(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路内に配置した熱交換フィンによって排気の熱エネルギーを熱電素子へと伝導させ電力に変換する排熱発電装置において、
前記熱交換フィンはセラミックスからなり、耐熱金属製の取り付け部材により取り付けられるとともに、前記熱交換フィンと前記取り付け部材を外側から封止するとともに前記熱交換フィンの外側表面に密着する高熱伝導性の被覆部材を備えている排熱発電装置。
【請求項２】
前記被覆部材と前記熱電素子との間に流動性を有するとともに、熱抵抗の小さい部材が封入された緩衝材が配置されている請求項１記載の排熱発電装置。
【請求項３】
内燃機関の排気通路内に配置した熱交換フィンによって排気の熱エネルギーを熱電素子へと伝導させ電力に変換する排熱発電装置において、
前記熱交換フィンはセラミックスからなり、耐熱金属製の取り付け部材により取り付けられるとともに、流動性を有するとともに熱抵抗の小さい部材が封入されて前記熱交換フィンと前記取り付け部材を外側から封止する緩衝材を備えている排熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排熱エネルギーを電力に変換して回収する排熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関からは高温の排ガスが排出されるが、この熱エネルギーを回収する技術として特開平１０−２３４１９４号に開示されている技術がある。この技術は、排気管に熱電変換モジュール（熱電素子）の高温端面を密着配置し、低温端面を冷却配管に密着配置することで、排気ガスと冷却水との温度差により発電を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱電素子では、素子の高温端面と低温端面との温度差が大きいほど発電性能が向上する。そのためには、素子の高温端面側に排気の熱を導く熱伝導部材（例えば、フィン）として高熱伝達率、高熱伝導率の部材を用いて広い表面積を確保するとともに、排気温度の高い位置に配置する必要がある。
【０００４】
高熱伝達率、高熱伝導率の部材、例えばアルミ等では、耐熱性が十分でないので高温の排気ガスを導くことができない。また、セラミックスを用いると耐熱性は確保できるが、加工性、強度の面から配管をセラミックスのみで構成することは困難である。反対に、強度、加工性のよいＳＵＳ等は熱伝達率、熱伝導率がアルミ等に比べて低いため、これを熱伝導部材とした場合、素子の高温端面側の温度を上げることが困難であり、発電効率が低下する。両者を組み合わせて形成する場合、熱膨張率が異なるため、歪みが生じ、構成部品間での接触熱抵抗が増大し、十分な伝熱特性が得られない。
【０００５】
そこで本発明は、強度、加工性、発電効率を向上させた排熱発電装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る排熱発電装置は、内燃機関の排気通路内に配置した熱交換フィンによって排気の熱エネルギーを熱電素子へと伝導させ電力に変換する排熱発電装置において、この熱交換フィンはセラミックスからなり、耐熱金属製の取り付け部材により取り付けられるとともに、熱交換フィンと取り付け部材を外側から封止するとともに前記熱交換フィンの外側表面に密着する高熱伝導性の被覆部材を備えているものである。
【０００７】
このように構成することで、熱交換フィンの耐熱性、熱伝達特性を向上させるとともに、配管部分の加工性が向上する。さらに、フィンに密着する被覆部材で外側から封止することで、シール性を確保している。また、この被覆部材として高熱伝導性の部材を用いることで、排ガスの熱をフィンと被覆部材を介して効率的に熱電素子へと導くことができ、発電効率を向上させることができる。
【０００８】
この被覆部材と熱電素子との間に流動性を有するとともに、熱抵抗の小さい部材が封入された緩衝材が配置されていることが好ましい。あるいは、この緩衝材を上記被覆部材に代えて用いてもよい。流動性を有する部材が封入された緩衝材を用いることで、構成部品の熱膨張率に差がある場合でも歪みの発生を抑制し、熱抵抗の増大を抑制して、熱電素子へ排気の熱エネルギーを効率よく導くことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本発明に係る排熱発電装置の外観斜視図であり、図２はそのII−II線断面図である。この排熱発電装置１００は図示していないエンジンの排気系に配置されるものであって、好ましくは三元触媒等の排気浄化装置より上流側のできるだけエンジンに近接した位置に配置される。
【００１１】
排熱発電装置１００は中央に断面が略矩形の排気通路１００ａが配置されている。この排気通路１００ａの外殻は、ＳＵＳ等の耐熱金属からなる構造部材２により形成されている。この構造部材２の天井面と床面には、それぞれ図３、図４に示されるように排ガス流動方向に沿って細長い矩形状の孔２ａが複数個、所定の間隔で配置されている。排気通路１００ａ内には、上下から突出するフィン１１が配置されている。フィン１１は、図５に示されるように基板１０と一体成形されてフィン構造体１を形成しており、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の高熱伝導性のセラミックスからなる。そして、前述の構造部材２の孔２ａにそれぞれのフィン１１が差し込まれて排気通路１００ａ内に配置されている。フィン１１は、図に示されるように排ガスの流動方向に沿って形成されていると、排ガスとの接触面積を確保しつつ、その流動を阻害することがないため、高い熱伝達係数を確保できるため好ましい。
【００１２】
フィン構造体１の周囲には、アルミ製の被覆部材３が密着配置される。この被覆部材３は、フィン構造体１を構造部材２に取り付けた後でアルミを鋳込むことで形成され、フィン構造体１が取り付けられた構造部材２を外側から封止している。被覆部材３の外側には、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3等の薄板状の絶縁体４をはさんで熱電素子５が配置されており、熱電素子５の外側には、絶縁体４と同様の薄板状の絶縁体６をはさんで内部に冷却水を流通させる冷却配管７が配置されている。この冷却配管７は例えばアルミ製である。冷却配管７の外側にはケーシング８が配置され、ボルト９によって締結されている。
【００１３】
図５は、熱電素子５の構成を示す図であり、代表的なものとしてはＢｉ2Ｔｅ3等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体５０、５１を複数個用意し、これらを電極５２、５３によって電気的には直列に、熱的には並列に配置することで、熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うものである。
【００１４】
次に、この排熱発電装置１００の動作について説明する。排熱発電装置１００の排気通路１００ａには高温の排ガスが導入される。一方、冷却配管７には、エンジン冷却水が流通されている。
【００１５】
排気通路１００ａ内を流れる排ガスの熱は、フィン１１からフィン構造体１、被覆部材３、絶縁体４を介して熱電素子５へと導かれる。熱電素子５の反対の側は、絶縁体５、冷却配管７を介してエンジン冷却水により冷却される。フィン構造体１、被覆部材３として高熱伝導性の部材を用い、それぞれの部材を密着させているので、熱抵抗が低く抑えられ、熱電素子５の両面の温度差を大きくすることができ、発電効率を向上させることができる。
【００１６】
本実施形態では、構造部材２に耐熱性のＳＵＳ等を用いることで、強度、耐久性が確保できる。この構造部材２は熱伝導性が低いが、熱伝導性の高いセラミックスからなるフィン１１を構造部材２を介して排気通路内に配置し、このフィン１１から高熱伝導性の被覆部材３を介して熱電素子５へと排気の熱を伝えることで排気から熱電素子５への熱伝達を良好なものとしている。また、フィン構造体１の構造は図５に示されるように簡単な構造ですむため、形成が容易であり、また装置自体の組み立ても容易で加工性が向上する。
【００１７】
次に、他の実施形態について説明する。図７は、本発明に係る排熱発電装置の第２の実施形態における図２、つまり図１のII−II線断面図に相当する断面図である。この実施形態の排熱発電装置１０１は、図２に示される排熱発電装置１００の被覆部材３と絶縁体４の間に内部にＨｇ等の熱抵抗が少なく、流動性を有する部材を膜状の部材内に封入した緩衝材３０を配置したものである。緩衝材３０の外側の膜としては、金属膜や各種の無機膜、耐熱樹脂膜等を用いることができる。特に絶縁性の膜を用いれば、絶縁体４を設ける必要はない。
【００１８】
本実施形態によれば、熱歪みによって内側の構造部材２や被覆部材３が変形した場合であっても、その変形を緩衝材３０が吸収するため、熱電素子５からフィン構造体１に至るまでの部材間に隙間が発生することがなく、接触熱抵抗を十分に小さく抑制することができる。これにより、所望の伝熱特性を発揮できる。
【００１９】
図８は、本発明に係る排熱発電装置の第３の実施形態における図２、つまり図１のII−II線断面図に相当する断面図である。この実施形態の排熱発電装置１０２は、図２に示される排熱発電装置１００の被覆部材３に代えて、図９に示される筒状の緩衝材３２を配置したものである。この緩衝材３２は、図７に示される緩衝材３０と同様に、膜状の部材内にＨｇ等の熱抵抗が少なく、流動性を有する部材を封入して形成したものである。
【００２０】
本実施形態によれば、熱歪みによって内側の構造部材２が変形した場合であっても、その変形を緩衝材３２が吸収するため、熱電素子５からフィン構造体１に至るまでの部材間に隙間が発生することがなく、接触熱抵抗を十分に小さく抑制することができる。これにより、所望の伝熱特性を発揮できる。また、鋳込みを省略できるため、製造が容易になるとともに、機器を小型化できる利点がある。
【００２１】
第２、第３の実施形態では、緩衝材３０、３２をそれぞれ熱電素子５の高温側にのみ配置したが、低温側、つまり冷却配管７との間にも配置してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高熱伝導性のフィンと、被覆部材および／または緩衝材を介して熱電素子へと熱を伝えることで、熱電素子への熱入力を増大させることができ、発電効率が向上する。また、緩衝材によって熱歪みを吸収することで熱抵抗の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱発電装置の外観斜視図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の装置の構造部材を示す正面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】図１の装置で用いられるフィン構造体を示す図である。
【図６】図１の装置で用いられる熱電素子の斜視図である。
【図７】本発明に係る排熱発電装置の第２の実施形態における図１のII−II線断面図に相当する断面図である。
【図８】本発明に係る排熱発電装置の第３の実施形態における図１のII−II線断面図に相当する断面図である。
【図９】図８の実施形態における緩衝材の斜視図である。
【符号の説明】
１…フィン構造体、２…構造部材、３…被覆部材、４、６…絶縁体、５…熱電素子、７…冷却配管、８…ケーシング、９…ボルト、１０…基板、１１…フィン、３０、３２…緩衝材、１００…排熱発電装置、１００ａ…排気通路。
【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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