JP4085998B2 - 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排熱回収装置がある。

このような排熱回収装置として、従来、特開２００３−６５０４５号公報に開示された排気熱回収装置がある。この排気熱回収装置は、エンジンの排気系の構成部品にヒートパイプを接続し、このヒートパイプに熱電素子（熱電変換素子）が接続されたものである。また、このエンジンの排気系には、排気ガスを浄化する触媒が設けられている。このように、ヒートパイプを用いることにより、排気系の熱を熱電素子に移動させることにより、熱電素子の発電効率が向上し、エンジン排気熱の回収効率の向上を図っている。
特開２００３−６５０４５号公報

ところで、エンジンの排気系に設けられた触媒は、その活性化温度に到達することにより、本来の浄化性能を発揮するものである。したがって、エンジンの始動時など、触媒が冷えた状態にあるときには、早期に暖機することによって、触媒の浄化性能を早期に発揮することができる。

ところが、上記特許文献１に開示された排気熱回収装置では、排気ガスの熱をヒートパイプで熱電変換素子に移動させてしまうので、触媒に輸送される排気ガスに含まれる熱の量が少なくなってしまう。このため、触媒を暖機するまでに長時間を要してしまうという問題があった。

この問題に対して、たとえば熱電素子をＯＮ−ＯＦＦ制御することにより、触媒の暖機を行うときには、熱電素子をＯＦＦにすることなども考えられる。ところが、このような熱電素子のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うためには、制御装置やＯＮ−ＯＦＦ切り替え手段、さらには触媒の温度を検出する温度センサなどが必要となる。このため、装置が複雑かつ大型化するという問題があった。

そこで、本発明の課題は、複雑な装置を用いることなく、熱電変換素子による発電効率を高めるとともに、触媒の早期の暖機を可能とする簡素な構成の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に係る排熱回収装置は、内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、熱回収部と熱電変換素子との間に取り付けられ、熱回収部の熱を熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、を備え、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度よりも高い温度に設定されているものである。

本発明に係る排熱回収装置では、排気管に取り付けられた熱回収部と熱電変換素子との間にヒートパイプが設けられている。このヒートパイプにより、熱回収部で回収された排気ガスに含まれる熱を熱電変換素子に輸送することができるので、熱電変換素子による発電効率を向上させることができる。

ここで、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度より高いの温度に設定されているので、排気ガスの温度が触媒の活性化温度以下のときには、排気ガスの熱は触媒に伝達される。したがって、触媒の暖機を早期に行うことができる。

また、本発明に係る排熱回収装置では、制御装置やＯＮ−ＯＦＦ切り替え手段、さらには触媒の温度を検出する温度センサなどを必要としない。したがって、簡素な構成の排熱回収装置とすることができる。

ここで、熱回収部と触媒との間に取り付けられ、熱回収部の熱を触媒に伝熱する第二ヒートパイプを備え、第二ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度以下の温度に設定されている態様とすることができる。

このように、熱回収部と触媒との間に第二ヒートパイプを設け、第二ヒートパイプの作動開始温度が触媒の活性化温度以下の温度に設定されている。このため、排気ガスの温度が触媒の活性化温度以下のときに、排気ガスに含まれる熱を触媒に輸送することができるので、触媒の早期の暖機に寄与することができる。

また、上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに排気ガスを浄化する触媒と熱電変換素子との間に取り付けられ、触媒の熱を熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、を備え、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度と同等の温度に設定されているものである。

本発明に係る排熱回収装置では、排気ガスが流通して排気ガスを浄化する触媒と熱電変換素子との間にヒートパイプが設けられており、ヒートパイプの作動温度が、触媒の活性化温度と同等の温度に設定されている。このため、触媒が活性化温度に到達するまでは、排気ガスの熱を触媒に伝達し、触媒が活性化温度に到達した後は、排気ガスの熱がヒートパイプによって熱電変換素子に輸送される。したがって、触媒の暖機が完了するまでは排気ガスの熱を触媒に伝達し、その後の余剰の熱をヒートパイプによって熱電変換素子に移動させることができる。よって、制御装置などの設けることなく、簡素な構成の装置により、触媒の早期の暖機を図るとともに、熱電変換素子による発電効率を高めることができる。

さらに、上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、熱回収部と触媒との間に取り付けられ、熱回収部の熱を触媒に伝熱するヒートパイプと、を備え、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度以下の温度に設定されているものである。

本発明に係る排熱回収装置においては、熱回収部と触媒との間にヒートパイプが設けられ、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度以下の温度に設定されている。このため、排気ガスの温度が触媒の活性化温度以下のときには、熱回収部で回収された熱がヒートパイプによって触媒に輸送される。したがって、制御装置などの設けることなく、簡素な構成の装置により、触媒の早期の暖機を図るとともに、熱電変換素子による発電効率を高めることができる。

また、排気ガスが触媒の活性化温度よりも高い温度となったときには、触媒の熱を、ヒートパイプを介して熱回収部に輸送することができる。したがって、触媒の高温劣化を防止することもできる。

また、上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、熱回収部、触媒、および熱電変換素子の間に取り付けられ、熱回収部の熱を触媒および熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、を備え、ヒートパイプの作動開始温度は、触媒の活性化温度以下の温度に設定されており、熱回収部で回収した熱を触媒に輸送し、その後熱電変換素子に輸送するものである。

本発明に係る排熱回収装置においては、熱回収部と触媒と熱電変換素子とをヒートパイプで接続し、熱回収部で回収した熱をまず触媒に輸送し、その後熱電変換素子に輸送するようにしている。また、ヒートパイプの作動開始温度は触媒の活性化温度以下の温度に設定されている。このため、排気ガスの温度が触媒の活性化温度以下のときであっても、ヒートパイプによって排気ガスの熱を触媒に輸送することができるので、触媒を早期に暖機することができる。また、熱電変換素子に対して排気ガスの熱を輸送することができるので、制御装置などの設けることなく、簡素な構成の装置により、触媒の早期の暖機を図るとともに、熱電変換素子による発電効率を高めることができる。

本発明に係る排熱回収装置によれば、複雑な装置を用いることなく、熱電変換素子による発電効率を高めるとともに、簡素な構成の装置によって、触媒の早期の暖機を可能とすることができる。

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は、図１のＡ−Ａ線断面図、図３は、発電部の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１は、熱源となる内燃機関であるエンジン１および図示しないマフラーに接続された排気管２を備えている。排気管２には、エンジン１から排出される排気ガスが流通する。排気管２には、熱回収部３および触媒４が設けられており、熱回収部３および触媒４は、排気ガスの流れ方向上流側からこの順で配置されている。また、熱回収部３には、ヒートパイプ５の一端側が接続されており、ヒートパイプ５の他端側には、発電部６が接続されている。

熱回収部３は、図２に示すように、筐体１０を備えている。筐体１０の中央部には、排気ガス流路１１が形成されており、排気ガス流路１１は、６本の支持部材１２によって６個の区画に分割されている。また、筐体１０の内側には、排気ガス流路１１方向に突出する熱回収用フィン１３が設けられており、排気ガス流路１１を流れる排気ガスに含まれる熱を吸熱する。

さらに、筐体１０の外周部には、ヒートパイプ５が取り付けられている。ヒートパイプ５は、筐体１０に対して、ヒートパイプ取付部材１４をボルト１５で締め付けることによって筐体１０に取り付けられている。ヒートパイプ５は、排気ガス流路１１の半周を取り囲むように、２本のヒートパイプ５が配置されている。このヒートパイプ５は、排気ガスの流れ方向に離間して、複数設けられている。

触媒４としてはいわゆる三元触媒が用いられており、排気ガス中に含まれる窒素酸化物、一酸化炭素、および炭化水素などの物質を浄化している。この触媒４は、図示しないケースに収容されており、このケース内を流通した排気ガスが触媒４によって浄化される。触媒４の活性化温度は、触媒４の原料等によって異なるが、たとえば３００℃〜４００℃の範囲内の温度となる。

また、ヒートパイプ５は、一端部が熱回収部３に接続され、他端部が発電部６に接続されており、内部に熱媒体が収容されている。熱媒体としては、作動開始温度が触媒活性化温度よりも高い温度のものが用いられ、触媒４の活性化温度よりも高い温度で熱回収部３から発電部６への熱の輸送が行われる。ヒートパイプ５の作動開始温度は、熱媒体の種類および内部圧力などによって設定することができ、たとえば熱媒体としてセシウムを用いた場合には４５０℃〜９００℃、カリウムを用いた場合には５００℃〜１０００℃、ナトリウムを用いた場合には６００℃〜１２００℃とすることができる。

発電部６には、図３に示すように、複数の熱電変換モジュール１６およびこれらの熱電変換モジュール１６に対応するモジュール冷却部１７が設けられている。複数の熱電変換モジュール１６は、ヒートパイプ５の他端部に接触した状態で、ヒートパイプ５の長手方向に離間して配置されている。この熱電変換モジュール１６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。

モジュール冷却部１７は、熱電変換モジュール１６におけるヒートパイプ５と接触している一面側の反対側の他面側に接触して配置されている。モジュール冷却部１７には冷却水流路１７Ａが形成されており、図示しない冷却水流通管と接続されている。この冷却水流路１７Ａに冷却水流通管から冷却水が循環供給されることにより、熱電変換モジュールの他面側が冷却される。

また、熱電変換モジュール１６の一面側は、ヒートパイプ５によって熱回収部３移動させられた熱によって加温されている。こうして、熱電変換モジュール１６の一面側と他面側との間で温度差が生じて、熱電変換モジュール１６における熱電変換による発電が行われる。

モジュール冷却部１７における熱電変換モジュール１６と接触する面の反対側の面には、皿バネ１８が設けられている。この皿バネ１８の付勢力によって、モジュール冷却部１７が熱電変換モジュール１６に押し付けられ、モジュール冷却部１７によって熱電変換モジュール１６の他面側が冷却される。

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Ｍ１では、エンジン１が運転を始めると、エンジン１からは排気管２に向けて排気ガスが排出される。エンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流れ、熱回収部３および触媒４を通過して、図示しないマフラーから車外に排出される。

排気管２を流れ、熱回収部３に流入した排気ガスは、熱回収部３における排気ガス流路１１を流れる。このとき、ヒートパイプ５が作動すると、排気ガス流路１１を流れる排気ガスからは、熱回収用フィン１３によって熱が回収される。熱回収部３は、触媒４よりも排気ガスの流れ方向上流側に配置されている。このため、ヒートパイプ５が作動することにより、排気ガスに含まれる熱が触媒４に奪われることなく、発電部６における熱電変換モジュール１６に輸送することができる。したがって、熱電変換モジュール１６の発電量を多くすることができる。

ここで、本実施形態においてヒートパイプ５は、その作動開始温度が触媒４の活性化温度よりも高い温度とされている。触媒４は、活性化温度以上の温度とならないと十分な浄化性能を発揮することができない。このため、エンジン１の始動時など、触媒４の暖機が十分でないときには、排気ガスの熱は熱電変換モジュール１６による発電に用いることなく、触媒４の暖機に利用することが好適となる。

この点、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１では、排気管２に熱電変換モジュール１６が取り付けられてはいないので、熱電変換モジュール１６に熱が逃げることはない。また、熱回収部３に取り付けられたヒートパイプ５の作動開始温度は触媒活性化温度より高い温度に設定されている。触媒４の暖機が済んでいない状態では、通常、エンジン１も暖機されておらず、エンジン１から排出される排気ガスの温度も低くなっている。

このように、排気ガスの温度が低く、触媒活性化温度以下となっているときには、ヒートパイプ５が作動せず、熱回収部３における熱の回収が行われない。したがって、エンジン１から排出される排気ガスに含まれる熱を触媒４に伝熱することができるので、触媒４の暖機を早期に行うことができる。

また、触媒４およびエンジン１の暖機が済み、排気ガスの温度が高く、触媒活性化温度を超える温度となったときには、ヒートパイプ５の作動が行われる。このときには、熱回収部３における熱回収用フィン１３で回収された排気ガスの熱がヒートパイプ５を通じて熱電変換モジュール１６の一面側に移動させられる。

さらに、熱電変換モジュール１６の他面側では、モジュール冷却部１７に冷却水が循環供給される。こうして、熱電変換モジュール１６における一面側と他面側との間で温度差が生じ、熱電変換モジュール１６による発電が行われる。

このように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１では、排気管２に熱回収部３を取り付け、熱回収部３で回収した熱を、ヒートパイプ５を介して熱電変換モジュール１６に輸送している。熱回収部３は、触媒４よりも排気ガスの流れ方向上流側に配置されているので、触媒４の暖機が済んだ後は、排気ガスに含まれる熱を触媒４に奪われることなく、熱電変換モジュール１６に移動させることができる。したがって、熱電変換モジュール１６における発電量を多くすることができる。

さらに、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１では、ヒートパイプの作動開始温度を適宜設定することにより、排気ガスに含まれる熱を触媒４と熱電変換モジュール１６のいずれに移動するかを変更している。このため、制御装置やＯＮ−ＯＦＦ切り替え手段、さらには触媒４の温度を検出する温度センサを用いる必要がないので、その分装置の簡素化を図ることができる。

次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図４は、第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図５は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。

図４に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２は、エンジン１および図示しないマフラーに接続された排気管２を備えている。排気管２には、エンジン１から排出される排気ガスが流通する。排気管２には、触媒２０が設けられている。触媒２０には、ヒートパイプ５の一端側が接続されており、ヒートパイプ５の他端側には発電部６が接続されている。

触媒２０は、図５に示すように、ケース２１を有している。ケース２１の中央部には、排気管２と接続される排気ガス流路２２が形成されており、排気ガス流路２２には、ケース２１に取り付けられた触媒本体２３が配設されている。触媒本体２３としては、上記第一の実施形態と同様のいわゆる三元触媒が用いられており、排気ガス中に含まれる窒素酸化物、一酸化炭素、および炭化水素などの物質を浄化している。

さらに、ケース２１の外周部には、ヒートパイプ５が取り付けられている。ヒートパイプ５は、ケース２１に対して、ヒートパイプ取付部材２４をボルト２５で締め付けることによってケース２１に取り付けられている。ヒートパイプ５は、排気ガス流路２２の半周を取り囲むように、２本のヒートパイプ５が配置されている。このヒートパイプ５は、排気ガスの流れ方向に離間して、複数設けられている。排気ガス流路２２を流れる排気ガスの熱は、触媒本体２３を通じてケース２１に伝熱される。ケース２１に伝熱された熱は、ヒートパイプ５を介して発電部６へと伝熱される。

ヒートパイプ５の作動開始温度は、触媒本体２３の活性化温度とほぼ同等の温度となるように設定されている。また、発電部６は、図３に示す上記第一の実施形態と同様の構成を有しており、熱電変換モジュール１６およびモジュール冷却部１７等が設けられている。

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Ｍ２では、エンジン１が運転を始めると、エンジン１からは排気管２に排気ガスが排出される。エンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流れ、触媒２０を通過して図示しないマフラーから排出される。

排気管２を流れ、触媒２０に流入した排気ガスは、触媒２０における排気ガス流路２２を流れる。排気ガス流路２２には、触媒本体２３が設けられているので、排気ガス流路２２を流れる排気ガスの熱は、触媒本体２３に伝熱される。

また、触媒２０には、ヒートパイプ５が接続されている。このヒートパイプ５が作動することにより、触媒本体２３に輸送された熱は、ケース２１を介してヒートパイプ５に伝達される。さらに、この熱は、ヒートパイプ５によって、熱電変換モジュール１６の一面側に輸送される。

ここで、ヒートパイプ５の作動開始温度は、触媒本体２３の活性化温度とほぼ同等の温度に設定されている。このため、触媒本体２３が活性化温度に到達するまでは、ヒートパイプ５は作動せず、排気ガスに含まれる熱は、触媒本体２３に伝熱される。触媒本体２３は、活性化温度に到達することにより、本来の浄化性能を発揮することができるので、触媒本体２３が活性化温度に到達するまでは、排気ガスに含まれる熱が触媒本体２３に伝熱されることにより、触媒本体２３を早期に暖機することができる。

触媒本体２３が活性化温度に到達した後は、ヒートパイプ５が作動する。ヒートパイプ５が作動することにより、触媒本体２３に伝達された熱は、ケース２１およびヒートパイプ５を介して発電部６における熱電変換モジュール１６に輸送される。したがって、触媒本体２３の暖機が済んだ後は、熱電変換モジュール１６に多くの熱を移動させることができるので、熱電変換モジュール１６における発電量を多くすることができる。

さらに、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２では、ヒートパイプの作動開始温度を適宜設定することにより、排気ガスに含まれる熱を触媒本体２３と熱電変換モジュール１６のいずれに移動するかを変更している。このため、制御装置やＯＮ−ＯＦＦ切り替え手段、さらには触媒４の温度を検出する温度センサを用いる必要がないので、その分装置の簡素化を図ることができる。

続いて、本発明の第三の実施形態について説明する。図６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７は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。

図６に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３は、図４に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２は、エンジン１および図示しないマフラーに接続された排気管２を備えている。排気管２には、エンジン１から排出される排気ガスが流通する。排気管２には、熱回収部３および触媒４が設けられている。熱回収部３および触媒４は、排気ガスの流れ方向上流側からこの順で配置されている。

熱回収部３には、ヒートパイプ５の一端側が接続されており、ヒートパイプ５の他端側は発電部６に接続されている。さらに、熱回収部３には、第二ヒートパイプ３０の一端側が接続されており、第二ヒートパイプ３０の他端側は触媒４の外面部に接続されている。ヒートパイプ５は、上記第一の実施形態と同様、その作動開始温度が触媒４の活性化温度より高い温度に設定されている。一方、第二ヒートパイプ３０は、その作動開始温度が、触媒４の活性化温度よりも低い温度に設定されている。また、第二ヒートパイプ３０の作動温度は、ヒートパイプ５の作動開始温度とほぼ同程度の温度に設定されている。このため、排気ガスの温度がヒートパイプ５の作動温度に到達すると、第二ヒートパイプ３０の内部の熱媒体がドライアウトし、熱の輸送ができなくなるように設定されている。

図７に示すように、筐体１０に対して、ヒートパイプ取付部材１４によって複数のヒートパイプ５および第二ヒートパイプ３０が取り付けられている。これらのヒートパイプ５および第二ヒートパイプ３０は、排気ガスの流れ方向に沿って離間して交互に配置されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３では、エンジン１が運転を始めると、エンジン１からは排気管２に向けて排気ガスが排出される。エンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流れ、熱回収部３および触媒４を通過して、図示しないマフラーから車外に排出される。

排気管２を流れ、熱回収部３に流入した排気ガスは、熱回収部３における排気ガス流路１１を流れる。このとき、排気ガスの温度によって、ヒートパイプ５および第二ヒートパイプ３０の作動状況が変わる。エンジン１の暖機が済んでいないときには、排気管２を流れる排気ガスの温度が低い状態にある。エンジン１の暖機が済んでいない状態では、通常、触媒４の暖機も済んでいない。排気管２を流れる排気ガスの温度が低く、触媒４の活性化温度以下となっているときには、ヒートパイプ５は作動せず、第二ヒートパイプ３０が作動する。

第二ヒートパイプ３０が作動すると、図８（ａ）に示すように、熱回収部３における熱回収用フィン１３で回収された排気ガスの熱は、触媒４の外面へと輸送され、発電部６へは輸送されない。このように、熱回収部３で回収された熱が触媒４へと輸送されることにより、触媒４は外側から暖機される。また、触媒４には、熱回収部３である程度の熱は回収されているが、いまだ熱が残る排気ガスが流れるので、触媒４は内側からも暖機される。このように、触媒４を外側と内側との両方から暖機することにより、触媒４を早期に暖機することができる。

また、エンジン１の暖機が済んだ後は、排気管２には高温の排気ガスが流れる。エンジン１の暖機が済んでいれば、通常、触媒４の暖機も済んでいる。排気管２を流れる排気ガスの温度が高く、触媒４の活性化温度よりも高い温度となっているときには、ヒートパイプ５が作動する。一方、第二ヒートパイプ３０では熱媒体がドライアウトするので、熱の輸送は行われず、第二ヒートパイプ３０は作動しない。

ヒートパイプ５が作動すると、図８（ｂ）に示すように、熱回収部３における熱回収用フィン１３で回収された排気ガスの熱は、発電部６における熱電変換モジュール１６の一面側に輸送され、触媒４には輸送されない。

このように、２個の作動開始温度の異なるヒートパイプ５，３０を用いることにより、排気ガスの温度、ひいてはエンジン１や触媒４の暖機状態に応じて、熱回収部３で回収された熱の輸送先を変更することができる。そして、排気ガスの温度が触媒４の活性化温度以下となっているときには、熱回収部３で回収した熱を触媒４に輸送し、排気ガスの温度が触媒４の活性化温度よりも高くなっているときには、熱回収部３で回収した熱を発電部６における熱電変換モジュール１６の一面側に輸送している。

したがって、触媒４の暖機が済んでいないときには、触媒４の多くの熱を輸送することができるので、触媒４の暖機を早期に行うことができる。また、触媒４の暖機が済んだ後は、多くの熱を熱電変換モジュール１６に輸送す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。

さらに、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３では、作動開始温度の異なる２個のヒートパイプ用いることにより、排気ガスに含まれる熱を触媒４と熱電変換モジュール１６のいずれに移動するかを変更している。このため、制御装置やＯＮ−ＯＦＦ切り替え手段、さらには触媒４の温度を検出する温度センサを用いる必要がないので、その分装置の簡素化を図ることができる。

続いて、本発明の第四の実施形態について説明する。図９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である。

図９に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４は、エンジン１および図示しないマフラーに接続された排気管２を備えている。排気管２には、エンジン１から排出される排気ガスが流通する。排気管２には、触媒４および熱回収部３が設けられている。触媒４および熱回収部３は、排気ガスの流れ方向上流側からこの順で配置されている。

熱回収部３には、ヒートパイプ５の一端部が接続され、ヒートパイプ５の他端部が触媒４に接続されている。ヒートパイプ５０の作動開始温度は、触媒４の活性化温度を中心として、広い範囲となるように設定されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４では、エンジン１が運転を始めると、エンジン１からは排気管２に排気ガスが排出される。エンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流れ、触媒４および熱回収部３を通過して図示しないマフラーから排出される。

排気管２を流れ、触媒４に流入した排気ガスは、エンジン１および触媒４の暖機が済んでいないときには、触媒４を暖機して下流側に排出される。ここで、触媒４では、排気ガスの熱が回収されるものの、排気ガス中に含まれる熱を完全に伝達することができない。これに対して、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４では、触媒４の下流側に熱回収部３が設けられている。

触媒４から排出された排気ガス中には、いまだ熱が含まれているが、触媒４の下流側に設けられた熱回収部３によって、排気ガス中に残存する熱を回収する。熱回収部３と触媒４との間には、ヒートパイプ５が設けられている。このため、熱回収部３で回収した熱を触媒４に輸送することができる。こうして、触媒４で回収し切れなかった排気ガス中の熱を熱回収部３で回収して、ヒートパイプ５を介して触媒４に輸送することにより、触媒４を早期に暖機することができる。

また、エンジン１および触媒４の暖機が済んだ後は、排気管２には熱を多く含む排気ガスが流入する。このときには、触媒４の暖機も済んでおり、触媒４は外部と内部との温度差がほとんどなくなっている。熱を多く含む排気ガスは、排気管２から触媒４に流入する。ところが、このときには触媒４の暖機も済んでいるので、多量の熱が触媒４に輸送されると、触媒４の高温劣化を誘発する原因となる。

この点、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４では触媒４と熱回収部３との間にヒートパイプ５が設けられている。また、触媒４は内部と外部との温度差がなくなっていることから、触媒４は、熱回収部３よりも高温となっている。このため、ヒートパイプ５により、触媒４に輸送された余剰の熱を熱回収部３に輸送することができる。このようにして、余剰の熱を熱回収部３に輸送することにより、触媒４の高温劣化を防止することができる。

また、上記第四の実施形態では、熱電変換モジュールを設けていないが、たとえば熱電変換モジュールを、排気管２における熱回収部３よりも排気ガスの流れ方向下流側に配置して設ける態様とすることもできる。

この態様では、触媒４の暖機が済むまでは、熱電変換モジュールによる発電は行われないので、触媒４の暖機を早期に行うことの妨げとはならないようにすることができる。さらに、触媒４の暖機が済んだ後は、触媒４からヒートパイプ５を介して熱回収部３に輸送された熱を熱電変換モジュールによる発電に利用することができる。また、熱回収部３に対して、触媒４の活性化温度よりも高い作動開始温度のヒートパイプを介して熱電変換モジュールを接続することによっても、同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第五の実施形態について説明する。図１０は、（ａ）、（ｂ）とも、本発明の第五の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。

図１０（ａ）に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ５は、エンジン１および図示しないマフラーに接続された排気管２を備えている。排気管２には、エンジン１から排出される排気ガスが流通する。排気管２には、熱回収部３および触媒４が設けられている。これらの熱回収部３および触媒４は、排気ガスの流れ方向上流側からこの順で配置されている。

熱回収部３には、ヒートパイプ５０の一端側が接続されており、ヒートパイプ５０の他端側は発電部６に接続されている。また、ヒートパイプ５０は、触媒４を通過するようにして配置されている。ヒートパイプ５０の作動開始温度は、触媒４の活性化温度以下の温度であり、触媒４の活性化温度より高い温度では、触媒４における熱媒体の液化が不能となり、触媒４への熱輸送が不能となるように設定されている。

以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ５においては、エンジン１が運転を始めると、エンジン１からは排気管２に排気ガスが排出される。エンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流れ、熱回収部３および触媒４を通過して図示しないマフラーから排出される。

排気管２を流れ、熱回収部３に流入した排気ガスは、熱回収部３において排気ガスに含まれる熱の回収が行われる。熱回収部３で回収された熱は、ヒートパイプ５を介して触媒４および発電部６へと輸送される。ヒートパイプ５によって触媒４に輸送された熱は、触媒４の温度が活性化温度に到達する前では、触媒４へと輸送される。触媒４では、ヒートパイプ５によって熱回収部３から輸送された熱により、暖機が促進される。こうして、触媒４の暖機を早めることができる。

また、エンジン１および触媒４の暖機が済み、排気ガスの温度が高くなった後は、ヒートパイプ５の熱媒体は、触媒４における液化が不能な状態となっている。したがって、熱回収部３で回収された熱が触媒４を通過して、発電部６にへと輸送され、熱媒体は発電部６で液化する。こうして、発電部６に熱が輸送され、この熱が発電部６における熱電変換モジュール１６の一面側に伝熱されることにより、熱電変換モジュール１６における発電効率を向上させる。

このように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ５では、触媒４の暖機が済むまでは、熱回収部３で回収された熱が触媒４に輸送され、触媒４の暖機が済んだ後は、熱電変換モジュール１６へと輸送される。したがって、触媒４の暖機を早めるとともに、熱電変換モジュール１６による発電効率を高めることができる。

さらに、本実施形態では、触媒４よりも排気ガスの流れ方向上流側に熱回収部３を設けているが、図１０（ｂ）に示すように、触媒４よりも排気ガスの流れ方向下流側に熱回収部３を設ける態様とすることもできる。この態様では、発電部６用と触媒４の暖機用との熱回収部を別個に設けることなく、一体的に設けることができる。

第一の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 発電部の断面図である。 第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 図４のＢ−Ｂ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。 図６のＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）は、暖機を行っている際の排熱回収装置における熱の流れを示す図、（ｂ）は、暖機が済んだ後の排熱回収装置における熱の流れを示す図である。 第四の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。 （ａ）、（ｂ）とも、第五の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。

符号の説明

１…エンジン、２…排気管、３…熱回収部、４，２０…触媒、５，３０，５０…ヒートパイプ、６…発電部、１０…筐体、１１…排気ガス流路、１２…支持部材、１３…熱回収用フィン、１４…ヒートパイプ取付部材、１５…ボルト、１６…熱電変換モジュール、１７…モジュール冷却部、１７Ａ…冷却水流路、１８…皿バネ、２１…ケース、２２…排気ガス流路、２３…触媒本体、２４…ヒートパイプ取付部材、２５…ボルト、５０…ヒートパイプ、Ｍ１〜Ｍ５…排熱回収装置。

Claims (5)

1. 内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに前記排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、
   熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、
   前記熱回収部と前記熱電変換素子との間に取り付けられ、前記熱回収部の熱を前記熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、
   を備え、
   前記ヒートパイプの作動開始温度は、前記触媒の活性化温度よりも高い温度に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記熱回収部と前記触媒との間に取り付けられ、前記熱回収部の熱を前記触媒に伝熱する第二ヒートパイプを備え、
   前記第二ヒートパイプの作動開始温度は、前記触媒の活性化温度以下の温度に設定されている請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、
   内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに前記排気ガスを浄化する触媒と前記熱電変換素子との間に取り付けられ、前記触媒の熱を前記熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、
   を備え、
   前記ヒートパイプの作動開始温度は、前記触媒の活性化温度と同等の温度に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
4. 内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、前記排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、
   熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、
   前記熱回収部と前記触媒との間に取り付けられ、前記熱回収部の熱を前記触媒に伝熱するヒートパイプと、
   を備え、
   前記ヒートパイプの作動開始温度は、前記触媒の活性化温度以下の温度に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
5. 内燃機関から排出される排気ガスが流通するとともに、前記排気ガスを浄化する触媒が設けられた排気管に取り付けられた熱回収部と、
   熱電交換による発電を行う熱電変換素子と、
   前記熱回収部、前記触媒、および前記熱電変換素子の間に取り付けられ、前記熱回収部の熱を前記触媒および前記熱電変換素子に伝熱するヒートパイプと、
   を備え、
   前記ヒートパイプの作動開始温度は、前記触媒の活性化温度以下の温度に設定されており、
   前記熱回収部で回収した熱を前記触媒に輸送し、その後前記熱電変換素子に輸送することを特徴とする排熱回収装置。

Images