JP2017215132A - 熱交換器およびこれを備えるケミカルヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く熱交換することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１０１は、上下方向に配列された複数の容器２と、複数の容器２の各々に収容されることで少なくとも一部が露出するように保持される蓄熱材とを備え、複数の容器２の各々は、上から見たときに前記蓄熱材を収容する空間８の最外周を規定する外周壁５を有し、容器２は、前記蓄熱材と熱交換可能なように流体１２を流すための入口、内部空間および出口を有し、前記内部空間の少なくとも一部は、外周壁５の厚みの内部に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器およびケミカルヒートポンプに関するものである。

水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）と酸化カルシウム（ＣａＯ）との間では、Ｃａ（ＯＨ）₂＋１０４ｋＪ／ｍｏｌ＝ＣａＯ＋Ｈ₂Ｏという可逆な化学変化が起こりうる。この化学変化を利用したサイクルによって、熱を貯めたり放出したりする装置として、ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）₂系ケミカルヒートポンプが知られている。ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）₂系ケミカルヒートポンプの一例が、特開平１１−１８２９６８号公報（特許文献１）に記載されている。

特許文献１には、中心を通る面で少なくとも２分割可能な円板状のトレイを多段に配置し、上記トレイの中心部に形成した凹部に熱交換用パイプを通し、上記トレイの外周部に形成した複数の凹部にヒータを配設し、上記トレイに熱交換用媒体を充填したケミカルヒートポンプが記載されている。

特開平１１−１８２９６８号公報

特許文献１に記載された構造では、熱交換パイプが中心部に１本しか配置されていないので、熱交換パイプとトレイとが熱接触する面の面積が小さく、交換される熱量が小さい。また、熱交換パイプと熱交換用媒体を収納するトレイとの間では、金属部材の歪みまたは隙間に起因して接触熱抵抗が高くなるので、熱交換効率が低い。

そこで、本発明は、効率良く熱交換することが可能な熱交換器およびケミカルヒートポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく熱交換器は、上下方向に配列された複数の容器と、上記複数の容器の各々に収容されることで少なくとも一部が露出するように保持される蓄熱材とを備え、上記複数の容器の各々は、上から見たときに上記蓄熱材を収容する空間の最外周を規定する外周壁を有し、上記容器は、上記蓄熱材と熱交換可能なように流体を流すための入口、内部空間および出口を有し、上記内部空間の少なくとも一部は、上記外周壁の厚みの内部に配置されている。

本発明によれば、容器の外周壁の内部に配置された内部空間を流体が通過することができるので、効率良く熱交換を行なうことができる。

本発明に基づく実施の形態１におけるケミカルヒートポンプの概念図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱交換器の第１の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱交換器の第２の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱交換器に備わる容器の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱交換器に備わる容器に蓄熱材を収容した状態の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における熱交換器に備わる容器の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１の熱交換器における流体の流れの第１の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１の熱交換器における流体の流れの第２の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２における熱交換器に備わる容器に蓄熱材を収容した状態の断面図である。 本発明に基づく実施の形態３における熱交換器の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態３における熱交換器に備わる容器の断面図である。 本発明に基づく実施の形態４における熱交換器に備わる容器の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態４における熱交換器に備わる容器の平面図である。 本発明に基づく実施の形態５における熱交換器に備わる容器の斜視図である。 本発明に基づく実施の形態５における熱交換器に備わる容器の平面図である。

図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

（実施の形態１）
（構成）
図１〜図８を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるケミカルヒートポンプについて説明する。本実施の形態におけるケミカルヒートポンプ５０１を図１に概念的に示す。ケミカルヒートポンプ５０１は、熱交換器１０１と、熱交換器１０１を収容する反応槽４０１と、貯水槽４０２と、反応槽４０１と貯水槽４０２との間で気体を流通させることができる第２配管４０３とを備える。熱交換器１０１の詳細は、後述する。貯水槽４０２には貯水槽４０２の外部から導かれるように配管１１が配置されている。第２配管４０３を通じて流通する気体は水蒸気であってよい。第２配管４０３の途中には弁４０４が設けられている。第２配管４０３の途中に真空ポンプ４０５が接続されている。弁４０４を開けた状態で真空ポンプ４０５を作動させることにより反応槽４０１および貯水槽４０２の内部を真空引きすることができる。貯水槽４０２には水１４が溜められている。配管１１には熱交換のためのオイル１３が通る。オイル１３によって与えられた熱によって水１４の少なくとも一部は水蒸気となる場合があり、その際に弁４０４が開いていれば、水蒸気は第２配管４０３を通って反応槽４０１に移動することができる。反応槽４０１から第２配管４０３を通って貯水槽４０２に到達した水蒸気は配管１１のオイル１３に熱を与えることによって液化して水１４として貯水槽４０２に溜められる。

熱交換器１０１には、複数の容器２が含まれる。各容器２には蓄熱材３が収容されている。反応槽４０１には反応槽４０１の外部から導かれるように第１配管４が配置されている。図１においては、第１配管４は模式的に示されている。第１配管４は、第１部分４１と第２部分４２とを含む。

熱交換器１０１は、図１に示すように、上下方向に配列された複数の容器２と、複数の容器２の各々に収容されることで少なくとも一部が露出するように保持される蓄熱材３とを備える。容器２はトレイであってよい。容器２に収められている蓄熱材３は、ＣａＯまたはＣａ（ＯＨ）₂であってよい。蓄熱材３は、粉末状または粒状であってよい。各容器２において、蓄熱材３の上側は開放されている。

熱交換器１０１を単独で取り出した斜視図を図２に示す。容器２は、上から見たときに正方形となるトレイであってよい。図２では、説明の便宜のために容器２内の蓄熱材３を図示省略しており、容器２が空であるように表示されているが、実際には、各容器２内には蓄熱材３が収容されている。

複数の容器２の各々は、上から見たときに蓄熱材３を収容する空間８の最外周を規定する外周壁５を有する。容器２は、第１フィン７を備えていてもよい。第１フィン７は外周壁５とつながっている。空間８は第１フィン７によって複数の小空間に分割されていてもよい。

熱交換器１０１は、支え板１５を備える。支え板１５は、複数の容器２に対して一方の側から一括して当接するように取り付けられている。支え板１５は、複数の容器２の各々の支持のため、および容器２間の熱分布の均一化を図るために、熱交換器１０１に属する全ての容器２に対して当接するように取り付けられていてもよい。図２に示すように、熱交換器１０１は、脚１６を備えていてもよい。脚１６は、熱交換器１０１の姿勢を安定させるためのものである。脚１６は、第１配管４と同様の部材によって形成されていてよい。熱交換器１０１を異なる向きから見た斜視図を図３に示す。

ここで示す例では、集合体１に含まれる複数の容器２は、上下方向にそれぞれ互いに離隔しつつ上下方向に配列されているが、複数の容器２の各々が離隔していることは必須ではない。集合体１は、たとえば配列されている複数の容器２のうち互いに隣接する容器２同士が部分的に接触している構成であってもよい。

熱交換器１０１に備わる複数の容器２のうちの１つを取り出したところの断面図を図４に示す。容器２は、空間８の下端を規定する板として底板１８を備える。外周壁５は、厚みＴを有する。外周壁５は、内部空間５ｎを有する。内部空間５ｎの少なくとも一部は、外周壁５の厚みＴの内部に配置されている。底板１８と第１フィン７と外周壁５とは、互いに溶接されている。容器２に蓄熱材３を収容した状態での断面図を図５に示す。図５に示した例では、蓄熱材３の上面は、第１フィン７の上端より高くなっているが、第１フィン７の上端より低くてもよく、第１フィン７の上端と同じ高さであってもよい。

図６に示すように、容器２は、蓄熱材３と熱交換可能なように流体１２を流すための入口２ａおよび出口２ｂを有する。流体１２は外周壁５の内部空間５ｎを通過することができる。図６に示した例では、容器２は、外周壁５の上面に入口２ａを有する。容器２は、外周壁５の下面に出口２ｂを有する。内部空間５ｎは環状であってもよいが、環状でなくてもよい。外周壁５は内部に壁１９を備えていてもよい。図６に示した例では、入口２ａと出口２ｂとが近接しているが、壁１９が入口２ａと出口２ｂとを隔てている。壁１９によって仕切られることによって、内部空間５ｎは完全な環状ではない構造となっている。入口２ａから外周壁５の内部へと流入した流体１２は、壁１９を通過することはできず、迂回するように外周壁５の内部を通った後で出口２ｂを通って外周壁５から出ることができる。

熱交換器１０１の一部に注目し、流体１２の流れを矢印で示したものを図７に示す。流体１２は、第１配管４の第１部分４１によって、最も上にある容器２の外周壁５へと導かれる。流体１２は、最も上にある容器２において外周壁５に沿って１周した後、接続部１７を通って上から２番目の容器２の外周壁５へと導かれる。流体１２は、この容器２において先ほどとは逆向きに１周した後、接続部１７を通って上から３番目の容器２の外周壁５へと導かれる。

熱交換器１０１の一部を図７とは異なる向きから見たところを図８に示す。流体１２は、１つの容器２の外周壁５内を流れ終えた後で、その１つ下の容器２の外周壁５に移り、その容器２の外周壁５において流れる。これが繰り返される。流体１２は、最も下にある容器２において外周壁５に沿って１周した後、第２部分４２を通って熱交換器１０１から排出される。

（作用・効果）
本実施の形態では、容器２の外周壁５の内部に配置された内部空間１５ｎを流体１２が通過することができる。これは、熱交換のための配管の少なくとも一部が容器２の外周壁５として設けられているに等しい。したがって、本実施の形態における熱交換器１０１では、効率良く熱交換を行なうことができる。

（実施の形態２）
（構成）
図９を参照して、本発明に基づく実施の形態２における熱交換器について説明する。本実施の形態における熱交換器の構成は、実施の形態１で述べた熱交換器１０１と同様であるが、容器の構成が以下のとおり異なる。本実施の形態における熱交換器は、容器２に代えて容器２ｈを備える。実施の形態１における熱交換器１０１が複数の容器２を備えていたのと同様に、本実施の形態における熱交換器は、上下方向に配列された複数の容器２ｈを備えている。容器２ｈに蓄熱材３が収容された状態の断面図を図９に示す。容器２ｈにおいては、底板が二重構造になっている。内部空間５ｎは、部分５ｎａと部分５ｎｂとを含む。

複数の容器２ｈの各々は、蓄熱材３に当接して蓄熱材３を下から支持する内底板１８ａと、内底板１８ａから離隔して内底板１８ａより下方に位置する外底板１８ｂとを含む。内部空間５ｎの一部である部分５ｎａは、内底板１８ａと外底板１８ｂとの間に配置されている。部分５ｎａは、蓄熱材３に対して下側に位置し、部分５ｎｂは、蓄熱材３に対して側方に位置する。流体１２は、部分５ｎａと部分５ｎｂとのいずれの内部も流れることができる。

（作用・効果）
本実施の形態では、容器２ｈの底板が二重構造となっていることにより、流体１２は、内底板１８ａと外底板１８ｂとの間も流れることができるので、蓄熱材３に対して外周壁５の側から熱交換するだけでなく、下側から熱交換をすることも可能となる。したがって、効率良く熱交換を行なうことができる。

（実施の形態３）
（構成）
図１０〜図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態３における熱交換器について説明する。実施の形態１，２では、熱交換器に含まれる容器が、上から見て角張った正方形状となるような外周壁を備える構成を示したが、本実施の形態では、外周壁の形状が異なる。本実施の形態における熱交換器１０２は、図１０に示すような容器２ｉを備える。容器２ｉにおいては、外周壁５は上から見て角を丸くした正方形状となっている。図１０では、説明の便宜のために容器２ｉ内の蓄熱材３を図示省略しており、容器２ｉが空であるように表示されているが、実際には、各容器２ｉ内には蓄熱材３が収容されている。容器２ｉの断面図を図１１に示す。実施の形態１，２の容器２では、外周壁５の断面が長方形となっていたが、本実施の形態における容器２ｉでは、外周壁５の断面はほぼ円形となっている。外周壁５の断面の内部は、内部空間５ｎとなっている。内部空間５ｎには流体１２が通ることができる。

（作用・効果）
本実施の形態では、熱交換のための配管の少なくとも一部が容器２ｉの外周壁５となっているので、効率良く熱交換を行なうことができる。外周壁５の内部空間５ｎの断面が円形であるので、熱交換のための流体１２を流す際の抵抗を低減することができる。したがって、熱交換媒体の流量を大きく設定することができる。

（実施の形態４）
（構成）
図１２〜図１３を参照して、本発明に基づく実施の形態４における熱交換器について説明する。この熱交換器は、上下方向に配列された複数の容器２ｊを備える。容器２ｊの斜視図を図１２に示す。容器２ｊの平面図を図１３に示す。

本実施の形態で示したように、複数の容器２ｊの各々は、上から見たとき外周壁５の第１部位から前記空間８を横切って前記外周壁の第２部位につながる第１フィン７を備える。図１２および図１３に示した例では、第１フィン７は、容器２ｊの中心を通る放射状に設けられているが、このような配置に限らない。第１フィン７は、容器２ｊの中心を通るとは限らない。

（作用・効果）
本実施の形態では、第１フィン７と蓄熱材３との間でも熱交換をすることが可能となるので、熱交換の効率を上げることができる。第１フィン７の上下方向の寸法は、空間８を完全に区切る程度の大きさであってもよいが、空間８の上下方向の寸法より小さくてもよい。第１フィン７の両側にある蓄熱材３は、第１フィン７によって完全に分断されてもよい。第１フィン７の両側にある蓄熱材３は、第１フィン７の上、下または上下両方においてつながっていてもよい。

（実施の形態５）
（構成）
図１４〜図１５を参照して、本発明に基づく実施の形態５における熱交換器について説明する。この熱交換器は、上下方向に配列された複数の容器２ｋを備える。容器２ｋの斜視図を図１４に示す。容器２ｋの平面図を図１５に示す。

容器２ｋは、実施の形態４で示した容器２ｊと同様の構成を備えているが、以下の点で異なる。複数の容器２ｋの各々は、上から見たとき外周壁５から空間８の途中まで延在する第２フィン９を備える。第２フィン９の上下方向の寸法は、第１フィン７と同じであってもよく、第１フィン７より大きくても小さくてもよい。

（作用・効果）
本実施の形態における熱交換器の容器２ｊでは、第１フィン７の他に第２フィン９を備えているので、領域Ａのように周囲の第１フィン７からも外周壁５からも遠い領域においても第２フィン９を用いて効率良く熱交換することができる。

上記実施の形態のいずれにもいえることであるが、蓄熱材３は、粉末状または粒状であることが好ましい。蓄熱材３は、ＣａＯまたはＣａ（ＯＨ）₂を主材料とすることが好ましい。

実施の形態１においては熱交換器１０１を備えるケミカルヒートポンプ５０１を示したが、同様に、他の実施の形態における熱交換器を備えるケミカルヒートポンプも考えられる。

これまでの実施の形態では、熱交換器は、上下方向に並ぶように配置された複数の容器を備えるものとして説明してきたが、複数の容器は他の配置であってもよい。上下方向以外に並んでいてもよい。熱交換器が備える容器の数は１であってもよい。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

２，２ｉ，２ｊ，２ｋ 容器、２ａ 入口、２ｂ 出口、３ 蓄熱材、４ 第１配管、５ 外周壁、７ 第１フィン、８ （蓄熱材を収容する）空間、１２ 流体、１５ 支え板、１６ 脚、１７ 接続部、１８ 底板、１８ａ 内底板、１８ｂ 外底板、１９ 壁、４１ 第１部分、４２ 第２部分、１０１，１０２ 熱交換器、４０１ 反応槽、４０２ 貯水槽、４０３ 第２配管、４０４ 弁、４０５ 真空ポンプ、５０１ ケミカルヒートポンプ。

Claims (7)

1. 上下方向に配列された複数の容器と、
   前記複数の容器の各々に収容されることで少なくとも一部が露出するように保持される蓄熱材とを備え、
   前記複数の容器の各々は、上から見たときに前記蓄熱材を収容する空間の最外周を規定する外周壁を有し、
   前記容器は、前記蓄熱材と熱交換可能なように流体を流すための入口、内部空間および出口を有し、
   前記内部空間の少なくとも一部は、前記外周壁の厚みの内部に配置されている、熱交換器。
2. 前記複数の容器の各々は、前記蓄熱材に当接して前記蓄熱材を下から支持する内底板と、前記内底板から離隔して前記内底板より下方に位置する外底板とを含み、前記内部空間の一部は、前記内底板と前記外底板との間に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の容器の各々は、上から見たとき前記外周壁の第１部位から前記空間を横切って前記外周壁の第２部位につながる第１フィンを備える、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記複数の容器の各々は、上から見たとき前記外周壁から前記空間の途中まで延在する第２フィンを備える、請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記蓄熱材は、粉末状または粒状である、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記蓄熱材は、ＣａＯまたはＣａ（ＯＨ）₂を主材料とする、請求項１から５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器と、
   前記熱交換器を収容する反応槽と、
   貯水槽と、
   前記反応槽と前記貯水槽との間で気体を流通させることができる第２配管とを備える、ケミカルヒートポンプ。

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