JP2019190742A - 蓄熱反応器 - Google Patents
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Abstract
Description
第2流体が流通可能な第2流路を有する複数の熱交換層と
を備え、
複数の前記蓄熱層と複数の前記熱交換層とが交互に積層されており、
前記第2流路の開口端部は、前記第1流路の開口端部が形成された面と異なる面に形成されており、且つ
前記第2流路の少なくとも一部が、前記第1流路と並列に形成されている、蓄熱反応器である。
本実施の形態の蓄熱反応器は、円柱状の蓄熱反応器である。図1は、本実施の形態の蓄熱反応器の側面を示す図であり、図2は、本実施の形態の蓄熱反応器の端面を示す図である。また、図3は、図1のA−A’線の断面図であり、図4は、図1のB−B’線の断面図であり、図5は、図2のC−C’線の断面図である。
図1〜5に示すように、本実施の形態の蓄熱反応器1は、第1流体が流通可能な第1流路2に蓄熱材3が充填された複数の蓄熱層4と、第2流体が流通可能な第2流路5を有する複数の熱交換層6とを備えている。また、複数の蓄熱層4と複数の熱交換層6とは、交互に積層されている。そのため、複数の蓄熱層4において、第1流路2に第1流体を流通させることで蓄熱材3から発生した熱を複数の熱交換層6を流通する第2流体に効率良く伝達することができる。
上記のように第2流路5の開口端部5aと第1流路2の開口端部2aとを異なる面に設けることにより、第1流路2への第1流体の導入と、第2流路5への第2流体の導入とを異なる面から同時且つ別々に行うことができる。したがって、第1流体を第1流路2に導入するための圧力制御を独立して行うことが可能であり、第1流路2に充填された蓄熱材3を効率良く反応させるのに適した圧力で第1流体を第1流路2に導入することができる。
なお、スリットの形成や目封止などの第2流路5を形成するための工程は、焼成前の円柱状のハニカム成形体に対して行ってもよい。
ここで、「金属結合SiC」としては、金属含浸SiC、Si結合SiC、金属Si及びその他の種類の金属によって結合させたSiCなどを用いることができる。「その他の種類の金属」の例としては、Al(アルミニウム)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Ag(銀)、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ti(チタン)などが挙げられる。
また、「金属複合SiC」としては、SiC粒子と金属粉末とを混合焼結したものを用いることができる。
第2流体としては、特に限定されず、気体、液体のいずれであってもよい。第2流体の典型例としては、排ガスが挙げられる。
金属酸化物としては、MgO、CaO、SrO、BaO、CaSO4などが挙げられる。金属塩としては、CaCl2、SrCl2、MgCl2、LiCl、SrBr2などが挙げられる。水蒸気吸着系の蓄熱材としては、ゼオライトなどが挙げられる。
まず、第2流路5に排ガスを流通させると、排ガスの温度上昇に伴って、第1流路2に充填された蓄熱材3が加熱される。排ガスの温度が所定の温度以上になると、蓄熱材3が吸熱反応(脱水反応)を起こし、CaCl2に変化する。その後、排ガスの温度が低下しても、蓄熱材3はCaCl2の形態が維持される。
次に、第1流路2に水蒸気を流通させることにより、蓄熱材3が発熱反応(水和反応)を起こし、CaCl2・2H2Oに変化する。このとき第2流路5に排ガスを流通させることにより、発熱反応で発生した熱が排ガスに伝達されるため、排ガスの温度を高めることができる。その結果、排ガスの熱によって触媒の活性化を促進することができる。
本実施の形態の蓄熱反応器は、六角柱状の蓄熱反応器である。なお、本実施の形態の蓄熱反応器の基本的な特徴は、実施の形態1の蓄熱反応器1と同じであるため、相違点のみ説明する。
図8は、本実施の形態の蓄熱反応器の側面図であり、図9は、図8のE−E’線の断面図であり、図10は、図8のF−F’線の断面図である。
第2流路5の開口端部5aは、第1流路2の開口端部2aが形成された側面と異なる側面に形成されているため、第1流路2への第1流体の導入と、第2流路5への第2流体の導入とを異なる面から同時且つ別々に行うことができる。したがって、第1流体を第1流路2に導入するための圧力制御を独立して行うことが可能であり、第1流路2に充填された蓄熱材3を効率良く反応させるのに適した圧力で第1流体を第1流路2に導入することができる。
図1〜5に示す構造を有する蓄熱反応器1を作製した。
まず、炭化珪素及び金属珪素を含むセラミックス原料を含む坏土を成形して円柱状のハニカム成形体を得た後、焼成して円柱状のハニカム構造体を得た。ここで、ハニカム構造体は、セルの断面形状(セルが延びる方向と直交する方向の断面形状)を一辺が1.5mmの正方形、隔壁7の厚みを0.5mmとし、セルが延びる方向の長さ(第1流路2の長さ)を60mmとした。また、隔壁7は、熱伝導率が150W/m・K、熱容量が2100J/L・Kであった。次に、円柱状のハニカム構造体の側面にスリットを入れて第2流路5の開口端部5aを形成した後、第2流路5の両端面の開口部を目封止して目封止部8を形成した。その後、第1流路2内に蓄熱材3としてCaCl2を充填した。第1流路2における蓄熱材3の充填率は38%とした。
セルの断面形状を一辺が0.75mmの正方形、隔壁7の厚みを0.25mmとしたこと以外は実施例1と同様にして蓄熱反応器1を作製した。
セルの断面形状を一辺が2.5mmの正方形、隔壁7の厚みを0.5mmとしたこと以外は実施例1と同様にして蓄熱反応器1を作製した。
セルの断面形状を一辺が1.5mmの正方形、隔壁7の厚みを1.5mmとしたこと以外は実施例1と同様にして蓄熱反応器1を作製した。
コージェライトを含むセラミックス原料を含む坏土を用いたこと以外は実施例1と同様にして蓄熱反応器1を作製した。また、隔壁7は、熱伝導率が4.4W/m・K、熱容量が1750J/L・Kであった。
まず、蓄熱反応器1の第1流路2に水蒸気を70kPaの圧力、2L/分の流量で供給し、蓄熱材3の発熱反応(水和反応)を生じさせると共に、蓄熱反応器1の第2流路5に有機溶媒(ユラボ社製Thermal H350)を流通させた。そして、有機溶媒が蓄熱反応器1の第2流路5を通過する前の温度、及び蓄熱反応器1の第2流路5を通過した後の温度をそれぞれ測定し、それらの温度差(溶媒が蓄熱反応器1の第2流路5を通過した後の温度−溶媒が蓄熱反応器1の第2流路5を通過する前の温度)を算出した。
平均熱出力は、下記の式によって算出し、その最大値を求めた。
また、隔壁7の熱伝導率が小さくても、隔壁7の熱容量を小さくすれば、熱出力及び放熱量を大きくすることができることが分かった。これは、隔壁7の熱容量が小さい場合、隔壁7の温度が上昇し易くなり、第2流路5を通過する有機溶媒に蓄熱材3から発生した熱を効率的に伝達することができたためであると考えられる。
さらに、隔壁7の熱伝導率が小さくても、伝熱距離(蓄熱層と熱交換層との間の距離)を短くすれば、熱出力及び放熱量を大きくすることができることが分かった。これは、伝熱距離が小さい場合、隔壁7の熱伝導率が小さいことによる熱抵抗の影響が少ないためであると考えられる。
2 第1流路
2a,5a 開口端部
3 蓄熱材
4 蓄熱層
5 第2流路
6 熱交換層
7 隔壁
8 目封止部
Claims (9)
- 第1流体が流通可能な第1流路に蓄熱材が充填された複数の蓄熱層と、
第2流体が流通可能な第2流路を有する複数の熱交換層と
を備え、
複数の前記蓄熱層と複数の前記熱交換層とが交互に積層されており、
前記第2流路の開口端部は、前記第1流路の開口端部が形成された面と異なる面に形成されており、且つ
前記第2流路の少なくとも一部が、前記第1流路と並列に形成されている、蓄熱反応器。 - 前記第1流路及び前記第2流路は、隔壁によって区画形成された複数のセルである、請求項1に記載の蓄熱反応器。
- 円柱状又は六角柱状である、請求項1又は2に記載の蓄熱反応器。
- 1つの前記蓄熱層及び1つの前記熱交換層は、複数の前記セルを1列ずつ含む、請求項2又は3に記載の蓄熱反応器。
- 前記セルの断面形状は一辺が2.0mm以下の正方形であり、前記セルを区画形成する前記隔壁の厚みが0.5mm以下である、請求項2〜4のいずれか一項に記載の蓄熱反応器。
- 隣接する前記蓄熱層と前記熱交換層との間の中心間距離に対する前記第1流路の長さの比が10〜500である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄熱反応器。
- 前記セルを区画形成する前記隔壁は、熱伝導率が100W/m・K以上、熱容量が2000J/L・K以下、又はその両方を満たす材料から形成される、請求項2〜6のいずれか一項に記載の蓄熱反応器。
- 前記第1流路は、2つの異なる面に形成された開口端部を有し、前記第1流体は、両面に形成された前記開口端部から圧力をかけることによって前記第1流路に導入される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の蓄熱反応器。
- 車両用である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の蓄熱反応器。
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