JP2014125133A - 化学蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮熱を有効利用して、エネルギー効率を向上させた化学蓄熱装置を提供すること。
【解決手段】化学蓄熱装置１は、水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を充填してなる反応器２と、反応器２に供給する水蒸気を生成する蒸発器３と、反応器２から脱水された水蒸気を凝縮する凝縮器４と、凝縮器４において生じる凝縮熱を１又は複数の熱供給対象（熱媒空気Ａ）へ供給する凝縮熱移動手段（熱交換部４１）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を利用した化学蓄熱装置に関する。

水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を利用した化学蓄熱装置として、例えば、車両に搭載されて、車両走行時等に蓄熱し、車両停止時等に発熱するよう構成したものがある（特許文献１参照）。
かかる化学蓄熱装置は、上記蓄熱材を充填してなる反応器と、該反応器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、上記反応器から脱水された水蒸気を凝縮する凝縮器とを有する。これにより、反応器における蓄熱と発熱とを可能とし、時間をまたいで熱を有効利用することができる。

特開２００９−２６２７４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の化学蓄熱装置においては、上記凝縮器において水蒸気を凝縮させる際に生じる凝縮熱（潜熱）は、そのまま廃熱として棄てられている。そのため、装置全体としてのエネルギー効率を考えたとき、未だ改善の余地があると考えられる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、凝縮熱を有効利用して、エネルギー効率を向上させた化学蓄熱装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を充填してなる反応器と、
該反応器に供給する水蒸気を生成する蒸発器と、
上記反応器から脱水された水蒸気を凝縮する凝縮器と、
該凝縮器において生じる凝縮熱を１又は複数の熱供給対象へ供給する凝縮熱移動手段とを有することを特徴とする化学蓄熱装置にある（請求項１）。

上記化学蓄熱装置は、上記凝縮熱移動手段を有する。それゆえ、凝縮器において生じた凝縮熱を、上記熱供給対象へ供給することができる。これにより、凝縮熱を捨てることなく、上記熱供給対象において有効利用することができる。その結果、上記化学蓄熱装置は、全体として、エネルギー効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、凝縮熱を有効利用して、エネルギー効率を向上させた化学蓄熱装置を提供することができる。

実施例１における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例１における、脱水反応時の水及び熱媒空気の流れを表した化学蓄熱装置の模式図。 実施例２における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例３における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例３における、脱水反応時の水及び熱媒空気の流れを表した化学蓄熱装置の模式図。 実施例４における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例５における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例６における、化学蓄熱装置の模式図。 実施例７における、化学蓄熱装置の模式図。

上記化学蓄熱装置において、上記熱供給対象は、供給された熱を有効利用することが可能な対象であり、一つでも複数でもよい。また、上記熱供給対象に熱を供給（移動）する凝縮熱移動手段も、一つでも複数でもよい。

また、上記熱供給対象の少なくとも一つは、室内へ送られる熱媒空気であることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記凝縮熱を、室内暖房に利用することができる。

また、上記熱供給対象の少なくとも一つは、上記凝縮熱を蓄熱する蓄熱機能を備えた蓄熱手段であることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記凝縮熱を、時間をまたいで、所望のタイミングで有効利用することができる。すなわち、発生時点よりも後の所望の時点において凝縮熱を利用することができる。

そして、上記化学蓄熱装置は、上記凝縮器によって凝縮された水を貯める水タンクを有し、該水タンクが上記蓄熱手段であることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記水タンクにおいて、上記凝縮熱を蓄熱することができる。
なお、上記水タンクを上記蓄熱手段とする構成は、例えば、上記凝縮器において凝縮熱を受熱した熱媒流体を、上記水タンクの熱交換部に導くように構成することで実現することができる。これにより、水タンクに貯蔵された水の温度が高くなることで、水タンクに蓄熱されることとなる。それゆえ、上記反応器における水和反応時に、水タンクから蒸発器へ送られる水の温度を高くすることができ、その分、蒸発器に供給すべき蒸発潜熱の熱量を小さくすることができる。その結果、効率的に、上記反応器における水和反応を行うことができる。

この場合、上記凝縮熱移動手段は、凝縮器の熱交換部及び上記熱媒流体ということとなる。ここで、上記熱媒流体は、上述した室内へ送られる熱媒空気とは別の熱媒空気を用いることもできるし、室内へ送られる熱媒空気を利用することもできる。また、上記熱媒流体は、空気に限らず、他の流体とすることもできる。また、上記凝縮器において生じた凝縮熱は、凝縮水を熱媒として水タンクに移動させることもできる。

なお、凝縮熱が上記水タンクにおいて効果的に蓄熱されるように構成するために、すなわち上記水タンクを上記蓄熱手段として用いるための好ましい態様としては、例えば、上記水タンクを断熱構造とすることが考えられる。また、上記凝縮器と上記水タンクとの間の水の経路を、断熱構造とすることも考えられる。

また、上記化学蓄熱装置は、車両に搭載され、上記反応器において水和反応によって生じた熱は、上記車両の室内の暖房に用いられるよう構成することができる（請求項５）。この場合には、車両用の空調手段として用いられる化学蓄熱装置のエネルギー効率を向上させることができる。

（実施例１）
上記化学蓄熱装置の実施例につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の化学蓄熱装置１は、図１に示すごとく、反応器２と蒸発器３と凝縮器４とを有する。反応器２は、水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を充填してなる。蒸発器３は、反応器２に供給する水蒸気を生成する。凝縮器４は、反応器２から脱水された水蒸気を凝縮する。

そして、上記化学蓄熱装置１は、凝縮器４において生じる凝縮熱を熱供給対象へ供給する凝縮熱移動手段を有する。本例において、熱供給対象は、室内へ送られる熱媒空気であり、凝縮熱移動手段は、凝縮器４に設けられた熱交換部４１である。
また、本例の化学蓄熱装置１は、上記凝縮器４によって凝縮された水を貯める水タンク５を有する。

そして、反応器２は、蒸発器３及び凝縮器４と、水配管１１１によって繋がれている。そして、蒸発器３と反応器２との間の水配管１１１には、第１バルブ１２１が配設され、凝縮器４と反応器２との間の水配管１１１には、第２バルブ１２２が配設されている。
また、水タンク５も、蒸発器３及び凝縮器４と、水配管１１２によって繋がれている。そして、水タンク５と蒸発器３との間の水配管１１２には、水タンク５の水を蒸発器３へ送るポンプ１３が配設されている。

また、上記凝縮器４に設けられた熱交換部４１は、熱媒空気を流通させる導風管６２と連結されている。導風管６２は、凝縮器４よりも上流側にブロア６３を配設してなり、下流側において室内１５に繋がっている。これにより、ブロア６３によって導風管６２内を凝縮器４の熱交換部４１に送り込まれた熱媒空気が、熱交換部４１において凝縮熱を受熱する。そして、高温となった熱媒空気は、さらに導風管６２を通じて流れて、室内１５へ送り込まれる。これにより、熱媒空気は、室内１５の暖房に利用することができる。

本例の化学蓄熱装置１は、車両に搭載され、反応器２において水和反応によって生じた熱は、車両の室内１５の暖房に用いられるよう構成してある。
反応器２における蓄熱材は、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）からなる。そして、蓄熱材は、蒸発器３から供給される水蒸気との水和反応によって発熱する。この反応熱を、室内１５の暖房に用いている。また、水和反応後の蓄熱材を加熱して脱水することで、蓄熱材に蓄熱することができる。

例えば、車両走行時に、オルタネータにおいて発電した電力によって反応器２をヒータ加熱することにより、脱水反応を生じさせて蓄熱することができる。あるいは、ヒータ加熱には、バッテリの電力を用いてもよい。
そして、車両停車時（エンジン停止時）に、蒸発器２において生じた水蒸気を反応器２に送り、蓄熱材における水和反応によって発熱させることができる。この反応熱を室内１５の空調に用いる。

水和反応の際には、第１バルブ１２１を開放すると共に、ポンプ１３を稼働する。このとき、第２バルブ１２２は閉じている。そして、水タンク５から水配管１１２を通じて蒸発器３に水を送る。蒸発器３において水を蒸発させて、水蒸気を得る。この水蒸気を、水配管１１１を通して反応器２に送る。これにより、反応器２内において、蓄熱材が水和反応し、発熱する。

一方、脱水反応の際には、図２に示すごとく、第２バルブ１２２を開放する。このとき、第１バルブ１２１は閉じておく。そして、蓄熱材を加熱することにより蓄熱材から離脱した水蒸気Ｗ１は、水配管１１１を通じて凝縮器４へ導かれる。凝縮器４においては水蒸気が凝縮し、液体の水となる。このとき、凝縮熱が生じる。この凝縮熱の少なくとも一部を、熱交換部４１において熱媒空気へ移動させる。つまり、凝縮器４の熱交換部４１には、導風管６２内の熱媒空気Ａが供給されている。それゆえ、熱交換部４１において、凝縮熱が熱媒空気Ａに移り、高温となった熱媒空気Ａは、導風管６２を通じて室内１５へ送られる。これにより、凝縮熱は、熱媒空気Ａを介して、室内１５の暖房に利用される。
そして、凝縮器４において凝縮した液体の水Ｗ２は、配管１１２を通じて、水タンク５に貯められる。そして、次の水和反応の際に、上述と同様に、蒸発器３へ送られる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記化学蓄熱装置１は、上記凝縮熱移動手段（凝縮器４に設けられた熱交換部４１）を有する。それゆえ、凝縮器４において生じた凝縮熱を、上記熱供給対象（導風管６２を流れる熱媒空気）へ供給することができる。これにより、凝縮熱を捨てることなく、上記熱供給対象（熱媒空気）において有効利用することができる。すなわち、凝縮熱によって熱媒空気の温度を上げて、高温の熱媒空気を用いて室内１５の暖房に有効利用することができる。その結果、上記化学蓄熱装置１は、全体として、エネルギー効率を向上させることができる。

なお、上記凝縮熱が生じるタイミングとしては、反応器２における脱水反応の際であるが、そのときは、反応器２の水和反応熱ではなく、凝縮器４における凝縮熱を利用して、室内１５の暖房を行うことが可能となる。ただし、室内暖房のための熱量として不充分である場合には、化学蓄熱装置１とは別の、他の暖房手段と併用して、室内１５の暖房を行うこととなる。この場合でも、他の暖房手段による消費エネルギーを低減することができるため、上記凝縮熱を利用することによる省エネ効果は充分に期待できる。

以上のごとく、本例によれば、凝縮熱を有効利用して、エネルギー効率を向上させた化学蓄熱装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、蒸発器３を水タンク５よりも下方に配置し、重力を利用して、水タンク５から蒸発器３へ水を供給するよう構成した例である。
したがって、本例の化学蓄熱装置１は、水タンク５と蒸発器３との間の水配管１１２に、実施例１において用いたポンプ１３（図１参照）を設けていない。水タンク５と蒸発器３との間の水配管１１２には、第３バルブ１２３が設けてある。それゆえ、反応器２における水和反応を行う際には、第３バルブ１２３を、第１バルブ１２１と共に開放することにより、水タンク５から蒸発器３へ水を供給することができる。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、水タンク５から蒸発器３への水の供給に、ポンプ１３（図１参照）を必要としないため、化学蓄熱装置１の簡素化とともに、装置全体のエネルギー効率の向上を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、凝縮熱移動手段として、凝縮器４に設けた熱交換部４１の他に、蒸発器３に設けた熱交換部３１をも有する化学蓄熱装置１の例である。
すなわち、本例の化学蓄熱装置１は、凝縮器４の下流側の導風管６２が、蒸発器３の熱交換部３１を経由して室内１５に繋がっている。

また、蒸発器３と水タンク５との間には、ポンプ１３を設けた水配管１１２の他に、蒸発器３から水タンク５へ水を導くための水配管１１３が設けられている。この水配管１１３には、水タンク５側から蒸発器３側へ水が逆流することを防ぐ逆止弁１４が設けられている。

以上の構成によって、本例の化学蓄熱装置１は、脱水反応時において、以下のように凝縮熱を回収することができる。すなわち、図５に示すごとく、凝縮器４において凝縮熱を受熱して高温となった熱媒空気Ａは、熱交換部３１において蒸発器３内の水と熱交換した後、室内１５へ導かれる。室内１５へ向かう熱媒空気Ａは、一部の熱を蒸発器３の水に奪われるが、ある程度の高温を保って室内１５へ向かい、室内１５の暖房に利用することができる。

また、脱水反応時においても、ポンプ１３を稼働して、水タンク５から水配管１１２を通じて蒸発器３へ、そして、蒸発器３から水配管１１３を通じて水タンク５へと、水Ｗ３を循環させておく。これにより、蒸発器３には常に水Ｗ３が循環して存在する状態を維持しておく。この状態において、上記のように、高温の熱媒空気Ａが蒸発器３の熱交換部３１に順次供給されることにより、熱媒空気Ａと水Ｗ３との間で熱交換が行われる。これにより高温となった水Ｗ３が、水タンク５へ貯められることとなり、水タンク５に蓄熱されることとなる。

すなわち、本例においては、水タンク５も熱供給対象であり、しかも、水タンク５は、蓄熱機能を備えた蓄熱手段でもある。また、凝縮器４において生じる凝縮熱は、凝縮器４において凝縮する水Ｗ２を介しても、水タンク５に蓄熱される。
このように、凝縮器４において生じる凝縮熱の一部は、熱媒空気Ａを介して室内１５の暖房に利用され、他の一部は、熱媒空気Ａと水Ｗ２、Ｗ３とを介して、水タンク５に蓄熱される。

また、上述のように、水タンク５を蓄熱手段として用いる本例の化学蓄熱装置１においては、上記水タンク５の槽壁を断熱構造としたり、水タンク５に繋がる水配管１１２、１１３を断熱構造としたりするなど、熱を逃がさない工夫を施すことが好ましい。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、上述のごとく、凝縮器４において生じる凝縮熱の一部を、熱媒空気を介して室内１５の暖房に利用し、他の一部を、熱媒空気と水とを介して、水タンク５に蓄熱することができる。すなわち、実施例１の作用効果との主要な差異の一つとしては、凝縮熱を、時間をまたいで、所望のタイミングで有効利用することができる点があると言える。

つまり、上述のごとく、凝縮器４において生じた凝縮熱は、凝縮水を熱媒として水タンク５に移動する。これにより、水タンク５に貯蔵された水の温度が高くなることで、水タンク５に蓄熱されることとなる。それゆえ、反応器２における水和反応時に、水タンク５から蒸発器３へ送られる水の温度を高くすることができ、その分、蒸発器３に供給すべき蒸発潜熱の熱量を小さくすることができる。その結果、効率的に、上記反応器２における水和反応を行うことができる。

また、上記のように、蒸発器３に水を循環しておいて、蒸発器３内の水の温度を高く維持しておくことにより、次回の水和反応に備えて蒸発器３の温度を高く維持しておくことができる。それゆえ、かかる観点からも、蒸発器３に新たに供給すべき蒸発潜熱を小さくすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図６に示すごとく、凝縮器４よりも下流側における導風管６２に、三方弁１２４を設けた例である。
そして、導風管６２は、三方弁１２４を介して分岐した一方の枝管６２１が、室内１５に直接繋がっており、他方の枝管６２２が、蒸発器３に設けた熱交換部３１を経由して室内１５に繋がっている。

したがって、本例の化学蓄熱装置１は、三方弁１２４を切り替えることにより、実施例１と同様の構成と、実施例３と同様の構成を実現することができる。すなわち、枝管６２１を利用した構成が実施例１の構成に相当し、枝管６２２を利用した構成が実施例３の構成に相当する。

本例の化学蓄熱装置１は、例えば、以下のように使用することができる。
すなわち、脱水反応時において、室内１５の暖房を積極的に行う場合には、三方弁１２４を枝管６２１側に合わせて、凝縮器４を通過した熱媒空気を直接室内１５へ送る。これにより、室内１５の暖房に、凝縮熱の多くを利用することができる。

一方、脱水反応時において、室内１５の暖房に利用すべき凝縮熱が少ない場合などには、三方弁１２４を枝管６２２側に合わせて、凝縮器４を通過した熱媒空気を蒸発器３の熱交換部３１に通過させる。これにより、熱媒空気を媒介した凝縮熱の一部を、蒸発器３を循環する水に蓄熱して、次回の水和反応に利用する。その一方で、熱媒空気を媒介した凝縮熱の一部を、室内１５の暖房に利用する。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、上述のごとく、三方弁１２４の切り替えによって、上述の実施例１と同様の構成と、実施例３と同様の構成とを実現することができる。それゆえ、利用者の要求に応じて、実施例１と実施例３との双方の作用効果を得ることができる。

（実施例５）
本例は、図７に示すごとく、凝縮器４の下流側の導風管６２を、水タンク５に設けた熱交換部５１に繋げた例である。
すなわち、本例の化学蓄熱装置１においては、凝縮器４における凝縮熱を受熱した熱媒空気は、水タンク５の熱交換部５１へ導かれる。そして、高温の熱媒空気は、熱交換部５１において水タンク５の水と熱交換し、水タンク５の水の温度を上昇させる。これにより、水タンク５に蓄熱する。

したがって、本例においては、水タンク５は熱供給対象であり、水タンク５の熱交換部５１は、凝縮器４の熱交換部４１と共に、凝縮熱移動手段を構成している。
また、本例において、凝縮器４において凝縮した水を介して、水タンク５に熱を貯めるよう構成してもよい。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、熱媒空気を介して水タンク５に凝縮熱を供給し、蓄熱することができる。これにより、水タンク５への蓄熱をより効率的に行うことができる。つまり、時間をまたいで、所望のタイミングで利用できる凝縮熱の熱量を大きくすることができる。それゆえ、次回の水和反応の際に蒸発器３に供給すべき蒸発潜熱をより低減することができる。その結果、効率的な水和反応を行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図８に示すごとく、凝縮器４の下流側の導風管６２を、蒸発器３の熱交換部３１を経由して、水タンク５の熱交換部５１に繋げた例である。
そして、実施例３と同様に、蒸発器３から水タンク５へ水を導く水配管１１３を逆止弁１４と共に設けている。
その他は、実施例５と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例３又は実施例５において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例３又は実施例５と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、熱媒空気のみ、熱媒空気と水、水のみ、をそれぞれ熱媒として水タンク５に凝縮熱を送る複数の経路を形成することができる。つまり、本例においては、水配管１１２、１１３、及び導風管６２が、凝縮熱移動手段となる。
これにより、エネルギー効率に優れた化学蓄熱装置１の設計自由度を向上させることができる。その他、実施例３、実施例５と同様の作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図９に示すごとく、水タンク５を圧力タンクとし、内部の圧力を大気圧よりも高い圧力に保つよう構成した例である。
例えば、水タンク５の圧力を０．３ＭＰａ程度とすることができる。
その他の構成は、実施例４と同様である。なお、本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例４と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、水タンク５に蓄熱する熱量を大きくすることができる。つまり、水タンク５の内圧を高くすることにより、水タンク５に貯留された水の沸点は高くなる。その分、単位体積当たりに液水の状態で貯留された水に貯えることができる熱量は大きくなる。

したがって、蓄熱手段としての水タンク５の性能を向上させることができる。また、同じ熱量を蓄熱するための水の体積を小さくすることができるため、水タンク５の小型化を図りやすく、ひいては化学蓄熱装置１の小型化を図ることができる。
その他、実施例４と同様の作用効果を有する。なお、本例は、水タンク５以外の構成を実施例４と同様の構成とした例を示したが、例えば、実施例５等、他の実施例の変形例として、本例を採用することもできる。

上記実施例１〜実施例７以外にも、上記化学蓄熱装置は種々の構成を採ることができる。
上記実施例１〜実施例７において、凝縮器４と水タンク５とは別体として説明しているが、凝縮器と水タンクとを一体化した構成とすることもできる。
また、上記実施例１〜実施例７において、凝縮器４と蒸発器３とは別体として説明しているが、凝縮器４と蒸発器３とを一体化した構成とすることもできる。すなわち、例えば、蒸発器及び凝縮器は一つの熱交換器として構成されており、水蒸気を生じさせる際には蒸発器として機能し、水蒸気を凝縮させる際には凝縮器として機能するものとすることもできる。ただし、この構成は、上記実施例３（図４）、実施例４（図６）、実施例６（図８）、実施例７（図９）の変形例としては採用できない。

１ 化学蓄熱装置
２ 反応器
３ 蒸発器
４ 凝縮器
４１ 熱交換部
５ 水タンク

Claims (5)

1. 水和反応により発熱し脱水反応により蓄熱する蓄熱材を充填してなる反応器（２）と、
   該反応器（２）に供給する水蒸気を生成する蒸発器（３）と、
   上記反応器（２）から脱水された水蒸気を凝縮する凝縮器（４）と、
   該凝縮器（４）において生じる凝縮熱を１又は複数の熱供給対象（Ａ、５）へ供給する凝縮熱移動手段（４１、３１、１１２、５１）とを有することを特徴とする化学蓄熱装置（１）。
2. 請求項１に記載の化学蓄熱装置（１）において、上記熱供給対象（Ａ、５）の少なくとも一つは、室内（１５）へ送られる熱媒空気（Ａ）であることを特徴とする化学蓄熱装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の化学蓄熱装置（１）において、上記熱供給対象（Ａ、５）の少なくとも一つは、上記凝縮熱を蓄熱する蓄熱機能を備えた蓄熱手段（５）であることを特徴とする化学蓄熱装置（１）。
4. 請求項３に記載の化学蓄熱装置（１）において、上記凝縮器（４）によって凝縮された水を貯める水タンク（５）を有し、該水タンク（５）が上記蓄熱手段であることを特徴とする化学蓄熱装置（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の化学蓄熱装置（１）において、車両に搭載され、上記反応器（２）において水和反応によって生じた熱は、上記車両の室内（１５）の暖房に用いられるよう構成してあることを特徴とする化学蓄熱装置（１）。

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