JP2009278767A - 熱交換器、熱電発電装置、及び、熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱構造体に生じる熱応力を低減することが可能な熱交換器、熱電発電装置、及び、熱交換器の製造方法を提供すること。
【解決手段】セラミック製の伝熱フィンを有する伝熱構造体１２を管路内に設け、この伝熱構造体１２を、複数の伝熱フィンユニット１３として、管路の軸線周りである軸周方向Ｙに複数に分割配置することで、伝熱フィンユニット１３同士の拘束力を緩和させることで、伝熱構造体１２に生じる応力を緩和させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器、熱電発電装置、及び、熱交換器の製造方法に関するものである。

従来、このような分野の技術として、内燃機関から排出された排気熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の熱電発電装置では、内燃機関の排気管路内に、セラミック製のハニカム構造体（伝熱構造体）を配置し、この伝熱構造体によって、排気熱エネルギを排気管へ伝達している。
特開２００５−２２３１３１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、伝熱構造体に大きな熱応力が生じる虞があり、熱応力の低減が求められている。また、熱応力の発生を低減することが可能な伝熱構造体を製造する方法が求められている。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、伝熱構造体に生じる熱応力を低減することが可能な熱交換器、及びこれを備えた熱電発電装置を提供すること目的とする。

また、本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、熱応力の発生を低減することが可能な熱交換器を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、伝熱フィンを有する伝熱構造体を管路内に備え、当該管路内の流体の熱エネルギを、伝熱構造体を介して管路の外壁に伝達する熱交換器であって、伝熱構造体は、伝熱フィンを有する複数の伝熱フィンユニットとして、管路の軸線周り方向である軸周方向に複数に分割して配置されていることを特徴としている。

また、本発明の熱電発電装置は、上記熱交換器と、当該熱交換器によって伝達された熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電素子と、を備えることを特徴としている。

このように構成された熱交換器、及びこれを備える熱電発電装置によれば、伝熱構造体が、複数の伝熱フィンユニットとして、軸周方向に複数に分割されて配置されているため、伝熱フィンユニット同士の拘束力を緩和させることで、伝熱構造体に生じる応力を低減することができる。ここで、伝熱構造体は、軸周方向と交差する半径方向において分割されていないことが好ましい。このように、伝熱方向である半径方向において分割されていない伝熱構造体を用いることで、伝熱効率を向上させることができる。

また、伝熱構造体の外壁を構成し伝熱フィンより厚肉とされた天板部材を備え、天板部材は、軸周方向において伝熱構造体の分割位置である伝熱フィンユニットの端部と同じ位置で分割された複数の天板部材ユニットによって構成され、軸周方向において隣接する天板部材ユニット同士は、当該天板部材ユニットに作用する応力を緩和可能な緩衝層を介して接合されていることが好ましい。これにより、天板部材が伝熱フィンより厚肉であるため、強度が大きい天板部材によって大きな荷重を受けることができ、天板部材より強度が小さい伝熱フィンに大きな応力が発生することが防止される。また、天板部材が、軸周方向において伝熱構造体の分割位置である伝熱フィンユニットの端部と同じ位置で分割された複数の天板部材ユニットによって構成されているため、伝熱フィンユニット及び天板部材ユニットを一体としたユニットとして製造することができ、熱交換器の組み立てが容易となる。また、天板部材ユニット同士が、緩衝層を介して接合されているため、天板部材ユニットに生じた応力を緩和することができる。なお、伝熱フィンは、天板部材の内側に接合されている構成が挙げられる。

また、軸周方向において隣接する伝熱フィンユニット同士は、当該伝熱フィンユニットに作用する応力を緩和可能な緩衝層を介して接合されていることが好ましい。これにより、緩衝層によって、伝熱フィンユニットに生じた応力を緩和することができる。また、熱交換器の伝熱方向に緩衝層（伝熱構造体と比較して熱伝導の悪い部分）を介在させない構造とすることで、伝熱効率を向上させることができる。

また、天板部材から管路の内側へ突出し、伝熱フィンより厚肉とされ伝熱フィンユニットを支持する突出部を有する構成としてもよい。例えば、管路の軸線方向から見て、天板部材ユニットをＴ字形として、突出部を形成してもよい。このように、厚肉とされた突出部を天板部材の内面側に形成することで、この突出部によって、伝熱フィンユニットを支持することができ、伝熱構造体の強度を向上させることができる。また、厚肉とされた突出部を介して伝熱することで、天板部材への伝熱効率を向上させることができる。

また、伝熱構造体は、セラミック製であることが好ましく、多孔質体であるセラミック製であることがより好ましい。これにより、伝熱構造体の弾性率を低下させ、熱変形、応力集中を緩和させることができる。また、天板部材もセラミック製であることが好ましく、多孔質体であるセラミック製であることがより好ましい。

また、本発明の伝熱構造体の製造方法は、伝熱フィンを有する複数の伝熱フィンユニットを管路の軸線周りである軸周方向に配置した伝熱構造体を備えた熱交換器を製造する方法であって、ハニカム構造体である伝熱フィンユニットを成形する伝熱フィンユニット成形工程と、伝熱フィンユニット成形工程によって成形された伝熱フィンユニットを焼成する伝熱フィンユニット焼成工程と、伝熱フィンユニット焼成工程によって焼成された伝熱フィンユニットを軸周方向に配置して伝熱構造体を組み立てる組み立て工程と、を備えることを特徴としている。

このような熱交換器の製造方法によれば、ハニカム構造体である複数の伝熱フィンユニットを軸周方向に配置して、伝熱構造体を組み立てるため、伝熱フィンユニット同士の拘束力を緩和させることで、伝熱構造体に生じる応力を低減することができる。

本発明の熱交換器、及びこれを備えた熱電発電装置によれば、伝熱構造体に生じる熱応力を低減し、装置の信頼性の向上を図ることができる。

また、本発明の熱交換器の製造方法によれば、熱応力の発生を低減することができ、信頼性の向上が図られた伝熱構造体を製造することができる。

以下、本発明による熱交換器、これを備えた熱電発電装置、及び熱交換器の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器を備えた熱電発電装置の縦断面図、図２は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器を備えた熱電発電装置の横断面図である。

本実施形態の熱電発電装置１は、例えば車両に搭載され、排気ガスからの熱エネルギを回収する回収器として利用される熱交換器（熱交換器）２を備え、内燃機関の排気管（排気通路）３に接続されて使用される。熱電発電装置１は、熱交換器２で回収した熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電素子４を備えている。

この熱電発電装置１には、排気管３に接続され、内燃機関からの排気ガスを熱交換器２に流入させる入口配管５、熱交換器２を通過した排気ガスを流出させる出口配管６が設けられている。入口配管５の熱交換器２側の端部中央には、頂部が流れ方向の前方に向けられたコーン部７が形成され、熱交換器２に流入する排気ガスの流れが外側に案内されて分岐される。一方、出口配管６の熱交換器２側の端部中央には、頂部が流れ方向の後方に向けられたコーン部８が形成され、熱交換器２から流出する排気ガスの流れが中央に案内されて集合される。

熱電発電素子４は、プレート状を成し、熱交換器２の外壁を構成すると共に排気通路の外壁を構成する天板部材９である高温部材と、内部流体として冷却媒体である冷却水が流通する低温部材１０との間に配置されている。また、熱電発電素子４及び低温部材１０は、弾性部材を有する押圧手段１１によって、熱交換器２側に押し付けられて保持されている。そして、熱電発電素子４の一方の面は、天板部材９である高温部材に密着し、熱電発電素子４の他方の面は、低温部材１０に密着し、高温部材９と低温部材１０との間の温度差を利用して発電する。

熱交換器２は、排気通路の外壁を構成すると共に当該熱交換器２の外壁を構成する天板部材９と、排気通路内に配置され、排気ガスの熱エネルギを天板部材９に伝達するハニカム構造を有する伝熱構造体（フィン部）１２とを備えている。また、天板部材９及び伝熱構造体１２は、セラミックによって形成され、高い熱伝導性、耐食性を有し軽量化が図られている。また、天板部材９及び伝熱構造体１２の外形は、管路の軸線Ｘと直交する方向に切った横断面において、正六角形を成している。なお、天板部材９及び伝熱構造体１２の外形は、その他の形状でもよく、例えば、円形、四角形、八角形等でもよい。また、伝熱構造体１２の外形と、天板部材１０の外形とが異なる形状であってもよい。

ここで、伝熱構造体１２及び天板部材１０は、図２に示すように、排気通路の軸線Ｘ周り方向である軸周方向Ｙに複数（本実施形態では６個）に分割して配置されている。伝熱構造体１２及び天板部材９は、軸周方向Ｙにおいて分割位置が同じとされ、本実施形態では、６等分とされている。なお、分割して配置された伝熱構造体１２を伝熱フィンユニット１３と記し、分割して配置された天板部材９を天板部材ユニット１４と記す。

図３は、伝熱フィンユニット及び天板部材ユニットを有するユニット部材を示す斜視図である。図３に示すように、伝熱フィンユニット１３及び天板部材ユニット１４は、台形状の外形を有し、一体化されてユニット部材１５を構成している。

このユニット部材１５は、台形状の外形を有し、伝熱フィンユニット１３の下底側の面に、天板部材ユニット１４の上底側の面が接合されている。そして、伝熱フィンユニット１３の軸周方向における側壁１３ａと、天板部材ユニット１４の軸周方向における側壁１４ａとは、連続する平坦面を形成している。そして、伝熱フィンユニット１３の側壁１３ａ及び天板部材ユニット１４の側壁１４ａは、ユニット部材１５の相対移動を可能とする平坦面を構成している。

伝熱フィンユニット１３は、格子状に配置された複数の伝熱フィン（壁体）１６を備えるハニカム構造を有している。このハニカム構造は、伝熱フィンユニット１３の上底側の面及び下底側の面と直交する方向Ｚに延在する第１の伝熱フィン１６ａと、伝熱フィンユニット１３の上底側の面及び下底側の面と平行（図示上下方向）であり、第１の伝熱フィン１６ａと直交する第２の伝熱フィン（軸周方向に延在する伝熱フィン）１６ｂと、を有している。そして、内部流体である排気ガスは、第１の伝熱フィン１６ａ及び第２の伝熱フィン１６ｂと接触しながら伝熱フィンユニット１３内を通過する。

また、軸周方向Ｙに延在する第２の伝熱フィン１６ｂの剛性は、軸周方向Ｙと交差する方向Ｚ（管路軸法線方向）に延在する第１の伝熱フィン１６ａの剛性より小さいことが好ましい。例えば、第２の伝熱フィン１６ｂの板厚を第１の伝熱フィン１６ａの板厚より薄くしてもよく、第２の伝熱フィン１６ｂに切欠き部を形成してもよい。これにより、ハニカム構造を有する伝熱フィンユニット１３において、第２の伝熱フィン１６ｂの剛性を、第１の伝熱フィン１６ａの剛性より小さくすることで、天板部材ユニット１４への伝熱において有効な第１の伝熱フィンに作用する応力を低減させる。例えば、第２の伝熱フィン１６ｂにクラックが生じるようにしてもよい。

天板部材ユニット１４の板厚（管路軸法線Ｚ方向の厚さ）は、伝熱フィン１６より厚肉とされている。このように、天板部材ユニット１４を伝熱フィン１６より厚肉とすることで、天板部材ユニット１４の強度を、伝熱フィン１６より大きくする。

また、伝熱フィンユニット１３は、接合層１７を介して、天板部材ユニット１４に接合されている。この接合層１７は、例えば、けい素（Ｓｉ）もしくは炭化けい素から成り、十分な密着強度を有し、伝熱フィンユニット１３及び天板部材ユニット１４間の界面熱抵抗は、十分小さくされている。

このように接合されて一体化されたユニット部材１５は、図２に示すように、軸周方向Ｙに複数配置され、横断面において環状に配置されて、伝熱構造体１２を構成している。また、伝熱構造体１２の分割位置は、伝熱構造体１２の中心から放射状にのみ形成されている。そして、ユニット部材１５は、隣接する側壁１３ａ，１４ａ同士が緩衝層１８を介して接合されている。この緩衝層１８は、例えば、けい素を含む無機接着剤、セラミック繊維を含有するマット部材等により構成することにより、隣接するユニット部材１５に伝達する応力を緩和することができ、伝熱構造体１２及び天板部材９に生じる応力を低減させることができる。

また、隣接する天板部材ユニット１４同士を接合する緩衝層１８の剛性は、隣接する伝熱フィンユニット１３同士を接合する緩衝層１８の剛性より大きいことが好ましく、これにより、天板部材ユニット１４より強度が小さい伝熱フィンユニット１３に大きな応力が発生することが防止される。例えば、緩衝層１８を構成する材料や、緩衝層１８の厚さを変化させることで、その剛性を変化させることができる。

また、熱電発電素子４、低温部材１０、及び押圧手段１１は、ユニット部材１５に対して、例えば１つずつ配置されている。

次に、このように構成された熱交換器２を製造する方法について説明する。図４は、本実施形態に係る熱交換器の製造工程を示す工程図である。本実施形態に係る熱交換器２を製造する方法では、まず、セラミック製のハニカム構造体である伝熱フィンユニット１３を成形する伝熱フィンユニット成形工程を行う（Ｓ１）。例えば、炭化けい素（ＳｉＣ）を主成分とするセラミックス原料粉末を、押し出し成形によって、薄肉の壁体である伝熱フィン１６が格子状に配置された伝熱フィンユニット（多孔体、ＤＦＰ用）１３に成形する。これにより、排気ガスが流れる貫通孔が軸線方向Ｚに沿って形成される。

続いて、伝熱フィンユニット成形工程によって成形された伝熱フィンユニット１３を焼成する伝熱フィンユニット焼成工程を行う（Ｓ２）。次に、伝熱フィンユニット焼成工程によって焼成された伝熱フィンユニット１３にＳｉを含浸させるＳｉ含浸工程（Ｓ３）を行う。

また、セラミック製の天板部材ユニット１４を成形する天板部材ユニット成形工程を行う（Ｓ４）。例えば、炭化けい素（ＳｉＣ）＋けい素（Ｓｉ）を主成分とするセラミックス原料粉末を用いて、押し出し成形を行い、緻密体である天板部材ユニット１４を成形する。続いて、天板部材ユニット成形工程によって成形された天板部材ユニット１４を焼成する天板部材ユニット焼成工程を行う（Ｓ５）。次に、天板部材ユニット焼成工程によって焼成された天板部材ユニット１４にＳｉを含浸させるＳｉ含浸工程（Ｓ４）を行う。

ステップ３，６のＳｉ含浸工程の後に、伝熱フィンユニット１３と天板部材ユニット１４とを接合する接合工程を行う（Ｓ７）。例えば、Ｓｉ又は炭化けい素を主成分とする接合層１７を介して、伝熱フィンユニット１３と天板部材ユニット１４とを接合して、ユニット部材１５を作成する。

次に、接合工程によって作成された複数のユニット部材１５を軸周方向Ｙに配置して、熱交換器２を組み立てる組立工程を行う（Ｓ８）。ここでは、例えば、無機ファイバー又はセラミック粒子を少なくとも含む緩衝層１８を介して、複数のユニット部材１５の側壁（傾斜面）同士を接合する。そして、外形が正六角形である熱交換器２を製造する。なお、複数の天板部材ユニット１４同士のみを接合し、複数の伝熱フィンユニット１３同士を接合しない構成としてもよい。

次に、熱交換器２を備えた熱電発電装置１の作用について説明する。本実施形態に係る熱交換器２を備えた熱電発電装置１では、図１に示すように、内燃機関から排出された排気ガスが排気管３、入口配管５内を流れ、伝熱構造体１２（伝熱フィンユニット１３）内に流入する。排気ガスの熱エネルギは、伝熱構造体１２の伝熱フィン１６によって吸熱される。そして、伝熱構造体１２内を通過した排気ガスは、出口配管６、排気管３内を流れ、系外に排出される。また、伝熱フィン１６に伝達された熱エネルギは、天板部材９（天板部材ユニット１４）に伝達され、熱電発電素子４に伝達される。熱電発電素子４は、天板部材ユニット１４及び低温部材１０の温度差を利用して発電する。

また、このような熱交換器２では、伝熱構造体１２が、図２に示すように、複数の伝熱フィンユニット１３として軸周方向Ｙにおいて分割して配置されているため、隣接する伝熱フィンユニット１３同士の拘束力を緩和することができる。そのため、伝熱構造体１２に生じる応力が緩和される。その結果、伝熱フィン１６に割れが発生する虞が低減され、信頼性の向上されたセラミック製の伝熱構造体１２を備えた熱交換器２を提供することができる。

また、天板部材ユニット１４の板厚が、伝熱フィン１６ａ，１６ｂの板厚より大きくされ、天板部材ユニット１４の内側に伝熱フィンユニット１３が接合されているため、伝熱フィン１６より強度が大きい天板部材ユニット１４によって荷重を受けることができ、天板部材９より強度が小さい伝熱フィン１６に生じる応力を低減させることができる。

また、天板部材９が、伝熱構造体１２の分割位置である伝熱フィンユニット１３の端部位置と同じ位置で分割された複数の天板部材ユニット１４によって構成されているため、伝熱フィンユニット１３及び天板部材ユニット１４を一体としたユニット部材１５として製造することが可能となり、熱交換器２の組み立てを簡素化すことができる。また、各ユニット部材１５が同じ形状とされているため、低コスト化を図ることができる。

また、本発明の熱交換器２の製造方法によれば、ハニカム構造体である複数の伝熱フィンユニット１３を軸周方向Ｙに配置して、伝熱構造体１２を組み立てるため、伝熱フィンユニット１３（ユニット部材１５）同士の拘束力を緩和させ、伝熱フィン１６に発生する応力を緩和することが可能な伝熱構造体１２を製造することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る熱交換器の製造方法について説明する。図５は、第２実施形態に係る熱交換器の製造工程を示す工程図である。なお、第１実施形態に係る熱交換器の製造方法と同様な説明については省略する。

まず、セラミック製のハニカム構造体である伝熱フィンユニット１３を成形する伝熱フィンユニット成形工程を行う（Ｓ１）。また、セラミック製の天板部材ユニット１４を成形する天板部材ユニット成形工程を行う（Ｓ４）。例えば、炭化けい素を主成分とするセラミックス原料粉末を用いて、押し出し成形を行い、多孔体である天板部材ユニット１４を成形する。

次に、天板部材ユニット成形工程によって成形された天板部材ユニット１４を伝熱フィンユニット成形工程によって成形された伝熱フィンユニット１３に接合する接合工程を行う（Ｓ１２）。例えば、ペースト状の炭化けい素を塗布することで形成された接合層１７を介して、伝熱フィンユニット１３と天板部材ユニット１４とを接合して、ユニット部材１５を作成する。

続いて、接合工程によって接合された伝熱フィンユニット１３及び天板部材ユニット１４を焼成する焼成工程を行う（Ｓ１３）。次に、焼成工程によって焼成された複数のユニット部材１５を軸周方向Ｙに配置して、熱交換器２を組み立てる組立工程を行い（Ｓ８）、熱交換器２を得ることができる。

このような熱交換器２の製造方法によれば、第１実施形態と同様に、重量、強度、コスト、成形性を高い次元にて両立することが可能な熱交換器２を製造することができる。また、Ｓｉ含浸工程を省略しているため、Ｓｉを削減して低コスト化が図られた熱交換器２を製造することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る熱交換器について図６を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図６に示すように、第３実施形態に係る熱交換器２１が、第１実施形態に係る熱交換器１と違う点は、外形が異なる点であり、六角形の外形に代えて八角形の外形とした点である。

この熱交換器２１は、外形が八角形である伝熱構造体２２と、この伝熱構造体２２の外周に配置され、外形が八角形である天板部材（外壁）２３とを備えている。伝熱構造体２２は、軸周方向Ｙに複数（８個）に分割して配置された伝熱フィンユニット２４を有し、天板部材２３は、軸周方向Ｙに複数（８個）に分割して配置された天板部材ユニット２５を有している。

そして、伝熱フィンユニット２４及び天板部材ユニット２５は、軸周方向Ｙにおいて同じ位置で分割され、伝熱フィンユニット２４の外面に天板部材ユニット２５の内面が接合されて、ユニット部材２６を構成している。このように構成された第３実施形態に係る熱交換器２１であっても、第１実施形態に係る熱交換器２と同様な作用効果を奏する。

次に、本発明の第４実施形態に係る熱交換器について図７を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図７に示すように、第４実施形態に係る熱交換器３１が、第１実施形態に係る熱交換器１と違う点は、外形が異なる点であり、六角形の外形に代えて四角形の外形とした点である。

この熱交換器３１は、外形が四角形である伝熱構造体３２と、この伝熱構造体３２の外周に配置され、外形が四角形である天板部材（外壁）３３とを備えている。伝熱構造体３２は、軸周方向Ｙに複数（４個）に分割して配置された伝熱フィンユニット３４を有し、天板部材３３は、軸周方向Ｙに複数（４個）に分割して配置された天板部材ユニット３５を有している。

そして、伝熱フィンユニット３４及び天板部材ユニット３５は、軸周方向Ｙにおいて同じ位置で分割され、伝熱フィンユニット３４の外面に天板部材ユニット３５の内面が接合されて、ユニット部材３６を構成している。このように構成された第４実施形態に係る熱交換器３１であっても、第１実施形態に係る熱交換器２と同様な作用効果を奏する。

次に、本発明の第５実施形態に係る熱交換器について図８を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図８は、第５実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。第５実施形態に係る熱交換器が、第１実施形態に係る熱交換器２と違う点は、伝熱フィン１６が格子状に配置された伝熱フィンユニット１３を有するユニット部材１５に代えて、伝熱フィン４１が放射状に配置された伝熱フィンユニット４２を有するユニット部材４３を備える点である。

伝熱フィンユニット４２は、排気通路の中央から外方へ放射状に延在する複数の伝熱フィン４１を備えている。また、伝熱フィンユニット４２は、台形状の外形を有し、上底側（排気通路の中央側）の壁体であり、伝熱フィン４２より高い放射率を有する高放射部材４４と、天板部材ユニット１４に接合された下底側（排気通路の外方側）の壁体であり、伝熱フィン４２より高い吸収率を有する高受熱部材（高放射受熱部材）４５とを備えている。

高放射部材４４は、高い放射率（吸収率）を有し、排気ガスからの熱エネルギを効率良く吸収する。また、高放射部材４４は、吸収した熱エネルギを効率良く放射して、高受熱部材４５に伝達する。

高受熱部材４５は、高い吸収率（放射率）を有し、高放射部材４４から放射された熱エネルギを効率良く吸収する。また、排気ガスからの熱エネルギを効率良く吸収する。そして、高受熱部材４５に伝達された熱エネルギは、天板部材ユニット１４に伝達され、熱電発電素子によって電気エネルギに変換される。

このように構成された伝熱フィンユニット４２を有する熱交換器であっても、第１実施形態に係る熱交換器２と同様な作用効果を奏する。更に、伝熱フィンユニット４２では、排気通路の中央付近の温度の高い部分に、低温外周部に向けて放射伝熱する高放射部材４４を備え、低温外周部に高受熱部材４５を備える構成であるため、排気ガスの熱エネルギを効率良く回収することができる。

次に、本発明の第６実施形態に係る熱交換器について図９を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図９は、第６実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。第６実施形態に係る熱交換器が、第１実施形態に係る熱交換器２と違う点は、ユニット部材５１の構成が異なる点であり、厚肉部材をＴ字型とした点である。

ユニット部材５１は、複数の伝熱フィンを有するハニカム構造体である伝熱フィンユニット５２と、Ｔ字型を成す厚肉部材である天板部材ユニット５３とを備えている。天板部材ユニット５３は、Ｚ軸と交差する外壁を構成する天板部５３ａと、この天板部５３ａの内面側から排気通路の中心へ突出する突出部である吸熱フィン部５３ｂとを有している。すなわち、天板部材ユニット５３は、排気通路の軸線Ｘ方向から視て、Ｙ軸方向に延びる天板部５３ａと、Ｚ軸方向に延びる吸熱フィン部５３ｂとによって、Ｔ字型を成している。

吸熱フィン部５３ｂは、天板部５３ａのＹ軸方向の中央から突出し、伝熱フィンユニット５２は、Ｙ軸方向に分割されて、吸熱フィン部５３ｂのＹ軸方向の両側に配置されている。そして、伝熱フィンユニット５２は、天板部５３ａの内面、及び吸熱フィン部５３ｂの側面に接合されている。

このように構成されたＴ字型の天板部材ユニット５３を有する熱交換器であっても、第１実施形態と同様な作用効果を奏する。更に、天板部材ユニット５３では、厚肉の吸熱フィン部５３ａによって、伝熱フィンユニット５２をＹ軸方向から支持しているため、熱交換器の強度を向上させることが可能となる。また、排気ガスの熱エネルギを、吸熱フィン部５３ａを介して、天板部５３ａに伝達することができ、熱エネルギの回収効率が向上されている。

次に、本発明の第７実施形態に係る熱交換器について図１０を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図１０は、第７実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。図１０（ａ）では、比較のため、第１実施形態のユニット部材１５を示し、図１０（ｂ）では、第７実施形態のユニット部材を示している。第７実施形態に係る熱交換器が、第１実施形態に係る熱交換器２と違う点は、ユニット部材６１の構成が異なる点であり、伝熱フィン６２の配置が異なる点である。

ユニット部材６１は、複数の伝熱フィン６２を有するハニカム構造体である伝熱フィンユニット６３と、外壁を構成する厚肉部材である天板部材ユニット１４とを備えている。また、伝熱フィン６２は、Ｚ軸方向に延在する第１の伝熱フィン６２ａと、Ｙ軸方向に延在し第１の伝熱フィン６２ｂと、を備えている。そして、Ｚ軸方向に延在する第１の伝熱フィン６２ａは、Ｙ軸方向に延在する第２の伝熱フィン６２ｂの配置間隔ｄ２より小さい間隔ｄ１で配置されている。

このように構成された伝熱フィンユニット６３を有する熱交換器であっても、第１実施形態と同様な作用効果を奏する。更に、伝熱フィンユニット６３では、第１の伝熱フィン６２ａの配置間隔ｄ１が第２の伝熱フィン６２ｂの配置間隔ｄ２より小さくされているため、Ｚ軸方向に伝達される熱容量より、Ｙ軸方向に伝達される熱容量を小さくすることができる。また、第２の伝熱フィン６２ｂの配置間隔ｄ２を大きくすることで、伝熱フィンユニット６３のＹ軸方向（軸周方向）の剛性を、Ｚ軸方向の剛性より低くすることができ、緩衝層１８と接触するユニット部材６１の側壁６３ａ，１４ａの拘束を低下させることができる。その結果、伝熱フィンユニット６３に作用する熱応力を低減することができ、伝熱フィン６２に割れが発生する虞が低減される。

次に、本発明の第８実施形態に係る熱交換器について図１１を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る熱交換器２と同様の説明は省略する。図１１に示すように、第８実施形態に係る熱交換器７１が、第１実施形態に係る熱交換器２１と違う点は、軸周方向Ｙに分割して配置された天板部材９に代えて、軸周方向Ｙに分割されていない一体物の天板部材７２を備える点である。この天板部材７２は、六角形の枠型を成し、その内側に複数の伝熱フィンユニット１３が接合層１７を介して接合されている。なお、隣接する伝熱フィンユニット１３同士は、緩衝層１８を介して接合されていてもよく、未接合のままでもよい。このように形成された熱交換器７１であっても、第１実施形態と同様な作用効果を有する。

次に、本発明の熱交換器のコーン部材の変形例について図１２を参照して説明する。図１２は、コーン部材の変形例を示す斜視図である。図１２（ａ）では、半円状のコーン部材８１、図１２（ｂ）では、円錐状のコーン部材８２、図１２（ｃ）では、多角錘状のコーン部材８３を示している。これらのコーン部材８１〜８３は、その頂部８１ａ〜８３ａが軸線方向Ｘの外側に向けられて配置されている。また、コーン部材８１〜８３の底部８１ｂ〜８３ｂは、伝熱構造体の中央に接合されている。そして、内部流体である排気ガスは、入口側のコーン部材８１〜８３によって排気通路の外周側に案内され、伝熱構造体に流入し、伝熱構造体の貫通孔を通過した排気ガスは、出口側のコーン部材８１〜８３によって排気通路の外周側から中央側へ集合される。このようなコーン部材８１〜８３によって排気ガスの流れを案内することで、排気ガスの流れを好適に分散／集合させることができ、効率良く伝熱フィンに接触させることで、熱エネルギの回収効率を向上させることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、熱交換器を、内燃機関の排気ガスから熱エネルギを回収する回収器として説明しているが、例えば、工場、その他の輸送機器において、流体からの排熱を回収する熱交換器として適用してもよい。また、伝熱構造体内を流れる内部流体を加熱するための熱交換器としてもよい。

また、上記実施形態では、伝熱構造体と、天板部材とを別々に構成しているが、伝熱構造体及び天板部材を一体として形成してもよい。また、天板部材の板厚は、伝熱フィンの板厚と同じとしてもよい。

また、上記実施形態では、伝熱構造体の中央には、内部流体が流れない構成としているが、中央に伝熱フィンユニットを配置して、内部流体が流通可能な構成としてもよい。

また、セラミック製の伝熱構造体、及び天板部材は、多孔質体でもよく、緻密体でもよい。例えば、多孔質体のセラッミク材とすることで、熱交換器全体の弾性率を低下させ、熱変形・応力集中を緩和させることができる。

また、上記熱交換器を製造する方法は、第１実施形態に記載の製造方法でもよく、第２実施形態に記載の製造方法でもよい。また、その他の製造方法によって、上記熱交換器を製造してもよい。

また、上記実施形態では、伝熱構造体の中心点と、外形の角とを結ぶ直線上に、伝熱構造体の分割位置が形成されているが、その他の位置で分割されていてもよい。例えば、伝熱構造体の中心点と、外形の辺の中央とを結ぶ直線に沿って、伝熱構造体を分割してもよい。

また、上記実施形態では、複数の伝熱部材ユニットを軸周方向Ｙに配置して伝熱構造体を形成しているが、伝熱構造体を成形後、複数に分割してもよい。

また、軸周方向において隣接する伝熱フィンユニット同士は、当該伝熱フィンユニットに作用する応力を緩和可能な緩衝層を介して接合され、天板ユニット同士を接合する緩衝層の剛性は、伝熱フィンユニット同士を接合する緩衝層の剛性より大きいことが好ましい。これにより強度が大きい天板部材ユニットによって大きい荷重を受けることができ、天板部材ユニットより強度が小さい伝熱フィンユニットに大きな応力が発生することを防止できる。

また、伝熱フィンユニットは、異なる方向に延在する複数の伝熱フィンによって構成されたハニカム構造体を有し、軸線と交差する横断面において、管路の中央から外側へ延在する伝熱フィンである第１の伝熱フィンの剛性は、第１の伝熱フィンと交差する伝熱フィンである第２のフィンの剛性より大きいことが好ましい。これにより強度が大きい天板部材ユニットによって大きい荷重を受けることができ、天板部材ユニットより強度が小さい伝熱フィンユニットに大きな応力が発生することを防止できる。

また、伝熱フィンユニットは、管路の中央部から外壁側へ放射状に延びる伝熱フィンと、管路の中央部側に配置され、伝熱フィンより高い放射率を有する高放射部材と、管路の外壁側に配置され、伝熱フィンより高い吸収率を有する高受熱部材と、を備えることが好ましい。これにより周囲より高温である管路の中央部から発生する輻射熱を、天板部材に対して有効に伝達することができる。

第１実施形態に係る熱交換器を備えた熱電発電装置の縦断面図である。 第１実施形態に係る熱交換器を備えた熱電発電装置の横断面図である。 伝熱フィンユニット及び天板部材ユニットを有するユニット部材を示す斜視図である。 第１実施形態に係る熱交換器の製造工程を示す工程図である。 第２実施形態に係る熱交換器の製造工程を示す工程図である。 第３実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。 第４実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。 第５実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。 第６実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。 第７実施形態に係る熱交換器のユニット部材を示す正面図である。 第８実施形態に係る熱交換器を示す正面図である。 コーン部材の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１…熱電発電装置、２，２１，３１，７１…熱交換器、３…排気管、４…熱電発電素子、９，２３，３３，７２…天板部材、１２，２２，３２…伝熱構造体、１３，２４，３４，４２，５２，６３…伝熱フィンユニット、１４，２５，３５，５３…天板部材ユニット、１５，２６，３６，４３，５１，６１…ユニット部材、１６，４１，６２…伝熱フィン、１６ａ，６２ａ…第１の伝熱フィン、１６ｂ，６２ｂ…第２の伝熱フィン、１７…接合層、１８…緩衝層、４４…高放射部材、４５…高受熱部材。

Claims (7)

1. 伝熱フィンを有する伝熱構造体を管路内に備え、当該管路内の流体の熱エネルギを、前記伝熱構造体を介して前記管路の外壁に伝達する熱交換器であって、
   前記伝熱構造体は、前記伝熱フィンを有する複数の伝熱フィンユニットとして、前記管路の軸線周り方向である軸周方向に複数に分割して配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱構造体の外壁を構成し前記伝熱フィンより厚肉とされた天板部材を備え、
   前記天板部材は、前記軸周方向において前記伝熱構造体の分割位置である前記伝熱フィンユニットの端部と同じ位置で分割された複数の天板部材ユニットによって構成され、
   前記軸周方向において隣接する前記天板部材ユニット同士は、当該天板部材ユニットに作用する応力を緩和可能な緩衝層を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記軸周方向において隣接する前記伝熱フィンユニット同士は、当該伝熱フィンユニットに作用する応力を緩和可能な緩衝層を介して接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記天板部材から前記管路の内側へ突出し、前記伝熱フィンより厚肉とされ前記伝熱フィンユニットを支持する突出部を有することを特徴とする請求項２又は３記載の熱交換器。
5. 前記伝熱構造体はセラミック製であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器と、
   前記熱交換器によって伝達された熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電素子と、を備えることを特徴とする熱電発電装置。
7. 伝熱フィンを有する複数の伝熱フィンユニットを管路の軸線周りである軸周方向に配置した伝熱構造体を備える熱交換器を製造する方法であって、
   ハニカム構造体である前記伝熱フィンユニットを成形する伝熱フィンユニット成形工程と、
   前記伝熱フィンユニット成形工程によって成形された前記伝熱フィンユニットを焼成する伝熱フィンユニット焼成工程と、
   前記伝熱フィンユニット焼成工程によって焼成された前記伝熱フィンユニットを前記軸周方向に配置して前記伝熱構造体を組み立てる組み立て工程と、
   を備えることを特徴とする熱交換器の製造方法。

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