JP2007198276A - Heat-exchanger generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車や船舶の内燃機関の排気管 及び 前記内燃機関冷却用熱交換器から出る廃熱を熱電変換素子によって電気に変換する熱交換発電機に関するものである。 The present invention relates to an exhaust pipe of an internal combustion engine of an automobile or a ship and a heat exchange generator that converts waste heat from the heat exchanger for cooling the internal combustion engine into electricity by a thermoelectric conversion element.
1、従来の自動車や船舶は内燃機関から出る排気ガスに含まれる熱エネルギーはそのまま排気管から大気中に廃出していた。
2、従来の自動車は前記内燃機関の内燃機関冷却液に含まれる熱エネルギーを熱交換器より大気中に廃熱していた。
3、従来の船舶は前記内燃機関の内燃機関冷却液に含まれる熱エネルギーを内燃機関冷却用熱交換器より海水中や湖水中へ廃熱していた。
1. In conventional automobiles and ships, the heat energy contained in the exhaust gas emitted from the internal combustion engine is directly discharged from the exhaust pipe into the atmosphere.
2. Conventional automobiles waste heat energy contained in the coolant of the internal combustion engine from the heat exchanger into the atmosphere.
3. The conventional ship has exhausted the heat energy contained in the internal combustion engine coolant of the internal combustion engine into seawater or lake water from the heat exchanger for cooling the internal combustion engine.
4、従来の自動車や船舶は内燃機関の回転力を利用して発電機を回転し発電をしていたが これは前記内燃機関の大きな回転負荷となり燃費を大変悪くしていた。
上記1、2及び3の廃熱量はディーゼル内燃機関で使用した燃料から発生する熱エネルギーの約65%を、 同じくガソリン内燃機関で約75%を大気中あるいは海水中に廃熱として捨てていた事になる、これも地球温暖化の大きな原因の一つであり又大変不経済であった。
又 上記4の回転式発電機(オルタネータ)は大小あるが前記内燃機関に対する回転負荷は 前記内燃機関出力の数馬力も損失していた。
4. Conventional automobiles and ships use the rotational force of the internal combustion engine to rotate the generator to generate electricity, but this is a large rotational load of the internal combustion engine, which greatly reduces fuel consumption.
The amount of waste heat in the above 1, 2 and 3 was about 65% of the heat energy generated from the fuel used in the diesel internal combustion engine, and about 75% in the gasoline internal combustion engine was discarded as waste heat in the atmosphere or seawater. This is one of the major causes of global warming and was very uneconomical.
Further, although the rotary generator (alternator) 4 is large and small, the rotational load on the internal combustion engine lost several horsepower of the output of the internal combustion engine.
5、(特許文献1)(特許文献2)の排気熱を熱電変換素子で電気に変換する方法もあったがこの方法では熱電変換素子を直接排気管に取り付けるようになっている為一見熱効率は高いように見えるが排気管は高温になる為 熱電変換素子は半導体に電極をハンダ付けによって連結しているため長期間安定動作するか疑問である。 5. There was also a method of converting the exhaust heat of (Patent Document 1) (Patent Document 2) to electricity with a thermoelectric conversion element, but in this method the thermoelectric conversion element is directly attached to the exhaust pipe, so the thermal efficiency at first glance is Although it seems to be high, the exhaust pipe becomes hot, so it is doubtful whether the thermoelectric conversion element will operate stably for a long time because the electrodes are connected to the semiconductor by soldering.
又 排気管は殆ど自動車の下部にあり水跳ねや跳ね飛物等による漏電 損傷の可能性も大である。
前記内燃機関の廃熱は大きく分けて内燃機関冷却用熱交換器の大気中あるいは海水中へ放熱する分と排気管から大気中へ排出する分の二つ有るが文献1及び文献2の方法では排気管から排出する一つの熱エネルギーだけ利用するものである。
The waste heat of the internal combustion engine is roughly divided into two parts, one for radiating heat into the atmosphere or seawater of the heat exchanger for cooling the internal combustion engine and the other for exhausting it from the exhaust pipe to the atmosphere. Only one thermal energy discharged from the exhaust pipe is used.
解決しようとする問題点は 自動車や船舶の内燃機関に投入した燃料の75%以上の熱エネルギーが廃熱として無駄になっている。 The problem to be solved is that 75% or more of the heat energy used in the internal combustion engines of automobiles and ships is wasted as waste heat.
1.内燃機関冷却用熱交換器の温度差が生じて熱エネルギーが移動する熱媒液放熱管と放熱フィンの間に熱電変換用ゼーベック効果を利用したペルチエ素子モジュールを挟設して廃熱を電気エネルギーに変換しエネルギーの有効利用を図る、又 前記放熱フィンを設けたものは空冷式熱交換器で主に自動車、建設機械、農業機械、鉄道車両、産業機械等に使用するが船舶等の内燃機関冷却用水冷式熱交換器の場合前記熱媒液放熱管と吸熱冷水管の間に熱電変換用ゼーベック効果を利用したペルチエ素子モジュールを挟設してペルチエ素子モジュールの一方を高温の熱媒液で過熱し他方を大気又は海水で冷却し発電をする。
2.前記内燃機関排気ガス中の熱エネルギーを排気ガス通路の一部を熱交換器として熱媒液に熱エネルギーを回収して前記内燃機関冷却用熱媒液と同様熱交換発電機に循環し発電を行う。
3.回転式発電は前記内燃機関の大きな回転負荷となるので廃止する。
1. A Peltier element module that uses the Seebeck effect for thermoelectric conversion is sandwiched between the heat transfer medium heat radiation pipe and the heat radiation fin, where the temperature difference occurs in the heat exchanger for cooling the internal combustion engine and the heat energy is transferred, and the waste heat is converted into electrical energy. The one provided with the heat radiation fins is an air-cooled heat exchanger that is mainly used for automobiles, construction machinery, agricultural machinery, railway vehicles, industrial machinery, etc., but is an internal combustion engine such as a ship. In the case of a water-cooled heat exchanger for cooling, a Peltier element module using the Seebeck effect for thermoelectric conversion is sandwiched between the heat medium liquid radiation pipe and the endothermic cold water pipe, and one of the Peltier element modules is replaced with a high-temperature heat medium liquid. Overheat and cool the other with air or seawater to generate electricity.
2. Heat energy in the exhaust gas of the internal combustion engine is collected in a heat medium liquid using a part of the exhaust gas passage as a heat exchanger, and is circulated to the heat exchange generator in the same manner as the heat medium liquid for cooling the internal combustion engine to generate power. Do.
3. The rotary power generation is abolished because it causes a large rotational load on the internal combustion engine.
従来は 使用した燃料から出る熱エネルギーの約65%〜75%を大気中及び海水中に廃熱として捨てていたものを本発明に於いては電気に変換して電気エネルギーとして電気モーターを設けて内燃機関の補助動力、電装機器及び灯火類に使用するために
搭載する内燃機関が従来より小型で小馬力のものでよくなる。
燃費が大変良くなる。
使用する燃料が少なくなるので 経済的 且つ 地球温暖化などの原因となる二酸化炭 窒素酸化物等の排出量が低減し地球環境負荷が小さくなる。
騒音が小さくなる。
又 前記回転式発電を廃止するので前記内燃機関出力損失なくなるため一段と燃費がよくなる
Conventionally, about 65% to 75% of the heat energy emitted from the used fuel is discarded as waste heat in the atmosphere and seawater. In the present invention, an electric motor is provided as electric energy by converting it into electricity. An internal combustion engine to be mounted for use in auxiliary power, electrical equipment, and lights of the internal combustion engine is smaller and has a smaller horsepower than before.
Fuel consumption is greatly improved.
Since less fuel is used, the emissions of carbon dioxide, nitrogen oxides, etc., which are economical and cause global warming, etc., are reduced, reducing the global environmental burden.
Noise is reduced.
In addition, since the rotary power generation is abolished, the output loss of the internal combustion engine is eliminated, and the fuel efficiency is further improved
現在の自動車や船舶の生産技術と電気製品(半導体温冷製品)の生産技術で低燃費 且つ地球環境負荷の小さい自動車や船舶の生産が可能となった The current production technology for automobiles and ships and production technology for electrical products (semiconductor thermal / cooled products) have made it possible to produce automobiles and ships with low fuel consumption and low environmental impact.
請求項第1項より図1、図2、図3、図4に基づいて説明をすると 先ず熱媒液放熱管2を数十本並べその上に熱媒液タンク4と下にも熱媒液タンク5をハンダ付けしその前記熱媒液放熱管2全ての両側にペルチエ素子モジュール1を耐熱高熱伝導接着剤又は耐熱高熱伝導両面テープで接着し その前記ペルチエ素子モジュール1と前記ペルチエ素子モジュール1の間に放熱フィン3を前記耐熱高熱伝導接着剤又は前記耐熱高熱伝導両面テープで挟設する、この場合前記熱媒液放熱管2が二分割になっているのは熱媒液の内部圧で前記熱媒液放熱管2の変形を防止するためで、幅が広い設計となる場合は三分割、四分割とする必要がある。
Description will be made based on FIGS. 1, 2, 3 and 4 from the first claim. First, dozens of heat medium liquid
前記ペルチエ素子モジュール1及び前記熱媒液放熱管2の前後に断熱材14を耐熱接着剤で接着、 前記熱媒液タンク4と前記熱媒液タンク5の表面にも断熱材14bを貼り付ける、図4の熱交換排気マニホールド6は内燃機関の排気ガス通穴と熱媒液通穴ができるよう二重構造に鋳物等で排気通穴の排気流抵抗を小さく熱交換効率の良い構造とし 前記内燃機関冷却用熱媒液循環回路の高温側に熱媒液循環管2eeを接続、熱媒液循環管2eと、熱交換発電機の熱媒液循環管2aを接続、熱媒液循環管2aaと内燃機関冷却用熱媒液循環回路の低温側と連結する。
Adhering the
動作については前記内燃機関を始動すると前記内燃機関とその冷却用熱媒液及び前記熱交換排気マニホールド6とその熱媒液は昇温し前記内燃機関で約80℃になり前記熱交換排気マニホールド6で約100℃になるよう設定し(内部圧を高く設定するので沸騰はしない)前記熱媒液は熱交換発電機の前記熱媒液タンク4に循環し前記熱媒液放熱管2内を降下する、この時熱媒液の熱エネルギーは前記ペルチエ素子モジュール1内を前記放熱フィン3へ向かって移動し前記放熱フィン3から大気中へ放熱されると前記ペルチエ素子モジュール1内部ではゼーベック効果により電気エネルギーが発生する。
Regarding the operation, when the internal combustion engine is started, the internal combustion engine and its cooling heat transfer fluid and the heat exchange exhaust manifold 6 and the heat transfer exhaust manifold 6 are heated to about 80 ° C. in the internal combustion engine and become the heat exchange exhaust manifold 6. The heat transfer fluid circulates in the heat
請求項第2項を図2、図3、図5、図6、図9について説明すると、構造的には請求項第1項とほとんど同じであるが熱交換発電機上下のタンク つまり熱媒液タンク4a及び熱媒液タンク5aが内部で2分割されていて熱媒液回路が2回路になっているという違いと排気管熱交換器6aが排気管7の途中に有るという違いである為実施例の一部説明を省略する。
The second claim will be described with reference to FIGS. 2, 3, 5, 6, and 9. The structure is almost the same as the first claim, but the tanks above and below the heat exchange generator, that is, the heat transfer liquid. This is because the difference is that the
排気管熱交換器6aは金属板製大円筒内部に排気ガス通穴用小円管を多数設けたもの、 又は前記金属板製大円筒内部に螺旋状の熱媒液熱交換管を設ける。
内燃機関冷却用熱媒液循環回路の高温側と熱交換発電機の熱媒液循環管2bと接続、 熱媒液循環管2bbを前記内燃機関冷却用熱媒液循環回路の低温側と接続、 又 前記熱交換発電機の熱媒液循環管2cと排気管熱交換器6aの熱媒液循環管2dと接続、 熱媒液循環管2dd及び熱媒液循環ポンプ15と熱媒液循環管2ccと連結する。
The exhaust
Connecting the high temperature side of the heat transfer fluid circulation circuit for cooling the internal combustion engine and the heat transfer
動作について説明すると、 前記内燃機関を始動すると前記内燃機関とその冷却用熱媒液及び排気管の途中に設けた前記排気管熱交換器6aとその熱媒液が昇温する、前記内燃機関冷却用熱媒液は熱媒液循環管2b及び熱媒液循環管2bb(熱交換発電機図5の左半分)を循環する、又 前記排気管熱交換器6aの熱媒液は熱媒液循環管2dから前記熱交換発電機の熱媒液循環管2cへ、熱媒液循環管2cc及び熱媒液循環ポンプ15から熱媒液循環管2ddへ循環する 前記ペルチエ素子モジュール1内部を熱エネルギーが移動しゼーベック効果により前記ペルチエ素子モジュール1に電力が発生する、このとき前記内燃機関の冷却用熱媒液と排気ガス中の両方の熱エネルギーの一部が熱交換発電機で電力となりその他は放熱フィン3から大気中へ放熱される。
In terms of operation, when the internal combustion engine is started, the internal combustion engine, its cooling heat medium liquid, and the exhaust
請求項第3項を図6、図7、図8に基づいて説明すると 吸熱冷水管13ペルチエ素子モジュール11熱媒液放熱管12又前記ペルチエ素子モジュール11吸熱冷水管13の順に耐熱高熱伝導接着剤又は耐熱高熱伝導両面テープで熱結合連結し前記熱媒液放熱管12の上部に熱媒液循環管12aをハンダ連結付けし下部も熱媒液循環管12aaをハンダ連結付けする、 又 前記吸熱冷水管13の上部に吸熱冷水循環管13aをハンダ連結付けし下部も吸熱冷水循環管13aaをハンダ連結付けし全体を断熱材14aで被い、内燃機関冷却用熱媒液循環回路の高温側と排気管熱交換器6aの熱媒液循環管2dと接続し、又熱媒液循環管2ddを熱交換発電機の熱媒液循環管12aに接続、 熱媒液循環管12aaを前記内燃機関冷却用熱媒液循環回路の低温側に接続する。
The third aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. 6, 7, and 8. Heat-absorbing
又 前記熱交換発電機の吸熱冷水循環管13a及び吸熱冷水循環管13aaを内燃機関冷却用海水循環回路に接続する。
動作については 前期内燃機関を始動すると前記内燃機関とその冷却用熱媒液及び排気管熱交換器6aとその熱媒液が昇温し熱交換発電機の熱媒液放熱管12を循環する 又 熱交換発電機の吸熱冷水管13内を海水が循環するので熱交換発電機内の前記熱媒液放熱管12より前記ペルチエ素子モジュール11、吸熱冷水管13へと熱エネルギーが移動するため前記ペルチエ素子モジュール11に電気エネルギーが発生する、上記実施例に於いては内燃機関の冷却用熱媒液と前記内燃機関の排気ガスに含まれる熱エネルギーを電力に変換するものであるが その他に前記内燃機関の潤滑油に含まれる熱エネルギーを熱交換発電機に潤滑油を循環して電気エネルギーに変換することも可能である。
Further, the endothermic cold
Regarding the operation, when the internal combustion engine is started in the previous period, the internal combustion engine and its cooling heat medium liquid and the exhaust
本発明は 従来より少ない燃料で従来と同等の仕事を熟す、自動車、建設機械、農業機械、産業機械、鉄道車両、内燃機関式発電装置、船舶に大変有用で省資源、省エネルギー、経済性、低環境負荷に貢献する The present invention is very useful for automobiles, construction machinery, agricultural machinery, industrial machinery, railway vehicles, internal combustion engine power generators, ships, and ripens the same work as before with less fuel than conventional ones. Contribute to environmental impact
1 ペルチエ素子モジュール
2 熱媒液放熱管
2a 熱媒液循環管
2aa 熱媒液循環管
2b 熱媒液循環管
2bb 熱媒液循環管
2c 熱媒液循環管
2cc 熱媒液循環管
2d 熱媒液循環管
2dd 熱媒液循環管
3 放熱フィン
4 熱媒液タンク
4a 熱媒液タンク
5 熱媒液タンク
5a 熱媒液タンク
6 熱交換排気マニホールド
6a 排気管熱交換器
7 排気管
11 ペルチエ素子モジュール
12 熱媒液放熱管
12a 熱媒液循環管
12aa 熱媒液循環管
13 吸熱冷水管
13a 吸熱冷水循環管
13aa 吸熱冷水循環管
14 断熱材
14a 断熱材
14b 断熱材
15 熱媒液循環ポンプ
1 Peltier element module
2 Heat transfer fluid radiator pipe
2a Heat transfer medium circulation pipe
2aa Heat transfer medium circulation pipe
2b Heat transfer fluid circulation pipe
2bb Heat transfer fluid circulation pipe
2c Heat transfer medium circulation tube
2cc heat transfer fluid circulation pipe
2d Heat transfer medium circulation pipe
2dd heat transfer medium circulation pipe
3 Heat dissipation fin
4 Heat transfer fluid tank
4a Heat transfer fluid tank
5 Heat transfer fluid tank
5a Heat transfer fluid tank
6 Heat exchange exhaust manifold
6a Exhaust pipe heat exchanger
7 Exhaust pipe
11 Peltier element module
12 Heat transfer fluid radiator tube
12a Heat transfer medium circulation pipe
12aa Heat transfer medium circulation pipe
13 Endothermic cold water pipe
13a Endothermic cold water circulation pipe
13aa Endothermic cold water circulation pipe
14 Insulation
14a Insulation
14b insulation
15 Heat transfer medium circulation pump
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2006
- 2006-01-27 JP JP2006018545A patent/JP2007198276A/en active Pending
Cited By (2)
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US20120097116A1 (en) * | 2007-05-29 | 2012-04-26 | Ab Engine Incorporated | High efficiency internal combustion engine |
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