JP2015105809A - 蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の蓄熱システムで使用した気化器を兼ねた凝縮器等を省略し、脱水反応によって化学蓄熱材から脱離した水蒸気を有効利用することで、システム全体を小型化し、熱効率を高めた蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法を提供する。【解決手段】系外から排出される排熱の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する蓄熱システム１であって、化学蓄熱材５が内蔵された反応器４と、化学蓄熱材４と排熱との熱交換を行う蓄熱用熱交換器１１と、化学蓄熱材５から離脱した水蒸気を系外に配された外部機器で利用するために反応器４から系外へ放出する蓄熱用放出管１５と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法に関し、特に、系外から排出される排熱の熱量を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量を系外へ熱出力するのに適した蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法に関する。

従来から、省エネルギー技術として、ガスタービンやガスエンジン等の原動機や工場等における産業用プロセスから排出される未利用排熱を利用して熱エネルギー（熱量）を蓄える蓄熱技術が知られている。

上記する蓄熱技術としては、例えば、温度変化を利用する顕熱蓄熱、物質の相変化を利用する潜熱蓄熱、化学反応熱を利用する化学蓄熱等が挙げられ、特に化学蓄熱は、顕熱や潜熱に加えて化学反応による反応熱を取り出すことができ、単位体積当たりの蓄熱量（蓄熱密度）が高いことから、他の蓄熱方法と比較して蓄熱容量が大きいことが知られている。

このような化学蓄熱の従来技術として、特許文献１には、水を脱離すること（脱水反応）によって蓄熱し、水と反応すること（水和反応）によって熱出力する化学蓄熱材を用いた蓄熱システムが開示されている。

ここで、従来の化学蓄熱材を用いた蓄熱システムの蓄熱動作および熱出力動作を概説すると、蓄熱動作においては、図８（Ａ）に示すように、熱交換器Ｋ１を介してガスタービンやガスエンジン等の原動機Ａから排出される排熱と反応器Ｈに内蔵された化学蓄熱材Ｍとの熱交換を行い、加熱による脱水反応によって化学蓄熱材Ｍに前記排熱の熱量の一部を蓄熱し、その脱水反応に伴って化学蓄熱材Ｍから脱離した水蒸気を配管Ｐを介して反応器Ｈから気化器を兼ねた凝縮器Ｒへ送出する。凝縮器Ｒでは、熱交換器Ｋ２を介して反応器Ｈから送出された水蒸気と冷却水との熱交換を行い、前記水蒸気を冷却して液体（水）として貯蔵する。また、熱出力動作においては、図８（Ｂ）に示すように、熱交換器Ｋ３を介してボイラ等の熱源機器Ｂによって生成された水蒸気や温水と凝縮器Ｒに貯蔵された水との熱交換を行い、その熱交換によって生成された水蒸気を配管Ｐを介して凝縮器Ｒから反応器Ｈへ戻す。反応器Ｈでは、凝縮器Ｒから送出された水蒸気との接触による水和反応によって化学蓄熱材Ｍに蓄熱された熱量の一部または全部が熱出力され、熱交換器Ｋ４を介して化学蓄熱材Ｍと温水等の水との熱交換を行い、化学蓄熱材Ｍから熱出力された前記熱量を系外に取り出して利用することができる。

特開２０１２−１６７８９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるような従来の密閉系蓄熱システムにおいては、脱水反応に伴って化学蓄熱材から脱離した水蒸気を水として貯蔵し、必要に応じて気化させて反応器へ戻すための気化器を兼ねた凝縮器およびそれに伴う熱交換器が必要であり、蓄熱システム全体が大型化するといった問題がある。また、脱水反応によって化学蓄熱材から脱離した水蒸気を冷却する際に熱出力される凝縮熱が無駄になったり、凝縮器に貯蔵された水を反応器へ戻す際に前記水を気化させるための気化熱（蒸発熱）が必要となり、当該蓄熱システムの熱効率が低下するといった問題が生じ得る。

本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、従来の蓄熱システムで使用した気化器を兼ねた凝縮器等を省略し、脱水反応によって化学蓄熱材から脱離した水蒸気を有効利用することで、システム全体を小型化し、熱効率を高めた蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の蓄熱システムは、系外から排出される排熱の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する蓄熱システムであって、加熱による脱水反応で蓄熱し、蓄熱された熱量の一部もしくは全部を水蒸気との接触による水和反応で熱出力する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器に内蔵された化学蓄熱材を加熱して前記排熱の熱量の一部を蓄熱するために、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換を行う蓄熱用熱交換器とを備える蓄熱システムにおいて、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換による前記化学蓄熱材の脱水反応に伴って前記化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外に配された外部機器で利用するために前記反応器から系外へ放出する蓄熱用放出管を備えているものである。

上記する形態によれば、蓄熱用放出管を介して化学蓄熱材と排熱との熱交換による化学蓄熱材の脱水反応に伴って化学蓄熱材から離脱した水蒸気を反応器から系外へ放出することで、脱水反応に伴って化学蓄熱材から脱離した水蒸気を水として貯蔵し、必要に応じて気化させて反応器へ戻すための気化器を兼ねた凝縮器およびそれに伴う熱交換器が不要となる。また、脱水反応に伴って化学蓄熱材から脱離した水蒸気を系外に配された外部機器で利用することができ、当該蓄熱システムを小型化かつ簡略化しながらその熱効率を高めることができる。

なお、本明細書において「系」とは、本蓄熱システム内で熱エネルギーを授受し得る範囲を表しており、「系外に放出する」とは、放出された熱エネルギーが本蓄熱システム内で利用されずに本蓄熱システムの外部に配された外部機器で利用されることを意味している。

ここで、本発明の蓄熱システムで適用し得る化学蓄熱材としては、たとえば、酸化ニッケル／水系（ＮｉＯ／Ｈ_２Ｏ）、硫酸カルシウム／水系（ＣａＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ）、酸化コバルト／水系（ＣｏＯ／Ｈ_２Ｏ）、酸化銅／水系（ＣｕＯ／Ｈ_２Ｏ）、塩化マグネシウム／水系（ＭｇＣｌ_２／Ｈ_２Ｏ）、塩化カルシウム／水系（ＣａＣｌ_２、／Ｈ_２Ｏ）、酸化マグネシウム／水系（ＭｇＯ／Ｈ_２Ｏ）、酸化カルシウム／水系（ＣａＯ／Ｈ_２Ｏ）等が挙げられる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記蓄熱システムが、前記蓄熱用放出管を通る水蒸気の圧力を調整する調圧器を更に備えているものである。

上記する形態によれば、たとえば工場等における産業用プロセス等に利用可能な圧力に応じて、化学蓄熱材と排熱との熱交換による化学蓄熱材の脱水反応に伴って生成された水蒸気の圧力を調整（減圧もしくは昇圧）して系外に放出できるため、化学蓄熱材の脱水反応に伴って生成される水蒸気の利便性を格段に高めることができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記蓄熱システムが、水蒸気を生成する熱源機器と、前記化学蓄熱材に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力するために、前記熱源機器によって生成された水蒸気を前記反応器へ供給する熱出力用供給管と、前記熱源機器によって生成された水蒸気と前記化学蓄熱材との接触による水和反応に伴って前記化学蓄熱材から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する熱出力部と、を更に備えているものである。

上記する形態によれば、化学蓄熱材に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力するために、熱出力用供給管を介して既存の熱源機器によって生成された水蒸気を反応器へ供給することで、例えば凝縮器に貯蔵された水を化学蓄熱材へ戻す際に前記水を気化させるための気化熱が不要となり、当該蓄熱システムの熱効率を格段に高めることができる。なお、本発明の蓄熱システムで適用し得る熱源機器としては、例えば予めガスタービンやガスエンジン等の原動機や工場等における産業用プロセス等に配設されたボイラ等を適用することができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記熱出力部が、前記化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行う熱出力用熱交換器からなるものである。

上記する形態によれば、熱出力用熱交換器を用いて化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行うことによって、比較的簡単な構成で化学蓄熱材から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力することができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記熱出力部が、前記熱出力用供給管から前記反応器へ供給された水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を前記反応器から系外へ放出する熱出力用放出管からなるものである。

上記する形態によれば、熱出力用供給管から反応器へ供給された水蒸気に化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱させて熱出力用放出管から取り出すことで、たとえば化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行う熱交換器を省略することができ、蓄熱システム全体をより小型化かつ簡略化することができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記熱出力部が、前記反応器へ水を供給する別途の熱出力用供給管と、前記熱出力用供給管および前記別途の熱出力用供給管から前記反応器へ供給された水および水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を前記反応器から系外へ放出する熱出力用放出管とからなるものである。

上記する形態によれば、別途の熱出力用供給管を介して反応器へ水を供給することによって、化学蓄熱材の水和反応による反応器内の温度上昇を抑制しながら、反応器へ供給された水蒸気に化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱させて熱出力用放出管から取り出すことができるため、反応器内における化学蓄熱材の水和反応を効果的に継続させながら、蓄熱システム全体を小型化かつ簡略化することができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記蓄熱用放出管が前記熱出力用放出管を兼ねているものである。

上記する形態によれば、化学蓄熱材の脱水反応に伴って化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外へ放出する蓄熱用放出管が化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を系外へ放出する熱出力用放出管を兼ねることで、蓄熱システム全体を更に小型化かつ簡略化することができる。

また、上記する化学蓄熱システムの好ましい態様は、前記熱出力部が、前記熱出力用放出管を通る水蒸気に水を供給する水供給管を有しているものである。

上記する形態によれば、水供給管を介して熱出力用放出管を通る水蒸気に水を供給することで、たとえば熱出力の利用先である系外の産業プロセス等で熱出力用放出管から取り出された熱量を直ちに利用したい場合に、熱伝達率の高い飽和水蒸気を供給することができるため、当該蓄熱システムの利便性をより高めることができる。

また、本発明の蓄熱・熱出力方法は、系外から排出される排熱の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する蓄熱方法であって、加熱による脱水反応で蓄熱し、蓄熱された熱量の一部もしくは全部を水蒸気との接触による水和反応で熱出力する化学蓄熱材を加熱して前記排熱の熱量の一部を蓄熱するために、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換を行う蓄熱方法において、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換による前記化学蓄熱材の脱水反応に伴って前記化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外に配された外部機器で利用するために前記反応器から系外へ放出する方法である。

上記する方法によれば、化学蓄熱材と排熱との熱交換による化学蓄熱材の脱水反応に伴って化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外へ放出することで、脱水反応に伴って化学蓄熱材から脱離した水蒸気を系外に配された外部機器で利用することができ、当該蓄熱方法の熱効率を効果的に高めることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の蓄熱システム及び蓄熱・熱出力方法によれば、化学蓄熱材と排熱との熱交換による化学蓄熱材の脱水反応に伴って化学蓄熱材から離脱した水蒸気を反応器から系外へ放出することにより、当該蓄熱システムを小型化かつ簡略化しながらその蓄熱システムや蓄熱方法の熱効率を格段に高めることができる。

本発明による蓄熱システムの実施の形態１の全体構成を示す全体構成図。 図１に示す蓄熱システムの動作状態を説明する図であり、（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図。 図１に示す蓄熱システムの他例を示す全体構成図。 本発明による蓄熱システムの実施の形態２の全体構成を示す全体構成図。 図４に示す蓄熱システムの動作状態を説明する図であり、（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図。 本発明による蓄熱システムの実施の形態３の全体構成を示す全体構成図。 図６に示す蓄熱システムの動作状態を説明する図であり、（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図。 従来の化学蓄熱材を用いた蓄熱システムを示す構成図であり、（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下では、ガスタービンやガスエンジン等の原動機から排出される排ガスの熱エネルギー（熱量）を蓄熱システムに利用する形態について説明するが、当該蓄熱システムには、たとえば工場等における産業用プロセス等から排出される排熱を利用することもできる。

［実施の形態１］
図１は、本発明による蓄熱システムの実施の形態１の全体構成を示したものである。また、図２は、図１に示す蓄熱システムの動作状態を説明した図であり、図２（Ａ）はその蓄熱動作を説明した図、図２（Ｂ）はその熱出力動作を説明した図である。

図１に示す蓄熱システム１は、ガスタービンやガスエンジン等の原動機２から排出される排ガス（系外から排出された排熱）の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力するシステムである。

蓄熱システム１は、主に、反応器４と、反応器４に設けられた蓄熱用熱交換器１１および熱出力用熱交換器１２と、反応器４に接続された蓄熱用放出管１５と、たとえばボイラ等からなる熱源機器３と、熱源機器３と反応器４とを接続する熱出力用供給管１６と、を備えている。

前記反応器４には、加熱による脱水反応で蓄熱し、蓄熱された熱量の一部もしくは全部を水蒸気との接触による水和反応で熱出力する化学蓄熱材５が内蔵されている。ここで、蓄熱システム１で適用される化学蓄熱材５としては、たとえば、酸化ニッケル／水系（ＮｉＯ／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約１００℃）、硫酸カルシウム／水系（ＣａＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約１００℃）、酸化コバルト／水系（ＣｏＯ／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約１５０℃）、酸化銅／水系（ＣｕＯ／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約２００℃）、塩化マグネシウム／水系（ＭｇＣｌ_２／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約２００℃）、塩化カルシウム／水系（ＣａＣｌ_２／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約２５０℃）、酸化マグネシウム／水系（ＭｇＯ／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約３００℃）、酸化カルシウム／水系（ＣａＯ／Ｈ_２Ｏ、大気圧下での作動温度：約５００℃）等が挙げられる。

たとえば、反応器４に内蔵される化学蓄熱材５として酸化マグネシウム／水系（ＭｇＯ／Ｈ_２Ｏ）を採用した場合、その蓄熱動作において化学蓄熱材５が以下の式（１）で示す脱水反応により蓄熱され、熱出力動作において以下の式（２）で示す水和反応により蓄熱された熱量の一部もしくは全部が化学蓄熱材５から熱出力される。

なお、式（１）におけるＱ_ｉｎは、化学蓄熱材５に蓄熱される熱量、式（２）におけるＱ_ｏｕｔは化学蓄熱材５から熱出力される熱量を表している。

反応器４に設けられた蓄熱用熱交換器１１は、反応器４に内蔵された化学蓄熱材５を加熱して原動機２から排出された排熱の熱量の一部を化学蓄熱材５に蓄熱するために、化学蓄熱材５と前記排熱との熱交換を行うものである。化学蓄熱材５と前記排熱との熱交換による脱水反応に伴って化学蓄熱材５から離脱した水蒸気は、反応器４の上部に接続された蓄熱用放出管１５を介して反応器４から系外へ放出されるようになっている（このようなシステムを開放系という）。ここで、蓄熱用放出管１５には、当該蓄熱用放出管１５を通る水蒸気の圧力を調整するための調圧器６（たとえば、KOBELCO株式会社製スクリュ式蒸気圧縮機（スチームスターMSRC 37L）等）が設けられている。

なお、上記した反応器４には、反応温度を調整する温度調整手段が設けられており、たとえば化学蓄熱材５として酸化マグネシウム／水系（ＭｇＯ／Ｈ_２Ｏ）を採用した場合、蓄熱用熱交換器１１を通る熱交換後の排ガスが約３１０℃となるように前記温度調整手段により反応器４の反応温度が調整されている。

また、熱源機器３は、原動機２から排出された排熱と水との熱交換を行い、反応器４へ供給する水蒸気を生成するものである。熱源機器３で生成された水蒸気は、化学蓄熱材５に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力するために、熱出力用供給管１６を介して反応器４へ供給されるようになっている。なお、熱源機器３は、原動機２と直接的に接続されてもよいし、直接的に接続されていなくてもよいが、系外もしくは系内に予め配設されている。また、熱出力用供給管１６を介して反応器４へ供給されて化学蓄熱材５と反応される水蒸気、すなわち、熱源機器３へ供給される水は純度が高いことが望ましい。

反応器４に設けられた熱出力部としての熱出力用熱交換器１２は、化学蓄熱材５から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力するために、化学蓄熱材５と水もしくは水蒸気との熱交換を行うものである。なお、熱出力用熱交換器１２を通る水の温度は適宜選択することができ、例えば冷水であってもよいし、常温水であってもよいし、常温水等を加温した温水であってもよい。

以下、図２を参照しながら、実施の形態１の蓄熱システム１の蓄熱動作および熱出力動作（本発明による蓄熱・熱出力方法の実施の形態１）を説明する。

＜蓄熱システム１の蓄熱動作＞
蓄熱システム１の蓄熱動作においては、まず、図２（Ａ）に示すように、蓄熱用熱交換器１１を介して原動機２等の系外から排出される排熱と反応器４に内蔵された化学蓄熱材５との熱交換を行い、加熱による脱水反応によって化学蓄熱材５に前記排熱の熱量の一部を蓄熱する。また、その脱水反応に伴って化学蓄熱材５から脱離した水蒸気を反応器４の上部に接続された蓄熱用放出管１５を介して系外へ放出する。その際、蓄熱用放出管１５に設けられた調圧器６によって蓄熱用放出管１５を通る水蒸気の圧力を調整（たとえば昇圧）することにより、化学蓄熱材５の脱水反応に伴って生成される水蒸気の圧力を、たとえば工場等における産業用プロセス等に利用可能な圧力に調整する。なお、必要に応じて、蓄熱用放出管１５を通る水蒸気の圧力を減圧してもよい。

＜蓄熱システム１の熱出力動作＞
次に、使用者等の所望の時期に、上記した蓄熱動作により化学蓄熱材５に蓄熱した熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力させる。この蓄熱システム１の熱出力動作においては、図２（Ｂ）に示すように、熱出力用供給管１６を介して熱源機器３で生成された水蒸気を反応器４へ供給し、熱源機器３から供給された水蒸気と化学蓄熱材５との接触による水和反応によって化学蓄熱材５に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力させる。また、反応器４に設けられた熱出力用熱交換器１２を介して化学蓄熱材５と水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）との熱交換を行い、化学蓄熱材５から熱出力された熱量の一部もしくは全部を系外へ取り出す。

このように、本実施の形態１の蓄熱システム１によれば、蓄熱用放出管１５を介して化学蓄熱材５の脱水反応に伴って化学蓄熱材５から離脱した水蒸気を反応器４から系外へ放出するとともに、熱出力用供給管１６を介して既存の熱源機器３で生成された水蒸気を反応器４へ直接的に供給して化学蓄熱材５に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力させることで、たとえば、脱水反応に伴って化学蓄熱材５から脱離した水蒸気を水として貯蔵し、必要に応じて気化させて反応器４へ戻すための気化器を兼ねた凝縮器やそれに伴う熱交換器が不要となり、当該蓄熱システム１を小型化かつ簡略化することができる。

また、蓄熱用放出管１５を介して化学蓄熱材５の脱水反応に伴って化学蓄熱材５から離脱した水蒸気を反応器４から系外へ放出することで、脱水反応によって化学蓄熱材５から脱離した水蒸気をたとえば工場等における系外の産業用プロセス等の外部機器に有効に利用することができる。

また、図８に基づき説明した従来の蓄熱システムにおいては、たとえば化学蓄熱材として酸化マグネシウム／水系（ＭｇＯ／Ｈ_２Ｏ）を採用した場合、化学蓄熱材の反応熱の約半分は水の気化熱（蒸発熱）であり、排熱の蓄熱・熱出力に伴って約半分の熱量を無駄にしている（熱効率は略５０％である）。

一方で、本実施の形態１の蓄熱システム１によれば、脱水反応によって化学蓄熱材から脱離した水蒸気を冷却する際に熱出力される凝縮熱や凝縮器に貯蔵された水を化学蓄熱材へ戻す際に前記水を気化させるための気化熱が不要となる。すなわち、当該蓄熱システム１の熱効率は実質的に１００％となり、従来の蓄熱システムと比較してその熱効率を格段に高めることができる。

また、上記したように、例えば熱源機器３での熱交換を介して反応器４へ供給されて化学蓄熱材５と反応される水蒸気、すなわち、熱源機器３へ供給される水は純度が高いことが望ましい。そのため、蓄熱システム１の系内で純度の高い水が使用される場合には、熱源機器３へ供給される水は、そのような系内で使用された純度の高い水を再利用することが望ましい。本実施の形態１の蓄熱システム１では、蓄熱システム１の蓄熱動作で蓄熱用放出管１５を介して系外へ放出される水蒸気（調圧器６が設けられている場合には調圧後の水蒸気）の純度が高いため、その水蒸気を回収して上記熱源機器３へ供給して再利用することにより、純度の高い水を新たに生成して熱源機器３へ供給する必要がなく、蓄熱用放出管１５を介して系外へ放出された純度の高い水を有効に利用することができる。

なお、上記した蓄熱システム１の熱出力動作において、より具体的には、図３に示すように、反応器４に金属壁１３ａを有する熱出力用熱交換器１２を配設し、その金属壁１３ａを化学蓄熱材５に浸漬させることで、反応器４内の化学蓄熱材５から放熱される熱量の一部もしくは全部を熱出力用熱交換器１２を介して系外へ放熱してもよい。

［実施の形態２］
図４は、本発明による蓄熱システムの実施の形態２の全体構成を示したものである。また、図５は、図４に示す蓄熱システムの動作状態を説明する図であり、図５（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、図５（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図である。

図４に示す実施の形態２の蓄熱システム１Ａは、上記する実施の形態１の蓄熱システム１に対して、化学蓄熱材から熱出力される熱量を系外へ熱出力する熱出力部が相違しており、その他の構成は実施の形態１の蓄熱システム１と同様である。したがって、実施の形態１の蓄熱システム１と同様の構成について、同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示す蓄熱システム１Ａは、主に、化学蓄熱材５Ａが内蔵された反応器４Ａと、反応器４Ａに設けられた蓄熱用熱交換器１１Ａと、反応器４Ａに接続された蓄熱用放出管１５Ａと、たとえばボイラ等からなる熱源機器３Ａと、熱源機器３Ａと反応器４Ａとを接続する熱出力用供給管１６Ａと、反応器４Ａに接続された熱出力部としての熱出力用放出管１７Ａと、を備え、蓄熱用放出管１５Ａと熱出力用放出管１７Ａとは兼用されている。なお、蓄熱用放出管１５Ａと熱出力用放出管１７Ａとは別体に構成してもよい。

本実施の形態２の蓄熱システム１Ａでは、熱源機器３Ａでの熱交換により生成されて熱出力用供給管１６Ａから反応器４Ａへ供給された未反応の水蒸気が加熱された水蒸気になる際に化学蓄熱材５Ａから熱出力された熱量を回収し、化学蓄熱材５Ａから熱出力された熱量を回収（吸熱）した水蒸気が熱出力用放出管１７Ａを介して反応器４Ａから系外へ放出されることで、化学蓄熱材５Ａから熱出力される熱量が系外へ熱出力される。ここで、熱出力用放出管１７Ａには、必要に応じて熱伝達率の高い飽和水蒸気を供給するために、当該熱出力用放出管１７Ａを通る水蒸気に水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）を供給する水供給管１８Ａが接続されている。

以下、図５を参照しながら、実施の形態２の蓄熱システム１Ａの蓄熱動作および熱出力動作（本発明による蓄熱・熱出力方法の実施の形態２）を説明する。

＜蓄熱システム１Ａの蓄熱動作＞
上記する実施の形態１の蓄熱システム１と同様、蓄熱動作においては、まず、図５（Ａ）に示すように、蓄熱用熱交換器１１Ａを介して原動機２Ａ等から排出される排熱と反応器４Ａに内蔵された化学蓄熱材５Ａとの熱交換を行い、加熱による脱水反応によって化学蓄熱材５Ａに前記排熱の熱量の一部を蓄熱する。また、その脱水反応に伴って化学蓄熱材５Ａから脱離した水蒸気を反応器４Ａの上部に接続された蓄熱用放出管１５Ａを介して系外へ放出する。その際、蓄熱用放出管１５Ａに設けられた調圧器６Ａによって蓄熱用放出管１５Ａを通る水蒸気の圧力を調整（減圧もしくは昇圧）する。

＜蓄熱システム１Ａの熱出力動作＞
次に、使用者等の所望の時期に、上記した蓄熱動作により化学蓄熱材５Ａに蓄熱した熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力させる。この熱出力動作においては、図５（Ｂ）に示すように、熱出力用供給管１６Ａを介して熱源機器３Ａで生成された水蒸気を反応器４Ａへ供給し、熱源機器３Ａから供給された水蒸気と化学蓄熱材５Ａとの接触による水和反応によって化学蓄熱材５Ａに蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力させる。ここで、化学蓄熱材５Ａから熱出力された熱量を熱出力用供給管１６Ａを介して反応器４Ａへ供給された未反応の水蒸気が過熱された水蒸気になる際に当該水蒸気に回収（吸熱）させ、反応器４Ａに接続された熱出力用放出管１７Ａを介してその水蒸気を系外へ送出する。その際、必要に応じて、熱出力用放出管１７Ａに設けられた水供給管１８Ａから水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）を供給して飽和水蒸気を生成する。

このように、本実施の形態２の蓄熱システム１Ａによれば、熱出力用供給管１６Ａから反応器４Ａへ供給された水蒸気に化学蓄熱材５Ａから熱出力された熱量を回収させて熱出力用放出管１７Ａから取り出すようになっている。すなわち、熱出力用供給管１６Ａから反応器４Ａへ供給された水蒸気を化学蓄熱材５Ａの水和反応とその水和反応により化学蓄熱材５Ａから熱出力された熱量の回収との双方に使用することで、たとえば化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行う熱交換器を省略することができ、当該蓄熱システム１Ａを小型化かつ簡略化することができる。

また、冷却用供給管１８Ａから供給される水と熱出力用放出管１７Ａを通る水蒸気によって熱伝達率の高い飽和水蒸気を生成することで、熱出力の利用先である系外の産業プロセス等で熱出力用放出管１７Ａから取り出された熱量を直ちに利用することができ、当該蓄熱システム１Ａの利便性を高めることができる。

［実施の形態３］
ところで、上記する実施の形態２の蓄熱システム１Ａでは、熱出力動作時において化学蓄熱材の水和反応による反応器内の温度上昇を抑制するために、熱出力用供給管１６Ａから比較的大量の水蒸気を反応器４Ａへ供給し続ける必要があることが本発明者等によって確認されている。そこで、実施の形態３の蓄熱システムでは、比較的簡単な構成で化学蓄熱材の水和反応による反応器内の温度上昇を抑制する。

図６は、本発明による蓄熱システムの実施の形態３の全体構成を示したものである。また、図７は、図６に示す蓄熱システムの動作状態を説明する図であり、図７（Ａ）はその蓄熱動作を説明する図、図７（Ｂ）はその熱出力動作を説明する図である。

図６に示す実施の形態３の蓄熱システム１Ｂは、上記する実施の形態１、２の蓄熱システム１、１Ａに対して、化学蓄熱材から熱出力される熱量を系外へ熱出力する熱出力部が相違しており、その他の構成は実施の形態１、２の蓄熱システム１、１Ａと同様である。したがって、実施の形態１、２の蓄熱システム１、１Ａと同様の構成について、同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図６に示す蓄熱システム１Ｂは、主に、化学蓄熱材５Ｂが内蔵された反応器４Ｂと、反応器４Ｂに設けられた蓄熱用熱交換器１１Ｂと、反応器４Ｂに接続された蓄熱用放出管１５Ｂと、たとえばボイラ等からなる熱源機器３Ｂと、熱源機器３Ｂと反応器４Ｂとを接続する熱出力用供給管１６Ｂと、反応器４Ｂに接続された熱出力部としての熱出力用放出管１７Ｂおよび別途の熱出力用供給管１９Ｂと、を備え、蓄熱用放出管１５Ｂと熱出力用放出管１７Ｂとは兼用されている。

本実施の形態３の蓄熱システム１Ｂでは、反応器４Ｂ内の温度を低下させるために熱出力用供給管１９Ｂを介して噴霧状の水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）が反応器４Ｂへ供給される。そして、熱源機器３Ｂでの熱交換により生成されて熱出力用供給管１６Ｂから反応器４Ｂへ供給された未反応の水蒸気が加熱された水蒸気になる際、もしくは、熱出力用供給管１９Ｂから反応器４Ｂへ供給された水が蒸発する際に化学蓄熱材５Ｂから熱出力された熱量を回収し、化学蓄熱材５Ｂから熱出力された熱量を回収（吸熱）した水蒸気が熱出力用放出管１７Ｂを介して系外へ放出されることで、化学蓄熱材５Ｂから熱出力される熱量が系外へ熱出力される。ここで、熱出力用放出管１７Ｂには、必要に応じて熱伝達率の高い飽和水蒸気を供給するために、当該熱出力用放出管１７Ｂを通る水蒸気に水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）を供給する水供給管１８Ｂが接続されている。

以下、図７を参照しながら、実施の形態３の蓄熱システム１Ｂの蓄熱動作および熱出力動作（本発明による蓄熱・熱出力方法の実施の形態３）を説明する。

＜蓄熱システム１Ｂの蓄熱動作＞
上記する実施の形態１、２の蓄熱システム１、１Ａと同様、蓄熱動作においては、まず、図７（Ａ）に示すように、蓄熱用熱交換器１１Ｂを介して原動機２Ｂ等から排出される排熱と反応器４Ｂに内蔵された化学蓄熱材５Ｂとの熱交換を行い、加熱による脱水反応によって化学蓄熱材５Ｂに前記排熱の熱量の一部を蓄熱する。また、その脱水反応に伴って化学蓄熱材５Ｂから脱離した水蒸気を反応器４Ｂの上部に接続された蓄熱用放出管１５Ｂを介して系外へ放出する。その際、蓄熱用放出管１５Ｂに設けられた調圧器６Ｂによって蓄熱用放出管１５Ｂを通る水蒸気の圧力を調整（減圧もしくは昇圧）する。

＜蓄熱システム１Ｂの熱出力動作＞
次に、使用者等の所望の時期に、上記した蓄熱動作により化学蓄熱材５Ｂに蓄熱した熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力させる。この熱出力動作においては、図７（Ｂ）に示すように、熱出力用供給管１６Ｂを介して熱源機器３Ｂで生成された水蒸気を反応器４Ｂへ供給し、熱源機器３Ｂから供給された水蒸気と化学蓄熱材５Ｂとの接触による水和反応によって化学蓄熱材５Ｂに蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力させる。また、熱出力用供給管１９Ｂを介して所定温度の水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）を反応器４Ｂへ供給し、化学蓄熱材５Ｂの水和反応による反応器４Ｂ内の温度上昇を抑制する。ここで、熱出力用供給管１９Ｂから反応器４Ｂへ供給される水の噴霧状態や噴霧速度等を適正に制御することによって、化学蓄熱材５Ｂから熱出力された熱量を熱出力用供給管１６Ｂから反応器４Ｂへ供給された未反応の水蒸気が過熱された水蒸気になる際、もしくは、熱出力用供給管１９Ｂから反応器４Ｂへ供給された水が蒸発する際に、当該水蒸気や水に回収（吸熱）させ、反応器４Ｂに接続された熱出力用放出管１７Ｂを介してその水蒸気を系外へ送出する。なお、必要に応じて、熱出力用放出管１７Ｂに設けられた水供給管１８Ｂから水（冷水、常温水、常温水等を加温した温水を含む）を供給して飽和水蒸気を生成する。

このように、本実施の形態３の蓄熱システム１Ｂによれば、別途の熱出力用供給管１９Ｂを介して反応器４Ｂへ所定温度の水を供給し、水和反応によって化学蓄熱材５Ｂから熱出力された熱量の一部を熱出力用供給管１９Ｂから反応器４Ｂへ供給される水に回収させることで、化学蓄熱材５Ｂの水和反応による反応器４Ｂ内の温度上昇を抑制することができ、反応器４Ｂ内における化学蓄熱材５Ｂの水和反応を効果的に継続させることができ、化学蓄熱材５Ｂから熱出力された熱量を効果的に系外に取り出すことができる。

１、１Ａ、１Ｂ…蓄熱システム
２、２Ａ、２Ｂ…原動機
３、３Ａ、３Ｂ…熱源機器
４、４Ａ，４Ｂ…反応器
５、５Ａ、５Ｂ…化学蓄熱材
６、６Ａ、６Ｂ…調圧器
１１、１１Ａ、１１Ｂ…蓄熱用熱交換器
１２…熱出力用熱交換器
１５、１５Ａ、１５Ｂ…蓄熱用放出管
１６、１６Ａ、１６Ｂ…熱出力用供給管
１７Ａ、１７Ｂ…熱出力用放出管
１８Ａ、１８Ｂ…水供給管
１９Ｂ…別途の熱出力用供給管

Claims (18)

1. 系外から排出される排熱の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する蓄熱システムであって、加熱による脱水反応で蓄熱し、蓄熱された熱量の一部もしくは全部を水蒸気との接触による水和反応で熱出力する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器に内蔵された化学蓄熱材を加熱して前記排熱の熱量の一部を蓄熱するために、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換を行う蓄熱用熱交換器とを備える蓄熱システムにおいて、
   前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換による前記化学蓄熱材の脱水反応に伴って前記化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外に配された外部機器で利用するために前記反応器から系外へ放出する蓄熱用放出管を備えている蓄熱システム。
2. 前記蓄熱システムは、前記蓄熱用放出管を通る水蒸気の圧力を調整する調圧器を更に備えている、請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記蓄熱システムは、水蒸気を生成する熱源機器と、
   前記化学蓄熱材に蓄熱された熱量の一部もしくは全部を熱出力するために、前記熱源機器によって生成された水蒸気を前記反応器へ供給する熱出力用供給管と、
   前記熱源機器によって生成された水蒸気と前記化学蓄熱材との接触による水和反応に伴って前記化学蓄熱材から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する熱出力部と、を更に備えている請求項１または２に記載の蓄熱システム。
4. 前記熱出力部が、前記化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行う熱出力用熱交換器からなる、請求項３に記載の蓄熱システム。
5. 前記熱出力部が、前記熱出力用供給管から前記反応器へ供給された水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を前記反応器から系外へ放出する熱出力用放出管からなる、請求項３に記載の蓄熱システム。
6. 前記蓄熱用放出管が前記熱出力用放出管を兼ねている、請求項５に記載の蓄熱システム。
7. 前記熱出力部が、前記熱出力用放出管を通る水蒸気に水を供給する水供給管を有している、請求項５または６に記載の蓄熱システム。
8. 前記熱出力部が、前記反応器へ水を供給する別途の熱出力用供給管と、前記熱出力用供給管および前記別途の熱出力用供給管から前記反応器へ供給された水および水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を前記反応器から系外へ放出する熱出力用放出管とからなる、請求項３に記載の蓄熱システム。
9. 前記蓄熱用放出管が前記熱出力用放出管を兼ねている、請求項８に記載の蓄熱システム。
10. 前記熱出力部が、前記熱出力用放出管を通る水蒸気に水を供給する水供給管を有している、請求項８または９に記載の蓄熱システム。
11. 系外から排出される排熱の熱量の一部を蓄熱し、必要に応じて蓄熱された熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する蓄熱方法であって、加熱による脱水反応で蓄熱し、蓄熱された熱量の一部もしくは全部を水蒸気との接触による水和反応で熱出力する化学蓄熱材を加熱して前記排熱の熱量の一部を蓄熱するために、前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換を行う蓄熱方法において、
    前記化学蓄熱材と前記排熱との熱交換による前記化学蓄熱材の脱水反応に伴って前記化学蓄熱材から離脱した水蒸気を系外に配された外部機器で利用するために前記反応器から系外へ放出する蓄熱・熱出力方法。
12. 前記化学蓄熱材から離脱した水蒸気の圧力を調整する、請求項１１に記載の蓄熱・熱出力方法。
13. 熱源機器によって生成された水蒸気を前記化学蓄熱材へ供給し、前記熱源機器によって生成された水蒸気と前記化学蓄熱材との接触による水和反応に伴って前記化学蓄熱材から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する、請求項１１または１２に記載の蓄熱・熱出力方法。
14. 前記化学蓄熱材と水もしくは水蒸気との熱交換を行い、前記化学蓄熱材から熱出力される熱量の一部もしくは全部を系外へ熱出力する、請求項１３に記載の蓄熱・熱出力方法。
15. 前記化学蓄熱材へ供給された水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を系外へ放出する、請求項１３に記載の蓄熱・熱出力方法。
16. 前記水蒸気に水を供給する、請求項１５に記載の蓄熱・熱出力方法。
17. 前記化学蓄熱材へ水を供給し、前記化学蓄熱材へ供給された水および水蒸気であって前記化学蓄熱材から熱出力された熱量を吸熱した水蒸気を系外へ放出する、請求項１３に記載の蓄熱・熱出力方法。
18. 前記水蒸気に水を供給する、請求項１７に記載の蓄熱・熱出力方法。

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