JP2005295725A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転条件に応じて適切な電力量を回収することが可能な熱電発電装置を提供する。
【解決手段】 エンジン４０の排気管４１上に配置される熱電素子を有する第１の熱電変換スタック１と第２の熱電変化スタック２を備える。各熱電変換スタック１、２には、冷却水配管Ｌ１〜Ｌ６が接続されており、この冷却水配管上には、スタック１、２に供給される冷却水比率を変更するための流量制御弁７２、７４が設けられている。制御ＥＣＵ６０は、温度計６１、６３、流量計６２の検出結果を参照して各流量制御弁７２、７４を調整し、各スタック１、２に供給される冷却水の比率を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーへ変換することにより発電を行う熱電発電装置に関する。

自動車のエンジンや、工場のボイラー等から排出される排ガスの持つ熱エネルギーを電力として回収する装置として熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の技術では、排ガス流の上流側に高温領域で作動する高温用熱電変換モジュールを配置し、下流側にこれより低温領域で作動する低温用熱電変換モジュールを配置して、耐熱性を向上させるとともに、それぞれの作動温度を適正なものとすることで、発電装置全体としての発電効率を向上させている。
特開２０００−２８６４６９号公報

ところで、この種の熱電発電装置においては、各熱電変換モジュールに冷却水を循環させて冷却している。そして、冷却水循環用に電動ポンプ等の動力源を用いているが、作動条件によっては熱電変換モジュールによって得られる電力に比較して電動ポンプの作動に必要な電力が大きく、実際に回収される電力量が少なくなることがある。

そこで本発明は、運転条件に応じて適切な電力量を回収することが可能な熱電発電装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る熱電発電装置は、熱媒流路の上流側に配置され、この熱媒流路を流れる熱媒と供給される冷媒との温度差により起電力を生ずる熱電素子を有する第１の熱電変換モジュールと、この熱媒流路の下流側に配置され、熱媒流路を流れる熱媒と供給される冷媒との温度差により起電力を生ずる熱電素子を有する第２の熱電変換モジュールとを備える熱電発電装置であって、第１の熱電変換モジュールと第２の熱電変換モジュールに供給する冷媒の比率を変更する比率変更手段を備えていることを特徴とする。

熱電変換モジュールの熱電素子が発生する起電力は、高温側温度と低温側温度の両方に依存する。本発明では、第１の熱電変換モジュールと第２の熱電変換モジュールとに供給される冷媒の比率を変更することで、各熱電変換モジュールに供給される冷媒の流量を調整することで、各熱電変換モジュールにおいて適正な電力が得られるよう、低温側の温度を調整する。

なお、熱電変換モジュールをさらに多段構成とし、各熱電変換モジュールに供給する冷媒の比率を変更する構成についても上記に係る発明に含まれる。また、比率変更には、一方の熱電変換モジュールのみに冷媒を供給し、他方には冷媒を供給しない場合も含まれる。本発明にいう熱媒としては、内燃機関を含む燃焼機器の排ガスのほか高温排水等が挙げられる。また、本発明にいう冷媒としては、冷却水のほか各種の液体や、空気その他のガス、さらには相変化する媒体であってもよい。

熱媒の温度・流量および冷媒の温度を判定し、判定結果に基づいて前記比率変更手段の動作を制御するとよい。あるいは、第１および第２の熱電変換モジュールの少なくともいずれかの一方の高温側、低温側温度を判定し、判定結果に基づいて比率変更手段の動作を制御してもよい。また、第１および第２の熱電変換モジュールによる起電力を測定し、測定結果に基づいて比率変更手段の動作を制御してもよい。

第１、第２の熱電変換モジュールの起電力を直接測定するか、起電力を決定づける状態量である高温側、低温側の温度、または、熱媒の温度・流量、冷媒の温度を判定することにより起電力が適正となるよう比率変更手段の動作を制御する。

熱媒流路は、燃焼機器の排気系であって、第１の熱電変換モジュールと第２の熱電変換モジュールとの間に排気浄化触媒を備えており、触媒の温度が所定以下の場合には、少なくとも第１の熱電変換モジュールへの冷媒供給を停止するとよい。

例えば、触媒の温度が低い冷間始動時には、触媒より上流側に存在する第１の熱電変換モジュールを作動させると、触媒へ流入する排ガス温度が低下して、触媒の昇温に時間を要し、昇温までの間のエミッションが悪化するため、第１の熱電変換モジュールへの冷媒供給を停止し、触媒へ流入する排ガス温度の低下を防ぐ。同様に、排ガス温度が低い場合や、排ガス流入量が少ない（自動車のエンジンの場合は低速低負荷時）場合も第１の熱電変換モジュールへの冷媒供給を停止し、触媒へ流入する排ガス温度の低下を防ぐ。

本発明によれば、冷媒の流量比率を調整することで第１の熱電変換モジュールと第２の熱電変換モジュールのそれぞれが効率よく発電できるようそれぞれの低温側温度を調整する。このように冷却条件を制御することで、実際に回収される電力（発電電力−冷媒供給に必要な電力）の向上が図れる。

起電力や起電力を決定づける状態量を基にして、この冷却条件を制御することで、精度よく制御を行うことができるとともに、制御性も向上する。

熱電変換モジュールが排気浄化触媒をはさんで配置されている場合には、触媒温度を参照して冷却条件制御を行うことで、触媒の暖機性を向上させるとともに、触媒温度が低下するのを抑制して、エミッションの悪化を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を搭載した車両の排気系を示す概略構成図であり、図２は、その熱電発電装置の第１の熱電変換スタック１部分の断面図（図１のII−II線断面図）であり、図３は、その熱電変換モジュール１０部分の拡大断面図である。

この熱電発電装置は、エンジン４０に接続された排気管４１上に配置されており、上流側から第１の熱電変換スタック１と、第２の熱電変換スタック２が、排気浄化触媒３をはさんで配置されている。ここで、第１の熱電変換スタック１と第２の熱電変換スタック２は、搭載する熱電素子の特性が異なるほかは、同様の構成をとっている。

図２に示されるように、第１の熱電変換スタック１は、第１の熱電素子１００を有する第１の熱電変換モジュール１０と、排気管内に配置される熱回収フィン（集熱フィン）１３と、内部に冷却水を循環させる通路を有する冷却ケース１５とを４組組み合わせて構成されている。

集熱フィン１３は、平板状の基部に、その一方の表面から排気の流れ方向に所定の間隔で平行に延びる板状の多数のフィンが一体的に成形されているものである。この集熱フィン１３は、アルミ、銅、ステンレス等の熱伝導性が良好な金属のほか、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の高熱伝導性のセラミックスで形成されている。

集熱フィン１３の各フィンの高さ、つまり、先端部から根本までの距離は、中央に位置するフィンが最も高く、周縁部へ行くほど低くなる構成を採る。各フィンの先端部を結んだ線は垂直二等辺三角形の垂直角をはさむ２辺の形状に合致するいわゆる楔形の形状をなしている。

この集熱フィン１３のフィン形成面と反対の表面側に、絶縁材１１をはさんで、熱電変換モジュール１０の高温側端面が配置される。そして、熱電変換モジュール１０の反対面の低温側端面には、絶縁材１２をはさんで、冷却ケース１５が配置される。

集熱フィン１３のフィン先端側を覆うように、断面が略Ｌ字形のガイド板１４が配置されている。ガイド板１４〜冷却ケース１５までを組み合わせた状態で、固定部材１６によって排気管４１に固定することで、第１の熱電変換スタック１が得られる。組み立てられた状態では、４個のガイド板１４の排気流れ方向に直交する断面形状は、図２に示されるようにＸ字状になる。

第２の熱電変換スタック２も、上述したように同様の構成を有しており、本段落の以下の説明においては、図２における各参照番号１ｘを２ｘと読み替えるものとする。つまり、第２の熱電変換スタック２は、第２の熱電素子２００を有する第２の熱電変換モジュール２０と、排気管内に配置される集熱フィン２３と、内部に冷却水を循環させる通路を有する冷却ケース２５と、絶縁材２１、２２と、ガイド板２４とを組み合わせた組立体４組を固定部材２６によって排気管４１に固定したものである。なお、各部材の素材、形状は第１の熱電変換スタック１と同じ構成でもよいが、内部を通過する排ガス温度が第１の熱電変換スタック１の場合より低く、第１の熱電変換スタック１ほどの耐熱性は要求されないことから、異なる素材や形状としてもよい。

なお、第１、第２の熱電変換スタック１、２内では、さらに、こうして形成されるスタックを排気の流れ方向に複数個配置することで、熱電変換モジュール１０または２０を排気の流れ方向に多段に配置してもよい。

第１、第２の熱電変換スタック１、２内の各冷却ケース１５、２５の冷却水通路は直列に接続しても、並列に接続してもどちらでもよく、排ガスの流れ方向に直交する同一断面内の冷却ケース１５、２５間では並列に、流れ方向で異なる位置に位置する冷却ケース１５、２５間では直列に接続することも可能である。接続の形式は、熱回収の効率のほか、各冷却ケース１５、２５間を接続する冷却水配管の接続の容易性等を考慮して適宜設定される。

図３は、第１の熱電変換モジュール１０の構成を示す図である。なお、第２の熱電変換モジュール２０の構成も同様である。以下、括弧内の参照番号は、第２の熱電変換モジュール２０の場合を示すが、図中の表記は省略する。熱電変換モジュール１０（２０）は、ｐ型とｎ型の２種類の半導体１０１（２０１）と１０２（２０２）とを複数個用意し、これらを電極１０３（２０３）、１０４（２０４）によって電気的には交互に直列に、熱的には並列に配置したものである。一対の半導体１０１、２０１が熱電素子１００（２００）を構成する。

第１の熱電変換モジュール１０に用いられる第１の熱電素子１００の熱電材料（半導体１０１、１０２）としては、高温領域（８００Ｋ〜）での発電特性が良好なＦｅ−Ｓｉ系やＳｉ−Ｇｅ系の半導体を用いることが好ましい。一方、第２の熱電変換モジュール２０に用いられる第２の熱電素子２００の熱電材料（半導体２０１、２０２）としては、これより低温の領域（〜８００Ｋ）での発電特性が良好なPbTe系、スクッテルダイト系、層状コバルト酸化物系、シリサイド系（ｐ型としてＭｎＳｉ系、ｎ型としてＭｇＳｉ系）、ＺｎＳｂ系（ｐ型）ＴＡＧＳ（Ｔｅ−Ａｇ−Ｇｅ−Ｓｂ）（ｐ型）を用いることが好ましい。

図４、図５は、本実施形態における第１の熱電素子１００と、第２の熱電素子２００それぞれの温度−発電特性を示す線図である。高温領域で使用される第１の熱電素子１００は、高温端側の温度（Ｔｈ）が高いほど、また、低温端側の温度（Ｔｃ）が低いほど発電量が増加する。そして、Ｔｈが同一の場合のＴｃの温度変化による発電量の差はＴｈが高温であるほど大きくなる傾向がある。低温領域で使用される第２の熱電素子２００においては、Ｔｈが同一の場合には、Ｔｃが低いほど発電量が増加する点は第１の熱電素子１００と共通するが、Ｔｃが同一の場合には発電量が最大となるＴｈが存在し、このピークを超えると、Ｔｈ増大とともに発電量は急激に低下する。そして、このピークとなるＴｈは、Ｔｃが低いほど高温側に移行する。この場合も、Ｔｈが同一の場合のＴｃの温度変化による発電量の差は、Ｔｈが高温であるほど大きくなる傾向がある。

第１の熱電素子１００と第２の熱電素子２００の特性を配置位置の排ガスの温度特性に応じて適切なものとすることで、全体の発電特性を向上させることができる。なお、それぞれの熱電変換スタック１、２内部で異なる熱電材料を組み合わせてもよい。

各熱電変換スタック１、２は電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ５０に電気的に接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０は電力を蓄えるバッテリ５１に電気的に接続されている。また、熱電変換スタック１、２には、冷却水を循環させる冷却系が接続されている。本実施形態においては、ラジエーター４５から伸びるラインＬ１上に電動ポンプ７０が配置されており、分岐式の流量制御弁７２に接続されている。流量制御弁７２からは、ラジエーター４５へと戻るラインＬ２と、第２の熱電変換スタック２へと伸びるラインＬ３とが分岐されており、流量制御弁７２によって各方向への流量比が調整される。そして、第２の熱電変換スタック２からの戻りラインＬ４はラインＬ２へ合流する。ラインＬ２の下流には、さらに、分岐式の流量制御弁７１が配置されており、第１の熱電変換スタック１へと伸びるラインＬ５が分岐されている。そして、第１の熱電変換スタック１からの戻りラインＬ６はラインＬ２へ合流する。この冷却系は、図示していないエンジン４０の冷却系と直列に接続されていてもよいし、並列に設けられていてもよい。

排気管４１の第１の熱電変換スタック１の上流側には、排ガスの温度、流量をそれぞれ測定する温度計６１と、流量計６２が配置されている。また、ラインＬ１上には、冷却水温度を測定する温度計６３が配置されている。温度計６１、６３と流量計６２の出力は制御ＥＣＵ６０に入力されており、制御ＥＣＵ６０は、電動ポンプ７０と、各流量制御弁７１、７２およびＤＣ−ＤＣコンバータ５０の作動を制御する。制御ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等によって構成されており、単独で構成されていてもよいし、図示していない他の車両の制御系の一部として構成されていてもよい。

次に、本発明に係る熱電発電装置の動作を冷却系の制御動作と合わせて説明する。図６は冷却系の制御動作を示すフローチャートである。この制御は制御ＥＣＵ６０によってエンジン４０が始動してから停止するまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１では、流量計６２と温度計６１、６３の出力から、排気ガスの流量Ｖ、温度Ｔ_１と、冷却水温度Ｔ_２を読み込む。

ここで、電動ポンプ７０の消費電力をＰp、各熱電変換スタック１、３の発電量をＰs1、Ｐs2、回収電力量をＰrとすると、Ｐr＝Ｐs1＋Ｐs2−Ｐpである。ここで、電動ポンプの消費電力は、冷却水量Ｖｗの関数として表すことができる。一方、各熱電変換スタック１、３の発電量は、高温端側の温度Ｔｈと、低温端側の温度Ｔｃに依存する。Ｔｈ、Ｔｃは、各熱電変換スタック１、３へ導入される排ガスの温度、流量と冷却水の温度、流量および当該スタック内の熱抵抗値から求めることができる。したがって、排気ガスの流量Ｖ、温度Ｔ_１と、冷却水温度Ｔ_２が既知であれば、Ｐrを最大とする冷却水流量を求めることができる。本実施形態では、実際に熱計算を行うことは計算負荷を増大させることになるため、予め最上流部における排ガス温度、流量と冷却水温に対応する各流量制御弁７１、７２のバルブ開度を求めておいて、これをマップ形式で制御ＥＣＵ６０内に格納しておき、読み出されたＶ、Ｔ_１、Ｔ_２に応じて、このマップを参照して適切なバルブ開度を設定する（ステップＳ３）。

ステップＳ５では、設定したバルブ開度が実現されるよう、流量制御弁７１、７２に指示する。これにより、各熱電変換スタック１、３の冷却水流量を調整する。このとき、電動ポンプ７０によってラジエーター４５を循環させる流量そのものも調整すると好ましい。

ここで、各熱電変換スタック１、３内部では、排気ガスが、ガイド板１４（２４）によって、集熱フィン１３（２３）のフィンの間へと導かれ、フィンに熱を伝える。この熱は、各フィンからその基部、絶縁材１１（２１）を通じて熱電変換モジュール１０（２０）の高温側端面へと伝えられる。これにより、高温側端面の温度は高くなる。

一方、熱電変換モジュール１０（２０）の低温側端面からは、絶縁材１２（２２）、冷却ケース１５（２５）を通じて冷却ケース１５（２５）の通路内を流れる冷却水へと熱が奪われている。このため、低温側端面の温度は低くなる。こうして、高温側端面と低温側端面との間に温度差が発生し、この温度差に応じてゼーベック効果により熱電変換モジュール１０（２０）内の熱電素子１００（２００）に電力が発生し、これをＤＣ−ＤＣコンバータ５０により所定の電圧へ変換してバッテリ５１へと蓄える。

このとき、回収される電力が最大となるよう供給される冷却水の比率を変更しているため、過剰に冷却水を供給することがなく、効率よく排ガスからエネルギーを回収することができる。ここでは、排ガス、冷却水の状態量からマップ形式でバルブ開度を設定する例を説明したが、マップ形式のほかに、関数形式としてもよく、制御ＥＣＵ６０の計算能力に余裕がある場合には、計算により求めてもよい。

また、ここでは、流量計６２によって排気ガスの流量を測定したが、流速計を配置して、流量を推定してもよい。あるいは、エンジン４０の運転条件（機関回転数、燃料噴射量等）を基にして流量を推定することもできる。

図７は、本発明に係る熱電発電装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態の熱電発電装置は第１の実施形態の熱電発電装置（図１参照）と異なり、流量制御弁７３をラインＬ１上に１つだけ設けて、この流量制御弁７３により、第１の熱電変換スタック１へ供給される冷却水の流量と第２の熱電変換スタック２へ供給される冷却水の流量の比率を調整可能としている。

この実施形態では、流量比率を調整するために用いるバルブが流量制御弁７３のみに限られる点を除いては、第１の実施形態とその動作は同一である。したがって、動作・制御の説明は省略する。

図８は、本発明に係る熱電発電装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態の熱電発電装置の冷却系は、第２の実施形態と基本的に同一である。ただし、本実施形態では、第１、第２の実施形態と異なり、各熱電変換スタック１、２の高温端側温度と低温端側温度を直接、温度計６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂにより測定している点が相違する。各温度計６４ａ〜６５ｂの出力は制御ＥＣＵ６０に入力されている。

この実施形態では、温度計６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂにより測定した各熱電変換スタック１、２の高温端側温度と低温端側温度から、その特性に基づいて得られる電力を直接求めることができる。この電力量を基にして冷却水流量を適切に制御することで、回収電力が最大となるよう制御を行う。この場合には、電動ポンプ７０と流量制御弁７３により冷却水量を変更した場合の回収電力量を予測して回収電力量が多くなるように電動ポンプ７０と流量制御弁７３を制御するフィードフォワード制御を行ってもよいし、電動ポンプ７０と流量制御弁７３をフィードバック調整してもよい。

図９は、本発明に係る熱電発電装置の第４の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態の熱電発電装置の冷却系は、第２の実施形態と基本的に同一である。ただし、本実施形態では、第１〜第３の実施形態と異なり、各熱電変換スタック１、２から取り出される電流値と起電圧とをそれぞれ電流計６６ａ、６６ｂと、電圧計６７ａ、６７ｂによって測定している点が相違する。各電流計６６ａ、６６ｂと、電圧計６７ａ、６７ｂの出力は制御ＥＣＵ６０に入力されている。

図１０は、この場合の冷却制御動作の制御例を示すフローチャートである。ここでは、説明を簡単にするため、電動ポンプ７０による循環水量が一定の場合を例に説明する。実際の制御においては、電動ポンプ７０の循環水量を含めて制御してもよい。

まず、電流計６６ａ、６６ｂと、電圧計６７ａ、６７ｂの出力である各電流値、電圧値を読み込む（ステップＳ１１）。次に、読み込んだ電流、電圧値と電動ポンプ７０の作動電力から回収電力量Ｐrを計算する（ステップＳ１２）。

次に、算出した回収電力量Ｐrと前回のタイムステップにおける回収電力量Ｐroldとの差の絶対値がしきい値Ｐth未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。差の絶対値がしきい値Ｐth以上の場合には、ステップＳ１４へと移行して、ＰrとＰroldとを比較する。

ＰrがＰroldより大きい場合には、流量制御弁の開度Ａをｉ×Ｄだけ変更する（ステップＳ１７）。ここで、Ｄは開度変更の変更ステップ量であり、ｉは１または−１の値をとり、前回の変更方向と同一に設定されている。つまり、前回のタイムステップで流量制御弁７３の開度を増した結果、回収電力量が増大したと判定された場合には、流量制御弁７３の開度をさらに増し、前回のタイムステップで流量制御弁７３の開度を減らした結果、回収電力量が増大したと判定された場合には、流量制御弁７３の開度をさらに減らす制御を行う。調整が終了したらステップＳ１７へと移行して、変数Ｐroldに現在の回収電力量Ｐrの値を格納して処理を終了する。

ステップＳ１４で、ＰrがＰroldより小さい場合には、ｉの符号を逆に変更し、流量制御弁の開度Ａをｉ×Ｄだけ変更する（ステップＳ１６）。つまり、前回のタイムステップで流量制御弁７３の開度を増した結果、回収電力量が減少したと判定された場合には、流量制御弁７３の開度を減らし、前回のタイムステップで流量制御弁７３の開度を減らした結果、回収電力量が減少したと判定された場合には、流量制御弁７３の開度を増やす制御を行う。なお、このフローでは、処理が収束しない場合がありうるため、ステップＳ１６では、開度Ａをｉ×Ｄ／２だけ変更してもよい。調整が終了したらステップＳ１７へと移行して、変数Ｐroldに現在の回収電力量Ｐrの値を格納して処理を終了する。

ステップＳ１３で差の絶対値がしきい値Ｐth未満の場合には、直接ステップＳ１７へと移行して、変数Ｐroldに現在の回収電力量Ｐrの値を格納して処理を終了する。

このように、回収電力量が最大となるように流量制御弁７３の作動を制御することで、排気ガスの有する熱エネルギーを効率よく電力として回収することができる。

図１１は、本発明に係る熱電発電装置の第５の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態では、冷却水配管上に流量制御弁は設けられていない。その代わりとして、第２の熱電変換スタック２の冷却ケース２５の通水抵抗を利用している。

図１２は、本実施形態の第２の熱電変換スタック２の断面構成を示す図（図１１におけるXII−XII線断面図）であり、図１３、図１４は、ポンプ吐出圧の変化に伴う冷却ケース２５内の通路２５５の断面形状変化を表す図である。

冷却ケース２５は、ともに断面が櫛歯状の上ケース２５１と下ケース２５０とをそれぞれの櫛歯が所定の隙間を有して噛み合わさるように組み合わせて構成されており、両者は抵抗調整バネ２５２によって結合されている。この隙間が冷却水が流れる通路２５５となる。なお、バネ２５２に代えて、ゴム、樹脂等の弾性体や空気バネ、液体バネ等を用いてもよい。

電動ポンプ７０の吐出圧が低い状態では、抵抗調整バネ２５２が上ケース２５１と下ケース２５０を接近させようと作用する力が、通路２５５内を流れる冷却水が通路２５５の断面積を拡げようとする力に勝るため、通路２５５の断面は図１３に示されるように狭い状態に維持される。この結果、第２の熱電変換スタック２へと供給される冷却水の比率は低くなる。

電動ポンプ７０の吐出圧を高くすると、通路２５５内を流れる冷却水が通路２５５の断面積を拡げようとする力が抵抗調整バネ２５２が上ケース２５１と下ケース２５０を接近させようと作用する力を上回り、両者が釣り合うまで通路２５５の断面積は拡大される（図１４参照）。この結果、第２の熱電変換スタック２へと供給される冷却水の比率は高くなる。

つまり、電動ポンプ７０の吐出圧を変更することで、第１、第２の熱電変換スタック１、２へと供給される冷却水の比率を変更することができる。この実施形態では、流量制御弁が不要となるため、冷却水配管の構造を簡素化することができる。

抵抗調整バネ２５２のバネ定数を高くすると、電動ポンプ７０の吐出圧を上げても通路２５５の断面積が変化しにくくなる。第１の熱電変換スタック１と第２の熱電変換スタック２へ供給する冷却水の流量配分に応じてバネ定数を適宜設定するとよい。また、バネ定数が非線形的に変化する弾性体を用いることも可能である。

また、第１の熱電変換スタック１にも同様の冷却ケースを採用してもよい。例えば、熱電変換スタック２側の抵抗調整バネ２５２のバネ定数を熱電変換スタック１側の抵抗調整バネのバネ定数より小さくしておくと、ポンプ吐出圧に応じた各熱電変換スタック１、２への供給冷却水量を図１５に示されるように調整することができる。これは、熱電変換スタック２側は、熱電変換スタック１より低い吐出圧で冷却水の通路２５５が全開状態となり、その後は吐出圧を増大させても通路２５５の断面積が増大しなくなるためである。

図１６は、本発明に係る熱電発電装置の第６の実施形態を示す概略構成図である。この実施形態は、第２の熱電変換スタック２からラジエーター４５へ戻る冷却水配管のラインＬ２上に、切替弁７４を配置して、第１の熱電変換スタック１へと冷却水を導入するラインＬ５を設け、第１の熱電変換スタック１からの冷却水返送ラインＬ６をラインＬ２と合流させている。また、排気浄化触媒３の触媒温度を検出する温度計６８を設け、各熱電変換スタック１、２の熱電変換モジュール１０、２０の温度を測定する温度計６４ａ、６５ａの出力とともに制御ＥＣＵ６０へと入力している。

図１７は、本実施形態の冷却制御を示すフローチャートである。この制御も制御ＥＣＵ６０によって、エンジン４０が始動してから停止するまでの間、所定のタイミングで繰り返し実行される。

まず、温度計６４ａ、６５ａ、６８の出力を読み込むことで、各熱電変換スタック１、２のモジュール温度Ｔ_１、Ｔ_３と、排気浄化触媒３の触媒温度Ｔ_２を読み込む（ステップＳ２０）。

次に、第２の熱電変換スタック２のモジュール温度Ｔ_３が、単独運転時に電動ポンプ７０の作動電力を上回る発電量を確保しうるしきい値温度Ｔ_ｅ−２を超えているか否かを判定する（ステップＳ２１）。Ｔ_３がＴ_ｅ−２以下の場合には、第２の熱電変換スタック２への冷却水供給を行っても、第２の熱電変換スタック２で得られる電力が電動ポンプ７０の作動電力を下回り、実際には電力を回収できない可能性があると判定して、ステップＳ２７へと移行し、電動ポンプ７０の作動を停止させて処理を終了する。

ステップＳ２１で、Ｔ_３がＴ_ｅ−２を上回っている場合には、ステップＳ２２へと移行して電動ポンプ７０を作動させ、第１の熱電変換スタック１のモジュール温度Ｔ_１が、第１の熱電変換スタック１および第２の熱電変換スタック２双方の運転時に電動ポンプ７０の作動電力を上回る発電量を確保しうるしきい値温度Ｔ_ｅ−１を超えているか否かを判定する（ステップＳ２３）。Ｔ_１がＴ_ｅ−１を超えている場合には、さらに、触媒温度Ｔ_２が活性温度Ｔ_CATを超えているか否かを判定する（ステップＳ２４）。

Ｔ_２がＴ_CATを超えている場合には、排気浄化触媒３が活性化されており、第１の熱電変換スタック１を作動させても、排気浄化触媒３は良好に作動すると判定して、ステップＳ２５へと移行し、切替弁７４を第１の熱電変換スタック１側へと切り替えて、第１の熱電変換スタック１へと冷却水を供給する。

一方、ステップＳ２３で、Ｔ_１がＴ_ｅ−１以下と判定された場合には、排ガス温度が低く、第１の熱電変換スタック１を作動させると、下流側へと流れる排ガス温度が低下して、第２の熱電変換スタック２で発生する電力量も低下して、第２の熱電変換スタック２のみを作動させた場合に比較して、発生電力量が減り、電動ポンプ７０の作動電力を確保できないと判定して、ステップＳ２６へと移行して、切替弁７４をラジエーター４５側へと切り替えて、第１の熱電変換スタック１の作動を停止する。
また、ステップＳ２４で、Ｔ_２がＴ_CAT以下と判定された場合には、第１の熱電変換スタック１を作動させると、排気浄化触媒３へと流れ込む排ガス温度が低下するため、その暖機に時間を要し、その間エミッションが悪化するおそれがあると判定し、同じくステップＳ２６へと移行して、切替弁７４をラジエーター４５側へと切り替えて、第１の熱電変換スタック１の作動を停止する。

例えば、冷間始動時の初期の時点では、第１の熱電変換スタック１を作動させると、排気浄化触媒３へ流入する排気ガス温度が低下してしまい、排気浄化触媒３の暖機を妨げる結果になる。また、第２の熱電変換スタック２を作動させても、得られる電力が電動ポンプ７０の作動電力を下回ってしまい、実際の回収電力がマイナスになってしまう。本実施形態では、このように、第２の熱電変換スタック２のモジュール温度が低い条件下では、、電動ポンプ７０を停止させて排気ガスからの熱回収を行わない。このため、排気浄化触媒３を速やかに昇温させて暖機を行うことができる。

始動後時間が経過して、第２の熱電変換スタック２が昇温されると、その作動によって得られる電力が電動ポンプ７０の作動電力を上回るため、電動ポンプ７０の作動を開始する。一方、排気浄化触媒３の暖機が完了しておらず、触媒温度が低い場合には、第１の熱電変換スタック１を作動させることは排気浄化触媒３の暖機を妨げる結果になるため、切替弁７４をラジエーター４５側へと切り替えることで、第１の熱電変換スタック１は作動させず、排気浄化触媒３の昇温を優先する。

排気浄化触媒３の暖機後、低速または低負荷領域では、エンジン４０からの排ガス流量が少なく、第１の熱電変換スタック１の温度は低くなる。この状態で、第１の熱電変換スタック１を作動させても、発電効率が低く、通水抵抗が増大して電動ポンプ７０の負荷が増大し、システム全体としての発電効率が低下してしまう。また、排気浄化触媒３へ流入する排ガス温度が低下することで、排気浄化触媒３が冷却され、その浄化性能が低下するおそれがある。そこで、このような場合は、切替弁７４をラジエーター４５側へと切り替えることで、第１の熱電変換スタック１を作動させず、第２の熱電変換スタック２のみによる発電を行う。

中高速または中高負荷領域では、エンジン４０からの排ガス流量も増大し、第１の熱電変換スタック１の温度は高く、十分な発電効率が得られるとともに、排気浄化触媒３へ流入する排ガス温度も浄化性能を発揮できる温度に維持できる。そこで、切替弁７４を第１の熱電変換スタック１側へと切り替えることで、第１、第２の熱電変換スタック１、２双方を作動させて、熱回収を行う。

このような制御を行うことで、排気浄化触媒の暖機および確実な作動と効率のよい熱回収とを両立させ、エミッションの悪化を抑制し、環境負荷を軽減することができる。

以上説明した各実施形態は、組み合わせて使用することが可能である。例えば、第１〜第５の実施形態において、触媒温度を参照して、第１の熱電変換スタック１への冷却水量を調整してもよい。この場合を含めて、冷却水流量または比率の調整には、一方のスタックへの冷却水の供給を完全に停止することも含まれている。また、第６の実施形態では、モジュール温度を参照して各モジュールの動作状態に応じた制御を行ったが、第１の実施形態のように排気ガスの状態量を参照して制御を行ったり、第３の実施形態に示されるように各スタックの発電量を参照して制御を行ってもよい。

以上の説明では、第１および第２の熱電変換スタック１、２間の冷却水供給比率を調整する実施形態について説明したが、３つ以上の熱電変換スタック間で冷却水供給比率を調整する場合も本発明の範囲に含まれる。例えば、第３の熱電変換スタックを有する場合、この熱電変換スタックは、第１、第２の熱電変換スタックの中間に配置されてもいいし、第１または第２の熱電変換スタックと並列に配置されていてもよい。

また、以上の説明では、車両のエンジン４０の排気系に搭載される形態を説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、エンジン、ボイラー等の各種燃焼機器の排気系に接続される熱電発電装置のほか、温排水等から熱回収を行う熱電発電装置にも好適に適用できる。

さらに、以上の説明では、冷媒として、冷却水を用いる場合を例示したが、空冷式、油冷式の場合や、フロンガス等の相変化媒体を用いてもよい。

本発明に係る熱電発電装置の第１の実施形態を搭載した車両の排気系を示す概略構成図である。 図１の熱電発電装置の第１の熱電変換スタック１部分の断面図（図１のII−II線断面図）である。 図２の熱電変換モジュール１０部分の拡大断面図である。 第１の実施形態における第１の熱電素子１００の温度−発電特性を示す線図である。 第１の実施形態における第２の熱電素子２００の温度−発電特性を示す線図である。 第１の実施形態の冷却系の制御動作を示すフローチャートである。 本発明に係る熱電発電装置の第２の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第３の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る熱電発電装置の第４の実施形態を示す概略構成図である。 第４の実施形態の冷却系の制御動作を示すフローチャートである。 本発明に係る熱電発電装置の第５の実施形態を示す概略構成図である。 第５の実施形態の第２の熱電変換スタック２の断面構成を示す図（図１１におけるXII−XII線断面図）である。 ポンプ吐出圧の変化に伴う第５の実施形態の冷却ケース２５内の通路２５５の断面形状変化を表す図である。 ポンプ吐出圧の変化に伴う第５の実施形態の冷却ケース２５内の通路２５５の断面形状変化を表す別の図である。 第５の実施形態によるポンプ吐出圧に対する各熱電変換スタック１、２への供給冷却水量変化を表すグラフである。 本発明に係る熱電発電装置の第６の実施形態を示す概略構成図である。 第６の実施形態の冷却系の制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…第１の熱電変換スタック、２…第２の熱電変換スタック、３…排気浄化触媒、１０…第１の熱電変換モジュール、１１、１２、２１、２２…絶縁材、１３、２３…集熱フィン、１４、２４…ガイド板、１５、２５…冷却ケース、１６、２６…固定部材、２０…第２の熱電変換モジュール、４０…エンジン、４１…排気管、４５…ラジエーター、５０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、５１…バッテリ、６０…制御ＥＣＵ、６１、６３、６４ａ、６４ｂ、６５ａ、６５ｂ、６８…温度計、６２…流量計、６６ａ、６６ｂ…電流計、６７ａ、６７ｂ…電圧計、７０…電動ポンプ、７１〜７３…流量制御弁、７４…切替弁、１００、２００…熱電素子、１０１、１０２、２０１、２０２…半導体、１０３、１０４、２０３、２０４…電極、２５０…下ケース、２５１…上ケース、２５２…抵抗調整バネ、２５５…通路。

Claims (5)

1. 熱媒流路の上流側に配置され、該熱媒流路を流れる熱媒と供給される冷媒との温度差により起電力を生ずる熱電素子を有する第１の熱電変換モジュールと、前記熱媒流路の下流側に配置され、該熱媒流路を流れる熱媒と供給される冷媒との温度差により起電力を生ずる熱電素子を有する第２の熱電変換モジュールとを備える熱電発電装置であって、
   前記第１の熱電変換モジュールと前記第２の熱電変換モジュールに供給する冷媒の比率を変更する比率変更手段を備えていることを特徴とする熱電発電装置。
2. 熱媒の温度・流量および冷媒の温度を判定し、判定結果に基づいて前記比率変更手段の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記第１および第２の熱電変換モジュールの少なくともいずれかの一方の高温側、低温側温度を判定し、判定結果に基づいて前記比率変更手段の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
4. 前記第１および第２の熱電変換モジュールによる起電力を測定し、測定結果に基づいて前記比率変更手段の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
5. 前記熱媒流路は、燃焼機器の排気系であって、前記第１の熱電変換モジュールと前記第２の熱電変換モジュールとの間に排気浄化触媒を備えており、前記触媒の温度が所定以下の場合には、少なくとも前記第１の熱電変換モジュールへの冷媒供給を停止することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。

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