JPH08500875A - 排気ガス予熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低温スタートした内燃機関からの排気ガスが、急速に触媒燃焼状態にもたらされるシステムおよび方法が提供されている。低圧金属水化物熱交換器および高圧金属水化物熱交換器の閉システムが設けられていて、それが、エンジン点火のとき、水素吸蔵による低圧合金の急速加熱によって、高圧合金交換器から低圧合金交換器への水素の流入を行なう、そしてさらに、加熱した低圧水化物合金交換器が、低温スタートしたエンジン排気ガスまたは車両触媒コンバーターと熱交換関係にあり、そして前記排気ガス内の汚染物の触媒燃焼開始に必要な熱を与えるように対策がとられている。

Description

【発明の詳細な説明】 排気ガス予熱システム 発明の背景 発明の分野 本発明は、金属水化物加熱システムによる内燃機関排気ガスの急速予熱方法お よび装置に関する。好ましい実施例では、本発明は、エンジン排気ガスの急速予 熱および自動車内部の急速冷却またはエアーコンディショニング（空調）の双方 を提供する。 従来技術の説明 現在、自動車の多くの内燃機関は、エンジン排気ガスを浄化する触媒コンバー ターを装備している。この目的のために現在使用されているほとんどすべての触 媒は、それが十分な高温度に維持されているときのみ実際に満足できる程度まで その能力を発揮する。エンジンが標準状態で作動している間、排気ガス温度は、 触媒コンバーター内の触媒を十分に有効に働かせるのに十分高い。しかしながら 、触媒は、エンジンの低温スタート直後の数分間のように、排気ガス温度が比較 的低いときには満足に働くことができない。したがって、エンジンスタート後、 出来る限り早く触媒を有効に作用させるため、触媒コンバーターまたはエンジン に、触媒コンバーター内の触媒のウォーミングアップを促進するウォーミングア ップ手段を設ける必要がある。 自動車触媒コンバーターの今までに提案されたウォーミングアップ手段の実際 の実施例として、触媒コンバーターへの排気ガス供給量を増加する意図をもって 絞り弁の開度をわずかに増加し、かつ同時に排気ガス温度を上昇するため点火時 期をわずかに遅らせることによって、低温スタート直後のエンジン空転の間に触 媒のウォーミングアップを促進するように構成されているシステムがある。通常 、このシステムにおける絞り弁開放装置および点火時期遅延装置は双方とも、ダ イアフラムの一方側に規定（形成）されている真空チャンバーを備えた可撓性ダ イアフラムを有している真空作動タイプであり、そしてこれ等の２つの装置は、 吸 気マニホルド内に生じた真空が、２つの装置に同時に加えることができるように 、絞り弁の下流部分における吸気通路に個々に接続されている。エンジンの標準 運転中、これ等の２つの装置の真空通路に空気を入れ、かつエンジンが空転して おり、そしてエンジンまたはエンジン冷却水の温度が所定の温度以下である間、 空気の進入を妨げるため電磁弁が使用されている。 しかしながら、このウォーミングアップシステムの実際の作動では、電磁弁が ２つの装置への同時真空付加を行なうが、量産の際の品質のばらつきおよび経年 変化による劣化度の変化に帰因するこれ等の２つの装置間の作動特性の不可避的 な相違のため、絞り弁開放装置および点火時期遅延装置はしばしば、同時に作動 しない。たとえば、真空作動装置のダイアフラム材料として使用される合成ゴム は、時間の経過と共に硬さの変化を受け易く、そしてその変化率は、加工処理条 件、環境温度等のような種々の要因によってかなり変りやすい。したがって、点 火時間遅延装置が絞り弁開放装置よりも早く作動し、エンジンを停止させるまた は不安定となる可能性が大いにある。また、絞り弁開放装置の作動が点火時期遅 延装置の作動に先行することも起り得る。このシーケンスはタイムラグ（遅れ） が十分に小さい限り、むしろ好都合であるが、しかしタイムラグが大きすぎると 、騒音の増大と共に、エンジン速度の望ましくない増加を生ずる。エンジンが所 定の温度までウォーミングアップされているとき、および／またはトランスミッ ションのギヤー装置がニュートラル位置からシフトされるとき、２つの装置の同 時反応、または絞り弁開放装置のわずかに早い反応が望ましいが、２つの真空作 動装置が同時に不作動となるか、あるいはそれ等のいづれかが他方に先行して不 作動となるかどうかは、確かではない。 米国特許第４，３８８，８０３号は、上記の欠点を克服するように設計された 複雑な装置を提供している。 米国特許第４，９２８，４８５号および第５、１１８，４７５号は、エンジン スタートのとき低温の排気に接触する前の、内燃機関・触媒コンバーターの電気 的加熱を提供している。 スタートの際にエンジン排気ガスの急速予熱を提供しようとする上記のような 努力は、急速ガス予熱エンジンスタートによる汚染減少という望ましい目標にも 不拘、提案された装置の費用および複雑化のため、全く成功していない。 より新しい科学技術が発生してきた、それによると多量の水素を吸蔵する金属 水化物（金属水素化合物）が、種々の加熱および冷却装置に使用するため提案さ れている。たとえば、米国特許第３０，８４０号、第４，０３９，０２３号、第 ４，０４４，８１９号、第４，１１１，００２号、第４，１６１，２１１号、第 ４，１７８，９８７号、第４，１８８，７９５号、第４，２００，１４４号、第 ４，２６２，７３９号、第４，３７２，３７６号、第４，４０２，９１５号、第 ４，４０９，７９９号、第４，４２２，５００号、第４，４３６，５３９号、第 ４，５２３，６３５号、第４，５８９，４７９号、第４，５９９，８６７号、第 ４，９２８，４９６号、第４，９３９，９０２号、第４，９９５，２３５号およ び５，０４８，２９９号参照。 米国特許第４，３８５，７２６号は、内燃機関車両に関する低温および高温貯 蔵器水化物形成材料の使用について記載している。エンジンスタートの際に高温 貯蔵器内で発生した熱は、エンジン冷却水または乗客室を温めるのに使用される 。運転中のエンジン排気熱は、高温貯蔵器から水素を吸収するのに使用され、そ してそれを低温貯蔵器に転移する。 米国特許第４，９３９，９０２号および第５，０４８，２９９号は、自動車の 空調に有用である金属水化物合金システムに関連している。 米国特許第４，３９６，１１４号は、金属水化物合金熱交換手段に関連してい る。 発明の簡単な説明 本発明によれば、内燃機関の排気ガス内の望ましくない成分の触媒燃焼をエン ジンスタートの際に急速に起すことができる改良された方法および装置が提供さ れる。特定的に、水素を吸蔵する少くとも２つの合金から成っており、そして異 なる条件において水素を放出する閉（closed）金属水化物手段が提供される、こ の水化物システムは、内燃機関および／またはそれに関連した触媒コンバーター からの排気ガスと直接熱交換関係にあり、そしてエンジンスタートのとき、触媒 コンバーター内の排気不純物のほとんど時間的完全燃焼を生ずるのに十分高い温 度に、排気ガスおよび／または触媒コンバーターを急速に加熱するようになって いる。特に好ましい実施例では、水化物システムはまた、自動車の内部空気と熱 交換関係にあり、そしてこの内部空気を、同時にまたは排気ガスおよび／または 触媒コンバーターが予想された後、有効に急冷する。 図面の簡単な説明 添付した図１〜４は、本発明の種々の実施例を概略的に示している。 図５は、適切な対の金属水化物合金のバントホフプロットを示している。 図６は、本発明の実施に有用なモジュール熱交換器組立体を分解図で例示して いる。 図６ａは、図６の組立てたモジュール熱交換器を例示している。 図７は、図６の組立体および金属水化物合金を含む管状要素の接続の詳細図を 例示している。 詳細な説明 本発明によれば、閉（closed）金属水化物加熱システムは、内燃機関の排気ガ スおよび／または触媒コンバーターと熱交換関係に提供されている。この金属水 化物加熱システムは、本質的に、たとえば室温において少くとも１０ポンド／平 方インチ（絶対）の高水素圧力を特徴とする低温高圧金属水化物合金と、３００ ないし４００℃において低水素圧力を特徴とする高温低圧金属水化物合金とより 成っている。低および高圧水化物合金は、管状コイルのような適切な手段内に位 置づけされ、かつ導管によって接続され、その導管を通り、１方の合金から放出 された水素が、可逆的に流れ、そして他方の金属に吸蔵される。運転中に必要な 水素の通過を可能にするため、弁手段が設けられている。 低圧金属水化物合金は、内燃機関排気ガスおよび／または触媒コンバーターと 直接熱交換関係にあり、一方高圧金属水化物合金は、車両の外側からの周囲空気 または車両内部空気と直接熱交換関係にある。 作動において、車両の点火キーがオンに回されたとき、水素導管内の弁手段が 開いて、１方の金属水化物合金から他方への水素の通過を可能にする。水素は即 時、高圧金属水化物金属から放出され、そして導管を通り、水素が急速に吸蔵さ れる低圧合金に流れ、直ちに熱を放出し、そして、たとえば、周囲温度から３５ ０°位に数秒間で、急激に温度を上昇する。低温でスタートしたエンジンからの 排気ガスは、加熱された低圧合金と熱交換関係に送られ、そして触媒コンバータ ー内の不純物の完全燃焼に十分な高温まで急速に加熱される。あるいはまた、加 熱された低圧合金は、触媒コンバーターを完全燃焼温度まで直接加熱するのに使 用できる。 高圧金属水化物合金は、水素がそれから放出され、そして低圧合金に送られる とき急速冷却を受ける。特に好ましい実施では、車両内部空気は、冷却した高圧 金属水化物金属と熱交換関係に循環される、したがって、所望により、直接空調 効果を提供する。 短時間運転後、エンジンからの排気ガス温度は、標準の高い運転レベルまで上 昇する。したがって、排気ガスは、低圧金属水化物合金に熱を与え、その合金を 、低圧力金属水化物合金から、再び水素導管を通り、高圧金属水化物合金に再補 給させる。 本発明の種々の実施例が実施可能であり、そして添付の図１〜４に概略的に例 示されている。 図１に、本発明の実施が例示されており、この場合には、エンジンの排気ガス は、排気ガスが触媒コンバーターを通過する前に、加熱した低圧合金との熱交換 によって予熱される。 図２に、本発明の実施が例示されている、この場合には、低圧合金は、直接触 媒コンバーターに関連しており、そしてそれに熱を与え、かつ排気ガスはコンバ ーターとの接触によって加熱される。 図３は本発明の実施を例示しており、この場合には、排気ガス予熱および初期 の車両空気の空調の双方が達成される。 図４は本発明の実施モードを例示しており、この場合には、排気ガス予熱およ び、それに続く連続車両の空調の双方が達成される。 図１を参照すると、本発明の実施が概略的に示されている、この場合には、低 温のエンジン排気ガスは、触媒コンバーターに送られる前に予熱される。図１に 、排気ガスマニホルド２を有している内燃機関１が示されている。管状熱伝導手 段４の中に密封された低圧金属水化物合金を中に位置づけした熱交換ゾーン３が 設けられている。管状熱伝導手段８内に密封された高圧金属水化物金属を中に位 置 づけした熱伝導ゾーン７とゾーン３との間のソレノイド弁６が開位置にあるとき 、水素の通過を可能にする水素導管５が設けられている。従来の触媒コンバータ ー９がゾーン１０内に設けられている。 作動において、点火キーがオンに回されたとき、点火がオフのとき閉位置にあ る弁６が開かれるように、弁６は車両点火システムに作動的に接続されている。 熱交換器８内の高圧金属水化物合金が、即時に水素を除去すると、その結果、急 激に温度低下をする。水素は、高圧合金から導管５を経て開弁６を通り交換器４ 内の低圧合金へ、密封水化物システム内を流れる。水素は低圧合金に吸蔵されて 、非常に急速な温度上昇を生ずる。エンジン１のスタートの際に、低温の、汚染 物を含む排気ガスが、マニホルド２および導管１４を経てゾーン３に送られる、 この場合にガスは、好ましくは管状コイルまたは他の適した形状である低圧金属 合金交換器４と熱交換関係に送られる。排気ガスは、ほとんど即時に、ゾーン３ 内で、触媒コンバーターの変換状態に加熱され、そして導管１５を経て触媒コン バーター９に送られる、この場合に、排気ガスの有害な成分は、従来の方法で変 換される。触媒変換ゾーン１０からの排気は、排気管１１を経て大気に送られる 。 周囲の空気は、導管１２およびファン１３によってゾーン７に送られ、そして 管状コイル熱交換器８内に蓄積された高圧金属水化物合金からの水素ガス放出を 続けるのに必要である熱を与える、この空気は、高圧合金熱交換器８と熱交換関 係に送られる。 高圧合金から低圧合金への水素の転移は、一般的に２分以下、通常１分以下で 終了する、そしてそれから好ましくは、高圧水化物合金ゾーンから低圧合金ゾー ンへの水素の転移を可能にする弁手段６が、適切なタイミング手段または他の手 段によって閉じられる。図１に記されたような特に好ましい実施では、導管１６ および一方向弁手段１７は、標準エンジン運転中、低圧金属水化物合金から脱離 される水素は、導管１６および一方向弁または逆止弁１７を経てゾーン８に再び 送られる、その場合に、水素は高圧金属水化物合金に吸蔵され、そしてエンジン が次の低温スタートするまで、それに貯えられる。このシステムを導管１６およ び一方向弁手段１７なしで作動することも可能である、その場合には、弁６は点 火がオフになるまで開いたままであり、脱離した水素は、標準エンジン運転中に 、 導管５を経て熱交換器４から交換器８に戻る。 図２では、低圧金属水化物合金が、触媒コンバーターの全部分を形成し、そし て水素吸蔵のとき、金属水化物合金が、排気ガス内の有害成分の燃焼に十分な温 度まで触媒コンバーターを直接加熱することを除き、図２は図１に示された配置 に類似の配置を概略的に示している。 図２を参照すると、導管３４を経て加熱および触媒変換ゾーン２３に通じてい る排気マニホルド２２を有している内燃機関２１が設けられている。ゾーン２３ 内に、触媒コンバーター手段と直接熱交換関係にある低圧水化物合金が設けられ ている。図２に示されているように、管状コイル２４は、低圧水化物合金を含む 管状コイル熱交換器を表わしており、管状コイルは、その外表面と、排気ガス汚 染物成分の触媒燃焼に有効である従来の触媒でコートされている。特に好ましい 実施では、管状コイル２４は、アルミナスラリー液を塗布し、次に加熱するよう な公知の手段によってアルミナをコートされ、そしてプラチナまたはパラジウム のような触媒がアルミナ上に含浸されて、触媒をコートした熱交換器を提供する 。他の方法として（図示せず）、低圧金属水化物熱交換器は、通常使用されてい るタイプのセラミック触媒コンバーター内に構造的に組み込まれることができる 。 ソレノイド弁２６が開位置にあるとき、熱伝導手段２８内に密封された高圧金 属水化物合金を中に位置づけした熱交換器ゾーン２７と、加熱および触媒変換ゾ ーン２３との間に水素の通過を可能にする水素導管２５が設けられている。 作動において、点火キーがオンに回されたとき、点火がオフであるとき閉位置 にある弁２６が開かれるように、弁２６は車両点火システムに作動的に接続され ている。管状熱交換器２８内の高圧金属水化物合金は直ちに水素を除去し、その 結果、急激に温度を低下する。水素は、高圧合金から導管２５を経て開いた弁２ ６を通り交換器２４内の低圧合金に流れる。水素は低圧合金に吸蔵されて、合金 およびそれに関連した触媒コンバーターの温度を急上昇させる。エンジン２１の スタートのとき、低温の、汚染物を含む排気ガスは、マニホルド２２および導管 ３４を経て、触媒変換ゾーン２３に送られる、その場合に、ガスは交換器２４と の接触によって変換温度まで加熱される、そしてその中に含まれる汚染物は触媒 作用により燃焼される。ゾーン２３からの排気ガスは、導管３５を経て大気に送 られる。周囲の空気は、導管３２およびファン３３によってゾーン２７に送られ 、そして高圧金属水化物合金から水素ガス枚出を続けるのに必要な熱を与える。 高圧合金から低圧合金への水素転移は、一般的に２分間で終了するが、しかし 、より長い時間熱を与えるように設計できる。 短時間の運転後、エンジン排気ガスは、規定の高温度に達し、そしてゾーン２ ３内の低圧水化物合金を加熱して、合金から水素を除去し、そして水素の流れは 、導管２５および弁２６を通り、再び高圧水化物合金変換器２８に戻され、そこ に水素は吸蔵される。吸蔵熱は、導管３２およびファン３３によってゾーン２７ 内に導入される空気との間接交換により除去される。高圧合金の再補給は、エン ジン点火がオフとなり、ソレノイド弁２６が閉じるまで続けることができる、そ の場合にシステムは、エンジンの次の低温スタートの準備がされる。 あるいはまた、図１で説明したのと同じように、導管および一方向弁手段を使 用することができる。 図３は、水素を高圧水化物合金から低圧水化物合金に送るのに必要な熱が、循 環する車両内部の空気との間接的熱交換によって与えられる、したがって車両内 の直接空調効果を与えること除いて、図１で説明したのと非常に類似している本 発明の実施を表わしている。 図３に示した実施例では、高圧金属水化物熱交換器を加熱するのに使用される 熱は、循環する車両内部空気である。高圧金属水化物合金交換器を通る循環内部 空気効果は、車両エンジンがスタートした直後、この空気を急速に冷却すること である。明らかに、空調は、すべての気象状態に望ましい訳ではない、したがっ て車両の空調の必要性に応じて車両内外の空気流を調節するため、サーモスタッ ト手段が設けられる。本発明のこのシステムの特徴は、エンジン排気ガスが加熱 され、それ等の排気ガスの標準運転温度に達し、そして低圧金属水化物合金から 高圧金属水化物合金への水素流の戻りを生ずるまで、空調作用が比較的短い時間 だけ続くことである。この点に達すると、高圧交換器はもはや、それと熱交換器 関係にある空気を冷却する機能を果さない。そして大気への空気放散のためのサ ーモスタット手段が設けられている。しかしながら、この作動は、それが低温排 気ガスの実質的に即時の予熱を行なうのみならず、車両内部の実質的に即時の冷 却を行なうという点で、ある条件の下では極めて有利であることは理解されるで あろう。この後者の特徴は、たとえば、車両が、直射日光の中に長時間停車して いる状態においては極めて望ましいことである。 図３を参照すると、排気ガスマニホルド４２を有している内燃機関４１が設け られている。管状熱伝導手段４４内に密封された低圧金属水化物合金を中に位置 づけした熱交換ゾーン４３が設けられている。ソレノイド弁４６が開位置にある とき、管状熱伝導手段４８内に密封された高圧金属水化物合金を中に位置づけし た熱伝導ゾーン４７と、ゾーン４３との間に水素の通過を可能にする水素導管４ ５が設けられている。従来の触媒コンバーター４９がゾーン５０内に設けられて いる。 作動において、弁４６は、点火キーがオンに回されたとき、点火がオフのとき 閉位置にある弁４６が開くように、車両点火システムに作動的に接続されている 。熱交換器４８内の高圧金属水化物合金は、即時に水素を除去し、その結果、急 激に温度を低下する。水素は、密封した水化物システム内を高圧合金から導管４ ５を経て開いた弁４６を通り交換器４４内に位置づけされた低圧合金に流れる。 水素は低圧合金に吸蔵されて、非常に急速な温度上昇を生ずる。エンジン４１の スタートのとき、低温の、汚染物を含む排気ガスは、マニホルド４２および導管 ５４を通りゾーン４３に送られる、その場合に、ガスは、好ましくは管状コイル または他の適した形状である低圧金属合金交換器４４と熱交換関係に送られる。 排気ガスは、ゾーン４３内で、触媒コンバーター変換状態までほとんど瞬間的に 加熱され、そして導管５５を経て、ゾーン５０内の触媒コンバーター４９に送ら れる、その場合に排気ガスの有害な成分は、従来の方法で変換される。触媒変換 ゾーン５０からの排気は、排気管５１を経て大気に送られる。 車両の内部空気は、導管５２およびファン５３によってゾーン４７に送られ、 そして熱交換器４８内に蓄積された高圧金属水化物合金からの水素ガスの放出を 続けるのに必要な熱を与える、内部空気は、高圧合金交換器４８と熱交換関係に 送られる。内部空気はこの熱交換によって冷却され、そして導管５６を経て車両 内部に循環して、車両の空調を行なう。 高圧合金から低圧合金への水素の転移は、一般的に２分間で終了するが、しか しそれよりも長時間熱を加えるように設計することもできる。 短時間の運転後、エンジン排気ガスは標準の高温度に達し、そしてゾーン４３ 内の低圧水化物合金を加熱し、合金から水素を除去せしめ、そして水素の流れは 、導管４５および弁４６を通り高圧水化物合金交換器４８に戻り、そこに水素は 吸蔵される。この点において、適切な手段により、循環する車両内部空気よりも むしろ周囲の空気が、導管５２を経てゾーン４７に送られる。吸蔵熱は、導管５ ２およびファン５３によりゾーン４７内に導入された周囲の空気との間接的交換 により除去される。高圧合金の再補給は、エンジン点火がオフになり、ソレノイ ド弁４６を閉じるまで続けることができる、その場合に、エンジンが次の低温ス タートをしたとき、そのシステムの準備がされる。 あるいはまた、導管および一方向弁手段が、図１に示されたのと同様に使用で きる。 図４は、本発明の実施を概略的に示している、この場合には、低温エンジンス タートのときの急速排気ガス予熱、並びに連続車両内部空調の双方が行なわれる 。この実施例では、２対の金属水化物合金熱交換器が使用される。 図４を参照すると、排気ガスマニホルド６２を有する内燃機関６１が設けられ ている。２つの別々の閉（closed）金属水化物合金熱交換器システムが設けられ ており、各々が、適切なソレノイド弁手段を有している水素導管によって接続さ れた低圧金属水化物合金交換器および高圧金属水化物合金交換器より成っている 。 図４では、１つの交換器システムは、ソレノイド弁６６を有している導管６５ を経て、熱交換ゾーン６８内の管状低圧金属水化物合金交換器６７に接続された 熱交換ゾーン６４内の高圧管状金属水化物合金交換器６３を含む。第２のシステ ムは、ソレノイド弁７２を有している導管７１を経て、熱交換ゾーン７４内の管 状低圧金属水化物合金交換器７３に接続された熱交換ゾーン７０内の管状高圧金 属水化物合金交換器６９を含む。触媒コンバーター７５は触媒変換ゾーン７６内 に設けられている。以下に説明するような、適切なファンおよび弁手段が設けら れており、弁８１ないし９１は、対応する導管を通り流れるガスを調節するよう になっている適切なゲート弁である。 内燃機関６１を低温スタートする前に、高圧金属水化物合金交換器６３および ６９が水素で完全に満たされ、ソレノイド弁６６および７２は、ゲート弁８１な いし９６と同様に閉じられる。エンジン点火キーがオンに回されると、ソレノイ ド弁６６が開き、水素ガスを交換器６３から導管６５を経て交換器６７に流れる のを可能にする、その場合に、水素が吸蔵されて交換器６７内の温度を急上昇さ せる。同時に、ゲート弁８４および９２が開き、エンジン排気ガスを導管１０１ および１０２を経て、熱交換ゾーン６８に送ることができる、その場合に、ガス は、導管１０３および１０４を経てゾーン７６に送られる前に、管状コイル６７ との熱交換によって触媒コンバーター反応温度まで加熱される、その場合に、汚 染物は触媒作用によりコンバーター７５内で燃焼され、導管１０５を経て排気ガ スは出て行く。 同時に、ゲート弁８２および９０が開き、周囲の空気を導管１０６を経てゾー ン６４に流入可能にし、それによって高圧金属水化物合金変換器６３に熱を与え 、それから変換器６７への水素放出を終了する。周囲の空気は、ゾーン６４から 導管１０７および１０８を経て、大気に送られる。 約２分程度後、この加熱および水素転移プロセスが終了し、そしてソレノイド 弁６６が閉じ、一方ソレノイド弁７２が開く。またゲート弁８４、９２、８２お よび９０が閉じ、一方ゲート弁８５、９３、８７および９５が開く。これによっ て、高圧管状交換器６９から低圧管状交換器７３への水素の流れを生じ、排気ガ スは、導管１０１および１０９を経てゾーン７４に送られ、その場合に、排気ガ スは予熱され、したがって導管１１０および１０４を経て触媒コンバーターゾー ン７６に送られる、その場合に排気ガスは、導管１０５を経て大気に送られる前 に、燃焼される。 同時に、周囲の空気は、導管１１１を経てゾーン７０に送られ、高圧水化物合 金交換器６９に熱を与え、それから導管１１２および１１３を経て大気に送られ る。 さらに２分程度後、ガスは、標準運転温度に達し、そしてシステムは、交換熱 源のためエンジン排気ガスを使用する空調システムとして使用されるので、エン ジン排気ガスの予熱はもはや必要としない。 空調モードでは、ソレノイド弁７２が開いて、導管７１を経て完全に満たされ た高圧金属水化物合金交換器６９と、低圧金属水化物合金交換器７３との間の水 素の流れを可能にする。同時に、ゲート弁８５、９３、８７、および９５が閉じ られ、そしてゲート弁８６、９４、８８および９６が開かれる。自動車内部空気 は、導管１１４を経てゾーン７０内に送られる、その場合に、空気は冷却され、 そして高圧金属水化物合金交換器６９に熱を与え、この交換器６９は、水素除去 により温度降下を受ける。冷却した内部空気は、導管１１５を経て車内に送られ る。周囲の空気は、導管１１６を経てゾーン７４に送られ、そして低圧金属水化 物合金交換器７３に接触し、そして交換器７３内の水素の吸蔵により発生した間 接熱交換器だけを除去する。この周囲空気は、導管１１７および１１３を経て大 気に送られる。 ゾーン７０が内部空気冷却を行なっている間、他の交換器対は、次の空調サー ビスのための適切な状態に回復されている。特定的に、ゲート弁８１、８９、８ ３および９１は閉じられ、ゲート弁８２、９０、８４および９２は開かれる。エ ンジン排気ガスは、導管１０１および１０２を経てゾーン６８に送られる、その 場合に、排気ガスは低圧金属水化物合金交換器６７に水素を除去する熱を与える 。排気ガスは、ゾーン６８から導管１０３および１０４を経て触媒変換ゾーン７ ６に送られ、それから導管１０５を経て大気に送られる。同時に、周囲の空気が 、導管１０６および１１８を経てゾーン６４に送られ、そこでこの空気は、間接 熱交換により、高圧水化物金属交換器６３から水素吸蔵熱を除去する。周囲の空 気は、導管１０７および１０８を経て大気に送られる。 交換器６９の冷却能力が？き、そして交換器６３の再生が終了したとき、シス テムは、逆にされる。特定的に、ゲート弁８２、９０、８４、９２、８６、９４ 、８８および９６が閉じられ、そしてゲート弁８１、８９、８３、９１、８５、 ９３、８７および９５が開かれる。水素は、高圧交換器６３から、導管６５を経 て低圧交換器６７に移され、内部空気は、導管１２１および１１８を経てゾーン ６４に送ることにより冷却され、そして車両内部を冷却するため、導管１１９を 経て排出される。吸蔵熱は、導管１２０を経てゾーン６８に導入され、導管１２ １および１０８を経て大気に排出される周囲の空気との交換によって交換器６７ から除去される。同時に、高温エンジン排気ガスが、導管１０９を経てゾーン４ に 送られ、そして導管１１０および１０４を経て触媒交換ゾーン７６に送られ、そ れから導管１０５を経て大気に送られる前に、交換器７４内の低圧水化物金属合 金から水素を除去する熱を与える。周囲の空気は、導管１１１を経てゾーン７０ に送られる、その場合に、空気は、導管１１２および１１３を経て大気に排出す る前に、交換器６９から吸蔵熱を除去する。 したがって、図４に示されたように、本発明の実施は、エンジンが低温スター トしたとき、エンジン排気ガスに即時予熱を与え、そして予熱がもはや必要がな くなった後、このシステムが機能して、車両内部の空調を連続的に行なうことは 理解できるであろう。 本発明に使用されている金属水化物合金システムは、周囲温度において非常に 低い水素圧力および３００ないし５００℃の範囲において、好ましくは５００℃ において１００絶対気圧以下、そして最も好ましくは５００℃において１０絶対 気圧以下のかなり低い水素圧力を特徴とする低圧金属水化物合金と、周囲温度に おいてかなり高い水素圧力、たとえば少くとも１０ポンド／平方インチ（絶対） 、そして好ましくは２０℃において少くとも１絶対気圧を特徴とする高圧金属水 化物合金とから成っている。 低圧金属水化物合金の実例は、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｇ2Ｃｕ、Ｍｇ2Ｎｉ、Ｐ ｄＺｒＮｉＭｍ等を含む、Ｍｍはミッシュメタルである。 高圧金属水化物合金の実例は、Ｖａ、ＮａＮｉ5-xＡｌｘ、ＭｎＮｉ5-xＡｌｘ 、ＣａＮｉ５、ＴｉＦｅ、Ｔｉ（Ｆｅ0,8Ｎｉ0,2）、Ｔｉ（Ｆｅ0.9Ｍｎ0.1）、 ＬａＮｉ4.9Ａ10.1等を含む。 適切な金属合金対の選択の際の重要な安全設計検討事項は、運転中のシステム 水素圧力が約１０００ポンド／平方インチ（ゲージ）を越えない、そして好まし くは１００ポンド／平方インチ（ゲージ）を越えないように保証することである 。また、合金の反応機構は使用される圧力において十分に早くなければならない 、そして低圧合金は、それが排気ガスまたはコンバーターを有効な触媒燃焼状態 にまで加熱するのに必要な熱蓄積能力を有するように高熱形成力を有していなけ ればならない。 添付の図５は、低圧合金としてＺｒＮｉＭｍと、高圧合金としてＬａＮｉ4.9 Ａ 10.1とから成っている合金対に対するバントホフのプロットを示している。本発 明による運転ゾーンは、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤによって規定されている。 本発明に使用される金属水化物合金熱交換器は、公知の手順および相対的配置 にしたがって作ることができる。特に好ましいシステムは、可撓性のスプリング または透過性の有機プラスチック部材で取り囲まれているコイル状チューブを含 み、内部チューブ面と外部スプリングまたはプラスチック部材表面との間の空間 は、たとえば、ゴルベン等の米国特許第４，３９６，１１４号に記載され、その 開示が参照により本願に組み込まれているような、金属水化物部材で詰められて いる。水素導管およびソレノイド弁手段によって互に接続されている金属水化物 合金を含んでいる従来のコイル状チューブが使用できる。使用の高温条件に耐え ることができる他の金属も使用できるが、インコネルがコイルに適した材料であ る。単一のコイルが使用される場合、約２０フィートまで、またはそれ以上のコ イル長さが一般的に有用であり、外径１／２インチまで、またはそれ以上を有し ているチューブを使用することができる。 使用できる新しい、特に有用なモジュールの熱交換器形状は、添付の図６、６ ａおよび７に例示されている形状である。 図６を参照すると、本発明による有用なモジュール組立体の分解図が例示され ており、これは、今まで知られているよりも小さい直径のチューブ取付に有用で ある。本発明の実施では、２つのモジュール熱交換器組立体より成っている図１ に示されたような密封システムが設けられており、それ等の各々が、図６、６ａ および７に示されたように、１方の組立体が、高圧金属水化物合金を含み、そし て他方の組立体が低圧金属水化物合金を含んでおり、２つのモジュール組立体は 、水素導管およびソレノイド弁手段によって互に接続されている。 各々のモジュール組立体に対して、広がった平たい端部２２８を有する入口導 管２２２が設けられている。端部２２８に隣接する内面は、仮想線で示された、 組立体の他の要素に接続するためのねじ２３０を含む。端部２２８の環状の半径 方向に延びている平らな端部表面２３２は、２２２の中心線に対して実質的に垂 直である平面を通り延びている。 ２つのねじを切った端部２４０、２４２と、チューブ壁を通り延びており、か つリングマニホルド２３８の周辺の周りに配置されている多数の開口２４４とを 有しているチューブ状要素を含む円筒状のリングマニホルド２３８が設けられて いる。開口２４４の各々は、マニホルド２３８の内側へのガス連絡を設えている 。ねじを切った端部２４０は、導管２２２の端部２２８の内面のねじ２３０に接 続するようになっており、そして以下に論述されているように、組立体のさらに 他の要素に接続するためのフレームを備えている。 リングマニホルド２３８は、有利には、グループの開口２４４を分離している 直立リブ２４６を含む。他方のねじを切った端部２４２は、組立体の他の要素の ための接続部を備えている。複数のモジュールリング要素２５０の各々は、リン グマニホルド２３８上を滑るようになっている。各々のリング要素２５０は、リ ングマニホルド２３８の外径よりもわずかに大きい内径を有している中心開口を 有している環状リングを含む。リング要素２５０は、外径面から内径面に要素２ ５０の周辺面を通り半径方向に延びている複数の開口２５４を有している。 各々のリング要素２５０は、それがリングマニホルドの開口２４４に重なる位 置に達するまで、リングマニホルド２３８上に嵌合できる。最適には、リング要 素２５０の各々の開口２５４は、開口２４４を含むリングマニホルド２３８の１ 部分上に配置される。この配置では、本質的に、マニホルド２３８の内径から、 開口２４４、２５４を通り、リング要素２５０の外径に幾分直接連絡していなけ ればならない。 各々のリング要素２５０はさらに、２つの半径方向に延びている面２５６、２ ５８を備えており、これ等の面の各々は、組立てたとき、装置の中心線に実質的 に垂直に配置されている。好ましくは、リング要素２５０の各々は、同じであり 、かつ互換性がある。複数のリング要素２５０を端と端を合せて配置すると、す なわち、１方のリングの各面２５６が、次の隣接するリングの隣接面２５８に置 かれると、積層環状リング２５０を有している円筒状のチューブを提供する。組 立てられたとき、リング要素２５０によって形成された円筒状のチューブは、リ ングマニホルド２３８上に重なる。 面２５６、２５８の間のリング要素２５０の軸線方向の幅は、所定の寸法であ る。リングマニホルド２３８が弁のねじ２３０にねじで取付けられ、そしてリン グ要素２５０がリングマニホルド２３８上に組立てられるとき、複数のリング要 素の積み重ねの最後のリング要素２５０を通り突出する実質的なねじ部分２４２ がある。ねじを切った、周辺の内面２６４を備えたチャンバー２６２を有してい る端部部片２６０は、リングマニホルド２３８に確実に取付けられる。リングマ ニホルド２３８のねじ２４２は面２６４の内ねじに一致する、したがって端部部 片をリングマニホルド２３８上にねじで取付けることが可能である。 端部部片２６０はまた、複数の積重ねたリング部材２５０の最後の面２５８と 共に延びている軸線方向の端の面２６８を有している半径方向に延びている、周 辺のフランジ部材２６６を有している。したがって、リングマニホルド２３８上 へのリング要素２５０の組立後、最初のリング要素２５０の面２５６は、平らな 端部面２３２に隣接し、対向している、そしてまた、他のリング要素２５０の壁 ２５６、２５８の各々は、互に隣接し、対向している。リングマニホルド２３８ のねじ２４２への端部部片２６０の回転および係合により、端部部片２５０の端 部面２６８を積重ね部分の最後のリング要素２５０の面２５８に対向し、隣接せ しめる。 端部部片２６０がリングマニホルド２３８にねじ込まれるにしたがって、面２ ６８は、軸線方向の圧力を、リング要素２５０の面２５８に、そしてさらに、リ ング要素の積重ね部分の各面２５６、２５８に加える。リング要素２５０から成 る円筒状のチューブの内側空間に対する気密な囲いを設けるために、ワッシャー またはＯ−リングのようなシーリング要素２６９が、各対の面２５６、２５８、 ２３２、２５６および２５８、２６８の間に配置される。シーリング要素２６９ は、各面２５６および図７に最もよく示された面２６８の周辺の溝２６７内に挿 入されてもよい。シーリング要素２６９は、シールを通り、水素を含むすべての ガスの通過をなくすため、相互の面を密封する３２１ステンレススチール（銀メ ッキした）のような柔らかい、押しつぶし可能な金属を含む。 図７は、リング要素２５０に接続されているいくつかの要素と共に、リング要 素２５０の１つの正面図を示している。図６、６ａおよび７を参照すると、チュ ーブ２７０はリング要素２５０に接続して示される。開口２５４の各々は、そこ を通りチューブ端部２７２を収容するようになっている。図７は２つのチューブ ２７０を示しており、そのチューブ２７０の端部は、同じモジュールリング要素 ２５０に配置されている隣接する開口２５４内に挿入されている。図７は、半径 方向の面２５６と、中心開口２５２とを有し、かつ例示の目的のために複数のチ ューブ２７０の中の２つのみに接続されているリング要素２５０を示している。 図６ａは、図６と同じ番号を有している組立てたモジュール交換器組立体を示 している。 フリュイドタイト（流体が漏れない）関係に開口２５４内に挿入されており、 かつリング要素２５０の周りに螺旋に延びている各チューブ２７０の端部２７２ が示されている。チューブ２７０の上方に向いた螺旋が、リング要素２５０から 最も遠くに離れた点に達したとき、螺旋は内方に向けられ、そしてリング要素２ ５０の方に、同じリング要素２５０上の他の開口２５４に戻る。製造および組立 を容易にするために、チューブ２７０は単一の平面に含まれておらず、チューブ の径路は、横方向に、すなわち図６の中心線によって規定されたような軸線方向 に沿ってシフト（移動）される、そして各チューブの他端２７２は、リング要素 ２５０上の異なる周辺方向および軸線方向位置にある開口２５４を通り挿入され る。 組立の際の便宜のため、開口２５４は、２列でリング要素２５０上の周辺方向 の径路に沿って配置された１２の等しい間隔をへだてた開口を含む。１方の列は 、チューブ２７０の外方に向けられた螺旋のすべてに接続され、そして開口２５ ４の他方の列は内方に向けられたチューブ端部２７２のすべてに接続される。開 口２５２の第２の列は、それ等が外方に向けられたチューブ端部２７２の後にあ るので、図７では見えない。 チューブ２７０の横方向の位置のシフトは、各チューブ２７０が、リング要素 ２５０から測定したときその外周に達すると、チューブ２７０が、もしそれ等が 同一平面にあれば、交差するので必要である。各々のチューブ２７０は同じ径路 を有しているが、異なる周辺方向のスタート点および終点（異なる平面内の連続 開口２５４において）を有しているので、１２のチューブ２７０の各々は、周辺 方向に３０゜だけオフセットしている。したがって、外周におけるチューブの交 差は回避される、そして最終形状は、重ねて配置されているチューブ２７０の層 を有する複数の巻き合せたチューブ２７０の単一組立体を構成するように見える 。 チューブ２７０は、例示的に、外径約０．３２ｃｍ（１／８インチ）を有し、 半径方向の肉厚約０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ）を有している、たとえば インコネルのような金属チューブを含む。これ等のパラメーターは、チューブ２ ７０を損傷せずに、３０００ポンド／平方インチまでの圧力のガスを入れること ができることが判明した。チューブ２７０の長さは、組立てたモジュール熱交換 ユニットの所望の最終寸法に応じて、任意の所望の長さであればよい。約２フィ ートの長さが、小型の熱交換ユニットに対し適切であり、そして、約１６．５１ ｃｍ（６．５インチ）の直径をもった本質的に円形形状を有しているすべてのチ ューブ２７０の外周を構成する。チューブ２７０に対する４フィートの長さは、 約２５．４ｃｍ（１０インチ）の周辺外形となる。約２０フィートまでの長さも 例示されている。 チューブ２７０は、同じ平面にあるのではなく、前述のように、わずかな距離 、シフトされる。しかしながら、チューブ２７０がシフトされる距離は、組立体 の周辺の外径に比べて小さい。実際に、すべてのチューブ２７０は、モジュール リング要素２５０の半径方向の壁２５６、２５８によって規定された平面と境を 接している空間内にある。 この形状は、チューブ２７０がリング要素２５０の開口２５４に接続された後 、積層に（スタック）モジュールリング要素２５０の組立を保障する。各モジュ ールリング要素２５０が全く同じであり、そしてチューブ２７０が隣接するモジ ュールリング要素２５０のチューブ２７０と干渉しない限り、チューブ２７０が 平面境界外にある他の形状も可能である。 また、チューブ２７０が螺旋以外の形状を有し、あるいは、実際に、各チュー ブ２７０の一端部２７２のみがリング要素２５０に接続されることも可能である 。しかしながら、図６、６ａおよび７に示された形状は、コンパクトさの観点か らも好ましく、かつまた、運転中、チューブ２７０およびシステムを通るガスの よりよい循環および移動を行なうのにも好ましい。 一般的に公知の実施によれば、金属水化物合金はチューブ２７０内に位置づけ される。好ましくは、米国特許第４，３９６，１１４号に記載されているように 、 水素ガス通過のための多孔性の可撓性管状手段、たとえば、チューブ２７０と同 軸のステンレススチールガータースプリング（garter spring）が設けられる。 スプリングの外面とチューブ２７０の内面との間の環状空間（スペース）は、適 切な金属水化物合金を詰められる。可撓性スプリング内の中心部分は、使用中、 水素のための通路を提供する。 上記のモジュール熱交換器組立体の特異な利点は、交換器が、最小サイクル時 間で極めて急速に作動することである。低圧金属水化物合金交換器と高圧金属水 化物合金交換器を接続しているソレノイド弁手段が開くと、高圧合金から低圧合 金への水素の瞬間的転移が行なわれる。この転移は、高圧合金のほとんど瞬間的 冷却および低圧合金の加熱、したがって低温エンジン排気ガスをほとんど即時に 、触媒変換温度にもたらすのに必要な低圧合金交換器の温度上昇によって達成さ れる。同様に、このサイクルは、高圧金属水化物交換器に補給するため、排気ガ スが低圧金属水化物交換器から再び水素の転移を行なう標準運転温度に達したと き、急速に反転される。 図１に示されたような本発明の実施では、低圧金属水化物合金を含む１つのモ ジュール組立体は、排気ガスが、触媒コンバーターに送られる前にモジュール組 立体のチューブ２７０と直接接触して送られるように、エンジン排気ガスと熱交 換関係に従来の手段により取付けられている。 低圧金属水化物合金を含むモジュール組立体は、周囲の空気がチューブ２７０ と直接熱交換接触して送られるゾーンに従来通りに取付けられている類似のモジ ュール組立体に、水素導管およびソレノイド弁手段によって接続されている。 水素導管および弁手段によって接続された２つのモジュール組立体は、図１に 関連して上記に説明したように、有効に機能する密閉システムを形成する。 類似のモジュール組立体対は、図２および３に関連して説明したように有効に 機能する。 図４に示した実施例では、各々の対が密閉システムを形成している２つのモジ ュール組立体対が使用される。 実例 図１に例示したような本発明の特定の実施では、管状コイルのインコネル低圧 金属水化物合金交換器より成っているシールしたシステムが設けられており、こ の交換器は、従来の触媒コンバーターを通りガスの通過前に、変換器コイルがエ ンジンからの排気ガスと直接熱交換するように取付けられる。前記低圧交換器と 閉関係にある管状コイルインコネル高圧金属水化物合金交換器は低圧交換器に近 接して取付けられているが、エンジン排気ラインの外部に取付けられている。高 圧交換器は、周囲の空気がそのチューブと直接熱交換接触して送られるように位 置づけされている。 各コイルのインコネル交換器は外径３／８インチを有し、長さ１４フィートで ある。 各管状交換器コイルに、外径０．１７５インチ、内径０．１インチのステンレ ススチールガータースプリングが取付けられている。 低圧金属水化物合金交換器を含むチューブの可撓性ガータースプリング中心部 分を、 ＺｒＮｉＭｍ低圧合金が囲んでおり、そして同様に、高圧金属合金交換器を含む チューブ内に取付けたガータースプリングを、ＬａＮｉ4.9Ａ10.1高圧金属水化 物合金が囲んでいる。 このシステムは最初に、２０℃において高圧金属水化物合金の水素圧力が５０ ポンド／平方インチ（絶対）であり、そして低圧金属水化物合金の水素圧力が０ ．００１ポンド／平方インチ（絶対）であるように、水素を装填されている。点 火キーがオンに回されたとき、合金交換器間の接続導管内のソレノイド弁が開き 、そして水素が即時に、高圧交換器から低圧交換器に流れる。５秒以内に、低圧 金属水化物合金交換器の温度は、水素の吸蔵により２０℃から約３５０℃に増加 する。同時に、高圧合金交換器の温度は、高圧合金の水素除去により２０℃から 約−１０℃に下降する。運転の初期中に、管状低圧交換器と熱交換接触して送ら れる排気ガスは、約２５０℃またはそれ以上の有効な触媒変換温度に加熱される 。同時に、周囲の空気が管状の高圧合金交換器と熱交換接触して送られ、高圧交 換器から低圧交換器への水素の転移のための熱を与える。 約２ないし４分の運転後、ソレノイド弁は閉じる。この時点で、エンジン排気 ガスは、約４００℃の標準運転温度に達し、低圧合金管状交換器を加熱するのに 使用されて、低圧金属水化物合金の水素除去を生ずる。水素は、一方向弁システ ムを経て、導管１６および一方向弁１７を通り高圧金属水化物合金交換器に送ら れ、その場合に水素が吸蔵される。この転移はエンジンが運転している間続く、 そして点火が止むと、システムは周囲温度にまで冷える、そして次の運転周期の ための準備状態にある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関と、エンジン排気ガス内に含まれた汚染物燃焼のための触媒コンバ ーター手段とを含む内燃機関動力車両システムにおいて、 低圧金属水化物合金熱交換器と、高圧金属水化物合金熱交換器との閉システム を含み、前記低圧金属水化物合金熱交換器が、エンジン排気ガスまたは触媒コン バーターと熱交換関係にあり、そして水素吸蔵のとき、排気汚染物の触媒燃焼に 必要な熱を与えるようになっており、そしてさらにエンジンスタートのとき、高 圧交換器から低圧交換器への水素の流れを行ない、そしてエンジン排気ガスが標 準の高い運転温度に達したとき、低圧交換器から高圧交換器への水素の流れを行 なう手段を含んでいることを特徴とする車両システム。 ２．循環車両内部空気が、エンジンスタートのとき、前記高圧交換器との間接熱 交換によって冷却される請求項１に記載の車両システム。 ３．前記低圧交換器が、前記触媒コンバーターと直接熱交換接触関係にある請求 項１に記載の車両システム。 ４．低圧金属水化物合金熱交換器および高圧金属水化物熱交換器の各々が、管状 の金属コイルを含む請求項１に記載の車両システム。 ５．低圧金属水化物合金熱交換器および高圧金属水化物熱交換器の各々が、管状 の金属コイルを含み、そして低圧金属水化物合金熱交換器が、コイルの外面上に コートされた汚染物変換触媒を有している請求項１に記載の車両システム。 ６．内燃機関と、エンジン排気ガス内に含まれる汚染物燃焼のための触媒コンバ ーター手段とを含む内燃機関動力車両システムにおいて、 複数の閉システムであって、各々が、低圧金属水化物合金熱交換器と、高圧金 属水化物合金熱交換器とを含み、交換器を接続している導管および弁手段を有し 、前記低圧金属水化物合金熱交換器の各々が、エンジン排気ガスと熱交換関係に あり、そして低圧金属水化物合金に水素の吸蔵のとき排気汚染物の触媒燃焼に必 要な熱を与えるようになっている複数の閉システムと、エンジンスタート後かつ エンジン排気ガスが標準運転温度に達する前に、各高圧交換器から対応する低圧 交換器に水素の流れを行なうための導管および弁手段と、エンジン排気ガスが標 準 運転温度に達した後、前記閉システムを用いて車両内部空気を冷却する弁および 導管手段であって、車両内部空気が、水素を除去された各閉システムの高圧金属 水化物合金熱交換器との間接熱交換によって冷却されるようになっている弁およ び導管手段と、水素を加熱した低圧金属水化物合金熱交換器から、対応する高圧 金属水化物合金熱交換器に転移するため、エンジン排気ガスとの間接熱交換によ って各閉システムの低圧金属水化物合金熱交換器を加熱する弁および導管手段と を含むことを特徴とする車両システム。 ７．複数の開口を通りマニホルド内にガスを分配する管状マニホルド手段と、前 記マニホルド上に嵌合するようになっている１またはそれ以上のリング要素であ って、その内面から外面に延びている複数の開口を有しているリング要素と、第 １の端部と第２の端部とを有しており、その各々が、同じリング要素内の開口を 通り、前記リング要素とガス・タイト（ガスが漏れない）シール関係に挿入され ている、金属水化物合金を含む管状手段と、前記リング要素を前記マニホルドに 取付ける手段と、前記チューブとマニホルド内部との間を除き、前記リング要素 をガス通路に対してシーリングする手段とを含むことを特徴とするモジュール熱 交換器。