JP2006207428A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電量の低下を抑え、発電効率を向上させることができる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】 熱電発電装置１は、エンジン２の排気系に配設される熱電ユニット１０と、制御ユニット３０とを備えている。熱電ユニット１０は、エンジン２からの排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部を有する熱交換部材１１と、熱交換フィン部で回収された熱を電気に変換する熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールを冷却する冷却ケース１３とを有している。制御ユニット３０は、車両の走行距離等に基づいて、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定し、熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断すると、熱交換フィン部の温度を上昇させるように空燃比制御用バルブ等を制御し、熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の内燃機関（エンジン）から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う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は、例えば特許文献１に記載されているように、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行うものが知られている。特許文献１に記載の熱電発電装置は、熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールの一面側に配置され、排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部と、熱電変換モジュールの他面側に配置され、熱電変換モジュールを冷却する冷却部とを有し、熱電変換モジュールの一面側（高温側）と他面側（低温側）との温度差に応じた熱電効果によって発電を行う。
特開２００４−２０８４７６号公報

上記のような熱電発電装置においては、熱交換の効率を上げるためには、熱交換フィン部の各フィンの表面積を極力大きくとる必要があり、各フィンを密に配置せざるを得ない。この場合には、排気ガス中に含まれる燃料の未焼成分や潤滑オイル等がフィンに付着・堆積しやすくなるため、排気ガスの流れが制限されたり、熱交換フィン部から熱電変換モジュールへの熱伝達率が低下することで、発電量が低下する可能性がある。

本発明の目的は、発電量の低下を抑え、発電効率を向上させることができる熱電発電装置を提供することである。

本発明は、車両に搭載され、車両の内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置において、排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部と、熱交換フィン部で回収された熱を電気に変換する熱電変換部と、熱電変換部に対して熱交換フィン部の反対側に配置され、熱電変換部を冷却する冷却部と、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを判断する判断手段と、判断手段により熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する堆積物除去手段とを備えることを特徴とするものである。

このような熱電発電装置においては、熱交換フィン部に所定量の堆積物が付着しても、そのことが判断手段によって推定または検出され、熱交換フィン部に付着した堆積物が堆積物除去手段によって除去される。このため、熱交換フィン部の熱交換効率を上げるために、熱交換フィン部の各フィンの間隔を狭くした場合であっても、内燃機関からの排気ガスが熱交換フィン部の各フィン間を円滑に流れるようになると共に、排気ガスの熱が熱交換フィン部から熱電変換部に良好に熱伝達されるようになる。これにより、発電量の低下が抑えられ、発電効率が向上する。

好ましくは、堆積物除去手段は、判断手段により熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、熱交換フィン部の温度を上昇させる手段である。このように熱交換フィン部の温度を上昇させることにより、熱交換フィン部に付着した堆積物が焼損されるため、当該堆積物を効果的に除去することができる。

このとき、堆積物除去手段は、内燃機関の排気温度を上昇させることで、熱交換フィン部の温度を上昇させることが好ましい。このように内燃機関の排気温度を上昇させると、内燃機関から排出される排気ガスの温度が上昇し、これに伴って熱交換フィン部の温度が上昇するようになる。なお、内燃機関の排気温度を上昇させる手法としては、内燃機関における空燃比をリーン（燃料及び空気が過不足なしに燃焼する理論空燃比に比べて空気の割合が高い状態）側に設定したり、内燃機関における点火時期を遅角させれば良い。

また、堆積物除去手段は、熱電変換部で発生した電力の取り出し又は熱電変換部の冷却を停止させることで、熱交換フィン部の温度を上昇させても良い。熱電変換部で発生した電力の取り出しを停止させると、熱交換フィン部において熱の流れが対流する。熱電変換部の冷却を停止させると、熱電変換部の高温側（熱交換フィン部側）と低温側（冷却部側）との温度差が小さくなるため、熱交換フィン部から熱電変換部への熱の流れが遮断される。これにより、熱交換フィン部で回収した熱が熱交換フィン部にとどまる事になるので、熱交換フィン部の温度が上昇するようになる。

さらに、堆積物除去手段は、熱交換フィン部を加熱するヒータと、判断手段により熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、ヒータを通電する手段とを有していても良い。この場合には、ヒータにより熱交換フィン部自体が直接加熱されるので、熱交換フィン部の温度が上昇するようになる。

また、堆積物除去手段は、判断手段により熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、熱交換フィン部を振動させる手段であっても良い。このように熱交換フィン部を振動させることにより、熱交換フィン部に付着した堆積物が振り落とされるため、当該堆積物を効果的に除去することができる。

好ましくは、判断手段は、車両の走行距離または走行時間に基づいて、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定する。車両の走行距離及び走行時間が長くなると、熱交換フィン部に堆積物が付着しやすくなる。従って、車両の走行距離または走行時間という情報を得ることで、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを容易に且つ確実に判断することができる。

また、判断手段は、内燃機関の負荷に基づいて、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定しても良い。内燃機関の負荷が所定値以上である状態が長く続くと、熱交換フィン部に堆積物が付着しやすくなる。従って、内燃機関の負荷という情報を得ることによっても、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを容易に且つ確実に判断することができる。

さらに、判断手段は、車両の走行速度に基づいて、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定しても良い。車両の走行速度が所定値以上である状態が長く続くと、熱交換フィン部に堆積物が付着しやすくなる。従って、車両の走行速度という情報を得ることによっても、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを容易に且つ確実に判断することができる。

また、判断手段は、内燃機関の作動状態に対する理想発電量を推定し、理想発電量と実際の発電量との差異から、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定しても良い。熱交換フィン部に堆積物が付着すると、内燃機関の作動状態に対する理想発電量と実際の発電量との差異が大きくなる。従って、理想発電量と実際の発電量との差異を求めることで、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかをより正確に判断することができる。なお、内燃機関の作動状態に対する理想発電量は、例えば排気ガスの温度や流量、熱電変換部の低温側（冷却部側）の温度等から推定することができる。

本発明によれば、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを判断し、熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときには、その堆積物を除去するので、発電量の低下を抑えることができ、発電効率の優れた高品質の熱電発電装置を得ることが可能となる。

以下、本発明に係わる熱電発電装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明に係わる熱電発電装置の第１実施形態を図１〜図４により説明する。図１は、本実施形態の熱電発電装置を示す構成図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。

各図において、熱電発電装置１は、自動車等の車両に搭載され、エンジン（内燃機関）２から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う装置である。熱電発電装置１は、エンジン２の排気系における任意の箇所、例えばエンジン２に繋がる排気管３と排気浄化触媒４に繋がる排気管５との間に配設される。

熱電発電装置１は、排気管３に接続された排気導入管６と、排気管５に接続された排気導出管７と、排気導入管６と排気導出管７との間に配置された複数（ここでは４つ）の分割管本体８とを備えている。分割管本体８は、後述する熱交換部材１１と協働して分割排気通路９を形成する。これらの分割管本体８は、断面略台形状を有していると共に、排気ガスの流れる方向の回りに沿って９０度毎に配置されている。排気導入管６は、排気管３からの排気ガスを各分割排気通路９に分流させるように構成されている。排気導出管７は、各分割排気通路９を流れる排気ガスを合流させるように構成されている。

また、熱電発電装置１は、複数の熱電ユニット１０を備えている。熱電ユニット１０は、１つの分割管本体８に対して複数（ここでは４つ）並設される。各熱電ユニット１０は、熱交換部材１１と、熱電変換モジュール１２と、冷却ケース１３と、クランプ具１４とを有している。

熱交換部材１１は、基台１５と、この基台１５と一体化され、分割排気通路９を通る排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部１６とからなっている。基台１５は、ボルト１７により分割管本体８に固定される。熱交換フィン部１６を構成する複数のフィンは、分割排気通路９内に収容される部分であり、基台１５の裏面から所望の間隔をもって平行に延びるように配列されている。熱交換フィン部１６の各フィンは、分割管本体８の内面に接しない程度に当該内面に沿うような高さを有している。熱交換部材１１は、アルミニウム、銅、ステンレス等といった熱伝導率の良い材料で形成されている。

熱電変換モジュール１２は、熱交換フィン部１６で回収された熱を電気に変換するものであり、基台１５の表面上に配置されている。熱電変換モジュール１２は、複数の熱電変換素子（例えばＢｉ_２Ｔｅ_３等からなるｐ型半導体及びｎ型半導体）を有している。熱電変換モジュール１２は、熱交換部材１１側の高温側端面と、熱交換部材１１側とは反対側（冷却ケース１３側）の低温側端面とを有し、両端面間に生じる温度差に応じて、ゼーベック効果による起電力を発生させる。熱電変換モジュール１２には、得られた電力を取り出すための電極（図示せず）が設けられている。

冷却ケース１３は、熱電変換モジュール１２の低温側端面上に配置されている。冷却ケース１３には、熱電変換モジュール１２を冷却するための冷却水が通る複数の冷却水通路１８が設けられている。分割排気通路９の最上流側に位置する冷却ケース１３の冷却水通路１８と分割排気通路９の最下流側に位置する冷却ケース１３の冷却水通路１８には、ラジエータ（図示せず）と接続された冷却水管１９が繋がっていると共に、隣接する冷却ケース１３の冷却水通路１８同士が冷却水管２０で繋がっている。これにより、冷却ケース１３の内部には、冷却水管１９，２０及びラジエータを介して冷却水が循環するようになる。分割排気通路９の最上流側に位置する冷却ケース１３と繋がっている冷却水管１９には、冷却バルブ２１が接続されている。冷却ケース１３は、例えばアルミニウム等で形成されている。なお、熱電変換モジュール１２を冷却する手段としては、水冷式に限られず、空冷式であっても良い。

クランプ具１４は、冷却ケース１３の外側から押付力を加えることで、熱電変換モジュール１２を冷却ケース１３と熱交換部材１１との間に固定するものである。クランプ具１４は、折り曲げ部をもった板状クランプ部材２２、複数枚の板ばね２３及び押圧部材２４を有している。冷却ケース１３の上面に設けられた凹部１３ａに押圧部材２４を嵌め込み、この押圧部材２４の上に複数の板ばね２３を載せた状態で、板ばね２３及び冷却ケース１３の一部を覆うように板状クランプ部材２２を配置し、更に隣り合う板状クランプ部材２２同士をボルト２５及びナット２６により締結することによって、熱電変換モジュール１２がクランプされる。

さらに、熱電発電装置１は、熱電変換モジュール１２の電極（図示せず）と電力取り出しスイッチ２７を介して接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ２８を備えている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２８には、熱電変換モジュール１２により生成された電力を貯蔵するバッテリー２９が接続されている。

以上のような熱電発電装置１において、エンジン２の作動時には、エンジン２からの排気ガスが排気管３及び排気導入管６を介して各分割排気通路９に導入される共に、各熱電ユニット１０における冷却ケース１３の冷却水通路１８に冷却水が流通するようになる。各分割排気通路９に導入された排気ガスは、各熱電ユニット１０における熱交換フィン部１６の各フィン間を通り抜け、更に排気導出管７を介して下流に流れていく。

このとき、高温の排気ガスの熱は、熱交換フィン部１６によって回収される。そして、この回収熱は、熱電変換モジュール１２の高温側端面に伝えられる。このため、熱電変換モジュール１２の高温側端面は高温状態に維持される。一方、熱電変換モジュール１２の低温側端面は、冷却ケース１３内を流れる冷却水に熱を奪われるため、冷却される。これにより、熱電変換モジュール１２の高温側端面と低温側端面との間に温度差が生じ、この温度差に応じた電力が発生し、これがＤＣ−ＤＣコンバータ２８により所定の電力に変換されてバッテリー２９に蓄えられる。

ところで、排気ガスには、カーボン等といった燃料の未燃成分や埃などが含まれている。熱交換フィン部１６の各フィン間のクリアランスは非常に小さいため、排気ガス中の未燃成分等が熱交換フィン部１６のフィンに付着して溜まると、各フィン間を排気ガスが通り抜けにくくなったり、熱交換フィン部１６から熱電変換モジュール１２への熱伝達率が低下し、結果的に発電量の低下を招くおそれがある。

そこで、本実施形態の熱電発電装置１は、上記のような熱交換フィン部１６への未燃成分等の堆積を抑えるべく、制御ユニット３０を更に備えている。制御ユニット３０は、図３に示すように、堆積推定処理部３１と堆積物除去制御処理部３２とを有している。

堆積推定処理部３１は、車両に搭載されている走行距離計３３の計測値に基づいて、熱交換フィン部１６に堆積物が付着しているかどうかを推定する。車両の走行距離が長くなると、熱交換フィン部１６に付着する堆積物の量が増える。このため、堆積推定処理部３１は、車両の走行距離が所定距離に達したときに、熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると判断し、熱交換フィン部１６のクリーニングが必要な時期である旨を堆積物除去制御処理部３２に指示する。

堆積物除去制御処理部３２は、堆積推定処理部３１により熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると判断されたときに、車両に搭載されている空燃比制御用バルブ３４を制御し、熱交換フィン部１６に付着した堆積物の除去（クリーニング）を行う。具体的には、堆積物除去制御処理部３２は、図４に示すように、熱交換フィン部１６のクリーニングの指示を受ける（手順１０１）と、エンジン２における空燃比がストイキ（空気と燃料とが過不足なしに完全燃焼させるために理論上必要な理論空燃比）近傍からリーン（理論空燃比に比べて空気の割合が高い状態）側に設定されると共に酸素過剰状態となるように、空燃比制御用バルブ３４を制御する（手順１０２）。

空燃比制御用バルブとしては、例えばエンジン２の吸気マニホールド内に燃料を噴射するインジェクタでも良いし、エンジン２の吸気マニホールド内に吸入される空気量を制御する電子制御式スロットルバルブでも良い。

このような空燃比制御を行うことにより、エンジン２の排気温度が高くなるので、エンジン２から排出される排気ガスの温度が高くなる。その結果、熱交換フィン部１６の温度が高くなるので、熱交換フィン部１６に付着した堆積物が高温状態の熱によって焼損（除去）される。

以上のように本実施形態によれば、熱交換フィン部１６に堆積物が存在していると推定されると、エンジン２の排気温度を強制的に上昇させることで、熱交換フィン部１６の温度を上昇させるので、熱交換フィン部１６に付着した堆積物を除去することができる。従って、各分割排気通路９に導入された排気ガスの流れが堆積物によって制限されることはなく、排気ガスが熱交換フィン部１６の各フィン間をスムーズに通り抜けるようになる。また、熱交換フィン部１６から熱電変換モジュール１２への熱伝導率が良くなる。これにより、熱電変換モジュール１２により得られる発電量の低下が抑制されるため、熱電発電装置１の発電効率が向上する。

本発明に係わる熱電発電装置の第２実施形態を図５により説明する。本実施形態の熱電発電装置は、熱交換部材の熱交換フィン部に存在する堆積物の有無を推定する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積推定処理部３１に代えて堆積推定処理部３５を有している。堆積推定処理部３５は、上記の走行距離計３３の計測値と車両に搭載されているイグニションスイッチ３６のオン／オフ状態とに基づいて、熱交換フィン部１６に堆積物が付着しているかどうかを推定する。車両の走行時間が長くなると、熱交換フィン部１６に付着する堆積物の量が増える。このため、堆積推定処理部３５は、タイマで車両の走行時間を計測し、その走行時間が所定時間に達したときに、熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると判断する。

なお、ここでいう走行時間は、例えば車両が純粋に走行する時間であっても良いし、実際には車両が走行していないアイドリング状態を含む時間であっても良い。走行時間として、アイドリング状態を含む時間を採用する場合は、例えばイグニションスイッチ３６のオン／オフ状態という情報のみを入力して、堆積物の有無の推定を行っても良い。

本実施形態においても、熱交換フィン部１６に堆積物が存在しているかどうかを容易に推定可能である。従って、上述したように、熱交換フィン部１６に付着した堆積物を除去することで、発電量の低下を抑え、熱電発電装置の発電効率を向上させることができる。

本発明に係わる熱電発電装置の第３実施形態を図６により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に存在する堆積物の有無を推定する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積推定処理部３１に代えて堆積推定処理部３７を有している。堆積推定処理部３７は、例えば車両に搭載されている回転数センサ３８及びスロットル開度センサ３９の検出値に基づいて、熱交換フィン部１６に堆積物が付着しているかどうかを推定する。回転数センサ３８は、上記のエンジン２の回転数を検出するセンサであり、スロットル開度センサ３９は、スロットルバルブ（図示せず）の開度を検出するセンサである。これらのエンジン２の回転数及びスロットルバルブの開度によって、エンジン２の負荷条件が把握できる。

エンジン２に所定値以上の負荷がかかっている時間が長くなると、熱交換フィン部１６に付着する堆積物の量が増える。このため、堆積推定処理部３７は、例えばエンジン２に所定値以上の負荷がかかっている時間をタイマで計測し、その計測時間が所定時間に達したときに、熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると判断する。従って、この場合にも、熱交換フィン部１６に付着した堆積物を除去することで、熱電発電装置の発電効率を向上させることが可能となる。

本発明に係わる熱電発電装置の第４実施形態を図７により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に存在する堆積物の有無を推定する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積推定処理部３１に代えて堆積推定処理部４０を有している。堆積推定処理部４０は、車両に搭載されている車速センサ４１の検出値に基づいて、熱交換フィン部１６に堆積物が付着しているかどうかを推定する。車速センサ４１は、車両の走行速度を検出するセンサである。

車両の走行速度が所定速度以上である時間が長くなると、熱交換フィン部１６に付着する堆積物の量が増える。このため、堆積推定処理部４０は、例えば車両の走行速度が所定速度以上である時間をタイマで計測し、その計測時間が所定時間に達したときに、熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると判断する。従って、この場合にも、熱交換フィン部１６に付着した堆積物を除去することで、熱電発電装置の発電効率を向上させることができる。

本発明に係わる熱電発電装置の第５実施形態を図８及び図９により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に存在する堆積物の有無を推定する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図８において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積推定処理部３１に代えて堆積推定処理部４２を有している。堆積推定処理部４２は、例えば排ガス温度センサ４３、排ガス流量センサ４４、熱電冷却側温度センサ４５等の検出値と電力計４６の測定値とに基づいて、熱交換フィン部１６に堆積物が付着しているかどうかを推定する。排ガス温度センサ４３は、エンジン２から排出される排気ガスの温度を検出するセンサであり、排ガス流量センサ４４は、排気ガスの流量を検出するセンサであり、熱電冷却側温度センサ４５は、上記の熱電変換モジュール１２の冷却側端面の温度を検出するセンサである。電力計４６は、熱電変換モジュール１２から出力される電力（発電量）を計測するものである。

堆積推定処理部４２の処理手順の詳細を図９に示す。同図において、まず例えば電力計４６の出力値から、熱電変換モジュール１２に電力が発生している、つまり発電中であるかどうかを判断し（手順１１１）、発電中であるときは、その時のエンジン２の作動状態に対して得られると予想される理想発電量Ｐ_estを推定する（手順１１２）。エンジン２の作動状態は、排ガス温度センサ４３、排ガス流量センサ４４及び熱電冷却側温度センサ４５等の検出値から得られる。続いて、電力計４６によって実際の発電量（実発電量）Ｐ_actを測定する（手順１１３）。そして、理想発電量Ｐ_estと実発電量Ｐ_actとの差分の絶対値が基準値εより大きいかどうかを判断し（手順１１４）、理想発電量Ｐ_estと実発電量Ｐ_actとの差分の絶対値が基準値εより大きいときは、熱交換フィン部１６のクリーニング時期である旨を堆積物除去制御処理部３２に指示する（手順１１５）。

このように本実施形態にあっては、電力計４６により発電量をモニターし、その時のエンジン２の状態から推定される理想発電量と実発電量との差異を求め、当該差異から発電量の正常／異常を判定することにより、熱交換フィン部１６に所定量の堆積物が付着しているかどうかをより正確に判断することができる。従って、上述したように、熱交換フィン部１６に付着した堆積物を除去することで、発電量の低下を抑え、熱電発電装置の発電効率を向上させることができる。

本発明に係わる熱電発電装置の第６実施形態を図１０及び図１１により説明する。本実施形態の熱電発電装置は、熱交換部材の熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１０において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積物除去制御処理部３２に代えて堆積物除去制御処理部４７を有している。堆積物除去制御処理部４７は、堆積推定処理部３１により熱交換フィン部１６に堆積物が付着していると推定されたときに、その堆積物を除去するように、車両に搭載されている点火駆動部（イグナイター）４８を制御する。具体的には、堆積物除去制御処理部４７は、図１１に示すように、堆積推定処理部３１から熱交換フィン部１６のクリーニング指示を受ける（手順１２１）と、エンジン２における点火時期を遅角するように点火駆動部４８を制御する（手順１２２）。

このように点火時期の制御を行うことにより、第１実施形態と同様に、エンジン２の排気温度が高くなるので、エンジン２からの排気ガスによって熱交換フィン部１６の温度が高くなる。これにより、熱交換フィン部１６に付着した堆積物が焼損（除去）されるため、上述したように、発電量の低下が抑えられ、熱電発電装置の発電効率が向上する。

本発明に係わる熱電発電装置の第７実施形態を図１２及び図１３により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積物除去制御処理部３２に代えて堆積物除去制御処理部４９を有している。堆積物除去制御処理部４９は、堆積推定処理部３１から熱交換フィン部１６のクリーニング指示を受ける（手順１３１）と、上記の各電力取り出しスイッチ２７をオンからオフに切り換える（手順１３２）。

これにより、熱電変換モジュール１２の出力取り出し側がオープン状態となり、熱電変換モジュール１２からの電力の取り出しが強制的に停止されるため、熱交換フィン部１６により回収された熱の流れの対流が起こり、その回収熱が熱交換フィン部１６にとどまることになる。このため、熱交換フィン部１６の温度が高くなるので、熱交換フィン部１６に付着した堆積物が焼損（除去）されるようになる。従って、上述したように、発電量の低下が抑えられ、熱電発電装置の発電効率が向上する。

本発明に係わる熱電発電装置の第８実施形態を図１４及び図１５により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積物除去制御処理部３２に代えて堆積物除去制御処理部５０を有している。堆積物除去制御処理部５０は、堆積推定処理部３１から熱交換フィン部１６のクリーニング指示を受ける（手順１４１）と、上記の各冷却バルブ２１を開位置から閉位置に切り換えるように制御する（手順１４２）。

これにより、上記の各冷却ケース１３の内部には冷却水が流通しなくなるので、熱電変換モジュール１２の冷却が停止される。このため、熱電変換モジュール１２の高温側端面と低温側端面との間の温度差が小さくなるので、熱交換フィン部１６から熱電変換モジュール１２への回収熱の流れが強制的に遮断され、その回収熱が熱交換フィン部１６にとどまることになる。このため、熱交換フィン部１６の温度が高くなるので、熱交換フィン部１６に付着した堆積物が焼損（除去）されるようになる。従って、上述したように、発電量の低下が抑えられ、熱電発電装置の発電効率が向上する。

本発明に係わる熱電発電装置の第９実施形態を図１６〜図１８により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１６において、本実施形態の熱電ユニット１０は、上記の熱交換部材１１に代えて熱交換部材５１を有している。熱交換部材５１は、基台５２と、この基台５２と一体化された熱交換フィン部５３とからなっている。熱交換フィン部５３は、熱交換部材１１の熱交換フィン部１６と同じ構造を有している。基台５２の内部には、熱交換フィン部５３を加熱するセラミックヒータ等のヒータ５４が埋め込まれている。

図１７及び図１８において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積物除去制御処理部３２に代えて堆積物除去制御処理部５５を有している。堆積物除去制御処理部５５は、堆積推定処理部３１から熱交換フィン部５３のクリーニング指示を受ける（手順１５１）と、各ヒータ５４を通電する（手順１５２）。

これにより、熱交換フィン部５３がヒータ５４によって直接加熱され、熱交換フィン部５３の温度が高くなるため、熱交換フィン部５３に付着した堆積物が焼損（除去）されるようになる。従って、上述したように、発電量の低下が抑えられ、熱電発電装置の発電効率が向上する。

なお、熱交換フィン部５３を加熱するヒータ５４の配置箇所としては、熱交換部材５１の内部に限られず、熱交換部材５１の周囲、例えば分割管本体５（図２参照）等としても良い。

本発明に係わる熱電発電装置の第１０実施形態を図１９〜図２１により説明する。本実施形態の熱電発電装置も、熱交換部材の熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する手段が第１実施形態と異なっている。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１９において、本実施形態の熱電ユニット１０は、上記の熱交換部材１１に代えて熱交換部材５６を有している。熱交換部材５６は、基台５７と、この基台５７と一体化された熱交換フィン部５８とからなっている。熱交換フィン部５８は、熱交換部材１１の熱交換フィン部１６と同じ構造を有している。基台５７の内部には、熱交換フィン部５８の各フィンを振動させる圧電素子等の振動子５９が埋め込まれている。振動子５９は、熱交換フィン部５８の各フィンを例えば図中Ａ方向に揺れ動かすように構成または配置されている。

図２０及び図２１において、本実施形態の制御ユニット３０は、上記の堆積物除去制御処理部３２に代えて堆積物除去制御処理部６０を有している。堆積物除去制御処理部６０は、堆積推定処理部３１から熱交換フィン部５８のクリーニング指示を受ける（手順１６１）と、振動子５９を通電し、熱交換フィン部５８の各フィンを振動させる（手順１６２）。このとき、振動子５９に供給される電圧の周波数は、振動子５９の振動によって熱交換フィン部５８に存在する堆積物を振り落とす程度の周波数である。

このように熱交換フィン部５８の各フィンを振動させることで、熱交換フィン部５８に付着した堆積物が振り落とされて除去される。これにより、排気ガスの流れが堆積物によって制限されることはなく、熱交換フィン部１６から熱電変換モジュール１２への熱伝導率が良くなるため、発電量の低下が抑えられ、熱電発電装置の発電効率が向上する。

以上、本発明に係わる熱電発電装置の実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記の第６〜第１０実施形態では、車両の走行距離に基づいて、熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定する構成としたが、堆積物有無の推定としては、特にこれに限られず、上記の第２〜第４実施形態のように車両の走行時間、エンジン２の負荷、車両の走行速度に基づいて行ったり、上記の第５実施形態のように発電量をモニターして行っても良いことは言うまでもない。

また、上記実施形態では、車両の走行時間及び走行時間等から、熱交換フィン部に堆積物が付着しているか否かを推定するようにしたが、特にこれに限られず、例えば熱交換フィン部の各フィン間の距離や静電容量等を測定することにより、熱交換フィン部に堆積物が付着しているか否かを実際に検出しても良い。

本発明に係わる熱電発電装置の実施形態を示す概略構成図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第１実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図３に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第２実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第３実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第４実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第５実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図８に示した堆積推定処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第６実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図１０に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第７実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図１２に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第８実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図１４に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第９実施形態における熱電ユニットの要部断面図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第９実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図１７に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 本発明に係わる熱電発電装置の第１０実施形態における熱電ユニットの要部断面図である。 本発明に係わる熱電発電装置の第１０実施形態における制御ユニットの機能ブロック図である。 図２０に示した堆積物除去制御処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…エンジン（内燃機関）、１０…熱電ユニット、１１…熱交換部材、１２…熱電変換モジュール（熱電変換部）、１３…冷却ケース（冷却部）、１６…熱交換フィン部、２１…冷却バルブ（堆積物除去手段）、２７…電力取り出しスイッチ（堆積物除去手段）、３０…制御ユニット、３１…堆積推定処理部（判断手段）、３２…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）、３３…走行距離計、３４…空燃比制御用バルブ（堆積物除去手段）、３５…堆積推定処理部（判断手段）、３６…イグニションスイッチ、３７…堆積推定処理部（判断手段）、３８…回転数センサ、３９…スロットル開度センサ、４０…堆積推定処理部（判断手段）、４１…車速センサ、４２…堆積推定処理部（判断手段）、４３…排ガス温度センサ、４４…排ガス流量センサ、４５…熱電冷却側温度センサ、４６…電力計、４７…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）、４８…点火駆動部（堆積物除去手段）、４９…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）、５０…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）、５１…熱交換部材、５３…熱交換フィン部、５４…ヒータ（堆積物除去手段）、５５…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）、５６…熱交換部材、５８…熱交換フィン部、５９…振動子（堆積物除去手段）、６０…堆積物除去制御処理部（堆積物除去手段）。

Claims (10)

1. 車両に搭載され、前記車両の内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置において、
   前記排気ガスの熱を回収する熱交換フィン部と、
   前記熱交換フィン部で回収された熱を電気に変換する熱電変換部と、
   前記熱電変換部に対して前記熱交換フィン部の反対側に配置され、前記熱電変換部を冷却する冷却部と、
   前記熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを判断する判断手段と、
   前記判断手段により前記熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、前記熱交換フィン部に付着した堆積物を除去する堆積物除去手段とを備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記堆積物除去手段は、前記判断手段により前記熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、前記熱交換フィン部の温度を上昇させる手段であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記堆積物除去手段は、前記内燃機関の排気温度を上昇させることで、前記熱交換フィン部の温度を上昇させることを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
4. 前記堆積物除去手段は、前記熱電変換部で発生した電力の取り出し又は前記熱電変換部の冷却を停止させることで、前記熱交換フィン部の温度を上昇させることを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
5. 前記堆積物除去手段は、前記熱交換フィン部を加熱するヒータと、前記判断手段により前記熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、前記ヒータを通電する手段とを有することを特徴とする請求項２記載の熱電発電装置。
6. 前記堆積物除去手段は、前記判断手段により前記熱交換フィン部に堆積物が付着していると判断されたときに、前記熱交換フィン部を振動させる手段であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
7. 前記判断手段は、前記車両の走行距離または走行時間に基づいて、前記熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の熱電発電装置。
8. 前記判断手段は、前記内燃機関の負荷に基づいて、前記熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の熱電発電装置。
9. 前記判断手段は、前記車両の走行速度に基づいて、前記熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の熱電発電装置。
10. 前記判断手段は、前記内燃機関の作動状態に対する理想発電量を推定し、前記理想発電量と実際の発電量との差異から、前記熱交換フィン部に堆積物が付着しているかどうかを推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の熱電発電装置。

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