JP4677891B2

JP4677891B2 - 伝熱部品

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Publication number: JP4677891B2
Application number: JP2005348297A
Authority: JP
Inventors: 善樹深田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2007154698A

Description

本発明は、熱交換器や放熱機あるいは熱電発電装置において、その伝熱部を構成する伝熱部品に関し、詳しくは、一群の伝熱フィンを備えた伝熱部品に関するものである。

従来、エンジンからの排気を導出する排気管の外面に高温端を押し付けた状態で発電モジュールを取り付け、この発電モジュールにより排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する自動車用の排熱発電装置（熱電発電装置）が一般に知られている（例えば特許文献１参照）。

この排熱発電装置には、排気ガスから熱エネルギーを回収して発電モジュールの高温端に伝熱する一群の集熱フィン（伝熱フィン）が排気管内の排気ガス流路に沿って設けられている。この一群の伝熱フィンは、発電モジュールの荷重支持構造を兼用しており、常時、圧縮荷重を受けている。
特開２００１−１２２４０号公報（要約書）

ところで、前述した一群の集熱フィン（伝熱フィン）は、一般に厚さが薄く剛性が低いため、高温の排気ガスに長時間曝される使用条件においては、座屈変形して伝熱性能を損なう虞がある。また、座屈変形しない場合であっても、発電モジュールとの間の接触状態が不安定となって伝熱性能が著しく低下する虞がある。

そこで、本発明は、一群の伝熱フィンが所期の伝熱性能を十分に発揮することができる伝熱部品を提供することを課題とする。

本発明に係る伝熱部品は、相互に隙間を開けて配列され、両端部から押圧された状態で組み付けられた一群の伝熱フィンと、一群の伝熱フィンの一方の端部に設けられた伝熱プレートと、一群の伝熱フィンの各々に設けられ、伝熱フィンをそれぞれ伝熱プレート側に押圧する複数の押圧部材と、を備え、一群の伝熱フィンは、その押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされていることを特徴とする。

本発明に係る伝熱部品では、波打ち状に屈曲した横断面形状により一群の伝熱フィンの座屈強度が向上するため、一群の伝熱フィンは座屈変形が防止されて所期の伝熱性能を十分に発揮する。

ここで、波打ち状に屈曲した各伝熱フィンの横断面形状において、波の振幅が少なくとも伝熱フィンの厚み程度以上であると、座屈強度が確実に向上するので好ましい。また、波の周期長が各伝熱フィンの相互間隔または波の振幅のうち何れか大きい方の２倍程度以上であると、各伝熱フィン間を流動する熱媒体の流動抵抗の増加を抑制できるので好ましい。

本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンをその押圧方向に均一に押圧するばね機構が設けられていると、一群の伝熱フィンを介して均一に熱伝導されるので好ましい。

本発明に係る伝熱部品によれば、一群の伝熱フィンの横断面形状が波打ち状に屈曲した形状とされているため、一群の伝熱フィンの座屈強度を向上でき、その座屈変形を防止して所期の伝熱性能を十分に発揮することができる。

本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンをその押圧方向に均一に押圧するばね機構が設けられている場合、一群の伝熱フィンを介して均一に熱伝導することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る伝熱部品の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る伝熱部品の概略構造を示す斜視図、図２は図１に示した伝熱部品のばね機構の側面図、図３は図２示したばね機構の平面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る伝熱部品１０は、相互に所定の間隔ｇの隙間を開けて配列された厚さｔの一群の伝熱フィン１１，１１，…と、伝熱フィン１１，１１，…の伝熱方向上流側の端部に配置されるベースプレート１２と、伝熱フィン１１，１１，…の伝熱方向下流側の端部に配置される伝熱プレート１３と、各伝熱フィン１１，１１，…の伝熱方向上流側の端部とベースプレート１２との間にばね機構として挟み込まれる波板ばね１４とを備えている。

ベースプレート１２と伝熱プレート１３とは、各波板ばね１４を介して一群の伝熱フィン１１，１１，…を両端部から押圧するように、図示しないボルト／ナットなどの緊締具を介して相互に緊締状態で連結される。なお、各伝熱フィン１１，１１，…、ベースプレート１２、伝熱プレート１３は、熱伝導性が高くしかも耐熱性の高い銅合金で構成されている。

ここで、一群の伝熱フィン１１，１１，…は、その押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされており、座屈強度の向上が図られている。この波打ち状に屈曲する各伝熱フィン１１の横断面形状において、波の振幅Ｍは、座屈強度を確実に向上できるように、例えば伝熱フィン１１の厚さｔより大きく設定されている。また、波の周期長Ｌは、各伝熱フィン１１，１１，…の間を流動する熱媒体の流動抵抗の増加を抑制できるように、伝熱フィン１１の相互の間隔ｇの２倍以上の例えば４倍程度に設定されている。

一方、波板ばね１４は、図２に示すような波形の断面形状を有するばね板材からなり、その平面形状は、図３に示すように、各伝熱フィン１１，１１，…の横断面の形状と一致する波打ち状に屈曲した形状とされている。そして、この波板ばね１４は、例えば長手方向の中間部がベースプレート１２に固定されており、一群の伝熱フィン１１，１１，…の伝熱方向上流側の端部を伝熱方向下流側の端部へ向けて押圧し、その伝熱方向下流側の端部を伝熱プレート１３に均一に密着させる。

このような構造を有する図１に示した伝熱部品１０は、熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面が伝熱プレート１３に接合され、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面に放熱ブロック１６が接合されることで、例えば図示しない自動車用のエンジンから排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを回収して発電する熱電発電装置を構成する。

熱電発電モジュール１５は、高温側の受熱面と低温側の放熱面との温度差に応じた熱起電力をゼーベック効果により発生する複数のｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子を内蔵したものであり、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。

また、放熱ブロック１６は、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面との間の熱交換により十分に吸熱できるように、熱伝導性の高い銅合金やアルミニウム合金の材料で構成されており、その内部には冷却水の流通路（図示省略）が形成されている。

ここで、図１に示すように第１実施形態の伝熱部品１０が組み付けられた熱電発電装置は、例えば図示しない自動車用の排気系の熱を回収して発電するように設置される。すなわち、図示しない自動車用のエンジンから排出される高温の排気ガスが伝熱部品１０の一群の伝熱フィン１１，１１，…流動するように設置される。

このような熱電発電装置の設置状態において、排気ガスの熱は伝熱部品１０の各伝熱フィン１１，１１，…から伝熱プレート１３を介して熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に伝熱され、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面から放熱ブロック１６へ放熱される。その結果、熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面と低温側の放熱面との間に温度差が発生し、その温度差に応じて熱電発電モジュール１５の各ｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が起電力を発生して発電する。

ここで、熱電発電装置の使用状態においては、伝熱部品１０の一群の伝熱フィン１１，１１，…が例えば５００℃以上の高温に達するため、ベースプレート１２と伝熱プレート１３との間に挟持されてその両端部から押圧される各伝熱フィン１１，１１，…は、座屈変形が発生し易い状況となる。しかしながら、各伝熱フィン１１，１１，…は、その押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされており、その波の振幅Ｍが例えば伝熱フィン１１の厚さｔより大きく設定されているため、各伝熱フィン１１，１１，…が高い座屈強度を発揮する。従って、第１実施形態の伝熱部品１０によれば、各伝熱フィン１１，１１，…の座屈変形を防止して所期の伝熱性能を十分に発揮することができる。

また、各伝熱フィン１１，１１，…の波打ち状に屈曲した横断面の形状において、波の周期長Ｌが伝熱フィン１１の相互の間隔ｇの４倍程度に設定されているため、各伝熱フィン１１，１１，…の間を流動する排気ガスの流動抵抗の増加が抑制されている。さらに、各伝熱フィン１１，１１，…は、波板ばね１４によって伝熱方向上流側の端部が伝熱方向下流側の端部へ向けて押圧されているため、各伝熱フィン１１，１１，…の伝熱方向下流側の端部が伝熱プレート１３に均一に密着している。従って、これらの点からも、第１実施形態の伝熱部品１０によれば、所期の伝熱性能を十分に発揮することができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る一対の伝熱部品の概略構造を示している。この一対の伝熱部品２０，２０は、熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面と低温側の放熱面とにそれぞれ接合されるものであり、両者は同様の構造を有するため、その構造については同一の符号を用いて説明する。

熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に接触する一方の伝熱部品２０は、肉厚のベースプレート２１と、このベースプレート２１の周縁部に複数のボルトＢを介して締結される肉厚の締結部２２Ａ，２２Ａを有する熱伝導部材２２とを備えており、ベースプレート２１と締結部２２Ａ，２２Ａとの間には、シールリングＳが挟み込まれている。なお、これらのベースプレート２１および熱伝導部材２２は、熱伝導性が高くしかも耐熱性の高い銅合金で構成されている。

熱伝導部材２２には、締結部２２Ａ，２２Ａに対し柔軟性のある薄肉の連結部２２Ｂ，２２Ｂを介して連続する伝熱プレート部２２Ｃと、この伝熱プレート部２２Ｃからベースプレート２１側へ突出する一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…とが一体に形成されている。

一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…は、図１に示した一群の伝熱フィン１１，１１，…と同様に、波打ち状に屈曲した横断面形状に形成されており、その波の振幅は、伝熱フィン２２Ｄの厚さより大きく設定され、波の周期長は、伝熱フィン２２Ｄの相互の間隔の４倍程度に設定されている。

ここで、ベースプレート２１には、一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の突出端部を受け入れる複数の屈曲した溝２１Ａ，２１Ａ，…が形成されており、各溝２１Ａ内には、各伝熱フィン２２Ｄを伝熱プレート部２２Ｃ側へ押圧するばね機構としてのコイルばね２３が溝２１Ａに沿って複数個ずつ配置されている。そして、これらのコイルばね２３の押圧力により、伝熱プレート部２２Ｃが熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に密着している。なお、同様に構成された他方の伝熱部品２０は、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面に伝熱プレート部２２Ｃが密着している。

図４に示すように第２実施形態の伝熱部品２０，２０が組み付けられた熱電発電装置は、熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に熱伝導する一方の伝熱部品２０の一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の間を高温の排気ガスが流通し、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面から吸熱する他方の伝熱部品２０の一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の間を低温の熱媒体（冷却水）が流通するように設置される。

このような熱電発電装置の設置状態において、高温の排気ガスの熱は一方の伝熱部品２０の各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…から伝熱プレート部２２Ｃを介して熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に伝熱され、熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面に密着する他方の伝熱部品２０の伝熱プレート部２２Ｃから各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…を介して低温の熱媒体（冷却水）に放熱される。その結果、熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面と低温側の放熱面との間に温度差が発生し、その温度差に応じて熱電発電モジュール１５の各ｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が起電力を発生して発電する。

ここで、第２実施形態の一対の伝熱部品２０，２０が組み付けられた熱電発電装置においても、各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされており、その波の振幅が伝熱フィン２２Ｄの厚さより大きく設定されているため、各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…が高い座屈強度を発揮する。従って、第２実施形態の伝熱部品２０，２０によれば、各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の座屈変形を防止して所期の伝熱性能を十分に発揮することができる。

また、一対の伝熱部品２０，２０における各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の波打ち状に屈曲した横断面の形状において、波の周期長が伝熱フィン２２Ｄの相互の間隔の４倍程度に設定されているため、一方の伝熱部品２０の各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の間を流動する排気ガスの流動抵抗の増加が抑制されると共に、他方の伝熱部品２０の各伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の間を流動する熱媒体（冷却水）の流動抵抗の増加も抑制される。さらに、各伝熱フィン２２Ｄを伝熱プレート部２２Ｃ側へ押圧するコイルばね２３の押圧力によって、一方の伝熱部品２０の伝熱プレート部２２Ｃが熱電発電モジュール１５の高温側の受熱面に密着し、他方の伝熱部品２０の伝熱プレート部２２Ｃが熱電発電モジュール１５の低温側の放熱面に密着している。従って、これらの点からも、第２実施形態の伝熱部品２０，２０によれば、所期の伝熱性能を十分に発揮することができる。

本発明に係る伝熱部品は、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図４に示した一対の伝熱部品２０，２０は、図５に示すように、ベースプレート２１，２１同士を背面合わせにし、一方の熱伝導部材２２の締結部２２Ａからベースプレート２１，２１を貫通して他方の熱伝導部材２２の締結部２２Ａにねじ込まれる複数のボルトＢによって一体に締結した構造としてもよい。この場合、一対の伝熱部品２０，２０の伝熱プレート部２２Ｃ，２２Ｃにはそれぞれ熱電発電モジュール１５，１５の高温側の受熱面が接合され、この熱電発電モジュール１５，１５の低温側の放熱面にはそれぞれ放熱ブロック１６，１６が接合される。

このような構造の一対の伝熱部品２０，２０が組み込まれた熱電発電装置は、一対の伝熱部品２０，２０のそれぞれ一群の伝熱フィン２２Ｄ，２２Ｄ，…の間を高温の排気ガスが流通することで、一対の熱電発電モジュール１５，１５がそれぞれ熱発電する。そして、この熱電発電装置を構成する一対の伝熱部品２０，２０においても、前述した第１実施形態の伝熱部品１０または第２実施形態の伝熱部品２０と同様の作用効果を奏することができる。

また、本発明の伝熱部品は、図６に示す構造の伝熱部品３０としてもよい。この伝熱部品３０は、一対の伝熱プレート３１，３１の間に所定の相互間隔を開けて配列された一群の伝熱フィン３２，３２，…および他の一群の伝熱フィン３３，３３，…を備えている。そして、この伝熱部品３０は、一対の伝熱プレート３１，３１がそれぞれ熱電発電モジュール１５，１５の高温側の受熱面に接合され、この熱電発電モジュール１５，１５の低温側の放熱面にそれぞれ放熱ブロック１６，１６が接合されることで、熱電発電装置を構成している。

ここで、伝熱部品３０の一群の伝熱フィン３２，３２，…および他の一群の伝熱フィン３３，３３，…は、いずれも図１に示した伝熱フィン１１，１１，…と同様に、波打ち状に屈曲した横断面形状に形成されており、その波の振幅は、伝熱フィン３２，３３の厚さより大きく設定され、波の周期長は、伝熱フィン３２，３３の相互の間隔の４倍程度に設定されている。そして、一群の伝熱フィン３２，３２，…の両端部付近には、三角波形に屈曲するばね部３２Ａ，３２Ａがばね機構として形成されている。また、他の一群の伝熱フィン３３，３３，…の中央部には、三角波形に屈曲する同様のばね部３３Ａがばね機構として形成されている。

このような構造の伝熱部品３０が組み込まれた熱電発電装置は、一群の伝熱フィン３２，３２，…および他の一群の伝熱フィン３３，３３，…の間を高温の排気ガスが流通することで、一対の熱電発電モジュール１５，１５がそれぞれ熱発電する。そして、この熱電発電装置を構成する伝熱部品３０においても、前述した第１実施形態の伝熱部品１０または第２実施形態の伝熱部品２０と同様の作用効果を奏することができる。

さらに、図２および図３に示したばね機構としての波板ばね１４は、図７に示すように、各伝熱フィン１１，１１，…の横断面の形状と一致する波打ち状に屈曲した状態でベースプレート１２に固定される細長いコイルばね１７に変更することができる。

本発明の第１実施形態に係る伝熱部品の概略構造を示す斜視図である。図１に示した伝熱部品のばね機構の側面図である。図２示したばね機構の平面図である。本発明の第２実施形態に係る伝熱部品の概略構造を示す縦断面図である。本発明に係る伝熱部品の変形例の概略構造を示す縦断面図である。本発明に係る伝熱部品の他の変形例の概略構造を示す正面図である。図２および図３に示した波板ばねに変わるコイルばねを示すベースプレートの部分斜視図である。

符号の説明

１０伝熱部品
１１伝熱フィン
１２ベースプレート
１３伝熱プレート
１４波板ばね
１５熱電発電モジュール
１６放熱ブロック

Claims

相互に隙間を開けて配列され、両端部から押圧された状態で組み付けられた一群の伝熱フィンと、
前記一群の伝熱フィンの一方の端部に設けられた伝熱プレートと、
前記一群の伝熱フィンの各々に設けられ、前記伝熱フィンをそれぞれ前記伝熱プレート側に押圧する複数の押圧部材と、
を備え、
前記一群の伝熱フィンは、その押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされている、
伝熱部品。
前記押圧部材は、ばね機構である、
請求項１に記載の伝熱部品。
相互に隙間を開けて配列され、両端部から押圧された状態で組み付けられた一群の伝熱フィンと、
前記一群の伝熱フィンの一方の端部に設けられた伝熱プレートと、
前記一群の伝熱フィンのそれぞれを個別に前記伝熱プレート側に押圧する押圧部材と、
を備え、
前記一群の伝熱フィンは、その押圧方向と直交する横断面の形状が波打ち状に屈曲した形状とされている、
伝熱部品。