(57)【要約】【課題】複数の熱電モジュールを備える熱電発電システムにおけるシステム全体の発電量を向上させること。【解決手段】内燃機関から排出される排気ガスと冷却系から供給される冷却液との温度差を利用して熱電素子により発電を行う熱電モジュールを複数有する熱電発電システムであって、排気ガスの流れる方向に沿って、内燃機関に近い上流側から内燃機関から遠い下流側に設けられ、電気的に直列に接続された複数の熱電モジュールと、上流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第１の冷却系と、下流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第２の冷却系とを備え、第２の冷却系の温度が第１の冷却系の温度よりも低い、熱電発電システムが提供される。【選択図】図１
2016144274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスと冷却系から供給される冷却液との温度差を利用して熱電素子により発電を行う熱電モジュールを複数有する熱電発電システムであって、
前記排気ガスの流れる方向に沿って、前記内燃機関に近い上流側から前記内燃機関から遠い下流側に設けられ、電気的に直列に接続された複数の熱電モジュールと、
前記上流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第１の冷却系と、
前記下流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第２の冷却系と
を備え、
前記第２の冷却系の温度が前記第１の冷却系の温度よりも低い、
熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関から排出される排気ガスと冷却系から供給される冷却液との間に熱電素子を設け、熱電素子の両端に与えられる排気ガスと冷却液との温度差を利用して発電を行う熱電モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５０６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排気ガスの流れる方向に沿って、内燃機関に近い上流側から内燃機関から遠い下流側に熱電モジュールを直列に接続する場合、排気ガスにより上流側の熱電素子に与えられる温度と排気ガスにより下流側の熱電素子に与えられる温度とに差が生じる。
【０００５】
このため、上流側の熱電素子の両端の温度差と下流側の熱電素子の両端の温度差との間に差異が生じる。結果として、熱電モジュール間の発電量に差異が生じ、複数の熱電モジュールを備える熱電発電システムにおけるシステム全体の発電量が低下することがある。
【０００６】
そこで、本発明の一つの案では、複数の熱電モジュールを備える熱電発電システムにおけるシステム全体の発電量を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの案では、内燃機関から排出される排気ガスと冷却系から供給される冷却液との温度差を利用して熱電素子により発電を行う熱電モジュールを複数有する熱電発電システムであって、前記排気ガスの流れる方向に沿って、前記内燃機関に近い上流側から前記内燃機関から遠い下流側に設けられ、電気的に直列に接続された複数の熱電モジュールと、前記上流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第１の冷却系と、前記下流側に設けられた熱電モジュールの熱電素子を冷却する第２の冷却系とを備え、前記第２の冷却系の温度が前記第１の冷却系の温度よりも低い、熱電発電システムが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
一態様によれば、複数の熱電モジュールを備える熱電発電システムにおけるシステム全体の発電量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電発電システムの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの概略平面図である。
【図３】図２に示す熱電モジュールのＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る熱電発電システムにおける電力−電流特性を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１１】
（熱電発電システムの全体構成）
本発明の一実施形態に係る熱電発電システムの全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る熱電発電システムの概略構成図である。なお、図１における破線白抜き矢印は、排気ガスの流れる方向を示す。
【００１２】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１は、複数の熱電モジュール１０と、複数の熱電モジュール１０の各々に接続される複数の冷却系２０と、排気管３０と、電圧変換器４０と、バッテリ５０とを備える。
【００１３】
複数の熱電モジュール１０は、排気ガスの流れる方向（図１の左方向から右方向）に沿って、内燃機関に近い上流側（以下、単に「上流側」ともいう。）から内燃機関から遠い下流側（以下、単に「下流側ともいう。」）に設けられている。また、複数の熱電モジュール１０の各々は、配線６０を介して電気的に直列に接続されている。複数の熱電モジュール１０の数については、２つ以上であればよく、特に限定されるものではない。
【００１４】
図１の構成例では、上流側から下流側へ第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃがこの順に設けられている。第１の熱電モジュール１０ａと第２の熱電モジュール１０ｂ、及び第２の熱電モジュール１０ｂと第３の熱電モジュール１０ｃとは配線６０を介して電気的に直列に接続されている。
【００１５】
第１の熱電モジュール１０ａは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電素子を有する。熱電素子については後述する。第１の熱電モジュール１０ａは、第１の冷却系２０ａと接続されている。
【００１６】
第１の冷却系２０ａは、冷却液ポンプ２１ａと、冷却液ラジエータ２２ａと、冷却液配管２３ａとを有する。冷却液ポンプ２１ａは、冷却液配管２３ａに第１の冷却液が循環するように第１の冷却液を供給する。冷却液ラジエータ２２ａは、冷却液配管２３ａの経路上に設けられており、第１の熱電モジュール１０ａで加熱された第１の冷却液を内部に流し、周囲の空気や水に熱伝導を利用して放熱する熱交換器である。
【００１７】
第１の冷却系２０ａとしては、第１の熱電モジュール１０ａを冷却するための専用の冷却系であってもよく、内燃機関の冷却に用いられる冷却系を用いてもよい。第１の冷却液としては、特に限定されないが、例えば水が用いられる。
【００１８】
第２の熱電モジュール１０ｂは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電素子を有する。第２の熱電モジュール１０ｂは、排気ガスの流れる方向に沿って、第１の熱電モジュール１０ａよりも内燃機関から遠い下流側に設けられている。また、第２の熱電モジュール１０ｂは、第２の冷却系２０ｂと接続されている。
【００１９】
第２の冷却系２０ｂは、冷却液ポンプ２１ｂと、冷却液ラジエータ２２ｂと、冷却液配管２３ｂとを有する。冷却液ポンプ２１ｂは、冷却液配管２３ｂに第２の冷却液が循環するように第２の冷却液を供給する。冷却液ラジエータ２２ｂは、冷却液配管２３ｂの経路上に設けられており、第２の熱電モジュール１０ｂで加熱された第２の冷却液を内部に流し、周囲の空気や水に熱伝導を利用して放熱する熱交換器である。
【００２０】
第２の冷却系２０ｂとしては、第２の熱電モジュール１０ｂを冷却するための専用の冷却系であってもよく、過給用インタークーラーの冷却系を用いてもよい。第２の冷却液としては、第１の冷却液よりも低温の冷却液が用いられる。
【００２１】
第３の熱電モジュール１０ｃは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電素子を有する。第３の熱電モジュール１０ｃは、排気ガスの流れる方向に沿って、第２の熱電モジュール１０ｂよりも内燃機関から遠い下流側に設けられている。また、第３の熱電モジュール１０ｃは、第３の冷却系２０ｃと接続されている。
【００２２】
第３の冷却系２０ｃは、冷却液ポンプ２１ｃと、冷却液ラジエータ２２ｃと、冷却液配管２３ｃとを有する。冷却液ポンプ２１ｃは、冷却液配管２３ｃに第３の冷却液が循環するように第３の冷却液を供給する。冷却液ラジエータ２２ｃは、冷却液配管２３ｃの経路上に設けられており、第３の熱電モジュール１０ｃで加熱された第３の冷却液を内部に流し、周囲の空気や水に熱伝導を利用して放熱する熱交換器である。
【００２３】
第３の冷却系２０ｃとしては、第３の熱電モジュール１０ｃを冷却するための専用の冷却系であってもよく、ハイブリッドインバータ用の冷却系を用いてもよい。第３の冷却液としては、第２の冷却液よりも低温の冷却液が用いられる。
【００２４】
排気管３０は、一端が内燃機関と接続され、内燃機関から排出される排気ガスを他端から外部へと排気する排気ガスの流路を構成する管である。図１の構成例では、排気管３０の左方向に内燃機関が設けられており、排気ガスは、図１中の左方向から右方向へと流れる。
【００２５】
具体的には、内燃機関から排出された排気ガスは、第１の熱電モジュール１０ａが設けられた領域を通過する際、第１の熱電モジュール１０ａと熱交換することにより降温される。そして、第１の熱電モジュール１０ａが設けられた領域を通過した排気ガスは、第２の熱電モジュール１０ｂが設けられた領域を通過する際、第２の熱電モジュール１０ｂと熱交換することにより降温される。そして、第２の熱電モジュール１０ｂが設けられた領域を通過した排気ガスは、第３の熱電モジュール１０ｃが設けられた領域を通過する際、第３の熱電モジュール１０ｃと熱交換することにより降温される。
【００２６】
このため、排気ガスにより第２の熱電モジュール１０ｂの熱電素子に与えられる温度は、排気ガスにより第１の熱電モジュール１０ａの熱電素子に与えられる温度よりも低い。また、排気ガスにより第３の熱電モジュール１０ｃの熱電素子に与えられる温度は、排気ガスにより第２の熱電モジュール１０ｂの熱電素子に与えられる温度よりも低い。
【００２７】
すなわち、排気ガスにより第１の熱電モジュール１０ａの熱電素子に与えられる温度と、排気ガスにより第２の熱電モジュール１０ｂに与えられる温度と、排気ガスにより第３の熱電モジュール１０ｃに与えられる温度との間に差異が生じる。
【００２８】
電圧変換器４０は、配線６０を介して第３の熱電モジュール１０ｃ及びバッテリ５０と電気的に接続されている。電圧変換器４０は、電気的に直列に接続された複数の熱電モジュール１０から供給される電気エネルギーを所定電圧まで昇圧した後、昇圧された電気エネルギーをバッテリ５０に供給する変換器である。電圧変換器４０としては、特に限定されるものではないが、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができる。
【００２９】
バッテリ５０は、配線６０を介して第１の熱電モジュール１０ａ及び電圧変換器４０と電気的に接続されている。バッテリ５０は、電圧変換器４０から供給された電気エネルギーを充電可能な二次電池である。バッテリ５０としては、特に限定されるものではないが、例えばニッケル水素蓄電池、リチウムイオン二次電池を用いることができる。
【００３０】
（熱電モジュールの構成）
本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１の熱電モジュール１０について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの概略平面図である。図３は、図２に示す熱電モジュールのＡ−Ａ線断面図である。
【００３１】
図２に示すように、第１の熱電モジュール１０ａには、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２種類の熱電素子（第１の熱電素子１１、第２の熱電素子１２）が複数個ずつ設けられており、２種類の熱電素子は交互に電気的に直列に接続されている。２種類の熱電素子としては、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を用いることができるが、大きな起電力を発生させることができるという観点から、ｐ型半導体及びｎ型半導体を用いることが好ましい。
【００３２】
第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２は、一端が排気管３０内部と接するように配置されており、一端を排気ガスによって加熱される。また、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２は、他端が冷却液配管２３ａと接するように配置されており、他端を第１の冷却液によって冷却される。これにより、第１の熱電素子１１の内部及び第２の熱電素子１２の内部に温度差が生じ、この温度差に基づいて第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２に起電力が発生する。また、第１の熱電素子１１の内部及び第２の熱電素子１２の内部に生じる温度差が大きいほど得られる第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２に発生する起電力は大きくなる。
【００３３】
第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃには、第１の熱電モジュール１０ａと同様に、２種類の熱電素子が複数個ずつ設けられており、２種類の熱電素子は交互に直列に接続されている。２種類の熱電素子としては、第１の熱電モジュール１０ａに設けられている熱電素子と同様のものを用いることができる。
【００３４】
（作用・効果）
本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１の作用・効果について、図４を参照しながら説明する。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態に係る熱電発電システムにおける電力−電流特性を説明するためのグラフである。なお、図４における縦軸は電力Ｐを表し、横軸は電流Ｉを表す。また、図４における実線は第１の熱電モジュール１０ａの電力Ｐ−電流Ｉ曲線を表し、破線は第２の熱電モジュール１０ｂの電力Ｐ−電流Ｉ曲線を表し、点線は第３の熱電モジュール１０ｃの電力Ｐ−電流Ｉ曲線を表す。
【００３６】
本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１は、排気ガスの流れる方向に沿って、内燃機関に近い上流側から内燃機関から遠い下流側に第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃが電気的に直列に接続されている。また、第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃには、各々第１の冷却系２０ａ、第２の冷却系２０ｂ及び第３の冷却系２０ｃが接続されている。そして、第２の冷却系２０ｂの温度は第１の冷却系２０ａの温度よりも低く、第３の冷却系２０ｃの温度は第２の冷却系２０ｂの温度よりも低い。
【００３７】
すなわち、本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１では、第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃが接する排気ガスの温度は、この順に低くなる。また、本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１では、第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃが冷却液と接する温度は、排気ガスの場合と同様に、この順に低くなる。
【００３８】
このため、第１の熱電モジュール１０ａの複数の熱電素子に与えられる温度差と、第２の熱電モジュール１０ｂの複数の熱電素子に与えられる温度差と、第３の熱電モジュール１０ｃの複数の熱電素子に与えられる温度差との間の差異が小さくなる。
【００３９】
その結果、図４に示すように、第１の熱電モジュール１０ａにおける最大電力が得られるときの電流値Ｉｍ１と、第２の熱電モジュール１０ｂにおける最大電力が得られるときの電流値Ｉｍ２と、第３の熱電モジュール１０ｃにおける最大電力が得られるときの電流値Ｉｍ３の差異が小さくなる。
【００４０】
ところで、複数の熱電モジュール１０が電気的に直列接続されている場合、複数の熱電モジュール１０の各々を流れる電流値は一定となるため、複数の熱電モジュール１０の各々を最大電力が得られるときの電流値で動作させることが困難である。
【００４１】
しかしながら、本発明の一実施形態に係る熱電発電システム１では、第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃにおける最大電力が得られるときの電流値Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｍ３の差異が小さい。このため、最大電力が得られるときの電流値近傍で、第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃを動作させることができる。
【００４２】
図４のグラフの例では、例えば第１の熱電モジュール１０ａ、第２の熱電モジュール１０ｂ及び第３の熱電モジュール１０ｃを、各々、最大電力が得られるときの電流値近傍である点Ｐ１、Ｐ２及びＰ３で動作させることができる。結果として、複数の熱電モジュール１０を備える熱電発電システム１におけるシステム全体の発電量を向上させることができる。
【００４３】
以上、熱電発電システム１を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１          熱電発電システム
１０        熱電モジュール
１０ａ      第１の熱電モジュール
１０ｂ      第２の熱電モジュール
１０ｃ      第３の熱電モジュール
１１，１２  熱電素子
２０        冷却系
２０ａ      第１の冷却系
２０ｂ      第２の冷却系
２０ｃ      第３の冷却系
３０        排気管
６０        配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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