JP4871844B2 - Waste heat recovery device - Google Patents
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Description
本発明は、車両の内燃機関から発生する排ガスから廃熱を回収する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for recovering waste heat from exhaust gas generated from an internal combustion engine of a vehicle.
自動車では、より一層の燃費向上を図るために、エンジンの排ガス中の熱を回収し、電気エネルギー等に変換する技術が検討されている。そして、自動車のエンジンから排出される排ガスの熱エネルギーを、電気エネルギーとして回収する熱電発電装置が知られている(例えば、特許文献1〜3)。 In automobiles, in order to further improve fuel efficiency, a technique for recovering heat in exhaust gas from an engine and converting it into electric energy or the like has been studied. And the thermoelectric power generator which collect | recovers the thermal energy of the waste gas discharged | emitted from the engine of a motor vehicle as an electrical energy is known (for example, patent documents 1-3).
特許文献1〜3では、排気管を流れる排ガスの廃熱を熱交換フィンで回収し、その熱を熱電変換モジュール(熱電変換素子)に伝導させる。そして,熱電変換モジュールにおける温度差による熱電効果によって、発電を行うものである。熱電変換モジュールに効率的に熱を伝達するために、排ガスの熱を回収する熱交換フィン等の伝熱部材の改良が進められている。 In patent documents 1-3, the waste heat of the exhaust gas which flows through an exhaust pipe is collect | recovered with a heat exchange fin, and the heat is conducted to a thermoelectric conversion module (thermoelectric conversion element). And electric power generation is performed by the thermoelectric effect by the temperature difference in a thermoelectric conversion module. In order to efficiently transfer heat to the thermoelectric conversion module, heat transfer members such as heat exchange fins that recover the heat of exhaust gas have been improved.
また、エンジンの排ガス中の熱により蒸気を生成する蒸発器を備え、蒸気の熱エネルギーを電力に変換するランキンサイクルが検討されている(非特許文献1)。 In addition, a Rankine cycle that includes an evaporator that generates steam by heat in exhaust gas from an engine and converts the thermal energy of the steam into electric power has been studied (Non-Patent Document 1).
しかし、熱交換フィンはCu等の高熱伝導率金属によって形成されているが、高温の排ガス中で長期間使用すると劣化しやすく、寿命が短い。また、SUSは、排ガス環境中で使用可能であるが、熱伝導率が低く、廃熱回収の性能が低いために、熱電変換効率に限界がある。また、排ガス環境中で使用可能な熱伝導性セラミックスでは、熱伝導率がSUS等より高いものもある。しかし、複雑な熱交換フィン形状をセラミックスによって形成することは困難であり,また製造コストが高い。 However, the heat exchange fin is formed of a metal having a high thermal conductivity such as Cu. However, the heat exchange fin is likely to deteriorate when used in a high temperature exhaust gas for a long time and has a short life. Further, SUS can be used in an exhaust gas environment, but has a limited thermoelectric conversion efficiency due to low thermal conductivity and low waste heat recovery performance. Some thermally conductive ceramics that can be used in an exhaust gas environment have higher thermal conductivity than SUS or the like. However, it is difficult to form a complicated heat exchange fin shape with ceramics, and the manufacturing cost is high.
非特許文献1に記載のようなランキンサイクル用の蒸発器には、金属製パイプとフィンが必要であるが、複雑な構造となっている。このため、前記と同じ材料の制限がある上に、製造コストが高い。 The Rankine cycle evaporator as described in Non-Patent Document 1 requires a metal pipe and fins, but has a complicated structure. For this reason, there are restrictions on the same materials as described above, and the manufacturing cost is high.
本発明の課題は、内燃機関の排ガス中で長期間にわたって使用可能であり、廃熱回収の効率も高く、かつ製造コストを低減可能な、車両内燃機関の排ガスの廃熱回収装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device for exhaust gas of a vehicle internal combustion engine that can be used for a long time in the exhaust gas of an internal combustion engine, has high efficiency of waste heat recovery, and can reduce manufacturing costs. It is.
本発明は、車両の内燃機関の排気管に設置される廃熱回収装置であって、
内燃機関の排ガスを流すための配管、配管内に設置されており、排ガスが透過する筒状の多孔質セラミックス部材、多孔質セラミックス部材の入り口側に設置された封止材、多孔質セラミックス部材の出口側に設置されたリング状封止材、および配管の外側に設置され、多孔質セラミックス部材からの輻射熱を回収する熱電変換素子を備えており、排ガスを、多孔質セラミックス部材の外周面と配管の内周面との間の空間から多孔質セラミックス部材を透過して多孔質セラミックス部材の内側空間へと流し、多孔質セラミックス部材の外周面からの輻射熱を配管を通して熱電変換素子によって回収することを特徴とする。
The present invention is a waste heat recovery device installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine of a vehicle,
Piping for flowing exhaust gas of an internal combustion engine, a tubular porous ceramic member through which exhaust gas permeates , a sealing material installed on the inlet side of the porous ceramic member, and a porous ceramic member A ring-shaped sealing material installed on the outlet side, and a thermoelectric conversion element installed on the outside of the pipe for recovering radiant heat from the porous ceramic member , and exhaust gas from the outer peripheral surface of the porous ceramic member and the pipe The porous ceramic member permeates through the space between the inner peripheral surface of the porous ceramic member and flows into the inner space of the porous ceramic member, and the radiant heat from the outer peripheral surface of the porous ceramic member is recovered by the thermoelectric conversion element through the pipe. Features.
本発明によれば、内燃機関の排ガスを流すための配管内に多孔質セラミックス部材を設置し、この多孔質セラミックス部材を排ガスが透過するように設計する。そして、熱回収部材を設置し、多孔質セラミックス部材からの輻射熱によって、排ガスの廃熱を回収する。 According to the present invention, the porous ceramic member is installed in the pipe for flowing the exhaust gas of the internal combustion engine, and the porous ceramic member is designed so that the exhaust gas permeates. Then, a heat recovery member is installed, and waste heat of the exhaust gas is recovered by radiant heat from the porous ceramic member.
このような装置によれば、多孔質セラミックス部材は、内燃機関の排ガス中で長期間にわたって使用可能であり、かつ複雑形状の放熱フィンをセラミックスで形成した場合に比べて製造コストを低減できる。更に、多孔質セラミックスの気孔表面積は大きくできるので、排ガス中の廃熱の回収効率は高く、熱回収部材による廃熱回収の効率も高くできる。 According to such an apparatus, the porous ceramic member can be used for a long time in the exhaust gas of the internal combustion engine, and the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the heat radiation fin having a complicated shape is formed of ceramics. Furthermore, since the pore surface area of the porous ceramics can be increased, the efficiency of recovering waste heat in the exhaust gas is high, and the efficiency of recovery of waste heat by the heat recovery member can also be increased.
図1、図2は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置を模式的に示す断面図である。図3は、図2の廃熱回収装置の横断面を模式的に示す断面図である。 1 and 2 are cross-sectional views schematically showing a waste heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention. Figure 3 is a cross-sectional view showing the cross section of the waste heat recovery system of FIG. 2 schematically.
配管2は、図示しない所定の内燃機関排ガス配管系に接続するものである。配管2の内側には、筒状の多孔質セラミックス部材9が設置されている。多孔質セラミックス部材9の入口側末端には封止材7が設置されており、多孔質セラミックス部材9の入り口を気密に塞いでいる。また、多孔質セラミックス部材9の出口側にはリング状の封止材8が設置されており、封止材8の開口8aが多孔質セラミックス部材9の内側空間5と連通している。
The
配管2の入り口2aから矢印Aのように排ガスが流入し、封止材7によってせき止められ、入口側空間3内で矢印Bのように配管の周縁部に向かって流れる。次いで、配管2の内周面と多孔質セラミックス部材9の外周面9aとの間の空間4を流れ、多孔質セラミックス部材9の内側空間5へと向かって、矢印Cのように多孔質セラミックス部材を透過する。次いで、矢印Dのように出口側空間6を通過し、出口2bから配管系に排出される。
Exhaust gas flows from the
配管2の外側には熱回収装置10が設置されている。ここで、熱回収装置は、配管2の外壁面に接触するように配管に取り付けられていて良い。あるいは、熱回収装置10は、配管2から離れた位置に固定されていてもよい。
A
排ガスが矢印Cのように多孔質セラミックス部材9を透過する間に、部材9の内部において、排ガスと気孔との接触によって部材9の内部に熱が溜まる。そして、多孔質セラミックス部材9の外周面から矢印Eのように熱が輻射される。熱回収部材10がこの熱輻射を受け、他の形のエネルギーとして利用する。
While the exhaust gas passes through the porous
筒状の多孔質セラミックス部材9の外側面と配管の内側面との間に、多孔質セラミックス部材9の長手方向へと向かって延びる空間4を形成した場合には、排ガスが矢印Cのように広い面積にわたって内側空間5へと向かって透過されやすい。従って、多孔質セラミックス部材を透過する際の圧力損失を低減する上で有効である。
When a
図2の廃熱回収装置1Aに示すように、配管2の外壁面上に熱回収装置として熱電変換素子11が設置されている。そして、多孔質セラミックス部材9から、熱電変換素子11の内周面へと向かって矢印Eのように熱輻射がなされる。熱電変換素子11の外側には所定の冷媒を接触させる。
As shown in the waste heat recovery apparatus 1 </ b> A of FIG. 2, a thermoelectric conversion element 11 is installed on the outer wall surface of the
上記のように、本発明を実施することにより、高温の排ガスの熱エネルギーを小型の部材で効率良く回収できる。フィン等で熱を回収する場合は、フィン表面でガスからの熱伝達により熱を得て、フィン部材の熱伝導により熱を伝え、排気管外周の熱電素子に熱が伝達される。これに対し、多孔質セラミックスの孔内の幾何学的表面積はフィンの表面積よりも大きく、熱伝達の効率は高いため、部材は小さくてよい。また、フィン部材の熱伝導による固体中の伝導よりも、固体からの輻射の方が熱伝達効率は高い。特に温度が高ければ高いほど、輻射による熱伝達効率が高く、この場合、使用材料もセラミックス等の高耐熱材料に限られる。すなわち、優れた耐久性を有する熱回収部材が提供される。 As described above, by implementing the present invention, the thermal energy of high-temperature exhaust gas can be efficiently recovered with a small member. When heat is recovered by a fin or the like, heat is obtained from heat transfer from the gas on the fin surface, heat is transferred by heat conduction of the fin member, and heat is transferred to the thermoelectric element on the outer periphery of the exhaust pipe. On the other hand, since the geometric surface area in the pores of the porous ceramic is larger than the surface area of the fin and the efficiency of heat transfer is high, the member may be small. Further, radiation from the solid has higher heat transfer efficiency than conduction in the solid due to heat conduction of the fin member. In particular, the higher the temperature, the higher the heat transfer efficiency by radiation. In this case, the material used is limited to a high heat-resistant material such as ceramics. That is, a heat recovery member having excellent durability is provided.
本発明においては、配管の形態は特に限定されず、例えば、筒状(円筒形、多角筒形など)であってよい。多孔質セラミックス部材の形態は、例えば、円筒形、多角筒形であってよい。ただし、配管と多孔質セラミックス部材とがともに筒状である場合には、同軸であることが特に好ましい。また、配管や多孔質セラミックス部材が筒状である場合には、その外径、内径は、長手方向に向かって変化していてもよい。例えば、配管、多孔質セラミックス部材のうちガスの上流側を細くし、ガスの下流側を太くすることもできる。 In the present invention, the form of the piping is not particularly limited, and may be, for example, cylindrical (cylindrical, polygonal cylindrical, etc.). The form of the porous ceramic member may be , for example, a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape. However, when both the pipe and the porous ceramic member are cylindrical, it is particularly preferable that they are coaxial. Moreover, when piping or a porous ceramic member is cylindrical, the outer diameter and inner diameter may be changing toward the longitudinal direction. For example, it is possible to make the upstream side of the gas narrower and thicken the downstream side of the gas among the piping and the porous ceramic member.
配管の材質は特に限定されないが、配管のうち少なくとも輻射熱を受ける部分の材質は、熱輻射に対して透明であるか、または、黒体か、あるいは黒体に近い放射・吸収特性を有する材質が好ましい。こうした材質としては、石英ガラスや窒化珪素、アルミナ、コーディエライトなどのセラミックス、表面を黒色処理したステンレススチール、ニッケルなどの耐熱金属を例示できる。 The material of the pipe is not particularly limited, but the material of at least the part that receives radiant heat in the pipe is transparent to heat radiation, or is a black body or a material having radiation / absorption characteristics close to that of a black body. preferable. Examples of such materials include quartz glass, ceramics such as silicon nitride, alumina, and cordierite, stainless steel whose surface is black-treated, and heat-resistant metals such as nickel.
配管内部では、排ガスが多孔質セラミックス部材を透過するように、封止材によって多孔質セラミックス部材以外の径路をふさぐことが好ましい。例えば前述の例では7、8が封止材にあたる。こうした封止材の材質は、熱伝導率が低いことが好ましく、緻密質であることが好ましく、また排ガス環境中で耐久性の高いことが好ましい。 Inside the piping, it is preferable to block the path other than the porous ceramic member with a sealing material so that the exhaust gas permeates the porous ceramic member. For example, in the above example, 7 and 8 correspond to the sealing material. Such a sealing material preferably has a low thermal conductivity, preferably a dense material, and preferably has high durability in an exhaust gas environment.
この封止部材の材質は、緻密質で低熱伝導の材料がよく,多孔質セラミックス部材と一体に接合されていてよい。接合方法は、拡散接合、ろう接合、ガラス接合等が適用される。この材質は、耐熱金属(SUS、Ni合金)、セラミックス(アルミナ、ジルコニア、ムライト、スピネル、窒化珪素、コーディエライトを例示できる。 The material of the sealing member is preferably a dense material with low thermal conductivity, and may be integrally joined to the porous ceramic member. As a bonding method, diffusion bonding, brazing bonding, glass bonding, or the like is applied. Examples of this material include refractory metals (SUS, Ni alloy), ceramics (alumina, zirconia, mullite, spinel, silicon nitride, cordierite).
多孔質セラミックス部材は、排ガスの透過に際し、圧損が大きくならないよう、気孔率が大きい方が好ましい。この観点からは、多孔質セラミックス部材の気孔率は、50%以上が好ましく、60%以上が更に好ましい。また、多孔質セラミックス部材の気孔率が高すぎると、取り扱いが難しいので、この観点からは、90%以下が好ましい。 The porous ceramic member preferably has a high porosity so that the pressure loss does not increase when the exhaust gas permeates. From this viewpoint, the porosity of the porous ceramic member is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more. In addition, if the porosity of the porous ceramic member is too high, it is difficult to handle. From this viewpoint, 90% or less is preferable.
多孔質セラミックス部材の材質は、排ガス環境下で耐久性が高く、熱放射率が大きいことが好ましい。これによって、排ガスの熱を奪った多孔質セラミックスにおいて、輻射熱へのエネルギー変換効率が高い。 The material of the porous ceramic member is preferably highly durable in an exhaust gas environment and has a high thermal emissivity. As a result, the porous ceramics deprived of heat of the exhaust gas has high energy conversion efficiency to radiant heat.
具体的には、多孔質セラミックス部材の形態は、均一な発泡状のセラミックフォームが良い。あるいは、後述するようなハニカム構造体(ハニカムセル壁が高気孔率を有している)も好ましい。多孔質セラミックス部材の材質は、アルミナ、コーディエライト、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素を例示できる。 Specifically, the form of the porous ceramic member is preferably a uniform foamed ceramic foam. Alternatively, a honeycomb structure as described later (the honeycomb cell wall has a high porosity) is also preferable. Examples of the material of the porous ceramic member include alumina, cordierite, zirconia, silicon nitride, and silicon carbide.
「セラミックフォーム」は、ウレタンフォームにセラミックススラリーを含浸させたのち、焼結することによって製造できる。あるいは、セラミック原料のゾルを泡立て、泡立て終わるころにゲル化させて発泡体を得、これを焼結してセラミックフォームとしてもよい。 The “ceramic foam” can be produced by impregnating a urethane foam with a ceramic slurry and then sintering. Alternatively, the ceramic raw material sol may be foamed and gelled at the end of the foaming to obtain a foam, which may be sintered to form a ceramic foam.
本発明においては、熱回収部材が熱電変換素子である。熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、高温側となる内側面と低温側となる外側面の両面間に生じる温度差によって、ゼーベック効果による起電力を発生する。熱電素子は、排ガス配管の外側面上に周方向に並んで離散的に複数配置でき、このように配置することにより、より多くの熱電素子を配置することができ、効率よく、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電素子には、図示されない電極が形成されている。低温側となる外側面は、図示しない空冷または水冷機構を配置できる。 In the present invention , the heat recovery member is a thermoelectric conversion element. The thermoelectric conversion element converts heat energy into electric energy, and generates an electromotive force due to the Seebeck effect due to a temperature difference generated between the inner surface on the high temperature side and the outer surface on the low temperature side. A plurality of thermoelectric elements can be discretely arranged side by side in the circumferential direction on the outer surface of the exhaust gas pipe. By arranging in this way, more thermoelectric elements can be arranged, and heat energy can be efficiently supplied. Can be converted into energy. An electrode (not shown) is formed on the thermoelectric element. An air cooling or water cooling mechanism (not shown) can be arranged on the outer side which is the low temperature side.
多孔質セラミックス部材の気孔内に排ガス浄化用触媒が担持されていてもよい。これにより、エンジン直下に設置することができ、排ガスを浄化すると同時に、より高温排ガスの熱を回収することができる。そればかりでなく、排ガスの浄化反応熱も回収することができる。ここで、排ガス浄化用触媒は、例えば、Pt、Rh、Pdなどの貴金属と酸素吸蔵成分としてCeO2を含むアルミナコートに担持した三元触媒である。 An exhaust gas purifying catalyst may be supported in the pores of the porous ceramic member. Thereby, it can be installed directly under the engine, and at the same time as purifying the exhaust gas, the heat of the high-temperature exhaust gas can be recovered. Not only that, it is also possible to recover the heat of purification reaction of the exhaust gas. Here, the exhaust gas purifying catalyst is, for example, a three-way catalyst supported on an alumina coat containing noble metals such as Pt, Rh, and Pd and CeO2 as an oxygen storage component.
多孔質セラミックス部材中には,排ガスの透過方向に向かって大きな温度勾配が生じる。これによる熱応力による破壊を防ぐという観点からは、例えば、多孔質セラミックス部材を複数に分割することによって応力を熱分散させることができる。 A large temperature gradient is generated in the porous ceramic member in the direction of permeation of the exhaust gas. From the viewpoint of preventing breakage due to thermal stress due to this, for example, the stress can be thermally dispersed by dividing the porous ceramic member into a plurality of parts.
例えば、図4の装置1Dでは、多孔質セラミックス部材19は、内側の多孔質セラミックス部材20と外側の多孔質セラミックス部材21からなる。各多孔質セラミックス部材は同軸とする。多孔質セラミックス部材20と21との間は、密着させてもよく、隙間を設けても良い。排ガスは、外側空間4から矢印Cのように内側空間5へと流れ、このときに廃熱が多孔質セラミックス部材に回収される。多孔質セラミックス部材21の外周面19aからは矢印Eのように輻射が生じる。
For example, in the apparatus 1D of FIG. 4 , the porous
また、図5の装置1Eでは、多孔質セラミックス部材として、ハニカム構造体22を用いている。本例では、排ガスは、外側空間4から矢印Cのように内側空間5に流れ、このときに廃熱が多孔質セラミックス部材に回収される。多孔質セラミックス部材22の外周面22aからは矢印Eのように輻射が生じ、これが熱回収装置10によって回収される。この例では、ハニカム構造体22のセル壁が多孔質セラミックスからなっており、排ガスはセル壁を透過して流れる。
Moreover, in the apparatus 1E of FIG. 5 , the
前述してきたように、配管内に筒状の多孔質セラミックス部材を設置する場合には、配管の形状が真っ直ぐである場合にも、配管中の流れ方向と垂直な方向へと向かってガスを流し、流れ方向と垂直な方向へと向かって廃熱を放射させ易い。 As described above, when a cylindrical porous ceramic member is installed in a pipe, gas flows in a direction perpendicular to the flow direction in the pipe even when the shape of the pipe is straight. It is easy to radiate waste heat in a direction perpendicular to the flow direction.
Claims (5)
前記内燃機関の排ガスを流すための配管、前記配管内に設置されており、前記排ガスが透過する筒状の多孔質セラミックス部材、前記多孔質セラミックス部材の入り口側に設置された封止材、前記多孔質セラミックス部材の出口側に設置されたリング状封止材、および前記配管の外側に設置され、前記多孔質セラミックス部材からの輻射熱を回収する熱電変換素子を備えており、前記排ガスを、前記多孔質セラミックス部材の外周面と前記配管の内周面との間の空間から前記多孔質セラミックス部材を透過して前記多孔質セラミックス部材の内側空間へと流し、前記多孔質セラミックス部材の前記外周面からの輻射熱を前記配管を通して前記熱電変換素子によって回収することを特徴とする、車両の内燃機関の廃熱回収装置。 A waste heat recovery device installed in an exhaust pipe of an internal combustion engine of a vehicle,
A pipe for flowing the exhaust gas of the internal combustion engine, a cylindrical porous ceramic member that is installed in the pipe and through which the exhaust gas permeates , a sealing material that is installed on the inlet side of the porous ceramic member, porous ceramic rings installed on the outlet side of the member shape seal member, and the placed on the outside of the pipe, provided with a thermoelectric conversion element to collect radiant heat from the porous ceramic member, the exhaust gas, the The outer peripheral surface of the porous ceramic member that flows through the porous ceramic member from the space between the outer peripheral surface of the porous ceramic member and the inner peripheral surface of the pipe and flows into the inner space of the porous ceramic member. A waste heat recovery device for an internal combustion engine of a vehicle , wherein the radiant heat from the vehicle is recovered by the thermoelectric conversion element through the pipe .
The waste heat recovery apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein an exhaust gas purifying catalyst is supported on the porous ceramic member.
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