JP3161561U - Novel exhaust pipe structure in automobile exhaust system - Google Patents
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Abstract
【課題】耐熱性のある熱電変換素子を応用した排気管構造を提供する。【解決手段】熱電変換素子の研究が進み、耐熱性の素子が開発されている。500℃以上の耐熱性の熱電変換素子9を触媒コンバータとマフラーの間の排気管8に取付けて、排熱を電気に変換して、車両の冷暖房器、パワーウインドウ、ワイパー、ランプ等の電気エネルギーとして利用することにより解決する。【選択図】図4An exhaust pipe structure using a thermoelectric conversion element having heat resistance is provided. Research on thermoelectric conversion elements has progressed, and heat-resistant elements have been developed. A heat-resistant thermoelectric conversion element 9 of 500 ° C. or higher is attached to the exhaust pipe 8 between the catalytic converter and the muffler to convert the exhaust heat into electricity, and the electric energy of the vehicle air conditioner, power window, wiper, lamp, etc. It solves by using as. [Selection] Figure 4
Description
本考案は、自動車の省エネに関する技術であり、500℃以上の耐熱性のある熱電変換素子を応用した新規な排気管構造に関するものである。 The present invention relates to a technology for energy saving of an automobile, and relates to a novel exhaust pipe structure to which a thermoelectric conversion element having a heat resistance of 500 ° C. or higher is applied.
これまでビスマステルライドが、ペルチェ素子として冷却用には実用化されてきたが、熱を電気に変換する素子としては使用されていない。これは高温に耐える素子がなかったからである。最近、耐熱性のある熱電変換素子が開発され、排熱の熱電変換が研究されている。多様な元素から選択した複合酸化物の焼結体を使用した熱電変換素子が発表された(特許文献1及び2)。棄てる熱から発電と題した発表では、カルシウムやコバルトの酸化物とランタンとニッケルの酸化物が、発電素子として開発されている(非特許文献1)。 So far, bismuth telluride has been put to practical use as a Peltier element for cooling, but has not been used as an element for converting heat into electricity. This is because there was no element that can withstand high temperatures. Recently, heat-resistant thermoelectric conversion elements have been developed, and exhaust heat thermoelectric conversion has been studied. Thermoelectric conversion elements using a composite oxide sintered body selected from various elements have been announced (
包接化合物として、ゲルマニウムの結晶の中に、バリウムや金を取り込んだ金属によって熱電変換素子を作成する技術も開発されている(特許文献3)。 As a clathrate compound, a technique for producing a thermoelectric conversion element using a metal in which barium or gold is incorporated in a germanium crystal has been developed (Patent Document 3).
つぎに、自動車分野における先行技術を、公報テキスト検索により検索した。自動車、排気管、熱電変換素子で検索すると、2件の実用新案が検索できた(特許文献4及び5)。自動車、排気管、熱電変換モジュールで検索すると、2件の特許が検索できた(特許文献6及び特許文献7)。特許文献4は、排気管内に熱交換ジャケットを入れて、熱を素子に有効に伝達させる技術である。冷却面では、冷水による水冷方式を採用している。熱電変換素子としては、鉛とテルル化合物が利用されている。特許文献5は、古い公報であり詳細な記録がないが、補助冷房装置に関する申請である。特許文献4及び5は、審査請求がなく、権利化されていない。 Next, the prior art in the automobile field was searched by a publication text search. When searching by automobile, exhaust pipe, and thermoelectric conversion element, two utility models could be searched (
特許文献6も未請求のまま、権利化できていない。また熱電変換素子の材料の記載もない。構造としては、フィン冷却が採用されている。特許文献7の特許では、素子の組成が公開されており、マグネシウム、銀、ヒ素の金属間化合物からなる素子である。また、実施例12として、この熱電変換モジュール付き熱交換器には、高温の排ガス及び冷却水を流通させる図が公開されている。 Patent document 6 is also unclaimed and cannot be obtained. There is no description of the material of the thermoelectric conversion element. Fin cooling is adopted as the structure. In the
本考案が解決しようとする課題は、まず、ガソリンエンジンの排気系システムに使用するために、どこの熱を利用するかである。気筒から排出されるエキゾーストマニフォールドの高温ガスは、950℃であり、それに続く触媒コンバータ部の温度も950℃近くあるが、ここの熱を取るわけには行かない。さらに床下触媒コンバータ部も750℃の高温であるが、排ガスの触媒反応を十分に行うためには、熱を奪うことはできない。床下触媒コンバータを過ぎて、センターマフラーまでの750℃から500℃までの排気管の熱は利用することができる。 The problem to be solved by the present invention is, first, which heat is used for use in an exhaust system of a gasoline engine. The exhaust manifold hot gas discharged from the cylinder is 950 ° C., and the temperature of the subsequent catalytic converter is close to 950 ° C., but the heat here cannot be taken. Furthermore, although the underfloor catalytic converter is also at a high temperature of 750 ° C., heat cannot be removed in order to sufficiently perform exhaust gas catalytic reaction. Exhaust pipe heat from 750 ° C. to 500 ° C. to the center muffler is available past the underfloor catalytic converter.
かなりの温度低下の後ではあるが、まだ数百度の温度の排気ガスである。したがって、熱電変換素子の耐熱性が、つぎの課題である。ビスマステルライド系の素子は使用できない。融点の高い合金、金属酸化物等から選択する必要がある。 After a considerable temperature drop, it is still exhaust gas at a temperature of several hundred degrees. Therefore, the heat resistance of the thermoelectric conversion element is the next problem. Bismuthellide elements cannot be used. It is necessary to select from a high melting point alloy, metal oxide or the like.
さらに、つぎの課題は、熱を電気に変換するには、半導体の両端に温度差を発生させると起電力が発生するいわゆるゼーベック効果のある金属の利用である。熱を電気に変換する効率は、取り出せる電力を流入する熱量で除したもので表せる。この効率が高い方が好ましい。 Further, the next problem is the use of a metal having a so-called Seebeck effect in which an electromotive force is generated when a temperature difference is generated between both ends of a semiconductor in order to convert heat into electricity. The efficiency of converting heat into electricity can be expressed as the power that can be taken out divided by the amount of heat that flows in. Higher efficiency is preferred.
耐熱性の高い化合物で、ゼーベック効果のある半導体として、シリサイド化合物ではマグネシウムシリサイド又はシリカとゲルマニウムの合金、コバルト・アンチモン系ではスクッテルダイト、酸化物系ではカルシウムとコバルトの酸化物が、300℃から600℃の熱電変換には適していることが分かった。 High heat resistance compound, semiconductor with Seebeck effect, magnesium silicide or silica and germanium alloy for silicide compounds, skutterudite for cobalt antimony, oxide of calcium and cobalt from 300 ° C It was found to be suitable for thermoelectric conversion at 600 ° C.
熱電変換する素子の集熱側を、500℃から600℃の排気管の表面に密着させ、他の面を冷却させると、冷却が十分行えるほど、温度差が実現できて、熱電変換効率が高い。熱電変換素子の集熱部への密着が不十分の場合には、効率が下がるので、銀ペーストのような熱伝導性のよいもので、空隙を埋める。さらに、低温側の温度を下げるために、熱伝導率の高い金属のフィンを周辺に取付けて、車の走行時の空冷を実行すると効率が高くなる。 When the heat collecting side of the element for thermoelectric conversion is brought into close contact with the surface of the exhaust pipe at 500 ° C. to 600 ° C. and the other surface is cooled, the temperature difference can be realized and the thermoelectric conversion efficiency is high enough to perform cooling. . When the thermoelectric conversion element is not sufficiently adhered to the heat collecting portion, the efficiency is lowered, so that the gap is filled with a material having good thermal conductivity such as silver paste. Furthermore, in order to lower the temperature on the low temperature side, efficiency is increased by attaching metal fins with high thermal conductivity to the periphery and performing air cooling when the vehicle is running.
考案を実施する形態を図によって説明する。図1は、車の排気系の模式図である。
1はエキゾーストマニフォールドであり、2はその直下の触媒コンバータである。
3は、床下触媒コンバータ、5はセンターマフラーである。4と5は、床下コンバータやマフラー部品の連結部である。7は、メインマフラーであり、排気の消音と冷却をして、車の排気管から大気中へ排気ガスを排出している。A mode for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of an exhaust system of a car.
1 is an exhaust manifold, and 2 is a catalytic converter immediately below.
3 is an underfloor catalytic converter and 5 is a center muffler. 4 and 5 are connecting parts for the underfloor converter and the muffler parts.
この排気系において、床下触媒コンバータとセンターマフラーの間にある500℃から600℃の排気管を、図2のように熱電変換素子を取付けた排気管に取り替えて本考案技術を実施する。8が排気管の断面であり、断面が円形の場合と四角形の配管の事例を示した。9が、貼り付けた熱電変換素子である。熱電変換素子の低温側を冷却するために、10で示すように、板状のフィンを配列させて、車の走行時には、空冷により熱電変換素子の外部面を冷却する。 In this exhaust system, the present invention technique is carried out by replacing the exhaust pipe at 500 ° C. to 600 ° C. between the underfloor catalytic converter and the center muffler with an exhaust pipe having a thermoelectric conversion element as shown in FIG. 8 is a cross section of the exhaust pipe, and the case where the cross section is circular and the case of a square pipe are shown.
図2aの場合には、素子の底面に曲率のある配管と同じ湾曲面で接合させる必要がある。11は排気管への接着剤層であり、完全に密着させて、熱を移動させるために、銀のペーストで凹凸を埋めて、密着度を上げる。図2bの場合には、平面であり素子の板を並べて貼るが、11の密着度を上げるために、やはり銀ペーストを使用する。 In the case of FIG. 2a, it is necessary to join the bottom surface of the element with the same curved surface as the pipe having a curvature. 11 is an adhesive layer to the exhaust pipe, and in order to make it adhere completely and move heat, the unevenness is filled with a silver paste to increase the degree of adhesion. In the case of FIG. 2b, although it is a plane and a plate of an element is stuck side by side, in order to raise the adhesion degree of 11, silver paste is also used.
車が走行中には、フィンに外気の風が当り冷却効果があるが、走行していない時には、熱電変換素子の両面で温度差が少なく、発電量は極めて少ない。走行時のみ熱電変換を行うことになる。停車時にも冷却するには、車両にある冷却水を循環させる方法がある。図3に一例を示すように、排気管に取付けた熱電変換素子の上に、水冷の板を重ねる構造となる。水冷方式は、空冷よりも複雑な構造となる。 While the car is traveling, the wind of the outside air hits the fins and has a cooling effect. When the car is not traveling, there is little temperature difference between the two sides of the thermoelectric conversion element, and the amount of power generation is extremely small. Thermoelectric conversion is performed only when traveling. To cool even when the vehicle is stopped, there is a method of circulating cooling water in the vehicle. As shown in an example in FIG. 3, a water-cooled plate is stacked on a thermoelectric conversion element attached to the exhaust pipe. The water cooling method has a more complicated structure than air cooling.
床下触媒コンバータとセンターマフラーの間の直径約10cmの排気管を改造して、図4に示すような排気管8の周辺に、熱電変換素子9を並べて接合し、銀ペーストで隙間のないように貼り付けた。その周辺部には、10のフィンを配列させて、その間を風が吹き抜けるような間隔で並べた。4−1と4−2の連結部で、床下触媒コンバータとセンターマフラーにつないだ。 The exhaust pipe with a diameter of about 10 cm between the underfloor catalytic converter and the center muffler is remodeled, and the
排気管を改造したこの装置の入口のパイプ表面は、700℃であり、出口の温度は250℃であった。フィンによって450℃の温度差が発生するように熱電変換素子へ熱が供給され、フィンで冷却され温度差が形成されて発電した。利用されなかった熱エネルギーはセンターマフラーの内部を通って、消音されてメインマフラーでは、150℃の温度になった。発電した電力は、12Vとして車内の電動部のエネルギーとして使用され、一部は電池に蓄電された。 The pipe surface at the inlet of this device with a modified exhaust pipe was 700 ° C., and the outlet temperature was 250 ° C. Heat was supplied to the thermoelectric conversion element so that a temperature difference of 450 ° C. was generated by the fins, and cooling was performed by the fins to form a temperature difference to generate power. The heat energy that was not used passed through the center muffler and was silenced, and the main muffler reached a temperature of 150 ° C. The generated electric power was used as 12V as energy for the electric part in the vehicle, and a part of the electric power was stored in the battery.
車の走行には、ガソリンの燃焼熱量の20%程度のエネルギーを使用しているに過ぎない。タイヤの摩擦熱や、回転軸の摩擦、車内温度調節機、電灯、ワイパー等に、20%の熱量が使用され、60%は排気ガスとして大気中に放出している。その一部でも、電気に変換して車内で利用できれば、地球温暖化防止に寄与できる。 Only about 20% of the combustion heat of gasoline is used to drive the car. 20% of heat is used for tire frictional heat, rotating shaft friction, in-vehicle temperature controller, electric lamp, wiper, etc., and 60% is released into the atmosphere as exhaust gas. If even part of it can be converted into electricity and used in the vehicle, it can contribute to the prevention of global warming.
最近の車では、下り坂でのみ充電する車が多く、車内での電力の使用も多いためバッテリーの電力が足りなくて、トラブルを起こすことも多い。それを防ぐためにも排熱の一部が電気に変換できて、車の運行に使用できることが望ましい。 Many of the recent cars charge only on the downhill, and use a lot of power in the car, so the battery power is not enough and often causes troubles. In order to prevent this, it is desirable that a part of the exhaust heat can be converted into electricity and used for driving the car.
電気自動車の時代が来ると、排気ガスや排気管はなくなるが、まだ10年程度は、ガソリン車の時代である。自動車の省エネと二酸化炭素の放出量の削減に貢献する本考案は、自動車業界で、しばらく利用の可能性がある。 When the era of electric vehicles comes, exhaust gas and exhaust pipes will disappear, but about 10 years are still the era of gasoline vehicles. The present invention, which contributes to energy saving of automobiles and reduction of carbon dioxide emissions, may be used for a while in the automobile industry.
1 エキゾーストマニフォールド
2 エキゾーストマニフォールド直下の触媒コンバータ
3 床下触媒コンバータ
4 二つの触媒コンバータ部品の連結部
5 センターマフラー
6 床下触媒コンバータとセンターマフラー部品の連結部
7 メインマフラー
8 排気管
9 排気管の表面に貼りつけた熱電変換素子の集合体
10 放熱のフィンの配列
11 耐熱性と熱伝導性に優れた排気管への接着剤層
12 耐熱性と熱伝導性に優れた熱電変換素子とフィンとの接着剤層
13 内部に水冷却用の水路のある冷却器
4−1 触媒コンバータへの接続部
4−2 マフラーへの接続部DESCRIPTION OF
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