JP4285144B2

JP4285144B2 - 排熱エネルギ回収装置

Info

Publication number: JP4285144B2
Application number: JP2003287077A
Authority: JP
Inventors: 俊武佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP2005057908A

Description

本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して回収する排熱エネルギ回収装置に関する。

エンジンから排出される排気ガスなどからエネルギを回収しようとする試みがなされている。この排気ガスの有する熱エネルギは、その一部が排気浄化触媒の温度を活性温度まで上昇させるために利用されたり、車室内の暖房などに利用されるが、その以外の大部分は利用されずに放散される。そこで、排気ガスが有する熱を熱電変換素子を用いて電気エネルギに変換し、電気エネルギとして回収することがなされている。このような排熱エネルギ回収装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却水などを通した冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュール（熱電変換素子）を配設し、この高温側と低温側との温度差に応じて生じる電気エネルギを回収している［特許文献１］。
特開平６−９８４７７号公報

上述した従来の排熱エネルギ回収装置においては、熱電変換素子を排気管の周囲に並べただけであり、排気ガスの熱を熱電変換素子に効率よく伝熱させていないものであった。排気ガスの熱が効率よく伝熱されないため、上述した温度差を大きく確保することができず、エネルギ変換効率がよくなかった。このため、さらなるエネルギ変換効率向上が要望されていた。従って、本発明の目的は、良好な変換効率の得られる排熱エネルギ回収装置を提供することにある。

請求項１に記載の排熱エネルギ回収装置は、気体の持つ排熱エネルギを電気エネルギに変換して回収するもので、気体を通す気体通路、この気体通路に接して配設された熱電変換素子を有する熱電変換ユニットを備えている。この熱電変換ユニットの気体通路の流れ方向に直角な断面において、気体通路が、熱電変換ユニットの中心近傍から外縁近傍まで少なくとも三方に向けて等間隔に放射状に配列されている。また、上述した断面において、熱電変換素子が、各気体通路の各側方（熱電変換ユニットの中心側及び外縁側ではない）にそれぞれ配設されている。

なお、ここでは、熱電変換ユニットの気体通路の流れ方向に直角な断面において説明しているが、気体通路はこの断面に垂直な方向に分断されることなく連続して気体の流路を形成している。しかし、各熱電変換素子は、この断面に垂直な方向に複数個並べられていても構わない。熱電変換ユニットの任意の断面において、上述した構成が構築されていれば本発明の範囲内である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排熱エネルギ回収装置において、熱電変換ユニットが冷却液を通す冷却液通路をさらに有している。熱電変換ユニットの気体通路の流れ方向に直角な断面において、この冷却液通路が、隣接する二つの気体通路の間に形成された各空間ごとに一つずつ配設されている。このため、熱電変換素子が、一つの冷却液通路ごとに隣接する一方の気体通路と他方の気体通路との間にそれぞれ配設されている。

なお、ここでも、熱電変換ユニットの気体通路の流れ方向に直角な断面において説明しているが、各冷却液通路は、上述した断面に垂直な方向に分断されることなく連続して冷却液の流路を形成してもよいし、上述した断面に垂直な方向に複数の区画に分割されてもよい。熱電変換ユニットの任意の断面において、上述した構成が構築されていれば本発明の範囲内である。

請求項１に記載の排熱エネルギ回収装置によれば、気体通路の流れ方向に直角な断面において、気体通路が熱電変換ユニットの中心近傍から外縁近傍まで放射状に配列されると共に、熱電変換素子が各気体通路の側方にそれぞれ配設されている（上述した断面において、各気体通路ごとに二つずつ配設されている）。このため、気体流と熱電変換素子との距離を短くできると共に、気体流の大部分を少なくとも三組の熱電変換素子間を通過させることによって、気体流の持つ熱の大部分を有効に利用することができる。この結果、エネルギを効率よく回収することができる。

請求項２に記載の排熱エネルギ回収装置によれば、冷却液通路を設けることで、気体通路内の気体流の温度と冷却液通路内の冷却水の温度差を大きく確保し、より多くのエネルギを回収することが可能となる。そして、このとき、冷却液通路を二つの気体通路の間に設けることで、一つの冷却液通路で二つの熱電変換素子を受け持たせることが可能となり、冷却液通路の数を最小限にしてスペース効率よく簡便に配設することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の排熱エネルギ回収装置の実施形態を説明する。図１は、第一実施形態の適用状況を示す斜視図である。本実施形態の排熱エネルギ回収装置１は、車両２に搭載されており、内燃機関であるエンジン（図示せず）から排出される排気ガスの持つ熱エネルギを電気エネルギに変換する。変換した電気エネルギはバッテリに充電したり、エンジンや補機類の駆動電力として利用される。上述したように、内燃機関によって走行する車両において、内燃機関の発する熱のほとんどは排熱として利用されずに放出されている。ここでは、無駄に捨てられている排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して効率よく回収する。

本実施形態の排熱エネルギ回収装置１は、四気筒エンジンのエキゾーストマニホールド３の直下に配設されている。排熱エネルギ回収装置の下流側からは排気管４が導出されている。排気管４上には、排気浄化触媒５、サブマフラ６、メインマフラ７などが配設されている。排熱エネルギ回収装置１を図２に拡大して示す。排熱エネルギ回収装置１は、主として気体通路８、冷却液通路９、熱電変換素子１０、フレーム１１からなる熱電変換ユニット１２として構築されている。図２においては、気体通路８及び冷却液通路９に関しては、気体通路８内の気体流の流れに対して直角な方向で切断した断面（以下、基準断面と呼ぶこととする）として示されている。

気体通路８の一端は上述したエキゾーストマニホールド３下流側の集合部に連通しており、他端は上述した排気管４に連通している。冷却液通路９の両端は、環状に閉じた循環路に接続されており、この循環路上にはクーラー及びポンプが配設されている。これらの循環路、クーラー、及び、ポンプは図示されていない。クーラーはラジエターなどと同様の構造を有するもので、潤滑路内の冷却液を空冷する。ポンプは循環路内の冷却液を循環させるものである。本実施形態においては、この冷却系はエンジン冷却水とは独立して設けられている。気体通路８は、上述した基準断面において十字状の形態を示す金属製の管材によって形成されており、四つの気体通路８がこの管材の内部に構築されている。四つの気体通路８は、熱電変換ユニット１２の中心近傍から外縁近傍まで四方向に向けて等間隔に放射状に配列されている。

本実施形態の場合、四つの気体通路８は、熱電変換ユニット１２の中心部分で結合されている。さらに、各気体通路８内には、後述する熱電変換素子１０が接触されている対向する一対の壁部の間に複数のフィンが架設されている。各気体通路８は、上述したように放射状に形成されるために熱電変換素子１０が接している一対の壁部間の距離は狭くなり、内部を通る排気ガスの熱は熱電変換素子１０の接している壁部（即ち、熱電変換素子１０）に伝達されやすくなる。また、この壁部間には上述した複数のフィンが架設されており、このフィンによって、内部を通過する排気ガスの持つ熱を熱電変換素子１０の接触している壁部（即ち、熱電変換素子１０）により効率よく伝えることができるようになされている。

そして、基準断面において、隣接する二つの気体通路８の間に形成された各空間ごとに、冷却液通路９が一つずつ配設されている。各冷却液通路９はほぼ三角形の断面を有する金属製の管材によって形成されており、この管材の熱電変換素子１０の接している壁部内側からは、フィンが立設されている。このフィンは、熱電変換素子１０の接している壁部（即ち、熱電変換素子１０自体）から効率よく熱を奪うために設けられている。そして、一つの冷却液通路９とこれに隣接する二つの気体通路８との間に、熱電変換素子１０がそれぞれ配設されている。

本実施形態の場合、熱電変換素子１０は気体通路８の流れ方向に四段に並べられて配設されている。熱電変換素子１０としては、公知のものが用いられており、例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系などの半導体材料である。熱電変換素子１０は、一つの気体通路８の各側方にそれぞれ配設されているので、合計で３２個配設されている。熱電変換素子１０は、図示されないコントロールユニットに接続されており、このコントロールユニットが、熱電変換素子１０によって発生された起電力からの電気エネルギの回収を制御している。

熱電変換素子１０は、高温側（ここでは気体通路８側）と低温側（ここでは冷却液通路９側）との間の温度差に基づいて起電力を発生するものである。また、この高温側−低温側間の温度差が大きいほど大きな起電力が得られる。大きな起電力を得ることはエネルギ回収効率を向上させることに繋がる。上述したように、低温側に冷却液通路９を配設することで温度差を大きく確保でき、エネルギ回収効率を向上させることができる。さらに、上述したように冷却液通路９内部にフィンを形成させることで熱電変換素子１０の低温側温度をより低くして、エネルギ回収効率をより一層向上させることができる。

ここで、気体通路８を形成する管材の外表面と熱電変換素子１０との間や、冷却液通路９を形成する管材の外表面と熱電変換素子１０との間に隙間が形成されてしまうと、熱伝導が阻害されてしまう。即ち、気体通路８を形成する管材の外表面と熱電変換素子１０との間や、冷却液通路９を形成する管材の外表面と熱電変換素子１０との間は確実に密着させることが重要である。この密着は、図３に示されるように、金属製の環状のフレーム１１と、ボルト１３・円板部材１４・皿バネ１５とによって行われている。また、熱電変換素子１０の密着と同時に、冷却液通路９を気体通路８に対して固定している。

円板部材１４は、金属製の円盤状の部材である。皿バネ１５は、バネ性を有する金属製の部材で、中空円錐の頂部を切除した形態を有している。ボルト１３は、フランジ付のボルトであり、ボルトを螺合させるボルト孔１６がフレーム１１の外周面上に穿孔されている。ボルト１３のネジ部分の長さは、フレーム１１の厚さよりもやや長めに形成されている。熱電変換ユニット１２の組み立て時には、まず、各冷却液通路９を形成する管材を各気体通路８を形成する管材の間の空間に配設させると共に、冷却液通路９及び気体通路８を形成する各管材の間に熱電変換素子１０を配置する。

その後、これらの冷却液通路９及び気体通路８を形成する管材の外側にフレーム１１を通し、フレーム１１と冷却液通路９の管材との間に、円板部材１４及び皿バネ１５を配置し、ボルト１３をボルト孔１６に螺合させて締め付ける。フレーム１１の外周から、四箇所のボルト１３を均一に締めると、ボルト１３の先端が円板部材１４を押し、さらに皿バネ１５によって冷却液通路９の管材を介して熱電変換素子１０が気体通路８の管材の外表面に密着される。同時に、冷却液通路９の管材の外表面と熱電変換素子１０とも密着される。また、等間隔に配置された四箇所から均等に締め付けることで、フレーム１１の中心に気体通路８の管材の中心を位置決めでき、さらに、この管材に対して冷却液通路９の管材を均等に密着させることが可能となる。

さらに、ここでは皿バネ１４を用いているため、熱電変換ユニット１２を構成する各部材が熱膨張し、各部材間の距離が僅かに変わっても、その変動を皿バネの弾性復元力で吸収することができる。即ち、どのような温度域でも、熱電変換素子１０を気体通路８及び冷却液通路９の管材に密着させつつ、熱電変換ユニット１２を確実に保持させておくことができる。このように、熱電変換素子１０を気体通路８及び冷却液通路９の管材に密着させることで、熱電変換素子１０の高温側には排気ガスの熱を確実に伝え、かつ、熱電変換素子１０の低温側から冷却液に熱を確実に伝えることができ、エネルギの回収効率の低下を抑止することができる。

上述した第一実施形態の変形例となる第二実施形態について説明する。図４に第二実施形態の図３相当図を示す。なお、本実施形態も、上述した実施形態と同様に、車両に搭載された内燃機関の排気系に取り付けられている。また、本実施形態の構成は上述した第一実施形態に準じているため、第一実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。

図４に示されるように、本実施形態では、第一実施形態における気体通路８内に配設されたフィンの代わりに、排気浄化触媒のフィルタ（モノリス担体）１７が配設されている。フィルタ１７は、第一実施形態のフィンと同様に、排気ガスの持つ熱を気体通路８を形成する管材の壁部を介して熱電変換素子１０に効率よく伝達させる。さらに、ここでは、フィルタ１７が排気浄化触媒として機能し、排気を浄化する際の反応熱で昇温されるので、この熱エネルギも電気エネルギに変換して回収することができ、エネルギ回収効率を向上させることができる。

さらに、エンジンの冷間始動時などは、床下の排気浄化触媒５は活性化温度（触媒としての機能を発揮するための温度）に達しない。これは、冷間始動直後は排気系全体が冷えており、排気ガスの温度で徐々に昇温されるが、床下の排気浄化触媒５はエンジン本体から距離が離れているため、排気ガスによっては上流側から徐々に暖められていくからである。そこで、本実施形態のようにエンジン本体に近い位置に排気浄化触媒を置くことで、この排気浄化触媒をより早期に活性化温度にまで昇温させ、冷間始動直後の排気浄化性能を向上させることもできる。

次に、第三実施形態について説明する。図５に第二実施形態を示す。なお、本実施形態も、上述した実施形態と同様に、車両に搭載された内燃機関の排気系に取り付けられている。上述した第一及び第二実施形態においては、基準断面において、四つの気体通路８を十字状に形成し、冷却液通路９を各気体通路８の間に三角形（扇形）断面となるように配設した。本実施形態では、基準断面において、冷却液通路１９を構成する部材を十字状に形成し、各気体通路１８を形成する扇形断面の管材を冷却液通路１９の間に配設させて、熱電変換ユニット２０を構成させている。

なお、この場合も、熱電変換素子２１は、各気体通路１８の側方にそれぞれ配設されている。また、気体通路１８は、熱電変換ユニット２０の中心近傍から外縁近傍まで四方向に向けて等間隔に放射状に配列されている。四つの冷却液通路１９を形成させる部材は、四つの金属製アングル材で、その各外表面側に冷却液通路１９を形成させる複数の溝が長手方向に平行に形成されている。四つのアングル材を、互いの外表面が密着するように組み立てることで、平行に形成された複数の溝によって各冷却液通路１９が形成される。

複数の溝によって冷却液通路１９を形成させることで、冷却液通路１９の内部に第一実施形態の気体通路８と同様のフィンを形成させている。そして、この冷却液通路１９の位置に対応させて、アングル材の内表面側に熱電変換素子２１が密着配置されている。上述したフィンによって熱電変換素子２１の低温側をより効率よく冷却できるようにしてエネルギ回収効率を向上させている。そして、各冷却液通路１９の間に形成される空間に、気体通路１８を形成させる扇形断面の管材を配設させている。

この気体通路１８を形成させる管材は、その内部に第一実施形態の冷却液通路９と同様のフィンを有している。これらのフィンは、熱電変換素子２１が密着されている壁部の内側から立設されており、気体通路１８内を流れる排気ガスの熱をこの壁部を介して熱電変換素子に効率よく伝達するようにしている。これによって、熱電変換素子２１の高温側を効率よく昇温させ、エネルギ回収効率を向上させている。

熱電変換素子２１の冷却液通路１９の構成部材及び気体通路１８の管材への密着は、気体通路１８の管材同士をボルト２２及びナット２３で互いに締め付けることで行っている。気体通路１８の管材は、熱電変換素子２１の密着面となる壁部が外方に延設されており、この延設部にボルト孔が穿孔されている。隣接する気体通路１８の管材同士を、このボルト孔にボルト２２・ナット２３を螺合させることで締結する。これにより、熱電変換素子２１は、冷却液通路１９の構成部材及び気体通路１８の管材に密着され、熱電変換素子１０の高温側には排気ガスの熱を確実に伝え、かつ、熱電変換素子１０の低温側から冷却液に熱を確実に伝えることができ、エネルギの回収効率の低下を抑止することができる。

なお、図５においては、熱電変換ユニット２０の一区間を気体通路１８の流れ方向に直角な断面で切り出した状態で示したが、熱電変換ユニット２０は実際は図面手前側から奥側に連続している。ここで、気体通路１８及び冷却液通路１９は、熱電変換ユニット２０の全長にかけて形成されているが、熱電変換素子２１は、上述した第一及び第二実施形態と同様に、熱電変換ユニット２０の長手方向に複数個並べられている。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した図２に示される実施形態では、四つの気体通路８は熱電変換ユニット１２の中心において結合されて、一体的に取り扱えるようにして取り扱い性を向上させていた（冷却液通路９や熱電変換素子１０との位置決めも容易になる）。しかし、各気体通路８が独立する形態であってもよい。また、図２に示される実施形態では、四つの気体通路８は、熱電変換ユニット１２中心の結合部において互いに連通されていないが、互いに連通されていてもよい。複数の気体通路が熱電変換ユニットの中央部で連通されていても、各気体通路ごとに見れば、熱電変換ユニットの中心近傍から外縁近傍まで等間隔に放射状に配列されているので、本発明の範囲内である。

また、上述した実施形態では、気体通路８（１８）は四つ設けられたが、少なくとも三つ設けられればよく、三つの気体通路が等間隔に放射状に配設されたり、八つのが等間隔に放射状に配設されたりしてもよい。また、冷却液通路を配設する場合は、これらの三つ又は八つの気体通路間の空間に配設すればよい。なお、請求項１に記載の発明に関しては、冷却液通路を設ける場合には、隣接する気体通路の間の空間の全てに冷却液通路を設けなくてはならないということではない。さらに、請求項１に記載の発明に関して、冷却液通路を設けない場合などは、熱電変換素子の低温側にヒートシンクなどを設けて低温側の温度を低くする工夫をしてもよい。

本発明の排熱エネルギ回収装置の実施形態の全体構成図である。本発明の排熱エネルギ回収装置の第一実施形態の斜視図である。図１の排熱エネルギ回収装置の一部拡大斜視図である。本発明の排熱エネルギ回収装置の第二実施形態の斜視図である。本発明の排熱エネルギ回収装置の第三実施形態の斜視図である。

符号の説明

１…排熱エネルギ回収装置、２…自動車、３…エキゾーストマニホールド、４…排気管、５…排気浄化触媒、６…サブマフラ、７…メインマフラ、８（１８）…気体通路、９（１９）…冷却液通路、１０（２１）…熱電変換素子、１１…フレーム、１２（２０）…熱電変換ユニット、１３…ボルト、１４…円板部材、１５…皿バネ、１６…ボルト孔、１７…フィルタ。

Claims

気体の持つ排熱エネルギを電気エネルギに変換して回収する排熱エネルギ回収装置において、
前記気体を通す気体通路、及び、前記気体通路に接して配設された熱電変換素子を有する熱電変換ユニットを備えており、
前記気体通路の流れ方向に直角な断面において、該気体通路が前記熱電変換ユニットの中心近傍から外縁近傍まで少なくとも三方に向けて等間隔に放射状に配列され、前記熱電変換素子が各気体通路の各側方にそれぞれ配設されていることを特徴とする排熱エネルギ回収装置。
前記熱電変換ユニットが、冷却液を通す冷却液通路をさらに有しており、
前記気体通路の流れ方向に直角な前記断面において、前記冷却液通路が、隣接する二つの前記気体通路の間に形成された各空間ごとに一つずつ配設され、前記熱電変換素子が一つの冷却液通路ごとに隣接する一方の前記気体通路と他方の前記気体通路との間にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱エネルギ回収装置。