JP2016089752A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ、高温源である排気ガスの流路切替を行うことが可能な熱電発電装置を提供すること。【解決手段】内燃機関から排出される排気ガスの第１の流路内において、前記第１の流路に沿って配置される複数の熱電変換モジュールであって、前記排気ガスと所定の低温媒体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、前記複数の熱電変換モジュールを通過しないように前記排気ガスをバイパスさせる第２の流路と、前記複数の熱電変換モジュールのうち、前記第１の流路の最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部であって、前記第１の流路における前記排気ガスの流路面積を増加及び減少させるように前記最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、排気ガスの熱エネルギーを回収して電気エネルギーを生成する熱電発電装置に関する。

従来、高温源としての内燃機関から排出される排気ガスと、低温源としての所定の低温媒体（例えば、内燃機関の冷却水や外気等）との間での温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールを備える熱電発電装置が知られている。

このような熱電発電装置では、熱電変換モジュールを通過する流路と熱電変換モジュールをバイパスする流路との間で、排気ガスの流路切替を行う場合が多い（例えば、特許文献１）。

例えば、排気ガスが比較的高温の場合、低温源としての低温媒体に熱電変換モジュールから放熱される熱エネルギが増加するため、低温媒体の異常な温度上昇が懸念される。また、排気ガスが比較的低温の場合、排気ガスが熱電変換モジュールに熱エネルギを奪われるため、熱電発電装置の下流に配置される触媒の温度が排気ガス浄化に適した温度まで上昇しないおそれがある。これらの問題に対して、上記排気ガスの流路切替を行い、排気ガスが熱電変換モジュールをバイパス可能とすることにより対策を講じることが可能である。

特開２００４−０１１５１２号公報

しかしながら、排気ガスの流路を切り替えるためには、バルブ等の流路切替手段を専用で設けるスペースが必要となるため、全体として熱電発電装置が大型化し、ひいては、コストや質量が増加してしまうという問題がある。また、配置するスペースに制約がある場合（例えば、車両床下の限られたスペースに搭載する場合）は、熱電発電装置の採用が難しくなったり、採用できたとしても小型化を図るための性能低下（熱電変換モジュールの搭載数減少による発電量低下）を招いたりするおそれがある。

そこで、上記問題に鑑み、大型化を抑制しつつ、高温源である排気ガスの流路切替を行うことが可能な熱電発電装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、一実施形態において、熱電発電装置は、
内燃機関から排出される排気ガスの第１の流路内において、前記第１の流路に沿って配置される複数の熱電変換モジュールであって、前記排気ガスと所定の低温媒体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、
前記複数の熱電変換モジュールを通過しないように前記排気ガスをバイパスさせる第２の流路と、
前記複数の熱電変換モジュールのうち、前記第１の流路の最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部であって、前記第１の流路における前記排気ガスの流路面積を増加及び減少させるように前記最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部を備える。

上記実施形態により、大型化を抑制しつつ、高温源である排気ガスの流路切替を行うことが可能な熱電発電装置を提供することができる。

熱電発電装置の構成の一例を示す概略構成図である。 熱電変換モジュールの構成の一例を示す平面図である。 熱電変換モジュールの構成の一例を示す側面断面図である。 駆動部の作用による熱電変換モジュールの動作を説明する側面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。

まず、本実施形態に係る熱電発電装置１の構成について説明する。なお、以下に説明する実施形態では、熱電発電装置１を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、単にエンジンと称する））を駆動力源とする車両１００に適用した場合について説明する。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。

図１は、熱電発電装置１の構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る熱電発電装置１は、一例として、車両１００に搭載され、図１は、車両１００への搭載時における平面図を示す。

なお、以下において、「前」「後」「左」「右」「上」「下」の方向に関する記載は、車両１００における方向を表す。また、図１は、エンジンの排気ガス及び冷却水が流れる流路内が視認可能な透視図として表されている。

熱電発電装置１は、排気管１０、排気ガス導入部２０、冷却水管３０、冷却水導入部４０、熱電変換モジュール５０、駆動部６０等を含む。

排気管１０は、車両１００の前部（エンジンルーム）に設けられるエンジンから排出される排気ガスを車両１００後部に設けられる排出口から車両１００の外部に排出するための流路である。排気管１０の途中には、例えば、排気ガス中の有害成分を浄化する図示しない触媒（例えば、三元触媒等）や排気音を低減させるサイレンサー等が設けられると共に、本実施形態では、排気ガス導入部２０が設けられる。

なお、排気管１０は、排気ガス導入部２０よりエンジン側（上流側）の排気管１０ａと、排気ガス導入部２０より排出口側（下流側）の排気管１０ｂを含む。

排気ガス導入部２０は、排気管１０の途中に設けられ、高温源としての排気ガスを熱電変換モジュール５０に導入（供給）する。排気ガス導入部２０内には、一体に構成される冷却水導入部４０及び熱電変換モジュール５０が複数設けられ、これらは、排気管１０ａから導入される（流入する）排気ガスの流れる方向に沿って配置される。即ち、排気管１０を通じて車両１００外に排出される排気ガスは、排気ガス導入部２０内に導入され、排気ガス導入部２０内を通過し、排気ガス導入部２０外に排出される過程において、熱電変換モジュール５０に高温源として供給される。

冷却水管３０は、エンジンを冷却するための冷却水（ＬＬＣ：Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）をエンジン外部で空冷し、再度エンジンに戻すための循環流路である。冷却水管３０の途中には、冷却水を空冷するためのラジエータ（不図示）が設けられると共に、本実施形態では、冷却水導入部４０が設けられる。

なお、冷却水管３０は、冷却水導入部４０より上流側の冷却水管３０ａと、冷却水導入部４０より下流側の冷却水管３０ｂを含む。また、冷却水管３０は、エンジンの暖機時に上記ラジエータをバイパスする流路を含む。また、冷却水は、例えば、エンジンにより駆動されるウォーターポンプによって、エンジンのウォータージャケット内及び冷却水管３０内を循環する。

冷却水導入部４０は、冷却水管３０の途中に設けられ、熱電変換モジュール５０に低温源（低温媒体）としての冷却水を導入（供給）する。冷却水導入部４０は、排気ガス導入部２０を左右方向に横断し、貫通するように設けられると共に、側面視にて（車両１００の左方向又は右方向から見て）、熱電変換モジュール５０がその周囲を取り囲む態様で熱電変換モジュール５０と一体に構成される。即ち、冷却水管３０を循環する冷却水は、冷却水導入部４０内に導入され、排気ガス導入部２０内を左右方向に横断し、冷却水導入部４０外に排出される過程において、熱電変換モジュール５０に低温源として供給される。

なお、図１に示すように、冷却水導入部４０は、排気ガスの上流側から３列構成で配置されると共に、後述する図４に示すように、下流側の２列は、上下２段の構成で配置され、合計５つ設けられる。即ち、冷却水管３０ａ、３０ｂは、それぞれ、５つに分岐して、各冷却水導入部４０に接続される。また、本実施形態では、低温媒体（低温源）として、エンジンの冷却水を利用したが、高温源としての排気ガスとの間で、熱電変換モジュール５０により熱電発電可能であれば、任意の低温媒体（例えば、外気等）が用いられてよい。

熱電変換モジュール５０は、エンジンから排出（供給）される排気ガス（高温源）と低温媒体として供給されるエンジンの冷却水（低温源）との温度差に応じて熱電発電を行う熱電発電手段である。熱電変換モジュール５０は、上述したとおり、冷却水導入部４０と一体に構成され、冷却水導入部４０と同様、排気ガス導入部２０内に５つ設けられる。なお、熱電発電装置１に含まれる熱電変換モジュール５０は、単数であってもよい。

熱電変換モジュール５０は、エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギの一部を電気エネルギ（電力）として回収する共に、当該電力を車両１００に搭載される電装品やバッテリ等に供給することにより、車両１００の燃費を向上させる。熱電変換モジュール５０の詳細構造について、図２、３を用いて説明を行う。

図２は、熱電変換モジュール５０の構成の一例を示す平面図（車両１００の上方向から見た図）である。図３は、熱電変換モジュール５０の構成の一例を示す側面断面図（車両１００の左方向から見た代表断面図）であり、図２におけるＡ−Ａ断面図を表している。

なお、図２は、熱電変換モジュール５０内の後述する熱電変換素子５２が視認可能な透視図として表されている。また、図２の熱電変換素子５２同士を接続する点線は、電気的な接続構成の一例を表している。

熱電変換モジュール５０は、筐体５１、熱電変換素子５２、フィン５３等を含む。

筐体５１は、図３に示すように、熱電変換モジュール５０の外郭をなし、側面視で（車両１００の左方向又は右方向から見て）冷却水導入部４０を取り囲むように配置される。冷却水導入部４０は、前後方向（排気ガスが流れる方向）を長手方向とする略偏平形状（各辺を曲線で接続する略長方形形状）をなし、筐体５１（即ち、熱電変換モジュール５０）も同様の略偏平形状をなす。

熱電変換素子５２は、熱エネルギを電気エネルギに変換するデバイスであり、具体的には、排気ガスからの熱伝導により発熱される一端（高温端）と冷却水への熱伝導により放熱される他端（低温端）との間に生じるゼーベック効果による熱起電力に基づく熱電発電を行う。熱電変換素子５２は、図２、３に示すように、偏平形状の冷却水導入部４０の上面及び下面のそれぞれに前後２列ずつ配置されると共に、各列８個ずつ左右方向に並べて配置される。即ち、各熱電変換モジュール５０は、３２個の熱電変換素子５２を含み、これらの熱電変換素子５２が直列又は並列で電気的に接続されることにより所望の電力（電圧）が得られるように構成される。

熱電変換素子５２は、図３に示すように、筐体５１の内面と冷却水導入部４０の外面の間に挟まれる態様で固定される。即ち、熱電変換素子５２は、筐体５１を排気ガスから発熱される高温端とし、冷却水導入部４０を冷却水へ放熱する放熱端として、熱電発電を行う。

なお、熱電変換素子５２は、熱電変換モジュール５０を作動させる温度領域等に応じて、適切な熱電材料から構成されてよい。例えば、排気ガスの温度が比較的低温の状態で熱電発電を行う場合は、Ｂｉ−Ｔｅ（ビスマス−テルル）系の熱電材料を用いてよく、排気ガスの温度が比較的高温の状態で熱電発電を行う場合、Ｍｇ−Ｓｉ（マグネシウム−シリサイド）系、Ｓｉ−Ｇｅ（シリコン−ゲルマニウム）系等の熱電材料を用いてよい。

フィン５３は、排気ガスと熱電変換モジュール５０との接触面積を増やす部材であり、排気ガスから筐体５１（熱電変換素子５２）へ熱が伝達しやすくするために設けられる。フィン５３は、側面視で（車両１００の左方向又は右方向から見て）、筐体５１の上面及び下面から上方及び下方に延設される略長方形の平板形状により構成され、図示しないが、筐体５１の上面及び下面において、左右方向に複数並べて設けられる。

図１に戻り、駆動部６０は、排気ガスの流れにその長手方向が沿うように設けられる一体に構成された５組の冷却水導入部４０及び熱電変換モジュール５０のうち、最上流側に設けられる１組を駆動するために設けられる駆動手段である。駆動部６０は、冷却水導入部４０と冷却水管３０ａ及び冷却水管３０ｂのそれぞれとの接続部分に設けられ、各接続部分を結ぶ左右方向に沿った回転軸ＡＸを中心として、側面視で（車両１００の左方向又は右方向から見て）冷却水導入部４０及び熱電変換モジュール５０の組を回転させる。例えば、冷却水導入部４０及び熱電変換モジュール５０の組は、各冷却水管３０ａ、３０ｂと既知のロータリージョイントにより接続されることにより回転可能に構成されてよい。また、駆動部６０は、左右のロータリージョイント部を回転させる任意のアクチュエータ（例えば、熱膨張を利用するもの（サーモエレメント）、エンジンの吸気負圧を利用するもの、電磁力を利用するもの（電磁ソレノイド）等）であってよい。

次に、本実施形態に係る熱電発電装置１の作用について説明をする。

図４は、駆動部６０の作用による熱電変換モジュール５０の動作を説明する側面図（車両１００の左方向から見た図）である。そのうち、図４（ａ）は、通常状態（排気ガスが排気ガス導入部２０に導入される状態）を表しており、排気ガスが流れる方向における最上流側に位置する冷却水導入部４０及び熱電変換モジュール５０の組（以下、単に「最上流側の熱電変換モジュール５０」と称する）の長手方向が、他の組と同様、排気ガスの流れる方向に沿うように配置されている状態を表している。また、図４（ｂ）は、最上流側の熱電変換モジュール５０が駆動部６０により回転駆動され、その長手方向が排気ガスが流れる方向に正対するように配置されている状態を表している。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置１は、上述した構成要素に加えて、熱電変換モジュール５０が配置される排気ガス導入部２０をバイパスするバイパス流路７０を含む。バイパス流路７０は、排気管１０ａと排気管１０ｂを直接接続する排気ガスの流路であり、排気管１０ａ、１０ｂ、排気ガス導入部２０に比べて流路面積が小さく設定される。

ここで、図４（ａ）に示すように、通常状態（最上流側の熱電変換モジュール５０の長手方向が、排気ガスの流れる方向に沿うように配置されている状態）では、排気ガスが略偏平形状の各熱電変換モジュール５０に沿って流れることが可能である。即ち、排気ガス導入部２０内の各熱電変換モジュール５０は、排気ガスの流れに対してそれ程大きな抵抗にはならず、排気管１０ａから排気ガス導入部２０内に排気ガスが導入され、排気管１０ｂに排出される。

一方、図４（ｂ）に示すように、駆動部６０の作用によりが図４（ａ）の状態から左方向に９０°回転駆動されると、最上流側の熱電変換モジュール５０の長手方向が排気ガスの流れと正対する（排気ガスの流れの上流側から見た前面投影面積が増加する）。この場合、熱電変換モジュール５０が排気ガスの流れを遮ることになるため、排気ガスは排気ガス導入部２０にほとんど流入せず、バイパス流路７０に流れ込む。

換言すれば、駆動部６０の作用により最上流側の熱電変換モジュール５０が図４（ｂ）の状態から右方向に９０°回転駆動されると、最上流側の熱電変換モジュール５０の長手方向が排気ガスの流れに沿う（排気ガスの流れの上流側から見た前面投影面積が減少する）。この場合、熱電変換モジュール５０が排気ガスの流れを遮ることがなくなるため、排気ガスが排気ガス導入部２０に流入し、バイパス流路７０にはほとんど流れなくなる。

このように、駆動部６０は、排気ガスの流れの上流側から見た前面投影面積が増減するように、即ち、排気ガス導入部２０における排気ガスの流路面積が増減するように、最上流側の熱電変換モジュール５０を駆動することで、熱電変換モジュール５０は、流路切替のためのバルブ機能を果たすことができる。

例えば、排気ガスが比較的高温になると、熱電変換モジュール５０が排気ガスから受熱する熱エネルギが増加するため、比例して熱電変換モジュール５０から冷却水に放熱される熱エネルギが増加し、冷却水が異常な高温になるおそれがある。また、排気ガスが比較的低温の場合（エンジン暖機時）に、熱電変換モジュール５０が排気ガスから受熱して熱電発電を行ってしまうと、排気ガスの温度が低下し、下流に位置する触媒の温度が排気ガスの浄化に適した温度まで上昇せず、排気ガス内の有害物質の浄化に支障を来すおそれがある。

このような問題に対して、本実施形態に係る熱電発電装置１では、熱電変換モジュール５０が設けられる排気ガス導入部２０をバイパスするバイパス流路７０を設けると共に、最上流側の熱電変換モジュール５０が、駆動部６０の作用により排気ガスの流路を切り替えるバルブ機能を果たす。これにより、駆動部６０を適宜作動させ、熱電変換モジュール５０を通過する流路（排気ガス導入部２０を通過する流路）と熱電変換モジュール５０（排気ガス導入部２０）をバイパスする流路の間で、排気ガスの流路を切り替えることが可能となるため、上記問題を解消することができる。

また、熱電変換モジュール５０に排気ガスの流路を切り替えるバルブ機能を持たせるため、排気ガスの流路を切り替えるための専用のバルブを設ける場合に比して、熱電発電装置１の大型化を抑制することが可能になると共に、質量やコストの増加も抑制することができる。即ち、大型化を抑制しつつ、高温源である排気ガスの流路切替を行うことができる。

特に、排気管は車両床下に配置される場合が多いため、熱電発電装置が大型化すると、スペースが限られる車両床下には搭載できなかったり、搭載できるとしても、熱電変換モジュールの搭載数を減らす等の性能低下を許容する必要があったり等する。ところが、本実施形態に係る熱電発電装置１を採用することで、発電性能や搭載性を維持しつつ、排気ガスの流路切替機能を設けることができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 熱電発電装置
１０、１０ａ、１０ｂ 排気管
２０ 排気ガス導入部（第１の経路）
３０、３０ａ、３０ｂ 冷却水管
４０ 冷却水導入部
５０ 熱電変換モジュール
６０ 駆動部
７０ バイパス流路（第２の流路）
１００ 車両
ＡＸ 回転軸

Claims (1)

1. 内燃機関から排出される排気ガスの第１の流路内において、前記第１の流路に沿って配置される複数の熱電変換モジュールであって、前記排気ガスと所定の低温媒体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、
   前記複数の熱電変換モジュールを通過しないように前記排気ガスをバイパスさせる第２の流路と、
   前記複数の熱電変換モジュールのうち、前記第１の流路の最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部であって、前記第１の流路における前記排気ガスの流路面積を増加及び減少させるように前記最上流側に設けられる熱電変換モジュールを駆動する駆動部を備える、
   熱電変換装置。

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