JP4889528B2 - ケミカルヒートポンプ及びこれを用いた熱利用システム - Google Patents

Description

本発明は、反応材が受熱により気体を脱離する脱離反応を行い、当該気体が放熱して凝縮液として凝縮する凝縮反応を行う蓄熱工程と、前記凝縮液が受熱して前記気体として蒸発する蒸発反応を行い、前記反応材が前記気体を吸着して放熱する水和反応を行う熱利用工程とを繰り返すケミカルヒートポンプ、さらには、当該ケミカルヒートポンプを用いた熱利用システムに関する。

一般に、ケミカルヒートポンプとしては、無機塩での気体の脱離反応及び水和反応と、放出された気体の凝縮反応及び蒸発反応とを組み合わせて、一定の熱投入に従って前記気体の脱離反応により蓄熱を行い、熱需要が発生した状況で、前記気体の水和反応を行わせて蓄熱を使用する構成が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１には、図１２に示すように、無機塩としてＣａＯ粒子が充填されて真空状態にある反応器６１と、Ｈ₂Ｏが充填された凝縮・蒸発器６２と、反応器６１及び凝縮・蒸発器６２を接続する連通管６３と、連通管６３に設けられた接続バルブ６４とから構成されるケミカルヒートポンプ６０が開示されており、上記反応器６１には、ヒータ６５と熱交換パイプ６６とを備える熱交換器６８が併設され、上記凝縮・蒸発器６２には、熱交換パイプ６７を備える熱交換器６９が併設されている。
このケミカルヒートポンプ６０の動作について説明すると、動作は、蓄熱工程と熱利用工程とを交互に繰り返すように構成されており、図１２（ａ）に示す蓄熱工程では、反応器６１にヒータ６５から熱を加えるとＣａＯ粒子に水和していた水蒸気が脱離反応を起こしてＣａＯ粒子が再生され、当該水蒸気が連通管６３を通じて凝縮・蒸発器６２に移動し冷却されて凝縮して水となり、加えた熱を蓄熱することができる。この際、接続バルブ６４を閉じることで、後述する熱利用工程に備える。
一方、図１２（ｂ）に示す熱利用工程では、接続バルブ６４を開くと凝縮・蒸発器６２内の圧力低下により、凝縮・蒸発器６２に充填された水が蒸発して水蒸気となり冷熱が放出されるとともに、当該水蒸気が連通管６３を通じて反応器６１に移動しＣａＯ粒子と水和反応を起こし温熱が放熱される。この際には、反応器６１において放熱される温熱を熱交換パイプ６６で回収し、凝縮・蒸発器６２において放熱される冷熱を熱交換パイプ６７で回収することができる。そして、このケミカルヒートポンプ６０は、これら蓄熱工程及び熱利用工程を繰り返し行うことができるように構成されており、一定の熱投入に従って蓄熱工程において蓄熱を行い、熱需要が発生した状況で適宜、熱利用工程により蓄熱を利用することができる。

また、特許文献１には、上記のようなケミカルヒートポンプ６０の反応器６１及び熱交換器６８とを改良して、放熱される熱量の増大及び熱交換効率の向上を図ることを可能とするケミカルヒートポンプの反応器用熱交換器が提案されている。

一方、熱利用システムとして、例えば、冷温水循環回路を有する排熱利用システムは、低温水を供給する低温水供給手段と、排熱を発生する排熱源からの排熱を回収して低温水から高温水を得る高温水回収熱交換器と、高温水回収熱交換器により得られた高温水を貯湯する貯湯タンクとを備えて構成される。このような排熱利用システムとして、特許文献２に開示された排熱利用システムは、排熱源としての固体高分子型燃料電池を備え、この燃料電池からの排熱を貯湯タンクに蓄熱する。貯湯タンクからは、給湯水が逐次、払い出されるとともに、熱交換により他の熱負荷に対しても利用される。すなわち、この種の排熱利用システムでは、燃料電池から発生する電力を需要者側で利用可能となるとともに、排熱をも有効に利用することで、電力の供給と熱の供給とを良好に実現できる。

特開平１１−１８２９６８号公報 特開２００５−１４１９１３号公報

そこで、例えば、排熱源としての燃料電池とケミカルヒートポンプとを組み合わせた排熱利用システムが考えられる。この排熱利用システムでは、例えば、熱需要（給湯需要）のほとんど無い夜間に、発電に伴って発生する排熱を利用してケミカルヒートポンプにおける蓄熱を行う蓄熱工程を実行し、この蓄熱工程において蓄熱された熱を熱需要時に適宜払い出し、ケミカルヒートポンプの熱利用工程において熱需要に対応するという動作形態が考えられる。
ここで、上記排熱利用システムを構成する燃料電池やケミカルヒートポンプは、各住居の限られた場所に設置されるためできるだけ簡易な構成として小型化する必要があるとともに、当該排熱利用システムを運用するに当たっては資源の有効利用という観点からＣＯＰ（成績係数）が高く効率的なシステムであることが望まれる。

しかしながら、特許文献１に記載のケミカルヒートポンプを用いた場合には、当該ケミカルヒートポンプは、反応器及び凝縮・蒸発器に加えて、これらを連通する連通管、この連通管に設けられた接続バルブなどで構成されているため装置構成が複雑となっており、装置構成の簡易化及び小型化を図る余地がある。また、当該ケミカルヒートポンプは真空に近い条件で運用されることから必然的に大型化が伴う。したがって、ケミカルヒートポンプの出力あたりの容積が大きくなってしまうという問題がある。
また、燃料電池の排熱利用による上記蓄熱工程及び熱利用工程の繰り返しに応じて、反応器及び連通管の温度が、例えば、７０℃程度の高温から５〜３５℃程度の低温との間において変化するものと考えられるため、反応器及び連通管から放熱される熱損失が問題となり、熱損失を低減するには充分な保温施工が必要となる。
さらに、特許文献１に記載のケミカルヒートポンプを用いた場合には、水蒸気が反応器と凝縮・蒸発器との間を移動するためには連通管を通らなければならないことから、蒸発した水蒸気を反応器内の無機塩に吸着する水和反応を即座に行うことができず、また、脱離した水蒸気を凝縮・蒸発器内において凝縮する凝縮反応を即座に行うことができず、これら反応の迅速化、且つ効率化を行う必要がある。なお、凝縮した水を蒸発する際においても蒸発反応の迅速化、且つ効率化を行うことが望ましい。

一方、上記特許文献１及び特許文献２の技術を組み合わせた排熱利用システムでは、比較的大きなケミカルヒートポンプを用いることとなってシステムが大型化するという問題がある。
また、当該排熱利用システムでは、排熱等を利用して熱回収を行おうとすると、排熱等を迅速、且つ熱損失を防止しつつ効率的に利用することが困難となり、ＣＯＰ値を向上させることが困難であるという問題がある。
さらに、当該排熱利用システムでは、夏季に上記熱利用工程において冷水を発生させた場合には、この冷水の持つ冷熱を外部環境等に捨てるため、この冷熱を有効利用できていないという問題がある。
なお、各家庭に例えば固体高分子型や固体酸化物型の燃料電池を備え、この燃料電池のみから給電と排熱利用による給湯等の熱利用（例えば、冬場の暖房需要、夏場の冷房需要に対応する）を図ろうとしても、今日到達している技術では、冬場に熱不足が発生する可能性があり、同時に、夏場の冷房ニーズに充分に対応できない可能性があるという問題がある。

本発明の目的は、ケミカルヒートポンプを単純な構成にするとともに、ケミカルヒートポンプ、特に反応器からの放熱ロスによる熱損失を低減して、ケミカルヒートポンプの大型化の抑制、及び保温施工の簡易化、並びに迅速且つ効率的な蓄熱の利用が可能な技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る、ケミカルヒートポンプの特徴構成は、反応材が受熱を伴って気体を脱離する脱離反応と前記反応材が放熱を伴って前記気体を吸着する水和反応とを繰り返す反応器と、前記反応器を内部に収納する密閉容器とを備え、前記気体が加熱対象流体に放熱して前記気体を凝縮液として凝縮させる凝縮部と、前記凝縮液が冷却対象流体から受熱して前記凝縮液を前記気体として蒸発させる蒸発部とを有するとともに、前記密閉容器内において、底部位に前記蒸発部を配置し、底部位以外の部位に前記凝縮部を配置して構成され、前記蒸発部は、前記冷却対象流体が通流される伝熱管を前記密閉容器の前記底部位の内壁に沿って巡らせてなることにある。

この構成のケミカルヒートポンプは、１つの密閉容器内に反応器と凝縮部と蒸発部とを一体として配置することにより、いわゆる反応器と凝縮・蒸発器間を連通する連通管及び接続バルブ等を排除するとともに、反応器、凝縮部、蒸発部間等を１つの密閉容器内に相互に近接した状態とすることができ、ケミカルヒートポンプの大型化を抑制することができる。
また、密閉容器内の底部位に蒸発部、密閉容器内の底部位以外の部位に凝縮部、これら蒸発部及び凝縮部の内側（密閉容器の内部）に反応器がそれぞれ配置されていることから、温度変動を繰り返す反応器から発生する熱が蒸発部若しくは凝縮部により遮断されて、密閉容器の外部へ流出することを抑制できる。すなわち、反応材が受熱した熱は、反応材からの気体の脱離若しくは反応器自体の昇温のためにのみ用いられることとなり、当該熱を有効に利用することができる。
さらに、これら機器等が上記のように配置されていることから、反応器と凝縮部との間での気体及び凝縮液の循環が円滑に行われ、各反応の迅速化及び効率化を図ることができる。すなわち、密閉容器内の内部に配置された反応器から脱離した気体は、主に上昇して密閉容器内の底部位以外の部位（上部位若しくは側部位）に配置された凝縮部に誘導されて凝縮される。凝縮された凝縮液は、主に滴下若しくは密閉容器の内壁に沿って降下し、密閉容器の底部位に配置された蒸発部に誘導貯留される。したがって、これら機器及び部間での気体及び凝縮液の循環が、簡単な構成で円滑に行われることとなる。
これらにより、反応器やケミカルヒートポンプを保温するための施工、例えば断熱材の設置などを比較的簡易な構成に留めることができるとともに、各反応の迅速化、及び効率化を図ることができる。

また、前記蒸発部は、前記冷却対象流体が通流される伝熱管を前記密閉容器の前記底部位の内壁に沿って巡らせて構成されているため、凝縮部から滴下若しくは密閉容器の内壁に沿って降下した、密閉容器の底部位の内壁に沿った位置に多く存在する凝縮液と蒸発部とが接触する面積を多く確保することができ、当該凝縮液の蒸発速度、蒸発効率を高めることができる。また、反応器内での受熱や放熱による温度変動等により発生した熱が、当該反応器の外側である密閉容器内の底部位の内壁に沿って設置された蒸発部により遮られて、当該密閉容器内から外部環境への熱の流出を防止することができる。

さらに、上記ケミカルヒートポンプの構成において、前記凝縮部は、前記加熱対象流体が通流される伝熱管を前記密閉容器の前記底部位以外の部位の内壁に沿って巡らせて構成されていると、反応器内での受熱や放熱による温度変動等により発生した熱が、当該反応器の外側である密閉容器内の内壁に沿って設置された凝縮部により遮られて、当該密閉容器内から外部環境への熱の流出を防止することができる。この際、密閉容器の外側表面の温度は、当該密閉容器の内壁に設置された凝縮部を通流する加熱対象流体の温度とほぼ同等の温度となっており、当該密閉容器からの放熱ロスを良好に防止することができる。
これにより、特別な保温施工を行うことなく密閉容器や反応器を充分に保温することができ、保温施工の簡易化を図ることができる。

また、上記ケミカルヒートポンプの構成において、前記反応器の上部に、前記凝縮部で凝縮された前記凝縮液の前記反応材への滴下を防止する滴下防止カバーが設けられていると、凝縮部において凝縮された凝縮液が滴下して反応器の反応材に付着することを防止することができる。
これにより、反応器での脱離反応及び水和反応の際に反応器と凝縮液との間で熱が受授されることを防止して、これら反応を効率よく円滑に行うことができる。

さらに、上記ケミカルヒートポンプの構成において、一本の伝熱管において、当該伝熱管内を前記冷却対象流体が流れる状態で一部が前記蒸発部として働き、当該伝熱管内を前記加熱対象流体が流れる状態で他部が前記凝縮部として働くように構成されていると、一本の伝熱管で凝縮部と蒸発部との機能を発揮することができ、凝縮部において気体が凝縮液となる際の凝縮熱の回収に加えて、蒸発部において凝縮液自体の有する熱をも当該伝熱管を流れる流体によって回収することが可能となる。また、伝熱管を複数設ける構成と比較して、伝熱管へ流出入する際の管路の構成を簡略化することもできる。

さらに、上記ケミカルヒートポンプの構成において、前記凝縮部と前記蒸発部とが、それぞれ別個の伝熱管により構成され、前記凝縮部において前記伝熱管内を流れる前記加熱対象流体が加熱され、前記蒸発部において前記伝熱管内を流れる前記冷却対象流体が冷却されるように構成されていると、凝縮部において行われる凝縮反応と蒸発部において行われる蒸発反応とが、それぞれ必要とする熱交換のための熱量に対応した伝熱管の構成（伝熱管の長さや太さ）を、容易に調整することが可能となる。

上記目的を達成するための本発明に係る、熱利用システムの特徴構成は、
これまでに説明してきた構成のケミカルヒートポンプを備え、当該ケミカルヒートポンプにおいて、高温水を前記反応器に送り、前記反応材が前記高温水から受熱して前記脱離反応をする蓄熱工程と、低温水を前記反応器に送り、前記反応材が前記低温水に放熱して前記水和反応をする熱利用工程との間で、切換え可能に構成されていることにある。

この構成の熱利用システムは、ケミカルヒートポンプが蓄熱を行う蓄熱工程と、放熱を行う熱利用工程とを切換え可能に構成され、例えば、熱需要が少ない場合に高温水から蓄熱工程において蓄熱し、熱需要が発生した場合に蓄熱された熱を熱利用工程において適宜払い出し、当該熱需要に対応することができる。
ここで、当該ケミカルヒートポンプとして、本願のケミカルヒートポンプ、すなわち、大型化の抑制、保温施工の簡易化、放熱ロスによる熱損失の抑制、各反応の迅速化及び効率化が実現された構成のケミカルヒートポンプを用いることにより、熱利用システムにおいて当該システムの小型化、保温施工の簡易化、熱交換速度の向上及び効率化を実現することができる。

この熱利用システムの構成においては、前記熱利用工程において、前記反応器に前記低温水を供給して、前記反応器から発生する熱を回収する熱回収動作を実行するとともに、前記熱の回収により得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されていることが好ましい。
このようにすることで、蓄熱工程において蓄熱された熱を、熱需要が発生した際にケミカルヒートポンプの熱利用工程により回収して有効に利用することができる。

上記熱利用システムの構成においては、前記凝縮部と前記蒸発部とが、それぞれ別個の伝熱管により構成されている場合に、前記蓄熱工程において、前記凝縮部に前記低温水を前記加熱対象流体として供給して、前記凝縮部から発生する凝縮熱を回収する凝縮熱回収動作を実行するとともに、前記凝縮熱の回収により得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されていることが好ましい。
このようにすることで、蓄熱工程においては、供給される低温水が密閉容器内の凝縮部に送られ、この凝縮部における気体の凝縮により発生する熱を回収することができる。従って、凝縮部の温度上昇を防止して密閉容器の表面温度を所望の温度（低温水の温度）に維持できるとともに、従来のケミカルヒートポンプに係る技術では、蓄熱工程において外部に棄てられていた熱を貯湯タンク側へ回収することができる。
結果、上述のケミカルヒートポンプの通常の作動である熱需要が発生した際（熱利用工程）における反応器での放熱の利用に加えて、蓄熱工程でも熱回収を行うことが可能となり、貯湯タンクへの連続的な熱回収が可能となる。
さらに、凝縮部の凝縮液が、低温水により冷却され当該低温水程度の温度に維持されることにより、密閉容器内の圧力は当該低温水の温度より僅かに高い温度における飽和圧力で維持されるため、上記熱利用工程が開始された直後に凝縮液が蒸発するために必要とする熱を低減することができる。

上記熱利用システムの構成においては、一本の伝熱管において、当該伝熱管内を前記冷却対象流体が流れる状態で一部が前記蒸発部として働き、当該伝熱管内を前記加熱対象流体が流れる状態で他部が前記凝縮部として働く場合に、前記蓄熱工程において、前記凝縮部から発生する凝縮熱を当該伝熱管を流れる流体により回収する凝縮熱回収動作を実行するとともに、さらに前記蒸発部において前記凝縮液が保有する熱を当該伝熱管を流れる流体により回収して、得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されていることが好ましい。
このようにすることで、一本の伝熱管で凝縮部と蒸発部との機能を発揮することができ、蓄熱工程において、凝縮部にて気体が凝縮液となる際の凝縮熱の回収に加えて、蒸発部にて凝縮液自体の有する熱をも当該伝熱管を流れる流体によって、貯湯タンクに回収することが可能となる。したがって、蓄熱工程においては、気体からの凝縮熱の回収に加えて、凝縮液からの熱をも貯湯タンクに回収することができ、熱の有効利用を図ることができる。

さて、上記構成の熱利用システムにおいては、前記熱利用工程において、前記蒸発部における前記冷却対象流体を外部環境からの熱により加熱する加熱手段を備えていることが好ましい。
このようにすることで、外部環境、例えば、冷房ユニット若しくは集熱ユニットから回収した熱を蒸発部において蒸発する凝縮液に授熱することができ、凝縮液の温度の低下による蒸発の鈍化を防止して円滑に蒸発を行わせるとともに、上記各ユニットから発生する熱を有効に利用することができる。また、蒸発部の温度を比較的高く維持できることから、熱利用工程における反応器からの放熱を当該反応器の外側（密閉容器内の底部位）に配置される蒸発部により遮断して、密閉容器の外側への放熱ロスを防止することができる。さらに、例えば、冷房ユニットから熱を受熱する前の冷却対象流体が当該冷房ユニットに供給された場合には、当該冷却対象流体の冷熱を有効に利用して、夏季における冷房需要に対応することができる。

上記熱利用システムの構成においては、前記反応器に供給される前記低温水、若しくは前記凝縮部に供給される前記加熱対象流体を外部環境へ熱を捨てることにより冷却する冷却手段を備えていることが好ましい。
このようにすることで、ケミカルヒートポンプの反応器若しくは凝縮部に供給される低温水が、例えば夏季において比較的高温である場合であっても、この低温水を冷却手段により冷却して、上記反応器での気体の吸着による水和反応、及び凝縮部での気体の凝縮による凝縮反応を、より確実に行わせることができる。

上記熱利用システムの構成においては、前記凝縮液の温度に基づいて、前記蓄熱工程において前記凝縮部に供給される前記加熱対象流体の流量を制御する第１流量制御手段、及び、前記凝縮液の温度に基づいて、前記熱利用工程において前記反応器に供給される前記低温水の流量を制御する第２流量制御手段のいずれか一方、又は両方を備えていることが好ましい。
このようにすることで、反応器に供給される低温水、若しくは凝縮部に供給される加熱対象流体の流量を調節して、熱利用工程における反応器での気体の吸着による水和反応、若しくは蓄熱工程における凝縮部での気体の凝縮による凝縮反応（脱離反応に伴う凝縮反応）のそれぞれの反応速度を変化させることができる。これにより、水和反応時、若しくは脱離反応時における凝縮液の温度を所望の温度にして、安定的な熱利用システムの運転を実現することができる。ここで、凝縮液の温度を、冬季には、水和反応時は０〜２℃程度、脱離反応時は１８〜２０℃程度、夏季には、水和反応時は１０〜１２℃程度、脱離反応時は３５〜３８℃程度とすることが好ましい。なお、上記低温水及び加熱対象流体の両方の流量を制御して、熱利用工程および蓄熱工程における凝縮液の温度を所望の温度にすることもできる。

本願の実施形態としては第１実施形態及び第２実施形態があり、第１実施形態としては、上記凝縮部３及び蒸発部４が一本の伝熱管により構成されている場合、第２実施形態としては、上記凝縮部２３及び蒸発部２４がそれぞれ別個の伝熱管により構成されている場合について、以下に説明する。

〔第１実施形態〕
本願に係るケミカルヒートポンプ１を用いた熱利用システム１００について、図１、図２に基づいて説明する。
図１、図２に示す熱利用システム１００は、高温水ｈ及び低温水ｃなどの貯湯水を貯湯可能な貯湯タンク６と、ケミカルヒートポンプ１、加熱手段７とを備え、これら機器間に所定の管路網、複数の切替弁を備えることで、下記する各動作を実行可能に構成されている。図上Ｐはポンプを示す。

まず、ケミカルヒートポンプ１の構成の概略について説明する。
図３（ａ）は、ケミカルヒートポンプ１の内部を示す上面図、図３（ｂ）は、ケミカルヒートポンプ１の正面からの断面図をそれぞれ模式的に表した図である。
本実施形態のケミカルヒートポンプ１は、図３に示すように、反応器２、凝縮部３、蒸発部４、これら機器及び部を一体として収納する密閉容器５から構成される。
すなわち、反応材ＣＡが受熱を伴って気体を脱離する脱離反応と反応材ＣＡが放熱を伴って気体を吸着する水和反応とを繰り返す反応器２と、気体が加熱対象流体に放熱して、気体を凝縮液として凝縮させる凝縮部３と、凝縮液が冷却対象流体から受熱して、凝縮液を気体として蒸発させる蒸発部４とが、密閉容器５内に一体として収納されて構成されている。

次に、図３に基づいて、このケミカルヒートポンプ１の構成について詳述する。
密閉容器５は、所定の圧力を維持することができる密閉構造の容器から構成され、例えば、円筒形状でその両端面が外側に膨出し、内部を空洞に形成された密閉容器から構成される。

反応器２は、反応材ＣＡを備えた熱交換器から構成されており、例えば、塩化カルシウムで構成される反応材ＣＡをアルミニウム製のプレートフィン２ａの隙間に充填させ、高温水若しくは低温水の出入りが可能なヘッダー２ｂにそのプレートフィン２ａを数ミリ間隔で複数枚固定して、そのプレートフィン２ａの内部を当該高温水若しくは低温水が通流可能に構成される。したがって、上記反応材ＣＡ、例えば塩化カルシウムは、高温水からの受熱により気体としての水蒸気を脱離し、また水蒸気を吸着（水和）することで低温水に放熱可能である。
また、反応器２は、密閉容器５の内部であって、後述する凝縮部３及び蒸発部４の内側に配置される。

凝縮部３は、伝熱管を備えた熱交換器から構成されており、例えば、本願にいう加熱対象流体を通流可能な１本の伝熱管が、密閉容器５の底部位以外の部位（上部位、側部位）の内壁全体に沿って巡らされた構成で配置される。この加熱対象流体とは、本例では、貯湯タンク６の下部から供給される低温水である。
蒸発部４は、伝熱管を備えた熱交換器から構成されており、例えば、本願にいう冷却対象流体を通流可能な１本の伝熱管が、密閉容器５の底部位の内壁全体に沿って巡らされた構成で配置される。
本実施形態では、図３に示すように、上記凝縮部３と蒸発部４とは同一の一本の伝熱管により形成される。すなわち、密閉容器５の上方（凝縮部３）から通流する加熱対象流体若しくは冷却対象流体は、当該伝熱管により密閉容器５の上部位から内壁に沿って周回して降下して密閉容器５の底部位に到達し、密閉容器５の下方（蒸発部４）から流出するように構成されている。ここで、図１及び図２に示す例では、上記凝縮部３と蒸発部４とは同一の一本の伝熱管により形成されるため、加熱対象流体及び冷却対象流体は同一の流体である。

滴下防止カバー１３は、反応器２の上部の全面を覆うように、上側に凸形状の部材（逆皿状の部材）から構成されており、反応器２の上部に配置される。なお、当該滴下防止カバー１３と密閉容器５との間には、水蒸気が通過することが可能な程度に適当な間隙が設けられる。

したがって、図３に示すように、密閉容器５内には、反応器２、凝縮部３、蒸発部４が一体的に配置、すなわち、密閉容器５内の底部位を蒸発部４とし底部位以外の部位（上部位、側部位）を凝縮部３とする一本の伝熱管と、これら蒸発部４及び凝縮部３を構成する伝熱管の内側（密閉容器５の内部）に反応器２とがそれぞれ配置されることとなる。

上記構成のケミカルヒートポンプ１の動作は、図１に示すように、高温水ｈを反応器２に送り、反応材ＣＡが高温水ｈから受熱して脱離反応をする蓄熱工程と、図２に示すように、低温水ｃを反応器２に送り、前記反応材ＣＡが前記低温水ｃに放熱して前記水和反応をする熱利用工程とを繰り返し行うものである。
蓄熱工程では、図１に示すように、貯湯タンク６の上部から供給された高温水ｈが反応器２に供給され（図上、内部が白抜きの矢印）プレートフィン２ａの内部を流れることにより、反応材ＣＡから脱離した水蒸気は、主に上昇して密閉容器５内の底部位以外の部位（上部位、側部位）に配置された凝縮部３に誘導されて凝縮される。凝縮された凝縮水は、主に滴下若しくは密閉容器５の内壁に沿って降下し、密閉容器５の底部位に配置された蒸発部４に誘導貯留される。上記凝縮部３では、伝熱管を流れる流体により水蒸気の凝縮に伴う凝縮熱が回収されるとともに、上記蒸発部４の伝熱管にも上記凝縮部３と同様の流体が通流しているので（図上、太線の矢印）、当該流体との熱交換により凝縮水の温度はさらに降下させられることとなる。したがって、反応器２においては外部から熱を受けて水蒸気を発生するとともに、発生した水蒸気が凝縮部３に移動して凝縮水となり、伝熱管を流れる流体（加熱対象流体ｔとしての低温水ｃ）に放熱する。
なお、貯湯タンク６の上部から供給された高温水ｈは、反応器２に供給され（図上、内部が白抜きの矢印）、熱交換により温度が低下して中温水ｍとなって、貯湯タンク６の側部に流入可能に構成されている（図上、内部に点が付されている矢印）。この際、貯湯タンク６の他の側部から流出させた高温水ｈを燃料電池あるいはバックアップボイラＢＢにより加熱して反応器２に供給することも可能である。また、貯湯タンク６の下部から供給された流体（加熱対象流体ｔとしての低温水ｃ）は、凝縮部３及び蒸発部４を流れ、熱交換により温度が上昇して、中温水ｍとして貯湯タンク６の側部に流入可能に構成されている（図上、太線の矢印）。
上記の場合、図４に示すように、冬季における蓄熱工程では、星印で示すａ１状態からｂ１状態を経てｃ１状態へ変化して、反応材ＣＡに吸着されていた水蒸気は脱離するとともに、凝縮水として凝縮した状態となる。なお、図４は、蓄熱工程及び熱利用工程における、密閉容器５内の反応器２における反応材ＣＡの温度と、密閉容器５内の圧力との関係を示す図であり、ｎは、反応材ＣＡに特定の温度・圧力条件で含まれる水のモル数であり、脱離反応若しくは水和反応時において脱離若しくは吸着（水和）してくる水蒸気のモル数となる。

一方、熱利用工程では、図２に示すように、貯湯タンク６の下部から供給された低温水ｃが反応器２に供給され（図上、太線の矢印）プレートフィン２ａの内部を流れることにより、反応器２周辺の水蒸気が反応材ＣＡに吸着して水和反応を起こす。これに伴い密閉容器５内の圧力が低下して、蒸発部４における凝縮水が蒸発し、発生した水蒸気が主に上昇して密閉容器５の内部（蒸発部４の上部位）に配置された反応器２に誘導される。したがって、外部からの冷熱を受けて反応材ＣＡに水蒸気を吸着（水和）させることで、プレートフィン２ａを流れる低温水ｃに放熱する。また、凝縮部３及び蒸発部４には冷却対象流体ｓが通流しており、当該冷却対象流体ｓは加熱手段７にて加熱されて凝縮部３及び蒸発部４に流入し、蒸発部４における凝縮水と熱交換して温度が低下して、再度加熱手段７に流入するという循環を繰り返す（図上、内部に点が付されている矢印）。したがって、加熱手段７からの熱を蒸発部４における凝縮水に放熱する。
なお、貯湯タンク６の下部から供給された低温水ｃは、反応器２に供給され、熱交換により温度が上昇して中温水ｍとなって、貯湯タンク６の側部に流入可能に構成されている（図上、太線の矢印）。この際、給湯器との熱交換により温度が低下した貯湯タンク６の他の側部から流出させた貯湯水を、低温水ｃとして反応器２に供給することも可能である。また、冷却対象流体ｓは、凝縮部３及び蒸発部４、加熱手段７を循環して通流することが可能に構成されている（図上、内部に点が付されている矢印）。
上記の場合、図４に示すように、冬季における熱利用工程では、星印で示すｃ１状態からｄ１状態を経てａ１状態へ変化して、凝縮水は蒸発するとともに、水蒸気として反応材ＣＡに吸着（水和）した状態となる。

よって、蓄熱工程に際しては、凝縮部３に加熱対象流体ｔとしての低温水ｃを供給し、水蒸気の凝縮に伴って発生する熱を回収することができる。
また、熱利用工程においては、反応器２に低温水ｃを供給し、水蒸気の吸着（水和反応）に伴って発生する熱を回収できることに加えて、蒸発部４で冷却された冷却対象流体ｓを利用して、夏季には冷暖房ユニット８が当該冷却対象流体ｓと熱交換して、冷房の用に供することができる。
これらより、蓄熱工程及び熱利用工程を繰り返す際には、密閉容器５内におけるこれら機器等間の水蒸気及び凝縮水の循環が、簡単な構成で円滑に行われることとなる。
具体的には、図４に示すように、冬季に蓄熱工程及び熱利用工程を繰り返す場合には、星印で示すａ１状態からｂ１、ｃ１、ｄ１、ａ１状態へ戻るサイクルとなり、同様に、夏季の場合には、丸印で示すａ２状態からｂ２、ｃ２、ｄ２、ａ２状態へ戻るサイクルとを繰り返すこととなる。したがって、冬季及び夏季に対応した温度域を使用して、良好にケミカルヒートポンプ１を動作することができる。また、水蒸気の移動を僅かな差圧で行うことができる。
一方、上記サイクルが、図５に示すように、例えば低温水ｃが約１５℃、外気温度が約１７℃において、冬季に７０分周期で行われている場合には、蓄熱工程及び熱利用工程において、バックアップボイラＢＢにより投入された熱（イ）、当該熱により昇温された高温水ｈの温度（ロ）、当該高温水ｈにより反応材ＣＡから水蒸気の脱離が進行して変化した反応器２周辺の温度（ハ）、当該水蒸気が凝縮する際に放出した熱（回収された凝縮熱）（ニ）、当該水蒸気の温度（ホ）、水蒸気の圧力（へ）、水蒸気の冷却を行う加熱対象流体ｔ（低温水ｃ）の温度（ト）、蒸発部４において冷却対象流体ｓにより投入された熱（チ）、水和反応により回収された熱（リ）は、それぞれ変化することとなる。これにより、ケミカルヒートポンプ１では、一定の熱投入に従って蓄熱を行い、熱需要が生じた場合には適宜当該蓄熱を利用することが可能となるとともに、比較的低温（１５℃程度）の冷水を低温水ｃとして常に得ることができる。ここで、蓄熱を利用する際にはＣＯＰが１．２程度で運用することができ、冷水を利用する際にはＣＯＰが０．３程度で運用することができる。なお、この結果は、夏季において、貯湯タンク６から供給される低温水ｃが３０℃程度の場合であっても同様である。

〔第２実施形態〕
上記第１実施形態では、図３に示すように、ケミカルヒートポンプ１内の凝縮部３と蒸発部４とが一本の伝熱管により構成される場合について説明した。一方、本実施形態では、図３に示す密閉容器５内における反応器２、凝縮部３、蒸発部４の基本的な構成及び配置は同様であるが、この凝縮部３と蒸発部４とが、それぞれ別個の伝熱管により構成された凝縮部２３と蒸発部２４とからなるケミカルヒートポンプ２１を用いる。さらに、排熱源としての固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣからの排熱を回収して高温水ｈとして利用する例について、詳細に説明する。
本願に係るケミカルヒートポンプ２１を用いた熱利用システムとしての、排熱利用システム２００について、図６に基づいて説明する。
図６に示す排熱利用システム２００は、高温水ｈ及び低温水ｃなどの貯湯水を貯湯可能な貯湯タンク２６と、排熱源としての固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣと、この固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣからの排熱を回収して、当該排熱により貯湯タンク６の高温水ｈを加熱する排熱交換器３２とを備えて構成されている。この貯湯タンク２６から払い出されて加熱された高温水ｈは、給湯器３１の給湯用熱交換器３１ａ内を流れる給水や冷暖房ユニット２８内を流れる循環水との熱交換により、給湯、暖房等の用に供される。この例の場合、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣからの排熱は２３０℃程度であり、前記排熱交換器３２より得られる高温水ｈの温度は７０〜８０℃程度である。

また、図６に示すように、排熱利用システム２００は、ケミカルヒートポンプ２１を備えるとともに、低温水ｃを供給する低温水供給手段３０、上記給湯器３１、上記貯湯タンク２６、上記排熱交換器３２、上記冷暖房ユニット２８、外気との熱交換により冷却を行う冷却手段３３、外部環境との熱交換により加熱を行う加熱手段２７、これら機器等を制御する制御手段３４、低温水ｃ等の流量を調整する流量制御手段３５を備え、これら機器間に、所定の管路網、複数の切替弁を備えることで、下記する各動作を実行可能に構成されている。図上Ｐはポンプを示す。

これら排熱利用システム２００の各構成機器について、以下に説明する。

低温水供給手段３０は、水道水などの低温水ｃを供給する機器であり、給湯器３１を介して貯湯タンク２６に低温水ｃを供給可能に構成されている。この低温水供給手段３０から給湯器３１を介して貯湯タンク２６に供給される低温水ｃの温度は、冬季１５℃〜夏季３０℃程度である。

給湯器３１は、給水を給湯用熱交換器３１ａとの熱交換により昇温して給湯を行うことができる機器であり、排熱交換器３２による加熱後の高温水ｈからの熱が当該給湯用熱交換器３１ａにおける昇温に用いられる。

貯湯タンク２６は、高温水ｈ及び低温水ｃなどの貯湯水を貯湯可能に構成されており、最上部近傍で高温水ｈを後述する排熱交換器３２に払い出す高温水流出入口２６ａが設けられ、この高温水流出入口２６ａより下側の部位に、後述するケミカルヒートポンプ２１から貯湯タンク２６に貯湯される中温水ｍを導入する中温水流入口２６ｂが設けられている。さらに、貯湯タンク２６の最下部近傍で低温水ｃの出入りが可能な低温水流出入口２６ｃが設けられている。この貯湯タンク２６から払い出された高温水ｈ（排熱交換器３２により昇温される前の高温水ｈ）の温度は、６０℃〜７０℃である。
この貯湯タンク２６に貯湯された低温水ｃは、低温水流出入口２６ｃから後述する流量制御手段３５としての流量調節ポンプ３５ａを介して、後述するケミカルヒートポンプ２１の反応器２２若しくは凝縮部２３に供給可能に構成されている。

排熱交換器３２は、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣからの交流型の熱交で、その排熱を熱回収可能な熱交換器として構成されており、本願では少なくとも、その熱交換器には貯湯タンク２６から高温水ｈが導入可能に構成されている。
この排熱交換器３２を通過した高温水ｈは、後述するケミカルヒートポンプ２１の反応器２２、給湯器３１、冷暖房ユニット２８にそれぞれ供給可能に構成されている。

冷暖房ユニット２８は、循環水が循環する熱交換器を備えており、排熱交換器３２からの高温水ｈや後述するケミカルヒートポンプ２１の蒸発部２４からの冷却対象流体ｓとの熱交換により、冷暖房可能に構成されている。例えば、冷暖房可能な床暖房ユニットにより構成することができる。

冷却手段３３は、熱交換可能な熱交換器を備えており、貯湯タンク２６から供給された低温水ｃを冷却して、後述するケミカルヒートポンプ２１の反応器２２若しくは凝縮部２３に供給することができるように構成されている。例えば、外気との熱交換が可能な外気ファン３３ａにより構成することができる。

加熱手段２７は、熱交換可能な熱交換器を備えており、後述するケミカルヒートポンプ２１の蒸発部２４からの冷却対象流体ｓを加熱して、当該蒸発部２４へ戻すことができるように構成されている。加熱手段２７として、例えば、冬季には外気との熱交換が可能な外気ファン２７ａにより構成し、また、夏季には上記冷暖房ユニット２８を利用して構成し、これら機器により冷却対象流体ｓを適切に加熱することができる。なお、当該外気ファン２７ａを、上記冷却手段３３としての外気ファン３３ａを用いて構成することもでき、装置構成の簡略化を図ることもできる。

制御手段３４は、メモリ等からなる記憶媒体、ＣＰＵ、入出力部等を備えたマイクロコンピュータで構成され、そのコンピュータが所定のプログラムを実行することにより、各手段、複数の切替弁の開閉状態、各ポンプの作動状態、後述する流量調節ポンプ３５ａを制御することができるように構成されている。

流量制御手段３５は、貯湯タンク２６から供給された低温水ｃの流量を制御可能に構成され、第１流量制御手段、第２流量制御手段とを備える。例えば、図６に示すように、１つの流量調節ポンプ３５ａにより構成することもできるが、２つの流量調節ポンプから構成することもできる。

次に、ケミカルヒートポンプ２１の構成の概略について説明する。
ケミカルヒートポンプ２１は、図６〜図１１に示すように、反応器２２、凝縮部２３、蒸発部２４、これら機器及び部を一体として収納する密閉容器２５から構成される。
すなわち、反応材ＣＡが受熱を伴って気体ｖを脱離する脱離反応と反応材ＣＡが放熱を伴って気体ｖを吸着する水和反応とを繰り返す反応器２２と、気体ｖが加熱対象流体ｔに放熱して、気体ｖを凝縮液ｗとして凝縮させる凝縮部２３と、凝縮液ｗが冷却対象流体ｓから受熱して、凝縮液ｗを気体ｖとして蒸発させる蒸発部２４とが、密閉容器２５内に一体として収納されて構成されている。
そして、ケミカルヒートポンプ２１の反応器２２へは、排熱交換器３２を通じて貯湯タンク２６から供給された高温水ｈ、若しくは貯湯タンク２６から供給された低温水ｃが、後述するケミカルヒートポンプ２１の蓄熱工程、熱利用工程に対応してそれぞれ供給される。当該反応器２に供給された高温水ｈ若しくは低温水ｃは、中温水ｍとして中温水流入口２６ｂを通じて貯湯タンク２６内に流入する。
ケミカルヒートポンプ２１の凝縮部２３へは、貯湯タンク２６から供給された低温水ｃが、後述する蓄熱工程に対応して供給される。なお、この低温水ｃは、加熱対象流体ｔとして機能する。当該凝縮部２３に供給された低温水ｃは、中温水ｍとして中温水流入口２６ｂを通じて貯湯タンク２６内に流入する。
ケミカルヒートポンプ２１の蒸発部２４では、冷却対象流体ｓが循環して通流される。

さらに、このケミカルヒートポンプ２１の構成について詳述する。
基本的な構成や配置は、図３に示すケミカルヒートポンプ１と同様であるが、本実施形態のケミカルヒートポンプ２１では、凝縮部２３と蒸発部２４とがそれぞれ別個の伝熱管により構成されている点において異なり、これに伴い、凝縮部２３、蒸発部２４のそれぞれの伝熱管への流出入のための管路の構成や配置等において異なる点を有する。

密閉容器２５は、所定の圧力を維持することができる密閉構造の容器から構成され、例えば、円筒形状でその両端面が外側に膨出し、内部を空洞に形成された密閉容器２５から構成される。

反応器２２は、反応材ＣＡを備えた熱交換器から構成されており、例えば、塩化カルシウムで構成される反応材ＣＡをアルミニウム製のプレートフィン２２ａの隙間に充填させ、高温水ｈ若しくは低温水ｃが通流するヘッダー２２ｂにそのプレートフィン２２ａを数ミリ間隔で複数枚固定して、そのプレートフィン２２ａの内部を当該高温水ｈ若しくは低温水ｃが通流可能に構成される。したがって、上記反応材ＣＡ、例えば塩化カルシウムは、高温水ｈからの受熱により気体としての水蒸気ｖを脱離し、また水蒸気ｖを吸着（水和）することで低温水ｃに放熱可能である。
また、反応器２２は、密閉容器２５の内部であって、後述する凝縮部２３及び蒸発部２４の内側に配置される。

凝縮部２３は、伝熱管を備えた熱交換器から構成されており、例えば、本願にいう加熱対象流体ｔを通流可能な１本の伝熱管が、密閉容器２５の底部位以外の部位（上部位、側部位）の内壁に沿って巡らされた構成で配置される。ここで、図６等に示すように、凝縮部２３の最下部から流入した加熱対象流体ｔは、密閉容器５内の内壁を周回して上部位まで上昇し、その後下降して凝縮部２３の最下部から流出するように構成されている。この加熱対象流体ｔとは、本例では、貯湯タンク２６の下部から供給される低温水ｃである。

蒸発部２４は、伝熱管を備えた熱交換器から構成されており、例えば、本願にいう冷却対象流体ｓを通流可能な１本の伝熱管が、密閉容器２５の底部位の内壁に沿って巡らされた構成で配置される。ここで、図６等に示すように、蒸発部２４の最上部から流入した冷却対象流体ｓは、密閉容器５内の内壁を周回して最下部まで下降し、その後上昇して蒸発部２４の最上部から流出するように構成されている。

滴下防止カバー２９は、反応器２２の上部の全面を覆うように、上側に凸形状の部材（逆皿状の部材）から構成されており、反応器２２の上部に配置される。なお、当該滴下防止カバー２９と密閉容器２５との間には、水蒸気ｖが通過することが可能な程度に適当な間隙が設けられる。

したがって、図３、図６に示すように、密閉容器２５内には、反応器２２、凝縮部２３、蒸発部２４が一体的に配置、すなわち、密閉容器２５内の底部位に蒸発部２４、密閉容器２５内の底部位以外の部位（上部位、側部位）に凝縮部２３、これら蒸発部２４及び凝縮部２３の内側（密閉容器２５の内部）に反応器２２がそれぞれ配置されることとなる。

一方、ケミカルヒートポンプ２１の動作は、以下に示すように、高温水ｈを反応器２２に送り、反応材ＣＡが高温水ｈから受熱して脱離反応をする蓄熱工程と、低温水ｃを反応器２２に送り、前記反応材ＣＡが前記低温水ｃに放熱して前記水和反応をする熱利用工程とを繰り返し行うものである。
蓄熱工程では、図７及び図１０に示すように、反応器２２において、高温水ｈがプレートフィン２２ａの内部を流れることにより、密閉容器２５内の内部に配置された反応器２２から脱離した水蒸気ｖは、主に上昇して密閉容器２５内の底部位以外の部位（上部位、側部位）に配置された凝縮部２３に誘導されて凝縮される。凝縮された凝縮水ｗは、主に滴下若しくは密閉容器２５の内壁に沿って降下し、密閉容器２５の底部位に配置された蒸発部２４に誘導貯留される。したがって、外部から熱を受けて水蒸気ｖを発生するとともに、発生した水蒸気ｖが凝縮部２３に移動して凝縮水ｗとなり、加熱対象流体ｔとしての低温水ｃに放熱する。

熱利用工程では、図８及び図１１に示すように、反応器２２において、低温水ｃがプレートフィン２２ａの内部を流れることにより、密閉容器２５の内部に配置された反応器２２周辺の水蒸気ｖが反応材ＣＡに吸着して水和反応を起こす。これに伴い密閉容器２５内の圧力が低下して、蒸発部２４における凝縮水ｗが蒸発し、発生した水蒸気ｖが主に上昇して密閉容器２５の内部（蒸発部２４の上部位）に配置された反応器２２に誘導される。したがって、外部からの冷熱を受けて反応材ＣＡに水蒸気ｖを吸着させることで、プレートフィン２２ａを流れる低温水ｃに放熱する。

よって、蓄熱工程に際しては、凝縮部２３に加熱対象流体ｔとしての低温水ｃを供給し、水蒸気ｖの凝縮に伴って発生する熱を回収することができる。
また、熱利用工程においては、反応器２２に低温水ｃを供給し、水蒸気ｖの吸着（水和反応）に伴って発生する熱を回収できることに加えて、蒸発部２４で冷却された冷却対象流体ｓを利用して、夏季には冷暖房ユニット２８内に冷水を循環させ、冷房の用に供することができる。
これらより、蓄熱工程及び熱利用工程を繰り返す際には、密閉容器２５内におけるこれら機器等間の水蒸気ｖ及び凝縮水ｗの循環が、簡単な構成で円滑に行われることとなる。

以上が本願に係る排熱利用システム２００を構成する各機器の構成及び動作の説明であるが、図６に示されるように、この排熱利用システム２００には、複数の切替弁Ａ〜Ｎ、流量調節ポンプ３５ａが備えられている。以下、各切替弁Ａ〜Ｎ、流量調節ポンプ３５ａの働きに関して順に説明する。

切替弁Ａは、貯湯タンク２６の低温水流出入口２６ｃの流路出入口に設けられており、低温水供給手段３０から給湯器３１を介して送られてきた低温水ｃを低温水流出入口２６ｃを通じて貯湯タンク２６に貯湯する状態と、貯湯タンク２６に貯湯された低温水ｃを凝縮部２３に送る状態と、貯湯タンク２６に貯湯された低温水ｃを反応器２２内に設けられているプレートフィン２２ａ側及び排熱交換器３２側への流量調整を伴って送る状態、との間で切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｂは、貯湯タンク２６の高温水流出入口２６ａの流路出口に設けられており、貯湯タンク２６からの高温水ｈを排熱交換器３２（後述する切替弁Ｃ）に送る状態と、排熱交換器３２（後述する切替弁Ｎ）からの高温水ｈを貯湯タンク２６若しくは切替弁Ｃ側に送る状態との切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｃは、排熱交換器３２の流路入口に設けられており、切替弁Ｂを介して送られてきた高温水ｈ、若しくは切替弁Ａを介して送られてきた低温水ｃを、選択的に排熱交換器３２へ送るための切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｄは、排熱交換器３２を通過した高温水ｈが流出する流路出口に設けられており、当該高温水ｈを反応器２２（後述する切替弁Ｅ）に送るか、後述する切替弁Ｍに送るかの切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｅは、ケミカルヒートポンプ２１の反応器２２の流路入口に設けられ、切替弁Ｄを介して切替弁Ｅに供給される高温水ｈ、若しくは後述する切替弁Ｊを介して切替弁Ｅに供給される低温水ｃのいずれを反応器２２に送るかの切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｆは、反応器２２の流路出口と貯湯タンク２６との間に設けられており、反応器２２に供給された高温水ｈ若しくは低温水ｃを中温水ｍとして、後述する切替弁Ｇ、中温水流入口２６ｂを介して貯湯タンク２６に貯湯可能な状態、若しくは冷暖房ユニット２８で利用されて温度の低下した高温水ｈを中温水ｍとして、切替弁Ｇ、中温水流入口２６ｂを介して貯湯タンク２６に貯湯可能な状態との間で、切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｇは、昇温された低温水ｃが凝縮部２３から流出する流路出口に設けられており、この昇温された低温水ｃを中温水ｍとして、中温水流入口２６ｂを介して貯湯タンク２６に貯湯可能な状態、若しくは冷暖房ユニット２８で利用されて温度の低下した高温水ｈを中温水ｍとして、中温水流入口２６ｂを介して貯湯タンク２６に貯湯可能な状態との間で、切り替えを実現できるように構成されている。なお、反応器２２から切替弁Ｆを介して切替弁Ｇに流入してきた温度の低下した高温水ｈがある場合には、切替弁Ｇは、当該高温水ｈと、凝縮部２３から流入してきた昇温された低温水ｃとを、中温水ｍとして貯湯タンク２６に流入可能に調整する。

したがって、排熱利用システム２００には、低温水供給手段３０、給湯器３１、切替弁Ａ、貯湯タンク２６、切替弁Ｂ、切替弁Ｃ、排熱交換器３２、切替弁Ｄ、切替弁Ｅ、反応器２２、切替弁Ｆ、切替弁Ｇ、貯湯タンク２６の中温水流入口２６ｂに至る管路が形成されている。

切替弁Ｈ、Ｉ、Ｊは、貯湯タンク２６の低温水流出入口２６ｃとケミカルヒートポンプ２１との間に設けられている。これら切替弁は、貯湯タンク２６からの低温水ｃをケミカルヒートポンプ２１の反応器２２、若しくは凝縮部２３のいずれに供給するかの切り替えを実現できるように構成されている。すなわち、まず、切替弁Ｈは、外気ファン３３ａを介さずにケミカルヒートポンプ２１に当該低温水ｃを送るか、外気ファン３３ａを介して送るかの切り替えを行う。そして、切替弁Ｉは、外気ファン３３ａを介さずに送られてきた低温水ｃを、切替弁Ｊ、切替弁Ｅを介して反応器２２に送るか、凝縮部２３に送るかの切り替えを行う。一方、切替弁Ｊは、外気ファン３３ａを介して送られてきた低温水ｃを、切替弁Ｅを介して反応器２２に送るか、切替弁Ｉを介して凝縮部２３に送るかの切り替えを行う。

したがって、排熱利用システム２００は、貯湯タンク２６、切替弁Ａ、後述する流量調節ポンプ３５ａ、切替弁Ｈ、反応器２２若しくは凝縮部２３、貯湯タンク２６の中温水流入口２６ｂに至る管路が形成されている。この切替弁Ｈと反応器２２との間には、切替弁Ｈ、切替弁Ｉ、切替弁Ｊ、切替弁Ｅ、反応器２２に至る管路、及び切替弁Ｈ、外気ファン３３ａ、切替弁Ｊ、切替弁Ｅ、反応器２２に至る管路が形成されている。また、切替弁Ｈと凝縮部２３との間には、切替弁Ｈ、切替弁Ｉ、凝縮部２３に至る管路、及び切替弁Ｈ、外気ファン３３ａ、切替弁Ｊ、切替弁Ｉ、凝縮部２３に至る管路が形成されている。

切替弁Ｋ、Ｌは、それぞれ蒸発部２４の流路出口、流路入口に設けられる。切替弁Ｋは、蒸発部２４の伝熱管を通流する冷却対象流体ｓを外気ファン２７ａに送るか、冷暖房ユニット２８に送るかの切り替えを行うことができ、切替弁Ｌは、外気ファン２７ａ、若しくは冷暖房ユニット２８から送られてきた冷却対象流体ｓのいずれかを、蒸発部２４に送るように切り替えを実現できるように構成されている。

したがって、排熱利用システム２００は、蒸発部２４、切替弁Ｋ、外気ファン２７ａ若しくは冷暖房ユニット２８、切替弁Ｌ、蒸発部２４に至る循環管路が形成される。

切替弁Ｍは、切替弁Ｄと冷暖房ユニット２８若しくは給湯器３１との間に設けられ、排熱交換器３２を通過した高温水ｈを冷暖房ユニット２８若しくは給湯器３１（後述する切替弁Ｎ）のいずれに送るかを調整可能な切り替えを実現できるように構成されている。

切替弁Ｎは、切替弁Ｍを通過した高温水ｈを給湯器３１若しくは切替弁Ｂのいずれに送るかの切り替えを実現できるように構成されている。

したがって、貯湯タンク２６、切替弁Ｂ、切替弁Ｃ、排熱交換器３２、切替弁Ｄ、切替弁Ｍ、切替弁Ｎ、給湯器３１若しくは切替弁Ｂに至る管路が形成される。また、貯湯タンク２６、切替弁Ｂ、切替弁Ｃ、排熱交換器３２、切替弁Ｄ、切替弁Ｍ、冷暖房ユニット２８、切替弁Ｆ、切替弁Ｇ、貯湯タンク２６の中温水流入口２６ｂに至る管路が形成される。

流量調節ポンプ３５ａは、切替弁Ａと切替弁Ｈとの間に設けられ、貯湯タンク２６から供給された低温水ｃの流量を、凝縮水ｗの温度に基づいて制御可能に構成されている。凝縮水ｗの温度は、蒸発部２４近傍に設けられた温度計Ｔにより計測を行い、温度情報は制御手段３４を介して流量調節ポンプ３５ａに送られる。
具体的には、流量調節ポンプ３５ａは、温度計Ｔにより計測した凝縮水の温度に基づいて、蓄熱工程において凝縮部２３に供給される加熱対象流体ｔ（低温水ｃ）の流量を制御する。これにより、蓄熱工程における脱離反応での凝縮水の温度を冬季は、０℃〜２℃、夏季は、１０℃〜１２℃の温度にして安定した運転を行うことができる。
一方、流量調節ポンプ３５ａは、温度計Ｔにより計測した凝縮水の温度に基づいて、熱利用工程において反応器２２に供給される低温水ｃの流量を制御する。これにより、熱利用工程における水和反応での凝縮水の温度を冬季は、０℃〜２℃、夏季は、１０℃〜１２℃の温度にして安定した運転を行うことができる。なお、本実施形態では、当該流量調節ポンプ３５ａは、第１流量制御手段及び第２流量制御手段を兼ねて構成されている。

以上が本願に係る排熱利用システム２００の構成であるが、以下、ケミカルヒートポンプ２１の動作状態を基礎として、この排熱利用システム２００の動作工程を説明する。具体的には、排熱利用システム２００の、冬季及び夏季における蓄熱工程、熱利用工程についての動作工程を説明する。

〔蓄熱工程：冬季〕
図７は、排熱利用システム２００における、冬季でのケミカルヒートポンプ２１の蓄熱工程を示す図面であり、湯水が流れている管路を実線で、流れていない管路を破線で示しており、切替弁において白抜きは「連通状態」を、黒塗りつぶしは「非連通状態」を示している（以下、図７〜１１で同じ）。
この蓄熱工程は、例えば、夜間に実行される。本願に係る排熱利用システム２００では、この蓄熱工程でも、凝縮部２３で回収できる凝縮熱ｗを低温水ｃで回収する。

貯湯タンク２６からは、ポンプＰにより高温水ｈが高温水流出入口２６ａを通じて、払い出される。この高温水ｈは、切替弁Ｂ、切替弁Ｃを経て排熱交換器３２により昇温させられて、切替弁Ｄ、切替弁Ｅを介して反応器２２に送られる。反応材ＣＡに脱離反応に必要な熱を与えた高温水ｈは、温度が低下して中温水ｍとなった後、切替弁Ｆ、切替弁Ｇを介して中温水流入口２６ｂから貯湯タンク２６に戻される。
また、貯湯タンク２６からは、低温水ｃが低温水流出入口２６ｃを通じて、払い出される。この低温水ｃは、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、切替弁Ｉを介して凝縮部２３に送られる。凝縮部２３において水蒸気ｖの凝縮により発生する熱を回収した低温水ｃは、温度が上昇して中温水ｍとなった後、切替弁Ｇを介して中温水流入口２６ｂから貯湯タンク２６に戻される。この低温水ｃは、１５℃程度であったが、昇温されて４５℃程度の中温水ｍとなる。

この蓄熱工程では、反応器２２において外部から熱を受けて水蒸気ｖを発生するとともに、発生した水蒸気ｖが凝縮部２３に移動して凝縮水ｗとなり、加熱対象流体ｔとしての低温水ｃに放熱する。結果、反応器２２における水蒸気発生を伴った脱離反応により蓄熱が成されるとともに、低温水ｃにより凝縮熱が回収され、貯湯タンク２６側に戻されて、熱の有効利用が図られる。結果、ＣＯＰは１以上とすることができる。

〔熱利用工程：冬季〕
図８は、排熱利用システム２００における、冬季でのケミカルヒートポンプ２１の熱利用工程を示す図面である。
この熱利用工程は、例えば、熱需要が生じた場合において、冬季の昼間に、外部環境（外気）の熱を外気ファン２７ａを使用して回収することができる等の状況で行われる。
本願に係る排熱利用システム２００では、この熱利用工程で、熱需要に応じて、蓄熱工程において蓄熱された熱だけでなく、外部環境から蒸発部２４を介して回収した熱の両方を、反応器２２に送られてくる低温水ｃで回収することができる。

貯湯タンク２６から供給される低温水ｃは、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、切替弁Ｉ、切替弁Ｊ、切替弁Ｅを介して反応器２２に送られる。反応器２２において水蒸気ｖの吸着（水和反応）により発生する熱を回収した低温水ｃは、温度が上昇して中温水ｍとなった後、切替弁Ｆ、切替弁Ｇを介して中温水流入口２６ｂから貯湯タンク２６に戻される。この低温水ｃは、１５℃程度であったが、昇温されて４５℃程度の中温水ｍとなる。
また、蒸発部２４内の伝熱管を通流する冷却対象流体ｓは、ポンプＰにより蒸発部２４から切替弁Ｋを経て、加熱手段２７としての外気ファン２７ａへ送られ、当該外気ファン２７ａにより外気の熱を得て昇温された上で、切替弁Ｌを介して蒸発部２４に戻される。

この熱利用工程では、蒸発部２４を循環する冷却対象流体ｓを外気ファン２７ａにより外気から熱を回収して加熱するとともに、反応器２２において水蒸気ｖを吸着（水和反応）して低温水ｃに放熱する。結果、外気との熱交換により得た熱を、蒸発部２４における凝縮水ｗの蒸発に用いることができるとともに、反応器２２における水蒸気ｖの吸着（水和反応）による熱が低温水ｃにより回収され、貯湯タンク２６側に戻されて、冬季の熱不足にも対応できるような熱の有効利用が図られる。

なお、熱利用工程において、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣからの排熱が発生している場合には、貯湯タンク２６から低温水ｃを切替弁Ａ、切替弁Ｃを介して排熱交換器３２に送り、昇温して高温水ｈとしたうえで、切替弁Ｄ、切替弁Ｍ、切替弁Ｎ、切替弁Ｂを介して貯湯タンク２６に戻すこともできる。これにより、排熱の有効利用を図ることができる。

ここで、図９に示すように、排熱利用システム２００において貯湯タンク２６に貯湯された高温水ｈを、熱負荷として、例えば、冷暖房ユニット２８、給湯器３１に供給する場合について説明する。なお、当該図面に示す、熱負荷に高温水ｈを供給する場合は、冬季、夏季共通に適用することができる。
熱負荷において熱需要が発生した場合には、貯湯タンク２６に貯湯された高温水ｈがポンプＰにより高温水流出入口２６ａから払い出される。この高温水ｈは、切替弁Ｂ、切替弁Ｃを経て排熱交換器３２により昇温させられて、切替弁Ｄ、切替弁Ｍを介して冷暖房ユニット２８、若しくは切替弁Ｄ、切替弁Ｍ、切替弁Ｎを介して給湯器３１に供給されて、これら機器において高温水ｈの熱が熱交換されて利用される。この際、熱需要に応じて、冷暖房ユニット２８、給湯器３１に送られる高温水ｈを切替弁Ｍにより調整して対応することができる。
なお、冷暖房ユニット２８において利用された高温水ｈは、熱交換により温度低下して中温水ｍとなり、切替弁Ｆ、切替弁Ｇを介して貯湯タンク２６に戻される。給湯器３１においては、高温水ｈは給湯のための熱交換に用いられる。

〔蓄熱工程：夏季〕
図１０は、排熱利用システム２００における、夏季でのケミカルヒートポンプ２１の蓄熱工程を示す図面である。以下、夏季における蓄熱工程について説明するが、冬季における蓄熱工程と同様の点に関しては説明を省略する。

貯湯タンク２６からは、低温水ｃが低温水流出入口２６ｃを通じて、凝縮部２３に払い出される。この低温水ｃは、冬季には、図７に示すように、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、切替弁Ｉを介して凝縮部２３に送られたが、夏季には、当該低温水ｃの温度が比較的上昇してしまっているため、冷却手段３３としての外気ファン３３ａを介して凝縮部２３に送る。具体的には、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、外気ファン３３ａ、切替弁Ｊ、切替弁Ｉを介して凝縮部２３に送る。これにより、比較的高温となっている低温水ｃを外気との熱交換により温度低下させた上で、凝縮部２３に送ることができ、蓄熱工程における水蒸気ｖの凝縮を効率よく行うことができることとなる。
一方、高温水ｈが、反応器２２に供給される点については、冬季と同様である。
なお、冬季においては、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣが稼動しており、排熱を得て蓄熱を行っていたが、夏季において、固体酸化物形燃料電池ＳＯＦＣが稼動しておらず排熱が得にくい場合には、バックアップボイラーＢＢを併設しておき、貯湯タンク２６から払い出された高温水ｈを加熱した上で反応器２２に送り、蓄熱を行うこともできる。

〔熱利用工程：夏季〕
図１１は、排熱利用システム２００における、夏季でのケミカルヒートポンプ２１の熱利用工程を示す図面である。以下、夏季における熱利用工程について説明するが、冬季における熱利用工程と同様の点に関しては説明を省略する。

貯湯タンク２６からは、低温水ｃが低温水流出入口２６ｃを通じて、反応器２２に払い出される。冬季には、この低温水ｃは、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、切替弁Ｉ、切替弁Ｊ、切替弁Ｅを介して反応器２２に送られたが、夏季には、当該低温水ｃの温度が比較的上昇してしまっているため、冷却手段３３としての外気ファン３３ａを介して反応器２２に送る。具体的には、切替弁Ａを経て流量調節ポンプ３５ａにより流量が調節されて、切替弁Ｈ、外気ファン３３ａ、切替弁Ｊ、切替弁Ｅを介して反応器２２に送る。これにより、比較的高温となっている低温水ｃを外気との熱交換により温度低下させた上で、反応器２２に送ることができ、熱利用工程における水蒸気ｖの吸着（水和反応）を効率よく行うことができることとなる。
また、蒸発部２４内の伝熱管を通流する冷却対象流体ｓは、ポンプＰにより蒸発部２４から切替弁Ｋを経て、加熱手段２７としての冷暖房ユニット２８に送られ、当該冷暖房ユニット２８の循環水から熱を得て昇温された上で、切替弁Ｌを介して蒸発部２４に戻される。これにより、冷暖房ユニット２８から得た熱を、蒸発部２４における凝縮水ｗの蒸発に用いることができるとともに、蒸発によって冷却された冷却対象流体ｓを冷暖房ユニット２８に供給して、夏季における冷房の効率を向上させることができる。

〔別実施形態〕
（１） 上記の実施の形態にあっては、ケミカルヒートポンプに使用する反応材の基材としては、塩化カルシウムの外、塩化マンガン、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、炭酸ナトリウム、硫酸カルシウムから選択される一種以上を挙げることができる。
塩化マンガンに対しては、水、アンモニアが本願にいう脱離反応及び水和反応を起こす気体となる。塩化マグネシウムに対しては、水、メタノール、アンモニアが本願にいう脱離反応及び水和反応を起こす気体となる。塩化ニッケルに対しては、アンモニアが本願にいう脱離反応及び水和反応を起こす気体となる。炭酸ナトリウムに対しては、水が本願にいう脱離反応及び水和反応を起こす気体となる。硫酸カルシウムに対しては、水が本願にいう脱離反応及び水和反応を起こす気体となる。なお、本願にいう、脱離反応及び水和反応とは、反応材と水が脱離・吸着（水和）する際の反応のみならず、上記のような、アンモニア、メタノールが脱離・吸着する際の反応も含まれる。
（２） 上記の実施の形態においては、排熱源として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の例を示したが、排熱が発生するものであれば如何なるものでもよい。例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の外、固体高分子形燃料電池等の燃料電池、ガスエンジン、ガスタービン等も使用できる。
また、排熱利用システムでなくても、本願のケミカルヒートポンプを利用して蓄熱された熱を熱需要に応じて利用することができる熱利用システムであれば、特に制限なく用いることができる。
（３） 上記の実施の形態にあっては、低温水の供給源としては、水道水の例を示したが、この排熱回収システムでは、蓄熱工程における凝縮部での凝縮熱回収、熱利用工程における反応器での水和反応の発生に支障がない温度の水であればよい。
従って、別途、排熱回収等により予熱された予熱水や給湯器における給湯時の熱交換により温度が低下した水も好適に使用可能である。
（４） 上記の実施の形態にあっては、流量制御手段として第１流量制御手段と第２流量制御手段とを両方設けたが、上記各反応が適切に行える状態となるのであれば、片方設ける構成若しくは全く設けない構成でもよい。また、上記の実施の形態にあっては、流量制御手段として第１流量制御手段と第２流量制御手段とを１つの流量調節ポンプにより構成したが、２つの流量調整ポンプをそれぞれ設けてもよく、流量調整ができる構成であれば、流量調整弁などでもよい。
（５） 上記の実施の形態にあっては、熱負荷として、冷暖房ユニット、給湯器を挙げたが、これ以外にも、熱を利用可能な機器、システムであれば熱負荷とすることができ、効率よく熱を供給可能である。例えば、風呂の給湯・追炊きシステムに熱を供給することもできる。

ケミカルヒートポンプを単純な構成にするとともに、ケミカルヒートポンプ、特に反応器からの放熱ロスによる熱損失を低減して、ケミカルヒートポンプの大型化の抑制、及び保温施工の簡易化、並びに迅速且つ効率的な蓄熱の利用が可能な技術を提供することができた。

本願の第１実施形態に係る熱利用システムの構成及び蓄熱工程を示す図 本願の第１実施形態に係る熱利用システムの構成及び熱利用工程を示す図 本願の第１実施形態に係るケミカルヒートポンプの詳細構成を示す図 本願の第１実施形態に係る熱利用システムの作動状態を示す図 本願の第１実施形態に係る熱利用システムの作動状態を示す図 本願の第２実施形態に係る排熱利用システムの構成を示す図 本願の第２実施形態に係る冬季における排熱利用システムの蓄熱工程の動作説明図 本願の第２実施形態に係る冬季における排熱利用システムの熱利用工程の動作説明図 本願の第２実施形態に係る排熱利用システムの熱需要時における熱供給の動作説明図 本願の第２実施形態に係る夏季における排熱利用システムの蓄熱工程の動作説明図 本願の第２実施形態に係る夏季における排熱利用システムの熱利用工程の動作説明図 従来のケミカルヒートポンプの構成及び動作説明図

符号の説明

１、２１ ケミカルヒートポンプ
２、２２ 反応器
２ａ、２２ａ プレートフィン
２ｂ、２２ｂ ヘッダー
３、２３ 凝縮部
４、２４ 蒸発部
５、２５ 密閉容器
６、２６ 貯湯タンク
７、２７ 加熱手段
８、２８ 冷暖房ユニット
９、２９ 滴下防止カバー
１００ 熱利用システム
３０ 低温水供給手段
３１ 給湯器
３１ａ 給湯用熱交換器
３２ 排熱交換器
３３ 冷却手段
３４ 制御手段
３５ 流量制御手段
３５ａ 流量調節ポンプ
２００ 排熱利用システム
ｃ 低温水
ｈ 高温水
ｍ 中温水
ｔ 加熱対象流体
ｓ 冷却対象流体
ｖ 水蒸気
ｗ 凝縮水
ＣＡ 反応材
Ａ〜Ｎ 切替弁
Ｐ ポンプ
Ｔ 温度計
ＳＯＨＣ 固体酸化物形燃料電池（排熱源）
ＢＢ バックアップボイラ

Claims (12)

1. 反応材が受熱を伴って気体を脱離する脱離反応と前記反応材が放熱を伴って前記気体を吸着する水和反応とを繰り返す反応器と、
   前記反応器を内部に収納する密閉容器とを備え、
   前記気体が加熱対象流体に放熱して前記気体を凝縮液として凝縮させる凝縮部と、前記凝縮液が冷却対象流体から受熱して前記凝縮液を前記気体として蒸発させる蒸発部とを有するとともに、
   前記密閉容器内において、底部位に前記蒸発部を配置し、底部位以外の部位に前記凝縮部を配置して構成され、
   前記蒸発部は、前記冷却対象流体が通流される伝熱管を前記密閉容器の前記底部位の内壁に沿って巡らせてなるケミカルヒートポンプ。
2. 前記凝縮部は、前記加熱対象流体が通流される伝熱管を前記密閉容器の前記底部位以外の部位の内壁に沿って巡らせてなる請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
3. 前記反応器の上部に、前記凝縮部で凝縮された前記凝縮液の前記反応材への滴下を防止する滴下防止カバーが設けられた請求項１又は２に記載のケミカルヒートポンプ。
4. 一本の伝熱管において、当該伝熱管内を前記冷却対象流体が流れる状態で一部が前記蒸発部として働き、当該伝熱管内を前記加熱対象流体が流れる状態で他部が前記凝縮部として働く請求項１〜３のいずれか一項に記載のケミカルヒートポンプ。
5. 前記凝縮部と前記蒸発部とが、それぞれ別個の伝熱管により構成され、前記凝縮部において前記伝熱管内を流れる前記加熱対象流体が加熱され、前記蒸発部において前記伝熱管内を流れる前記冷却対象流体が冷却される請求項１〜３のいずれか一項に記載のケミカルヒートポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のケミカルヒートポンプを備え、
   当該ケミカルヒートポンプにおいて、
   高温水を前記反応器に送り、前記反応材が前記高温水から受熱して前記脱離反応をする蓄熱工程と、
   低温水を前記反応器に送り、前記反応材が前記低温水に放熱して前記水和反応をする熱利用工程との間で、切換え可能に構成された熱利用システム。
7. 前記熱利用工程において、前記反応器に前記低温水を供給して、前記反応器から発生する熱を回収する熱回収動作を実行するとともに、前記熱の回収により得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されている請求項６に記載の熱利用システム。
8. 前記凝縮部と前記蒸発部とが、それぞれ別個の伝熱管により構成されている場合に、前記蓄熱工程において、前記凝縮部に前記低温水を前記加熱対象流体として供給して、前記凝縮部から発生する凝縮熱を回収する凝縮熱回収動作を実行するとともに、前記凝縮熱の回収により得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されている請求項６又は７に記載の熱利用システム。
9. 一本の伝熱管において、当該伝熱管内を前記冷却対象流体が流れる状態で一部が前記蒸発部として働き、当該伝熱管内を前記加熱対象流体が流れる状態で他部が前記凝縮部として働く場合に、前記蓄熱工程において、前記凝縮部から発生する凝縮熱を当該伝熱管を流れる流体により回収する凝縮熱回収動作を実行するとともに、さらに前記蒸発部において前記凝縮液が保有する熱を当該伝熱管を流れる流体により回収して、得られた湯水を貯湯タンクに貯湯可能に構成されている請求項６又は７に記載の熱利用システム。
10. 前記熱利用工程において、前記蒸発部における前記冷却対象流体を外部環境からの熱により加熱する加熱手段を備えた請求項６〜９のいずれか一項に記載の熱利用システム。
11. 前記反応器に供給される前記低温水、若しくは前記凝縮部に供給される前記加熱対象流体を外部環境へ熱を捨てることにより冷却する冷却手段を備えた請求項６〜１０のいずれか一項に記載の熱利用システム。
12. 前記凝縮液の温度に基づいて、前記蓄熱工程において前記凝縮部に供給される前記加熱対象流体の流量を制御する第１流量制御手段、及び、前記凝縮液の温度に基づいて、前記熱利用工程において前記反応器に供給される前記低温水の流量を制御する第２流量制御手段のいずれか一方、又は両方を備えた請求項６〜１１のいずれか一項に記載の熱利用システム。

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