JP2018185124A - 熱交換器及び化学蓄熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１は、一端から排気ガスが導入されると共に他端から排気ガスが導出される円筒状の筐体８と、筐体８の内部に渦巻状に配置され、エンジンオイルが流通する第１流通部１２と排気ガスが流通する第２流通部１３とを区画形成する区画壁１０，１１と、筐体８の他端側に取り付けられ、第１流通部１２の最外周領域にエンジンオイルを導入するオイル導入管４と、筐体８の一端側に取り付けられ、第１流通部１２の最外周領域からエンジンオイルを導出するオイル導出管５と、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させる連通部２２と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】熱交換器１は、一端から排気ガスが導入されると共に他端から排気ガスが導出される円筒状の筐体８と、筐体８の内部に渦巻状に配置され、エンジンオイルが流通する第１流通部１２と排気ガスが流通する第２流通部１３とを区画形成する区画壁１０，１１と、筐体８の他端側に取り付けられ、第１流通部１２の最外周領域にエンジンオイルを導入するオイル導入管４と、筐体８の一端側に取り付けられ、第１流通部１２の最外周領域からエンジンオイルを導出するオイル導出管５と、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させる連通部２２と、を備える。
【選択図】図２
Description
本発明は、熱交換器及び化学蓄熱装置に関する。
従来の熱交換器としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の熱交換器は、熱交換部と、この熱交換部の軸方向両端面に取り付けられたプレートと、熱交換部の外周面に取り付けられた冷却水供給部及び冷却水排水部とを有している。熱交換部は、円筒状の外壁を有している。外壁の内部には、冷却水水路を形成する２枚の内壁が螺旋状に配置されている。また、外壁及び各内壁の間には、圧縮空気路が形成されている。圧縮空気路には、フィンが放射状に配置されている。
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、冷却水水路が螺旋状に形成されているため、冷却水供給部から供給された冷却水が熱交換部内を螺旋状に流れることになる。従って、冷却水が熱交換部内を流れる際の圧力損失が大きくなるため、熱交換部の径方向中心部に冷却水が供給されにくい。その結果、熱交換器の熱交換効率の低下につながる。
本発明の目的は、熱交換効率を向上させることができる熱交換器及び化学蓄熱装置を提供することである。
本発明の一態様は、第１媒体と第２媒体とを熱交換する熱交換器において、一端から第２媒体が導入されると共に他端から第２媒体が導出される円筒状の筐体と、筐体の内部に渦巻状または同心円状に配置され、第１媒体が流通する第１流通部と第２媒体が流通する第２流通部とを区画形成する複数の区画壁と、筐体の一端及び他端の一方側に取り付けられ、第１流通部の最外周領域に第１媒体を導入する第１媒体導入部と、筐体の一端及び他端の他方側に取り付けられ、第１流通部の最外周領域から第１媒体を導出する第１媒体導出部と、第１流通部の外周側領域及び内周側領域を筐体の径方向に連通させる連通部と、を備えることを特徴とする。
このような熱交換器においては、筐体の一端から第２流通部に導入された第２媒体は、第２流通部を流通して筐体の他端から導出される。一方、第１媒体導入部から第１流通部の最外周領域に導入された第１媒体は、第１流通部を流通して第１流通部の最外周領域から第１媒体導出部に導出される。このとき、第１媒体は、連通部を通って第１流通部の外周側領域から内周側領域へと筐体の径方向に流れる。従って、第１媒体が筐体の径方向中心部に向かってスムーズに供給されるようになる。これにより、第１媒体と第２媒体との熱交換効率が向上する。
連通部は、筐体の径方向に隣り合う区画壁の一部同士が接合された接合部分を有し、接合部分には、筐体の径方向に貫通した貫通孔が設けられていてもよい。この場合には、特別な部品を使用しなくても、簡単な構成で、第１流通部の外周側領域及び内周側領域を筐体の径方向に連通させることができる。
第１流通部の外周側に位置する貫通孔の総断面積は、第１流通部の内周側に位置する貫通孔の総断面積よりも大きくてもよい。この場合には、第１流通部の外周側領域と第１流通部の内周側領域とにおける単位体積当たりの第１媒体の流量差が少なくなる。これにより、第１媒体と第２媒体との熱交換効率が更に向上する。
連通部は、第１流通部の外周側領域及び内周側領域を筐体の径方向に接続する管路であってもよい。この場合には、連通部を第１媒体導入部及び第１媒体導出部と一体で作ることができる。
区画壁には、筐体の径方向に突出した複数の突部が設けられていてもよい。この場合には、第１媒体が第１流通部を流れる際に、突部により第１媒体が散乱するため、第１流通部における第１媒体の流量が均等化される。また、第２媒体が第２流通部を流れる際に、突部により第２媒体が散乱するため、第２流通部における第２媒体の流量が均等化される。以上により、第１媒体と第２媒体との熱交換効率が更に向上する。
第１流通部には、第１媒体の流れを阻害する壁部が配置されていてもよい。この場合には、第１媒体が第１流通部を流れる際に、壁部により第１媒体が散乱するため、第１流通部における第１媒体の流量が均等化される。これにより、第１媒体と第２媒体との熱交換効率が更に向上する。
第１流通部と第２流通部との間には、蓄熱材が充填された蓄熱材充填部が配置されていてもよい。この場合には、熱交換器を、反応媒体との化学反応により発熱する蓄熱材を含む反応器として使用することにより、第１媒体を加熱することができる。
本発明の他の態様は、第１媒体を加熱する化学蓄熱装置において、反応媒体との化学反応により発熱すると共に第２媒体の熱により反応媒体が脱離する蓄熱材を含む反応器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、反応器と貯蔵器とを接続し、反応媒体が流れる供給管と、を具備し、反応器は、一端から第２媒体が導入されると共に他端から第２媒体が導出される円筒状の筐体と、筐体の内部に渦巻状または同心円状に配置され、第１媒体が流通する第１流通部と第２媒体が流通する第２流通部とを区画形成する複数の区画壁と、筐体の一端及び他端の一方側に取り付けられ、第１流通部の最外周領域に第１媒体を導入する第１媒体導入部と、筐体の一端及び他端の他方側に取り付けられ、第１流通部の最外周領域から第１媒体を導出する第１媒体導出部と、第１流通部の外周側領域及び内周側領域を筐体の径方向に連通させる連通部と、を備え、第１流通部と第２流通部との間には、蓄熱材が充填された蓄熱材充填部が配置されており、供給管は、蓄熱材充填部と貯蔵器とを接続することを特徴とする。
このような化学蓄熱装置の反応器においては、筐体の一端から第２流通部に導入された第２媒体は、第２流通部を流通して筐体の他端から導出される。一方、第１媒体導入部から第１流通部の最外周領域に導入された第１媒体は、第１流通部を流通して第１流通部の最外周領域から第１媒体導出部に導出される。このとき、第１媒体は、連通部を通って第１流通部の外周側領域から内周側領域へと筐体の径方向に流れる。従って、第１媒体が筐体の径方向中心部に向かってスムーズに供給されるようになる。これにより、第１媒体と第２媒体との熱交換効率が向上する。
本発明によれば、熱交換効率を向上させることができる。
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。
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。図１において、本実施形態の熱交換器１は、エンジンを備えた車両に搭載されている。熱交換器１は、熱交換コア部２と、この熱交換コア部２の両端側に配置されたヘッダ部３Ａ，３Ｂと、ヘッダ部３Ａに取り付けられたオイル導入管４と、ヘッダ部３Ｂに取り付けられたオイル導出管５とを備えている。なお、本実施形態では、オイル導入管４及びオイル導出管５の本数は１本ずつであるが、特にそれには限定されず、オイル導入管４及びオイル導出管５の本数は複数本ずつであってもよい。
図２は、熱交換器１の断面図である。図３は、図２のIII−III線断面図である。図４は、図２のIV−IV線断面図である。図２〜図４において、熱交換コア部２は、円筒状の筐体６を有している。ヘッダ部３Ａ，３Ｂは、円筒状の筐体７Ａ，７Ｂをそれぞれ有している。筐体７Ａ，７Ｂは、筐体６の軸方向の両端側に配置されている。筐体７Ａ，７Ｂは、筐体６と一体化されている。筐体６及び筐体７Ａ，７Ｂの内周面は一致している。筐体７Ａ，７Ｂの厚みは、筐体６の厚みよりも大きい。以下、一体化された筐体６及び筐体７Ａ，７Ｂを筐体８という。
筐体８の内部には、区画壁９〜１１が配置されている。区画壁９は、筐体８の内周面に接触するように配置されている。区画壁１０，１１は、筐体８の軸方向から見て渦巻状に配置されている。区画壁９〜１１は、エンジンオイル（第１媒体）が流通する第１流通部１２と排気ガス（第２媒体）が流通する第２流通部１３とを区画形成する。
エンジンオイルは、オイル導入管４から筐体８内に導入されて、第１流通部１２を流通し、オイル導出管５に導出される。排気ガスは、筐体８の一端（筐体７Ｂの外側端）から筐体８内に導入されて、第２流通部１３を流通し、筐体８の他端（筐体７Ａの外側端）から導出される。
区画壁１０，１１間の空間は、第１流通部１２及び第２流通部１３を構成している。区画壁９，１０間の空間は、第１流通部１２の最外周領域を構成している。第１流通部１２及び第２流通部１３は、筐体８の径方向に沿って交互に配置されている。このように第１流通部１２及び第２流通部１３を画成する区画壁９〜１１は、排気ガス及びエンジンオイルに対して耐腐食性を有する金属材料（例えばステンレス鋼）からなっている。
区画壁１０は、ロール部１４と、このロール部１４に対して筐体８の径方向外側に突出した複数の突部１５とを有している。突部１５の反対側は、筐体８の径方向外側に窪んだ凹部１６となっている。区画壁１１は、ロール部１７と、このロール部１７に対して筐体８の径方向外側に突出した複数の突部１８とを有している。突部１８の反対側は、筐体８の径方向外側に窪んだ凹部１９となっている。突部１５，１８は、熱交換コア部２に配置されている。なお、突部１５，１８の形状は、例えば半球状、円錐状、円柱状、多角錐状または多角柱状等である。
区画壁１０，１１は、図５に示されるように、複数の突部２０（突部１５，１８に相当）が設けられた平坦状の板状部材２１をロール状に巻くことによって形成されている。これにより、第１流通部１２及び第２流通部１３を容易に形成することができる。このとき、区画壁１０の突部１５の先端は、区画壁１１のロール部１７及び区画壁９に接触している。区画壁１１の突部１８の先端は、区画壁１０のロール部１４に接触している。これにより、第１流通部１２及び第２流通部１３の径方向ピッチを揃えることができる。
区画壁１０の径方向外側端は、区画壁１１に接合されている。区画壁１１の径方向外側端は、区画壁９に接合されている。区画壁１０，１１の径方向内側端同士は、筐体８の径方向中心部において接合されている。また、区画壁９，１０の軸方向一端同士は接合されていると共に、区画壁９，１０の軸方向他端同士は接合されている。区画壁１０，１１の軸方向一端同士は接合されていると共に、区画壁１０，１１の軸方向他端同士は接合されている。従って、第１流通部１２は、ヘッダ部３Ａ，３Ｂにおいて袋閉じされた状態となっている。これにより、第１流通部１２及び第２流通部１３が連通されることがないため、エンジンオイルと排気ガスとが混ざり合うことはない。なお、区画壁９〜１１の接合は、例えば溶接またはロウ材により行われる。
ヘッダ部３Ａ，３Ｂには、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させる複数の連通部２２が配置されている。連通部２２は、筐体８の径方向に隣り合う区画壁１０，１１の一部同士が接合された接合部分２３を有している。接合部分２３は、図６にも示されるように、区画壁１０，１１の一部同士が区画壁１０，１１の対向方向に互いに窪んだ状態で、例えばロウ材により区画壁１０，１１の一部同士が接合されている。
各接合部分２３には、筐体８の径方向に貫通した断面円形の貫通孔２４が設けられている。各貫通孔２４の断面積は等しい。第１流通部１２の外周側に位置する貫通孔２４の数は、第１流通部１２の内周側に位置する貫通孔２４の数よりも多くなっている。従って、第１流通部１２の外周側に位置する貫通孔２４の総断面積は、第１流通部１２の内周側に位置する貫通孔２４の総断面積よりも大きくなっている。貫通孔２４の総断面積は、少なくとも１つの貫通孔２４の断面積の合計である。なお、貫通孔２４の断面積は、筐体８の径方向から見たときの断面積である。
例えば、第１流通部１２の外周側に位置する貫通孔２４の総断面積と第１流通部１２の内周側に位置する貫通孔２４の総断面積との比率は、第１流通部１２の外周側領域の体積と第１流通部１２の内周側領域の体積との比率と略等しくなっている。これにより、第１流通部１２の外周側領域における単位体積当たりのエンジンオイルの流量と第１流通部１２の内周側領域における単位体積当たりのエンジンオイルの流量とが略等しくなる。
オイル導入管４は、ヘッダ部３Ａの筐体７Ａに固定されている。オイル導入管４は、筐体７Ａ及び区画壁９を筐体７Ａの径方向に貫通している。オイル導入管４は、第１流通部１２の最外周領域にエンジンオイル（第１媒体）を導入する第１媒体導入部を構成している。オイル導出管５は、ヘッダ部３Ｂの筐体７Ｂに固定されている。オイル導出管５は、筐体７Ｂ及び区画壁９を筐体７Ｂの径方向に貫通している。オイル導出管５は、第１流通部１２の最外周領域からエンジンオイルを導出する第１媒体導出部を構成している。
オイル導入管４から第１流通部１２の最外周領域に導入されたエンジンオイルは、第１流通部１２に沿って筐体８の径方向中心部に向かって流れる。このとき、エンジンオイルは、複数の貫通孔２４を通って第１流通部１２の外周側領域から内周側領域へと筐体８の径方向に流れる。そして、第１流通部１２の各周のエンジンオイルは、第１流通部１２をヘッダ部３Ａからヘッダ部３Ｂに向かって流れる。そして、ヘッダ部３Ｂに達したエンジンオイルは、第１流通部１２の最外周領域からオイル導出管５に導出される。
筐体７Ｂには、排気ガス導入管（図示せず）が連結されている。筐体７Ａには、排気ガス導出管（図示せず）が連結されている。排気ガス導入管から第２流通部１３に導入された排気ガスは、第２流通部１３をヘッダ部３Ｂからヘッダ部３Ａに向かって流れる。つまり、排気ガスは、筐体８の軸方向に沿ってエンジンオイルとは逆の方向に流れる。そして、ヘッダ部３Ａに達した排気ガスは、第２流通部１３から排気ガス導出管に導出される。
第１流通部１２を流れるエンジンオイルと第２流通部１３を流れる排気ガスとは、熱交換コア部２において熱交換される。このとき、排気ガスの熱によってエンジンオイルが加熱される。
以上のように本実施形態にあっては、筐体８の一端から第２流通部１３に導入された排気ガスは、第２流通部１３を流通して筐体８の他端から導出される。一方、オイル導入管４から第１流通部１２の最外周領域に導入されたエンジンオイルは、第１流通部１２を流通して第１流通部１２の最外周領域からオイル導出管５に導出される。このとき、エンジンオイルは、複数の連通部２２を通って第１流通部１２の外周側領域から内周側領域へと筐体８の径方向に流れる。従って、エンジンオイルが第１流通部１２を流通する際の圧力損失が小さくなるため、エンジンオイルが筐体８の径方向中心部に向かってスムーズに供給されるようになる。これにより、エンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率が向上する。
また、本実施形態では、連通部２２は、筐体８の径方向に隣り合う区画壁１０，１１の一部同士が接合された接合部分２３を有し、接合部分２３には、筐体８の径方向に貫通した貫通孔２４が設けられている。従って、特別な部品を使用しなくても、簡単な構成で、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させることができる。
また、本実施形態では、第１流通部１２の外周側に位置する貫通孔２４の総断面積は、第１流通部１２の内周側に位置する貫通孔２４の総断面積よりも大きい。従って、第１流通部１２の外周側領域と第１流通部１２の内周側領域とにおける単位体積当たりのエンジンオイルの流量差が少なくなる。これにより、エンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率が更に向上する。
また、本実施形態では、区画壁１０には、筐体８の径方向に突出した複数の突部１５が設けられ、区画壁１１には、筐体８の径方向に突出した複数の突部１８が設けられている。従って、エンジンオイルが第１流通部１２を流れる際に、突部１５によりエンジンオイルが散乱するため、第１流通部１２におけるエンジンオイルの流量が均等化される。また、排気ガスが第２流通部１３を流れる際に、突部１８により排気ガスが散乱するため、第２流通部１３における排気ガスの流量が均等化される。以上により、エンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率が一層向上する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る熱交換器を示す断面図であり、図２に対応する図である。図８は、図７のVIII−VIII線断面図であり、図４に対応する図である。図７及び図８において、本実施形態の熱交換器１は、第１流通部１２に配置され、エンジンオイルの流れを阻害する複数の壁部３０を有している。その他の構成は、上記の第１実施形態と同様である。
壁部３０は、区画壁１０における熱交換コア部２とヘッダ部３Ａとの境界付近に取り付けられている。壁部３０は、区画壁９〜１１と同じ金属材料からなっている。なお、壁部３０は、区画壁９，１１に取り付けられていてもよいし、第１流通部１２において互いに筐体８の径方向に対向するように区画壁９〜１１に取り付けられていてもよい。また、壁部３０は、区画壁１０を折り曲げて形成されていてもよい。
本実施形態においては、エンジンオイルが第１流通部１２を流れる際に、壁部３０によりエンジンオイルが散乱するため、第１流通部１２におけるエンジンオイルの流量が均等化される。これにより、エンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率がより一層向上する。
図９は、本発明の第３実施形態に係る熱交換器を示す断面図であり、図２に対応する図である。図１０は、図９のX−X線断面図であり、図４に対応する図である。図９及び図１０において、本実施形態の熱交換器１は、ヘッダ部３Ａに取り付けられたオイル導入管４０と、ヘッダ部３Ｂに取り付けられたオイル導出管４１とを備えている。
オイル導入管４０及びオイル導出管４１は、筐体８の径方向に延びるように配置されている。オイル導入管４０は、ヘッダ部３Ａ及び区画壁９〜１１を貫通した状態でヘッダ部３Ａに固定されている。オイル導出管４１は、ヘッダ部３Ｂ及び区画壁９〜１１を貫通した状態でヘッダ部３Ｂに固定されている。
オイル導入管４０は、第１流通部１２の最外周領域にエンジンオイルを導入する第１媒体導入部４２と、この第１媒体導入部４２よりも筐体８の径方向中心側に配置され、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させる連通部４３とを有している。連通部４３は、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に接続する管路である。オイル導入管４０における第１流通部１２の各周に対応する位置には、オイル導入管４０内と第１流通部１２とを連通させる断面円形の連通口４４がそれぞれ設けられている。
オイル導出管４１は、第１流通部１２の最外周領域からエンジンオイルを導出する第１媒体導出部４５と、この第１媒体導出部４５よりも筐体８の径方向中心側に配置され、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に連通させる連通部４６とを有している。連通部４６は、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に接続する管路である。オイル導出管４１における第１流通部１２の各周に対応する位置には、オイル導出管４１内と第１流通部１２とを連通させる断面円形の連通口４７がそれぞれ設けられている。
オイル導入管４０の第１媒体導入部４２から連通口４４を通って第１流通部１２の最外周領域に導入されたエンジンオイルは、第１流通部１２に沿って筐体８の径方向中心部に向かって流れる。このとき、エンジンオイルは、連通口４４、連通部４３及び連通口４４を通って第１流通部１２の外周側領域から内周側領域へと筐体８の径方向に流れる。そして、第１流通部１２の各周のエンジンオイルは、第１流通部１２をヘッダ部３Ａからヘッダ部３Ｂに向かって流れる。そして、ヘッダ部３Ｂに達したエンジンオイルは、第１流通部１２から連通口４７を通ってオイル導出管４１に導出される。
このように本実施形態においては、第１媒体導入部４２から第１流通部１２の最外周領域に導入されたエンジンオイルは、連通部４３を通って第１流通部１２の外周側領域から内周側領域へと筐体８の径方向に流れる。従って、エンジンオイルが第１流通部１２を流通する際の圧力損失が小さくなるため、エンジンオイルが筐体８の径方向中心部に向かってスムーズに供給されるようになる。これにより、エンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率が向上する。
また、本実施形態では、連通部４３，４６は、第１流通部１２の外周側領域及び内周側領域を筐体８の径方向に接続する管路である。従って、連通部４３を第１媒体導入部４２と一体で作り、連通部４６を第１媒体導出部４５と一体で作ることができる。
なお、本実施形態では、オイル導入管４０及びオイル導出管４１の本数は１本ずつであるが、特にそれには限られず、オイル導入管４０及びオイル導出管４１の本数は複数本ずつであってもよい。この場合には、複数本のオイル導入管４０及び複数本のオイル導出管４１は、何れも筐体８の径方向に延びるように放射状に配置される。
図１１は、本発明の第４実施形態に係る熱交換器を有する化学蓄熱装置を備えたエンジンオイル循環システムを排気浄化システムと共に示す概略構成図である。図１１において、排気浄化システム５０及びエンジンオイル循環システム５１は、エンジン５２を具備した車両に搭載されている。
排気浄化システム５０は、エンジン５２から排出された排気ガス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５０は、排気ガスが流れる排気管５３と、この排気管５３に配設されたＤＯＣ５４とを備えている。ＤＯＣ５４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ディーゼル酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst）である。排気管５３におけるＤＯＣ５４よりも下流側には、排気ガスが流れるバイパス管路５５が分岐して接続されている。
エンジンオイル循環システム５１は、エンジン５２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。エンジンオイル循環システム５１は、エンジンオイルが流れるオイル循環管路５６と、このオイル循環管路５６に配設されたオイルパン５７及びオイルポンプ５８とを備えている。オイルパン５７は、エンジンオイルを溜めておく。オイルポンプ５８は、オイルパン５７に溜められたエンジンオイルを吸い上げてエンジン５２に向けて圧送する。エンジン５２内の各部を流れたエンジンオイルは、オイルパン５７に戻る。
また、エンジンオイル循環システム５１は、エンジンオイルを加熱（暖機）する化学蓄熱装置６０を備えている。化学蓄熱装置６０は、電力等の外部エネルギーを必要とせずに、エンジンオイルを加熱する装置である。化学蓄熱装置６０は、本実施形態の熱交換器である反応器６１と、吸着器６２と、供給管６３とを備えている。
反応器６１は、オイル循環管路５６及びバイパス管路５５にそれぞれ接続されている。オイル循環管路５６は、オイルパン５７と反応器６１とを接続する上記のオイル導入管４と、反応器６１とエンジン５２とを接続する上記のオイル導出管５とを有している。オイルポンプ５８は、オイル導入管４に配設されている。バイパス管路５５は、排気管５３と反応器６１とを接続する排気ガス導入管６４及び排気ガス導出管６５を有している。排気ガス導出管６５は、排気ガス導入管６４よりも排気管５３の下流側に接続されている。排気ガス導出管６５には、排気ガスの流路を開閉する開閉弁６６が配設されている。
図１２は、反応器６１（熱交換器）を示す断面図であり、図２に対応する図である。図１３は、図１２のXIII−XIII線断面図であり、図３に対応する図である。図１２及び図１３において、反応器６１は、上記の筐体８を備えている。筐体８の内部には、上述した熱交換器１と同様に、第１流通部１２と第２流通部１３とを画成する区画壁９〜１１が配置されている。
また、筐体８の内部における第１流通部１２と第２流通部１３との間には、蓄熱材６７が充填された蓄熱材充填部６８が配置されている。蓄熱材充填部６８は、上記の区画壁１０，１１と２つの区画壁６９とによって形成されている。区画壁６９は、筐体８の軸方向から見て渦巻状に配置されている。区画壁６９は、区画壁１０，１１と同じ金属材料からなっている。区画壁６９は、ヘッダ部３Ａ，３Ｂにおいて区画壁１０，１１に接合されている。蓄熱材６７は、区画壁１０，１１と区画壁６９とにより画成された空間に収容されている。
蓄熱材６７は、反応媒体であるアンモニア（ＮＨ３）が供給されると、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に、排気ガスが供給されると、排気ガスの熱によりＮＨ３が脱離する材料である。蓄熱材６７としては、組成式ＭａＸｚで表されるハロゲン化物が用いられる。Ｍは、ＬｉまたはＮａ等のアルカリ金属、Ｍｇ、ＣａまたはＳｒ等のアルカリ土類金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ等の遷移金属、Ａｌ、若しくはこれらの金属の組み合わせから選択された１つ以上のカチオンである。Ｘは、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硝酸イオン、チオシアン酸イオン、硫酸イオン、モリブデン酸イオンまたはリン酸イオンから選択された１つ以上のアニオンである。Ｘは、例えばＣｌ、ＢｒまたはＩ等である。ａは、塩分子１つあたりのカチオンの数である。ｚは、塩分子１つあたりのアニオンの数である。
蓄熱材充填部６８には、供給管６３の一端部が接続されている。供給管６３の一端部は、筐体６及び区画壁９〜１０を貫通して蓄熱材６７と接続されている。反応器６１の他の構成は、上記の第１実施形態における熱交換器１と同様である。
図１１に戻り、吸着器６２は、ＮＨ３を貯蔵する貯蔵器である。吸着器６２は、発熱時にＮＨ３を物理吸着すると共に、吸熱時にＮＨ３を脱離する吸着材を有している。吸着材としては、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。
供給管６３は、反応器６１の蓄熱材充填部６８と吸着器６２とを接続している。供給管６３は、吸着器６２と蓄熱材充填部６８との間でＮＨ３が双方向に流れる配管である。供給管６３は、ＮＨ３に対して耐腐食性を有する金属材料（例えばステンレス鋼）からなっている。供給管６３には、ＮＨ３の流路を開閉する開閉弁７０が配設されている。
以上のような化学蓄熱装置６０において、エンジン５２の始動直後は、開閉弁６６が開いている。このため、エンジンオイルが反応器６１の第１流通部１２を流れると共に、排気ガスが反応器６１の第２流通部１３を流れる。
そのような状態で、開閉弁７０が開くと、吸着器６２と反応器６１の蓄熱材充填部６８との圧力差によって、吸着器６２の吸着材からＮＨ３が脱離し、そのＮＨ３が供給管６３を通って蓄熱材充填部６８に供給される。そして、蓄熱材充填部６８の蓄熱材６７とＮＨ３とが化学反応（化学吸着）して熱が発生する。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、蓄熱材６７から発生した熱が第１流通部１２を流れるエンジンオイルに伝わり、エンジンオイルが加熱される。
蓄熱材＋ＮＨ３ ⇔ 蓄熱材（ＮＨ３）＋熱 …（Ａ）
蓄熱材＋ＮＨ３ ⇔ 蓄熱材（ＮＨ３）＋熱 …（Ａ）
排気ガスの温度が上昇すると、第２流通部１３を流れる排気ガスの熱が蓄熱材充填部６８の蓄熱材６７に与えられることで、蓄熱材６７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。すると、蓄熱材充填部６８と吸着器６２との圧力差によって、ＮＨ３が供給管６３を通って吸着器６２に戻り、吸着器６２の吸着材に物理吸着される。これにより、ＮＨ３が吸着器６２に回収されることとなる。
また、第２流通部１３を流れる排気ガスの熱が第１流通部１２を流れるエンジンオイルに伝わり、エンジンオイルが更に加熱される。暖められたエンジンオイルは、オイル導出管５を通ってエンジン５２に送られる。
以上のように本実施形態においては、反応器６１の筐体８の内部における第１流通部１２と第２流通部１３との間には、蓄熱材６７が充填された蓄熱材充填部６８が配置されている。従って、上記の第１実施形態と同様にエンジンオイルと排気ガスとの熱交換効率を向上させることに加え、ＮＨ３と蓄熱材６７との化学反応により発生した熱によってエンジンオイルを加熱することができる。
なお、本実施形態では、反応媒体であるＮＨ３と組成式ＭａＸｚで表される蓄熱材６７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、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と化学反応させる蓄熱材６７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等が用いられる。反応媒体としてＨ２Ｏを使用する場合、Ｈ２Ｏと化学反応させる蓄熱材６７としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯまたはＡｌ２Ｏ３等が用いられる。
以上、本発明の実施形態について幾つか説明してきたが、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、エンジンオイルが流れる第１流通部１２と排気ガスが流れる第２流通部１３とを区画形成する区画壁１０，１１は、何れも渦巻状に配置されているが、特にその形態には限られない。
図１４は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の変形例を示す断面図であり、図３に対応する図である。図１５は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器の変形例を示す断面図であり、図４に対応する図である。
図１４及び図１５において、本変形例の熱交換器８０は、筐体８の内部に筐体８の外周側から内周側に向けて同心円状に配置され、第１流通部１２と第２流通部１３とを区画形成する区画壁８１〜８６を備えている。第１流通部１２及び第２流通部１３は、筐体８の径方向に沿って交互に配置されている。区画壁８２〜８６における熱交換コア部２の領域には、筐体８の径方向外側に突出した複数の突部８７がそれぞれ設けられている。区画壁８２〜８５におけるヘッダ部３Ａ，３Ｂの領域には、上記の連通部２２が設けられている。
また、上記実施形態では、排気ガスは、筐体８の一端から導入されると共に筐体８の他端から導出され、オイル導入管４は、筐体８の他端側に取り付けられ、オイル導出管５は、筐体８の一端側に取り付けられているが、特にその形態には限られない。排気ガスは、筐体８の一端から導入されると共に筐体８の他端から導出され、オイル導入管４は、筐体８の一端側に取り付けられ、オイル導出管５は、筐体８の他端側に取り付けられてもよい。この場合には、エンジンオイル及び排気ガスは、筐体８の軸方向に沿って同じ方向に流れることとなる。
また、上記実施形態では、第１流通部１２と第２流通部１３とを区画形成する区画壁１０，１１に複数の突部１５，１８がそれぞれ設けられているが、特にその形態には限られず、例えば第１流通部１２及び第２流通部１３にフィンが配置されていてもよい。
また、上記実施形態では、第１流通部１２を流れる第１媒体がエンジンオイルであり、第２流通部１３を流れる第２媒体が排気ガスであるが、特にその形態には限られず、例えば第１媒体は冷却水等であってもよく、第２媒体は空気等であってもよい。
さらに、上記第４実施形態では、熱交換器が化学蓄熱装置６０の反応器６１として使用されているが、本発明の熱交換器は、例えば潜熱蓄熱装置等にも適用可能である。
１…熱交換器、４…オイル導入管（第１媒体導入部）、５…オイル導出管（第１媒体導出部）、８…筐体、９〜１１…区画壁、１２…第１流通部、１３…第２流通部、１５，１８…突部、２２…連通部、２３…接合部分、２４…貫通孔、３０…壁部、４２…第１媒体導入部、４３…連通部、４５…第１媒体導出部、４６…連通部、６０…化学蓄熱装置、６１…反応器（熱交換器）、６２…吸着器（貯蔵器）、６３…供給管、６７…蓄熱材、６８…蓄熱材充填部、８０…熱交換器、８１〜８６…区画壁、８７…突部。
Claims (8)
- 第１媒体と第２媒体とを熱交換する熱交換器において、
一端から前記第２媒体が導入されると共に他端から前記第２媒体が導出される円筒状の筐体と、
前記筐体の内部に渦巻状または同心円状に配置され、前記第１媒体が流通する第１流通部と前記第２媒体が流通する第２流通部とを区画形成する複数の区画壁と、
前記筐体の一端及び他端の一方側に取り付けられ、前記第１流通部の最外周領域に前記第１媒体を導入する第１媒体導入部と、
前記筐体の一端及び他端の他方側に取り付けられ、前記第１流通部の最外周領域から前記第１媒体を導出する第１媒体導出部と、
前記第１流通部の外周側領域及び内周側領域を前記筐体の径方向に連通させる連通部と、を備えることを特徴とする熱交換器。 - 前記連通部は、前記筐体の径方向に隣り合う前記区画壁の一部同士が接合された接合部分を有し、
前記接合部分には、前記筐体の径方向に貫通した貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。 - 前記第１流通部の外周側に位置する前記貫通孔の総断面積は、前記第１流通部の内周側に位置する前記貫通孔の総断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
- 前記連通部は、前記第１流通部の外周側領域及び内周側領域を前記筐体の径方向に接続する管路であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
- 前記区画壁には、前記筐体の径方向に突出した複数の突部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の熱交換器。
- 前記第１流通部には、前記第１媒体の流れを阻害する壁部が配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の熱交換器。
- 前記第１流通部と前記第２流通部との間には、蓄熱材が充填された蓄熱材充填部が配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の熱交換器。
- 第１媒体を加熱する化学蓄熱装置において、
反応媒体との化学反応により発熱すると共に第２媒体の熱により前記反応媒体が脱離する蓄熱材を含む反応器と、
前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
前記反応器と前記貯蔵器とを接続し、前記反応媒体が流れる供給管と、を具備し、
前記反応器は、
一端から前記第２媒体が導入されると共に他端から前記第２媒体が導出される円筒状の筐体と、
前記筐体の内部に渦巻状または同心円状に配置され、前記第１媒体が流通する第１流通部と前記第２媒体が流通する第２流通部とを区画形成する複数の区画壁と、
前記筐体の一端及び他端の一方側に取り付けられ、前記第１流通部の最外周領域に前記第１媒体を導入する第１媒体導入部と、
前記筐体の一端及び他端の他方側に取り付けられ、前記第１流通部の最外周領域から前記第１媒体を導出する第１媒体導出部と、
前記第１流通部の外周側領域及び内周側領域を前記筐体の径方向に連通させる連通部と、
を備え、
前記第１流通部と前記第２流通部との間には、前記蓄熱材が充填された蓄熱材充填部が配置されており、
前記供給管は、前記蓄熱材充填部と前記貯蔵器とを接続することを特徴とする化学蓄熱装置。
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