JP5804089B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置に関する。

従来、自動車等の車両の内燃機関から排出される排気ガス等には、熱エネルギーが含まれているため、排気ガスをそのまま捨てると熱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熱電発電装置によって回収して電気エネルギーに変換し、例えば、バッテリに充電するようにしている。

従来のこの種の熱電発電装置としては、内燃機関から排出された排気ガスが導入される排気管に熱電変換モジュールの高温部を接触させるとともに、熱電変換モジュールの低温部を冷却水が流通する冷却水管に接触させたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この熱電変換モジュールは、半導体等の熱電変換素子、電極、高温部となる受熱基板および低温部となる放熱基板等を含んで構成されており、ゼーベック効果を利用して温度の高い排気ガスと温度の低い冷却水により、熱電変換モジュールの高温部と低温部との間に温度差を生じさせて発電を行うようになっている。

特開２０００−１８０９５号公報

しかしながら、このような従来の熱電発電装置にあっては、熱電変換モジュールの高温部に高温（例えば、５００℃程度）の排気ガスを導入し、低温部に低温（例えば４０℃）の冷却水を導入しているため、熱電変換モジュールの高温部と低温部との温度差が大きくなってしまう。

このため、熱電変換モジュールの高温部が低温部に対して膨張して、大きな熱歪が発生してしまい、熱電変換モジュールが破損してしまうおそれがある。仮に、熱歪により熱電変換モジュールが破損しないようにするためには、熱電変換モジュールを小型化する必要があるが、熱電変換モジュールを小型化すると、熱電変換モジュールの発電量を確保するために、多数の熱電変換モジュールが必要になる。

したがって、多数の熱電変換モジュールを接続するための多数の配線等が必要となり、熱電発電装置の製造作業が面倒になるとともに、熱電発電装置の製造コストが増大してしまうという問題が発生する。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、熱電変換モジュールの熱歪を小さくして熱電変換モジュールを大型化することができ、製造作業の容易化および製造コストの低減を図ることができる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電発電装置は、上記目的を達成するため、高温部と低温部の温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、内燃機関から排出される排気ガスを前記高温部に導入する排気ガス導入部と、排気ガスの熱によって加熱された冷媒の蒸気を前記低温部に導入する蒸気流通部とを備えたものから構成されている。

この熱電発電装置は、内燃機関から排出される排気ガスを熱電変換モジュールの高温部に導入するとともに、排気ガスの熱によって加熱された冷媒の蒸気を熱電変換モジュールの低温部に導入するようにしたので、高温部と低温部との温度差が過度に大きくなるのを防止して、熱電変換モジュールの熱歪を抑制することができる。

このため、熱電変換モジュールを大型化することができ、熱電変換モジュールを熱電発電装置に取付けたときに配線等を少なくすることができる。この結果、熱電発電装置の製造作業を容易にすることができるとともに、熱電発電装置の製造コストを低減させることができる。

好ましくは、熱電発電装置は、前記熱電変換モジュールが、作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールと、前記第１の熱電変換モジュールよりも作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールとから構成されるとともに、前記蒸気流通部が、第１の蒸気流通部と前記第１の蒸気流通部に連通する第２の蒸気流通部とから構成され、前記第１の熱電変換モジュールを収容する本体ケースと、前記本体ケースに設けられ、前記第１の熱電変換モジュールの高温部に対向する前記排気ガス導入部と、前記本体ケースの外方に取付けられ、前記第１の熱電変換モジュールの低温部に対向する前記第１の蒸気流通部と、前記本体ケースの上部に設けられた前記第２の蒸気流通部と、前記第２の蒸気流通部に低温部が対向するようにして前記第２の蒸気流通部の上部に設けられた前記第２の熱電変換モジュールと、前記第２の熱電変換モジュールの高温部に対向するように前記第２の熱電変換モジュールの上部に設けられた冷却水流通部とを含んで構成されてもよい。

この熱電発電装置は、作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールの高温部に排気ガスが導入され、第１の熱電変換モジュールの低温部に蒸気が導入されるので、第１の熱電変換モジュールの高温部と低温部との温度差が過度に大きくなるのを防止して、第１の熱電変換モジュールの熱歪を抑制することができる。

また、第１の熱電変換モジュールよりも作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールの高温部に蒸気が導入され、第２の熱電変換モジュールの低温部に冷却水が導入されるので、第２の熱電変換モジュールの高温部と低温部との温度差が過度に大きくするのを防止して、第２の熱電変換モジュールの熱歪を抑制することができる。

また、排気ガスの温度が高い領域では、第１の熱電変換モジュールおよび第２の熱電変換モジュールで発電を行い、排気ガスの温度が低い領域では、第２の熱電変換モジュールで発電を行うことにより、広い温度範囲、すなわち、車両の広い運転領域で発電を行うことができる。

また、第１の熱電変換モジュールの低温部および第２の熱電変換モジュールの高温部で同一温度の蒸気を導入しているため、第１の熱電変換モジュールの低温部および第２の熱電変換モジュールの高温部の温度の均等化を図ることができ、第１の熱電変換モジュールおよび第２の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

好ましくは、熱電発電装置は、前記第１の蒸気流通部が、前記本体ケースを取り囲むようにして前記本体ケースに取付けられ、前記第１の熱電変換モジュールが、前記排気ガス導入部を挟んで対向するように前記本体ケースの幅方向両側に取付けられるようにしてもよい。

この熱電発電装置は、第１の蒸気流通部が、本体ケースを取り囲むようにして本体ケースに取付けられ、第１の熱電変換モジュールが、排気ガス導入部を挟んで対向するように本体ケースの幅方向両側に取付けられるので、第１の蒸気流通部内の蒸気の圧力により、本体ケースに圧力を均等に加えることができる。

本体ケースに圧力が均等に加えられると、本体ケースと第１の熱電変換モジュールの低温部との接触圧が高くなり、第１の熱電変換モジュールの低温部への蒸気の伝熱効率を向上させることができる。

また、第１の熱電変換モジュールの低温部に蒸気の圧力が均等に加えられることにより、第１の熱電変換モジュールの高温部と排気ガス導入部との接触圧を高くすることができ、第１の熱電変換モジュールの高温部への伝熱効率を向上させることができる。この結果、第１の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

好ましくは、熱電発電装置は、前記排気ガス導入部に導入される排気ガスの温度に基づいて前記蒸気流通部内の圧力を制御する制御手段を有するものから構成されてもよい。
この熱電発電装置は、排気ガス導入部に導入される排気ガスの温度に基づいて蒸気流通部内の圧力を制御するので、第１の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

具体的には、第１の熱電変換モジュールは、発電効率の高い温度領域を有するため、排気ガス温度を推定することができれば、蒸気の温度がどの程度であると、第１の熱電変換モジュールの発電効率が最大となるかを推定することができる。

例えば、所定の気圧下で所定の温度で冷媒が沸騰されることにより発生する飽和蒸気は、圧力と温度に相関関係があるため、排気ガス導入部に導入される排気ガスの温度に基づいて蒸気流通部内の圧力を制御し、排気ガスの温度に対して飽和蒸気の温度を制御することにより、第１の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

好ましくは、熱電発電装置は、前記冷却水流通部に導入される冷却水の温度に基づいて前記蒸気流通部内の圧力を制御する制御手段を有するものから構成されてもよい。
この熱電発電装置は、冷却水流通部に導入される冷却水の温度に基づいて蒸気流通部内の圧力を制御し、冷却水の温度に対して飽和蒸気の温度を制御することにより、第２の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

好ましくは、熱電発電装置は、第２の蒸気導入部が、第２の熱電変換モジュールが載置される載置部と、載置部に設けられ、第２の蒸気導入部に導入される蒸気の圧力に応じて変位する可動部とを有するものから構成されてもよい。

この熱電発電装置は、第２の蒸気導入部の載置部に第２の蒸気導入部内の蒸気の圧力に応じて変位する可動部が設けられるので、可動部が変位することにより、載置部が上昇して載置部が第２の熱電変換モジュールの高温部に均等に圧力を加えることができる。

このため、第２の熱電変換モジュールの高温部への飽和蒸気の伝熱効率を向上させることができる。

また、第２の熱電変換モジュールの高温部に飽和蒸気の圧力が均等に加えられることにより、第２の熱電変換モジュールの低温部と冷却水流通部との接触圧を高くすることができ、第２の熱電変換モジュールの低温部への伝熱効率を向上させることができる。この結果、第２の熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

本発明によれば、熱電変換モジュールの熱歪を小さくして熱電変換モジュールを大型化することができ、製造作業の容易化および製造コストの低減を図ることができる熱電発電装置を提供することができる。

本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、熱電発電装置を備えるエンジンの排気系の概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、熱電発電装置の側面図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、図２のＡ−Ａ方向矢視断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、図２のＢ−Ｂ方向矢視断面図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、作動温度領域が高い熱電変換モジュールの斜視図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、作動温度領域が低い熱電変換モジュールの斜視図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、蒸気タンクの可動部を示す図である。 本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図であり、蒸気タンクの可動部が変形して載置部が上方に変位した状態を示す図である。

以下、本発明に係る熱電発電装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、熱電発電装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。

図１〜図８は、本発明に係る熱電発電装置の一実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、または、減衰して伝達するように機能する。

排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。

この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５、６は、例えば、三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。
ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。

例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。
バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には後述する熱電発電装置１７に冷却水を供給する上流側配管１８ａが設けられており、熱電発電装置１７と還流管９との間には熱電発電装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８ｂが設けられている。

このため、熱電発電装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系には、図１、図２に示す熱電発電装置１７が設けられており、この熱電発電装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。

図３に示すように、熱電発電装置１７は、エンジン１から排出された排気ガスが導入される排気ガス導入部としての排気管部１９を有する本体ケース２０を備えている。

図２に示すように、排気管部１９の排気方向上流側には排気管４に連結される導入管部２１が設けられており、排気管部１９の排気方向下流側にはテールパイプ２３に連結される排出管部２２が設けられている。

このため、排気管４から導入管部２１を介して排気管部１９に排出された排気ガスは、排気管部１９から排出管部２２を介してテールパイプ２３に排出された後、テールパイプ２３から外気に排出される。

また、図３に示すように、排気管部１９の内部には複数個の吸熱フィン２４が形成されており、この吸熱フィン２４は、排気ガスの熱を排気管部１９に伝達するようになっている。

また、本体ケース２０には排気管部１９を挟んでモジュール室２５、２６が形成されており、このモジュール室２５、２６には第１の熱電変換モジュールとしての熱電変換モジュール２７が収容されている。

すなわち、熱電変換モジュール２７は、排気管部１９を挟んで対向するように本体ケース２０の幅方向両側に取付けられている。

なお、本発明の熱電発電装置１７において定義される排気方向とは、排気管部１９を流れる排気ガスの排気方向のことを指すものであり、上流および下流とは、この排気方向に対する方向である。すなわち、熱電発電装置１７に対して上流側とはエンジン１側であり、下流側とはテールパイプ２３側である。

図５に示すように、熱電変換モジュール２７は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板３１と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３２との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生する複数個のＮ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４が設置されており、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４が電極３５ａ、３５ｂを介して交互に直列に接続されている。

複数個の熱電変換モジュール２７は、モジュール室２５、２６内において図２に示すように排気方向に沿って直列に設けられており、排気方向に隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３６を介して電気的に接続されている。

図２に示すように、熱電変換モジュール２７は、受熱基板３１が排気管部１９に対向して排気管部１９に接触するとともに、放熱基板３２が後述する蒸気タンク３７に対向して本体ケース２０に接触しており、受熱基板３１と放熱基板３２との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、図示しないケーブルを介してバッテリに電力を供給するようになっている。

また、Ｎ型熱電変換素子３３およびＰ型熱電変換素子３４は、Ｍｇ−Ｓｉ系等の熱電材料から構成されており、作動温度領域が４００℃〜５００℃程度で熱電変換効率が高くなる特性を有している。なお、図２、図３では、熱電変換モジュール２７を簡略化している。

一方、図２〜図４に示すように、本体ケース２０の外方には本体ケース２０を取り囲むようにして蒸気流通部および第１の蒸気流通部としての蒸気タンク３７が設けられており、この蒸気タンク３７は、本体ケース２０を介して熱電変換モジュール２７の放熱基板３２に対向している。

図３に示すように、蒸気タンク３７の底面には冷媒として、例えば、水Ｗｏが貯留されており、蒸気タンク３７は、支持ブラケット３８を介して本体ケース２０に取付けられている。なお、支持ブラケット３８は、例えば、本体ケース２０の上流端と下流端とに離隔して設けられてもよく、本体ケース２０の排気方向中央部に設けられてもよい。

本体ケース２０の上部には支持台３９を介して蒸気流通部および第２の蒸気流通部としての蒸気タンク４０が設けられている。図３において、本体ケース２０の上部右側、支持台３９の右側および蒸気タンク４０の下部右側にはそれぞれ連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａが形成されており、蒸気タンク３７の内部および蒸気タンク４０の内部は、連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａを介して連通している。なお、連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａは、排気方向に一定の間隔で形成されていてもよく、排気方向に亘って延在していてもよい。

本実施の形態では、排気管部１９に排気ガスが導入されると、排気ガスの熱が本体ケース２０を介して蒸気タンク３７に伝達されることにより、蒸気タンク３７内の水Ｗｏが蒸発して飽和蒸気が蒸気タンク３７内を上昇するようになっている。
このとき、排気管部１９を流れる排気ガスと蒸気タンク３７を上昇する飽和蒸気との温度差によって熱電変換モジュール２７が発電される。

また、この蒸気タンク３７を上昇する飽和蒸気は、連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａを通して蒸気タンク４０内に導入される。
なお、蒸気タンク３７、４０の上流端および下流端は、閉塞されており（図４では蒸気タンク３７、４０の上流端を示す）、蒸気タンク３７、４０の内部は、閉空間となっている。

蒸気タンク４０の上部は、載置部４０ｂを構成しており、この載置部４０ｂには第２の熱電変換モジュールとしての熱電変換モジュール４１を介して冷却水流通部としての冷却水タンク５１が設けられている。

冷却水タンク５１は、上流側配管１８ａに連結される冷却水導入部５１ａおよび下流側配管１８ｂに連結される冷却水排出部５１ｂを備えている。

この冷却水タンク５１は、冷却水導入部５１ａから冷却水タンク５１に導入された冷却水Ｗが排気ガスの排気方向と同方向に流れるように、冷却水排出部５１ｂに対して冷却水導入部５１ａが排気方向上流側に設けられている（図１、図２参照）。

図６に示すように、熱電変換モジュール４１は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板４２と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板４３との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生する複数個のＮ型熱電変換素子４４およびＰ型熱電変換素子４５が設置されており、Ｎ型熱電変換素子４４およびＰ型熱電変換素子４５が電極４６ａ、４６ｂを介して交互に直列に接続されている。

複数個の熱電変換モジュール４１は、排気方向と直交する方向に並列に設けられているとともに、排気方向に沿って直列に設けられており、隣接する熱電変換モジュール４１は、配線４７を介して電気的に接続されている。

熱電変換モジュール４１は、受熱基板４２が蒸気タンク４０に対向して蒸気タンク４０に接触するとともに、放熱基板４３が冷却水タンク５１に対向して冷却水タンク５１に接触しており、受熱基板４２と放熱基板４３との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、図示しないケーブルを介してバッテリに電力を供給するようになっている。

また、Ｎ型熱電変換素子４４およびＰ型熱電変換素子４５は、Ｂｉ−Ｔｅ系等の熱電材料から構成されており、作動温度領域が１００℃〜２００℃程度で熱電変換効率が高くなる特性を有している。なお、図２〜図４では、熱電変換モジュール４１を簡略化している。

すなわち、本実施の形態の熱電変換モジュール２７は、作動温度領域が高く設定されており、熱電変換モジュール４１は、熱電変換モジュール２７に対して作動温度領域が低く設定されている。

また、図３、図４、図７に示すように、蒸気タンク４０の載置部４０ｂには蛇腹形状の可動部４０ｃが設けられており、可動部４０ｃは、蒸気タンク４０に導入される飽和蒸気の圧力によって変位自在となっている。このため、可動部４０ｃの変位に伴って載置部４０ｂが上下方向に変位する。

本実施の形態では、蒸気タンク３７から蒸気タンク４０に飽和蒸気が導入されると、この飽和蒸気と冷却水タンク５１を流れる冷却水Ｗとの温度差によって熱電変換モジュール４１が発電される。
このとき、蒸気タンク４０に導入される飽和蒸気が冷却水タンク５１を流れる冷却水Ｗによって冷却されて凝縮水となり、この凝縮水が蒸気タンク４０に貯留される。

図３に示すように、蒸気タンク４０の底部は、右側から左側に向かって低くなるようにテーパ形状に形成されたテーパ部４０ｄを構成しており、蒸気タンク４０内で凝縮した凝縮水は、図３においてテーパ部４０ｄに沿って右方から左方に移動するようになっている。

図３、図４において、蒸気タンク３７および冷却水タンク５１の左端には還流管５２が設けられており、蒸気タンク３７および冷却水タンク５１は、還流管５２を介して連通している。

この還流管５２は、蒸気タンク４０に貯留された凝縮水を蒸気タンク４０から蒸気タンク３７に還流させるようになっており、蒸気タンク３７に還流された凝縮水は、蒸気タンク３７の底面に貯留される。

また、還流管５２には開閉弁５３が設けられており、この開閉弁５３は、常開型の電磁バルブから構成されている。この開閉弁５３は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６１から閉信号が入力されると閉止され、ＥＣＵ６１から閉信号が入力されなくなると開放されるようになっている。

また、蒸気タンク４０にはチューブポンプ、ダイヤフラム式ポンプ等からなる加減圧ポンプ５４が接続されており、この加減圧ポンプ５４と蒸気タンク４０との間には常閉型の開閉弁５５が設けられている。

この開閉弁５５は、ＥＣＵ６１から開信号が入力されると開放され、ＥＣＵ６１から開信号が入力されなくなると、閉止されるようになっている。

また、冷却水導入部５１ａには水温センサ６２が設けられており、この水温センサ６２は、冷却水タンク５１に導入される冷却水Ｗの温度を検知して、検知情報をＥＣＵ６１に出力するようになっている。なお、水温センサ６２は、上流側配管１８ａに設けられてもよい。

また、排気管４あるいは、排気管部１９には排気ガスの温度を検知する排気温センサ６３が設けられており、この排気温センサ６３は、排気管部１９に導入される排気ガスの温度を検知して、検知情報をＥＣＵ６１に出力するようになっている。

ＥＣＵ６１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）および入出力インターフェース等を含んだ電子制御回路から構成されており、水温センサ６２または排気温センサ６３からの検知情報に基づいて開閉弁５３、５５の開閉制御を行うようになっている。本実施の形態では、加減圧ポンプ５４、開閉弁５５およびＥＣＵ６１が制御手段を構成している。

次に、作用を説明する。
密閉空間からなる蒸気タンク３７、４０は、加減圧ポンプ５４によって一定の気圧下に減圧されており、蒸気タンク３７に貯留される水Ｗｏは、所定の温度（沸点）で飽和蒸気となる。すなわち、加減圧ポンプ５４によって蒸気タンク３７、４０内の圧力を調整することにより、蒸気タンク３７内で発生する飽和蒸気の温度を調整することができる。

エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。
この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、低温の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスにより昇温されることになる。

また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。
エンジン１の冷間始動時には、排気管４から排気管部１９に導入された排気ガスによって蒸気タンク３７内の水Ｗｏが飽和蒸気となって蒸気タンク３７から連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａを通して蒸気タンク４０内に導入される。

このため、冷却水タンク５１を流通する冷却水Ｗが昇温され、エンジン１の暖機が促される。

また、エンジン１の暖機後には、サーモスタット１１によってバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。

次に、熱電発電装置１７の作用を説明する。
排気管４から排気管部１９にエンジン１の排気ガスが導入されると、排気ガスの熱が熱電変換モジュール２７を通して蒸気タンク３７に伝達され、蒸気タンク３７内の水Ｗｏが蒸発して連通孔２０ａ、３９ａ、４０ａを通して蒸気タンク４０に導入される。

このとき、熱電変換モジュール２７の受熱基板３１に高温の排気ガスの熱が伝達され、放熱基板３２に冷却水よりも高温でかつ、排気ガスよりも低温、すなわち、中温の飽和蒸気の熱が伝達され、熱電変換モジュール２７は、排気ガスと飽和蒸気との間の温度差によって発電が行われる。

そして、熱電変換モジュール２７によって発電された電力は、図示しないケーブルを介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。なお、このバッテリは、例えば、車両の補機に電力を供給する補機バッテリから構成される。

また、蒸気タンク４０に導入された中温の飽和蒸気が熱電変換モジュール４１の受熱基板４２に伝達され、放熱基板４３に低温の冷却水の熱が伝達され、熱電変換モジュール４１は、冷却水と飽和蒸気との間の温度差によって発電が行われる。そして、熱電変換モジュール４１によって発電された電力は、図示しないケーブルを介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。

ここで、蒸気タンク３７、４０内に充満する飽和蒸気は、減圧状態にある蒸気タンク３７、４０によって所定の温度で蒸発した飽和蒸気であり、水分を含んでいる。そして、蒸気タンク４０で冷却水Ｗによって冷却された飽和蒸気は、凝縮水となり、蒸気タンク４０のテーパ部４０ｄに沿って図３中、左方に移動し、還流管５２を通して蒸気タンク３７に還流される。

このため、蒸気タンク３７は、常に水Ｗｏが貯留された状態となり、蒸気タンク３７で発生した飽和蒸気が、蒸気タンク３７から蒸気タンク４０に導入され、蒸気タンク４０で発生して凝縮された凝縮水が蒸気タンク３７に還流される動作を繰り返すことになる。すなわち、本実施の形態の熱電発電装置１７は、蒸気タンク３７、４０によって蒸気ループが形成される。

一方、エンジン１の高回転域では、排気ガスの温度が、例えば、５００℃以上となるため、高温の排気ガスと中温の飽和蒸気との温度差によって作動温度領域が高い熱電変換モジュール２７によって発電が行われる。また、中温の飽和蒸気と低温の冷却水との温度差によって作動温度が低い熱電変換モジュール４１によって発電が行われる。

すなわち、本実施の形態の熱電発電装置１７は、作動温度領域が高い熱電変換モジュール２７および作動温度が低い熱電変換モジュール４１によって２段階の発電が行われる。

また、エンジン１の低回転域では、排気ガスの温度が、例えば、３００℃以下となるため、熱電変換モジュール２７は、発電に効率的な温度域とはならない。ところが、中温の飽和蒸気と冷却水との温度差によって発電される熱電変換モジュール４１は、発電に効率的な温度域となるため、熱電変換モジュール４１によって発電が行われる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、蒸気タンク３７が、本体ケース２０を取り囲むようにして本体ケース２０に取付けられ、熱電変換モジュール２７が、排気管部１９を挟んで本体ケース２０の幅方向に対向するように本体ケース２０に取付けられる構成となっている。

このため、蒸気タンク３７内の蒸気の圧力により、本体ケース２０に圧力が均等に加えられる。本体ケース２０に圧力が均等に加えられると、本体ケース２０と熱電変換モジュール２７の放熱基板３２との接触圧が高くなり、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２への飽和蒸気の伝熱効率を向上させることができる。

また、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２の低温部に飽和蒸気の圧力が均等に加えられることにより、熱電変換モジュール２７の受熱基板３１と排気管部１９との接触圧を高くすることができ、熱電変換モジュール２７の受熱基板３１への伝熱効率を向上させることができる。この結果、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、蒸気タンク４０が、熱電変換モジュール４１が載置される載置部４０ｂと、載置部４０ｂに設けられ、蒸気タンク４０に導入される蒸気の圧力に応じて変位する可動部４０ｃとを有する。

このため、図８に示すように、蒸気タンク４０内の飽和蒸気の圧力に応じて可動部４０ｃが上方に変位することにより、載置部４０ｂが上昇して載置部４０ｂが熱電変換モジュール４１の受熱基板４２に均等に圧力を加えることができる。

このため、熱電変換モジュール４１の受熱基板４２への飽和蒸気の伝熱効率を向上させることができる。

また、熱電変換モジュール４１の受熱基板４２に蒸気タンク４０内の飽和蒸気の圧力が均等に加えられることにより、熱電変換モジュール４１の放熱基板４３と冷却水タンク５１との接触圧を高くすることができ、熱電変換モジュール４１の放熱基板４３への伝熱効率を向上させることができる。この結果、熱電変換モジュール４１の発電効率を向上させることができる。

一方、エンジン１の高負荷運転が続くと、冷却水タンク５１に導入される中温の飽和蒸気の影響を受けて、冷却水Ｗの温度が上昇して冷却水が沸騰してしまうおそれがある。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、ＥＣＵ６１が水温センサ６２からの検知情報に基づいて冷却水の温度をモニターし、冷却水の温度が沸騰し易い所定温度以上になったか否かを判断し、所定温度以上となったことを条件として、開閉弁５３に閉信号を送信して開閉弁５３を閉じる。

このため、蒸気タンク３７と蒸気タンク４０との連通が遮断され、蒸気タンク３７内の凝縮水が蒸気タンク４０に還流されなくなり、蒸気タンク４０内に凝縮水が貯留される。すなわち、蒸気タンク４０内には冷却水タンク５１の冷却水Ｗによって冷やされた低温の凝縮水が貯留される。

この結果、冷却水タンク５１の冷却水Ｗが飽和蒸気によって沸騰されることがなく、エンジン１の冷却性能が低下するのを防止することができる。

また、ＥＣＵ６１は、排気温センサ６３からの検知情報に基づいて排気管部１９に導入される排気ガスの温度に取得し、開閉弁５５に開信号を送信して開閉弁５５を開放し、排気ガスの温度に基づいて加減圧ポンプ５４を加圧または減圧して蒸気タンク３７、４０内の圧力を調整してもよい。

具体的には、作動温度領域が高い熱電変換モジュール２７は、発電効率の高い温度領域を有するため、排気ガス温度が分かれば、蒸気タンク３７、４０内の飽和蒸気の温度がどの程度であると、熱電変換モジュール２７の発電効率が最大となるかを推定することができる。

所定の気圧下で所定の温度で水Ｗｏが沸騰されることにより発生する飽和蒸気は、圧力が増大すると温度が上昇し、圧力が低下すると温度が低下するような温度と圧力との相関関係を有する。このため、排気ガスの温度が高い運転領域において排気管部１９に導入される排気ガスの温度に基づいて蒸気タンク３７、４０内の圧力を制御し、排気ガスの温度に対して飽和蒸気の温度を制御することにより、熱電変換モジュール２７の発電効率を向上させることができる。

また、ＥＣＵ６１は、水温センサ６２からの検知情報に基づいて冷却水タンク５１に導入される冷却水の温度を取得し、開閉弁５５に開信号を送信して開閉弁５５を開放し、排気ガスの温度に基づいて加減圧ポンプ５４を加圧または減圧して蒸気タンク３７、４０内の圧力を調整してもよい。

具体的には、作動温度領域が低い熱電変換モジュール４１は、発電効率の高い温度領域を有するため、冷却水の温度が分かれば、蒸気タンク３７、４０内の飽和蒸気の温度がどの程度であると、熱電変換モジュール４１の発電効率が最大となるかを推定することができる。

したがって、排気ガスの温度が低い運転領域において、冷却水タンク５１に導入される冷却水の温度に基づいて蒸気タンク３７、４０内の圧力を制御して冷却水の温度に対して飽和蒸気の温度を制御することにより、熱電変換モジュール４１の発電効率を向上させることができる。

なお、ＥＣＵ６１は、排気温センサ６３からの検知情報に基づいて排気ガスの温度情報を取得しているが、排気ガスの温度を取得する手段は、これに限定されるものではない。
例えば、車両に既存のエアフローメータから取得した吸入空気量等のエンジン負荷情報やアクセルペダルの開度を検知するアクセル開度センサ等からの検知情報に基づいて、ＥＣＵ６１が、エンジン負荷とアクセル開度とに排気ガスの温度が関連付けられたマップを参照して排気ガスの温度を推定するようにしてもよい。

このように本実施の形態の熱電発電装置１７は、熱電変換モジュール２７を収容する本体ケース２０と、本体ケース２０に設けられ、熱電変換モジュール２７の受熱基板３１に対向する排気管部１９と、本体ケース２０の外方に取付けられ、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２に対向する蒸気タンク３７と、本体ケース２０の上部に設けられた蒸気タンク４０と、蒸気タンク４０に放熱基板４３が対向するようにして蒸気タンク４０の上部に設けられた熱電変換モジュール４１と、熱電変換モジュール４１の受熱基板４２に対向するように熱電変換モジュール４１の上部に設けられた冷却水タンク５１とを含んで構成される。

この熱電発電装置１７は、作動温度領域が高い熱電変換モジュール２７の受熱基板３１に排気ガスが導入され、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２に飽和蒸気が導入されるので受熱基板３１と放熱基板３２との温度差が過度に大きくなるのを防止して、熱電変換モジュール２７の熱歪を抑制することができる。

このため、熱電変換モジュール２７を大型化することができ、熱電変換モジュール２７を熱電発電装置１７の本体ケース２０に取付けたときに配線等を少なくすることができる。

また、熱電変換モジュール２７よりも作動温度領域が低い熱電変換モジュール４１の受熱基板４２に飽和蒸気が導入され、熱電変換モジュール４１の放熱基板４３に冷却水が導入されるので、熱電変換モジュール４１の受熱基板４２と放熱基板４３との温度差が過度に大きくなるのを防止して、熱電変換モジュール４１の熱歪を抑制することができる。

このため、熱電変換モジュール４１を大型化することができ、熱電変換モジュール４１を熱電発電装置１７の蒸気タンク４０と冷却水タンク５１との間に介装したときに配線等を少なくすることができる。
この結果、熱電発電装置１７の製造作業を容易にすることができるとともに、熱電発電装置１７の製造コストを低減させることができる。

また、排気ガスの温度が高い領域では、熱電変換モジュール２７、４１で発電を行い、排気ガスの温度が低い領域では、熱電変換モジュール４１で発電を行うことにより、広い温度範囲、すなわち、車両の広い運転領域で発電を行うことができる。

また、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２および熱電変換モジュール４１の受熱基板４２で同一温度の蒸気を導入しているため、熱電変換モジュール２７の放熱基板３２および熱電変換モジュール４１の受熱基板４２の温度の均等化を図ることができ、熱電変換モジュール２７、４１の発電効率を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、冷媒として水が用いられているが、冷媒としては、水に限定されることはなく、例えば、アルコール等のように排気ガスの温度で蒸気が発生する冷媒であればよい。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールの熱歪を小さくして熱電変換モジュールを大型化することができ、製造作業の容易化および製造コストの低減を図ることができるという効果を有し、内燃機関から排出される排気ガスを利用して熱電発電を行う熱電発電装置等として有用である。

１ エンジン（内燃機関）
１７ 熱電発電装置
１９ 排気管部（排気ガス導入部）
２０ 本体ケース
２７ 熱電変換モジュール（第１の熱電変換モジュール）
３１、４２ 受熱基板（受熱部）
３２、４３ 放熱基板（放熱部）
３７ 蒸気タンク（蒸気流通部、第１の蒸気流通部）
４０ 蒸気タンク（蒸気流通部、第２の蒸気流通部）
４０ｂ 載置部
４０ｃ 可動部
４１ 熱電変換モジュール（第２の熱電変換モジュール）
５１ 冷却水タンク（冷却水流通部）
５４ 加減圧ポンプ（制御手段）
５５ 開閉弁（制御手段）
６１ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (5)

1. 高温部と低温部の温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置であって、
   内燃機関から排出される排気ガスを前記高温部に導入する排気ガス導入部と、排気ガスの熱によって加熱された冷媒の蒸気を前記低温部に導入する蒸気流通部とを備え、
   前記熱電変換モジュールが、作動温度領域が高い第１の熱電変換モジュールと、前記第１の熱電変換モジュールよりも作動温度領域が低い第２の熱電変換モジュールとから構成されるとともに、前記蒸気流通部が、第１の蒸気流通部と前記第１の蒸気流通部に連通する第２の蒸気流通部とから構成され、
   前記第１の熱電変換モジュールを収容する本体ケースと、
   前記本体ケースに設けられ、前記第１の熱電変換モジュールの高温部に対向する前記排気ガス導入部と、
   前記本体ケースの外方に取付けられ、前記第１の熱電変換モジュールの低温部に対向する前記第１の蒸気流通部と、
   前記本体ケースの上部に設けられた前記第２の蒸気流通部と、
   前記第２の蒸気流通部に高温部が対向するようにして前記第２の蒸気流通部の上部に設けられた前記第２の熱電変換モジュールと、
   前記第２の熱電変換モジュールの低温部に対向するように前記第２の熱電変換モジュールの上部に設けられた冷却水流通部とを含んで構成されることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記第１の蒸気流通部が、前記本体ケースを取り囲むようにして前記本体ケースに取付けられ、
   前記第１の熱電変換モジュールが、前記排気ガス導入部を挟んで対向するように前記本体ケースの幅方向両側に取付けられることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記排気ガス導入部に導入される排気ガスの温度に基づいて前記蒸気流通部内の圧力を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記冷却水流通部に導入される冷却水の温度に基づいて前記蒸気流通部内の圧力を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
5. 前記第２の蒸気導入部が、前記第２の熱電変換モジュールが載置される載置部と、前記載置部に設けられ、前記第２の蒸気導入部に導入される蒸気の圧力に応じて変位する可動部とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載の熱電発電装置。

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