(57)【要約】【課題】排気ガス浄化性能を従来よりも向上させることができ、かつ、排熱を効率よく回収することができる排熱回収装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の排気ガスを通す排気経路９１に配設され排気ガスを浄化するための触媒装置２と、排気経路９１における触媒装置２よりも上流に配設された熱電モジュール３とを有する排熱回収装置１である。熱電モジュール３は、排気ガスを流通させる排気管部と、高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換しうる熱電素子と、低温側端部側に配設され排気管部の外部に配置される低温側熱交換部と、高温側端部側に配設され排気管部の内部に配置される高温側熱交換部とを有し、高温側熱交換部の表面には、排気ガスを浄化するための触媒を担持している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスを通す排気経路に配設され排気ガスを浄化するための触媒装置と、上記排気経路における上記触媒装置よりも上流に配設された熱電モジュールとを有する排熱回収装置であって、
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換しうる熱電素子と、
上記低温側端部側に配設され上記排気管部の外部に配置される低温側熱交換部と、
上記高温側端部側に配設され上記排気管部の内部に配置される高温側熱交換部とを有し、
該高温側熱交換部の表面には、排気ガスを浄化するための触媒を担持したことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
請求項１において、上記熱電モジュールは、上記排気ガスの温度が第１判定温度未満の場合に、上記熱電素子に電力を供給して上記高温側端部を加熱し、
上記排気ガスの温度が上記第１判定温度と同じ又はそれ以上の温度である第２判定温度以上の場合に、上記熱電素子による発電を行うよう構成したことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記熱電素子は、上記排気管部の外表面に上記高温側端部を対面させて配置されており、上記排気管部の内面に上記高温側熱交換部が形成されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項４】
請求項３において、上記熱電素子と上記排気管部の外表面との間には、熱応力を緩和するための熱伝導マットを介設したことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記熱電素子は、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を、そのピーク温度が低い方が上記排気管部の径方向外方に位置するように積層して構成されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項６】
請求項５において、上記熱電素子は、上記排気管部の軸方向に沿って複数配設されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変化させていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項７】
請求項５において、上記熱電素子は、上記排気管部の軸方向に沿って複数配設されており、軸方向中央より上流側は上記ピーク温度が高い高温素子と、該高温素子よりもピーク温度が低い低温素子とを径方向に積層して構成してあり、軸方向中央より下流側は上記低温素子のみより構成してあり、かつ、上記高温素子はＣｏＳｂよりなると共に、上記低温素子はＢｉＴｅよりなることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項８】
請求項７において、上記高温素子の厚みＡと、上記低温素子の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変化させており、かつ、上流端においては、上記比（Ａ／Ｂ）が１．５〜２．３の範囲にあることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項において、積層された上記分割熱電素子同士の間には、熱応力を緩和するための熱伝導マットを介設したことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において、上記熱電素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体とを並列させてなると共に、両者の間には断熱材を介在させていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において、上記熱電素子は、上記排気管部の外周を囲うようにリング状に配置されていると共に、その周方向において１又は複数箇所にスリットを設けて周方向に複数に分割されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項において、上記熱電素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体とを並列させてなると共に、これらが上記排気管部の軸方向に沿って交互に配列されるように複数配設されており、隣り合う上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体の上記低温側端部同士を電気的に接続する低温側電極と、隣り合う上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体の上記高温側端部同士を電気的に接続する高温側電極とを交互に配設することによって、上記複数の熱電素子が直列に接続されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１３】
請求項１２において、上記低温側熱交換部は導電性を有していると共に、該低温側熱交換部は上記低温側電極に導通するよう配設されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１４】
請求項１３において、上記低温側熱交換部の軸方向長さは、上記低温側電極の軸方向長さと略同一であることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１５】
請求項１３又は１４において、上記高温側電極の軸方向長さは、上記低温側電極の軸方向長さより短いことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１６】
請求項１５において、上記高温側電極の軸方向長さをＬａは、上記低温側電極の軸方向長さをＬｂとした場合、３Ｌａ＜Ｌｂであることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか１項において、上記触媒装置の下流側には、第２熱電モジュールが配置されており、
該第２熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる第２排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換しうる第２熱電素子と、
上記低温側端部側に配設され上記第２排気管部の外部に配置される第２低温側熱交換部と、
上記高温側端部側に配設され上記第２排気管部の内部に配置される第２高温側熱交換部とを有していることを特徴とする排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関の排気経路に配設された排熱回収装置に関し、特に、排ガス浄化性能をも向上させることができる排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガソリンエンジンを備えた自動車のエネルギー効率は、１５〜２０％程度という低いレベルにある。エネルギー効率が低下する要因の一つには、排気ガスによって大量の熱エネルギーが放出されることにある。そのため、従来より、排気ガスの熱エネルギーを積極的に利用して全体のエネルギー効率を高めようとする技術が提案されている。また、エネルギー効率の向上に加えて、環境改善の観点から排気ガスの浄化性能を高めることが可能な技術も提案されてきている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
上記従来の技術においては、温度差を電気に変換（発電）しうる熱電素子を排気通路に配置したものが示されている。また、上記熱電素子による発電と、熱電素子に通電することによる加熱とを切り替えることも開示されている。そして、熱電素子の加熱によって排気ガスを昇温させ、その下流側に配された触媒の活性化を早めようとする試みが示されている。
しかしながら、上記従来の技術における触媒活性化方法は未だ十分でなく、排気ガス浄化性能をさらに高めることができる新たな排熱回収装置の開発が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９７６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、排気ガス浄化性能を従来よりも向上させることができ、かつ、排熱を効率よく回収することができる排熱回収装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関の排気ガスを通す排気経路に配設され排気ガスを浄化するための触媒装置と、上記排気経路における上記触媒装置よりも上流に配設された熱電モジュールとを有する排熱回収装置であって、
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換しうる熱電素子と、
上記低温側端部側に配設され上記排気管部の外部に配置される低温側熱交換部と、
上記高温側端部側に配設され上記排気管部の内部に配置される高温側熱交換部とを有し、
該高温側熱交換部の表面には、排気ガスを浄化するための触媒を担持したことを特徴とする排熱回収装置にある（請求項１）。
【０００７】
本発明の排熱回収装置は、上記のごとく、排気経路における触媒装置の上流側に上記熱電モジュールを有している。そして、この熱電モジュールの上記高温側熱交換部には、上記触媒を担持してある。そのため、上記排気経路を流通する排気ガスの浄化性能を従来よりも向上させることができると共に、排熱回収によるエネルギー効率向上を図ることができる。
【０００８】
すなわち、上記熱電モジュールは、上記熱電素子を有しているので、上記高温側熱交換部と低温側熱交換部の温度差により発電することができる。一方、上記熱電素子に通電することによって上記触媒を担持した高温側熱交換部を加熱することもできる。これらの機能を使い分けることによって、例えば次のような作用効果が得られる。
【０００９】
まず、熱電モジュールの下流にある上記触媒装置が活性状態まで昇温していない場合には、上記熱電モジュールの熱電素子に通電して、上記高温側熱交換部を積極的に加熱する。これにより、上記高温側熱交換部は、排気ガスからの吸熱に加えて熱電素子からの伝熱により、急速に高温となる。そのため、第１には、高温側熱交換部に担持された触媒が早期に活性状態となり、排気ガスの浄化機能を発揮する。第２には、高温状態となった高温側熱交換部によって排気ガスをより高温な状態に加熱することができるので、下流にある触媒装置の活性化を促進することができる。
【００１０】
また、熱電モジュールの下流にある上記触媒装置が十分に活性な状態にある場合には、上記熱電モジュールの熱電素子に発電をさせる。これにより、熱電モジュールそのものが必要以上に昇温することが抑制され、かつ、排気ガスの温度をある程度低下させることができる。そして、下流の触媒装置が必要以上に昇温することを抑制することもでき、安定した浄化性能を維持することができる。
そして、熱電素子の発電によって、エネルギー効率を従来よりも向上させることができる。なお、この状態においても、高温側熱交換部に担持された触媒によって、触媒装置に到達する前の排気ガスを予め浄化することができ、触媒装置における触媒能力を補助することができる。
【００１１】
このように、本発明の排熱回収装置によれば、排気ガス浄化性能を従来よりも向上させることができ、かつ、排熱を効率よく回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の排熱回収装置における上記熱電モジュールは、上記のごとく温度差を電気に変換する熱電素子を有している。この熱電素子としては、ｎ型半導体とｐ型半導体を組み合わせて構成された公知の熱電素子を適用することができる。
また、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部は、表面積の大きいフィン形状を呈していることが好ましい。具体的形状としては様々な形状を適用できるが、その一例は後述する実施例に示す。
また、上記高温側熱交換部に担持させる触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）等のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を除去可能な触媒がある。
【００１３】
また、上記排熱回収装置に配設された上記触媒装置は、例えば、ハニカム構造体よりなる担体に触媒を担持させて構成することができる。この場合のハニカム構造体は、例えばコーディエライトを主成分とするセラミックスにより構成したものを適用することができる。そして、これに担持させる触媒としては、上記と同様に、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）等のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を除去可能な触媒がある。
【００１４】
また、上記熱電モジュールは、上記排気ガスの温度が第１判定温度未満の場合に、上記熱電素子に電力を供給して上記高温側端部を加熱し、上記排気ガスの温度が上記第１判定温度と同じ又はそれ以上の温度である第２判定温度以上の場合に、上記熱電素子による発電を行うよう構成することが好ましい（請求項２）。この場合には、排気ガスの温度を基準に簡単な制御で上記熱電モジュールの機能を使い分けることができる。勿論、温度を測定する対象を排気ガスではなく触媒装置の担体などその他のものに変更することも可能である。また、上記第１判定温度としては、例えば触媒装置の触媒の活性化温度に対応する温度に設定することができる。また、第２判定温度としても第１判定温度と同じ値を用いることもできるし、それ以上の値を用いることもできる。これらは、装置の特性に合わせて実験等に基づいて設定することが好ましい。
【００１５】
また、上記熱電素子は、上記排気管部の外表面に上記高温側端部を対面させて配置されており、上記排気管部の内面に上記高温側熱交換部が形成されていることが好ましい（請求項３）。この場合の上記排気管部と上記高温側熱交換部とは一体成形したものを用いてもよいし、排気管部の内面に別体構造の高温側熱交換部を配設して構成してもよい。
【００１６】
また、上記熱電素子と上記排気管部の外表面との間には、熱応力を緩和するための熱伝導マットを介設することが好ましい（請求項４）。これにより、熱の伝導を効率よく行うと共に、熱応力に強い安定した構造を得ることができる。
上記熱伝導マットとしては、熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以上のものを用いることが好ましい。熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ未満の場合には、熱電モジュールの熱的性能を十分に発揮することができない。また、上記熱伝導マットは、上記熱応力を緩和する効果を発揮するために、弾性係数が上記熱電素子及び上記排気管部よりも十分に小さいことが好ましい。このような特性を有する熱伝導マットとしては、例えば、Ａｇを用いてこれを薄いＡｇのフィルムに直径０．００１〜０．０１ｍｍのＡｇのフィラメントを１ｃｍ2あたり数十万本生やした構造に構成したＡｇマット、その他の様々なマットを用いることができる。
【００１７】
また、上記熱電素子は、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を、そのピーク温度が低い方が上記排気管部の径方向外方に位置するように積層して構成されていることが好ましい（請求項５）。この場合には、熱電素子の特性をより効率よく発揮させることができ、排熱回収の効率を高めることができる。
【００１８】
また、上記熱電素子は、上記排気管部の軸方向に沿って複数配設されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変化させていることが好ましい（請求項６）。この場合には、排気ガスの温度が上流側ほど高いという温度傾向に対応して、各熱電素子の構成を変化させたものとすることができる。それ故、さらに排熱回収の効率を高めることができる。
【００１９】
また、上記熱電素子は、上記排気管部の軸方向に沿って複数配設されており、軸方向中央より上流側は上記ピーク温度が高い高温素子と、該高温素子よりもピーク温度が低い低温素子とを径方向に積層して構成してあり、軸方向中央より下流側は上記低温素子のみより構成してあり、かつ、上記高温素子はＣｏＳｂよりなると共に、上記低温素子はＢｉＴｅよりなることが好ましい（請求項７）。この場合には、上記熱電素子を２種類の素子（高温素子と低温素子）で構成する場合に、軸方向中央よりも上流側のみを高温素子と低温素子の積層構造とし、軸方向中央よりも下流側を低温素子のみにより構成する。そして、なおかつ、高温素子はＣｏＳｂ、低温素子はＢｉＴｅに限定する。これによって、非常に効率のよい熱電変換を行うことができる。
【００２０】
また、この場合に、上記高温素子の厚みＡと、上記低温素子の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変化させており、かつ、上流端においては、上記比（Ａ／Ｂ）が１．５〜２．３の範囲にあることが好ましい（請求項８）。これにより、さらに熱電変換効率を高めることができる。
【００２１】
また、積層された上記分割熱電素子同士の間には、熱応力を緩和するための熱伝導マットを介設することが好ましい（請求項９）。この場合にも、上記と同様に熱の伝導を効率よく行うと共に、熱応力に強い安定した構造を得ることができる。
【００２２】
また、上記熱電素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体とを並列させてなると共に、両者の間には断熱材を介在させていることが好ましい（請求項１０）。この場合には、高温側端部と低温側端部の温度差を維持すべく、空気の対流の防止することができる。上記断熱材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。
【００２３】
また、上記熱電素子は、上記排気管部の外周を囲うようにリング状に配置されていると共に、その周方向において１又は複数箇所にスリットを設けて周方向に複数に分割されていることが好ましい（請求項１１）。これにより、排気管部又は熱電素子自体が熱膨張あるいは熱収縮した場合の熱応力によって、熱電素子がダメージを受けることを防止することができる。
【００２４】
また、上記熱電素子は、ｎ型半導体とｐ型半導体とを並列させてなると共に、これらが上記排気管部の軸方向に沿って交互に配列されるように複数配設されており、隣り合う上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体の上記低温側端部同士を電気的に接続する低温側電極と、隣り合う上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体の上記高温側端部同士を電気的に接続する高温側電極とを交互に配設することによって、上記複数の熱電素子が直列に接続されていることが好ましい（請求項１２）。
この場合には、複数の熱電素子を用いた構成を容易に実現することができ、かつ、一系統の電気回路によって複数の熱電素子を容易に制御することができる。
【００２５】
また、上記低温側熱交換部は導電性を有していると共に、該低温側熱交換部は上記低温側電極に導通するよう配設されていることが好ましい（請求項１３）。
この場合には、上記低温側熱交換部が上記低温側電極と導通状態であるので、上記低温側熱交換部も電極の役目を果たし、実質的な電極の断面積が増大する。これにより、少なくとも低温側電極における電気抵抗を低くすることができ、エネルギーロスを低減することができる。
【００２６】
また、上記低温側熱交換部の軸方向長さは、上記低温側電極の軸方向長さと略同一であることが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記低温側電極の軸方向全域において上記低温側熱交換部による電極面積増大効果を得ることができる。
【００２７】
また、上記高温側電極の軸方向長さは、上記低温側電極の軸方向長さより短いことが好ましい（請求項１５）。
すなわち、上記低温側電極は、導電性の低温側熱交換部を導通させることによって電気抵抗低減が可能であるが、高温側熱交換部については、そのような構造を取ることが困難である。そこで、上記のごとく、高温側電極そのものの軸方向長さを低減することによって、高温側電極の電気抵抗を低減することが好ましい。これにより、さらにエネルギーロス低減を図ることができる。
【００２８】
また、上記高温側電極の軸方向長さをＬａは、上記低温側電極の軸方向長さをＬｂとした場合、３Ｌａ＜Ｌｂであることが好ましい（請求項１６）。３Ｌａ≧Ｌｂの場合には、高温側電極の長さを短くすることによる効果が十分に得られないおそれがある。
【００２９】
また、上記触媒装置の下流側には、第２熱電モジュールが配置されており、該第２熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる第２排気管部と、高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換しうる第２熱電素子と、上記低温側端部側に配設され上記排気管部の外部に配置される第２低温側熱交換部と、上記高温側端部側に配設され上記排気管部の内部に配置される第２高温側熱交換部とを有していることが好ましい（請求項１７）。この場合には、触媒装置の上流側にある上記熱電モジュールにおいて発電を停止すべき状態においても、上記第２熱電モジュールによって発電を続けることができ、エネルギー効率をさらに向上させることができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
本発明の実施例に係る排熱回収装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の排熱回収装置１は、図１、図２に示すごとく、内燃機関９の排気ガスを通す排気経路９１に配設され排気ガスを浄化するための触媒装置２と、排気経路９１における触媒装置２よりも上流に配設された熱電モジュール３とを有する。
熱電モジュール３は、図３に示すごとく、排気ガスを流通させる排気管部３０と、高温側端部４１と低温側端部４２との温度差を電気に変換しうる熱電素子４と、低温側端部４２側に配設され排気管部３０の外部に配置される低温側熱交換部６と、高温側端部４１側に配設され排気管部３０の内部に配置される高温側熱交換部５とを有する。高温側熱交換部５の表面には、排気ガスを浄化するための触媒を担持している。
以下、さらに詳説する。
【００３１】
本例の排熱回収装置１は、図２に示すごとく、自動車のエンジン９の排気経路９１に配設された装置であり、上記のごとく、触媒装置２とその上流に配された熱電モジュール３とよりなる。
熱電モジュール３は、図３〜図５に示すごとく、排気管部３０の外表面に高温側端部４１を対面させた熱電素子４を有している。そして、排気管部３０の内面には、高温側熱交換部５が形成されている。この高温側熱交換部５は、排気管部３０と別体で構成して排気管部３０と接合することもできるが、本例では、排気管部３０と高温側熱交換部５とを一体的に成形した銅の押出材を適用した。
【００３２】
本例の排気管部３０は、図３に示すごとく、六角形状を呈しており、その内面においては、その角部近傍からそれぞれ中心に向かって長さの異なる一対のフィン５１、５２が形成されている。すなわち、合計６本の短いフィン５１と、合計６本の長いフィン５２とが組み合わさって上記高温側熱交換部５が形成されている。
そして、本例の高温側熱交換部５のすべてのフィン５１、５２の表面には、白金、パラジウム、ロジウムよりなる触媒（図示略）を担持させてある。
【００３３】
図５に示すごとく、上記六角形の排気管部３０の外表面には、電気的絶縁を図ると共に熱伝導性を維持するためのアルミナの溶射膜３１が形成されている。さらにその外表面には、導電性材料である白金をスパッタリングにより成膜してなるスパッタ膜３２が形成されている。
【００３４】
スパッタ膜３２の外層には、いわゆるＡｇペーストを塗布して焼き付けた焼き付け銀膜３３を介して熱伝導マット３４を接合してある。本例の熱伝導マット３４としては、Ａｇマットを用いた。
熱伝導マット３４の外層には、再び上記と同様の焼き付け銀膜３３を配して、これにより熱電素子４の高温側端部４１を接合している。なお、高温側端部４１の表面には、上記と同様のスパッタ膜３２を形成してある。
そして、熱電素子４の低温側端部４２にもスパッタ膜３２を形成しており、その上に、上記と同様の焼き付け銀膜３３、熱伝導マット３４、及び焼き付け銀膜３３の３つの層を介してスパッタ膜３２を設けた銅製の低温側熱交換部６を接合してある。
【００３５】
図３に示すごとく、本例における上記熱電素子４は、上記六角形の排気管部３０の外周を囲うようにリング状に配置されているので、全体で六角柱状のリングを呈している。そして、この熱電素子４は、その周方向においてスリット４９を設けて周方向６個に分割されている。
【００３６】
図４に示すごとく、上記熱電素子４は、排気管部３０の軸方向にｎ型半導体４０１とｐ型半導体４０２とを並列させてなると共に、両者の間には断熱材４０９を介在させている。本例のｎ型半導体４０１としては、具体的にはＢｉＴｅを用い、ｐ型半導体４０２としてもＢｉＴｅを用いた。また、上記断熱材４０９としては、シリカアルミナ系のファイバーを用いた。
【００３７】
上記低温側熱交換部６は、図４、図５に示すごとく、底部６０とその両端から立設させた２枚のフィン６１よりなるコ字状断面を有している。そして、上記一対のｎ型半導体４０１とｐ型半導体４０２の両方に掛かるように、上記焼き付け銀膜３３、熱伝導マット３４、及び焼き付け銀膜３３の３つの層を介して、低温側熱交換部６の底部６０を接合してある。また、図３に示すごとく、低温側熱交換部６全体は六角形のリング状を呈しているが、その周方向６箇所には、スリット６９を設けてある。
なお、本例では、軸方向に１組のみ熱電素子４を配置したが、これを軸方向に複数設けることも可能である。
【００３８】
また、図１に示すごとく、本例の排熱回収装置１は、上記構成の熱電モジュール３を、触媒装置２の上流に配置してある。触媒装置２は、コーディエライトを主成分とするセラミックハニカム構造体を触媒担体２０として用い、その隔壁に白金、パラジウム、ロジウムよりなる触媒を担持させて構成されている。
この触媒装置２に担持させた触媒は、活性温度まで昇温されて初めて活性化し、排気ガスを浄化する機能を発揮するという特性を有している。
【００３９】
また、同図に示すごとく、上記触媒装置２には、触媒装置２を通過する排気ガスの温度を計測するための温度センサ１９が配設されている。温度センサ１９は、ＥＣＵ（エンジン・コントロールコンピューター・ユニット）１８に電気的に接続されており、測定した温度データを上記ＥＣＵ１８に送るように構成されている。
【００４０】
また、上記熱電モジュール３の熱電素子４における上記ｎ型半導体４０１及びｐ型半導体４０２にそれぞれ接続した一対のリード線１４は、変換回路１７を介してバッテリ１６に接続されている。また、変換回路１７は、上記ＥＣＵ１８に電気的に接続され、ＥＣＵ１８の指示に基づいて回路を切り替えて、上記熱電モジュール３の発電モードと加熱モードとを切り替えるように構成されている。
上記熱電モジュール４の発電モードは、熱電素子４の高温側端部４１と低温側端部４２との温度差を電気に変換する動作を行うモードをいい、加熱モードは、熱電素子４に電力を付与して高温側端部４１を積極的に加熱するモードをいう。
【００４１】
そして、本例では、上記ＥＣＵ１８の指示によって、温度センサ１９が測定した排気ガスの温度が第１判定温度であるＴ１未満の場合に、熱電素子４に電力を供給して高温側端部４１を加熱する加熱モードを実施し、排気ガスの温度が第１判定温度と同じＴ１以上の場合に、熱電素子４による発電を行う発電モードを実施するように構成した。なお、第１判定温度Ｔ１は、触媒装置２の触媒成分が活性化状態となる温度に対応したものである。
【００４２】
すなわち、本例の排熱回収装置１は、熱電モジュール３の下流にある触媒装置２が活性状態まで昇温していない場合（排気ガス温度がＴ１未満の場合）には、熱電モジュール３の熱電素子４に通電して、高温側端部４１を積極的に加熱する。これにより、高温側熱交換部５は、排気ガスからの吸熱に加えて熱電素子４の高温側端部４１からの伝熱により、急速に高温となる。そのため、第１には、高温側熱交換部５に担持された触媒が早期に活性状態となり、排気ガスの浄化機能を発揮する。第２には、高温状態となった高温側熱交換部５によって排気ガスをより高温な状態に加熱することができるので、下流にある触媒装置２の活性化を促進することができる。
【００４３】
一方、熱電モジュール３の下流にある触媒装置２が十分に活性な状態にある場合（排気ガス温度がＴ１以上の場合）には、上記熱電モジュールの熱電素子４に発電をさせる。これにより、熱電モジュール３そのものが必要以上に昇温することが抑制され、かつ、排気ガスの温度をある程度低下させることができる。そして、下流の触媒装置２が必要以上に昇温することを抑制することもでき、安定した浄化性能を維持することができる。
そしてこれにより、熱電素子の発電によって、エネルギー効率を従来よりも向上させることができる。なお、この状態においても、高温側熱交換部５に担持された触媒によって、触媒装置に到達する前の排気ガスを予め浄化することができ、触媒装置２における触媒能力を補助することができる。
【００４４】
このように、本例の排熱回収装置１によれば、排気ガス浄化性能を従来よりも向上させることができ、かつ、排熱を効率よく回収することができる。
【００４５】
（実施例２）
本例は、実施例１における排熱回収装置１の熱電モジュール３の構成を変更した例である。
すなわち、図６〜図８に示すごとく、まず、各熱電素子４の構造を、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる２つの分割熱電素子である高温素子４５１、４６１と低温素子４５２、４６２とを、そのピーク温度が低い方が排気管部３０の径方向外方に位置するように積層した構造とした。より具体的には、排気管部３０の外周面上に高温素子４５１、４６１を配設し、その外方に低温素子４５２、４６２を配設した。
本例では、ｎ型半導体よりなる高温素子４５１としてＣｏＳｂを、ｐ型半導体よりなる高温素子４５２としてＺｎＳｂを用いた。また、ｎ型半導体よりなる低温素子４６１としてＢｉ2Ｔｅ3を、ｐ型半導体よりなる低温素子４６２としてＢｉ2Ｔｅ3を用いた。
【００４６】
図７〜図１２を用いて、上記熱電モジュール３の構造をさらに細かく説明すると共に、その作る手順を簡単に説明する。
図８、図９に示すごとく、実施例１の場合と同様に、内側に高温側熱交換部５を備えた六角形の排気管部３０の外表面には、アルミナの溶射膜３１を形成する。
次いで、図８、図１０に示すごとく、その表面には、電極の役割も果たすスパッタ膜３２をスパッタリングにより成膜して形成する。このとき、隣り合う熱電素子と通電しても良い部分は両方の素子に跨るように広いスパッタ膜３２を形成する。
【００４７】
さらに、同図に示すごとく、スパッタ膜３２の外表面に、焼き付け銀膜３３となる銀ペーストを塗布して熱伝導マット３４を接着し、さらにその表面に焼き付け銀膜３３となる銀ペーストを塗布する。
次に、図８、図１１に示すごとく、予めスパッタ膜３２を両面に設けた高温素子４５１、４６１を所定の間隔を空けて接合する。
【００４８】
次に、図８、図１２に示すごとく、各高温素子４５１、４６１の外表面のスパッタ膜３２上に、上記と同じ焼き付け銀膜３３用銀ペースト、熱伝導マット３４、及び焼き付け銀膜３３用銀ペーストの３つの層を介して、スパッタ膜３２を有する低温素子４５２、４６２を接合する。
さらに、図７に示すごとく、各高温素子４５１、４６１と低温素子４５２、４６２との間に、シリカアルミナ系のファイバーよりなる断熱材４０９を配設した。
そして、図７、図８に示すごとく、低温素子４５２、４６２の外方側のスパッタ膜３２上には、上記と同じ焼き付け銀膜３３用銀ペースト、熱伝導マット３４、及び焼き付け銀膜３３用銀ペーストの３つの層を介して、スパッタ膜３２を有する低温側熱交換部６を接合する。
そして最後に、すべてのＡｇペーストが適度に固まるように、およそ２００℃に全体を加熱する。
【００４９】
このようにして得られた熱電モジュールを備えた本例の排熱回収装置は、熱電モジュール３を構成する熱電素子４を軸方向に複数設けてあるので、上述した熱電素子による加熱モードによる作用効果と、発電モードによる作用効果をより高めることができる。
さらに、各熱電素子４は、上記のごとく、高温素子４５１、４６１と低温素子４５２、４６２とを排気管部３０の径方向に積層して構成してある。そのため、高温側熱交換部５と低温側熱交換部６との間の温度勾配を２つに区切って、それぞれの温度域にピーク温度を合わせた異なる上記２種類の熱電素子を対応させることができるので、全体として熱電素子によるエネルギー交換の効率を高めることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果が得られる。
【００５０】
（実施例３）
本例は、図１３に示すごとく、実施例２における複数の熱電素子４の構成を変化させた例である。
すなわち、同図に示すごとく、定常時における排気ガスの温度Ｔを軸方向に表した場合、最も上流側のａ部が最も高温であり、下流に行くに従って、排ガスの温度は低下してｂ部が中間の温度、ｃ部が最も低い温度となる。
この場合に、実施例２のように、すべての熱電素子４の構造を同じにするよりも、本例のように熱電素子の構成を若干変化させた方がより効率を向上させることができる。
【００５１】
すなわち、高温素子４５１、４６１の厚み（排気管部３０の径方向寸法）をＡ、低温素子４５２、４６２の厚みをＢとした場合の両者の比（Ａ／Ｂ）の値を、上記ａ部、ｂ部、ｃ部において異ならせた。本例では、最も高温であるａ部における比（Ａ／Ｂ）を他の部分よりも大きくし、ｂ部が中間、ｃ部が最も小さくなるようにした。なおｃ部は、Ａの厚みを０にしたので、上記比も０である。
また、部品点数を少なくするために、ａ部におけるすべての熱電素子はすべて同じ構成とし、ｂ部、ｃ部においても同じ部分に属する熱電素子はすべて同じ構成とした。
【００５２】
この場合には、高温側熱交換部５が接する排気ガスの温度に応じてより効率のよい排熱回収を行うことができる。
その他は、実施例２と同様の作用効果が得られる。
【００５３】
（実施例４）
本例は、図１４〜図２４に示すごとく、上述した各実施例に適用可能な排気管部３０及びこれと一体的に設けられた高温側熱交換部５の形状の変形例を示したものである。なお、本例に列挙するもの以外の形状及び構造をとることも勿論可能である。また、これらは、例えば、ワイヤーカット等の加工により形成することができる。また、形状、材質によっては、押出成形を利用することも考えられる。また、排気管部３０と高温側熱交換部５とを別体で構成することも可能である。
【００５４】
図１４に示すものは、六角形の排気管部３０の内面に、各角部から２枚１組のフィンを均等に中心に向けて伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図１５に示すものは、八角形の排気管部３０の内面に、各角部から２枚１組のフィンを均等に中心に向けて伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図１６に示すものは、八角形の排気管部３０の内面に、各角部から２枚１組のフィンを均等に中心に向けて伸ばし、かつ、同図に示すごとく、その長さの長い組と短い組とを交互に配置した高温側熱交換部５を有するものである。
【００５５】
図１７に示すものは、八角形の排気管部３０の内面に、各角部及び各辺の中央部からそれぞれ１枚ずつのフィンを均等に中心に向けて伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図１８に示すものは、図１６に示すものを基礎として、さらに、各辺の中央部からそれぞれ１枚ずつのフィンを中心に向けて他よりも短い長さで伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図１９に示すものは、図１８の場合と同じ構成であるが、すべてのフィンの厚みをより薄くした高温側熱交換部５を有するものである。この場合には、排気ガスが流通する際の圧損を低減することができる。
【００５６】
図２０に示すものは、図１６に示すものを基礎として、さらに、各辺の中央部からそれぞれ中央が最も長い３枚のフィンを中心に向けて伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図２１に示すものは、図１６に示すものを基礎として、さらに、各辺の中央部からそれぞれ中央が最も長い７枚のフィンを中心に向けて伸ばした高温側熱交換部５を有するものである。
図２２に示すものは、図１８の場合と同じ構成であるが、すべてのフィンの厚みをより薄くした高温側熱交換部５を有するものである。この場合には、排気ガスが流通する際の圧損を低減することができる。
【００５７】
図２３に示すものは、八角形の排気管部３０の内面に、雪の結晶構造を形取ったようなフィンよりなる高温側熱交換部５を有するものである。
図２４に示すものも、八角形の排気管部３０の内面に、雪の結晶構造を形取ったようなフィンよりなる高温側熱交換部５を有するものであるが、フィンの厚みを図２３の場合よりも薄くした例である。
【００５８】
（実施例５）
本例は、図２５に示すごとく、実施例１の熱電モジュール３における低温側熱交換部の構造及び取付方向を変更した例である。
すなわち、同図に示すごとく、本例の低温側熱交換部６３は、熱電素子の低温側端部４２に接合される底部６３０と、その両端及び中央から立設させたフィン部６３１とよりなる。そして、各フィン部６３１が排気管部３０の軸方向に平行となるように設けた。
その他は実施例１と同様である。
この場合には、低温側熱交換部６３を例えば冷却エアーにより強制冷却する場合に、排気管部３０の軸方向に冷却エアーを流すことによって均一な冷却を行うことができる。
【００５９】
（実施例６）
本例は、図２６に示すごとく、実施例１の熱電モジュール３における熱電素子４の配設方向と低温側熱交換部の取付方向を変更した例である。
すなわち、同図に示すごとく、六角形状の排気管部３０の外表面の各平面部に、熱電素子４を構成するｎ型半導体４０１とｐ型半導体４０２とを、軸方向に直交する方向に並列させて配置した。そして、両者の間には断熱材４０９を配置した。
また、各熱電素子４の低温側端部４２には、底部６４０とその両端から立設させたフィン部６４１を有する略コ字状の低温側熱交換部６４を接合した。
その他は実施例１、５と同様である。
【００６０】
（実施例７）
本例は、図２７に示すごとく、実施例１の排熱回収装置１の構成を基に、さらに触媒装置２の下流側に、第２熱電モジュール７を配置した例である。
本例の第２熱電モジュール７は、実施例１の熱電モジュール３（以下、第１熱電モジュール３という）とほぼ同じ構造を有するが、高温側熱交換部に触媒を担持していないものを採用した（図示略）。
そして、図２７に示すごとく、触媒装置２には、触媒装置２を通過する排気ガスの温度を計測するための温度センサ１９が配設されている。温度センサ１９は、ＥＣＵ１８に電気的に接続されており、測定した温度データを上記ＥＣＵ１８に送るように構成されている。
【００６１】
また、上記第１熱電モジュール３（触媒装置２の上流側の熱電モジュール）の熱電素子４につながるリード線１４は、上述したごとく、変換回路１７を介してバッテリ１６に接続されている。そして、変換回路１７は、ＥＣＵ１８に電気的に接続され、ＥＣＵ１８の指示に基づいて回路を切り替えて、上記熱電モジュール３の発電モードと加熱モードとを切り替えるように構成されている。
また、上記第２熱電モジュール７に内蔵される第２熱電素子（図示略）につながるリード線７４は、第２変換回路７７を介してバッテリー１６に接続されている。そして、第２熱電モジュール７は、常時発電モードで動作するようにしてある。
【００６２】
本例の場合には、上述した実施例１における場合に比べて、排熱回収効果を格段に高めることができる。
すなわち、実施例１の場合には、上述したように、触媒装置２が活性化温度まで到達していない場合には、第１熱電モジュール３を発電モードにすることができない。しかしながら、本例では、触媒装置２の下流側に上記第２熱電モジュール７が更に配置されている。この第２熱電モジュール７は、排気ガス温度を所定温度以上に保つ必要がない。そのため、第２熱電モジュール７は、常時発電モードで機能することができ、排熱回収によってエネルギー効率高めることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
【００６３】
（実施例８）
本例は、図２８に示すごとく、上述した実施例２に示した例と基本構造をほぼ同じとする一方、電極の配置状態を最適化してエネルギーロスの低減を図った例である。
すなわち、同図に示すごとく、本例の熱電素子４は、ｎ型半導体４６（４６１、４６２）とｐ型半導体４５（４５１、４５２）とを並列させて構成してある。そして、このｎ型半導体４６（４６１、４６２）とｐ型半導体４５（４５１、４５２）とが排気管部３０の軸方向に沿って交互に配列されている。
【００６４】
そして、同図に示すごとく、隣り合うｎ型半導体４６とｐ型半導体４５の低温側端部４２同士を電気的に接続する低温側電極３５２と、隣り合うｐ型半導体４５とｎ型半導体４６の高温側端部４１同士を電気的に接続する高温側電極３５２とを交互に配設することによって、上記複数の熱電素子４（４５、４６）を直列に接続してある。
【００６５】
上記低温側電極３５２及び高温側電極３５１は、いずれも、前述した図８に示したように、スパッタ膜３２、焼き付け銀膜３３、熱伝導マット３４、焼き付け銀膜３３、及びスパッタ膜３２を積層してなる５層構造の導電層より構成した。ここで、主な導電通路となるのは、上記焼き付け銀膜３３である。なお、この構造は、導電性と熱伝導性が確保できる限り他の構造に変更することが可能である。
【００６６】
また、本例では、実施例２と同様に、各熱電素子４のｐ型半導体４５とｎ型半導体４６とを、それぞれ高温素子４５１、４６１とその外方に配した低温素子４５２、４６２とにより構成した。そして、これら高温素子４５１、４６１と低温素子４５２、４６２との間には、中間導電層３５３を介在させたが、この構造も上記と同様の５層構造とした（図８参照）。
【００６７】
また、同図に示すごとく、隣り合うｎ型半導体４６とｐ型半導体４５との間には、断熱材４０９を介在させたが、上記低温側電極３５２を配置した部分の方が、高温側電極３５１を配置した部分よりも軸方向厚みが厚くなるように設定してある。つまり、隣り合うｎ型半導体４６とｐ型半導体４５との間隔は、上記低温側電極３５２を配置した部分の間隔Ｌ１が、高温側電極３５１を配置した部分の間隔Ｌ２よりも大きくなるように設定した。
【００６８】
このような構造を採用することにより、高温側電極３５１の軸方向長さＬａは、低温側電極３５２の軸方向長さＬｂより短くなっている。特に本例では、３Ｌａ＜Ｌｂとなるようにしてある。
【００６９】
また、低温側熱交換部６としては、導電性を有する銅製のものを採用し、上記５層構造の低温側電極３５２に導通するように配設した。また、低温側熱交換部６の軸方向長さＬ３は、低温側電極３５２の軸方向長さＬｂと略同一に設定した。
その他の構造は実施例２と同様である。
【００７０】
本例の場合には、上記低温側熱交換部６が低温側電極３５２と導通状態であるので、低温側熱交換部６も電極の役目を果たし、実質的な電極の断面積が増大する。これにより、低温側電極３５２における電気抵抗を低くすることができ、エネルギーロスを低減することができる。
さらに、本例では、低温側熱交換部６の軸方向長さが、低温側電極３５２の軸方向長さと略同一である。そのため、低温側電極３５２の軸方向全域において低温側熱交換部６による電極面積増大効果を得ることができる。
【００７１】
また、高温側電極３５１の軸方向長さＬａは、低温側電極３５２の軸方向長さＬｂより短くしてある。これにより、導電通路の長さの低減による高温側電極３５１の電気抵抗低減効果を得ることができる。
従って、本例では、高温側電極３５１及び低温側電極３５２の両方において電気抵抗を低減することができ、系全体におけるエネルギーロス低減を図ることができる。
その他は、実施例１、２と同様の作用効果が得られる。
【００７２】
（実施例９）
本例は、図２９〜図３１に示すごとく、実施例３の構成をより具体化させたものである。すなわち、本例では、熱電モジュール３の全長をａ１〜ａ１０の部分に１０分割し、各部における、熱電素子４の構成を変化させた。
具体的には、図２９、図３０に示すごとく、軸方向中央より上流側（ａ１〜ａ５）は高温素子４５１（４６１）と、低温素子４５２（４６２）とを径方向に積層して構成した。一方、軸方向中央より下流側は低温素子４５２（４６２）のみより構成した。
【００７３】
さらに、軸方向中央より上流側のａ１〜ａ５部においては、上流側ほど（エンジンに近いほど）高温素子４５１（４６１）の厚みＡの割合を高くした。
図３１は、高温素子の厚みＡと低温素子の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）×１００を縦軸に、横軸に熱電モジュールの長さをとったものである。
【００７４】
同図から知られるように、最も上流のａ１部では、上記比（Ａ／Ｂ）が６７／３３、つまり２．０とし、ａ２部からａ４部の途中までは、上記比（Ａ／Ｂ）が５０／５０、つまり１．０とし、ａ４部の途中からａ５部の最後までは、上記比（Ａ／Ｂ）が２０／８０、つまり０．２５とし、中央部よりも下流側のａ６〜ａ１０部のすべては、低温素子のみで構成し、上記比（Ａ／Ｂ）は０とした。
また、高温素子４５１（４６１）としてはＣｏＳｂを用い、低温素子４５２（４６２）としてはＢｉＴｅを用いた。
【００７５】
本例では、このような特定の素子を高温素子及び低温素子に採用した場合に、上述したような構成、つまり、軸方向中央より上流側は高温素子と低い低温素子とを径方向に積層し、軸方向中央より下流側は低温素子のみより構成し、かつ、中央より上流側では、徐々に（階段状又は直線的に）上記比（Ａ／Ｂ）を下げていく構成をとることが、熱電変換効率向上に最も適していることが実験的に分かった。条件は、排ガスの熱電モジュール３への入り口温度が６００℃、熱電モジュール３の外周に供給される冷却風の温度が３５℃の場合である。
そして、この場合に、上流端（ａ１部）においては、上記比（Ａ／Ｂ）が１．５〜２．３の範囲にあることが最も好ましいことも分かった。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施例１における、排熱回収装置の構成を示す説明図。
【図２】実施例１における、排熱回収装置を備えたエンジンを示す説明図。
【図３】実施例１における、熱電モジュールの軸方向に直交する切断面から見た説明図。
【図４】実施例１における、熱電モジュールの軸方向に平行な切断面から見た説明図。
【図５】実施例１における、熱電モジュールの構造を示す説明図（図４におけるＭ１部の拡大説明図）。
【図６】実施例２における、熱電モジュールの軸方向に直交する切断面から見た説明図。
【図７】実施例２における、熱電モジュールの軸方向に平行な切断面から見た説明図。
【図８】実施例２における、熱電モジュールの構造を示す説明図（図７におけるＭ２部の拡大説明図）。
【図９】実施例２における、排気管部の表面にアルミナを容赦した状態を示す説明図。
【図１０】実施例２における、排気管部の表面に伝熱マット等を配設した状態を示す説明図。
【図１１】実施例２における、伝熱マット上に高温素子を配設した状態を示す説明図。
【図１２】実施例２における、高温素子上に伝熱マット等を介して低温素子を配設した状態を示す説明図。
【図１３】実施例３における、熱電モジュールの軸方向に沿った構造の違いを示す説明図。
【図１４】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図１５】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図１６】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図１７】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図１８】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図１９】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２０】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２１】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２２】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２３】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２４】実施例４における、高温側熱交換部等の形状の変更例を示す説明図。
【図２５】実施例５における、熱電モジュールの軸方向に直交する切断面から見た説明図。
【図２６】実施例６における、熱電モジュールの軸方向に直交する切断面から見た説明図。
【図２７】実施例７における、排熱回収装置の構成を示す説明図。
【図２８】実施例８における、熱電モジュールの軸方向に平行な切断面から見た説明図。
【図２９】実施例９における、熱電モジュールの軸方向に沿った構造の違いを示す説明図。
【図３０】実施例９における、熱電素子の構造の変化を示す説明図。
【図３１】実施例９における、熱電モジュールの長さ位置と比（Ａ／Ｂ）との関係を示す説明図。
【符号の説明】
【００７７】
１  排熱回収装置
２  触媒装置
３  熱電モジュール（第１熱電モジュール）
３０  排気管部
３１  溶射膜
３４  熱伝導マット
３５１  高温側電極
３５２  低温側電極
４  熱電素子
４０１、４５  ｎ型半導体
４０２、４６  ｐ型半導体
４０９  断熱材
４１  高温側端部
４２  低温側端部
４５１、４６１  高温素子
４５２、４６２  低温素子
５  高温側熱交換部
６、６３、６４  低温側熱交換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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