JP2016023608A

JP2016023608A - 内燃機関の排気ガス熱を利用した熱発電装置

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Publication number: JP2016023608A
Application number: JP2014149376A
Authority: JP
Inventors: 土屋　次郎; Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-02-08

Abstract

【課題】内燃機関のＥＧＲガスの冷却に際して、ガスの熱の熱発電変換を達成するとともに、ＥＧＲガスの十分な冷却も達成できる構成を提供すること。【解決手段】本発明の内燃機関のＥＧＲ流路を流れる排気ガスの熱を電力に変換する熱発電装置は、排気ガスの熱を受容する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有するＥＧＲガス冷却部と、高温側面と低温側面とを有しそれらの間の温度差により発電する熱電モジュールにして、高温側面がＥＧＲガス冷却部の受熱部位と放熱部位との間の部分から熱を受容するよう配置された熱電モジュールと、熱電モジュールの低温側面からの熱を受容する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有する熱電モジュール冷却部とを含む。また、ＥＧＲを実行しないときにも、排気ガスがＥＧＲガス冷却部の受熱部位を通過させる流路が構成され、熱電モジュールによる発電が実行される。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス熱を利用した熱発電装置に係り、より詳細には、内燃機関のＥＧＲ（排気ガス再循環）に於ける排気ガス冷却に際して熱電変換により発電する熱発電装置に係る。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関に於いては、その燃焼温度を低下させて排気ガスに於けるＮＯｘの発生を低減する目的で、不活性ガスである排気ガスの一部を吸入混合気へ再循環させるＥＧＲ（排気ガス再循環）を行う装置（ＥＧＲ装置）が採用されている。かかるＥＧＲ装置に於いては、再循環させる排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が高過ぎると、燃焼温度の低下が十分に達成できなくなることから、ＥＧＲガスを冷却する冷却器が設けられる場合がある。そして、従前より、ＥＧＲガスの冷却に於いて、そのＥＧＲガスの冷却の際に放出される熱を利用して発電し、内燃機関のエネルギー効率を更に向上させる構成が種々提案されている。

例えば、特許文献１〜４に於いては、内燃機関の排気管から吸気管へ排気ガスを再循環させるＥＧＲガス流路に設けられるＥＧＲ冷却器として、ＥＧＲガス流路と冷却用冷媒の流路との間に熱電素子又は熱電モジュールを介在させた構成が提案されている。これらの構成に於いては、ＥＧＲガスが熱電素子又は熱電モジュールの高温側熱源となり、冷媒が低温側熱源となり、これらの熱源の間の温度差によるゼーベック効果によってＥＧＲガスの熱を電力に変換するとともにＥＧＲガスからの吸熱を実行することが意図されている。この場合、低温側熱源となる冷媒としては、例えば、エンジンの冷却水が利用される。また、特許文献５では、内燃機関と電動機とからなる駆動装置に於いて、第一の熱電モジュールを内燃機関のＥＧＲガス流路とエンジン冷却水流路との間に介在させて第一の発電作動を達成し、更に、第一の熱電モジュールによって温度が上昇したエンジン冷却水の流路と電動機のインバータの冷却水の流路との間に第二の熱電モジュールを介在させて、第二の発電作動を達成し、これにより、内燃機関のＥＧＲガスの残熱の発電への利用率をより向上する構成が提案されている。なお、特許文献６、７には、（熱電素子又は熱電モジュールによる熱発電ではなく、）ＥＧＲガスの残熱によって別の冷媒サイクルを作動して発電を実行する構成が記載されている。

特開２００４−３３２５９６特開２００６−２２６７０特開２０１４−１６３１国際特許公開２００７／０２６４３２特開２０１４−１０９２５６特開２０１２−８２７９８特開２０１３−１６０１３２

上記の如きＥＧＲガスの冷却に際して、ガスの残熱から熱電素子又は熱電モジュールの熱電変換により電力を得る構成（特許文献１〜５）に於いては、典型的には、既に触れたように、熱電素子又は熱電モジュールは、高温のＥＧＲガス流路と低温の冷却用冷媒の流路との間に挟持され、そこに於ける温度差によって電力が発生する。しかしながら、一般に、熱電素子又は熱電モジュールは、熱伝導率の低い材料から構成されており（熱伝達率が金属と比較して２桁程度小さい）、ＥＧＲガスの冷却が十分に達成されない場合がある。より詳細には、一般的に、熱電材料の性能指数（ＺＴ）は、
ＺＴ＝（α^２σ／κ）Ｔ …（１）
［ここで、α：ゼーベック係数、σ：電気伝導率、κ:熱伝導率である。］
にて表されるので、熱電素子又は熱電モジュールとして、高い性能指数（ＺＴ）であるためには、熱伝導率κが低いことが好ましいこととなる。また、発電効率ηは、

［ここで、Ｔｈ：高温側温度、Ｔｃ：低温側温度である。］
にて表されるので、高い発電効率ηを得るためには、温度差ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｃ）を大きくする必要がある。即ち、ガスの残熱から高効率に電力を得ようとする場合には、熱電素子又は熱電モジュールとして、熱伝導率κが低いものを選択して、高い温度差ΔＴが得られるようにする必要がある。しかしながら、そのように熱伝導率の低い熱電素子又は熱電モジュールを選択すると、ＥＧＲガスから冷却用冷媒へ流れる熱量は小さくなる。また、熱電素子又は熱電モジュールの熱発電効率は、典型的には、数％であり、発電による熱消費もさほどに高くない。結局、従前の如く、ＥＧＲガス流路と冷却用冷媒の流路との間に熱電素子又は熱電モジュールを狭持する構成に於いては、（時間当たりの）ＥＧＲガスから冷却用冷媒へ流れる熱量が小さく、また、熱電素子又は熱電モジュールの発電による冷却効果もさほどに大きくないことから、ＥＧＲガスの冷却が十分に達成されない場合が起き得ることとなる。

かくして、本発明の一つの課題は、内燃機関のＥＧＲガスの冷却に際して、ガスの残熱の熱発電変換を達成するとともに、ＥＧＲガスの十分な冷却も達成できる構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、内燃機関の排気ガス再循環（ＥＧＲ）用の流路に流れる排気ガスの熱を電力に変換する熱発電装置であって、ＥＧＲ流路を流れる排気ガスの熱を受容する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有するＥＧＲガス（再循環排気ガス）冷却部と、高温側面と低温側面とを有し該高温側面と該低温側面との間の温度差により発電する熱電モジュールにして、高温側面がＥＧＲガス冷却部の受熱部位と放熱部位との間の部分から熱を受容するよう配置された熱電モジュールと、熱電モジュールの低温側面からの熱を受容する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有する熱電モジュール冷却部とを含み、ＥＧＲ流路が、内燃機関の吸気管側へ連通する第一の流路と、内燃機関の排気管へ連通する第二の流路とに連結され、第一の流路に設けられた第一のＥＧＲ用流路弁が開弁され、第二の流路に設けられた第二のＥＧＲ用流路弁が閉弁されたときには、ＥＧＲ流路から第一の流路を経て内燃機関の吸気側へ流入する排気ガスがＥＧＲガス冷却部の受熱部位を通過することにより、熱電モジュールの発電が実行され、第一のＥＧＲ流路弁が閉弁され、第二のＥＧＲ流路弁が開弁されたときには、ＥＧＲ流路から第二の流路を経て内燃機関の排気管へ流入する排気ガスが、排気ガス再循環用の流路に於けるＥＧＲガス冷却部の受熱部位を通過することにより、熱電モジュールの発電が実行される熱発電装置によって達成される。

上記の記載から理解される如く、本発明による熱発電装置の構成に於いては、まず、内燃機関のＥＧＲのための排気ガスが流通するＥＧＲ流路に於いて、排気ガスの熱を受熱する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有し、これにより、排気ガスの熱を冷却用冷媒へ伝達するＥＧＲガス冷却部が設けられる。かかるＥＧＲガス冷却部は、典型的には、通常の排気ガスの冷却に利用される熱伝導率の高い金属等の部材を用いて構成されてよい。即ち、本発明の構成では、ＥＧＲガス冷却部の熱伝達によって、ＥＧＲに供される排気ガスの十分な冷却が達成されることとなる。その上で、ＥＧＲガス冷却部の受熱部位と放熱部位との間に於いて、熱電モジュールの高温側面が配置され、熱電モジュールの低温側面には、ＥＧＲガス冷却部とは別体の、冷却用冷媒によって吸熱される熱電モジュール冷却部が配置される。そうすると、熱電モジュールの高温側面の温度は、ＥＧＲガス冷却部の受熱部位の温度と放熱部位の温度との間の温度（ＥＧＲガス冷却部受熱部位の温度よりもやや低い温度）となり、熱電モジュールの低温側面の温度は、冷却用冷媒によって冷却された熱電モジュール冷却部の受熱部位の温度（冷却用冷媒の温度又はそれよりもやや高い温度）となるので、熱電モジュールの高温側面と低温側面との間に温度差が生じ、これにより、熱電変換により発電が達成されることとなる。即ち、上記の本発明による熱発電装置に於いては、ＥＧＲガスの冷却は、ＥＧＲガス冷却部に於ける排気ガスから冷却用冷媒までの熱伝達によって十分に実行すると同時に、熱電モジュールによる発電も実行されることとなる。

また、本発明の構成は、更に、ＥＧＲガス冷却部の受熱部位が配置されたＥＧＲ流路に於いて、内燃機関の吸気管側へのルート（第一の流路）と、内燃機関の排気管へのルート（第二の流路）とが設けられる。そして、ＥＧＲの実行時、即ち、第一のＥＧＲ用流路弁が開弁され、第二の流路に設けられた第二のＥＧＲ用流路弁が閉弁された状態では、排気管の排気ガスの一部が（ＥＧＲのために）ＥＧＲガス冷却部の受熱部位を通過した後に内燃機関の吸気管へ流れ、更に、ＥＧＲの停止時、即ち、第一のＥＧＲ用流路弁が閉弁され、第二の流路に設けられた第二のＥＧＲ用流路弁が開弁された状態では、排気管の排気ガスの一部が、一旦、ＥＧＲ流路へ流入し、ＥＧＲガス冷却部の受熱部位を通過した後に再び排気管へ戻されることとなる。かかる構成によれば、ＥＧＲガス冷却部の受熱部位には、ＥＧＲの実行時だけでなく、ＥＧＲの停止時に於いても、排気ガスが通過することとなるので、熱電モジュールの高温側面が（冷媒温度に対して）高温となり、熱電モジュールの発電が達成されることとなる。即ち、本発明の構成に於いては、基本的には、ＥＧＲ流路に於ける排気ガスの冷却に際してそのガスの残熱を利用して発電の実行が為されるところ、ＥＧＲが実行されない場合にも、ＥＧＲ流路に部分的に排気ガスを流通させ、発電が実行されることとなる。

なお、上記の構成に於いて、ＥＧＲが実行されない場合には、排気ガスの冷却は不要であるので、冷却用冷媒は、排気ガスがＥＧＲ流路から第一の流路を経て内燃機関の吸気側へ流入する場合のみＥＧＲガス冷却部の放熱部位に対して供給されるようになっていてよい。この構成によれば、ＥＧＲが実行されない場合にＥＧＲガス冷却部の放熱部位へ冷却用冷媒を供給するのに要するエネルギーの節約が可能となる。

かくして、本発明の構成によれば、ＥＧＲガスの冷却のために、ＥＧＲガス冷却部に於いて排気ガス流路から冷却用冷媒へ直接的に（熱電モジュールを介さずに）熱が伝達されるルートが構成され、そのルートと並列して、熱電モジュールを介して熱が冷媒まで伝達されるルートが構成されることとなる。従って、既に触れた如く、ＥＧＲガスの十分な冷却と熱電モジュールによる発電とが同時に達成される点で有利である。また、ＥＧＲが実行されない場合にも、ＥＧＲ流路に排気ガスを流通させるようになっていることにより、ＥＧＲの実行中も停止中も、排気ガスの熱を利用した熱電モジュールによる発電が可能となっている点で有利である。更に、熱電モジュールの高温側面が排気ガス温度よりもやや低い温度となっているＥＧＲガス冷却部の部位に配置されるようになっていると、熱電モジュールとして、排気ガス温度よりも低い温度領域で利用可能な熱電素子の利用が可能となるで、熱電モジュールの選択の幅が広がる点でも有利である。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、ＥＧＲガス冷却装置に設けられる本発明による熱発電装置に於ける排気ガスと冷却水の流路を模式的に表した図である。図１（Ｂ）は、本発明による熱発電装置が適用されるＥＧＲガス冷却装置に於ける熱の流れの模式図であり、図１（Ｃ）は、かかる熱の流れを熱回路モデル図にて示している。図２は、本発明による熱発電装置が適用されるＥＧＲガス冷却装置に於けるＥＧＲガス制御弁と冷却用冷媒制御弁の作動制御処理をフローチャートの形式で表した図である。図３（Ａ）は、本発明による熱発電装置が適用されるＥＧＲガス冷却装置の構造例の模式的な斜視図である。図３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、（Ａ）の構造例を横から見た側面図と、上部から見た平面図である。図３（Ｄ）は、ＥＧＲガス冷却部の集熱ブロックをＥＧＲガスの流路のＥＧＲガスの流れ方向から見た模式図である。（ガスの流れ方向は、紙面に対して垂直方向である。）図３（Ｅ）は、（Ａ）の構造例の断面図であり、ＥＧＲガス冷却部、熱モジュール冷却部として用いられるプール沸騰冷却器の内部の構造を説明する模式的な断面図である。図４は、本発明による熱発電装置が適用されるＥＧＲガス冷却装置の別の構造例の断面図を模式的に示している。（Ａ）は、ＥＧＲガス冷却部、熱モジュール冷却部としてヒートパイプ沸騰冷却器を用いた例であり、（Ｂ）は、ＥＧＲガス冷却部、熱モジュール冷却部としてブロック型の冷却器を用いた例である。

１０…ＥＧＲ用流路
１１…集熱ブロック（ＥＧＲガス冷却部の受熱部位）
１１ｆ…集熱ブロックのフィン部
１２…ＥＧＲ冷却器
１４…熱電モジュール
１４ａ…熱電モジュール高温側面
１４ｂ…熱電モジュール低温側面
１６…熱電モジュール冷却器
２０…吸気管側への流路
２２…排気管側へのバイパス流路
２４…ＥＧＲガス制御弁の弁体
Ｖ０…ＥＧＲガス制御弁
Ｖ１…ＥＧＲガスバイパス制御弁
Ｖ２…冷媒制御弁
ＥｘＧ…排気ガス流
ＷＬ…冷却水流

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

装置の構成
本発明による熱発電装置は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関のＥＧＲのために排気ガスの一部を排気管から吸気管へ導入する流路に於いて、排気ガスの冷却を行う構成に適用される。

図１（Ａ）を参照して、まず、本発明の適用されるＥＧＲ装置に於いては、通常のＥＧＲ装置の態様と同様に、内燃機関の排気管（図示せず）を流れる排気ガスの一部が、ＥＧＲに用いられる排気ガス（ＥＧＲガス）として、吸気管（図示せず）へ連通する流路１０〜流路２０へ導入される。流路１０に於いては、ＥＧＲ制御弁Ｖ０（第一のＧＲ制御弁）が設けられ、ＥＧＲの非実行時に閉弁され、ＥＧＲの実行時には弁体２４の位置を調節してＥＧＲガスの流量を制御する態様にて開弁される。

また、上記の流路１０に於いては、吸気管へ送られるＥＧＲガスの温度を低減すべく、ＥＧＲガスの冷却機構が設けられる。かかるＥＧＲガス冷却機構としては、まず、集熱ブロック１１がＥＧＲ制御弁Ｖ０の上流側に設けられ、集熱ブロック１１は、集熱ブロック１１流路１０内に延在するフィン部１１ａを有し、そこに於いてＥＧＲガスが通過する際に、ガスの熱を受容する。そして、集熱ブロック１１には、冷却用冷媒によって冷却されるＥＧＲ冷却器１２が当接し、これにより、後に詳述される如く、フィン部１１ａにて受容された熱が冷却用冷媒へ放熱される。更に、ＥＧＲ冷却器１２に対しては、その表面に於いて、熱電モジュール１４の一方の面（高温側面）が当接し、かかる熱電モジュール１４の反対側の面（低温側面）には、冷却用冷媒によって冷却される熱電モジュール冷却器１６が当接するよう配置される（即ち、熱電モジュール１４は、図示の如く、ＥＧＲ冷却器１２と熱電モジュール冷却器１６との間に挟持される。）。熱電モジュール１４は、ゼーベック効果による熱電変換を実行する熱電素子によって構成されたモジュールであり、ＥＧＲ冷却器１２に当接した高温側面と熱電モジュール冷却器１６に当接した低温側面との間に温度差が発生すると、電位差が発生し、これにより、熱発電が達成されることとなる。熱電モジュールの電気出力は、バッテリ（図示せず）等に接続され、発電により生じた電気エネルギーが充電されるようになっていてよい。

ＥＧＲ冷却器１２と熱電モジュール冷却器１６とは、それぞれ、任意の形式にて、外部から受容した熱を、冷却水等の冷却用冷媒へ伝達することにより放熱する冷却器又は熱交換器であってよい。ここで利用される冷却用冷媒は、典型的には、ラジエータ（図示せず）等によって冷却された冷却水であるが、その他のこの分野で利用可能な任意の冷媒であってよい。冷却用冷媒ＷＬは、図１（Ａ）の如く、任意の形式の配管を通じて、ＥＧＲ冷却器１２と熱電モジュール冷却器１６のそれぞれに循環するようになっていてよい。なお、ＥＧＲ冷却器１２を循環する冷却用冷媒の流路ＷＬ１に於いては、冷却用冷媒の流れを制御する冷媒制御弁Ｖ２が設けられ、ＥＧＲ冷却器１２の冷却が必要な場合に、開弁してＥＧＲ冷却器１２への冷媒の流れを許し、ＥＧＲ冷却器１２の冷却が不要な場合には、閉弁して冷媒の流れを遮断するようになっていてよい。一方、熱電モジュール冷却器１６への冷媒流路ＷＬ２に於いて、常時、冷媒の流れが許されるようになっていてよい。

そして、ＥＧＲ流路１０に於いては、更に、ＥＧＲ制御弁Ｖ０の上流側に、一旦、ＥＧＲ流路１０内に進入したＥＧＲガスを、集熱ブロック１１のフィン部１１ａを通過させた後、排気管へ戻すことを可能にするバイパス流路２２が設けられてよい。バイパス流路２２には、ＥＧＲガスバイパス制御弁Ｖ１が設けられ、バイパス制御弁Ｖ１の開弁時のみ、バイパス流路２２に於けるＥＧＲガスの流通が許されるよう構成される。後に説明される如く、バイパス制御弁Ｖ１は、ＥＧＲの非実行時に於いて開弁され、これにより、ＥＧＲ流路１０に於いて、集熱ブロック１１のフィン部１１ａの通過後、排気管へ戻される排気ガス流が形成されることとなる。

排気ガスの熱の流れ
図１（Ｂ）を参照して、上記の図１（Ａ）に関連して説明された本発明の構成に於いては、ＥＧＲの実行時に、ＥＧＲ流路１０内へ導入されたＥＧＲガス（ＥｘＧ）の熱Ｑ１が、集熱ブロック１１のフィン部１１ａの通過時に集熱ブロック１１へ伝達され、更に、ＥＧＲ冷却器１２へ伝達する。ＥＧＲ冷却器１２は、循環する冷媒ＷＬによって放熱する熱交換器であるので、ＥＧＲ冷却器１２に伝わった熱の多くは、冷媒ＷＬへ伝達される。また、既に述べた如く、ＥＧＲ冷却器１２には、更に、熱電モジュール１４の高温側面１４ａが当接し、熱電モジュール１４の低温側面１４ｂが熱電モジュール冷却器１６に当接して、熱電モジュール１４がＥＧＲ冷却器１２と熱電モジュール冷却器１６との間に挟持されているよう配置される。かかる構成によれば、集熱ブロック１１からＥＧＲ冷却器１２へ伝わった熱Ｑ１の一部Ｑ２は、その一部が熱電モジュール１４に於ける熱電変換による発電によって電気エネルギーに変換され、残りは、熱伝導によって、熱電モジュール冷却器１６に伝達し、冷媒ＷＬへ伝達されることとなる。即ち、本発明の構成に於いては、ＥＧＲ流路１０を流れるＥＧＲガス（ＥｘＧ）の熱Ｑ１の放出は、集熱ブロック１１からＥＧＲ冷却器１２へ伝わった後、冷媒ＷＬへ直接的に放熱される経路と、熱電モジュール１４を介して電気エネルギーに変換される経路と、熱電モジュール１４から更に熱電モジュール冷却器１６へ伝わって冷媒ＷＬへ放熱される経路とによって為されることとなる。

上記のＥＧＲガス冷却時の熱の流れに関して、従前のＥＧＲ装置の場合には、既に触れた如く、ＥＧＲガスから直接に受容する集熱部材（本実施形態では、集熱ブロック１１）に対して熱電モジュールを介して冷媒によって冷却する冷却器を配置した構成であった。しかしながら、この場合、熱電モジュール自体の熱伝導率が一般的に低く、また、熱電モジュールの発電によって吸収できる熱エネルギーもさほどに多くなかったため、ＥＧＲガスの冷却を十分に達成することが困難であった。これに対し、上記の如く、本発明の場合には、集熱ブロック１１から直接にＥＧＲ冷却器１２にて放熱する経路と、熱電モジュール１４を介した経路が構成されているので、ＥＧＲガスの冷却機構全体での伝導率又は時間当たりの放熱能力を十分に高くすることが可能となる。図１（Ｃ）は、かかる熱の流れを熱回路モデルにて表した図であり、同図を参照して理解される如く、本発明の構成に於いては、排ガスからの熱が、集熱ブロック１１のフィン部１１ａ（熱抵抗：Ｒｆｉｎ）と、ＥＧＲ冷却器１２の一部（Ｒcon1）を通過した後、そのまま、冷媒の流路までＥＧＲ冷却器１２の内部（Ｒboil1）を流れる経路と、熱電モジュール（Ｒteg）から熱電モジュール冷却器１６（Ｒcon2、Ｒboil2）を流れる経路とが並列した状態となり、図中、上側の経路の熱伝導率を高くすることによって、ＥＧＲガスの十分な冷却が達成できることとなる。［Ｒcon1又はＲcon2、Ｒboil1又はＲboil2は、それぞれ、冷却器として後に説明するプール沸騰冷却器を採用した場合の凝縮器、沸騰電動部の熱抵抗である。］なお、上記の構成に於いて、集熱ブロック１１がＥＧＲガス冷却部の受熱部位に相当し、ＥＧＲ冷却器１２に於ける冷媒流路１２ｂがＥＧＲガス冷却部の放熱部位に相当する。また、熱電モジュール冷却器１６の熱電モジュール１４との当接部位１６ａが、熱電モジュール冷却部の受熱部位に相当し、熱電モジュール冷却器１６に於ける冷媒流路１６ｂが熱電モジュール冷却部の放熱部位に相当する。

上記の構成に於いて、熱電モジュール１４の高温側面１４ａは、ＥＧＲ冷却器１２の一部、即ち、集熱ブロック１１の温度Ｔ１よりもやや低い温度Ｔ２（冷媒Ｔ３よりは、十分に高い温度であり、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３を満たす。）を有する部位に当接することとなる。従って、熱電モジュール１４としては、排ガス温度よりも低い温度に於いて耐熱性を有する中温型又は低温型の熱電素子から成るモジュールを利用できることとなる。一般に、中温型又は低温型の熱電素子が選択可能である場合、低コストで高信頼性のものが入手し易い点で有利である。

ところで、図１（Ａ）の本発明の構成に於いては、バイパス流路２２が設けられ、ＥＧＲの非実行時に、制御弁Ｖ０が閉鎖され、制御弁Ｖ１を開弁した場合にも、ＥＧＲ流路１０に排気ガスの一部が集熱ブロック１１のフィン部１１ａを通過するよう流通させることが可能である。即ち、本発明の構成に於いては、ＥＧＲの非実行時に於いても、熱電モジュール１４による発電が可能となる。なお、この場合、ＥＧＲガスの冷却は不要であるので、冷媒制御弁Ｖ２を閉弁して（図１（Ｃ）中のＶ２のスイッチは、解放されることに相当する。）、ＥＧＲ冷却器１２への冷媒の供給は遮断されてよい。その際、熱は、実質的に、熱電モジュール１４を介した経路に沿って流れることとなる。

装置の作動制御
図２を参照して、上記の本発明の熱発電装置の適用されるＥＧＲ装置の制御弁の作動制御（バルブ制御）に於いては、ＥＧＲの実行が要求されたときには、まず、ＥＧＲ制御弁Ｖ０がＥＧＲ量を調節する態様にて開弁される（ステップ１０ＥＧＲ量の調節制御については、任意の態様にて実行されてよい。）。そして、ＥＧＲ制御弁Ｖ０が開弁状態となると（ステップ１０）、ＥＧＲ制御弁Ｖ１が閉弁され（ステップ４０）、冷媒制御弁Ｖ２が開弁される（ステップ５０）。そうすると、排気ガスは、流路１０から流路２０へと流通し、その過程に於いて、集熱ブロック１１のフィン部１１ａに熱が吸収される。その際、上記の如く、フィン部１１ａから冷媒ＷＬまでの熱の流れの経路として、集熱ブロック１１から直接にＥＧＲ冷却器１２にて放熱する経路と、熱電モジュール１４を介した経路が形成されるので、高い熱伝導率により、十分なＥＧＲの冷却が達成されるとともに、熱電モジュール１４の熱発電も実行されることとなる。一方、ＥＧＲの非実行時には、ＥＧＲ制御弁Ｖ０が閉弁され（ステップ１０）、その場合、ＥＧＲ制御弁Ｖ１が開弁され（ステップ２０）、冷媒制御弁Ｖ２が閉弁される（ステップ３０）。そうすると、排気ガスは、流路１０から流路２２へと流通し、その過程に於いて、集熱ブロック１１のフィン部１１ａに熱が吸収される。この場合には、上記の如く、熱の流れの経路として、熱電モジュール１４を介した経路が形成されるので、熱電モジュール１４の熱発電が実行されることとなる。この点に関し、理解されるべきことは、本発明の構成によれば、ＥＧＲの非実行時に於いても、集熱ブロック１１のフィン部１１ａの在る流路１０に高温の排気ガスが流通し、熱電モジュール冷却器１６は冷媒により冷却されて低温となっているので、熱電モジュール１４に於いて温度差が生じ、発電が実行できるということである。これにより、排気ガスの熱をより多く電力として利用できることとなる。

具体的な構成
図３を参照して、本発明による熱発電装置が組み込まれたＥＧＲ装置の冷却機構の構成に於いては、排気管（図示せず）から受け入れた排気ガスの一部ＥｘＧを吸気管（図示せず）へ流通させる流路１０上に於いて、ＥＧＲ制御弁Ｖ０が配置され、その下流側にて、上流側へ向かって、集積ブロック１１、ＥＧＲ冷却器１２、熱電モジュール１４及び熱電モジュール冷却器１６とが、順番に、図示の如く互いに当接して配置される。そして、更に、ＥＧＲ制御弁Ｖ０の上流側に、ＥＧＲの非実行時に流入した排気ガスを排気管へ戻すためのバイパス管２２が設けられる。ＥＧＲ制御弁Ｖ０は、図３（Ｃ）、（Ｅ）に示されている如く、回転式の円板状弁体２４を有し、図示していない任意の制御装置の制御指令に従って、弁体２４の回転方向位置を調節して、排気ガスの吸入管への流入量を制御する。集積ブロック１１は、図３（Ｄ）、（Ｅ）に於いて模式的に描かれている如く、流路１０内部にて多数の板状フィンが排気ガスの流れに対して並行に延在するフィン部１１ａが形成され、排気ガスが板状フィンの間を流通する際に、ガスの熱が板状フィンへ伝達し、集積ブロック１１の上部へ伝達する。集積ブロック１１は、熱伝導率の高い任意の材料、典型的には、金属材料にて形成されることが好ましい。なお、図１（Ｃ）の熱回路モデルに於いて、Ｒｆｉｎは、集積ブロック１１のフィン部１１ａの熱抵抗に相当する。

図示の例に於いては、ＥＧＲ冷却器１２及び熱電モジュール冷却器１６としては、プール沸騰方式の冷却器が採用されている。かかる沸騰冷却器は、それぞれ、下部に作動液が注入された作動液槽１２ｓ、１６ｓが形成され、上部に管状のヒートパイプ１２ｈ、１６ｈが取り付けられ、冷媒入出口１２ｃ、１６ｃにて流入出される冷媒ＷＬが流通するジャケット１２ｊ、１６ｊがヒートパイプ１２ｈ、１６ｈを囲繞する構成を有する形式の冷却器又は熱交換器である。作動に於いては、それぞれ、作動液槽１２ｓ、１６ｓが加熱されると、作動液が熱エネルギーを吸収して沸騰及び気化し、気体ｖがヒートパイプ１２ｈ、１６ｈへ上昇する。そうすると、ヒートパイプ１２ｈ、１６ｈは、冷媒ＷＬにて冷却されているので、気体ｖは冷媒ＷＬに熱エネルギーを放出して凝縮し、液体となって、作動液槽１２ｓ、１６ｓに戻ることとなる。これらの冷却器の作動温度域は、排気ガスよりもやや低い温度領域となるので、作動液としては、この分野で熱媒体として一般的に利用されている、例えば、ビフェニルとジフェニルエーテルの混合液等であってよい。なお、図１（Ｃ）の熱回路モデルに於いて、Ｒcon1、Ｒcon2は、作動液槽１２ｓ、１６ｓに於ける熱抵抗に相当し、Ｒboil1、Ｒboil2は、ヒートパイプ１２ｈ、１６ｈに於ける熱抵抗に相当する。

図４は、上記と同様の本発明による熱発電装置が組み込まれたＥＧＲ装置の冷却機構の構成であって、ＥＧＲ冷却器１２及び熱電モジュール冷却器１６として、図３のものとは異なる形式の冷却器を採用した例を示している。図４（Ａ）は、ＥＧＲ冷却器１２及び熱電モジュール冷却器１６として、作動液の液相と気相とを内部に有するヒートパイプ１２ｈ、１６ｈが基台１２ｄ、１６ｄの上面から装着された形式の沸騰冷却器を採用した場合を例示している。この形式の作動に於いては、基台１２ｄ、１６ｄに伝達した熱によるヒートパイプ１２ｈ、１６ｈ内の作動液の気化と気化された作動液気体の冷媒による凝縮とのサイクルが繰り返されることによって、基台１２ｄ、１６ｄに伝達した熱が冷媒ＷＬへ放出される。（作動液の気化・凝縮サイクルは、図３のプール沸騰方式の冷却器と同様である。）図４（Ｂ）は、ＥＧＲ冷却器１２及び熱電モジュール冷却器１６として、基台１２ｄ、１６ｄに形成された多数の孔１２ｐ、１６ｐへ冷媒を流通させることにより、基台１２ｄ、１６ｄに伝達した熱を冷媒ＷＬへ放出する形式のブロック型の冷却器を採用した場合の例を示している。

かくして、上記の構成によれば、ＥＧＲガスの冷却に際して熱発電を行うＥＧＲガスの冷却機構に於いて、ガスの熱を熱電モジュールを介さずに放出する経路が設けられることにより、冷却性能の向上が期待される。また、ＥＧＲの非実行時に於いても、熱電モジュールへ熱を作用させる集熱ブロックに排気ガスが流通して集熱ブロックへガスの残熱が与えられることにより、熱電モジュールの発電が実行され、排気ガス熱による発電量の増大が期待されることとなる。更に、熱電モジュールに与えられる温度は、排気ガス温度よりも低い温度となるので、より低温にて作動可能な熱電素子を熱電モジュールに利用できることとなる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims

内燃機関の排気ガス再循環用の流路に流れる排気ガスの熱を電力に変換する熱発電装置であって、
前記流路を流れる排気ガスの熱を受容する受熱部位と冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有する再循環排気ガス冷却部と、
高温側面と低温側面とを有し該高温側面と該低温側面との間の温度差により発電する熱電モジュールにして、前記高温側面が前記再循環排気ガス冷却部の前記受熱部位と前記放熱部位との間の部分から熱を受容するよう配置された熱電モジュールと、
前記熱電モジュールの前記低温側面からの熱を受容する受熱部位と前記冷却用冷媒に放熱する放熱部位とを有する熱電モジュール冷却部とを含み、
前記排気ガス再循環用の流路が、前記内燃機関の吸気管側へ連通する第一の流路と、前記内燃機関の排気管へ連通する第二の流路とに連結され、前記第一の流路に設けられた第一の排気ガス再循環用流路弁が開弁され、前記第二の流路に設けられた第二の排気ガス再循環用流路弁が閉弁されたときには、前記排気ガス再循環用の流路から前記第一の流路を経て前記内燃機関の吸気側へ流入する前記排気ガスが前記再循環排気ガス冷却部の受熱部位を通過することにより、前記熱電モジュールの発電が実行され、前記第一の排気ガス再循環用流路弁が閉弁され、前記第二の排気ガス再循環用流路弁が開弁されたときには、前記排気ガス再循環用の流路から前記第二の流路を経て前記内燃機関の排気管へ流入する前記排気ガスが、前記排気ガス再循環用の流路に於ける前記再循環排気ガス冷却部の受熱部位を通過することにより、前記熱電モジュールの発電が実行される熱発電装置。