JP2013164244A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過度の昇温による化学蓄熱材の劣化を抑制できる蓄熱装置を提供する。
【解決手段】反応媒体と反応して発熱するとともに、吸熱して反応媒体を再生する化学蓄熱材１０２と、化学蓄熱材１０２と熱交換媒体とを熱交換させることにより、化学蓄熱材１０２の発熱時に化学蓄熱材１０２から熱交換媒体に伝熱させるとともに、化学蓄熱材の吸熱時に熱交換媒体から化学蓄熱材１０２に伝熱させる熱交換器とを備える蓄熱装置において、熱交換器は、化学蓄熱材の発熱時における発熱速度Ｑａに対して、化学蓄熱材から熱交換媒体に伝熱させて化学蓄熱材から除熱するときの除熱速度Ｑｂの方が大きい関係となるように、化学蓄熱材１０２と熱交換媒体の伝熱距離ｄ１と、伝熱介在物として機能するプレート１０３の厚さとが設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、蓄熱装置に関するものである。

特許文献１、２には、非蓄熱時に固体となり蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置が開示されている。

一方、特許文献３には、物質の吸着や水和等の可逆的な化学反応を利用して熱の吸収、放出を行うことができる化学蓄熱材を用いた蓄熱装置が開示されている。

特開平７−７７３９３号公報 特開２００８−１９６７９６号公報 特開２００７−２４７９２８号公報

ところで、一般的に、化学蓄熱材の方が潜熱蓄熱材よりも蓄熱密度が高いことが知られている。

また、蓄熱材として化学蓄熱材を用いた場合、放熱過程において、化学蓄熱材の発熱量に対して、熱交換媒体の除熱量（系外部への熱の取りだしを意味する）が不十分だと、化学蓄熱材のみが作動温度よりはるかに高い温度まで昇温してしまう。これにより、化学蓄熱材の劣化が早められてしまい、これが、蓄熱と放熱過程の連続的なサイクル運転における出力低下の原因となる。

なお、このような問題については、特許文献１−３のいずれにも記載も示唆もされていない。

本発明は上記点に鑑みて、化学蓄熱材を用いた蓄熱装置において、化学蓄熱材の過度の昇温による化学蓄熱材の劣化を抑制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、請求項１に記載の発明では、
反応媒体と反応して発熱するとともに、吸熱して反応媒体を再生する化学蓄熱材（１０２）と、
化学蓄熱材と熱交換媒体とを熱交換させることにより、化学蓄熱材の発熱時に化学蓄熱材から熱交換媒体に伝熱させるとともに、化学蓄熱材の吸熱時に熱交換媒体から化学蓄熱材に伝熱させる熱交換器（１０１）とを備える蓄熱装置において、
熱交換器は、化学蓄熱材の発熱時における発熱速度（Ｑａ）に対して、化学蓄熱材から熱交換媒体に伝熱させて化学蓄熱材から除熱するときの除熱速度（Ｑｂ）の方が大きい関係となるように構成されていることを特徴としている。

これによれば、発熱速度に対して除熱速度の方が大きい関係となっているので、この関係を満たさない場合と比較して、化学蓄熱材の発熱量に対する熱交換媒体の除熱量を大きくでき、化学蓄熱材の過度の昇温を抑制でき、化学蓄熱材の劣化を抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態に係る蓄熱装置全体の構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１中の吸収器１０を構成する熱交換器１０１の上面図、側面図である。 図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。 化学蓄熱材としてＣａＢｒ_２を用いたときの昇温操作の操作線である。 第１実施形態のモジュール（吸収器１０）の出力評価に用いた評価装置の概略図である。 図５の評価装置において、放熱過程における吸収器１０の出口と入口の温度差の時間履歴を示す測定結果である。 図５の評価装置において、蓄熱過程における吸収器１０の出口と入口の温度差の時間履歴を示す測定結果である。 図５の評価装置において、１０００回までの連続運転における放熱過程の出力の時間履歴を示す測定結果である。 図５の評価装置において、１０００回までの連続運転における蓄熱過程の出力の時間履歴を示す測定結果である。 図５の評価装置において、連続サイクルにおける吸収材利用率の変化を示す測定結果である。 熱通過率Ｋの計算方法および計算領域を示す図である。 伝熱距離ｄ１が０．７５、１．５ｍｍの場合における熱通過率Ｋの計算結果である。 第２実施形態に係る燃料供給システム全体の構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
図１に、本実施形態に係る蓄熱装置１の全体構成図を示す。蓄熱装置１は、吸収器１０と、蒸発器２０と、凝縮器３０とを備えている。

吸収器１０は、ＣａＢｒ_２を収容している。ＣａＢｒ_２は、反応媒体を吸収・放出する吸収材であり、具体的には、反応媒体としての水（水蒸気）と反応（水和）して発熱するとともに、水和物の状態あるＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏのときに水を再生（放出）して吸熱する化学蓄熱材である。

吸収器１０は、第１吸収器１１と第２吸収器１２から構成されている。第１吸収器１１は、中温排熱源４１との間で熱交換媒体が循環する第１熱交換媒体回路４０を構成している。第２吸収器１２は、高温熱の供給先との間で熱交換媒体が循環する第２熱交換媒体回路５０を構成している。第１吸収器１１と第２吸収器１２は、どちらも、吸収材と熱交換媒体とを熱交換させるものである。

図１では、吸収器１０として第１吸収器１１と第２吸収器１２の２つの吸収器を用いているが、１つの吸収器を用いても良い。この場合、１つの吸収器１０に対して、第１熱交換媒体回路４０と第２熱交換媒体回路５０とが切り替えて接続される構成を採用する。

蒸発器２０は、吸収材の反応媒体である水と熱交換媒体とを熱交換させることにより、水を加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器２０は、低温排熱源６１との間で熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路６０を構成している。

凝縮器３０は、吸収材の反応媒体である水（水蒸気）と熱交換媒体とを熱交換させることにより、水蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器である。凝縮器３０は、室外器（室外熱交換器）７１との間で冷媒が循環する冷媒回路を構成している。室外器７１は、外気と冷媒とを熱交換させて冷媒を冷却する熱交換器である。

吸収器１０と、蒸発器２０および凝縮器３０とは、反応媒体が流れる反応媒体流路８１を介して接続されている。反応媒体流路８１には切替弁８２が設けられており、切替弁８２によって、吸収器１０（第２吸収器１２）と蒸発器２０の接続状態と、吸収器１０（第１吸収器１１）と凝縮器３０の接続状態とが切り替えられる。

図２（ａ）、（ｂ）に、それぞれ、吸収器１０を構成する熱交換器１０１の上面図、側面図を示す。また、図３に、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図を示す。第１吸収器１１と第２吸収器１２は同じ構造である。なお、図２（ｂ）、図３中の上下方向の矢印は、吸収器１０が設置された状態での上下方向（天地方向）を示している。

第１吸収器１１、第２吸収器１２は、それぞれ、図２、３に示す熱交換器１０１と吸収材１０２とにより構成されるモジュールと、このモジュールを収容する図示しないケースとを備えている。

熱交換器１０１は、吸収材と熱交換媒体とを熱交換させることにより、吸収材の発熱反応時に吸収材から熱交換媒体に伝熱させるとともに、吸収材の吸熱反応時に熱交換媒体から吸収材に伝熱させるものである。

熱交換器１０１は、図２（ａ）に示すように、板厚が１ｍｍよりも小さい複数のプレート１０３が積層された、いわゆるマイクロプレート熱交換器である。複数のプレート１０３が積層されることで、熱熱交換媒体流路１０４と充填部１０５とが交互に形成されている。

具体的には、図３に示すように、２枚のプレート１０３の間に熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路１０４が形成されている。熱交換媒体流路１０４を形成する２枚のプレート１０３を一組として、複数組のプレート１０３が所定間隔で積層されている。複数組のプレート１０３の間、すなわち、熱交換媒体流路１０４と熱交換媒体流路１０４との間に吸収材１０２が充填される充填部１０５が形成されている。

各寸法については、例えば、１枚のプレート１０３の厚みｔ１は０．１ｍｍであり、熱交換媒体流路１０４の幅ｗ１は０．３ｍｍであり、熱交換媒体流路１０４同士の間隔（充填部１０２の幅）ｗ２は１ｍｍである。このため、吸収材１０２と熱交換媒体の伝熱距離ｄ１は０．７５ｍｍであり、吸収材１０２と熱交換媒体の間における伝熱抵抗が小さい熱交換機構となっている。伝熱距離ｄ１とは、隣り合う熱交換媒体流路１０４と充填部１０５とにおける熱交換媒体流路１０４の中心から充填部１０５の中心までの距離を意味する。
また、熱交換媒体流路１０４および充填部１０２の高さｈ１は１０ｍｍである。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の熱交換器１０１は、熱交換媒体流路１０４と充填部１０５とが水平方向に複数積層配置されている。熱交換媒体流路１０４の長手方向の一端と他端には、熱交換媒体を分岐もしくは合流させるタンク部１０６、１０７が設けられている。一方のタンク部１０６に流入した熱交換媒体は、複数の熱交換媒体流路１０４に分岐して流れた後、他方のタンク部１０７で合流し、熱交換器１０１から流出する。このとき、熱交換媒体は熱交換器１０１の内部を水平方向に流れる。なお、図２（ａ）の紙面垂直方向が吸収器１０の設置状態での上下方向（天地方向）である。

プレート１０３およびタンク部１０６、１０７の材質は金属、例えば、ステンレスである。また、熱交換媒体流路１０４と充填部１０５とが形成されている部分が熱交換媒体と吸収材１０２とを熱交換させる熱交換コア部であり、この熱交換コア部は、例えば、重量は６５０ｇ、寸法は横１２０ｍｍ×縦１３５ｍｍ×高さ１０ｍｍ、体積は０．１６Ｌとなっている。

充填部１０５に充填されている吸収材１０２は、２５０℃以上に加熱した状態にて２４時間放置した後、ふるいの目が１００〜２００μｍのふるいにて分級した粒子、すなわち、粒径が１００−２００μｍの粒子からなる。図３に示すように、吸収材１０２は、各充填部１０５において、例えば、高さｈ２が２ｍｍで２０ｇ充填されている。

充填部１０５は、反応媒体である水蒸気が流れる反応媒体流路８１（図１参照）と接続されており、充填部１０５のうち反応媒体流路側の部位（本実施形態では、充填部１０５の上部）に、吸収材１０２の粒子径よりも網の目１０９が細かいメッシュ（網目状部材）１０８が設置されている。これにより、吸収材１０２の粒子の飛散を防止している。

なお、このとき用いるメッシュ１０８は、空隙率が９０％以上のものである。空隙率が９０％以上のメッシュ１０８を用いることで、メッシュ１０８の存在による反応媒体の流動抵抗の増大を抑制できるからである。

次に、上記した構成の蓄熱装置１の作動について、図１を用いて説明する。

蓄熱過程では、吸収器１０（第１吸収器１１）において、吸収材は中温排熱源４１から反応熱の入力を受けて下記反応式（１）の反応が進行する。このとき、切替弁８２によって吸収器１０（第１吸収器１１）と凝縮器３０とが接続された状態となっている。吸収材から放出された反応媒体（水蒸気）は、吸収器１０（第１吸収器１１）から反応媒体流路８１を通って凝縮器３０へ移動し、その凝縮熱は環境熱源により除去される。

放熱過程では、切替弁８２によって吸収器１０（第２吸収器１２）と蒸発器２０とが接続された状態となっており、低温排熱源６１により蒸発器２０に蒸発熱が供給され、蒸発した作動媒体（水蒸気）が、蒸発器２０から反応媒体流路８１を通って吸収器１０（第２吸収器１２）へ移動する。そして、吸収器１０（第２吸収器１２）において、下記反応式（２）の反応が進行することにより作動媒体は吸収材に吸収され、発生した反応熱が出力される。

結果として、中温排熱は昇温され高温熱へ回生される。これら放熱過程と蓄熱過程を連続的にサイクルすることにより、連続的な出力が可能となる。このように、本実施形態の蓄熱装置１は、中温排熱を高温熱へ昇温させる気固吸収式ケミカルヒートポンプを構成している。

図４に上記反応式（１）、（２）の反応系における昇温操作の操作線を示す。本反応系における昇温操作の操作線は、作動媒体である水の蒸気圧線とＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏの蒸気圧線から表せるため、図４には、ＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏと水の蒸気圧線を示している。なお、ＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏの蒸気圧線は、後述の実験装置を用いて１０℃毎に測定した結果である。

図４に示すように、ＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏの蒸気圧は１５５℃において２．４ｋＰａとなり、２０℃相当の水蒸気圧となる。そのため、蓄熱温度を１５５℃以上にすることにより、凝縮器温度２０℃において蓄熱が可能であることがわかる。工業的に設計が容易である大気圧以下を内部圧力の上限とした場合、蒸発器の水蒸気圧は１００℃相当の１０１．３ｋＰａが上限となる。２４６℃におけるＣａＢｒ_２・Ｈ_２Ｏの蒸気圧は９８．８ｋＰａであることから、２４６℃において放熱が可能である。よって、理論的に約９１℃の昇温操作が可能である。

本実施形態の蓄熱装置１は、蒸発器２０、凝縮器３０の圧力および温度を制御することで、吸収器１０の放熱温度、蓄熱温度を制御することが可能となる。具体的には、図４に示す操作線から、環境温度（外気温）が２０℃の条件下において、吸収材の水和物の吸熱反応により脱水する蓄熱作動を、吸収材の温度が１５５℃以上となる条件で行うことが可能である。なお、吸収器１０の熱交換器１０１がステンレス製であれば、材料強度の観点から５００℃以下となる条件で蓄熱作動を行うことが望ましい。このとき、蓄熱温度が放熱温度以上となっても良い。

また、大気圧以下を蒸発器２０の内部圧力の上限とした場合、吸収材の水和反応により発熱する放熱作動を、吸収材の温度が２４６℃以下となる条件で行うことが可能である。なお、吸収材の温度が低すぎると、吸収材が水和反応する際の反応活性が悪くなったり、水蒸気圧が低くなったり等の問題が生じるため、吸収材の温度は低すぎないことが望ましい。仮に、水蒸気圧の低下を１００℃相当の１０１．３ｋＰａの１／１０程度まで許容すると、４５℃以上となる条件で放熱作動を行うことが望ましい。

次に、吸収器１０を構成する上記したモジュールの出力評価の結果について説明する。上記したモジュールにおける出力の安定性と耐久性を評価するため１０００回の連続サイクルにおける入出力特性の変化を評価した。

図５に、モジュールの出力評価に用いた評価装置の概略図を示す。

評価装置は実機における吸収器１０の運転と合わせるため、吸収器１０、蒸発器２０と、凝縮器３０とを各一器により構成した。評価装置には、それぞれの熱源を想定した恒温槽が配置されており、温度制御された熱交換流体（熱交換媒体）が各器へ供給される。

吸収器１０は、上述の構成および寸法を有するものである。蒸発器２０と凝縮器３０における内部の水蒸気圧は熱交換流体の温度により決定される。吸収器１０と蒸発器２０、凝縮器３０との間には切替弁８２としての弁８２ａ、８２ｂが取り付けられており、各弁８２ａ、８２ｂの開閉は任意のタイミングで行うことが可能である。

各弁８２ａ、８２ｂの開閉により吸収器１０が蒸発器２０または凝縮器３０に接続されるタイミングが制御され、サイクルの切り替えのタイミングとなる。各器には圧力センサーが装着されており圧力履歴を測定が可能であり、各器の熱交換器の入口と出口には白金測温抵抗体（Ｐｔ）と流量計（Ｆｍ）が取り付けられており、熱交換流体の温度と流量の連続測定が可能となっている。

入出力特性の評価には、入出力密度の時間履歴と吸収材有効利用率を用いた。入出力密度の算出は測定した流体流量と温度から下記数式（１）を用いており、モジュール体積で除すことにより規格化している。また、吸収材有効利用率は下記数式（２）、（３）により算出しており、充填した吸収材のうち熱交換流体への入出力に寄与した割合を示す。

Ｃ_{ｆｌｕｉｄ}：吸収器に流入する熱交換流体の比熱
ρ_{ｆｌｕｉｄ}：吸収器に流入する熱交換流体の密度
Ｆ_ａｂｓ：吸収器に流入する熱交換流体の流量
Ｔ_{ａｂｓ，ｉｎ}：吸収器の入口温度
Ｔ_{ａｂｓ，ｏｕｔ}：吸収器の出口温度
Ｖ_ｍｏｄ：モジュール（熱交換コア部）の体積
ΔＨ_ａｂｓ：吸熱量
ｗ：吸収材の重量
ｍ：吸収材のｍｏｌ量
連続サイクル実験は蓄熱過程と放熱過程を１５０ｓ毎に１０００回繰り返すことにより行った。蓄熱過程への切り替えでは、吸収器１０と凝縮器３０の間の弁８２ｂを開き、吸収器１０と蒸発器２０の間の弁８２ａを閉じた。放熱過程への切り替えでは、吸収器１０と蒸発器２０の間の弁８２ａを開き、吸収器１０と凝縮器３０の間の弁８２ｂを開くことにより行った。本実験では、モジュールの顕熱による出力評価への影響を少なくするため、両過程において吸収器１０に流す流体温度を一定とした。各熱源条件は、次の通りである。
・吸収器１０に流入する熱交換流体の温度（Ｔ_{ａｂｓ，ｉｎ）}と流速（Ｆ_ａｂｓ）
Ｔ_{ａｂｓ，ｉｎ}＝１７０℃、Ｆ_ａｂｓ＝２．０Ｌ／ｍｉｎ
・蒸発器２０に流入する熱交換流体の温度（Ｔ_{ｅｖａ，ｉｎ}）と流速（Ｆ_ｅｖａ）
Ｔ_{ｅｖａ，ｉｎ}＝６０℃、Ｆ_ｅｖａ＝４．０Ｌ／ｍｉｎ
・凝縮器３０に流入する熱交換流体の温度（Ｔ_{ｃｏｎ，ｉｎ}）と流速（Ｆ_ｃｏｎ）
Ｔ_{ｃｏｎ，ｉｎ}＝２０℃、Ｆ_ｃｏｎ＝４．０Ｌ／ｍｉｎ
図６、７に、測定結果の代表例として、５００回目における蓄熱過程と放熱過程における吸収器１０の出口と入口の温度差の時間履歴を示す。放熱過程における０ｓは蒸発器２０への接続のため弁８２ａが開いたタイミングとなる。弁８２ａが開くと蒸発器２０から吸収器１０へ水蒸気が移動することにより吸収器１０の圧力は平衡水蒸気圧まで急激に高くなっている。同時に、出口と入口の温度差が増加しているおり、熱交換流体への熱出力が確認できる。また、蓄熱過程における１５０ｓは凝縮器３０への接続のタイミングとなる。同様に、弁８２ｂが開くと凝縮器３０へ水蒸気が移動することにより吸収器１０の圧力は急激に低下している。同時に、出口と入口の温度差が低下しており、熱交換流体から熱が入力され蓄熱していることがわかる。

図８、９に、１０００回までの連続運転における蓄熱過程と放熱過程の出力の時間履歴を示す。図８の縦軸は入力密度（Ｐ_{ａｂｓ，ｉｎ}）であり、図９の縦軸は出力密度（Ｐ_{ａｂｓ，ｉｎ}）である。１０回目のときに最大出力密度が２２００Ｗ／Ｌと大きく、１０００回の連続サイクルにおいても、両過程で継続的な入出力が確認された。また、両過程において出力のピークがサイクルの繰り返し回数に合わせて低下しており、１０００回目の放熱過程の出力の最大値では１０回目に対して約３０％の低下が確認された。

図１０に、連続サイクルにおける吸収材利用率の変化を示す。吸収材利用率は１０００回目においても０．７４［−］の高い値を維持していることがわかる。

次に、本実施形態の主な効果について説明する。

（１）吸収器１０を構成する熱交換器１０１は、吸収材１０２と熱交換媒体の伝熱距離ｄ１が０．７５ｍｍと小さく、かつ、熱交換媒体流路１０４と充填部１０５とを区画するとともに伝熱介在物として機能する区画壁であるプレート１０３の厚さｔ１が０．１ｍｍと小さいため、最大出力密度を大きくできる。

ここで、放熱過程において、吸収材１０２の水和による発熱時における発熱速度Ｑａと、吸収材１０２から熱交換媒体に伝熱させて吸収材１０２から除熱するときの除熱速度Ｑｂとを比較する。発熱速度Ｑａは、下記の数式（４）から算出できる。

Ｑａ［Ｗ］＝反応速度［１／ｓ］×発熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］×吸収ｍｏｌ量［ｍｏｌ］・・・数式（４）
ＣａＢｒ_２の反応速度は知られていないので、ＣａＯの反応速度と同等と仮定する。ＣａＯの反応速度は本願発明者らの過去の実験から０．００６［１／ｓ］であることがわかっている。圧力条件を補正すると、反応速度は０．００６×（４７．５／６．３）＝０．０４５ ［１／ｓ］となる。発熱量は７５．１［ｋＪ／ｍｏｌ］であり、分子量は２００［ｇ／ｍｏｌ］であり、本試験で使用した吸収材は２０［ｇ］であることから、数式（４）から算出すると、発熱速度Ｑａは３３９［Ｗ］である。

一方、除熱速度Ｑｂを算出すると、上記の通り、吸収器１０の最大出力密度は２２００Ｗ／Ｌであり、熱交換コア部の体積は１６２ｃｍ^３であるので、除熱速度Ｑｂは３５６．４［Ｗ］である。

このように、吸収器１０を構成する熱交換器１０１は、発熱速度Ｑａに対して、除熱速度Ｑｂの方が大きい関係となるように構成されている。すなわち、吸収材１０２と熱交換媒体の伝熱距離ｄ１と、伝熱介在物として機能する区画壁（プレート１０３）の厚さとが設定されている。

このため、本実施形態の蓄熱装置１によれば、発熱速度Ｑａに対して除熱速度Ｑｂの方が大きい関係を満たさない場合と比較して、吸収材１０２の発熱量に対する熱交換媒体の除熱量を大きくでき、吸収材１０２の過度の昇温を抑制でき、吸収材１０２の劣化を抑制できる。

その結果、上記の通り、１０００回の繰り返し試験において、高い吸収材利用率を維持でき、放熱過程の出力の低下を１０回目に対して約３０％程度に抑制できる。

なお、本実施形態では、伝熱距離ｄ１を０．７５ｍｍとしたが、吸収器１０の設計可能な範囲で、伝熱距離ｄ１を０．７５ｍｍよりも小さくしても良い。伝熱距離ｄ１が小さいほど、除熱速度Ｑｂが大きくなるからである。例えば、充填部１０２の幅ｗ２を吸収材１０２の粒径０．１ｍｍと同じ大きさとし、熱交換媒体流路１０４の幅ｗ１を、プレートの厚みｔ１と同じ０．１ｍｍとすることが可能であることから、伝熱距離ｄ１は０．２ｍｍまで小さくすることが可能である。

参考として、本実施形態と異なり、吸収材１０２と熱交換媒体の伝熱距離ｄ１が１．５ｍｍの場合の発熱速度Ｑａと除熱速度Ｑｂの関係について説明する。

除熱速度Ｑｂは、下記の数式（５）のようにも表される。

Ｑｂ＝Ｋ・Ａ・ｄＴ・・・数式（５）
Ｋ：熱通過率［Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）］、Ａ：伝熱面積（０．１３ｍ^２）、ｄＴ：温度差［Ｋ］
ただし、ここでの検討では、温度差ｄＴを一定とする。

伝熱距離ｄ１によって数式（５）中の熱通過率Ｋの値が変化する。図１１に、熱通過率Ｋの計算方法を示す。図１１中の破線で囲まれた領域を計算領域として、図１１に記載の数式（３）、（４）、（５）により、伝熱距離ｄ１が０．７５、１．５ｍｍの場合の熱通過率Ｋを計算した。この計算結果を図１２に示す。なお、本実施形態の吸収器１０が有する流路形状の場合のＮｕを８．２３で一定とした。

図１２に示すように、伝熱距離ｄ１が０．７５ｍｍから１．５ｍｍになると、熱通過率Ｋが約１／４になり、数式（５）より、除熱速度Ｑｂが１／４になる。このため、上記の通り、伝熱距離ｄ１が０．７５ｍｍのとき、発熱速度Ｑａは３３９［Ｗ］であり、除熱速度Ｑｂは３５６．４［Ｗ］であり、発熱速度Ｑａ＜除熱速度Ｑｂの関係が成立したが、伝熱距離ｄ１が１．５ｍｍのときでは、発熱速度Ｑａ＜除熱速度Ｑｂの関係が成立しないことがわかる。

したがって、伝熱距離ｄ１が０．７５ｍｍよりも大きな１．５ｍｍのときでは、上記した吸収材１０２の劣化を抑制するという効果が得られないことが予想される。

（２）蓄熱過程において、吸収材１０２の水和物の吸熱による水の再生時における吸熱速度Ｑｃと、熱交換媒体から吸収材１０２に伝熱させて吸収材１０２を加熱するときの加熱速度Ｑｄとを比較する。熱力学および経験則より、化学蓄熱材の吸熱速度Ｑｃは、発熱速度Ｑａと同じもしくはそれよりも小さい。また、一般的に、加熱速度Ｑｄは除熱速度Ｑｂとほぼ同じである。

したがって、吸収器１０を構成する熱交換器１０１は、発熱速度Ｑａに対して除熱速度Ｑｂの方が大きい関係であったことから、吸熱速度Ｑｃに対して加熱速度Ｑｄの方が大きい関係となるように構成されていると言える。

このため、本実施形態の蓄熱装置１によれば、発熱速度Ｑａに対して除熱速度Ｑｂの方が大きい関係を満たさない場合と比較して、蓄熱過程における吸収材１０２の蓄熱時間を短縮できる。

（３）本実施形態の蓄熱装置１は、反応媒体を液体から気体に変換するための蒸発器２０および反応媒体を気体から液体に変換するための凝縮器３０の両方を備えている。

蒸発器２０から気化させた反応媒体を吸収材１０２に供給することで、反応媒体を吸収材１０２と反応させて吸収材１０２を発熱させることができる（放熱過程）。また、吸熱により吸収材１０２から放出された反応媒体を凝縮器３０で液化して反応媒体を回収することができる（蓄熱過程）。

このため、蒸発器２０と凝縮器３０の両方を備えることにより、放熱過程と蓄熱過程とを繰り返すことができる。また、蒸発器２０と凝縮器３０のうち蒸発器２０のみを備えている場合であっても、凝縮器３０の機能を蓄熱装置が適用されたシステムの一部を利用して実現させることで、放熱過程と蓄熱過程とを繰り返すことができる。蒸発器２０と凝縮器３０のうち凝縮器３０のみを備えている場合においても同様である。よって、蓄熱装置１は、蒸発器２０と凝縮器３０の少なくとも一方を備えていれば良い。

（第２実施形態）
図１３に、本発明の蓄熱装置を適用した燃料供給システムの全体構成図を示す。本実施形態は、第１実施形態で説明した蓄熱装置１を燃料供給システム２００に適用した例である。この燃料供給システム２００は、車両に適用されており、車両走行用の駆動力を出力するエンジン（内燃機関）ＥＧへ燃料を供給するものである。

図１３に示すように、燃料供給システム２００は、高圧タンク２０１と、気化器２０２と、エンジンＥＧと、インジェクタ２０４と、改質器２０５と、蓄熱装置１を備えている。

高圧タンク２０１は、高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段である。高圧タンク１１に貯蔵される燃料は、可燃性を有し、さらに、高圧化においては常温（１５℃〜２５℃程度）でも、容易に液化する燃料であり、例えば、アンモニアやジメチルエーテルが挙げられる。さらに、アンモニアやジメチルエーテルは水素を含有する燃料（水素化合物）であるので、改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することもできる。

気化器２０２は、高圧タンク２０１から流出した燃料を気化させる燃料気化手段である。気化器２０２は、具体的には、燃料と熱媒体としてのエンジン冷却水とを熱交換させる熱交換器で構成される。このため、燃料供給システム２００は、気化器２０２とエンジンＥＧとの間をエンジン冷却水が循環する冷却水循環回路２１０を備えている。

気化器２０２の気体燃料出口から流出した気体燃料の流れは燃料配管２０３にて２つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、気体燃料をエンジンＥＧの燃焼室内へ噴射供給する燃料噴射弁（インジェクタ）２０４へ流入し、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器２０５へ流入する。

エンジンＥＧは、いわゆるレシプロ型エンジンで構成されており、気化器２０２から供給される気体燃料を燃焼して消費し、発熱を伴いながら車両走行用の駆動力となる機械的エネルギを出力するエネルギ出力手段である。

インジェクタ２０４は、エンジンＥＧのシリンダヘッドに固定されて、エンジンＥＧの吸気ポートに向けて気体燃料を噴射するものである。これにより、気体燃料と燃焼用空気（吸気）が混合された混合気が燃焼室内へ供給される。なお、図１３では、エンジンＥＧの１つの気筒のみを模式的に図示しているが、このエンジンＥＧは、多気筒型（例えば、４気筒）のエンジンであり、インジェクタ２０４は、各気筒に対して１個ずつ設けられている。

改質器２０５は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させるものである。改質器２０５にて発生した水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジンＥＧの吸気ポートより燃焼室へ供給される。

蓄熱装置１は、第１実施形態で説明した構成と同じである。蓄熱装置１の吸収器１０は、気化器２０２とエンジンＥＧとの間をエンジン冷却水が循環する冷却水循環回路２１０と接続されている。

また、燃料供給システム２００は、排気と熱交換媒体とを熱交換させる排気用熱交換器２２１と、排気用熱交換器２２１と吸収器１０との間で熱交換媒体が循環する排気用熱交換媒体循環回路２２０とを備えている。

なお、吸収器１０が第１、第２吸収器１１、１２の２つの吸収器により構成される場合では、一方の吸収器と冷却水循環回路２１０とが接続され、他方の吸収器と排気用熱交換媒体循環回路２２０とが接続される。吸収器１０が１つの吸収器により構成される場合では、１つの吸収器に対して、冷却水循環回路２１０と排気用熱交換媒体循環回路２２０とが切替可能に接続される。

このような構成の燃料供給システムは、エンジンＥＧの定常運転時では、気化器２０２において、エンジン冷却水の熱を利用して液状燃料を気化させ、気化させた燃料がエンジンＥＧに供給される。このとき、蓄熱装置１において、吸収器１０と排気用熱交換媒体循環回路２２０とが接続された状態とすることにより、エンジンＥＧの排気の排熱を利用して、吸収器１０に収容されている吸収材を加熱する。これにより、第１実施形態で説明した蓄熱作動を行う（蓄熱過程）。

一方、システム（エンジンＥＧ）の始動時は、吸収器１０と冷却水循環回路とが接続された状態として、吸収器１０において、放熱作動を行うことで、エンジン冷却水を加熱する（放熱過程）。放熱作動は、吸収器１０と蒸発器２０との間の弁を開くことでも可能であるが、電気ヒータ等の他の加熱手段を用いて蒸発器２０を加熱することで行うことが好ましい。

このようにして、蓄熱装置１に蓄えられた熱を気化器２０２側へ供給することで、エンジンＥＧの始動時に、気化器２０２における燃料を、確実かつ速やかに加熱して気化を促進することができ、システムの立ち上がり性能を向上させることができる。

なお、本実施形態では、蓄熱装置１の放熱を利用した加熱の対象を、気化器２０２としたが、改質器等を加熱の対象としても良い。

また、本実施形態では、車両に搭載される燃料供給システムに対して、本発明の蓄熱装置を適用した例を説明したが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、燃料を燃焼させて熱エネルギを出力するボイラ装置等の燃料供給システムに対して、本発明の蓄熱装置を適用しても良い。また、エネルギ出力手段として、例えば、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）とを電気化学反応させて、電気エネルギを出力する燃料電池を採用した燃料供給システムに対して、本発明の蓄熱装置を適用しても良い。

（他の実施形態）
上述の各実施形態では、化学蓄熱材としてＣａＢｒ_２を用いたが、他の化学蓄熱材を用いても良い。化学蓄熱材としては、例えば、ＣａＣｌ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＣｌ_２、ゼオライト、活性炭等が挙げられる。ＣａＣｌ_２に対しては、水、メタノール、アンモニア、メチルアミン等が反応媒体となる。ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ゼオライト、活性炭に対しては、水が反応媒体となる。また、ＳｒＣｌ_２に対してはアンモニアが反応媒体となる。

ところで、化学蓄熱材の反応媒体との反応時における反応速度は蓄熱密度に比例することが一般的に知られている。上記した化学蓄熱材のうちＣａＯが最も蓄熱密度が大きいことから、ＣａＯが最も反応速度が大きいことが推測される。

第１実施形態で説明したとおり、蓄熱密度が最も大きなＣａＯの反応速度を用いて、発熱速度を算出したところ、第１実施形態では、発熱速度Ｑａに対して除熱速度Ｑｂが大きいという関係が成立したので、ＣａＯ以外の他の化学蓄熱材を用いた場合においても、この関係が成立することは明らかである。

１ 蓄熱装置
１０ 吸収器
１１ 第１吸収器
１２ 第２吸収器
２０ 蒸発器
３０ 凝縮器
１０１ 吸収器を構成する熱交換器
１０２ 吸収材（化学蓄熱材）
１０３ プレート
１０４ 熱熱交換媒体流路
１０５ 充填部

Claims (8)

1. 反応媒体と反応して発熱するとともに、吸熱して前記反応媒体を再生する化学蓄熱材（１０２）と、
   前記化学蓄熱材と熱交換媒体とを熱交換させることにより、前記化学蓄熱材の発熱時に前記化学蓄熱材から熱交換媒体に伝熱させるとともに、前記化学蓄熱材の吸熱時に熱交換媒体から前記化学蓄熱材に伝熱させる熱交換器（１０１）とを備える蓄熱装置において、
   前記熱交換器は、前記化学蓄熱材の発熱時における発熱速度（Ｑａ）に対して、前記化学蓄熱材から熱交換媒体に伝熱させて前記化学蓄熱材から除熱するときの除熱速度（Ｑｂ）の方が大きい関係となるように構成されていることを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記熱交換器は、前記化学蓄熱材の反応媒体の再生時における吸熱速度（Ｑｃ）に対して、熱交換媒体から前記化学蓄熱材に伝熱させて前記化学蓄熱材を加熱するときの加熱速度（Ｑｄ）の方が大きい関係となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記反応媒体を液体から気体に変換するための蒸発器（２０）および前記反応媒体を気体から液体に変換するための凝縮器（３０）の少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
4. 前記化学蓄熱材は、ＣａＢｒ_２、ＣａＣｌ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｒＣｌ_２、ゼオライト、活性炭のいずれか１つであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
5. 前記化学蓄熱材はＣａＢｒ_２であり、前記反応媒体は水であり、
   前記化学蓄熱材の水和反応により発熱する放熱作動を、前記化学蓄熱材の温度が２４６℃以下となる条件で行い、
   前記化学蓄熱材の水和物の吸熱反応により脱水する蓄熱作動を、前記化学蓄熱材の温度が１５５℃以上となる条件で行うようになっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
6. 前記熱交換器は、
   熱交換媒体が流れる熱交換媒体流路（１０４）と、
   前記熱交換媒体流路と隣り合わせに位置し、前記化学蓄熱材が充填される充填部（１０５）と、
   前記熱交換媒体流路と前記充填部とを区画するとともに伝熱介在物として機能する区画壁（１０３）とを備え、
   前記区画壁は、厚さが０．１ｍｍ以下であり、
   隣り合う前記熱交換媒体流路と前記充填部とにおける前記熱交換媒体流路の中心から前記充填部の中心までの距離である伝熱距離（ｄ１）が、０．７５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の蓄熱装置。
7. 前記化学蓄熱材は、粒径が１００−２００μｍの粒子からなり、
   前記充填部は、前記反応媒体が流れる反応媒体流路（８１）と接続されており、
   前記充填部のうち前記反応媒体流路側の部位に、前記化学蓄熱材の粒子径よりも網の目（１０９）が細かいメッシュ（１０８）が設置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の蓄熱装置。
8. 前記メッシュは、空隙率が９０％以上であることを特徴とする請求項７に記載の蓄熱装置。

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