JP2005083251A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水冷式をベースとしつつも、配管やポンプ等の構成を不要とし、冷却系に影響を及ぼさない熱電発電装置を提供する。
【解決手段】 流路１２１内に車両のエンジン１０からの排気ガスが流通する高温側熱源部１２０と、この高温側熱源部１２０に対して低温側となる低温側熱源部１３０との温度差を用いて、熱電素子１１０によって発電を行う熱電発電装置において、低温側熱源部１３０は、容器１３１内に液媒体が封入されて形成されると共に、排気ガスからの熱を液媒体の沸騰、凝縮によって、外部空気に放出するようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、熱電素子によってエンジンの排気ガスの持つ熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置に関するものである。

従来の熱電発電装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。これは、エンジンからの排気ガスを排出する排気管の外表面に、熱電素子の一側面を接触させて取付けると共に、熱電素子の他側面を水冷式や空冷式の冷却部に接触させ、熱電素子の一側面と他側面との温度差に応じた起電力を発生させるものである。

ここでは、熱電素子の一側面と排気管の外表面との接触圧が排温の上昇に対して減少変化するようにしている。これにより、低排温時には排温に近い温度まで熱電素子の一側面の温度を高めることができる一方、排温が高くなると、排温と熱電素子との間の温度差を拡大し、熱電素子の温度が上限温度を超えて上昇することを防止でき、常用域での発電効率を確保しつつ、熱電素子の熱による損傷を回避できるようにしている。
特開２０００−２９７６９９号公報

しかしながら、熱電素子に対する冷却部として、空冷式よりも安定且つ充分な冷却効果の得られる水冷式とした場合に、熱電素子の他側面に冷却ジャケットを設け、この冷却ジャケットとラジエータとの間で、ポンプ（ポンプタービン）によってエンジン冷却水が循環されるようにしているので、冷却水用の配管やポンプ等の構成が必要となり、システムの複雑さやコストアップの要因となる。また、冷却水には排気ガスからの熱が伝達されて温度上昇することになるので、この分、ラジエータの冷却性能を向上させる必要も生ずる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、水冷式をベースとしつつも、配管やポンプ等の構成を不要とし、冷却系に影響を及ぼさない熱電発電装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、流路（１２１）内に車両のエンジン（１０）からの排気ガスが流通する高温側熱源部（１２０）と、この高温側熱源部（１２０）に対して低温側となる低温側熱源部（１３０）との温度差を用いて、熱電素子（１１０）によって発電を行う熱電発電装置において、低温側熱源部（１３０）は、容器（１３１）内に液媒体が封入されて形成されると共に、排気ガスからの熱を液媒体の沸騰、凝縮によって、外部空気に放出することを特徴としている。

これにより、容器（１３１）内における液媒体の自己循環作用によって、この液媒体の温度上昇を抑制することができるので、例えばラジエータ（２１）側からの配管や冷却水循環用のポンプ等の構成を不要としつつ、水冷式をベースとした低温側熱源部（１３０）とすることができる。そして、ラジエータ（２１）側からの冷却水を用いないようにするので、エンジン冷却系に排気ガスの熱影響を与えることが無い。

請求項２に記載の発明では、容器（１３１）内には、液媒体が沸騰する領域と凝縮する領域とを仕切る仕切り部（１３１ｃ）が設けられたことを特徴としている。

これにより、液媒体の沸騰、凝縮による自己循環作用がスムースに行われるようになるので、液媒体の温度上昇抑制効果を向上させることができる。

請求項３に記載の発明では、容器（１３１）は、液媒体を貯める液槽部（１３１ａ）と、液槽部（１３１ａ）の端部側から上方に延びて、沸騰した液媒体が凝縮する熱交換部（１３１ｂ）とから成り、熱電素子（１１０）、高温側熱源部（１２０）は、液槽部（１３１ａ）の上側に順に配設されたことを特徴としている。

これにより、上方に延びる熱交換部（１３１ｂ）の高さ方向の寸法領域に熱電素子（１１０）および高温側熱源部（１２０）を配置することができるので、熱電発電装置（１００）全体をコンパクトにすることができる。

請求項４に記載の発明では、熱交換部（１３１ｂ）の近傍には、冷却ファン（１３２）が設けられたことを特徴としている。

これにより、熱交換部（１３１ｂ）内の液媒体の凝縮作用を促進させることができるので、効果的に液媒体の温度上昇を抑制できる。

請求項５に記載の発明では、熱交換部（１３１ｂ）は、複数に分岐するチューブ状部（１３１ｂ）として形成され、複数のチューブ状部（１３１ｂ）の間には放熱フィン（１３３）が介在されたことを特徴としている。

これにより、放熱フィン（１３３）を介して外部空気側への熱伝達を向上させることができるので、効果的に液媒体の温度上昇を抑制できる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の熱電発電装置１００は、車両に搭載されるエンジン１０の排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに回収するものであり、まず、図１〜図３を用いてその基本構成について説明する。尚、図１はエンジン１０を含む全体構成を示す模式図、図２は熱電発電装置１００の外観を示す外観斜視図、図３は熱電発電装置１００の断面を示す断面図である。

図１に示すように、エンジン１０には燃焼用の空気を吸入する吸気管１２と、燃焼後の排気ガスを排出する排気管１１とが設けられている。吸気管１２内には、図示しない車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量に応じて開度が可変されるスロットルバルブ１２ａが設けられており、吸入空気量の調整が行われる。

また、排気管１１には、排気管１１から分岐して再びこの排気管１１に合流するように形成された分岐流路１１ａが設けられており、排気ガスの一部が流通できるようにしている。そして、この分岐流路１１ａには、後述する熱電発電装置１００が配設されている。分岐流路１１ａの熱電発電装置１００に対する排気ガスの上流側には、この分岐流路１１ａを開閉する分岐開閉弁（電磁弁）１１ｂが設けられている。

そして、ここでは発電後の排気ガスを用いたＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの冷却機能を付加するようにしており、分岐流路１１ａの熱電発電装置１００に対する排気ガスの下流側において、分岐流路１１ａからエンジン１０の吸気管１２に連通する導入流路１１ｃが設けられるようにしている。更に、導入流路１１ｃには、この導入流路１１ｃを開閉する導入開閉弁（電磁弁）１１ｄが設けられている。

排気管１１内には排気ガスの温度を検出する排気温センサ１４０が設けられており、この排気温センサ１４０で検出された温度信号は、後述する制御装置１５０に出力されるようにしている。ここで排気ガス温度は、エンジン１０作動時の負荷状態を示す代表特性として用いるようにしている。即ち、排気ガス温度が低い程、エンジン１０の作動負荷は低く、また、排気ガス温度が高い程、エンジン１０の作動負荷が高いものとして捕らえるようにしている。

制御装置１５０は、上記排気温センサ１４０の検出温度に基づいて、分岐開閉弁１１ｂおよび導入開閉弁１１ｄの開度と、後述する熱電発電装置１００に設けられる冷却ファン１３２の作動を制御するものとして設けられている。具体的には、検出温度（排気ガス温度）が低い程、両開閉弁１１ｂ、１１ｄの開度を大きくし、逆に検出温度（排気ガス温度）が高くなる程、両開閉弁１１ｂ、１１ｄの開度を小さくするように予め設定している。また、開閉弁１１ｂを開いている時には、冷却ファン１３２を作動させるようにしている。

因みに、エンジン１０にはエンジン冷却水回路２０が設けられている。エンジン冷却水回路２０は、エンジン１０内の冷却水がウォータポンプ１３によってラジエータ２１を通って循環するようにした回路である。ラジエータ２１の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１０の作動温度が適切に制御される。

次に熱電発電装置１００の詳細について、図２、図３を用いて説明する。熱電発電装置１００は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電素子１１０に高温側熱源部１２０、低温側熱源部１３０が設けられたものである。尚、熱電発電装置１００を構成する各部材（後述）は、冷却ファン１３２（ポリプロピレン等の樹脂材）を除いて、ステンレス系材より形成されており、溶接、ろう付け、機械的組付け等によって接合されている。

高温側熱源部１２０は、内部に形成される排気ガス流路（本発明の流路に対応）１２１を排気ガスが流通して、この排気ガスの熱によって熱電素子１１０に対する高温側熱源を成すものである。高温側熱源部１２０は、断面角型のパイプから成る本体部１２２と、接続用のフランジ部を有し本体部１２２の長手方向の両開口部にそれぞれ溶接接合される入口側接続部１２３、出口側接続部１２４とから成る。そして、排気ガス流路１２１内には、排気ガスの熱を熱電素子１１０に効率よく伝達するためのインナフィン１２５が設けられている。

低温側熱源部１３０は、冷却水容器（本発明の容器に対応）１３１内に封入される冷却水（本発明の液媒体に対応）によって熱電素子１１０に対する低温側熱源を成すものである。尚、この冷却水は、上記したエンジン冷却水回路２０内の冷却水との関わりは無く、冷却水容器１３１用に独立して設けられたものである。

冷却水容器１３１は、高温側熱源部１２０の長手方向に沿って扁平状に延び、主に冷却水が貯留される液槽部１３１ａと、この液槽部１３１ａの短手方向の両端部からそれぞれ上方に延びて、先端側で外側に湾曲する複数のチューブ状部（本発明の熱交換部に対応）１３１ｂとから成る。冷却水容器１３１の内部には液槽部１３１ａとチューブ状部１３１ｂとの接続部近傍からチューブ状部１３１ｂの先端側に向けて内部空間を２つに仕切る仕切り部１３１ｃが設けられている。

そして、チューブ状部１３１ｂの各間にはコルゲートタイプの放熱フィン１３３が介在されるようにしている。また、湾曲するチューブ状部１３１ｂに内包され、液槽部１３１ａの長手方向に沿って延びる冷却ファン１３２が設けられている。この冷却ファン１３２は、長手方向に回転軸を有するいわゆるクロスフローファンであり、駆動源として図示しないモータが設けられており、上記した制御装置１５０によって作動制御される。

低温側熱源部１３０の液槽部１３１ａの上側に熱電素子１１０が当接するように配設され、熱電素子１１０の上側に高温側熱源部１２０が当接するように配設され、更に、高温側熱源部１２０の上側には押え板１０２が配設され、３者１１０、１２０、１３０は複数のボルト１０１および押え板１０２によって固定されている。尚、熱電素子１１０と高温側熱源部１２０との間、熱電素子１１０と低温側熱源部１３０との間には、それぞれ接触熱抵抗を低減させるための熱伝導グリスが塗布されている。

そして、図１で説明したように、熱電発電装置１００の高温側熱源部１２０が排気管１１の分岐流路１１ａ内に介在され、両接続部１２３、１２４がそれぞれ分岐流路１１ａと接続されている。

次に、上記構成に基づく作動について説明する。エンジン１０の作動においては、スロットルバルブ１２ａの開度に応じて、吸入管１２から燃焼用の空気が吸入され、図示しないインジェクタから噴射される燃料と混合されて、着火燃焼される。そして、燃焼後の排気ガスは図示しない触媒によって浄化され排気管１１から大気に排出される。

制御装置１５０は、排気温センサ１４０から得られる排気ガスの温度信号に応じて、分岐開閉弁１１ｂおよび導入開閉弁１１ｄの開度を調整する。即ち、エンジン１０の作動負荷が低く、排気ガス温度が低い状態にあると、制御装置１５０は、分岐開閉弁１１ｂの開度を大きくする。すると、排気管１１を流れる排気ガスの一部は分岐流路１１ａ側により多く流入し、更に熱電発電装置１００の高温側熱源部１２０の排気ガス流路１２１を流通する。

この時、熱電素子１１０は、排気ガス流路１２１を流れる排気ガスおよび冷却水容器１３１内の冷却水によって温度差が与えられることになり発電する。そして、この発電によって得られた電力は、図示しない充電器（バッテリ）へ充電されたり、各種補機作動のために使用される。

また、エンジン１０の作動負荷が高くなり、排気ガス温度が高くなるにつれて、制御装置１５０は、分岐開閉弁１１ｂの開度を小さくしていく。すると、分岐流路１１ａ側を流通する排気ガス量が減少され、熱電素子１１０による発電作用は抑制される。

ここで、冷却水容器１３１内の冷却水は、熱電素子１１０を介して、排気ガスからの熱を受けて沸騰気化する。沸騰気化した冷却水は、仕切り部１３１ｃによって形成される一方の空間（液槽部１３１ａの上側の空間）からチューブ状部１３１ｂに上昇しながら流入する。そして、仕切り部１３１ｃによって形成される他方の空間（チューブ状部１３１ｂの冷却ファン１３２側の空間）において、冷却ファン１３２によって送風される空気および放熱フィン１３３によって冷却され凝縮液化し、再び液槽部１３１ａ内に還流する（自己循環する）。

即ち、低温側熱源部１３０は、排気ガスからの熱を沸騰により冷却水に伝達させ、更に、冷却水が凝縮液化する際の凝縮潜熱を放熱フィン１３３を介して、冷却ファン１３２から送風される空気（本発明の外部空気に対応）に放出することで、冷却水の温度上昇を抑制する。

尚、上記のように熱電素子１１０によって発電が行われる際に、排気ガス流路１２１を流通する排気ガスは、冷却水容器１３１内の冷却水によって冷却されることになる。そして、この冷却された排気ガスは、分岐開閉弁１１ｂと共に開度が大きくされる導入開閉弁１１ｄから導入流路１１ｃを流通して、吸入管１２内に流入する。

これは、あたかも専用の熱交換器で排気ガスを冷却した後に、この排気ガスを吸気側に流入させるＥＧＲガス冷却装置と等価な作用を果たすものと成り、エンジン１０における出力を低下させること無く、燃焼温度を低下させ、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度を低下させる。

また、エンジン１０の作動負荷に伴って、排気ガス温度が高くなるにつれて、制御装置１５０は、分岐開閉弁１１ｂと共に導入開閉弁１１ｄの開度を小さくしていく。すると、導入流路１１ｃ側を流通する排気ガス量が減少され、ＥＧＲガスの冷却作用は抑制される。

このように本発明においては、冷却水容器１３１内における冷却水の自己循環作用によって、この冷却水の温度上昇を抑制することができるので、例えばラジエータ２１側からの配管や冷却水循環用のポンプ等の構成を不要としつつ、水冷式をベースとした低温側熱源部１３０とすることができる。そして、ラジエータ２１側からの冷却水を用いないようにするので、エンジン冷却系（エンジン冷却水回路２０内の冷却水）に排気ガスの熱影響を与えることが無い。

そして、冷却水容器１３１内には、仕切り部１３１ｃを設けるようにしているので、冷却水の沸騰、凝縮による自己循環作用がスムースに行われるようになり、冷却水の温度上昇抑制効果を向上させることができる。

また、低温側熱源部１３０の液槽部１３１ａの上側に熱電素子１１０、および高温側熱源部１２０を順に配設することで、上方に延びるチューブ状部１３１ｂの高さ方向の寸法領域に熱電素子１１０および高温側熱源部１２０を配置することができるので、熱電発電装置１００全体をコンパクトにすることができる。

また、チューブ状部１３１ｂの近傍に冷却ファン１３２を設け、また、チューブ状部１３１ｂの間に放熱フィン１３３を介在させるようにしているので、チューブ状部１３１ｂ内の冷却水の凝縮作用を促進させ、効果的に冷却水の温度上昇を抑制できる。

尚、制御装置１５０は、エンジン１０の作動負荷が低くなるにつれて、分岐開閉弁１１ｂおよび導入開閉弁１１ｄの開度を大きくする側に制御するようにしているので、特に低負荷時に必要とされる発電機能とＥＧＲガスの冷却機能を同時に働かすことができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態に対して、低温側熱源部１３０の仕切り部１３１ｃ、冷却ファン１３２、放熱フィン１３３は、冷却水の凝縮のし易さに応じて廃止するようにしても良い。

また、高温側熱源部１２０と低温側熱源部１３０との上下方向の配置は、両者が逆に成るようにしても良い。

また、熱電素子１１０による発電機能のみを必要とするならば、導入流路１１ｃ、導入開閉弁１１ｄを用いたＥＧＲガスの冷却機能を廃止しても良い。

更に、エンジン１０の作動負荷状態を排気温センサ１４０を用いて、排気ガスの温度から把握するものとして説明したが、これに限らず、排気ガス中のＯ_２濃度や吸気管１２における吸気圧力等を用いるようにしても良い。

本発明の第１実施形態におけるエンジンを含む全体構成を示す模式図である。 図１における熱電発電装置の外観を示す外観斜視図である。 図１における熱電発電装置の断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１００ 熱電発電装置
１１０ 熱電素子
１２０ 高温側熱源部
１２１ 排気ガス流路（流路）
１３０ 低温側熱源部
１３１ 冷却水容器（容器）
１３１ａ 液槽部
１３１ｂ チューブ状部（熱交換部）
１３１ｃ 仕切り部
１３２ 冷却ファン
１３３ 放熱フィン

Claims (5)

1. 流路（１２１）内に車両のエンジン（１０）からの排気ガスが流通する高温側熱源部（１２０）と、前記高温側熱源部（１２０）に対して低温側となる低温側熱源部（１３０）との温度差を用いて、熱電素子（１１０）によって発電を行う熱電発電装置において、
   前記低温側熱源部（１３０）は、容器（１３１）内に液媒体が封入されて形成されると共に、前記排気ガスからの熱を前記液媒体の沸騰、凝縮によって、外部空気に放出することを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記容器（１３１）内には、前記液媒体が沸騰する領域と凝縮する領域とを仕切る仕切り部（１３１ｃ）が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記容器（１３１）は、前記液媒体を貯める液槽部（１３１ａ）と、前記液槽部（１３１ａ）の端部側から上方に延びて、沸騰した前記液媒体が凝縮する熱交換部（１３１ｂ）とから成り、
   前記熱電素子（１１０）、前記高温側熱源部（１２０）は、前記液槽部（１３１ａ）の上側に順に配設されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記熱交換部（１３１ｂ）の近傍には、冷却ファン（１３２）が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記熱交換部（１３１ｂ）は、複数に分岐するチューブ状部（１３１ｂ）として形成され、
   前記複数のチューブ状部（１３１ｂ）の間には放熱フィン（１３３）が介在されたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱電発電装置。

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