(57)【要約】【課題】エンジンの駆動力を一層有効に使うことができるとともに、エンジン周りの小型化を図ること。【解決手段】船舶に搭載される水冷エンジン１４の発電装置８０である。発電装置は熱発電素子８１によって構成されている。水冷エンジンは、互いに近接している排気通路７２と冷却水通路７３との間を、壁７９によって仕切り、この壁の中に熱発電素子を備えている。この熱発電素子は、高温側の端面８２ａが排気通路に近接するとともに、低温側の端面８３ａ，８４ａが冷却水通路に近接している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶に搭載される水冷エンジンの発電装置において、
前記水冷エンジンは、互いに近接している排気通路と冷却水通路との間を、壁によって仕切り、この壁の中に熱発電素子を備えており、
この熱発電素子は、高温側の端面が前記排気通路に近接するとともに、低温側の端面が前記冷却水通路に近接していることを特徴とした水冷エンジンの発電装置。
【請求項２】
前記熱発電素子は、前記水冷エンジンにおける排気バルブの近傍に位置していることを特徴とした請求項１記載の水冷エンジンの発電装置。
【請求項３】
前記冷却水通路は、前記船舶の外部から取り入れられた冷却水を通すように、構成されていることを特徴とした請求項１又は請求項２記載の水冷エンジンの発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶に搭載される水冷エンジンの発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、船舶に搭載される船舶推進機（船外機や船内機）の水冷エンジンは、発電機を備えている。この発電機は、水冷エンジンによって駆動され、バッテリ及び各種の電気部品に電力を供給するものである。例えば、水冷エンジン自体が消費する電力や、船舶の中で消費される電力を発電機によって発電している。このような船舶に搭載される水冷エンジンの発電装置としては、例えば下記の特許文献１に記載された技術が知られている。
【０００３】
この特許文献１で知られている、船舶に搭載される水冷エンジンの発電装置は、船外機のエンジンルームに、エンジン及び発電機（交流発電機）を収納した構成において、発電機の発熱が、エンジンルーム内に籠もらないようにしたというものである。この結果、発電機の冷却性を向上することができる。また、発電機からの排風によって、エンジン燃焼用空気が加熱されることに伴う、エンジンの出力低下を抑制することができる。
【０００４】
ところで、特許文献１における発電機の回転軸は、エンジンのクランク軸にベルトによって連結されている。エンジンが出力する駆動力は、船舶推進用と発電機駆動用とに分配される。このため、発電機を駆動する駆動力の分だけ、エンジンの駆動力を大きくする必要がある。エンジンの省エネルギー化を図る上で不利であり、改良の余地がある。また、エンジンの周囲に発電機が位置しているので、エンジン周りの小型化を図る上でも不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８８８８２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、エンジンの駆動力を一層有効に使うことができるとともに、エンジン周りの小型化を図ることができる技術を、提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、船舶に搭載される水冷エンジンの発電装置において、前記水冷エンジンは、互いに近接している排気通路と冷却水通路との間を、壁によって仕切り、この壁の中に熱発電素子を備えており、この熱発電素子は、高温側の端面が前記排気通路に近接するとともに、低温側の端面が前記冷却水通路に近接していることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明では、前記熱発電素子は、前記水冷エンジンにおける排気バルブの近傍に位置していることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明では、前記冷却水通路は、前記船舶の外部から取り入れられた冷却水を通すように、構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明では、船舶に搭載される水冷エンジンにおいて、互いに近接し合う排気通路と冷却水通路との間の、壁の中に熱発電素子が設けられている。熱発電素子は、高温側の端面と低温側の端面との間の、温度差に応じて、起電力が発生するものである。排気通路を通過する高温の排気と、冷却水通路を通過する低温の冷却水との、温度差によって、熱発電素子に起電力が発生する。このように、水冷エンジンから排出される高温の排気と、水冷エンジンを冷却するための冷却水との、温度差を有効利用して発電するので、別個の発電機を設ける必要はない。水冷エンジンによって発電機を駆動する必要がないので、水冷エンジンの駆動力を一層有効に使うことができる。さらには、水冷エンジンで交流発電機を駆動する場合のように、発電機による発熱がない。このため、発電機の発熱によって、エンジン燃焼用空気が加熱されることに伴う、水冷エンジンの出力低下を防止することができる。
【００１１】
しかも、請求項１に係る発明では、互いに近接し合う排気通路と冷却水通路との間を仕切る壁を、巧みに利用したものである。この壁の中に熱発電素子を設けるだけの、簡単な構成によって、発電することができる。温度差を利用して、熱発電素子により発電するのに、特別な装置を全く必要としない。小型且つ軽量の発電装置を構成することができ、低コストの発電装置を得ることができる。そして、エンジン周りの小型化を図ることができる。特に、船外機や船内機に組み込まれた水冷エンジンにおいて、水冷エンジンの周囲における、狭いスペースに極めて小型の発電装置を備えることができる。この結果、船外機や船内機の省スペース化を図る上で、極めて有効である。
【００１２】
請求項２に係る発明では、熱発電素子は、水冷エンジンにおける排気バルブの近傍に位置している。排気通路を通過する排気の温度は、排気バルブの近傍において最も高温である。このため、排気と冷却水との温度差が大きいので、熱発電素子に発生する起電力が大きい。つまり、熱発電素子による発電効果を一層高めることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明では、船舶の外部から取り入れた冷却水（例えば海水や淡水）を冷却水通路に供給する。このため、冷却水通路に供給するための冷却水を、別個に準備する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る船外機の側面図である。
【図２】図１に示された船外機の斜視図である。
【図３】図２に示されたシリンダヘッドと排気マニホールドの斜視図である。
【図４】図３の４−４線断面図である。
【図５】図３に示されたシリンダヘッドと排気マニホールドの分解図である。
【図６】図２に示された水冷エンジンの燃焼室周りを断面した模式図である。
【図７】図３に示された熱発電素子の原理図である。
【図８】図７に示された熱発電素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１６】
実施例に係る水冷エンジンの発電装置について説明する。図１は船舶Ｓｉに取り付けられた船外機１０を示している。図２はエンジンカバー３２を外した状態の船外機１０を示している。船外機１０は、マウントケース１１とエクステンションケース１２とギヤケース１３と水冷エンジン１４と駆動軸１５とギヤ機構１６とプロペラシャフト１７とプロペラ１８と船外機取付機構１９とから成る、船舶推進機である。
【００１７】
マウントケース１１は、上面に水冷エンジン１４を取付ける、いわゆる、エンジン支持ケースである。エクステンションケース１２は、マウントケース１１の下部に取り付けられている。ギヤケース１３は、エクステンションケース１２の下部に取付けられている。
【００１８】
水冷エンジン１４は、バーチカル型多気筒エンジン（例えば、３気筒エンジン）であり、上下方向に並列に並んだ各シリンダ２１の軸線を横向き（略水平）とし、クランクシャフト２２を縦向きとしたものである。水冷エンジン１４において、横向きのシリンダブロック２３とシリンダヘッド２４との接合面、及び、シリンダヘッド２４とヘッドカバー２５との接合面は略垂直面となる。
【００１９】
図１に示すように、駆動軸１５は、エクステンションケース１２に収納されており、水冷エンジン１４のクランクシャフト２２から下方へ延び、水冷エンジン１４の動力をギヤケース１３内のギヤ機構１６及びプロペラシャフト１７を介してプロペラ１８に伝達するものである。
【００２０】
水冷エンジン１４は、下部のアンダーケース３１及び上部のエンジンカバー３２によって覆われている。エンジンカバー３２は、上部に新気取入れ口３２ａを有している。外気は、新気取入れ口３２ａからエンジンカバー３２の中に取り入れられる。マウントケース１１とエクステンションケース１２の上部は、アンダーカバー３３によって覆われている。
【００２１】
エクステンションケース１２及びギヤケース１３には、ウォータポンプ４１及び冷却水供給管４２が収納されている。ギヤケース１３は取水口１３ａを有する。ウォータポンプ４１の入口には冷却水スクリーン４３が設けられている。
【００２２】
船外機取付機構１９は、船舶Ｓｉに船外機１０を固定するものであって、スイベル軸５１を中心に平面視左右に船外機１０を揺動し、また、チルト軸５２を中心にスイベル軸５１を含み船外機１０を図時計方向に跳ね上げることが可能である。
【００２３】
図３はシリンダヘッド２４の側面に排気マニホールド２７が取り付けられている構成を示している。図４は図３の４−４線断面構成を示している。図５はシリンダヘッド２４の側面から排気マニホールド２７を取り外した状態を示している。
【００２４】
図２に示すように、シリンダヘッド２４の側面には排気マニホールド２７が取り付けられている。詳しく説明すると、図３及び図５に示すように、シリンダヘッド２４の側面には取付座２４ａを有している。この取付座２４ａにガスケット２６及び排気マニホールド２７を重ね合わせるとともに、取付座２４ａに排気マニホールド２７を複数のボルト２８によって取付ける。
【００２５】
図５に示すように、シリンダヘッド２４は、水冷エンジン１４の上下方向に並んだ複数のヘッド側排気通路６１及び複数のヘッド側冷却水通路６２を有している。これらのヘッド側排気通路６１の数量は、水冷エンジン１４の気筒数に対応している。複数のヘッド側冷却水通路６２の一部は、各々のヘッド側排気通路６１の側部に近接して位置している。また、複数のヘッド側冷却水通路６２の他の一部は、各々のヘッド側排気通路６１の間に位置するとともに、近接している。
【００２６】
図６は水冷エンジン１４を上から見た状態において、燃焼室６３周りを断面した構成を模式的に示している。水冷エンジン１４は、シリンダブロック２３及びシリンダヘッド２４に、上下方向（図表裏方向）に並んだ複数の燃焼室６３を有している。シリンダヘッド２４は、各燃焼室６３へ吸気を案内する各々のヘッド側吸気通路６４と、各燃焼室６３からの排気を案内する各々のヘッド側排気通路６１とを形成したものである。燃焼室６３とヘッド側吸気通路６４との間は、吸気バルブ６５によって開閉される。燃焼室６３とヘッド側排気通路６１との間は、排気バルブ６６によって開閉される。
【００２７】
図４〜図６に示すように、排気マニホールド２７には、複数の副排気通路７１と１つの主排気通路７２と複数の冷却水通路７３とが形成されている。複数の副排気通路７１は、各々のヘッド側排気通路６１に個別に連通するように形成された、横向きの通路である。主排気通路７２は、各副排気通路７１に連通するように形成された縦向きの通路である。ヘッド側排気通路６１と複数の副排気通路７１と主排気通路７２との組み合わせ構造は、一連の排気通路７４（総排気通路７４）を形成している。
【００２８】
図３〜図５に示すように、主排気通路７２における下端の接続口７２ａは、水冷エンジン１４の排気口７５に接続されている。燃焼室６３（図６参照）で発生した排気Ｇａは、ヘッド側排気通路６１から副排気通路７１、主排気通路７２及び排気口７５を通ってエクステンションケース１２（図１参照）の下部へ流れ、さらに、エクステンションケース１２から外部の水中へ放出される。
【００２９】
複数の冷却水通路７３は、各々のヘッド側冷却水通路６２に個別に連通するように形成されるとともに、上下に貫通している。冷却水通路７３における上端の接続口７３ａは、ホース７６を介してシリンダブロック２３の冷却水通路に接続されている。冷却水通路７３における下端の接続口７３ｂは、水冷エンジン１４の排水口７７に接続されている。ヘッド側冷却水通路６２と複数の冷却水通路７３との組み合わせ構造は、一連の冷却水通路７８（総冷却水通路７８）を形成している。
【００３０】
図１に示すように、船舶Ｓｉの外部から取り入れられた冷却水Ｗａ（海水や淡水など）、つまり、ウォータポンプ４１によって取水口１３ａからギヤケース１３内に取り入れられた冷却水Ｗａは、冷却水供給管４２を通って水冷エンジン１４の冷却水通路へ供給されて、水冷エンジン１４のシリンダブロック２３やシリンダヘッド２４等における冷却部位を冷却する。
【００３１】
シリンダヘッド２４を冷却した後の冷却水Ｗａは、図３〜図５に示すように、複数のヘッド側冷却水通路６２から排気マニホールド２７の冷却水通路７３（図４参照）へ流れる。シリンダブロック２３を冷却した後の冷却水Ｗａは、図３〜図５に示すように、ホース７６を介して排気マニホールド２７の冷却水通路７３へ流れる。冷却水通路７３へ流入した冷却水Ｗａは、水冷エンジン１４の排水口７７を通ってエクステンションケース１２（図１参照）の下部へ流れ、さらに、エクステンションケース１２から外部の水中へ放出される。
【００３２】
ところで、互いに近接している総排気通路７４と総冷却水通路７８との間は、壁によって仕切られている。より詳しく説明すると、図４に示すように、排気マニホールド２７において、互いに近接している主排気通路７２と冷却水通路７３との間は、壁７９によって仕切られている。この壁７９は、互いに近接している主排気通路７２と冷却水通路７３との間を仕切るので、厚みが比較的薄い。主排気通路７２を通過する排気Ｇａの温度は高温である。これに対し、冷却水通路７３を通過する冷却水Ｗａの温度は低温である。高温の排気Ｇａと低温の冷却水Ｗａとは、壁７９を介して熱交換をする。この結果、排気Ｇａは冷却水Ｗａによって冷却される。
【００３３】
本実施例では、排気Ｇａと冷却水Ｗａとの温度差を巧みに利用した、発電装置８０を設けたことを特徴とする。この発電装置８０は、壁７９の中に複数の熱発電素子８１を備えた構成である。この熱発電素子８１は、温度差を生じさせると起電力が生じるゼーベック効果を利用したものであり、熱電素子または熱電変換素子とも言われている。熱発電素子８１の原理は次の通りである。
【００３４】
図７及び図８に示すように、熱発電素子８１は、高温側に設けられる１つの高温導体８２と、低温側に設けられる２つの低温導体８３，８４（第１低温導体８３及び第２低温導体８４）と、高温導体８２と第１低温導体８３との間に介設されるｎ型熱電半導体８５と、高温導体８２と第２低温導体８４との間に介設されるｐ型熱電半導体８６とからなる、発電源である。このような熱発電素子８１は、図８に示すように、全体的に平板状に形成されている。
【００３５】
熱発電素子８１の作用は次の通りである（図７参照）。高温導体８２は、高温の熱媒体から矢印Ｑ１のように熱が供給されることで、高温状態が維持される。また、第１・第２低温導体８３，８４は、低温の媒体へ矢印Ｑ２のように放熱することで、低温状態が維持される。このようにして、高温導体８２と第１・第２低温導体８３，８４との間に温度差が生じると、ゼーベック効果が起こる。ゼーベック効果によれば、ｎ型熱電半導体８５において矢印Ｑ３のように電子８７が移動し、ｐ型熱電半導体８６において矢印Ｑ４のように、正孔８８が移動する。この結果、矢印Ｑ５のように電流が生じる。つまり、熱発電素子８１は、高温導体８２の端面８２ａ（高温側の端面８２ａ）と、第１・第２低温導体８３，８４の端面８３ａ，８４ａ（低温側の端面８３ａ，８４ａ）との間の、温度差に応じて、起電力が発生する。
【００３６】
なお、ｎ型及びｐ型熱電半導体の材料としては、ビスマス・テルル化合物が好適であるが、この他、鉛・テルル合金、シリコン・ゲルマニウム合金、コバルト・アンチモン化合物及び亜鉛・アンチモン化合物など、熱電材料であれば、種類を問わない。
【００３７】
図３〜図６に示すように、複数の熱発電素子８１は、起電力を外部に取り出すための電力線８９を有するとともに、排気マニホールド２７に組付けられている。これらの熱発電素子８１の数量は、例えば水冷エンジン１４の気筒数に対応している。その場合には、複数の熱発電素子８１は、壁７９のうち、各々の副排気通路７１に近接した位置に配置されることが好ましい。なぜなら、熱発電素子８１が排気Ｇａの熱に晒される範囲を大きくとれるからである。
【００３８】
図４に示すように、それぞれの熱発電素子８１は、高温側の端面８２ａ（高温導体８２の端面８２ａ）が主排気通路７２に近接するとともに、低温側の端面８３ａ，８４ａ（第１・第２低温導体８３，８４の端面８３ａ，８４ａ）が冷却水通路７３に近接している。
【００３９】
熱発電素子８１は、少なくとも高温側の端面８２ａ及び低温側の端面８３ａ，８４ａが壁７９に隙間無く組付けられることが好ましい。壁７９に対する熱発電素子８１の組付け構造の一例は、壁７９に熱発電素子８１を埋設する構成である。組付け構造の他の例は、排気マニホールド２７は、互いに近接している主排気通路７２と冷却水通路７３との間の壁７９に、取付孔７９ａを形成し、この取付孔７９ａに熱発電素子８１をできるだけ隙間無く嵌合する構成である。
【００４０】
熱発電素子８１が発生した起電力（電力）は、船外機１０に搭載されているバッテリ及び各種の電気部品に供給される。例えば、水冷エンジン１４自体や船舶Ｓｉの中で消費される。
【００４１】
以上の説明をまとめると、次の通りである。
図４に示すように、互いに近接し合う主排気通路７２（総排気通路７４）と冷却水通路７３（総冷却水通路７８）との間の、壁７９の中には、熱発電素子８１が設けられている。主排気通路７２を通過する高温の排気Ｇａと、冷却水通路７３を通過する低温の冷却水Ｗａとの、温度差によって、熱発電素子８１に起電力が発生する（熱発電素子８１が発電する）。このように、水冷エンジン１４から排出される高温の排気Ｇａと、水冷エンジン１４を冷却するための冷却水Ｗａとの、温度差を有効利用して発電するので、別個の発電機を設ける必要はない。水冷エンジン１４によって発電機を駆動する必要がないので、水冷エンジン１４の駆動力を一層有効に使うことができる。さらには、水冷エンジン１４で交流発電機を駆動する場合のように、発電機による発熱がない。このため、発電機の発熱によって、エンジン燃焼用空気が加熱されることに伴う、水冷エンジン１４の出力低下を防止することができる。
【００４２】
しかも、本実施例の発電装置８０は、互いに近接し合う主排気通路７２と冷却水通路７３との間を仕切る壁７９を、巧みに利用したものである。この壁７９の中に熱発電素子８１を設けるだけの、簡単な構成によって、発電することができる。温度差を利用して、熱発電素子８１により発電するので、特別な装置を全く必要としない。小型且つ軽量の発電装置８０を構成することができ、低コストの発電装置８０を得ることができる。そして、エンジン１４周りの小型化を図ることができる。特に、船外機１０に組み込まれた水冷エンジン１４において、水冷エンジン１４の周囲における、狭いスペースに極めて小型の発電装置８０を備えることができる。この結果、船外機１０の省スペース化を図る上で、極めて有効である。
【００４３】
図６に示すように、熱発電素子８１は、水冷エンジン１４における排気バルブ６６の近傍に位置している。一連の排気通路７４を通過する排気Ｇａの温度は、排気バルブ６６の近傍において最も高温である。このため、排気Ｇａと冷却水Ｗａとの温度差が大きいので、熱発電素子８１に発生する起電力が大きい。つまり、熱発電素子８１による発電効果を一層高めることができる。
【００４４】
図１、図５及び図６に示すように、冷却水通路７３は、船舶Ｓｉの外部から取り入れられた冷却水Ｗａを通すように、構成されている。船舶Ｓｉの外部から取り入れた冷却水Ｗａを冷却水通路７３に供給する。このため、冷却水通路７３に供給するための冷却水Ｗａを、別個に準備する必要がない。
【００４５】
なお、本発明では、船舶推進機は船外機１０に限定されるものではなく、船舶Ｓｉに内部に搭載される船内機であってもよい。
また、熱発電素子８１は、排気マニホールド２７に備えた構成に限定されるものではない。つまり、総排気通路７４と総冷却水通路７８のうち、互いに近接している部分同士を仕切る壁の中に、熱発電素子８１を備えることによって、熱発電素子８１が排気Ｇａと冷却水Ｗａとの温度差に応じて発電する構成であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の水冷エンジン１４の発電装置８０は、船外機１０に用いるのに好適である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…船外機（船舶推進機）、１４…水冷エンジン、６６…排気バルブ、７２…排気通路、７３…冷却水通路、７９…壁、８０…発電装置、８１…熱発電素子、８２ａ…高温側の端面、８３ａ，８４ａ…低温側の端面、Ｇａ…排気、Ｓｉ…船舶、Ｗａ…冷却水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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