JP2005117836A - 排熱エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の温度センサを用いることなく、発電モジュール内の熱電素子の高温端側と、低温端側の温度を正確に把握することを可能とした排熱エネルギー回収装置を提供する。
【解決手段】 排気管７に配置される熱電素子１０からなる発電モジュール１は、その高温端側を排ガスにより加熱し、低温端側を冷却水配管８によって導入される冷却水で冷却することで、温度差によるゼーベック効果により発電を行う。そのコントローラは、水温センサ４で測定した冷却水温Ｔｗと、排ガス温センサ５で測定した排ガス温Ｔｇからそれぞれ高温端温度Ｔｈ１と低温端側温度Ｔｃ１を推定し、両者をクロスチェックすることでその信頼性を検定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼機器から排出される燃焼排ガスの有する熱エネルギーを回収する排熱エネルギー回収装置に関し、特に、熱電素子を発電モジュールとして用い、排ガスと空気、水等の冷却源との温度差により電力を発生させて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する排熱エネルギー回収装置における温度測定、異常判定に関する。

自動車の排気系に熱電素子を配置し、素子の一方の端子を排ガスにより加熱し、他方の端子を空冷、または水冷により冷却すると、この温度差に応じてゼーベック効果により、電力を発生させて排ガスの有する熱エネルギー（排熱エネルギー）を電気エネルギーとして回収する排熱発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような排熱発電装置においては、熱電素子の破損防止や発生電力の制御、異常検出等を行うため、熱電素子の高温側端・低温側端それぞれの温度を把握する必要がある。特許文献１では、各素子の高温側、低温側の温度を熱電対で測定する技術が開示されているが、発電モジュールには多数の熱電素子が搭載されるため、全ての熱電素子の温度を直接測定しようとすると、温度センサの数が膨大になり、センサ自体やその処理回路のコストが増大してしまう。また、特に、高温側端においては、温度センサと素子面とを絶縁する必要があるが、絶縁性と安定した測定のために必要とされる伝熱性とを両立させることが困難である。

そのため、特許文献２、特許文献３には、高温側の温度を直接測定するのではなく、熱電素子の低温側温度または冷却水温度から高温側温度を発電時の電圧に基づいて推定する技術がそれぞれ開示されている。
特開平６−２２５７２号公報（段落０００８、図１） 特開平８−２１９８９８号公報（段落００１４〜００１７、図２） 特開平１０−２９０５９０号公報（段落００２４〜００３４、図５、図６）

しかしながら、特許文献２、３の技術で発電モジュールの高温側温度を把握するためには、発電モジュールの熱抵抗（冷却水から熱電素子の低温側端子、熱電素子の低温側端子から高温側端子、排ガスから高温側端子に至るそれぞれの熱抵抗が含まれる。）がいずれも初期状態と変わらないこと、熱電素子の発電特性が初期状態と変わらないこと、の２つの条件がいずれも満たされる必要がある。しかしながら、これらの特性は経時変化によって変動する性質を有する。さらに、この経時変化は、発電モジュールの運用状態やその置かれた環境によっても左右されるため、正確に推定することはできない。したがって、高温側温度を確実に推定することは困難である。

そこで本発明は、多数の温度センサを用いることなく、発電モジュール内の熱電素子の高温端側と、低温端側の温度を正確に把握することを可能とした排熱エネルギー回収装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る排熱エネルギー回収装置は、熱電素子を組み合わせた発電モジュールに燃焼機器の排ガスを導き、冷却源との温度差によって発生する起電力により発電を行うことで排ガスから排熱エネルギー回収を行う排熱エネルギー回収装置において、排ガス温度を計測する手段と、冷却源温度を計測する手段と、計測した排ガス温度から熱電素子の高温端側・低温端側のそれぞれの温度を推定する手段と、計測した冷却源温度から熱電素子の高温端側・低温端側のそれぞれの温度を推定する手段と、得られた２種の高温端側・低温端側の温度を比較して、推定温度の検定を行う手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、熱電素子の高温端側・低温端側の温度の推定値としては、計測した排ガス温度からの推定値（第１の推定値）と冷却源温度からの推定値（第２の推定値）が得られる。第１の推定値と第２の推定値とをクロスチェックして、その検定を行う。

検定済みの高温端側・低温端側の温度から発電モジュールの出力を推定し、実際の出力と比較することで装置の異常を判定する手段をさらに備えていることが好ましい。発電モジュールの出力は高温端側温度と低温端側温度の温度差に起因する。そこで、実際の出力を温度差から推定した出力により検定する。

本発明によれば、第１の推定値と第２の推定値との間で相互に推定値の検定を行う。ここで、推定値相互間に大きな差が生ずる場合としては、推定の基礎となる熱抵抗が初期状態から大きくずれた場合があるが、これは、伝熱経路等に異常が生じた場合であり、本発明によれば、このような異常を判別することができる。そして、推定値相互間に大きな差がない場合には、これらの推定値から高温端側と低温端側の温度を正確に推定することができる。

さらに、発電モジュールの出力を検証することにより、モジュールの発電能力の異常を検出することができる。このため、信頼性の高い排熱エネルギー回収装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る排熱エネルギー回収装置の実施形態を示すブロック構成図であり、図２、図３は、その発電モジュールを示す縦断面図と横断面図である。

この排熱エネルギー回収装置１００は、多数の熱電素子１０を有する発電モジュール１と、発電モジュール１で得られた電力を所定の電圧の電流に変換する電力変換器２と、発電モジュール１における発電制御を行うコントローラ３と、発電モジュール１に導入される冷却水温度、排ガス温度をそれぞれ検出する水温センサ４、排ガス温センサ５と、発電された電力を蓄えるバッテリ６とから構成されている。

熱電素子１０は、ｐ型とｎ型の半導体をπ形に多数接続して構成したものである。排気管７中に設けられた拡大流路７０内には、フィン状に構成されたヒートシンク７１が配置され、拡大流路７０の横断面の外形は正八角形とされ、各辺状に熱電素子が４つずつ、排気管７の中心軸方向に沿って配置されている。以下、この拡大流路７０の軸方向の熱電素子を上流側から１段目、２段目、…、４段目と称し、周方向は、図３において頂面に配置される熱電素子１０から時計回りに１列目、２列目、…、８列目と称する。各段内の熱電素子１０は、１列目から８列目までが電気的に直列に接続され、それぞれの段の熱電素子１０群は、電気的に並列に電力変換器２と接続されている。

これらの熱電素子１０は、同一段のモジュール間で起電力にアンバランスがでないように、熱抵抗手段を用いて入力される熱が均一化されるように調整されている。

各熱電素子１０は、ヒートシンク７１を介して排ガスにより一方の端面（高温側端面）が加熱されるとともに、冷却水配管８を流れる冷却水により他方の端面（低温側端面）が冷却され、この温度差によるゼーベック効果により電流（電力）を出力する。冷却水配管８は、分岐して各段の１列目の熱電素子１０へと接続され、時計回りに各熱電素子１０を冷却して８段目の熱電素子１０を冷却後に合流されて、図示していないラジエータへと送られて、冷却された後、再循環される。

水温センサ４は冷却水配管の発電モジュール１への冷却水導入部に配置され、排ガス温センサ５は、排気管７のヒートシンク７１より上流部に配置されている。

この装置においては、発電モジュール１を効率的に作動させるため、以下に示される発電制御を実行する。図４はそのフローチャートである。この制御フローは、コントローラ３によって、本排熱エネルギー回収装置１００を搭載した車両の電源キーがオンにされている間、所定のタイミングで繰り返し実行されるものである。

まず、排ガス温センサ５と、水温センサ４の出力をもとにして、排ガス温度Ｔｇと冷却水温Ｔｗを読み込む（ステップＳ１）。計測した排ガス温度Ｔｇから、図５（ａ）に示されるＴｇ−Ｔｈ１マップに基づき、熱電素子１０の１段目の高温端側の推定温度Ｔｈ１（ｇ）を求める（ステップＳ２）。このマップ（以下に示される別のマップについても同様である。）は、初期状態を基にして設定されているのもで、図示していないエンジンの運転条件に応じてコントローラ３に格納されている。同様の手法で、計測した冷却水温Ｔｗから、図５（ｂ）に示されるＴｗ−Ｔｈ１マップに基づき、熱電素子１０の１段目の高温端側の推定温度Ｔｈ１（ｗ）を求める（ステップＳ３）。

こうして求めた２つの推定温度Ｔｈ１（ｇ）、Ｔｈ１（ｗ）の差の絶対値をしきい値Ｔｈ＿ｔｈと比較する（ステップＳ４）。つまり、両者をクロスチェックすることで検定を行う。差がしきい値Ｔｈ＿ｔｈを超えている場合には推定温度の信頼度が低いと判定し、ステップＳ５に移行して、高温端温度の検出異常フラグをオンにする。

同様に、低温端側温度についてもクロスチェックを行う。具体的には、計測した排ガス温度Ｔｇから、図５（ｄ）に示されるＴｇ−Ｔｃ１マップに基づき、熱電素子１０の１段目の低温端側の推定温度Ｔｃ１（ｇ）を求める（ステップＳ６）。また、計測した冷却水温Ｔｗから、図５（ｃ）に示されるＴｗ−Ｔｃ１マップに基づき、熱電素子１０の１段目の低温端側の推定温度Ｔｃ１（ｗ）を求める（ステップＳ７）。

こうして求めた２つの推定温度Ｔｃ１（ｇ）、Ｔｃ１（ｗ）の差の絶対値をしきい値Ｔｃ＿ｔｈと比較する（ステップＳ８）。つまり、両者をクロスチェックすることで検定を行う。差がしきい値Ｔｃ＿ｔｈを超えている場合には推定温度の信頼度が低いと判定し、ステップＳ９に移行して、低温端温度の検出異常フラグをオンにする。

次に、これら２つの検出異常フラグの値を判定する（ステップＳ１０）。２つの検出異常フラグのうちいずれか一方でもオンになっている場合には、検出異常ありと判定して後述するモジュール異常判定処理（ステップＳ１６）へと移行する。一方、いずれの検出異常フラグもオンに設定されていない場合には、実際の制御処理へと移行する。このように、水温と排ガス温からそれぞれに高温端側温度、低温端側温度を推定し、両者をクロスチェックしてその信頼性を判定しているので、高温端側温度Ｔｈ１と低温端側温度Ｔｃ１の推定精度が向上する。

制御処理においては、まず、１段目の高温端側温度Ｔｈ１と低温端側温度Ｔｃ１の温度差ΔＴを求める（ステップＳ１１）。ここで、用いる高温端側温度Ｔｈ１と低温端側温度Ｔｃ１は、２つの推定温度の平均温度を用いても良く、いずれか一方を優先して用いてもよい。また、４つの組み合わせのうち温度差ΔＴが最も小さくなる組み合わせを用いてもよい。上述したように、高温端側温度Ｔｈ１と低温端側温度Ｔｃ１を高い精度で推定しているので、ΔＴについても高い精度で推定を行うことができる。

こうして求めたΔＴは１段目のものであるが、図６に示されるように、１段目から２段目、３段目、４段目へと移るに連れて排ガスが冷却され、冷却水は加熱されることにより、高温端側温度は低下していき、その反対に、低温端側温度は上昇する。このため、その温度差は１段目から２段目、３段目、４段目へと移るに連れて小さくなる。発電モジュール１全体の制御においては、１段目の温度差ΔＴより平均温度差ΔＴ’のほうが利用しやすい。そこで、ΔＴからΔＴ’への換算を行う。具体的には、初期状態における１段目（初段）と４段目（最終段）の高温端側温度差Δｔｈと、低温端側温度差Δｔｃとをコントローラ３内に保持しておき、両者の和の２分の１をΔＴから差し引くことでΔＴ’を求める（ステップＳ１２）。

このΔＴ’を用いて、図７、図８に示されるマップに基づいて発電モジュール１に流すべき最適電流値Ｉとその際に得られる推定出力値（電力値）Ｐiniを得る（ステップＳ１３）。コントローラ３は、発電モジュール１を流れる電流が得られた最適電流値Ｉとなるよう電力変換器２を制御し、合わせてその実際の出力電力値Ｐを測定する（ステップＳ１４）。

得られた実際の出力電力値ＰとステップＳ１３で得られた推定出力値Ｐiniとの偏差がしきい値Ｐthより小さいか否かを判定する（ステップＳ１５）。偏差がしきい値Ｐthより小さい場合には、発電モジュール１が正常に機能していると判定し、その後の処理をスキップして処理を終了する。一方、偏差がしきい値Ｐthより大きい場合には、熱電素子１０の高温端側と低温端側の予想温度差に対して十分な出力が出ていないか、異常に出力が大きい場合を意味する。

前者は、例えば、熱電素子１０自体に異常がある場合のほか、ヒートシンク７１の異常、熱電素子１０と排気管７、あるいは、冷却水配管８との熱歪みや素子の押圧力の変化に基づく熱抵抗の増大等が考えられる。後者としては、熱電素子１０の高温端側の異常加熱や低温端側の異常冷却等が考えられる。これらの場合には、発電モジュール１の異常と判定し（ステップＳ１６）、発電モジュール１の作動を停止し、図示していない警報装置（モニター、スピーカー等）により、音声、映像によって運転者に対してシステムの異常を報知する。

このように、高精度で推定を行ったΔＴ（実際はΔＴ’）を用いて、発電制御を行うことで、効率のよい発電を行うことができ、発熱回収効率が向上する。また、モジュール出力をΔＴ（実際はΔＴ’）から検証することにより、伝熱経路等の異常状態を判定することができるので、システムに対する信頼性が向上する。

ここでは、排ガス温度、冷却水温度をそれぞれ入口のみで測定する実施例を紹介したが、これらの温度センサは、その発電モジュール１からの出口や中間部分に配置してもよい。さらには、入口と出口のように温度の異なる複数の箇所に配置したり、温度が略同一となる位置に複数のセンサを設け、センサの信頼性を確保してもよい。

また、本発明における発電モジュールは、上述したような形式に限られるものではなく、排ガス配管の断面形状や、その壁面への熱電素子の配置形態、配置した熱電素子の電気的接続についてはさまざまな変形が可能である。さらに、車両に搭載された内燃機関の排ガスから排熱エネルギーを回収する装置に限られるものではなく、各種の燃焼機器の排ガスから排熱エネルギーを回収する装置に本発明は好適に適用可能である。

本発明に係る排熱エネルギー回収装置の実施形態を示すブロック構成図である。 図１の発電モジュールを示す縦断面図である。 図１の発電モジュールを示す横断面図である。 本実施形態の制御処理を示すフローチャートである。 冷却水温、排ガス温度と各温度からそれぞれ推定した熱電素子の高温端側温度と低温端側温度の関係を示すグラフである。 熱電素子の段ごとの高温端側温度と低温端側温度の推移を示すグラフである。 推定温度差と最適電流値との関係を示すグラフである。 推定温度差と推定発電量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…発電モジュール、２…電力変換器、３…コントローラ、４…水温センサ、５…排ガス温センサ、６…バッテリ、７…排気管、８…冷却水配管、１０…熱電素子、７０…拡大流路、７１…ヒートシンク、１００…排熱エネルギー回収装置。

Claims (2)

1. 熱電素子を組み合わせた発電モジュールに燃焼機器の排ガスを導き、冷却源との温度差によって発生する起電力により発電を行うことで排ガスから排熱エネルギー回収を行う排熱エネルギー回収装置において、
   排ガス温度を計測する手段と、
   冷却源温度を計測する手段と、
   計測した排ガス温度から前記熱電素子の高温端側・低温端側のそれぞれの温度を推定する手段と、
   計測した冷却源温度から前記熱電素子の高温端側・低温端側のそれぞれの温度を推定する手段と、
   得られた２種の高温端側・低温端側の温度を比較して、推定温度の検定を行う手段と、を備えていることを特徴とする排熱エネルギー回収装置。
2. 検定済みの高温端側・低温端側の温度から前記発電モジュールの出力を推定し、実際の出力と比較することで装置の異常を判定する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の排熱エネルギー回収装置。

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