(57)【要約】  本発明は、相変化材料などの熱エネルギー貯蔵材料（３２０）内に貯蔵された熱を使用するＮＯx選択触媒還元（「ＳＣＲ」）のために、尿素含有材料などの固体または液体の還元材料（９０２）を加熱するためのシステムおよび方法に関する。貯蔵される熱は、内燃機関の排気ガス（７００）からなど、棄てられる排気からの熱であってよい。還元材料は、固体の還元材料であってよい。他の還元材料は、尿素および水を含有するかまたは本質的にもしくは完全に尿素および水からなる水溶液など、水溶液を含む。一態様では、方法は、即時に尿素を加水分解するために尿素の水溶液を蒸発させるステップを含むことができる。
2013539517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
ｉ．固体または液体の還元材料の補給物を含有するための容器であって、前記還元材料が前記容器から取り出せるように１つまたは複数の出口を有する、容器と、
ｉｉ．前記固体または液体の還元材料の少なくとも一部をアンモニアと二酸化炭素とに変換するためのガス発生反応器であって、前記容器の前記１つまたは複数の出口と流体連通する、ガス発生反応器と、
ｉｉｉ．前記ガス発生反応器および／または前記容器の前記１つまたは複数の出口の領域と熱伝達する熱貯蔵デバイスであって、十分な量の１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料を含み、それにより前記ガス発生反応器の少なくとも固体表面および／または前記容器の少なくとも１つまたは複数の出口を、アンモニアおよび／または二酸化炭素を発生させるのに十分な温度まで加熱することができる、熱貯蔵デバイスと
を備える、システム。
【請求項２】
前記熱貯蔵デバイスと前記ガス発生反応器および／または前記容器の前記１つまたは複数の出口の前記領域との間の前記熱伝達が、熱伝達流体を循環させることができる１つまたは複数の経路を含み、それにより熱が前記熱貯蔵デバイスから取り出され、前記ガス発生反応器および／または前記容器の前記１つまたは複数の出口の前記領域に伝達され得る、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムが、燃焼機関の排気から前記熱貯蔵デバイスまで、熱エネルギーを伝達するための１つまたは複数の経路を含み、前記熱貯蔵デバイスは、
ｉ）前記排気と前記熱貯蔵デバイスとの間を熱伝達するヒートパイプ、
ｉｉ）前記排気と前記熱貯蔵デバイスとの間を熱伝達し、熱伝達流体を流すことができるループ、または
ｉｉｉ）前記熱貯蔵デバイスを通る前記排気の少なくとも一部の流れ
のうちの１つまたは任意の組合せを含む、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱エネルギー貯蔵材料が約１５０℃以上の液相温度を有し、前記熱貯蔵デバイスが、前記ガス発生反応器の少なくとも固体表面および／または前記容器の少なくとももう１つの出口を約２００℃以上の温度まで加熱することができるように、十分な量の熱エネルギー貯蔵材料を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記固体または液体の還元材料が液体であり、前記ガス発生反応器が、前記固体または液体の還元材料を前記ガス発生反応器の中に噴霧するための噴霧器を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記固体または液体の還元材料が固体であり、前記熱貯蔵デバイスが前記容器の前記１つまたは複数の出口と熱伝達し、それにより前記固体または液体の還元材料が前記ガス発生反応器に入る前に２００℃以上の温度まで加熱され得る、請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記ガス発生反応器が、熱伝達流体から前記ガス発生反応器の固体表面に熱を伝達するための熱交換器を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記ガス発生反応器が排気ガスの一部を受けるための排気ガス入口を含み、それにより前記排気ガスの前記一部が搬送ガスとして使用されてよく、前記搬送ガスが、前記固体または液体の還元材料に接触する前に、約２００℃より高い温度を有する前記ガス発生反応器の固体表面を通過するように、前記排気ガス入口が配列され、それにより前記搬送ガスが前記還元材料および／または前記還元材料からの反応生成物を加熱して運ぶことができる、請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
貯蔵された廃熱を使用して、車両のアンモニア発生反応器の固体表面温度を２００℃より高く維持するステップを含む、方法。
【請求項１０】
前記固体表面温度を維持するステップが、熱貯蔵デバイスを少なくとも部分的に放出させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記貯蔵された廃熱が熱貯蔵デバイス内に貯蔵され、
前記熱貯蔵デバイスが、約１５０℃以上の液相温度を有する熱エネルギー貯蔵材料を含み、
前記方法が、前記熱エネルギー貯蔵材料の前記温度が上昇しかつ／または液体状態にある前記熱エネルギー貯蔵材料の濃度が上昇するように、内燃機関の排気からの熱を使用して前記熱貯蔵デバイスを少なくとも部分的に充填するステップを含み、
前記充填ステップおよび放出ステップが非同期である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも部分的に熱を放出する前記ステップが、前記熱貯蔵デバイスと前記アンモニア発生反応器および／または前記アンモニア発生反応器と熱伝達するコンポーネントとの間で、第１の熱伝達流体を、ヒートパイプまたは流体ループを使用して循環させるステップを含み、
少なくとも部分的に前記熱貯蔵デバイスを充填する前記ステップが、前記熱貯蔵デバイスと内燃機関の前記排気および／または前記排気と熱伝達するコンポーネントとの間で、第２の熱伝達流体を、ヒートパイプまたは流体ループを使用して循環させるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
アンモニアが発生するのに十分な高さの温度まで尿素を加熱する熱分解ステップと、
アンモニアと二酸化炭素とが発生するのに十分な高さの温度における加水分解ステップと、
Ｎ2が発生するように、触媒の存在のもとでアンモニアをＮＯおよび／またはＮＯ2分子と、随意にＯ2と反応させるステップと
を含む、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
固体または液体の還元材料の供給部分をガス発生反応器内に供給するステップと、
熱貯蔵デバイス内に貯蔵された熱を使用して、前記固体または液体の還元材料の前記供給部分を、熱分解および／または加水分解が発生する十分に高い温度まで加熱するステップとを含み、
前記固体または液体の還元材料が、前記固体または液体の還元材料の総重量に基づいて約５０重量％以上の尿素濃度を有し、
前記熱貯蔵デバイスが、尿素含有材料が前記熱エネルギー貯蔵材料からの潜熱および／または顕熱を使用して加熱され得る、十分に高い液相温度を有する熱エネルギー貯蔵材料を含む、方法。
【請求項１５】
前記熱エネルギー貯蔵材料が、約１５０℃から約４５０℃までの液相温度を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記固体または液体の還元材料が、尿素含有材料であり、
前記方法が、
アンモニアを発生させるために前記尿素含有材料を反応させるステップと、
内燃機関の１種類または複数種類の窒素酸化物を含有する排気ガスに前記アンモニアを加えるステップと、
前記排気ガス中の窒素酸化物の濃度が減少するように、前記アンモニアを窒素酸化物と触媒反応させるステップと
を含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記固体または液体の還元材料が、４０重量％未満の水を含み、それにより前記水を蒸発させることで消耗する熱エネルギーの量が削減される、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記固体または液体の還元材料が尿素含有材料であり、前記尿素含有材料が、前記尿素含有材料の総重量に基づいて約１５重量％から約３０重量％までの水を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記固体または液体の還元材料が尿素含有材料であり、前記尿素含有材料が固体の材料として貯留槽内に貯蔵され、
前記方法が前記固体の尿素含有材料の供給部分を運ぶステップを含み、それにより前記尿素含有材料の前記供給部分が約２００℃以上の温度を有する固体表面と接触する、請求項１４から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記尿素含有材料を運ぶ前記ステップが、前記尿素含有材料が前記貯留槽から進むようにスクリューを回転させるステップを含み、
前記スクリューが、
ｉ）位置決めスクリューであって、当該位置決めスクリューは、前記尿素含有材料を前記貯留槽から押す、板またはプランジャを進める、位置決めスクリュー、または
ｉｉ）供給チューブの内部に設置される運搬スクリューであって、当該運搬スクリューを回転させる前記ステップの間に、前記尿素含有材料が前記供給チューブに沿って進む運搬スクリュー
である、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（出願日の利益の主張）
本出願は、参照によりその全体をすべての目的のために本明細書にすべて組み込む、２０１０年８月１９日に出願した米国特許仮出願第６１／３７５，０７７号、２０１０年８月１９日に出願した米国特許仮出願第６１／３７５，０８０号、および２０１１年８月１５日に出願した米国特許出願第１３／２０９，６３０号の出願日の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、相変化材料などの熱エネルギー貯蔵材料中に貯蔵された排気廃熱を使用するＮＯx選択触媒還元（「ＳＣＲ」）のために、尿素含有材料などの固体または液体の還元材料からアンモニアなどの還元剤ガスを生成するための方法に関する。より具体的には、本発明は、液体の還元材料を蒸発させるための方法（たとえば、尿素の水溶液および即時の尿素加水分解）、ならびに固体の還元材料を加熱するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
産業界は全般に、廃熱を効率よく取り込んで貯蔵し、それにより廃熱がより適切な時点で使用され得る、新規な手法を積極的に探究している。さらに、エネルギー貯蔵をコンパクトな空間内で実現する願望によって、単位重量および単位体積当たりに高いエネルギー含量を貯蔵することができる新規な材料の開発が要求される。進歩した技術を応用する可能性のある領域は、輸送、太陽エネルギー、工業生産プロセス、ならびに地方自治体および／または商用の建築物の暖房を含む。
【０００４】
運送業において、排出制御デバイスとも呼ばれる排気後処理システムが、汚染物排気を削減するために使用される。一般的に、そのような後処理システムは、排気ガスが燃焼チャンバから放出された後で、排気ガスから汚染物質を除去する。そのような後処理システムとしては、例として、触媒コンバータ、ディーゼル微粒子フィルタ、およびディーゼル用酸化触媒が挙げられる。
【０００５】
車両の排出制御システムにおいて、一酸化窒素（nitrogen II oxide）（すなわち、ＮＯ）および／または二酸化窒素（nitrogen IV oxide）（すなわち、ＮＯ2）など、ＮＯx（すなわち、窒素酸化物）の還元を助けるために、尿素の溶液が車両の排気ガス流の中に注入されることが、いくつかの用途において知られている。排出制御システムにおいて（たとえば、排出制御システムのアンモニア発生反応器において）、尿素溶液が、アンモニア（ＮＨ3）およびＣＯ2に変換される。アンモニアは、ＳＣＲ反応器内の排気ガス中に含有される窒素酸化物ＮＯxと反応し、それにより有害なＮＯxを無害な反応生成物である窒素ガス（すなわち、Ｎ2）と水（すなわち、Ｈ2Ｏ）とに変換する。しかしながら、この用途で尿素溶液を使用することにおいて、いくつかの欠点が存在する。たとえば、市販の尿素の水溶液（たとえば、ＡｄＢｌｕｅ（商標）、３２．５重量％の尿素）は、化学量論的に尿素をＮＨ3とＣＯ2とに加水分解するために必要な水のほぼ７倍の水を有する。一般的に、尿素溶液の注入は、排気ガスとともにＳＣＲ反応器に入る前に、アンモニア発生反応器内に噴霧することによって遂行される。市販の尿素の水溶液（たとえば、ＩＳＯ  ２２２４要件を満たす尿素３２．５重量％／水６７．５重量％水溶液であり、ドイツ自動車工業会（German Association of the Automobile Industry）によるＡｄＢｌｕｅ（商標）、カミンズフィルトレーション（Cummins Filtration）から市販のＦｌｅｅｔｇｕａｒｄ（登録商標）ディーゼル排気流体（Diesel Exhaust Fluid）（ＤＥＦ）など、およびダイムラー社（Daimler AG）から市販のＢｌｕｅＴＥＣ（登録商標）として指定される）は、化学量論的に尿素をＮＨ3とＣＯ2とに加水分解するために必要な水のほぼ７倍の水を有する。この溶液が直接アンモニア発生反応器に注入される場合、過剰な水が、熱（たとえば、蒸発の潜熱および顕熱）を消費するので、排気ガスの冷却を引き起こす。この冷却が温度の低下をもたらす可能性があり、それにより、特に尿素溶液が噴霧される温度が比較的低い（たとえば、約３００℃以下、または約２５０℃以下）場合に、アンモニア発生反応器およびまたはＳＣＲ反応器が効率よく機能しなくなる。普通、市街地走行条件において排気の温度および流速が低いときに、かつ／または車両がそのエンジンをアイドリングさせて停止中に、低い温度が発生する。この低温が発生すると、そのことが、ＳＣＲ反応器内に、固体堆積物の形成および／または準最適温度をもたらす可能性がある。また、ＳＣＲ反応器内の温度が低いためにＳＣＲ反応があまりに遅いとき、排気再循環（ＥＧＲ）がＮＯx排出量削減手段のみに留まるので、放出されるＮＯxの量を低く保つために高度の排気再循環（ＥＧＲ）を必要とするため、この冷却の影響が、燃料消費量をより増やす可能性がある。加えて、ＮＯx排出を削減するためには、尿素が、分解してアンモニア（ＮＨ3）をリリースし、それによりＳＣＲ反応器内で化学反応が効率的に遂行され得ることが必要である。尿素溶液中の過剰な水を蒸発させるプロセスと、尿素を分解してアンモニアを発生させるプロセスとは、ともに吸熱性である。
【０００６】
尿素溶液の使用は、他の欠点を有する。車両が搬送しなければならない尿素溶液中の余分で不必要な水の重量によって、車両の燃料効率が損なわれている。いくつかの市販の尿素溶液は、−１１℃で凍る。凍結が発生すると、尿素溶液を融解させるための処置をとる必要がある。たとえば、エンジン室が燃焼の熱で温まって尿素溶液を融解するまでは、車両の排気システムは、ＮＯx排出を準最適削減、最小程度の削減、またはさらに無削減で動作する可能性がある。
【０００７】
車両の排気後処理システムにおいてＮＯxを削減するために尿素溶液を使用することの代替が、参照によりその全体を本明細書に組み込む米国特許出願公開第２００８／０２６０５９７号で開示された。この特許公報は、必要に応じてＳＣＲのためにアンモニアを発生させるための手段として、加熱エレメントに押しつけられた固体の還元剤ロッドを開示している。これは、尿素溶液の過剰な水によって提起される問題を解決することはできるが、この特許公報で開示される発明は、還元剤を分解して還元ガスを生成するために、固体還元剤反応器内の固体還元剤の近くに熱生成を必要とする。熱生成要件は、エンジンおよび交流発電機に寄生負荷を加え、結果として車両の燃料効率を低下させる。
【０００８】
固体還元剤を使用する利点があるにもかかわらず、いくつかの車両用途において、水溶液（約３２．５重量％の尿素を含有）は、たとえば、取扱い、投与、および送出において液体の利点があることによって、還元剤を供給するための好ましい手段である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特に排気ガスの温度が概して低いとき、ＮＯxの排出を効率的に削減するために、固体および液体（たとえば、水溶液）両方の還元材料を加熱する必要性が存在する。したがって、十分な排気ガス温度が効率的なＮＯxの還元のために維持されるように、代替の熱源の必要性が存在する。たとえば、熱を生成するためにエンジンおよび／または交流発電機に寄生負荷を加えない、車両排気システムに熱を供給するためのデバイス、システムおよび方法に対する必要性が存在する。また、低温（たとえば、約−１５℃以下）で効率的に機能する、ＮＯx排出を削減するためのデバイス、システム、方法および材料に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、たとえ排気の温度および流速が低いときでも、ディーゼルエンジンからの窒素酸化物排出を削減するために、尿素含有材料（たとえば、尿素溶液または固体の尿素含有物）の効率的な使用を提供する。本発明は、以下の方法ステップ（１）過剰な水などの水を蒸発させること（たとえば、尿素溶液からの水を蒸発させること）、（２）尿素をＮＨ3およびイソシアン酸ＨＮＣＯに熱分解すること、または（３）ＨＮＣＯをＮＨ3およびＣＯ2に加水分解すること、のうちの１つまたは任意の組合せ（たとえば、すべて）に対して十分に高い温度を供給する。本発明は、当初ディーゼルエンジンによって生成され、貯蔵された熱など、貯蔵された熱を使用することによって、そのような熱を供給する。たとえば、貯蔵された熱は、取り込まれ貯蔵されている排気ガスの廃熱であってよい。貯蔵された熱は、熱エネルギー貯蔵材料を含有する熱貯蔵デバイス（すなわち、熱エネルギー貯蔵（「ＴＥＳ」）デバイス）内に貯蔵される。熱エネルギー貯蔵材料は、相変化材料であってよい。好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料は、金属カプセルなど、金属容器内にカプセル化される。本発明で使用される熱貯蔵デバイス、熱貯蔵のシステム、材料および方法は、参照によりその全体をともに本明細書に組み込む公開された米国特許出願公開第２００９／０２１１７２６号および米国特許出願公開第２００９／０２５０１８９号において教示される特徴のうちの１つまたは任意の組合せを含むことができる。熱貯蔵デバイスは、アンモニア発生反応器と熱伝達し、それにより熱貯蔵デバイスからアンモニア発生反応器まで熱が伝達され得る（たとえば、排気ガスの温度が、アンモニアを効率的に発生するにはあまりに低いとき、または排気ガスの温度が、ＳＣＲ反応器内の窒素酸化物を効率的に還元するにはあまりに低いとき）。熱貯蔵デバイスとアンモニア発生反応器との間の熱伝達は、単相の熱伝達流体（「ＨＴＦ」）、または二相のＨＴＦを使用して供給されてよい。熱伝達流体は、液相、気相、またはその両方を使用することができる。熱伝達流体は、機械的にポンピングされてよく、または自己ポンピングされてよい。たとえば、熱伝達は、参照によりその内容全体を本明細書に組み込む（２００９年９月２５日にＳｏｕｋｈｏｊａｋらが出願した）米国特許仮出願第６１／２４５，７６７号に記載されているような、液相および気相を含む自己ポンピング熱伝達流体を使用することができる。
【００１１】
本発明のデバイス、システム、および方法は、アンモニアがＳＣＲ反応器内でＮＯxと反応するために効率よく発生するように、少なくとも部分的に、貯蔵された熱（取り込まれ貯蔵された排気ガスの廃熱など）を使用してアンモニア発生反応器内の液体の尿素含有材料を加熱するために使用されてよい。たとえば、液体の尿素含有材料は、過剰な水を含む可能性があり、熱貯蔵デバイス内に取り込まれ貯蔵された廃熱が、過剰な水の温度を上昇させるためか、過剰な水を蒸発させるためか、または両方に使用される可能性がある。
【００１２】
本発明のデバイス、システム、および方法は、アンモニアがＳＣＲ反応器内でＮＯxと反応するために効率よく発生するように、少なくとも部分的に、貯蔵された熱（熱貯蔵デバイス内に取り込まれ貯蔵された排気ガスの廃熱など）を使用して固体または液体の還元材料を加熱するために使用されてよい。デバイス、システム、および方法は、ＮＯxを発生する任意の排気ガス、および内燃機関（たとえば、自動車用途で使用される内燃機関）などのために使用されてよい。
【００１３】
熱貯蔵デバイスを使用することによって以下の利点すなわち、電気ヒータで生成される熱を使用して固体または液体の還元材料を加熱する必要性が低減および／または排除されること、エンジンをアイドリングさせるときおよびまたは低速で運転するときにＮＯx排出を削減する効率が向上すること、固体または液体の還元材料の重量および／または体積が削減されること、または排気ガス（たとえば、排出ガス）を燃焼チャンバ内に再循環させる必要性を排除することによってエンジンの効率が向上すること、のうちの１つまたは複数が達成され得る。熱貯蔵デバイスは、エンジン運転中の前述の時点のうちの１つまたは複数の時点に測定されたＮＯxの排出を、ＳＣＲ反応器内で排気ガスと反応する前に固体または液体の還元材料を加熱するために、貯蔵された熱を使用することのないシステムと比較して約５％以上、好ましくは約１５％以上、より好ましくは約２５％以上、最も好ましくは約３５％以上削減するシステムおよび／または方法において使用されてよい。
【００１４】
本発明の一態様は、固体または液体の還元材料の補給物を含有するための容器であって、還元材料が容器から取り出せるように１つまたは複数の出口を有する容器と、固体または液体の還元材料の少なくとも一部をアンモニアと二酸化炭素とに変換するためのガス発生反応器であって、容器と流体連通するガス発生反応器と、ガス発生反応器および／または容器の１つまたは複数の出口の領域と熱伝達する熱貯蔵デバイスであって、十分な量の１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵を含み、それによりガス発生反応器の少なくとも固体表面および／または容器の少なくとも１つまたは複数の出口を、アンモニアおよび／または二酸化炭素を発生させるのに十分な温度まで加熱することができる熱貯蔵デバイスとを備えるシステムを対象とする。
【００１５】
本発明の別の態様は、貯蔵された廃熱を使用して、車両のアンモニア発生反応器の固体表面温度を２００℃より高く維持するステップを含む方法を対象とする。
【００１６】
本発明のさらに別の態様は、固体または液体の還元材料の供給部分をガス発生反応器内に供給するステップと、熱貯蔵デバイス内に貯蔵された熱を使用して、固体または液体の還元材料の供給部分を、熱分解および／または加水分解が発生する十分に高い温度まで加熱するステップとを含み、固体または液体の還元材料が、固体または液体の還元材料の総重量に基づいて約５０重量％以上の尿素濃度を有し、熱貯蔵デバイスが、固体または液体の還元材料が熱エネルギー貯蔵材料からの潜熱および／または顕熱を使用して加熱され得るのに十分な高さの液相温度を有する熱エネルギー貯蔵材料を含む方法を対象とする。固体または液体の還元材料は、尿素含有材料であることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明を、本発明の実施形態の非限定的な例として言及された複数の図面を参照して、以下の詳細な記載において説明する。いくつかの図面を通して同じ参照番号は類似の部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】排気ガス中の窒素酸化物を還元するためのガス発生反応器を含むシステムの主要コンポーネントのいくつかの特徴を示す概略図である。図１に示すように、ガス発生反応器は、少なくとも部分的に、または完全に排気チューブの内部に設置されてよい。
【図２】排気ガス中の窒素酸化物を還元するためのシステムの主要コンポーネントのいくつかの特徴を示す別の概略図である。図２に示すように、ガス発生反応器は、排気チューブの外部に設置されてよい。
【図３Ａ】搬送ガスを使用するシステムの特徴を示す概略図である。
【図３Ｂ】搬送ガスを使用するシステムの特徴を示す概略図である。
【図３Ｃ】搬送ガスを使用するシステムの特徴を示す概略図である。
【図４Ａ】排気管の内部で使用され得るガス発生反応器の特徴を示す概略図である。
【図４Ｂ】排気管の内部で使用され得るガス発生反応器の特徴を示す概略図である。
【図５Ａ】１つまたは複数の熱伝達流体の流れを制御するための制御器の特徴を示す概略図である。図５Ａに示すように、システムは、熱貯蔵デバイスを充填することおよび放出することの両方に対して単一の流路を含む熱貯蔵デバイスを使用することができる。
【図５Ｂ】１つまたは複数の熱伝達流体の流れを制御するための制御器の特徴を示す概略図である。図５Ｂに示すように、システムは、熱貯蔵デバイスを充填することおよび放出することの両方に対して単一の流路を含む熱貯蔵デバイスを使用することができる。
【図６】還元ガスを生成するための固体の還元材料を使用するシステムの特徴を示す概略図である。
【図７】固体を１００％阻止する熱伝達流体のコイル形状の一例の断面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の詳細な説明では、本発明の具体的な実施形態を、その好ましい実施形態に関して説明する。しかしながら、以下の説明が、特定の実施形態または本技術の特定の使用に特有のものである限りにおいて、単なる例にすぎないことおよび単に例示的な実施形態の簡潔な説明を提供することが意図されている。したがって、本発明は、以下に説明する具体的な実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の真の範囲に入るすべての代替形態、改変形態、および等価形態を含む。
【００２０】
熱をガス発生反応器に供給し、それにより還元剤ガスが固体または液体の還元材料から効率的に発生する、熱貯蔵デバイスを含むシステムを使用することで、低い温度を有する排気ガスから窒素酸化物を除去することに関連する１つまたは複数の問題が克服され得る。例として、固体または液体の還元材料は、尿素含有材料など、アンモニアか、イソシアン酸か、または両方を生成することができる材料であってよい。熱貯蔵デバイスは、貯蔵された熱（たとえば、ディーゼルエンジンの排気または他の成分からなどの廃熱）の使用を可能にし、それにより（たとえば、電気的、機械的な、または化学反応による）熱を発生させることの必要性が削減されるかまたは解消される。熱貯蔵デバイスは、ガス発生反応器と熱的接触することができる。たとえば、熱貯蔵デバイスは、アンモニア発生反応器の内部固体表面と熱的接触することができる。一般的に、熱貯蔵デバイスは、ガス発生反応器に取り付けられる。熱貯蔵デバイスとガス発生反応器との間の取付けは、熱貯蔵デバイスからガス発生反応器まで熱を伝達するための放出ループを含むことができる。放出ループは、熱貯蔵デバイスからガス発生反応器まで熱伝達流体を流すことができるか、ガス発生反応器から熱貯蔵デバイスまで熱伝達流体を流すことができるか、またはその両方ができる、１本または複数本の管路を含むことができる。熱貯蔵デバイスは、還元剤ガスが選択触媒還元（すなわち、ＳＣＲ）反応器に流入する前に、ガス発生反応器に熱を供給することが好ましい。一般的に、ガス発生反応器は、ＳＣＲ反応器の上流に配置される。熱貯蔵デバイスは、ＳＣＲ反応器から下流に配置された排気システムまたは排気システムのコンポーネントからの熱を使用して加熱されることが好ましい。排気システムは、エンジン出力が高いときおよび／または排気温度が高いときに排気熱（たとえば、廃熱）を取り込むための熱交換器を含むことができる。充填ループは、熱交換器から熱貯蔵デバイスまで熱を伝達するために使用されてよい。充填ループおよび放出ループは、非同期的に機能することができる。したがって、熱貯蔵デバイスは、排気温度が比較的高いときに充填されてよく、また排気温度が比較的低いときに放出されてよい。好ましい熱貯蔵デバイスは、十分な量の熱を貯蔵することができ、それにより、エンジン出力が低いときに、吸熱プロセスを維持するために（たとえば、尿素含有化合物からアンモニアを発生させるため、かつまたは尿素含有化合物の中の過剰な水を蒸発させるために）、必要な熱をリリースすることができる。
【００２１】
図１は、窒素酸化物の触媒還元のためのシステム１０におけるいくつかの主要コンポーネントを概略的に示している。図１に示すように、熱貯蔵デバイス３００が、ガス発生反応器１００の内部固体表面６５０に取り付けられる。取付け装置は、熱貯蔵デバイス３００と、ガス発生反応器１００の内部にあるかまたはそれに接続された熱交換器との間で熱伝達流体を循環させることができる放出ループ６１０であってよい。この熱貯蔵デバイス３００は、エンジン出力が高いときおよび／または排気ガス７００の温度が高いときに、ＳＣＲ反応器２００から下流にある熱交換器５００から（たとえば、充填ループを使用して）排気熱を吸収することができる。熱貯蔵デバイス３００は、エンジン出力が低いときおよび／または排気ガス７００の温度が低いときに、ガス発生反応器１００内の１つまたは複数の吸熱プロセスを維持するために必要な熱をリリースすることができる。
【００２２】
ガス発生反応器は、窒素酸化物を還元するために１種類または複数種類のガスを発生することができ、それにより排気ガス中の窒素酸化物の濃度が削減される。ガス発生反応器は、固体または液体の還元材料を１種類または複数種類の還元ガスに（すなわち、気体の還元剤に）変換することができる。固体または液体の還元材料は、１種類または複数種類の窒素酸化物と反応することができる還元ガスに変換され得る任意の材料であってよい。還元ガスは、窒素酸化物と（たとえば、触媒の存在のもとで）反応して窒素ガス（すなわち、Ｎ2（ｇ））を形成することが好ましい。
【００２３】
固体または液体の還元材料は、加熱するとアンモニアか、イソシアン酸（すなわち、ＨＮＣＯ）か、または両方を発生する材料を含むことができる。例として、加熱すると、気体のアンモニアか、気体のイソシアン酸か、または両方を発生する分子は、尿素、アメライド（ammelide）、アメリン（ammeline）、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、シアン酸アンモニウム、硫酸およびリン酸を含む無機酸のアンモニウム塩、ギ酸および酢酸を含む有機酸のアンモニウム塩、ビウレット（biuret）、トリウレット（triuret）、シアヌル酸（cyanuric acid）、イソシアン酸、尿素ホルムアルデヒド、メラミン、トリシアノ尿素（tricyanourea）、またはこれらの１つまたは複数を含む混合物を含む。窒素酸化物と反応するための還元ガスを発生するために使用され得る他の分子は、ＨＮＣＯを形成しないが、分解して炭化水素を含むガスの混合物を形成する分子を含む。そのような化合物の例としては、グアニジン（guanidine）、炭酸グアニジン（guanidine carbonate）、メチルアミン炭酸塩（methyl amine carbonate）、エチルアミン炭酸塩（ethyl amine carbonate）、ジメチルアミン炭酸塩（dimethyl amine carbonate）、ヘキサメチルアミン（hexamethylamine）、ヘキサメチルアミン炭酸塩、および化学プロセスからの尿素を含有する副次的廃棄物など、アミンおよびそれらの塩（たとえば、炭酸塩）が挙げられる。高級アルキルを有するこれらのアミンは、リリースされる炭化水素成分が、（たとえば、ＳＣＲ反応器内で）窒素酸化物還元反応と干渉しない程度に使用されてよい。アンモニアか、イソシアン酸か、または両方を生成するために使用され得る材料の例としては、参照によりその全体を本明細書に組み込む米国特許出願公開第２００９／０２９７４１７Ａ１号に記載される（たとえば、段落００２０〜００２２参照）材料が挙げられる。固体または液体の還元材料は、１種類または複数種類の固体または液体の希釈剤を付加的に含むことができる。固体または液体の希釈剤は、使用される場合、固体または液体の還元材料（たとえば、尿素）の別の成分と反応して、約１２０℃の温度および約１気圧の圧力、または好ましくは両方、のガスであってよい還元ガスを形成することができる。好ましくは、固体または液体の還元材料は、尿素を含むか、または本質的にもしくは完全に尿素からなる。たとえば、固体または液体の還元材料は、水と尿素を含む、本質的に水と尿素からなる、または完全に水と尿素からなる水性混合物であってよい。
【００２４】
固体または液体の還元材料は、水を含むことができる。たとえば、水は、ＨＮＣＯと反応させるために使用されてよく、それによりアンモニアと二酸化炭素とが形成され得る。水は、個別の成分として、固体または液体の還元材料の一部として、ガス発生反応器を通って流れる（排気ガス流または空気流などの）ガス流の一部として、またはそれらの任意の組合せで、ガス発生反応器に供給されてよい。水の必要性は、一連の尿素の熱分解（式１）および加水分解（式２）を示す以下の式に示すように、（ＮＨ2）2ＣＯ（すなわち、尿素）がＮＨ3とＣＯ2とに加水分解する化学量論的反応を考察することによって理解することができる。
（ＮＨ2）2ＣＯ＋熱→ＨＮＣＯ＋ＮＨ3（ｇ）    （式１）
ＨＮＣＯ＋ＮＨ3（ｇ）＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）    （式２）
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＋熱→２ＮＨ3（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）    （純方程式）
純方程式によれば、１モル（約６０．０６ｇ）の尿素と１モル（約１８．０２ｇ）の水とが反応して、約２モルのアンモニアと約１モルの二酸化炭素とを発生することができる。尿素の水に対する化学量論比は、重量ベースで約３．３３である。尿素の化学量論濃度は約７６．９重量％であり、水の化学量論濃度は約２３．１重量％である。
【００２５】
固体または液体の還元材料が水を含む場合、尿素の水に対する重量比が約３．３未満（たとえば、約３．０未満または約２．７未満）であるときなどに、水が過剰に存在する可能性がある。ガス発生反応器内に水が過剰に存在する場合、ガス発生反応器からの熱は、過剰な水の温度を上昇させるためかつ／または過剰な水を蒸発させるために使用される。このことが、還元ガスを発生させ、加熱するために必要な熱の増加を招く。水を蒸発させるための熱は、約１００℃において約４０．６６ＫＪ／モルである。したがって、熱貯蔵デバイスは、ｉ）過剰な水を蒸発および／または加熱すること、ｉｉ）還元ガスを発生させるために反応物質を熱分解すること、ｉｉｉ）触媒の存在のもとで窒素酸化物と反応するのに十分な温度まで還元ガスを加熱すること、のうちの１つもしくは複数、またはすべてのために十分な熱を供給することができる。熱貯蔵デバイスからの貯蔵された熱を使用しない場合、過剰な水を蒸発させる熱が、一般的に、排気ガスの温度の低下をもたらし、かつ／または追加の熱を生成させる必要性を引き起こすことが、諒解されよう。
【００２６】
ガス発生反応器に供給される水の量は、アンモニアと二酸化炭素とを形成するために反応器内に存在する任意のイソシアン酸と反応するのに十分であることが好ましい。アンモニアを生成するために尿素を使用する場合、重量ベースにおける尿素と水との比は、約０．２５以上、約０．４以上、約０．６以上、約０．８以上、約１．５以上、または約２．７以上であってよい。重量ベースにおける尿素と水との比は、ガス発生反応器に供給される水と尿素との総量に基づいて、好ましくは約６以下、より好ましくは約４以下である。
【００２７】
液体または固体の還元材料は、ガス発生反応器内に導入される水から別々に供給されてよく、または液体または固体の還元材料が、水の一部または全部を含んでよい。たとえば、液体または固体の還元材料は、実質的に水を含まなくてよく（たとえば、約２０％以下の水、約１０重量％以下の水、約５重量％以下の水、または約１重量％以下の水を含む）、またはさらに水を全く含まなくてよい。固体または液体の還元材料は、本質的に、アンモニアか、イソシアン酸か、または両方（たとえば、尿素）と水とを発生する第１の化合物からなる尿素含有材料であってよい。たとえば、還元材料中の第１の化合物（たとえば、尿素）と水との総濃度は、約８０重量％以上、約８５重量％以上、約９０重量％以上、約９５重量％以上であってよい。尿素含有材料は、本質的に第１の化合物（たとえば、尿素）からなる固体などの固体であってよい。液体または固体の還元材料（たとえば、尿素含有材料）は、溶液が容易に凍結することのないように、一般に低い液相温度（たとえば、融解温度）を有する水溶液であってよい。第１の化合物（たとえば、尿素）と水とを含み、低い融解温度を有する水溶液は、一般的に、約５重量％以上、好ましくは約１０重量％以上、より好ましくは約２０重量％以上、最も好ましくは約３０重量％以上の尿素濃度を有し、約３０重量％以上、好ましくは約４０重量％以上、さらに好ましくは約５０重量％以上、さらに好ましくは約６０重量％以上、最も好ましくは約６５重量％以上の水濃度を有する。例示的な水溶液としては、ドイツ自動車工業会によるＡｄＢｌｕｅ（商標）、カミンズフィルトレーションから市販のＦｌｅｅｔｇｕａｒｄ（登録商標）ディーゼル排気流体（ＤＥＦ）、およびダイムラー社から市販のＢｌｕｅＴＥＣ（登録商標）など、水と尿素との二成分共晶混合物（binary eutectic mixture）が挙げられる。
【００２８】
熱貯蔵デバイスは、ガス発生反応器の温度を最低のガス生成温度より高く維持するように設計されてよく、それにより、固体または液体の還元材料が、１種類または複数種類の還元ガスに熱分解され得る（すなわち、窒素酸化物を還元してＮ2ガスを形成することができる）。最低のガス生成温度は、固体または液体の還元材料によって左右される可能性がある。尿素と水とを使用してアンモニアを発生させる場合、最低のガス生成温度は、約２００℃以上、好ましくは約２５０℃以上、より好ましくは約３００℃以上であってよい。必ずしも、ガス発生反応器全体が最低のガス生成温度以上である必要はない。たとえば、液体または固体の還元材料は、還元材料が加熱される加熱表面（たとえば、固体表面）に堆積または接触してよい。たとえば、液体の還元材料が、ガス発生反応器内に噴霧されてよい。液体の噴霧は、液体が加熱される固体表面（たとえば、最低のガス生成温度以上に加熱された固体表面）と接触することができる。別の例として、ガス発生反応器内の熱交換器の固体表面が、最低のガス生成温度以上に加熱されてよい。熱交換器の固体表面が、固体または液体の還元材料を直接的または間接的に加熱することができる。たとえば、熱交換器の加熱された固体表面が、ガス発生反応器を通って流れる搬送ガスを加熱することができ、それにより、搬送ガスが、固体または液体の還元材料に熱を伝達する。
【００２９】
熱貯蔵デバイスは、エンジンが高出力で動作しているときおよび／または排気ガスの温度が概して高いときに、熱を取り込むように設計されてよい。たとえば、熱貯蔵デバイスは、（たとえば、ＳＣＲ反応器の下流の場所において）排気ガスの温度が約３００℃以上、好ましくは約３２５℃以上、または約３５０℃以上であるときに、熱を取り込むことができる。高いエンジン出力で動作中に、排気ガスの温度が、約３００℃以上、たとえば約３５０℃から約５５０℃までに達する可能性があることが諒解されよう。
【００３０】
ガス発生反応器は、排気流体（たとえば、排気ガス）中に導入するための１種類または複数種類の還元ガスを発生させるように設計され、それにより、排気流体がＳＣＲ反応器を通過するときに、窒素酸化物の濃度が削減され得る。ガス発生反応器は、固体または液体の還元材料の供給源と接続（たとえば、流体接続）しており、それにより、固体または液体の還元材料が、ガス発生反応器に投与または供給され得る。
【００３１】
ガス発生反応器は、１種類または複数種類の還元ガスをＳＣＲ反応器に流入させることが可能な、１つまたは複数のＳＣＲ反応器との流体接続を含むことができる。ＳＣＲ反応器との流体接続は、ガス発生反応器から、ＳＣＲ反応器から上流にある排気システムの部分まで流れる管路によってもたらされてよい。ガス発生反応器とＳＣＲ反応器との間の流体接続は、ＳＣＲ反応器を部分的または完全に排気システムのコンポーネント内に設置することによってもたらされてよい。ＳＣＲ反応器との流体接続は、排気流体の少なくとも一部などの搬送ガスをガス供給反応器を通して流すことによってもたらされてよい。たとえば、排気ガスが、搬送ガスとして使用されてよい。排気ガスの一部が搬送ガスとして使用される場合は、搬送ガス流調整器が使用されてよい。搬送ガス流調整器の例は、ルーバおよび弁を含む。搬送ガス流調整器は、使用される場合、流速が制御され得るように、可変制御調整器であることが好ましい。搬送ガス流調整器は、ガス発生反応器の上流にあってよい。搬送ガス流調整器（たとえば、ルーバ）は、空気圧式または電磁式アクチュエータで制御されてよい。
【００３２】
ガス発生反応器は、ガス発生反応器からの熱損失が低減されるように、１層または複数層の断熱層を含むことができる。たとえば、ガス発生反応器は、排気管の内部にあってよくまたは排気管と接触することができ、特に排気流体が冷たいとき（たとえば、約２００℃より低い温度において）、ガス発生反応器から排気管およびまたは管の中の排気流体への熱損失を削減するために、断熱層が使用されてよい。ガス発生反応器の断熱層は、使用される場合、当技術分野で知られている任意の断熱材料または断熱システムであってよい。たとえば、断熱層は、１つまたは複数の低熱伝導率を有する材料か、１つまたは複数の空気または他のガスで満たされた隙間か、１つまたは複数の真空の空間（すなわち、不完全真空を有する空間）か、またはそれらの任意の組合せを使用することができる。本明細書で説明する熱貯蔵デバイスを断熱する手段はいずれも、ガス発生反応器を断熱するために使用され得る。
【００３３】
ガス発生反応器は、１つまたは複数の、固体または液体の還元材料を加熱する手段を含む。ガス発生反応器は、熱貯蔵デバイス中に貯蔵された廃熱など、貯蔵された熱を使用して固体または液体の還元材料を加熱する手段を含む。たとえば、ガス発生反応器は、熱貯蔵デバイスとの熱的接続を含むことができる。したがって、ガス発生反応器は、熱貯蔵デバイスからの熱で加熱され得る１つまたは複数の固体表面を含むことができる。また、排気ガスの温度が、固体または液体の還元材料を加熱し反応させるのに十分に高いとき（たとえば、排気ガスの温度が、尿素と水とをアンモニアと二酸化炭素とに変換するのに十分に高いとき）、ガス発生反応器は、排気ガス中の熱エネルギーを使用して、１つまたは複数の、固体または液体の還元材料を加熱する手段を含むことができる。
【００３４】
熱貯蔵デバイスとガス発生反応器との間の熱的接続は、熱貯蔵デバイスからガス発生反応器まで効率よく熱を伝達する任意の方式で配列されてよく、熱貯蔵デバイスとガス発生反応器との間で熱伝達流体を循環させることができる１つまたは複数の放出ループを含むことが好ましい。たとえば、ガス発生反応器は、熱交換器を含むことができる。熱交換器は、使用される場合、固体または液体の還元材料が導入されかつ／または反応する反応チャンバの内部にあってよく、反応チャンバに取り付けられるかまたは接続されてよく（たとえば、反応チャンバの１つまたは複数の表面と接触してよく）、または反応チャンバの上流に位置してよい。熱交換器は、図３Ａに示すように、ガス発生反応器の反応チャンバの内部に配置されてよい。熱交換器は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ガス発生反応器の反応チャンバの上流に配置されてよい。したがって、ガス発生反応器は、熱交換器コンポーネント（たとえば、搬送ガスを加熱するため）および反応チャンバコンポーネント（たとえば、固体または液体の還元材料を受けるためかつ／または材料を反応させて還元ガスを発生させるため）など、２つ以上のコンポーネントに分割されてよい。
【００３５】
ガス発生反応器は、固体または液体の還元材料に熱を供給するための複数の手段を有することができる。ガス発生反応器は、排気ガスの温度が低いときに、熱貯蔵デバイスからの貯蔵された熱を使用することができ、排気ガスの温度が高いときに、排気ガスからの熱を使用することができる。この配列では、排気ガスは、搬送ガスとして働くことができる。したがって、ガス発生反応器は、排気ガスの少なくとも一部をガス発生反応器を通して流すための搬送ガス管路を含むことができる。搬送ガスは連続的に流れることができ、または流速が、１つまたは複数の流れ調整器を使用して制御されてよい。搬送ガス流調整器の例としては、ポンプ、弁、ルーバ、他が挙げられる。調整器は、ガス発生反応器を通る搬送ガスの流れを減少させるかまたは阻止するために使用されてよい。例として、流れ調整器は、排気ガスの温度が低いときに搬送ガスの流れを減少させるかまたは阻止することができ、排気ガスの温度が高いときに搬送ガスの流れを可能にすることができる。搬送ガスは、ガス発生反応器の熱交換器からガス発生反応器の反応チャンバまで熱を伝達するために使用されてよい。したがって、搬送ガスは、図３Ｂに示すように、排気ガスの温度が低いときでさえ、ガス発生反応器を通って流れることができる。ここで、熱貯蔵デバイスからの貯蔵された熱は、排気ガスが低い温度を有するときにだけ必要とされる可能性がある。エンジンのより高い出力動作に起因して排気ガスの温度が上昇するにつれて、熱貯蔵デバイスの熱放出ループを通る熱の流れが減少するかまたは停止する可能性がある。たとえば、熱貯蔵デバイスの熱放出ループは、排気ガスの温度が低いときなどに、間欠的に動作する可能性がある。１つまたは複数の弁か、または１つまたは複数のセンサか、または両方が、熱放出ループを制御するために使用されてよい。
【００３６】
また、搬送ガスは、使用される場合、排気ガス以外のガスであってよい。たとえば、搬送ガスは、周囲の空気など、空気であってよい。排気ガス以外のガスが搬送ガスのために使用されるときは、ガス発生反応器は、図３Ｃに示すポンプ、ブロワ、またはファン１５０など、ポンプ、ブロワ、ファン、または搬送ガスの流れを制御するための他の手段を含むことができる。搬送ガスが他の手段で加熱され得るとしても、搬送ガスは、一般に、周囲温度または周囲温度付近でガス発生反応器に入る。たとえば、熱貯蔵デバイスは、ガス発生反応器に対する第１のまたは唯一の熱であることができる。したがって、熱貯蔵デバイスの放出ループは、還元ガスがＳＣＲ反応器に対して必要とされるときに、連続モードで動作することができる。
【００３７】
ガス発生反応器に対して少なくとも一部の熱が、熱貯蔵デバイスから供給される。熱貯蔵デバイスは、１つまたは複数のコンポーネントまたはデバイスから熱を受けること、熱を貯蔵すること、および後で、１つまたは複数のコンポーネントまたはデバイスに熱をリリースすることが可能であることが好ましい。たとえば、熱貯蔵デバイスは、エンジンが比較的高い出力で動作しているときおよび／または過剰な熱を生成しているときなどに、排気流体から熱を受けることができる。熱貯蔵デバイスは、後で、エンジンがより低い出力で動作しているときなどに熱が必要になるまで、熱を貯蔵することができる。一般的に、熱貯蔵デバイスが熱を受けること（すなわち、吸収すること）と熱をリリースすることとの間の時間は、約１秒から約３０分まで変化する。熱貯蔵デバイスによるより長い熱の貯蔵が望ましいときは、熱貯蔵デバイスの内部に、デバイスの何らかの断熱、または相変化材料を保有するカプセルが必要となる可能性がある。そのような断熱は、真空断熱を取り付けること、または他の通常使用される断熱材料もしくは断熱方法によって達成され得る。
【００３８】
熱貯蔵デバイスは、熱が後でガス発生反応器を加熱するために使用され得るように、熱を貯蔵することができる、任意のデバイスであってよい。熱貯蔵デバイスは、熱がガス発生反応器に伝達されると、ガス発生反応器の温度（たとえば、ガス発生反応器内の固体表面の温度）が、１種類または複数種類の還元ガスを発生させるのに十分な高さになるように、十分に高い温度で熱を貯蔵することが好ましい。熱貯蔵デバイスは、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料を含むことができる。熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の量は、エンジンがアイドリングしているかまたは低い出力で動作している間に、熱貯蔵デバイスが、ガス発生反応器の温度を下限動作温度より上に上昇させるかまたは維持するのに十分な熱の量を貯蔵することができるほどのものであってよい。たとえば、熱貯蔵デバイスは、ある持続期間（約１分以上、約３分以上、約１０分以上、約３０分以上、または約１００分以上）の間、固体または液体の還元材料の温度を約０℃以下から約２００℃以上まで上昇させるのに十分な熱の量を貯蔵することができる。以下で説明するように、熱貯蔵デバイス内で使用するために特に好ましい熱エネルギー貯蔵材料は、ガス発生反応器の下限動作温度より上の温度で、１つまたは複数の固体から液体への相変化を有する。
【００３９】
熱貯蔵デバイスは、熱伝達流体が熱貯蔵デバイスに入るのを可能にするための１つまたは複数の開口（たとえば、オリフィス）と熱伝達流体が熱貯蔵デバイスから流出するのを可能にするための１つまたは複数の開口（たとえば、オリフィス）を含むことができる。熱伝達流体は、流体経路を含み、それにより、放出モードで動作中に、比較的冷たい熱伝達流体が、熱貯蔵デバイスに（たとえば、入口オリフィスを経由して）流入し、熱貯蔵デバイス内に貯蔵された熱エネルギーを使用して加熱されて熱貯蔵デバイスを（たとえば、出口オリフィスを経由して）退出し、それにより、熱貯蔵デバイスを出る熱伝達流体の温度は、熱貯蔵デバイスに入るときのその温度より高くなる。熱貯蔵デバイスを出る熱伝達流体の温度は、固体または液体の還元材料を還元剤ガスに変換させるのに十分であり、好ましくは、約２００℃以上、より好ましくは約２５０℃以上、最も好ましくは約３００℃以上である。熱貯蔵デバイスを出る熱伝達流体の温度は、熱伝達流体の循環の始動中など、過渡時間の間などでは、より低い（たとえば、２００℃より低い）可能性があることが諒解されよう。放出モード動作中に、熱伝達流体は、ガス発生反応器と熱貯蔵デバイスとの間を循環することができる。
【００４０】
熱貯蔵デバイスは、追加のオリフィス（たとえば、入口か、出口か、または両方）および／または流路を含むことができ、それにより、デバイスは、１つまたは複数の追加のコンポーネントと熱伝達することができる。熱貯蔵デバイスの追加のオリフィスおよび／または流路は、放出モードとは異なるモードで熱貯蔵デバイスを動作させるために使用されてよい。たとえば、熱貯蔵デバイスは、熱貯蔵デバイスと、エンジン排気から熱を受ける熱交換器などの熱源との間の流体回路（すなわち、流体ループ）の中で使用される第２の流路を含むことができる。そのような回路またはループは、充填ループ（すなわち、熱を熱貯蔵デバイスに供給することができる流体ループ）であってよい。充填ループは、流体が熱交換器に流入し、そこで、熱伝達流体の温度が上昇し、かつまたは熱伝達流体が蒸発し、その後、熱伝達流体が、一部または全部の熱を吸収する熱貯蔵デバイスに流入して、熱伝達流体の温度が低下し、かつ／または凝縮するように、熱伝達流体を循環させることによって機能することができる。充填ループが、放出ループとは異なる、熱貯蔵デバイスを通る流路を使用する場合は、２つのループは、同じかまたは異なる熱伝達流体を使用することができる。熱伝達流体が同じ場合は、２つのループは、流体接続を有してよく（たとえば、それらは補給貯留漕を共有することができる）かまたは流体接続を持たなくてよい。
【００４１】
熱貯蔵デバイスは、複数の動作モードで使用される流路を含むことができる。例として、流路は、排気流体の温度が熱貯蔵デバイスの温度より高いときに熱貯蔵デバイスを充填するために使用されてよく、同じ流路が、排気流体の温度が熱貯蔵デバイスの温度より低いときに熱貯蔵デバイスから放出するために使用されてよい。したがって、充填ループおよび放出ループは、熱貯蔵デバイスを通る流路などのコンポーネントを共有することができる。ここで、１つまたは複数の弁などの流れ制御器が、熱伝達流体が流れる流体回路を制御するために使用されてよい。
【００４２】
本発明で使用するために特に好ましい熱貯蔵デバイスは、参照により本明細書に組み込む、（２０１１年１月２７日にＳｏｕｋｈｏｊａｋらが出願した）国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１１／２２６６２号の段落００８〜１１７および段落１３２〜１４１に記載されている熱貯蔵装置である。たとえば、熱貯蔵デバイスは、以下の特徴：物体（article）は、１つまたは複数の封止空間を有するカプセル構造を備えることができ、封止空間は、１つまたは複数の熱エネルギー貯蔵材料をカプセル化することができる；カプセル構造は、熱伝達流体が１つまたは複数の流体通路を通って流れることを可能にするのに十分な大きさの１つまたは複数の流体通路を有することができる；または熱伝達流体がカプセル構造に接触するとき、熱エネルギー貯蔵材料が熱伝達流体から分離され得る、のうちの１つまたは任意の組合せ（たとえば、以上の特徴のすべて）を有する１つまたは複数の物体（物体の積み重ねなど）を含むことができる。
【００４３】
たとえば、熱エネルギー貯蔵材料は、封止するように接着される２つの金属層の間にカプセル化されて、１つまたは複数の分離されたカプセルを形成することができる。限定はしないが、熱貯蔵デバイスは、参照により本明細書に組み込む２００９年１０月８日に出願した米国特許出願公開第２００９／０２５０１８９Ａ１号に記載されるカプセルまたはカプセルの配列（たとえば、ブリスター包装またはブリスター包装の束）を使用することができる。
【００４４】
限定はしないが、熱貯蔵デバイスのために適切な熱エネルギー貯蔵材料（すなわち、ＴＥＳＭ）は、顕熱か、潜熱か、または好ましくは両方として比較的高い密度の熱エネルギーを示すことができる材料を含む。熱エネルギー貯蔵材料は、熱貯蔵デバイスの動作温度範囲に適合することが好ましい。たとえば、熱エネルギー貯蔵材料は、熱貯蔵デバイスのより低い動作温度において固体であるか、熱貯蔵デバイスの最高動作温度において少なくとも部分的に液体（たとえば、完全に液体）であるか、デバイスの最高動作温度において著しく劣化もしくは分解することがないか、またはそれらの任意の組合せであることが好ましい。熱エネルギー貯蔵材料は、約１０００時間以上、さらには約１００００時間以上の間、デバイスの最高動作温度まで加熱されたときに、著しく劣化または分解しないことが好ましい。
【００４５】
熱エネルギー貯蔵材料は、固体から液体への転移温度を有する相変化材料であってよい。熱エネルギー貯蔵材料の固体から液体への転移温度は、液相温度、融解温度、または共晶温度であってよい。固体から液体への転移温度は、溶融（fusion）の潜熱がガス発生反応器を加熱することに使用されるように、十分に高くてよい。好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料の固体から液体への転移温度は、ガス発生反応器の下限動作温度より大きく、それにより、ガス発生反応器の温度は、熱エネルギー貯蔵材料の少なくとも一部が液相状態にありながら、その下限動作温度より上に上げられるかまたは維持され得る。より好ましくは、熱エネルギー貯蔵材料の固体から液体への転移温度は、ガス発生反応器の下限動作温度より約１０℃以上、約２０℃以上、約３０℃以上、または約５０℃以上高い。固体から液体への転移温度は、熱伝達流体か、加熱されるべき１つまたは複数の対象物か、または両方が、それが劣化する可能性がある温度まで加熱されないように、十分に低くあるべきである。固体から液体への転移温度の所望の温度は、熱を伝達する方法か、熱貯蔵デバイスおよび／または放出ループ内で予期され得る熱損失か、熱貯蔵デバイスを使用して付加的に加熱され得る任意の他の対象物か、またはそれらの任意の組合せに左右される可能性がある。固体から液体への転移温度は、好ましくは約１９０℃以上、より好ましくは約２００℃以上、さらに好ましくは約２３０℃以上、さらに好ましくは約２５０℃以上、さらに好ましくは約２７０℃以上、最も好ましくは約３００℃以上である。熱エネルギー貯蔵材料は、好ましくは約４５０°０℃以下、より好ましくは約４００°０℃以下、さらに好ましくは約３８０℃以下、最も好ましくは約２５０°０℃以下の固体から液体への転移温度を有する。たとえば、固体から液体への転移温度は、約２００℃から約４５０℃まで、約１９０°０℃から約４００°０℃まで、約２００°０℃から約３７５℃まで、約２２５℃から約４００°０℃まで、または約２００°０℃から約３００°０℃までであってよい。
【００４６】
熱エネルギー材料が、小さな空間の中にエネルギーを効率的に貯蔵することが望ましい場合がある。したがって、熱エネルギー貯蔵材料は、融解熱（メガジュール／キログラムで表される）と密度（約２５℃で測定され、キログラム／リットルの単位で表される）との積で定義される、高い融解熱密度（メガジュール／リットルの単位で表される）を有することができる。熱エネルギー貯蔵材料は、約０．１ＭＪ／リットル以上、好ましくは約０．２ＭＪ／リットル以上、より好ましくは約０．４ＭＪ／リットル以上、最も好ましくは約０．６ＭＪ／リットル以上の融解熱密度を有することができる。一般的に、熱エネルギー貯蔵材料は、約５ＭＪ／リットル以下の融解熱密度を有する。しかしながら、より高い融解熱密度を有する熱エネルギー貯蔵材料も、使用されてよい。
【００４７】
熱エネルギー貯蔵材料は、軽い重量であることが望ましい場合がある。たとえば、熱エネルギー貯蔵材料は、約５ｇ／ｃｍ3以下、好ましくは約４ｇ／ｃｍ3以下、より好ましくは約３．５ｇ／ｃｍ3以下、最も好ましくは約３ｇ／ｃｍ3以下の密度（約２５℃で測定される）を有することができる。密度に対する下限は、実際的である。熱エネルギー貯蔵材料は、約０．６ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは約１．２ｇ／ｃｍ3以上、より好ましくは約１．７ｇ／ｃｍ3以上の密度（約２５℃で測定される）を有することができる。
【００４８】
封止空間は、当技術分野で知られている任意の熱エネルギー貯蔵材料を含有することができる。熱貯蔵デバイス内で使用され得る熱エネルギー貯蔵材料の例としては、Atul Sharma、V.V. Tyagi、C.R. Chen、D. Buddhi、「Review on thermal energy storage with phase change materials and applications」、Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318-345、およびBelen Zalba、Jose Ma Mann、Luisa F. Cabeza、Harald Mehling、「Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications」、Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251-283に記載されている材料が挙げられ、両文献は、参照によりそれらの全体を本明細書に組み込む。熱伝達デバイス内で使用され得る適切な熱エネルギー貯蔵材料の他の例としては、米国特許出願公開第２００９／０２５０１８９Ａ１号（２００９年１０月８日公開）および米国特許出願公開第２００９／０２１１７２６Ａ１号（２００９年８月２７日公開）に記載の熱エネルギー貯蔵材料が挙げられ、両特許出願公開とも、参照により本明細書に組み込む。
【００４９】
熱エネルギー貯蔵材料は、少なくとも１つの第１の金属含有材料を、より好ましくは少なくとも１つの第１の金属含有材料と少なくとも１つの第２の金属含有材料との組合せを含むことができる（またはさらに、上記の材料から、より好ましくは上記の材料の組合せから本質的になる、もしくは上記の材料から、より好ましくは上記の材料の組合せからなることができる）。第１の金属含有材料か、第２の金属含有材料か、または両方は、ほぼ純粋な金属か、ほぼ純粋な金属と１つまたは複数の付加的な合金成分（たとえば、１つまたは複数の他の金属）とを含むような合金か、金属間化合物か、金属化合物（たとえば、塩、酸化物、他）か、またはそれらの任意の組合せであってよい。１つの好ましい手法は、金属化合物の一部として１つまたは複数の金属含有材料を使用することであり、より好ましい手法は、少なくとも２つの金属化合物の混合物を使用することである。例として、適切な金属化合物が、酸化物、水酸化物、窒素および酸素を含む化合物（たとえば、硝酸塩か、亜硝酸塩か、または両方）、ハロゲン化物、またはそれらの任意の組合せから選択されてよい。また、三元材料系、四元材料系、または他の多重成分材料系が使用され得る可能性がある。本明細書における熱エネルギー貯蔵材料は、共晶融点（eutectic）を示す２つ以上の材料の混合物であってよい。
【００５０】
ＴＥＳＭは、リチウムカチオン、カリウムカチオン、ナトリウムカチオン、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。ＴＥＳＭは、ＴＥＳＭ内のカチオンの全モルに基づいて、約２０％から約８０モル％、好ましくは約３０％から約７０％の濃度のリチウムカチオンを含むことができる。ＴＥＳＭは、ＴＥＳＭ内の塩の全モルに基づいて、約２０モル％から約８０モル％の硝酸リチウム濃度における硝酸リチウムを含むことができる。ＴＥＳＭは、約３０モル％から約７０モル％の硝酸リチウムと、約３０モル％から約７０モル％の硝酸ナトリウムとを含むことができる。ＴＥＳＭは、ＴＥＳＭの全重量に基づいて、約９０重量％以上（たとえば、約９５重量％以上）の総濃度の硝酸リチウムと硝酸ナトリウムとを含むことができる。ＴＥＳＭは、硝酸イオンか、亜硝酸イオンか、または両方を含む少なくとも１つの第１の金属化合物、少なくとも１つの第２の金属化合物を含む少なくとも１つの第２の金属含有材料、および随意に水を含んでよく、水が存在する場合、その濃度は約１０重量％以下である。ＴＥＳＭは、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、亜硝酸リチウム、亜硝酸ナトリウム、またはそれらの任意の組合せを含む共晶組成であってよい。
【００５１】
熱貯蔵デバイスの中および／または外に熱を伝達するために使用される熱伝達流体（ＨＴＦ）は、熱貯蔵デバイスおよび他のコンポーネント（たとえば、熱供給コンポーネント、１本または複数本の接続チューブもしくは接続管、熱取り出しコンポーネント、またはそれらの任意の組合せ）を通って流体が（たとえば、凝固することなく）流れる、任意の液体またはガスであってよい。熱伝達流体は、単相（液体または蒸気）の熱伝達流体かまたは二相（たとえば、液体−蒸気）の熱伝達流体であってよい。熱伝達流体は、熱貯蔵デバイス内で使用される温度で熱を伝達することができる、当技術分野で知られている任意の熱伝達流体または冷却剤であってよい。たとえば、熱伝達流体は、熱貯蔵デバイスおよび／または熱交換器の温度にさらされるときに、劣化しないことが好ましい。熱伝達流体は、液体またはガスであってよい。好ましくは、熱伝達流体は、使用中にさらされ得る最低の動作温度（たとえば、最低の予測される周囲温度）において流れることができる。たとえば、熱伝達流体は、約１気圧の圧力で約２５℃、好ましくは約０℃、より好ましくは約−２０℃、最も好ましくは約−４０℃の温度において、液体またはガスであることができる。限定はしないが、熱貯蔵デバイスの中および／または外に熱を伝達するために好ましい熱伝達流体は、約４０℃において液体である。
【００５２】
熱伝達流体は、大量の熱エネルギーを、一般的に顕熱として搬送することができるべきである。適切な熱伝達流体は、大量の熱エネルギーを搬送するのに十分な比熱を有することができ、約１Ｊ／ｇＫ以上、より好ましくは約２Ｊ／ｇＫ以上、さらに好ましくは約２．５Ｊ／ｇＫ以上、最も好ましくは約３Ｊ／ｇＫ以上の比熱（たとえば、約２５℃で測定される）を有することが好ましい。好ましくは、熱伝達流体は液体である。たとえば、当技術分野で知られている任意のエンジン冷却剤が、熱伝達流体として使用されてよい。システムは、熱貯蔵デバイス内に（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の中に）熱を伝達するため、および熱貯蔵デバイスから（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料から）熱を取り出すために、単一の熱伝達流体を使用することができる。代替として、システムは、熱エネルギー貯蔵材料に熱を伝達するために第１の熱伝達流体を使用し、熱エネルギー貯蔵材料から熱を取り出すために第２の熱伝達流体を使用することができる。第１の熱伝達流体と第２の熱伝達流体とを含むシステム内で、第１の熱伝達流体が熱貯蔵デバイス内の第１の流路を通り、第２の熱伝達流体が熱貯蔵デバイスを通る第２の流路を通って流れることができる。
【００５３】
限定はしないが、単独でまたは混合物として使用され得る熱伝達流体は、当業者に知られている熱伝達流体を含み、また、水、１種類または複数種類のアルキレングリコール、１種類または複数種類のポリアルキレングリコール、１種類または複数種類のオイル、１種類または複数種類の冷媒、１種類または複数種類のアルコール、１種類または複数種類のベタイン（betaine）、またはそれらの任意の組合せを含有する流体を含むことが好ましい。熱伝達流体は、以下で説明するような作動流体を含む（たとえば、上述の流体の追加としてまたは代わりとして）か、または本質的にその作動流体からなることができる。使用され得る適切なオイルは、天然オイル、合成オイル、またはそれらの組合せを含む。たとえば、熱伝達流体は、鉱油、キャスターオイル（caster oil）、シリコーンオイル、フルオロカーボンオイル、もしくはそれらの任意の組合せを含有するか、または実質的に（たとえば、少なくとも８０重量パーセント、少なくとも９０重量パーセント、または少なくとも９５重量パーセント）それらからなることができる。
【００５４】
例示的な熱伝達流体は、１つまたは複数のアルキレングリコールを含むか、または本質的にそれらからなる。限定はしないが、好ましいアルキレングリコールは、約１個から約８個のアルキレンオキシ基を含む。たとえば、アルキレングリコールは、約１個から約６個の炭素原子を含有するアルキレンオキシ基を含むことができる。アルキレングリコール分子中のアルキレンオキシ基は、同じであってよくまたは異なってよい。場合によっては、アルキレングリコールは、異なるアルキレンオキシ基または異なる比のアルキレンオキシ基をそれぞれ含有する、異なるアルキレングリコールの混合物を含むことができる。好ましいアルキレンオキシ基は、酸化エチレン、酸化プロピレン、および酸化ブチレンを含む。場合によっては、アルキレングリコールは、置換されてよい。たとえば、アルキレングリコールは、約１個から約６個の炭素原子を含有する１個または２個のアルキル基など、１個または２個のアルキル基で置換されてよい。したがって、アルキレングリコールは、１つまたは複数のアルキレングリコールモノアルキルエーテル、１つまたは複数のアルキレングリコールジアルキルエーテル、またはそれらの組合せを含むか、または本質的にそれらからなることができる。また、アルキレングリコールは、ポリアルキレングリコールを含むことができる。特に好ましいアルキレングリコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、およびブチレングリコールを含む。上記のグリコールはいずれも、単独で使用されてよく、または混合物として使用されてよい。
【００５５】
単相の熱伝達流体の例としては、ビフェニル、酸化ジフェニル、または、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＤＯＷＴＨＥＲＭ（商標）  Ｑとして市販のビフェニルと酸化ジフェニルとの共晶混合物などのビフェニルと酸化ジフェニルとの混合物、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から市販のＳＹＬＴＨＥＲＭ（商標）  ８００などのシリコーン流体、およびＳｏｌｕｔｉａ社から市販のＴＨＥＲＭＩＮＯＬ（登録商標）  ５９などのアルキル置換芳香族化合物が挙げられる。
【００５６】
場合によっては、熱伝達流体は、二相の熱伝達流体（すなわち、作動流体）を含むか、または本質的にもしくは完全にそれからなることができる。たとえば、システムは、熱貯蔵デバイスを通って流れる作動流体を含むことができ、熱貯蔵デバイスにおいて作動流体が加熱されて蒸発し、次いで、作動流体が凝縮される１つまたは複数のコンポーネント（加熱されるべきコンポーネントなど）に流れる。したがって、熱貯蔵デバイスは、作動流体のための蒸発器として機能し、加熱されるべきコンポーネントは、作動流体のための凝縮器として機能することができる。作動流体が使用される場合は、凝縮器に供給される熱は、作動流体を蒸発させる熱を含むことが好ましい。システムは、作動流体を熱貯蔵デバイスに戻すための低温管路（cold line）と、作動流体を熱貯蔵デバイスから取り出すための高温管路（heat line）とを含むことができる。低温管路および高温管路は、作動流体がループを通って流れているときに漏出することなく作動流体を含有できることが好ましい。熱貯蔵デバイス（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料）が、作動流体のすべての成分の、組み合わされた蒸気圧が約１気圧を超えることをもたらすのに十分な温度であり、かつ弁が開かれて、作動流体が流れることが可能であるとき、作動流体は、ａ）毛細管構造によってポンピングされる、ｂ）少なくとも部分的に蒸発する、ｃ）少なくとも部分的に凝縮器に搬送される、ｄ）少なくとも部分的に凝縮器内で凝縮する、ことができ、それにより熱が、熱貯蔵デバイスから取り出される。したがって、システムは、随意に毛細管でポンピングされるループを含むことができる。
【００５７】
作動流体は、熱エネルギー貯蔵材料がその液相温度以上であるときに、熱貯蔵デバイス内で部分的または完全に蒸発する（液体状態から気体状態に遷移する）ことができる任意の流体であってよい。適切な（たとえば、毛細管でポンピングされるループに対する）作動流体は、純粋な物質、ならびに以下の特性：熱エネルギー貯蔵システムの最高温度における良好な化学安定性；低い粘性（たとえば、約１００ｍＰａ・ｓ以下）；毛細管構造の良好な濡れ（wetting）（たとえば、良好な吸い上げの濡れ（wick wetting））；毛細管でポンピングされるループの材料（容器の材料、熱エネルギー貯蔵材料をカプセル化するために使用される材料、蒸気および液体の管路の材料、他）との化学的適合性（たとえば、作動流体が材料の弱い腐食を引き起こす）；蒸発器および凝縮器の両方の温度に資する温度依存性蒸気圧；高い体積蒸発潜熱（たとえば、融解潜熱と約２５℃における作動流体の密度の積が、メガジュール／リットルの単位において約４ＭＪ／リットルより大であり得る）；凝縮器の熱伝達流体の凝固点以下の凝固点（たとえば、不凍剤の凝固点以下の凝固点）；または約−４０℃以下の凝固点、のうちの１つまたは任意の組合せを有する混合物を含む。たとえば、作動流体の平衡状態は、−４０℃の温度および１気圧の圧力において少なくとも９０パーセントが液体であることができる。
【００５８】
作動流体の蒸気圧は、蒸発器内で、作動流体をポンピングするのに十分な蒸気流が発生するように、十分に高くあるべきである。好ましくは、作動流体の蒸気圧は、蒸発器内で、ワットで測定される所望の熱出力を蒸発器から凝縮器まで搬送するのに十分な蒸気流が発生するように、十分に高くあるべきである。蒸発器内の作動流体の蒸気圧は、毛細管でポンピングされるループが漏出せず破裂しないように、十分に低いことが好ましい。
【００５９】
毛細管構造に対する作動流体の濡れは、毛細管構造の材料上の作動流体の接触角によって特徴づけられてよい。好ましくは、接触角は、約８０°０°以下、より好ましくは約７０°０°以下、さらに好ましくは約６０°以下、最も好ましくは約５５°以下である。
【００６０】
作動流体は、適度な圧力において、約２００℃以下、約１５０℃以下、または約９０℃以下の温度で凝縮することが好ましい。たとえば、作動流体は、約９０℃において、約２ＭＰａ以下、好ましくは約０．８ＭＰａ以下、より好ましくは約０．３ＭＰａ以下、さらに好ましくは約０．２ＭＰａ以下、最も好ましくは約０．１ＭＰａ以下の圧力で凝縮することができる。
【００６１】
作動流体は、非常に低い温度において流れることができることが好ましい。たとえば、作動流体は、非常に低い周囲温度にさらされる可能性があり、約０℃、好ましくは約−１０℃、より好ましくは約−２５℃、さらに好ましくは約−４０℃、最も好ましくは約−６０℃の温度において凝縮器から熱貯蔵デバイスまで流れることができることが好ましい。作動流体は、熱エネルギー貯蔵材料が液体状態にあるときなど、完全に充填された熱貯蔵デバイスの温度にあるときに、気体状態にあることが好ましい。
【００６２】
作動流体は、熱貯蔵デバイスからの熱エネルギーを効率的に伝達することができ、それにより、ある量の熱を熱貯蔵デバイスから取り出すのに必要な作動流体の量は、（たとえば、熱を取り出すために、作動流体ではない熱伝達流体を使用するデバイスと比較して）比較的少ない。好ましくは、作動流体によって伝達される熱の大部分は、蒸発熱の形態で伝達される。作動流体の体積、作動流体の流量、または両方は、作動流体でない熱伝達流体を使用し、かつ同じ初期出力を有するシステムと比較すると、熱エネルギー貯蔵において比較的少ない可能性がある。
【００６３】
上述のように、作動流体は、熱エネルギーの一部を蒸発熱という熱の形態で伝達することができる。作動流体は、伝達され得る熱の量が多いように、高い蒸発熱を有することが好ましい。熱貯蔵デバイスに適する作動流体は、約２００ｋＪ／モル以上、好ましくは約５００ｋＪ／モル以上、より好ましくは約７５０ｋＪ／モル以上、さらに好ましくは約１０００ｋＪ／モル以上、最も好ましくは約１２００ｋＪ／モル以上の蒸発熱を有することができる。
【００６４】
二相の熱伝達流体は、適切な沸騰温度を有する任意の二相系であってよい。たとえば、二相の熱伝達流体は、水、アンモニア、（水−アンモニア混合物など）、または溶融金属を含むかまたは本質的にそれらからなることができる。
【００６５】
熱伝達流体と接触する材料（たとえば、作動流体）は、流体による腐食に耐えることができることが諒解されよう。たとえば、熱伝達流体と接触する可能性がある熱貯蔵デバイスまたは熱貯蔵システムの表面のうちの任意の１つまたはすべて（たとえば、作動流体の蒸気管路の内部、作動流体の液体管路の内部、熱交換器および熱貯蔵デバイスの内部表面、１つまたは複数の弁の内部表面、ポンプの表面、流体貯留漕の内部表面、他）は、ステンレス鋼など、耐食性材料で作製および／または被覆されてよい。
【００６６】
本明細書で説明する熱エネルギー貯蔵システム内で使用される作動流体または熱伝達流体はいずれも、添加物パッケージを含むことができることが諒解されよう。そのような添加物パッケージは、当業者に良く知られており、本発明のデバイスが使用され得るシステムに合うように適合される。たとえば、添加物パッケージは、安定剤、防食剤、潤滑剤、極圧添加剤（extreme pressure additive）、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。
【００６７】
熱伝達流体は、熱源から熱受容体まで（たとえば、熱貯蔵デバイスからガス発生反応器まで、または熱交換器から熱貯蔵デバイスまで）熱を伝達するために、機械的にポンピングされてよく、または（たとえば重力を使用して、たとえば熱サイフォンまたは毛細管作用で）自己ポンピングされてよい。好ましくは、単相のＨＴＦが、機械的にポンピングされる。好ましくは、二相の熱伝達流体が、自己ポンピングされる。自己ポンピングされる熱伝達流体は、熱受容体に取り付けられた凝縮器内で凝縮された液体を熱源に取り付けられた蒸発器に戻すために、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、または毛細管でポンピングされるループを使用することができる。
【００６８】
還元ガスを生成するためのシステムは、固体または液体の還元材料を貯蔵および／または投与するために１つまたは複数のコンポーネントを含むことができ、それにより、十分な量の還元ガスが、窒素酸化物を還元するために必要に応じて生成され得る。還元材料を貯蔵および／または投与するためのシステムは、材料の状態（たとえば、液体状態または固体状態）に応じて左右される可能性がある。
【００６９】
固体の還元材料を貯蔵および／または投与するためのシステム内で使用され得る特徴を、図６および図７に示す。固体の還元材料は、容器内（たとえば、貯留漕内）に充填および／または貯蔵するのに十分な任意の形態で供給されてよい。たとえば、固体の還元材料は、ブロックとして、薄片、粉末、顆粒、小粒などの複数の小片（particle）として、またはそれらの任意の組合せとして供給されてよい。固体の還元材料がブロックとして供給される場合は、概して一定の断面を有するブロックとして供給されることが好ましい。固体の還元材料は、任意の形状を有する容器内に貯蔵されてよい。好ましい一配列では、容器は、概して一定の断面の区画（compartment）を有し、それにより、力分配板が材料の一端（たとえば、容器の上部付近）に貼付され、対向端（たとえば、容器の底部付近）において固体の還元材料を進めることができる。概して一定の断面を使用することによって、材料が容器内を進むときに、力の分配を維持することができ得る。固体の還元材料を貯蔵するための容器は、ガス発生反応器と一体化されてよい。たとえば、固体の還元材料は、加熱された板または他の構造の表面などの加熱された表面によって、ガス発生反応器から分離されてよい。板または他の構造が、還元材料がガス発生反応器の加熱された領域に入ることを可能にするために、１つまたは複数の開口を有することが好ましい。還元材料に伝達された熱の量に応じて、還元材料は、固体、液体、ガス、またはそれらの任意の組合せとして、ガス発生反応器の加熱された領域に入ることができる。板は、熱伝達流体を含有するコイルなどの加熱エレメントによって加熱されてよい。したがって、板は、ガス発生反応器内の熱交換器の一部であってよい。熱交換器は、ガス発生反応器に隣接する固体の還元材料の領域と熱伝達し、それにより、固体の還元材料が液化されるか、蒸発されるか、反応されるか、またはそれらの任意の組合せであることが好ましい。貯蔵容器は、固体の還元材料を加熱された表面に押しつけるため、あるいは固体の還元材料を加熱された表面に送達するための、１つまたは複数の手段を含むことができる。たとえば、容器は、ねじ式スピンドルを有する土台（たとえば、力分配板）を含み、防臭剤スティックの動作と同様に、土台の中に貯蔵された固体の還元材料を押すことができる。スピンドルは、電磁式アクチュエータ／モータによって、または空圧式／油圧式アクチュエータによって、または他の類似の手段によって回転されてよい。固体の還元材料が部分的または完全に消費されたとき、容器は、追加の固体の還元材料で再充填されてよい。たとえば、少なくとも部分的に容器を充填する固体の還元材料の１つまたは複数のブロックが、容器に追加されてよい。容器は、複数のブロックを収納することができ、それにより好都合なことに、容器は種々の使用レベルの後で（たとえば、容器の約１０％以上、約２０％以上、約３０％以上、約５０％以上、または約６０％以上が空になった後で）、再充填されてよい。代替として、容器は、小粒、薄片、粉末、微粒子、顆粒、または容器に流入可能な他の形態で固体の還元材料を追加することによって再充填されてよい。固体の還元材料を装填するステップは、土台��除去するステップおよび／または固体の還元材料を土台に取り付けるステップを含むことができる。
【００７０】
固体の還元材料を使用するとき、ガス発生反応器内のＨＴＦコイルが、コイルと固体の還元材料との間の界面の領域の外に還元ガスが容易に流れることを可能にするように設置されてよい。好ましくは、ＨＴＦコイルは、固体の還元材料が気化されないでコイルを通過するのを防止するように設計および／または設置される。このことは、ガス流のための隙間を有するが、固体の還元材料がスライドする方向に見通せる開口を持たない、すなわち図７に示すように、コイルを通るガス流のためのすべての経路が曲がりくねっている、適切なコイル形状によって達成されてよい。ＨＴＦコイルという用語が使用されるが、コイルが、固体の還元材料に熱を供給するか、還元ガスが流れるのを可能にするか、反応していない固体の還元材料の流れを概ね阻止するか、またはそれらの任意の組合せであるならば、任意の形状のコイルが使用されてよいことが諒解されよう。たとえば、固体または還元材料の直線的な流れをほぼすべてまたはすべて阻止する、１つまたは複数のＨＴＦコイルが、使用されてよい。好ましくは、単一の１００％固体を阻止するＨＴＦコイルが使用される。ガス生成反応器は、固体の還元材料の直線的な流れを一部、ほぼすべて、または１００％阻止するフィンか、連続気泡発泡体（open-cell foam）か、または両方などの固体阻止構造を含むことができる。固体阻止構造は、使用される場合、ＨＴＦコイルか、加熱された板か、または両方に接触してよく、かつ／または取り付けられてよい。ＨＴＦコイル、固体阻止構造、加熱された板、またはそれらの任意の組合せが、固体の還元材料への熱の伝達を増加および／または最大化させるように設計されてよい。
【００７１】
ガス発生反応器内の固体の還元材料を加熱するための加熱された板は、金属板であってよい。加熱された板は、図７に示すように、コイルとの界面から熱を伝達して逃がすように、十分な熱伝達率を有することが好ましい。加熱された板は、固体の還元材料と接触する表面に溝またはチャネルを有することができ、それにより、界面で生成されたガスが、ガス発生反応器内に搬送され得る。溝またはチャネルは、エッチングによって、穴あけによって、または他の機械加工工程によって作り出されてよい。溝またはチャネルは、任意の形状またはパターンを有することができる。たとえば、溝またはチャネルは、大きく歪曲するか、直線的か、曲線的であってよく、一定もしくは異なる幅もしくは深さ、またはそれらの任意の組合せを有することができる。加熱された板は、メッシュ材料（金属メッシュなど）の多層を使用するか、または粉末冶金を使用して（たとえば、粉末を焼結するステップを使用して）板を作製することなどによって、多孔質となることができる。加熱された板ならびにＨＴＦコイルは、高い熱伝導率か、固体の還元材料および／または還元ガスに対する高い耐化学性か、または両方を有する材料から作られることが好ましい。加熱された板か、ガス発生反応器内のＨＴＦコイルか、または両方の中で使用され得る材料の例としては、銅、アルミニウム、または銅もしくはアルミニウムを含む合金など、高い熱伝導率の材料が挙げられる。また、黒鉛含有材料が、使用されてよい。加熱された板か、加熱されたＨＴＦコイルか、または両方が、固体または液体の還元材料およびまたは還元ガスに対して耐化学性である材料の保護層を含むことができる。そのような層は、使用される場合、熱伝導率が犠牲にならないように、十分に薄いことが好ましい。そのような薄い層は、電気めっきなどによって薄い被膜として貼付されてよい。保護層は、（たとえば、固体または液体の還元材料または還元ガスに対して）化学的に不活性である任意の材料を含むかまたはその材料からなることができる。耐化学性層のために使用され得る材料の例としては、ニッケル、プラチナ、金、またはそれらの合金（たとえば、５０アトミックパーセント以上のニッケル、プラチナ、または金を含む合金）が挙げられる。
【００７２】
容器は、容器内の固体または液体の還元材料の充填レベルを測定するために、１つまたは複数のセンサを含むことができる。たとえば、容器は、移動する土台の位置を測定するための位置センサを含むことができ、位置センサは、容器内に残留する固体または液体の還元材料の量を測定するためにかつ／またはその消費の速さを測定するために、システムに付加されることが好ましい。本明細書で説明するように、１つまたは複数のスピンドルを回転させて還元材料を進めるために、ステッパモータが使用されてよい。ここで、土台の位置が、（たとえば、最後の還元材料再充填の後、または充填位置に対して）モータで実行された累積回転を記録することによって確定され得る。
【００７３】
熱貯蔵デバイス、排気ガス、およびガス発生反応器の間の熱伝達／熱交換の速度は、１つまたは複数の熱伝達流体の流速によって制御されることが好ましい。熱伝達流体の流れは、弁を用いて、ポンプ（たとえば、機械式ポンプ）を用いて、または通常知られている他の工学的方法／装置を用いて制御されてよい。熱伝達流体の流れは、油圧で制御されることが好ましい。制御器は、１つまたは複数のコンポーネントの温度に基づいて、エンジンの出力に基づいて、排気ガスの流れに基づいて、流体流の中の窒素酸化物の濃度に基づいて、またはそれらの任意の組合せで、熱伝達流体の流れを制御することができる。したがって、１つまたは複数の温度センサ（熱電対など）が、装着されてよい。温度センサは、（たとえば、送出管路内、戻り管路内、コンポーネント内、またはそれらの任意の組合せの）熱伝達流体、熱貯蔵デバイス（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料）、ガス発生反応器（たとえば、ガス発生反応器内の加熱された表面、またはガス発生反応器内の還元ガス）、（たとえば、熱交換器における）排気ガス、ＳＣＲ反応器、排気チューブ、搬送ガス、熱交換器、またはそれらの任意の組合せの温度を測定するために装着されてよい。たとえば、温度センサは、ガス発生反応器の温度を測定して、熱貯蔵デバイスと反応器との間で伝達されるために必要な熱の量およびまたは熱の速度を確定するために装着されてよい。制御器は、熱伝達流体の流れの方向、熱伝達流体の流路、熱伝達流体の流速、またはそれらの任意の組合せを制御するために使用されてよい。たとえば、制御器は、（たとえば、排気流体と熱伝達している）熱交換器と熱貯蔵デバイスとの間の熱伝達流体の流れおよび／または流速か、熱貯蔵デバイスとガス発生反応器との間の熱伝達流体の流れおよび／または流速か、または両方を制御することができる。流れ制御器は、充填モード、蓄積モード（たとえば、熱貯蔵デバイスが充填され、熱伝達流体がデバイスを通って流れないとき）、放出モード、（たとえば、２つの熱伝達流体の流れを含む）二重の充填／放出モード、（たとえば、熱交換器、熱貯蔵デバイス、およびガス発生反応器を含む循環ループを使用する）単一の充填／放出モード、またはそれらの任意の組合せにおいて、熱貯蔵デバイスを動作させるための熱貯蔵デバイスの動作モードを制御することによって機能することができる。
【００７４】
制御器は、システム内の１つまたは複数の場所における流体の流速を監視することができる。制御器は、システムの１つまたは複数の温度を監視し、システムの温度を所定の値と比較し、システムの温度をシステムの異なる温度と比較し、またはそれらの任意の組合せを行うことができる。たとえば、制御器は、ガス発生反応器の温度が所定の下限温度より低いときか、熱貯蔵デバイスの温度がガス発生反応器の温度より高いときか、または好ましくは両方において、流体が熱貯蔵デバイスを通り、その後ガス発生反応器を通って流れるように、システムを制御することができる。熱貯蔵デバイスの温度が所定の上限温度より低いときか、熱交換器の温度（たとえば、熱交換器と熱伝達する排気ガスの温度）が熱貯蔵デバイスの温度より高いか、または好ましくは両方において、熱交換器と熱貯蔵デバイスとの間を熱伝達流体が循環するように、制御器がシステムを制御することができる。熱貯蔵デバイスの温度が所定の上限温度より高いときか、熱交換器の温度が熱貯蔵デバイスの温度より低いときか、または両方において、制御器は、熱貯蔵デバイスと熱交換器との間を熱伝達流体が流れるのを妨げることができる。制御器は、１つまたは複数の流れを制御することによって、利用可能な熱が、熱によって恩恵を受けることができるデバイスまたは複数のデバイスに供給されるように機能することができる。制御器は、その熱管理において柔軟性を有することができ、１つまたは複数の温度を監視し、１つまたは複数の弁を制御することなどによって、この熱管理のための制御を提供することができる。
【００７５】
熱貯蔵デバイスは、１つまたは複数のモードで動作することができることが好ましい。熱貯蔵デバイスは、貯蔵された熱が熱貯蔵デバイスから取り出されてガス発生反応器に伝達される放出モードにおいて動作することができる。放出モードは、一般的に、還元ガスがＳＣＲ反応器のために必要であるとき、および排気ガスの温度が熱貯蔵デバイスの温度より低いときに使用される。放出モードの間、熱は、熱伝達流体を使用して熱貯蔵デバイスから流れることができる。熱は、ガス発生反応器内の固体表面を加熱するために使用されてよい。放出モードの間、熱貯蔵デバイスの温度が低下してよく、液体状態にある熱エネルギー貯蔵材料の濃度が低下してよく、または両方であってよい。たとえば、ガス発生反応器に伝達された熱の一部または全部が、熱エネルギー貯蔵材料を凝固させることによってリリースされる潜熱など、潜熱であってよい。放出モードの間、熱伝達流体は、放出ループを通って循環するが、熱伝達流体は、一般的に、充填ループを通って循環しない。
【００７６】
熱貯蔵デバイスは、充填モード、二重の充填／放出モード、バイパスモード、またはそれらの任意の組合せなど、１つまたは複数の追加のモードで動作することが好ましい。充填モードの間、エンジンの動作によって生成された熱（たとえば、エンジンによって発生した排気ガスからの熱）が、熱貯蔵デバイスに伝達される。充填モードの間、熱伝達流体は、充填ループを通って循環するが、熱伝達流体は、一般的に、放出ループを通って循環しない（たとえば、ガス発生反応器に熱は供給されない）。充填モードは、熱貯蔵デバイスの中に熱を蓄積するステップを含むことができる。たとえば、充填モードは、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度を上昇させるステップか、液体状態にある熱エネルギー貯蔵材料の濃度を高めるステップとか、または両方を含むことができる。充填モードは、排気ガスの温度（たとえば、好ましくはＳＣＲ反応器の下流に配置される熱交換器の場所における排気ガスの温度）が熱貯蔵デバイスの温度より高い（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度より高い）ときに使用されてよい。二重の放出／充填モードの間、熱伝達流体は、放出ループを通って循環し、かつ充填ループを通って循環する。二重の動作モードは、両方の廃熱が、熱交換器を使用して取り込まれ、熱がガス発生反応器に供給されることを特徴とする。二重の動作モードは、排気ガスの温度が熱貯蔵デバイスの温度より高い（たとえば、熱貯蔵デバイス内の熱エネルギー貯蔵材料の温度より高い）ときに使用されてよい。熱貯蔵デバイスの温度が上限温度に達するかまたはそれを超える場合、本方法では、ガス発生反応器を加熱するために、充填モードまたは代替としてバイパスモードを使用することができる。バイパスモードは、熱交換器（たとえば、ＳＣＲ反応器の下流）とガス発生反応器との間で熱伝達流体を循環させるステップを含むことができる。バイパスモードの間、熱伝達流体は、熱貯蔵デバイスを通って循環しないことが好ましい。
【００７７】
排気流体（たとえば、排気ガス）７００からの窒素酸化物の濃度を減少させるかまたは排除するためのシステム１０は、図１に示すように、少なくとも部分的に排気管７１０の内部に設置されるか、または図２に示すように、排気管７１０の外に設置されてよい、ガス発生反応器１００を含むことができる。図１および図２は、システム内に含まれ得る特徴を示す。ガス発生反応器は、固体または液体の還元材料９０２をガス発生反応器１００の中に送出する１つまたは手段１１０を含むことができる。たとえば、ガス発生反応器は、固体または液体の還元材料９０２をガス発生反応器１００の中に噴霧（たとえば、ミスト（mist）など、液滴の噴霧）９２０として送出するための噴霧システム１１０を含むことができる。ガス発生反応器は、一般的に、固体または液体の還元材料９０２に熱を供給するための、１つまたは複数の加熱された表面６５０を含む。ガス発生反応器は、反応器の１つまたは複数の壁１２２を通る熱損失など、ガス発生反応器１００からの熱の損失を減少させるかまたは排除するために、１つまたは複数の断熱層１２０を含むことができる。ガス発生反応器１００は、固体または液体の還元材料９０２を、還元ガスが発生するように十分に高い温度まで加熱することができる。還元ガスは、生成されると、ガス発生反応器１００から流出し１８０、排気ガス７００の流れに流入する。たとえば、還元ガスは、ガス発生反応器内の１つまたは複数の開口１８２（たとえば、出口）を通って流れ１８０、排気ガス７００と混ざり合うことができる。還元ガスは、図２に示すように、還元ガス移送管路１３０を通って流れる１８０ことができる。
【００７８】
ガス発生反応器１００は、固体または液体の還元材料に熱を供給するための熱交換器６００を含むことができる。ガス発生反応器１００の熱交換器６００は、熱伝達流体が流れることができる１つまたは複数のコイルを含むことができる。ガス発生反応器１００の熱交換器６００は、熱貯蔵デバイス３００からの熱を熱交換器６００に流すことができる放出ループ６１０を使用して熱貯蔵デバイス３００と流体連通することができる。熱伝達流体の循環の方向６２２は、連続経路（たとえば、ループ）をもたらすことが好ましい。放出ループ６１０は、熱伝達流体を熱貯蔵デバイス３００との間でそれぞれ流入および流出させるために、入口６２４および出口６２６を含むことができる。放出ループ６１０は、熱貯蔵デバイス３００からガス発生反応器１００まで熱伝達流体を流すための移送管路６１２か、ガス発生反応器１００から熱貯蔵デバイス３００まで熱伝達流体を流すための戻り管路６１４か、または両方を含むことができる。放出ループ６１０は、熱伝達流体を流すかどうかかつ／または熱伝達流体の流速を制御するために、ポンプ、弁、または他のデバイスなどの流れ調整器６１６を含むことができる。システムは、（たとえば、移送管路６１２か、戻り管路６１４か、または両方の中の）熱伝達流体、熱貯蔵デバイス３００、ガス発生反応器１００（たとえば、ガス発生反応器６５０の加熱された表面）、またはそれらの任意の組合せの温度など、１つまたは複数の温度を測定することができる１つまたは複数の温度センサ６２８、６３０を含むことができる。
【００７９】
熱貯蔵デバイス３００は、熱を受けること（たとえば、熱を吸収すること）、熱を貯蔵すること、および熱をリリースすることができることが好ましい。熱貯蔵デバイスは、熱を受けるためか、熱をリリースするためか、または両方のための１つの流路３１０を含むことができる。たとえば、熱貯蔵デバイスは、放出ループ６１０および充填ループ５１０の両方を通って流れる１つの流路を含むことができる。熱貯蔵デバイスは、図１に示すように、放出ループ６１０の一部である第１の流路および充填ループ５１０の一部である第２の流路など、複数の流路３１０を含むことができる。
【００８０】
充填ループ５１０は、廃熱源などの熱源から熱貯蔵デバイス３００まで熱を伝達するために使用されてよい。たとえば、充填ループは、排気ガス７００からの熱を使用することができる。排気ガス７００が熱源として使用される場合は、ＳＣＲ反応器２００の下流の場所における排気ガスから熱が取り出されることが好ましい。排気ガス７００からの熱は、熱貯蔵デバイス３００と排気ガス７００との間の任意の熱的接続を使用して、排気ガスから取り出されてよい。たとえば、熱交換器５００は、排気ガスから熱を取り出すために使用されてよい。熱交換器５００は、充填ループを通って循環する熱伝達流体を使用して、熱貯蔵デバイス３００と部分的に熱伝達することができる。充填ループは、熱源から（たとえば、熱交換器５００から）熱貯蔵デバイス３００まで熱伝達流体を流すための移送管路５１２か、熱貯蔵デバイスから熱源まで熱伝達流体を流すための戻り管路５１４か、または好ましくは両方を含むことができる。熱貯蔵デバイスは、熱伝達流体をデバイスに流入させるための入口５２４と、流体をデバイスから流出させるための出口５２６とを含むことができる。熱交換器は、熱伝達流体を熱交換器との間でそれぞれ流入および流出させるために、入口５１８および出口５２０を含むことができる。充填ループ５１０は、熱伝達流体が充填ループを通って流れる時点を制御するため、かつまたは熱伝達流体の流速を制御するために、流れ調整器５１６を含むことができる。流れ調整器は、ポンプ、１つまたは複数の弁、またはそれらの任意の組合せであってよい。充填ループは、熱交換器、熱伝達流体（たとえば、移送管路内か、戻り管路内か、または両方）、排気ガス、熱貯蔵デバイス、またはそれらの任意の組合せの温度を測定するために、１つまたは複数の温度センサ５２８、５３０を含むことができる。
【００８１】
システムは、窒素酸化物の濃度が削減されるように、窒素酸化物を還元ガスと触媒反応させることができるＳＣＲ反応器２００を含むことが好ましい。
【００８２】
システムは、後で使用するために（たとえば、後で、ガス発生反応器１００内で還元ガスに変換するために）固体または液体の還元材料９００を貯蔵するための１つまたは容器、および／または固体または還元材料９００をガス発生反応器に供給するための投与システム９１０を含むことができる。容器９００は、好ましくは、十分な量の固体または液体の還元材料を貯蔵することができ、それにより約１時間以上、約１０時間以上、約５０時間以上、約１５０時間以上、または約３００時間以上の間、窒素酸化物が排気ガス７００から除去され得る。投与システム９１０は、容器９００からガス発生反応器１００まで固体または液体の還元材料を計量するためかつまたは流すために、１つまたは複数のポンプ９１２、弁、供給スクリュー、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。投与システムは、材料をポンプ９１２に移送するための移送管路９１４（たとえば、送出チューブ）か、ポンプから反応器１００まで材料を移送するための移送管路９１６（たとえば、送出チューブ）か、または両方を含むことができる。
【００８３】
熱貯蔵デバイス３００がガス発生反応器１００に熱を供給し、還元ガスが生成されると、下流の排気ガス７４０（すなわち、排気ガスがＳＣＲ反応器２００を通過した後）内の窒素酸化物の濃度は、上流の排気ガス７３０（すなわち、排気ガスが還元ガスと混合される前）内の窒素酸化物の濃度より低いことが好ましい。排気ガス７００は、１つまたは複数の排気管７１０、排気ガスが還元ガスと混ざり合う領域、ＳＣＲ反応器２００、熱交換器５００、またはそれらの任意の組合せを通って流れることができる。
【００８４】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、固体または液体の還元材料９０２および／または反応チャンバ１６０、または両方を加熱するために、ガス発生反応器１００は、ガス発生反応器１００から排気管７１０まで還元ガスを搬送するために搬送ガスを使用することができる。システムは、搬送ガスをガス発生反応器１００に（たとえば、熱交換器６００および／または反応チャンバに）供給するために、搬送ガス管路１４０を含むことができる。搬送ガスの一部または全部が、図３Ａおよび図３Ｂに示すように排気ガスから取得されてよく、または図３Ｃに示すように搬送ガスが、排気以外の供給源（たとえば、空気）から取得されてよい。排気ガスが搬送ガスとして使用される場合、好ましくは、排気ガスの一部（たとえば、３０％未満、１０％未満、または３％未満など、ほんの一部）だけが、搬送ガス移送管路１４０を通って流れ、それにより熱貯蔵デバイスからの熱が排気ガスのすべてを加熱する必要がなくなる。搬送ガス管路１４０は、排気管７１０と流体接続することができる。搬送ガス管路１４０は、空気をシステム内に導入するために、ファンもしくはブロワ１５０、または他のデバイスと流体接続することができる。システムは、搬送ガスの流れを制御するために、１つまたは複数の搬送ガス流調整器１７０およびまたは１つまたは複数のファンもしくはブロワ１５０を含むことができる。搬送ガス１９０の流れは、搬送ガスの供給源からガス発生反応器を通って排気システムに進むことができ、排気システムにおいて、搬送ガスは、ＳＣＲ反応器２００の上流で排気ガス（たとえば、ガス発生反応器を通って流れることのない排気ガスの一部）と混ざり合う。
【００８５】
搬送ガスが冷たい（たとえば、ガス発生反応器の下限動作温度より低い）とき、（たとえば、放出ループ６１０内を循環する熱伝達流体を使用して）ガス発生反応器１００の熱交換器６００に伝達された熱など、熱貯蔵デバイス３００からの熱を使用して、搬送ガスが加熱されてよい。ガス発生反応器１００の熱交換器６００は、図３Ａに示すように、（たとえば、還元ガスが発生する）反応チャンバ１６０の内部にあってよい。ガス発生反応器の熱交換器６００は、図３Ｂおよび図３Ｃに示すように、反応チャンバ１６０の外部にあってよい。たとえば、搬送ガスは、最初に熱交換器６００を通って流れることができ、それにより、搬送ガスの温度が上昇し、次いで搬送ガスは、反応チャンバ１６０に流入することができ、そこで搬送ガスの熱が固体または液体の還元材料を加熱するために使用される。
【００８６】
排気ガスが搬送ガスとして使用される場合は、搬送ガスおよび／または固体もしくは液体の還元材料を加熱するために放出ループが必要ではない時間が存在する可能性がある。たとえば、排気ガスが十分に高温であるとき（たとえば、エンジンが全体的に高出力で動作しているとき）、ガス発生反応器１００は、熱貯蔵デバイス３００から熱を供給することなく運転されてよい。
【００８７】
図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、熱貯蔵デバイス３００に熱を供給するための個別の充填ループを示していないが、そのようなループが含まれてよく、または搬送ガスの温度が、熱貯蔵デバイスを充填するためにも還元ガスを発生させるためにも十分に高いとき、システムは、熱貯蔵デバイス３００とガス発生反応器１００の熱交換器６００との間の流体接続（たとえば、放出ループ）を使用することができる。
【００８８】
還元ガスは、図１に示すように搬送ガスを必要とすることなくガス発生反応器を出ることができ、それにより搬送ガスを加熱するための熱は必要なく、したがってより多くの熱を固体または液体の還元材料を加熱するために供給することができることが諒解されよう。
【００８９】
ガス発生反応器１００は、図４Ａに示すように、排気ガス７００の一部または全部が方向に流れる（７２０）排気管７１０または他のコンポーネントの内部に設置されてよい。たとえば、ガス発生反応器は、熱貯蔵デバイス３００（図示せず）と流体接続（放出ループ６１０など）を有する管状反応器１１８であってよい。流体接続は、熱伝達流体を方向に流す（６２２）ために、送出管路６１２および戻り管路６１４を含むことができる。送出管路６１２および戻り管路６１４は、ガス発生反応器１００の内部に配置される熱交換器６００に接続されてよい。
【００９０】
図４Ｂは、図４Ａのガス発生反応器の特徴を示す断面図である。排気ガスの一部が、ガス発生反応器１００を通って流れる搬送ガス１９０として使用されてよい。搬送ガスは、熱交換器６００を通って流れることができる。加熱された搬送ガスは、液体還元材料の噴霧１１６と接触して、還元ガスを生成するのに十分に、材料を加熱することができる。搬送ガスの流れ１９０とともに、ガス発生反応器から還元ガスが流出することができる１８０。搬送ガスの流れ１９０および還元ガスの流れ１８０は、ＳＣＲ反応器の上流の位置において排気ガスの残りと混ざり合い、それにより混合された流れは、排気ガス中の窒素酸化物を還元するのに十分な量の還元ガスを含むことができる。
【００９１】
熱交換器を通る搬送ガスの流れは、搬送ガスに伝達される熱の量を増加させるため、搬送ガスの流速を減少させるため、または両方のために、曲がりくねっている。たとえば、搬送ガスは、巻かれた熱伝達チューブ６４２の外側によって画定されるらせん経路などのらせん経路の中を流れることができる。熱伝達流体６４４は、図４Ｂに示すように、反応器を通ってらせん経路６２２に流入することができる。搬送ガスの流れを修正することができる障壁構造６４６の使用などによって、搬送ガスは、ガス発生反応器１００の一部または全部を通る（たとえば、熱交換器６００を通る）直線経路の中を流れることを阻止され得る。熱伝達チューブ６４２と管状反応器１１８との間の搬送ガスの流れが削減もしくは最小化されるために、熱伝達チューブ６４２と障壁構造６４６との間の搬送ガスの流れが削減もしくは排除されるために、または両方のために、熱伝達チューブ６４２、障壁構造６４６、および管状反応器１１８のサイズが選択されてよい。
【００９２】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、システムは、１つまたは複数の熱伝達流体の流れを制御するために制御器４００を含むことができる。システムは、制御器と１つまたは複数の温度センサ４１０との間の接続を含むことができる。システムは、制御器と１つまたは複数の弁４２０との間の接続を含むことができる。システムは、制御器と１つまたは複数のポンプ４３０との間の接続を含むことができる。制御器４００は、充填ループ、放出ループ、搬送ガス流、投与システム、またはそれらの任意の組合せを制御することができる。
【００９３】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、放出ループは、熱伝達流体を移送するための１本または複数本の管路を、１本または複数本の他のループと（たとえば、放出ループと）共有することができる。図５Ａでは、熱伝達流体が放出ループを通って循環し、それにより熱貯蔵デバイス３００内に貯蔵された熱がガス発生反応器１００に伝達されるように、弁６３４が設置される。図５Ｂでは、熱伝達流体が排気ガス７００によって加熱される単一の充填／放出ループを通って熱伝達流体が循環し、したがって熱の一部が熱貯蔵デバイスに伝達され、熱の一部がガス発生反応器を加熱するために使用されるように、弁６３４が設置される。図５Ａに示すように、熱貯蔵デバイスは、熱貯蔵デバイスの充填および放出の両方を行うために、熱貯蔵デバイスを通る単一の経路を使用することができる。
【００９４】
図６は、貯蔵された熱を使用して固体の還元材料９０２を加熱するためのシステムのいくつかの主要なコンポーネントを示す概略図である。図６に示すように、熱は、熱エネルギー貯蔵材料３２０（たとえば、相変化材料）を含有する熱貯蔵デバイス３００内に貯蔵されてよい。熱貯蔵デバイスは、熱交換器５００を経由させるなどして排気ガス７００から廃熱を取り込む（たとえば、吸収する）ことができる。熱貯蔵デバイス３００は、後で使用するために廃熱を貯蔵することができる。たとえば、熱貯蔵デバイス３００は、貯蔵された熱の一部または全部を、好ましくは必要に応じて、固体の還元材料を含有するガス発生反応器１００の中にリリースすることができ、それにより還元剤ガスが発生する。
【００９５】
図６に示すようなシステム全体は、排気ガス７００と熱伝達する熱交換器５００と、排気ガス熱交換器５００から熱貯蔵デバイス３００に熱を伝達するためのコンポーネント５１２、５１４と、熱貯蔵デバイス３００からガス発生反応器１００に貯蔵された熱を伝達するためのコンポーネント６１２、６１４とを含むことができる。熱伝達プロセスは、機械的にポンピングされるか、または（たとえば、毛細管でポンピングされるループ、熱サイフォン機構、他を使用して）ＨＴＦ内の液体−気体相変化によって自己ポンピングされる、熱伝達流体に基づくことができる。熱貯蔵デバイス、熱源（排気ガス）と、ヒートシンク（還元ガス発生反応器）との間の熱交換の速度は、ＨＴＦの流速によって制御され得る。たとえば、そのような熱交換は、弁を用いて、または機械的ポンプを用いて油圧で制御されてよい。固体の還元材料９０２は、容器９００内に貯蔵されてよい。ガス発生反応器は、容器９００をガス発生反応器１００から概ね分離する板１０２、または他の構造を含むことができる。板１０２は、金属板、または加熱され得る他の板であってよい。板１０２は、還元材料または還元ガスが容器９００からガス発生反応器１００まで流れることができるように、開口を有することができる。固体の還元材料９０２は、板１０２（たとえば、加熱された板）と別の対向する板または構造（頂板など）９４０との間に設置されてよい。システムは、対向する板を加熱された板１０２に向けて押しやる１つまたは複数の機構（feature）を含むことができ、それにより対向する板９４０は、概ね、固体の還元材料９０２を加熱された板１０２の表面に向けて誘導する。加熱された板は、ガス発生反応器の加熱された表面６５０であってよく、かつ／またはガス発生反応器の１つまたは複数の他の加熱された表面と接触することができる。
【００９６】
図７は、図６のガス発生反応器１００および容器９００の機構を示す。ガス発生反応器１００は、熱伝達流体６４４を搬送することができるチューブ６４２を含む熱交換器などの熱交換器６００を含むことができる。熱伝達流体６４２からの熱は、チューブ６４４に流れることができる。チューブ６４４は、板１０２と熱的接触することができ、それにより板が加熱される。熱流１１２は、熱伝達流体からチューブまでの熱流、チューブから板までの熱流、板に沿う熱流、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。固体の還元材料は、板１０２の加熱された表面か、チューブ６４２の加熱された表面か、または両方など、加熱された表面６５０に接触することができる。固体の還元材料９０２がチューブ６４２を通過しないように、チューブ６４２が、１００％阻止するように設置されてよい。代わりに、固体の還元材料がガス発生反応器の領域に入る９２０ときに、固体の還元材料が加熱された表面６５０によって加熱され、それにより還元ガスが発生し、チューブ６４４を通り越して流れる１０４。
【００９７】
図に示された特徴など、本明細書で説明する種々の特徴は、組み合わされてよい。たとえば、図４に示すような制御器は、他の図面のいずれかに示す例示的システムとともに使用されてよい。さらに、本発明は、付加的なエレメント／コンポーネント／ステップと組み合わせて使用されてよい。たとえば、システムは、排気ガスの廃熱から取り込まれた熱の一部を有用な機械的または電気的仕事に変換するタービンを含むことができ、それによりエンジンの総合効率が改善される。
【００９８】
さらに、熱貯蔵デバイスが、ガス発生反応器に加えて１つまたは複数のコンポーネントを加熱するために使用されてよいことが諒解されよう。たとえば、熱貯蔵デバイスは、エンジンオイル（たとえば、エンジンオイルの貯留漕）のため、客室を暖房するため、触媒コンバータを加熱するため、車両の排出を加熱するため、ワイパー液を含む貯留槽のため、窓の霜取り用空気流のため、またはそれらの任意の組合せのために、付加的に熱を供給することができる。
【００９９】
本発明は、種々の改変形態および代替形態が可能であるが、上述の例示的実施形態は例として示されている。しかしながら、本発明が、本明細書で開示した特定の実施形態に限定されることを意図していないことを、同じく理解されたい。実際に、本発明の技術は、以下に添付する特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲に入るすべての改変形態、等価形態および代替形態を包含するものである。
【符号の説明】
【０１００】
１０  排気から窒素酸化物を除去するためのシステム
１００  ガス発生反応器（ＧＰＲ）（たとえば、アンモニア発生反応器）
１０２  ＧＰＲと容器とを分離する板（たとえば、金属板）、開口を有することが好ましい
１０４  還元ガス流
１０６  加熱された表面と固体の還元材料との間の接触
１０８  板の開口
１１０  固体または液体の還元材料（たとえば、尿素含有材料）を送出するための噴霧システムなどの送出システム
１１２  熱伝達流体から固体の還元材料までの熱の流れ
１１６  液体の還元材料の噴霧
１２０  ガス発生反応器の断熱層
１２２  ガス発生反応器の壁
１３０  還元剤ガス移送管路（たとえば、排気へのアンモニアの流れのため）
１４０  搬送ガスをガス発生反応器に供給するための搬送ガス管路
１５０  搬送ガスをガス発生反応器に供給するためのファン、ブロワ、またはポンプ
１６０  反応チャンバ
１７０  搬送ガス流調整器
１８０  ＧＰＲから排気流内への還元剤ガス（たとえば、アンモニア）の流れ
１９０  搬送ガスの流れ
２００  ＳＣＲ反応器
３００  熱貯蔵デバイス（ＨＳＤ）
３１０  熱伝達流体の流れのための熱貯蔵デバイス内の流路
３２０  熱エネルギー貯蔵材料
４００  制御器
４１０  温度測定値
４２０  弁を制御するための接続
４３０  ポンプなどの流れ調整器を制御するための接続
５００  排気ガスから（たとえば、熱貯蔵デバイスへ）熱を取り出すための熱交換器
５１０  ＨＳＤを排気（熱交換器５００）からの熱で充填するための充填ループ
５１２  ＨＳＤへの熱伝達流体（ＨＴＦ）の流れのための（充填ループの）移送管路
５１４  熱交換器５００へのＨＴＦの流れのための（充填ループの）戻り管路
５１６  充填ループ内のＨＴＦの流れを制御するための弁またはポンプ
５１８  ＨＳＤからＨＴＦを流すための熱交換器５００の入口
５２０  ＨＳＤへＨＴＦを流すための熱交換器５００の出口
５２２  充填ループ内のＨＴＦの流れの方向
５２４  熱交換器５００からＨＴＦを流すためのＨＳＤの入口
５２６  熱交換器５００へＨＴＦを戻すためのＨＳＤの出口
５２８  充填ループの移送管路内のＨＴＦの温度
５３０  充填ループの戻り管路内のＨＴＦの温度
６００  ガス発生反応器（ＧＰＲ）のために熱を供給するための熱交換器
６１０  熱貯蔵デバイスからガス発生反応器への熱の流れのための放出ループ
６１２  ＨＳＤからＧＰＲへの熱伝達流体の流れのための（放出ループの）移送管路
６１４  ＧＰＲからＨＳＤへのＨＴＦの流れのための戻り管路
６１６  放出ループ内のＨＴＦの流れを制御するための弁またはポンプ
６２２  放出ループ内のＨＴＦの流れの方向
６２４  ＨＳＤにＨＴＦを流入させるための（たとえば、戻り管路からの）入口
６２６  ＨＳＤからＨＴＦを流すための（たとえば、移送管路への）出口
６２８  放出ループの移送管路内のＨＴＦの温度
６３０  放出ループの戻り管路内のＨＴＦの温度
６４２  熱交換器のチューブ
６４４  熱伝達流体
６４６  搬送ガスの流れを修正するための障壁構造
６４８  単一の充填／放出ループ
６５０  ガス発生反応器内の加熱された表面
７００  排気ガス
７１０  排気チューブまたは排気管
７２０  排気ガスの流れの方向
７３０  ＳＣＲ反応器内で反応する前の排気ガス
７４０  ＳＣＲ反応器内で反応した後の排気ガス
９００  還元材料のための容器
９０２  固体または液体の還元材料
９１０  投与システム
９１２  投与システムのポンプ
９１４  投与システムのポンプまたは弁への移送管路（たとえば、送出チューブ）
９１６  投与システムのポンプまたはチューブから熱交換器６００までの移送管路（たとえば、送出チューブ）
９２０  ガス発生反応器に入る（たとえば、噴霧として入る）固体または液体の還元材料
９３０  還元材料への力
９４０  対向する板または構造（たとえば、力を還元材料に加えるためかつ／または分散させるため）
【図１】
2013539517.tif 000003
【図２】
2013539517.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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