JPH10290590A - 排熱エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃焼排ガス発生手段から排出される燃焼排ガス
の排熱エネルギーの一部を電力に変換して回収する排熱
エネルギー回収装置において、熱電変換モジュールが局
部的に耐熱温度を超えることを防止して信頼性を向上す
るとともに、熱電変換モジュールによるエネルギー回収
効率を向上させる。 【解決手段】複数の熱電素子群１３ａで熱電変換モジュ
ール１３が構成され、燃焼排ガスから熱電変換モジュー
ル１３への伝熱量を調節する伝熱量調節手段２６ ₁ の作
動が、各熱電素子群１３ａ毎の発電情報を検出する発電
情報検出手段３１、ならびに冷却水ジャケット１２の冷
却水温度を検出する冷却水温度検出手段３２の検出値に
基づいて各熱電素子群１３ａの高温側温度が熱電素子の
耐熱温度に対応した設定温度未満となるように制御ユニ
ットＣで制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼排ガス発生手
段から排出される燃焼排ガスの排熱エネルギーの一部を
電力に変換して回収する排熱エネルギー回収装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば自動車用エンジンの燃焼
排ガスから排熱エネルギーを回収する排熱エネルギー回
収装置として、特開平７−１２００９号公報および特開
平６−８１６３９号公報等で開示されたものが知られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平７−１２０
０９号公報で開示されたものでは、複数に分岐された排
気通路に熱電変換素子がそれぞれ巻装されるようにし
て、省スペース化を図って燃焼排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しているが、熱電変換
素子の耐熱温度について考慮されておらず、高温の燃焼
排ガスが排気通路を流通することに伴って熱電変換素子
が耐熱温度を超えてしまう可能性がある。

【０００４】また上記特開平６−８１６３９号公報で開
示されたものでは、熱電変換モジュールが排気通路に設
けられるとともに、該排気通路を迂回するバイパス通路
が設けられており、前記排気通路を流通する燃焼排ガス
の温度が熱電変換モジュールの耐熱温度に対応した設定
温度を超えないように前記排気通路を流通する燃焼排ガ
ス流量を調節するようにして、熱電変換モジュールが耐
熱温度を超えないようにしている。しかるに、熱電変換
モジュールの起電力から熱電変換モジュールの高温側お
よび低温側の温度差を逆算した結果に基づいて前記燃焼
排ガス温度を推定するようにしており、その推定温度
は、熱電変換モジュール全体の平準化した温度として推
定されるものである。このため、熱電変換モジュールが
局部的に高温度となるような場合には対処できず、熱電
変換モジュールが局部的に高温度となることに対処する
ためには、安全率を比較的大きくして前記設定温度を耐
熱温度よりも大幅に低く設定せざるを得ず、その結果、
熱電変換モジュールによるエネルギー回収効率が低下し
てしまうことになる。

【０００５】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、熱電変換モジュールが局部的に耐熱温度を超
えることを防止して信頼性を向上するとともに、熱電変
換モジュールによるエネルギー回収効率を向上させた排
熱エネルギー回収装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、燃焼排ガス発生手段から排
出される燃焼排ガスの排熱エネルギーの一部を電力に変
換して回収する排熱エネルギー回収装置において、複数
の熱電素子が直列に接続されて成る複数の熱電素子群で
構成されるとともに燃焼排ガスを導く排ガス導管ならび
に冷却水ジャケット間に設けられる熱電変換モジュール
と、燃焼排ガスから熱電変換モジュールへの伝熱量を調
節する伝熱量調節手段と、前記各熱電素子群毎の発電情
報をそれぞれ検出する複数の発電情報検出手段と、冷却
水ジャケットの冷却水温度を検出する冷却水温度検出手
段と、前記各発電情報検出手段および冷却水温度検出手
段の検出値に基づいて前記各熱電素子群の高温側温度を
それぞれ演算するとともに演算された複数の高温側温度
が熱電素子の耐熱温度に対応した設定温度未満となるよ
うに前記伝熱量調節手段の作動を制御する制御ユニット
とを備えることを特徴とし、好ましくは、請求項２記載
の発明の構成のように、前記制御ユニットが、前記各熱
電素子群の高温側温度をそれぞれ演算する温度演算手段
と、その温度演算手段でそれぞれ得られた高温側温度の
うち最高温度を選択するハイセレクト手段と、ハイセレ
クト手段の出力値が前記耐熱温度に対応した設定値未満
となるように前記伝熱量調節手段の作動を制御する作動
制御手段とを備えるものである。

【０００７】このような構成によれば、各熱電素子群毎
の発電情報と冷却水ジャケットの冷却水温度とにより、
各熱電素子群毎の高温側温度を推定することが可能であ
り、それらの高温側温度が耐熱温度以上とならないよう
に燃焼排ガスから熱電変換モジュールへの伝熱量を調節
することにより、複数の熱電素子群が耐熱温度以上とな
ることが防止され、熱電変換モジュールが局部的に耐熱
温度以上となってしまうことがない。したがって、伝熱
量を調節するための温度のしきい値である前記設定温度
を耐熱温度に極力近づけて比較的高温度に設定すること
が可能であり、熱電変換モジュールによるエネルギー回
収効率を向上することができる。

【０００８】請求項３記載の発明によれば、上記請求項
１または２記載の発明の構成に加えて、前記熱電変換モ
ジュールが設けられている部分での排ガス導管の流通断
面積が、入口側から出口側に向うにつれて減少すべく構
成されることにより、熱電変換モジュールとの熱交換に
より燃焼排ガス温度は前記入口から出口側に向うにつれ
て次第に低温となるのであるが、流通面積を次第に小さ
くなることによって燃焼排ガス流速を増大せしめ、排ガ
ス導管および燃焼排ガス間の熱伝達率を増大させること
により熱電変換モジュールへの伝熱量低下を抑制するこ
とができ、それにより熱伝変換モジュール全体にわたっ
て平準化した発電性能を得るようにしてエネルギー回収
効率の向上を図ることができる。

【０００９】請求項４記載の発明によれば、上記請求項
１ないし３のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前
記伝熱量調節手段が、排ガス導管および燃焼排ガス間の
熱伝達率を変化させて前記伝熱量を調節すべく構成され
ることにより、燃焼排ガス流量を変化させずに、すなわ
ち燃焼排ガスが保有する熱エネルギーを変化させずに熱
電変換モジュールへの伝熱量を調節するようにして、熱
電変換モジュールによる発電性能を向上することができ
る。

【００１０】請求項５記載の発明によれば、上記請求項
１ないし４のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前
記排ガス導管は、燃焼排ガス発生手段に連なる入口側導
管部と、該入口側導管部の排ガス流通方向とは異なる方
向に燃焼排ガスを導くべく入口側導管部に一端が連なる
熱回収用導管部と、該熱回収用導管部の他端に連なる出
口側導管部とを備え、入口側導管部から熱回収用導管部
に導入される燃焼排ガスが衝突する側とは反対側で前記
熱回収用導管部に熱電変換モジュールが設けられるの
で、燃焼排ガスが熱回収用導管部に衝突することにより
該熱回収用導管部の側壁が局部的に高温度となる箇所を
避けて熱電変換モジュールが配置されることになり、熱
電変換モジュールが局部的に高温度となることをより確
実に防止し、信頼性をより向上することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

【００１２】図１ないし図６は本発明の第１実施例を示
すものであり、図１は排熱エネルギー回収装置の縦断側
面図、図２は図１の２−２線断面図、図３はエンジンの
負荷の出現頻度を表すグラフ、図４は制御装置の構成を
示す図、図５は制御ユニットの構成を示すブロック図、
図６は制御ユニットによる制御手順を示すフローチャー
トである。

【００１３】先ず図１および図２において、燃焼排ガス
発生手段としてのエンジンＥから排出される燃焼排ガス
は、排ガス導管１１で導かれて放出されるものであり、
この排ガス導管１１と、該排ガス導管１１の外方に配置
される冷却水ジャケット１２との間に、燃焼排ガスが保
有する排熱エネルギーの一部を電力に変換して回収する
ための熱電変換モジュール１３が設けられる。

【００１４】排ガス導管１１は、エンジンＥに連なる入
口側導管部１４と、該入口側導管部１４の排ガス流通方
向１７とは異なる方向に燃焼排ガスを導くようにして入
口側導管部１４に一端が連設される熱回収用導管部１５
₁ と、たとえば前記排ガス流通方向１７と平行な方向に
燃焼排ガスを導くようにして熱回収用導管部１５₁ の他
端に連設される出口側導管部１６とを備え、各導管部１
４，１５₁ ，１６は、たとえば四角形状の横断面形状を
有するように形成される。

【００１５】熱回収用導管部１５₁ は、入口側導管部１
４および出口側導管部１６に一体に形成される第１導管
半体１８と、入口側導管部１４、出口側導管部１６およ
び第１導管半体１８に摺動可能に支持される第２導管半
体１９とで構成される。第１導管半体１８は、相互に平
行である一対の側壁部分１８ａ，１８ｂが連結壁部分１
８ｃで連結されて第２導管半体１９側に開放した略Ｕ字
状の横断面形状を有するように形成され、第２導管半体
１９は、入口側導管部１４の内面に摺動可能に支持され
る支持壁部分１９ａと、出口側導管部１６の外面に摺動
可能に支持される支持壁部分１９ｂと、第１導管半体１
８の両側壁部分１８ａ，１８ｂの内面にそれぞれ摺動可
能に支持される支持壁部分１９ｃ，１９ｄと、それらの
支持壁部分１９ａ〜１９ｄを連結して第１導管半体１８
の連結壁部分１８ｃに対向する連結壁部分１９ｅを有し
て四角形の函形に形成される。

【００１６】熱電変換モジュール１３は、燃焼排ガスか
ら排熱の一部を回収すべく熱回収用導管部１５₁ に設け
られるのであるが、その熱回収用導管部１５₁ におい
て、入口側導管部１４から熱回収用導管部１５₁ に導入
される燃焼排ガスが衝突する側とは反対側の外面、すな
わち第２導管半体１９の連結壁部分１９ｅとは反対側で
ある第１導管半体１８の連結壁部分１８ｃの外面に熱電
変換モジュール１３が設けられる。しかも前記連結壁部
分１８ｃの内面には、熱回収用導管部１５₁ を流通する
燃焼排ガスとの接触面積を増大せしめて伝熱量を増大さ
せるための複数のフィン２０，２０…が固着されてい
る。

【００１７】熱電変換モジュール１３は、複数の熱電素
子２３…のゼーベック効果により熱回収用導管部１５₁
における連結壁部分１８ｃおよび冷却水ジャケット１２
間の温度差に応じた熱を電気エネルギーとして回収する
ものであり、各熱電素子２３…は、Ｐ型半導体２３_P お
よびＮ型半導体２３_N が、受熱板２１および放熱板２２
間で熱的に並列に接続されるとともに電気的に直列に接
続されて成るものであり、前記受熱板２１が熱回収用導
管部１５₁ における連結壁部分１８ｃの外面に接触する
ように配置される。

【００１８】冷却水ジャケット１２は、熱電変換モジュ
ール１３における前記放熱板２２に接触するように配置
されるものであり、入口管部１２ａから冷却水ジャケッ
ト１２に導入された冷却水は出口管部１２ｂから排出さ
れる。しかも冷却水ジャケット１２内には、冷却水およ
び冷却水ジャケット１２間の接触面積を増大するための
フィン２４が設けられる。

【００１９】ところで、熱電変換モジュール１３による
エネルギー回収により、熱回収用導管部１５₁ を流通す
る燃焼排ガスの温度は、出口側導管部１６側に流通する
につれて次第に低下するものであり、そのままでは、熱
電変換モジュール１３の発電効率が低下してしまうこと
になる。そこで、熱電変換モジュール１３の発電効率を
向上させるために、相互に対向する連結壁部分１８ｃ，
１９ｅ間の間隔は、入口側導管部１４から出口側導管部
１６に向うにつれて次第に小さくなるように設定されて
いる。すなわち熱回収用導管部１５₁ の入口側導管部１
４側の流通断面積Ｓ₁ に対して、熱回収用導管部１５₁
の出口側導管部１６側の流通断面積Ｓ₂は、Ｓ₁ ＞Ｓ₂
となるように設定されており、両連結壁部分１８ｃ，１
９ｅは、入口側導管部１４から出口側導管部１６に向う
につれて熱回収用導管部１５₁ の流通断面積が次第に減
少していくように平板状に形成されている。これによ
り、熱回収用導管部１５₁ を流通する燃焼排ガスの流速
は、出口側導管部１６側に進むにつれて次第に速くな
り、燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₁ 間の熱伝達
率が出口側導管部１６側に近づくにつれて次第に大きく
なり、それにより熱回収用導管部１５₁ における連結壁
部分１８ｃの温度を入口側導管部１４および出口側導管
部１６間でほぼ均等化して、熱電変換モジュール１３の
発電効率を向上させることが可能となる。

【００２０】一方、自動車用エンジンＥの負荷は変動が
大きいものであり、一般的な乗用車用エンジンＥでは、
アイドリングおよび下り坂等の低負荷状態、低速中負荷
状態および高速高負荷状態が生じる頻度は、図３で示す
ようになる。而して、低負荷状態が生じる頻度は比較的
大きいものの熱エネルギー回収は困難であり、また高速
高負荷状態では高温かつ大流量の燃焼排ガスが流通する
ので熱エネルギー回収量を大とすることが可能であるも
のの頻度が比較的小さく、さらに低速中負荷状態では、
燃焼排ガスが高温であることにより熱エネルギー回収が
可能であるが、燃焼排ガス流量が比較的少いものであ
り、しかも頻度が最も大となるものである。

【００２１】このようなエネルギーＥの負荷変動に応じ
て、燃焼排ガスから熱電変換モジュール１３に効率よく
熱量を伝達するために、燃焼排ガスから熱電変換モジュ
ール１３への伝熱量が、伝熱量調節手段２６₁ により調
節される。この伝熱量調節手段２６₁ は、排ガス導管１
１における熱回収用導管部１５₁ の流路断面積を変化さ
せて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₁ 間の熱伝達
率を変化させることにより、前記伝熱量を調節すべく構
成されるものであり、熱回収用導管部１５₁ を構成する
第２導管半体１９と、この第２導管半体１９を摺動せし
めるべく第２導管半体１９に連結される流体圧シリンダ
２７と、流体圧シリンダ２７に接続される流体圧制御部
２８とを備える。

【００２２】図４において、前記伝熱量調節手段２６₁
の作動は、マイクロコンピュータから成る制御ユニット
Ｃにより制御されるものであり、制御ユニットＣには、
エンジンＥの負荷状態を検出すべくエンジン回転数検出
手段２９およびスロットル開度検出手段３０の検出値が
入力される。而して制御ユニットＣでは、エンジンＥの
負荷が最も出現頻度の高い低速中負荷状態で、最も効率
よくエネルギー回収を行なうことができるように前記流
通断面積Ｓ₁ ，Ｓ₂ が設定されており、低負荷状態では
流通断面積Ｓ₁ ，Ｓ₂ を小さくするように、また高速高
負荷状態では流通断面積Ｓ₁ ，Ｓ₂ が大きくなるよう
に、制御ユニットＣにより伝熱量調節手段２６₁ の作動
が制御される。

【００２３】制御ユニットＣは、上述のようにエネルギ
ーＥの負荷に応じて伝熱量調節手段２６₁ の作動を制御
する他に、熱電変換モジュール１３が局部的に過熱され
ることを防止するために伝熱量調節手段２６₁ の作動を
制御する機能をも備えるものであり、そのような局部過
熱防止の制御を行なうために、熱電変換モジュール１３
は、複数の熱電素子２３…が直列に接続されて成る複数
の熱電素子群１３ａ…に区画される。

【００２４】図５を併せて参照して、制御ユニットＣに
は、各熱電素子群１３ａ…毎の発電情報として電圧Ｖを
それぞれ検出する発電情報検出手段としての電圧検出手
段３１…と、冷却水ジャケット１２における入口側およ
び出口側水温をそれぞれ検出する水温検出器３３，３４
で構成される冷却水温度検出手段３２とが接続されてお
り、制御ユニットＣは、それらの検出手段３１…，３２
の検出値に応じて熱電変換モジュール１３の局部過熱を
防止するように伝熱量調節手段２６₁ の作動を制御すべ
く構成される。

【００２５】熱電変換モジュール１３の局部過熱を防止
するために、制御ユニットＣは、一定周期のクロック信
号を出力するクロック信号発生器６１と、該クロック信
号発生器６１からクロック信号が入力される毎に順次切
換えて各電圧検出手段３１…の出力の１つを選択する第
１ゲート回路６２と、第１ゲート回路６２から出力され
る電圧検出手段３１の検出値および冷却水温度検出手段
３２の検出値に基づいてクロック信号発生器６１からク
ロック信号が入力される毎に各熱電素子群１３ａ…の高
温側温度を順次演算する温度演算手段６３と、該温度演
算手段６３で順番に得られる高温側温度のうち最高温度
を選択するハイセレクト手段６４と、各電圧検出手段３
１…の個数に対応する数のクロック信号が前記クロック
信号発生器６１から出力される毎に１つの分周信号を出
力する分周器６５と、熱電素子２３の耐熱温度に対応し
た設定値を設定する設定手段６６と、ハイセレクト手段
６４および設定手段６６の出力値に基づいて伝熱量調節
手段２６₁ の作動を制御する作動制御手段６７とを備え
る。

【００２６】ところで、各熱電素子群１３ａ…の両端間
に生じる電圧Ｖは、ゼーベック係数をα、低温側の温度
をＴ_L 、高温側の温度をＴ_H としたときに、 Ｖ＝α（Ｔ_H −Ｔ_L ）……(1) で表わされるものであり、高温側の温度Ｔ_H は、 Ｔ_H ＝Ｖ／α＋Ｔ_L ……(2) である。

【００２７】そこで、温度演算手段６３では、上記(2)
式に基づいて高温側の温度Ｔ_H すなわち受熱板２１の温
度が演算されるものであり、その演算時に、低温側の温
度Ｔ _L は、冷却水ジャケット１２における入口および出
口温度を検出する水温検出器３３，３４の検出値の平均
値として定めるようにしてもよく、また両水温検出器３
３，３４の検出値を各熱電素子群１３ａ…の冷却水ジャ
ケット１２に対応する位置に応じて補間して各熱電素子
群１３ａ…にそれぞれ個別に対応した値として定めるよ
うにしてもよく、さらに両水温検出器３３，３４を用い
るのに代えて冷却水ジャケット１２の中間部の１箇所で
水温を検出してその検出水温を温度演算手段６３での低
温側温度として用いるようにすることも可能である。

【００２８】ハイセレクト手段６４は、比較器６８と、
ホールド回路６９と、第２ゲート回路７０とを備え、比
較器６８およびホールド回路６９にはクロック信号発生
器６１からのクロック信号が、また第２ゲート回路７０
には分周器６５からの分周信号が入力される。

【００２９】ホールド回路６９は比較器６８の出力をク
ロック信号の入力毎に切換えて保持するものであり、比
較器６８は、クロック信号の入力毎にホールド回路６９
の出力および温度演算手段６３の出力を比較的して大き
い方を選択するものであり、第２ゲート回路７０は、分
周器６５からの分周信号入力に応じてホールド回路６９
の保持信号を出力するように構成される。すなわち各電
圧検出手段３１…で得られた電圧および冷却水温度検出
手段３２で得られた冷却水温に基づいて、温度演算手段
６３で得られた各熱電素子群１３ａ…の高温側温度のう
ち最高温度が第２ゲート回路７０から出力されることに
なる。

【００３０】また作動制御手段６７では、ハイセレクト
手段６４の出力値すなわち各熱電素子群１３ａ…の高温
側温度のうち最高温度が、設定手段６６で設定された設
定値未満となるような制御信号が得られ、その制御信号
により伝熱量調節手段２６₁の作動が制御されることに
なる。

【００３１】さらに、図４で示すように、電気負荷４１
に電力を供給するためのバッテリ４０には、ＤＣ−ＤＣ
コンバータ３９が接続されており、熱電変換モジュール
１３で得られる電力は制御ユニットＣによって制御され
るＤＣ−ＤＣコンバータ３９を介してバッテリ４０に与
えられる。また熱電変換モジュール１３で生じる電流は
電流検出器４２で検出され、この検出器４２の検出値は
制御ユニットＣに入力される。

【００３２】次にこの第１実施例の作用について説明す
ると、複数の熱電素子群１３ａ…で構成される熱電変換
モジュール１３が、排ガス導管１１における熱回収用導
管部１５₁ と冷却水ジャケット１２との間に設けられ、
燃焼排ガスから熱電変換モジュール１３への伝熱量を調
節する伝熱量調節手段２６₁ の作動が制御ユニットＣに
より制御される。

【００３３】すなわち制御ユニットＣは、各熱電素子群
１３ａ…毎の電圧Ｖをそれぞれ検出する複数の電圧検出
手段３１…ならびに冷却水ジャケット１２の冷却水温度
を検出する冷却水温度検出手段３２の検出値に基づいて
各熱電素子１３ａ…群の高温側温度をそれぞれ演算する
温度演算手段６３と、その温度演算手段６３でそれぞれ
得られた高温側温度のうち最高温度を選択するハイセレ
クト手段６４と、ハイセレクト手段６４の出力値が熱電
素子２３の耐熱温度に対応した設定値未満となるように
伝熱量調節手段２６₁ の作動を制御する作動制御手段６
７とを備えるものである。

【００３４】而して制御ユニットＣでは、図６で示すよ
うに、ステップＳ１において各熱電素子群１３ａ…毎の
高温側温度を推定し、ステップＳ２でそれらの高温側温
度のうちの最高温度を選択し、ステップＳ３で、前記最
高温度が設定温度以上となったかどうかを判定する。そ
の判定結果により、前記最高温度が設定温度以上となっ
たときには、ステップＳ４において排ガス導管１２にお
ける熱回収用導管部１５₁ の流路断面積を増加せしめる
ように伝熱量調節手段２６₁ を作動せしめ、また前記最
高温度が設定温度未満であったときには、ステップＳ５
において熱回収用導管部１５₁ の流路断面積を減少せし
めるように伝熱量調節手段２６₁ を作動せしめることに
なる。

【００３５】このようにして各熱電素子群１３ａ…毎の
高温側温度が耐熱温度以上とならないように燃焼排ガス
から熱電変換モジュール１３への伝熱量を調節すること
により、複数の熱電素子群１３ａ…が耐熱温度以上とな
ることが防止され、熱電変換モジュール１３が局部的に
耐熱温度以上となってしまうことがない。したがって、
伝熱量を調節するための温度のしきい値である前記設定
温度を耐熱温度に極力近づけて比較的高温度に設定する
ことが可能であり、熱電変換モジュールによるエネルギ
ー回収効率を向上することができる。

【００３６】また排ガス導管１１において熱電変換モジ
ュール１３が設けられている部分、すなわち熱回収用導
管部１５₁ では、熱電変換モジュール１３との熱交換に
より燃焼排ガス温度が入口から出口側に向うにつれて次
第に低温となるのであるが、熱回収用導管部１５₁ の流
通断面積が、入口側から出口側に向うにつれて減少して
いることによって燃焼排ガス流速を増大せしめ、熱回収
用導管部１５₁ および燃焼排ガス間の熱伝達率を増大さ
せることにより熱電変換モジュール１３への伝熱量低下
を抑制することができ、それにより熱伝変換モジュール
１３全体にわたって平準化した発電性能を得るようにし
てエネルギー回収効率の向上を図ることができる。

【００３７】さらに伝熱量調節手段２６₁ が、熱回収用
導管部１５₁ および燃焼排ガス間の熱伝達率を変化させ
て伝熱量を調節すべく構成されるものであることによ
り、燃焼排ガス流量を変化させずに、すなわち燃焼排ガ
スが保有する熱エネルギーを変化させずに熱電変換モジ
ュール１３への伝熱量を調節するようにして、熱電変換
モジュール１３による発電性能を向上することができ
る。

【００３８】しかも熱電変換モジュール１３は、入口側
導管部１４から熱回収用導管部１５ ₁ に導入される燃焼
排ガスが衝突する側とは反対側で熱回収用導管部１５₁
に設けられるので、燃焼排ガスが熱回収用導管部１５₁
に衝突することにより該熱回収用導管部１５₁ の側壁が
局部的に高温度となる箇所を避けて熱電変換モジュール
１３が配置されることになり、熱電変換モジュール１３
が局部的に高温度となることをより確実に防止し、信頼
性をより向上することができる。

【００３９】図７および図８は本発明の第２実施例を示
すものであり、図７は第１実施例の図１に対応した縦断
側面図、図８は図７の８−８線断面図である。

【００４０】入口側導管部１４および出口側導管部１６
間を結ぶ熱回収用導管部１５₂ は、相互に対向する一対
の側壁１５ａ，１５ｂを有して横断面四角形状に構成さ
れており、両側壁１５ａ，１５ｂの内面には、フィン２
０…がそれぞれ固着される。また両側壁１５ａ，１５ｂ
の外方には冷却水ジャケット１２，１２が配置されてお
り、両側壁１５ａ，１５ｂおよび冷却水ジャケット１
２，１２間に、複数の熱電素子群１３ａ…で構成される
熱電変換モジュール１３，１３がそれぞれ設けられる。

【００４１】また熱回収用導管部１５₂ の流路断面積を
変化させて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₂ 間の
熱伝達率を変化させることにより、燃焼排ガスから熱電
変換モジュール１３への伝熱量を調節するための伝熱量
調節手段２６₂ は、熱回収用導管部１５₂ 内に移動可能
に挿入される中子４４と、該中子４４に連設される支持
棒４５，４６とを備えるものであり、両支持棒４５，４
６は入口側および出口側導管部１４，１６で長手方向移
動可能に支承され、両支持棒４５，４６の一方に、流体
圧シリンダ等が連結される。しかも中子４４は、熱回収
用導管部１５₂の両側壁１５ａ，１５ｂにそれぞれ対向
する傾斜面４４ａ，４４ｂを備えるものであり、両傾斜
面４４ａ，４４ｂは、入口側導管部１４から離反するに
つれて相互間の間隔が大となるように傾斜して形成され
る。

【００４２】この第２実施例によれば、中子４４を熱回
収用導管部１５₂ 内で移動させることにより、熱回収用
導管部１５₂ の流通断面積が、入口側から出口側に向う
につれて減少させた状態を保持したまま熱回収用導管部
１５₂ 内での排ガス流速を調節することが可能であり、
排ガス流速の変化に伴なう熱伝達率変化により燃焼排ガ
スおよび熱電変換モジュール１３への伝熱量を調節可能
である。

【００４３】図９は第２実施例の第１変形例を示すもの
であり、熱回収用導管部１５₃ は、フィン２０…を４つ
の側壁内面にそれぞれ有して横断面四角形状に構成され
ており、熱回収用導管部１５₃ の各側壁と、それらの側
壁の外方にそれぞれ配置される冷却水ジャケット１２…
との間に複数の熱電素子群１３ａ…で構成される熱電変
換モジュール１３…がそれぞれ設けられる。

【００４４】また熱回収用導管部１５₃ の流路断面積を
変化させて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₃ 間の
熱伝達率を変化させることにより、燃焼排ガスから熱電
変換モジュール１３…への伝熱量を調節するための伝熱
量調節手段２６₃ は、熱回収用導管部１５₃ 内に移動可
能に挿入される中子４７を備え、該中子４７には、熱回
収用導管部１５₃ の各側壁にそれぞれ対向する４つの傾
斜面４７ａ…が形成される。

【００４５】図１０は第２実施例の第２変形例を示すも
のであり、熱回収用導管部１５₄ は、フィン２０…を３
つの側壁内面にそれぞれ有して横断面三角形状に構成さ
れており、熱回収用導管部１５₄ の各側壁と、それらの
側壁の外方にそれぞれ配置される冷却水ジャケット１２
…との間に複数の熱電素子群１３ａ…で構成される熱電
変換モジュール１３…がそれぞれ設けられる。

【００４６】また熱回収用導管部１５₄ の流路断面積を
変化させて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₄ 間の
熱伝達率を変化させることにより、燃焼排ガスから熱電
変換モジュール１３…への伝熱量を調節するための伝熱
量調節手段２６₄ は、熱回収用導管部１５₄ 内に移動可
能に挿入される中子４８を備え、該中子４８には、熱回
収用導管部１５₄ の各側壁にそれぞれ対向する４つの傾
斜面４８ａ…が形成される。

【００４７】図１１は第２実施例の第３変形例を示すも
のであり、熱回収用導管部１５₅ は、フィン２０…を６
つの側壁内面にそれぞれ有して横断面六角形状に構成さ
れており、熱回収用導管部１５₅ の各側壁と、それらの
側壁の外方にそれぞれ配置される冷却水ジャケット１２
…との間に熱電素子群１３ａ…がそれぞれ設けられ、そ
れらの熱電素子群１３ａ…で熱電変換モジュール１３が
構成される。

【００４８】熱回収用導管部１５₅ の流路断面積を変化
させて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₅ 間の熱伝
達率を変化させることにより、燃焼排ガスから熱電変換
モジュール１３…への伝熱量を調節するための伝熱量調
節手段２６₅ は、熱回収用導管部１５₅ 内に移動可能に
挿入される中子４９を備え、該中子４９には、熱回収用
導管部１５₅ の各側壁にそれぞれ対向する６つの傾斜面
４９ａ…が形成される。

【００４９】図１２は第２実施例の第４変形例を示すも
のであり、熱回収用導管部１５₆ は、フィン２０…を側
壁内面の全周に有して横断面円形に構成されており、熱
回収用導管部１５₆ の側壁全周と、該側壁の外方に配置
される複数の冷却水ジャケット１２…との間に熱電素子
群１３ａ…がそれぞれ設けられ、それらの熱電素子群１
３ａ…で熱電変換モジュール１３が構成される。

【００５０】熱回収用導管部１５₆ の流路断面積を変化
させて燃焼排ガスおよび熱回収用導管部１５₆ 間の熱伝
達率を変化させることにより、燃焼排ガスから熱電変換
モジュール１３…への伝熱量を調節するための伝熱量調
節手段２６₆ は、熱回収用導管部１５₆ 内に移動可能に
挿入される中子５０を備え、該中子５０には、熱回収用
導管部１５₆ の側壁全周に対向するテーパ状の傾斜面５
０ａ…が形成されるこのような第１ないし第４変形例に
よっても上記第２実施例と同様の効果を奏することがで
きる。

【００５１】図１３および図１４は本発明の第３実施例
を示すものであり、図１３は第１実施例の図１に対応し
た縦断側面図、図１４は図１３の１４−１４線断面図で
ある。

【００５２】フィン２０…を側壁内面に有して横断面六
角形状に構成された熱回収用導管部１５₅ に、熱電素子
群１３ａ…で構成される熱電変換モジュール１３が設け
られており、熱回収用導管部１５₅ および燃焼排ガス間
の熱伝達率を変化させて伝熱量を調節するためる伝熱量
調節手段２６₇ は、熱回収用導管部１５₅ 内に固定的に
挿入される円筒状の中子５２と、該中子５２の軸方向に
間隔をあけた複数箇所に複数ずつ配置される旋回羽根５
３，５３…と、それらの旋回羽根５３，５３…を回動せ
しめる回動機構５４とを備える。

【００５３】各旋回羽根５３，５３…は、中子５２の周
方向に間隔をあけた複数箇所で該中子５２の半径方向に
沿う軸線まわりの回動を可能として中子５２に支承され
ており、回動機構５４は、図示しない回動駆動手段に連
結されて中子５２内に同軸にかつ回動自在に挿入される
回動軸５５と、該回動軸５５の軸方向に間隔をあけた複
数箇所に設けられる駆動ベベルギヤ５６…と、各旋回羽
根５３，５３…に連なるとともに駆動ベベルギヤ５６…
にそれぞれ噛合される複数の被動ベベルギヤ５７…とを
備える。

【００５４】このような第３実施例によれば、各旋回羽
根５３，５３…により熱回収用導管部１５₅ 内を流通す
る燃焼排ガス流に旋回流を与えることができるのである
が、回動機構５４により各旋回羽根５３，５３…を回動
せしめることにより、燃焼排ガスの旋回流速を変化させ
ることが可能であり、その旋回流速変化に伴って熱伝達
率を変化させることが可能である。

【００５５】図１５および図１６は本発明の第４実施例
を示すものであり、図１５は熱回収用導管部の一部縦断
面図、図１６は図１５の１６−１６線に沿う断面図であ
る。

【００５６】熱回収用導管部１５₇ の内面には、その周
方向に間隔をあけた複数箇所で該熱回収用導管部１５₇
の長手方向すなわち排ガスの流通方向に沿う複数の固定
フィン５９，５９…が、熱回収用導管部１５₇ の長手方
向に間隔をあけた複数箇所に設けられる。また熱回収用
導管部１５₇ および燃焼排ガス間の熱伝達率を変化させ
て伝熱量を調節するためる伝熱量調節手段２６₈ は、熱
回収用導管部１５₇ 内に固定配置される中子５８に配設
される複数の可動フィン６０，６０…を備えるものであ
り、それらの可動フィン６０，６０…は、各固定フィン
５９，５９…間に配置される。

【００５７】しかも可動フィン６０，６０…は、図示し
ない駆動機構により回動可能なものであり、図１６
（ａ）で示すように、各可動フィン６０，６０…の姿勢
を固定フィン５９，５９…と平行にした状態と、図１６
（ｂ）で示すように、各可動フィン６０，６０…の姿勢
を固定フィン５９，５９…に対して傾斜させた状態との
間で回動可能である。

【００５８】なお、図示はしないが、熱回収用導管部１
５₇ の外面には複数の熱電素子群から構成される熱電変
換モジュールが設けられている。

【００５９】この第４実施例によれば、図１６（ｂ）で
示すように各可動フィン６０，６０…を傾斜させた姿勢
とすると、固定フィン５９，５９…および可動フィン６
０，６０…間で燃焼排ガスの乱流が生じることになり、
その乱流により熱伝達率を変化させることが可能であ
る。

【００６０】図１７は本発明の第５実施例を示すもので
あり、熱回収用導管部に固定された固定フィン５９…に
対して、熱回収用導管部の長手方向すなわち排ガスの流
通方向および周方向に移動可能である可動フィン６０…
が、熱回収用導管部内に挿入配置される中子に配設され
る。而して該可動フィン６０…は、図１７（ａ）で示す
ように固定フィン５９…の直後に連なるように配置させ
る状態と、図１７（ｂ）で示すように固定フィン５９…
との間の距離を離隔させるように配置させる状態と、図
１７（ｃ）で示すように固定フィン５９…から側方にオ
フセットさせるように配置させる状態とを切換可能であ
る。

【００６１】この第５実施例によれば、可動フィン６０
…の位置変化に応じて固定フィン５９…および可動フィ
ン６０…間での燃焼排ガスの境界層が分断制御されるこ
とになり、それによって熱伝達率を変化させることが可
能である。

【００６２】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計
変更を行なうことが可能である。

【００６３】たとえば燃焼排ガス発生手段は、エンジン
Ｅに限定されるものではなく、熱回収が可能な燃焼排ガ
スを発生するものであれば、どんなものでもよい。

【００６４】

【発明の効果】以上のように請求項１または２記載の発
明によれば、各熱電素子群毎の高温側温度が耐熱温度以
上とならないように燃焼排ガスから熱電変換モジュール
への伝熱量を調節することができ、複数の熱電素子群が
耐熱温度以上となることが防止され、熱電変換モジュー
ルが局部的に耐熱温度以上となってしまうことがなく、
伝熱量を調節するための温度のしきい値である前記設定
温度を耐熱温度に極力近づけて比較的高温度に設定して
熱電変換モジュールによるエネルギー回収効率を向上す
ることができる。また請求項３記載の発明によれば、熱
電変換モジュールが設けられる部分で排ガス導管内の燃
焼排ガス流速を増大せしめ、排ガス導管および燃焼排ガ
ス間の熱伝達率を増大させることにより熱電変換モジュ
ールへの伝熱量低下を抑制することができ、エネルギー
回収効率の向上を図ることができる。

【００６５】請求項４記載の発明によれば、燃焼排ガス
が保有する熱エネルギーを変化させずに熱電変換モジュ
ールへの伝熱量を調節することができ、熱電変換モジュ
ールによる発電性能を向上することができる。

【００６６】請求項５記載の発明によれば、熱電変換モ
ジュールが局部的に高温度となることをより確実に防止
し、信頼性をより向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の排熱エネルギー回収装置の縦断側
面図である。

【図２】図１の２−２線断面図である。

【図３】エンジンの負荷の出現頻度を表すグラフであ
る。

【図４】制御装置の構成を示す図である。

【図５】制御ユニットの構成を示すブロック図である。

【図６】制御ユニットによる制御手順を示すフローチャ
ートである。

【図７】第２実施例の図１に対応した縦断側面図であ
る。

【図８】図７の８−８線断面図である。

【図９】第２実施例の第１変形例を示す図８に対応した
断面図である。

【図１０】第２実施例の第２変形例を示す図８に対応し
た断面図である。

【図１１】第２実施例の第３変形例を示す図８に対応し
た断面図である。

【図１２】第２実施例の第４変形例を示す図８に対応し
た断面図である。

【図１３】第３実施例の図１に対応した縦断側面図であ
る。

【図１４】図１３の１４−１４線断面図である。

【図１５】第４実施例における熱回収用導管部の一部縦
断面図である。

【図１６】図１５の１６−１６線に沿う断面図である。

【図１７】第５実施例の図１６に対応した断面図であ
る。

【符号の説明】

１１・・・排ガス導管 １２・・・冷却水ジャケット １３・・・熱電変換モジュール １３ａ・・・熱電素子群 １４・・・入口側導管部 １５₁ ・・・熱回収用導管部 １６・・・出口側導管部 ２３・・・熱電素子 ２６₁ 〜２６₈ ・・・伝熱量調節手段 ３１・・・発電情報検出手段としての電圧検出手段 ３２・・・冷却水温度検出手段 ６３・・・温度演算手段 ６４・・・ハイセレクト手段 ６７・・・作動制御手段 Ｃ・・・制御ユニット Ｅ・・・燃焼排ガス発生手段としてのエンジン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼排ガス発生手段（Ｅ）から排出され
   る燃焼排ガスの排熱エネルギーの一部を電力に変換して
   回収する排熱エネルギー回収装置において、複数の熱電
   素子（２３）が直列に接続されて成る複数の熱電素子群
   （１３ａ）で構成されるとともに燃焼排ガスを導く排ガ
   ス導管（１１）ならびに冷却水ジャケット（１２）間に
   設けられる熱電変換モジュール（１３）と、燃焼排ガス
   から熱電変換モジュール（１３）への伝熱量を調節する
   伝熱量調節手段（２６₁ 〜２６ ₈ ）と、前記各熱電素子
   群（１３ａ）毎の発電情報をそれぞれ検出する複数の発
   電情報検出手段（３１）と、冷却水ジャケット（１２）
   の冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段（３２）
   と、前記各発電情報検出手段（３１）および冷却水温度
   検出手段（３２）の検出値に基づいて前記各熱電素子群
   （１３ａ）の高温側温度をそれぞれ演算するとともに演
   算された複数の高温側温度が熱電素子（２３）の耐熱温
   度に対応した設定温度未満となるように前記伝熱量調節
   手段（２６₁〜２６₈ ）の作動を制御する制御ユニット
   （Ｃ）とを備えることを特徴とする排熱エネルギー回収
   装置。
2. 【請求項２】 前記制御ユニット（Ｃ）が、前記各熱電
   素子群（１３ａ）の高温側温度をそれぞれ演算する温度
   演算手段（６３）と、その温度演算手段（６３）でそれ
   ぞれ得られた高温側温度のうち最高温度を選択するハイ
   セレクト手段（６４）と、ハイセレクト手段（６４）の
   出力値が前記耐熱温度に対応した設定値未満となるよう
   に前記伝熱量調節手段（２６₁ 〜２６₈ ）の作動を制御
   する作動制御手段（６７）とを備えることを特徴とする
   請求項１記載の排熱エネルギー回収装置。
3. 【請求項３】 前記熱電変換モジュール（１３）が設け
   られている部分での排ガス導管（１１）の流通断面積
   が、入口側から出口側に向うにつれて減少すべく構成さ
   れることを特徴とする請求項１または２記載の排熱エネ
   ルギー回収装置。
4. 【請求項４】 前記伝熱量調節手段（２６₁ 〜２６₈ ）
   が、排ガス導管（１１）および燃焼排ガス間の熱伝達率
   を変化させて前記伝熱量を調節すべく構成されることを
   特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の排熱エ
   ネルギー回収装置。
5. 【請求項５】 前記排ガス導管（１１）は、燃焼排ガス
   発生手段（Ｅ）に連なる入口側導管部（１４）と、該入
   口側導管部（１４）の排ガス流通方向（１７）とは異な
   る方向に燃焼排ガスを導くべく入口側導管部（１４）に
   一端が連なる熱回収用導管部（１５₁ ）と、該熱回収用
   導管部（１５₁ ）の他端に連なる出口側導管部（１６）
   とを備え、入口側導管部（１４）から熱回収用導管部
   （１５₁ ）に導入される燃焼排ガスが衝突する側とは反
   対側で前記熱回収用導管部（１５₁）に熱電変換モジュ
   ール（１３）が設けられることを特徴とする請求項１な
   いし４のいずれかに記載の排熱エネルギー回収装置。