JP6395622B2

JP6395622B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP6395622B2
Application number: JP2015013675A
Authority: JP
Inventors: 敏博柴田; 谷口　秀明; 秀明谷口
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2035-01-27
Also published as: JP2016138700A

Description

本発明は、蓄熱装置に関する。

従来、内燃機関で生じた排気ガスの熱を利用して、反応器内に設けた水酸化カルシウムを脱水反応させて蓄熱するとともに脱離した水を貯留し、暖機時等に貯留した水を酸化カルシウムと水和反応させて、熱を発生させ、この熱により冷却水等を加熱する蓄熱装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１１５７９５号公報

上記従来の蓄熱装置では、反応器の下部を排気ガスが流通し、上部を冷却水が流通し、排気ガスの流路と冷却水の流路が近接して設けられているために、冷却水を加熱する必要がないときにまで、排気熱により加熱されるおそれがあり、反応器での発熱時以外は、反応器内に冷却水を通水しないように別途迂回路を設ける必要があり、構造が複雑化してしまうという問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題点を解決した蓄熱装置を提案することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本願発明は、第１流体が流通する第１流路と、熱により脱水反応を行って蓄熱するとともに、水和反応により放熱する蓄熱材が担持された多孔体を内部に備えた第２流路を有する第１熱交換器と、
第２流体が流通する第３流路と、前記第２流路と連通する第４流路を有する第２熱交換器を有する蓄熱装置であって、
前記第１熱交換器と第２熱交換器を内部に離間して備えた一つの反応器を設け、
該反応器と連通し、冷却するとともに水を貯留する凝縮部を設け、
前記蓄熱装置の搭載状態において、前記凝縮部内の水を、前記蓄熱材の上方の第２流路内に供給する水供給部を設け、
前記蓄熱材を蓄熱させた状態において、前記第２流路と前記第４流路内が減圧状態となるようにしたことを特徴とする蓄熱装置である。

また、前記第１流路と第２流路を夫々複数有して、第１流路と第２流路を交互に位置させ、第１流路と第２流路を隔壁により区画し、
前記複数の隔壁、もしくは、前記隔壁と前記反応器を構成するケースとで前記多孔体を挟持するようにしてもよい。

また、前記第３流路と第４流路を交互に位置させ、第３流路と第４流路を区画する隔壁の第４流路側に、フィンを形成するようにしてもよい。

本発明によれば、反応器内に、第１熱交換器と第２熱交換器とを離間して備え、蓄熱材に蓄熱させた状態において、第１熱交換器の第２流路と第２熱交換器の第４流路内を減圧状態となるようにしたことにより、蓄熱材の放熱時以外に、第２流体が第１流体の熱により加熱されることを抑制できるために、従来技術のように、第２流体を迂回する経路を設ける必要がなく、構造を簡略化することができる。

本発明の実施例１に係る蓄熱装置の正面図。図１の右側面図。図１の上面図。図１のＡ−Ａ線断面図。図４のＢ−Ｂ線断面図。図１の蓄熱装置に用いる第２熱交換器の拡大断面図。図１の発熱装置に用いる凝縮部の断面図。本発明の実施例２に用いる凝縮部の断面図。本発明の実施例４に係る蓄熱装置の部分拡大断面図。

本発明を実施するための形態を図に示す実施例に基づいて説明する。

［実施例１］
図１乃至図７は実施例１を示す。

図１は、本発明の実施例１に係る蓄熱装置１の正面図を示し、図２は図１の右側面図、図３は図１の上面図である。この蓄熱装置１は、内燃機関を使用する車両などの排気系に、図１の上部が上方となるように搭載するものである。以下の説明においては、蓄熱装置１を車両に搭載した状態を基にして説明する。

蓄熱装置１は、図１〜図３に示すように、反応器２と凝縮部３を備え、反応器２の上部と凝縮部３の上部は、第１配管４で連通し、第１配管４には第１バルブ５が設けられている。また、反応器２の中央部と凝縮部３の下部は、第２配管６で連通し、第２配管６には第２バルブ７が設けられている。

反応器２の下部の正面側には、第１流体である排気ガス等が流通する上流側排気管が接続される接続部１１が、背面側には下流側排気管が接続される接続部１２が設けられている。また、反応器２の上部の背面側には、第２流体である内燃機関などの冷却系の冷却水や、エンジンオイル、ミッションオイルなどの潤滑油等が流通する上流側媒体流路が接続される接続部２０が、正面側には下流側媒体流路が接続される接続部２２が設けられ、接続部２０は、接続部２２よりも下方に位置するようになっている。

反応器２内の下部には、第１熱交換器１３が設けられ、上部には第２熱交換器１４が設けられ、図５に示すように、第１熱交換器１３と第２熱交換器１４は上下に離間して設けられている。

第１熱交換器１３は、図５に示すように、複数の隔壁であるプレート１８を左右方向に並設して、第１流路１６と第２流路１７が交互に複数形成されている。すなわち、第１流路１６と第２流路１７はプレート１８により区画されている。第１流路１６は、接続部１１，１２に連通し、第１流体である排気ガス等が流通できるようになっている。第２流路１７は、上下方向に開口し、反応器２の内部と連通するように形成されている。これにより、第１流路１６の第１流体と、第２流路１７内の流体との間で熱交換が行われるようになっている。

第２流路１７には、図５に示すように、板状に形成された多孔体１９が設けられ、この多孔体１９は、左右のプレート１８と１８、若しくは、プレート１８と反応器２を形成するケース２ａで挟持されている。なお、多孔体１９は、板状以外にもラウンド形状や異形形状等の任意の形状に形成することができる。多孔体１９には、熱により脱水反応を行って蓄熱するとともに、水和反応により放熱する蓄熱材が担持されている。

脱水反応後の蓄熱材としては、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の酸化物、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化第ニコバルト、酸化銅等の遷移金属の酸化物、酸化アルミニウム等の典型金属の酸化物、硫酸カルシウム、臭化カルシウム等があげられ、本実施例では酸化カルシウムを用いた。

多孔体１９は、耐熱性を有し、蓄熱材と反応しない金属やカーボン等で三次元形状の立体網状に形成され、内部に多数の連通する室が形成されるとともに、その室が外部とも連通するように形成されたものである。多孔体１９の空隙率としては約６０％のものが好ましい。

多孔体１９には６０〜９０重量％の蓄熱材が担持されている。多孔体１９に蓄熱材を担持する方法としては、例えば、スラリー状にした蓄熱材を多孔体１９に塗布した後に、所定以上の圧力をかけて、蓄熱材を、多孔体１９の細孔内に位置させて保持し担持させている。

第２熱交換器１４は、図５に示すように、複数の隔壁であるプレート２１が左右方向に並設して、第３流路２３と第４流路２４が交互に形成されている。第３流路２３は、接続部２０，２２に連通し、第２流体である冷却水等が流通できるようになっている。第４流路２４は、上下方向に開口し、反応器２の内部と連通するとともに、第２流路１７と連通している。これにより、第３流路２３の第２流体と、第４流路２４内の流体との間で熱交換が行われるようになっている。プレート２１には、図６に示すように、第４流路２４側に突出するフィン２１ａを多数形成することが好ましい。

凝縮部３には、反応器２内の第２流路１７と第４流路２４と連通する流体流路２７と、冷却水が流通する冷却水流路２８が設けられている。凝縮部３の下部に冷却水が供給される入口３ａと、その上部に冷却水が排出される排出口３ｂが設けられ、冷却水路２８内を冷却水が下から上に流れ、流体流路２７内の流体と冷却水流路２８内の冷却水との間で熱交換が行われるようになっている。図７に示すように、流体流路２７内にはフィン２９が形成され、流体流路２７内には、水が貯留されるようになっている。凝縮部３は、図５に示すように、第１熱交換器１３よりも上方に配置して設けられている。

第１配管４は、反応器２内に連通し、第２配管６の開口端部は、図４，図５に示すように、反応器２内において、第１熱交換器１３と第２熱交換器１４の間に位置して開口するように形成されている。これにより、第２流路１７と第４流路２４は、第１配管４と第２配管６を介して凝縮部３の流体流路２７と連通している。

凝縮部３を、第１熱交換器１３よりも上方に設けたことで、凝縮部３に貯留された水を、自重で、第１熱交換器１３の第２流路１７内に供給することができるようになっている。第２バルブ７と第２配管６は、反応器２内の第２流路１７内に水を供給する水供給部３０を構成している。

次に、蓄熱装置１の放熱について説明する。

先ず、多孔体１９に担持された蓄熱材は、後述する蓄熱した状態、本実施例においては酸化カルシウムの状態であるとともに、第１バルブ５と第２バルブ７は閉じた状態とする。

この状態で、第２バルブ７を開くと、凝縮部３内の水が、自重により第２配管６を通じて反応器２内における、第１熱交換器１３の第２流路１７へ供給され、水が所定量供給された後に、第２バルブ７は閉じる。供給する水の量は、蓄熱材と反応する量よりも多く供給され、蓄熱材と反応する水の量の２倍供給することが好ましい。

水は、第１熱交換器１３の第２流路１７内の蓄熱材である酸化カルシウムと反応し水和反応により放熱され、熱が発生し蓄熱材と反応していない水は、生じた熱により水蒸気となる。この水蒸気の発生により、反応器２内は加圧される。また、水蒸気は、上昇して上部にある第２熱交換器１４の第４流路２４において、第３流路２３内を流れる第２流体である冷却水等と熱交換を行い、第２流体が加熱される。熱交換後の水蒸気は、水となり自重で第１熱交換器１３へと戻り、再度、水和反応していない蓄熱材と反応する。この一連の反応が、多孔体１９に担持された蓄熱材のほとんどが水和反応するまで繰り返される。

第１バルブ５及び第２バルブ７を閉じたままで、未反応の水を、第１流路１６内を流通する第１流体である排気ガスの排気熱等により水蒸気として蒸発させる。この水蒸気は、第２熱交換器１４を流れる第２流体である冷却水等と熱交換されて水となり自重で第１熱交換器１３側に戻り、排気ガスの排気熱等により再度加熱され蒸発する。この一連の反応が、バルブ５，７を閉じている間繰り返される。このように、本蓄熱装置１では、蓄熱材の放熱による第２流体である冷却水等の加熱と、第１流体である排気ガスの排気熱等による第２流体である冷却水等の加熱を併用することもできる。また、蓄熱材のほとんどが水和反応した後、第２流体である冷却水等の加熱が不要の場合には、第１バルブ５を開いて、未反応の水蒸気を水として凝縮部３において貯留するとともに、反応器２内を大気圧以下の減圧状態とすることで、第１流体である排気ガスの排気熱等により、第２流体である冷却水等を加熱することを抑制することができる。

次に、蓄熱装置１の蓄熱について説明する。

先ず、上記のように、多孔体１９に担持された蓄熱材は放熱した状態であるとともに、第１バルブ５と第２バルブ７は閉じた状態とする。この状態において、反応器２内は、大気圧以下の減圧状態に保たれている。

第１バルブ５を開き、第１流路１６内を流通する排気ガスの排気熱により、蓄熱材が脱水反応するまで加熱されると、脱水反応し、本実施例においては水酸化カルシウムが、水と酸化カルシウムに熱分解する。

脱水反応により生じた水蒸気は、第１配管４を通じて凝縮部３に導かれ、凝縮部３において冷却水で冷却されて水となり、水の状態で凝縮部３の流体流路２７に貯留される。完全に熱分解されたら第１バルブ５を閉じて蓄熱完了となる。この時、反応器２内は減圧状態、好ましくは真空状態となるので、第１流体である排気ガスの排気熱等により、第２熱交換器１４を流れる第２流体である冷却水等が加熱されることを抑制できる。

このように蓄熱装置１を構成したことにより、従来技術のように、冷却水等の第２流体の流路の迂回路を設けるとともに、その切り替えを行う必要がなく、構造やその制御を簡略化することができ、コストを低減できる。

蓄熱材を、多孔体１９に担持させたことにより、蓄熱材同士が車両等の振動による破損や、蓄熱材の反応による粉砕による凝集を防止できるとともに、蓄熱材の体積変化を吸収できる。また、水が蓄熱材間を流通する空間（経路）を確保できるために、反応効率が低下せずに、一定に保つことができる。

多孔体１９を、左右のプレート１８と１８、若しくは、プレート１８と反応器２を形成するケース２ａで挟持させたことで、伝熱効率を高めることができる。

第２熱交換器１４のプレート２１には、図６に示すように、第４流路２４側に突出するフィン２１ａを形成したことにより熱交換効率を高めることができる。

なお、凝縮部３内の水を、自重で、第１熱交換器１３の第２流路１７内に供給するようにしたが、ポンプを用いて行うようにしてもよい。

［実施例２］
前記実施例１においては、凝縮部３内で水蒸気や水を、冷却水を用いて冷却していたが、図８に示すように冷却水流路２８を設けずに、空冷により水蒸気等を冷却するようにしてもよい。この場合、流体流路２８を構成する周壁の内側に突出するフィン２９ａと、外側に放熱フィン２９ｂを形成することが好ましい。

その他の構造は、前記実施例１と同様であるのでその説明を省略する。

本実施例２においても、上記実施例１と同様の作用、効果を奏する。

［実施例３］
前記実施例１，２においては、反応器２内においては第１流路１６内のみに第１流体である排気ガス等を流通するようにしたが、反応器２内に第１熱交換器１３を収納する収納ケースを設けた二重構造とし、収納ケースと反応器２のケース２ａとの間の空間にも第１流体である排気ガス等を流通できるようにしてもよい。

このように、収納ケースと反応器２のケース２ａとの間の空間にも第１流体を流通させることにより、反応器２のケース２ａとプレート１８で挟持された多孔体１９に担持されている蓄熱材の放熱量を低減させ、その蓄熱材の温度を上げ、蓄熱材の熱分解の効率を上げることができる。

その他の構造は、前記実施例１，２と同様であるのでその説明を省略する。

本実施例３においても、上記実施例１，２と同様の作用、効果を奏する。

［実施例４］
前記実施例１，２において、図９に示すように、多孔体１９を挟持していた反応器２のケース２ａの外側に、熱電素子３５を設け、熱電素子３５の外側に放冷フィン３６を設けるようにしてもよい。熱電素子３５は熱伝導率が低く断熱材としての効果もあるため、反応器２のケース２ａとプレート１８で挟持された多孔体１９に担持されている蓄熱材の放熱量を低減するとともに、熱電素子３５により発電することができる。

本実施例４においても、上記実施例１，２と同様の作用、効果を奏する。

［その他の実施例］
前記実施例１〜４は、蓄熱装置１を、内燃機関を使用する車両などの排気系に適用したものであるが、本発明の蓄熱装置は、それ以外にも、蓄熱材を熱分解できる熱量を有する第１流体が流れ、この熱を利用して蓄熱し、その始動時等において、第２流体を加熱する必要がある工場設備等に適用することができる。

１蓄熱装置
２反応器
３凝縮部
１３第１熱交換器
１４第２熱交換器
１６第１流路
１７第２流路
１９多孔体
２３第３流路
２４第４流路
３０水供給部

Claims

第１流体が流通する第１流路と、熱により脱水反応を行って蓄熱するとともに、水和反応により放熱する蓄熱材が担持された多孔体を内部に備えた第２流路を有する第１熱交換器と、
第２流体が流通する第３流路と、前記第２流路と連通する第４流路を有する第２熱交換器を有する蓄熱装置であって、
前記第１熱交換器と第２熱交換器を内部に離間して備えた一つの反応器を設け、
該反応器と連通し、冷却するとともに水を貯留する凝縮部を設け、
前記蓄熱装置の搭載状態において、前記凝縮部内の水を、前記蓄熱材の上方の第２流路内に供給する水供給部を設け、
前記蓄熱材を蓄熱させた状態において、前記第２流路と前記第４流路内が減圧状態となるようにしたことを特徴とする蓄熱装置。
前記第１流路と第２流路を夫々複数有して、第１流路と第２流路を交互に位置させ、第１流路と第２流路を隔壁により区画し、
前記複数の隔壁、もしくは、前記隔壁と前記反応器を構成するケースとで前記多孔体を挟持したことを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
前記第３流路と第４流路を交互に位置させ、第３流路と第４流路を区画する隔壁の第４流路側に、フィンを形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄熱装置。