JP6221784B2 - 化学蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、化学反応により蓄熱し放熱する化学蓄熱システムに関するものである。

特許文献１には、従来技術としての冷凍装置が開示されている。その冷凍装置は、液冷媒と接触する主蒸発凝縮コアにて蒸発させた冷媒蒸気を、その液冷媒と非接触状態で配される吸着コアにて吸着する。これにより、主蒸発凝縮コアにて冷却される熱交換流体を室内熱交換器に循環して室内を冷房する。

ここで、特許文献１の冷凍装置のような吸着式の冷凍装置では、吸着コアに蒸気ではなく液滴が付着すると吸着コアの吸着能力が低下するおそれがある。そこで、特許文献１の冷凍装置では、例えば液冷媒の沸騰に起因して生じた飛沫である液滴が吸着コアへ到達しないように、補助蒸発コアが設けられている。具体的に、その補助蒸発コアは、主蒸発凝縮コアと吸着コアとの間において、液冷媒と非接触状態で設けられている。これにより、液滴が発生しても、その液滴は補助蒸発コアに付着して蒸発するので、液滴のまま吸着コアまで到達することを防止することができる。

特開平１１−１４１８３号公報

ところで、上述した吸着式の冷凍装置と同様のシステムで、化学蓄熱システムというものがある。この化学蓄熱システムでは、特許文献１の冷凍装置の吸着コアが化学蓄熱材に置き換わる。この化学蓄熱材は、上記液冷媒に相当する反応液の蒸気を水和反応によって取り込み、或いは脱水反応によって反応液の蒸気を放出する。

上記化学蓄熱システムでも、吸着式の冷凍装置と同様に、液滴が化学蓄熱材へ到達することを防止する必要がある。例えば液滴が化学蓄熱材へ付着すると、液滴が蒸気に相変化するのに必要なエネルギを、化学蓄熱材の水和反応時の発熱エネルギから奪うため、結果として、化学蓄熱材の水和反応で利用可能な発熱量が低下するからである。また、反応液の蒸気が流入してくる化学蓄熱材の上流部分にて液滴が水和反応後の化学蓄熱材と共に水膜を作り、下流部分にある未反応の化学蓄熱材にまで蒸気が到達することが妨げられ、化学蓄熱材による蒸気の吸収および反応液の蒸発が妨げられるからである。

このような化学蓄熱システムの課題を解決するために、特許文献１の冷凍装置と同様の構成を採用することが考えられる。しかしながら、特許文献１の冷凍装置と同様に補助蒸発コアを設置したとすると、その補助蒸発コアは蒸気流れの妨げにもなるので、反応液の蒸気が化学蓄熱材にまで到達する間での圧力損失が大幅に大きくなり、蒸気が化学蓄熱材へ到達し難くなって、化学蓄熱システムの性能低下を招く可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、良好な蒸気の流通を確保しつつ液滴が化学蓄熱材へ到達することを抑制することができる化学蓄熱システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の化学蓄熱システムの発明では、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（１４）が内蔵された反応器（１２）と、
反応器と気密状態で連通され、化学蓄熱材と水和反応を生じる反応液が溜められると共に、反応液が蒸発する気液空間（３４ａ）を備え、気液空間で反応液を蒸発させて反応器へ蒸気を供給し、脱水反応で生じた反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器（１６）とを有し、
蒸発・凝縮器には、気液空間内の反応液と熱交換することにより、反応液を蒸発させる熱媒、または反応器から気液空間へ流入した蒸気と熱交換することにより蒸気を凝縮させる冷媒が流れる媒体流通経路（１６ａ）が形成され、
気液空間は、鉛直方向（ＤＲ１）に直交する気液空間の断面の面積（Ａｔｂ）が、鉛直方向における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されており、
気液空間の断面の面積は鉛直方向の上側ほど大きくなっていることを特徴とする。

上述の発明によれば、蒸発・凝縮器の気液空間は、上記気液空間の断面の面積が、鉛直方向における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されているので、その気液空間内において反応液の沸騰に伴い液滴が飛散することがあり得るところ、上記断面の面積変化に起因して、気液空間を形成する壁面への液滴の衝突または液滴の速度低下等が生じ易くなる。そのため、良好な蒸気の流通を確保しつつ、その蒸気の流れに乗って液滴が反応器内の化学蓄熱材へ到達することを抑制することが可能である。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載した各符号に対応したものである。

本発明の実施形態としての化学蓄熱システム１０の基本構成を示すと共に、蒸発・凝縮器１６の断面を示した模式図であって、図２のI−I断面図である。 図１のII−II断面図である。 図１の化学蓄熱システム１０において、チューブ空間３４ａにおける反応液の液位を供給ポンプ２０および排出ポンプ２２の駆動により調節するためのフローチャートである。 図１の化学蓄熱システム１０において冷房運転の開始時の一例を示したタイムチャートである。 図１の化学蓄熱システム１０の水位センサ２４として圧力センサが用いられる変形例において、チューブ空間３４ａ内の反応液の液位と液圧を示す水位センサ２４の出力信号と関係を示した図である。 図１の化学蓄熱システム１０においてチューブ３４の形状を変えた第１の変形例を示した図である。 図１の化学蓄熱システム１０においてチューブ３４の形状を変えた第２の変形例を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、後述する他の実施形態を含め以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

図１は、本実施形態の化学蓄熱システム１０の基本構成を示すと共に、蒸発・凝縮器１６の断面を示した模式図である。図１の模式図に示す化学蓄熱システム１０は、例えば車両用の冷房装置の一部を構成しており、反応液である水の蒸発によって空気を冷却する。そして、その冷却された空気が車室内へ導入されることよって、車室内が冷房される。図１の矢印ＤＲ１は、車両上下方向ＤＲ１すなわち鉛直方向ＤＲ１を示す。但し、その矢印ＤＲ１は蒸発・凝縮器１６の設置向きを示すものであり、蒸発・凝縮器１６以外の装置例えば反応器１２等の設置向きを示すものではない。

図１に示すように、化学蓄熱システム１０は、反応器１２、蒸発・凝縮器１６、貯留槽１８、供給ポンプ２０、排出ポンプ２２、水位センサ２４、および電子制御装置２６等を備えている。この化学蓄熱システム１０において蒸発と凝縮とを繰り返す反応液は水である。

反応器１２は、化学蓄熱材１４を内蔵している。化学蓄熱材１４は、特開２０１３−２０４８６７号公報に記載された化学蓄熱材と同じものであり、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特性を備えている。本実施形態の化学蓄熱材１４としては、酸化カルシウム／水酸化カルシウム（ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２）が採用されている。従って、反応器１２内では、化学蓄熱材１４は、以下に示す反応で蓄熱と放熱と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）
ここで、ΔＨは反応熱量である。化学蓄熱材１４が水和反応を生じる際には発熱を伴うので、反応器１２においてその熱を放熱させるために空気が流通させられ、加熱された空気は車室外へ排気される。また、化学蓄熱材１４に脱水反応を生じさせるためには化学蓄熱材１４を加熱する必要があるので、その際には、例えば車両の排気ガスなどの高温ガスが反応器１２に流通させられる。

また、反応器１２は、水和反応用の反応液の蒸気すなわち水蒸気を発生させる蒸発・凝縮器１６と蒸気配管２８で接続されている。その反応液の蒸気は、蒸気配管２８を介して、蒸発・凝縮器１６から反応器１２へ供給される。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、反応液である水にして回収する。

蒸気配管２８は、気密状態で蒸発・凝縮器１６と反応器１２とを連結している。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。このバルブ３０は、蒸気配管２８を開閉する開閉弁であり、電子制御装置２６からの制御信号によって作動する。蒸気配管２８は、バルブ３０の閉弁状態で遮断され、バルブ３０の開弁状態で開放される。なお、蒸発・凝縮器１６から反応器１２にわたって気密状態となっているが、詳細には、反応液である水およびその蒸気以外の物質が混入していない気密状態たとえば酸素や窒素等が混入していない気密状態となっている。

蒸発・凝縮器１６は、反応液である水を蒸発・凝縮器１６内に貯留しその水を蒸発させる一方で、反応器１２から流入した水蒸気を凝縮させる。すなわち、蒸発・凝縮器１６は、その内部の水または水蒸気と外部を流れる流体とを熱交換させる熱交換器である。図１に示すように、蒸発・凝縮器１６は、複数本のチューブ３４およびフィン３６から構成されたコア部３８と、コア部３８の両端部に組み付け配置され一対をなす上側の第１ヘッダタンク４０および下側の第２ヘッダタンク４２とを備えている。

複数本のチューブ３４はそれぞれ、第１ヘッダタンク４０と第２ヘッダタンク４２との間で長手状に延びており、チューブ３４まわり及びフィン３６まわりを空気が流れる。すなわち、蒸発・凝縮器１６において、チューブ３４同士の間などのチューブ３４及びフィン３６まわりには、熱交換媒体としての空気が流れる媒体流通経路１６ａが形成されている。その媒体流通経路１６ａにおいて空気は、図２の白抜き矢印ＤＲａで示す空気流れ方向ＤＲａへ流れる。図２は図１のII−II断面図である。

また、図１に示すチューブ３４は、ステンレス鋼製の管であって、その管壁を介した熱交換が促進されるように薄肉の管壁で構成されている。チューブ３４は鉛直方向ＤＲ１へ延びるように配置されている。そして、チューブ３４は、第１ヘッダタンク４０に連結されている第１連結部としての上側連結部３４１、バッファ部３４２、細管部３４３、および、第２ヘッダタンク４２に連結されている第２連結部としての下側連結部３４４を鉛直方向ＤＲ１の上側から順に備えている。また、複数本のチューブ３４は、図１に示すように、媒体流通経路１６ａの空気流れ方向ＤＲａ（図２参照）および鉛直方向ＤＲ１に直交するチューブ積層方向ＤＲｔに積層配置され、互いに平行に配置されている。

上側連結部３４１は、第１ヘッダタンク４０のヘッダプレート４０１にロウ付け等によって固定されている。図１と図２とに示すように、上側連結部３４１には、第１ヘッダタンク４０内に形成された第１タンク空間４０ａと連通している上側連通口３４１ａが形成されている。この上側連通口３４１ａは、第１タンク空間４０ａと蒸気配管２８とを介して反応器１２と連通しており、水蒸気が出入りする蒸気出入口として機能する。

バッファ部３４２は、図１に示すように、上側連結部３４１に対してチューブ積層方向ＤＲｔへ拡張した形状を成し、バッファ部３４２の内部にはバッファ空間３４２ａが形成されている。また、複数本のチューブ３４は、チューブ積層方向ＤＲｔに隣り合うチューブ３４のバッファ部３４２同士が互いに接触するように配置されている。それと共に、複数本のチューブ３４は、バッファ部３４２の上面において第１ヘッダタンク４０のヘッダプレート４０１に対して接触している。

細管部３４３は空気流れ方向ＤＲａ（図２参照）の幅に対してチューブ積層方向ＤＲｔの幅が狭い矩形断面形状を成している。細管部３４３の内部には細管空間３４３ａが形成されている。そして、細管部３４３は、チューブ積層方向ＤＲｔにおいてバッファ部３４２と比較して幅狭に形成されている。また、空気流れ方向ＤＲａにおいてもバッファ部３４２と比較して幅狭に形成されている。すなわち、細管部３４３はバッファ部３４２に対して細く形成され、それと共に、細管空間３４３ａもバッファ空間３４２ａに対して細く形成されている。バッファ部３４２と細管部３４３との並び順から判るように、バッファ空間３４２ａは細管空間３４３ａの上側に配置された上部空間であり、細管空間３４３ａはバッファ空間３４２ａの下側に配置された下部空間である。また、細管空間３４３ａは、バッファ空間３４２ａを介して上側連通口３４１ａへつながっている。

また、細管部３４３はバッファ部３４２よりも細いので、バッファ部３４２は、バッファ空間３４２ａの下端を形成している上部空間下端面３４２ｂすなわちバッファ空間下端面３４２ｂを備えている。そのバッファ空間下端面３４２ｂは、バッファ空間３４２ａと細管空間３４３ａとをつなぐ上下連通口３４２ｃを有しており、その上下連通口３４２ｃへ向かって下り傾斜をもつように形成されている。バッファ空間下端面３４２ｂ上の液滴を重力によって細管空間３４３ａへ導くためである。

下側連結部３４４は、第２ヘッダタンク４２のヘッダプレート４２１にロウ付け等によって固定されている。また、下側連結部３４４には、第２ヘッダタンク４２内に形成された第２タンク空間４２ａと連通している下側連通口３４４ａが形成されている。

チューブ３４では、上記の上側連通口３４１ａとバッファ空間３４２ａと細管空間３４３ａと下側連通口３４４ａとが全体としてチューブ３４内に１つのチューブ空間３４ａを構成し、そのチューブ空間３４ａは反応器１２と気密状態で連通されている。このチューブ空間３４ａはバッファ空間３４２ａと細管空間３４３ａとを含んでいるので、鉛直方向ＤＲ１に直交するチューブ空間３４ａの断面の面積Ａｔｂすなわちチューブ空間断面積Ａｔｂは、鉛直方向ＤＲ１におけるチューブ空間３４ａ内の位置に応じて異なる大きさとなっている。詳細に言えば、細管空間３４３ａにおけるチューブ空間断面積Ａｔｂは、バッファ空間３４２ａにおけるチューブ空間断面積Ａｔｂ以下になっている。そして、そのチューブ空間３４ａは、反応液である水が溜められると共にその反応液が蒸発する一方で反応器１２からの水蒸気が凝縮する気液空間となっている。

フィン３６は、ステンレス鋼製の薄板から成り、空気流れ方向ＤＲａ（図２参照）から見た形状が波状になるように成形されているコルゲートフィンである。フィン３６は、チューブ積層方向ＤＲｔにおいてチューブ３４間に介装され、コア部３８の両端に配置されたチューブ３４の外側にも配設されている。詳細には図１に示すように、隣り合うチューブ３４のバッファ部３４２同士は互いに接触するように配置されているので、フィン３６は、バッファ部３４２同士の間には設けられず、細管部３４３同士の間に設けられている。

また、フィン３６は、チューブ積層方向ＤＲｔに向いたチューブ３４の扁平面に例えばロウ付け等によって接合されており、媒体流通経路１６ａを流れる空気との伝熱面積を増大させてチューブ３４内の流体とその空気との熱交換を促進する役割を果たす。

第１ヘッダタンク４０は、平板状で各チューブ３４の上側連結部３４１が接合されたヘッダプレート４０１と、タンク本体部４０２とを備え、チューブ積層方向ＤＲｔに延びた形状を有している。そのヘッダプレート４０１とタンク本体部４０２とは互いにロウ付け等によって接合されて第１ヘッダタンク４０の筐体を成し、第１ヘッダタンク４０の内部に第１タンク空間４０ａを形成している。

また、第１ヘッダタンク４０のタンク本体部４０２の上部には、蒸気配管２８が接続された蒸気配管接続口４０２ａが設けられている。従って、第１タンク空間４０ａは蒸気配管接続口４０２ａを通って蒸気配管２８に連通している。そのため、第１タンク空間４０ａは、水蒸気が蒸発・凝縮器１６から反応器１２へ流れるときには、各チューブ空間３４ａから流出した水蒸気を集合させて蒸気配管２８へ流す蒸気集合空間として機能する。逆に、第１タンク空間４０ａは、水蒸気が反応器１２から蒸発・凝縮器１６へ流れるときには、流入した水蒸気を各チューブ空間３４ａへ分配する蒸気分配空間として機能する。

第２ヘッダタンク４２は、第１ヘッダタンク４０に対し、コア部３８を挟んで対称的に構成されている。従って、第２ヘッダタンク４２の基本的な構成は上記の第１ヘッダタンク４０と同様である。具体的に言うと、第２ヘッダタンク４２は、平板状で各チューブ３４の下側連結部３４４が接合されたヘッダプレート４２１と、タンク本体部４２２とを備え、チューブ積層方向ＤＲｔに延びた形状を有している。そのヘッダプレート４２１とタンク本体部４２２とは互いにロウ付け等によって接合されて第２ヘッダタンク４２の筐体を成し、第２ヘッダタンク４２の内部に第２タンク空間４２ａを形成している。

第２ヘッダタンク４２は、第１ヘッダタンク４０とは異なり、反応液流入口４２２ａおよび反応液流出口４２２ｂを備えている。その反応液流入口４２２ａおよび反応液流出口４２２ｂはタンク本体部４２２に設けられている。

反応液流入口４２２ａは、貯留槽１８から第２タンク空間４２ａへ反応液を流入させるための反応液入口であり、第２タンク空間４２ａへ流入した反応液はチューブ３４の下側連通口３４４ａからチューブ空間３４ａへ流入する。そして、第２タンク空間４２ａには各チューブ３４の下側連通口３４４ａが連通しているので、第２タンク空間４２ａは、チューブ空間３４ａ内の反応液の液位すなわち水位を各チューブ３４間で等しくする機能を備えている。

反応液流出口４２２ｂは、第２タンク空間４２ａから貯留槽１８へ反応液を流出させるための反応液出口である。反応液流出口４２２ｂから反応液が流出すれば、その分、チューブ空間３４ａに溜まっている反応液が減る。すなわち、第２タンク空間４２ａは、反応液が反応液流出口４２２ｂから貯留槽１８へ流出する際には、各チューブ空間３４ａから流出した反応液を集合させて貯留槽１８へ流す反応液集合空間として機能する。逆に、第２タンク空間４２ａは、反応液が反応液流入口４２２ａから第２タンク空間４２ａへ流出する際には、流入した反応液を各チューブ空間３４ａへ分配する反応液分配空間として機能する。

貯留槽１８は、反応液を貯えるタンクである。貯留槽１８は第１配管４６を介して反応液流入口４２２ａに接続され、第２配管４８を介して反応液流出口４２２ｂに接続されている。すなわち、貯留槽１８は、それらの配管４６、４８と第２タンク空間４２ａとを介してチューブ空間３４ａに連通されている。

また、第１配管４６には供給ポンプ２０が設けられ、第２配管４８には排出ポンプ２２が設けられている。そして、貯留槽１８内の反応液は、排出ポンプ２２が停止され且つ供給ポンプ２０が駆動されることによってチューブ空間３４ａへ供給される一方で、チューブ空間３４ａ内の反応液は、供給ポンプ２０が停止され且つ排出ポンプ２２が駆動されることによって貯留槽１８へ排出される。従って、それらのポンプ２０、２２を駆動することによってチューブ空間３４ａ内の反応液の液位を上下に調節することができる。

また、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２はいずれも回転数制御機能を備えており、電子制御装置２６からの制御信号に応じてポンプ回転数が変化する。例えばポンプ回転数が上昇するほど反応液の搬送量は増大する。このように、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２は全体として、貯留槽１８からチューブ空間３４ａへ反応液を供給し、チューブ空間３４ａに貯留された反応液を貯留槽１８へ排出させるので、チューブ空間３４ａに対し反応液の供給および排出を行う搬送装置を構成している。

水位センサ２４は、例えば静電容量式の水位センサであり、チューブ空間３４ａ内の反応液の液位を測定し、その液位を表す検出信号を電子制御装置２６へ逐次出力する。

電子制御装置２６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路とから構成されており、ＲＯＭ等に予め記憶されたコンピュータプログラムに従って種々の制御処理を実行する。例えば、各ポンプ２０、２２の作動制御やバルブ３０の開閉制御を行う。

また、電子制御装置２６は、図３のフローチャートに示す制御処理も実行する。図３は、チューブ空間３４ａにおける反応液の液位を供給ポンプ２０および排出ポンプ２２の駆動により調節するためのフローチャートである。電子制御装置２６は、蒸発・凝縮器１６が蒸発器または凝縮器として作動している時、またはその作動前に、図３のフローチャートに示す制御処理を周期的に繰り返し実行する。

先ず、図３のステップＳ０１（以下、「ステップ」を省略する）では、電子制御装置２６は、水位センサ２４からの検出信号に基づいて、チューブ空間３４ａ内の反応液の液位を検出する。

続く、Ｓ０２では、Ｓ０１で検出した反応液の液位が予め設定されている目標液位に達したか否かを判定する。その目標液位とは反応液の液位に対して設定された目標値であり、目標液位を中心とした所定の許容幅をもって定まる目標液位範囲内に反応液の液位が入った場合に、その反応液の液位が目標液位に達したと判定する。Ｓ０２において、反応液の液位が目標液位に達したと判定した場合には、Ｓ０６へ進む。その一方で、反応液の液位が目標液位に達していないと判定した場合には、Ｓ０３へ進む。

Ｓ０３では、Ｓ０１で検出した反応液の液位が目標液位よりも低いか否かを判定する。Ｓ０３において、反応液の液位が目標液位よりも低いと判定した場合には、Ｓ０４へ進む。その一方で、反応液の液位が目標液位よりも高いと判定した場合には、Ｓ０５へ進む。

Ｓ０４では、排出ポンプ２２を停止させると共に供給ポンプ２０を駆動させ、それにより貯留槽１８から蒸発・凝縮器１６へ反応液を供給する。

Ｓ０５では、供給ポンプ２０を停止させると共に排出ポンプ２２を駆動させ、それにより蒸発・凝縮器１６から貯留槽１８へ反応液を排出する。

Ｓ０６では、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２を停止させる。これにより、貯留槽１８と第２タンク空間４２ａとの間の反応液の流通が遮断される。

電子制御装置２６は、例えばこのようにしてチューブ空間３４ａ内の反応液の液位を調節する。すなわち、貯留槽１８、供給ポンプ２０、排出ポンプ２２、水位センサ２４、および電子制御装置２６は全体として、チューブ空間３４ａ内における反応液の液面５０の位置を調節する液位調節部として機能する。なお、上述した図３の各ステップでの処理は、それぞれの機能を実現する手段を構成している。

次に、化学蓄熱システム１０の冷房運転について図４を用いて説明する。図４は、冷房運転の開始時の一例を示したタイムチャートである。図４では上から順に、バルブ３０の開閉位置、チューブ３４内の反応液の液面５０（図１参照）の位置すなわち液位、化学蓄熱システム１０の冷房能力がそれぞれ示されている。図４においてバルブ３０のＯＦＦとはバルブ３０の閉状態を意味し、バルブ３０のＯＮとはバルブ３０の開状態を意味する。また、化学蓄熱システム１０の冷房能力とは、冷房運転時に、媒体流通経路１６ａを流れる空気から蒸発・凝縮器１６が奪う単位時間当たりの熱量である。

また、反応器１２内には水和反応を継続するのに十分な化学蓄熱材１４としての酸化カルシウム（ＣａＯ）があるものとする。また、冷房運転の際には、電子制御装置２６は、化学蓄熱材１４の水和反応により発生した熱を放熱させるために、不図示の通風装置を作動させて反応器１２に車室外の空気すなわち外気を流通させる。その外気は反応器１２で加熱された後、例えば車室外へ放出される。それと共に、電子制御装置２６は、車室内の冷房のために、不図示の通風路切替装置を作動させて、車室内の空気である内気または外気を媒体流通経路１６ａに流通させる。すなわち、その内気または外気は、チューブ空間３４ａ内の反応液と熱交換することによりその反応液を蒸発させる熱媒として機能させられる。蒸発・凝縮器１６により冷却された内気または外気すなわち冷風は車室内へ導入される。この冷風によって車室内の冷房が実施される。

図４においてｔ１時点から冷房運転が開始される。すなわち、ｔ１時点よりも前の時点において、バルブ３０は閉状態とされ、反応液の目標液位がａ位置（図１参照）に設定されている。そして、図３で説明したように、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２の作動によりチューブ３４内の反応液の液位が、目標液位であるａ位置（図１参照）に調節されている。その液位のａ位置は、鉛直方向ＤＲ１におけるバッファ空間３４２ａ内の中間位置である。

ｔ１時点から冷房運転が開始されるので、ｔ１時点にてバルブ３０が閉状態から開状態へ切り替られる。これにより、反応器１２内での水和反応により水蒸気が化学蓄熱材１４に吸収され始めると共に、チューブ空間３４ａ内で反応液の蒸発が開始される。そのため、ｔ１時点から、反応液の蒸発に伴って、反応液の液位が低下し始めると共に、媒体流通経路１６ａを流れる空気の冷却が開始される。

ｔ２時点では、反応液の液位が、ａ位置よりも低いｂ位置（図１参照）に達している。その液位のｂ位置は、鉛直方向ＤＲ１におけるバッファ空間下端面３４２ｂの上側位置である。次に、ｔ３時点では、反応液の液位が、ｂ位置よりも低いｃ位置（図１参照）に達している。その液位のｃ位置は、鉛直方向ＤＲ１における細管空間３４３ａの上端位置である。次に、ｔ４時点では、反応液の液位が、ｃ位置よりも低いｄ位置（図１参照）に達している。その液位のｄ位置は、鉛直方向ＤＲ１における細管空間３４３ａの中間位置である。

図１から判るように、液面５０のａ位置からｄ位置までのうちａ位置からｂ位置までの間で、チューブ空間断面積Ａｔｂすなわち反応液の液面５０の面積は最も広くなる。そして、このチューブ空間３４ａ内のような低温減圧場では気液界面が蒸発性能を支配しその気液界面が広いほど蒸発が促されるので、反応液の蒸発が最も促され、図４に示す冷房能力は、ｔ１時点からｔ２時点までの間で最大となっている。

また、液面５０のｂ位置からｃ位置までの間では、反応液の液面５０の面積は、液面５０が低下するほど狭くなるので、図４に示す冷房能力は、ｔ２時点からｔ３時点までの間で漸減している。また、ｃ位置以下の液面５０では反応液の液面５０の面積は最小となり変化しないので、図４に示す冷房能力は、ｔ３時点以降において一定となっている。図４の例では、反応液の液位がｄ位置に達したところで、供給ポンプ２０が作動させられ、これにより、液位がｄ位置に維持されている。

図４の例では、ｔ１時点前に着目すれば、電子制御装置２６は、反応液の液面５０（図１参照）がバッファ空間３４２ａ内に位置した状態からその反応液の蒸発が開始するように、ｔ１時点前において予め反応液の液面５０の位置を供給ポンプ２０および排出ポンプ２２に調節させている。要するに、電子制御装置２６は、反応液の液面５０の位置を、冷房運転開始時の目標液位であるａ位置（図１参照）に調節させている。

また、反応液の蒸発開始後であるｔ４時点以降に着目すれば、電子制御装置２６は、反応液の液面５０が細管空間３４３ａ内に位置した状態でその反応液が蒸発するように、反応液の液面５０の位置を供給ポンプ２０および排出ポンプ２２に調節させている。要するに、電子制御装置２６は、反応液の液面５０の位置を、冷房運転開始時よりも後の冷房運転継続中における目標液位であるｄ位置（図１参照）に調節させている。

上述のようにして化学蓄熱システム１０の冷房運転が行われるが、その冷房運転が実施されない非冷房運転時には、化学蓄熱システム１０の蓄熱運転が行われる。この蓄熱運転では、電子制御装置２６はバルブ３０を開状態にすると共に、反応器１２内の水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）を加熱しその脱水反応を促すために、排気ガス等の高温ガスを反応器１２に流通させる。これにより、反応器１２から高温の水蒸気が放出されその水蒸気は蒸発・凝縮器１６へ流入する。

また、電子制御装置２６は、反応器１２から流入する高温の水蒸気を蒸発・凝縮器１６で凝縮させるために、外気または内気を媒体流通経路１６ａに流通させる。これにより、反応器１２からの水蒸気は冷却され液化し、反応器１２内の脱水反応が促される。すなわち、その媒体流通経路１６ａに流通させられる外気または内気は、反応器１２からチューブ空間３４ａへ流入した水蒸気と熱交換することによりその水蒸気を凝縮させる冷媒として機能させられる。蒸発・凝縮器１６での凝縮に伴い加熱された外気または内気は例えば車室外へ放出される。

そして、蒸発・凝縮器１６での凝縮により増した反応液は排出ポンプ２２によって貯留槽１８へ回収される。化学蓄熱システム１０では、例えばこのような冷房運転と蓄熱運転とが交互に繰り返される。

上述したように、本実施形態によれば、チューブ３４のチューブ空間３４ａは、チューブ空間断面積Ａｔｂが鉛直方向ＤＲ１における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されている。具体的には、細管空間３４３ａの上側にバッファ空間３４２ａが設けられているので、チューブ空間断面積Ａｔｂは、段階的にではあるが、鉛直方向ＤＲ１の上側ほど大きくなっている。

従って、チューブ空間３４ａ内において反応液の沸騰に伴い液滴５２が飛散することがあり得るところ、チューブ空間断面積Ａｔｂの変化に起因して、液滴５２の速度低下（図１の破線矢印ＡＲｄｎ参照）が生じ易くなり、チューブ３４の内壁面への液滴５２の衝突も生じ易くなる。そのため、図１の破線矢印ＡＲｖのような水蒸気の流通を妨げないようにしつつ、その水蒸気の流れに乗って液滴５２が反応器１２内の化学蓄熱材１４へ到達することを抑制することが可能である。

また、本実施形態によれば、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２の作動により、チューブ空間３４ａ内における反応液の液面５０の位置は、反応液の液面５０が細管空間３４３ａ内に位置した状態でその反応液が蒸発するように調節される。従って、反応液の液面５０から液滴５２が飛散した場合に、その液滴５２が細管空間３４３ａからチューブ空間断面積Ａｔｂの大きいバッファ空間３４２ａへ進入することに起因して、少なくとも液滴５２の速度低下を生じさせることが可能である。その結果として、液滴５２が図１の破線矢印ＡＲｄｎのように第１タンク空間４０ａへ入る前にバッファ空間３４２ａ内で落下し易くなり、液滴５２が反応器１２内の化学蓄熱材１４へ到達することを抑制できると共に、バッファ空間下端面３４２ｂに落下した液滴を蒸発させることが可能である。

また、本実施形態によれば、供給ポンプ２０および排出ポンプ２２の作動により、チューブ空間３４ａ内における反応液の液面５０の位置は、その液面５０がバッファ空間３４２ａ内に位置した状態から反応液の蒸発が開始し、その蒸発開始後に液面５０がその液面低下により細管空間３４３ａ内に入った状態で反応液が蒸発するように、調節される。従って、冷房運転の開始当初は車室内の快適性を早急に得るために大きな冷房能力が必要になるところ、冷房運転の開始当初には、バッファ空間３４２ａによって広い液面５０が確保され、それにより、液面５０が細管空間３４３ａ内に位置しているときと比較して反応液の蒸発が促進される。そのため、冷房運転の開始当初に冷房能力を大きくすることが可能である。

また、本実施形態によれば、チューブ３４のバッファ空間下端面３４２ｂは、上下連通口３４２ｃへ向かって下り傾斜をもつように形成されている。従って、飛散した液滴が図１の破線矢印ＡＲｄｎのようにバッファ空間下端面３４２ｂに落下した場合に、そのバッファ空間下端面３４２ｂで蒸発しきれない液滴を細管空間３４３ａ内に溜まっている反応液に戻すことが可能である。また同時に、蒸発しきれない液滴が、バッファ空間下端面３４２ｂから細管空間３４３ａ内の反応液の気液界面に到達するまでにあるチューブ３４の壁面に液膜を形成し、その形成された液膜から蒸発が生じる。これにより蒸発・凝縮器１６の蒸発性能の向上が期待できる。

また、本実施形態によれば、チューブ３４は、バッファ部３４２の上面において第１ヘッダタンク４０のヘッダプレート４０１に対して下側から接触しているので、ヘッダプレート４０１に対するチューブ３４の接合強度たとえばロウ付け強度を向上させることが可能である。

また、本実施形態によれば、チューブ積層方向ＤＲｔに隣り合うチューブ３４のバッファ部３４２同士は互いに接触するように配置されているので、チューブ３４とフィン３６との間における互いの位置決めが容易である。また、バッファ部３４２同士の間にはフィン３６が配設されず、その分、フィン３６の長さが短くなるので、フィン３６にかかるコストを抑えることが可能である。

（他の実施形態）
（１）上述の実施形態において、化学蓄熱材１４として、酸化カルシウム／水酸化カルシウムが採用されているが、それに限らず、例えば、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、何れが化学蓄熱材１４として採用されても差し支えない。

（２）上述の実施形態において、チューブ３４の細管部３４３は、空気流れ方向ＤＲａにおいてバッファ部３４２と比較して幅狭に形成されているが、バッファ部３４２と同じ幅で形成されていても差し支えない。

（３）上述の実施形態の図４において、冷房運転開始時点の反応液の液位はａ位置（図１参照）とされているが、これは冷房運転開始当初に一時的に冷房能力を引き上げるための措置であるので、その冷房能力の引き上げが必要なければ、例えば、冷房運転開始時点の液位がｄ位置（図１参照）とされていても差し支えない。

（４）上述の実施形態において、図１の水位センサ２４は例えば静電容量式の水位センサであるが、それ以外の方式の水位センサであってもよく、例えば、蒸発・凝縮器１６内の反応液の液圧を検出する圧力センサが水位センサ２４として用いられても差し支えない。

そのように圧力センサが水位センサ２４として用いられる場合には、チューブ空間３４ａ内の反応液の液位と液圧を示す水位センサ２４の出力信号と関係は図５のようになる。すなわち、図５の関係では、チューブ空間断面積Ａｔｂに応じて、液位のｃ位置（図１参照）を境に勾配が変化する。従って、この図５のグラフの勾配変化を利用して、ｃ位置を基準に液位を推定することが可能である。なお、図５において、液位の座標軸に表示されたｃ、ｄはそれぞれ図１のｃ位置、ｄ位置を示している。

（５）上述の実施形態において、チューブ３４は図１に示すように上側にバッファ部３４２を備え下側に細管部３４３を備えているが、図１に示すような形状とは異なる形状を備えていることも考え得る。例えばチューブ３４は、図６のように、チューブ空間断面積Ａｔｂが大きい部分と小さい部分とが鉛直方向ＤＲ１に交互に並んで連なっている形状を備えていてもよい。或いは、図７のように、チューブ３４は、チューブ空間断面積Ａｔｂが連続的に鉛直方向ＤＲ１の上側ほど大きくなる形状を備えていてもよい。

（６）上述の実施形態において、化学蓄熱システム１０は貯留槽１８、供給ポンプ２０、および排出ポンプ２２を備えているが、蒸発・凝縮器１６に対して給排水しないのであれば、これらの装置１８、２０、２２は無くても差し支えない。

（７）上述の実施形態において、図３のフローチャートに示す各ステップの処理はコンピュータプログラムによって実現されるものであるが、ハードロジックで構成されるものであっても差し支えない。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 化学蓄熱システム
１２ 反応器
１４ 化学蓄熱材
１６ 蒸発・凝縮器
１６ａ 媒体流通経路
３４ａ チューブ空間（気液空間）

Claims (8)

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（１４）が内蔵された反応器（１２）と、
   前記反応器と気密状態で連通され、前記化学蓄熱材と水和反応を生じる反応液が溜められると共に、前記反応液が蒸発する気液空間（３４ａ）を備え、前記気液空間で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器（１６）とを有し、
   前記蒸発・凝縮器には、前記気液空間内の前記反応液と熱交換することにより、前記反応液を蒸発させる熱媒、または前記反応器から前記気液空間へ流入した蒸気と熱交換することにより前記蒸気を凝縮させる冷媒が流れる媒体流通経路（１６ａ）が形成され、
   前記気液空間は、鉛直方向（ＤＲ１）に直交する前記気液空間の断面の面積（Ａｔｂ）が、前記鉛直方向における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されており、
   前記気液空間の断面の面積は前記鉛直方向の上側ほど大きくなっていることを特徴と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（１４）が内蔵された反応器（１２）と、
   前記反応器と気密状態で連通され、前記化学蓄熱材と水和反応を生じる反応液が溜められると共に、前記反応液が蒸発する気液空間（３４ａ）を備え、前記気液空間で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器（１６）とを有し、
   前記蒸発・凝縮器には、前記気液空間内の前記反応液と熱交換することにより、前記反応液を蒸発させる熱媒、または前記反応器から前記気液空間へ流入した蒸気と熱交換することにより前記蒸気を凝縮させる冷媒が流れる媒体流通経路（１６ａ）が形成され、
   前記気液空間は、鉛直方向（ＤＲ１）に直交する前記気液空間の断面の面積（Ａｔｂ）が、前記鉛直方向における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されており、
   更に、前記気液空間は、前記反応器と連通し蒸気が出入りする蒸気出入口（３４１ａ）と、上部空間（３４２ａ）と、前記上部空間を介して前記蒸気出入口へつながっている下部空間（３４３ａ）とを、前記鉛直方向の上側から順に備え、
   前記下部空間は、前記下部空間の前記鉛直方向に直交する断面の面積が、前記上部空間の前記鉛直方向に直交する断面の面積以下になるように形成されていることを特徴とする化学蓄熱システム。
3. 前記蒸発・凝縮器は、前記上部空間と前記下部空間とをつなぐ上下連通口（３４２ｃ）を備え前記上部空間の下端を形成している上部空間下端面（３４２ｂ）を有し、
   前記上部空間下端面は、前記上下連通口へ向かって下り傾斜をもつように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の化学蓄熱システム。
4. 前記気液空間内における前記反応液の液面（５０）の位置を調節する液位調節部（１８、２０、２２、２４、２６）を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の化学蓄熱システム。
5. 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（１４）が内蔵された反応器（１２）と、
   前記反応器と気密状態で連通され、前記化学蓄熱材と水和反応を生じる反応液が溜められると共に、前記反応液が蒸発する気液空間（３４ａ）を備え、前記気液空間で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器（１６）と、
   前記気液空間内における前記反応液の液面（５０）の位置を調節する液位調節部（１８、２０、２２、２４、２６）とを有し、
   前記蒸発・凝縮器には、前記気液空間内の前記反応液と熱交換することにより、前記反応液を蒸発させる熱媒、または前記反応器から前記気液空間へ流入した蒸気と熱交換することにより前記蒸気を凝縮させる冷媒が流れる媒体流通経路（１６ａ）が形成され、
   前記気液空間は、鉛直方向（ＤＲ１）に直交する前記気液空間の断面の面積（Ａｔｂ）が、前記鉛直方向における位置に応じて異なる大きさとなるように形成されていることを特徴とする化学蓄熱システム。
6. 前記気液空間内における前記反応液の液面（５０）の位置を調節する液位調節部（１８、２０、２２、２４、２６）を有し、
   前記液位調節部は、前記反応液の液面が前記下部空間内に位置した状態で前記反応液が蒸発するように、前記液面の位置を調節することを特徴とする請求項２または３に記載の化学蓄熱システム。
7. 前記気液空間内における前記反応液の液面（５０）の位置を調節する液位調節部（１８、２０、２２、２４、２６）を有し、
   前記液位調節部は、前記反応液の液面が前記上部空間内に位置した状態から前記反応液の蒸発が開始するように前記液面の位置を調節し、前記反応液の蒸発開始後には、前記液面が前記下部空間内に入った状態で前記反応液が蒸発するように前記液面の位置を調節することを特徴とする請求項２または３に記載の化学蓄熱システム。
8. 前記液位調節部は、
   前記気液空間と連通され前記反応液を貯留する貯留槽（１８）と、
   前記貯留槽から前記気液空間へ前記反応液を供給し、前記気液空間に貯留された前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送装置（２０、２２）とを備えていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の化学蓄熱システム。

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