JP2008223758A

JP2008223758A - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2008223758A
Application number: JP2007301536A
Authority: JP
Inventors: Naohito Yamada; 直仁山田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: JP4871844B2

Abstract

【課題】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。
【解決手段】廃熱回収装置は、車両の内燃機関の排気管に設置される。廃熱回収装置は、内燃機関の排ガスを流すための配管２、配管２内に設置されており、排ガスＣが透過する多孔質セラミックス部材９、および多孔質セラミックス部材９からの熱輻射Ｅを回収する熱回収部材１０を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

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）。
特開２００６−２０７４２８号公報特開２００５−２９５７２５号公報特開２００６−２１１７８０号公報

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）。
「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、排ガスが透過する多孔質セラミックス部材、および多孔質セラミックス部材からの熱輻射を回収する熱回収部材を備えてい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は、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。図４は、図１、図２、図３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。

本例のように、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においては、配管２の外壁面上に熱電変換素子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。

図３の廃熱回収装置１Ｂにおいては、配管２の外壁面上に蒸気発生管１２が設けられている。多孔質セラミックス部材９から蒸気発生管１２へと向かって矢印Ｅのように熱輻射がなされると、蒸気発生管１２内で蒸気が発生する。この蒸気によって、例えば発電機と一体化された膨張機を回転させ、電力を発生させることができる。

上述の例では、排ガスを、筒状の多孔質セラミックス部材の外側から内側空間へと向けて流した。しかし、排ガスを、筒状の多孔質セラミックス部材の内側空間から外側空間へと向けて流すこともできる。

図５は、この実施形態に係る装置１Ｃを示す。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の入り口側末端には、リング状の封止材７Ａが設置されており、封止材７Ａの開口７ａが、多孔質セラミックス部材９の内側空間１４と連通している。多孔質セラミックス部材９の出口は、封止材８Ａによって封止されている。

配管２の入り口２ａから矢印Ａのように排ガスが流入し、多孔質セラミックス部材９の内側空間１４に流入する。そして、出口側の封止材８Ａによってせき止められ、多孔質セラミックス部材９の外側空間１５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。

本例では、配管２内に、蒸気発生管１６を装入し、内側空間１４内に、多孔質セラミックス部材９と対向するように挿入する。これによって、多孔質セラミックス部材９の内側面からの輻射熱が蒸気発生管１６に照射され、蒸気発生管１６内を通過する液体を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気は、例えば前述したランキンサイクルによって発電に供することができる。

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も特に限定されず、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、７Ａ、８、８Ａ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。

好適な実施形態においては、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。

また、好適な実施形態においては、熱回収部材が蒸気発生管である。この蒸気発生管は、ランキンサイクルを用いた廃熱回生システムに接続し、発電に供することができる。

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６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７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。

しかし、本発明においては、多孔質セラミックス部材の形態は、筒状には限定されず、例えば板状であってよい。この場合には、板状の多孔質セラミックス部材を、配管の流路を閉塞するような形で設置する。

この実施形態において特に好ましくは、配管に流れ方向の変更部を設け、この流れ方向変更部に多孔質セラミックス部材を設置する。これによって、多孔質セラミックス部材の表面から放射された輻射熱を効率的に回収しやすい。

配管内のガス流れ方向の変更部とは、ガス流路の中心軸を曲げるための配管部分を意味する。その曲がり角度は、４５〜１３５°が好ましく、直角が更に好ましい。

図８は、この実施形態に係る廃熱回収装置の模式的断面図である。
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。本例の配管２には、ガスの流れ方向Ｂを直角に曲げる流れ方向変更部３０が形成されている。流れ方向変更部３０の内側には、板状あるいは盤状の多孔質セラミックス部材２５が設置されている。多孔質セラミックス部材２５は、配管２の内面に対して気密に封止されている。

配管２の入り口２ａから矢印Ａのように排ガスが流入し、入口側空間３内で矢印Ｂのように流れる。次いで、配管２の内周面と多孔質セラミックス部材２５の上流側表面２５ａとの間の空間４に到達したガスは、配管の流路変更壁３１によって流れを変更され、矢印Ｃのように多孔質セラミックス部材２５を透過し、表面２５ｂから出口側空間５へと流入する。次いで、矢印Ｄのように出口側空間５、６を通過し、出口２ｂから配管系に排出される。

配管２の入り口側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２５を透過する間に、部材２５の内部において、排ガスと気孔との接触によって部材２５の内部に熱が溜まる。そして、多孔質セラミックス部材２５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。

本例のように、配管２に流れ方向の変更部３０を設け、この流れ方向変更部３０に多孔質セラミックス部材２５を設置することによって、多孔質セラミックス部材２５の表面２５ａから放射された輻射熱Ｅを効率的に回収しやすい。

本実施形態においても、多孔質セラミックス部材の材質や形態は、前述したような各材質および形態を適用できる。例えば、図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図８におけるＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である。

図９（ａ）の例では、多孔質セラミックス部材２５Ａが、均一な発泡状のセラミックフォームからなる。図９（ｂ）の例では、多孔質セラミックス部材２５Ｂが、ハニカム構造体２５ｃ、２５ｄからなる。そして、ハニカム構造体２５ｃの連通孔の長手方向と、ハニカム構造体２５ｄの連通孔の長手方向とは互いに交差している。図９（ｃ）の例では、多孔質セラミックス部材２５Ｃが、一体のハニカム構造体からなる。ハニカム構造体２５Ｃの連通孔は、空間４から５へと向かって連通する。

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。本発明の他の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。本発明の更に他の実施形態に係る廃熱回収装置１Ｂ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１Ｃ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。本発明の他の実施形態に係る廃熱回収装置の模式的断面図である。（ａ）、（ｇ）および（ｃ）は、れぞれ、図８の装置のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ廃熱回収装置２配管４、１５多孔質セラミックス部材の外側空間５、１４多孔質セラミックス部材の内側空間７、７Ａ、８、８Ａ封止部材９、１９、２０、２１、２２、２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ多孔質セラミックス部材１０熱回収部材１１熱電変換素子１２、１６蒸気発生管Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ排ガスの流れＥ熱輻射

Claims

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多孔質セラミックス部材、および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回収部材を備えていることを特徴とする、車両の内燃機関の廃熱回収装置。
前記熱回収部材が熱電変換素子であることを特徴とする、請求項１記載の廃熱回収装置。
前記熱回収部材が蒸気発生管であることを特徴とする、請求項１記載の廃熱回収装置。
前記多孔質セラミックス部材が筒状をなしてい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。
前記多孔質セラミックス部材の外周面側から内周面側へと向かって前記排ガスを透過させることを特徴とする、請求項４記載の廃熱回収装置。
前記多孔質セラミックス部材の内周面側から外周面側へと向かって前記排ガスを透過させることを特徴とする、請求項４記載の廃熱回収装置。
前記多孔質セラミックス部材が、前記配管の流れ方向変更部に設けられている板状体であ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。
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１〜７のいずれか一つの請求項に記載の廃熱回収装置。
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１〜７のいずれか一つの請求項に記載の廃熱回収装置。
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１〜９のいずれか一つの請求項に記載の廃熱回収装置。