JP2019120430A - 化学蓄熱反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】高蓄熱密度で、かつ軽量な化学蓄熱反応器を得ること。【解決手段】化学蓄熱反応器１０は、蓄熱材５４と、蓄熱材５４の外面を覆い、蓄熱材５４は通過せず、水蒸気は通過する微小孔が形成された蓄熱材拘束カバー５２、蓄熱材拘束カバー５２で覆われた蓄熱材５４を収容する容器１２と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、化学反応によって蓄熱する化学蓄熱反応器に関する。

特許文献１に記載の化学蓄熱反応器では、枠部の内部に蓄熱材を収容した蓄熱材層、フィルター、反応媒体拡散層、及び熱交換部が積層されることで化学蓄熱反応器の積層体が形成されており、その積層体が複数個積層されて一体化された積層ユニットが容器内に収容されている。

特開２０１４−１２６２９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の化学蓄熱反応器は、発熱源となる積層ユニットが容器内に収容されているため大型である。
また、蓄熱材を発熱させる際に、蓄熱材に水分を付与すると、蓄熱材が膨張する。蓄熱材に積層された反応媒体拡散層、及び熱交換部が、蓄熱材の膨張圧で変形しないように、積層ユニットは、積層方向の両側に配置された一対のエンドプレート、及び一対のエンドプレートを連結するボルトとナットによって拘束されている。
エンドプレートは、蓄熱材の膨張圧を受けて曲げ変形しないように、厚い金属板で形成する必要があり、重量がある。

このように、特許文献１に記載の化学蓄熱反応器は、全体が大型で、かつ厚くて重量のあるエンドプレート部材を用いて積層ユニットを拘束しているため、オフサイト用の熱源として使用する場合においては、移動するときの重量があり、高蓄熱密度で、かつ軽量な化学蓄熱反応器が望まれていた。

本願発明の課題は、高蓄熱密度で、かつ軽量な化学蓄熱反応器を得ることにある。

請求項１に記載の化学蓄熱反応器は、反応媒体と結合することで発熱し、反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材と、前記蓄熱材の外面を覆い、前記蓄熱材の通過を制限し、前記反応媒体は通過する微小孔が形成された蓄熱材拘束カバーと、前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を収容する容器と、を有する。

請求項１に記載の化学蓄熱反応器では、容器の内部に反応媒体を流すと、反応媒体が、蓄熱材拘束カバーの微小孔を通過して蓄熱材と結合し、蓄熱材が放熱する。これにより、容器の温度が上がり、化学蓄熱反応器を熱源として利用することができる。

蓄熱材が反応媒体と結合すると、発熱すると共に膨張しようとする。しかしながら、蓄熱材は、外面を覆う蓄熱材拘束カバーで拘束されているので、膨張が抑えられる。即ち、容器は、蓄熱材の膨張力を受け無くなるため、容器を構成する部材の厚さを薄くすることができる。

請求項１に記載の化学蓄熱反応器では、従来の化学蓄熱反応器に必要とされていた反応媒体拡散層、熱交換部、及びエンドプレート等の部材が無く、発熱源として必要な最小限の部材で構成することができ、かつ、容器の構成する部材の厚さを薄くできるので、高蓄熱密度で、かつ軽量な化学蓄熱反応器が得られる。なお、蓄熱密度とは、化学蓄熱反応器の内容積に占める蓄熱材の蓄熱量である。

なお、蓄熱材に蓄熱を行う場合には、蓄熱材を加熱して反応媒体を脱離させることで蓄熱を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の化学蓄熱反応器において、棒状に形成された前記蓄熱材と、前記蓄熱材の外周面を覆う筒状に形成された前記蓄熱材拘束カバーと、を有する。

請求項２に記載の化学蓄熱反応器では、棒状に形成された蓄熱材の外周面が蓄熱材拘束カバーによって覆われている。このため、径方向外側に膨張しようとする蓄熱材を蓄熱材拘束カバーが拘束し、蓄熱材の径方向の膨張を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材は、円柱状に形成され、前記蓄熱材拘束カバーは、円筒状に形成されている。

請求項３に記載の化学蓄熱反応器では、蓄熱材が円柱状に形成され、蓄熱材拘束カバーが円筒状に形成されているので、円柱状に形成された蓄熱材の膨張力が増大しても、蓄熱材は、初期の円柱形状（断面円形）を保つことができ、状蓄熱材拘束カバーは、初期の円筒形状（断面円形）を保つことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を複数備え、一方の前記蓄熱材拘束カバーと他方の前記蓄熱材拘束カバーとの間に空間が形成され、前記空間が前記反応媒体が通過する反応媒体流路とされている。

請求項４に記載の化学蓄熱反応器では、容器の内部に蓄熱材拘束カバーで覆われた蓄熱材が複数備えられているが、蓄熱材拘束カバーの間に空間が形成され、この空間が反応媒体が通過する反応媒体流路となっているため、反応媒体流路を介して各々の蓄熱材に反応媒体を供給することができる。請求項４に記載の化学蓄熱反応器では、蓄熱材拘束カバーの間の空間が反応媒体流路となるので、反応媒体流路を形成するための部材を別途必要とせず、化学蓄熱反応器の軽量化、及び小型化を図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器において、前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を複数備え、前記蓄熱材拘束カバーは、一部が前記容器の内面に接触しており、他の一部が隣接する他の前記蓄熱材を覆う前記蓄熱材拘束カバーに接触している。

請求項５に記載の化学蓄熱反応器では、蓄熱材拘束カバーの一部を容器の内面に接触させているため、蓄熱材拘束カバーの一部を容器の内面に接触させない場合に比較して、蓄熱材の熱を効率的に容器に伝達することができ、容器を効率的に加熱することができる。また、蓄熱材拘束カバーの他の一部が、隣接する他の蓄熱材を覆う蓄熱材拘束カバーに接触しているため、容器の内面側から離れた箇所に配置されている蓄熱材の熱を、蓄熱材拘束カバー、及び蓄熱材を介して容器に伝達することができる。

請求項６に記載の発明は、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において、前記容器には、内外を連通可能とする連通部が設けられている。

請求項６に記載の化学蓄熱反応器では、連通部を介して反応媒体の出入を行うことができる。

本発明によれば、高蓄熱密度で、かつ軽量な化学蓄熱反応器が得られる、という優れた効果を有する。

本発明の一実施形態に係る化学蓄熱反応器を示す斜視図である。 図１に示す化学蓄熱反応器の２−２線断面図である。 （Ａ）は蓄熱体を示す斜視図であり、（Ｂ）は蓄熱体の端面を示す側面図である。 図１に示す化学蓄熱反応器の４−４線断面図である。 図１に示す化学蓄熱反応器の５−５線断面図である。 蓄熱材に蓄熱を行う際の化学蓄熱反応器を示す斜視図である。 他の実施形態に係る化学蓄熱反応器を示す断面図である。 更に他の実施形態に係る化学蓄熱反応器を示す断面図である。

図１乃至図５にしたがって、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱反応器１０を説明する。なお、図中に示す矢印Ｈは装置上下方向（鉛直方向、積層方向）を示し、矢印Ｗは装置幅方向（水平方向）を示し、矢印Ｄは装置奥行方向（水平方向）を示す。

（化学蓄熱反応器）
化学蓄熱反応器１０は、図１、２、４に示す構造の反応容器１２を備え、反応容器１２の内部に図３に示す蓄熱体５０が複数収容されている。

（反応容器）
図１に示すように、反応容器１２は、箱状に形成されており、矩形の底板１４、底板１４の各辺から立ち上がる側壁１６、１８、２０、２２、矩形の天板２４とを備えている。

反応容器１２の内部は、平面視でコ字状に連結された隔壁２６、２８、３０によって、蓄熱体５０を収容する平面視で矩形の蓄熱体収容室３２、及び、反応媒体としての蒸気が流れる平面視でコ字状の蒸気流路３４が区画されている。

底板１４、側壁１６、１８、２０、２２、天板２４、及び隔壁２６、２８、３０は、ステンレススチール等の金属板で形成されており、互いに溶接、またはロウ付けにて接合されている。

図１、２、４、５に示すように、隔壁２６、３０には、蓄熱体収容室３２と蒸気流路３４との間で蒸気を出入させるための孔３６が複数形成されている。

反応容器１２の正面に位置する側壁１６には、反応容器１２の内外へ蒸気を出入させるための配管３８が接続されており、配管３８の端部には、開閉弁４０が取り付けられている。なお、配管３８を取り除き、開閉弁４０を側壁１６に直接取り付けてもよい。

本実施形態の化学蓄熱反応器１０は、以下に説明する蒸発凝縮器４２に接続されることで水蒸気が供給されるようになっている。

（蒸発凝縮器）
図１に示すように、開閉弁４０には、蒸発凝縮器４２に接続される連通路４３の端部が、着脱可能に接続される。蒸発凝縮器４２は、貯留した水を蒸発させて化学蓄熱反応器１０に供給する（水蒸気Ｗを生成する）蒸発部、化学蓄熱反応器１０から受け取った水蒸気Ｗを凝縮する凝縮部、及び水蒸気Ｗ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４２は、内部に水が貯留される容器４４を備えており、この容器４４内には、水蒸気Ｗを凝縮する、又は水を蒸発するのに用いる熱媒流路４６の一部が配置されている。さらに、熱媒流路４６は、容器４４内における少なくとも気相部４４Ａを含む部分で熱交換を行うように配置されている。そして、凝縮時には低温媒体、蒸発時には中温媒体が、熱媒流路４６を流れるようになっている。

なお、蒸発凝縮器４２と化学蓄熱反応器１０とを連通させるための連通路４３は、蒸発凝縮器４２と化学蓄熱反応器１０との連通、非連通を切り替えるための開閉弁４８を備えている。

（蓄熱成形体の構成）
図３に示すように、本実施形態の蓄熱体５０は、円柱状に形成された蓄熱成形体５４と、蓄熱成形体５４の外周を覆う円筒状の蓄熱材拘束カバー５２とを含んで構成されている。
蓄熱成形体５４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、蓄熱成形体５４は、水和に伴って膨張して放熱（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 ＋ Ｈ_２Ｏ ⇔ 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 ＋ Ｈ_２Ｏ
となる。

なお、一例として、蓄熱成形体５４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、蓄熱成形体５４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。

蓄熱成形体５４の外周を覆う蓄熱材拘束カバー５２は、一例としてφ２００〔μｍ〕の微小貫通孔（図示せず）が、全面に多数形成された金属材料からなるエッチングフィルターである。エッチングフィルターは、蓄熱成形体５４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、エッチングフィルターは、蓄熱成形体５４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。

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。なお、蓄熱材拘束カバー５２は、メッシュで形成されていてもよい。

図２、及び図４に示すように、本実施形態では、長手方向を化学蓄熱反応器１０の奥行方向と平行にして、蓄熱体収容室３２の内部に、化学蓄熱反応器１０の幅方向に５本、上下に二段並べて収容している。

なお、蓄熱体５０は、円柱形状とされているので、蓄熱体収容室３２の内部に上記の様に並べることで、蓄熱体５０の間に蒸気流路となる空間５６が形成される。これら空間５６は、隔壁２６、３０の孔３６と連通している。

図４に示すように、上の段に配置される蓄熱体５０の外周面（蓄熱材拘束カバー５２の外周面）の上部は、反応容器１２の天板２４に接触している。また、下の段に配置される蓄熱体５０の外周面（蓄熱材拘束カバー５２の外周面）の下部は反応容器１２の底板１４に接触している。

図２、及び図４に示すように、幅方向に隣接する蓄熱体５０は、外周面の側部が互いに接触し、幅方向最外側に配置される蓄熱体５０の側部は、隔壁２６、３０に接触しており、各蓄熱体５０の長手方向端部は隔壁２８、及び側壁２０に接触している。これにより、複数の蓄熱体５０は、蓄熱体収容室３２の内部で動かないように拘束されている。

（化学蓄熱反応器の作用、効果）
次に、化学蓄熱反応器１０の作用、効果について説明する。
化学蓄熱反応器１０において蓄熱された熱を蓄熱成形体５４から発熱（放熱）させる際には、一例として、図１に示すように、開閉弁４０、開閉弁４８を開放し、この状態で、蒸発凝縮器４２の熱媒流路４６に中温媒体を流し、液相部４４Ｂの水を蒸発させる。そして、生成された水蒸気Ｗが連通路４３内を矢印Ｄ方向に移動して、反応容器１２内に供給される。

化学蓄熱反応器１０では、供給された水蒸気Ｗが蒸気流路３４、及び隔壁２６、３０の孔３６を通過して蓄熱体収容室３２の内部に流入し、空間５６を通過した水蒸気Ｗが蓄熱材拘束カバー５２の微細孔を通過して蓄熱成形体５４と接触することにより、蓄熱成形体５４は、水和反応を生じつつ発熱（放熱）する。この熱は、反応容器１２の天板２４、及び底板１４に伝達され、最終的に天板２４、及び底板１４が加熱されて温度が上がり、化学蓄熱反応器１０を熱源として利用することができる。

ところで、蓄熱材が反応媒体と結合すると、発熱すると共に膨張しようとする。しかしながら、蓄熱材からなる蓄熱成形体５４は、外面を覆う蓄熱材拘束カバー５２で拘束されているので、蓄熱成形体５４の径方向の膨張が、蓄熱材拘束カバー５２の張力負担により抑制される。これにより、反応容器１２は、蓄熱材の膨張力を受け難くなり、反応容器１２を構成する部材の厚さを薄くすることができる。このように、本実施形態の化学蓄熱反応器１０は、従来の化学蓄熱反応器に必要とされていた反応媒体拡散層、熱交換部、及びエンドプレート等の部材が無く、発熱源として必要な最小限の部材で構成することができ、かつ、反応容器１２の構成する部材の厚さを薄くできるので、高蓄熱密度で、かつ軽量となり、搬送が容易になる。

本実施形態の蓄熱成形体５４は、蓄熱材拘束カバー５２で外面のみが覆われており、蓄熱成形体５４の長手端部が覆われていないが、蓄熱成形体５４が棒状であれば、外周面を拘束すれば、蓄熱成形体５４の径方向の膨張を抑制することで、蓄熱成形体５４の長手方向の膨張も抑制できる。このため、本実施形態では、蓄熱成形体５４の長手端部を蓄熱材拘束カバー５２で覆っていない。

なお、蓄熱材拘束カバー５２の両端をエッチングフィルターで塞ぎ、蓄熱成形体５４の両端面を覆う構成としてもよい。即ち、蓄熱成形体５４全体をエッチングフィルターで覆ってもよい。

本実施形態では、蓄熱材を発熱させるために、化学蓄熱反応器１０を蒸発凝縮器４２に接続し、蒸発凝縮器４２で発生させた水蒸気を化学蓄熱反応器１０の内部に供給したが、本実施形態の化学蓄熱反応器１０は、これに限らず、開閉弁４０に水タンクを接続し、水タンクの水を化学蓄熱反応器１０の内部に注入し、蓄熱材と水とを反応させてもよい。このように、蒸発凝縮器４２が無くても化学蓄熱反応器１０を簡単に発熱させることができる。

なお、化学蓄熱反応器１０において蓄熱成形体５４に熱を蓄熱させる際には、図６に示すように、開閉弁４０、及び開閉弁４８を開放し、この状態で、反応容器１２をヒーター等の熱源を用いて加熱する。これにより、内部の蓄熱成形体５４が脱水反応を生じ、この熱が蓄熱成形体５４に蓄熱される。蓄熱成形体５４から離脱された水蒸気Ｗは、反応容器１２の外部へ排出され、連通路４３を矢印Ｅ方向に流れて蒸発凝縮器４２内に流れ込む。そして、蒸発凝縮器４２の気相部４４Ａにおいて、熱媒流路４６を流れる冷媒によって水蒸気Ｗが冷却され、凝縮された水が容器４４の液相部４４Ｂに貯留される。

［その他の実施形態］
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、本発明は係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。

上記実施形態では、複数の蓄熱体５０を図４に示すように、上下水平方向にマトリクス状に積層したが、図７に示すように、上下で位相をずらして千鳥状に積層してもよい。

上記実施形態では、蓄熱材拘束カバー５２の断面形状が円形であったが、蓄熱材拘束カバー５２の断面形状は、楕円、矩形、多角形等、円形以外であってもよい。例えば、図８に示すように、蓄熱材拘束カバー５２の断面形状は、直線状の４辺を有し、角部がアール状に形成された略矩形状であってもよい。これにより、蓄熱材拘束カバー５２に平面部が形成されることとなり、隣接する蓄熱材拘束カバー５２、天板２４、および底板１４との接触面積が増え、天板２４、および底板１４に対して効率的に熱を伝達することができる。

１０ 化学蓄熱反応器
１２ 容器（反応容器）
３８ 配管（連通部）
５２ 蓄熱材拘束カバー
５４ 蓄熱材
５６ 空間（反応媒体流路）

Claims (6)

1. 反応媒体と結合することで発熱し、反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材と、
   前記蓄熱材の外面を覆い、前記蓄熱材の通過を制限し、前記反応媒体は通過する微小孔が形成された蓄熱材拘束カバーと、
   前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を収容する容器と、
   を有する化学蓄熱反応器。
2. 棒状に形成された前記蓄熱材と、
   前記蓄熱材の外周面を覆う筒状に形成された前記蓄熱材拘束カバーと、
   を有する請求項１に記載の化学蓄熱反応器。
3. 前記蓄熱材は、円柱状に形成され、
   前記蓄熱材拘束カバーは、円筒状に形成されている、請求項２に記載の化学蓄熱反応器。
4. 前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を複数備え、一方の前記蓄熱材拘束カバーと他方の前記蓄熱材拘束カバーとの間に空間が形成され、前記空間が前記反応媒体が通過する反応媒体流路とされている、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器。
5. 前記蓄熱材拘束カバーで覆われた前記蓄熱材を複数備え、
   前記蓄熱材拘束カバーは、一部が前記容器の内面に接触しており、他の一部が隣接する他の前記蓄熱材を覆う前記蓄熱材拘束カバーに接触している、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の化学蓄熱反応器。
6. 前記容器には、内外を連通可能とする連通部が設けられている、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。