JP4957044B2

JP4957044B2 - 高温発生装置

Info

Publication number: JP4957044B2
Application number: JP2006093393A
Authority: JP
Inventors: 賢明久保; 淳寺地
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007263541A

Description

この発明は、高温を発生する装置に関する。

内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を活性化するために、排気浄化触媒を昇温する技術が開示されている(特許文献１参照)。
特開２００５−２３８５６号公報

しかし、前述した従来技術では、排気浄化触媒を昇温させるために燃料噴射量を増量する。そのため燃費が悪化し無駄にエネルギを消費することとなる。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、無駄なエネルギ消費することなく、高温を発生する装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、温度勾配が生じると熱音響エネルギを発生するエネルギ発生部(１０)と、前記エネルギ発生部(１０)で生じた熱音響エネルギを伝達するエネルギ伝達部(３０)と、前記熱音響エネルギが伝搬すると、伝搬側が高温で、伝搬方向下流に行くにしたがって低温になる温度勾配を生ずる温度勾配発生部(２０)とを有し、前記エネルギ発生部(１０)の高温部分(１２)及び前記温度勾配発生部(２０)の低温部分(２２)を加熱することを特徴とする。

また前記温度勾配発生部(２０)の低温部分(２２)の温度が、前記エネルギ発生部(１０)の高温部分(１２)の温度と同等になるように加熱する等温化部(４０)を有することを特徴とする。

本発明によれば、エネルギ発生部の高温部分及び／又は温度勾配発生部の低温部分を加熱するので、温度勾配発生部は、低温部分の温度を維持したまま温度勾配が生じて、熱音響エネルギ伝搬方向上流端部分が高温になる。また温度勾配発生部の低温部分の温度が、エネルギ発生部の高温部分の温度と同等になるように加熱すれば、温度勾配発生部の熱音響エネルギ伝搬方向上流端部分を非常に高い温度にすることができる。したがって廃熱を利用して温度勾配発生部の熱音響エネルギ伝搬側を高温にすることができる。このようにすれば、燃費を悪化させることなく排気浄化触媒を高温化したり、燃料から改質ガス(例えば水素ガス)を生成することができる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態についてさらに詳しく説明する。

（第１実施形態）
本発明のポイントは、多数の平行通路を有する一対のスタックを使用して高温を得ようとする点である。そしてこの高温を得るために機関等から捨てられる廃熱を利用する。そこでまず初めに発明の理解を容易にするために、本発明によって高温を得られる理由について説明する。

図１に示すように、流路半径ｒの多数の平行通路を有し、熱拡散係数αの流体(気体)が存在するスタックの前後に温度差(TH1＞TC1)をつけて温度勾配を生じさせた場合には、スタックに自励的な発振が生じ、高温側から音響インテンシティＩの進行波が生じることが知られている。

その反対に、図２に示すように、流路半径ｒの多数の平行通路を有し、熱拡散係数αの流体(気体)が存在するスタックに音響インテンシティＩの進行波が伝搬した場合に、流路半径ｒが熱境界層δに対して十分小さいとき(逆に言えば、熱境界層δが流路半径ｒに対して十分大きいとき)には、スタックに断熱変化が生じ、進行波と逆方向に熱の移動がおきて、スタックに温度勾配(TH2＞TC2)が生じ、伝搬側が高温TH2になって反対側が低温TC2になることが知られている。すなわち、スタックに熱音響エネルギを伝搬すると、その熱音響エネルギはスタックの下流に行くにしたがって減衰するが、このときスタックには、伝搬側が高温で、スタックの下流に行くにしたがって低温となる温度勾配が生じる。このようにスタックは、伝搬してきた熱音響エネルギをスタックの温度に変換する、すなわち、熱音響エネルギをスタックで回収し熱エネルギに変換するのである。

本発明は、このような特性を利用して高温を得ようとするものである。

次に以上の特性を利用する高温発生装置について図３を参照しながら説明する。本実施形態では、発生した高温を利用して燃料を改質して、例えば水素ガスを生成する。図３は、本発明による高温発生装置の第１実施形態を説明する図である。

高温発生装置１は、エネルギ発生部１０と、温度勾配発生部２０とを備え、それらをループ管３０で連結する。

エネルギ発生部１０は、第１スタック１１と、高温側熱交換器１２と、低温側熱交換器１３とを有する。

第１スタック１１は、多数の平行通路を有するハニカム体である。上述の通り、第１スタック１１の前後に温度差(T2＞T1)をつけて温度勾配を生じさせると、第１スタック１１に自励的な発振が生じ、高温側から音響インテンシティＩの進行波が生じる。

高温側熱交換器１２は、第１スタック１１の一端に設けられる。高温側熱交換器１２は、排ガス循環通路４０を介して内燃機関６０の排気管６１に連通する。高温側熱交換器１２は、排ガスの熱を第１スタック１１に伝導する。高温側熱交換器１２は、その排ガスの熱で第１スタック１１の端部を高温(T2)にする。

低温側熱交換器１３は、高温側熱交換器１２と反対側の第１スタック１１に設けられる。低温側熱交換器１３には、内燃機関６０の冷却水が送通され、冷却水の冷熱を第１スタック１１に伝導する。低温側熱交換器１３は、その冷却水の冷熱で第１スタック１１の端部を低温(T1)にする。

温度勾配発生部２０は、第２スタック２１と、温度維持器２２と、高温伝導体２３とを有する。

第２スタック２１は、多数の平行通路を有するハニカム体である。上述の通り、流路半径ｒが熱境界層δに対して十分小さい状態(逆に言えば、熱境界層δが流路半径ｒに対して十分大きい状態)で、音響インテンシティＩの進行波が伝搬すると、スタックには断熱変化が生じ、進行波と逆方向に熱の移動が生じ、温度勾配が発生する。すなわち、スタックに熱音響エネルギを伝搬すると、その熱音響エネルギは伝搬方向下流に行くにしたがって減衰する。またスタックに、伝搬側が高温で、伝搬方向下流に行くにしたがって低温となる温度勾配が生じる。このようにスタックは、伝搬してきた熱音響エネルギをスタックの温度に変換する、すなわち、熱音響エネルギをスタックで回収し熱エネルギに変換する。このとき、下流端部分の温度を所定温度に維持しておけば、その温度が維持されたまま温度勾配を生じるので、上流端部分は高温になる。本実施形態ではこの高温を利用して燃料を改質して、例えば水素ガスを生成する。

温度維持器２２は、第２スタック２１の、熱音響エネルギ伝搬方向下流端部分に設けられる。温度維持器２２は、排ガス循環通路４０を介して高温側熱交換器１２や、内燃機関６０の排気管６１に連通する。温度維持器２２は、排ガスの熱を第２スタック２１に伝導する。温度維持器２２は、その排ガスの熱で第２スタック２１の端部を所定温度(T2)に維持する。

高温伝導体２３は、第２スタック２１の、熱音響エネルギ伝搬方向上流端部分に設けられ、第２スタック２１で発生した熱を高温使用部５１に伝導する。なお本実施形態では、高温使用部として、燃料を改質するための改質用触媒５１を用いる。

ループ管３０は、エネルギ発生部１０及び温度勾配発生部２０を連結する。ループ管３０は、エネルギ発生部１０で発生した熱音響エネルギを温度勾配発生部２０に伝達する。すなわち、エネルギ発生部１０で発生した熱音響エネルギを温度勾配発生部２０に伝達するエネルギ伝達部である。またループ管３０は、温度勾配発生部２０で減衰しきらなかった余剰の熱音響エネルギを、再びエネルギ発生部１０へ伝搬する。ループ管３０の内部には、プラントル数の小さな気体(例えばヘリウム)を充填しておくことが望ましい。プラントル数の小さな気体が充填されているほど大きな熱音響エネルギを得られ、小形化しても大きな熱音響エネルギが得られるからである。またループ管３０の内部の圧力を大気圧よりも高圧にしておくことが望ましい。高圧ほど大きな熱音響エネルギを得られるからである。

またループ管３０でエネルギ発生部１０及び温度勾配発生部２０を連結することで、温度勾配発生部２０で減衰しきらなかった余剰の熱音響エネルギを、再びエネルギ発生部１０へ伝搬することができ、エネルギの損失を低く抑えることができる。

さらにループ管３０を、自動車の車体を構成する部材で形成すれば、搭載スペースを要しない。

改質用触媒５１は、燃料噴射弁５２から噴射された燃料(例えばエタノール、メタノール、ガソリン、軽油、メタン、プロパン、ブタンなど)に改質熱を与えて改質ガス(例えば水素ガス)を生成する。

通常、内燃機関の熱効率は３０〜４０％であり、その残りの多くは廃熱として捨てられる。しかし、その熱は温度として十分高いわけではなく、また集まった形ではないため、通常は大気中に捨てられてしまう。

本実施形態によれば、内燃機関から排出される排ガスの熱(廃熱)を利用してエネルギ発生部１０から熱音響エネルギを発生させるとともに、その熱音響エネルギによって温度勾配発生部２０から高熱を発生させる。このように従来大気に捨てていた廃熱を利用するようにしたので、高い熱効率を得ることができるのである。

（第２実施形態）
図４は、本発明による高温発生装置の第２実施形態を説明する図である。

第１実施形態では、内燃機関から排出される排ガスの熱を利用していたが、燃料電池の発電時の廃熱を利用してもよい。

廃熱の温度は、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell；PEFC)であれば８０℃前後であるが、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC)であれば８００℃以上と高温なる。したがって、廃熱を効果的に回収することで、非常に高効率かつクリーンなエネルギ源とすることができる。

本実施形態によっても、燃料電池から排出される廃熱を利用してエネルギ発生部１０から熱音響エネルギを発生させるとともに、その熱音響エネルギによって温度勾配発生部２０から高熱を発生させる。このように従来大気に捨てていた廃熱を利用するようにしたので、高い熱効率を得ることができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

上記説明おいては、高温使用部として燃料を改質するための改質用触媒を使用する場合を例示して説明したが、例えばディーゼル機関の排気通路に設けられ、粒子状物質(Particulate Matter)を捕捉するディーゼルパーティキュレートフィルタ(Diesel Particulate Filter)の再生制御に使用してもよい。

また上記説明では、希薄燃焼する内燃機関は、排気温度自体が低いので、排気浄化触媒が活性を失う温度まで低下する場合がある。本発明を用いれば、触媒の温度を高く維持することも可能である。

さらに上記では、高温側熱交換器１２及び温度維持器２２が略同等温度になるように、高温側熱交換器１２及び温度維持器２２を排ガス循環通路(等温化部)４０を介して連設していたが、連接することなく高温側熱交換器１２及び温度維持器２２をそれぞれ加熱しても第２スタック２１の高温化という効果が得られる。ただし上述のように排ガス循環通路(等温化部)４０を設ければ、温度維持器２２の温度が高温側熱交換器１２の温度と略同等になり、高温伝導体２３を非常に高い温度にすることができ、また廃熱を利用するので、熱効率がよい。

さらにまた上記第１実施形態では、等温化部を、排ガスを通流させる排ガス循環通路で構成していたが、高温側熱交換器１２及び温度維持器２２を連結する熱伝導率の高い材料で構成してもよい。

本発明の原理を説明する図である。本発明の原理を説明する図である。本発明による高温発生装置の第１実施形態を説明する図である。本発明による高温発生装置の第２実施形態を説明する図である。

符号の説明

１高温発生装置
１０エネルギ発生部
１１第１スタック
１２高温側熱交換器(高温部分)
１３低温側熱交換器(低温部分)
２０温度勾配発生部
２１第２スタック
２２温度維持器(低温部分)
２３高温伝導体(高温部分)
３０ループ管(エネルギ伝達部)
４０排ガス循環通路(等温化部)

Claims

温度勾配が生じると熱音響エネルギを発生するエネルギ発生部と、
前記エネルギ発生部で生じた熱音響エネルギを伝達するエネルギ伝達部と、
前記熱音響エネルギが伝搬すると、伝搬側が高温で、伝搬方向下流に行くにしたがって低温になる温度勾配を生ずる温度勾配発生部と、
を有し、
前記エネルギ発生部の高温部分及び前記温度勾配発生部の低温部分を加熱する、
ことを特徴とする高温発生装置。
温度勾配が生じると熱音響エネルギを発生するエネルギ発生部と、
前記エネルギ発生部で生じた熱音響エネルギを伝達するエネルギ伝達部と、
前記熱音響エネルギが伝搬すると、伝搬側が高温で、伝搬方向下流に行くにしたがって低温になる温度勾配を生ずる温度勾配発生部と、
前記温度勾配発生部の低温部分の温度が、前記エネルギ発生部の高温部分の温度と同等になるように加熱する等温化部と、
を有することを特徴とする高温発生装置。
前記エネルギ発生部は、
多数の微細な平行通路を有し、温度勾配が生じると熱音響エネルギを発生する第１スタックと、
前記第１スタックの一端に設けられ、その端部を高温にする高温側熱交換器と、
前記第１スタックの他端に設けられ、その端部を低温にする低温側熱交換器と、
を備え、
前記温度勾配発生部は、
多数の微細な平行通路を有し、熱音響エネルギが伝搬すると内部に温度勾配が生じる第２スタックと、
前記第２スタックの、熱音響エネルギ伝搬方向下流端部分に設けられ、その端部を所定温度に維持する温度維持器と、
前記第２スタックの、熱音響エネルギ伝搬方向上流端部分に設けられ、その端部の温度を外部に伝導する高温伝導体と、
を備え、
前記等温化部は、温度勾配発生部の低温部分である温度維持器の温度を、エネルギ発生部の高温部分である高温側熱交換器の温度と同等にする、
ことを特徴とする請求項２に記載の高温発生装置。
前記低温側熱交換器は、内燃機関、燃料電池又はモータを冷却する冷却水によって前記第１スタックの端部を低温にする、
ことを特徴とする請求項３に記載の高温発生装置。
前記等温化部は、内燃機関から排出される排ガスの熱を、前記温度勾配発生部の低温部分及び前記エネルギ発生部の高温部分に伝導して、それらの低温部分及び高温部分の温度を同等にする、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
前記等温化部は、燃料電池から排出される廃熱を、前記温度勾配発生部の低温部分及び前記エネルギ発生部の高温部分に伝導して、それらの低温部分及び高温部分の温度を同等にする、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
前記エネルギ伝達部は、前記温度勾配発生部で減衰しきらなかった余剰の熱音響エネルギを、前記エネルギ発生部へ伝搬可能な閉ループ管で構成されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
前記エネルギ伝達部は、内部圧力が大気圧よりも高圧である、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
前記エネルギ伝達部は、プラントル数の小さな気体が封入されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
前記温度勾配発生部で発生した高温を、燃料を改質して水素を生成する改質装置に利用する、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の高温発生装置。
温度勾配が生じると熱音響エネルギを発生するエネルギ発生部と、
自動車の車体を構成する部材で形成され、前記エネルギ発生部で生じた熱音響エネルギを伝達するエネルギ伝達部と、
前記熱音響エネルギが伝搬すると、伝搬側が高温で、伝搬方向下流に行くにしたがって低温になる温度勾配を生ずる温度勾配発生部と、
を有し、
前記エネルギ発生部の高温部分及び／又は前記温度勾配発生部の低温部分を加熱する、
ことを特徴とする高温発生装置。