JPH1136982A

JPH1136982A - 冷却水循環装置

Info

Publication number: JPH1136982A
Application number: JP9212644A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kato; 昌弘加藤
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1997-07-23
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来全く利用されていなかった冷却水の熱を
利用して、電力を発生させる冷却水循環装置を提供する
こと。【解決手段】冷却水ポンプの下流側で且つエンジンの
上流側に第１の冷却水タンクを備えると共に、エンジン
の下流側に第２の冷却水タンクを備え、第１の冷却水タ
ンクの近傍に所定の冷却庫を設け、第１の冷却水タンク
と第２の冷却水タンクの相互間に第１の熱電モジュール
を装備すると共に、冷却庫と第１の冷却水タンクの相互
間に第２の熱電モジュールを装備し、第１の熱電モジュ
ールを熱入力によって電力を出力する熱電モジュールと
すると共に、第２の熱電モジュールを外部からの電力供
給により冷却庫から熱を吸収する熱電モジュールとし、
第１の熱電モジュールが出力する電力を、第２の熱電モ
ジュールに供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却水循環装置に
係り、特に、船外機等においてエンジンの冷却によって
発生した熱を利用して発電を行う冷却水循環装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、船舶等で使用される電気機器
は、エンジンによって発電機を稼働させて、この発電機
からの電力を一旦バッテリに溜めて、その後バッテリか
ら供給されている。船舶等で使用される電気機器として
は、船舶の運航上必要な航海装置等の他、船舶の規模に
よっては冷蔵庫やエアコン等がある。これら冷蔵庫やエ
アコン等は、一般的にはコンプレッサーで冷媒を圧縮し
て高温とし、低温雰囲気中で熱を放散した後、再び冷媒
を膨張させて低温にし、この低温の冷媒を熱交換器に通
して冷蔵庫等の熱を奪うものである。

【０００３】ところで、船外機等のエンジンは、その冷
却のために所定の冷却水ポンプ及び冷却水循環路を有し
ている。詳しくは、船舶が運航中には、冷却水ポンプが
水を冷却水として汲み上げ、これをエンジンのシリンダ
の周囲部に循環させることによって、エンジンを冷却し
ている。そして、冷却に使用された冷却水は熱を吸収し
て温度が高まっているので、冷却後は外部に排出され
る。このように、低温の冷却水を汲み上げ、これをエン
ジンに循環させた後、高温の冷却水を外部に放出すると
いう行程によって、エンジンが冷却されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例には以下のような不都合があった。即ち、上記した
ように、船舶等で使用される電気機器は、エンジンの回
転駆動力で発電機を稼働させて電力を取り出したり、場
合によってはエンジンの駆動力を直接冷蔵庫等のコンプ
レッサーの駆動に用いる場合がある。このため、使用す
る電気機器の増大に伴ってエンジンに対する負荷が著し
く増大する、という不都合を生じていた。船舶が小型で
あればエンジンも小型の場合が多く、特に問題となりや
すい。

【０００５】一方、エンジンの冷却に用いた冷却水は、
それ自体が高温になっており、冷却水ポンプで導入した
ときの水とは大きな温度差を有している。従って、この
温度差を利用すれば、一定のエネルギーを取り出すこと
ができる。しかしながら、従来は、高温となった冷却水
を単に外部に排出するだけであり、何らのエネルギ回収
も行われていなかった。このため、船舶全体としてエネ
ルギ効率を高めることができなかった。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に、従来全く利用されていなかった冷却水
の熱を利用して、電力を発生させる冷却水循環装置を提
供することを、その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の発明では、外部から冷却水を導
入する冷却水ポンプと、この冷却水ポンプよって導入さ
れた冷却水をエンジンに循環させた後に外部に排出する
冷却水循環路とを備え、冷却水ポンプの下流側で且つエ
ンジンの上流側に第１の冷却水タンクを備えると共に、
エンジンの下流側に第２の冷却水タンクを備え、第１の
冷却水タンクの近傍に所定の冷却庫を設け、第１の冷却
水タンクと第２の冷却水タンクの相互間に第１の熱電モ
ジュールを装備すると共に、冷却庫と第１の冷却水タン
クの相互間に第２の熱電モジュールを装備し、第１の熱
電モジュールを熱入力によって電力を出力する熱電モジ
ュールとすると共に、第２の熱電モジュールを外部から
の電力供給により冷却庫から熱を吸収する熱電モジュー
ルとし、第１の熱電モジュールが出力する電力を、第２
の熱電モジュールに供給する、という構成を採ってい
る。

【０００８】以上のように構成されたことで、第１の冷
却水タンクには外部から導入した当初の冷却水のとほぼ
同様の温度の冷却水が満たされている。このため、第１
の冷却水タンクも当初の冷却水温度程度に維持されてい
る。また、第２の冷却水タンクに流れる冷却水は、エン
ジンの冷却に使用された後のものであるため、高温とな
っている。従って、第１の冷却水タンクと第２の冷却水
タンクとの間には温度差が生じる。この各冷却水タンク
の温度差によって、第１の熱電モジュールが発電を行
う。

【０００９】第１の熱電モジュールによって発電された
電力は、第２の熱電モジュールに供給される。そして、
第２の熱電モジュールは金属補償ブロックを介して第１
の冷却水タンクと冷却庫の相互間に配置されているの
で、供給された電力によって、冷却庫から熱を奪って、
この熱を第１の冷却水タンクに伝達する。これにより、
冷却庫内が冷却される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面に基づ
いて説明する。本実施形態にかかる冷却水循環装置は、
図１に示すように、外部から冷却水を導入する冷却水ポ
ンプ３と、この冷却水ポンプ３よって導入された冷却水
をエンジン５に循環させた後に外部に排出する冷却水循
環路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとを備え、冷却水ポンプ３
の下流側で且つエンジン５の上流側に第１の冷却水タン
ク６を備えると共に、エンジン５の下流側に第２の冷却
水タンク７を備え、第１の冷却水タンク６の近傍に所定
の冷却庫８を設け、第１の冷却水タンク６と第２の冷却
水タンク７の相互間に第１の熱電モジュール９を装備す
ると共に、冷却庫８と第１の冷却水タンク６の相互間に
第２の熱電モジュール１０を装備し、第１の熱電モジュ
ール９を熱入力によって電力を出力する熱電モジュール
とすると共に、第２の熱電モジュール１０は外部からの
電力供給により冷却庫８から熱を吸収する熱電モジュー
ルとし、第１の熱電モジュール９が出力する電力を、第
２の熱電モジュール１０に供給することを特徴としてい
る。以下に詳述する。

【００１１】先ず、冷却水ポンプ３は、船外機の内部に
配設され外部から冷却用の水を汲み上げて、これを冷却
水として循環させるものである。この冷却水ポンプ３
は、エンジン５から直接駆動力を得ている。そして、冷
却水循環路４ａの先端の取り入れ口から、海水や淡水を
取り込んで冷却水循環装置１内に導入する。冷却水ポン
プ３の形式としては、種々のものが考えられる。また、
冷却水の取り入れ口は、船外機の内部に設けられてい
る。尚、冷却水ポンプ３の配置場所は、必ずしも冷却水
循環路４ａの上流側である必要はない。即ち、冷却水循
環路内に所定量の冷却水を循環させることができるもの
であれば、冷却水循環路の下流側に設けるようにしても
よい。

【００１２】冷却水ポンプ３の下流側であって船舶１１
内には、第１の冷却水タンク６が配設されている。この
第１の冷却水タンク６は導入された冷却水を一時貯留す
るものである。図２は、第１の冷却水タンク６の斜視図
である。第１の冷却水タンク６は、全体としてアルミニ
ウムにより内部中空の箱形に形成され、四隅にボルトと
螺合するタップ穴２５ａが形成されている。また、側面
には、冷却水循環路４ａ，４ｂと接続されるインレット
パイプ２５ｂとアウトレットパイプ２５ｃとが設けら
れ、冷却水循環路の一部として第１の冷却水タンク６内
を冷却水が流通するようになっている。インレットパイ
プ２５ｂ及びアウトレットパイプ２５ｃは、アルミ等の
材質で形成されても良い。ここで、符号２５ｄは着脱可
能なキャップを示す。

【００１３】また、船舶１１内の第１の冷却水タンク６
の近傍には、所定の冷却庫８が配設されている。この冷
却庫８は、外界より低温に保たれたボックスであり、冷
蔵庫等として使用することができる。冷却庫８は箱状の
内ケース８ａと外ケース８ｂより構成され、これら内ケ
ース８ａと外ケース８ｂの相互間に断熱材８ｃが充填さ
れている。内ケース８ａは、熱伝導性の良いアルミニウ
ムが用いられている。一方、外ケース８ｂは樹脂で構成
されている。これにより、外界との断熱が確保される。
また、冷却庫８は上面が開放されており、この冷却庫８
の上面には、所定の蓋部材８ｄが装着されている。蓋部
材８ｄも、断熱効果を高めるために、樹脂からなる外装
に断熱材が充填されている。

【００１４】第１の冷却水タンク６の近傍には、当該第
１の冷却水タンク６と同構造の第２の冷却水タンク７が
配設されている。そして、第１の冷却水タンク６から出
た冷却水が一旦エンジンの周囲を循環し、その後、この
第２の冷却水タンク７に一時貯留される。従って、第２
の冷却水タンク７内の冷却水の温度は、第１の冷却水タ
ンク６内の冷却水の温度より高くなっている。そして、
第２の冷却水タンク７から出た冷却水は、冷却水循環路
４ｄを介して船舶１１の外部に排出されるようになって
いる。

【００１５】また、冷却水循環路４ｂの下流側であって
エンジン５の近傍には、所定のサーモスタット１２が配
設されている。このサーモスタット１２は、冷却水の温
度によって開閉するものであり、冷却水の温度調節を行
うものである。冷却水の温度が高くなると、サーモスタ
ット１２が開き、冷却水は取り入れ口→冷却水ポンプ３
→第１の冷却水タンク６→エンジン５→第２の冷却水タ
ンク７→排水口の順に流れる。

【００１６】上記した第１の冷却水タンク６と第２の冷
却水タンク６の相互間には、第１の熱電モジュール９が
配設されている。ここで、第１の熱電モジュール９は、
図３に示すように、ｐ形半導体２１とｎ形半導体２２と
を金属電極２３を介し交互に直列接続した複数のπ形素
子の結合として構成される。この第１の熱電モジュール
９は熱電冷却用として一般に市販されているものであ
る。π形素子の結合にて形成される理由は、熱負荷や直
流電源電圧及び電流容量等を考慮したためである。この
第１の熱電モジュール９は、発電用としても用いること
ができる。本実施形態では、第１の熱電モジュール９を
発電用として用いる。

【００１７】一方、第１の冷却水タンク６と冷却庫８と
の相互間には、第２の熱電モジュール１０が配設されて
いる。この第２の熱電モジュール１０は、上記した第１
の熱電モジュール９で発生した電力の供給を受けて、冷
却庫８から熱を奪って冷却を行うものである。尚、第２
の熱電モジュール１０と冷却庫８の間には、冷却庫８か
ら第２の熱電モジュール１０に効率よく熱を伝えると共
に、第１の冷却水タンク６と冷却庫８との相互間に充填
される断熱材の厚みを確保するために、アルミニウムか
らなる金属補償ブロック１３が配設されている。

【００１８】次に、上記した第１の熱電モジュール９を
用いた場合の発電原理について説明する。即ち、図４
（Ａ）のｐ−ｎ接合電極を温度Ｔｈの加熱媒体で加熱し
て高温にし、この高温電極２３ａからｐ形及びｎ形半導
体を通って、右側の各低温電極２３ｂに伝導してきた熱
を、それらに密着させた適当な放熱器によって温度Ｔｃ
の外界に放熱させる。このようにすると、第１の熱電モ
ジュール９を構成する各素子の左右両接合部間に温度差
を生じ、ゼーベック効果によりｐ側電極にプラス、ｎ側
電極にマイナスの電圧が発生する。この両極を端子とし
て、たとえば直流モータ等の外部負荷につなぐと電流が
流れて電気出力を取り出すことができる。

【００１９】次に冷却原理について説明する。図４
（Ｂ）のｎ側電極にプラス、ｐ側電極にマイナスの電圧
をかけてｎ形からｐ形に電流を流すと、ペルチェ効果に
よってｐ−ｎ接合電極２３ａでは熱を吸収し、各端子電
極２３ｂでは熱が発生する。各端子電極２３ｂには適当
な放熱器を密着させて発生した熱を効率よく温度Ｔｈの
外界に放散させてやると、ｐ−ｎ接合電極２３ａは温度
Ｔｃの冷却対象物から熱を吸収し続けるので、これを冷
却に用いることができる。

【００２０】実際、これらの熱電モジュール９，１０を
使用する場合、図５に示すように接合電極が露出したモ
ジュールの上下面には、金属製の冷却、加熱対象物及び
放熱器を直接接触させることはできない。電極間が電気
的に短絡して素子に電流が流れなくなり、熱電素子とし
ての機能を失うからである。この場合、熱電モジュール
９，１０を構成する各素子が全て均等に熱の吸収、放散
を分担して熱交換を行い、その機能を十分に発揮できる
ように、それぞれの電極は熱を授受する相手の固体面と
薄い電気絶縁層（たとえばセラミックス板）を介してま
んべんなく良好な熱接触を保つ必要がある。このような
要求を満たすために、熱電モジュール９，１０の上下両
面にはうねりの少ない精度の良い平行な平面を持たせて
ある。

【００２１】そして、第１の熱電モジュール９及び第２
の熱電モジュール１０は、上下面から絶縁層を成す上記
セラミックス板２４によって挟み込まれ、このセラミッ
クス板を介して第１の冷却水タンク６，第２の冷却水タ
ンク７及び金属補償ブロック１３と当接している。尚、
セラミックス板２４と各冷却水タンク６，７及び金属補
償ブロック１３との熱伝導性を向上させるため、これら
の相互間に熱伝導性グリースを塗布することも有効であ
る。

【００２２】ここで、各冷却水タンク６，７及び冷却庫
８と各熱電モジュール９，１０との接合について説明す
る。図５に示すように、第１の冷却水タンク６と冷却庫
８とは、相互に所定のボルト３１によって固定されてい
る。そして、第１の冷却水タンク６と冷却庫８との相互
間には、上記した第２の熱電モジュール１０及び金属補
償ブロック１３の他、これらの周囲部に断熱材が配設さ
れている。ボルト３１の頭と第１の冷却水タンク６との
間には、断熱ワッシャ３３が介装されている。また、第
１の冷却水タンク６と第２の冷却水タンク７も第１の熱
電モジュール９及び所定の断熱材を介してボルト３１に
よって相互に固定されている。このボルト３１の頭と第
２の冷却水タンク７との相互間にも、断熱ワッシャ３３
が介装されている。以上のように、第１の冷却水タンク
６，第２の冷却水タンク７、第１の熱電モジュール９，
第２の熱電モジュール１０は相互に固定され、熱の伝導
が行われるようになっている。そして、このように一体
的に構成された各部材が、船舶１１の所定領域に装備さ
れる。

【００２３】また、本実施形態にかかる冷却水循環装置
１では、図１に示すように、第１の熱電モジュール９で
出力される電力を取り出す第１の導電線３５と、この電
力を第２の熱電モジュール１０に供給する第２の導電線
３７が設けられている。そしてこの第１の導電線３５と
第２の導電線３７とは、温度調節コントローラ３９を介
して接続されている。この温度調節コントローラ３９
は、冷却庫８の内気温を調節するものである。また、温
度調節コントローラ３９には、冷却庫８内の温度を検出
する内気温センサ４１が接続され、いわゆるサーミスタ
等が用いられている。温度調節コントローラ３９では、
図６に示すように、内気温センサ４１と温度設定ボリュ
ームからの出力をコンパレータに通し、これらの比較に
基づいて、第２の熱電モジュール１０に対応したリレー
をＯＮ、ＯＦＦさせる。

【００２４】また、第１の導電線３５の途中には、所定
のスイッチボックス４３が装備されている。このスイッ
チボックス４３は、第２の熱電モジュール１０への電力
の供給をＯＮ、ＯＦＦさせる。

【００２５】次に、以上のように構成された冷却水循環
装置１の動作について説明する。先ず、エンジン５が始
動し、これに伴って冷却水ポンプ３も稼働する。冷却水
ポンプ３の稼働により、外部から取り入れ口を介して冷
却水が汲み上げられる。そして、この汲み上げられた冷
却水が冷却水循環路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを流れる。

【００２６】冷却水ポンプ３から出た冷却水は、先ず、
第１の冷却水タンク６に所定量が貯留される。このと
き、第１の冷却水タンク６内の冷却水の温度は、外部の
水（船舶の周囲の海水や淡水）の温度とほぼ同じであ
る。従って、第１の冷却水タンク６自体も冷却水によっ
てほぼ同じ温度に維持されている。そして、第１の冷却
水タンク６から出た冷却水は、冷却水循環路４ｂを通っ
てエンジン５側に供給される。そして、エンジン５のシ
リンダやシリンダヘッド（共に図示略）に形成されたウ
ォータージャケット（図示略）内を循環する。尚、図１
においては、冷却水循環路を略図化している。

【００２７】エンジン５の周囲を循環した冷却水は、エ
ンジン５から熱を奪って高温となる。そして、このエン
ジン５の熱で高温となった冷却水が第２の冷却水タンク
７に供給される。従って、第２の冷却水タンク７内の冷
却水によって、第２の冷却水タンク７は加熱される。従
って、上記した第１の冷却水タンク６と第２の冷却水タ
ンク７とでは、第２の冷却水タンク７の方が温度が高
く、各冷却水タンク６，７の間で温度差が生じる。

【００２８】上記のように、第１の冷却水タンク６と第
２の冷却水タンク７の間に温度差が生じると、これらの
間に挟持されている第１の熱電モジュール９が発電す
る。この第１の熱電モジュール９で発生した電力は、温
度調節コントローラ３９を介して第２の熱電モジュール
１０に伝達される。第２の熱電モジュール１０では、供
給された電力によって金属補償ブロック１３を介して冷
却庫８から熱を奪い、この熱を第１の冷却水タンク６に
伝達する。これにより、冷却庫８内の温度を下げること
ができる。

【００２９】次に、温度調節コントローラ３９による冷
却庫８の温度調節について説明する。図７に温度調節コ
ントローラ３９のフローチャートを示す。図示しない電
源スイッチをＯＮすると、温度調節コントローラ３９で
冷却庫の内気温と設定温度との比較が行われる。ここ
で、設定温度は温度調節コントローラ３９内の温度設定
ボリュームにより行う。このとき、冷却庫８の内気温が
設定温度よりも高ければ冷却用の第２の熱電モジュール
１０のリレーがＯＮとなる。これにより、冷却庫８内が
冷やされる。冷却が進行して冷却庫８の内気温が設定温
度よりも低くなると、第２の熱電モジュール１０のリレ
ーがＯＦＦとなる。このようにして、冷却庫８内はほぼ
設定温度に維持される。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷却水循
環装置では、導入された直後の冷却水と、エンジンの冷
却に使用されて高温となった冷却水との温度差を利用
し、これによって電力を取り出し冷却に利用できるよう
にした。このため、比較的小規模な構成で、エンジンの
発生する熱の有効利用ができると共に、エンジンに対す
る負担を軽減することができ、船舶全体としてのエネル
ギ効率を向上させることができる、という優れた効果を
生じる。

【００３１】これと同時に、従来の冷却用に必要とされ
ていたコンプレッサ及びフロンの廃止とを、同時に実現
することができる。特に、コンプレッサの廃止により静
粛性の向上と寿命などのメンテナンス面での利便性向上
を図ることができ、フロンの廃止により環境面からの改
善を図ることができる、という優れた効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すブロック図である。

【図２】図１に開示した冷却水循環装置に使用される冷
却水タンクを示す斜視図である。

【図３】図１に開示した冷却水循環装置に使用される熱
電モジュールを示す斜視図である。

【図４】熱電モジュールでの熱電発電及び冷却原理を示
す説明図であり、図４（Ａ）は発電原理を示し、図４
（Ｂ）は冷却原理を示す。

【図５】図１に開示した冷却水循環装置の第１の冷却水
タンク，第２の冷却水タンク，第１の熱電モジュール，
第２の熱電モジュール及び冷却庫の接合状態を示す断面
図である。

【図６】図１に開示した冷却水循環装置の温度調節コン
トローラを示すブロック図である。

【図７】図６に開示した温度調節コントローラの制御を
示すフローチャートである。

【符号の説明】

１冷却水循環装置３冷却水ポンプ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ冷却水循環路５エンジン６第１の冷却水タンク７第２の冷却水タンク８冷却庫９第１の熱電モジュール１０第２の熱電モジュール１１船舶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部から冷却水を導入する冷却水ポンプ
と、この冷却水ポンプよって導入された冷却水をエンジ
ンに循環させた後に外部に排出する冷却水循環路とを備
え、前記冷却水ポンプの下流側で且つ前記エンジンの上流側
に第１の冷却水タンクを備えると共に、前記エンジンの
下流側に第２の冷却水タンクを備え、前記第１の冷却水タンクの近傍に所定の冷却庫を設け、前記第１の冷却水タンクと第２の冷却水タンクの相互間
に第１の熱電モジュールを装備すると共に、前記冷却庫
と第１の冷却水タンクの相互間に第２の熱電モジュール
を装備し、前記第１の熱電モジュールを熱入力によって電力を出力
する熱電モジュールとすると共に、前記第２の熱電モジ
ュールを外部からの電力供給により前記冷却庫から熱を
吸収する熱電モジュールとし、前記第１の熱電モジュールが出力する電力を、前記第２
の熱電モジュールに供給することを特徴とした冷却水循
環装置。