(57)【要約】【課題】反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物に効率良く伝えることができる化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置は、反応部１５及び複数の熱交換部材１６を有する反応器付き熱交換器３と、反応部１５との間でＮＨ３を流通可能に接続された吸着器とを備えている。反応部１５は、反応容器１７内に収容され、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に排熱の蓄熱によりＮＨ３を脱離する反応材１８を有している。熱交換部材１６は、一端側から他端側にかけて排気ガスを流通させる排気ガス流路２１ａを形成すると共に、排気ガスと反応材１８との間で熱交換を行う熱交換部２１と、熱交換部２１の外周に設けられた筒形状の熱交換部外筒２０とを有している。各熱交換部材１６は、反応容器１７の内部において排気ガスの流通方向に垂直な方向に並んで反応材１８に埋設されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を加熱する化学蓄熱装置であって、
反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により前記反応媒体を脱離する反応材が反応容器内に充填された反応部と、
前記反応部との間で前記反応媒体を流通可能に接続され、前記反応媒体を貯蔵する貯蔵部と、
前記熱媒体を流通させる複数の熱交換部材と、を備え、
前記熱交換部材は、一端側から他端側にかけて前記熱媒体を流通させる熱媒体流路を形成すると共に前記熱媒体と前記反応材との間で熱交換を行う熱交換部と、前記熱交換部の外周に設けられると共に前記熱媒体の流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒とを有し、
前記複数の熱交換部材は、前記反応容器の内部において前記熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで前記反応材に埋設されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記複数の熱交換部材は、それぞれの前記熱交換部外筒の全周が前記反応材と接触するように互いに離間して配置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】
前記反応部は、前記反応容器と前記反応材との間に設けられた断熱材を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記反応部は、前記熱媒体を流通させる熱媒体流通経路上に配置され、
前記反応容器は、前記複数の熱交換部材の両端部を露出させる複数の開口部を有す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。
【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】
従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献１に記載されている装置が知られている。特許文献１に記載の化学蓄熱装置は、エンジンより排出された排気ガスを浄化する触媒セラミック部の周囲に配置され、筐体部内に内蔵された蓄熱物質（反応材）を含む反応器と、蓄熱物質を発熱させるための水を供給する導水管部とを備えている。冷間時などに、水を反応器に供給することで、水と蓄熱物質とが化学反応して熱が発生する。そして、この反応器内で発生する熱により触媒セラミック部が加熱されて触媒活性温度に暖機される。
【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、加熱源である反応器が加熱対象物である触媒セラミック部の周囲に配置されている。従って、例えば排ガス浄化能力を向上させるために触媒セラミック部の径を大きくすると、触媒セラミック部の外周から触媒セラミック部の中心までの伝熱距離が長くなり、触媒セラミック部の熱抵抗が増大する。このため、触媒セラミック部外周の反応器で発生する熱が触媒セラミック部の中心まで伝わりにくくなる。即ち、従来の構成では、反応器内の蓄熱物質（反応材）で発生させた熱を加熱対象物である触媒セラミック部に効率良く伝えることが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物に効率良く伝え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、熱媒体を加熱する化学蓄熱装置であって、反応媒体との化学反応により発熱すると共に蓄熱により反応媒体を脱離する反応材が反応容器内に充填された反応部と、反応部との間で反応媒体を流通可能に接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵部と、熱媒体を流通させる複数の熱交換部材と、を備え、熱交換部材は、一端側から他端側にかけて熱媒体を流通させる熱媒体流路を形成すると共に熱媒体と反応材との間で熱交換を行う熱交換部と、熱交換部の外周に設けられると共に熱媒体の流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒とを有し、複数の熱交換部材は、反応容器の内部において熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで反応材に埋設されていることを特徴とする。
【０００７】
このような本発明の化学蓄熱装置においては、貯蔵部から反応部に反応媒体が供給されると、反応材と反応媒体との化学反応により反応材が発熱し、その熱が各熱交換部材の熱交換部に伝えられる。このとき、複数の熱交換部材を反応容器の内部において熱媒体の流通方向に垂直な方向に並んで反応材に埋設することにより、各熱交換部材の熱交換部における熱媒体の流通方向に垂直な方向の寸法を小さくすることができる。各熱交換部材の熱交換部における熱媒体の流通方向に垂直な方向の寸法が小さくなると、加熱源が配置された熱交換部の外周から熱交換部の中心までの伝熱距離が短くなり、熱交換部の熱抵抗が小さくなる。このため、熱交換部の外周に配置された反応材で発生する熱が熱交換部の中心まで伝わりやすくなる。つまり、本発明では、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物である熱交換部に効率良く伝えることができる。
【０００８】
複数の熱交換部材は、それぞれの熱交換部外筒の全周が反応材と接触するように互いに離間して配置されていてもよい。この場合には、反応材で発生した熱が熱交換部の外周全体から熱交換部の中心に向けて伝えられる。従って、反応材で発生した熱を熱交換部に一層効率良く伝えることができる。
【０００９】
反応部は、反応容器と反応材との間に設けられた断熱材を更に有していてもよい。この場合には、反応材で発生した熱が反応容器から外部に放熱されることを低減できる。
【００１０】
反応部は、熱媒体を流通させる熱媒体流通経路上に配置され、反応容器は、複数の熱交換部材の両端部を露出させる複数の開口部を有していてもよい。この場合には、複数の熱交換部材を反応材に簡単に埋設することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応器内の反応材で発生した熱を加熱対象物に効率良く伝えることができる化学蓄熱装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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に示された反応器付き熱交換器の側面図（一部断面を含む）を有する化学蓄熱装置の概略構成図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図２のIV−IV線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一また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。
【００１４】
図１は、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１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から排出される排気ガスに含まれる有害物質（環境汚染物質）を浄化する。
【００１５】
排気浄化システム１は、反応器付き熱交換器３、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：DieselOxidation Catalyst）４、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）５、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）６及びアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）７を備えている。反応器付き熱交換器３、ＤＯＣ４、ＤＰＦ５、ＳＣＲ６及びＡＳＣ７は、エンジン２と接続された排気通路８の途中に、上流側から下流側に向けて順に配置されている。
【００１６】
反応器付き熱交換器３については、後で詳述する。ＤＯＣ４は、排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等を酸化して浄化する。ＤＰＦ５は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集し、排気ガスからＰＭを取り除く。ＳＣＲ６は、尿素またはアンモニア（ＮＨ３）によって、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化する。ＡＳＣ７は、ＳＣＲ６を通過したＮＨ３を酸化する。
【００１７】
また、排気浄化システム１は、可逆的な化学反応を利用して、外部エネルギレスで熱交換器などの加熱対象物を加熱（暖機）する化学蓄熱装置１０を備えている。具体的には、化学蓄熱装置１０は、後述する反応材１８と反応媒体とを分離した状態にすることにより、排気ガスの熱（排熱）を化学蓄熱装置１０の内部に蓄えておく。そして、化学蓄熱装置１０は、反応媒体を必要なときに反応材１８に供給して、反応材１８と反応媒体とを化学反応（化学吸着）させ、化学反応時の反応熱を利用して加熱対象物を加熱する。この実施形態では、反応媒体としてＮＨ３（アンモニア）を用いている。
【００１８】
化学蓄熱装置１０は、図２にも示されるように、上記の反応器付き熱交換器３と、この反応器付き熱交換器３の反応部１５（後述）とＮＨ３供給管１１を介してＮＨ３を流通可能に接続された吸着器１２とを備えている。ＮＨ３供給管１１には、反応器付き熱交換器３の反応部１５と吸着器１２との間の流路を開閉させる開閉弁１３が設けられている。
【００１９】
吸着器１２は、反応媒体であるＮＨ３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材１４を含んでいる。吸着材１４としては、活性炭、カーボンブラック、メソポーラスカーボン、ナノカーボンまたはゼオライト等が用いられる。吸着器１２は、ＮＨ３を吸着材１４に物理吸着させることで、ＮＨ３を貯蔵する貯蔵部を構成する。
【００２０】
反応器付き熱交換器３は、図２〜図４に示されるように、反応部１５と、この反応部１５に対して熱媒体である排気ガスの流通方向に垂直な方向に隣接して配置された複数（ここでは４つ）の熱交換部材１６とを有している。上記のＮＨ３供給管１１は、反応部１５と連結されている。
【００２１】
反応部１５は、熱媒体である排気ガスを流通させる排気ガス流通経路Ａ（熱媒体流通経路）上に配置されている。反応部１５は、反応容器１７と、この反応容器１７内に充填され、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に排熱の蓄熱によりＮＨ３を脱離する反応材１８とを有している。
【００２２】
反応容器１７は、円筒状の外筒部１７ａと、この外筒部１７ａの上流側端部及び下流側端部にそれぞれ固定された１対の円形状の蓋部１７ｂとからなっている。各蓋部１７ｂには、複数の熱交換部材１６の両端部を露出させる複数の開口部１７ｃが形成されている。反応容器１７は、ステンレス鋼等の金属で形成されている。
【００２３】
反応材１８としては、組成式ＭＸａで表されるハロゲン化物が用いられる。Ｍは、Ｍｇ、ＣａまたはＳｒ等のアルカリ土類金属、若しくはＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ等の遷移金属である。Ｘは、Ｃｌ、ＢｒまたはＩ等である。ａは、Ｍの価数により特定される数であり、２〜３である。
【００２４】
反応材１８は、粉末状であってもよいし、プレス成型体であってもよい。反応材１８には、熱伝導性を向上させる添加物が混合されていてもよい。添加物としては、カーボンファイバ、カーボンビーズ、ＳｉＣビーズ、金属ビーズ、高分子ビーズまたは高分子ファイバ等が用いられる。金属ビーズの金属材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｉ−Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅまたはステンレス鋼等が挙げられる。
【００２５】
反応容器１７と反応材１８との間には、断熱材１９が円環状に配置されている。断熱材１９としては、例えばグラスウール等が用いられる。断熱材１９を設けることにより、反応材１８で発生した熱が反応容器１７から外部に放熱されることが抑制される。ＮＨ３供給管１１の一端部は、断熱材１９を貫通して反応材１８と接続されている。反応材１８と断熱材１９との間には、ＮＨ３の流路を形成する多孔体（図示せず）が介在されている。
【００２６】
熱交換部材１６は、ハニカム構造の熱交換部２１と、この熱交換部２１の外周に設けられ、排気ガスの流通方向に延びる筒形状の熱交換部外筒２０とを有している。熱交換部２１は、一端側から他端側にかけて排気ガスを流通させる排気ガス流路２１ａ（熱媒体流路）を形成すると共に、排気ガスと反応材１８との間で熱交換を行う。熱交換部外筒２０は、ＮＨ３に対して耐腐食性を有するステンレス鋼等で形成されている。熱交換部２１は、熱伝導性が高いＳｉＳｉＣ等のセラミックで形成されている。
【００２７】
各熱交換部材１６は、反応部１５の反応容器１７内に収容されている。具体的には、各熱交換部材１６は、反応容器１７の内部において排気ガスの流通方向に垂直な方向に並んで反応材１８に埋設されている。このとき、各熱交換部材１６は、熱交換部外筒２０の全周が反応材１８と接触するように互いに離間して配置されている。これにより、各熱交換部材１６の周囲全体には、反応材１８が配置されている。
【００２８】
以上のような化学蓄熱装置１０を備えた排気浄化システム１において、エンジン２から排出される排気ガスの温度が所定温度よりも低いときは、開閉弁１３を開く。すると、吸着器１２と反応部１５との圧力差によって、吸着器１２の吸着材１４から脱離したＮＨ３がＮＨ３供給管１１を通って反応部１５に供給される。そして、反応部１５の反応材１８（例えばＭｇＣｌ２）とＮＨ３とが化学反応して化学吸着し、反応材１８から熱が発生する。つまり、下記の反応式（Ａ）における左辺から右辺への反応（発熱反応）が起こる。そして、反応材１８から発生した熱が各熱交換部材１６に伝えられる。これにより、各熱交換部材１６が加熱され、これに伴って各熱交換部材１６の熱交換部２１を流れる排気ガスが加熱される。つまり、各熱交換部材１６により排気ガスが熱交換されて加熱される。そして、暖められた排気ガスによってＤＯＣ４が汚染物質の浄化に適した活性温度まで上昇する。
ＭｇＣｌ２＋ｘＮＨ３  ⇔  Ｍｇ（ＮＨ３）ｘＣｌ２＋熱      …（Ａ）
【００２９】
一方、エンジン２から排出される排気ガスの温度が所定温度以上になると、排気ガスの熱（排熱）が反応部１５の反応材１８に与えられることで、反応材１８からＮＨ３が脱離する。つまり、上記の反応式（Ａ）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、反応部１５と吸着器１２との圧力差によって、反応材１８から脱離したＮＨ３がＮＨ３供給管１１を通って吸着器１２に戻り、吸着器１２の吸着材１４にＮＨ３が物理吸着される。これにより、ＮＨ３が吸着器１２に回収される。
【００３０】
以上のように本実施形態にあっては、反応部１５の反応容器１７内に反応材１８を充填し、複数の熱交換部材１６を反応容器１７の内部において排気ガスの流通方向に垂直な方向に並んで反応材１８に埋設したので、１つの熱交換部材の周囲に円環状に反応材を配置する場合に比し、各熱交換部材１６の熱交換部２１の外径（排気ガスの流通方向に垂直な方向の寸法）を小さくすることができる。このように熱交換部２１の外径が小さくなると、熱交換部２１における外周と中心との距離（伝熱距離）が短くなり、熱交換部２１の熱抵抗が小さくなる。
【００３１】
従って、発熱反応時には、反応材１８で発生した熱が熱交換部２１の中心まで伝わりやすくなる。これにより、反応材１８で発生した熱を熱交換部２１に効率良く伝えることができる。その結果、排気ガスを効率良く最適温度まで加熱することができる。
【００３２】
また、再生反応時には、各熱交換部材１６の熱交換部２１の中心部を通る排気ガスの熱が反応部１５の反応材１８に伝わりやすくなる。これにより、排気ガスの熱によってＮＨ３を反応材１８から効率良く脱離させることができる。その結果、吸着器１２へのＮＨ３の回収を効率良く行うことができる。
【００３３】
さらに、各熱交換部材１６を、熱交換部外筒２０の全周が反応材１８と接触するように互いに離間して配置したので、上述したように各熱交換部材１６の周囲全体に反応材１８が配置されることとなる。
【００３４】
このため、発熱反応時には、反応材１８で発生した熱が各熱交換部材１６の熱交換部２１の外周全体から熱交換部２１の中心に向けて伝えられる。従って、反応材１８で発生した熱によって各熱交換部材１６の熱交換部２１が外周全体から加熱されるため、排気ガスを一層効率良く加熱することができる。また、再生反応時には、各熱交換部材１６の熱交換部２１を通る排気ガスの熱が反応材１８に効率良く与えられるため、吸着器１２へのＮＨ３の回収を一層効率良く行うことができる。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、複数の熱交換部材１６は、熱交換部外筒２０の全周が反応材１８と接触するように互いに離間して配置されているが、特にそれには限られず、複数の熱交換部材１６を接触させるように配置してもよい。この場合には、反応部１５の反応容器１７の外径を小さくすることができるため、反応器付き熱交換器３の体格を小型化することができる。
【００３６】
また、上記実施形態では、反応部１５の反応容器１７の外筒部１７ａが円筒状であり、各熱交換部材１６の熱交換部外筒２０が円筒状であるが、特にそれには限られず、例えば外筒部１７ａ及び熱交換部外筒２０が何れも矩形筒状等であってもよいし、外筒部１７ａ及び熱交換部外筒２０の何れか一方が円筒状で他方が矩形筒状であってもよい。
【００３７】
さらに、上記実施形態では、熱交換部材１６の熱交換部２１がセラミックで形成されているが、熱交換部２１の材料としては特にそれには限られず、熱伝導性が高いステンレス鋼等の金属であってもよい。また、熱交換部材１６の熱交換部２１には、触媒が担持されていてもよい。
【００３８】
さらに、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ３と組成式ＭＸａで表される反応材１８とを化学反応させて熱を発生させているが、反応媒体としては、特にＮＨ３には限られず、例えばＣＯ２またはＨ２Ｏ等を使用してもよい。反応媒体としてＣＯ２を使用する場合、ＣＯ２と化学反応する反応材としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２、Ｆｅ（ＯＨ）２、Ｆｅ（ＯＨ）３、ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３またはＦｅ３Ｏ４等を使用することができる。反応媒体としてＨ２Ｏを使用する場合、Ｈ２Ｏと化学反応する反応材としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯまたはＡｌ２Ｏ３等を使用することができる。
【００３９】
また、上記実施形態の化学蓄熱装置１０は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられているが、本発明は、ガソリンエンジンの排気系に設けられた化学蓄熱装置、或いはエンジンの排気系以外に設けられた化学蓄熱装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…化学蓄熱装置、１２…吸着器（貯蔵部）、１５…反応部、１６…熱交換部材、１７…反応容器、１７ｃ…開口部、１８…反応材、１９…断熱材、２０…熱交換部外筒、２１…熱交換部、２１ａ…排気ガス流路（熱媒体流路）、Ａ…排気ガス流通経路（熱媒体流通経路）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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