(57)【要約】【課題】  ラジエータに対する流量低下を抑制してエンジンに対する冷却性能を確保しつつ、熱電素子における発電を効率的に行うことのできる熱電発電装置を提供する。【解決手段】  エンジン１０冷却用の冷却水を熱源とする高温側熱源部１１１と、冷却水より低温となる低温流体を熱源とする低温側熱源部１１２と、両熱源部１１１、１１２間の温度差によって発電する熱電素子１１３とを有する熱電発電装置において、高温側熱源部１１１に用いられる冷却水は、エンジン１０と冷却水を冷却する第１ラジエータ２１との間が環状に接続されるエンジン冷却水回路２０で第１ラジエータ２１に対して並列となるように設けられた並列流路２３を流れる冷却水とし、低温側熱源部１１２に用いられる低温流体は、エンジン冷却水回路２０とは独立して設けられ、第２ラジエータ３１が配設される低温側回路３０を循環する低温冷却水とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１０）冷却用の冷却水を熱源とする高温側熱源部（１１１）と、
前記冷却水より低温となる低温流体を熱源とする低温側熱源部（１１２）と、
前記両熱源部（１１１、１１２）間の温度差によって発電する熱電素子（１１３）とを有する熱電発電装置において、
前記高温側熱源部（１１１）に用いられる前記冷却水は、前記エンジン（１０）と前記冷却水を冷却する第１ラジエータ（２１）との間が環状に接続されるエンジン冷却水回路（２０）で前記第１ラジエータ（２１）に対して並列となるように設けられた並列流路（２３）を流れる冷却水とし、
前記低温側熱源部（１１２）に用いられる前記低温流体は、前記エンジン冷却水回路（２０）とは独立して設けられ、第２ラジエータ（３１）が配設される低温側回路（３０）を循環する低温冷却水としたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記エンジン冷却水回路（２０）から前記並列流路（２３）が分岐する分岐点には、制御手段（１２０）により弁開度が可変され、前記第１ラジエータ（２１）側および前記並列流路（２３）側への前記冷却水の流量割合を調整する流量調整弁（２５）が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記冷却水の温度および外気温度に応じて、前記熱電素子（１１３）に外部から通電することで、前記並列流路（２３）を流れる前記冷却水に対して発熱作用を生じさせる通電手段（１２０、１３０、１４０）を設けた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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子によってエンジンの廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電素子を用いて内燃機関の廃熱エネルギーから電気エネルギーを回収する技術として、特許文献１や特許文献２に示されるものが知られている。
【０００３】
即ち、特許文献1に記載の技術においては、熱電素子の高温側熱源部の熱源として内燃機関（エンジン）と放熱手段（ラジエータ）とを結ぶ冷却水循環路の冷却水を用い、熱電素子の低温側熱源部として空冷あるいは水冷の放熱器を用いて、電気エネルギーを回収するようにしている。尚、熱電素子に対する高温側熱源部はタンクとして形成されており、冷却水循環路において、ラジエータに対して直列に配置されている。
【０００４】
一方、特許文献２に記載の技術においては、機関本体に設けられた冷却水ジャケットを閉回路の１構成要素として一次冷却水ポンプによって冷却水が循環される一次冷却水系を有しており、更に、ラジエータを閉回路の１構成要素として上記一次冷却水系とは独立して冷却水が循環される二次冷却水系を設けている。そして、一次冷却水系と二次冷却水系との間に熱回収手段（熱電素子）を設けて、両冷却水系の間に生じる冷却水の温度差を利用して、電気エネルギーを回収するものとしている。また、二次冷却水系に冷却水循環水量を調整可能な二次冷却水ポンプを設け、機関の運転状態に応じて二次冷却水ポンプによって二次冷却水系の冷却水循環水量を調整することで、熱電素子を介して一次冷却水系の冷却水の温度調整（機関本体の冷却）を可能としている。
【特許文献１】特開平１０−２３８４０６号公報
【特許文献２】特開平９−３２６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術においては、高温側熱源部によって、冷却水循環路の通水抵抗が増加するので、ラジエータの流量が低下し、冷却性能が低下する。これをカバーするためには、ラジエータの大型化や冷却水循環ポンプの能力アップ等が必要となる。
【０００６】
また、上記特許文献２に記載の技術においては、熱電素子を介して一次冷却水系の冷却水の温度調整（機関本体の冷却）をするようにしているので、この温度調整のために熱電素子の熱伝導率を高くする必要がある。熱伝導率を高くするということは、熱電素子の表面における温度差が充分に確保できず、電気エネルギー回収時（発電時）における回収効率（発電効率）の悪化につながる。逆に、熱電素子の熱伝導率を低くすれば、機関本体冷却のためにラジエータの能力や二次冷却水ポンプの動力を増大させる必要が生ずる。即ち、温度調整と電気エネルギー回収との両者を成立させるためには、熱電素子に相反する特性を要求することになり、実質的な成立性に欠けると言える。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ラジエータに対する流量低下を抑制して内燃機関（エンジン）に対する冷却性能を確保しつつ、熱電素子における発電を効率的に行うことのできる熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、エンジン（１０）冷却用の冷却水を熱源とする高温側熱源部（１１１）と、冷却水より低温となる低温流体を熱源とする低温側熱源部（１１２）と、両熱源部（１１１、１１２）間の温度差によって発電する熱電素子（１１３）とを有する熱電発電装置において、高温側熱源部（１１１）に用いられる冷却水は、エンジン（１０）と冷却水を冷却する第１ラジエータ（２１）との間が環状に接続されるエンジン冷却水回路（２０）で第１ラジエータ（２１）に対して並列となるように設けられた並列流路（２３）を流れる冷却水とし、低温側熱源部（１１２）に用いられる低温流体は、エンジン冷却水回路（２０）とは独立して設けられ、第２ラジエータ（３１）が配設される低温側回路（３０）を循環する低温冷却水としたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、高温側熱源部（１１１）は、エンジン冷却水回路（２０）において第１ラジエータ（２１）に対して並列配置されるので、第１ラジエータ（２１）を流通する冷却水の流量低下を抑制することができる。よって、第１ラジエータ（２１）の大型化や冷却水循環ポンプ（１４）の能力アップ等を不要として、第１ラジエータ（２１）によって、冷却水を充分に冷却することができ、エンジン（１０）を所定温度に維持できる。
【００１１】
また、上記より高温側熱源部（１１１）から熱電素子（１１３）を介して低温側熱源部（１１２）に冷却水の熱を伝達させる必要は無く、熱電素子（１１３）の熱伝導率を低く設定できる。更に、低温側回路（３０）を循環する低温冷却水は、第２ラジエータ（３１）によって冷却されるので、低温側熱源部（１１２）を安定した低温度に維持できる。よって、高温側熱源部（１１１）と低温側熱源部（１１２）との間において安定した温度差を確保して、熱電素子（１１３）による効率的な発電が可能となる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、エンジン冷却水回路（２０）から並列流路（２３）が分岐する分岐点には、制御手段（１２０）により弁開度が可変され、第１ラジエータ（２１）側および並列流路（２３）側への冷却水の流量割合を調整する流量調整弁（２５）が設けられたことを特徴としている。
【００１３】
これにより、第１ラジエータ（２１）における必要冷却能力に応じて、冷却水を高温側熱源部（１１１）に流すことで、熱電素子（１１３）におけるエンジン（２０）の廃熱を無駄無く利用した発電が可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、冷却水の温度および外気温度に応じて、熱電素子（１１３）に外部から通電することで、並列流路（２３）を流れる冷却水に対して発熱作用を生じさせる通電手段（１２０、１３０、１４０）を設けたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、冷却水温度および外気温度の低い時に、並列流路（２３）を流れる冷却水を加熱して、エンジン（１０）の冷間始動時における暖機を促進することができるので、フリクションロスの低減、エミッション特性の向上を図り、エンジン（１０）の燃費性能を向上させることができる。
【００１６】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１実施形態）
本発明の熱電発電装置１００は、主に熱電発電器１１０、この熱電発電器１１０の作動を制御する制御装置１２０から成り、水冷式のエンジン１０を有する車両に適用され、エンジン１０の廃熱エネルギーを電気エネルギーに回収するものとしている。具体的には、熱電発電器１１０の熱電素子１１３における高温側熱源部１１１と低温側熱源部１１２との温度差よって発電を行う。まず、図１を用いてその基本構成について説明する。
【００１８】
図１に示すように、エンジン１０にはエンジン冷却水回路２０が設けられている。エンジン冷却水回路２０は、エンジン１０内の冷却水がウォータポンプ１４によって、第１出口部１１からエンジン冷却水用ラジエータ（本発明における第１ラジエータに対応し、以下、単にラジエータと呼ぶ）２１を通って入口部１３に循環するようにした回路である。ここではウォータポンプ１４は、入口部１３近傍に設けられ、エンジン１０の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。
【００１９】
また、エンジン冷却水回路２０には、ラジエータ２１をバイパスするバイパス流路２２と、ラジエータ２１側あるいはバイパス流路２２側への冷却水流量を調節するサーモスタット２４とが設けられている。サーモスタット２４は、冷却水温度が第１所定温度（例えば８５℃）以下においては、ラジエータ２１側を閉じ、また、冷却水温度が第１所定温度を超えるとラジエータ２１側を開き始め、第２所定温度（例えば９０℃）以上でバイパス流路２２側を閉じ、ラジエータ２１側を全開とする。
【００２０】
更に、エンジン冷却水回路２０には、ラジエータ２１に対して並列となる並列流路２３が設けられている。即ち、並列流路２３は、ラジエータ２１の上流側において、ラジエータ２１とバイパス流路２２との間から分岐して、ウォータポンプ１４とサーモスタット２４との間で再びエンジン冷却水回路２０に合流する流路としている。
【００２１】
そして、並列流路２３が分岐する分岐点には、弁開度に応じてラジエータ２１側および並列流路２３側への冷却水の流量割合を調整する流量調整弁２５が設けられている。また、並列流路２３のエンジン冷却水回路２０への合流点には、並列流路２３およびサーモスタット２４の少なくとも一方からの冷却水をエンジン１０側に流すように流路を切替える切替え弁２６が設けられ、更に、エンジン冷却水回路２０からバイパス流路２２に分岐する分岐点には、冷却水をラジエータ２１側あるいはバイパス流路２２側のいずれかに流すように流路を切替える切替え弁２７が設けられている。尚、上記流量調整弁２５の弁開度、切替え弁２６、２７の流路切替えは、後述する制御装置１２０によって制御されるようにしている。
【００２２】
また、上記エンジン冷却水回路２０に対して、独立して作動する低温側回路３０が設けられている。低温側回路３０には低温水用ラジエータ（本発明における第２ラジエータに対応し、以下、低温側ラジエータと呼ぶ）３１および電動ポンプ３２が備えられている。電動ポンプ３２によって低温側回路３０内の低温冷却水（本発明における低温流体に対応）が循環され、この低温冷却水は、低温側ラジエータ３１によって冷却され、エンジン冷却水回路２０の冷却水よりも低温に維持されるようにしている。尚、電動ポンプ３２は、後述する制御装置１２０によって制御されるようにしている。
【００２３】
因みに、エンジン１０には、第２出口部１２からヒータコア４１を通ってウォータポンプ１４の上流側に繋がり、冷却水が循環するヒータ温水回路４０が設けられている。尚、ヒータコア４１は、冷却水（温水）を熱源として空調用空気を加熱する暖房装置用の熱交換器である。
【００２４】
熱電発電器１１０は、上記エンジン冷却水回路２０の冷却水と低温側回路３０の低温冷却水とを熱源として用いたものとしており、高温側熱源部１１１、低温側熱源部１１２、熱電素子１１３から成る。
【００２５】
熱電素子（熱電モジュール）１１３は、ゼーベック効果を利用して発電を行う（あるいはペルチェ効果を利用して熱を発生する）周知の素子であり、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが金属電極を介して交互に直列に接続されて形成されている。
【００２６】
高温側熱源部１１１および低温側熱源部１１２は、共に扁平状を成して、内部にインナーフィンが挿入された金属製の容器体（熱交換器）として形成されており、上記熱電素子１１３の両側面にそれぞれ密着するように組み付けられている。尚、熱電素子１１３と高温側熱源部１１１との間、熱電素子１１３と低温側熱源部１１２との間には、それぞれ電気絶縁材が介在されると共に、接触熱抵抗を低減させるための熱伝導グリスが塗布、あるいは伝熱シートが介在されている。
【００２７】
そして、高温側熱源部１１１は並列流路２３に配設され、高温側熱源部１１１には並列流路２３を流れる冷却水が流通するようにしており、また、低温側熱源部１１２は低温側回路３０に配設され、低温側熱源部１１２には低温側回路３０を循環する低温冷却水が流通するようにしている。即ち、熱電発電器１１０は、熱電素子１１３が並列流路２３を流れる冷却水を高温側熱源とし、また、低温側回路３０を流れる低温冷却水を低温側熱源としたものとして形成されている。
【００２８】
制御装置（本発明における制御手段に対応）１２０は、図示しない外気温センサからの外気温度信号、エンジン水温センサからの冷却水温度信号、熱電発電器１１０の作動状態が入力されて、流量調整弁２５、切替え弁２６、２７、電動ポンプ３２を制御する。また、熱電素子１１３によって発電が行われる時には、インバータ（電力変換装置）１３０を介してバッテリ１４０に充電すると共に、外気温度信号、冷却水温度信号に応じて、インバータ１３０を介してバッテリ１４０から熱電素子１１３への電力供給を行う。尚、制御装置１２０、インバータ１３０、バッテリ１４０は、本発明における通電手段に対応する。
【００２９】
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について、図２、図３を加えて説明する。
【００３０】
１．エンジン１０の通常作動時
エンジン１０が作動され、エンジン冷却水回路２０内の冷却水温度が第１所定温度（例えば８５℃）を超えると、サーモスタット２４は、バイパス流路２２側を閉じ、ラジエータ２１側を開いていく。この時、制御装置１２０は、図１に示すように、切替え弁２６によって、サーモスタット２４側、並列流路２３側の両者がウォータポンプ１４側に繋がるように開き、また、切替え弁２７によって、ラジエータ２１側が開くように切替える。更に、低温側回路３０の電動ポンプ３２を作動させる。
【００３１】
すると、エンジン冷却水回路２０内の冷却水は、ラジエータ２１を循環するもの（図１中の実線矢印）と、並列流路２３に分岐して再びエンジン冷却水回路２０に戻るもの（図１中の破線矢印）とに分かれる。また、低温側回路３０内の低温冷却水は、低温側ラジエータ３１を循環する（図１中の一点鎖線矢印）。そして、高温側熱源部１１１には冷却水が流れ、低温側熱源部１１２には低温冷却水が流れる。
【００３２】
よって、エンジン冷却水回路２０の冷却水は、ラジエータ２１によって冷却され、エンジン１０は、所定温度に維持される。また、冷却水と低温冷却水とによって、両熱源部１１１、１１２間に安定した温度差が生じ、熱電素子１１３はゼーベック効果により発電する。この時、制御装置１２０は、インバータ１３０を作動させて発電により得られた電力をバッテリ１４０に充電する。
【００３３】
尚、制御装置１２０は、エンジン冷却水温度に応じて流量調整弁２５の弁開度を調整し、発電量を制御する。即ち、ラジエータ２１における必要冷却能力が大きい場合（エンジン冷却水温度が高い場合）には、ラジエータ２１側への流量を増加し、また、必要冷却能力が小さい場合（エンジン冷却水温度が低い場合）には、並列流路２３側への流量を増加させ、熱電素子１１３での発電量を増加させる。
【００３４】
２．エンジン１０の始動時
エンジン１０の始動時（外気温センサ、エンジン水温センサから得られる温度信号が共に１０℃を超える場合）には、サーモスタット２４は、バイパス流路２２側を開き、ラジエータ２１側を閉じている。この時、制御装置１２０は、図２に示すように、切替え弁２６によって、サーモスタット２４側のみがウォータポンプ１４側に繋がるように開き、また、切替え弁２７によって、バイパス流路２２側が開くように切替える。更に、低温側回路３０の電動ポンプ３２は停止状態とする。
【００３５】
すると、エンジン冷却水回路２０内の冷却水は、バイパス流路２２のみを循環し（図２中の実線矢印）、エンジン１０を暖機させる（通常のバイパス流路２２による暖機運転に相当し、熱電素子１１３による発電作用は無し）。
【００３６】
３．エンジン１０の冷間始動時
エンジン１０の冷間始動時（外気温センサ、エンジン水温センサから得られる温度信号が共に１０℃以下の場合）には、サーモスタット２４は、バイパス流路２２側を開き、ラジエータ２１側を閉じている。この時、制御装置１２０は、図３に示すように、切替え弁２６によって、並列流路２３側のみがウォータポンプ１４側に繋がるように開き、また、切替え弁２７によって、ラジエータ２１側が開くように切替える。更に、流量調整弁２５によって、並列流路２３側が全開（ラジエータ２１側が全閉）となるように弁開度を調整する。そして、制御装置１２０は、インバータ１３０を作動させてバッテリ１４０から熱電素子１１３に通電する（電力供給する）。尚、低温側回路３０の電動ポンプ３２は、停止状態としている。
【００３７】
すると、エンジン冷却水回路２０内の冷却水は、並列流路２３から高温側熱源部１１１を通り、エンジン１０に戻るように循環するが（図３中の破線矢印）、この時、熱電素子１１３のペルチェ効果（発熱作用）により高温側熱源部１１１を流れる冷却水が加熱され、エンジン１０の暖機が促進される。
【００３８】
このように、本発明においては、高温側熱源部１１１は、エンジン冷却水回路２０においてラジエータ２１に対して並列配置されるようにしているので、ラジエータ２１を流通する冷却水の流量低下を抑制することができる。よって、ラジエータ２１の大型化やウォータポンプ１４の能力アップ等を不要として、ラジエータ２１によって、冷却水を充分に冷却することができ、エンジン１０を所定温度に維持できる。
【００３９】
また、上記より高温側熱源部１１１から熱電素子１１３を介して低温側熱源部１１２に冷却水の熱を伝達させる必要は無く、熱電素子１１３の熱伝導率を低く設定できる。更に、低温側回路３０を循環する低温冷却水は、低温側ラジエータ３１によって冷却されるので、低温側熱源部１１２を安定した低温度に維持できる。よって、高温側熱源部１１１と低温側熱源部１１２との間において安定した温度差を確保して、熱電素子１１３による効率的な発電が可能となる。
【００４０】
また、エンジン冷却水回路２０から並列流路２３が分岐する分岐点に流量調整弁２５を設けて、エンジン１０の通常作動時に、ラジエータ２１における必要冷却能力（エンジン冷却水温度）に応じて、ラジエータ２１側あるいは並列流路２３側への流量を調整するようにしているので、熱電素子１１３においてエンジン２０の廃熱を無駄無く利用した発電が可能となる。
【００４１】
更に、冷間始動時において、熱電素子１１３に通電して、ペルチェ効果により、高温側熱源部１１１を流通する冷却水を加熱するようにしているので、暖機を促進することができ、フリクションロスの低減、エミッション特性の向上を図り、エンジン１０の燃費性能を向上させることができる。
【００４２】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態に対して、冷間始動時における熱電素子１１３のペルチェ効果による冷却水の加熱制御を省略する場合は、並列流路２３のエンジン冷却水回路２０への合流部をサーモスタット２４のラジエータ２１側に接続して、切替え弁２６、２７を省略することができる（変形例１）。
【００４３】
また、上記変形例１に対して、通常作動時における流量調整弁２５による熱電素子１１３の発電量制御を省略する場合は、ラジエータ２１側と並列流路２３側との流量割合を所定値に固定して、流量調整弁２５を省略できる（変形例２）。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態における全体構成（通常作動時の冷却水の流れ）を示す模式図である。
【図２】エンジン始動時における冷却水の流れを示す模式図である。
【図３】冷間始動時における冷却水の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  エンジン
２０  エンジン冷却水回路
２１  エンジン冷却水用ラジエータ（第１ラジエータ）
２３  並列流路
２５  流量調整弁
３０  低温側回路
３１  低温水用ラジエータ（第２ラジエータ）
１００  熱電発電装置
１１１  高温側熱源部
１１２  低温側熱源部
１１３  熱電素子
１２０  制御装置（制御手段、通電手段）
１３０  インバータ（通電手段）
１４０  バッテリ（通電手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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