JP2021093474A

JP2021093474A - 発電装置

Info

Publication number: JP2021093474A
Application number: JP2019224192A
Authority: JP
Inventors: 大晃坂田; Hiroaki Sakata
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

【課題】、エンジン本体部からの廃熱を効果的に回収可能な発電装置を提供する。【解決手段】エンジン２０の廃熱を回収して発電する発電装置１０であって、冷媒により冷却される低温側金属板部１５と、低温側金属板部１５よりもエンジン本体部２０Ａ側に配されており、エンジン本体部２０Ａに対してエンジン２０からの廃熱を伝達可能に取り付けられた高温側金属板部１３と、を含み、低温側金属板部１５と高温側金属板部１３とに生じる温度差により発電可能なペルティエ素子部１１を備え、ペルティエ素子部１１がエンジン本体部２０Ａの少なくとも上部を覆うエンジンカバーをなすようにした。【選択図】図２

Description

本開示は、発電装置に関し、特に、エンジンの上部を覆うエンジンカバーとして機能する発電装置に関する。

従来、エンジンの廃熱回収システムとしては、例えば、ランキンサイクルシステムが知られている。ランキンサイクルシステムにおいては、熱エネルギを力学的エネルギに変換した後、電気エネルギに変換するため、複雑な機械的構成が必要となる。そこで、熱エネルギを直接的に電気エネルギに変化させる熱電発電技術が熱エネルギの回収方法として期待されている。

この種の熱電発電技術を用いる装置の一例として、例えば、特許文献１には、排気通路の外壁に熱電素子デバイスを設け、排気通路からの放熱を利用して熱電素子デバイスにより発電を行う技術が開示されている。

特開２０１５−５９５４５号公報

上記文献記載の技術では、熱電素子デバイスを含む発電装置が排気通路とは別体に構成されており、エンジン周囲のレイアウト等に影響を与える可能性がある。このようなレイアウト性を改善するには、発電装置をエンジンカバー等のエンジン構成部品に組み込むことが、省スペース化の観点から望ましいといえる。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エンジン本体部からの廃熱を効果的に回収可能な発電装置を提供することを目的とする。

本開示の技術は、エンジンの廃熱を回収して発電する発電装置であって、冷媒により冷却される低温側金属板部と、該低温側金属板部よりもエンジン本体部側に配されており、前記エンジン本体部に対して前記エンジンからの廃熱を伝達可能に取り付けられた高温側金属板部と、を含み、前記低温側金属板部と前記高温側金属板部とに生じる温度差により発電可能なペルティエ素子部を備え、該ペルティエ素子部が前記エンジン本体部の少なくとも上部を覆うエンジンカバーをなすことを特徴とする。

また、前記エンジンは、前記エンジン本体部の上方にキャブが配されるキャブオーバ型車両に搭載されており、前記冷媒は、前記キャブの前面に開口するグリルから取り込まれる走行風であってもよい。

また、前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、熱交換用のフィンが突設されていることが好ましい。

また、前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、樹脂コーティングが施されていることが好ましい。

また、前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、前記エンジンの冷却水を流通させる冷却水回路の一部が配されていることが好ましい。

また、前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、前記エンジン又は変速機の潤滑油を流通させる潤滑油回路の一部が配されていることが好ましい。

本開示の技術によれば、エンジン本体部からの廃熱を効果的に回収可能な発電装置を提供することができる。

第一実施形態に係る発電装置を搭載した車両の前部を模式的に示す図である。第一実施形態に係る発電装置を模式的に示す図である。第二実施形態に係る発電装置を模式的に示す図である。

以下、添付図面に基づいて、第一実施形態に係る発電装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る発電装置１０を搭載した車両１の前部を模式的に示す図である。

［全体構成］
車両１は、例えば、キャブオーバ型のトラックであって、車両前側にキャブ（運転室）２を備えている。キャブ２下方のエンジンルーム３内には、駆動力源の一例としてのエンジン２０が搭載されている。エンジン２０には、クラッチ装置３１、変速機３２、プロペラシャフト３３、何れも不図示のデファレンシャルギヤ装置やドライブシャフト等を介して駆動輪が接続されている。なお、車両１は、後輪駆動車、前輪駆動車、全輪駆動車、或は、四輪駆動車の何れであってもよい。

エンジン２０は、下側から順に、オイルパン２１Ａ、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２等を配置したエンジン本体部２０Ａを備えている。シリンダヘッド２２の上部には、シリンダヘッドカバー２３が設けられている。シリンダヘッドカバー２３の上部には、詳細を後述するエンジンカバーをなす発電装置１０が設けられている。

また、エンジンルーム３内のエンジン２０よりも車両前側には、前側から順に、インタークーラ４０、ラジエータ５０及び、ファン６０等が配されている。キャブ２の前面側には、エンジンルーム３内に走行風を導入する複数のフロントグリル４（本開示のグリル）が開口形成されている。

インタークーラ４０は、吸気を外気（例えば、走行風）との熱交換により冷却する。ラジエータ５０は、エンジン２０の冷却水を外気（例えば、走行風）との熱交換により冷却する。

具体的には、ラジエータ５０は、縦流れ式ラジエータであって、上から順に、アッパタンク５１と、コア部５２と、ロアタンク５３とを備えている。ラジエータ５０のアッパタンク５１には、エンジンアウトレットパイプ５４が接続されており、ロアタンク５３には、ラジエータアウトレットパイプ５５が接続されており、エンジン２０の不図示のウォータジャケットで昇温された冷却水が、ラジエータ５０のコア部５２にて外気との熱交換により冷却された後に、エンジン２０のウォータジャケットに循環される冷却水回路５６が形成されている。なお、ラジエータ５０は、横流れ式ラジエータであってもよい。

［発電装置］
図２は、第一実施形態に係る発電装置１０を模式的に示す図である。

図２に示すように発電装置１０は、エンジンルーム３内のエンジン２０の上方に配置される。発電装置１０は、二つの金属又は半導体間に温度差が発生すると、二つの金属又は半導体を連結する閉回路に電流が流れるゼーベック効果により発電可能なペルティエ素子部１１と固定部１２とを備えている。本開示の発電装置１０は、エンジンカバーとしても機能する。

ペルティエ素子部１１は、高温側金属板部１３と、高温側金属板部１３に沿って設けられる高温側電極１４と、低温側金属板部１５と、低温側金属板部１５に沿って設けられる低温側電極１６と、高温側電極１４と低温側電極１６との間に設けられるｎ型半導体１７とｐ型半導体１８とを備えて板状に形成されている。

ペルティエ素子部１１は、高温側金属板部１３をエンジン２０側に、低温側金属板部１５をキャブ２側に向けてシリンダヘッドカバー２３の上面に沿って配置されている。なお、ペルティエ素子部１１は、所定の金属により形成される高温側金属板部１３と、高温側金属板部１３とは異なる金属により形成される低温側金属板部１５とを接合した板状に形成されてもよい。

ペルティエ素子部１１で発電された電力は、低温側金属板部１５の上面に設けられる送電装置１５Ｃから、キャブ２の下面に送電装置１５Ｃと対向して配置された受電装置１９に磁界共鳴方式（磁界共振結合方式）によって、非接触状態で送電される。受電装置１９に送電された電力は、制御装置１００によって、エンジン２０の負荷（例えば、発熱量）や車載バッテリ７０の充電残量（ＳＯＣ：state of charge）に基づいて、不図示の電装品や車載バッテリ７０に適宜に供給すればよい。また、ペルティエ素子部１１の発電量も、制御装置１００によって、エンジン２０の負荷や車載バッテリ７０のＳＯＣに応じて適宜に制御すればよい。なお、ペルティエ素子部１１で発電された電力は、有線により送電してもよい。

固定部１２は、シリンダヘッドカバー２３の上面から上方に突出又は高温側金属板部１３の下面から下方に突出して設けられている。固定部１２は、好ましくは、熱伝導部材で形成されており、高温側金属板部１３とシリンダヘッドカバー２３とを熱伝導可能な状態で接続する。固定部１２には、不図示の雌ねじ穴が穿設されており、該雌ねじ穴に不図示のボルトを螺合させることにより、高温側金属板部１３をシリンダヘッドカバー２３に固定する。図示例において、高温側金属板部１３とシリンダヘッドカバー２３との間には、固定部１２によって所定の間隙が設けられているが、高温側金属板部１３をシリンダヘッドカバー２３の上面に直接取り付けて、これらを面接触させてもよい。

低温側金属板部１５は、キャブ２下面から所定間隔をおいて対向配置されており、これら低温側金属板部１５の上面とキャブ２下面との間には所定の間隙が確保されている。すなわち、低温側金属板部１５の上面とキャブ２下面との間の空間に、フロントグリル４（図１参照）から取り込まれる走行風やファン６０による冷却風が効果的に流れ込むようになっている。

以上のように構成された第一実施形態の発電装置１０によると、高温側金属板部１３は、シリンダヘッドカバー２３からの伝熱により加熱されることで温度が上昇する。一方、低温側金属板部１５は、エンジンルーム３内を通過する走行風やファン６０による冷却風により温度が下降する。このため、高温側金属板部１３と低温側金属板部１５とに温度差（温度勾配）が発生し、ペルティエ素子部１１が発電を行うように構成されている。

低温側金属板部１５の上面には、所定の高さで突出する熱交換用のフィン１５Ａを複数設けてもよい。フィン１５Ａを形成することで、低温側金属板部１５の表面積が拡大され、低温側金属板部１５とエンジンルーム３内の空気との熱交換により、低温側金属板部１５の冷却が促進されるようになる。結果として、低温側金属板部１５と高温側金属板部１３との温度差が拡大することになり、ペルティエ素子部１１での発電を促進することが可能になる。

また、低温側金属板部１５の上面には、高い輻射性（熱放射性）を有する樹脂（例えば、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂等）により樹脂コーティング１５Ｂを施してもよい。樹脂コーティング１５Ｂを施すことで、低温側金属板部１５からの熱の輻射により、低温側金属板部１５の冷却が促進されるようになる。結果として、低温側金属板部１５と高温側金属板部１３との温度差が拡大することにより、ペルティエ素子部１１での発電を効果的に促進することが可能になる。

以上詳述した本実施形態によれば、ペルティエ素子部１１を含む発電装置１０をキャブ２下方のシリンダヘッドカバー２３上部に固定することにより、低温側金属板部１５は走行風等により冷却され、高温側金属板部１３はシリンダヘッドカバー２３からの伝熱により加熱されるように構成されている。これにより、低温側金属板部１５と高温側金属板部１３との間に連続的に温度差が生じるようになり、エンジン２０の廃熱を利用した高効率の発電を実現することが可能になる。

また、発電装置１０をシリンダヘッドカバー２３の上部に配されるエンジンカバーとすることで、発電装置１０をエンジン構成部品とは別体に構成する場合に比べ省スペース化が図られるようになり、レイアウト性を向上することも可能になる。

［第二実施形態］
次に、図３に基づいて第二実施形態に係る発電装置１０について説明する。

図３は、第二実施形態に係る発電装置１０を模式的に示す図である。

図３に示すように、第二実施形態の発電装置１０は、第一実施形態の発電装置１０において、低温側金属板部１５の上面に、冷却水回路５６の一部を構成する冷却水流路５７を接触配置したものである。他の構成要素については、第一実施形態と同様のため、詳細な説明は省略する。

具体的には、冷却水流路５７は、ラジエータアウトレットパイプ５５から低温側金属板部１５の上面に沿って延びた後、シリンダブロック２１内のウォータジャケットに接続されている。すなわち、ラジエータ５０（図１参照）にて冷却された低温冷却水が、冷却水流路５７内を低温側金属板部１５の上面に沿って流通することにより、低温側金属板部１５を効果的に冷却できるように構成されている。

これにより、低温側金属板部１５と高温側金属板部１３との間に連続的に温度差が生じるようになり、エンジン２０の廃熱を利用した高効率の発電を実現することが可能になる。また、冷却水を、冷却水流路５７にて低温側金属板部１５と熱交換することで、下流側のウォータジャケットに流れ込む冷却水を昇温できるようになり、エンジン２０の暖機促進を図ることも可能になる。なお、受電装置１９に送電された電力は、制御装置１００によって、冷却水温度や車載バッテリ７０のＳＯＣに基づいて、不図示の電装品や車載バッテリ７０に適宜に供給すればよい。また、ペルティエ素子部１１の発電量も、制御装置１００によって、冷却水温度や車載バッテリ７０のＳＯＣに応じて適宜に制御すればよい。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変形して実施することが可能である。

例えば、上記第二実施形態において、低温側金属板部１５の上面には、エンジン２０の冷却水を流通させる冷却水流路５７が配されるものとしたが、変速機３２の潤滑油を流通させる潤滑油回路の一部を配置して構成してもよい。この場合は、オイルクーラよりも下流側の潤滑油流路を低温側金属板部１５の上面に設ければよい。かかる構成によれば、潤滑油温の早期昇温により攪拌抵抗の増加が抑えられるようになり、エンジン２０の燃費性能を向上することが可能になる。

また、上記実施形態において、発電装置１０はシリンダヘッドカバー２３に固定するものとして説明したが、シリンダヘッドカバー２３及び不図示の排気マニホールドに固定してもよい。この場合には、シリンダヘッドカバー２３からの廃熱に加えて排気マニホールドからの廃熱も回収することが可能となる。

また、車両１はキャブオーバ型車両に限定されず、ボンネット車両等、他の車両にも広く適用することが可能である。

１車両
２キャブ
３エンジンルーム
１０発電装置
１１ペルティエ素子部
１２固定部
１３高温側金属板部
１５低温側金属板部
１５Ａフィン
１５Ｂ樹脂コーティング
５７冷却水回路
２０エンジン
２０Ａエンジン本体部
２１シリンダブロック
２２シリンダヘッド
２３シリンダヘッドカバー
４０インタークーラ
５０ラジエータ
６０ファン

Claims

エンジンの廃熱を回収して発電する発電装置であって、
冷媒により冷却される低温側金属板部と、該低温側金属板部よりもエンジン本体部側に配されており、前記エンジン本体部に対して前記エンジンからの廃熱を伝達可能に取り付けられた高温側金属板部と、を含み、前記低温側金属板部と前記高温側金属板部とに生じる温度差により発電可能なペルティエ素子部を備え、該ペルティエ素子部が前記エンジン本体部の少なくとも上部を覆うエンジンカバーをなす
ことを特徴とする発電装置。
前記エンジンは、前記エンジン本体部の上方にキャブが配されるキャブオーバ型車両に搭載されており、前記冷媒は、前記キャブの前面に開口するグリルから取り込まれる走行風である
請求項１に記載の発電装置。
前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、熱交換用のフィンが突設されている
請求項１又は２に記載の発電装置。
前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、樹脂コーティングが施されている
請求項１から３の何れか一項に記載の発電装置。
前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、前記エンジンの冷却水を流通させる冷却水回路の一部が配されている
請求項１から４の何れか一項に記載の発電装置。
前記低温側金属板部の上面の少なくとも一部に、前記エンジン又は変速機の潤滑油を流通させる潤滑油回路の一部が配されている
請求項１から４の何れか一項に記載の発電装置。