JP2010196974A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルカリ土類金属酸化物を利用した蓄熱装置において、回収した熱量を広範囲に亘る温度域で効率よく利用することを課題とする。
【解決手段】
蓄熱装置１は、水を蓄えた第１収容室１１と、ＣａＯを収容した第２収容室１２と、ＭｇＯを収容した第３収容室１３と、第１収容室１１と第２収容室１２とを接続し、第１収容室１１から水が流通する通路１５と、通路１５に配設されて水の流通を遮断する開閉弁２５と、第１収容室１１内、第２収容室１２内、第３収容室１３内を接続し、水蒸気が流通する蒸気配管１６、１７、１８と、蒸気配管１７に配設されて水の流通を制御する制御弁２７と、開閉弁２５と制御弁２７とを制御するＣ／Ｕ１９と、第２収容室１２内及び第３収容室１３内の酸化物の水和反応により発生する熱を回収するオイルの通過する配管１４と、第２収容室１２内及び第３収容室１３内へ熱を付与する排気ガスの通過する排気管２と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、機関等から得られる廃熱を蓄え、蓄えた熱を暖機等に利用する蓄熱装置に関し、特に、化学反応を利用した蓄熱装置に関する。

アルカリ土類金属酸化物は水と反応（水和反応）して熱を発生し、水酸化物を生成する。この水酸化物は熱を加えると、元の酸化物と水とに分解される。これらの化学反応は可逆的に行うことができる。したがって、アルカリ土類金属の水酸化物を加熱することにより、酸化物が生成され、熱が蓄えられる（吸熱反応）。そして、このように分解された酸化物に水を加えることにより、蓄えられた熱を取り出すことができる（発熱反応）。

このようなアルカリ土類金属酸化物を用いた発熱装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の発熱装置では、アルカリ土類金属酸化物を充填した反応器内を通る水の循環経路を密閉構造にし、アルカリ土類金属と炭酸ガスとの結合を抑制している。これにより、特許文献１の発熱装置は、アルカリ土類金属が炭酸化合物に変化することにより消失する上記の可逆反応による蓄熱能力を保護し、長期間の蓄熱能力を維持する。

特開平７−１８０５３９号公報

ところで、アルカリ土類金属酸化物には、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等がある。これらは、それぞれ、発熱反応（水和反応）や吸熱反応における活性温度が異なる。すなわち、これらのアルカリ土類金属酸化物は、使用温度域によって、発熱や吸熱の反応が行われるものと行われないものとがある。したがって、ある一種類のアルカリ土類金属酸化物の発熱、吸熱を利用する場合、使用温度域によっては発熱及び吸熱が効率よく行われない場合が考えられる。

そこで、本発明は、アルカリ土類金属酸化物を利用した蓄熱装置において、回収した熱量を広範囲に亘る温度域で効率よく利用することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の蓄熱装置は、水を蓄えた第１収容室と、第１のアルカリ土類金属酸化物を収容した第２収容室と、第２のアルカリ土類金属酸化物を収容した第３収容室と、前記第１収容室と前記第２収容室とを接続し、前記水が流通する通路と、前記通路に配設されて前記水の流通を遮断する開閉弁と、前記第１収容室内、前記第２収容室内、前記第３収容室内のそれぞれを接続し、蒸気状態の前記水が流通する蒸気配管と、前記蒸気配管に配設されて前記水の流通を制御する制御弁と、前記開閉弁と制御弁とを制御する制御手段と、前記第２収容室内及び第３収容室内の酸化物の水和反応により発生する熱を回収する熱回収手段と、前記第２収容室内へ熱を付与する第１熱源と、前記第３収容室内へ熱を付与する第２熱源と、を備え、前記第１のアルカリ土類金属酸化物は常温の水により水和反応することを特徴とする。

このような構成とすることにより、第１のアルカリ土類金属酸化物の利用可能温度域と第２のアルカリ土類金属酸化物の利用可能温度域を利用するため、広範囲の温度域で吸熱、発熱を行うことができる。これにより、回収した熱量を効率よく利用することができる。

このような蓄熱装置において、前記第１のアルカリ土類金属酸化物は、酸化カルシウムであり、前記第２のアルカリ土類金属酸化物は、酸化マグネシウムである構成とすることができる。

このような構成とすることにより、低温度域で吸熱反応が行われるが発熱反応時の活性温度の高いマグネシウム化合物と、低温度域で発熱反応が行われるが吸熱反応時の活性温度の高いカルシウム化合物とを組み合わせることにより、低温度域における吸熱（蓄熱）と、低温度域における発熱とを行うことができる。このように、低温度域において吸熱及び発熱を行い、効率よく廃熱を利用することができる。また、酸化カルシウムの反応により生成する水蒸気を酸化マグネシウムの発熱に用いることができる。これにより、酸化マグネシウムへの供給用の高温の水または水蒸気の生成装置などを削減し、エネルギー効率を向上できる。

このような蓄熱装置において、前記制御手段は、前記第１収容室内の前記水の温度が７０℃以上である場合、前記開閉弁を開弁状態とする構成とすることができる。

このような構成とすることにより、ＣａＯの発熱反応時に７０℃以上の水を供給することができる。７０℃以上の水を供給することにより、ＣａＯの発熱反応が向上する。このため、ＣａＯの微粒化に要するコストを削減する。また、Ｃａ（ＯＨ）_２の分解反応により、生成するＣａＯが凝集した場合でも、容易に発熱反応させることができる。

本発明は、アルカリ土類金属酸化物を利用した蓄熱装置において、広範囲に亘る温度域で回収した熱量を効率よく利用することができる。

蓄熱装置の概略構成を示した説明図である。 蓄熱装置の内部の構成を示した説明図である。 蓄熱装置のＣ／Ｕによる制御について示したフローである。 ＣａＯの水和反応と時間との関係を示した説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の蓄熱装置１の概略構成を示した説明図である。蓄熱装置１は、蓄熱器１０、エンジンの排気管２とを備えている。蓄熱器１０は、エンジンの排気管２上に配設された触媒装置３の下流側に組み付けられて構成されている。また、この蓄熱器１０は、排気管２上の触媒装置３の上流側に組みつけても良い。

図２は蓄熱装置１の内部の構成を示した説明図である。蓄熱器１０は、水を蓄えた第１収容室１１と、第１のアルカリ土類金属酸化物を収容した第２収容室１２と、第２のアルカリ土類金属酸化物を収容した第３収容室１３と、を備えている。本実施例では、第１のアルカリ土類金属酸化物は、常温の水で発熱反応の生じる酸化カルシウム（ＣａＯ）であり、第２のアルカリ土類金属酸化物は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。

さらに、図２中では省略しているが、第１収容室１１、第２収容室１２、第３収容室１３の底面は排気管２と接触して配置されている。このため、第１収容室１１内の水、第２収容室１２内のＣａＯ、第３収容室１３内のＭｇＯは、排気管２を介して排気管２内を流れる排気から熱を受け、排気の廃熱を回収する。すなわち、排気管２は、第１収容室１１内の水、第２収容室１２内の酸化カルシウム、第３収容室１３内の酸化マグネシウム内へ熱を付与する熱源として機能する。本実施例において、排気管２は、本発明の第１熱源に相当するとともに、第２熱源に相当する。

また、蓄熱装置１は配管１４を備えている。配管１４は、内部をオイルが通過する通路である。配管１４は、複数本に分岐した熱交換部１４１を備えており、熱交換部１４１が第１収容室１１、第２収容室１２、第３収容室１３内に引き込まれている。熱交換部１４１では、第２収容室内及び第３収容室内における化合物の水和反応により発生する熱が、配管１４内を流れるオイルへ伝わり、回収される。すなわち、熱交換部１４１は、本発明の熱回収手段として機能する。このようにオイルに回収された熱は、エンジンの各部の暖機に用いることができる。

また、蓄熱装置１は、第１収容室１１の底部と前記第２収容室１２の底部とを接続する通路１５と、この通路１５を遮断する開閉弁２５とを備えている。通路１５は、第１収容室１１内の水を第２収容室１２内へ流通させるように形成されている。開閉弁２５は電磁弁であって、後述するＣ／Ｕ１９に制御されて、通路１５内を流通する水の流路を開閉する。

また、蓄熱装置１は、第１収容室１１と第２収容室１２とを接続した第１蒸気配管１６、第１収容室１１と第３収容室１３とを接続した第２蒸気配管１７と、第２収容室１２と第３収容室１３とを接続した第３蒸気配管１８とを備えている。第１蒸気配管１６は、第２収容室１２内のＣａ（ＯＨ）_２の熱反応により発生する水蒸気が第１収容室１１内へ流通する通路である。また、第２蒸気配管１７は、第２収容室１２内のＣａＯの発熱反応により発生する水蒸気が第３収容室１３内へ流通する通路である。また、第３蒸気配管１８は、第３収容室１３内のＭｇ（ＯＨ）_２の吸熱反応により発生する蒸気が第１収容室１１内へ流通する通路である。

第１蒸気配管１６には、第１蒸気配管１６内を閉塞して、第１収容室１１内から第２収容室１２内への水蒸気の流通を遮断する逆止弁２６が配設されている。第２蒸気配管１７には、第２収容室１２内から第３収容室１３内への水蒸気の流通状態を制御する制御弁２７が配設されている。第３蒸気配管１８には、第３蒸気配管１８内を閉塞し、第１収容室１１内から第３収容室１３内への水蒸気の流通を遮断する逆止弁２８が配設されている。

また、蓄熱装置１は、制御手段であるコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１９を備えている。さらに、蓄熱装置１は、第１収容室１１内の水温を検出する水温センサ１１１を備えている。Ｃ／Ｕ１９は、開閉弁２５、制御弁２７、水温センサ１１１と電気的に接続されている。Ｃ／Ｕ１９は、水温センサ１１１により取得する第１収容室１１内の水温に基づいて、開閉弁２５の開閉状態を決定し、開閉弁２５へ開閉信号を送る。また、Ｃ／Ｕ１９は、制御弁２７の開閉状態を決定し、制御弁２７へ開閉信号を送る。

次に、蓄熱装置１の作用を説明する。まず、蓄熱装置１の蓄熱（吸熱）時の作用について説明する。蓄熱装置１の蓄熱時では、第２収容室１２内、及び第３収容室１３内は、水酸化化合物が存在している。すなわち、第２収容室１２内は、水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）_２が存在し、第３収容室１３内は水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）_２が存在している。また、蓄熱装置１の蓄熱時は、暖機完了後のエンジン運転時である。蓄熱時には、排気管２を通過する排気の廃熱が、排気管２、及び第１収容室１１、第２収容室１２、第３収容室１３の壁を介して、各収容室内の水、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２へ熱が付与される。これにより、第２収容室１２では、次式（１）の反応が起こり、第３収容室１３では、次式（２）の反応が起こる。
Ｃａ（ＯＨ）_２ → ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ − Ｑ_１（吸熱反応） （１）
Ｍｇ（ＯＨ）_２ → ＭｇＯ ＋ Ｈ_２Ｏ − Ｑ_２（吸熱反応） （２）
なお、このとき、Ｃａ（ＯＨ）_２の分解反応温度は、Ｍｇ（ＯＨ）_２の分解反応温度よりも高温である。第２収容室１２は第３収容室１３よりも排気管２について上流側であるため、第２収容室１２内のＣａ（ＯＨ）_２は、第３収容室１３内のＭｇ（ＯＨ）_２よりも高温となる。

これらの反応により、第２収容室１２内、及び第３収容室１３内では、水蒸気が発生する。第２収容室１２内で発生した水蒸気は、第１蒸気配管１６を通り、第１収容室１１内へ流入する。また、第３収容室１３内で発生した水蒸気は、第３蒸気配管１８を通り、第１収容室１１内へ流入する。第１収容室１１内へ流入した水蒸気は、エンジン停止とともに冷却されて水へ凝縮する。

次に、蓄熱装置１における発熱時の作用を、Ｃ／Ｕ１９により行われる制御処理とともに説明する。図３は、Ｃ／Ｕ１９による制御のフローである。以下、図３を参照して説明する。

Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ１において、温度センサ１１１から第１収容室１１内の水温ｔｈｗを取得する。Ｃ／Ｕ１９はステップＳ２において、ステップＳ１で取得した水温ｔｈｗが７０℃以上であるか否かを判断する。Ｃ／Ｕ１９はステップＳ２においてＹＥＳと判断する場合、すなわち、水温ｔｈｗが７０℃以上である場合、ステップＳ３へ進む。ここで、ステップＳ２における判断基準温度を７０℃としたのは、予め行った実験により、水温が７０℃以上の場合、ＣａＯの発熱反応が高活性を得たことに起因する。予め行った実験において、ＣａＯへ水を加え、熱電対を用いてその反応温度を計測した。図４は、この実験の結果を示した説明図である。図４中の実線は水混合開始時の温度が室温の場合であり、破線は、水混合開始時の温度が７０℃以上の場合である。ＣａＯに水が加えられると即座に反応が開始する。これに伴って反応物の温度が上昇する。図４中の実線が示すように、水混合開始時の温度が室温の場合、反応速度（図中のグラフの傾き）の上昇は緩やかに進む。一方、図４中の破線が示すように、水混合開始時の温度が７０℃以上の場合、水混合開始時から反応速度が速く活性が高いため、急激に反応が進む。そこで、このような反応速度の実現される温度である７０℃を活性温度とし、ステップＳ２における判断基準温度としている。

Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ３において、開閉弁２５を開弁状態とする。開閉弁２５が開弁状態となることにより、第１収容室１１内の水が第２収容室１２内へ流入する。第２収容室１２内へ７０℃以上の水が流入することにより、第２収容室１２内では、次式（３）に示す発熱反応が起こる。
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ_１（発熱反応） （３）
この発熱反応により、第２収容室１２内の温度が上昇し、流入する水は蒸発し、水蒸気となる。Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ３の処理の開始から所定の時間が経過すると、ステップＳ４の処理へ進む。

Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ４において、制御弁２７を開弁状態とする。制御弁２７が開弁状態となることにより、第２収容室１２内で発生した水蒸気が第３収容室１３内へ流入する。第３収容室１３内へ水蒸気が流入することにより、第３収容室１３内では、次式（４）に示す発熱反応が起こる。
ＭｇＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ_２（発熱反応） （４）
この発熱反応により、第３収容室１３内の温度が上昇する。第２収容室１２内、及び第３収容室１３内において、発熱反応により発生した熱は、配管１４の熱交換部１４１を介して、配管１４を流れるオイルへ伝達される。こうして暖められたオイルはエンジンの各部を循環し、暖機に利用される。

Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ４の処理の開始から所定の時間が経過すると、ステップＳ５の処理へ進む。Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ５において、開閉弁２５、及び制御弁２７を閉弁状態とする。Ｃ／Ｕ１９は、ステップＳ５の処理を終えるとリターンとなる。また、Ｃ／Ｕ１９はステップＳ２においてＮＯと判断する場合、すなわち、水温ｔｈｗが７０℃未満である場合、処理を終えてリターンとなる。

次に、蓄熱装置１の効果を説明する。ＭｇＯの水和反応により生成するＭｇ（ＯＨ）_２は、２６０℃程度の温度で分解されるため、例えば、自動車エンジンの排気のようなそれほど高温ではないガスの廃熱であってもＭｇ（ＯＨ）_２の分解を容易に行うことが可能である。

Ｍｇ（ＯＨ）_２は分解反応により、排気の廃熱を吸収して蓄える。このように排気から回収した熱を利用する際には、ＭｇＯへ水を加えて水和反応を生じさせる。ところが、ＭｇＯは、常温の水では水和反応が起こらず、水蒸気あるいは高温の水を加えなければ、蓄えた熱を発熱することができないという特性がある。本発明の蓄熱装置１では、常温の水で水和反応が起こるＣａＯへ水を加えて得られた熱により水蒸気を発生させ、この水蒸気をＭｇＯの水和反応に用いた。これにより、ＭｇＯの発熱を実現することができ、水蒸気や高温の水が入手しにくい状況、例えば、エンジンの冷間始動時のような低温時などにおいて、ＭｇＯの水和反応により熱を取り出し利用することを可能とした。また、蓄熱装置１では、ＭｇＯの水和反応に利用する水を、ヒータ等の電力を利用して高温化する必要がなく、また、蒸気の運搬にポンプ等を利用する必要がないため、エネルギー利用効率を向上している。

また、７０℃以上の水を用いたことにより、粒子の大きなＣａＯでも発熱反応を起こすことができ、ＣａＯの微粒化に要するコストを削減した。また、Ｃａ（ＯＨ）_２の分解反応により、生成するＣａＯが凝集した場合でも、容易に発熱反応させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、第１のアルカリ土類金属酸化物は、常温の水により水和反応するＳｒＯ、ＢａＯとしてもよい。また、配管１４を通る媒体は、オイルに変えてエンジン冷却水とすることができる。これにより、蓄熱装置１から回収した熱によりエンジンの暖機を行うことができる。

さらに、上記実施例では、第２収容室１２、第３収容室１３の底面が排気管２に接触するように配置されているが、本発明の他の実施例の構成として、第２収容室１２、第３収容室１３を排気管２と一体とすることもできる。

１ 蓄熱装置
２ 排気管
３ 触媒装置
１０ 蓄熱器
１１ 第１収容室
１２ 第２収容室
１３ 第３収容室
１４ 配管
１４１ 熱交換部
１５ 通路
１６ 第１蒸気配管
１７ 第２蒸気配管
１８ 第３蒸気配管
１９ Ｃ／Ｕ
２５ 開閉弁
２６、２８ 逆止弁
２７ 制御弁

Claims (3)

1. 水を蓄えた第１収容室と、
   第１のアルカリ土類金属酸化物を収容した第２収容室と、
   第２のアルカリ土類金属酸化物を収容した第３収容室と、
   前記第１収容室と前記第２収容室とを接続し、前記水が流通する通路と、
   当該通路に配設されて前記水の流通を遮断する開閉弁と、
   前記第１収容室内、前記第２収容室内、前記第３収容室内のそれぞれを接続し、蒸気状態の前記水が流通する蒸気配管と、
   前記蒸気配管に配設されて前記水の流通を制御する制御弁と、
   前記開閉弁と制御弁とを制御する制御手段と、
   前記第２収容室内及び第３収容室内の酸化物の水和反応により発生する熱を回収する熱回収手段と、
   前記第２収容室内へ熱を付与する第１熱源と、
   前記第３収容室内へ熱を付与する第２熱源と、
   を備え、
   前記第１のアルカリ土類金属酸化物は常温の水により水和反応することを特徴とする蓄熱装置。
2. 請求項１記載の蓄熱装置において、
   前記第１のアルカリ土類金属酸化物は、酸化カルシウムであり、
   前記第２のアルカリ土類金属酸化物は、酸化マグネシウムであることを特徴とした蓄熱装置。
3. 請求項１記載の蓄熱装置において、
   前記制御手段は、前記第１収容室内の前記水の温度が７０℃以上である場合、前記開閉弁を開弁状態とすることを特徴とした蓄熱装置。

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