JP6016208B2 - ケミカルヒートポンプ及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケミカルヒートポンプ及びその制御方法に関する。

近年、工場や発電所等からの廃熱及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・エネルギー問題を解決する有用な一手法であるとして検討されつつある。その中でも蓄熱によるヒートポンプは省エネルギー効果が高く、二酸化炭素の発生が少ないため、より有効な手段として期待されている。そして更にケミカルヒートポンプは、内部に化学物質を充填し、化学反応を用いた蓄熱を行うことができるものであり、他のヒートポンプに比べエネルギーを蓄積する量が多く、非常に有用である。

公知のケミカルヒートポンプに関する技術としては、例えば下記特許文献１に、ＣａＯを充填した反応器と、水を蒸発又は凝縮させる蒸発凝集器と、を有し、これらを連結したＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２系のケミカルヒートポンプが開示されている。

特開平１０−８９７９９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、室温程度以下の温度範囲での使用を行っており、これより高い温度範囲における使用については、検討の余地が残る。

この点に関し、本発明者らは、ケミカルヒートポンプの高温状態における動作について鋭意検討を行っていたところ、特定の材料、特定の条件において、ケミカルヒートポンプの特性の劣化が顕著に起こることを見出した。そして本発明者らはこの材料の劣化状況に至る前にその回避を図ることが長期に安定したケミカルヒートポンプを達成する上で必要であることを見出した。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、高い温度範囲で使用した場合であっても材料の劣化を防止することのでき長期に安定したケミカルヒートポンプ及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第一の観点に係るケミカルヒートポンプは、ＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを含む反応部と、水を蒸発又は凝縮する蒸発凝縮部と、反応部及び蒸発凝縮部を接続する接続管と、接続管の開閉を行う接続バルブと、を有し、反応部に取り付けられる温度センサと、温度センサに接続され、反応部の温度が所定の温度を超えた場合に、反応部の温度降下を行う温度降下部と、を有することを特徴の一つとする。

なおこの場合において、ケミカルヒートポンプは、反応部に取り付けられる圧力センサと、圧力センサに接続され、反応部の圧力が所定の圧力を超えた場合に、反応部の圧力降下を行う圧力降下部と、を有することが好ましい。

また、上記課題を解決するための他の観点に係るケミカルヒートポンプは、ＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを含む反応部と、水を蒸発又は凝縮する蒸発凝縮部と、反応部及び蒸発凝縮部を接続する接続管と、接続管の開閉を行う接続バルブと、温度センサと、を有するケミカルヒートポンプに対し、温度センサが反応部の温度が所定の温度を超えたことを感知した場合、反応部の温度降下を行うことを特徴とする。

なおこの場合において、ケミカルヒートポンプは反応部に取り付けられる圧力センサを有し、圧力センサが反応部の圧力が所定の圧力を超えたことを感知した場合、反応部の圧力降下を行うようにすることが好ましい。

以上、本発明により、高い温度範囲で使用した場合であっても材料の劣化を防止することのでき長期に安定したケミカルヒートポンプ及びその制御方法を提供することができる。

本実施形態に係るケミカルヒートポンプの構成の概略を示す図である。 ケミカルヒートポンプの温度降下部の一例を示す図である。 ケミカルヒートポンプの温度降下部の一例を示す図である ケミカルヒートポンプの温度降下部の一例を示す図である ケミカルヒートポンプに圧力センサ及び圧力降下部を設けた場合の図である。 実施形態に係るケミカルヒートポンプの一般的な動作について説明するための図である。 ＣａＳＯ_４を反応器に収納し蓄放熱動作を複数回行った場合の結果を示す図である。 ＣａＳＯ_４を反応器に収納し蓄放熱動作を複数回行った場合の結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態の例示にのみ狭く限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ（以下「本ケミカルヒートポンプ」という。）の構成の概略を示す図である。これらの図で示すとおり、本ケミカルヒートポンプ１は、ＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを含む反応部２と、水を蒸発又は凝縮する蒸発凝縮部３と、反応部２及び蒸発凝縮部３を接続する接続パイプ４と、接続パイプ４の開閉を行う接続バルブと、を有し、反応部２に取り付けられる温度センサ５と、圧力センサ５に接続され、反応部２の温度が所定の温度を超えた場合に、反応部２の温度降下を行う温度降下部６と、を有することを特徴とする。

本実施形態における反応部２は、反応器２１を備えており、反応器２１の外側に反応部側熱交換器２２を備えている。この結果、反応部２は、反応部側熱交換器熱交換器２２によって反応器２１の外と熱の授受を行うことができる。なお本図において反応器２１の数は説明のために一つの例を示しているが、複数備えていても良く、より多くの蓄熱を行わせるためには反応器を複数備えていることが好ましい。

本実施形態における反応部２は、上記のとおり、この反応器２１内の内部にＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを収納している。本実施形態において、ＣａＳＯ_４は化学的な反応によって蓄熱することのできる蓄熱剤として機能する。より具体的には、下記式で示されるように、水又は水蒸気との反応によって水和物（ＣａＳＯ_４・Ｈ_２Ｏ）となる一方、水又は水蒸気を放出することによってＣａＳＯ_４となる。

また本ケミカルヒートポンプ１の蒸発凝縮部３は、上記のとおり、接続パイプ４によって反応部２と接続され、反応部２において発生する水又は水蒸気に対し凝縮又は蒸発を行うことができるものである。この限りにおいて限定されるわけではないが、例えば本図で示すように、凝縮器３１と、蒸発器３２と、凝縮器３１と蒸発器３２とを接続する凝縮器−蒸発器接続パイプ３３と、この接続パイプ３３に配置され、この接続パイプ３３の開閉を制御する制御バルブ３４と、を有していることが好ましい。また、本図で示すように、凝縮器３１及び蒸発器３２のそれぞれには凝縮器側熱交換器３３１、蒸発器側熱交換器３３２からなる蒸発凝縮部側熱交換器が設けられており、これらによって凝縮器３１及び蒸発器３２は外部と熱交換可能となっている。より具体的には、凝縮器３１は凝縮器側熱交換器３１１によって外部に熱を放出することで水蒸気を液体の水に変換することができ、蒸発器３２は蒸発器側熱交換器３２１によって外部から熱を受け取る（熱を吸収する）ことで水を水蒸気に変換することができる。そして、凝縮器−蒸発器接続パイプ３３及び制御バルブ３４によって、凝縮器３１によって凝縮された水を蒸発器３２側に供給することができるようになる。すなわち、蒸発凝縮部３は、反応部２によって発生した水蒸気を凝縮器３１によって凝縮し、凝縮器−蒸発器接続パイプ３３によって蒸発器３２に供給し、蒸発器３２によって水を蒸発させ、水蒸気として反応部２に供給することができるようになる。

また本ケミカルヒートポンプ１は、反応部２と蒸発凝縮部３とを接続する接続管である接続パイプ４を有している。接続パイプ４によって、本ケミカルヒートポンプは、反応部２において放出される水又は水蒸気を蒸発凝縮部３に送ることが可能となる一方、蒸発凝縮部に収納される水又は水蒸気を反応部２に送ることが可能となる。また接続パイプ４には、この接続を制御するための制御バルブが備えられており、この制御バルブの開閉を行うことで反応部２と蒸発凝縮部３との接続を制御することができる。なお本図で示すように、接続パイプ４は、反応器２１と凝縮器３１を接続する反応器−凝縮器接続パイプ４１と、反応器２１と蒸発器３２を接続する反応器−蒸発器接続パイプ４２と、を有し、更に、反応器−凝縮器接続パイプ４１にはこの開閉を制御する反応器−凝縮器制御バルブ４１１を有しており、反応器−蒸発器接続パイプ４２にはこの開閉を制御する反応器−蒸発器制御バルブ４２１を有しており、それぞれを制御することによって反応器２１と凝縮器３１、反応器２１と蒸発器３２の接続を制御することができる。

また本ケミカルヒートポンプ１の反応部２には、温度センサ５が備えられている。これによりケミカルヒートポンプ１の反応部２の温度を計測することによって、収納されている材料の劣化を防止することができるようになる。温度センサ５としては、温度を計測することができる限りにおいて特に限定されることなく公知のものを採用することができ、例えば熱電対等を採用することができる。

また本ケミカルヒートポンプ１には、上記温度センサ５に接続され、反応部の温度が所定の温度を超えた場合に、反応部２の温度降下を行う温度降下部６を備えている。温度降下を行わせる効果については後に詳述するが、温度降下を行うことによって、上記反応部２内に収納されるＣａＳＯ_４及びその水和物の劣化を顕著に防止することができるようになる。

本実施形態の温度降下部６は、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、反応部２内、より具体的には反応器２１内の温度が１５０℃を越えたとなった場合に、これ以下となるよう温度を降下させる機能を有することが好ましい。

本実施形態における温度降下部６の構成としては、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、反応器２１に反応器側補助熱交換器２３を別途備え、反応器２１内の温度が上記所定の温度を超えた場合に、この反応器側補助熱交換器を駆動させ、外部への熱放出量を増加させることが好ましい。このようにすることで、反応器２１内の温度をより効率的に減少させることができる。この場合の例を図２に示しておく。本図の例では、温度降下部６は反応器側補助熱交換器２３の経路内に配置されるポンプに接続され、温度が所定の温度以上となった場合に、このポンプを駆動し、反応器２１から熱を外部に放出させ、所定の温度以下となるまで駆動することのできる構成となっている。

なお、温度降下部６の温度降下の他の例としては、例えば、反応器２１内の温度が上記所定の温度を超えた場合に、この反応器側熱交換器２３内における媒体の初期温度（反応器に接触する前の温度）を下げる媒体温度冷却装置２４を反応器側熱交換器に接続することが好ましい。このようにすることで、反応器２１内の温度をより効率的に減少させることができる。この例について図３に例を示しておく。この反応器側熱交換器２３内における媒体の初期温度（反応器に接触する前の温度）を下げる方法としては、特に限定されるものではないが、例えば別の熱交換器を熱交換器２２の流路の一部に取り付けるなどを採用することができるがこれに限定されない。

更に、温度降下部６の温度降下の他の例としては、例えば、反応器２１内の温度が上記所定の温度を超えた場合に、この反応器側熱交換器２３内における媒体の流体量を調整する媒体流量調整装置を反応器側熱交換器に接続することも好ましい。このようにすることで、反応器２１内の温度をより効率的に減少させることができる。なおこの媒体流量調整装置は、媒体を循環させるポンプの出力を調整して流量を調節するためのする出力調整機能で兼ねることができる。この場合の例について図４に示しておく。

また、本実施形態では、上記温度センサ及び温度降下部の構成とは別に、又は上記の構成に加え、反応部２内の圧力、より具体的には反応器２１内の反応器−凝縮器接続パイプ４２近傍に配置され圧力を検知する圧力センサ７、及びこの圧力センサ７に接続され、所定の圧力以上となった場合にこの圧力を降下させるための圧力降下部８を備えていることが好ましい。圧力センサ７、圧力降下部８を加えることで、上記反応部２内に収納されるＣａＳＯ_４及びその水和物の劣化を顕著に防止することができるようになる。この場合の例を図５に示しておく。なお圧力センサの構成としては、特に限定されるわけではないが、ダイヤフラムを備え、このダイヤフラムの変位又は歪みを電気的な信号として出力する圧力計を用いることができる。

圧力降下部７の構成としては、適宜調整可能であり、限定されるわけではないが、例えば、上記図５で示すように、上記接続パイプ４に設けられる制御バルブ、より具体的には反応器−凝縮器制御バルブ４１及び反応器−蒸発器制御バルブ４２の開閉量を制御するモータ装置等の駆動装置であることは好ましい一例である。この結果、例えば、蒸発器３２からＣａＳＯ_４に水蒸気が供給されている際に上記所定の圧力以上となった場合、反応器−蒸発器制御バルブ４２の開閉量を少なくすることで、反応器内の圧力を降下させることが可能となり、又は、反応器２１から凝縮器３１側に水蒸気が供給されている際に上記所定の圧力以上となった場合、反応器−蒸発器制御バルブ４２を開くことで、反応器内の圧力を降下させることが可能となる。

本実施形態において、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、上記のように圧力センサを設け、反応部２内、より具体的には反応器２１内の圧力が３０ｋＰａを越えたとなった場合に、これ以下となるよう温度を降下させる機能を有することが好ましい。

なお次に、本ケミカルヒートポンプ１の一般的な動作について図６を用いて説明する。本図中（Ａ）は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１において、反応部２が高熱を外から吸収し、蒸発凝縮部３から排出する状態を示す図であり、本図中（Ｂ）は、蒸発凝縮部３が高熱を外部から吸収し、反応部２から排出する状態を示す図である。

本図（Ａ）の状態においては、高温側熱源からケミカルヒートポンプに高温の熱が供給される。具体的には反応部側熱交換器を介して高温の熱が供給されるため、この供給された熱により、反応部内で化学反応が起こり、蓄熱材から蒸気が発生する。発生した蒸気は、接続パイプ４を介して蒸発凝縮部３に導入される。具体的には、反応器２１から反応器−凝縮器接続パイプ４１を介して凝縮器３１に蒸気が供給される。この状態において接続管４の接続バルブ４１１は開いた状態となっている。

そして、蒸発凝縮部、具体的には凝縮器に導入された蒸気は、凝縮器内において熱を蒸発凝縮部外に排出し、又は、低温側熱源からの低温の熱を利用して凝縮され、液化する。なおこの動作終了後、反応器−凝縮器接続パイプ３３の制御バルブ３４を開き、凝縮器から蒸発器に液体を移動させる。

一方、本図（Ｂ）の状態においては、蒸発凝縮部３において凝縮された水を外部からの熱を用いて再び蒸発させて蒸気とする。そして、接続バルブ４１を開き、蒸気を接続パイプ４を介して反応部２に導入する。

そして蒸気は反応部２に導入された後、ＣａＳＯ_４と化学反応を起こし水和物となる。この際、反応部２内では熱が放出される。

すなわち、この一連の流れにより、本ケミカルヒートポンプ１は外部を冷却することができる。具体的には、蒸発凝縮部が水を蒸発させて蒸気にする際、外から蒸発熱を吸収することとなるため、その熱の分だけ外部を冷却することができる。

なお本実施形態では、上記図（Ｂ）において、反応部２に蒸気が導入された後、ＣａＳＯ_４と化学反応を起こす際、高温高圧の状態となるが、特に反応部２内の蓄熱剤としてＣａＳＯ_４を用いたケミカルヒートポンプの場合、所定の温度、所定の圧力、より具体的には１５０℃、３０ｋＰａを超えた場合、急激な材料劣化を起こしてしまう虞がある。ここで、上記実施形態に係るケミカルヒートポンプに関し、その温度、圧力条件において如何に材料の劣化が起こるかについて説明する。

図７，８は、〜１００ｇのＣａＳＯ_４を約１００ｍｌの反応器に収納し、周囲に熱交換器を配置し、上記式（１）で示される反応を、それぞれ異なる圧力及び温度条件で蓄放熱動作を複数回行った場合の結果を示すものである。図７の縦軸は反応器における反応材の温度を、横軸は時間を表しており、図８の縦軸は反応材の理論半水・水和量を１００％とした場合のＣａＳＯ_４の反応率を表しており、横軸は時間を表している。ここでの反応率は蒸発凝縮部の水位から求めており、水位計測手段のノイズが重畳した結果となっている点を断っておく。また、図中「Ａ」、は、１５０℃以下、２０ｋＰａの温度及び圧力の範囲で蓄放熱反応を２０回行わせた結果を示し、図中「Ｂ」は〜１６０℃の温度、及び、４７ｋＰａの圧力で蓄放熱反応を５０回行わせた結果を示し、図中「Ｃ」は〜１９０℃の温度、１００ｋＰａの圧力で蓄放熱反応を１００回行わせた結果を示す。また、下記表１に、本実験後、５時間の真空焼成を行い、室温、高湿度下での水和における反応材の失活率(水和反応できない材料の割合)を計測した結果を示しておく。

これらの結果、本材料系において、温度が１５０℃以下、圧力が２０ｋＰａでは１００回の蓄放熱繰り返し後も劣化は殆ど起こらず、温度〜１６０℃、圧力４７ｋＰａでは５０回の繰り返しで劣化が進行し、温度が〜１９０℃で、かつ、圧力が１００ｋＰａとなると急激に劣化し、２０回程度の繰り返しでも半分近くの反応材が劣化してしまっている。これらの結果から、劣化を回避するための条件として、温度１５０℃以下、圧力３０ｋＰａの条件範囲が導出される。この劣化は本材料系に特有な劣化であって、上記温度範囲では数時間程度の繰り返し使用だけで効率の低下が発生してしまうことを意味する。したがって、上記温度を超えない範囲で使用することは極めて臨界的な効果を発揮することとなる。

したがって、本ケミカルヒートポンプは、上記のとおり、反応部の温度を検知する温度センサ及びこれに接続された温度降下部を有するものとし、反応部が所定の温度を超えたことを検知した場合、温度降下部によって反応部の温度降下を行うことで、蓄熱剤の劣化を顕著に防止することができるようになる。この温度としては、１５０℃を超えると急激な劣化が始まるため、１５０℃を超えたことを温度センサが検知した場合、温度降下作業を行うことが好ましく、より好ましくは１４０℃である。温度降下作業開始温度を１４０℃とすることで１５０℃を越える前に事前に温度降下作業を行うことができるようになり、１５０℃を超えない制御とすることができるようになる。

また、上記課題に対し、本ケミカルヒートポンプは、上記所定の温度以下でかつ所定の圧力以下にあることが好ましく、反応部内の圧力を検知する圧力センサ及びこれに接続された圧力降下部を有することが好ましく、反応部が所定の圧力を超えたことを検知した場合、圧力降下部によって反応部の圧力降下を行うことで、蓄熱剤の急激な劣化を顕著に防止することができるようになる。この圧力範囲としては、３０ｋＰａを超えると急激な劣化が始まるため、３０ｋＰａを超えたことを圧力センサが検知した場合、圧力降下作業を行うことが好ましく、より好ましくは２０ｋＰａである。圧力降下作業開始温度を９０ｋＰａ以下とすることで３０ｋＰａを越える前に事前に圧力降下作業を行うことができるようになり、３０ｋＰａを超えない制御とすることができる。

以上、本ケミカルヒートポンプによって、高い温度範囲で使用した場合であっても材料の劣化を防止することのでき長期に安定したケミカルヒートポンプ及びその制御方法を提供することができる。

本発明は、ケミカルヒートポンプ及びその制御方法として産業上の利用可能性がある。

１…ケミカルヒートポンプ
２…反応部
３…蒸発凝縮部
４…接続管
５…温度センサ
６…温度降下部

Claims (3)

1. ＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを含む反応部と、
   水を蒸発又は凝縮する蒸発凝縮部と、
   前記反応部及び前記蒸発凝縮部を接続する接続管と、
   前記接続管の開閉を行う接続バルブと、を有し、
   前記反応部に取り付けられる温度センサと、
   前記反応部に取り付けられる圧力センサと、
   前記温度センサに接続され、前記反応部の温度が１５０℃を超えた場合に、前記反応部の温度降下を行う温度降下部と、
   前記圧力センサに接続され、前記反応部の圧力が３０ｋＰａを超えた場合に、前記反応部の圧力降下を行う圧力降下部と、を有するケミカルヒートポンプ。
2. 前記反応部に取り付けられる複数の熱交換部を有する請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
3. ＣａＳＯ_４及びその水和物の少なくともいずれかを含む反応部と、
   水を蒸発又は凝縮する蒸発凝縮部と、
   前記反応部及び前記蒸発凝縮部を接続する接続管と、
   前記接続管の開閉を行う接続バルブと、
   前記反応部に取り付けられる温度センサと、
   前記反応部に取り付けられる圧力センサと、を有するケミカルヒートポンプに対し、
   前記温度センサが前記反応部の温度が１５０℃を超えたことを検知した場合、前記反応部の温度降下を行うとともに、
   前記反応部の圧力が３０ｋＰａを超えたことを検知した場合、前記反応部の圧力降下を行うケミカルヒートポンプの制御方法。