JP2008177301A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいにときにも十分な発電量が得られ、熱電発電素子の周辺の熱害も防止できる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】高温側フィン付熱流板２１が所定の高温に上昇するまでは、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への無駄な熱流入が遮断されて排気熱が高温側フィン付熱流板２１に蓄熱される。高温側フィン付熱流板２１が所定の高温に上昇すると、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎは、その高温端への熱流入に応じて熱発電を開始する。高温側フィン付熱流板２１の温度が所定の低温に低下すると、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎへの熱流入が遮断されてその周辺の熱害が防止される。その際、冷却水循環ポンプの作動が停止されることで無駄な電力ロスが無くなる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、内燃機関の排気熱を回収して熱発電する熱電発電装置に関するものである。

内燃機関の排気熱を回収して熱発電する熱電発電装置が従来一般に知られている。この種の熱電発電装置は、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複数の熱電発電素子を備えており、各熱電発電素子の高温端は、内燃機関の排気が流通するインナーシェルなどの排気熱回収部材に密着し、各熱電発電素子の低温端は、冷却水が流通するアウターシェルなどの放熱部材に密着している(例えば特許文献１参照)。
特開平１１−２６１１１７号公報（段落番号１２）

前述したように、従来一般に知られている熱電発電装置においては、各熱電発電素子の高温端がインナーシェルなどの排気熱回収部材に常時密着し、各熱電発電素子の低温端がアウターシェルなどの放熱部材に常時密着しているため、内燃機関の低負荷運転時や、動力源として内燃機関とモータとを併用したハイブリッド車における内燃機関の間欠運転時などのように、排気の温度が低く流量も少ない排気熱量の小さいときにも熱発電が可能である。

しかしながら、従来の熱電発電装置は、内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時において、小さい排気熱量のもとに熱発電するので十分な発電量が得られないという問題がある。また、高負荷運転直後の内燃機関の停止時においては、高温の排気熱が各熱電発電素子に流入するため、各熱電発電素子の周辺の電極や配線のハンダ接合部が熱破損するという熱害発生の虞もある。

そこで、本発明は、内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにも十分な発電量が得られ、熱電発電素子の周辺の熱害も防止できる熱電発電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る熱電発電装置は、内燃機関の排気熱を回収する排気熱回収部材に高温端が接触し、低温端が放熱部材に接触することで熱発電可能な熱電発電素子を備えた熱電発電装置であって、排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態または遮断状態に切り換える切換手段を備えていることを特徴とする。

本発明に係る熱電発電装置では、内燃機関の運転時に切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態に切り換えると、排気熱回収部材から熱電発電素子の高温端への熱流入が遮断されて排気熱が排気熱回収部材に蓄熱される。その結果、内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにも、熱電発電素子は、排気熱回収部材に蓄熱された排気熱により十分な発電量をもって熱発電することが可能となる。

また、内燃機関の運転時に切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態に切り換えると、排気熱回収部材から熱電発電素子の高温端への熱流入に応じて熱電発電素子が熱発電を開始する。

そして、内燃機関の運転停止直後に切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態に切り換えると、排気熱回収部材から熱電発電素子への熱流入が遮断されて熱電発電素子の周辺の熱害が防止される。

本発明に係る熱電発電装置において、排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態または遮断状態に切り換える切換手段は、排気熱回収部材の温度が所定の高温まで上昇すると遮断状態から接触状態に切り換え、排気熱回収部材の温度が所定の低温まで低下すると接触状態から遮断状態に切り換えるように構成されているのが好ましい。

この場合、排気熱回収部材の温度が所定の高温に上昇するまでは、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態に切り換えているため、排気熱回収部材から熱電発電素子の高温端への無駄な熱流入が遮断されて排気熱が排気熱回収部材に蓄熱される。その結果、内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにも、熱電発電素子は、排気熱回収部材に蓄熱された排気熱により十分な発電量をもって熱発電することが可能となる。

また、排気熱回収部材の温度が所定の高温に上昇すると、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態から接触状態に切り換えるため、排気熱回収部材から熱電発電素子の高温端への熱流入に応じて熱電発電素子が熱発電を開始する。

そして、排気熱回収部材の温度が所定の高温に上昇してから所定の低温に低下すると、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態から遮断状態に切り換えるため、排気熱回収部材から熱電発電素子への熱流入が遮断される。その結果、高負荷運転の直後の内燃機関の運転停止時に発生する虞のある熱電発電素子の周辺の熱害が防止される。

また、本発明に係る熱電発電装置において、排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態または遮断状態に切り換える切換手段は、放熱部材を冷却する冷却水の温度が所定の高温まで上昇すると接触状態から遮断状態に切り換え、冷却水の温度が所定の低温まで低下すると遮断状態から接触状態に切り換えるように構成されているのが好ましい。

この場合、冷却水が所定の高温まで上昇すると、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態から遮断状態に切り換えることで排気熱回収部材から熱電発電素子への熱流入が遮断されるため、放熱部材の温度上昇が抑制されて冷却水の温度が低下する。そして、冷却水が所定の低温まで低下すると、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態から接触状態に切り換えることで排気熱回収部材から熱電発電素子への熱流入が開始されるため、熱電発電素子が熱発電を再開する。

本発明の熱電発電装置には、放熱部材を冷却水の循環により強制冷却するためのラジエータおよび冷却水循環ポンプを付設することができる。この場合、冷却水が所定の高温まで上昇すると、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態から遮断状態に切り換えることで所定の高温まで上昇した冷却水の温度が低下するため、ラジエータを大型化して冷却水の温度上昇を抑制する必要が無くなる。

ここで、排気熱回収部材の温度が所定の低温まで低下して切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態から遮断状態に切り換える際に、切換手段が冷却水循環ポンプの作動を停止させるように構成されていると、熱電発電素子が熱発電を停止した状態で冷却水循環ポンプを作動させる電力ロスが無くなる。

本発明の熱電発電装置において、内燃機関は他の動力源との併用により間欠運転されるものであってもよい。この場合でも、排気熱回収部材が所定の高温に上昇するまでは、排気熱回収部材から熱電発電素子の高温端への無駄な熱流入が遮断されて排気熱が排気熱回収部材に蓄熱されるため、熱電発電素子は、排気熱回収部材に蓄熱された排気熱により十分な発電量をもって熱発電することが可能となる。

本発明に係る熱電発電装置によれば、内燃機関の運転時に切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態に切り換えることで排気熱が排気熱回収部材に蓄熱され、切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを接触状態に切り換えることで熱電発電素子が熱発電を開始するため、内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにも排気熱回収部材に蓄熱された排気熱により熱電発電素子が十分な発電量をもって熱発電するのであり、十分な発電量を得ることができる。

また、内燃機関の運転停止直後に切換手段が排気熱回収部材と熱電発電素子の高温端とを遮断状態に切り換えることで排気熱回収部材から熱電発電素子への熱流入が遮断されるため、熱電発電素子の周辺の熱害を防止できる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電装置の最良の実施形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図、図２は図１に示した熱電発電装置の外観を示す側面図、図３は図２に示した熱電発電装置の正面図、図４は図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図、図５は図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面図である。

一実施形態に係る熱電発電装置は、車両に搭載された内燃機関の排気系に排出される排気から排気熱を回収して熱発電する装置である。このため、図１に示すように、一実施形態の熱電発電装置１は、内燃機関（図示省略）の排気系において、例えば、排気上流側の排気マニホールド２に接続された触媒コンバータ３と、排気下流側のマフラー４との間に介設されている。

熱電発電装置１により熱発電される電気エネルギーは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）５によってオン・オフ制御されるＤＣ−ＤＣコンバータ６を介してバッテリー７に充電されるように構成されている。

なお、熱電発電装置１による排気の圧損が急増した場合に、触媒コンバータ３から熱電発電装置１を迂回してマフラー４側に排気を流通させるため、熱電発電装置１の中心部には排気のバイパス管８が貫通して設置されている。そして、このバイパス管８の排気流入口には、ＥＣＵ５によって開閉制御されるバイパスバルブ９が付設されている。

ＥＣＵ５は、入出力インターフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ(Read Only Memory)、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ(Random Access Memory)、プログラムを実行するＣＰＵ(Central Processing Unit)等をハードウェアとして備えたマイクロコンピュータであり、後述する切換手段の制御装置を構成する。

図２〜図５に示すように、熱電発電装置１は、その外周部を構成する円筒状の冷却水ケース１０、排気の流入部を構成する筒状の流入側ハウジング１１、排気の流出部を構成する筒状の流出側ハウジング１２、流入側ハウジング１１を覆う流入側ジャバラ管１３、流出側ハウジング１２を覆う流出側ジャバラ管１４等の部材を備えて構成されている。

冷却水ケース１０には、冷却水が流入する流入側ニップル１０Ａと、冷却水が流出する流出側ニップル１０Ｂとが接続されている。これらの流入側ニップル１０Ａおよび流出側ニップル１０Ｂは、図１に示したＥＣＵ５によりオン・オフ制御される冷却水循環ポンプ１５およびラジエータ１６を備えた冷却水の循環管路に接続されており、冷却水循環ポンプ１５がＥＣＵ５によりオン制御されると、ラジエータ１６で冷却された冷却水が冷却水ケース１０内を流通して循環するようになっている。

図４および図５に示すように、筒状の流入側ハウジング１１は、その内端部に複数本の放射状連結部１１Ａを介して連続する小径のリング状支持部１１Ｂを有し、このリング状支持部１１Ｂがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。同様に、筒状の流出側ハウジング１２は、その内端部に複数本の放射状連結部１２Ａを介して連続する小径のリング状支持部１２Ｂを有し、このリング状支持部１２Ｂがバイパス管８の外周に摺動自在に嵌合することでバイパス管８に同芯状に支持されている。

流入側ハウジング１１内に臨むバイパス管８の端部には大径部８Ａが形成されており、この大径部８Ａの段部に流入側ハウジング１１のリング状支持部１１Ｂが係止されている。また、流出側ハウジング１２内に臨むバイパス管８の端部には小径部８Ｂが形成されており、この小径部８Ｂには複数の皿ばね１７および押しナット１８が装着されている。

流入側ジャバラ管１３は、その外端部が流入側ハウジング１１の外端部に気密状態で連結され、その内端部が冷却水ケース１０の一端部に気密状態で連結されている。同様に、流出側ジャバラ管１４は、その外端部が流出側ハウジング１２の外端部に気密状態で連結され、その内端部が冷却水ケース１０の他端部に気密状態で連結されている。

ここで、流入側ハウジング１１と流出側ハウジング１２との間には、バイパス管８の外周および冷却水ケース１０の内周に摺動自在に嵌合するドーナツ状に組み立てられた熱電発電ユニット２０が排気流入側から排気流出側に向かって例えば１２段に配置されている。

各熱電発電ユニット２０は、排気熱回収部材としてバイパス管８の外周に嵌合される高温側フィン付熱流板２１と、放熱部材として冷却水ケース１０の内周に嵌合される低温側熱流板２２と、両者の間に介設される熱電発電素子モジュール２３とで構成されている。

図５に示すように、各熱電発電ユニット２０を構成する各高温側フィン付熱流板２１の外周部付近は、バイパス管８の小径部８Ｂに装着された押しナット１８のねじ込みによる皿ばね１７の押圧力を受けて流入側ハウジング１１の内端部と流出側ハウジング１２の内端部と間に所定の圧力で挟持されている。また、各熱電発電ユニット２０を構成する各低温側熱流板２２の外周面は、熱伝導性の高いシリコングリース層を介して冷却水ケース１０の内周面に密着している。そして、流入側ジャバラ管１３および流出側ジャバラ管１４により外気と遮断された冷却水ケース１０の内側空間には、熱電発電素子モジュール２３の酸化を防止するための適宜の不活性ガスが充填されている。

ここで、図６に分解して示すように、熱電発電ユニット２０を構成する高温側フィン付熱流板２１は、相互に対向して組み合わされる左右一対で構成されている。この高温側フィン付熱流板２１は、耐熱性のある絶縁性セラミックスにより一体に成形されており、リング状の本体２１Ａと、この本体２１Ａの左右方向の外端側に形成された大径のフランジ部２１Ｂと、フランジ部２１Ｂと反対側に突出する状態で本体２１Ａの内周側に放射状に配列されて形成された多数のフィン２１Ｃとを有する。

左右一対の高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂにおける相互に対面する内側面には、熱電発電素子モジュール２３を構成する小判形の一群の高温側電極２３Ａがそれぞれ環状に配列されて接合される。そして、左右一対の高温側フィン付熱流板２１，２１は、多数のフィン２１Ｃ，２１Ｃ同士が交互に放射状に配列されるように本体２１Ａ，２１Ａ同士を突き当てた状態で組み合わされ、この状態で多数のフィン２１Ｃ，２１Ｃがバイパス管８を囲んでその外周に嵌合する（図４参照）。

熱電発電ユニット２０を構成する低温側熱流板２２は、絶縁性セラミックスにより一体に成形されており、外周面が冷却水ケース１０の内周面に嵌合する幅の広い環状の嵌合部２２Ａと、内周部が左右一対の高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂ間に臨む幅の狭い環状の装着部２２Ｂとを有する。そして、この装着部２２Ｂの左右の両側部には、後述する切換手段を構成する一群のピストン３１がそれぞれ環状に配列されて摺動自在に嵌合される。

熱電発電ユニット２０を構成する熱電発電素子モジュール２３は、前述したように環状に配列される一群の高温側電極２３Ａ，２３Ａと、低温側熱流板２２の装着部２２Ｂの内周部に装着されて環状に配列される一群の低温側電極２３Ｂと、各低温側電極２３Ｂに予めＰＮパイ型接合されることで交互に環状に配列される一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよび一群のｎ型熱電発電素子Ｎとを有する。

低温側電極２３Ｂは、図７に示すように、中央部にばね部２３Ｂ１が湾曲して形成され正面視Ｕ字形のクリップ状に形成されており、その左右の挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２の外面には、それぞれ一組のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端がハンダ層や拡散層を介してＰＮパイ型接合されている。そして、左右の挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２は、一組のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの間の部分がばね部２３Ｂ１付近まで切り欠かれることでそれぞれ前後に分割されている。

ここで、図８に示すように、一群の低温側電極２３Ｂの一つは、ばね部２３Ｂ１を含めて左右の挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２が完全に前後に分割されており、その前後一方の左右一側の挟持片部２３Ｂ２には、例えばマイナス側リード片２３Ｂ３が連続して形成され、その前後他方の左右他側の挟持片部２３Ｂ２には、プラス側リード片２３Ｂ４が連続して形成されている。

マイナス側リード片２３Ｂ３は、図９および図１０に示すように正面視Ｕ字状に外側に屈曲している。プラス側リード片２３Ｂ４は、同様に正面視Ｕ字状に外側に屈曲し、さらにその先端部が他段の熱電発電素子モジュール２３のマイナス側リード片２３Ｂ３に向けて屈曲している。そして、各段の熱電発電素子モジュール２３は、プラス側リード片２３Ｂ４とマイナス側リード片２３Ｂ３とが接触することで交互に直列に接続されており、その一端部および他端部から各段の熱電発電素子モジュール２３で熱発電された電気エネルギが取り出されるようになっている。

図１１に示すように、高温側フィン付熱流板２１の本体２１Ａ，２１Ａの対向面間には、冷却水ケース１０で覆われた空間に充填される不活性ガスを封止するためにリング状のガスケットＧ１が挟持されている。また、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂの対向面間およびフランジ部２１Ｂと流入側ハウジング１１との対向面間には、ガスケットＧ１と同様の機能を有するリング状のガスケットＧ２が挟持されている。なお、図１１に図示されていない流出側ハウジング１２とフランジ部２１Ｂとの対向面間にもガスケットＧ２が挟持されている。

ここで、図１１および図１２に示すように、低温側熱流板２２の嵌合部２２Ａの外周面における幅方向中央部には、圧縮空気の圧力を導入するための環状溝３２Ａが切換手段３０の一部として形成されており、その両側部分には、圧縮空気の漏出を防止するように冷却水ケース１０の内周面との間をシールする一対のオーリングＯ，Ｏの装着溝２２Ｃが形成されている。

また、低温側熱流板２２の装着部２２Ｂには、その左右の側面にそれぞれ環状に配列されて開口するそれぞれ一群のピストン室３２Ｂ，３２Ｂが形成されている。これらのピストン室３２Ｂ，３２Ｂは、左右それぞれ一群の連通孔３２Ｃ，３２Ｃを介して環状溝３２Ａに連通されている。そして、各ピストン室３２Ｂには、絶縁性セラミックス製のピストン３１がそれぞれ摺動自在に嵌挿されている。

一方、図１３に示すように、冷却水ケース１０の後端部には、圧力導入プラグ３２Ｄが装着されており、この圧力導入プラグ３２Ｄに連通する圧力導入通路３２Ｅが冷却水ケース１０内に形成されている。そして、この圧力導入通路３２Ｅは、冷却水ケース１０の内周面に開口する複数の連通孔３２Ｆを介して各低温側熱流板２２の嵌合部２２Ａに形成された各環状溝３２Ａに連通している。

なお、冷却水ケース１０の後端部には、熱電発電装置１の一方のモジュール電極２３Ｃが絶縁部材１９を介して支持されており、このモジュール電極２３Ｃには、最後段の熱電発電素子モジュール２３のプラス側リード片２３Ｂ４が接続されている。

図１１および図１２に示したピストン３１は、図１４に示すように、引張りコイルばね３１Ａを収容してその一端部を係止するカップ状に形成されており、その外周にはオーリング３１Ｂが装着されている。このピストン３１は、引張りコイルばね３１Ａの他端部がピストン室３２Ｂ（図１１参照）の奥部に係止されることで、ピストン室３２Ｂ内に引き込まれるように構成されている。

ここで、一実施形態の熱電発電装置１は、図１１に示した一群の高温側電極２３Ａと、一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端とを接触状態または遮断状態に切り換える切換手段として、例えば図１５に示す切換手段３０を備えている。この切換手段３０は、前述したＥＣＵ５によって作動がオン・オフ制御される圧力バルブ３３と、この圧力バルブ３３を介して圧力タンク３４内に蓄圧された圧縮空気の圧力が伝達される圧力伝達経路３２と、この圧力伝達経路３２を介して伝達される圧力に応じて進退作動する前述の一群のピストン３１とを主体に構成されている。

圧力伝達経路３２は、冷却水ケース１０に装着された圧力導入プラグ３２Ｄから冷却水ケース１０内の圧力導入通路３２Ｅおよび各連通孔３２Ｆ、低温側熱流板２２の環状溝３２Ａおよび各連通孔３２Ｃを介して各ピストン室３２Ｂに至る伝達経路を有する（図１１および図１３参照）。

圧力バルブ３３は、ＥＣＵ５によってオン制御されると、圧力タンク３４内に蓄圧された圧縮空気の圧力を圧力伝達経路３２に伝達することで、一群のピストン３１をそれぞれ引張りコイルばね３１Ａに抗してピストン室３２Ｂから進出させる。一方、ＥＣＵ５によってオフ制御されると、圧力伝達経路３２内の圧力を大気に開放することで、一群のピストン３１をそれぞれ引張りコイルばね３１Ａの付勢力によりピストン室３２Ｂ内に退入させる。

圧力タンク３４は、圧力ポンプ３５から供給される圧縮空気の圧力を蓄圧する。この圧力タンク３４には、蓄圧された圧縮空気の圧力を検出する圧力センサ３６が付設されており、この圧力センサ３６は、その検出信号をＥＣＵ５に出力する。

ＥＣＵ５には、前述した高温側フィン付熱流板２１のフィン温度を検出する温度センサ３７および前述した冷却水ケース１０内の冷却水の温度を検出する水温センサ３８からそれぞれ検出温度の信号が入力される。このＥＣＵ５は、温度センサ３７および水温センサ３８の検出信号に基づいて圧力バルブ３３の作動をオン・オフ制御すると共に、圧力センサ３６の検出信号に基づいて圧力ポンプ３５の作動をオン・オフ制御する。

以上のように構成された本実施形態の熱電発電装置１では、図１５に示した切換手段３０のＥＣＵ５が圧力バルブ３３にオフ信号を出力している初期状態において、圧力バルブ３３が圧力伝達経路３２内の圧力を大気に開放しているため、図１６に示すように、ピストン３１，３１は、引張りコイルばね３１Ａ，３１Ａの付勢力により、低温側熱流板２２のピストン室３２Ｂ，３２Ｂ内に退入したとなる。その結果、低温側電極２３Ｂの挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２がピストン３１，３１に追従して弾性復帰し、その外面に接合されたｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端が高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂに接合された高温側電極２３Ａ，２３Ａから離間して遮断状態となる。

一方、図１５に示した切換手段３０のＥＣＵ５が圧力バルブ３３にオン信号を出力している場合、圧力バルブ３３が圧力タンク３４内に蓄圧された圧縮空気の圧力を圧力伝達経路３２に伝達するため、図１７に示すように、ピストン３１，３１は、引張りコイルばね３１Ａ，３１Ａの付勢力に抗して低温側熱流板２２のピストン室３２Ｂ，３２Ｂ内から進出する。その結果、低温側電極２３Ｂの挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２がピストン３１，３１に押動されて弾性変形し、その外面に接合されたｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端が高温側フィン付熱流板２１，２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂに接合された高温側電極２３Ａ，２３Ａに接触して接触状態となる。

以下、図１８のフローチャートに示すＥＣＵ５の処理手順に沿って本実施形態の熱電発電装置１の作用を説明する。図示しない内燃機関の運転開始に伴い、まず、ステップＳ１では、図１５に示した温度センサ３７から高温側フィン付熱流板２１のフィン温度Ｔｆを読み込む。次のステップＳ２では、フィン温度Ｔｆが例えば２００℃の第１の設定温度Ｔｏ１より高いか否かを判定する。

ここで、ステップＳ２の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ１の処理に戻る。すなわち、内燃機関の運転開始から熱電発電装置１の高温側フィン付熱流板２１のフィン温度Ｔｆが第１の設定温度Ｔｏ１に上昇するまでは、ＥＣＵ５が図１５に示した圧力バルブ３３をオフ状態に維持している。

その結果、図１６に示すように、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端は、高温側電極２３Ａ，２３Ａから離間したままとなっている。すなわち、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と、排気熱回収部材である高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂとが遮断状態となっている。

このような遮断状態では、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への無駄な熱流入が遮断されて排気熱が高温側フィン付熱流板２１に蓄熱される。従って、以後の内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにも、熱電発電素子１は、高温側フィン付熱流板２１に蓄熱された排気熱により十分な発電量をもって熱発電することが可能となる。

一方、ステップＳ２の判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ３に進んで図５に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６および冷却水循環ポンプ１５をそれぞれオンする。この処理により、ラジエータ１６で冷却された冷却水が冷却水ケース１０内を流通して循環すると共に、バッテリー７がＤＣ−ＤＣコンバータ６を介して充電可能となるため、熱電発電装置１は熱発電可能なスタンバイ状態となる。

次のステップＳ４では、再度、温度センサ３７から高温側フィン付熱流板２１のフィン温度Ｔｆを読み込む。そして、次のステップＳ５では、フィン温度Ｔｆが例えば２２０℃の第２の設定温度Ｔｏ２より高いか否かを判定する。

ステップＳ５の判定結果がＮＯであれば、高温側フィン付熱流板２１への排気熱の蓄熱を継続するため、ステップＳ４の処理に戻る。一方、ステップＳ５の判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ６に進んで図１５に示した圧力バルブ３３をオンする。

このステップＳ６の処理により、図１７に示すように、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端が高温側電極２３Ａ，２３Ａに接触する。すなわち、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と、排気熱回収部材である高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂとが高温側電極２３Ａ，２３Ａを介して接触状態となる。

このような接触状態では、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱入力が開始されて熱電発電装置１が熱発電を開始する。

次のステップＳ７では、図１５に示した水温センサ３８から冷却水ケース１０内の冷却水温度Ｔｗを読み込むと共に、温度センサ３７から再度、高温側フィン付熱流板２１のフィン温度Ｔｆを読み込む。そして、続くステップＳ８では、冷却水温度Ｔｗが例えば１２０℃の第３の設定温度Ｔｏ３より高いか否かを判定する。

ここで、ステップＳ８の判定結果がＹＥＳであれば、冷却水の沸騰を防止するため、ステップＳ９に進んで図１５に示した圧力バルブ３３をオフする。この処理により、図１６に示すように、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端が高温側電極２３Ａ，２３Ａから離間する。すなわち、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と、排気熱回収部材である高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂとが遮断状態となる。

このような遮断状態では、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱流入が遮断されて放熱部材である低温側熱流板２２の温度上昇が抑制されるため、冷却水ケース１０内の冷却水温度Ｔｗが低下する。従って、冷却水の沸騰を防止するように図１に示したラジエータ１６を大型化する必要が無くなる。

ステップＳ９に続くステップＳ１０では、水温センサ３８から再度、冷却水温度Ｔｗを読み込む。そして、続くステップＳ１１では、冷却水温度Ｔｗが例えば１００℃の第４の設定温度Ｔｏ４より低いか否かを判定する。

ここで、ステップＳ８の判定結果がＹＥＳであれば、冷却水が沸騰する虞がなく、冷却水温度Ｔｗを適正温度に保つことができるため、ステップＳ１２に進んで図１５に示した圧力バルブ３３をオンし、その後、ステップＳ７に戻る。この処理により、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱入力が開始されて熱電発電装置１が熱発電を再開する。

一方、前述したステップＳ８の判定結果がＮＯであって冷却水温度Ｔｗが例えば１２０℃の第３の設定温度Ｔｏ３より低い場合には、内燃機関の運転停止に応じた熱電発電装置１のクールダウン判定のため、ステップＳ１３に進んで高温側フィン付熱流板２１のフィン温度Ｔｆが例えば１５０℃の第５の設定温度Ｔｏ５より低いか否かを判定する。

ここで、ステップＳ１３の判定結果がＮＯであってフィン温度Ｔｆが例えば１５０℃の第５の設定温度Ｔｏ５より高い場合には、熱電発電装置１の熱発電を継続するため、ステップＳ７の処理に戻る。一方、ステップＳ１３の判定結果がＹＥＳであれば、熱電発電装置１をクールダウンするため、ステップＳ１４に進んで図１５に示した圧力バルブ３３をオフする。

このステップＳ１４処理により、図１６に示すように、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端と、排気熱回収部材である高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂとが遮断状態となり、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱入力が遮断される。

その結果、内燃機関の高負荷運転の直後の運転停止時に発生する虞のある熱害が防止される。すなわち、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの低温端と低温側電極２３Ｂの挟持片部２３Ｂ２，２３Ｂ２との接合部の熱破損や、ピストン３１に装着されたオーリング３１Ｂ（図１４参照）、低温側熱流板２２に装着されたオーリングＯ（図１１参照）、冷却水ケース１０に接続されるゴムホース（図示省略）、あるいは熱電発電素子モジュール２３の配線用リード線（図示省略）の被覆などの熱劣化が防止される。

ステップＳ１４に続くステップＳ１５では、図５に示したＤＣ−ＤＣコンバータ６および冷却水循環ポンプ１５をそれぞれオフする。この処理により、熱電発電装置１が熱発電を停止した状態で冷却水循環ポンプ１５を作動させるという無駄な電力ロスが無くなる。

従って、一実施形態の熱電発電装置１によれば、図示しない内燃機関の低負荷運転時や間欠運転時などの排気熱量が小さいときにもｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎによる十分な熱発電を行うことができる。

また、内燃機関の運転停止の際には、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱入力を遮断することでｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの周辺の熱害を防止することができる。その際、冷却水循環ポンプ１５の作動を停止させることで無駄な電力ロスを無くすことができる。

本発明に係る熱電発電装置は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図１０に示した熱電発電素子モジュール２３は、図１９に示すようにそれぞれ環状に独立して構成された熱電発電素子モジュール２４，２４に変更し、これに対応して高温側フィン付熱流板２１および低温側熱流板２２は、図２０に示すような構造に変更することができる。

図１９に示す熱電発電素子モジュール２４は、各一組のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端に跨って小判形の一群の高温側電極２４Ａが拡散接合やハンダ付けで接合され、各一組のｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの低温端に跨って小判形の一群の低温側電極２４Ｂが同様に接合されており、この接合構造により一群のｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎが電気的に直列に接続されている。

これに対応して、図２０に示すように、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂの内面には、小判形の一群の高温側電極２４Ａが押し込まれて接触する一群の接触凹部２１Ｄが形成されている。また、低温側熱流板２２の装着部２２Ｂの側面には、小判形の一群の低温側電極２４Ｂが収容される一群の収容凹部２２Ｄが形成されている。なお、各低温側電極２４Ｂには、低温側熱流板２２の各ピストン室３２Ｂに嵌挿された各ピストン３１の外端面が予め接合されている。

このように変更された熱電発電素子モジュール２４を備える熱電発電装置１では、低温側熱流板２２の各ピストン室３２Ｂから各ピストン３１が進出すると、熱電発電素子モジュール２４を構成する一群の高温側電極２４Ａが高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂに形成された一群の接触凹部２１Ｄに押し込まれて接触することで、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端へ熱入力される接触状態となる。

反対に、低温側熱流板２２の各ピストン室３２Ｂ内に各ピストン３１が退入すると、熱電発電素子モジュール２４を構成する一群の高温側電極２４Ａが高温側フィン付熱流板２１側の一群の接触凹部２１Ｄから離間することで、高温側フィン付熱流板２１のフランジ部２１Ｂ，２１Ｂからｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端への熱入力が遮断される遮断状態となる。

ここで、図１９および図２０に示した各高温側電極２４Ａおよび各低温側電極２４Ｂの外端面から周面に亘る部分は、図２１に示すように、適宜の絶縁材２４Ｃで覆ってもよい。この場合、図２０に示した高温側フィン付熱流板２１、低温側熱流板２２およびピストン３１は、適宜の金属材料で構成することができる。

また、図２１に示したｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端には、図２２に示すように、例えばニッケルなどの硬質なメッキ層２４Ｄを凸曲面をなすように施してもよい。この場合、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端のエッジロードが緩和され、耐摩耗性が向上するので好ましい。

図１５に示した切換手段３０を構成する圧力バルブ３３は、ＥＣＵ５によってディーティ制御される構造のものに変更し、ピストン３１に作用させる圧力値を可変に制御するようにしてもよい。この場合、ピストン３１に作用させる圧力値を低く制御することで、高温側電極２３Ａとｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端との間の熱抵抗を意図的に制御でき、ｐ型熱電発電素子Ｐおよびｎ型熱電発電素子Ｎの高温端へ入力される熱量を制御することができる。

また、図４および図５に示すように排気の上流側から下流側に向かって多段に配列される熱電発電ユニット２０は、個々に独立して熱発電し、あるいは数個づつのグループ毎に熱発電するように構成してもよい。これに対応して、図１５に示した切換手段３０は、個々の熱電発電ユニット２０あるはいグループ毎の熱電発電ユニット２０を制御対象とするように構成する。

この場合、排気の上流側に配置された熱電発電ユニット２０の高温側フィン付熱流板２１の温度と、排気の下流側に配置された熱電発電ユニット２０の高温側フィン付熱流板２１の温度との差が大きいときにも、各段の熱電発電ユニット２０を的確に制御することができ、内燃機関の低負荷運転時の発電量の増大が期待できる。

なお、図１５に示したピストン３１に作用させる作動圧は、圧縮空気の圧力に限らず、その他の気体や液体の圧力であってもよい。また、内燃機関は電動モータなどの他の動力源との併用により間欠運転されるものであってもよい。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置が介設された内燃機関の排気系の概略構造を示す平面図である。 図１に示した熱電発電装置の外観を示す側面図である。 図２に示した熱電発電装置の正面図である。 図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面斜視図である。 図２に示した熱電発電装置の内部構造を示す断面図である。 図４に示した熱電発電ユニットの構造を示す分解斜視図である。 図６に示した低温側電極の構造を拡大して示す斜視図である。 図６に示した熱電発電素子モジュールの正面図である。 図８に示した熱電発電素子モジュールの側面図である。 図９に示した熱電発電素子モジュールの斜視図である。 図５に示した熱電発電装置の前部の内部構造の一部を拡大して示す断面図である。 図１１に示した低温側熱流板の一部を拡大して示す斜視図である。 図５に示した熱電発電装置の後部の内部構造の一部を拡大して示す断面図である。 図１２に示したピストンの構造を示す分解斜視図である。 一実施形態の熱電発電装置における切換手段の構成を示すブロック図である。 図１５に示した切換手段により遮断状態に切り換えられた熱電発電素子モジュールの図１１に対応する拡大断面図である。 図１５に示した切換手段により接触状態に切り換えられた熱電発電素子モジュールの図１６に対応する拡大断面図である。 一実施形態の熱電発電装置におけるＥＣＵの処理手順を示すフローチャートである。 図１０に示した熱電発電素子モジュールの変形例を示す斜視図である。 図１９に示した熱電発電素子モジュールに対応する高温側フィン付熱流板および低温側熱流板の構造を示す部分斜視図である。 図１９および図２０に示した高温側電極および低温側電極の変形例を示す拡大側面図である。 図２１に示したｐ型熱電発電素子およびｎ型熱電発電素子の変形例を示す拡大側面図である。

符号の説明

１…熱電発電装置、２…排気マニホールド、３…触媒コンバータ、４…マフラー、５…ＥＣＵ、６…ＤＣ−ＤＣコンバータ、７…バッテリー、８…バイパス管、９…バイパスバルブ、１０…冷却水ケース、１１…流入側ハウジング、１２…流出側ハウジング、１３…流入側ジャバラ管、１４…流出側ジャバラ管、１５…冷却水循環ポンプ、１６…ラジエータ、１７…皿ばね、１８…押しナット、１９…絶縁部材、
２０…熱電発電ユニット、２１…高温側フィン付熱流板(排気熱回収部材)、２１Ａ…本体、２１Ｂ…フランジ部、２１Ｃ…フィン、２２…低温側熱流板(放熱部材)、２２Ａ…嵌合部、２２Ｂ…装着部、２２Ｃ…装着溝、２３…熱電発電素子モジュール、２３Ａ…高温側電極、２３Ｂ…低温側電極、２３Ｂ１…ばね部、２３Ｂ２…挟持片部、２３Ｃ…モジュール電極、２４…熱電発電素子モジュール、
３０…切換手段、３１…ピストン、３１Ａ…引張りコイルばね、３１Ｂ…オーリング、３２…圧力伝達経路、３２Ａ…環状溝、３２Ｂ…ピストン室、３２Ｃ…連通孔、３２Ｄ…圧力導入プラグ、３２Ｅ…圧力導入通路、３２Ｆ…連通孔、３３…圧力バルブ、３４…圧力タンク、３５…圧力ポンプ、３６…圧力センサ、３７…温度センサ、３８…水温センサ、
Ｇ１，Ｇ２…ガスケット、Ｎ…ｎ型熱電発電素子、Ｐ…ｐ型熱電発電素子。

Claims (6)

1. 内燃機関の排気熱を回収する排気熱回収部材に高温端が接触し、低温端が放熱部材に接触することで熱発電可能な熱電発電素子を備えた熱電発電装置であって、
   前記排気熱回収部材と前記熱電発電素子の高温端とを接触状態または遮断状態に切り換える切換手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記切換手段は、前記排気熱回収部材の温度が所定の高温まで上昇すると前記遮断状態から接触状態に切り換え、前記排気熱回収部材の温度が所定の低温まで低下すると前記接触状態から遮断状態に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記切換手段は、前記放熱部材を冷却する冷却水の温度が所定の高温まで上昇すると前記接触状態から遮断状態に切り換え、前記冷却水の温度が所定の低温まで低下すると前記遮断状態から接触状態に切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記放熱部材を冷却水の循環により強制冷却するためのラジエータおよび冷却水循環ポンプが付設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の熱電発電装置。
5. 前記切換手段は、前記排気熱回収部材の温度が所定の低温まで低下して前記接触状態から遮断状態に切り換える際に前記冷却水循環ポンプの作動を停止させることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
6. 前記内燃機関が他の動力源との併用により間欠運転されるものであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の熱電発電装置。

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