(57)【要約】      （修正有）【課題】反応器の熱伝導性を向上させることにより、反応器から加熱対象物に効率良く熱を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、反応器と、この反応器とＮＨ３供給管を介して接続された吸着器とを備えている。反応器は、複数の断面湾曲型のプレス成型体１６Ａを有している。プレス成型体１６Ａは、ＮＨ３と化学反応して熱を発生させるペレット状の蓄熱材からなる蓄熱材部１７と、この蓄熱材よりも熱伝導率が高い断面Ｌ字型の伝熱部材１８とを含んでいる。伝熱部材１８は、蓄熱材部１７から発生した熱を伝えるための本体部１９と、この本体部１９における内側の端部において本体部１９に対して屈曲するように設けられた補助部２０とから構成されている。本体部１９の主面は、プレス成型体１６Ａのプレス方向に対して垂直な面となっている。【選択図】図３
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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に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生すると共に蓄熱して前記反応媒体を脱離する蓄熱材からなる蓄熱材部と前記蓄熱材よりも熱伝導率が高い伝熱部材とを含むプレス成型体を有する反応器と、
前記反応器と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器とを備え、
前記伝熱部材は、前記蓄熱材部から発生した熱を前記加熱対象物に向けて伝えるためのシート状の本体部を有し、
前記本体部の主面は、前記プレス成型体のプレス方向に対して垂直な面となっていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
前記伝熱部材は、前記本体部における前記加熱対象物側の端部において前記本体部に対して屈曲するように設けられた補助部を更に有す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】
前記プレス成型体は、前記蓄熱材部と前記伝熱部材とが複数ずつ交互に積層されてなることを特徴とする請求項１または２記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
前記本体部には、前記反応媒体が通るための複数の貫通孔が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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばエンジンの排気系等に設けられた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、アンモニア（ＮＨ３）と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を有し、酸化触媒を加熱する反応器と、この反応器とＮＨ３供給管を介して接続され、ＮＨ３を貯蔵する貯蔵器とを備えている。貯蔵器から反応器にＮＨ３が供給されると、ＮＨ３と蓄熱材とが化学反応して蓄熱材から熱が発生し、その熱により酸化触媒が加熱される。
【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】
しかしながら、上記従来技術においては、蓄熱材自体の熱伝導率が低いため、蓄熱材から発生した熱が酸化触媒（加熱対象物）に伝わりにくい。このため、蓄熱材の発熱時において酸化触媒が十分に加熱されないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、反応器の熱伝導性を向上させることにより、反応器から加熱対象物に効率良く熱を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、加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、加熱対象物の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生すると共に蓄熱して反応媒体を脱離する蓄熱材からなる蓄熱材部と蓄熱材よりも熱伝導率が高い伝熱部材とを含むプレス成型体を有する反応器と、反応器と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器とを備え、伝熱部材は、蓄熱材部から発生した熱を加熱対象物に向けて伝えるためのシート状の本体部を有し、本体部の主面は、プレス成型体のプレス方向に対して垂直な面となっていることを特徴とする。
【０００７】
このように本発明の化学蓄熱装置においては、反応器は、加熱対象物の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生すると共に蓄熱して反応媒体を脱離する蓄熱材からなる蓄熱材部と蓄熱材よりも熱伝導率が高い伝熱部材とを含むプレス成型体を有している。そして、伝熱部材は、蓄熱材部から発生した熱を加熱対象物に向けて伝えるためのシート状の本体部を有している。このような構成とすることで、反応媒体と蓄熱材との化学反応により蓄熱材部から発生した熱が伝熱部材の本体部を介して加熱対象物に伝わるようになる。従って、プレス成型体の熱伝導率が高くなる。また、蓄熱材部と伝熱部材とを含むプレス成型体は、プレス成型加工によって作製される。このとき、シート状の本体部の主面は、プレス成型体のプレス方向に対して垂直な面となっている。このため、プレス成型体の作製時に、蓄熱材部が伝熱部材と共にプレスされる際には、伝熱部材の本体部が潰れにくい。従って、プレス成型体の高い熱伝導率を確保することができる。以上により、反応器の熱伝導性が向上するため、反応器から加熱対象物に効率良く熱を伝えることができる。
【０００８】
伝熱部材は、本体部における加熱対象物側の端部において本体部に対して屈曲するように設けられた補助部を更に有していてもよい。このような構成では、伝熱部材において加熱対象物に熱を伝える領域の面積が大きくなるため、反応器から加熱対象物に更に効率良く熱を伝えることができる。
【０００９】
プレス成型体は、蓄熱材部と伝熱部材とが複数ずつ交互に積層されてなっていてもよい。このように伝熱部材を複数設けることにより、蓄熱材部から発生した熱が伝熱部材に到達しやすくなるため、反応器から加熱対象物に更に効率良く熱を伝えることができる。
【００１０】
本体部には、反応媒体が通るための複数の貫通孔が形成されていてもよい。このような構成では、反応器の蓄熱材部内に導入された反応媒体が本体部の各貫通孔を通って蓄熱材部内を移動するため、蓄熱材部の大部分に反応媒体を迅速に供給することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応器の熱伝導性を向上させることにより、反応器から加熱対象物に効率良く熱を伝えることができる。
【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に示した熱交換器及び反応器を含む構成の正面図である。
【図３】図２に示したプレス成型体の斜視図である。
【図４】図３に示した伝熱部材の斜視図である。
【図５】図２に示したプレス成型体をプレス成型加工により作製する方法を示す断面図である。
【図６】伝熱部材がプレス方向に沿って立った構造を有するプレス成型体の理想例及び実際例を示す断面図である。
【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、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内に設けられた熱交換器４、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：DieselOxidation 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に示すように、外筒４ａと、この外筒４ａの内部に配置された熱交換部材４ｂとからなっている。熱交換部材４ｂは、ハニカム構造を有している。なお、熱交換部材４ｂ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】
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、本実施形態の化学蓄熱装置１０を備えている。化学蓄熱装置１０は、通常は排気ガスの熱（排熱）を蓄えておき、必要なときに排熱を使用することにより、エネルギーレスで加熱対象物である熱交換器４を加熱する装置である。
【００１９】
化学蓄熱装置１０は、図１及び図２に示すように、排気管３の外側における熱交換器４の周囲に配置された反応器１１と、この反応器１１とＮＨ３供給管１２を介して反応媒体であるＮＨ３を流通可能に接続された吸着器１３とを備えている。ＮＨ３供給管１２には、反応器１１と吸着器１３との間の流路を開閉させるバルブ１４が設けられている。
【００２０】
吸着器１３は、ＮＨ３の物理吸着による保持及び脱離が可能な吸着材１３ａを含んでいる。吸着材１３ａ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の何れかが用いられる。吸着器１３は、ＮＨ３を吸着材１３ａに物理吸着させることで、ＮＨ３を貯蔵する貯蔵器である。
【００２１】
反応器１１は、図２に示すように、排気管３を取り囲むように設けられたリング状のケース１５と、排気管３の外周面に接触するようにケース１５内に収容されたプレス成型体１６とを有している。ケース１５には、ＮＨ３供給管１２が連結されている。ケース１５とプレス成型体１６との間には、特に図示はしないが、ＮＨ３供給管１２より供給されたＮＨ３をプレス成型体１６に全周にわたって導くための多孔体シートが配置されている。
【００２２】
プレス成型体１６は、複数の断面湾曲型のプレス成型体１６Ａを繋ぎ合わせることにより、リング状となっている。プレス成型体１６Ａは、図３に示すように、ＮＨ３と化学反応して熱交換器４を加熱するための熱を発生させると共に、排熱を受けて蓄熱してＮＨ３を脱離させるペレット状の蓄熱材からなる蓄熱材部１７と、この蓄熱材よりも熱伝導率が高いシート状の断面Ｌ字型の伝熱部材１８とを含んでいる。プレス成型体１６Ａ（プレス成型体１６）は、そのような蓄熱材部１７及び伝熱部材１８が複数ずつ交互に積層されてなる構造を有している。
【００２３】
蓄熱材としては、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。伝熱部材１８は、アルミニウム等の金属またはグラファイトシート等といった熱伝導率が高い材料で形成されている。
【００２４】
伝熱部材１８は、図３及び図４に示すように、蓄熱材部１７から発生した熱を熱交換器４に向けて伝えるための本体部１９と、この本体部１９における内側（熱交換器４側）の端部において本体部１９に対して直角に屈曲するように設けられた補助部２０とから構成されている。補助部２０の内側の面は、排気管３の外周面に接触する。
【００２５】
本体部１９は、プレス成型体１６Ａの外周面（熱交換器４の反対側の面）からプレス成型体１６Ａの内周面（熱交換器４側の面）まで延びている。本体部１９の主面（表面及び裏面）１９ａは、プレス成型体１６Ａのプレス方向に対して垂直な面となっている。プレス成型体１６Ａのプレス方向は、プレス成型加工によりプレス成型体１６Ａを作製する際（後述）に蓄熱材をプレスする方向である。
【００２６】
本体部１９には、ＮＨ３供給管１２より蓄熱材部１７の中に導入されたＮＨ３を通すための複数の貫通孔２１が形成されている。なお、貫通孔２１の形状及び寸法等は、特に限定されない。
【００２７】
このような伝熱部材１８は、例えば１枚の湾曲状原板を用意し、その湾曲状原板における本体部１９となる領域に複数の貫通孔２１を形成した後に、補助部２０となる領域を直角に折り曲げることにより、作製される。また、本体部１９及び補助部２０を別部材で構成し、複数の貫通孔２１が形成された本体部１９に補助部２０を接合することで、伝熱部材１８を作製しても良い。この場合、補助部２０は必ずしもシート状でなくてもよい。
【００２８】
プレス成型体１６Ａは、金型を用いたプレス成型加工によって作製される。具体的には、図５に示すように、凹状のキャビティ２２ａを有する下金型２２と、キャビティ２２ａに挿入される上金型２３とを用意する。そして、キャビティ２２ａに伝熱部材１８及び粉末状の蓄熱材を順に入れる。このとき、補助部２０が下金型２２の内側面に接触すると共に補助部２０の先端が下金型２２の上側を向くように、伝熱部材１８をキャビティ２２ａに配置する。その状態で、キャビティ２２ａに上金型２３をセットし、上金型２３により蓄熱材を伝熱部材１８と同時にプレスすることで、蓄熱材を押し固める。これにより、伝熱部材１８とペレット状の蓄熱材部１７とが交互に積層されてなるプレス成型体１６Ａが得られる。
【００２９】
このような化学蓄熱装置１０において、エンジン２から排出される排気ガスの温度が低いときは、バルブ１４を開くことで、吸着器１３から反応器１１にＮＨ３がＮＨ３供給管１２を介して供給され、反応器１１の蓄熱材部１７を形成する蓄熱材（例えばＭｇＣｌ２）とＮＨ３とが化学反応して化学吸着（配位結合）し、蓄熱材部１７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、蓄熱材部１７から発生した熱が排気管３を介して熱交換器４に伝わる。このとき、蓄熱材部１７から発生した熱が伝熱部材１８に到達し、その熱が伝熱部材１８を通って排気管３及び熱交換器４に伝わる。これにより、熱交換器４が加熱され、これに伴って熱交換器４を流れる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から排出される排気ガスの温度が高くなると、排気ガスの熱（排熱）が排気管３を介して反応器１１の蓄熱材部１７に与えられることで、蓄熱材部１７を形成する蓄熱材と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。このとき、排熱が伝熱部材１８を通って蓄熱材部１７に伝わる。そして、蓄熱材から脱離したＮＨ３は、ＮＨ３供給管１２を介して吸着器１３に戻り、吸着器１３の吸着材１３ａに物理吸着（回収）される。
【００３１】
以上のように本実施形態にあっては、反応器１１は、蓄熱材からなる蓄熱材部１７と蓄熱材よりも熱伝導率が高い伝熱部材１８とを含むプレス成型体１６を有し、伝熱部材１８は、蓄熱材とＮＨ３との化学反応により発生した熱をプレス成型体１６の内側（熱交換器４側）に向けて伝えるための本体部１９を有している。これにより、反応器１１のプレス成型体１６の熱伝導性を高くすることができる。
【００３２】
ところで、例えば図６（ａ）に示すように、伝熱部材５１をプレス成型体５０のプレス方向に沿って立った構造とすることが考えられる。しかし、そのような構造では、以下の不具合が発生する。即ち、金型を用いて粉末状の蓄熱材を伝熱部材５１と同時にプレスすると、実際には図６（ｂ）に示すように、伝熱部材５１が潰れてしまう。このため、伝熱部材５１がプレス成型体５０の外周面まで延びない状態となるため、蓄熱材部１７におけるプレス成型体５０の外周面側の領域から発生した熱が伝熱部材５１に到達しにくくなり、プレス成型体５０の高い熱伝導性を確保することができない。
【００３３】
これに対し本実施形態では、伝熱部材１８の本体部１９の主面１９ａは、プレス成型体１６のプレス方向に対して垂直な面となっている。つまり、プレス成型加工によりプレス成型体１６Ａを作製する際には、本体部１９の主面１９ａが蓄熱材部１７と共にプレスされることとなる。これにより、プレス成型加工時に本体部１９が潰れることが防止される。なお、伝熱部材１８の補助部２０は、プレス成型体１６のプレス方向に沿って立っている。しかし、プレス成型加工は、上述したようにキャビティ２２ａを形成する下金型２２の内側面に補助部２０が接触した状態で行われる。このため、プレス成型加工時には、補助部２０が潰れにくい。
【００３４】
このようにプレス成型体１６Ａを作製する際に伝熱部材１８が潰れることが抑制されるため、プレス成型体１６の高い熱伝導性を確保することができる。例えば、プレス成型体１６の有効熱伝導率を例えば４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度とすることができる。なお、プレス成型体１６に伝熱部材１８を設けない場合には、プレス成型体１６の有効熱伝導率は例えば１Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。従って、熱出力が高い化学蓄熱装置１０を得ることができる。
【００３５】
これにより、発熱反応時には、反応器１１の蓄熱材部１７から発生した熱を効率良く熱交換器４に伝えることができる。その結果、熱交換器４を効率良く加熱し、ひいては排気ガスを効率良く加熱することが可能となる。一方、再生反応時には、排気ガスの熱を効率良く蓄熱材部１７に伝えることができる。その結果、ＮＨ３の再生速度を速くすることが可能となる。
【００３６】
また、伝熱部材１８は本体部１９に対して屈曲するように設けられた補助部２０を有しているので、排気管３に対する伝熱部材１８の接触面積が大きくなる。従って、蓄熱材部１７から発生した熱を一層効率良く熱交換器４に伝えることができる。
【００３７】
さらに、プレス成型体１６を蓄熱材部１７と伝熱部材１８とが複数ずつ交互に積層されてなる構造としたので、蓄熱材部１７における伝熱部材１８から最も離れた位置と伝熱部材１８との間の距離が短くなる。従って、蓄熱材部１７から発生した熱が伝熱部材１８に到達しやすくなるため、蓄熱材部１７から発生した熱をより一層効率良く熱交換器４に伝えることができる。
【００３８】
また、伝熱部材１８の本体部１９に、ＮＨ３を通すための複数の貫通孔２１を形成したので、ＮＨ３供給管１２より蓄熱材部１７内に導入されたＮＨ３が各貫通孔２１を通って蓄熱材部１７内を移動するようになる。従って、蓄熱材部１７の大部分にＮＨ３を迅速に供給することができる。これにより、蓄熱材部１７から効果的に熱を発生させることができる。
【００３９】
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、伝熱部材１８の本体部１９がプレス成型体１６の内周面から外周面まで延びているが、特にその構成には限られず、本体部１９はプレス成型体１６の外周面まで延びていなくてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態では、伝熱部材１８が本体部１９に対して屈曲するように設けられた補助部２０を有しているが、反応器１１の蓄熱材部１７から発生した熱を熱交換器４に伝えることができるのであれば、そのような補助部２０は特に無くてもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、プレス成型体１６Ａが複数の伝熱部材１８を有している構造としたが、反応器１１の蓄熱材部１７から発生した熱を熱交換器４に伝えることができるのであれば、プレス成型体１６Ａに含まれる伝熱部材１８の数は１つであってもよい。
【００４２】
さらに、上記実施形態では、伝熱部材１８の本体部１９に、ＮＨ３を通すための複数の貫通孔２１が形成されているが、蓄熱材部１７の大部分にＮＨ３を供給することができるのであれば、そのような貫通孔２１は特に無くてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、排気管３の外側における熱交換器４の周囲に反応器１１が配置されているが、反応器１１の配置箇所としては、特にそれには限られず、熱交換器４の周囲であれば排気管３の内部であってもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、排気管３の内部に熱交換器４が１つだけ配置されているが、熱交換器の数としては特に１つには限られず、排気ガスが流れる方向から見て複数の熱交換器が排気管３の内部に並んで配置されていても良い。この場合には、排気管３の内部における各熱交換器の周囲に反応器が一体で設けられることとなる。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、気体の反応媒体であるＮＨ３と組成がＭＸａである蓄熱材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ＣＯ２またはＨ２Ｏ等を使用しても良い。反応媒体としてＣＯ２を使用する場合、ＣＯ２と化学反応する蓄熱材としては、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と化学反応する蓄熱材としては、ＣａＯ、ＭｎＯ、ＣｕＯ、Ａｌ２Ｏ３等を使用することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、化学蓄熱装置１０により熱交換器４を加熱しているが、本発明は、ディーゼルエンジン２の排気系に設けられたＤＯＣ５等の触媒を加熱するもの、排気管３における熱交換器４またはＤＯＣ５等が設けられていない領域を加熱するもの、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触媒等を加熱するものにも適用可能である。さらに、本発明は、エンジンの排気系以外、例えばオイルの流通系に設けられた配管等を加熱するものにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
４…熱交換器（加熱対象物）、１０…化学蓄熱装置、１１…反応器、１３…吸着器（貯蔵器）、１６，１６Ａ…プレス成型体、１７…蓄熱材部、１８…伝熱部材、１９…本体部、１９ａ…主面、２０…補助部、２１…貫通孔。
【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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【図６】
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