CN110394130B - 蓄热反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓄热反应器，蓄热反应器(1)具备：在可供第一流体流通的第一流路(2)中填充蓄热材料(3)而形成的多个蓄热层(4)、以及具有可供第二流体流通的第二流路(5)的多个热交换层(6)。该蓄热反应器(1)中，多个蓄热层(4)和多个热交换层(6)交替层叠。另外，第二流路(5)的开口端部(5a)形成于与形成有第一流路(2)的开口端部(2a)的面不同的面。此外，第二流路(5)的至少一部分与第一流路(2)并列形成。

Description

蓄热反应器
技术领域
本发明涉及蓄热反应器。
背景技术
使用了蓄热材料的蓄热技术会得到较高的反应能量，因此，对其在各种领域中的利用进行了研究。例如，在汽车等车辆的领域中，研究了将来自散热器、尾气等的废热用蓄热材料回收、贮存并利用于催化转化器、空调系统等。
作为以往的蓄热反应器，在专利文献1中提出了如下的蓄热反应器：在由隔壁区划形成多个隔室的蜂窝结构体中，按蜂窝结构体的与轴向(隔室延伸的方向)正交的方向上的截面的图案为棋盘格状的方式填充有化学蓄热材料。另外，在专利文献2中提出了如下的蓄热反应器：第一流路和与第一流路正交的第二流路在上下方向上邻接设置，沿着第二流路保持有化学蓄热体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-124823号公报
专利文献2：日本特开2011-58678号公报
发明内容
然而，专利文献1的蓄热反应器的、供反应流体流通的流路的开口端部和供热交换流体流通的流路的开口端部设置于同一面，因此，难以独立地进行用于将反应流体向蓄热反应器内导入的压力控制。因此，该蓄热反应器中存在如下问题：无法使化学蓄热材料效率良好地反应，热输出以及散热量没有充分地提高。
另一方面，专利文献2的蓄热反应器的、反应流体以及热交换流体的流路的开口端部设置于不同的面，因此，能够独立地进行压力控制。然而，由于2个流体的流路正交，所以为了将来自化学蓄热材料的热向热交换流体充分地传递而需要使热交换流体的流路变长。结果存在如下问题：蓄热反应器变大，难以应用于要求小型化的汽车等的车辆领域。
本发明是为了解决如上所述的问题而实施的，其目的在于，提供一种热输出以及散热量大、且可小型化的蓄热反应器。
本发明的发明人为了解决上述的问题而进行了潜心研究，结果发现：通过采用具有特定结构的蓄热反应器，能够使得热输出以及散热量提高，并且，能够小型化，以至完成本发明。
即，本发明是一种蓄热反应器，其中，具备：
多个蓄热层，该多个蓄热层是在可供第一流体流通的第一流路中填充蓄热材料而形成的；以及
多个热交换层，该多个热交换层具有可供第二流体流通的第二流路，
多个所述蓄热层和多个所述热交换层交替层叠，
所述第二流路的开口端部形成于与形成有所述第一流路的开口端部的面不同的面，
并且，所述第二流路的至少一部分与所述第一流路并列形成。
根据本发明，能够提供一种热输出以及散热量大、且可小型化的蓄热反应器。
附图说明
图1是示出实施方式1的蓄热反应器的侧面的图。
图2是示出实施方式1的蓄热反应器的端面的图。
图3是图1的A-A’线的截面图。
图4是图1的B-B’线的截面图。
图5是图2的C-C’线的截面图。
图6是示出实施方式1的另一蓄热反应器的侧面的图。
图7是图6的D-D’线的截面图。
图8是实施方式2的蓄热反应器的侧视图。
图9是图8的E-E’线的截面图。
图10是图8的F-F’线的截面图。
符号说明
1、10…蓄热反应器，2…第一流路，2a、5a…开口端部，3…蓄热材料，4…蓄热层，5…第二流路，6…热交换层，7…隔壁，8…封孔部。
具体实施方式
以下，对本发明的蓄热反应器的优选实施方式具体地进行说明，但是，本发明不应当限定于这些实施方式进行解释，只要不脱离本发明的主旨，就可以基于本领域技术人员的知识进行各种变更、改良等。各实施方式中公开的多个构成要素可以通过适当的组合而形成各种发明。例如，可以从实施方式中示出的所有构成要素中删除若干构成要素，也可以将不同实施方式的构成要素进行适当组合。
(实施方式1)
本实施方式的蓄热反应器是圆柱状的蓄热反应器。图1是示出本实施方式的蓄热反应器的侧面的图，图2是示出本实施方式的蓄热反应器的端面的图。另外，图3是图1的A-A’线的截面图，图4是图1的B-B’线的截面图，图5是图2的C-C’线的截面图。
如图1～5所示，本实施方式的蓄热反应器1具备：多个蓄热层4，它们是在可供第一流体流通的第一流路2中填充蓄热材料3而形成的；以及多个热交换层6，它们具有可供第二流体流通的第二流路5。另外，多个蓄热层4和多个热交换层6交替层叠。因此，多个蓄热层4中，能够通过使第一流体在第一流路2流通而将由蓄热材料3产生的热效率良好地传递至在多个热交换层6中流通的第二流体。
第二流路5的开口端部5a形成于与形成有第一流路2的开口端部2a的面不同的面。具体而言，第一流路2的开口端部2a形成于蓄热反应器1的端面，第二流路5的开口端部5a形成于蓄热反应器1的侧面。应予说明，在以图1的侧视图以及图3的截面图进行观察的情况下，给出了第二流体的入出口形成于同一侧面的方案，不过，也可以是在以图6的侧视图以及图7的截面图进行观察的情况下，第二流体的入出口设置于相反侧面。应予说明，图6以及图7所示的蓄热反应器1的端面、以及其他的截面图与图2、图4以及图5相同，因此省略。
通过如上所述将第二流路5的开口端部5a和第一流路2的开口端部2a设置于不同的面，能够从不同的面同时且分别地进行将第一流体向第一流路2导入和将第二流体向第二流路5导入。因此，能够独立地进行用于将第一流体向第一流路2导入的压力控制，能够以适合于使填充于第一流路2的蓄热材料3效率良好地反应的压力将第一流体向第一流路2导入。
第一流路2具有形成于2个不同的面的开口端部2a。可以将第一流体从设置于一个面的开口端部2a向第一流路2导入，不过，优选通过施加压力而将第一流体从设置于两面的开口端部2a向第一流路2导入。通过从两面的开口端部2a导入第一流体，能够使第一流体迅速与填充于第一流路2的中央部附近的蓄热材料3接触，因此，能够使填充于第一流路2的蓄热材料3有效率地反应。
第二流路5的至少一部分与第一流路2并列形成。因此，与进行直交流式热交换的蓄热反应器相比，容易使第一流路2与第二流路5邻接的区域增大。即，对于本实施方式的蓄热反应器1，第二流体的至少一部分能够进行逆流式或并流式的热交换，因此，无需使其大型化就能够提高热输出以及散热量。
本实施方式的蓄热反应器1优选具有蜂窝结构。具体而言，第一流路2以及第二流路5优选为由隔壁7区划形成的多个隔室。隔壁7不仅将空间隔开，还发挥出承担热传递的作用。因此，通过使第一流路2以及第二流路5这两者为由隔壁7区划形成的多个隔室，能够使热输出以及散热量进一步提高。
如上所述的具有蜂窝结构的蓄热反应器可以依据该技术领域中公知的蜂窝结构体的制造方法来制造。具体而言，首先，将包含陶瓷原料的坯土成型，得到圆柱状的蜂窝成型体后，进行烧成，得到圆柱状的蜂窝结构体。接下来，在圆柱状的蜂窝结构体的侧面形成狭缝，将多个第二流路5之间连接并形成开口端部5a后，将第二流路5的两端面的开口部封孔，形成封孔部8。然后，在第一流路2内填充蓄热材料3即可。
应予说明，可以对烧成前的圆柱状的蜂窝成型体进行狭缝的形成、封孔等用于形成第二流路5的工序。
作为陶瓷原料，没有特别限定，可以使用SiC、金属结合SiC、金属复合SiC、Si3N4、金属复合Si3N4、堇青石、多铝红柱石、尖晶石、氧化铝、氧化锆、氧化锆强化氧化铝等。这些陶瓷原料可以单独使用或将2种以上组合使用。
此处，作为“金属结合SiC”，可以使用金属含浸SiC、Si结合SiC、金属Si以及通过其他种类的金属而结合的SiC等。作为“其他种类的金属”的例子，可以举出：Al(铝)、Ni(镍)、Cu(铜)、Ag(银)、Be(铍)、Mg(镁)、Ti(钛)等。
另外，作为“金属复合SiC”，可以使用将SiC粒子和金属粉末混合烧结得到的物质。
优选隔壁7以及封孔部8由致密体形成。此处，致密体是指：具有第一流体以及第二流体不会透过、在表面形成有无数的闭口气孔(不贯通且在途中封闭的气孔)的结构的材料。通过由致密体形成隔壁7以及封孔部8，能够防止第一流体混入第二流路5、以及第二流体混入第一流路2。
优选隔壁7由热传导率为100W/m·K以上的材料、热容量为2000J/L·K以下的材料、或满足这两者的材料形成。通过使用像这样的材料，使得由隔壁7带来的热传递性能提高，因此，热输出以及散热量更进一步提高。
优选1个蓄热层4以及1个热交换层6各包含1列隔室。通过采用像这样的构成，能够使多个蓄热层4和多个热交换层6更多地邻接，因此，能够使热输出以及散热量更进一步提高。
在与隔室延伸的方向正交的方向的截面上，隔室的截面形状没有特别限定，可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形、其他多边形。其中，隔室的截面形状优选为一边为2.0mm以下的正方形。通过将隔室设定为像这样的截面形状，容易经由隔壁7而效率良好地进行热传递，因此，能够使热输出以及散热量更进一步提高。
另外，区划形成隔室的隔壁7的厚度没有特别限定，优选为0.5mm以下。通过将隔室的隔壁7的厚度控制为上述的范围，能够使热输出以及散热量更进一步提高。
第一流路2的长度相对于邻接的蓄热层4与热交换层6之间的中心间距离的比值没有特别限定，优选为10～500。通过采用这样的构成，能够将由蓄热层4产生的热效率良好地传递至在热交换层6中流通的第二流体。
作为第一流体，能够与蓄热材料3反应或者吸附于蓄热材料3即可，没有特别限定。作为第一流体的例子，可以举出：水蒸气、氢、二氧化碳、氨等。
作为第二流体，没有特别限定，气体、液体均可。作为第二流体的典型例，可以举出尾气。
作为蓄热材料3，没有特别限定，可以使用该技术领域中公知的蓄热材料。作为蓄热材料3的例子，可以举出：化学蓄热材料、显热蓄热材料、潜热蓄热材料等。其中，从蓄热密度的观点考虑，优选化学蓄热材料。作为化学蓄热材料的例子，可以举出：金属-氢系的蓄热材料、金属氧化物-水蒸气系的蓄热材料、金属氧化物-二氧化碳系的蓄热材料、金属盐-水蒸气系的蓄热材料、金属盐-氨系的蓄热材料、水蒸气吸附系的蓄热材料等。其中，金属氧化物-水蒸气系的蓄热材料、金属盐-水蒸气系的蓄热材料、水蒸气吸附系的蓄热材料的操作容易，成本上也有利。
作为金属氧化物，可以举出：MgO、CaO、SrO、BaO、CaSO4等。作为金属盐，可以举出：CaCl2、SrCl2、MgCl2、LiCl、SrBr2等。作为水蒸气吸附系的蓄热材料，可以举出沸石等。
作为第一流路2中的蓄热材料3的填充率，没有特别限定，优选为30～70％。通过将填充率控制为上述的范围，能够使热输出以及散热量更进一步提高。应予说明，如果过于提高填充率，则蓄热或散热的反应速度变慢，因此，有时为了将第一流体导入至第一流路2而提高压力、或者要求减压。
蓄热材料3可以填充至第一流路2的开口端部2a，不过，从防止蓄热材料3脱落的观点考虑，可以通过在两侧的开口端部2a形成由多孔体形成的封孔部而将蓄热材料3封入第一流路2内。通过在两侧的开口端部2a形成像这样的封孔部，能够在第一流路2内稳定地保持蓄热材料3，而不会阻碍第一流体在第一流路2中的流通。
在此，作为一例，对第一流体使用水蒸气、第二流体使用尾气、蓄热材料3使用CaCl2-水蒸气系的蓄热材料的情形(作为催化转化器的用途例)进行说明。应予说明，该蓄热材料3通常以CaCl2·2H2O的形态存在。
首先，如果使尾气向第二流路5流通，则随着尾气的温度上升而对填充于第一流路2的蓄热材料3进行加热。当尾气的温度达到规定的温度以上时，蓄热材料3发生吸热反应(脱水反应)而变为CaCl2。然后，即便尾气的温度降低，蓄热材料3仍然维持CaCl2的形态。
接下来，使水蒸气向第一流路2流通，由此，蓄热材料3发生放热反应(水合反应)而变为CaCl2·2H2O。此时，通过使尾气向第二流路5流通而将由放热反应产生的热向尾气传递，因此，能够提高尾气的温度。结果能够通过尾气的热来促进催化剂活化。
根据本实施方式的蓄热反应器1，能够独立地进行用于将第一流体向第一流路2导入的压力控制，并且，第二流体的至少一部分能够进行逆流式或并流式的热交换，因此，热输出以及散热量大，并且能够小型化。
(实施方式2)
本实施方式的蓄热反应器为六棱柱状的蓄热反应器。应予说明，本实施方式的蓄热反应器的基本特征与实施方式1的蓄热反应器1相同，因此，仅对不同点进行说明。
图8是本实施方式的蓄热反应器的侧视图，图9是图8的E-E’线的截面图，图10是图8的F-F’线的截面图。
如图8～10所示，本实施方式的蓄热反应器10具有6个侧面，在2组对置的侧面分别形成有第一流路2的开口端部2a以及第二流路5的开口端部5a。另外，在剩余的1组对置的侧面形成有封孔部8。应予说明，蓄热反应器10的上表面以及底面为外壁，没有形成开口部。
第二流路5的开口端部5a形成于与形成有第一流路2的开口端部2a的侧面不同的侧面，因此，能够从不同的面同时且分别进行将第一流体向第一流路2导入和将第二流体向第二流路5导入。因此，能够独立地进行用于将第一流体向第一流路2导入的压力控制，能够以适合于使填充于第一流路2的蓄热材料3效率良好地反应的压力将第一流体导入至第一流路2。
另外，第二流路5的至少一部分与第一流路2并列形成，因此，容易使第一流路2和第二流路5隔着隔壁7而邻接的区域增大。因此，本实施方式的蓄热反应器10与实施方式1的蓄热反应器1一样，第二流体的至少一部分能够进行逆流式或并流式的热交换，因此，无需使其大型化就能够提高热输出以及散热量。
具有如上所述的结构的蓄热反应器10可以依据该技术领域中公知的蜂窝结构体的制造方法来制造。具体而言，首先，将包含陶瓷原料的坯土成型，得到六棱柱状的蜂窝成型体后，进行烧成，得到六棱柱状的蜂窝结构体。然后，将1组对置的侧面的开口部封孔而形成封孔部8后，在开口端部2a以及开口端部5a形成狭缝，由此，将多个第一流路2之间以及多个第二流路5之间连接。然后，在第一流路2内填充蓄热材料3即可。
根据本实施方式的蓄热反应器10，能够独立地进行用于将第一流体向第一流路2导入的压力控制，并且，第二流体的至少一部分能够进行逆流式或并流式的热交换，因此，热输出以及散热量大，并且能够小型化。
实施例
以下，通过实施例对本发明进一步具体地进行说明，但是，本发明并不受这些实施例的任何限定。
(实施例1)
制作具有图1～5所示的结构的蓄热反应器1。
首先，将包含碳化硅以及金属硅的陶瓷原料的坯土成型，得到圆柱状的蜂窝成型体后，进行烧成，得到圆柱状的蜂窝结构体。此处，对于蜂窝结构体，使隔室的截面形状(与隔室延伸的方向正交的方向的截面形状)为一边为1.5mm的正方形，使隔壁7的厚度为0.5mm，使隔室延伸的方向的长度(第一流路2的长度)为60mm。另外，隔壁7的热传导率为150W/m·K，热容量为2100J/L·K。接下来，在圆柱状的蜂窝结构体的侧面形成狭缝而形成第二流路5的开口端部5a后，将第二流路5的两端面的开口部封孔而形成封孔部8。然后，在第一流路2内填充作为蓄热材料3的CaCl2。第一流路2中的蓄热材料3的填充率为38％。
(实施例2)
使隔室的截面形状为一边为0.75mm的正方形，使隔壁7的厚度为0.25mm，除此以外，与实施例1同样地制作蓄热反应器1。
(实施例3)
使隔室的截面形状为一边为2.5mm的正方形，使隔壁7的厚度为0.5mm，除此以外，与实施例1同样地制作蓄热反应器1。
(实施例4)
使隔室的截面形状为一边为1.5mm的正方形，使隔壁7的厚度为1.5mm，除此以外，与实施例1同样地制作蓄热反应器1。
(实施例5)
使用包含含有堇青石的陶瓷原料的坯土，除此以外，与实施例1同样地制作蓄热反应器1。另外，隔壁7的热传导率为4.4W/m·K，热容量为1750J/L·K。
对上述得到的实施例1～5的蓄热反应器1进行蓄热反应器1的每单位体积的平均热输出以及散热量的评价。具体而言，如下求出热输出以及散热量。
首先，将水蒸气以70kPa的压力、2L/分钟的流量向蓄热反应器1的第一流路2供给，使蓄热材料3发生放热反应(水合反应)，并且，使有机溶剂(Yurabo公司制Thermal H350)向蓄热反应器1的第二流路5流通。然后，分别测定有机溶剂在蓄热反应器1的第二流路5中通过之前的温度、以及在蓄热反应器1的第二流路5中通过之后的温度，计算出它们的温度差(溶剂在蓄热反应器1的第二流路5中通过之后的温度－溶剂在蓄热反应器1的第二流路5中通过之前的温度)。
平均热输出由下式算出，求出其最大值。
【数学式1】
Figure BDA0002038018910000091
散热量由下式算出，求出500秒后的散热量。
【数学式2】
Figure BDA0002038018910000092
将上述的平均热输出以及散热量的评价结果示于表1。
表1
Figure BDA0002038018910000093
由表1的结果可知：通过使隔室的截面形状为一边为2.0mm以下的正方形，使隔壁7的厚度为0.5mm以下，热输出以及散热量得到提高。
另外，可知：即便隔壁7的热传导率较小，如果减小隔壁7的热容量，则能够使热输出以及散热量增大。认为这是因为：在隔壁7的热容量较小的情况下，隔壁7的温度容易上升，能够将由蓄热材料3产生的热有效率地传递至在第二流路5中通过的有机溶剂。
此外，可知：即便隔壁7的热传导率较小，如果使传热距离(蓄热层与热交换层之间的距离)变短，则能够使热输出以及散热量变大。认为这是因为：在传热距离较小的情况下，由隔壁7的热传导率较小所带来的热阻的影响小。

Claims (10)

1.一种蓄热反应器，其中，具备：
多个蓄热层，多个所述蓄热层是在可供第一流体流通的第一流路中填充蓄热材料而形成的；以及
多个热交换层，多个所述热交换层具有可供第二流体流通的第二流路，
多个所述蓄热层和多个所述热交换层交替层叠，
所述第二流路的开口端部形成于与形成有所述第一流路的开口端部的面不同的面，
并且，所述第二流路的至少一部分与所述第一流路并列形成。
2.根据权利要求1所述的蓄热反应器，其中，
所述第一流路以及所述第二流路为由隔壁区划形成的多个隔室。
3.根据权利要求2所述的蓄热反应器，其中，
所述蓄热反应器为圆柱状或六棱柱状。
4.根据权利要求2所述的蓄热反应器，其中，
1个所述蓄热层以及1个所述热交换层各包含1列多个所述隔室。
5.根据权利要求2～4中的任意一项所述的蓄热反应器，其中，
所述隔室的截面形状为一边为2.0mm以下的正方形，区划形成所述隔室的所述隔壁的厚度为0.5mm以下。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的蓄热反应器，其中，
所述第一流路的长度相对于邻接的所述蓄热层与所述热交换层之间的中心间距离的比值为10～500。
7.根据权利要求2～4中的任意一项所述的蓄热反应器，其中，
区划形成所述隔室的所述隔壁由热传导率为100W/m·K以上的材料、热容量为2000J/L·K以下的材料、或满足这两者的材料形成。
8.根据权利要求1～4中的任意一项所述的蓄热反应器，其中，
所述第一流路具有形成于2个不同的面的开口端部，所述第一流体通过施加压力而从形成于两面的所述开口端部被导入至所述第一流路。
9.根据权利要求1～4中的任意一项所述的蓄热反应器，其中，
所述蓄热反应器用于车辆。
10.根据权利要求1或2所述的蓄热反应器，其中，
所述第二流路的所述开口端部构成为：以朝向与所述第一流路的所述开口端部构成为对置的方向不同的方向的方式对置。
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