(57)【要約】【課題】反応部の熱伝導性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１０は、酸化触媒４の周囲に排気管９を挟んで配置されたリング状の反応器１１と、この反応器１１と媒体供給通路１２を介して接続され、ＮＨ３を吸着して貯蔵する貯蔵器とを有している。反応器１１のリングケース１５内には、ペレット状の反応部１６が排気管９に接触するように配置されている。反応部１６は、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材１７と、この蓄熱材１７よりも熱伝導率が高く且つＮＨ３を通すことが可能な非金属材料からなる伝熱材とを含んでいる。反応部１６は、蓄熱材の２次粒子の表面を伝熱材でコーティングし、その状態で蓄熱材１７を圧粉成形することによって形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、
前記加熱対象物の周囲または内部に配置され、気体の反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含む反応部を有する反応器と、
前記反応器と接続され、前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、
前記反応部は、前記蓄熱材よりも熱伝導率が高く且つ前記反応媒体を通すことが可能な非金属の伝熱材で前記蓄熱材の粒子の表面をコーティングした状態となるように構成されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記反応部は、前記蓄熱材の粒子の表面を前記伝熱材でコーティングした状態で前記蓄熱材を圧粉成形することにより形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】
前記伝熱材がカーボン系の材料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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気系に設けられた触媒等の加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置に関するものである。
【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に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、触媒セラミック部の周囲に配置され、蓄熱物質（蓄熱材）を含む反応部と、蓄熱物質を発熱させるための水（反応媒体）を供給する導水管とを備えている。水と蓄熱物質とを発熱反応させると、反応部から熱が発生し、熱伝導により触媒セラミック部が加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−２０８１１８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、以下の問題点が存在する。即ち、反応媒体との化学反応により発熱する蓄熱材は、熱抵抗が大きく熱伝導率が低い。従って、蓄熱材で発生した熱が反応部を伝わりにくいため、触媒セラミック部等の加熱対象物を十分に加熱することができない。
【０００５】
本発明の目的は、反応部の熱伝導性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】
本発明は、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、加熱対象物の周囲または内部に配置され、気体の反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を含む反応部を有する反応器と、反応器と接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、反応部は、蓄熱材よりも熱伝導率が高く且つ反応媒体を通すことが可能な非金属の伝熱材で蓄熱材の粒子の表面をコーティングした状態となるように構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
このように本発明の化学蓄熱装置においては、蓄熱材よりも熱伝導率が高い伝熱材で蓄熱材の粒子の表面をコーティングして、反応部を構成することにより、反応部の内部において複数の伝熱材同士がつながるようになる。従って、反応媒体と蓄熱材との化学反応により蓄熱材で発生した熱が反応部内を伝熱材を介して効果的に伝わることになる。また、伝熱材として、気体の反応媒体を通すことが可能な非金属の材料を用いることにより、反応媒体の流路を確保するための隙間（空間）を反応部の内部に形成しなくて済むため、蓄熱材で発生した熱が隙間によって伝わりにくくなることが防止される。以上により、反応部の熱伝導性が向上する。
【０００８】
好ましくは、反応部は、蓄熱材の粒子の表面を伝熱材でコーティングした状態で蓄熱材を圧粉成形することにより形成されている。この場合には、反応部が十分に密な状態となるため、反応部の内部において複数の伝熱材同士が確実につながるようになると共に、反応部の内部に伝熱を阻害する隙間が形成されることは無い。これにより、反応部の熱伝導性が更に向上する。
【０００９】
また、好ましくは、伝熱材がカーボン系の材料である。カーボン系の材料は、熱伝導率が十分高く、また気体の反応媒体を通しやすい。従って、伝熱材としてカーボン系の材料を用いるのが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、反応部の熱伝導性を向上させることができる。これにより、反応部で発生した熱により加熱対象物を効果的に加熱することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した化学蓄熱装置の要部を示す断面図である。
【図３】図２に示した反応部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る化学蓄熱装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排気浄化システムを示す概略構成図である。同図において、排気浄化システム１は、車両のディーゼルエンジン２（以下、単にエンジン２という）の排気系に設けられ、エンジン２から排出される排ガス中に含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化するシステムである。
【００１４】
排気浄化システム１は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に上流側から下流側に向けて順に設けられた酸化触媒（ＤＯＣ）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）５、選択還元触媒（ＳＣＲ）６及び酸化触媒（ＡＳＣ）７を備えている。
【００１５】
酸化触媒４は、排ガス中に含まれるＨＣやＣＯ等を酸化して浄化する触媒である。ＤＰＦ５は、排ガス中に含まれるＰＭを捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ６は、添加弁８より添加された尿素水から加水分解して生成されたＮＨ３（アンモニア）によって、排ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する触媒である。酸化触媒７は、ＳＣＲ６をすり抜けて下流側に流れたＮＨ３を酸化する触媒である。
【００１６】
酸化触媒４は、図２に示すように、排気通路３の一部を形成する円筒状の排気管９の内部に配置されている。酸化触媒４には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域（活性温度）が存在する。従って、酸化触媒４の温度を活性温度にするために、酸化触媒４を加熱する必要がある。
【００１７】
そこで、排気浄化システム１は、エネルギーレスで酸化触媒４を加熱する化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用するというものである。
【００１８】
化学蓄熱装置１０は、図１及び図２に示すように、酸化触媒４の周囲に排気管９を挟んで配置されたリング状の反応器１１と、この反応器１１と媒体供給通路１２を介して接続され、気体の反応媒体としてのＮＨ３を吸着して貯蔵する貯蔵器１３とを有している。貯蔵器１３には、ＮＨ３を物理吸着する活性炭が内蔵されている。媒体供給通路１２には、開閉弁１４が設けられている。
【００１９】
反応器１１は、金属（例えばＳＵＳ）で形成されたリングケース１５を有している。リングケース１５内には、ペレット状の反応部１６が排気管９に接触するように配置されている。なお、反応部１６とリングケース１５との間には、断熱材が配置されていても良い。
【００２０】
反応部１６は、図３に示すように、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させる蓄熱材１７と、この蓄熱材１７よりも熱伝導率の高い伝熱材１８とを含んでいる。
【００２１】
蓄熱材１７としては、ハロゲン化物のＭＸａという組成を持つ材料が用いられる。ここで、Ｍは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の遷移金属である。Ｘは、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等である。ａは、２〜３である。
【００２２】
伝熱材１８としては、ＮＨ３ガスを通すことが可能な非金属材料が用いられる。そのような伝熱材１８としては、カーボンファイバ等のカーボン系材料や、窒化アルミ、窒化ホウ素、炭化ケイ素等のセラミックが挙げられる。ただし、高熱伝導率であること、ＮＨ３ガスを通しやすいことを考慮すると、伝熱材１８としてカーボン系材料を用いるのが好ましい。
【００２３】
反応部１６は、蓄熱材１７の２次粒子（多結晶粒子）の表面を伝熱材１８でコーティングし、その蓄熱材１７を型に入れて圧粉成形することによって形成されている。これにより、図３に示すように、伝熱材１８がコーティングされた蓄熱材１７の２次粒子が押し潰されて、当該蓄熱材１７の２次粒子の形状がランダムになる。このため、反応部１６の内部には、隙間（空間）が無い状態となる。また、蓄熱材１７の各２次粒子の表面にコーティングされた伝熱材１８同士がつながるようになる。このとき、伝熱材１８は、蓄熱材１７で発生した熱が通る伝熱パスとなる。伝熱材１８は、反応部１６の外周面（酸化触媒４の反対側の面）から反応部１６の内周面（酸化触媒４側の面）までランダムな方向に連続的に延びている。
【００２４】
蓄熱材１７の２次粒子の表面を伝熱材１８でコーティングする手法としては、ハイブリダイゼーション、タイトコンタクト及び表面成膜等が挙げられる。ハイブリダイゼーションは、高速気流中で蓄熱材１７を分散させながら、衝撃力を用いて蓄熱材１７の表面を伝熱材１８の微粒子で表面複合化させるものである。タイトコンタクトは、乳鉢やボールミル等を用いて、蓄熱材１７と伝熱材１８とを強制的に物理混合させるものである。表面成膜は、ＣＶＤやＰＶＤを用いて、蓄熱材１７の粒子表面に伝熱材１８の膜を形成するものである。これらの方法を採用することで、蓄熱材１７の２次粒子の表面に伝熱材１８を形成することができる。
【００２５】
以上のように構成された化学蓄熱装置１０において、エンジン２からの排ガスの温度が低いときは、貯蔵器１３に貯蔵されたＮＨ３ガスが媒体供給通路１２を介して反応器１１の反応部１６に供給され、反応部１６内の蓄熱材１７とＮＨ３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、蓄熱材１７から熱が発生する。つまり、下記の反応式の反応（発熱反応）が起こる。
ＭＸ＋ｎＮＨ３  →  ＭＸ（ＮＨ３）ｎ＋熱
【００２６】
そして、蓄熱材１７で発生した熱が排気管９を介して酸化触媒４に伝熱され、その熱によって酸化触媒４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱される。このとき、蓄熱材１７で発生した熱が伝熱材１８に伝わり、その熱が伝熱材１８を通って酸化触媒４に伝熱されるようになる。
【００２７】
一方、エンジン２からの排ガスの温度が高くなると、排ガスの熱が排気管９を介して蓄熱材１７に与えられることで、蓄熱材１７とＮＨ３とが分離する。つまり、下記の反応式の反応（再生反応）が起こる。
ＭＸ（ＮＨ３）ｎ＋熱  →  ＭＸ＋ｎＮＨ３
【００２８】
このとき、排ガスの熱が伝熱材１８に伝わり、その熱が伝熱材１８を通って蓄熱材１７に伝熱されるようになる。そして、蓄熱材１７から分離したＮＨ３ガスは、媒体供給通路１２を介して貯蔵器１３に戻って回収される。
【００２９】
以上のように本実施形態にあっては、蓄熱材１７の２次粒子の表面を伝熱材１８でコーティングし、その状態で蓄熱材１７を圧粉成形することで、ペレット状の反応部１６を形成するようにしたので、伝熱材１８がコーティングされた蓄熱材１７の各２次粒子が十分に密な状態で配置されるようになる。ここで、伝熱材１８として、ＮＨ３ガスを通すことが可能な非金属材料を用いることにより、ＮＨ３ガスの流路を確保するための隙間（空間）を反応部１６の内部に形成しなくて済むため、蓄熱材１７の各２次粒子が十分に密な状態となっても全く支障は無い。このため、蓄熱材１７の各２次粒子の表面にコーティングされた伝熱材１８同士がつながりやすくなると共に、反応部１６の内部に伝熱の阻害となる隙間が形成されることが無い。従って、反応部１６において熱が伝熱材１８を介して効率良く伝わるようになる。
【００３０】
具体的には、発熱反応時には、蓄熱材１７とＮＨ３との化学反応により発生した熱が伝熱材１８を通って酸化触媒４に伝わるため、酸化触媒４から離れた位置に存在する蓄熱材１７で発生した熱も確実に酸化触媒４に伝わるようになる。また、再生反応時には、排ガスの熱が伝熱材１８を通って蓄熱材１７に伝わるため、排ガスの熱が酸化触媒４から離れた位置に存在する蓄熱材１７にも確実に伝わるようになる。
【００３１】
このように本実施形態によれば、蓄熱材１７を含む反応部１６の熱伝導性を十分に高めることができる。具体的には、反応部が蓄熱材のみからなる場合の反応部の熱伝導率λが１以下であるのに対し、本実施形態の反応部１６のように蓄熱材１７に伝熱材１８を混合させた場合には、反応部１６の熱伝導率λは５〜２０と高くなる。
【００３２】
これにより、発熱反応時には、反応部１６からの熱出力を高くし、酸化触媒４を十分に加熱することが可能となる。また、再生反応時には、ＮＨ３の再生に要する時間を短縮することが可能となる。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものでは無い。例えば、上記実施形態では、蓄熱材１７の２次粒子の表面を伝熱材１８でコーティングした状態で、蓄熱材１７を圧粉成形するようにしたが、特にその手法には限られず、蓄熱材１７の２次粒子の表面を伝熱材１８でコーティングした後、蓄熱材１７をリングケース１５内に密な状態で封入しても良い。この場合には、ＮＨ３が蓄熱材１７に対して配位、膨張した時の密度に基づいて、空間体積及び封入量を決定しておけば、反応部１６を隙間なく構成することができる。
【００３４】
また、上記実施形態では、酸化触媒４の周囲に反応器１１を配置する構成としたが、反応器の配置箇所としては、特にそれに限られず、酸化触媒４の中であっても良い。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、ＮＨ３と組成がＭＸａである蓄熱材１７とを化学反応させて熱を発生させるようにしたが、気体の反応媒体としては、特にＮＨ３には限られず、例えばＨ２Ｏ（水蒸気）としても良い。この場合には、Ｈ２Ｏと化学反応させる蓄熱材としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ２Ｏ３等を使用する。
【００３６】
さらに、上記実施形態は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた酸化触媒４を加熱するものであるが、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられた他の排気触媒や排気管９自体等の部材を加熱するもの、或いはガソリンエンジンの排気系に設けられた何れかの排気触媒や排気管自体等の部材を加熱するものにも適用可能である。また、本発明は、エンジンの排気系以外の加熱対象物を加熱するものにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
４…酸化触媒（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１３…貯蔵器、１６…反応部、１７…蓄熱材、１８…伝熱材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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