JP4305252B2 - 排熱回収装置 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車等の内燃機関の排気経路に配設され、排気ガスの排熱を回収する排熱回収装置に関する。
例えば、ガソリンエンジンを備えた自動車のエネルギー効率は、１５〜２０％程度という低いレベルにある。エネルギー効率が低下する要因の一つには、排気ガスによって大量の熱エネルギーが放出されることにある。そのため、従来より、排気ガスの排熱を積極的に利用して全体のエネルギー効率を高めようとする技術が提案されている。（例えば特許文献１参照）。
上記従来の技術においては、温度差を電気に変換（発電）しうる熱電素子を排気通路に配置したものが示されている。
しかしながら、上記従来の技術におけるエネルギー回収効率は十分なものではなく、エネルギー回収効率を向上し得る新たな排熱回収装置の開発が望まれている。
しかしながら、上記従来の技術におけるエネルギー回収効率は十分なものではなく、エネルギー回収効率を向上し得る新たな排熱回収装置の開発が望まれている。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、内燃機関が排出する排気ガスの排熱を効率よく回収できる排熱回収装置を提供しようとするものである。
本発明は、内燃機関の排気ガスを通す排気経路と、該排気経路中に配設した熱電モジュールとを有する排熱回収装置であって、
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる空間である排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体及びｎ型半導体と、
上記低温側端部に配設される低温側熱交換部と、
上記高温側端部に配設される高温側熱交換部とを有してなり、
上記熱電モジュールでは、断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とが電気的に接続されており、
上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子が構成されており、上記ピーク温度が高い分割熱電素子を構成する上記各半導体が、上記排気管部に近づけて配置されており、
かつ、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体との組み合わせが、上記排気管部の長手方向に沿って２層以上積層されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変更してあることを特徴とする排熱回収装置にある（請求項１）。
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる空間である排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体及びｎ型半導体と、
上記低温側端部に配設される低温側熱交換部と、
上記高温側端部に配設される高温側熱交換部とを有してなり、
上記熱電モジュールでは、断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とが電気的に接続されており、
上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子が構成されており、上記ピーク温度が高い分割熱電素子を構成する上記各半導体が、上記排気管部に近づけて配置されており、
かつ、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体との組み合わせが、上記排気管部の長手方向に沿って２層以上積層されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変更してあることを特徴とする排熱回収装置にある（請求項１）。
上記第１の発明の排熱回収装置における上記熱電モジュールは、上記断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを交互に積層したものである。そのため、上記熱電モジュールでは、上記断熱支持部材により、上記高温側端部と上記低温側端部との間の空気の対流を防止できる。それ故、上記高温側端部と上記低温側端部との温度差を高く維持して、排熱の回収効率を一層高めることができる。
このように、本発明の排熱回収装置は、排熱の回収効率が高く、かつ、電気的な信頼性が高い優れた特性を有するものとなる。
本発明の排熱回収装置における上記熱電モジュールは、上記のごとく温度差を電気に変換する熱電素子を有している。この熱電素子としては、ｎ型半導体とｐ型半導体を組み合わせて構成された公知の熱電素子を適用することができる。
また、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部は、表面積の大きいフィン形状を呈していることが好ましい。さらに、上記断熱支持部材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。さらにまた、上記排気管部内には、例えば、排気ガスを流通する配管等を、上記高温側熱交換部と近接して配置することもできる。
また、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部は、表面積の大きいフィン形状を呈していることが好ましい。さらに、上記断熱支持部材としては、例えば、シリカアルミナ系ファイバー、その他の様々な断熱材を用いることができる。さらにまた、上記排気管部内には、例えば、排気ガスを流通する配管等を、上記高温側熱交換部と近接して配置することもできる。
さらに、上記高温側端部及び上記低温側端部において、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを電気的に接続する上記電極部材としては、積層体としての上記熱電モジュールの外周面に配設しても良く、上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体との間に上記断熱支持部材と並列して積層しても良い。特に、上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体との間に、上記断熱支持部材と共に上記電極部材を積層した場合には、上記各半導体の積層面に上記電極部材との電気的な接点を設けることができる。それ故、上記熱電モジュールでは、電気的な信頼性を確保するのが容易となる。
また、上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子が構成されており、上記ピーク温度が高い分割熱電素子を構成する上記各半導体が、上記排気管部に近づけて配置されている。
これにより、最大熱電効率が得られるピーク温度が高い上記分割熱電素子を構成する上記各半導体を、上記排気管部に近づけて配置することで、各分割熱電素子の特性をより効率よく発揮させることができ、エネルギー回収効率を高めることができる。
これにより、最大熱電効率が得られるピーク温度が高い上記分割熱電素子を構成する上記各半導体を、上記排気管部に近づけて配置することで、各分割熱電素子の特性をより効率よく発揮させることができ、エネルギー回収効率を高めることができる。
また、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体との組み合わせが、上記排気管部の長手方向に沿って２層以上積層されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変更してある。
この場合には、上記熱電モジュールは、上記排気ガスの温度が上流側ほど高いという温度分布に対応して、上記各分割熱電素子の径方向の厚さ比（Ａ／Ｂ）を変更したものとなる。それ故、上記熱電モジュールを構成する上記各分割熱電素子を、高効率が得られる適正な温度域で使用でき、その排熱回収の効率をさらに高めることができる。
また、上記ｎ型半導体、上記ｐ型半導体及び上記断熱支持部材は、それぞれ、内周部に貫通穴を設けた環状をなし、上記排気管部は、上記各貫通穴が相互に連通するように積層した上記ｎ型半導体、上記ｐ型半導体及び上記断熱支持部材の内周側に形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記排気管部を流動する排気ガスの排熱を、上記熱電素子に直接的に伝達可能な構造を実現できる。そのため、上記排熱回収装置は、エネルギー回収効率の高いものとなる。
この場合には、上記排気管部を流動する排気ガスの排熱を、上記熱電素子に直接的に伝達可能な構造を実現できる。そのため、上記排熱回収装置は、エネルギー回収効率の高いものとなる。
また、上記電極部材は、上記断熱支持部材の外表面の一部に配設した導電層であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記断熱支持部材の外表面に配設した上記導電層よりなる上記電極部材を介して、隣り合わせて積層した上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体とを確実性高く電気的に接続できる。
この場合には、上記断熱支持部材の外表面に配設した上記導電層よりなる上記電極部材を介して、隣り合わせて積層した上記ｐ型半導体と上記ｎ型半導体とを確実性高く電気的に接続できる。
また、上記電極部材は、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを電気的に接続する上記電極部材としての上記各熱交換部を介して、効率良く熱交換することができる。これにより、上記各半導体から外部へ至る熱抵抗を抑制して、排熱の回収効率をさらに向上することができる。
この場合には、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを電気的に接続する上記電極部材としての上記各熱交換部を介して、効率良く熱交換することができる。これにより、上記各半導体から外部へ至る熱抵抗を抑制して、排熱の回収効率をさらに向上することができる。
また、上記高温側熱交換部は、上記排気管部の内部に突出していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記排気ガスと上記高温側熱交換部との間の熱交換を促進して、上記排熱回収装置による排熱の回収効率を向上することができる。
この場合には、上記排気ガスと上記高温側熱交換部との間の熱交換を促進して、上記排熱回収装置による排熱の回収効率を向上することができる。
（参考例１）
本発明の参考例に係る排熱回収装置につき、図１〜図１１を用いて説明する。
本例の排熱回収装置１は、図１及び図２に示すごとく、内燃機関６の排気ガスを通す排気経路１０と、該排気経路１０中に配設した熱電モジュール２とを有するものである。
熱電モジュール２は、図３及び図４に示すごとく、排気ガスを流通させる排気管部２０と、高温側端部２１と低温側端部２２との温度差を電気に変換する熱電素子３を構成するｐ型半導体３ｐ及びｎ型半導体３ｎと、熱電モジュール２の低温側端部２２に配設される低温側熱交換部２２０と、熱電モジュール２の高温側端部２１に配設される高温側熱交換部２１０とを有してなる。
本発明の参考例に係る排熱回収装置につき、図１〜図１１を用いて説明する。
本例の排熱回収装置１は、図１及び図２に示すごとく、内燃機関６の排気ガスを通す排気経路１０と、該排気経路１０中に配設した熱電モジュール２とを有するものである。
熱電モジュール２は、図３及び図４に示すごとく、排気ガスを流通させる排気管部２０と、高温側端部２１と低温側端部２２との温度差を電気に変換する熱電素子３を構成するｐ型半導体３ｐ及びｎ型半導体３ｎと、熱電モジュール２の低温側端部２２に配設される低温側熱交換部２２０と、熱電モジュール２の高温側端部２１に配設される高温側熱交換部２１０とを有してなる。
上記熱電モジュール２では、断熱支持部材４を介設して、排気管部２０の長手方向に沿ってｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとを交互に積層してなる。また、高温側端部２１及び低温側端部２２では、電極部材３０１、３０２を介してｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとが電気的に接続されている。
以下に、この内容について詳しく説明する。
以下に、この内容について詳しく説明する。
本例の排熱回収装置１は、図１及び図２に示すごとく、自動車のエンジン６の排気経路６１中に組み込まれた装置であり、上記のごとく、排気経路６１に接続される排気経路１０と熱電モジュール２とよりなる。なお、本例の排熱回収装置１では、排気経路１０の一部を、複数の熱電モジュール２の排熱管部２０によって構成してある。
熱電モジュール２は、図３〜図５に示すごとく、略円環平板状のｎ型半導体３ｎと、略円環平板状のｐ型半導体３ｐと、略円環平板状の断熱支持部材４とを、交互に積層した積層構造を呈するものである。そして、この熱電モジュール２の内周側には、排気ガスを流動させる排気管部２０を形成してある。
熱電モジュール２では、断熱支持部材４及び電極部材３０１、３０２（本例では、上記のようにスパッタ膜。以下適宜、スパッタ膜３０１、３０２と記載。）と、その両面側に積層したｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとの組み合わせにより熱電素子３の最小単位が形成されている。そして、本例の熱電モジュール２では、上記の組み合わせを、排気管部２０の長手方向に複数、積層したものである。
断熱支持部材４は、電気的な絶縁性の高いシリカアルミナ系のファイバーを略円環平板状に形成したものである。この断熱支持部材４としては、材質銅或いはＳＶＳよりなる高温側熱交換部２１０を内周側に嵌合した第１の断熱支持部材４１と、材質銅或いはＳＶＳよりなる低温側熱交換部２２０を外周側に嵌合した第２の断熱支持部材４２とがある。そして、本例では、ｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとを電気的に接続する電極部材３０１、３０２として、断熱支持部材４１、４２の外表面の一部にスパッタ膜（以下、適宜、スパッタ膜３０１、３０２と記載する。）を形成してある。
第１の断熱支持部材４１では、その両側面の外周縁部及び外周面に、導電性材料である白金をスパッタリングにより成膜してなるスパッタ膜３０１を形成してある。また、第２の断熱支持部材４２では、その両側面の内周縁部及び内周面に、導電性材料である白金をスパッタリングにより成膜してなるスパッタ膜３０２を形成してある。ここで、上記各断熱支持部材４の外周面及び両側面の一部に形成したスパッタ膜３０１、３０２は、上記のように、熱電素子３のｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとを電気的に接続する上記電極部材として機能する。
高温側熱交換部２１０は、略リング状を呈する部材である。そして、その外周形状は、上記第１の断熱支持部材４１の内周形状に略一致しており、該第１の断熱支持部材４１の内周側に嵌合可能なようにしてある。また、内周形状は、中心に向けて突出すると共に排気管部２０の長手方向に沿って延びる尾根形状を呈するリブ２１５を、周方向に複数形成した形状を呈する。このリブ２１５は、吸熱フィンとして機能し、熱交換効率の向上に役立つものである。
なお、本例の高温側熱交換部２１０の各リブ２１５の表面に白金、パラジウム、ロジウム等よりなる触媒（図示略）を担持することもできる。この場合には、排ガスに触媒が反応して活性化する際の発熱により、さらに高温の熱を取り込むことができる。
なお、本例の高温側熱交換部２１０の各リブ２１５の表面に白金、パラジウム、ロジウム等よりなる触媒（図示略）を担持することもできる。この場合には、排ガスに触媒が反応して活性化する際の発熱により、さらに高温の熱を取り込むことができる。
また、低温側熱交換部２２０は、内周側に、上記第２の断熱支持部材４２の外形状に略一致した略円形状の穴を設けてなり、該第２の断熱支持部材４２の外周側に嵌合するように構成した略正方形状を呈する部材である。
なお、本例では、隣り合って積層したｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとが各熱交換部２１０、２２０を介して電気的に短絡しないよう、各熱交換部２１０、２２０の外表面のうちの少なくとも両側面（積層面）には、電気的絶縁を図ると共に熱電導性を維持するためのアルミナ溶射膜（図示略）を形成してある。
なお、本例では、隣り合って積層したｎ型半導体３ｎとｐ型半導体３ｐとが各熱交換部２１０、２２０を介して電気的に短絡しないよう、各熱交換部２１０、２２０の外表面のうちの少なくとも両側面（積層面）には、電気的絶縁を図ると共に熱電導性を維持するためのアルミナ溶射膜（図示略）を形成してある。
熱電モジュール２は、図３〜図５に示すごとく、低温側熱交換部２２０を外挿した第２の断熱支持部材４１と、ｐ型半導体３ｐと、高温側熱交換部２１０を内挿した第１の断熱支持部材４２と、ｎ型半導体３ｎとを、この積層順を維持しながら４６セット積層したものである。
この熱電モジュール２では、各半導体３ｐ、３ｎは、その高温側端部２１が、隣接する第２の断熱支持部材４１の内周縁部及び内周面に形成したスパッタ膜３０２と当接すると共に、その低温側端部２２が、積層方向反対側の第１の断熱支持部材４１の外周縁部及び外周面に形成したスパッタ膜３０１と当接する。一方、各断熱支持部材４４の積層面のうちスパッタ膜３０１、３０２を形成してない部分及び、アルミナ溶射膜を形成した各熱交換部２１０、２２０の積層面に当たる両側面は、電気的な絶縁性が確保されている。
したがって、熱電モジュール２では、第２の断熱支持部材４２のスパッタ膜３０２とｐ型半導体３ｐの高温側端部２１との電気的な接点を経て、ｐ型半導体３ｐの内部を通り、その低温側端部２２と第１の断熱支持部材４１のスパッタ膜３０１との電気的な接点を経て、ｎ型半導体３ｎの内部を通って、該ｎ型半導体３ｎの高温側端部２１と第２の断熱支持部材４２のスパッタ膜３０２との電気的な接点を経て、再び、別のｐ型半導体３ｐの高温側端部２１に至るという一方向の電気的な経路が形成される。
さらに、本例の熱電素子３は、図３に示すごとく、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる２つの分割熱電素子により構成した。具体的には、ピーク温度が高い熱電素子を構成するｐ型半導体３１ｐ及びｎ型半導体３１ｎの組み合わせが、熱電モジュール２における径方向内方、すなわち、排気管部２０側に近づけて配置され、ピーク温度が低い熱電素子を構成するｐ型半導体３２ｐ及びｎ型半導体３２ｎの組み合わせが、熱電モジュール２における径方向外方、すなわち、排気管部２０から離れて配置されている。
なお、本例では、高温用の熱電素子を構成するｎ型半導体３１ｎとしてＣｏＳｂを、ｐ型半導体３１ｐとしてＺｎＳｂを用いた。また、低温用の熱電素子を構成するｎ型半導体３２ｎとしてＢｉ2Ｔｅ3を、ｐ型半導体３２ｐとしてＢｉ2Ｔｅ3を用いた。
なお、本例では、高温用の熱電素子を構成するｎ型半導体３１ｎとしてＣｏＳｂを、ｐ型半導体３１ｐとしてＺｎＳｂを用いた。また、低温用の熱電素子を構成するｎ型半導体３２ｎとしてＢｉ2Ｔｅ3を、ｐ型半導体３２ｐとしてＢｉ2Ｔｅ3を用いた。
ここで、上記熱電モジュール２の構造をさらに詳しく説明すると共に、作る手順を簡単に説明する。
まず、外周面及び両側面の外周縁部にスパッタ膜３０１を形成した第１の断熱支持部材４１と、両側面にアルミナ溶射膜を形成した高温側熱交換部２１０とを組み合わせた略円環平板状の部品を準備する。そして、円盤状に回転させた上記略円環平板状の部品の表面における径方向所定の位置から内周側に拡がる範囲に、ｐ型半導体３１ｐを形成するＺｎＳｂを溶射した。その後、上記該所定の位置から外周縁部までの範囲に、ｐ型半導体３２ｐを形成するＢｉ2Ｔｅ3を溶射した。
まず、外周面及び両側面の外周縁部にスパッタ膜３０１を形成した第１の断熱支持部材４１と、両側面にアルミナ溶射膜を形成した高温側熱交換部２１０とを組み合わせた略円環平板状の部品を準備する。そして、円盤状に回転させた上記略円環平板状の部品の表面における径方向所定の位置から内周側に拡がる範囲に、ｐ型半導体３１ｐを形成するＺｎＳｂを溶射した。その後、上記該所定の位置から外周縁部までの範囲に、ｐ型半導体３２ｐを形成するＢｉ2Ｔｅ3を溶射した。
その後、上記積層部品２０ａの裏面に、溶射処理を実施する。上記と同様に回転させた上記積層部品２０ａの裏面における径方向所定の位置から内周縁部までの範囲に、ｎ型半導体３１ｎを形成するＣｏＳｂを溶射した。上記該所定の位置から外周側に拡がる範囲には、ｎ型半導体３２ｐを形成するＢｉ2Ｔｅ3を溶射した。
上記のように溶射処理を行うことで、図６に示すごとく、高温側熱交換部２１０を内挿した第１の断熱支持部材４１の両側面に各半導体を配設した積層部品２０ａを得る。この積層部品２０ａの表面では、その内周側にＺｎＳｂよりなるｐ型半導体３１ｐが形成され、その外周側にＢｉ2Ｔｅ3よりなるｐ型半導体３２ｐが形成されている。さらに、積層部品２０ａの裏面では、その内周側にＣｏＳｂよりなるｎ型半導体３１ｎが形成され、その外周側にＢｉ2Ｔｅ3よりなるｎ型半導体３２ｎが形成される。
なお、上記溶射処理においては、ｐ型半導体３１ｐ（ｎ型半導体３１ｎ）とｐ型半導体３２ｐ（ｎ型半導体３２ｎ）との境界部においては、徐々に材質を変更して上記境界部の径方向の厚さを厚くしても良く、上記境界部の径方向の厚さを薄くして径方向に材質が急変するようにしても良い。
なお、上記溶射処理においては、ｐ型半導体３１ｐ（ｎ型半導体３１ｎ）とｐ型半導体３２ｐ（ｎ型半導体３２ｎ）との境界部においては、徐々に材質を変更して上記境界部の径方向の厚さを厚くしても良く、上記境界部の径方向の厚さを薄くして径方向に材質が急変するようにしても良い。
一方、この積層部品２０ａと共に積層する積層部品２０ｂ（図７）として、内周面及び両側面の内周縁部にスパッタ膜３０２を形成した第２の断熱支持部材４２と、絶縁膜としてのアルミナ溶射膜を両側面に形成した低温側熱交換部２２０とを組み合わせる。
そして、本例では、上記積層部品２０ａと上記積層部品２０ｂとを交互に４６層積層して熱電モジュール２を得た。なお、積層部品２０ａと積層部品２０ｂを積層するに当たっては、高温用銀ペーストを用いて上記各積層部品２０ａ、２０ｂを接合した。
そして、本例では、上記積層部品２０ａと上記積層部品２０ｂとを交互に４６層積層して熱電モジュール２を得た。なお、積層部品２０ａと積層部品２０ｂを積層するに当たっては、高温用銀ペーストを用いて上記各積層部品２０ａ、２０ｂを接合した。
以上のように得た熱電モジュール２を含む排熱回収装置１の構成及び作動について説明する。
上記排熱回収装置１では、図１に示すごとく、上記各熱電モジュール２の熱電素子３と電気的に接続した一対のリード線１４は、変換回路１７を介してバッテリ１６に接続してある。また、変換回路１７は、ＥＣＵ１８に電気的に接続され、ＥＣＵ１８の指示に基づいて回路を切り替えて、上記熱電モジュール２の発電モードを適切なタイミングで実行するように構成してある。なお、熱電モジュール２の発電モードとは、熱電素子３の高温側端部２１と低温側端部２２との温度差を電気に変換する動作を行うモードをいう。
上記排熱回収装置１では、図１に示すごとく、上記各熱電モジュール２の熱電素子３と電気的に接続した一対のリード線１４は、変換回路１７を介してバッテリ１６に接続してある。また、変換回路１７は、ＥＣＵ１８に電気的に接続され、ＥＣＵ１８の指示に基づいて回路を切り替えて、上記熱電モジュール２の発電モードを適切なタイミングで実行するように構成してある。なお、熱電モジュール２の発電モードとは、熱電素子３の高温側端部２１と低温側端部２２との温度差を電気に変換する動作を行うモードをいう。
そして、本例では、上記ＥＣＵ１８の指示によって、温度センサ１９が測定した排気ガスの温度が所定の温度以上である場合に、熱電素子３による発電を行う発電モードを実施するように構成した。なお、上記所定の温度は、触媒装置６２の触媒成分が活性化状態となる温度に対応したものである。
すなわち、本例の排熱回収装置１は、熱電モジュール２の下流にある触媒装置６２が活性状態まで昇温していない場合には、熱電モジュール２による発電を実施しない。一方、熱電モジュール２の下流にある触媒装置６２が十分に活性な状態にある場合には、上記熱電モジュール２の熱電素子３に発電を実施させる。これにより、排気ガスの温度をある程度低下させることにより触媒装置６２が必要以上に昇温することを抑制でき、安定した浄化性能を維持することができる。
以上のように、本例の排熱回収装置１では、上記熱電モジュール２の内周側に形成された排気管部２０を流通する排気ガスと、その外周側を取り巻くように配設した熱電素子３との間で直接的な熱交換を実現できる。それ故、本例の排熱回収装置１では、排熱の回収効率を向上できる。
さらに、上記熱電モジュール２を構成する熱電素子３は、上記のごとく、高温側の分割熱電素子３１ｐ、３１ｎと低温型の分割熱電素子３２ｐ、３２ｎとを排気管部３０の外周側で径方向に積層してなる。すなわち、上記熱電モジュール２では、高温側熱交換部２１０と低温側熱交換部２２０との間の大きな温度差を、ピーク温度が異なる上記２種の温度特性の分割熱電素子によってカバーしている。そのため、熱電モジュール２では、その熱電素子を構成する各分割熱電素子を、効率良く適用することができる。それ故、本例の排熱回収装置１は、排気ガスの排熱の回収効率が高い優れた特性を有するものとなる。
なお、熱電素子３を構成する各半導体３ｐ、３ｎ、或いは、断熱支持部材４、高温側熱交換部２１０、低温側熱交換部２２０には、周方向に分割するスリットを設けることもできる。この場合には、熱膨張や熱収縮等による変形応力を、上記スリットにより吸収して上記各部材の内部に発生する応力を抑制することができる。
さらに、図８に示すごとく、熱電モジュール２を構成する各断熱支持部材４１、４２の外表面にスパッタ膜（図４中の符号３０１、３０２。）を省略し、これに換えて、高温側熱交換部２１０及び低温側熱交換部２２０を電極部材として利用することもできる。この場合には、上記各熱交換部２１０、２２０と各半導体素子３ｎ、３ｐとの間の絶縁被膜である上記アルミナ溶射膜を廃止し、熱伝達効率をさらに向上できる。そして、上記熱電モジュールとしては、さらにエネルギー回収効率を向上することができる。
さらになお、上記熱電モジュールの断面形状としては、本例の円形状に限定されるものではなく、図９に示すごとく、多角形等の様々な形状とすることができる。同図では、周方向等間隔の７本のスリット２０９により、８つのピースに分割された各部材により断面８角形状を構成した。
さらに、図１０に示すごとく、略正方形状の高温側熱交換部に代えて、略円形平板状の高温側熱交換部２２０を形成すると共に、低温側熱交換部のリブ２１５を、排気管部２０の中心に向かって突出する４片の突出片状のものとしても良い。またさらに、図１１に示すごとく、平板状の高温側熱交換部に代えて、外周径方向に突出する突出片状のフィン２２５を形成することもできる。
（参考例２）
本例は、参考例１の排熱回収装置を基にして、熱電モジュール２の製造方法を変更した例である。この内容について、図６、図７、図１２及び図１３を用いて説明する。
本例では、図１２に示すごとく、予め、略円環平板状を呈する各半導体３１ｐ、３２ｐ（３１ｎ、３２ｎ）を準備しておき、これらを組み合わせて図１３に示す半導体３ｐ（３ｎ）を得る。その後、各断熱支持部材４１、４２と、半導体３ｐ、３ｎとを積層して熱電モジュールを得た。
本例は、参考例１の排熱回収装置を基にして、熱電モジュール２の製造方法を変更した例である。この内容について、図６、図７、図１２及び図１３を用いて説明する。
本例では、図１２に示すごとく、予め、略円環平板状を呈する各半導体３１ｐ、３２ｐ（３１ｎ、３２ｎ）を準備しておき、これらを組み合わせて図１３に示す半導体３ｐ（３ｎ）を得る。その後、各断熱支持部材４１、４２と、半導体３ｐ、３ｎとを積層して熱電モジュールを得た。
ここで、図１２に示す各半導体３１ｐ、３２ｐ、３１ｎ、３２ｎとしては、焼成により直接的に所望の形状を得るのも良いし、焼成後の機械加工により所望の形状を実現することも良い。また、図１３に示すごとく、半導体３１ｐ（３１ｎ）と半導体３２ｐ（３２ｎ）とを組み合わせるに当たっては、両者を直接的に当接させることも良いし、銀ペーストなどの導電性ペースト材料を介して両者を当接させることもできる。
その後、図６に示すごとく、高温側熱交換部２１０を内挿した第１の断熱支持部材４１の両面に、略円環平板状の半導体３ｐと半導体３ｎとを接合して積層部品２０ａを得る。
そして、積層部品２０ａと、第２の断熱支持部材４２に低温側熱交換部２２０を外挿した積層部品２０ｂ（図７）とを所定の枚数、交互に積層することで参考例１と同様の熱電モジュールを得る。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例１と同様である。
そして、積層部品２０ａと、第２の断熱支持部材４２に低温側熱交換部２２０を外挿した積層部品２０ｂ（図７）とを所定の枚数、交互に積層することで参考例１と同様の熱電モジュールを得る。
なお、その他の構成及び作用効果については参考例１と同様である。
（実施例１）
本例は、参考例１の熱電モジュールを基にして、分割熱電素子の構成を変更した例である。この内容について、図１４及び図１５を用いて説明する。
本例の熱電モジュール２では、図１４（Ａ）及び図１５に示すごとく、高温側端部２１の分割熱電素子である高温素子３１ｐ、３１ｎの径方向の厚さＡ（図１５）と、低温側端部２２の分割熱電素子である低温素子３２ｐ、３２ｎの径方向の厚さＢ（図１５）との比（Ａ／Ｂ）を、排気管部２０の長手方向に応じて変更してある。
本例は、参考例１の熱電モジュールを基にして、分割熱電素子の構成を変更した例である。この内容について、図１４及び図１５を用いて説明する。
本例の熱電モジュール２では、図１４（Ａ）及び図１５に示すごとく、高温側端部２１の分割熱電素子である高温素子３１ｐ、３１ｎの径方向の厚さＡ（図１５）と、低温側端部２２の分割熱電素子である低温素子３２ｐ、３２ｎの径方向の厚さＢ（図１５）との比（Ａ／Ｂ）を、排気管部２０の長手方向に応じて変更してある。
すなわち、図１４（Ｂ）に示すごとく、排気管部２０の長手方向の各位置における排気ガスの温度Ｔは、最も上流側のａ端が最も高温であり、下流に行くに従って、排ガスの温度は低下し、最も下流側のｂ端において最も低い温度となる。そこで、本例では、図１４（Ｃ）に示すごとく、高温素子の径方向厚さＡと、低温素子の径方向厚さＢとの比（Ａ／Ｂ）を、排気管部２０の長手方向の位置に応じて変更してある。
本例では、図１４（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、熱電モジュール２のａ端に近づき、排気ガスの温度Ｔが高くなるほど、上記厚さ比（Ａ／Ｂ）を大きくして、高温素子３１ｐ、３１ｎの径方向の厚みを厚くしてある。一方、熱電モジュール２のｂ端に近づき、排気ガスの温度Ｔが低くなるほど、上記厚さ比（Ａ／Ｂ）を小さくして、低温素子３２ｐ、３２ｎの径方向の厚みを厚くしてある。なお、同図では、熱電モジュール２のｂ端では、厚さ比（Ａ／Ｂ）をゼロとし、低温素子３２ｐ、３２ｎのみよりなる熱電素子３を設けた。
上記の場合には、高温側熱交換部２１０が接する排気ガスの温度に応じてより効率のよい排熱回収を行うことができる。
なお、その他の構成及び、作用効果については、参考例１と同様である。
さらになお、熱電モジュール２を構成するのに必要となる部品種類を少なくするためには、熱電モジュール２の長手方向を数セクションに分割し、各セクション内では、上記厚さの比（Ａ／Ｂ）を同一の値することが有効である。
なお、その他の構成及び、作用効果については、参考例１と同様である。
さらになお、熱電モジュール２を構成するのに必要となる部品種類を少なくするためには、熱電モジュール２の長手方向を数セクションに分割し、各セクション内では、上記厚さの比（Ａ／Ｂ）を同一の値することが有効である。
１ 排熱回収装置
２ 熱電モジュール
２０ 排気管部
２１ 高温側端部
２２ 低温側端部
２１０ 高温側熱交換部
２２０ 低温側熱交換部
３ 熱電素子
３ｐ ｐ型半導体
３ｎ ｎ型半導体
４ 断熱支持部材
４１ 第１の断熱支持部材
４２ 第２の断熱支持部材
６ 内燃機関
６１ 排気経路
６２ 触媒装置
２ 熱電モジュール
２０ 排気管部
２１ 高温側端部
２２ 低温側端部
２１０ 高温側熱交換部
２２０ 低温側熱交換部
３ 熱電素子
３ｐ ｐ型半導体
３ｎ ｎ型半導体
４ 断熱支持部材
４１ 第１の断熱支持部材
４２ 第２の断熱支持部材
６ 内燃機関
６１ 排気経路
６２ 触媒装置
Claims (5)
- 内燃機関の排気ガスを通す排気経路と、該排気経路中に配設した熱電モジュールとを有する排熱回収装置であって、
上記熱電モジュールは、上記排気ガスを流通させる空間である排気管部と、
高温側端部と低温側端部との温度差を電気に変換する熱電素子を構成するｐ型半導体及びｎ型半導体と、
上記低温側端部に配設される低温側熱交換部と、
上記高温側端部に配設される高温側熱交換部とを有してなり、
上記熱電モジュールでは、断熱支持部材を介設して、上記排気管部の長手方向に沿って上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とを交互に積層してなり、上記高温側端部及び上記低温側端部では、電極部材を介して上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体とが電気的に接続されており、
上記熱電モジュールでは、最大熱電効率が得られるピーク温度が異なる複数の分割熱電素子を組み合わせて上記熱電素子が構成されており、上記ピーク温度が高い分割熱電素子を構成する上記各半導体が、上記排気管部に近づけて配置されており、
かつ、上記熱電モジュールでは、上記ｎ型半導体と上記ｐ型半導体との組み合わせが、上記排気管部の長手方向に沿って２層以上積層されており、上記ピーク温度が最も高い上記分割熱電素子である高温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＡと、上記ピーク温度が最も低い低温素子を構成する上記各半導体の径方向の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が、上記排気管部の上流側ほど大きくなるよう各熱電素子の構成を変更してあることを特徴とする排熱回収装置。 - 請求項１において、上記ｎ型半導体、上記ｐ型半導体及び上記断熱支持部材は、それぞれ、内周部に貫通穴を設けた環状をなし、上記排気管部は、上記各貫通穴が相互に連通するように積層した上記ｎ型半導体、上記ｐ型半導体及び上記断熱支持部材の内周側に形成されていることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項１又は２において、上記電極部材は、上記断熱支持部材の外表面の一部に配設した導電層であることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項１〜３のいずれか１項において、上記電極部材は、上記高温側熱交換部及び上記低温側熱交換部であることを特徴とする排熱回収装置。
- 請求項１〜４のいずれか１項において、上記高温側熱交換部は、上記排気管部の内部に突出していることを特徴とする排熱回収装置。
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