JP2012229859A - ケミカルヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が高いケミカルヒートポンプを提供する。
【解決手段】第一の剤収納式熱交換器１ａと、第二の剤収納式熱交換器１ｂと、前記第二の剤収納式熱交換器で得られた気体状の前記反応媒体を液化する凝縮器４と、液体状の前記反応媒体を気化して前記第一の剤収納式熱交換器に供給する蒸発器３と、前記第一の剤収納式熱交換器内の前記反応物を前記第二の剤収納式熱交換器内に搬入する第一の剤搬送手段６ａと、前記第二の剤収納式熱交換器内の前記反応剤を前記第一の剤収納式熱交換器内に搬入する第二の剤搬送手段６ｂと、を備えるケミカルヒートポンプ１００であって、前記第一及び第二の剤収納式熱交換器の内壁には、螺旋状の突起部を有する中空状スクリューフィンが設置され、前記第一の剤収納式熱交換器及び前記第二の剤収納式熱交換器を回転させる熱交換器回転手段５をさらに備えた、ケミカルヒートポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケミカルヒートポンプに関する。

近年、可逆反応の反応熱を利用して、蓄熱及び放熱を可能とするケミカルヒートポンプが注目されている。

吸着質の反応剤に、水蒸気などの反応媒体を吸脱着させるタイプのケミカルヒートポンプでは、熱交換器と接触する伝熱済みの反応剤と、未伝熱の反応剤とを、連続的に入れ替える必要がある。この時、効率的な吸脱着を目的として、熱交換器をスクリュー形状にして反応剤を循環させる技術が既に知られている。

しかしながら、スクリュー形状の熱交換器では、スクリューフィンと反応剤の摩擦が少なく、反応剤の攪拌能力が小さい。そのため、反応剤と熱交換器との熱交換は、フィンと直接接触している一部の反応剤に限定され、反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が悪いという問題を有していた。また、伝熱が終了した反応剤がフィンと直接接触することにより、フィンから離れた位置の反応剤の、フィンへの伝熱を阻害するという問題があった。

特許文献１では、吸着室と脱着室の両端部に反応剤を自然流下させるための連通路を接続し、反応剤を循環させる吸着式冷凍装置が開示されている。この装置では、反応剤の移送と反応剤と熱交換器との間の伝熱促進を目的として、吸着室及び脱着室内に、熱交換用の管の外周にスクリュー羽根を設置している。

しかしながら、特許文献１の構成では、反応剤の攪拌能が小さく、反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が不十分であった。

そこで、本発明では、反応剤を効率的に攪拌することにより、反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が高いケミカルヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明によると、
反応剤と気体状の反応媒体とを反応させて、反応物を生成すると共に放熱する第一の剤収納式熱交換器と、
前記反応物を加熱して、前記反応剤と気体状の前記反応媒体とに分解させる第二の剤収納式熱交換器と、
前記第二の剤収納式熱交換器で得られた気体状の前記反応媒体を液化する凝縮器と、
液体状の前記反応媒体を気化して前記第一の剤収納式熱交換器に供給する蒸発器と、
前記第一の剤収納式熱交換器内の前記反応物を前記第二の剤収納式熱交換器内に搬入する第一の剤搬送手段と、
前記第二の剤収納式熱交換器内の前記反応剤を前記第一の剤収納式熱交換器内に搬入する第二の剤搬送手段と、
を備えるケミカルヒートポンプであって、
前記第一及び第二の剤収納式熱交換器の内壁には、螺旋状の突起部を有する中空状スクリューフィンが設置され、
前記第一の剤収納式熱交換器及び前記第二の剤収納式熱交換器を回転させる熱交換器回転手段をさらに備えた、ケミカルヒートポンプが提供される。

本発明によれば、反応剤を効率的に攪拌することにより、反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が高いケミカルヒートポンプが提供できる。

図１は、本発明に係るケミカルヒートポンプを例示する全体平面図である。 図２は、図１のケミカルヒートポンプの全体正面図である。 図３は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のＡ−Ａ断面図である。 図４は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のＢ−Ｂ断面図である。 図５は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路の他の例における、Ａ−Ａ断面図である。 図６は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路の他の例における、Ｂ−Ｂ断面図である。 図７は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のさらに他の例における、Ａ−Ａ断面図である。 図８は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のさらに他の例における、Ｂ−Ｂ断面図である。

まず、本発明で使用できる、反応剤と反応媒体について説明する。

［反応剤］
本発明で使用できる粒状の反応剤（潜熱蓄熱材）としては、反応媒体との吸脱着を可逆的に行うことができる、反応剤及び反応媒体との組み合わせであれば、特に限定されない。反応媒体として水を用いる場合、例えば、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化マンガン、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酢酸ナトリウム、炭酸ナトリウムなどを使用することができるが、本発明はこれに限定されない。また、反応剤は１種類を単独で使用しても良く、２種類以上を混合して使用しても良い。さらに、反応剤間の熱伝導性を高めるために、粒状グラファイトや金属粉を混合して使用しても良い。

［第一の実施形態のヒートポンプの構成］
図を参照することにより、本発明の第一の実施形態を説明する。本実施形態では、反応剤として硫酸カルシウムを使用し、反応媒体として水を使用した場合について説明するが、前述の通り、本発明はこれに限定されない。

図１は、本発明に係るケミカルヒートポンプを例示する全体平面図を示し、図２は、図１のケミカルヒートポンプの全体正面図を示す。また、図３は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のＡ−Ａ断面図を示し、図４は、図１の剤収納式熱交換器及び熱媒流路のＢ−Ｂ断面図を示す。

ケミカルヒートポンプ１００は、主として、剤収納式熱交換器１ａ、剤収納式熱交換器１ｂ、中空状スクリューフィン２、熱交換器回転手段５、蒸発器３、凝縮器４、剤搬送手段６ａ、６ｂとから構成される。また、ケミカルヒートポンプ１００は、熱媒流路１０ａ、熱媒流路１０ｂ、仕切り弁７ａ、７ｂを有する。

剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂは、硫酸カルシウムの反応剤２０が充填される。中空状スクリューフィン２は、剤収納式熱交換器１ａ、１ｂの各々の内壁に配置される。熱交換器回転手段５は、剤収納式熱交換器１ａ、１ｂを回転させる。蒸発器３は、剤収納式熱交換器１ａの端部より蒸気供給路８を介して接続され、蒸発器３の内部には、反応媒体である水２１ａと蒸発用熱交換器１１とが設置される。凝縮器４は、剤収納式熱交換器１ｂの端部より蒸気回収路９を介して接続され、凝縮器４の内部には、反応媒体である水２１ｂと凝縮用熱交換器１２とが設置される。剤搬送手段６ａは、例えば、配管２２ａの中に設置され、剤収納式熱交換器１ａから仕切り弁７ａへ反応剤２０を搬送し、剤搬送手段６ｂは、例えば、配管２２ｂの中に設置され、剤収納式熱交換器１ｂから仕切り弁７ｂへ反応剤２０を搬送する。熱媒流路１０ａは、熱媒ａを流通させる容器であり、熱媒ａは剤収納式熱交換器１ａと熱の授受を行う。熱媒流路１０ｂは、熱媒ｂを流通させる容器であり、熱媒ｂは剤収納式熱交換器１ａと熱の授受を行う。

剤収納式熱交換器１ａ、１ｂの各々の内壁には、螺旋状の突起部を有し、中心付近には中空状の空間が形成されている中空状スクリューフィン２が配置される。後述する熱交換器回転手段により、熱交換器を回転させる場合、中空状スクリューフィン２があることによって反応剤２０が持ち上げられ、反応剤２０の移動距離が大きくなる。そのため、中空状スクリューフィン２と反応剤２０との間の摩擦力が増大し、反応剤に作用する力が大きくなる。その結果、反応剤２０と中空状スクリューフィン２との相対移動が大きくなり、反応剤２０の攪拌作用が大きくなる。即ち、反応剤と熱交換器との直接接触頻度を増大させ、さらに中空状スクリューフィンがあることで、熱交換面積を増やすことができ反応剤と熱交換器との伝熱効率の向上が図れる。また、中空状スクリューフィン２は中空状であるので、剤収納式熱交換器１ａ、１ｂ内の水蒸気の流動が妨げられることはない。なお、中空状スクリューフィン２と剤収納式熱交換器１ａ、１ｂとは、溶接、ロー付け、熱伝導性接着剤による接着などで接続することができるが、溶接又はロー付けにより接続されることが好ましい。

剤収納式熱交換器あたりの中空状スクリューフィン２の大きさ（長さ、厚み）や中空状スクリューフィン２の巻数は、剤収納式熱交換器の大きさや反応剤の量などに応じて、当業者が適宜選択できるものである。しかしながら、中空状スクリューフィン２は中空状であるので、剤収納式熱交換器１ａ、１ｂ内の水蒸気の流動が妨げられないのが好ましい。

また、中空状スクリューフィン２の材質としては、熱伝導率が十分に高ければ特に限定されず、例えば、銅、アルミ、ステンレス等の金属の他にも、熱伝導樹脂やカーボン繊維等の複合材料を使用できる。

反応剤は、剤収納式熱交換器１ａ及び１ｂの内部で、攪拌動作が可能である空間を有するように充填される。この時の反応剤の充填率は、反応剤の種類などに応じて、当業者が適宜選択できるものである。

ケミカルヒートポンプの各部は、十分に断熱されており、熱の授受は各々の熱交換器を介してのみで行われると仮定される。また、本発明で使用される蒸発用熱交換器１１、凝縮用熱交換器１２などの熱交換器は、ペルティエ素子や電熱ヒータなど、蒸発器３及び凝縮器４内部の熱を授受する機構であれば、公知のものを使用できる。

熱交換器回転手段５は、剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂを回転させることができれば、公知の駆動手段を使用することができる。例えば、モータの回転動力をベルトにより伝達し、剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂを同期させて回転させる方法を採用しても良い。また、熱交換器の形状、長さ、反応剤の充填量などの特性を剤収納式熱交換器１ａと剤収納式熱交換器１ｂとの間で変えた場合や、剤収納式熱交換器１ａと剤収納式熱交換器１ｂとの距離が長い場合などは、同期させなくても良い。さらに、熱交換器回転手段５は、連続一定回転できる構造でも良く、反応剤の反応速度や熱交換速度に応じて間欠駆動できる構造でも良く、回転速度を可変できる構造でも良い。

仕切り弁７ａ及び仕切り弁７ｂはそれぞれ、剤収納式熱交換器１ｂと剤搬送手段６ａ、剤収納式熱交換器１ａと剤搬送手段６ｂ、との間に設けられる。これにより、剤収納式熱交換器１ａと剤収納式熱交換器１ｂ間の水蒸気移動を遮断しつつ、反応剤を搬入出することができる。具体的には、例えば、ロータリーバルブや、ロードロック室で使用されるゲートバルブなどを使用することができる。

剤搬送手段６ａ及び剤搬送手段６ｂは、剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂから搬入した反応剤を搬送し、仕切り弁７ａ及び仕切り弁７ｂへ反応剤を搬出する手段である。具体的には、例えば、スロープ、ベルトコンベア及びスクリュー輸送装置などを使用することができる。

［第一の実施形態のヒートポンプの動作原理］
次に、第一の実施形態のヒートポンプの運転手順の説明を介して、動作原理を説明する。

本発明のヒートポンプは、主として、反応剤が循環している状態で反応剤と反応媒体との間の、吸着反応による放熱工程と、脱着反応による蓄熱工程が同時に行われる。なお、ヒートポンプの放熱工程又は蓄熱工程の運転前には、剤収納式熱交換器１ａ、１ｂ、蒸発器３、凝縮器４、これらと繋ぐ反応剤及び水蒸気の流路等の装置内部は、真空ポンプにより十分脱気し、装置内部には反応気体である水蒸気以外の気体が実質的に存在しない状態とする。また、運転中も高い機密性を有し、前記状態が維持されるように運転した。

また、ここでは反応媒体として水を使用し、反応剤２０として硫酸カルシウムを使用した場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。

（放熱工程）
まずは、主として剤収納式熱交換器１ａで起こる、放熱工程について説明する。熱交換器回転手段５と、仕切り弁７ａ及び７ｂと、剤搬送手段６ａ及び６ｂを駆動させる。これにより、反応剤（硫酸カルシウム）が循環し、剤収納式熱交換器１ａに無水和物の硫酸カルシウムが仕切り弁７ｂを介して搬送される。次に、熱媒ａを熱媒流路１０ａに流通させる。これにより、反応剤２０が発熱した際に、その熱を取り出すことができる。

その後、熱媒ｃを蒸発用熱交換器１１に流通させて、蒸発器３内の水２１ａを蒸発させる。この時、反応媒体（本実施の形態では水）が蒸発する際に発生する冷熱は、蒸発用熱交換器１１を通じて外部へ取り出すことも可能である。水２１ａが蒸発すると、蒸気供給路８を経由して水蒸気が剤収納式熱交換器１ａの中に導入される。導入された水蒸気は、無水和物の硫酸カルシウムと水和反応して半水和物となる。水和反応により発熱し、高温となった反応剤は、剤収納式熱交換器１ａに伝熱され、剤収納式熱交換器１ａの外側を通る熱媒体２３ａに伝熱されて熱交換が行われる。

また、剤収納式熱交換器１ａは、熱交換器回転手段５により回転する。これにより、剤収納式熱交換器１ａの内壁付近の硫酸カルシウムは、円周方向に移動しながら上方へ持ち上げられ、最上部近傍で自由落下する。熱交換器内壁付近の反応剤と、熱交換器内壁から離れた反応剤とが入れ替わる、つまり、攪拌される。さらに、剤収納式熱交換器１ａ内壁に設置された中空状スクリューフィン２があることで、硫酸カルシウムの熱交換器円周方向への移動が大きくなり、攪拌効果が大きくなる。即ち、反応剤（硫酸カルシウム）と熱交換器との間の、直接接触頻度を増大させることができ、反応剤と熱交換器フィンとの間の伝熱効率が向上する。

（蓄熱工程）
次に、主として剤収納式熱交換器１ｂで起こる、蓄熱工程について説明する。熱交換器回転手段５と、仕切り弁７ａ及び７ｂと、剤搬送手段６ａ及び６ｂを駆動させる。これにより、反応剤（硫酸カルシウム）が循環し、剤収納式熱交換器１ｂに硫酸カルシウムの半水和物が仕切り弁７ａを介して搬送される。次に、熱媒体２３ｂを熱媒流路１０ｂに流通させる。これにより、剤収納式熱交換器１ｂが高温になり、熱交換器１ｂ内の硫酸カルシウムの半水和物が脱水することで蓄熱される。脱離した水蒸気は、蒸気回収路９を介して凝縮器４に搬送され、凝縮用熱交換器１２を通じて凝縮、液化されて水２１ｂとなる。

この時、剤収納式熱交換器１ｂは、熱交換器回転手段５により回転する。これにより、剤収納式熱交換器１ｂの内壁付近の硫酸カルシウムは、円周方向に移動しながら上方へ持ち上げられ、最上部近傍で自由落下する。熱交換器内壁付近の反応剤と、熱交換器内壁から離れた反応剤とが入れ替わる、つまり、攪拌される。さらに、剤収納式熱交換器１ｂ内壁に設置された中空状スクリューフィン２があることで、硫酸カルシウムの熱交換器円周方向への移動が大きくなり、攪拌効果が大きくなる。即ち、反応剤（硫酸カルシウム）と熱交換器との間の、直接接触頻度を増大させることができ、反応剤と熱交換器フィンとの間の伝熱効率が向上する。

蓄熱工程において、前述のような攪拌効果が大きくなるような構成とすることで、ケミカルヒートポンプの急速な蓄熱が実現できる。

以上のように、反応剤と熱交換器との伝熱をより効率的に向上したケミカルヒートポンプが提供できる。

［第二の実施形態のヒートポンプの構成］
図を参照することにより、本発明の第二の実施形態を説明する。図５及び図６はそれぞれ、図１の剤収納式熱交換器の他の例における、Ａ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。なお、図６においては、中空状スクリューフィン２は図示していない。

第二の実施形態では、前述の中空状スクリューフィンのそれぞれの間隙に、中空状スクリューフィンと直行する間隙フィン１３を付加する。なお、図５及び図６においては、剤収納式熱交換器１ａに間隙フィン１３を付与する構成を示しているが、剤収納式熱交換器１ｂに付与しても良く、また、剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂの両方に付与しても良い。

間隙フィン１３は、中空状スクリューフィン２の間隙に、熱交換器長手方向にわたって設置される。この時、間隙フィン１３の厚みや配置数は、中空状スクリューフィン２の大きさ（長さ、厚み）や巻き数、剤収納式熱交換器の大きさ、反応剤の粒子サイズや量などに応じて、蒸気の流動や反応剤の攪拌を妨げず、反応剤の充填量が減少しないように、当業者が選択できるものである。

この時、間隙フィン１３は、中空状スクリューフィン２に接続されている事が好ましいが、接続されていなくても良い。また、間隙フィン１３は、熱交換器の回転中心に対して、放射する方向に配置されていることが好ましいが、攪拌作用を大きくするため、放射方向に対し鋭角に配置しても良い。

間隙フィン１３の材質としては、中空状スクリューフィン２と同様に、熱伝導率が十分に高ければ特に限定されず、例えば、銅、アルミ、ステンレス等の金属の他にも、熱伝導樹脂やカーボン繊維等の複合材料を使用できる。また、間隙フィン１３と熱交換器内壁との接続も、中空状スクリューフィン２と同様、溶接、ロー付け、熱伝導性接着剤による接着などで接続することができるが、溶接又はロー付けにより接続されることが好ましい。

間隙フィン１３を配置した第二の実施形態においても、ヒートポンプの動作原理は第一の実施形態と同じであるため、動作原理の説明は省略する。間隙フィン１３を配置した場合、剤収納式熱交換器が回転すると、間隙フィン１３を基準として回転方向側にある反応剤２０は、間隙フィン１３によって熱交換器内壁に沿って上方に持ち上げられる。そのため、反応剤の相対移動距離と、移動する反応剤の量を増加し、攪拌効果が大きくなる。即ち、反応剤（硫酸カルシウム）と熱交換器との間の、直接接触頻度を増大させることができ、さらに中空状スクリューフィンがあることで、熱交換面積を増やすことができ反応剤と熱交換器との間の伝熱効率が向上する。

［第三の実施形態］
図を参照することにより、本発明の第三の実施形態を説明する。図７及び図８はそれぞれ、図１の剤収納式熱交換器のさらに他の例における、Ａ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。

第三の実施形態では、剤収納式熱交換器の外壁に接触して外壁フィン１４を設置する。この時、外壁フィン１４は、熱媒流路１０ａ、１０ｂに流れる熱媒ａ及びｂの妨げにならない程度の数、間隔で配置される。なお、図７及び図８においては、剤収納式熱交換器１ａに外壁フィン１４を付与する構成を示しているが、剤収納式熱交換器１ｂに付与しても良く、また、剤収納式熱交換器１ａ及び剤収納式熱交換器１ｂの両方に付与しても良い。

外壁フィン１４の材質は、中空状スクリューフィン２と同様に、熱伝導率が十分に高ければ特に限定されず、例えば、銅、アルミ、ステンレス等の金属の他にも、熱伝導樹脂やカーボン繊維等の複合材料を使用できる。また、外壁フィン１４と熱交換器外壁との接続も、中空状スクリューフィン２と同様、溶接、ロー付け、熱伝導性接着剤による接着などで接続することができるが、溶接又はロー付けにより接続されることが好ましい。

外壁フィン１４を配置した第三の実施形態においても、ヒートポンプの動作原理は第一の実施形態と同じであるため、動作原理の説明は省略する。外壁フィン１４を配置することにより、剤収納式熱交換器と熱媒体２３ａ、２３ｂとの間の、熱交換の表面積を増やすことができるため、熱交換効率が向上する。なお、図７及び図８では、第一の実施の形態に、外壁フィン１４を設置した構成を記載しているが、第二の実施の形態に、外壁フィン１４を設置した構成でも良い。

１ａ、１ｂ 剤収納式熱交換器
２ 中空状スクリューフィン
３ 蒸発器
４ 凝縮器
５ 熱交換器回転手段
６ａ、６ｂ 剤搬送手段
７ａ、７ｂ 仕切り弁
８ 蒸気供給路
９ 蒸気回収路
１０ａ、１０ｂ 熱媒流路
１１ 蒸発用熱交換器
１２ 凝縮用熱交換器
１３ 間隙フィン
１４ 外壁フィン
２０ 反応剤
２１ａ、２１ｂ 水
２２ａ、２２ｂ 配管
２３ａ、２３ｂ 熱媒体
１００ ケミカルヒートポンプ

特開平６−５８６４３号公報

Claims (3)

1. 反応剤と気体状の反応媒体とを反応させて、反応物を生成すると共に放熱する第一の剤収納式熱交換器と、
   前記反応物を加熱して、前記反応剤と気体状の前記反応媒体とに分解させる第二の剤収納式熱交換器と、
   前記第二の剤収納式熱交換器で得られた気体状の前記反応媒体を液化する凝縮器と、
   液体状の前記反応媒体を気化して前記第一の剤収納式熱交換器に供給する蒸発器と、
   前記第一の剤収納式熱交換器内の前記反応物を前記第二の剤収納式熱交換器内に搬入する第一の剤搬送手段と、
   前記第二の剤収納式熱交換器内の前記反応剤を前記第一の剤収納式熱交換器内に搬入する第二の剤搬送手段と、
   を備えるケミカルヒートポンプであって、
   前記第一及び第二の剤収納式熱交換器の内壁には、螺旋状の突起部を有する中空状スクリューフィンが設置され、
   前記第一の剤収納式熱交換器及び前記第二の剤収納式熱交換器を回転させる熱交換器回転手段をさらに備えた、ケミカルヒートポンプ。
2. 前記第一の剤収納式熱交換器の内壁に設置された中空状スクリューフィンの間隙に形成された、第一の間隙フィンと、
   前記第二の剤収納式熱交換器の内壁に設置された中空状スクリューフィンの間隙に形成された、第二の間隙フィンと、
   の少なくとも一方をさらに備えた、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
3. 前記第一の剤収納式熱交換器の外壁に設置された第一の外壁フィンと、
   前記第二の剤収納式熱交換器の外壁に設置された第二の外壁フィンと、
   の少なくとも一方をさらに備えた、請求項１又は２に記載のケミカルヒートポンプ。

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