(57)【要約】【課題】反応器内の熱伝導率を向上させることが可能な化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置１０は、排気管１３の周囲に配置され、アンモニアと化学反応して熱を発生させる複数の蓄熱材２１と蓄熱材２１よりも熱伝導率の高い複数の高熱伝導シート２２とを含む反応器８と、アンモニアを貯蔵する貯蔵器１１と、反応器８と貯蔵器１１とを接続し、反応器８と貯蔵器１１との間でアンモニアを移動させるための接続管９と、を備える。蓄熱材２１及び高熱伝導シート２２は、円環状に形成されていると共に排気管１３に接触するように排気管１３の排気方向に沿って配置されている。高熱伝導シート２２は、各蓄熱材２１の間に介在されている。【選択図】図２
2015081758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと接続された排気管の内部に設けられた加熱対象を加熱する化学蓄熱装置において、
前記排気管の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる複数の蓄熱材と前記蓄熱材よりも熱伝導率の高い少なくとも１つの高熱伝導部材とを含む反応器と、
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、前記反応器と前記貯蔵器との間で前記反応媒体を移動させるための接続管と、
を備え、
前記蓄熱材及び前記高熱伝導部材は、前記排気管に接触するように配置されており、
前記高熱伝導部材は、前記各蓄熱材の間に介在されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記各蓄熱材は、円環状に形成されていると共に、前記排気管の排気方向に沿って配置されており、
前記高熱伝導部材は、円環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。
【請求項３】
前記各蓄熱材は、前記排気管の排気方向に延びるように断面湾曲状に形成されていると共に、前記排気管の周方向に沿って配置されており、
前記高熱伝導部材は、前記排気管の排気方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記反応器における前記排気方向の上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方には、前記接続管と接続され、前記反応媒体を導くためのリング状の空間部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の化学蓄熱装置。
【請求項５】
前記高熱伝導部材には、前記反応媒体を貫通させるための通路が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。
【請求項６】
前記高熱伝導部材は、シート状をなしていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に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る触媒等の加熱対象を加熱する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、下記の特許文献１に記載されているような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、触媒の外周部に蓄熱材を含む反応器を配置し、蓄熱材の化学反応による反応熱を利用して触媒を暖機（加熱）するというものである。具体的には、エンジンの冷間始動時には、蓄熱材（例えばＣａＯ）と反応媒体（例えば水）とを反応させて蓄熱材から反応熱を発生（発熱反応）させて、その反応熱により触媒を加熱する。一方、一般走行時には、排ガスの熱を吸収して蓄熱材と反応媒体とを分離させ（再生反応）、蓄熱を行う。
【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、上記特許文献１においては、反応器内の蓄熱材の熱伝導率が低い。このため、蓄熱材で発生した反応熱が触媒に伝わりにくいため、触媒を活性温度まで加熱するのにかなりの時間を要する。また、蓄熱を行う際には、排ガスの熱が蓄熱材全体に伝わりにくいため、反応媒体の再生にかなりの時間を要する。
【０００５】
そこで本発明は、反応器内の熱伝導性を向上させることが可能な化学蓄熱装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エンジンと接続された排気管の内部に設けられた加熱対象を加熱する化学蓄熱装置において、排気管の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる複数の蓄熱材と蓄熱材よりも熱伝導率の高い少なくとも１つの高熱伝導部材とを含む反応器と、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、反応器と貯蔵器との間で反応媒体を移動させるための接続管と、を備え、蓄熱材及び高熱伝導部材は、排気管に接触するように配置されており、高熱伝導部材は、各蓄熱材の間に介在されている。
【０００７】
このような本発明の化学蓄熱装置では、エンジンからの排ガスの温度が低い時は、貯蔵器から反応器に反応媒体が供給され、蓄熱材と反応媒体とが化学反応して蓄熱材から熱（反応熱）が発生し（発熱反応）、その反応熱が加熱対象に伝えられて、加熱対象が加熱される。一方、エンジンからの排ガスの温度が高くなると、排ガスの熱が蓄熱材に伝えられて蓄熱材と反応媒体とが分離し（再生反応）、反応媒体が貯蔵器に回収される。このとき、蓄熱材よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材が各蓄熱材の間に介在されているので、蓄熱材で発生した熱又は排ガスの熱は、高熱伝導部材を通って伝わるようになる。これにより、反応器内の熱伝導性が向上する。従って、発熱反応時には、蓄熱材で発生した反応熱が加熱対象に伝わりやすくなるため、加熱対象を効率よく加熱することができる。また、再生反応時には、排ガスの熱が蓄熱材全体に伝わりやすくなるため、反応媒体を反応器から貯蔵器に効率良く回収することができる。
【０００８】
好ましくは、各蓄熱材は、円環状に形成されていると共に、排気管の排気方向に沿って配置されており、高熱伝導部材は、円環状に形成されている。この場合には、蓄熱材が円環状に形成されているため、蓄熱材のどこで発生した熱であっても高熱伝導部材を通って排気管の径方向に伝わるようになる。これにより、反応器内の熱伝導性を確実に向上することができる。
【０００９】
好ましくは、各蓄熱材は、排気管の排気方向に延びるように断面湾曲状に形成されていると共に、排気管の周方向に沿って配置されており、高熱伝導部材は、排気管の排気方向に延びている。この場合には、蓄熱材で発生した熱又は排ガスの熱は、高熱伝導部材を通って排気管の排気方向に伝わるようになる。これにより、反応器内の熱伝導性を確実に向上することができる。
【００１０】
好ましくは、反応器における排気方向の上流側端部及び下流側端部の少なくとも一方には、接続管と接続され、反応媒体を導くためのリング状の空間部が設けられている。この場合には、接続管から導入された反応媒体が反応器内の周方向全体に直ちに回り込むようになるため、反応器内において蓄熱材と反応媒体とを効率的に化学反応させることができる。
【００１１】
好ましくは、高熱伝導部材には、反応媒体を貫通させるための通路が形成されている。この場合には、反応媒体が通路を通って、高熱伝導部材を貫通することで、反応媒体が蓄熱材全体に入り込みやすくなる。これにより、反応器内において蓄熱材と反応媒体とを効率的に化学反応させることができる。
【００１２】
好ましくは、高熱伝導部材は、シート状をなしている。この場合には、反応媒体が蓄熱材に入り込むことで、蓄熱材が膨張したときでも、高熱伝導部材が追従して柔軟に揺動するようになる。これにより、高熱伝導部材の破損等を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反応器内の熱伝導率を向上させることにより、蓄熱材で発生した反応熱を早く加熱対象に伝えつつ、反応媒体の回収時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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ガス浄化システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した排気管の周囲に配置される蓄熱材と高熱伝導シートを示す斜視図である。
【図３】本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態として反応器の内部を示す断面図である。
【図４】図３に示した化学蓄熱装置の反応器の内部を接続管とともに示す側断面図である。
【図５】図３に示した高熱伝導シートを示す斜視図である。
【図６】本発明に係る化学蓄熱装置の一実施形態を備えた排ガス浄化システムの変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。なお、図面において、同一又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。
【００１６】
（第一実施形態）
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ガス浄化システムを示す概略構成図である。図１に示される排ガス浄化システム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）等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。
【００１７】
排ガス浄化システム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。
【００１８】
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６ａから尿素やアンモニア（ＮＨ３）を供給して、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の下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。
【００１９】
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。
【００２０】
排ガス浄化システム１は化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、エネルギーレスで酸化触媒４（加熱対象）を加熱する加熱手段である。化学蓄熱装置１０は、通常は排ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用する。
【００２１】
化学蓄熱装置１０は、反応器８と、反応器８に接続管９を介して接続され、アンモニアなどの反応媒体を貯蔵する貯蔵器１１とを有している。接続管９は、反応器８の蓄熱材２１と貯蔵器１１とを接続するアンモニア供給通路であり、開閉弁９ａが設けられている。
【００２２】
図２に示されるように、反応器８は、排気通路３の一部を形成する排気管１３の外周に設けられている。排気管１３は、例えば円筒状の配管であり、例えばステンレスから構成されている。排気管１３の内部には酸化触媒４が配置されている。
【００２３】
反応器８は、蓄熱材２１と高熱伝導部材としての高熱伝導シート２２とを有している。蓄熱材２１と高熱伝導シート２２とは、反応器８のリング状のケース（図示せず）の内部空間に収容されている。蓄熱材２１及び高熱伝導シート２２は、円環状に形成されていると共に、排気管１３の外周面に接触するように排気管１３の排気方向に沿って配置されている。高熱伝導シート２２は、各蓄熱材２１の間に介在されている。
【００２４】
蓄熱材２１は、アンモニアと化学反応して熱を発生させる。蓄熱材２１は、例えば、圧縮成形によって形成された成形体である。このとき、蓄熱材２１は、例えば、排気管１３の排気方向から見て断面湾曲状に形成された複数の成形体部品が組み合わされることにより、円環状に構成されている。
【００２５】
蓄熱材２１は、ＭａＸｚという組成を持つ金属塩等の材料が用いられる。ここで、Ｍはアルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム、遷移金属、及び、これら金属の組み合わせから選択される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、及び、リン酸イオンから選択される１つ以上のアニオンである。ａは、１つの金属塩分子あたりのカチオンの数である。ｘは、１つの金属塩分子あたりのアニオンの数である。蓄熱材２１は、例えば、ＭｇＢｒ２で形成されている。蓄熱材２１は、例えば、ＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＮｉＣｌ２、ＭｇＩ２、ＣａＩ２等で形成されてもよい。
【００２６】
高熱伝導シート２２は、上述したように、円環状に形成されている。このとき、高熱伝導シート２２は、複数のシート部品が組み合わされることにより円環状に構成されてもよい。高熱伝導シート２２は、薄い（例えば、４０〜１００μｍ程度）シートである。高熱伝導シート２２は、蓄熱材２１よりも熱伝導率の高い材料で形成されている。高熱伝導シート２２は、アンモニアに晒されるのでアンモニアによって腐食しない材質で形成されていることが好ましい。高熱伝導シート２２は、グラファイトシートで形成されている。高熱伝導シート２２は、例えば、ＳＵＳから形成されるシートや、アルミから形成されるシートであってもよい。
【００２７】
貯蔵器１１には、活性炭が封入されている。活性炭にアンモニアが物理吸着されることで、アンモニアが貯蔵器１１に貯蔵されるようになる。貯蔵器１１には、例えば、メソ孔を有するメソポーラスシリカ、メソポーラスカーボンやメソポーラスアルミナ等のメスポーラス材やゼオライト、シリカゲル等が封入されていてもよい。
【００２８】
以上のように排ガス浄化システム１を構成した場合、エンジン２の始動直後など、エンジン２からの排ガスの温度が低いときは、開閉弁９ａが開いた状態で貯蔵器１１から反応器８にアンモニアが接続管９を介して供給され、蓄熱材２１の金属塩（ＭａＸｚ）とアンモニア（ＮＨ３）とが化学反応し、蓄熱材２１から熱を発生させることができる。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。
【００２９】
ＭａＸｚ＋ｎＮＨ３  ⇔  Ｍａ（ＮＨ３）ｎＸｚ＋熱
【００３０】
そして、蓄熱材２１から発生した熱が排気管１３を介して酸化触媒４に伝えられ、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ようになる。
【００３１】
一方、エンジン２からの排ガスの温度が高くなり、反応器８の温度が所定の温度以上になると、排ガスの熱（排熱）が排気管１３を介して蓄熱材２１に与えられることで蓄熱材２１とアンモニアとが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応（再生反応）が起こる。そして、蓄熱材２１から分離したアンモニアは、反応器８と貯蔵器１１との圧力差により、接続管９を介して貯蔵器１１に回収されるようになる。
【００３２】
以上、第一実施形態によれば、蓄熱材２１とアンモニアとが化学反応して蓄熱材２１から熱（反応熱）が発生する。そして、この反応熱が酸化触媒４に伝えられることにより、酸化触媒４が加熱される。
【００３３】
このとき、蓄熱材２１よりも熱伝導率の高い高熱伝導シート２２が各蓄熱材２１の間に介在されているので、蓄熱材２１で発生した熱又は排ガスの熱は、高熱伝導シート２２を通って排気管１３の径方向に伝わるようになる。これにより、反応器８内における径方向の熱伝導性が向上する。従って、発熱反応時には、蓄熱材２１で発生した反応熱が酸化触媒４に伝わりやすくなるため、酸化触媒４を効率よく加熱することができる。また、再生反応時には、排ガスの熱が蓄熱材２１全体に伝わりやすくなるため、アンモニアを反応器８から貯蔵器１１に効率良く回収することができ、アンモニアの再生に要する時間を短縮することができる。
【００３４】
また、蓄熱材２１が圧縮成形により形成された成形体の場合、蓄熱材２１とアンモニアとの化学反応により、蓄熱材２１の体積が膨張することがある。このように蓄熱材２１が膨張したときであっても、高熱伝導シート２２がシート状であり、排気管１３の外周面に接触するように配置されるため、高熱伝導シート２２が蓄熱材２１に追従して柔軟に揺動するようになる。これにより、高熱伝導シート２２の破損等を防ぐことができる。
【００３５】
（第二実施形態）
図３〜図５を参照して、第二実施形態に係る化学蓄熱装置１０について説明する。第二実施形態に係る化学蓄熱装置１０は、蓄熱材２１と高熱伝導シート２２を除いて第一実施形態に係る化学蓄熱装置１０と同様である。以下、第一実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００３６】
図３及び図４に示されるように、反応器８は、リング状のケース８ａを有している。ケース８ａの内部空間には、複数の蓄熱材２１と、高熱伝導部材としての複数の高熱伝導体２４と、が収容されている。高熱伝導体２４はステンレスで形成されている。なお、高熱伝導体２４はステンレスに限らず、カーボンブラック、カーボンファイバー、金属ファイバー、アルミビーズなどの金属ビーズ、ＳｉＣビーズ、Ｓｉビーズ、カーボンビーズ、アルミナビーズなどで構成することもできる。
【００３７】
各蓄熱材２１は、排気管１３の排気方向に延びるように断面湾曲状（瓦状）に形成されていると共に、排気管１３の周方向に沿って排気管１３の外周面に接触するように配置されている。高熱伝導体２４は、各蓄熱材２１の間に介在されている。高熱伝導体２４は、排気管１３の排気方向に延びている。高熱伝導体２４は、排気管１３の排気方向から見て略放射状に配置されている。
【００３８】
図５に示されるように、高熱伝導体２４には、アンモニアを貫通させるための通路である複数の円形状の貫通孔２４ａが形成されている。これらの貫通孔２４ａは、整列状態に形成されていると共に、互いに連通している。なお、複数の貫通孔２４ａの形状は、略同一であってもよく、異なっていてもよい。また、貫通孔２４ａの形状は、例えば、多角形状等であってもよい。高熱伝導体２４に貫通孔２４ａを形成することにより、アンモニアが拡散して、蓄熱材２１内を通りやすくなる。なお、各貫通孔２４ａは、ランダムに形成されてもよい。また、高熱伝導体２４に複数の貫通孔２４ａを形成する代わりに、高熱伝導体２４を金属多孔体などの多孔体としたり、金属不織布や金属織物等としたりしてもよい。
【００３９】
また、図４に示されるように、反応器８における排気管１３の排気方向の上流側端部は、接続管９と接続されている。反応器８における接続管９が接続される側の内部には、アンモニアを導くためのリング状の空間部８ｂが形成されている。
【００４０】
以上、第二実施形態によれば、蓄熱材２１で発生した熱又は排ガスの熱は、高熱伝導体２４を通って排気管１３の排気方向に伝わるようになる。これにより、反応器８内の熱伝導性が確実に向上する。従って、上記第一実施形態と同様に、酸化触媒４を効率よく加熱することができると共に、アンモニアの再生に要する時間を短縮することができる。
【００４１】
また、蓄熱材２１が圧縮成形により形成された成形体の場合、蓄熱材２１とアンモニアとの化学反応により、蓄熱材２１の体積が膨張することがある。このように蓄熱材２１が膨張したときであっても、高熱伝導体２４が排気管１３の外周面に接触するように配置されるため、高熱伝導体２４が蓄熱材２１の膨張に追従して排気管１３の外周面上を柔軟に揺動するようになる。これにより、高熱伝導体２４の破損等を防ぐことができる。
【００４２】
また、反応器８は、接続管９が接続される側の内部に、アンモニアを導くためのリング状の空間部８ｂを有しているため、接続管９から導入されたアンモニアが反応器８内の周方向全体に直ちに回り込むようになる。さらに、アンモニアが高熱伝導シート２２の貫通孔２４ａを通るため、アンモニアが蓄熱材２１全体に入り込みやすくなる。以上により、反応器８内において蓄熱材２１とアンモニアとを効率的に化学反応させることができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得る。
【００４４】
上記の第一実施形態において、排気管１３の周囲に配置される蓄熱材２１及び高熱伝導シート２２の数は適宜設定してよい。また、上記の第二実施形態において、排気管１３の周囲に配置される蓄熱材２１及び高熱伝導体２４の数は適宜設定してよい。
【００４５】
上記の第一実施形態において、高熱伝導シート２２に代えて、円環状の高熱伝導体を用いてもよい。また、第二実施形態において、高熱伝導体２４に代えて、排気管１３の排気方向に延びる高熱伝導シートを用いてもよい。
【００４６】
さらに、第一及び第二実施形態を組み合わせた構成を採用してもよい。即ち、円環状の高熱伝導シート２２を配置するとともに、高熱伝導体２４を排気管１３の排気方向に延びるように配置してもよい。また、高熱伝導シート及び高熱伝導体等の高熱伝導部材を反応器に対して斜めに配置してもよい。
【００４７】
上記の第二実施形態において、反応器８における排気方向の上流側端部が接続管９と接続されている場合を説明したが、これに限定されず、反応器８における排気方向の下流側端部が接続管９と接続されていてもよい。この場合、反応器８は、接続管９が接続される側の内部に、アンモニアを導くためのリング状の空間部を有しているのが望ましい。また、反応器８における排気方向の上流側端部及び下流側端部が接続管９と接続されていてもよく、この場合には、リング状の空間部が２つ設けられているのが望ましい。また、リング状の空間部分を反応器８の中央部分に設け、そこで接続管９と接続されていてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、反応媒体であるアンモニアとＭｇＢｒ２等の蓄熱材２１とを化学反応させて熱を発生させるようにしたが、反応媒体としては、特にアンモニア（ＮＨ３）は限られず、例えばＨ２Ｏ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等を使用する。
【００４９】
また、上記の第二実施形態において、高熱伝導シート２２にアンモニアを貫通させるための通路が形成されているが、上記の第一実施形態においても、高熱伝導シート２２にそのような通路を形成してもよい。
【００５０】
さらに、上記実施形態はエンジン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、他の部分を加熱してもよい。例えば本発明は、図６に示されるように、酸化触媒４等の触媒の上流側に熱交換器１４が配置された排ガス浄化システム１Ａにも適用可能である。この場合、熱交換器１４は、エンジン２と接続された排気通路３の途中に配置されてもよく、例えば熱交換器１４の周囲に反応器１２を配置し、熱交換器１４を外周側から加熱してもよい。また、熱交換器１４は、高熱伝導性を有する部材から構成された金属製のハニカム構造体等であってもよい。
【００５１】
また、本発明は、特に、ディーゼルエンジン２には限られず、ガソリンエンジンの排気系に設けられた触媒や排気管を加熱するものにも適用可能であるし、内燃機関以外の加熱対象を加熱するものにも適用可能である。また、選択還元触媒（ＳＣＲ）６を加熱してもよいし、排気管１３を加熱してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
４…酸化触媒（加熱対象）、８…反応器、９…接続管、１０…化学蓄熱装置、１１…貯蔵器、１３…排気管、２１…蓄熱材、２２…高熱伝導シート（高熱伝導部材）、２４…高熱伝導体（高熱伝導部材）、２４ａ…貫通孔（通路）
【図１】
2015081758.tif 000003
【図２】
2015081758.tif 000004
【図３】
2015081758.tif 000005
【図４】
2015081758.tif 000006
【図５】
2015081758.tif 000007
【図６】
2015081758.tif 000008