熱面に、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において高さが異なる複数の板状体を、排ガスの流れ方向に対して平行に配置することにより集熱フィンを構成しているので、排気管から内筒に流入された排ガスの通気抵抗を増加することなく、排ガスの排熱を、集熱フィンを介して効率良く集熱して熱電変換モジュールの高温端面に伝導することができ、熱電変換モジュールの高温端面を加熱することが可能となる。
【００７５】
さらには、同時に熱電変換モジュールの低温端面の熱が外筒の放熱面を介して、一体形成された放熱フィンから外筒の外側に放熱され、熱電変換モジュールの低温端面が冷却されるので、発電出力を大きくすることが可能となるとともに、コンパクトな排熱発電装置を提供することが可能となる。
また、集熱フィンは、排ガスの流れ方向に対して高部と底部とを交互に有するとともに排ガスの上流側が高部から始まる板状体と、高部と底部とを交互に有するとともに上流側が底部から始まる板状体とを、排ガスの流れ方法に対して平行に植立する一方、排ガスの流れ方向に対して直交する長軸方向において、集熱面に交互に複数植立して配置することにより構成されているので、自動車用排気系にこの排熱発電装置を用いた場合でも、排気差圧が問題とならない水準に抑えられ、自動車用エンジンに不要な負荷をかけて、走行特性を劣化させることがない。
【００７６】
その上、集熱効率を向上させることができるとともに、この排熱発電装置を車載可能なコンパクトな大きさ・形状に製造することができ、かつガス拡散効率を向上させることにより熱電発電効率を向上させることができる。
た。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排熱発電装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の排熱発電装置のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の排熱発電装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の排熱発電装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明の排熱発電装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の比較例に係る排熱発電装置を示す断面図である。
【図７】本発明の比較例に係る排熱発電装置を示す断面図である。
【図８】本発明の排熱発電装置のインナシェルの表面温度を示すグラフである。
【図９】本発明の排熱発電装置のインナシェルにおける排ガスの状態を示す説明図である。
【図１０】本発明の排熱発電装置における排気差圧測定結果を示すグラフである。
【図１１】従来の排熱発電装置を示す斜視図である。
【図１２】従来の排熱発電装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１ 外筒
１３ａ 放熱面
１３ｇ 放熱フィン
１９ インナシェル（内筒）
１９ａ 集熱面
２１ 集熱フィン
２１ａ，２１ｂ 板状体
３３ 熱電変換モジュール
３３ａ 高温端面
３３ｂ 低温端面
３５ 緩衝部材
Ｇ 排ガス

Claims (10)

1. 内部に排ガス（Ｇ）が流れる排気管と、
   内面に集熱フィン（２１）が形成された集熱面（１９ａ）を少なくとも一面に有し、内部に前記排気管から前記排ガス（Ｇ）が流入される偏平形状の内筒（１９）と、
   内部に前記内筒（１９）が間隔を置いて収容され、前記内筒（１９）の前記集熱面（１９ａ）に対向する放熱面（１３ａ）が形成される外筒（１１）と、
   前記内筒（１９）の前記集熱面（１９ａ）と前記外筒（１１）の前記放熱面（１３ａ）との間に配置され、高温端面（３３ａ）が前記集熱面（１９ａ）に密着される熱電変換モジュール（３３）とを備え、
   前記集熱フィン（２１）は、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向において、高さが異なる複数の板状体（２１ａ，２１ｂ）を、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して平行に配置することにより構成されている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
2. 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記集熱フィン（２１）は、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向において、板状体（２１ａ，２１ｂ）の設置間隔（Ｌ）と厚み（Ｔ）の比（Ｌ／Ｔ）が１０／３〜１０／１０となっている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
3. 請求項１または請求項２記載の熱電変換装置において、
   前記集熱フィン（２１）は、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向において、高さが異なる２種類の板状体（２１ａ，２１ｂ）を、前記長軸方向に交互にかつ排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して平行に複数配置することにより構成されるとともに、高い板状体（２１ａ，２１ｂ）と低い板状体（２１ａ，２１ｂ）の比（Ｆｙｈ／Ｆｙｌ）が２〜６となっている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
4. 内部に排ガス（Ｇ）が流れる排気管と、
   内面に集熱フィン（２１）が形成された集熱面（１９ａ）を少なくとも一面に有し、内部に前記排気管から前記排ガス（Ｇ）が流入される偏平形状の内筒（１９）と、
   内部に前記内筒（１９）が間隔を置いて収容され、前記内筒（１９）の前記集熱面（１９ａ）に対向する放熱面（１３ａ）が形成される外筒（１１）と、
   前記内筒（１９）の前記集熱面（１９ａ）と前記外筒（１１）の前記放熱面（１３ａ）との間に配置され、高温端面（３３ａ）が前記集熱面（１９ａ）に密着される熱電変換モジュール（３３）とを備え、
   前記集熱フィン（２１）は、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して高部と底部とを交互に有するとともに排ガス（Ｇ）の上流側が高部から始まる板状体（２１ａ）と、高部と底部とを交互に有するとともに前記上流側が底部から始まる板状体（２１ｂ）とを、排ガス（Ｇ）の流れ方法に対して平行に植立する一方、前記排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向において、集熱面（１９ａ）に交互に複数植立して配置することにより構成されている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
5. 請求項４記載の熱電変換装置において、
   前記集熱フィン（２１）は、前記板状体（２１ａ）と板状体（２１ｂ）とを、前記集熱面（１９ａ）の相対する面から同軸上に植立するとともに、前記排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向において、一定間隔で植立して配置することにより構成されている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
6. 請求項４または請求項５記載の熱電変換装置において、
   前記高部と底部とを交互に有する複数の板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さの最高値（Ｆｘｈ）と最低値（Ｆｘｌ）の比（Ｆｘｈ／Ｆｘｌ）が２〜６である
   ことを特徴とする排熱発電装置。
7. 請求項４ないし請求項６の何れか１項記載の熱電変換装置において、
   前記高部と底部として交互に有する複数の板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さの最高値（Ｆｘｈ）と最低値（Ｆｘｌ）から算出される単純平均高さ値（Ｆｍ＝（Ｆｘｈ＋Ｆｘｌ）／２）から最低値（Ｆｘｌ）を通って次の単純平均高さ値（Ｆｍ＝（Ｆｘｈ＋Ｆｘｌ）／２）までの距離（Ｄ）と排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向における板状体（２１ａ，２１ｂ）の厚み（Ｔ）の比（Ｄ／Ｔ）が３〜３０である
   ことを特徴とする排熱発電装置。
8. 請求項１記載の熱電変換装置において、
   前記板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さは、排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向においてある板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さが最高値（Ｆｘｈ）の場合には相隣接する板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さが最低値（Ｆｘｌ）となるように排ガス（Ｇ）の流れ方向に沿って亜鉛記板状体（２１ａ、２１ｂ）に高部と底部とを交互に設け、かつ各板状体（２１ａ，２１ｂ）の設置間隔（Ｌ）と厚み（Ｔ）の比（Ｌ／Ｔ）が１０／３〜１０／１０となっている
   ことを特徴とする排熱発電装置。
9. 請求項８記載の熱電変換装置において、
   前記板状体（２１ａ，２１ｂ）の高さの最高値（Ｆｙｈ）と最低値（Ｆｙｌ）の比（Ｆｙｈ／Ｆｙｌ）が２〜６である
   ことを特徴とする排熱発電装置。
10. 請求項８または請求項９記載の熱電変換装置において、
    前記最高値（Ｆｙｈ）と最低値（Ｆｙｌ）から算出される単純平均高さ値（Ｆｍ＝（Ｆｙｈ＋Ｆｙｌ）／２）から最低値（Ｆｙｌ）を通って次の単純平均高さ値（Ｆｍ＝（Ｆｙｈ＋Ｆｙｌ）／２）までの距離（Ｄ）と排ガス（Ｇ）の流れ方向に対して直交する長軸方向における板状体（２１ａ，２１ｂ）の厚み（Ｔ）の比（Ｄ／Ｔ）が３〜３０である
    ことを特徴とする排熱発電装置。

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