JP2005150653A - 廃熱エネルギ回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの排熱を効率よく回収する。
【解決手段】排気ガスの温度が高い場合は高温において効率のよい熱電素子を用い、排気ガスの温度が低い場合は低温において効率のよい熱電素子を用いる。また、排気ガスの温度が高い場合は熱電素子を冷却するために冷却水を用い、排気ガスの温度が低い場合は熱電素子を冷却するために冷却水よりも冷却効率の高い冷媒を用いる。排気ガスの温度が変化してもそれに応じた熱電素子を用いたりそれに応じて熱電素子を冷却することにより、排気ガスの廃熱を効率よく回収することが出来る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して回収する廃熱エネルギ回収装置に関する。

エンジンから排出される排気ガスなどからエネルギを回収しようとする試みがなされている。この排気ガスの有する熱エネルギは、その一部が排気浄化触媒の温度を活性温度まで上昇させるために利用されたり、車室内の暖房などに利用されるが、それ以外の大部分は利用されずに放散される。そこで、排気ガスが有する熱を熱電素子を用いて電気エネルギに変換し、電気エネルギとして回収することがなされている。このような廃熱エネルギ回収装置では、排気ガスが流れる排気管(高温側)と冷却水などを通した冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュール（熱電素子）を配設し、この高温側と低温側との温度差に応じて生じる電気エネルギを回収している。
特開平１０−２９０５９０

上述した熱電素子は高温側と低温側の温度差に応じて電気エネルギを生じるため、効率よく安定的に電気エネルギを得るためには高温側と低温側の温度差を安定させることが望ましい。また、熱電素子はその種類に応じて特定の温度において効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換するため、効率よく安定的にエネルギを得るためには排気ガスの温度が特定の温度で安定していることが望ましい。しかし、従来の廃熱エネルギ回収装置は排気ガスなどの温度の変化にかかわらず同じ材料の熱電素子を用い低温側の温度を所定値に保ったままで電気エネルギの回収を行っていたため、エンジンの排気ガスのように高温側の温度が大きく変化するようなものから効率よく安定的に電気エネルギを得ることが難しかった。

請求項１記載の廃熱エネルギ回収装置は、気体の持つ廃熱エネルギを熱電素子によって電気エネルギに変換して回収するもので、熱電素子を冷却する第１冷媒と、第１冷媒よりも冷却能力の高い、熱電素子を冷却する第２冷媒と、熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第１検知装置と、検知された変換状況に基づいて第１冷媒と第２冷媒との使用を切り換える第１切り換え装置とを備えている。

請求項２記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項１における第１検知装置は熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置であり、第１切り換え装置は第１冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以下の場合、第２冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とする。

請求項３記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項１における第１検知装置は熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置であり、第１切り換え装置は第２冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以上の場合、第１冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とする。

請求項４記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項１における第１検知装置は気体の温度を測定する第１温度測定装置であり、第１切り換え装置は第１冷媒によって熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以下の場合、第２冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とする。

請求項５記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項１における第１検知装置は気体の温度を測定する第１温度測定装置であり、第１切り換え装置は第２冷媒によって熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以上の場合、第１冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とする。

請求項６記載の廃熱エネルギ回収装置は、気体の持つ廃熱エネルギを熱電素子によって電気エネルギに変換して回収するもので、気体が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電素子と前記気体が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電素子と、第１熱電素子もしくは第２熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第２検知装置と、検知された変換状況に基づいて第１熱電素子と第２熱電素子との使用を切り換える第２切り換え装置とを備えている。

請求項７記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項６における第２検知装置は第１熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第１測定装置であり、第２切り換え装置は前記電圧が所定値以下の場合、第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする。

請求項８記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項６における第２検知装置は第２熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第２測定装置であり、第２切り換え装置は電圧が所定値以下の場合、第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする。

請求項９記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項６における第２検知装置は気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、第２切り換え装置は温度が所定値以下の場合、第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする。

請求項１０記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項６における第２検知装置は気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、第２切り換え装置は温度が所定値以上の場合、第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする。

請求項１１記載の廃熱エネルギ回収装置は、請求項６において、さらに第１熱電素子を冷却する第３冷媒と、前記第３冷媒よりも冷却能力の高い、第２熱電素子を冷却する第４冷媒とを備えている。

請求項１記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、熱電素子を冷却する第１冷媒と、第１冷媒よりも冷却能力の高い、熱電素子を冷却する第２冷媒と、熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第１検知装置と、検知された変換状況に基づいて第１冷媒と第２冷媒との使用を切り換える第１切り換え装置とを備えているため、変換状況に応じて第１冷媒と第２冷媒とを使い分けることで熱電素子の高温側と低温側の温度差を望ましいものと出来、効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項２記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置を備え、第１切り換え装置は第１冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以下の場合、第２冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とするため、熱電素子の高温側の温度が低下した場合でも低温側の温度をさらに下げることで高温側と低温側の温度を望ましいものと出来、効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項３記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置を備え、第１切り換え装置は第２冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以上の場合、第１冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とするため、熱電素子の高温側の温度が十分高いのにさらに低温側の温度を下げるために多くのエネルギを消費してしまうのを防ぐことが出来る。

請求項４記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、気体の温度を測定する第１温度測定装置を備え、第１切り換え装置は第１冷媒によって熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以下の場合、第２冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とするため、熱電素子の高温側の温度が低下した場合でも低温側の温度をさらに下げることで高温側と低温側の温度を望ましいものと出来、効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項５記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、気体の温度を測定する第１温度測定装置を備え、第１切り換え装置は第２冷媒によって熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以上の場合、第１冷媒によって熱電素子を冷却することを特徴とするため、熱電素子の高温側の温度が十分高いのにさらに低温側の温度を下げるために多くのエネルギを消費してしまうのを防ぐことが出来る。

請求項６記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、気体が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電素子と前記気体が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電素子と、第１熱電素子もしくは第２熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第２検知装置と、検知された変換状況に基づいて第１熱電素子と第２熱電素子との使用を切り換える第２切り換え装置とを備えているため、変換状況に応じて第１熱電素子と第２熱電素子とを使い分けることで効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項７記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、第１熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第１測定装置を備え、第２切り換え装置は前記電圧が所定値以下の場合、第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とするため、電圧に応じて第１熱電素子と第２熱電素子とを使い分けることにより効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項８記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、第２熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第２測定装置を備え、第２切り換え装置は電圧が所定値以下の場合、第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とするため、電圧に応じて第１熱電素子と第２熱電素子とを使い分けることにより効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項９記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、第２切り換え装置は温度が所定値以下の場合、第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とするため、温度に応じて第１熱電素子と第２熱電素子とを使い分けることにより効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項１０記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、第２切り換え装置は温度が所定値以上の場合、第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とするため、温度に応じて第１熱電素子と第２熱電素子とを使い分けることにより効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

請求項１１記載の廃熱エネルギ回収装置によれば、第１熱電素子を冷却する第３冷媒と、前記第３冷媒よりも冷却能力の高い、第２熱電素子を冷却する第４冷媒とを備えているため、第１熱電素子および第２熱電素子ともに必要十分な温度差を作り出し効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
〔構成説明〕図１は、第１の実施の形態の適用状況を示す斜視図である。本実施の形態の廃熱エネルギ回収装置１は車両２に搭載されており、内燃機関であるエンジン（図示せず）から排出される排気ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換する。変換した電気エネルギはバッテリに充電したり、エンジンや補機類の駆動動力として利用される。上述したように、内燃機関によって走行する車両において、内燃機関の発する熱のほとんどは廃熱として利用されずに放出されている。ここでは、無駄に捨てられている排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して効率よく回収する。本実施の形態の廃熱エネルギ回収装置１は、４気筒エンジンのエキゾーストマニホールド３の直下に配設されている。廃熱エネルギ回収装置の下流側からは排気管４が導出されている。排気管４上には、排気浄化触媒５、サブマフラ６、メインマフラ７などが配設されている。

図２に廃熱エネルギ回収装置１の断面図を示す。気体通路８は一端をエキゾーストマニホールド３に接続され、他端を排気管４に接続されている。気体通路８内にはヒートシンク９が配設されている。ヒートシンク９は熱伝導性のよい物質で形成されており、気体通路８の径方向中心部を流れる排気ガスの熱を壁面部へより効率よく伝えることが出来る。

気体通路８の壁面には第１熱電素子１０が配設されている。気体通路８内に排気ガスが流通するとその熱により第１熱電素子１０の気体通路８の壁面側が加熱される。また、気体通路８はヒートシンク９を配設するため、ヒートシンク９からの熱によっても第１熱電素子１０は加熱される。本実施の形態の場合、第１熱電素子１０としては公知のものが用いられており、例えばBｉ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系の半導体材料を用いたものなどが用いられる。

第１熱電素子１０の気体通路８の壁面側に対して反対側には冷却水通路１１が配設されている。冷却水通路１１内に冷却水を流すことにより第１熱電素子１０の冷却水通路１１側を冷却する。この冷却水は熱電素子を冷却出来るものであれば何でもよいが、例えばエンジンを冷却する冷却水を用いた場合、第１熱電素子１０を冷却するために新たな冷却水を確保する必要がない。本実施の形態ではエンジンを冷却する冷却水を用いるものとする。また、冷却水通路１１はエンジンを冷却する冷却水の通路に直列で接続されていても良いし、並列に接続されていても良い。並列に接続された場合、冷却水通路１１内の冷却水の流れを止めてもエンジン冷却水の流れが止まってしまうということが無いため操作性が良い。本実施の形態では並列に接続されるものとする。

第１熱電素子１０は一端を排気ガスによって加熱され、他端を冷却水によって冷却されることにより第１熱電素子１０内に温度差を生じ、それに基づいて起電力を発生するものである。また、この温度差が大きいほど大きな起電力が得られる。本実施の形態では熱電素子の一端を冷却水によって冷却することにより第１熱電素子１０の排気ガスによって加熱される側との温度差を大きくし大きな起電力を得ることが出来るようにしている。冷却水通路１１は第１バルブ１２を備え、第1バルブ１２を開閉することにより冷却水の流通を制御することが出来る。

第１熱電素子１０の気体通路８の壁面側に対して反対側にはさらに冷媒通路１３が配設されている。冷媒通路１３は冷却水通路１１と同様に冷媒通路１３内に冷媒を流すことによって第１熱電素子１０を冷却するものである。冷媒は冷却水通路１０を流れる冷却水よりも冷却能力の高いものであれば何でも良いが、例えば室内を冷却するクーラの冷媒を用いた場合、第１熱電素子１０を冷却するために新たな冷媒を確保する必要がない。本件ではクーラの冷媒を用いるものとする。冷媒によって冷媒通路１３が冷却され、その冷熱が冷却水通路１１を介して第１熱電素子１０へ伝わるものとする。なお、冷媒通路１３の冷熱が直接第１熱電素子１０へ伝わるようにしても良い。例えば第１熱電素子１０の冷却したい部分と冷媒通路１３とをヒートポンプで結ぶことによって可能となる。また、冷却水通路１１と冷媒通路１３を第１熱電素子１０に対して本件のように縦に重ねて配設せず横に並べて配設することによっても可能である。冷媒通路１３は第２バルブ１４を備え、第２バルブ１４を開閉することにより冷媒の流通を制御することが出来る。第１バルブ１２および第２バルブ１４の開閉はＥＣＵ１５によって制御される。

第１熱電素子１０で熱エネルギから変換された電気エネルギは第１電力変換器１６に供給される。第１電力変換器１６は第１熱電素子１０から供給された電気エネルギを所定電圧まで昇圧するもので、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどがそれにあたる。第１電力変換器１６は第１熱電素子１０から供給された電気エネルギを所定電圧まで昇圧した後バッテリ１７へ供給される。また、第１電力変換器１６へ供給される電圧は第１電圧計１８によって検出され、この検出値はＥＣＵ１５へ入力される。また、図示しないが内燃機関が運転中か否かの信号もＥＣＵ１５へ入力される。

〔動作説明〕図３は本発明の第１の実施の形態である廃熱エネルギ回収装置１の動作を説明するためのフローチャートであり、ＥＣＵ１５で実行される制御のフローチャートである。本制御が始まるまえに第１バルブ１２および第２バルブ１４は閉じられており、イニシャライズ処理により初回判定フラグＮおよびバルブの開閉状態を表すＳｔａｔｅはリセット（＝０）されているものとする（Ｓｔａｔｅ＝０は第１バルブ１２および第２バルブ１４が閉じられていることを意味する。）。また、本制御は内燃機関の起動後所定時間毎に行われるものとする。例えばイグニッションスイッチと連動し、イグニッションスイッチＯＮで本制御は開始されるものとしても良い。まずステップＳ１０１において、故障判断フラグＥＲＲＯＲが０か否かが判断される。この故障判断フラグは本制御が良好に行うことの出来る状態であるか否かを示し、本制御の出荷状態では０であるが、イニシャライズ処理によってリセットされないものとする。ＥＲＲＯＲ＝０でない場合、本制御を良好に行うことの出来る状態ではないと判断して本制御を終了する。

ＥＲＲＯＲ＝０と判断されると、次にステップＳ１０２において水温ＴＨＷが所定値Ｔ１より大きいか否かが判断される。水温ＴＨＷは内燃機関の冷却水温度であり、内燃機関に取り付けられた図示されていない温度センサによって測定される。水温ＴＨＷが所定値Ｔ１以下の場合、内燃機関がまだ暖機されておらず排気ガスによる廃熱回収が難しいものとして本制御を終了する。

ステップＳ１０２において水温ＴＨＷが所定値Ｔ１より大きいと判断されると次にステップＳ１０３において、初回判定フラグＮ＝１か否かが判断される。初めてこの制御に入った場合、イニシャライズ処理により初回判定フラグＮ＝０とされているため次にステップＳ１０４へ進み第１バルブ１２を開き、第２バルブ１４を閉じ、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝１とする。このＳｔａｔｅ＝１とは第１バルブ１２が開かれ第２バルブ１４が閉じられた状態を示す。これは排気ガスが十分高温であり、さほど第１熱電素子１０を冷却しなくても十分に第１熱電素子１０の高温側と低温側の温度差を形成出来る場合に有効である。本実施の形態では第１電力変換器１６を用いているため、必要以上に高い電圧を供給しても所定電圧に変換されてしまう。ここでＳｔａｔｅ＝１とすることにより第２バルブ１４を開けて必要以上に第１熱電素子１０を冷却することによる冷却に要するエネルギの損失を防ぐことが出来、第１バルブ１２のみを開け第２バルブ１４を閉じることでエネルギの損失を減らし必要十分な電気エネルギを発電することが出来る。

次にステップＳ１０５において第１電圧計１８の検出値が所定値ａより大きいか否かが判断される。所定値ａは望みの検出値よりも十分大きな値とする。第１電圧計１８の検出値が所定値ａよりも大きい場合は十分に廃熱エネルギの回収が行われているものとしてステップＳ１０６へ進み第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉とし、Ｓｔａｔｅ＝１とし、ステップＳ１０１から制御を繰り返す。

ステップＳ１０５で第１電圧計１８の検出値が所定値ａ以下の場合、ステップＳ１０７へ進み、第１電圧計１８の検出値が所定値ｂよりも大きいか否かが判断される。所定値ｂは望みの検出値とする。第１電圧計１８の検出値が所定値ｂよりも大きい場合も十分な廃熱エネルギの回収が行われているものとして現在のバルブの開閉状態（ここではＳｔａｔｅ＝１）を維持する。

ステップＳ１０７で第１電圧計１８の検出値が所定値ｂ以下の場合、望みの廃熱エネルギの回収が行われていないものとして次にステップＳ１０８においてＳｔａｔｅ＝１か否かが判断される。Ｓｔａｔｅ＝１の場合、第１バルブ１２＝開および第２バルブ１４＝閉の状態では廃熱エネルギの回収量が少ないものと判断されステップＳ１０９へ進み、第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝開、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝２とする。Ｓｔａｔｅ＝１において第１電圧計１８の検出値が所定値ｂ以下ということは、排気ガスの温度が、例えば市街地を走行する、徐行を繰り返す、などによって下がってしまったために冷却水の温度との温度差が小さくなり望みの起電力が得られていないことを意味する。そこで、ステップＳ１０９において、第１バルブ１２を閉じ第２バルブ１４を開くことで冷却水よりさらに冷却能力の高い冷媒によって第１熱電素子１０を冷却することにより、排気ガスの温度が高くなくても熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくすることが出来、望みの起電力を得ることが出来る。

ステップＳ１０９においてＳｔａｔｅ＝２となった場合でも、再度ステップＳ１０１から制御を繰り返した際にステップＳ１０５において第１電圧計１８の検出値が所定値ａよりも大きいと判断されると第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉、Ｓｔａｔｅ＝１の状態となる。これは冷媒によって第１熱電素子１０を冷却しなくても十分に廃熱エネルギを回収することが出来るため、冷却するために多くのエネルギを必要とする冷媒を用いるよりも冷却水を用いることによりエネルギの損失を防ぐためである。また、ステップＳ１０９においてＳｔａｔｅ＝２となり、再度ステップＳ１０１から制御を繰り返してステップＳ１０５において第１電圧計１８の検出値が所定値ａ以下であり、ステップＳ１０７において第１電圧計１８の検出値が所定値ｂよりも大きいと判断された場合、これはＳｔａｔｅ＝２の状態、つまり冷却水ではなく冷媒によって第１熱電素子１０を冷却する状態において良好に廃熱エネルギを回収することが出来、また必要以上に廃熱エネルギを回収する状態には至っていないことを意味するため、そのままＳｔａｔｅ＝２の状態を繰り返す。

ステップＳ１０５において第１電圧計１８の検出値が所定値ａ以下であり、ステップＳ１０７において第１電圧計１８の検出値が所定値ｂ以下で、かつステップＳ１０８においてＳｔａｔｅ＝１でない場合、これはＳｔａｔｅ＝２の状態においても十分な廃熱エネルギの回収が行われていないことを意味する。これは冷媒による冷却に異常がある場合や第１熱電素子１０に異常がある場合などに起こる。その場合、これ以上冷媒によって第１熱電素子１０を冷却しても冷媒を使用することによるエネルギの損失が多いためステップＳ１１０において第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝閉とし、ＥＲＲＯＲ＝１として制御を終了する。なお、ＥＲＲＯＲ＝１の場合は警告ランプを点灯するなどして運転者に異常を知らせるものとしてもよい。

このように本制御を用いることで排気ガスの温度が高温の場合でも低温の場合でも適切に第１熱電素子１０の高温側と低温側の温度差を形成し、効率よく廃熱エネルギを電気エネルギに変換すること良好に排気ガスより廃熱エネルギを回収することが出来る。

なお、本制御においては第２バルブ１４を開いた場合第１バルブ１２を閉じていたがこれは第２バルブ１４の冷熱を多量に冷却水に奪われることを防ぐためである。冷却水を循環することにより冷媒の冷却効果が落ちるのでなければ第１バルブ１２は開いたままでもよい。また、ステップＳ１０８において、Ｓｔａｔｅ＝１でない場合第１バルブ１２および第２バルブ１４を閉じＥＲＲＯＲ＝１としたが、Ｓｔａｔｅ＝１でない状態（Ｓｔａｔｅ＝２の状態）において第１電圧計１８の検出値が所定値ｂよりも小さくなることが通常起こりえる場合にはＥＲＲＯＲ＝１としなくても良い。

また、Ｓｔａｔｅ＝１の状態において、第１電圧計１８の検出値が所定値ａより大きい場合には第１バルブ１２および第２バルブ１４をともに閉じる制御を行っても良い。これは第１熱電素子１０を冷却水によって冷却しなくとも十分温度差を形成することが出来るからである。この場合、第１熱電素子１０が熱によって劣化することに配慮し、熱電素子が過加熱されないように例えば第１熱電素子１０の温度を計測し、所定温度以上になったら第１バルブ１２を開いて第１熱電素子１０を冷却するなどの対応を行うことが好ましい。

また、第１熱電素子１９を冷却水で冷却する場合と冷媒で冷却する場合とでともに所定値ａ，ｂと比較したが、冷却水で冷却する場合と冷媒で冷却する場合に応じて所定値ａ，ｂの値をそれぞれ変更しても良い。これにより冷却水の冷却効率や冷媒の冷却効率を考慮したさらに細かい制御を行うことが出来る。また、本制御においては第１電圧計１８の検出値をもとに第１バルブ１２および第２バルブ１４を制御したが、排気ガスの温度を測定する温度計を備え、温度計の温度に応じて第１バルブ１２および第２バルブ１４を制御しても良い。その場合、温度が所定値以上の場合には第１バルブ１２を開け、温度が所定値以下の場合には第２バルブ１４を開け、温度がさらに低い場合には第１バルブ１２および第２バルブ１４をともに閉じるものとしてもよい。

ここで、本発明の第１の実施の形態において特許請求の範囲に記載された第１冷媒は冷却水にあたり、第２冷媒は冷媒にあたり、測定装置は第１電圧計１８にあたり、第１切り換え装置は検出値に応じて第１バルブ１２および第２バルブ１４を切り換えるＥＣＵ１５にあたる。

〔第２の実施の形態〕
〔構成説明〕図４は第２の実施の形態である廃熱エネルギ回収装置１の断面図である。先の図２と同じ構成のものは図２と同じ番号を付与して詳細な説明を省略する。第２の実施の形態の第１の実施の形態と異なる点は気体通路８の壁面に気体が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電素子１９を配設し、冷却水通路１１および冷媒通路１３の間に気体が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第３熱電素子２０を配設し、第２熱電素子１９および第３熱電素子２０から電気エネルギを供給される第２電力変換器２１および第３電力変換器２２、第２熱電素子１９および第３熱電素子２０から第２電力変換器２１および第３電力変換器２２へ供給される電圧を検出する第２電圧計２３および第３電圧計２４を配設した点である。

熱電素子はその材質によって動作温度における廃熱エネルギの電気エネルギへの変換効率が異なる。図５に熱電素子の材質の種類と変換効率の温度依存性を示す。例えばＳｉ−Ｇｅ系の半導体材料を用いた場合、気体が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系の半導体材料を用いた場合、気体が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換することが出来る。第２熱電素子１９や第３熱電素子２０はこれらの性質を利用して実際の利用領域の温度範囲にあった半導体材料を用いている熱電素子を用いるものとする。なお、第２熱電素子１９および第３熱電素子２０の配設場所が分かりやすいように図４の配設部分の一部は配設部分の内部構造を示す。

第２電力変換器２１および第３電力変換器２２は第１の実施の形態の第１電力変換器１６と同様に第２熱電素子１９および第３熱電素子２０から供給された電気エネルギを所定電圧まで昇圧しバッテリ１７へ供給する。また、第２電圧計２３および第３電圧計２４の検出値はＥＣＵ１５へ入力される。

〔動作説明〕図６は本発明の第２の実施の形態である廃熱エネルギ回収装置１の動作を説明するための図であり、ＥＣＵ１５で実行される制御のフローチャートである。ここで、イニシャライズ処理およびステップＳ２０１からステップＳ２０３までは第１の実施の形態のイニシャライズ処理およびステップＳ１０１からステップＳ１０３までと同様な制御が行われるため説明を省略する。

ステップＳ２０３において、初回判定フラグＮ＝０とされると次にステップＳ２０４へ進み第１バルブ１２を開き、第２バルブ１４を閉じ、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝３とする。このＳｔａｔｅ＝３とは第１バルブ１２が開かれ第２バルブ１４が閉じられた状態を示す。これは第２熱電素子１９を用いて廃熱エネルギの回収を行う状態を示しており、第２熱電素子１９を用いて効率よく廃熱エネルギの回収が行えるほど排気ガスの温度が高い場合にＳｔａｔｅ＝３の状態にすると効率よく廃熱エネルギの回収を行うことが出来る。

次にステップＳ２０５で第２電圧計２３もしくは第３電圧計２４の検出値が所定値ａより大きいか否かが判断される。所定値ａは望みの検出値とする。今回バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝３の状態であり第２熱電素子１９を用いて廃熱エネルギの回収を行っているため第２電圧計２３の検出値が所定値ａより大きいか否かの判断となる。ステップＳ２０５で第２電圧計２３の検出値が所定値ａより大きい場合、十分な廃熱エネルギの回収が行われているものとしてステップＳ２０６で現在、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝３かもしくはＳｔａｔｅ＝５であるか否かが判断される。現在ステップＳ２０４において状態判断フラグＳｔａｔｅ＝３とされているため、ステップＳ２０７へ進み第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉とし、Ｓｔａｔｅ＝３とし、ステップＳ２０１から制御を繰り返す。

Ｓｔａｔｅ＝３の状態でステップＳ２０５で第２電圧計２３の検出値が所定値ａ以下の場合、ステップＳ２０８でＳｔａｔｅ＝３か否かが判断される。Ｓｔａｔｅ＝３である場合、これは排気ガスの温度が第２熱電素子１９を用いて効率よく排気エネルギの回収が行えるほど高くない可能性を示唆するため、ステップＳ２０９へ進み第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝開とし、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝４とする。Ｓｔａｔｅ＝４は第１バルブ１２が閉じられ第２バルブ１４が開かれた状態を示す。これは排気ガスの温度が低いため、気体が低温の場合に高い効率で排気エネルギを電気エネルギに買えることの出来る第３熱電素子２０を用いて効率よく廃熱エネルギの回収が行えることを意味する。排気ガスの温度は第２熱電素子１９、冷却水通路１１を通じて第３熱電素子２０へと伝わる。なお、第１バルブ１２を閉じているため排気ガスの熱が冷却水通路１１によって多量に奪われてしまうことを防ぐことができる。また、排気ガスの熱を第２熱電素子１９、冷却水通路１１を通じず直接第３熱電素子２０へと伝えてもよい。例えばヒートシンク９と第３熱電素子２０を直接つなぐことによって可能である。それにより排気ガスの熱を効率よく第３熱電素子２０へ伝えることが出来る。

ステップＳ２０９でＳｔａｔｅ＝４の状態になった後、ステップＳ２０１から制御を繰り返す。Ｓ２０５において、廃熱エネルギの回収が十分に行われている場合第３電圧計２４の検出値が所定値ａより大きくなるためステップＳ２０５からステップＳ２０６へと進み、現在状態判断フラグＳｔａｔｅ＝４であるためステップＳ２０６からステップＳ２０９へと進み状態判断フラグＳｔａｔｅ＝４の状態を保つことで第３熱電素子２０での廃熱エネルギの回収を繰り返す。

Ｓｔａｔｅ＝４においてステップＳ２０５で第３電圧計２４の検出値が所定値aより小さい場合、これは排気ガスの温度が第３熱電素子２０で効率よく廃熱エネルギの回収を行う温度よりも高すぎるか低すぎる、もしくは第２熱電素子による廃熱エネルギの回収に異常があることを意味する。この場合ステップＳ２０５からステップＳ２０８へと進み、さらにステップＳ２１０へと進む。ステップＳ２１０でＳｔａｔｅ＝４であるためＳ２１１へと進み第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉、Ｓｔａｔｅ＝５とされる。これは内燃機関が運転している以上排気ガスが第３熱電素子で効率よく廃熱エネルギの回収が行われないほど温度が低い場合はあまり起こらないと思われるため、第２熱電素子１９で廃熱エネルギの回収を試みるためである。バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝５は第３熱電素子２０で効率よく廃熱エネルギが回収できないため第２熱電素子１９での廃熱エネルギの回収を試みるために第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉としたことを意味する。

再度ステップＳ２０１から制御を繰り返し、ステップＳ２０５で第２電圧計２３の検出値が所定値ａより大きければ、第２熱電素子１９で十分に廃熱エネルギの回収が行える状態であるとしてステップＳ２０６からステップＳ２０７へと進みＳｔａｔｅ＝３の状態とする。Ｓｔａｔｅ＝５とＳｔａｔｅ＝３の第１バルブ１２および第２バルブ１４の開閉状態は一緒であるが、Ｓｔａｔｅ＝５はさらに第３熱電素子２０で十分な廃熱エネルギの回収が行われなかった情報も含み、後述する第２熱電素子１９でも第３熱電素子２０でも十分に廃熱エネルギの回収が行われない状態を判断するために用いる。今回は第２熱電素子１９において十分に廃熱エネルギの回収を行うことができるためＳｔａｔｅ＝５をＳｔａｔｅ＝３とする。

Ｓｔａｔｅ＝５においてステップＳ２０５で第２電圧計２３の検出値が所定値ａ以下であれば、第２熱電素子１９でも第３熱電素子２０でも廃熱エネルギの回収が十分行われないことを意味する。その場合、これ以上冷却水もしくは冷媒によって第２熱電素子１９もしくは第３熱電素子２０を冷却しても冷却水もしくは冷媒を使用することによるエネルギの損失のほうが第２熱電素子１９もしくは第３熱電素子２０によって回収される廃熱エネルギよりも多いため、ステップ２０５からステップＳ２０８、ステップＳ２１０へ進み、さらにステップＳ２１０からステップＳ２１２へと進んで第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝閉とし、ＥＲＲＯＲ＝１として制御を終了する。なお、ＥＲＲＯＲ＝１の場合は警告ランプを点灯するなどして運転者に異常を知らせるものとしてもよい。

このように本制御を用いることで排気ガスの温度が高温の場合でも低温の場合でも適切に第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を使い分けることにより排気ガスが高温の場合でも低温の場合でも良好に排気ガスにより廃熱エネルギを回収することが出来る。

なお、本制御においては第２バルブ１４を開いた場合第１バルブ１２を閉じていたが冷却水を循環することにより排気ガスの熱が伝わる効果が落ちるのでなければ第１バルブ１２は開いたままでもよい。また、本実施の形態では第２電圧計２３および第３電圧計２４を用いたが、第２熱電素子１９の電圧を検出する第２電圧計２３のみを用いても良い。その場合、第２電圧計２３の値が所定値ａ以下になったら第３熱電素子２０での廃熱エネルギの回収をはじめるとともに所定タイミングで第２熱電素子１９による廃熱エネルギの回収を試み、その際第２電圧計２３の検出値が所定値ａより大きくなったら第２熱電素子１９による廃熱エネルギの回収に切り換えるものとしても良い。その際、所定タイミングとして第３熱電素子２０での廃熱エネルギの回収が始まってからの時間や内燃機関の回転数、排気ガスの温度などからいくつかをパラメータとして用いてもよい。

また、第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を冷却するために冷却水および冷媒を用いているが第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を冷却するためにともに冷却水もしくは冷媒もしくは第２熱電素子１９は冷却せずに第３熱電素子２０のみを冷却することにしても良い。第２熱電素子１９および第３熱電素子２０をともに冷却水もしくは冷媒で冷却することにより第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を冷却する冷却系を簡素化することが出来、また第２熱電素子１９を冷却しないことによっても第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を冷却する冷却系を簡素化することが出来る。この場合、第２熱電素子１９を冷却しないものの他に第３熱電素子２０を冷却しない方法も考えられるが、必要な温度差を得るためには高温側で効率の良い第２熱電素子１９を冷却しないものにしたほうが容易に温度差を得ることが出来る。

また第１電圧計２３および第２電圧計２４の検出値を所定値ａと比較していたが、第２電圧計２３と第３電圧計２４の検出値を異なる所定値ａ，ｂと比較するものとしても良い。このようにすることでそれぞれの熱電素子にあったさらに細かい制御を行うことが出来る。また、第２電圧計２３および第３電圧計２４の検出値に応じて第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を使い分ける代わりに排気ガスの温度を測定し、排気ガスの温度に応じて第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を使い分けても良い。この場合、排気ガスの温度が高い場合には第２熱電素子１９を用い、排気ガスの温度が低い場合には第３熱電素子２０を用いるものとしてもよい。

ここで、本発明の第２の実施の形態における第２熱電素子１９は特許請求の範囲に記載された第１熱電素子にあたり、第３熱電素子２０は第２熱電素子にあたる。また、第２電圧計２３は第１測定装置に、第３電圧計２４は第２測定装置に、冷却水は第３冷媒に、冷媒は第４冷媒にあたり、検出値に応じて第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を切り換えるＥＣＵ１５が第２切り換え装置にあたる。

〔第３の実施の形態〕
〔構成説明〕図７は第３の実施の形態である廃熱エネルギ回収装置１の断面図である。先の図４と同じ構成のものは図４と同じ番号を付与して詳細な説明を省略する。第３の実施の形態の第２の実施の形態と異なる点は第２熱電素子１９および第３熱電素子２０から第２電力変換器２１および第３電力変換器２２へ供給される電圧を検出する第２電圧計２３および第３電圧計２４を配設する代わりに気体通路８の壁面に気体の温度を測定する温度計２５を配設し、温度計２５によって計測された温度をＥＣＵ１５へ入力するようにした点である。第３の実施の形態においては排気ガスの温度を直接測定するため測定された温度に応じて第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を使い分けることで良好に廃熱エネルギの回収を行うことが出来る。

〔動作説明〕図８は本発明の第３の実施の形態である廃熱エネルギ回収装置１の動作を説明するための図であり、ＥＣＵ１５で実行される制御のフローチャートである。本制御が始まる前に第１バルブ１２および第２バルブ１４は閉じられており、イニシャライズ処理によりバルブの開閉状態を表すＳｔａｔｅはリセット（＝０）されているものとする。また、第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様に本制御は内燃機関の起動後所定時間毎に行われるものとする。まずステップＳ３０１において温度計２５によって測定された排気ガス温ＴＨＥが所定値Ｔ２より大きいか否かが判断される。ここで所定値Ｔ２は気体の温度が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第３熱電素子２０が十分に廃熱エネルギの回収を行うことの出来る最低の温度とする。ここで排気ガス温ＴＨＥがＴ２以下の場合は本制御を行っても十分に廃熱エネルギを回収することは出来ないため本制御を終了する。

Ｓ３０１において排気ガス温ＴＨＥが所定値Ｔ２より大きい場合、さらにＳ３０２において排気ガス温ＴＨＥが所定値Ｔ３より大きいか否かが判断される。ここで所定値Ｔ３は気体の温度が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電素子１９が十分に廃熱エネルギの回収を行うことのできる最低の温度であり、所定値Ｔ３＞所定値Ｔ２である。排気ガス温ＴＨＥが所定値Ｔ３より大きい場合、第２熱電素子１９において十分な廃熱エネルギの回収が行われるものとしてステップＳ３０３において第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉とし、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝６とする。

Ｓ３０２において排気ガス温ＴＨＥが所定値Ｔ３以下の場合、排気ガス温ＴＨＥは所定値Ｔ２＜ＴＨＥ＜所定値Ｔ３である。この場合、第３熱電素子２０によって十分に廃熱エネルギの回収を行うことのできる最低の温度を所定値Ｔ２と定めたため、第３熱電素子２０によって十分に廃熱エネルギを回収することの出来る温度であると考えられ、ステップＳ３０４へ進み第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝開とし、バルブの開閉状態を示すＳｔａｔｅ＝７とする。

なお、本制御においては所定値Ｔ２および所定値Ｔ３と排気ガス温ＴＨＥとの関係のみによって第１バルブ１２および第２バルブ１４の開閉状態を変えたが、さらに細かく温度を区切りバルブ開閉の制御を行っても良い。また、第２熱電素子もしくは第３熱電素子に故障等が発生し十分に廃熱エネルギの回収が行われなくなったか否かを判断出来るようにしてもよい。例えば第２熱電素子１９や第３熱電素子２０の電圧と排気ガス温ＴＨＥとの関係から、排気ガス温ＴＨＥより予想される電圧よりも第２熱電素子１９や第３熱電素子２０の電圧が低い場合には第２熱電素子もしくは第３熱電素子２０の故障と判断してもよい。

また、実施の形態においては第２熱電素子１９および第３熱電素子２０を備えたが、第１の実施の形態のように一つの熱電素子のみを配設するものとしてもよい。なお、一つの熱電素子のみを配設した場合においても基本的な制御は本制御と同じものとなり、第１の実施例の構成にあてはめると、排気ガス温ＴＨＥがごく低温の場合は冷媒および冷却水を流すのを停止し、排気ガス温ＴＨＥが低温の場合は冷媒を流すべく第１バルブ１２＝閉、第２バルブ１４＝開とし、排気ガス温ＴＨＥが高温の場合は冷却水を流すべく第１バルブ１２＝開、第２バルブ１４＝閉とするとよい。

ここで、本発明の第３の実施の形態における温度計２５は特許請求の範囲に記載された第２温度測定装置にあたる。また、第１の実施の形態のように一つの熱電素子のみを配設した場合は温度計２５は特許請求の範囲に記載された第１温度測定装置にあたる。

第１の実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の適用状況を示す斜視図。 同実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の断面図。 同実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の動作を説明する図。 第２の実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の断面図。 熱電素子の材質の種類と発電効率の温度依存性を説明する図。 同実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の動作を説明する図。 第３の実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の断面図。 同実施の形態にかかる廃熱エネルギ回収装置の動作を説明する図。

符号の説明

１ 廃熱エネルギ回収装置
２ 車両
３ エキゾーストマニホールド
４ 排気管
５ 排気浄化触媒
６ サブマフラ
７ メインマフラ
８ 気体通路
９ ヒートシンク
１０ 第１熱電素子
１１ 冷却水通路
１２ 第１バルブ
１３ 冷媒通路
１４ 第２バルブ
１５ ＥＣＵ
１６ 第１電力変換器
１７ バッテリ
１８ 第１電圧計
１９ 第２熱電素子
２０ 第３熱電素子
２１ 第２電力変換器
２２ 第３電力変換器
２３ 第２電圧計
２４ 第３電圧計
２５ 温度計

Claims (11)

1. 気体の持つ廃熱エネルギを熱電素子によって電気エネルギに変換して回収する廃熱エネルギ回収装置において、
   熱電素子を冷却する第１冷媒と、
   前記第１冷媒よりも冷却能力の高い、熱電素子を冷却する第２冷媒と、
   前記熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第１検知装置と、
   前記検知された変換状況に基づいて前記第１冷媒と前記第２冷媒との使用を切り換える第１切り換え装置とを備えたことを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
2. 請求項１において、前記第１検知装置は前記熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置であり、前記第１切り換え装置は前記第１冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以下の場合、前記第２冷媒によって前記熱電素子を冷却することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
3. 請求項１において、前記第１検知装置は前記熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する測定装置であり、前記第１切り換え装置は前記第２冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ電圧が所定値以上の場合、前記第１冷媒によって前記熱電素子を冷却することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
4. 請求項１において、前記第１検知装置は前記気体の温度を測定する第１温度測定装置であり、前記第１切り換え装置は前記第１冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以下の場合、前記第２冷媒によって前記熱電素子を冷却することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
5. 請求項１において、前記第１検知装置は前記気体の温度を測定する第１温度測定装置であり、前記第１切り換え装置は前記第２冷媒によって前記熱電素子を冷却し、なおかつ温度が所定値以上の場合、前記第１冷媒によって前記熱電素子を冷却することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
6. 気体の持つ廃熱エネルギを熱電素子によって電気エネルギに変換して回収する廃熱エネルギ回収装置において、
   前記気体が高温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電素子と、
   前記気体が低温の場合に高い効率で廃熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電素子と、
   前記第１熱電素子もしくは前記第２熱電素子による廃熱エネルギの電気エネルギへの変換状況を検知する第２検知装置と、
   前記検知された変換状況に基づいて前記第１熱電素子と前記第２熱電素子との使用を切り換える第２切り換え装置とを備えたことを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
7. 請求項６において、前記第２検知装置は前記第１熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第１測定装置であり、前記第２切り換え装置は前記電圧が所定値以下の場合、前記第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
8. 請求項６において、前記第２検知装置は前記第２熱電素子によって変換された電気エネルギの電圧を測定する第２測定装置であり、前記第２切り換え装置は前記電圧が所定値以下の場合、前記第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
9. 請求項６において、前記第２検知装置は前記気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、前記第２切り換え装置は前記温度が所定値以下の場合、前記第２熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
10. 請求項６において、前記第２検知装置は前記気体の温度を測定する第２温度測定装置であり、前記第２切り換え装置は前記温度が所定値以上の場合、前記第１熱電素子によって廃熱エネルギを電気エネルギに変換することを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。
11. 請求項６において、さらに第１熱電素子を冷却する第３冷媒と、前記第３冷媒よりも冷却能力の高い、第２熱電素子を冷却する第４冷媒とを備えたことを特徴とする廃熱エネルギ回収装置。

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