JP2015197282A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着器の加熱機能及び徐熱機能を１種類の部品で実現することができる化学蓄熱装置を提供する。
【解決手段】化学蓄熱装置は、ＮＨ_３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含む反応器と接続された吸着器１２とを備えている。吸着器１２は、プレート容器１６と熱伝導板１７とが交互に積層されてなる積層体１８を有している。プレート容器１６には、ＮＨ_３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材１９が封入されている。熱伝導板１７は、熱伝導性を有すると共に電圧を付与すると発熱する部材であり、例えばＳｉＣで形成されている。熱伝導板１７には、電極２０が取り付けられている。また、吸着器１２は、積層体１８に対して上下から圧力を加えることにより、プレート容器１６及び熱伝導板１７同士を押圧する押圧部材２１を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱対象物を加熱す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に記載されているように排気ガス浄化装置に備えられた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、アンモニア（ＮＨ_３）と化学反応して熱を発生させる反応材を有する反応器と、この反応器と接続され、ＮＨ_３を物理吸着する活性炭を有する吸着器とを備えている。

このような化学蓄熱装置において、排気ガスの温度が低いときは、吸着器の活性炭から脱離したＮＨ_３が反応器に供給され、ＮＨ_３と反応材との化学反応によって反応器から熱が発生し（発熱反応）、その熱により加熱対象物が加熱される。排気ガスの温度が高くなると、排気ガスの熱が反応器に与えられるため、反応材からＮＨ_３が脱離し、そのＮＨ_３が吸着器に戻って活性炭に物理吸着される（再生反応）。

特開２０１３−２３８２１９号公報

ところで、上記従来技術のような化学蓄熱装置において、発熱反応時に所望の発熱温度を得るためには、反応器内を所定圧力に保つ必要があり、そのためには吸着器内を所定圧力に保つ必要がある。特許文献１に記載の化学蓄熱装置では、吸着器にヒータを設け、発熱反応時に吸着器の活性炭をヒータで加熱することもある。このようにする事により、使用するＮＨ_３量を減らしつつ、吸着器内を所定圧力まで上げることができる。しかし、この場合には、再生反応時に活性炭を徐熱する必要があるため、ヒータに加えて徐熱装置（クーラ）を吸着器に別途設ける必要がある。

本発明の目的は、吸着器の加熱機能及び徐熱機能を１種類の部品で実現す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、気体の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器と、反応器と接続された吸着器とを備え、吸着器は、反応媒体を吸着する吸着材と、吸着材を収容する収容部材と、収容部材と隣り合うように配置され、熱伝導性を有すると共に電圧を付与すると発熱する熱伝導部材と、熱伝導部材に設けられた電極とを有す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、発熱反応時には、吸着器の吸着材から脱離した反応媒体が反応器に供給され、反応媒体と蓄熱材との化学反応により蓄熱材から熱が発生する。このとき、電極に電圧を付与することで熱伝導部材から熱が発生し、その熱が収容部材に伝わって吸着材が加熱される。従って、吸着器内の圧力が上がり、これに伴って反応器内の圧力が上がるため、蓄熱材において所望の発熱温度を得ることができる。一方、再生反応時には、蓄熱材に熱が与えられることで、蓄熱材から反応媒体が脱離し、その反応媒体が吸着器に戻って吸着材に吸着される。このとき、電極への電圧付与を停止させることで、熱伝導部材からの熱の発生が停止する。このため、収容部材から熱伝導部材に熱が伝わり、熱伝導部材において熱が外気と熱交換されることで、吸着材が徐熱（冷却）される。このように本発明によれば、吸着器の加熱機能及び徐熱機能を熱伝導部材という１種類の部品で実現することができる。これにより、ヒータ及びクーラを別途具備しなくて済む。

収容部材及び熱伝導部材は、複数ずつ有し、吸着器は、収容部材及び熱伝導部材が交互に積層された構造を有していると良い。この場合には、収容部材が両側の熱伝導部材により挟み込まれた状態となるため、収容部材に効率良く熱を伝えて吸着材を加熱することができる。

このとき、吸着器の積層方向の端部には、熱伝導部材が配置されていると良い。この場合には、再生反応時に、吸着器の積層方向の端部に配置された熱伝導部材において、外気との熱交換を効果的に行うことができる。また、発熱反応時に、吸着器の積層方向の端部に配置された熱伝導部材には電圧を付与せず、吸着器の内部に存在する熱伝導部材のみに電圧を付与して、熱伝導部材から収容部材に熱を伝えることにより、吸着器の積層方向の端部に配置された熱伝導部材から外気に逃げる熱が少なくなるため、吸着材を効果的に加熱することができる。

また、熱伝導部材は、ハニカム構造またはフィン構造をなしていると良い。この場合には、熱伝導部材の表面積が大きくなるため、再生反応時に外気との熱交換を効率良く行うことができる。

さらに、吸着器は、収容部材及び熱伝導部材同士を押圧する押圧部材を更に有すると良い。この場合には、収容部材と熱伝導部材との接触性が良くなり、収容部材と熱伝導部材との接触熱抵抗が小さくなるため、収容部材と熱伝導部材との間の伝熱性が高くなる。

本発明によれば、吸着器の加熱機能及び徐熱機能を１種類の部品で実現することができる。これにより、ヒータ及びクーラが不要となるため、コスト的に有利となる。

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に示した吸着器の斜視図である。 吸着器内の圧力と吸着器の温度と吸着材へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示すグラフである。

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。

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熱交換器４、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）５、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）６、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）７及び酸化触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）８を備えている。

熱交換器４は、エンジン２からの排気ガスと後述する反応器１１との間で熱の伝達を行う機器であり、ハニカム構造をなしている。なお、熱交換器４はハニカム構造に限らず、周知の熱交換構造を利用可能である。酸化触媒５は、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ６は、排気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。ＳＣＲ７は、尿素またはアンモニア（ＮＨ_３）によって、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。酸化触媒８は、ＳＣＲ７をすり抜けてＳＣＲ７の下流側に流れたＮＨ_３を酸化する触媒である。

また、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、通常は排気ガスの熱（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、エネルギーレスで熱交換器４を加熱する装置である。

化学蓄熱装置１０は、熱交換器４の周囲に排気通路３を介して配置された反応器１１と、熱交換器４から離間して配置された吸着器１２とを備えている。反応器１１及び吸着器１２は、配管１３を介して接続されている。配管１３には、開閉弁１４が設けられている。

反応器１１は、気体の反応媒体であるＮＨ_３と化学反応して、熱交換器４を加熱するための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１５を含んでいる。蓄熱材１５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。

図２は、吸着器１２の構造を示す斜視図である。図２において、吸着器１２は、複数のプレート容器１６と複数の熱伝導板１７とが吸着器１２の高さ方向に交互に積層されてなる積層体１８を有している。つまり、プレート容器１６及び熱伝導板１７は、吸着器１２の高さ方向に互いに隣り合うように配置されている。ここでは、積層体１８の積層方向の両端部（上端部及び下端部）にも、熱伝導板１７が配置されている。積層体１８は、プレート容器１６を熱伝導板１７で挟み込むように構成されている。

プレート容器１６は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、鉄等により形成されている。プレート容器１６には、ＮＨ_３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材１９が封入されている。つまり、プレート容器１６は、吸着材１９を収容する収容部材である。吸着材１９としては、活性炭、ゼオライト、シリカ、カーボンブラック、メソポーラスカーボン及びナノカーボン等が用いられる。また、図示はしないが、各プレート容器１６は配管１３にそれぞれ接続されている。

熱伝導板１７は、熱伝導性を有すると共に電圧を付与すると発熱する熱伝導部材である。また、熱伝導板１７は、吸着器１２の外部との熱交換を行う。熱伝導板１７は、例えば熱伝導性の高いＳｉＣで形成されている。これにより、熱伝導板１７による熱交換効率を上げて、吸着器１２の体格を小さくすることが可能となる。また、熱伝導板１７は、ハニカム構造を有している。これにより、熱伝導板１７の表面積が大きくなるため、熱伝導板１７による熱交換効率を更に上げることができる。

積層体１８の内部に位置する熱伝導板１７には、当該熱伝導板１７に電圧を付与するための２つの電極２０がそれぞれ取り付けられている。積層体１８の両端部に位置する熱伝導板１７には、電極２０は取り付けられていない。電極２０には、電圧源（図示せず）が接続されている。

電極２０に電圧を供給すると、熱伝導板１７から熱が発生し、その熱が熱伝導板１７からプレート容器１６に伝わるため、プレート容器１６に封入された吸着材１９が加熱される。電極２０への電圧の供給を停止すると、熱伝導板１７から熱が発生することは無く、プレート容器１６から熱伝導板１７に熱が伝わり、その熱が外気と熱交換されることで、吸着材１９が徐熱（冷却）される。

このとき、例えば積層体１８の内部に位置する任意のプレート容器１６のみを加熱することにより、当該プレート容器１６を挟む２つの熱伝導板１７から発生した熱が隣のプレート容器１６にも伝わるようになるため、積層体１８に存在する吸着材１９を無駄なく加熱することができる。また、積層体１８の両端部に位置する熱伝導板１７には電極２０が設けられていないことから、当該熱伝導板１７からは熱が発生しないため、当該熱伝導板１７から外部に逃げる熱が少なくなる。従って、この点でも積層体１８に存在する吸着材１９を無駄なく加熱することができる。さらに、積層体１８の両端部には熱伝導板１７が配置されているため、熱伝導板１７による外部との熱交換を効果的に行うことができる。

また、吸着器１２は、積層体１８に対して上下から圧力を加えることにより、プレート容器１６及び熱伝導板１７同士を押圧する押圧部材２１を更に有している。押圧部材２１としては、例えば弾力性を有する複数本（ここでは２本）のクランプが用いられる。このような押圧部材２１を設けることにより、プレート容器１６と熱伝導板１７との密着性が良くなり、両者の接触熱抵抗が小さくなるため、プレート容器１６と熱伝導板１７との間の伝熱性が高くなる。なお、押圧部材２１として、積層体１８を収容するケースを用いても良い。この場合には、ケースに積層体１８を圧入することで、積層体１８に対して上下から圧力が加えられる。

また、プレート容器１６と熱伝導板１７との密着性を更に良くするために、プレート容器１６と熱伝導板１７との間に伝熱グリスを塗布しても良い。この場合には、プレート容器１６と熱伝導板１７との間の伝熱性が一層高くなる。

このような化学蓄熱装置１０において、エンジン２からの排気ガスの温度が低いときは、まず吸着器１２を加熱する。具体的には、電圧源（図示せず）より電極２０に電圧をかけることで、熱伝導板１７から熱が発生し、その熱が熱伝導板１７からプレート容器１６に伝わるため、プレート容器１６に収容された吸着材１９が加熱される。すると、吸着材１９からＮＨ_３が脱離する。つまり、下記の反応式（Ａ）が起こる。
吸着材（ＮＨ_３）＋熱 ⇒ 吸着材＋ＮＨ_３ …（Ａ）

その状態で、開閉弁１４を開くと、吸着材１９から脱離したＮＨ_３が配管１３を介して反応器１１に供給され、反応器１１の蓄熱材１５（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１５から熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ｂ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、反応器１１で発生した熱によって熱交換器４が加熱される。その後、吸着器１２の加熱を終了する。
ＭｇＢｒ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｍｇ（ＮＨ_３）_ｘＢｒ_２＋熱 …（Ｂ）

このような発熱反応では、吸着器１２から反応器１１へのＮＨ_３の供給量に応じて電圧をかける電極２０を調整しても良い。具体的には、ＮＨ_３の供給量を多くするほど、電圧をかける電極２０の数を増やすようにする。

一方、エンジン２からの排気ガスの温度が高くなると、排熱が反応器１１の蓄熱材１５に与えられることで、蓄熱材１５とＮＨ_３とが分離する。つまり、上記の反応式（Ｂ）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、蓄熱材１５から脱離したＮＨ_３は、配管１３を介して吸着器１２に戻り、吸着器１２の吸着材１９に物理吸着（回収）される。

このような再生反応時には、吸着器１２の加熱は終了している。従って、プレート容器１６から熱伝導板１７に熱が伝わり、その熱が外気と熱交換されることで、吸着材１９が徐熱（冷却）され、ＮＨ_３が吸着材１９に物理吸着するようになる。つまり、下記の反応式（Ｃ）が起こる。なお、再生反応時には、熱伝導板１７と外気との熱交換をより効率的に行うために、吸着器１２に風を吹き付けても良い。
吸着材＋ＮＨ_３−熱 ⇒ 吸着材（ＮＨ_３） …（Ｃ）

次に、図３に示すグラフを用いて、化学蓄熱装置１０の動作をより具体的に説明する。図３は、吸着器１２内の圧力と吸着器１２の温度と吸着材１９へのＮＨ_３吸着量との関係の一例を示したものである。なお、図３中の実線Ｒは、吸着器１２の温度が２０℃のときの特性を示し、図３中の実線Ｓは、吸着器１２の温度が４０℃のときの特性を示している。図３から分かるように、吸着器１２内の圧力が高くなるほど、吸着材１９へのＮＨ_３吸着量が多くなる。また、吸着器１２の温度が高くなるほど、吸着器１２内の圧力が高くなる。

エンジン２の始動直度は、吸着器１２の温度が低くなっている。例えば、その時の吸着器１２の温度を２０℃、吸着器１２内の初期圧力をＰ_１と仮定する（Ａ点参照）。その状態で吸着器１２が加熱されると、吸着器１２の温度が例えば２０℃から４０℃まで上昇する。これに伴って、吸着器１２内の圧力がＰ_１からＰ_２まで上昇する（Ｂ点参照）。

吸着器１２内の圧力がＰ_２に達すると、吸着器１２から反応器１１にＮＨ_３が供給され、上記の発熱反応が行われる。このとき、所定量のＮＨ_３が吸着器１２の吸着材１９から脱離して反応器１１に移動し、吸着器１２内の圧力がＰ_２からＰ_３まで下がる（Ｃ点参照）。

その後、吸着器１２の加熱が終了すると、吸着器１２の温度が例えば２０℃まで下がり、これに伴って吸着器１２内の圧力がＰ_３からＰ_４まで下がる（Ｄ点参照）。すると、反応器１１から吸着器１２にＮＨ_３が移動し、上記の再生反応が行われる。

このように発熱反応を行うときは、吸着器１２を加熱するので、吸着器１２内の圧力を所定圧（図３ではＰ_２）に保つために必要なＮＨ_３吸着量を減らすことができる。これにより、吸着器１２の体格を小型化することができる。

以上のように本実施形態にあっては、吸着材１９が封入されたプレート容器１６と熱伝導板１７とを交互に積層し、熱伝導板１７に電極２０を設けるようにしたので、発熱反応時に電極２０を介して熱伝導板１７に電圧を付与すると、熱伝導板１７で発生した熱がプレート容器１６に伝わるため、吸着材１９が加熱される。一方、再生反応時に熱伝導板１７への電圧の付与を停止すると、プレート容器１６から熱伝導板１７に伝えられた熱が外気と熱交換されることで、吸着材１９が徐熱（冷却）される。このように熱伝導板１７は、発熱反応時のヒータ機能と再生反応時の徐熱機能（冷却機能）とを兼ね備えていることとなる。これにより、ヒータ及び徐熱器（冷却器）といった２つの機器を備えなくて済むため、コスト的に有利となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものでは無い。例えば上記実施形態では、吸着材１９が封入された複数のプレート容器１６（収容部材）と複数の熱伝導板１７（熱伝導部材）とを交互に積層されてなる構造を有しているが、特にその構造には限られず、吸着材１９が封入された１つのプレート容器１６と１つの熱伝導板１７とが吸着器１２の高さ方向に隣り合って配置されていても良い。

また、収容部材及び熱伝導部材としては、特に板状構造でなくても良く、この場合には、収容部材及び熱伝導部材が吸着器１２の高さ方向に隣り合って配置されていても良いし、或いは収容部材及び熱伝導部材が吸着器１２の高さ方向に対して垂直な方向に隣り合って配置されていても良い。

また、上記実施形態では、熱伝導板１７がハニカム構造を有しているが、熱伝導板１７の構造としては、特にそれには限られず、フィン構造であっても良い。この場合にも、熱伝導板１７の表面積が大きくなるため、熱伝導板１７による熱交換効率を向上させることができる。

また、上記実施形態では、反応器１１の蓄熱材１５と化学反応する気体の反応媒体として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等を使用しても良い。反応媒体としてＣＯ_２を使用する場合、ＣＯ_２と化学反応する蓄熱材としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４等を使用することができる。

さらに、上記実施形態では、熱交換器４の周囲に反応器１１が配置されているが、反応器１１の配置箇所としては、特にそれには限られず、例えば熱交換器４の中であっても良い。

また、上記実施形態では、吸着器１２がＮＨ_３を物理吸着する吸着材１９を含んでいるが、吸着器１２としては特にこれに限られず、ＮＨ_３を化学吸着する吸着材を含んでいても良い。

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熱交換器４を加熱するものであるが、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた他の部分（例えば酸化触媒５等）を加熱するものにも適用可能である。また、本発明は、ガソリンエンジンの排気系に設けられた触媒等を加熱するもの、或いはエンジンの排気系以外の加熱対象物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、１２…吸着器、１５…蓄熱材、１６…プレート容器（収容部材）、１７…熱伝導板（熱伝導部材）、１９…吸着材、２０…電極、２１…押圧部材。

Claims (5)

1. 気体の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器と、
   前記反応器と接続された吸着器とを備え、
   前記吸着器は、
   前記反応媒体を吸着する吸着材と、
   前記吸着材を収容する収容部材と、
   前記収容部材と隣り合うように配置され、熱伝導性を有すると共に電圧を付与すると発熱する熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材に設けられた電極とを有することを特徴とする化学蓄熱装置。
2. 前記収容部材及び前記熱伝導部材は、複数ずつ有し、
   前記吸着器は、前記収容部材及び前記熱伝導部材が交互に積層された構造を有し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. 前記吸着器の積層方向の端部には、前記熱伝導部材が配置されていることを特徴とする請求項２記載の化学蓄熱装置。
4. 前記熱伝導部材は、ハニカム構造またはフィン構造をなしていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の化学蓄熱装置。
5. 前記吸着器は、前記収容部材及び前記熱伝導部材同士を押圧する押圧部材を更に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の化学蓄熱装置。

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