(57)【要約】【課題】排気管に熱電発電装置が装着されることによる不都合を回避する。【解決手段】熱電発電システム７は、内燃機関３に接続された排気管５を流通する排気ガスと熱媒体との間で熱交換させる熱交換器９と、熱交換器９にて排気ガスと熱交換した熱媒体を熱交換器９の外部に導くための導出流路１１と、導出流路１１から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置１３と、熱電発電装置１３にて熱電発電に用いられた熱媒体を熱交換器９に戻すための戻し流路１５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続された排気管を流通する排気ガスと熱媒体との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器にて前記排気ガスと熱交換した前記熱媒体を前記熱交換器の外部に導くための導出流路と、
前記導出流路から前記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置と、
前記熱電発電装置にて熱電発電に用いられた前記熱媒体を前記熱交換器に戻すための戻し流路と、
を有することを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電発電システムであって、
前記熱電発電装置は、前記導出流路から液体の前記熱媒体を受け入れるとともに、当該熱媒体より低温の液体の熱媒体を受け入れ、当該２つの熱媒体の温度差により熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱電発電システムであって、
前記導出流路から前記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を蓄える蓄熱装置をさらに有することを特徴とする熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの熱を利用して熱電発電を行う熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスに含まれる熱エネルギーを熱電変換素子により電気エネルギーに変換するシステムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１に記載されたシステムでは、排気ガスが流通する排気管の途中位置に熱電発電装置が設けられ、当該熱電発電装置は、排気ガスと冷却水との温度差で生じるゼーベック効果により発電する。当該熱電発電装置はオイル収容部を含み、当該オイル収容部にオイルが充填されている場合には、熱エネルギーが効率よく回収され、オイルが充填されていない場合には、熱エネルギーはほとんど回収されない。
【０００４】
なお、特許文献２，３には、潜熱を蓄えたまま相変化せずに過冷却状態となる過冷却材を含み、エンジン冷却水の熱を過冷却材に蓄えるとともに、その蓄えられた熱を必要に応じてエンジン冷却水に放熱する蓄熱装置が記載されている。上記過冷却材としては、融点が５８℃の酢酸ナトリウム３水塩が記載されている。
【０００５】
また、特許文献４には、内燃機関の内部に収容された潜熱蓄熱材を有し、内燃機関の温度を潜熱蓄熱材に蓄えるとともに、内燃機関の始動時に潜熱蓄熱材の熱を内燃機関に放熱する技術が記載されている。
【０００６】
また、特許文献５には、潜熱蓄熱材の発熱により燃料電池スタックを暖機する技術が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３７１８８号公報
【特許文献２】特開２００４−２５５９１２号公報
【特許文献３】特開平６−２６４８５２号公報
【特許文献４】特開平１１−１８２３９３号公報
【特許文献５】特開２００６−１５６２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１に記載されたシステムでは、排気管に熱電発電装置が装着されることによる不都合がある。この不都合としては、例えば、排気管の重量の増大や、排気ガスの温度が高いことによる熱電発電装置の熱歪みなどがある。
【０００９】
そこで、本発明は、排気管に熱電発電装置が装着されることによる不都合を回避することが可能な熱電発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る熱電発電システムは、内燃機関に接続された排気管を流通する排気ガスと熱媒体との間で熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器にて前記排気ガスと熱交換した前記熱媒体を前記熱交換器の外部に導くための導出流路と、前記導出流路から前記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置と、前記熱電発電装置にて熱電発電に用いられた前記熱媒体を前記熱交換器に戻すための戻し流路と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様では、前記熱電発電装置は、前記導出流路から液体の前記熱媒体を受け入れるとともに、当該熱媒体より低温の液体の熱媒体を受け入れ、当該２つの熱媒体の温度差により熱電発電を行う。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記導出流路から前記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を蓄える蓄熱装置をさらに有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、排気管に熱電発電装置が装着されることによる不都合を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る熱電発電システム７を含む車両１の構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１において、車両１は、当該車両１の駆動源である内燃機関（エンジン）３と、当該内燃機関３に接続された排気管５とを有する。排気管５は、内燃機関３から排出される排気ガスを外部に導くための管である。
【００１７】
本実施の形態では、車両１は、排気ガスの熱を利用して発電する熱電発電システム７を有する。以下、熱電発電システム７の構成について説明する。
【００１８】
熱電発電システム７は、排気管５に装着される熱交換器９を有する。この熱交換器９は、排気管５を流通する排気ガスと熱媒体との間で熱交換させるものである。具体的には、熱交換器９は、排気ガスと熱媒体との間で熱交換させ、排気ガスの熱を熱媒体に回収する排気熱回収器である。車両１の走行時において、排気ガスの温度は、例えば７５０℃程度であり、熱媒体の温度は、例えば１００〜２００℃程度である。
【００１９】
熱交換器９には、当該熱交換器９にて排気ガスと熱交換した熱媒体を当該熱交換器９の外部に導くための導出流路１１が接続されている。
【００２０】
導出流路１１には、当該導出流路１１から上記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置１３が接続されている。
【００２１】
熱電発電装置１３には、当該熱電発電装置１３にて熱電発電に用いられた熱媒体を熱交換器９に戻すための戻し流路１５が接続されている。
【００２２】
さらに、熱電発電システム７は、導出流路１１から上記熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を蓄える蓄熱装置１７を有する。一つの態様では、蓄熱装置１７は、過冷却状態にて潜熱を保持し、当該過冷却状態が解除されることで潜熱を放出する潜熱蓄熱材を含む。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール（融点：１２０℃、凝固点：９０℃）など、融点が１２０〜２００℃程度のものが採用される。
【００２３】
具体的には、蓄熱装置１７の流入側には、流路１９の一端が接続されており、当該流路１９の他端は、導出流路１１の途中に接続されている。また、蓄熱装置１７の流出側には、流路２１の一端が接続されており、当該流路２１の他端は、戻し流路１５の途中に接続されている。蓄熱装置１７は、流路１９を介して導出流路１１から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を吸収して蓄える。蓄熱装置１７にて放熱した熱媒体は、流路２１を介して戻し流路１５から熱交換器９に戻される。すなわち、熱電発電装置１３および蓄熱装置１７は、熱交換器９に対して並列に接続されている。
【００２４】
なお、図１の例では、導出流路１１の途中には、熱媒体を循環させる循環装置であるポンプ２３が設けられている。また、導出流路１１の途中には、導出流路１１と流路１９との接続部より下流側に、熱電発電装置１３への熱媒体の供給を遮断するためのバルブ２５が設けられており、流路１９には、蓄熱装置１７への熱媒体の供給を遮断するためのバルブ２６が設けられている。また、導出流路１１と戻し流路１５との間には、熱電発電装置１３および蓄熱装置１７をバイパスするバイパス流路２７が設けられており、当該バイパス流路２７の途中には、熱媒体の流通を遮断するためのバルブ２８が設けられている。また、熱電発電システム７は、ポンプ２３およびバルブ２５，２６，２８を制御する制御装置２９を有する。
【００２５】
上記構成において、熱電発電装置１３は、具体的には、導出流路１１から熱媒体（以下、適宜「第１熱媒体」と称す）を受け入れるとともに、当該第１熱媒体より低温の熱媒体（以下、適宜「第２熱媒体」と称す）を受け入れ、当該２つの熱媒体の温度差により熱電発電を行う。より具体的には、熱電発電装置１３は、高温側熱源として第１熱媒体を、低温側冷媒として第２熱媒体を利用し、熱電素子に温度差を与えてゼーベック効果により発電させる。
【００２６】
熱電発電装置１３の体格を小さくする等の観点より、好適な一態様では、上記第１熱媒体および第２熱媒体は、いずれも液体である。第１熱媒体は、例えば高沸点の合成系有機熱媒体油等のオイルであり、第２熱媒体は、例えば内燃機関３を冷却するための冷却水である。車両１の走行時において、冷却水の温度は、例えば６０〜８０℃程度である。
【００２７】
以下、上記冷却水を循環させる冷却水循環システムについて説明する。
【００２８】
内燃機関３には、当該内燃機関３の冷却に利用された冷却水、すなわち内燃機関３から吸熱した冷却水が流通する流路３１が接続されている。
【００２９】
流路３１には、当該流路３１から冷却水を受け入れ、当該冷却水を冷却する冷却装置３３が接続されている。この冷却装置３３は、例えば、冷却水と空気との間で熱交換させる熱交換器（ラジエータ）と、当該熱交換器に空気を供給するファンとを含む。
【００３０】
冷却水の循環経路について、冷却装置３３の下流側には、冷却水を熱電発電装置１３経由で内燃機関３に戻す流路と、冷却水を蓄熱装置１７経由で内燃機関３に戻す流路と、冷却水を内燃機関３に直接戻す流路とが設けられている。具体的には、冷却装置３３の流出側には、当該冷却装置３３で冷却された冷却水が流通する流路３５が接続されており、内燃機関３の流入側には、当該内燃機関３に冷却水を戻すための流路３７が接続されている。流路３５と流路３７との間には、３つの流路３９，４１，４３が互いに並列に接続されている。流路３９の途中には熱電発電装置１３が配置されており、流路４１の途中には蓄熱装置１７が配置されており、流路４３はバイパス流路となっている。
【００３１】
また、流路３１と流路３５との間には、冷却装置３３をバイパスするバイパス流路４５が接続されている。
【００３２】
さらに、流路３１の途中には、冷却水を循環させる循環装置であるポンプ４７が設けられている。また、流路３９，４１，４３，４５の途中には、それぞれ、冷却水の流通を遮断するためのバルブ４９，５１，５３，５５が設けられている。また、流路３１の途中には、流路３１とバイパス流路４５との接続部の下流側に、冷却装置３３への冷却水の供給を遮断するためのバルブ５７が設けられている。ポンプ４７およびバルブ４９，５１，５３，５５，５７は、制御装置２９により制御される。
【００３３】
なお、上記熱電発電システムおよび冷却水循環システムにおいて、流路のパターン、ポンプやバルブの個数や配置位置などは適宜変更されてもよい。
【００３４】
以下、上記構成を有する車両１の作用を、発電時、蓄熱時、早期暖機（コールドスタート）時、および高負荷走行時に分けて具体的に説明する。なお、以下の説明では、第１熱媒体としてオイルが用いられ、第２熱媒体として冷却水が用いられている。また、以下の説明において、オイルの循環は、制御装置２９がポンプ２３およびバルブ２５，２６，２８を制御することによって制御され、冷却水の循環は、制御装置２９がポンプ４７およびバルブ４９，５１，５３，５５，５７を制御することによって制御される。
【００３５】
（発電時）
制御装置２９は、オイルが熱交換器９、導出流路１１、熱電発電装置１３、および戻し流路１５を循環するように制御する。
【００３６】
また、制御装置２９は、冷却水が内燃機関３、流路３１、冷却装置３３、流路３５、熱電発電装置１３、流路３７を循環するように制御する。
【００３７】
上記オイルの循環により、オイルは熱交換器９にて排気ガスと熱交換して昇温し、当該昇温したオイルは熱電発電装置１３に供給される。また、上記冷却水の循環により、冷却水は冷却装置３３により冷却され、当該冷却された冷却水は熱電発電装置１３に供給される。熱電発電装置１３は、オイルと冷却水との温度差により熱電発電する。
【００３８】
なお、制御装置２９は、次のような制御を行ってもよい。制御装置２９は、オイルの温度が所定温度（例えば１００℃程度）に上昇するまで、オイルが熱電発電装置１３および蓄熱装置１７を流通しないように、オイルがバイパス流路２７を流通するように、オイルの循環を制御する。そして、オイルの温度が所定温度に上昇した後、オイルが熱電発電装置１３に供給されるように、オイルの循環を制御する。
【００３９】
（蓄熱時）
制御装置２９は、オイルが熱交換器９、導出流路１１、流路１９、蓄熱装置１７、流路２１、および戻し流路１５を循環するように制御する。
【００４０】
上記オイルの循環により、オイルは熱交換器９にて排気ガスと熱交換して昇温し、当該昇温したオイルは蓄熱装置１７に供給される。蓄熱装置１７は、当該オイルの熱を蓄熱する。
【００４１】
なお、発電および蓄熱は、同時に行われてもよい。すなわち、制御装置２９は、オイルが熱電発電装置１３および蓄熱装置１７の両方に供給されるように、オイルの循環を制御してもよい。
【００４２】
（早期暖機時）
制御装置２９は、内燃機関３の始動と同時に、次の制御を行う。
【００４３】
すなわち、制御装置２９は、冷却水が内燃機関３、流路３１、バイパス流路４５、流路３５、蓄熱装置１７、および流路３７を循環するように制御する。この冷却水の循環により、冷却水は内燃機関３にて昇温し、当該昇温した冷却水は、バイパス流路４５を通り、冷却装置３３で冷却されることなく蓄熱装置１７に導かれる。
【００４４】
また、制御装置２９は、過冷却状態にて潜熱を保持している蓄熱装置１７内の潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する。これにより、潜熱蓄熱材が凝固し、この際に放出される熱が蓄熱装置１７内で冷却水に与えられ、冷却水の温度が上昇する。これにより暖機が促進される。
【００４５】
（高負荷走行時）
高負荷走行時は内燃機関冷却性能を高める必要があるという観点より、制御装置２９は、冷却水が内燃機関３、流路３１、冷却装置３３、流路３５、バイパス流路４３、および流路３７を循環するように制御する。これにより、冷却水は熱電発電装置１３等でオイルと熱交換することなく循環するので、また、熱電発電装置１３での冷却水の圧損が生じないので、冷却水が熱電発電装置１３等を流通する場合と比較して、内燃機関３の冷却水による冷却性能が高くなる。
【００４６】
以上説明した本実施の形態によれば、下記（１）〜（５）の効果が得られ得る。
【００４７】
（１）本実施の形態では、熱電発電システムは、排気管を流通する排気ガスと熱媒体との間で熱交換させる熱交換器と、当該熱交換器にて排気ガスと熱交換した熱媒体を当該熱交換器の外部に導くための導出流路と、当該導出流路から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用して熱電発電を行う熱電発電装置と、当該熱電発電装置にて熱電発電に用いられた熱媒体を熱交換器に戻すための戻し流路とを有する。このため、本実施の形態によれば、排気管に熱電発電装置を装着する必要がなく、排気管に熱電発電装置が装着されることによる不都合を回避することが可能となる。
【００４８】
例えば、排気管に熱電発電装置が装着されることによる排気管の総重量の増大を回避することが可能となる。なお、熱電発電装置は、例えば熱電素子、ウォータージャケット、排気ガス側伝熱フィンの重量が大きく、例えば重量１０〜２０Ｋｇである。また、排気管に熱電発電装置を装着する構成における排気管の重量に対する、排気管に上記熱交換器を装着する構成における排気管の重量の比は、例えば５０〜７５％程度である。
【００４９】
また例えば、排気ガスの温度が高いことによる熱電発電装置の熱歪みを回避することが可能となる。具体的には、排気ガスと冷却水との温度差（例えば７００℃程度）と比較して、排気ガスと熱交換した熱媒体と冷却水との温度差（例えば１００℃程度）は小さいので、熱電発電装置の熱歪みの点で有利である。
【００５０】
（２）本実施の形態の一態様では、熱電発電装置において液−液熱交換が行われるので、ガス−液熱交換が行われる特許文献１に記載の構成と比較して、熱電発電装置の体格をコンパクトにすることが可能となる。
【００５１】
（３）本実施の形態では、排気ガスと熱交換した熱媒体は循環経路を循環するので、熱媒体のエネルギーを発電以外に利用することが容易である。
【００５２】
（４）本実施の形態の一態様では、上記導出流路から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を蓄える蓄熱装置を有するので、熱媒体の熱エネルギーを蓄えておくことができる。また、蓄熱装置が潜熱蓄熱材を含む構成では、蓄えられた熱エネルギーを必要に応じて利用することが可能となる。
【００５３】
（５）本実施の形態の一態様では、蓄熱装置の潜熱蓄熱材は、内燃機関の冷却水より高温の熱媒体から吸熱するので、内燃機関の冷却水から吸熱する構成と比較して、融点が高い潜熱蓄熱材を利用することが可能となり、より高い熱エネルギーを蓄熱することが可能となる。例えば、融点が５８℃の酢酸ナトリウム３水塩に代えて、融点が１２０〜２００℃程度の潜熱蓄熱材を利用することが可能となる。これにより、例えば、高い熱エネルギーを内燃機関の冷却水に放熱させることができ、暖機促進性能を高めることができる。
【００５４】
［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係る熱電発電システム７３を含む車両７１の構成を示すブロック図である。以下、図２を参照して、車両７１について説明する。なお、車両７１は上記車両１と殆ど同じであるので、車両１と共通する部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
本実施の形態に係る熱電発電システム７３は、導出流路１１から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体を熱源とするヒーターコア７５を有する。一つの態様では、ヒーターコア７５は、熱媒体と空調風との間で熱交換させる車両用暖房装置のヒーターコアである。
【００５６】
具体的には、ヒーターコア７５の流入側には、流路７７の一端が接続されており、当該流路７７の他端は、導出流路１１の途中に接続されている。また、ヒーターコア７５の流出側には、流路７９の一端が接続されており、当該流路７９の他端は、戻し流路１５の途中に接続されている。ヒーターコア７５は、流路７７を介して導出流路１１から熱媒体を受け入れ、当該熱媒体の熱を利用する。ヒーターコア７５にて利用された熱媒体は、流路７９を介して戻し流路１５から熱交換器９に戻される。すなわち、熱電発電装置１３およびヒーターコア７５は、熱交換器９に対して並列に接続されている。また、流路７７には、ヒーターコア７５への熱媒体の供給を遮断するためのバルブ８１が設けられている。
【００５７】
以下、上記構成を有する車両７１の作用を説明する。
【００５８】
例えばコールドスタート時において、制御装置２９は、オイルが熱交換器９、導出流路１１、流路７７、ヒーターコア７５、流路７９、および戻し流路１５を循環するように制御する。
【００５９】
上記オイルの循環により、オイルは熱交換器９にて排気ガスと熱交換して昇温し、当該昇温したオイルはヒーターコア７５に供給される。ヒーターコア７５は、オイルと空調風との間で熱交換させ、空調風を加熱する。
【００６０】
なお、熱電発電システム７３は、図２の例では蓄熱装置１７を有さないが、第１の実施の形態と同様に蓄熱装置１７を有してもよい。
【００６１】
以上説明した本実施の形態によれば、上記（１）〜（３）の効果に加えて、下記（６）の効果が得られ得る。
【００６２】
（６）本実施の形態では、導出流路にヒーターコアが接続され、ヒーター熱源として排気ガスの熱が利用される。このため、本実施の形態によれば、ヒーター熱源として内燃機関の冷却水を利用する構成と比較して、コールドスタート時の暖房性能を向上させることが可能となる。また、ヒーターコアでの冷却水の熱損失を回避することができ、内燃機関の暖機性能を向上させることが可能となる。
【００６３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１の実施の形態に係る熱電発電システムを含む車両の構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施の形態に係る熱電発電システムを含む車両の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６５】
１，７１  車両、３  内燃機関、５  排気管、７，７３  熱電発電システム、９  熱交換器、１１  導出流路、１３  熱電発電装置、１５  戻し流路、１７  蓄熱装置。
【図１】
2009127544.tif 000003
【図２】
2009127544.tif 000004