JP5903976B2 - 化学蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、化学反応により蓄熱及び放熱する化学蓄熱システムに関する。

従来、アルカリ土類金属酸化物を充填した反応器、水を貯蔵する水タンク、水タンクの水を反応器に供給する水供給管、及び反応器から水を水タンクに戻す還流管からなる密閉サイクル、反応器への水の給排水を制御する水送給手段、反応器内のアルカリ土類金属水酸化物を加熱分解しアルカリ土類金属酸化物に再生する加熱手段、並びに上記水送給手段を制御しアルカリ土類金属酸化物と水との可逆反応を制御する反応制御手段を備え、アルカリ土類金属酸化物の水和反応に伴い発生する熱を利用するようにした化学発熱装置が知られている（特許文献１）。

特開平０７−１８０５３９号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、反応器を短時間で昇温させ、その後一定の放熱出力を実現する蒸気発生が困難である。即ち、反応液の供給量を増大させると、その後の低出力制御が不安定となり、反応液の供給量を減少させると、蒸発器内部のドライアウトにより出力が低下してしまう。

本発明は上記事実を考慮し、蒸発流路の反応液の液位を制御することにより、任意の要求放熱速度に対応可能な化学蓄熱システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る化学蓄熱システムは、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、媒体流路と、前記媒体流路と熱交換隔壁で鉛直方向に区画されて高さ方向に一定の断面積を有し前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路と、を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路の前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能を備えた搬送装置と、前記媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、前記蒸気の温度を検出する蒸気温度検出手段と、前記熱媒又は冷媒の温度を検出する媒体温度検出手段と、前記反応器からの要求放熱速度と、前記蒸気温度検出手段及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて前記蒸発流路における前記反応液の目標液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、反応器は、内蔵された化学蓄熱材により、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する。また、反応器と気密状態で連通され、反応液の蒸発流路を備えた蒸発・凝縮器により、反応液を蒸発させて反応器へ蒸気が供給され、反応器からの蒸気を凝縮して反応液が回収される。
また、貯留槽に貯留された反応液が、搬送装置により貯留槽から蒸発流路へ供給され、蒸発流路から貯留槽へ反応液が排出される。また、媒体供給手段により、媒体流路に、反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒が供給される。
また、制御手段により、反応器からの要求放熱速度と、蒸気温度検出手段及び媒体温度検出手段からの出力に基づいて蒸発流路における反応液の目標液位が算出され、搬送装置を制御して反応液が目標液位に制御される。

この構成とすることにより、蒸発流路の反応液が目標液位に制御され、反応器からの任意の放熱速度に対応可能な化学蓄熱システムを提供することができる。

請求項２に記載の発明に係る化学蓄熱システムは、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路の前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能を備えた搬送装置と、前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、前記蒸気の温度を検出する蒸気温度検出手段と、前記熱媒又は冷媒の温度を検出する媒体温度検出手段と、前記反応器からの要求放熱速度と、前記蒸気温度検出手段及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて前記蒸発流路における前記反応液の目標液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記反応液の目標液位を下記（１）式で算出することを特徴としている。
ｈ＝Ｑ_Ｅ／（α・ΔＴ・ｌ_ｗ） …（１）
ここに、Ｑ_Ｅ＝Ｑ_Ｒ・Ｌ／ΔＨ
ΔＴ＝Ｔ_ｍ−Ｔ_ｓ
ｈ ：反応液の目標液位（ｍ）
Ｑ_Ｅ：熱交換量（Ｗ）
Ｑ_Ｒ：放熱速度（Ｗ）
Ｌ ：反応液の蒸発潜熱（ｋＪ/ｍｏｌ）
ΔＨ：反応熱量（ｋＪ/ｍｏｌ）
α ：沸騰熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
ｌ_ｗ：蒸発流路の濡れぶち長さ（ｍ）
Ｔ_ｍ：媒体温度（℃）
Ｔ_ｓ：蒸気温度（℃）

請求項２に記載の発明によれば、反応器は、内蔵された化学蓄熱材により、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する。また、反応器と気密状態で連通され、反応液の蒸発流路を備えた蒸発・凝縮器により、反応液を蒸発させて反応器へ蒸気が供給され、反応器からの蒸気を凝縮して反応液が回収される。
また、貯留槽に貯留された反応液が、搬送装置により貯留槽から蒸発流路へ供給され、蒸発流路から貯留槽へ反応液が排出される。また、媒体供給手段により、媒体流路に、反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒が供給される。
また、制御手段により、反応器からの要求放熱速度と、蒸気温度検出手段及び媒体温度検出手段からの出力に基づいて蒸発流路における反応液の目標液位が算出され、搬送装置を制御して反応液が目標液位に制御される。
この構成とすることにより、蒸発流路の反応液が目標液位に制御され、反応器からの任意の放熱速度に対応可能な化学蓄熱システムを提供することができる。
制御手段は目標液位を（１）式で算出する。
これにより、蒸発流路における反応液の液位を制御目標とすることができ、反応液の安定供給ができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の化学蓄熱システムにおいて、前記蒸発流路への前記反応液の供給流量、及び前記蒸発流路からの排出流量を計測する反応液流量計測手段と、前記媒体流路への前記媒体の供給流量を計測する媒体流量計測手段と、
前記媒体流路における前記媒体の入口温度、及び前記媒体の出口温度を検出する媒体温度検出手段と、前記反応液流量計測手段、前記媒体流量計測手段、及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、を有することを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、制御手段が、反応液流量計測手段、媒体流量計測手段、及び媒体温度検出手段の検出結果に基づいて、搬送装置を、反応液の目標液位に制御する。これにより、反応蒸気の発生精度を高めることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の化学蓄熱システムにおいて、前記制御手段は、前記反応器からの前記要求放熱速度の増加割合が基準値以上のとき、前記要求放熱速度を用いて算出した前記目標液位を最終目標液位とし、追加供給させる前記反応液量を加えた合計反応液量から算出され、前記最終目標液位より高い前記目標液位を中間目標液位とし、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記最終目標液位の前に、前記中間目標液位に制御することを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、最終目標液位と中間目標液位の２つの液位が算出される。中間目標液位は、追加供給させる反応液量を加えた合計反応液量から算出された液位であり、追加供給させる反応液量を加えない最終目標液位より高い値となる。
制御手段は、反応液を最終目標液位の前に、中間目標液位に制御する。これにより、蒸発流路からの蒸気の発生量を低下させることなく、反応器からの放熱速度の急激な増大要求にも対応できる。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の化学蓄熱システムにおいて、前記制御手段は、前記要求放熱速度が減少したとき、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を、前記搬送装置を制御して前記貯留槽へ排出させ、前記反応液の液位を低下させることを特徴としている。

これにより、蒸発流路に貯留された反応液を蒸発流路から早急に排出でき、発生蒸気量の急激な低減要求に対応できる。

請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載の化学蓄熱システムにおいて、前記蒸発・凝縮器には蒸発凝縮温度検出手段が設けられ、前記制御手段は、前記媒体流量計測手段、前記媒体温度検出手段、及び前記蒸発凝縮温度検出手段からの出力に基づいて前記反応液の液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御することを特徴としている。

これにより、蒸発流路の液位を安定して制御することができる。

本発明は上記構成としてあるので、蒸発流路の反応液の液位を制御することにより、任意の要求放熱速度に対応可能な化学蓄熱システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る化学蓄熱システムのシステム構成を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発・凝縮器を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は水平方向断面図、（ｃ）は鉛直方向断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位と熱交換量の関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位と熱交換量の関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位と熱交換量の関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムのシステム構成を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの急激な放熱速度の増大要求に対応する際の蒸発・凝縮器を説明するための図であり、（ａ）は水位が低い現状の目標水位状態、（ｂ）は水位が最も高い中間目標水位状態、（ｃ）は増大目標となる最終目標水位状態である。 本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの急激な放熱速度の低減要求に対応する際の蒸発・凝縮器を説明するための図であり、（ａ）は水位が高い目標水位状態、（ｂ）は低減目標となる目標水位状態である。 本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの急激な放熱速度の増大要求に対応する際の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る化学蓄熱システムのシステム構成を説明するための模式図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る化学蓄熱システム１０について、図１〜図５に基づいて説明する。
図１には、本発明の第１の実施形態に係る化学蓄熱システム１０の基本構成が示され、図２には、蒸発・凝縮器１６の基本構成が示され、図３〜５には、蒸発・凝縮器１６の熱交換特性が示されている。

図１に示すように、化学蓄熱システム１０は、化学蓄熱材１４が内蔵された反応器１２を有している。化学蓄熱材１４は、例えば、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、酸化バリウム、水酸化バリウム等で形成され、脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する特性を備えている。

以下、化学蓄熱材として、アルカリ土類金属の水酸化物の１つである水酸化カルシウム（ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２）を採用した例について説明する。従って、反応器１２内では、以下に示す反応で蓄熱、放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＋ΔＨ（ｋＪ/ｍｏｌ）

ここに、ΔＨは反応熱量であり、反応器１２には、水和反応で生じた反応熱量（放熱速度）を供給先へ搬送する、図示しない搬送装置が設けられている。
反応器１２は、水和反応用の蒸気を発生させる蒸発・凝縮器１６と蒸気配管２８で接続されており、蒸気配管２８を介して蒸発・凝縮器１６から反応器１２へ蒸気が供給される。更に、蒸発・凝縮器１６は、反応器１２で発生した脱水反応時の水蒸気を凝縮させ、液体（水）にして回収する。

蒸気配管２８は、気密状態で蒸発・凝縮器１６と反応器１２を連結され、蒸気配管２８には、蒸気の流れを制御するバルブ３０が取り付けられている。
蒸発・凝縮器１６は、図２（ａ）の斜視図に示すように、中空柱状に形成され、上面の中央部には開口部７８が設けられ、開口部７８が蒸気配管２８と連結されている。

図２（ｂ）の水平方向断面図、図２（ｃ）の鉛直方向断面図に示すように、蒸発・凝縮器１６の中央部には、水（反応液）を貯留し蒸発させる蒸発流路３２が設けられ、蒸発流路３２の上部に開口部７８が形成されている。蒸発流路３２で発生した蒸気は、矢印Ｒ１方向へ移動する（図１（ｃ）参照）。蒸発流路３２の両側面には、蒸発流路３２と接して、加熱用の熱媒又は冷却用の冷媒を供給させる媒体流路３４が設けられている。

蒸発流路３２と媒体流路３４は、熱伝導率の高い材料で形成された熱交換隔壁３８で鉛直方向に区画されている。蒸発流路３２の下部には、蒸発流路３２へ水を注入するための注入管２５と、蒸発流路３２から水を排出する排出管２７が設けられている。また、媒体流路３４の下部と上部には、加熱用又は冷却用の媒体を矢印Ｒ２（図１（ｃ）参照）方向に供給させる入口管１７ａと出口管１７ｂが設けられている。

蒸発流路３２は、水を貯留する貯留槽２２と配管２５、２７で接続されている。配管２５には供給ポンプ２４が設けられ、貯留槽２２から蒸発流路３２へ水を供給する。このとき水の入口は蒸発流路３２の底面に設けられ、矢印Ｒ３で示すように、水は底面から上方へ注入される（図１（ｃ）参照）。

また、排出ポンプ２６により、蒸発流路３２に貯留された水を貯留槽２２へ排出することができる。
供給ポンプ２４と排出ポンプ２６は、いずれも回転数制御機能を備えており、回転数を増大させて水の搬送量を増大させ、回転数を減少させて水の搬送量を減少させることができる。

また、媒体流路３４は、媒体供給装置１８と配管１７ａ、１７ｂで接続されている。媒体供給装置１８は、媒体流路３４に媒体（熱媒又は冷媒）を供給させる。媒体供給装置１８が、熱媒を供給させることで、蒸発流路３２に貯留させた水を加熱して蒸発させ（図２（ａ）のＲ１参照）、冷媒を供給させることで、蒸発流路３２に送られた蒸気を凝縮させる（図２（ｂ）のＲ４参照）。

蒸発流路３２の内部には、蒸気温度を計測する温度センサ５６が設けられ、媒体流路３４の内部には、媒体温度を計測する温度センサ５８が設けられている。
温度センサ５６、５８、供給ポンプ２４及び排出ポンプ２６は、それぞれリード線３８でコントローラ３６と接続されている。
コントローラ３６には、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭが組み込まれ、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて、温度センサ５６、５８の出力から供給ポンプ２４及び排出ポンプ２６の回転数を制御する。

次に作用について説明する。
以上説明した構成とすることにより、貯留槽２２から蒸発・凝縮器１６へ供給された水は、蒸発・凝縮器１６の蒸発流路３２で、媒体流路３４の熱媒と熱交換され蒸気に変換される。生成された蒸気は、反応器１２内に充填された蓄熱材１４と反応して、反応熱量を発生させる。

このとき、蒸発流路３２に貯留させた水量を増やす（蒸発流路３２における水位を高くする。）ことで、熱交換隔壁３８における媒体流路３４との熱交換面積が増し、交換熱量を増大させることができる。

蒸発・凝縮器１６における交換熱量の制御方法について具体的に説明する。
コントローラ３６は、反応器１２からの要求放熱速度Ｑ_Ｒ（ｋＷ）に見合う熱量を反応器１２で発生させるため、水の反応熱量ΔＨ（ｋＪ/ｍｏｌ）から、反応器１２へ供給する水量を算出する。

また、算出された水量から水の蒸発潜熱量Ｌ（ｋＪ/ｍｏｌ）、温度センサ５６で検出した蒸気温度Ｔ_ｓ（℃）、温度センサ５８で検出した熱媒温度Ｔ_ｍ（℃）、蒸気温度Ｔ_ｓと熱媒温度Ｔ_ｍとの温度差ΔＴ、沸騰熱伝達率α（Ｗ／ｍ^２Ｋ）から、蒸発流路３２の必要伝熱面積を算出する。

次に、蒸発流路３２の断面積が高さ方向に一定であることから、算出された必要伝熱面積から水位（水の底面からの高さ）ｈを下式（１）で算出する。算出された水位ｈを制御目標として、供給ポンプ２４と排出ポンプ２６の回転数を制御する。

ｈ＝Ｑ_Ｅ／（α・ΔＴ・ｌ_ｗ） …（１）
ここに、Ｑ_Ｅ＝Ｑ_Ｒ・Ｌ／ΔＨ
ΔＴ＝Ｔｍ−Ｔｓ
ｈ ：水位（水の底面からの高さ）（ｍ）
Ｑ_Ｅ：熱交換量（ｋＷ）
Ｑ_Ｒ：放熱速度（ｋＷ）
Ｌ ：水の蒸発潜熱（ｋＪ/ｍｏｌ）
ΔＨ：反応熱量（ｋＪ/ｍｏｌ）
α ：沸騰熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
ｌ_ｗ：蒸発流路の濡れぶち長さ（ｍ）
Ｔ_ｍ：媒体温度（℃）
Ｔ_ｓ：蒸気温度（℃）

即ち、図３の熱交換量特性図に示すように、（１）式で表される水位ｈと熱交換量Ｑ_Ｅの関係は、傾斜した直線Ｋの上を移動する関係となり、水位ｈを高くすれば熱交換量Ｑ_Ｅは増大し、水位ｈを低くすれば熱交換量Ｑ_Ｅは減少する。
この結果、蒸発流路３２の水位ｈを制御することにより、蒸発流路３２における熱交換量Ｑ_Ｅが決定され、反応器１４の放熱速度Ｑ_Ｒを調整することができる。
ここに、図３の横軸は蒸発流路における熱交換量Ｑ_Ｅ（ｋＷ）であり、縦軸は蒸発流路における水位ｈ（ｍ）である。

続いて、反応器１２からの放熱速度Ｑ_Ｒを所定時間内に増加させる制御方法について、図１、４を用いて説明する。

コントローラ３６は、放熱時における反応器１２の昇温幅ｄＴ（Ｋ）、昇温時間ｄｔ（Ｓ）、反応器１２の顕熱（ｋＪ／Ｋ）から、所定時間における反応器１２の昇温に必要な放熱速度Ｑ_Ｒ（ｋＷ）を算出する。ここに、反応器１２の顕熱は、容器の顕熱Ｃｖ、蓄熱材１４の顕熱Ｃｒ、蒸気熱容量の顕熱Ｃｖを合計した値である。

先ず、要求放熱速度Ｑ_Ｒから、蒸発器の水位を、水位算出式（ｈ＝Ｑ_Ｒ・Ｌ／（α・ΔT・ｌｗ・ΔＨ））を用いて算出する。算出された水位ｈを蒸発器の制御目標とすることにより、所定時間内の昇温制御が可能となる。

このとき、所定時間における反応器１２の昇温に必要な放熱速度Ｑ_Ｒ（ｋＷ）を下式で算出する。
ｄＱ＝（Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｒ）ｄｔ
放熱速度Ｑ_Ｒは、ｄＱ／ｄｔから、放熱速度Ｑ_Ｒ＝Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｒとなる。
ここに、ｄＴ：放熱時における反応器の昇温幅（Ｋ）
ｄｔ：昇温時間（ｓ）
（Ｃｖ＋Ｃｓ＋Ｃｒ）：反応器の顕熱量（ｋＪ/Ｋ）

次に、算出された水量から水の蒸発潜熱量、蒸発温度５６と熱媒温度５８との温度差、沸騰熱伝達率から蒸発流路３２の必要伝熱面積を算出する。また、必要伝熱面積から蒸発流路３２における水位ｈを上述の（１）式で算出し制御目標とする。

これにより、図４の熱交換量特性図に示すように、蒸発流路３２の水位ｈを高く制御することにより、蒸発流路３２における熱交換量Ｑ_Ｅを大きくすることができる。この結果、反応器１４の放熱速度Ｑ_Ｒを大きくすることができる。

続いて、反応器１２からの放熱出力Ｑ_Ｒを一定に維持する制御方法について、図１、５を用いて説明する。
上述した方法で、一定に維持される放熱速度Ｑ_Ｒから、蒸発流路３２の目標水位ｈ（ｈ＝Ｑ_Ｒ・Ｌ/(α・ΔT・ｌｗ・ΔＨ)（ｍ））を算出する。算出された目標水位ｈに蒸発流路３２の水位を制御することにより、反応器１２からの放熱出力Ｑ_Ｒを一定に維持することができる。

これにより、図５の熱交換量特性図に示すように、蒸発流路３２の液位ｈを一定に制御することにより、蒸発流路３２における熱交換量Ｑ_Ｅを一定にすることができる。この結果、反応器１４の放熱速度Ｑ_Ｒを一定に維持することができる。

なお、本実施の形態においては、蒸発流路３２の熱交換は、いわゆるコフロータイプの熱交換器の例で説明した。しかし、これに限定されることはなく、カウンターフロタイプやクロスフロータイプの熱交換器でもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る化学蓄熱システム４０について、図６〜図９に基づいて説明する。
図６には、本発明の第２の実施形態に係る化学蓄熱システム４０の基本構成が示され、図７、８には、蒸発・凝縮器１６における蒸発流路の水位が示され、図９には、制御フロー図が示されている。

図６に示すように、第２の実施形態係る化学蓄熱システム４０は、蒸発流路３２へ供給される水量を計測する流量計を備えた供給ポンプ４８、排出ポンプ５０、媒体流路３４へ供給させる媒体の供給流量を計測する流量計４６が設けられ、媒体温度を計測する温度センサ４２、４４が媒体流路３４の入口と出口に設けられている点が第１の実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

蒸発・凝縮器７４の蒸発流路３２と貯留槽２２は、配管２５、２７で連結され、配管２５には、蒸発流路３２への供給水量を計測する機能を備えた供給ポンプ４８が接続され、配管２７には、貯留槽２２への回収流量を計測する機能を備えた供給ポンプ５０が接続されている。また、媒体供給装置１８の配管１７には、媒体流路３４へ供給させる媒体の供給流量を計測する流量計４６が設けられている。

更に、媒体流路３４には、媒体の供給（入口）温度を検出する温度センサ４２、及び媒体の回収（出口）温度を検出する温度センサ４４が設けられている。
コントローラ７６は、供給ポンプ４８、排出ポンプ５０、流量計４６、温度センサ４２、４４からの出力に基づいて、蒸発流路３２に供給する水量を調整し、蒸発流路３２に貯留された水位を制御する。

上記構成とすることにより、例えば、反応器１２の要求放熱速度の増大割合が基準値以上であっても、必要な蒸気発生量を確保できる。反応器１２からの要求放熱速度が、現在の要求放熱速度Ｑ_Ｒ１から、予め定めた単位時間当たりの変化量の基準値を超えた要求放熱速度Ｑ_Ｒ２に変化した場合について、具体的に説明する。

コントローラ７６は、基準値以内の要求放熱速度Ｑ_Ｒ１の場合には、第１の実施形態で説明した方法で目標水位ｈ_１を算出し、目標水位ｈ_１に制御する（図７（ａ）参照）。
これに対し、増大割合が基準値を超えた場合には、図９のフローチャートで示す制御を行う。

先ず、コントローラ７６は、初期条件として、図７（ａ）に示す現在の水位ｈ_１を算出し、現在の要求放熱速度Ｑ_Ｒ１を読み込む（ステップ６０）。また、現在の要求放熱速度Ｑ_Ｒ１から新たな要求放熱速度Ｑ_Ｒ２へ放熱速度を増大させるための目標応答時間Δｔ_１、Δｔ_２を設定する（ステップ６１）。

ここに、本実施形態では、最終目標水位ｈ_３と、その前に実行する中間目標水位ｈ_２の２段階の目標設定を行い制御する。Δｔ_１は、中間目標水位ｈ_２に到達するまでの時間であり、Δｔ_２は、最終目標水位ｈ_３に到達するまでの時間である（図７（ｂ）、（ｃ）参照）。

次に、反応器１２からの放熱速度要求Ｑ_Ｒ２を読み込む（ステップ６２）。次いで、放熱速度要求Ｑ_Ｒ２を確保するための中間目標水位ｈ_２を下記（２）式で算出する（ステップ６３）。なお、（２）式の計算に先立ち、下式を用いて、熱媒出口温度の予測値Ｔ_{ｍ、ｏｕｔ２}を対数平均温度で算出しておく必要がある。
ｈ_２＝Ｑ_Ｅ／（α・ΔＴ_２・ｌ_ｗ） …（２）
ここに、Ｑ_Ｅ＝Ｑ_Ｒ２・Ｌ／ΔＨ
ｃｐ_ｍ：媒体の比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）
ｃｐ_ｌ：反応液の比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）
Ａ_ｃ：蒸発流路の断面積（ｍ^２）
ρ ：反応液の密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｍ ：反応液のモル量（ｋｇ／ｍ^３）
ｈ ：水位（水の底面からの高さ）（ｍ）
Ｑ_Ｅ：熱交換量（Ｗ）
Ｑ_Ｒ：放熱速度（Ｗ）
Ｌ ：水の蒸発潜熱（ｋＪ/ｍｏｌ）
ΔＨ：反応熱量（ｋＪ/ｍｏｌ）
α ：沸騰熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
ｌ_ｗ：蒸発流路の濡れぶち長さ（ｍ）
Ｔ_ｍ：媒体温度（℃）
Ｔ_ｓ：蒸気温度（℃）

続いて、時間ｔをゼロクリアし（ステップ６４）、目標応答時間ｔ＝ｔ_１まで水位を上昇させ続ける（ステップ６５）。目標応答時間ｔ＝ｔ_１の時点で、水位が中間目標水位ｈ_２に到達したと判断する。

次に、目標応答時間ｔ＝ｔ_１に到達したか否かを判断し（ステップ６６）、目標応答時間に到達した場合には、熱媒出口温度Ｔ_{ｍ、ｏｕｔ}が目標温度Ｔ_{ｍ、ｏｕｔ３}’に到達したか否かを判断する（ステップ６７）。

続いて、図７（ｂ）に示すように、水位が中間目標水位ｈ_２に到達した状態で、熱媒出口温度Ｔ_{ｍ、ｏｕｔ}温度が上昇して目標温度Ｔ_{ｍ、ｏｕｔ３}に到達した場合には、下式（３）で最終目標水位ｈ_３を算出し、ポンプ４８、５０で水位を減少させる（ステップ６８、６９）。

ｈ_３＝Ｑ_Ｅ／（α・ΔＴ_３・ｌ_ｗ） …（３）
ここに、Ｑ_Ｅ＝Ｑ_Ｒ３・Ｌ／ΔＨ

その後、流量を一定に設定し（ステップ７０）、最終目標水位ｈ_３、要求放熱速度Ｑ_Ｒ２を維持させる（ステップ７１）。
以上説明した手順により、蒸発流路における安定した熱交換量を維持して、急激な放熱速度要求に対応できる。

本実施形態では、上述したように、図７（ａ）の現状の目標水位ｈ_１から、急激な放熱出力要求を満たすため、２段階に目標水位を設定することで対応した。この中間目標水位ｈ_２の算出方法を詳しく説明する。
中間目標水位ｈ_２は、最終目標水位ｈ_３における蒸発潜熱量に、追加供給した水の熱容量遅れ分を加算した補正蒸発潜熱量を用いて算出する（図７（ｂ）参照）。このため、中間目標水位ｈ_２の方が、最終目標水位ｈ_３より水位が高くなる。

次に、蒸発潜熱量に熱容量遅れ分を加算した補正熱量と、反応液と蒸発・凝縮器の熱交換隔壁との温度差、沸騰熱伝達率から算出される必要伝熱面積を算出する。算出された必要伝熱面積から中間目標水位ｈ_２を算出する。

このとき、基準値以上の放熱出力要求に対応させて、急激に水位ｈ_２に上昇させた場合には、供給された低温の水の流入により熱バランスが崩れ（流入水温度Ｔｏ＜蒸発温度Ｔｓのため）、蒸気生成量が一時的に低下する不具合が発生する。

このため、上述したように、内部に残留した水を流入水温度Ｔｏから蒸発温度Ｔｓまで、Δｔ_２（ｓ）時間で昇温させるのに必要な熱量分を補正した熱交換量が得られる水位ｈ_２に、一旦上昇させることにより、出力増加時における要求蒸気量を満足しながら、水位の増加に伴う内部残留水の昇温が可能となる。

即ち、熱バランス補正機能により、急激な水位増加における蒸気生成量の低下が抑制され、高応答な蒸気生成が可能となる。

また、蒸発通路に貯留された水の温度がＴｓまで回復した後には、図８（ｂ）に示すように、排出ポンプ５０により貯留された水を貯留槽２２へ回収し、要求放熱速度Ｑ_Ｒを満足する水位ｈ_３に制御する。

なお、貯留された水の貯留槽２２への回収は、本実施形態で説明した放熱速度の急激な上昇への対応時のみでなく、放熱速度を減少させる場合等にも利用できる。例えば、図８（ａ）に示す水位ｈ_３から、図８（ｂ）に示す水位ｈ_１まで排出ポンプ５０で水位を低下させればよい。これにより、放熱速度を減少させることができる。
他の構成は第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る化学蓄熱システム８０について、図１０に基づいて説明する。図１０には、本発明の第３の実施形態に係る化学蓄熱システム８０の基本構成が示されている。

図１０に示す化学蓄熱システム８０は、蒸発通路３２の内部空間における蒸気温度の検出に替えて、熱交換隔壁３８の位置で蒸発凝縮温度を検出する点で第２の実施形態に係る化学蓄熱システム４０と相違する。相違点を中心に説明する。

熱交換隔壁３８には、蒸発凝縮温度を計測する温度センサ５２が取り付けられている。また、反応液供給回収装置２０には、流量計測機能付の供給ポンプ４８、流量計測機能付の排出ポンプ５０が設けられている。また、媒体供給装置１８には、媒体流量Ｆ_ｍ（Ｋｇ／ｓ）を計測する流量計４６、媒体の出入口温度を計測する入口温度計４２、出口温度計４４が設けられている。

供給ポンプ４８からの供給水量をＦ_Ｌ、in（ｍｏｌ／ｓ）、排出ポンプ５０からの排出水量Ｆ_{Ｌ、ｏｕｔ}（ｍｏｌ／ｓ）とする。

本構成とすることにより、コントローラ５４は、媒体入口温度Ｔ_ｍ、in、媒体出口温度Ｔ_ｍ、out、蒸発器内部温度（Ｔ_ｗ（℃）から、蒸発器内部の残留液量Ｖ_Ｌ（ｍｏｌ）を算出し、下記（４）式から、水位ｈ（ｔ）を求めることができる。

ｈ（ｔ）＝Ｍ・Ｖ_Ｌ（ｔ）／ρ・Ａ_Ｃ …（４）
ここに
Ｑ_ｍ（τ）＝Ｆ_ｍ・Ｃｐ_ｍ（τ）・（Ｔ_{ｍ，ｏｕｔ}（τ）−Ｔ_ｍ，ｉｎ（τ））
Ｑ_ｖ（τ）＝Ｃ・ΔＴ_ｗ（τ）／Δτ
Ｑ_ｌ（τ）＝Ｖ_Ｌ（τ）・Ｃｐ_Ｌ（τ）・ΔＴ_ｗ（τ）／Δτ
Ｃｐ_ｍ：媒体の比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）
Ｃｐ_ｌ：反応液の比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）
Ｃ ：蒸発・凝縮器の熱容量（ｋＪ／Ｋ）
ΔＴ_ｗ（τ）／Δτ：蒸発・凝縮器温度の時間変化（Ｋ／ｓ）
Ｌ ：反応液の蒸発潜熱（ｋＪ/ｍｏｌ）
Ａ_ｃ：蒸発流路の断面積（ｍ^２）
ρ ：反応液の密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｍ ：反応液のモル量（ｋｇ／ｍ^３）
ΔＰ（Ｔ_ｗ）／Δτ：内部圧力の時間変化（Ｐａ／ｓ）
Ｐ（Ｔ_ｗ）：温度Ｔ_ｗにおける飽和蒸気圧（Ｐａ）
Ｖ_Ｔ：蒸発・凝縮器、蒸気配管、反応器蒸気通路全容積（ｍ^３）
Ｒ ：気体定数（Ｊ/（ｍｏｌ・Ｋ））
Ｔ_Ｗ：蒸気・凝縮器温度（℃）

即ち、蒸発流路３２の内部に残留した水量をＶ_Ｌ（ｍｏｌ）とし、蒸発流路３２の断面積をＡｃ（ｍ^２）とすると、内部の水位ｈ＝Ｍ・Ｖ_Ｌ/(ρ・Ａｃ) となる。ここに、Ｍは反応液の分子量（ｇ/ｍｏｌ）であり、ρは反応液の密度（ｋｇ/ｍ^３）である。

以上説明したように、本実施形態では、蒸発流路３２への供給水量、蒸発流路３２からの排出水量を制御することにより、算出された蒸発流路３２の水位を一定に制御することができ、反応器１２からの所定の放熱速度Ｑ_Ｒ（ｋＷ）を確保することができる。
他の構成は第２の実施形態と同じであり、説明は省略する。

１０、４０、８０ 化学蓄熱システム
１２ 反応器
１４ 化学蓄熱材
１６、７４、８６ 蒸発・凝縮器
１７、４２、９６、１０２ ダクト（搬送路）
１８ 媒体供給装置（媒体供給手段）
２２ 貯留槽
２４ 供給ポンプ（搬送装置）
２６ 排出ポンプ（搬送装置）
３２ 蒸発流路
３４ 媒体流路
３６、７６、８６ コントローラ（制御手段）
４２ 媒体入口温度センサ（媒体温度検出手段）
４４ 媒体出口温度センサ（媒体温度検出手段）
４６ 媒体流量計（媒体流量計測手段）
４８ 供給ポンプ（搬送装置、反応液流量計測手段）
５０ 排出ポンプ（搬送装置、反応液流量計測手段）
５６ 蒸気温度センサ（蒸気温度検出手段）
５８ 媒体温度センサ（媒体温度検出手段）

Claims (6)

1. 加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
   媒体流路と、前記媒体流路と熱交換隔壁で鉛直方向に区画されて高さ方向に一定の断面積を有し前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路と、を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、
   前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路の前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能を備えた搬送装置と、
   前記媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、
   前記蒸気の温度を検出する蒸気温度検出手段と、
   前記熱媒又は冷媒の温度を検出する媒体温度検出手段と、
   前記反応器からの要求放熱速度と、前記蒸気温度検出手段及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて前記蒸発流路における前記反応液の目標液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、
   を有する化学蓄熱システム。
2. 加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
   前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、
   前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路の前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能を備えた搬送装置と、
   前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は反応蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、
   前記蒸気の温度を検出する蒸気温度検出手段と、
   前記熱媒又は冷媒の温度を検出する媒体温度検出手段と、
   前記反応器からの要求放熱速度と、前記蒸気温度検出手段及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて前記蒸発流路における前記反応液の目標液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記反応液の目標液位を下記（１）式で算出する化学蓄熱システム。
   ｈ＝Ｑ_Ｅ／（α・ΔＴ・ｌ_ｗ） …（１）
   ここに、Ｑ_Ｅ＝Ｑ_Ｒ・Ｌ／ΔＨ
   ΔＴ＝Ｔ_ｍ−Ｔ_ｓ
   ｈ ：反応液の目標液位（ｍ）
   Ｑ_Ｅ：熱交換量（Ｗ）
   Ｑ_Ｒ：放熱速度（Ｗ）
   Ｌ ：反応液の蒸発潜熱（ｋＪ/ｍｏｌ）
   ΔＨ：反応熱量（ｋＪ/ｍｏｌ）
   α ：沸騰熱伝達率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）
   ｌ_ｗ：蒸発流路の濡れぶち長さ（ｍ）
   Ｔ_ｍ：媒体温度（℃）
   Ｔ_ｓ：蒸気温度（℃）
3. 前記蒸発流路への前記反応液の供給流量、及び前記蒸発流路からの排出流量を計測する反応液流量計測手段と、
   前記媒体流路への媒体の供給流量を計測する媒体流量計測手段と、
   前記媒体流路における前記媒体の入口温度、及び前記媒体の出口温度を検出する媒体温度検出手段と、
   前記反応液流量計測手段、前記媒体流量計測手段、及び前記媒体温度検出手段からの出力に基づいて、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段と、
   を有する請求項１又は２に記載の化学蓄熱システム。
4. 前記制御手段は、前記反応器からの前記要求放熱速度の増加割合が基準値以上のとき、前記要求放熱速度を用いて算出した前記目標液位を最終目標液位とし、追加供給させる反応液量を加えた合計反応液量から算出され、前記最終目標液位より高い前記目標液位を中間目標液位とし、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記最終目標液位の前に、前記中間目標液位に制御する請求項３に記載の化学蓄熱システム。
5. 前記制御手段は、前記要求放熱速度が減少したとき、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を、前記搬送装置を制御して前記貯留槽へ排出させ、前記反応液の液位を低下させる請求項３又は４に記載の化学蓄熱システム。
6. 前記蒸発・凝縮器には蒸発凝縮温度検出手段が設けられ、
   前記制御手段は、前記媒体流量計測手段、前記媒体温度検出手段、及び前記蒸発凝縮温度検出手段からの出力に基づいて前記反応液の液位を算出し、前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する請求項３〜５のいずれか１項に記載の化学蓄熱システム。