JP2017116204A - 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、車両の内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化システム等に適用され、内燃機関の排気系に設けられた加熱対象を加熱する化学蓄熱装置が知られている。例えば、特許文献1に記載の化学蓄熱装置では、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、加熱対象の周囲又は内部に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる反応材を含む反応器と、貯蔵器と反応器との間を接続し、貯蔵器から反応器に反応媒体を供給する配管と、を備えている。 As a conventional chemical heat storage device, a chemical heat storage device that is applied to an exhaust gas purification system that purifies exhaust gas discharged from an internal combustion engine of a vehicle and that heats a heating target provided in the exhaust system of the internal combustion engine is known. For example, in the chemical heat storage device described in Patent Document 1, a reservoir that stores a reaction medium, and a reactor that is disposed around or inside a heating target and includes a reaction material that chemically reacts with the reaction medium to generate heat. And a pipe for connecting the reservoir and the reactor and supplying the reaction medium from the reservoir to the reactor.
ここで、従来の一般的な化学蓄熱装置では、内燃機関から排出された排気の温度が暖機開始温度よりも低いと、配管に配設されたバルブが開かれ貯蔵器に貯蔵された反応媒体が配管を通って反応器に供給される。これにより、供給された反応媒体と反応器内の反応材とが化学反応して熱が発生する。すなわち、発熱反応が生じる。この発熱反応により発生した熱によって加熱対象が加熱される。また、内燃機関から排出された排気の温度が反応媒体再生温度より高くなると、排気の熱が反応器内の反応材に与えられ、反応器内において反応媒体が反応材から脱離する。すなわち、再生反応が生じる。そして、脱離された反応媒体が配管を通って貯蔵器に回収され、再生反応の最終段階で、配管に配設されたバルブが閉じられる。 Here, in the conventional general chemical heat storage device, when the temperature of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine is lower than the warm-up start temperature, the reaction medium stored in the reservoir is opened by opening the valve disposed in the pipe Is fed to the reactor through piping. As a result, the supplied reaction medium and the reaction material in the reactor chemically react to generate heat. That is, an exothermic reaction occurs. The object to be heated is heated by the heat generated by the exothermic reaction. Further, when the temperature of the exhaust discharged from the internal combustion engine becomes higher than the reaction medium regeneration temperature, the heat of the exhaust is given to the reaction material in the reactor, and the reaction medium is desorbed from the reaction material in the reactor. That is, a regeneration reaction occurs. The desorbed reaction medium is collected in the reservoir through the pipe, and the valve disposed in the pipe is closed at the final stage of the regeneration reaction.
上記のような貯蔵器と反応器との間における反応媒体の移動は、反応器内の圧と貯蔵器内の圧との間に生じた差圧を利用して行われる。このため、再生反応の最終段階でバルブが閉じられた後、配管内における反応器とバルブとの間に反応媒体が残ってしまう。そして、バルブが閉じられた状態で反応器温度が低下すると、この配管に残った反応媒体の少なくとも一部が反応器へ移動して反応器内の反応材と再度反応してしまう。その結果、次回の発熱反応時に反応する反応材の量が減ってしまい、次回の発熱反応時における発熱性能が低下するという問題がある。 The movement of the reaction medium between the reservoir and the reactor as described above is performed by utilizing a differential pressure generated between the pressure in the reactor and the pressure in the reservoir. For this reason, after the valve is closed in the final stage of the regeneration reaction, the reaction medium remains between the reactor and the valve in the pipe. When the reactor temperature is lowered with the valve closed, at least a part of the reaction medium remaining in the pipe moves to the reactor and reacts again with the reaction material in the reactor. As a result, there is a problem in that the amount of the reaction material that reacts during the next exothermic reaction decreases, and the exothermic performance during the next exothermic reaction decreases.
そこで、本発明は、次回の発熱反応時における発熱性能の大幅な低下を抑制することができる化学蓄熱装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the chemical thermal storage apparatus which can suppress the significant fall of the exothermic performance at the time of the next exothermic reaction.
本発明に係る化学蓄熱装置は、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、反応媒体との化学反応により発熱すると共に加熱されると反応媒体を脱離する反応材を有する反応器と、貯蔵器と反応器とを接続する配管と、配管に配設され、反応媒体の流路を開閉するバルブと、を備え、配管における反応器との接続部からバルブまでの内部容積が、反応器に収容された反応材に吸着可能な反応媒体の量である反応媒体総移動量の8%に相当する反応媒体の量を貯蔵器の反応媒体充填圧力における体積に換算した値以下となるように、配管にバルブが設けられている。 The chemical heat storage device according to the present invention includes a reservoir for storing a reaction medium, a reactor having a reaction material that generates heat and desorbs the reaction medium when heated by a chemical reaction with the reaction medium, and a reaction between the reservoir and the reactor. A pipe connected to the reactor, and a valve disposed in the pipe to open and close the flow path of the reaction medium, and the internal volume from the connection portion of the pipe to the reactor to the valve was accommodated in the reactor A valve is connected to the piping so that the amount of the reaction medium corresponding to 8% of the total amount of movement of the reaction medium, which is the amount of the reaction medium that can be adsorbed to the reaction material, is equal to or less than the value converted into the volume at the reaction medium filling pressure of the reservoir. Is provided.
本発明に係る化学蓄熱装置では、再生反応の最終段階においてバルブが閉じられた状態における接続部からバルブまでの配管内に残る反応媒体の量は、反応材に吸着可能な反応媒体の総移動量の8%以下となる。このため、次回の発熱反応時に利用可能な反応材の減少が抑制され、その結果、次回の発熱反応時における化学蓄熱装置の発熱性能の大幅な低下を抑制することができる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, the amount of the reaction medium remaining in the pipe from the connection portion to the valve in the state where the valve is closed in the final stage of the regeneration reaction is the total movement amount of the reaction medium that can be adsorbed to the reaction material. Of 8% or less. For this reason, the reduction of the reaction material which can be used at the time of the next exothermic reaction is suppressed, and as a result, the significant decrease in the exothermic performance of the chemical heat storage device at the time of the next exothermic reaction can be suppressed.
本発明に係る化学蓄熱装置において、バルブは、反応器に隣接して設けられていてもよい。この場合、バルブから配管における反応器との接続部までの距離が非常に短くなるので、反応媒体の配管内での移動をスムーズにするため用いる配管の直径を大きくした場合であっても、バルブが閉じられた状態における接続部からバルブまでの配管内に残る反応媒体の量を、確実に反応材に吸着可能な総移動量の8%以下にすることができる。 In the chemical heat storage device according to the present invention, the valve may be provided adjacent to the reactor. In this case, the distance from the valve to the connection portion of the reactor with the reactor is very short, so even if the diameter of the piping used for smooth movement of the reaction medium in the piping is increased, the valve The amount of the reaction medium remaining in the pipe from the connection part to the valve in the closed state can be 8% or less of the total movement amount that can be reliably adsorbed to the reaction material.
本発明によれば、次回の発熱反応時における発熱性能の大幅な低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a significant decrease in exothermic performance during the next exothermic reaction.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気浄化システムを説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。 With reference to FIG. 1, the exhaust gas purification system provided with the chemical heat storage apparatus which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an exhaust purification system including a chemical heat storage device according to an embodiment of the present invention.
排気浄化システム1は、車両の内燃機関であるディーゼルエンジン2(以下、単にエンジン2という)の排気系に配設され、エンジン2から排出される排気中に含まれる有害物質(環境汚染物質)を浄化する。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である排気管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:SelectiveCatalytic Reduction)7、及び酸化触媒(ASC:Ammonia Slip Catalyst)8を備えている。
The exhaust purification system 1 is disposed in an exhaust system of a diesel engine 2 (hereinafter simply referred to as an engine 2) that is an internal combustion engine of a vehicle, and removes harmful substances (environmental pollutants) contained in exhaust discharged from the
熱交換器4は、エンジン2からの排気と後述する反応材14との間で熱の伝達を行う。熱交換器4は、例えばハニカム構造をなしている。DOC5は、排気中に含まれるHC及びCO等を酸化して浄化する。DPF6は、排気中に含まれる粒子状物質(PM:Particulate Matter)を捕集して取り除く。SCR7は、尿素またはアンモニア(NH3)によって、排気中に含まれるNOxを還元して浄化する。ASC8は、SCR7をすり抜けてSCR7の下流側に流れたNH3を酸化して浄化する。
The heat exchanger 4 transfers heat between the exhaust from the
排気管3における熱交換器4の上流側及び下流側には、排気温度センサ21が配置されている。排気温度センサ21は、排気管3内を流れるエンジン2からの排気の温度を検出する。排気温度センサ21は、例えば一定時間毎に、エンジン2からの排気の温度を検出し、検出した温度情報を後述するコントローラ20に出力する。
DOC5、SCR7、及びASC8の各触媒には、環境汚染物質の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の始動直後等は、エンジン2から排出された直後の排気の温度は100℃程度と比較的低温であり、各触媒の活性温度より低い場合がある。このような場合でも各触媒で浄化能力を発揮させるために、各触媒の温度を迅速に活性温度にする必要がある。
Each catalyst of DOC5, SCR7, and ASC8 has a temperature range that can exhibit the ability to purify environmental pollutants, that is, an activation temperature. However, immediately after the
そこで、本実施形態に係る排気浄化システム1は、排気管3の最も上流側に配置される熱交換器4を介して排気を加熱する化学蓄熱装置10を備えている。化学蓄熱装置10が熱交換器4を介して排気を加熱することによって、熱交換器4の下流側には上流側よりも温度が上昇した排気が流れることとなり、触媒を早期に活性化することができる。
Therefore, the exhaust gas purification system 1 according to the present embodiment includes a chemical
化学蓄熱装置10は、反応媒体としてNH3を用いて、可逆的な化学反応を利用することにより、外部エネルギーレスで加熱対象である排気を、熱交換器4を介して加熱する。つまり、化学蓄熱装置10は、通常は、後述する反応材14とNH3とを分離した状態にすることで熱を蓄えておき、熱交換器4の加熱が必要なときに、NH3を反応材14に供給することで反応材14から熱を発生させて熱交換器4を介して排気を加熱する。
The chemical
化学蓄熱装置10は、ストレージ11(貯蔵器)と、ヒータ12(反応器)と、配管15と、バルブ16と、温度センサ22と、圧力センサ23と、コントローラ20と、を備えている。
The chemical
ストレージ11は、NH3の物理吸着による保持及びNH3の脱離が可能な吸着材13を含む。吸着材13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、又はゼオライト等が用いられる。ストレージ11は、NH3を吸着材13に物理吸着させることで、NH3を貯蔵する。
ヒータ12は、熱交換器4の周囲に熱交換器4を加熱可能に配置されている。ヒータ12は、例えば熱交換器4を囲む断面円環形状を有している。この断面円環形状の断面は、ヒータ12を排気管3における排気の流れ方向に対して垂直に切った面である。
The
ヒータ12は、NH3と化学反応して熱を発生すると共に、高温となった排気の熱により加熱されることで蓄熱してNH3を脱離する反応材14を有している。よって、ヒータ12においては、ストレージ11からNH3が供給されると、当該NH3と反応材14とが化学反応して、発熱する。また、ヒータ12においては、脱離開始温度以上の熱が加えられると反応材14からNH3が脱離して、NH3を放出し始める。発熱温度及び脱離開始温度は、反応媒体(本実施形態ではNH3)と反応材14の組み合わせによって異なるため、加熱対象の目標加熱温度に応じて、反応材14が適宜選択される。また、反応材14は反応媒体(本実施形態ではNH3)と化学反応する際の容器内圧力に応じて発熱温度が変わるという特性を有している。従って、ヒータ12で所望の発熱特性を得るために、ストレージ11内に充填されるNH3の充填圧力(反応媒体充填圧力)は、反応材14の発熱温度に基づいて設定される。なお、所定量のNH3をストレージ11の反応媒体充填圧力における体積に換算した値を以下「NH3体積」ともいう。
The
反応材14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。ここで、Mは、Mg、Ca、又はSr等のアルカリ土類金属、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、又はZn等の遷移金属である。Xは、Cl、Br、又は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。反応材14は、例えば、20〜100MPaの圧力でプレス成型されていてもよい。このプレス成型により反応材14は板状、ペレット状、又はタブレット状等の成型体に成型される。
As the
ヒータ12内に配置される反応材14には、反応材14よりも熱伝導率が高く、反応材14で発生した熱を熱交換器4に効率的に伝える熱伝導パスとなる熱伝導材料を混合してもよい。例えば、反応材14を板状、ペレット状、又はタブレット状の成型体に成型する際に粉末状の反応材14と熱伝導材料とを粉体混合器等で均一に混合し、その混合物を型に入れてプレス成型加工を施して押し固めてもよい。熱伝導材料としては、例えばカーボンファイバ、カーボンビーズ、SiCビーズ、金属ビーズ、高分子ビーズ、又は高分子ファイバ等が用いられる。金属ビーズとしては、例えばCu、Ag、Ni、Ci−Cr、Al、Fe、又はステンレス鋼等の金属ビーズが用いられる。また、熱伝導材料として、グラファイトシート、又はアルミ等の金属シート等を加工した材料を用いてもよい。
The
配管15は、ストレージ11とヒータ12とを接続し、ストレージ11とヒータ12との間でNH3を流通させる。すなわち、配管15は、ストレージ11とヒータ12との間をNH3が移動する供給流路を構成している。同じ肉厚を有する配管同士で比較した場合、配管15の外径が大きいほど、すなわち配管15の内径が大きいほど、ストレージ11とヒータ12との間において配管15を通して短時間で多くのNH3を移動させることができる。例えば、配管15として、内径が7mm以上となる、後述の3/8インチ管や1/2インチ管を使用してもよい。
The
バルブ16は、配管15に配設されている。すなわち、バルブ16は、ストレージ11とヒータ12との間に位置している。バルブ16は、ストレージ11とヒータ12との間でNH3の流路を開閉させる。例えば、バルブ16は、電磁開閉弁である。バルブ16の開閉の制御は、コントローラ20によって行われる。
The
温度センサ22は、ストレージ11に設けられている。温度センサ22は、例えば一定時間毎に、ストレージ11内の温度を検出し、検出した温度情報をコントローラ20に出力する。
The
圧力センサ23は、ストレージ11に設けられている。圧力センサ23は、例えば一定時間毎に、ストレージ11内の圧力を検出し、検出した圧力情報をコントローラ20に出力する。
The
コントローラ20は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等からなる。コントローラ20は、排気温度センサ21、温度センサ22、圧力センサ23等の各種センサと接続されており、これら複数のセンサより、適宜、制御に必要な情報を取得する。また、コントローラ20は、バルブ16と接続されており、取得した情報に基づいて所定の処理を行い、必要に応じてバルブ16の開制御及び閉制御を行う。なお、コントローラ20は、化学蓄熱装置10専用でもよいし、エンジンECU(Electronic Control Unit)等のECUの一機能として組み込まれていてもよい。
The
コントローラ20は、バルブ開閉部24と、回収量取得部25と、判定部26と、を有している。
The
バルブ開閉部24は、バルブ16の開閉の制御を行う。バルブ開閉部24は、エンジン2の稼働中、排気温度センサ21で検出された熱交換器4の上流側での排気の温度が暖機開始温度より低いか否かを判定する。そして、バルブ開閉部24は、例えば、エンジン2の起動直後などの排気の温度が低温である場合等に、排気の温度が暖機開始温度よりも低いと判定すると、バルブ16の開制御を行う。すなわち、バルブ開閉部24は、バルブ16に電流を供給してバルブ16を閉状態から開状態に切り替える。ここで、暖機開始温度は、例えば、排気浄化システム1のDOC5等の触媒活性温度、又は、触媒活性温度よりも所定値だけ低い閾値温度として設定される。この暖機開始温度は、DOC5等の触媒の活性温度等に基づき設定される。
The valve opening /
上記のように排気の温度が暖機開始温度より低いときにバルブ16が開かれることで、ストレージ11内に収容されたNH3が配管15を通してヒータ12に供給され、ヒータ12の反応材14(例えばMgBr2)とNH3とが化学反応して化学吸着(配位結合)し、反応材14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。ヒータ12で発生した熱によって熱交換器4が加熱され、熱交換器4を介して排気が加熱される。
MgBr2+xNH3 ⇔ Mg(NH3)xBr2+熱 …(A)
As described above, when the temperature of the exhaust gas is lower than the warm-up start temperature, the
MgBr 2 + xNH 3 MgMg (NH 3 ) xBr 2 + heat (A)
バルブ16が開かれてから所定時間経過後、又はエンジン2からの排気の温度が予め設定された暖機終了温度以上となると、バルブ開閉部24によってバルブ16が閉制御され、エンジン2の稼働中における暖機が終了する。そして暖機終了後、エンジン2が定常運転状態となり、エンジン2から排出される排気の温度が十分に高くなってくると、今度は、排気の熱が熱交換器4を介してヒータ12の反応材14に与えられることになる。つまり、反応材14は熱交換器4を介して排気により加熱される。
After a predetermined time has elapsed since the
そして、排気の温度が所定の回収温度以上となると、ヒータ12の内部ではNH3を化学吸着した状態の反応材14からNH3が脱離する再生反応(上記の反応式(A)における右辺から左辺への反応)が生じる。ここで、所定の回収温度とは、反応材14からNH3を脱離させるのに十分な熱を反応材14に与えることができる排気の温度である。例えば排気の温度が所定の回収温度となると、バルブ開閉部24によってバルブ16が開制御され、反応材14から脱離したNH3が配管15を通ってヒータ12からストレージ11へ移動可能となる。ストレージ11内にNH3が戻ると、NH3がストレージ11内の吸着材13に物理吸着されて回収される。
When the temperature of the exhaust gas becomes equal to or higher than a predetermined recovery temperature, a regeneration reaction in which NH 3 is desorbed from the
当該配管15を通してのNH3回収時において、バルブ開閉部24によるバルブ16の開閉の制御は、例えば回収量取得部25により取得されたNH3の回収量に関する値に基づいて行われる。ここで、NH3の回収量に関する値とは、ヒータ12からストレージ11へ回収されるNH3の回収量に関する値であって、NH3の回収量そのもの(以下、「NH3回収量」ともいう)でもよいし、NH3の回収率(以下、「NH3回収率」ともいう)等のNH3回収量に基づき算出される値でもよい。本実施形態において、NH3の回収量に関する値として、NH3回収率を用いている。
At the time of NH 3 recovery through the
具体的に、バルブ開閉部24は、判定部26によってNH3回収率が所定の回収目標値を超えたと判定された場合に、バルブ16を閉制御する。これにより、配管15におけるNH3の流れが遮断される。ここで、回収目標値とは、使用者等によって適宜設定される値であって、例えば、次回の発熱反応において加熱対象を目標温度に加熱することができるNH3の量である。回収目標値は、ストレージ11に回収されずにヒータ12又は配管15に残っているNH3を考慮して、例えば約80%に設定される。
Specifically, the valve opening /
回収量取得部25は、例えば図2に示すマップデータを用いてNH3回収率を取得する。図2は、NH3回収率の取得に用いられるマップデータを示すグラフである。図2の(a)は、ストレージ11内の温度とNH3の飽和蒸気圧との関係を示すグラフであり、横軸はストレージ11内の温度[℃]を示し、縦軸はNH3の飽和蒸気圧[kPa]を示す。図2の(b)は、ストレージ11内の吸着材13の相対圧力に対するNH3吸着量との関係を示すグラフであり、横軸は相対圧力を示し、縦軸はNH3吸着量[g]を示す。ここで、相対圧力とは、NH3の飽和蒸気圧とストレージ11内の圧力との比(P/Psat)である。なお、吸着材13の相対圧力に対するNH3吸着量の関係は、予め実験により求められている。
The collection
回収量取得部25には、図2の(a)及び(b)のグラフで示されるマップデータが予め設定されている。回収量取得部25は、当該関係を用いてNH3吸着量を取得し、取得したNH3吸着量に基づきNH3回収率を取得する。具体的には、回収量取得部25は、温度センサ22から出力された温度情報が示すストレージ11内の温度Tに基づき、図2の(a)のグラフで示される関係を有するマップデータを用いてNH3の飽和蒸気圧Psatを取得する。
In the collection
続いて、回収量取得部25は、取得したNH3の飽和蒸気圧Psatと、圧力センサ23から出力された圧力情報が示すストレージ11内の圧力Pとに基づき、飽和蒸気圧Psatと圧力Pとの比である相対圧力を算出する。続いて、回収量取得部25は、算出した相対圧力に基づき、図2の(b)のグラフで示される関係を有するマップデータを用いてNH3吸着量Yを取得する。このように、ストレージ11内の温度T及び圧力Pから、ストレージ11に貯蔵されているNH3吸着量Yが推定される。
Subsequently, the collection
回収量取得部25は、このNH3吸着量Yから、暖機時においてストレージ11及びヒータ12の圧力を所定圧に保つためにストレージ11に残存している残存量を減算して、ヒータ12からストレージ11に回収されているNH3回収量を取得する。さらに、回収量取得部25は、そのNH3回収量を、所望の熱量を得るために発熱反応に必要なNH3の量、つまり、ヒータ12での発熱に使用される移動用NH3の量で除算することにより、NH3回収率を取得する。
The recovery
判定部26は、回収量取得部25によって取得されたNH3回収率に基づき、種々の判定を行い、その判定結果をバルブ開閉部24へ出力する。具体的に、判定部26は、NH3回収率が回収目標値を超えているか否かを判定する。
The
再生反応の最終段階において、NH3回収率が例えば約80%を超えたと判定された場合に、バルブ16が閉制御される。よって、移動用NH3のうちの一部はストレージ11に回収されず、バルブ16が閉じられた後、配管15内におけるバルブ16とヒータ12との間に残る。このため、バルブ16が閉じられた状態において、当該残っているNH3がヒータ12へ移動して反応材14に吸着する、いわゆるNH3の吸い戻しが生じる可能性がある。
In the final stage of the regeneration reaction, the
本実施形態では、配管15におけるヒータ12との接続部15aからバルブ16までの内部容積(以下、「配管内ヒータ側容積」ともいう)が、ヒータ12に収容された反応材14に吸着可能なNH3の量である反応媒体総移動量(以下、「NH3総移動量」ともいう)の8%に相当するNH3の量をストレージ11の反応媒体充填圧力における体積に換算した値以下となるように、配管15にバルブ16が設けられている。NH3総移動量とは、ヒータ12で所望の発熱反応を生じさせる場合に、ヒータ12内に配置された反応材14に化学吸着(配位結合)することが可能なNH3の量である。NH3総移動量は、ヒータ12内に配置された反応材14の量によって定まる。例えば、2和物のMgBr2を6和物のMgBr2にする発熱反応を生じさせる場合であって、反応材14として1molのMgBr2をヒータ12内に配置したとすると、2和物のMgBr2に対して化学吸着することが可能なNH3の量は4molなので、NH3の総移動量は4molとなる。
In the present embodiment, the internal volume (hereinafter also referred to as “in-pipe heater side volume”) from the
配管内ヒータ側容積とは、接続部15aとバルブ16との間における配管15の内部容積である。配管15の内部容積とは、配管15の内径と軸方向長さによって決まる内側の容積である。つまり、本実施形態では、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%に相当するNH3の量をストレージ11の反応媒体充填圧力における体積に換算した値(以下、「NH3総移動量の8%のNH3体積」ともいう)以下であるため、再生反応の最終段階においてバルブ16が閉じられた状態における接続部15aからバルブ16までの配管15内に残るNH3の量(以下、「NH3吸い戻し量」ともいう)が、NH3総移動量の8%以下となっている。
The in-pipe heater-side volume is the internal volume of the
次に、図3を参照して、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下である場合のバルブ16の配置構成の具体例を説明する。図3は、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下となるように配管15に設けられたバルブ16の配置構成の具体例を示す図である。図3の(a)は、1/2インチの外径、0.89mmの肉厚、及び10.9mmの内径を有する配管15(以下、「1/2インチ管」ともいう)を用いた場合のバルブ16の配置構成の一例を示している。図3の(b)は、3/8インチの外径、0.89mmの肉厚、及び7.72mmの内径を有する配管15(以下、「3/8インチ管」ともいう。)を用いた場合のバルブ16の配置構成の一例を示している。
Next, with reference to FIG. 3, a specific example of the arrangement of the
図3の(a)に示すように、例えば、所望の発熱特性を得るためのNH3総移動量を0.028mol、温度を25℃、ストレージ11への反応媒体充填圧力を850kPaとして、気体の状態方程式PV=nRTを用いると、NH3総移動量の8%のNH3体積は約6.53ccとなる。このとき、1/2インチ管を用いた場合、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下であるバルブ16の位置は、ヒータ12からの距離が約69.7mm以下となる位置である。すなわち、この場合、バルブ16は、1/2インチ管における接続部15aからバルブ16までの軸方向長さL1(すなわち、バルブ16とヒータ12との間の距離)が約69.7mm以下となる位置に配置されている。軸方向長さL1は、例えば1/2インチ管におけるバルブ16とストレージ11との間の軸方向長さL2よりも小さい。すなわち、1/2インチ管内におけるバルブ16とヒータ12との間の距離が、1/2インチ管内におけるバルブ16とストレージ11との間の距離より短い。よって、1/2インチ管内におけるバルブ16とヒータ12との間には、1/2インチ管内におけるバルブ16とストレージ11との間よりも、NH3が存在し難くなっている。
As shown in FIG. 3A, for example, the total amount of NH 3 transferred to obtain a desired exothermic characteristic is 0.028 mol, the temperature is 25 ° C., the reaction medium filling pressure to the
1/2インチ管全体の軸方向長さは、少なくとも、軸方向長さL1の2倍よりも大きい。この場合、1/2インチ管全体の軸方向長さを、例えばストレージ11とヒータ12とが十分に離れて位置することが可能な長さ(例えば、約500mm程度)にすることができ、化学蓄熱装置10の搭載性を向上させることができる。なお、軸方向長さL2は、上記に限られず、例えば軸方向長さL1以下であってもよい。すなわち、1/2インチ管全体の軸方向長さが、軸方向長さL1の2倍以下であってもよい。
The overall axial length of the 1/2 inch tube is at least greater than twice the axial length L1. In this case, the axial length of the entire 1/2 inch tube can be set to a length (for example, about 500 mm) that allows the
図3の(b)に示すように、例えば、所望の発熱特性を得るためのNH3総移動量を0.028mol、温度を25℃、ストレージ11への反応媒体充填圧力を850kPaとして、気体の状態方程式PV=nRTを用いると、NH3総移動量の8%のNH3体積は約6.53ccとなる。このとき、3/8インチ管を用いた場合、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下であるバルブ16の位置は、ヒータ12からの距離が約139.5mm以下となる位置である。すなわち、この場合、バルブ16は、3/8インチ管における接続部15aからバルブ16までの軸方向長さL3(すなわち、バルブ16とヒータ12との間の距離)が約139.5mm以下となる位置に配置されている。軸方向長さL3は、例えば3/8インチ管におけるバルブ16とストレージ11との間の軸方向長さL4よりも小さい。すなわち、3/8インチ管内におけるバルブ16とヒータ12との間の距離が、3/8インチ管内におけるバルブ16とストレージ11との間の距離より短い。よって、3/8インチ管内におけるバルブ16とヒータ12との間には、3/8インチ管内におけるバルブ16とストレージ11との間よりも、NH3が存在し難くなっている。
As shown in FIG. 3B, for example, the total amount of NH 3 transferred to obtain desired exothermic characteristics is 0.028 mol, the temperature is 25 ° C., the reaction medium filling pressure to the
3/8インチ管全体の軸方向長さは、少なくとも、軸方向長さL3の2倍よりも大きい。この場合、3/8インチ管全体の軸方向長さを、例えばストレージ11とヒータ12とが十分に離れて位置可能な長さ(例えば、約500mm程度)にすることができ、化学蓄熱装置10の搭載性を向上させることができる。なお、軸方向長さL4は、上記に限られず、例えば軸方向長さL3以下であってもよい。すなわち、3/8インチ管全体の軸方向長さが、軸方向長さL3の2倍以下であってもよい。
The overall axial length of the 3/8 inch tube is at least greater than twice the axial length L3. In this case, the axial length of the entire 3/8 inch tube can be set to a length (for example, about 500 mm) at which the
また、例えば、1/2インチ管や3/8インチ管を含む種々の大きさの配管15を用いた場合において、バルブ16は、ヒータ12に隣接して設けられていてもよい。より具体的には、バルブ16は、配管15におけるヒータ12との接続部15aに設けられていてもよい。バルブ16がヒータ12に隣接していることにより、配管15内におけるバルブ16とヒータ12との間が非常に短くなるため、配管15内におけるバルブ16とヒータ12との間には、NH3が確実に存在し難くなる。
Further, for example, in the case of using
次に、図4及び表1を参照して、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下である場合、すなわちNH3吸い戻し量がNH3総移動量の8%以下である場合の作用効果の一例について説明する。この例では、NH3を貯蔵するストレージと、NH3との化学反応により発熱すると共に加熱されるとNH3を脱離する反応材を有するヒータと、ストレージとヒータとを接続する配管と、配管に配設され、NH3の流路を開閉するバルブと、を備えた化学蓄熱装置を用いて、次のようにして、発熱性能に関する実験を行った。
Next, with reference to FIGS. 4 and Table 1, when pipe heater-side volume is not more than 8% NH 3 of the volume of NH 3 total movement amount, i.e. NH 3 suck back amount of NH 3
まず、約1.3gのMgBr2と約0.8gのカーボンファイバとを混合し、プレス成型加工を施してペレット状に成型した反応材をヒータ内に挿入して、真空引き後に90℃〜150℃程度に加熱した。続いてストレージからヒータへ850kPaでNH3を供給して発熱反応を生じさせ、10分待機した。続いて、ヒータを400℃に加熱し、1時間待機して、再生反応を生じさせた。その後、バルブを閉じて、ヒータの温度が150℃になるまで放置した後、再度バルブを開いて、ストレージからヒータにNH3を供給し、発熱反応を生じさせた。そして、当該発熱反応時における反応材の発熱温度を計測し、発熱性能を評価した。以下、再生反応後の2回目の発熱反応を「次回の発熱反応」ともいう。 First, about 1.3 g of MgBr 2 and about 0.8 g of carbon fiber are mixed, a reaction material formed into a pellet by press molding is inserted into the heater, and after evacuation, 90 ° C. to 150 ° C. Heated to about ° C. Subsequently, NH 3 was supplied from the storage to the heater at 850 kPa to cause an exothermic reaction and waited for 10 minutes. Subsequently, the heater was heated to 400 ° C. and waited for 1 hour to cause a regeneration reaction. Thereafter, the valve was closed and allowed to stand until the temperature of the heater reached 150 ° C., then the valve was opened again and NH 3 was supplied from the storage to the heater to cause an exothermic reaction. And the exothermic temperature of the reaction material at the time of the said exothermic reaction was measured, and the exothermic performance was evaluated. Hereinafter, the second exothermic reaction after the regeneration reaction is also referred to as “next exothermic reaction”.
発熱性能を評価するための基準として、図4に、1回目の発熱反応時の反応材の温度変化のグラフを示す。図4の横軸は、経過時間[s]を示し、図4の縦軸は、反応材の温度を示す。図4に示すように、発熱反応時における反応材の温度のピーク値(以下、「発熱温度」ともいう)は、約245℃であった。化学蓄熱装置が適用される排気浄化システム等においては、瞬間的な熱出力が重要であるため、この発熱温度を用いて発熱性能を評価することができる。 As a reference for evaluating the exothermic performance, FIG. 4 shows a graph of the temperature change of the reaction material during the first exothermic reaction. The horizontal axis of FIG. 4 shows elapsed time [s], and the vertical axis of FIG. 4 shows the temperature of the reaction material. As shown in FIG. 4, the peak value of the temperature of the reaction material during the exothermic reaction (hereinafter also referred to as “exothermic temperature”) was about 245 ° C. In an exhaust purification system or the like to which a chemical heat storage device is applied, since instantaneous heat output is important, the heat generation performance can be evaluated using this heat generation temperature.
比較例として、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の10%のNH3体積となるような位置、すなわちNH3吸い戻し量がNH3総移動量の10%となるような位置にバルブを配置させて、上述の実験を行った。また、実施例として、配管内ヒータ側容積がNH3総移動量の8%のNH3体積以下となるような位置、すなわちNH3吸い戻し量がNH3総移動量の8%以下となる位置にバルブを配置させて、上述の実験を行った。実施例1では、NH3吸い戻し量がNH3総移動量の8%となる位置にバルブを配置させ、実施例2では、NH3吸い戻し量がNH3総移動量の2%となる位置にバルブ16を配置させた。比較例及び実施例の結果を以下の表1に示す。表1は、NH3吸い戻し量に応じた発熱温度を示す表である。なお、表1には、比較例及び実施例の結果に加え、発熱性能を評価するための基準値として、1回目の発熱反応時の反応材の発熱温度を示している。
As a comparative example, the valve in a position such as 10% NH 3 by volume to become such a position of the pipe in the heater-side volume NH 3 total movement amount, i.e. NH 3 suck back amount is 10% of the NH 3 total moving amount And the above experiment was performed. Further, as an example, 8% NH 3 by volume or less to become such a position of the pipe in the heater-side volume NH 3 total movement amount, i.e. NH 3 suck back amount is equal to or less than 8% of the NH 3 total movement amount position The above-described experiment was conducted with a valve disposed on the surface. In the first embodiment, the valve is arranged at a position where the NH 3 sucking back amount is 8% of the total NH 3 moving amount, and in the second embodiment, the NH 3 sucking back amount is 2% of the total NH 3 moving amount. The
表1に示すように、比較例では、NH3吸い戻し量がNH3総移動量の10%であり、ヒータへ移動してヒータ内の反応材と再度反応してしまうNH3の量が比較的多くなっている。この場合、次回の発熱反応時における反応材の発熱温度が約181℃であり、基準値である約245℃に対して発熱性能が比較的大きく低下した。これは、次回の発熱反応時に利用可能な反応材が減少してしまい、その結果、次回の発熱反応時に、所望の発熱反応(例えば、2和物のMgBr2を6和物のMgBr2にする発熱反応)を行うことができなかったことを示している。 As shown in Table 1, in the comparative example, a 10% NH 3 suck return amount is NH 3 total moving amount, compared the amount of NH 3 which moves to the heater would again react with the reactive material in the heater It is becoming more and more popular. In this case, the exothermic temperature of the reaction material during the next exothermic reaction was about 181 ° C., and the exothermic performance was relatively greatly reduced from the reference value of about 245 ° C. This reduces the amount of reaction material that can be used in the next exothermic reaction, and as a result, the desired exothermic reaction (for example, the hydrate MgBr 2 is changed to the hexahydrate MgBr 2 in the next exothermic reaction). This indicates that the exothermic reaction could not be performed.
これに対し、実施例1、2では、NH3吸い戻し量がNH3総移動量の8%以下であり、ヒータへ移動してヒータ内の反応材と再度反応してしまうNH3の量が少なくなっている。実施例1では、次回の発熱反応時における反応材の発熱温度が約242℃であり、実施例2では、次回の発熱反応時における反応材の発熱温度が約220℃であり、いずれの場合も、基準値である約245℃に対する発熱性能の低下が、比較例に比べて抑制された。これは、次回の発熱反応時に利用可能な反応材の減少が抑制される結果、次回の発熱反応時に、所望の発熱反応(例えば、2和物のMgBr2を6和物のMgBr2にする発熱反応)を行うことができたことを示している。 In contrast, in Examples 1 and 2, and the NH 3 suck back amount is more than 8% of the NH 3 total movement amount, the amount of NH 3 which moves to the heater would again react with the reactive material in the heater It is running low. In Example 1, the exothermic temperature of the reaction material at the next exothermic reaction is about 242 ° C., and in Example 2, the exothermic temperature of the reaction material at the next exothermic reaction is about 220 ° C. The decrease in heat generation performance with respect to the reference value of about 245 ° C. was suppressed as compared with the comparative example. This is because, as a result of the reduction in the amount of the reaction material that can be used in the next exothermic reaction, the desired exothermic reaction (for example, the exotherm that converts the hydrate MgBr 2 into the hexahydrate MgBr 2) Reaction).
以上、本実施形態に係る化学蓄熱装置10によれば、NH3吸い戻し量が、NH3総移動量の8%以下となる。このため、次回の発熱反応時に利用可能な反応材14の減少が抑制され、その結果、次回の発熱反応時における化学蓄熱装置10の発熱性能の大幅な低下を抑制することができる。
As described above, according to the chemical
また、上記実施形態によれば、バルブ16がヒータ12に隣接して設けられることにより、バルブ16から配管15におけるヒータ12との接続部15aまでの距離が非常に短くなるので、NH3の配管15内での移動をスムーズにするため用いる配管15の直径を大きくした場合であっても、NH3吸い戻し量を、確実にNH3総移動量の8%以下にすることができる。
According to the above embodiment, by the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, You may change in the range which does not change the summary described in each claim, or may apply to others.
例えば、上記実施形態において、バルブ16の開閉の制御は、コントローラ20によって行われるとしたが、これに限られず、例えば手動等によって行ってもよい。
For example, in the above embodiment, the opening / closing control of the
上記実施形態では、一つのストレージ11に対して一つのヒータ12が接続されているとしたが、これに限られない。例えば、一つのストレージに対して、複数のヒータが接続されていてもよい。また、一つのストレージと複数のヒータとを接続する配管が、一つのストレージに接続されている一つの主配管と、主配管から分岐していると共に複数のヒータに接続されている複数の分岐配管とを有していてもよい。さらに、分岐配管のそれぞれにバルブが配設されていてもよい。この場合、各分岐配管におけるヒータとの接続部から各バルブまでの内部容積が、NH3総移動量の8%のNH3体積以下となる位置に、バルブが設けられていてもよい。
In the above embodiment, one
また、上記実施形態において、ヒータ12は、熱交換器4の周囲に配置され、断面円環形状を有しているとしたが、これに限られない。例えば、ヒータは、排気管の外部以外の箇所に配置してもよく、例えば排気を加熱するために排気管の内部に配置してもよい。排気管の内部にヒータを配置する場合には、例えば複数のヒータと熱交換部とを交互に積層した構成として、ヒータに熱交換部を一体化し、ヒータによって熱交換部を介して排気を加熱してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
熱交換器4の表面の一部又は全部には、触媒コート層が形成されていてもよい。また、上記実施形態では、加熱対象を熱交換器4としたが、加熱対象としては、例えばDOC5等の他の触媒、又は排気管3を流れる排気でもよい。
A catalyst coat layer may be formed on part or all of the surface of the heat exchanger 4. In the above embodiment, the heating object is the heat exchanger 4, but the heating object may be another catalyst such as
また、上記実施形態で反応媒体をNH3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NH3の場合の反応材、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、反応材、吸着材は適宜他の材料が用いられる。 In the above embodiment, the reaction medium is NH 3 , but other reaction medium such as alcohol or water may be used. In the above embodiment, the reaction member when the reaction medium is NH 3, has been illustrated respectively the materials of the adsorbent, depending on the reaction medium used in the chemical heat storage device, the reaction member, other appropriate the adsorbent Material is used.
上記実施形態では、化学蓄熱装置10は、車両の内燃機関であるディーゼルエンジン2に適用されるとしたが、これに限られない。例えば、化学蓄熱装置は、ガソリンエンジン等に適用されてもよい。
In the said embodiment, although the chemical
また、例えば、化学蓄熱装置10は、エンジン2の排気系以外に設けられた加熱対象を加熱する装置であってもよい。そのような加熱対象としては、エンジンオイル、冷却水、又は空気等の種々の熱媒体等であってもよい。このとき、熱媒体が流れる経路上に熱交換器を配置して、その熱交換器を化学蓄熱装置で加熱するとしてもよい。例えば、化学蓄熱装置10を図5に示すようなオイル循環システム1Aに適用してもよい。
In addition, for example, the chemical
図5において、オイル循環システム1Aは、車両のエンジン2内の各部を潤滑するためのエンジンオイルを循環させる。オイル循環システム1Aは、オイルパン41と、オイルポンプ42と、オイルフィルタ43と、熱交換器44とを備えている。オイルパン41は、エンジンオイルを溜めておく。エンジン2内の各部を循環したエンジンオイルは、オイルパン41に戻る。
In FIG. 5, the
オイルポンプ42は、オイルパン41に溜まっているエンジンオイルを吸い上げてエンジン2内に圧送する。オイルフィルタ43は、エンジンオイルの汚れを濾過する。熱交換器44は、オイルパン41とオイルポンプ42との間に配置されている。熱交換器44は、オイルポンプ42により吸い上げられたエンジンオイルと化学蓄熱装置10のヒータ12との間で熱交換を行う。
The
さらに、化学蓄熱装置10は、エンジン以外に適用してもよい。
Furthermore, you may apply the chemical
10…化学蓄熱装置、11…ストレージ(貯蔵器)、12…ヒータ(反応器)、14…反応材、15…配管、15a…接続部、16…バルブ、L1,L3…軸方向長さ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
反応媒体との化学反応により発熱すると共に加熱されると反応媒体を脱離する反応材を有する反応器と、
前記貯蔵器と前記反応器とを接続する配管と、
前記配管に配設され、反応媒体の流路を開閉するバルブと、
を備え、
前記配管における前記反応器との接続部から前記バルブまでの内部容積が、前記反応器に収容された前記反応材に吸着可能な反応媒体の量である反応媒体総移動量の8%に相当する反応媒体の量を前記貯蔵器の反応媒体充填圧力における体積に換算した値以下となるように、前記配管に前記バルブが設けられている、化学蓄熱装置。 A reservoir for storing the reaction medium;
A reactor having a reaction material that generates heat and desorbs the reaction medium when heated by a chemical reaction with the reaction medium;
Piping connecting the reservoir and the reactor;
A valve disposed in the pipe for opening and closing a flow path of the reaction medium;
With
The internal volume from the connection with the reactor to the valve in the piping corresponds to 8% of the total amount of reaction medium transferred, which is the amount of reaction medium that can be adsorbed to the reaction material accommodated in the reactor. The chemical heat storage device, wherein the valve is provided in the pipe so that the amount of the reaction medium is equal to or less than a value converted into a volume at a reaction medium filling pressure of the reservoir.
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