(57)【要約】【課題】排出ガスから潤滑油への伝熱効率を向上できる熱電暖機装置を提供する。【解決手段】通電により第１の面８３と第２の面８４との間で温度差を形成する熱電変換素子８０と、冷却水Ｗを流通させる冷却水管６１及び潤滑油Ｏを流通させる潤滑油管６２を有し、加熱された冷却水Ｗの熱により潤滑油Ｏを加熱可能なウォーマ６０と、排出ガスＧの熱を伝熱して熱交換可能にする排気熱交換器７０と、を備え、熱電変換素子８０の第１の面８３とウォーマ６０とは熱伝導可能に接触して設けられると共に、熱電変換素子８０の第２の面８４と排気熱交換器７０とは熱伝導可能に接触して設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により第１の面と第２の面との間で温度差を形成する熱電変換素子と、
冷却水を流通させる冷却水管及び潤滑油を流通させる潤滑油管を有し、加熱された前記冷却水の熱により前記潤滑油を加熱可能な第１の熱交換器と、
排出ガスの熱を伝熱して熱交換可能にする第２の熱交換器と、を備え、
前記熱電変換素子の前記第１の面と前記第１の熱交換器とは熱伝導可能に接触して設けられると共に、前記熱電変換素子の前記第２の面と前記第２の熱交換器とは熱伝導可能に接触して設けられる、熱電暖機装置。
【請求項２】
暖機運転の際に、前記熱電変換素子に接続されたバッテリによって前記熱電変換素子に通電することにより、前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器への伝熱量を増加する、請求項１に記載の熱電暖機装置。
【請求項３】
前記暖機運転の後に、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との温度差によって前記熱電変換素子で発電する、請求項２に記載の熱電暖機装置。
【請求項４】
請求項１乃至３までのいずれか１項に記載の熱電暖機装置と、
前記潤滑油管を開閉可能な開閉弁と、を備える、車両用駆動装置。
【請求項５】
内燃エンジンによって駆動される変速機構を備え、
前記冷却水は前記内燃エンジンを冷却し、前記潤滑油は前記変速機構を潤滑する、請求項４に記載の車両用駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両に搭載される熱電暖機装置及び車両用駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃エンジンの排気管の外面に熱電変換素子を設けて、排出ガスの熱を利用して発電を行う熱電発電装置が知られている。このような熱電発電装置では、熱電変換素子において温度差を確保するために、高温の排出ガスと低温の冷却水とを利用することがある。このために、排気管と冷却水管とを近接して配置し、排気管と冷却水管との間に熱電変換素子を接触させて挟んで設ける熱電発電装置が開発されている（特許文献１参照）。この熱電発電装置では、低温側に冷却水を利用しているので、冷却水は排出ガスの熱により加熱され、暖機運転時には暖機を加速することができる。更に、冷却水が加熱されることにより、冷却水が循環される変速機構の潤滑油もまた加熱されることで、変速機構の暖機が加速される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１１−５２１１３９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、上述した熱電発電装置を利用した暖機では、排出ガスの熱は、熱電変換素子及び冷却水を経て、変速機構の潤滑油に伝熱されるので、排出ガスと潤滑油との間に熱電変換素子及び冷却水が介在されていることから伝熱効率が悪く、暖機の効率化が望まれていた。
【０００５】
そこで、排出ガスから潤滑油への伝熱効率を向上できる熱電暖機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】
本開示に係る熱電暖機装置は、通電により第１の面と第２の面との間で温度差を形成する熱電変換素子と、冷却水を流通させる冷却水管及び潤滑油を流通させる潤滑油管を有し、加熱された前記冷却水の熱により前記潤滑油を加熱可能な第１の熱交換器と、排出ガスの熱を伝熱して熱交換可能にする第２の熱交換器と、を備え、前記熱電変換素子の前記第１の面と前記第１の熱交換器とは熱伝導可能に接触して設けられると共に、前記熱電変換素子の前記第２の面と前記第２の熱交換器とは熱伝導可能に接触して設けられる。
【発明の効果】
【０００７】
本熱電暖機装置によると、冷却水管と潤滑油管とを有する第１の熱交換器が熱電変換素子に接触して設けられているので、排出ガスの熱は、排気管から熱電変換素子を介して第１の熱交換器の潤滑油管に伝導される。これにより、排出ガスの熱を排気管から熱電変換素子を介し、更に冷却水を介して潤滑油に伝導する場合に比べて、排出ガスから潤滑油への伝熱効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施の形態の車両を示すブロック図。
【図２】本実施の形態の熱電暖機装置を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施の形態を、図１及び図２に沿って説明する。まず、図１に沿って、本実施の形態の車両１の一例を説明する。
【００１０】
図１に示すように、本実施の形態に係る車両１は、内燃エンジン（Ｅ／Ｇ）２と、不図示の吸気装置と、排気装置３と、冷却装置４と、車両用駆動装置５と、バッテリ６と、ＥＣＵ７と、を備えている。内燃エンジン２は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関としている。内燃エンジン２は、シリンダブロック及びシリンダヘッドを有し、これらシリンダブロック及びシリンダヘッドには、後述する冷却水Ｗが流通可能なウォータジャケットが形成されている。
【００１１】
吸気装置は、不図示の吸気管及び吸気マニホールドを有し、内燃エンジン２の各シリンダに燃焼用空気を供給する。
【００１２】
排気装置３は、排気マニホールド３０及び排気管３１を有している。排気マニホールド３０は、内燃エンジン２の各シリンダから排出された排出ガスＧを流通させる。排気管３１は、排気マニホールド３０から排気口まで設けられている。排気管３１には、触媒３２が設けられている。触媒３２は、例えば三元触媒により構成され、一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化機能を有している。
【００１３】
冷却装置４は、ウォータポンプ４０と、ウォータジャケット２ａと、ラジエータ４１と、サーモスタット４２と、これらを接続する冷却管４３とを有している。
【００１４】
ウォータポンプ４０の吐出口はウォータジャケット２ａに接続され、ウォータポンプ４０からウォータジャケット２ａに冷却水Ｗを流通させることにより、冷却水Ｗが内燃エンジン２を冷却する。ラジエータ４１は、ウォータジャケット２ａの下流側に接続され、冷却水Ｗと外部の空気とを熱交換することにより冷却水Ｗを冷却する。サーモスタット４２は、ラジエータ４１の下流側、かつウォータポンプ４０の上流側に接続され、冷却水Ｗの温度によって開放又は閉塞する。
【００１５】
車両用駆動装置５は、自動変速機（Ａ／Ｔ）５０と、熱電暖機装置５１と、を有している。自動変速機５０は、内燃エンジン２に接続されている。自動変速機５０は、トルクコンバータ、自動変速機構（変速機構）５０ａ（図２参照）、油圧制御装置（バルブボディ）などを有し、内燃エンジン２からの出力をＥＣＵ７の指令に基づき変速して出力可能である。即ち、自動変速機構５０ａは、内燃エンジン２によって駆動される自動変速機構５０ａの下部には潤滑油Ｏが貯留され、自動変速機構５０ａの可動部の潤滑及び冷却を行っている。
【００１６】
熱電暖機装置５１は、ウォーマ（第１の熱交換器）６０と、排気熱交換器（第２の熱交換器）７０と、熱電変換素子（熱電変換素子）８０とを有しており、自動変速機５０に搭載されている。
【００１７】
図２に示すように、ウォーマ６０は、冷却水Ｗを流通させる冷却水管６１及び潤滑油Ｏを流通させる潤滑油管６２を有し、冷却水Ｗと潤滑油Ｏとの間で熱交換可能である。特に、ウォーマ６０は、加熱された冷却水Ｗの熱により、潤滑油Ｏを加熱可能である。冷却水管６１と潤滑油管６２とは、ウォーマ６０の内部において広い面積で外壁同士を接触しているか、あるいは、隔壁を隔てて冷却水Ｗの流路と潤滑油Ｏの油路とが隣接して構成されている。これにより、冷却水Ｗと潤滑油Ｏとの熱交換を効率的に実現できる。
【００１８】
冷却水管６１は、本実施の形態では、ウォータジャケット２ａ及びラジエータ４１の間の冷却管４３と、サーモスタット４２との間を接続している。この冷却水管６１の上流部には、冷却水管６１を開閉可能な冷却水管開閉弁６３が介在されている。潤滑油管６２は、自動変速機構５０ａに貯留された潤滑油Ｏを、不図示のポンプにより流通させる。この潤滑油管６２の上流部には、潤滑油管６２を開閉可能な潤滑油管開閉弁（開閉弁）６４が介在されている。尚、本実施の形態では、潤滑油管開閉弁６４は、油圧制御装置に設けられている。
【００１９】
排気熱交換器７０は、略筒形状で、排気管３１の一部に介在され、内部を排出ガスＧが流通する。尚、図１中では排気管３１と排気熱交換器７０とが別個に記載されているが、実際には排気熱交換器７０は排気管３１の一部に介在されている。また、図１中の一点鎖線は、排気管３１及び排出ガスＧと排気熱交換器７０との間の熱の流れを示す。
【００２０】
図２に示すように、排気熱交換器７０は、内周面から内側に突出した多数のフィン７１と、フィン７１に対応する外周面の一部に形成された平面状の放熱面７２とを有している。放熱面７２の内周側に多数のフィン７１が設けられていることにより、排出ガスＧの熱が効率よく放熱面７２に伝熱される。即ち、排気熱交換器７０は、排出ガスＧの熱を伝熱して熱交換可能にする。尚、本実施の形態では、排気熱交換器７０は排気管３１に介在されているが、これには限られず、例えば、排気管３１から分岐管を設けて、該分岐管に排気熱交換器７０を設けるようにしてもよい。
【００２１】
熱電変換素子８０は、Ｐ型熱電半導体８１およびＮ型熱電半導体８２の対からなるペルチェ素子を平面状に多数配置して構成されている。熱電変換素子８０は、第１の面８３と第２の面８４とを有し、通電により第１の面８３と第２の面８４との間で温度差を形成する。尚、温度差の低温側及び高温側は、印加電圧の極性によって逆転可能である。また、熱電変換素子８０は、第１の面８３及び第２の面８４の間で温度差に応じたゼーベック効果を生じさせることにより、発電させることができる。
【００２２】
熱電変換素子８０の第１の面８３とウォーマ６０とは、熱伝導可能に接触して設けられている。本実施の形態では、第１の面８３とウォーマ６０との間にセラミック基板８５が介在されており、第１の面８３とウォーマ６０とは間接的に接触している。即ち、第１の面８３とウォーマ６０とは、直接接触あるいは間接接触のいずれであってもよく、いずれの場合も熱伝導可能に設けられている。同様に、熱電変換素子８０の第２の面８４と排気熱交換器７０とは、熱伝導可能に接触して設けられている。第２の面８４と排気熱交換器７０の間にはセラミック基板８６が介在されており、第２の面８４と排気熱交換器７０とは間接的に接触している。即ち、第２の面８４と排気熱交換器７０とは、直接接触あるいは間接接触のいずれであってもよく、いずれの場合も熱伝導可能に設けられている。
【００２３】
バッテリ６は、コントローラ８を介して熱電変換素子８０に接続されている。コントローラ８は、ＥＣＵ７により制御される。バッテリ６は、ＥＣＵ７の指令を受けたコントローラ８によって、熱電変換素子８０に電圧を印加して通電したり、あるいは熱電変換素子８０で発電された電力を充電するよう切り換えられる。尚、図１中ではバッテリ６は熱電変換素子８０の専用バッテリとして記載されているが、これには限られず、モータ等、他の電力消費部に電力を供給するバッテリ６であるようにしてもよい。
【００２４】
ＥＣＵ７は、例えば、ＣＰＵと、処理プログラムを記憶するＲＯＭと、データを一時的に記憶するＲＡＭと、入出力ポートと、通信ポートとを備えており、油圧制御装置の制御信号等、各種の信号を出力ポートから出力する。ＥＣＵ７は、冷却水管開閉弁６３及び潤滑油管開閉弁６４を電気的な指令によって開閉可能である。また、ＥＣＵ７は、コントローラ８を制御する。
【００２５】
次に、本実施の形態の熱電暖機装置５１の動作について、以下に説明する。
【００２６】
図１に示すように、内燃エンジン２の始動により、排出ガスＧが排気管３１から排出される。これにより、図２に示すように、排気熱交換器７０の内部を排出ガスＧが流通し、フィン７１から放熱面７２に排出ガスＧの熱が伝導される。
【００２７】
また、図１に示すように、内燃エンジン２の始動直後に冷却水Ｗが低温で暖機運転を実行する際は、ＥＣＵ７は、冷却水管開閉弁６３及び潤滑油管開閉弁６４を開放する。これにより、ウォータポンプ４０から吐出された冷却水Ｗは、ウォータジャケット２ａを流通して内燃エンジン２を冷却する。また、内燃エンジン２から流出した冷却水Ｗの一部は、不図示のバイパス回路を経てウォータポンプ４０によって吸引される。ここで、サーモスタット４２を流通する冷却水Ｗが所定温度より低い場合は、サーモスタット４２は閉状態のままであるが、冷却水Ｗが所定温度より高い場合は開状態に変化する。
【００２８】
また、内燃エンジン２から流出した冷却水Ｗの他部は、開放された冷却水管開閉弁６３を経てウォーマ６０の冷却水管６１に流入され（図２参照）、潤滑油Ｏを加熱するように熱交換される。そして、冷却水Ｗは、サーモスタット４２を経てウォータポンプ４０によって吸引される。
【００２９】
また、自動変速機５０のポンプが、自動変速機構５０ａに貯留された潤滑油Ｏを吐出し、開放された潤滑油管開閉弁６４を経てウォーマ６０の潤滑油管６２に流入され（図２参照）、冷却水Ｗにより加熱されるように熱交換される。そして、潤滑油Ｏは、再び自動変速機構５０ａに戻される。
【００３０】
ここで、排気熱交換器７０の放熱面７２からの熱は熱電変換素子８０を介してウォーマ６０に伝導され、排出ガスＧの高熱がウォーマ６０の内部を流通する冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏに伝達される。このため、排出ガスＧの高熱を冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏに直接放熱することができるので、効率よく熱交換を行うことができ、冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏの加熱を促進することができる。
【００３１】
そして、暖機運転の際には、ＥＣＵ７はコントローラ８を制御して、バッテリ６から熱電変換素子８０に通電して、第１の面８３を高温、第２の面８４を低温にする。これにより、低温側の第２の面８４に接触する排気熱交換器７０が冷却されることで、高温側の第１の面８３に接触するウォーマ６０がより多く加熱されるので、冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏの加熱速度を速めることができる。即ち、暖機運転の際に、熱電変換素子８０に接続されたバッテリ６によって熱電変換素子８０に通電することにより、排気熱交換器７０からウォーマ６０への伝熱量を増加することができる。
【００３２】
ここで、内燃エンジン２と自動変速機５０とで、暖機に必要な熱量や暖機温度は異なっている。このため、排気熱交換器７０及び熱電変換素子８０からの冷却水Ｗと潤滑油Ｏとへの放熱量を、別個に制御することが好ましい。そこで、ＥＣＵ７は、冷却水管開閉弁６３及び潤滑油管開閉弁６４を適宜制御して、冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏの流量をそれぞれ最適化して、最適な暖機を実現することができる。
【００３３】
次に、冷却水Ｗが十分に加熱されると、暖機運転が終了して通常の運転に切り換わる。この時、ＥＣＵ７の指令によりコントローラ８は、熱電変換素子８０において、第１の面８３と第２の面８４との温度差を利用して発電を行わせ、バッテリ６に充電することができる。即ち、この熱電暖機装置５１では、暖機運転の後に、ウォーマ６０と排気熱交換器７０との温度差によって熱電変換素子８０で発電し、バッテリ６に充電することができる。また、この時は、潤滑油管開閉弁６４を制御して潤滑油Ｏの流量を抑えることで、排出ガスＧと冷却水Ｗとの間の温度差で発電することができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態の熱電暖機装置５１によると、冷却水管６１と潤滑油管６２とを有するウォーマ６０が熱電変換素子８０に接触して設けられているので、排出ガスＧの熱は、排気管３１から熱電変換素子８０を介してウォーマ６０の潤滑油管６２に伝導される。これにより、排出ガスＧの熱を排気管３１から熱電変換素子８０を介し、更に冷却水Ｗを介して潤滑油Ｏに伝導する場合に比べて、排出ガスＧから潤滑油Ｏへの伝熱効率を向上することができる。
【００３５】
また、本実施の形態の熱電暖機装置５１によれば、熱電暖機装置５１は自動変速機５０に搭載されているので、排気管３１の配管を分岐して排気熱交換器７０に接続するようにできる。このため、最低限の配管を設けるだけでよく、部品コストの大幅な上昇を抑えることができる。
【００３６】
また、本実施の形態の熱電暖機装置５１によれば、ＥＣＵ７は、冷却水管開閉弁６３及び潤滑油管開閉弁６４を適宜制御することができるので、冷却水Ｗ及び潤滑油Ｏの流量をそれぞれ最適化して、最適な暖機を実現することができる。特に、暖機運転の終了後は、潤滑油管開閉弁６４を制御して潤滑油Ｏの流量を抑えることで、排出ガスＧと冷却水Ｗとの間の温度差で発電することができる。
【００３７】
また、本実施の形態の熱電暖機装置５１によれば、ＥＣＵ７はコントローラ８を制御して、暖機運転の際に、熱電変換素子８０に接続されたバッテリ６によって熱電変換素子８０に通電することにより、排気熱交換器７０からウォーマ６０への伝熱量を増加することができる。これは、ペルチェ効果により熱の移動が行われるためであり、熱伝導だけの場合に比べて、例えば２倍以上の伝熱量を得ることができる。
【００３８】
また、本実施の形態の熱電暖機装置５１によれば、暖機運転の際にバッテリ６を利用して電力を供給するのに対し、暖機運転の終了後は熱電変換素子８０で発電された電力をバッテリ６に充電するようにできる。これにより、例えば車両１の走行時にオルタネータを利用してバッテリ６の充電を行う場合と異なり、オルタネータを利用することなくバッテリ６を充電することができるので、内燃エンジン２を駆動する燃料を消費せず燃費を向上することができる。
【００３９】
尚、上述した本実施の形態の熱電暖機装置５１では、暖機運転の際に、バッテリ６によって熱電変換素子８０に通電することにより、排気熱交換器７０からウォーマ６０への伝熱量を増加する場合について説明したが、これには限られない。例えば、熱電変換素子８０への通電は無くてもよい。
【００４０】
また、上述した本実施の形態の熱電暖機装置５１では、暖機運転の後に、ウォーマ６０と排気熱交換器７０との温度差によって熱電変換素子８０で発電し、バッテリ６に充電する場合について説明したが、これには限られない。例えば、バッテリ６への充電は無くてもよい。
【００４１】
尚、本実施の形態は、以下の構成を少なくとも備える。本実施の形態の熱電暖機装置（５１）は、通電により第１の面（８３）と第２の面（８４）との間で温度差を形成する熱電変換素子（８０）と、冷却水（Ｗ）を流通させる冷却水管（６１）及び潤滑油（Ｏ）を流通させる潤滑油管（６２）を有し、加熱された前記冷却水（Ｗ）の熱により前記潤滑油（Ｏ）を加熱可能な第１の熱交換器（６０）と、排出ガス（Ｇ）の熱を伝熱して熱交換可能にする第２の熱交換器（７０）と、を備え、前記熱電変換素子（８０）の前記第１の面（８３）と前記第１の熱交換器（６０）とは熱伝導可能に接触して設けられると共に、前記熱電変換素子（８０）の前記第２の面（８４）と前記第２の熱交換器（７０）とは熱伝導可能に接触して設けられる。この構成によれば、冷却水管（６１）と潤滑油管（６２）とを有する第１の熱交換器（６０）が熱電変換素子（８０）に接触して設けられているので、排出ガス（Ｇ）の熱は、排気管（３１）から熱電変換素子（８０）を介して第１の熱交換器（６０）の潤滑油管（６２）に伝導される。これにより、排出ガス（Ｇ）の熱を排気管（３１）から熱電変換素子（８０）を介し、更に冷却水（Ｗ）を介して潤滑油（Ｏ）に伝導する場合に比べて、排出ガス（Ｇ）から潤滑油（Ｏ）への伝熱効率を向上することができる。
【００４２】
また、本実施の形態の熱電暖機装置（５１）では、暖機運転の際に、前記熱電変換素子（８０）に接続されたバッテリ（６）によって前記熱電変換素子（８０）に通電することにより、前記第２の熱交換器（７０）から前記第１の熱交換器（６０）への伝熱量を増加する。この構成によれば、熱伝導だけの場合に比べて、例えば２倍以上の伝熱量を得ることができ、排出ガス（Ｇ）から潤滑油（Ｏ）への伝熱効率を更に向上することができる。
【００４３】
また、本実施の形態の熱電暖機装置（５１）では、前記暖機運転の後に、前記第１の熱交換器（６０）と前記第２の熱交換器（７０）との温度差によって前記熱電変換素子（８０）で発電する。この構成によれば、例えば車両（１）の走行時にオルタネータを利用してバッテリ（６）の充電を行う場合と異なり、オルタネータを利用することなくバッテリ（６）を充電することができるので、内燃エンジン（２）を駆動する燃料を消費せず燃費を向上することができる。
【００４４】
また、本実施の形態の車両用駆動装置（５）では、上述に記載の熱電暖機装置（５１）と、前記潤滑油管（６２）を開閉可能な開閉弁（６４）と、を備える。この構成によれば、ＥＣＵは、開閉弁（６４）を適宜制御することができるので、潤滑油（Ｏ）の流量を最適化して、最適な暖機を実現することができる。特に、暖機運転の終了後は、開閉弁（６４）を制御して潤滑油（Ｏ）の流量を抑えることで、排出ガス（Ｇ）と冷却水（Ｗ）との間の温度差で発電することができる。
【００４５】
また、本実施の形態の車両用駆動装置（５）では、内燃エンジン（２）によって駆動される変速機構（５０）を備え、前記冷却水（Ｗ）は前記内燃エンジン（２）を冷却し、前記潤滑油（Ｏ）は前記変速機構（５０）を潤滑する。この構成によれば、内燃エンジン（２）と変速機構（５０）とを搭載した車両（１）において、排出ガス（Ｇ）から潤滑油（Ｏ）への伝熱効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１        車両
２        内燃エンジン
５        車両用駆動装置
６        バッテリ
５０ａ    自動変速機構（変速機構）
５１      熱電暖機装置
６０      ウォーマ（第１の熱交換器）
６１      冷却水管
６２      潤滑油管
６４      潤滑油管開閉弁（開閉弁）
７０      排気熱交換器（第２の熱交換器）
８０      熱電変換素子
８３      第１の面
８４      第２の面
Ｇ        排出ガス
Ｏ        潤滑油
Ｗ        冷却水
【図１】
2017044124.tif 000003
【図２】
2017044124.tif 000004