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技術 排気システム用熱電モジュール

出願人 ビーエーエスエフソシエタス・ヨーロピア
発明者 レンツェ,ペーターモールス,ユルゲンデゲン,ゲオルグヴァサーマン,クヌート
出願日 2011年9月29日 (9年9ヶ月経過) 出願番号 2013-532298
公開日 2013年12月26日 (7年6ヶ月経過) 公開番号 2013-546167
状態 特許登録済
技術分野 排気の後処理 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 電気技師 支持体板 最高作動温度 流動軸 アンチモン化亜鉛 ペルチェ装置 一体化部品 自動車排気システム
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

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図面 (5)

課題・解決手段

導電性接触部を経由して相互に交互連結されたp型とn型伝導熱電材料部品からなる熱電モジュールであって、該熱電モジュール(19)が、直径が大きくても1mmである複数の連続流路を持ちこの流路中を流体状熱交換器媒体が流れるマイクロ熱交換器(13)に熱伝導的に連結されているもの。

概要

背景

熱電発電器ペルチェ装置は古くから知られており、p−及びn−ドープの半導体は、片面を加熱し他面を冷却すると、外部回路電荷輸送し、その結果回路中の部品上で電気的な仕事がなされる。その際の熱から電気エネルギーへの変換効率は、熱力学的にカルノー効率により制限を受ける。したがって、加熱面が1000Kの温度で「冷却」面が400Kの温度では、(1000−400)/1000=60%の効率が可能であろう。しかしながら、現在まで最高で6%の効率が達成されているのみである。

他方のこのような装置に直流印加すると、熱が片側から他の側に輸送される。このようなペルチェ素子ヒートポンプとして働き、したがって装置部材や車両、建物の冷却に適している。ペルチェ原理による加熱は、等量で供給されたエネルギーと比較すると常により大きな熱が輸送されるため、従来の加熱より好適である。

現在、熱電発電器は、宇宙探査機中で、直流を発生させるために、またパイプライン陰極腐食の保護のため、光ブイラジオブイへのエネルギー補給のため、ラジオテレビ運転のために用いられている。熱電発電器の長所はその極めて高い信頼性にある。これらは相対湿度などの大気条件とは無関係に作動する。干渉を受けやすい物質の輸送がなく、電荷輸送のみが起こる。

熱電モジュールは、電気的に直列で熱的に並列に連結されたp型部品とn型部品からなる。図2にこのようなモジュールを示す。

従来の構造は二枚のセラミック板からなり、この間にこれらの個々の部品が交互に詰め込まれている。いずれの場合も二個の部品がその端面で導電的に接触している。

この導電的接触面に加えて、いろいろな他の層が通常実際の材料に与えられており、これらは保護層またははんだ層として働く。しかしながら最近では、二個の部品間の電気接続金属ブリッジで行われている。

熱電部品に必須の要素は接触面である。この接触面で、部品の「心臓部」(素子の所望の熱電効果を与える部分)と「外部世界」との間が物理的に接続される。このような接触面の構造を模式的に図1に示す。

この部品中の熱電材料1が、この部品の実際の効果を与える。これは熱電素子である。電流熱流が材料1中を流れ、全体の構造物中でその機能を発揮する。

材料1は、少なくとも二辺で、接触部4と5を経由してリード6と7に連結されている。この場合、層2と3は、場合によってはこの材料と接触部4と5の間で必要な一種以上の中間層(バリア材料、はんだ、接着剤など)を示すものである。それぞれ一対で存在するセグメント2/3と4/5、6/7は同じであってもよいが、必ずしも同じである必要はない。これはまた、最終的には、具体的な構造と用途、またこの構造物中で電流または熱流の流れる方向に依存する。

接触部4と5が、今度は重要な役割をもつ。これらが、材料とリード管の強い結合を確実にする。接触部が不適切であると、ここで大きな損失が起こり、装置の性能を大きく制限することがある。このため、これらの部品や接触部が使用材料上に押し付けられることが多い。したがって、これらの接触部は強い機械的負荷に曝されることとなる。高温(または低温)及び/又は熱サイクリングが加わると、この機械的負荷がさらに増加する。装置中に組み込まれた材料の熱膨張不可避的に機械的ストレスを引き起こし、極端な場合、接触部の破損による装置の故障を引き起こす。

これを防止するために、用いる接触部がある程度の柔軟性と弾性を持ち、熱的ストレス補償されることが必要である。

体構造物に安定とするため、また必要なできるかぎり均一な熱的カップリングを達成するために支持体板が必要である。この目的で、従来からセラミックが用いられており、具体的にはA2O3やSiO2またはAlNなどの酸化物や窒化物が用いられている。

従来の構造物はいずれの場合も、平らな表面のみが熱電モジュールに接触可能であるため、しばしば用途上の制限を受けている。十分な熱流を保証するにはモジュール表面と熱源放熱板間の強い接続が不可欠である。

非平面的表面、例えば丸い排熱パイプは、従来のモジュールに直接接触させるのに不適当であり、あるいは非平面的表面から平面的なモジュールを使用するためには、それに対応する直線状の熱交換器構造が必要となる。

現在、排ガスの熱の一部から電気エネルギーを得るために、自動車トラックなどの自動車両中の排気システムまたは排ガス再循環システム中に熱電モジュールを設ける検討がなされている。この場合、熱電素子の熱い側が排ガスまたはテイルパイプに接続され、冷い側が冷却器に連結される。生成する電気の量は、排ガスの温度と排ガスから熱電材料への熱流束に依存する。熱流束をできる限り大きくするために、テイルパイプ内に装置を取り付けることが多い。しかしながら、例えば熱交換器を取り付けると排ガス中で圧力損失が起こり、この結果内燃機関許容できないほど大きな消費量の増大が起こるため、これらには制限がある。

従来、熱電発電器は、排気システム中の排ガス触媒コンバータの後で使用するように取り付けられている。排ガス触媒コンバータの圧力損失とともに、これがしばしば過剰な圧力損失を引き起こし、熱伝導装置が排気システム中に入らなくなる。むしろ、熱電モジュールはテイルパイプの外側に取り付けられる。このために、このテイルパイプに多角形状の断面を持たせ、その平らな外表面が熱電材料と接触できるようにする必要がある。

現在まで、熱伝導と発生する圧力損失のいずれにおいても不満足である。

概要

導電性接触部を経由して相互に交互連結されたp型とn型伝導性熱電材料部品からなる熱電モジュールであって、該熱電モジュール(19)が、直径が大きくても1mmである複数の連続流路を持ちこの流路中を流体状の熱交換器媒体が流れるマイクロ熱交換器(13)に熱伝導的に連結されているもの。

目的

本発明の目的は、内燃機関の排気システム内に設けるための熱電モジュールであって、既知のモジュールの欠点を克服し、低損失で優れた熱伝導を可能とするものを提供する

効果

実績

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請求項1

導電性接触部を経由して相互に交互連結されたp型とn型伝導熱電材料部品からなる熱電モジュールであって、該熱電モジュール(19)が、直径が大きくても1mmである複数の連続流路を有し、この流路中を流体状熱交換器媒体が流れるマイクロ熱交換器(13)に熱伝導的に連結されている熱電モジュール。

請求項2

熱電モジュール(19)は平らであり、そして熱電モジュール(19)は相互に連結された熱電材料部品上で、マイクロ熱交換器(13)に熱伝導的に連結されている高温側に支持体板を有する請求項1に記載の熱電モジュール。

請求項3

マイクロ熱交換器(13)が熱電モジュール(19)と一体的に形成される請求項1に記載の熱電モジュール。

請求項4

過度温度から保護するための保護層が熱電モジュール(19)とマイクロ熱交換器(13)の間に設けられている請求項1または2に記載の熱電モジュール。

請求項5

上記保護層が、融点が250℃〜1700℃の範囲にある無機金属塩または金属合金から作製されている請求項4に記載の熱電モジュール。

請求項6

上記マイクロ熱交換器の流路が自動車排ガス触媒ウォッシュコートで覆われている請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱電モジュール。

請求項7

上記触媒が、NOxの窒素への変換、炭化水素のCO2とH2Oへの変換、およびCOのCO2への変換の少なくとも一つを触媒する請求項6に記載の熱電モジュール。

請求項8

ガス流動用の熱交換器の連続流路中で発生する圧力損失が大きくても100mbarである請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱電モジュール。

請求項9

上記マイクロ熱交換器が、連続流路が導入された熱伝導材料ブロックから作製されている請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱電モジュール。

請求項10

マイクロ熱交換器の体積当りの比伝熱面積が0.1〜5m2/lである請求項1〜9のいずれか一項に記載の熱電モジュール。

請求項11

請求項1〜10のいずれか一項に記載の熱電モジュールの内燃機関排気システム中での、好ましくは自動車中の排気システム中での利用。

請求項12

請求項11に記載の熱電モジュールの排ガスの熱から発電するための利用。

請求項13

請求項6または7に記載の熱電モジュールの内燃機関、好ましくは自動車の冷間始動の際の排ガス触媒予熱のための利用。

請求項14

上記排気システムに一体化された請求項1〜10のいずれか一項に記載の熱電モジュールの一つ以上を含む内燃機関の排気システム、好ましくは自動車の排気システム。

技術分野

0001

本発明は、内燃機関排気システム中に取り付けるのに適当な熱電モジュールに関する。

背景技術

0002

熱電発電器ペルチェ装置は古くから知られており、p−及びn−ドープの半導体は、片面を加熱し他面を冷却すると、外部回路電荷輸送し、その結果回路中の部品上で電気的な仕事がなされる。その際の熱から電気エネルギーへの変換効率は、熱力学的にカルノー効率により制限を受ける。したがって、加熱面が1000Kの温度で「冷却」面が400Kの温度では、(1000−400)/1000=60%の効率が可能であろう。しかしながら、現在まで最高で6%の効率が達成されているのみである。

0003

他方のこのような装置に直流印加すると、熱が片側から他の側に輸送される。このようなペルチェ素子ヒートポンプとして働き、したがって装置部材や車両、建物の冷却に適している。ペルチェ原理による加熱は、等量で供給されたエネルギーと比較すると常により大きな熱が輸送されるため、従来の加熱より好適である。

0004

現在、熱電発電器は、宇宙探査機中で、直流を発生させるために、またパイプライン陰極腐食の保護のため、光ブイラジオブイへのエネルギー補給のため、ラジオテレビ運転のために用いられている。熱電発電器の長所はその極めて高い信頼性にある。これらは相対湿度などの大気条件とは無関係に作動する。干渉を受けやすい物質の輸送がなく、電荷輸送のみが起こる。

0005

熱電モジュールは、電気的に直列で熱的に並列に連結されたp型部品とn型部品からなる。図2にこのようなモジュールを示す。

0006

従来の構造は二枚のセラミック板からなり、この間にこれらの個々の部品が交互に詰め込まれている。いずれの場合も二個の部品がその端面で導電的に接触している。

0007

この導電的接触面に加えて、いろいろな他の層が通常実際の材料に与えられており、これらは保護層またははんだ層として働く。しかしながら最近では、二個の部品間の電気接続金属ブリッジで行われている。

0008

熱電部品に必須の要素は接触面である。この接触面で、部品の「心臓部」(素子の所望の熱電効果を与える部分)と「外部世界」との間が物理的に接続される。このような接触面の構造を模式的に図1に示す。

0009

この部品中の熱電材料1が、この部品の実際の効果を与える。これは熱電素子である。電流熱流が材料1中を流れ、全体の構造物中でその機能を発揮する。

0010

材料1は、少なくとも二辺で、接触部4と5を経由してリード6と7に連結されている。この場合、層2と3は、場合によってはこの材料と接触部4と5の間で必要な一種以上の中間層(バリア材料、はんだ、接着剤など)を示すものである。それぞれ一対で存在するセグメント2/3と4/5、6/7は同じであってもよいが、必ずしも同じである必要はない。これはまた、最終的には、具体的な構造と用途、またこの構造物中で電流または熱流の流れる方向に依存する。

0011

接触部4と5が、今度は重要な役割をもつ。これらが、材料とリード管の強い結合を確実にする。接触部が不適切であると、ここで大きな損失が起こり、装置の性能を大きく制限することがある。このため、これらの部品や接触部が使用材料上に押し付けられることが多い。したがって、これらの接触部は強い機械的負荷に曝されることとなる。高温(または低温)及び/又は熱サイクリングが加わると、この機械的負荷がさらに増加する。装置中に組み込まれた材料の熱膨張不可避的に機械的ストレスを引き起こし、極端な場合、接触部の破損による装置の故障を引き起こす。

0012

これを防止するために、用いる接触部がある程度の柔軟性と弾性を持ち、熱的ストレス補償されることが必要である。

0013

体構造物に安定とするため、また必要なできるかぎり均一な熱的カップリングを達成するために支持体板が必要である。この目的で、従来からセラミックが用いられており、具体的にはA2O3やSiO2またはAlNなどの酸化物や窒化物が用いられている。

0014

従来の構造物はいずれの場合も、平らな表面のみが熱電モジュールに接触可能であるため、しばしば用途上の制限を受けている。十分な熱流を保証するにはモジュール表面と熱源放熱板間の強い接続が不可欠である。

0015

非平面的表面、例えば丸い排熱パイプは、従来のモジュールに直接接触させるのに不適当であり、あるいは非平面的表面から平面的なモジュールを使用するためには、それに対応する直線状の熱交換器構造が必要となる。

0016

現在、排ガスの熱の一部から電気エネルギーを得るために、自動車トラックなどの自動車両中の排気システムまたは排ガス再循環システム中に熱電モジュールを設ける検討がなされている。この場合、熱電素子の熱い側が排ガスまたはテイルパイプに接続され、冷い側が冷却器に連結される。生成する電気の量は、排ガスの温度と排ガスから熱電材料への熱流束に依存する。熱流束をできる限り大きくするために、テイルパイプ内に装置を取り付けることが多い。しかしながら、例えば熱交換器を取り付けると排ガス中で圧力損失が起こり、この結果内燃機関に許容できないほど大きな消費量の増大が起こるため、これらには制限がある。

0017

従来、熱電発電器は、排気システム中の排ガス触媒コンバータの後で使用するように取り付けられている。排ガス触媒コンバータの圧力損失とともに、これがしばしば過剰な圧力損失を引き起こし、熱伝導装置が排気システム中に入らなくなる。むしろ、熱電モジュールはテイルパイプの外側に取り付けられる。このために、このテイルパイプに多角形状の断面を持たせ、その平らな外表面が熱電材料と接触できるようにする必要がある。

0018

現在まで、熱伝導と発生する圧力損失のいずれにおいても不満足である。

先行技術

0019

Stone, R. et al., Automotive Engineering Fundamentals, Society of Automotive Engineers 2004

発明が解決しようとする課題

0020

本発明の目的は、内燃機関の排気システム内に設けるための熱電モジュールであって、既知のモジュールの欠点を克服し、低損失で優れた熱伝導を可能とするものを提供することである。

課題を解決するための手段

0021

本目的は、本発明により、導電性接触部を経由して相互に交互連結されたp型とn型伝導性熱電材料部品からなる熱電モジュールであって、該熱電モジュールが、直径が大きくても1mmである複数の連続流路を持ちこの流路中を流体状の熱交換器媒体が流れるマイクロ熱交換器熱伝導的に連結されているものにより達成される。

0022

マイクロ熱交換器の流路が、内燃機関排ガス触媒の薄膜で、特に自動車排ガス触媒の薄膜で覆われていることが特に好ましい。このようにして、別の排ガス触媒コンバータを不要とし、排気システムの圧力損失を最小限に抑えることができる。この一体化されたデザインにより、全体構造が単純となり、排気システムへの取り付けが容易となる。

0023

マイクロ熱交換器を使用して排ガスから熱電モジュールへの熱流束を改善し、同時に十分に小さな圧力損失を達成することができる。本発明では、排ガスがマイクロ熱交換器の微小流路中を流れる。この場合、この流路が排ガス触媒で覆われていることが好ましく、特にNOxから窒素への変換、炭化水素からCO2とH2Oへの変換、またCOからCO2への変換の一つ以上を触媒する排ガス触媒で覆われていることが好ましい。これらの変換の全てを触媒することが特に好ましい。

0024

適当な触媒活性物質、例えばPtやRu、Ce、Pdは既知であり、例えば、Stone, R. et al., Automotive Engineering Fundamentals, Society of Automotive Engineers 2004に記載されている。これらの触媒活性物質は、適当な方法でマイクロ熱交換器の流路上に塗布される。ウォッシュコート(薄膜)の形での塗布が好ましいかもしれない。この場合触媒は、懸濁液の形で、薄層状でマイクロ熱交換器の内壁またはその流路上に塗布される。その際、この触媒は単層であっても、同一または異なる組成のいろいろな層からなっていてもよい。その場合、マイクロ熱伝導器とその塗膜の寸法によっては、塗布された触媒が、自動車両中で使用中に、通常使用されている内燃機関の排ガス触媒コンバータを完全にあるいは部分的に置き換えることができる。

0025

本発明によれば、「マイクロ熱交換器」は、直径が大きくても1mm、特に好ましくは大きくても0.8mmである複数の連続流路をもつ熱交換器を意味するものとする。この最小径は可能な技術レベルにより決まり、好ましくは50μm程度、特に好ましくは100μm程度である。

0026

これらの流路は、いずれかの適当な断面を持ち、例えば円形卵形正方形三角形などの多角形状、あるいは星形などの断面をもつ。なお、流路の反対側にある縁あるいは点の間の最短距離を直径と考える。流路は平坦に形成してもよく、その場合は境界表面間の距離が径と定義される。これは特に、板または層から作られた熱交換器の場合である。運転時に熱交換器媒体がこれらの連続流路中を流れ、熱を熱交換器に移動させる。一方熱交換器は、熱的に熱電モジュールに連結され、熱交換器から熱電モジュールへの良好な熱伝導が得られるようになっている。

0027

このマイクロ熱交換器は、いずれか適当な方法で、いずれかの適当な材料から製造できる。例えばこれが、熱伝導材料ブロックからできており、この中に連続流路が設けられていてもよい。

0028

この材料として、いずれの適当な材料を使用してもよく、例えばプラスチックが、具体的にはポリカーボネートデュポン社のゼニス(R)などの液晶ポリマーポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などを使用できる。鉄や銅、アルミニウムあるいはクロム−鉄合金、フェクラロイなどの金属を使用することもできる。酸化アルミニウム酸化ジルコニウムコージェライトなどのセラミックスまたは無機酸化物材料使用可能である。複数の上記の材料からなる複合材料であってもよい。このマイクロ熱交換器は、耐高温性合金(1000〜1200℃)、フェクラロイ、Al含有鉄合金ステンレス鋼、コージェライトでできていることが好ましい。これらの微小流路は、熱伝導材料のブロック中にいずれか適当な方法で、例えばレーザー法エッチング穿孔等で形成される。

0029

あるいは、このマイクロ熱交換器を、異なる板、層またはチューブから建造し、次いで例えば接着剤結合溶接で相互に連結することもできる。この場合、前もって微小流路を設けた板や層、管を供給し、次いでこれらを組み立てることもできる。

0030

焼結法により粉末からマイクロ熱交換器を製造することが特に好ましい。金属粉セラミック粉の両方をこの粉末として使用できる。金属とセラミックの混合物や異なる金属の混合物、異なるセラミックスの混合物も使用できる。適当な金属粉は、例えば、フェライト鋼、フェクラロイまたはステンレス鋼からなる粉末である。焼結法でマイクロ熱交換器を製造することにより、いずれの所望の構造も製造可能となる。

0031

マイクロ熱交換器用の材料として金属を使用すると、熱伝導性が高いという利点が得られる。他方、セラミックスは大きな蓄熱容量を持つため、これらを、特に温度変動の補償に使用することができる。

0032

マイクロ熱交換器用の材料としてプラスチックを用いると、マイクロ熱交換器中を流れる排ガスの温度からそのプラスチックを保護するための塗膜を塗布する必要がある。このような塗膜は「熱バリア塗膜」とも呼ばれる。排ガスが高温であるため、プラスチック材料からなるマイクロ熱交換器の表面の全てを塗装する必要がある。

0033

本発明により用いられるマイクロ熱交換器の外寸法は、好ましくは60×60×20〜40×40×8mm3である。

0034

マイクロ熱交換器の体積当りのマイクロ熱交換器の比伝熱面積は、好ましくは0.1〜5m2/lであり、特に好ましくは0.3〜3m2/l、特に0.5〜2m2/lである。

0035

適当なマイクロ熱交換器が、例えばマインツ・マイクロ技術研究所(Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH,IMM)から販売されている。IMMは、いろいろな形状の微細構造熱交換器を提供しており、また特に最高作動温度が900℃である微細構造高温熱交換器を提供している。これらの高温熱交換器の寸法は約80×50×70mm3であり、向流の原理により(他の用途に)働く。 これらの圧力損失は50mbar未満であり、非伝熱面積は約1m2/lである。

0036

他のマイクロ熱交換器が、ドイツ技術者協会/ドイツ電気技師協会(VDI/VDE−Technologiezentrum Informationstechnik GmbH)(www.nanowelten.de)から展示されている。さらには、マイクロ熱交換器が、Ehrfeld MikrotechnikBTS GmbH, Wendelsheimと、SWEP Market Services, a branch of Dover Market Services GmbH, Furthから提供されている。

0037

最も効率的に熱伝導がおこる状態で熱電モジュールに連結できるようにマイクロ熱交換器は構成される。構造と材料構成によっては、これを熱電モジュールに直接熱伝導的に連結してもよい。熱電モジュールが平坦であって、その熱電材料部品上でその熱側に、マイクロ熱交換器に熱伝導的に連結された支持体板を持っていてもよい。支持体板に適当な材料は序の部分ですでに述べた。

0038

熱電モジュールとマイクロ熱交換器を一体的に形成することが好ましい。このために、例えば直接熱電モジュール上でこのマイクロ熱交換器を焼結することができる。これには、熱電モジュール表面の形とは無関係に高伝熱の接続が得られるという利点がある。

0039

熱交換器のガス透過用連続流路内で発生する圧力損失は、好ましくは大きくとも100mbarであり、特に大きくとも50mbarである。これらの圧力損失は内燃機関の燃料消費率を増加させることがない。特にマイクロ熱交換器が、排ガスが流れる流路が平行に延び、一面で供給口に他面で排出口に連結しているように構成されているとこのような圧力損失が実現される。この場合に、これらの排ガスの流れる流路の長さは、好ましくは長くて60mmであり、特に長くて40mmである。複数のマイクロ熱交換器を使用する場合、これらのマイクロ熱交換器も、同様に並列に連結され、共通の供給口と共通の排出口に連結され、個々の熱交換器の流路が平行に延びるように連結される。

0040

このマイクロ熱交換器の熱交換表面を、内燃機関、特に自動車の排気システムまたはテイルパイプ中に直接設置してもよい。この場合、固定して設置しても、取り外しが可能なように設置してもよい。この熱交換表面はまた、しっかりと熱電モジュールで覆われていてもよい。

0041

このマイクロ熱交換器が薄膜状の触媒材料を有している場合、これを排気システム中で元の排ガス触媒コンバータの位置に設置してもよい。このようにして高い排ガス温度がマイクロ熱交換器に供給可能となる。マイクロ熱交換器の排ガス触媒での化学変換により温度がさらに上昇することがあり、既存のシステムよりすっと効率的な伝熱が起こる。

0042

この熱流束の改善により、熱電モジュールの効率が改善される。

0043

さらに熱電モジュールとマイクロ熱交換器の間に、過剰な温度から保護するための保護層が設けられてもよい。この層(相変化層とも呼ばれる)は、融点が250℃〜1700℃の範囲の無機金属塩または金属合金からできていることが好ましい。適当な金属塩は、例えば、リチウムナトリウムカリウムルビジウムセシウムマグネシウムカルシウムストロンチウムバリウムの、フッ化物塩化物臭化物ヨウ化物硫酸塩、硝酸塩炭酸塩クロム酸塩モリブデン酸塩バナジン酸塩タングステン酸塩である。適当なこの種の塩の混合物で、二成分又は三成分の共晶を形成するものが好ましく用いられる。これらは、四成分または五成分の共晶であってもよい。

0044

あるいは相変化材料として、金属合金や亜鉛やマグネシウム、アルミニウム、銅、カルシウム、ケイ素リンアンチモンなどの金属から出発して二成分、三成分、四成分、または五成分の共晶を形成するこれらの組み合わせを使用することもできる。この場合、これらの金属合金の融点は200℃〜1800℃である。

0045

ニッケルジルコニウムチタン、銀、鉄などの金属を使用する場合、あるいはニッケル、クロム、鉄、ジルコニウム及び/又はチタン系の合金を使用する場合、この熱電モジュールは保護層で覆われていてもよい。

0046

一つ以上の熱電モジュール、例えば直列に連結されたものは、内燃機関の排気システム中に一体化されていてもよい。この場合、異なる熱電材料を含む熱電モジュールも組み合わせることができる。一般に、内燃機関の排ガスの温度範囲に適するものなら全ての適当な熱電材料を使用することができる。適当な熱電材料の例は、スクッテルド鉱、例えばCoSb3やRuPdSbe、TX6(ただし、T=Co、Rh、Ir、X=P、As、Sb);やX2Y8Z24(ただし、X=ランタニドアクチニドアルカリ土類金属アルカリ金属、Th、IV族元素);ハーフホイスラー化合物(例えば、TiNiSn、HfPdSn)や金属間合金クラスレート(例えば、Zn4Sb3、Sr8Ga16Ge30、Cs8Sn44、Co4TeSb4);酸化物(例えば、NaxCoO2、CaCo4O9、Bi2Sr2Co2OySr2TiO4、Sr3Ti2O7、Sr4Ti3O10、Ri−xMxCoO3(ただし、R=希土類金属、M=アルカリ土類金属);Srn+1TinO3n+1(ただし、nは整数である);YBa2Cu3O7−x;珪化物(例えば、FeSi2やMg2Si、Mn15Si26);硼化物(例えば、B4CやCaB6);Bi2Ce3とその誘導体、PbCeとその誘導体、アンチモン化物(例えば、アンチモン化亜鉛)、ジントル相(例えば、Yb14MnSb4)である。

0047

本発明はまた、内燃機関の排気システム中での、好ましくは自動車やトラックなどの自動車両の排気システム中での上述の熱電モジュールの利用に関する。この場合、この熱電モジュールは、特に排ガスの熱からの発電に用いられる。

0048

しかしながらマイクロ熱交換器上に薄膜がある場合、熱電モジュールを逆に、内燃機関の、好ましくは自動車の冷間始動の際の排ガス触媒の予熱に使用することができる。この場合、この熱電モジュールはペルチェ素子として用いられる。モジュールに電圧差が印加されると、このモジュールは、冷たい側から熱い側に熱を輸送する。この結果としておこる排ガス触媒の予熱により、触媒の冷間始動時間が短縮される。

0049

本発明はまた、内燃機関の、好ましくは自動車の排気システムであって、その排気システム中に一体化された一台以上の上述の熱電モジュールを含むものに関する。この場合、この排気システムは、内燃機関の排出口に連結されたシステムで、その中で排ガスを処理するものを意味するものとする。

0050

本発明の熱電モジュールは多くの長所をもつ。特にマイクロ熱交換器が排ガス触媒の薄膜で覆われている場合には、内燃機関の排気システム中での圧力損失が低い。一つの一体化された部品のため、排気システムの構造が大幅に単純化されている。この一体化部品は、排気システム中で内燃機関により近く一体化できるため、より高温の排ガスが熱電モジュールに供給される。熱電モジュールをペルチェ素子として逆に用いると、エンジンの冷間始動の際に排ガス触媒を加熱することができる。

0051

例示的な本発明の実施様態を図に示し、以下より詳細に説明する。

0052

これらの図において:
図3は、ある熱電発電器の構造の三次元図である。
図4は、ある熱電発電器の層構造の三次元図である。

0053

図3は、例えば自動車排気システム中に挿入可能な熱電発電器の構造を示す。

0054

排ガスを抜き出すための排気管10が、内燃機関からマニホルド11までつながっている。このマニホルド11の断面積は排ガスの流動方向に減少していっている。このマニホルド11は、マイクロ熱交換器13とつながっている。後者は、排ガス流がマイクロ熱交換器13中の流路を流れるようにマニホルド11につなげられている。マイクロ熱交換器中の流路はコレクター15につながっており、これを通して、排ガスがマイクロ熱交換器の流路を通過後に、通常内燃機関排気部の最後となっているもう一つの排気管17に導かれる。

0055

マイクロ熱交換器13はそれぞれ、一面で熱電モジュール19に連結している。この熱電モジュール19は、マイクロ熱交換器とは反対の面で冷却されている。このために、冷却液体、例えば冷却水を使用することが好ましい。なお、この液は熱電モジュール19の上を流れる。この場合、先ず熱交換器、例えばマイクロ熱交換器の流路にこの冷却液体を通すことができる。しかしながら、内部を冷却液体が流れる冷却流路21を熱電モジュール19の冷却側に設け、その冷却流路21の壁面を熱電モジュール19で形成することが好ましい。

0056

ある好ましい実施様態においては、マイクロ熱交換器13と熱電モジュール19と冷却流路21とが積層されおり、内側にあるマイクロ熱交換器13がいずれの場合も反対側で熱電モジュール19に連結され、また内側にある冷却流路21もまたいずれの場合も熱電モジュール19の反対側に連結している。このような層構造を図4に例示する。なおいずれの場合も、この層構造は上側と下側で冷却流路で囲まれている。冷却流路21は、熱電モジュール19に、マイクロ熱交換器13とは反対側で連結されている。マイクロ熱交換器13の後ろには、もう一つの熱電モジュール19ともう一つの冷却流路21がある。

0057

この層構造により、排ガスの熱を最大限利用し、また小さな空間内で多数の熱電モジュール19を使用することができる。

0058

個々の層が排気管10の主たる流動軸に平行に延びる層構造をもっている図3と4に示す実施様態とは別に、個々の層が排気管10の主流動軸に直角に延びる層構を設計することもできる。しかしながら個々の層の配列とは無関係に、マイクロ熱交換器13中の流路が、排気管10の主流動方向に直交してマニホルド11からコレクター15に延びていることが好ましい。

0059

図3と4に示す層配列の場合、個々の層は、いずれの場合も、一つのマイクロ熱交換器13と一つの熱電モジュール19からなり、あるいはそれぞれ相互に平行して配置された複数のマイクロ熱交換器13及び/又は複数の熱電モジュール19からなっていてもよい。複数のマイクロ熱交換器13と複数の熱電モジュール19を使用する場合、これらの接触部が同じ大きさであっても異なる大きさであってもよい。これらの接触部が同じ大きさをもち、一つのマイクロ熱交換器13がそれぞれ一つの熱電モジュール19につながっていることが好ましい。この実施様態においては、相互に連続的に連結された複数のスタックを形成し、この中で、個々のスタックの各冷却流路21がそれぞれその供給口と排出口とつながり一連のスタック中で連続する冷却流路を形成するようにすることができる。この場合、これらの冷却流路の配向は、冷却液体と排ガスが相互に交流に導かれるように選ばれる。あるいは、もちろん、これらの冷却流路をいずれか他の所望の方向に導くこともできる。したがって、これらの冷却流路が、例えばマイクロ熱交換器中の流路に平行に延びていてもよい。

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