JP6056691B2 - 化学蓄熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、化学蓄熱装置に関する。
従来、蓄熱材を用いた化学蓄熱装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、水蒸気と反応する固体粒子（蓄熱材）を収容する反応器と、反応ガス導管を介して反応器に接続され、水蒸気が凝縮された水を収容する蒸発凝縮器と、反応器および蒸発凝縮器の周囲にそれぞれ設けられ、熱媒体が流される一対の熱媒体流路と、回転軸駆動部とを備えた化学蓄熱型ヒートポンプ（化学蓄熱装置）が開示されている。この化学蓄熱型ヒートポンプは、回転軸駆動部の駆動力により、反応器、蒸発凝縮器および反応ガス導管を回転軸周りに回転させることによって、反応器内の固体粒子を流動させる（攪拌させる）ように構成されている。
特開平５−２４８７２８号公報
しかしながら、上記特許文献１の化学蓄熱型ヒートポンプでは、回転軸駆動部の駆動力により反応器を回転させるように構成されているため、反応器内の固体粒子を流動させるためには、反応器を回転させるための回転軸駆動部を必ず設けなければならず、回転軸駆動部を駆動させるために余計な電力を必要とするという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、反応容器を回転させるための駆動部を設けなくとも、反応容器を回転させて蓄熱材の撹拌を行うことが可能な化学蓄熱装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における化学蓄熱装置は、蓄熱材を収容する反応容器と、熱交換流体が反応容器の外表面に沿って流れるように設けられた熱交換流路と、を備え、熱交換流体の流動力により、反応容器が回転されて蓄熱材の撹拌が行われるように構成されており、反応容器の外表面には、伝熱を促進するためのフィンが設けられており、熱交換流路では、熱交換流体がフィンに接触しながら流れるように構成されており、反応容器は、複数の反応容器部に分割されており、複数の反応容器部の各々の外表面には、フィンが設けられているとともに、隣接する反応容器部同士がフィンにより連結されている。
この発明の一の局面による化学蓄熱装置では、上記のように、熱交換流体の流動力により、反応容器が回転されて蓄熱材の撹拌が行われることによって、反応容器を回転させるための駆動部を設けなくとも、熱交換流体の流動力により反応容器を回転させて蓄熱材の撹拌を行うことができる。これにより、駆動部を設ける必要がない分、部品点数を削減して装置構成を簡素化することができるとともに、化学蓄熱装置を小型化することができる。また、仮に反応容器を回転させるための駆動部を補助的に設けた場合であっても、反応容器を回転させるための駆動力の全てを駆動部から供給する必要がないので、駆動部を駆動させるための電力消費を低減することができる。特に、電力消費の低減が強く求められる車両に本発明の化学蓄熱装置を搭載する場合には、駆動部の電力消費を低減することができる点が大きな効果となる。
また、上記一の局面による化学蓄熱装置では、反応容器が回転することにより、反応容器が回転しない場合と比べて、反応容器の外表面に沿って流れる熱交換流体と反応容器との間の伝熱性を向上させることができる。また、蓄熱材が攪拌されることによって、蓄熱材が静止している場合と比べて、蓄熱材と反応容器との間の伝熱性を向上させることができる。さらに、蓄熱材が凝集して固化するのを確実に抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材が減少するのを抑制することができる。これらにより、効率よく、かつ、迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることができる。
また、熱交換流体の流動力により、反応容器が回転されて蓄熱材の撹拌が行われるように構成されている。このように構成すれば、反応容器を回転させることによって、反応容器がスライド移動する場合と比べて、反応容器内の蓄熱材をより均一に攪拌することができる。これにより、蓄熱材が凝集して固化するのを確実に抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材が減少するのを抑制することができる。この結果、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることができる。
また、反応容器の外表面には、伝熱を促進するためのフィンが設けられており、熱交換流路では、熱交換流体がフィンに接触しながら流れるように構成されている。このように構成すれば、反応容器の外表面に設けられた伝熱を促進するためのフィンを、熱交換流体から流動力を得ることにも活用することができるので、フィンとは別に熱交換流体から流動力を得るための部材を反応容器に設ける必要がない。これにより、反応容器の構造を簡素化することができる。また、伝熱を促進するためのフィンにより、反応容器における伝熱性をより向上させることができるので、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることができる。
また、反応容器は、複数の反応容器部に分割されており、複数の反応容器部の各々の外表面には、フィンが設けられているとともに、隣接する反応容器部同士がフィンにより連結されている。このように構成すれば、反応容器を複数の反応容器部に分割することによって、反応容器と熱交換流体との接触面積（伝熱面積）を大きくすることができるので、反応容器における伝熱性をより向上させることができる。また、隣接する反応容器部同士をフィンにより連結することによって、フィンが補強部材の役割も果たすので、分割した複数の反応容器部からなる反応容器の強度を向上させることができる。さらに、反応容器部同士間の間隔分の大きな長さのフィンが設けられるので、フィンの表面積を大きくすることができる。その結果、反応容器における伝熱性をさらに向上させることができる。
上記一の局面による化学蓄熱装置において、好ましくは、熱交換流体は、高温熱交換流体であり、蓄熱時に、高温熱交換流体の流動力により、反応容器が回転されて蓄熱材の撹拌が行われるように構成されている。このように構成すれば、反応容器を回転させるための駆動部を設けなくとも、蓄熱時に、高温熱交換流体の流動力により、反応容器を回転させて蓄熱材の撹拌を行うことができる。
上記一の局面による化学蓄熱装置において、好ましくは、蓄熱時に脱水反応により蓄熱材から放出される水蒸気を回収するとともに放熱時に蓄熱材と水和反応する水蒸気を蓄熱材に供給する蒸発凝縮器をさらに備え、蒸発凝縮器は、反応容器とともに移動するように構成されている。このように構成すれば、蒸発凝縮器を移動させることにより、蓄熱時に、蒸発凝縮器の表面の広い範囲に水蒸気を付着させることができるので、広い範囲から水蒸気を回収することができる。また、放熱時に、蒸発凝縮器の表面の広い範囲に水を付着させることができるので、蒸発凝縮器の表面の水を蒸発させることにより、広い範囲から水蒸気を発生させることができる。これらにより、水蒸気の回収および供給の効率を向上させることができるので、蓄熱材における脱水反応および水和反応を促進させることができる。この結果、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることができる。また、蒸発凝縮器が反応容器とともに移動することによって、蒸発凝縮器を移動させるために別途駆動部を設ける必要がないため、この点でも、部品点数を削減して装置構成をより簡素化することができるとともに、化学蓄熱装置をより小型化することができる。
この場合、好ましくは、蒸発凝縮器と反応容器とを接続する蒸気配管をさらに備え、蒸気配管は、水和反応時に蒸発凝縮器からの液滴が飛散するのを抑制する折り返し構造を含む。このように構成すれば、折り返し構造により液滴が反応容器に供給されるのを抑制することができるので、液滴が直接蓄熱材にかかるのを抑制することができる。これにより、水滴に起因して蓄熱材が凝集および固化するのを抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材が減少するのを抑制することができる。
上記蒸発凝縮器を備える構成において、好ましくは、蒸発凝縮器と反応容器との間に設けられ、蒸発凝縮器と反応容器との間の水蒸気の流通を制御する弁をさらに備える。このように構成すれば、蓄熱時および放熱時以外では弁を閉鎖して水蒸気の流通を抑制することができるので、蓄熱時および放熱時以外に蓄熱材において脱水反応または水和反応が発生するのを抑制することができる。
上記一の局面による化学蓄熱装置において、好ましくは、反応容器は、内燃機関を有する車両に設置されており、車両の内燃機関の暖機完了後に、高温の排ガスからなる高温熱交換流体が反応容器の外表面に沿って流れることにより蓄熱材による蓄熱が行われ、車両の内燃機関の暖機完了前に、蓄熱材に放熱させることにより車両の所定部分の加熱が行われるように構成されている。このように構成すれば、本発明の化学蓄熱装置が車両に搭載された場合に、暖機完了後において高温の排ガスから熱を効率よく、かつ、迅速に吸収することができるとともに、暖機完了前に吸収した熱を効率よく、かつ、迅速に放出して、車両の所定の部分を温めることができる。この結果、車両の排ガスの熱を有効に活用して、車両における電力消費を低減することができる。
なお、本出願では、上記一の局面による化学蓄熱装置とは別に、以下のような他の構成も考えられる。
（付記項）
すなわち、本出願の他の構成による化学蓄熱装置は、蓄熱材を収容する反応容器と、高温熱交換流体および低温熱交換流体が反応容器の外表面に沿って流れるように設けられた熱交換流路と、高温熱交換流体および低温熱交換流体のうち、熱交換流路を流通する熱交換流体を切り替えることが可能な切替部と、を備え、高温熱交換流体および低温熱交換流体の少なくとも一方の流動力により、反応容器が移動されて蓄熱材の撹拌が行われるように構成されている。このように構成すれば、高温熱交換流体および低温熱交換流体の少なくとも一方の流動力により、反応容器が移動されて蓄熱材の撹拌が行われることによって、反応容器を移動させるための駆動部を設けなくとも、高温熱交換流体および低温熱交換流体の少なくとも一方の流動力により反応容器を移動させて蓄熱材の撹拌を行うことができる。これにより、駆動部を設ける必要がない分、部品点数を削減して装置構成を簡素化することができるとともに、化学蓄熱装置全体を小型化することができる。また、仮に反応容器を移動させるための駆動部を補助的に設けた場合であっても、反応容器を移動させるための駆動力の全てを駆動部から供給する必要がないので、駆動部を駆動させるための電力消費を低減することができる。特に、電力消費の低減が強く求められる車両に本発明の化学蓄熱装置を搭載する場合には、駆動部の電力消費を低減することができる点が大きな効果となる。
また、本出願の他の構成による化学蓄熱装置では、反応容器が移動することにより、反応容器が移動しない場合と比べて、反応容器の外表面に沿って流れる高温熱交換流体および低温熱交換流体と反応容器との間の伝熱性を向上させることができる。また、蓄熱材が攪拌されることによって、蓄熱材が静止している場合と比べて、蓄熱材と反応容器との間の伝熱性を向上させることができる。さらに、蓄熱材が凝集して固化するのを確実に抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材が減少するのを抑制することができる。これらにより、効率よく、かつ、迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることができる。さらに、高温熱交換流体および低温熱交換流体のうち、熱交換流路を流通する熱交換流体を切り替えることが可能な切替部を設けることによって、蓄熱材が高温熱交換流体から蓄熱する状態と、蓄熱材が低温熱交換流体に放熱する状態とに容易に切り替えることができる。
本発明によれば、上記のように、反応容器を回転させるための駆動部を設けなくとも、反応容器を回転させて蓄熱材の撹拌を行うことができる。
本発明の一実施形態による化学蓄熱装置の蓄熱時における車両の状態を示した概略図である。 本発明の一実施形態による化学蓄熱装置の放熱時における車両の状態を示した概略図である。 本発明の一実施形態による化学蓄熱装置を示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態による化学蓄熱装置を示した正面図である。 図４の５００−５００線に沿った反応容器周辺の断面図である。 本発明の一実施形態による化学蓄熱装置の反応容器を示した拡大正面図である。 本発明の一実施形態による化学蓄熱装置の蒸発凝縮器を示した拡大断面図である。 本発明の一実施形態の第１変形例による反応容器部周辺を示した側面図である。 本発明の一実施形態の第２変形例による反応容器部を示した正面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例による反応容器部を示した側面図である。 本発明の一実施形態の第３変形例による反応容器部を示した正面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図７を参照して、本発明の実施形態による化学蓄熱装置１００の構成について説明する。
本発明の一実施形態による化学蓄熱装置１００は、図１に示すように、エンジン１２０を有する自動車などの車両１１０に搭載されるように構成されている。また、化学蓄熱装置１００は、車両１１０の通常走行時などの暖機完了後には、エンジン１２０から排出されて排気管１３０の内部を流通する高温の排ガスＧを利用して蓄熱するように構成されている。また、車両１１０の冷間始動時や走行初期などの暖機完了前には、エンジン１２０から排出されて排気管１３０の内部を流通する低温の排ガスＧに対して蓄熱した熱を供給する（放熱する）ように構成されている。これにより、化学蓄熱装置１００の後方に配置された熱交換器１４０および触媒１５０に暖められた排ガスＧが供給されるように構成されている。なお、エンジン１２０は、本発明の「内燃機関」の一例であり、排ガスＧは、本発明の「熱交換流体」の一例である。また、高温の排ガスＧは、本発明の「高温熱交換流体」の一例である。
熱交換器１４０は、暖められた排ガスＧから熱を吸収して、ヒータコア１６０およびバッテリ１７０に熱を供給する機能を有しており、この結果、ヒータコア１６０およびバッテリ１７０が加熱されるように構成されている。また、触媒１５０は、排ガスＧを浄化する機能を有している。この触媒１５０では、暖められた排ガスＧは、低温の排ガスＧよりも浄化される。なお、ヒータコア１６０およびバッテリ１７０は、本発明の「（車両の）所定部分」の一例である。
化学蓄熱装置１００は、図３および図４に示すように、反応容器１と、蒸発凝縮器２と、反応容器１と蒸発凝縮器２とを接続する蒸気配管３と、蒸気配管３に設けられた弁４と、反応容器１を上方（Ｚ１側）から覆う上カバー５と、反応容器１を下方（Ｚ２側）から覆う下カバー６とを備えている。また、蒸気配管３は、台座７に設けられ、上方に延びる一対の壁部７ａにより回転可能に軸支されている。また、反応容器１および蒸発凝縮器２は、蒸気配管３を回転軸として共に回転可能なように構成されている。
また、反応容器１は、蓄熱時に脱水反応により後述する蓄熱材８が蓄熱して水蒸気を放出するとともに、放熱時に水和反応により蓄熱材８が水蒸気を吸収して放熱する機能を有している。この反応容器１は、熱伝導性に優れる金属（たとえば、銅合金、アルミニウム合金、炭素鋼、合金鋼など）により形成されているとともに、より熱伝導性を向上させるために薄肉化されている。また、蒸発凝縮器２は、蓄熱時に脱水反応により蓄熱材８から放出される水蒸気を回収するとともに、放熱時に蓄熱材８と水和反応する水蒸気を蓄熱材８に供給する機能を有している。なお、反応容器１および蒸発凝縮器２の具体的な構造については後述する。
上カバー５は、図５に示すように、触媒１５０側（Ｙ２側）の排気管１３０ａに接続される導出口５１を有するとともに、下カバー６は、エンジン１２０側（Ｙ１側）の排気管１３０ｂと接続される導入口６１を有している。これにより、化学蓄熱装置１００には、導入口６１から上カバー５の内面５ａおよび下カバー６の内面６ａによって形成された空間を通過して、導出口５１に至る熱交換流路Ａが形成されている。つまり、エンジン１２０側の排気管１３０ｂから導入された排ガスＧは、熱交換流路Ａを流れて、触媒１５０側の排気管１３０ａに導出されるように構成されている。ここで、導入口６１は、導出口５１よりも下方（Ｚ２側）に配置されている。
また、上カバー５には、図３に示すように、Ｘ１側およびＸ２側に、それぞれ、一対の軸当接部５ｂが設けられている。また、下カバー６には、Ｘ１側およびＸ２側に、それぞれ、一対の軸当接部６ｂが設けられている。また、上カバー５と下カバー６とは、Ｙ１側の当接面５ｃおよび６ｃが互いに当接した状態で、溶接などにより互いに固定されている。
蒸気配管３は、図３および図４に示すように、Ｘ方向に延びるように形成されている。また、蒸気配管３は、反応容器１側（Ｘ２側）に配置された配管部３１と、蒸発凝縮器２側（Ｘ１側）に配置された配管部３２とを有している。この配管部３１のＸ１側の端部と配管部３２のＸ２側の端部とは、弁４を介して互いに接続されている。また、配管部３１のＸ２側の端部および配管部３２のＸ１側の端部は、それぞれ、蓋部３３および３４（図７参照）により封止されている。
また、配管部３１の反応容器部１１に対応する位置には、後述する反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａと蒸気配管３の内部とを接続する接続穴３１ａが複数形成されている。この接続穴３１ａを介して、反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａと蒸気配管３の内部との間で水蒸気が流通するように構成されている。
弁４は、配管部３１の内部と配管部３２の内部との間の水蒸気の流通を制御することによって、蒸発凝縮器２と反応容器１との間の水蒸気の流通を制御するように構成されている。これにより、弁４が開放されている際には、蒸発凝縮器２と反応容器１との間で水蒸気の流通が行われて蓄熱または放熱が行われる一方、弁４が閉鎖されている際には、蒸発凝縮器２と反応容器１との間で水蒸気の流通が行われないため、蓄熱および放熱が行われないように構成されている。また、弁４の下方（Ｚ２側）には、弁４の開閉を行うための弁駆動部４ａが設けられている。
反応容器１は、図６に示すように、８つの円盤状の反応容器部１１に分割されている。この８つの反応容器部１１は、配管部３１の延びるＸ方向に沿って８つ並ぶように配置されている。また、反応容器部１１は、高さ方向（Ｚ方向）の中央に向かってＸ方向の幅が大きくなるような形状を有しており、内部が中空状に形成されている。また、図５に示すように、反応容器部１１の略中央には、Ｘ方向に貫通するように、配管部３１が挿入される配管穴１１ｂが形成されている。これにより、反応容器部１１は、側面（Ｘ１側）から見て、リング状に形成されている。
また、反応容器部１１の中空状の内部には、複数の蓄熱材８が収容されており、蓄熱材収容部１１ａとして機能している。なお、蓄熱材収容部１１ａの内容積のうちの約４０％を占めるように、複数の蓄熱材８が収容されている。
蓄熱材８は、酸化カルシウム（ＣａＯ）からなる。この酸化カルシウムからなる蓄熱材８（放熱可能な蓄熱材８）は、放熱時において、蒸発凝縮器２から供給される水蒸気と水和反応することによって、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）になるとともに、熱を放出する（放熱する）ように構成されている。また、水酸化カルシウムからなる蓄熱材８（蓄熱可能な蓄熱材８）は、蓄熱時において、脱水反応により、水蒸気を放出するとともに、熱を吸収する（蓄熱する）ことによって、酸化カルシウムになるように構成されている。これにより、蓄熱材８は化学反応を用いた化学蓄熱を行うように構成されている。また、蓄熱材８は、反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａの内表面と接触することによって、蓄熱または放熱するように構成されている。なお、蓄熱材８は、約数百μｍの粒径を有している。また、図５では、蓄熱材８を実際よりも大きく図示している。
また、蓄熱材８との接触面積を増加させるために、蓄熱材収容部１１ａの内表面には羽根部１１ｃが形成されている。この羽根部１１ｃは、反応容器部１１の中央から放射状に延びるように複数形成されている。
ここで、本実施形態では、図６に示すように、８つの反応容器部１１の各々の外表面１１ｄには、フィン１２が設けられている。このフィン１２は、反応容器部１１と一体的に形成されているとともに、中心部近傍から外側まで延びる８つのフィン部１２ａにより構成されている。また、フィン１２は、図５に示すように、熱交換流路Ａに配置されており、排ガスＧと反応容器部１１の外表面１１ｄとの伝熱を促進させる機能を有している。さらに、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄに沿って流れる排ガスＧ（蓄熱時は高温の排ガスＧ、放熱時は低温の排ガスＧ）がフィン１２に接触しながら流れることによって、フィン１２に排ガスＧの流動力に基づく回転駆動力が発生するように構成されている。これにより、反応容器１（反応容器部１１）が回転方向Ｒに回転されるように構成されている。つまり、蓄熱時および放熱時のいずれにおいても、排ガスＧの流動力により反応容器部１１が回転されて、蓄熱材収容部１１ａに収容された蓄熱材８が攪拌されるように構成されている。さらに、図３および図４に示すように、反応容器１と蒸発凝縮器２とは蒸気配管３を介して接続されていることによって、反応容器１の回転に伴い、蒸気配管３および蒸発凝縮器２も回転するように構成されている。
また、フィン１２は、図６に示すように、８つの反応容器部１１の各々の間に形成されており、隣接する反応容器部１１同士を連結するようにＸ方向に延びている。一方、８つの反応容器部１１のうち、Ｘ１側の端部に位置する反応容器部１１のＸ１側の外表面１１ｄと、Ｘ２側の端部に位置する反応容器部１１のＸ２側の外表面１１ｄとには、フィン１２は設けられていない。
また、フィン１２の８つのフィン部１２ａは、図５に示すように、中央から放射状に延びる直線に対して、傾斜した状態で設けられている。具体的には、フィン部１２ａの中央側の端部が、外側の端部よりも回転方向Ｒの前側に位置するように、フィン部１２ａが中央から放射状に延びる直線に対して傾斜している。これにより、下方（Ｚ２側）に配置された導入口６１から導入される排ガスＧの流動力がフィン部１２ａに伝達されやすいので、より効率よく、排ガスＧの流動力を回転駆動力に変換することが可能とされている。
また、反応容器１の中央（蒸気配管３）は、エンジン１２０側（Ｙ１側）の排気管１３０ｂと接続される導入口６１よりも上方（Ｚ１側）に位置している。さらに、反応容器１の中央は、触媒１５０側（Ｙ２側）の排気管１３０ａと接続される導出口５１よりも下方（Ｚ２側）に位置している。これにより、フィン１２の下部に、導入口６１から導入される排ガスＧが吹きかけられるとともに、フィン１２の上部まで回転駆動力を供給した排ガスＧが導出口５１から排出されるように構成されている。この結果、反応容器１は、回転方向Ｒに容易に回転可能なように構成されている。
蒸発凝縮器２は、図７に示すように、３つの円盤状の蒸発凝縮部２１に分割されている。この３つの蒸発凝縮部２１は、配管部３２の延びるＸ方向に沿って３つ並ぶように配置されている。また、蒸発凝縮部２１は、反応容器部１１と同様に、高さ方向（Ｚ方向）の中央に向かってＸ方向の幅が大きくなるような形状を有しており、内部が中空状に形成されている。また、蒸発凝縮部２１の中央には、Ｘ方向に貫通するように、配管部３２が挿入される配管穴２１ａが形成されている。これにより、蒸発凝縮部２１は、側面（Ｘ１側）から見て、リング状に形成されている。また、蒸発凝縮部２１の中空状の内部には、水蒸気が凝縮した水９が収容されており、水収容部２１ｂとして機能している。この水収容部２１ｂは、水蒸気を水９として回収するとともに、水蒸気を供給する機能を有している。
また、配管部３２の３つの蒸発凝縮部２１に対応する位置には、弁４側（Ｘ２側）からＸ１側に向かってＸ方向に沿って延びる内部管３２ａと、内部管３２ａよりも外側の配管部３２に形成され、配管部３２の内部と、蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂとを接続する接続穴３２ｂとが設けられている。
内部管３２ａは、３つの蒸発凝縮部２１の配管穴２１ａに対してＺ方向に対向する位置に配置されている。また、内部管３２ａが配管部３２の内部に配置されていることによって、内部管３２ａの外周面１３２ａと、配管部３２の内周面３２ｃとの間には、Ｘ方向に延びる流路３２ｄが形成されている。また、内部管３２ａのＸ１側の端部は、配管部３２のＸ１側の端部よりもＸ２側に位置するように形成されている。この結果、配管部３２のＸ１側の端部に配置された蓋部３４と、内部管３２ａのＸ１側の端部との間には、隙間３２ｅが形成されている。
これにより、水収容部２１ｂから蒸発した水蒸気は、接続穴３２ｂを介して流路３２ｄに到達した後に、Ｘ１方向に沿って流路３２ｄ内を流通し、隙間３２ｅを通過して折り返した後に、内部管３２ａの内部をＸ２方向に流通して、弁４に到達するように構成されている。つまり、配管部３２には折り返し構造Ｂが形成されている。一方、水収容部２１ｂから飛散した水滴は、内部管３２ａの外周面１３２ａに衝突した後に、再度水収容部２１ｂに戻されるように構成されている。
また、反応容器１における反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａと、蒸発凝縮器２における蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂとは、蒸気配管３を介して接続されているとともに、蓄熱材収容部１１ａと水収容部２１ｂと蒸気配管３とによって形成される空間は、外部の空気（排ガスＧなど）が流入しないように密閉されている。また、蓄熱材収容部１１ａと水収容部２１ｂと蒸気配管３とによって形成される空間は減圧されており、弁４が開放した際に、水収容部２１ｂの水９が蒸発しやすいように構成されている。
次に、図１、図４および図５を参照して、本発明の実施形態による化学蓄熱装置１００の蓄熱時の動作について説明する。
図１に示す車両１１０の通常走行時などの暖機完了後には、エンジン１２０から排出された高温の排ガスＧが排気管１３０ｂを流通する。そして、図５に示すように、導入口６１から導入された高温の排ガスＧが、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄを流れる。この際、反応容器部１１の外表面１１ｄおよびフィン１２を介して反応容器部１１に高温の排ガスＧからの熱が伝熱され、その結果、反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａから水酸化カルシウムからなる蓄熱材８（蓄熱可能な蓄熱材８）に伝熱されている。しかしながら、弁４（図４参照）が閉鎖されている状態では、脱水反応によって生じた水蒸気が、配管部３１および８つの蓄熱材収容部１１ａからなる空間に飽和しているため、これ以上、蓄熱材８において脱水反応（蓄熱）は行われない。
ここで、蓄熱を行う際には、弁４が開放される。これにより、水蒸気が蒸発凝縮器２（図４参照）側に移動可能になることによって、水酸化カルシウムからなる蓄熱材８は、水蒸気を放出することが可能になり、脱水反応が始まる。これにより、水蒸気が蒸発凝縮器２側に移動するとともに、蓄熱材８に熱が吸収（蓄熱）される。これにより、化学蓄熱装置１００において、蓄熱が行われる。なお、脱水反応により、水酸化カルシウムからなる蓄熱材８は酸化カルシウムになる。
ここで、本実施形態では、高温の排ガスＧが導入口６１から導入されて熱交換流路Ａを流れることによって、フィン１２が形成された反応容器１（反応容器部１１）は、蒸気配管３を回転軸として回転方向Ｒに回転される。これにより、蓄熱材８が攪拌されて、より効率的に脱水反応（蓄熱）が行われる。また、図４に示すように、反応容器１の回転に伴い、蒸発凝縮器２も回転されることによって、蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂの表面の広い範囲に水蒸気が付着するとともに、冷却されて水に変化する。これにより、蒸発凝縮器２が回転しない場合と比べて、より効率的に、蒸発凝縮器２において水蒸気が消費されるので、蓄熱材収容部１１ａにおける脱水反応がより進行する。
一方、蓄熱を終了する際には、弁４が閉鎖される。これにより、水蒸気が、配管部３１および８つの蓄熱材収容部１１ａからなる空間に飽和するまで脱水反応が進行するものの、それ以上の脱水反応（蓄熱）は行われない。
次に、図２、図４、図５および図７を参照して、本発明の実施形態による化学蓄熱装置１００の放熱時の動作について説明する。
図２に示す車両１１０の冷間始動時や走行初期などの暖機完了前には、エンジン１２０から排出された低温の排ガスＧが排気管１３０ｂを流通する。そして、図５に示すように、導入口６１から導入された低温の排ガスＧが、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄを流れる。この際、低温の排ガスＧにより、反応容器部１１の外表面１１ｄおよびフィン１２を介して反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａが冷やされる（蓄熱材収容部１１ａから熱が奪われる）。しかしながら、弁４（図４参照）が閉鎖されている状態では、水蒸気が存在しないため、蓄熱材８において水和反応（放熱）は行われない。なお、配管部３１および８つの蓄熱材収容部１１ａからなる空間は、水蒸気が存在しない分、減圧されている。
ここで、放熱を行う際には、弁４が開放される。これにより、蒸発凝縮器２（図４参照）減圧されることによって水が水蒸気となるとともに、水蒸気が蒸気配管３を介して蓄熱材収容部１１ａ側に移動する。これにより、水蒸気と酸化カルシウムからなる蓄熱材８とが水和反応することにより、蓄熱材８から熱が放出（放熱）される。これにより、蓄熱材８から放出された熱は、反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａからフィン１２を介して熱交換流路Ａを流れる低温の排ガスＧに供給される。これにより、化学蓄熱装置１００において放熱が行われて、低温の排ガスＧが温められる。そして、図２に示すように、熱交換器１４０を介してヒータコア１６０およびバッテリ１７０が加熱される。なお、水和反応により、酸化カルシウムからなる蓄熱材８は水酸化カルシウムになる。
また、図５に示すように、蓄熱時と同様に、低温の排ガスＧが導入口６１から導入されて熱交換流路Ａを流れることによって、反応容器１（反応容器部１１）が回転方向Ｒに回転されることによって、蓄熱材８が攪拌されて、より効率的に水和反応（放熱）が行われる。また、図７に示すように、反応容器１の回転に伴い、蒸発凝縮器２も回転されることによって、蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂに収容された水９が水収容部２１ｂの表面の広い範囲に付着するとともに、蒸発して水蒸気に変化する。これにより、蒸発凝縮器２が回転しない場合と比べて、より効率的に、蒸発凝縮器２において水が水蒸気に変化するので、蓄熱材収容部１１ａにおける水和反応がより進行する。また、弁４が開放された際に、蒸発凝縮器２内の圧力が急激に変化するため、水収容部２１ｂに収容されていた水９が水滴となって飛散する。しかしながら、水収容部２１ｂから飛散した水滴は、内部管３２ａの外周面１３２ａに衝突した後に、再度水収容部２１ｂに戻されるため、水滴が、蒸気配管３を介して反応容器部１１の蓄熱材収容部１１ａに流通することが抑制される。
一方、放熱を終了する際には、弁４が閉鎖される。これにより、水蒸気が蓄熱材収容部１１ａに供給されなくなることにより、それ以上の水和反応（放熱）は行われない。
上記実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、蓄熱時および放熱時のいずれにおいても、排ガスＧの流動力により反応容器１の反応容器部１１が回転されて、蓄熱材収容部１１ａに収容された蓄熱材８が攪拌されることによって、反応容器１を移動させるための駆動部を設けなくとも、蓄熱時および放熱時に、排ガスＧの流動力により反応容器１を移動させて蓄熱材８の撹拌を行うことができる。これにより、駆動部を設ける必要がない分、部品点数を削減して装置構成を簡素化することができるとともに、化学蓄熱装置１００を小型化することができる。さらに、蓄熱材８の撹拌を行うための駆動部を設ける必要がないので、電力消費の低減が強く求められる車両１１０における電力消費を低減することができる。
また、本実施形態では、排ガスＧの流動力により反応容器１の反応容器部１１が回転することによって、反応容器１が移動（回転）しない場合と比べて、反応容器１における反応容器部１１の外表面１１ｄに沿って流れる排ガスＧと反応容器１との間の伝熱性を向上させることができる。また、反応容器１がスライド移動する場合と比べて、反応容器１内の蓄熱材８をより均一に攪拌することができる。これにより、蓄熱材８が凝集して固化するのを確実に抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材８が減少するのを抑制することができる。さらに、蓄熱材８が攪拌されることによって、蓄熱材８が静止している場合と比べて、蓄熱材８と反応容器１との間の伝熱性を向上させることができる。これらの結果、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材８に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材８から放熱させることができる。
また、本実施形態では、反応容器１が蒸気配管３を回転軸として回転することによって、反応容器１がスライド移動するための空間を確保する必要がないので、化学蓄熱装置１００を小型化することができる。
また、本実施形態では、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄに沿って流れる排ガスＧ（蓄熱時は高温の排ガスＧ、放熱時は低温の排ガスＧ）がフィン１２に接触しながら流れることによって、フィン１２に排ガスＧの流動力に基づく回転駆動力が発生するように構成する。これにより、反応容器１の反応容器部１１の外表面１１ｄに設けられた伝熱を促進するためのフィン１２を、排ガスＧから流動力を得ることにも活用することができるので、フィン１２とは別に排ガスＧから流動力を得るための部材を反応容器１に設ける必要がない。これにより、反応容器１の構造を簡素化することができる。また、伝熱を促進するためのフィン１２により、反応容器１における伝熱性をより向上させることができるので、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材８に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材８から放熱させることができる。
また、本実施形態では、反応容器１を８つの反応容器部１１に分割することによって、反応容器１と排ガスＧとの接触面積（伝熱面積）を大きくすることができるので、反応容器１における伝熱性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、８つの反応容器部１１の各々の間に形成されたフィン１２を、隣接する反応容器部１１同士を連結するように形成することによって、フィン１２が補強部材の役割も果たすので、分割した８つの反応容器部１１からなる反応容器１の強度を向上させることができる。さらに、反応容器部１１同士間の間隔分の大きな長さのフィン１２が設けられるので、フィン１２の表面積を大きくすることができる。その結果、反応容器１における伝熱性をさらに向上させることができる。
また、本実施形態では、蒸発凝縮器２を、蒸気配管３を回転軸として回転可能なように構成することによって、蒸発凝縮器２を回転させることにより、蓄熱時に、蒸発凝縮器２における蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂの表面の広い範囲に水蒸気を付着させることができるので、広い範囲から水蒸気を回収することができる。また、放熱時に、蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂの表面の広い範囲に水を付着させることができるので、蒸発凝縮部２１の水収容部２１ｂの表面の水を蒸発させることにより、広い範囲から水蒸気を発生させることができる。これらにより、水蒸気の回収および供給の効率を向上させることができるので、蓄熱材８における脱水反応および水和反応を促進させることができる。この結果、より効率よく、かつ、より迅速に蓄熱材８に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材８から放熱させることができる。
また、本実施形態では、反応容器１の回転に伴い、蒸発凝縮器２も反応容器１とともに回転するように構成することによって、蒸発凝縮器２を回転させるために別途駆動部を設ける必要がないため、部品点数を削減して装置構成をより簡素化することができるとともに、化学蓄熱装置１００をより小型化することができる。
また、本実施形態では、配管部３２に折り返し構造Ｂを設けることによって、折り返し構造Ｂにより液滴が反応容器１に供給されるのを抑制することができるので、液滴が直接蓄熱材８にかかるのを抑制することができる。これにより、水滴に起因して蓄熱材８が凝集および固化するのを抑制することができるので、蓄熱または放熱に寄与する蓄熱材８が減少するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、弁４により、配管部３１の内部と配管部３２の内部との間の水蒸気の流通を制御することによって、蒸発凝縮器２と反応容器１との間の水蒸気の流通を制御することによって、蓄熱時および放熱時以外では弁４を閉鎖して水蒸気の流通を抑制することができるので、蓄熱時および放熱時以外に蓄熱材８において脱水反応または水和反応が発生するのを抑制することができる。また、蓄熱時および放熱時以外に弁４を閉鎖することによって、何等かの衝撃が化学蓄熱装置１００に加えられた場合であっても、蒸発凝縮器２における水収容部２１ｂの水９が反応容器１に流れ込むのを抑制することができる。これにより、流れ込んだ水に起因して蓄熱材８が凝集および固化するのを確実に抑制することができる。
また、本実施形態では、車両１１０の通常走行時などの暖機完了後には、エンジン１２０から排出された高温の排ガスＧが排気管１３０ｂを流通する。そして、導入口６１から導入された高温の排ガスＧが、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄを流れることにより、化学蓄熱装置１００において蓄熱が行われる。一方、車両１１０の冷間始動時や走行初期などの暖機完了前には、エンジン１２０から排出された低温の排ガスＧが排気管１３０ｂを流通する。そして、導入口６１から導入された低温の排ガスＧが、熱交換流路Ａにおいて、反応容器部１１の外表面１１ｄを流れることにより、化学蓄熱装置１００において放熱が行われて低温の排ガスＧが温められる。この結果、熱交換器１４０を介してヒータコア１６０およびバッテリ１７０が加熱される。これにより、暖機完了後において高温の排ガスＧから熱を効率よく、かつ、迅速に吸収することができるとともに、暖機完了前に吸収した熱を効率よく、かつ、迅速に放出して、車両１１０のヒータコア１６０およびバッテリ１７０を温めることができる。この結果、車両１１０の排ガスＧの熱を有効に活用して、車両１１０における電力消費を低減することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、本発明の化学蓄熱装置を車両に搭載する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の化学蓄熱装置を、車両以外の移動体に搭載してもよいし、据え置き型として用いてもよい。
また、上記実施形態では、本発明の熱交換流体の一例として、排ガスＧを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、熱交換流体は、排ガス以外の流体であってもよい。たとえば、クーラント液などであってもよい。
また、上記実施形態では、高温の熱交換流体として高温の排ガスＧを用い、低温の熱交換流体として低温の排ガスＧを用いた（共に排ガスＧを用いた）例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、高温の熱交換流体として高温の排ガスＧを用い、低温の熱交換流体として排ガスが供給される排気管とは別系統の配管から供給される暖気用空気を用いてもよい。この際、排ガスと暖気用空気とを切り替えることが可能な切替部を設けることによって、蓄熱材が高温熱交換流体から蓄熱する状態と、蓄熱材が低温熱交換流体に放熱する状態とに容易に切り替えることが可能である。さらに、暖気用空気をヒータコアおよびバッテリを加熱するために用いることにより、車両に熱交換器を設ける必要がなくなる。
また、上記実施形態では、排ガスＧの流動力のみにより、フィン１２が設けられた反応容器１（反応容器部１１）を回転方向Ｒに回転させた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、反応容器を回転させるための補助的な駆動力を発生させる補助駆動部を設けることによって、排ガスの流動力以外の駆動力を用いて反応容器を回転させてもよい。これにより、より確実に、蓄熱材を攪拌することが可能である。また、補助駆動部を設けたとしても、フィンが設けられた反応容器を回転させるための駆動力の全てを補助駆動部から供給する必要がないので、補助駆動部を駆動させるための電力消費を低減することが可能である。これにより、電力消費の低減が強く求められる車両において、消費電力を低減することが可能である。
また、上記実施形態では、反応容器１を回転させることにより蓄熱材８を攪拌する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、反応容器をスライド移動または回動（揺動）させることによって、蓄熱材を攪拌してもよい。
また、上記実施形態では、本発明の蓄熱材８の一例として、酸化カルシウム（ＣａＯ）からなる蓄熱材を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、化学蓄熱可能な蓄熱材であればよい。たとえば、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化バリウム（ＢａＯ）など、酸化カルシウム（ＣａＯ）以外の材料からなる蓄熱材であってもよい。
また、上記実施形態では、反応容器１を８つの反応容器部１１に分割した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、反応容器を分割しなくてもよいし、８つ以外の複数個に分割してもよい。なお、反応容器と熱交換流体との接触面積（伝熱面積）を大きくして伝熱性を向上させるためには、多く分割されていることが好ましい。
また、上記実施形態では、フィン１２の８つのフィン部１２ａを、中央から放射状に延びる直線に対して、傾斜するように状態で設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図８に示す本実施形態の第１変形例のように、側面から見て、中央部が両端部に対して回転方向Ｒの前側に突出するような曲線状のフィン部２１２ａを、反応容器部２１１の表面１１ｄに形成してもよい。これにより、フィン部２１２ａの両端部から中央の突出した部分に向かって排ガスＧが導かれることにより、フィン部２１２ａの中央の突出した部分に排ガスＧの流動力が多く加えられるので、より効率よく、排ガスＧの流動力を回転駆動力に変換することが可能である。
また、上記実施形態では、フィン１２が隣接する反応容器部１１同士を連結する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図９に示す本実施形態の第２変形例のように、フィン３１２（フィン部３１２ａ）を、隣接する反応容器部１１同士を連結しないように形成してもよい。これにより、反応容器部１１同士を連結しない分、フィン３１２の長さを短くすることができるので、フィン３１２を軽量化することが可能である。この結果、化学蓄熱装置自体を軽量化することが可能である。また、反応容器部１１同士がフィン３１２により連結されていないので、フィンによって連結されている場合と異なり、反応容器部１１を個別に取り扱うことが可能である。これにより、化学蓄熱装置を容易に組み付けることが可能である。
また、上記第２変形例のように、フィン３１２を隣接する反応容器部１１同士を連結しないように形成しない場合には、図１０および図１１に示す第３変形例のように、フィン３１２の分断された側の端部（反応容器部１１とは反対側の端部）に、フィン３１２に排ガス（熱交換流体）を導く導風板４１２を設けてもよい。この導風板４１２は、蒸気配管３（配管部３１）を挿入するための穴部が略中央に形成されており、側面視において、円盤状（リング状）に形成されている。また、導風板４１２の外周縁は、フィン部３１２ａの外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。これにより、導風板４１２により、回転途中で熱交換流体がフィン部３１２ａの外側の端部から逃げるのを抑制することができるので、より、熱交換流体の流動力を回転駆動力に変換することが可能である。この結果、効率よく、かつ、迅速に蓄熱材に蓄熱させることができるとともに、蓄熱材から放熱させることが可能である。さらに、熱交換流体の流動力を反応容器の回転に効率的に用いることが可能である。
また、上記実施形態では、８つの反応容器部１１のうち、Ｘ１側の端部に位置する反応容器部１１のＸ１側の外表面１１ｄと、Ｘ２側の端部に位置する反応容器部１１のＸ２側の外表面１１ｄとには、フィン１２を設けない例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、Ｘ１側の端部に位置する反応容器部１１のＸ１側の外表面１１ｄと、Ｘ２側の端部に位置する反応容器部１１のＸ２側の外表面１１ｄとに、フィン１２を設けてもよい。
１ 反応容器
２ 蒸発凝縮器
３ 蒸気配管
４ 弁
８ 蓄熱材
１１ 反応容器部
１１ｄ 外表面
１２、２１２、３１２ フィン
１００ 化学蓄熱装置
１１０ 車両
１２０ エンジン（内燃機関）
１６０ ヒータコア（（車両の）所定部分）
１７０ バッテリ（（車両の）所定部分）
Ａ 熱交換流路
Ｂ 折り返し構造
Ｇ 排ガス（熱交換流体）

Claims (6)

  1. 蓄熱材を収容する反応容器と、
    熱交換流体が前記反応容器の外表面に沿って流れるように設けられた熱交換流路と、を備え、
    前記熱交換流体の流動力により、前記反応容器が回転されて前記蓄熱材の撹拌が行われるように構成されており、
    前記反応容器の外表面には、伝熱を促進するためのフィンが設けられており、
    前記熱交換流路では、前記熱交換流体が前記フィンに接触しながら流れるように構成されており、
    前記反応容器は、複数の反応容器部に分割されており、
    前記複数の反応容器部の各々の外表面には、前記フィンが設けられているとともに、隣接する前記反応容器部同士が前記フィンにより連結されている、化学蓄熱装置。
  2. 前記熱交換流体は、高温熱交換流体であり、
    蓄熱時に、前記高温熱交換流体の流動力により、前記反応容器が回転されて前記蓄熱材の撹拌が行われるように構成されている、請求項１に記載の化学蓄熱装置。
  3. 蓄熱時に脱水反応により前記蓄熱材から放出される水蒸気を回収するとともに放熱時に前記蓄熱材と水和反応する水蒸気を前記蓄熱材に供給する蒸発凝縮器をさらに備え、
    前記蒸発凝縮器は、前記反応容器とともに移動するように構成されている、請求項１または２に記載の化学蓄熱装置。
  4. 前記蒸発凝縮器と前記反応容器とを接続する蒸気配管をさらに備え、
    前記蒸気配管は、水和反応時に前記蒸発凝縮器からの液滴が飛散するのを抑制する折り返し構造を含む、請求項３に記載の化学蓄熱装置。
  5. 前記蒸発凝縮器と前記反応容器との間に設けられ、前記蒸発凝縮器と前記反応容器との間の水蒸気の流通を制御する弁をさらに備える、請求項３または４に記載の化学蓄熱装置。
  6. 前記反応容器は、内燃機関を有する車両に設置されており、
    前記車両の内燃機関の暖機完了後に、高温の排ガスからなる高温熱交換流体が前記反応容器の外表面に沿って流れることにより前記蓄熱材による蓄熱が行われ、前記車両の内燃機関の暖機完了前に、前記蓄熱材に放熱させることにより前記車両の所定部分の加熱が行われるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の化学蓄熱装置。
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