(57)【要約】【課題】  気体が流れる気体流路を形成する流体管と熱電変換素子との接触面積を広くすることにより、熱回収効率を高めることができる排熱回収装置を提供する。【解決手段】  排熱回収装置１は、排気ガスが流通する排気流路１２を形成する周状の流体管１１を備えている。流体管１１の外周側に外側熱電変換モジュール１４が設けられ、内周側に内側熱電変換モジュール１５が設けられている。また、内側熱電変換モジュール１５を流体管１１に押し付ける押圧部材２０が設けられている。【選択図】  図１
2005209724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から放出される気体の熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備え、前記気体の熱を回収する排熱回収装置において、
前記熱源から放出される気体が流通し、断面周状の気体流路を形成する流体管の内周側と外周側とに、それぞれ前記熱電変換素子が設けられており、
前記流体管の内周側に設けられた前記熱電変換素子の内側に、前記熱電素子を前記流体管に対して押圧する押圧部材が設けられていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記押圧部材が、前記熱電変換素子と接触して前記熱電変換素子に押圧力を付与する押圧部材本体と、前記押圧部材本体に反力を付与する反力付与部材とを備えており、
前記流体管の内周側および前記反力付与部材の外周側の少なくとも一方が、前記流体管を流通する気体の流れ方向に沿って径が変化するテーパ形状をなしている請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
前記押圧部材が、前記熱電変換素子を冷却する冷却機能を有する請求項１または請求項２に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばハイブリッド車などの車両などに用いられ、気体中に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、気体中に含まれる熱エネルギーを回収する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンから排出される排気ガスなどには、熱エネルギーが含まれてため、排気ガスをそのまま捨てるとエネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを排熱回収装置によって回収し、電気エネルギーに変換し、たとえばバッテリーに充電しておくものがある。このように、排気ガス中の熱エネルギーを回収する排熱回収装置としては、特開平６−９８４７７号公報に開示された自動車用電力供給システムに設けられたものがある。
【０００３】
この自動車用電力供給システムでは、排気ガス配管における触媒が格納されたケーシングとエンジンとの間に熱電素子モジュールが設けられている。この熱電素子モジュールによって、エンジンから排出されて排気ガス配管を流通する排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するというものである。
【特許文献１】特開平６−９８４７７号公報（段落番号００３５、図１０〜図１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の排熱回収装置においては、排気ガスなどの気体に含まれる熱エネルギーを大量に回収して電気エネルギーに変換することが望まれる。ところが、上記特許文献１に開示された自動車用電力供給システムでは、排気ガス配管に単に熱電素子モジュールを設けたのみである。このため、熱電素子モジュール（熱電変換素子）と排気ガス配管との接触面積とが十分にとれているとはいえず、その分、回収できる熱エネルギーが少なくなっているという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、気体が流れる気体流路を形成する流体管と熱電変換素子との接触面積を広くすることにより、熱回収効率を高めることができる排熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、熱源から放出される気体の熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備え、気体の熱を回収する排熱回収装置において、熱源から放出される気体の流路であり、断面周状に形成された気体流路の内周側と外周側とに、それぞれ熱電変換素子が設けられており、流路の内周側に設けられた熱電変換素子の内側に、熱電素子を気体流路に対して押圧する押圧部材が設けられているものである。
【０００７】
本発明に係る排熱回収装置においては、断面周状の気体流路を形成する流体管の内周側と外周側とにそれぞれ熱電変換素子が設けられている。このため、流体管の内側と外側とに熱電変換素子を接触させることができるので、その分流体管と熱電変換素子との接触面積を広くすることができる。したがって、熱回収効率を高めることができる。
【０００８】
また、本発明の係る排熱回収装置では、流体管の内周側に設けられた熱電変換素子の内側に、熱電素子を前記流体管に対して押圧する押圧部材が設けられている。このため流体管の内側に設けられた熱電変換素子と流体管との接触状態を良好なものとすることができる。
【０００９】
なお、本発明にいう「周状」とは、内側に孔部が形成された形状をいい、ドーナツ形状（環状、リング状）やドーナツ形状の外周を矩形状にした形状、またはこれらが仕切られた形状をいう。また、外側の外形と内側の孔部の形状とが同じ（相似形）であるものと、異なるものとの両方を含むものである。
【００１０】
ここで、押圧部材が、熱電変換素子と接触して熱電変換素子に押圧力を付与する押圧部材本体と、押圧部材本体に反力を付与する反力付与部材とを備えており、流体管の内周側および反力付与部材の外周側の少なくとも一方が、流体管を流通する気体の流れ方向に沿って径が変化するテーパ形状をなしている態様とすることができる。
【００１１】
本発明では、流体管の内周側および反力付与部材の外周側の少なくとも一方が、流体管を流通する気体の流れ方向に沿って径が変化するテーパ形状をなしている。このため、熱電変換素子と反力付与部材との間に押圧部材本体を配置した状態で、反力付与部材を流体管内に挿入するだけで、押圧部材本体によって流体管に熱電変換素子を押圧することができる。したがって、排熱回収装置の組み付け性の向上に寄与することができる。
【００１２】
また、押圧部材が、熱電変換素子を冷却する冷却機能を有する態様とすることもできる。
【００１３】
このように、押圧部材が熱電変換素子を冷却する冷却機能を有することにより、流体管の内側に設けられた熱電変換素子を冷却するための部材を別途設ける必要がなくなり、その分スペースの有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る排熱回収装置によれば、気体が流れる気体流路を形成する流体管と熱電変換素子との接触面積を広くすることにより、熱回収効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００１６】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図、図２は、その要部拡大平断面図、図３は、その側断面図である。本実施形態に係る排熱回収装置１は、たとえば車両に設けられた排気ガス配管におけるエンジンと触媒との間に取り付けられる。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置１は、本発明の熱源である図示しないエンジンから排出される排気ガスの流路を形成する４本の流体管１１を備えている。エンジンから排出された排気ガスは、排熱回収装置１における流体管１１の内部に形成された本発明の気体流路である排気流路を流通して、下流側に設けられた触媒の方向に流れていく。
【００１８】
流体管１１は、図２に示すように、外側片１１Ａ、内側片１１Ｂ、および側片１１Ｃ，１１Ｃによって形成されており、これらの外側片１１Ａ、内側片１１Ｂ、および側片１１Ｃ，１１Ｃに囲まれて排気ガスが流通する排気流路１２が形成されている。排気流路１２は、排気ガスの流れ方向に対して垂直に切った切断面形状が略等脚台形状をなしており、流体管１１の外側面もこの略等脚台形状を一回り大きくした略等脚台形状をなしている。この台形の低角は約４５度とされており、４つの流体管１１がそれぞれ側片をつき合わせて並べられることにより、４本の流体管１１によって周状の排気流路１２が４つに仕切られた状態となるように形成されている。
【００１９】
排気流路１２には、フィン１３が形成されている。フィン１３は、流体管１１の外側片と内側片との間に掛け渡されて設けられており、一つの流体管１１に対して複数のフィン１３が設けられている。これらのフィン１３は、流体管１１と一体的に形成され、流体管１１およびフィン１３は、たとえば押出成形によって形成されている。
【００２０】
また、流体管１１の外周側および内周側には、それぞれ本発明の熱電変換素子である外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５が配置されている。外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５は、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。
【００２１】
外側熱電変換モジュール１４は、流体管１１の外側片１１Ａにおける外側面に密着した状態で設けられており、内側熱電変換モジュール１５は、流体管１１の内側片１１Ｂにおける内側面に密着した状態で設けられている。また、外側熱電変換モジュール１４は、内側熱電変換モジュール１５よりも大きいものとされている。
【００２２】
さらに、流体管１１における外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５を挟んだ反対側には、外側冷却水ケース１６および内側冷却水ケース１７がそれぞれ配置されている。外側冷却水ケース１６は、図２に示すように、ベース部材１６Ａおよび流水路形成部材１６Ｂを備えている。
【００２３】
流水路形成部材１６Ｂは櫛形をなし、流水路形成部材１６Ｂにベース部材１６Ａに取り付けられて、流水路１６Ｃが形成されている。流水路１６Ｃには、図示しないポンプが接続されており、ポンプを駆動することにより、流水路１６Ｃに冷却水が流通する。この流水路形成部材１６Ｂが外側熱電変換モジュール１４に密着しており、流水路１６Ｃに冷却水を流通することにより、外側熱電変換モジュール１４による熱電交換が行われる。また、冷却水によって、外側熱電変換モジュール１４が冷却させることができる。
【００２４】
内側冷却水ケース１７は、外側冷却水ケース１６と同様、ベース部材１７Ａおよび流水路形成部材１７Ｂを備えており、流水路形成部材１７Ｂがベース部材１７Ａに取り付けられて流水路１７Ｃが形成されている。この内側冷却水ケース１７における流水路形成部材１７Ｂが、内側熱電変換モジュール１５に密着しており、流水路１７Ｃに冷却水を流通することにより、内側熱電変換モジュール１５による熱電交換が行われる。また、冷却水によって、内側熱電変換モジュール１５が冷却させることができる。
【００２５】
また、外側冷却水ケース１６のさらに外側には、板ばね（皿ばね）からなるスプリング１８が設けられている。スプリング１８は、図示しない筐体に反力をとって外側冷却水ケース１６を内側方向に付勢し、外側冷却水ケース１６を介して外側熱電変換モジュール１４を流体管１１に押し付けている。
【００２６】
さらに、内側冷却水ケース１７の内側には、押圧部材２０が設けられている。押圧部材２０は、本発明の押圧部材本体である板ばね２１および本発明の反力付与部材であるパイプ部材２２を備えている。板ばね２１は、内側冷却水ケース１７とパイプ部材２２との間に配置されており、パイプ部材２２に反力をとって内側冷却水ケース１７を外側方向に付勢し、内側冷却水ケース１７を介して内側熱電変換モジュール１５を流体管１１に押し付けている。また、パイプ部材２２の外側片は、図３に示すように、排気ガスの流れ方向に径が異なるテーパ形状をなしており、パイプ部材２２は、下流側にいくにしたがって、径が狭くなる形状とされている。
【００２７】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置の作用について説明する。
【００２８】
本実施形態に係る排熱回収装置１においては、エンジンから排出された排気ガスが排気流路１２を流通するときに、排気ガスに含まれる熱を熱電変換モジュール１４，１５で回収し、熱電変換を行って熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２９】
具体的に、排気流路１２を流通する排気ガスは、排気流路１２に設けられたフィン１３によって吸熱される。フィン１３によって吸熱された熱は、流体管１１に伝熱され、流体管１１の外側片１１Ａおよび内側片１１Ｂを介してそれぞれ外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５で伝熱される。
【００３０】
外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５では、外側冷却水ケース１６および内側冷却水ケース１７にそれぞれ冷却水が流通することにより、流体管１１から伝熱された熱を熱電変換し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。また、冷却水によって、外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５を冷却する。
【００３１】
ここで、本実施形態に係る排熱回収装置１においては、流体管１１の外側に外側熱電変換モジュール１４が設けられているほか、流体管１１の内側に内側熱電変換モジュール１５が設けられている。このように、流体管１１の内側にも熱電変換モジュールが設けられているので、流体管１１に接触する熱電変換モジュールの接触面積を広くすることができる。したがって、その分熱回収効率を高め、さらには発電性能を高くすることができる。
【００３２】
また、本実施形態に係る排熱回収装置１においては、パイプ部材２２の外周側が、排気ガスの流れ方向下流側にいくにしたがって径が狭くなるテーパ形状をなしている。押圧部材２０を流体管１１の内部に設ける際には、内側熱電変換モジュール１５とパイプ部材２２との間に板ばね２１を配置し、板ばね２１で内側熱電変換モジュール１５を流体管１１の方向に付勢するようにして組み付ける必要がある。
【００３３】
この点、パイプ部材２２がテーパ形状をなしていることにより、板ばね２１を内側熱電変換モジュール１５に対応する位置に配置した後、パイプ部材２２を単に流体管１１の内部に圧入させるのみで、板ばね２１によって内側熱電変換モジュール１５を流体管１１の方向に付勢することができる。したがって、排熱回収装置１を組み付ける際の組み付け性の向上に寄与することができる。
【００３４】
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図４は、本発明の第二の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図である。本実施形態に係る排熱回収装置は、上記第一の実施形態と比較して、内側冷却水ケースおよび押圧部材の態様が主に異なっている。その他の点については、上記第一の実施形態に示す排熱回収装置と同様の構成を有している。
【００３５】
図４に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置２は、上記第一の実施形態と同様、４本の流体管１１を備えている。各流体管１１には、それぞれ排気流路１２が形成されており、排気流路１２にはフィン１３が設けられている。このフィン１３は、流体管１１とともに一体成形されている。
【００３６】
また、流体管１１の外側には、外側熱電変換モジュール１４が設けられており、流体管１１の内側には、内側熱電変換モジュール１５が設けられている。これらの外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５は、いずれも流体管１１に接触している。
【００３７】
さらに、流体管１１における外側熱電変換モジュール１４を挟んだ反対側には、外側冷却水ケース１６が設けられている。この外側冷却水ケース１６に、冷却水が流通することにより、外側熱電変換モジュール１４における熱電変換が可能となる。また、外側冷却水ケース１６のさらに外側には、スプリング１８が設けられており、外側冷却水ケース１６を介して、外側熱電変換モジュール１４を流体管１１の方向に付勢している。
【００３８】
流体管１１の内部には、押圧部材２５が設けられている。押圧部材２５は、外形が矩形をなしており、４辺のそれぞれに内側熱電変換モジュール１５が接触している。この押圧部材２５により、内側熱電変換モジュール１５が流体管１１に押し付けられている。
【００３９】
また、押圧部材２５の内側には、多数の流水路２６が平面視してメッシュ状に形成されている。この流水路２６は、押圧部材２５の長手方向（上下方向）に沿って延在しており、図示しないポンプに接続されている。このポンプを駆動することにより、流水路２６に冷却水が流通する。流水路２６に冷却水が流通すると、内側熱電変換モジュール１５が冷却されるとともに、内側熱電変換モジュール１５による熱電変換が可能となる。このように、押圧部材２５は、内側熱電変換モジュール１５を冷却する冷却機能を有している。
【００４０】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置においては、上記第一の実施形態と同様、エンジンから排出された排気ガスが排気流路１２を流通するときに、排気ガスに含まれる熱を熱電変換モジュール１４，１５で回収し、熱電変換を行って熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００４１】
ここで、本実施形態に係る排熱回収装置２においては、流体管１１の外側および内側にそれぞれ熱電変換モジュール１４，１５が設けられている。このため、流体管１１に接触する熱電変換モジュールの接触面積を広くすることができる。したがって、その分熱回収効率を高め、さらには発電性能を高くすることができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る排熱回収装置２においては、押圧部材２５に流水路２６が形成されており、この流水路２６に冷却水を流通することにより、流体管１１を流通する排気ガスの熱を内側熱電変換モジュール１５によって回収するとともに、内側熱電変換モジュール１５を冷却することができる。このように、押圧部材２５に流水路２６が形成され、押圧部材２５が冷却機能を有していることにより、内側熱電変換モジュール１５を冷却し、その熱電変換を可能とするための冷却水ケースなどを別途設ける必要がなくなる。したがって、その分、構造を簡素化するとともに、スペースの有効利用を図ることができる。
【００４３】
続いて、本発明の第三の実施形態について説明する。図５は、本発明の第三の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図である。本実施形態に係る排熱回収装置は、上記第一の実施形態と比較して、流体管並びに流体管に形成された排気流路およびフィンの態様が異なる。また、排熱回収装置が有する流体管等の数が異なる。その他の点については、上記第一の実施形態と同様の構成を有している。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置３は、図示しないエンジンから排出される排気ガスの流路を形成する６本の流体管３１を備えている。流体管３１は、断排気ガスの流れ方向に切った断面が略等脚台形状をなしており、その低角は約６０度とされており、６つの流体管３１がそれぞれ側片をつき合わせて並べられることにより、６本の流体管３１によって周状の排気流路３２が６つに仕切られた状態となるように形成されている。
【００４５】
排気流路３２には、フィン３３が形成されている。フィン３３は、流体管３１の外側片と内側片との間に掛け渡されて設けられており、一つの流体管３１に対して複数のフィン３３が設けられている。これらのフィン３３は、流体管３１と一体的に形成され、流体管３１およびフィン３３は、たとえば押出成形によって形成されている。
【００４６】
また、流体管３１の外側には、外側熱電変換モジュール１４が設けられており、流体管３１の内側には、内側熱電変換モジュール１５が設けられている。これらの外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５は、いずれも流体管３１に接触している。
【００４７】
さらに、流体管３１における外側熱電変換モジュール１４を挟んだ反対側には、外側冷却水ケース１６が設けられている。この外側冷却水ケース１６に、冷却水が流通することにより、外側熱電変換モジュール１４における熱電変換が可能となる。また、外側冷却水ケース１６のさらに外側には、スプリング１８が設けられており、外側冷却水ケース１６を介して、外側熱電変換モジュール１４を流体管１１の方向に付勢している。
【００４８】
また、流体管３１における内側熱電変換モジュール１５を挟んだ反対側には、内側冷却水ケース１７が設けられており、その内側には、押圧部材４０が設けられている。押圧部材４０は、各流体管３１に対応する位置にそれぞれ設けられた板ばね４１とパイプ部材４２とを備えている。板ばね４１は、パイプ部材４２に反力をとって、内側冷却水ケース１７を外側方向に付勢し、内側冷却水ケース１７を介して内側熱電変換モジュール１５を流体管３１に押し付けている。
【００４９】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置３においては、上記第一の実施形態と同様、エンジンから排出された排気ガスが排気流路３２を流通するときに、排気ガスに含まれる熱を熱電変換モジュール１４，１５で回収し、熱電変換を行って熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００５０】
ここで、本実施形態に係る排熱回収装置３においては、流体管３１の外側および内側にそれぞれ熱電変換モジュール１４，１５が設けられている。このため、流体管３１に接触する熱電変換モジュールの接触面積を広くすることができる。したがって、その分熱回収効率を高め、さらには発電性能を高くすることができる。
【００５１】
また、８本の流体管３１を備えており、それぞれの流体管３１に対して、外側熱電変換モジュール１４および内側熱電変換モジュール１５が設けられている。このため、流体管３１に対する熱電変換モジュールの接触面積をさらに広くすることができ、その分、熱回収効率を高め、発電性能を高めることができる。
【００５２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では流体管を４本または６本設けているが、これらの数に限定されるものではなく、複数本の流体管を設ける態様とすることができる。また、上記実施形態では、複数の流体管を並べて排気流路を形成しているが、１本の周状の排気流路を形成する流体管を用いることもできる。
【００５３】
さらに、上記第一の実施形態では押圧部材におけるパイプ部材の外周側をテーパ形状としているが、たとえば流体管の内周側をテーパ形状とすることもでき、あるいは両者をテーパ形状とすることもできる。また、上記実施形態では排気ガスの流れ方向下流側が狭くなるようにテーパ形状を形成しているが、上流側が狭くなるようにテーパ形状を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第一の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図である。
【図２】第一の実施形態に係る排熱回収装置の要部拡大平断面図である。
【図３】第一の実施形態に係る排熱回収装置の側断面図である。
【図４】第二の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図である。
【図５】第三の実施形態に係る排熱回収装置の平断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１〜３…排熱回収装置、１１，３１…流体管、１１Ａ…外側片、１１Ｂ…内側片、１１Ｃ…側片、１２，３２…排気流路、１３，３３…フィン、１４…外側熱電変換モジュール、１５…内側熱電変換モジュール、１６…外側冷却水ケース、１６Ａ，１７Ａ…ベース部材、１６Ｂ，１７Ｂ…流水路形成部材、１６Ｃ，１７Ｃ，２６…流水路、１７…内側冷却水ケース、１８…スプリング、２０，２５，４０…押圧部材、２２，４２…パイプ部材。
【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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