(57)【要約】【課題】反応器の伝熱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、化学蓄熱用の成型ペレット１６が排気管９に接触するように配置されている。成型ペレット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よりも熱伝導率の高い金属材料からなる金属部１８とを含んでいる。金属部１８は、成型ペレット１６の外周面から成型ペレット１６の内周面まで連続的に延びている。成型ペレット１６は、蓄熱材１７と金属部１８を形成する金属材料とを型に入れて混合させた状態で、それらに対して同時にプレス成型加工を施して押し固めることによって作製される。【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、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材と前記蓄熱材よりも熱伝導率の高い金属材料からなる金属部とを含む成型ペレットを有する反応器と、
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、
前記成型ペレットは、前記蓄熱材と前記金属材料とを混合させてプレス成型加工を施すことにより形成されており、
前記金属部は、前記成型ペレットの内部において前記加熱対象物に向かって延びていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記金属部は、前記成型ペレットの内部において前記加熱対象物に向かって連続的に延び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】
前記成型ペレットは、前記加熱対象物の周囲に配置されており、
前記金属部は、前記成型ペレットの内部において前記加熱対象物の反対側の面から前記加熱対象物側の面まで連続的に延びていることを特徴とする請求項２記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記金属部は、金属多孔体により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の化学蓄熱装置。
【請求項５】
前記成型ペレットは、前記金属材料よりも熱伝導率の高い伝熱材を更に含むことを特徴とする請求項１〜４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、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）を有する反応器と、蓄熱物質を発熱させるための水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、反応器から熱が発生し、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、水等の反応媒体との化学反応により発熱する蓄熱材は、材料自身の熱伝導率が低い。従って、蓄熱材で発生した熱が反応器内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、反応器の伝熱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、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材と蓄熱材よりも熱伝導率の高い金属材料からなる金属部とを含む成型ペレットを有する反応器と、反応器と接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、成型ペレットは、蓄熱材と金属材料とを混合させてプレス成型加工を施すことにより形成されており、金属部は、成型ペレットの内部において加熱対象物に向かって延び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の高い金属材料を蓄熱材に混合させてなる成型ペレットを設け、成型ペレットの内部において金属材料からなる金属部が加熱対象物に向かって延びるように成型ペレットを構成することにより、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金属部を介して加熱対象物に伝わるようになる。これにより、反応器の成型ペレットの伝熱性が向上する。また、プレス成型加工を施して成型ペレットを形成することにより、成型ペレットの内部には伝熱を阻害する空隙が存在しないため、成型ペレットの伝熱性が更に向上する。
【０００８】
好ましくは、金属部は、成型ペレットの内部において加熱対象物に向かって連続的に延びている。この場合には、蓄熱材で発生した熱が金属部を介して加熱対象物に更に伝わりやすくなるため、成型ペレットの伝熱性を一層向上させることができる。
【０００９】
このとき、好ましくは、成型ペレットは、加熱対象物の周囲に配置されており、金属部は、成型ペレットの内部において加熱対象物の反対側の面から加熱対象物側の面まで連続的に延びている。この場合には、加熱対象物から離れた位置に存在する蓄熱材で発生した熱も金属部を介して加熱対象物に確実に伝わるようになる。これにより、成型ペレットの伝熱性をより一層向上させることができる。
【００１０】
また、好ましくは、金属部は、金属多孔体により形成されている。この場合には、金属多孔体の空孔率を変化させることで単位体積当たりの金属比率の調整が容易になり、ひいては熱伝導率を任意に変更することが容易になる。また、成型ペレット内において金属部のばらつきを均一とすることも容易になる。これにより、成型ペレットの熱伝導率の調整を容易に行うことができる。
【００１１】
また、好ましくは、成型ペレットは、金属材料よりも熱伝導率の高い伝熱材を更に含む。この場合には、金属部同士が伝熱材を介して接続されるようになるため、蓄熱材で発生した熱が金属部及び伝熱材を介して加熱対象物に更に伝わりやすくなる。これにより、成型ペレットの伝熱性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反応器の伝熱性を向上させることができる。これにより、反応器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】
【００１３】
【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】比較例として、従来の化学蓄熱装置の一例の要部を示す断面図である。
【図４】本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態の要部を示す断面図である。
【図５】図１に示した排気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】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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の内側に配置されている。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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、化学蓄熱用の成型ペレット１６が排気管９に接触するように配置されている。成型ペレット１６は、複数の瓦型の成型ペレット１６ａを繋ぎ合わせることでリング状に形成されている。
【００２２】
成型ペレット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よりも熱伝導率の高い金属材料からなる金属部１８とを含んでいる。蓄熱材１７の熱伝導率は、例えば０．１〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋである。金属材料の熱伝導率は、例えば１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２３】
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。金属材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｉ−Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、ステンレス等の高熱伝導性を持つものが用いられる。
【００２４】
金属部１８は、成型ペレット１６の外周面（酸化触媒４の反対側の面）から成型ペレット１６の内周面（酸化触媒４側の面）まで連続的に延びている。つまり、金属部１８は、成型ペレット１６の内部において酸化触媒４に向かってネットワーク状に延びるように形成されている。
【００２５】
金属部１８は、例えば内部に空孔を有する発泡金属等の金属ブロック（金属多孔体）で形成されている。このとき、金属ブロックの空孔率は、５０％以上であるのが望ましい。この場合には、金属ブロックの空孔内に蓄熱材１７が充填されることになる。
【００２６】
また、金属部１８は、金属繊維または金属導線がウール状に絡み合ったもの（金属ウール）であっても良い。この場合には、金属繊維または金属導線の隙間に蓄熱材１７が充填されることになる。
【００２７】
ただし、金属ブロックでは、金属繊維または金属ウールに比べて成型ペレット１６において均一に配置しやすい。また、金属ブロックでは、空孔率を変更することで単位体積当たりの金属比率の調整が容易に行えるため、金属繊維または金属ウールに比べて成型ペレット１６の熱伝導率が調整しやすい。従って、金属部１８を金属ブロックとするのが望ましい。
【００２８】
成型ペレット１６ａは、蓄熱材１７と金属部１８を形成する金属材料とを型に入れて混合させた状態で、それらに対して同時にプレス成型加工を施して押し固めることによって作製される。これにより、成型ペレット１６ａの内部には、空間（空隙）が無い状態となる。
【００２９】
成型ペレット１６とリングケース１５との間には、断熱材１９が配置されている。上記の媒体供給通路１２は、リングケース１５及び断熱材１９を突き抜けて成型ペレット１６と繋がっている。
【００３０】
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の成型ペレット１６に供給され、成型ペレット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
【００３１】
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で発生した熱が金属部１８に伝わり、その熱が金属部１８を通って酸化触媒４に伝熱されるようになる。つまり、金属部１８が熱伝導のパスとなる。
【００３２】
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
【００３３】
このとき、排ガスの熱が金属部１８に伝わり、その熱が金属部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。
【００３４】
図３は、比較例として、従来の化学蓄熱装置の一例の要部を示す断面図である。図３に示す化学蓄熱装置１００では、成型ペレット１０１は、蓄熱材１７だけをプレス成型加工して形成されている。しかし、蓄熱材１７の熱伝導率（前述）は低いため、そのような成型ペレット１０１では、以下の不具合が発生する。即ち、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を蓄熱材１７の外部に取り出すことが困難である。また、再生反応時には、排ガスの熱が蓄熱材１７に効率的に取り込まれず、ＮＨ３ガスの再生に時間がかかる。特に、成型ペレット１０１の外周面側に配置された蓄熱材１７から発生した熱は、成型ペレット１０１の内周面と排気管９を挟んで配置された酸化触媒４に伝わりにくい。このため、酸化触媒４の加熱効率が悪くなる。また、再生反応時においても、排気管９内を流れる排気ガスの熱が成型ペレット１０１の外周面側に配置された蓄熱材１７に伝わりにくく、蓄熱材１７からＮＨ３を分離させる時間が長くなる。
【００３５】
これに対し本実施形態では、蓄熱材１７よりも熱伝導率の高い金属材料を蓄熱材１７に混合させてなる成型ペレット１６を形成し、金属材料からなる金属部１８が成型ペレット１６の外周面から内周面まで連続的に延びるように成型ペレット１６を構成したので、以下の作用効果が得られる。
【００３６】
即ち、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金属部１８を通って酸化触媒４に伝熱されるため、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、排ガスの熱が金属部１８を通って蓄熱材１７に伝熱されるため、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。これにより、成型ペレット１６の伝熱性が高くなる。
【００３７】
また、本実施形態では、成型ペレット１６をプレス成型加工により形成するようにしたので、上述したように、成型ペレット１６の内部には伝熱を阻害する空隙が無い状態となる。これにより、成型ペレット１６の伝熱性が更に高くなる。
【００３８】
以上のように本実施形態によれば、蓄熱材１７を含む成型ペレット１６の伝熱性が十分に高くなる。その結果、酸化触媒４を効果的に加熱することができると共に、ＮＨ３ガスの再生時間を短縮することができる。
【００３９】
図４は、本発明に係る化学蓄熱装置の他の実施形態の要部を示す断面図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
同図において、本実施形態の化学蓄熱装置１０では、反応器１１の成型ペレット１６は、上記の蓄熱材１７と金属材料からなる金属部１８とに加え、金属材料よりも熱伝導率の高い伝熱材２０を更に含んでいる。伝熱材２０としては、例えばカーボンファイバが用いられる。カーボンファイバの熱伝導率は、１０００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。伝熱材２０は、成型ペレット１６の内部においてランダムに配置されている。
【００４１】
成型ペレット１６は、蓄熱材１７と金属部１８を形成する金属材料と伝熱材２０とを型に入れて混合させた状態で、それらに対して同時にプレス成型加工を施して押し固めることによって作製される。
【００４２】
このように蓄熱材１７及び金属材料に伝熱材２０を混合させることにより、金属部１８同士が伝熱材２０を介して接続されるようになるため、熱伝導パスが更に増加する。これにより、蓄熱材１７を含む成型ペレット１６の伝熱性が一層高くなる。
【００４３】
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、成型ペレット１６の内部において、金属材料からなる金属部１８が成型ペレット１６の外周面から成型ペレット１６の内周面まで連続的に延びているが、特にその構成には限られず、金属部１８が酸化触媒４に向かって延びていれば良い。
【００４４】
また、上記実施形態では、複数の瓦型の成型ペレット１６ａを繋ぎ合わせることで、リング状の成型ペレット１６を形成するようにしたが、特にそれには限られず、プレス成型加工によって中抜き円筒型の成型ペレットを形成しても良い。また、成型ペレットの形状としては、瓦型、中抜き円筒型の他、直方体状や立方体状等としても良い。
【００４５】
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。
【００４６】
さらに、上記実施形態では、反応媒体である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、反応媒体としては、特にＮＨ３には限られず、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、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ２Ｏ３等を使用する。
【００４７】
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部分を加熱するものにも適用可能である。その一例を図５に示す。
【００４８】
図５に示す排気浄化システム１では、酸化触媒４の上流側に熱交換器３０が配置されている。ここで、熱交換器３０は、排気通路３の途中に配置され、ハニカム構造をなしている。熱交換器３０の周囲には、上記の反応器１１が配置されている。この他の構成は、図１に示す排気浄化システム１と同様である。
【００４９】
また、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】
【００５０】
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…成型ペレット、１７…蓄熱材、１８…金属部、２０…伝熱材、３０…熱交換器（加熱対象物）。
【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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