JP4276610B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は排熱回収装置に関するものである。

従来から、内燃機関、原動機、焼却炉等の排ガスから熱電素子を備えた熱電モジュールを用いて排熱を回収し、発電を行なうようにした排熱回収装置が知られている。而して、内燃機関の排ガスから熱電モジュールにより排熱を回収して発電を行なうようにしたものとしては、例えば、特許文献１がある。

特許文献１では、エンジンの排気マニホールド外側部及び触媒ケースの外側部に熱電素子を取付けている。
特開平１１−２５７０６４号公報

しかしながら、従来の排熱回収装置では、排熱の回収は充分とはいえず、期待どおりの省エネルギ効果を果たしているとはいえない。

本発明は、上述の実情に鑑み、熱電モジュールの適用範囲を拡大することにより、更に排熱を効果的に回収して発電を行い得るようにした排熱回収装置を提供することを目的としてなしたものである。

請求項１の排熱回収装置は、シリンダヘッド内に設けた、内燃機関からの排ガスが流通する断面形状が上方へ向けて凸状の排気ポートと該排気ポートの上側に位置する冷却水路との間に、前記シリンダヘッド内に位置するよう、平板状の熱電モジュールを装着したものである。

請求項２の排熱回収装置においては、熱電素子は、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的に直列に接続されたものである。

本発明の請求項１、２記載の排熱回収装置によれば、内燃機関の排気ガスから、熱電モジュールにより熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電モジュールの適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排熱を効果的に回収することができる、という優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の実施の形態の参考例で、熱電モジュールを排気マニホールドの外側に装着した例である。図１中、１はターボチャージャ２を備えたディーゼルエンジンであり、エアクリーナ３から導かれた吸気４は吸気管５を通してターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ導入されて加圧され、加圧された吸気４はインタークーラ６からインテークマニホールド７を経てディーゼルエンジン１の各気筒に分配され、導入されるようになっている。

又、ディーゼルエンジン１の各気筒から排気マニホールド８を通り排出された排気ガス９は、ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送給され、タービン２ｂを駆動した排気ガス９は排気管１０を通り下流側へ送給されるようになっている。

更に、排気マニホールド８の上方には、シリンダヘッド１１内に設けた冷却水流路１２からの冷却水１３の少なくとも一部が流通するようにした冷却水流路１４を備えたケーシング１５が、シリンダヘッド１１と一体的に設けられており、排気マニホールド８とケーシング１５とにより形成される空間１６には、熱電モジュール１７が配置されている。

熱電モジュール１７は、ｐ型熱電素子１８とｎ型熱電素子１９とを備え、両熱電素子１８，１９の一端面、すなわち、排気マニホールド８の上面側には、両熱電素子１８，１９を連結するように電極板２０が固設されている。ｐ型熱電素子１８の他端面、すなわち、ケーシング１５の下面側には、電極板２１が、又、ｎ型熱電素子１９の他端面、すなわち、ケーシング１５の下面側には、電極板２２が、夫々固設されている。熱電素子１８，１９としては、例えばＢｉ−Ｔｅ系が使用され、電極板２０，２１，２２としては、銅合金等の熱伝導性及び電導性が良好な材料が使用される。ｐ型熱電素子１８及びｎ型熱電素子１９は、図では一対のみ示しているが、実際には複数対の熱電素子１８，１９が配列されて電気的に直列に接続されている。

電極板２０の下面側には、絶縁材２３が固設され、電極板２１，２２の上面には、絶縁材２４が固設されている。絶縁材２３，２４としては、例えば、アルミナ、窒化アルミ等のセラミックが使用される。

熱電モジュール１７は絶縁材２３を介して排気マニホールド８の上面に装着されており、絶縁材２４を介してケーシング１５の下面に装着されている。而して、本図示例の排熱回収装置においては、排気ガス９が排気マニホールド８内を矢印方向へ送給されると共に、冷却水流路１２からの冷却水１３が冷却水流路１４内を矢印方向へ送給されて循環するようになっている。このため、ｐ型熱電素子１８及びｎ型熱電素子１９の電極板２０側は加熱され、ｐ型熱電素子１８の電極板２１側及びｎ型熱電素子１９の電極板２２側は冷却されるようになっており、その結果、熱電素子１８，１９の両端面に温度差により電位差が生じ（ゼーベック効果）、電位差により生じた電流は負荷に給電されるようになっている。

次に、上記した実施の形態の参考例の作動を説明する。
ディーゼルエンジン１の運転時に各気筒から排出された排気ガス９は排気マニホールド８を通ってターボチャージャ２のタービン２ｂへ導入されると共に、ディーゼルエンジン１冷却のために冷却水流路１２に供給された少なくとも一部の冷却水１３は、ケーシング１５の冷却水流路１４へ導入され、例えば、矢印方向へ流れた後図示していない径路を経て循環する。

この際、排気ガス９の温度により熱電モジュール１７の電極板２０側が加熱され、冷却水１３により電極板２１，２２側が冷却されるため、熱電素子１８，１９の両端面に温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流は負荷に給電される。

本図示例によれば、排気マニホールド８に導入された排気ガス９から、熱電モジュール１７により熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電モジュール１７の適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排熱を効果的に回収することができる。

図３、図４は本発明の実施の形態の一例で、熱電モジュールをシリンダヘッド内に設けた例である。図中、２５は図示してないクランク軸の回転よりコネクティングロッド２６を介しシリンダライナ２７内を昇降するピストン、２８はシリンダヘッド１１に形成されて排気バルブ２９が開くことにより燃焼室３０から排気された排気ガス９を排気マニホールド８へ導くための排気ポートであり、熱電モジュール１７はシリンダヘッド１１に形成された排気ポート２８と冷却水流路１２との間に位置するよう、シリンダヘッド１１内に設けた孔内に装着されている。

熱電モジュール１７の基本的構成は図１、図２に示すものと同様であり、図４中、図２に示すものと同一の符号のものは同一のものを示す。但し、排気ポート２８内の排気ガス９は最高で約７００℃と高温であるため、熱電素子１８，１９は高温度に耐え得る材質とする。すなわち、熱電素子１８，１９の材質としては、例えば、酸化物系の場合は、ＮａｘＣｏｘＯｘ、又は、ＣａｘＣｏｘＯｘ、若しくは、ＺｎｘＡｌｘＯｘ等を用い、Ｆｅ系の場合は、ＦｅｘＳｉｘ、ＦｅｘＶｘ、ＦｅｘＭｎｘ等を用いる。

本図示例の場合は、ディーゼルエンジン１の運転時に燃焼室３０から排気された排気ガス９は排気ポート２８を矢印方向へ送給されて排気マニホールド８へ送給されると共に、ディーゼルエンジン１冷却のために冷却水流路１２中を冷却水が流通する。

この際、排気ポート２８を流通する排気ガス９の温度により熱電モジュール１７の電極板２０側が加熱され、冷却水により電極板２１，２２側が冷却されるため、熱電素子１８，１９の両端面に温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流は負荷に給電される。

本図示例の場合は、燃焼室３０から排気されて排気ポート２８を流通する排気ガス９から、熱電モジュール１７により熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電モジュール１７の適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排熱を効果的に回収することができる。

なお、本発明の排熱回収装置においては、熱電モジュールにより生成した電流を負荷へ送給する場合について説明したが、蓄電するようにしても実施可能なこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

熱電モジュールが排気マニホールドの外側面に装着された本発明の排熱回収装置の参考例を示す、ディーゼルエンジンを含む平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向矢視図である。 熱電モジュールがシンリンダヘッド内に装着された本発明の排熱回収装置の一例を示す、ディーゼルエンジン気筒部の縦断面図である。 図３のＩＶ部拡大図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
８ 排気マニホールド
９ 排気ガス
１１ シリンダヘッド
１２ 冷却水流路
１３ 冷却水
１４ 冷却水流路
１５ ケーシング
１７ 熱電モジュール
１８ ｐ型熱電素子
１９ ｎ型熱電素子
２８ 排気ポート

Claims (2)

1. シリンダヘッド内に設けた、内燃機関からの排ガスが流通する断面形状が上方へ向けて凸状の排気ポートと該排気ポートの上側に位置する冷却水路との間に、前記シリンダヘッド内に位置するよう、平板状の熱電モジュールを装着したことを特徴とする排熱回収装置。
2. 熱電素子は、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的に直列に接続されたものである請求項１記載の排熱回収装置。

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