JP4165405B2 - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばハイブリッド車などの車両などに用いられ、排気ガス中に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置、および、排気ガスを浄化する触媒を備える排気ガス浄化装置に関する。

自動車のエンジンから排出される排気ガスなどには、熱エネルギーが含まれてため、排気ガスをそのまま捨てるとエネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを排熱回収装置によって回収し、電気エネルギーに変換し、たとえばバッテリーに充電しておく発電装置がある。このような発電装置としては、たとえば特開２０００−３５８２４号公報に開示されたものがある。

この発電装置は、排気管に設けられた熱電変換素子を有しており、排気管からの熱を熱電素子に伝達する熱接続手段としてのバイメタルを備えている。そして、発熱部材（排気管）の温度が熱電変換素子の耐熱温度を下回っているときには、バイメタルが変形せず、発熱部材（排気管）の熱が熱電変換素子に伝達される。逆に、発熱部材の温度が熱電変換素子の耐熱温度を上回っているときには、バイメタルが変形し、発熱部材と熱電変換素子との機械的な接触が絶たれて熱伝導がされないようになっている。
特開２０００−３５８２４号公報

ところで、近年における自動車では、排気ガス中の酸化炭素などを除去するために、排気管に触媒を設けることが行われている。このような触媒は、触媒活性温度以上の温度となることにより、酸化炭素などを除去しては排気ガスを浄化する機能を発揮する。このような自動車の排気管に、上記特許文献１に記載された発電装置を取り付け、その排気ガス流通管の下流側に触媒を設ける排気ガス浄化装置が考えられる。

ところが、このような発電装置および触媒を設けた排気ガス浄化装置では、たとえば自動車の始動時など、触媒が触媒活性温度に達していない状態のときでも、発電装置による発電が行われる。ここで、発電のために排気ガスに含まれる熱が回収されてしまうと、触媒が触媒活性温度に到達する時間が遅くなり、浄化作用を発揮できない時間が長くなってしまうという問題がある。

そこで、本発明の課題は、触媒が触媒活性温度に到達する時間を長くすることなく、かつ効率的に排気ガス中に含まれる熱エネルギーを回収して、電気エネルギーに変換することができる排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る排気ガス浄化装置は、エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、発電装置内または発電装置における排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、伝熱状態可変手段は、触媒の温度が触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、排気ガスの熱を回収する熱回収部と、熱電変換素子における熱回収部側の反対側に設けられた冷却液通路とを備え、熱電変換素子は熱回収部に対して相対的に移動可能状態に取り付けられており、冷却液通路に冷却水が導入されたときに熱電変換素子が熱回収部に接触して高伝熱状態とされ、冷却液通路に冷却液が導入されていないときに、熱電変換素子が熱回収部から離反して、低伝熱状態とされるように構成されているものである。

本発明に係る排気ガス浄化装置は、発電変換素子への伝熱状態を可変とする伝熱状態可変手段が設けられており、触媒活性温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときに、伝熱状態が高伝熱状態となるようにされている。このため、触媒が活性化されるまでは、発電変換素子に伝達される熱量を少なくすることで、触媒を素早く触媒活性温度に到達させることができる。そして、触媒が活性化した後は、発電変換素子に対する伝熱状態を高くすることにより、排気ガス中に含まれる熱エネルギーを効率的に回収して、電気エネルギーに変換することができる。

発電装置では、冷却液通路に冷却液が導入されているときに、熱電変換素子による熱電変換が行われる。このため、冷却液通路に冷却液が導入されたときに高伝熱状態となるようにすることにより、熱回収を行う際に高伝熱状態となるようにすることができる。

また、伝熱状態可変手段は、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、熱回収部に熱媒体収容部が設けられており、熱媒体収容部に熱媒体が収容されているときに、伝熱状態を高伝熱状態とされ、熱媒体収容部に熱媒体が収容されていないときに、低伝熱状態とされる態様とすることもできる。

このように、熱媒体収容部に熱媒体を収容し、または熱媒体収容部から熱媒体を取り除くことにより、高伝熱状態と低伝熱状態とを容易に可変とする態様とすることができる。

さらに、伝熱状態可変手段は、排気ガスが流れる排気流路の周囲に配設され、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、熱回収部の外周に沿って熱電変換素子が接触した状態で配設されており、熱電変換素子を引張することにより、熱電変換素子の一端部を支点として熱電変換素子を熱回収部に対して回転させて熱電変換素子と排気流路とを離反可能とされており、熱電変換素子と熱回収部とが接触しているときに高伝熱状態とされ、熱電変換素子と熱回収部とが離反しているときに低伝熱状態とされる態様とすることもできる。

このような機械的な構造によっても、高伝熱状態と低伝熱状態とを容易に可変とする態様とすることができる。

また、伝熱状態可変手段は、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、熱回収部における熱電変換素子と接触面が変形可能とされており、熱回収部が低熱状態となったとき、熱回収部が高熱状態となったときよりも、熱回収部における熱電変換素子との接触面が、熱電変換素子に対して接触する面積が大きくなるように、熱回収部における熱電変換素子との接触面が変形するように構成されている態様とすることもできる。

このような熱回収部における熱電変換素子との接触面の変形を利用することによっても、高伝熱状態と低伝熱状態とを容易に可変とする態様とすることができる。

このとき、熱回収部における熱電変換素子との接触面を切断した形状は、熱回収部における熱電変換素子との接触面積が大きいときには直線状とされ、熱回収部における熱電変換素子との接触面積が小さいときには曲線状となるように、熱回収部における熱電変換素子との接触面が変形するように構成することができる。

このように熱回収部における熱電変換素子との接触面の形状を形成することにより、高伝熱状態と低伝熱状態とを容易に変更することができる。

さらに、伝熱状態可変手段は、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、熱回収部と熱電変換素子との間には、硬軟変換部材が配設されており、硬軟変換部材が軟状態のときに、熱回収部と熱電変換素子との間が高伝熱状態とされ、硬軟変換部材が硬状態のときに熱回収部と熱電変換素子との間が低伝熱状態とされる態様とすることもできる。

このような硬軟変換部材を用いることによっても、高伝熱状態と低伝熱状態とを容易に可変とする態様とすることができる。

このとき、硬軟変換部材は、可とう性ケース内に固液変換部材が収容されて形成されている態様とすることができる。

可とうせいケースないに固液変換部材を用いることにより、硬軟変換部材を容易に形成することができる。

本発明に係る排気ガス浄化装置によれば、触媒が触媒活性温度に到達する時間を長くすることなく、かつ効率的に排気ガス中に含まれる熱エネルギーを回収して、電気エネルギーに変換することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。

図１は、本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置のブロック構成図、図２は、発電装置の平断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１は、排気ガス流通管２を備えている。排気ガス流通管２は、エンジン３に接続されており、エンジン３から排出される排気ガスが排気ガス流通管２内を流れて、図示しないマフラーから外部に排出される。

排気ガス流通管２の途中位置には、発電装置４が設けられている。発電装置４は、排気ガス中に含まれる熱エネルギーを適宜回収して、電気エネルギーに変換する。この発電装置４には、冷却水流通管５を介して冷却液となる冷却水を循環させるポンプ６が接続されており、ポンプ６には、制御装置７が電気的に接続されている。

制御装置７は、排気ガスの温度などに基づいてポンプ６を駆動するか否かを判断して、ポンプ６を作動制御している。また、冷却水流通管５には、熱交換器８が設けられている。熱交換器８は、温度が上昇した冷却水を熱交換によって冷却している。

さらに、発電装置４における排気ガス流通管２内を流れる排気ガスの流れ方向の下流側には、触媒９が設けられている。触媒９としては、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。また、排気ガス流通管２には、温度センサ１０が設けられている。温度センサ１０は、排気ガス流通管２を流通する排気ガスの温度を検出し、検出した温度を制御装置７に出力している。

発電装置４は、図２に示すように、筐体１１を備えており、筐体１１には４本の排気流路１２が形成されている。４本の排気流路１２には、図１に示すエンジン３から排出される排気ガスが流通し、触媒９の方向に排出される。各排気流路１２には、本発明の熱回収部となり、それぞれ排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収するためのフィン部材１３が設けられている。フィン部材１３は、伝熱部１３Ａとフィン本体１３Ｂとを備えており、伝熱部１３Ａに複数のフィン本体１３Ｂが取り付けられている。これらの伝熱部１３Ａと複数のフィン本体１３Ｂとは押し出し成形などによって一体的に形成されている。

また、筐体１１の外枠部におけるフィン部材１３に対応する位置には、冷却水ケース１４が取り付けられており、冷却水ケース１４は、内枠１４Ａと外枠１４Ｂとを備えている。このうちの外枠１４Ｂは筐体の外枠部に固定されており、内枠１４Ａは外枠１４Ｂに対して相対的に移動可能とされている。

さらに、内枠１４Ａには、スリット状の冷却水流路１４Ｃが形成されており、図１に示す冷却水流通管５から供給される冷却水が内枠１４Ａに形成された冷却水流路１４Ｃを流通する。この冷却水流路１４Ｃを冷却水が流通することにより、内枠１４Ａがフィン部材１３側に移動するようになっている。また、外枠１４Ｂの内側であって内枠１４Ａが摺動する部位には、シール部材１４Ｄが設けられており、冷却水流路１４Ｃを流通する冷却水の外部への流出を防止している。

また、内枠１４Ａにおける内側、換言すれば外枠１４Ｂと反対側であってフィン部材１３の伝熱部１３Ａ側には、本発明の熱電変換素子である熱電変換モジュール１５が取り付けられている。熱電変換モジュール１５は、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。冷却水流路１４Ｃに冷却水が流通して内枠１４Ａがフィン部材１３側に移動すると、熱電変換モジュール１５も同方向に移動し、熱電変換モジュール１５とフィン部材１３とが接触する。このように、冷却水ケース１４が本発明の伝熱状態可変手段を形成している。

さらに、フィン部材１３における伝熱部１３Ａの外側と、冷却水ケース１４の内枠１４Ａとの間であって、熱電変換モジュール１５を囲む位置には、スプリング１６が取り付けられている。スプリング１６は、フィン部材１３における伝熱部１３Ａと冷却水ケース１４の内枠１４Ａとを互いに離反する方向に付勢している。

以上の構成を有する本実施形態に係る排気ガス浄化装置の動作、作用について説明する。

本実施形態に係る排気ガス浄化装置１においては、エンジン３の作動中、エンジン３からは排気ガスが排出される。排出された排気ガスは、排気ガス流通管２を通じて発電装置４を通過し、触媒９へと到達する。この触媒９によって排気ガスが浄化されるが、触媒の温度が低く、触媒活性温度に到達していないときには、触媒の浄化能力を十分に発揮することができない。

エンジン３の作動中は、排気ガスの熱によって触媒９は触媒活性温度に到達しているが、たとえばエンジン３の始動時などは、触媒９の温度が低い状態にある。このようなときに、発電装置４で排気ガスの熱を回収してしまうと、触媒が活性状態になるために長時間を要してしまうようになる。

本実施形態に係る排気ガス浄化装置１では、触媒９の触媒活性温度に基づいて、所定の温度の閾値を設定しておく。具体的には、触媒活性温度を閾値とする。触媒活性温度は、触媒９により決まっているものである。制御装置７では、温度センサ１０から出力された排気ガスの温度に基づいて、触媒９の温度を推定し、触媒９の温度と触媒活性温度とを比較する。

その結果、触媒９の温度が触媒活性温度を下回っている場合には、制御装置７からポンプ６に停止信号を出力し、ポンプ６を作動させず、発電装置４に冷却水を供給しない。発電装置４に冷却水を供給しない場合には、図３（ａ）に示すように、スプリング１６の付勢力によって、フィン部材１３における伝熱部１３Ａと、熱電変換モジュール１５とが離反する。

フィン部材１３の伝熱部１３Ａと熱電変換モジュール１５とが離反した状態では、排気流路１２を排気ガスが流通した際にも、熱電変換モジュール１５には熱がほとんど伝達されないので、排気ガスから熱回収が行わず、排気ガスは高温のまま触媒９へと流出する。したがって、触媒９には、熱量の大きい排気ガスが供給されるので、短い時間で触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

一方、制御装置７で推定された触媒９の温度が、触媒活性温度以上となっている場合には、制御装置７からポンプ６に作動信号を出力してポンプ６を作動させ、発電装置４における冷却水ケース１４内に冷却水を循環供給させる。冷却水ケース１４内に冷却水を供給させると、図３（ｂ）に示すように、冷却水ケース１４における内枠１４Ａがスプリング１６の付勢力に抗してフィン部材１３側に移動する。この内枠１４Ａの移動に伴い、熱電変換モジュール１５もフィン部材１３側に移動し、熱電変換モジュール１５とフィン部材１３における伝熱部１３Ａが接触する。この熱電変換モジュール１５とフィン部材１３における伝熱部１３Ａとの接触により、フィン本体１３Ｂによって排気ガスにおける熱が回収され、熱電変換モジュール１５に伝達される。熱電変換モジュール１５では、伝達された熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、図示しないバッテリーなどに供給する。

フィン本体１３Ｂによって熱が回収された排気ガスは、熱量が小さくなってその温度が低くなっている。このため、触媒９に到達する際には、低い温度で熱エネルギーは小さい状態となっているが、触媒９は触媒活性温度に到達しているので、浄化性能を十分に発揮することができる。したがって、排気ガス中における熱を効率的に回収することができる。

このように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１では、触媒９の温度が触媒活性温度に達していない場合には、触媒９に優先的に排気ガスの熱を供給し、触媒９の温度が触媒活性温度に達している場合には、発電装置４による熱の回収を優先的に行う。したがって、触媒が触媒活性温度に到達する時間を長くすることなく、かつ効率的に排気ガス中に含まれる熱エネルギーを回収して、電気エネルギーに変換することができる。

なお、本実施形態では、触媒９の触媒活性温度に基づいて設定する所定の温度の閾値として、触媒活性温度自体を用いているが、触媒活性温度より若干低い、あるいは高い温度などを設定することができる。また、排気ガスの温度から触媒の温度を推定しているが、エンジンの運転状態や運転時間などから推定する態様とすることもできる。

次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、上記第一の実施形態と比較して、発電装置の構造が主に異なっており、その他の点は、図１に示すものと同様の構成を有している。図４は、本発明の第二の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図である。

図４に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置２０は、筐体２１を備えており、筐体２１には、４本の排気流路２２が形成されている。４本の排気流路２２には、それぞれ排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収するためのフィン部材２３が設けられている。フィン部材２３は、伝熱部２３Ａとフィン本体２３Ｂとを備えており、伝熱部２３Ａに複数のフィン本体２３Ｂが取り付けられている。

また、筐体２１の外枠部におけるフィン部材２３に対応する位置には、冷却水ケース２４が設けられている。冷却水ケース２４は、互いに固定されて内枠２４Ａと外枠２４Ｂとを備えており、内枠２４Ａには、スリット状の冷却水流路２４Ｃが形成されている。冷却水流路２４Ｃには、図１に示す冷却水流通管５から供給される冷却水が流通する。

また、冷却水ケース２４の内枠２４Ａにおけるフィン部材２３側には、熱電変換モジュール２５が固定されている。熱電変換モジュール２５は、上記第一の実施形態に用いたものと同様、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。この熱電変換モジュール２５は、フィン部材２３に接触しており、伝熱可能な状態とされている。

冷却水ケース２４と筐体２１との間には、板バネ２６が設けられている。板バネ２６は、筐体２１に反力をとって冷却水ケース２４をフィン部材２３側に付勢している。この板バネ２６の付勢力により、冷却水ケース２４を介して熱電変換モジュール２５がフィン部材２３の伝熱部２３Ａに押し付けられている。

さらに、フィン部材２３におけるフィン本体２３Ｂの周囲には、熱媒体収容部となるオイル収容部２７が形成されている。オイル収容部２７には、熱媒体となるオイルが充填可能とされている。このオイル収容部２７は、オイル出入口２８および空気出入口２９が接続されている。オイル出入口２８からは、オイルがオイル収容部２７に出入し、空気出入口２９からは、空気がオイル収容部２７に出入する。このとき、オイル収容部２７にオイルが入るときには空気が排出され、オイルが排出されるときには空気が排出される。

このオイル出入口２８は、図５に示すオイル流通管３０を連通しており、空気出入口２９は空気流通管３１と連通している。オイル流通管３０には、オイル貯留部３２が設けられており、オイルＬがオイル収容部２７に収容されていないときには、このオイル貯留部３２にオイルが貯留される。また、オイル流通管３０および空気流通管３１は、それぞれオイル移動ピストン３３に接続されており、オイル収容部２７とオイル貯留部３２との間をオイルが移動するようにさせている。さらに、このオイル移動ピストン３３には、制御装置７が接続されており、制御装置７は、ポンプ６を作動制御するとともにオイル移動ピストン３３を移動制御している。

以上の構成を有する本実施形態に係る発電装置２０を備える排気ガス浄化装置においては、上記第一の実施形態と同様、温度センサ１０から出力される温度信号に基づいて、触媒９の温度を推定する。その結果、制御装置７で推定された触媒９の温度が触媒活性温度以上である場合には、ポンプ６を作動させて冷却水を発電装置２０の冷却水ケース２４に循環供給する。それとともに、制御装置７はオイル移動ピストン３３に制御信号を出力し、図５（ａ）に示すように、オイル移動ピストン３３によって、オイルＬを発電装置２０におけるオイル収容部２７に充填させる。

このように、オイル収容部２７にオイルＬが充填されると、排気流路２２を流通する排気ガスが持つ熱が、フィン本体２３Ｂに対して高伝熱状態で伝達される。このため、熱エネルギーを効率よく回収することができる。このとき、触媒９に流出する排気ガスは熱が回収されて温度が低くなっているが、触媒９は活性が高い状態となっているので、浄化作用を十分に発揮することができる。

一方、触媒９の温度が触媒活性温度を下回っている場合には、制御装置７からポンプ６に停止信号を出力してポンプ６を停止させる。それとともに、制御装置７からオイル移動ピストン３３に制御信号を出力し、図５（ｂ）に示すように、オイル移動ピストン３３によって、オイル収容部２７からオイルＬを取り除いてオイル貯留部３２に収容し、オイル収容部２７には空気が入った状態となるようにする。

オイル収容部２７にオイルが収容されず、空気が入った状態となっていると、排気流路２２を排気ガスが流通したときに、排気ガスからフィン本体２３Ｂに対する熱の伝達がオイル収容部２７に入った空気により遮断される。このため、フィン本体２３Ｂに排気ガスからの熱がほとんど伝達されないので、排気ガスは、高い温度を維持したまま発電装置２０から触媒９へと流出する。したがって、触媒９には、熱量の大きい排気ガスが供給されるので、短い時間で触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

また、熱の回収を行っていないときに、ポンプ６を停止させて冷却水の循環供給を行わないようにしている。このため、ポンプ６を作動させるための電力を無駄に浪費しないようにすることができる。

このように、本実施形態に係る発電装置２０を有する排気ガス浄化装置においても、触媒が触媒活性温度に到達する時間を長くすることなく、かつ効率的に排気ガス中に含まれる熱エネルギーを回収して、電気エネルギーに変換することができる。

続いて、本発明の第三の実施形態について説明する。本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、上記第一の実施形態と比較して、発電装置の構造が主に異なっており、その他の点は、図１に示すものと同様の構成を有している。図６は、本発明の第三の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図、図７は、ガイド部材の拡大平面図、図８は、図７のＡ−Ａ線断面図である。

図６に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置４０は、筐体４１を備えており、筐体４１の中央部には、１本の排気流路４２が形成されている。排気流路４２には、複数のフィン４３が設けられている。フィン４３は管状の伝熱部材４４の内側面に取り付けられて設けられており、フィン４３と伝熱部材４４とはたとえば押し出し成形により一体的に形成されている。

また、伝熱部材４４における外周部には、周方向に等間隔をおいて本発明の熱回収部となる８個の伝熱部４４Ａが形成されている。伝熱部４４Ａの外側表面は平面状に形成されており、この平面は、伝熱部材４４における内側断面の半径方向に伸びる線からわずかに外側にオフセットする角度位置となるように配置されている。

これらの伝熱部４４Ａのそれぞれに対応する位置には、熱電変換モジュール４５が配設されている。この熱電変換モジュール４５は、上記各実施形態と同様、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。この熱電変換モジュール４５が伝熱部材４４における伝熱部４４Ａと接触することにより、排気流路４２を流通する排気ガスの空気が伝熱部材４４を介して熱電変換モジュール４５に伝達される。

これらの熱電変換モジュール４５には、それぞれ冷却水ケース４６が取り付けられている。冷却水ケース４６には、図１に示す冷却水流通管５から供給される冷却水流路が形成されており、この冷却液によって熱電変換モジュール４５を冷却している。

また、筐体４１には、冷却水ケース４６の外側を囲むようにして回転レール４７が設けられており、この回転レール４７は、断面円形状の排気流路４２とほぼ同心状に配置されている。さらに、冷却水ケース４６の外側には、図８にも示すように、回転レール４７に沿って摺動可能となる回転ガイド部材４８がそれぞれ取り付けられている。

回転ガイド部材４８の中央位置には、ワイヤ４９が貫通した状態で取り付けられている。ワイヤ４９は、８個の回転ガイド部材４８のすべてに繋がれており、ワイヤ４９を引張することにより、回転ガイド部材４８が回転レール４７に摺動しながら移動する。ワイヤ４９の一端部は、図示しないアクチュエータに接続されており、アクチュエータを作動させることにより、ワイヤ４９を引張することができる。

さらに、回転ガイド部材４８には、図示しないスプリングが設けられており、ワイヤ４９が引張されていない状態のときには、熱電変換モジュール４５が伝熱部４４Ａに接触する方向に回転ガイド部材４８付勢している。したがって、アクチュエータを作動させることにより、スプリングの付勢力に抗してワイヤ４９が引張され、回転ガイド部材４８が移動する。また、アクチュエータには、制御装置７からの制御信号が出力される。制御装置７は、推定された触媒９の温度に基づいて、アクチュエータに制御信号を出力する。

以上の構成を有する本実施形態に係る排気ガス浄化装置では、上記第一の施形態と同様、温度センサ１０から出力される温度信号に基づいて、触媒９の温度を推定する。その結果、制御装置７で推定された触媒９の温度が触媒活性温度以上である場合には、ポンプ６を作動させて冷却水を発電装置４０の冷却水ケース４６に循環供給する。それとともに、制御装置７は、アクチュエータを作動させずにワイヤ４９を開放させて、図示しないスプリングの付勢力によって、図９（ａ）に示すように、熱電変換モジュール４５を伝熱部材４４の伝熱部４４Ａに接触させる。なお、図９においては、回転レールおよび筐体の図示を省略している。

このように、熱電変換モジュール４５が伝熱部４４Ａに接触すると、フィン４３で回収された排気流路４２を流通する排気ガスが持つ熱が、熱電変換モジュール４５に対して高伝熱状態で伝達される。このため、熱エネルギーを効率よく回収することができる。このとき、触媒９に流出する排気ガスは熱が回収されて温度が低くなっているが、触媒９は活性が高い状態となっているので、浄化作用を十分に発揮することができる。

一方、触媒９の温度が触媒活性温度を下回っている場合には、制御装置７からポンプ６に停止信号を出力してポンプ６を停止させる。それとともに、制御装置７からアクチュエータに作動信号を出力し、アクチュエータによってワイヤ４９を引張する。アクチュエータによってワイヤ４９が引張されると、回転ガイド部材４８が回転レール４７に沿って移動する。このとき、回転レール４７の半径方向の直線と、回転ガイド部材４８の平面とは、オフセットした位置に配置されているので、ワイヤ４９を引張することにより、図９（ｂ）に示すように、回転ガイド部材４８がその一端部を支点として、伝熱部４４Ａに対して回動する。回転ガイド部材４８が伝熱部４４Ａに対して回転すると、熱電変換モジュール４５と伝熱部４４Ａとが離反する。

熱電変換モジュール４５と伝熱部４４Ａとが離反すると、熱電変換モジュール４５と伝熱部４４Ａとの間に空気層が形成され、排気流路４２を流れる排気ガスの熱は、伝熱部材４４を介して熱電変換モジュール４５に伝達されないようになる。したがって、排気ガスは、高い温度を維持したまま発電装置４０から触媒９へと流出する。このため、触媒９には、熱量の大きい排気ガスが供給されるので、短い時間で触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

また、熱の回収を行っていないときに、ポンプ６を停止させて冷却水の循環供給を行わないようにしている。このため、ポンプ６を作動させるための電力を無駄に浪費しないようにすることができる。

続いて、本発明の第四の実施形態について説明する。本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、上記第一の実施形態と比較して、発電装置の構造が主に異なっており、その他の点は、図１に示すものと同様の構成を有している。図１０は、本発明の第四の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図である。

図１０に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置５０は、筐体５１を備えており、筐体５１には、４本の排気流路５２が形成されている。４本の排気流路５２には、それぞれ排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収するためのフィン部材５３が設けられている。

フィン部材５３は、伝熱部５３Ａとフィン本体５３Ｂとを備えており、伝熱部５３Ａに複数のフィン本体５３Ｂが取り付けられている。フィン本体５３Ｂは、伝熱部５３Ａにおける中央部に設けられたものが大きく、端部にいくほどその大きさが小さくなっている。また、伝熱部５３Ａにおけるフィン本体５３Ｂが設けられた側に対向する側の面には、熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが形成されている。

伝熱部５３Ａは、排気流路５２を流通する排気ガスの温度によって変形可能である。発電装置５０が十分に暖機されておらず、発電装置５０の温度が低いときには、伝熱部５３Ａの形状は、図１１（ａ）に示すように、熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが曲面状となる形状となっている。また、発電装置５０が十分に暖機された発電装置５０の温度が高くなっているときには、伝熱部５３Ａの形状は、図１１（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが直線状なる形状となっている。

また、筐体５１の外枠部におけるフィン部材５３に対応する位置には、冷却水ケース５４が取り付けられており、冷却水ケース５４は、内枠５４Ａと外枠５４Ｂとを備えている。このうちの外枠５４Ｂは筐体の外枠部に固定され、内枠５４Ａは外枠５４Ｂに固定されている。内枠５４Ａには、スリット状の冷却水流路５４Ｃが形成されており、図１に示す冷却水流通管５から供給される冷却水が内枠５４Ａに形成された冷却水流路５４Ｃを流通する。この冷却水流路５４Ｃを冷却水が流通することにより、熱電変換モジュール２５による熱電交換が行われる。

以上の構成を有する本実施形態に係る排気ガス浄化装置では、上記第一の施形態と同様、図１に示す温度センサ１０から出力される温度信号に基づいて、触媒９の温度を推定する。その結果、制御装置７で推定された触媒９の温度が触媒活性温度以上である場合には、ポンプ６を作動させて冷却水を発電装置５０の冷却水ケース５４に循環供給する。

また、触媒９の温度が低く、その浄化能力を十分に発揮しきれない状態のときには、発電装置５０の温度も低くなっている。発電装置５０の温度が低いとき、フィン部材５３は、図１１（ａ）に示すように、フィン本体５３Ｂ同士が互いにほぼ平行な状態となっている。

このとき、伝熱部５３Ａにおける熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが曲面状となっている。接触面５３Ｃが曲面状となっていると、接触面５３Ｃと熱電変換モジュール２５との接触面積が小さくなる。その結果、熱電変換モジュール２５における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換量が少なくなり、その分触媒９に多くの熱を与えることができるので、短い時間で触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

一方、触媒９が暖機され温度が上昇すると、触媒９と同時に発電装置５０も暖機され、その結果、隣接するフィン本体５３Ｂ同士の先端部の間隔が広がり、伝熱部５３Ａにおける熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃは、図１１（ｂ）に示すように、平面に近くなる。

フィン部材５３がこのように変形するのは、フィン部材５３における２つの温度分布（温度差）に起因する。その１つ目は、伝熱部５３Ａにおける排気流路１２側と熱電変換モジュール２５側との温度差である。伝熱部５３Ａにおける排気流路５２側と熱電変換モジュール２５側との温度では、排気流路５２側が高くなっている。排気流路５２側の温度が高くなっていると、図１２（ａ）に示すように、伝熱部５３Ａにおける排気流路５２側の方が、熱電変換モジュール２５側よりも大きく膨張する。

２つ目は、伝熱部５３Ａの中央部に設けられたフィン本体５３Ｂと端部に設けられたフィン本体５３Ｂとの間の温度差である。伝熱部５３Ａの中央に設けられたフィン本体５３Ｂは、端部に設けられたフィン本体５３Ｂよりも大きく、その表面積も大きい。このため、図１２（ｂ）に示すように、中央部におけるフィン本体５３Ｂは、端部におけるフィン本体５３Ｂよりも排気ガスから吸熱する熱量が大きくなる。

これらの２つの温度分布により、フィン部材５３における伝熱部５３Ａは、図１２（ｃ）に示すように、全体的に熱電変換モジュール２５側に反り返る。その結果、熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが平面に近い形状となるのである。

このように、フィン部材５３における熱電変換モジュール２５との接触面５３Ｃが、平面に近くなり、または平面になることから、フィン部材５３の伝熱部５３Ａと熱電変換モジュール２５との間の接触面積が大きくなり、その分、排気ガス中における熱を効率的に回収することができる。

次に、本発明の第五の実施形態について説明する。本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、上記第一の実施形態と比較して、発電装置の構造が主に異なっており、その他の点は、図１に示すものと同様の構成を有している。図１３は、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の要部平断面図である。

図１３に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置６０は、排気流路６２を備えている。排気流路６２は、上記第四の実施形態で説明した図１０に示す筐体５１と同様の筐体に形成されている。また、この排気流路６２は、上記第四の実施形態と同様、筐体内に４本形成されている。

排気流路６２には、排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収するためのフィン部材６３が設けられている。フィン部材６３は、伝熱部６３Ａとフィン本体６３Ｂとを備えており、伝熱部６３Ａに複数のフィン本体６３Ｂが取り付けられている。また、伝熱部６３Ａの側端部には、フランジ６３Ｃが形成されており、伝熱部６３Ａとフランジ６３Ｃとの間に、本発明の硬軟変換部材である緩衝パッド６４が設けられている。

緩衝パッド６４は、図１４に示すように、固液変換部材である半田６４Ａおよび可とう性ケース６４Ｂを備えている。半田６４Ａは、フィン部材６３および熱電変換モジュール２５の温度によって固体または液体となる。フィン部材６３および熱電変換モジュール２５が高温であるときには、半田６４Ａが液体となり、フィン部材６３および熱電変換モジュール２５が低温であるときには、半田６４Ａは固体となる。また、固液変換部材としては、半田のほか、鉛などの融点の低い金属を利用することもできる。

緩衝パッド６４におけるフィン部材６３の反対側には、熱電変換モジュール２５が当接状態で設けられている。このように、緩衝パッド６４は、フィン部材６３と熱電変換モジュール２５との間に設けられており、フィン部材６３で回収した熱を熱電変換モジュール２５で伝熱している。

以上の構成を有する本実施形態に係る排気ガス浄化装置においては、上記第一の施形態と同様、温度センサ１０から出力される温度信号に基づいて、触媒９の温度を推定する。その結果、制御装置７で推定された触媒９の温度が触媒活性温度以上である場合には、ポンプ６を作動させて冷却水を発電装置６０の冷却水ケース５４に循環供給する。

また、触媒９の温度が低く、その浄化能力を十分に発揮しきれない状態のときには、発電装置６０の温度も低くなっている。ここで、緩衝パッド６４における半田６４Ａは固体となっており、図１４（ａ）に示すように、半田６４Ａは塊状となる。このため、緩衝パッド６４とフィン部材６３との間には隙間ができて、緩衝パッド６４とフィン部材６３との接触面積は非常に小さい状態となっている。

半田６４Ａが固体となり、緩衝パッド６４とフィン部材６３との接触面積が小さくなっていると、熱電変換モジュール２５における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換量が少なくなり、その分触媒９に多くの熱を与えることができる。したがって、暖機前における触媒９に多くの熱を供給することができるので、触媒９を早期に暖機させて、触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

一方、触媒９の温度が高く、その浄化能力を十分に発揮しうる状態のときには、発電装置６０の温度も高くなっている。また、緩衝パッド６４における半田６４Ａは液体となっており、図１４（ｂ）に示すように、半田６４Ａは流動して変形可能となる。半田６４Ａが変形可能となると、たとえばフィン部材６３が変形した場合であってもその変形に緩衝パッド６４が追従するので、緩衝パッド６４とフィン部材６３との接触面積が大きい状態を保つことができる。

このときには、触媒９は十分に暖機された状態にあるため、触媒９を暖気するための熱量は必要なくなっている。したがって、多くの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが望ましいが、ここで半田６４Ａが液体となっており、緩衝パッド６４とフィン部材６３との接触面積が大きくなっている。したがって触媒９の暖機が必要ではないときに、熱電変換モジュール２５における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換量を多くすることができる。

次に、本発明の第六の実施形態について説明する。本実施形態に係る排気ガス浄化装置は、上記第一の実施形態と比較して、発電装置の構造が主に異なっており、その他の点は、図１に示すものと同様の構成を有している。図１５は、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の要部平断面図である。

図１５に示すように、本実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置７０は、排気流路７２を備えている。排気流路７２は、上記第四の実施形態で説明した図１０に示す筐体５１と同様の筐体に形成されている。また、この排気流路７２は、上記第四の実施形態と同様、筐体内に４本形成されている。

排気流路７２には、排気ガスに含まれる熱エネルギーを回収するためのフィン部材７３が設けられている。フィン部材７３は、伝熱部７３Ａとフィン本体７３Ｂとを備えており、伝熱部７３Ａに複数のフィン本体７３Ｂが取り付けられている。また、伝熱部７３Ａにおけるフィン本体７３Ｂが取り付けられた側の反対側には、凹部が形成されており、この凹部を密閉する蓋部材７３Ｃが固定されている。

伝熱部７３Ａに形成された凹部には、固液変換部材である半田７４が封入されている。また、蓋部材７３Ｃにおける伝熱部７３Ａに固定された面の反対側の面に、熱電変換モジュール２５が取り付けられている。また、熱電変換モジュール２５におけるフィン部材７３が取り付けられた面と反対側の面には、冷却水ケース５４が取り付けられている。

以上の構成を有する本実施形態に係る排気ガス浄化装置においては、上記第一の施形態と同様、温度センサ１０から出力される温度信号に基づいて、触媒９の温度を推定する。その結果、制御装置７で推定された触媒９の温度が触媒活性温度以上である場合には、ポンプ６を作動させて冷却水を発電装置７０の冷却水ケース５４に循環供給する。

また、触媒９の温度が低く、その浄化能力を十分に発揮しきれない状態のときには、発電装置７０の温度も低くなっている。ここで、伝熱部７３Ａの凹部に封入された半田７４は固体となっている。固体となった半田７４には、多くの気泡による空隙が含まれているため、この半田７４がフィン部材７３と熱電変換モジュール２５との間に介在されることにより、フィン部材７３からの熱電変換モジュール２５に対する熱の伝達率が低い状態となる。

フィン部材７３からの熱電変換モジュール２５に対する熱の伝達率が低くなると、熱電変換モジュール２５における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換量が少なくなり、その分触媒９に多くの熱を与えることができる。したがって、暖機前における触媒９に多くの熱を供給することができるので、触媒９を早期に暖機させて、触媒９を触媒活性温度に到達させることができる。

一方、触媒９の温度が高く、その浄化能力を十分に発揮しうる状態のときには、発電装置６０の温度も高くなっている。また、半田７４は液体となっており、半田７４は流動して変形可能となる。半田７４が変形可能となると、フィン部材７３に対する接触性が向上するので、フィン部材７３から熱電変換モジュール２５に対する伝熱性を向上させることができる。特に、半田７４が流動性を有することから、フィン部材７３が変形した場合でも、半田７４がその変形に追従するので高い伝熱性を維持することができる。

このときには、触媒９は十分に暖機された状態にあるため、触媒９を暖気するための熱量は必要なくなっている。したがって、多くの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが望ましいが、ここで半田７４が液体となっており、熱電変換モジュール２５に対する伝熱性が高くなっている。したがって触媒９の暖機が必要ではないときに、熱電変換モジュール２５における熱エネルギーの電気エネルギーへの変換量を多くすることができる。

本発明の実施形態に係る排気ガス浄化装置のブロック構成図である。 発電装置の平断面図である。 （ａ）は、熱電変換モジュールと伝熱部とが離反した状態を示す平断面図、（ｂ）は、熱電変換モジュールと伝熱部とが接触した状態を示す平断面図である。 第二の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図である。 （ａ）は、発電装置におけるオイル収容部にオイルが収容された状態を示すブロック図、（ｂ）は、オイル貯留部にオイルが収容された状態を示すブロック図である。 第三の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図である。 ガイド部材の拡大平面図である。 図７のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は、熱電変換モジュールと伝熱部とが接触した状態を示す平面図、（ｂ）は、熱電変換モジュールと伝熱部とが離反した状態を示す平面図である。 第四の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の平断面図である。 発電装置におけるフィン部材の変形の形態を示す図であり、（ａ）は接触面が曲面状である状態を示し、（ｂ）は接触面が平面状である状態を示している。 発電装置におけるフィン部材が変形する原理を説明する図である。 第五の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の要部平断面図である。 発電装置における緩衝パッドが変形する状態を示す断面図であり、（ａ）は半田が固体となっている状態を示し、（ｂ）は半田が液体となっている状態を示す。 第六の実施形態に係る排気ガス浄化装置における発電装置の要部平断面図である。

符号の説明

１…排気ガス浄化装置、２…排気流路、３…エンジン、４，２０，４０，５０，６０，７０…発電装置、５…冷却水流通管、６…ポンプ、７…制御装置、８…熱交換器、９…触媒、１０…温度センサ、１１，２１，４１…筐体、１２，２２，４２…排気流路、１３，２３，５３，６３，７３…フィン部材、１３Ａ，２３Ａ，５３Ａ，６３Ａ，７３Ａ…伝熱部、１３Ｂ，２３Ｂ，５３Ｂ，６３Ｂ，７３Ｂ…フィン本体、１４，２４，４６…冷却水ケース、１４Ａ，２４Ａ…内枠、１４Ｂ，２４Ｂ…外枠、１４Ｃ，２４Ｃ…冷却水流路、１４Ｄ…シール部材、１５，２５，４５…熱電変換モジュール、１６…スプリング、２６…板バネ、２７…オイル収容部、２８…オイル出入口、２９…空気出入口、３０…オイル流通管、３１…空気流通管、３２…オイル貯留部、３３…オイル移動ピストン、４３…フィン、４４…伝熱部材、４４Ａ…伝熱部、４７…回転レール、４８…回転ガイド部材、４９…ワイヤ、Ｌ…オイル、５３Ｃ…接触面、６３Ｃ…フランジ、６４…緩衝パッド、６４Ａ…半田、６４Ｂ…可とう性ケース、７３Ｃ…蓋部材、７４…半田。

Claims (7)

1. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、前記発電装置内または前記発電装置における前記排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガスから前記熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、
   前記伝熱状態可変手段は、前記触媒の温度が前記触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、排気ガスの熱を回収する熱回収部と、前記熱電変換素子における前記熱回収部側の反対側に設けられた冷却液通路とを備え、
   前記熱電変換素子は前記熱回収部に対して相対的に移動可能状態に取り付けられており、
   前記冷却液通路に冷却水が導入されたときに前記熱電変換素子が前記熱回収部に接触して高伝熱状態とされ、前記冷却液通路に冷却液が導入されていないときに、前記熱電変換素子が前記熱回収部から離反して、低伝熱状態とされるように構成されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、前記発電装置内または前記発電装置における前記排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガスから前記熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、
   前記伝熱状態可変手段は、前記触媒の温度が前記触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、前記熱回収部に熱媒体収容部が設けられており、
   前記熱媒体収容部に熱媒体が収容されているときに、伝熱状態を高伝熱状態とされ、前記熱媒体収容部に熱媒体が収容されていないときに、低伝熱状態とされることを特徴とする排気ガス浄化装置。
3. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、前記発電装置内または前記発電装置における前記排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガスから前記熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、
   前記伝熱状態可変手段は、前記触媒の温度が前記触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、
   排気ガスが流れる排気流路の周囲に配設され、前記排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、
   前記熱回収部の外周に沿って前記熱電変換素子が接触した状態で配設されており、
   前記熱電変換素子を引張することにより、前記熱電変換素子の一端部を支点として前記熱電変換素子を前記熱回収部に対して回転させて前記熱電変換素子と前記排気流路とを離反可能とされており、
   前記熱電変換素子と前記熱回収部とが接触しているときに高伝熱状態とされ、前記熱電変換素子と前記熱回収部とが離反しているときに低伝熱状態とされることを特徴とする排気ガス浄化装置。
4. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、前記発電装置内または前記発電装置における前記排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガスから前記熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、
   前記伝熱状態可変手段は、
   前記触媒の温度が前記触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、
   排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、前記熱回収部における前記熱電変換素子と接触面が変形可能とされており、
   前記熱回収部が低熱状態となったとき、前記熱回収部が高熱状態となったときよりも、前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面が、前記熱電変換素子に対して接触する面積が大きくなるように、前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面が変形するように構成されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
5. 前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面を切断した形状は、前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面積が大きいときには直線状とされ、前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面積が小さいときには曲線状となるように、前記熱回収部における前記熱電変換素子との接触面が変形する請求項４に記載の排気ガス浄化装置。
6. エンジンから放出される排気ガスの熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備える発電装置を有し、前記発電装置内または前記発電装置における前記排気ガスの流れ方向下流側に触媒が設けられた排気ガス浄化装置において、
   前記排気ガスから前記熱電変換素子への熱の伝達状態を、高伝熱状態と低伝熱状態とに変更可能とする伝熱状態可変手段を備え、
   前記伝熱状態可変手段は、前記触媒の温度が前記触媒の活性化温度に基づいて設定された温度よりも高い温度のときには、排気ガスから熱電変換素子への熱の伝達状態が高伝熱状態になるようにされ、排気ガスの熱を回収する熱回収部を備え、前記熱回収部と前記熱電変換素子との間には、硬軟変換部材が配設されており、
   前記硬軟変換部材が軟状態のときに、前記熱回収部と前記熱電変換素子との間が高伝熱状態とされ、前記硬軟変換部材が硬状態のときに前記熱回収部と前記熱電変換素子との間が低伝熱状態とされることを特徴とする排気ガス浄化装置。
7. 前記硬軟変換部材は、可とう性ケース内に固液変換部材が収容されて形成されている請求項６に記載の排気ガス浄化装置。

Images