JP5831396B2 - 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対向させるとともに、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対向させたものが知られている。

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とにより、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。

ところで、熱電変換モジュールの低温部には、冷却水が導入される冷却ジャケットが設けられており、冷却ジャケットとラジエータとの間で、ポンプによってエンジン冷却水が循環されるため、冷却水用の配管やポンプ等の構成が必要となり、熱電発電システムの構成が複雑となってしまう。

これに対して、熱電発電システムの構成を簡素化するために、容器に封入された液媒体を利用して熱電変換モジュールの低温部を冷却するようにした熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この熱電発電装置は、熱電変換モジュールの低温側に液媒体が封入された容器と、容器内の液媒体を冷却する冷却ファンとを備えている。

この熱電発電装置は、容器内の低温の液状の熱媒体によって熱電発電装置の低温部を冷却して熱電発電装置の高温部と低温部との温度差を大きくして発電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の高温部に供給された排気ガスの熱により、液媒体が沸騰して蒸気となるが、この蒸気を冷却ファンで冷却することにより、凝縮させて液状化して低温の液媒体に還元させている。このように液媒体が沸騰および凝縮を繰り返す自己循環を行うことで、低温部を冷却することができるため、冷却水用の配管やポンプ等の構成を不要にできる。

特開２００５−８３２５１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、液媒体を冷却ファンによって冷却することにより、蒸気を凝縮させて液状化しているため、冷却ファンを設ける分だけ熱電発電装置の部品点数が増大してしまい、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ある。
これに加えて、冷却ファンを用いることにより、冷却ファンによって消費される電力によって熱電発電装置で発電された電力が無駄になってしまうという問題がある。

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、冷却ファンを用いることなく液媒体を冷却することができるようにして、部品点数が増大するのを防止して製造コストを低減す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、（１）内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管に高温部が対向するとともに、液媒体が封入される液媒体封入部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、前記液媒体封入部に対向して設けられ、開口部から導入される空気によって前記液媒体封入部内の液媒体を冷却する空気導入部とを備えた熱電発電装置であって、一端部が前記内燃機関に吸入空気を導入する吸気管に接続され、他端部が前記空気導入部に接続される連通管を有し、前記連通管に蒸発燃料を吸着する吸着材を有する吸着器が設けられたものから構成されている。

この熱電発電装置は、空気導入部に、一端部が吸気管に接続された連通管の他端部を接続しているため、内燃機関の吸気負圧によって空気導入部に冷たい外気を導入することができ、液媒体封入部に封入された液媒体が排気ガスの熱によって沸騰した場合に、冷たい外気によって蒸気を液状化することができる。

このため、従来のように冷却ファンを用いずに蒸気を液状化して低温の熱媒体に還元することができ、低温の冷却水によって低温部を冷却することができる。このため、熱電変換モジュールの高温部と低温部との温度差を大きくして熱電変換モジュールの発電効率を大きくすることができる。

また、従来のように冷却ファンを用いずに蒸気を液状化して低温の熱媒体に還元することができるので、熱電発電装置の部品点数が増大するのを防止して熱電発電装置の製造コストが増大するのを防止することができる。これに加えて、冷却ファンを不要にできるので、熱電変換モジュールで発電した電力が冷却ファンで消費されるのを防止することができる。

また、空気導入部に接続された連通管に吸着器を設けたので、熱電変換モジュールによって蒸気と熱交換された高温の空気を吸気管内の吸入負圧によって連通管を通して吸着器に供給することができる。

吸着器の吸着材は、高温である程、吸着した燃料を脱離する能力が高くなることから、連通管を通して供給された高温の空気によって吸着材から燃料を脱離し易くすることができる。そして、脱離した燃料を吸気管内の吸入負圧によって内燃機関に導入して燃焼させることができる。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記液媒体封入部および前記空気導入部が、前記排気ガスの排気方向に沿って延在し、前記空気導入部は、前記空気導入部内を流れる空気の流れ方向の上流端に前記開口部が形成され、空気の流れ方向の下流端側に前記連通管の他端部が接続されるものから構成されている。

この熱電発電装置の空気導入部は、空気の流れ方向の上流端に空気導入用の開口部が形成され、空気の流れ方向の下流端側に連通管の他端部が接続されるので、吸気管内の吸入負圧によって開口部から導入された空気を空気導入部の延在方向に亘って流すことができる。

このため、液媒体封入部の内部で沸騰した蒸気を液媒体封入部の延在方向に亘って均一に冷やすことができ、空気導入部の延在方向に亘って液媒体の温度を均一化することができる。

この結果、熱電変換モジュールの低温部の温度が熱電変換モジュールの延在方向に亘ってばらつくのを防止することができ、熱電変換モジュールの発電効率が低下するのを防止することができる。

上記（１）または（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記空気導入部の前記開口部に、空気を浄化するエアフィルタが設けられるものから構成されている。
この熱電発電装置は、空気導入部の開口部に、空気を浄化するエアフィルタが設けられるので、空気導入部に導入される空気をエアフィルタによって浄化して連通管に導入することができる。このため、空気導入部内および吸着器に異物が入り込んでしまうのを防止することができる。

本発明によれば、冷却ファンを用いることなく液媒体を冷却することができるようにして、部品点数が増大するのを防止して製造コストを低減す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車両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、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、熱電変換モジュールと排気管およびヒートパイプとの位置関係を示す図である。 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、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、（ａ）は、図２のＢ方向矢視図、（ｂ）は、図２のＣ方向矢視図である。 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、ヒートパイプ内の冷却水の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７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において、液体燃料（以下、単に燃料という）が貯留される燃料タンク１にはポンプモジュール２が設けられており、このポンプモジュール２は、燃料タンク１内に貯留された燃料を汲み上げるようになっている。

燃料タンク１の上部には、燃料タンク１内の圧力を検知する圧力センサ３が設けられており、この圧力センサ３は、燃料タンク１内の圧力を検知するようになっている。

ポンプモジュール２は、燃料供給管４を介して内燃機関としてのエンジン５の燃料噴射弁６に接続されている。このため、ポンプモジュール２によって燃料タンク１から汲み上げられた燃料は、燃料供給管４を通じて燃料噴射弁６に供給されるようになっている。

また、ポンプモジュール２にはフューエルセンダーゲージ８が設けられており、このフューエルセンダーゲージ８は、燃料タンク１内に貯留された燃料に浮かぶフロート７の位置に応じて燃料タンク１内に貯留された燃料の液面の位置を検知するようになっている。

燃料タンク１には、給油管９が取付けられており、この給油管９の先端に位置する給油口９ａは、車両のボディに設けられたフューエルインレットボックス１１内に収容されている。なお、給油管９には燃料タンク１の上部と給油管９の上流部とを接続する循環配管１０が設けられている。

フューエルインレットボックス１１には、フューエルリッド１２が設けられており、燃料の給油時には、このフューエルリッド１２を開放し、給油口９ａに取付けられたキャップ９ｂを取り外すことにより、給油口９ａから燃料タンク１内に燃料を注入するようになっている。

エンジン５にはエンジン５の各気筒の燃焼室に吸入空気を導入する吸気通路１３を有する吸気管１４が設けられており、この吸気管１４には燃料タンク１から供給された燃料を噴射する燃料噴射弁６が設けられている。なお、吸気管１４は、エンジン５の各気筒の燃焼室に吸入空気を導入する吸気マニホールドを介してエンジン５に接続されている。

また、吸気管１４におけるサージタンク１５よりも吸気方向上流側の部分には、モータ１７によって吸気通路１３の開度が調整され、エンジン５に吸入される吸入空気量を調整するスロットルバルブ１８が設けられている。

スロットルバルブ１８に対して吸気方向上流側の吸気管１４にはエアクリーナ１６が設けられており、このエアクリーナ１６には吸気管１４に吸入される空気に含まれる細かな塵等を取り除くエアフィルタ１６ａが内蔵されている。なお、図１に吸気方向をＧＡで示す。

また、エンジン５には排気通路２０を有する排気管２１が接続されており、エンジン５の各気筒の燃焼室で燃焼された排気ガスは、排気通路２０に排出される。なお、排気管２１は、エンジン５の各気筒の燃焼室から排気ガスが排出される排気マニホールドを介してエンジン５に接続されている。
排気管２１には、２つの触媒２２、２３が直列に設置されており、この触媒２２、２３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２２、２３のうち、排気管２１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２２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２１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２３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２２、２３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。

一方、排気管２１には熱電発電装置２４が設けられており、この熱電発電装置２４は、エンジン５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ものである。

図２に示すように、熱電発電装置２４は、エンジン５から排出された排気ガスＧＡが導入される排気通路２５ａを有する排気管部２５を備えており、この排気管部２５の上流端は、排気管２１の下流端に接続され、排気管部２５の下流端は、テールパイプ２６の上流端に接続されている。なお、排気管部２５は、排気管を構成している。

このため、エンジン５の各燃焼室から排気マニホールドを介して排気管２１に排出された排気ガスは、排気管２１から排気管部２５およびテールパイプ２６を通して外部に排出される。

また、熱電発電装置２４は、排気ガスＧＡの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール２７と、排気管部２５と同軸上に設けられたヒートパイプ２８と、排気管部２５と同軸上に設けられたエアパイプ２９とを備えている。

図３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３０と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３１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Ｎ型熱電変換素子３２およびＰ型熱電変換素子３３が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３２およびＰ型熱電変換素子３３が電極３４ａ、３４ｂを介して交互に直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール２７は、配線３４ｃを介して電気的に連結されている。

図４に示すように、各熱電変換モジュール２７の受熱基板３０は、排気管部２５に対向しており、受熱基板３０は、排気管部２５に接触している。また、各熱電変換モジュール２７の放熱基板３１は、ヒートパイプ２８に対向しており、放熱基板３１は、ヒートパイプ２８に接触している。

また、本実施の形態の熱電変換モジュール２７は、略正方形のプレート形状をしており、排気管部２５およびヒートパイプ２８に密着させる必要があるため、受熱基板３０および放熱基板３１に接触する排気管部２５およびヒートパイプ２８（後述する下ケース部３８）の接触面は、平面形状となっている。

また、排気管部２５およびヒートパイプ２８は、円形であってもよい。この場合には、熱電変換モジュール２７の受熱基板３０および放熱基板３１等を湾曲させるようにすればよい。

図２、図５に示すように、ヒートパイプ２８は、有底の長方形状に形成されるケース３５と、ケース３５の内部に設けられ、排気管部２５の延在方向と直交する方向に連続する櫛歯形状のインナーフィン３６とを備えている。

具体的には、インナーフィン３６は、ケース３５の天井に最も近接して設けられた天井部３６ａと、ケース３５の底部に最も近接して設けられた底部３６ｂと、天井部３６ａと底部３６ｂを連接するように図５中の上下方向に延在する連接部３６ｃと、インナーフィン３６の幅方向両端部に設けられ、ケース３５の内周部に固定される固定部３６ｄとを備えている。また、インナーフィン３６は、ケース３５の延在方向である図２中、左右方向に延在している。

なお、本実施の形態のケース３５は、インナーフィン３６の固定部３６ｄよりも上方の部位を上ケース部３７といい、インナーフィン３６の固定部３６ｄよりも下方の部位を下ケース部３８という。

また、ケース３５は、有底の長方形状に形成されているため、図６（ａ）に示すように、ケース３５の下流端には側壁部３５ａが形成されている。
また、図６（ｂ）に示すように、下ケース部３８の上流端とインナーフィン３６の上流端には、下ケース部３８の内周部とインナーフィン３６の内周部との間の空間を閉空間とするための閉止部３５ｂが設けられている。

この下ケース部３８の内周部とインナーフィン３６の内周部との閉空間には、液媒体としての冷却水Ｗが封入されており、この閉空間は、封入空間３９を構成している。なお、冷却水としては、純水が用いられる。但し、液媒体としては、純水に限定されるものではない。なお、図１において、熱電変換モジュール２７は、簡略化しており、図４、図５において、電極３４ａ、３４ｂおよび配線３４ｃは、省略している。

本実施の形態の熱電発電装置２４は、下ケース部３８およびインナーフィン３６によって液媒体封入部としてのヒートパイプ２８を構成しており、このヒートパイプ２８は、熱電変換モジュール２７の放熱基板３１に対向している。

このため、熱電変換モジュール２７は、高温の排気ガスに晒される受熱基板３０と低温の冷却水に晒される放熱基板３１との温度差に応じて熱電発電を行うことにより、ケーブル４０（図２参照）を介して補機バッテリに電力を供給することができる。

また、図２、図６（ｂ）に示すように、上ケース部３７の上流端とインナーフィン３６の上流端には開口部３５ｃが形成されており、上ケース部３７の内周部とインナーフィン３６の外周部との間には開口部３５ｃを通して空気が導入されるようになっている。

本実施の形態の熱電発電装置２４は、上ケース部３７の内周部およびインナーフィン３６の外周部によって開口部３５ｃから導入された空気が流れる空気通路２９ａ（図５参照）が画成されており、上ケース部３７およびインナーフィン３６が空気導入部としてのエアパイプ２９を構成し、このエアパイプ２９は、ヒートパイプ２８に対向している。

また、ヒートパイプ２８およびエアパイプ２９を構成するケース３５およびインナーフィン３６は、排気ガスの流れ方向である図２中、左右方向に延在しており、ケース３５の上流端は、上流端側に設けられた熱電変換モジュール２７よりも上流側に位置しているとともに、ケース３５の下流端は、下流端側に設けられた熱電変換モジュール２７よりも下流側に位置している。このため、各熱電変換モジュール２７の放熱基板３１を封入空間３９に封入される冷却水に対向させることができる。

図２において、上ケース部３７の下流端側には開口部３７ａが形成されており、この開口部３７ａには連通管４１のエア配管４３が接続されている。この連通管４１は、パージ配管４２およびエア配管４３から構成されている。

図１において、パージ配管４２の一端部は、スロットルバルブ１８に対して下流側の吸気管１４にパージバルブ４４を介して接続されており、パージ配管４２の他端部は、吸着器としてのキャニスタ４５に接続されている。

また、エア配管４３の一端部は、キャニスタ４５に接続されており、エア配管４３の他端部は、開口部３７ａを介して上ケース部３７の下流端側に接続されている。
また、キャニスタ４５は、本体ケース４６と、本体ケース４６に内蔵された活性炭等の吸着材４７とを備えている。

このキャニスタ４５の本体ケース４６には、パージ配管４２の他端部およびエア配管４３の一端部が接続されており、エアパイプ２９の空気通路２９ａは、パージ配管４２およびエア配管４３を介して吸気管１４の吸気通路１３に連通している。

また、連通管４１は、パージ配管４２およびエア配管４３から構成されているため、連通管４１の一端部が吸気管１４に接続され、連通管４１の他端部がエアパイプ２９に接続されることになり、キャニスタ４５は、連通管４１上に設けられることになる。

また、キャニスタ４５にはタンク配管４８の一端部が接続されており、タンク配管４８の他端部は、燃料タンク１内に設けられている。タンク配管４８の他端部は、蒸発燃料が導入される入口部を構成しており、タンク配管４８の他端部には、カットオフバルブ（以下、単にＣＯＶという）４９が設けられている。

このＣＯＶ４９は、給油時の液面上昇により閉弁し、エア配管４３と燃料タンク１との接続を遮断する。また、ＣＯＶ４９は、車両が大きく傾いたときに、タンク配管４８と燃料タンク１との接続を遮断し、タンク配管４８を介して大量の燃料が外部に漏れることを防止する機能を有している。

一方、車両を統括的に制御する電子制御装置であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０には、圧力センサ３、フューエルセンダーゲージ８が接続されているとともに、運転者によるアクセル操作量を検知するアクセルポジションセンサ５１、エンジン回転数を検知するクランクポジションセンサ５２等の各種センサが接続されている。

ＥＣＵ５０は、これら各種センサから出力される信号に基づいて、エンジン５やパージバルブ４４に制御信号を出力し、エンジン５やパージバルブ４４を統括的に制御する。
例えば、エンジン５の運転中には、クランクポジションセンサ５２によって検知されるエンジン回転数とアクセルポジションセンサ５１によって検知されるアクセル操作量とに基づいてモータ１７を制御することにより、スロットルバルブ１８を駆動して吸入空気量を調整するとともに、吸入空気量に合わせて燃料噴射弁６の開弁期間を制御して燃料噴射量を制御する。

また、パージバルブ４４はパージ配管４２の途中の開度を変化させることで、キャニスタ４５から脱離させる燃料量を可変制御できるようになっている。
具体的には、パージバルブ４４は、その励磁電流がデューティ制御されることで開度を変化させることができ、そのデューティ比に応じたパージ率で、吸気管１４内の吸気負圧によりキャニスタ４５の吸着材４７から脱離した燃料を空気と共にパージガスとしてサージタンク１５内に吸入させることができる。

また、ＥＣＵ５０は、クランクポジションセンサ５２からの検知情報に基づいてエンジン５の運転中にパージバルブ４４を作動して、パージ配管４２と吸気管１４とを連通するようになっている。

また、ＥＣＵ５０は、給油時に、圧力センサ３によって検知される燃料タンク１内の圧力に基づいて燃料タンク１内の圧力が十分に低下したことを条件として、フューエルリッド１２のロックを解除する。

このように燃料タンク１内の圧力が十分に低下したときにフューエルリッド１２のロックを解除するようにすれば、給油口９ａが開放されたときに、燃料タンク１内の燃料蒸気が給油管９を通じて大気中に放出されてしまうことを抑制することができる。
また、図２、図６（ｂ）に示すように、エアパイプ２９の開口部３５ｃにはエアフィルタ５３が設けられており、このエアフィルタ５３は、空気に含まれる細かな塵等を取り除くことで、エアパイプ２９の空気通路２９ａに導入される空気を浄化するようになっている。

図６（ｂ）に示すように、エアフィルタ５３は、上ケース部３７の内周部およびインナーフィン３６の外周部に沿った形状のフレーム５３ａと、このフレームに内蔵され、通気性の良好な、例えば不織布等からなるエアフィルタ５３ｂとを備えており、エアフィルタ５３ｂが開口部３５ｃを覆っている。

次に、作用を説明する。
エンジン５の停止中に外気温等の上昇によって燃料タンク１内の燃料の温度が上昇すると、燃料タンク１内の燃料が蒸発し、この蒸発燃料は、タンク配管４８を通してキャニスタ４５の吸着材４７に吸着される。

活性炭等からなる吸着材４７は、吸着材４７の温度が低くなる程、燃料を吸着する能力が向上する性質を有する。
このため、車両の駐車時等のようにエンジン５が停止状態にある場合には、吸着材４７の温度が低くなることで、蒸発燃料が吸着材４７に吸着され易く、蒸発燃料がキャニスタ４５の本体ケース４６内に閉じ込められて外部に放出されることがない。

一方、エンジン５が運転されると、ＥＣＵ５０は、パージバルブ４４を開いて吸気管１４とパージ配管４２とを連通する。このとき、エンジン５の燃焼室から排気ガスが排気管２１の排気通路２０に排出される。

排気通路２０に排出される高温の排気ガスは、熱電発電装置２４の排気通路２５ａに導入され、排気通路２５ａを流れる排気ガスが熱電変換モジュール２７の受熱基板３０に作用する。

また、ヒートパイプ２８内に封入された低温の冷却水が熱電変換モジュール２７の放熱基板３１に作用することにより、熱電変換モジュール２７の受熱基板３０と放熱基板３１との間の温度差によって発電が行われる。そして、発電された電力は、ケーブル４０を介してバッテリに供給され、バッテリに充電される。

また、高温の排気ガスと低温の冷却水とが熱交換されると、図７に示すように、冷却水Ｗが沸騰して水蒸気Ｗ１となり、インナーフィン３６の天井部３６ａの内周部および連接部３６ｃの内周部によって囲まれる空間に溜まる。

一方、エアパイプ２９の下流端側は、エア配管４３およびパージ配管４２を介して吸気管１４に接続されているため、吸気管１４内の吸入負圧によってパージ配管４２およびエア配管４３を介して冷たい外気がエアパイプ２９の開口部３５ｃから空気通路２９ａに積極的に導入される。また、開口部３５ｃから空気通路２９ａに導入される空気は、エアフィルタ５３によって浄化される。

インナーフィン３６の天井部３６ａの内周部および連接部３６ｃの内周部によって囲まれる空間に溜まった水蒸気Ｗ１は、天井部３６ａの外周部および連接部３６ｃの外周部によって囲まれる空気通路２９ａを流れる冷たい空気によって速やかに冷却されて凝縮し（図７にＷ２で示す）、下部ケース部３８の底面に落下して低温の冷却水に還元される。このため、冷却水Ｗが熱電変換モジュール２７の放熱基板３１に作用して高温の排気ガスとの間で熱交換が行われる。

すなわち、本実施の形態の熱電発電装置２４は、エアパイプ２９と吸気管１４とをパージ配管４２およびエア配管４３によって接続し、吸気管１４の吸入負圧を利用してエアパイプ２９に積極的に冷たい外気を導入することで、高温の排気ガスによって沸騰した水蒸気Ｗ１を速やかに冷却水Ｗに還元させることができ、冷却水が沸騰および凝縮を繰り返す自己循環サイクルを短くすることができる。

特に、本実施の形態の熱電発電装置２４は、インナーフィン３６の天井部３６ａおよび連接部３６ｃを挟んで冷たい空気と水蒸気Ｗとの間で熱交換を行うので、水蒸気Ｗ１と空気との間で熱の伝達効率を向上させることができ、自己循環サイクルをより一層短くすることができる。

また、エアパイプ２９の空気通路２９ａを流れる冷たい空気が水蒸気Ｗ１と熱交換されることで高温の空気が空気通路２９ａからエア配管４３に導入される。エア配管４３に導入された空気は、キャニスタ４５に導入され、吸着材４７を加熱する。

吸着材４７は、吸着材４７の温度が高くなる程、吸着した燃料を脱離する能力が向上する性質を有するので、高温の空気によって加熱された吸着材４７から蒸発燃料が脱離し易くなる。

そして、吸着剤脱離された蒸発燃料は、吸気管１４の吸入負圧によって本体ケース４６内からパージ配管４２に導入され、パージ配管４２を通して空気と共にパージガスとしてサージタンク１５内に吸入され、エンジン５によって燃焼される。

このように本実施の形態の熱電発電装置２４は、放熱基板３１に対向して設けられ、冷却水が封入されたヒートパイプ２８と、ヒートパイプ２８に対向して設けられ、開口部３５ｃから導入される空気によってヒートパイプ２８内の冷却水を冷却するエアパイプ２９と、一端部が吸気管１４に接続され、他端部がヒートパイプ２８に接続される連通管４１とを備え、連通管４１に、蒸発燃料を吸着する吸着材４７を有するキャニスタ４５が設けられる。

このため、熱電発電装置２４は、吸気管１４内の吸気負圧によってエアパイプ２９に冷たい外気を導入することができ、ヒートパイプ２８に封入された冷却水が排気ガスの熱によって沸騰した場合に、冷たい外気によって水蒸気を液状化して下部ケース部３８の底面に落下させることができる。

このため、従来のように冷却ファンを用いずに水蒸気を液状化して低温の冷却水に還元することができ、低温の冷却水によって放熱基板３１を冷却することができる。このため、熱電変換モジュール２７の受熱基板３０と放熱基板３１との温度差を大きくして熱電変換モジュール２７の発電効率を大きくすることができる。

また、従来のように冷却ファンを用いずに水蒸気を液状化して低温の冷却水に還元することができるので、熱電発電装置２４の部品点数が増大するのを防止して熱電発電装置２４の製造コストが増大するのを防止することができる。これに加えて、冷却ファンを不要にできるので、熱電変換モジュール２７で発電した電力が冷却ファンで消費されるのを防止することができる。

また、エアパイプ２９に接続された連通管４１にキャニスタ４５を設けたので、熱電変換モジュール２７によって水蒸気と熱交換された高温の空気を吸気管１４の吸入負圧によって連通管４１を通してキャニスタ４５に供給して吸着材４７を加熱することができる。
このため、吸着材４７から燃料を脱離し易くすることができ、脱離した燃料を、吸気管１４内の吸入負圧によってエンジン５に導入して燃焼させることができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置２４は、ヒートパイプ２８およびエアパイプ２９を排気ガスの排気方向に沿って延在させ、エアパイプ２９の上流端に開口部３５ｃを形成するとともに、エアパイプ２９の下流端にエア配管４３の他端部を接続した。
このため、吸気管１４内の吸入負圧によって開口部３５ｃからエアパイプ２９の空気通路２９ａに導入された空気をエアパイプ２９の延在方向に亘って流すことができる。

このため、ヒートパイプ２８の封入空間３９で沸騰した水蒸気をヒートパイプ２８の延在方向に亘って均一に冷やすことができ、ヒートパイプ２８の延在方向に亘って冷却水の温度を均一化することができる。

この結果、熱電変換モジュール２７の放熱基板３１の温度が熱電変換モジュール２７の延在方向（排気ガスの流れ方向）に亘ってばらつくのを防止することができ、熱電変換モジュール２７の発電効率が低下するのを防止することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置２４は、エアパイプ２９の開口部３５ｃに、空気を浄化するエアフィルタ５３が設けられるので、エアパイプ２９に導入される空気をエアフィルタ５３によって浄化してエア配管４３に導入することができる。このため、エアパイプ２９の空気通路２９ａ内およびキャニスタ４５に異物が入り込んでしまうのを防止することができる。なお、本実施の形態の熱電変換装置２４は、複数の熱電変換モジュール２７を備えているが、熱電変換モジュール２７の数は、特に限定されるものではない。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、冷却ファンを用いることなく液媒体を冷却することができるようにして、部品点数が増大するのを防止して製造コストを低減す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。

５ エンジン（内燃機関）
６ 燃料噴射弁
１４ 吸気管
２１ 排気管
２４ 熱電発電装置
２５ 排気管部（排気管）
２７ 熱電変換モジュール
２８ ヒートパイプ（液媒体封入部）
２９ エアパイプ（空気導入部）
３０ 受熱基板（高温部）
３１ 放熱基板（低温部）
３５ｃ 開口部
３６ インナーフィン（液媒体封入部、空気導入部）
３７ 上ケース部（空気導入部）
３８ 下ケース部（液媒体封入部）
４１ 連通管
４５ キャニスタ（吸着器）
４７ 吸着材
５３ エアフィルタ
Ｗ 冷却水（液媒体）

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気ガスが導入される排気管に高温部が対向するとともに、液媒体が封入される液媒体封入部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて熱電発電を行う熱電変換モジュールと、
   前記液媒体封入部に対向して設けられ、開口部から導入される空気によって前記液媒体封入部内の液媒体を冷却する空気導入部とを備えた熱電発電装置であって、
   一端部が前記内燃機関に吸入空気を導入する吸気管に接続され、他端部が前記空気導入部に接続される連通管を有し、前記連通管に蒸発燃料を吸着する吸着材を有する吸着器が設けられたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記液媒体封入部および前記空気導入部が、前記排気ガスの排気方向に沿って延在し、前記空気導入部は、前記空気導入部内を流れる空気の流れ方向の上流端に前記開口部が形成され、空気の流れ方向の下流端側に前記連通管の他端部が接続さ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. 前記空気導入部の前記開口部に、空気を浄化するエアフィルタが設けられ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。

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