JP2010242989A - 蓄熱装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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 + H2O → Ca(OH)2 + Q1 (発熱反応) (1)
MgO + H2O → Mg(OH)2 + Q2 (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。
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q1 (発熱反応) (1)
MgO + H2O → Mg(OH)2 + Q2 (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 + H2O − Q1 (吸熱反応) (3)
Mg(OH)2 → MgO + H2O − Q2 (吸熱反応) (4)
Ca(OH)2 → CaO + H2O − Q1 (吸熱反応) (3)
Mg(OH)2 → MgO + H2O − Q2 (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×n1 ≧ (C1×n1+C2×n2+C3×n3)×(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n1の条件を求めることができる。
n1 ≧ (C2×n2+C3×n3)×75/(Q−75×C1×n1) (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。
Q×n1 ≧ (C1×n1+C2×n2+C3×n3)×(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n1の条件を求めることができる。
n1 ≧ (C2×n2+C3×n3)×75/(Q−75×C1×n1) (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n1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n1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n1より大きい値であるn1’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、R1)とは、第1の水和反応が起きる前のCaOの物質量n1’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、R2)とは、第1の水和反応が起きる前のCaOの物質量n1’に対する、CaOの物質量n1の比率であり、R2=n1/n1’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R1は、当初目標値R2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R2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R1が目標値R2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×(C1×n1+C2×n2+C3×n3)
−R1×Q×n1/(C1×n1+C2×n2+C3×n3) (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。
T=100×(C1×n1+C2×n2+C3×n3)
−R1×Q×n1/(C1×n1+C2×n2+C3×n3) (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R1について説明した。分解率R1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R1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R1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R1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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
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Cited By (5)
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JP2015042929A (ja) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 株式会社豊田自動織機 | 化学蓄熱装置 |
CN108825421A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-11-16 | 湖北鹰牌动力科技有限公司 | 一种柴油发动机冷启动预热装置 |
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2009
- 2009-04-01 JP JP2009089287A patent/JP2010242989A/ja active Pending
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