JP5939138B2 - 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の熱を利用して熱電発電および冷却水の昇温を行う熱電発電装置に関する。

従来から内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して冷却水を昇温させ、内燃機関の早期暖機を図る排熱回収器と、排気ガスの熱エネルギーを気エネルギーに変換する熱電発電装置とを搭載した車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この車両は、内燃機関から排気ガスが排出され、触媒を有する第１の分岐流路と、熱電発電装置を有する第２の分岐流路と、排熱回収器を有する第３の分岐流路とが並列に設けられており、第１〜第３の分岐流路には、遮断弁が設けられている。

この車両は、内燃機関の暖機未完了の場合には、第１、第２の遮断弁を閉じて第３の分岐流路に優先して排気ガスを導入することにより、排熱回収器によって冷却水を昇温させて内燃機関の早期暖機を図り、暖機完了後には、第１、第３の遮断弁を閉じて第２の分岐流路に優先して排気ガスを導入することにより、熱電発電装置により発電を行うようにしている。

特開２０１０−１６８９２６号公報

しかしながら、このような従来の車両にあっては、熱電発電装置と排熱回収器とが別体に設けられているため、熱電発電装置および排熱回収器に排気ガスを導入する複数の分岐流路、複数の分岐流路を開閉する複数の遮断弁等が必要になってしまう。
このため、熱電発電装置および排熱回収器の重量や設置スペースが増大してしまうとともに、熱電発電装置および排熱回収器の製造コストが増大し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、簡素な構成および低コストで内燃機関の早期暖機および熱電発電を行う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流れる排気管部と、内燃機関を流通する冷却水が流れる冷却水管と、前記排気管部に高温部が対向するとともに、前記冷却水管に低温部が対向し、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を備えた熱電発電装置であって、前記排気管部および前記冷却水管の間に介装され、前記排気管部および前記冷却水管を熱的に接続させる伝熱位置と、前記排気管部および前記冷却水管を熱的に非接続にする非伝熱位置との間に移動自在な伝熱部材と、前記内燃機関の暖機状態に基づいて前記伝熱部材を前記伝熱位置と前記非伝熱位置との間で切換える切換部材とを備え、前記熱電変換モジュールが、前記排気管部と前記冷却水管との間に形成されたモジュール室に隙間を介して複数個設置され、前記伝熱部材が、前記熱電変換モジュールの前記隙間に位置し、前記排気管部に接離自在な第１の接触面および前記冷却水管内の冷却水に接触する第２の接触面を有するプレート部と、前記プレート部から立設し、前記冷却水管と前記モジュール室とを区画する側壁部とを含んで構成され、前記切換部材が、前記冷却水管内に設けられ、前記冷却水の温度に基づいて変位し、前記伝熱部材を前記伝熱位置と前記非伝熱位置との間で移動させる変位部を有するものから構成されている。

この熱電発電装置は、排気管部および冷却水管の間に、排気管部および冷却水管を熱的に接続させる伝熱位置と、排気管部および冷却水管を熱的に非接続にする非伝熱位置との間に移動自在な伝熱部材を介装し、切換部材が、内燃機関の暖機状態に基づいて伝熱部材を伝熱位置と非伝熱位置との間で切換えるように構成されるので、例えば、冷却水温が低い場合に、伝熱部材を介して排気ガスの熱を冷却水に伝達して冷却水を昇温することができる。このため、内燃機関の早期暖機を促すことができる。

また、例えば、暖機の完了後は、伝熱部材を介して排気ガスの熱を冷却水に伝達しないようにすることができるため、排気ガスの熱によって冷却水が過度に昇温されるのを防止することができる。このため、熱電変換モジュールの高温部に作用する排気ガスとの低温部に作用する冷却水との温度差を大きくすることができ、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。

また、熱電発電装置は、排気管部と冷却水管との間に介装された伝熱部材を切換部材によって伝熱位置と非伝熱位置との間で移動させることにより、内燃機関の早期暖機と熱電変換モジュールの熱電効率の向上とを両立することができるため、排熱回収機能を有する熱電発電装置の構成を簡素化することができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置の製造コストを低減することができる。さらに、この熱電発電装置の伝熱部材は、熱電変換モジュールの間に介装される伝熱部材が、排気管部に接離自在な第１の接触面および冷却水に接触する第２の接触面を有するプレート部と、プレート部から立設し、冷却水管とモジュール室とを区画する側壁部とを有し、この伝熱部材が、冷却水の温度に基づいて変位する変位部によって伝熱位置と非伝熱位置との間に切換えられる。このため、冷却水管およびモジュール室に介装された伝熱部材によって内燃機関の早期暖機と熱電変換モジュールの熱電効率の向上とを両立することができるため、排熱回収機能を有する熱電発電装置の構成を簡素化することができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置の製造コストを低減することができる。

上記（１）に記載の熱電発電装置において、（２）前記切換部材は、前記内燃機関の暖機未完了である場合には、前記伝熱部材を前記伝熱位置に移動させ、前記内燃機関の暖機完了である場合には、前記伝熱部材を前記非伝熱位置に移動させるものから構成されている。

この熱電発電装置の切換部材は、内燃機関の暖機未完了である場合には、伝熱部材を伝熱位置に移動させるので、伝熱部材を介して排気ガスの熱を冷却水に伝達して冷却水を昇温することができる。

また、熱電発電装置の切換部材は、内燃機関の暖機完了である場合には、伝熱部材を非伝熱位置に移動させるので、暖機の完了後は、伝熱部材を介して排気ガスの熱を冷却水に伝達しないようにすることができるため、排気ガスの熱によって冷却水が過度に昇温されるのを防止することができる。

上記（１）〜（２）に記載の熱電発電装置において、（３）前記変位部は、冷却水の温度が前記内燃機関の暖機温度以上になると軸方向長さが第１の軸方向長さに変位して前記伝熱部材を前記非伝熱位置に移動させ、冷却水の温度が前記内燃機関の暖機温度未満となると軸方向長さが第２の軸方向長さに変位して前記伝熱部材を前記伝熱位置に移動させる形状記憶合金からなるばねを含んで構成されている。

この熱電発電装置は、伝熱部材が冷却水の温度に反応して軸方向長さが変位する形状記憶合金からなるばねを含んで構成されるので、簡素な構成によって冷却水温度に応じて伝熱部材を伝熱位置と非伝熱位置との間で移動させることができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置の構成をより一層簡素化することができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置の製造コストをより一層低減することができる。

本発明によれば、簡素な構成および低コストで内燃機関の早期暖機および熱電発電を行う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第１の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第１の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第１の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第１の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第１の実施の形態を示す図であり、伝熱部材が伝熱位置に位置した状態の伝熱部材および切換部材の詳細図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、図３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第１の実施の形態を示す図であり、伝熱部材が非伝熱位置に位置した状態を示す図３のＢ−Ｂ方向矢視断面図に相当する図である。 本発明に係る熱電発電装置の第１の実施の形態を示す図であり、伝熱部材が非伝熱位置に位置した状態の伝熱部材および切換部材の詳細図である。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図であり、他の構成の切換部材によって伝熱部材が伝熱位置に位置した状態の伝熱部材および切換部材の詳細図である。

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。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。なお、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。

（第１の実施の形態）
図１〜図８は、本発明に係る熱電発電装置の第１の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。

吸気系は、エンジン１に接続された吸気マニホールド２と、吸気マニホールド２に接続された吸気管２ａとから構成されており、吸気管２ａは、吸気管２ａの上流側に設けられた図示しないエアダクトから取り入れた空気を図示しないエアクリーナで浄化して吸気マニホールド２に導入するようになっている。

吸気マニホールド２は、吸気管２ａから導入された空気をエンジン１の各気筒の燃焼室３に分配するようになっており、エンジン１の気筒数に応じた数の分岐管を備えている。例えば、４気筒エンジンであれば、分岐管が４つ設けられている。但し、エンジン１の気筒数は、特に４気筒に限定されるものではない。

吸気管２ａにはスロットルバルブ４が設けられており、スロットルバルブ４は、燃焼室３に導入される吸入空気量を調整するようになっている。また、エンジン１には、各燃焼室３毎に燃料噴射弁５が設けられており、この燃料噴射弁５は、エンジン１の各燃焼室３に燃料を噴射供給するようになっている。

燃料噴射弁５から各燃焼室３に燃料が噴射されると、吸気管２ａから吸気マニホールド２に導入される空気と燃料とからなる混合気が燃焼室３内に充填され、この混合気が各気筒に設けられた点火プラグ６の点火によって燃焼される。このときの燃焼エネルギーによってエンジン１のピストン７が往復移動し、ピストン７の往復移動がエンジン１のクランクシャフト８の回転運動に変換される。

一方、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９と、このエキゾーストマニホールド９に球面継手１０を介して連結された排気管１１とを含んで構成されており、排気管１１の内周部にはエキゾーストマニホールド９の内周部に形成される排気通路に連通する排気通路１１ａが形成されている。

球面継手１０は、エキゾーストマニホールド９と排気管１１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１１に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。

排気管１１上には、２つの触媒１２、１３が直列に設置されており、この触媒１２、１３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１２、１３のうち、排気管１１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１２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１１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１３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１２、１３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）と呼ばれる冷却媒体としての冷却水が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管１４から導出された後、ラジエータ１５に供給され、このラジエータ１５から上流側配管１６に導入される。上流側配管１６に導入された冷却水は、熱電発電装置１７の後述する冷却水管に導入された後、下流側配管１８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１５は、ウォータポンプ１９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、導出管１４にはバイパス管２０が連結されており、このバイパス管２０と導出管１４との間にはサーモスタット２１が介装され、このサーモスタット２１によって、ラジエータ１５を流通する冷却水量とバイパス管２０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２０側の冷却水量が増加されて暖機が促進され、暖機完了後にはバイパス管２０側の冷却水量を減少、または、バイパス管２０側に冷却水をバイパスしないようにしてエンジン１の冷却性能を向上させる。

一方、エンジン１の排気系には、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２、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Ｇが導入される排気管部３１を備えている。この排気管部３１の上流端は、排気管１１からバイパスされたバイパス管２２の上流配管２２ａに接続されており、排気管部３１の下流端は、バイパス管２２の下流配管２２ｂを介して排気管１１に接続されている（図１参照）。

排気管部３１の内部には排気通路３２が形成されており、排気通路３２は、上流配管２２ａの内部に形成された排気通路２２ｃを介して排気管１１の内部に形成された排気通路１１ａに連通しているとともに、下流配管２２ｂの内部に形成された排気通路２２ｄを介して排気通路１１ａに連通している。

このため、排気通路３２には排気通路１１ａから排気通路２２ｃを介して排気ガスが導入され、排気通路３２に導入された排気ガスは、排気通路２２ｄを介して排気通路１１ａに排出される。

また、熱電発電装置１７は、排気ガスＧの排気方向に設置される複数の熱電変換モジュール３３と、排気管部３１と同軸上に設けられた筒状の冷却水管３４とを備えている。

図４に示すように、熱電変換モジュール３３は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板３５と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板３６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３７およびＰ型熱電変換素子３８が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８が電極３９ａ、３９ｂ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３３は、配線４０を介して電気的に連結されている。

この熱電変換モジュール３３は、受熱基板３５が排気管部３１に対向して排気管部３１に接触するとともに、放熱基板３６が冷却水管３４に対向して冷却水管３４に接触しており、排気ガスＧの排気方向である排気管部３１の長手方向（図２中、左右方向）に隙間Ｓ１を介するとともに、排気方向と直交する排気管部３１の幅方向（図３中、左右方向）に隙間Ｓ２を介して並列に設置されている。ここで、図２、図３では、図４に示す熱電変換モジュール３３を簡略化している。

そして、熱電変換モジュール３３は、受熱基板３５と放熱基板３６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４１を介して後述する補機バッテリに発電電力を供給（充電）するようになっている。

熱電変換モジュール３３は、略正方形のプレート形状をしており、排気管部３１および冷却水管３４の間に密着させる必要があるため、排気管部３１および冷却水管３４は、多角形に形成されている。
また、排気管部３１および冷却水管３４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３３の受熱基板３５および放熱基板３６等を湾曲させるようにすればよい。

冷却水管３４は、上流側配管１６に連結される冷却水導入部３４ａおよび下流側配管１８に連結される冷却水排出部３４ｂを備えている。

この冷却水管３４は、冷却水導入部３４ａから冷却水管３４に導入された冷却水Ｗが排気ガスＧの排気方向と同方向に流れるように、冷却水排出部３４ｂに対して冷却水導入部３４ａが排気方向上流側に設けられている。

また、冷却水管３４の上流側と排気管部３１との間にはプレート４２が設けられており、冷却水管３４の下流側と排気管部３１との間にはプレート４３が設けられている。このため、熱電変換モジュール３３は、プレート４２、４３、排気管部３１および冷却水管３４によって囲まれる密閉空間であるモジュール室４４に収容されている。

図３に示すように、排気管部３１には櫛歯形状の吸熱フィン４５が設けられている。この吸熱フィン４５は、排気管部３１の幅方向（図３中、左右方向）に沿って折り曲げられているとともに排気管部３１の長手方向に延在しており、上端および下端の折り曲げ部位が受熱基板３５に対向するように排気管部３１の内周上面および内周下面に接触している。

このため、排気通路３２を流れる排気ガスの熱は、吸熱フィン４５を伝わって受熱基板３５に効率よく伝達される。

図１に示すように、排気管１１には開閉弁４６が設けられており、この開閉弁４６は、バイパス管２２の上流配管２２ａと下流配管２２ｂとの間に設けられ、排気管１１を開閉するように排気管１１に回動自在に取付けられている。

この開閉弁４６は、アクチュエータ４７によって開閉されるようになっている。アクチュエータ４７は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４８によって制御されるようになっており、アクチュエータ４７は、ＥＣＵ４８からの駆動信号によって開閉弁４６を開閉制御する。

すなわち、アクチュエータ４７は、励磁電流がデューティ制御されることで開閉弁４６の開度を変化させるようになっており、ＥＣＵ４８は、アクチュエータ４７をデューティ制御するようになっている。

このため、開閉弁４６が排気管１１を閉塞することにより、上流配管２２ａから排気通路３２に導入される排気ガスの流量が増大し、開閉弁４６が解放されて開閉弁４６の解放量が多くなるにつれて排気管１１の開度が大きくなることにより、上流配管２２ａから排気通路３２に導入される排気ガスの流量が低下されることになる。

図３、図５、図６に示すように、冷却水管３４の内周部３４Ａには排気管部３１の長手方向に沿って延在する長方形状の開口部３４ｃが形成されており、この開口部３４ｃを通して熱電変換モジュール３３の排気管部３１の幅方向の隙間Ｓ２には伝熱部材５１が設置されている。この伝熱部材５１は、排気管部３１の上方および下方に設けられており、排気管部３１および冷却水管３４の間に介装されている。

図５、図６に示すように、伝熱部材５１は、プレート部５２および側壁部としての一対の側板５３を有している。

プレート部５２の下面は、排気管部３１に対向しており、プレート部５２の上面は、冷却水管３４の冷却水に接触するようになっている。側板５３は、プレート部５２から立設し、冷却水管３４とモジュール室４４と区画するようになっている。

すなわち、冷却水管３４の開口部３４ｃには無端状の弾性体からなるシール部材５５が設けられており、側板５３は、シール部材５５を介して開口部３４ｃに当接している。このため、側板５３は、シール部材５５によってシールされ、冷却水管３４からモジュール室４４に冷却水が漏出するのを防止することができる。

また、プレート部５２の下面には高熱伝導特性を有するグラファイトシート５４が設けられており、このグラファイトシート５４は、排気管部３１の外周面に接離自在となっている。本実施の形態の熱電発電装置１７は、グラファイトシート５４が第１の接触面を構成し、プレート部５２の上面（以下、上面５２Ａという）が第２の接触面を構成している。

すなわち、伝熱部材５１は、側板５３が開口部３４ｃに沿って移動することにより、上下方向に移動自在となっており、伝熱部材５１が排気管部３１に接触する方向に移動したときに、プレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１の外周面に接触するようになっている。

このとき、排気ガスの熱が、プレート部５２から冷却水に伝達される。このように、本実施の形態の熱電発電装置１７の伝熱部材５１は、排気管部３１と冷却水管３４とを熱的に接続させる伝熱位置に移動することができる（図３、図５参照）。

また、伝熱部材５１が排気管部３１から離隔する方向に移動したときには、プレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１の外周面から離隔するようになっている。このとき、排気ガスの熱がプレート部５２から冷却水に伝達されることがない。このように、本実施の形態の熱電発電装置１７の伝熱部材５１は、排気管部３１と冷却水管３４とを熱的に非接続にする非伝熱位置に移動することができる（図７、図８参照）。

また、冷却水管３４内には複数の切換部材５６が設けられており、この切換部材５６は、中空のハウジング５７、形状記憶ばね５８、バイアスばね５９、ロッド部材６０およびばねシート６２を含んで構成されている。本実施の形態の切換部材５６は、１つの伝熱部材５１に対して３つ設けられているが、切換部材５６の数は、これに限定されるものではない。

ハウジング５７の上部は、冷却水管３４の外周部３４Ｂに溶着または接着されており、ハウジング５７は、冷却水管３４内に設置されている。

形状記憶ばね５８は、ニッケルおよびチタン等からなる形状記憶合金等によって形成されており、予め設定されている暖気温度に到達するまでは、長さが変化せず伸張した第２の軸方向長さの状態となり、暖気温度以上になると、軸方向の長さ（全長）が短縮される第１の軸方向長さになるように設定されている。

形状記憶ばね５８は、上端がハウジング５７の天井部に当接しており、下端がばねシート６２に当接している。ばねシート６２の下面にはロッド部材６０が取付けられており、このロッド部材６０は、ハウジング５７の底部に形成された開口部５７ａを通してモジュール室４４に突出している。ロッド部材６０の突出方向先端部は、プレート部５２に固定されており、ロッド部材６０およびプレート部５２は、一体的に移動自在となっている。

また、バイアスばね５９は、ハウジング５７の底部とばねシート６２との間に介装されており、形状記憶ばね５８を圧縮方向に付勢している。また、形状記憶ばね５８のばね力に対してバイアスばね５９のばね力は、小さく設定されている。

この切換部材５６は、エンジン１の暖機未完了時、すなわち、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満である場合には、形状記憶ばね５８の長さが変化しないため、形状記憶ばね５８がバイアスばね５９の付勢力に抗してばねシート６２を排気管部３１側に押圧している。

形状記憶ばね５８によってばねシート６２が排気管部３１側に押圧されると、モジュール室４４内へのロッド部材６０の突出量が最大となり、伝熱部材５１は、プレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１の外周部に接触する伝熱位置に移動する。

また、切換部材５６は、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上となる場合には、形状記憶ばね５８が圧縮するとともに、形状記憶ばね５８がバイアスばね５９に付勢されてばねシート６２が排気管部３１から離隔する方向に移動する。

形状記憶ばね５８が圧縮してばねシート６２が排気管部３１から離隔する方向に移動すると、モジュール室４４内へのロッド部材６０の突出量が小さくなり、伝熱部材５１は、プレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１の外周部に非接触となる非伝熱位置に移動する。

ここで、本実施の形態の熱電発電装置１７は、形状記憶ばね５８、バイアスばね５９、ロッド部材６０およびばねシート６２が変位部を構成している。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒１２、１３、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９を経て排気管１１に、低温の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒１２、１３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１５を通らずにバイパス管２０、上流側配管１６および下流側配管１８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。

すなわち、エンジン１の冷間始動時には、例えば、エンジン１のアイドリングが行われて冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満と低いため、ＥＣＵ４８は、アクチュエータ４７に駆動信号を出力することでアクチュエータ４７により開閉弁４６を閉じた状態にする。
このため、排気管１１から排気管部３１の排気通路３２に導入された排気ガスによって冷却水管３４を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。

冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満の場合には、図５に示すように、形状記憶ばね５８が伸張した状態となり、形状記憶ばね５８がバイアスばね５９の付勢力に抗してばねシート６２を排気管部３１側に移動させることで、排気管部３１側に移動するロッド部材６０によってプレート部５２のグラファイトシート５４を排気管部３１に接触させる。

グラファイトシート５４は、面方向の熱伝導特性が高いことから、排気ガスの熱がプレート部５２から冷却水に直接伝達され、冷却水が昇温される。

したがって、冷却水管３４から下流側配管１８を通してエンジン１に導入される冷却水の昇温速度を高くすることができ、エンジン１の早期暖機を図ることができる。
一方、排気通路３２に導入される排気ガスが作用する受熱基板３５と冷却水が作用する放熱基板３６との温度差によって熱電変換モジュール３３が発電を行う。

また、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上になると、図８に示すように、冷却水の熱により形状記憶ばね５８が圧縮し、形状記憶ばね５８がバイアスばね５９に付勢されてばねシート６２を排気管部３１から離隔する方向に移動させる。

このため、排気管部３１側から離隔する方向に移動するロッド部材６０によってプレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１と非接触になり、伝熱部材５１を介して排気ガスの熱が冷却水に伝達されなくなる。

伝熱部材５１を介して排気ガスの熱が冷却水に伝達されなくなると、排気通路３２に導入される排気ガスが作用する受熱基板３５と冷却水が作用する放熱基板３６との温度差が大きくなり、熱電変換モジュール３３の発電量が増大する。

具体的には、排熱回収機能を有する熱電発電装置１７は、排熱回収と熱電発電の２つの機能を効率よく行う必要がある。一般的に、熱電変換モジュール３３のＮ型熱電変換素子３７およびＰ型熱電変換素子３８は、熱伝導率が低い。

このため、エンジン１の暖機時に冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行う場合に、冷却水管３４と排気管部３１との間に介装される熱電変換モジュール３３によって排気ガスと冷却水との間の熱伝達効率を低下させてしまうことになり、排熱回収性が低くなる。

これに対して、本実施の形態の熱電発電装置１７は、排気管部３１および冷却水管３４の間に、排気管部３１および冷却水管３４を熱的に接続させる伝熱位置と、排気管部３１および冷却水管３４を熱的に非接続にする非伝熱位置との間に移動自在な伝熱部材５１を介装し、切換部材５６が、エンジン１の暖機状態に基づいて伝熱部材５１を伝熱位置と非伝熱位置との間で切換えるように構成した。

このため、冷却水温が低い場合に、伝熱部材５１を介して排気ガスの熱を冷却水に伝達して冷却水を昇温させて、熱電変換モジュール３３による熱電効率の低下分を伝熱部材５１で補うことができ、エンジン１の早期暖機を促すことができる。

一方、エンジン１の暖機完了後には、伝熱部材５１を介して排気ガスの熱が冷却水に伝達されなくなるため、排気ガスの熱により冷却水が過度に昇温されなくなる。このため、排気ガスの熱が伝熱部材５１を介して冷却水に無駄に伝達されなくなり、高温の排気ガスの熱を熱電変換モジュール３３の受熱基板３５に積極的に作用させることができる。

また、低温の冷却水を熱電変換モジュール３３の放熱基板３６に作用させることができる。したがって、受熱基板３５と放熱基板３６との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール３３の発電効率を向上させることができる。

すなわち、本実施の形態の排熱回収機能を有する熱電発電装置１７は、伝熱部材を伝熱位置および非伝熱位置に移動させることで、エンジン１の暖機時に冷却水の早期昇温を図ることができ、エンジン１の暖機完了後には、熱電変換モジュール３３の発電効率を向上させて熱電変換モジュール３３の発電量を増大させることができる。

このため、エンジン１の早期暖気と発電効率の向上とを両立させることができ、熱電発電装置１７の全使用条件（全作動状態）で排気ガスの熱を有効利用することができる。そして、このような機能を、排熱回収機能を有する簡素かつ低コストな熱電発電装置１７によって達成することができる。

特に、本実施の形態の熱電発電装置１７の伝熱部材５１は、熱電変換モジュール３３の隙間Ｓ２に位置し、排気管部３１に接離自在なグラファイトシート５４および冷却水管３４内の冷却水に接触する上面５２Ａを有するプレート部５２と、プレート部５２から立設し、冷却水管３４とモジュール室４４とを区画する側板５３とを含んで構成される。

そして、伝熱部材５１を、冷却水の温度に基づいて変位する形状記憶ばね５８およびバイアスばね５９等を有する切換部材５６によって伝熱位置と非伝熱位置との間に切換えるようにしている。

このため、排熱回収機能を有する熱電発電装置１７の構成を簡素化することができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置１７の製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７の切換部材５６は、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上になると軸方向長さが短い第１の軸方向長さに変位して伝熱部材５１を伝熱位置に移動させ、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満となると軸方向長さが短くなる第２の軸方向長さに変位して伝熱部材５１を非伝熱位置に移動させる形状記憶ばね５８を有している。

このため、簡素な構成によって冷却水温度に応じて伝熱部材５１を伝熱位置と非伝熱位置との間で移動させることができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置１７の構成をより一層簡素化することができ、排熱回収機能を有する熱電発電装置１７の製造コストをより一層低減することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７を搭載した車両は、エンジン１の早期暖機を図ることができるため、エンジン１のフリクションロスを早期に低減することができ、エンジン１の燃費悪化を早期に解消することができる。

また、本実施の形態の熱電発電装置１７は、エンジン１と図示しないモータとを併用したハイブリッド車両に搭載することもできる。この場合には、エンジン１の早期暖機を図ってエンジン１のフリクションロスを早期に低減することができるため、エンジン１の燃費が悪化する運転領域を短くすることができる。

すなわち、ハイブリッド車両は、モータ走行とエンジン走行との組合せにより、エンジン１を間欠作動させることでエンジン１の燃費が悪化するのを抑制することができるが、エンジン１の暖機時間が長いとエンジン１の間欠作動を行うまでの時間が長くなり、エンジン１の燃費が悪化する運転領域が長くなる。

本実施の形態の熱電発電装置１７は、エンジン１の早期暖機を図ってエンジン１の燃費が悪化する運転領域を短くすることができるため、エンジン１の間欠作動に移行する時間を短くすることができ、エンジン１の燃費が悪化するのをより一層抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図９は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施の形態を示す図である。本実施の形態では、切換部材の構成が第１の実施の形態と異なるのみであるため、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

図９において、切換部材を構成する電磁ソレノイド７１は、それぞれ変位部を構成するハウジング５７、圧縮ばね７２、弁体７３、ロッド部材７４およびコイル７５を含んで構成されている。

圧縮ばね７２は、ハウジング５７の天井部と弁体７３の間に介装されており、弁体７３を下方に付勢している。弁体７３の下面にはロッド部材７４が取付けられており、このロッド部材７４は、ハウジング５７の底部に形成された開口部５７ａを通してモジュール室４４に突出している。

ロッド部材７４の突出方向先端部は、プレート部５２に固定されており、ロッド部材７４およびプレート部５２は、一体的に移動自在となっている。
また、ハウジング５７の外周部にはコイル収容ケース７７が設けられており、このコイル収容ケース７７にはコイル７５が収容されている。このコイル７５には配線７６が接続されており、この配線７６は、冷却水管３４の外周部３４Ｂに形成された開口部３４ｄを通して冷却水管３４の外方に延出している。

配線７６は、ＥＣＵ４８に接続されており、ＥＣＵ４８は、コイル７５を通電するようになっている。また、冷却水管３４または上流側配管１６には冷却水の温度を検出する図示しない水温センサが設けられており、ＥＣＵ４８は、水温センサの検出情報に基づき、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上となったものと判断した場合に、コイル７５を通電するようになっている。
コイル７５がＥＣＵ４８によって通電されると、コイル７５が弁体７３を吸引することにより、圧縮ばね７２の付勢力に抗して弁体７３が上方に移動させるようになっている。

このように電磁ソレノイド７１を備えた熱電発電装置１７は、冷却水の温度がエンジン１の暖機温度未満の場合には、ＥＣＵ４８がコイル７５に通電しないため、弁体７３が圧縮ばね７２によって付勢される。

このため、弁体７３が排気管部３１側に移動してロッド部材７４がプレート部５２のグラファイトシート５４を排気管部３１に接触させる。このため、排気ガスの熱がプレート部５２から冷却水に伝達され、冷却水が昇温され、エンジン１の早期暖機を図ることができる。

また、ＥＣＵ４８は、水温センサの検出情報に基づいて冷却水の温度がエンジン１の暖機温度以上になったものと判断すると、コイル７５に通電を行う。このため、弁体７３がコイル７５に吸引されて圧縮ばね７２の付勢力に抗して排気管部３１から離隔する方向に移動する。

このため、上方に移動するロッド部材７４によってプレート部５２のグラファイトシート５４が排気管部３１に非接触になり、伝熱部材５１を介して排気ガスの熱が冷却水に伝達されなくなる。

このため、排気ガスの熱が伝熱部材５１を介して冷却水に無駄に伝達されなくなり、高温の排気ガスの熱を熱電変換モジュール３３の受熱基板３５に積極的に作用させることができるとともに、低温の冷却水を熱電変換モジュール３３の放熱基板３６に作用させることができる。したがって、受熱基板３５と放熱基板３６との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール３３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ＥＣＵ４８は、水温センサの検出情報に基づいて冷却水の温度がエンジン１の暖機温度であるか否かを判別しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン１の始動開始後に、すなわち、イグニッションスイッチがオンされた後に、ＥＣＵ４８が、吸気管２ａの上流側に設けられた図示しないエアフローメータによって検出された吸入空気量の積算値からエンジン１の暖機完了であるか否かを推定し、エンジン１の暖機完了であるものと判断した場合に、コイル７５に通電するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、切換部材５６に形状記憶ばね５８や電磁ソレノイド７１を用いているが、冷却水の温度に応じて変位するサーモワックス等の感温部材を用いて伝熱部材５１を伝熱位置と非伝熱位置とに切換えるようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る熱電発電装置は、簡素な構成および低コストで内燃機関の早期暖機および熱電発電を行う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の熱を利用して熱電発電および冷却水の昇温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、３１…排気管部、３３…熱電変換モジュール、３４…冷却水管、３５…受熱基板（高温部）、３６…放熱基板（低温部）、４４…モジュール室、５１…伝熱部材、５２…プレート部、５２Ａ…プレート部の上面（第２の接触面）、５３…側板（側壁部）、５４…グラファイトシート（第１の接触面）、５６…切換部材、５８…形状記憶ばね（変位部）、５９…バイアスばね（変位部）、６０…ロッド部材（変位部）、６２…ばねシート（変位部）、７１…電磁ソレノイド（切換部材）、７２…圧縮ばね（変位部）、７３…弁体（変位部）、７４…ロッド部材（変位部）、７５…コイル（変位部）、Ｓ２…隙間

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気ガスが流れる排気管部と、内燃機関を流通する冷却水が流れる冷却水管と、前記排気管部に高温部が対向するとともに、前記冷却水管に低温部が対向し、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を備えた熱電発電装置であって、
   前記排気管部および前記冷却水管の間に介装され、前記排気管部および前記冷却水管を熱的に接続させる伝熱位置と、前記排気管部および前記冷却水管を熱的に非接触にする非伝熱位置との間に移動自在な伝熱部材と、
   前記内燃機関の暖機状態に基づいて前記伝熱部材を前記伝熱位置と前記非伝熱位置との間で切換える切換部材とを備え、
   前記熱電変換モジュールが、前記排気管部と前記冷却水管との間に形成されたモジュール室に隙間を介して複数個設置され、
   前記伝熱部材が、前記熱電変換モジュールの前記隙間に位置し、前記排気管部に接離自在な第１の接触面および前記冷却水管内の冷却水に接触する第２の接触面を有するプレート部と、前記プレート部から立設し、前記冷却水管と前記モジュール室とを区画する側壁部とを含んで構成され、
   前記切換部材が、前記冷却水管内に設けられ、前記冷却水の温度に基づいて変位し、前記伝熱部材を前記伝熱位置と前記非伝熱位置との間で移動させる変位部を有することを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記切換部材は、前記内燃機関の暖機未完了である場合には、前記伝熱部材を前記伝熱位置に移動させ、前記内燃機関の暖機完了である場合には、前記伝熱部材を前記非伝熱位置に移動させることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記変位部は、冷却水の温度が前記内燃機関の暖機温度以上になると軸方向長さが第１の軸方向長さに変位して前記伝熱部材を前記非伝熱位置に移動させ、冷却水の温度が前記内燃機関の暖機温度未満となると軸方向長さが第２の軸方向長さに変位して前記伝熱部材を前記伝熱位置に移動させる形状記憶合金からなるばねを含んで構成さ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。

Images