JPWO2007026432A1 - Ｅｇｒガス発電装置 - Google Patents

Abstract

エンジン排ガスの熱エネルギーを回収して発電するにあたり、付加価値を高め、発電効率を高める。このために、ＥＧＲガスと冷却水の伝熱流路を断面が閉じた形状で構成し、それらを複数有して積層し、ＥＧＲガス流路は管板に接続し、冷却水流路は円管形状の出入口部を接続し、両流路の間に熱電変換モジュールを備えることでＥＧＲガス発電装置を構成する。また、熱電素子を流れる電流を制御可能にし、再生可能に構成したフィルタをＥＧＲガス上流側に設置する。これにより、ＥＧＲガスの冷却と排熱から電力を得ることを同時に行い、かつ、ラジエターの放熱負荷を低減することを可能にする。また、ＥＧＲクーラとして必要な冷却能力を確保した上で、エンジンルームに収まるようにＥＧＲガス発電装置の小型化を可能にする。また、発生電圧が均一化されて発電効率が高まる。また、ＥＧＲガスに対する冷却能力が制御可能になる。さらに、フィンにすすが付着することを防止し、メンテナンスフリーでガス流路の閉塞が防止される。

Description

本発明は内燃機関から排出される排ガスのもつ熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収するのに好適な熱電発電装置に関するものであり、また、排気系から吸気系に再循環させてエンジンで発生するＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲシステムに関するものでもある。

従来、高温の排ガスを排出する自動車などでは、エンジンから排出される排ガスがもつ熱エネルギーを回収して電力に変換するために、例えば、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示されている排熱発電装置が用いられることがある。
図１６は、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示されている排熱発電装置を示すものであって、この排熱発電装置では自動車のエンジンから排出される排ガスが流れる排気管２４に箱形状の吸熱部２１が取り付けられ、この吸熱部２１には対向する平面が形成され、これらの平面には複数の熱電変換モジュール２６が対向して配置され、各熱電変換モジュール２６の高温端面と吸熱部２１の平面とが密着している。そして、熱電変換モジュール２６の低温端面と水冷ジャケット２２の冷却面とが対向して配置され、この熱電変換モジュール２６の低温端面と水冷ジャケット２２の冷却面とが密着している。この排熱発電装置では排気管２４から流入した排気ガスが持つ高温の排熱が吸熱部２１の平面を介して熱電変換モジュール２６の高温端面に伝達される。また同時に、熱電変換モジュール２６の低温端面は冷却水給・排管２３を通して水冷ジャケット２２内を還流する冷却水により冷却される。そして、熱電変換モジュール２６の高温端面と低温端面との間に生じた温度差に応じてゼーベック効果による熱起電力が発生して発電され、導電線を通じて電圧調整器および電流逆流防止器２７に送られ、電力計２８を介して蓄電池２９に蓄えられる。
図１７に、一般的な熱電変換モジュールの構成を示す。熱電変換モジュール１７０は、複数のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、各熱電素子の両端において隣接する熱電素子と電極を介して電気的に接続され、さらには、電極表面に絶縁板あるいは絶縁層が形成された構成をとる。このように複数の熱電素子を電気的に接続すると共に端面が絶縁処理された熱電変換モジュールを一旦形成した後、図１６のように吸熱部２１と冷却部である水冷ジャケット２２との間に前記熱電変換モジュール１７０を複数設置することにより、熱電素子間の電気的接続を確実にとりながら、多数の熱電素子を簡便に設置して熱電発電装置として機能させることが可能になる。
また、特開平７−１２００９号公報では、排気通路をその長手方向に複数分岐させ、その分岐された各排気通路に各々熱電素子を巻装して発電する技術が示されている。
一方、エンジンでは、排気ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）を削減するために、排気ガスの一部を排気系から取り出し、吸気系に再循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排ガス再循環）が、主にディーゼルエンジンで行われている。ディーゼル燃料はガソリンに比べ燃焼性が悪く、通常、空気過剰の状態で燃焼をさせる必要があり、このために排気ガス中に酸素が多く存在し、ガソリンエンジンの場合のような三元触媒を用いて排気ガス中のＮＯｘを削減することが困難になっている。このため、ＥＧＲによってＮＯｘを低減する手法がディーゼルエンジンで広く用いられている。このＥＧＲガスの体積を縮小させる目的でＥＧＲガスを冷却することが行われている。一般にＥＧＲガスは高温であるために密度が低く、吸気に混合させるＥＧＲガスの質量割合を高くすると、空気の流入が不足してエンジンの出力低下を招くことがある。ＥＧＲガスを十分に冷却した場合、ガスの体積が縮小されることで、空気の流入を増大させ、エンジン出力の増大を図ることが可能になる。その際、吸気に混合させるＥＧＲガスの質量割合を確保することで、ＮＯｘの発生を十分に抑えることが可能になる。ＥＧＲガスの冷却によりエンジン出力の増大を図ることは、同じ出力のエンジンを比較した場合、エンジンの小型化を可能にし、エンジンの小型化は質量低減と摩擦力の低減をもたらすことから省エネルギー化につながり、燃料消費率の低減と二酸化炭素排出量の削減につながる。このことから、ＥＧＲガスを十分に冷却することは極めて有効であり、ディーゼルエンジンではＥＧＲクーラを設置する場合が多い。ただし、ＥＧＲガスを冷却し過ぎると排ガス中のすすが増加する場合もあるため、エンジンの状態や負荷の状況に応じて冷却能力を制御出来ることが好ましい。このＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラに関して、例えば、特開平１０−２８１０１５号公報に開示されている技術がある。
図１８は、上記特開平１０−２８１０１５号公報に開示されているＥＧＲクーラを示すものであって、このＥＧＲクーラではＥＧＲガスがフランジ３６を通して流入し、ＥＧＲガスが流路３１内を流れる。このＥＧＲガス流路は上面が開口していて、蓋３２によって覆われる。この流路内に冷却水の循環によりＥＧＲガスを冷却する熱交換器３３を配置し、冷却水の入口パイプ３４および出口パイプ３５を挿通させる貫通穴を蓋３２に設けている。熱交換器３３はドロンカップ型の熱交換器からなり、ステンレス鋼からなる一対のプレート部材の間に冷却水流路の形成される円形状のシェル３６を複数積層して形成されている。各シェルには入口パイプ３４に連通する入口側カップ部、および、出口パイプ３５に連通する出口側カップ部が形成されている。各シェルの間には、放熱フィンが配置され、このフィンはステンレス鋼からなり、ルーバーの形成されない状態のコルゲートフィンを矩形状に形成している。このようなＥＧＲクーラでは、シェルの間にＥＧＲガスが流通される放熱フィンを配置して熱交換器を構成しているため、熱交換器を小型で熱交換効率の高いものにすることができる。
図１８のＥＧＲクーラでは、冷却水の流路はクーラ内部で閉じた状態になっているのに対し、ＥＧＲガスはクーラ内の全体を流れることから、ＥＧＲガスの流路は開かれた状態と見なせる。
図１９に、シェル・アンド・チューブ式（＝多管式）の熱交換器によってＥＧＲクーラを構成する例を示す。ＥＧＲガス２００はダクト部から流入して、複数の伝熱管（＝チューブ）に分配されて流れ、冷却されたＥＧＲガス２０１となって出て行く。一方、冷却水３００は胴体（＝シェル）に設けられた入口から流入し、伝熱管の外側を流れてＥＧＲガスを冷却し、胴体の別の出口から流出する。この場合、ＥＧＲガスの流路がクーラ内部で閉じた状態になっているのに対し、冷却水はクーラ内の全体を流れることから、冷却水の流路は開かれた状態と見なせる。このように、従来のＥＧＲクーラではＥＧＲガスと冷却水を熱交換させるあたり、一方の流体を閉じた流路に流し、他方をその外側の開かれた空間に流す構成をとっている。

自動車の排ガスがもつ熱エネルギーから熱電素子を用いて発電を行う排熱発電装置を設置する場合、熱電素子のコストが高く、発電により得られる利益に比べて発電装置のコストが高いことが問題となる。このため、排熱発電装置から得られる電力の増大と、電力以外にも利益を得ることが求めらる。
排気ガスが流れる排気管に箱形状の吸熱部を取り付け、その外側に水冷ジャケットを配置する構造でＥＧＲガスを冷却した場合、従来のＥＧＲクーラに比べて熱交換効率が低く、ＥＧＲクーラに必要な冷却能力が不足するか、もしくは、十分な冷却能力を持たせるには装置が巨大になり、エンジンルームに収まらなくなるという問題が生じる。このため、ＥＧＲの冷却装置にはエンジンルームに収まるだけの小型化が求められる。
また、排ガスの通路を複数に分岐させ、その分岐管ごとに発電を行う場合、分岐部を形成するにあたり、中央の管と外側の管を同じ形状で接続することは不可能であり、流量の均一な分配は難しい。各分岐管に流れる排ガスの流量が異なると、分岐管ごとの排ガス出口温度が異なるようになり、熱電素子にかかる温度にばらつきが生じる。熱電素子にかかる温度の違いは発生電力の電圧の違いとなり、各分岐管ごとに異なった電圧が発生することになる。異なった電圧の電源を並列に接続した場合、電圧が低い電源からは電力が供給されないことから、発生電圧が低い分岐管では発電が行われないことになり、発電効率の低下を招く。このため、複数の流路を持つ際は排ガスの均一な分配が求められる。
また、従来のＥＧＲクーラに熱電変換モジュールを設置しようとした場合、ＥＧＲクーラの内部ではＥＧＲガスの流路か冷却水の流路のどちらかが開かれた状態になっているために、熱電変換モジュールがＥＧＲガスか冷却水のどちらかにさらされることになり、水分による漏電や腐食などによって安定に発電を行うことが出来ないという問題を生じる。
また、ディーゼルエンジンにおいては、ＥＧＲガスに対する冷却能力を高めるために、フィンを高密度に配置し、フィン間のガス流路を狭くすると、ＥＧＲガス中に存在するすすがフィンに付着し、ガス流路の閉塞を招くという問題を生じる。
さらに、ＥＧＲガスに対する冷却需要は常に一定という訳ではなく、ＥＧＲガスを出来るだけ冷やしたい時と、ＥＧＲガスを高温のまま供給した方がよい時がある。ディーゼルエンジンで発生するすす（＝ＰＭとも呼ぶ）は、燃焼性の悪さから生じるものであり、ＥＧＲガスを高温で供給することで燃料が燃えやすくなり、すすの発生が抑えられる場合がある。ディーゼルエンジンの排ガスに関してはＮＯｘとすす（＝ＰＭ）の両方を低減する必要があることから、負荷やエンジンの状態に応じて、ＥＧＲクーラでの冷却能力を制御できることが好ましい。この機能は、ＥＧＲクーラ単独で実現することは出来ない。また、ＥＧＲガスを冷却する際に吸収した熱をラジエターで放熱する場合、エンジン冷却水の放熱を兼ねたラジエターでは、条件によってラジエターの放熱負荷が過大になる場合があり、ラジエターの負荷低減が求められる。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、熱電素子を用いて排気ガスの熱エネルギーから発電を行う際に発電以外の利益も得て、エンジンルームに収まるように装置の小型化を図り、ＥＧＲガスを十分に冷却する能力を有するＥＧＲガス発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、エンジンの排気系から吸気系に再循環させるＥＧＲガスを高温熱源にし、ラジエターを通じて大気に放熱する冷却水を低温熱源にし、これら両熱源の間に熱電変換モジュールを備えて熱を通過させることで、発電と、ＥＧＲガスを冷却して吸気系に供給することを同時に行い、かつ、ＥＧＲガスの熱を一部電力に変換することでラジエターの放熱負荷を低減し、熱電素子を用いた発電装置の付加価値を高めることを特徴とする。
このとき、ＥＧＲガス流路と冷却水流路に挟まれた熱電変換モジュールの一層の中に、熱電変換モジュールを複数備え、個々の熱電変換モジュールを直列に配線した回路を複数設け、各々の直列の回路は並列に配線し、かつ、各直列の回路がＥＧＲガスから熱を受ける区間はＥＧＲガスの上流から下流までの同じ区間となるように配線することで、１つの直列回路の中でＥＧＲガスと冷却水の間に生じる温度差の合計が、並列に存在する各々の回路のどれもが等しくなるようにし、並列に存在する回路どうしで発生する各々の電圧が等しくなるようにし、発生電圧に違いによって発電を行わない部分が生じることを防止し、発電効率を向上させるとよい。また、ＥＧＲガスの下流側では熱電変換モジュールを介さずにＥＧＲガスを冷却水で冷却するようにし、ＥＧＲガスの出口温度を十分に下げることが出来るようにするとよい。また、熱電変換モジュールに流れる電流を回路の切替によって制御可能にし、ＥＧＲガスを十分に冷したい時には、電流が多く流れるようにすることでＥＧＲガスの熱を冷却水側に流れやすくし、ＥＧＲガスをあまり冷したくない時には、電流を抑えることで熱が伝わりにくくし、電流制御によって冷却能力の制御を可能にするとよい。また、主にディーゼルエンジンの場合に、ＥＧＲガス発電装置のＥＧＲガス上流側にフィルターを備え、このフィルターに捕捉されたすすを酸化反応によって除去することでフィルターを再生可能にし、メンテナンスフリーでＥＧＲガス発電装置を使用可能にするとよい。
また、上記目的を達成するために、本発明では、ＥＧＲガスを管板に接続された複数の伝熱流路に分配して流すことで、複数のＥＧＲガス流路の出入口を同一形状にし、ＥＧＲガスを均一な流量に分配し、効率的な発電とＥＧＲガスの十分な冷却を行い、かつ、冷却媒体をＥＧＲガスに直交に流すことで、ＥＧＲガスと冷却媒体の出入口の取り合いに要するスペースを減らして小型化を図ることを特徴とする。
このとき、冷却媒体に水を使用し、冷却水の伝熱流路は２枚の板の外周を接合したものを複数積層することで構成し、冷却水流路の層の上下両面で熱が伝わるようにしてＥＧＲガスの冷却能力を高める。同時に、各冷却水伝熱流路の出入口は円管形状部どうしを接続することで、冷却水の伝熱流路を閉じた構成にし、熱電変換モジュールが冷却水にさらされることを防いで安定に発電が出来るようにするとよい。また、ＥＧＲガスの伝熱流路を、２枚の板の２辺を接合したもの、もしくは扁平管で構成し、その伝熱流路内にコルゲートフィンを有することで安価な構造で伝熱促進を図り、ＥＧＲガスの冷却能力を高めるとよい。
本発明によれば、ＥＧＲガスと冷却水の伝熱流路を断面が閉じた形状で構成し、それらを複数有して積層し、ＥＧＲガス流路は管板に接続し、冷却水流路は円管形状の出入口部を接続し、両流路の間に熱電変換モジュールを備えることで、ＥＧＲガスを冷却しながら安定に発電を行うことが可能になり、かつ、ＥＧＲガスの熱を大気に放熱するラジエターの負荷を低減することが出来る。また、発生電圧の均一化を図ることで発電効率が高まり、その上で、ＥＧＲクーラとして必要な冷却能力を確保し、かつ、エンジンルームに収まるようにＥＧＲガス発電装置を小型化することが可能になる。また、ＥＧＲガス発電装置内に流れる電流を制御することで、ＥＧＲガスの冷却能力が制御可能になる。また、再生可能に構成した上でフィルタを設置することで、フィンにすすが付着することを防止し、メンテナンスフリーでガス流路の閉塞が防止される。

第１図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わる分解斜視図である。
第２図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わるＥＧＲガスの流れに垂直な方向の断面図である。
第３図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わる冷却水の流れに垂直な方向の断面図である。
第４図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わるＥＧＲガス流路の分解図である。
第５図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わる冷却水流路の分解図である。
第６図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わる熱電変換モジュールの配線を示す図である。
第７図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わる電力供給回路図である。
第８図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第１実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第９図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第２実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第１０図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第３実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第１１図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第４実施形態に係わる分解斜視図である。
第１２図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第４実施形態に係わるＥＧＲガス流路の詳細図である。
第１３図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第４実施形態に係わる冷却水流路の分解図である。
第１４図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第４実施形態に係わる冷却水の流れに垂直な方向の断面図である。
第１５図は、本発明のＥＧＲガス発電装置の第５実施形態に係わる分解斜視図である。
第１６図は、従来の排熱発電装置を示す説明図である。
第１７図は、熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。
第１８図は、従来のＥＧＲクーラにおける、ドロンカップ型熱交換器を用いた例を示す図である。
第１９図は、従来のＥＧＲクーラにおける、シェル・アンド・チューブ型熱交換器を用いた例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
第１図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置の分解図を表す。図中、２００は入口側ＥＧＲガスを指し、２０１は出口側ＥＧＲガスを指す。３００は入口側冷却水を指し、３０１は出口側冷却水を指す。ＥＧＲガスの流路に関する構成は出入口ダクト１０４、管板１０５、図中に３層あるＥＧＲガス伝熱流路１０１からなる。ＥＧＲガス流路１０１の出入口を管板１０５に接続することで、複数のガス流路１０１は同一形状の出入口となり、外部に対する気密を保ってＥＧＲガスの均一な分配を図っている。冷却水流路は最上段から最下段まである４層の冷却水伝熱流路１０２で構成される。冷却水流路１０２は円管形状部を出入口として接続することで外部に対する気密を保って冷却水の分配を行っている。熱電変換モジュールの層１０３は、ＥＧＲガス流路１０１と冷却水流路１０２の間にそれぞれあり、両流路の平面部を接触させることで熱が伝わるようにしている。これらの層の数はＥＧＲガスの設計流量に応じて変更すればよい。ただし層の数を変えた時でも、冷却水流路１０２は最上段と最下段に存在させることで、ＥＧＲガス流路１０１より常に１層多くなる。また、熱電変換モジュールの層１０３はＥＧＲガス流路１０１の上面と下面に存在させることで、ＥＧＲガス流路１０１の倍の数になる。冷却水流路が最上段と最下段の装置外側にあることより、エンジンの運転時にＥＧＲガスが高温になっても、ＥＧＲガス発電装置外形部の温度上昇を抑えて熱膨張を抑えることが可能になり、装置の取り付け部等に生じる熱応力を抑え、装置の安全性・信頼性を高めることが可能になる。さらに、熱電変換モジュールで発生した電力の出力電圧調整と、ＥＧＲクーラとしての冷却能力を制御するために電流制御をするための制御装置４００が、冷却水流路１０２の外側に接して取り付けられる。この制御装置４００を冷却水流路の外側に接して備えることにより、ＥＧＲガスから熱が伝わって装置が過熱されることを防ぎ、コンパクトな構造で制御装置の安全性・信頼性を高めることが出来る。
第２図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置のＥＧＲガスの流れに垂直な方向の断面図を表す。ＥＧＲガス流路が１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃと３層あり紙面の垂直方向にＥＧＲガスが流れる。冷却水流路は１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄと４層あり、伝熱部では図の右から左に向かって冷却水が流れる。各冷却水流路１０２ａ〜１０２ｄの出入口である円管部は、ＥＧＲガス流路１０１ａ〜１０１ｃの外側にあって、その先端どうしを接続している。熱電変換モジュールの層は１０３ａ〜１０３ｆの６層あり、それぞれの高温端をＥＧＲガス流路に接触させ、低温端を冷却水流路に接触させている。
第３図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置の冷却水の流れに垂直な方向の断面図を表す。ＥＧＲガス流路が１０１ａ〜１０１ｃであり、図の右から左に向かってＥＧＲガスが流れる。冷却水流路が１０２ａ〜１０２ｄであり、紙面の垂直方向に冷却水が流れる。ＥＧＲガス流路１０１ａ〜１０１ｃの出入口と接続する管板１０５は冷却水流路１０２ａ〜１０２ｄの外側に位置する。
ＥＧＲガスの出入口が冷却水流路に対して外側になり、冷却水の出入口もＥＧＲガス流路に対して外側になるのは、互いを直交に流すことで実現可能になっている。
第４図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置のＥＧＲガス流路の分解図を表す。ＥＧＲガス流路１０１は上板１１１、下板１１３、コルゲートフィン１１２からなる。ＥＧＲガス流路１０１は、平面部にコルゲートフィン１１２を配置して、上板１１１と下板１１３の縁を接合することで、袋状の流路断面が閉じた構造となる。また、上板１１１および下板１１３とコルゲートフィン１１２をろう付け等で接合することにより、強度が増加するとともに熱抵抗が低減する。また、コルゲートフィン１１２はプレス加工で成形することにより、均一な形状を保つことが容易となり、多数のガス流路１０１を製作しても均一な形状となることから、各流路をガスが流れる上での圧力損失が均一になり、ガスを均一に分配させることに役立つ。また、コルゲートフィン１１２は薄板を折り曲げて製造することにより安価に製造でき、かつ、伝熱面積の十分な増大をもたらし、ＥＧＲガスの熱が熱電素子に伝わることを促進し、ＥＧＲガス発電装置の発電能力の増大をもたらす。また、コルゲートフィン１１２の形状については、第４図のように直線状に板を折り曲げるプレーン型の他、途切れたフィンが交互に連なるセレート型（オフセット型とも呼ぶ）、途切れたフィンを斜めにするルーバー型、流れ方向に対しても波打った形状のヘリンボーン型、フィンに多数の穴を開ける多孔板型等を用いることが可能であり、フィンの断面形状に関しても矩形状の他、三角状の形状等にすることが可能である。ただし、ＥＧＲガス中のすすがフィンに最も付着しにくいのはプレーン型になる。
第５図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置の冷却水流路の分解図を表す。冷却水流路１０２は上板１２１、下板１２３、コルゲートフィン１２２からなる。冷却水流路１０２は、平面部にコルゲートフィン１２２を配置して、上板１２１と下板１２３の外縁全周を接合することで、袋状の外部に対して気密可能な構造となる。また、上板１２１と下板１２３の両方に円管形状部１２４、１２５を設けることで、冷却水の出入を可能にしている。また、上板１２１および下板１２３とコルゲートフィン１２２をろう付け等で接合することにより、強度が増加するとともに熱抵抗が低減する。また、コルゲートフィン１２２は伝熱面積の増大をもたらすことで、冷却水による熱電素子の冷却能力を高め、発電能力の増大をもたらすと同時に、熱電素子の温度上昇を防止し、耐熱温度が限られる熱電素子の過熱による破損を防止する。また、コルゲートフィン１２２の形状についてはＥＧＲガス流路の場合と同様、プレーン型、セレート型、ルーバー型、ヘリンボーン型、多孔板型等を用いることが可能であり、フィン断面形状も矩形状、三角状等を用いることが可能である。
第６図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置の熱電変換モジュールの配線方法を表す。ここでの熱電発電モジュールの層は第２図、第３図に対応しており、最上段の熱電発電モジュールの層１０３ａ、およびその下段に存在する１０３ｂ、１０３ｃ、・・・からなる。熱電発電モジュールの各層１０３ａ〜１０３ｆは制御装置４００に対して並列に配線される。１つの熱電発電モジュールの層１０３ａの中には多数の熱電発電モジュール１７０が存在しており、それを直列に配線した回路として１８１と１８２がある。第６図では１つの層内に２つの直列回路を示しており、その２つ回路は並列に接続されている。１つの直列回路１８１に含まれる熱電変換モジュールはＥＧＲガスの上流側２００から下流側２０１まで、ＥＧＲガスの全区間で熱を受けるようにしている。このＥＧＲの熱を受ける区間を回路１８１と１８２で等しくすることにより、両回路で生じる電圧を同じにしている。もしも、並列に接続されている回路どうしで生じる電圧に差があると、電圧の低い方からは電流を供給することが出来ず、発電効率の低下を招く。ＥＧＲガスは入口で高温であり、出口で温度低下しているために、冷却水との温度差が、ＥＧＲガスの入口側で大きく、出口側で小さい。このため、個々の熱電素子に生じる電圧も、ＥＧＲガス入口側で大きく、出口側で小さい。よって、熱電発電モジュールに生じる電圧も同様で、ＥＧＲガス入口側で大きく、出口側で小さい。もしも、並列にある回路１８１と１８２において、一方がＥＧＲガスの入口側で熱を受け、他方がＥＧＲガスの下流側で熱を受けるようにすると、ガスの入口側の電圧が高く、ガス出口側の電圧が低くなり、ガス出口側からは電力が供給されなくなり、発電効率の低下を招く。本実施例のように、回路１８１と１８２の両方がＥＧＲガスの上流から下流までの同じ区間で熱を受けるようにすることで、両回路で発生する電圧が同じになり、発電効率が高まる。また、熱電発電モジュールの層１０３ａ内における回路１８１と１８２の関係を１０３ｂ、１０３ｃ…と全ての層で同じにすることで、各々の回路１８１、１８２、１８３、１８４…は並列に配線されることになり、各々の回路内の熱電発電モジュールはＥＧＲガスの上流から下流までの同じ区間で熱を受け、同じ電圧を生じるようになり、発電効率を高める。
第７図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置の電力供給回路図を表す。ＥＧＲガス発電装置１００による電力は制御装置４００を介して負荷５０４に供給する。また、オルタネータ５０１で発生した電力は整流器５０２、電圧調整器５０３を介して負荷５０４に供給する。ＥＧＲガス発電装置１００、オルタネータ５０１およびバッテリ５００は負荷５０４に対して並列に配線することで、電力供給源として並立させる。オルタネータはエンジンの動力を消費して発電するのに対し、ＥＧＲガス発電装置は排熱から発電しているために、この電力を消費しても、燃料の消費量を増やすことはないため、電力供給源の中で、ＥＧＲガス発電装置１００による電力を最優先で使用することが、全体システムとしての省エネルギー化に寄与する。このため、電力供給の優先順位は、ＥＧＲガス発電装置１００を最優先にし、これが不足する際にオルタネータ５０１からも供給するようにし、それでも不足する際にバッテリ５００からも電力を供給するようにする。これを実現するために、電力供給源の中でＥＧＲガス発電装置１００からの出力電圧が最も高くなるように電圧調整器４０３を設定する。さらに、ＥＧＲガス発電装置１００とバッテリ５００が並列に配線されていることで、負荷５０４で消費する電力以上にＥＧＲガス発電装置１００から電力が得られる時は、バッテリ５００に電力が充電される。このように電力供給回路を組むことで、オルタネータでの発電量を減らし、オルタネータで消費するエンジン動力を低減し、燃料消費量を低減することが可能になる。また、電力供給源が増えることで、オルタネータが故障した時でも電力を供給し続けることが可能になる。
さらに、ＥＧＲガス発電装置１００の制御装置４００には、電力供給のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチ４０１、ＥＧＲガス発電装置内で電流を循環させるためのスイッチ４０２、および電圧調整器４０３を含む。電圧調整器４０３はＤＣ／ＤＣ変換によって電圧を調整すると共に、ダイオードによって負荷側から電流が逆流して流入することの防止も行う。スイッチ４０１は通常ＯＮ、スイッチ４０２は通常ＯＦＦにし、ＥＧＲガス発電装置の冷却能力を制御する際に、これらのスイッチを切り替え、ＥＧＲガス発電装置内に流れる電流を制御する。電流制御によって冷却能力が制御される原理を式１より説明する。
（式１）
式１の左辺ＱＨは高温端から流入する熱量を表し、右辺のＩは熱電素子に流れる電流を表す。ＴＨは熱電素子高温端の絶対温度を表し、ＴＣは熱電素子低温端の絶対温度を表す。αは熱電素子の発電特性を表す係数で、簡易的には一定と見なせる。Ｋは熱電素子を熱伝導で熱が流れる特性を表す係数で、熱伝導率に依存することから一定と見なせる。Ｒは熱電素子の電気抵抗を表す。式１右辺第１項はペルチェ効果を表す。熱電変換によって流れる電流は、高温側から流入する熱量に依存することを表すと同時に、電流によって熱輸送が行われる効果も表す。ゼーベック効果は、高温端と低温端の温度差に比例して電圧が生じることを意味するが、生じた電圧から得られる電力にはエネルギーの保存則が成立し、そのことを右辺第１項は示している。また、この物理現象は可逆過程であることから、電流が流れる方向と同じ方向に熱も流れることを表す。このため、正の電流を積極的に流す時、高温端から低温端に熱が流れることを促進する。第２項は熱伝導の効果を表す。熱伝導により、高温端と低温端の温度差に比例して熱が流れることを表す。第３項はジュール発電の効果を表す。熱電素子には必ず電気抵抗が存在し、電流が流れることにより発熱が生じる。ジュール発熱により生じる熱は高温側と低温側に等しく供給されることから、ジュール発熱で生じた熱の半分は高温端から流入する熱量を低減させる。通常の熱電素子であれば、第１項の効果の方が第３項の効果より大きく、電流が流れることで高温端から流入する熱量を増大させる。本実施例における高温端側はＥＧＲガスであり、高温端から流入する熱量が増えることは、ＥＧＲガスがよく冷却されることを意味する。すなわち、電流が増加するとＥＧＲガスの冷却が促進され、電流が低下するとＥＧＲガスの冷却が抑制される。
この原理を活用するために、ＥＧＲクーラとしての冷却能力を最も高める場合は、第７図におけるスイッチ４０１を一旦切った上で、スイッチ４０２をつなぐ。これにより、ＥＧＲガス発電装置は負荷側と切り離され、ＥＧＲガス発電装置で発生した電流は内部で循環するようになり、負荷側に電力を供給する場合より大きな電流が流れるようになる。このことによりＥＧＲガスの冷却能力が高まる。また、この場合の回路はショートした状態になっているが、電流を生み出す元のエネルギーはＥＧＲガスの熱エネルギーのみであることから、エネルギー源が限られており、過電流が流れて回路を損傷することがない。
ＥＧＲガスをあまり冷やさないでおく場合は、スイッチ４０２を切ったままで、スイッチ４０１も切る。こうすると、ＥＧＲガス発電装置では電流が流れなくなる。電流が流れないと、ペルチェ効果による熱輸送が働かないため、ＥＧＲクーラとしての冷却能力が低下する。ただし、熱伝導の効果には変わりがないので、冷却能力が０にはならない。
第８図は本発明の第１実施形態となるＥＧＲガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。第８図では主にディーゼルエンジンで使用する場合の構成を示している。エンジン１に供給する空気は、ターボ過給機のコンプレッサ２で圧縮し、インタークーラ３で冷却し、スロットル弁４を通過してＥＧＲガスと混合される。エンジン１から排出されたガスはターボ過給機のタービン６を通過し、排ガス後処理装置７を通過して外部に放出される。排気タービン６に送る前の排ガスを分配して、ＥＧＲガス配管１５０を通じてスロットル弁４の下流側に接続することでＥＧＲを構成している。ＥＧＲの流量はＥＧＲ弁５で制御し、ＥＧＲ弁５を全開にしてもＥＧＲが不足する時にスロットル弁を絞り、吸気側の圧力を下げることでＥＧＲがより流れるようにする。ＥＧＲ弁５とスロットル弁４の制御は制御装置８で行う。ＥＧＲガス発電装置１００には冷却水配管１５３が接続され、冷却水弁１５４により冷却水流量の制御を行う。冷却水は冷却水ポンプ１０によってラジエター９との間を循環し、ＥＧＲガス発電装置１００で吸収した熱を大気に放出する。この冷却水の循環経路は、エンジンの冷却水と共有しても、別々にしてもよい。ＥＧＲガス発電装置によって発電を行うことは、ＥＧＲガスから吸収した熱の一部を電力に変換することとなり、電力のエネルギー分だけ冷却水が吸収する熱は低減される。これのため、発電のエネルギー分、ラジエターの放熱負荷を低減することが可能となる。また、ＥＧＲガス発電装置１００は上流側に再生可能なフィルタ１５１を備えてＥＧＲガス配管１５０に接続し、供給されたＥＧＲガスを冷却して吸気側に提供する。フィルタ１５１の下流側と排気タービン６の下流側を接続するＥＧＲバイパス配管１５５を備え、この配管のガス流量を制御するＥＧＲバイパス弁１５２を備える。ＥＧＲバイパス弁１５２は通常閉じておき、フィルタ１５１の再生時にのみ開く。
ＥＧＲガス発電装置１００のＥＧＲガス流路で、伝熱促進を図るためにフィンのピッチを細かくすると、ＥＧＲガス中に存在するすすがフィンに付着し、ガス流路の閉塞を招くことから、フィルタ１５１ですすを除去する。除去されたすすはフィルタ１５１内に補足されていることから、そのまま運転を続けるとすすの堆積によってフィルタ１５１が閉塞を起こす。この堆積したすすを除去することがフィルタの再生であり、主に炭素分からなるすすを酸化反応によって燃焼させることで行う。フィルタの再生を行うタイミングとしては、フィルターの圧力損失を常に監視して、流量に比して圧力損失が大きくなった場合に再生手順を実施する方法と、一定の運転時間ごとに再生手順を実施する方法とがある。また、フィルタの再生時にはフィルタが高温になることから、ここを通過したガスも高温になる。この高温のＥＧＲガスをＥＧＲガス発電装置や吸気系に供給すると、熱的なダメージを受ける場合あるため、フィルターの再生は吸気系に供給するＥＧＲガス流量が少ない時、すなわち、ＥＧＲ弁を絞っている時に行うことが好ましい。
第８図の構成の場合、フィルタの再生手順は次のようになる。まず、ＥＧＲ弁５が閉じている状態で、ＥＧＲバイパス弁１５２を開き、排ガスがフィルタ１５１のみに流れて、ＥＧＲガス発電装置１００に流れないようにする。次に、スロットル弁４を絞り、空気過剰率を減らす。さらに、エンジンの燃焼室で燃料を噴射するタイミングを遅らせる。空気過剰率の低下と、燃料噴射の遅れによって排ガス温度が上昇する。温度が上昇した排ガスをフィルタ１５１に流すことで、すすが自ら燃えるようにする。すすが燃えきると再生は完了し、スロットル弁４の絞りを解除し、燃料噴射の遅れを元に戻し、ＥＧＲバイパス弁１５２を閉じ、ＥＧＲ弁５の閉止を解除することで再生手順が終了する。なお、ＥＧＲバイパス弁１５２を用いずに、ＥＧＲバイパス配管１５５を十分細くし、常にＥＧＲバイパス配管１５５に排ガスが流れるようにすることでも、同じ原理によるフィルタの再生が可能である。
第９図は本発明の第２実施形態となるＥＧＲガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。第９図と第８図で同じ番号のものは同じ部品を表す。電気ヒータ１５６はフィルタ１５１の上流側にあって、フィルタ１５１を加熱するために用いる。この形態の他、電気ヒータをフィルタに埋め込むことも可能である。第９図の構成の場合のフィルタの再生手順は次のようになる。ＥＧＲ弁５を絞った状態で、電気ヒータ１５６に電気を流し、フィルタ１５１を加熱する。これによってフィルタ内に堆積したすすが自ら燃えるようにする。すすが燃え出したら、発熱が生じるために、電気ヒータでの加熱は停止する。すすが燃えきると再生が完了であり、ＥＧＲ弁５の絞りを解除し再生手順が終了する。ＥＧＲ弁５の絞りに関しては、完全に閉鎖させ、すすの燃焼に必要な酸素を排気管側から拡散によって供給する方法と、ＥＧＲ弁５をわずかに開き、ＥＧＲガスを微量流すことによってすすの燃焼に必要な酸素を供給する方法とがある。
第１０図は本発明の第３実施形態となるＥＧＲガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。ＥＧＲバイパス配管１５７はＥＧＲガス発電装置１００の下流側と排気タービン６の下流側を接続し、ＥＧＲバイパス弁１５２はこのバイパス配管のガス流量を制御する。第１０図の構成は熱電素子の耐熱温度が十分に高い場合に適用可能であり、この構成の場合、フィルタの再生を行っている際もＥＧＲガス発電装置１００での発電が可能になる。第１０図の構成におけるフィルタの再生手順は第８図の構成の場合と同じである。ただし、フィルタの再生中にも高温排ガスがＥＧＲガス発電装置１００を流れ、発電がなされることから、ＥＧＲガス発電装置１００の稼働率が高く、総発電量を高めることが可能になる。さらに、ＥＧＲバイパス弁１５２を用いずに、常にＥＧＲバイパス配管１５７に排ガスが流れるようにしてもよい。また、第１０図の構成ではエンジン負荷の関係でＥＧＲを流さない時にも、ＥＧＲバイパス配管１５７に排ガスを流すことで発電することが可能であり、ＥＧＲ流量に依存せずに、発電することが可能となる。
第１１図は本発明の第４実施形態となるＥＧＲガス発電装置の分解図を表す。図１と同じものは番号を同じにしてある。ＥＧＲガスの流路に関する構成は出入口ダクト１０４、管板１０６、図中に３層あるＥＧＲガス伝熱流路１４５からなる。冷却水流路は図中に４層ある冷却水伝熱流路１３０で構成され、熱電変換モジュールの層１４０は、ＥＧＲガス流路１４５と冷却水流路１３０の間にそれぞれある。ＥＧＲガス伝熱流路１４５には扁平管を用いており、これにより管板１０６の管用穴は扁平管に合せた形状になる。冷却水流路１３０には折り返しが１回ある。折返しを設けることで、冷却水が流れる際の断面積が小さくなり、冷却水の流速が上昇する。流体の熱伝達率は一般に流速の上昇に伴って増加することから、冷却水流路に折返しを設けることで、冷却水流路の伝熱促進が図られる。また、奇数回の折返しによって冷却水の出入口が片側に寄り、反対側には冷却水の出入口に関わるスペースが不要になるため、小型化が図られる。
第１２図は本発明の第４実施形態となるＥＧＲガス発電装置のＥＧＲガス流路の詳細図を表す。ＥＧＲガス流路１４５は扁平管１４６、コルゲートフィン１４７からなり、コルゲートフィン１４７は扁平管１４６の内側に接合されている。
第１３図は本発明の第４実施形態となるＥＧＲガス発電装置の冷却水流路の分解図を表す。冷却水流路１３０は上板１３１、下板１３２、コルゲートフィン１３３、１３４からなり、コルゲートフィン１３３、１３４を挟んで上板１３１と下板１３２の外縁全周を接合する。また、上板１３１と下板１３２の両方に円管形状部１３５、１３６を設けるとともに、流路を仕切って折り返すためのくぼみを設け、かつ、コルゲートフィン１３４側の流路をコルゲートフィン１３３側の流路より深くしている。また、冷却水の折返し数をさらに増やすことで、伝熱促進を図り、それによってコルゲートフィンの挿入を省くことも可能である。
第１４図は本発明の第４実施形態となるＥＧＲガス発電装置の冷却水の流れに垂直な方向の断面図を表す。ＥＧＲガス流路が１４５ａ〜１４５ｃであり、図の右から左に向かってＥＧＲガスが流れる。冷却水流路が１３０ａ〜１３０ｄであり、紙面の垂直方向に冷却水が流れる。冷却水流路１３０ａ〜１３０ｄは、くぼみによって折返しのための仕切りが形成されている。熱電変換モジュールの層が１４０ａ〜１４０ｆであり、冷却水流路１３０ａ〜１３０ｄの右側流路の位置（＝ＥＧＲガスの上流側）にのみ配置し、左側には配置しない。冷却水流路１３０ａ〜１３０ｄの左側流路は右側より熱電変換モジュールの厚さ分だけ深くすることにより、熱電変換モジュールを介さずに、ＥＧＲガス流路に直接接触する。ＥＧＲガスの熱を冷却水に伝える上で、熱電変換モジュールがあることは熱抵抗になり、ＥＧＲを冷やす能力は低下する。第１４図のようにＥＧＲガスの出口側で冷却水流路とＥＧＲガス流路を直接接触させることで、この部分での熱通過率が高まり、ＥＧＲガスを十分に冷却した上で流出させることが可能になる。ＥＧＲガスの出口側は入口側に対して温度低下することから冷却水との温度差が減少し、熱が伝わりにくい状態になる。そのため冷却水温度の近くにまでＥＧＲガスの温度を下げようとした場合、ＥＧＲガスの温度が冷却水温度に近付くに従って、熱交換温度差が小さくなり、熱が伝わりにくくなって、多大な伝熱面積が必要になり、装置が大型化する。このため、ＥＧＲガスの出口側で熱抵抗を減らすことは、所定の冷却能力を持たせたＥＧＲガス発電装置の小型化に大きく貢献する。
なお、第１実施形態と第４実施形態の違いである、ＥＧＲガス流路の構成、冷却水流路の折り返し、冷却水流路とＥＧＲガス流路の一部直接接触はそれぞれ独立に実施可能であり、第８〜１０図のフィルタの構成と合わせて、組み合わせは適宜変更できる。
第１５図は本発明の第５実施形態となるＥＧＲガス発電装置の分解図を表す。ＥＧＲガスの流路に関する構成は出入口ダクト１０４、管板１０７、図中に３層あるＥＧＲガス伝熱流路１０１からなる。冷却媒体には空気を用い、外板１８２内を流れ、図中に４層ある冷却空気用フィン１８１を冷却する。熱電変換モジュールの層１４０は、ＥＧＲガス流路１０１と冷却空気用フィン１８１の間にそれぞれある。冷却媒体に空気を用いることで熱電変換モジュールが水にさらされることを防ぎ、冷却水放熱回路を不要することが可能になる。
なお、第１、第４、第５の実施形態のＥＧＲガス発電装置の構造は、ＥＧＲガスに対してのみでなく、マフラー部などのエンジン排ガス全般に適用して発電を行うことが可能である。

Claims (8)

1. エンジンの排気ガスの熱エネルギーから、熱電変換モジュールを用いて発電を行う熱電発電装置において、
   排気ガスの一部を分配して吸気系に再循環させるＥＧＲガスを高温熱源にし、ラジエターを通じて大気に放熱している冷却媒体を低温熱源にし、前記高温熱源から熱を吸収し、前記低温熱源に熱を放出する熱電変換モジュールを備え、前記ＥＧＲガスを冷却して吸気系に供給することと、前記熱電変換モジュールによる発電を同時に行うことを特徴とするＥＧＲガス発電装置。
2. 熱電変換モジュールを複数備え、それらを直列に配線する回路を複数備え、各直列の回路は並列に配線し、かつ、各直列の回路がＥＧＲガスから熱を受ける区間はＥＧＲガスの上流から下流までの同じ区間となるように配線することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス発電装置。
3. ＥＧＲガスの下流側では熱電変換モジュールを介さずにＥＧＲガスを冷却水で冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス発電装置。
4. 熱電変換モジュールに流れる電流をＥＧＲガスの冷却需要に応じて制御出来るようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス発電装置。
5. ＥＧＲガス発電装置のＥＧＲガス上流側にフィルターを備え、このフィルターに捕捉されたすすを酸化反応によって除去することでフィルターを再生可能にすることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス発電装置。
6. 扁平な伝熱流路を複数有して積層し、この伝熱流路の出入口を管板に接続し、この伝熱流路に管板で分配されたＥＧＲガスを流し、前記伝熱流路の扁平部に熱電変換モジュールを接触させ、この熱電変換モジュールの接触面の反対側に冷却媒体が流れる伝熱流路を有し、冷却媒体はＥＧＲガスと直交に流し、ＥＧＲガスの冷却と発電を同時に行うことを特徴とするＥＧＲガス発電装置。
7. 冷却媒体に水を主成分とする冷却水を使用し、冷却水の伝熱流路は２枚の板の外周を接合したものを複数積層することで構成し、各冷却水伝熱流路の出入口は円管形状部どうしを接続することで構成することを特徴とする請求項６に記載のＥＧＲガス発電装置。
8. ＥＧＲガスの伝熱流路を、２枚の板の２辺を接合したもの、もしくは扁平管で構成し、その伝熱流路内にコルゲートフィンを有することを特徴とする請求項６に記載のＥＧＲガス発電装置。

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