(57)【要約】【課題】  内燃機関から排出される熱が少ない場合であっても、発電量を多くすることができる排熱回収装置を提供する。【解決手段】  排熱回収装置Ｍ１は、ヒートポンプ１０を備えている。ヒートポンプ１０は、エンジン２の冷却水が流通する冷却水流通管３に設けられた熱回収部１１と、熱電変換モジュール２５が設けられた発熱部１２とを有している。冷却水流通管+３を流通する冷却水に含まれる熱はが、熱回収部１１で２−プロパノールの吸熱反応で回収され、２−プロパノールは水素とアセトンとなり、発熱部１２に供給される。発熱部１２では、水素とアセトンとの発熱反応によって発熱し、発生した熱が熱電変換モジュール２５に供給されて、熱電変換モジュール２５における発電が行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱反応により吸熱反応生成物質が生成され、発熱反応による発熱反応生成物質が生成される熱媒体により、内燃機関から発生した熱を前記熱媒体の吸熱反応で吸熱し、その後任意位置で前記熱媒体を発熱反応させて熱を発生させるヒートポンプを備え、
熱電変換によって発電を行う熱電変換素子に対して、前記ヒートポンプで発生させた熱を供給して、前記熱電変換素子によって発電を行うことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記内燃機関から発生した熱を、前記内燃機関を冷却する冷却液から吸熱する請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
前記内燃機関に対する暖機の要否を判断する暖機要否判断手段を有し、
前記暖機要否判断手段によって、前記内燃機関の暖機が必要であると判断した場合には、前記ヒートポンプにおける発熱反応によって発生した熱を前記内燃機関に供給する請求項１または請求項２に記載の排熱回収装置。
【請求項４】
前記熱媒体の吸熱反応で生成された吸熱反応生成物質を保存する吸熱反応生成物質収容容器が設けられている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
前記ヒートポンプ内における吸熱反応生成物質の残量が所定値未満の場合に、
前記熱電変換素子に通電することによって前記発熱反応生成物質に熱を供給して、前記吸熱反応生成物質を生成する請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項６】
触媒の温度が所定値未満であるか否かを判断する触媒温度判断手段を有し、
前記触媒の温度が所定値未満の場合には、前記ヒートポンプにおける発熱反応によって発生した熱を前記触媒に供給する請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばハイブリッド車などの車両などに用いられ、気体中に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、気体中に含まれる熱エネルギーを回収する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両におけるエンジンからは熱が排出されており、近年においては、この熱を熱電変換によって発電させる技術がある。このような熱電変換を行う技術として、たとえば特開平６−２５３８号公報（特許文献１）に開示された自動車用発電機がある。この自動車用発電機では、ラジエータ上に熱発電素子（熱電変換素子）を配設している。ラジエータには、内燃機関の熱を含む高温冷却水が流れており、ラジエータを流れる高温冷却水と大気との温度差によって発電するものである。
【０００３】
また、熱エネルギーを回収する技術としては、特開２００１−６８１３８号公報（特許文献２）に開示された燃料リサイクルシステムがある。この燃料リサイクルシステムでは、燃料電池車両において、燃料電池から発生した熱をケミカルヒートポンプで吸熱しており、吸熱した熱を発熱する際の発熱反応を利用して、含水素系化合物からの脱水素反応を行うというものである。
【特許文献１】特開平９−１７０８４６号公報
【特許文献２】特開２００１−６８１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１に開示された自動車用発電機では、ラジエータの上に熱発電素子を配設しているのみである。このため、内燃機関から排出されてラジエータを流れる冷却水に含まれる熱が少なく、その温度が高くないと、熱発電素子における発電量が少なく、さらには、発電ができないという問題があった。
【０００５】
一方、上記特許文献２に開示された燃料リサイクルシステムは、燃料電池から発生した熱を脱水素反応に用いる熱として利用するためにケミカルヒートポンプを用いているにすぎいなものである。このため、排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱の伝達にヒートポンプを用いるという点については想定していないものであった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、内燃機関から排出される熱が少ない場合であっても、発電量を多くすることができる排熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、吸熱反応により吸熱反応生成物質が生成され、発熱反応による発熱反応生成物質が生成される熱媒体により、内燃機関から発生した熱を熱媒体の吸熱反応で吸熱し、その後任意位置で熱媒体を発熱反応させて熱を発生させるヒートポンプを備え、熱電変換によって発電を行う熱電変換素子に対して、ヒートポンプで発生させた熱を供給して、熱電変換素子によって発電を行うものである。
【０００８】
本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関から発生した熱を吸熱反応で吸熱し、その後の発熱反応で熱を発生させるヒートポンプを用いて熱電変換素子に内燃機関の熱を供給している。このヒートポンプにおける発熱反応により、熱媒体を高温なものとすることができるので、内燃機関から排出される熱が少ない場合であっても、熱電変換素子における発電量を多くすることができる。
【０００９】
ここで、内燃機関から発生した熱を、内燃機関を冷却する冷却液から吸熱する態様とすることができる。
【００１０】
内燃機関から発生した熱は、冷却液に吸熱され、冷却液はラジエータに搬送されて冷却される。この冷却液からヒートポンプによって熱を吸熱することにより、内燃機関の熱を好適に吸熱することができる。また、冷却液から吸熱するので、ラジエータにおける冷却負荷を軽減することができ、その分ラジエータの小型化および車両における装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００１１】
また、内燃機関に対する暖機の要否を判断する暖機要否判断手段を有し、暖機要否判断手段によって、内燃機関の暖機が必要であると判断した場合には、ヒートポンプにおける発熱反応によって発生した熱を内燃機関に供給する態様とすることができる。
【００１２】
内燃機関が十分に暖機される前は、効率が低い状態にあるので、早期の暖機をすることが望まれる。そこで、暖機要否判断手段を設け、内燃機関の暖機が必要であると判断したときには、ヒートポンプで吸熱した熱を内燃機関に供給する。このため、内燃機関の暖機を早期に行うことができる
さらに、熱媒体の吸熱反応で生成された吸熱反応生成物質を保存する吸熱反応生成物質収容容器が設けられている態様とすることもできる。
【００１３】
吸熱反応生成物質を保存する吸熱反応生成物質収容容器が設けられていることにより、内燃機関を始動させた直後または始動させる直前から吸熱反応生成物質を内燃機関に供給し、発熱反応させて、内燃機関に熱を供給することができる。したがって、さらに早期に内燃機関の暖機を図ることができる。
【００１４】
このとき、ヒートポンプ内における吸熱反応生成物質の残量が所定値未満の場合に、熱電変換素子に通電することによって発熱反応生成物質に熱を供給して、吸熱反応生成物質を生成する態様とすることもできる。
【００１５】
吸熱反応生成物質収容容器内に吸熱反応生成物質の残量が少ない場合には、内燃機関に熱を与えるための吸熱反応生成物質が少なく、内燃機関の早期の暖機に寄与できないことがある。本発明では、熱電変換素子に通電することによりペルチェ効果を利用して発熱反応生物質を吸熱反応生成物質にする。このため、吸熱反応生成物質を内燃機関に供給し、発熱反応させて、内燃機関に熱を供給することができる。
【００１６】
そして、触媒の温度が所定値未満であるか否かを判断する触媒温度判断手段を有し、触媒の温度が所定値未満の場合には、ヒートポンプにおける発熱反応によって発生した熱を触媒に供給する態様とすることもできる。
【００１７】
触媒の温度が所定値未満のときには、触媒の浄化性能が低い状態にあるので、この場合にはヒートポンプで発生した熱を触媒に供給する、このようにして、ヒートポンプで発生した熱を触媒の早期暖機に利用することもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る排熱回収装置によれば、内燃機関から排出される熱が少ない場合であっても、発電量を多くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略することがある。まず、本発明の第一の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第一の実施形態に係る排熱回収装置の構成図、図２は、発熱部の一部破断正面図、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１は、熱源となる内燃機関であるエンジン２に接続された冷却水流通管３を備えている。冷却水流通管３は、ラジエータ４に接続される第一流通管３Ａ、第一流通管３Ａから分岐する分岐管３Ｂ、ラジエータ４に接続され、切替バルブ５を介して分岐管３Ｂと合流する第二流通管３Ｃ、および切替バルブ５とエンジン２とを接続する第三流通管３Ｄを備えている。エンジン２からは、エンジン２を冷却する冷却液である冷却水が排出され、冷却水流通管３を流通する。
【００２２】
また、第三流通管３Ｄには、温度センサ６が設けられており、第三流通管３Ｄを流通する冷却水の温度を検出している。温度センサ６は、制御装置７に接続されており、検出した冷却水温度を制御装置７に出力している。制御装置７は、出力された冷却水の温度に基づいて、切替バルブ５の切替制御を行っている。
【００２３】
分岐管３Ｂには、ケミカルヒートポンプ（以下「ヒートポンプ」という）１０における熱回収部１１が設けられている。ヒートポンプ１０は、熱回収部１１のほか、発熱部１２を備えている。熱回収部１１は、筐体を有しており、この筐体には、通水路および吸熱反応部が設けられている。通水路は、分岐管３Ｂと連通しており、エンジン２から排出された冷却水が流通可能とされている。また、吸熱反応部には、発熱反応生成物質である液体の２−プロパノールが供給され、２−プロパノールは、吸熱反応部における吸熱反応によって、吸熱反応生成物質である気体の水素およびアセトンに分解される。
【００２４】
発熱部１２は、図２および図３に示すように、筐体２０を備えている。筐体２０には、４組の水素流入口２１およびアセトン流入口２２が設けられており、さらに２−プロパノール排出口２３が設けられている。また、筐体２０の内部には、発熱反応部２４が形成されている。
【００２５】
水素流入口２１およびアセトン流入口２２は、発熱反応部２４に連通しており、水素流入口２１およびアセトン流入口２２からそれぞれ本発明の熱媒体である水素およびアセトンが発熱反応部２４に流入する。発熱反応部２４では水素およびアセトンが発熱反応を起こして２−プロパノールが生成される。また、発熱反応部２４は、２−プロパノール排出口２３と連通しており、発熱反応によって生成された２−プロパノールは、２−プロパノール排出口２３から排出される。
【００２６】
さらに、筐体２０内には、熱電変換素子である熱電変換モジュール２５が取り付けられている。熱電変換モジュール２５は、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。本実施形態では、２００度付近での熱電変換効率が高いＢｉＴｅ系の熱電変換モジュールが用いられている。なお、４００度付近での熱電変換効率が高いベンゼン水素反応系の熱電変換モジュールなど、他の熱電変換モジュールを用いることもできる。
【００２７】
熱電変換モジュール２５の一面側には、冷却風通路２６が形成されている。冷却風通路２６は、筐体２０を貫通して形成されており、筐体２０の周囲に吹く風がそのまま冷却風となって冷却風通路２６を通過する。冷却風通路２６には、モジュール冷却用フィン２７が設けられており、冷却風の冷熱を熱電変換モジュール２５の一面側に伝熱する。
【００２８】
また、熱電変換モジュール２５の他面側には、反応熱回収用フィン２８が設けられている。反応熱回収用フィン２８は、水素とアセトンとの発熱反応によって発生した熱を回収して、熱電変換モジュール２５の他面側に伝熱する。熱電変換モジュール２５では、一面側に冷熱が伝熱され、他面側に高熱が伝熱されることにより、温度勾配が生じて、ゼーベック効果による発電が行われる。
【００２９】
また、熱回収部１１における吸熱反応部と発熱部１２における発熱反応部２４との間には、セパレータ１３が設けられており、それぞれ気体用配管１４，１５，１６を介して接続されている。セパレータ１３は、熱回収部１１における吸熱反応部から排出される水素とアセトンとの混合気体を水素とアセトンとに分離する。熱回収部１１における吸熱反応部とセパレータ１３とを接続する第一気体用配管１４には、水素とアセトンとの混合気体が流通する。
【００３０】
また、セパレータ１３と発熱部１２における発熱反応部２４とを接続する気体用配管のうち、第二気体用配管１５は、発熱部１２における水素流入口２１に接続されており、第三気体用配管１６は、アセトン流入口２２に接続されている。そして、第二気体用配管１５には水素が流通し、第三気体用配管１６にはアセトンが流通する。
【００３１】
さらに、発熱部１２における発熱反応部２４と熱回収部１１における吸熱反応部との間には、液体輸送ポンプ１７が設けられており、第一液体用配管１８を介して接続されている。液体輸送ポンプ１７は、発熱部１２における発熱反応部２４で液化された液体の２−プロパノールを熱回収部１１における吸熱反応部に向けて搬送する。
【００３２】
また、エンジン２には、エンジン２を冷却するための冷却水が流通している。冷却水は、エンジン２を流通してエンジン２を冷却し、エンジン２から熱を受けて高温となり、エンジン２から排出される。エンジン２から排出された冷却水は、第一流通管３Ａに流入する。
【００３３】
第一流通管３Ａを流通する冷却水の一部は、そのままラジエータ４に流入し、残りは、分岐管３Ｂに流入する。ラジエータ４に流入した冷却水は、ラジエータ４で冷却されて第二流通管３Ｃに流入する。また、分岐管３Ｂに流入した冷却水は、熱回収部１１を通過する。このときに、熱回収部１１で熱を回収され、冷却されて排出される。
【００３４】
分岐管３Ｂおよび第二流通管３Ｃを流通する冷却水は、切替バルブ５を通過して第三流通管３Ｄに流入し、第三流通管３Ｄを流通して、エンジン２に流入する。こうして、エンジン２には、冷却された冷却水が流入し、再び冷却水がエンジン２を冷却し、エンジン２の熱を受けてエンジン２から排出される。
【００３５】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１においては、エンジン２が作動すると、エンジン２を冷却するために、ラジエータ４で循環供給される冷却水がエンジン２に流入する。冷却水は、エンジン２を冷却するとともに、エンジン２の熱を受けてエンジン２から排出される。エンジン２から排出された冷却水は、第一流通管３Ａを流通し、続いて分岐管３Ｂまたはラジエータ４に流入する。分岐管３Ｂに流入した冷却水は、熱回収部１１に流入する。ここで、ラジエータ４と熱回収部１１とに分けられる冷却水の量は、切替バルブ５によって調整することができる。
【００３６】
エンジン２から排出された冷却水の温度は、高い状態でも通常８０℃〜１００℃程度の温度の範囲内にある。この温度の冷却水から熱電変換モジュール２５を用いて熱電交換を行おうとしても、十分な温度差を得ることができず、発電量が微少なものとなってしまう。これに対して、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１では、ヒートポンプ１０を利用して冷却水の温度を高い温度、たとえば約２００℃の温度に昇温させている。
【００３７】
熱回収部１１における吸熱反応部では、吸熱を伴う脱水素反応が起こり、冷却水に含まれる熱を吸熱反応によって吸熱し、２−プロパノールを水素およびアセトンに分解する。分解された水素およびアセトンは、発熱部１２の発熱反応部２４に搬送される。発熱反応部２４では、水素とアセトンとの発熱反応によって、２−プロパノールが生成されるとともに、熱を発生させ、約２００℃程度の熱源となる。この熱を反応熱回収用フィン２８で回収する。
【００３８】
こうして、反応熱回収用フィン２８で回収された熱は、熱電変換モジュール２５の他面側に供給される。一方、熱電変換モジュール２５の一面側には、モジュール冷却用フィン２７で回収された冷熱が供給されており、熱電変換モジュール２５の一面側と他面側とで、大きな温度差を形成することができ、高い効率で発電することができる。
【００３９】
生成された２−プロパノールは、液体輸送ポンプ１７によって発熱部１２から熱回収部１１へと搬送される。こうして、ヒートポンプ１０による熱の移動が行われる。また、ラジエータ４に供給された冷却水は、ラジエータ４で冷却され、切替バルブ５を介してエンジン２へと循環供給される。
【００４０】
このように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ１では、エンジン２から排出され、エンジン２の熱を含む冷却水における熱を、ヒートポンプ１０を用いて高い温度の熱に変換して熱電変換モジュール２５に供給している。このため、熱電変換モジュール２５における熱電変換効率を高いものとすることができ、発電量を多くすることができる。
【００４１】
また、ラジエータ４に供給される冷却水の一部をヒートポンプ１０に供給し、ラジエータ４による冷却水の冷却負荷を軽減している。このため、ラジエータ４としては小型のものを用いれば十分となるので、装置全体の小型化を図ることができる。
【００４２】
また、第三流通管３Ｄを流通する冷却水の温度を温度センサ６で検出し、検出された温度に基づいて、暖機要否判断手段である制御装置７によって切替バルブ５の開度を調整することにより、ラジエータ４に掛かる負荷と熱電変換モジュール２５における発電量のバランスを保つことができる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、冷媒として、２−プロパノールと、２−プロパノールの脱水素反応で生成される水素およびアセトンを用いているが、他の物質を用いることもできる。また、第一流通管３Ａに分岐管３Ｂを接続し、分岐管３Ｂに熱回収部１１を設けているが、第一流通管３Ａに直接熱回収部１１を設ける態様とすることもできる。
【００４４】
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図４は、本発明の第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。本実施形態に係る排熱回収装置は、上記第一の実施形態と比較して、主に、ヒートポンプおよびエンジンに設けられた冷却水加熱部の構成が異なり、その他の点については上記第一の実施形態と同様の構成を有している。
【００４５】
図４に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２は、ヒートポンプ３０を備えている。ヒートポンプ３０は、コンプレッサ３１および冷却水加熱部３２を備えている。コンプレッサ３１は、熱回収部１１とセパレータ１３との間における第一気体用配管１４に配置されている。
【００４６】
また、冷却水加熱部３２は、エンジン２に設けられている。冷却水加熱部３２には、エンジン２に供給される冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。さらに、冷却水加熱部３２には、水素およびアセトンが流入する発熱反応部が形成されており、発熱反応部において水素とアセトンとが発熱反応して２−プロパノールを生成することができる。水素とアセトンとの発熱反応によって発生した熱は、冷却水流路を流通する冷却水に伝熱される。発熱反応部で発生した２−プロパノールは、液体貯蔵タンク３７に搬送される。
【００４７】
さらに、セパレータ１３と発熱部１２との間における第二気体用配管１５および第三気体用配管１６には、それぞれ逆止弁３３、吸熱反応生成物質収容容器である気体貯蔵タンク３４、バルブ３５、三方弁３６、および液体貯蔵タンク３７が設けられている。
【００４８】
気体貯蔵タンク３４は、それぞれ水素およびアセトンを貯蔵可能なタンクである。この気体貯蔵タンク３４には、図示しない圧力センサが設けられており、圧力センサは、気体貯蔵タンク３４内の圧力を検出して、制御装置７に出力している。気体貯蔵タンク３４内に貯蔵される水素およびアセトンの残量は、この内圧によって知ることができる。バルブ３５は、開閉バルブであり、制御装置７による開閉制御が可能となっている。
【００４９】
三方弁３６は、第二，第三気体用配管１５，１６と、それぞれ第四気体用配管３８Ａを介して冷却水加熱部３２と接続され、さらに第五気体用配管３８Ｂを介して発熱部１２と接続されている。この三方弁３６を制御装置７で制御することにより、水素およびアセトンの供給先を、発熱部１２および冷却水加熱部３２のいずれかに選択することができる。
【００５０】
液体貯蔵タンク３７は、２−プロパノールを貯蔵可能なタンクである。液体貯蔵タンク３７に貯蔵された２−プロパノールは、液体輸送ポンプ１７を駆動することにより、熱回収部１１における吸熱反応部に搬送される。また、冷却水加熱部３２は、第二液体用配管３９を介して液体貯蔵タンク３７に接続されており、冷却水加熱部３２において発熱反応によって生成した２−プロパノールは、第二液体用配管３９を介して液体貯蔵タンク３７に搬送される。
【００５１】
また、制御装置７は、液体輸送ポンプ１７、コンプレッサ３１、バルブ３５、三方弁３６にそれぞれ接続されている。さらに、制御装置７は、液体輸送ポンプ１７およびコンプレッサ３１の駆動制御、バルブ３５の開閉制御、および三方弁３６に切替制御を行っている。
【００５２】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２においては、上記第一の実施形態と同様、エンジン２が作動すると、エンジン２を冷却するために、ラジエータ４で循環供給される冷却水がエンジン２に流入する。冷却水は、エンジン２を冷却するとともに、エンジン２の熱を受けてエンジン２から排出される。エンジン２から排出された冷却水は、第一流通管３Ａを流通し、続いて分岐管３Ｂまたはラジエータ４に流入する。分岐管３Ｂに流入した冷却水は、熱回収部１１に流入する。ここで、ラジエータ４と熱回収部１１とに分けられる冷却水の量は、切替バルブ５によって調整することができる。
【００５３】
冷却水が流入した熱回収部１１では、上記第一の実施形態と同様の２−プロパノールが水素とアセトンとに分解される吸熱を伴う脱水素反応が起こり、冷却水に含まれる熱を吸熱する。２−プロパノールが分解されて生成された水素とアセトンとの混合気体は、コンプレッサ３１によってセパレータ１３に供給される。セパレータ１３において、混合気体は水素とアセトンとに分離されて、それぞれ第二気体用配管１５および第三気体用配管１６を流れ、逆止弁３３を通過して気体貯蔵タンク３４に流入し、気体貯蔵タンク３４に貯蔵される。
【００５４】
気体貯蔵タンク３４に貯蔵される水素およびアセトンは、バルブ３５が閉じた状態では貯蔵されたままとなるが、バルブ３５を開くことにより、それぞれ第二，第三気体用配管１５，１６の下流側に流れて、三方弁３６に到達する。三方弁３６には、第四気体用配管３８Ａおよび第五気体用配管３８Ｂが接続されており、第四気体用配管３８Ａは、冷却水加熱部３２に、第五気体用配管３８Ｂは、発熱部１２にそれぞれ接続されている。この三方弁３６の切替制御を行うことにより、水素およびアセトンの供給先を、発熱部１２および冷却水加熱部３２のいずれかに選択することができる。
【００５５】
水素およびアセトンが供給された冷却水加熱部３２では、発熱反応部において２−プロパノールを生成する発熱反応が起こり、発熱反応で生じた熱は、冷却水に供給され、冷却水を加熱する。また、水素とアセトンとが供給された発熱部１２では、発熱反応部２４において２−プロパノールを生成する発熱反応が起こり、生じた熱によって熱電変換モジュール２５による発電が行われる。その後、冷却水加熱部３２および発熱部１２で生じた２−プロパノールは、液体貯蔵タンク３７に搬送される。
【００５６】
本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２では、エンジン２の暖機状態および気体貯蔵タンク３４内における水素とアセトンとの貯蔵量に応じた制御を行っている。そのときの制御手順について説明する。図５は、本実施形態に係る排熱回収装置の制御手順を示すフローチャートである。
【００５７】
本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２では、温度センサ６で冷却水の温度ＴＥを検出し、制御装置７に出力している。制御装置７には、エンジン２の暖機が済んだ状態にある冷却水の判定温度Ｔ０が予め記憶されている。制御装置７では、温度センサ６から出力された冷却水の温度ＴＥと、暖機が済んだ冷却水の判定温度Ｔ０を比較する（Ｓ１）。
【００５８】
その結果、ＴＥ＞Ｔ０であると判断された場合には、エンジン２の暖機が済んでいると判断できるので、冷却水を加熱する必要はない。したがって、熱回収部１１で回収した熱は、発熱部１２に供給して、熱電変換モジュール２５における発電に利用するか、ヒートポンプ３０内で蓄えておく。
【００５９】
熱回収部１１で回収した熱を発熱部１２に供給し、またはヒートポンプ３０内に熱を蓄えるために、コンプレッサ３１をＯＮにする（Ｓ２）。コンプレッサ３１をＯＮにすることにより、熱回収部１１において吸熱反応で分解された水素およびアセトンがセパレータ１３および逆止弁３３を介して、気体貯蔵タンク３４に搬送される。
【００６０】
ここで、気体貯蔵タンク３４にはそれぞれ水素およびアセトンが貯蔵されている。貯蔵された水素およびアセトンはエンジン２の暖機が済んでいないときに、冷却水加熱部３２に熱を供給するために用いられる。したがって、気体貯蔵タンク３４内には、所定量の水素およびアセトンが貯蔵された状態としておくことが要求される。
【００６１】
そのため、水素およびアセトンを気体貯蔵タンク３４に搬送するにあたり、気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴを圧力センサで検出して、制御装置７に出力する。また、制御装置７には、冷却水を加熱するために必要な気体貯蔵タンク３４内の水素およびアセトンの量に対応する供給圧力Ｐ０が予め記憶されている。制御装置７では、気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴと、予め記憶された供給圧力Ｐ０とを比較する（Ｓ３）。
【００６２】
その結果、ＰＴ＞Ｐ０であると判断された場合には、三方弁３６を発熱部１２側に切り替え（Ｓ４）、続いてバルブ３５を開く（Ｓ５）。三方弁３６を発熱部１２側に切り替え、バルブ３５を開くことにより、気体貯蔵タンク３４内を供給圧力Ｐ０に維持したまま、余剰の水素およびアセトンが発熱部１２の発熱反応部２４に供給される。
【００６３】
発熱反応部２４では、水素およびアセトンが発熱反応を起こして２−プロパノールが生成される。この発熱反応で生じた熱により、熱電変換モジュール２５では、熱電交換が行われて発電する。また、発生した２−プロパノールは、２−プロパノール排出口２３から排出されて液体貯蔵タンク３７に搬送されて貯蔵される。このようにして、熱回収部１１で回収した熱により、発熱部１２で熱電交換による発電を行うことができる。
【００６４】
また、ステップＳ１において、ＴＥ＞Ｔ０でないと判断された場合には、エンジン２の暖機が済んでいないことになる。この場合には、冷却水に含まれる熱が少ないので、液体輸送ポンプ１７を停止させて熱回収部１１での熱の回収を行わず、冷却水加熱部３２に熱を供給する。冷却水加熱部３２に熱を供給するために、気体貯蔵タンク３４に貯蔵された水素およびアセトンを冷却水加熱部３２に供給する。そのために、三方弁３６を冷却水加熱部３２側に切り替え（Ｓ６）、バルブ３５を開く（Ｓ５）。
【００６５】
三方弁３６を冷却水加熱部３２側に切り替え、バルブ３５を開くことにより、冷却水加熱部３２に水素およびアセトンが供給される。冷却水加熱部３２では、供給された水素およびアセトンが発熱反応して２−プロパノールが生成される。このときに生じる熱により、冷却水を加熱することができる。こうして、冷却水を加熱することにより、エンジン２の暖機時間を早めることができる。
【００６６】
また、ステップＳ３において、ＰＴ＞Ｐ０でないと判断された場合には、気体貯蔵タンク３４には十分な量の水素およびアセトンが貯蔵されていないことになる。この場合には、バルブ３５を閉じて（Ｓ７）、気体貯蔵タンク３４内に水素およびアセトンを充填し、次にエンジン２を暖機する際に利用する熱を確保するために、水素およびアセトンを貯蔵しておく。
【００６７】
このように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ２では、エンジン２の暖機が十分でない場合には、冷却水を加熱することにより、エンジン２の暖機を早めることができる。また、エンジン２の暖機が完了した後は、ヒートポンプ３０を用いて高い温度の熱に変換して熱電変換モジュール２５に供給している。このため、熱電変換モジュール２５における熱電変換効率を高いものとすることができ、発電量を多くすることができる。
【００６８】
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。図６は、本発明の第三の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。本実施形態に係る排熱回収装置は、上記第一の実施形態と比較して、ヒートポンプおよびエンジン２から排出される排気ガスが流通する触媒の構成が異なり、その他の点については上記第一の実施形態と同様の構成を有している。
【００６９】
図６に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３は、ヒートポンプ４０を備えている。ヒートポンプ４０は、上記第二の実施形態と同様の、第一気体用配管１４に配置されたコンプレッサ３１を備えている。また、セパレータ１３と発熱部１２との間には、逆止弁３３、気体貯蔵タンク３４、バルブ３５、および三方弁３６が設けられている。
【００７０】
また、エンジン２には、エンジン２から排出される排気ガスが流通する図示しない排気流路が設けられており、この排気流路に、触媒収容部４１が設けられている。触媒収容部４１には、排気ガスを浄化する触媒および発熱部１２に設けられた発熱反応部２４と同様の発熱反応部が設けられている。触媒収容部４１における発熱反応部と三方弁３６との間には、第六気体用配管４２が設けられており、三方弁３６から排出される水素およびアセトンは、第六気体用配管４２を介して触媒収容部４１の発熱反応部に供給可能とされている。
【００７１】
触媒収容部４１における発熱反応部においては、水素とアセトンとが発熱反応して２−プロパノールを生成することができる。水素とアセトンとの発熱反応によって発生した熱は、触媒に伝熱される。触媒収容部４１における発熱反応部と液体貯蔵タンク３７との間には、第三液体用配管４３が設けられている。触媒収容部４１における発熱反応部で発生した２−プロパノールは、第三液体用配管４３を介して液体貯蔵タンク３７に搬送される。
【００７２】
また、触媒収容部４１には、触媒の温度を検出する温度センサ６が取り付けられている。温度センサ６は、触媒の温度検出し、検出した温度を制御装置７に出力している。
【００７３】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３においては、上記各実施形態と同様、エンジン２が作動すると、エンジン２を冷却するために、ラジエータ４で循環供給される冷却水がエンジン２に流入する。冷却水は、エンジン２を冷却するとともに、エンジン２の熱を受けてエンジン２から排出される。エンジン２から排出された冷却水は、第一流通管３Ａを流通し、続いて分岐管３Ｂまたはラジエータ４に流入する。分岐管３Ｂに流入した冷却水は、熱回収部１１に流入する。ここで、ラジエータ４と熱回収部１１とに分けられる冷却水の量は、切替バルブ５によって調整することができる。
【００７４】
また、エンジン２の運転に伴い、エンジン２からは排気ガスが排出される。排出された排気ガスは、排気流路を通じて触媒収容部４１における触媒を通過し、触媒によって浄化される。そして、浄化された排気ガスは、図示しないマフラーから車外に排出される。
【００７５】
ここで、排気ガスを浄化する触媒は、活性温度以上とならないと、浄化性能を十分に発揮できないものである。エンジン２の始動直後などでは、触媒の暖機が十分でなく、触媒が活性温度に到達していないことがあり、この場合には、触媒の浄化性能を十分に発揮できないことになる。
【００７６】
そこで、本実施形態に係る排熱回収装置では、上記第二の実施形態でエンジン２の暖機のために冷却水を加熱したのと同様にして、触媒の暖機を図る。その手順を説明すると、温度センサ６において、触媒収容部４１に収容された触媒の温度を検出し、制御装置７に出力する。制御装置７では、出力された触媒の温度と、予め記憶されて触媒活性温度とを比較する。
【００７７】
その結果、触媒の温度が触媒活性温度に到達しているときには、気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴと供給圧力Ｐ０とを比較し、ＰＴ＞Ｐ０であるときには、バルブ３５を開き、三方弁３６を発熱部１２側に切り替える。三方弁３６を発熱部１２側に切り替え、バルブ３５を開くことにより、気体貯蔵タンク３４内を供給圧力Ｐ０に維持したまま、余剰の水素およびアセトンが発熱部１２の発熱反応部２４に供給される。
【００７８】
また、ＰＴ＞Ｐ０でないときには、気体貯蔵タンク３４内の水素およびアセトンの量が少なく、触媒の暖機を行うために十分な水素およびアセトンの量が確保できないことがある。この場合には、バルブ３５を閉じて、気体貯蔵タンク３４に水素およびアセトンを貯蔵するようにする。
【００７９】
一方、触媒の温度が触媒活性温度に到達していないときには、バルブ３５を開くとともに、三方弁３６を触媒収容部４１側に切り替える。バルブ３５を開き、三方弁３６を触媒収容部４１側に切り替えることにより、気体貯蔵タンク３４に収容されている水素およびアセトンが触媒収容部４１における発熱反応部に供給される。
【００８０】
触媒収容部４１における発熱反応部では、供給された水素およびアセトンが発熱反応して２−プロパノールが生成される。このときに生じる熱により、触媒収容部４１に収容された触媒を暖機することができる。こうして、触媒を暖機することにより、触媒の温度が短時間で触媒活性温度に到達することができる。
【００８１】
このように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ３では、触媒収容部４１に収容された触媒の暖機が十分でない場合には、触媒収容部４１に水素およびアセトンを供給し、２−プロパノールを生成する際の発熱反応によって触媒を暖機することにより、触媒の暖機を早めることができる。また、触媒の暖機が完了した後は、ヒートポンプ４０を用いて高い温度の熱に変換して熱電変換モジュール２５に供給している。このため、熱電変換モジュール２５における熱電変換効率を高いものとすることができ、発電量を多くすることができる。
【００８２】
続いて、本発明の第四の実施形態について説明する。図７は、本発明の第四の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。本実施形態に係る排熱回収装置は、上記第二の実施形態と比較して、主にヒートポンプの構成が異なっており、その他の点については、同様の構成を有している。
【００８３】
図７に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４は、ヒートポンプ５０を備えている。ヒートポンプ５０における第一液体用配管１８には、三方弁５１が設けられている。三方弁５１は、第一液体用配管１８のほか、第四液体用配管５２が接続されており、第四液体用配管５２は、発熱部１２に接続されている。
【００８４】
また、発熱部１２とコンプレッサ３１との間には、第七気体用配管５３が設けられている。第七気体用配管５３には、発熱部１２から排出される水素とアセトンとの混合気体が流通する。さらに、発熱部１２には、図示しない電流供給部材を介してバッテリが接続されている。電流供給部材は、制御装置７に接続されており、制御装置７は、電流供給部材を制御することによりバッテリから発熱部１２に対して電流を供給させることができる。発熱部１２では、供給された電流が熱電変換モジュール２５を流れる。
【００８５】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４においては、上記各実施形態と同様、エンジン２が作動すると、エンジン２を冷却するために、ラジエータ４で循環供給される冷却水がエンジン２に流入する。冷却水は、エンジン２を冷却するとともに、エンジン２の熱を受けてエンジン２から排出される。エンジン２から排出された冷却水は、第一流通管３Ａを流通し、続いて分岐管３Ｂまたはラジエータ４に流入する。分岐管３Ｂに流入した冷却水は、熱回収部１１に流入する。ここで、ラジエータ４と熱回収部１１とに分けられる冷却水の量は、切替バルブ５によって調整することができる。
【００８６】
冷却水が流入した熱回収部１１では、２−プロパノールが水素とアセトンとに分解される吸熱を伴う脱水素反応が起こり、冷却水に含まれる熱を吸熱する。２−プロパノールが分解されて生成された水素とアセトンとの混合気体は、コンプレッサ３１によってセパレータ１３に供給される。セパレータ１３において、混合気体は水素とアセトンとに分離されて、それぞれ第二気体用配管１５および第三気体用配管１６を流れ、逆止弁３３を通過して気体貯蔵タンク３４に流入し、気体貯蔵タンク３４に貯蔵される。
【００８７】
ここで、気体貯蔵タンク３４に貯蔵される水素およびアセトンは、エンジン２の暖機が済んでいない状態のときに、冷却水加熱部３２に供給されるものである。ところが、たとえばエンジン２が停止する前に、冷却水が十分に暖機されていなかった場合には、次にエンジン２を運転する際に、気体貯蔵タンク３４に貯蔵される水素およびアセトンの量が少なくなっていることがある。気体貯蔵タンクに貯蔵される水素およびアセトンの量が少ないときにエンジン２を始動すると、冷却水加熱部３２に水素およびアセトンを十分に供給することができず、エンジン２の暖機に長時間を要してしまうことになる。
【００８８】
これに対して、本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４では、気体貯蔵タンク３４に貯蔵される水素およびアセトンの量が少ないときに、発熱部１２で水素およびアセトンを生成し、気体貯蔵タンク３４に供給するものである。そのために、発熱部１２には液体貯蔵タンク３７から２−プロパノールを供給する。また、発熱部１２における熱電変換モジュール２５に対して、バッテリから電流を供給する。
【００８９】
バッテリから電流を供給された熱電変換モジュール２５では、ペルチェ効果によって熱が発生する。ペルチェ効果によって発生した熱は、２−プロパノールに伝熱され、２−プロパノールは吸熱反応によって水素とアセトンとに分解される。こうして２−プロパノールが分解されて得られた水素およびアセトンは、第七気体用配管５３を介してコンプレッサ３１に供給され、セパレータ１３を経て気体貯蔵タンク３４に流入する。こうして、気体貯蔵タンク３４内の水素とアセトンとの量を増加させ、冷却水加熱部３２に供給する水素とアセトンとを確保することができる。
【００９０】
次に、本実施形態に係る排熱回収装置の制御手順について説明する。図８は、本実施形態に係る排熱回収装置の制御手順を示すフローチャートである。
【００９１】
本実施形態に係る排熱回収装置Ｍ４では、温度センサ６で冷却水の温度ＴＥを検出し、制御装置７に出力している。制御装置７には、エンジン２の暖機が済んだ状態にある冷却水の判定温度Ｔ０が予め記憶されている。制御装置７では、温度センサ６から出力された冷却水の温度ＴＥと、暖機が済んだ冷却水の判定温度Ｔ０を比較する（Ｓ１０）。
【００９２】
その結果、ＴＥ＞Ｔ０であると判断された場合には、エンジン２の暖機が済んでいると判断できるので、冷却水を加熱する必要はない。したがって、熱回収部１１で回収した熱は、発熱部１２に供給して、熱電変換モジュール２５における発電に利用するか、ヒートポンプ３０内で蓄えておく。
【００９３】
熱回収部１１で回収した熱を発熱部１２に供給し、またはヒートポンプ３０内に熱を蓄えるために、三方弁５１を熱回収部１１側に切り替え（Ｓ１１）、液体輸送ポンプ１７をＯＮにする（Ｓ１２）。さらに、コンプレッサ３１をＯＮにし（Ｓ１３）、熱回収部１１において吸熱反応で分解された水素およびアセトンをセパレータ１３および逆止弁３３を介して、気体貯蔵タンク３４に搬送する。
【００９４】
続いて、図示しない圧力計により、気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴを検出し制御装置７に出力する。制御装置７では、気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴと、予め記憶された供給圧力Ｐ０とを比較する（Ｓ１４）。その結果、ＰＴ＞Ｐ０であると判断された場合には、三方弁３６を発熱部１２側に切り替え（Ｓ１５）、続いてバルブ３５を開く（Ｓ１６）。
【００９５】
三方弁３６を発熱部１２側に切り替え、バルブ３５を開くことにより、気体貯蔵タンク３４内を供給圧力Ｐ０に維持したまま、余剰の水素およびアセトンが発熱部１２の発熱反応部２４に供給される。発熱反応部２４では、水素およびアセトンが発熱反応を起こして２−プロパノールが生成される。この発熱反応で生じた熱により、熱電変換モジュール２５では、熱電交換が行われて発電する。
【００９６】
また、ステップＳ１４において、ＰＴ＞Ｐ０でないと判断された場合には、気体貯蔵タンク３４には、十分な量の水素およびアセトンが貯蔵されていないことになる。この場合には、バルブ３５を閉じて（Ｓ２４）、熱回収部１１で生成された水素およびアセトンを気体貯蔵タンク３４に貯蔵する。
【００９７】
さらに、ステップＳ１０において、ＴＥ＞Ｔ０でないと判断された場合には、エンジン２の暖機が済んでいないことになる。この場合には、三方弁３６を冷却水加熱部３２側に切り替え（Ｓ１７）、バルブ３５を開く（Ｓ１８）。こうして、気体貯蔵タンク３４に貯蔵された水素およびアセトンを冷却水加熱部３２に供給する。冷却水加熱部３２では、水素とアセトンとが発熱反応して２−プロパノールを生成する。このときに発生する熱で冷却水が加熱される。
【００９８】
ところが、このとき、気体貯蔵タンク３４内の水素およびアセトンの残量が少ない場合には、冷却水加熱部３２に十分な水素およびアセトンを供給することができない。そこで、制御装置７では、残量が少ないと判定する判定内圧Ｐ１を予め記憶しておき、判定内圧Ｐ１と気体貯蔵タンク３４内の内圧ＰＴとを比較する（Ｓ１９）。
【００９９】
その結果、ＰＴ＞Ｐ１であると判断された場合には、気体貯蔵タンク３４内に十分な水素およびアセトンが貯蔵された状態にある。したがって、気体貯蔵タンク３４からそのまま水素およびアセトンを供給できるので、制御を終了して、気体貯蔵タンク３４から冷却水加熱部３２に水素およびアセトンを供給する。
【０１００】
一方、ＰＴ＞Ｐ１でないと判断された場合には、気体貯蔵タンク３４内に十分な水素およびアセトンが貯蔵されていない状態にある。この場合には、三方弁３６を発熱部１２側に切り替え（Ｓ２０）、液体輸送ポンプ１７をＯＮにして（Ｓ２１）、発熱部１２に２−プロパノールを供給する。
【０１０１】
続いて、図示しない電流供給部材を駆動して、熱電変換モジュール２５に対して、バッテリから電流を供給する（Ｓ２２）。電流を供給された熱電変換モジュール２５では、ペルチェ効果によって２−プロパノールに熱を与え、２−プロパノールは脱水素反応によって水素およびアセトンに分解される。
【０１０２】
さらに、コンプレッサ３１をＯＮにして（Ｓ２３）、発熱部１２で分解されて生成された水素およびアセトンをセパレータ１３および逆止弁３３を介して気体貯蔵タンク３４に供給する。こうして、気体貯蔵タンク３４に水素およびアセトンが十分に貯蔵されていない場合であっても、冷却水加熱部３２に水素およびアセトンを供給することができ。したがって、エンジン２の早期の暖機に寄与することができる。
【０１０３】
なお、本実施形態では、エンジン２の暖機をするために、発熱部１２で生成した水素およびアセトンを気体貯蔵タンク３４に供給しているが、上記第三の実施形態で示したような、触媒の浄化を行う場合でも、発熱部１２で生成した水素およびアセトンを気体貯蔵タンク３４に供給する態様とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】第一の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。
【図２】発熱部の一部破断正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】第二の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。
【図５】第二の実施形態に係る排熱回収装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】第三の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。
【図７】第四の実施形態に係る排熱回収装置の構成図である。
【図８】第四の実施形態に係る排熱回収装置の制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０５】
２…エンジン、３…冷却水流通管、３Ｂ…分岐管、３Ａ…第一流通管、３Ｃ…第二流通管、３Ｄ…第三流通管、４…ラジエータ、５…切替バルブ、６…温度センサ、７…制御装置、１０，３０，４０，５０…ヒートポンプ、１１…熱回収部、１２…発熱部、１３…セパレータ、１４，１５，１６，３８Ａ，３８Ｂ，４２，５３…気体用配管、１７…液体輸送ポンプ、１８，３９，４３，５２…第一液体用配管、２０…筐体、２１…水素流入口、２２…アセトン流入口、２３…プロパノール排出口、２４…発熱反応部、２５…熱電変換モジュール、２６…冷却風通路、２７…モジュール冷却用フィン、２８…反応熱回収用フィン、３１…コンプレッサ、３２…冷却水加熱部、３３…逆止弁、３４…気体貯蔵タンク、３５…バルブ、３６…三方弁，５１、３７…液体貯蔵タンク、Ｍ１〜Ｍ４…排熱回収装置。
【図１】
2005264871.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005264871.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005264871.tif 000007
【図６】
2005264871.tif 000008
【図７】
2005264871.tif 000009
【図８】
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