JP2010196974A - 蓄熱装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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 + H2O − Q1(吸熱反応) (1)
Mg(OH)2 → MgO + H2O − Q2(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。
Ca(OH)2 → CaO + H2O − Q1(吸熱反応) (1)
Mg(OH)2 → MgO + H2O − Q2(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 + H2O → Ca(OH)2 + Q1(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。
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q1(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 + H2O → Mg(OH)2 + Q2(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。
MgO + H2O → Mg(OH)2 + Q2(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
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)
- 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。 - 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。 - 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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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009042304A JP2010196974A (ja) | 2009-02-25 | 2009-02-25 | 蓄熱装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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