(57)【要約】【課題】排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に装着される受熱構造体において熱伝導性の向上と耐熱性および耐腐食性の向上とを両立する。【解決手段】排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置１に装着される受熱フィン３において、排気ガスが接触する受熱面を耐熱性および耐腐食性の高い第１金属材料からなるフィンケース３ｂで形成し、フィンケース３ｂの収容部内に熱伝導性の高い第２金属材料からなるコア部３ｄを形成した。これにより、受熱フィン３の耐熱性および耐腐食性を向上させることができるとともに、受熱フィン３の熱伝導性を向上させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に装着される受熱構造体であって、
第１金属材料からなる金属板により形成された外側受熱金属体と、
前記第１金属材料とは異なる第２金属材料からなり、前記外側受熱金属体の受熱面の裏面側に設けられた収容部内に埋設された内側受熱金属体とを備え、
前記外側受熱金属体において排気ガスが接する前記受熱面には該受熱面から突出する複数の突起部が一体的に形成されており、
前記第１金属材料は、前記第２金属材料よりも耐熱性および耐腐食性が高く、
前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも熱伝導性が高い受熱構造体。
【請求項２】
前記外側受熱金属体の前記受熱面の裏面には、前記複数の突起部の突出により形成された複数の凹部が配置されており、前記複数の凹部内には、前記内側受熱金属体が充填されている請求項１記載の受熱構造体。
【請求項３】
前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも線膨張係数が大きい請求項１または２記載の受熱構造体。
【請求項４】
前記内側受熱金属体の厚さは、前記外側受熱金属体よりも厚い請求項１〜３のいずれか１項に記載の受熱構造体。
【請求項５】
前記第１金属材料は、鉄とクロムとの合金からなり、
前記第２金属材料が、アルミニウム、銅またはマグネシウムを主体とする金属からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の受熱構造体。
【請求項６】
排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に装着される受熱構造体の製造方法であって、
第１金属材料からなる金属板において排気ガスが接する受熱面側に該受熱面から突出する複数の突起部を一体的に形成する工程と、
前記金属板の外周端部を前記受熱面の反対側に折り曲げて、その折り曲げ部と前記受熱面の裏面とで形成される収容部を持つケース形状の外側受熱金属体を形成する工程と、
前記収容部内に、前記第１金属材料とは異なる第２金属材料を加熱溶融した状態で流し込むことで内側受熱金属体を形成する工程とを含み、
前記第１金属材料は、前記第２金属材料よりも耐熱性および耐腐食性が高く、
前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも熱伝導性が高い受熱構造体の製造方法。
【請求項７】
前記複数の突起部の形成工程においては、前記金属板にプレス加工を施す工程を有しており、
前記内側受熱金属体の形成工程においては、前記外側受熱金属体の前記受熱面の裏面に前記複数の突起部の突出により形成された複数の凹部内に前記内側受熱金属体を充填する工程を有する請求項６記載の受熱構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜５に記載の受熱構造体を熱電変換素子に装着して備えた熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置に関し、更に詳しくは、熱伝導性の向上と、耐熱性および耐腐食性の向上とを両立することが可能な受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関等から排出される高温の排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置として従来から熱電変換装置が用いられている。この熱電変換装置は、２種類の異なる金属または半導体を接合し、その両端に温度差を与えると起電力が生じるゼーベック効果を利用したもので、その構造は、一般に熱電変換素子を冷却フィンと受熱フィンとの間に挟み込む構造とされている。
【０００３】
熱電変換装置の受熱フィンは、排気ガスが接触する側に設置されており、その受熱面には、複数枚の金属板が排気ガスの流れる方向に平行に並べて配置されている。この受熱フィンには排気ガスの熱を熱電変換素子に効率良く伝達することが求められており、そのため、これまでの熱電変換装置では、排気ガスが接触する受熱フィンの形状や配置について改善が行われてきた。
【０００４】
例えば互いに対向する受熱面から突出するフィンを向かい合わせ交互に配置することでフィン枚数を増加させたものがある。また、板状のフィンに代えて棒状のフィンを受熱面内に複数配置することで、乱流熱伝達域の促進を図るものもある。
【０００５】
ところで、排気ガスの熱を熱電変換素子に効率的に伝達することや加工性を考慮すると、受熱フィンの構成材料として、銅やアルミニウム等を用いることが好ましい。しかしながら、これらの材料は、エンジンから排出される高温かつ酸性の排気ガスに曝されると腐食劣化が生じ易いので、そのような環境で使用することは不可能である、という問題がある。
【０００６】
この問題に対しては、例えばステンレスのような熱や腐食に強い材料のみで受熱フィンを形成することで対処している（例えば特許文献１，２参照）。しかしながら、ステンレスの場合、熱伝導率が低く理想的な熱伝導性を得ることができない、という問題がある。
【０００７】
また、上記腐食等の問題に対する別の対処法として、受熱フィンの受熱面に耐腐食材料をコーティングする手法もあるが、コーティング材と被コーティング部材との線膨張係数の差に起因してコーティング材が剥離し易く寿命が短い、という問題がある。
【０００８】
そこで、耐腐食性と熱伝導性との両立を図るべく、高い熱伝導度を有する金属材料と、高温での耐腐食性を有する材料とを分散複合化することで受熱フィンを形成する手法もある（例えば特許文献３参照）。しかしながら、この場合は、製造が難しくなる上、金やニッケル等のような高価な金属を使用しておりコストが高くなる、という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３３０５６８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４８８４４号公報
【特許文献３】特開２００７−２９４６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、熱伝導性の向上と、耐熱性および耐腐食性の向上とを両立することができる受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明の受熱構造体は、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に装着される受熱構造体であって、第１金属材料からなる金属板により形成された外側受熱金属体と、前記第１金属材料とは異なる第２金属材料からなり、前記外側受熱金属体の受熱面の裏面側に設けられた収容部内に埋設された内側受熱金属体とを備え、前記外側受熱金属体において排気ガスが接する前記受熱面には該受熱面から突出する複数の突起部が一体的に形成されており、前記第１金属材料は、前記第２金属材料よりも耐熱性および耐腐食性が高く、前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも熱伝導性が高いものである。
【００１２】
また、上記の受熱構造体において、前記外側受熱金属体の前記受熱面の裏面には、前記複数の突起部の突出により形成された複数の凹部が配置されており、前記複数の凹部内には、前記内側受熱金属体が充填されているものである。これにより、突起部全体を外側受熱金属体の材料のみで形成した場合や突起部内に空隙が残された場合に比べて熱抵抗を低減することができるので、熱伝導性を向上させることができる。
【００１３】
また、上記の受熱構造体において、前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも線膨張係数が大きいものである。これにより、内側受熱金属体が排気ガスの熱で膨張するので、内側受熱金属体を外側受熱金属体の収容部にしっかりと固定することができる。すなわち、内側受熱金属体が外側受熱金属体から剥離するのを抑制または防止することができる。
【００１４】
また、上記の受熱構造体において、前記内側受熱金属体の厚さは、前記外側受熱金属体よりも厚いものである。これにより、熱伝導性の高い内側受熱金属体の厚みが増すので、受熱構造体の熱伝導性を向上させることができる。
【００１５】
また、上記の受熱構造体において、前記第１金属材料は、鉄とクロムとの合金からなり、前記第２金属材料が、アルミニウム、銅またはマグネシウムを主体とする金属からなるものである。
【００１６】
また、上記の目的を達成するための本発明の受熱構造体の製造方法は、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に装着される受熱構造体の製造方法であって、第１金属材料からなる金属板において排気ガスが接する受熱面側に該受熱面から突出する複数の突起部を一体的に形成する工程と、前記金属板の外周端部を前記受熱面の反対側に折り曲げて、その折り曲げ部と前記受熱面の裏面とで形成される収容部を持つケース形状の外側受熱金属体を形成する工程と、前記収容部内に、前記第１金属材料とは異なる第２金属材料を加熱溶融した状態で流し込むことで内側受熱金属体を形成する工程とを含み、前記第１金属材料は、前記第２金属材料よりも耐熱性および耐腐食性が高く、前記第２金属材料は、前記第１金属材料よりも熱伝導性が高いものである。
【００１７】
また、上記の受熱構造体の製造方法において、前記複数の突起部の形成工程においては、前記金属板にプレス加工を施す工程を有しており、前記内側受熱金属体の形成工程においては、前記外側受熱金属体の前記受熱面の裏面に前記複数の突起部の突出により形成された複数の凹部内に前記内側受熱金属体を充填する工程を有するものである。これにより、突起部全体を外側受熱金属体の材料のみで形成した場合や突起部内に空隙が残された場合に比べて熱抵抗を低減することができるので、熱伝導性を向上させることができる。
【００１８】
また、上記の目的を達成するための本発明の熱電変換装置は、前記受熱構造体を熱電変換素子に装着して備えたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置によれば、受熱構造体において排気ガスが接触する受熱面を耐熱性および耐腐食性の高い第１金属材料からなる外側受熱金属体で形成し、外側受熱金属体の受熱面の裏面側の収容部内に熱伝導性の高い第２金属材料からなる内側受熱金属体を形成することにより、熱伝導性の向上と耐熱性および耐腐食性の向上とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の熱電変換装置の平面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線の断面図である。
【図３】図１の受熱構造体の受熱面の一例の全体平面図である。
【図４】図３のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。
【図５】図３の受熱構造体の突起部の拡大断面図である。
【図６】受熱構造体の突起部の変形例を示す拡大断面図である。
【図７】受熱構造体の突起部の他の変形例を示す拡大断面図である。
【図８】図３の受熱構造体の製造工程中の図３のＩＩ−ＩＩ線に相当する箇所の断面図である。
【図９】図８に続く受熱構造体の製造工程中の図３のＩＩ−ＩＩ線に相当する箇所の断面図である。
【図１０】図９に続く受熱構造体の製造工程中の図３のＩＩ−ＩＩ線に相当する箇所の断面図である。
【図１１】図１０に続く受熱構造体の製造工程中の図３のＩＩ−ＩＩ線に相当する箇所の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１および図２に本発明の実施の形態の熱電変換装置１の一例を示す。図１は熱電変換装置１の平面図、図２は図１のＩ−Ｉ線の断面図を示している。なお、図1では説明を分かり易くするために内部を透かして見せている。また、矢印Ａは排気ガスの流れを示している。
【００２３】
熱電変換装置１は、自動車等のエンジン（内燃機関）から排出された排気ガスを流す排気管２の途中に配置されており、図２に示すように、例えば２つの熱電変換部１ａ，１ｂを有している。
【００２４】
この２つの熱電変換部１ａ，１ｂは、それぞれ受熱フィン（受熱構造体）３と、冷却フィン（放熱構造体）４と、それらに挟まれた状態で設置された複数の熱電変換素子５とを有しており、各々の受熱フィン３，３の受熱面を対向させ、その対向空間に排気ガス流路６を形成した状態で配置されている。
【００２５】
各受熱フィン３，３において排気ガスが接触する受熱面には、その各々の受熱面から突出する複数の突起部３ａが形成されている。熱電変換部１ａ，１ｂの各々の受熱フィン３，３は、その各々の突起部３ａが、受熱面に水平な方向（図２の左右方向）にずれた状態で配置されている。
【００２６】
熱電変換素子５は、２種類の異なる金属または半導体を接合し、その両端に温度差を与えると起電力が生じるゼーベック効果を利用し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。各熱電変換部１ａ，１ｂの複数の熱電変換素子５は並列または直列に電気的に接続されている。なお、冷却フィン４は空冷型の冷却フィンを例示しているが、これに限定されるものではなく、例えば水冷装置のような他のヒートシンクを用いても良い。
【００２７】
次に、受熱フィン３について図３〜図７を参照しながら説明する。図３は受熱フィン３の受熱面の一例の全体平面図、図４は図３のＩＩ−ＩＩ線の断面図、図５は図３の受熱フィン３の突起部３ａの拡大断面図、図６および図７は受熱フィン３の突起部３ａの変形例を示す拡大断面図を示している。
【００２８】
受熱フィン３は、その外形を形成するフィンケース（外側受熱金属体）３ｂと、フィンケース３ｂの収容部３ｃ内に埋設されたコア部（内側受熱金属体）３ｄとを有している。
【００２９】
フィンケース３ｂは、排気ガスが接触する部分であり、例えばステンレス（鉄とクロムとの合金）のような耐熱性および耐腐食性の高い金属（第１金属材料）により形成されている。一方、コア部３ｄは、その表面が排気ガスに接することの無いようにフィンケース３ｂで覆われており、例えばアルミニウム合金、銅合金またはマグネシウム合金のような熱伝導性の高い金属（第２金属材料）により形成されている。
【００３０】
すなわち、本実施の形態の受熱フィン３においては、排気ガスが接するフィンケース３ｂを、コア部３ｄの材料よりも耐熱性および耐腐食性の高い材料で形成したことにより、受熱フィン３の耐熱性および耐腐食性を向上させることができる。一方、受熱フィン３の全体を耐熱性および耐腐食性の高い材料のみで形成せず、フィンケース３ｂと、それよりも熱伝導性の高い材料で形成されたコア部３ｄとで構成したことにより、受熱フィン３の熱伝導性を向上させることができる。
【００３１】
なお、図２に示したように、熱電変換装置１には冷却フィン４が設けられているので、フィンケース３ｂが高温の排気ガスに曝されても、コア部３ｄの温度は冷却フィン４側への熱伝導による熱傾斜により相対的に低くなるので、コア部３ｄが熱により劣化する問題も生じない。
【００３２】
また、コア部３ｄの材料としてアルミニウム合金を用いた場合は、もっとも経済的で鋳造し易いので生産性を向上させることができる。したがって、内燃機関のコスト低減を推進できる。また、コア部３ｄとして銅合金を用いた場合は、アルミニウム合金に比べ、熱伝導性、硬度、耐摩耗性および耐食性を向上させることができる。また、コア部３ｄとしてマグネシウム合金を用いた場合は、もっとも軽量にすることができる。したがって、内燃機関の軽量化を推進できる。
【００３３】
フィンケース３ｂの受熱面には、上記した複数の突起部３ａが一体的に形成されている。個々の突起部３ａの外形は、図５に示すように、その側面に若干抜き勾配を付けた略円錐形状とされているが、これに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば図６や図７に示すように、その側面に段が形成された段付きの突起形状としても良い。
【００３４】
また、図４に示すように、フィンケース３ｂの裏面（受熱面の反対側の面）の収容部３ｃは、フィンケース３ｂを構成する金属板の外周端部を裏面側に折り曲げることで形成されている。このフィンケース３ｂの収容部３ｃ内にはコア部３ｄがフィンケース３ｂの裏面に密着した状態で充填されている。コア部３ｄの厚さは、フィンケース３ｂよりも厚く形成されている。これにより、熱伝導性の高いコア部３ｄの厚みが増すので、受熱フィン３の熱伝導性を向上させることができる。
【００３５】
また、フィンケース３ｂの収容部３ｃ内の裏面には、突起部３ａの突出により形成された複数の凹部３ｅが形成されている。コア部３ｄは、この複数の凹部３ｅ内にも隙間無く充填されている。これにより、突起部３ａ全体をフィンケース３ｂの材料のみで形成した場合や突起部３ａ内に空隙が残された場合に比べて熱抵抗を低減することができるので、熱伝導性を向上させることができる。
【００３６】
また、コア部３ｄをフィンケース３ｂの材料よりも線膨張係数が大きい材料で形成したことにより、コア部３ｄが排気ガスの熱で膨張するので、コア部３ｄをフィンケース３ｂの収容部３ｃにしっかりと固定することができる。すなわち、コア部３ｄがフィンケース３ｂから剥離するのを抑制または防止することができる。
【００３７】
また、フィンケース３ｂおよびコア部３ｄの材料として金やニッケル等のような高価な材料を用いないので、受熱フィン３のコストを低減することができる。
【００３８】
次に、受熱フィン３の製造方法の一例について図８〜図１１を参照しながら説明する。なお、図８〜図１１は受熱フィン３の製造工程中の図３のＩＩ−ＩＩ線に相当する箇所の断面図を示している。
【００３９】
まず、図８に示すように、フィンケース形成用の薄い金属板３ｂ１を用意する。金属板３ｂ１は、例えばステンレスにより形成されている。
【００４０】
続いて、この金属板３ｂ１に対してプレス加工（深絞り、鍛造等）を施すことにより、図９に示すように、金属板３ｂ１の受熱面にその受熱面から突出する複数の突起部３ａを一体的に一括形成する。この突起部３ａの形成に際しては、金属板３ｂ１の破れを防止するために数工程に分けてプレス（深絞り、鍛造、叩き等）加工を施しても良い。なお、突起部３ａの突出により受熱面の裏面には凹部３ｅが形成される。
【００４１】
続いて、金属板３ｂに対してプレス加工を施すことにより、図１０に示すように、金属板３ｂ１の外周端部を裏面（受熱面の反対側の面）側に折り曲げることで、その折り曲げ部と金属板３ｂ１の裏面とで形成される収容部３ｃを形成し、金属板３ｂ１で形成されるケース状のフィンケース３ｂを形成する。
【００４２】
続いて、図１１に示すように、フィンケース３ｂの収容部３ｃ内にコア部３ｄを鋳造法により形成する。すなわち、フィンケース３ｂの収容部３ｃ内に加熱溶融したアルミニウム合金、銅合金またはマグネシウム合金を流し込んだ後、冷却して固めることによりコア部３ｄを形成する。
【００４３】
この時、コア部３ｄの金属材料を凹部３ｅ内に隙間無く充填することが重要であり、そのために真空状態に減圧した処理室内で鋳造を行う真空キャスト法または溶融金属を圧入するダイキャスト法を選択する。これらの方法を用いることで、コア部３ｄの金属材料を凹部３ｅ内に隙間無く充填できる上、コア部３ｄとフィンケース３ｂの裏面との密着性を向上させることができる。このため、フィンケース３ｂとコア部３ｄとの境界部での熱抵抗を下げることができるので、受熱フィン３の熱伝導性を向上させることができる。また、真空キャスト法を用いた場合は、空気の巻き込みや酸化物の生成を抑制できるので受熱フィン３の品質を向上させることができる。
【００４４】
その後、上記のようにして製造されたコア部３ｄの背面（受熱面とは反対側の面）を用途に合わせた面粗さとなるように研削して受熱フィン３を製造する。
【００４５】
このように、本実施の形態の受熱フィン３の製造方法では、特に難しい方法を採用することもなく、プレス加工法と鋳造法とを用いて比較的容易に受熱フィン３を製造することができるので、受熱フィン３のコストを低減することができ、熱電変換装置１のコストも低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置は、受熱構造体において排気ガスが接触する受熱面を耐熱性および耐腐食性の高い第１金属材料からなる外側受熱金属体で形成し、外側受熱金属体の受熱面の裏面側の収容部内に熱伝導性の高い第２金属材料からなる内側受熱金属体を形成することにより、熱伝導性の向上と耐熱性および耐腐食性の向上とを両立することができるので、自動車等の内燃機関に用いる受熱構造体、その製造方法および受熱構造体を備えた熱電変換装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１  熱電変換装置
１ａ，１ｂ  熱電変換部
２  排気管
３  受熱フィン（受熱構造体）
３ａ  突起部
３ｂ  フィンケース（外側受熱金属体）
３ｂ１  金属板
３ｃ  収容部
３ｄ  コア部（内側受熱金属体）
３ｅ  凹部
４  冷却フィン（放熱構造体）
５  熱電変換素子
６  排気ガス流路
【図１】
2011119420.tif 000003
【図２】
2011119420.tif 000004
【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】
2011119420.tif 000011
【図１０】
2011119420.tif 000012
【図１１】
2011119420.tif 000013