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WO2006030888A1 - 排熱回収装置 - Google Patents

排熱回収装置 Download PDF

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Publication number
WO2006030888A1
WO2006030888A1 PCT/JP2005/017122 JP2005017122W WO2006030888A1 WO 2006030888 A1 WO2006030888 A1 WO 2006030888A1 JP 2005017122 W JP2005017122 W JP 2005017122W WO 2006030888 A1 WO2006030888 A1 WO 2006030888A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exhaust
exhaust heat
cooling water
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/017122
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Koichi Machida
Yoshihide Takenaka
Original Assignee
Hino Motors, Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2004271263A external-priority patent/JP2006086419A/ja
Priority claimed from JP2004315591A external-priority patent/JP4276610B2/ja
Application filed by Hino Motors, Ltd. filed Critical Hino Motors, Ltd.
Publication of WO2006030888A1 publication Critical patent/WO2006030888A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28—Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/16—Outlet manifold
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust heat recovery apparatus.
  • Patent Document 1 discloses an example of an exhaust gas force of an internal combustion engine that recovers exhaust heat by a thermoelectric module to generate electric power.
  • thermoelectric elements are attached to an outer portion of an engine exhaust hold and an outer portion of a catalyst case.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-257064
  • the present invention has an object to provide an exhaust heat recovery device that can further recover exhaust heat and generate power by expanding the applicable range. It is a thing.
  • the exhaust heat recovery device of the present invention includes a pipe for supplying cooling water that has become high temperature by cooling an internal combustion engine to a radiator, and cooling that has become high temperature by cooling Z or EGR gas.
  • a thermoelectric module is attached to a pipe that feeds water to a radiator.
  • the exhaust heat recovery apparatus of the present invention has an exhaust manifold into which exhaust gas such as internal combustion engine power is introduced and at least a part of cooling water for cooling the internal combustion engine circulates.
  • a thermoelectric module is mounted between the casing and the casing.
  • the exhaust heat recovery apparatus of the present invention includes an exhaust port through which exhaust gas from an internal combustion engine, etc. flows.
  • a thermoelectric module is mounted between the cooling water flow path of the internal combustion engine.
  • thermoelectric module has a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element electrically connected in series.
  • the exhaust heat recovery apparatus of the present invention it is possible to recover the thermal energy that has been thrown away into the cooling water as electric power, and therefore, it is possible to expand the application range of the thermoelectric module, and accordingly, compared with the conventional case. Exhaust heat can be recovered more effectively, and thermal energy can be recovered as electric power from the exhaust gas of the internal combustion engine by the thermoelectric module, so that the application range of the thermoelectric module can be expanded. Therefore, in this case as well, an excellent effect that exhaust heat can be recovered more effectively than before can be achieved.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a first embodiment of an exhaust heat recovery apparatus of the present invention.
  • thermoelectric module 2 is a cross-sectional view of a thermoelectric module applied to the exhaust heat recovery apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a second embodiment of the exhaust heat recovery apparatus of the present invention.
  • FIG. 4 is a view taken in the direction of arrows IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a third embodiment of the exhaust heat recovery apparatus of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the VI part in FIG.
  • thermoelectric element 16 16 p-type thermoelectric element
  • thermoelectric element 17 n-type thermoelectric element
  • thermoelectric element 45 45 p-type thermoelectric element
  • FIG. 1 1 is an internal combustion engine such as a diesel engine
  • 2 is an intake hold provided on the intake side of the internal combustion engine
  • 3 is an exhaust stoma hold provided on the exhaust side of the internal combustion engine
  • 4 is
  • the radiator 5 is a pipe for supplying the cooling water Wla, which has been heated to a high temperature by cooling the internal combustion engine 1, to the radiator 4, and 6 is the cooling water Wlb air-cooled in the radiator 4 by the fan 7 driven by the internal combustion engine 1.
  • EGR pipe connected to the intake pipe 9 connected to the exhaust motor hold 3 and connected to the exhaust motor hold 3 at one end, and to the intake pipe 9 connected to the internal combustion engine hold 8 Road.
  • 10 is an EGR cooler provided in the middle of the EGR pipe 8
  • 11 is an EGR valve provided on the downstream side of the EGR gas Gegr in the EGR pipe 8
  • 12 is an EGR cooler.
  • 13 is a pipe for supplying the cooling water W2b air-cooled in the radiator 4 by the fan 7 to the EGR cooler 10. Road.
  • thermoelectric module 14 is a thermoelectric module mounted on the outer periphery of the pipe line 5, and 15 is an outer peripheral part of the pipe line 12. It is a thermoelectric module attached to. Thus, the details of the thermoelectric modules 14, 15 are shown in Figure 2.
  • thermoelectric element 16 is a p-type thermoelectric element
  • 17 is an n-type thermoelectric element
  • 18 is an electrode plate connected to one end face of both thermoelectric elements 16, 17 to connect both thermoelectric elements 16, 17, 19 Is an electrode plate connected to the other end face of the p-type thermoelectric element 16
  • 20 is an electrode plate connected to the other end face of the n-type thermoelectric element 17.
  • the P-type thermoelectric element 16 and the n-type thermoelectric element 17 for example, Bi—Te system is used, and as the electrode plates 18, 19, 20 a material having good thermal conductivity and conductivity such as a copper alloy is used.
  • the p-type thermoelectric element 16 and the n-type thermoelectric element 17 of the thermoelectric modules 14 and 15 are electrically connected in series.
  • Reference numeral 21 denotes an insulating material fixed to the outer surface of the electrode plate 18, and 22 denotes an insulating material fixed to the outer surfaces of the electrode plates 19 and 20.
  • a ceramic such as alumina or aluminum nitride is used.
  • thermoelectric modules 14 and 15 are attached to the outer circumferences of the pipelines 5 and 12 via the insulating material 21, and in the exhaust heat recovery apparatus shown in FIG. Wla and W2a are fed in the direction of the arrow, and cooling air Ac from the fan 7 is fed in the direction of the arrow outside the thermoelectric modules 14 and 15. Therefore, the electrode plate 18 side of the p-type thermoelectric element 16 and the n-type thermoelectric element 17 is heated, the electrode plate 19 side of the p-type thermoelectric element 16 and the electrode plate 47 side of the n-type thermoelectric element 17 are cooled, and the thermoelectric element A potential difference occurs due to a temperature difference between both end faces of 16 and 17 (Seebeck effect). The current 23 generated by the potential difference is supplied to the load 24.
  • the EGR valve 11 When the internal combustion engine 1 is operated and the EGR operation is not performed, the EGR valve 11 is closed. Therefore, in this case, the cooling water Wla, which has been cooled to a high temperature by cooling the inside of the internal combustion engine 1, is supplied to the radiator 4 through the pipeline 5, and is cooled by the cooling air Ac from the fan 7 in the radiator 4. The cooling water Wlb having a lowered temperature is introduced into the internal combustion engine 1 from the pipe 6.
  • the electrode plate 18 side of the thermoelectric module 14 is heated by the high-temperature cooling water Wla, and the electrode plates 19 and 20 side are cooled by the cooling air Ac.
  • a potential difference is generated due to the temperature difference, and the current 23 generated by the potential difference is supplied to the load 24.
  • thermoelectric module 14 When the EGR operation is performed when the internal combustion engine 1 is operated, power generation is performed in the thermoelectric module 14 as described above, and power generation is also performed in the thermoelectric module 15. That is, when the EGR operation is performed, the EGR valve 11 is open. For this reason, a part of the exhaust gas from the internal combustion engine 1 is sent as EGR gas Gegr to the EGR cooler 10 through the EGR pipe 8, and is cooled by the cooling water W2b from the pipe 13 in the EGR cooler 10, The air flows into the intake pipe 9 through the EGR valve 11 and is introduced into the internal combustion engine 1 through the intake hold 2 together with the air A.
  • the EGR gas Gegr is cooled by the EGR cooler 10 and the cooling water W2a, which has become high in temperature, is introduced into the radiator 4 through the conduit 12.
  • the electrode plate 18 side of the thermoelectric module 15 is heated and the electrode plates 19 and 20 side are cooled by the cooling air Ac, a potential difference is generated due to a temperature difference on both end surfaces of the thermoelectric elements 16 and 17, and a current generated by the potential difference is generated. 23 is fed to load 24.
  • the heat energy can be recovered as electric power by the thermoelectric modules 14, 15 from the high-temperature cooling water Wla, W2a flowing through the pipelines 5, 12, so that the thermoelectric module 14 and 15 can be expanded, so that exhaust heat can be recovered more effectively than before.
  • FIG. 3 and 4 show a second embodiment of the present invention.
  • 31 is an internal combustion engine such as a diesel engine equipped with a turbocharger 32, and the intake air As led from the air cleaner 33 is introduced into the compressor 32a of the turbocharger 32 through the intake pipe 34 and pressurized.
  • the exhaust gas Gex discharged from each cylinder of the internal combustion engine 31 through the exhaust manifold 37 is supplied to the turbine 32b of the turbocharger 32, and the exhaust gas Gex driving the turbine 32b is an exhaust pipe. It is fed downstream through 38.
  • a casing having a cooling water passage 40 in which at least a part of the cooling water W3 from the cooling water passage 39 provided in the cylinder head 41 flows.
  • a single 42 is provided integrally with the cylinder head 41, and the exhaust manifold 37
  • a thermoelectric module 44 is arranged in a space 43 formed by the casing 42.
  • the thermoelectric module 44 includes a p-type thermoelectric element 45 and an n-type thermoelectric element 46, and both thermoelectric elements 45 on one end face of both the thermoelectric elements 45, 46, that is, on the upper surface side of the exhaust manifold 37. , 46 are connected to each other so that an electrode plate 47 is fixed.
  • An electrode plate 48 is provided on the other end surface of the p-type thermoelectric element 45, that is, the lower surface side of the casing 42, and an electrode plate 49 is provided on the other end surface of the n-type thermoelectric element 46, that is, the lower surface side of the casing 42. Each is fixed.
  • thermoelectric elements 45 and 46 for example, Bi—Te system is used, and as the electrode plates 47, 48, and 49, a material having good thermal conductivity and conductivity such as a copper alloy is used.
  • a material having good thermal conductivity and conductivity such as a copper alloy is used.
  • the p-type thermoelectric element 45 and the n-type thermoelectric element 46 only one pair of forces is shown in the figure. In fact, a plurality of pairs of thermoelectric elements 45 and 46 are arranged in series and electrically connected in series!
  • An insulating material 50 is fixed on the lower surface side of the electrode plate 47, and an insulating material 51 is fixed on the upper surfaces of the electrode plates 48 and 49.
  • the insulating materials 50 and 51 for example, ceramics such as alumina and aluminum nitride are used.
  • thermoelectric module 44 is mounted on the upper surface of the exhaust mold 37 via an insulating material 50, and is mounted on the lower surface of the casing 42 via an insulating material 51.
  • the exhaust gas Gex is fed in the exhaust manifold 37 in the direction of the arrow, and the cooling water W3 from the cooling water passage 39 is in the cooling water passage 40. Is fed in the direction of the arrow and circulates. Therefore, the electrode plate 47 side of the p-type thermoelectric element 45 and the n-type thermoelectric element 46 is heated, and the electrode plate 48 side of the p-type thermoelectric element 45 and the electrode plate 49 side of the n-type thermoelectric element 46 are cooled. As a result, a potential difference is caused by a temperature difference between the both end faces of the thermoelectric elements 45 and 46 (Seebeck effect), and the current generated by the potential difference is supplied to the load.
  • Exhaust gas Gex discharged from each cylinder during operation of the internal combustion engine 31 is introduced into the turbine 32b of the turbocharger 32 through the exhaust manifold 37, and the cooling water flow path 39 for cooling the internal combustion engine 31.
  • At least a part of the cooling water W3 supplied to is introduced into the cooling water flow path 40 of the casing 42, for example, after flowing in the direction of the arrow, the flow path not shown It circulates through.
  • the electrode plate 47 side of the thermoelectric module 44 is heated by the temperature of the exhaust gas Gex, and the electrode plates 48 and 49 side are cooled by the cooling water W3. A potential difference is generated, and a current generated by the potential difference is supplied to the load.
  • thermoelectric module 44 thermal energy can be recovered as electric power by the thermoelectric module 44 from the exhaust gas Gex introduced into the exhaust manifold 37, so the application range of the thermoelectric module 44 is expanded. Therefore, the exhaust heat can be recovered more effectively than before.
  • FIG. 5 and 6 show a third embodiment of the present invention.
  • 52 is a piston that moves up and down in the cylinder liner 54 via a connecting rod 53 by rotation of a crankshaft (not shown), 55 is formed in the cylinder head 41 and the exhaust valve 56 is opened to open the combustion chamber 57.
  • This is an exhaust port for guiding the exhaust gas Gex that has been exhausted to the exhaust manifold 37, and the thermoelectric module 44 is positioned between the exhaust port 55 formed in the cylinder head 41 and the cooling water flow path 39. It is installed in the hole provided in 41.
  • thermoelectric module 44 The basic configuration of the thermoelectric module 44 is the same as that shown in FIGS. 3 and 4, and in FIG. 6, the same reference numerals as those shown in FIG. 4 denote the same components.
  • thermoelectric elements 45 and 46 should be made of materials that can withstand high temperatures. That is, as the material of the thermoelectric elements 45 and 46, for example, NaxCoxOx, CaxCoxOx, or ZnxAlxOx is used in the case of oxide, and FexSix, FexVx, FexMnx, etc. are used in the case of Fe. .
  • the exhaust gas Gex exhausted from the combustion chamber 57 during operation of the internal combustion engine 31 is sent to the exhaust port 37 through the exhaust port 55 in the direction of the arrow, and to the exhaust manifold 37.
  • the cooling water flows through the cooling water passage 39.
  • thermoelectric module 44 is heated by the temperature of the exhaust gas Gex flowing through the exhaust port 55, and the electrode plates 48, 49 side is cooled by the cooling water, so that the thermoelectric elements 45, 46 A potential difference occurs due to the temperature difference at both ends, and the current generated by the potential difference is fed to the load.
  • thermoelectric module any number of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements applied to the thermoelectric module can be used as long as they are electrically connected in series. It can be applied, and the current generated by the thermoelectric module can be supplied to the load or stored, and various other changes can be made without departing from the scope of the present invention. Of course, it can be added.
  • the exhaust heat recovery apparatus of the present invention can be used for generating power by recovering exhaust heat in facilities that exhaust exhaust gas, such as an internal combustion engine, a prime mover, an incinerator, and the like.

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Abstract

　適用範囲を拡大することにより、更に排熱を効果的に回収して発電を行い得るようにした排熱回収装置を提供する。 　内燃機関１を冷却することにより高温となった冷却水Ｗ１ａをラジエータ４へ送給する管路５に熱電モジュール１４を装着すると共に、ＥＧＲガスＧｅｇｒを冷却することにより高温となった冷却水Ｗ２ａをラジエータ４へ送給する管路１２に熱電モジュール１５を装着する。熱電モジュール１４，１５は、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的に直列に接続されたものである。

Description

明 細 書
排熱回収装置
技術分野
[0001] 本発明は排熱回収装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来から、内燃機関、原動機、焼却炉等の排ガスから熱電素子を備えた熱電モジ ユールを用いて排熱を回収し、発電を行なうようにした排熱回収装置が知られて 、る 。而して、内燃機関の排ガス力も熱電モジュールにより排熱を回収して発電を行なう ようにしたものとしては、例えば、特許文献 1がある。
[0003] 特許文献 1では、エンジンのェキゾ一ストマ-ホールド外側部及び触媒ケースの外 側部に熱電素子を取付けて 、る。
特許文献 1：特開平 11― 257064号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、従来の排熱回収装置では、排熱の回収は充分とはいえず、期待どお りの省エネルギ効果を果たして 、るとは 、えな 、。
[0005] 本発明は、上述の実情に鑑み、適用範囲を拡大することにより、更に排熱を効果的 に回収して発電を行い得るようにした排熱回収装置を提供することを目的としてなし たものである。
課題を解決するための手段
[0006] 本発明の排熱回収装置は、内燃機関を冷却することにより高温となった冷却水をラ ジエータへ送給する管路及び Z又は EGRガスを冷却することにより高温となった冷 却水をラジェ一タへ送給する管路に、熱電モジュールを装着したものである。
[0007] 又、本発明の排熱回収装置は、内燃機関力ゝらの排気ガスが導入される排気マ-ホ 一ルドと、前記内燃機関を冷却するための冷却水の少なくとも一部が流通し得るよう にしたケーシングとの間に熱電モジュールを装着したものである。
[0008] 又、本発明の排熱回収装置は、内燃機関力ゝらの排気ガスが流通する排気ポートと 内燃機関の冷却水流路との間に熱電モジュールを装着したものである。
[0009] 又、本発明の排熱回収装置においては、熱電モジュールは、 p型熱電素子と n型熱 電素子とが電気的に直列に接続されているものである。
発明の効果
[0010] 本発明の排熱回収装置によれば、冷却水に捨てていた熱エネルギを電力として回 収することができるため、熱電モジュールの適用範囲を拡大することができ、従って、 従来よりもより一層排熱を効果的に回収することができ、又、内燃機関の排気ガスか ら、熱電モジュールにより熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電モ ジュールの適用範囲を拡大することができ、従って、この場合も、従来よりもより一層 排熱を効果的に回収することができる、という優れた効果を奏し得る。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]本発明の排熱回収装置の第一実施例の概念図である。
[図 2]図 1の排熱回収装置に適用される熱電モジュールの断面図である。
[図 3]本発明の排熱回収装置の第二実施例の概念図である。
[図 4]図 3の IV— IV方向矢視図である。
[図 5]本発明の排熱回収装置の第三実施例の概念図である。
[図 6]図 5の VI部拡大図である。
符号の説明
[0012] 1 内燃機関
4 ラジェータ
5 管路
12 管路
14 熱電モジュール
15 熱電モジュール
16 p型熱電素子
17 n型熱電素子
31 内燃機関
37 排気マ-ホールド 39 冷却水流路
40 冷却水流路
42 ケーシング
44 熱電モジュール
45 p型熱電素子
46 n型熱電素子
55 排気ポート
Wla 冷却水
W2a 冷却水
W3 冷却水
Gegr EGRガス
Gex 排気ガス
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図 1及び図 2は本発明の第一実施例である。図 1中、 1はディーゼルエンジン等の 内燃機関、 2は内燃機関 1の吸気側に設けられたインテークマ二ホールド、 3は内燃 機関 1の排気側に設けられたェキゾ一ストマ-ホールド、 4はラジェータ、 5は内燃機 関 1を冷却して高温となった冷却水 Wlaをラジェータ 4に送給する管路、 6は内燃機 関 1により駆動されるファン 7によりラジェータ 4において空冷された冷却水 Wlbを内 燃機関 1へ送給するための管路、 8は一端がェキゾ一ストマ-ホールド 3に接続され、 且つ他端力 Sインテークマ-ホールド 2に接続された吸気管 9に接続された EGR管路 である。
[0014] 又、 10は EGR管路 8の中途部に設けられた EGRクーラ、 11は EGR管路 8におけ る EGRガス Gegrの流れ方向下流側に設けられた EGRバルブ、 12は EGRクーラ 10 で EGRガス Gegrを冷却して高温となった冷却水 W2aをラジェータ 4に送給する管路 、 13はファン 7によりラジェータ 4において空冷された冷却水 W2bを EGRクーラ 10へ 送給するための管路である。
[0015] 更に、 14は管路 5の外周部に装着された熱電モジュール、 15は管路 12の外周部 に装着された熱電モジュールである。而して、熱電モジュール 14, 15の詳細は図 2 に示されている。
[0016] 図中、 16は p型熱電素子、 17は n型熱電素子、 18は両熱電素子 16, 17を連結す るよう両熱電素子 16, 17の一端面に接続された電極板、 19は p型熱電素子 16の他 端面に接続された電極板、 20は n型熱電素子 17の他端面に接続された電極板であ る。 P型熱電素子 16, n型熱電素子 17としては、例えば Bi— Te系が使用され、電極 板 18, 19, 20としては、銅合金等の熱伝導性及び電導性が良好な材料が使用され る。而して、熱電モジュール 14, 15の p型熱電素子 16及び n型熱電素子 17は電気 的に直列に接続されている。
[0017] 21は電極板 18の外面に固設された絶縁材、 22は電極板 19, 20の外面に固設さ れた絶縁材である。絶縁材 21, 22としては、例えば、アルミナ、窒化アルミ等のセラミ ックが使用される。
[0018] 熱電モジュール 14, 15は絶縁材 21を介して管路 5, 12の外周に装着されており、 図 2に示す排熱回収装置においては、管路 5, 12内を高温の冷却水 Wla, W2aが 矢印方向へ送給されると共に、熱電モジュール 14, 15の外部をファン 7からの冷却 空気 Acが矢印方向へ送給される。このため、 p型熱電素子 16及び n型熱電素子 17 の電極板 18側は加熱され、 p型熱電素子 16の電極板 19側及び n型熱電素子 17の 電極板 47側は冷却され、熱電素子 16, 17の両端面に温度差により電位差が生じる (ゼーベック効果)。電位差により生じた電流 23は負荷 24に給電されるようになって いる。
[0019] 次に、本実施例の作動について説明する。
内燃機関 1が運転される場合において、 EGR運転が行なわれない場合は EGRバ ルブ 11は閉止されている。従って、この場合は、内燃機関 1内部を冷却して高温とな つた冷却水 Wlaは管路 5を通ってラジェータ 4へ送給され、ラジェータ 4においては、 ファン 7からの冷却空気 Acにより空冷され、温度の下降した冷却水 Wlbは管路 6から 内燃機関 1内へ導入される。
[0020] この際、高温の冷却水 Wlaにより、熱電モジュール 14の電極板 18側が加熱され、 冷却空気 Acにより電極板 19, 20側が冷却されるため、熱電素子 16, 17の両端面に 温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流 23は負荷 24に給電される。
[0021] 又、内燃機関 1が運転される場合において EGR運転が行なわれる場合は、上述の ように熱電モジュール 14において発電が行なわれると共に、熱電モジュール 15にお いても発電が行なわれる。すなわち、 EGR運転が行なわれる場合は、 EGRバルブ 1 1は開いている。このため、内燃機関 1からの排ガスの一部は EGRガス Gegrとして、 EGR管路 8を通り、 EGRクーラ 10へ送給され、 EGRクーラ 10において、管路 13から の冷却水 W2bにより冷却され、 EGRバルブ 11を経て吸気管 9内へ流入し、空気 Aと 共にインテークマ-ホールド 2を経て内燃機関 1へ導入される。
[0022] EGRクーラ 10で EGRガス Gegrを冷却して高温となった冷却水 W2aは管路 12を 通ってラジェータ 4へ導入される。この際、熱電モジュール 15の電極板 18側が加熱 され、冷却空気 Acにより電極板 19, 20側が冷却されるため、熱電素子 16, 17の両 端面に温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流 23は負荷 24に給電され る。
[0023] 本図示例によれば、管路 5, 12を流通する高温となった冷却水 Wla, W2aから、熱 電モジュール 14, 15により熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電 モジュール 14, 15の適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排 熱を効果的に回収することができる。
[0024] 図 3及び図 4は本発明の第二実施例である。図 3中、 31はターボチャージャ 32を備 えたディーゼルエンジン等の内燃機関であり、エアクリーナ 33から導かれた吸気 As は吸気管 34を通してターボチャージャ 32のコンプレッサ 32aへ導入されて加圧され 、加圧された吸気 Asはインタークーラ 35からインテークマ-ホールド 36を経て内燃 機関 31の各気筒に分配され、導入されるようになっている。
[0025] 又、内燃機関 31の各気筒から排気マ-ホールド 37を通り排出された排気ガス Gex は、ターボチャージャ 32のタービン 32bへ送給され、タービン 32bを駆動した排気ガ ス Gexは排気管 38を通り下流側へ送給されるようになっている。
[0026] 更に、排気マ-ホールド 37の上方には、シリンダヘッド 41内に設けた冷却水流路 3 9からの冷却水 W3の少なくとも一部が流通するようにした冷却水流路 40を備えたケ 一シング 42が、シリンダヘッド 41と一体的に設けられており、排気マ-ホールド 37と ケーシング 42とにより形成される空間 43には、熱電モジュール 44が配置されている
[0027] 熱電モジュール 44は、 p型熱電素子 45と n型熱電素子 46とを備え、両熱電素子 45 , 46の一端面、すなわち、排気マ-ホールド 37の上面側には、両熱電素子 45, 46 を連結するように電極板 47が固設されている。 p型熱電素子 45の他端面、すなわち 、ケーシング 42の下面側には電極板 48が、又、 n型熱電素子 46の他端面、すなわ ち、ケーシング 42の下面側には電極板 49が、夫々固設されている。熱電素子 45, 4 6としては、例えば Bi—Te系が使用され、電極板 47, 48, 49としては、銅合金等の 熱伝導性及び電導性が良好な材料が使用される。 p型熱電素子 45及び n型熱電素 子 46は、図では一対のみ示している力 実際には複数対の熱電素子 45, 46力 己列 されて電気的に直列に接続されて!、る。
[0028] 電極板 47の下面側には、絶縁材 50が固設され、電極板 48, 49の上面には、絶縁 材 51が固設されている。絶縁材 50, 51としては、例えば、アルミナ、窒化アルミ等の セラミックが使用される。
[0029] 熱電モジュール 44は絶縁材 50を介して排気マ-ホールド 37の上面に装着されて おり、絶縁材 51を介してケーシング 42の下面に装着されている。而して、本図示例 の排熱回収装置においては、排気ガス Gexが排気マ-ホールド 37内を矢印方向へ 送給されると共に、冷却水流路 39からの冷却水 W3が冷却水流路 40内を矢印方向 へ送給されて循環するようになっている。このため、 p型熱電素子 45及び n型熱電素 子 46の電極板 47側は加熱され、 p型熱電素子 45の電極板 48側及び n型熱電素子 46の電極板 49側は冷却されるようになっており、その結果、熱電素子 45, 46の両端 面に温度差により電位差が生じ (ゼーベック効果)、電位差により生じた電流は負荷 に給電されるようになって 、る。
[0030] 次に、本実施例の作動について説明する。
内燃機関 31の運転時に各気筒から排出された排気ガス Gexは排気マ-ホールド 3 7を通ってターボチャージャ 32のタービン 32bへ導入されると共に、内燃機関 31の冷 却のために冷却水流路 39に供給された少なくとも一部の冷却水 W3は、ケーシング 4 2の冷却水流路 40へ導入され、例えば、矢印方向へ流れた後、図示していない流路 を経て循環する。
[0031] この際、排気ガス Gexの温度により熱電モジュール 44の電極板 47側が加熱され、 冷却水 W3により電極板 48, 49側が冷却されるため、熱電素子 45, 46の両端面に 温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流は負荷に給電される。
[0032] 本図示例によれば、排気マ-ホールド 37に導入された排気ガス Gexから、熱電モ ジュール 44により熱エネルギを電力として回収することができるため、熱電モジユー ル 44の適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排熱を効果的に 回収することができる。
[0033] 図 5、図 6は本発明の第三実施例である。図中、 52は図示してないクランク軸の回 転よりコネクテイングロッド 53を介しシリンダライナ 54内を昇降するピストン、 55はシリ ンダヘッド 41に形成されて排気バルブ 56が開くことにより燃焼室 57から排気された 排気ガス Gexを排気マ-ホールド 37へ導くための排気ポートであり、熱電モジュール 44はシリンダヘッド 41に形成された排気ポート 55と冷却水流路 39との間に位置する よう、シリンダヘッド 41内に設けた孔内に装着されている。
[0034] 熱電モジュール 44の基本的構成は図 3、図 4に示すものと同様であり、図 6中、図 4 に示すものと同一の符号のものは同一のものを示す。但し、排気ポート 55内の排気 ガス Gexは最高で約 700°Cと高温であるため、熱電素子 45, 46は高温度に耐え得 る材質とする。すなわち、熱電素子 45, 46の材質としては、例えば、酸化物系の場 合は、 NaxCoxOx、又は、 CaxCoxOx、若しくは、 ZnxAlxOx等を用い、 Fe系の場 合は、 FexSix、 FexVx、 FexMnx等を用いる。
[0035] 本図示例の場合は、 内燃機関 31の運転時に燃焼室 57から排気された排気ガス Gexは排気ポート 55を矢印方向へ送給されて排気マ-ホールド 37へ送給されると 共に、内燃機関 31の冷却のために冷却水流路 39中を冷却水が流通する。
[0036] この際、排気ポート 55を流通する排気ガス Gexの温度により熱電モジュール 44の 電極板 47側が加熱され、冷却水により電極板 48, 49側が冷却されるため、熱電素 子 45, 46の両端面に温度差により電位差が生じ、電位差により生じた電流は負荷に 給電される。
[0037] 本図示例の場合は、燃焼室 57から排気されて排気ポート 55を流通する排気ガス G exから、熱電モジュール 44により熱エネルギを電力として回収することができるため、 熱電モジュール 44の適用範囲を拡大することができ、従って、従来よりもより一層排 熱を効果的に回収することができる。
[0038] なお、本発明の排熱回収装置においては、熱電モジュールに適用する p型熱電素 子及び n型熱電素子は電気的に直列となるよう接続されれば、数量はいくつであって も適用できること、又、熱電モジュールにより生成した電流は負荷へ送給するようにし ても、或は蓄電するようにしても実施可能なこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない 範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
産業上の利用可能性
[0039] 本発明の排熱回収装置は、内燃機関、原動機、焼却炉等のように排ガスを排出す る設備において、排熱を回収して発電を行なうことに利用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 内燃機関を冷却することにより高温となった冷却水をラジェ一タへ送給する管路及 び Z又は EGRガスを冷却することにより高温となった冷却水をラジェ一タへ送給する 管路に、熱電モジュールを装着したことからなる排熱回収装置。
[2] 内燃機関力ゝらの排気ガスが導入される排気マ-ホールドと、前記内燃機関を冷却 するための冷却水の少なくとも一部が流通し得るようにしたケーシングとの間に熱電 モジュールを装着したをことからなる排熱回収装置。
[3] 内燃機関力もの排気ガスが流通する排気ポートと内燃機関の冷却水流路との間に 熱電モジュールを装着したことからなる排熱回収装置。
[4] 熱電モジュールは、 p型熱電素子と n型熱電素子とが電気的に直列に接続されたも のである請求項 1に記載の排熱回収装置。
[5] 熱電モジュールは、 p型熱電素子と n型熱電素子とが電気的に直列に接続されたも のである請求項 2に記載の排熱回収装置。
[6] 熱電モジュールは、 p型熱電素子と n型熱電素子とが電気的に直列に接続されたも のである請求項 3に記載の排熱回収装置。
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