JP4396351B2

JP4396351B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP4396351B2
Application number: JP2004092698A
Authority: JP
Inventors: 浩生山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005287090A

Description

本発明は、熱電変換素子によってエンジンの冷却水の持つ熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置に関する。

従来から、高温側熱源と低温側熱源との温度差によりゼーベック効果を発現させ発電する熱電変換素子を備える熱電発電装置があり、例えば、高温側熱源としてエンジンの冷却水を用い、低温側熱源として大気（外気）を用いるものがある。

このような熱電発電装置では、エンジン始動直後等の低冷却水温時には、熱電変換素子に通電してペルチェ効果を発現させ、冷却水を加熱してエンジンの暖機を速やかに行なうものが知られている。

しかしながら、上記従来技術の熱電発電装置では、比較的多量の電力を必要とするエンジン始動直後等の低冷却水温時には、発電することができないという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、エンジン始動直後等の冷却水温が低いときであっても、発電をすることが可能な熱電発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
エンジン（１）の冷却水循環回路（２）に設けられ、内部に冷却水を流通する第１高温側熱源部（２０）と、
第１高温側熱源部（２０）とは異なる第２高温側熱源部（３０）と、
第１高温側熱源部（２０）および第２高温側熱源部（３０）に対して低温側となる共通の低温側熱源部（４０）と、
第１高温側熱源部（２０）と低温側熱源部（４０）との温度差により発電可能であるとともに、通電することにより第１高温側熱源部（２０）および低温側熱源部（４０）の一方から吸熱して他方に発熱可能な第１熱電変換素子（１１）と、
第２高温側熱源部（３０）と低温側熱源部（４０）との温度差により発電可能であるとともに、通電することにより第２高温側熱源部（３０）および低温側熱源部（４０）の一方から吸熱して他方に発熱可能な第２熱電変換素子（１２）とを備え、
エンジン（１）の冷却水の温度が、エンジン（１）の効率に基づいて定まる所定温度帯の下限温度より低い場合には、第１熱電変換素子（１１）に通電して第１高温側熱源部（２０）を加熱しつつ、第２高温側熱源部（３０）と低温側熱源部（４０）との温度差により第２熱電変換素子（１２）で発電することを特徴としている。

これによると、第１熱電変換素子（１１）のペルチェ効果により、第１高温側熱源部（２０）においてエンジン（１）の冷却水を加熱してエンジン（１）暖機を行なうとともに、低温側熱源部（４０）を冷却することができる。これに伴ない、第２高温側熱源部（３０）と低温側熱源部（４０）との温度差が拡大するため、第２熱電変換素子（１２）において確実に発電を行なうことができる。このように、エンジン（１）始動直後等の冷却水温が低いときであっても、エンジン（１）暖機を行ないつつ発電をすることができる。

また、請求項２に記載の発明では、冷却水循環回路（２）に対して独立して設けられ、低温側熱源部（４０）に熱媒体を循環する熱媒体循環回路（４２）と、この熱媒体循環回路（４２）に設けられ、熱媒体から外気に放熱するための熱交換器（４３）とを備えることを特徴としている。

これによると、低温側熱源部（４０）の温度を安定させることができる。

また、請求項３に記載の発明では、冷却水の温度が前記下限温度より低い場合には、熱交換器（４３）における熱媒体と外気との熱交換を中止することを特徴としている。

これによると、第１熱電変換素子（１１）のペルチェ効果により低温側熱源部（４０）を冷却するときに、熱交換器（４３）における外気からの吸熱により低温側熱源部（４０）の温度が上昇することを防止できる。

また、請求項４に記載の発明では、冷却水の温度が、前記所定温度帯の下限温度以上かつ上限温度以下の場合には、第１高温側熱源部（２０）と低温側熱源部（４０）との温度差により第１熱電変換素子（１１）で発電するとともに、第２高温側熱源部（３０）と低温側熱源部（４０）との温度差により第２熱電変換素子（１２）で発電することを特徴としている。

これによると、エンジン（１）の冷却水温がエンジン（１）効率を良好にできる温度帯にある場合には、第１熱電変換素子（１１）および第２熱電変換素子（１２）において発電を行なうことができる。

また、請求項５に記載の発明では、第２高温側熱源部（３０）は、第１高温側熱源部（２０）に対し並列に接続され、内部を冷却水が流通することを特徴としている。

これによると、エンジン（１）始動直後等の冷却水温が低いときには、第１熱電変換素子（１１）は、第１高温側熱源部（２０）でエンジン（１）の冷却水を加熱してエンジン（１）暖機を行なうとともに低温側熱源部（４０）を冷却する。そして、第２熱電変換素子（１２）は、第１高温側熱源部（２０）およびエンジン（１）で加熱された冷却水が流通する第２高温側熱源部（３０）と、第１熱電変換素子（１１）により冷却された低温側熱源部（４０）との温度差により発電する。

したがって、エンジン（１）始動直後等の冷却水温が低いときであっても、エンジン（１）暖機を速やかに行ないつつ、比較的効率よく発電をすることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、冷却水の温度が、前記所定温度帯の上限温度より高い場合には、第１熱電変換素子（１１）および第２熱電変換素子（１２）に通電して第１高温側熱源部（２０）および第２高温側熱源部（３０）において冷却水を冷却し、エンジン（１）の冷却水温が高くなり過ぎることを速やかに防止できる。

また、請求項７に記載の発明では、第２高温側熱源部（３０）は、内部をエンジン（１）の排気ガスが流通することを特徴としている。

これによると、エンジン（１）始動直後等の冷却水温が低いときには、第１熱電変換素子（１１）は、第１高温側熱源部（２０）でエンジン（１）の冷却水を加熱してエンジン（１）暖機を行なうとともに低温側熱源部（４０）を冷却する。そして、第２熱電変換素子（１２）は、高温の排気ガスが流通する第２高温側熱源部（３０）と、第１熱電変換素子（１１）により冷却された低温側熱源部（４０）との温度差により発電する。

したがって、エンジン（１）始動直後等の冷却水温が低いときであっても、エンジン（１）暖機を速やかに行ないつつ、効率よく発電をすることができる。

また、請求項８に記載の発明のように、冷却水の温度が、前記所定温度帯の上限温度より高い場合には、第１熱電変換素子（１１）に通電して第１高温側熱源部（２０）において冷却水を冷却し、エンジン（１）の冷却水温が高くなり過ぎることを防止できる。さらに、このとき、第２高温側熱源部（３０）と低温側熱源部（４０）との温度差により第２熱電変換素子（１２）で発電することができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における熱電発電装置１０は、水冷式のエンジン１を搭載した車両に適用されるものであり、図１は、エンジン１を含む全体概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、エンジン１には冷却水回路（冷却水循環回路）２およびラジエータ３が設けられており、エンジン１内の冷却水は、ウォータポンプ４によって冷却水回路２およびラジエータ３を循環するようになっている。ここではウォータポンプ４はエンジン１の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。そして、冷却水温が上昇したときにはラジエータ３の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン１の作動温度が適切に制御されようになっている。

冷却水回路２には、ラジエータ３をバイパスするバイパス流路５と、ラジエータ３側およびバイパス流路５側への冷却水流量比を調節するサーモスタット（流量制御弁）６とが設けられている。冷却水温度が所定温度（例えば８５℃）以下においては、サーモスタット６によってラジエータ２側の流路が閉じられ、冷却水がバイパス流路５側を流通することで冷却水の過冷却が防止されるようになっている。

本実施形態の熱電発電装置１０は、２つの高温側熱源部をなす第１高温側熱源部２０および第２高温側熱源部３０と、両高温側熱源部２０、３０に対し共通の低温側熱源部４０とを有し、第１高温側熱源部２０と低温側熱源部４０との間に第１熱電変換素子１１が介在され、第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との間に第２熱電変換素子１２が介在されて構成されている。

なお、各熱源部２０、３０、４０と両熱電変換素子１１、１２との当接面には、それぞれ熱伝導グリスが塗布、あるいは伝熱シートが介在されており、接触熱抵抗を低減させるようになっている。

両熱電変換素子１１、１２は、ゼーベック効果を利用して発電を行なうことが可能であるとともに、通電したときにはペルチェ効果により一方の面で吸熱して他方の面で発熱する周知の熱電変換素子である。なお、両熱電変換素子１１、１２の吸熱面と発熱面とは素子への通電方向を変更することにより入れ替えられる。

前述の冷却水回路２は、エンジン１出口とバイパス流路５上流側接続点との間において、２つに通路に分岐合流しており、一方の冷却水通路２ａには第１高温側熱源部２０が接続され、他方の冷却水通路２ｂには第２高温側熱源部３０が接続されている。したがって、並列に接続された第１高温側熱源部２０と第２高温側熱源部３０との内部には、エンジン１から流出した冷却水が流通するようになっている。

冷却水回路２には、エンジン１から流出し、両高温側熱源部２０、３０に流入する前の冷却水の温度を検出する水温センサ５０が配設されており、冷却水の温度情報を後述する制御装置１００に出力するようになっている。

熱電発電装置１０の低温側熱源部４０には、冷却水回路２から独立して熱媒体（本例では冷却水）を循環する熱媒体循環回路としての低温側循環回路４２が接続しており、この低温側循環回路４２にはラジエータ３に対して独立した低温側ラジエータ４３が設けられている。

低温側循環回路４２にはウォータポンプ４４が設けられており、このウォータポンプ４４の作動によって、低温側ラジエータ４３で外気に放熱した低温水（例えば３０℃前後の冷却水）が低温側熱源部４０内を流通するようになっている。

低温側循環回路４２には低温側ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４５が設けられており、バイパス流路４５の端部には熱媒体の流れを低温側ラジエータ４３側もしくはバイパス流路４５側に切り替えるウォータバルブ（切替バルブ）４６が設けられている。

低温側ラジエータ４３は、本実施形態における熱媒体循環回路の熱媒体から外気に放熱するための熱交換器である。

図１において符号１００を付した構成は、制御手段としての制御装置であり、制御装置１００は、水温センサ５０からの温度情報に基づいて、後述する手順に従って、第１、第２熱電変換素子１１、１２の発電および吸熱、発熱（放熱）を制御する信号と、ウォータポンプ４４の作動、ウォータバルブ４６の切替動作を制御する信号を出力する。

ここで、第１、第２熱電変換素子１１、１２の発電および吸熱、発熱（放熱）の制御について簡単に説明する。

図３に示すように、第１熱電変換素子１１には回路６０が電気的に接続している。回路６０には、第１熱電変換素子１１に電流を流すための電源６１と、第１熱電変換素子１１で発電した電力が供給される機器（充電機器および各種補機）６２とが設けられ、スイッチ手段６３により回路が電源６１側もしくは機器６２側に切り替えられるようになっている。

第１熱電変換素子１１と同様に、第２熱電変換素子１２には回路７０が電気的に接続しており、第２熱電変換素子１１に電流を流すための電源７１と、第２熱電変換素子１２で発電した電力が供給される機器（充電機器および各種補機）７２とが設けられ、スイッチ手段７３により回路が電源７１側もしくは機器７２側に切り替えられるようになっている。

制御装置１００が第１、第２熱電変換素子１１、１２の発電および吸熱、発熱（放熱）を制御するときには、具体的には、電源６１、７１の電流方向およびスイッチ手段６３、７３の切り替え制御を行なう。

次に、上記構成に基づき熱電発電装置１０の作動について説明する。ここで、図２は、制御装置１００の概略の制御動作を示すフローチャートである。

車両が使用状態となった場合には、制御装置１００は、まず、水温センサ５０からの信号に基づいてエンジン１から流出する冷却水の温度が６０℃以上であるか否か判断する（ステップＳ１０１）。冷却水の温度が６０℃以上であると判断した場合には、さらに、冷却水の温度が１００℃以下であるか否か判断する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０１において、冷却水の温度が６０℃より低いと判断した場合には、ステップＳ１０３へ進む。また、ステップＳ１０２において、冷却水の温度が１００℃以下であると判断した場合には、ステップＳ１０４へ進み、ステップＳ１０２において、冷却水の温度が１００℃より高いと判断した場合には、ステップＳ１０５へ進む。

本実施形態では、エンジン１が効率よく運転される条件に基づいて定まる流出冷却水の温度帯の下限温度が６０℃であり、上限温度が１００℃である。そこで、水温センサ５０が検出する冷却水の温度が６０℃未満、６０℃以上かつ１００℃以下、１００℃超の場合において異なる制御ステップを実行するようになっている。

なお、制御装置１００は、車両が使用状態である場合には、ウォータポンプ４４を運転して低温側循環回路４２内に冷却水を常時循環している。

制御装置１００は、ステップＳ１０３では、第１熱電変換素子１１に通電して第１高温側熱源部２０側を発熱させて加熱し、低温側熱源部４０側から吸熱して冷却する。また、第２熱電変換素子１２において第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。

具体的には、図３に要部を示すように、電源６１の電流方向を＋−で図示した方向（この方向を正方向と呼ぶ）とするとともに、スイッチ手段６３を電源６１側とする。また、スイッチ手段７３を機器７２側とする。さらにこのとき、図１に示すウォータバルブ４６を冷却水流路がバイパス流路４５側となるように切り替える。

これにより、エンジン１から流出し第１高温側熱源部２０を通過する冷却水は第１熱電変換素子１１により加熱され、エンジン１に戻る。したがって、エンジン１の暖機が促進される。

第１高温側熱源部２０で加熱されてエンジン１に戻りエンジン１の発熱によりさらに加熱された冷却水は、再度エンジン１から流出し、一部は第１高温側熱源部２０で再度加熱され、残部は第２高温側熱源部３０を通過する。

一方、低温側熱源部４０内の冷却水は、第１熱電変換素子１１により冷却される。このとき、ウォータポンプ４４を作動しているものの、ウォータバルブ４６により冷却水流路をバイパス流路４５側としているので、冷却水は低温側ラジエータ４３における熱交換が中止されている。したがって、低温側熱源部４０内を流通する冷却水の温度は徐々に低下していく。

このように、第１高温側熱源部１１およびエンジン１で加熱された冷却水が通過する第２高温側熱源部３０と、冷却された冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第２熱電変換素子１２の両面に温度差が与えられ、発電が行なわれる。

制御装置１００は、ステップＳ１０４では、第１熱電変換素子１１において第１高温側熱源部２０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。また、第２熱電変換素子１２において第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。

具体的には、図４に要部を示すように、スイッチ手段６３を機器６２側とするとともに、スイッチ手段７３を機器７２側とする。さらにこのとき、図１に示すウォータバルブ４６を冷却水流路が低温側ラジエータ４３側となるように切り替える。

これにより、第１高温側熱源部２０内および第２高温側熱源部３０内には、高温の冷却水が流通する。一方、低温側熱源部４０内には、低温側循環回路４２を循環して低温側ラジエータ４３で外気に放熱して冷却された冷却水が流通する。

したがって、高温の冷却水が通過する第１、第２高温側熱源部２０、３０と、低温の冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第１、第２熱電変換素子１１、１２のそれぞれの両面に温度差が与えられ、発電が行なわれる。

制御装置１００は、ステップＳ１０５では、第１熱電変換素子１１に通電して第１高温側熱源部２０側から吸熱して冷却し、低温側熱源部４０側へ放熱する。また、第２熱電変換素子１２に通電して第２高温側熱源部３０側から吸熱して冷却し、低温側熱源部４０側へ放熱する。

具体的には、図５に要部を示すように、電源６１の電流方向を図示したように逆方向（正方向の反対方向）とするとともに、スイッチ手段６３を電源６１側とする。また、電源７１の電流方向を図示したように逆方向（電源６１と同一方向）とするとともに、スイッチ手段７３を電源７１側とする。さらにこのとき、図１に示すウォータバルブ４６を冷却水流路が低温側ラジエータ４３側となるようにする。

これにより、エンジン１から流出し第１、第２高温側熱源部２０、３０を通過する冷却水は第１、第２熱電変換素子１１、１２により冷却され、エンジン１に戻る。したがって、エンジン１が高温になり過ぎること（オーバーヒート傾向状態）が抑制される。

一方、低温側熱源部４０を通過する冷却水は第１、第２熱電変換素子１１、１２により加熱される。そして、加熱された冷却水は、低温側循環回路４２を循環して低温側ラジエータ４３で外気に放熱して冷却される。

制御装置１００は、ステップＳ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５のいずれかを実行したら、ステップＳ１０１にリターンする。

上述の構成および作動によれば、エンジン１始動直後等の冷却水温が６０℃未満のときには、第１熱電変換素子１１は、第１高温側熱源部２０で冷却水を加熱して速やかにエンジン１の暖機を行なうとともに低温側熱源部４０を冷却する。そして、第２熱電変換素子１２は、第１高温側熱源部２０およびエンジン１で加熱された冷却水が流通する第２高温側熱源部３０と、第１熱電変換素子１１により冷却された冷却水が流通する低温側熱源部４０との温度差により効率よく発電することができる。

比較的多量の電力を必要とする車両始動直後から熱電発電装置１０において発電することができるので、車両に搭載されエンジン１により回転駆動される発電機を、定格出力が比較的小さなものとすることが可能である。

また、冷却水温が６０℃以上１００℃以下のときには、第１、第２熱電変換素子１１、１２において極めて効率よく発電を行なうことができる。

さらに、冷却水温が１００℃を超えたときには、第１、第２熱電変換素子１１、１２は、第１、第２高温側熱源部２０、３０において冷却水を効率よく冷却し、エンジン１の温度が高くなり過ぎることを速やかに防止できる。

このように、エンジン１の冷却水を、エンジン効率が良好な温度帯より低い水温のときには速やかに加熱して上昇させ、エンジン効率が良好な温度帯より高い水温のときには速やかに冷却して下降させることができる。

本実施形態の熱電発電装置１０によれば、エンジン冷却水の温度制御に加えて、エンジン冷却水の有する熱エネルギーの回収、および前述した発電機の回転駆動に伴なう負荷低減等により、車両燃費を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図６〜図１０に基づいて説明する。

本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、第２高温側熱源部３０に排気ガスを流通する点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態では、冷却水回路２は、エンジン１の出口で分岐し、ウォータポンプ４の上流側で合流する冷却水回路２Ａを有している。

本実施形態の熱電発電装置１０は、第１高温側熱源部２０が冷却水回路２Ａに接続され、内部をエンジン１から流出した冷却水が流通するようになっている。一方、第２高温側熱源部３０は、エンジン１の排気管８に接続され、内部をエンジン１の高温の排気ガスが流通するようになっている。

なお、本実施形態の熱電発電装置１０では、第２熱電変換素子３０においてペルチェ効果を発現させることはないので、図８に示す回路７０に電源７１およびスイッチ手段７３を設けていない。

次に、上記構成に基づき本実施形態の熱電発電装置１０の作動について説明する。ここで、図７は、制御装置１００の概略の制御動作を示すフローチャートである。

図７に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１０１において、冷却水の温度が６０℃より低いと判断した場合には、ステップＳ２０３へ進む。また、ステップＳ１０２において、冷却水の温度が１００℃以下であると判断した場合には、ステップＳ２０４へ進み、ステップＳ１０２において、冷却水の温度が１００℃より高いと判断した場合には、ステップＳ２０５へ進む。

制御装置１００は、ステップＳ２０３では、第１熱電変換素子１１に通電して第１高温側熱源部２０側を発熱させて加熱し、低温側熱源部４０側から吸熱して冷却する。また、第２熱電変換素子１２において第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。

具体的には、図８に要部を示すように、電源６１の電流方向を＋−で図示した方向（この方向を正方向と呼ぶ）とするとともに、スイッチ手段６３を電源６１側とする。またこのとき、図６に示すウォータバルブ４６を冷却水流路がバイパス流路４５側となるように切り替える。

これに対し、第２高温側熱源部３０は、内部を流通する排気ガスにより高温となる。したがって、排気ガスが通過する第２高温側熱源部３０と、冷却された冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第２熱電変換素子１２の両面に大きな温度差が与えられ、発電が行なわれる。

制御装置１００は、ステップＳ２０４では、第１熱電変換素子１１において第１高温側熱源部２０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。また、第２熱電変換素子１２において第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。

具体的には、図９に要部を示すように、スイッチ手段６３を機器６２側とする。さらにこのとき、図６に示すウォータバルブ４６を冷却水流路が低温側ラジエータ４３側となるように切り替える。

これにより、第１高温側熱源部２０内には高温の冷却水が流通し、第２高温側熱源部３０内には高温の排気ガスが流通する。一方、低温側熱源部４０内には、低温側循環回路４２を循環して低温側ラジエータ４３で外気に放熱して冷却された冷却水が流通する。

したがって、高温の冷却水が通過する第１高温側熱源部２０と、低温の冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第１熱電変換素子１１の両面に温度差が与えられ、発電が行なわれる。また、高温の排気ガスが通過する第２高温側熱源部３０と、低温の冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第２熱電変換素子１２の両面に温度差が与えられ、発電が行なわれる。

制御装置１００は、ステップＳ２０５では、第１熱電変換素子１１に通電して第１高温側熱源部２０側から吸熱して冷却し、低温側熱源部４０側へ放熱する。また、第２熱電変換素子１２において第２高温側熱源部３０と低温側熱源部４０との温度差に応じて発電する。

具体的には、図１０に要部を示すように、電源６１の電流方向を図示したように逆方向（正方向の反対方向）とするとともに、スイッチ手段６３を電源６１側とする。さらにこのとき、図６に示すウォータバルブ４６を冷却水流路が低温側ラジエータ４３側となるようにする。

これにより、エンジン１から流出し第１高温側熱源部２０を通過する冷却水は第１熱電変換素子１１により冷却され、エンジン１に戻る。したがって、エンジン１が高温になり過ぎること（オーバーヒート傾向状態）が抑制される。

一方、低温側熱源部４０を通過する冷却水は第１熱電変換素子１１により加熱される。そして、加熱された冷却水は、低温側循環回路４２を循環して低温側ラジエータ４３で外気に放熱して冷却される。

高温の排気ガスが通過する第２高温側熱源部３０と、低温側ラジエータ４３で放熱された低温の冷却水が通過する低温側熱源部４０とにより、第２熱電変換素子１２の両面に温度差が与えられ、発電が行なわれる。

制御装置１００は、ステップＳ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０５のいずれかを実行したら、ステップＳ１０１にリターンする。

なお、図８〜図１０では、第１の実施形態と異なる点を解りやすくするため、図６の図示に対し要部を左右入れ替えて図示している。

上述の構成および作動によれば、エンジン１始動直後等の冷却水温が６０℃未満のときには、第１熱電変換素子１１は、第１高温側熱源部２０で冷却水を加熱して速やかにエンジン１の暖機を行なうとともに低温側熱源部４０を冷却する。そして、第２熱電変換素子１２は、排気ガスが流通する第２高温側熱源部３０と、第１熱電変換素子１１により冷却された冷却水が流通する低温側熱源部４０との温度差により効率よく発電することができる。

さらに、冷却水温が１００℃を超えたときには、第１熱電変換素子１１は、第１高温側熱源部２０において冷却水を効率よく冷却し、エンジン１の温度が高くなり過ぎることを速やかに防止できる。また、このときにも、第２熱電変換素子１２では発電を行なうことができる。

このように、エンジン１の冷却水を、エンジン効率が良好な温度帯より低い水温のときには速やかに加熱して上昇させ、エンジン効率が良好な温度帯より高い水温のときには速やかに冷却して下降させることができる。また、冷却水温に係わらず第２熱電変換素子１２において発電することができる。

本実施形態の熱電発電装置１０によれば、エンジン冷却水の温度制御に加えて、エンジン冷却水および排気ガスの有する熱エネルギーの回収、および前述した発電機の回転駆動に伴なう負荷低減等により、車両燃費を向上させることができる。

（他の実施形態）
上記第１の各実施形態では、冷却水温が１００℃より高いときには、第１、第２熱電変換素子１１、１２により冷却水を冷却していたが、第１、第２熱電変換素子１１、１２の一方のみで冷却水を冷却し、他方で発電を行なうものであってもよい。

また、上記各実施形態では、ステップＳ１０３もしくはＳ２０３において、ウォータバルブ４６をバイパス流路４５側に切り替えて低温側ラジエータ４３における熱交換を中止していたが、他の手段により熱交換を中止するものであってもよい。例えば、低温側ラジエータ４３に流入する外気を遮断するラジエータシャッタを設け、これを閉じるものであってもよいし、ウォータポンプ４４の運転を停止するものであってもよい。

また、上記各実施形態では、低温側熱源部４０を流通する熱媒体は冷却水であったが、これに限定されるものではない。他の液体や大気等の気体であってもよいし、低温側熱源部４０内で凝縮する冷媒であってもかまわない。

また、上記各実施形態における６０℃、１００℃等の実数値は例示であって、エンジン１の仕様等に応じて適宜設定可能である。

本発明を適用した第１の実施形態における熱電発電装置１０の全体概略構成を示す模式図である。第１の実施形態における制御装置１００の概略の制御動作を示すフローチャートである。第１の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。第１の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。第１の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。本発明を適用した第２の実施形態における熱電発電装置１０の全体概略構成を示す模式図である。第２の実施形態における制御装置１００の概略の制御動作を示すフローチャートである。第２の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。第２の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。第２の実施形態における熱電発電装置１０の作動状態を説明するための要部模式図である。

符号の説明

１エンジン
２、２Ａ冷却水回路（冷却水循環回路）
８排気管
１０熱電発電装置
１１第１熱電変換素子
１２第２熱電変換素子
２０第１高温側熱源部
３０第２高温側熱源部
４０低温側熱源部
４２低温側循環回路（熱媒体循環回路）
４３低温側ラジエータ（熱交換器）
５０水温センサ
１００制御装置

Claims

エンジン（１）の冷却水循環回路（２）に設けられ、内部に前記冷却水を流通する第１高温側熱源部（２０）と、
前記第１高温側熱源部（２０）とは異なる第２高温側熱源部（３０）と、
前記第１高温側熱源部（２０）および前記第２高温側熱源部（３０）に対して低温側となる共通の低温側熱源部（４０）と、
前記第１高温側熱源部（２０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により発電可能であるとともに、通電することにより前記第１高温側熱源部（２０）および前記低温側熱源部（４０）の一方から吸熱して他方に発熱可能な第１熱電変換素子（１１）と、
前記第２高温側熱源部（３０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により発電可能であるとともに、通電することにより前記第２高温側熱源部（３０）および前記低温側熱源部（４０）の一方から吸熱して他方に発熱可能な第２熱電変換素子（１２）とを備え、
前記冷却水の温度が、前記エンジン（１）の効率に基づいて定まる所定温度帯の下限温度より低い場合には、前記第１熱電変換素子（１１）に通電して前記第１高温側熱源部（２０）を加熱しつつ、前記第２高温側熱源部（３０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により前記第２熱電変換素子（１２）で発電することを特徴とする熱電発電装置。
前記冷却水循環回路（２）に対して独立して設けられ、前記低温側熱源部（４０）に熱媒体を循環する熱媒体循環回路（４２）と、
前記熱媒体循環回路（４２）に設けられ、前記熱媒体から外気に放熱するための熱交換器（４３）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記冷却水の温度が前記下限温度より低い場合には、前記熱交換器（４３）における前記熱媒体と前記外気との熱交換を中止することを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
前記冷却水の温度が、前記所定温度帯の下限温度以上かつ上限温度以下の場合には、前記第１高温側熱源部（２０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により前記第１熱電変換素子（１１）で発電するとともに、前記第２高温側熱源部（３０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により前記第２熱電変換素子（１２）で発電することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
前記第２高温側熱源部（３０）は、前記第１高温側熱源部（２０）に対し並列に接続され、内部を前記冷却水が流通することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
前記冷却水の温度が、前記所定温度帯の上限温度より高い場合には、前記第１熱電変換素子（１１）および前記第２熱電変換素子（１２）に通電して前記第１高温側熱源部（２０）および前記第２高温側熱源部（３０）を冷却することを特徴とする請求項５に記載の熱電発電装置。
前記第２高温側熱源部（３０）は、内部を前記エンジン（１）の排気ガスが流通することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の熱電発電装置。
前記冷却水の温度が、前記所定温度帯の上限温度より高い場合には、前記第１熱電変換素子（１１）に通電して前記第１高温側熱源部（２０）を冷却しつつ、前記第２高温側熱源部（３０）と前記低温側熱源部（４０）との温度差により前記第２熱電変換素子（１２）で発電することを特徴とする請求項７に記載の熱電発電装置。