JP2014126293A - 化学蓄熱反応器、化学蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材成形体の膨張力が、化学蓄熱反応器を構成する容器に直接作用す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】蓄熱材反応部３０は、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように封入されている。つまり、反応容器２２の内周面と蓄熱材反応部３０との間に、反応媒体流動部２６が存在している。このため、蓄熱材成形体４０の膨張力が、反応容器２２に直接作用す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に記載の構成では、化学蓄熱反応器と熱媒流路とが積層されている。そして、化学蓄熱反応器の容器の内部には、容器の壁面に接触するように蓄熱材成形体が配置されている。

この蓄熱材成形体は、発熱の際の水和反応により膨張し、蓄熱の際の脱水反応により収縮することで、膨張、収縮を繰り返すようになっている。

特開２０１２−２１１７１３号公報

蓄熱材成形体が膨張、収縮を繰り返すことで、容器に繰り返し蓄熱材成形体の膨張力が作用する。また、容器は、容器自体の蓄熱量を減らすために薄い板材を用い、この板材を溶接で継ぎ合わせることで形成されている。

このため、容器に作用した蓄熱材成形体の膨張力により、容器の溶接部等に亀裂が生じることが考えられる。そして、この亀裂を抑制するため、容器の板厚を厚くすることが考えられるが、容器自体の熱容量が増えてしまう。

本発明の課題は、蓄熱材成形体の膨張力が、化学蓄熱反応器を構成する容器に直接作用す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、反応媒体と結合して発熱又は反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材成形体を備える蓄熱材反応部と、前記蓄熱材反応部に接するように重ねられ、前記蓄熱材反応部への熱供給及び前記蓄熱材反応部からの熱回収の内少なくとも一方を行う熱交換部と、前記蓄熱材反応部及び前記熱交換部が内部に封入されると共に、封入された前記蓄熱材反応部との間に前記蓄熱材反応部に供給される反応媒体又は前記蓄熱材反応部から排出される反応媒体が流れる反応媒体流動部が形成される容器と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、容器の内部には、蓄熱材反応部及び熱交換部が封入されている。そして、容器に封入された蓄熱材反応部と容器との間には、蓄熱材成形体と反応するための反応媒体が流れる反応媒体流動部が形成されている。

このため、反応媒体との化学反応によって生じる蓄熱材成形体の膨張力が、容器に直接作用す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、前記蓄熱材反応部は、前記熱交換部に重ねられ、前記蓄熱材成形体を備える蓄熱材層と、前記蓄熱材層に対して前記熱交換部の反対側で前記蓄熱材層に重ねられ、前記反応媒体流動部と連通し、前記蓄熱材層へ供給される反応媒体及び前記蓄熱材層から排出される反応媒体が流れる反応媒体拡散層と、前記蓄熱材層と前記反応媒体拡散層とに挟まれ、前記蓄熱材層を構成する蓄熱材が前記反応媒体拡散層側に移動するのを制限し、前記反応媒体拡散層と前記蓄熱材層との間で反応媒体が移動するのを許容する蓄熱材拘束層と、備え、前記蓄熱材層と前記蓄熱材拘束層と前記反応媒体拡散層とは、非接合状態で重ねられていることを特徴とする。

上記構成によれば、蓄熱材反応部を構成する蓄熱材層と蓄熱材拘束層と反応媒体拡散層とは、非接合状態で重ねられる。このため、夫々の層を独立して管理することができる。

本発明の請求項３に係る化学蓄熱反応器は、請求項２に記載の化学蓄熱反応器において、前記反応媒体拡散層は層厚方向から見て矩形状とされ、前記反応媒体拡散層の四方向のうち少なくとも一方の端面から前記反応媒体流動部の反応媒体が流出又は流入可能とされることを特徴とする。

上記構成によれば、反応媒体拡散層の四方向のうち少なくとも一方の端面から反応媒体流動部の反応媒体が流出又は流入可能とされている。このため、一方向の端面からだけ反応媒体が流出又は流入する場合と比して、水蒸気拡散距離（水蒸気の流路の長さ）が長くなるの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、請求項１〜３の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器において、前記熱交換部には、前記蓄熱材反応部への熱供給及び前記蓄熱材反応部からの熱回収を行うのに用いる熱媒体が流れ、前記容器の外部に配置された熱源及び熱利用対象物と、前記熱交換部とは、前記熱交換部から出発して前記反応媒体流動部を通り、前記容器の壁面を貫通して前記容器の外部に達する熱媒体通路によって連通されていることを特徴とする。

上記構成によれば、容器の外部に配置された熱源及び熱利用対象物と、熱交換部とは、熱交換部から出発して容器の壁面を貫通して容器の外部に達する熱媒体通路によって連通されている。このように、容器の外部で、熱源及び熱利用対象物と熱媒体流路とが連結されている。

このため、蓄熱時における熱源と熱交換部との連通、及び発熱時（放熱時）における熱利用対象物と熱交換部との連通を効果的に実現することができる。

本発明の請求項５に係る化学蓄熱反応器は、請求項１〜４の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器において、前記熱交換部と前記蓄熱材反応部とで反応ユニットが構成され、複数の前記反応ユニットが、前記容器内で重ねられていることを特徴とする。

上記構成によれば、熱交換部と蓄熱材反応部とで構成される反応ユニットが、容器内で複数重ねられている。これにより、反応ユニットの増減が容易となり、蓄熱能力を容易に増減することができる。

本発明の請求項６に係る化学蓄熱システムは、請求項１〜請求項５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に連結され、前記容器内への反応媒体の供給及び前記容器内からの反応媒体の受け取りの内少なくとも一方を行う媒体器と、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５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、反応媒体との化学反応によって生じる蓄熱材反応部の膨張力が、容器に直接作用するのが抑制される。このため、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、蓄熱材反応部の膨張力が、化学蓄熱反応器を構成する容器に直接作用するのを抑制することができる。

第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）を示した斜視図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）を示した分解斜視図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）を示した分解斜視図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられた反応容器の内部を示した分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられたエンドプレート、熱流動部、及び蓄熱材反応部等を示した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）の蓄熱材反応部に用いられた蓄熱材層を示した分解斜視図及び斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）の蓄熱材反応部に用いられた反応媒体拡散層を示した分解斜視図及び反応媒体拡散層を構成する部材を示した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）の蓄熱材反応部に用いられた反応媒体拡散層を示した斜視図及び平面図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられた熱流動部を示した平面図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）の蓄熱材反応部を示した断面図である。 第１実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）を示した平面図である。 （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実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられた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。 第２実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられた反応容器の内部を示した分解斜視図である。 第３実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）に用いられた反応容器の内部を示した分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）各実施形態に係る反応器（化学蓄熱反応器）の変形例を示した平面図である。

＜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１３を用いて説明する。なお、図中における矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。

（全体構成）
図１２（Ａ）（Ｂ）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、水の蒸発、水蒸気（反応媒体の一例）の凝縮が行われる媒体器の一例としての蒸発凝縮器１２と、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の内部と反応器２０との内部を連通する連通路１４と、を含んで構成されている。

〔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から受け取っ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、内部に水が貯留される容器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及び水を蒸発す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。

〔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。そして、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に示されるように、容器の一例としての反応容器２２と、反応容器２２内に配置されて発熱又は蓄熱する蓄熱材反応部３０と、熱媒体が流れる熱交換部の一例としての熱流動部５０と、備えている。

[反応容器]
反応容器２２は、ステンレス鋼板等で形成され、鉛直方向に延びる円筒状の本体部２２Ａと、本体部２２Ａの上端を閉止する円盤状の上蓋部材２２Ｂと、本体部２２Ａの下端を閉止する円盤状の下蓋部材２２Ｃと、備えている。そして、本体部２２Ａと上蓋部材２２Ｂ、及び本体部２２Ａと下蓋部材２２Ｃとが溶接されることで、本体部２２Ａと上蓋部材２２Ｂとの間、及び本体部２２Ａと下蓋部材２２Ｃとの間がシールされている。

これにより、反応容器２２の内部は反応容器２２の外部と隔離され、反応容器２２の内部が真空脱気されている。そして、反応容器２２の内部は、水蒸気（反応媒体の一例）が流れる反応媒体流動部２６とされている。

[蓄熱材反応部：全体構成]
蓄熱材反応部３０は、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように封入され（図１１参照）、図４に示されるように、一対の蓄熱材層３２と、一対の蓄熱材層３２の間に配置された一対の蓄熱材拘束層３４と、一対の蓄熱材拘束層３４の間に配置された反応媒体拡散層３６と、を備えている。

そして、蓄熱材層３２、蓄熱材拘束層３４、及び反応媒体拡散層３６は、鉛直方向から見て同様の矩形状とされ、鉛直方向に並んで非接合状態（溶接などで固定されていない状態）で重ねられている（所謂積層構造）。

[蓄熱材反応部：蓄熱材層]
蓄熱材層３２は、図６（Ａ）（Ｂ）に示されるように、複数（本実施形態では１６個）の蓄熱材成形体４０から構成される蓄熱材ユニット４２と、蓄熱材ユニット４２が取り付けられるフレーム部材４４と、を備えている。

蓄熱材成形体４０の厚さは３０〔ｍｍ〕とされ、鉛直方向（板厚方向）から見て、蓄熱材成形体４０は、一辺が１００〔ｍｍ〕の正方形状とされている。なお、各図においては、蓄熱材成形体４０の厚さを誇張して記載している。

蓄熱材成形体４０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。

ここで、蓄熱材成形体４０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、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 ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）２
この式に蓄熱量、発熱量Ｑを併せて示すと、
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ
となる。

なお、一例として、蓄熱材成形体４０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４０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。

一方、１６個の蓄熱材成形体４０から構成される蓄熱材ユニット４２は、鉛直方向（板厚方向）から見て、一辺が４００〔ｍｍ〕の正方形状とされ、蓄熱材層３２は、４個の蓄熱材ユニット４２を備えている。

また、４個の蓄熱材ユニット４２が取り付けられるフレーム部材４４は、鉛直方向から見て矩形枠状とされる外形フレーム４４Ａと、隣り合う蓄熱材ユニット４２が配置される空間を仕切る十字状の仕切フレーム４４Ｂと、を備えている。これにより、蓄熱材ユニット４２における水平方向（板厚方向に対して直交する直交方向）の動きは、外形フレーム４４Ａ及び仕切フレーム４４Ｂによって拘束されるようになっている。

そして。外形フレーム４４Ａ及び仕切フレーム４４Ｂの鉛直方向の寸法（厚み寸法）は、水和反応に伴って蓄熱材成形体４０が膨張した際の密度が、予め決められた蓄熱材成形体４０の設定密度になるように決められている。

[蓄熱材反応部：蓄熱材拘束層]
蓄熱材拘束層３４は、図４に示されるように、反応媒体拡散層３６と蓄熱材層３２との間に挟まれ、φ２００〔μｍ〕の貫通孔が多数形成されたエッチングフィルターである。

そして、蓄熱材拘束層３４は、蓄熱材成形体４０（図６参照）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、蓄熱材拘束層３４では、蓄熱材成形体４０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のを許容する一方、平均粒径よりも大きい蓄熱材の通過を制限するようになっている。

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。

[蓄熱材反応部：反応媒体拡散層]
反応媒体拡散層３６は、図４に示されるように、一対の蓄熱材拘束層３４に挟まれ、反応媒体流動部２６（図１参照）と連通しており、蓄熱材層３２へ供給される水蒸気、又は蓄熱材層３２から排出される水蒸気が流れるようになっている。

反応媒体拡散層３６は、図７（Ａ）に示されるように、フレーム部材４６と、フレーム部材４６に取り付けられると共に鉛直方向から見て矩形状の４個の流路部材４８と、を備えている。

フレーム部材４６は、鉛直方向から見て矩形枠状とされる共に鉛直方向に離間した一対の外形フレーム４６Ａと、隣り合う流路部材４８を仕切る十字状の仕切フレーム４６Ｂと、を備えている。そして、仕切フレーム４６Ｂは断面矩形状とされ、鉛直方向から見て十字状の仕切フレーム４６Ｂの端部の上面及び下面に、一対の外形フレーム４６Ａが固定されている。これにより、４個の流路部材４８が取り付けられる矩形状の取付スペース４６Ｃが形成されている。

この流路部材４８は、凹凸を繰り返す断面が矩形波状とされた波板（図７（Ｂ）参照）から形成されており、凹凸部が延びる流路方向が、鉛直方向から見てフレーム部材４６の対角線に沿うようになっている（図８（Ｂ）参照）。そして、流路部材４８の流路がフレーム部材４６の角部に向かって開放されている。これにより、流路方向に沿って流れる水蒸気が上方に開放される上方流路４８Ａと、水蒸気が下方に開放される下方流路４８Ｂとが形成されている（図１０参照）。

そして、反応媒体拡散層３６は、図８（Ａ）（Ｂ）に示されるように、反応媒体拡散層３６の四方向の端面から反応媒体流動部２６の水蒸気が流出又は流入可能とされている。

〔熱流動部〕
一対の熱流動部５０は、図４に示されるように、蓄熱材反応部３０を上方及び下方から挟むように備えられている。換言すれば、熱流動部５０は、蓄熱材反応部３０に重ねられ、蓄熱材反応部３０の隣に配置されている。

熱流動部５０は、図９に示されるように、鉛直方向から見て矩形状の本体部５２と、鉛直方向から見て先端側が互いに離れるように本体部５２から突出する一対の突出部５４、５６と、を備えている。

一対の突出部５４、５６には、突出部５４、５６を鉛直方向に貫通する貫通孔５４Ａ、５６Ａが形成されている。一方、本体部５２の内部には、熱媒体が流れる波状の流路５２Ａが形成され、流路５２Ａの一端は、貫通孔５４Ａの周面に開放され、流路５２Ａの他端は、貫通孔５６Ａの周面に開放されている。そして、この流路５２Ａは、後述する熱媒体通路の一例としての熱媒体流路７０を通じて反応容器２２の外部に配置された熱源２００又は熱利用対象物２０２（図１２参照）と連通されている。

また、一対の熱流動部５０を、鉛直方向から挟むように、図４に示されるように、一対のエンドプレート６０が備えられている。

〔エンドプレート〕
エンドプレート６０は、図５（Ａ）に示されるように、鉛直方向から見て矩形状の本体部６２と、本体部６２の四隅から突出する４個の突出部６４とを備えている。そして、夫々の突出部６４には、鉛直方向に貫通する貫通孔６４Ａが形成されている。

そして、図５（Ａ）（Ｂ）に示されるように、蓄熱材反応部３０が一対の熱流動部５０によって挟み込まれた状態で、一対のエンドプレート６０で一対の熱流動部５０を挟み込むようになっている。

そして、この状態で、上方に配置されたエンドプレート６０の突出部６４に形成された夫々の貫通孔６４Ａにボルト６６を貫通させ、さらに夫々のボルト６６の先端側を下方に配置されたエンドプレート６０の突出部６４に形成された夫々の貫通孔６４Ａに貫通させる。また、ボルト６６の先端部にナットを締め込むことで、一対のエンドプレート６０に挟まれた一対の熱流動部５０及び蓄熱材反応部３０に鉛直方向の拘束力が生じるようになっている。

〔熱媒体流路〕
熱媒体流路７０は、図３に示されるように、パイプ状とされ、反応容器２２を構成する上蓋部材２２Ｂを貫通するように鉛直方向に延びて２個備えられている。一方の熱媒体流路７０Ａは、熱媒体を反応容器２２の外部から反応容器２２の内部に流入させるために用いられ、他方の熱媒体流路７０Ｂは、熱媒体を反応容器２２の内部から反応容器２２の外部に流出させるために用いられる。

そして、図２に示されるように、熱媒体流路７０Ａの周面には貫通孔（図示省略）が形成され、図２に示されるように、熱媒体流路７０Ａは、一対の熱流動部５０に形成された貫通孔５６Ａに挿入されるようになっている。同様に、熱媒体流路７０Ｂの周面には貫通孔（図示省略）が形成され、熱媒体流路７０Ｂは、一対の熱流動部５０に形成された貫通孔５４Ａに挿入されるようになっている。これにより、熱媒体流路７０と熱流動部５０に形成された流路５２Ａ（図９参照）とが連通されるようになっている。この構成により、各熱流動部５０が流れる熱媒体の流れは、並列流れとなるようになっている。

〔他の部材〕
図１、図２に示されるように、エンドプレート６０を用いて拘束され、貫通孔５４Ａ、５６Ａに熱媒体流路７０Ａ，７０Ｂが挿入された蓄熱材反応部３０及び熱流動部５０を下方から支持する円柱状の４個（図１では２個、図２では３個のみ示す）の支持部材７２が備えられている。この構成により、下側に配置された熱流動部５０の下方において、断熱効果を得ることができるようになっている。

一方、反応容器２２の外部に配置された部分の熱媒体流路７０には、図１２に示されるように、熱媒体流路７０の連通先を熱源２００とするか、熱利用対象物２０２とするかを切り替える切替部材７６が備えられている。

（化学蓄熱システムの作用）
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に蓄熱された熱を蓄熱材層３２から発熱（放熱）する際には、図１２（Ｂ）に示されるように、切替部材７６により熱媒体流路７０の連通先が熱利用対象物２０２に切り替えられる。さらに、開閉弁１９を開放し、この状態で、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、反応容器２２内に供給される。

続いて、反応容器２２内では、供給された水蒸気が反応媒体流動部２６を通り、図１０に示されるように、反応媒体拡散層３６の複数の上方流路４８Ａ及び下方流路４８Ｂを流れる。そして、上方流路４８Ａ内の水蒸気Ｗが上側の蓄熱材拘束層３４を通過して蓄熱材層３２と接触することにより、蓄熱材層３２の蓄熱材成形体４０は、水和反応を生じつつ発熱（放熱）する。この熱は、上側の熱流動部５０の流路５２Ａ内を流れる熱媒体によって、熱利用対象物２０２に輸送される。

同様に、下方流路４８Ｂ内の水蒸気Ｗが下側の蓄熱材拘束層３４を通過して蓄熱材層３２に拡散することにより、蓄熱材層３２の蓄熱材成形体４０は、水和反応を生じつつ発熱（放熱）する。この熱は、下側の熱流動部５０の流路５２Ａ内を流れる熱媒体によって、熱利用対象物２０２に輸送される。

一方、化学蓄熱システム１０において蓄熱材層３２の蓄熱材成形体４０に熱を蓄熱する際には、図１２（Ａ）に示されるように、切替部材７６により熱媒体流路７０の連通先が熱源２００に切り替えられる。さらに、開閉弁１９を開放し、この状態で、熱流動部５０の流路５２Ａ内（図１０参照）に熱源２００によって加熱された熱媒体が流れる。

図１０に示されるように、流路５２Ａを流れる熱媒体の熱によって蓄熱材成形体４０が脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材成形体４０に蓄熱される。

さらに、蓄熱材成形体４０から離脱された水蒸気Ｗは、蓄熱材拘束層３４から反応媒体拡散層３６の複数の上方流路４８Ａ及び下方流路４８Ｂに流れ込む。上方流路４８Ａ及び下方流路４８Ｂに流れ込んだ水蒸気Ｗは、反応媒体流動部２６を通り、図１２（Ａ）に示されるように、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４０の蓄熱、放熱について、図１３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１３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（蓄熱）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４０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１２参照）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１２参照）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１３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。

（反応器の作用）
次に、反応器２０の作用について説明する。

反応器２０の蓄熱材反応部３０は、図１、図１１に示されるように、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように封入されている。一方、従来の構成では、蓄熱材反応部３０だけを小さい容器に押し込むようになっている。つまり、本実施形態に係る構成では、従来の構成のように、蓄熱材反応部３０を容器に押し込む必要がなくなるため、蓄熱材成形体と容器の壁面とが接触するのを抑制することができる。

また、水和反応によって生じる蓄熱材成形体４０の膨張力は、従来の構成では、蓄熱材反応部が押し込められた容器に作用する。このため、従来の構成の容器に亀裂等の損傷が生じ、容器のシール性が確保されないことが考えられる。

しかし、本実施形態では、蓄熱材反応部３０は、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように封入されているため、蓄熱材成形体４０の膨張力が、反応容器２２に直接作用するのを抑制することができる。

また、蓄熱材成形体４０の膨張力が反応容器２２に直接作用するのが抑制されることで、反応容器２２に亀裂等の損傷が生じるのが抑制されるため、反応容器２２内のシール性を確保することができる。

特に、大型の反応器２０では、蓄熱材成形体４０の膨張力が大きくなるが、本実施形態の構成を採用することにより、大型の反応器２０でも反応容器２２内のシール性を確保することができる。さらに、反応器２０の大容量化、大型化（大面積化）による反応容器２２における接合部の強度等に対する制約を緩和することができる。

また、従来の構成のように蓄熱材成形体の膨張力が、容器に直接作用する構成では、容器の接合部のシール性を確保するため、頑強な接合部の構造が必要とされ、容器の質量増加が避けられなかった。しかし、蓄熱材成形体４０の膨張力が反応容器２２に直接作用するのが抑制されることで、従来の構造と比して、反応容器２２の質量を低減することができる。

また、反応容器２２の重量が低減されるため、発熱時に反応容器２２に奪われる熱量が低減され、反応媒体流動部２６を流れる水蒸気の温度が低下するのを抑制することができる。

また、蓄熱材反応部３０が、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように封入されているため、積層構造を伴う蓄熱材反応部３０のシール性の確保を不要にすることができる。

また、積層構造を伴う蓄熱材反応部３０のシール性の確保が不要となることで、蓄熱材反応部３０を構成する蓄熱材層３２、蓄熱材拘束層３４、及び反応媒体拡散層３６を非接合構造（積層拘束構造）で重ねる（積層する）ことができる。

また、蓄熱材層３２、蓄熱材拘束層３４、及び反応媒体拡散層３６を非接合構造とすることで、夫々の層を容易に分離することができるため、夫々の層を独立して管理することができる。

また、反応容器２２の内部に反応媒体流動部２６に囲まれるように蓄熱材反応部３０を封入し、さらに、蓄熱材層３２、蓄熱材拘束層３４、及び反応媒体拡散層３６を非接合構造とすることで、従来のように蓄熱材反応部を容器に押し込む構成と比して、各部材の寸法精度を緩和することができる。

また、反応容器２２によって反応媒体流動部２６を外部と分離することで、水蒸気（反応媒体）の独立性（単一組成化）を担保することができる。

また、反応容器２２の内部は真空脱気されており減圧反応系とされているが、反応容器２２内のシール性が確保されているため、反応媒体流動部２６に反応容器２２の外部の異物が侵入するのを抑制することができる。

また、反応媒体流動部２６に外部から異物が侵入するのが抑制されることで、反応媒体流動部２６には、水蒸気のみが存在する（異物が存在しない）。これにより、反応媒体流動部２６に囲まれる蓄熱材反応部３０からの熱ロスを最小化することができる。特に、本実施形態のように、減圧反応系においては、反応媒体流動部２６における水蒸気が希薄であることから非常に高い断熱効果を得ることができる。

また、蓄熱材ユニット４２の蓄熱材成形体４０における水平方向の動きは、外形フレーム４４Ａ及び仕切フレーム４４Ｂによって拘束され、蓄熱材成形体４０における鉛直方向の動きは、熱流動部５０及び蓄熱材拘束層３４を介してエンドプレート６０により拘束されている。このため、蓄熱材成形体４０の体積膨張に対し、６面拘束状態を維持することができる。

また、蓄熱材層３２の外形フレーム４４Ａの鉛直方向の寸法を、蓄熱材成形体４０が膨張した際の密度が、予め決められた蓄熱材成形体４０の膨張時の設定密度になるように決めることで、反応性と耐久性とを両立した、蓄熱材層３２を得ることができる。

また、反応媒体拡散層３６においては、反応媒体拡散層３６の四方向の端面から水蒸気の流出又は流入が可能とされているため、仮に反応器２０を大型化した場合であっても、一方向の端面からだけ水蒸気が流出又は流入する場合と比して、水蒸気拡散距離（水蒸気の流路の長さ）が長くなるのを抑制することができる。

また、反応媒体拡散層３６に断面が凹凸を繰り返す矩形波状とされた流路部材４８を用いることで、反応媒体拡散層３６の開口断面積を確保することができ、さらに、水蒸気の拡散抵抗を低減することができる。

また、化学蓄熱システム１０は、反応器２０を備えているため、蓄熱材成形体４０の膨張力が、容器２２に直接作用するのが抑制される。これにより、化学蓄熱システム１０の耐久性を向上させることができる。

＜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２実施形態の反応器８０では、図１４に示されるように、一対の熱流動部５０と蓄熱材反応部３０とで反応ユニット８２が構成されており、複数（本実施形態では３個）の反応ユニット８２が、容器（図示省略）内で重ねられている。なお、蓄熱材反応部３０と蓄熱材反応部３０とに挟まれる熱流動部５０については、隣接する反応ユニット８２の共通構成部材とされている。

さらに、各熱流動部５０を連通させる連結流路８４は、熱媒体流路７０を延長することで形成され、反応媒体流動部２６に配置されている。

また、最下方に配置される反応ユニット８２をモジュール化（一体化）し、重ねられるユニットについては、反応ユニット８２から下端の熱流動部５０を除いたものをモジュール化することで、反応ユニット８２の増減が容易となり、蓄熱能力を容易に増減することができる。

また、モジュール化することで、不具合などに対する交換、修理をモジュール毎に簡便に行うことができる。

その他の作用については、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１５を用いて説明する。なお、第２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２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実施形態の反応器９０では、図１５に示されるように、熱流動部５０の突出部５４、５６には、貫通孔が形成されておらず、さらに、各熱流動部５０を連通する連結流路９４は、各突出部５４、５６間を連結するフレキシブルチューブ（弾性変形可能なチューブ）とされている。

そして、熱媒体流路７０は、最も上側に配置された連結流路９４の端部に連結されている。

このように、連結流路９４にフレキシブルチューブを用いることで、各反応ユニット８２に備えられた蓄熱材成形体４０の膨張により連結流路９４が損傷するのを抑制することができる。

その他の作用については、第２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、熱交換部の一例としての熱媒体が流れる熱流動部５０を用いて説明したが、蓄熱材成形体４０に熱を供給する際に、電気ヒータ等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、一対のエンドプレート６０の四隅をボルトで拘束したが、これに加えて、一対のエンドプレートの中央部をボルトで拘束してもよい。特に、反応器２０が大型化された場合に、中央部のボルトは有効である。

また、上記実施形態では、反応容器２２を円筒状としたが、特に円筒に限定されることなく、図１６（Ａ）（Ｂ）に示されるように、多角形状等であってもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、蓄熱材として、アルカリ金属塩化物、アルカリ土類金属塩化物、アルカリ金属臭化物、アルカリ土類金属臭化物におけるアンモニア反応系を用い、反応媒体として、アンモニアを用いてもよい。この構成では、容器の内部圧力が加圧状態とされる。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、高温作動時における熱媒体を、高温熱媒体、又は無機混合熱媒体を利用してもよい。これにより、熱効率を向上させることができる。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、蓄熱材として、ゼオライト、活性炭、メソポーラスシリカを含む多孔吸着材を用いてもよい。

また、上記第２、第３実施形態では、一対の熱流動部５０と蓄熱材反応部３０とで反応ユニット８２が構成されたが、一個の熱流動部５０、一個の蓄熱材層３２、一個の蓄熱材拘束層３４、及び一個の反応媒体拡散層３６で一個の反応ユニットを構成してもよい。

また、上記実施形態では、熱媒体流路７０について、流入側と流出側とを特定したが、連結する対象物に伴って流入側と流出側と変えてもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、流路部材４８及びフレーム部材４６の壁面に貫通孔を形成させ、水蒸気の移動をこの貫通孔を用いて行ってもよい。

また、上記実施形態では、本体部２２Ａと上蓋部材２２Ｂ、及び本体部２２Ａと下蓋部材２２Ｃを溶接も用いて接合したが、他の方法を用いて接合してもよい。

また、上記実施形態では、反応媒体拡散層３６の四方向の端面から水蒸気の流出又は流入が可能としたが、少なくとも一方向であればよく、また、二方向以上であってもよい。二方向以上の場合には、一方向の端面からだけ反応媒体が流出又は流入する場合と比して、水蒸気拡散距離（水蒸気の流路の長さ）が長くなるのを抑制することができる。

１０ 化学蓄熱システム
１２ 蒸発凝縮器（媒体器の一例）
２０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
２２ 反応容器（容器の一例）
２６ 反応媒体流動部
３０ 蓄熱材反応部
３２ 蓄熱材層
３４ 蓄熱材拘束層
３６ 反応媒体拡散層
４０ 蓄熱材成形体
５０ 熱流動部（熱交換部の一例）
７０ 熱媒体流路（熱媒体通路の一例）
８０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
８２ 反応ユニット
９０ 反応器（化学蓄熱反応器の一例）
２００ 熱源
２０２ 熱利用対象物

Claims (6)

1. 反応媒体と結合して発熱又は反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材成形体を備える蓄熱材反応部と、
   前記蓄熱材反応部に接するように重ねられ、前記蓄熱材反応部への熱供給及び前記蓄熱材反応部からの熱回収の内少なくとも一方を行う熱交換部と、
   前記蓄熱材反応部及び前記熱交換部が内部に封入されると共に、封入された前記蓄熱材反応部との間に前記蓄熱材反応部に供給される反応媒体又は前記蓄熱材反応部から排出される反応媒体が流れる反応媒体流動部が形成される容器と、
   を備える化学蓄熱反応器。
2. 前記蓄熱材反応部は、
   前記熱交換部に重ねられ、前記蓄熱材成形体を備える蓄熱材層と、
   前記蓄熱材層に対して前記熱交換部の反対側で前記蓄熱材層に重ねられ、前記反応媒体流動部と連通し、前記蓄熱材層へ供給される反応媒体及び前記蓄熱材層から排出される反応媒体が流れる反応媒体拡散層と、
   前記蓄熱材層と前記反応媒体拡散層とに挟まれ、前記蓄熱材層を構成する蓄熱材が前記反応媒体拡散層側に移動するのを制限し、前記反応媒体拡散層と前記蓄熱材層との間で反応媒体が移動するのを許容する蓄熱材拘束層と、備え、
   前記蓄熱材層と前記蓄熱材拘束層と前記反応媒体拡散層とは、非接合状態で重ねられている請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
3. 前記反応媒体拡散層は層厚方向から見て矩形状とされ、前記反応媒体拡散層の四方向のうち少なくとも一方の端面から前記反応媒体流動部の反応媒体が流出又は流入可能とされる請求項２に記載の化学蓄熱反応器。
4. 前記熱交換部には、前記蓄熱材反応部への熱供給及び前記蓄熱材反応部からの熱回収を行うのに用いる熱媒体が流れ、
   前記容器の外部に配置された熱源及び熱利用対象物と、前記熱交換部とは、前記熱交換部から出発して前記反応媒体流動部を通り、前記容器の壁面を貫通して前記容器の外部に達する熱媒体通路によって連通されている請求項１〜３の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器。
5. 前記熱交換部と前記蓄熱材反応部とで反応ユニットが構成され、
   複数の前記反応ユニットが、前記容器内で重ねられている請求項１〜４の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器。
6. 請求項１〜請求項５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に連結され、前記容器内への反応媒体の供給及び前記容器内からの反応媒体の受け取りの内少なくとも一方を行う媒体器と、
   を有する化学蓄熱システム。

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