JP2016044906A - Chemical heat storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学蓄熱装置に関する。 The present invention relates to a chemical heat storage device.
従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献1に記載されている装置が知られている。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気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(反応材)を含む反応器と、蓄熱物質を発熱させるための水を供給する導水管部とを備えている。冷間時などに、水を反応器に供給することで、水と蓄熱物質とが化学反応して熱が発生する。そして、この反応器内で発生する熱により触媒セラミック部が加熱されて触媒活性温度に暖機される。 As a conventional chemical heat storage device, for example, a device described in Patent Document 1 is known. A chemical heat storage device described in Patent Document 1 is disposed around a catalyst ceramic portion that purifies exhaust gas discharged from an engine, and includes a reactor including a heat storage material (reaction material) built in a housing portion, and a heat storage And a water conduit for supplying water for generating heat from the substance. By supplying water to the reactor, such as when it is cold, the water and the heat storage material chemically react to generate heat. The catalyst ceramic portion is heated by the heat generated in the reactor and warmed to the catalyst activation temperature.
しかしながら、上記従来技術においては、加熱源である反応器が加熱対象物である触媒セラミック部の周囲に配置されている。従って、例えば排ガス浄化能力を向上させるために触媒セラミック部の径を大きくすると、触媒セラミック部の外周から触媒セラミック部の中心までの伝熱距離が長くなり、触媒セラミック部の熱抵抗が増大する。このため、触媒セラミック部外周の反応器で発生する熱が触媒セラミック部の中心まで伝わりにくくなる。即ち、従来の構成では、反応器内の蓄熱物質(反応材)で発生させた熱を加熱対象物である触媒セラミック部に効率良く伝えることが困難であった。 However, in the above prior art, the reactor that is the heating source is arranged around the catalyst ceramic portion that is the heating object. Therefore, for example, when the diameter of the catalyst ceramic part is increased in order to improve the exhaust gas purification capacity, the heat transfer distance from the outer periphery of the catalyst ceramic part to the center of the catalyst ceramic part becomes long, and the thermal resistance of the catalyst ceramic part increases. For this reason, it becomes difficult for the heat generated in the reactor on the outer periphery of the catalyst ceramic portion to be transmitted to the center of the catalyst ceramic portion. That is, in the conventional configuration, it is difficult to efficiently transfer the heat generated by the heat storage material (reaction material) in the reactor to the catalyst ceramic part that is the object to be heated.
本発明の目的は、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物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。 An object of the present invention is to provide a chemical heat storage device that can efficiently transfer heat generated by a reaction material in a reactor to an object to be heated.
本発明は、熱媒体を加熱する化学蓄熱装置であって、反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により反応媒体を脱離する反応材が反応容器内に充填された反応部と、反応部との間で反応媒体を流通可能に接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵部と、熱媒体を流通させる複数の熱交換部材と、を備え、熱交換部材は、一端側から他端側にかけて熱媒体を流通させる熱媒体流路を形成すると共に熱媒体と反応材との間で熱交換を行う熱交換部と、熱交換部の外周に設けられると共に熱媒体の流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒とを有し、複数の熱交換部材は、反応容器の内部において熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで反応材に埋設されていることを特徴とする。 The present invention relates to a chemical heat storage device for heating a heat medium, wherein a reaction part which is heated in a reaction vessel and is filled with a reaction material that generates heat and desorbs the reaction medium by heat storage, and a reaction part And a storage section that stores the reaction medium and a plurality of heat exchange members that circulate the heat medium, and the heat exchange member heats from one end side to the other end side. A heat exchanger that forms a heat medium flow path for circulating the medium and exchanges heat between the heat medium and the reaction material, and a cylindrical heat that is provided on the outer periphery of the heat exchanger and extends in the flow direction of the heat medium The plurality of heat exchanging members are embedded in the reaction material side by side in a direction perpendicular to the flow direction of the heat medium inside the reaction vessel.
このような本発明の化学蓄熱装置においては、貯蔵部から反応部に反応媒体が供給されると、反応材と反応媒体との化学反応により反応材が発熱し、その熱が各熱交換部材の熱交換部に伝えられる。このとき、複数の熱交換部材を反応容器の内部において熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで反応材に埋設することにより、各熱交換部材の熱交換部における熱媒体の流通方向に垂直な方向の寸法を小さくすることができる。各熱交換部材の熱交換部における熱媒体の流通方向に垂直な方向の寸法が小さくなると、加熱源が配置された熱交換部の外周から熱交換部の中心までの伝熱距離が短くなり、熱交換部の熱抵抗が小さくなる。このため、熱交換部の外周に配置された反応材で発生する熱が熱交換部の中心まで伝わりやすくなる。つまり、本発明では、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物である熱交換部に効率良く伝えることができる。 In such a chemical heat storage device of the present invention, when the reaction medium is supplied from the storage unit to the reaction unit, the reaction material generates heat due to a chemical reaction between the reaction material and the reaction medium, and the heat is generated by each heat exchange member. It is transmitted to the heat exchange section. At this time, the plurality of heat exchange members are embedded in the reaction material in a direction perpendicular to the flow direction of the heat medium in the reaction vessel, thereby being perpendicular to the flow direction of the heat medium in the heat exchange portion of each heat exchange member. The dimension in a proper direction can be reduced. When the dimension in the direction perpendicular to the flow direction of the heat medium in the heat exchange part of each heat exchange member is reduced, the heat transfer distance from the outer periphery of the heat exchange part where the heating source is arranged to the center of the heat exchange part is shortened, The heat resistance of the heat exchange part is reduced. For this reason, the heat generated by the reaction material arranged on the outer periphery of the heat exchange part is easily transmitted to the center of the heat exchange part. That is, in the present invention, the heat generated by the reaction material in the reactor can be efficiently transferred to the heat exchanging part that is the object to be heated.
複数の熱交換部材は、それぞれの熱交換部外筒の全周が反応材と接触するように互いに離間して配置されていてもよい。この場合には、反応材で発生した熱が熱交換部の外周全体から熱交換部の中心に向けて伝えられる。従って、反応材で発生した熱を熱交換部に一層効率良く伝えることができる。 The plurality of heat exchange members may be arranged apart from each other so that the entire circumference of each outer tube of the heat exchange section is in contact with the reaction material. In this case, the heat generated in the reaction material is transmitted from the entire outer periphery of the heat exchange unit toward the center of the heat exchange unit. Therefore, the heat generated in the reaction material can be more efficiently transmitted to the heat exchange unit.
反応部は、反応容器と反応材との間に設けられた断熱材を更に有していてもよい。この場合には、反応材で発生した熱が反応容器から外部に放熱されることを低減できる。 The reaction part may further have a heat insulating material provided between the reaction vessel and the reaction material. In this case, the heat generated in the reaction material can be reduced from being radiated to the outside from the reaction vessel.
反応部は、熱媒体を流通させる熱媒体流通経路上に配置され、反応容器は、複数の熱交換部材の両端部を露出させる複数の開口部を有していてもよい。この場合には、複数の熱交換部材を反応材に簡単に埋設することができる。 The reaction unit may be disposed on a heat medium flow path through which the heat medium is circulated, and the reaction container may have a plurality of openings that expose both end portions of the plurality of heat exchange members. In this case, a plurality of heat exchange members can be easily embedded in the reaction material.
本発明によれば、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物に効率良く伝えることができる化学蓄熱装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the chemical heat storage apparatus which can transmit efficiently the heat | fever generated with the reaction material in a reactor to a heating target object is provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、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に含まれる有害物質(環境汚染物質)を浄化する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an exhaust purification system including an embodiment of a chemical heat storage device. In FIG. 1, an exhaust purification system 1 is provided in an exhaust system of a diesel engine 2 (hereinafter simply referred to as an engine 2) of a vehicle, and purifies harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust gas discharged from the
排気浄化システム1は、反応器付き熱交換器3、ディーゼル酸化触媒(DOC:DieselOxidation 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及びアンモニアスリップ触媒(ASC:Ammonia Slip Catalyst)7を備えている。反応器付き熱交換器3、DOC4、DPF5、SCR6及びASC7は、エンジン2と接続された排気通路8の途中に、上流側から下流側に向けて順に配置されている。
The exhaust purification system 1 includes a
反応器付き熱交換器3については、後で詳述する。DOC4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。DPF5は、排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集し、排気ガスからPMを取り除く。SCR6は、尿素またはアンモニア(NH3)によって、排気ガス中に含まれるNOxを還元して浄化する。ASC7は、SCR6を通過したNH3を酸化する。
The heat exchanger with a
また、排気浄化システム1は、可逆的な化学反応を利用して、外部エネルギレスで熱交換器などの加熱対象物を加熱(暖機)する化学蓄熱装置10を備えている。具体的には、化学蓄熱装置10は、後述する反応材18と反応媒体とを分離した状態にすることにより、排気ガスの熱(排熱)を化学蓄熱装置10の内部に蓄えておく。そして、化学蓄熱装置10は、反応媒体を必要なときに反応材18に供給して、反応材18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対象物を加熱する。この実施形態では、反応媒体としてNH3(アンモニア)を用いている。
Further, the exhaust purification system 1 includes a chemical
化学蓄熱装置10は、図2にも示されるように、上記の反応器付き熱交換器3と、この反応器付き熱交換器3の反応部15(後述)とNH3供給管11を介してNH3を流通可能に接続された吸着器12とを備えている。NH3供給管11には、反応器付き熱交換器3の反応部15と吸着器12との間の流路を開閉させる開閉弁13が設けられている。
As shown in FIG. 2, the chemical
吸着器12は、反応媒体であるNH3の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材14を含んでいる。吸着材14としては、活性炭、カーボンブラック、メソポーラスカーボン、ナノカーボンまたはゼオライト等が用いられる。吸着器12は、NH3を吸着材14に物理吸着させることで、NH3を貯蔵する貯蔵部を構成する。
The
反応器付き熱交換器3は、図2〜図4に示されるように、反応部15と、この反応部15に対して熱媒体である排気ガスの流通方向に垂直な方向に隣接して配置された複数(ここでは4つ)の熱交換部材16とを有している。上記のNH3供給管11は、反応部15と連結されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the reactor-equipped
反応部15は、熱媒体である排気ガスを流通させる排気ガス流通経路A(熱媒体流通経路)上に配置されている。反応部15は、反応容器17と、この反応容器17内に充填され、NH3との化学反応により発熱すると共に排熱の蓄熱によりNH3を脱離する反応材18とを有している。
The
反応容器17は、円筒状の外筒部17aと、この外筒部17aの上流側端部及び下流側端部にそれぞれ固定された1対の円形状の蓋部17bとからなっている。各蓋部17bには、複数の熱交換部材16の両端部を露出させる複数の開口部17cが形成されている。反応容器17は、ステンレス鋼等の金属で形成されている。
The
反応材18としては、組成式MXaで表されるハロゲン化物が用いられる。Mは、Mg、CaまたはSr等のアルカリ土類金属、若しくはCr、Mn、Fe、Co、Ni、CuまたはZn等の遷移金属である。Xは、Cl、BrまたはI等である。aは、Mの価数により特定される数であり、2〜3である。
As the
反応材18は、粉末状であってもよいし、プレス成型体であってもよい。反応材18には、熱伝導性を向上させる添加物が混合されていてもよい。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、金属ビーズ、高分子ビーズまたは高分子ファイバ等が用いられる。金属ビーズの金属材料としては、Cu、Ag、Ni、Ci−Cr、Al、Feまたはステンレス鋼等が挙げられる。
The
反応容器17と反応材18との間には、断熱材19が円環状に配置されている。断熱材19としては、例えばグラスウール等が用いられる。断熱材19を設けることにより、反応材18で発生した熱が反応容器17から外部に放熱されることが抑制される。NH3供給管11の一端部は、断熱材19を貫通して反応材18と接続されている。反応材18と断熱材19との間には、NH3の流路を形成する多孔体(図示せず)が介在されている。
Between the
熱交換部材16は、ハニカム構造の熱交換部21と、この熱交換部21の外周に設けられ、排気ガスの流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒20とを有している。熱交換部21は、一端側から他端側にかけて排気ガスを流通させる排気ガス流路21a(熱媒体流路)を形成すると共に、排気ガスと反応材18との間で熱交換を行う。熱交換部外筒20は、NH3に対して耐腐食性を有するステンレス鋼等で形成されている。熱交換部21は、熱伝導性が高いSiSiC等のセラミックで形成されている。
The
各熱交換部材16は、反応部15の反応容器17内に収容されている。具体的には、各熱交換部材16は、反応容器17の内部において排気ガスの流通方向に垂直な方向に並んで反応材18に埋設されている。このとき、各熱交換部材16は、熱交換部外筒20の全周が反応材18と接触するように互いに離間して配置されている。これにより、各熱交換部材16の周囲全体には、反応材18が配置されている。
Each
以上のような化学蓄熱装置10を備えた排気浄化システム1において、エンジン2から排出される排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、開閉弁13を開く。すると、吸着器12と反応部15との圧力差によって、吸着器12の吸着材14から脱離したNH3がNH3供給管11を通って反応部15に供給される。そして、反応部15の反応材18(例えばMgCl2)とNH3とが化学反応して化学吸着し、反応材18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。そして、反応材18から発生した熱が各熱交換部材16に伝えられる。これにより、各熱交換部材16が加熱され、これに伴って各熱交換部材16の熱交換部21を流れる排気ガスが加熱される。つまり、各熱交換部材16により排気ガスが熱交換されて加熱される。そして、暖められた排気ガスによってDOC4が汚染物質の浄化に適した活性温度まで上昇する。
MgCl2+xNH3 ⇔ Mg(NH3)xCl2+熱 …(A)
In the exhaust purification system 1 including the chemical
MgCl 2 + x NH 3 ⇔ Mg (NH 3) x
一方、エンジン2から排出される排気ガスの温度が所定温度以上になると、排気ガスの熱(排熱)が反応部15の反応材18に与えられることで、反応材18からNH3が脱離する。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、反応部15と吸着器12との圧力差によって、反応材18から脱離したNH3がNH3供給管11を通って吸着器12に戻り、吸着器12の吸着材14にNH3が物理吸着される。これにより、NH3が吸着器12に回収される。
On the other hand, when the temperature of the exhaust gas discharged from the
以上のように本実施形態にあっては、反応部15の反応容器17内に反応材18を充填し、複数の熱交換部材16を反応容器17の内部において排気ガスの流通方向に垂直な方向に並んで反応材18に埋設したので、1つの熱交換部材の周囲に円環状に反応材を配置する場合に比し、各熱交換部材16の熱交換部21の外径(排気ガスの流通方向に垂直な方向の寸法)を小さくすることができる。このように熱交換部21の外径が小さくなると、熱交換部21における外周と中心との距離(伝熱距離)が短くなり、熱交換部21の熱抵抗が小さくなる。
As described above, in the present embodiment, the
従って、発熱反応時には、反応材18で発生した熱が熱交換部21の中心まで伝わりやすくなる。これにより、反応材18で発生した熱を熱交換部21に効率良く伝えることができる。その結果、排気ガスを効率良く最適温度まで加熱することができる。
Therefore, during the exothermic reaction, the heat generated in the
また、再生反応時には、各熱交換部材16の熱交換部21の中心部を通る排気ガスの熱が反応部15の反応材18に伝わりやすくなる。これにより、排気ガスの熱によってNH3を反応材18から効率良く脱離させることができる。その結果、吸着器12へのNH3の回収を効率良く行うことができる。
Further, during the regeneration reaction, the heat of the exhaust gas passing through the central portion of the
さらに、各熱交換部材16を、熱交換部外筒20の全周が反応材18と接触するように互いに離間して配置したので、上述したように各熱交換部材16の周囲全体に反応材18が配置されることとなる。
Furthermore, since the
このため、発熱反応時には、反応材18で発生した熱が各熱交換部材16の熱交換部21の外周全体から熱交換部21の中心に向けて伝えられる。従って、反応材18で発生した熱によって各熱交換部材16の熱交換部21が外周全体から加熱されるため、排気ガスを一層効率良く加熱することができる。また、再生反応時には、各熱交換部材16の熱交換部21を通る排気ガスの熱が反応材18に効率良く与えられるため、吸着器12へのNH3の回収を一層効率良く行うことができる。
For this reason, at the time of exothermic reaction, the heat generated in the
なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、複数の熱交換部材16は、熱交換部外筒20の全周が反応材18と接触するように互いに離間して配置されているが、特にそれには限られず、複数の熱交換部材16を接触させるように配置してもよい。この場合には、反応部15の反応容器17の外径を小さくすることができるため、反応器付き熱交換器3の体格を小型化することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the plurality of
また、上記実施形態では、反応部15の反応容器17の外筒部17aが円筒状であり、各熱交換部材16の熱交換部外筒20が円筒状であるが、特にそれには限られず、例えば外筒部17a及び熱交換部外筒20が何れも矩形筒状等であってもよいし、外筒部17a及び熱交換部外筒20の何れか一方が円筒状で他方が矩形筒状であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
さらに、上記実施形態では、熱交換部材16の熱交換部21がセラミックで形成されているが、熱交換部21の材料としては特にそれには限られず、熱伝導性が高いステンレス鋼等の金属であってもよい。また、熱交換部材16の熱交換部21には、触媒が担持されていてもよい。
Furthermore, in the said embodiment, although the
さらに、上記実施形態では、反応媒体であるNH3と組成式MXaで表される反応材18とを化学反応させて熱を発生させているが、反応媒体としては、特にNH3には限られず、例えばCO2またはH2O等を使用してもよい。反応媒体としてCO2を使用する場合、CO2と化学反応する反応材としては、MgO、CaO、BaO、Ca(OH)2、Mg(OH)2、Fe(OH)2、Fe(OH)3、FeO、Fe2O3またはFe3O4等を使用することができる。反応媒体としてH2Oを使用する場合、H2Oと化学反応する反応材としては、CaO、MnO、CuOまたはAl2O3等を使用することができる。
Furthermore, in the above embodiment, the reaction medium NH 3 and the
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の排気系に設けられているが、本発明は、ガソリンエンジンの排気系に設けられた化学蓄熱装置、或いはエンジンの排気系以外に設けられた化学蓄熱装置にも適用可能である。
Moreover, although the chemical
10…化学蓄熱装置、12…吸着器(貯蔵部)、15…反応部、16…熱交換部材、17…反応容器、17c…開口部、18…反応材、19…断熱材、20…熱交換部外筒、21…熱交換部、21a…排気ガス流路(熱媒体流路)、A…排気ガス流通経路(熱媒体流通経路)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により前記反応媒体を脱離する反応材が反応容器内に充填された反応部と、
前記反応部との間で前記反応媒体を流通可能に接続され、前記反応媒体を貯蔵する貯蔵部と、
前記熱媒体を流通させる複数の熱交換部材と、を備え、
前記熱交換部材は、一端側から他端側にかけて前記熱媒体を流通させる熱媒体流路を形成すると共に前記熱媒体と前記反応材との間で熱交換を行う熱交換部と、前記熱交換部の外周に設けられると共に前記熱媒体の流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒とを有し、
前記複数の熱交換部材は、前記反応容器の内部において前記熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで前記反応材に埋設されていることを特徴とする化学蓄熱装置。 A chemical heat storage device for heating a heat medium,
A reaction section in which a reaction material that generates heat and desorbs the reaction medium by storing heat is filled in a reaction vessel with a chemical reaction with the reaction medium;
A storage unit that is connected to the reaction unit so that the reaction medium can flow therethrough, and stores the reaction medium;
A plurality of heat exchange members for circulating the heat medium,
The heat exchange member forms a heat medium flow path through which the heat medium flows from one end side to the other end side, and performs heat exchange between the heat medium and the reaction material, and the heat exchange A cylindrical heat exchange portion outer cylinder provided on the outer periphery of the portion and extending in the flow direction of the heat medium;
The chemical heat storage device, wherein the plurality of heat exchange members are embedded in the reaction material side by side in a direction perpendicular to a flow direction of the heat medium inside the reaction vessel.
前記反応容器は、前記複数の熱交換部材の両端部を露出させる複数の開口部を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の化学蓄熱装置。 The reaction unit is disposed on a heat medium flow path for flowing the heat medium,
4. The chemical heat storage device according to claim 1, wherein the reaction container has a plurality of openings that expose both end portions of the plurality of heat exchange members. 5.
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