JP2013242053A - 蓄熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】余計な動力を使わずにアンモニア貯蔵器の温度調整を行うことができる蓄熱装置を提供する。
【解決手段】蓄熱装置１０は、ＤＯＣ４の外周部に設けられた反応器１１と、この反応器１１と管路１２を介して接続され、アンモニア（ＮＨ３）を貯蔵するアンモニア貯蔵器１３とを備えている。反応器１１は、アンモニアと化学反応する反応材料（例えばＣａＣｌ２）が含有された成形体１５を有している。アンモニア貯蔵器１３には、アンモニアと物理吸着する活性炭が内蔵されている。アンモニア貯蔵器１３は、複数枚のプレートフィン１７を有している。アンモニア貯蔵器１３は、車両の車体前部のアンダーボディに取り付けられている。車両の走行風による空気が各プレートフィン１７で熱交換されることで、アンモニア貯蔵器１３の温度が所望温度以上となるように調整される。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の内燃機関の排気系に設けられた蓄熱装置に関するものである。
従来の蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の蓄熱装置は、反応媒体と可逆的に発熱反応及び吸熱反応する蓄熱部材を収容する反応容器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵容器と、反応容器と貯蔵容器とを連通させて、反応容器と貯蔵容器との間での反応媒体の流通を可能とする連通路と、貯蔵容器内の反応媒体を加熱するヒータとを備えている。
特開２０１１−２０８８６５号公報
例えば、反応媒体としてアンモニア（ＮＨ３）を使用し、アンモニアと物理吸着する吸着材が貯蔵容器（アンモニア貯蔵器）に内蔵されている場合、蓄熱部材から熱を発生させる際にアンモニアがアンモニア貯蔵器の吸着材から分離すると、アンモニア貯蔵器の温度が下がるため、アンモニア貯蔵器から蓄熱部材にアンモニアが供給されにくくなる。このため、アンモニア貯蔵器の温度を所望温度に保持しておく必要がある。しかし、上記従来技術のようにアンモニア貯蔵器の温度調整のためにヒータを用いる場合には、ヒータを作動するための動力が必要となるので、エネルギーロスにつながる。
本発明の目的は、余計な動力を使わずにアンモニア貯蔵器の温度調整を行うことができる蓄熱装置を提供することである。
本発明は、車両の内燃機関の排気系に設けられた触媒を加熱する蓄熱装置において、排気系に配置され、アンモニアと化学反応して熱を発生させる成形体を有する反応器と、反応器と接続され、アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵器とを備え、アンモニア貯蔵器には、アンモニアと物理吸着する吸着材が内蔵されており、アンモニア貯蔵器は、熱交換構造を有し、外部熱媒体との熱交換によって温度調整可能となっていることを特徴とするものである。
このような本発明の蓄熱装置においては、アンモニア貯蔵器に内蔵された吸着材にアンモニアが物理吸着することで、アンモニアがアンモニア貯蔵器に貯蔵される。ここで、熱交換構造を有するアンモニア貯蔵器は、外部熱媒体との熱交換によって温度調整可能となっている。アンモニア貯蔵器が外部熱媒体との熱交換によって加熱されると、吸着材からアンモニアが分離し、アンモニア貯蔵器から反応器にアンモニアが供給され、反応器の成形体とアンモニアとの化学反応が起こり、成形体から熱が発生するようになる。このとき、アンモニア貯蔵器の温度を所望温度に保持することにより、吸着材からのアンモニアの分離作用が促進される。このようにヒータ等といった動力を必要とする装置を使用せずに、外部熱媒体との熱交換を利用して、アンモニア貯蔵器の温度を所望温度に調整することができる。
好ましくは、アンモニア貯蔵器は、車両の車体前部、エンジンルーム及び後部荷室のいずれかに取り付けられている。反応器は、車体下部に位置する排気系に配置されている。成形体と化学反応する媒体として、気体であるアンモニアを使用することで、アンモニア貯蔵器を車体前部、エンジンルーム及び後部荷室といった反応器より離れた位置に配置することが可能となる。
このとき、好ましくは、アンモニア貯蔵器は、エンジンルームのファンの下流側に当該ファンに隣接して配置されている。この場合には、エンジンルームのファンより送られる空気との熱交換によって、アンモニア貯蔵器の温度調整が可能となる。また、車両の走行時外でも空気流が発生する部位にアンモニア貯蔵器が配置されることになるため、アンモニア貯蔵器の温度調整のための装置を新設する必要が無い。
また、好ましくは、アンモニア貯蔵器は、車両の空気ブレーキに使用される圧縮空気の排出部に隣接して配置されている。この場合には、圧縮空気との熱交換によって、アンモニア貯蔵器の温度調整が可能となる。また、空気ブレーキに使用される圧縮空気を利用することにより、圧縮空気を発生させる機器を別途追加しなくて済むため、蓄熱装置の構成を簡素化することができる。さらに、車両の走行時外でも空気流が発生する部位にアンモニア貯蔵器が配置されることになるため、アンモニア貯蔵器の温度調整のための装置を新設する必要が無い。
さらに、好ましくは、アンモニア貯蔵器は、エンジンルーム内または後部荷室内に配置され、外部熱媒体として冷却水との熱交換によって温度調整可能である。この場合には、エンジンルーム内または後部荷室内を通る冷却水との熱交換によって、アンモニア貯蔵器の温度調整が可能となる。
また、好ましくは、アンモニア貯蔵器は、後部荷室内に配置したファンの下流側に当該ファンに隣接して配置されている。後部荷室は、スペース的に余裕があるため、アンモニア貯蔵器の配置に有利となる。従って、後部荷室内に新たなファンを配置し、そのファンの下流側にアンモニア貯蔵器を配置することにより、当該ファンより送られる空気との熱交換によって、アンモニア貯蔵器の温度調整が可能となる。
本発明によれば、余計な動力を使わずにアンモニア貯蔵器の温度調整を行うことができる。これにより、エネルギーロスを抑制しつつ、反応器の成形体とアンモニアとを効果的に化学反応させることが可能となる。
本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を示す構成図である。 図２に示したアンモニア貯蔵器の正面図及びその変形例を示す図である。 本発明に係る蓄熱装置の他の実施形態を示す構成図である。 本発明に係る蓄熱装置の更に他の実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。
以下、本発明に係る蓄熱装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図であり、図２は、本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を示す構成図である。各図において、排気浄化システム１は、車両Ｓのエンジン２（ここではディーゼルエンジン）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化するシステムである。
排気浄化システム１は、エンジン２と接続された排気通路３の上流側から下流側に向けて、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を有している。ＤＯＣ４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化する触媒である。ＤＰＦ５は、排ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、添加弁７より尿素やアンモニアを供給して、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。
ＤＯＣ４及びＳＣＲ６には、環境汚染物質の浄化能力活性化のための最適温度が存在する。例えば、ＤＯＣ４の最適温度は１５０℃程度であり、ＳＣＲ６の最適温度は１８０℃程度である。従って、ＤＯＣ４及びＳＣＲ６の温度を最適温度以上にするために、ＤＯＣ４及びＳＣＲ６を加熱する必要がある。
そこで、排気浄化システム１は、本実施形態の蓄熱装置１０を有している。蓄熱装置１０は、エネルギーレスで触媒を加熱する化学蓄熱装置である。つまり、蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに熱を使用するというものである。
蓄熱装置１０は、ＤＯＣ４の外周部に設けられた反応器１１と、この反応器１１と管路１２を介して接続され、アンモニア（ＮＨ３）を貯蔵するアンモニア貯蔵器１３とを備えている。管路１２には、開閉弁１４が設けられている。
反応器１１は、アンモニアと化学反応する固体状または粉末状の反応材料が含有された成形体１５を有している。反応材料としては、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＮｉＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＳｒＣｌ２等が挙げられる。
アンモニア貯蔵器１３は、車両Ｓの車体前部に取り付けられている（図１参照）。成形体１５の反応材料と化学反応する媒体としてアンモニアを使用することにより、管路１２を長くし、アンモニア貯蔵器１３の設置箇所の自由度を上げることができる。このとき、アンモニア貯蔵器１３の設置スペースが十分空いており、走行風を受けやすいアンダーボディにアンモニア貯蔵器１３を取り付けることが望ましい。
アンモニア貯蔵器１３には、アンモニアと物理吸着する吸着材としての活性炭が内蔵されている。従って、アンモニア貯蔵器１３には、アンモニアが活性炭と物理吸着した状態で貯蔵されることになる。
アンモニア貯蔵器１３は、図２及び図３（ａ）に示すように、矩形状のベース部１６と、このベース部１６と一体化された複数枚のプレートフィン（熱交換フィン）１７とからなっている。つまり、アンモニア貯蔵器１３は、表面積を広くするために櫛型ヒートシンク形状をなした熱交換構造となっている。ベース部１６には、管路１２と接続されるアンモニア出入部１８が突設されている。アンモニア貯蔵器１３は、各プレートフィン１７の先端が下側となるように車両Ｓの車体前部に取り付けられている。
なお、アンモニア貯蔵器１３の熱交換構造としては、特に上記のものには限られない。例えば図３（ｂ）に示すように、アンモニア貯蔵器１３の表面積を更に増やすために、各プレートフィン１７の側面に複数の小さなフィン３１を設けても良い。また、図３（ｃ）に示すように、例えば直方体状のアンモニア貯蔵器１３に複数の貫通孔３２を形成しても良い。この場合にも、アンモニア貯蔵器１３の表面積を広くすることができる。
ところで、アンモニアを活性炭と物理吸着させたり、アンモニアを活性炭から分離させる場合には、吸着開始前後または分離開始前後にわたり、アンモニア貯蔵器１３の温度を所望温度に維持することが好ましい。アンモニア貯蔵器１３を表面積の広い熱交換構造とすることにより、車両の走行時に発生する走行風を利用して、アンモニア貯蔵器１３の温度を調整することができる。具体的には、走行風による空気（外部熱媒体）が各プレートフィン１７で熱交換されることで、アンモニア貯蔵器１３の温度を所望温度に維持することができる。
また、排気通路３におけるＤＯＣ４の上流側には、エンジン２からの排ガスを冷却するための圧縮空気を噴射する圧縮空気供給部１９が配置されている。圧縮空気供給部１９は、空気ブレーキに用いられる圧縮空気を噴射するようにしている。
エンジン２からの排ガスの温度が高くなり過ぎると、反応器１１に内蔵されている成形体１５が融解したり、成形体１５中のＣａＣｌ２等の反応材料と反応するアンモニアが分解することがある。反応材料が含有された成形体１５の融解温度は７００℃程度であり、アンモニアの分解温度は４００℃程度である。
従って、排ガスの温度が４００℃よりも低くなるように、圧縮空気により排ガスを冷却するのが望ましい。これにより、反応器１１の温度がアンモニアの分解温度よりも低くなるため、成形体１５の融解やアンモニアの分解が防止される。
以上のように構成した蓄熱装置１０を備えた排気浄化システム１において、車両Ｓの走行時に、エンジン２からの排ガスの温度が所定値よりも低いときは、アンモニア貯蔵器１３内に貯蔵されたアンモニアが管路１２を介して反応器１１に供給され、反応器１１の成形体１５に含まれる反応材料（例えばＣａＣｌ２）とアンモニア（ＮＨ３）とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、成形体１５から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応が起こる。そして、成形体１５から発生した熱によってＤＯＣ４やＳＣＲ６が汚染物質の浄化に適した温度まで上昇するようになる。
ＣａＣｌ２＋ｘＮＨ３ ⇔ Ｃａ（ＮＨ３）ｘＣｌ２＋熱
このとき、アンモニア貯蔵器１３の活性炭よりアンモニアが分離されるに従い、アンモニア貯蔵器１３の温度は低下しようとするが、本実施形態では、アンモニア貯蔵器１３と走行風との熱交換により、アンモニア貯蔵器１３の温度の低下が抑制される。このため、アンモニア貯蔵器１３から反応器１１にアンモニアがスムーズに供給されるため、成形体１５からの熱の発生に時間がかかることが防止される。
一方、エンジン２からの排ガスの温度が所定値よりも高いときは、排熱が反応器１１の成形体１５に与えられることでＣａＣｌ２とＮＨ３とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応が起こる。そして、分離したアンモニアは、反応器１１から管路１２を介してアンモニア貯蔵器１３内に戻り、アンモニア貯蔵器１３に内蔵された活性炭と物理吸着する。
以上のように本実施形態にあっては、熱交換構造を有するアンモニア貯蔵器１３を車両Ｓの車体前部に取り付けたので、車両Ｓの走行時に生じる走行風による空気によってアンモニア貯蔵器１３の温度が所望温度以上または所望温度範囲内となるように調整される。このようにしてアンモニア貯蔵器１３の温度を調整するので、アンモニア貯蔵器１３を加熱するためのヒータが不要となり、ヒータを作動させる動力を使用しなくて済む。これにより、ヒータを作動させる動力に起因したエネルギーロスを抑制することができる。
また、車両Ｓの走行風による空気を利用するので、アンモニア貯蔵器１３の温度調整のための空気を発生させる手段が不要となり、単純な構成でアンモニア貯蔵器１３の温度調整を行うことができる。この点を詳述すると、化学反応の媒体として水などの液体を用いる場合には、貯蔵器と反応器との間を大きく離すことはできず、例えば特開２０１１−１０６３５５号公報の如く、貯蔵器と反応器とを一体構造としている。この場合、貯蔵器の温度調整に走行風を利用しようとしても、車両床下の排気通路及び反応器周りのレイアウトによっては、必ずしも貯蔵器のプレートフィンに十分な走行風を当てられるものではない。本実施形態では、化学反応の媒体として気体のアンモニアを用いるので、アンモニア貯蔵器１３と反応器１１との間を１ｍ以上離して配置することも可能であり、反応器１１の配置によらず、アンモニア貯蔵器１３のプレートフィン１７を十分な走行風が当たる位置に配置し、アンモニア貯蔵器１３の温度調整を行うことができる。
図４は、本発明に係る蓄熱装置の他の実施形態を示す構成図である。同図において、本実施形態の蓄熱装置１０は、アンモニア貯蔵器１３の温度を調整するための圧縮空気（外部熱媒体）をアンモニア貯蔵器１３に対して噴射する圧縮空気排出部２０を更に備えている。アンモニア貯蔵器１３は、圧縮空気排出部２０に隣接して配置されている。圧縮空気排出部２０は、上記の圧縮空気供給部１９と同様に、空気ブレーキに用いられる圧縮空気を噴射する。従って、圧縮空気を生成する機器を別途追加しなくて済む。
アンモニア貯蔵器１３に圧縮空気を積極的に当てることにより、圧縮空気がアンモニア貯蔵器１３で熱交換されるため、アンモニア貯蔵器１３の温度を所望温度以上に保持することができる。
このように圧縮空気供給部２０からアンモニア貯蔵器１３に対して圧縮空気を噴射させるので、上記実施形態と同様に、ヒータを作動させる動力を使用せずに、アンモニア貯蔵器１３の温度を調整することができる。
また、車両Ｓの走行風を受けることが困難な箇所にアンモニア貯蔵器１３を取り付けることができる。また、車両Ｓのエンジンをかかっている状態において車両Ｓが停止しているために走行風が発生していないときでも、アンモニア貯蔵器１３の温度調整を行うことができる。さらに、車両の走行時外でも空気流が発生する部位にアンモニア貯蔵器１３が配置されることになるため、アンモニア貯蔵器１３の温度調整のための装置を新設する必要が無い。
図５は、本発明に係る蓄熱装置の更に他の実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。同図において、アンモニア貯蔵器１３は、車両ＳのエンジンルームＥに取り付けられている。エンジンルームＥ内には、ラジエータに風を送るためのファン３３が配置されている。ファン３３としては、ヒータよりも消費電力の低いものが使用される。
アンモニア貯蔵器１３は、ファン３３の下流側にファン３３に隣接して配置されている。この場合には、ファン３３よりラジエータに送られる空気（外部熱媒体）の一部がアンモニア貯蔵器１３で熱交換されるため、アンモニア貯蔵器１３の温度を所望温度以上に保持することができる。また、車両の走行時外でも空気流が発生する部位にアンモニア貯蔵器１３が配置されることになるため、アンモニア貯蔵器１３の温度調整のための装置を新設する必要が無い。
なお、エンジンルームＥにおける冷却水が流れる流路の近傍にアンモニア貯蔵器１３を配置しても良い。この場合には、冷却水がアンモニア貯蔵器１３で熱交換されるため、アンモニア貯蔵器１３の温度を所望温度以上に保持することができる。
また、車両Ｓの後部荷室Ｎはスペース的に余裕があるため、後部荷室Ｎに別途ファンを配置し、そのファンの下流側にアンモニア貯蔵器１３を配置しても良い。また、後部荷室Ｎの内部に冷却水（外部熱媒体）を流すようにし、その冷却水が流れる流路の近傍にアンモニア貯蔵器１３を配置しても良い。
以上、本発明に係る蓄熱装置の好適な実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、蓄熱装置１０の反応器１１がＤＯＣ４の外周部に設けられているが、排気通路３におけるＤＯＣ４の上流側に、アンモニアと化学反応する成形体を有する反応器を配置しても良い。
２…エンジン（内燃機関）、３…排気通路（排気系）、４…ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、６…選択還元触媒（ＳＣＲ）、１０…蓄熱装置、１１…反応器、１３…アンモニア貯蔵器、１５…成形体、１７…プレートフィン（熱交換フィン）、２０…圧縮空気排出部、Ｓ…車両、Ｅ…エンジンルーム、Ｎ…後部荷室。

Claims (6)

  1. 車両の内燃機関の排気系に設けられた触媒を加熱する蓄熱装置において、
    前記排気系に配置され、アンモニアと化学反応して熱を発生させる成形体を有する反応器と、
    前記反応器と接続され、前記アンモニアを貯蔵するアンモニア貯蔵器とを備え、
    前記アンモニア貯蔵器には、前記アンモニアと物理吸着する吸着材が内蔵されており、
    前記アンモニア貯蔵器は、熱交換構造を有し、外部熱媒体との熱交換によって温度調整可能となっていることを特徴とする蓄熱装置。
  2. 前記アンモニア貯蔵器は、前記車両の車体前部、エンジンルーム及び後部荷室のいずれかに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
  3. 前記アンモニア貯蔵器は、前記エンジンルームのファンの下流側に当該ファンに隣接して配置されていることを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
  4. 前記アンモニア貯蔵器は、前記車両の空気ブレーキに使用される圧縮空気の排出部に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の蓄熱装置。
  5. 前記アンモニア貯蔵器は、前記エンジンルーム内または前記後部荷室内に配置され、前記外部熱媒体として冷却水との熱交換によって温度調整可能であることを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
  6. 前記アンモニア貯蔵器は、前記後部荷室内に配置したファンの下流側に当該ファンに隣接して配置されていることを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
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