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発明の名称 伝熱部品
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−110813(P2007−110813A)
公開日 平成19年4月26日(2007.4.26)
出願番号 特願2005−297862(P2005−297862)
出願日 平成17年10月12日(2005.10.12)
代理人 【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
発明者 深田 善樹
要約 課題
一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる伝熱部品を提供する。

解決手段
一群の伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に一群の伝熱フィン2,2,2…の低温側を貫通するボルトB1〜B3が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6の熱膨張量と低温側を貫通するボルトB1〜B3の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィン2,2,2…の高温側の端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制される。
特許請求の範囲
【請求項1】
一群の伝熱フィンと、これらの伝熱フィンを相互に所定間隔を開けて配列させるように一体に締結する複数組の締結具とを備えた伝熱部品であって、
前記締結具のうち一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は熱膨張率の大きい材料で構成され、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具は熱膨張率の小さい材料で構成されていることを特徴とする伝熱部品。
【請求項2】
前記伝熱フィンの低温側を締結する締結具は鉄系の材料で構成され、前記伝熱フィンの高温側を締結する締結具はインバーで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の伝熱部品。
【請求項3】
前記締結具が前記伝熱フィンを貫通するボルトを有することを特徴とする請求項1または2に記載の伝熱部品。
【請求項4】
前記伝熱フィンが熱回収用の集熱フィンとして構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の伝熱部品。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換器や放熱機あるいは熱電発電装置において、その伝熱部を構成する伝熱部品に関し、詳しくは、一群の伝熱フィンを備えた伝熱部品に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、内燃機関などから排出される高温の排気ガスの熱エネルギーを回収して発電する熱電発電装置が一般に知られている(例えば特許文献1参照)。この熱電発電装置は、高温の排気ガスが流通する内筒の集熱面に熱電発電モジュールの高温側端面が密着し、空冷または水冷される外筒の放熱面に熱電発電モジュールの低温側端面が密着して構成されている。
【0003】
ここで、熱電発電モジュールの高温側端面への伝熱部品である内筒の内面には、集熱フィンとしての一群の伝熱フィンが設けられている。また、熱電発電モジュールの低温側端面からの伝熱部品である外筒の外面には、放熱フィンとしての一群の伝熱フィンが設けられている。
【特許文献1】特開平11−122960号公報(要約書)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、伝熱部品に設けられる一群の伝熱フィンが複数組の締結具を介して一体に締結されることで相互に所定間隙を開けて配列される構造の場合、一群の伝熱フィンが高温下に置かれる使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を貫通する締結具は、低温側を貫通する締結具より大きく熱膨張して長くなる。その結果、一群の伝熱フィンは高温側の端部の相互間隔が広がった状態に不用意に熱変形し、高温側端部での伝熱フィンの集熱効率が低下するという問題が発生する。
【0005】
そこで、本発明は、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる伝熱部品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る伝熱部品は、一群の伝熱フィンと、これらの伝熱フィンを相互に所定間隔を開けて配列させるように一体に締結する複数組の締結具とを備えた伝熱部品であって、締結具のうち一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は熱膨張率の大きい材料で構成され、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具は熱膨張率の小さい材料で構成されていることを特徴とする。
【0007】
本発明に係る伝熱部品では、その使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィンの低温側を締結する締結具が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具の熱膨張量と低温側を締結する締結具の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制される。
【0008】
本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具は鉄系の材料で構成し、高温側を締結する締結具はインバーで構成することができる。この場合、一群の伝熱フィンの高温側を締結するインバー製の締結具は、使用状態において殆ど熱膨張しないため、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が確実に抑制される。
【0009】
ここで、一群の伝熱フィンを一体に締結する締結具としては、ボルト・ナットやピンを使用することができる。また、一群の伝熱フィンは、熱回収用の集熱フィンとして構成してもよいし、熱放出用の放熱フィンとして構成してもよい。
【発明の効果】
【0010】
本発明に係る伝熱部品によれば、その使用状態において、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具が小さい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィンの低温側を締結する締結具が大きい熱膨張率で熱膨張する。このため、一群の伝熱フィンの高温側を締結する締結具の熱膨張量と低温側を締結する締結具の熱膨張量とが近づく傾向となり、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を抑制することができる。その結果、一群の伝熱フィンの高温側端部での集熱効率の低下を抑制することができる。
【0011】
本発明の伝熱部品において、一群の伝熱フィンの低温側を締結する締結具が鉄系の材料で構成され、高温側を締結する締結具がインバーで構成されている場合、一群の伝熱フィンの高温側を締結するインバー製の締結具は、使用状態において殆ど熱膨張しないため、一群の伝熱フィンの高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形を確実に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、図面を参照して本発明に係る伝熱部品の実施の形態を説明する。参照する図面において、図1は第1実施形態に係る伝熱部品の構造を示す分解斜視図、図2は図1に示した伝熱部品が組み付けられた熱電発電装置の正面図である。
【0013】
図1に示すように、第1実施形態に係る伝熱部品1は、縦長の長方形の板状に形成された複数枚の一群の伝熱フィン2,2,2…と、各伝熱フィン2,2,2…の低温側の端部となる上部の片面に添設される横長の長方形の板状に形成された一群のスペーサプレート3,3,3…とを備えている。これらの伝熱フィン2,2,2…およびスペーサプレート3,3,3…は、耐熱性があって熱伝導性の高い銅合金で構成されている。
【0014】
各スペーサプレート3から各伝熱フィン2の上部を貫通して例えば6個のボルト挿通孔H1〜H6が形成されている。そして、6個のボルト挿通孔H1〜H6に6本のボルトB1〜B6が挿通され、その先端部にそれぞれナットNが螺合されることで、一群の伝熱フィン2,2,2…が一群のスペーサプレート3,3,3…を介して相互に所定間隙を開けた状態で一体に締結されている。
【0015】
6個のボルト挿通孔H1〜H6は、図示の向きでは上下2段、左右3列に配列されており、ボルトB1〜B3は、各伝熱フィン2,2,2…において熱伝導方向の下流側となる低温側の上段3列のボルト挿通孔H1〜H3を貫通している。一方、ボルトB4〜B6は、上段3列のボルト挿通孔H1〜H3よりも熱伝導方向の上流側となる高温側の下段3列のボルト挿通孔H4〜H6を貫通している。
【0016】
ここで、伝熱フィン2,2,2…の低温側を貫通するボルトB1〜B3は、熱膨張率の大きいSUS材やその他の鉄系の材料で構成されている。一方、伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー(不変鋼)で構成されている。
【0017】
インバー(不変鋼)は、常温付近で熱膨張率が小さい合金であり、スーパーインバー、ステンレスインバー、Fe−Pt合金、Fe−Pd合金、36%ニッケル鋼などが知られている。ちなみに、36%ニッケル鋼の線膨張係数は、1.4×10−6/℃である。
【0018】
図1に示した構造を有する第1実施形態の伝熱部品1は、例えば図2に示すような熱電発電装置10の構成部品として組み付けられる。この熱電発電装置10は、図示しない内燃機関などから排出される高温の排気ガスの熱エネルギーを回収して発電するものであり、受熱基板11Aおよび放熱基板11Bを有する熱電発電モジュール11と、この熱電発電モジュール11の受熱基板11Aに接触する第1実施形態の伝熱部品1と、熱電発電モジュール11の放熱基板11Bに接触する放熱ブロック12とを備えている。
【0019】
熱電発電モジュール11は、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するn型熱電発電素子およびp型熱電発電素子が高温側の受熱基板11Aと低温側の放熱基板11Bとの間に複数個設置された構造を有し、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。
【0020】
放熱ブロック12は、熱電発電モジュール11の放熱基板11Bとの間の熱交換により放熱基板11Bから十分に吸熱できるように、熱伝導性の高い銅合金やアルミニウム合金の材料で構成されており、その内部には冷却水の流通路(図示省略)が形成されている。
【0021】
ここで、伝熱部品1は、高温の排気ガスが導入される長方形断面のガイド部材13の左右の壁部をボルトB1〜B6が貫通し、その先端部に一群のナットNが螺合されることでガイド部材13に装着されている。そして、ガイド部材13の内側に配置された集熱フィンとしての伝熱フィン2,2,2…およびスペーサプレート3,3,3…は、ボルトB1〜B6の頭部側に螺合された一群のナットNと、ボルトB1〜B6の先端側に螺合された一群のナットNとの間に挟持されており、この状態で一群の伝熱フィン2,2,2…は、相互に所定間隔を保持して平行に配列されている。
【0022】
ガイド部材13に装着された伝熱部品1の熱伝導方向の下流側となる低温側の端面、すなわち、一群の伝熱フィン2,2,2…の間に一群のスペーサプレート3,3,3…が介設された低温側の端面には、熱電発電モジュール11が重ねられてその受熱基板11Aが接触している。そして、この熱電発電モジュール11の受熱基板11Aを伝熱部品1の低温側の端面に密着させるため、ガイド部材13の周囲には押枠部材14が配設されている。
【0023】
押枠部材14は、伝熱部品1が装着されたガイド部材13を囲む長方形の断面形状を有し、熱電発電モジュール11に重ねられた放熱ブロック12に対面する一辺には、押込みボルト15が進退自在にねじ込まれている。そして、この押込みボルト15がばね受け16およびこれに係止されたコイルばね17を介して放熱ブロック12を押圧することにより、熱電発電モジュール11の受熱基板11Aが伝熱部品1の低温側の端面に密着するように構成されている。
【0024】
ここで、第1実施形態の伝熱部品1が図2に示すように組み付けられた熱電発電装置10は、図示しない内燃機関などから排出される高温の排気ガスがガイド部材13の内側に配置された伝熱部品1の一群の伝熱フィン2,2,2…の間を流通するように設置される。
【0025】
このような設置状態において、排気ガスの熱が伝熱部品1の各伝熱フィン2,2,2…から熱電発電モジュール11の受熱基板11Aに伝熱され、熱電発電モジュール11の放熱基板11Bから放熱ブロック12へ放熱される。その結果、熱電発電モジュール11の受熱基板11Aと放熱基板11Bとの間に温度差が発生し、その温度差に応じて熱電発電モジュール11の各n型熱電発電素子およびp型熱電発電素子が起電力を発生して発電する。
【0026】
このような熱電発電装置10の使用状態において、伝熱部品1の一群の伝熱フィン2,2,2…の間を流通する排気ガスの温度は、例えば250℃以上の高温となる。
【0027】
このため、伝熱部品1の一群の伝熱フィン2,2,2…を締結するボルトB1〜B6の材料が全て同種の鉄系材料で構成されていると仮定すると、伝熱フィン2,2,2…の熱伝導方向の上流側となる高温側のボルト挿通孔H4〜H6を貫通するボルトB4〜B6は、熱伝導方向の下流側となる低温側のボルト挿通孔H1〜H3を貫通するボルトB1〜B3に較べて大きく熱膨張して長くなる。その結果、一群の伝熱フィン2,2,2…は、図3に示すように、高温側端部の相互間隔が広がった状態に不用意に熱変形し、高温側端部での伝熱フィン2,2,2…の集熱効率が低下する。
【0028】
しかしながら、第1実施形態の伝熱部品1では、伝熱フィン2,2,2…の低温側を貫通するボルトB1〜B3が熱膨張率の大きいSUS材やその他の鉄系の材料で構成されているのに対し、伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6が熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー(不変鋼)で構成されているため、伝熱フィン2,2,2…の低温側を貫通するボルトB1〜B3が大きい熱膨張率で熱膨張し、反対に伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6が小さい熱膨張率で熱膨張する。
【0029】
すなわち、伝熱フィン2,2,2…の低温側を貫通するボルトB1〜B3の熱膨張量と、伝熱フィン2,2,2…の高温側を貫通するボルトB4〜B6の熱膨張量とが近づく傾向となり、その結果、一群の伝熱フィン2,2,2…は、図2に示すように、高温側端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制されるのであり、高温側端部での伝熱フィン2,2,2…の集熱効率が向上する。
【0030】
図4は、本発明の第2実施形態に係る伝熱部品20を示している。この伝熱部品20は、例えば短冊状の板状に形成された複数枚の一群の伝熱フィン21,21,21…と、各伝熱フィン21,21,21の熱伝導方向の中流部位となる略中央部の片面に添設される板状の一群のスペーサプレート22,22,22…と、このスペーサプレート22,22,22…と共に伝熱フィン21,21,21…の中央部を貫通する一群のボルト23および他の一群のボルト24と、これらのボルト23,24の先端部にそれぞれ螺合されるナット25とを備えている。
【0031】
この伝熱部品20は、熱交換器30の高温媒体と低温媒体とが区画されて流通する長方形断面の通路部材31の内部に一群の伝熱フィン21,21,21…およびスペーサプレート22,22,22…が収容されており、通路部材31の左右の壁部を一群のボルト23および他の一群のボルト24が貫通し、その先端部にそれぞれナット25が螺合されることで通路部材31に組み付けられている。
【0032】
ここで、一群の伝熱フィン21,21,21…の中央部から一端側の部分は、低温媒体の流路内に突出する低温部21A,21A,21A…とされており、伝熱フィン21,21,21…の中央部から他端側の部分は、高温媒体の流路内に突出する高温部21B,21B,21B…とされている。
【0033】
そして、伝熱フィン21,21,21…の低温部21A,21A,21A…に近い部分を貫通する一群のボルト23は、熱膨張率の大きいSUS材やその他の鉄系の材料で構成されており、伝熱フィン21,21,21…の高温部21B,21B,21Bに近い部分を貫通する他の一群のボルト24は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー(不変鋼)で構成されている。
【0034】
なお、伝熱フィン21,21,21…およびスペーサプレート22,22,22…は、耐熱性があって熱伝導性の高い銅合金で構成されている。
【0035】
この第2実施形態の伝熱部品20が組み付けられた熱交換器30においては、通路部材31の内部に収容された伝熱フィン21,21,21の高温部21B,21B,21B…の周囲を高温媒体が流通し、低温部21A,21A,21A…の周囲を低温媒体が流通することにより、伝熱フィン21,21,21…を介して高温媒体から低温媒体へと熱交換される。
【0036】
その際、伝熱フィン21,21,21…の低温部21A,21A,21A…に近い部分を貫通する一群のボルト23は、熱膨張率の大きいSUS材やその他の鉄系の材料で構成されているため、大きい熱膨張率で熱膨張し、伝熱フィン21,21,21…の高温部21B,21B,21B…に近い部分を貫通する他の一群のボルト24は、熱膨張率の極めて小さい材料であるインバー(不変鋼)で構成されているため、小さい熱膨張率で熱膨張する。
【0037】
すなわち、伝熱フィン21,21,21…の低温部付近を貫通する一群のボルト23の熱膨張量と、伝熱フィン21,21,21…の高温部付近を貫通する他の一群のボルト24の熱膨張量とが近づく傾向となり、その結果、一群の伝熱フィン21,21,21…は、図4に示すように、高温部21B,21B,21B…の端部の相互間隔が不用意に広がるという熱変形が抑制されるのであり、その高温部21B,21B,21B…の集熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の第1実施形態に係る伝熱部品の構造を示す分解斜視図である。
【図2】図1に示した伝熱部品が組み付けられた熱電発電装置の概略構造を示す正面図である。
【図3】図2に示した伝熱部品の作用の比較例を示す熱電発電装置の正面図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る伝熱部品の構造を示す正面図である。
【符号の説明】
【0039】
1 伝熱部品
2 伝熱フィン
3 スペーサプレート
10 熱電発電装置
11 熱電発電モジュール
12 放熱ブロック
13 ガイド部材
14 押枠部材
15 押込みボルト
16 ばね受け
17 コイルばね
N ナット
B1〜B6 ボルト
H1〜H6 ボルト挿通孔




 

 


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