JP2015148349A - 蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材を拘束する構成において、拘束枠に熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立する。
【解決手段】拘束枠１００は、断面が中空とされた角筒材１０２、１０４を有している。そして、拘束枠１００は、蓄熱材４４が水蒸気Ｗｂと結合して発熱し膨張するとき、蓄熱材４４を拘束して、蓄熱材４４のＸ方向及びＺ方向の膨張を拘束する。ここで、拘束枠１００が断面中空の角筒材であり、中実のものと比べて熱容量が小さくなるので、蓄熱材４４から拘束枠１００への熱の伝達が抑制され、拘束枠に熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立できる。
【選択図】図５

Description

本発明は、蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムに関する。

特許文献１には、熱媒流路と、反応容器内に設けられた主管部と、反応容器内で主管部の両外側に設けられた支管部と、反応容器内で支管部の両外側に設けられた蓄熱材と、を有する蓄熱反応器が記載されている。特許文献１の蓄熱反応器では、ブロック状の蓄熱材が反応容器の内壁と接触している。

特開２０１２−２１１７１３号

本発明は、蓄熱材を拘束する構成において、拘束枠に熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立できる蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムを得ることを目的とする。

本発明の請求項１に係る蓄熱材拘束構造は、反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材を拘束し、断面が中空とされた拘束枠を有する。

上記構成によれば、拘束枠が蓄熱材を拘束するので、蓄熱材の膨張が抑制される。さらに、拘束枠が断面中空であり、同じ剛性で且つ中実のものと比べて熱容量が小さくなるので、拘束枠に熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立できる。

本発明の請求項２に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠には、前記蓄熱材の周方向で接合部が形成されていない。

上記構成によれば、蓄熱材が膨張するとき、膨張方向に拘束枠の接合部が無いので、拘束枠の剛性の低い部位に蓄熱材の膨張力が作用することが抑制される。これにより、蓄熱材が膨張したときの拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項３に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠は、第１接合部と第２接合部が接合される接合部を備え、前記蓄熱材には、第１側面と第２側面とで角部が形成され、前記接合部は、前記第１接合部における前記第１側面に沿った方向の前記蓄熱材よりも外側で、且つ前記第２接合部における前記第２側面に沿った方向の前記蓄熱材よりも外側の領域内に形成されている。

上記構成によれば、角部を有する蓄熱材が膨張したときの膨張力は、蓄熱材の角部の側面と接触する拘束枠の一方の面と他方の面とに作用する。ここで、接合部が、膨張力が作用しにくい領域内に形成されているので、拘束枠の変形をさらに抑制することができる。

本発明の請求項４に係る蓄熱材拘束構造は、前記接合部の内側及び外側の少なくとも一方には、前記第１接合部及び前記第２接合部に固定された固定部材が設けられている。

上記構成によれば、固定部材によって接合部が補強されるので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項５に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠は、前記蓄熱材の側面に沿って平面が配置された角筒材である。

上記構成によれば、蓄熱材の膨張力を拘束枠の平面で受けて抵抗するので、拘束枠の一部に蓄熱材の膨張力が集中することが抑制される。これにより、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項６に係る蓄熱材拘束構造は、複数の前記角筒材が前記蓄熱材の厚さ方向に重ねられると共に接合され、複数の前記角筒材の接触する部位の前記厚さ方向における高さが、前記蓄熱材の厚さ方向の中央部の高さと揃えられている。

上記構成によれば、蓄熱材の膨張力が最も大きくなる厚さ方向の中央部に、拘束枠の剛性の高い部位が配置されているので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項７に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠は、前記蓄熱材側に配置され前記蓄熱材の膨張方向と交差する交差方向に沿った平面部と、前記蓄熱材側とは反対側に配置され前記平面部とは異なる外形の非平面部とを有する。

上記構成によれば、矩形状の断面を有するものに比べて断面２次モーメントが大きくなるので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項８に係る蓄熱材拘束構造は、前記非平面部が、前記蓄熱材側とは反対側に凸となる湾曲部である。

上記構成によれば、矩形状の断面を有するものに比べて断面２次モーメントが大きくなるので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項９に係る蓄熱材拘束構造は、前記非平面部は、前記蓄熱材の厚さ方向の中央を通り前記蓄熱材の膨張方向に沿った線を中心として線対称形状である。

上記構成によれば、拘束枠の剛性が厚さ方向の一方側と他方側で均等になるので、蓄熱材が膨張したとき、膨張力を拘束枠に対して均等に作用させることができる。

本発明の請求項１０に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠の対向する部位には、ワイヤーが架設されている。

上記構成によれば、ワイヤーの張力が引張力となって蓄熱材の膨張力に抵抗するので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項１１に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠の対向する部位には、板材の両端部が固定されている。

上記構成によれば、板材が膨張力に抵抗するので、拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項１２に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠は、金属製である。

上記構成によれば、拘束枠が金属製であるので、非金属製に比べて拘束枠の変形を抑制することができる。

本発明の請求項１３に係る蓄熱材拘束構造は、前記拘束枠は、非金属製である。

上記構成によれば、拘束枠が非金属製であるので、金属製に比べて熱伝導率を抑制して断熱効率を上げることができる。

本発明の請求項１４に係る蓄熱反応器は、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造と、反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する前記蓄熱材と、前記反応媒体が流れる流路部と、前記蓄熱材に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部と、前記拘束枠、前記蓄熱材、前記流路部、及び前記熱交換部が封入され、前記反応媒体が内部に供給される容器と、を有する。

上記構成によれば、蓄熱材拘束構造において拘束枠に熱量が奪われることが抑制されるので、請求項１に記載の蓄熱材拘束構造を有していない構成に比べて、蓄熱反応器の熱効率の低下を抑制することができる。

本発明の請求項１５に係る蓄熱システムは、請求項１４に記載の蓄熱反応器と、前記容器に気密状態で連通され、液相の媒体を蒸発させて気相の反応媒体を前記容器に供給する蒸発部と、を有する。

上記構成によれば、蓄熱反応器の熱効率の低下が抑制されるので、蓄熱システムの熱効率の低下を抑制することができる。

本発明は、上記構成としたので、蓄熱材を拘束する構成において、拘束枠に熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立することができる。

第１実施形態に係る蓄熱システムの概略構成を示す全体図である。 （Ａ）第１実施形態に係る反応容器の斜視図である。（Ｂ）第１実施形態に係る反応容器の平面図である。 第１実施形態に係る反応器の内部の構成図である。 第１実施形態に係る蓄熱材拘束部の斜視図である。 （Ａ）第１実施形態に係る拘束枠の斜視図である。（Ｂ）第１実施形態に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大断面図である。 第１実施形態に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大図である。 第１実施形態に係る蓄熱材が膨張して拘束枠を押圧する状態を示す説明図である。 （Ａ）第１実施形態に係る蓄熱システムにおいて水和反応による高温熱媒オイルの加熱状態を示す説明図である。（Ｂ）第１実施形態に係る蓄熱システムにおいて高温熱媒オイルによる加熱で脱水反応を行うときの凝縮状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る蓄熱システムにおける蓄熱材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）第１変形例に係る拘束枠の平面図である。（Ｂ）第２変形例に係る拘束枠の平面図である。（Ｃ）第３変形例に係る拘束枠の平面図である。（Ｄ）第４変形例に係る拘束枠の平面図である。 （Ａ）第２実施形態に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大断面図である。（Ａ）第５変形例に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大断面図である。 （Ａ）第３実施形態に係る拘束枠の部分拡大平面図である。（Ａ）第６変形例に係る拘束枠の部分拡大平面図である。 （Ａ）第４実施形態に係る拘束枠の斜視図である。（Ｂ）第４実施形態に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大断面図である。 （Ａ）第５実施形態に係る拘束枠の斜視図である。（Ｂ）第５実施形態に係る蓄熱材及び拘束枠の部分拡大断面図である。 第１〜第５実施形態に係る拘束枠の枠幅当りの質量に対する枠幅当りの最大変形率の関係を示す説明図である。

[第１実施形態]
本発明の第１実施形態に係る蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムの一例について説明する。

図１には、第１実施形態の一例としての蓄熱システム１０の概略構成が示されている。蓄熱システム１０は、蒸発部の一例としての蒸発凝縮器１２と、蓄熱反応器の一例としての反応器２０と、を有している。蒸発凝縮器１２では、媒体の一例としての水Ｗａ（Ｈ_２Ｏ）の蒸発、凝縮が行われる。反応器２０では、後述する蓄熱材４４（図４参照）の水和反応又は脱水反応が行われる。さらに、蓄熱システム１０は、蒸発凝縮器１２及び反応器２０に接続され、これらの内部を連通させる水蒸気流路１４を有している。なお、本実施形態では一例として、蓄熱システム１０を自動車（図示省略）に適用している。

〔蒸発凝縮器〕
蒸発凝縮器１２は、貯留した水Ｗａを蒸発させて反応器２０に供給する蒸発部、反応器２０から導入された反応媒体の一例としての水蒸気Ｗｂを凝縮する凝縮部、及び水蒸気Ｗｂが凝縮された水Ｗａを貯留する貯留部としての各機能を兼ね備えている。

また、蒸発凝縮器１２は、内部に水Ｗａを貯留した貯留容器１６を有している。貯留容器１６内には、水蒸気Ｗｂの凝縮用の冷媒が流れる冷媒流路１７及び水Ｗａの蒸発用のヒータ１８が設けられている。冷媒流路１７は、貯留容器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設けられている。ヒータ１８は、貯留容器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水Ｗａの加熱を行うように設けられている。

水蒸気流路１４には、蒸発凝縮器１２（貯留容器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が設けられている。貯留容器１６、反応容器２２、水蒸気流路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〕
次に、反応器２０について説明する。

図３に示すように、反応器２０は、水蒸気Ｗｂが内部に供給される容器の一例としての反応容器２２と、反応容器２２内に封入された蓄熱ユニット３０、３２と、蓄熱ユニット３０、３２を拘束する拘束部６２とを有している。

なお、以後の説明では、反応器２０を正面視して、水平方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する鉛直方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する奥行き方向をＺ方向と記載する。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について、一方側と他方側を区別する場合は、左側を−Ｘ側、右側を＋Ｘ側、上側を＋Ｙ側、下側を−Ｙ側、奥側を＋Ｚ側、手前側を−Ｚ側と記載する。さらに、反応容器２２から水蒸気流路１４への水蒸気Ｗｂの流出方向をＡ方向、水蒸気流路１４から反応容器２２への水蒸気Ｗｂの流入方向をＢ方向と記載する。

＜反応容器＞
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、反応容器２２は、一例として、Ｙ方向（図３参照）に見て四角形の直方体状容器となっている。また、図３に示すように、反応容器２２の側壁のＹ方向中央の一部には、水蒸気流路１４の一端が接続されている。なお、反応容器２２は、２つの部位に分割されており、蓄熱ユニット３０、３２を内側に配置した後、２つの部位の接合部（図示省略）で接合（溶接）を行うことで、内部に蓄熱ユニット３０、３２が封入されるようになっている。

＜蓄熱ユニット＞
図３に示すように、蓄熱ユニット３０、３２は、反応容器２２内でＹ方向に重ねられている。なお、蓄熱ユニット３０、３２は、同じ構成となっている。このため、蓄熱ユニット３０の構成部材について説明し、蓄熱ユニット３２の構成部材については、蓄熱ユニット３０と同じ符号を付与して説明を省略する。また、本実施形態では、一例として、蓄熱ユニット３０、３２が、本体部２３内において後述する配管５７Ａ、５７Ｂによって吊り下げられた状態となっており、反応容器２２とは非接触となっている。

蓄熱ユニット３０は、水蒸気Ｗｂが流れる流路部３６と、フィルタ３９と、蓄熱材拘束部４２と、蓄熱材拘束部４２に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部５２と、を有している。また、蓄熱ユニット３０では、熱交換部５２、蓄熱材拘束部４２、フィルタ３９、及び流路部３６が、−Ｙ側から＋Ｙ側へ向けて、この順番で積層されている。即ち、本実施形態では、Ｙ方向がこれらの積層方向となっており、流路部３６がＹ方向における蓄熱材拘束部４２の＋Ｙ側に配置され、熱交換部５２が蓄熱材拘束部４２の−Ｙ側に配置されている。

（流路部）
流路部３６は、Ｚ方向を長手方向、Ｙ方向を短手方向とする矩形状で複数の板材３６Ａを有している。複数の板材３６Ａは、Ｚ方向に沿うと共にＸ方向に複数並んでいる。これにより、複数の板材３６Ａの間が、水蒸気Ｗｂが流れる流路となっている。なお、複数の板材３６Ａは、フィルタ３９の＋Ｙ側の面上に載せられる。

（フィルタ）
フィルタ３９は、１枚の板状に形成された単体の金属箔で構成されており、一例として、ステンレス箔が用いられている。また、フィルタ３９には、Ｙ方向を軸方向として貫通した断面円形の複数の貫通孔（図示省略）が形成されている。この複数の貫通孔の直径は、一例として、後述する蓄熱材４４（図４参照）を構成する蓄熱粒子（図示省略）の平均粒子径の５倍以下で設定されている。

（熱交換部）
熱交換部５２は、Ｘ−Ｚ面に沿って広がる扁平な直方体状の熱媒容器５４内に、Ｘ方向を長手方向とする複数の板材（図示省略）がＺ方向に間隔をあけて配置されている。そして、熱交換部５２内には、内部に熱媒体が流れる配管５７Ａ、５７Ｂを介して、熱媒体が流れるようになっている。熱媒体は、蓄熱材４４（図４参照）から得た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、一例として、高温熱媒オイルを用いている。なお、高温熱媒オイルの一例として、自動車（図示省略）のエンジンオイルを用いることができる。また、熱媒体の他の例として、水等の流体を用いてもよい。

（拘束部）
拘束部６２は、Ｙ方向で蓄熱ユニット３０、３２の＋Ｙ側、−Ｙ側に配置された筒部材６３、６４と、筒部材６３、６４を連結するボルト６８及びナット（図示省略）とを有する。筒部材６３、６４は、一例として、複数の筒材がＹ方向に見て格子状に溶接された構成となっている。

（蓄熱材拘束部）
図４に示すように、蓄熱材拘束部４２は、蓄熱材４４と、蓄熱材４４を拘束する蓄熱材拘束構造の一例としての拘束枠１００とを有している。

蓄熱材４４は、一例として、Ｘ−Ｚ面に沿って広がる扁平な直方体（ブロック）状に形成された４つの蓄熱部材４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄで構成されている。即ち、蓄熱材４４の厚さ方向がＹ方向となっている。また、蓄熱材４４は、一例として、図６に示す角部４４Ｋを４つ有している。角部４４Ｋは、蓄熱材の第１側面４４Ｅと第２側面４４Ｆとで形成される部位である。

さらに、蓄熱材４４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）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、焼成することで形成されている。加えて、蓄熱材４４は、フィルタ３９（図３参照）に密着した状態で配置されている。

また、蓄熱材４４は、図３に示す反応器２０において、水蒸気Ｗｂと結合する水和に伴って発熱（放熱）し、水蒸気Ｗｂが脱離する脱水に伴って蓄熱（吸熱）するものである。そして、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Ｑ、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、蓄熱材４４の１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、一例として、１．８６［ＭＪ／ｋｇ］とされている。

次に、拘束枠１００について説明する。

図５（Ａ）に示すように、拘束枠１００は、一例として、ステンレス鋼製であり、第１接合部の一例としての４本の角筒材１０２と、第２接合部の一例としての４本の角筒材１０４と、１本の仕切材１０６と、２本の仕切材１０８とが溶接により固定された構成となっている。即ち、拘束枠１００は、軸方向と交差する断面が中空構造とされている。

角筒材１０２は、幅及び高さがｄであり、軸方向の最大長さがＬ１とされている。また、角筒材１０２は、Ｘ方向を軸方向として、＋Ｚ側に２本、−Ｚ側に２本配置されている。各２本の角筒材１０２は、各側面がＹ方向に沿って揃うように重ねられ、−Ｙ側の角筒材１０２の上面と＋Ｙ側の角筒材１０２の下面とを接触させた状態で溶接され、一体化されている。さらに、角筒材１０２は、軸方向の両端部が平面視（Ｙ方向視）で斜め４５[°]に切断されることで形成された２箇所の接合面１０２Ａ（図６参照）を有している。

角筒材１０４は、幅及び高さがｄであり、軸方向の最大長さがＬ２（＜Ｌ１）とされている。また、角筒材１０４は、Ｚ方向を軸方向として、＋Ｘ側に２本、−Ｘ側に２本配置されている。各２本の角筒材１０４は、各側面がＹ方向に沿って揃うように重ねられ、−Ｙ側の角筒材１０４の上面と＋Ｙ側の角筒材１０４の下面とを接触させた状態で溶接され、一体化されている。さらに、角筒材１０４は、軸方向の両端部が平面視（Ｙ方向視）で斜め４５[°]に切断されることで形成された２箇所の接合面１０４Ａ（図６参照）を有している。

仕切材１０６は、一例として、Ｘ方向の幅がｄ、Ｙ方向の高さが２ｄの角筒材であり、軸方向（Ｚ方向）の長さがＬ２−２ｄとされている。仕切材１０８は、一例として、Ｚ方向の幅がｄ、Ｙ方向の高さが２ｄの角筒材であり、軸方向（Ｘ方向）の長さが（Ｌ１−３ｄ）／２とされている。また、仕切材１０８は、Ｘ方向を軸方向として、仕切材１０６の＋Ｘ側、−Ｘ側に１本ずつ配置されている。

図６に示すように、拘束枠１００では、角筒材１０２の接合面１０２Ａと、角筒材１０４の接合面１０４Ａとを接触させ、これらが接合（溶接）されることで、拘束枠１００の接合部１１０が４箇所形成されている。蓄熱材４４の角部４４Ｋの二等分線をＭとすると、接合面１０２Ａ、１０４Ａは、二等分線Ｍに沿うと共に二等分線Ｍ上に位置している。二等分線Ｍは、角部４４Ｋを平面視して、一方の角度θ１と他方の角度θ２とが等しくなるように角部４４Ｋを分割する線である。

ここで、接合部１１０は、角筒材１０２における第１側面４４Ｅに沿った方向（一例としてＸ方向）の蓄熱材４４よりも外側で、且つ角筒材１０４における第２側面４４Ｆに沿った方向（一例としてＺ方向）の蓄熱材４４よりも外側の領域Ｓ内に形成されている。

また、図５（Ａ）に示すように、角筒材１０２と角筒材１０４が接合された後、角筒材１０２及び角筒材１０４の内側に仕切材１０６及び仕切材１０８が十字状に配置されて空間を仕切ることで、拘束枠１００が形成される。

図５（Ｂ）に示すように、拘束枠１００は、蓄熱材４４の第１側面４４Ｅ、第２側面４４Ｆに沿って平面１０３（内側面）が配置されている。また、上下の角筒材１０２が接合された部位、及び上下の角筒材１０４が接合された部位である中間接合部１０５は、Ｙ方向における蓄熱材４４の中央部と対向配置されている。即ち、各２本の角筒材１０２、１０４の接触する部位のＹ方向における高さが、蓄熱材４４の厚さ方向の中央部の高さと揃えられている。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

図８（Ａ）に示すように、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、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Ｗａを蒸発させる。そして、生成された水蒸気Ｗｂが、水蒸気流路１４内を矢印Ｂ方向に移動して反応器２０内に供給される。

続いて、図３に示すように、反応器２０内では、供給された水蒸気Ｗｂが、蓄熱ユニット３０の流路部３６内、及び蓄熱ユニット３２の流路部３６内を流れる。そして、各流路部３６内の水蒸気Ｗｂが、フィルタ３９を通って各蓄熱材４４（図４参照）と接触することにより、蓄熱材４４は、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱交換部５２内を流れる高温熱媒オイルによって、加熱対象に輸送される。

一方、図８（Ｂ）に示すように、蓄熱システム１０において反応器２０の各蓄熱材４４（図４参照）に蓄熱する際には、開閉弁１９を開放した状態で、配管５７Ａ、熱交換部５２、及び配管５７Ｂ内に熱源（図示省略）によって加熱された高温熱媒オイルを流通させる。この高温熱媒オイルによって加熱されることで、蓄熱材４４が脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材４４に蓄熱される。このとき、蓄熱材４４から脱水された水蒸気Ｗｂは、流路部３６から水蒸気流路１４内を矢印Ａ方向に流れて蒸発凝縮器１２内に導入される。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Ｗｂが冷却され、凝縮された水Ｗａが貯留容器１６の液相部１６Ｂに貯留される。

以上説明した蓄熱材４４の蓄熱、放熱について、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９には、ＰＴ線図に示された圧力平衡点における蓄熱システム１０（図１参照）のサイクルが示されている。図９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。なお、蓄熱システム１０の構成については、図１を参照する。

このサイクルでは、例えば、蓄熱材４４の温度が４１０[℃]で蓄熱された場合、水蒸気Ｗｂは５０[℃]が平衡温度となる。そして、蓄熱システム１０では、水蒸気Ｗｂは蒸発凝縮器１２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Ｗａになる。

一方、ヒータ１８により加熱を行うことで、該ヒータ１８の温度に応じた蒸気圧の水蒸気が発生する。例えば、図９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４４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。

第１実施形態の反応器２０では、図７に示すように、蓄熱材４４が水蒸気Ｗｂ（図３参照）と結合して発熱し膨張するとき、蓄熱材４４のＸ方向及びＺ方向の膨張が拘束枠１００により抑制される。ここで、拘束枠１００が断面中空の角筒材であり、同じ剛性で且つ中実のものと比べて熱容量が小さくなるので、蓄熱材４４から拘束枠１００への熱の伝達が抑制される。これにより、拘束枠１００に蓄熱材４４の熱量が奪われるのを抑制することと蓄熱材の膨張を抑制することとを両立できる。

また、反応器２０では、図７に示すように、蓄熱材４４が膨張したときのＺ方向、Ｘ方向の膨張力Ｆｚ、Ｆｘは、角部４４Ｋの第１側面４４Ｅと接触する一方の側面１０３Ａと、第２側面４４Ｆと接触する他方の側面１０３Ｂとに作用する。ここで、接合部１１０が、膨張力Ｆｚ、Ｆｘが作用しにくい領域Ｓ内に形成されているので、拘束枠１００の変形をさらに抑制することができる。

さらに、反応器２０では、蓄熱材４４の膨張力Ｆｚ、Ｆｘを拘束枠１００の平面である側面１０３Ａ、１０３Ｂで受けて抵抗するので、拘束枠１００の一部に蓄熱材４４の膨張力Ｆｚ、Ｆｘが集中することが抑制される。これにより、拘束枠１００の変形を抑制することができる。さらに、蓄熱材４４が側面１０３Ａ、１０３Ｂ（平面１０３）と接触することで、蓄熱材４４の粉体化を抑制することができる。

加えて、反応器２０では、図５（Ｂ）に示すように、蓄熱材４４の膨張力が最も大きくなる厚さ方向（Ｙ方向）の中央部に、拘束枠１００の曲げ剛性の高い部位（中間接合部１０５）が対向配置されている。これにより、中間接合部１０５が柱となって膨張力に抵抗するので、拘束枠１００の変形を抑制することができる。また、拘束枠１００が金属製であるので、非金属製に比べて、拘束枠１００の剛性を上げることができる。

さらに、反応器２０では、拘束枠１００に蓄熱材４４の熱量が奪われることが抑制されるので、反応器２０の熱効率の低下を抑制することができる。

加えて、蓄熱システム１０では、反応器２０における熱効率の低下が抑制されるので、蓄熱システム１０の熱効率の低下を抑制することができる。

図１０（Ａ）には、拘束枠１００の第１変形例として、拘束枠１２０が示されている。拘束枠１２０は、両端部が４５[°]に切断された４本の角筒材１２２が、正方形状に配置された状態で接合（溶接）されている。即ち、拘束枠１２０は、４箇所の接合部１２４を有し、各２箇所の接合部１２４が対向配置されている。

図１０（Ｂ）には、拘束枠１００の第２変形例として、拘束枠１３０が示されている。拘束枠１３０は、Ｌ字状に形成され両端部が４５[°]に切断された２本の角筒材１３２が、正方形状に配置された状態で接合（溶接）されている。即ち、拘束枠１３０は、２箇所の対向する接合部１３４を有している。

図１０（Ｃ）には、拘束枠１００の第３変形例として、拘束枠１４０が示されている。拘束枠１４０は、１本の角筒材１４２が、正方形状に形成され、１箇所の接合部１４４で接合（溶接）されている。

図１０（Ｄ）には、拘束枠１００の第４変形例として、拘束枠１５０が示されている。拘束枠１５０は、一例として、三次元プリンターにより形成されており、蓄熱材４４（図４参照）の周方向で接合部が形成されていない。ここで、蓄熱材４４が膨張するとき、拘束枠１５０では、膨張方向に拘束枠１５０の接合部が無いので、拘束枠１５０の剛性の低い部位に蓄熱材４４の膨張力が作用することが抑制される。これにより、蓄熱材４４が膨張したときの拘束枠１５０の変形を抑制することができる。

ここで、剛性の高さは、拘束枠１２０が最も低く、拘束枠１３０、１４０、１５０の順で剛性が高くなる。このように、蓄熱材４４の膨張力に応じて、接合部の数を変更してもよい。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態に係る蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材、部位には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図１１（Ａ）に示す第２実施形態の拘束枠１６０は、第１実施形態の蓄熱システム１０（図１参照）において、拘束枠１００（図４参照）に換えて設けられている。

拘束枠１６０は、断面において、蓄熱材４４側に配置された平面部１６２Ａと、非平面部の一例としての湾曲部１６２Ｂとを有する筒材１６２を有している。平面部１６２Ａは、蓄熱材４４の膨張方向の１つであるＸ方向と交差するＹ方向に沿って、蓄熱材４４と対向配置されている。なお、非平面部とは、平面部とは異なる外形の部位であり、且つ平面部よりも平面の面積が小さい部位を含む概念である。

湾曲部１６２Ｂは、蓄熱材４４側とは反対側に配置され、平面部１６２Ａとは異なる外形である。具体的には、湾曲部１６２Ｂは、平面部１６２Ａに対して、蓄熱材４４側とは反対側に凸となる湾曲形状（Ｕ字状）の部位である。また、湾曲部１６２Ｂは、蓄熱材４４の厚さ方向（Ｙ方向）の中央を通りＸ方向に沿った線Ｎ１を中心として、線対称形状となっている。

次に、第２実施形態の作用について説明する。

拘束枠１６０では、断面矩形状で熱容量が同じであり且つ中空のものに比べて、断面２次モーメントが大きくなる。このため、蓄熱材４４が膨張したときの拘束枠１６０の変形を抑制することができる。また、拘束枠１６０では、線対称形状となっているため、剛性が、線Ｎ１を中心としてＹ方向の一方側（上部）と他方側（下部）で均等になるので、蓄熱材４４が膨張したとき、膨張力を拘束枠１６０に対して均等に作用させることができる。

図１１（Ｂ）には、第５変形例の拘束枠１７０が示されている。拘束枠１７０は、蓄熱材４４側に配置された平面部１７２Ａと、非平面部の一例としての凸部１７２Ｂとを有する筒材１７２を有している。平面部１７２Ａは、Ｙ方向に沿って、蓄熱材４４と対向配置されている。

凸部１７２Ｂは、平面部１７２Ａに対して、蓄熱材４４側とは反対側に凸となっている。また、凸部１７２Ｂは、Ｙ方向の中央を通りＸ方向に沿った線Ｎ２を中心として、線対称形状となっている。そして、筒材１７２では、平面部１７２Ａ及び凸部１７２Ｂにより、台形状の断面が形成されている。このように、非平面部を台形状に形成して断面二次モーメントの大きさを矩形状よりも大きくしてもよい。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態に係る蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材、部位には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図１２（Ａ）に示す第３実施形態の拘束枠１８０は、第１実施形態の蓄熱システム１０（図１参照）において、拘束枠１００（図４参照）に換えて設けられている。

拘束枠１８０は、一例として、角筒材１０２と角筒材１０４が接合部１１０で接合され、さらに各接合部１１０の内側に固定部材の一例としてのコーナー部材１８２が設けられている。コーナー部材１８２は、平板部１８２Ａと、平板部１８２Ａから直交方向へ延びる平板部１８２Ｂを有しており、平面視でＬ字状に形成されている。平板部１８２Ａは、接合部１１０の一方である角筒材１０２の内側面に溶接で固定されている。平板部１８２Ｂは、接合部１１０の他方である角筒材１０４の内側面に溶接で固定されている。

次に、第３実施形態の作用について説明する。

拘束枠１８０では、コーナー部材１８２によって接合部１１０が補強されるので、蓄熱材４４（図４参照）が膨張して拘束枠１８０に膨張力が作用しても、拘束枠１８０の変形を抑制することができる。また、拘束枠１８０では、コーナー部材１８２によって接合部１１０が覆われるので、蓄熱材４４が粉体化しても、接合部１１０への蓄熱材４４の侵入が抑制される。これにより、拘束枠１８０の外側へ蓄熱材４４が流出するのを抑制することができる。

なお、第６変形例として、図１２（Ｂ）に示すように、拘束枠１８０において、コーナー部材１８２を接合部１１０の外側の角部に設けて補強してもよい。この構成においても、接合部１１０がコーナー部材１８２で覆われるので、蓄熱材４４（図４参照）が粉体化しても、拘束枠１８０の外側へ蓄熱材４４が流出するのを抑制することができる。また、この構成では、コーナー部材１８２が外側にあるので、拘束枠１８０内に蓄熱材４４を挿入するときに、コーナー部材１８２が邪魔にならない。

[第４実施形態]
次に、本発明の第４実施形態に係る蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材、部位には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図１３（Ａ）に示す第４実施形態の拘束枠１９０は、第１実施形態の蓄熱システム１０（図１参照）において、拘束枠１００（図４参照）に換えて設けられている。

拘束枠１９０は、一例として、角筒材１０２と角筒材１０４が４箇所の接合部１１０で接合された四角形状に形成され、さらに、ワイヤー１９２、１９４が設けられている。ワイヤー１９２は、Ｚ方向で対向する角筒材１０２のＸ方向中央部に架設されており、ワイヤー１９４は、Ｘ方向で対向する角筒材１０４のＺ方向中央部に架設されている。即ち、ワイヤー１９２とワイヤー１９４は、Ｙ方向に見て十字状に架設されている。

なお、ワイヤー１９２とワイヤー１９４は、長さは異なるが、材質及び太さは同一とされている。このため、ワイヤー１９２の架設構造について説明し、ワイヤー１９４の架設構造についての説明を省略する。また、角筒材１０２は、＋Ｚ側と−Ｚ側で同じ構成であるため、＋Ｚ側について説明し、−Ｚ側の説明を省略する。

図１３（Ｂ）に示すように、拘束枠１９０は、Ｙ方向に沿って平面１０３（内側面）が配置されている。また、上下の角筒材１０２が接合された部位である中間接合部１０５は、Ｙ方向における蓄熱材４４の中央部と対向配置されている。ここで、ワイヤー１９２は、＋Ｙ側の角筒材１０２のＹ方向中央部を＋Ｚ側へ向けて貫通し、角筒材１０２の外側で折り返され、−Ｙ側の角筒材１０２のＹ方向中央部を−Ｚ側へ向けて貫通している。そして、ワイヤー１９２の一端と他端が連結部材（図示省略）で連結されることで、ワイヤー１９２がＹ方向に間隔をあけてＺ方向に平行に架設されている。

次に、第４実施形態の作用について説明する。

図１３（Ａ）に示す拘束枠１９０では、蓄熱材４４（図４参照）が膨張して拘束枠１９０に膨張力が作用したとき、ワイヤー１９２、１９４に作用する張力が、この膨張力に対する抵抗力（引張力）となるので、拘束枠１９０の変形を抑制することができる。また、拘束枠１９０では、設定した剛性を得る場合に、ワイヤー１９２、１９４を用いない構成に比べて、熱容量を小さくすることができる。

[第５実施形態]
次に、本発明の第５実施形態に係る蓄熱材拘束構造、蓄熱反応器、及び蓄熱システムの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材、部位には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図１４（Ａ）に示す第５実施形態の拘束枠２００は、第１実施形態の蓄熱システム１０（図１参照）において、拘束枠１００（図４参照）に換えて設けられている。

拘束枠２００は、一例として、角筒材１０２と角筒材１０４が４箇所の接合部１１０で接合された四角形状に形成され、さらに、板材２０２、２０４、２０５が設けられている。板材２０２は、矩形状に形成され、＋Ｚ側と−Ｚ側の端部が、Ｚ方向で対向する角筒材１０２の内側に溶接されている。板材２０４は、矩形状に形成され、−Ｘ側と＋Ｘ側の端部が、Ｘ方向で対向する角筒材１０４の内側と板材２０２の−Ｘ側に溶接されている。板材２０５は、矩形状に形成され、＋Ｘ側と−Ｘ側の端部が、Ｘ方向で対向する角筒材１０４の内側と板材２０２の＋Ｘ側に溶接されている。即ち、板材２０２、２０４、２０５は、Ｙ方向に見て十字状に固定されている。

なお、板材２０２と板材２０４、２０５とは、長さは異なるが、材質及び厚さは同一とされている。このため、板材２０２の配置状態について説明し、板材２０４、２０５の配置状態についての説明を省略する。また、角筒材１０２は、＋Ｚ側と−Ｚ側で同じ構成であるため、＋Ｚ側について説明し、−Ｚ側の説明を省略する。

図１４（Ｂ）に示すように、拘束枠２００は、Ｙ方向に沿って平面１０３（内側面）が配置されている。また、上下の角筒材１０２が接合された部位である中間接合部１０５は、Ｙ方向における蓄熱材４４の中央部と対向配置されている。ここで、板材２０２の端部は、中間接合部１０５を跨いで、平面１０３の−Ｙ側端部から＋Ｙ側の端部まで溶接されている。

次に、第５実施形態の作用について説明する。

図１４（Ａ）に示す拘束枠２００では、蓄熱材４４（図４参照）が膨張して拘束枠２００に膨張力が作用したとき、板材２０２、２０４、２０５がこの膨張力に抵抗することで、拘束枠２００の変形が抑制される。これにより、拘束枠２００の剛性を上げることができる。

図１５には、各構成の拘束枠を用いた場合の枠幅当りの質量に対する枠幅当りの最大変形率が示されている。プロットの白丸は、拘束枠１００から仕切材１０６、１０８を除いたものを示しており、黒丸は、断面正方形状の１本の角筒材が用いられたものを示している。白三角は、拘束枠１９０を示しており、黒三角は、拘束枠１７０を示している。白四角は、拘束枠２００を示しており、黒四角は、拘束枠１００の断面の大きさを小さくしたものである。ひし形は、拘束枠１６０を示しており、×は、断面正方形状の１本の角柱材（中実のもの）が用いられたものを示している。

ここで、枠幅当りの質量をＧ１、Ｇ２、Ｇ３（Ｇ１＜Ｇ２＜Ｇ３）とし、枠幅当りの最大変形率をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５（Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３＜Ｋ４＜Ｋ５）として、黒丸のプロットは、質量がＧ１で且つ変形率がＫ１の半分よりも小さくなっている。また、菱形、黒三角、白四角、白丸、白三角のプロットは、質量がＧ１の半分程度で、且つ変形率がＫ１の半分以上Ｋ２以下の範囲で、変形率の小さい方から順に菱形、黒三角、白四角、白丸、白三角の順に並んでいる。

黒四角のプロットは、質量がＧ１の半分程度で、且つ変形率がＫ４よりも大きくＫ５よりも小さい範囲に位置している。×のプロットは、質量がＧ３よりも重く、且つ変形率がＫ１の半分よりも小さくなっている。

このように、本実施形態の拘束枠１００、１６０、１７０、１９０、２００、及び断面正方形状の１本の角筒材を用いた拘束枠（本実施形態に含む）を用いることで、拘束枠を軽量化できると共に、拘束枠の剛性の低下を抑制できることが分かる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。

反応容器２２は、平面視で四角形（直方体）状のものに限らず、平面視で多角形状のものであってもよい。また、反応容器２２は、蓄熱材４４を含む積層構造と反応容器２２との間の死容積が小さくなる（密度が高くなる）ように、蓄熱材４４を含む積層構造と同じ形状での立方体容器としてもよい。さらに、蓄熱ユニットの数は、蓄熱ユニット３０、３２の２つに限らず、１つ又は３つ以上の複数あってもよい。さらに、各蓄熱ユニット毎に拘束部６２が設けられていてもよい。

蓄熱材４４の一例として酸化カルシウムを用いたが、水和、脱水による放熱、蓄熱を行う他の化学蓄熱材（例えば、アルカリ土類金属の酸化物）を用いてもよい。また、上記実施形態では、蓄熱材４４として成形体を用いた例を示したが、これに限定されず、例えば、粒状に形成された蓄熱材を拘束枠内に充填してもよい。さらに、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。

拘束枠１００、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００は、金属製に限らず、非金属製であってもよい。拘束枠が非金属製の場合、金属製に比べて熱伝導率が抑制されるので、拘束枠の断熱効率を上げることができる。また、拘束枠１００、１９０、２００は、２つの角筒材がＹ方向上下に重なって溶接されたものに限らず、１つの角筒材あるいは３つ以上の角筒材がＹ方向上下に重なって溶接されたものであってもよい。さらに、各拘束枠は、蓄熱材４４が流出することが無ければ、蓄熱材４４と対向する側の面が平面でなくてもよい。

非平面部は、１つの湾曲部や凸部に限らず、異なる形状の部位を組み合せたものであってもよい。また、非平面部は、蓄熱材の厚さ方向の中央を通り蓄熱材の膨張方向に沿った線を中心として線対称形状であることが望ましいが、これに限らず、線対称形状ではないものであっても使用可能である。

接合部１１０は、２本の角筒材１０２、１０４を接合させるものに限らず、例えば、１本の角筒材の長手方向の一部を楔状に切欠いてから、切り欠かれていない部位を折り曲げ、２つの切欠面を合わせて溶接することで形成してもよい。また、接合面１０２Ａ、１０４Ａは、蓄熱材４４の角部４４Ｋの二等分線Ｍに沿っていないものであってもよい。

コーナー部材１８２は、接合部１１０の内側及び外側に固定されていてもよい。

ワイヤー１９２、１９４は、１箇所ずつに限らず、Ｘ方向又はＺ方向で複数箇所設けられていてもよい。また、ワイヤー１９２、１９４は、環状に連結されたものに限らず、１本のワイヤーを２つの対向する角筒材に架設したものであってもよい。板材２０２、２０４、２０５は、角筒材１０２、１０４のＹ方向全体にわたって溶接されるものに限らず、Ｙ方向の高さが角筒材１０２、１０４のＹ方向の高さよりも低いものであってもよい。

１０ 蓄熱システム
１２ 蒸発凝縮器（蒸発部の一例）
２０ 反応器（蓄熱反応器の一例）
２２ 反応容器（容器の一例）
３６ 流路部
４４ 蓄熱材
４４Ｋ 角部
５２ 熱交換部
１００ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１０２ 角筒材（第１接合部の一例）
１０２Ａ 接合面
１０４ 角筒材（第２接合部の一例）
１０４Ａ 接合面
１１０ 接合部
１２０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１３０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１４０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１５０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１６０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１６２Ａ 平面部
１６２Ｂ 湾曲部（非平面部の一例）
１７０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１８０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１８２ コーナー部材（固定部材の一例）
１９０ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
１９２ ワイヤー
１９４ ワイヤー
２００ 拘束枠（蓄熱材拘束構造の一例）
２０２ 板材
２０４ 板材
２０５ 板材

Claims (15)

1. 反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材を拘束し、断面が中空とされた拘束枠を有する蓄熱材拘束構造。
2. 前記拘束枠には、前記蓄熱材の周方向で接合部が形成されていない請求項１に記載の蓄熱材拘束構造。
3. 前記拘束枠は、第１接合部と第２接合部が接合される接合部を備え、
   前記蓄熱材には、第１側面と第２側面とで角部が形成され、
   前記接合部は、前記第１接合部における前記第１側面に沿った方向の前記蓄熱材よりも外側で、且つ前記第２接合部における前記第２側面に沿った方向の前記蓄熱材よりも外側の領域内に形成されている請求項１に記載の蓄熱材拘束構造。
4. 前記接合部の内側及び外側の少なくとも一方には、前記第１接合部及び前記第２接合部に固定された固定部材が設けられている請求項３に記載の蓄熱材拘束構造。
5. 前記拘束枠は、前記蓄熱材の側面に沿って平面が配置された角筒材である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
6. 複数の前記角筒材が前記蓄熱材の厚さ方向に重ねられると共に接合され、複数の前記角筒材の接触する部位の前記厚さ方向における高さが、前記蓄熱材の厚さ方向の中央部の高さと揃えられている請求項５に記載の蓄熱材拘束構造。
7. 前記拘束枠は、前記蓄熱材側に配置され前記蓄熱材の膨張方向と交差する交差方向に沿った平面部と、前記蓄熱材側とは反対側に配置され前記平面部とは異なる外形の非平面部とを有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
8. 前記非平面部が、前記蓄熱材側とは反対側に凸となる湾曲部である請求項７に記載の蓄熱材拘束構造。
9. 前記非平面部は、前記蓄熱材の厚さ方向の中央を通り前記蓄熱材の膨張方向に沿った線を中心として線対称形状である請求項７又は請求項８に記載の蓄熱材拘束構造。
10. 前記拘束枠の対向する部位には、ワイヤーが架設されている請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
11. 前記拘束枠の対向する部位には、板材の両端部が固定されている請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
12. 前記拘束枠は、金属製である請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
13. 前記拘束枠は、非金属製である請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の蓄熱材拘束構造と、
    反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する前記蓄熱材と、
    前記反応媒体が流れる流路部と、
    前記蓄熱材に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部と、
    前記拘束枠、前記蓄熱材、前記流路部、及び前記熱交換部が封入され、前記反応媒体が内部に供給される容器と、
    を有する蓄熱反応器。
15. 請求項１４に記載の蓄熱反応器と、
    前記容器に気密状態で連通され、液相の媒体を蒸発させて気相の反応媒体を前記容器に供給する蒸発部と、
    を有する蓄熱システム。