(57)【要約】【課題】蓄熱材が収容された金属ケースに加わる応力を緩和することができる化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置である反応器７は、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に熱が与えられるとＮＨ３が脱離する反応材１１と、反応材１１が収容された金属ケース１２と、金属ケース１２に隣接して配置され、反応材１１と熱交換対象とを熱交換する熱交換部１３と、反応材１１とＮＨ３とが化学反応した際に発生する反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力を吸収する応力吸収部１４とを備え、応力吸収部１４は、金属ケース１２内における反応材１１を挟んで熱交換部１３の反対側に配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応媒体との化学反応により発熱すると共に熱が与えられると前記反応媒体が脱離する蓄熱材と、
前記蓄熱材が収容された金属ケースと、
前記金属ケースに隣接して配置され、前記蓄熱材と熱交換対象とを熱交換する熱交換部と、
前記蓄熱材と前記反応媒体とが化学反応した際に発生する前記蓄熱材の膨張により前記金属ケースに加わる応力を吸収する応力吸収部とを備え、
前記応力吸収部の少なくとも一部は、前記金属ケース内における前記蓄熱材を挟んで前記熱交換部の反対側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】
前記金属ケースは、２つの前記熱交換部の間に配置されており、
前記応力吸収部の少なくとも一部は、前記熱交換部の配列方向において前記蓄熱材に挟ま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】
前記応力吸収部は、膨張収縮可能な材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記応力吸収部は、多孔質形状を有していることを特徴とする請求項３記載の化学蓄熱装置。
【請求項５】
前記応力吸収部は、前記金属ケース内に配置され、流動性を有する材料が充填された主室と、前記主室と接続されるように前記金属ケースの外側に配置され、前記流動性を有する材料が出入りする副室とを有し、
前記主室及び前記副室は膨張収縮可能であ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６】
前記応力吸収部の少なくとも一部は、前記蓄熱材の膨張に追従して収縮することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載の化学蓄熱装置。
【請求項７】
前記応力吸収部の少なくとも一部は、前記蓄熱材の収縮に追従して膨張することを特徴とする請求項３〜６のいず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に記載されているように、アンモニア（ＮＨ３）と化学反応して熱を発生させると共に排ガスの熱を受けてＮＨ３を脱離させる蓄熱材が収容された金属ケースと、蓄熱材と排ガスとを熱交換する熱交換部とが交互に積層されてなる構造が知られている。
【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、蓄熱材とＮＨ３とが化学反応すると、蓄熱材が膨張するため、蓄熱材の膨張による応力が金属ケースに加わる。このため、金属ケースの厚みを大きくする必要があり、コストアップにつながる。
【０００５】
本発明の目的は、蓄熱材が収容された金属ケースに加わる応力を緩和す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】
本発明の一態様の化学蓄熱装置は、反応媒体との化学反応により発熱すると共に熱が与えられると反応媒体が脱離する蓄熱材と、蓄熱材が収容された金属ケースと、金属ケースに隣接して配置され、蓄熱材と熱交換対象とを熱交換する熱交換部と、蓄熱材と反応媒体とが化学反応した際に発生する蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力を吸収する応力吸収部とを備え、応力吸収部の少なくとも一部は、金属ケース内における蓄熱材を挟んで熱交換部の反対側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、金属ケース内に収容された蓄熱材と反応媒体とが化学反応すると、蓄熱材から熱が発生し、その熱が金属ケースを通って熱交換部に伝わり、熱交換対象が加熱される。一方、熱交換対象の熱が金属ケースを通って蓄熱材に与えられると、蓄熱材から反応媒体が脱離する。ここで、蓄熱材と反応媒体とが化学反応すると、蓄熱材が膨張するが、その蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力は応力吸収部によって吸収される。これにより、蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力が緩和される。
【０００８】
金属ケースは、２つの熱交換部の間に配置されており、応力吸収部の少なくとも一部は、熱交換部の配列方向において蓄熱材に挟まれていてもよい。このような構成では、２つの熱交換部と応力吸収部との間に蓄熱材がそれぞれ存在することになるため、２つの熱交換部の何れにおいても、蓄熱材と熱交換対象との熱交換が行われる。従って、２つの熱交換部を有効利用することができる。
【０００９】
応力吸収部は、膨張収縮可能な材料で形成されていてもよい。このような構成では、蓄熱材と反応媒体との化学反応により蓄熱材が膨張すると、応力吸収部が収縮することで、蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力が吸収される。一方、蓄熱材から反応媒体が脱離すると、蓄熱材が収縮するが、その蓄熱材の収縮に追従して応力吸収部が膨張する。従って、蓄熱材が収縮しても、蓄熱材と金属ケースとの密着が維持されるため、蓄熱材と熱交換部との間の熱伝導率の低下が抑制される。
【００１０】
応力吸収部は、多孔質形状を有していてもよい。このような構成では、蓄熱材に供給された反応媒体が応力吸収部を通り抜けるため、蓄熱材の大部分に反応媒体を効果的に行き渡らせることができる。
【００１１】
応力吸収部は、金属ケース内に配置され、流動性を有する材料が充填された主室と、主室と接続されるように金属ケースの外側に配置され、流動性を有する材料が出入りする副室とを有し、主室及び副室は膨張収縮可能であってもよい。このような構成では、蓄熱材と反応媒体との化学反応により蓄熱材が膨張すると、主室が収縮し、流動性を有する材料が主室から副室に流れ込んで副室が膨張することで、蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力が吸収される。一方、蓄熱材から反応媒体が脱離すると、蓄熱材が収縮するが、その蓄熱材の収縮に追従して流動性を有する材料が副室から主室に流れ出て副室が収縮すると共に主室が膨張する。従って、蓄熱材が収縮しても、蓄熱材と金属ケースとの密着が維持されるため、蓄熱材と熱交換部との間の熱伝導率の低下が抑制される。
【００１２】
応力吸収部の少なくとも一部は、蓄熱材の膨張に追従して収縮してもよい。この場合には、蓄熱材の膨張により金属ケースに加わる応力を確実に吸収することができる。
【００１３】
応力吸収部の少なくとも一部は、蓄熱材の収縮に追従して膨張してもよい。この場合には、蓄熱材が収縮しても、蓄熱材と金属ケースとの密着を確実に維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、蓄熱材が収容された金属ケースに加わる応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置としての反応器を備えた化学蓄熱システムをエンジンオイル循環システムと共に示す概略構成図である。
【図２】図１に示された反応器の断面図を含む化学蓄熱システムの構成図である。
【図３】図２に示された反応器の動作状態を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る化学蓄熱装置としての反応器の動作状態を示す断面図である。
【図５】図２に示された反応器の変形例を示す断面図である。
【図６】図２に示された反応器の他の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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化学蓄熱システムをエンジンオイル循環システムと共に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及び化学蓄熱システム２は、エンジン３を搭載した車両に具備されている。
【００１８】
エンジンオイル循環システム１は、エンジン３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流路を形成するオイル循環流路４と、このオイル循環流路４に配設されたオイルパン５及びオイルポンプ６とを備えている。オイルパン５は、エンジンオイルを溜めておく。オイルポンプ６は、オイルパン５に溜められたエンジンオイルを吸い上げてエンジン３に向けて圧送する。エンジン３内の各部を流れたエンジンオイルは、オイルパン５に戻る。
【００１９】
化学蓄熱システム２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（暖機）する。化学蓄熱システム２は、通常は熱を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用してエンジンオイルを加熱する。化学蓄熱システム２は、化学蓄熱装置である反応器７と、吸着器８と、供給管９と、バルブ１０とを備えている。反応器７は、オイル循環流路４に配設されている。
【００２０】
図２は、反応器７の断面図を含む化学蓄熱システム２の構成図である。図２において、反応器７は、反応材１１が収容された直方体状の金属ケース１２と直方体状の熱交換部１３とが交互に積層された積層構造を有している。ここでは、１つの金属ケース１２と２つの熱交換部１３とが積層されてなる反応器７であるが、金属ケース１２及び熱交換部１３の数としては、特にそれには限られず、複数ずつあってもよい。反応器７の上部及び下部には、熱交換部１３が配置されている。反応材１１は、金属ケース１２内に圧縮成形体として収容されている。
【００２１】
反応材１１は、反応媒体であるアンモニアガス（以下、ＮＨ３という）が供給されると、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に、エンジンオイルの熱が与えられると、エンジンオイルの熱によりＮＨ３が脱離する蓄熱材である。反応材１１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。
【００２２】
このような反応材１１が収容された金属ケース１２は、ＮＨ３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）で形成されている。金属ケース１２は、積層方向（Ｘ方向）において２つの熱交換部１３の間に配置されている。
【００２３】
熱交換部１３は、金属ケース１２の上面及び下面に接合されている。つまり、熱交換部１３は、金属ケース１２に隣接して配置されている。熱交換部１３は、オイル循環流路４と接続され、エンジンオイルが流通する。熱交換部１３は、反応材１１と熱交換対象であるエンジンオイルとを熱交換する。熱交換部１３は、反応材１１とエンジンオイルとの熱交換を促進させる複数の熱交換フィンを有している。熱交換部１３は、例えば金属ケース１２と同じ金属材料で形成されている。
【００２４】
金属ケース１２内には、反応材１１とＮＨ３とが化学反応した際に発生する反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力を吸収する平板状の応力吸収部１４が収容されている。応力吸収部１４は、積層方向において反応材１１を挟んで熱交換部１３の反対側に配置されている。具体的には、応力吸収部１４は、金属ケース１２内における積層方向の中央部に配置されている。従って、応力吸収部１４は、積層方向において反応材１１に挟まれている。なお、積層方向は、熱交換部１３の配列方向に相当する。
【００２５】
応力吸収部１４は、膨張収縮可能な材料で形成されている。膨張収縮可能な材料としては、例えばゴムメタル（豊田中央研究所：登録商標）、衝撃吸収樹脂（昭和電工）、アルミニウム繊維焼結体（首都大学東京）またはクローズドセル等が挙げられる。応力吸収部１４は、反応材１１の膨張（後述）に追従して収縮すると共に、反応材１１の収縮（後述）に追従して膨張する。応力吸収部１４は、ＮＨ３が通り抜ける流路を構成するような多孔質形状を有している。
【００２６】
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１５を有している。吸着材１５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、ＮＨ３は、吸着材１５に化学吸着されてもよい。
【００２７】
供給管９は、反応器７の反応材１１と吸着器８の吸着材１５とを接続している。供給管９は、反応材１１と吸着材１５との間でＮＨ３が双方向に流れる流路を形成している。供給管９は、金属ケース１２と同じ金属材料で形成されている。バルブ１０は、供給管９に配設され、ＮＨ３の流路を開閉する。
【００２８】
以上のような化学蓄熱システム２において、エンジンオイルの温度が低い状態でバルブ１０が開弁されると、吸着器８と反応器７の金属ケース１２内との圧力差によって、吸着器８の吸着材１５から脱離したＮＨ３が供給管９を通って反応器７の反応材１１に供給される。そして、反応材１１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）
【００２９】
そして、反応材１１から発生した熱が金属ケース１２を通って熱交換部１３を流れるエンジンオイルに伝わり、エンジンオイルが加熱される。暖められたエンジンオイルは、オイル循環流路４を流れてエンジン３内に送られる。
【００３０】
その後、エンジンオイルの温度が上昇すると、熱交換部１３を流れるエンジンオイルの熱が金属ケース１２を通って反応材１１に与えられることで、反応材１１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。
【００３１】
そして、反応器７の金属ケース１２内と吸着器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１５に物理吸着される。これにより、ＮＨ３が吸着器８に回収されることとなる。
【００３２】
ここで、反応材１１の発熱反応時、つまり反応材１１とＮＨ３とが化学反応するときは、反応材１１にＮＨ３が吸蔵されるため、反応材１１が膨張する。このとき、図３（ｂ）に示されるように、応力吸収部１４が収縮することで、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が吸収される。
【００３３】
一方、反応材１１の再生反応時、つまり反応材１１からＮＨ３が脱離するときは、反応材１１が収縮する。このとき、図３（ａ）に示されるように、反応材１１の収縮に追従して応力吸収部１４が膨張する。従って、応力吸収部１４は、元の状態に戻る。
【００３４】
以上のように本実施形態にあっては、金属ケース１２内に収容された反応材１１とＮＨ３とが化学反応すると、反応材１１が膨張するが、その反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力は応力吸収部１４によって吸収される。これにより、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が緩和される。その結果、金属ケース１２の厚みを小さくし、反応器７の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００３５】
また、本実施形態では、金属ケース１２は２つの熱交換部１３の間に配置されており、金属ケース１２内において応力吸収部１４は反応材１１に挟まれているので、２つの熱交換部１３と応力吸収部１４との間に反応材１１がそれぞれ存在することになる。このため、２つの熱交換部１３の何れにおいても、反応材１１とエンジンオイルとの熱交換が行われる。従って、２つの熱交換部１３を有効利用することができる。
【００３６】
また、本実施形態では、応力吸収部１４は、膨張収縮可能な材料で形成されている。このため、反応材１１とＮＨ３との化学反応により反応材１１が膨張すると、応力吸収部１４が収縮することで、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が吸収される。一方、反応材１１からＮＨ３が脱離すると、反応材１１が収縮するが、その反応材１１の収縮に追従して応力吸収部１４が膨張する。従って、反応材１１が収縮しても、反応材１１と金属ケース１２との密着が維持されるため、反応材１１と熱交換部１３との間の熱伝導率の低下が抑制され、反応材１１と熱交換部１３との間の伝熱性が確保される。その結果、反応材１１とエンジンオイルとの熱交換性能を安定化させることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、応力吸収部１４は多孔質形状を有しているので、反応材１１に供給されたＮＨ３が応力吸収部１４を通り抜ける。従って、反応材１１の大部分にＮＨ３を効果的に行き渡らせることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、多孔質形状を有する応力吸収部１４を用いているが、応力吸収部１４としては、特に多孔質形状を有していなくてもよい。
【００３９】
図４は、本発明の他の実施形態に係る化学蓄熱装置を示す断面図であり、図３に対応する図である。図４において、本実施形態の化学蓄熱装置としての反応器２０は、上記の応力吸収部１４に代えて、応力吸収部２１を備えている。
【００４０】
応力吸収部２１は、金属ケース１２内における反応材１１を挟んで熱交換部１３の反対側に配置され、流動性を有する材料が充填された平板状の主室２２と、この主室２２と接続されるように金属ケース１２の外側に配置され、流動性を有する材料が出入りする断面略半円形状の副室２３とを有している。主室２２及び副室２３は、膨張収縮可能である。流動性を有する材料としては、例えば圧縮変形能力を有するゲル材であるシリコンゲル等が挙げられる。
【００４１】
副室２３の数は、例えば２つである。この場合、副室２３は、金属ケース１２の外側面に互いに対向するように装着されている。金属ケース１２には、主室２２と副室２３とを連通させる２つの連通口２４が設けられている。
【００４２】
このような本実施形態においては、反応材１１とＮＨ３との化学反応により反応材１１が膨張すると、図４（ｂ）に示されるように、主室２２が収縮し、流動性を有する材料が主室２２から副室２３に流れ込んで副室２３が膨張することで、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が吸収される。一方、反応材１１からＮＨ３が脱離すると、反応材１１が収縮する。このとき、図４（ａ）に示されるように、反応材１１の収縮に追従して流動性を有する材料が副室２３から主室２２に流れ出て、副室２３が収縮すると共に主室２２が膨張することで、応力吸収部２１が元の状態に戻る。
【００４３】
従って、本実施形態においても、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が応力吸収部２１によって吸収されるので、反応材１１の膨張により金属ケース１２に加わる応力が緩和される。また、反応材１１が収縮すると、応力吸収部２１が元の状態に戻る。従って、反応材１１が収縮しても、反応材１１と金属ケース１２との密着が維持されるため、反応材１１と熱交換部１３との間の熱伝導率の低下が抑制され、反応材１１と熱交換部１３との間の伝熱性が確保される。
【００４４】
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、反応材１１が収容された金属ケース１２が２つの熱交換部１３の間に配置されているが、特にその形態には限られず、図５に示されるように、熱交換部１３の数が１つであってもよい。
【００４５】
図５に示される反応器３０では、反応材１１が収容された金属ケース１２の上下一方側のみに熱交換部１３が配置されている。金属ケース１２内には、上記の応力吸収部１４が収容されている。応力吸収部１４は、積層方向（Ｘ方向）において反応材１１を挟んで熱交換部１３の反対側に金属ケース１２に接触するように配置されている。このとき、応力吸収部１４は、断熱材としての機能を兼ねている。
【００４６】
また、上記実施形態では、反応器７及び反応器２０は、反応材１１が収容された金属ケース１２と熱交換部１３とが積層された積層構造を有しているが、反応器の構造としては、特に積層構造には限られない。
【００４７】
例えば図６に示される反応器４０は、反応材１１が収容された円筒形状（断面円形状）の金属ケース４１と、この金属ケース４１の外周側に配置された円環状の熱交換部４２とを備えている。熱交換部４２は、金属ケース４１の外周面に接合されている。金属ケース４１内には、円柱状の応力吸収部４３が収容されている。応力吸収部４３は、上記の応力吸収部１４と同様に、膨張収縮可能な材料で形成されている。応力吸収部４３は、反応材１１を挟んで熱交換部４２の反対側に配置されている。具体的には、応力吸収部４３は、金属ケース４１内の径方向中心部に配置されている。
【００４８】
なお、金属ケース４１の形状としては、特に断面円形状以外にも、断面多角形状であってもよい。この場合には、熱交換部４２の形状は、金属ケース４１の形状に対応した角環状となる。
【００４９】
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１１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としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯまたはＡｌ２Ｏ３等が用いられる。
【００５０】
さらに、上記実施形態では、反応材１１とエンジンオイルとを熱交換しているが、熱交換対象としては、特にエンジンオイルには限られず、例えばデフオイル、排気ガス、水または空気等であってもよい。
【００５１】
また、上記実施形態の化学蓄熱装置は反応器であるが、本発明の化学蓄熱装置は、反応媒体との化学反応により発熱すると共に熱が与えられると反応媒体が脱離する吸着材と、吸着材が収容された金属ケースと、吸着材と熱交換対象とを熱交換する熱交換部とを備えた吸着器にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
７…反応器（化学蓄熱装置）、１１…反応材（蓄熱材）、１２…金属ケース、１３…熱交換部、１４…応力吸収部、２０…反応器（化学蓄熱装置）、２１…応力吸収部、２２…主室、２３…副室、３０…反応器（化学蓄熱装置）、４０…反応器（化学蓄熱装置）、４１…金属ケース、４２…熱交換部、４３…応力吸収部。
【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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