JP2013150420A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールが配置された空間内に凝縮水を発生し難くして、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供すること。
【解決手段】車両に搭載されたエンジンから排出される排気ガスが導入される排気管２０と、排気管２０と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管２８と、受熱基板２９が排気管２０に対向するとともに放熱基板３０が冷却水管２８に対向し、受熱基板２９と放熱基板３０との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュール２７とを備えた熱電発電装置１７であって、熱電変換モジュール２７が配置される排気管２０と冷却水管２８との間のモジュール室３６に、車両室内３９の空気を導入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。

従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱エネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。

従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管に熱電変換モジュールの高温部を対向させるとともに、熱電変換モジュールの低温部を冷却水が流通する冷却水管に対向させたものが知られている。

この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温部となる受熱基板および低温部となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気ガスと温度の低い冷却水とにより、熱電変換モジュールの高温部と低温部との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。

ところで、排気ガスの温度は、車両の運転状態によっては、熱電変換素子の固有の使用温度領域を超える高温となるため、熱電変換素子の固有の使用温度領域を超えると（例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系の熱電変換素子では高温部の使用上限値（耐熱温度）が約３００℃、Ｓｉ−Ｇｅ系の熱電変換素子では高温部の使用上限値が約５００℃）、熱電変換素子を損傷させるおそれがある。

このため、熱電変換素子の高温部の温度が高くなる場合には、熱電変換モジュールが配設された空間に外気流通路を介して外気を導入し、熱電変換モジュールの高温部を冷却することによって、熱電変換モジュールの高温部の温度が上昇し過ぎるのを防止するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、このような熱電発電装置では、熱電変換モジュールが配設された空間に外気を導入しているため、降雨時等のように外気の湿度が高い環境下にあっては、外気に含まれる水分が冷却水管に対向する熱電変換モジュールの低温部で結露してしまい、熱電変換モジュールに凝縮水が付着してしまう。

このように熱電変換モジュールに凝縮水が付着すると、凝縮水によって排気ガスの熱が奪われて排気ガスの熱伝達効率が低下してしまい、熱電変換モジュールの発電量が低下してしまう。

これに対して、熱電変換モジュールが配置された空間内で結露が生じるのを防止するものとしては、隣接する熱電変換素子の吸熱側基板（低温部）の外側から放熱側基板（高温部）の外側まで貫通する導水管を設けることにより、吸熱側基板の上面で発生した凝縮水を、熱電変換モジュールが配置された空間内を通過させて自重で下方に移動させるようにしたものがある。
この熱電発電装置は、熱電変換モジュールが配置された空間内に凝縮水を導入させないようにできるため、熱電変換モジュールに凝縮水が付着するのを防止することができる。
また、熱電変換モジュールの高温部に伝達してきた熱が凝縮水を介して低温部に逃げてしまうため、発電量が低下してしまう。

特開２０００−１８０９５号公報 特開２００１−３５８３７２号公報

しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、吸熱側基板の上面で発生した凝縮水を、熱電変換モジュールが配置された空間内を通過させて自重で下方に移動させるようにしているため、吸熱側基板と放熱側基板との間で発生した凝縮水に対しては効果がない。したがって、熱電変換モジュールに付着した凝縮水によって発電効率が低下するという問題を解消することはできない。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールが配置された空間内に凝縮水を発生し難くして、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、（１）車両に搭載された内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、高温部が前記排気管に対向するとともに低温部が前記冷却水管に対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、前記熱電変換モジュールが配置される前記排気管と前記冷却水管との間の空間に、車両室内の空気を導入するものから構成されている。

この熱電発電装置は、熱電変換モジュールが配置される空間に、車両室内の空気を導入するので、降雨時等のように湿度の高い外気に比べて低湿度の車両室内の空気を熱電変換モジュールが配置される空間に導入することができる。

このため、熱電変換モジュールが配置される空間内の湿度を下げて凝縮水を発生し難くでき、熱電変換モジュールに凝縮水を付着し難くすることができる。この結果、排気ガスの熱が凝縮水によって奪われるのを抑制して排気ガスの熱伝達効率が低下するのを防止することができ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記熱電変換モジュールが配置される前記排気管と前記冷却水管との間の空間に導入される空気は、空調装置の作動時の空気を含むものから構成されている。

この熱電発電装置は、熱電変換モジュールが配置される排気管と冷却水管との間の空間に空調装置の作動時の空気が導入されるので、熱電変換モジュールが配置される空間に空調装置の非作動の空気よりも低湿度の空気を導入することができ、熱電変換モジュールが配置される空間に凝縮水をより一層発生し難くすることができる。

上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記排気管と前記冷却水管との間の空間が閉空間から構成され、前記車両室内から前記閉空間に空気を導入する導入部材を設けたものから構成されている。

この熱電発電装置は、熱電変換モジュールが配置される排気管と冷却水管との間の閉空間に導入部材を介して車両室内の空気を導入するので、熱電変換モジュールが配置される空間を外気から遮断しつつ、この空間に車両室内の空気を導入することができる。このため、降雨時等に湿度の高い外気の影響を受けることなく、熱電変換モジュールが配置される閉空間の湿度を下げることができる。

上記（１）〜（３）に記載の熱電発電装置において、（４）前記閉空間に導入された空気を前記閉空間から外部に排出する排出部材を有するものから構成されている。

この熱電発電装置は、閉空間に導入され空気が排出部材を介して外部に排出されるので、導入部材を通して閉空間に低湿度の空気を常時、供給することができ、閉空間の湿度を常時下げることができる。

上記（４）に記載の熱電発電装置において、（５）前記排出部材が、前記閉空間から空気を排出する方向のみに開弁する一方向弁を有するものから構成されている。
この熱電発電装置は、排出部材が、閉空間から空気を排出する方向のみに開弁する一方向弁を有するので、閉空間に導入された空気を一方向弁から外部に排出することができるとともに、外気が閉空間に導入されるのを防止することができる。このため、降雨時等に閉空間に湿度の高い空気が導入されるのを防止することができる。

本発明によれば、熱電変換モジュールが配置された空間内に凝縮水を発生し難くして、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる熱電発電装置を提供することができる。

本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備える車両の概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、空調装置と空気導入管との位置関係を示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備える車両の概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面断面図である。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。
（第１の実施の形態）
図１〜図４は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。
排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。

この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車両室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車両室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。

このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系には、熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、排気管４からバイパスされたバイパス管１９に取付けられている。この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。

図２に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスＧが導入される細径の排気管２０と、排気管２０の下流側に接続された排気管２０よりも太径の排気管２１とを備えている。

排気管２０の上流端は、バイパス管１９の上流管部１９ａに接続されているとともに、排気管２１の下流端は、バイパス管１９の下流管部１９ｂに接続されており、排気管２０、２１の内部には排気管４からバイパス管１９の上流管部１９ａに導入された排気ガスＧが導入される排気通路２５が形成されている。また、排気通路２５は、バイパス管１９の下流管部１９ｂを通して排気管４に排気ガスＧを排出するようになっている。

このため、エンジン１から排気管４を通して排気管２０、２１の排気通路２５に排出された排気ガスＧは、再び排気管４を通して外部に排出される。
また、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール２７と、排気管２０と同軸上に設けられた筒状の冷却水管２８とを備えている。

図３に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板２９と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３０との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が電極３３ａ、３３ｂを介して交互に直列に接続されている。

また、隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３５を介して電気的に連結されている。また、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２としては、例えば、高温部の使用上限値（耐熱温度）が約３００℃のＢｉ−Ｔｅ系の熱電変換素子あるいは、高温部の使用上限が約５００℃のＳｉ−Ｇｅ系の熱電変換素子等が用いられる。

なお、図２では、受熱基板２９、放熱基板３０、Ｎ型熱電変換素子３１、Ｐ型熱電変換素子３２および電極３３ａ、３３ｂを省略して熱電変換モジュール２７を簡略化しているが、排気管２０には受熱基板２９が接触しているとともに、冷却水管２８には放熱基板３０が接触している。

また、本実施の形態の熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、排気管２０および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、排気管２０および冷却水管２８は、多角形に形成されている。

また、排気管２０および冷却水管２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。

冷却水管２８は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部２８ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部２８ｂを備えている。
この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向下流側に設けられている。このため、冷却水は、排気管２０、２１に流れる排気ガスＧの流れと同方向に流れる。

なお、この冷却水管２８は、冷却水導入部２８ａから冷却水管２８に導入された冷却水が排気ガスＧの排気方向と逆方向に流れるように、冷却水導入部２８ａに対して冷却水排出部２８ｂが排気方向上流側に設けられていてもよい。

また、図１に示すように、排気管４には開閉弁２６が設けられており、この開閉弁２６は、バイパス管１９の上流管部１９ａと下流管部１９ｂとの間に設けられ、排気管４を開閉するように排気管４に回動自在に取付けられている。この開閉弁２６は、排気管４を流れる排気ガスの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。

すなわち、開閉弁２６は、エンジン１のアイドリング時や低・中回転域では、排気管４が閉塞されることにより、排気管４に導入された排気ガスがバイパス管１９を介して排気管２０に導入される。

また、開閉弁２６は、エンジン１の高回転域では、高い圧力の排気ガスによって開弁されて排気管４を解放し、排気管２０、２１を介さずに排気管４を通して排気ガスを排出することにより、排気ガスの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止するようになっている。

また、排気管２０と冷却水管２８との間の空間は、熱電変換モジュール２７が配置される閉空間としてのモジュール室３６を画成している。すなわち、排気管２０の上流側と冷却水管２８との間にはプレート３７が取付けられており、このプレート３７によってモジュール室３６の上流端が閉止されている。

また、排気管２０の下流端が排気管２１の上流側に接続されているとともに、排気管２１の上流端が冷却水管２８に取付けられており、排気管２０の下流端と排気管２１の上流端とによってモジュール室３６の下流端が閉止されている。

一方、プレート３７には導入部材としての空気導入管３８が接続されている。車両室内３９には、空調装置４０によって外気温度が調整された空気が導入されるようになっており、図１に示すように、車両室内３９に導入された空気は、空気導入管３８を介してモジュール室３６に導入されるようになっている。

また、排気管２１には排出部材としての空気排出管４１が接続されており、モジュール室３６に導入された空気は、空気排出管４１によって外部（大気）に排出されるようになっている。この空気排出管４１には、一方向弁４２が設けられており、この一方向弁４２は、モジュール室３６から空気を排出する方向のみに開弁し、外気をモジュール室３６に導入する方向には閉弁するようになっている。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。

この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスＧにより昇温されることになる。

また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。
エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて排気ガスの圧力が低いため、開閉弁２６が閉じた状態となる。

このため、排気管４からバイパス管１９に導入された排気ガスＧが排気通路２５に導入され、バイパス管１９を通過する排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。

また、エンジン１の暖機後のエンジン１の低・中回転域にあっては、排気ガスの温度が高温となっても開閉弁２６が閉じた状態となる。このため、排気管４からバイパス管１９を介して排気管２０の排気通路２５に排気ガスＧが導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスＧの熱エネルギーが電気エネルギーに効率よく変換される。

また、エンジン１の高回転域ではエンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高回転域では、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスの圧力が高くなるため、排気管４に導入された排気ガスＧの圧力が高くなり、開閉弁２６が解放される。

開閉弁２６が解放されると、排気ガスがバイパス管１９に導入されずに、排気管４を通して外部に排出される。このため、高温の排気ガスによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温されることがない。

このとき、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。

また、エンジン１の高回転域では開閉弁２６が解放されるので、排気管４を流れる排気ガスの背圧が高くなることがなく、排気ガスの排気性能が低下するのを防止することができる。

一方、熱電変換モジュール２７の放熱基板３０で空気に含まれる水分が結露して熱電変換モジュール２７に凝縮水Ｗｏが付着すると（図２参照）、凝縮水Ｗｏによって排気ガスＧの熱が奪われて排気ガスＧの熱伝達効率が低下してしまい、熱電変換モジュール２７の発電量が低下してしまう。

本実施の形態では、空気導入管３８によってモジュール室３６と車両室内３９とを連通し、車両室内３９の空気が空気導入管３８を介してモジュール室３６に常時導入される。この車両室内３９の空気は、降雨時等のように外気の湿度が高い環境下にあっても、外気よりも湿度が低い。

特に、空調装置４０によって温度が調節された車両室内３９の空気は、外気に比べて湿度がより一層低い上に、空調装置４０の非駆動時の車両室内３９の空気よりも湿度が低い。したがって、空気導入管３８から車両室内３９の湿度の低い空気がモジュール室３６に導入されることにより、モジュール室３６の空気の湿度は、低い状態を保ち、モジュール室３６に凝縮水が発生する頻度が低くなる。すなわち、モジュール室３６に凝縮水が発生し難い状況にすることができる。

また、モジュール室３６に導入された空気は、空気排出管４１を通して外部に排出されるので、モジュール室３６内に湿度の低い新気を常に導入することができ、モジュール室３６内を湿度の低い状態に維持することができる。

また、空気排出管４１に一方向弁４２を設け、モジュール室３６から空気を排出する方向のみに開弁させるようにしているため、湿度の高い外気がモジュール室３６に導入されるのを防止することができる。

すなわち、本実施の形態では、モジュール室３６を閉空間から構成し、モジュール室３６に車両室内３９の空気を導入する空気導入管３８を設けたので、モジュール室３６を外気から遮断しつつ、モジュール室３６に車両室内３９の空気を導入することができる。このため、降雨時等に湿度の高い外気の影響を受けることなく、モジュール室３６の湿度を下げることができる。

また、本実施の形態では、モジュール室３６に導入された空気をモジュール室３６から外部に排出する空気排出管４１を設けたので、モジュール室３６に低湿度の空気（新気）を常時、供給することができ、モジュール室３６の湿度を常時下げることができる。

また、本実施の形態では、空気排出管４１が、モジュール室３６から空気を排出する方向のみに開弁する一方向弁４２を設けたので、モジュール室３６に導入された空気を一方向弁４２から外部に排出することができるとともに、外気がモジュール室３６に導入されるのを防止することができる。このため、降雨時等のようにモジュール室３６に湿度の高い空気が導入されるのを防止することができる。

以上の結果、熱電変換モジュール２７が配置されるモジュール室３６内の湿度を下げて凝縮水を発生し難くでき、熱電変換モジュール２７に凝縮水を付着し難くすることができる。

また、本実施の形態では、モジュール室３６に低温の空気を導入しているため、高温の排気ガスＧによってＮ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２の固有の使用温度領域を超えた場合であっても、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２の温度が上昇するのを抑制することができ、Ｎ型熱電変換素子３１およびＰ型熱電変換素子３２が損傷するのを防止することができる。

なお、本実施の形態の開閉弁２６は、排気ガスの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するように構成されているが、アクチュエータによって駆動される開閉弁を設け、電子制御装置によってエンジン１の回転数に応じてアクチュエータを制御することによって、開閉弁の開度を調整するように構成してもよい。

また、本実施の形態では、車両室内３９に導入された空気を空気導入管３８からモジュール室３６に導入するようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、空調装置４０には温度調節された空気を車両室内３９に送り込む送風ファン４０ａが設けられており、この送風ファン４０ａの下流に空気導入管３８の他端部を設けるようにしてもよい。

このようにすれば、送風ファン４０ａによって空気導入管３８に強制的に温度調節された空気を導入することができ、モジュール室３６に湿度の低い空気を効率的に送り込むことができる。なお、空調装置４０の送風ファン４０ａよりも下流側は、車両室内３９に含まれるものとする。

（第２の実施の形態）
図５、図６は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

図５において、排気管４には熱電発電装置５１が設けられており、この熱電発電装置５１は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。

図６に示すように、熱電発電装置５１は、エンジン１から排出された排気ガスＧが導入される内管５２と、内管５２の外方に設けられるとともに内管５２との間で受熱通路５３を形成し、下流端がテールパイプ４８（図５参照）に連結される排気管としての外管５４とを備えている。

また、内管５２の内部によって排気ガスＧが流れる排気通路５５が形成されており、排気管４から内管５２に排出された排気ガスＧは、排気通路５５を通してテールパイプ４８に排出された後、テールパイプ４８から外部（大気）に排出される。

また、熱電発電装置５１は、熱電変換モジュール２７と冷却水管２８とを備えており、熱電変換モジュール２７は、高温部である受熱基板２９が外管５４に接触するとともに、低温部である放熱基板３０が冷却水管２８に接触しており、排気ガスＧの排気方向に複数個設置されている。なお、図６では、受熱基板２９、放熱基板３０、Ｎ型熱電変換素子３１、Ｐ型熱電変換素子３２および電極３３ａ、３３ｂを省略して熱電変換モジュール２７を簡略化している。

なお、熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、外管５４および冷却水管２８の間に密着させる必要があるため、外管５４および冷却水管２８は、多角形に形成されている。
さらに、外管５４および冷却水管２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板２９および放熱基板３０等を湾曲させるようにすればよい。

また、内管５２には内管５２の円周方向に離隔する連通孔５６が形成されており、この連通孔５６は、排気通路５５と受熱通路５３とを連通している。
また、内管５２は、支持部材５７によって外管５４に連結されている。この支持部材５７には支持部材５７の円周方向に亘って等間隔に連通孔５７ａが形成されており、受熱通路５３は、連通孔５７ａを通してテールパイプ４８に連通している。

また、外管５４には開閉弁５８が設けられており、この開閉弁５８は、内管５２を開閉するように外管５４に回動自在に取付けられている。この開閉弁５８は、排気通路５５を流れる排気ガスＧの圧力の大きさに応じて自動的に開閉するものである。

すなわち、開閉弁５８は、排気ガスＧの圧力が低いエンジン１のアイドリング時や低・中回転域には、図６に実線で示すように、内管５２を閉塞する。このとき、内管５２に導入された排気ガスＧが連通孔５６を通して受熱通路５３に導入される。

また、開閉弁５８は、排気ガスの圧力が高いエンジン１の高回転域では、図６に破線で示すように、内管５２を解放する。このとき、熱電発電装置５１は、排気ガスＧの背圧が高くなるのを防止して、排気性能が低下するのを防止することができる。

また、内管５２と冷却水管２８との間の空間は、熱電変換モジュール２７が配置される閉空間としてのモジュール室５９を画成している。すなわち、外管５４の上流側と冷却水管２８との間にはプレート６０が取付けられており、このプレート６０によってモジュール室５９の上流端が閉止されている。

また、外管５４の略中央部と冷却水管２８との間にはプレート６１が設けられており、プレート６１によってモジュール室５９の下流端が閉止されている。

一方、プレート６０には導入部材としての空気導入管６２が接続されている。車両室内３９には、空調装置４０によって外気温度が調整された空気が導入されるようになっており、車両室内３９に導入された空気は、空気導入管６２を介してモジュール室５９に導入されるようになっている。

また、プレート６１には排出部材としての空気排出管６３が接続されており、モジュール室５９に導入された空気は、空気排出管６３によって外部に排出されるようになっている。空気排出管６３には、一方向弁６４が設けられており、この一方向弁６４は、モジュール室５９から空気を排出する方向のみに開弁し、外気をモジュール室５９に導入する方向には閉弁するようになっている。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁５８が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管５２の排気通路５５に導入された排気ガスＧが受熱通路５３に導入され、受熱通路５３を通過する排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。

また、エンジン１の暖機後のエンジン１の低・中回転域にあっては、排気ガスＧの温度が高温となっても排気ガスＧの圧力が低いため、開閉弁５８が閉じた状態となる。このため、排気管４から内管５２の排気通路５５に導入された排気ガスＧが受熱通路５３に導入される。このときには、熱電変換モジュール２７によって排気ガスＧの熱エネルギーが電気エネルギーに効率よく変換される。

また、エンジン１の高回転域にあっては、エンジン１の冷却性能を高める必要がある。エンジン１の高回転域では、例えば、エンジン１が高回転となって排気ガスＧの圧力が高くなるため、内管５２に導入された排気ガスＧの圧力が高くなり、開閉弁５８が解放される。

開閉弁５８が解放されると、排気通路５５とテールパイプ４８が連通し、排気ガスＧは、受熱通路５３を流れることがなく、排気通路５５からテールパイプ４８に直接、排出される。

このため、高温の排気ガスＧによって冷却水管２８を流通する冷却水Ｗが昇温されることがないとともに、排気管４を流れる排気ガスＧの背圧が高くなることがなく、排気ガスＧの排気性能が低下するのを防止することができる。

一方、本実施の形態では、空気導入管６２がモジュール室５９と車両室内３９とを連通しており、車両室内３９の空気は、空気導入管６２を介して常時、モジュール室５９に導入される。この車両室内３９の空気は、降雨時等のように外気の湿度が高い環境下にあっても、外気よりも湿度が低い。

特に、空調装置４０によって温度が調節された車両室内３９の空気は、外気に比べて湿度がより一層低い上に、空調装置４０の非駆動時の車両室内３９の空気よりも湿度が低い。したがって、空気導入管６２から車両室内３９の空気がモジュール室５９に導入されることにより、モジュール室５９の空気の湿度は、低い状態を保ち、モジュール室５９に凝縮水が発生する頻度が低くなる。すなわち、モジュール室５９に凝縮水が発生し難い状況にすることができる。

また、モジュール室５９に導入された空気は、空気排出管６３を通して外部に排出されるので、モジュール室５９内に湿度の低い新気を常に導入することができ、モジュール室５９内を湿度の低い状態に維持することができる。

また、空気排出管６３に一方向弁６４を設け、モジュール室５９から空気を排出する方向のみに開弁させるようにしているため、湿度の高い外気がモジュール室５９に導入されるのを防止することができる。

このように本実施の形態では、熱電変換モジュール２７が配置されるモジュール室５９内の湿度を下げて凝縮水を発生し難くでき、熱電変換モジュール２７に凝縮水を付着し難くすることができる。この結果、排気ガスの熱が凝縮水によって奪われるのを抑制することができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールが配置された空間内に凝縮水を発生し難くして、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１ エンジン（内燃機関）
４、２０ 排気管
１７、５１ 熱電発電装置
２７ 熱電変換モジュール
２８ 冷却水管
２９ 受熱基板（高温部）
３０ 放熱基板（低温部）
３６、５９ モジュール室（閉空間）
３８、６２ 空気導入管（導入部材）
３９ 車両室内
４０ 空調装置
４１、６３ 空気排出管（排出部材）
４２、６４ 一方向弁
５４ 外管（排気管）

Claims (5)

1. 車両に搭載された内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管と、前記排気管と同軸上に設けられ、冷却水が流通する冷却水管と、高温部が前記排気管に対向するとともに低温部が前記冷却水管に対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う複数の熱電変換モジュールとを備えた熱電発電装置であって、
   前記熱電変換モジュールが配置される前記排気管と前記冷却水管との間の空間に、車両室内の空気を導入することを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記熱電変換モジュールが配置される前記排気管と前記冷却水管との間の空間に導入される空気は、空調装置の作動時の空気を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記排気管と前記冷却水管との間の空間が閉空間から構成され、前記車両室内から前記閉空間に空気を導入する導入部材を設け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. 前記閉空間に導入された空気を前記閉空間から外部に排出する排出部材を有することを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記排出部材が、前記閉空間から空気を排出する方向のみに開弁する一方向弁を有することを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。

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