JP2014115060A

JP2014115060A - 化学蓄熱反応器、化学蓄熱システム

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Publication number: JP2014115060A
Application number: JP2012271498A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mitsui; 宏之三井; Takashi Shimazu; 孝志満津
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: JP6003606B2

Abstract

【課題】蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるの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。
【解決手段】蓄熱材成形体３０の膨張力で第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂが壁部２２Ｂに押圧されることで、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂの配列方向の移動及び流路幅方向の移動が抑制される。そして、凹凸部３４の両端部の両端部の近づく方向の移動が抑制されるため、蒸気流れ方向から見て、凹凸部３４が撓むのが抑制される。これにより、蓄熱材成形体３０の膨張力で凹凸部３４が押しつぶされるの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に記載の化学蓄熱反応容器内の内部には、水蒸気の流路となる蒸気流路と、蒸気流路の両側に配置された一対の蓄熱材成形体とが配置されている。この蒸気流路には、板材を折り曲げて形成され、水蒸気の流れ方向から見て凹凸状されるフィンが備えられている。

そして、蓄熱材成形体が水和反応で膨張したとき、このフィン（凹凸部）が、蓄熱材成形体の膨張を抑制することで蒸気流路が確保されるようになっている。

特開２０１２−２１１７１３号公報

蓄熱材成形体は、水和反応により膨張し、脱水反応により収縮することで、蓄熱材成形体が膨張、収縮を繰り返す。凹凸部は薄い板材を折り曲げて形成されているため、凹凸部に蓄熱材成形体の膨張力が繰り返し作用することで、凹凸部が押しつぶされてしまうことが考えられる。

本発明の課題は、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるのを抑制することである。

本発明の請求項１に係る化学蓄熱反応器は、容器と、前記容器内で前記容器を構成する第一壁部側に配置され、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成形体と、前記容器内で前記蓄熱材成形体を挟んで前記第一壁部の反対側に配置され、前記蓄熱材成形体を構成する蓄熱材の平均粒径よりも小さい流路を通じて水蒸気を通過させるフィルタと、前記容器内で前記フィルタを挟んで前記蓄熱材成形体の反対側に形成される蒸気流路に配置され、板材を折り曲げて水蒸気の流れ方向から見て凹凸状に形成され、前記蓄熱材成形体の水和反応よる膨張力が作用する凹凸部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の両端部で前記凹凸部と夫々連結されると共に、前記蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が、前記流れ方向に対して直交する流路幅方向に作用して支持部に押圧される一対の押圧部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、容器内の蒸気流路に水蒸気が流れると、水蒸気はフィルタを通過して蓄熱材成形体に達する。蓄熱材成形体は、水蒸気による水和反応により膨張して発熱する。一方、蓄熱成形体は、容器の外部からの加熱による脱水反応で収縮し、熱を蓄熱する。

蒸気流路には、蒸気流路を区画する凹凸部が配置されている。そして、蓄熱材成形体の水和反応よる膨張力がこの凹凸部に作用する。これにより、凹凸部が撓むことで、蓄熱材成形体の膨張力が通常とは異なった方向から凹凸部に生じることが考えられる。

しかし、凹凸部の両端部で凹凸部と連結される一対の押圧部に、蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用するため、押圧部の移動が抑制される。このように、凹凸部の両端部の近づく方向の移動が抑制されることで、凹凸部の撓みが抑制される。このため、蓄熱材成形体の膨張力が通常とは異なった方向から凹凸部に生じるのが抑制される。

これにより、押圧部がない場合と比して、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるの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、請求項１に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路を挟んで両側に配置され、一方及び他方の前記蓄熱材成形体は、前記容器を構成すると共に互いに対向する一対の前記第一壁部側に夫々配置され、前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、一対の前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて一方及び他方の前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて一方及び他方の前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、で一対とされることを特徴とする。

上記構成によれば、凹凸部の一端部で凹凸部と連結される第一押圧部に、一方及び他方の蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第一押圧部が一方の第二壁部に押圧される。

一方、凹凸部の他端部で凹凸部と連結される第二押圧部に、一方及び他方の蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第二押圧部が他方の第二壁部に押圧される。

このように、凹凸部の両端部の近づく方向の移動が抑制されることで、凹凸部の撓みが抑制される。このため、蓄熱材成形体の膨張力が通常とは異なった方向から凹凸部に生じるのが抑制される。これにより、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるのを効果的に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、請求項１に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路を挟んで両側に配置され、一方及び他方の前記蓄熱材成形体は、前記容器を構成すると共に対向する一対の前記第一壁部側に夫々配置され、前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて一方の前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて他方の前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、を含んで構成されることを特徴とする。

上記構成によれば、凹凸部の一端部で凹凸部と連結される第一押圧部に、一方の蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第一押圧部が一方の第二壁部に押圧される。

一方、凹凸部の他端部で凹凸部と連結される第二押圧部に、他方の蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第二押圧部が他方の第二壁部に押圧される。

本発明の請求項４に係る化学蓄熱反応器は、請求項１に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路の片側にのみ配置され、前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、を含んで構成されることを特徴とする。

上記構成によれば、凹凸部の一端部で凹凸部と連結される第一押圧部に、蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第一押圧部は一方の第二壁部に押圧される。

一方、凹凸部の他端部で凹凸部と連結される第二押圧部に、蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が流路幅方向に作用し、これにより、第二押圧部は他方の第二壁部に押圧される。

本発明の請求項５に係る化学蓄熱反応器は、請求項１に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材成形体と、前記フィルタと、前記凹凸部と、前記押圧部とを含んで反応ユニットが構成され、前記容器内には、前記流路幅方向に並んで複数の前記反応ユニットが配置され、前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部、又は、隣接する前記反応ユニットの押圧部であることを特徴とする。

上記構成によれば、反応ユニットに備えられた蓄熱材成形体の膨張力が、押圧部に作用し、押圧部が第二壁部、又は隣接する反応ユニットの押圧部に押圧される。

押圧部が第二壁部に押圧されると、押圧部の移動が抑制される。一方、押圧部が、隣接する反応ユニットの押圧部に押圧されると、この部分が、疑似的な拘束壁として機能する。このため、夫々の押圧部の移動が抑制される。

本発明の請求項６に係る化学蓄熱反応器は、請求項１〜５の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器において、前記凹凸部における前記流れ方向の一端側の部分を保持し、前記凹凸部が前記流れ方向から見て撓むのを抑制する一端側抑制部材と、前記凹凸部における前記流れ方向の他端側の部分を保持し、前記凹凸部が前記流れ方向から見て撓むのを抑制する他端側抑制部材と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、一端側抑制部材が、凹凸部における流れ方向の一端側の部分を保持し、凹凸部が流れ方向から見て撓むのを抑制し、他端側抑制部材が、凹凸部における流れ方向の他端側の部分を保持し、凹凸部が流れ方向から見て撓むのを抑制する。

これにより、一端側抑制部材又は他端側抑制部材が備えられていない場合と比して、流れ方向から見て、凹凸部が撓むのが抑制される。このため、蓄熱材成形体の膨張力が通常とは異なった方向から凹凸部に生じるのが抑制される。これにより、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるのを効果的に抑制することができる。

本発明の請求項７に係る化学蓄熱システムは、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器と、前記化学蓄熱反応器の容器を構成する前記第一壁部を挟んで前記蓄熱材成形体の反対側に配置され、熱媒体が流れる媒体流路と、前記容器に気密状態で連通され、水蒸気を前記容器に供給する蒸発部と、を有することを特徴とする。

上記構成によれば、化学蓄熱システムは、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器を備えているため、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるのが抑制する。これにより、化学蓄熱システムの耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、蓄熱材成形体の膨張力で凹凸部が押しつぶされるのを抑制することができる。

（Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る化学蓄熱反応器を示し、流路幅方向に対して直交する方向に切断した断面図、蒸気流れ方向に対して直交する方向に切断した断面図である。第１実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る化学蓄熱反応器に備えられたフィンを示した斜視図及び平面図である。第１実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した拡大断面図である。（Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る化学蓄熱システムを示した概略構成図である。第１実施形態に係る化学蓄熱システムを示した概略構成図である。第１実施形態に係る化学蓄熱反応器における蓄熱材成形体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）（Ｂ）（Ｃ）第１実施形態に係る化学蓄熱反応器に用いられたフィンに対する比較例としてのフィンの変形モードを示した説明図である。第２実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）第２実施形態に係る化学蓄熱反応器に備えられたフィンを示した斜視図及び平面図である。第３実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した斜視図である。（Ａ）（Ｂ）第３実施形態に係る化学蓄熱反応器に備えられたフィンを示した斜視図及び平面図である。（Ａ）（Ｂ）第３実施形態に係る化学蓄熱反応器を示し、流路幅方向に対して直交する方向に切断した断面図、蒸気流れ方向に対して直交する方向に切断した断面図である。第４実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した断面図である。第５実施形態に係る化学蓄熱反応器を示した断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１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図１〜図８を用いて説明する。

（全体構成）
図６に示されるように、第１実施形態に係る化学蓄熱システム１０は、水（Ｈ_２Ｏ）の蒸発、水蒸気の凝縮が行われる蒸発部の一例としての蒸発凝縮器１２と、後述する蓄熱材成形体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と反応器２０とを連通させる連通路１４と、熱媒が流れる熱媒流路２４、２５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は自動車（図示省略）に用いられる。

〔蒸発凝縮器〕
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を備えており、この容器１６内には、水蒸気を凝縮するのに用いる冷媒流路１７及び水を蒸発させるのに用いるヒータ１８が備えられている。

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配置されており、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配置されている。なお、蒸発部の加熱源として、エンジン冷却水などの熱媒体を流通可能に配置してもよい。

〔連通路〕
連通路１４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を備えている。容器１６、反応容器２２、連通路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。

〔反応器〕
反応器２０は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、容器の一例としての反応容器２２を備えている。さらに、反応容器２２は、反応容器２２を構成すると共に対向する一対の第一壁部の一例としての壁部２２Ａを備えている。そして、反応容器２２内には、壁部２２Ａ側に配置された蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂと、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂを覆うように備えられたフィルタ２８Ａ、２８Ｂと、が配置されている。そして、フィルタ２８Ａ、２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに挟まれるように蒸気流路２６が形成されている。

さらに、蒸気流路２６には、板材を折り曲げて形成され、水蒸気の流れ方向（以下、「蒸気流れ方向」という：図中矢印Ｘ方向）から見て蒸気流路２６を複数に区画すると共に、水和反応によって生じる蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が作用するフィン３２が配置されている。このように、反応器２０は、反応容器２２、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂ、フィルタ２８Ａ、２８Ｂ、及びフィン３２を含んで構成されている。なお、本第１実施形態では、この蒸気流れ方向が鉛直方向に向くように、反応器２０が配置されている。

また、以後の説明では、反応容器２２において、蒸気流路２６、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが配列される方向を配列方向（図中矢印Ｙ方向）と記載し、蒸気流れ方向及び配列方向に対して直交する方向を流路幅方向（図中矢印Ｚ方向）と記載する。

ここで、図１（Ａ）、（Ｂ）の左右方向が配列方向となっており、反応容器２２内では、右側から左側へ向けて、蓄熱材成形体３０Ｂ、フィルタ２８Ｂ、蒸気流路２６、フィルタ２８Ａ、蓄熱材成形体３０Ａの順で配列された構成となっている。

[反応容器]
反応容器２２は、直方体状の容器であり、図１（Ａ）に示されるように、反応容器２２の天井壁部２２Ｃにおける配列方向の中央部分には、開口部２３が蒸気流路２６と対向するように形成されている。そして、開口部２３には、連通路１４の一端が接続されている。

[蒸気流路・フィン]
蒸気流路２６は、前述したように、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに挟まれ、蒸気流路２６には、図１（Ｂ）に示されるように、蒸気流れ方向から見て蒸気流路２６を複数に区画するフィン３２が配置されている。このフィン３２は、ステンレス鋼板をプレス加工することにより形成されている。

このフィン３２は、図１（Ｂ）及び図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、蒸気流れ方向に対して直交する断面が凹凸を繰り返す矩形波状とされた凹凸部３４と、凹凸部３４の両端部に連結される押圧部３６とを備えている。

そして、凹凸部３４によって蒸気流路２６は、図１（Ｂ）に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ側に開放された複数の第一流路２６Ａと、蓄熱材成形体３０Ｂ側に開放された複数の第二流路２６Ｂとに区画されている。なお、フィン３２については詳細を後述する。

[フィルタ]
フィルタ２８Ａ、２８Ｂは、図１（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂにおいて壁部２２Ａと対向する部分以外の蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの外表面を覆っている。また、フィルタ２８Ａ、２８Ｂは、金属繊維焼結体であって、ミクロン単位の金属繊維から構成される不織布の焼結体とされており、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂを構成する蓄熱材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、フィルタ２８Ａ、２８Ｂでは、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂを構成する蓄熱材の平均粒径より小さ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。

[蓄熱材成形体]
蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂには、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：蓄熱材の一例）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、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂは、反応容器２２の壁部に周囲を密着させた状態で配置（挿入）されている。

ここで、蓄熱材成形体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、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、１．８６［ＭＪ／ｋｇ］とされている。

また、本実施形態において、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂを構成する蓄熱材の粒径とは、蓄熱材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とする。これは、粒が崩壊する場合、前工程の状態に戻ると推定されるためである。

[熱媒流路]
熱媒流路２４は、図１（Ａ）（Ｂ）に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ側で反応容器２２に隣接して配置され、熱媒流路２５は、蓄熱材成形体３０Ｂ側で反応容器２２に隣接して配置されている。

熱媒流路２４、２５は、一例として、角筒状のステンレス鋼で形成されており、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とを備えている。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、共に蒸気流れ方向に沿っている。

熱媒は、蓄熱（脱水）時、蓄熱材成形体を加熱し、放熱（水和）時、蓄熱材成形体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、蓄熱時には排気ガスを、放熱時には空気を用いている。

なお、熱媒の他の例として、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い。熱媒としての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。さらに、蓄熱時の加熱を反応容器２２の壁部２２Ａにヒータを付設して行い、放熱時は、熱媒を用いる方式でもよい。

（全体構成の作用）
次に、化学蓄熱システム１０の作用について説明する。

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（発熱）する際には、図５（Ａ）に示されるように、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連通路１４内を矢印Ｄ方向に移動して、反応器２０内に供給される。

続いて、図４に示されるように、反応器２０内では、供給された水蒸気Ｗが蒸気流路２６を構成する第一流路２６Ａ及び第二流路２６Ｂ内を流れる。そして、第一流路２６Ａ内の水蒸気Ｗがフィルタ２８Ａを通過して蓄熱材成形体３０Ａと接触することにより、蓄熱材成形体３０Ａは、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱媒流路２４（図５（Ａ）参照）内を流れる熱媒によって、加熱対象に輸送される。

同様に、第二流路２６Ｂ内の水蒸気Ｗがフィルタ２８Ｂを通過して蓄熱材成形体３０Ｂと接触することにより、蓄熱材成形体３０Ｂは、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱媒流路２５（図５（Ａ）参照）内を流れる熱媒によって、加熱対象に輸送される。

一方、化学蓄熱システム１０において反応器２０の蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに熱を蓄熱する際には、図５（Ｂ）に示されるように、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、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに蓄熱される。

さらに、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂから脱水された水蒸気は、フィルタ２８Ａ、２８Ｂから蒸気流路２６を通り、さらに連通路１４を矢印Ｅ方向に流れて蒸発凝縮器１２内に流れ込む。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成形体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、蓄熱材成形体の温度が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６参照）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６参照）により加熱を行うことで、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、蓄熱材成形体は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。

（要部構成）
次に、フィン３２について説明する。

フィン３２は、図１（Ｂ）及び図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、矩形波状とされた凹凸部３４と、凹凸部３４の両端部に連結される押圧部３６とを備えている。そして、前述したように、凹凸部３４によって区画された蒸気流路２６は、図１（Ｂ）に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ側に開放された複数の第一流路２６Ａと、蓄熱材成形体３０Ｂ側に開放された複数の第二流路２６Ｂとを備えている。

また、フィルタ２８Ａと接触する凹凸部３４の凸壁３４Ａと、フィルタ２８Ｂと接触する凹凸部３４の凹壁３４Ｂとには、水和反応によって生じる蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が配列方向に作用するようになっている。そして、凹凸部３４は、蒸気流路２６の断面積を確保するため、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力に対抗するようになっている。

一方、凹凸部３４の両端部に連結される押圧部３６は、図１（Ｂ）、図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、凹凸部３４の両端部が折り曲げられて形成されている。そして、押圧部３６は、凹凸部３４の一端部が折り曲げられて形成される第一押圧部３６Ａと、凹凸部３４の他端部が折り曲げられて形成される第二押圧部３６Ｂとを備えている。

第一押圧部３６Ａは、凹凸部３４の一端部が配列方向の一方側に折り曲げられ、さらに、折り返されて、折り返された先端側を配列方向の他方側へ延すことで形成されている。これにより、第一押圧部３６Ａは、フィルタ２８Ａを介して蓄熱材成形体３０Ａと、反応容器２２を構成すると共に対向する一対の第二壁部の一例としての壁部２２Ｂとに挟まれる部分と、フィルタ２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ｂと、壁部２２Ｂとに挟まれる部分とを備えている。

同様に、第二押圧部３６Ｂは、凹凸部３４の他端部が配列方向の他方側に折り曲げられ、さらに、折り返されて、折り返された先端側を配列方向の一方側へ延すことで形成されている。これにより、第二押圧部３６Ｂは、フィルタ２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ｂと、壁部２２Ｂとに挟まれる部分と、フィルタ２８Ａを介して蓄熱材成形体３０Ａと、壁部２２Ｂとに挟まれる部分とを備えている。

（要部構成の作用・効果）
次に、フィン３２の作用・効果について説明する。

前述したように、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、水蒸気Ｗと接触した蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが、水和反応を生じつつ放熱する。これに対して、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに熱を蓄熱する際には、熱媒によって加熱された蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが、脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂに蓄熱される。

ここで、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが水和反応により膨張し、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが脱水反応により収縮する。つまり、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂが膨張、収縮を繰り返す。そして、水和反応によって生じる蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力は、フィン３２の凹凸部３４の凸壁３４Ａ及び凹壁３４Ｂに作用する。

凸壁３４Ａ及び凹壁３４Ｂに対して蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が、配列方向に繰り返し作用することで、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示されるように、蒸気流れ方向から見て、凹凸部３４が撓む（図８（Ｂ）参照）。この撓みにより、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力の一部が、凸壁３４Ａ及び凹壁３４Ｂに流路幅方向の力として作用するため、凹凸部３４の壁面３４Ｃが押しつぶされてしまうことが考えられる（図８（Ｃ）参照）。なお、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）には、本実施形態に対する比較例が記載されている。

しかし、これに対して、本第１実施形態に係るフィン３２は、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂを備えている。第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂは、図１（Ｂ）、図２に示されるように、フィルタ２８Ａ、２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂと、壁部２２Ｂに挟まれている。このため、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂに対して蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が、流路幅方向に作用し、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂが壁部２２Ｂに押圧される。

第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂが壁部２２Ｂに押圧されることで、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂと壁部２２Ｂとの間に摩擦力が生じ、第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂの配列方向の移動及び流路幅方向の移動が抑制される。

第一押圧部３６Ａ及び第二押圧部３６Ｂの移動が抑制されることで、凹凸部３４の両端部の両端部の近づく方向の移動が抑制されるため、蒸気流れ方向から見て、凹凸部３４が撓むのが抑制される。そして、凹凸部３４の撓みが抑制されることで、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力の一部が、凸壁３４Ａ及び凹壁３４Ｂに流路幅方向の力として作用するのが抑制される。

これにより、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力で凹凸部３４が押しつぶされるのを抑制することができる。

また、凹凸部３４が押しつぶされるのが抑制されることで、蒸気流路２６の断面積を確保することができる。

また、蒸気流路２６の断面積が確保されることで、化学蓄熱システム１０により、加熱対象を効果的に加熱することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２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図９、図１０（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。

第２実施形態に係る化学蓄熱反応器の一例としての反応器４０に備えられたフィン４２の第一押圧部４６Ａは、蒸気流れ方向から見て、凹凸部４４の一端部がフィルタ２８Ａを介して蓄熱材成形体３０Ａと壁部２２Ｂとに挟まれるように折り曲げられることで形成されている。

一方、第二押圧部４６Ｂは、蒸気流れ方向から見て、凹凸部３４の他端部がフィルタ２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ｂと壁部２２Ｂとに挟まれるように折り曲げられることで形成されている。

このため、第一押圧部４６Ａに対して蓄熱材成形体３０Ａの膨張力が、流路幅方向に作用し、第一押圧部４６Ａが反応容器２２の壁部２２Ｂに押圧される。第一押圧部４６Ａが壁部２２Ｂに押圧されることで、第一押圧部４６Ａと壁部２２Ｂとの間に摩擦力が生じ、第一押圧部４６Ａの移動が抑制される。

一方、第二押圧部４６Ｂに対して蓄熱材成形体３０Ｂの膨張力が、流路幅方向に作用し、第二押圧部４６Ｂが壁部２２Ｂに押圧される。第二押圧部４６Ｂが壁部２２Ｂに押圧されることで、第二押圧部４６Ｂと壁部２２Ｂとの間に摩擦力が生じ、第二押圧部４６Ｂの移動が抑制される。

第一押圧部４６Ａ及び第二押圧部４６Ｂの移動が抑制されることで、凹凸部４４の両端部の近づく方向の移動が抑制されるため、蒸気流れ方向から見て、凹凸部４４が撓むのが抑制される。

他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３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図１１〜図１３を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。

第３実施形態に係る化学蓄熱反応器の一例としての反応器５０は、図１３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、蒸気流路２６の一方側にのみ、フィルタ２８Ｂ、蓄熱材成形体３０Ｂ、及び熱媒流路２５を備えている。

そして、フィン５２の第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂは、図１１、図１２（Ａ）（Ｂ）、図１３（Ｂ）に示されるように、蒸気流れ方向から見て、凹凸部５４の両端部がフィルタ２８Ｂを介して蓄熱材成形体３０Ｂと壁部２２Ｂとに挟まれるように折り曲げられることで形成されている。

このため、第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂに対して蓄熱材成形体３０Ｂの膨張力が、流路幅方向に作用し、第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂが壁部２２Ｂに押圧される。第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂが壁部２２Ｂに押圧されることで、第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂと壁部２２Ｂとの間に摩擦力が生じ、第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂの移動が抑制される。

第一押圧部５６Ａ及び第二押圧部５６Ｂの移動が抑制されることで、凹凸部５４の両端部の近づく方向の移動が抑制される。このため、蒸気流れ方向から見て、凹凸部５４が撓むのが抑制される。

他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４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図１４を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。

第４実施形態では、図１４に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂと、フィルタ２８Ａ、２８Ｂと、蒸気流路２６と、凹凸部３４及び押圧部３６を備えるフィン３２とを含んで反応ユニット６２が構成されている。

そして、化学蓄熱反応器の一例としての反応器６０の反応容器２２の内部には、流路幅方向に並んで複数（本実施形態では一例として３個）の反応ユニット６２が配置されている。

なお、以下の説明では、流路幅方向の両端側に配置される反応ユニット６２を反応ユニット６２Ａと称し、これらの反応ユニット６２Ａの間に配置される反応ユニット６２を反応ユニット６２Ｂと称する。

そして、反応ユニット６２Ａに備えられた蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が、押圧部３６に対して流路幅方向に作用し、押圧部３６が壁部２２Ｂ又は隣接する反応ユニット６２Ｂの押圧部３６に押圧される。壁部２２Ｂに押圧される押圧部３６については、押圧部３６と壁部２２Ｂとの間に摩擦力が生じ、押圧部３６の移動が抑制される。

一方、反応ユニット６２Ｂに備えられた蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂの膨張力が、押圧部３６に対して流路幅方向に作用し、押圧部３６が隣接する反応ユニット６２Ａの押圧部３６に押圧される。反応ユニット６２Ｂの押圧部３６と反応ユニット６２Ａの押圧部３６とが互いに押圧することで、この部分が、疑似的な拘束壁として機能するため、押圧部３６の移動が抑制される。

このように、全ての反応ユニット６２における押圧部３６の移動が抑制されることで、全ての反応ユニット６２における凹凸部３４の両端部の近づく方向の移動が抑制される。このため、蒸気流れ方向から見て、全ての反応ユニット６２における凹凸部３４が撓むのが抑制される。

他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５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図１５を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。また、第１実施形態と異なる部分のみ説明し、他の部分の説明は省略する。

第５実施形態に係る化学蓄熱反応器の一例としての反応器７０のフィン７２における凹凸部７４の蒸気流れ方向の両端側は、図１５に示されるように、蓄熱材成形体３０Ａ、３０Ｂを覆うフィルタ２８Ａ、２８Ｂに対して突出している。

そして、反応器７０には、凹凸部７４の一端側（図中上側）が突出した突出部分を保持し、凹凸部７４が蒸気流れ方向から見て撓むのを抑制する一端側抑制部材７６が備えられている。

一端側抑制部材７６は、例えば板材を折り曲げて形成され、フィルタ２８Ａ、２８Ｂと当接する一対の当接部７６Ａと、一対の当接部７６Ａの間に形成され、凹凸部７４の突出部分を保持する保持部７６Ｂとを備えている。この保持部７６Ｂは、流路幅方向に離間して３個備えられ、保持部７６Ｂと保持部７６Ｂとの間を水蒸気が通過するようになっている。

同様に、反応器７０には、凹凸部７４の他端側（図中下側）が突出した突出部分を保持し、凹凸部７４が蒸気流れ方向から見て撓むのを抑制する他端側抑制部材７８が備えられている。

他端側抑制部材７８は、例えばダイキャスト工法で成形され、フィルタ２８Ａ、２８Ｂと当接する一対の当接部７８Ａと、一対の当接部７８Ａの間に形成され、凹凸部７４の突出部分を保持する保持部７８Ｂとを備えている。

このように、反応器７０が、一端側抑制部材７６及び他端側抑制部材７８を備えることで、一端側抑制部材７６及び他端側抑制部材７８を備えていない場合と比して、凹凸部７４が、蒸気流れ方向から見て撓むのを効果的に抑制することができる。

他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、一枚の板材を折り曲げることにより、凹凸部と押圧部とを備えるフィンが形成されたが、例えば、凹凸部の両端部に押圧部が溶接等で連結される（固定される）構成等であってもよい。

また、上記実施形態では、押圧部の移動を抑制することで、凹凸部の両端部の近づく方向の移動が抑制されることとなるが、押圧部の移動の抑制については、蓄熱材成形体の最初の膨張だけでなされることもある。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、押圧部が蒸気流れ方向において部分的に分割されていてもよい。

また、前述した実施形態は、説明のために例示したものであって、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、明細書及び図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更、削除、付加及び組み合わせが可能である。

１０化学蓄熱システム
１２蒸発凝縮器（蒸発部の一例）
２０反応器（化学蓄熱反応器の一例）
２２反応容器（容器の一例）
２２Ａ壁部（第一壁部の一例）
２２Ｂ壁部（第二壁部の一例）
２６蒸気流路
３０Ａ蓄熱材成形体
３０Ｂ蓄熱材成形体
３４凹凸部
３６押圧部
３６Ａ第一押圧部
３６Ｂ第二押圧部
４０反応器（化学蓄熱反応器の一例）
４４凹凸部
４６Ａ第一押圧部
４６Ｂ第二押圧部
５０反応器（化学蓄熱反応器の一例）
５４凹凸部
５６Ａ第一押圧部
５６Ｂ第二押圧部
６０反応器（化学蓄熱反応器の一例）
６２反応ユニット
６２Ａ反応ユニット
６２Ｂ反応ユニット

Claims

容器と、
前記容器内で前記容器を構成する第一壁部側に配置され、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成形体と、
前記容器内で前記蓄熱材成形体を挟んで前記第一壁部の反対側に配置され、前記蓄熱材成形体を構成する蓄熱材の平均粒径よりも小さい流路を通じて水蒸気を通過させるフィルタと、
前記容器内で前記フィルタを挟んで前記蓄熱材成形体の反対側に形成される蒸気流路に配置され、板材を折り曲げて水蒸気の流れ方向から見て凹凸状に形成され、前記蓄熱材成形体の水和反応よる膨張力が作用する凹凸部と、
前記流れ方向から見て前記凹凸部の両端部で前記凹凸部と夫々連結されると共に、前記蓄熱材成形体の水和反応による膨張力が、前記流れ方向に対して直交する流路幅方向に作用して支持部に押圧される一対の押圧部と、
を備える化学蓄熱反応器。
前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路を挟んで両側に配置され、
一方及び他方の前記蓄熱材成形体は、前記容器を構成すると共に互いに対向する一対の前記第一壁部側に夫々配置され、
前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、
一対の前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて一方及び他方の前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて一方及び他方の前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、で一対とされる請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路を挟んで両側に配置され、
一方及び他方の前記蓄熱材成形体は、前記容器を構成すると共に対向する一対の前記第一壁部側に夫々配置され、
前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、
前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて一方の前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて他方の前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、を含んで構成される請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
前記蓄熱材成形体及び前記フィルタは、前記蒸気流路の片側にのみ配置され、
前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部であり、
前記押圧部は、前記流れ方向から見て前記凹凸部の一端部と連結されて前記蓄熱材成形体と一方の前記第二壁部とに挟まれる第一押圧部と、前記流れ方向から見て前記凹凸部の他端部と連結されて前記蓄熱材成形体と他方の前記第二壁部とに挟まれる第二押圧部と、を含んで構成される請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
前記蓄熱材成形体と、前記フィルタと、前記凹凸部と、前記押圧部とを含んで反応ユニットが構成され、
前記容器内には、前記流路幅方向に並んで複数の前記反応ユニットが配置され、
前記支持部は、前記容器を構成すると共に前記流路幅方向で対向する一対の第二壁部、又は、隣接する前記反応ユニットの押圧部である請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
前記凹凸部における前記流れ方向の一端側の部分を保持し、前記凹凸部が前記流れ方向から見て撓むのを抑制する一端側抑制部材と、
前記凹凸部における前記流れ方向の他端側の部分を保持し、前記凹凸部が前記流れ方向から見て撓むのを抑制する他端側抑制部材と、
を備える請求項１〜５の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器。
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器と、
前記化学蓄熱反応器の容器を構成する前記第一壁部を挟んで前記蓄熱材成形体の反対側に配置され、熱媒体が流れる媒体流路と、
前記容器に気密状態で連通され、水蒸気を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。