JP5835030B2 - 蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱装置に関するものである。

従来の蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の蓄熱装置は、排気の温度が充分に上昇していない状態では、貯蔵容器内の反応媒体が連通路を通って反応容器内の化学蓄熱材に流入することで、反応媒体と化学蓄熱材との化学反応によって熱が発生し、この熱によって触媒が加熱され、経過時間と共に排気の温度が充分に上昇すると、化学蓄熱材に吸着された反応媒体が排気の熱によって離脱され、その反応媒体が連通路を通って貯蔵容器内に流入するというものである。

特開２０１１−２０８８６５号公報

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、内燃機関からの排ガスは、６００℃以上の高い温度に達することがある。反応媒体としてアンモニア（ＮＨ_３）が使用される場合には、そのような高温状態の排ガスが蓄熱装置に導入されると、化学蓄熱材と反応するアンモニアが分解することがある。アンモニアが分解すると、蓄熱装置におけるアンモニアの量が減少するため、化学蓄熱材に対するアンモニアの化学反応による熱発生効率が低下してしまう。

本発明の目的は、化学蓄熱材と反応するアンモニアの分解を防止することができる蓄熱装置を提供することである。

本発明の蓄熱装置は、アンモニアと化学反応して熱を発生させる化学蓄熱材を有する反応器と、反応器と接続され、アンモニアを貯留するタンクと、反応器を空気により冷却する冷却手段とを備え、反応器は、積層された複数枚のプレートを更に有し、化学蓄熱材は、プレート上に配置されており、冷却手段は、プレート上に設けられ、空気を流すための空気流路を有し、反応器には、アンモニアを化学蓄熱材に接するように流すためのアンモニア流路が形成されていることを特徴とするものである。

このような本発明の蓄熱装置においては、冷却手段により反応器を冷却することにより、反応器の温度をアンモニアの分解温度よりも低くすることができる。これにより、反応器内において化学蓄熱材と反応するアンモニアの分解を防止することができる。

また、冷却水により反応器を冷却する場合には、冷却水が沸騰することがあるが、空冷式とすることで沸騰の発生を避けることができる。

また、タンク内から反応器に送られたアンモニアは、プレート上に配置された化学蓄熱材に接するようにアンモニア流路を流れる。このため、化学蓄熱材とアンモニアとを効果的に化学反応させることができる。また、空気流路を各プレート上に設けることにより、反応器全体を冷却空気により簡単に且つ確実に冷却することができる。
好ましくは、内燃機関の排気系に設けられた触媒を暖機する上記の蓄熱装置において、反応器は、排気系における触媒の上流側に配置されており、複数枚のプレートは、内燃機関からの排ガスを通過させる排ガス流通部を形成するように積層されている。このような構成では、排ガスの温度が低いときは、タンク内のアンモニアが反応器に送られ、アンモニアが化学蓄熱材と化学反応することで、化学蓄熱材から熱が発生し、その熱により排ガスが加熱され、加熱された排ガスにより触媒が昇温されるようになる。一方、内燃機関の暖機終了後、排ガスの温度がより高くなると、排ガスの熱によって化学蓄熱材からアンモニアが分離し、そのアンモニアがタンクに蓄えられる。ここで、排ガスの温度が高くなり過ぎたときには、冷却手段により反応器を冷却することにより、反応器の温度をアンモニアの分解温度よりも低くすることができる。

化学蓄熱材は、プレート上に空気流路を挟むように配置されており、アンモニア流路は、アンモニアを化学蓄熱材の表面に沿って空気流路を横切って流すように構成されていることが好ましい。この場合には、化学蓄熱材、空気流路及びアンモニア流路が互いに密接するようになるため、反応器を効率良く冷却しつつ、反応器の小型化を図ることができる。

また、好ましくは、冷却手段は、圧縮空気を空気流路に流入させる冷却ファンと、反応器の温度がアンモニアの分解温度よりも低くなるように冷却ファンの作動を制御する手段とを更に有する。この場合には、反応器の温度を自動的にアンモニアの分解温度よりも低く設定することができる。

さらに、好ましくは、反応器を冷却する空気は圧縮空気である。この場合には、反応器を急速に冷却し、冷却効率を向上させることができる。

本発明によれば、化学蓄熱材と反応するアンモニアの分解を防止することができる。これにより、蓄熱装置におけるアンモニアの量が確保されるため、化学蓄熱材からの熱発生効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明に係る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に示した反応器の具体的構造を示す斜視図である。 図２に示した複数枚の蓄熱用プレートを上側から下側に向けて順番に示した平面図である。 図３のIV−IV線断面図である。

以下、本発明に係る蓄熱装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る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。同図において、排気浄化システム１は、エンジン２（ここではディーゼルエンジン）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排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及び選択還元触媒（ＳＣＲ）６を有している。ＤＯＣ４は、排ガス中に含まれる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、添加弁７より尿素やアンモニアを供給して、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。

ＤＯＣ４及びＳＣＲ６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。例えば、ＤＯＣ４の活性温度の下限は１５０℃程度であり、ＳＣＲ６の活性温度の下限は１８０℃程度である。一方で、エンジン２の始動直後などは、エンジン２直後の排ガスの温度が１００℃程度と比較的低温であり、ＤＯＣ４及びＳＣＲ６の温度もほぼ同様となる。従って、ＤＯＣ４及びＳＣＲ６の温度を活性温度にするために、排ガスを加熱する必要がある。

そこで、排気浄化システム１は、本実施形態の蓄熱装置１０を有している。蓄熱装置１０は、エネルギーレスで触媒を暖機する化学蓄熱装置である。つまり、蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに熱を使用するというものである。

蓄熱装置１０は、排気通路３におけるＤＯＣ４の上流側に配置された反応器１１と、この反応器１１と管路１２を介して接続された媒体用タンク１３と、反応器１１を冷却するための冷却空気を反応器１１内に送り込む冷却ファン１４とを備えている。媒体用タンク１３には、媒体としてアンモニア（ＮＨ_３）が貯留される。このように媒体としてアンモニアを用いることにより、水を用いる場合に比べて管路１２を長くすることができるため、蓄熱装置１０の配置の自由度が向上する。管路１２には、電磁式の開閉弁１５が設けられている。

図２は、反応器１１の具体的構造を示す斜視図である。同図において、反応器１１は、排気通路３と連通された排ガス導入口１６ａ及び排ガス導出口１６ｂを有する筐体１６と、この筐体１６内に収容された蓄熱部１７とを有している。蓄熱部１７は、複数枚の蓄熱用プレート１８と複数枚の熱交換用プレート１９とが交互に積層された構造を有している。蓄熱用プレート１８及び熱交換用プレート１９は、何れも略矩形状をなしている。蓄熱部１７の最上層及び最下層は、熱交換用プレート１９となっている。

熱交換用プレート１９には、フィン（図示せず）が設けられている。最上層の熱交換用プレート１９の一端部には上部突部２０が設けられ、最下層の熱交換用プレート１９の同じ側の端部には下部突部２１が設けられている。蓄熱用プレート１８と熱交換用プレート１９との間の空間は、排ガス導入口１６ａから排ガス導出口１６ｂに向けて排ガスを通過させるための排ガス流通部２２となっている。

図３は、複数枚の蓄熱用プレート１８を上側から下側に向けて順番に示した平面図であり、図４は、図３のIV−IV線（１枚の熱交換用プレート１９を含む）断面図である。各図において、各蓄熱用プレート１８の上面には、化学蓄熱材として、固体状または粉末状のＣａＣｌ_２が含有された２つの成形体２３が装着されている。これらの成形体２３は、蓄熱用プレート１８の一方の対角線上に位置する２つの角部を含むような直角三角形状をなしている。

各蓄熱用プレート１８における２つの成形体２３間の領域には、冷却空気を流すための空気流路２４が蓄熱用プレート１８の他方の対角線に沿って延びるように設けられている。空気流路２４は、蓄熱用プレート１８の上面に固定された断面略逆Ｕ字状の壁部２５により形成されている。また、各蓄熱用プレート１８における当該他方の対角線上の一方の角部には、空気流路２４と連通した空気流通孔２６が形成されている。空気流通孔２６は、蓄熱用プレート１８毎に交互に異なる角部に形成されている。

また、各熱交換用プレート１９における空気流通孔２６に対応する位置には、空気流通孔２６と協働して、上下に隣り合う空気流路２４同士を連通させる空気流通孔（図示せず）が形成されている。

図２に示すように、上部突部２０には、冷却空気を空気流路２４に導入するための空気導入部２７が連結されている。下部突部２１には、空気流路２４から冷却空気を導出するための空気導出部２８が連結されている。

これにより、冷却ファン１４により空気導入部２７から蓄熱部１７の内部に導入された冷却空気は、各空気流路２４を通って空気導出部２８から導出されるようになる（図３中の矢印Ａ参照）。その結果、反応器１１が全体的に効率良く冷却されることとなる。このとき、冷却空気としては圧縮空気を用いるのが望ましい。圧縮空気を用いることにより、反応器１１が急速に冷却されるため、反応器１１の冷却効率を一層向上させることができる。

蓄熱用プレート１８に装着された各成形体２３の上面と当該蓄熱用プレート１８の上方に位置する熱交換用プレート１９の下面との間の空間は、アンモニアを流すためのアンモニア流路２９（図４参照）となっている。蓄熱用プレート１８において成形体２３が装着されている領域内に存在する２つの角部の何れか一方には、アンモニア流路２９と連通したアンモニア流通孔３０が形成されている（図３参照）。アンモニア流通孔３０は、蓄熱用プレート１８毎に交互に異なる角部に形成されている。なお、アンモニア流路２９を流れるアンモニアが蓄熱部１７の下側に抜け出ることは無いように、最も下側に位置する蓄熱用プレート１８の角部にはアンモニア流通孔３０は形成されていない。

また、各熱交換用プレート１９におけるアンモニア流通孔３０に対応する位置には、アンモニア流通孔３０と協働して、上下に隣り合うアンモニア流路２９同士を連通させるアンモニア流通孔（図示せず）が形成されている。

図２に示すように、上部突部２０には、アンモニアをアンモニア流路２９に対して導入・導出するためのアンモニア入出部３１が連結されている。アンモニア入出部３１は、管路１２を介して媒体用タンク１３と接続されている。これにより、媒体用タンク１３内から送られるアンモニアは、各アンモニア流路２９を成形体２３に接した状態で成形体２３の上面（表面）に沿って流れるようになる（図３中の矢印Ｂ参照）。このとき、アンモニアは、空気流路２４を横切るように各アンモニア流路２９を流れる。

図１に戻り、蓄熱装置１０は、排ガスの温度を検出する温度センサ３２と、制御部３３と、ファン駆動部３４とを更に備えている。制御部３３は、排熱を蓄えるとき及び熱を発生させるときに開閉弁１５を開くように制御すると共に、温度センサ３２により排ガスの温度が所定温度よりも高いことが検出されたときに、冷却ファン１４を作動させるための指令信号をファン駆動部３４に送出する。ファン駆動部３４は、制御部３３からの指令信号に応じて冷却ファン１４を駆動する。

ここで、エンジン２からの排ガスの温度が高くなり過ぎると、成形体２３中のＣａＣｌ_２と反応するアンモニアが分解することがある。アンモニアの分解温度は４００℃程度である。

そこで、制御部３３は、反応器１１の温度がアンモニアの分解温度よりも低くなるような指令信号をファン駆動部３４に送出し、冷却ファン１４の作動を制御することが好ましい。これにより、冷却ファン１４により反応器１１内に送り込まれた冷却空気によって反応器１１が冷却され、これに伴って反応器１１の温度がアンモニアの分解温度よりも低くなる。その結果、アンモニアの分解が防止される。

以上のように構成した蓄熱装置１０を備えた排気浄化システム１において、エンジン２からの排ガスの温度が所定値よりも低いときは、媒体用タンク１３内に貯留されたアンモニアが管路１２を介して反応器１１に供給され、そのアンモニアが各アンモニア流路２９を成形体２３の上面に沿って流れるようになる。このとき、成形体２３に含まれるＣａＣｌ_２とアンモニア（ＮＨ_３）とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、成形体２３から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応が起こる。そして、成形体２３から発生した熱によってＤＯＣ４やＳＣＲ６が汚染物質の浄化に適した温度まで上昇するようになる。
ＣａＣｌ_２＋_ｘＮＨ_３ ⇔ Ｃａ（ＮＨ_３）_ｘＣｌ_２＋熱

一方、エンジン２からの排ガスの温度が所定値よりも高いときは、排熱が成形体２３に与えられることでＣａＣｌ_２とアンモニア（ＮＨ_３）とが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応が起こる。そして、分離したアンモニアは、各アンモニア流路２９を流れて反応器１１から排出され、管路１２を介して媒体用タンク１３内に戻るようになる。

以上のように本実施形態によれば、冷却空気を流すための空気流路２４を反応器１１の蓄熱部１７に設け、冷却ファン１４により冷却空気を空気流路２４に流入するようにしたので、エンジン２からの排ガスの温度が高くても、冷却空気によって反応器１１が冷却される。これにより、反応器１１内のアンモニア流路２９を流れるアンモニアの温度が下がるため、当該アンモニアの分解を防止することができる。その結果、蓄熱装置１０におけるアンモニアの総量が減少せずに確保されるため、成形体２３に含まれるＣａＣｌ_２とアンモニア（ＮＨ_３）との化学吸着による熱発生効率の低下を抑制することが可能となる。

また、冷却空気により反応器１１が冷却されることで、反応器１１の排ガス流通部２２を通過する排ガスも冷却されることになる。従って、高温の排ガスがＳＣＲ６に流入されることが無いため、添加弁７よりＳＣＲ６に添加される尿素やアンモニアの分解やＳＣＲ６自体の劣化を防止することもできる。

さらに、蓄熱用プレート１８上に２つの成形体２３と空気流路２４とを設けると共に、各成形体２３の上部空間をアンモニア流路２９として形成したので、成形体２３と空気流路２４とアンモニア流路２９とが互いに密接するようになる。これにより、反応器１１の小型化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、化学蓄熱材としてＣａＣｌ_２が含有された成形体２３を用いたが、特にこれには限定されず、例えば粉末状の化学蓄熱材を用いても良い。

また、化学蓄熱材としては、ＣａＣｌ_２の他、ＭｇＣｌ_２、ＮｉＣｌ_２、ＺｎＣｌ_２、ＳｒＣｌ_２等、他の反応材が含有されたものを用いることもできる。このとき、化学蓄熱材としては、何れかの反応材そのものを用いても良いし、何れかの反応材が含有されたものを用いても良い。なお、反応材または成形体の種類によっては、融解温度が６００℃以下とあることもあるが、反応器１１の冷却作用により反応材または成形体の融解を防止することができる。

また、上記実施形態では、反応器１１の蓄熱用プレート１８に２つの直角三角形状の成形体２３を設ける構造としたが、１枚の蓄熱用プレート１８に設ける成形体２３の数としては、１つ又は３つ以上でも良いし、また成形体２３の形状としては、円形状や四角形状等であっても良い。

さらに、上記実施形態では、空気流路２４を蓄熱用プレート１８の対角線に沿って延びるように設けたが、空気流路２４を蓄熱用プレート１８の長手方向に対して平行または垂直に延びるように設けても良い。また、空気流路２４の形状としては、特に一直線状には限られず、波状やＵ字状等であっても良い。さらに、蓄熱用プレート１８の形状としては、特に矩形状には限られず、正方形状や円形状等であっても良い。その他、反応器１１の構造等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

２…エンジン（内燃機関）、３…排気通路（排気系）、４…ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、６…選択還元触媒（ＳＣＲ）、１０…蓄熱装置、１１…反応器、１３…媒体用タンク、１４…冷却ファン（冷却手段）、１８…蓄熱用プレート、１９…熱交換用プレート、２２…排ガス流通部、２３…成形体（化学蓄熱材）、２４…空気流路（冷却手段）、２９…アンモニア流路、３３…制御部（冷却手段）、３４…ファン駆動部（冷却手段）。

Claims (5)

1. アンモニアと化学反応して熱を発生させる化学蓄熱材を有する反応器と、
   前記反応器と接続され、前記アンモニアを貯留するタンクと、
   前記反応器を空気により冷却する冷却手段とを備え、
   前記反応器は、積層された複数枚のプレートを更に有し、
   前記化学蓄熱材は、前記プレート上に配置されており、
   前記冷却手段は、前記プレート上に設けられ、前記空気を流すための空気流路を有し、
   前記反応器には、前記アンモニアを前記化学蓄熱材に接するように流すためのアンモニア流路が形成されていることを特徴とする蓄熱装置。
2. 内燃機関の排気系に設けられた触媒を暖機する請求項１記載の蓄熱装置において、
   前記反応器は、前記排気系における前記触媒の上流側に配置されており、
   前記複数枚のプレートは、前記内燃機関からの排ガスを通過させる排ガス流通部を形成するように積層されていることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
3. 前記化学蓄熱材は、前記プレート上に前記空気流路を挟むように配置されており、
   前記アンモニア流路は、前記アンモニアを前記化学蓄熱材の表面に沿って前記空気流路を横切って流すように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蓄熱装置。
4. 前記冷却手段は、前記空気を前記空気流路に流入させる冷却ファンと、前記反応器の温度が前記アンモニアの分解温度よりも低くなるように前記冷却ファンの作動を制御する手段とを更に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蓄熱装置。
5. 前記反応器を冷却する空気は圧縮空気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の蓄熱装置。

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