(57)【要約】【課題】フィンの熱変形によるフィン間隔の変化を抑制することができる熱交換器、及び熱発電装置を得る。【解決手段】排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２は、排気ガスの流路を形成する高温側熱交換器ケース１８と、高温側熱交換器ケース１８内で複数のフィン４８を排気ガスの流れ方向に並列させたフィン集熱部２０とを備える。高温側熱交換器ケース１８は、その周壁の外面の少なくとも一部が熱伝達対象である各熱発電モジュール１６と接触する上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂとされている。複数の集熱フィン４８は、波板状に形成されることで、熱変形方向が一致している。【選択図】図１
2007211748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換媒体の流路を形成し、周壁の外面の少なくとも一部が熱伝達対象と接触する伝熱面とされたシェルと、
前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面側から立設され、それぞれ熱交換媒体の流れ方向に沿って並列する複数のフィンと、
前記複数のフィンの熱変形方向を一致させるためのフィン変形方向規制手段と、
を備えた熱交換器。
【請求項２】
前記複数のフィンは、前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面及び該裏面との対向面のそれぞれに接続されており、
前記フィン変形方向規制手段は、前記複数のフィンが前記シェルの対向面を曲線でつなぐように該フィン立設方向の中間部を同じ側に曲げて形成した曲がり形状である請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記シェルは、矩形状断面を有する前記流路を形成すると共に周壁における互いに対向する部分の外面がそれぞれ前記伝熱面とされており、
前記複数のフィンは、前記シェルの周壁における前記各伝熱面の互いに対向する裏面にそれぞれ接続されており、
前記フィン変形方向規制手段は、前記複数のフィンが前記シェルの対向面を曲線でつなぐように該フィン立設方向の中間部を同じ側に曲げて形成した曲がり形状である請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数のフィンが熱交換媒体の流れ方向に沿って並列して構成された単位集熱部を、熱交換媒体の流れ方向に所定間隔で配置した請求項１乃至請求項３記載の熱交換器。
【請求項５】
熱交換媒体の流路を形成し、周壁の外面の少なくとも一部が熱伝達対象と接触する伝熱面とされたシェルと、
熱交換媒体の流れ方向に沿って並列されて前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面と該裏面との対向面とのそれぞれに接続された複数のフィンにて構成された複数の単位集熱部を、熱交換媒体の流れ方向に所定間隔で配置して構成された集熱部と、
を備えた熱交換器。
【請求項６】
前記シェルにおける熱交換媒体の入口側には、該熱交換媒体の供給管に流路断面形状を徐変させながら連結された連結流路形成部が設けられており、
前記連結流路形成部には、熱交換媒体の一部を前記シェル内における該シェルの中央部から遠ざける方向に案内するガイド手段が設けられている請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の熱交換器。
【請求項７】
前記連結流路形成部は、熱交換媒体の流れ方向に対し直角を成す第１所定方向において該熱交換媒体の流路を狭めると共に、熱交換媒体の流れ方向及び前記第１所定方向に対しそれぞれ直角を成す第２所定方向において該熱交換媒体の流路を広げており、
前記ガイド手段は、熱交換媒体の流れを第２所定方向に分散させるように構成されている請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】
高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる熱発電体と、前記熱発電体の低温側を冷却するための冷却部と、前記熱発電体の高温側を加熱するための加熱部とを備えた熱発電装置であって、前記加熱部は、前記熱交換媒体として排気ガスを用いると共に前記熱伝達対象を前記熱発電体の高温側とした請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器である熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル内を通過する熱交換媒体の熱をシェルの伝熱面に接触した熱伝達対象に伝達するための熱交換器、及び該熱交換器を備える熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両において、エンジンの排気熱を利用して発電を行なう自動車用排熱発電装置を搭載したものがある（例えば、特許文献１参照）。この自動車用排熱発電装置を構成する熱交換器は、排気ガスの熱を発電モジュールに伝達するようになっており、矩形断面の短手方向対向面を複数のフィンにて結合して構成されている。
【特許文献１】特開２００１−１２２４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１９９７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、フィンの熱変形の方向がフィン毎で異なるため、フィン間隔すなわち複数のフィン間の排気ガス流量が不均一になって熱回収効率が低下することが懸念される。特に、多数のフィンを狭い間隔で配置した場合は、熱変形前のフィン間隔に対する熱変形によるフィン間隔の変化の割合が大きくなるので、上記問題が顕著となる。
【０００４】
本発明は上記事実を考慮して、フィンの熱変形によるフィン間隔の変化を抑制することができる熱交換器、及び熱発電装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱交換器は、熱交換媒体の流路を形成し、周壁の外面の少なくとも一部が熱伝達対象と接触する伝熱面とされたシェルと、前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面側から立設され、それぞれ熱交換媒体の流れ方向に並列する複数のフィンと、前記複数のフィンの熱変形方向を一致させるためのフィン変形方向規制手段と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の熱交換器では、シェルを流れる熱交換媒体の熱が複数のフィンによって集熱され、該シェルの伝熱面から熱伝達対象に伝達される。このとき、熱交換媒体との熱交換によって、各フィンは熱変形する。ここで、本熱交換器には、各フィンが熱変形する方向（変形後の形状）を略一致させるフィン変形方向規制手段が設けられているため、複数のフィンが熱変形してもフィン間隔の変化が抑制される。これにより、フィン間隔が略一定に保たれて所要の熱交換性能が確保される。
【０００７】
このように、請求項１記載の熱交換器では、フィンの熱変形によるフィン間隔の変化を抑制することができる。
【０００８】
請求項２記載の発明に係る熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、前記複数のフィンは、前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面及び該裏面との対向面のそれぞれに接続されており、前記フィン変形方向規制手段は、前記複数のフィンが前記シェルの対向面を曲線でつなぐように該フィン立設方向の中間部を同じ側に曲げて形成した曲がり形状である。
【０００９】
請求項２記載の熱交換器では、複数のフィンは、伝熱面の裏面からの立設方向の両端がシェルとの接続によって拘束されると共に、該立設方向の中間部において熱交換媒体の流れ方向との交差（直角）方向に突出するように予め湾曲して並列されている。このため、熱交換媒体との熱交換によって、各フィンは、予め設定された曲げ方向に変形する。このように、簡単な構造でフィン変形規制手段が実現されている。
【００１０】
請求項３記載の発明に係る熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、前記シェルは、矩形状断面を有する前記流路を形成すると共に周壁における互いに対向する部分の外面がそれぞれ前記伝熱面とされており、前記複数のフィンは、前記シェルの周壁における前記各伝熱面の互いに対向する裏面にそれぞれ接続されており、前記フィン変形方向規制手段は、前記複数のフィンが前記シェルの対向面を曲線でつなぐように該フィン立設方向の中間部を同じ側に曲げて形成した曲がり形状である。
【００１１】
請求項３記載の熱交換器では、シェルを流れる熱交換媒体の熱は、複数のフィンによって集熱され、該シェルの対向する周壁の外面である各伝熱面からそれぞれ接触している熱伝達対象に伝達される。複数のフィンは、各伝熱面の裏面への接続によって立設方向の両端が拘束されると共に、該立設方向の中間部において熱交換媒体の流れ方向との交差（直角）方向に突出するように予め屈曲又は湾曲して並列されている。このため、熱交換媒体との熱交換によって、各フィンは、予め設定された曲げ方向に変形する。このように、シェルの両側に熱伝達対象を配設する構造において、簡単な構造でフィン変形規制手段が実現されている。
【００１２】
請求項４記載の発明に係る熱交換器は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の熱交換器において、前記複数のフィンが熱交換媒体の流れ方向に沿って並列して構成された単位集熱部を、熱交換媒体の流れ方向に所定間隔で配置した。
【００１３】
請求項４記載の熱交換器では、複数の単位集熱部が熱交換媒体に流れ方向に所定間隔で配置されているため、換言すれば、単位集熱部間に空隙が設定されているため、この空隙にて熱交換媒体が拡散されることで該熱交換媒体の温度（分布）が均一化され、この温度が均一化された熱交換媒体が下流側の単位集熱部に流入する。このため、熱交換媒体の流れ方向に沿って配置された各単位集熱部の各部において、フィン面積を有効な集熱面として利用して熱交換性能を向上することができる。また、この熱交換器では、熱交換媒体の上流側と下流側との温度差に起因して上流側単位集熱部と下流側単位集熱部との熱変形量が異なる場合に、単位集熱部間の空隙によってフィンには熱変形量の相違による歪が生じない（連続しない）ので、フィン間隔が略一定に保たれる。なお、単位集熱部間の所定間隔は、一定間隔でも良く不定間隔でも良い。
【００１４】
上記目的を達成するために請求項５記載の発明に係る熱交換器は、熱交換媒体の流路を形成し、周壁の外面の少なくとも一部が熱伝達対象と接触する伝熱面とされたシェルと、熱交換媒体の流れ方向に沿って並列されて前記シェルの周壁における前記伝熱面の裏面と該裏面との対向面とのそれぞれに接続された複数のフィンにて構成された複数の単位集熱部を、熱交換媒体の流れ方向に所定間隔で配置して構成された集熱部と、を備えている。
【００１５】
請求項５記載の熱交換器では、シェルを流れる熱交換媒体の熱が集熱部を構成するフィンによって集熱され、該シェルの伝熱面から熱伝達対象に伝達される。このとき、熱交換媒体との熱交換によって、各フィンは熱変形する。ここで、複数の単位集熱部が熱交換媒体に流れ方向に所定間隔で配置されているため、換言すれば、単位集熱部間に空隙が設定されているため、この空隙にて熱交換媒体が拡散されることで該熱交換媒体の温度（分布）が均一化され、この温度が均一化された熱交換媒体が下流側の単位集熱部に流入する。このため、熱交換媒体の流れ方向に沿って配置された各単位集熱部の各部において、フィン面積を有効な集熱面として利用して熱交換性能を向上することができる。また、この熱交換器では、熱交換媒体の上流側と下流側との温度差に起因して上流側単位集熱部と下流側単位集熱部との熱変形量が異なる場合に、単位集熱部間の空隙によってフィンには熱変形量の相違による歪が生じない（連続しない）ので、フィン間隔が略一定に保たれる。
【００１６】
このように、請求項５記載の熱交換器では、フィンの熱変形によるフィン間隔の変化を抑制することができる。なお、単位集熱部間の所定間隔は、一定間隔でも良く不定間隔でも良い。
【００１７】
請求項６記載の発明に係る熱交換器は、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の熱交換器において、前記シェルにおける熱交換媒体の入口側には、該熱交換媒体の供給管に流路断面形状を徐変させながら連結された連結流路形成部が設けられており、前記連結流路形成部には、熱交換媒体の一部を前記シェル内における該シェルの中央部から遠ざける方向に案内するガイド手段が設けられている。
【００１８】
請求項６記載の熱交換器では、熱交換媒体は、供給管から連結流路形成部を経由してシェルに導入される。流路断面の形状を徐変させる連結流路形成部では、ガイド手段が熱交換媒体をシェルの中央部から遠ざける方向に（周縁部に向けて）案内するため、連結流路形成部によって熱交換媒体の流れがシェル中央部に偏せられてしまうことが防止される。これにより、シェルに導入される熱交換媒体の流れ（流量）の均一化が図られ、すなわち各フィンの熱交換媒体との熱交換量が均一化され、熱変形によるフィン間隔の変化が一層効果的に抑制される。
【００１９】
請求項７記載の発明に係る熱交換器は、請求項６記載の熱交換器において、前記連結流路形成部は、熱交換媒体の流れ方向に対し直角を成す第１所定方向において該熱交換媒体の流路を狭めると共に、熱交換媒体の流れ方向及び前記第１所定方向に対しそれぞれ直角を成す第２所定方向において該熱交換媒体の流路を広げており、前記ガイド手段は、熱交換媒体の流れを第２所定方向に分散させるように構成されている。
【００２０】
請求項７記載の熱交換器では、ガイド手段は、第１所定方向に縮流される熱交換媒体の流れを、第２所定方向に分散させて拡流させる。これにより、シェルに導入される熱交換媒体の流れの均一化が図られる。
【００２１】
請求項８記載の熱発電装置は、高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる熱発電体と、前記熱発電体の低温側を冷却するための冷却部と、前記熱発電体の高温側を加熱するための加熱部とを備えた熱発電装置であって、前記加熱部は、前記熱交換媒体として排気ガスを用いると共に前記熱伝達対象を前記熱発電体の高温側とした請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器である。
【００２２】
請求項８記載の熱発電装置では、熱発電体は、高温側（吸熱側）が加熱部にて加熱されると共に低温側（放熱側）が冷却部にて冷却されることにより生じる（維持される）該高温側と低温側との温度差によって起電力を生じる。ここで、加熱部として請求項１〜８の何れかの熱交換器を用いているため、該熱交換器による排気ガスからの熱回収効率が高く、発電効率が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明に係る熱交換器及び熱発電装置は、フィンの熱変形によるフィン間隔の変化を抑制することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施形態に係る熱交換器である高温側熱交換器１２が適用された排気熱発電装置１０について、図１乃至図７に基づいて説明する。なお、以下の説明では、便宜上、矢印Ｕで示す方向を上方向、矢印Ｗで示す方向を幅方向、矢印Ｆで示す方向を排気ガス流れ方向とする。先ず、排気熱発電装置１０の概略全体構成を説明し、次いで、本発明の要部である高温側熱交換器１２のフィン構造、排気ガス案内構造について詳細に説明することとする。
【００２５】
（排気熱発電装置の全体構成）
図４には、排気熱発電装置１０の概略全体構成が側面図にて示されており、図１には図４の１−１線に沿う断面図が示されている。また、図２には、図１の２−２線に沿う側断面図が示されており、図３には図４の３−３線に沿う平面断面図が示されている。図１乃至図４に示される如く、排気熱発電装置１０は、本発明における熱交換器（熱回収器）としての高温側熱交換器１２と、冷却部としての低温側熱交換器１４との間に、それぞれ熱発電体としての複数の熱発電モジュール１６を挟み込んで構成されている。各熱発電モジュール１６は、それぞれ上下方向に扁平した平面視矩形状に形成されている。
【００２６】
図１に示される如く、高温側熱交換器１２は、上下高が幅と比較して小さい扁平矩形状に形成されており、上側伝熱面１２Ａと上側の低温側熱交換器１４との間に複数の熱発電モジュール１６を挟み込んで保持すると共に、下側伝熱面１２Ｂと下側の低温側熱交換器１４との間に上側と同数の熱発電モジュール１６を挟み込んで保持している。この実施形態では、排気熱発電装置１０は、高温側熱交換器１２の片面側において、排気ガス流れ方向に４つで幅方向に２つの各８つの熱発電モジュール１６を保持しており、両面合わせて計１６個の熱発電モジュール１６を備えている。
【００２７】
図１に示される如く、高温側熱交換器１２は、排気ガスの流れ方向のとの直交面に沿う断面視で扁平矩形状の排気ガス流路を形成するシェルとしての高温側熱交換器ケース１８内に、集熱部としてのフィン集熱部２０を配設した構造とされている。図２乃至図４に示される如く、高温側熱交換器ケース１８は、その上流端１８Ａが自動車の内燃機関エンジンの排気ガスを浄化するための触媒コンバータ２２の下流端に連結流路形成部としての上流側接続ダクト２５を介して接続されており、その下流端１８Ｂが排気管接続部２４の上流端に下流側接続ダクト２６を介して接続されている。
【００２８】
触媒コンバータ２２の上流端には、図示しない排気マニホルドの集合部又は排気管に接続されるフランジ２２Ａが設けられている。排気管接続部２４の下流端には、図示しないマフラ又は排気管に接続されるフランジ２４Ａが設けられている。これにより、高温側熱交換器ケース１８は、内燃機関エンジンから触媒コンバータ２２を経由して導入された排気ガスを通過させて排気管接続部２４を経由してマフラ等に排出するようになっている。この実施形態では、触媒コンバータ２２が「熱交換媒体の供給管」に相当する。
【００２９】
図３に示される如く、高温側熱交換器ケース１８の幅方向両端を構成する各側壁２８は、それぞれ二重構造とされており、内側壁２８Ａと外側壁２８Ｂとの間に断熱空気層２８Ｃが形成されている。この高温側熱交換器ケース１８内に配設されたフィン集熱部２０は、高温側熱交換器ケース１８を矢印Ｆ方向に流れる排気ガスから受けた熱を、高温側熱交換器ケース１８における外面（上面）が上側伝熱面１２Ａとされた天板３０、外面（下面）が下側伝熱面１２Ｂとされた底板３２に、それぞれ伝達するようになっている。これらフィン集熱部２０の詳細構造については、後述する。
【００３０】
複数の熱発電モジュール１６は、それぞれ多数の熱発電素子（図示省略）をモジュール化して構成されており、上記の通り扁平した矩形状に形成されている。各熱発電モジュール１６は、高温側と低温側との温度差によって起電力を生じるようになっている。したがって、各熱発電モジュール１６は、高温側の面１６Ａを高温側熱交換器１２（天板３０又は底板３２）に接触させ、低温側の面１６Ｂを低温側熱交換器１４に接触している。
【００３１】
図１及び図４に示される如く、低温側熱交換器１４は、平面視で高温側熱交換器ケース１８とほぼ同等の長さ及び幅を有する矩形状に形成されると共に上下方向に扁平して形成されている。図１に示される如く、低温側熱交換器１４は、熱発電モジュール１６側に開口する低温側熱交換器ケース３４の開口端を蓋板３６にて閉止することで、冷媒としてのエンジン冷却水が流れる冷却水流路３８を形成している。また、この実施形態では、低温側熱交換器ケース３４の幅方向中央部には冷却水流路３８を幅方向に並列する２つの冷却水流路３８Ａ、３８Ｂに区画する隔壁３４Ａが立設されている。
【００３２】
この低温側熱交換器１４は、低温側熱交換器ケース３４と蓋板３６とは接合されず、低温側熱交換器１４と高温側熱交換器１２との間に熱発電モジュール１６を挟み込んで保持するための後述する保持荷重によって、図示しない防水パッキンを挟んだ低温側熱交換器ケース３４と蓋板３６とが冷却水流路３８を形成した状態を維持する構成とされている。図示は省略するが、低温側熱交換器１４には、冷却水流路３８Ａ、３８Ｂにエンジン冷却水を導入するための冷却水導入部、冷却水流路３８Ａ、３８Ｂからエンジン冷却水を排出するための冷却水排出部がそれぞれ設けられている。また、蓋板３６からは、それぞれ上下方向及び冷却水流れ方向（排気ガス流れ方向）に沿う板状に形成された複数の放熱フィン３６Ａが一定間隔立設されている。
【００３３】
また、排気熱発電装置１０は、ブラケット４０と、ブラケット４０と低温側熱交換器１４との間に圧縮状態で配設されて保持荷重付与手段を構成する弾性体としての皿ばね４２とを備えている。排気熱発電装置１０では、皿ばね４２の付勢力（復元力）に基づく上下方向に沿った保持荷重によって、低温側熱交換器１４と高温側熱交換器１２との間に熱発電モジュール１６を保持するようになっている。
【００３４】
高温側熱交換器１２の上下両側に熱発電モジュール１６、低温側熱交換器１４を配置する排気熱発電装置１０では、ブラケット４０は、高温側熱交換器１２とは非接触の環状に形成されている。具体的には、図１及び図４に示される如く、ブラケット４０は、それぞれ正面視でハット形状に形成された半体４０Ａ、４０Ｂの重ね合わされたフランジ部４０Ｃがボルト・ナットを主要構成要素とする締結手段４０Ｄにて固定されることで、上記の通り全体として環状に形成されている。環状に形成され高温側熱交換器１２に対し非接触であるブラケット４０は、該高温側熱交換器１２からの熱影響を受け難い構成とされている。
【００３５】
また、この実施形態では、１つの熱発電モジュール１６に対し１つの皿ばね４２が設けられている。これにより、排気熱発電装置１０では、各熱発電モジュール１６に対応する皿ばね４２の保持荷重が作用するようになっている。より具体的には、図１に示される如く、高温側熱交換器１２の周方向に沿って配設された上下各２つの熱発電モジュール１６に対応してそれぞれ皿ばね４２が設けられ、これら４つの皿ばね４２を共通のブラケット４０が支持するようになっている。したがって、この実施形態では、排気熱発電装置１０は、排気ガスの流れ方向に沿って配置された４つのブラケット４０を有する。
【００３６】
さらに、この実施形態では、図１に示される如く、排気熱発電装置１０は、皿ばね４２の圧縮量すなわち皿ばね４２の復元力に基づく保持荷重を調節可能な荷重調節機構４４を備えている。図１及び図３に示される如く、荷重調節機構４４は、複数の皿ばね４２すなわち熱発電モジュール１６に対応して熱発電モジュール１６毎に（ブラケット４０毎に４つ）設けられており、各熱発電モジュール１６を個別に独立して保持荷重の調整可能とされている。
【００３７】
（高温側熱交換器のフィン構造）
図２、図３及び図５に示される如く、高温側熱交換器１２を構成するフィン集熱部２０は、矢印Ｆ方向に沿って配設された複数（この実施形態では４つ）の単位集熱部としての単位フィン集熱部４６を備えている。各単位フィン集熱部４６は、それぞれ多数の集熱フィン４８の集合体として構成されている。この実施形態では、各集熱フィン４８は、矢印Ｆ方向に沿って設けられて（延在して）おり、矢印Ｆ方向に流れる排気ガスと接触して該排気ガスから熱を受けるようになっている。
【００３８】
図５の６−６線に沿った断面図である図６に示される如く、各集熱フィン４８は、それぞれ上端４８Ａが高温側熱交換器ケース１８における外面が上側伝熱面１２Ａとされた天板３０に固定的に接続されると共に、下端４８Ｂが外面が下側伝熱面１２Ｂとされた底板３２に固定的に接続されている。この実施形態では、高温の排気ガスが流通する高温側熱交換器１２を構成する高温側熱交換器ケース１８及び集熱フィン４８は、例えばステンレス鋼などの耐熱性（耐クリープ性）の良好な金属材にて構成されており、集熱フィン４８と高温側熱交換器ケース１８の天板３０、底板３２とはロー付けにて接合されている。なお、幅方向外端に位置する各集熱フィン４８と内側壁２８Ａとの間は、図示しないシール剤にてシールされている。
【００３９】
以上により、各単位フィン集熱部４６では、排気ガスから集熱フィン４８が受けた熱を上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂすなわち各熱発電モジュール１６の高温側に伝達する構成とされている。そして、この実施形態では、各集熱フィン４８は、上下方向に対して湾曲して形成されている。具体的には、図６に示される如く、各集熱フィン４８は、振幅方向が幅方向（矢印Ｆ方向及び上下方向のそれぞれに対する直角方向）に略一致した略波型に形成されており、それぞれが同じ形状に形成されている。これにより、それぞれ単位フィン集熱部４６では、隣接する集熱フィン４８間の間隔Ｇは、各集熱フィン４８間毎にそれぞれ略一定とされると共に、同じ集熱フィン４８間における上下方向の各部においても略一定とされている。これら各集熱フィン４８の湾曲形状は、本発明における「フィン変形方向規制手段」に相当する。
【００４０】
また、図６に示される如く、高温側熱交換器ケース１８内における矢印Ｆ方向に隣り合う単位フィン集熱部４６は、該矢印Ｆ方向に所定間隔で離間している。これにより、矢印Ｆ方向に隣り合う単位フィン集熱部４６の間には、それぞれ空隙である拡散ガス層５０が設定されている。この拡散ガス層５０は、上流側の単位フィン集熱部４６を通過した排気ガスが下流側に単位フィン集熱部４６に導入される前に拡散させるための空間とされている。
【００４１】
図２及び図３に示される如く、矢印Ｆ方向に沿って所定間隔で配設された４つの単位フィン集熱部４６は、それぞれ高温側熱交換器１２の上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂ側に矢印Ｆ方向に沿って配設された各熱発電モジュール１６に対応して配置されている。換言すれば、矢印Ｆ方向に隣り合う熱発電モジュール１６間の隙間は拡散ガス層５０に対応している。したがって、高温側熱交換器１２では、１つの単位フィン集熱部４６が上下それぞれ幅方向に２つずつ、計４つの各熱発電モジュール１６のために排気ガスの熱を集熱（回収）する構成とされている。
【００４２】
（高温側熱交換器の排気ガス案内構造）
図２及び図３に示される如く、高温側熱交換器１２を構成する上流側接続ダクト２５は、断面が略円形である触媒コンバータ２２と断面が扁平矩形状である高温側熱交換器ケース１８とを、断面形状を連続的に変化（徐変）させて連通している。このため、上流側接続ダクト２５は、側面視で排気ガス流路を第１所定方向としての上下方向に絞る縮流形状とされると共に、平面視で排気ガス流路を第２所定方向としての幅方向に広げる拡流形状とされている。
【００４３】
この上流側接続ダクト２５内には、排気ガスの流れを高温側熱交換器ケース１８の幅方向に分散させるように排気ガスを案内するガイド手段としてのガス拡散ガイド５２が配設されている。図３に示される如く、ガス拡散ガイド５２は、それぞれ排気ガスの流れ方向の上流端よりも下流端の方が幅方向外側に位置するように、平面視で矢印Ｆ方向に対し傾斜した複数の平板状のガイド片５４を含んでいる。各ガイド片５４は、図２に示される如く、それぞれ上端が上流側接続ダクト２５の上壁部２５Ａに固定的に接続されると共に、下端が下壁部２５Ｂに固定的に接続されている。
【００４４】
これにより、ガス拡散ガイド５２すなわち各ガイド片５４によって上流側接続ダクト２５を通過する排気ガスの一部が幅方向外側に案内され、排気ガスが全体として高温側熱交換器ケース１８の幅方向に分散されるようになっている。また、ガス拡散ガイド５２は、側面視の縮流形状によって高温側熱交換器ケース１８の中央部に向かおうとする排気ガスの流れを幅方向に分散させることで、上下方向の縮流（中央部に集中する流れの流速）を抑制する構造とされている。これらにより、上流側接続ダクト２５を通過する排気ガスの熱総量が、高温側熱交換器ケース１８すなわち高温側熱交換器１２の各部に略均一に分散されて導入される構成となっている。
【００４５】
次に、実施形態の作用を説明する。
【００４６】
上記構成の排気熱発電装置１０では、自動車の内燃機関エンジンが始動すると、このエンジンの排気ガスが触媒コンバータ２２を経由して高温側熱交換器１２（高温側熱交換器ケース１８）に導入される。この排気ガスは、フィン集熱部２０、高温側熱交換器ケース１８の天板３０、底板３２と接触してこれらと熱交換し、該天板３０、底板３２に熱を与える。これにより、天板３０、底板３２の外面である上側伝熱面１２Ａ、下側伝熱面１２Ｂに接触している各熱発電モジュール１６の高温側が加熱される。上記熱交換によって冷却されつつ高温側熱交換器１２を通過した排気ガスは、排気管接続部２４を通じて装置外に排出される。
【００４７】
一方、エンジン冷却水は、エンジンの図示しないウォータポンプの作動によって、例えば上下の低温側熱交換器１４の冷却水流路３８（各冷却水流路３８Ａ、３８Ｂ）、内燃機関エンジン、ラジエータの順に循環する。低温側熱交換器１４の冷却水流路３８を通過するエンジン冷却水は、複数の放熱フィン３６Ａ、蓋板３６と接触してこれらと熱交換し、蓋板３６から熱を奪う。これにより、蓋板３６に接触している各熱発電モジュール１６の低温側が冷却される。
【００４８】
以上のように、各熱発電モジュール１６の高温側が排気ガスの熱を有効利用して加熱されると共に、各熱発電モジュール１６の低温側がエンジン冷却水にて冷却されることで、各熱発電モジュール１６の高低温側間の温度差が確保され、各熱発電モジュール１６は、この温度差に基づく起電力を生じる。すなわち、排気熱発電装置１０では、各熱発電モジュール１６が発電を行なう。発電された電力は、例えば自動車に搭載された蓄電池であるバッテリ等に蓄えられる（バッテリを充電する）。
【００４９】
ところで、排気熱発電装置１０では、高温の排気ガスとの接触によって、フィン集熱部２０を構成する各集熱フィン４８は、熱膨張し、上下両端が高温側熱交換器ケース１８に固定されているために熱膨張分を逃がすために熱変形（曲げ又は撓み）を生じる。
【００５０】
ここで、排気熱発電装置１０では、各集熱フィン４８をそれぞれ略波型に湾曲して形成したため、幅方向に隣り合う各集熱フィン４８の上下方向の各部は、互いに同じ方向に変形する（撓む）。このため、排気ガスからの熱によって各集熱フィン４８に熱変形を生じても、幅方向に隣り合う各集熱フィン４８の間隔Ｇは、略一定に保たれる。例えば排気ガスの非流通状態で上下方向に沿う平板状の集熱フィンの上下両端を高温側熱交換器ケース１８で拘束した構成では、これらの集熱フィンは熱変形による撓み方向が板厚方向に対する何れの側か不定であるので、幅方向に隣り合う集熱フィンの間隔が広い部分と狭い部分とが生じてしまう。幅方向に隣り合う集熱フィンの間隔が狭い部分には、排気ガスは殆ど流れないので、熱回収効率が悪化する原因となる。これに対して排気熱発電装置１０では、上記の通り、幅方向に隣り合う各集熱フィン４８の間隔Ｇが略一定に保たれるので、熱回収効率が向上する。
【００５１】
またここで、排気熱発電装置１０では、フィン集熱部２０を構成する単位フィン集熱部４６間に拡散ガス層５０を設定したため、上流側の単位フィン集熱部４６を通過した排気ガスは拡散ガス層５０にて拡散され、温度が均一化された排気ガスが次の単位フィン集熱部４６に流入するため、熱回収効率が一層良好となる。すなわち、一般にフィン式の熱交換器では、フィンにおける伝熱面に近い根元側（上下端部）で排気ガスが低温となり、フィンの上下方向中央部で排気ガスが高温となり、この傾向は排気ガス流れの下流側ほど顕著であるため、例えば拡散ガス層５０を備えない構成では、排気ガス流れの下流側ほどフィン根元部と中央部との排気ガスの温度差が大きくなり、換言すれば、排気ガスの温度が流れ方向に直交する断面において不均一であるため、熱回収率が低い。
【００５２】
これに対して排気熱発電装置１０では、上記の通り、拡散ガス層５０で拡散されて温度が均一化されたガスが下流側の単位フィン集熱部４６に流入するため、排気ガス流れの下流側においても各集熱フィン４８の根元部と中央部との温度差が小さい。これにより、排気熱発電装置１０では、排気ガス流れ方向の各部において単位フィン集熱部４６が略均一な温度分布（特に上下方向に均一な温度分布）の排気ガスと熱交換を行なうため、換言すれば、各単位フィン集熱部４６の各集熱フィン４８が集熱部材として有効利用されるため、熱回収効率が高い。
【００５３】
しかも、各単位フィン集熱部４６間に拡散ガス層５０が設定されているため、換言すれば、各単位フィン集熱部４６を構成する各集熱フィン４８は排気ガス流れ方向に不連続であるため、熱を奪われながら下流側に流れる排気ガスの温度が下流側ほど低くなることに起因して、上流側の単位フィン集熱部４６の各集熱フィン４８と、下流側の単位フィン集熱部４６の各集熱フィン４８とで熱変形量が異なっても、排気ガス流れ方向に連続したフィンを備えた構成のようにフィン上下流の変形量の差が該フィンの歪を生じる（伝播する）ことが、拡散ガス層５０の存在によって防止され、幅方向に隣り合う集熱フィン４８の間隔Ｇが略一定に保たれる。このため、熱回収効率が一層向上する。
【００５４】
さらにここで、排気熱発電装置１０では、上流側接続ダクト２５にガス拡散ガイド５２を設けたため、触媒コンバータ２２を通過した排気ガスの流れが高温側熱交換器ケース１８の中央部（上下及び幅方向中心線）に向けて集中することなく、高温側熱交換器ケース１８の幅方向各部に略均一に分散される。例えばガス拡散ガイド５２を備えない比較例１００では、図７（Ｂ）に示される如く、排気ガスの流れが高温側熱交換器ケース１８の中央部に集中する（白抜き矢印の太さが流量に対応している）が、排気熱発電装置１０では、図７（Ａ）に示される如く、ガス拡散ガイド５２の各ガイド片５４によって排気ガスが幅方向各部に均一に分散される。これにより、排気熱発電装置１０では、排気ガス流れ方向の各部、特に最上流において単位フィン集熱部４６が略均一な流量分布の排気ガスと熱交換を行なうため、換言すれば、各単位フィン集熱部４６の各集熱フィン４８が集熱部材として有効利用されるため、熱回収効率が高い。
【００５５】
このように、本実施形態に係る排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２では、フィン４８の熱変形によるフィン間隔Ｇの変化を抑制することができる。また、排気熱発電装置１０では、高温側熱交換器１２による熱回収効率が高いため、各熱発電モジュール１６の高温側と低温側との温度差を大きく保つことができ、全体として発電効率が向上する。
【００５６】
なお、上記実施形態では、各集熱フィン４８がそれぞれ独立した板である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図８に示される如く、幅方向に隣り合う各集熱フィン４８の上端４８Ａと下端４８Ｂとを交互に連結する連結部５６を設けることで、一体構造とされた所謂コルゲートフィン構造を採用しても良い。この構成では、各集熱フィン４８の取り扱い、高温側熱交換器ケース１８とのロー付け作業が容易である。
【００５７】
また、上記実施形態では、本発明が排気熱発電装置１０を構成する高温側熱交換器１２に適用された例を示したが、本発明はこれに限定されず、本発明の熱交換器は各種用途に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を示す図であって、図４の１−１線に沿った断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。
【図３】図４の３−３線に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置の側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する高温側熱交換器の平面断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する高温側熱交換器のフィン形状を示す図であって、図５の６−６線に沿った断面図である。
【図７】（Ａ）は本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する高温側熱交換器の流入排気ガスの案内状態を示す平面断面図、（Ｂ）は比較例における排気ガス流入状態を示す平面断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する高温側熱交換器のフィン形状の変形例を示す図６に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０    排気熱発電装置（熱発電装置）
１２    高温側熱交換器（熱交換器、加熱部）
１２Ａ  上側伝熱面（伝熱面）
１２Ｂ  下側伝熱面（伝熱面）
１４    低温側熱交換器（冷却部）
１６    熱発電モジュール（熱発電体）
１８    高温側熱交換器ケース（シェル）
２０    フィン集熱部（集熱部）
２２    触媒コンバータ（熱交換媒体の供給管）
２５    上流側接続ダクト（連結流路形成部）
３０    天板（シェルの周壁、対向面）
３２    底板（シェルの周壁、対向面）
４６    単位フィン集熱部（単位集熱部）
４８    集熱フィン（フィン、フィン変形方向規制手段）
５２    ガス拡散ガイド（ガイド手段）
５４    ガイド片（ガイド手段）
【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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