JP2016023898A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配管の内部のスペースを有効に活用して加熱器を配置させることが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】エンジンの排気系における加熱対象を加熱する化学蓄熱装置であって、エンジンから排出される排気ガスが流れる配管８の内部に配置される複数の基本ユニット２０（２０_１，２０_２，２０_３）からなる加熱器１１と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、加熱器１１と貯蔵器との間で反応媒体を流通させるための接続管１３とを備え、基本ユニット２０は、反応媒体との化学反応による発熱と蓄熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う蓄熱材を有する発熱部と、発熱部と加熱対象との熱交換を行う熱交換部とを有し、複数の基本ユニット２０は、配管８の形状に応じて配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、化学蓄熱装置に関する。

加熱器と貯蔵器とを有する化学蓄熱装置として、エンジンから排出される排気ガスが流れる配管の内部に加熱器を配設して触媒等を暖機するものが知られている。例えば、特許文献１には、エンジンから排出される排気ガスが流れる配管の内部に触媒体が配設され、この触媒体の上流側に化学蓄熱装置の加熱器としての第１容器が配設され、第１容器からの輻射熱や排気ガスとの熱交換により下流の触媒を暖機することが開示されている。この第１容器は、内部に複数の貫通穴を有する直方体形状であり、各貫通穴に熱交換用のフィンが設けられて複数の熱交換部が構成され、貫通穴以外の部分に反応媒体との反応により発熱する発熱剤が充填されて複数の発熱部が構成されている。

特開平１１−３１１１１７号公報

上記の特許文献１に記載の加熱器としての第１容器は、複数の発熱部と複数の熱交換部とが一つの構造体として構成されているので、形状の自由度が低い。そのため、加熱器の形状を配管の内部の形状に応じて変更することは難しく、配管の内部のスペースを有効に活用できないという問題がある。

そこで、本技術分野においては、配管の内部のスペースを有効に活用して加熱器を配置させることができる化学蓄熱装置が要請されている。

本発明の一側面に係る化学蓄熱装置は、エンジンの排気系における加熱対象を加熱する化学蓄熱装置であって、エンジンから排出される排気ガスが流れる配管の内部に配置される複数の基本ユニットからなる加熱器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、加熱器と貯蔵器との間で反応媒体を流通させるための接続管とを備え、基本ユニットは、反応媒体との化学反応による発熱と蓄熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う蓄熱材を有する発熱部と、発熱部と加熱対象との熱交換を行う熱交換部とを有し、複数の基本ユニットは、配管の内部の形状に応じて配置される。

加熱器が複数の基本ユニットによって構成されるので、加熱器の形状の自由度が高く、加熱器の形状を配管の内部の形状に合わせて適宜変更することができる。そのため、配管の内部のスペースを有効に活用して加熱器を配置させることができる。その結果、加熱器の発熱効率や熱交換効率が向上する。

一実施形態の化学蓄熱装置では、熱交換部が発熱部の両側部にそれぞれ配置される。この基本ユニットの構造の場合、基本ユニットを製造し易くなる。

一実施形態の化学蓄熱装置では、熱交換部が発熱部の外周部に配置される。この基本ユニットの構造の場合、熱交換効率が向上する。

一実施形態の化学蓄熱装置では、配管の端部には、管径が異なる排気管と接続するためのコーンが配設され、コーンの内部にまで配置される基本ユニットは、コーンの内部の形状に応じて排気ガスの流れる方向の長さが設定される。この構成により、径が徐々に変化するコーンの内部のスペースを有効に活用して加熱器を配置させることができる。

一実施形態の化学蓄熱装置では、コーンの外周部に反応媒体を導入するための空間が形成され、接続管は、空間にまで反応媒体を流通させ、空間と複数の基本ユニットとの間で反応媒体をそれぞれ流通させる複数の個別接続管を備える。貯蔵器と複数の基本ユニットとの間に空間を設けることにより、空間から各基本ユニットに略均一に反応媒体を供給できる。

一実施形態の化学蓄熱装置では、複数の基本ユニットは、排気ガスが流れる方向に直交する断面の断面積が異なる基本ユニットを含む。断面積が異なる基本ユニットによって加熱器の形状を配管の内部の形状により近づけることができるので、配管の内部のスペースをより有効に活用して加熱器を配置させることができる。

本発明によれば、配管の内部のスペースを有効に活用して加熱器を配置させることができる。

一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気ガス浄化システムの概略構成図である。 図１のヒータ周辺を模式的に示す図であり、（ａ）が側断面図であり、（ｂ）が正断面図である。 ヒータの基本ユニットの一例であり、（ａ）が外観斜視図であり、（ｂ）が正断面図であり、（ｃ）が複数の基本ユニットの配置を示す正断面図である。 ヒータの基本ユニットの他の例であり、（ａ）が外観斜視図であり、（ｂ）が正断面図であり、（ｃ）が複数の基本ユニットの配置を示す正断面図である。 ヒータの複数の基本ユニットに対応した接続管の構成を示す正断面図である。 ヒータの上流側からアンモニアを供給する場合のヒータ周辺を模式的に示す側断面図である。 他の実施形態に係る基本ユニットからなるヒータを模式的に示す正断面図であり、（ａ）が基本ユニットの断面形状が正方形であり、断面積が異なる基本ユニットを含む場合であり、（ｂ）が基本ユニットの断面形状が六角形の場合であり、（ｃ）が基本ユニットの断面形状が円形の場合である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る化学蓄熱装置を説明する。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。

一実施形態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。一実施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り、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、一実施形態に係る排気ガス浄化システムは、暖機用の化学蓄熱装置を備えている。

図１を参照して、一実施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、排気ガス浄化システム１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を備えている。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が配設される各配管の内部にはエンジン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。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の冷間始動時などは、各触媒４，６，７の温度は活性温度よりも低くなっており、十分な浄化能力を発揮することができない。また、エンジン２から排出される排気ガスで触媒を活性温度まで暖機する場合、エンジン２の冷間始動直後は、エンジン２から排出された排気ガスの温度は比較的低温であり、触媒を早期に暖めることができない。そこで、エンジン２の始動直後においても、各触媒４，６，７で十分な浄化能力を発揮させるためには、各触媒４，６，７の温度を迅速に活性温度に昇温する必要がある。そのために、排気ガス浄化システム１は、各触媒４，６，７の暖機を行う化学蓄熱装置１０を備えている。

化学蓄熱装置１０は、可逆的な化学反応を利用して、外部エネルギレスで触媒などを暖機する装置である。具体的には、化学蓄熱装置１０は、排気ガスの熱（排熱）を蓄熱材から脱離した反応媒体に蓄えておく。そして、化学蓄熱装置１０は、その反応媒体を必要なときに蓄熱材に供給して、蓄熱材と反応媒体とを化学反応（化学吸着）させ、化学反応時の反応熱を利用して加熱する。この実施形態では、反応媒体としてアンモニアを用いている。

化学蓄熱装置１０は、エンジン２から排気ガスが流れる最も上流に位置する触媒であるＤＯＣ４よりも上流部で排気ガスを加熱し、排気ガスを昇温する。この昇温した排気ガスがＤＯＣ４の内部に流れ、ＤＯＣ４を暖機する。さらに、昇温した排気ガスが下流の触媒（ＳＣＲ６、ＡＳＣ７）の内部にも流れ、下流の触媒も暖機する。なお、この実施形態では、排気ガスが特許請求の範囲に記載の加熱対象に相当する。

図１に加えて図２〜図５を参照して、化学蓄熱装置１０について詳細に説明する。図２は、化学蓄熱装置１０のヒータ周辺を模式的に示す図であり、（ａ）が側断面図であり、（ｂ）が正断面図である。図３は、ヒータの基本ユニットの一例であり、（ａ）が外観斜視図であり、（ｂ）が正断面図であり、（ｃ）が複数の基本ユニットの配置を示す正断面図である。図４は、ヒータの基本ユニットの他の例であり、（ａ）が外観斜視図であり、（ｂ）が正断面図であり、（ｃ）が複数の基本ユニットの配置を示す正断面図である。図５は、ヒータの複数の基本ユニットに対応した接続管の構成を示す正断面図である。

化学蓄熱装置１０について説明する前に、ＤＯＣ４及びＤＯＣ４が配設される配管８について説明しておく。ＤＯＣ４は、ハニカム基材に酸化触媒が担持された構造である。ハニカム基材の形状は、例えば、円柱形状（断面が円形）である。ハニカム基材は、配管８の内部における下流側に配設されている。ハニカム基材の内部には、排気ガスが流れる。

配管８の形状は、ＤＯＣ４のハニカム基材に応じた形状であり、例えば、円筒形状（断面が円環状）である。配管８の内径は、ＤＯＣ４のハニカム基材の外径に応じた径である。ＤＯＣ４は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ので、配管８の径も排気管３の径よりも大きい。管径が異なる排気管３に接続するために、配管８の上流端部と下流端部にはコーン８ａ，８ａが配設されている。コーン８ａは、配管８を排気管３に繋ぐ部分であり、径が徐々に変化する部材である。なお、配管８の形状としては、断面が楕円の筒形状等の他の様々な形状がある。

それでは、化学蓄熱装置１０について説明する。化学蓄熱装置１０は、ヒータ１１、ストレージ１２、接続管１３、バルブ１４等を備えている。なお、この実施形態では、ヒータ１１が特許請求の範囲に記載の加熱器に相当し、ストレージ１２が特許請求の範囲に記載の貯蔵器に相当し、接続管１３が特許請求の範囲に記載の接続管に相当する。

ヒータ１１は、配管８の内部におけるＤＯＣ４の上流側に配設される。ヒータ１１は、蓄熱材を有している。ヒータ１１では、アンモニアと蓄熱材とが化学反応（化学吸着または配位結合）して熱を発生させ、この発生させた熱を配管８内を流れる排気ガスと熱交換する。また、ヒータ１１では、配管８内を流れる排気ガスの排熱を蓄熱材と熱交換し、この排熱によって蓄熱材が所定温度以上になると蓄熱材とアンモニアとが脱離する。この所定温度は、ヒータ１１で用いられる蓄熱材１１ａと反応媒体との組み合わせなどによって決まる。

蓄熱材としては、反応媒体である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、蓄熱材１１ａ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、ステンレス鋼などの金属ビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバである。

ヒータ１１は、複数の基本ユニット２０（２０_１，２０_２，２０_３）を有している。この複数の基本ユニット２０は、配管８の上流側（コーン８ａを含む）の内部の形状に応じて配置されている。この実施形態では、基本ユニット２０が特許請求の範囲に記載の基本ユニットに相当する。

基本ユニット２０は、ヒータ１１を構成する基本単位であり、蓄熱材による発熱及び蓄熱を行うとともに排気ガスとの間の熱交換を行う。複数の基本ユニット２０は、全て同じ構造を持つ。複数の基本ユニット２０の形状は、直方体であり、排気ガスが流れる方向に直交する断面が正方形である。但し、径が変化するコーン８ａの内部にまで基本ユニット２０を配置させるために、排気ガスの流れる方向の長さが異なる複数種類の基本ユニット２０がある。図２に示す例の場合、３種類の長さの基本ユニット２０があり、基本ユニット２０_１が最も長い長さであり、基本ユニット２０_２が中間の長さであり、基本ユニット２０_３が最も短い長さである。

複数の基本ユニット２０は、配管８の上流側の内部のスペースに占める割合が出来るだけ多くなるように配置される。特に、複数の基本ユニット２０は、上流側のコーン８ａの内部のスペースに出来るだけ配置されるように、中心に近いほど長さが長い基本ユニットが配置される。配管８内に配置された基本ユニット２０，２０間は、溶接やロウ付けなどによって接合してもよいし、あるいは、接合しなくても配管８内で位置が保持される場合には接合しなくてもよい。

図２に示す円筒形状の配管８の例で、複数の基本ユニット２０（２０_１，２０_２，２０_３）の配置について説明する。この例の場合、基本ユニット２０の個数は、１３個である。図２（ｂ）に示すように、配管８の断面の円形に出来るだけ近づけるために、１３個の基本ユニット２０は、中央部に５個配置され、その両側に３個ずつ配置され、最も外側に１個ずつ配置される。図２（ａ）に示すように、基本ユニット２０の下流端側は、接続管１３との接続スペースを確保するために、ＤＯＣ４との間に所定間隔を空けて配置される。基本ユニット２０の上流端側は、コーン８ａの傾斜面に出来るだけ近づく位置まで配置される。そのために、長さが異なる基本ユニット２０_１，２０_２，２０_３は、中心部に最も長い長さの基本ユニット２０_１が配置され、その周りに中間の長さの基本ユニット２０_２が配置され、最も外周側に最も短い長さの基本ユニット２０_３が配置される。

なお、基本ユニット２０の断面の形状や断面積（サイズ）は、配管８の断面の形状、配管８や排気管３の断面の断面積などを考慮して適宜設定するとよい。基本ユニット２０の断面の形状については、基本ユニット２０の製造し易さも考慮するとよい。基本ユニット２０の各長さは、コーン８ａの形状などを考慮して適宜設定するとよい。基本ユニット２０の個数は、ヒータ１１に求められる熱量に応じて、配管８内での配置形態や基本ユニット２０の断面の断面積などによって決まる。

図３を参照して、基本ユニット２０Ａの構造の一例について説明する。基本ユニット２０Ａは、発熱部３０と熱交換部４０，４０を有しており、発熱部３０の両側部に熱交換部４０，４０がそれぞれ配置される。図３（ｂ）に示すように、発熱部３０の断面の形状は長方形であり、熱交換部４０の断面の形状も長方形である。発熱部３０では、蓄熱材による発熱及び蓄熱を行う。熱交換部４０では、発熱部３０と排気ガスとの間で熱交換を行う。この実施形態では、発熱部３０が特許請求の範囲に記載の発熱部に相当し、熱交換部４０が特許請求の範囲に記載の熱交換部に相当する。

発熱部３０は、蓄熱材３０ａが筐体３０ｂに収容されている。筐体３０ｂは、外形が直方体であり、断面が長方形である。筐体３０ｂは、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ等）で形成される。筐体３０ｂの一端面の中央部には、ユニット管３０ｃが設けられている。ユニット管３０ｃは、接続管１３と接続するための管である。筐体３０ｂの内部の中央部には、アンモニア流路３０ｄが設けられている。アンモニア流路３０ｄは、ユニット管３０ｃに繋がっており、アンモニアが流れる通路である。アンモニア流路３０ｄは、筐体３０ｂの内部において排気ガスが流れる方向の一端部から他端部まで延びている。アンモニア流路３０ｄは、例えば、多孔体シートで形成される。蓄熱材３０ａは、筐体３０ｂの内部のアンモニア流路３０ｄの周りに充填されている。

熱交換部４０，４０は、外筒４０ａの内部の中央部に配置された筐体３０ｂの両側にそれぞれ構成される。外筒４０ａは、断面が正方形の筒である。外筒４０ａは、例えば、ステンレス鋼で形成される。外筒４０ａの内面と筐体３０ｂの外面との間の空間４０ｂは、排気ガスが流れる流路となる。外筒４０ａの内面と筐体３０ｂの外面との間には、複数のフィン４０ｃが設けられている。フィン４０ｃは、熱交換用の部材であり、空間４０ｂの全域に所定間隔を空けて配置される。フィン４０ｃは、例えば、ステンレス鋼で形成される。図３に示す例のフィン４０ｃは断面が平板状であるが、断面が波状やジグザグ状などの他の形状のフィンでもよい。

上記のように構成される基本ユニット２０Ａは、発熱部３０の周りに熱交換部４０，４０が配置されていない部分がある。そこで、図３（ｃ）に示すように、複数の基本ユニット２０Ａは、隣り合う基本ユニット２０Ａ，２０Ａ同士の配置方向が９０°異なるように配置するとよい。このように配置することにより、四方が基本ユニット２０Ａで配置されている基本ユニット２０Ａについては、発熱部３０の周りに全て熱交換部４０が配置されることになる。これにより、発熱部３０で発生した熱の熱交換効率が向上する。

図４を参照して、基本ユニット２０Ｂの構造の他の例について説明する。基本ユニット２０Ｂは、発熱部５０と熱交換部６０を有しており、発熱部５０の外周部に熱交換部６０が配置される。図４（ｂ）に示すように、発熱部５０の断面の形状は正方形であり、熱交換部６０の断面の形状は正方形の環状である。発熱部５０では、蓄熱材による発熱及び蓄熱を行う。熱交換部６０では、発熱部５０と排気ガスとの間で熱交換を行う。この実施形態では、発熱部５０が特許請求の範囲に記載の発熱部に相当し、熱交換部６０が特許請求の範囲に記載の熱交換部に相当する。

発熱部５０は、蓄熱材５０ａが筐体５０ｂに収容されている。筐体５０ｂは、外形が直方体であり、断面が正方形である。上記の発熱部３０と同様に、筐体５０ｂの一端面の中央部にはユニット管５０ｃが設けられ、筐体５０ｂの内部の中央部にはアンモニア流路５０ｄが設けられている。

熱交換部６０は、外筒６０ａの内部の中心部に配置された筐体５０ｂの周りに構成される。外筒６０ａは、上記の外筒４０ａと同様の筒である。外筒６０ａの内面と筐体５０ｂの外面との間の空間６０ｂは、排気ガスが流れる流路となる。上記の熱交換部４０と同様に、外筒６０ａの内面と筐体５０ｂの外面との間には、複数のフィン６０ｃが設けられている。

上記のように構成される基本ユニット２０Ｂは、発熱部５０の周りには全て熱交換部６０が配置されている。したがって、図４（ｃ）に示すように、基本ユニット２０Ｂの配置方向を考慮せずに、複数の基本ユニット２０Ｂを配置すればよい。

ストレージ１２は、反応媒体であるアンモニアを保持（吸着）及び分離（放出）が可能な吸着材１２ａが内蔵されている。吸着材１２ａとしては、例えば、物理吸着によるアンモニアの貯蔵が可能な活性炭が用いられる。ストレージ１２では、アンモニアを吸着材１２ａから分離させてヒータ１１に供給するとともに、暖機終了後には排気ガスの排熱を受けて蓄熱材から脱離したアンモニアを吸着材１２ａに物理吸着させることで再び回収する。なお、吸着材１２ａとしては、活性炭に限られず、例えば、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孔を有するメソポーラス材、または、ゼオライト、シリカゲルを用いてもよい。

接続管１３は、ヒータ１１とストレージ１２とを接続する管であり、ヒータ１１とストレージ１２との間でアンモニアを流通させる流路となる。特に、接続管１３は、ヒータ１１の下流側において、ヒータ１１を構成する複数の基本ユニット２０にそれぞれ接続するための管構成を有している。この管構成については、図５を参照して、基本ユニット２０Ａに接続する場合を例として説明する。接続管１３は、主管１３ａに加えて、１本の分岐管１３ｂ及び５本の枝管１３ｃ〜１３ｇを有している。主管１３ａは、ストレージ１２から配管８の近傍まで延びる管である。なお、図５に示す例は、主管１３ａの一端は配管８の上方に配置される。

分岐管１３ｂは、主管１３ａに繋がっており、５本の枝管１３ｃ〜１３ｇに分岐させる管である。分岐管１３ｂは、配管８の上方に配置され、配管８の幅方向に延在する。分岐管１３ｂの長さは、配管８内の幅方向の両端部に配置される基本ユニット２０Ａ，２０Ａのユニット管３０ｃ、３０ｃ間の間隔よりも若干長い長さである。

枝管１３ｃ〜１３ｇは、分岐管１３ｂに繋がっており、基本ユニット２０Ａのユニット管３０ｃと接続するための管である。枝管１３ｃ〜１３ｇは、配管８を貫通し、配管８の上方から内部にまで延在する。枝管１３ｃ，１３ｇは、配管８の内部において上下方向に基本ユニット２０Ａが１個だけ配置される配列に対応する管である。枝管１３ｃ，１３ｇには、この１個の基本ユニット２０Ａのユニット管３０ｃと接続するための１個の接続孔１３ｈが設けられている。枝管１３ｄ，１３ｆは、配管８の内部において上下方向に基本ユニット２０Ａが３個配置される配列に対応する管である。枝管１３ｄ，１３ｆには、この３個の基本ユニット２０Ａのユニット管３０ｃとそれぞれ接続するための３個の接続孔１３ｈが設けられている。枝管１３ｅは、配管８の内部において上下方向に基本ユニット２０Ａが５個配置される配列に対応する管である。枝管１３ｅには、この５個の基本ユニット２０Ａのユニット管３０ｃとそれぞれ接続するための５個の接続孔１３ｈが設けられている。

各接続孔１３ｈは、ユニット管３０ｃの外径に嵌合する径を有している。各接続孔１３ｈには、各基本ユニット２０Ａのユニット管３０ｃがそれぞれ嵌め込まれる。嵌め込むだけでなく、ユニット管３０ｃの端部を枝管１３ｃ〜１３ｇにロウ付けなどで接合してもよい。

バルブ１４は、接続管１３（主管１３ａ）の途中に配設され、ヒータ１１とストレージ１２との間のアンモニアの流路を開閉するバルブである。バルブ１４が開かれると、接続管１３を介してヒータ１１とストレージ１２との間でアンモニアの移動が可能となる。バルブ１４の開閉制御は、化学蓄熱装置１０の専用のコントローラあるいはエンジン２を制御するＥＣＵ[Electronic Control Unit]などのＥＣＵで行われる。バルブ１４は、電磁式のノーマリクローズのバルブであり、電圧印加時に開く。なお、バルブ１４は、電流駆動のバルブでもよく、また、電磁式以外のバルブでもよい。

以上のように構成した化学蓄熱装置１０の動作を説明する。この動作説明では、ヒータ１１の基本ユニット２０は図３に示す基本ユニット２０Ａとする。エンジン２の稼働中、エンジン２から排出された排気ガスの温度が暖機開始温度以下の場合（エンジン２の始動直後など）、バルブ１４に電圧が印加されると、バルブ１４が開く。これによって、接続管１３でのアンモニアの移動が可能となる。このとき、ストレージ１２の圧力が複数の基本ユニット２０Ａで構成されるヒータ１１全体の圧力よりも高く、アンモニアがヒータ１１側に移動し、接続管１３の主管１３ａ内を流れる。主管１３ａ内を流れるアンモニアは、分岐管１３ｂに流入し、分岐管１３ｂから枝管１３ｃ〜１３ｇにそれぞれ流入する。各枝管１３ｃ〜１３ｇ内を流れるアンモニアは、基本ユニット２０Ａ毎に、接続孔１３ｈを介してユニット管３０ｃに流入し、ユニット管３０ｃからアンモニア流路３０ｄに供給される。なお、暖機開始温度は、排気ガス浄化システム１において暖機が必要な温度である。暖機開始温度は、触媒（ＤＯＣ４等）の活性温度等に基づいて設定される。

基本ユニット２０Ａ毎に、発熱部３０では、この供給された量のアンモニアと蓄熱材３０ａとが化学反応して熱を発生する。この発熱部３０で発生した熱は、発熱部３０の筐体３０ｂから周囲に配置される各熱交換部４０のフィン４０ｃにそれぞれ伝わる。各熱交換部４０では、フィン４０ｃに伝わった熱を空間４０ｂに流れる排気ガスと熱交換する。この熱交換により、排気ガスが昇温する。この昇温された排気ガスが下流側に流れ、配管８内のＤＯＣ４を昇温する。さらに、昇温された排気ガスが下流側に流れ、ＳＣＲ６、ＡＳＣ７の各触媒も昇温する。これにより、各触媒を暖機できる。そして、この各触媒の温度が活性温度以上になると、排気ガスを浄化できる。

特に、複数の基本ユニット２０Ａが配管８の内部の形状に近づくように配置されているので、この複数の基本ユニット２０Ａ（発熱部３０と熱交換部４０，４０）からなるヒータ１１が配管８の内部のスペースに占める割合が大きい。そのため、ヒータ１１の発熱量が多くなり、発生した熱の熱交換を促進できる。さらに、コーン８ａの内部にまで配置されている基本ユニット２０Ａについては、排気ガスの流れる方向の長さが長い。そのため、その基本ユニット２０Ａの発熱部３０は、蓄熱材３０ａの充填量が多くなり、発熱量が増加する。熱交換部４０は、熱交換できる時間が長くなる。また、配管８の内部において発熱部３０と熱交換部４０が分散して配置されているので、排気ガスが流れる方向に直交する断面において昇温された排気ガスの温度差が少なく、この排気ガスによりＤＯＣ４を略均一に暖機できる。

暖機終了後、エンジン２の稼働がある程度継続し、エンジン２から排出された排気ガスの温度が高くなる。この排気ガスが各熱交換部４０の空間４０ｂに流れると、排気ガスの排熱がフィン４０ｃを介して周囲に配置される各発熱部３０の筐体３０ｂに伝わる。各発熱部３０では、この伝わった熱によりアンモニアと蓄熱材３０ａとが脱離し、アンモニアが発生する。そして、排気ガスの温度がアンモニア回収可能温度より高い場合、バルブ１４に電圧が印加されると、バルブ１４が開く。これによって、接続管１３でのアンモニアの移動が可能となる。このとき、複数の基本ユニット２０Ａで構成されるヒータ１１全体の圧力がストレージ１２の圧力よりも高く、アンモニアがストレージ１２側に移動する。この際、基本ユニット２０Ａ毎に、脱離したアンモニアが、発熱部３０のユニット管３０ｃから接続孔１３ｈを介して各枝管１３ｃ〜１３ｇ内にそれぞれ流入する。さらに、アンモニアは、枝管１３ｃ〜１３ｇから分岐管１３ｂにそれぞれ流入し、分岐管１３ｂから主管１３ａに流入する。そして、主管１３ａ内を流れるアンモニアが、ストレージ１２で回収される。ストレージ１２では、吸着材１２ａでアンモニアを吸着して貯蔵する。なお、アンモニア回収可能温度は、暖機後にヒータ１１からアンモニアを回収可能な温度である。アンモニア回収可能温度は、蓄熱材３０ａとアンモニアの組み合わせによって決まる蓄熱材３０ａからアンモニアが脱離する温度等に基づいて設定される。

この化学蓄熱装置１０によれば、ヒータ１１が複数の基本ユニット２０によって構成されるので、ヒータ１１の形状の自由度が高く、ヒータ１１の形状を配管８の内部の形状に近づけることができる。そのため、配管８の内部のスペースを有効に活用してヒータ１１を配置させることができる。これにより、ヒータ１１の発熱効率が向上し、発生した熱の熱交換効率も向上する。その結果、排気ガスの昇温を促進でき、ＤＯＣ４等の触媒の暖機時間を短縮できる。

化学蓄熱装置１０によれば、径が徐々に変化するコーン８ａの内部の形状に応じて長さが異なる基本ユニット２０を配置させることにより、コーン８ａの内部のスペースを有効に活用してヒータ１１を配置させることができる。これにより、ヒータ１１の発熱効率が更に向上し、熱交換効率も更に向上する。

化学蓄熱装置１０によれば、基本ユニット２０の断面の形状を正方形としたので、基本ユニット２０Ａを製造し易い。特に、化学蓄熱装置１０によれば、熱交換部４０，４０が発熱部３０の両側部にそれぞれ配置される基本ユニット２０Ａとした場合、基本ユニット２０Ａの構造が簡易化し、基本ユニット２０Ａをより製造し易い。また、化学蓄熱装置１０によれば、熱交換部６０が発熱部５０の外周部に配置される基本ユニット２０Ｂとした場合、発熱部５０で発生した熱の熱交換効率が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施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、上記実施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、他の構成の排気ガス浄化システムに適用してもよく、例えば、ＤＯＣ、ＳＣＲ、ＡＳＣのうちのいずれか一つ又は二つの触媒を備えない排気ガス浄化システムや、ＤＯＣ、ＳＣＲ、ＡＳＣ以外の触媒を備える排気ガス浄化システムに適用してもよい。また、車両も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、上記実施形態で反応媒体をアンモニアとしたが、アルコール、水等の他の反応媒体でもよい。また、上記実施形態では反応媒体がアンモニアの場合の蓄熱材、吸着材の各材料をそれぞれ例示したが、化学蓄熱装置で用いられる反応媒体に応じて、蓄熱材、吸着材は適宜他の材料が用いられる。

また、上記実施形態では配管内においてヒータを構成する複数の基本ユニットの下流側にハニカム基材に触媒が担持されたＤＯＣが別体として配置される構成としたが、配管内には複数の基本ユニットのみが配置され、熱交換部のフィンにＤＯＣ等の触媒を担持させる構成としてもよい。この構成の場合、配管の長さを短くでき、省スペース化できる。また、基本ユニットの長さを、上流側のコーンの形状だけでなく、下流側のコーンの形状に応じて設定するとよい。

また、上記実施形態ではコーン８ａのスペースを有効活用することで、従来よりもヒータ１１の搭載熱量を多くしたが、搭載熱量を変更しない場合は、コーン８ａに向けて長くなった分だけヒータ１１の排気管の軸方向の長さを短くすることができ、化学蓄熱装置１０のヒータ１１をコンパクトに構成することができる。

また、上記実施形態では上流端と下流端にコーンが配設される配管に複数の基本ユニットを配置する構成としたが、コーンが配設されない配管に複数の基本ユニットを配置してもよい。この場合も、配管の内部の形状に応じて複数の基本ユニットを配置させることができるので、配管の内部のスペースを有効に活用してヒータを配置させることができる。

また、上記実施形態では熱交換部が発熱部の両側部に配置される構成、熱交換部が発熱部の外周部に配置される構成を示したが、熱交換部と発熱部との配置関係については他の構成でもよい。例えば、熱交換部が発熱部の一方の側部にのみ配置される構成としてもよい。この構成の場合、基本ユニットの構造がより簡易化し、基本ユニットを製造し易い。

また、上記実施形態では基本ユニットの発熱部の内部にアンモニア流路となる多孔体シート等を設ける構成としたが、このようなアンモニア流路を設けなくてもよい。この構成の場合、基本ユニットの構成部材を削減できる。

また、上記実施形態では基本ユニットに外筒を設ける構成としたが、基本ユニットに外筒が無くてもよい。この構成の場合、基本ユニットの構成部材を削減でき、軽量化できる。外筒が無いので、隣接する基本ユニット間の熱交換用のフィン同士をロウ付け等で接合するとよい。

また、上記実施形態ではコーンの内部に配置するために長さが異なる基本ユニットを複数種類用いたが、全ての基本ユニットを同一の短い長さとし、コーンの内部に配置するために同一の長さの基本ユニットの個数で調整する。つまり、コーンの径方向の中心部ほど、長さを長くする必要があるので、同一の長さの基本ユニットを配置する個数を多くする。この構成の場合、基本ユニットの長さも同一なので、基本ユニットの製造効率が向上する。

また、上記実施形態ではヒータの下流側からアンモニアを供給する場合に適用したが、ヒータの上流側からアンモニアを供給する場合にも適用できる。この場合の構成について、図６を参照して説明する。この構成では、上流側のコーン８ａと排気管３の一部分の外周部を覆う二重管７０が設けられ、この二重管７０によってコーン８ａ等の外周部に密閉の空間７１が形成される。この空間７１は、接続管７３からアンモニアを導入するための空間である。接続管７３の一端は、二重管７０を貫通し、空間７１に連通されている。接続管７３は、ストレージ１２から空間７１までアンモニアを流通させる流路となる。コーン８ａの上流側の排気管３の内部には、連結管７４が設けられている。連結管７４は、排気管３の内部を横断し、空間７１における対向する箇所に繋がる管である。最も短い長さの基本ユニット２０_３のユニット管７５及び中間の長さの基本ユニット２０_２のユニット管７６は、コーン８ａをそれぞれ貫通し、空間７１にそれぞれ連通されている。最も長い長さの基本ユニット２０_１のユニット管７７は、連結管７４に接続され、連結管７４を介して空間７１に連通されている。したがって、全ての基本ユニット２０_１，２０_２，２０_３には、空間７１に導入されたアンモニアが供給されることなる。この構成の場合、空間７１を設けることにより、空間７１から全ての基本ユニット２０_１，２０_２，２０_３に略均一にアンモニアを供給することができる。その結果、各基本ユニット２０_１，２０_２，２０_３では略同時に化学反応して発熱するので、発熱効率が向上する。また、基本ユニット２０_１，２０_２，２０_３の下流側の直後にＤＯＣ４を配置さきるので、配管８の長さを短くでき、省スペース化できる。この実施形態では、空間７１が特許請求の範囲に記載の空間に相当し、接続管７３が特許請求の範囲に記載の接続管に相当し、連結管７４及びユニット管７５〜７７が特許請求の範囲に記載の個別接続管に相当する。

また、上記実施形態では全ての基本ユニットの断面積（排気ガスが流れる方向に直交する断面の面積）を同一としたが、断面積が異なる基本ユニットを含んでいてもよい。例えば、図７（ａ）に示すように、断面積が異なる２種類の基本ユニット８０，８１の例で説明する。大きい断面積の基本ユニット８０は、上記実施形態に係る基本ユニット２０と同一の断面積の基本ユニットである。小さい断面積の基本ユニット８１は、断面の正方形の一辺の長さが基本ユニット８０の断面の正方形の一辺の長さの略三分の二である。１３個の基本ユニット８０は、上記実施形態に係る基本ユニット２０と同じ各位置にそれぞれ配置される。８個の基本ユニット８１は、基本ユニット８０と基本ユニットとの間に形成される空いたスペースにそれぞれ配置され、断面の正方形の角の一つが配管８の内周面に接している。この構成の場合、断面積が異なる２種類の基本ユニット８０，８１で構成されるヒータの形状を断面が円形の配管８の形状により近づけることができるので、配管８の内部のスペースをより有効に活用してヒータを配置させることができる。

また、上記実施形態では基本ユニットの断面の形状を正方形としたが、他の形状としてもよい。例えば、図７（ｂ）に示ように、断面の形状が正六角形の基本ユニット８２でもよい。また、図７（ｃ）に示すように、断面の形状が円形の基本ユニット８３でもよい。この円形の基本ユニット８３の場合、基本ユニット８３，８３間に空間ができるので、その空間に熱交換用のフィンを設けてもよい。このように断面が正六角形や円形の基本ユニット８２，８３で構成されるヒータの場合、ヒータの形状を断面が円形の配管８の形状に近づけることができるので、配管８の内部のスペースをより有効に活用してヒータを配置させることができる。

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）、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…配管、８ａ…コーン、１０…化学蓄熱装置、１１…ヒータ、１２…ストレージ、１２ａ…吸着材、１３，７３…接続管、１３ａ…主管、１３ｂ…分岐管、１３ｃ〜１３ｇ…枝管、１３ｈ…接続孔、１４…バルブ、２０（２０_１，２０_２，２０_３），２０Ａ，２０Ｂ，８０，８１，８２，８３…基本ユニット、３０，５０…発熱部、３０ａ，５０ａ…蓄熱材、３０ｂ，５０ｂ…筐体、３０ｃ，５０ｃ，７５，７６，７７…ユニット管、３０ｄ，５０ｄ…アンモニア流路、４０，６０…熱交換部、４０ａ，６０ａ…外筒、４０ｂ，６０ｂ…空間、４０ｃ，６０ｃ…フィン、７０…二重管、７１…空間、７４…連結管。

Claims (6)

1. エンジンの排気系における加熱対象を加熱する化学蓄熱装置であって、
   前記エンジンから排出される排気ガスが流れる配管の内部に配置される複数の基本ユニットからなる加熱器と、
   反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
   前記加熱器と前記貯蔵器との間で前記反応媒体を流通させるための接続管と、
   を備え、
   前記基本ユニットは、前記反応媒体との化学反応による発熱と蓄熱による前記反応媒体の脱離とを可逆的に行う蓄熱材を有する発熱部と、前記発熱部と前記加熱対象との熱交換を行う熱交換部とを有し、
   前記複数の基本ユニットは、前記配管の内部の形状に応じて配置される、化学蓄熱装置。
2. 前記熱交換部が、前記発熱部の両側部にそれぞれ配置される、請求項１に記載の化学蓄熱装置。
3. 前記熱交換部が、前記発熱部の外周部に配置される、請求項１に記載の化学蓄熱装置。
4. 前記配管の端部には、管径が異なる排気管と接続するためのコーンが配設され、
   前記コーンの内部にまで配置される前記基本ユニットは、前記コーンの内部の形状に応じて前記排気ガスの流れる方向の長さが設定される、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。
5. 前記コーンの外周部に前記反応媒体を導入するための空間が形成され、
   前記接続管は、前記空間にまで前記反応媒体を流通させ、
   前記空間と前記複数の基本ユニットとの間で前記反応媒体をそれぞれ流通させる複数の個別接続管を備える、請求項４に記載の化学蓄熱装置。
6. 前記複数の基本ユニットは、前記排気ガスが流れる方向に直交する断面の断面積が異なる基本ユニットを含む、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。

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