DE102019205905A1 - Wärmespeicherreaktor - Google Patents

Abstract

Wärmespeicherreaktor 1, umfassend: eine Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4, die erste Strömungswegen 2 aufweisen, durch welche ein erstes Fluid strömen kann, wobei jeder der ersten Strömungswege 2 mit Wärmespeichermaterialien 3 gefüllt ist; und eine Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6, die zweite Strömungswegen 5 aufweisen, durch welche ein zweites Fluid strömen kann. In dem Wärmespeicherreaktor 1 sind die Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4 und die Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6 abwechselnd übereinander gestapelt. Ferner sind offene Enden 5a für die zweiten Strömungswege 5 auf einer Fläche ausgebildet, die sich von einer Fläche unterscheidet, auf der offene Enden 2a der ersten Strömungswege 2 ausgebildet sind. Zudem ist zumindest ein Teil der zweiten Strömungswege 5 parallel zu den ersten Strömungswegen 2 ausgebildet.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicherreaktor.
• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Eine Wärmespeichertechnologie, die Wärmespeichermaterialien nutzt, kann hohe Reaktionsenergie bereitstellen. Daher wird die Nutzung der Technologie auf verschiedenen Gebieten untersucht. Zum Beispiel werden auf dem Gebiet von Fahrzeugen, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, Studien durchgeführt, um Abwärme aus einem Kühler, einem Abgas oder dergleichen durch Wärmespeichermaterialien zurückzugewinnen, um die Abwärme zu speichern und die Abwärme für Katalysatoren, Klimaanlagen und dergleichen zu nutzen.
• Patentschrift 1 schlägt als einen herkömmlichen Wärmespeicherreaktor einen Wärmespeicherreaktor mit einer Wabenstruktur vor, der eine Mehrzahl von Zellen aufweist, die von Trennwänden definiert sind, bei dem die Wabenstruktur mit chemischen Wärmespeichermaterialien gefüllt ist, so dass Querschnittsstrukturen in einer Richtung orthogonal zu einer axialen Richtung der Wabenstruktur (einer Zellenerstreckungsrichtung) geriffelt sind. Ferner schlägt Patentschrift 2 einen Wärmespeicherreaktor vor, der erste Strömungswege und zweite Strömungswege orthogonal zu den ersten Strömungswegen aufweist, wobei jeder erste Strömungsweg und jeder zweite Strömungsweg in einer vertikalen Richtung vertikal aneinander angrenzen, bei dem chemische Wärmespeichermedien entlang der zweiten Strömungswege gehalten werden.
• LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
• Patentliteratur
• Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2013-124823 A
• Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011-58678 A
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Technische Aufgabe
• Jedoch ist der Wärmespeicherreaktor von Patentdokument 1 mit offenen Enden für Strömungswege, durch welche ein Reaktantenfluid strömt, und offenen Enden für Strömungswege, durch welche ein Wärmeaustauschfluid strömt, auf derselben Fläche versehen, so dass es schwierig ist, Druck unabhängig Drucksteuerung zur Einleitung des Reaktantenfluids in den Wärmespeicherreaktor durchzuführen. Daher verursacht der Wärmespeicherreaktor Probleme, dass die Reaktion der chemischen Wärmespeichermaterialien nicht effizient erzeugt werden kann, und eine Wärmeabgabe und eine Menge von Wärmestrahlung können nicht ausreichend verbessert werden.
• Andererseits ist der Wärmespeicherreaktor von Patentdokument 2 mit offenen Enden der Strömungswege für ein Reaktantenfluid und ein Wärmeaustauschfluid auf unterschiedlichen Flächen versehen, so dass Drucksteuerung unabhängig durchgeführt werden kann. Da jedoch die Strömungswege für die zwei Fluide orthogonal zueinander verlaufen, ist es notwendig, die Strömungswege für das Wärmeaustauschfluid zu verlängern, um ausreichend Wärme von den chemischen Wärmespeichermaterialien zu dem Wärmeaustauschfluid zu übertragen. Infolgedessen treten Probleme auf, dass die Größe des Wärmespeicherreaktors vergrößert wird, und es ist schwierig, ihn auf das Gebiet von Fahrzeugen anzuwenden, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, für welche eine Verringerung ihrer Größen erforderlich ist.
• Der vorliegenden Erfindung wurde vorgenommen, um die Probleme wie oben beschrieben zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Wärmespeicherreaktor bereitzustellen, der eine große Wärmeabgabe und eine große Menge von Wärmestrahlung aufweist und miniaturisiert werden kann.
• Lösung der Aufgabe
• Als Ergebnis intensiver Untersuchungen zur Lösung der oben genannten Probleme haben die gegenwärtigen Erfinder festgestellt, dass ein Wärmespeicherreaktor mit einer bestimmten Struktur eine Verringerung der Größe gestatten kann, während die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung verbessert werden, und die vorliegende Erfindung somit abgeschlossen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft daher:
• einen Wärmespeicherreaktor, umfassend:
  • eine Mehrzahl von Wärmespeicherschichten, umfassend erste Strömungswege, durch welche ein erstes Fluid strömen kann, wobei jeder der ersten Strömungswege mit Wärmespeichermaterialien gefüllt ist; und
  • eine Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten, umfassend zweite Strömungswege, durch welche ein zweites Fluid strömen kann,
  • wobei die Mehrzahl von Wärmespeicherschichten und die Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten abwechselnd gestapelt sind;
  • wobei offene Enden für die zweiten Strömungswege auf einer Fläche ausgebildet sind, die sich von einer Fläche unterscheidet, auf der offene Enden der ersten Strömungswege ausgebildet sind; und
  • wobei zumindest ein Teil der zweiten Strömungswege parallel zu den ersten Strömungswegen ausgebildet ist.
• Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Wärmespeicherreaktor bereitzustellen, der eine größere Wärmeabgabe und eine große Menge von Wärmestrahlung aufweist und miniaturisiert werden kann.
• Figurenliste
• 1 ist eine Ansicht, die eine Seitenfläche eines Wärmespeicherreaktors gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
• 2 ist eine Ansicht, die eine Endfläche eines Wärmespeicherreaktors gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
• 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in 1.
• 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in 1.
• 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C' in 2.
• 6 ist eine Ansicht, die eine Seitenfläche eines anderen Wärmespeicherreaktors gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
• 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D' in 6.
• 8 ist eine Seitenansicht eines Wärmespeicherreaktors gemäß Ausführungsform 2.
• 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E' in 8.
• 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F' in 8.
• BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen eines Wärmespeicherreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung besonders beschrieben, jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht so ausgelegt werden, dass sie darauf beschränkt ist, und verschiedene Änderungen und Modifikationen können auf Grundlage der Kenntnisse eines Fachmanns vorgenommen werden, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Eine Mehrzahl von Elementen, die in jeder Ausführungsform offenbart werden, kann durch wahlweise Kombinationen verschiedene Erfindungen bilden. Zum Beispiel können einige Elemente von allen Elementen, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, gelöscht werden, oder Elemente verschiedener Ausführungsformen können wahlweise kombiniert werden.
• (Ausführungsform 1)
• Ein Wärmespeicherreaktor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein kreisförmiger säulenförmiger Wärmespeicherreaktor. 1 ist eine Ansicht, die eine Seitenfläche des Wärmespeicherreaktors gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 zeigt, 2 ist eine Ansicht, die eine Endfläche des Wärmespeicherreaktors gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 zeigt, 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' in 1, 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in 1, und 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C' in 2.
  Wie in den 1 bis 5 gezeigt, enthält ein Wärmespeicherreaktor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform: eine Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4 mit ersten Strömungswegen 2, durch welche ein erstes Fluid strömen kann, wobei jeder der ersten Strömungswege 2 mit Wärmespeichermaterialien 3 gefüllt ist; und eine Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6 mit zweiten Strömungswegen 5, durch welche ein zweites Fluid strömen kann. Ferner sind die Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4 und die Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6 abwechselnd übereinander gestapelt. Daher kann in der Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4 Wärme, die von den Wärmespeichermaterialien 3 erzeugt wird, indem es dem ersten Fluid gestattet wird, durch die ersten Strömungswege 2 zu strömen, effizient auf das zweite Fluid übertragen werden, das durch die Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6 strömt.
• Offene Enden 5a der zweiten Strömungswege 5 sind auf einer Fläche ausgebildet, die sich von einer Fläche unterscheidet, auf der offene Enden 2a der ersten Strömungswege 2 ausgebildet sind. Insbesondere sind die offenen Enden 2a der ersten Strömungswege 2 auf einer Endfläche des Wärmespeicherreaktors 1 ausgebildet, und die offenen Enden 5a der zweiten Strömungswege 5 sind auf einer Seitenfläche des Wärmespeicherreaktors 1 ausgebildet. Während die Ausführungsform beschrieben wurde, bei der bei Betrachtung aus der Seitenansicht von 1 und der Querschnittsansicht von 3 ein Einlass und Auslass des zweiten Fluids auf derselben Seitenfläche ausgebildet sind, können der Einlass und der Auslass des zweiten Stroms bei Betrachtung aus der Seitenansicht von 6 und der Querschnittsansicht von 7 auf gegenüberliegenden Seitenflächen ausgebildet sein. Es sollte beachtet werden, dass die Endfläche des Wärmespeicherreaktors 1, wie in 6 und 7 und den anderen Querschnittsansichten gezeigt, weggelassen sind, da sie dieselben sind wie jene der 2, 4 und 5.
  Wie oben beschrieben sind die offenen Enden 5a der zweiten Strömungswege 5 und die offenen Enden 2a der ersten Strömungswege 2 auf unterschiedlichen Flächen vorgesehen, wodurch die Einleitung des ersten Fluids in die ersten Strömungswege 2 und die Einleitung des zweiten Fluids in die Strömungswege 5 gleichzeitig und getrennt von unterschiedlichen Seiten vorgenommen werden kann. Daher ist es möglich, Drucksteuerung zur Einleitung des ersten Fluids in die ersten Strömungswege 2 unabhängig vorzunehmen, so dass das erste Fluid unter einem Druck in die ersten Strömungswege 2 eingeleitet werden kann, der für eine effiziente Reaktion der Wärmespeichermaterialien 3 geeignet ist, die in die ersten Strömungswege 2 gefüllt sind.
• Die ersten Strömungswege 2 weisen die offenen Enden 2a auf, die auf zwei unterschiedlichen Flächen ausgebildet sind. Wenngleich das erste Fluid von den offenen Enden 2, die auf einer Seite vorgesehen sind, in die ersten Strömungswege 2 eingeleitet werden kann, wird es vorzugsweise durch Anwendung von Druck von den offenen Enden 2a, die auf beiden Seiten vorgesehen sind, in die ersten Strömungswege 2 eingeleitet. Die Einleitung des ersten Fluids von den offenen Enden 2a auf beiden Seiten kann es dem ersten Fluid gestatten, schnell mit den Wärmespeichermaterialien 3 in Kontakt gebracht zu werden, die nahe einem mittleren Abschnitt jedes ersten Strömungswegs 2 gefüllt sind, wodurch eine effiziente Reaktion der Wärmespeichermaterialien 3 ermöglicht wird, die in die Strömungswege 2 gefüllt sind.
• Zumindest ein Teil der zweiten Strömungswege 5 ist parallel zu den ersten Strömungswegen 2 ausgebildet. Daher ist es verglichen mit einem Wärmespeicherreaktor zur Durchführung von Querstrom-Wärmeaustausch einfach, Bereiche zu vergrößern, wo die ersten Strömungswege 2 und die zweiten Strömungswege 5 aneinander angrenzen. Das heißt, in dem Wärmespeicherreaktor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann zumindest ein Teil des zweiten Fluids Gegenstrom- oder Parallelstrom-Wärmeaustausch durchführen, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung verbessert werden können, ohne die Größe des Wärmespeicherreaktors zu vergrößern.
• Der Wärmespeicherreaktor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist vorzugsweise eine Wabenstruktur auf. Insbesondere sind die ersten Strömungswege 2 und die zweiten Strömungswege 5 eine Mehrzahl von Zellen, die von Trennwänden 7 definiert sind. Die Trennwände 7 dienen nicht nur dazu, Räume abzutrennen, sondern spielen auch eine Rolle beim Wärmeaustausch. Daher sind beide der ersten Strömungswege 2 und der zweiten Strömungswege 5 als eine Mehrzahl von Zellen strukturiert, die von den Trennwänden 7 definiert sind, wodurch ermöglicht wird, dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden.
• Der oben beschriebene Wärmespeicherreaktor 1 mit einer Wabenstruktur kann gemäß einem Herstellungsverfahren für eine Wabenstruktur hergestellt werden, das auf dem Gebiet bekannt ist. Insbesondere wird zuerst ein Grünkörper gebildet, der ein Keramikrohmaterial enthält, um einen kreisförmigen säulenförmigen wabenförmigen Körper zu erhalten, und dann gebrannt, um eine kreisförmige säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Dann werden Schlitze auf den Seitenflächen der kreisförmigen säulenförmigen Wabenstruktur gebildet, um die Mehrzahl von zweiten Strömungswegen 5 zu verbinden und die offenen Enden 5a zu bilden, und Öffnungen an beiden Endflächen der zweiten Strömungswege 5 werden dann zugestopft, um zugestopfte Abschnitte 8 zu bilden. Die Wärmespeichermaterialien 3 können in die ersten Strömungswege 2 gefüllt werden.
  Zusätzlich kann der Schritt des Bildens der zweiten Strömungswege 5, wie beispielsweise die Bildung von Schlitzen und Zustopfen, an dem kreisförmigen säulenförmigen wabenförmigen Körper durchgeführt werden, bevor er gebrannt wird.
• Das Keramikrohmaterial, das genutzt werden kann, umfassen SiC, metallgebundenes SiC, Metallverbund-SiC, Si₃N₄, Metallverbund-Si₃N₄, Cordierit, Mullit, Spinell, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Zirkoniumdioxid-verstärktes Aluminiumoxid und dergleichen, ist aber nicht insbesondere darauf beschränkt. Diese können allein oder in Kombination von zweien oder mehr genutzt werden.
  Hier umfasst das „metallgebundene SiC“, das genutzt werden kann, metallimprägniertes SiC, Si-gebundenes SiC und SiC, das durch metallisches Si-Metall oder andere Metalle gebunden ist. Beispiele „anderer Metalle“ umfassen AI (Aluminium), Ni (Nickel), Cu (Kupfer), Ag (Silber), Be (Beryllium), Mg (Magnesium), Ti (Titan) und dergleichen.
  Darüber hinaus umfasst das „Metallverbund-SiC“, das genutzt werden kann, jene, die durch Mischen von SiC-Teilchen mit Metallpulver und Sintern des Gemischs erhalten werden.
• Jede der Trennwände 7 und jeder der zugestopften Abschnitte 8 ist vorzugsweise von einem dichten Körper gebildet. So, wie hierin verwendet, bezieht sich der dichte Körper auf einen Körper mit einer Struktur, in welche das erste Fluid und das zweite Fluid nicht eindringen, und eine große Anzahl geschlossener Poren (Hohlräume, die geschlossen sind, ohne durchdrungen zu werden) ist auf der Oberfläche ausgebildet. Durch Bilden jeder der Trennwände 7 und jedes der zugestopften Abschnitte 8 aus dem dichten Körper ist es möglich, das Mischen des ersten Fluids in die zweiten Strömungswege 5 und das Mischen des zweiten Fluids in die ersten Strömungswege 2 zu verhindern.
• Jede Trennwand 7 ist vorzugsweise von einem Material gebildet, das eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr, eine Wärmekapazität von 2000 J/L·K oder weniger, oder beides erfüllt. Die Nutzung eines derartigen Materials kann zu verbesserter Wärmeübertragungsleistung durch die Trennwände 7 führen, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden können.
• Es wird bevorzugt, dass jede der Wärmespeicherschichten 4 und eine Wärmeaustauschschicht 6 eine Reihe einer Zelle aufweisen. Eine derartige Struktur kann es der Mehrzahl von Wärmespeicherschichten 4 und der Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten 6 gestatten, weiter aneinander anzugrenzen, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden können.
• In einem Querschnitt in einer Richtung orthogonal zu der Zellenerstreckungsrichtung kann jede Zelle eine Querschnittsform aufweisen, die einen Kreis, eine Ellipse, ein Dreieck, ein Viereck oder andere Polygone umfasst, aber nicht insbesondere darauf beschränkt ist. Von diesen ist die Querschnittsform der Zelle vorzugsweise ein Quadrat mit einer Seite von 2,0 mm oder weniger. Die Festlegung der Zellen in einer derartigen Querschnittsform kann die effektive Wärmeübertragung über die Trennwände erleichtern, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden können.
• Ferner können die Trennwände 7, welche die Zellen definieren, jeweils eine Dicke von vorzugsweise 0,5 mm oder weniger aufweist, die jedoch nicht insbesondere darauf beschränkt ist. Durch Steuern der Dicke jeder Trennwand 7 der Zellen innerhalb des obigen Bereichs können die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden.
• Ein Verhältnis der Länge jedes ersten Strömungswegs 2 zu einem Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen der angrenzenden Wärmespeicherschicht 4 und der Wärmeaustauschschicht 6 ist nicht insbesondere beschränkt und kann vorzugsweise von 10 bis 500 betragen. Eine derartige Ausgestaltung kann gestatten, dass die Wärme, die in den Wärmespeicherschichten 4 erzeugt wird, effizient auf das zweite Fluid übertragen wird, das durch die Wärmeaustauschschichten 6 strömt.
• Das erste Fluid ist nicht sonderlich beschränkt, solange es mit den Wärmespeichermaterialien 3 reagiert oder an diese adsorbiert werden kann. Beispiele des ersten Fluids umfassen Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlendioxid, Ammoniak und dergleichen.
  Das zweite Fluid ist nicht sonderlich beschränkt und kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Typische Beispiele des zweiten Fluids umfassen Abgase.
• Die Wärmespeichermaterialien 3 sind nicht sonderlich beschränkt, und es können beliebige Materialien genutzt werden, die auf dem Gebiet bekannt sind. Beispiele der Wärmespeichermaterialien 3 umfassen chemische Wärmespeichermaterialien, Materialien zur Speicherung fühlbarer Wärme und Materialien zur Speicherung latenter Wärme. Von diesen sind die chemischen Wärmespeichermaterialien im Hinblick auf Wärmespeicherdichte vorzuziehen. Beispiele der chemischen Wärmespeichermaterialien umfassen Wärmespeichermaterialien auf Metallwasserstoffbasis, Wärmespeichermaterialien auf Metalloxid-Wasserdampfbasis, Wärmespeichermaterialien auf Metalloxid-Kohlendioxidbasis, Wärmespeichermaterialien auf Metallsalz-Wasserdampfbasis, Metallsalz-Ammoniak Wärmespeichermaterialien auf Wasserbasis, Wärmespeichermaterialien auf Wasserdampfadsorptionsbasis und dergleichen. Von diesen sind die Wärmespeichermaterialien auf Metalloxid-Wasserdampfbasis, die Wärmespeichermaterialien auf Metallsalz-Wasserdampfbasis und die Wärmespeichermaterialien auf Wasserdampfadsorptionsbasis hinsichtlich einfacher Handhabung und Kosten vorteilhaft.
  Beispiele des Metalloxids umfassen MgO, CaO, SrO, BaO, CaSO₄ und dergleichen. Beispiele des Metallsalzes umfassen CaCl₂, SrCl₂, MgCl₂, LiCl, SrBr₂ und dergleichen. Die Wärmespeichermaterialien auf Wasserdampfadsorptionsbasis umfassen Zeolith und dergleichen.
• Eine Füllrate der Wärmespeichermaterialien 3 in den ersten Strömungswegen 2 sind nicht sonderlich beschränkt, und sie kann vorzugsweise von 30 bis 70 % betragen. Durch Steuern der Füllrate innerhalb des obigen Bereichs kann die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung weiter verbessert werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Wärmespeicher- oder Wärmestrahlungs-Reaktionsgeschwindigkeit verringert wird, wenn die Füllrate zu hoch ist, so dass ein zunehmender Druck oder ein abnehmender Druck erforderlich sein kann, um das erste Fluid in die ersten Strömungswege 2 einzuleiten.
• Die Wärmespeichermaterialien 3 können bis zu dem offenen Ende 2a jedes ersten Strömungswegs 2 gefüllt werden. Um jedoch zu verhindern, dass die Wärmespeichermaterialien 3 abfallen, können die Wärmespeichermaterialien 3 in den ersten Strömungswegen 2 eingeschlossen werden, indem zugestopfte Abschnitte gebildet werden, die aus einem porösen Körper an den offenen Enden 2a auf beiden Seiten gebildet sind. Das Bilden derartiger zugestopfter Abschnitte an den offenen Enden 2a auf beiden Seiten kann es den Wärmespeichermaterialien 3 gestatten, stabil in den ersten Strömungswegen 2 gehalten zu werden, ohne den Strom des ersten Fluids in den ersten Strömungswegen 2 zu behindern.
• Hier wird beispielhaft ein Fall der Nutzung von Wasserdampf als das erste Fluid, eines Abgases als das zweite Fluid und Speichermaterialien auf CaCl₂-Wasserdampfbasis als die Wärmespeichermaterialien 3 beschrieben (ein Anwendungsbeispiel als ein Katalysator). Die Wärmespeichermaterialien 3 liegt gewöhnlich in Form von CaCl₂•2H₂O vor.
  Wenn es einem Abgas gestattet wird, durch die zweiten Strömungswege 5 zu strömen, werden zuerst die Wärmespeichermaterialien 3, die in die ersten Strömungswege 2 gefüllt sind, erhitzt, wenn die Temperatur des Abgases erhöht wird. Wenn die Temperatur des Abgases auf eine vorbestimmte Temperatur oder höher erhitzt wird, bewirken die Wärmespeichermaterialien 3 eine endotherme Reaktion (Dehydrationsreaktion), um zu CaCl₂ umgewandelt zu werden. Selbst wenn die Temperatur des Abgases verringert wird, behalten die Wärmespeichermaterialien 3 anschließend die Form von CaCl₂.
  Dann wird es einem Wasserdampf gestattet, durch die ersten Strömungswege 2 zu strömen, wodurch die Wärmespeichermaterialien 3 eine exotherme Reaktion (Hydrationsreaktion) bewirken, um zu CaCl₂•2H₂O umgewandelt zu werden. In diesem Fall wird die Wärme, die durch die exotherme Reaktion erzeugt wird, auf das Abgas übertragen, indem es dem Abgas gestattet wird, durch die zweiten Strömungswege 5 zu strömen, so dass sie Temperatur des Abgases erhöht werden kann. Infolgedessen kann die Wärme des Abgases die Aktivierung eines Katalysators fördern.
• Gemäß dem Wärmespeicherreaktor 1 der vorliegenden Ausführungsform kann die Drucksteuerung zur Einleitung des ersten Fluids in die ersten Strömungswege 2 unabhängig vorgenommen werden, und zumindest ein Teil des zweiten Fluids kann Gegenstrom- oder Parallelstrom-Wärmeaustausch gestatten, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung erhöht werden können und die Größe des Wärmespeicherreaktors verringert werden kann.
• (Ausführungsform 2)
• Ein Wärmespeicherreaktor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein sechseckiger säulenförmiger Wärmespeicherreaktor. Die grundlegenden Merkmale des Wärmespeicherreaktors gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind dieselben wie jene des Wärmespeicherreaktors 1 gemäß Ausführungsform 1. Daher werden hierin nur unterschiedliche Punkte beschrieben.
  8 ist eine Seitenansicht des Wärmespeicherreaktors gemäß der vorliegenden Ausführungsform, 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E' in 8, und 10 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F' in 8.
• Wie in den 8 bis 10 gezeigt, weist ein Wärmespeicherreaktor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sechs Seitenflächen auf und umfasst offene Enden 2a der ersten Strömungswege 2 und offene Enden 5a der zweiten Strömungswege 5, die jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen vorgesehen sind. Zugestopfte Abschnitte 8 sind auf der übrigen, gegenüberliegenden einen Seitenfläche ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass obere und untere Flächen des Wärmespeicherreaktors 10 Außenwände sind und keine Öffnung aufweisen.
  Da die offenen Enden 5a der zweiten Strömungswege 5 auf einer Seitenfläche vorgesehen sind, die sich von einer Seitenfläche unterscheidet, auf der die offenen Enden 2a der ersten Strömungswege 2 ausgebildet sind, kann die Einleitung des ersten Fluids zu den ersten Strömungswegen 2 und die Einleitung des zweiten Fluids in die zweiten Strömungswege 5 gleichzeitig und getrennt von unterschiedlichen Seiten vorgenommen werden. Daher ist es möglich, Drucksteuerung zur Einleitung des ersten Fluids in die ersten Strömungswege 2 unabhängig vorzunehmen, so dass das erste Fluid unter einem Druck in die ersten Strömungswege 2 eingeleitet werden kann, der für eine effiziente Reaktion der Wärmespeichermaterialien 3 geeignet ist, die in die ersten Strömungswege 2 gefüllt sind.
• Ferner ist zumindest ein Teil der zweiten Strömungswege 5 parallel zu den ersten Strömungswegen 2 ausgebildet, wodurch gestattet wird, dass Bereiche, wo der erste Strömungsweg 2 und der zweite Strömungsweg 5 über die Trennwand 7 aneinander angrenzen, einfach vergrößert werden können. Daher kann in dem Wärmespeicherreaktor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zumindest ein Teil des zweiten Fluids Gegenstrom- oder Parallelstrom-Wärmeaustausch durchführen, wie in dem Wärmespeicherreaktor 1 gemäß der ersten Ausführungsform, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung verbessert werden können, ohne die Größe des Wärmespeicherreaktors zu vergrößern.
• Der Wärmespeicherreaktor 10 mit der obigen Struktur kann gemäß dem Herstellungsverfahren für eine Wabenstruktur hergestellt werden, das auf dem Gebiet bekannt ist. Insbesondere wird zuerst ein Grünkörper gebildet, der ein Keramikrohmaterial enthält, um einen sechseckigen säulenförmigen wabenförmigen Körper zu erhalten, und dann gebrannt, um eine sechseckige säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Öffnungen einer gegenüberliegenden Seitenfläche werden dann zugestopft, um zugestopfte Abschnitte 8 zu bilden, und Schlitze werden dann von den offenen Enden 2a und den offenen Enden 5a gebildet, um Räume der Mehrzahl von ersten Strömungswegen 2 und Räume die Mehrzahl von zweiten Strömungswegen 5 zu verbinden. Die Wärmespeichermaterialien 3 können dann in die ersten Strömungswege 2 gefüllt werden.
• Gemäß dem Wärmespeicherreaktor 10 der vorliegenden Ausführungsform kann die Drucksteuerung zur Einleitung des ersten Fluids in die ersten Strömungswege 2 unabhängig vorgenommen werden, und zumindest ein Teil des zweiten Fluids kann Gegenstrom- oder Parallelstrom-Wärmeaustausch gestatten, so dass die Wärmeabgabe und die Menge von Wärmestrahlung erhöht werden können und die Größe des Wärmespeicherreaktors verringert werden kann.
• BEISPIELE
• Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch Beispiele genauer beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht durch diese Beispiele begrenzt.
• (Beispiel 1)
• Es wurde ein Wärmespeicherreaktor 1 mit einer Struktur hergestellt, die in jeder der 1 bis 5 gezeigt ist.
  Zuerst wurde ein Grünkörper gebildet, der ein Keramikrohmaterial enthält, das Siliciumcarbid und metallisches Silicium enthält, um einen kreisförmigen säulenförmigen wabenförmigen Körper zu erhalten, und dann gebrannt, um eine kreisförmige säulenförmige Wabenstruktur zu erhalten. Hier wies die Wabenstruktur eine Zellenquerschnittsform (eine Querschnittsform in der Richtung orthogonal zu der Zellenerstreckungsrichtung) eines Quadrats mit einer Seite von 1,5 mm, eine Dicke der Abtrennung 7 von 0,5 mm und eine Länge in der Zellenerstreckungsrichtung (eine Länge des ersten Strömungswegs 2) von 60 mm auf. Ferner wies jede Trennwand 7 eine Wärmeleitfähigkeit von 150 W/m·K und eine Wärmekapazität von 2100 J/L·K auf. Dann wurden Schlitze auf einer Seitenfläche der kreisförmigen säulenförmigen Wabenstruktur gebildet, um die offenen Enden 5a der zweiten Strömungswege 5 zu bilden, und Öffnungen der zweiten Strömungswege 5 an beiden Endflächen wurden zugestopft, um zugestopfte Abschnitte 8 zu bilden. Anschließend wurde CaCl₂ als die Wärmespeichermaterialien 3 in die ersten Strömungswege 2 gefüllt. Die Füllrate der Wärmespeichermaterialien 3 in den ersten Strömungswegen 2 betrug 38 %.
• (Beispiel 2)
• Es wurde ein Wärmespeicherreaktor 1 mit demselben Verfahren wie jenem von Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Zellenquerschnittsform ein Quadrat mit einer Seite von 0,75 mm war und eine Dicke der Trennwand 7 0,25 mm betrug.
• (Beispiel 3)
• Es wurde ein Wärmespeicherreaktor 1 mit demselben Verfahren wie jenem von Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Zellenquerschnittsform ein Quadrat mit einer Seite von 2.5 mm war und eine Dicke der Trennwand 7 0.5 mm betrug.
• (Beispiel 4)
• Es wurde ein Wärmespeicherreaktor 1 mit demselben Verfahren wie jenem von Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Zellenquerschnittsform ein Quadrat mit einer Seite von 1.5 mm war und eine Dicke der Trennwand 7 1.5 mm betrug.
• (Beispiel 5)
• Es wurde ein Wärmespeicherreaktor 1 mit demselben Verfahren wie jenem von Beispiel 1 hergestellt, außer dass ein Grünkörper, der ein Keramikrohmaterial enthält, das Cordierit enthält, genutzt wurde. Darüber hinaus wies jede Trennwand eine Wärmeleitfähigkeit von 4,4 W/m·K und eine Wärmekapazität von 1750 J/L. K auf.
• Für jeden der Wärmespeicherreaktoren 1 der Beispiele 1 bis 5, die wie oben beschrieben erhalten wurden, wurden eine durchschnittliche Wärmeabgabe und eine Wärmestrahlungsmenge pro Volumen des Wärmespeicherreaktors 1 bewertet. Insbesondere wurden die Wärmeabgabe und die Wärmestrahlungsmenge wie folgt bestimmt:
  Zuerst wurde ein Wasserdampf zu den ersten Strömungswegen 2 jedes Wärmespeicherreaktors 1 unter einem Druck von 70 kPa und mit einer Strömungsrate von 2 L/min geleitet, um eine exotherme Reaktion (Hydrationsreaktion) der Wärmespeichermaterialien 3 zu bewirken, und einem organischen Lösemittel (Theral H 350 von Julabo) wurde gestattet, durch die zweiten Strömungswege 5 zu strömen. Eine Temperatur, bevor das organische Lösemittel die zweiten Strömungswege 5 des Wärmespeicherreaktors 1 durchlaufen hat, und eine Temperatur, nachdem das organische Lösemittel die zweiten Strömungswege 5 des Wärmespeicherreaktors 1 durchlaufen hat, wurden gemessen, und eine Temperaturdifferenz dazwischen (die Temperatur, nachdem das Lösemittel die zweiten Strömungswege 5 des Wärmespeicherreaktors 1 durchlaufen hat - die Temperatur, bevor das Lösemittel die zweiten Strömungswege 5 des Wärmespeicherreaktors 1 durchlaufen hat) wurde berechnet.
  Die durchschnittliche Wärmeabgabe wurde durch die folgende Gleichung berechnet, und der Maximalwert wurde bestimmt.
  $$\begin{array}{l}\text{Durchschnittliche Wärmeabgabe}\\ =\frac{{\displaystyle \int \left\{\left(\text{Lösemitteldichte}\right)\times \left(\text{spezifische Wärme des Lösemittels}\right)\times \left(\text{Lösemittelflussrate}\right)\times \left(\text{Temperaturdifferenz}\right)\right\}\text{dt}}}{\left(\text{Zeit}\right)\times \left(\text{Volumen des Wärmespeicherreaktors}\right)}\end{array}$$

  
• Die Wärmestrahlungsmenge wurde durch die folgende Gleichung berechnet, und die Wärmestrahlungsmenge nach 500 Sekunden wurde bestimmt.
  $$\begin{array}{l}\text{Wärmestrahlungsmenge}\\ =\frac{{\displaystyle \int \left\{\left(\text{Lösemitteldichte}\right)\times \left(\text{spezifische Wärme des Lösemittels}\right)\times \left(\text{Lösemittelflussrate}\right)\times \left(\text{Temperaturdifferenz}\right)\right\}\text{dt}}}{\left(\text{Volumen des Wärmespeicherreaktors}\right)}\end{array}$$

  
• Tabelle 1 zeigt die Bewertungsergebnisse der obigen durchschnittlichen Wärmeabgabe und der Wärmestrahlungsmenge.
  [Tabelle 1]

  	Material	Länge einer Seite der quadratischen Zellenquerschnittsform (mm)	Dicke der Trennwand (mm)	Maximale durchschnittl. Wärmeabgabe (W/L)	Wärmestrahlungsmenge nach 500 Sek. (J/L)
  Beispiel 1	Si-SiC	1,5	0,5	780	190
  Beispiel 2	Si-SiC	0,75	0,25	1600	210
  Beispiel 3	Si-SiC	2,5	0,5	500	140
  Beispiel 4	Si-SiC	1,5	1,5	300	90
  Beispiel 5	Cordierit	1,5	0,5	800	180

• Wie in den Ergebnissen von Tabelle 1 gezeigt, wurde festgestellt, dass die Wärmeabgabe und die Wärmestrahlungsmenge durch Festlegen der Zellenquerschnittsform auf ein Quadrat mit einer Seite von 2,0 mm oder weniger und einer Dicke der Trennwand 7 von 0,5 mm oder weniger verbessert werden.
  Es wurde auch festgestellt, dass eine verringerte Wärmekapazität der Trennwände 7 zu einer erhöhten Wärmeabgabe und einer erhöhten Wärmestrahlungsmenge führen konnte, selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit der Trennwände 7 niedriger war. Dies würde daran liegen, dass, wenn die Wärmekapazität der Trennwände 7 niedriger war, die Temperatur der Trennwände 7 einfach erhöht wurde und die Wärme, die von den Wärmespeichermaterialien 3 erzeugt wurde, effizient auf das organische Lösemittel übertragen werden konnte, das durch die zweiten Strömungswege 5 strömt.
  Es wurde auch festgestellt, dass die Wärmeabgabe und die Wärmestrahlungsmenge durch Verkürzen des Wärmeübertragungsabstands (des Abstands zwischen der Wärmespeicherschicht und der Wärmeaustauschschicht) erhöht werden konnte, selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit der Trennwände 7 niedriger war. Dies würde daran liegen, dass ein kurzer Wärmeübertragungsabstand aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit der Trennwände 7 eine geringe Wirkung des Wärmewiderstands aufweist.
• Bezugszeichenliste

1, 10

Wärmespeicherreaktor

2

erster Strömungsweg

2a, 5a

offenes Ende

3

Wärmespeichermaterial

4

Wärmespeicherschicht

5

zweiter Strömungsweg

6

Wärmeaustauschschicht

7

Trennwand

8

zugestopfter Abschnitt

Claims (9)

1. Wärmespeicherreaktor, umfassend: eine Mehrzahl von Wärmespeicherschichten, umfassend erste Strömungswege, durch welche ein erstes Fluid strömen kann, wobei jeder der ersten Strömungswege mit Wärmespeichermaterialien gefüllt ist; und eine Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten, umfassend zweite Strömungswege, durch welche ein zweites Fluid strömen kann, wobei die Mehrzahl von Wärmespeicherschichten und die Mehrzahl von Wärmeaustauschschichten abwechselnd gestapelt sind; wobei offene Enden für die zweiten Strömungswege auf einer Fläche ausgebildet sind, die sich von einer Fläche unterscheidet, auf der offene Enden der ersten Strömungswege ausgebildet sind; und wobei zumindest ein Teil der zweiten Strömungswege parallel zu den ersten Strömungswegen ausgebildet ist.
2. Wärmespeicherreaktor nach Anspruch 1, wobei die ersten Strömungswege und die zweiten Strömungswege eine Mehrzahl von Zellen sind, die von Trennwänden definiert sind.
3. Wärmespeicherreaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmespeicherreaktor kreisförmig säulenförmig oder sechseckig säulenförmig ist.
4. Wärmespeicherreaktor nach Anspruch 2 oder 3, wobei jede von einer Wärmespeicherschicht und einer Wärmeaustauschschicht eine Rohe der Mehrzahl der Zellen umfasst.
5. Wärmespeicherreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jede der Zellen eine Querschnittsform eines Quadrats mit einer Seite von 2,0 mm oder weniger aufweist und jede der Trennwände, welche die Zellen definieren, eine Dicke von 0,5 mm oder weniger aufweist.
6. Wärmespeicherreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Verhältnis einer Länge der ersten Strömungswege zu einem Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen der Wärmespeicherschicht und der Wärmeaustauschschicht, die aneinander angrenzen, von 10 bis 500 beträgt.
7. Wärmespeicherreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei jede der Trennwände, welche die Zellen definieren, von einem Material gebildet ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder mehr und/oder eine Wärmekapazität von 2000 J/L·K oder weniger erfüllt.
8. Wärmespeicherreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Strömungswege offene Enden aufweisen, die auf zwei unterschiedlichen Flächen ausgebildet sind, wobei das erste Fluid durch Anwendung von Druck von den offenen Enden, die auf beiden Seiten vorgesehen sind, in die ersten Strömungswege eingeleitet wird.
9. Wärmespeicherreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmespeicherreaktor für Fahrzeuge ist.

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