JP4244833B2

JP4244833B2 - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP4244833B2
Application number: JP2004078973A
Authority: JP
Inventors: 裕二井藤; 清仁村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP2005264834A

Description

本発明は、自動車のエンジンや各種燃焼機器等から排出される燃焼ガス等の排ガスの熱エネルギー（排熱）を電気エネルギー（電力）へ変換して回収する排熱回収装置に関する。

自動車のエンジンや各種の燃焼機器等から排出される燃焼ガスが高温であると、燃焼エネルギーの多くが利用されずに排出されることになる。特に自動車のエンジンや小型燃焼機器の排熱回収装置として熱電素子を用いて排ガスの熱エネルギーを電力に変換して回収する排熱発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

こうした排熱発電装置においては、排気管内を流れる排気ガスの熱を熱電素子の高温端面へと効率よく導くため、排気管内に多数の良熱伝導性素材からなる集熱フィンを配置し、この集熱フィンから熱電素子の高温端面へ熱伝導により排ガスの熱を伝える手法が採られている。
特開平１１−１２２９６０号公報

この集熱フィンは高温の排ガスにさらされるため、フィン自体も高温になり、熱膨張を起こす。排ガスから熱電素子へと熱を効率よく導くためには、フィンの集熱面積を拡大することが必要であり、その結果、フィン形状が複雑化する。このように複雑化した形状を有するフィンが熱膨張を起こすと、フィン自体が変形し、フィン相互の位置関係が変化して、集熱効率が低下したり、フィンと熱電素子との間に隙間が生じて熱電素子への伝熱効率が低下してしまい、発電効率の低下を招くおそれがある。

そこで本発明は、フィンの変形を効果的に抑制することが可能な構造を有する熱電素子を利用した排熱回収装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排熱回収装置は、板状の基部の第１の表面から略鉛直に所定の間隔で略平行に延在している複数の板状のフィンを有している集熱フィンを、フィンの延在方向を排気の流れ方向に略一致させて排気管内に配置し、基部の第１の表面の裏面となる第２の表面側に熱電素子の高温側を配置し、この熱電素子の低温側に所定の冷媒を導入して温度差によって発電を行う排熱回収装置において、集熱フィンの基部と反対の先端部間の間隔が拡大するのを抑制する抑制手段をさらに備えていることを特徴とする。

板状の基部の一方の表面（第１の表面）から略鉛直に平行に複数のフィンを突出させて構成した集熱フィンにおいては、排ガス流の中心部側に配置されるフィン表面の膨張量が、排ガス流の周縁部側に配置されるフィン表面の膨張量より大きくなるため、熱膨張によって第１の表面が排気管側に向かって凸となる凸面上に変形しようとする。つまり、集熱フィンの各フィンの先端の間隔が拡大しようとする。抑制手段は、このフィンの先端の間隔拡大を抑制することで集熱フィンの熱膨張による変形を抑制する。

この抑制手段としては、排気管の中心部側に位置するフィンの根本の基部の厚さを排気管の周縁部側に位置するフィンの根本の基部の厚さに比べて薄くすることで構成されているものを用いる。これにより排気管の周縁部側に位置する基部の熱膨張量が、中心部側に位置する基部の熱膨張量より大きくなり、フィンの先端の間隔が拡大しようとするのを抑制できる。

あるいは、抑制手段は、フィンの根本部以外を連結する連結部材であるとよい。フィン自体を根本以外で連結することで、先端部側で間隔が拡大するのが抑制される。ここで、根本部以外を連結するとは、連結された部分より根本側にフィン構造が存在すること、つまり、連結部よりフィンの根本側を排ガスが通過可能であって、この部分で排ガスからフィンへの熱伝達が可能であることを意味する。

本発明によれば、抑制手段によって集熱フィンの変形を効果的に抑制できるため、集熱効率を維持して効率よく排ガスの熱を熱電素子に伝えることができる。このため、発電効率を維持することができ、熱回収効率も維持できる。また、集熱フィンの変形による破損も抑制できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る排熱回収装置の第１の実施形態を搭載した車両の排気系を示す概略構成図であり、図２は、その熱電発電装置１部分の断面図（図１のII−II線断面図）であり、図３は、その熱電ユニット２部分の拡大断面図である。

この熱電発電装置１は、排気管９０上に配置されており、エンジン９２の下流側で、排気浄化触媒９４の上流側に配置されている。なお、排気浄化触媒９４の下流側に配置してもよい。熱電発電装置１は、電力変換器であるＤＣ−ＤＣコンバータ９６に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ９６は、また、発電により得られた電力を貯蔵するバッテリ９８に接続されている。

この熱電発電装置１は、排気の流れ方向に直交する断面上にそれぞれ４個の熱電ユニット２を配置し（図２参照）、これを排気の流れ方向に４組配置して構成されている。

各熱電ユニット２は、図２、図３に示されるように、熱電素子３０を有する熱電モジュール３と、排気管内に配置される熱回収フィン（集熱フィン）４と、内部に冷却水を循環させる通路を有する冷却ケース５を備えている。集熱フィン４は、基部４０と、基部４０の一方の面（以下、第１の表面と称する。）４０ａから排気の流れ方向に所定の間隔で平行に延びる板状の多数のフィン４１とが一体的に成形されている。集熱フィン４は、アルミ、銅、ステンレス等の熱伝導性が良好な金属のほか、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の高熱伝導性のセラミックスで形成されている。

なお、このフィン形成部においては、フィン４１の根本部、つまり、各フィン４１の間で最も第２の表面４０ｂ側に近い線をつないだ曲面を第１の表面と定義する。ここで、基部４０は、２段状の略矩形板であって、その第１の表面４０ａの裏面となる第２の表面４０ｂ側は平面であり、第１の表面４０ａ側は、中央部がへこんだ凹面上である。つまり、基部４０の厚み（第１の表面４０ａと第２の表面４０ｂとの距離）は、中央部が薄く、周縁部が厚く形成されている。この中央部は排ガスの流れ中心に近く、周縁部は流れの周縁に近い位置に位置することになる。

各フィン４１は、第２の表面と垂直に形成されており、その高さ、つまり、先端部から根本までの距離は、中央に位置するフィン４１が最も高く、周縁部へ行くほど低くなる構成を採る。各フィンの先端部を結んだ線は垂直二等辺三角形の垂直角をはさむ２辺の形状に合致するいわゆる楔形の形状をなしている。

この集熱フィン４の第２の表面４０ａ側には、絶縁材６０をはさんで、熱電モジュール３の高温側端面が配置される。そして、熱電モジュール３の反対面の低温側端面には、絶縁材６２をはさんで、冷却ケース５が配置される。

図４は、熱電モジュール３の構成を示す図である。代表的な熱電モジュール３の構成としてはＢｉ₂Ｔｅ₃等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体３２、３３（１組で熱電素子３０を構成する。）を複数個用意し、これらを電極３４、３５によって電気的には交互に直列に、熱的には並列に配置することで、熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うものである。

集熱フィン４のフィン先端側を覆うように、断面が略Ｌ字形のガイド板６４が配置されている。４個の熱電ユニット２が排気管９０に固定部材６６によって固定された状態では、４個のガイド板６４の排気流れ方向に直交する断面形状は、図２に示されるようにＸ字状になる。

エンジン９２の動作時には、排気管９０を高温の排気ガスが流れる一方、図示していない冷却水ポンプによって冷却ケース５には、冷却水が供給される。なお、冷却ケース５から排出された温水は、図示していないラジエーター等で冷却されて、循環される。

排気ガスは、ガイド板６４によって、集熱フィン４のフィン４１の間へと導かれ、フィン４１に熱を伝える。この熱は、各フィン４１から基部４０、絶縁材６０を通じて熱電モジュール３の高温側端面へと伝えられる。このため、高温側端面の温度は高くなる。一方、熱電モジュール３の低温側端面からは、絶縁材６２、冷却ケース５を通じて冷却ケース５を流れる冷却水へと熱が奪われている。このため、低温側端面の温度は低くなる。こうして、高温側端面と低温側端面との間に温度差が発生し、この温度差に応じてゼーベック効果により熱電モジュール内の熱電素子に電力が発生し、これをＤＣ−ＤＣコンバータ９６により所定の電圧へ変換してバッテリ９８へと蓄える。これにより、排気ガスの有する熱を電力として回収することができる。

本実施形態における集熱フィン４は、フィン間隔の変形を抑制する効果を有している。この点について、従来の集熱フィン構造と比較しながら具体的に説明する。図５は、従来の熱電ユニットにおける集熱フィン４ｘの構成を示す断面図である。従来の集熱フィン４ｘでは、基部４０ｘの第１の表面４０ａｘと第２の表面４０ｂｘとは平行に形成されている。

このようなフィン構造では、高温排ガスによって集熱フィン４ｘが加熱されると、各フィン４１ｘの中央部側の伸びが周縁部側の伸びより大きくなり、各フィン４１ｘの先端部の間隔が拡大して、外側へ開こうとする（図５中の矢印Ａ方向）。これにより、基部４０ｘもフィン４１ｘ形成部側へ凸となる方向へと反るように変形する。この結果、集熱フィン４ｘの第２の表面４０ｂｘと熱電モジュール３の高温側端面との間（正確には、絶縁材６０を含む）に隙間が生じ、熱伝達効率が低下して、高温側端面の温度が低く抑えられることにより、発電量が低下してしまう。また、変形によって隣接する集熱フィンと干渉し、フィンの破損につながるおそれもある。

これに対して、本実施形態における集熱フィン４は、基部４０の第１の表面４０ａを凹面状に形成している。このため、基部４０自体の厚み方向の熱膨張量は、周縁部が中央部よりも大きくなる。これにより、基部４０の周縁部が第１の表面４０ａ側へと反る力が発生する（図６中の矢印Ｂ）矢印。この力と、フィン４１が外側へ開こうとする力（図６中の矢印Ａ）とは逆向きに作用するから、フィン４１が外側へ開くのを抑制することができる。このため、集熱フィン４の第２の表面４０と熱電モジュール３の高温側端面との間（正確には、絶縁材６０を含む）に隙間が生ずるのを抑制でき、熱伝達効率を維持することができる。このため、高温側端面の温度を維持することでき、発電量を確保できる。また、フィンの変形を抑制できるため、隣接する集熱フィンとの干渉によるフィンの損傷を効果的に抑制することができる。

ここでは、基部４０の厚みを中央部より周縁部が厚くなるようにすることで、フィンの先端部の間隔の開きを抑制したが、フィンの先端部の間隔の開きを抑制する手段は、これに限られるものではない。以下、本発明の別の実施形態を説明するが、基本的に集熱フィン部分の構成が相違するにとどまるため、集熱フィン部分だけを図示して説明する。

図７は、第２の実施形態の集熱フィン４ａを示す断面図である。この集熱フィン４ａでは、各フィン４１の先端部が連結部材４２によって接続されている。なお、連結部材４２はフィン４１と一体化されている。つまり、各フィン４１は一方の先端が開放された板状ではなく、基部とそれと反対側の端部が固定された形状を有している。本実施形態の集熱フィン４ａでは、そもそもフィン４１の端部が拘束されているため、端部におけるフィン間隔が開くのを抑制することができる。

図８は、第３の実施形態の集熱フィン４ｂを示す断面図である。この集熱フィン４ｂにおいてもフィン４１が連結部材４３によって連結されているが、第２の実施形態の集熱フィン４ａと異なり、その先端部ではなく、根本付近が接続されている。このように根本近くを接続することによってもフィン４１の先端が外側へと開くのを効果的に抑制できる。

なお、図７、図８に示される実施形態では、連結部材４２、４３を集熱フィン４と一体的に構成する例を説明したが、集熱フィン４と別に製造した連結部材４２、４３を集熱フィン４に取り付けてもよい。

図９は、第４の実施形態の集熱フィン４ｃを示す断面図である。この実施形態では、基部４０の第１の表面４０ａは第２の表面４０ｂと平行な平面であり、第２の表面４０ｂには、排ガス流れ方向に延在する溝４５が所定の間隔で設けられている。この溝４５は、隣接するフィン４１の中間に対応する位置に設けられており、第２の表面４０ｂにおける開口幅に比べて基部４０の内部での幅が大きく設定され、断面形状がいわゆる鍵穴に似た形状に設定されている。そして、本実施形態の集熱フィン４ｃと熱電モジュール３の熱電素子とは、図１０に示されるような位置に配置される。つまり、熱電素子の各半導体が、第２の表面４０ｂの、溝４５間の平面部に位置するよう配置される。

本実施形態によれば、高温排ガスにフィン４１がさらされた場合、基部４０はフィン４１から伝えられた熱により膨張するが、第２の表面４０ｂ側へ溝４５を設けたことにより、この第２の表面４０ｂ側では、第２の表面４０ｂ側に凸となるよう変形しようとする力（矢印Ｃ方向）が作用する。この力が、熱膨張によってフィン４１の先端が開くように作用する力（矢印Ａ方向）と逆方向に作用するため、両者を相殺させてフィン４１の先端が開くのを効果的に抑制できる。さらに、熱電素子の位置を溝４５間の平面部へ配置することで、排ガスからフィン４１へと伝えられた熱を効率よく熱電素子へと導くことができるため、発電効率の向上が図れる。なお、他の実施形態においても、フィン４１に対応する部分に熱電素子を設けると、排ガスからフィン４１へと伝えられた熱を効率よく熱電素子へと導くことができ好ましい。

以上説明した各実施形態は、図２、３に示されるように４つの楔形形状の集熱フィンを組み合わせて矩形断面の排気管に配置する例で説明したが、集熱フィンの形状はこの形状に限られない。例えば、３つまたは５つ以上の楔形形状の集熱フィンを組み合わせて多角形断面を有する排気管に配置してもよいし、図２、３に示される集熱フィンのそれぞれを排気の流れ方向に直交する方向で２つ以上に分割したフィンを用いてもよい。

さらに、フィンと基部を一体化して形成した例に限られるものではなく、基部にフィンを溶接、ロウ付け、圧接等により固定した形式の集熱フィンであってもよい。

また、ここでは、自動車の排気系に搭載する例を説明したが、その他の内燃機関、燃焼機器等の排気系に搭載して排熱からのエネルギー回収を行う場合も本発明は適用可能である。また、冷却側は水冷式に限られるものではなく、空冷やその他の液冷方式を採用することができ、冷媒としては水以外に空気やフロンガス等の各種冷媒を用いることができる。

本発明に係る排熱回収装置の第１の実施形態を搭載した車両の排気系を示す概略構成図である。図１の熱電発電装置１部分の断面図（図１のII−II線断面図）である。図２の装置の熱電ユニット２部分の拡大断面図である。図２の装置の熱電モジュール３の構成を示す図である。従来の熱電ユニットにおける集熱フィン４ｘの構成を示す断面図である。第１の実施形態の熱電ユニットにおける集熱フィン４に作用する力を示す断面図である。第２の実施形態の集熱フィン４ａを示す断面図である。第３の実施形態の集熱フィン４ｂを示す断面図である。第４の実施形態の集熱フィン４ｃを示す断面図である。第４の実施形態における熱電素子の配置位置を説明する拡大図である。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…熱電ユニット、３…熱電モジュール、４…集熱フィン、５…冷却ケース、３０…熱電素子、３２、３３…半導体、３４、３５…電極、４０…基部、４０ａ…第１の表面、４０ｂ…第２の表面、４１…フィン、４２、４３…連結部材、４５…溝、６０、６２…絶縁材、６４…ガイド板、６６…固定部材、９０…排気管、９２…エンジン、９４…排気浄化触媒、９６…ＤＣ−ＤＣコンバータ、９８…バッテリ。

Claims

板状の基部の第１の表面から所定の間隔で略平行に延在している複数の板状のフィンを有している集熱フィンを、該フィンの延在方向を排気の流れ方向に略一致させて排気管内に配置し、前記基部の第１の表面の裏面となる第２の表面側に熱電素子の高温側を配置し、該熱電素子の低温側に所定の冷媒を導入して温度差によって発電を行う排熱回収装置において、
排気管の中心部側に位置するフィンの根本の基部の厚さを排気管の周縁部側に位置するフィンの根本の基部の厚さに比べて薄くすることで前記集熱フィンの基部と反対の先端部間の間隔が拡大するのを抑制する抑制手段をさらに備えていることを特徴とする排熱回収装置。
板状の基部の第１の表面から所定の間隔で略平行に延在している複数の板状のフィンを有している集熱フィンを、該フィンの延在方向を排気の流れ方向に略一致させて排気管内に配置し、前記基部の第１の表面の裏面となる第２の表面側に熱電素子の高温側を配置し、該熱電素子の低温側に所定の冷媒を導入して温度差によって発電を行う排熱回収装置において、
前記フィンを根本部以外で連結する連結部材により前記集熱フィンの基部と反対の先端部間の間隔が拡大するのを抑制する抑制手段をさらに備えていることを特徴とする排熱回収装置。