(57)【要約】【課題】熱電回収装置において、排気ガスから熱電変換素子への熱伝達量を抑制する。【解決手段】内燃機関１の排気管２の外周面２ａ上に設けられ、熱電変換素子１１ｂを含む熱電変換モジュール１１と、排気管２の内部に設けられた内管１２と、排気管２と内管１２の間に形成される主流路１３と、内管１２の内部に形成されるバイパス流路１５と、バイパス流路１５に設けられ、内燃機関１の高負荷運転時に開弁するバイパス弁１４とを備える。【選択図】図１
2016211387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管の外周面上に設けられ、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの半径方向内側に位置する排気管の内部に設けられた内管と、
前記排気管と前記内管の間に形成される主流路と、
前記内管の内部に形成されるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、前記内燃機関の高負荷運転時に開弁するバイパス弁と、を備えた
ことを特徴とする熱電回収装置。
【請求項２】
内燃機関の排気管の外周面上に設けられ、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの半径方向内側に位置する排気管の内部に設けられた内管と、
前記排気管と前記内管の間に形成される主流路と、
前記内管の内部に形成されるバイパス流路と、
前記排気管内の排気の温度を検出する排気温度センサと、
前記バイパス流路に設けられ、前記排気温度センサにより検出された排気温度が予め設定された上限温度より高いときに開弁するバイパス弁と、を備えた
ことを特徴とする熱電回収装置。
【請求項３】
前記バイパス弁は、前記バイパス流路の上流側の前記内管の開口部に設けられ、
前記熱電変換モジュールが設けられる前記排気管の部分は、その部分の上流側に位置する上流側排気管よりも拡径して形成された拡径部からなり、
前記上流側排気管と前記拡径部との間には、前記上流側排気管から前記拡径部にかけて滑らかに拡径された拡径テーパ部が形成された
請求項１または２に記載の熱電回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電変換素子の研究が行われている。例えば、熱電変換素子を含む熱電変換モジュールを内燃機関の排気管の外周面上に実装する場合、排気温度が所定の下限温度以上で且つ所定の上限温度以下のときに、熱電変換素子は一定以上の変換効率を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２１４３２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、この熱電変換素子は半導体素子からなるため、耐熱温度がそれ程高くない。したがって、排気温度が前記の上限温度を超えるような内燃機関の高負荷運転時には、高温の排気ガスによって熱電変換素子の温度が過剰に上昇し、熱電変換素子の寿命や変換効率が低下する問題がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、排気ガスから熱電変換素子への熱伝達量を抑制することができる熱電回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る熱電回収装置は、内燃機関の排気管の外周面上に設けられ、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの半径方向内側に位置する排気管の内部に設けられた内管と、前記排気管と前記内管の間に形成される主流路と、前記内管の内部に形成されるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記内燃機関の高負荷運転時に開弁するバイパス弁と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る熱電回収装置は、内燃機関の排気管の外周面上に設けられ、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を含む熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの半径方向内側に位置する排気管の内部に設けられた内管と、前記排気管と前記内管の間に形成される主流路と、前記内管の内部に形成されるバイパス流路と、前記排気管内の排気の温度を検出する排気温度センサと、前記バイパス流路に設けられ、前記排気温度センサにより検出された排気温度が予め設定された上限温度より高いときに開弁するバイパス弁と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記バイパス弁は、前記バイパス流路の上流側の前記内管の開口部に設けられ、前記熱電変換モジュールが設けられる前記排気管の部分は、その部分の上流側に位置する上流側排気管よりも拡径して形成された拡径部からなり、前記上流側排気管と前記拡径部との間には、前記上流側排気管から前記拡径部にかけて滑らかに拡径された拡径テーパ部が形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る熱電回収装置では、排気ガスから熱電変換素子への熱伝達量を抑制することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電回収装置を含む内燃機関の全体構成図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施形態に係る熱電回収装置の拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る熱電回収装置を含む内燃機関の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態に係る熱電回収装置を説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る熱電回収装置について、図１及び２に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る熱電回収装置を含む内燃機関の全体構成図である。
【００１４】
図１において、内燃機関１には、各気筒１ａから排出される排気を集合させる排気マニホールド１ｂが設けられている。排気管２は、この排気マニホールド１ｂに接続され、排気マニホールド１ｂからの排気を下流に流して大気に放出する管である。
【００１５】
熱電回収装置１０は、排気管２の途中に配置され、排気管２の外周面２ａ上に設けられた熱電変換モジュール１１と、熱電変換モジュール１１の半径方向内側に位置する排気管２の内部に設けられた内管１２とを備える。
【００１６】
排気管２と内管１２の間には、上流からの排気が下流に流れる主流路１３が形成される。また、内管１２の内部には、上流からの排気が主流路１３を迂回して下流に流れるバイパス流路１５が形成される。バイパス流路１５の上流端、即ち内管１２の上流側の開口部１２ａにはバイパス弁１４（バタフライ弁）が設けられており、バイパス弁１４が開弁するとバイパス流路１５が開かれ、バイパス弁１４が閉弁するとバイパス流路１５が閉じられる。バイパス弁１４は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）２０と電気的に接続され、ＥＣＵ２０の電子制御により開閉動作が行われる。
【００１７】
ＥＣＵ２０には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ２１と、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２２とを含む各種センサが電気的に接続され、これら各種センサの検出値が入力される。
【００１８】
また、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態を判定する運転状態判定部２０ａと、バイパス弁１４の開閉動作を制御するバイパス弁制御部２０ｂとを一部の機能要素として有する。
【００１９】
運転状態判定部２０ａは、エンジン回転数センサ２１によって検出されたエンジン回転数と、アクセル開度センサ２２によって検出されたアクセル開度に基づいて、所定のマップ（不図示）を参照することで、内燃機関１の運転状態が高負荷運転状態であるか、低負荷運転状態であるか、或いは中負荷運転状態であるかを判定する。バイパス弁制御部２０ｂは、運転状態判定部２０ａにおいて内燃機関１が高負荷運転状態であると判定されたときは、バイパス弁１４を開弁する信号をバイパス弁１４に送信し、高負荷運転状態でない（即ち、低負荷または中負荷運転状態である）と判定されたときは、バイパス弁１４を閉弁する信号をバイパス弁１４に送信する。
【００２０】
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る熱電回収装置１０の拡大断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、熱電変換モジュール１１は、排気管２の外周面２ａ上に取り付けられた伝熱部材としての伝熱板１１ａを設けると共に、伝熱板１１ａ上に排気管２の軸方向に沿って複数のＮ型素子ｎ及びＰ型素子ｐが交互に配設されたπ型熱電変換モジュールである。
【００２２】
より詳しくは、熱電変換素子１１ｂは、一対のＮ型素子ｎ及びＰ型素子ｐからなり、Ｎ型素子ｎとＰ型素子ｐは、排気管２の半径方向外側の電極（外側電極１１ｃ）によって接続される。また、隣合う熱電変換素子１１ｂ同士は、排気管２の半径方向内側の電極（内側電極１１ｄ）によって接続される。外側電極１１ｃの更に外側には、熱電変換素子１１ｂの熱を放熱する放熱基盤（不図示）が設けられ、伝熱板１１ａと内側電極１１ｄとの間には、伝熱板１１ａからの熱を受け取る受熱基盤（不図示）が設けられる。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール１１は、排気管２の外周面２ａの周方向に複数設けられている。なお、熱電変換モジュール１１は、排気管２の外周面２ａに取り付けられたモジュールケース１１ｅに収容され、これにより熱電変換素子１１ｂが雨水や塵埃から保護される。
【００２４】
熱電変換素子１１ｂは、排気管２と伝熱板１１ａと受熱基盤とを介して主流路１３を流れる排気から熱エネルギーを受け取り、電気エネルギーに変換する。また、このように排気管２に実装された熱電変換モジュール１１は、排気温度が所定の下限温度（例えば、３００度）以上で且つ所定の上限温度（例えば、６００度）以下の場合に所望する（例えば、８％程の）変換効率が達成される。
【００２５】
熱電変換モジュール１１で生じた電力は、リード線（不図示）を介してバッテリー３０（図１を参照）に送られ、バッテリー３０にて充電される。
【００２６】
内管１２は、拡径部２ｄと軸方向の長さが等しい円筒形の管であり、内管１２の外周面１２ａ等に取り付けられた固定部材（不図示）によって、排気管２の内周壁面２ｆと接続されて固定される。
【００２７】
また、内管１２は、排気管２と同軸に配置され、内管１２の径は、主流路１３の流路面積と上流側排気管２ｂ及び下流側排気管２ｃの流路面積が同じとなるように設定される。なお、内管１２の径は、主流路１３とバイパス流路１５の流路面積が等しいか、主流路１３の流路面積がバイパス流路１５の流路面積より大きくなるように設定されることが好ましい。
【００２８】
熱電変換モジュール１１が設けられる排気管２の部分は、図２（ａ）に示すように、その上流側に位置する上流側排気管２ｂ及び下流側に位置する下流側排気管２ｃよりも拡径して形成された拡径部２ｄからなる。
【００２９】
また、排気管２は、上流側排気管２ｂから拡径部２ｄにかけて滑らかに拡径されて形成された拡径テーパ部２ｅと、拡径部２ｄから下流側排気管２ｃにかけて滑らかに縮径されて形成された縮径テーパ部２ｆとを有する。
【００３０】
バイパス弁１４は、回転軸１４ａと、回転軸１４ａにネジ等で取り付けられた回転弁体１４ｂとを備える。回転軸１４ａは、内管１２の壁面に形成された軸受孔１５ａに回転自在に且つ気密に支持される。また、回転軸１４ａの一端は、排気管２の壁面に形成された挿通孔１５ｂに回転自在に且つ気密に挿通され、排気管２の外へ突出する。
【００３１】
この回転軸１４ａの突出部分には、回転弁体１４ｂの開閉動作を行うアクチュエータ２３が接続される。また、アクチュエータ２３には、ＥＣＵ２０のバイパス弁制御部２０ｂから送信される信号が入力される。
【００３２】
次に、本実施形態の熱電回収装置１０における作用及び効果を述べる。
【００３３】
図１において、運転状態判定部２０ａは、内燃機関１の運転状態が高負荷運転状態であるか否か判定する。
【００３４】
バイパス弁制御部２０ｂは、運転状態判定部２０ａにおいて内燃機関１が高負荷運転状態でないと判定されたときは、バイパス弁１４を閉弁する信号をバイパス弁１４のアクチュエータ２３に送信する。
【００３５】
これにより、アクチュエータ２３はバイパス弁１４の閉弁動作を行う。この結果、排気管２の上流側排気管２ｂからの排気は、バイパス流路１５に流れず、主流路１３のみに全流通過することになる（図２（ａ）の実線矢印）。
【００３６】
ここで、前記の通り、排気管２に実装された熱電変換モジュール１１は、排気温度が所定の下限温度以上で且つ所定の上限温度以下の場合に所望の変換効率が達成するが、上限温度を超えると、熱電変換素子１１ｂの温度がその耐熱温度（例えば、６００度）を上回り、熱電変換素子１１ｂの寿命や変換効率が低下する虞がある。
【００３７】
内燃機関１が高負荷運転状態でない（即ち、低負荷または中負荷運転状態である）ときは、排気温度が高くないため、上流側排気管２ｂからの排気が主流路１３のみを全流通過しても、熱電変換モジュール１１にて所望の変換効率が得られる。
【００３８】
一方、バイパス弁制御部２０ｂは、運転状態判定部２０ａにおいて内燃機関１が高負荷運転状態であると判定されたときは、バイパス弁１４を開弁する信号をバイパス弁１４のアクチュエータ２３に送信する。
【００３９】
これにより、アクチュエータ２３はバイパス弁１４の開弁動作を行う。この結果、上流側排気管２ｂからの排気は、主流路１３及びバイパス流路１５を通過することになる（図２（ａ）の実線矢印及び点線矢印）。
【００４０】
主流路１３及びバイパス流路１５が同一の流路面積となるように形成されている場合には、主流路１３を通過する排気流量Ｆは２分の１に減少される。また、この場合、エンジン回転数が同じであれば、主流路１３を通過する排気流速Ｓも２分の１に減少される。
【００４１】
ここで、熱伝達量Ｑは、排気温度Ｔと排気流量Ｆと排気流速Ｓに比例するので、排気温度Ｔが同じであれば、主流路１３から熱電変換モジュール１１へ伝わる熱伝達量Ｑは４分の１に抑制される。
【００４２】
従って、内燃機関１の高負荷運転時において、主流路１３を通過する排気の温度が前記の上限温度を超えたとしても、熱電変換モジュール１１へ伝わる熱伝達量Ｑが抑制されるので、熱電変換素子１１ｂが前記の耐熱温度を超えることはない。
【００４３】
以上、本実施形態に係る熱電回収装置１０によれば、内燃機関１の高負荷運転時に開弁するバイパス弁１４とを備えたことにより、内燃機関１の高負荷運転時には、熱電変換モジュール１１へ伝わる熱伝達量Ｑを抑制することが可能になる。
【００４４】
また、内燃機関１の高負荷運転時に、熱電変換モジュール１１へ伝わる熱伝達量Ｑが抑制されることにより、熱電変換素子１１ｂの寿命や変換効率の低下を抑制することが可能になる。
【００４５】
更に、内燃機関１の高負荷運転状態、低負荷または中負荷運転状態のいずれのときにも排気が主流路１３を通過させることができるので、内燃機関１の運転状態に拘わらず、常に高い熱電変換効率が達成され、内燃機関１の燃費向上につながる。
【００４６】
他方、バイパス弁１４は、バイパス流路１５の上流側の開口部１２ａに設けられ、且つ、上流側排気管２ｂから拡径部２ｄにかけて滑らかに拡径された拡径テーパ部２ｅが形成されているので、バイパス弁１４が閉弁された状態では、図２（ａ）の実線矢印で示すように、上流側排気管２ｂから主流路１３へ排気を滑らかに流すことができる。即ち、バイパス弁１４がより下流側（例えば、内管１２内部の下流側開口部）に設けられた場合には、排気管２の上流側から内管１２内部へ排気の一部が流入し、それが上流側に跳ね返るので上流側排気管２ｂから主流路１３へ流れる、排気の流れが遮られ、或いは乱されることになる。この結果、エンジンの排気抵抗が上昇して、エンジン出力が低下する虞がある。しかし、本実施形態の熱電回収装置１０によれば、そのような問題は生じない。
【００４７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る内燃機関１の熱電回収装置４０について、図２及び３に基づいて説明する。本実施形態は、第１実施形態と後述する構成が異なるのみで他の部分は同じなので、同一の構成要素については図中同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００４８】
図３は、本実施形態に係る内燃機関１の熱電回収装置４０を表す図である。図３に示すように、熱電回収装置４０は、排気管２に排気管２内の排気温度を検出する排気温度センサ５１を備える。排気温度センサ５１によって検出された排気温度は、電気的に接続されたＥＣＵ５０に送信される。ＥＣＵ５０は、排気温度判定部５０ａと、バイパス弁１４の開閉動作を制御するバイパス弁制御部５０ｂとを一部の機能要素として有する。
【００４９】
排気温度判定部５０ａは、排気温度センサ５１によって検出された排気温度が予め設定された上限温度（例えば、６００度）よりも高いか否かを判定する。
【００５０】
バイパス弁制御部５０ｂは、排気温度判定部５０ａにおいて、排気温度センサ５１によって検出された検出温度が上限温度以下であると判定されたときは、バイパス弁１４を閉弁する信号をバイパス弁１４のアクチュエータ２３に送信する。
【００５１】
一方、バイパス弁制御部５０ｂは、排気温度判定部５０ａにおいて、排気温度センサ５１によって検出された排気温度が上限温度を超えたと判定されたときは、バイパス弁１４を開弁する信号をバイパス弁１４のアクチュエータ２３に送信する。
【００５２】
以上、本実施形態に係る熱電回収装置４０によれば、排気温度センサ５１により検出された検出温度が予め設定された上限温度高いときに開弁するバイパス弁１４とを備えたことにより、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００５３】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１  内燃機関
２  排気管
２ａ  外周面
１０  熱電回収装置
１１  熱電変換モジュール
１２  内管
１３  主流路
１４  バイパス弁
１５  バイパス流路
２０  ＥＣＵ
【図１】
2016211387.tif 000003
【図２】
2016211387.tif 000004
【図３】
2016211387.tif 000005