(57)【要約】【課題】内筒と熱交換部材との間で効率的に熱伝達を行うことができる化学蓄熱装置を提供すること。【解決手段】化学蓄熱装置は、高熱伝導ハニカム１３に接触配置された反応器１１と、反応器１１との間でアンモニアを流通可能に接続されるとともに、アンモニアを貯蔵する貯蔵器１９とを備える。反応器１１は、熱媒体流路を構成するとともに高熱伝導ハニカム１３に熱的に結合された内筒１４と、内筒１４の外周側に配置されて、該内筒１４との間にアンモニアとの化学反応により発熱するとともに蓄熱によりアンモニアを脱離する蓄熱材１６を収容する収容空間１８を形成する外筒１５と、を有する。内筒１４は熱膨張係数が外筒１５よりも低い低熱膨張金属により構成され、外筒１５は熱伝導率が内筒１４よりも低い低熱伝導金属により構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流通する熱媒体流路に配置された熱交換部材を加熱する化学蓄熱装置において、
前記熱交換部材に接触配置された反応器と、
前記反応器との間で反応媒体を流通可能に接続されるとともに前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、
前記反応器は、前記熱媒体流路を構成するとともに前記熱交換部材に熱的に結合された内筒と、
前記内筒の外周側に配置されて、該内筒との間に、前記反応媒体との化学反応により発熱するとともに蓄熱により前記反応媒体を脱離する蓄熱材を収容する収容空間を形成する外筒と、を有し、
前記内筒は熱膨張係数が前記外筒よりも低い低熱膨張金属により構成され、
前記外筒は熱伝導率が前記内筒よりも低い低熱伝導金属により構成されることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記内筒を構成する前記低熱膨張金属はフェライト系ステンレス鋼であり、
前記外筒を構成する前記低熱伝導金属はオーステナイト系ステンレス鋼である請求項１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、化学蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するために排ガス浄化用触媒が用いられている。排ガス浄化用触媒には、触媒機能を発揮させるための最適温度（活性温度）が存在するため、排ガス浄化用触媒の温度が低い場合には、これを活性温度にまで昇温させる必要がある。排ガス浄化用触媒を活性温度にまで昇温させる方式として、排気ガスの熱を利用するものがある。しかし、例えば、エンジンの冷間始動時などは排気ガスの温度が低い時間が長時間続くため、排ガス浄化用触媒が活性温度にまでなかなか昇温しないという問題がある。この問題に対して、例えば、特許文献１には、化学蓄熱装置を排気ガス浄化プロセスの中に導入し、排気ガスの低温時などに化学蓄熱装置によって排ガス浄化用触媒を暖機するといった技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１の触媒暖機装置では、排ガス浄化用触媒は、排気ガス浄化装置の排気管内に設けられたセラミックス製のハニカム基材（熱交換部材）に担持されている。また、触媒暖機装置は、触媒を暖機する化学蓄熱装置を、ハニカム基材が設けられた排気管の周囲に備える。化学蓄熱装置は排気管（内筒）及び排気管の外周を取り囲む筐体部を有する反応器を備え、反応器の排気管の外周面と筐体部の内周面との間に形成された収容空間には、蓄熱材や断熱材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
ところで、金属材料などにより構成される排気管（化学蓄熱装置における内筒）は、排気ガスや蓄熱材から熱を受けると熱膨張する。しかしながら、内筒の内部に設けられたセラミックス製のハニカム基材（熱交換部材）は金属材料に比較して熱膨張係数が低いため、排気ガスや蓄熱材から熱を受けてもほとんど熱膨張しない。したがって、熱交換部材や反応器が排気ガスや蓄熱材から熱を受けた場合には、内筒の内周面と、その内側に設けられたセラミックス製の熱交換部材の外周面との接触性が悪くなり、その結果、反応器と熱交換部材との間で効率的な熱伝達が行えなくなるという虞がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、内筒と熱交換部材との間で効率的に熱伝達を行う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】
【０００７】
上記目的を達成する化学蓄熱装置は、熱媒体が流通する熱媒体流路に配置された熱交換部材を加熱する化学蓄熱装置において、前記熱交換部材に接触配置された反応器と、前記反応器との間で反応媒体を流通可能に接続されるとともに前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備え、前記反応器は、前記熱媒体流路を構成するとともに前記熱交換部材に熱的に結合された内筒と、前記内筒の外周側に配置されて、該内筒との間に、前記反応媒体との化学反応により発熱するとともに蓄熱により前記反応媒体を脱離する蓄熱材を収容する収容空間を形成する外筒と、を有し、前記内筒は熱膨張係数が前記外筒よりも低い低熱膨張金属により構成され、前記外筒は熱伝導率が前記内筒よりも低い低熱伝導金属により構成されることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、内筒の熱伝導率が外筒の熱伝導率より高いため、反応器の蓄熱材で生じた熱は、外筒よりも内筒に伝わりやすい。すなわち、蓄熱材で発生させた熱は、内筒を介して熱交換部材に効率良く伝えることができる。また、外筒の熱伝導率が内筒の熱伝導率より低いため、熱は反応器の外部に放出されにくい。そして、内筒が、外筒よりも熱膨張係数の小さい低熱膨張金属により構成されているため、例えば、熱交換部材が熱媒体により加熱された際に、内筒と熱交換部材との間で熱膨張差が生じにくく、内筒と熱交換部材との熱的な結合を良好に保てる。したがって、内筒と熱交換部材との間で効率的に熱伝達を行うことができる。
【０００９】
化学蓄熱装置について、前記内筒を構成する前記低熱膨張金属はフェライト系ステンレス鋼であり、前記外筒を構成する前記低熱伝導金属はオーステナイト系ステンレス鋼である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、内筒と熱交換部材との間で効率的に熱伝達を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排気浄化システムの主要部位概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る化学蓄熱装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図１および図２を参照して、化学蓄熱装置の実施形態を具体的に説明する。
本実施形態では、本発明に係る化学蓄熱装置を、車両の排気浄化システム内においてエンジンの排気系に設けられた化学蓄熱装置に適用する。なお、本実施形態の排気浄化システムは、エンジンでの燃焼によって排出される排気ガスの中に含まれる大気汚染物質を浄化するものであり、排気浄化システムの触媒が大気汚染物質の浄化を助けている。本発明の化学蓄熱装置は排ガス浄化用触媒を暖機するために設けられている。
【００１３】
図１にしたがって本実施形態の排気浄化システムを説明する。
まず、排気ガスの流れについて説明する。排気ガスは図１において黒枠の矢印で模式的に描かれており、矢先が排気ガスの排出方向の下流側を向いている。車両の内燃機関としてのエンジン１０での燃料燃焼の後にエンジン１０から排出される、熱媒体としての排気ガスは、エンジン１０に接続された排気管Ｐの内部の熱媒体流路を流通して車両外に排出される。排気管Ｐには化学蓄熱装置の反応器１１が、排気管Ｐの周囲を取り囲むように設けられるとともに、排気管Ｐでの排気ガスの排出方向において、反応器１１が設けられた部位より下流側の担持部Ｑには、例えば、ハニカム部材等に担持された排ガス浄化用触媒としての酸化触媒１２が設けられている。なお、酸化触媒１２を通過した排気ガスは、ＳＣＲ触媒やＤＰＦ等の種々の触媒やフィルタ等を経て車両外に排出されるが、それらは図示しない。
【００１４】
排気ガスの排出方向において、担持部Ｑより上流側には、排気ガスを暖機するための化学蓄熱装置の反応器１１が設置されている。化学蓄熱装置は、熱交換部材である高熱伝導ハニカム１３を備える。この高熱伝導ハニカム１３は、圧入や焼き嵌めなどの公知の方法により排気管Ｐの一部における内部に固定されることで、排気管Ｐと熱的に結合されている。よって、本実施形態では、排気管Ｐの一部が反応器１１の内筒１４を構成しており、熱交換部材である高熱伝導ハニカム１３は内筒１４と熱的に結合されているといえる。
【００１５】
図２に示すように、高熱伝導ハニカム１３は、ＳｉＣやＡｌＮやＡｌ２Ｏ３などのセラミックス素材を用いて、隔壁で仕切られた小さな矩形形状の断面を持った細長い流路が多数個並列に配列されるように、格子状に形成されている。すなわち、矩形形状の断面を持った細長い複数の流路が、排気ガスの流路（熱媒体流路）を構成している。したがって、排気ガスは、高熱伝導ハニカム１３を通過する際に、高熱伝導ハニカム１３と熱交換される。
【００１６】
反応器１１は、内筒１４の外周面側に設けられた外筒１５を備える。外筒１５の内周面と内筒１４の外周面とで囲われた収容空間１８には複数の蓄熱材１６が設けられている。よって、外筒１５は、内筒１４の外周側に配置されて、内筒１４との間に蓄熱材１６を収容する収容空間１８を形成する。なお、蓄熱材１６には例えばＭｇＣｌ２が用いられる。本実施形態に用いる蓄熱材１６は、排気ガスの排出方向に直交した断面が弧状のタブレットである。この蓄熱材１６は、プレス成型等の手段によって得られるが作成方法は限定されない。収容空間１８内において、内筒１４の周方向及び軸方向に沿って複数の蓄熱材１６が配設されており、排気ガスの流通方向から見た複数の蓄熱材１６は全体として環状になっている。内筒１４の周方向に沿って隣り合う蓄熱材１６同士の間には、図示しない多少の空隙を有する。また、収容空間１８には、環状に配設された複数の蓄熱材１６の外周囲を覆うように断熱材１７が配設されている。断熱材１７は、蓄熱材１６で発生した熱が反応器１１の外部へ放出されるのを抑えるものであり、本実施形態では、後述の反応媒体としてのアンモニアガスを蓄熱材１６に供給できるように、断熱材１７の所定の位置には開口が設けられている。また、断熱材１７として、アンモニアを通過させることのできる素材を用いてもよい。
【００１７】
図１に示すように、外筒１５は、外筒１５の軸方向の両端部から内筒１４に向けて延びる延設部Ｓを備える。各延設部Ｓの先端は、内筒１４に接触しており、内筒１４の外周面に溶接等によって接合されている。そのため、内筒１４と外筒１５とは熱的に結合されている。ここで、内筒１４を構成する材料としては、外筒１５を構成する材料よりも、熱膨張係数の低い低熱膨張金属が用いられており、例えば、フェライト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４３０）が用いられる。また、外筒１５を構成する材料としては、内筒１４よりも熱伝導率の低い低熱伝導金属が用いられており、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）が用いられる。高熱伝導ハニカム１３を構成する材料としては、例えば、ＳｉＣが用いられる。
【００１８】
本実施形態の反応器１１は、内筒１４、外筒１５、蓄熱材１６、及び断熱材１７を含む。そして、本実施形態の化学蓄熱装置は、熱交換部材としての高熱伝導ハニカム１３と接触配置され、高熱伝導ハニカム１３を加熱するための反応器１１と、反応器１１との間でアンモニアを流通可能に接続されるとともにアンモニアを貯蔵する貯蔵器１９とを備える。貯蔵器１９は、反応媒体としてのアンモニアを貯蔵するとともに、反応媒体としてのアンモニアを反応器１１に供給するものであり、内部にアンモニアを物理吸着するための吸着材料を備える。吸着材料としては、例えば、活性炭やゼオライトなどの多孔質部材が用いられる。
【００１９】
貯蔵器１９と反応器１１とを接続する接続管２０は、反応器１１との間でアンモニアの流通を可能とするように、反応器１１と外筒１５に溶接等によって接続されている。外筒１５の接続管２０が溶接される部分には、開口が形成されており、この開口を介して反応器１１の蓄熱材１６が収容された収容空間１８にアンモニアが供給される。接続管２０にはバルブ２１が設けられ、このバルブ２１は、ＥＣＵ２２によって開閉制御される。なお、ＥＣＵ２２は、バルブ２１の開閉制御だけでなく、バルブ２１の開度を調整してもよい。
【００２０】
以上のように構成した排気浄化システムにおける化学蓄熱装置の作用について説明する。なお、エンジン１０が停止しているときは、バルブ２１は閉じられている。エンジン１０が始動されると、例えば、酸化触媒１２の温度が活性温度よりも低いことやエンジン１０から排出される排気ガスの温度が低温であることを検知して、バルブ２１がＥＣＵ２２によって開制御される。バルブ２１が開けられると、貯蔵器１９内のアンモニアは、その圧力差によって接続管２０を介して反応器１１内へと流入する。つまり、初期状態においては、貯蔵器１９の圧力は、反応器１１の圧力よりも高くなっており、このことから、バルブ２１が開かれることでアンモニアは反応器１１内へと流入する。反応器１１内に流入したアンモニアは、蓄熱材１６全体に拡散され吸着される。ここで、蓄熱材１６は供給されたアンモニアと配位結合を成し発熱する。即ち、下記の反応式（１）の右向き反応が起こる。
【００２１】
ＭｇＣｌ２＋６ＮＨ３⇔ＭｇＣｌ２・６ＮＨ３＋ΔＨ（ｋＪ／ｍｏｌ）…反応式（１）
すると、発生した熱の多くは、内筒１４に伝達される。このとき、内筒１４は外筒１５と比較して熱伝導率の高いフェライト系ステンレス鋼で構成されているため、蓄熱材１６で発生した熱を、内筒１４を介して効率的に高熱伝導ハニカム１３に伝えることができる。排気管Ｐ内を流通する排気ガスは、反応器１１によって加熱（暖機）された高熱伝導ハニカム１３を通過する。このとき、排気ガスは、高熱伝導ハニカム１３と熱交換して酸化触媒１２の活性温度以上に加熱される。
【００２２】
一方で、反応式（１）の発熱反応が起こると、オーステナイト系ステンレス鋼で形成された外筒１５は、内筒１４と比較して熱伝導率が低いことから、蓄熱材１６で発生した熱は外筒１５を介して外部空間へ放出されにくくなっている。したがって、反応器１１の収容空間１８内において、蓄熱材１６で発生した熱は内筒１４を介して高熱伝導ハニカム１３へ優先的に伝わる。さらに、内筒１４には、外筒１５と比較して熱膨張係数の低い低熱膨張金属であるフェライト系ステンレス鋼が用いられているため、熱が加わった場合の熱膨張が抑えられている。例えば、ＳＵＳ４３０（内筒１４）の熱膨張係数は１１．０×１０−６（１／Ｋ）であり、ＳＵＳ３０４（外筒１５）の熱膨張係数１７．３×１０−６（１／Ｋ）と比較して低いことがわかる。また、ＳＵＳ４３０（内筒１４）の熱膨張係数は、ＳｉＣ（高熱伝導ハニカム１３）の熱膨張係数６．６×１０−６（１／Ｋ）と比較して低く、かつＳＵＳ３０４と比較して熱膨張係数が内筒１４に近いことがわかる。
【００２３】
このように、高熱伝導ハニカム１３に接触して熱的に結合される内筒１４を、熱膨張係数が低い材料で構成することで、内筒１４と高熱伝導ハニカム１３との接触は、蓄熱材１６や排気ガスから熱を受けた場合であっても良好に保たれる。加えて、高熱伝導ハニカム１３に接触して熱的に結合される内筒１４を、熱膨張係数の値が近い材料で構成することで、内筒１４と高熱伝導ハニカム１３との接触は、蓄熱材１６や排気ガスから熱を受けた場合であっても良好に保たれる。したがって、内筒１４と高熱伝導ハニカム１３との間の熱的な結合を良好に保つことができる。
【００２４】
また、エンジン１０から排出された排気ガスの温度が上昇し、高熱伝導ハニカム１３と内筒１４を介して蓄熱材１６に脱離反応温度以上の熱が伝わると、反応式（１）の左向き反応が起きる。即ち、蓄熱材１６に吸着していたアンモニアは脱離する。このとき、反応器１１は貯蔵器１９より圧力が高くなるため、バルブ２１を開制御することでアンモニアは接続管２０を介して貯蔵器１９へ移動する。移動したアンモニアは、再び、貯蔵器１９内に配置された吸着物質に吸着される。
【００２５】
以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
（１）内筒１４は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成された外筒１５に比較して熱伝導率が高く、かつ熱膨張係数の低いフェライト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４３０）で構成されている。このため、蓄熱材１６で発生した熱は、外筒１５よりも内筒１４に伝わりやすく、その熱は内筒１４を介して高熱伝導ハニカム１３に効率的に伝達される。
【００２６】
（２）外筒１５は、内筒１４と比較して熱伝導率の低い低熱伝導金属としてのオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）で構成されている。このため、蓄熱材１６から発生した熱は、外筒１５を介して反応器１１の外部に放出されにくい。結果として、蓄熱材１６から発生した熱は、内筒１４側により伝達されやすくなる。
【００２７】
（３）内筒１４が、熱膨張係数の低い低熱膨金属としてのフェライト系ステンレス鋼で構成されているため、内筒１４を介した蓄熱材１６と高熱伝導ハニカム１３との間での熱の交換時に、内筒１４の熱膨張が抑制される。即ち、高熱伝導ハニカム１３と内筒１４との熱的な結合が良好に保たれるから、内筒１４と高熱伝導ハニカム１３との間で効率的に熱の伝達を行うことができる。これにより、化学蓄熱装置全体の熱伝導効率を向上させることができる。
【００２８】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○実施形態では、高熱伝導ハニカム１３を熱交換部材とし、その高熱伝導ハニカム１３を、熱媒体としての排気ガスによって加熱する構成としたが、これに限らない。熱交換部材を排気ガス浄化用の触媒（例えば、酸化触媒１２）とし、排気ガス浄化用の触媒を、熱媒体としての排気ガスによって直接加熱する構成としてもよい。
【００２９】
○実施形態では、熱媒体を排気ガスとするとともに熱媒体流路を排気管Ｐの内部としたが、熱媒体は排気ガスに限らない。例えば、熱媒体をオイルとし、熱媒体流路を、オイルが流通するオイル流路とする。そして、オイル流路に熱交換部材（例えば、高熱伝導ハニカム）を配置し、この熱交換部材を化学蓄熱装置で加熱する構成としてもよい。
【００３０】
○熱交換部材としての高熱伝導ハニカム１３はフィン状でもよいし、金属製でもよい。
○蓄熱材１６の種類は、ＭｇＣｌ２以外にもハロゲン化物ＭＸαの組成を持つものを使用してもよい。ＭにはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒなどのアルカリ土類金属や、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどの遷移金属が当てはまる。また、ＸにはＣｌ、Ｂｒ、Ｉなどのハロゲンが当てはまる。ハロゲン化物ＭＸαのαに当てはまる数は、上記組み合わせに応じて２または３で決定される。また、蓄熱材の変更に合わせて反応媒体を変えてもよい。
【００３１】
○蓄熱材１６には熱伝導性を向上させる添加物を加えてもよい。熱伝導性を向上させる添加物には、例えばカーボンファイバ、カーボンビーズ、ＳｉＣビーズ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、金属ビーズ、高分子ビーズ、高分子ファイバ、グラファイトシート、金属シートがある。
【００３２】
○内筒１４は、フェライト系ステンレス鋼の代わりにマルテンサイト系ステンレス鋼を用いてもよい。
○内筒１４や外筒１５にＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｂ等を添加することにより、熱伝導率や熱膨張係数を変化させてもよい。
【００３３】
○反応器１１は、排気管Ｐ上における酸化触媒１２の担持部Ｑの外側に設置してもよい。
○蓄熱装置において、断熱材１７はなくてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
Ｐ…熱媒体流路を構成する排気管、１１…反応器、１３…熱交換部材としての高熱伝導ハニカム、１４…内筒、１５…外筒、１６…蓄熱材、１８…収容空間、１９…貯蔵器。
【図１】
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【図２】
2016099019.tif 000004