(57)【要約】【課題】反応材と加熱対象との熱交換効率を向上させることができる化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置は、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共にエンジンオイルの熱によりＮＨ３が脱離する反応材１０を含む反応器７と、反応器７とＮＨ３を貯蔵する吸着器とを接続し、ＮＨ３が流れる供給管９とを備え、反応器７は、一端側からエンジンオイルが導入されると共に他端側からエンジンオイルが導出される円筒状の筐体１３と、筐体１３の内部に渦巻状に配置され、反応材１０を収容すると共にエンジンオイルが流通するオイル流通路２０を画成するケース１９とを有し、ケース１９は、筐体１３の径方向に突出した複数の突部２１を有し、ケース１９の内部には、ＮＨ３が通るＮＨ３通路部２３が設けられており、ＮＨ３通路部２３は、供給管９と接続されていると共に、ケース１９に沿って渦巻状に配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象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前記加熱対象の熱により前記反応媒体が脱離する反応材を含む反応器と、
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備え、
前記反応器は、一端側から前記加熱対象が導入されると共に他端側から前記加熱対象が導出される円筒状の筐体と、前記筐体の内部に渦巻状に配置され、前記反応材を収容すると共に前記加熱対象が流通する加熱対象流通路を画成するケースとを有し、
前記ケースは、前記筐体の径方向に突出した複数の突部を有し、
前記ケースの内部には、前記反応媒体が通る反応媒体通路部が設けられており、
前記反応媒体通路部は、前記供給管と接続されていると共に、前記ケースに沿って渦巻状に配置されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記反応媒体通路部は金属多孔体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の化学蓄熱装置。
【請求項３】
前記供給管は、前記ケースの最外周領域を貫通して前記ケースの内部まで延びた状態で、前記反応媒体通路部と接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記突部は、前記筐体の径方向外側に突出していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の化学蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化学蓄熱装置としては、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に記載の化学蓄熱装置は、反応器と、この反応器と配管を介して接続された吸着器とを備えている。反応器は、複数の発熱部と複数の熱交換部とが交互に積層されてなる積層構造体を有している。発熱部は、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させると共に排熱を受けてＮＨ３を脱離させる蓄熱材と、この蓄熱材を収容する金属ケースとを有している。熱交換部は、排ガスが流通可能な流通路を形成している。熱交換部は、金属フィンにより構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１６９４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、発熱部の蓄熱材（反応材）から発生した熱が金属フィンに伝導し、金属フィンと排ガス（加熱対象）とが熱交換されることで、加熱対象が加熱される。このため、反応材と加熱対象との間の熱抵抗が高くなり、反応材から加熱対象への伝熱効率が低下する。その結果、反応材と加熱対象との熱交換効率の低下につながる。
【０００５】
本発明の目的は、反応材と加熱対象との熱交換効率を向上させることができる化学蓄熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、加熱対象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加熱対象の熱により反応媒体が脱離する反応材を含む反応器と、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備え、反応器は、一端側から加熱対象が導入されると共に他端側から加熱対象が導出される円筒状の筐体と、筐体の内部に渦巻状に配置され、反応材を収容すると共に加熱対象が流通する加熱対象流通路を画成するケースとを有し、ケースは、筐体の径方向に突出した複数の突部を有し、ケースの内部には、反応媒体が通る反応媒体通路部が設けられており、反応媒体通路部は、供給管と接続されていると共に、ケースに沿って渦巻状に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
このような化学蓄熱装置においては、反応媒体が貯蔵器から供給管及び反応媒体通路部を通って反応材に供給されると、反応材と反応媒体とが化学反応して熱が発生し、その熱が加熱対象流通路を流通する加熱対象に伝えられて加熱対象が加熱される。ここで、反応材を収容すると共に加熱対象流通路を画成するケースは、筐体の内部に渦巻状に配置されていると共に、筐体の径方向に突出した複数の突部を有している。従って、反応材を収容するケースと熱交換フィンとが積層された構造に比べて、熱交換フィンの分だけ反応材と加熱対象との間の熱抵抗が低減されるため、反応材から加熱対象への伝熱効率が高くなる。これにより、反応材と加熱対象との熱交換効率が向上する。
【０００８】
反応媒体通路部は金属多孔体で構成されていてもよい。この場合には、反応媒体通路部を容易に形成しつつ、反応媒体を反応材全体に行き渡らせることができる。
【０００９】
供給管は、ケースの最外周領域を貫通してケースの内部まで延びた状態で、反応媒体通路部と接続されていてもよい。この場合には、筐体内に加熱対象を導入する導入部及び筐体内から加熱対象を導出する導出部から離れた位置に供給管が配置されることになるため、供給管を反応器に取り付けやすくなる。
【００１０】
突部は、筐体の径方向外側に突出していてもよい。この場合には、突部が筐体の径方向外側及び径方向内側に突出している場合に比べて、加熱対象流通路が十分に確保される。また、筐体の内部にケースを渦巻状に配置する際に、ケースを巻きやすい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応材と加熱対象との熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係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示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示された反応器の斜視図である。
【図３】図３は、図１に示された反応器の断面図である。
【図４】図４は、図３のIV−IV線断面図である。
【図５】図５は、図３及び図４に示された反応材及びＮＨ３通路部が収容された平坦状のケースを示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、比較例として従来の反応器の一つを示す断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示された反応器において反応材とエンジンオイルとの間の合成熱抵抗を示す概念図である。
【図７】図７（ａ）は、図２に示された反応器の一部を示す断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示された反応器において反応材とエンジンオイルとの間の合成熱抵抗を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係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示す概略構成図である。図１において、エンジンオイル循環システム１は、エンジン２を具備した車両に搭載されている。
【００１５】
エンジンオイル循環システム１は、エンジン２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１は、エンジンオイルが流れるオイル循環管路３と、このオイル循環管路３に配設されたオイルパン４及びオイルポンプ５とを備えている。オイルパン４は、エンジンオイルを溜めておく。オイルポンプ５は、オイルパン４に溜められたエンジンオイルを吸い上げてエンジン２に向けて圧送する。エンジン２内の各部を流れたエンジンオイルは、オイルパン４に戻る。
【００１６】
また、エンジンオイル循環システム１は、加熱対象であるエンジンオイルを加熱（暖機）する本実施形態の化学蓄熱装置６を備えている。化学蓄熱装置６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６は、反応器７と、吸着器８と、供給管９とを備えている。
【００１７】
反応器７は、反応材１０を含んでいる。反応材１０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、エンジンオイルが与えられると、エンジンオイルの熱によりＮＨ３が脱離する材料である。反応材１０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。
【００１８】
吸着器８は、ＮＨ３を貯蔵する貯蔵器である。吸着器８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１１を有している。吸着材１１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。なお、吸着材１１は、ＮＨ３を化学吸着してもよい。
【００１９】
供給管９は、反応器７と吸着器８とを接続し、反応器７と吸着器８との間でＮＨ３が双方向に流れる配管である。供給管９は、ＮＨ３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。供給管９には、ＮＨ３の流路を開閉する開閉弁１２が配設されている。
【００２０】
図２は、反応器７の斜視図である。図３は、反応器７の断面図である。図４は、図３のIV−IV線断面図である。図２〜図４において、反応器７は、円筒状の筐体１３を有している。筐体１３の一端部には、筐体１３内にエンジンオイルを導入するオイル導入管１４（導入部）がテーパ壁部１５を介して連結されている。筐体１３の他端部には、筐体１３内からエンジンオイルを導出するオイル導出管１６（導出部）がテーパ壁部１７を介して連結されている。つまり、エンジンオイルは、筐体１３の一端側から導入されて、筐体１３の他端側から導出される。筐体１３、オイル導入管１４、オイル導出管１６及びテーパ壁部１５，１７は、例えば供給管９と同じ金属材料からなっている。
【００２１】
オイル導入管１４及びオイル導出管１６は、オイル循環管路３の一部を構成している。オイル導入管１４は、オイルポンプ５と反応器７とを接続している。オイル導出管１６は、反応器７とエンジン２とを接続している。
【００２２】
筐体１３の内部には、反応材１０が充填された反応材充填部１８が配置されている。供給管９は、反応材充填部１８と吸着器８とを接続している。反応材充填部１８は、反応材１０と、この反応材１０を収容するケース１９とを有している。ケース１９は、エンジンオイルが流通するオイル流通路２０（加熱対象流通路）を画成している。ケース１９は、例えば筐体１３と同じ金属材料からなっている。
【００２３】
ケース１９は、筐体１３の軸方向から見て渦巻状に配置されている。従って、オイル流通路２０は、筐体１３の軸方向から見て渦巻状に形成されていることとなる。オイル流通路２０は、反応材充填部１８の各周間の空間と、反応材充填部１８と筐体１３との間の空間とで形成されている。
【００２４】
ケース１９は、筐体１３の径方向外側に突出した複数の突部２１を有している。突部２１は、ケース１９が筐体１３の径方向外側に凸状に曲げられることによって形成されている。突部２１の反対側（裏面側）は、筐体１３の径方向外側に窪んだ凹部２２となっている。反応材１０は、凹部２２にも収容されている。なお、突部２１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。
【００２５】
ケース１９の最外周以外の領域における突部２１の先端は、ケース１９における筐体１３の径方向外側に隣り合う領域に接触している。これにより、筐体１３の径方向に沿ったオイル流通路２０のピッチが等しくなっている。
【００２６】
ケース１９の内部には、ＮＨ３が通る複数（ここでは４つ）のＮＨ３通路部２３（反応媒体通路部）が設けられている。ＮＨ３通路部２３は、反応材１０に覆われている。ＮＨ３通路部２３は、筐体１３の軸方向から見てケース１９に沿って渦巻状に配置されている。ＮＨ３通路部２３は、筐体１３の軸方向に等間隔で配置されている。ＮＨ３通路部２３は、例えばステンレス鋼繊維等の金属多孔体で構成されている。
【００２７】
各ＮＨ３通路部２３は、供給管９と接続されている。供給管９は、テーパ壁部１７及びケース１９の最外周領域を筐体１３の軸方向に貫通してケース１９の内部まで延びた状態で、各ＮＨ３通路部２３と接続されている。供給管９における各ＮＨ３通路部２３に対応する位置には、ＮＨ３の出入口（図示せず）がそれぞれ設けられている。
【００２８】
反応材充填部１８の作製は、以下のように行われる。即ち、図５に示されるように、一方の主面側に複数の突部２１が設けられ、他方の主面側に突部２１が設けられていない平坦状のケース１９を用意し、そのケース１９の内部に反応材１０及びＮＨ３通路部２３を収容する。そして、反応材１０及びＮＨ３通路部２３が収容されたケース１９を、各突部２１が外周側を向くようにロール状に巻いていく。これにより、反応材充填部１８及びオイル流通路２０を容易に形成することができる。
【００２９】
以上のような化学蓄熱装置６において、エンジン２の始動直後に開閉弁１２が開くと、吸着器８と反応器７の反応材充填部１８との圧力差によって、吸着器８の吸着材１１からＮＨ３が脱離し、そのＮＨ３が供給管９を通って反応材充填部１８に供給される。そして、ＮＨ３がＮＨ３通路部２３を筐体１３の径方向中心側に向かって流れる。このとき、反応材充填部１８の反応材１０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。
反応材＋ＮＨ３  ⇔  反応材（ＮＨ３）＋熱      …（Ａ）
【００３０】
反応材１０から発生した熱は、オイル流通路２０を流れるエンジンオイルに伝わる。これにより、エンジンオイルが加熱される。そして、暖められたエンジンオイルは、オイル導出管１６を通ってエンジン２に送られる。
【００３１】
オイル流通路２０を流れるエンジンオイルの温度が上昇すると、エンジンオイルの熱が反応材１０に与えられることで、反応材１０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、反応材充填部１８と吸着器８との圧力差によって、ＮＨ３が供給管９を通って吸着器８に戻り、吸着器８の吸着材１１に吸着される。これにより、ＮＨ３が吸着器８に回収されることとなる。
【００３２】
図６（ａ）は、比較例として従来の反応器の一つを示す断面図である。図６（ａ）において、比較例の反応器１００は、反応材１０が充填された反応材充填部１０１と金属フィン１０２からなる熱交換部１０３とが交互に積層された構造を有している。反応材充填部１０１は、反応材１０を収容するケース１０４を有している。熱交換部１０３は、エンジンオイルが流通するオイル流通路１０５を形成している。反応材１０から発生した熱は、金属フィン１０２を通ってエンジンオイルに伝わる。
【００３３】
このような反応器１００では、反応材１０の熱抵抗をＲ１、反応材１０とケース１０４との界面の熱抵抗をＲ２、金属フィン１０２の熱抵抗をＲ３、金属フィン１０２とエンジンオイルとの界面の熱抵抗をＲ４とすると、図６（ｂ）に示されるように、合成熱抵抗ＲはＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４となる。
【００３４】
これに対し本実施形態においては、図７（ａ）に示されるように、反応材１０を収容するケース１９が渦巻状に配置されていると共に、ケース１９には複数の突部２１が設けられている。このような構造では、反応材１０の熱抵抗をＲ１、反応材１０とケース１９との界面の熱抵抗をＲ２、ケース１９とエンジンオイルとの界面の熱抵抗をＲ４とすると、図７（ｂ）に示されるように、合成熱抵抗ＲはＲ１＋Ｒ２＋Ｒ４となり、比較例よりも金属フィン１０２の熱抵抗Ｒ３分だけ低くなる。
【００３５】
以上のように本実施形態によれば、反応材１０を収容すると共にオイル流通路２０を画成するケース１９は、筐体１３の内部に渦巻状に配置されていると共に、筐体１３の径方向に突出した複数の突部２１を有している。従って、反応材１０を収容するケース１０４と金属フィン１０２からなる熱交換部１０３とが積層された構造に比べて、金属フィン１０２の分だけ反応材１０とエンジンオイルとの間の熱抵抗が低減されるため、反応材１０からエンジンオイルへの伝熱効率が高くなる。これにより、反応材１０とエンジンオイルとの熱交換効率が向上する。
【００３６】
また、ケース１９には複数の突部２１が設けられているので、エンジンオイルがオイル流通路２０を流れる際に、突部２１によりエンジンオイルが散乱する。このため、オイル流通路２０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、反応材１０とエンジンオイルとの熱交換効率が更に向上する。
【００３７】
さらに、ケース１９が渦巻状に配置されているので、例えば反応器７の仕様が変更された場合には、ケース１９の巻き数を変えることにより、反応材１０から発生する熱量等を調整することが可能となる。従って、反応器７の再設計の工数を低減することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、ＮＨ３通路部２３は金属多孔体で構成されているので、ＮＨ３通路部２３を容易に形成しつつ、ＮＨ３を反応材１０全体に行き渡らせることができる。
【００３９】
また、本実施形態では、供給管９は、ケース１９の最外周領域を貫通してケース１９の内部まで延びた状態で、ＮＨ３通路部２３と接続されている。従って、エンジンオイルを導入するオイル導入管１４及びエンジンオイルを導出するオイル導出管１６から離れた位置に供給管９が配置されることになるため、供給管９を反応器７に取り付けやすくなる。
【００４０】
また、本実施形態では、突部２１は筐体１３の径方向外側に突出しているので、突部２１が筐体１３の径方向外側及び径方向内側に突出している場合に比べて、オイル流通路２０が十分に確保される。また、筐体１３の内部にケース１９を渦巻状に配置する際に、ケース１９を巻きやすい。
【００４１】
なお、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、ＮＨ３通路部２３は金属多孔体で構成されているが、特にその形態には限られず、ＮＨ３通路部２３は空間であってもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、供給管９は、ケース１９の最外周領域を貫通してケース１９の内部まで延びた状態で、ＮＨ３通路部２３と接続されているが、特にその形態には限られない。例えば、供給管９は、ケース１９の最内周領域を貫通してケース１９の内部まで延びた状態で、ＮＨ３通路部２３と接続されていてもよい。また、供給管９は、ケース１９の最外周領域及び最内周領域を貫通してケース１９の内部まで延びた状態で、ＮＨ３通路部２３と接続されていてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、ケース１９の突部２１は筐体１３の径方向外側に突出しているが、特にその形態には限られず、突部２１は筐体１３の径方向内側に突出していてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ３と組成式ＭａＸｚで表される反応材１０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と化学反応させる反応材１０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と化学反応させる反応材１０としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯまたはＡｌ２Ｏ３等が用いられる。
【００４５】
また、上記実施形態では、エンジンオイルを加熱しているが、加熱対象としては、特にエンジンオイルには限られず、例えばＡＴＦ（オートマチック・トランスミッション・フルード）、デフオイル、冷却水または排気ガス等であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
６…化学蓄熱装置、７…反応器、８…吸着器（貯蔵器）、９…供給管、１０…反応材、１３…筐体、１９…ケース、２０…オイル流通路（加熱対象流通路）、２１…突部、２３…ＮＨ３通路部（反応媒体通路部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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