(57)【要約】      （修正有）【課題】耐熱性のある熱電変換素子を応用した排気管構造を提供する。【解決手段】熱電変換素子の研究が進み、耐熱性の素子が開発されている。５００℃以上の耐熱性の熱電変換素子９を触媒コンバータとマフラーの間の排気管８に取付けて、排熱を電気に変換して、車両の冷暖房器、パワーウインドウ、ワイパー、ランプ等の電気エネルギーとして利用することにより解決する。【選択図】図４
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
車両のエンジンの排気系において、床下触媒コンバータからマフラーまでの２５０℃以上の温度を有する排気管に、マグネシウムシリサイド、シリカとゲルマニウムの合金、スクッテルダイト、カルシウムとコバルトの酸化物から選択した熱電変換素子を取付けた車両の排気管構造
【請求項２】
車両のエンジンの排気管に、熱電変換素子の集熱面を熱伝導性の良い銀ペーストで密着させ、外の冷却面に放熱フィンを取付けた構造の請求項１の排気管構造
【請求項３】
車両のエンジンの排気管に、熱電変換素子の集熱面を熱伝導性の良い銀ペーストで密着させ、外の冷却面をエンジン冷却用の冷却水で冷却する構造の請求項１の車両の排気管構造
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、自動車の省エネに関する技術であり、５００℃以上の耐熱性のある熱電変換素子を応用した新規な排気管構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  これまでビスマステルライドが、ペルチェ素子として冷却用には実用化されてきたが、熱を電気に変換する素子としては使用されていない。これは高温に耐える素子がなかったからである。最近、耐熱性のある熱電変換素子が開発され、排熱の熱電変換が研究されている。多様な元素から選択した複合酸化物の焼結体を使用した熱電変換素子が発表された（特許文献１及び２）。棄てる熱から発電と題した発表では、カルシウムやコバルトの酸化物とランタンとニッケルの酸化物が、発電素子として開発されている（非特許文献１）。【０００３】  包接化合物として、ゲルマニウムの結晶の中に、バリウムや金を取り込んだ金属によって熱電変換素子を作成する技術も開発されている（特許文献３）。【０００４】  つぎに、自動車分野における先行技術を、公報テキスト検索により検索した。自動車、排気管、熱電変換素子で検索すると、２件の実用新案が検索できた（特許文献４及び５）。自動車、排気管、熱電変換モジュールで検索すると、２件の特許が検索できた（特許文献６及び特許文献７）。特許文献４は、排気管内に熱交換ジャケットを入れて、熱を素子に有効に伝達させる技術である。冷却面では、冷水による水冷方式を採用している。熱電変換素子としては、鉛とテルル化合物が利用されている。特許文献５は、古い公報であり詳細な記録がないが、補助冷房装置に関する申請である。特許文献４及び５は、審査請求がなく、権利化されていない。【０００５】  特許文献６も未請求のまま、権利化できていない。また熱電変換素子の材料の記載もない。構造としては、フィン冷却が採用されている。特許文献７の特許では、素子の組成が公開されており、マグネシウム、銀、ヒ素の金属間化合物からなる素子である。また、実施例１２として、この熱電変換モジュール付き熱交換器には、高温の排ガス及び冷却水を流通させる図が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３０８９３０１
【特許文献２】特許４２３９０１０
【特許文献３】特開２００７−２３３４９
【特許文献４】実開平０６−０７９１６８
【特許文献５】実開昭６３−１３８２１８
【特許文献６】特開平１０−２３４１９４
【特許文献７】特開２００９−０８１２８７
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】産業総合研究所Ｔｏｄａｙ、５巻ＮＯ．８（２００５）
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】  本考案が解決しようとする課題は、まず、ガソリンエンジンの排気系システムに使用するために、どこの熱を利用するかである。気筒から排出されるエキゾーストマニフォールドの高温ガスは、９５０℃であり、それに続く触媒コンバータ部の温度も９５０℃近くあるが、ここの熱を取るわけには行かない。さらに床下触媒コンバータ部も７５０℃の高温であるが、排ガスの触媒反応を十分に行うためには、熱を奪うことはできない。床下触媒コンバータを過ぎて、センターマフラーまでの７５０℃から５００℃までの排気管の熱は利用することができる。【０００９】  かなりの温度低下の後ではあるが、まだ数百度の温度の排気ガスである。したがって、熱電変換素子の耐熱性が、つぎの課題である。ビスマステルライド系の素子は使用できない。融点の高い合金、金属酸化物等から選択する必要がある。【００１０】  さらに、つぎの課題は、熱を電気に変換するには、半導体の両端に温度差を発生させると起電力が発生するいわゆるゼーベック効果のある金属の利用である。熱を電気に変換する効率は、取り出せる電力を流入する熱量で除したもので表せる。この効率が高い方が好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  耐熱性の高い化合物で、ゼーベック効果のある半導体として、シリサイド化合物ではマグネシウムシリサイド又はシリカとゲルマニウムの合金、コバルト・アンチモン系ではスクッテルダイト、酸化物系ではカルシウムとコバルトの酸化物が、３００℃から６００℃の熱電変換には適していることが分かった。
【考案の効果】
【００１２】  熱電変換する素子の集熱側を、５００℃から６００℃の排気管の表面に密着させ、他の面を冷却させると、冷却が十分行えるほど、温度差が実現できて、熱電変換効率が高い。熱電変換素子の集熱部への密着が不十分の場合には、効率が下がるので、銀ペーストのような熱伝導性のよいもので、空隙を埋める。さらに、低温側の温度を下げるために、熱伝導率の高い金属のフィンを周辺に取付けて、車の走行時の空冷を実行すると効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】車の排気系を示した模式図である。
【図２】高温部の配管に熱電素子とその周辺部にフィンを取付けた拡大断面図である。ａ断面が円形の排気管に熱電変換素子を取付けた模式図  ｂ断面が四角な排気管に熱電変換素子を取付けた模式図
【図３】断面が四角な排気管に熱電変換素子を取付けその外に冷却水を通せる冷却板を貼り付けた模式図
【図４】床下触媒コンバータとマフラーの間に使用する排気管の表面に熱電変換素子を接着しその外部表面にフィンを取付けた熱電変換部品の模式図
【考案を実施するための形態】
【００１４】  考案を実施する形態を図によって説明する。図１は、車の排気系の模式図である。
１はエキゾーストマニフォールドであり、２はその直下の触媒コンバータである。
３は、床下触媒コンバータ、５はセンターマフラーである。４と５は、床下コンバータやマフラー部品の連結部である。７は、メインマフラーであり、排気の消音と冷却をして、車の排気管から大気中へ排気ガスを排出している。
【００１５】  この排気系において、床下触媒コンバータとセンターマフラーの間にある５００℃から６００℃の排気管を、図２のように熱電変換素子を取付けた排気管に取り替えて本考案技術を実施する。８が排気管の断面であり、断面が円形の場合と四角形の配管の事例を示した。９が、貼り付けた熱電変換素子である。熱電変換素子の低温側を冷却するために、１０で示すように、板状のフィンを配列させて、車の走行時には、空冷により熱電変換素子の外部面を冷却する。
【００１６】  図２ａの場合には、素子の底面に曲率のある配管と同じ湾曲面で接合させる必要がある。１１は排気管への接着剤層であり、完全に密着させて、熱を移動させるために、銀のペーストで凹凸を埋めて、密着度を上げる。図２ｂの場合には、平面であり素子の板を並べて貼るが、１１の密着度を上げるために、やはり銀ペーストを使用する。
【００１７】  車が走行中には、フィンに外気の風が当り冷却効果があるが、走行していない時には、熱電変換素子の両面で温度差が少なく、発電量は極めて少ない。走行時のみ熱電変換を行うことになる。停車時にも冷却するには、車両にある冷却水を循環させる方法がある。図３に一例を示すように、排気管に取付けた熱電変換素子の上に、水冷の板を重ねる構造となる。水冷方式は、空冷よりも複雑な構造となる。
【実施例】
【００１８】  床下触媒コンバータとセンターマフラーの間の直径約１０ｃｍの排気管を改造して、図４に示すような排気管８の周辺に、熱電変換素子９を並べて接合し、銀ペーストで隙間のないように貼り付けた。その周辺部には、１０のフィンを配列させて、その間を風が吹き抜けるような間隔で並べた。４−１と４−２の連結部で、床下触媒コンバータとセンターマフラーにつないだ。【００１９】  排気管を改造したこの装置の入口のパイプ表面は、７００℃であり、出口の温度は２５０℃であった。フィンによって４５０℃の温度差が発生するように熱電変換素子へ熱が供給され、フィンで冷却され温度差が形成されて発電した。利用されなかった熱エネルギーはセンターマフラーの内部を通って、消音されてメインマフラーでは、１５０℃の温度になった。発電した電力は、１２Ｖとして車内の電動部のエネルギーとして使用され、一部は電池に蓄電された。
【産業上の利用可能性】
【００２０】  車の走行には、ガソリンの燃焼熱量の２０％程度のエネルギーを使用しているに過ぎない。タイヤの摩擦熱や、回転軸の摩擦、車内温度調節機、電灯、ワイパー等に、２０％の熱量が使用され、６０％は排気ガスとして大気中に放出している。その一部でも、電気に変換して車内で利用できれば、地球温暖化防止に寄与できる。【００２１】  最近の車では、下り坂でのみ充電する車が多く、車内での電力の使用も多いためバッテリーの電力が足りなくて、トラブルを起こすことも多い。それを防ぐためにも排熱の一部が電気に変換できて、車の運行に使用できることが望ましい。【００２２】  電気自動車の時代が来ると、排気ガスや排気管はなくなるが、まだ１０年程度は、ガソリン車の時代である。自動車の省エネと二酸化炭素の放出量の削減に貢献する本考案は、自動車業界で、しばらく利用の可能性がある。
【符号の説明】
【００２３】１  エキゾーストマニフォールド
２  エキゾーストマニフォールド直下の触媒コンバータ
３  床下触媒コンバータ
４  二つの触媒コンバータ部品の連結部
５  センターマフラー
６  床下触媒コンバータとセンターマフラー部品の連結部
７  メインマフラー
８  排気管
９  排気管の表面に貼りつけた熱電変換素子の集合体
１０  放熱のフィンの配列
１１  耐熱性と熱伝導性に優れた排気管への接着剤層
１２  耐熱性と熱伝導性に優れた熱電変換素子とフィンとの接着剤層
１３  内部に水冷却用の水路のある冷却器
４−１  触媒コンバータへの接続部
４−２  マフラーへの接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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