JP2010090786A - 車両用蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースで単純な構成の車両用蓄熱装置を提供する。
【解決手段】エンジン１００と排気通路１１０とを備えた車両に適用され、排気通路１１０から分岐して設けられ、排気の一部を流通させる分岐通路１０と、分岐通路１０に設けられ、排気の少なくとも１成分を反応媒体とするとともに所定の温度及び圧力を境に発熱／吸熱反応が切り替わる化学蓄熱剤が充填された蓄熱部２０と、分岐通路１０の蓄熱部２０よりも下流側に接続され、蓄熱部２０を通過した排気を熱輸送媒体として流通させて加熱対象に熱を供給する第１通路３０と、分岐通路１０の蓄熱部２０よりも下流側に接続され、蓄熱部２０を通過した排気を外部に排出する第２通路４０と、第１通路３０及び第２通路４０の開度を調整可能なバルブ３１、４１と、加熱対象の温度に基づいてバルブ３１、４１を制御するＥＣＵ９０とを有するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気を用いて蓄熱する車両用蓄熱装置に関する。

特許文献１には、車両に適用される従来の蓄熱システムが開示されている。この蓄熱システムでは、ＣａＯ等のアルカリ土類金属酸化物が蓄熱剤として用いられ、アルカリ土類金属酸化物の脱水反応及び加水反応を用いて蓄放熱が繰り返し行われるようになっている。蓄熱剤から放熱された熱は、加熱対象（例えば、低温始動時における触媒やＬＬＣ等）へ供給される。
特開平７−１８０５３９号公報

しかしながら、上記の蓄熱システムでは、反応媒体として用いられる水を貯蔵しておくための容器が必要になる。このため、反応媒体の貯蔵容器スペースを車両内に確保する必要があるという問題点があった。また、貯蔵容器内の反応媒体の凍結を防止するための特別な手段が必要となる。このため、蓄熱システムの構成が複雑化するという問題があった。

本発明の目的は、省スペースで単純な構成の車両用蓄熱装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明は、内燃機関（１００）と、内燃機関（１００）の排気を外部に排出する排気通路（１１０）とを備えた車両に適用され、排気通路（１１０）から分岐して設けられ、排気の一部を流通させる分岐通路（１０）と、分岐通路（１０）に設けられ、排気の成分のうち少なくとも１つの成分を反応媒体とするとともに所定の温度及び圧力を境に発熱／吸熱反応が切り替わる化学蓄熱剤が充填された蓄熱部（２０）と、分岐通路（１０）の蓄熱部（２０）よりも下流側に接続され、蓄熱部（２０）を通過した排気を熱輸送媒体として流通させて加熱対象に熱を供給する第１通路（３０）と、分岐通路（１０）の蓄熱部（２０）よりも下流側に接続され、蓄熱部（２０）を通過した排気を外部に排出する第２通路（４０）と、第１通路（３０）及び第２通路（４０）の開度を調整可能な開度調整手段（３１、４１）と、加熱対象の温度に基づいて開度調整手段（３１、４１）を制御し、第１通路（３０）及び第２通路（４０）の開度を調整する制御手段（９０）とを有することを特徴とする車両用蓄熱装置である。

これにより、内燃機関（１００）の排気の成分が反応媒体となり得るとともに、排気そのものが熱輸送媒体となり得る。このため、反応媒体を別途用いることなく蓄熱部（２０）での蓄放熱を行うことが可能となる。したがって、反応媒体の貯蔵容器スペースや凍結防止手段が不要となるため、省スペースで単純な構成の車両用蓄熱装置が得られる。

請求項２に記載の発明は、制御手段（９０）は、加熱対象の温度が所定温度よりも低い場合、第１通路（３０）が開となり第２通路（４０）が閉となるように開度調整手段（３１、４１）を制御し、加熱対象の温度が所定温度以上の場合、第１通路（３０）が閉となり第２通路（４０）が開となるように開度調整手段（３１、４１）を制御することを特徴としている。

これにより、加熱対象の温度が所定温度よりも低い場合、第２通路（４０）を遮断して第１通路（３０）に排気を流通させることによって、加熱対象に熱を確実に供給できる。一方、加熱対象の温度が所定温度以上の場合、第１通路（３０）を遮断し、第２通路（４０）を介して排気を外部に排出することによって、加熱対象への熱の供給を確実に回避できる。

請求項３に記載の発明は、第１通路（３０）は、分岐通路（１０）の蓄熱部（２０）よりも下流側と内燃機関（１００）の吸気通路（１２０）とを接続しており、加熱対象は、内燃機関（１００）の吸気であることを特徴としている。

これにより、熱交換器を介さずに内燃機関（１００）の吸気に熱が供給されるため、より効率良く吸気温度を上昇させることができる。

請求項４に記載の発明は、排気通路（１１０）と吸気通路（１２０）とを接続し、内燃機関（１００）の排気の一部を還流させて内燃機関（１００）に再度吸気させる排気再循環通路（１３０）と、排気再循環通路（１３０）に設けられ、排気再循環通路（１３０）を流通する排気の流量を調整可能な流量調整手段（１３１）とをさらに有し、分岐通路（１０）の蓄熱部（２０）よりも下流側は、排気再循環通路（１３０）の流量調整手段（１３１）よりも吸気通路（１２０）側に位置する接続部（１３２）に接続され、接続部（１３２）よりも吸気通路（１２０）側の排気再循環通路（１３０ａ）は第１通路（３０）として機能し、接続部（１３２）よりも排気通路（１１０）側の排気再循環通路（１３０ｂ）は第２通路（４０）として機能し、流量調整手段（１３１）は、第２通路（４０）の開度を調整可能な開度調整手段（４１）として機能することを特徴としている。

これにより、排気再循環通路（１３０）及び流量調整手段（１３１）を備えた車両に車両用蓄熱装置を搭載する場合に、第１通路（３０）及び第２通路（４０）と第２通路（４０）の開度調整手段（４１）とを新たに設ける必要がないため、車両用蓄熱装置を簡易な構成とすることができる。

請求項５に記載の発明は、加熱対象は、内燃機関（１００）を冷却する冷却水であることを特徴としている。

これにより、冷却水の温度上昇が促進されるため、内燃機関（１００）の暖機や冷却水を用いた暖房の立ち上がりを早期に行うことができる。

請求項６に記載の発明は、反応媒体はＨ_２Ｏ又はＣＯ_２であり、化学蓄熱剤は金属酸化物であることを特徴としている。

金属酸化物を化学蓄熱剤として用いた場合、排気の温度変化範囲は、発熱／吸熱反応が切り替わる平衡線を跨ぎ得るため、発熱反応又は吸熱反応のどちらが進行するかを排気温度により制御するのが容易になる。

請求項７に記載の発明は、反応媒体はＨ_２Ｏであり、化学蓄熱剤はＣａＯであることを特徴としている。

ＣａＯは高温に加熱しても劣化度合いが小さいため、化学蓄熱剤にＣａＯを用いることにより蓄熱部（２０）の蓄熱性能の劣化を抑制できる。

請求項８に記載の発明は、蓄熱部（２１）は、化学蓄熱剤の粒子（２４）と金属粒子（２３）とを混合した混合粒子群（２５）が焼結成型された構造体（２６）を有していることを特徴としている。

これにより、化学蓄熱剤の粒子（２４）は金属粒子２３に囲まれて保持されるため、発熱／吸熱反応に伴って体積変化が生じても固定が維持され、崩壊が抑制される。

請求項９に記載の発明は、蓄熱部（２１）は、構造体（２６）が筒状に開口され、内部に排気を流通させる筒状開口部（２７、２８）を有していることを特徴としている。

これにより、筒状開口部（２７、２８）内に排気を流通させることができるため、排気が蓄熱部（２１）を通過する際の圧力損失を低減することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図５を用いて説明する。まず、本実施形態における車両用蓄熱装置の原理について説明する。図１及び図２は、本実施形態における車両用蓄熱装置の基本構成を模式的に示している。図１は、車両用蓄熱装置において放熱プロセスが行われている状態を示し、図２は、車両用蓄熱装置において蓄熱プロセスが行われている状態を示している。

図１及び図２に示すように、車両用蓄熱装置は、エンジン（内燃機関）１００と、エンジン１００の排気を外部に排出する排気通路１１０と、排気通路１１０に設けられ、触媒作用により排気を浄化する触媒コンバータ（図示せず）とを備えた車両に適用される。車両用蓄熱装置は、触媒コンバータよりも上流側の分岐部１１１で排気通路１１０から分岐して排気の一部を分流させる分岐通路１０を有している。分岐通路１０の途中には、蓄放熱が繰り返し行われる蓄熱部２０が設けられている。蓄熱部２０は、粒子状の化学蓄熱剤（例えば金属酸化物）が筒状体の内部に所定の空隙率で充填された充填層構造を有している。化学蓄熱剤は、エンジン１００の排気の成分のうち少なくとも１つの成分（例えば、Ｈ_２ＯやＣＯ_２）を反応媒体とし、発熱反応と吸熱反応とが可逆的に行われるようになっている。蓄熱部２０内では排気が化学蓄熱剤の粒子間隙を通過するため、排気と化学蓄熱剤との間では直接接触式の熱交換が行われるようになっている。

分岐通路１０の下流端には、排気を熱輸送媒体として流通させて加熱対象に熱を供給する第１通路３０と、排気を外部に排出する第２通路４０とが互いに分岐して接続されている。第１通路３０には、当該第１通路３０の開度を調整可能なバルブ（開度調整手段）３１が設けられている。第２通路４０には、当該第２通路４０の開度を調整可能なバルブ（開度調整手段）４１が設けられている。バルブ３１、４１は、制御手段（図１及び図２では図示せず）によって加熱対象の温度に基づき作動制御されるようになっている。加熱対象の温度が比較的低い場合には、バルブ３１の作動により第１通路３０が高開度（例えば全開）になり、バルブ４１の作動により第２通路４０が低開度（例えば全閉）になる。これにより、分岐通路１０を流れて蓄熱部２０を通過した排気は、第１通路３０に流入する。一方、加熱対象の温度が高い場合には、バルブ３１の作動により第１通路３０が低開度（例えば全閉）になり、バルブ４１の作動により第２通路４０が高開度（例えば全開）になる。これにより、分岐通路１０を流れて蓄熱部２０を通過した排気は、第２通路４０に流入する。

図３は、本実施形態に用いられる化学蓄熱剤で進行する反応と温度及び圧力との関係を示すＰ−Ｔ線図である。図３の横軸は温度の逆数（１／Ｔ）を表し、縦軸は圧力Ｐを表している。図３に示すように、この化学蓄熱剤は、所定の温度及び圧力を境に発熱／吸熱反応が切り替わるようになっている。平衡線よりも低温側（高圧側）では、化学反応式（１）で表される発熱反応（加水反応）が進行し、平衡線よりも高温側（低圧側）では、化学反応式（２）で表される吸熱反応（脱水反応）が進行する。なお、式中の（ｓ）は固相を表し、（ｇ）は気相を表す。
Ｘ（ｓ）＋Ｈ_２Ｏ（ｇ）→Ｘ（ＯＨ）（ｓ）＋Ｑ（発熱） ・・・（１）
Ｘ（ＯＨ）（ｓ）→Ｘ（ｓ）＋Ｈ_２Ｏ（ｇ）−Ｑ（吸熱） ・・・（２）
すなわち、温度と圧力を操作することにより、化学蓄熱剤で発熱反応又は吸熱反応のどちらが進行するかを制御することができる。化学蓄熱剤として金属酸化物（例えばＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ等）を用いた場合、エンジン１００始動時から定常運転時までの排気の温度変化範囲は、発熱／吸熱反応が切り替わる平衡線を跨ぎ得るため、発熱反応又は吸熱反応のどちらが進行するかを排気温度により制御するのが容易になる。

加熱対象の温度が低い場合（例えば低温始動時等）には、低温の排気が蓄熱部２０を通過し、排気に含まれるＨ_２Ｏが化学蓄熱剤と発熱反応する。これにより、蓄熱部２０を通過する排気が加熱される。蓄熱部２０で加熱された排気は、第１通路３０を流れて加熱対象へ運ばれるため、加熱対象に熱を供給することができる（図１に示す放熱プロセス）。

一方、加熱対象の温度が高い場合（例えば定常運転時等）には、高温の排気が蓄熱部２０を通過し、化学蓄熱剤では排気の熱を吸収する吸熱反応が行われる。これにより、化学蓄熱剤を再生することができる。蓄熱部２０を通過した排気は、第２通路４０を流れて外部に排出される（図２に示す蓄熱プロセス）。

以上のように本実施形態では、エンジン１００の排気の成分（本例ではＨ_２Ｏ）が反応媒体となり得るとともに、排気そのものが熱輸送媒体となり得る。このため、反応媒体を別途用いることなく放熱／蓄熱プロセスを行うことが可能となる。したがって、反応媒体の貯蔵容器スペースや凍結防止手段が不要となるため、省スペースで単純な構成の車両用蓄熱装置が得られる。

また本実施形態では、熱輸送媒体である排気と蓄熱部２０の化学蓄熱剤との間では、直接接触式の熱交換が行われる。したがって本実施形態は、熱輸送媒体と蓄熱剤との間に熱交換器が介在する構成と比較すると、熱交換効率が高くなることに加え、熱交換器自体の熱容量を考慮する必要がなくなるため、熱出力を向上させることができる。

さらに本実施形態では、加熱対象の温度に基づいてバルブ３１、４１を作動させ、蓄熱部２０下流側の排気流路を切り替えている。このため、加熱対象の温度が所定温度よりも低い場合、第２通路４０を遮断して第１通路３０に排気を流通させることによって、加熱対象に熱を確実に供給できる。一方、加熱対象の温度が所定温度以上の場合、第１通路３０を遮断し、第２通路４０を介して排気を外部に排出することによって、加熱対象への過度の熱供給を確実に回避できる。

上記の例では、反応媒体としてＨ_２Ｏが用いられているが、エンジン１００の排気に含まれる他の成分（例えばＣＯ_２）を反応媒体として用いることもできる。ＣＯ_２を用いた場合の化学蓄熱剤の発熱反応及び吸熱反応は、それぞれ化学反応式（３）及び（４）で表される。
Ｘ（ｓ）＋ＣＯ_２（ｇ）→Ｘ（ＣＯ_３）（ｓ）＋Ｑ（発熱） ・・・（３）
Ｘ（ＣＯ_３）（ｓ）→Ｘ（ｓ）＋ＣＯ_２（ｇ）−Ｑ（吸熱） ・・・（４）
次に、本実施形態における車両用蓄熱装置をより具体的に説明する。図４は、車両用蓄熱装置１の構成をより具体的に示す図である。図４では、放熱プロセスを示している。図４に示すように、車両用蓄熱装置１は、上記の基本構成に加え、蓄熱部２０よりも上流側で分岐通路１０の開度を調整可能なバルブ１１をさらに有している。バルブ１１は、バルブ３１、４１と同様に、ＥＣＵ（制御手段）９０により作動制御されるようになっている。

第１通路３０のバルブ３１よりも下流側には、熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０は、第１通路３０を流通する排気との熱交換によりエンジン冷却水（ＬＬＣ）を加熱するようになっている。すなわち本実施形態では、ＬＬＣ（エンジンそのもの）が加熱対象になっている。ＥＣＵ９０は、ＬＬＣ配管に設けられた不図示の温度センサからの検出信号、又は通信ネットワークを介した他のＥＣＵとの通信によって、ＬＬＣの温度を取得できるようになっている。

第１通路３０の下流端は、分岐部１１１よりも下流側であって触媒コンバータよりも上流側で排気通路１１０に合流している。また、第２通路４０の下流端も同様に、分岐部１１１よりも下流側であって触媒コンバータよりも上流側で排気通路１１０に合流している。すなわち、第１通路３０を流通した排気及び第２通路４０を流通した排気は、いずれも触媒コンバータを通過して外部に排出される。

本例では、蓄熱部２０に充填される化学蓄熱剤としてＣａＯが用いられている。定常運転時の排気温度は高温になり、特に高負荷時には８００℃近くに達する場合がある。ＣａＯやＣａ（ＯＨ）_２は１２００℃程度に加熱しても劣化度合いが小さいため、化学蓄熱剤としてＣａＯを用いることにより、蓄熱部２０の蓄熱性能の劣化を抑制できる。またＣａＯは、他の金属酸化物等と比較して、加水／脱水反応における反応速度や安定性が高いという利点も有している。

図５は、ＬＬＣ温度（又はエンジン温度）と、ＥＣＵ９０により制御される３つのバルブ１１、３１、４１の作動との関係を示すタイミングチャートである。図５（ａ）はＬＬＣ温度の時間変化を示し、図５（ｂ）はバルブ１１の開度の時間変化を示し、図５（ｃ）はバルブ３１の開度の時間変化を示し、図５（ｄ）はバルブ４１の開度の時間変化を示している。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、初期状態では、ＬＬＣ温度は比較的低温であり、バルブ１１、３１、４１はいずれも閉状態（開度０）である。

時間ｔ０にエンジンが起動すると、ＥＣＵ９０の制御によりバルブ１１、３１が開弁されて所定開度になる（図４に示した状態）。バルブ４１は閉状態に維持される。これにより、エンジン１００の排気の一部は分岐通路１０を流れて蓄熱部２０を通過する。このとき、排気は比較的低温であるため、蓄熱部２０では式（５）に示す発熱反応が進行する。
ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２＋Ｑ（発熱） ・・・（５）
蓄熱部２０を通過する排気は、蓄熱部２０での反応熱により加熱され、第１通路３０を流れて熱交換器５０に流入する。熱交換器５０では、排気との熱交換によりＬＬＣが加熱される。このように、蓄熱部２０での反応熱は、排気を熱輸送媒体として加熱対象（ＬＬＣ）に供給される。これにより、ＬＬＣの温度上昇が促進されるため、エンジン１００の暖機やＬＬＣを用いた暖房の立ち上がりを早期に行うことができる。

ＬＬＣ温度が上昇して時間ｔ１に所定温度Ｔ１に到達したとする。このとき、ＥＣＵ９０の制御により、バルブ３１が閉弁されてバルブ４１が開弁され、蓄熱部２０の下流側で排気の流路が切り替えられる。バルブ１１は開状態に維持される。またこのとき、排気は比較的高温になっているため、蓄熱部２０では式（６）に示す吸熱反応が進行して化学蓄熱剤が再生される。
Ｃａ（ＯＨ）_２→ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ−Ｑ（吸熱） ・・・（６）
蓄熱部２０を通過した排気は、蓄熱部２０での吸熱反応により温度が低下するものの依然として高温になっている。しかしながら、蓄熱部２０の下流側では排気の流路が切り替えられており、蓄熱部２０を通過した排気は第１通路３０ではなく第２通路４０を流通し、外部に排出される。したがって、熱交換器５０には排気が到達しないため、ＬＬＣ（又はエンジン１００）が過度に加熱されて劣化してしまうのを防ぐことができる。ここで、排気流路が切り替えられる閾値となるＬＬＣの温度Ｔ１は、例えば、ＬＬＣの温度劣化を許容できる上限の温度に設定される。

ＬＬＣの温度上昇により排気流路が第１通路３０から第２通路４０に切り替えられるタイミングと、蓄熱部２０を通過する排気の温度上昇により化学蓄熱剤の反応が発熱から吸熱に切り替わるタイミングとは必ずしも一致させる必要はないが、これらのタイミングをできるだけ近づけるようにするか、又は、化学蓄熱剤の反応が切り替えられるのよりも先に排気流路が切り替えられるようにするのが望ましい。これにより、ＬＬＣ温度が所定温度に到達するまでは、化学蓄熱剤の発熱反応によりＬＬＣに熱を供給でき、ＬＬＣ温度の上昇を促進できる。一方、ＬＬＣ温度が所定温度に到達した後には、化学蓄熱剤の反応が発熱であるか蓄熱であるかに関わらず、蓄熱部２０を通過した排気を第２通路４０を介して外部に排出させることができるため、ＬＬＣが過度に加熱されるのを確実に防ぐことができる。排気流路が第１通路３０から第２通路４０に切り替えられるタイミングは、温度Ｔ１を低く設定するほど早くすることができる。また、化学蓄熱剤の反応が発熱から吸熱に切り替わるタイミングは、化学蓄熱剤の材料を適宜選定することにより変えることができる。

時間ｔ１から所定時間経過すると、化学蓄熱剤の再生が完了する。化学蓄熱剤の再生完了後の時間ｔ２には、ＥＣＵ９０の制御によりバルブ１１、４１が閉弁される。バルブ３１は閉状態に維持される。これにより、分岐通路１０が遮断されるため、エンジン１００のほぼ全ての排気は分岐通路１０に流入せずに外部に排出される。したがって時間ｔ２以降においても、ＬＬＣが過度に加熱されるのを防ぐことができる。化学蓄熱剤の再生完了は、時間ｔ１からの経過時間によって判断してもよいし、分岐通路１０の蓄熱部２０下流側での排気温度に基づいて判断してもよい。

時間ｔ３にエンジン１００が停止されたとする。時間ｔ３以降、ＬＬＣ温度は徐々に低下する。また時間ｔ３以降も、バルブ１１、３１、４１は閉状態に維持される。これにより、エンジン１００の停止中における蓄熱部２０への外気混入が回避されるため、化学蓄熱剤の劣化を抑制できる。

ここで、本例では、ＬＬＣ温度がＴ１に到達するまで（時間ｔ０〜ｔ１）はバルブ３１を全開に維持し、ＬＬＣ温度がＴ１に到達した時間ｔ１にバルブ３１を全開から全閉に切り替える二位置制御を行っているが、図５（ｃ）中の破線で示すように、ＬＬＣ温度が高くなるほどバルブ３１の開度が低くなるようにバルブ３１を無段階又は多段に制御してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態における車両用蓄熱装置２の構成を模式的に示している。図６に示すように、本実施形態は、第１実施形態と比較すると、第１通路３０の下流端がエンジン１００の吸気通路１２０に接続されており、加熱対象がエンジン１００の吸気である点に特徴を有している。これにより、分岐通路１０の蓄熱部２０よりも下流側と吸気通路１２０との間は第１通路３０を介して接続され、蓄熱部２０を通過して第１通路３０を流通する排気は、合流部１２２で吸気通路１２０内の吸気と合流する。吸気通路１２０の合流部１２２よりも下流側には、エンジン１００の吸気の温度を検出してＥＣＵ９０に検出信号を出力する吸気温度センサ１２１が設けられている。

本実施形態では、ＬＬＣ温度に代えて吸気温度が用いられる点を除き、図５に示したタイミングチャートと同様にバルブ１１、３１、４１が制御される。放熱プロセスにおいては、エンジン１００の排気の一部は分岐通路１０を流通して蓄熱部２０を通過し、第１通路３０を介して吸気通路１２０に到達する。これにより、蓄熱部２０で加熱された排気は、吸気と混合される。すなわち排気の熱は、熱交換器を経ることなく直接的に吸気に供給される。

本実施形態によれば、熱交換器を介して排気と吸気との間で熱交換を行う構成と比較すると、より効率良く排気から吸気に熱を受け渡すことができる。すなわち、放熱プロセスにおける熱出力を向上させることができる。これにより、吸気の加熱効率が向上するため、排気が混合されることにより吸気中の酸素の分圧が低下することを考慮しても、吸気加熱によるエンジン１００の燃焼効率向上が見込める。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８は、本実施形態における車両用蓄熱装置３の構成を模式的に示している。図７は、車両用蓄熱装置３において放熱プロセスが行われている状態を示し、図８は、車両用蓄熱装置３において蓄熱プロセスが行われている状態を示している。

図７及び図８に示すように、本実施形態は、第２実施形態と比較して、エンジン１００の排気の一部を還流させてエンジン１００に再度吸気させる排気再循環（ＥＧＲ）通路１３０が設けられている点に特徴を有している。ＥＧＲ通路１３０は、触媒コンバータよりも上流側に位置する分岐部１１２で排気通路１１０から分岐し、吸気通路１２０に接続されている。

ＥＧＲ通路１３０には、当該ＥＧＲ通路１３０の開度を調整可能なＥＧＲバルブ（流量調整手段）１３１が設けられている。ＥＧＲバルブ１３１は、ＥＧＲ通路１３０を流通する排気の流量をＥＣＵ９０の制御等により調整できるようになっている。

分岐通路１０は、分岐部１１２よりも上流側の分岐部１１１で排気通路１１０から分岐している。分岐通路１０の蓄熱部２０よりも下流側は、ＥＧＲ通路１３０のうちＥＧＲバルブ１３１よりも吸気通路１２０側に位置する接続部１３２に接続されている。接続部１３２よりも吸気通路１２０側のＥＧＲ通路１３０ａは、蓄熱部２０で加熱された排気を流通させ、加熱対象（吸気）に熱を供給する第１通路としても機能する。ＥＧＲ通路１３０ａには、当該ＥＧＲ通路１３０ａの開度を調整可能なバルブ３１が設けられている。また、接続部１３２よりも排気通路１１０側のＥＧＲ通路１３０ｂは、蓄熱部２０を通過した排気を外部に排出する第２通路としても機能する。ＥＧＲバルブ１３１は、第１及び第２実施形態のバルブ４１と同様の機能も有している。

本実施形態では、ＬＬＣ温度に代えて吸気温度が用いられる点と、バルブ４１に代えてＥＧＲバルブ１３１が用いられる点とを除き、図５に示したタイミングチャートと同様に制御される。すなわち、図７に示すように放熱プロセスにおいては、エンジン１００の排気の一部は分岐通路１０を流通して蓄熱部２０を通過し、ＥＧＲ通路１３０ａを介して吸気通路１２０に到達する。これにより、蓄熱部２０で加熱された排気は吸気と混合される。すなわち排気の熱は、熱交換器を経ることなく直接的に吸気に供給される。

一方、図８に示すように蓄熱プロセスにおいては、蓄熱部２０を通過した排気は、ＥＧＲ通路１３０ｂを本来の流通方向とは逆向きに流れ、分岐部１１２で排気通路１１０に流入して外部に排出される。

本実施形態では、ＥＧＲ通路１３０ａ、１３０ｂ及びＥＧＲバルブ１３１を第１及び第２実施形態の第１通路３０、第２通路４０及びバルブ４１としてそれぞれ機能させている。このため、ＥＧＲ通路１３０及びＥＧＲバルブ１３１を備えた車両に車両用蓄熱装置３を搭載する場合に、第１通路３０、第２通路４０及びバルブ４１を新たに設ける必要がない。したがって本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果が得られるとともに、車両用蓄熱装置３をさらに簡易な構成とすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９及び図１０を用いて説明する。

既に述べたように、車両用蓄熱装置の蓄熱部２０は、粒子状の化学蓄熱剤が筒状体内部に所定の空隙率で充填された充填層構造を有している。化学蓄熱剤の粒子同士は固定されており、排気が流通しても移動しないようになっている。ところが、化学蓄熱剤が発熱／吸熱反応する際にはＨ_２Ｏ又はＣＯ_２等が出入りするため、反応に伴って体積変化が繰り返し生じる。したがって、化学蓄熱剤の粒子同士の固定が外れてしまい、充填層が崩壊してしまう場合があるという問題が生じていた。

本実施形態は上記問題点を解決するためのものである。図９（ａ）は、本実施形態における車両用蓄熱装置の蓄熱部２１の構成を模式的に示している。図９（ｂ）は、蓄熱部２１を排気流通方向に垂直に切断した模式的な断面図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、蓄熱部２１は分岐通路１０の途中に設けられており、排気の流路を画定する金属製で円筒状の筒状体２２を有している。筒状体２２内には、円柱形状となるように焼結成型された混合粒子群２５が所定の空隙率で充填されている。混合粒子群２５は、例えばＣｕ粒子２３と化学蓄熱剤（ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２）粒子２４とによって構成されている。互いに隣接するＣｕ粒子２３同士は、焼結により比較的強固に接合している。またＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４は、周囲のＣｕ粒子２３に囲まれて保持されている。このような構成により混合粒子群２５は、機械的な強度の高い構造体２６を構成している。

本実施形態では、ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４はＣｕ粒子２３に囲まれて保持されるため、発熱／吸熱反応に伴ってＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４に体積変化が生じても固定が維持され、充填層の崩壊が抑制される。

放熱プロセスにおいては、発熱反応で生じた熱がＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４から周囲のＣｕ粒子２３に伝熱する。ＣｕはＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２と比較すると熱伝達率が極めて高いため、充填層全体の温度をより早く均一に上昇させることができる。したがって、ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４で生じた熱は速やかに排気に伝熱し得る。また、ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４から排気に速やかに伝熱することにより、発熱反応に伴うＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４自身の温度上昇は抑制される。したがって、ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４の温度は、ＣａＯの水酸化反応において反応速度の高い最適温度範囲（１００℃〜２００℃程度）を維持でき、ＣａＯからＣａ（ＯＨ）_２への反応速度を高めることができる。これらの結果、化学蓄熱剤から排気への伝熱速度を向上させることができる。

一方、蓄熱プロセスにおいては、排気の熱がＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４に速やかに伝熱し得る。この結果、蓄熱プロセスの開始から短時間でＣａ（ＯＨ）_２の脱水反応を開始させることができる。換言すれば、蓄熱プロセスの完了に要する時間を短縮することができる。

図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例を示す図であり、蓄熱部２１の構造体２６を排気流通方向に垂直に切断した模式的な断面図である。図１０（ａ）に示す例では、それぞれ六角筒状に開口され、ハニカム状に配列する複数の筒状開口部２７が構造体２６に形成されている。筒状開口部２７は、排気を流通させる流路として用いられる。構造体２６は、例えば、押出し成型により各筒状開口部２７を形成した後に焼結することにより作製されている。

本例では、構造体２６に筒状開口部２７が形成されていることにより、排気が蓄熱部２１を通過する際の圧力損失を低減することができる。また本例では、六角筒状の筒状開口部２７がハニカム状に配列しているため、構造体２６に対する筒状開口部２７の面積比率が比較的大きくても、高い機械的強度が維持される。

図１０（ｂ）に示す例では、それぞれ略円筒状に開口された複数の筒状開口部２８が構造体２６に形成されている。この構造体２６は、図１０（ａ）に示す例と同様に、押出し成型により各筒状開口部２８を形成した後に焼結することにより作製されている。本例では、排気が流通する際の圧力損失を低減することができるとともに、筒状開口部２８が略円筒状であるため、図１０（ａ）に示す例と比較して筒状開口部２８の形成が容易になる。

上記の変形例以外に、Ｃｕ粒子２３及び／又はＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子２４をポーラス状に形成することによっても、排気が流通する際の圧力損失を低減することができる。

本実施形態の蓄熱部２１の構成は、上記第１乃至第３実施形態のシステムのいずれにも適用できることはもちろん、内燃機関の排気を用いた蓄熱を行う他の車両用蓄熱装置にも適用可能である。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、第１通路３０及び第２通路４０の開度を調整可能な開度調整手段として２つの個別のバルブ３１、４１を用いた例を挙げたが、第１通路３０と第２通路４０との間で排気流路を切り替えることができれば、第１通路３０を流れる排気と第２通路４０を流れる排気との流量比を変更可能な三方弁構造の切替えバルブ等を用いてもよい。

また上記実施形態では、化学蓄熱剤としてＣａＯ等の金属酸化物を例に挙げたが、排気中の少なくとも１成分を反応媒体とし、所定の温度及び圧力を境に発熱／吸熱反応が切り替わる他の化学蓄熱剤を用いることもできる。

さらに上記第４実施形態では、Ｃｕ粒子２３と化学蓄熱剤粒子２４とによって混合粒子群が構成された例を挙げたが、Ｃｕ粒子２３に代えて他の金属粒子を用いることもできる。

また上記実施形態では、加熱対象としてＬＬＣ（エンジン１００そのもの）やエンジン１００の吸気を例に挙げたが、エンジンオイルや触媒等を加熱対象として用いてもよい。

さらに上記実施形態では、蓄熱部２０よりも上流側で分岐通路１０を開閉するバルブ１１が用いられた例を挙げたが、バルブ１１は省略することもできる。

第１実施形態における車両用蓄熱装置の基本構成を模式的に示す図である。 第１実施形態における車両用蓄熱装置の基本構成を模式的に示す図である。 第１実施形態に用いられる化学蓄熱剤で進行する反応と温度及び圧力との関係を示すＰ−Ｔ線図である。 第１実施形態における車両用蓄熱装置の構成をより具体的に示す図である。 ＬＬＣ温度と３つのバルブの作動との関係を示すタイミングチャートである。 第２実施形態における車両用蓄熱装置の構成を模式的に示す図である。 第３実施形態における車両用蓄熱装置の構成を模式的に示す図である。 第３実施形態における車両用蓄熱装置の構成を模式的に示す図である。 第４実施形態における車両用蓄熱装置の蓄熱部の構成を模式的に示す図である。 第４実施形態における車両用蓄熱装置の蓄熱部の変形例を示す図である。

符号の説明

１、２、３ 車両用蓄熱装置
１０ 分岐通路
２０、２１ 蓄熱部
２２ 筒状部
２３ Ｃｕ粒子
２４ ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２粒子
２５ 混合粒子群
２６ 構造体
２７、２８ 筒状開口部
３０ 第１通路
３１、４１ バルブ（開度調整手段）
４０ 第２通路
９０ ＥＣＵ（制御手段）
１００ エンジン（内燃機関）
１１０ 排気通路
１２０ 吸気通路
１３０ ＥＧＲ通路
１３１ ＥＧＲバルブ（流量調整手段）
１３２ 接続部

Claims (9)

1. 内燃機関（１００）と、前記内燃機関（１００）の排気を外部に排出する排気通路（１１０）とを備えた車両に適用され、
   前記排気通路（１１０）から分岐して設けられ、前記排気の一部を流通させる分岐通路（１０）と、
   前記分岐通路（１０）に設けられ、前記排気の成分のうち少なくとも１つの成分を反応媒体とするとともに所定の温度及び圧力を境に発熱／吸熱反応が切り替わる化学蓄熱剤が充填された蓄熱部（２０）と、
   前記分岐通路（１０）の前記蓄熱部（２０）よりも下流側に接続され、前記蓄熱部（２０）を通過した排気を熱輸送媒体として流通させて加熱対象に熱を供給する第１通路（３０）と、
   前記分岐通路（１０）の前記蓄熱部（２０）よりも下流側に接続され、前記蓄熱部（２０）を通過した排気を外部に排出する第２通路（４０）と、
   前記第１通路（３０）及び前記第２通路（４０）の開度を調整可能な開度調整手段（３１、４１）と、
   前記加熱対象の温度に基づいて前記開度調整手段（３１、４１）を制御し、前記第１通路（３０）及び前記第２通路（４０）の開度を調整する制御手段（９０）とを有することを特徴とする車両用蓄熱装置。
2. 前記制御手段（９０）は、
   前記加熱対象の温度が所定温度よりも低い場合、前記第１通路（３０）が開となり前記第２通路（４０）が閉となるように前記開度調整手段（３１、４１）を制御し、
   前記加熱対象の温度が所定温度以上の場合、前記第１通路（３０）が閉となり前記第２通路（４０）が開となるように前記開度調整手段（３１、４１）を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用蓄熱装置。
3. 前記第１通路（３０）は、前記分岐通路（１０）の前記蓄熱部（２０）よりも下流側と前記内燃機関（１００）の吸気通路（１２０）とを接続しており、
   前記加熱対象は、前記内燃機関（１００）の吸気であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用蓄熱装置。
4. 前記排気通路（１１０）と前記吸気通路（１２０）とを接続し、前記内燃機関（１００）の排気の一部を還流させて前記内燃機関（１００）に再度吸気させる排気再循環通路（１３０）と、
   前記排気再循環通路（１３０）に設けられ、前記排気再循環通路（１３０）を流通する排気の流量を調整可能な流量調整手段（１３１）とをさらに有し、
   前記分岐通路（１０）の前記蓄熱部（２０）よりも下流側は、前記排気再循環通路（１３０）の前記流量調整手段（１３１）よりも前記吸気通路（１２０）側に位置する接続部（１３２）に接続され、
   前記接続部（１３２）よりも前記吸気通路（１２０）側の前記排気再循環通路（１３０ａ）は前記第１通路（３０）として機能し、
   前記接続部（１３２）よりも前記排気通路（１１０）側の前記排気再循環通路（１３０ｂ）は前記第２通路（４０）として機能し、
   前記流量調整手段（１３１）は、前記第２通路（４０）の開度を調整可能な開度調整手段（４１）として機能することを特徴とする請求項３に記載の車両用蓄熱装置。
5. 前記加熱対象は、前記内燃機関（１００）を冷却する冷却水であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用蓄熱装置。
6. 前記反応媒体はＨ_２Ｏ又はＣＯ_２であり、
   前記化学蓄熱剤は金属酸化物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の車両用蓄熱装置。
7. 前記反応媒体はＨ_２Ｏであり、
   前記化学蓄熱剤はＣａＯであることを特徴とする請求項６に記載の車両用蓄熱装置。
8. 前記蓄熱部（２１）は、前記化学蓄熱剤の粒子（２４）と金属粒子（２３）とを混合した混合粒子群（２５）が焼結成型された構造体（２６）を有していることを特徴とする請求項１乃至７に記載の車両用蓄熱装置。
9. 前記蓄熱部（２１）は、前記構造体（２６）が筒状に開口され、内部に排気を流通させる筒状開口部（２７、２８）を有していることを特徴とする請求項８に記載の車両用蓄熱装置。

Images