JP2007032534A

JP2007032534A - 熱発電装置

Info

Publication number: JP2007032534A
Application number: JP2005221279A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Iwanaga; 篤士岩永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】熱発電素子の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる熱発電装置を得る。
【解決手段】排気熱発電装置１０は、エンジン１６の排気ガスのよって加熱される高温側と冷却水によって低温側との温度差によって起電力を生じる熱発電素子１４を備える。冷却水は、冷却水路２８を通じて、ウォータポンプ３０、低温側熱交換器２２、ラジエータ３２の順に循環して、熱発電素子１４の低温側を冷却する。発電ＥＣＵ４０は、エンジン１６の停止後において、電動のウォータポンプ３０の作動を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車のエンジンの排気ガスが有する熱を利用して発電を行なう熱発電装置に関する。

自動車等の車両において、エンジンの排気熱を利用して発電を行う熱発電装置を搭載したものがある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、エンジンの排気ガスが通過する排気流路（高温側）と、冷却水が通過する冷却水流路（低温側）とに挟まれた熱発電ユニットが、高温側と低温側との温度差に基づく起電力を生じるようになっている。冷却水流路は循環路とされ、この循環路上には、冷却水を冷却するためのラジエータと、冷却水を循環するためのポンプタービンとが配設されている。ポンプタービンは、排気ガスの流動によって、冷却水を循環する駆動力を得る構成とされている。
特開平８−２６１０６４号公報特開昭６０−１１９３１８号公報特開平１０−１１１０１５号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、エンジンが停止して排気ガスの流れがなくなると、ポンプタービンによる冷却水の駆動力が失われるため、熱発電ユニットの余熱によって冷却水が沸騰することが懸念される。このような冷却水の沸騰は、ポンプタービンを破損する原因となる。特に、熱電ユニット（発電量）を大容量化すると、該熱電ユニットの熱容量も増大するので、上記問題が顕著になる。

本発明は上記事実を考慮して、熱発電素子の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる熱発電装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱発電装置は、エンジンの排気ガスによって加熱される高温側と冷却水によって冷却される低温側との温度差によって熱発電素子が起電力を生じる熱発電装置であって、前記冷却水を循環させるための冷却水回路と、作動することで前記冷却水回路の冷却水を強制的に循環させる電動駆動手段と、前記エンジンの停止後に、前記電動駆動手段を作動させる作動制御手段と、を備えている。

請求項１記載の熱発電装置では、エンジンが作動している期間中に、熱発電素子は、高温側がエンジンの排気ガスにて加熱されると共に、低温側が冷却水回路を循環する冷却水にて冷却され、高温側と低温側との温度差に応じた起電力を生じる。エンジンが停止すると、作動制御手段は、電動駆動手段を起動し又は作動状態を維持し、冷却水が冷却水回路を循環する状態を維持する。このため、冷却水が熱発電素子の余熱によって沸騰することが防止される。

このように、請求項１記載の熱発電装置では、熱発電素子の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる。なお、エンジン作動時の冷却水の循環には、エンジンの駆動力を利用する駆動手段を用いても良く、電動駆動手段を用いても良い。また、冷却水は、エンジンを冷却するエンジン冷却水を利用しても良く、専用の冷却水回路を循環する専用の冷却水を用いても良い。

請求項２記載の発明に係る熱発電装置は、請求項１記載の熱発電装置において、前記作動制御手段は、前記エンジンが停止して前記電動駆動手段を作動した後、所定の条件が成立すると前記電動駆動手段を停止させる機能を有する。

請求項２記載の熱発電装置では、エンジンの停止後に電動駆動手段を作動した後、所定の条件が成立すると、作動制御手段が電動駆動手段を停止する。これにより、例えば、冷却水が沸騰する恐れがなくなった後、電動駆動手段を作動し続けて電力を消費することが防止される。所定の条件としては、例えば、熱発電素子の発電量が閾値未満になった場合等を採用することができる。

請求項３記載の発明に係る熱発電装置は、請求項２記載の熱発電装置において、前記エンジンの排気ガスが通過する排気ガス流路、前記熱発電素子、及び前記冷却水の少なくとも一部の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度が所定の閾値未満である場合に前記電動駆動手段を停止する。

請求項３記載の熱発電装置では、エンジンの停止後に、温度センサの検出温度が所定の閾値（温度）未満である場合には、作動制御手段が電動駆動手段を停止する。これにより、冷却水の沸騰を防止しつつ、駆動電力の節約が図られる。

請求項４記載の発明に係る熱発電装置は、請求項３記載の熱発電装置において、前記温度センサは、前記熱発電素子の低温側における前記冷却水の温度を検出し、前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度が第１閾値を超える場合に前記電動駆動手段を作動し、前記温度センサの検出温度が前記第１閾値よりも低温である第２閾値未満である場合に前記電動駆動手段を停止する。

請求項４記載の熱発電装置では、温度センサは熱発電素子の低温側における冷却水の温度を検出する。この冷却水の温度は、電動駆動手段を停止すると、熱発電素子の余熱によって上昇する場合がある。そして、本熱発電装置では、温度センサの検出温度すなわち冷却水温が第１閾値よりも大きい場合に冷却水を循環させ、冷却水温が第１閾値よりも低温である第２閾値未満になると冷却水の循環が停止する。この冷却水の循環停止後に、再び冷却水温が第１閾値を超えると、作動制御手段は、電動駆動装置を再起動して冷却水を循環する。このように、冷却水を断続的に作動して熱発電素子の熱量を徐々に奪うため、電動駆動装置を停止した後に再起動しない構成と比較して、冷却水の沸騰を確実に防止するための電動駆動装置の作動時間を短縮することができる。

請求項５記載の発明に係る熱発電装置は、請求項２記載の熱発電装置において、前記エンジン停止又は電動駆動手段の作動からの経過時間を計時する計時手段をさらに備え、前記作動制御手段は、前記電動駆動手段を作動した場合であって、前記計時手段による計測時間が所定時間を越えた場合に、前記電動作動手段を停止する。

請求項５記載の熱発電装置では、エンジンが停止してから、又は電動駆動手段が作動してから所定時間が経過すると、作動制御手段が電動駆動手段を停止する。これにより、冷却水の沸騰防止、駆動電力の節約の両立が図られる。

請求項６記載の発明に係る熱発電装置は、請求項５記載の熱発電装置において、前記エンジンの排気ガスが通過する排気ガス流路、前記熱発電素子、及び前記冷却水の少なくとも一部の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度に応じて前記電動駆動手段を停止するための所定時間を設定する。

請求項６記載の熱発電装置では、例えば、エンジン停止時又は電動駆動手段の作動開始時の温度（冷却水、熱発電素子、又は排気ガス流路（内の空気）の温度）に応じて、冷却水を沸騰が生じさせない電動駆動手段の停止時期（作動時間）が変更される。これにより、冷却水の沸騰が確実に防止され、また余分な電力を消費することがなくなる。

請求項７記載の発明に係る熱発電装置は、請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の熱発電装置において、前記電動駆動手段に電力を供給するための蓄電手段と、前記熱発電素子が発電した電力を前記蓄電手段に蓄電するための電力回収手段と、前記エンジンの停止後に前記電力回収手段を作動させる制御装置とをさらに備えた。

請求項７記載の熱発電装置では、電動駆動手段は、蓄電手段から供給される電力によって作動する。制御装置は、エンジンの停止後に電力回収手段を作動して熱発電素子が発電した電力を蓄電手段に蓄電させる。すなわち、本熱発電装置では、少なくともエンジン停止後に発電された電力は蓄電手段に回収され、電動駆動手段の駆動用電力として利用することが可能になる。また、電動駆動手段による蓄電量の低下が抑制される。なお、蓄電手段は、例えば、電動駆動手段への電力供給用の専用装置であっても良く、熱発電素子が発電する電力をすべて回収するものであっても良い。

以上説明したように本発明に係る熱発電装置は、熱発電素子の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができるという優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る熱発電装置である排気熱発電装置１０について、図１乃至図４に基づいて説明する。

図１には、排気熱発電装置１０の概略全体構成が模式図にて示されている。この図に示される如く、排気熱発電装置１０は、熱電スタック１２を備えている。熱電スタック１２は、それぞれ高温側と低温側との温度差によって生じるゼーベック効果等による発電を行う複数（多数）の熱発電素子（熱電変換素子）１４を備えている。熱電スタック１２における各熱発電素子１４の高温側を加熱する熱源は、エンジン１６の排気ガス（が有する排熱）とされ、各熱発電素子１４の低温側を冷却する冷源は、冷却水を冷媒とする冷却システム１５とされている。

具体的には、エンジン１６は、内燃機関エンジンであり、排気マニホールド１８を介して接続された排気管２０を通じて、燃焼排ガスを排気ガスとして系外に排出するようになっている。熱電スタック１２は、集熱部材を介して、スタックの排気通路外周面から熱伝達させる各熱発電素子１４が排気管２０廻りに配設されて構成されている。この実施形態では、複数の熱発電素子１４は、排気管２０の長手方向、周方向にそれぞれ複数配設されている。各熱発電素子１４は、図示しない保持部材によって排気管２０廻りに保持されている。

一方、熱電スタック１２における各熱発電素子１４の低温側、すなわち排気管２０側とは反対側の面には、それぞれ冷却システム１５を構成する低温側熱交換器２２が接触している。また、冷却システム１５は、各低温側熱交換器２２に冷却水を分配するための入口ヘッダ２４と、各低温側熱交換器２２からの冷却水を集合させるための出口ヘッダ２６とを備えている。これにより、冷却システム１５では、入口ヘッダ２４に流入した冷却水が各低温側熱交換器２２に分配され、各熱発電素子１４の低温側を冷却した後、出口ヘッダ２６で合流するようになっている。

さらに、冷却システム１５は、冷却水を冷却して低温側熱交換器２２に循環させる冷却水路２８を備えている。冷却水路２８上には、冷却水を循環するための駆動力源である電動駆動手段としてのウォータポンプ３０が配設されている。ウォータポンプ３０は、後述するバッテリ３６の電力によって作動する電動ポンプとされており、後述する発電ＥＣＵ４０によって作動を制御されるようになっている。また、冷却水路２８上における出口ヘッダ２６とウォータポンプ３０との間には、車両走行やファン作動に伴って送風された空気と冷却水との熱交換によって該冷却水を冷却するためのラジエータ３２が配設されている。

以上により、冷却システム１５（冷却水路２８）では、ウォータポンプ３０の作動によって、冷却水が、ウォータポンプ３０、入口ヘッダ２４、各低温側熱交換器２２、出口ヘッダ２６、ラジエータ３２、ウォータポンプ３０の順に循環するようになっている。したがって、冷却水路２８、入口ヘッダ２４、各低温側熱交換器２２、出口ヘッダ２６が本発明における「冷却水回路」に相当する。そして、この実施形態では、冷却水が排気熱発電装置１０の専用冷媒として用いられる構成とされている。

熱電スタック１２の電気出力部は、電力回収手段を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ３４を介して蓄電手段としてのバッテリ３６に接続されており、各熱発電素子１４が発電した電力はバッテリ３６に蓄電（充電）されるようになっている。このバッテリ３６には、図示しない車載電気装置等の負荷が接続されると共に、この実施形態ではウォータポンプ３０用のドライバ３８にも接続されている。ドライバ３８は、作動制御手段、制御装置としての発電ＥＣＵ４０からのポンプ作動指令に基づいて、バッテリ３６に蓄えられた電力をウォータポンプ３０に供給（通電）し、発電ＥＣＵ４０からのポンプ停止指令に基づいて、ウォータポンプ３０への通電を停止するようになっている。

また、発電ＥＣＵ４０は、温度センサ４２に電気的に接続されている。温度センサ４２は、冷却水の温度に応じた電気信号を出力するように構成されており、この実施形態では、低温側熱交換器２２内の冷却水に接触するように配置されて該冷却水温Ｔを直接的に検出するようになっている。さらに、発電ＥＣＵ４０は、エンジン１６が停止された場合には、図示しないエンジンＥＣＵからエンジン停止信号が入力されるようになっている。

発電ＥＣＵ４０は、図３に示される如く、エンジン停止信号が入力された後、温度センサ４２からの信号に基づいて冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満であると判断するまで、ウォータポンプ３０の作動を維持するように構成されている。設定温度Ｔ０は、ウォータポンプ３０すなわち冷却水の循環を停止した場合に、熱電スタック１２（主に各低温側熱交換器２２）内の冷却水が熱電スタック１２保持している熱量の放熱によって加熱されも、熱電スタック１２内の冷却水が沸騰を生じないように設定されている。

より具体的には、冷却水が沸騰を生じることのない許容温度をＴａ（℃）、熱電スタック１２内の冷却水の質量をＭｗ（ｋｇ）、冷却水の比熱をＣｗ（Ｊ／ｋｇ℃）、熱電スタック１２から該熱電スタック１２内の冷却水に伝達されることが想定される最大の熱量をＱ（Ｊ）とすると、設定温度Ｔ０は次式の通り設定される。

Ｔ０＝Ｔａ−Ｑ／（Ｍｗ×Ｃｗ）
そして、発電ＥＣＵ４０は、温度センサ４２からの信号に基づいて、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満であると判断した場合に、ウォータポンプ３０を停止するようになっている。また、発電ＥＣＵ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４の動作を制御するようになっている。すなわち、発電ＥＣＵ４０は、熱電スタック１２が発電した電力をバッテリ３６に充電し得る状態と、熱電スタック１２からバッテリ３６への電力回収を遮断する状態とを切り替え得るように構成されている。この実施形態では、発電ＥＣＵ４０は、エンジン停止信号が入力された後に、熱電スタック１２による発電を継続させる構成とされている。具体的には、エンジン１６の停止後にウォータポンプ３０を作動させる期間中、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４によって熱電スタック１２の発電電力を回収するように構成されている。

次に、第１の実施形態の作用を、図２に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

上記構成の排気熱発電装置１０では、発電ＥＣＵ４０は、自動車のエンジン１６が運転されている場合、すなわち図２に示すフローチャートのステップＳ１０においては、ウォータポンプ３０を作動させる。発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ１２でエンジン停止信号が入力されたか否か、すなわちエンジン１６が停止されたか否かを判断し、エンジン１６が停止されるまで繰り返す。したがって、発電ＥＣＵ４０は、エンジン１６が作動している期間中、ウォータポンプ３０の作動を維持する。

エンジン１６及びウォータポンプ３０が共に作動している状態では、エンジン１６の排気ガスが排気管２０を流通し系外に排出され、熱電スタック１２では、排気管２０から伝達される排気ガスの熱によって各熱発電素子１４の高温側が加熱される。一方、冷却システム１５では、ウォータポンプ３０の作動によって冷却水が循環してラジエータ３２にて冷却された冷却水が低温側熱交換器２２に導入され、熱電スタック１２の各熱発電素子１４の低温側が冷却される。

以上のように、熱電スタック１２を構成する各熱発電素子１４の高温側が排気ガスの熱を有効利用して加熱されると共に、各熱発電素子１４の低温側が冷却水にて冷却されることで、各熱発電素子１４の高低温側間の温度差が確保され、各熱発電素子１４は、この温度差に基づく起電力を生じる。すなわち、熱電スタック１２では、熱発電素子１４が発電を行なう。発電された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４にて適宜電圧が変換されてバッテリ３６に蓄電される。このバッテリ３６の電力は、ウォータポンプ３０の動力としても利用される。

発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ１２でエンジン１６が停止されたと判断した場合、ステップＳ１４に進み、温度センサ４２からの信号が所定の閾値を下回るか否か、すなわち、温度センサ４２の出力信号に基づいて冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満であるか否かを判断する。発電ＥＣＵ４０は、冷却水温Ｔが設定温度以上であると判断した場合には、ステップＳ１６に進みウォータポンプ３０の作動を維持し、ステップＳ１４に戻る。

これにより、排気熱発電装置１０では、エンジン１６の停止後も、冷却水温Ｔが温度Ｔ０以上である場合には、冷却水の循環が維持される。この冷却水の温度が低下し、ステップＳ１４で冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満であると判断した場合、発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ１８に進みウォータポンプ３０を停止する。

また、このエンジン停止後において発電ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ３０を作動している期間中、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４を作動させて熱電スタック１２の発電を継続させ、該熱電スタック１２が発電した電力をバッテリ３６に蓄電させている。図４に示される如く、エンジン停止後における熱電スタック１２の発電量は、該熱電スタック１２の蓄熱量（低温側との温度差）に依存するため、時間経過に伴って減少する。具体的には、各熱発電素子１４の出力因子をｐｆ（Ｗ／Ｋ²）、各熱発電素子１４の高温側の温度をＴｈ、各熱発電素子１４の低温側の温度をＴＬとすると、熱電スタック１２による発電量Ｐは、Ｐ＝１／４×ｐｆ×（Ｔｈ−ＴＬ）²であり、高温側の温度Ｔｈ（高低温度差）が時間経過に伴って低下することで、発電量が時間経過と共に減少する。

ここで、排気熱発電装置１０では、エンジン１６の停止後にウォータポンプ３０の作動が維持されるため、熱電スタック１２内に滞留した冷却水が該熱電スタック１２に蓄熱された熱の放熱によって加熱されて沸騰を生じることが防止される。特に、冷却水温Ｔ度が設定温度Ｔ０以上である場合にはウォータポンプ３０の作動を維持するため、熱電スタック１２の熱容量が大きく冷却水温Ｔが低下するのに比較的長い時間を要する構成において、冷却水の沸騰を確実に防止することができる。

一方、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満になればウォータポンプ３０の作動が停止されるため、上記の通り冷却水の沸騰を確実に防止する機能を果たしながら、冷却水の沸騰の恐れがなくなった後にまでウォータポンプ３０を駆動してバッテリ３６の電力を消費してしまうことが防止される。さらに、温度をパラメータにウォータポンプ３０の停止制御を行う構成であるため、エンジン１６の停止直後であっても、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満である場合には、ウォータポンプ３０を作動させることがない。これにより、バッテリ３６の電力を節約することができる。

このように、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０では、熱発電素子１４の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる。

また、排気熱発電装置１０では、発電ＥＣＵ４０がウォータポンプ３０の作動時期を制御するためのパラメータとして冷却水の温度を用いるため、例えば、排気管２０、排気ガス、熱発電素子１４の温度等を検出するための温度センサと比較して、測定レンジが低く安価な温度センサ４２を用いることが可能である。

さらに、排気熱発電装置１０では、エンジン１６の停止後にも熱電スタック１２による発電を維持するため、上記の通り熱容量が大きい熱電スタック１２に蓄えられた熱量を利用して電力を回収することができる。この電力は、バッテリ３６を介してウォータポンプの作動に供されるので、エンジン１６の停止後にウォータポンプ３０作動することによるエネルギロスが抑制される。これにより、冷却水の沸騰防止のためにバッテリ３６の蓄電量が減少することも防止される。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部分については、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る排気熱発電装置５０（図１に( )を付して図示）は、発電ＥＣＵ４０による制御のみが第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０とは異なる。このため、排気熱発電装置５０については、その制御についてのみ説明することとする。なお、この実施形態では、発電ＥＣＵ４０は、図５に示すフローチャートによる制御を終了するまでの期間中、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４を作動して熱電スタック１２による発電を維持するようになっている。

図５には、第２の実施形態に係る排気熱発電装置５０を構成する発電ＥＣＵ４０による制御フローがフローチャートにて示されている。

この図に示される如く、発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ１２でエンジン１６が停止したと判断した場合、ステップＳ２０に進み、温度センサ４２の信号が第１閾値を超えるか否か、換言すれば冷却水温Ｔが設定温度Ｔ１を超えるか否かを判断する。冷却水温Ｔが設定温度Ｔ１を超えると判断した場合に発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２２に進み、ウォータポンプ３０の作動状態を維持する。一方、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ１以下であると判断した場合に発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２６に進み、ウォータポンプ３０を停止する。

ここで、設定温度Ｔ１は、上記した許容温度Ｔａ以下であって、許容温度Ｔａに近い温度として設定されている。したがって、ステップＳ２６でウォータポンプ３０を作動している期間中、冷却水は、その温度Ｔが設定温度Ｔ１以上である許容温度Ｔａよりも上昇して沸騰することが防止される。

ステップＳ２２の実行（ウォータポンプ３０の作動）後、発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２４に進み、温度センサ４２の信号が第２閾値未満であるか否か、換言すれば冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２を超えるか否かを判断する。冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２を下回ると判断した場合に発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２６に進み、ウォータポンプ３０の作動を停止する。一方、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２以上であると判断した場合に発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２２に戻り、ウォータポンプ３０の作動を維持する。すなわち、発電ＥＣＵ４０は、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２を下回るまで、ウォータポンプ３０の駆動状態を維持する。

さらに、ステップＳ２６の実行（ウォータポンプ３０の停止）後、発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２８に進み、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満であるか否かを判断する。冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０未満である場合、すなわち冷却水を循環しなくても冷却水温Ｔが許容温度Ｔａを超える恐れがないと判断された場合、発電ＥＣＵ４０は制御（プログラム）を終了してウォータポンプ３０を停止状態に維持する。

一方、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０以上である場合、発電ＥＣＵ４０は、ステップＳ２０に戻る。そして、ウォータポンプ３０の作動を停止したままステップＳ２０、ステップＳ２６、ステップＳ２８を繰り返すうちに、熱電スタック１２の放熱によって冷却水温Ｔが上記第１閾値に相当する設定温度Ｔ１を超えると、ステップＳ２０からステップＳ２２に進み、ウォータポンプ３０が再起動される。これにより、排気熱発電装置５０では、上記したエンジン１６の停止直後の場合（ステップＳ２２の１順目）と同様に、冷却水の沸騰が防止され、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２を下回るまでウォータポンプ３０の作動による冷却水の循環が維持される。

そして、発電ＥＣＵ４０は、ウォータポンプ３０停止時の冷却水温Ｔが設定温度Ｔ０を下回るまで、上記の動作を繰り返す。すなわち、図６に示される如く、発電ＥＣＵ４０は、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ１を超えるとウォータポンプ３０を作動し、冷却水温Ｔが設定温度Ｔ２を下回るとウォータポンプ３０を停止する。

以上説明した排気熱発電装置５０によっても、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、熱発電素子１４の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる。また、排気熱発電装置５０では、冷却水温Ｔに応じてウォータポンプ３０を断続的（間欠的）に作動させる構成であるため、換言すれば、熱電スタック１２の熱を徐々に奪いつつ、冷却水の沸騰を防止することができる。

このため、排気熱発電装置５０では、熱電スタック１２から冷却水への想定最大放熱量Ｑ（最も厳しい条件）を用いた仮想条件（安全率の高い条件）に基づく制御を行う第１の実施形態よりも、ウォータポンプ３０の作動時間すなわち駆動エネルギの消費量を低減することができる場合が多くなる。また、エンジン１６の停止中に冷却水を冷却するためのラジエータ３２が電動ファン等を有する構成では、該電動ファンの消費エネルギを低減することができる。

なお、上記した第２の実施形態では、制御終了条件として第１の実施形態と同様に設定温度Ｔ０を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、設定温度Ｔ０よりも大でかつ設定温度Ｔ１よりも小である温度を制御終了条件として用いても良い。

また、上記第１及び第２の実施形態では、発電ＥＣＵ４０によるウォータポンプ３０の停止制御のパラメータを冷却水温Ｔとした例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、熱電スタック１２（熱発電素子１４）の温度Ｔｓを上記の制御パラメータとして用いても良い。この場合、熱電スタック１２から冷却水への熱通過率をＫＦｓｗ（Ｗ／℃）、熱電スタック１２から冷却水への放熱量Ｑ（Ｗ）（ただし、Ｑは温度Ｔの関数）とすると、Ｔａ＞Ｔｓ０−Ｑ／ＫＦｓｗを満たすように設定された温度Ｔｓ０がウォータポンプ３０の停止条件（Ｔｓ＜Ｔｓ０）として設定される。これにより、エンジン１６の停止後に熱電スタック１２の温度Ｔｓが設定温度Ｔｓ０を下回るまで、ウォータポンプ３０の作動が維持され、冷却水の沸騰が防止される。なお、熱電スタック１２の温度は、時間経過に伴って漸減するため、第２実施形態の如き制御は取り得ない。

（第３の実施形態）
図７には、第３の実施形態に係る排気熱発電装置６０が図１に対応する模式図にて示されている。この図に示される如く、排気熱発電装置５０は、発電ＥＣＵ４０に代えて発電ＥＣＵ６２を備え、温度センサ４２を備えない点で、排気熱発電装置１０、５０とは異なる。排気熱発電装置６０の他の構成は、排気熱発電装置１０の対応する構成と同じである。なお、この実施形態では、発電ＥＣＵ６２は、エンジン１６の停止後、後述する所定時間が経過するまでの期間中、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４を作動して熱電スタック１２による発電を維持するようになっている。

排気熱発電装置６０を構成する発電ＥＣＵ６２は、計時手段としてのタイマ６４を内蔵している。発電ＥＣＵ６２は、エンジン停止信号が入力されると、タイマ６４による計時を開始するようになっている。そして、発電ＥＣＵ６２は、図８に示される如く、タイマによる計時によってエンジン１６停止後におけるウォータポンプ３０の作動時間が所定時間ｔ０を経過すると、ウォータポンプ３０の作動を停止するようになっている。

ここで、所定時間ｔ０は、熱電スタック１２の温度Ｔｓ（この実施形態では計測しない）が、想定し得る最大の放熱量Ｑ（Ｗ）を用いて、上記した設定温度Ｔｓ０を下回るのに要する時間として設定されている。

上記構成の排気熱発電装置６０では、エンジン停止信号が入力された発電ＥＣＵ６２は、タイマ６４による計時を開始する。そして、発電ＥＣＵ７２は、設定時間ｔ０の経過後、ウォータポンプ３０を停止する。このとき、熱電スタック１２の温度は、設定温度Ｔｓ０以下になっており、熱電スタック１２内の冷却水が沸騰することはない。

したがって、第３の実施形態に係る排気熱発電装置６０によっても、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０と同様の効果を得ることができる。すなわち、熱発電素子１４の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる。また、エンジン１６停止後に所定時間ｔ０が経過するとウォータポンプ３０を停止するため、ウォータポンプ３０が作動し続けてバッテリ３６の電力を無駄に消費することが防止される。

（第４の実施形態）
図９には、本発明の第４の実施形態に係る排気熱発電装置７０が図１に対応する模式図にて示されている。この図に示される如く、排気熱発電装置７０は、タイマ６４を内蔵する発電ＥＣＵ７２が、低温側熱交換器２２内の冷却水温Ｔを検出する温度センサ４２に電気的接続される点で、第１の実施形態に係る排気熱発電装置１０、第３の実施形態に係る排気熱発電装置６０とは異なる。発電ＥＣＵ７２は、エンジン１６の停止時点における熱電スタック１２の温度Ｔｓに応じて、エンジン１６停止後にウォータポンプ３０を作動させる設定時間を異ならせるようになっている。

具体的には、図１０に示される如く、エンジン１６停止時点の熱電スタック１２の温度Ｔｓが高いほど、該熱電スタック１２の温度が上記した設定温度Ｔｓ０を下回る時間が長くなることがわかっており、発電ＥＣＵ７２は、エンジン１６停止時点の熱電スタック１２の温度に応じた設定時間を記憶しているか、又は算出可能になっている。図１０には、熱電スタック１２の温度Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３、Ｔｓ４に応じた設定時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４が選択可能に記憶されている例が示されている。

また、発電ＥＣＵ７２は、エンジン１６停止時点の熱電スタック１２の温度Ｔｓが設定温度Ｔｓ０を下回る場合には、エンジン停止後にウォータポンプ３０を停止するように構成されている。なお、この実施形態では、発電ＥＣＵ７２は、エンジン１６の停止後、タイマ６４の計時時間が所定時間を経過するまでの期間中、ＤＣ−ＤＣコンバータ３４を作動して熱電スタック１２による発電を維持するようになっている。

上記構成の排気熱発電装置７０では、エンジン停止信号が入力された発電ＥＣＵ７２は、温度センサ４２の出力信号に基づき、熱電スタック１２の温度Ｔｓが設定温度Ｔｓ０を超えているか否かを判断し、超えている場合にはタイマ６４による計時を開始すると共に、熱電スタック１２の温度Ｔｓに応じた設定時間を選択又は算出する。そして、発電ＥＣＵ７２は、選択又は算出した設定時間の経過後、ウォータポンプ３０を停止する。このとき、熱電スタック１２の温度は、設定温度Ｔｓ０以下になっており、熱電スタック１２内の冷却水が沸騰することはない。

したがって、第４の実施形態に係る排気熱発電装置７０によっても、第３の実施形態に係る排気熱発電装置６０と同様の効果を得ることができる。すなわち、熱発電素子１４の低温側を冷却するための冷却水が沸騰することを防止することができる。また、エンジン１６停止時点の熱電スタック１２の温度Ｔｓに応じてエンジン１６停止後のウォータポンプ３０の作動時間を選択又は算出するため、第３の実施形態のように想定し得る最大の放熱量Ｑに合わせてウォータポンプ３０を長時間作動させ続けることが防止され、ウォータポンプ３０の駆動エネルギの消費量を低減することができる場合が多くなる。

なお、上記の各実施形態では、排気熱発電装置１０、５０、６０、７０に専用の冷却システム１５（ウォータポンプ３０）を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、エンジン１６の冷却システムと冷却水、ラジエータ３２を共用するように構成しても良い。この場合、エンジン１６に駆動される機械式のウォータポンプと電動のウォータポンプ３０を併用し、エンジン１６の停止後にウォータポンプ３０が起動される構成としても良く、電動のウォータポンプ３０が作動中のエンジン１６への冷却水循環の駆動源として機能するように構成しても良い。また、エンジン１６の停止後には、該エンジン１６には冷却水が循環しないように冷却水路を切り替える構成としても良い。

また、上記各実施形態では、エンジン１６の停止後にも熱電スタック１２の発電、該電力のバッテリ３６への回収を維持する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、エンジン１６の停止後に熱電スタック１２による発電を停止するように構成しても良い。

さらに、上記各実施形態では、ウォータポンプ３０の停止条件として冷却水温Ｔ、熱電スタック１２の温度Ｔｓ、エンジン１６の停止からの経過時間ｔなどを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、熱電スタック１２の発電量（図４参照）を検出する電力計や出力電圧を検出する電圧計等の出力信号を、ウォータポンプ３０の停止条件として用いても良い。

本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置の概略全体構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによる制御フローを示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによるウォータポンプの停止条件を示す線図である。本発明の第１の実施形態に係る排気熱発電装置におけるエンジン停止後の発電量の時間変化を示す線図である。本発明の第２の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによる制御フローを示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによるウォータポンプの停止、作動条件を示す線図である。本発明の第３の実施形態に係る排気熱発電装置の概略全体構成を示す模式図である。本発明の第３の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによるウォータポンプの停止条件を示す線図である。本発明の第４の実施形態に係る排気熱発電装置の概略全体構成を示す模式図である。本発明の第４の実施形態に係る排気熱発電装置を構成する発電ＥＣＵによるウォータポンプの停止条件を示す線図である。

符号の説明

１０排気熱発電装置（熱発電装置）
１２熱電スタック（熱発電素子）
１４熱発電素子
１６エンジン
２２低温側熱交換器（冷却水回路）
２８冷却水路（冷却水回路）
３０ウォータポンプ（電動駆動手段）
３４コンバータ（電力回収手段）
３６バッテリ（蓄電手段）
４０発電ＥＣＵ（作動制御手段、制御装置）
４２温度センサ
５０・６０・７０排気熱発電装置
６２・７２発電ＥＣＵ（作動制御手段、制御装置）
６４タイマ（計時手段）

Claims

エンジンの排気ガスによって加熱される高温側と冷却水によって冷却される低温側との温度差によって熱発電素子が起電力を生じる熱発電装置であって、
前記冷却水を循環させるための冷却水回路と、
作動することで前記冷却水回路の冷却水を強制的に循環させる電動駆動手段と、
前記エンジンの停止後に、前記電動駆動手段を作動させる作動制御手段と、
を備えた熱発電装置。
前記作動制御手段は、前記エンジンが停止して前記電動駆動手段を作動した後、所定の条件が成立すると前記電動駆動手段を停止させる機能を有する請求項１記載の熱発電装置。
前記エンジンの排気ガスが通過する排気ガス流路、前記熱発電素子、及び前記冷却水の少なくとも一部の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度が所定の閾値未満である場合に前記電動駆動手段を停止する請求項２記載の熱発電装置。
前記温度センサは、前記熱発電素子の低温側における前記冷却水の温度を検出し、
前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度が第１閾値を超える場合に前記電動駆動手段を作動し、前記温度センサの検出温度が前記第１閾値よりも低温である第２閾値未満である場合に前記電動駆動手段を停止する請求項３記載の熱発電装置。
前記エンジン停止又は電動駆動手段の作動からの経過時間を計時する計時手段をさらに備え、
前記作動制御手段は、前記電動駆動手段を作動した場合であって、前記計時手段による計測時間が所定時間を越えた場合に、前記電動作動手段を停止する請求項２記載の熱発電装置。
前記エンジンの排気ガスが通過する排気ガス流路、前記熱発電素子、及び前記冷却水の少なくとも一部の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記作動制御手段は、前記温度センサの検出温度に応じて前記電動駆動手段を停止するための所定時間を設定する請求項５記載の熱発電装置。
前記電動駆動手段に電力を供給するための蓄電手段と、前記熱発電素子が発電した電力を前記蓄電手段に蓄電するための電力回収手段と、前記エンジンの停止後に前記電力回収手段を作動させる制御装置とをさらに備えた請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の熱発電装置。