WO2013047084A1 - 熱回収式加熱装置 - Google Patents

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WO2013047084A1
WO2013047084A1 PCT/JP2012/072172 JP2012072172W WO2013047084A1 WO 2013047084 A1 WO2013047084 A1 WO 2013047084A1 JP 2012072172 W JP2012072172 W JP 2012072172W WO 2013047084 A1 WO2013047084 A1 WO 2013047084A1
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ammonia
heat
heat recovery
heat storage
chemical
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PCT/JP2012/072172
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山内　崇史
志満津　孝
勉 品川
三田　修三
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株式会社豊田中央研究所
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Publication date
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a heat recovery type heating apparatus.
  • An engine lubrication device in which oil in an oil tank is supplied to various parts of an engine by a main pump, and oil in a heat storage tank is supplied to the periphery of a crankshaft by a sub pump (see Patent Document 1).
  • hot oil is stored in the oil tank. Since the hot oil in the heat storage tank is consumed when the engine is started, the hot oil in the oil tank is sent to the heat storage tank by the sub-pump and stored again in the heat storage tank in preparation for the next warm-up. .
  • the heat capacity around the crankshaft in an actual engine is very large, for example, 4 kJ / K for the shaft, 27 kJ / K for the engine block, and 0.26 kJ / K for the connecting rod.
  • the total amount of heat 1563kJ. Each is required.
  • the above-described conventional example suggests the storage of high-temperature oil after the completion of engine warm-up, but the sensible heat capacity of the oil is relatively small, and in order to store the amount of heat, a large amount of oil must be stored. Is required.
  • the present invention performs warm-up at the time of vehicle start-up quickly by a small and high-output heat storage system, and recovers excess heat present in the heat source in the vehicle after warm-up It aims to make it possible to prepare for warm-up.
  • the heat recovery heating device includes a chemical reaction between an ammonia buffer configured to be able to immobilize and desorb ammonia as a chemical reaction medium, and ammonia supplied from the ammonia buffer. And a chemical heat storage reactor provided with a chemical heat storage material that desorbs ammonia by excess heat from the heat source and returns it to the ammonia buffer.
  • ammonia desorbed from the ammonia buffer is supplied to the chemical heat storage reactor, and a chemical reaction between the ammonia and the chemical heat storage material (chemical heat storage reaction by coordination bond). Fever.
  • ammonia as the chemical reaction medium, it is possible to desorb ammonia from the ammonia buffer even under low temperature conditions such as below freezing.
  • the vehicle heating target can be heated and warmed up quickly.
  • ammonia is desorbed from the chemical heat storage material using the excess heat of the heat source that is present in large quantities in the vehicle. As a result, a large amount of surplus heat that could not be used conventionally can be used. Ammonia desorbed from the chemical heat storage material is returned to the ammonia buffer from the chemical heat storage reactor and immobilized again.
  • metal chloride is used as the chemical heat storage material in the heat recovery type heating device according to the first aspect.
  • the metal chloride is at least one of an alkali metal chloride, an alkaline earth metal chloride, and a transition metal chloride.
  • an alkali metal chloride an alkaline earth metal chloride
  • a transition metal chloride One type.
  • the chemical heat storage material at least one of alkali metal chloride, alkaline earth metal chloride, and transition metal chloride is used. Repeated operation becomes possible.
  • the alkali metal chloride is LiCl
  • the alkaline earth metal chloride is MgCl 2 , CaCl 2
  • It is at least one of SrCl 2 and BaCl 2
  • the transition metal chloride is at least one of MnCl 2 , CoCl 2 , and NiCl.
  • an ammonia adsorber is used as the ammonia buffer in the heat recovery heating device according to any one of the first to fourth aspects.
  • an ammonia adsorber is used as the ammonia buffer, so that the upper limit of the vapor pressure of ammonia can be controlled and high reactivity can be ensured.
  • a sixth aspect of the present invention is the heat recovery type heating apparatus according to the fifth aspect, wherein the ammonia adsorber is a flat plate type heat exchange reactor.
  • the ammonia adsorber is a flat plate type heat exchange type reactor, the heat transfer rate is minimized, and the adsorption and desorption reactions of ammonia are accelerated. Can do. For this reason, the high heat output in a chemical thermal storage reactor can be obtained.
  • the ammonia adsorber is filled with an ammonia adsorbing material.
  • ammonia can be fixed and desorbed by the ammonia adsorbent filled in the ammonia adsorber.
  • the ammonia adsorbent is a porous body having pores of 10 nm or less.
  • ammonia can be immobilized and desorbed using the porous body having the pores as the ammonia adsorbing material.
  • a ninth aspect of the present invention is the physical adsorption material according to the seventh aspect, wherein the ammonia adsorbent is a physical adsorbent having a primary particle size of 50 ⁇ m or less.
  • ammonia can be immobilized and desorbed using the physical adsorbent having the primary particle diameter as the ammonia adsorbent.
  • the chemical heat storage reactor is provided for warming up a component to be heated.
  • the heat recovery type heating apparatus it is possible to quickly warm up by heating the component to be heated by the heat generated by the chemical heat storage reactor.
  • the part to be heated is an engine element part.
  • the engine element parts can be quickly warmed up.
  • the engine element component is provided in a bearing portion of a crankshaft in the engine.
  • the bearing portion can be quickly moved without external heat supply when the engine is started. It is possible to warm up and reduce the viscosity of the oil in the bearing portion. By heating the bearing portion having a smaller heat capacity than that of the crankshaft, it is possible to improve the temperature raising efficiency per heat quantity. Further, after warming up, the heat of the bearing portion can be used to desorb ammonia from the chemical heat storage reactor and return it to the ammonia buffer.
  • a thirteenth aspect of the present invention is a steam generator in the heat recovery type heating apparatus according to the tenth aspect, wherein the heating target component steam-heats a battery mounted on a vehicle.
  • the heating target component provided with the chemical heat storage reactor is a steam generator
  • the heating target component provided with the chemical heat storage reactor is a steam generator
  • Water vapor can be generated.
  • this water vapor is applied to a vehicle battery under a cryogenic condition of, for example, about ⁇ 30 ° C.
  • condensation occurs due to the temperature difference.
  • the battery can be heated and warmed by the latent heat of condensation at this time.
  • heat transfer efficiency can be improved by utilizing the latent heat of water vapor.
  • the condensation temperature of water vapor becomes the upper limit of heating. Thereby, excessive heating can be suppressed and deterioration of the battery can be suppressed.
  • a fourteenth aspect of the present invention is the second ammonia buffer in the heat recovery type heating apparatus according to the tenth aspect, wherein the part to be heated generates ammonia by heating and supplies the ammonia to the catalyst for the diesel engine. .
  • the heating target component provided with the chemical heat storage reactor is a second ammonia buffer that generates ammonia by heating, in the chemical heat storage reactor, ammonia and the chemical heat storage material Using the heat generated by the coordination reaction, ammonia can be desorbed from the second ammonia buffer.
  • a fifteenth aspect of the present invention is the heat recovery type heating apparatus according to the fourteenth aspect, wherein the second ammonia buffer includes a second chemical heat storage reaction which is an ammonia supply source having a larger capacity than the second ammonia buffer. Is connected.
  • the remaining amount of ammonia in the second ammonia buffer is consumed and reduced by supplying ammonia to the catalyst.
  • the second ammonia buffer in which the remaining amount of ammonia is reduced can be supplemented by supplying ammonia from a larger-capacity second chemical heat storage reactor. For this reason, ammonia can be supplied to the catalyst at the time of starting the engine for a longer period of time.
  • the small and high-output heat storage system quickly warms up the vehicle at the time of starting the vehicle and, after warming up, serves as a heat source in the vehicle. An excellent effect is obtained that it is possible to recover the surplus heat present and prepare for the next warm-up.
  • thermoelectric heating device According to the heat recovery type heating device according to the second aspect, it is possible to obtain an excellent effect that stable and repeatable operation is possible.
  • thermoelectric heating device According to the heat recovery type heating device according to the fourth aspect, it is possible to obtain an excellent effect that stable and repeatable operation is possible.
  • the heat recovery type heating apparatus According to the heat recovery type heating apparatus according to the fifth aspect, an excellent effect is obtained that the upper limit of the vapor pressure of ammonia can be controlled and high reactivity can be ensured.
  • the heat recovery type heating apparatus it is possible to obtain an excellent effect that a high heat output in the chemical heat storage reactor can be obtained.
  • ammonia can be immobilized and desorbed using a porous body having pores as the ammonia adsorbing material.
  • the ammonia adsorbent can be immobilized and desorbed using the physical adsorbent having the above particle diameter as the ammonia adsorbent. It is done.
  • the heat recovery type heating apparatus According to the heat recovery type heating apparatus according to the tenth aspect, an excellent effect can be obtained in that the component to be heated can be heated quickly by the chemical heat storage reactor.
  • the crankshaft bearing portion can be quickly warmed up when the engine is started, and the oil viscosity of the bearing portion can be reduced. Is obtained.
  • the heat recovery heating device of the fifteenth aspect it is possible to obtain an excellent effect that ammonia can be supplied to the catalyst when starting the engine for a longer period of time.
  • FIGS. 1 to 3 relate to a first embodiment
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a heat recovery type heating device for warming up a bearing portion of a crankshaft in an engine. It is an expansion disassembled perspective view which shows the structure of a bearing part. It is a diagram which shows the analysis result in a test example.
  • 4 to 8 relate to the second embodiment
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a heat recovery type heating device and a battery. It is a sectional view typically showing a steam generator and a battery. It is a diagram which shows the relationship between time and heat output about a chemical thermal storage reactor. It is a diagram which shows the relationship between heating time and battery temperature.
  • the heat recovery type heating apparatus 10 includes an ammonia buffer 12 and a chemical heat storage reactor 14.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided in a bearing portion 22 of a crankshaft 18 in a vehicle engine 16.
  • This bearing portion 22 is an example of an engine element component as a component to be heated in a vehicle.
  • the ammonia buffer 12 is, for example, an ammonia adsorber configured to be able to fix and desorb ammonia as a chemical reaction medium, and is provided outside the engine 16.
  • This ammonia adsorber is, for example, a flat plate type heat exchange type reactor, and a flat plate-like ammonia adsorbent is filled in a multilayer (not shown).
  • the ammonia adsorbent is a porous body having pores of 10 nm or less, for example, and the primary particle diameter of the ammonia adsorbent is, for example, 50 ⁇ m or less.
  • the ammonia adsorbent for example, activated carbon, zeolite, silica gel, mesoporous silica and the like are suitable.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided with a chemical heat storage material 24, which generates heat due to a chemical reaction with ammonia supplied from the ammonia buffer 12, and desorbs ammonia by surplus heat from the heat source so that the ammonia buffer 12 It comes to return.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided, for example, in a plurality of bearing portions 22, and is connected to the ammonia buffer 12 by a pipe 26.
  • the pipe 26 is provided with a valve 28 for adjusting the amount of ammonia supplied from the ammonia buffer 12 to the chemical heat storage reactor 14.
  • the bearing portion 22 has a half structure of a base portion 32 integrally formed on the engine block side and a pressing member 34 fixed to the base portion 32.
  • the base portion 32 and the pressing member 34 are formed with a semi-cylindrical concave surface, and half-shaped bearing metals 36 and 38 are provided along the concave surface, respectively.
  • a pair of screw holes 32 ⁇ / b> A is formed in the base portion 32, and a through hole 34 ⁇ / b> A is formed at a position corresponding to the hole 32 ⁇ / b> A in the pressing member 34.
  • the crankshaft 18 is rotatably supported by the bearing portion 22 by passing a bolt 40 through the through-hole 34A and fastening it to the screw hole 32A of the base portion 32.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided in the bearing portion 22 at a position close to the concave surface of the pressing member 34, for example.
  • the chemical heat storage reactor 14 is configured by forming a chamber having a curved shape along the concave surface in the holding member 34 and filling the chamber with the chemical heat storage material 24.
  • metal chloride is used as the chemical heat storage material 24.
  • the metal chloride is at least one of an alkali metal chloride, an alkaline earth metal chloride, and a transition metal chloride.
  • the alkali metal chloride is LiCl.
  • the alkaline earth metal chloride is at least one of MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , and BaCl 2 .
  • the transition metal chloride is at least one of MnCl 2 , CoCl 2 , and NiCl.
  • a heat amount of 2.4 kJ can be output at 14 W per cc.
  • the volume of the chamber constituting the chemical heat storage reactor 14 is about 5 cc
  • the required volume of the ammonia adsorber constituting the ammonia buffer 12 is about 50 cc.
  • the volume is about 100 cc including the chamber, the ammonia adsorber and the pipe 26.
  • the heat recovery type heating apparatus 10 is provided in a pipe 26 between the ammonia buffer 12 and the chemical heat storage reactor 14 when the vehicle engine 16 is started under such conditions. Open the valve 28.
  • the ammonia adsorber constituting the ammonia buffer 12 is filled with an ammonia adsorbent, and ammonia, which is a chemical reaction medium, can be desorbed from the ammonia adsorbent even at a low temperature of about 0 ° C. Can do.
  • This ammonia is supplied through the pipe 26 to each chemical heat storage reactor 14 provided in the bearing portion 22 in the directions of arrows A and B. Specifically, about 3 atm (3039 hPa) of ammonia at 0 ° C. is supplied to the chemical heat storage reactor 14.
  • the chemical heat storage material 24 (chemical heat storage reactor 14) quickly generates heat by a chemical reaction (chemical heat storage reaction by coordination bond) between the ammonia and the chemical heat storage material 24 filled in the chemical heat storage reactor 14. Since the chemical heat storage reactor 14 is provided in the bearing portion 22 of the crankshaft 18 in the engine 16, the bearing portion 22 is quickly heated. Specifically, the temperature of the bearing portion 22 rises from 0 ° C. to about 30 ° C. within 1 minute, for example. The heat capacity of the bearing portion 22 is smaller than the heat capacity of the crankshaft 18 and is about 1/10. By heating the bearing portion 22, it is possible to improve the temperature raising efficiency per heat quantity.
  • the bearing 22 when the engine 16 is started, the bearing 22 can be quickly warmed up without supplying heat from the outside, and the viscosity of the oil in the bearing 22 can be reduced. Thereby, the friction between the crankshaft 18 and the bearing part 22 can be reduced.
  • the amount of ammonia supplied from the ammonia buffer 12 to the chemical heat storage reactor 14 can be controlled by the amount of ammonia held in the system composed of the ammonia buffer 12, the chemical heat storage reactor 14, and the pipe 26. It is closed at an appropriate timing after the temperature rises.
  • the temperature of the bearing portion 22 is, for example, about 70 ° C., and a large amount of surplus heat exists. Ammonia can be desorbed from the chemical heat storage material 24 using this surplus heat.
  • the valve 28 is opened. Then, the ammonia coordinated to the chemical heat storage material 24 is heated by the excess heat of the bearing portion 22 and desorbed from the chemical heat storage material 24. At this time, a part of the excess heat in the bearing portion 22 is recovered and stored as chemical energy.
  • Ammonia desorbed from the chemical heat storage material 24 returns to the ammonia buffer 12 in the directions of arrows C and D through the pipe 26 due to the pressure difference between the chemical heat storage reactor 14 and the ammonia buffer 12, and the ammonia buffer 12 It is fixed again on the ammonia adsorbent of an ammonia adsorber. By closing the valve 28 in this state, it is possible to prepare for the next warm-up. Thereafter, similarly, the warming-up of the bearing portion 22 and the heat recovery after the warming-up can be repeated.
  • high reactivity and a large heat storage density can be obtained by utilizing the coordination reaction heat between the chemical heat storage material 24 and ammonia.
  • the bearing portion 22 can be efficiently and quickly warmed up while having a volume of about 100 cc. Become. Therefore, the system can be reduced in size and output.
  • metal chloride at least one of alkali metal chloride, alkaline earth metal chloride, and transition metal chloride
  • the chemical heat storage material 24 stable and repetitive operation is possible.
  • ammonia adsorber Since an ammonia adsorber is used as the ammonia buffer 12, the upper limit of the vapor pressure of ammonia can be controlled and high reactivity can be ensured. Further, since the ammonia adsorber is a flat plate type heat exchange type reactor, the heat transfer rate can be minimized, and the rate of ammonia adsorption and desorption reactions can be increased. For this reason, high heat output in the chemical heat storage reactor 14 can be obtained.
  • Comparative Example 1 does not have a heating source for the bearing portion 22.
  • a 120 W electric heater (not shown) is inserted into the bearing portion 22 to locally heat the bearing metals 36 and 38 for 120 seconds to give the bearing portion 22 a heat quantity of 14.4 kJ. It is a thing.
  • the analysis conditions are as follows.
  • the packing density is 0.7 g / cc
  • the heat output is 14 W / g
  • the heat storage amount is 2.4 kJ / g.
  • the volume of the ammonia adsorber is 5 cc (2 cc, 8 cc). Therefore, when the volume of the ammonia adsorber is 5 cc, the heat storage amount of CaCl 2 is 8.4 kJ.
  • the heat storage amount of CaCl 2 is 3.4 kJ when the ammonia adsorber volume is 2 cc, and 13.4 kJ when the ammonia adsorber volume is 8 cc.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided in a steam generator 44 for steam heating a battery 42 mounted on a vehicle.
  • This battery 42 is an example of a component to be heated.
  • the chemical heat storage reactor 14 and the steam generator 44 have, for example, an integrated structure and are downsized.
  • Water 54 as an example of a heat medium is placed in the steam generator 44, and the steam generator 44 and the ammonia buffer 12 are connected by a pipe 26. Similar to the first embodiment, the pipe 26 is provided with a valve 28.
  • the battery 42 is a battery for driving a vehicle mounted on, for example, a hybrid vehicle (including a plug-in type) or an electric vehicle.
  • the battery 42 is provided in, for example, a condensing container 46.
  • the condensation container 46 and the steam generator 44 are connected by a pipe 48.
  • a pipe 50 for returning condensed water to the steam generator 44 is provided at the bottom of the condensing container 46. That is, the pipe 50 is connected to the steam generator 44 (not shown).
  • the battery 42 and the condensation container 46 may be stacked in layers. Further, the heat medium put in the steam generator 44 is not limited to water.
  • the chemical heat storage material 24 (chemical heat storage reactor 14) quickly generates heat by a chemical reaction (chemical heat storage reaction by coordination bond) between the ammonia and the chemical heat storage material 24 filled in the chemical heat storage reactor 14.
  • a chemical reaction chemical heat storage reaction by coordination bond
  • CaCl 2 as the chemical heat storage material 24
  • a heat output of 4 kW and a calorific value of 600 kJ can be generated, and the temperature can be raised by 30K. Since the chemical heat storage reactor 14 is provided in the steam generator 44, the water 54 can be evaporated by this heat to generate the water vapor 56.
  • the water vapor 56 flows in the direction of arrow E to the condensation container 46 through the pipe 48 and hits the battery 42 under a cryogenic condition. Then, condensation occurs in the water vapor 56 due to the temperature difference between the water vapor 56 and the battery 42. Due to the latent heat of condensation at this time, the battery 42 can be heated and warmed up without external heat supply. Thereby, the performance of the battery 42 under cryogenic conditions can be ensured.
  • the heat transfer efficiency can be improved.
  • the condensation temperature (for example, 60 ° C.) of the water vapor 56 becomes the upper limit of heating. Thereby, excessive heating can be suppressed and deterioration of the battery 42 can be suppressed.
  • the water 58 generated by the condensation is returned to the steam generator 44 in the direction of arrow F through the pipe 50 and reused for the generation of the water vapor 56 at the next warm-up.
  • ammonia is removed from the chemical heat storage material 24 by using surplus heat generated by electric system loss such as a motor, transaxle, reactor, IGBT (insulated gate bipolar transistor) mounted on the vehicle. Can be separated. At this time, a part of surplus heat is recovered and stored as chemical energy.
  • electric system loss such as a motor, transaxle, reactor, IGBT (insulated gate bipolar transistor) mounted on the vehicle. Can be separated. At this time, a part of surplus heat is recovered and stored as chemical energy.
  • the ammonia desorbed from the chemical heat storage material 24 returns to the ammonia buffer 12 in the direction of arrow D through the pipe 26 due to the pressure difference between the chemical heat storage reactor 14 and the ammonia buffer 12, and the ammonia that is the ammonia buffer 12. It is fixed again to the ammonia adsorbent of the adsorber. By closing the valve 28 in this state, it is possible to prepare for the next warm-up. Thereafter, similarly, warming up of the battery 42 and heat recovery after warming up can be repeated.
  • the traveling completion rate of both types of batteries is 100% and the traveling distance becomes long regardless of whether the battery is warmed up or not.
  • the charging rate is 20%
  • the running rates are 80% and 20%, respectively.
  • the travel completion rates of the two types of batteries are increased to 100% and 90%, respectively. From this, it was confirmed that the battery performance can be secured even under extremely low temperature conditions by the battery warm-up according to the present embodiment.
  • the chemical heat storage reactor 14 is provided in a second ammonia buffer 62 that generates ammonia by heating and supplies ammonia to the catalyst 60 for diesel engine. Yes.
  • the second ammonia buffer 62 is an example of a component to be heated. Since the ammonia buffer 12 and the chemical heat storage reactor 14 are connected and closed by a pipe 26, it is possible to use a deliquescent chemical heat storage material 24 that can operate at a low temperature.
  • the metal chlorides exemplified in the first embodiment the deliquescence of CaCl 2 is particularly high, but such metal chlorides can also be used as the chemical heat storage material 24.
  • the chemical heat storage reactor 14 and the second ammonia buffer 62 have, for example, an integrated structure and are downsized.
  • the catalyst 60 is, for example, an ammonia SCR catalyst (selective catalytic reduction), and is connected in series between an upstream exhaust pipe 66 and a downstream exhaust pipe 68 as viewed from the diesel engine.
  • An arrow H indicates the flow direction of the exhaust gas.
  • the second ammonia buffer 62 is, for example, a heat exchange type reactor capable of releasing ammonia by heating, and is filled with a chemical heat storage material (for example, BaCl 2 ) (not shown).
  • the second ammonia buffer 62 is connected to the upstream exhaust pipe 66 by a pipe 70 for supplying ammonia to the catalyst 60.
  • the pipe 70 is provided with a valve 74.
  • a second chemical heat storage reactor 64 which is an ammonia supply source having a capacity larger than that of the second ammonia buffer 62, is connected to the second ammonia buffer 62 by a pipe 72.
  • the second chemical heat storage reactor 64 is filled with a chemical heat storage material (for example, MgCl 2 ) (not shown). Comparing the second ammonia buffer 62 and the second chemical heat storage reactor 64, the second ammonia buffer 62 has a lower capacity and the regeneration temperature of the chemical heat storage material is lower.
  • the diesel engine catalyst 60 is desirably started at a temperature of 100 to 150 ° C., and hardly exhibits its performance at an extremely low temperature of about ⁇ 20 to ⁇ 30 ° C.
  • the valve 28 when starting the diesel engine in such an environment, the valve 28 is opened and ammonia is supplied from the ammonia buffer 12 to the chemical heat storage reactor 14.
  • the chemical heat storage reactor 14 is heated by a coordination reaction between ammonia and the chemical heat storage material 24.
  • the chemical heat storage reactor 14 generates, for example, a heat output of 4 kW and a calorific value of 600 kJ, and raises the temperature by 30K.
  • the second ammonia buffer 62 is heated by this heat, the ammonia adsorbed in the second ammonia buffer 62 is desorbed.
  • This ammonia flows in the direction of arrow G to the upstream exhaust pipe 66 through the pipe 70 by opening the valve 74, and is supplied to the catalyst 60 from the exhaust pipe 66.
  • the catalyst 60 can efficiently purify NOx in the exhaust gas promptly after starting the diesel engine.
  • Ammonia desorbed from the chemical heat storage material 24 returns to the ammonia buffer 12 through a pipe 26 due to a pressure difference between the chemical heat storage reactor 14 and the ammonia buffer 12, and ammonia in the ammonia adsorber that is the ammonia buffer 12. It is fixed again to the adsorbent. By closing the valve 28 in this state, it is possible to prepare for the next warm-up. Thereafter, similarly, the heating of the second ammonia buffer 62, the warming up of the catalyst 60, and the heat recovery after the warming up can be repeated.
  • the remaining amount of ammonia in the second ammonia buffer 62 is consumed and reduced by supplying ammonia to the catalyst 60.
  • surplus heat after the completion of warm-up is used to supplement the second ammonia buffer 62 in which the remaining amount of ammonia is reduced by supplying ammonia from the second chemical heat storage reactor 64 having a larger capacity. be able to. For this reason, ammonia can be supplied to the catalyst 60 when the engine 16 is started for a longer period of time.
  • the heat recovery type heating devices 10, 20, and 30 are the objects to be heated (warmed up) described in the above embodiments, that is, the bearing portion 22 (FIG. 1) of the crankshaft 18 as an example of the parts to be heated, and the steam generator 44. (FIG. 5) and the second ammonia buffer 62 (FIG. 9) can be used not only for other parts to be heated. Further, the heat recovery type heating devices 10, 20, and 30 can be used for warming up engine element parts other than the bearing portion 22 of the crankshaft 18.
  • metal chloride is used as the chemical heat storage material 24, the chemical heat storage material 24 is not limited to this. Moreover, a metal chloride is not restricted to what is illustrated in 1st Embodiment.
  • the ammonia buffer 12 may not be an ammonia adsorber.
  • the ammonia adsorber may not be a flat plate heat exchange type reactor.
  • the structure which does not have an ammonia adsorption material in the inside of an ammonia adsorption machine may be sufficient.
  • the ammonia adsorbent is not limited to a porous body having pores of 10 nm or less, and may not be a physical adsorbent having a primary particle size of 50 ⁇ m or less.

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Abstract

　小型で高出力の蓄熱システムにより、車両始動時の暖機を速やかに行い、かつ暖機後に車両内の熱源に存在する余剰熱を回収して次回の暖機に備えることを可能にすることを目的とする。　熱回収式加熱装置(10)は、化学反応媒体としてのアンモニアの固定化及び脱離が可能に構成されたアンモニアバッファ(12)と、アンモニアバッファ(12)から供給されるアンモニアとの化学反応により発熱すると共に熱源からの余剰熱によりアンモニアを脱離させアンモニアバッファ(12)に戻す化学蓄熱材(24)が設けられた化学蓄熱反応器(14)と、を有している。

Description

熱回収式加熱装置
　本発明は、熱回収式加熱装置に関する。
　オイルタンク内のオイルをメインポンプによってエンジン各部へ供給し、蓄熱タンク内のオイルをサブポンプによってクランクシャフト周辺へ供給するエンジン潤滑装置が開示されている（特許文献１参照）。
　この装置では、エンジン始動時に、蓄熱タンクに貯留された高温のオイルが、サブポンプによって、吐出パイプからクランクシャフトの主にジャーナルに向かって吐出される。これにより、クランクシャフト周辺を暖機して、フリクションの低減を図っている。
　エンジン暖機完了後には、オイルタンクに高温のオイルが貯留される。蓄熱タンク内の高温のオイルは、エンジン始動時に消費されるので、次回の暖機に備えるべく、オイルタンク内の高温のオイルがサブポンプによって蓄熱タンクへ送油され、該蓄熱タンクに再び貯留される。
　またこの装置では、サブポンプ系からの高温のオイルを、メインポンプ系へも供給することが可能となっている。
特開２００９－１４４６２３号公報
　しかしながら、上記した従来例のように、実際のエンジンにおけるクランクシャフト周辺は熱容量が非常に大きく、例えばシャフト部で４ｋＪ／Ｋ、エンジンブロックで２７ｋＪ／Ｋ、コンロッドで０．２６ｋＪ／Ｋである。これらを５０Ｋ昇温させようとすると、シャフト部で４×５０＝２００ｋＪ／Ｋ、エンジンブロックで２７×５０＝１３５０ｋＪ／Ｋ、コンロッドで０．２６×５０＝１３ｋＪ／Ｋ、計１５６３ｋＪという大きな熱量が夫々必要となる。
　また上記した従来例では、エンジン暖機完了後における高温オイルの貯留を示唆しているが、オイルの顕熱容量は相対的に小さく、上記熱量を蓄熱するためには、膨大なオイルを貯留することが必要になる。例えば１００℃のオイル（比熱　２．１３ｋＪ／ｋｇＫ、密度　０．８５２ｋｇ／ｍ3 ）を利用して、上記１５６３ｋＪを供給する（５０Ｋ昇温させる）ために必要なオイルの体積を計算すると、１５６３／（２．１３×５０）／０．８２５-＝１７ｍ3と大量になり、現実的ではない。更に熱交換効率も含め考慮すると、実現は不可能と思われる。
　本発明は、上記事実を考慮して、小型で高出力の蓄熱システムにより、車両始動時の暖機を速やかに行い、かつ暖機後に車両内の熱源に存在する余剰熱を回収して次回の暖機に備えることを可能にすることを目的とする。
　本発明の第１の態様に係る熱回収式加熱装置は、化学反応媒体としてのアンモニアの固定化及び脱離が可能に構成されたアンモニアバッファと、前記アンモニアバッファから供給されるアンモニアとの化学反応により発熱すると共に熱源からの余剰熱によりアンモニアを脱離させ前記アンモニアバッファに戻す化学蓄熱材が設けられた化学蓄熱反応器と、を有している。
　第１の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニアバッファから脱離したアンモニアが、化学蓄熱反応器に供給され、該アンモニアと化学蓄熱材との化学反応（配位結合による化学蓄熱反応）により発熱する。化学反応媒体としてアンモニアを用いることで、例えば氷点下のような低温の条件下でも、アンモニアバッファからアンモニアを脱離させることができる。この化学蓄熱反応器が発する熱により、車両の加熱対象を加熱して速やかに暖機を行うことができる。
　また暖機後には、車両内に大量に存在する熱源の余剰熱を用いて化学蓄熱材からアンモニアを脱離させる。これにより、従来利用できなかった大量の余剰熱を利用することができる。化学蓄熱材から脱離したアンモニアは、化学蓄熱反応器からアンモニアバッファに戻されて再び固定化される。
　このように、また化学蓄熱材とアンモニアとの配位反応熱を利用することで、高い反応性と大きな蓄熱密度が得られ、システムの小型化及び高出力化が可能となる。そしてこのような小型で高出力の蓄熱システムにより、車両始動時の暖機を速やかに行い、かつ暖機完了後に車両内に存在する余剰熱を回収して次回の暖機に備えることができる。
　本発明の第２の態様は、第１の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記化学蓄熱材として、金属塩化物が用いられる。
　第２の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱材として金属塩化物が用いられているので、安定した繰返し作動が可能となる。
　本発明の第３の態様は、第２の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記金属塩化物は、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物の少なくとも１種である。
　第３の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱材として、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物の少なくとも１種が用いられているので、安定した繰返し作動が可能となる。
　本発明の第４の態様は、第３の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アルカリ金属の塩化物は、ＬｉＣｌであり、前記アルカリ土類金属の塩化物は、ＭｇＣｌ2、ＣａＣｌ2、ＳｒＣｌ2、ＢａＣｌ2の少なくとも１種であり、前記遷移金属の塩化物は、ＭｎＣｌ2、ＣｏＣｌ2、ＮｉＣｌの少なくとも１種である。
　第４の態様に係る熱回収式加熱装置では、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物として上記のものが用いられるので、安定した繰返し作動が可能となる。
　本発明の第５の態様は、第１の態様から第４の態様の何れか一態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アンモニアバッファとして、アンモニア吸着器が用いられる。
　第５の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニアバッファとして、アンモニア吸着器が用いられるので、アンモニアの蒸気圧の上限を制御することができ、かつ高い反応性の確保が可能となる。
　本発明の第６の態様は、第５の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アンモニア吸着器は、平板積層型の熱交換型反応器である。
　第６の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニア吸着器が平板積層型の熱交換型反応器であるので、伝熱律速を最小化し、アンモニアの吸着反応及び脱離反応の速度を速めることができる。このため、化学蓄熱反応器での高い熱出力を得ることができる。
　本発明の第７の態様は、第５の態様又は第６の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アンモニア吸着器の内部には、アンモニア吸着材が充填されている。
　第７の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニア吸着器の内部に充填されたアンモニア吸着材により、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる。
　本発明の第８の態様は、第７の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アンモニア吸着材は、１０ｎｍ以下の細孔を有する多孔体である。
　第８の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニア吸着材として、上記細孔を有する多孔体を用いて、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる。
　本発明の第９の態様は、第７の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記アンモニア吸着材は、１次粒径が５０μｍ以下である物理吸着材である。
　第９の態様に係る熱回収式加熱装置では、アンモニア吸着材として、上記１次粒径の物理吸着材を用いて、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる。
　本発明の第１０の態様は、前記化学蓄熱反応器が、加熱対象部品を暖機するために設けられている。
　第１０の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱反応器が発する熱により、加熱対象部品を加熱して速やかに暖機を行うことができる。
　本発明の第１１の態様は、前記加熱対象部品がエンジン要素部品である。
　第１１の態様に係る熱回収式加熱装置では、エンジン要素部品を速やかに暖機することができる
　本発明の第１２の態様は、第１１の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記エンジン要素部品は、エンジンにおけるクランクシャフトの軸受部に設けられている。
　例えば０℃程度の低温の条件では、エンジンオイルの高粘度化により、ピストン、クランクシャフト、動弁系における摩擦の増加が燃費悪化の大きな要因となる。
　第１２の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱反応器が、エンジンにおけるクランクシャフトの軸受部に設けられているので、エンジンの始動時に、外部からの熱供給なしに軸受部を速やかに暖機して、該軸受部のオイルの粘度を低下させることができる。クランクシャフトに比べて熱容量が小さい軸受部を加熱することで、熱量あたりの昇温効率を向上させることができる。また暖機後に軸受部の熱を利用して、化学蓄熱反応器からアンモニアを脱離させてアンモニアバッファに戻すことができる。
　本発明の第１３の態様は、第１０の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記加熱対象部品が、車両に搭載される電池を蒸気加熱するための蒸気発生器である。
　第１３の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱反応器が設けられる加熱対象部品が蒸気発生器であるので、アンモニアと化学蓄熱材との配位反応により発生する熱を利用して、水蒸気を発生させることができる。この水蒸気を、例えば－３０℃程度の極低温の条件下にある車両の電池に当てると温度差から凝縮が生じる。この際の凝縮潜熱により、電池を加熱して暖気することができる。このように水蒸気の潜熱を利用することにより、熱伝達効率を向上させることができる。また化学蓄熱反応器で直接電池を加熱するのではなく、水蒸気で加熱するので、水蒸気の凝縮温度が加熱上限となる。これにより、過剰加熱を抑制し、電池の劣化を抑制することができる。
　本発明の第１４の態様は、第１０の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記加熱対象部品が、加熱によりアンモニアを発生しディーゼルエンジン用の触媒へアンモニアを供給する第２アンモニアバッファである。
　第１４の態様に係る熱回収式加熱装置では、化学蓄熱反応器が設けられる加熱対象部品が、加熱によりアンモニアを発生する第２アンモニアバッファであるので、化学蓄熱反応器においてアンモニアと化学蓄熱材との配位反応により発生する熱を利用して、第２アンモニアバッファからアンモニアを脱離させることができる。このアンモニアを、第１アンモニア供給装置からディーゼルエンジン用の触媒へ供給することにより、エンジンの始動時から排ガス中のＮＯｘの浄化を効率的に行うことができる。
　本発明の第１５の態様は、第１４の態様に係る熱回収式加熱装置において、前記第２アンモニアバッファには、該第２アンモニアバッファよりも大容量のアンモニア供給源である第２化学蓄熱反応器が接続されている。
　第２アンモニアバッファにおけるアンモニアの残量は、触媒へアンモニアを供給することで消費されて減少する。この熱回収式加熱装置では、アンモニアの残量が少なくなった第２アンモニアバッファに、より大容量の第２化学蓄熱反応器からアンモニアを供給して補うことができる。このため、より長期にわたって、エンジンの始動時における触媒へのアンモニアの供給を行うことができる。
　以上説明したように、第１の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、小型で高出力の蓄熱システムにより、車両始動時の暖機を速やかに行い、かつ暖機後に車両内の熱源に存在する余剰熱を回収して次回の暖機に備えることを可能にすることができる、という優れた効果が得られる。
　第２の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、安定した繰返し作動が可能となる、という優れた効果が得られる。
　第３の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、安定した繰返し作動が可能となる、という優れた効果が得られる。
　第４の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、安定した繰返し作動が可能となる、という優れた効果が得られる。
　第５の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、アンモニアの蒸気圧の上限を制御することができ、かつ高い反応性の確保が可能となる、という優れた効果が得られる。
　第６の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、化学蓄熱反応器での高い熱出力を得ることができる、という優れた効果が得られる。
　第７の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、アンモニア吸着材により、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる、という優れた効果が得られる。
　第８の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、アンモニア吸着材として、細孔を有する多孔体を用いて、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる、という優れた効果が得られる。
　第９の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、アンモニア吸着材として、上記粒径の物理吸着材を用いて、アンモニアの固定化及び脱離を行うことができる、という優れた効果が得られる。
　第１０の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、化学蓄熱反応器により加熱対象部品を加熱して速やかに暖機することができる、という優れた効果が得られる。
　第１１の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、エンジン要素部品を速やかに暖機することができる、という優れた効果が得られる。
　第１２の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、エンジンの始動時にクランクシャフトの軸受部を速やかに暖機して、該軸受部のオイルの粘度を低下させることができる、という優れた効果が得られる。
　第１３の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、車両の電池を暖機することができるという優れた効果が得られる。
　第１４の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、ディーゼルエンジンの始動時から排ガス中のＮＯｘの浄化を効率的に行うことができる、という優れた効果が得られる。
　第１５の態様に係る熱回収式加熱装置によれば、より長期にわたって、エンジンの始動時における触媒へのアンモニアの供給を行うことができる、という優れた効果が得られる。
図１から図３は、第１実施形態に係り、図１はエンジンにおけるクランクシャフトの軸受部を暖機するための熱回収式加熱装置を模式的に示す断面図である。 軸受部の構造を示す拡大分解斜視図である。 試験例における解析結果を示す線図である。 図４から図８は、第２実施形態に係り、図４は熱回収式加熱装置及び電池を模式的に示す斜視図である。 蒸気発生器及び電池を模式的に断面図である。 化学蓄熱反応器についての時間と熱出力の関係を示す線図である。 加熱時間と電池温度との関係を示す線図である。 ２種類の電池について、充電率の違いと走行完了率との関係を示す線図である。 第３実施形態に係る熱回収式加熱装置、第２アンモニアバッファ、第２化学蓄熱反応器及び触媒を示すブロック図である。
　以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
　図１，図２において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置１０は、アンモニアバッファ１２と、化学蓄熱反応器１４と、を有している。この化学蓄熱反応器１４は、車両のエンジン１６におけるクランクシャフト１８の軸受部２２に設けられている。この軸受部２２は、車両における加熱対象部品としてのエンジン要素部品の一例でる。
　アンモニアバッファ１２は、化学反応媒体としてのアンモニアの固定化及び脱離が可能に構成された、例えばアンモニア吸着器であり、エンジン１６の外部に設けられている。このアンモニア吸着器は、例えば平板積層型の熱交換型反応器であり、内部には平板状のアンモニア吸着材が多層に充填されている（図示せず）。アンモニア吸着材は、例えば１０ｎｍ以下の細孔を有する多孔体であり、アンモニア吸着材の１次粒径は、例えば５０μｍ以下である。アンモニア吸着材としては、例えば活性炭、ゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカ等が好適である。
　化学蓄熱反応器１４には、化学蓄熱材２４が設けられており、アンモニアバッファ１２から供給されるアンモニアとの化学反応により発熱すると共に、熱源からの余剰熱によりアンモニアを脱離させアンモニアバッファ１２に戻すようになっている。化学蓄熱反応器１４は、例えば複数の軸受部２２に設けられており、アンモニアバッファ１２との間が配管２６により接続されている。この配管２６には、アンモニアバッファ１２から化学蓄熱反応器１４へのアンモニアの供給量を調節するバルブ２８が設けられている。
　図２に示されるように、軸受部２２は、エンジンブロック側に一体成形された土台部３２と、該土台部３２に固定される押え部材３４との半割り構造とされている。
　土台部３２と押え部材３４とには、半円筒形の凹面が形成され、該凹面に沿うように、半割り形状の軸受メタル３６，３８が夫々設けられている。土台部３２には、例えば一対のねじ穴３２Ａが形成され、押え部材３４のうち該穴３２Ａに対応する位置には、貫通孔３４Ａが形成されている。この貫通孔３４Ａにボルト４０を通し、土台部３２のねじ穴３２Ａに締結することで、クランクシャフト１８が軸受部２２に回動自在に支持されるようになっている。
　化学蓄熱反応器１４は、この軸受部２２のうち、例えば押え部材３４における凹面に近い位置に設けられている。具体的には、化学蓄熱反応器１４は、押え部材３４に、凹面に沿った湾曲形状のチャンバを形成し、該チャンバ内に化学蓄熱材２４を充填することにより構成されている。
　化学蓄熱材２４としては、例えば金属塩化物が用いられる。この金属塩化物は、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物の少なくとも１種である。具体的には、アルカリ金属の塩化物は、ＬｉＣｌである。またアルカリ土類金属の塩化物は、ＭｇＣｌ2 、ＣａＣｌ2 、ＳｒＣｌ2 、ＢａＣｌ2の少なくとも１種である。そして遷移金属の塩化物は、ＭｎＣｌ2、ＣｏＣｌ2 、ＮｉＣｌの少なくとも１種である。
　化学蓄熱材２４としてＣａＣｌ2 を用いた場合、１ｃｃあたり１４Ｗで２．４ｋＪの熱量を出力可能である。１つの軸受部２２あたりの必要熱出力を５０Ｗとした場合、化学蓄熱反応器１４を構成するチャンバの容積は約５ｃｃであり、アンモニアバッファ１２を構成するアンモニア吸着器の必要容積は約５０ｃｃとなる。従って、チャンバ、アンモニア吸着器及び配管２６を含めても、約１００ｃｃ程度の容積である。
（作用）
　本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。例えば０℃程度の低温の条件では、エンジンオイルの高粘度化により、ピストン（図示せず）、クランクシャフト１８、動弁系（図示せず）における摩擦の増加が燃費悪化の大きな要因となる。
　図１において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置１０では、このような条件下での車両のエンジン１６の始動時に、アンモニアバッファ１２と化学蓄熱反応器１４との間の配管２６に設けられたバルブ２８を開放する。アンモニアバッファ１２を構成するアンモニア吸着器の内部には、アンモニア吸着材が充填されており、０℃程度の低温であっても、該アンモニア吸着材から、化学反応媒体であるアンモニアを脱離させることができる。このアンモニアが、配管２６を通じて、軸受部２２に設けられた各々の化学蓄熱反応器１４へ、矢印Ａ方向及びＢ方向に供給される。具体的には、０℃のときに約３気圧（３０３９ｈＰａ）のアンモニアが、化学蓄熱反応器１４に供給される。
　このアンモニアと、化学蓄熱反応器１４に充填された化学蓄熱材２４との化学反応（配位結合による化学蓄熱反応）により、該化学蓄熱材２４（化学蓄熱反応器１４）が速やかに発熱する。化学蓄熱反応器１４は、エンジン１６におけるクランクシャフト１８の軸受部２２に設けられているので、該軸受部２２が速やかに加熱される。具体的には、軸受部２２の温度は、例えば１分以内に０℃から３０℃程度まで上昇する。軸受部２２の熱容量は、クランクシャフト１８の熱容量よりも小さく、約１／１０である。この軸受部２２を加熱することで、熱量あたりの昇温効率を向上させることができる。
　このように、本実施形態では、エンジン１６の始動時に、外部からの熱供給なしに軸受部２２を速やかに暖機して、該軸受部２２のオイルの粘度を低下させることができる。これにより、クランクシャフト１８と軸受部２２との間の摩擦を低減することができる。
　アンモニアバッファ１２から化学蓄熱反応器１４へのアンモニアの供給量は、該アンモニアバッファ１２、化学蓄熱反応器１４及び配管２６からなる系内におけるアンモニアの保持量により制御することができ、軸受部２２の温度が上昇した後の適度なタイミングで閉止される。
　次に暖機完了後の作用について説明する。エンジン１６の暖機後には、軸受部２２の温度は例えば７０℃程度になっており、余剰熱が大量に存在する。この余剰熱を用いて、化学蓄熱材２４からアンモニアを脱離させることができる。
　具体的には、軸受部２２の温度が７０℃程度となっているときに、バルブ２８を開放する。すると、化学蓄熱材２４に配位結合していたアンモニアが、軸受部２２の余剰熱により加熱されて該化学蓄熱材２４から脱離する。この際に、軸受部２２における余剰熱の一部が回収され、化学エネルギーとして蓄熱される。
　化学蓄熱材２４から脱離したアンモニアは、化学蓄熱反応器１４とアンモニアバッファ１２との間の圧力差によって、該アンモニアバッファ１２へ、配管２６を通じて矢印Ｃ及びＤ方向に戻り、該アンモニアバッファ１２であるアンモニア吸着器のアンモニア吸着材に再び固定される。この状態でバルブ２８を閉止することで、次回の暖機に備えることができる。以降同様に、軸受部２２の暖機と、暖機後の熱回収とを繰返し行うことができる。
　このように、本実施形態では、化学蓄熱材２４とアンモニアとの配位反応熱を利用することで、高い反応性と大きな蓄熱密度が得られる。具体的には、化学蓄熱反応器１４のチャンバ、アンモニアバッファ１２におけるアンモニア吸着器及び配管２６を含めて、約１００ｃｃ程度の容積でありながら、効率的で速やかな軸受部２２の暖機が可能となる。従って、システムの小型化及び高出力化が可能となる。
　そしてこのような小型で高出力の蓄熱システムにより、車両始動時の暖機を速やかに行い、かつ暖機完了後に車両内に存在する余剰熱を回収して次回の暖機に備えることができる。更に、化学蓄熱反応器１４からのアンモニアの脱離のために、従来利用できなかった大量の余剰熱を利用することができる。
　また化学蓄熱材２４として金属塩化物（アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物の少なくとも１種）が用いられているので、安定した繰返し作動が可能となる。
　アンモニアバッファ１２として、アンモニア吸着器が用いられるので、アンモニアの蒸気圧の上限を制御することができ、かつ高い反応性の確保が可能となる。またアンモニア吸着器が平板積層型の熱交換型反応器であるので、伝熱律速を最小化し、アンモニアの吸着反応及び脱離反応の速度を速めることができる。このため、化学蓄熱反応器１４での高い熱出力を得ることができる。
（試験例）
　本実施形態の効果を確認するため、本実施形態に係る実施例と、比較例１及び比較例２について、熱伝導と摩擦の解析を行った。比較例１は、軸受部２２に対する加熱源を有しないものである。また比較例２は、軸受部２２に１２０Ｗの電気ヒーター（図示せず）を挿入して、軸受メタル３６，３８を局所的に１２０秒間加熱し、該軸受部２２に１４．４ｋＪの熱量を与えたものである。
　解析条件は次のとおりである。化学蓄熱反応器１４のチャンバにおけるＣａＣｌ2 （化学蓄熱材２４）については、充填密度＝０．７ｇ／ｃｃ、熱出力＝１４Ｗ／ｇ、蓄熱量＝２．４ｋＪ／ｇである。また、アンモニア吸着器の容積＝５ｃｃ（２ｃｃ，８ｃｃ）である。従って、アンモニア吸着器の容積が５ｃｃの場合、ＣａＣｌ2 の蓄熱量は、８．４ｋＪとなる。なお、ＣａＣｌ2 の蓄熱量は、アンモニア吸着器の容積が２ｃｃの場合３．４ｋＪとなり、アンモニア吸着器の容積が８ｃｃの場合１３．４ｋＪとなる。
　解析結果は図３に示されるとおりである。実施例では、アンモニア吸着器の容積が２ｃｃ、５ｃｃ、８ｃｃの何れであっても、外部からの熱供給なしに、電気ヒーターで加熱した比較例２と同等、又は比較例２よりも優れた摩擦低減効果を有することが確認できた。
［第２実施形態］
　図４，図５において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置２０では、化学蓄熱反応器１４が、車両に搭載される電池４２を蒸気加熱するための蒸気発生器４４に設けられている。この電池４２は、加熱対象部品の一例である。化学蓄熱反応器１４と蒸気発生器４４とは、例えば一体構造とされ、小型化されている。蒸気発生器４４内には、熱媒体の一例たる水５４が入れられており、該蒸気発生器４４とアンモニアバッファ１２とは、配管２６により接続されている。第１実施形態と同様に、配管２６にはバルブ２８が設けられている。
　電池４２は、例えばハイブリッド車（プラグインタイプも含む）や電気自動車に搭載される車両駆動用の電池である。この電池４２は、例えば凝縮容器４６内に設けられている。凝縮容器４６と蒸気発生器４４とは、配管４８により接続されている。凝縮容器４６の底部には、凝縮した水を蒸気発生器４４に戻すための配管５０が設けられている。即ち、配管５０は、蒸気発生器４４に接続されている（図示せず）。
　なお、電池４２と凝縮容器４６とを層状に重ねてもよい。また蒸気発生器４４に入れられる熱媒体は、水には限られない。
　他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
（作用）
　本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。電池４２の充電率が低い場合、例えば－２０～－３０℃程度の極低温の状態では、電池４２の性能が十分に発揮され難くなる。
　図４，図５において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置２０では、このような条件下でのハイブリッド車や電気自動車等の始動時に、アンモニアバッファ１２と化学蓄熱反応器１４との間の配管２６に設けられたバルブ２８を開放する。すると、アンモニアバッファ１２から化学蓄熱反応器１４へ矢印Ａ方向に供給される。
　このアンモニアと、化学蓄熱反応器１４に充填された化学蓄熱材２４との化学反応（配位結合による化学蓄熱反応）により、該化学蓄熱材２４（化学蓄熱反応器１４）が速やかに発熱する。化学蓄熱材２４としてＣａＣｌ2 を用いて、例えば熱出力４ｋＷ、発熱量６００ｋＪを生成し、３０Ｋ昇温させることができる。化学蓄熱反応器１４は、蒸気発生器４４に設けられているので、この熱により水５４を蒸発させて、水蒸気５６を発生させることができる。
　この水蒸気５６は、配管４８を通じて凝縮容器４６へ矢印Ｅ方向に流れて、極低温の条件下にある電池４２に当たる。すると、水蒸気５６と電池４２との温度差から水蒸気５６に凝縮が生じる。この際の凝縮潜熱により、外部からの熱供給なしに、電池４２を加熱して暖気することができる。これにより、極低温の条件下での電池４２の性能を確保することができる。
　このように水蒸気５６の潜熱を利用することにより、熱伝達効率を向上させることができる。また化学蓄熱反応器１４で直接電池４２を加熱するのではなく、水蒸気５６で加熱するので、水蒸気５６の凝縮温度（例えば６０℃）が加熱上限となる。これにより、過剰加熱を抑制し、電池４２の劣化を抑制することができる。
　凝縮により生じた水５８は、配管５０を通じて蒸気発生器４４へ矢印Ｆ方向に戻され、次回の暖機時の水蒸気５６の発生のために再利用される。
　次に暖機完了後の作用について説明する。電池４２の暖機後には、車両に搭載されているモータ、トランスアクスル、リアクトル、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電気系損失により発生する余剰熱を用いて、化学蓄熱材２４からアンモニアを脱離させることができる。この際に、余剰熱の一部が回収され、化学エネルギーとして蓄熱される。
　化学蓄熱材２４から脱離したアンモニアは、化学蓄熱反応器１４とアンモニアバッファ１２との間の圧力差によって、該アンモニアバッファ１２へ、配管２６を通じて矢印Ｄ方向に戻り、該アンモニアバッファ１２であるアンモニア吸着器のアンモニア吸着材に再び固定される。この状態でバルブ２８を閉止することで、次回の暖機に備えることができる。以降同様に、電池４２の暖機と、暖機後の熱回収とを繰返し行うことができる。
（試験例）
　本実施形態の効果を確認するため、まず化学蓄熱材２４としてＣａＣｌ2 を用いた場合の化学蓄熱反応器についての時間と熱出力の関係を求めた。結果は図６に示されるとおりであり、３０秒程度で約２ｋＷの熱出力が得られている。
　次に、この化学蓄熱反応器を用いて、約－２０℃の条件下にある電池を蒸気加熱した場合の、該電池の各部の温度変化を測定した。図中、「Ｍｉｎ」とは、電池の中心部の温度変化を表し、「Ｍａｘ」とは、電池の表面の温度変化を表している。「ＡＶＥＲＡＧＥ」とは、「Ｍｉｎ」と「Ｍａｘ」の平均値である。「一次遅れ模擬」とは、「ＡＶＥＲＡＧＥ」を、車両搭載状態に合うように一次遅れ要素として模したものである。
　この「一次遅れ模擬」の温度変化にて、２種類の電池について、充電率の大小と暖機の有無による走行距離の違いを求めた。結果は図８に示されるとおりである。図中、ハッチングの有無により２種類の柱があるが、これらは電池の種類の違いを示している。「ＳＯＣ９０」とは、充電率が９０％であることを示し、「ＳＯＣ２０」とは、充電率が２０％であることを示している。
　図８によれば、充電率が９０％であれば、暖機の有無にかかわらず、２種類の電池は何れも走行完了率が１００％となり、走行距離が長くなることがわかる。一方、充電率が２０％の場合、暖機無しの場合には、夫々８０％，２０％の走行率となってしまう。これに対し、暖機有りの場合、２種類の電池の走行完了率が、夫々１００％，９０％にまで上昇している。このことから、本実施形態に係る電池暖機により、極低温の条件下でも電池性能を確保できることが確認できた。
［第３実施形態］
　図９において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置３０では、化学蓄熱反応器１４が、加熱によりアンモニアを発生しディーゼルエンジン用の触媒６０へアンモニアを供給する第２アンモニアバッファ６２に設けられている。この第２アンモニアバッファ６２は、加熱対象部品の一例である。アンモニアバッファ１２と化学蓄熱反応器１４とは、配管２６により接続されて閉じているので、低温作動可能な化学蓄熱材２４として潮解性を有するものを利用することができる。第１実施形態において例示した金属塩化物の中では、ＣａＣｌ2 の潮解性が特に高いが、このような金属塩化物でも化学蓄熱材２４として利用することができる。
　化学蓄熱反応器１４と第２アンモニアバッファ６２とは、例えば一体構造とされ、小型化されている。触媒６０は、例えばアンモニアＳＣＲ触媒（選択的触媒還元）であり、ディーゼルエンジンから見て上流側の排気管６６と下流側の排気管６８との間に直列に接続されている。矢印Ｈは、排ガスの流れの方向を示している。
　第２アンモニアバッファ６２は、例えば、加熱によりアンモニアを放出可能な熱交換型反応器であり、図示しない化学蓄熱材（例えばＢａＣｌ2 ）が充填されている。第２アンモニアバッファ６２は、アンモニアを触媒６０に供給するための配管７０により、上流側の排気管６６と接続されている。この配管７０には、バルブ７４が設けられている。
　第２アンモニアバッファ６２には、該第２アンモニアバッファ６２よりも大容量のアンモニア供給源である第２化学蓄熱反応器６４が、配管７２により接続されている。第２化学蓄熱反応器６４には、図示しない化学蓄熱材（例えばＭｇＣｌ2 ）が充填されている。第２アンモニアバッファ６２と第２化学蓄熱反応器６４とを比較すると、第２アンモニアバッファ６２の方が低容量で、かつ化学蓄熱材の再生温度が低い。
　他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
（作用）
　本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。ディーゼルエンジン用の触媒６０は、１００～１５０℃での始動が望ましく、－２０～－３０℃程度の極低温の状態では性能を発揮し難い。
　図９において、本実施形態に係る熱回収式加熱装置３０では、このような環境化でのディーゼルエンジンの始動時に、バルブ２８を開放し、アンモニアバッファ１２から化学蓄熱反応器１４へアンモニアを供給して、アンモニアと化学蓄熱材２４との配位反応により、該化学蓄熱反応器１４を発熱させる。化学蓄熱反応器１４は、例えば熱出力４ｋＷ、発熱量６００ｋＪを生成し、３０Ｋ昇温する。この熱により第２アンモニアバッファ６２を加熱すると、該第２アンモニアバッファ６２において吸着されていたアンモニアが脱離する。
　このアンモニアは、バルブ７４を開放することにより、配管７０を通じて上流側の排気管６６へ矢印Ｇ方向に流れて、該排気管６６から触媒６０へ供給される。これにより、触媒６０が１００℃以上１５０℃以下の状態であっても、該触媒６０により、ディーゼルエンジンの始動後速やかに排ガス中のＮＯｘの浄化を効率的に行うことができる。
　なお、第２アンモニアバッファ６２から大気圧場にある触媒６０へアンモニアを放出するためには熱量が必要であり、本実施形態では化学蓄熱反応器１４によりこの熱量が供給されるようになっている。第２アンモニアバッファ６２は、化学蓄熱反応器１４と一体化され熱容量が小さくなっているので、触媒６０へのアンモニアの必要供給量に応じた、化学蓄熱反応器１４から第２アンモニアバッファ６２への最小限の熱供給が可能となる。
　次に暖機完了後の作用について説明する。また暖機後には、エンジン自体や排気管６６，６８等の余剰熱を有する熱源が大量に存在する。この熱源の余剰熱を適宜用いて、第２化学蓄熱反応器６４からのアンモニアの放出を行いつつ、化学蓄熱反応器１４の化学蓄熱材２４からアンモニアを脱離させることができる。
　化学蓄熱材２４から脱離したアンモニアは、化学蓄熱反応器１４とアンモニアバッファ１２との間の圧力差によって、該アンモニアバッファ１２へ、配管２６を通じて戻り、該アンモニアバッファ１２であるアンモニア吸着器のアンモニア吸着材に再び固定される。この状態でバルブ２８を閉止することで、次回の暖機に備えることができる。以降同様に、第２アンモニアバッファ６２の加熱及び触媒６０の暖機と、暖機後の熱回収とを繰返し行うことができる。
　第２アンモニアバッファ６２におけるアンモニアの残量は、触媒６０へアンモニアを供給することで消費されて減少する。本実施形態では、暖機完了後の余剰熱を利用して、アンモニアの残量が少なくなった第２アンモニアバッファ６２に、より大容量の第２化学蓄熱反応器６４からアンモニアを供給して補うことができる。このため、より長期にわたって、エンジン１６の始動時における触媒６０へのアンモニアの供給を行うことができる。
　なお第２アンモニアバッファ６２の化学蓄熱材（ＭｇＣｌ2 ）からアンモニアを脱離させるには、２００℃程度の熱が必要である。この熱源として、例えば排気熱を利用することができる。
（他の実施形態）
　熱回収式加熱装置１０，２０，３０は、上記各実施形態に記載した加熱（暖機）対象、即ち、加熱対象部品の一例たるクランクシャフト１８の軸受部２２（図１）、蒸気発生器４４（図５）及び第２アンモニアバッファ６２（図９）だけでなく、他の加熱対象部品に対しても用いることができる。また熱回収式加熱装置１０，２０，３０を、クランクシャフト１８の軸受部２２以外のエンジン要素部品を暖機するために用いることが可能である。
　化学蓄熱材２４として、金属塩化物が用いられるものとしたが、化学蓄熱材２４はこれに限られるものではない。また金属塩化物は、第１実施形態において例示されるものに限られない。
　アンモニアバッファ１２は、アンモニア吸着器でなくてもよい。アンモニアバッファ１２がアンモニア吸着器である場合において、該アンモニア吸着器が平板積層型の熱交換型反応器でなくてもよい。またアンモニア吸着器の内部に、アンモニア吸着材を有しない構成であってもよい。アンモニア吸着材については、１０ｎｍ以下の細孔を有する多孔体に限られず、また１次粒径が５０μｍ以下である物理吸着材でなくてもよい。
（符号の説明）
　　１０　　熱回収式加熱装置
　　１２　　アンモニアバッファ
　　１４　　化学蓄熱反応器
　　１６　　エンジン
　　１８　　クランクシャフト（加熱対象部品、エンジン要素部品）
　　２０　　熱回収式加熱装置
　　２２　　軸受部
　　２４　　化学蓄熱材
　　２６　　配管
　　２８　　バルブ
　　３０　　熱回収式加熱装置
　　４２　　電池
　　４４　　蒸気発生器（加熱対象部品）
　　５６　　水蒸気
　　６０　　触媒
　　６２　　第２アンモニアバッファ（加熱対象部品）
　　６４　　第２化学蓄熱反応器

Claims (15)

  1. 　化学反応媒体としてのアンモニアの固定化及び脱離が可能に構成されたアンモニアバッファと、
    　前記アンモニアバッファから供給されるアンモニアとの化学反応により発熱すると共に熱源からの余剰熱によりアンモニアを脱離させ前記アンモニアバッファに戻す化学蓄熱材が設けられた化学蓄熱反応器と、
    　を有する熱回収式加熱装置。
  2. 　前記化学蓄熱材として、金属塩化物が用いられる請求項１に記載の熱回収式加熱装置。
  3. 　前記金属塩化物は、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物の少なくとも１種である請求項２に記載の熱回収式加熱装置。
  4. 　前記アルカリ金属の塩化物は、ＬｉＣｌであり、
    　前記アルカリ土類金属の塩化物は、ＭｇＣｌ2 、ＣａＣｌ2 、ＳｒＣｌ2 、ＢａＣｌ2の少なくとも１種であり、
    　前記遷移金属の塩化物は、ＭｎＣｌ2 、ＣｏＣｌ2 、ＮｉＣｌの少なくとも１種である請求項３に記載の熱回収式加熱装置。
  5. 　前記アンモニアバッファとして、アンモニア吸着器が用いられる請求項１～請求項４の何れか１項に記載の熱回収式加熱装置。
  6. 　前記アンモニア吸着器は、平板積層型の熱交換型反応器である請求項５に記載の熱回収式加熱装置。
  7. 　前記アンモニア吸着器の内部には、アンモニア吸着材が充填されている請求項５又は請求項６に記載の熱回収式加熱装置。
  8. 　前記アンモニア吸着材は、１０ｎｍ以下の細孔を有する多孔体である請求項７に記載の熱回収式加熱装置。
  9. 　前記アンモニア吸着材は、１次粒径が５０μｍ以下である物理吸着材である請求項７に記載の熱回収式加熱装置。
  10. 　前記化学蓄熱反応器は、加熱対象部品を暖機するために設けられている請求項１～請求項９の何れか１項に記載の熱回収式加熱装置。
  11. 　前記加熱対象部品は、エンジン要素部品である請求項１０に記載の熱回収式加熱装置。
  12. 　前記エンジン要素部品は、エンジンにおけるクランクシャフトの軸受部である請求項１１に記載の熱回収式加熱装置。
  13. 　前記加熱対象部品は、車両に搭載される電池を蒸気加熱するための蒸気発生器である請求項１０に記載の熱回収式加熱装置。
  14. 　前記加熱対象部品は、加熱によりアンモニアを発生しディーゼルエンジン用の触媒へアンモニアを供給する第２アンモニアバッファである請求項１０に記載の熱回収式加熱装置。
  15. 　前記第２アンモニアバッファには、該第２アンモニアバッファよりも大容量のアンモニア供給源である第２化学蓄熱反応器が接続されている請求項１４に記載の熱回収式加熱装置。
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