JP2015169413A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材で発生した熱を流体に効率良く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、反応器１１と、この反応器１１と配管１２を介して接続された吸着器１３とを備えている。反応器１１は、複数のプレート状の発熱部１６と複数の熱交換部１７とが交互に積層されてなる積層構造体１８を有している。発熱部１６は、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させると共に排熱を受けてＮＨ３を脱離させる蓄熱材１９と、この蓄熱材１９を収容する金属ケースとを有している。熱交換部１７は、排ガスの通路となっており、金属フィンにより構成されている。発熱部１６の金属ケースと熱交換部１７とは、ロウ付けや溶接等により接合されている。吸着器１３は、ＮＨ３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材２３を含んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエンジンから排出される排ガス等の加熱に使用される化学蓄熱装置に関するものである。

従来の化学蓄熱装置としては、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に記載の化学蓄熱装置は、エンジンより排出された排ガスを浄化する触媒セラミック部の周囲に配置され、筐体部内に内蔵された蓄熱物質（蓄熱材）を含む反応器と、蓄熱物質を発熱させるための反応媒体として水を供給する導水管部とを備えている。水と蓄熱物質とを発熱反応させると、反応器から熱が発生し、熱伝導により触媒セラミック部が加熱される。

特開昭５９−２０８１１８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、反応器の筐体部が排気管と同様に金属材料で形成されている場合には、異種材料である筐体部及び触媒セラミック部同士を溶接したりロウ付けすることができないため、筐体部と触媒セラミック部とを物理的に接触させるしかない。この場合には、筐体部と触媒セラミック部との界面の熱抵抗が大きくなるため、蓄熱材で発生した熱が触媒セラミック部に伝わりにくくなる。また、触媒セラミック部の浄化性能を確保するためには、触媒セラミック部としては所定以上の寸法が必要となる。この場合には、蓄熱材から触媒セラミック部の中心部までの距離が長くならざるを得ないため、蓄熱材と触媒セラミック部の中心部との間の熱抵抗が大きくなり、蓄熱材で発生した熱が触媒セラミック部の中心部まで十分に伝わらなくなる。即ち、従来の構成では、蓄熱材で発生した熱を、加熱対象である触媒セラミック部に効率良く伝えることができなかった。

また、排ガスが流通可能なセラミックス製の熱交換器を排気管内に配置すると共に、熱交換器の周囲に蓄熱材を含む反応器を配置することで、排気管内を流れる排ガスを加熱するような場合にも、上記と同様に蓄熱材から熱交換器の中心部までの距離が長くなり、蓄熱材と熱交換器の中心部との間の熱抵抗が大きくなるため、排ガスを十分に昇温することが困難であった。

本発明の目的は、蓄熱材で発生した熱を流体に効率良く伝えることができる化学蓄熱装置を提供することである。

本発明の化学蓄熱装置は、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、貯蔵器と接続され、流体を加熱する反応器とを備え、反応器は、熱を発生させる発熱部と、流体が流通可能な流通路を形成し、発熱部で発生した熱を流体と熱交換する金属製の熱交換部とを含むと共に、発熱部と熱交換部とが交互に積層されてなる積層構造体を有し、発熱部は、反応媒体と化学反応して熱を発生させると共に流体からの熱を受けて反応媒体を脱離させる蓄熱材と、蓄熱材を収容する金属ケースとを有し、金属ケース及び熱交換部同士が接合され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化学蓄熱装置においては、貯蔵器から反応器に反応媒体が供給されると、発熱部の蓄熱材と反応媒体とが化学反応して蓄熱材から熱が発生し、その熱が熱交換部に伝えられて流体と熱交換されることで、流体が加熱される。このとき、発熱部と熱交換部とを交互に積層すると共に、発熱部の金属ケースと金属製の熱交換部とを接合することにより、発熱部と熱交換部との界面の熱抵抗が小さくなるため、蓄熱材で発生した熱が熱交換部に伝わりやすくなる。また、発熱部と熱交換部とを積層構造とすることにより、熱交換部を薄くしつつ多段に形成することができる。この場合には、蓄熱材から熱交換部の積層方向中心部までの距離が短くなるため、蓄熱材と熱交換部の積層方向中心部との間の熱抵抗が小さくなる。このため、蓄熱材で発生した熱が熱交換部の積層方向中心部まで十分に伝わるようになる。以上により、蓄熱材で発生した熱を流体に効率良く伝えることができる。

積層構造体における積層方向の最も外側には、熱交換部が配置されていると良い。積層構造体における積層方向の最も外側に発熱部が配置されている場合には、発熱部から発生した熱の一部が反応器の外部に放出されて無駄になることがある。そこで、積層構造体における積層方向の最も外側に熱交換部を配置することにより、発熱部から発生した熱が反応器の外部に放出されることが抑制され、発熱部から発生した熱を流体との熱交換として有効利用することができる。また、積層構造体における積層方向の最も外側に熱交換部を配置することにより、熱交換部が発熱部を衝撃物体から保護することになるため、発熱部の損傷等を防ぐことができる。

また、熱交換部は、第１金属層と、第１金属層を挟み込むように設けられ、流体に対する耐腐食性を有する第２金属層とを有し、第１金属層の熱伝導率は、第２金属層の熱伝導率よりも高いと良い。このように第２金属層よりも熱伝導率の高い第１金属層を用いることにより、蓄熱材で発生した熱を熱交換部全体に一層効率良く伝えることができる。また、流体に対する耐腐食性を有する第２金属層により第１金属層を挟み込むことにより、流体による第１金属層の腐食を防ぐことができる。

本発明によれば、蓄熱材で発生した熱を流体に効率良く伝えることができる。これにより、流体を十分に且つスムーズに昇温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気浄化システムを示す概略構成図である。 図１に示した反応器の斜視図である。 図２に示した熱交換部を構成する金属フィンの変形例を示す斜視図（一部断面を含む）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。

図１は、本発明に係る化学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。同図において、排気浄化システム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）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の途中に上流側から下流側に向けて順に配置された酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）５、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）６及び酸化触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）７を備えている。

酸化触媒４は、排ガス中に含まれるＨＣ及び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粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、尿素またはアンモニア（ＮＨ_３）によって、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をすり抜けてＳＣＲ６の下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

ところで、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。従って、エンジン２の始動直後のような排ガスの温度が低いときは、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。なお、酸化触媒４の活性温度は、例えば１７０℃〜２７０℃程度である。酸化触媒４を加熱するためには、酸化触媒４に供給される排ガスを加熱することが効果的である。

そこで、排気浄化システム１は、本実施形態の化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに排熱を使用することにより、エネルギーレスで排ガスを加熱する装置である。

化学蓄熱装置１０は、排気通路３におけるエンジン２と酸化触媒４との間に配置された反応器１１と、この反応器１１と配管１２を介して接続された吸着器１３と、配管１２に設けられた電磁バルブ１４とを備えている。反応器１１は、排気通路３の一部を形成する排気管１５内に収容されている。排気管１５は、例えばステンレス（ＳＵＳ）で形成されている。

反応器１１は、図２にも示すように、複数のプレート状の発熱部１６と複数のフィン状の熱交換部１７とが交互に積層されてなる積層構造体１８を有している。積層構造体１８は、熱交換部１７が上端部及び下端部（積層方向の最外部）に位置するように構成されている。

発熱部１６は、気体の反応媒体であるＮＨ_３と化学反応して熱を発生させると共に排熱を受けてＮＨ_３を脱離させる蓄熱材１９（図１参照）と、この蓄熱材１９を収容する金属ケース２０とを有している。金属ケース２０は、ＮＨ_３に対して耐腐食性を有する金属材料、例えばステンレスで形成されている。

蓄熱材１９としては、ハロゲン化物のＭＸａという組成を持つ材料が用いられる。ここで、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の遷移金属である。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等である。ａは、２〜３である。蓄熱材１９は、プレス成型して金属ケース２０内に封入される。

このとき、熱伝導性を向上させるための添加物を蓄熱材１９に混合しても良い。添加物としては、カーボンファイバ、カーボンビーズ、ＳｉＣビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバ等を用いても良いし、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｉ−Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、ステンレス等の金属を用いても良い。

熱交換部１７は、排ガスが流通可能な流通路を形成している。熱交換部１７は、例えば断面ジグザグ状や断面波状に形成された金属フィンにより構成されている。このとき、金属フィンと排ガスとの接触面積を増やすために、金属フィンの一部分をオフセットさせたり、金属フィンを蛇行させた構造としても良い。熱交換部１７は、排ガス中に含まれる硝酸や硫酸等に対して耐腐食性を有する金属材料、ここでは金属ケース２０と同じステンレスで形成されている。

発熱部１６の金属ケース２０と熱交換部１７とは、ロウ付けや溶接等といった金属同士を接合する手段により接合されている。これにより、発熱部１６及び熱交換部１７同士は、一体化して密着された構造となっている。

積層構造体１８の上面部及び下面部には、金属板２１がそれぞれ配置されている。金属板２１は、例えばステンレスで形成されている。金属板２１を設けることにより、積層構造体１８の強度を確保することができる。また、蓄熱材１９の膨らみを金属板２１により押さえることができる。なお、金属板２１は、特に無くても良い。

積層構造体１８の一側面には、ＮＨ_３を各発熱部１６に導入するための導入ヘッダ２２が固定されている。導入ヘッダ２２には、配管１２の一端部が取り付けられている。

図１に戻り、吸着器１３は、ＮＨ_３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材２３を含んでいる。吸着材２３としては、活性炭、ゼオライト等が用いられる。吸着器１３は、ＮＨ_３を吸着材２３に物理吸着させることで、ＮＨ_３を貯蔵する貯蔵器である。

このような化学蓄熱装置１０において、エンジン２からの排ガスの温度（排気温）が低いときは、電磁バルブ１４が開き、反応器１１と吸着器１３との圧力差によって、吸着器１３の吸着材２３から脱離したＮＨ_３が配管１２を通って反応器１１に供給される。そして、ＮＨ_３が導入ヘッダ２２から各発熱部１６に導入される。すると、各発熱部１６において、蓄熱材１９（例えばＭｇＢｒ_２）とＮＨ_３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、蓄熱材１９から熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。
ＭｇＢｒ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＢｒ_２＋熱 …（Ａ）

そして、蓄熱材１９で発生した熱が金属ケース２０を介して熱交換部１７に伝えられ、熱交換部１７において熱が排ガスと熱交換されることで、排ガスが昇温される。そして、その昇温された排ガスによって酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱される。

一方、排気温が蓄熱材１９の発熱温度よりも高くなると、排熱が熱交換部１７及び金属ケース２０を介して蓄熱材１９に与えられることで、蓄熱材１９からＮＨ_３が分離する。つまり、上記の反応式（Ａ）における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、各発熱部１６の蓄熱材１９から脱離したＮＨ_３が配管１２を通って吸着器１３に回収される。

このように化学蓄熱装置１０を用いることにより、外部エネルギーを与えること無く、低排気温下で排ガスを昇温することができる。これにより、低燃費で浄化率の高い排気浄化システム１を構築することができる。

このとき、発熱部１６の金属ケース２０及び熱交換部１７同士は、物理的に接触されているだけでなく、ロウ付けや溶接等により接合（固定）されている。このため、金属ケース２０と熱交換部１７との界面の熱抵抗が小さくなる。従って、上記の発熱反応時には、蓄熱材１９で発生した熱が熱交換部１７に伝わりやすくなる。また、上記の再生反応時には、排熱が熱交換部１７から蓄熱材１９に伝わりやすくなる。

また、反応器１１は複数の発熱部１６と複数の熱交換部１７とが交互に積層された積層構造体１８を有しているので、各熱交換部１７が薄く形成されることとなる。このため、発熱部１６と熱交換部１７の積層方向中心部との間の距離が短くなるため、発熱部１６と熱交換部１７の積層方向中心部との間の熱抵抗が小さくなる。従って、発熱反応時には、蓄熱材１９で発生した熱が熱交換部１７全体に十分に伝わるようになる。また、再生反応時には、排熱が熱交換部１７全体から蓄熱材１９に効果的に伝わるようになる。

従って、本実施形態によれば、発熱反応時には、蓄熱材１９で発生した熱が熱交換部１７に効率良く伝えられるため、蓄熱材１９で発生した熱を熱交換部１７を介して効率良く排ガスに伝えることができる。これにより、排ガスを十分に且つスムーズに昇温することができる。また、再生反応時には、排熱が熱交換部１７から蓄熱材１９に効率良く伝えられるため、蓄熱材１９からのＮＨ_３の脱離が促進されるようになり、吸着器１３へのＮＨ_３の回収を効果的に行うことができる。

また、本実施形態では、積層構造体１８の上端部及び下端部に熱交換部１７が配置されているので、発熱部１６から発生した熱が排気管１５を介して外部に放熱されて無駄になることが抑制され、発熱部１６から発生した熱の大部分を熱交換部１７による排ガスとの熱交換として有効利用することができる。さらに、熱交換部１７が発熱部１６を石等の衝撃物体から守ることになるため、衝撃物体の衝撃が熱交換部１７で吸収されるようになり、結果的に発熱部１６が損傷する等といった不具合を防止することができる。

なお、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、熱交換部１７を単体の金属材料（ここではステンレス）で形成された金属フィンとしたが、熱交換部１７を複数種類の金属材料（クラッド材）で形成された金属フィンとしても良い。図３は、熱交換部１７を構成する金属フィンの変形例を示したものである。

図３において、熱交換部１７は、高熱伝導金属箔（第１金属層）３１と、この高熱伝導金属箔３１の両面にそれぞれ接合された耐腐食性金属箔（第２金属層）３２とからなっている。つまり、熱交換部１７は、高熱伝導金属箔３１を１対の耐腐食性金属箔３２で挟み込んだ構造をなしている。

高熱伝導金属箔３１の熱伝導率は、耐腐食性金属箔３２の熱伝導率よりも高い。排ガスに対する耐腐食性については、耐腐食性金属箔３２のほうが高熱伝導金属箔３１よりも高い。高熱伝導金属箔３１の材料としては、銅、銀、黄銅、アルミ合金、マグネシウム合金等が用いられる。耐腐食性金属箔３２の材料としては、ステンレス等が用いられる。熱交換部１７は、圧延ローラにより高熱伝導金属箔３１と耐腐食性金属箔３２とを圧延して接合することにより作製される。

このように熱交換部１７を高熱伝導金属箔３１及び耐腐食性金属箔３２からなるクラッド材で形成することにより、蓄熱材１９で発生した熱を熱交換部１７全体に一層十分に伝えることができると共に、排ガス中に含まれる硝酸や硫酸等により熱交換部１７が腐食してしまうことを防止できる。

なお、そのような高熱伝導金属箔３１及び耐腐食性金属箔３２からなるクラッド材を、発熱部１６の金属ケース２０の金属材料として用いても良い。

また、上記実施形態では、積層構造体１８の積層方向の最も外側に熱交換部１７が配置されているが、特にそれには限られず、積層構造体１８の積層方向の最も外側に発熱部１６を配置しても良い。また、積層構造体１８における発熱部１６及び熱交換部１７の段数としては、使用する製品等に応じて適宜決定すれば良い。

さらに、上記実施形態では、発熱部１６の蓄熱材１９と化学反応する反応媒体としてＮＨ_３を使用したが、反応媒体としては、特にＮＨ_３には限られず、ＣＯ_２、アルコール及び水等を使用しても良い。

また、上記実施形態の化学蓄熱装置１０は、酸化触媒（ＤＯＣ）４の前段に１つ配置されているが、特にそれには限られず、化学蓄熱装置１０をＤＰＦ５、ＳＣＲ６及び酸化触媒（ＡＳＣ）７の何れかの前段に１つ配置しても良く、或いは化学蓄熱装置１０をＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６及びＡＳＣ７の何れかの前段に複数配置しても良い。

また、上記実施形態の化学蓄熱装置１０は、ディーゼルエンジン２から排出される排ガスを加熱するものであるが、本発明の化学蓄熱装置は、特にそれには限られず、ガソリンエンジンから排出される排ガスを加熱するものにも適用可能である。また、本発明の化学蓄熱装置は、排ガス以外の気体状または液体状の流体、例えばオイルや熱媒体等を加熱するものにも適用可能である。

１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１３…吸着器（貯蔵器）、１６…発熱部、１７…熱交換部、１８…積層構造体、１９…蓄熱材、２０…金属ケース、３１…高熱伝導金属箔（第１金属層）、３２…耐腐食性金属箔（第２金属層）。

Claims (3)

1. 反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
   前記貯蔵器と接続され、流体を加熱する反応器とを備え、
   前記反応器は、熱を発生させる発熱部と、前記流体が流通可能な流通路を形成し、前記発熱部で発生した熱を前記流体と熱交換する金属製の熱交換部とを含むと共に、前記発熱部と前記熱交換部とが交互に積層されてなる積層構造体を有し、
   前記発熱部は、前記反応媒体と化学反応して熱を発生させると共に前記流体からの熱を受けて前記反応媒体を脱離させる蓄熱材と、前記蓄熱材を収容する金属ケースとを有し、
   前記金属ケース及び前記熱交換部同士が接合されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記積層構造体における積層方向の最も外側には、前記熱交換部が配置されていることを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
3. 前記熱交換部は、第１金属層と、前記第１金属層を挟み込むように設けられ、前記流体に対する耐腐食性を有する第２金属層とを有し、
   前記第１金属層の熱伝導率は、前記第２金属層の熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。

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