JP2008274790A - Waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
【課題】例えば冷却水循環回路を比較的簡易な構成で実現しつつも、広範な温度域の排気ガスから電気エネルギを回収する。
【解決手段】排熱回収装置(41)は、熱源から排出される排気ガスから電気エネルギを回収する排熱回収装置であり、排気ガスが通過するための流路(21)が、断熱手段(423)によって、互いに並列した複数の流路に分割されている。分割された複数の流路の各々に対応して複数の熱電変換手段(421,422)が配置されている。これらの熱電変換手段は、互いに異なる作動温度域を有しており、該作動温度域に属する温度である排気ガスの熱エネルギを電気エネルギへと変換する。また、複数の熱電変換手段のうち排気ガスに曝される部位とは異なる部位を冷却する冷却手段(44)を備える。
【選択図】図1For example, while realizing a cooling water circulation circuit with a relatively simple configuration, electric energy is recovered from exhaust gas in a wide temperature range.
An exhaust heat recovery device (41) is an exhaust heat recovery device that recovers electrical energy from exhaust gas exhausted from a heat source, and a flow path (21) through which the exhaust gas passes includes heat insulation means ( 423), the flow paths are divided into a plurality of parallel flow paths. A plurality of thermoelectric conversion means (421, 422) are arranged corresponding to each of the plurality of divided flow paths. These thermoelectric conversion means have different operating temperature ranges, and convert the thermal energy of the exhaust gas, which is a temperature belonging to the operating temperature range, into electrical energy. Moreover, the cooling means (44) which cools the site | part different from the site | part exposed to exhaust gas among several thermoelectric conversion means is provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、熱電素子を備え、例えば排気管において排気ガスから電気エネルギを回収する排熱回収装置に関する。 The present invention relates to an exhaust heat recovery apparatus that includes a thermoelectric element and recovers electrical energy from exhaust gas in an exhaust pipe, for example.
この種の排熱回収装置に備わり、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子としては、例えばBi−Te半導体素子やPb−Te半導体素子などが知られている。そして、これらの素子は、いずれも、その素子特有のある作動温度域において高い変換効率を示す。 For example, a Bi-Te semiconductor element or a Pb-Te semiconductor element is known as a thermoelectric element that is provided in this type of exhaust heat recovery device and converts the thermal energy of exhaust gas into electrical energy. Each of these elements exhibits high conversion efficiency in a certain operating temperature range unique to the element.
しかしながら、自動車エンジンからの排気ガスの温度は、運転条件によって例えば200〜700℃と大幅に変動する。この温度幅が、用いた熱電素子の作動温度域の範囲内にあれば、格別問題となることはない。しかし、上記作動温度域から外れている場合には、熱電素子が作動しなかったり、作動しても低効率であったりする。例えば、排気ガスが、作動温度域よりも低温である場合には熱回収効率が悪化するおそれがあり、他方で、作動温度域よりも高温である場合には熱回収効率の悪化に加えて耐熱耐久性が悪化(つまり、熱劣化)するおそれがある。 However, the temperature of the exhaust gas from the automobile engine varies greatly, for example, 200 to 700 ° C. depending on the operating conditions. If this temperature range is within the operating temperature range of the used thermoelectric element, there is no particular problem. However, when the temperature is outside the operating temperature range, the thermoelectric element does not operate or even if it operates, the efficiency is low. For example, if the exhaust gas is at a temperature lower than the operating temperature range, the heat recovery efficiency may be deteriorated. On the other hand, if the exhaust gas is at a temperature higher than the operating temperature range, the heat recovery efficiency is deteriorated in addition to the deterioration of the heat recovery efficiency. Durability may be deteriorated (that is, heat deterioration).
このような不具合に対処するため、例えば以下の特許文献1に開示されているように、排気管を第1と第2の流路に分岐させ、第1の排気ガス流路には高温排熱回収手段と温度センサーが装着され、かつ第2の排気ガス流路には低温排熱回収手段と温度センサーが装着され、排気ガス温度により流路を切り替えるバルブを備えた排気ガスエネルギ回収装置が提案されている。この装置によると、排気ガス温度に対応させて広い温度範囲で高効率の熱回収が可能という(特許文献1参照)。
In order to deal with such problems, for example, as disclosed in
しかしながら、例えば特許文献1に開示された技術では、高温排熱回収手段と低温排熱回収手段とが別個の排気ガス流路に配置されるために、ヒートパイプあるいは冷却水循環回路を個別に設ける必要が生じ、構成が複雑かつ大型化するおそれがある。
However, in the technique disclosed in
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、冷却水循環回路を比較的簡易な構成で実現しつつも、広範な温度域の排気ガスに対応可能な排熱回収装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, for example, and provides an exhaust heat recovery device that can cope with exhaust gas in a wide temperature range while realizing a cooling water circulation circuit with a relatively simple configuration. The task is to do.
(1)
本発明に係る排熱回収装置は上記課題を解決するため、
熱源から排出される排気ガスから電気エネルギを回収する排熱回収装置であって、
前記排気ガスが通過するための流路を、互いに並列した複数の流路に分割する断熱手段と、
互いに異なる作動温度域を有しており該作動温度域に属する温度である排気ガスの熱エネルギを電気エネルギへと変換する熱電変換手段であって、前記分割された複数の流路の各々に対応して配置された複数の熱電変換手段と、
前記複数の熱電変換手段のうち前記排気ガスに曝される部位とは異なる部位を冷却する冷却手段とを備える。
(1)
The exhaust heat recovery apparatus according to the present invention solves the above problems,
An exhaust heat recovery device that recovers electrical energy from exhaust gas exhausted from a heat source,
A heat insulating means for dividing the flow path through which the exhaust gas passes, into a plurality of parallel flow paths;
Thermoelectric conversion means for converting the thermal energy of exhaust gas, which has different operating temperature ranges and that belongs to the operating temperature range, into electrical energy, corresponding to each of the plurality of divided flow paths A plurality of thermoelectric conversion means arranged as
Cooling means for cooling a portion different from the portion exposed to the exhaust gas among the plurality of thermoelectric conversion means.
本発明に係る排熱回収装置によると、エンジン等の熱源から排出される排気ガスから電気エネルギが好適に回収される。先ず、断熱手段(例えば、板状の断熱材)によって、エネルギ排気ガスが通過するための流路が、互いに並列した複数の流路に分割されている。例えば、高温排気ガス用と低温排気ガス用との2つの流路に分割されている。複数の熱電変換手段が、分割された複数の流路の各々に対応して配置されている。これらの熱電変換手段は、互いに異なる作動温度域を有している。例えば、高温排気ガス用の流路に配置される熱電変換手段の作動温度域が400〜700℃である場合に、低温排気ガス用の流路に配置される熱電変換手段の作動温度域は200〜400℃のものが用いられる。そして、車両の熱源からこの作動温度域に属する温度である排気ガスの熱エネルギが、熱電変換手段によって、電気エネルギへと変換される。言い換えれば、発電される。ここで上記背景技術においても指摘したように、熱電変換手段は作動温度域よりも低温である場合には熱回収効率が悪化するおそれがあり、他方で、作動温度域よりも高温である場合には耐熱耐久性が悪化するおそれがある。然るに、本発明に係る排熱回収装置によると、複数の熱電変換手段が、分割された複数の流路の各々に対応して配置されているので、排気ガスの温度に応じてこれらの流路を選択的に使い分けることで、熱回収効率や耐熱耐久性の悪化を回避しつつも、複数の熱電変換手段の各々の作動温度域の総和をカバーできる。例えば、上記例であれば、200〜400℃と400〜700℃との総和である200〜700℃の排気ガスに対応可能となる。 According to the exhaust heat recovery apparatus of the present invention, electrical energy is preferably recovered from exhaust gas discharged from a heat source such as an engine. First, the flow path for the energy exhaust gas to pass through is divided into a plurality of flow paths parallel to each other by a heat insulating means (for example, a plate-shaped heat insulating material). For example, it is divided into two flow paths for high temperature exhaust gas and low temperature exhaust gas. A plurality of thermoelectric conversion means are arranged corresponding to each of the plurality of divided flow paths. These thermoelectric conversion means have different operating temperature ranges. For example, when the operating temperature range of the thermoelectric conversion means disposed in the flow path for high-temperature exhaust gas is 400 to 700 ° C., the operating temperature range of the thermoelectric conversion means disposed in the flow path for low-temperature exhaust gas is 200. The one with ˜400 ° C. is used. And the heat energy of the exhaust gas which is the temperature which belongs to this operating temperature range from the heat source of the vehicle is converted into electric energy by the thermoelectric conversion means. In other words, it generates electricity. Here, as pointed out also in the background art above, when the thermoelectric conversion means is at a lower temperature than the operating temperature range, the heat recovery efficiency may be deteriorated, and on the other hand, when the thermoelectric conversion means is at a higher temperature than the operating temperature range. May deteriorate the heat durability. However, according to the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, since the plurality of thermoelectric conversion means are arranged corresponding to each of the plurality of divided flow paths, these flow paths are arranged according to the temperature of the exhaust gas. By selectively using these, the sum of the operating temperature ranges of each of the plurality of thermoelectric conversion means can be covered while avoiding deterioration in heat recovery efficiency and heat resistance durability. For example, if it is the said example, it will respond | correspond to 200-700 degreeC exhaust gas which is the sum total of 200-400 degreeC and 400-700 degreeC.
加えて、上記熱電エネルギの変換は、ゼーベック効果によるものであり、熱電変換手段における温度差が大きいほど、変換される電気エネルギ量が大きくなる。そこで、温度差を増大させるべく、冷却手段(例えば、冷却水循環回路、ヒートパイプ)によって、エネルギ複数の熱電変換手段のうちエネルギ排気ガスに曝される部位とは異なる部位が冷却される。冷却すべき部位が空間的に散在していればいるほど、この冷却手段の構成は複雑になる。然るに、本発明に係る排熱回収装置によると、複数の熱電変換手段が配置されているのは、分割された複数の流路の各々であり、これらの流路はもともと1流路に過ぎない。すなわち、冷却すべき部位は、熱電変換手段を複数備えるにもかかわらず、空間的には非常に狭い領域に集積されているともいえる。したがって、冷却手段を、空間的に散在させることなく比較的簡易な構成で配置することができる。例えば、排気管の途中に設けられた1つの排熱回収装置において、高温用スタックと低温用スタックとが排気管周りに半々の割合で配置されると、冷却手段は、この排気管回りに1周すればよい。これにより、冷却手段の構成は従来技術の何れか一方のスタックのみの場合と同様となる。 In addition, the conversion of the thermoelectric energy is due to the Seebeck effect, and the greater the temperature difference in the thermoelectric conversion means, the greater the amount of converted electric energy. Therefore, in order to increase the temperature difference, a part different from the part exposed to the energy exhaust gas among the plurality of thermoelectric conversion means is cooled by the cooling means (for example, a cooling water circulation circuit, a heat pipe). The more spatially the parts to be cooled are scattered, the more complicated the structure of this cooling means. However, according to the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, the plurality of thermoelectric conversion means are arranged in each of the plurality of divided flow paths, and these flow paths are originally only one flow path. . That is, it can be said that the parts to be cooled are integrated in a very narrow area in spite of having a plurality of thermoelectric conversion means. Therefore, the cooling means can be arranged with a relatively simple configuration without being spatially scattered. For example, in one exhaust heat recovery device provided in the middle of the exhaust pipe, when the high-temperature stack and the low-temperature stack are arranged at a ratio of half around the exhaust pipe, the cooling means is 1 around the exhaust pipe. Just go around. Thereby, the structure of the cooling means is the same as that in the case of only one stack in the prior art.
以上示したように、本発明に係る排熱回収装置によると、冷却水循環回路のような冷却手段を比較的簡易な構成で実現しつつも、広範な温度域の排気ガスに対応可能となる。その結果、熱電変換手段の耐熱温度に起因した当該排熱回収装置の配置場所の制約が薄れ、レイアウトの自由度が増す。例えば、触媒の前後を問わず、自由に配置できるようになり、実践上非常に有効である。 As described above, according to the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, it is possible to deal with exhaust gas in a wide temperature range while realizing a cooling means such as a cooling water circulation circuit with a relatively simple configuration. As a result, restrictions on the location of the exhaust heat recovery device due to the heat-resistant temperature of the thermoelectric conversion means are reduced, and the degree of freedom in layout is increased. For example, it can be freely arranged regardless of before and after the catalyst, and is very effective in practice.
(2)
本発明に係る排熱回収装置の一の態様では、
前記分割された複数の流路のうち少なくとも、前記複数の熱電変換手段のうち作動温度域が比較的低い低温用のものが配置されている一の流路に関して、
当該一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整することで、当該一の流路を通過する排気ガスの流量を調整する調整手段を更に備える。
(2)
In one aspect of the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention,
Among the plurality of divided flow paths, at least one of the plurality of thermoelectric conversion means in which a low temperature one having a relatively low operating temperature range is disposed.
Adjustment means is further provided for adjusting the flow rate of the exhaust gas passing through the one flow path by adjusting the inlet area and the outlet area of the one flow path.
この態様によれば、調整手段(例えば、電磁駆動式の制御弁と制御装置を含む)によって、当該一の流路(つまり、作動温度域が比較的低い低温用の熱電変換手段が配置されている流路)の入口面積及び出口面積が夫々例えば全閉から全開の間で増減調整され、もって、当該一の流路を通過する排気ガスの流量が調整される。これにより、作動温度域が比較的低い低温用の熱電変換手段の保護の充実と熱回収効率の悪化防止が可能となる。なお、当然ながらこのような調整手段は、他の流路(具体的には、高温用の熱電変換手段が配置されている流路)の入口面積及び出口面積も更に増減調整してもよい。 According to this aspect, the adjustment means (for example, including the electromagnetically driven control valve and the control device) arranges the one flow path (that is, the low-temperature thermoelectric conversion means having a relatively low operating temperature range). The inlet area and the outlet area of the flow path) are adjusted to increase / decrease between fully closed and fully open, for example, and the flow rate of the exhaust gas passing through the one flow path is adjusted. This makes it possible to enhance the protection of the low-temperature thermoelectric conversion means having a relatively low operating temperature range and to prevent the heat recovery efficiency from deteriorating. Of course, such an adjusting means may further increase or decrease the inlet area and the outlet area of another flow path (specifically, the flow path in which the high-temperature thermoelectric conversion means is disposed).
(3)
この調整手段を更に備える態様では、
前記排出される排気ガスの温度を特定する温度特定手段を更に備え、
前記調整手段は、前記比較的低い作動温度域の上限値を超える温度の排気ガスが当該一の流路を通過しないように、前記特定される排気ガスの温度に少なくとも基づいて、前記一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整するようにしてもよい。
(3)
In an aspect further comprising this adjusting means,
A temperature specifying means for specifying the temperature of the exhaust gas discharged;
The adjusting means is configured to prevent the exhaust gas having a temperature exceeding the upper limit of the relatively low operating temperature range from passing through the one flow path, based on at least the temperature of the specified exhaust gas. You may make it adjust increase / decrease in the entrance area and exit area of a road.
この態様によれば、先ず、定期に又は不定期に、温度特定手段によって、排出される排気ガスの温度が特定(あるいはモニタリング)される。ここで排気ガスの温度を特定する態様は特に制限なく、例えば、排気管に設けた温度センサによって直接的に特定してもよいし、或いは、アクセル開度や機関回転数などから機関負荷を算出することで間接的に特定してもよい。このように特定される排気ガスの温度に少なくとも基づいて、当該一の流路の入口面積及び出口面積が、増減調整される。例えば、特定される排気ガスの温度が、前記低温用の熱電変換手段に係る作動温度域の上限値(若干のマージンを含む)を超える場合には、本来使用すべき温度域ではないがゆえにこの低温用熱電変換手段が耐熱できないおそれがあるので、調整手段が当該一の流路の入口面積を全閉にする。これにより、かかる高温の排気ガスが、当該一の流路を通過しないですむ。この場合にも、他の高温用の熱電変換手段に排気ガスを通過させれば、熱回収効率の低下も抑制できる。
(4)
或いは、この調整手段を更に備える態様では、
前記変換される電気エネルギ量を特定する電気エネルギ量特定手段を更に備え、
前記調整手段は、前記特定される電気エネルギ量が相対的に増加するように、前記特定される電気エネルギ量に少なくとも基づいて、前記一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整するようにしてもよい。
According to this aspect, first, the temperature of the exhaust gas discharged is specified (or monitored) by the temperature specifying means regularly or irregularly. The mode for specifying the exhaust gas temperature is not particularly limited. For example, the exhaust gas temperature may be directly specified by a temperature sensor provided in the exhaust pipe, or the engine load may be calculated from the accelerator opening or the engine speed. You may specify indirectly by doing. Based on at least the temperature of the exhaust gas thus specified, the inlet area and the outlet area of the one flow path are adjusted to increase or decrease. For example, if the temperature of the specified exhaust gas exceeds the upper limit value (including a slight margin) of the operating temperature range related to the low-temperature thermoelectric conversion means, this is not the temperature range that should be originally used. Since there is a possibility that the low-temperature thermoelectric conversion means cannot be heat-resistant, the adjusting means fully closes the inlet area of the one flow path. Thus, the high temperature exhaust gas does not need to pass through the one flow path. Also in this case, if the exhaust gas is passed through other high-temperature thermoelectric conversion means, a decrease in heat recovery efficiency can be suppressed.
(4)
Alternatively, in an aspect further comprising this adjusting means,
An electric energy amount specifying means for specifying the electric energy amount to be converted;
The adjusting means increases or decreases the inlet area and the outlet area of the one flow path based on at least the specified electric energy amount so that the specified electric energy amount relatively increases. May be.
この態様によれば、熱電変換手段によって変換される電気エネルギ量が、例えば電流計又は電圧計のような電気エネルギ量特定手段によって、熱電変換手段毎に又はまとめて特定(あるいはモニタリング)される。こうして特定される電気エネルギ量に少なくとも基づいて、特定される電気エネルギ量が相対的に増加するように、前記一の流路の入口面積及び出口面積が、調整手段によってフィードバック的に増減調整される。例えば、前記一の流路の入口面積を所定量広げる前後で特定される電気エネルギ量を比較して、電気エネルギ量が増加していれば更に広げ、減少していれば狭められる。このよう電気エネルギ量が増加する方に、フィードバック的に入口面積が増減調整される。そうすると、負荷状況(具体的には回転数やスロットル開度から特定される)が変わっても、あるいは排気ガスの温度が変わっても、当該排熱回収装置が回収する電気エネルギ量、つまり発電量を都度極力大きくすることができる。 According to this aspect, the electric energy amount converted by the thermoelectric conversion means is specified (or monitored) for each thermoelectric conversion means or collectively by an electric energy amount specifying means such as an ammeter or a voltmeter. The inlet area and the outlet area of the one flow path are adjusted in a feedback manner by the adjusting means so that the specified electric energy amount relatively increases based at least on the specified electric energy amount. . For example, the amount of electrical energy specified before and after expanding the entrance area of the one flow path by a predetermined amount is compared. If the amount of electrical energy increases, it is further expanded, and if it decreases, the amount is decreased. As the amount of electrical energy increases, the inlet area is increased or decreased in a feedback manner. Then, even if the load situation (specifically specified from the rotation speed and throttle opening) changes or the temperature of the exhaust gas changes, the amount of electric energy recovered by the exhaust heat recovery device, that is, the amount of power generation Can be increased as much as possible.
本発明の作用及び他の利得は、次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。 The operation and other advantages of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the invention described below.
以下、発明を実施するための最良の形態として本発明の一実施形態を、図面に基いて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as the best mode for carrying out the invention.
(1)構成
図1は、実施形態に係る排熱回収装置41を備える車両1の模式的な断面図である。
(1) Configuration FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
図1において、車両1は、ECU100、エンジン200、排気管21、排気浄化触媒222、および排熱回収装置41を備える。
In FIG. 1, the
ECU100は、本発明に係る「調整手段」の一具体例であり、車両1の動作全体を制御する電子制御ユニットとして機能するよう構成されている。具体的には、ECU100は、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ(Read Only Memory:ROM)及び各種データを格納する随時書き込み読み出しメモリ(Random Access Memory:RAM)等を中心とした論理演算回路として構成されている。そして、各種センサから排気ガスの温度、負荷状態を特定するための温度、変換された電気エネルギ量等に関する入力信号を受ける入力ポートと、上流側制御弁424および下流側制御弁425を含む各種アクチュエータに制御信号を送る出力ポートとに、電気的に接続されている。
The
エンジン200は、ガソリンなどの燃料の燃焼により動力を出力する内燃機関であり、エンジン200で生じる駆動力は、不図示の車輪を回転させる。エンジン200は、運転状態を検出する各種センサから信号を入力するECU100により燃料噴射制御や点火制御,吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。
The
排気管21は、エンジン200の各気筒のポート出口とエキゾーストマニホールドを介して連結されており、エンジン200の燃焼に伴い生じる排気ガスを、外部に排出するための管である。排気管21の管路には、排気浄化触媒222、排気温センサ223、および排熱回収装置41が備わる。
The
排気浄化触媒222は、いわゆる三元触媒が用いられており、排気ガス中に含まれる窒素酸化物、一酸化炭素、および炭化水素などの物質を浄化している。尚、図1では、排熱回収装置41を排気浄化触媒222の下流側に配置してあるが、排気浄化触媒222の上流側に配置しても勿論よい。
The
排気温センサ223は、本発明に係る「温度特定手段」の一具体例の温度センサであり、排気管21中を流れる排気ガスの温度Tを検出して、ECU100に伝達する。
The
排熱回収装置41の詳細な構成について、図1に加え、図4及び図5を参照して、説明を加える。ここで、図4は、実施形態に係る排熱回収装置41の斜視図である。図5は、実施形態に係る排熱回収装置41の正面図である。
The detailed configuration of the exhaust
図1に加え、図4及び図5に示すように、排熱回収装置41は、高温用スタック421、低温用スタック422、バンド固定部3、ヒートパイプ44、断熱材423、上流側制御弁424、および下流側制御弁425を備える。そして、排熱回収装置41は、最上流部及び最下流部に排気管210と接続するためのフランジ(図示せず)がそれぞれ設けられ、排気管21の途中(例えば、エキゾーストマニホールドの直下、排気浄化触媒222の下流、マフラの上流側等)に配設される。排熱回収装置41は、排気ガスの温度に応じた作動温度域のスタックによって、熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギをDC/DCコンバータ61を介してバッテリ63に充電する。
As shown in FIGS. 4 and 5 in addition to FIG. 1, the exhaust
高温用スタック421は、本発明に係る「熱電変換手段」の一具体例であり、排熱回収装置41の周方向に例えば60°毎に複数配設されるとともに、排気ガスの流れる方向に隣接して複数配設される。高温用スタック421は、熱交換フィン10a、熱電変換モジュール11a、冷却部12を備えている。
The high-
・熱交換フィン10aは、熱伝導性に優れる材料で形成され、排気ガスの流路に突き出すように備えられており、排気管21を流通する排気ガスが比較的高温の状態のときに効率よく熱回収を行う。
The
・熱電変換モジュール11aは、例えば小面積の略正方形状であり、熱交換フィン10aに接する高温端面と、冷却部12に接する低温端面との間の温度差に応じたゼーベック効果により、所定の作動温度域において熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを2つの電極(図示せず)からバッテリ63へと出力する。そのために、熱電変換モジュール11aは、複数の熱電素子(例えば、Bi2Te3等からなるp型とn型の2種類の半導体)(図示せず)を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。
The
・冷却部12は、熱電変換モジュール11aの外周側に配置され、熱電変換モジュール11aの低温端面に密着する。冷却部12は、熱電変換モジュール11aを通過した熱をヒートパイプ44を利用して放熱部(図示せず)まで移動させることにより、熱電変換モジュール11aの低温端面を冷却する。冷却部12は、例えば、下面及び上面が熱電変換モジュール11aの低温端面と同形状かつ大きさの所定高さを有する直方体であり、上側分割部52aと下側分割部52bからなる分割構造である(図5参照)。各分割部は、熱伝導性に優れる材料で形成され、それらの各分割面には排気ガスの流れる方向に直交して半円柱状の凹部がそれぞれ設けられ、上下の凹部が合わせられることで円柱状の孔が形成される。この円柱状の孔の径はヒートパイプ44が嵌合する径であり、この孔にヒートパイプ44が固定される。下側分割部52bの下面は、熱電変換モジュール11aの低温端面と密着するために、水平面となっている。
The cooling unit 12 is disposed on the outer peripheral side of the
低温用スタック422も、本発明に係る「熱電変換手段」の一具体例であり、高温用スタック421と基本的には同様の構成であるが、熱交換フィン10bや熱電変換モジュール11bの温度特性が異なる。すなわち、熱交換フィン10bは、高温用スタック421で効率よく熱回収が行われる排気ガスの温度よりも、排気ガスの温度が低温のときに、効率よく熱回収を行う性能のものを備えている。例えば、高温用スタック421の熱交換フィン10aの材料に、ステンレスが使用される場合には、低温用スタック422の熱交換フィン10bには、アルミを使用するとよい。熱電変換モジュール11bは、高温用スタック421で用いられるものよりも低温側に作動温度域を有する。例えば、高温用スタック421の作動温度域が400〜700℃である場合、低温用スタック422の作動温度域は200〜400℃となるような材料が用いられる。
The
バンド固定部3は、バンド13、6個の押圧部材14、ボルト15、ナット16および緩衝部材17を備えている。バンド固定部3は、各列の6個の冷却部12の外側から所定の圧力を印加し、6個の熱電変換モジュール11を冷却部12と熱交換フィン10との間に固定するとともに装置全体を締め付ける(図4参照)。
The
ヒートパイプ44は、本発明に係る「冷却手段」の一具体例であり、その一端部は、周方向に沿って配置される6個の冷却部12に形成された各孔に収納されるように、六角形状に折り曲げられており(図5参照)、各冷却部12を冷却する。他端部は、冷却部12を冷却する際に受け取った熱を放熱するために、ラジエータ等の放熱部まで延びる。1本のヒートパイプ44は、各列の6個の冷却部12,・・・の各孔に収納されて固定されるので、排気ガスの流れる方向に対して直交する向きに配置される。このようなヒートパイプ44が、図4に示すように、排気ガスの流れる方向に沿って4本配置されている。排気ガスは、下流にいくほど熱エネルギが回収され、排気ガスの温度が低下するので、上記4本のヒートパイプ44は、上流のものほど熱の輸送量が多いのが好ましい。
The
再び図1に戻り、断熱材423は、本発明に係る「断熱手段」の一具体例であり、排熱回収装置41内における排気ガスの流路を、高温用スタック421側と低温用スタック422側とで2分割する。これにより、2分割された流路のうち、高温用スタック421側のみに高温の排気ガスが流れる場合には、その熱が低温用スタック422には殆ど伝わらなくてすむ。なお、分割数は2以上であってもよい。
Returning to FIG. 1 again, the
上流側制御弁424および下流側制御弁425は、本発明に係る「調整手段」の一具体例であり、例えばバタフライ弁である。その開度は、アクチュエータにより全閉から全開まで無段階で調整でき、これにより、排熱回収装置41に流入する排気ガスを、上記断熱材423によって2分割された流路のうち何れの流路にどのくらい流すかが選択可能である。この観点からは、少なくとも上流側制御弁424があればよい。これらの制御弁は、分割された流路の各々に独立して配置されてもよいし、従属して(つまり、一方の流路を開くと他方の流路を閉じることになるように)配置されてもよい。
The
(2)動作
続いて、図1に加えて、図2、図3、および図6を参照して、その基本的な動作について説明を加える。ここに、図2は、実施形態に係る排熱回収装置41を備える車両1の模式的な断面図である(高温用スタック421側の流路の出入り口:全閉)。図3は、実施形態に係る排熱回収装置41を備える車両1の模式的な断面図である(低温用スタック422側の流路の出入り口:全閉)。図6は、実施形態に係る排熱回収装置41の基本動作を示すフローチャートである。
(2) Operation Next, in addition to FIG. 1, the basic operation will be described with reference to FIG. 2, FIG. 3, and FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図6のフローチャートに示すように、車両1の動作中に、先ず、排気温センサ223が、排気管21中を流れる排気ガスの温度Tを特定する(ステップS1)。特定された排気ガスの温度Tに基づいて、ECU100は、「排気ガスの温度T≦低温用スタック422の作動温度域の上限値Tlmax」であるか否かを判定する(ステップS2)。ここで、「排気ガスの温度T≦低温用スタック422の作動温度域の上限値Tlmax」であると判定される場合(ステップS2:YES)、つまり排気ガスが比較的低温である場合、仮に排気ガスが低温用スタック422を通過しても、低温用スタック422が作動しなかったり、作動しても低効率であったり、あるいは熱劣化したりするとは想定されない。そこで、排気ガスが低温用スタック422にも通過するように、つまり低温用スタック422側の流路の出入り口が全開となるように、ECU100は、上流側制御弁424および下流側制御弁425の開度を設定する。この際、排気ガスの温度Tが仮に高温用スタック421の作動温度域から外れていたとしても、想定されている温度よりも低いので、耐熱上の問題は殆ど生じない。そこで、高温用スタック421側の流路の出入り口は、排気抵抗軽減の観点から全開(図1参照)としてもよい。或いは作動温度域から外れるという観点から全閉(図2参照)としてもよい(ステップS3)。他方で、「排気ガスの温度T≦低温用スタック422の作動温度域の上限値Tlmax」であると判定されない場合(ステップS2:NO)、つまり排気ガスが比較的高温である場合、排気ガスが低温用スタック422側の流路を通過すると、低温用スタック422が作動しなかったり、作動しても低効率であったり、あるいは熱劣化することが想定される。そこで、高温の排気ガスが低温用スタック422側の流路を通過しないように、つまり低温用スタック422側の流路の出入り口が全閉となるように、ECU100は、上流側制御弁424および下流側制御弁425の開度を設定する(図3参照)(ステップS4)。このような処理が、定期に又は不定期に行われるので、低温用スタック422を想定外の高温排気ガスに曝すことを回避しつつも発電できる。
As shown in the flowchart of FIG. 6, during the operation of the
あるいは排熱回収装置41を、図6に代えて図7のフローチャートに示すように動作させてもよい。
Alternatively, the exhaust
図7は、実施形態に係る排熱回収装置41の他の動作を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flowchart showing another operation of the exhaust
図7のフローチャートに示すように、車両1の動作中に、以下の処理が繰返しフィードバック的に行われる。先ず、排熱回収装置41とバッテリ(図示せず)とを結ぶラインに設けられており本発明に係る「電気エネルギ量特定手段」の一具体例である電流計62、あるいはバッテリ63に付属のSCOセンサ(図示せず)によって、排熱回収装置41によって変換される電気エネルギ量が特定される。この値をECU100が記録する(ステップS21)。続いて、今回の処理と前回の処理との間で(つまり、繰り返し行われる当該ループ処理のうち一つ前の処理)電気エネルギ量の比較がされる(ステップS22)。ここで、電気エネルギ量の今回値≧前回値である場合(ステップS22:YES)、前回の処理において行われた上流側制御弁424および下流側制御弁425の開度設定は、熱電変換効率の観点からは妥当であると言えるので、各制御弁の開度設定は、前回と同様とする(ステップS23)。例えば、前回の処理において、低温用スタック422側の流路の出入り口が所定開度だけ閉じられていれば、今回も同様に、更に所定開度だけ閉じられる。他方で、電気エネルギ量の今回値≧前回値でない場合(ステップS22:NO)、低温用スタック422が高温排気ガスに曝されている等の原因により、前回の開度設定は、妥当であるとは言えず、今回は前回とは逆方向に設定する(ステップS24)。例えば、前回の処理において、低温用スタック422側の流路の出入り口が所定開度だけ閉じられていれば、今回は逆に開く。このようにして、流路の入口面積及び出口面積がフィードバック的に増減調整されるので、車両1の負荷状況が変わっても、あるいは排気ガスの温度が変わっても、当該排熱回収装置が回収する電気エネルギ量、つまり発電量を都度極力大きくすることができる。
As shown in the flowchart of FIG. 7, during the operation of the
以上説明した実施形態によれば、1つの排熱回収装置41の中に高温用スタック421と低温用スタック422とが含まれるので、ヒートパイプ44はスタックが一つのみの場合と殆ど同様の簡易な構成で済む。加えて、低温用スタック422を高温排気ガスから保護しつつ高温用スタック421と低温用スタック422とで広範な排気ガスの温度に対応可能となり、実践上非常に有効である。
According to the embodiment described above, since the high-
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う排熱回収装置も又、本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and exhaust heat recovery accompanying such a change is possible. The apparatus is also included in the technical scope of the present invention.
1…車両、100…ECU、200…エンジン、21…排気管、222…排気浄化触媒、41…排熱回収装置、421…高温用スタック、422…低温用スタック、3…バンド固定部、44…ヒートパイプ、423…断熱材、424…上流側制御弁、425…下流側制御弁、61…DC/DCコンバータ、63…バッテリ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記排気ガスが通過するための流路を、互いに並列した複数の流路に分割する断熱手段と、
互いに異なる作動温度域を有しており該作動温度域に属する温度である排気ガスの熱エネルギを電気エネルギへと変換する熱電変換手段であって、前記分割された複数の流路の各々に対応して配置された複数の熱電変換手段と、
前記複数の熱電変換手段のうち前記排気ガスに曝される部位とは異なる部位を冷却する冷却手段と
を備えることを特徴とする排熱回収装置。 An exhaust heat recovery device that recovers electrical energy from exhaust gas exhausted from a heat source,
A heat insulating means for dividing the flow path through which the exhaust gas passes, into a plurality of parallel flow paths;
Thermoelectric conversion means for converting the thermal energy of exhaust gas, which has different operating temperature ranges and that belongs to the operating temperature range, into electrical energy, corresponding to each of the plurality of divided flow paths A plurality of thermoelectric conversion means arranged as
An exhaust heat recovery apparatus comprising: cooling means for cooling a portion different from the portion exposed to the exhaust gas among the plurality of thermoelectric conversion means.
当該一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整することで、当該一の流路を通過する排気ガスの流量を調整する調整手段
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の排熱回収装置。 Among the plurality of divided flow paths, at least one of the plurality of thermoelectric conversion means in which a low temperature one having a relatively low operating temperature range is disposed.
The exhaust gas according to claim 1, further comprising adjusting means for adjusting the flow rate of the exhaust gas passing through the one flow path by increasing or decreasing the inlet area and the outlet area of the one flow path. Heat recovery device.
前記調整手段は、前記比較的低い作動温度域の上限値を超える温度の排気ガスが当該一の流路を通過しないように、前記特定される排気ガスの温度に少なくとも基づいて、前記一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整する
ことを特徴とする請求項2に記載の排熱回収装置。 A temperature specifying means for specifying the temperature of the exhaust gas discharged;
The adjusting means is configured to prevent the exhaust gas having a temperature exceeding the upper limit of the relatively low operating temperature range from passing through the one flow path, based on at least the temperature of the specified exhaust gas. The exhaust heat recovery apparatus according to claim 2, wherein the entrance area and the exit area of the road are adjusted to increase or decrease.
前記調整手段は、前記特定される電気エネルギ量が相対的に増加するように、前記特定される電気エネルギ量に少なくとも基づいて、前記一の流路の入口面積及び出口面積を増減調整する
ことを特徴とする請求項2に記載の排熱回収装置。 An electric energy amount specifying means for specifying the electric energy amount to be converted;
The adjusting means increases or decreases the inlet area and the outlet area of the one flow path based on at least the specified electric energy amount so that the specified electric energy amount relatively increases. The exhaust heat recovery apparatus according to claim 2, wherein
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