JP2011106355A - 触媒暖機装置および触媒暖機装置を備えた触媒暖機システム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒暖機装置および触媒暖機システムにおいて、蓄熱装置で十分高温な放熱を維持しながら、装置自体ひいてはシステム全体を小型化する。
【解決手段】触媒暖機装置は、第１の排気管の途中に連通して設けられサブ触媒部３５と蓄熱装置３０が内部に収納されている内筒２１と、内筒２１を覆って同軸に配設されるとともに内筒２１との間に軸方向に沿って形成され一端が第１の排気管と接続され他端が閉塞された外側空間Ｒ２を備えている外筒２２と、内筒２１内に形成されている内側空間Ｒ１と外側空間Ｒ２を連通する連通穴２１ａ２と、外筒２２に当接して設けられ蓄熱装置３０と気密的に連通され、かつ内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置３０に供給し一方加熱された蓄熱装置３０から供給される気体を凝縮させて液体を生成して内部に貯める蒸発凝縮装置２４と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、触媒暖機装置および触媒暖機装置を備えた触媒暖機システムに関する。

触媒暖機装置の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図３に示されているように、触媒暖機装置は、エンジン（燃焼装置）から排出される排気ガスが流通する排気管（第１の排気管）の途中に設けられ前記排気ガスを浄化する触媒からなる触媒セラミック部１４（第１の触媒部）と、触媒セラミック部１４（第１の触媒部）と当接して設けられ水（液体）と化学反応して発熱する蓄熱物質１７（蓄熱材）が充填された化学反応蓄熱装置１５（蓄熱装置）と、を備えている。この触媒暖機装置は、冷間時に蓄熱物質１７を発熱させるため水１８を供給するための導水管部１９と、暖機後可逆反応を起こさせ、反応後、水を水蒸気２０として外部へ放出する蒸気排出口２１を備えている。

このような構成によれば、水を供給するための水供給装置（水タンクやポンプなどを含む。）を別途設ける必要があり、触媒暖機装置自体が大型化し、ひいては触媒暖機システムも大型化する。また水を補給する必要もあり利便性が悪くなる。

このような問題に対し、特許文献２に示されているものが知られている。特許文献２の図１に示されているように、車両用化学蓄熱システムは、車両廃熱としてエンジン熱（排気ガス熱）を利用し、エンジン熱を反応熱として化学蓄熱反応する高温反応材１９を内部に貯留した反応器８を備えている。そして、反応器８とは連通路１０を介して互いに連通し、エンジン熱により反応器８を加熱する蓄熱時、高温反応材１９に吸熱反応が起こりガス媒体を放出すると、圧力差により反応器８から移動してきたガス媒体を凝縮する凝縮器９と、を備えている。また、反応器８は、蓄熱した熱を利用する放熱時、第３バルブ６を開くと圧力差により凝縮器９から移動してきたガス媒体と高温反応材１９の反応物質との発熱反応により高温熱を生成するようになっている。

特開昭５９−２０８１１８号公報 特開２００９−５７９３３号公報

特許文献１に記載の触媒暖機装置に、特許文献２に記載されている、第３バルブ６を設けた連通路１０を介して反応器８と凝縮器９を連通する技術を適用すれば、利便性は改善されるものの、第３バルブが存在しているためさらなる触媒暖機装置自体の小型化ひいては触媒暖機システムの小型化が要請されている。また、特許文献２においては、反応器８で放熱する際、ガス媒体（水蒸気）は、第３バルブ６を開くことによる圧力差によって凝縮器９から反応器８に移動するので、反応器８に供給される水蒸気の量が不十分な場合がある。この場合、反応器８での放熱が十分な高温とならないおそれがあった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、触媒暖機装置および触媒暖機システムにおいて、蓄熱装置で十分高温な放熱を維持しながら、装置自体ひいてはシステム全体を小型化することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃焼装置から排出される排気ガスが流通する第１の排気管の途中に設けられ排気ガスを浄化する触媒からなる第１の触媒部と、第１の触媒部と当接して設けられ液体と化学反応して発熱する蓄熱材が充填された蓄熱装置と、を備えた触媒暖機装置において、第１の排気管の途中に連通して設けられ第１の触媒部と蓄熱装置が内部に収納されている内筒と、内筒を覆って同軸に配設されるとともに内筒との間に軸方向に沿って形成され一端が第１の排気管と接続され他端が閉塞された外側空間を備えている外筒と、内筒内に形成されている内側空間と外側空間を連通する連通穴と、外筒に当接して設けられ蓄熱装置と気密的に連通され、かつ内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置に供給し一方加熱された蓄熱装置から供給される気体を凝縮させて液体を生成して内部に貯める蒸発凝縮装置と、を備え、蓄熱装置で放熱させる場合、排気ガスを内側空間を介さないで外側空間に流入し蒸発凝縮装置を加熱させ、その後連通穴を通って内側空間に流入させ第１の触媒部および蓄熱装置を通って流出させ、一方、蓄熱装置で蓄熱させる場合、排気ガスを内側空間に流入し第１の触媒部および蓄熱装置を通って流出させるように構成されたことである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、第１の触媒部および蓄熱装置は蒸発凝縮装置の内側に配設されていることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、外側空間は、排気ガスを導入する導入口を設けるとともに排気ガスを連通穴から導出する折り返し流路を備えており、折り返し流路は蒸発凝縮装置の内側に配設されていることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、連通穴は内筒の排気ガスに係る上流部に設けられていることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、蒸発凝縮装置は、軸方向が水平方向に沿うように配設された外筒を取り囲むように同軸に配設され、該蒸発凝縮装置の内部上部に設けられ液体を貯める第１貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部側部に設けられ液体を貯める第２貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部底部に設けられ液体を貯める第３貯水部と、を備えていることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、蒸発凝縮装置は、外筒に当接する内周壁と内周壁と空間をおいて配設された外周壁とが備えられ、第１貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装された少なくともリブによって形成された溝から構成され、第２貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装されて上方に向けて開放された樋状部材によって構成され、第３貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装されたリブによって形成された溝から構成されていることである。

また請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の触媒暖機装置と、第１の排気管に並設され触媒暖機装置をバイパスする第２の排気管と、第１の排気管と第２の排気管との合流点より排気ガス流の下流の第１の排気管に設けられ排気ガスを浄化する触媒からなる第２の触媒部と、を備えたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、内筒は、第１の排気管の途中に連通して設けられ第１の触媒部と蓄熱装置（第１の触媒部と当接して設けられ液体と化学反応して発熱する蓄熱材が充填された）が内部に収納されている。外筒は、内筒を覆って同軸に配設されるとともに内筒との間に軸方向に沿って形成され一端が第１の排気管と接続され他端が閉塞された外側空間を備えている。内筒内に形成されている内側空間と外側空間は、連通穴を介して連通する。蒸発凝縮装置は、外筒に当接して設けられ蓄熱装置と気密的に連通され、かつ内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置に供給し一方加熱された蓄熱装置から供給される気体を凝縮させて液体を生成して内部に貯めるものである。そして、蓄熱装置で放熱させる場合、排気ガスを内側空間を介さないで外側空間に流入し蒸発凝縮装置を加熱させ、その後連通穴を通って内側空間に流入させ第１の触媒部および蓄熱装置を通って流出させ、一方、蓄熱装置で蓄熱させる場合、排気ガスを内側空間に流入し第１の触媒部および蓄熱装置を通って流出させるように構成されている。

したがって、第１の触媒部を暖機するにあたって、燃焼装置からの比較的低温の排気ガスを内側空間を介さないで外側空間に流入し蒸発凝縮装置を加熱させ、蒸発凝縮装置内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置に供給し蓄熱材と液体とが化学反応して発熱して放熱する。その熱により蓄熱装置に当接する第１の触媒部が加熱される。なお、蒸発凝縮装置で熱交換した後の排気ガスは、連通穴を通って内側空間に流入し第１の触媒部および蓄熱装置で加熱されて流出する。

一方、第１の触媒部が暖機された後、燃焼装置からの比較的高温の排気ガスを内側空間に流入し第１の触媒部および蓄熱装置を通過させることで、液体と化学反応した前記蓄熱材は、排気ガスの熱により液体が気体化して分離する化学反応（吸熱反応）を起こして蓄熱する。このとき、蓄熱装置から蒸発凝縮装置に供給された気体は凝縮されて液体となり蒸発凝縮装置内部に貯められる。

このように、蓄熱装置で放熱する際、燃焼装置からの比較的低温の排気ガスを使用して蒸発凝縮装置を加熱して内部の液体を蒸発することで、蓄熱装置に供給する気体を十分確保することができる。よって、蓄熱装置での発熱すなわち放熱が十分な高温とすることができ、蓄熱装置で十分高温な放熱を維持することができる。

また、第１の触媒部と蓄熱装置の外側に、内側から外側に順番に内筒、外筒、蒸発凝縮装置を同軸に配設できるので、触媒暖機装置自体を小型化することができる。よって、触媒暖機装置において、蓄熱装置で十分高温な放熱を維持しながら、装置自体を小型化することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、第１の触媒部および蓄熱装置は蒸発凝縮装置の内側に配設されている。これによれば、触媒暖機装置の軸方向の長さをより短縮できるので、装置自体をより小型化することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２において、外側空間は、排気ガスを導入する導入口を設けるとともに排気ガスを連通穴から導出する折り返し流路を備えており、折り返し流路は蒸発凝縮装置の内側に配設されている。これによれば、排気ガスの流路長をより長く確保することができるので、排気ガスの熱交換効率を高く維持することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、連通穴は内筒の排気ガスに係る上流部に設けられている。これによれば、蒸発凝縮装置で熱交換した後の排気ガスが、連通穴を通って第１の触媒部の上流から内筒内に流入させることができ、排気ガスを確実に浄化することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項１乃至請求項４の何れか一項において、蒸発凝縮装置は、軸方向が水平方向に沿うように配設された外筒を取り囲むように同軸に配設され、該蒸発凝縮装置の内部上部に設けられ液体を貯める第１貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部側部に設けられ液体を貯める第２貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部底部に設けられ液体を貯める第３貯水部と、を備えている。これによれば、第１の触媒部が暖機された後、蓄熱装置から蒸発凝縮装置に供給された気体は凝縮されて液体となり蒸発凝縮装置内部に貯められる際に、その液体が蒸発凝縮装置内部の底部だけでなく、内部上部、内部側部にも貯水することができる。よって、その後蓄熱装置で放熱される際に、上部、側部および底部に貯水された液体を効率よくかつ早期に蒸発させることができ、蓄熱装置で効率よくかつ早期に放熱することができる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、請求項５において、蒸発凝縮装置は、外筒に当接する内周壁と内周壁と空間をおいて配設された外周壁とが備えられ、第１貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装された少なくともリブによって形成された溝から構成され、第２貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装されて上方に向けて開放された樋状部材によって構成され、第３貯水部は、内周壁と外周壁との間に介装されたリブによって形成された溝から構成されている。これによれば、外筒から内周壁に伝達された排気ガスの熱が、リブや樋状部材を介して外周壁に伝達され、蓄熱装置で放熱される際に、上部、側部および底部に貯水された液体をより効率よくかつ早期に蒸発させることができる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の触媒暖機装置と、第１の排気管に並設され触媒暖機装置をバイパスする第２の排気管と、第１の排気管と第２の排気管との合流点より排気ガス流の下流の第１の排気管に設けられ排気ガスを浄化する触媒からなる第２の触媒部と、を備えた。これによれば、第２の触媒部を暖機するにあたって、最初に、燃焼装置からの比較的低温の排気ガスを触媒暖機装置の内側空間を介さないで外側空間に流入し蒸発凝縮装置を加熱させ、蒸発凝縮装置内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置に供給し蓄熱材と液体とが化学反応して発熱して放熱する。その熱により蓄熱装置に当接する第１の触媒部が加熱される。第１の触媒部が加熱され活性温度域に達すると、触媒反応により第１の触媒部がさらに加熱される。よって、蒸発凝縮装置で熱交換した後の排気ガスは、連通穴を通って内側空間に流入し第１の触媒部および蓄熱装置で加熱されて流出し、その後第２の触媒部に到達し加熱する。その後、第２の触媒部の温度が活性温度域になれば、燃焼装置からの排気ガスを第２の排気管を介して第２の触媒部に流通させ、触媒反応により第２の触媒部が加熱される。したがって、第２の触媒部が第１の触媒部より大型であり、かつ第２の触媒部を蓄熱装置で直接加熱するようなシステムと比較して、蓄熱装置を小さくすることができ、触媒暖機装置自体ひいては触媒暖機システムを小型化することができる。

本発明による触媒暖機装置および触媒暖機システムの構成を示す概要図である。 図１に示した触媒暖機装置２０を示す外観斜視図である。 図１に示した触媒暖機装置２０の構成を示す分解斜視図である。 図２に示した触媒暖機装置２０の内部構成を示す斜視図である（外筒２２も導入部２２ｂ、内筒２１の導入部２１ｂと導出部２１ｃは省略（切断）してある）。 図５（ａ）は内筒２１に収納された反応器２３を示す正面図であり、図５（ｂ）は内筒２１に収納された反応器２３を示す５ｂ−５ｂ線に沿った断面図である。 図６（ａ）は反応器２３を示す断面図であり、図６（ｂ）は反応器２３を示す底面図である。 図７（ａ）は蒸発凝縮装置２４を示す軸方向に直交する面の断面図であり、図７（ｂ）は蒸発凝縮装置２４を示す７ｂ−７ｂ線に沿った断面図である。 蓄熱装置で放熱する際の作用を説明するため、触媒暖機装置２０の構成を示す分解斜視図である。 蓄熱装置で蓄熱する際の作用を説明するため、触媒暖機装置２０の構成を示す分解斜視図である。

以下、本発明による触媒暖機装置および触媒暖機装置を備えた触媒暖機システムの一実施形態について図面を参照して説明する。図１はその触媒暖機システムの構成を示す概要図であり、図２は触媒暖機装置２０を示す外観斜視図であり、図３は触媒暖機装置２０の構成を示す分解斜視図であり、図４は触媒暖機装置２０の内部構成を示す斜視図であり、図５（ａ）は内筒２１に収納された反応器２３を示す正面図であり、図５（ｂ）は内筒２１に収納された反応器２３を示す断面図であり、図６（ａ）は反応器２３を示す断面図であり、図６（ｂ）は反応器２３を示す底面図であり、図７（ａ）は蒸発凝縮装置２４を示す軸方向に直交する面の断面図であり、図７（ｂ）は蒸発凝縮装置２４を示す７ｂ−７ｂ線に沿った断面図である。

触媒暖機システムは、車両のエンジン１１（燃焼装置）に接続されその排気ガスを排出（流通）させるメイン排気管１２と、メイン排気管１２の途中に設けられ前記排気ガスを浄化する触媒を有するメイン触媒部１３（第２の触媒部）と、エンジン１１とメイン触媒部１３との間に配設されメイン排気管１２に並設して接続されたサブ排気管１４と、サブ排気管１４の途中に設けられた触媒暖気装置２０と、エンジン１１からの排気ガスの流路を切り替える切替装置１５と、を備えている。

エンジン１１は、燃料（例えばガソリン）が酸化剤ガス（例えば空気（酸素を含んでいる））で燃焼されて排気ガスを排出するものである。メイン触媒部１３の触媒は、例えば金属担体に触媒を担持させたものであり、触媒量はサブ触媒部３５より多く、触媒能力（排気ガスを浄化する量）もサブ触媒部３５より高いものである。サブ排気管１４は、メイン排気管１２から分岐しその後再び合流している。なお、メイン触媒部１３の触媒は、金属担体ではなくセラミックス担体でもよい。

切替装置１５は、３つの開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃから構成されている。開閉弁１５ａは、メイン排気管１２であってサブ排気管１４との分岐点と合流点の間に配設されている。開閉弁１５ｂは、２つの分岐したサブ排気管１４のうち内筒２１の導入口２１ｂ１に連通されたものに配設されている。開閉弁１５ｃは、２つの分岐したサブ排気管１４のうち外筒２２の導入口２２ｂ１に連通されたものに配設されている。これら開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、制御装置の指令により開閉されるものである。

触媒暖機装置２０は、排気ガスを浄化する触媒を有するサブ触媒部３５を暖機するとともに、排気ガス流の下流に配置されているメイン触媒部１３も暖機するものである。触媒暖機装置２０は、内筒２１、外筒２２、反応器２３および蒸発凝縮装置２４を備えている。暖機とは、メイン触媒部１３およびサブ触媒部３５の温度が触媒活性温度域に達するまで加熱することをいう。

内筒２１は、サブ排気管１４の途中に連通して設けられている。内筒２１は、軸方向中央部が拡開された筒状に形成されており、同軸かつ直列に配設される本体２１ａ、排気ガスを導入する導入部２１ｂ、および排気ガスを導出する導出部２１ｃを備えている。内筒２１内には、排気ガスが流通する内側空間Ｒ１が形成されている。本体２１ａには、導入部２１ｂが一体的に接続されている。導出部２１ｃは、本体２１ａに脱着可能に取り付けられる。

内側空間Ｒ１の一方の開口（導入部２１ｂの開口）には排気ガスを導入する導入口２１ｂ１が形成され、他方の開口（導出部２１ｃの開口）には排気ガスを導出する導出口２１ｃ１が形成されている。導入口２１ｂ１は上流側のサブ排気管１４に接続され、導出口２１ｃ１は下流側のサブ排気管１４に接続されている。なお、導入口２１ｂ１および導出口２１ｃ１は本体２１ａより小径に形成されている。内筒２１の本体２１ａ内部すなわち内側空間Ｒ１には反応器２３が収納されている。よって、上流側のサブ排気管１４から導入口２１ｂ１を通って内側空間Ｒ１に流入した排気ガスは、内側空間Ｒ１に配設された反応器２３を通過し、導出口２１ｃ１を通って内側空間Ｒ１から下流側のサブ排気管１４に流出する。

なお、内筒２１の導出部２１ｃには、環状に形成されたフランジである端壁２１ｄが設けられている。端壁２１ｄは、内筒２１の本体２１ａの他端開口および外筒２２の本体２２ａの他端開口に当接するようになっている。端壁２１ｄには、配管２１ｅが取り付けられている。配管２１ｅの基部側は端壁２１ｄに貫設固定されている。配管２１ｅの自由側には、固定用のフランジ２１ｅ１が設けられている。

反応器２３は、図４、図５に示すように、蓄熱装置３０とサブ触媒部３５とを備えている。

蓄熱装置３０は、液体と化学反応して発熱する蓄熱材３０ａが充填されたものである。例えば、蓄熱材としては、酸化カルシウムＣａＯ、酸化マグネシウムＭｇＯなどがある。この蓄熱材と化学反応する液体としては、水、アルコールなどがある。酸化カルシウムＣａＯが水Ｈ_２Ｏと反応して水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）_２が発熱を伴って生成される。このとき、蓄熱装置３０で放熱される。逆に、水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）_２が加熱されると（吸熱反応）、酸化カルシウムＣａＯと水Ｈ_２Ｏが生成される。このとき、蓄熱装置３０で蓄熱される。

蓄熱装置３０は、図５、図６で示すように、複数の熱交換部３１、および隣り合う熱交換部３１を連通する連結部３２を備えている。熱交換部３１は、熱伝導性の高い材料で中空かつ平板状に形成されている。各熱交換部３１は、空間をおいて互いに対向するように並設されている。本実施形態では、各熱交換部３１は、平行に並設されている。熱交換部３１の内部には、蓄熱材３０ａが充填されている。連結部３２も中空に形成されており、内部には、蓄熱材３０ａが充填されている。連結部３２は、熱交換部３１の周縁部（本実施形態では、下端部中央）に設けられている。連結部３２を熱交換部３１の周縁部に配置することで、残りの部分を触媒層３５ａとの接触面とすることができ、かつ、反応器２３の組立性の向上を図ることができるからである。

隣り合う２つの熱交換部３１の間には触媒層３５ａが介装されている。触媒層３５ａは、金属担体に触媒を担持させたものである。なお、この触媒は排気ガスを浄化する触媒である。触媒層３５ａは多孔質であり、気体が通過できるように構成されている。本実施形態では、隣り合う２つの熱交換部３１の間には、触媒層３５ａが熱交換部３１と当接して介装されており、それら触媒層３５ａからサブ触媒部３５が構成されている。

なお、蓄熱装置３０は、図３，５，６に示すように、中空に形成された取付部３３が設けられている。取付部３３は、筒状に形成され一端が熱交換部３１に接続された接続部３３ａと、接続部３３ａの他端に接続された環状のフランジ３３ｂとから構成されている。接続部３３ａは、内筒２１の本体２１ａに形成されたガイド穴２１ａ１に保持されている。ガイド穴２１ａ１は、反応器２３を内筒２１の本体２１ａ内に収納する際に案内するためのものである。フランジ３３ｂは、内筒２１側に設けられた配管２１ｅのフランジ２１ｅ１に溶接や螺着などにより固定されている。

また、反応器２３は、蒸発凝縮装置２４（後述する）の内側でなく軸方向外側にずらして位置するように配設するようにしてもよい。

外筒２２は、大径部と小径部を有する筒状に形成されており、内筒２１の本体２１ａおよび導入部２１ｂを空間をおいて覆いかつ同軸に配設（並設）されている。外筒２２は、同軸かつ直列に配設される本体２２ａと排気ガスを導入する導入部２２ｂを備えている。本体２２ａは内筒２１の本体２１ａに対応し、導入部２２ｂは内筒の導入部２１ｂに対応して配設されている。

内筒２１と外筒２２との間には、排気ガスが流通する外側空間Ｒ２が軸方向に沿って形成されている。外側空間Ｒ２の一方（一端）の開口（導入部２２ｂの開口）には排気ガスを導入する導入口２２ｂ１が形成されており、導入口２２ｂ１は上流側のサブ排気管１４に接続されている。外側空間Ｒ２の他方（他端）は端壁２１ｄで閉塞されている。また、内筒２１には、内側空間Ｒ１と外側空間Ｒ２を連通する連通穴２１ａ２が形成されている。よって、上流側のサブ排気管１４から導入口２２ｂ１を通って外側空間Ｒ２に流入した排気ガスは、外側空間Ｒ２を流通した後、連通穴２１ａ２を通って外側空間Ｒ２から内側空間Ｒ１に流入し、内側空間Ｒ１に配設された反応器２３を通過し、導出口２１ｃ１を通って下流側のサブ排気管１４に流出する。

なお、連通穴２１ａ２は、内筒２１の排気ガスに係る上流部に設けられている。その上流部は、本体２１ａの上流部および導入部２１ｂを含んでいる。連通穴２１ａ２の位置が反応器２３より上流側となるようにすればよい。

外側空間Ｒ２は、主として図３に示すように、折り返し流路４１を備えている。本実施形態では、周方向に沿って分割区画された折り返し流路４１が複数（例えば４つ）設けられている。折り返し流路４１は、隣りの折り返し流路４１と仕切るために軸方向に延在して配設されて他端が端壁２１ｄと当接される（接続された）２つの第１仕切り板４２と、折り返し部を形成するためそれら２つの第１仕切り板の周方向の間に軸方向に延在して他端が端壁２１ｄと空間をおいて配設された第２仕切り板４３と、を備えている。第１および第２仕切り板４２，４３は内筒２１の本体２１ａに設けられている。

隣り合う２つの第１仕切り板４２の一方と第２仕切り板４３との間に形成される開口は、折り返し流路４１の導入口４１ａとなる。他方の第１仕切り板４２と第２仕切り板４３との間に形成される開口は、閉塞板４４で閉塞されている。その折り返し流路４１の閉塞端部には、連通穴２１ａ２が形成されている。よって、導入口４１ａから流入した排気ガスは、折り返し流路４１に沿って折り返されて流通した後、連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流出する。
このように構成された折り返し流路４１は、蒸発凝縮装置２４の内側に位置するように配設されている。

蒸発凝縮装置２４は、外筒２２に当接して設けられ蓄熱装置３０と気密的に連通され、かつ内部に貯められている液体（例えば水）を加熱することで蒸発させて蓄熱装置３０に供給し一方加熱された蓄熱装置３０から供給される気体（例えば水蒸気）を凝縮させて液体（例えば水）を生成して内部に貯めるものである。

具体的には、図７に示すように、蒸発凝縮装置２４は、筒状に形成された内周壁５１、筒状に形成され内周壁５１の外側に空間をおいて同軸に配設された外周壁５２、内周壁５１の一端と外周壁５２の一端の間の環状開口を閉塞する環状に形成された閉塞部材５３、および内周壁５１の他端と外周壁５２の他端の間の環状開口を閉塞する環状に形成された閉塞部材５４を備えている。ここで、本実施形態では、内周壁５１は外筒２２の本体２２ａと一致しているが、外筒２２とは別部材で構成するようにしてもよい。この場合、その別部材は外筒２２と当接するのが好ましい。また、環状とは、円形状だけでなく、ほぼ四角形状も含んでいる。

蒸発凝縮装置２４は、軸方向が水平方向に沿うように配設された外筒２２の本体２２ａを取り囲むように同軸に配設（並設）されている。蒸発凝縮装置２４内には、環状空間Ｒ３が形成されている。この環状空間Ｒ３の上部には、上述した化学反応に使用される液体（例えば水）を貯める第１貯水部５５、が設けられている。さらに環状空間Ｒ３の側部には液体を貯める第２貯水部５６が設けられ、底部には液体を貯める第３貯水部５７が設けられている。

第１貯水部５５は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されたリブ５５ａによって少なくとも形成された溝５５ｂから構成されている。すなわち、リブ５５ａは、軸方向に延在された板状部材である。リブ５５ａの下端は内周壁５１に連結（接続）され、上端は外周壁５２に連結（接続）されている。リブ５５ａは複数設けられている。リブ５５ａの両側には、下端が内周壁５１に連結（接続）された仕切り５５ｃが並設されている。仕切り５５ｃは、リブ５５ａより高さが低くかつ軸方向に延在された板状部材である。各リブ５５ａと各仕切り５５ｃの延在方向の両端は仕切り５５ｄ、５５ｅで閉塞されている。溝５５ｂは、リブ５５ａ、仕切り５５ｃ、および仕切り５５ｄ、５５ｅで区画形成されている。なお、リブ５５ａの上半分には切欠き５５ａ１が間隔をあけて複数形成されている。リブ５５ａは、切欠き５５ａ１により気体の流通性を確保するとともに蒸発凝縮装置２４の強度を確保している。

第２貯水部５６は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されて上方に向けて開放された樋状部材５６ａによって構成されている。すなわち、樋状部材５６ａは、軸方向に延在されかつ断面Ｖ字状に形成された部材である。断面形状は、Ｕ字状でもよく、上方に拡開する形状が好ましい。上方から落ちてくる液体を捉えやすく、かつ環状空間Ｒ３内を軸方向に流れる気体の流通性を確保できるためである。また、樋状部材５６ａの開口端の一方は内周壁５１に連結（接続）され、他方は外周壁５２に連結（接続）されている。樋状部材５６ａは互いに空間をおいて複数並設されている。樋状部材５６ａの延在方向の両端は蓋５６ｂ、５６ｃで閉塞されている。

第３貯水部５７は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されたリブ５７ａによって形成された溝５７ｂから構成されている。すなわち、リブ５７ａは、軸方向に延在された板状部材である。リブ５７ａの下端は外周壁５２に連結（接続）され、上端は内周壁５１に連結（接続）されている。リブ５７ａは複数設けられている。なお、リブ５７ａの下半分には切欠き５７ａ１が間隔をあけて複数形成されている。リブ５７ａは、切欠き５７ａ１により気体および／または液体の流通性を確保するとともに蒸発凝縮装置２４の強度を確保している。

蒸発凝縮装置２４は、接続管５８を介して蓄熱装置３０と気密的に連通されている。蒸発凝縮装置２４は、第１〜第３貯水部５５〜５７に貯められている液体（例えば水）を加熱することで蒸発させて飽和水蒸気圧を高めることで、その水蒸気を接続管５８を介して蓄熱装置３０に供給する。一方、蒸発凝縮装置２４は、加熱され蒸発凝縮装置２４より高温となった蓄熱装置３０から接続管５８を介して供給される気体（例えば水蒸気）を凝縮させて液体（例えば水）を生成して第１〜第３貯水部５５〜５７に貯める。

次に、上述したように構成された触媒暖機装置２０および触媒暖機システムの作動について図８および図９を参照して説明する。

最初に放熱時について図８を参照して説明する。蓄熱装置３０で放熱させる場合、開閉弁１５ａと開閉弁１５ｂを閉状態とするとともに、開閉弁１５ｃを開状態とする。これにより、排気ガスは、内側空間Ｒ１を介さないで外側空間Ｒ２（折り返し流路４１）に流入し蒸発凝縮装置２４を加熱し、その後連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０を通って流出する（図８に示す矢印に沿って流通する）。

このとき、エンジン１１の始動開始当初であってエンジン１１からの比較的低温の排気ガスは内側空間Ｒ１を介さないで外側空間Ｒ２に流入することで、蒸発凝縮装置２４が加熱される。その結果、蒸発凝縮装置２４内部の液体（第１〜第３貯水部５５〜５７に貯められている液体）が、加熱されることで蒸発して蓄熱装置３０に供給される。そして蓄熱材３０ａと気化された液体とが化学反応して発熱して蓄熱装置３０で放熱する。その熱により蓄熱装置３０に当接するサブ触媒部３５の触媒層３５ａが加熱される。

一方、蒸発凝縮装置２４と熱交換した後の排気ガスは、連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流入し蓄熱装置３０で加熱されて流出する。このとき、蓄熱装置３０による加熱によって触媒層３５ａが活性温度域まで達すると、排気ガスと触媒反応するようになる。そうすると、排気ガスは、蓄熱装置３０の発熱に加えて排気ガスとの触媒反応による発熱が加わり、より高温の排気ガスがメイン触媒部１３に供給される。

このように、触媒暖機装置２０から供給される高温の排気ガスによって、メイン触媒部１３の触媒は加熱され暖機される。その結果触媒の温度は触媒温度域に到達する。また、メイン触媒部１３の触媒が活性温度域まで達すると、排気ガスと触媒反応するようになり発熱し、メイン触媒部１３のは自らの発熱も加わって加熱される。

その後、メイン触媒部１３の温度が活性温度域になれば、開閉弁１５ｂと開閉弁１５ｃを閉状態とするとともに、開閉弁１５ａを開状態とする。これにより、エンジン１１からの排気ガスをメイン排気管１２を介して活性温度域に達したメイン触媒部１３に流通させ、触媒反応により第２の触媒部が加熱される。

次に、蓄熱時について図９を参照して説明する。この蓄熱時は、エンジン１１の始動後、サブ触媒部３５およびメイン触媒部１３の暖機が終了した時点であってエンジン１１が運転中である場合に実行される。蓄熱装置３０で蓄熱させる場合、開閉弁１５ｃを閉状態とするとともに、開閉弁１５ａと開閉弁１５ｂを開状態とする。これにより、エンジン１１からの比較的高温である排気ガスが内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０を通って流出される（図９に示す矢印に沿って流通する）。

このように、排気ガスが蓄熱装置３０を通過することで、液体と化学反応した蓄熱材３０ａは、排気ガスの熱により液体が気体化して分離する化学反応（吸熱反応）を起こして蓄熱する。このとき、蓄熱装置３０から蒸発凝縮装置２４に供給された気体は凝縮されて液体となり蒸発凝縮装置２４内部（第１〜第３貯水部５５〜５７）に貯められる。

なお、特許請求の範囲に記載の「第１の排気管」は、エンジン１１から分岐点までのメイン排気管１２、サブ排気管１４、および合流点以降のメイン排気管１２から構成されている。特許請求の範囲に記載の「第２の排気管」は、分岐点から合流点までのメイン排気管１２のことをいっており、第１の排気管に並設され触媒暖機装置２０をバイパスするものである。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る触媒暖機装置および触媒暖機システムにおいては、内筒２１は、第１の排気管の途中に連通して設けられサブ触媒部３５と蓄熱装置３０（第１の触媒部と当接して設けられ液体と化学反応して発熱する蓄熱材が充填された）が内部に収納されている。外筒２２は、内筒２１を覆って同軸に配設されるとともに内筒２１との間に軸方向に沿って形成され一端が第１の排気管と接続され他端が閉塞された外側空間Ｒ２を備えている。内筒２１内に形成されている内側空間Ｒ１と外側空間Ｒ２は、連通穴２１ａ２を介して連通する。蒸発凝縮装置２４は、外筒２２に当接して設けられ蓄熱装置３０と気密的に連通され、かつ内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置３０に供給し一方加熱された蓄熱装置３０から供給される気体を凝縮させて液体を生成して内部に貯めるものである。そして、蓄熱装置３０で放熱させる場合、排気ガスを内側空間Ｒ１を介さないで外側空間Ｒ２に流入し蒸発凝縮装置２４を加熱させ、その後連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流入させサブ触媒部３５および蓄熱装置３０を通って流出させ、一方、蓄熱装置３０で蓄熱させる場合、排気ガスを内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０を通って流出させるように構成されている。

したがって、サブ触媒部３５を暖機するにあたって、燃焼装置からの比較的低温の排気ガスを内側空間Ｒ１を介さないで外側空間Ｒ２に流入し蒸発凝縮装置２４を加熱させ、蒸発凝縮装置２４内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置３０に供給し蓄熱材３０ａと液体とが化学反応して発熱して放熱する。その熱により蓄熱装置３０に当接するサブ触媒部３５が加熱される。なお、蒸発凝縮装置２４で熱交換した後の排気ガスは、連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０で加熱されて流出する。

一方、サブ触媒部３５が暖機された後、エンジン１１からの比較的高温の排気ガスを内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０を通過させることで、液体と化学反応した蓄熱材３０ａは、排気ガスの熱により液体が気体化して分離する化学反応（吸熱反応）を起こして蓄熱する。このとき、蓄熱装置３０から蒸発凝縮装置２４に供給された気体は凝縮されて液体となり蒸発凝縮装置２４内部に貯められる。

このように、蓄熱装置３０で放熱する際、エンジン１１からの比較的低温の排気ガスを使用して蒸発凝縮装置２４を加熱して内部の液体を蒸発することで、蓄熱装置３０に供給する気体を十分確保することができる。よって、蓄熱装置３０での発熱すなわち放熱が十分な高温とすることができ、蓄熱装置３０で十分高温な放熱を維持することができる。

また、サブ触媒部３５と蓄熱装置３０の外側に、内側から外側に順番に内筒２１、外筒２２、蒸発凝縮装置２４を同軸に配設（並設）できるので、触媒暖機装置２０自体を小型化することができる。よって、触媒暖機装置２０において、蓄熱装置３０で十分高温な放熱を維持しながら、装置自体を小型化することができる。

また、サブ触媒部３５および蓄熱装置３０は蒸発凝縮装置２４の内側に配設されている。これによれば、触媒暖機装置２０の軸方向の長さをより短縮できるので、装置自体をより小型化することができる。

また、外側空間Ｒ２は、排気ガスを導入する導入口４１ａを設けるとともに排気ガスを連通穴２１ａ２から導出する折り返し流路４１を備えており、折り返し流路４１は蒸発凝縮装置２４の内側に配設されている。これによれば、排気ガスの流路長をより長く確保することができるので、排気ガスの熱交換効率を高く維持することができる。

また、連通穴２１ａ２は内筒２１の排気ガスに係る上流部に設けられている。これによれば、蒸発凝縮装置２４で熱交換した後の排気ガスが、連通穴２１ａ２を通って第１の触媒部の上流から内筒２１内に流入させることができ、排気ガスを確実に浄化することができる。

また、蒸発凝縮装置２４は、軸方向が水平方向に沿うように配設された外筒２２を取り囲むように同軸に配設され、該蒸発凝縮装置２４の内部上部に設けられ液体を貯める第１貯水部５５と、該蒸発凝縮装置２４の内部側部に設けられ液体を貯める第２貯水部５６と、該蒸発凝縮装置２４の内部底部に設けられ液体を貯める第３貯水部５７と、を備えている。これによれば、サブ触媒部３５が暖機された後、蓄熱装置３０から蒸発凝縮装置２４に供給された気体は凝縮されて液体となり蒸発凝縮装置２４内部に貯められる際に、その液体が蒸発凝縮装置２４内部の底部だけでなく、内部上部、内部側部にも貯水することができる（蒸発凝縮装置内に分散させて貯水することができる）。よって、その後蓄熱装置３０で放熱される際に、上部、側部および底部に貯水された液体を効率よくかつ早期に蒸発させることができ、蓄熱装置３０で効率よくかつ早期に放熱することができる。

また、蒸発凝縮装置２４は、外筒２２に当接する内周壁５１と内周壁５１と空間をおいて配設された外周壁５２とが備えられ、第１貯水部５５は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されたリブ５５ａによって少なくとも形成された溝５５ｂから構成され、第２貯水部５６は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されて上方に向けて開放された樋状部材５６ａによって構成され、第３貯水部５７は、内周壁５１と外周壁５２との間に介装されたリブ５７ａによって形成された溝５７ｂから構成されている。これによれば、外筒２２から内周壁５１に伝達された排気ガスの熱が、リブ５５ａ，５７ａや樋状部材５６ａを介して外周壁５２に伝達され、蓄熱装置３０で放熱される際に、上部、側部および底部に貯水された液体をより効率よくかつ早期に蒸発させることができる。

また、触媒暖機システムは、触媒暖機装置２０と、第１の排気管に並設され触媒暖機装置２０をバイパスする第２の排気管と、第１の排気管と第２の排気管との合流点より排気ガス流の下流の第１の排気管に設けられ排気ガスを浄化する触媒からなるメイン触媒部１３と、を備えた。これによれば、メイン触媒部１３を暖機するにあたって、最初に、エンジン１１からの比較的低温の排気ガスを触媒暖機装置２０の内側空間Ｒ１を介さないで外側空間Ｒ２に流入し蒸発凝縮装置２４を加熱させ、蒸発凝縮装置２４内部の液体を加熱することで蒸発させて蓄熱装置３０に供給し蓄熱材３０ａと液体とが化学反応して発熱して放熱する。その熱により蓄熱装置３０に当接するサブ触媒部３５が加熱される。サブ触媒部３５が加熱され活性温度域に達すると、触媒反応によりサブ触媒部３５がさらに加熱される。よって、蒸発凝縮装置２４で熱交換した後の排気ガスは、連通穴２１ａ２を通って内側空間Ｒ１に流入しサブ触媒部３５および蓄熱装置３０で加熱されて流出し、その後メイン触媒部１３に到達し加熱する。その後、メイン触媒部１３の温度が活性温度域になれば、エンジン１１からの排気ガスを第２の排気管を介してメイン触媒部１３に流通させ、触媒反応によりメイン触媒部１３が加熱される。したがって、メイン触媒部１３がサブ触媒部３５より大型であり、かつメイン触媒部１３を蓄熱装置３０で直接加熱するようなシステムと比較して、蓄熱装置３０を小さくすることができ、触媒暖機装置２０自体ひいては触媒暖機システムを小型化することができる。

なお、上述した実施形態では、反応器３０は、蒸発凝縮装置２４の内側でなく軸方向外側にずらして位置するように配設するようにしてもよい。

１１…エンジン、１２…メイン排気管、１３…メイン触媒部（第２の触媒部）、１４…サブ排気管、１５…切替装置１５、２０…触媒暖機装置、２１…内筒、２１ａ２…連通穴、２２…外筒、２３…反応器、２４…蒸発凝縮装置、３０…蓄熱装置、３０ａ…蓄熱材、３５…サブ触媒部（第１の触媒部）、４１…折り返し流路、５５…第１貯水部、５５ａ…リブ、５５ｂ…溝、５６…第２貯水部、５６ａ…樋状部材、５６ｂ…溝、５７…第３貯水部、５７ａ…リブ、内側空間…Ｒ１、外側空間…Ｒ２、Ｒ３…環状空間。

Claims (7)

1. 燃焼装置から排出される排気ガスが流通する第１の排気管の途中に設けられ前記排気ガスを浄化する触媒からなる第１の触媒部と、前記第１の触媒部と当接して設けられ液体と化学反応して発熱する蓄熱材が充填された蓄熱装置と、を備えた触媒暖機装置において、
   前記第１の排気管の途中に連通して設けられ前記第１の触媒部と前記蓄熱装置が内部に収納されている内筒と、
   前記内筒を覆って同軸に配設されるとともに前記内筒との間に軸方向に沿って形成され一端が前記第１の排気管と接続され他端が閉塞された外側空間を備えている外筒と、
   前記内筒内に形成されている内側空間と前記外側空間を連通する連通穴と、
   前記外筒に当接して設けられ前記蓄熱装置と気密的に連通され、かつ内部の前記液体を加熱することで蒸発させて前記蓄熱装置に供給し一方加熱された前記蓄熱装置から供給される気体を凝縮させて前記液体を生成して内部に貯める蒸発凝縮装置と、を備え、
   前記蓄熱装置で放熱させる場合、前記排気ガスを前記内側空間を介さないで前記外側空間に流入し前記蒸発凝縮装置を加熱させ、その後前記連通穴を通って前記内側空間に流入させ前記第１の触媒部および前記蓄熱装置を通って流出させ、
   一方、前記蓄熱装置で蓄熱させる場合、前記排気ガスを前記内側空間に流入し前記第１の触媒部および前記蓄熱装置を通って流出させるように構成されたことを特徴とする触媒暖機装置。
2. 請求項１において、前記第１の触媒部および前記蓄熱装置は前記蒸発凝縮装置の内側に配設されていることを特徴とする触媒暖機装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記外側空間は、前記排気ガスを導入する導入口を設けるとともに前記排気ガスを前記連通穴から導出する折り返し流路を備えており、前記折り返し流路は前記蒸発凝縮装置の内側に配設されていることを特徴とする触媒暖機装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記連通穴は前記内筒の前記排気ガスに係る上流部に設けられていることを特徴とする触媒暖機装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、前記蒸発凝縮装置は、軸方向が水平方向に沿うように配設された前記外筒を取り囲むように同軸に配設され、該蒸発凝縮装置の内部上部に設けられ前記液体を貯める第１貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部側部に設けられ前記液体を貯める第２貯水部と、該蒸発凝縮装置の内部底部に設けられ前記液体を貯める第３貯水部と、を備えていることを特徴とする触媒暖機装置。
6. 請求項５において、前記蒸発凝縮装置は、前記外筒に当接する内周壁と前記内周壁と空間をおいて配設された外周壁とが備えられ、
   前記第１貯水部は、前記内周壁と前記外周壁との間に介装された少なくともリブによって形成された溝から構成され、
   前記第２貯水部は、前記内周壁と前記外周壁との間に介装されて上方に向けて開放された樋状部材によって構成され、
   前記第３貯水部は、前記内周壁と前記外周壁との間に介装されたリブによって形成された溝から構成されていることを特徴とする触媒暖機装置。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の触媒暖機装置と、
   前記第１の排気管に並設され前記触媒暖機装置をバイパスする第２の排気管と、
   前記第１の排気管と前記第２の排気管との合流点より前記排気ガス流の下流の前記第１の排気管に設けられ前記排気ガスを浄化する触媒からなる第２の触媒部と、を備えたことを特徴とする触媒暖機システム。
   
   

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