(57)【要約】      （修正有）【課題】簡素な構成で排熱回収を行う。【解決手段】排熱回収装置１０は、温度差がある状態において磁界Ｂが加えられることで該温度差と該磁界との双方に垂直な方向に起電力を発生する物質によって構成され、内部に外気と温度差のある流体が流れる管状部材と、管状部材の軸方向に対して垂直な断面内において、径方向の内部と外部との間における温度差の方向に対して垂直な方向に磁界を生成する磁界発生手段と、管状部材の内側と外側とにおける温度差と、磁界発生手段によって生成される磁界とに応じて、軸方向に発生する起電力を取り出す端子と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差がある状態において磁界が加えられることで該温度差と該磁界との双方に垂直な方向に起電力を発生する物質によって構成され、内部に外気と温度差のある流体が流れる管状部材と、
前記管状部材の軸方向に対して垂直な断面内において、径方向の内部と外部との間における前記温度差の方向に対して垂直な方向に磁界を生成する磁界発生手段と、
前記管状部材の内側と外側とにおける前記温度差と、前記磁界発生手段によって生成される前記磁界とに応じて、前記軸方向に発生する起電力を取り出す端子と、を備える、排熱回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排熱回収装置であって、
前記磁界発生手段は、前記軸方向に対して周方向に取り囲むように前記磁界を発生させる、排熱回収装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排熱回収装置であって、
前記磁界発生手段は、前記管状部材に配置される永久磁石である、排熱回収装置。
【請求項４】
請求項３に記載の排熱回収装置であって、
前記磁界発生手段は、前記管状部材の外周から径方向に突出する突出部を、さらに備え、
前記永久磁石は、前記突出部において軸中心に向かって設けられる切り欠きに設けられる、排熱回収装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の排熱回収装置であって、
前記磁界発生手段は、前記管状部材の内部において前記軸方向に延在する通電可能な配線である、排熱回収装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の排熱回収装置であって、
前記磁界発生手段は、磁性体で構成される前記管状部材である、排熱回収装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材は、エンジンからの排気が流れる排気管の少なくとも一部である、排熱回収装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の排熱回収装置であって、
前記排熱回収装置は、エンジンからの排気が流れる排気管を、さらに備え、
前記管状部材は、前記排気管を覆うように設けられる、排熱回収装置。
【請求項９】
請求項８に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材は、少なくとも２つ以上からなり、前記管状部材のそれぞれは前記軸方向に離間して配置される、排熱回収装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材のそれぞれは、上流側の方が下流側よりも、前記軸方向に短くなるように構成される、排熱回収装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材のそれぞれは、前記軸方向の温度勾配の積分値が略等しくなることにより発生する起電力が等しくなるように前記軸方向の長さが構成される、排熱回収装置。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか１項に記載の排熱回収装置であって、
前記排気管は、車両の下部に設けられ、
前記管状部材は、下部と上部とに分離し、
下部側の前記管状部材は、上部側の前記管状部材よりも、前記軸方向に短く構成される、排熱回収装置。
【請求項１３】
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材のそれぞれは、内径が小さいほど肉厚に構成される、排熱回収装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３のいずれか１項に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材は、それぞれ、上流側と下流型とに前記端子を備え、
それぞれの前記管状部材の上流側の前記端子と下流側の前記端子と同士は、並列に接続される、排熱回収装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の排熱回収装置であって、
前記管状部材は、上流側の前記端子に、前記端子から負荷へ向かう方向が順方向となるようにダイオードが直列接続される、排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関によって走行する車両において、燃焼後の排気の熱を用いて発電を行うことによる燃費の向上が検討されている。例えば、特許文献１には、排気が流れる排気管の周囲にＰ型半導体とＮ型半導体との接合体を設け、排気管において、高温の外周面と、冷却水が流れる低温の内部との温度差を利用して接合体により発電をする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２６３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示される技術のように、Ｐ型とＮ型の半導体を用いる場合には、排熱回収効率が低く、かつ、構造が大型化するという課題があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、簡素な構成で排熱回収を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の排熱回収装置は、温度差がある状態において磁界が加えられることで該温度差と該磁界との双方に垂直な方向に起電力を発生する物質によって構成され、内部に外気と温度差のある流体が流れる管状部材と、管状部材の軸方向に対して垂直な断面内において、径方向の内部と外部との間における温度差の方向に対して垂直な方向に磁界を生成する磁界発生手段と、管状部材の内側と外側とにおける温度差と、磁界発生手段によって生成される磁界とに応じて、軸方向に発生する起電力を取り出す端子と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様によれば、簡素な構成で排熱回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態の排熱回収装置を備える車両の概略構成図である。
【図２】図２は、排熱回収装置の斜視図である。
【図３】図３は、排熱回収装置の側面図である。
【図４】図４は、排熱回収装置の断面図である。
【図５】図５は、スピンゼーベック効果の説明図である。
【図６】図６は、排熱回収部の軸方向の長さを説明するための図である。
【図７】図７は、第２実施形態の排熱回収装置の斜視図である。
【図８】図８は、排熱回収装置の断面図である。
【図９】図９は、第３実施形態の排熱回収装置の斜視図である。
【図１０】図１０は、排熱回収装置の断面図である。
【図１１】図１１は、第４実施形態の排熱回収装置の斜視図である。
【図１２】図１２は、排熱回収装置の断面図である。
【図１３】図１３は、第５実施形態の排熱回収装置の側面図である。
【図１４】図１４は、第６実施形態の排熱回収装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の排熱回収装置１０を備える車両１００の概略構成図である。
【００１１】
車両１００は、内燃機関であるエンジン１を備え、エンジン１からの排気が排気管２を通り車両１００の外部へと排出される。この排気管２に、第１実施形態の排熱回収装置１０が設けられている。すなわち、排気管２には、外気よりも温度の高い排気が流れており、排気管２の内面から外面に向かって熱が放出されている。
【００１２】
図２は、排熱回収装置１０の斜視図である。図２においては、排気管２の流路方向、すなわち、排熱回収装置１０の軸方向であり、図中の右奥−左手前方向に延在する方向を、ｚ軸とする。ｚ軸に対して垂直であり、図中の左右方向を、ｘ軸とする。そして、ｘ軸及びｚ軸の双方に対して垂直であって、図中の上下方向を、ｙ軸とする。
【００１３】
図３は、ｘ軸方向の側面図であって、図２における排熱回収装置１０を右方から見た図である。図４は、図３のＡ−Ａにおけるｚ軸に対して垂直なｘｙ平面の断面図である。
【００１４】
図２に示されるように、排熱回収装置１０は、異なる長さの排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃにより構成されている。これらの排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、略円筒状の管路構造体であって、排気管２を取り囲むように排気管２の外周面に一体的に取り付けられている。排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃは、肉厚が等しく、軸方向（ｚ軸）の長さが異なる以外の構成は同じである。そこで、代表して、排熱回収部１１Ａの構成について説明する。
【００１５】
また、図２、４に示されるように、排熱回収部１１Ａは、排気管２の外周を覆う円筒状の熱電変換部１２と、熱電変換部１２から径方向外側に突出する突出部１３と、突出部１３内に設けられる永久磁石１５と、を有する。熱電変換部１２は、スピンゼーベック効果を生じる物質により構成されている。スピンゼーベック効果を生じる物質は、例えば、ニッケル亜鉛（ＮｉＺｎ）フェライト、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＩＧ）のような磁性体である。
【００１６】
また、本実施形態においてはスピンゼーベック効果により起電力が発生する材料を用いるとしたがこれに限らない。異常ネルンスト効果のような温度差及び磁界に応じて起電力が発生する物質であれば、磁性体や金属性の物質であってもよい。
【００１７】
図５は、スピンゼーベック効果において発生する起電力を示す図である。スピンゼーベック効果は、熱電変換効果であり、物質内部に温度差がある状態において、温度差の生じる方向に対して垂直方向に磁界Ｂが加えられると、温度差の生じる方向、及び、磁界Ｂの方向との双方と垂直の方向に起電力Ｖが生じる効果である。本実施形態では、このスピンゼーベック効果を利用して、排気管２を流れる排気の熱を用いて発電を行い、排熱を有効活用する。
【００１８】
再び、図２、４を参照すれば、熱電変換部１２は、排気管２の断面（ｘｙ面）における外周側（図右方、ｘ軸正方向）に突出する突出部１３を有する。突出部１３は、熱電変換部１２の外周において軸方向に延在している。突出部１３においては、外周側（図右方、ｘ軸正方向）の側面から熱電変換部１２の軸中心に向かうように設けられ、熱電変換部１２の軸方向（ｚ軸方向）に延在する切り欠き１４が形成されている。
【００１９】
この切り欠き１４の内部には、板状の永久磁石１５が設けられている。永久磁石１５は対向するＳ極面とＮ極面とを有し、Ｓ極面及びＮ極面が、切り欠き１４の内面のうち、熱電変換部１２の軸中心に対する周方向（回転方向）において対向する内面のそれぞれと接触するように配置される。永久磁石１５のＳ極面からＮ極面へと磁界が流れることにより、熱電変換部１２においては、矢印Ｂに示されるような周方向に磁界が発生する。なお、本実施形態においては、切り欠き１４は排気管２まで到達している例について説明したが、磁界が熱電変換部１２を周方向に取り囲む限り、切り欠き１４は排気管２まで到達していなくてもよい。
【００２０】
ここで、排気管２の内部をエンジン１から排出された高温の排気が流れると、破線で示されるように、排気の熱は排気管２を流れる間に径方向の内側から外側に向かって放熱される。そのため、熱電変換部１２の任意の部分においては、熱電変換部１２の軸中心を基準として、径方向の外側に向かって低くなる温度差が発生する。そして、上述のように、熱電変換部１２においては、突出部１３に永久磁石１５が設けられているので、熱電変換部１２の軸中心に対して周方向に磁界Ｂが発生する。
【００２１】
熱電変換部１２においては、任意の場所において、高温側から低温側への温度差の方向（軸中心からの径方向外側）と、磁界の方向（軸中心に対する周方向）とが直行する。すなわち、温度差の方向に対して垂直の方向に磁界が生成される。熱電変換部１２においては、これらの温度差と磁界とに起因するスピンゼーベック効果によって、温度差の方向及び磁界の方向の両者に直行する軸方向（ｚ軸方向）に起電力が発生する。
【００２２】
図３に示されるように、排熱回収部１１Ａには、軸方向の上流端に端子２１Ａを介して配線２２Ａが接続され、下流端に端子２３Ａを介して配線２４Ａの他端が接続される。そして、配線２２Ａの他端と、配線２４Ａの他端との間に、負荷２５が設けられる。なお、これらの端子２１Ａ、２３Ａや配線２２Ａ、２４Ａは、可読性のために、図２、４において省略されている。
【００２３】
排熱回収部１１Ａにおいては、発生する起電力によって、軸方向（ｚ軸方向）において、排気管２の上流側が高電位となり、下流側が低電位となる。そのため、上流側に設けられ配線２２Ａと接続される端子２１Ａが正極となり、下流側に設けられ配線２４Ａと接続される端子２３Ａが負極となって、負荷２５に電力が供給される。このようにして、排熱回収部１１Ａにおいて発生する起電力を取り出すことができる。
【００２４】
なお、配線２２Ａにおいては、排熱回収部１１Ａの端子２１Ａと負荷２５との間にダイオード２６Ａが設けられている。ダイオード２６Ａは、端子２１Ａから負荷２５へと向かう方向に順方向となるように配置される。ダイオード２６Ａが設けられることによって、配線２２Ａが短絡などにより負荷２５へ供給される電力が低下し場合でも、低電位になってしまった正極の端子２１Ａへの電流の流入が抑制される。
【００２５】
なお、図３に示されるように、排熱回収部１１Ａと同様に、排熱回収部１１Ｂに端子２１Ｂ、２３Ｂ、配線２２Ｂ、２４Ｂが設けられ、排熱回収部１１Ｃに端子２１Ｃ、２３Ｃ、配線２２Ｃ、２４Ｃが設けられている。配線２２Ａ及び２４Ａと、配線２２Ｂ及び２４Ｂと、配線２２Ｃ及び２４Ｃとが負荷２５に対して並列に接続されている。そして、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの軸方向（Ｚ軸方向）の長さは、１：２：３となるように構成されている。このような長さの比率になる理由は以下のとおりである。
【００２６】
図６は、排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの軸方向の長さを説明するための図である。図６（ａ）は、比較例の排熱回収装置１０を示す図である。図６（ｂ）は、本実施形態の排熱回収装置１０を示す図である。
【００２７】
排気管２においては、排気流の下流に行くほど温度が低い。また、径方向の内側から外側に放出される放熱量であって、軸方向の単位長さあたりの放熱量は、軸方向における温度と正の相関がある。すなわち、上流部分は、温度が高く単位長さあたりの放熱量が大きいので、径方向内外の温度差が大きい。下流部分は、温度が低く単位長さあたりの放熱量が小さいので、径方向内外の温度差が小さい。
【００２８】
ここで、図６（ａ）に示される排熱回収装置１０は、軸方向に分割されておらず、軸方向の長さが６Ｌである１つの排熱回収部１１Ｄにより構成されているものとする。そして、この排熱回収部１１Ｄの温度勾配の積分値、すなわち、軸方向の全長における低下温度が３Ｔであると仮定する。
【００２９】
図６（ｂ）に示される排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、図６（ａ）に示される排熱回収部１１Ｄと軸方向の長さの総和が等しく、各区間における軸方向の温度勾配の積分値である低下温度がそれぞれＴとなるように、軸方向の長さが定められている。
【００３０】
排熱回収装置１０の軸方向の温度勾配（低下温度）は、上流ほど大きく、下流ほど小さい。
【００３１】
そのため、上流に位置する排熱回収部１１Ａの軸方向においては、比較的短いＬの長さで温度勾配がＴとなる。下流に位置する排熱回収部１１Ｃの軸方向においては、比較的長い３Ｌの長さで温度勾配がＴとなる。中流に位置する排熱回収部１１Ｂの軸方向においては、上流側の排熱回収部１１Ａよりも長く、かつ、下流側の排熱回収部１１Ｃよりも短い、２Ｌの長さで温度勾配がＴとなる。
【００３２】
上述のように、スピンゼーベック効果に起因する起電力は、径方向内外の温度差と周方向の磁界の大きさとに応じて定まる。また、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの軸方向の任意の位置における温度差は、その位置の温度に応じた値となる。したがって、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃは、軸方向の全長にわたる温度勾配の積分値が等しいので、その径方向内外の温度差についての軸方向の積分値も等しい。また、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおける軸中心に対して周方向に発生する磁界は等しい。そのため、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおいて発生する起電力は、等しくなる。
【００３３】
排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃのそれぞれにおいては、軸方向の温度勾配の積分値がＴであり、磁界がＢであるため、それぞれにて等しい起電力Ｖが発生するものとする。一方で、長さが６Ｌである排熱回収部１１Ｄにおいては、軸方向の温度勾配の積分値が３Ｔであり、磁界がＢであるため、起電力３Ｖが発生することになる。
【００３４】
ここで、図６（ａ）、（ｂ）に示される排熱回収部１１Ａ〜１１Ｄのような起電力発生体においては、発生する起電力と、内部抵抗による降下電圧とが等しい場合に、出力電力を最大化できることが知られている。そこで、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃは、出力電力が最大化されるように、それぞれにおいて発生する起電力と降下電圧とが等しくなると仮定して、最大出力電力を検討する。
【００３５】
図６（ａ）に示される排熱回収部１１Ｄの内部抵抗は、以下の説明の簡略化のために、軸方向の長さ６Ｌに応じた６Ｒであるものとする。そして、排熱回収部１１Ｄに、内部抵抗と等しい６Ｒの負荷２５を接続すると仮定すると、排熱回収部１１Ｄからの出力電力Ｐ２は、以下のように計算できる。
【００３６】
Ｐ２＝３Ｖ×（３Ｖ／（６Ｒ＋６Ｒ））／２
＝０．３７５Ｖ2Ｒ・・・（１）
【００３７】
一方で、図６（ｂ）に排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの内部抵抗は、それぞれの軸方向の長さＬ、２Ｌ、３Ｌに比例し、Ｒ、２Ｒ、３Ｒである。そして、排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのそれぞれに、内部抵抗と等しいＲ、２Ｒ、３Ｒの負荷２５を接続すると仮定すると、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃから出力される電力の総和である出力電力Ｐ１は、以下のように計算される。
【００３８】
Ｐ１＝Ｖ×（Ｖ／（Ｒ＋Ｒ））／２＋Ｖ×（Ｖ／（２Ｒ＋２Ｒ））／２＋Ｖ×（Ｖ／（３Ｒ＋ ３Ｒ））／２
＝０．４５８Ｖ2Ｒ・・・（２）
【００３９】
このように、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの全長と排熱回収部１１Ｄの長さとが等しい場合には、図６（ｂ）のように軸方向の温度勾配の積分値が略同等となるように複数の排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃを設ける方が、図６（ａ）のように１つの排熱回収部１１Ｄを設けるよりも、出力電力を大きくすることができる。
【００４０】
なお、図６（ｃ）に示されるように、軸方向の温度勾配の積分値が略同等とならなくても、軸方向に分割して排熱回収部１１Ｃ、１１Ｅを設けることにより、図６（ａ）のように１つの排熱回収部１１Ｄを設けるよりも、出力電力を大きくすることができる。図６（ｃ）の構成において、排熱回収部１１Ｃの上流に、長さが３Ｌでありその温度勾配が２Ｔの排熱回収部１１Ｅが設けられている。この排熱回収部１１Ｅにおいては起電力２Ｖが発生する。
【００４１】
この図６（ｃ）の構成における出力電力Ｐ３は、以下のように算出できる。
【００４２】
Ｐ３＝２Ｖ×（２Ｖ／（３Ｒ＋３Ｒ））／２＋Ｖ×（Ｖ／（３Ｒ＋３Ｒ））／２
＝０．４１６Ｖ2Ｒ・・・（３）
【００４３】
このように、複数の排熱回収部１１を設ける方が、図６（ａ）のように１つの排熱回収部１１Ｄを設けるよりも、出力電力を大きくすることができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、排気管２を覆うように排熱回収部１１を設けたが、これに限らない。排気管２の一部をスピンゼーベック効果が生じる物質で構成することで、排熱回収部１１自体を排気管として用いるように構成してもよい。また、排気管２において外部より温度が低い温度が流れても、排熱回収部１１においては温度差と磁界に応じた起電力が発生する。
【００４５】
排熱回収部１１は、排気管２の一部または全部により構成されてもよい。
【００４６】
第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００４７】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２は排気管２を覆うように設けられており、その内部には外気よりも温度の高い排気が流れる。排気の熱は熱電変換部１２の断面方向において内面から外面へと向かう径方向外側へと伝導される。そのため、軸中心へと向かう方向に温度が高くなるような径方向内外の温度差が生じる。また、磁界発生手段である永久磁石１５は、排気の流路となる排気管２の軸中心に対して周方向に、磁界を発生させる。
【００４８】
熱電変換部１２においては、径方向に生じる外面と内面との温度差、及び、温度差の方向に対して垂直方向において永久磁石１５によって生成される磁界とによって、スピンゼーベック効果などの熱電変換に起因して軸方向に起電力が発生する。
【００４９】
このように磁界を発生させる永久磁石１５と、熱電変換が可能な材料により構成される熱電変換部１２という簡易な構成によって、排熱を利用して起電力を取り出すことが可能となり、排熱回収装置１０による排熱回収を実現することができる。
【００５０】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、永久磁石１５は、熱電変換部１２の軸方向に対して周方向に取り囲むように磁界を発生させる。永久磁石１５により発生する周方向の磁界は、熱電変換部１２における全体にわたり、径方向の内側と外側との間にて発生する温度差の方向に対して垂直となる。したがって、永久磁石１５の発生する磁界の大部分が起電力の発生に用いられるので、熱電変換効率の向上を図ることができる。
【００５１】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、永久磁石１５によって起電力の発生に必要な磁界を発生させることができる。そのため、磁界を発生させるためにエネルギーを要することなく排熱を回収することができるので、排熱回収効率の向上を図ることができる。
【００５２】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、排熱回収部１１は、外周から径方向に突出する突出部１３をさらに備え、突出部１３において軸中心に向かって設けられる切り欠き１４に永久磁石１５が設けられている。このように構成することで、軸方向を基準とした周方向に磁束を発生させる永久磁石１５を固定させて、発生する磁束及び温度差に応じて起電力を取り出すことにより、排熱を有効活用することができる。
【００５３】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２を、排気管２の一部または全部として構成してもよい。このようにすることで排熱回収装置１０の全体の部品点数を少なくすることで排気管２の構成を単純化することができ、簡易な構成で排熱を回収することができる。
【００５４】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２は、排気管２の外周に沿って覆うように設けられている。このようにすることで、排気管２と熱電変換部１２とを別の構成とすることで構成を単純化でき、排気系統を複雑にすることなく、排熱から起電力を生成することができる。
【００５５】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、排熱回収装置１０は、複数の排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにより構成されている。図６（ｂ）に示される３つの排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにより構成される排熱回収装置１０における出力電力Ｐ２は、式（２）のように示される。図６（ａ）に示される１つの排熱回収部１１Ｄにより構成される排熱回収装置１０における出力電力Ｐ１は、式（１）のように示される。両者を比較すると、出力電力Ｐ２は、出力電力Ｐ１よりも大きい。また、図６（ｃ）に示される２つの排熱回収部１１Ｃ、１１Ｄにより構成される排熱回収装置１０における出力電力Ｐ３は、式（３）のように示され、Ｐ１よりも大きい。このように、複数の排熱回収部１１を設けることにより、排熱回収装置１０の出力電力の増加を図ることができる。
【００５６】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、図６（ｂ）に示される３つの排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにより構成される排熱回収装置１０における出力電力Ｐ２は、それぞれにおいて発生する起電力が略等しくなることで、出力電力Ｐ２が最大化される。ここで、それぞれの排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおいて発生する起電力は、それぞれにおける径方向の内側と外側との温度差の軸方向の積分値に比例する。そして、径方向の内側と外側との温度差の軸方向の積分値は、軸方向の温度勾配の積分値に応じた値となる。
【００５７】
そこで、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおいて発生する起電力を略等しくするために、上流の排熱回収部１１Ａは、軸方向の温度勾配の積分値が大きく単位長さあたりに発生する起電力が大きいため、軸方向に短く構成される。下流の排熱回収部１１Ｃは、軸方向の温度勾配の積分値が小さく単位長さあたりに発生する起電力が小さいため、軸方向に長く構成される。そして、中流の排熱回収部１１Ｃは、軸方向の長さが、上流の排熱回収部１１Ａよりも長く、下流の排熱回収部１１Ｃよりも短く構成される。
【００５８】
このように、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃは、上流側の方が下流側よりも軸方向に短く構成されることで、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおいて発生する起電力を略等しくすることができ、排熱回収装置１０の全体の出力電力を大きくすることができる。
【００５９】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、複数の排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃは、配線２２Ａ〜２２Ｃ、２４Ａ〜２４Ｃを介して、負荷２５と並列に接続されている。このように構成されることで、直列に接続される場合と比較すると、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの一部が故障した場合でも、その他の部分の配線が断線することがないため、堅牢性の向上を図ることができる。
【００６０】
第１実施形態の排熱回収装置１０によれば、複数の排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃにおいて高電位側の配線２２Ａ〜２２Ｃにダイオード２６Ａ〜２６Ｃが直列に設けられ、ダイオード２６Ａ〜２６Ｃは、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃから負荷２５に対して順方向に設けられる。そのため、排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの発電量の変動や、配線の短絡などにより排熱回収部１１Ａ〜１１Ｃの高電位側の端子２１Ａ〜２１Ｃの電圧が低下しても、高電位側の端子２１Ａ〜２１Ｃに電流が流入することを抑制することができるので、安定性の向上を図ることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
第１実施形態においては、磁界発生手段として永久磁石１５を設ける例について説明した。
【００６２】
第２実施形態においては、磁界発生手段として電気配線を用いる例について説明する。
【００６３】
図７は、第２実施形態の排熱回収装置１０の斜視図である。図８は、図７のｘｙ平面の断面図である。
【００６４】
これらの図に示されるように、本実施形態の排熱回収部１１は、第１実施形態の排熱回収部１１と比較すると、切り欠き１４を備える突出部１３、及び、永久磁石１５が削除され、排気管２の中に設けられる管内配線３０が追加されている。
【００６５】
管内配線３０は磁界発生手段の一例であり、排気管２の略中心において軸方向に延在する配置されている。この管内配線３０に軸方向と同じ方向に電流を流すことによって、熱電変換部１２においては、熱電変換部１２の軸中心に対する回転方向に磁界Ｂが発生する。
【００６６】
このように構成しても、スピンゼーベック効果によって、熱電変換部１２においては、任意の場所において、熱電変換部１２の軸中心から径方向外側へ温度が低くなる温度差が発生し、その温度差の生じる径方向（径方向）、及び、磁界Ｂの発生する周方向のそれぞれに直行する軸方向（ｚ軸方向）に起電力を発生させることができる。
【００６７】
第２実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６８】
第２実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２の軸中心へと向かう方向に温度が高くなる温度差が発生する。そして、磁界発生手段である管内配線３０は、熱電変換部１２の軸中心に対する周方向に磁界を発生させる。このようにしても、熱電変換部１２における熱電変換によって起電力を発生させることができる。また、永久磁石１５を物理的に設ける場合と比較すると、熱電変換部１２の温度分布がより均一になるため、発生する磁界が周方向において略等しくなるので、熱電変換効率の向上を図ることができる。
【００６９】
（第３実施形態）
第３実施形態においては、第１、第２実施形態とは異なる磁界発生手段を用いる例について説明する。
【００７０】
図９は、第３実施形態の排熱回収装置１０の斜視図である。図１０は、図９のｘｙ平面の断面図である。
【００７１】
これらの図に示されるように、本実施形態の排熱回収部１１は、磁界を発生させる手段を別途有しておらず、熱電変換部１２が磁性を備えるように形成されている。熱電変換部１２は、排気管２の周方向、すなわち、熱電変換部１２の軸中心に対して回転方向に磁界Ｂを発生させるように磁化されている。
【００７２】
このように構成しても、スピンゼーベック効果によって、熱電変換部１２においては、任意の場所において、熱電変換部１２の軸中心から径方向外側へ温度が低くなる温度差が発生し、その温度差の方向（ｚ軸に対する径方向）、及び、磁界Ｂの方向（ｚ軸に対する周方向）に直行する軸方向（ｚ軸方向）に起電力を発生させることができる。
【００７３】
第３実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００７４】
第３実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２は軸中心へと向かう方向に温度が高くなる温度差が発生する。また、熱電変換部１２自体が周方向に磁界を発生させるように磁化されているので、磁界発生手段を別途設けることなく、熱電変換部１２の軸中心に対する周方向に磁界を発生させることができる。そのため、簡略な構成によって熱電変換によって排熱を回収することができる。
【００７５】
（第４実施形態）
第１乃至第３実施形態においては、排熱回収部１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが排気管２を取り囲むとともに排気管２と一体的に取り付けられる例について説明した。第４実施形態においては、排気管２の上側を覆う排熱回収部と、下側を覆う排熱回収部とを別体として設ける例について説明する。
【００７６】
図１１は、第４実施形態の排熱回収装置１０の斜視図である。図１２は、図１１のｘ軸方向から見た側面図である。
【００７７】
これらの図に示されるように、排気管２の上側を覆うように、軸方向に沿って順に、排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃが設けられている。排気管２の下側を覆うように、軸方向に沿って順に、排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄが設けられている。すなわち、排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、排気管２の上側を覆うように、断面がＵ字状の樋状部材として形成されている。排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄは、排気管２の下側を覆うように、断面がＵ字状の樋状部材として形成されている。
【００７８】
そして、上側を覆う排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、及び、３１Ｃは、下側を覆う排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び、３２Ｄよりも、軸方向の同じ位置を基準にすれば、軸方向に短く構成されている。そのため、下側にある排熱回収部３２Ａは、上側にある排熱回収部３１Ａの上流側と対向するように配置される。排熱回収部３２Ｂは、排熱回収部３１Ａの下流側、及び、排熱回収部３１Ｂの上流側と対向するように配置される。排熱回収部３２Ｃは、排熱回収部３１Ｂの下流側、及び、排熱回収部３１Ｃの上流側と対向するように配置される。排熱回収部３２Ｄは、排熱回収部３１Ｃの下流側、及び、排熱回収部３１Ｄの上流側と対向するように配置される。
【００７９】
本実施形態においては第３実施形態と同様に、上側を覆う排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、及び、３１Ｃと、下側を覆う排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び、３２Ｄとは、磁性体により構成されており、自身において軸中心に対する週方向に磁束を発生させるように、構成されている。
【００８０】
排熱回収部３１Ａには、それぞれ、上流側において端子２１Ａを介して配線２２Ａが接続され、下流側において端子２３Ａを介して配線２４Ａが接続され、配線２２Ａにはダイオード２６Ａが設けられている。同様に、排熱回収部３１Ｂ、３１Ｃ、３２Ａ〜３２Ｄにも、配線が接続され、それぞれの排熱回収部３１Ａ〜３１Ｃ、３２Ａ〜３２Ｄは、負荷２５に対して並列に接続されている。
【００８１】
この排気管２の上側と下側とにおける排熱回収部３１、３２の軸方向の長さの差は、軸方向の温度勾配の積分値が、排気管２の上側と下側とでは異なることに起因する。図１に示されるように、排気管２は車両１００に取り付けられるため、排気の熱は車両１００から下部へと排出されやすいため、下部における温度差が大きい。そのため、下部を覆う排熱回収部３２Ａ〜３２Ｄは、上部を覆う排熱回収部３１Ａ〜３１Ｃと比較すると、軸方向の長さを短く構成することができる。
【００８２】
第４実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００８３】
第４実施形態の排熱回収装置１０によれば、熱電変換部１２は、上側に設けられ排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、及び、３１Ｃと、下側に設けられる排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び、３２Ｄと、により構成されている。車両１００の排気管２においては、排気管２が床下に対向するように車両１００に配置されているため、空気と接触する下側の方が、車両１００と一体となる上側よりも放熱量が多い。
【００８４】
そのため、排熱回収部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄは、排熱回収部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃよりも、内部と外部との温度差が大きいので、単位長さあたりに発生する起電力が大きい。そのため、下部を覆う排熱回収部３２Ａ〜３２Ｄは、上部を覆う排熱回収部３１Ａ〜３１Ｃと比較すると、軸方向の長さを短く構成しても、同等の起電力を発生させることができる。このように、軸方向の長さを上側よりも下側を短くすることで、発生する起電力を同等とできるので、排熱効率の向上を図ることができる。
【００８５】
（第５実施形態）
第１〜第４実施形態においては、排熱回収部１１が等径である例について説明した。第５実施形態においては、排熱回収部の径がそれぞれ異なる例について説明する。
【００８６】
図１３は、第５実施形態の排熱回収装置１０の側面図である。この図に示されるように、排熱回収装置１０は、軸方向に沿って、排熱回収部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃが設けられている。
【００８７】
排熱回収部４１Ａは、軸方向に沿って外周の径が小さくなるように構成されている。排熱回収部４１Ｂは、外周が等径に構成されている。排熱回収部４１Ｃは、軸方向に沿って外周の径が大きくなるように構成されている。なお、この図においては、可読性のために配線は省略されている。
【００８８】
このような構成である場合には、排熱回収部４１Ａは、軸方向に沿って内径が小さくなるように構成されるため、その径方向の肉厚さが軸方向に沿って大きくなるように構成される。このようにすることで、排熱回収部４１Ａの軸方向の所定の位置における断面積が等しくなるため、排熱回収部４１Ａから安定して起電力を取り出すことができる。また、排熱回収部４１Ｃは、軸方向に沿って径が大きくなるように構成されるため、その径方向の肉厚が軸方向に沿って小さくなるように構成されることで、軸方向の所定の位置における断面積が等しくなる。また、排熱回収部４１Ｂは、全体として排熱回収部４１Ａ、４１Ｃよりも径が小さいため、肉厚に構成することで、排熱回収部４１Ａ、４１Ｃと比較して、軸方向の長さが同じでも同等の起電力を発生させることができる。このように、排熱回収部４１Ａ〜４１Ｃのそれぞれにおいて、径に応じて厚さを定めることで、発生する起電力を等しくすることができる。
【００８９】
第５実施形態の排熱回収装置１０によれば、排熱回収部４１Ａ〜４１Ｃは、径が小さいほど肉厚を大きくし、径が大きいほど肉厚を小さく構成される。このようにすることで、排熱回収部４１Ａ〜４１Ｃのそれぞれにおいて発生する起電力が軸方向においてより均一になるとともに、それぞれにおいて発生する起電力を略等しくして出力電力の最大化を図ることができる。
【００９０】
さらに、軸方向における長さを肉厚に応じて定めることができるので、設計の自由度の向上を図ることができる。
【００９１】
（第６実施形態）
第１〜５実施形態においては、排気管２及び排熱回収装置１０の断面が略円形である例について説明したが、これに限らない。排気管２及び排熱回収装置１０の断面が矩形であってもよい。
【００９２】
図１４は、第６実施形態の排熱回収装置１０の断面図である。この図によれば、排気管２及び排熱回収装置１０の断面が矩形である。このような場合であっても、永久磁石１５によって、熱電変換部１２の流路に対して垂直な断面方向において、熱電変換部１２を取り囲むように磁界が発生される。そのため、熱電変換部１２における径方向に生じる外面と内面との温度差、及び、永久磁石１５によって生成される径方向に対して垂直方向の磁界とによって、軸方向に起電力を発生させ、排熱を回収することができる。
【００９３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【符号の説明】
【００９４】
１    エンジン
２    排気管
１０  排熱回収装置
１１、１１Ａ〜１１Ｅ、３１、３１Ａ〜３１Ｄ、３２、３２Ａ〜３２Ｄ、４１Ａ〜４１Ｃ  排熱回収部
１２    熱電変換部
１３    突出部
１４    切り欠き
１５    永久磁石
２１、２１Ａ〜２１Ｃ、２３、２３Ａ、２３Ｂ    端子
２２、２２Ａ〜２２Ｃ、２４、２４Ａ〜２４Ｃ    配線
２６Ａ〜２６Ｃ    ダイオード
３０    管内配線
１００    車両
【図１】
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【図２】
2020084823.tif 000004
【図３】
2020084823.tif 000005
【図４】
2020084823.tif 000006
【図５】
2020084823.tif 000007
【図６】
2020084823.tif 000008
【図７】
2020084823.tif 000009
【図８】
2020084823.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2020084823.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2020084823.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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