JP5531334B2

JP5531334B2 - ケミカルヒ−トポンプコンテナ

Info

Publication number: JP5531334B2
Application number: JP2006195094A
Authority: JP
Inventors: 裕直小倉
Original assignee: 国立大学法人千葉大学
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: JP2008025853A

Description

本発明は、ケミカルヒ−トポンプコンテナに関する。

近年、工場や発電所等からの廃熱および未利用熱を有効利用することが、化石燃料の使用を抑え、資源・エネルギ−問題等の観点から進められている。特に、蓄熱によるヒ−トポンプは、省エネルギ−効果が高く、ＣＯ_２の発生が少ないため、有効利用するシステムが提案されている。中でも化学蓄熱によるヒ−トポンプは、可逆的な化学変化を利用し、排熱等を高密度に長期間ロスが少なく蓄え、高温熱だけでなく冷熱を生成できる点で、その他の蓄熱方法より注目を集めている。

公知の化学蓄熱方式のケミカルヒ−トポンプの例として、例えば下記特許文献１には、ＣａＯを充填した反応器と水を蒸発又は凝縮させる蒸発凝縮器が熱交換部で連結されたＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２系のケミカルヒ−トポンプが提案されている。これにより、温・冷熱を反応器及び蒸発凝縮器内部から外部へ取り出すことができ、さらに、ＣａＯとＨ_２Ｏが一定速度で反応することで、一定温度の温冷熱を同時に外部へ連続的に出力することができる。

特開平１０−８９７９９号公報

しかしながら、上記従来の方法では、反応部内にコイル状に巻かれた熱交換部または蓄熱用ヒ−タ−が設置されていたため、ケミカルヒ−トポンプ自体を小型化し車両で搬送することを阻害していたという課題があった。

また、従来の技術に使用されていた蓄熱材には、固体反応粒子を用いるため、反応部の伝熱性能が低いにもかかわらず、熱交換率を高めるための工夫が少なく、熱源から得られた熱を効率良く熱交換することに対して課題が残されていた。

そこで、本発明の目的は、小型化をして車輌で搬送することができ熱交換率の高いケミカルヒ−トポンプコンテナを提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意研究した結果、次の点に着目して本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明の一形態に係るケミカルヒ−トポンプコンテナ（以下、本コンテナという。）は、蓄熱材を充填した化学蓄熱反応器を有し、蓄熱時には温熱流体を加えることで吸熱反応により蓄熱し、放熱時には反応熱により温熱流体を発生する反応部と、溶液を充填した蒸発凝縮器を有し、蓄熱時には凝縮熱による温熱流体を発生し、放熱時には蒸発潜熱による冷熱流体を発生する蒸発凝縮部と、前記化学蓄熱反応器と前記蒸発凝縮器とを接続するパイプおよびバルブと、外部と熱交換のための流体導入出口と、前記化学蓄熱反応器と前記蒸発凝縮器と前記パイプと前記バルブと前記流体導入出口とを有するコンテナを有する。

また、この形態における化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、特段限定されるわけではないが、柱状または球状であることが望ましい。

また、この形態におけるコンテナは、特段限定されるわけではないが、柱状であることが望ましい。

また、この形態における化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、特段限定されるわけではないが、下記の反応を用いることが望ましい。
（Ｍ・Ｈ_２Ｏは水和物であり、Ｍは限定されないが、例えばＣｕＳＯ_４でもＣａＣｌ_２でもよい。）

また、この形態における化学蓄熱反応器は、特段限定されるわけではないが、下記の反応を用いることが望ましい。

また、この形態における化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、特段限定されるわけではないが、下記の反応を用いることが望ましい。
（Ｎ（ＯＨ）_２は水酸化物であり、Ｎは限定されないが、例えばＣａでもＭｇでもよい。）

また、この形態における蒸発凝縮器は、特段限定されるわけではないが、下記の反応を用いることが望ましい。

以上のように構成された本発明により、搬送できるほど小型化しても熱交換率の高い新規なケミカルヒ−トポンプコンテナを提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態に関るケミカルヒ−トポンプコンテナ（以下、「本コンテナ」という。）を、図面を用いて説明する。なお、温熱とは常温より高い温度の熱を示し、冷熱とは０℃付近の熱源より低い温度の熱を示すものとする。また、本明細書においては同一または同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施形態１）

図１は、本コンテナの概略構造を示す図である。図１で示すとおり、本コンテナは、コンテナ１、反応部２、蒸発凝縮部３、パイプ４、断熱壁５、バルブ６、高温流体導入口７、低温流体導入口８、高温流体導出口９、低温流体導出口１０を少なくとも有して構成されている。

コンテナ１は、形状は直方体状が好ましく、道路輸送の重量規制が２５ｔ以下であること、及び蓄熱材の比重を考慮すると、最大コンテナ容積は２５ｍ^３程度が望ましい。材質は、耐圧性を有するものが望ましく、特に限定されるわけではないが、ステンレスが好ましい。

図２は、本コンテナの内部構造を示す図である。本コンテナ内部は、反応部２と、蒸発凝縮部３を断熱壁５が分けており、バルブ６を有するパイプ４が断熱壁５の上部を通るように接続されている。反応部２は化学蓄熱反応器２１の集合であり、凝縮部３は蒸発凝縮器３１の集合である。

断熱壁５は、反応部２と蒸発凝縮部３とを分け、熱を遮断するものであり、特段限定はされないが、ロックウ−ル等を内蔵する多層壁が望ましい。

反応部２は、蓄熱時には高温流体導入口７から流体を供給することで化学的反応を用いて蓄熱し、放熱時には放熱反応により高温流体に温熱を供給する役割を担う。ここで、流体とは、熱源から熱回収した流体のことをいい、特に限定されないが、高温流体導入口７を通ることができれば液体でも気体でもよい。液体である場合は、汎用性を考慮すれば水系が望ましい。また、より高温の温熱を得たいときには、油系が望ましい。蒸発凝縮部３は、低温流体導入口８から流体を供給することで、蓄熱時には凝縮熱により低温流体に温熱を供給し、放熱時には水の蒸発潜熱により低温流体に冷熱を与える役割を担う。

図３は、化学蓄熱反応器２１と蒸発凝縮器３１とパイプ４のより詳細な構造とその反応系を示す図である。化学蓄熱反応器２１と蒸発凝縮器３１とをパイプ４が結んでおり、化学蓄熱反応器２１と蒸発凝縮器３１とパイプ４で一つの反応系を構成している。また、化学蓄熱反応器２１内には化学蓄熱材１１を封入している。なお、本コンテナが直方体であるときは化学蓄熱反応器２１、蒸発凝縮器３１ともに柱状であることが望ましい。

化学蓄熱材１１はＣａ（ＯＨ）_２やＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ等の反応粒子であり、その半径は特に限定はされないが、１．００×１０^−３[ｍ]程度であることが望ましい。化学蓄熱反応器２１内部には化学蓄熱材１１が最密充填状態で含まれており、反応によって得られたＨ_２Ｏガス（後述）は、パイプ４を通って蒸発凝縮器へと移動する。

図４は、本コンテナを車両に搭載し、熱源地、需要地間の輸送を示す図である。蓄熱過程では熱源地で廃熱を回収し、輸送手段を介して、需要地で放熱を行う。本コンテナの輸送手段は特に限定されることはなく、例えば鉄道、船にも積載し、輸送することができる。

以下、本コンテナにおける蓄熱過程、蒸発凝縮過程を、図５を用いて示す。
図５（Ａ）は蓄熱過程を示す図である。蓄熱過程では、反応部２内の化学蓄熱反応器２１を高温流体が通過することで、化学蓄熱材１１に高温熱が加わり脱水反応を起こし、熱が蓄えられＨ_２Ｏガスが生成される。化学蓄熱反応器２１内のＨ_２Ｏガスは、パイプ４に付属するバルブ６を開くことで気圧差により蒸発凝縮部３内の蒸発凝縮器３１へと移動する。さらに、Ｈ_２Ｏガスは熱交換部４を通って蒸発凝縮器３１内で凝縮して水となり、凝縮熱を放出する。

図５（Ｂ）は、放熱過程を示す図である。放熱過程では、バルブ６を開くことで気圧差により蒸発凝縮器３１内のＨ_２Ｏが蒸発する。この際蒸発潜熱は冷熱として利用される。発生した蒸気は化学蓄熱反応器２１内で水和反応を起こし、反応熱を発生させる。なお、放熱過程においては自然発生的に水が蒸発するときの蒸発潜熱を利用してもよい。

なお、実施形態１における化学蓄熱反応器２１内および蒸発凝縮器３１内での反応は下記反応式であることを特徴とする。
（Ｍ・Ｈ_２Ｏは水和物であり、Ｍは限定されないが、例えばＣｕＳＯ_４でもＣａＣｌ_２でもよい。）

また、熱源温度を１２０℃程度とし、化学蓄熱材１１にＣａＳＯ_４を使用してもよい。ＣａＳＯ_４を使用したときの化学蓄熱反応器２１内および蒸発凝縮器３１内の化学反応式は以下の通りである。

また、熱源温度を４００℃程度とし、化学蓄熱材１１にＣａ（ＯＨ）_２を使用してもよい。Ｃａ（ＯＨ）_２を使用したときの化学蓄熱反応器２１内および蒸発凝縮器３１内の化学反応式は以下のとおりである。

以上、本実施形態に係るケミカルヒ−トポンプコンテナによると、搬送できるほど小型化しても熱交換率の高いケミカルヒ−トポンプコンテナを提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態におけるケミカルヒ−トポンプコンテナ（以下、本コンテナという。）は、実施形態１とほぼ同様であるが、図６が示すとおり、コンテナの形状が円柱状であり、化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１が球状であることを特徴とする。

図７（Ａ）は、本実施形態における化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１の概観を示す図であり、図７（Ｂ）は本実施形態における化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１の内部構造を示す図である。化学蓄熱反応器２１と蒸発凝縮器３１を合わせたものを１ユニットとして考え、化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１はパイプ４でつながれている。化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１が球状である場合、化学蓄熱反応器２１および蒸発凝縮器３１の半径は、特に限定はされないが、６．００×１０^−２[ｍ] 程度であることが望ましく、体積は９．０５×１０^−４[ｍ^３] 程度であることが望ましい。また、化学蓄熱材１１の体積比により蒸発凝縮器３１１つに対する化学蓄熱反応器２１の数を設定することとし、ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ：１／２Ｈ_２Ｏ＝１６：１、Ｃａ（ＯＨ）_２：Ｈ_２Ｏ＝４：１であるので、１つの蒸発凝縮器に対してＣａＳＯ_４は１６個、ＣａＳＯ_４系は４個の化学蓄熱反応器１０がパイプ４によって結合されている。

なお、この化学蓄熱反応器２１と蒸発凝縮器３１とパイプ４は耐熱性を必要とし、例えば、金属または樹脂でできていることが望ましい。

図８は、本コンテナをトラックに車載したときを示す図である。本コンテナが、円柱状である場合、トラックに搭載するため、トラックとコンテナとの接合面の両脇に枠１２があることが望ましい。

（実施例１）
次に、本発明に係る第１の実施例について、基礎実験結果に基づきシミュレ−ションを踏まえ具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
図９は、１２０℃蓄熱過程の化学蓄熱材１１の温度変化を示す図である。化学蓄熱材１１にはＣａＳＯ_４を使用し、比較対象として従来の顕熱蓄熱、潜熱蓄熱を参照した。２９３[Ｋ]から加熱を開始したとき、３７３[Ｋ]に達するまでに、顕熱蓄熱では３０分程度、潜熱蓄熱では４０分以上要することに対し、本コンテナでは８分程度であることが確認できた。

図１０は、１ヶ月の１２０℃輸送過程の化学蓄熱材１１の蓄熱量変化を示す図である。蓄熱量で比べてみると、１日では各蓄熱方法とも熱ロスが小さいが、輸送に長時間かかる場合、顕熱・潜熱の蓄熱量は次第に下降することが確認でき、一方で、化学蓄熱を使う本コンテナの場合、顕熱蓄熱量分は同様に次第に下降するが、化学反応熱がロスしないため、熱ロスが小さいことが確認できた。１ヶ月間輸送した場合、それぞれの蓄熱量に対する熱ロスの割合は、顕熱蓄熱６８．７％、潜熱蓄熱４３．２％であることに対して、化学蓄熱３２．５％であることが確認できた。

（実施例２）
次に、本発明に係る第２の実施例について基礎実験結果に基づきシミュレ−ションを踏まえ具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
図１１は４００℃放熱過程の熱交換量の時間変化のグラフを示す図である。従来の化学蓄熱では蓄熱量が小さいので放熱時間は短くなるが、本コンテナでは蓄熱密度が大きいため、熱交換にかかる時間が長く、熱交換量が大きいことが確認できた。

以上から、本コンテナは、１２０℃の蓄熱では、顕熱、潜熱蓄熱に比べると蓄熱に要する熱量は小さいが、蒸発凝縮熱を考慮すると、最終的に利用できる熱量は顕熱、潜熱蓄熱量より大きくなることが確認できた。さらに本コンテナでは、顕熱蓄熱や潜熱蓄熱では不可能な冷熱を発生できることが確認できた。また、顕熱蓄熱や潜熱蓄熱では不可能な４００℃という高温の熱を蓄熱することも出来て、この場合は、顕熱蓄熱や潜熱蓄熱よりはるかに大きな熱量を蓄熱、輸送、放熱することができることが確認できた。１日では輸送時の蓄熱量に大きな変化は見られないが、１ヶ月を超える期間輸送するとき、顕熱・潜熱蓄熱では下降することに対して、化学蓄熱を使う本コンテナの場合には下降せず、熱ロスが少ないことがわかることが確認できた。以上から、上記課題を解決することがきる。

以上説明したように、本発明は、課題を解決し、効果も期待できる。また、長期輸送するとき熱ロスが小さいため、熱の需要量が多い場所へ輸送し、利用することができ、極めて有用である。また、熱供給地域においては、別途にヒ−トポンプ等を必要とせずに本コンテナ自身のケミカルヒ−トポンプ機能用いて、温水供給やスチ−ム供給、冷水供給を行うこともできる。

実施形態１に係るコンテナの概略構造図である。実施形態１に係るコンテナの内部構造を示す図である。実施形態１に係るコンテナの反応系を示す図である。実施形態１に係るコンテナの熱源、需要地間の輸送を示す図である。実施形態１に係るコンテナの蓄熱過程、蒸発凝縮過程を示す図である。実施形態２に係るコンテナの概略構造図である。実施形態２に係るコンテナの化学蓄熱層を示す図である。実施形態２に係るコンテナを車載したときの図である。実施例１に係るコンテナの化学蓄熱材の温度変化を示す図である。実施例１に係るコンテナの化学蓄熱材の蓄熱量変化を示す図である。実施例２に係るコンテナの熱交換量の時間変化を示す図である。

符号の説明

１・・・コンテナ
２・・・反応部
２１・・・化学蓄熱反応器
３・・・蒸発凝縮部
３１・・・蒸発凝縮器
４・・・パイプ
５・・・断熱壁
６・・・バルブ
７・・・高温流体導入口
８・・・低温流体導入口
９・・・高温流体導出口
１０・・・低温流体導出口
１１・・・化学蓄熱材
１２・・・枠

Claims

蓄熱材を充填した化学蓄熱反応器を有する反応部と、
Ｈ_２Ｏを収納する蒸発凝縮器を有する蒸発凝縮部と、
前記反応部と前記蒸発凝縮部を分け、熱を遮断する断熱壁と、
前記化学蓄熱反応器と前記蒸発凝縮器とを接続するパイプおよびバルブと、
前記反応部、前記蒸発凝縮部、前記パイプ及びバルブ、前記断熱壁、前記反応部に対し高温流体を供給する高温流体導入口及び前記反応部から前記高温流体を導出する高温流体導出口、並びに、前記蒸発凝縮部に対し低温流体を供給する低温流体導入口及び前記蒸発凝縮部から前記低温流体を導出する低温流体導出口、を有する柱状のコンテナと、を有し、
前記コンテナ内部は、前記反応部、前記蒸発凝縮部、前記パイプ及びバルブ、前記断熱壁、及び、前記高温流体又は前記低温流体によって充填され、
前記化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、下記式のいずれかの反応を用い、
（Ｍ・Ｈ _２Ｏは水和物であり、Ｍは限定されないが、例えばＣｕＳＯ _４でもＣａＣｌ _２でもよい。）
（Ｎ（ＯＨ） _２は水酸化物であり、Ｎは限定されないが、例えばＣａでもＭｇでもよい。）
熱源地における蓄熱時には、前記高温流体導入口から前記高温流体を供給し、前記反応部における前記蓄熱材に高温熱を加えて脱水反応を起こしＨ_２Ｏガスを生成させ蓄熱する一方、前記低温流体を前記低温流体導入口から供給し、前記蒸発凝縮器内で前記Ｈ_２Ｏガスを凝縮させて凝縮熱を放出し、
需要地における放熱時には、前記蒸発凝縮器内でＨ_２Ｏを蒸発させて前記低温流体に冷熱を供給し前記低温流体導出口から前記低温流体を導出し、前記蓄熱材とＨ_２Ｏを反応させて前記高温流体に温熱を供給して前記高温流体を前記高温流体導出口から導出する、熱源地と需要地間の熱輸送を行うケミカルヒートポンプコンテナ。
前記化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、柱状であることを特徴とする請求項１記載のケミカルヒ−トポンプコンテナ。
前記化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、球状であることを特徴とする請求項１記載のケミカルヒ−トポンプコンテナ。
前記化学蓄熱反応器は、下記の反応を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のケミカルヒ−トポンプコンテナ。
前記化学蓄熱反応器は、下記の反応を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のケミカルヒ−トポンプコンテナ。
前記蒸発凝縮器は、下記の反応を用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のケミカルヒ−トポンプコンテナ。
蓄熱材を充填した化学蓄熱反応器を有する反応部と、
Ｈ_２Ｏを収納する蒸発凝縮器を有する蒸発凝縮部と、
前記反応部と前記蒸発凝縮部を分け、熱を遮断する断熱壁と、
前記化学蓄熱反応器と前記蒸発凝縮器とを接続するパイプおよびバルブと、
前記反応部、前記蒸発凝縮部、前記パイプ及びバルブ、前記断熱壁、前記反応部に対し高温流体を供給する高温流体導入口及び前記反応部から前記高温流体を導出する高温流体導出口、並びに、前記蒸発凝縮部に対し低温流体を供給する低温流体導入口及び前記蒸発凝縮部から前記低温流体を導出する低温流体導出口、を有する柱状のコンテナと、を有し、
前記コンテナ内部は、前記反応部、前記蒸発凝縮部、前記パイプ及びバルブ、前記断熱壁、及び、前記高温流体又は前記低温流体によって充填され、
前記化学蓄熱反応器または蒸発凝縮器は、下記式のいずれかの反応を用い、
（Ｍ・Ｈ _２Ｏは水和物であり、Ｍは限定されないが、例えばＣｕＳＯ _４でもＣａＣｌ _２でもよい。）
（Ｎ（ＯＨ） _２は水酸化物であり、Ｎは限定されないが、例えばＣａでもＭｇでもよい。）
熱源地における蓄熱時には、前記高温流体導入口から前記高温流体を供給し、前記反応部における前記蓄熱材に高温熱を加えて脱水反応を起こしＨ_２Ｏガスを生成させ蓄熱する一方、前記低温流体を前記低温流体導入口から供給し、前記蒸発凝縮器内で前記Ｈ_２Ｏガスを凝縮させて凝縮熱を放出し、
需要地における放熱時には、前記蒸発凝縮器内でＨ_２Ｏを蒸発させて前記低温流体に冷熱を供給し前記低温流体導出口から前記低温流体を導出し、前記蓄熱材とＨ_２Ｏを反応させて前記高温流体に温熱を供給して前記高温流体を前記高温流体導出口から導出する、熱源地と需要地間の熱輸送を行うケミカルヒートポンプコンテナを載せた車両。