JP4055728B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばハイブリッド車などの車両などに用いられ、気体中に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、気体中に含まれる熱エネルギーを回収する排熱回収装置に関する。

自動車のエンジンから排出される排気ガスなどには、熱エネルギーが含まれてため、排気ガスをそのまま捨てると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排熱回収装置によって回収し、熱エネルギーを熱電変換素子で電気エネルギーに変換し、たとえばバッテリーに充電しておく技術がある。

また、車両における熱エネルギーを回収する技術として、特開２００１−６８１３８号公報に開示された燃料リサイクルシステムがある。この燃料リサイクルシステムでは、燃料電池車両において、燃料電池から発生した熱をケミカルヒートポンプで吸熱し、吸熱した熱を発熱する際の発熱反応を利用して、含水素系化合物からの脱水素反応を行うというものである。
特開２００１−６８１３８号公報

ところで、上記の排熱回収装置においては、排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収する余地があるものであり、熱エネルギーの回収のためにヒートポンプを利用することも考えられる。ヒートポンプを利用することにより、排気ガスの熱エネルギーの回収効率を高め、熱電変換素子による発電量を増加させることができる。

ところが、上記特許文献１に開示された燃料リサイクルシステムは、燃料電池から発生した熱を脱水素反応に用いる熱として利用するためにケミカルヒートポンプを用いているにすぎいなものである。このため、排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱の伝達にヒートポンプを用いるという点については、想定していないものであった。

そこで、本発明の課題は、排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱の伝達にヒートポンプを好適に用いて、熱エネルギーの回収効率を高め、発電量を多くすることができる排熱回収装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明は、エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える排熱回収装置において、排気ガス中の熱を熱媒体による吸熱反応で吸熱する熱回収部と、熱媒体の発熱反応によって熱を発生させて熱電変換素子に供給する発熱部とを有するヒートポンプを備え、熱電変換素子が発熱部に取り付けられ、ヒートポンプにおける熱回収部が、発熱部よりも、排気ガスの流れ方向下流側に配置されているものである。

本発明に係る排熱回収装置は、発熱部と熱回収部とを備え、熱回収部が発熱部よりも排気ガスの流れ方向下流側に配置され、発熱部には熱電変換素子が取り付けられている。このため、熱回収部で回収された排気ガス中の熱を発熱部に伝熱して、熱電変換モジュールに多くの熱を供給することができる。したがって、ヒートポンプを好適に用いて、熱エネルギーの回収効率を高め、発電量を多くすることができる。

ここで、排気ガスを浄化する触媒が設けられ、触媒の暖機の要否を判断する暖機要否判断手段を備えており、暖機要否判断手段により、触媒の暖機が必要であると判断したときに、ヒートポンプにおける熱媒体の熱を触媒に供給する態様とすることができる。

このように、排気ガスを浄化する触媒は、活性温度以上の温度となっていなければ、十分な浄化性能を発揮することができないが、排気ガスに含まれる熱の多くを熱電変換素子に与えてしまうと、触媒の浄化性能の発揮までの時間が長くなってしまうことが考えられる。そこで、触媒の暖機の要否を判断する暖機要否判断手段を備え、触媒の暖機が必要であるときには、ヒートポンプによる熱の伝達を触媒に対して行う。こうすることにより、触媒が短時間でその浄化性能を発揮できるようになる。

また、ヒートポンプにおける前記熱媒体の熱の供給先を、熱電変換素子および触媒のいずれかに選択する選択手段を備える態様とすることもできる。

このように、熱の供給先を選択する選択手段を備えることにより、熱電変換素子での発電量の向上と触媒の暖機との優先順位に応じて、熱の供給先を決定することができる。

本発明に係る排熱回収装置によれば、排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱の伝達にヒートポンプを好適に用いて、熱エネルギーの回収効率を高め、発電量を多くすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略することがある。まず、本発明の第一の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置１は、熱源となる図示しないエンジンに接続された排気流路２を備えている。この排気流路２には、エンジンから排出される排気ガスが流通する。排気流路２には、ケミカルヒートポンプ（以下「ヒートポンプ」という）１０が設けられている。ヒートポンプ１０は、発熱部１１および熱回収部１２を備えており、排気ガスの流れ方向上流側に発熱部１１が配置され、発熱部１１の下流側に熱回収部１２が配置されている。

発熱部１１は、図２（ａ）に示すように、筐体２０を備えており、筐体２０に複数の第一排熱回収用フィン２１が設けられている。この第一排熱回収用フィン２１の間に排気ガスが流通する第一排気ガス通路２２が形成され、第一排気ガス通路２２を流通する排気ガスに含まれる熱が第一排熱回収用フィン２１によって回収される。第一排気ガス通路２２は、排気流路２と連通している。

また、筐体２０には、発熱反応部２３が設けられている。発熱反応部２３には、気体の水素およびアセトンの熱媒体が供給され、発熱反応によって液体の２−プロパノールが生成される。また、発熱反応部２３には、複数のフィン２３Ａが設けられており、発熱反応によって生じた熱を回収している。

熱回収部１２は、図２（ｂ）に示すように、筐体２４を備えており、筐体２４に複数の第二排熱回収用フィン２５が設けられている。この第二排熱回収用フィン２５の間に排気ガスが流通する第二排気ガス通路２６が形成され、第二排気ガス通路２６を流通する排気ガスに含まれる熱が第二排熱回収用フィン２５によって回収される。第二排気ガス通路２６は、排気流路２と連通している。また、筐体２４には、吸熱反応部２７が設けられている。吸熱反応部２７には、液体の２−プロパノールが供給され、吸熱反応によって気体の水素およびアセトンが生成される。

また、発熱部１１には、熱電変換素子である熱電変換モジュール３が取り付けられている。熱電変換モジュール３は、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。本実施形態では、２００度付近での熱電変換効率が高いＢｉＴｅ系の熱電変換モジュールが用いられている。なお、４００度付近での熱電変換効率が高いベンゼン水素反応系の熱電変換モジュールなど、他の熱電変換モジュールを用いることもできる。

さらに、熱電変換モジュール３における発熱部１１が取り付けられた側の面に対する反対側の面には、モジュール冷却部４が設けられている。このモジュール冷却部４に冷却水を供給することにより、熱電変換モジュール３は熱電変換を行い、発熱部１１の熱を回収して電気を生成する。ここで、発熱部１１における発熱反応部２３では、熱電変換モジュール３に熱を回収されることにより、発熱反応が起こる。発熱部１１では、水とアセトンとが２−プロパノールになるときに生じる熱と、排気ガス中の熱との両方を回収し、熱電変換モジュール３は、発熱部１１から熱を回収する。

また、熱回収部１２における吸熱反応部２７と発熱部１１における発熱反応部２３との間には、セパレータ１３が設けられており、それぞれ気体用配管１４，１５，１６を介して接続されている。セパレータ１３は、熱回収部１２における吸熱反応部２７から排出される水素とアセトンとの混合気体を、水素とアセトンとに分離する。熱回収部１２における吸熱反応部２７とセパレータ１３とを接続する第一気体用配管１４には、水素とアセトンとの混合気体が流通する。また、セパレータ１３と発熱部１１における発熱反応部２３とを接続する気体用配管のうち、第二気体用配管１５には水素が流通し、第三気体用配管１６にはアセトンが流通する。

さらに、発熱部１１における発熱反応部２３と熱回収部１２における吸熱反応部２７との間には、液体輸送ポンプ１７が設けられており、それぞれ液体用配管１８，１９を介して接続されている。液体輸送ポンプ１７は、発熱部１１における発熱反応部２３で液化された液体の２−プロパノールを熱回収部１２における吸熱反応部２７に向けて搬送する。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置の動作・作用について説明する。

本実施形態に係る排熱回収装置１においては、図示しないエンジンから排気ガスが排出されると、この排気ガスは排気流路２を流通する。排気流路２は、発熱部１１に形成された第一排気ガス通路２２および熱回収部１２に形成された第二排気ガス通路２６をそれぞれ流通する。

排気流路２を流通する排気ガスは、まず発熱部１１に形成された第一排気ガス通路２２を流通する。第一排気ガス通路２２を排気ガスが流通する際、排気ガスに含まれる熱は第一排熱回収用フィン２１によって回収され、排気ガスに含まれる熱が減少する。第一排熱回収用フィン２１で回収された熱は、筐体２０を介して熱電変換モジュール３に供給される。

熱電変換モジュール３は、筐体２０から供給される熱によって、その一側面の温度が高くなる。その一方、筐体２０が取り付けられている面の反対側面には、モジュール冷却部４が取り付けられており、その温度は低くされている。この熱電変換モジュール３における一側面と反対側面との温度により、熱電変換モジュール３内に温度差が生じ、熱電変換が行われる。

第一排気ガス通路２２を流通し、排出された排気ガスは、熱回収部１２における第二排気ガス通路２６を流通する。このとき、排気ガスに含まれる熱は第二排熱回収用フィン２５によって回収される。こうして、さらに熱を回収された排気ガスは、第二排気ガス通路２６から排出される。

また、液体輸送ポンプ１７では、２−プロパノールを発熱部１１の発熱反応部２３から熱回収部１２の吸熱反応部２７に供給している。熱回収部１２においては、第二排熱回収用フィン２５によって回収された熱により、吸熱反応部２７における液体である２−プロパノールに熱を与えて、水素とアセトンとに分解する。分解された水素およびアセトンは、混合した状態で第一気体用配管１４を流通してセパレータ１３へと搬送される。

セパレータ１３では、混合した状態の水素とアセトンとを分離する。分離された水素およびアセトンは、それぞれ第二，第三気体用配管１５，１６を介して発熱部１１の発熱反応部２３に供給される。

発熱反応部２３では、供給された水素とアセトンとから、２−プロパノールを生成する。この２−プロパノールを生成する反応は発熱反応であるため、２−プロパノールを生成する際に熱が発生し、発生した熱は、フィン２３Ａによって回収される。こうして回収された熱は、筐体２０を介して熱電変換モジュール３に供給される。

こうして、ヒートポンプ１０を用いて、排気流路２における下流側の熱を、その上流側に配置された熱電変換モジュール３に供給している。したがって、熱電変換モジュール３に供給される熱は、第一排熱回収用フィン２１で回収されたのみの熱よりも多くなるので、熱電変換モジュール３における一側面と反対側面との温度差をより大きなものとすることができる。

ところで、熱電変換モジュール３における熱電変換効率ηは、下記（１）によって表すことができる。

（１）式からわかるように、熱電変換モジュール３における熱電変換効率ηは、熱電変換モジュール３の低温側の温度が一定であれば、熱電変換モジュール３の高温側の温度が高い方が高くなる。したがって、熱電変換モジュール３における熱電変換効率ηを高めることができるので、その分発電量を多くすることができる。

また、熱電変換モジュール３では、熱電変換を行うためにある程度の温度差が必要である。このため、たとえばエンジンの始動直後や排気ガスの流量が少ないときなど、排気ガス中に含まれる熱量が少ない状態では、単に排気ガスから熱を回収するのみでは、熱電変換モジュール３によって発電を行うための熱量に達せず、発電を行うことができないことがある。

これに対して、本実施形態に係る排熱回収装置１では、熱電変換モジュール３が設けられている位置よりも下流側に配置された熱回収部１２で回収した熱を、ヒートポンプ１０を利用することにより、発熱部１１を介して熱電変換モジュール３に供給している。したがって、排気ガス中に含まれる熱量が少ない場合でも、熱電変換モジュール３における発電を行うことができるようになる。

さらに、エンジンの負荷が大きく、排気ガスに含まれる熱量が多い場合には、熱回収部１２で回収した熱を発熱部１１で放出しきれないことがある。この場合には、放出し切れなかった熱をヒートポンプ１０に蓄えておき、負荷が小さくなった時点で再度回収することができる。したがって、システム効率を向上させることができる。

次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図３は、本発明の第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図４（ａ）は、図３のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）は、図３のＤ−Ｄ線断面図である。

図３に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置５は、ヒートポンプ３０を備えている。ヒートポンプ３０は、触媒収容部３１と上記第一の実施形態と同様の熱回収部１２とを有しており、それぞれ排気流路２に設けられている。また、触媒収容部３１は、熱回収部１２の排気流路２の流れ方向上流側に配置されており、触媒収容部３１の下流側に熱回収部１２が配置されている。

触媒収容部３１には、図４（ａ）に示すように、筐体３２が設けられている。筐体３２には、発熱反応部３３が設けられており、この発熱反応部３３に気体の水素およびアセトンが供給され、２−プロパノールが生成される。また、筐体３２には、触媒３４が設けられている。触媒３４は、排気ガスを浄化する触媒であり、活性温度、たとえば３００℃〜４００℃の範囲内における所定の温度以上の温度で十分な浄化性能を発揮するものである。この触媒３４は、排気ガス流路に設けられており、排気ガスは触媒３４を通過する。

さらに、触媒収容部３１には、触媒３４の温度を検出する温度センサ３５が接続されている。温度センサ３５は、触媒３４に直接取り付けられて、触媒３４の温度を検出している。温度センサ３５は、検出した触媒３４の温度を暖機要否判断手段である制御装置３６に出力している。制御装置３６では、検出された触媒３４の温度に基づいて、触媒３４の暖機が必要か否かを判断する。ここでの触媒３４の暖機の要否に応じて、液体輸送ポンプ１７の稼動・非稼動を制御している。他方、図４（ｂ）に示すように、熱回収部１２は、上記第一の実施形態のものと同一の構成を有している。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置５の動作・作用について説明する。

本実施形態に係る排熱回収装置５では、図示しないエンジンから排気ガスが排出されると、この排気ガスは排気流路２を流通する。排気流路２は、触媒収容部３１に形成された触媒３４を通過し、熱回収部１２に形成された第二排気ガス通路２６を流通する。

排気流路２を流通する排気ガスは、触媒３４を通過する際に浄化されて、図示しないマフラーから車外に排出される。ただし、触媒３４の温度が低く、触媒３４の暖機が十分でない状態では、その浄化性能が低くなっている。そこで、触媒３４には、温度センサ３５が設けられており、触媒３４の温度を検出して、制御装置３６に出力している。

制御装置３６は、触媒３４が十分に暖機された状態の温度を記憶している。制御装置３６では、触媒３４が十分に暖機されたときの温度と、温度センサ３５から出力された温度と、を比較する。その結果、触媒３４の温度が十分に暖機された温度となっていないときには、液体輸送ポンプ１７を駆動する。液体輸送ポンプ１７を駆動すると、２−プロパノールが液体用配管１８，１９を流通する。２−プロパノールの流通とともに、第一気体用配管１４には、水素とアセトンの混合気体が流通し、第二，第三気体用配管１５，１６にはそれぞれ水素およびアセトンが流通する。

ここで、触媒収容部３１に設けられた触媒３４では、排気ガスの熱を吸収して暖機がなされるが、吸収し切れなかった熱は熱回収部１２へと移動する。熱回収部１２では、第二排熱回収用フィン２５によって第二排気ガス通路２６を流通する排気ガスに残る熱を吸収している。

この状況下で、液体輸送ポンプ１７を駆動すると、熱回収部１２の吸熱反応部２７では、２−プロパノールが水素とアセトンに分解される吸熱反応が起こり、触媒収容部３１の発熱反応部３３では、水素とアセトンが化合して２−プロパノールが生成される発熱反応が発生する。そして、生成された２−プロパノールは、液体用配管１８，１９を流通して熱回収部１２における吸熱反応部２７に送られる。

こうして、熱回収部１２における熱を触媒収容部３１に供給することができるので、触媒収容部３１に設けられた触媒３４を早期に暖機させることができる。

続いて、本発明の第三の実施形態について説明する。図５は、本発明の第三の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図６（ａ）は、図５のＥ−Ｅ線断面図、（ｂ）は、図５のＦ−Ｆ線断面図、（ｃ）は、図５のＧ−Ｇ線断面図である。

図５に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置６は、ヒートポンプ４０を備えている。ヒートポンプ４０は、上記第一の実施形態と同様の発熱部１１および熱回収部１２を備えるとともに、上記第二の実施形態と同様の触媒収容部３１を備えている。これらのうち、発熱部１１は排気流路２の最上流側に配置され、発熱部１１の下流側に触媒収容部３１が配置されている。また、触媒収容部３１の下流側に、熱回収部１２が配置されている。さらに、触媒収容部３１には、触媒３４の温度を検出する温度センサ３５が取り付けられており、温度センサ３５は、検出した触媒３４の温度を制御装置３６に出力している。

また、本実施形態に係る排熱回収装置６では、セパレータ１３と図６（ａ）に示す発熱部１１における発熱反応部２３とは、第二，第三気体用配管４１，４２を介して接続されており、第二，第三気体用配管４１，４２内を水素およびアセトンがそれぞれ流通する。さらに、第二，第三気体用配管４１，４２の途中位置には、それぞれ選択手段である第一，第二切替バルブ４３，４４が設けられている。この選択手段である第一，第二切替バルブ４３，４４により、熱の供給先を、熱電変換モジュール３または触媒３４のいずれかに選択する。

第一，第二切替バルブ４３，４４は、第二，第三気体用配管４１，４２のほか、第四，第五気体用配管４５，４６にそれぞれ接続されている。第四，第五気体用配管４５，４６は、それぞれ図６（ｂ）に示す触媒収容部３１における発熱反応部３３に接続されており、それぞれ水素およびアセトンが流通する。また、発熱反応部３３は、第三液体用配管４７を介して、液体輸送ポンプ１７に接続されている。その他の点については、上記第一の実施形態と同様の構成を有している。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置の動作、作用について説明する。

本実施形態に係る排熱回収装置６では、図示しないエンジンから排気ガスが排出されると、この排気ガスは排気流路２を流通する。排気流路２は、発熱部１１に形成された第一排気ガス通路２２、触媒収容部３１に設けられた触媒３４、および熱回収部１２に形成された第二排気ガス通路２６をそれぞれ流通する。

排気ガスが第一排気ガス通路２２を流通する際、排気ガスに含まれる熱は第一排熱回収用フィン２１によって回収されて、発熱部１１から排出される。第一排熱回収用フィン２１で回収された熱は、筐体２０を介して熱電変換モジュール３に供給される。発熱部１１から排出された排気ガスは、触媒収容部３１に流入し、触媒３４を流通する。排気ガスは、このときに触媒３４の浄化作用によって浄化され、触媒収容部３１から排出される。

さらに、触媒収容部３１から排出された排気ガスは、熱回収部１２に流入し、第二排気ガス通路２６を流通する。このとき、排気ガスに含まれる熱は第二排熱回収用フィン２５によって回収される。こうして、第二排熱回収用フィン２５で熱を回収された排気ガスは、第二排気ガス通路２６から排出される。

熱回収部１２では、第二排熱回収用フィン２５で回収された熱により、吸熱反応部２７において、２−プロパノールを水素およびアセトンに分解する吸熱反応に利用される。この吸熱反応を伴う分解によって生じた水素およびアセトンは、第一気体用配管１４を流通してセパレータ１３に供給され、セパレータ１３によって水素およびアセトンに分離される。

また、触媒収容部３１に設けられた温度センサ３５では、触媒３４の温度を検出して制御装置３６に出力している。制御装置３６は、触媒３４が十分に暖機された状態の温度を記憶している。制御装置３６では、触媒３４が十分に暖機されたときの温度と、温度センサ３５から出力された温度とを比較する。その結果、触媒３４の温度が十分に暖機された温度となっていないときには、第一，第二切替バルブ４３，４４をそれぞれ第四，第五気体用配管４５，４６側に切り替える。

第一，第二切替バルブ４３，４４を第四，第五気体用配管４５，４６側に切り替えると、熱回収部１２の吸熱反応部２７で生成された水素およびアセトンは、触媒収容部３１における発熱反応部３３に供給される。発熱反応部３３では、水素とアセトンが化合して２−プロパノールが生成される発熱反応が発生する。そして、生成された２−プロパノールは、液体用配管１８，１９を流通して熱回収部１２における吸熱反応部２７に送られる。

こうして、熱回収部１２における熱を触媒収容部３１に供給することができるので、触媒収容部３１に設けられた触媒３４を早期に暖機させることができる。

一方、温度センサ３５で検出された触媒３４の温度が、十分に暖機された温度に到達しているときには、触媒３４を暖機する必要がない。したがって、このときには、制御装置３６は、第一，第二切替バルブ４３，４４を第二，第三気体用配管側に切り替える。第一，第二切替バルブ４３，４４を第二，第三気体用配管側に切り替えると、熱回収部１２の吸熱反応部２７で生成された水素およびアセトンは、発熱部１１における発熱反応部２３に供給される。

発熱反応部２３では、供給された水素とアセトンとから、２−プロパノールを生成する。この２−プロパノールを生成する反応は発熱反応であるため、２−プロパノールを生成する際に熱が発生し、発生した熱は、フィン２３Ａによって回収される。こうして回収された熱は、筐体２０を介して熱電変換モジュール３に供給される。

こうして、熱電変換モジュール３に供給される熱は、第一排熱回収用フィン２１で回収されたのみの熱よりも多くなるので、熱電変換モジュール３における一側面と反対側面との温度差をより大きなものとすることができる。したがって、熱電変換モジュール３における発電量を多くすることができる。

このように、本実施形態に係る排熱回収装置６では、触媒３４の温度に応じて、熱回収部１２で回収された熱の供給先を選択している。このため、触媒３４の温度が活性温度に到達しておらず、触媒３４の暖機が必要なときには、熱回収部１２からの熱を触媒収容部３１に供給している。また触媒３４の温度が活性温度に到達しており、触媒３４の暖機が必要ではないときには、熱回収部１２からの熱を発熱部１１に供給している。こうして、触媒３４の暖機が必要なときには、触媒３４の暖機を早めるとともに、触媒３４の暖機が不要なときには、熱電変換モジュール３における発熱量を多くすることができる。

次に、本発明の第四の実施形態について説明する。図７は、本発明の第四の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図８（ａ）は、図７のＨ−Ｈ線断面図、（ｂ）は、図７のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は、図７のＪ−Ｊ線断面図である。

図７に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置７は、ヒートポンプ５０を備えている。ヒートポンプ５０は、上記第三の実施形態と同様の発熱部１１、熱回収部１２を備えている。また、排気流路２には、触媒収容部５１が設けられている。触媒収容部５１には、図８（ｂ）に示すように、触媒５２が設けられている。触媒５２は、上記第三の実施形態における触媒３４と同様、排気ガスを浄化する触媒であり、活性温度以上の温度で十分な浄化性能を発揮する。

また、本実施形態に係る排熱回収装置６おける熱電変換モジュール３とモジュール冷却部４との間には、スプリング５３が介在されている。このスプリング５３が伸縮することにより、熱電変換モジュール３とモジュール冷却部４とが接触と非接触との状態が切り替えられる。

さらに、モジュール冷却部４に冷却水を供給する液体輸送ポンプ５４が設けられており、液体輸送ポンプ５４には、制御装置３６が接続されている。制御装置３６では液体輸送ポンプ５４を制御しており、液体輸送ポンプ５４を駆動することにより、モジュール冷却部４に冷却水が循環供給される。モジュール冷却部４に冷却水が供給されると、モジュール冷却部４がスプリング５３の付勢力に抗して熱電変換モジュール３に押し付けられ、モジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが接触する。また、液体輸送ポンプ５４を停止すると、モジュール冷却部４に冷却水は供給されず、スプリング５３の付勢力によってモジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とは離反した状態となる。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置の動作、作用について説明する。

本実施形態に係る排熱回収装置７では、図示しないエンジンから排気ガスが排出されると、この排気ガスは排気流路２を流通する。排気流路２は、発熱部１１に形成された第一排気ガス通路２２、触媒収容部５１における触媒５２、および熱回収部１２に形成された第二排気ガス通路２６をそれぞれ流通する。

排気ガスが第一排気ガス通路２２を流通する際、モジュール冷却部４に冷却水が供給され、モジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが接触していると、排気ガスに含まれる熱は第一排熱回収用フィン２１によって回収されて、発熱部１１から排出される。第一排熱回収用フィン２１で回収された熱は、筐体２０を介して熱電変換モジュール３に供給される。発熱部１１から排出された排気ガスは、触媒収容部５１に流入し、触媒５２を流通する。排気ガスは、このときに触媒５２の浄化作用によって浄化され、触媒収容部５１から排出される。

さらに、触媒収容部５１から排出された排気ガスは、熱回収部１２に流入し、第二排気ガス通路２６を流通する。このとき、排気ガスに含まれる熱は第二排熱回収用フィン２５によって回収される。こうして、第二排熱回収用フィン２５で熱を回収された排気ガスは、第二排気ガス通路２６から排出される。

熱回収部１２では、第二排熱回収用フィン２５で回収された熱により、吸熱反応部２７において、２−プロパノールを水素およびアセトンに分解する吸熱反応に利用される。この吸熱反応を伴う分解によって生じた水素およびアセトンは、第一気体用配管１４を流通してセパレータ１３に供給され、セパレータ１３によって水素およびアセトンに分離される。

また、触媒収容部３１に設けられた温度センサ３５では、触媒５２の温度を検出して制御装置３６に出力している。制御装置３６は、触媒５２が十分に暖機された状態の温度を記憶している。制御装置３６では、触媒５２が十分に暖機されたときの温度と、温度センサ３５から出力された温度とを比較する。その結果、触媒５２の温度が十分に暖機された温度となっているときには、液体輸送ポンプ５４を駆動して、モジュール冷却部４に冷却水を供給する。

モジュール冷却部４に冷却水を供給すると、モジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが接触する。モジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが接触し、熱電変換モジュール３の一側面と他側面との間に温度差が生じることにより、熱電変換モジュール３における発電が行われ、発熱部１１における熱が電気に変換される。

このときには、発熱部１１における発熱反応部２３には、熱回収部１２における吸熱反応部２７から供給され、セパレータ１３で分離された水素およびアセトンが流入している。この水素とアセトンとが発熱反応によって２−プロパノールとなることによって発熱し、熱回収部１２における熱が発熱部１１を介して熱電変換モジュール３に供給される。したがって、熱電変換モジュール３における発熱量を多くすることができる。

また、制御装置３６において、温度センサ３５から出力された触媒５２の温度が活性温度に到達していないと判断したら、制御装置３６は、液体輸送ポンプ５４を停止させる。液体輸送ポンプ５４を停止させると、モジュール冷却部４への冷却水の供給が停止され、スプリング５３の付勢力によってモジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが離反する。

モジュール冷却部４と熱電変換モジュール３とが離反すると、熱電変換モジュール３での熱電変換が行われず、発熱部１１における排気ガスからの熱の回収も行われない。したがって、多量の熱を含んだ排気ガスが触媒５２を通過するので、触媒５２の暖機を早めることができる。

しかも、発熱部１１における発熱反応部２３には、熱回収部１２における吸熱反応部２７から供給され、セパレータ１３で分離された水素およびアセトンが流入し、水素とアセトンとが発熱反応によって２−プロパノールとなることによって発熱している。この熱は、第一排熱回収用フィン２１を介して排気ガスに伝達されるので、排気ガスにさらに多くの熱を与えることができ、その分触媒５２の暖機を早めることができる。

次に、第四の実施形態に係る排熱回収装置における発熱部、熱電変換モジュール、およびモジュール冷却部（以下、これらをまとめて「発電装置」という）の変形例について説明する。図９は、第四の実施形態の変形例に係る発電装置の断面図である。

図９に示すように、発電装置８は、筐体６１を備えており、筐体６１には４本の排気流路６２が形成されている。４本の排気流路６２には、図示しないエンジンから排出される排気ガスが流通し、触媒収容部５１の方向に排出される。各排気流路６２には、排気ガスに含まれる熱を回収するためのフィン部材６３が設けられている。フィン部材６３は、伝熱部６３Ａとフィン本体６３Ｂとを備えており、伝熱部６３Ａに複数のフィン本体６３Ｂが取り付けられている。これらの伝熱部６３Ａと複数のフィン本体６３Ｂとは押し出し成形などによって一体的に形成されている。

また、筐体６１の外枠部におけるフィン部材６３に対応する位置には、冷却水ケース６４が取り付けられており、冷却水ケース６４は、内枠６４Ａと外枠６４Ｂとを備えている。このうちの外枠６４Ｂは筐体６１の外枠部に固定されており、内枠６４Ａは外枠６４Ｂに対して相対的に移動可能とされている。

さらに、内枠６４Ａには、スリット状の冷却水流路６４Ｃが形成されており、液体輸送ポンプ５４から供給される冷却水が内枠６４Ａに形成された冷却水流路６４Ｃを流通する。この冷却水流路６４Ｃを冷却水が流通することにより、内枠６４Ａがフィン部材６３側に移動するようになっている。また、外枠６４Ｂの内側であって内枠６４Ａが摺動する部位には、シール部材６４Ｄが設けられており、冷却水流路６４Ｃを流通する冷却水の外部への流出を防止している。

また、内枠６４Ａにおける内側、換言すれば外枠６４Ｂと反対側であってフィン部材６３の伝熱部６３Ａ側には、熱電変換モジュール６５が取り付けられている。冷却水流路６４Ｃに冷却水が流通して内枠６４Ａがフィン部材６３側に移動すると、熱電変換モジュール６５も同方向に移動し、熱電変換モジュール６５とフィン部材６３とが接触する。

さらに、フィン部材６３における伝熱部６３Ａの外側の、冷却水ケース６４の内枠６４Ａとの間であって、熱電変換モジュール６５を囲む位置には、スプリング６６が取り付けられている。スプリング６６は、フィン部材６３における伝熱部６３Ａと冷却水ケース６４の内枠６４Ａとを互いに離反する方向に付勢している。

また、フィン部材６３における伝熱部６３Ａには、発熱反応部６７が設けられている。発熱反応部６７には、セパレータ１３から水素およびアセトンが供給される。これらの水素およびアセトンが発熱反応部６７で発熱反応し、２−プロパノールが生成されるとともに熱が排出される。

以上のような構成の発電装置８を図７に示す発熱部１１、熱電変換モジュール３、およびモジュール冷却部４に代えて取り付ける態様とすることもできる。

さらに、発電装置としては、図１０に示すものを用いることもできる。図１０は、第四の実施形態の他の変形例に係る発電装置の断面図である。

図１０に示すように、この態様に係る発電装置９は、筐体７１を備えており、筐体７１の中央部には、１本の排気流路７２が形成されている。排気流路７２には、複数のフィン７３が設けられている。フィン７３は管状の伝熱部材７４の内側面に取り付けられて設けられており、フィン７３と伝熱部材７４とはたとえば押し出し成形により一体的に形成されている。

また、伝熱部材７４における外周部には、周方向に等間隔をおいて本発明の熱回収部となる８個の伝熱部７４Ａが形成されている。伝熱部７４Ａの外側表面は平面状に形成されており、この平面は、伝熱部材７４における内側断面の半径方向に伸びる線からわずかに外側にオフセットする角度位置となるように配置されている。

これらの伝熱部７４Ａのそれぞれに対応する位置には、熱電モジュール７５が配設されている。この熱電モジュール７５が伝熱部材７４における伝熱部７４Ａと接触することにより、排気流路７２を流通する排気ガスの空気が伝熱部材７４を介して熱電モジュール７５に伝達される。

これらの熱電モジュール７５には、それぞれ冷却水ケース７６が取り付けられている。冷却水ケース７６には、液体輸送ポンプ５４から供給される冷却水流路が形成されており、この冷却液によって熱電モジュール７５を冷却している。

また、筐体７１には、冷却水ケース７６の外側を囲むようにして回転レール７７が設けられており、この回転レール７７は、断面円形状の排気流路７２とほぼ同心状に配置されている。さらに、冷却水ケース７６の外側には、回転レール７７に沿って摺動可能となる回転ガイド部材７８がそれぞれ取り付けられている。

回転ガイド部材７８の中央位置には、ワイヤ７９が貫通した状態で取り付けられている。ワイヤ７９は、８個の回転ガイド部材７８のすべてに繋がれており、ワイヤ７９を引張することにより、回転ガイド部材７８が回転レール７７に摺動しながら移動する。ワイヤ７９の一端部は、図示しないアクチュエータに接続されており、アクチュエータを作動させることにより、ワイヤ７９を引張することができる。

さらに、回転ガイド部材７８には、図示しないスプリングが設けられており、ワイヤ７９が引張されていない状態のときには、熱電モジュール７５が伝熱部７４Ａに接触する方向に回転ガイド部材７８を付勢している。したがって、アクチュエータを作動させることにより、スプリングの付勢力に抗してワイヤ７９が引張され、回転ガイド部材７８が移動する。また、アクチュエータには、制御装置３６からの制御信号が出力される。制御装置３６は、温度センサ３５で検出された触媒５２の温度に基づいて、アクチュエータに制御信号を出力する。この態様では、制御装置３６は、ポンプを制御することなく、アクチュエータを駆動制御している。

また、伝熱部７４Ａには、発熱反応部８０が設けられている。発熱反応部８０には、セパレータ１３から水素およびアセトンが供給される。これらの水素およびアセトンが発熱反応部８０で発熱反応し、２−プロパノールが生成されるとともに熱が排出される。

以上のような構成の発電装置９を図７に示す発熱部１１、熱電変換モジュール３、およびモジュール冷却部４に代えて取り付ける態様とすることもできる。

第一の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。 第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 （ａ）は、図３のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）は、図３のＤ−Ｄ線断面図である。 第三の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 （ａ）は、図５のＥ−Ｅ線断面図、（ｂ）は、図５のＦ−Ｆ線断面図、（ｃ）は、図５のＧ−Ｇ線断面図である。 第四の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 （ａ）は、図７のＨ−Ｈ線断面図、（ｂ）は、図７のＩ−Ｉ線断面図、（ｃ）は、図７のＪ−Ｊ線断面図である。 第四の実施形態の変形例に係る発電装置の断面図である。 第四の実施形態の他の変形例に係る発電装置の断面図である。

符号の説明

１，４，５，６，７…排熱回収装置、２…排気流路、３…熱電変換モジュール、４…モジュール冷却部、８，９…発電装置、１０，３０，４０，５０…ヒートポンプ、１１…発熱部、１２…熱回収部、１２，３３…発熱反応部、１３…セパレータ、１４，１５，１６，４１，４２，４５，４６…気体用配管、１７，５４…液体輸送ポンプ、１８，１９，４７…液体用配管、２０，２４，３２…筐体、２１…第一排熱回収用フィン、２２…第一排気ガス通路、２３…発熱反応部、２３Ａ…フィン、２５…第二排熱回収用フィン、２６…第二排気ガス通路、２７…吸熱反応部、３１，５１…触媒収容部、３４，５２…触媒、３５…温度センサ、３６…制御装置、４３，４４…切替バルブ、５３…スプリング。

Claims (3)

1. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える排熱回収装置において、
   前記排気ガス中の熱を熱媒体による吸熱反応で吸熱する熱回収部と、前記熱媒体の発熱反応によって熱を発生させて前記熱電変換素子に供給する発熱部とを有するヒートポンプを備え、
   前記熱電変換素子が前記発熱部に取り付けられ、前記ヒートポンプにおける前記熱回収部が、前記発熱部よりも、前記排気ガスの流れ方向下流側に配置されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記排気ガスを浄化する触媒が設けられ、
   前記触媒の暖機の要否を判断する暖機要否判断手段を備えており、
   前記暖機要否判断手段により、前記触媒の暖機が必要であると判断したときに、前記ヒートポンプにおける前記熱媒体の熱を前記触媒に供給する請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記ヒートポンプにおける前記熱媒体の熱の供給先を、前記熱電変換素子および前記触媒のいずれかに選択する選択手段を備える請求項２に記載の排熱回収装置。

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