JP2015059673A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材で発生した反応熱を早く且つ均一に加熱対象に伝えることができる化学蓄熱装置を提供する。
【解決手段】化学蓄熱装置１０は、酸化触媒４の周囲に配置された反応器８と、反応器８と接続され、反応媒体としてのアンモニアを吸着して貯蔵する吸着器１１と、を備える。反応器８は積層体２０を有している。積層体２０は、反応部２１と、熱伝導シート２２とが交互に積層されている。反応部２１は、アンモニアと化学反応して熱を発生させる蓄熱材２４と蓄熱材２４よりも熱伝導率の高い伝熱材２３とが混合されている。熱伝導シート２２は、蓄熱材２４より熱伝導率の高い材料で形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられる触媒等の加熱対象を加熱する化学蓄熱装置に関する。

化学蓄熱装置としては、下記の特許文献１に記載されているようなものが知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、触媒の外周部に蓄熱材を含む反応器を配置し、蓄熱材の化学反応の反応熱を利用して触媒を暖機（加熱）するというものである。

特開昭５９−２０８１１８号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、反応器内の蓄熱材の熱伝導率が低いため、反応熱が触媒に伝わりにくく、触媒を活性温度まで加熱するのにかなりの時間を要する。また、蓄熱材の熱伝導においては、ムラが生じるため、反応熱を触媒に均一に伝えることができない。

そこで本発明は、蓄熱材で発生した反応熱を早く且つ均一に加熱対象に伝えることが可能な化学蓄熱装置を提供することを課題とする。

本発明は、加熱対象を加熱する化学蓄熱装置において、加熱対象の周囲又は内部に配置された反応器と、反応器と接続され、反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器と、を備え、反応器は、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有する反応部と、蓄熱材よりも熱伝導率の高い熱伝導シートとが、交互に積層されてなる積層体を有する。

このような本発明の化学蓄熱装置では、蓄熱材と反応媒体とが化学反応して蓄熱材から熱（反応熱）が発生し、その反応熱が加熱対象に伝えられて、加熱対象が加熱される。このとき、蓄熱材を有する反応部と、蓄熱材よりも熱伝導率の高い熱伝導シートとを交互に積層してなる積層体を形成することにより、蓄熱材で生じた反応熱が熱伝導シートにより熱伝導シートの厚み方向に対して垂直な方向に分散されて伝搬するようになる。これにより、蓄熱材で発生した反応熱を早く且つ均一に加熱対象に伝えることができる。

好ましくは、反応器は、加熱対象の周囲に配置されており、積層体は、反応部と熱伝導シートとが加熱対象側から加熱対象の反対側に向かって交互に積層されている。この場合には、熱伝導シートが加熱対象を取り囲むように配置されることになるため、蓄熱材で発生した反応熱を確実に均一に加熱対象に伝えることができる。

また、好ましくは、反応器は、蓄熱材よりも熱伝導率の高い伝熱材が蓄熱材に混合されている。この場合には、蓄熱材よりも熱伝導率の高い伝熱材が蓄熱材に混合されているので、蓄熱材で発生した反応熱が加熱対象に伝わりやすくなる。

さらに、好ましくは、熱伝導シートには、複数の貫通孔が形成されている。この場合には、熱伝導シートの貫通孔に伝熱材が入り込むことで、熱伝導シートの厚み方向の熱伝導性が高くなる。これにより、蓄熱材で発生した反応熱をより早く加熱対象に伝えることができる。

本発明によると、蓄熱材で発生した反応熱を早く且つ均一に加熱対象に伝えることができる。これにより、加熱対象を効率的に加熱することが可能となる。

本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排ガス浄化システムを示す概略構成図である。 図１に示した反応器の内部を示す断面図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態として反応器の内部を示す断面図である。 図３に示した熱伝導シートを示す平面図である。 本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排ガス浄化システムの変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る化学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。

（第一実施形態）
図１に示される排ガス浄化システム１は、車両のディーゼルエンジン２（以下、単にエンジン２という）等の内燃機関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。

エンジン２は、ターボチャージャーとして機能するタービン２ａとコンプレッサー２ｂとを有している。エンジン２からの排気エネルギーによってタービン２ａとコンプレッサー２ｂとが駆動される。コンプレッサー２ｂは、外気取込口２ｃと接続しており、外気取込口２ｃから取り込まれた外気はコンプレッサー２ｂにより圧縮される。コンプレッサー２ｂによって圧縮された高圧の外気がエンジン２のエンジン本体に供給される。

排ガス浄化システム１は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に上流側から下流側に向けて順に設けられた酸化触媒（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及び酸化触媒（ＡＳＣ）７を備えている。酸化触媒４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。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６ａから尿素やアンモニア（ＮＨ_３）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。酸化触媒７は、ＳＣＲ６の下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。

一般に酸化触媒４には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域（活性温度）が存在する。したがって、酸化触媒４の温度を活性温度にするために、酸化触媒４を加熱する必要がある。

排ガス浄化システム１は化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、エネルギーレスで酸化触媒４（加熱対象）を加熱する加熱手段である。化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用する。

化学蓄熱装置１０は、反応器８と、反応器８に媒体供給通路（例えば、アンモニア導入管）９を介して接続され、アンモニアなどの反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器１１とを有している。媒体供給通路９には、開閉弁９ａが設けられている。

図２を参照して、反応器８について説明する。反応器８は、酸化触媒４の周囲に配置されている。

反応器８は、排気管１３の外周に設けられている。排気管１３は、排気通路３の一部である。排気管１３は、例えば円筒状の配管であり、例えばステンレスから構成されている。排気管１３の内部には酸化触媒４が配置されている。

反応器８は、リング状のケース８ａを有している。ケース８ａの内部空間には、リング状の積層体２０が収容されている。積層体２０は、反応部２１と熱伝導シート２２とが交互に積層されている。反応部２１と熱伝導シート２２とは、酸化触媒４側から酸化触媒４の反対側に向かって排気管１３の径方向に交互に積層されている。

反応部２１は、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材２４と、蓄熱材２４よりも熱伝導率の高い伝熱材２３とが混合されている。

蓄熱材２４は、ＭｇＢｒ_２等の金属塩で形成されている。蓄熱材２４は、例えば、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＭｇＩ_２、ＣａＩ_２等で形成されてもよい。

伝熱材２３は、カーボンファイバ等の高熱伝導率の高い材料で形成されている。伝熱材２３は、例えば、ＳｉＣビーズ、カーボンビーズ、Ｓｉビーズ、アルミナビーズ等で形成されてもよい。

熱伝導シート２２は、図２に示されるように、断面形状が薄い（例えば、４０〜１００μｍ程度）シートである。熱伝導シート２２は、蓄熱材２４よりも熱伝導率の高い材料で形成されている。熱伝導シート２２は、アンモニアに晒されるのでアンモニアによって腐食しない材質が好ましい。熱伝導シート２２は、グラファイトシートで形成されている。熱伝導シート２２は、例えば、ＳＵＳから形成されるシートや、アルミから形成されるシートであってもよい。

媒体供給通路９は、反応器８の蓄熱材２４と吸着器１１とを接続する通路である。開閉弁９ａが開かれているときに、吸着器１１からアンモニアが放出されると、媒体供給通路９の一端からアンモニアが反応器８内に流入される。

吸着器１１には、活性炭が封入されている。活性炭にアンモニアが物理吸着されることで、アンモニアが吸着器１１に貯蔵されるようになる。吸着器１１には、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ソポーラス材やゼオライト、シリカゲル等が封入されていてもよい。

以上のように排ガス浄化システム１を構成した場合、エンジン２の始動直後など、エンジン２からの排ガスの温度が低いとき（排ガスの温度が触媒の活性温度以下のとき）は、吸着器１１に吸着して貯蔵されたアンモニアが媒体供給通路９を介して反応器８の蓄熱材２４に供給され、蓄熱材２４の金属塩（例えばＭｇＢｒ_２）とアンモニア（ＮＨ_３）とが化学反応し、蓄熱材２４から熱を発生させることができる。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。

ＭｇＢｒ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＢｒ_２＋熱

そして、蓄熱材２４から発生した熱が排気管１３を介して酸化触媒４に伝えられ、酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱されるようになる。

一方、エンジン２からの排ガスの温度が高くなり、反応器８の温度が所定の温度以上になると、排ガスの熱（排熱）が排気管１３を介して蓄熱材２４に与えられることでＭｇＢｒ_２とアンモニアとが分離する。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、ＭｇＢｒ_２から分離したアンモニアは、反応器８と吸着器１１との圧力差により、媒体供給通路９を介して吸着器１１に戻って回収されるようになる。

以上、第一実施形態によれば、蓄熱材２４とアンモニア（反応媒体）とが化学反応して蓄熱材２４から熱（反応熱）が発生する。この反応熱が酸化触媒４に伝えられることにより、酸化触媒４が加熱される。このとき、蓄熱材２４で生じた反応熱が熱伝導シート２２により周方向及び排気方向に分散されて伝搬する。また、伝熱材２３が蓄熱材２４に混合されているので、蓄熱材２４で発生した反応熱が酸化触媒４に伝わりやすい。よって、蓄熱材２４で発生した反応熱を早く且つ均一に酸化触媒４に伝えることができる。このため、酸化触媒４の加熱に要する時間を短縮することができる。また、アンモニアを反応器８から吸着器１１に効率良く回収することができるため、アンモニアを回収する時間を短縮することができる。その結果、化学蓄熱装置１０の繰り返し使用に対して有利になる。

（第二実施形態）
図３及び図４を参照して、第二実施形態に係る化学蓄熱装置１０について説明する。第二実施形態に係る化学蓄熱装置１０は、熱伝導シート２２を除いて第一実施形態に係る化学蓄熱装置１０と同様である。以下、第一実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。

第二実施形態において、熱伝導シート２２には、図３及び図４に示されるように、複数の貫通孔２２ａが形成されている。熱伝導シート２２が、例えば、グラファイトシートの場合、厚み方向の熱伝導が低い。貫通孔２２ａが形成されることにより、貫通孔２２ａの内部に伝熱材２３が混合された蓄熱材２４が封入され、厚み方向の熱伝導が向上する。また、貫通孔２２ａは、アンモニアの通路となる。このため、アンモニアが積層体２０内を通りやすくなる。

図４に示されるように、熱伝導シート２２には、複数の円形状の貫通孔２２ａがランダムに形成されている。なお、複数の貫通孔２２ａの形状は、略同一であってもよく、異なっていてもよい。また、貫通孔２２ａの形状は、例えば、多角形状等であってもよい。

貫通孔２２ａの数は、任意としてよく、２つ以上あるのが好ましい。また、貫通孔２２ａの位置は、任意としてよく、整列していてもしてなくてもよい。

以上、第二実施形態によれば、熱伝導シート２２の貫通孔２２ａに伝熱材２３が入り込む。また、熱伝導シート２２の厚み方向の熱伝導性が高くなる。これにより、蓄熱材２４で発生した反応熱をより早く加熱対象に伝えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得る。

上記実施形態では、二つの熱伝導シート２２と三つの蓄熱材２４とが積層することにより積層体２０が形成されていたが、これに限定されず、熱伝導シート２２と蓄熱材２４とが積層される数は適宜設定してよい。

また、上記実施形態では、反応器８が酸化触媒４の周囲に配置されているが、反応器８は、酸化触媒４の内部に配置されてもよい。

また、上記実施形態では、反応媒体であるアンモニアとＭｇＢｒ_２等の蓄熱材２４とを化学反応させて熱を発生させるようにしたが、反応媒体としては、特にアンモニア（ＮＨ_３）は限られず、例えばＨ_２Ｏとしても良い。この場合には、Ｈ_２Ｏと化学反応させる蓄熱材としては、ＣａＯ等を使用する。

また、上記実施形態は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた酸化触媒４を加熱するものであるが、選択還元触媒（ＳＣＲ）６を加熱してもよいし、排気管１３を加熱してもよい。

さらに、本発明は、例えば、図５に示されるように、酸化触媒４等の触媒の上流側に熱交換器１４が配置された排ガス浄化システム１Ａにも適用可能である。この場合、熱交換器１４は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に配置されてもよく、例えば熱交換器１４の周囲に反応器１２を配置し、熱交換器１４を外周側から加熱してもよい。また、熱交換器１４は、高熱伝導性を有する部材から構成された金属製のハニカム構造体等であってもよい。

また、本発明は、特に、ディーゼルエンジン２には限られず、ガソリンエンジンの排気系に設けられた触媒や排気管を加熱するものにも適用可能であるし、内燃機関以外の加熱対象を加熱するものにも適用可能である。

４…酸化触媒（加熱対象）、８，１２…反応器、１０…化学蓄熱装置、１１…吸着器、１４…熱交換器（加熱手段）、２０…積層体、２１…反応部、２２…熱伝導シート、２２ａ…貫通孔、２３…伝熱材、２４…蓄熱材。

Claims (4)

1. 加熱対象を加熱する化学蓄熱装置において、
   前記加熱対象の周囲又は内部に配置された反応器と、
   前記反応器と接続され、反応媒体を吸着して貯蔵する吸着器と、を備え、
   前記反応器は、前記反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有する反応部と、前記蓄熱材よりも熱伝導率の高い熱伝導シートとが、交互に積層されてなる積層体を有する化学蓄熱装置。
2. 前記反応器は、前記加熱対象の周囲に配置されており、
   前記積層体は、前記反応部と前記熱伝導シートとが前記加熱対象側から前記加熱対象の反対側に向かって交互に積層されている請求項１に記載の化学蓄熱装置。
3. 前記反応部は、前記蓄熱材よりも熱伝導率の高い伝熱材が前記蓄熱材に混合されている請求項１又は２に記載の化学蓄熱装置。
4. 前記熱伝導シートには、複数の貫通孔が形成されている請求項３に記載の化学蓄熱装置。

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