JP2010151328A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 蓄熱材１０が液相から固液混合相へ変化する濃度範囲を利用した蓄熱システムにおいて、液滴飛散した蓄熱材１０が固化してセパレータを閉塞せずに、小さな容積で高蓄熱量を実現できる蓄熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 希釈終了後に気液分離膜(容器開口部)１３０が蓄熱材１０と接触する構成にしたことにより、気液分離膜上で固化した蓄熱材１０が溶解されて気液分離膜の閉塞が解消でき、高蓄熱量の蓄熱装置が得られるものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、化学反応を利用した蓄熱装置の蓄熱量向上に関する。

熱エネルギーを蓄える蓄熱技術は、有効な省エネルギー技術として従来から利用されている。また近年、ＣＯ_２ヒートポンプや燃料電池コージェネレーションシステム（以下、「燃料電池コージェネ」）を利用した給湯機器が注目されているが、これらの機器を小型化し、設置性の向上を図るため、高密度蓄熱技術の開発が切望されている。

蓄熱技術を大別すると、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱および化学蓄熱の３つに分類され、顕熱、潜熱を利用した蓄熱方式は、蓄熱密度(蓄熱材単位重量あたりの蓄熱量)が小さいために蓄熱器が大型化する、あるいは、固液間の相変化において過冷却・過熱現象により操作上の問題があるなどの欠点がある。一方、化学反応を利用した蓄熱方式では、比較的低温状態で貯蔵できることにより貯蔵時の放熱ロスを大幅削減できたり、蓄熱密度を大きくできたりするなど、顕熱や潜熱を利用した方式に比べ有効である。

化学蓄熱はさらに、利用する化学反応によって、吸着系、水素吸蔵合金系、有機反応系、無機反応系などに分類されるが、その代表的な蓄熱システムを第５図に示す。この装置は、媒体タンク１００と蓄熱液タンク５００と媒体熱交換器２００と蓄熱液熱交換器６００により構成され、媒体１０および蓄熱液２０がサンプルノズル２２０・６２０によって伝熱管２１０・６１０の表面に散布されて効率よく蒸発あるいは凝縮(吸収)し、その際の発熱・吸熱が熱エネルギーとして利用されるシステムである。この構造では、ノズルにより微細な液滴を発生させるために媒体蒸気流への液滴同伴飛散があり、その防止のためミストセパレータ(気水分離器)３００が必要となる。さらには、蒸気の排出・吸収を効率よく行うための空間が必要なため、ミストセパレータは媒体蒸発面から離して設置しなければならないし、熱交換器の小型化が図れないという欠点がある。

この熱交換器の小型化の問題を解決するために、特許文献１では、多孔性材料を利用した第６図に示すシステムが提案されている。装置は、蓄熱液タンク５５０と媒体タンク１５０と蒸気通路４００により構成され、両タンク５５０・１５０は内部を多孔性材料１０００・１１００によって液室７５０・７６０と気室７００・７１０にそれぞれ仕切られている。液室７５０・７６０には伝熱管６１０・２１０が設置され、蓄熱液２０と媒体１０とが常に多孔質材料１０００・１１００と接するようにそれぞれ納められている。蓄熱液２０および媒体１０が伝熱管により加熱あるいは冷却されると、媒体蒸気のみが多孔性材料を通過して、蒸発あるいは凝縮(吸収)が行われる。

但し、これらの蓄熱プロセスにおいて、蓄熱材は常に液相のままであり、化学反応は全て媒体蒸気との反応である。
特開昭61-180891号公報

しかしながら、蓄熱材が液相から固液混合相へ変化する濃度範囲を利用した蓄熱システムの場合には、第５図のようにミストセパレータが媒体蒸発面から離されて設置された構成では液滴同伴飛散した蓄熱材が固化してセパレータを閉塞させたり、第６図のように多孔性材料が常に蓄熱材に接する構成では蓄熱材の体積変化起因の負荷によって多孔性材料
の性能劣化を促進させたり、第５図の構成と同様に多孔性材料を閉塞させたりして、蓄熱材と媒体との反応が進まなくなり、その結果蓄熱量が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、小さな容積で高蓄熱量を実現できる蓄熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、水と前記水の脱着を伴う可逆反応によって蓄熱または放熱しうる化学物質とを混合した蓄熱材と、前記蓄熱材を加熱および冷却する蓄熱材熱交換器と、前記蓄熱材を内部に収容する蓄熱材容器と、前記蓄熱材容器の内部と連通し、前記蓄熱材を希釈する希釈液を供給する希釈液流入経路と、前記希釈液が供給前は、前記蓄熱材と非接触であり、前記蓄熱材容器の内部と外部とを気相のみ連通させる気液分離膜とを備え、前記希釈液が必要量供給されると、前記気液分離膜が希釈された前記蓄熱材に接触する蓄熱装置である。

本発明によれば、希釈液が供給されたときのみ、気液分離膜と蓄熱材とが接するため、気液分離膜の性能劣化を抑制しつつ、気液分離膜の閉塞が解消することが出来る。

以下、本発明の実施の形態における蓄熱装置２００について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は本実施の形態における化学蓄熱システムの構成図であり、図２は化学蓄熱システムを構成する蓄熱装置２００の蓄熱材容器１００の詳細図である。

まず、図１をもちいて、化学蓄熱システムの構成について説明する。

本発明に用いる化学蓄熱システムは、ヒートポンプ回路３００と、蓄熱装置２００とを有し、ヒートポンプ回路３００のガスクーラー３２０で加熱した水を蓄熱装置２００に送る加熱水サイクルと、蒸発器３１０で冷却した水を蓄熱装置２００に送る冷却水サイクルとで構成されている。

ヒートポンプ回路３００は、冷媒を圧縮機３３０と、圧縮機３３０で圧縮された冷媒と加熱水サイクルの水と熱交換するガスクーラー３２０と、ガスクーラー３２０で熱交換した冷媒を膨張する膨張弁３４０と、膨張弁３４０で膨張された冷媒と、大気及び冷却水サイクルの水とを熱交換し、冷媒を圧縮機３３０に送る蒸発器３１０とで構成されている。

加熱水サイクルは、水を加熱水ポンプ４２０によって、ヒートポンプ回路３００のガスクーラー３２０と蓄熱材熱交換器１４０とを循環させている。さらに、加熱水サイクルに、第１の三方弁４４０と第２の三方弁４５０とが設置されており、これら２つの弁を切り替えて給水ポンプ４３０によって加熱水サイクルに水道水を供給、加熱水サイクルから温水の提供を行なうことが出来る。

冷却水サイクルは、ヒートポンプの蒸発器３１０と、蓄熱装置２００の凝縮器２１０の伝熱管２１０aを冷却水ポンプ４１０によって水を循環させている。

蓄熱装置２００は、蓄熱材１０を充填した蓄熱器１００と、蓄熱器１００内で、蓄熱材１０より発生する希釈液蒸気４０を伝熱管２１０aで凝縮し、凝縮液容器２１０bに貯留す
る凝縮器２１０と、凝縮液容器２１０bに貯留された希釈液２０を再び蓄熱器１００へ供給する希釈液ポンプ２２０からなる。

次に、図２を用いて、蓄熱器１００について詳細に説明する。

また蓄熱器１００は、蓄熱材１０と、蓄熱材１０を加熱および冷却する蓄熱材熱交換器１４０と、蓄熱材１０と蓄熱材熱交換器１４０を内部に有する蓄熱材容器１００と、蓄熱材１０を希釈する希釈液２０を供給する希釈液流入経路１２０と、蓄熱材容器１００の上面に、蓄熱材容器１００と蓄熱材容器１００の外部とを気相のみ連通させる気液分離膜(容器開口部)１３０からなる。

気液分離膜１３０としては、例えばPTFE（四フッ化エチレン樹脂）が用いられる。本実施の形態では、住友電工ファインポリマー(株)製の孔径５μｍ、厚み100μｍの疎水膜(品名:ポアフロンメンブレン、型番：WP-500-100)を用いた。

希釈液流入経路１２０は蓄熱材容器１００の下部に設けられ、蓄熱材容器１００の下面に設けられた多数の供給口より希釈液２０が供給される。さらに、蓄熱材容器１００に充填された蓄熱材１０の高さは、希釈液２０の所定量を供給終了後に、蓄熱材１０の上方に設置された気液分離膜(容器開口部)１３０が蓄熱材１０に接するように決定される。

以上のように構成された化学蓄熱システムについて、第１図および第３図に基づいて、以下、その動作を説明する。

蓄熱行程では、ヒートポンプ回路３００の冷媒とガスクーラー３２０で熱交換を行い加熱された水(約８０度)が、加熱水ポンプ４２０により蓄熱装置２００に供給される。蓄熱行程の開始時の蓄熱器１００は第３図の1)のような状態で、蓄熱材１０の温度も低い状態である。

加熱水は、蓄熱材熱交換器１４０に送られ、蓄熱材１０と熱交換する。加熱水によって蓄熱材１０が加熱されてある程度の温度に至ると、蓄熱材１０から飛散蓄熱材３０をともなって希釈液蒸気４０が発生する。この時、第３図の2)のように、飛散蓄熱材３０は気液分離膜１３０を透過できず、希釈液蒸気４０のみが蓄熱材容器１００より放出される。その後、希釈液蒸気４０は凝縮器２１０に供給され、伝熱管２１０aで凝縮して凝縮液(希釈液２０)が凝縮液容器２１０bに保持される。

この際に、蓄熱材１０から希釈液２０が蒸発して所定の濃度に至った蓄熱行程終了時には、蓄熱器１００の気液分離膜１３０上には、第３図の3)のように飛散蓄熱材３０が貼り付き、ほぼ閉塞された状態となっている。

なお、この蓄熱行程において蓄熱材１０と気液分離膜１３０は、第３図の1)−3)に示されるように常に離れている。

放熱行程では、まず、凝縮液容器２１０bに保持されている希釈液２０が希釈液ポンプ２２０により、蓄熱器１００に供給される。蓄熱器１００に供給された希釈液２０は、第３図の4)のように、希釈液供給経路より蓄熱材容器１００下方から蓄熱材容器１００に保持される蓄熱材１０に供給され、密度差によって上昇する。希釈液２０の上昇過程で蓄熱材１０と希釈液２０は混合して発熱反応し、さらに高温(約９５度)となる。蓄熱材容器１００内に所定量の希釈液２０が供給されると希釈は終了し、第３図の5)のように気液分離膜１３０は蓄熱材１０に接触して、気液分離膜１３０を閉塞していた飛散蓄熱材３０が取り除かれる。

このとき、第１の三方弁４４０は給水ポンプ４３０の側、第２の三方弁４５０は供給先側に開かれており、給水ポンプ４３０によって供給された水は、蓄熱材熱交換器１４０で蓄熱材１０と熱交換して加熱され、第２の三方弁４５０を通って需要家に温水が供給される。また、放熱終了後には、第３図の6)のように、蓄熱材１０と気液分離膜１３０は離れた状態となる。

このように、蓄熱行程で蓄熱材１０と気液分離膜１３０が離れる構造にすることにより、蓄熱材１０の体積変化起因の負荷による気液分離膜１３０の劣化を防止することができ、希釈終了時に気液分離膜１３０が蓄熱材１０接する構造にすることにより、気液分離膜１３０上で固化した蓄熱材１０を溶解させて気液分離膜１３０の閉塞を防止することができる。これらの効果により、蓄熱量の低下を抑制することができる。

なお、気液分離膜１３０と蓄熱材１０とが接する際に、気液分離膜１３０を蓄熱材１０で浸漬させると、気液分離膜１３０上で固化した蓄熱材１０を溶解が進みやすく、より蓄熱量の低下を抑制することができる。

なお、ヒートポンプ回路３００中の冷媒としては二酸化炭素などが使用される。また、冷却用の熱媒体としては、水に限定されるものではなく、不凍液、熱媒油等を用いても良い。加熱用の熱媒体については、第１図の蓄熱システムでは蓄熱材１０の加熱と需要家への供給水加熱とに蓄熱材熱交換器１４０を共用しているため水を用いるが、それぞれに熱交換器を設置して完全に循環流路を分離した場合には、同様に熱媒油等が使用できる。

また、蓄熱材１０には、相対湿度に対する吸水量の差が大きい材料が使用され、塩化カルシウム６水和物や臭化カルシウム６水和物等がある。

第２図および第３図に示す蓄熱材容器１００では、気液分離膜１３０は蓄熱部の上面に設置されているが、濃度および温度による密度変化を利用して、蓄熱行程では気液分離膜１３０の少なくとも一部が蓄熱材１０と離れ、希釈終了時には気液分離膜１３０が蓄熱材１０と接する構造であれば、第４図の蓄熱材容器１００のように側面上部に気液分離膜１３０を設置してもよい。

本発明の蓄熱装置は、家庭用・産業用に限らず、小さな設置空間で高蓄熱量を実現できる暖房システムあるいは給湯システムとして有用である。

本発明の実施の形態における化学蓄熱システムの構成図 本発明の実施の形態における蓄熱器の構成図 本発明の実施の形態における蓄熱材容器の蓄熱・放熱過程の図 本発明の蓄熱材容器の別の一例の図 特許文献１に記載の化学蓄熱装置(図６)の構成図 特許文献１に記載の化学蓄熱装置(図１)の構成図

符号の説明

１０ 蓄熱材
２０ 希釈液
３０ 飛散蓄熱材
４０ 希釈液蒸気
１００ 蓄熱器
１１０ 蓄熱材容器
１２０ 希釈液流入経路
１３０ 気液分離膜(容器開口部)
１４０ 蓄熱材熱交換器
２００ 蓄熱装置
２１０ 凝縮器
２１０a 伝熱管
２１０b 凝縮液容器
２２０ 希釈液ポンプ
３００ ヒートポンプ回路
３１０ 蒸発器
３２０ ガスクーラー
３３０ 圧縮機
３４０ 膨張弁
４１０ 冷却水ポンプ
４２０ 加熱水ポンプ
４３０ 給水ポンプ
４４０ 第１の三方弁
４５０ 第２の三方弁

Claims (4)

1. 希釈液との可逆反応によって蓄熱または放熱しうる化学物質とを混合した、蓄熱材と、
   前記蓄熱材を加熱および冷却する蓄熱材熱交換器と、
   前記蓄熱材を内部に収容する蓄熱材容器と、
   前記蓄熱材容器の内部と連通し、前記蓄熱材を希釈する希釈液を供給する希釈液流入経路と、
   前記希釈液が供給前は、前記蓄熱材と非接触であり、前記蓄熱材容器の内部と外部とを気相のみ連通させる気液分離膜とを備え、
   前記希釈液が必要量供給されると、前記気液分離膜が希釈された前記蓄熱材に接触する蓄熱装置。
2. 前記蓄熱材が、塩化カルシウム６水和物もしくは臭化カルシウム６水和物である、請求項１のいずれかに記載の蓄熱装置。
3. 前記器液分離膜が、前記蓄熱材容器の上面の少なくとも一部に設けられた、請求項１もしくは２のいずれかに記載の蓄熱装置。
4. 前記気液分離膜が、前記蓄熱材容器の側面の少なくとも一部に設けられた、請求項１もしくは2のいずれかに記載の蓄熱装置。