(57)【要約】【課題】反応器から外部への熱の発散を抑制し得る化学蓄熱装置を提供する。【解決手段】化学蓄熱装置は、反応器１１と、反応器１１との間でＮＨ３を流通可能に反応器１１に接続され、ＮＨ３を貯蔵する吸着器とを備えている。反応器１１は、熱交換器４の周囲に配置された容器１３と、容器１３内に収容され、ＮＨ３との化学反応により発熱すると共に蓄熱によりＮＨ３を脱離させる反応材１４と、容器１３と反応材１４との間に配置された硬質断熱材１５とを有している。硬質断熱材１５は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている。【選択図】図３
2016044940.tif 000002
【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、
反応器と、
前記反応器との間で反応媒体を流通可能に前記反応器に接続され、前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、を備え、
前記反応器は、前記加熱対象物の周囲に配置された容器と、前記容器内に収容され、前記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させる反応材と、前記容器と前記反応材との間に配置された硬質断熱材と、を有し、
前記硬質断熱材は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている、化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記硬質断熱材は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ／Ｋ以下となるように形成されている、請求項１記載の化学蓄熱装置。
【請求項３】
前記硬質断熱材は、ケイ酸カルシウムを含んで形成されている、請求項１又は２記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記硬質断熱材の内側には、前記反応材の周囲に沿って位置するように前記反応媒体を流通させる溝状の流路が形成されている、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、内燃機関の排気管に設けられた酸化触媒を加熱するものであって、酸化触媒の周囲に設けられた反応器と、当該反応器に反応媒体を供給可能に接続されると共に反応媒体を貯蔵する貯蔵器とを備えている。反応器は、酸化触媒の周囲に配置された筐体と、当該筐体内に充填された反応材とを有している。反応器の反応材と貯蔵器から供給された反応媒体とが化学反応することによって反応器内には熱が発生する。そして、この反応器で発生した熱が筐体を介して酸化触媒に伝わることによって、酸化触媒の温度は、環境汚染物質の浄化に適した活性化温度まで上昇する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３４６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような化学蓄熱装置では、反応器内で発生した熱の一部が、筐体の外気と接触する部分を介して外部へ発散されるため、加熱対象物である酸化触媒を効率的に加熱できないという問題がある。この、筐体から外部への熱の発散を抑制するために、例えば、反応器において反応材と筐体との間にグラスウールなどの断熱材を配置することが考えられる。しかしながら、筐体内に配置する断熱材がグラスウールなどの柔らかい材質のものであると、反応媒体との化学反応による反応材の体積膨張によって断熱材が押し潰されてしまい、所望の断熱効果を発揮することができなくなるという問題が発生する。
【０００５】
本発明の目的は、反応器から外部への熱の発散を抑制し得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、反応器と、反応器との間で反応媒体を流通可能に反応器に接続され、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、を備え、反応器は、加熱対象物の周囲に配置された容器と、容器内に収容され、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させる反応材と、容器と反応材との間に配置された硬質断熱材と、を有し、硬質断熱材は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている。
【０００７】
このような本発明の化学蓄熱装置においては、硬質断熱材は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている。これにより、反応材と反応媒体とが化学反応した際の反応材の体積膨張によって容器内で硬質断熱材が押し潰されることがなくなるので、反応器における所望の断熱性能を維持することができる。従って、反応器から外部への熱の発散が抑制される。
【０００８】
硬質断熱材は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ／Ｋ以下となるように形成されてもよい。この場合には、反応材から発生した熱が硬質断熱材内を伝達し難くなるので、反応器から外部への熱の発散がより一層抑制される。
【０００９】
また、硬質断熱材は、ケイ酸カルシウムを含んで形成されてもよい。この場合、ケイ酸カルシウムを含む硬質断熱材は十分な強度を有すると共に比熱が小さく断熱性に優れているので、反応器から外部への熱の発散がより一層抑制される。
【００１０】
また、硬質断熱材の内側には、反応材の周囲に沿って位置するように反応媒体を流通させる溝状の流路が形成されている。この場合には、当該流路を通じて反応媒体が反応材全体に行き渡りやすくなるので、反応器で発生した熱により加熱対象物が効果的に加熱される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応器から外部への熱の発散を抑制し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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におけるIII-III線断面図である。
【図４】硬質断熱材における圧縮応力と圧縮歪との関係を示すグラフである。
【図５】比較例として、化学蓄熱装置の一例の要部を示す断面図である。
【図６】図５におけるVI-VI線断面図である。
【図７】図２に示した化学蓄熱装置の変形例における要部を示す断面図である。
【図８】図７におけるVIII-VIII線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
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から排出される排気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。
【００１５】
排気浄化システム１は、エンジン２と接続された排気管３と、排気管３の途中に配設された熱交換器４、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）５、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）６、選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）７、及びアンモニアスリップ触媒（ＡＳＣ：Ammonia Slip Catalyst）８とを備えている。これらの熱交換器４、ＤＯＣ５、ＤＰＦ６、ＳＣＲ７、及びＡＳＣ８は、排気上流側から排気下流側に向けて順に配置されている。
【００１６】
熱交換器４は、排気管３内を流れる排気ガスと後述する反応器１１との間で熱交換を行う。熱交換器４は、図２及び図３に示すように、円筒状の筒部材４ａと、この筒部材４ａの内部に配置された熱交換部材４ｂとを有している。筒部材４ａは、例えばステンレス鋼で形成されている。熱交換部材４ｂは、例えばＳｉＳｉＣ等のセラミックで形成され、複数の貫通孔（セル）を有するハニカム構造となっている。熱交換部材４ｂは、各貫通孔の貫通方向が筒部材４ａの軸方向と平行な向きで、筒部材４ａの内部に配置されている。筒部材４ａの軸方向での両端部は、熱交換部材４ｂよりも突出している。この熱交換器４は、筒部材４ａの軸方向が排気管３の軸方向と平行な向きで、排気上流側及び排気下流側にそれぞれ位置する各排気管３の端部に筒部材４ａの各端部が重なるように配置されている。熱交換器４は、筒部材４ａの各端部が各排気管３の端部に例えば溶接されることで固定されている。なお、熱交換器４としては、特にハニカム構造には限られず、周知の熱交換構造が利用可能である。
【００１７】
再び図１を参照し、ＤＯＣ５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触媒である。ＤＰＦ６は、排気ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）を捕集して取り除くフィルタである。ＳＣＲ７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触媒である。ＡＳＣ８は、ＳＣＲ７をすり抜けてＳＣＲ７の下流側に流れたＮＨ３を酸化する触媒である。
【００１８】
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４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１４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１４に供給して、反応材１４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熱交換器４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。化学蓄熱装置１０は、熱交換器４の周囲に配置された反応器１１と、この反応器１１に接続された吸着器（貯蔵器）１２とを備えている。
【００１９】
反応器１１は、図２及び図３に示すように、容器１３と、反応材１４と、硬質断熱材１５とを有している。容器１３は、外筒１３ａと、一対の蓋部材１３ｂとを有している。外筒１３ａは、例えばステンレス鋼で形成され、円筒状をなしている。外筒１３ａは、熱交換器４の筒部材４ａの外径よりも内径が大きくなるように形成されている。外筒１３ａの軸方向における中央には、外周面と内周面とを貫通する貫通孔１３ｃが形成されている。各蓋部材１３ｂは、外筒１３ａと同一の材料で形成された円環状の板部材である。各蓋部材１３ｂは、互いに対向するように外筒１３ａの軸方向での両端部にそれぞれ配置されている。各蓋部材１３ｂは、外筒１３ａの各端部に例えば溶接によってそれぞれ固定されている。
【００２０】
このような容器１３は、熱交換器４の周囲に配置されている。より詳細には、容器１３は、外筒１３ａの軸方向が筒部材４ａの軸方向と平行な向きで、外筒１３ａの内周面が筒部材４ａの外周面と対向し且つ離間するように配置されている。容器１３は、各蓋部材１３ｂの内側の縁部によって、筒部材４ａの各端部及び排気管３の外周面に例えば溶接で固定されている。なお、外筒１３ａの内周面、各蓋部材１３ｂ、及び筒部材４ａの外周面とで囲まれた領域は、外部から隔離された閉空間となっている。
【００２１】
反応材１４は、複数（本実施形態では３つ）の丸瓦型の成形ペレットを有し、各成形ペレットを繋ぎ合わせることで円筒状に形成されている。反応材１４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。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、Ｍの価数により特定される数であり、２〜３である。なお、反応材１４は、ステンレス鋼、金属ビーズ、ＳｉＣビーズ、Ｓｉビーズ、カーボンビーズ、アルミナビーズ等の高熱伝導体を含んでいてもよい。反応材１４は、気体の反応媒体であるＮＨ３と化学反応して発熱すると共に、排気ガスの熱を蓄熱することによりＮＨ３を脱離させる。
【００２２】
このような反応材１４は、容器１３内に収容されている。より詳細には、反応材１４は、上記の閉空間内に収容され、筒部材４ａの外周面に沿って当該外周面と接触するように位置している。なお、反応材１４の周囲には、反応材１４の全周に渡ってＮＨ３を導くための多孔体シート（不図示）が配置されている。
【００２３】
硬質断熱材１５は、ゾノライト系ケイ酸カルシウムを主原料として形成された一対の半円筒状の部材から構成され、当該一対の部材を繋ぎ合わせることで円筒状をなしている。硬質断熱材１５の軸方向における中央には、外周面と内周面とを貫通する貫通孔１５ａが形成されている。硬質断熱材１５の熱伝導率は、１Ｗ／ｍ／Ｋ以下である。また、硬質断熱材１５の比熱は、例えば、２００℃において８００Ｊ／Ｋｇ／Ｋ、３００℃において８８６Ｊ／Ｋｇ／Ｋ、５００℃において８８０Ｊ／Ｋｇ／Ｋ、及び７００℃において９２０Ｊ／Ｋｇ／Ｋである。このように、硬質断熱材１５の比熱は比較的小さいため、硬質断熱材１５の熱容量は小さい。
【００２４】
ここで、図４を参照して、硬質断熱材１５についてより詳細に説明する。図４は、硬質断熱材１５における圧縮応力及び圧縮歪の関係を示すグラフである。図４では、縦軸は圧縮応力を示し、横軸は圧縮歪を示している。なお、図４は、直方体状の硬質断熱材（試験片）を用いた場合の結果を示している。圧縮応力は、試験片の両端面に圧縮力が付与されたときの当該試験片の内部に生じる力を示している。圧縮歪は、当該圧縮力が付与された場合において、試験片の圧縮方向での相対変化を示している。
【００２５】
硬質断熱材１５は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている。すなわち、図４に示すように、硬質断熱材１５は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａとなるデータＡ、及び圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａとなるデータＢから導かれる近似直線Ｌを基準として、縦軸側（圧縮応力が大きくなる側）に位置する硬質領域Ｐ（近似直線Ｌも含む）に該当するように形成されている。
【００２６】
このような硬質断熱材１５は、容器１３と反応材１４との間に配置されている。より詳細には、硬質断熱材１５は、上述した閉空間内に収容され、且つ多孔体シートの周囲に沿って多孔体シートと容器１３の内周面とに接触するように位置している。硬質断熱材１５は、外筒１３ａに形成された貫通孔１３ｃに対して貫通孔１５ａが重なるように位置している。
【００２７】
再び図１を参照し、吸着器１２は、ＮＨ３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材１２ａを内蔵している。吸着材１２ａ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、ナノカーボン及びゼオライト等が用いられる。吸着器１２は、ＮＨ３を吸着材１２ａに物理吸着させることで、ＮＨ３を貯蔵する。なお、吸着材１２ａは、粉末状でも成形体でもよい。
【００２８】
反応器１１及び吸着器１２は、導入管１６を介してＮＨ３を流通可能に接続されている。導入管１６の一端部は、容器１３の外筒１３ａに形成された貫通孔１３ｃ、及び硬質断熱材１５に形成された貫通孔１５ａに挿入されている。導入管１６の一端部は、例えば溶接により貫通孔１３ｃの縁に固定されている。導入管１６には、反応器１１と吸着器１２との間の流路を開閉させる開閉弁である電磁弁１７が設けられている。電磁弁１７は、コントローラ（不図示）により制御される。
【００２９】
このような化学蓄熱装置１０において、エンジン２からの排気ガスの温度が低いときは、電磁弁１７が開くことで、吸着器１２から反応器１１にＮＨ３が導入管１６を通じて供給され、反応器１１の反応材１４（例えばＭｇＣｌ２）とＮＨ３とが化学反応（化学吸着）し、反応器１１内で熱が発生する。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、反応器１１で発生した熱によって熱交換器４が加熱されると共に、熱交換器４を介して排気ガスが加熱される。
ＭｇＣｌ２＋ｘＮＨ３  ⇔  Ｍｇ（ＮＨ３）ｘＣｌ２＋熱      …（Ａ）
【００３０】
一方、エンジン２からの排気ガスの温度が高くなると、排熱が反応器１１の反応材１４に与えられることで、反応材１４とＮＨ３とが分離する。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、反応材１４から脱離したＮＨ３は、導入管１６を通じて吸着器１２に戻り、吸着器１２の吸着材１２ａに物理吸着（回収）される。
【００３１】
図５及び図６を参照して、比較例における化学蓄熱装置を示す。図５は、比較例として、化学蓄熱装置の一例の要部を示す断面図である。図６は、図５におけるVI-VI線断面図である。図５及び図６に示す化学蓄熱装置では、硬質断熱材１５の代わりに、硬質断熱材１５と同一形状及び同一サイズの断熱材１１５が用いられている。断熱材１１５は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａより小さく、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａより小さくなるように形成されている。この場合、本実施形態で用いた硬質断熱材１５よりも断熱材１１５が柔らかいため、ＮＨ３との化学反応で膨張した反応材１４によって断熱材１１５が押し潰されてしまう。すなわち、反応材１４の膨張によって、反応材１４と断熱材１１５との境界面が、図５及び図６の二点鎖線で示される第１の位置から当該第１の位置よりも外側の第２の位置に移動する。このように断熱材１１５が押し潰されることによって反応材１４は容器１３に接近するため、反応器１１内の熱が容器１３を介して外部へ発散されやすくなる。また、反応材１４は、膨張した際に割れるおそれがある。反応材１４の割れた箇所は熱の伝達を妨げるため、反応器１１内における伝熱性が低下する。これにより、熱交換器４が十分に加熱されないおそれがある。
【００３２】
以上、本実施形態に係る化学蓄熱装置１０では、硬質断熱材１５は、圧縮歪を０．５％とする場合に必要な圧縮応力が０．５ＭＰａ以上で、且つ圧縮歪を１％とする場合に必要な圧縮応力が２ＭＰａ以上となるように形成されている。これにより、反応材１４とＮＨ３とが化学反応した際の反応材１４の体積膨張によって容器１３内で硬質断熱材１５が押し潰されることがなくなるので、反応器１１における所望の断熱性能を維持することができる。従って、反応器１１から外部への熱の発散が抑制される。また、硬質断熱材１５が反応材１４によって押し潰され難いので、反応材１４の膨張による反応材１４の割れが抑制される。従って、反応器１１内における伝熱性の低下が抑制される。
【００３３】
また、硬質断熱材１５は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ／Ｋ以下となるように形成されている。このため、反応材１４から発生した熱が硬質断熱材１５内を伝達し難くなるので、反応器１１から外部への熱の発散が効果的に抑制される。
【００３４】
また、硬質断熱材１５は、ゾノトライト系ケイ酸カルシウムを含んで形成されている。ゾノライト系ケイ酸カルシウムを含む硬質断熱材１５は十分な強度を有すると共に比熱が小さく断熱性に優れているので、反応器１１から外部への熱の発散及び反応器１１内における伝熱性の低下が効果的に抑制される。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図７及び図８に示すように、硬質断熱材１５の内側には、ＮＨ３を流通させる溝状の流路１５ｂが形成されてもよい。流路１５ｂは、硬質断熱材１５の貫通孔１５ａと連通されていると共に、反応材１４の周囲に沿って円環状に形成されている。これにより、流路１５ｂを通じてＮＨ３が反応材１４全体に行き渡りやすくなるので、反応器１１で発生した熱により熱交換器４が効果的に加熱される。なお、硬質断熱材１５が所定以上の硬さを有していることにより、このような流路１５ｂの加工が容易となっている。
【００３６】
また、上記実施形態では、ゾノライト系ケイ酸カルシウムを含む硬質断熱材１５が適用されているが、硬質断熱材１５の代わりに、トバモライト系ケイ酸カルシウムを主原料とした断熱材が適用されてもよい。また、セメントを主原料とした断熱材が適用されてもよい。また、微小マイカ片を集積し、シリコーン樹脂で結合した断熱材が適用されてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、硬質断熱材１５は一対の半円筒状の部材から構成されているが、硬質断熱材１５は、３つ以上の丸瓦型の部材を繋ぎ合わせることで円筒状に構成されてもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、硬質断熱材１５が該当する硬質領域Ｐは、近似直線Ｌを基準として規定されていたが、硬質領域Ｐは、データＡ，Ｂを含むデータ群から導かれる近似曲線を基準として規定されてもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、反応媒体であるＮＨ３と組成式ＭＸａで表されるハロゲン化物からなる反応材１４とを化学反応させて発熱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、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、Ａｌ２Ｏ３等を使用することができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、熱交換器４の周囲に反応器１１が直接的に配置されているが、排気管３内に熱交換器４が配置されることによって、熱交換器４の周囲に排気管３を挟んで反応器１１が間接的に配置されてもよい。さらに、反応器１１は、熱交換器４を加熱する装置であるが、例えばＤＯＣ５等、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構成要素、ガソリンエンジンの排気系に設けられた加熱対象物を加熱する構成要素、或いはエンジンの排気系以外の加熱対象物を加熱する構成要素にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
４…熱交換器（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１２…吸着器（貯蔵器）、１３…容器、１４…反応材、１５…硬質断熱材、１５ｂ…流路。
【図１】
2016044940.tif 000003
【図２】
2016044940.tif 000004
【図３】
2016044940.tif 000005
【図４】
2016044940.tif 000006
【図５】
2016044940.tif 000007
【図６】
2016044940.tif 000008
【図７】
2016044940.tif 000009
【図８】
2016044940.tif 000010