JP2012211713A - 化学蓄熱反応器及び化学蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材に供給される水蒸気の流路を確保すると共に蓄熱材の反応性の低下を抑制する。
【解決手段】反応器２０は、熱媒が流れる熱媒流路２４、２５と、熱媒流路２４、２５で挟まれた水蒸気流路となる反応容器２２と、反応容器２２内の中央に設けられた主管部２６と、反応容器２２内で主管部２６の両外側に設けられた支管部２８Ａ、２８Ｂと、反応容器２２内で支管部２８Ａ、２８Ｂの両外側に設けられた蓄熱材３０Ａ、３０Ｂと、を有している。ここで、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが水和反応で膨張したとき、主管部２６がこの膨張を抑制又は吸収すると共に、支管部２８Ａ、２８Ｂが水蒸気のみを通過させるので、水蒸気の流路を確保することができ、より多くの水蒸気を蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに供給して蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの反応性の低下を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応によって蓄熱する化学蓄熱反応器及び化学蓄熱システムに関する。

特許文献１には、アルカリ土類金属酸化物（蓄熱材）を充填した反応器に水を供給し、アルカリ土類金属酸化物の水和反応に伴い発生する熱を利用して、エンジン始動時に触媒部、冷却水部、空気吸入部などを加熱する化学発熱装置が記載されている。特許文献１の反応器では、複数の酸化カルシウム成型体の積層層間に耐熱性の多孔質部材を挟み込むことにより、水の流路を確保している。

特開平７−１８０５３９号

ここで、特許文献１の化学発熱装置において、蓄熱材の水和膨張圧は数ＭＰａ程度と大きいので、隙間に挟んだ多孔質部材の圧縮変形又は崩壊を防ぐためには、多孔質部材の気孔率を低下させる（８０％程度以下にする）必要がある。しかし、多孔質部材の気孔率を低下させた場合、圧力損失が大きいため水蒸気分圧が低下し、蓄熱材の反応性が低下することになる。また、多孔質部材の熱容量が大きいため、利用可能な熱量が低下してしまうという課題がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、蓄熱材に供給される水蒸気の流路を確保すると共に蓄熱材の反応性の低下を抑制することができる化学蓄熱反応器及び化学蓄熱システムを得ることを目的とする。

本発明の請求項１に係る化学蓄熱反応器は、熱媒体が流れる媒体流路と、前記媒体流路に隣接して設けられ水蒸気が流れる容器と、前記容器内の前記媒体流路側に設けられ、水蒸気による水和反応で発熱し、加熱による脱水反応で蓄熱する蓄熱材と、前記容器内で前記蓄熱材の前記媒体流路側とは反対側に設けられ、前記蓄熱材の平均粒径よりも狭い流路を通じて水蒸気を通過させる支管部と、前記容器内で前記支管部の前記蓄熱材側とは反対側に設けられ、水蒸気が流れると共に前記蓄熱材の膨張を抑制又は吸収する主管部と、を有する。

上記構成によれば、水蒸気が、水蒸気の流路となる容器内の主管部を流れ、主管部から支管部を通って蓄熱材に到達する。そして、蓄熱材と水蒸気との水和反応により蓄熱材が発熱し、この発熱による熱量によって媒体流路内の熱媒体が加熱される。

ここで、蓄熱材が水和反応により膨張したとき、主管部が蓄熱材の膨張を抑制又は吸収するので、主管部及び支管部が潰れることがなくなり、主管部から蓄熱材までの水蒸気の流路を確保することができる。さらに、支管部において、蓄熱材の平均粒径よりも狭い流路を通じて水蒸気を通過させるので、平均粒径よりも大きい蓄熱材は支管部を通過しなくなる。これにより、膨張した蓄熱材の一部が崩壊して粉末状となっても、この粉末状の蓄熱材が支管部を通って主管部側へ脱落することがなくなるので、主管部が蓄熱材で閉塞されることが抑制され、水蒸気が蓄熱材へ供給されて、蓄熱材の反応性の低下を抑制することができる。

本発明の請求項２に係る化学蓄熱反応器は、前記主管部は、水蒸気が流れる方向に沿って設けられ前記蓄熱材の膨張を抑制又は吸収する壁部を複数有し、水蒸気が流れる方向と直交する直交方向における複数の前記壁部の断面積が、該直交方向における前記主管部内の水蒸気の流路の断面積の５％以上、２０％以下の大きさである。

上記構成によれば、複数の壁部によって蓄熱材の膨張が抑制又は吸収されるので、主管部が潰れるのを抑制することができる。さらに、複数の壁部の間が水蒸気の流路となり、且つ壁部の断面積の比率が主管部内の水蒸気の流路の断面積の５％以上、２０％以下に抑えられているので、水蒸気の流路を確保すると共に水蒸気分圧の低下による反応性の低下を抑制することができる。

本発明の請求項３に係る化学蓄熱反応器は、前記主管部は、前記直交方向における断面形状が凹凸を繰り返す形状とされた波板である。

上記構成によれば、波板が同様の凹凸を繰り返す形状となっており、各凹部又は凸部の大きさが均等となるので、主管部の各部における蓄熱材の膨張に対する強度が同等になると共に、水蒸気の供給量も均等となる。これにより、蓄熱材の各部における水和反応状態が均一となり、熱媒体の加熱むらを抑制することができる。

本発明の請求項４に係る化学蓄熱反応器は、前記波板は、前記直交方向の断面形状が矩形波状である。

上記構成によれば、矩形波状の波板は、湾曲した波形に比べて支管部との接触面積が多く且つ応力集中が少ないので、水和反応により蓄熱材が膨張しとき、蓄熱材が崩壊しにくい。これにより、蓄熱材を長期間使用することができる。

本発明の請求項５に係る化学蓄熱反応器は、前記波板は、前記直交方向の断面形状が、前記支管部と接触する頂部が丸められた波形状である。

上記構成によれば、頂部が丸められた波形状の波板は、Ｖ字状の波板の先端（頂部）を支管部に接触させる構成に比べて、頂部と支管部の接触面積が多くなるので、水和反応により蓄熱材が膨張しとき、蓄熱材が崩壊しにくい。これにより、蓄熱材を長期間使用することができる。

本発明の請求項６に係る化学蓄熱反応器は、前記波板の前記直交方向における断面の凹から凸までの１ピッチの長さが、該直交方向における前記蓄熱材の断面の厚さの７倍以下である。

上記構成によれば、波板の直交方向における断面の凹から凸までの１ピッチの長さを、該直交方向における蓄熱材の断面の厚さの７倍以下とすることにより、蓄熱材中の最も長い水蒸気拡散距離が蓄熱材の厚さの２倍以下となる。即ち、必要とされる水蒸気の拡散距離が短くなるので、蓄熱材と水蒸気の反応を確実に行うことができ、蓄熱材と水蒸気の反応性の低下を抑制することができる。

本発明の請求項７に係る化学蓄熱反応器は、前記支管部は、メッシュ状の構造体で構成されている。

上記構成によれば、支管部がメッシュ状の構造体であるため、水和反応により膨張した蓄熱材の崩壊した部位の粉末脱落を防止することができる。さらに、支管部の厚さが薄くなるため、水蒸気の透過性を向上させることができる。

本発明の請求項８に係る化学蓄熱システムは、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の化学蓄熱反応器と、前記容器に気密状態で連通され、水を蒸発させて前記容器に供給する蒸発部と、を有する。

上記構成によれば、化学蓄熱反応器における蓄熱材の反応性の低下が抑制されるので、化学蓄熱システムにおける熱媒体の加熱効率の低下を抑制することができる。

本発明は、上記構成としたので、蓄熱材に供給される水蒸気の流路を確保すると共に蓄熱材の反応性の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る化学蓄熱システムの概略構成を示す全体図である。 （Ａ）本発明の実施形態に係る反応器の内部の構成図である。（Ｂ）本発明の実施形態に係る反応器のＡ−Ａ´断面図である。 本発明の実施形態に係る主管部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る主管部のピッチ、蓄熱材の厚さ、及び最大蒸気拡散距離を示す模式図である。 （Ａ）本発明の実施形態に係る化学蓄熱システムにおいて水和反応による熱媒の加熱状態を示す説明図である。（Ｂ）本発明の実施形態に係る化学蓄熱システムにおいて熱媒による加熱で脱水反応を行うときの凝縮状態を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る主管部及び支管部の作用を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る化学蓄熱システムにおける蓄熱材の反応平衡線及び水の気液平衡線を温度と平衡圧との関係で示す線図である。 （Ａ）本発明の実施形態に係る反応器の第２実施例を示す断面図である。（Ｂ）本発明の実施形態に係る反応器の第３実施例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る反応器の第４実施例を示す断面図である。 （Ａ）本発明の実施形態に係る主管部の第４実施例（図９の主管部の一部）を示す斜視図である。（Ｂ）本発明の実施形態に係る主管部の第５実施例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る反応器の第５実施例を示す構成図である。

本発明の実施形態に係る化学蓄熱反応器及び化学蓄熱システムの一例について説明する。

図１には、実施形態の一例としての化学蓄熱システム１０の概略構成が示されている。化学蓄熱システム１０は、水（Ｈ_２Ｏ）の蒸発、凝縮が行われる蒸発部の一例としての蒸発凝縮器１２と、後述する蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの水和反応又は脱水反応が行われる化学蓄熱反応器の一例としての反応器２０と、蒸発凝縮器１２及び反応器２０に接続されこれらの内部を連通させる水蒸気流路１４と、を含んで構成されている。なお、本実施形態では一例として、化学蓄熱システム１０を自動車（図示省略）に適用している。

蒸発凝縮器１２は、貯留した水を蒸発させて反応器２０に供給する（水蒸気を生成する）蒸発部、反応器２０から導入された水蒸気を凝縮する凝縮部、及び水蒸気が凝縮された水を貯留する貯留部としての各機能を兼ね備えている。また、蒸発凝縮器１２は、内部に水を貯留した容器１６を有しており、容器１６内に水蒸気の凝縮用の冷媒流路１７及び蒸発用のヒータ１８が設けられている。冷媒流路１７は、容器１６内における少なくとも気相部１６Ａを含む部分で熱交換を行うように設けられており、ヒータ１８は、容器１６内における少なくとも液相部（貯留部）１６Ｂを含む部分で通電により加熱を行うように設けられている。

水蒸気流路１４には、蒸発凝縮器１２（容器１６）と反応器２０（後述する反応容器２２）との連通、非連通を切り替えるための開閉弁１９が設けられている。容器１６、反応容器２２、水蒸気流路１４、及び開閉弁１９は、互いの接続部位が気密に構成されており、これらの内部空間が予め真空脱気されている。

次に、反応器２０について説明する。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反応器２０は、内部を熱媒体（以後、熱媒という）が流れる媒体流路の一例としての熱媒流路２４、２５と、熱媒流路２４、２５に隣接して設けられ水蒸気流路１４から水蒸気が流れる（水蒸気の流路となる）容器の一例としての反応容器２２と、反応容器２２内の熱媒流路２４、２５側に設けられた蓄熱材３０Ａ、３０Ｂと、反応容器２２内で蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの熱媒流路２４、２５側とは反対側に設けられた支管部２８Ａ、２８Ｂと、反応容器２２内で支管部２８Ａ、２８Ｂの蓄熱材３０Ａ、３０Ｂ側とは反対側に設けられた主管部２６と、を含んで構成されている。

なお、以後の説明では、反応容器２２において、主管部２６、支管部２８Ａ、２８Ｂ、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの配列方向を矢印Ｙ方向、矢印Ｙ方向と直交し且つ水蒸気が流れる方向を矢印Ｘ方向、矢印Ｘ方向及び矢印Ｙ方向と直交する直交方向を矢印Ｚ方向とする。また、反応容器２２内への水蒸気の流入方向、流出方向を区別する場合は、流入方向を矢印＋Ｘ方向、流出方向を矢印−Ｘ方向とする。

ここで、図２（Ａ）、（Ｂ）の上下方向が矢印Ｙ方向となっており、反応容器２２内では、下側から上側へ向けて、蓄熱材３０Ｂ、支管部２８Ｂ、主管部２６、支管部２８Ａ、蓄熱材３０Ａの順で積層された構成となっている。そして、反応容器２２の下側に隣接して熱媒流路２５が配置され、反応容器２２の上側に隣接して熱媒流路２４が配置されている。なお、本実施形態では一例として、Ｘ−Ｙ面が鉛直面となるように反応器２０が配置されているが、これに限らず、Ｘ−Ｙ面が水平面となるように反応器２０を配置してもよい。

熱媒流路２４、２５は、一例として、角筒状のステンレス鋼で構成されており、熱媒が流入する扁平矩形状の流入口２４Ａ、２５Ａと、熱媒が流出する扁平矩形状の流出口２４Ｂ、２５Ｂとを有している。なお、流入口２４Ａ、２５Ａから熱媒流路２４、２５内への熱媒の流入を矢印Ａで示しており、熱媒流路２４、２５内から流出口２４Ｂ、２５Ｂへの熱媒の流出を矢印Ｂで示している。矢印Ａ、Ｂは、共に矢印Ｘ方向に沿っている。

熱媒は、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂからの熱を加熱対象に輸送するためのものであり、本実施形態では、熱媒の一例として、自動車（図示省略）のエンジンオイルを用いている。なお、熱媒の他の例として、排気ガス、電気ヒータ（図示省略）で加熱された空気、冷却水等の流体を用いてもよく、あるいは、流体ではなく触媒を用いて、この触媒を温めるようにしてもよい。

一方、反応容器２２は、直方体状の容器であり、矢印Ｘ方向の一方の側壁の矢印Ｙ方向中央部分に開口部２２Ａが形成されている。そして、開口部２２Ａには、水蒸気流路１４の一端が接続されている。また、反応容器２２内で開口部２２Ａと対向する部位には、主管部２６が配置されている。

図２（Ｂ）及び図３に示すように、主管部２６は、一例として、プレス加工により矢印Ｚ方向における断面形状（Ｙ−Ｚ面）が凹凸を繰り返す矩形波状とされた、ステンレス鋼から成る波板（壁部）で構成されている。具体的には、矢印Ｚ方向に間隔をあけて直立配置された複数の側壁２６Ａと、矢印Ｚ方向で１つおきに２つの側壁２６Ａの上端部を繋ぐ上壁２６Ｂと、上壁２６Ｂとずらして矢印Ｚ方向で１つおきに２つの側壁２６Ａの下端部を繋ぐ下壁２６Ｃとで構成されている。

側壁２６Ａは、矢印Ｘ方向を長手方向、矢印Ｙ方向を短手方向とする矩形状に形成されており、上壁２６Ｂ及び下壁２６Ｃは、矢印Ｘ方向を長手方向、矢印Ｚ方向を短手方向とする矩形状に形成されている。そして、主管部２６は、２つの側壁２６Ａと１つの下壁２６Ｃとで「コ」字状に囲まれた上側流路２７Ａと、２つの側壁２６Ａと１つの上壁２６Ｂとで「コ」字状に囲まれた下側流路２７Ｂとを有しており、複数の上側流路２７Ａ及び複数の下側流路２７Ｂに水蒸気が流入するようになっている。

また、主管部２６は、一例として、複数の側壁２６Ａ、上壁２６Ｂ、及び下壁２６ＣのＹ−Ｚ面の合計断面積（Ｓ１とする）が、該Ｙ−Ｚ面における複数の上側流路２７Ａ及び下側流路２７Ｂの合計流路断面積（Ｓ２とする）の１０％となっている。即ち、（Ｓ１／Ｓ２）×１００＝１０％となっている。なお、合計断面積Ｓ１と合計流路断面積Ｓ２との比率の好ましい設定範囲については後述する。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、支管部２８Ａ、２８Ｂは、メッシュ状の構造体の一例としてのステンレスメッシュで構成されており、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの平均粒径より小さいろ過精度を有している。これにより、支管部２８Ａ、２８Ｂでは、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの平均粒径より狭い流路を水蒸気が通過する一方、平均粒径よりも大きい蓄熱材３０Ａ、３０Ｂを通過させないようになっている。なお、ろ過精度とは、ろ過効率が５０〜９８％となる粒子径のことであり、ろ過効率とは、ある粒子径の粒子に対する除去効率である。

また、支管部２８Ａは、主管部２６の複数の上壁２６Ｂと接触して配置されており、支管部２８Ｂは、主管部２６の複数の下壁２６Ｃと接触して配置されている。これにより、支管部２８Ａ、２８Ｂは、主管部２６からの力を一部に集中させずに分散させ、面圧に変換する役割を担っている。

蓄熱材３０Ａ、３０Ｂは、一例として、アルカリ土類金属の酸化物の１つである酸化カルシウム（ＣａＯ）の成形体が用いられている。この成形体は、例えば、酸化カルシウム粉体をバインダ（例えば粘土鉱物等）と混練し、焼成することで、略矩形ブロック状に形成されている。また、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂは、反応容器２２の内壁面に周囲を密着させた状態で配置（挿入）されている。

ここで、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂは、水和に伴って放熱（発熱）し、脱水に伴って蓄熱（吸熱）するものであり、反応器２０内では、以下に示す反応で放熱、蓄熱を可逆的に繰り返し得る構成とされている。
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）_２

この式に蓄熱量、発熱量Ｑを併せて示すと、
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ
Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ
となる。なお、一例として、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、１．８６［ＭＪ／ｋｇ］とされている。

なお、本実施形態において、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの粒径とは、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが粉体の場合はその平均粒径、粒状の場合は造粒前の粉体の平均粒径、成形体の場合は成形前の造粒粉の平均粒径とする。これは、粒や成形体が崩壊する場合、前工程の状態に戻ると推定されるためである。

一方、図４に示すように、主管部２６では、Ｙ−Ｚ面における凹（下壁２６Ｃ）から凸（上壁２６Ｂ）までの１ピッチの長さ（矢印Ｚ方向における３つの側壁２６Ａの幅）Ｐが、Ｙ−Ｚ面における蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの矢印Ｙ方向の厚さＴの７倍以下、即ち、Ｐ≦７Ｔとなるように、１ピッチの長さＰが設定されている。これは、ピッチＰが大きくなると、水蒸気拡散距離Ｌが長くなり、水蒸気と蓄熱材３０Ａ、３０Ｂとの反応性が低下するためである。

なお、１ピッチの長さＰは、次のように導出している。図４において、支管部２８Ｂの厚さが蓄熱材３０Ｂの厚さＴに比べて薄いため、反応容器２２の内壁２２Ｂから主管部２６の下壁２６Ｃまでの距離を、蓄熱材３０Ｂの厚さＴとする。また、下壁２６Ｃの矢印Ｚ方向の一方の端点をＣ、下壁２６Ｃの垂直二等分線Ｍ（実際は面）と内壁２２Ｂとの交点をＤ、下壁２６Ｃの矢印Ｚ方向における中点をＥとする。このとき、主管部２６から蓄熱材３０Ｂへ向けて拡散する水蒸気の最大距離（最大水蒸気拡散距離）は、線分ＣＤ＝Ｌとなる。

ここで、矢印Ｚ方向における上壁２６Ｂの幅と下壁２６Ｃの幅が等しいものとすると、直角三角形ＣＥＤについて、Ｌ^２＝Ｔ^２＋（Ｐ／４）^２が成立する。また、水蒸気と蓄熱材３０Ｂとの反応性を考えると、最大水蒸気拡散距離Ｌは、蓄熱材３０Ｂの厚さＴの２倍以下がよい。つまり、Ｌ≦２Ｔであり、Ｌ^２≦４Ｔ^２とすることが好ましい。これら２つの式からＰとＴの関係をまとめると、Ｐ^２≦４８Ｔ^２、即ちＰ≦７Ｔが得られる。

次に、本実施形態の作用について説明する。

図５（Ａ）に示すように、化学蓄熱システム１０において反応器２０に蓄熱された熱を放熱する際には、開閉弁１９を開放した状態で、蒸発凝縮器１２のヒータ１８により液相部１６Ｂの水を蒸発させる。そして、生成された水蒸気が水蒸気流路１４内を矢印＋Ｘ方向に移動して、反応器２０内に供給される。

続いて、図６に示すように、反応器２０内では、供給された水蒸気Ｗが主管部２６の複数の上側流路２７Ａ及び下側流路２７Ｂ内を流れる。そして、上側流路２７Ａ内の水蒸気Ｗが支管部２８Ａを通過して蓄熱材３０Ａと接触することにより、蓄熱材３０Ａは、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱媒流路２４内を流れる熱媒によって、加熱対象に輸送される。同様に、下側流路２７Ｂ内の水蒸気Ｗが支管部２８Ｂを通過して蓄熱材３０Ｂと接触することにより、蓄熱材３０Ｂは、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱媒流路２５内を流れる熱媒によって、加熱対象に輸送される。

一方、図５（Ｂ）に示すように、化学蓄熱システム１０において反応器２０の蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに蓄熱する際には、開閉弁１９を開放した状態で、熱媒流路２４、２５内に熱源（図示省略）によって加熱された熱媒を流通させる。この熱媒によって加熱されることで、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに蓄熱される。このとき、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂから脱水された水蒸気は、支管部２８Ａ、２８Ｂから主管部２６を通り、さらに水蒸気流路１４を流れて蒸発凝縮器１２内に導入される。そして、蒸発凝縮器１２の気相部１６Ａにおいて、冷媒流路１７を流通する冷媒によって水蒸気が冷却され、凝縮された水が容器１６の液相部１６Ｂに貯留される。

以上説明した蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの蓄熱、放熱について、図７に示す化学蓄熱システム１０のサイクル（一例）を参照しつつ補足する。図７には、ＰＴ線図に示された圧力平衡点における化学蓄熱システム１０のサイクルが示されている。この図において、上側の等圧線が脱水（吸熱）反応を示し、下側の等圧線が水和（発熱）反応を示している。

このサイクルでは、例えば、蓄熱材の温度が４１０℃で蓄熱された場合、水蒸気は５０℃が平衡温度となる。そして、化学蓄熱システム１０では、水蒸気は蒸発凝縮器１２（図１参照）において冷媒流路１７の冷媒との熱交換によって５０℃以下に冷却され、凝縮されて水になる。

一方、ヒータ１８（図１参照）により加熱を行うことで、該ヒータ１８の温度に応じた蒸気圧の水蒸気が発生する。例えば、図７のサイクルにおいて、５℃で水蒸気を発生させる場合、蓄熱材は３１５℃で放熱することが解る。このように、内部が真空脱気されている化学蓄熱システム１０では、５℃付近の低温熱源から熱を汲み上げて、３１５℃もの高温を得ることができる。

ここで、本実施形態の反応器２０では、図６に示すように、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが水和反応により膨張したとき、主管部２６の上壁２６Ｂに対して矢印Ｙ方向下向きの押圧力Ｆ１が作用し、下壁２６Ｃに対して矢印Ｙ方向上向きの押圧力Ｆ２が作用するが、主管部２６では、複数の側壁２６Ａによって押圧力Ｆ１、Ｆ２に抵抗する。これにより、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの膨張が抑制又は吸収されるので、主管部２６自体及び支管部２８Ａ、２８Ｂが潰れることがなくなり、主管部２６から蓄熱材３０Ａ、３０Ｂまでの水蒸気の流路を確保することができる。

また、反応器２０では、支管部２８Ａ、２８Ｂにおいて、水蒸気は通過するが平均粒径より大きい蓄熱材３０Ａ、３０Ｂは通過しないので、膨張した蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの一部が崩壊して粉末状となることがあっても、この粉末状の蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが支管部２８Ａ、２８Ｂを通って主管部２６側へ脱落することがなくなる。これにより、主管部２６が蓄熱材３０Ａ、３０Ｂで閉塞されることが抑制され、水蒸気が蓄熱材３０Ａ、３０Ｂへ供給されるので、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの反応性の低下を抑制することができる。

さらに、反応器２０では、主管部２６が、Ｙ−Ｚ面の断面形状が凹凸を繰り返す矩形波状となっており、各凹部（上側流路２７Ａ）又は凸部（下側流路２７Ｂ）の大きさが均等となっているので、主管部２６の各部における蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの膨張に対する強度が同等になると共に、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂへの水蒸気の供給量も均等となる。これにより、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの各部における水和反応状態が均一となり、熱媒流路２４、２５内の熱媒の加熱むらを抑制することができる。

加えて、反応器２０では、主管部２６が矩形波状の波板となっており、湾曲した波形に比べて支管部２８Ａ、２８Ｂとの接触面積が多く且つ応力集中が少ないので、水和反応により蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが膨張しとき、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが崩壊しにくい。これにより、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂを長期間使用することができる。

また、反応器２０は、図４において、Ｙ−Ｚ面における凹部から凸部までの１ピッチの長さＰが、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの断面の厚さＴの７倍以下となるように設定されているので、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂ中の最も長い水蒸気拡散距離Ｌが蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの厚さＴの２倍以下となる。即ち、必要とされる水蒸気の拡散距離が短くなるので、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂと水蒸気の反応を確実に行うことができ、反応性の低下を抑制することができる。

さらに、反応器２０では、支管部２８Ａ、２８Ｂがメッシュ状（網状）の構造体であるため、水蒸気を通過させつつ、水和反応により膨張した蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの崩壊した部位の粉末脱落を防止することができる。さらに、メッシュ状としたことにより、支管部２８Ａ、２８Ｂの厚さが薄くなるため、水蒸気の通過性（透過性）を向上させることができる。

加えて、反応器２０では、主管部２６を挟んで上下両側に支管部２８Ａ、２８Ｂ、及び蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが設けられているので、一方側のみ蓄熱材を設ける構成に比べると、反応可能な蓄熱材が２倍存在している。これにより、水蒸気と蓄熱材（ＣａＯ）との反応性がさらに向上する。

このようにして、本実施形態の化学蓄熱システム１０では、反応器２０における蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの水蒸気との反応性の低下が抑制されるので、化学蓄熱システム１０における熱媒の加熱効率の低下を抑制することができる。

次に、反応器２０において、各パラメータ（主管部２６の断面形状、断面積率、及びＰ／Ｔ（１ピッチＰ／蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの厚さＴ）と、支管部２８Ａ、２８Ｂの種類及びろ過精度）を変更したときの、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂと水蒸気との反応率の測定結果について、表１に示す。なお、実施例１〜７は、本実施形態の反応器２０として採用した構成であり、比較例１〜７は、本実施形態の反応器２０として採用しなかった構成である。

また、表１において、強度は、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの水和膨張圧により著しい圧縮変形または崩壊に至らない場合を○、そうでない場合を×で示している。断面積率は、水蒸気流れと垂直な方向（Ｙ−Ｚ面）における、波板の断面積の水蒸気流路断面積に対する割合（前述のＳ１／Ｓ２×１００）となっている。ろ過精度は、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂの粒径よりも小さい場合を○、大きい場合を×で示している。反応率は、１回目又は１０００回目の水和反応における発熱量Ｑ（図７参照）の理論発熱量に対する割合となっている。

表１に示すように、主管部２６については、断面形状が矩形状又は十字形（後述する）であり、断面積率が５％〜２０％、Ｐ／Ｔが７以下の条件において、また、支管部２８Ａ、２８Ｂについては、メッシュ状で且つろ過精度を満足する条件において、１０００回目の反応においても良好な反応率（７０％から９０％）が得られ、且つ１回目の反応率と同等の反応率を得られることが分かった。

ここで、本実施形態の主管部２６では、一例として、断面積率が１０％となっており、５％以上、２０％以下の範囲に抑えられているので、水蒸気の流路を確保すると共に水蒸気分圧の低下による反応性の低下を抑制できている。

次に、本実施形態の反応器の他の実施例について説明する。なお、既に説明した反応器２０を第１実施例とする。

図８（Ａ）には、第２実施例としての反応器４０のＹ−Ｚ面が示されている。反応器４０は、第１実施例の反応器２０のうち、主管部２６（図２（Ｂ）参照）に換えて主管部４２が設けられており、その他の構成は反応器２０と同様となっている。主管部４２は、連続した湾曲面からなる波形であり、上側の頂部に支管部２８Ａが接触し、下側の頂部に支管部２８Ｂが接触している。そして、各頂部は、共に丸められている。

反応器４０では、主管部４２が波形となっていることから、Ｙ−Ｚ断面がＶ字状の波板の上端、下端を支管部２８Ａ、２８Ｂに接触させる構成に比べると、支管部２８Ａ、２８Ｂとの接触面積が多くなる。これにより、水和反応により蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが膨張しとき、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに部分的な荷重の集中が起こりにくくなり、崩壊しにくくなるので、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂを長期間使用することができる。

図８（Ｂ）には、第３実施例としての反応器５０のＹ−Ｚ面が示されている。反応器５０は、第１実施例の反応器２０のうち、主管部２６（図２（Ｂ）参照）に換えて主管部５２が設けられており、その他の構成は反応器２０と同様となっている。主管部５２は、Ｙ−Ｚ面が台形状の波形であり、上面に支管部２８Ａが接触し、下面に支管部２８Ｂが接触している。

反応器５０では、主管部５２が台形状となっていることから、Ｙ−Ｚ断面がＶ字状の波板の上端、下端を支管部２８Ａ、２８Ｂに接触させる構成に比べると、支管部２８Ａ、２８Ｂとの接触面積が多くなる。これにより、水和反応により蓄熱材３０Ａ、３０Ｂが膨張しとき、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに部分的な荷重の集中が起こりにくくなり、崩壊しにくくなるので、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂを長期間使用することができる。

図９には、第４実施例としての反応器６０のＹ−Ｚ面が示されている。反応器６０は、第１実施例の反応器２０のうち、主管部２６（図２（Ｂ）参照）に換えて主管部６２が設けられており、その他の構成は反応器２０と同様となっている。主管部６２は、Ｙ−Ｚ面が連続した十字状となっており、上端に支管部２８Ａが接触し、下端に支管部２８Ｂが接触している。

具体的には、図１０（Ａ）に示すように、主管部６２は、平板部６２Ａと、平板部６２Ａの上面、下面から上側、下側へ立設された複数の側壁６２Ｂとを含んで構成されている。平板部６２Ａの上下の側壁６２Ｂの位置は揃えられており、十字状の断面を形成している。そして、各側壁６２Ｂの間が、水蒸気の流路となっている。

反応器５０では、平板部６２Ａの上側、下側の両方共、複数の側壁６２Ｂの間が全て水蒸気の流路となるので、図９において、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂ全体に均等に水蒸気を供給することができる。

なお、主管部６２の変形例として、図１０（Ｂ）に示すように、主管部７２を用いてもよい。主管部７２は、Ｘ−Ｚ面（矢印Ｘ、Ｚは省略）となる平板部７２Ａを有しており、平板部７２Ａの上側、下側に複数の小さな板状の凸部７２Ｂが立設されている。複数の凸部７２Ｂは、平板部７２Ａ上で間隔をあけて二次元配列されているため、水蒸気が流れる方向は１方向に限らない。これにより、水蒸気の移動の自由度が増加し、例えば、主管部７２の中央部分のみに水蒸気が滞留することが抑制される。

図１１（Ａ）、（Ｂ）には、第５実施例としての反応器８０のＸ−Ｙ面、Ｙ−Ｚ面が示されている。反応器８０は、第１実施例の反応器２０のうち、反応容器２２（図１参照）に換えて、反応容器２２の半分に近い大きさの反応容器８２が設けられている。反応容器８２は、水蒸気の流入口８２Ａが形成されており、反応容器８２内では、下側から順に、蓄熱材３０Ｂ、支管部２８Ｂ、及び主管部２６が積層状態で設けられている。つまり、反応器８０は、主管部２６の片側のみに蓄熱材３０Ｂを設けた構成となっている。

反応器８０では、主管部２６を用いた場合は、第１実施形態の反応器２０に比べて利用可能な水蒸気が１／２となり、水蒸気の供給効率としては低下するが、反応器２０に比べて外形が小さくなるので、化学蓄熱システム１０としての設置スペースを低減することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。

反応器２０は、反応容器２２における水蒸気の流れる方向（矢印Ｘ方向）と、熱媒流路２４、２５の熱媒が流れる方向とが、側面視で直交する配置となっていてもよい。また、ヒータ１８に換えて、熱媒が流れる熱媒流路を液相部１６Ｂに配置して水蒸気を発生させるようにしてもよい。さらに、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂに隣接してヒータ又は熱媒流路を配置し、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂを加熱して脱水反応を生じさせるようにしてもよい。

また、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂとして酸化カルシウムを用いたが、水酸化カルシウムを用いてもよく、水和、脱水による放熱、蓄熱を行う他の化学蓄熱材を用いてもよい。さらに、上記実施形態では、蓄熱材３０Ａ、３０Ｂとして成形体を用いた例を示したが、これに限定されず、例えば、粒状に形成された蓄熱材を反応容器２２内に充填することで反応器２０を構成しても良い。

１０ 化学蓄熱システム
１２ 蒸発凝縮器（蒸発部の一例）
１４ 水蒸気流路
２０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
２２ 反応容器（容器の一例）
２４ 熱媒流路（媒体流路の一例）
２５ 熱媒流路（媒体流路の一例）
２６ 主管部
２６Ａ 側壁（壁部及び波板の一例）
２６Ｂ 上壁（波板の一例）
２６Ｃ 下壁（波板の一例）
２８Ａ 支管部
２８Ｂ 支管部
３０Ａ 蓄熱材
３０Ｂ 蓄熱材
４０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
４２ 主管部
５０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
５２ 主管部
６０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
６２ 主管部
７２ 主管部
８０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）

Claims (8)

1. 熱媒体が流れる媒体流路と、
   前記媒体流路に隣接して設けられ水蒸気が流れる容器と、
   前記容器内の前記媒体流路側に設けられ、水蒸気による水和反応で発熱し、加熱による脱水反応で蓄熱する蓄熱材と、
   前記容器内で前記蓄熱材の前記媒体流路側とは反対側に設けられ、前記蓄熱材の平均粒径よりも狭い流路を通じて水蒸気を通過させる支管部と、
   前記容器内で前記支管部の前記蓄熱材側とは反対側に設けられ、水蒸気が流れると共に前記蓄熱材の膨張を抑制又は吸収する主管部と、
   を有する化学蓄熱反応器。
2. 前記主管部は、水蒸気が流れる方向に沿って設けられ前記蓄熱材の膨張を抑制又は吸収する壁部を複数有し、
   水蒸気が流れる方向と直交する直交方向における複数の前記壁部の断面積が、該直交方向における前記主管部内の水蒸気の流路の断面積の５％以上、２０％以下の大きさである請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
3. 前記主管部は、前記直交方向における断面形状が凹凸を繰り返す形状とされた波板である請求項１又は請求項２に記載の化学蓄熱反応器。
4. 前記波板は、前記直交方向の断面形状が矩形波状である請求項３に記載の化学蓄熱反応器。
5. 前記波板は、前記直交方向の断面形状が、前記支管部と接触する頂部が丸められた波形状である請求項３に記載の化学蓄熱反応器。
6. 前記波板の前記直交方向における断面の凹から凸までの１ピッチの長さが、該直交方向における前記蓄熱材の断面の厚さの７倍以下である請求項３又は請求項４に記載の化学蓄熱反応器。
7. 前記支管部は、メッシュ状の構造体で構成されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の化学蓄熱反応器。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の化学蓄熱反応器と、
   前記容器に気密状態で連通され、水を蒸発させて前記容器に供給する蒸発部と、
   を有する化学蓄熱システム。