JP4871844B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

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。

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）。

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。

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）。

特開２００６−２０７４２８号公報 特開２００５−２９５７２５号公報 特開２００６−２１１７８０号公報

「ランキンサイクルを用いた車載用廃熱回生システムの研究」 （社）自動車技術会学術講演会前刷集 No.92-06 １５〜２０頁

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置１を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置１Ａを模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る廃熱回収装置を模式的に示す横断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る廃熱回収装置１Ｄを模式的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る廃熱回収装置１Ｅを模式的に示す断面図である。

Claims (5)

1. 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、
   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。
2. 複数の前記熱電変換素子が前記配管の外側面上に周方向に並んで配置されていることを特徴とする、請求項１記載の廃熱回収装置。
3. 前記多孔質セラミックス部材が複数の多孔質セラミックス層からなることを特徴とする、請求項１または２記載の廃熱回収装置。
4. 前記多孔質セラミックス部材が多孔質壁からなるハニカム構造を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の廃熱回収装置。
5. 前記多孔質セラミックス部材に排ガス浄化用触媒が担持されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の廃熱回収装置。
   

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