JP2010242989A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のアルカリ土類金属酸化物を混合して反応器に収容した蓄熱装置において、発熱の効率を向上させる。
【解決手段】 本発明の蓄熱装置は、水室１０と、第１のアルカリ土類金属酸化物と第２のアルカリ土類金属酸化物とを収容した反応器２０と、水室１０と反応器２０とを接続し、水が流通する通路４０と、通路の開閉を行う制御弁４２と、制御弁４２の開閉を制御する制御手段６０と、を備え、第１のアルカリ土類金属酸化物と水との水和反応である第１の水和反応が起きるとき、反応器２０内の温度が第１の水和反応が起きる前の状態の温度である第１の温度から第２のアルカリ土類金属酸化物と水との水和反応である第２の水和反応が活性化する温度である第２の温度以上の温度まで上昇するように、第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量が設定されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱装置に関する。

アルカリ土類金属酸化物は水と反応（水和反応）して熱を発生し、水酸化物を生成する。逆に、生成された水酸化物に熱を加えると、元の酸化物と水とに分解される。すなわち、これらの化学反応は可逆的に行うことができる。よって、アルカリ土類金属の水酸化物を加熱することにより、酸化物が生成され、熱を蓄えることができる（吸熱反応）。また、分解された酸化物に水を加えることにより、蓄えられた熱を取り出すことができる（発熱反応）。

このようなアルカリ土類金属酸化物を用いた発熱装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の発熱装置では、アルカリ土類金属酸化物を充填した反応器内を通る水の循環経路を密閉構造にし、アルカリ土類金属と炭酸ガスとの結合を抑制している。これにより、特許文献１に記載の発熱装置は、アルカリ土類金属が炭酸化合物に変化することにより消失する上記の可逆反応による蓄熱能力を保護し、長期間の蓄熱能力を維持する。

特開平０７−１８０５３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発熱装置において、複数のアルカリ土類金属酸化物を混合して反応器に収容した場合、発熱の効率が十分ではないという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、複数のアルカリ土類金属酸化物を混合して反応器に収容した蓄熱装置において、発熱の効率を向上させることを課題とする。

本発明に係る蓄熱装置は、水を蓄えた水室と、第１のアルカリ土類金属酸化物と第２のアルカリ土類金属酸化物とを収容した反応器と、前記水室と前記反応器とを接続し、前記水が流通する通路と、前記通路に配置され、前記通路の開閉を行う制御弁と、前記制御弁の開閉を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段により開弁される前記制御弁を介して前記水室から前記反応器内へ前記水が流通されて前記第１のアルカリ土類金属酸化物と前記水との水和反応である第１の水和反応が起きるとき、前記反応器内の温度が前記第１の水和反応が起きる前の状態の温度である第１の温度から前記第２のアルカリ土類金属酸化物と前記水との水和反応である第２の水和反応が活性化する温度である第２の温度以上の温度まで上昇するように、前記第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量が設定されることを特徴とする。

本発明に係る蓄熱装置によれば、第１のアルカリ土類金属酸化物による第１の水和反応による熱により、第２のアルカリ土類金属酸化物による第２の水和反応を効率よく起こすことができる。よって、蓄熱装置の発熱の効率を向上させることができる。

上記構成において、前記水室内及び前記反応器内へ熱を付与する熱源を備え、前記第１の水和反応により生成される水酸化物が前記熱源から付与される熱により前記第１のアルカリ土類金属酸化物と前記水とに分解された後に再度の第１の水和反応を起こすとき、前記制御手段は、前記第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量に基づく熱量が前記熱源により前記水室内及び前記反応器内へ付与された後に、前記制御弁を開弁して前記水室から前記反応器内へ前記水を流通させることができる。

上記構成によれば、分解される第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量が低下しても、熱量が水室内及び反応器内へ付与された後に、第１の水和反応を起こすことができる。よって、蓄熱装置の発熱の効率を向上させることができる。

上記構成において、前記第１のアルカリ土類金属酸化物は酸化カルシウムであって、前記第２のアルカリ土類金属酸化物は酸化マグネシウムであって、前記第２の温度は１００℃である構成とすることができる。

上記構成によれば、酸化カルシウムの水和反応の熱により、酸化マグネシウムの水和反応が活性化する１００℃まで反応器内の温度を上昇させることができるため、低温では起こりにくく、緩やかに反応が進む酸化マグネシウムの水和反応を効率よく起こすことができる。よって、蓄熱装置の発熱の効率を向上させることができる。

本構成によれば、複数のアルカリ土類金属酸化物を混合して反応器に充填した蓄熱装置において、発熱の効率を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る蓄熱装置１００の構成を示した模式図である。 図２は、実施例１に係る蓄熱装置１００における発熱時の制御処理のフローチャートである。 図３は、実施例２に係る蓄熱装置１００における発熱時の制御処理のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本発明の実施例１について、図１を参照して説明する。図１は実施例１に係る蓄熱装置１００の構成を示した模式図である。

蓄熱装置１００は、蓄熱器１１０と、エンジンの排気管１２０と、を備えている。蓄熱器１１０は、エンジンの排気管１２０上に配設された触媒装置１３０の下流側に組み付けられている。

蓄熱器１１０は、水を蓄えた水室１０と、第１のアルカリ土類金属酸化物と第２のアルカリ土類金属酸化物とを収容した反応器２０と、を備えている。本実施例では、第１のアルカリ土類金属酸化物は酸化カルシウム（ＣａＯ）であり、第２のアルカリ土類金属酸化物は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。

蓄熱装置１００は、配管３０を備えている。配管３０は、内部をオイルが通過する通路である。配管３０は、複数本に分岐した熱交換部３２を備えており、熱交換部３２が水室１０及び反応器２０内に引き込まれている。熱交換部３２では、反応器２０内におけるＣａＯ及びＭｇＯの水和反応により発生する熱が、配管３０を流れるオイルへ伝わり、回収される。このようにオイルに回収された熱は、エンジンの各部の暖機に用いることができる。ＣａＯ及びＭｇＯの水和反応は、それぞれ次式（１）及び（２）で示される。以下、（１）及び（２）で示される反応を、それぞれ、第１の水和反応、第２の水和反応と記す。
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ_１ （発熱反応） （１）
ＭｇＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｍｇ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ_２ （発熱反応） （２）
第２の水和反応が活性化する温度は、第１の水和反応が活性化する温度と比べて、高いという特性がある。そのため、第２の水和の反応を起こすために、第１の水和反応を起こす場合よりも反応器２０内の温度を高くする必要がある。

水室１０及び反応器２０の底面は、排気管１２０と接触して配置されている。このため、水室１０内の水、並びに、反応器２０内の水和反応により生成されたＣａ（ＯＨ）_２及びＭｇ（ＯＨ）_２は、排気管１２０を介して排気管１２０内を流れる排気ガスから熱を受ける。すなわち、排気管１２０は、水室１０内及び反応器２０内へ熱を付与する熱源として機能する。反応器２０内では、次式（３）及び（４）で示されるＣａ（ＯＨ）_２及びＭｇ（ＯＨ）_２の分解反応が起きる。以下、（３）及び（４）で示される反応を、それぞれ、第１の分解反応、第２の分解反応と記す。
Ｃａ（ＯＨ）_２ → ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ − Ｑ_１ （吸熱反応） （３）
Ｍｇ（ＯＨ）_２ → ＭｇＯ ＋ Ｈ_２Ｏ − Ｑ_２ （吸熱反応） （４）

蓄熱器１１０は、水室１０と反応器２０とを接続し、水が流通する通路４０と、通路４０に配置されて水を供給又は遮断する制御弁４２とを備えている。通路４０は、水室１０内の水を反応器２０内へ流通させるように形成されている。制御弁４２は電磁弁であって、後述するＣ／Ｕ６０の制御により開閉される。

蓄熱器１１０は、水室１０と反応器２０とを接続した蒸気配管５０を備えている。蒸気配管５０は、反応器２０内のＣａ（ＯＨ）_２の熱反応及びＭｇ（ＯＨ）_２の熱反応により発生する水蒸気が水室１０へ流通する通路である。蒸気配管５０には、蒸気配管５０内を閉塞して、水室１０内から反応器２０内への水蒸気の流通を遮断する逆止弁５２が配設されている。

蓄熱器１１０は、制御手段であるコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）６０を備えている。さらに、蓄熱器１１０は、水室１０内の水温を検出する温度センサ１２、水室１０内の水位を検出する水位センサ１４、反応器２０内の温度を検出する温度センサ２２を備えている。Ｃ／Ｕ６０は、制御弁４２、逆止弁５２、温度センサ１２、水位センサ１４及び温度センサ２２とそれぞれ電気的に接続されている。Ｃ／Ｕ６０は、温度センサ２２により取得する水室１０内の水温に基づいて、制御弁４２の開閉状態を決定し、制御弁４２へ開閉信号を送る。

次に、反応器２０内のＣａＯの物質量の設定方法について説明する。ＣａＯの物質量は、反応器２０内の温度が第１の水和反応が起きる前の状態の温度である第１の温度から第２の水和反応が活性化する温度である第２の温度以上の温度まで上昇するように設定される。ここで、第１の温度とは、コールドスタート時の温度であり、例えば、２５℃である。第２の温度とは、ＭｇＯの水和反応が活性化する温度である１００℃である。反応器２０内の温度が２５℃から１００℃以上の温度まで上昇するようにするためには、次式（５）を満たす必要がある。
Ｑ×ｎ_１ ≧ （Ｃ_１×ｎ_１＋Ｃ_２×ｎ_２＋Ｃ_３×ｎ_３）×（１００−２５） （５）
式（５）において、Ｑは第１の水和反応の理論反応熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］、ｎは物質量［ｍｏｌ］、Ｃはモル比熱［ｋＪ／ｍｏｌ・℃］を示す。添字の１はＣａＯ、添字の２はＭｇＯ、添字の３は水に関する値であることを示す。式（５）を変形すると、次式（６）のように、ＣａＯの物質量ｎ_１の条件を求めることができる。
ｎ_１ ≧ （Ｃ_２×ｎ_２＋Ｃ_３×ｎ_３）×７５／（Ｑ−７５×Ｃ_１×ｎ_１） （６）
以上より、ＭｇＯ及び水の物質量に基づいて、反応器２０内の温度が２５℃から１００℃以上の温度まで上昇するように、ＣａＯの物質量を設定することができる。このように、ＣａＯの物質量を設定することにより、第１の水和反応の熱のみで、第２の水和反応を効率よく起こすことができる。よって、蓄熱装置の発熱の効率を向上させることができる。

図２を参照して、蓄熱装置１００における発熱時の制御処理を説明する。図２は、Ｃ／Ｕ６０による制御処理のフローチャートである。

フローチャートの処理を開始する前に、反応器２０内のＣａＯの物質量ｎ_１は式（６）を満たすように設定されており、反応器２０内の温度は２５℃であるとする。

まず、Ｃ／Ｕ６０はエンジンの各部の暖機要求があるか否かを確認する（ステップＳ１０）。暖機要求がない場合（ステップＳ１０のＮｏ）、処理を終了する。Ｃ／Ｕ６０は暖機要求があることを確認した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、制御弁４２を開弁して水室１０内から反応器２０内へ水を供給する（ステップＳ２０）。これにより、反応器２０内において、第１の水和反応が起きる。また、反応器２０内のＣａＯの物質量ｎ_１は式（６）を満たすように設定されているため、反応器２０内の温度は１００℃以上の温度まで上昇する。よって、第１の水和反応の熱により、第２の水和反応が起きる。

Ｃ／Ｕ６０は水室１０内から反応器２０内へ水の供給が終了したか否かを判定する（ステップＳ３０）。例えば、温度センサ２２により反応器２０内の温度を検出して、反応器２０内の温度が所定の温度以上となった場合に、水の供給が終了したと判定する。Ｃ／Ｕ６０が水の供給が終了していないと判定する場合（ステップＳ３０のＮｏ）、ステップＳ３０に戻り、水の供給を継続する。Ｃ／Ｕ６０が水の供給が終了したと判定する場合（ステップＳ３０のＹｅｓ）、制御弁４２を閉弁して、水室１０内から反応器２０内への水の供給を遮断する（ステップＳ４０）。以上で、処理を終了する。

実施例１によれば、Ｃ／Ｕ６０により開弁される制御弁４２を介して水室１０から反応器２０内へ水が流通されて第１のアルカリ土類金属酸化物であるＣａＯと水との水和反応である第１の水和反応が起きるとき、反応器２０内の温度が第１の水和反応が起きる前の状態の温度である第１の温度から第２のアルカリ土類金属酸化物であるＭｇＯと水との水和反応である第２の水和反応が活性化する温度である第２の温度以上の温度まで上昇するように、ＣａＯの物質量が設定される。これにより、ＣａＯによる第１の水和反応による熱により、ＭｇＯによる第２の水和反応を効率よく起こすことができる。よって、蓄熱装置１００の発熱の効率を向上させることができる。

実施例１において、反応器２０内にＣａＯ及びＭｇＯを収容する例を説明した。第１の温度は、コールドスタート時の２５℃である例を説明した。第２の温度は、ＭｇＯの水和反応の活性温度である１００℃である例を説明した。第１の温度は、他の温度でもよい。また、ＣａＯ及びＭｇＯのいずれか一方を他のアルカリ土類金属酸化物としてもよいし、他の２つのアルカリ土類金属酸化物を用いてもよい。その場合、水和反応の活性温度が低い方のアルカリ土類金属酸化物を第１のアルカリ土類金属酸化物、水和反応の活性温度が高い方のアルカリ土類金属酸化物を第２のアルカリ土類金属酸化物として、第１の温度、第２の温度、第２のアルカリ土類金属酸化物の物質量、反応器２０内に供給される水の物質量に基づいて、第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量を設定すればよい。

実施例１において、水室１０及び反応器２０の底面が排気管１２０に接触するように配置される例を説明した。他に、例えば、水室１０及び反応器２０と排気管１２０とが一体となるように構成してもよい。このように水室１０及び反応器２０と排気管１２０とを構成することにより、反応器２０内の温度がコールドスタート時の２５℃より低い場合でも、排気管１２０内を流れる排気ガスからの熱により、反応器２０内の温度を速やかに上昇させることができる。

実施例１において、配管３０の内部をオイルが通過する例を説明した。オイルの代わりに、例えば、冷却水でもよい。

実施例１において、蓄熱器１１０は、エンジンの排気管１２０上に配設された触媒装置１３０の下流側に組み付けられている例を説明した。蓄熱器１１０は、触媒装置１３０の上流側に組み付けられてもよい。

本発明の実施例２について説明する。実施例２の蓄熱装置は、実施例１に示す蓄熱装置１００と同じ構成であるため、説明を省略する。実施例２は、実施例１と比較して、発熱時の制御方法において違いがある。図３を参照して、実施例２に係る発熱時の制御方法を説明する。図３は、Ｃ／Ｕ６０による制御処理のフローチャートである。図２に示す処理と同一の処理については、同一の番号を付している。

以下の説明において、フローチャートの処理を開始する前に、反応器２０内のＣａＯの物質量は、実施例１の式（６）を満たすｎ_１より大きい値であるｎ_１’とする。また、反応器２０内の温度は実施例１と同様に２５℃とする。

図３を参照して、ステップＳ１０の処理は実施例１と同じため説明を省略する。Ｃ／Ｕ６０は暖機要求があることを確認した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、分解率が目標値以上であるか否かを判定する。ここで、分解率（以下、Ｒ_１）とは、第１の水和反応が起きる前のＣａＯの物質量ｎ_１’に対する、第１の水和反応が起きた後に第１の分解反応により生成されるＣａＯの物質量の比率である。目標値（以下、Ｒ_２）とは、第１の水和反応が起きる前のＣａＯの物質量ｎ_１’に対する、ＣａＯの物質量ｎ_１の比率であり、Ｒ_２＝ｎ_１／ｎ_１’と表すことができる。第１の水和反応と第１の分解反応とを交互に繰り返すと、例えばＣａＯが炭酸化する等の理由によりＣａＯの物質量が徐々に低下する。そのため、分解率Ｒ_１は、当初目標値Ｒ_２と等しいが、第１の水和反応と第１の分解反応とを交互に繰り返すにつれて、徐々に目標値Ｒ_２より低下していく。また、第１の水和反応により発生する熱も、ＣａＯの物質量の低下に伴って、徐々に低下する。

分解率Ｒ_１が目標値Ｒ_２以上でない場合（ステップＳ１２のＮｏ）、Ｃ／Ｕ６０は温度センサ１２及び２２により検出される水室１０内の温度及び反応器２０内の温度が、反応器２０内の温度が２５℃から１００℃以上の温度まで上昇するようになるために必要な温度Ｔであるか否かを判定する（ステップＳ１４）。温度Ｔは、以下の式（７）により求めることができる。
Ｔ＝１００×（Ｃ_１×ｎ_１＋Ｃ_２×ｎ_２＋Ｃ_３×ｎ_３）
−Ｒ_１×Ｑ×ｎ_１／（Ｃ_１×ｎ_１＋Ｃ_２×ｎ_２＋Ｃ_３×ｎ_３） （７）
式（７）において、Ｑ、ｎ、Ｃ、添字の１、２及び３については、実施例１の説明と同様であるため、説明を省略する。水室１０内の温度及び反応器２０内の温度がＴ℃以上でない場合（ステップＳ１４のＮｏ）、熱源である排気管１２０内を流れる排気ガスにより、水室１０及び反応器２０を加熱して（ステップＳ１６）、水室１０内の温度及び反応器２０内の温度を上昇させ、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４がＹｅｓの場合、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０以降の処理は、実施例１と同様のため、説明を省略する。以上で、処理を終了する。

実施例２によれば、水室１０内及び反応器２０内へ熱を付与する熱源１２０を備え、第１の水和反応により生成される水酸化物が熱源１２０から付与される熱によりＣａＯと水とに分解された後に再度の第１の水和反応を起こすとき、制御手段であるＣ／Ｕ６０は、ＣａＯの物質量に基づく熱量が熱源１２０により水室１０内及び反応器２０内へ付与された後に、制御弁４２を開弁して水室１０から反応器２０内へ水を流通させる構成とすることができる。これにより、分解される第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量が低下しても、熱量が水室内及び反応器内へ付与された後に、第１の水和反応を起こすことができる。よって、蓄熱装置の発熱の効率を向上させることができる。

実施例２において、分解率Ｒ_１について説明した。分解率Ｒ_１は、反応熱量により推定してもよい。すなわち、第１の分解反応において吸収される理論上の熱量に対する、排気管１２０を介して排気管１２０内を流れる排気ガスからＣａ（ＯＨ）_２へ伝達される熱量との比率を、分解率Ｒ_１とみなしてもよい。Ｃａ（ＯＨ）_２へ伝達される熱量は、Ｃａ（ＯＨ）_２の物質量と、温度センサ２２が検出する温度と、Ｃａ（ＯＨ）_２のモル比熱とから求めることができる。また、分解率Ｒ_１は、第１の分解反応において発生する水の量により推定してもよい。すなわち、第１の分解反応において発生する理論上の水の量に対する、第１の分解反応時に検出する水の量との比率を、分解率Ｒ_１とみなしてもよい。第１の分解反応時に検出する水の量は、水位センサ１４により検出することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 水室
２０ 反応器
３０ 配管
３２ 熱交換部
４０ 通路
４２ 制御弁
５０ 蒸気配管
５２ 逆止弁
６０ Ｃ／Ｕ
１００ 蓄熱装置
１１０ 蓄熱器
１２０ 排気管
１３０ 触媒装置

Claims (3)

1. 水を蓄えた水室と、
   第１のアルカリ土類金属酸化物と第２のアルカリ土類金属酸化物とを収容した反応器と、
   前記水室と前記反応器とを接続し、前記水が流通する通路と、
   前記通路に配置され、前記通路の開閉を行う制御弁と、
   前記制御弁の開閉を制御する制御手段と、
   を備え、前記制御手段により開弁される前記制御弁を介して前記水室から前記反応器内へ前記水が流通されて前記第１のアルカリ土類金属酸化物と前記水との水和反応である第１の水和反応が起きるとき、前記反応器内の温度が前記第１の水和反応が起きる前の状態の温度である第１の温度から前記第２のアルカリ土類金属酸化物と前記水との水和反応である第２の水和反応が活性化する温度である第２の温度以上の温度まで上昇するように、前記第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量が設定されたことを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記水室内及び前記反応器内へ熱を付与する熱源を備え、
   前記第１の水和反応により生成される水酸化物が前記熱源から付与される熱により前記第１のアルカリ土類金属酸化物と前記水とに分解された後に再度の第１の水和反応を起こすとき、前記制御手段は、前記第１のアルカリ土類金属酸化物の物質量に基づく熱量が前記熱源により前記水室内及び前記反応器内へ付与された後に、前記制御弁を開弁して前記水室から前記反応器内へ前記水を流通させることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
3. 前記第１のアルカリ土類金属酸化物は酸化カルシウムであって、
   前記第２のアルカリ土類金属酸化物は酸化マグネシウムであって、
   前記第２の温度は１００℃であることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄熱装置。
   
   

Images