JP5982309B2 - 化学蓄熱空調システム - Google Patents

Description

本発明は、化学蓄熱材が内蔵された反応器を利用して空調を行う化学蓄熱空調システムに関する。

車両等における空調システムを構成する際には、エアコンディショナを用いる以外にも、化学蓄熱材が充填された反応器を用い、化学蓄熱材に蓄熱した潜熱を利用することが行われている。
例えば、特許文献１の車両用化学蓄熱システムにおいては、化学蓄熱材が内蔵された反応器を用いて、加熱対象を加熱することが開示されている。この車両用化学蓄熱システムにおいては、車両の走行時に、車両に搭載された内燃機関の排気熱により、反応器における化学蓄熱材の脱水反応を行って蓄熱しておく。そして、車両始動時に、化学蓄熱材に水蒸気を供給して、この化学蓄熱材の水和反応を行い、このときに生じる熱によって加熱対象を加熱している。この車両用化学蓄熱システムによれば、長期間に亘って安定的に蓄熱でき、かつ高温が要求される加熱対象の加熱を可能としている。また、車両用化学蓄熱システムとしては、特許文献１以外にも、例えば特許文献２に開示されたものがある。

特開２００９−２５７２５４号公報 特開２０１１−２３７１０６号公報

しかしながら、従来の化学蓄熱システムにおいては、反応器における化学蓄熱材の脱水反応時に残存する熱を有効に活用することができていない。すなわち、特許文献１，２等においては、反応器から脱水される水（水蒸気）は水タンクに回収されるだけであり、脱水反応後に反応器に残る顕熱を回収する工夫はなされていない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、化学蓄熱材の脱水反応後に、反応器に残存する顕熱を有効に蓄熱することができ、化学蓄熱材の水和反応時に、空気の温度調整を適切に行うことができる化学蓄熱空調システムを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
該反応器と熱交換可能な熱交換器と、
上記反応器と接続され、上記化学蓄熱材の水和反応に用いられる水を蒸発させるとともに上記化学蓄熱材の脱水反応によって生じる水を凝縮させるための蒸発・凝縮手段と、
該蒸発・凝縮手段と上記熱交換器とに別々に接続され、上記水和反応に用いられる水及び上記脱水反応によって生じる水を貯めることができ、かつ上記熱交換器と熱交換可能な熱交換型水タンクと、
上記反応器及び上記熱交換器に接触させる空気を通過させるよう構成された空調配管と、を備え、
上記化学蓄熱材の脱水反応時には、凝縮器として機能する上記蒸発・凝縮手段を経由して上記熱交換型水タンクに水を回収し、
上記化学蓄熱材の脱水反応完了後には、上記反応器に残存する熱を、上記熱交換器を経由して上記熱交換型水タンクに蓄熱し、
上記化学蓄熱材の水和反応時には、上記熱交換型水タンクに回収した水を蒸発器として機能する上記蒸発・凝縮手段を経由して上記反応器へ供給する際に、該熱交換型水タンクに蓄熱した熱を上記蒸発器の熱源として用い、かつ、上記化学蓄熱材の水和反応によって生じる熱を用いて、上記空調配管を通過して上記反応器及び上記熱交換器に接触する空気の温度調整を行うよう構成されていることを特徴とする化学蓄熱空調システムにある（請求項１）。

上記化学蓄熱空調システムにおいては、化学蓄熱材の脱水反応完了直後に反応器に残された顕熱を有効に利用する工夫をしている。
具体的には、化学蓄熱空調システムにおいては、反応器と熱交換可能な熱交換器と、熱交換器及び蒸発・凝縮手段と熱交換可能な熱交換型水タンクとを用いる。
そして、化学蓄熱材の脱水反応完了後には、化学蓄熱材の脱水反応時に反応器に残存する熱を熱交換器を経由して熱交換型水タンクに蓄熱する。これにより、反応器に残存する顕熱を有効に蓄熱することができる。また、水和反応時の反応温度よりも高温に、脱水反応によって加熱された反応器を、迅速に適切な温度まで低下させることができる。

また、化学蓄熱材の水和反応時には、熱交換型水タンクに蓄熱した熱を、蒸発器として機能する蒸発・凝縮手段の熱源として用いる。これにより、蒸発器に必要となる熱源を容易に確保することができる。また、水和反応時には、熱交換型水タンクへの蓄熱によって反応器の温度が適切な温度まで低下している。そのため、化学蓄熱材の水和反応によって生じる熱を用いて空調配管を通過する空気の温度調整を行う際に、反応器に接触する空気が過剰に加熱されてしまうことを防止することができる。これにより、空気の温度調整を大きな温度変動を伴うことなく適切に行うことができる。

それ故、上記化学蓄熱空調システムによれば、化学蓄熱材の脱水反応後に、反応器に残存する顕熱を有効に蓄熱することができ、化学蓄熱材の水和反応時に、空気の温度調整を適切に行うことができる。

実施例にかかる、化学蓄熱材の脱水反応を行う状態の化学蓄熱空調システムを示す説明図。 実施例にかかる、化学蓄熱材の脱水反応直後において熱交換型水タンクに蓄熱を行う状態の化学蓄熱空調システムを示す説明図。 実施例にかかる、化学蓄熱材の水和反応を行う状態の化学蓄熱空調システムを示す説明図。

上述した化学蓄熱空調システムにおける好ましい実施の形態につき説明する。
上記化学蓄熱材の脱水反応完了直後とは、化学蓄熱材の脱水反応が完了した後、水和反応を行うまでの間の時間のことをいう。
上記化学蓄熱空調システムにおいては、上記熱交換器と上記熱交換型水タンクとは、該熱交換型水タンク内の水を該熱交換器との間で循環させるための循環経路によって接続されており、該循環経路には、水の圧力を高めて、上記熱交換型水タンクにおける飽和蒸気温度を高めるためのポンプが設けられていてもよい（請求項２）。
この場合には、熱交換型水タンクにおける飽和蒸気温度を高めることによって、熱交換器から熱交換型水タンクへの熱移動効率と、熱交換型水タンクにおける蓄熱効率とを高めることができる。

また、上記熱交換型水タンクにおける圧力が、蒸発器として機能する上記蒸発・凝縮手段における圧力よりも高いことを利用して、上記熱交換型水タンクから上記蒸発器へ水を供給するよう構成されていてもよい（請求項３）。
この場合には、熱交換型水タンクから蒸発器への水の供給を、ポンプ等の動力源を用いることなく行うことができる。また、熱交換型水タンクに蓄熱した熱をさらに有効に活用することができる。

また、上記化学蓄熱空調システムは、エンジンと走行モータとの少なくとも一方と、バッテリーとを有する自動車に搭載されており、上記化学蓄熱材の脱水反応は、上記エンジン又は上記走行モータの稼動時に、上記エンジンから排気される排気エネルギー、上記バッテリーに蓄電されずに捨てられる余剰エネルギーを用いて行い、上記化学蓄熱材の水和反応は、上記エンジン及び上記走行モータの非稼動時に、上記熱交換型水タンクに回収した水を用いて行うよう構成されていてもよい（請求項４）。
この場合には、化学蓄熱材の脱水反応時に、自動車において廃棄される排気エネルギー又は余剰エネルギーを有効に活用することができる。
また、化学蓄熱空調システムを、エンジン及び走行モータの非稼動時における空調システムとして有効に活用することができる。

また、上記空調配管において上記反応器及び上記熱交換器が配置された位置よりも上流側には、空気を送風するブロワが配置されており、上記空調配管は、上記ブロワから上記自動車の車室内へ空気を導く第１配管部と、上記反応器及び上記熱交換器が内部に配置され、上記第１配管部から分岐して、上記反応器及び上記熱交換器に接触した空気を、上記第１配管部に再び合流させることが可能な第２配管部とを有しており、上記第１配管部に対して上記第２配管部が分岐する位置には、上記ブロワによって送風される空気の流量を、上記第１配管部と上記第２配管部とに適宜割合で分配するよう構成された分配手段が配設されていてもよい（請求項５）。
この場合には、分配手段によって空気の流量を第１配管部と第２配管部とに適宜割合で分配し、第１配管部から自動車の車室内へ導く空気の温度をより適切に調整することができる。

また、上記蒸発・凝縮手段は、蒸発器の部分と凝縮器の部分とに分かれて配置されており、上記第１配管部内には、上記蒸発器の部分に接続された冷却用熱交換器が配置されていてもよい（請求項６）。
この場合には、化学蓄熱材の水和反応を行う際に、第１配管部内を流れる空気を冷却用熱交換器に接触させることにより、この空気を冷却することができる。そして、化学蓄熱空調システムによって、自動車の車室内の冷房運転を行うことができる。

また、上記熱交換器は、上記反応器と一体的に形成されていてもよい（請求項７）。
この場合には、熱交換器を小さく形成し、脱水反応完了直後において、反応器内の化学蓄熱材に残存する熱をより効果的に回収することができる。

以下に、化学蓄熱空調システムにかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の化学蓄熱空調システム１は、図１〜図３に示すごとく、以下の反応器２、熱交換器２５、蒸発・凝縮手段３１，３２、熱交換型水タンク４及び空調配管６を備えている。
反応器２は、容器本体内に化学蓄熱材２１を内蔵して構成されている。熱交換器２５は、反応器２と熱交換可能に構成されている。蒸発・凝縮手段３１，３２は、反応器２と接続され、化学蓄熱材２１の水和反応に用いられる水Ｗを蒸発させるとともに化学蓄熱材２１の脱水反応によって生じる水Ｗを凝縮させるよう構成されている。熱交換型水タンク４は、蒸発・凝縮手段３１，３２と熱交換器２５とに別々に接続され、水和反応に用いられる水Ｗ及び脱水反応によって生じる水Ｗを貯めることができ、かつ熱交換器２５と熱交換可能に構成されている。空調配管６は、反応器２及び熱交換器２５に接触させる空気Ａを通過させるよう構成されている。

化学蓄熱空調システム１は、図１に示すごとく、化学蓄熱材２１の脱水反応時には、蒸発・凝縮手段３１，３２における凝縮器３２を経由して熱交換型水タンク４に水Ｗを回収するよう構成されている。化学蓄熱空調システム１は、図２に示すごとく、化学蓄熱材２１の脱水反応完了直後又は化学蓄熱材２１の水和反応時には、化学蓄熱材２１の脱水反応によって生じた熱を熱交換器２５を経由して熱交換型水タンク４に蓄熱するよう構成されている。化学蓄熱空調システム１は、図３に示すごとく、化学蓄熱材２１の水和反応時には、熱交換型水タンク４に回収した水Ｗを、蒸発・凝縮手段３１，３２における蒸発器３１を経由して反応器２へ供給する際に、熱交換型水タンク４に蓄熱した熱を、蒸発器３１の熱源として用い、かつ、化学蓄熱材２１の水和反応によって生じる熱を用いて、空調配管６を通過して反応器２及び熱交換器２５に接触する空気Ａの温度調整を行うよう構成されている。

以下に、本例の化学蓄熱空調システム１につき、図１〜図３を参照して詳説する。
本例の化学蓄熱空調システム１は、エンジン及び走行モータと、バッテリーとを有するハイブリッド自動車に搭載されている。この自動車には、車室内６０を空調するエアコンディショナ等の空調装置が設けられている。また、この自動車は、エンジンを稼動させた走行時には、空調装置によって暖房及び冷房の空調を行い、エンジンを停止させた停車時には、化学蓄熱空調システム１によって暖房及び冷房の空調を行うよう構成されている。

本例の反応器２において、化学蓄熱材２１の脱水反応は、エンジン及び走行モータの稼動時に、走行モータが発電機として動作する際に、バッテリーに蓄電されずに捨てられる余剰エネルギーとしての電力を用いて行う。反応器２には、この余剰エネルギーとしての電力によって発熱するヒータ２２が設けられている。なお、化学蓄熱材２１の脱水反応は、エンジンから排気される排気エネルギーとしての排ガス、オルタネータによって発電されバッテリーに蓄電されずに捨てられる余剰エネルギーとしての電力を用いて行うこともできる。

図１〜図３に示すごとく、本例の蒸発・凝縮手段３１，３２は、化学蓄熱材２１の脱水反応によって生じる水Ｗを凝縮させて、熱交換型水タンク４へ回収させるための凝縮器３２と、熱交換型水タンク４における水Ｗを蒸発させて化学蓄熱材２１に供給する蒸発器３１とによって構成されている。反応器２は、蒸発器３１を介して熱交換型水タンク４と接続されているとともに、凝縮器３２を介して熱交換型水タンク４と接続されている。
熱交換器２５と熱交換型水タンク４とは、熱交換型水タンク４内の水Ｗを熱交換器２５との間で循環させるための循環経路５１によって接続されている。循環経路５１には、水Ｗの圧力を高めて、熱交換型水タンク４における飽和蒸気温度を高めるためのポンプ５２と、ポンプ５２によって高められる水Ｗの圧力を目標とする圧力に調整するための調圧バルブ５３とが設けられている。

本例の熱交換器２５は、反応器２と一体的に形成されている。反応器２には、化学蓄熱材２１に接触する水（水蒸気）Ｗが流れる水蒸気配管５４と、熱交換器２５に接触する水（液体）Ｗが流れる水配管としての循環経路５１とが接続されている。反応器２と熱交換型水タンク４とは、蒸発器３１又は凝縮器３２を介して水蒸気配管５４によって接続されており、ポンプ５２及び調圧バルブ５３を介して循環経路５１によって接続されている。

自動車においては、外気を車室内６０に取り込むための外気用の空調配管と、車室内６０の内気を循環させるための内気用の空調配管とが形成されている。本例の化学蓄熱空調システム１を構成する空調配管６は、内気用の空調配管を用いて形成されている。空調配管６において、反応器２及び熱交換器２５が配置された位置よりも上流側には、空気Ａを送風するブロワ６３が配置されている。
エンジンの稼動時に空調装置によって車室内６０の空調を行う場合、及びエンジンの停止時に化学蓄熱空調システム１によって車室内６０の空調を行う場合のいずれにおいても、ブロワ６３を作動させて車室内６０の空気Ａを循環させることができる。

図１に示すごとく、空調配管６は、ブロワ６３から自動車の車室内６０へ空気Ａを導く第１配管部６１と、反応器２及び熱交換器２５が内部に配置され、第１配管部６１から分岐して、反応器２及び熱交換器２５に接触した空気Ａを、第１配管部６１に再び合流させることが可能な第２配管部６２とによって構成されている。第１配管部６１内には、蒸発器３１に接続された冷却用熱交換器３１１が配置されており、第２配管部６２内には、反応器２及び熱交換器２５が配置されている。図３に示すごとく、第１配管部６１内を流れる空気Ａは、冷却用熱交換器３１１に接触させることにより、冷却用熱交換器３１１における気化熱によって冷却することができる。

図１〜図３に示すごとく、第１配管部６１に対して第２配管部６２が分岐する位置には、ブロワ６３によって送風される空気Ａの流量を、第１配管部６１と第２配管部６２とに適宜割合で分配するよう構成された分配手段６４が配設されている。分配手段６４は、ダンパによって形成されている。
第２配管部６２は、第１配管部６１から分流される空気Ａを反応器２及び熱交換器２５に接触させた後、外部へ排気するための排気経路６５が形成されている。第２配管部６２において排気経路６５の入口部には、第１配管部６１を、第１配管部６１に合流させるか又は排気経路６５に接続するかの切換弁６６が配設されている。

化学蓄熱空調システム１は、図１に示すごとく、エンジンの稼動時に、上記余剰エネルギーを利用して反応器２における化学蓄熱材２１の脱水反応を行い、脱水された水Ｗを熱交換型水タンク４に回収して、蓄熱動作を行うよう構成されている。また、化学蓄熱空調システム１は、図３に示すごとく、エンジンの停止時に、熱交換型水タンク４内の水Ｗを蒸発器３１によって蒸発させ、この水Ｗを用いて反応器２における化学蓄熱材２１の水和反応を行い、暖房動作又は冷房動作を行うよう構成されている。また、化学蓄熱材２１の水和反応を行う際には、熱交換型水タンク４における圧力が、蒸発器３１における圧力よりも高いことにより、この圧力差を利用してポンプ等の動力源を用いずに、熱交換型水タンク４から蒸発器３１へ水Ｗを供給するよう構成されている。

本例の化学蓄熱空調システム１においては、化学蓄熱材２１の脱水反応完了直後に反応器２に残された顕熱を有効に利用する工夫をしている。
化学蓄熱空調システム１においては、熱交換器２５が一体化された反応器２と、熱交換器２５、蒸発器３１及び凝縮器３２に対して熱交換可能な熱交換型水タンク４とを用いる。
そして、図２に示すごとく、化学蓄熱材２１の脱水反応完了後には、化学蓄熱材２１の脱水反応時に反応器２に残存する熱を熱交換器２５を経由して熱交換型水タンク４に蓄熱する。これにより、反応器２に残存する顕熱を有効に蓄熱することができる。また、水和反応時の反応温度よりも高温に、脱水反応によって加熱された反応器２を、迅速に適切な温度まで低下させることができる。

また、反応器２に残存する顕熱を熱交換型水タンク４に蓄熱する際には、ポンプ５２及び調圧バルブ５３によって、熱交換器２５から熱交換型水タンク４に回収される水Ｗの圧力を高める。そして、水Ｗの圧力が高められることにより、熱交換型水タンク４における飽和蒸気圧力及び飽和蒸気温度が高められる。これにより、熱交換器２５から熱交換型水タンク４への熱移動効率と、熱交換型水タンク４における蓄熱効率とを高めることができる。

また、化学蓄熱材２１の水和反応時には、熱交換型水タンク４に蓄熱した熱を、蒸発器３１の熱源として用いる。これにより、蒸発器３１に必要となる熱源を容易に確保することができる。また、水和反応時には、熱交換型水タンク４への蓄熱によって反応器２の温度が適切な温度まで低下している。そのため、化学蓄熱材２１の水和反応によって生じる熱を用いて空調配管６を通過する空気Ａの温度調整を行う際に、反応器２に接触する空気Ａが過剰に加熱されてしまうことを防止することができる。これにより、車室内６０へ供給する空気Ａの温度調整を大きな温度変動を伴うことなく適切に行うことができる。

それ故、本例の化学蓄熱空調システム１によれば、化学蓄熱材２１の脱水反応後に、反応器２に残存する顕熱を有効に蓄熱することができ、化学蓄熱材２１の水和反応時に、空気Ａの温度調整を適切に行うことができる。

１ 化学蓄熱空調システム
２ 反応器
２１ 化学蓄熱材
２５ 熱交換器
３１，３２ 蒸発・凝縮手段
４ 熱交換型水タンク
６ 空調配管
Ａ 空気
Ｗ 水

Claims (7)

1. 化学蓄熱材（２１）が内蔵された反応器（２）と、
   該反応器（２）と熱交換可能な熱交換器（２５）と、
   上記反応器（２）と接続され、上記化学蓄熱材（２１）の水和反応に用いられる水（Ｗ）を蒸発させるとともに上記化学蓄熱材（２１）の脱水反応によって生じる水（Ｗ）を凝縮させるための蒸発・凝縮手段（３１，３２）と、
   該蒸発・凝縮手段（３１，３２）と上記熱交換器（２５）とに別々に接続され、上記水和反応に用いられる水（Ｗ）及び上記脱水反応によって生じる水（Ｗ）を貯めることができ、かつ上記熱交換器（２５）と熱交換可能な熱交換型水タンク（４）と、
   上記反応器（２）及び上記熱交換器（２５）に接触させる空気（Ａ）を通過させるよう構成された空調配管（６）と、を備え、
   上記化学蓄熱材（２１）の脱水反応時には、凝縮器（３２）として機能する上記蒸発・凝縮手段（３１，３２）を経由して上記熱交換型水タンク（４）に水（Ｗ）を回収し、
   上記化学蓄熱材（２１）の脱水反応完了後には、上記反応器（２）に残存する熱を、上記熱交換器（２５）を経由して上記熱交換型水タンク（４）に蓄熱し、
   上記化学蓄熱材（２１）の水和反応時には、上記熱交換型水タンク（４）に回収した水（Ｗ）を蒸発器（３１）として機能する上記蒸発・凝縮手段（３１，３２）を経由して上記反応器（２）へ供給する際に、該熱交換型水タンク（４）に蓄熱した熱を上記蒸発器（３１）の熱源として用い、かつ、上記化学蓄熱材（２１）の水和反応によって生じる熱を用いて、上記空調配管（６）を通過して上記反応器（２）及び上記熱交換器（２５）に接触する空気（Ａ）の温度調整を行うよう構成されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
2. 請求項１に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、上記熱交換器（２５）と上記熱交換型水タンク（４）とは、該熱交換型水タンク（４）内の水（Ｗ）を該熱交換器（２５）との間で循環させるための循環経路（５１）によって接続されており、
   該循環経路（５１）には、水（Ｗ）の圧力を高めて、上記熱交換型水タンク（４）における飽和蒸気温度を高めるためのポンプ（５２）が設けられていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
3. 請求項１又は２に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、上記熱交換型水タンク（４）における圧力が、蒸発器（３１）として機能する上記蒸発・凝縮手段（３１，３２）における圧力よりも高いことを利用して、上記熱交換型水タンク（４）から上記蒸発器（３１）へ水（Ｗ）を供給するよう構成されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、該化学蓄熱空調システム（１）は、エンジンと走行モータとの少なくとも一方と、バッテリーとを有する自動車に搭載されており、
   上記化学蓄熱材（２１）の脱水反応は、上記エンジン又は上記走行モータの稼動時に、上記エンジンから排気される排気エネルギー、上記バッテリーに蓄電されずに捨てられる余剰エネルギーを用いて行い、
   上記化学蓄熱材（２１）の水和反応は、上記エンジン及び上記走行モータの非稼動時に、上記熱交換型水タンク（４）に回収した水（Ｗ）を用いて行うよう構成されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
5. 請求項４に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、上記空調配管（６）において上記反応器（２）及び上記熱交換器（２５）が配置された位置よりも上流側には、空気（Ａ）を送風するブロワ（６３）が配置されており、
   上記空調配管（６）は、上記ブロワ（６３）から上記自動車の車室内（６０）へ空気（Ａ）を導く第１配管部（６１）と、上記反応器（２）及び上記熱交換器（２５）が内部に配置され、上記第１配管部（６１）から分岐して、上記反応器（２）及び上記熱交換器（２５）に接触した空気（Ａ）を、上記第１配管部（６１）に再び合流させることが可能な第２配管部（６２）とを有しており、
   上記第１配管部（６１）に対して上記第２配管部（６２）が分岐する位置には、上記ブロワ（６３）によって送風される空気（Ａ）の流量を、上記第１配管部（６１）と上記第２配管部（６２）とに適宜割合で分配するよう構成された分配手段（６４）が配設されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
6. 請求項５に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、上記蒸発・凝縮手段（３１，３２）は、蒸発器（３１）の部分と凝縮器（３２）の部分とに分かれて配置されており、
   上記第１配管部（６１）内には、上記蒸発器（３１）の部分に接続された冷却用熱交換器（３１１）が配置されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の化学蓄熱空調システム（１）において、上記熱交換器（２５）は、上記反応器（２）と一体的に形成されていることを特徴とする化学蓄熱空調システム（１）。

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