JP7118842B2 - In-vehicle power generation system - Google Patents
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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。 The present invention relates to an on-vehicle power generation system, and more particularly to an on-vehicle power generation system mounted on a vehicle such as an automobile.
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。 Conventionally, in various energy utilization devices such as internal combustion engines such as automobile engines, heat exchangers such as boilers and air conditioners, electric engines such as generators and motors, and light emitting devices such as lighting, for example, exhaust heat, light, etc. , a lot of heat energy is being released and lost.
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。 In recent years, from the viewpoint of energy saving, it is required to recover the emitted thermal energy and reuse it as an energy source.
そのようなシステムとしては、例えば、複数の焦電素子の温度を周期的に変化させて焦電素子から連続的に電力を取り出す発電装置が提案されており、より具体的には、焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、焦電素子を移動させて焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させる移動手段とを備える発電装置が、提案されている。このような発電装置では、例えば、回転体に取り付けた焦電素子を、加熱槽と冷却槽との間で移動させることにより、焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させる(例えば、特許文献1参照。)。 As such a system, for example, there has been proposed a power generating device that periodically changes the temperature of a plurality of pyroelectric elements and continuously extracts electric power from the pyroelectric elements. a heating source for increasing the temperature of each of the pyroelectric elements, a cooling source for decreasing the temperature of each of the pyroelectric elements, and a moving means for moving the pyroelectric elements to periodically increase and decrease the temperature of the pyroelectric elements A generator has been proposed. In such a power generator, for example, the pyroelectric element attached to the rotating body is moved between the heating tank and the cooling tank, thereby periodically raising and lowering the temperature of the pyroelectric element (for example, patent Reference 1).
一方、発電装置としては、発電効率の向上が要求され、さらに、省エネルギー化および省スペース化が要求される。 On the other hand, power generators are required to have improved power generation efficiency, as well as energy saving and space saving.
本発明は、発電効率、省エネルギー性および省スペース性に優れる車載発電システムである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is an in-vehicle power generation system that is excellent in power generation efficiency, energy saving, and space saving.
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、温度が経時的に上昇および下降することによって電気分極する第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、冷却媒体を前記第1デバイスに供給するための冷却管を備える冷却手段とを備え、前記排気管と前記冷却管とは、排ガスの流れ方向と冷却媒体の流れ方向とが互いに逆向きとなるように隣接して並ぶ隣接領域を備え、前記隣接領域には、前記排気管と前記冷却管とを連通する開口部が設けられ、前記開口部には、排ガスと冷却媒体との両方に接触可能な回転羽根を有する回転体が設けられ、前記冷却管の下流側端部が、前記排気管に接続され、前記前記回転羽根が、前記第1デバイスを備える、車載発電システムを含んでいる。 The present invention [1] comprises an engine, an exhaust pipe for discharging exhaust gas from the engine, a first device that is electrically polarized as the temperature rises and falls over time, and electric power is extracted from the first device. and cooling means comprising a cooling pipe for supplying a cooling medium to the first device, wherein the exhaust pipe and the cooling pipe are aligned in the direction of flow of the exhaust gas and the direction of flow of the cooling medium. are arranged adjacent to each other in opposite directions, the adjacent region is provided with an opening that communicates the exhaust pipe and the cooling pipe, and the opening is provided with exhaust gas and a cooling medium A rotating body having rotating vanes that can contact both the and the cooling pipe is connected to the exhaust pipe, and the rotating vanes include the first device. contains.
本発明の車載発電システムでは、排気管と冷却管とが、排ガスの流れ方向と冷却媒体の流れ方向とが互いに逆向きとなるように隣接して並んでおり、その隣接部分において、排気管と冷却管とが開口部によって連通されている。そして、その開口部には、排ガスおよび冷却媒体に接触可能な回転羽根を備える回転体が設けられており、また、回転羽根には、第1デバイスが備えられている。 In the in-vehicle power generation system of the present invention, the exhaust pipe and the cooling pipe are arranged adjacent to each other such that the flow direction of the exhaust gas and the flow direction of the cooling medium are opposite to each other, and the exhaust pipe and the cooling pipe is communicated with the cooling pipe through the opening. The opening is provided with a rotating body having rotating blades that can come into contact with the exhaust gas and the cooling medium, and the rotating blades are provided with a first device.
このような車載発電システムによれば、排気管中の排ガスの流れ方向と、冷却管中の冷却媒体の流れ方向とが、互いに逆方向であるため、排ガスおよび冷却媒体が、回転羽根を回転させる。これにより、回転羽根は、排ガスと冷却媒体とに交互に接触し、回転羽根に備えられる第1デバイスが、効率的に加熱および冷却される。 According to such an on-vehicle power generation system, the flow direction of the exhaust gas in the exhaust pipe and the flow direction of the cooling medium in the cooling pipe are opposite to each other, so that the exhaust gas and the cooling medium rotate the rotating blades. . As a result, the rotating blades are brought into contact with the exhaust gas and the cooling medium alternately, and the first device provided on the rotating blades is efficiently heated and cooled.
また、この車載発電システムでは、冷却管の下流側端部が排気管に接続されているため、排気管が圧力差によって冷却媒体を吸引し、回転羽根の回転を促進する。 Further, in this vehicle-mounted power generation system, since the downstream end of the cooling pipe is connected to the exhaust pipe, the exhaust pipe draws in the cooling medium due to the pressure difference, promoting the rotation of the rotary vanes.
そのため、回転羽根を効率的に回転させることができ、第1デバイスを効率的に(すなわち、省エネルギーで)加熱および冷却できる。 Therefore, the rotating vane can be efficiently rotated, and the first device can be heated and cooled efficiently (that is, with energy saving).
その結果、この車載発電システムによれば、優れた効率で発電することができる。 As a result, according to this vehicle-mounted power generation system, power can be generated with excellent efficiency.
さらに、この車載発電システムでは、排気管内および冷却管内の隣接部分に回転体が備えられているため、省スペース化を図ることができる。 Furthermore, in this on-vehicle power generation system, since the rotating bodies are provided in adjacent portions within the exhaust pipe and the cooling pipe, space can be saved.
1.自動車の構成
図1において、自動車10は、車載発電システム1を備えている。
1. 1. Configuration of Automobile In FIG.
車載発電システム1は、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、温度が経時的に上昇および下降することによって電気分極する第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、空気などの冷却媒体を第1デバイス3に供給する冷却手段としての冷却装置5とを備えている。
The in-vehicle power generation system 1 includes an engine 11, an
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。
The engine 11 is a device that outputs power to the
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。
The
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(これらを区別する必要がある場合には、図1の上側から順に、上流側分岐管18a、上流側分岐管18b、上流側分岐管18cおよび上流側分岐管18dと称する。)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。
The
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。
In such an
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、エンジン11(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。
The
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、排気管15を通過し、外気に放出可能とされている。
The
第1デバイス3は、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。
The
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。 The electrical polarization referred to here is a phenomenon in which the displacement of positive and negative ions due to crystal distortion causes dielectric polarization and a potential difference, such as the piezoelectric effect, and/or a phenomenon in which the dielectric constant changes due to temperature changes and a potential difference occurs, such as pyroelectricity. It is defined as a phenomenon in which an electromotive force is generated in a material, such as an effect.
このような第1デバイス3として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
More specifically, such a
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。 The piezo effect is an effect (phenomenon) that, when stress or strain is applied, causes electric polarization depending on the magnitude of the stress or strain.
このようなピエゾ効果により電気分極する第1デバイス3としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子(圧電素子)を用いることができる。
The
第1デバイス3としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、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、隣接領域30(後述)に配置される。
When a piezo element is used as the
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第2デバイス4(例えば、電極など)を用いることもできる。 The fixing member is not particularly limited, and for example, a second device 4 (eg, electrodes, etc.), which will be described later, can be used.
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、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。 In such a case, the piezo element is heated or cooled by the change in temperature of the exhaust gas over time, thereby expanding or contracting.
このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、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、ピエゾ素子から電力が取り出される。
At this time, since the volume expansion of the piezo element is suppressed by the fixing member, the piezo element is pressed by the fixing member and is electrically polarized by the piezo effect (piezoelectric effect) or phase transformation near the Curie point. . As a result, power is extracted from the piezo element via the
また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定(すなわち、体積一定)になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。 In addition, such a piezoelectric element is usually maintained in a heated state or cooled state, and when the temperature becomes constant (that is, the volume is constant), the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated, Electropolarize again.
そのため、上記したように排ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。 Therefore, as described above, when the temperature of the exhaust gas periodically changes and the high temperature state and the low temperature state are cyclically repeated, the piezoelectric element is repeatedly heated and cooled periodically. Polarization and its neutralization are repeated periodically.
その結果、後述する第2デバイス4により、電力が、周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として取り出される。
As a result, the
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。 The pyroelectric effect is, for example, an effect (phenomenon) in which an insulator (dielectric) is electrically polarized according to temperature changes when the insulator (dielectric) is heated and cooled, and includes the first effect and the second effect. I'm in.
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。 The first effect is the spontaneous polarization due to the temperature change during heating and cooling of the insulator, and the effect of generating charges on the surface of the insulator.
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。 The second effect is that when the insulator is heated and cooled, pressure deformation occurs in the crystal structure due to temperature changes, and the stress or strain applied to the crystal structure causes piezoelectric polarization (piezo effect, piezoelectric effect). ).
このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。 A device that is electrically polarized by such a pyroelectric effect is not particularly limited, and a known pyroelectric element can be used.
第1デバイス3として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排ガスに接触(曝露)されるように、隣接領域30(後述)に配置される。
When a pyroelectric element is used as the
このような場合において、焦電素子は、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、焦電素子から電力が取り出される。
In such a case, the pyroelectric element is heated or cooled by the temperature change of the exhaust gas over time, and is electrically polarized by the pyroelectric effect (including the first effect and the second effect). As a result, power is extracted from the pyroelectric element via the
また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。 In addition, such a pyroelectric element is usually maintained in a heated state or a cooled state, and when the temperature becomes constant, the electric polarization is neutralized, and then it is cooled or heated to become electric polarized again. .
そのため、上記したように熱源2が周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。 Therefore, as described above, when the temperature of the heat source 2 periodically changes and the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated, the pyroelectric element is repeatedly heated and cooled periodically. The electrical polarization of the element and its neutralization are repeated periodically.
その結果、後述する第2デバイス4により、電力が、周期的に変動する波形(例えば、交流、脈流など)として取り出される。
As a result, the
このような第1デバイス3として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子(例えば、BaTiO3、CaTiO3、(CaBi)TiO3、BaNd2Ti5O14、BaSm2Ti4O12、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)など)、公知のピエゾ素子(例えば、水晶(SiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、ロッシェル塩(酒石酸カリウム-ナトリウム)(KNaC4H4O6)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、リチウムテトラボレート(Li2B4O7)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)、窒化アルミニウム(AlN)、電気石(トルマリン)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)など)、Ca3(VO4)2、Ca3(VO4)2/Ni、LiNbO3、LiNbO3/Ni、LiTaO3、LiTaO3/Ni、Li(Nb0.4Ta0.6)O3、Li(Nb0.4Ta0.6)O3/Ni、Ca3{(Nb,Ta)O4}2、Ca3{(Nb,Ta)O4}2/Niなどを用いることができる。
As such a
また、第1デバイス3としては、さらに、LaNbO3、LiNbO3、KNbO3、MgNbO3、CaNbO3、(K1/2Na1/2)NbO3、(K1/2Na1/2)NbO3/Ni、(Bi1/2K1/4Na1/4)NbO3、(Sr1/100(K1/2Na1/2)99/100)NbO3、(Ba1/100(K1/2Na1/2)99/100)NbO3、(Li1/10(K1/2Na1/2)9/10)NbO3、Sr2NaNb5O15、Sr19/10Ca1/10NaNb5O15、Sr19/10Ca1/10NaNb5O15/Ni、Ba2NaNbO15、Ba2Nb2O6、Ba2NaNbO15/Ni、Ba2Nb2O6/Niなどの誘電体を用いることもできる。
Further, as the
これら第1デバイス3は、単独使用または2種類以上併用することができる。
These
第1デバイス3のキュリー点(Tc)は、例えば、-77℃以上、好ましくは、-10℃以上であり、例えば、1300℃以下、好ましくは、900℃以下である。
The Curie point (Tc) of the
また、第1デバイス3(絶縁体(誘電体))の比誘電率は、例えば、1以上、好ましくは、100以上、より好ましくは、2000以上である。 In addition, the dielectric constant of the first device 3 (insulator (dielectric)) is, for example, 1 or more, preferably 100 or more, more preferably 2000 or more.
このような発電システム1では、第1デバイス3(絶縁体(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が、第1デバイス3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。 In such a power generation system 1, the higher the relative dielectric constant of the first device 3 (insulator (dielectric)), the higher the energy conversion efficiency and the higher the power can be extracted. If the dielectric constant is less than the above lower limit, the energy conversion efficiency may be low, and the voltage of the power obtained may be low.
なお、第1デバイス3(絶縁体(誘電体))は、排ガスの温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。 The first device 3 (insulator (dielectric)) is electrically polarized by the temperature change of the exhaust gas, and the electrical polarization may be any of electronic polarization, ionic polarization and orientational polarization.
例えば、配向分極によって分極が発現する材料(例えば、液晶材料など)では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。 For example, it is expected that power generation efficiency can be improved by changing the molecular structure of a material that exhibits polarization due to orientational polarization (for example, liquid crystal material).
また、詳しくは後述するが、第1デバイス3は、隣接領域30(後述)において、回転体6(後述)の回転羽根7(後述)に固定されており、隣接領域30(後述)において、第2デバイス4を介して、排ガスに接触(曝露)可能とされている。
Further, although details will be described later, the
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。
A
このような第2デバイス4は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第1デバイス3を挟んで対向配置される2つの電極(例えば、銅電極、銀電極など)、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第1デバイス3に電気的に接続されている。
More specifically, such a
また、第2デバイス4は、必要により、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)などを介して、バッテリー9に、電気的に接続されている。
In addition, the
冷却装置5は、冷却媒体(空気)を第1デバイス3に供給するための冷却管21を備えている。
The cooling device 5 comprises cooling
冷却管21は、その上流側端部が大気中に開放されており、途中部分が排気管15に対して隣接し、下流側端部が排気管15に接続されている。
The cooling
より具体的には、冷却管21は、長さ方向の少なくとも一部において、排気管15に沿って延び、かつ、排気管15に隣接するように、配置される。
More specifically, the cooling
排気管15と冷却管21との隣接部分では、排ガスの流れ方向(図1の太矢印参照)と冷却媒体の流れ方向(図1の細矢印参照)とが互いに逆向きとなるように、排気管15と冷却管21とが配置されている。
At the portion where the
例えば、図1においては、排ガスが自動車10の前方から後方に向かって流れるように、排気管15が配置され、かつ、冷却媒体(空気)が自動車10の後方から前方へ向かって流れるように、冷却管21が配置されている。
For example, in FIG. 1, the
これにより、冷却管21と排気管15とが排ガスの流れ方向と冷却媒体(空気)の流れ方向とが互いに逆向きとなるように隣接して並ぶ隣接領域30を、形成している。
This forms an
また、冷却管21は、隣接領域30に対する冷却媒体の流れ方向下流側(排気管15の排ガス流れ方向上流側)において反対方向に折り返すように屈曲される。
Further, the cooling
そして、冷却管21の下流側端部が、排気管15の排ガス流れ方向における隣接領域30(第1デバイス3)よりも下流側において、排気管15の側壁に接続されている。
The downstream end of the cooling
これにより、冷却管21内の冷却媒体が、排ガスと混合して排気管15から排出可能とされている。
As a result, the cooling medium in the cooling
また、排気管15と冷却管21との隣接領域30には、排気管15と冷却管21とを連通する開口部25が形成されている。
An
より具体的には、隣接領域30においては、冷却管21の側壁の一部が、排気管15の側壁の一部と接触するか、または、冷却管21の側壁の一部が、排気管15の側壁の一部と共有されている。
More specifically, in
そして、この隣接領域30においては、排気管15と冷却管21との接触部分または共有部分を貫通するように、開口部25が形成されている。開口部25の大きさおよび形状は、後述する回転体6のサイズなどに応じて、適宜設定される。
In this
また、開口部25には、回転体6が備えられている。
Further, the
回転体6は、風圧により一軸回転する回転部材であって、第1デバイス3を排ガスおよび冷却媒体(空気)に交互に曝露するために設けられている。
The
より具体的には、回転体6は、第1デバイス3を備える回転羽根7と、軸部8とを備えている。
More specifically, the
回転羽根7は、軸部8から回転軸方向と直交する方向(径方向)に延びるように設けられており、回転羽根7が複数設けられる場合、軸部8から放射状に設けられている。
The
回転羽根7は、矩形板形状を有し、例えば、第1デバイス3と、その第1デバイス3を厚み方向両側から挟持する一対の第2デバイス4とを備えている。図1においては、回転羽根7は、第1デバイス3と、一対の第2デバイス4とから形成されている。
The
このような回転羽根7は、軸部8の回転軸方向に沿って平面が形成されるように軸部8に支持されている。
なお、回転羽根7の数は、特に制限されず、1枚以上、好ましくは、2枚以上であり、例えば、20枚以下、好ましくは、10枚以下である。図1においては、回転羽根7が4枚の回転体6を示している。
The number of
軸部8は、回転羽根7を支持する回転軸であって、排気管15と冷却管21との境界部分に配置されている。
The
より具体的には、軸部8は、開口部25が形成される平面において、排ガスの流れ方向および冷却媒体の流れ方向と直交する方向(車幅方向)に沿って、回転可能に設けられている。このような軸部8に、第1デバイス3を備える回転羽根7が支持されている。
More specifically, the
そのため、回転羽根7は、軸部8から開口部25に沿って前方に位置するときを0°位相としたときに、0°~180°の間は排気管15内に曝露され、180°~360°の間は冷却管21内に曝露されるように、回転される。
Therefore, when the
その結果、軸部8を中心として、回転羽根7の第1デバイス3が、排気管15および冷却管21の間で回転可能(図1破線矢印参照)とされており、排ガスおよび冷却媒体(空気)に交互に曝露可能とされる。
As a result, the
また、冷却管21の流れ方向途中、より具体的には、隣接領域30よりも上流側には、冷却ポンプ22が介在されている。
A cooling
冷却ポンプ22は、例えば、公知の空気供給ポンプであって、より具体的には、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが挙げられる。なお、図示しないが、冷却ポンプ22は、自動車10における電気的な制御を実行する制御ユニット(例えば、ECU:Electronic Control Unit)などに接続されており、冷却ポンプ22の駆動および停止が制御される。また、必要に応じて、冷却管21の流れ方向途中には、冷却管21の開閉および開度を制御するための弁を備えることもできる。
The cooling
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。
2. Power Generation Method A power generation method using the vehicle-mounted power generation system 1 described above will be described in detail below.
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。 In this on-vehicle power generation system 1, the engine 11 is driven to repeat the up-and-down movement of the piston in each cylinder. .
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、排気管15の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。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および隣接領域30を通過して、外気に排出される。
The exhaust gas discharged from each cylinder of the engine 11 in this manner is introduced into each
なお、このような車載発電システム1において、排ガスの温度は、例えば、100~1200℃、好ましくは、200~900℃である。 In such an on-vehicle power generation system 1, the temperature of exhaust gas is, for example, 100 to 1200.degree. C., preferably 200 to 900.degree.
一方、この車載発電システム1では、上記のエンジン11の駆動中に、冷却装置5を作動させる。 On the other hand, in the vehicle-mounted power generation system 1, the cooling device 5 is operated while the engine 11 is being driven.
より具体的には、図示しない制御ユニットによって冷却ポンプ22を駆動させ、冷却管21に冷却媒体としての空気を供給する。
More specifically, a control unit (not shown) drives the
冷却管21に供給された冷却媒体(空気)は、排ガスの流れ方向とは逆方向に沿って流れ、隣接領域30を通過する。そして、冷却媒体(空気)は、隣接領域30の下流側において折り返され、排ガスの流れ方向と同方向に沿って流れ、排気管15における隣接領域30よりも下流側において、排気管15に合流する。
The cooling medium (air) supplied to the cooling
そして、この車載発電システム1では、上記したように、排気管15と冷却管21とが隣接する隣接領域30において、回転羽根7を備える回転体6が設けられている。
In the vehicle-mounted power generation system 1, as described above, the
具体的には、回転羽根7は、第1デバイス3を備えており、軸部6に回転可能に支持されることによって、その回転に応じて排ガスと冷却媒体(空気)とに交互に接触可能としている。
Specifically, the rotating
また、隣接部分33では、排気管15中の排ガスの流れ方向と、冷却管21中の冷却媒体の流れ方向とが、互いに逆方向である。
Also, in the adjacent portion 33, the flow direction of the exhaust gas in the
そのため、排気管15に排ガスが供給され、かつ、冷却管21に冷却媒体(空気)が供給されると、隣接領域30において回転体6の回転羽根7が回転する。
Therefore, when exhaust gas is supplied to the
とりわけ、上記の車載発電システム1では、冷却管21の下流側端部が、排気管15に接続されているため、排気管15が圧力差によって冷却媒体(空気)を吸引し、回転羽根7の回転を促進する。
In particular, in the vehicle-mounted power generation system 1 , the downstream end of the cooling
これにより、回転羽根7が回転し、第1デバイス3が第2デバイス4を介して排気管15において排ガスに曝露され、加熱された後、冷却管21において冷却媒体(空気)に曝露され、冷却される。
As a result, the rotating
このように、回転羽根7の回転運動が繰り返されることにより、第1デバイス3は、排ガスと冷却媒体とに交互に接触し、交互に加熱および冷却される。
In this way, by repeating the rotary motion of the
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、その素子(例えば、ピエゾ素子、焦電素子など)に応じた効果(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。
Then, as a result, the
そのため、この車載発電システム1では、第2デバイス4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。
Therefore, in the on-vehicle power generation system 1 , power can be extracted from each of the
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。 After that, in this method, for example, as indicated by the dotted line in FIG. After being converted into a DC voltage in a device (not shown), it is stored in the battery 9 .
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。
The electric power stored in the battery 9 can be appropriately used as power for the
3.作用・効果
上記の車載発電システム1では、排気管15と冷却管21とが、排ガスの流れ方向と冷却媒体の流れ方向とが互いに逆向きとなるように隣接して並んでおり、その隣接部分33において、排気管15と冷却管21とが開口部25によって連通されている。そして、その開口部25には、排ガスおよび冷却媒体に接触可能な回転羽根7を備える回転体6が設けられており、また、回転羽根7には、第1デバイス3が備えられている。
3. Functions and Effects In the vehicle-mounted power generation system 1 described above, the
このような車載発電システム1によれば、排気管15中の排ガスの流れ方向と、冷却管21中の冷却媒体の流れ方向とが、互いに逆方向であるため、排ガスおよび冷却媒体が、回転羽根7を回転させる。これにより、回転羽根7は、排ガスと冷却媒体とに交互に接触し、回転羽根7に備えられる第1デバイスが、効率的に加熱および冷却される。
According to the vehicle-mounted power generation system 1, the direction of flow of the exhaust gas in the
また、この車載発電システム1では、冷却管21の下流側端部が排気管15に接続されているため、排気管15が圧力差によって冷却媒体を吸引し、回転羽根7の回転を促進する。
In addition, in the on-vehicle power generation system 1 , the downstream end of the cooling
そのため、回転羽根7を効率的に回転させることができ、第1デバイス3を効率的に(すなわち、省エネルギーで)加熱および冷却できる。
Therefore, the rotating
その結果、この車載発電システム1によれば、優れた効率で発電することができる。 As a result, the in-vehicle power generation system 1 can generate power with excellent efficiency.
さらに、この車載発電システム1では、排気管15内および冷却管21内の隣接部分33に回転体6が備えられているため、省スペース化を図ることができる。
Furthermore, in the vehicle-mounted power generation system 1, since the
4.変形例
上記した説明では、各回転羽根7が、1つの第1デバイス3と、一対の第2デバイス4とから形成されているが、回転羽根7においては、例えば、図2に拡大表示されるように、複数の第1デバイス3および第2デバイス4を、金属板などの保持板23の一方面上に固定してもよく、また、図3に拡大表示されるように、複数の第1デバイス3および第2デバイス4を、メッシュプレートなどの把持材24で把持してもよい。
4. Modifications In the above description, each
さらに、保持板23および把持材24を、必要に応じて、第2デバイス4(電極)として共用することもできる。
Furthermore, the holding
また、上記した説明では、回転羽根7は、その面が排ガスおよび冷却媒体の流れ方向に対向するように配置されているが、例えば、図4に示されるように、回転羽根7の面が排ガスおよび冷却媒体の流れ方向に直交するように配置されていてもよい。また、回転羽根7は、軸部6の延びる方向に沿って、所定間隔を隔てて、複数配置されていてもよい。なお、回転羽根7の面が排ガスおよび冷却媒体の流れ方向に直交する形態(図4)よりも、回転羽根7の面が排ガスおよび冷却媒体の流れ方向に対向する形態(図1~図3)の方が、発電効率の観点から好ましい。
In the above description, the
加えて、上記した説明では、回転体6は、一軸回転する回転部材として形成されているが、風圧により回転可能な回転機構を有していれば、特に制限されず、例えば、図5に示されるように、二軸回転する回転部材として形成されていてもよい。このような回転体6には、軸部8が前後方向に間隔を隔てて2つ備えられており、その2つの軸部8に、無端部材31が巻かれている。そして、無端部材31に、複数の回転羽根7が設けられている。これにより、回転体6は、第1デバイス3を排ガスおよび冷却媒体(空気)に交互に曝露可能としている。
In addition, in the above description, the
また、上記の車載発電システム1では、第1デバイス3を加熱および冷却するのみで、電力を取り出しているが、例えば、発電効率の向上を図るため、必要に応じて、第1デバイス3に電圧(電界)を印加することもできる。このような場合、例えば、第1デバイス3の加熱時に第1デバイス3に電圧(電界)を印加し、その後、第1デバイス3の冷却時に、第1デバイス3から電力を回収する。これにより、発電効率の向上を図ることができる。
In addition, in the vehicle-mounted power generation system 1 described above, electric power is extracted only by heating and cooling the
また、上記の車載発電システム1では、冷却管21の流れ方向途中に冷却ポンプ22が設けられているが、例えば、排気管15における冷却媒体の吸引力(冷却管21の下流側端部が排気管15に接続されていることにより生じる吸引力)が、冷却媒体の供給に十分である場合などには、冷却管21に冷却ポンプ22を設けなくともよい。このような車載発電システム1によれば、さらなる省エネルギー化を図ることができる。
In addition, in the vehicle-mounted power generation system 1 described above, the cooling
1 車載発電システム
3 第1デバイス
4 第2デバイス
5 冷却装置
6 回転体
7 回転羽根
11 エンジン
15 排気管
21 冷却管
25 開口部
30 隣接領域
1 In-vehicle
Claims (1)
前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管と、
温度が経時的に上昇および下降することによって電気分極する第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、
冷却媒体を前記第1デバイスに供給するための冷却管を備える冷却手段と
を備え、
前記排気管と前記冷却管とは、排ガスの流れ方向と冷却媒体の流れ方向とが互いに逆向きとなるように隣接して並ぶ隣接領域を備え、
前記隣接領域には、前記排気管と前記冷却管とを連通する開口部が設けられ、
前記開口部には、排ガスと冷却媒体との両方に接触可能な回転羽根を有する回転体が設けられ、
前記冷却管の下流側端部が、前記排気管に接続され、
前記前記回転羽根が、前記第1デバイスを備える
ことを備えることを特徴とする、車載発電システム。 engine and
an exhaust pipe for discharging exhaust gas from the engine;
a first device that is electrically polarized by increasing and decreasing temperature over time;
a second device for extracting power from the first device;
cooling means comprising a cooling pipe for supplying a cooling medium to the first device;
The exhaust pipe and the cooling pipe have adjacent regions arranged adjacent to each other such that the flow direction of the exhaust gas and the flow direction of the cooling medium are opposite to each other,
The adjacent region is provided with an opening that communicates with the exhaust pipe and the cooling pipe,
The opening is provided with a rotating body having rotating blades capable of coming into contact with both the exhaust gas and the cooling medium,
a downstream end of the cooling pipe is connected to the exhaust pipe;
An in-vehicle power generation system, wherein the rotating vane comprises the first device.
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