JP2015052442A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱対象全体を加熱できる化学蓄熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】内部に流体（例えば、排気ガス）が流れる加熱対象を外周側から加熱する化学蓄熱装置であって、加熱対象（例えば、ＤＯＣ４）の外周部（例えば、外筒４ｂ）に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる反応材９ａを収納する反応器９と、反応器９に接続され、吸着材で反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器とを備え、反応材９ａは、加熱対象の外周部において加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内部に流体が流れる加熱対象を外周側から加熱する化学蓄熱装置に関する。

車両等の排気系には、エンジンから排出される排気ガスに含まれる環境汚染物質（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等）を浄化するために、触媒等が設けられている。触媒には、浄化能力を活性化するための最適温度（活性温度）が存在する。エンジン始動時は、排気ガスの温度が低く、触媒の活性温度に達するまでに時間を要する。そこで、エンジン始動時等の排気ガスの温度が低いときに触媒の活性温度まで短時間で温度上昇させるために、触媒を暖機するための加熱装置を設ける場合がある。この加熱装置としては、エネルギロス（燃費ロス）を低減して暖機を行うために、化学反応の反応熱を利用した化学蓄熱装置がある。特許文献１には、触媒の外周部に蓄熱物質を配置させ、蓄熱物質の化学反応の反応熱を利用して触媒を暖機する触媒暖機装置が開示されている。

特開昭５９−２０８１１８号公報

特許文献１に記載の触媒暖機装置では、蓄熱物質（反応材）が触媒（加熱対象）の端部まで配置されていないので（装置の長さが触媒よりも短いので）、触媒全体を暖機（加熱）できない。特に、触媒内には排気ガスが流れているので、加熱された排気ガスが下流側に流れていくため、触媒の上流側を暖機できない。そのため、触媒全体を昇温できない。

そこで、本発明は、加熱対象全体を加熱できる化学蓄熱装置を提供することを課題とする。

本発明に係る化学蓄熱装置は、内部に流体が流れる加熱対象を外周側から加熱する化学蓄熱装置であって、加熱対象の外周部に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる反応材を収納する反応器と、反応器に接続され、吸着材で反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器とを備え、反応材は、加熱対象の外周部において加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されることを特徴とする。

この化学蓄熱装置は、加熱対象を外周側から加熱する。この加熱対象の内部には流体が流れており、流体の流れる方向によって上流側や下流側が規定される。化学蓄熱装置は、吸着器と加熱対象の外周部に配置される反応器を備え、吸着器と反応器とが接続されている。吸着器では、吸着材で反応媒体を吸着して貯蔵する。反応器では、吸着器から反応媒体が供給されると反応材と反応媒体とが化学反応して熱を発生させ、加熱対象を外周側から加熱する。特に、反応器に収納される反応材が、加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されている。加熱対象の内部には流体が上流側から下流側に流れているので、加熱対象が外周側から加熱されると、加熱対象の内部を流れる流体も加熱され、加熱された流体が下流側に流れていく。しかし、反応材は加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されているので、その上流側の箇所から配設される反応材による発熱により、加熱対象の上流側の端部から下流側にかけて加熱することができる。このように、この化学蓄熱装置は、反応材を加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設することにより、加熱対象全体を加熱することができ、加熱対象全体を迅速に昇温できる。

本発明の上記化学蓄熱装置では、反応材は、加熱対象の外周部の全周に配設されると好適である。このように、化学蓄熱装置は、反応材を加熱対象の外周部の全周に配設することにより、加熱対象を外周側の全周から加熱でき、加熱対象全体をより迅速に昇温できる。

本発明によれば、反応材を加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設することにより、加熱対象全体を加熱することができ、加熱対象全体を迅速に昇温できる。

本実施の形態に係る化学蓄熱装置を備える排気ガス浄化システムの概略構成図である。 本実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器とＤＯＣ周辺の断面図であり、（ａ）が正断面図であり、（ｂ）が側断面図である。 他の実施の形態に係る化学蓄熱装置を備える排気ガス浄化システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る化学蓄熱装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態では、本発明に係る化学蓄熱装置を、車両のエンジンの排気系に設けられる排気ガス浄化システムに備えられる化学蓄熱装置に適用する。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、エンジン（特に、ディーゼルエンジン）から排出される排気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。本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、触媒のＤＯＣ[Diesel Oxidation Catalyst]、ＳＣＲ[SelectiveCatalytic Reduction]とＡＳＣ[Ammonia Slip Catalyst]及びフィルタのＤＰＦ[Diesel Particulate Filter]を備えている。また、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムは、ＤＯＣを暖機するための化学蓄熱装置も備えている。

図１を参照して、本実施の形態に係る排気ガス浄化システム１の全体構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る排気ガス浄化システムの概略構成図である。

排気ガス浄化システム１は、エンジン２の排気側に接続された排気管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、選択還元触媒（ＳＣＲ）６、アンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）７を有している。これらＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６、ＡＳＣ７が配設される各部分は、配設されない部分の排気管３の径よりも大きくなっている。排気管３及びＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６、ＡＳＣ７の各内部にはエンジン２から排出される排気ガスが流れ、排気ガスの流れる方向によって上流側や下流側が規定される。

ＤＯＣ４は、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化する触媒である。ＤＯＣ４の構造については、後で詳細に説明する。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、インジェクタ６ａによって排気管３内の上流側にアンモニア（ＮＨ_３）あるいは尿素水（加水分解してアンモニアになる）が供給されると、アンモニアと排気ガス中に含まれるＮＯｘとを化学反応させることによって、ＮＯｘを還元して浄化する触媒である。ＡＳＣ７は、ＳＣＲ６をすり抜けて下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。

各触媒４，６，７には、環境汚染物質に対する浄化能力を発揮できる温度領域（すなわち、活性温度）が存在する。しかし、エンジン２の始動直後などは、エンジン２から排出された直後の排気ガスの温度は比較的低温であり、その活性温度より低い場合がある。そこで、エンジン２の始動直後などでも、各触媒４，６，７で浄化能力を発揮させるために、各触媒４，６，７での温度を迅速に活性温度にする必要がある。なお、排気ガス浄化システム１には、エンジン２から排出された排気ガスの温度（あるいは、触媒の温度）を検出する温度センサが設けられている。

そのために、排気ガス浄化システム１は、触媒の暖機を行う化学蓄熱装置８も有している。化学蓄熱装置８は、最も上流に位置する触媒であるＤＯＣ４を外周側から暖機（加熱）する。ＤＯＣ４の内部には排気ガスが流れているので、排気ガスの流れる最も上流のＤＯＣ４で暖機することによって、暖機で昇温した排気ガスが下流の触媒（ＳＣＲ６、ＡＳＣ７）の内部にも流れる。なお、本実施の形態では、ＤＯＣ４が特許請求の範囲に記載する加熱対象に相当し、排気ガスが特許請求の範囲に記載する流体に相当する。

図１及び図２を参照して、ＤＯＣ４及び化学蓄熱装置８について詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る化学蓄熱装置の反応器とＤＯＣ周辺の断面図であり、（ａ）が正断面図であり、（ｂ）が側断面図である。

ＤＯＣ４は、円柱形状のハニカム基材４ａに酸化触媒が担持された構造である。ハニカム基材４ａの材料は、例えば、セラミックである。ＤＯＣ４（ハニカム基材４ａ）は、全体が外筒４ｂ内に収納されて保持されている。したがって、外筒４ｂが、ＤＯＣ４の外周部を構成することになる。外筒４ｂは、円筒形状であり、その内径がハニカム基材４ａの外径に応じて決まる。外筒４ｂは、排気ガスの流れる方向の長さがＤＯＣ４（ハニカム基材４ａ）の長さよりも長い長さである。したがって、図２（ｂ）に示すように、外筒４ｂ内にハニカム基材４ａが収納されると、外筒４ｂ内の上流側と下流側にはハニカム基材４ａが配置されない部分（空間）が存在する。外筒４ｂの材料は、排気管３と同じ材料であり、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）である。

ＤＯＣ４は、上記したように、上流側や下流側の排気管３よりも大きい径を有している。したがって、外筒４ｂの径は、上流側や下流側の排気管３の径よりも大きい。そのため、その径の異なる外筒４ｂと排気管３とを接続するために、外筒４ｂの上流端と下流端にはコーン４ｃ，４ｃが溶接で接続されている。コーン４ｃ，４ｃは、外筒４ｂを上流側及び下流側の排気管３に繋ぐ部分であり、外筒４ｂの径から排気管３の径まで変化する径を有している。コーン４ｃの材料も、排気管３と同じ材料である。

化学蓄熱装置８は、外部エネルギレスで触媒を暖機する化学蓄熱装置である。つまり、化学蓄熱装置８は、通常は排気ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときにその熱を使用して触媒（ＤＯＣ４）を暖機する。化学蓄熱装置８は、反応器９、吸着器１０、接続管１１、バルブ１２等を備えている。

反応器９は、ＤＯＣ４の外周部（外筒４ｂ）の全周に設けられ、断面形状が外筒４ｂを囲むドーナツ形状である。この断面ドーナツ形状の断面は、反応器９を排気ガスの流れる方向に対して垂直に切った流路断面である。反応器９は、アンモニア（反応媒体）と化学反応する反応材（蓄熱材）９ａを収納している。反応器９では、アンモニアと反応材９ａとが化学反応して化学吸着（配位結合）し、熱を発生させる。また、反応器９では、反応材９ａとアンモニアとが結合した状態で、所定温度以上になると反応材９ａとアンモニアとが分離して、アンモニアを放出し始め、それより高い所定温度になるとアンモニアを殆ど放出する。これらの各温度は、反応材９ａとアンモニアとの組み合わせによって変わる。反応材９ａとしては、アンモニアと化学反応して発熱し、触媒の活性温度以上に昇温できる材料を用いる。この材料としては、ハロゲン化合物のＭＸ_ａの組成を持つ材料であり、Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒなどのアルカリ土類金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどの遷移金属であり、ＸがＣｌ、Ｂｒ、Ｉなどであり、ａ＝２、３である。なお、反応材９ａには、熱伝導性を向上させる添加物を混合してもよい。添加物としては、例えば、カーボンファイバ、カーボンビーズ、ＳｉＣビーズ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｉ−Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、ステンレスなどのビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバである。

反応材９ａは、ＤＯＣ４を収納する外筒４ｂの外周面の全周に配設される。反応材９ａは、プレス成型して反応器９に封入される。反応材９ａが配設される排気ガスの流れる方向の長さは、ＤＯＣ４（ハニカム基材４ａ）の長さよりも長い長さである。したがって、図２（ｂ）に示すように、反応材９ａは、ＤＯＣ４の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されるとともに、ＤＯＣ４の下流側の端部よりも下流側の箇所まで配設される。したがって、外筒４ｂの外周面に配設された反応材９ａは、外筒４ｂを介してＤＯＣ４全体を暖機（加熱）できる。

なお、ＤＯＣ４の内部には、排気ガスが上流側から下流側に流れている。したがって、反応材９ａとアンモニアとの化学反応によって発熱してＤＯＣ４が外周側から加熱されると、ＤＯＣ４の内部を流れる排気ガスも加熱され、加熱された排気ガスが下流側に流れていく。そのため、化学反応によって発生した熱は、発生した位置から下流側に移動する。しかし、反応材９ａはＤＯＣ４の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されているので、その上流側の箇所から配設される反応材９ａによる発熱により、ＤＯＣ４の上流側の端部から下流側にかけて（ＤＯＣ４全体を）加熱することができる。したがって、ＤＯＣ４全体を加熱するためには、反応材９ａをＤＯＣ４の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設しておくことが重要となる。反応材９ａを上流側のどの程度の位置まで配設させるかは、実験などによって決めるとよい。この反応材９ａ（ひいては、反応器９）を配設させる位置及びハニカム基材４ａの長さに応じて、外筒４ｂの長さを決めるとよい。

さらに、反応器９は、反応材９ａを覆う断熱材９ｂを有している。断熱材９ｂは、反応材９ａの外側全面を覆うように配設されている。このような断熱材が反応器９に無くてもよい。さらに、反応器９は、反応材９ａ及び断熱材９ｂを収納するケーシング９ｃを有している。ケーシング９ｃは、断熱材９ｂの外側全面を覆うように配設されている。ケーシング９ｃの上流側の端部及び下流側の端部（反応器９の端部）は、図２（ｂ）に示すように、外筒４ｂの外周面において内部にＤＯＣ４が配置されていない部分に接合されている。ケーシング９ｃと外筒４ｂとの間で密閉された空間を形成し、その中に反応材９ａ及び断熱材９ｂを封入している。このように、反応材９ａは密閉空間内に封入されているので、アンモニアと繰り返し化学反応できる。

吸着器１０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。吸着器１０では、アンモニアを活性炭と物理吸着させた状態で貯蔵して、排気ガスの排熱（温まったアンモニア）を蓄えるとともに、アンモニアを活性炭から分離させてアンモニアを放出して、アンモニアを反応器９に供給する。なお、吸着材は活性炭に限られず、例えば、メソ孔を有するメソポーラスシリカ、メソポーラスカーボンやメソポーラスアルミナ等のメスポーラス材やゼオライト、シリカゲル等を用いてもよい。

接続管１１は、反応器９と吸着器１０とを接続し、反応器９と吸着器１０との間でアンモニアを移動させる管路である。接続管１１の一端は、反応器９のケーシング９ｃ及び断熱材９ｂを貫通して、反応材９ａに対して開口している。バルブ１２は、接続管１１の途中に配設される。バルブ１２が開かれると、接続管１１を介して反応器９と吸着器１０との間でアンモニアの移動が可能となる。バルブ１２は、接続管１１内を開閉するものでもよいが、接続管１１内を流れるアンモニアの流量を調整できるものでもよい。なお、このバルブ１２に対する制御は、エンジン２を制御するＥＣＵ[Electronic Control Unit]（図示せず）あるいは専用のコントローラなどで行われる。

以上のように構成した排気ガス浄化システム１における化学蓄熱装置８の動作を説明する。車両停止中（エンジン２が停止中）は、バルブ１２は閉じられている。したがって、吸着器１０において活性炭からアンモニアが分離していても、接続管１１を介してアンモニアが反応器９に供給されない。

エンジン２が始動後に、エンジン２から排出された排気ガスの温度が所定温度（触媒の活性温度に基づいて設定された温度）より低いときには（エンジン２の始動直後など）、ＥＣＵなどによる制御によってバルブ１２が開かれ、接続管１１を介してアンモニアが反応器９に供給される。このとき、吸着器１０の圧力が反応器９の圧力よりも高く、アンモニアが反応器９側に移動する。反応器９では、供給されたアンモニアと反応材９ａとが化学反応して化学吸着し、熱を発生する。この熱は、外筒４ｂに伝わり、外筒４ｂからＤＯＣ４に伝わる。この際、反応材９ａはＤＯＣ４の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されているので、ＤＯＣ４よりも上流側でも熱が発生し、ＤＯＣ４の上流側の端部から下流側の端部まで加熱することができる。これによって、ＤＯＣ４全体が加熱され、ＤＯＣ４が迅速に昇温する。そして、ＤＯＣ４の温度が活性温度以上になると、ＤＯＣ４で排気ガスを浄化できる。

エンジン２から排出された排気ガスの温度が所定温度より高くなると、排気ガスの排熱によって、反応器９では、アンモニアと反応材９ａとが分離し、アンモニアが発生する。この分離したアンモニアは、バルブ１２が開かれているので、反応器９から接続管１１を介して吸着器１０に戻る。このとき、反応器９の圧力が吸着器１０の圧力よりも高く、アンモニアが吸着器１０側に移動する。吸着器１０では、吸着材がアンモニアを物理吸着して貯蔵する。吸着器１０に設けられている圧力センサ（図示せず）の圧力値がアンモニアの満貯蔵状態を示す圧力値になった場合、ＥＣＵなどの制御によってバルブ１２が閉じられる。

この排気ガス浄化システム１（特に、化学蓄熱装置８）によれば、反応器９の反応材９ａをＤＯＣ４の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設することにより、ＤＯＣ４全体（特に、排気ガスの流れる方向における全域）を効率良く加熱（暖機）することができ、ＤＯＣ４全体を迅速に昇温できる。その結果、早期に、ＤＯＣ４の活性温度に達し、ＤＯＣ４で排気ガスを浄化できる。さらに、排気ガス浄化システム１によれば、反応材９ａをＤＯＣ４の外周部の全周に配設することにより、ＤＯＣ４を外周側の周方向における全域から加熱でき、ＤＯＣ４全体をより迅速に昇温できる。

また、この排気ガス浄化システム１によれば、ＤＯＣ４を外筒４ｂに収納して保持し、その外筒４ｂにおいてＤＯＣ４が収納されていない部分に反応器９の端部を配置させることにより、反応器９の端部に応力が集中してもＤＯＣ４（特に、ハニカム基材４ａ）の破損を防止できる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態では触媒としてＤＯＣ、ＳＣＲ及びＡＳＣ、フィルタとしてＤＰＦを備える排気ガス浄化システムに適用したが、他の様々な構成の排気ガス浄化システムに適用できる。また、車両はディーゼルエンジン車としたが、ガソリンエンジン車等にも適用できる。また、車両以外の排気ガス浄化システムにも適用できる。また、排気ガス浄化システム以外にも適用できる。また、流体としては排気ガスであったが、排気ガス以外の他の流体にも適用できる。

また、本実施の形態では化学蓄熱装置の加熱対象として触媒のＤＯＣとしたが、加熱対象としては他のものでよく、例えば、ＳＣＲ等の他の触媒や図３に示すようにＤＯＣ等の触媒の上流の排気管内に金属製のハニカム構造体等の高熱伝導性を有する部材からなる熱交換器１３を配置し、この熱交換器１３を加熱対象とし、熱交換器１３の外周部に配設された反応器９で加熱することも考えられる。また、本実施の形態では化学蓄熱装置における化学反応の反応媒体をアンモニアとしたが、二酸化炭素、アルコール、水等の他の媒体でもよい。また、本実施の形態では反応器（反応材）をＤＯＣの外周部の全周に設ける構成としたが、全周に設けない構成でもよい。

また、本実施の形態では反応材を外筒におけるＤＯＣの上流側の端部よりも上流側の箇所から下流側の端部よりも下流側の箇所まで配設する構成としたが、下流側については反応材をＤＯＣの下流側の端部よりも下流側まで配置させない構成としてもよく、例えば、ＤＯＣの下流側の端部まで配設させてもよいし、ＤＯＣの下流側の端部よりも少し上流側の箇所まで配設させてもよい。この構成の場合でも、反応材がＤＯＣの上流側の端部よりも上流側の箇所に配設させているので、上流側の反応材による発熱により、ＤＯＣ全体を加熱できる。

１…排気ガス浄化システム、２…エンジン、３…排気管、４…ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、４ａ…ハニカム基材、４ｂ…外筒、４ｃ…コーン、５…ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）、６…選択還元触媒（ＳＣＲ）、６ａ…インジェクタ、７…アンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ）、８…化学蓄熱装置、９…反応器、９ａ…反応材、９ｂ…断熱材、９ｃ…ケーシング、１０…吸着器、１１…接続管、１２…バルブ、１３…熱交換器。

Claims (2)

1. 内部に流体が流れる加熱対象を外周側から加熱する化学蓄熱装置であって、
   前記加熱対象の外周部に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる反応材を収納する反応器と、
   前記反応器に接続され、吸着材で反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器と、
   を備え、
   前記反応材は、前記加熱対象の外周部において前記加熱対象の上流側の端部よりも上流側の箇所まで配設されることを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記反応材は、前記加熱対象の外周部の全周に配設されることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。

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