JP5962357B2

JP5962357B2 - 蓄放熱装置

Info

Publication number: JP5962357B2
Application number: JP2012197572A
Authority: JP
Inventors: 阿萬　康知; 康知阿萬; 陽平志連; 祥史大場; 升澤　正弘; 正弘升澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014052146A

Description

本発明は、蓄放熱装置に関する。

近年、省エネルギーなどの観点から、ケミカルヒートポンプや吸着式冷凍装置を始めとする、廃熱などの熱源を回収して利用するための熱回収システムが注目されている。

熱回収システムは、一般的に、反応媒体と可逆的に反応する蓄熱材（以後、反応材と称する）との間で熱を交換する蓄放熱装置と、反応媒体を蒸発させる蒸発器と、反応媒体を凝縮させる凝縮器とが、開閉機構を介して接続される。また、蓄放熱装置は、一般的に、熱媒が移動する熱媒流路と、該熱媒流路と熱的に接続され、反応材を収納する反応材収納部とを有して構成される。

熱回収システムを使用して効率的に熱を回収するために、反応材と、熱媒流路と熱的に接続された反応材収納部の壁部とが常に密着していることが好ましい。しかしながら、反応材は、蓄熱及び放熱の過程で、膨張及び収縮するため、反応材と反応材収納部の壁部を常に密着させることが困難である。そのため、特許文献１などでは、バネ部材などの弾性材を使用して、反応材を反応材収納部の壁部に押し当てる技術が記載されている。

しかしながら、特許文献１の方法では、蓄放熱装置の構成が複雑であり、経済的でないという問題点を有していた。

上記課題に対して、熱交換性能に優れた、経済的な蓄放熱装置を提供することを目的とする。

熱媒が移動する熱媒流路と、
前記熱媒流路と熱的に接続され、反応媒体と可逆的に反応する反応材を収納する、反応材収納部と、
前記反応材収納部内に配置され、前記反応材収納部内の圧力に依存して膨張及び収縮し、前記の膨張時に前記反応材を前記反応材収納部の外壁に押し当てる密閉中空体と、
を有する蓄放熱装置が提供される。

本発明によれば、熱交換性能に優れた、経済的な蓄放熱装置を提供できる。

図１は、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の一例を説明するための概略図である。図２は、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の他の例を説明するための概略図である。図３は、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の他の例を説明するための概略図である。図４は、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の他の例を説明するための概略図である。図５は、本実施形態に係る蓄放熱装置の例の概略図である。図６は、本実施形態に係る密閉中空体の効果を説明するための概略図である。図７は、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図である。図８は、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図である。図９は、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図である。図１０は、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図である。

以下、図を参照して、本実施形態を説明する。

（反応材及び反応媒体）
反応材としては、反応媒体との吸脱着を可逆的に行うことができ、吸脱着の過程で固体又はゲルの形態である反応材であれば、特に限定されない。

反応媒体としては、例えば、水、アンモニア、メタノールなどを使用することができる。反応媒体として水を用いる場合、反応材としては、例えば、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化マンガン、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酢酸ナトリウム、炭酸ナトリウムなどを使用することができるが、本発明はこれに限定されない。反応媒体としてアンモニアを用いる場合、反応材としては、例えば、塩化マンガン、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、塩化バリウム、塩化カルシウムなどを使用することができる。反応媒体としてメタノールを使用する場合、反応材としては、例えば、塩化マグネシウムなどが挙げられる。

また、反応材は１種類を単独で使用しても良く、２種類以上を混合して使用しても良い。さらに、反応材間の熱伝導性を高めるために、粒状グラファイトや金属粉を混合して使用しても良い。

また、本実施形態において、反応材は粒状で使用しても良く、例えばプレス成形などにより板状にして使用しても良い。

（密閉中空体）
本実施形態における密閉中空体（密閉型中空体、中空構造体）は、蓄放熱装置が通常使用される圧力範囲内で膨張及び収縮の変形が可能であれば、特に限定されない。なお、蓄放熱装置が通常使用される圧力範囲とは、前述の反応材と反応媒体との組み合わせなどに依存する。

具体的には、密閉中空体は、金属箔などの材料を用いて作成することが好ましい。金属箔を用いて密閉中空体を製造した場合、密閉中空体の熱容量が小さく、反応媒体と反応することによって発生した熱を効率良く利用することができるため好ましい。

図１に、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の一例を説明するための概略図を示す。密閉中空体１は、例えば矩形である１対（２枚）の金属箔を、拡散接合することにより、形成することができる。図１の左図に示されるように、例えば破線の外側の金属箔の外縁部をシール部２ａとし、シール部２ａを除く部分を中空構造部２ｂとし、２対の金属箔のシール部２ａの対応する部分を、例えば拡散接合することによって、図１の右図に示される密閉中空体１を形成することができる。

また、図２に、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の他の例を説明するための概略図を示す。図２の左図において、金属箔２は、中心部が略円形に切り抜かれた略円形で構成される。図２の左図で示される金属箔２の内縁部及び外縁部をシール部２ａとし、シール部２ａを除く部分を中空構造部２ｂとし、２対の金属箔のシール部２ａの対応する部分を拡散接合することで、図２の右図に示される密閉中空体１を形成しても良い。

また、図３及びに、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法の他の例を説明するための概略図を示す。図３の左図において、金属箔２は、略コの字形で構成される。図４の左図の金属箔は、図３の金属箔が連続した構造を有する。図３及び図４の右図で示されるように、金属箔の外縁部をシール部２ａとし、シール部２ａを除く部分を中空構造部２ｂとし、２対の金属箔のシール部２ａの対応する部分を拡散接合することで、密閉中空体１を形成しても良い。

図２、図３及び図４の実施形態の密閉中空体は、後述するフィンチューブ型の蓄放熱装置を採用する場合、好ましく使用することができる。フィンチューブ型の蓄放熱装置は、通常、複数の反応材収納部が直列に配置され、その直列方向に伸び、かつ、反応材収納部の外壁の一部を形成するチューブ状の熱媒流路を有する。図２の左図の中心部の略円形は、チューブ状の熱媒流路の径に対応するように、図３及び図４の左図で示す実施形態のような密閉中空体の切り込み部３の幅は、チューブ状の熱媒流路の幅に対応するように設計されることが好ましい。

なお、密閉中空体には、気体が封入されている。気体としては、蓄放熱装置が作動する圧力、温度で気体であれば、特に限定されないが、経済的な観点から大気が好ましい。また、密閉中空体には更に、液体が封入されていても良い。液体としては、蓄放熱装置が作動する圧力、温度で気化して気体になるものであれば、特に限定されないが、経済的な観点から水が好ましい。

上記では、本実施形態に係る密閉中空体の作成方法について、具体的な例を示して説明した、本発明は、変形可能な密閉中空体を作成することができれば、上記の作成方法に限定されない。

次に、本実施形態における密閉中空体の効果について説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の密閉中空体をプレート型熱交換器に適用した実施形態について説明する。図５に、本実施形態に係る蓄放熱装置の例の概略図を示す。

本実施形態に係る蓄放熱装置１０は、熱媒（体）が移動する熱媒流路１１と、熱媒流路１１と熱的に接続される反応材収納部１２と、を有する。通常、熱媒流路１１及び反応材収納部１２は、複数箇所設けられる。

本実施形態では、１つの反応材収納部１２には、上述した密閉型中空体１と、密閉型中空体１を挟むように配置された２対の反応材１３が設置されている。本実施形態では、反応材１３は、プレス成形などの方法により、予め板状に成形されている。

図６に、本実施形態に係る密閉型中空体の効果を説明するための概略図を示す。具体的には、図６（ａ）は、反応材収納部１２が大気圧下にある場合の概略図であり、図６（ｂ）は、反応材収納部１２が減圧下にある場合の概略図である。

図６（ａ）に示すように、例えば反応材１３を交換する場合などにおいては、反応材収納部１２内は大気下にある。この場合は、反応材１３には、中空構造体１からの力が実質的に作用されない。そのため、反応材の着脱は容易に実施される。

一方、蓄放熱装置１０が減圧下で作動する場合、密閉中空体１は膨張する。この膨張力により、図６（ｂ）に示すように、反応材１３が、反応材収納部１２の外壁へと押し当てられる。これにより、蓄放熱装置１０を作動させる際に、反応材１３と熱媒流路１１との間の伝熱特性が向上する。また、反応材は、蓄熱又は放熱時に、膨張又は収縮する。従来の蓄放熱装置においては、例えば収縮時において、反応材と反応材収納部の外壁との密着性が保てないことがあった。しかしながら、本実施形態の構成を採用することにより、蓄熱及び放熱の両過程において、反応材と反応材収納部の外壁との伝熱性を十分にすることができる。また、密閉中空体１を使用する本実施形態は、密閉中空体の膨張時に密閉中空体が反応材を押す力が、反応材の広い範囲で均一になるという利点も有する。

なお、本実施形態の蓄放熱装置１０は、大気圧又は大気圧を超える圧力でも作動することができる。蓄放熱装置１０が大気圧又は大気圧を超える圧力で作動する実施形態について、具体例を挙げて説明する。一例として、１００ｋＰａの水蒸気を反応媒体として使用し、反応材として硫酸カルシウムを使用する実施形態について説明する。この場合、密閉中空体１は略大気圧と同様の環境下に置かれるため、前述した膨張に起因する押し当てる力が十分でない。しかしながら、１００ｋＰａの水蒸気を反応媒体として使用し、反応材として硫酸カルシウムを使用する場合、硫酸カルシウムと水蒸気との反応により反応材収納部１２の温度は１９０℃前後となる。そのため、密閉中空体１に密閉された気体（例えば大気）の圧力は上昇して１００ｋＰａを超えるため、密閉中空体１が膨張する。この膨張力を利用して、反応材１３を、反応材収納部１２の外壁へと押し当てることができる。なお、蓄放熱装置１０を、大気圧又は大気圧を超える圧力で作動させる場合、密閉中空体１に水などの液体を封入することが好ましい。これにより、作動環境下において水が気化するため、密閉中空体１をより容易に膨張させることができる。

密閉中空体の大きさは、反応材収納部１２及び反応材１３の容積、反応材の種類、封入する気体及び／又は液体の種類、作動圧力及び作動温度範囲などに応じて、当業者が適宜選択することができる。

上述したように、本実施形態の密閉中空体により、反応材の交換時と反応材の反応媒体との反応時などといった、圧力が異なる環境下における、膨張及び収縮を利用して、反応材の着脱の容易性と蓄放熱装置の熱交換特性とを両立することができる。

なお、図５においては、プレート型熱交換器の蓄放熱装置１０を簡略化して示した。具体的には、プレート型熱交換器は一般的に、複数の熱媒流路を集約させて熱媒の出入りを行う配管、反応材１３と反応する反応媒体の流路などを有するが、これらは簡単のために図示していない。

（第２の実施形態）
本実施形態の密閉中空体をプレート型熱交換器に適用した他の実施形態について説明する。図７に、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図を示す。

第２の実施形態の蓄放熱装置は、第１の実施形態に対して、熱媒流路の向きが９０度傾いた蓄放熱装置である。第２の実施形態の蓄放熱装置においても、第１の実施形態と同様に、反応材の着脱の容易性と蓄放熱装置の熱交換特性とを両立することができる。

なお、熱媒流路の向きは、図５や図７の向きに限定されず、例えば、図５で示される向きから０度より大きく９０度より小さい範囲の如何なる角度で傾いた熱媒流路を採用しても良い。

（第３の実施形態）
本実施形態の密閉中空体をプレート型熱交換器に適用した他の実施形態について説明する。図８に、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図を示す。

第３の実施形態の蓄放熱装置は、反応材１３として粉末状の反応材を採用している。第３の実施形態においても、密閉中空体１は、圧力が異なる環境下において膨張及び収縮することができる。密閉中空体１の膨張時には、粉末状の反応材１３が、反応材収納部１２の外壁へと押し付けられる。一方、密閉中空体１の収縮時には、この押し付ける力が解除されるため、反応材１３を容易に交換することができる。

したがって、本実施形態の密閉中空体により、圧力が異なる環境下における、膨張及び収縮を利用して、反応材の着脱の容易性と蓄放熱装置の熱交換特性とを両立することができる。

（第４の実施形態）
本実施形態の密閉中空体をフィンチューブ型熱交換器に適用した実施形態について説明する。図９に、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図を示す。

本実施形態に係る蓄放熱装置１０は、熱媒が移動するチューブ状の熱媒流路１１と、熱媒流路と熱的に接続される反応材収納部１２と、を有する。反応材収納部１２は、通常、複数の反応材収納部１２が熱媒の移動方向に配置されている。複数の反応材収納部１２は、反応材収納部１２の外壁の一部を形成し、熱媒流路１１と熱的に接続された伝熱フィン１４を介して配置される。

本実施形態においては、図３又は図４のような、チューブ状の熱媒流路１１に対応して切り欠け部３が形成された密閉中空体１を採用することが好ましい。

第４の実施形態においても、密閉中空体１は、圧力が異なる環境下において膨張及び収縮することができる。第４の実施形態では、密閉中空体１の膨張時には、反応材１３が、伝熱フィン１４へと押し付けられる。一方、密閉中空体１の収縮時には、この押し付ける力が解除されるため、反応材１３を容易に交換することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態の密閉中空体をプレート型熱交換器に適用した実施形態について説明する。図１０に、本実施形態に係る蓄放熱装置の他の例の概略図を示す。

図１０に示される第５の実施形態の蓄放熱装置は、密閉中空体１が、接続部１５を介して反応材収納部１２の外壁に熱的に接続されている以外は、第１の実施形態と同様の構成である。この実施形態において、密閉中空体１の材料は、伝熱性に優れた銅などの金属であることが好ましい。

なお、密閉中空体１の接続部１５と、反応材収納部１２とは、例えば、溶接、ロウ付けなどの手法により熱的に接続することができる。

密閉中空体１が接続部１５を介して反応材収納部１２と熱的に接続されることにより、密閉中空体１自身が伝熱機能を有する。そのため、この伝熱機能を利用して、反応材と熱交換器との間のより効率的な熱交換が達成される。

以上、上述の実施形態では、密閉中空体をプレート型熱交換器又はフィンチューブ型の熱交換器に適用した例について説明したが、本発明はこの点において限定されない。反応材収納部に収納された固体の反応材が、密閉中空体の膨張及び収縮により、効率的な伝熱特性及び交換の容易性を実現することができる、如何なる熱交換器で使用することができる。また、上述の各々の実施形態の技術的特徴は、他の実施形態の一乃至複数の技術的特徴と組み合わせて使用しても良い。

１密閉型中空体
２金属箔
３切り欠け部
１０蓄放熱装置
１１熱媒流路
１２反応材収納部
１３反応材
１４伝熱フィン
１５接続部

特開２００１−８２６９７号公報

Claims

熱媒が移動する熱媒流路と、
前記熱媒流路と熱的に接続され、反応媒体と可逆的に反応する反応材を収納する、反応材収納部と、
前記反応材収納部内に配置され、前記反応材収納部内の圧力に依存して膨張及び収縮し、前記の膨張時に前記反応材を前記反応材収納部の外壁に押し当てる密閉中空体と、
を有する蓄放熱装置。
前記密閉中空体が、前記反応材収納部に熱的に接続される、
請求項１に記載の蓄放熱装置。
前記密閉中空体の中に、前記蓄放熱装置の作動圧力での、作動温度範囲内に沸点を有する液体が封入される、請求項１又は２に記載の蓄放熱装置。
前記密閉中空体は金属箔から形成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蓄放熱装置。