JP5484071B2 - 熱電発電機を搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の各特徴を具備した熱電発電機を搭載した車両に関する。

「熱電発電機」という概念は、本特許出願明細書においては、熱伝導が行われるように熱源とヒートシンクとに接続された、物理学から知られる「ゼーベック効果（Seebeck effect）」を利用して温度差から電圧ないしは電流を発生するようになっている装置をさすと解釈されるものである。すなわち熱電発電機とは、根本においては、物理学的にはその逆の原理で作動するペルティエ装置のことである。

熱電発電機は、図２の原理図に示されているものと同様に、熱および電気が伝導されるように互いに接続された二種類の半導体材料を有している。この材料対が、熱源とヒートシンクとの間の温度差に晒されると、両側辺部の材料間に電圧（熱電圧）が発生する。このような素子を多数組み合わせることにより、相応に高性能の熱源を利用して、経済的に有用な電力を達成することができる。

現代の内燃機関を搭載した道路車両の場合は、燃料に含まれるエネルギの今日では約三分の二が熱の形で周囲に放出されている。すでに多くのアプローチ手法が、この「廃熱」の利用に取り組んでいる。先行特許である未公開の特許文献１には、排気系統に配置され、排出ガスに含まれる熱の一部を電気エネルギに変換するとされる熱電発電機を搭載した車両が説明されている。排出ガスに含まれるエネルギの再利用については、ほかにもたとえば特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１ならびに特許文献１２など、多数の特許出願が取り組んでいる。

それ以外にも特許文献１３から、熱電発電機を利用して、エンジンの廃熱を電気エネルギに変換する装置構造が知られているが、そこではこの熱電発電機がエンジンの冷却水回路に接続されている。

ドイツ特許出願公開第１０２００６０５７６６２号明細書 米国登録特許第４，６７３，８６３号明細書 ドイツ特許出願公開第４２０８３５８号明細書 ドイツ特許出願公開第４１１８９７９号明細書 特開平０７−０１２００９号公報 米国特許第５，６２５，２４５号明細書 米国登録特許第６，０２８，２６３号明細書 米国特許第５，９７４, ８０３号明細書 米国公開特許第２００３０２２３９１９号明細書 ドイツ特許出願公開第１００４１９５５号明細書 国際特許出願公開第２００４／０５９１３８号明細書 国際特許出願公開第２００５／０２０４２２号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００５０５８２０２号明細書

本発明の課題は、車両の内燃機関（以下「原動機」とも称する）停止時にも、個々の車両部品に蓄えられている残留熱を、簡単にしかもコンパクトに配置される熱電発電機を利用して、電気エネルギに変換することにある。

この課題は、請求項1に記載の各特徴により解決される。本発明の有利な構成形態および展開構成例については、従属クレームから察知することができる。
本発明の出発点は、「放熱部品」と熱電発電機とを搭載した車両である。この放熱部品は、たとえば車両原動機(内燃機関)ないしはそのシリンダブロックないしはハウジング、車両原動機のオイルパン、または良好な熱伝導を可能とする原動機のその他の部品であるとよい。あるいはその代わりに放熱部品は、たとえば自動変速機、手動変速機、自動化手動変速機、トランスファーギヤ、終減速装置、またはその類などの歯車装置であってもよい。熱電発電機は、この「放熱部品」と熱結合される「吸熱要素」を有している。この吸熱要素とヒートシンクとの間の温度勾配から、熱電発電機は電気エネルギを発生する。ヒートシンクは、たとえば周囲空気(走行風)または吸熱要素が接続されている冷却系統のクーラントであるとよい。

本発明の核心は、熱電発電機の吸熱要素が放熱部品に直接配置されて、熱伝導が行われるようにこれに接続される点にある。それにより放熱部品と熱電発電機の吸熱要素間の良好な熱伝達が簡単に達成されることになる。放熱部品と吸熱要素の互いに隣接する面はいずれも、熱伝導率が高い金属から製造されることが好ましい。熱電発電機の吸熱要素は、たとえば銅製であるとよいかもしれない。

熱電発電機により発生された電気エネルギは、車内に備えられた電気エネルギ貯蔵装置、たとえばバッテリまたはキャパシタを充電するために、あるいはほかにも車内に備えられた様々な電装品、たとえばハイファイ装置、エアコン、ファンなどに給電するために、使用されるとよい。

本発明の展開構成例においては、熱電発電機により発生された電気エネルギが、車内に備えられた電気エネルギ貯蔵装置、たとえばバッテリまたはキャパシタを、内燃機関の停止後に保温するために利用されるようになっている。たとえば、車両の原動機停止後に、熱電発電機によりエネルギを供給されて、たとえばバッテリを少なくともある程度の時間にわたり加熱ないしは保温するようになっている、電気加熱装置が備えられるようにするとよい。

あるいはその代わりに、またはそれに補足して、内燃機関の停止後には、熱電発電機を利用して発生された電気エネルギが、内燃機関を再始動する際の動作温度が燃料消費量に密接に関係してくる特定の部品を保温するためにも使用されるようにするとよい。たとえば内燃機関の停止後には、熱電発電機により発生された電気エネルギにより、たとえばエンジンオイル、冷却水が加熱される、または燃料消費量に密接に関連するたとえばクランクシャフト、動弁機構、ピストンなどの部品が加熱ないしは保温されるようにするとよい。

要約すると、本発明により次の長所が達成される。
‐走行運転中に原動機の表面から周囲空気に放出される熱の一部を電気エネルギに変換することができる。それにより発電機の負担が軽減され、燃料が節減され、その結果車両のエネルギ収支が改善される。
‐車両の原動機は、停止後、数時間をかけて冷却される。シリンダブロックに蓄えられた熱は、放射と対流により周囲空気に放出される。熱電発電機を利用して、停止中の車両においても、原動機に蓄えられている熱の一部を電気エネルギに変換することができる。
‐熱電発電機が排気系統に組み込まれている従来のアプローチ手法と比較して、熱電発電機をシリンダブロック、変速機ハウジング、または終減速装置のハウジングに取り付ける場合は、技術面でのリスクが大幅に低減される。
‐排気系統に組み込まれる熱電発電機と比較すると、原動機に直接配置される場合は、高温側の温度変動が僅かであるために電圧変動が僅かとなり、その結果、電圧の平滑化のための技術コストが低減される。

本発明の基本原理の概略図である。 熱伝発電機の基本原理図である。

次に本発明を図面との関係で詳しく説明する。
図１には、シリンダブロックないしは原動機ハウジング２を有しており、その外側に熱電発電機３が配置された内燃機関１が示されている。この熱電発電機３の「吸熱側」４は、原動機ハウジング２と面同士で接触しており、それにより原動機ハウジング２と熱電発電機３の吸熱側４との間で良好な熱伝達が達成されるようにしている。原動機１から熱電発電機３への熱流は、矢印５により示されている。

熱電発電機３の放熱側６には、複数の冷却フィン７が備えられている。放熱側６と冷却フィン７は、遮蔽板８により、内燃機関の熱放射から遮蔽されている。それぞれの冷却フィン７の周囲には、走行の間に走行風が流れるようになっている。それにより熱電発電機から周囲空気ないしは走行風への良好な熱伝達が達成されるようにしている。熱電発電機３に生じる温度差から、公然周知の方法により電圧Ｕが発生されるが、これを車載バッテリ電源網用の充電電圧として利用することができる。

熱電発電機３から周囲空気への熱伝達を最適化するために、周囲空気は、スポイラ要素（不図示）により冷却フィン７に向かって適切に誘導されるようにするとよい。ほかにも、さらにそれに追加して、冷却フィン７への補助的な「通気」を行う電動ファンを備えることも考えられる。

当然ながら熱電発電機３は、空冷式に代わり水冷式とすることも考えられる。熱電発電機の放熱側６ないしはそれに接続された冷却フィンは、たとえば車両の冷却系統に接続されるとよいが、その場合は、クーラントを冷却フィン７に送り出し、それにより放熱性をさらに向上するようになっているクーラントポンプが備えられるようにするとよい。

１ 放熱部品／内燃機関
２ 原動機ハウジング／シリンダブロック
３ 熱電発電機
４ 吸熱側
５ 熱流
６ 放熱側
７ 冷却フィン
８ 遮蔽板
Ｕ 電圧

Claims (7)

1. 放熱部品（１）と、当該放熱部品（１）に熱結合され吸熱要素（４）を有する熱電発電機（３）とを搭載し、当該熱電発電機（３）は前記吸熱要素（４）とヒートシンクとの間の温度勾配から電気エネルギを発生するようになっている、車両にして、
   前記熱電発電機（３）が、前記放熱部品（１）に直接配置されて熱伝導が行われるように前記放熱部品に接続され、放熱部品である内燃機関（１）の、ハウジング（２）及びオイルパンに直接配置され、複数の冷却フィン（７）を備えた放熱要素（６）を有し、
   また、放熱要素（６）が、遮蔽要素（８）により、前記放熱部品（１）から発する熱放射に対して遮蔽されている車両において、
   前記放熱部品（１）が内燃機関（１）のシリンダブロックであること、
   電気により作動する加熱ないしは保温装置が備えられ、これは前記熱電発電機（３）により電気エネルギを供給されて、前記内燃機関（１）の停止後には車両の電気エネルギ貯蔵装置を加熱ないしは保温するようになっていること
   を特徴とする、車両。
2. 前記冷却フィン（７）を有する前記放熱要素（６）が、その周囲に、またはそれらを通って走行風が流れるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の車両。
3. 前記冷却フィン（７）を有する前記放熱要素（６）に冷気を吹き込むファンが備えられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の車両。
4. 前記冷却フィン（７）を有する前記放熱要素（６）が、内部を液体が通って流れる車両の冷却系統に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の車両。
5. 前記熱電発電機（３）が、車内に備えられた電気エネルギ貯蔵装置に電気接続されており、前記熱電発電機（３）により発生する電気エネルギが前記エネルギ貯蔵装置を充電するために用いられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両。
6. 前記熱電発電機（３）が、車両の車載電源網に直接接続されて、車両の個々の電装品に給電することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両。
7. 電気により作動され、前記熱電発電機（３）により電気エネルギを供給される加熱ないしは保温装置が備えられ、これは前記内燃機関（１）の停止時に、エンジンオイルやクーラントなどの作動液、または前記内燃機関（１）のクランクシャフト、動弁機構、またはピストンなどの個々の部品ないしはアッセンブリを、電気により加熱ないしは保温するようになっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両。

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