JP6079557B2 - 化学蓄熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの排気系に設けられた加熱対象物の加熱に使用される化学蓄熱装置に関する。
従来の化学蓄熱装置としては、例えば特許文献1に記載されているものが知られている。特許文献1に記載の化学蓄熱装置では、触媒(加熱対象物)の外周部に蓄熱材が格納される反応器を配置し、蓄熱材の化学反応による反応熱を利用して触媒を加熱する。このような化学蓄熱装置は、例えばエンジンの始動時など、触媒の温度が活性温度に満たないような場合には、蓄熱材と反応媒体とを化学反応させて、その反応熱により触媒を加熱(発熱反応)し、排気ガスの温度が所定温度よりも高い場合には、排気ガスの熱が蓄熱材に伝えられ、その熱により蓄熱材から反応媒体を分離させる(再生反応)。
特開昭59−208118号公報
しかしながら、上記従来の化学蓄熱装置では、反応器内の蓄熱材の熱伝導率が低い。このため、発熱反応時には、蓄熱材で発生した反応熱が触媒に伝わりにくく、触媒を活性温度まで加熱するのに時間を要する。再生反応時には、排気ガスからの熱が蓄熱材に伝わりにくく、蓄熱材から反応媒体が分離されるのに時間を要する。
そこで、本発明の目的は、反応器内の熱伝導性を向上させることができる化学蓄熱装置を提供することにある。
本発明の一側面に係る化学蓄熱装置は、エンジンの排気系を形成する排気管の内部に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置であって、排気管の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を格納する反応器と、反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、反応器と貯蔵器とを接続し、反応器と貯蔵器との間で反応媒体を移動させるための接続管と、を備える。蓄熱材には、蓄熱材よりも熱伝導率の高いシート状の高熱伝導部材が含まれている。高熱伝導部材は、折り曲げられることにより形成された複数の屈曲部のそれぞれが、接続管が接続される反応器の外周面側又は排気管に接触する反応器の内周面側に位置するように配置され、外周面側から内周面側に延びる複数の熱伝導面を形成している。
このような構成の化学蓄熱装置では、例えばエンジンの始動時など、触媒の温度が活性温度に満たないような場合には、貯蔵器から反応器に反応媒体が供給され、蓄熱材と反応媒体とが化学反応した際の反応熱によって加熱対象物が加熱される。一方、排気ガスの温度が所定温度よりも高い場合には、排気ガスからの熱によって蓄熱材と反応媒体とが分離し、反応媒体が貯蔵器に吸収される。排気管の周囲に配置される反応器には、蓄熱材よりも熱伝導率の高いシート状の高熱伝導部材が含まれている蓄熱材が格納され、その高熱伝導部材は、外周面側から内周面側に延びる複数の熱伝導面を形成している。このため、蓄熱材で発生した熱は高熱伝導部材を介して加熱対象物に伝えられ、又、排気ガスからの熱は高熱伝導部材を介して蓄熱材に伝えられるので、反応器内の熱伝導性が向上する。この結果、発熱反応時には、蓄熱材で発生した反応熱が加熱対象物に伝わりやすくなるため、加熱対象物を効率よく加熱することができる。また、再生反応時には、排気ガスからの熱が蓄熱材に伝わりやすくなるため、蓄熱材から反応媒体を効率よく分離させることができる。
また、一実施形態において、高熱伝導部材は、排気管の外周面と略平行な平坦面を更に形成してもよい。
このような化学蓄熱装置では、平坦面が形成されている部分に、より効率的に熱を伝えることができると共に、平坦面が形成されている部分からの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、一実施形態において、平坦面は、内周面側に位置する屈曲部に隣接して設けられてもよい。
このような化学蓄熱装置では、反応器の内周面側に設けられている加熱対象物を、より効率的に加熱することができると共に、反応器の内周面側を通過する排気ガスからの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、一実施形態において、高熱伝導部材の屈曲部は、蓄熱材から露出していてもよい。
このような化学蓄熱装置では、蓄熱材が露出している部分に、より効率的に熱を伝えることができると共に、蓄熱材が露出している部分からの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、一実施形態において、高熱伝導部材の屈曲部のうち内周面側に位置する屈曲部が、蓄熱材から露出していてもよい。
このような化学蓄熱装置では、反応器の内周面側に設けられている加熱対象物を、より効率的に加熱することができると共に、排気ガスからの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、一実施形態において、高熱伝導部材の熱伝導面には、反応媒体を導通させるための孔部が形成されていてもよい。
このような化学蓄熱装置では、反応媒体が熱伝導面に形成された孔部を通って自由に高熱伝導部材を通過できるので、反応媒体が蓄熱材全体に入り込みやすくなる。これにより、蓄熱材と反応媒体とを効率的に化学反応させることができる。
また、一実施形態において、高熱伝導部材を、グラファイトシートとしてもよい。
このような化学蓄熱装置では、シート状の高熱伝導部材を容易に形成することができる。
また、一実施形態において、蓄熱材には、カーボンファイバーが更に含有されていてもよい。
このような化学蓄熱装置では、蓄熱材よりも熱伝導率の高いカーボンファイバーが、高熱伝導部材に加え更に含有されているので、より効率的に熱を伝導することができる。
本発明によれば、反応器内の熱伝導性を向上させることができる。
一実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排ガス浄化システムを示す構成図である。 図1に示した反応器の内部空間に格納される成形体を示す斜視図である。 図2に示す成形体の一部を拡大して示した斜視図である。 図3に示す成形体からグラファイトシートを抜き出して示した斜視図である。 他の実施形態に係る成形体について、排気管の軸方向から見た断面を示した図面である。 他の実施形態に係る成形体について、排気管の軸方向から見た断面を示した図面である。 他の実施形態に係る反応器の内部空間について、排気管の軸方向から見た断面を示した図面である。 他の実施形態に係る化学蓄熱装置を備えた排ガス浄化システムを示す構成図である。
以下、図面を参照して一実施形態に係る化学蓄熱装置10を備えた排ガス浄化システム1について説明する。図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図1は、一実施形態に係る化学蓄熱装置10を備えた排ガス浄化システム1を示す概略構成図である。図1に示される排ガス浄化システム1は、車両のディーゼルエンジン2(以下、単に「エンジン2」と称す)など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。
排ガス浄化システム1は、エンジン2と接続された排気通路3の途中に上流側から下流側に向けて順に設けられた酸化触媒(DOC)4、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ(DPF)5、選択還元触媒(SCR)6及び酸化触媒(ASC)7を備えている。
酸化触媒4は、排気ガス中に含まれるHCやCOなどを酸化して浄化する触媒である。DPF5は、排気ガス中に含まれるPMを捕集して取り除くフィルタである。SCR6は、添加弁6aから尿素及びNH(アンモニア)を供給して、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。酸化触媒7は、SCR6の下流側に流れたアンモニアを酸化する触媒である。
酸化触媒4には、環境汚染物質の浄化能力を発揮させる温度領域(活性温度)が存在する。したがって、酸化触媒4の温度を活性温度にするために、酸化触媒4を加熱する必要がある。そこで、排ガス浄化システム1は、酸化触媒4を加熱する化学蓄熱装置10を備えている。化学蓄熱装置10は、エネルギーレスで酸化触媒4(加熱対象物)を加熱する加熱手段である。化学蓄熱装置10は、排気ガスの熱(排熱)を蓄えておき、必要なときに蓄えた熱を使用する。
化学蓄熱装置10は、反応器8と、反応器8に接続管9を介して接続され、反応媒体としてのアンモニア(NH)を貯蔵する貯蔵器11とを有している。接続管9は、反応器8と貯蔵器11とを接続し、反応器8と貯蔵器11との間でアンモニアを移動させる部分である。接続管9には、開閉弁9aが設けられている。
反応器8は、排気通路3の一部である排気管13の外周に設けられている。排気管13は、例えば、円筒状の配管であり、例えば、ステンレスから形成されている。排気管13の内部には、加熱対象物としての酸化触媒4が設けられている。
図2は、反応器の内部空間に格納される成形体を示す斜視図である。図2に示すように、反応器8の内部空間には、複数の成形体20が格納されている。成形体20は、排気管13の軸方向(排気方向)から見て断面湾曲状に形成されている。これらの成形体20は、複数の成形体20が組み合わされることにより円環状に構成された状態で反応器8の内部空間に格納されている。図3は、図2に示す成形体の一部(ハッチング部)を拡大して示した斜視図である。図3に示すように、これら複数の成形体20は、グラファイトシート23が含まれている蓄熱材21が圧縮成形された成形体部品である。
蓄熱材21は、Mの組成を持つ材料が用いられる。Mは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルミニウム、遷移金属、及び、これら金属の組み合わせから選択される1つ以上のカチオンである。Xは、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硝酸イオン、チオシアン酸イオン、硫酸イオン、モリブデン酸イオン、及びリン酸イオンから選択される1つ以上のアニオンである。aは、1つの金属塩分子あたりのカチオンの数である。xは、1つの金属塩分子あたりのアニオンの数である。蓄熱材21は、例えば、MgClで形成することができる。蓄熱材21は、CaCl、NiCl、MgI、CaI、MgBrなどで形成してもよい。また、蓄熱材21の熱伝導率の例は、0.1W/(m・K)である。
グラファイトシート23は、蓄熱材21よりも熱伝導率の高いシート状の高熱伝導部材である。グラファイトシート23の厚みの例は100μm以下であり、熱伝導率の例は300〜1600W/(m・K)である。
図3及び図4に示すように、グラファイトシート23は、折り曲げられることにより形成された複数の屈曲部23b,23cのそれぞれが、接続管9が接続される反応器8の外周面8a側又は排気管13に接触する反応器8の内周面8b側に位置するように配置され、外周面8a側から内周面8b側に延びる複数の熱伝導面23aを形成している。本実施形態では、熱伝導面23aが排気管13の径方向及び軸方向におおよそ沿う方向に延在する面として構成される。また、本実施形態では、排気管13の円周方向に沿って複数の熱伝導面23aが形成される構成となっている。
また、図3及び図4に示すように、グラファイトシート23は、排気管13の外周面13aと略平行な平坦面23dを形成している。平坦面23dは、反応器8の内周面8b側に位置する屈曲部23bに隣接して設けられている。
グラファイトシート23における屈曲部23b,23c及び平坦面23dは、蓄熱材21から露出している。言い換えれば、グラファイトシート23の屈曲部23cは、反応器8の外周面8aに接触し、グラファイトシート23の屈曲部23b及び平坦面23dは、反応器8の内周面8bに接触する。また、図4に示すように、グラファイトシート23の熱伝導面23aには、アンモニアを導通させるための孔部23eが形成されている。なお、本実施形態では、図4に示すように、排気管13の円周方向に沿って一直線上に孔部23eが並んでいる構成となっているが、これに限定されるものはない。
グラファイトシート23の折り曲げ方や、蓄熱材21に対するグラファイトシート23の含有量が適宜調整されることにより、加熱対象物などに合わせた熱伝導率を有する成形体20とすることができる。具体的には、例えば、蓄熱材21に含有されるグラファイトシート23の互いに隣接する屈曲部23c同士の距離を調整したり、蓄熱材21に含有されるグラファイトシート23の成形体20に対する体積割合を調整したりすることにより、加熱対象物などに合わせた熱伝導率を有する成形体20とすることができる。
なお、成形体20の中の折り曲げられた状態のグラファイトシート23は、粉末状の蓄熱材21及びあらかじめ折り曲げられた状態のグラファイトシート23を金型の中にセットした状態で圧縮成形することにより形成することもできるし、所定量の粉末状の蓄熱材21を充填した金型の中にグラファイトシート23を載置し、例えば、図3に示すグラファイトシート23の形状に対応する金型によるプレスによって図3に示す形状に形成した後、金型に粉末状の蓄熱材21を充填し圧縮成形することによって形成してもよい。
貯蔵器11には、活性炭が封入されている。貯蔵器11は、封入されている活性炭にアンモニアが物理吸着されることで、アンモニアが貯蔵される。貯蔵器11には、例えば、メソポーラス材(メソ孔を有するメソポーラスシリカ、メソポーラスカーボン及びメソポーラスアルミナなど)、ゼオライト又はシリカゲルなどが封入されていてもよい。
以上のような排ガス浄化システム1を構成した場合、エンジン2の始動直後など、エンジン2からの排気ガスの温度が低いとき(排気ガスの温度が触媒の活性温度以下のとき)は、開閉弁9aが開かれて、貯蔵器11から接続管9を介して反応器8にアンモニアが供給される。これにより、成形体20として成形された蓄熱材21(例えば、MgCl)とアンモニア(NH)とが化学反応して化学吸着(配位結合)し、蓄熱材21から熱が発生する。つまり、下記の反応式における左辺から右辺への反応が起こる。そして、蓄熱材21から発生した熱が排気管13を介して酸化触媒4に伝えられ、酸化触媒4が汚染物質の浄化に適した活性温度まで加熱されるようになる。
MgClNH ⇔ Mg(NHCl+熱
上記実施形態では、排気管13の周囲に配置される反応器8に、蓄熱材21よりも熱伝導率の高いグラファイトシート23が含まれている蓄熱材21が格納されている。グラファイトシート23は、外周面8a側から内周面8b側に延びる複数の熱伝導面23aを形成している。このため、蓄熱材21で発生した熱は、グラファイトシート23を介して酸化触媒4に伝えられるので反応器8内の熱伝導性が向上する。この結果、発熱反応時には、蓄熱材21で発生した反応熱が加熱対象物である酸化触媒4に伝わりやすくなるため、酸化触媒4を効率よく加熱することができる。
一方、エンジン2からの排気ガスの温度が高くなると、排気ガスからの熱が成形体20として成形された蓄熱材21(例えば、MgCl)に与えられることになり、MgClとNHとが分離する。つまり、上記の反応式における右辺から左辺への反応が起こる。そして、MgClから分離したNHは、接続管9を介して貯蔵器11に吸収されるようになる。
また、上記実施形態では、発熱反応時と同様に、排気ガスからの熱がグラファイトシート23を介して伝えられるので反応器8内の熱伝導性が向上する。この結果、再生反応時には、排気ガスからの熱が蓄熱材21に伝わりやすくなるため、蓄熱材21からアンモニアを効率よく分離させることができる。
また、上記実施形態では、グラファイトシート23において、排気管13の外周面13aと略平行な平坦面23dが、内周面8b側に位置する屈曲部23bに隣接して形成されている。このため、平坦面23dが形成されている部分、すなわち、酸化触媒4が設けられる部分に、より効率的に熱を伝えることができると共に、排気ガスからの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、上記実施形態では、グラファイトシート23の屈曲部23b,23cが、蓄熱材21から露出している。このため、蓄熱材21からグラファイトシート23が露出している部分に、より効率的に熱を伝えることができると共に、蓄熱材が露出している部分からの熱を、より効率的に吸収することができる。
また、上記実施形態では、グラファイトシート23の熱伝導面23aに、アンモニアを導通させるための孔部23eが形成されている。このため、アンモニアが熱伝導面23aに形成された孔部23eを通って自由にグラファイトシート23を通過できる。この結果、アンモニアが蓄熱材21全体に入り込みやすくなり、蓄熱材21とアンモニアとを効率的に化学反応させることができる。
以上、一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
上記実施形態では、グラファイトシート23において、排気管13の外周面13aと略平行な平坦面23dが、内周面8b側に位置する屈曲部23bに隣接して形成されている例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図5は、反応器8の内部空間に配置される成形体120について、排気管13の軸方向から見た断面図である。図5に示すように、反応器8の内周面8b側又は外周面8aに平坦面23d(図3又は図4参照)を設けないで、排気管13の軸方向から見たグラファイトシート23の断面が、いわゆる蛇腹状となるように構成されてもよい。
また、上記実施形態では、グラファイトシート23において、反応器8の内周面8b側に位置する屈曲部23b及び平坦面23dが蓄熱材21から露出している例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。屈曲部23b及び平坦面23dは、蓄熱材21の内周面8b側に露出しないように配置されていてもよいし、屈曲部23bのみが露出しており、平坦面23dは蓄熱材21内に配置されるようにしてもよい。また、反応器8の外周面8a側に配置される屈曲部23cについても同様に、屈曲部23cは、蓄熱材21の外周面8a側において露出しないように配置されていてもよい。
図6は、反応器8の内部空間に配置される成形体220について、排気管13の軸方向から見た断面図である。図6に示すように、蓄熱材21には、蓄熱材21よりも熱伝導率の高いグラファイトシート23と、蓄熱材21よりも熱伝導率の高いカーボンファイバー25とが含有されていてもよい。すなわち、蓄熱材21とグラファイトシート23とカーボンファイバー25とが圧縮成形された成形体220が、反応器8の内部空間に配置されてもよい。このような成形体220では、蓄熱材21よりも熱伝導率の高いカーボンファイバー25が、グラファイトシート23に加え含有されているので、より効率的に熱を伝導することができる。なお、グラファイトシート23に、図4に示すような孔部23eが形成されていてもよい。この場合には、孔部23e内にカーボンファイバー25が入り込むことで蓄熱材21の熱をより効率的に伝導することでできる。
また、上記実施形態では、成形体20,120,220が、瓦型に形成されている(排気管13の軸方向から見て断面湾曲状に形成されている)例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、直方体、立方体、中抜円筒型などに形成されてもよい。
また、上記実施形態では、蓄熱材21とグラファイトシート23とが圧縮成形された成形体20、又は、蓄熱材21とグラファイトシート23とカーボンファイバー25とが圧縮成形された成形体220が、反応器8の内部空間に格納された例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図7は、反応器8の内部空間について、排気管13の軸方向から見た断面図である。例えば、図7に示すように、反応器8内に形成された所定の空間27に、図7に示す形状に折り曲げられたグラファイトシート23を設置し、その後に粉末の蓄熱材21を充填してもよい。このように、成形体としての構成でない場合であっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ここでは、外周面8a側に配置される屈曲部23cが蓄熱材21から露出していない例を挙げて説明したが、屈曲部23cが蓄熱材21から露出する構成であってもよい。蓄熱材21に配置されるグラファイトシート23の形状は、上述したように様々な形状とすることができる。
上記実施形態では、蓄熱材21に含有されるシート状の高熱伝導部材としてグラファイトシート23を採用した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、蓄熱材21よりも熱伝導率が高いSUS、アルミ、及び銅などから形成されるシート状の部材であってもよい。なお、蓄熱材21に含有されるシート状の高熱伝導部材は、反応媒体により腐食しない材質であることが好ましい。
また、上記実施形態では、図3及び図4に示すように、熱伝導面23aが排気管13の径方向及び軸方向におおよそ沿う方向に延在する面として構成されると共に、排気管13の円周方向に沿って複数形成される構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、熱伝導面23aが排気管13の径方向及び円周方向におおよそ沿う方向に延在する面として構成されると共に、その熱伝導面23aが排気管13の軸方向に沿って複数形成される構成であってもよい。
上記実施形態では、排気管13の軸方向及び排気管13の円周方向に沿って複数の成形体20が配置される例を挙げて説明したが、これらの数は、適宜設定することができる。
また、上記実施形態では、反応媒体であるアンモニアと蓄熱材21であるMgClとを化学反応させて熱を発生させる例を挙げて説明したが、反応媒体としては、特にアンモニア(NH)に限られず、例えばHOとしても良い。この場合には、HOと化学反応させる蓄熱材として、CaOなどを使用することができる。
また、上記実施形態では、エンジン2の排気系に設けられた酸化触媒4を加熱対象物とする例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、選択還元触媒(SCR)6を加熱対象物としてもよいし、排気管13を加熱対象物としてもよい。また、本発明は、図8に示すように、酸化触媒(DOC)4などの触媒の上流の排気管内に金属製のハニカム構造体などの高熱伝導性を有する部材からなる熱交換器14が配置された排ガス浄化システム1Aにも適用可能である。この場合、この熱交換器14を加熱対象とし、熱交換器14の外周部に反応器12を配置し、熱交換器14を外周側から加熱してもよい。また、上記実施形態では、ディーゼルエンジン2の排気系に適用された例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリンエンジンの排気系に適用され、触媒や排気管を加熱対象物としてもよいし、内燃機関以外を加熱対象物としてもよい。
1,1A…排ガス浄化システム、2…ディーゼルエンジン、3…排気通路、4…酸化触媒(加熱対象物)、6a…添加弁、7…酸化触媒、8,12…反応器、8a…外周面、8b…内周面、9…接続管、9a…開閉弁、10…化学蓄熱装置、11…貯蔵器、13…排気管、13a…外周面、14…熱交換器、20,120,220…成形体、21…蓄熱材、23…グラファイトシート(高熱伝導部材)、23a…熱伝導面、23b,23c…屈曲部、23d…平坦面、23e…孔部、25…カーボンファイバー、27…空間。

Claims (7)

  1. エンジンの排気系を形成する排気管の内部に設けられた加熱対象物を加熱する化学蓄熱装置において、
    前記排気管の周囲に配置され、反応媒体と化学反応して熱を発生させる蓄熱材を格納する反応器と、
    前記反応媒体を貯蔵する貯蔵器と、
    前記反応器と前記貯蔵器とを接続し、前記反応器と前記貯蔵器との間で反応媒体を移動させるための接続管と、を備え、
    前記蓄熱材には、前記蓄熱材よりも熱伝導率の高いシート状の高熱伝導部材が含まれており、
    前記高熱伝導部材は、折り曲げられることにより形成された複数の屈曲部のそれぞれが、前記接続管が接続される前記反応器の外周面側又は前記排気管に接触する前記反応器の内周面側に位置するように配置され、前記外周面側から前記内周面側に延びる複数の熱伝導面を形成していると共に、前記排気管の外周面と略平行な平坦面を形成している、化学蓄熱装置。
  2. 前記平坦面は、前記内周面側に位置する前記屈曲部に隣接して設けられる、請求項に記載の化学蓄熱装置。
  3. 前記高熱伝導部材の前記屈曲部は、前記蓄熱材から露出している、請求項1又は2に記載の化学蓄熱装置。
  4. 前記高熱伝導部材の前記屈曲部のうち前記内周面側に位置する前記屈曲部が、前記蓄熱材から露出している、請求項に記載の化学蓄熱装置。
  5. 前記高熱伝導部材の前記熱伝導面には、前記反応媒体を導通させるための孔部が形成されている、請求項1〜の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。
  6. 前記高熱伝導部材は、グラファイトシートである、請求項1〜の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。
  7. 前記蓄熱材には、カーボンファイバーが更に含有されている、請求項1〜の何れか一項に記載の化学蓄熱装置。
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