JP2019148244A - 車載発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの供給効率、および、第１デバイスの配置効率に優れ、さらに、部品点数を低減でき、振動などによる破損を抑制できる車載発電システムを提供すること。【解決手段】エンジン１１と、エンジン１１から排ガスを排出させるための排気管１５と、排気管１５内に配置され、排ガスが供給されることで電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４とを備え、第２デバイス４が、第１デバイス３を固定するための筒状の内側電極５と、内側電極５に対向配置される外側電極６とを備え、第１デバイス３が、可撓性を有する板状の高分子誘電体であり、一方面において内側電極５に湾曲状態で支持され、他方面において外側電極６を介して排ガスに曝露されるように、内側電極５と外側電極６との間に介在される。【選択図】図１

Description

本発明は、車載発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される車載発電システムに関する。

従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。

近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されている。

そのようなシステムとして、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果などにより電気分極する第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されている。

また、その発電システムを自動車などに積載することが提案されており、さらに、そのような場合において、筒状の第１デバイス（誘電体など）と筒状の第２デバイスとを、交互に積層配置することにより、多層構造の筒状部材を形成し、それらを排気管の内部に配置することが、提案されている（例えば、特許文献１（図５）参照。）。

特開２０１５−０７０７４７号公報

一方、上記の発電システムのように、筒状の第１デバイスと筒状の第２デバイスとが交互に積層される場合、得られる多層構造の筒状部材においては、最外面および最内面のみが排ガスに曝露される。そのため、第１デバイスに対する排ガスの供給効率が十分ではなく、発電効率の向上が要求される。

この点、複数の第１デバイスを薄板状に形成して、厚み方向において互いに間隔を隔てるように治具で固定することにより、すべての第１デバイスの両面を排ガスに曝露することも検討される。

しかし、そのような場合には、第１デバイスに対する排ガスの供給効率には優れるものの、排気管内における第１デバイスの配置効率（占有率）が低下するため、発電効率が低下する場合がある。さらに、このような場合には、各第１デバイスを固定するための治具が別途必要になるため、部品点数が多くなる。

また、通常、上記の発電システムでは、第１デバイスとして薄板状のセラミックスが使用される。しかるに、薄板状のセラミックスが使用される場合、発電システムを自動車などに積載すると、走行中の振動などによりセラミックスに破損を生じる場合がある。

本発明は、排ガスの供給効率、および、第１デバイスの配置効率に優れ、さらに、部品点数を低減でき、振動などによる破損を抑制できる車載発電システムである。

本発明［１］は、エンジンと、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管と、前記排気管内に配置され、排ガスが供給されることで電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスとを備え、前記第２デバイスが、前記第１デバイスを固定するための筒状の内側電極と、前記内側電極に対向配置される外側電極とを備え、前記第１デバイスが、可撓性を有する板状の高分子誘電体であり、一方面において前記内側電極に湾曲状態で支持され、他方面において前記外側電極を介して前記排ガスに曝露されるように、前記内側電極と前記外側電極との間に介在される、車載発電システムを含んでいる。

本発明の車載発電システムでは、第１デバイスが、一方面において内側電極に支持されながら、他方面において外側電極を介して排ガスに曝露される。そのため、複数の第１デバイスと、複数の第２デバイスとが交互に積層される場合に比べ、第１デバイスに対する排ガスの供給効率に優れ、発電効率に優れる。

また、本発明の車載発電システムでは、第１デバイスが、可撓性を有する板状の高分子誘電体であるため、第１デバイスとしてセラミックスなどを使用する場合に比べ、振動などによる破損を抑制することができる。また、第１デバイスを、内側電極に沿った湾曲状態で支持することができるため、第１デバイスの配置効率（占有率）に優れる。

さらに、本発明の車載発電システムでは、内側電極が、第１デバイスを固定するための固定治具としても兼用されるため、部品点数を低減することができる。

図１は、本発明の車載発電システムの一実施形態の概略構成図である。 図２は、第１デバイスおよび第２デバイスを排ガスの流れ方向上流側から見た断面図である。

１．車載発電システム
図１および図２において、自動車１０は、車載発電システム１を備えている。

車載発電システム１は、エンジン１１を有する内燃機関２と、エンジン１１から排ガスを排出させるための排気管１５と、エンジン１１から排出され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４とを備えている。

エンジン１１は、自動車１０に動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型（例えば、２気筒型、４気筒型、６気筒型）が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。図１には、４気筒型のエンジン１１を示す。また、以下において、各気筒で４サイクル方式が採用される場合について、説明する。

排気管１５は、エキゾーストマニホールド１７、触媒搭載部１２およびエキゾーストパイプ１３を備えている。

エキゾーストマニホールド１７は、エンジン１１の気筒から排出される排気ガスを収束するために設けられる排気多岐管であって、エンジン１１の各気筒に接続される複数（４つ）の上流側分岐管１８と、それら上流側分岐管１８の下流側において、各上流側分岐管１８を１つに統合する集気管１９とを備えている。

このようなエキゾーストマニホールド１７では、上流側分岐管１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１１の各気筒に接続されるとともに、上流側分岐管１８の下流側端部と集気管１９の上流側端部とが接続されている。また、集気管１９の下流側端部は、触媒搭載部１２の上流側端部に接続されている。

触媒搭載部１２は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる触媒を備えており、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの有害成分を浄化するために、エキゾーストマニホールド１７の下流側端部に接続されている。

エキゾーストパイプ１３は、触媒搭載部１２において浄化された排ガスを外気に排出するために設けられており、上流側端部が触媒搭載部１２に接続されるとともに、下流側端部が外気に開放されている。

これにより、エンジン１１から排出される排ガスは、触媒搭載部１２を通過し、外気に放出可能とされている。

また、エキゾーストパイプ１３の流れ方向途中には、配置空間３３（破線参照）が備えられている。

配置空間３３は、エキゾーストパイプ１３に連通するように介装される、エキゾーストパイプ１３と略同径の円柱空間である。詳しくは後述するように、配置空間３３の内側には、複数の第１デバイス３が配置されている（図２参照）。

なお、図１においては、複数の第１デバイス３を簡略化し、１つの第１デバイス３のみを示している。

第１デバイス３は、内燃機関２（エンジン１１）から排出され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されることにより、温度が経時的に上下され、電気分極するデバイスである。

このような第１デバイス３として、より具体的には、可撓性を有する板状の高分子誘電体が使用される。高分子誘電体は、ピエゾ効果および／または焦電効果により電気分極するポリマー材料である。

ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。

ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。

ピエゾ効果により電気分極するポリマー材料（以下、ピエゾ性高分子誘電体と称する。）は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、排ガスに接触（曝露）されるように、配置空間３３内に配置される。そして、ピエゾ性高分子誘電体は、排ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。このとき、ピエゾ性高分子誘電体は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ性高分子誘電体は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ性高分子誘電体から電力が取り出される。

焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。

このような焦電効果により電気分極するポリマー材料（以下、焦電性高分子誘電体と称する。）は、例えば、排ガスに接触（曝露）されるように、配置空間３３内に配置される。このような場合において、焦電性高分子誘電体は、排ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電性高分子誘電体から電力が取り出される。

高分子誘電体として、より具体的には、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデンおよびトリフロロエチレンの共重合体（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などが挙げられる。これら高分子誘電体は、単独使用または２種類以上併用することができる。

高分子誘電体として、発電効率の観点から、好ましくは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が挙げられる。

高分子誘電体のキュリー点は、例えば、５０℃以上、好ましくは、８０℃以上であり、例えば、３００℃以下、好ましくは、１５０℃以下である。

また、高分子誘電体の比誘電率は、例えば、５以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、１０００以上である。

このような車載発電システム１では、高分子誘電体の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができる。また、高分子誘電体の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。

また、高分子誘電体は、所定厚みの板状に形成される。これにより、可撓性を有する板状の第１デバイス３が得られる。第１デバイス３は、具体的には、排ガスの流れ方向において長手の矩形状に形成されている。

第１デバイス３（高分子誘電体）の厚みは、例えば、５０×１０^−３ｍｍ以上、好ましくは、５×１０^−３ｍｍ以上であり、例えば、５００×１０^−３ｍｍ以下、好ましくは、１００×１０^−３ｍｍ以下である。

なお、可撓性とは、屈曲耐性（測定法：耐屈曲試験／ＪＩＳ Ｃ ５０１６（１９９４））が、例えば、２５０回以上、好ましくは、５００回以上であると定義される。

このような第１デバイス３は、排気管１５内、具体的には、エキゾーストパイプ１３に介装される配置空間３３内において、後述する内側電極５および後述する外側電極６の間に介在されている。これにより、第１デバイス３は、後述する内側電極５および後述する外側電極６を介して、排ガスに接触（曝露）可能とされている。

第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる部材であって、図２に示されるように、第１デバイス３を排気管１５内に固定するための筒状の内側電極５と、内側電極５に対して対向配置される外側電極６と、それら内側電極５および外側電極６に接続される導線（図示せず）とを備えている。

内側電極５は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる筒状の電極であって、例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ステンレス、マグネシウム、黄銅などの金属材料から形成されている。

また、内側電極５は、好ましくは、振動の伝導性に優れた金属から形成される。そのような金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ステンレス、マグネシウム、黄銅などが挙げられる。

内側電極５が、振動の伝導性に優れた金属から形成されていれば、ピエゾ効果による発電効率の向上を図ることができる。

さらに、内側電極５は、好ましくは、熱膨張性に優れた金属から形成される。そのような金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ステンレス、マグネシウム、黄銅などが挙げられる。

内側電極５が、熱膨張性に優れた金属から形成されていれば、ピエゾ効果による発電効率の向上を図ることができる。

なお、内側電極５の熱膨張率は、例えば、１０×１０^−６／Ｋ以上、好ましくは、１５×１０^−６／Ｋ以上であり、例えば、５０×１０^−６／Ｋ以下、好ましくは、３０×１０^−６／Ｋ以下である。

また、内側電極５の厚みは、例えば、５ｍｍ以上、好ましくは、１ｍｍ以上であり、例えば、１０ｍｍ以下、好ましくは、５ｍｍ以下である。

このような内側電極５は、排気管１５よりも小径に形成されており、排気管１５の配置空間３３内において、その長手方向が排ガスの流れ方向に沿うように配置されている。

内側電極５の数は、特に制限されず、単数（１つ）であってもよく、また、複数（２つ以上）であってもよい。好ましくは、内側電極５は、複数（２つ以上）設けられる。

内側電極５が複数設けられる場合、各内側電極５は、互いに大きさ（径）が異なる円筒部材として形成され、配置空間３３内において同心円状に配置され、図示しないボルトや軸棒などにより固定される。

そして、内側電極５の外周面には、複数の第１デバイス３が、互いに周方向に間隔を隔てて貼着および固定される。これにより、内側電極５は、第１デバイス３を固定するための固定治具として兼用される。

外側電極６は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる薄板状（シート状）の電極であって、例えば、金、銀、銅、アルミ、ニッケル、ステンレス、マグネシウム、黄銅などの金属材料から形成されている。

外側電極６の厚みは、内側電極５の厚みよりも小さく、例えば、５×１０^−３ｍｍ以上、好ましくは、１×１０^−３ｍｍ以上であり、例えば、１０×１０^−３ｍｍ以下、好ましくは、５×１０^−３ｍｍ以下である。

このような外側電極６は、径方向に投影したときに第１デバイス３の他方面（第１デバイス３が内側電極５と接触する一方面に対する他方面）と同一形状に形成されており、第１デバイス３に追従するように、第１デバイス３の他方面において、接触配置されている。

これにより、第１デバイス３が、一方面を後述する内側電極５により支持され、他方面を後述する外側電極６により被覆されるように、内側電極５と外側電極６との間に介在されている。

より具体的には、このような車載発電システム１では、上記した内側電極５の外周面に、第１デバイス３（高分子誘電体）の一方面が貼着される。

第１デバイス３の一方面と、内側電極５の外周面とを貼着する方法としては、特に制限されず、公知の接着剤などが用いられる。

これにより、第１デバイス３は、断面視において内側電極５に沿った円弧形状を有するような湾曲状態で、内側電極５に支持される。

また、第１デバイス３の他方面には、外側電極６の一方面が貼着される。第１デバイス３の他方面と、外側電極６の一方面とを貼着する方法としては、特に制限されず、公知の接着剤などが用いられる。

これにより、第１デバイス３は、上記した湾曲状態で、内側電極５と外側電極６との間に介在される。

また、車載発電システム１では、好ましくは、１つの内側電極５に対して、複数（例えば、４つ）の第１デバイス３が設けられる。このような場合、複数の第１デバイス３は、互いに周方向に間隔を隔てて内側電極５に配置される。

これにより、周方向に隣接する各第１デバイス３間には、排ガスが通過可能な空隙（空間）が形成され、第１デバイス３の側面が排ガスに曝露可能とされている。

また、内側電極５が複数設けられる場合、径方向内側に配置される内側電極５に、第１デバイス３および外側電極６が積層されており、さらに、その径方向外側において、他の内側電極５が配置される。

このような場合において、外側電極６の他方面（外側電極６が第１デバイス３と接触する一方面に対する他方面）と、その外側電極６の径方向外側において対向する内側電極５との間には、排ガスが通過可能な空隙（空間）が形成され、外側電極６の他方面が排ガスに曝露可能とされている。

さらに、図示しないが、内側電極５および外側電極６には導線が接続されており、図１において破線で示されるように、その導線を介して、第１デバイス３と、公知のバッテリー９とが電気的に接続されている。

また、必要に応じて、第１デバイス３とバッテリー９との間には、昇圧器（図示せず）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）（図示せず）などが介在されていてもよい。

２．発電方法
以下において、上記した車載発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。

この車載発電システム１では、エンジン１１の駆動により、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施され、その温度が経時的に上下される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、各気筒の内部を排気工程において通過する。

このとき、エンジン１１の熱が、排気ガスを介して伝達され、排気ガスの温度（各気筒の内部温度）は、排気工程において上昇する。一方、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）では、排気ガス量が低減されるので、排気ガスの温度（各気筒の内部温度）は下降する。このように、排気ガスの温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。

そして、このようにしてエンジン１１の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１７の各上流側分岐管１８に導入され、集気管１９において集気されることにより、温度が幾分平滑化される。その後、排ガスは、触媒搭載部１２を通過するとともに触媒により浄化され、エキゾーストパイプ１３に供給される。

なお、エキゾーストパイプ１３における排ガスの温度は、例えば、自動車１０の運転状態（エンジン１１の駆動状態）などに応じて、経時的に上下する。

具体的には、自動車１０では、エンジン１１の駆動および停止が経時的に繰り返され、これにより、自動車１０の走行および停止が制御される。

このような場合、エンジン１１の駆動時には、エンジン１１の温度は高温状態とされ、また、エンジン１１の停止時には、エンジン１１の温度は低温状態とされる。

また、エンジン１１の温度は、例えば、自動車１０の走行時における負荷（車両重量、路面の傾斜度合など）や、車速、アクセル開度、エンジン１１の回転数、吸気系における吸気圧および吸入空気量、燃料流量、さらには、空燃比（吸入空気量／燃料流量）などによっても変化し、経時的に上下する。

このとき、エンジン１１の熱が排ガスを介して伝達されるため、排ガスの温度（エキゾーストパイプ１３の内部温度）は、エンジン１１の状態に応じて、経時的に上下する。

このような車載発電システム１において、エンジン１１（内燃機関２）および排ガスの温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。

そして、この車載発電システム１では、上記したように、エキゾーストパイプ１３の配置空間３３内に、第１デバイス３が配置されている。

そのため、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、エキゾーストパイプ１３の配置空間３３内に導入されると、第１デバイス３に排ガスが供給される。

これにより、第１デバイス３の表面が、外側電極６を介して間接的に排ガスに接触（曝露）され、また、第１デバイス３の側面が、直接的に排ガスに接触（曝露）される。これにより、第１デバイス３が加熱および／または冷却される。

そして、これにより、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、例えば、ピエゾ効果、焦電効果などにより、電気分極させることができる。

そのため、この車載発電システム１では、第２デバイス４（内側電極５および外側電極６）を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。

その後、この方法では、例えば、図１において点線で示すように、上記により得られた電力を、必要により第２デバイス４に接続される昇圧器（図示せず）で昇圧し、交流／直流変換器（図示せず）において直流電圧に変換した後、バッテリー９に蓄電する。

バッテリー９に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。

３．作用・効果
上記の車載発電システム１では、第１デバイス３が、一方面において内側電極５に支持されながら、他方面において外側電極６を介して排ガスに曝露される。そのため、複数の第１デバイス３と、複数の第２デバイス４とが交互に積層される場合に比べ、第１デバイス３に対する排ガスの供給効率に優れ、発電効率に優れる。

また、上記の車載発電システム１では、第１デバイス３が、可撓性を有する板状の高分子誘電体であるため、第１デバイス３としてセラミックスなどを使用する場合に比べ、振動などによる破損を抑制することができる。また、第１デバイス３を、内側電極５に沿った湾曲状態で支持することができるため、第１デバイス３の配置効率（占有率）に優れる。

さらに、上記の車載発電システム１では、内側電極５が、第１デバイス３を固定するための固定治具としても兼用されるため、部品点数を低減することができる。

加えて、上記の車載発電システム１において、内側電極５として、振動の伝導性に優れた金属や、熱膨張性に優れた金属を用いると、自動車１０の振動や、第１デバイス３および内側電極５の熱膨張によるピエゾ効果を効率的に得ることができ、発電効率の向上を図ることができる。

なお、上記した説明では、エキゾーストパイプ１３に第１デバイス３を配置したが、例えば、エキゾーストマニホールド１７に第１デバイス３を配置することもできる。このような場合、第１デバイス３を上流側分岐管１８に配置してもよく、また、下流側の集気管１９に配置してもよい。

１ 車載発電システム
２ 内燃機関
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 内側電極
６ 外側電極
１１ エンジン
１５ 排気管

Claims (1)

1. エンジンと、
   前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管と、
   前記排気管内に配置され、排ガスが供給されることで電気分極する第１デバイスと、
   前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと
   を備え、
   前記第２デバイスが、
   前記第１デバイスを固定するための筒状の内側電極と、前記内側電極に対向配置される外側電極とを備え、
   前記第１デバイスが、可撓性を有する板状の高分子誘電体であり、
   一方面において前記内側電極に湾曲状態で支持され、他方面において前記外側電極を介して前記排ガスに曝露されるように、前記内側電極と前記外側電極との間に介在される
   ことを特徴とする、車載発電システム。

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