JP6364198B2 - 蓄熱反応器及び蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱反応器及び蓄熱システムに関する。

特許文献１には、反応容器内に設けられた主管部と、反応容器内で主管部の両外側に設けられた支管部と、反応容器内で支管部の両外側に設けられた蓄熱材と、を有する蓄熱反応器が記載されている。特許文献１の蓄熱反応器では、蓄熱材が水和反応で膨張したとき、主管部が膨張を抑制すると共に支管部が水蒸気を通過させる。

特開２０１２−２１１７１３号

特許文献１の蓄熱反応器では、１つの主管部を２つの蓄熱材で挟んでおり、主管部が蓄熱材の膨張に耐え切れず、蓄熱材を含む積層構造が変形する可能性がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、蓄熱材を含む積層構造の変形を抑制することができる蓄熱反応器及び蓄熱システムを得ることを目的とする。

第１態様に係る蓄熱反応器は、反応媒体が内部に供給される容器と、前記反応媒体が流れる流路部と、前記反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材が拘束枠で拘束された蓄熱材拘束部と、前記蓄熱材拘束部の前記流路部側とは反対側に配置され、前記蓄熱材拘束部に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部と、が積層され、前記容器内に封入された少なくとも１つの単位ユニットと、少なくとも１つの前記単位ユニットを、前記流路部、前記蓄熱材拘束部、及び前記熱交換部が積層された積層方向で拘束する拘束手段と、を有する。

上記構成によれば、蓄熱材が反応媒体と結合して発熱し膨張するとき、積層方向とは交差する交差方向における蓄熱材の膨張は、拘束枠により抑制される。また、積層方向における蓄熱材の膨張は、拘束手段による拘束で抑制される。さらに、単位ユニット毎に流路部と熱交換部が設けられており、蓄熱材は、流路部と熱交換部とで挟まれる。これらの拘束作用により、蓄熱材の膨張が抑制されるので、蓄熱材を含む積層構造の変形を抑制することができる。また、単位ユニット毎に、流路部と熱交換部とで単位ユニットの剛性が維持されるので、拘束手段を熱容量が小さい部材で構成しても、変形を抑制することができる。

第２態様に係る蓄熱反応器は、前記流路部が、前記蓄熱材拘束部の鉛直方向上側に配置されている。

上記構成によれば、蓄熱材が膨張して一部が紛体化した場合、粉体化した蓄熱材は重力により落下する。ここで、流路部が蓄熱材拘束部の上側に配置されているので、流路部内への蓄熱材の侵入を抑制することができる。

第３態様に係る蓄熱反応器は、前記流路部は、前記反応媒体が流れる第１流通方向に沿うと共に該第１流通方向と直交する方向で複数並んだ流路壁部を有する。

上記構成によれば、複数の流路壁部の間は、反応媒体が流れる流路となる。また、蓄熱材が膨張したとき、複数の流路壁部は、膨張する蓄熱材に対して抵抗力を付与する。これらにより、蓄熱材の膨張を抑制すると共に反応媒体の流路を確保することができる。

第４態様に係る蓄熱反応器は、前記熱交換部は、熱媒体が流れる第２流通方向に沿うと共に該第２流通方向と直交する方向で複数並んだ伝熱壁を有する。

上記構成によれば、複数の伝熱壁の間は、熱媒体が流れる流路となる。また、蓄熱材が膨張したとき、複数の伝熱壁は、膨張する蓄熱材に対して抵抗力を付与する。これらにより、蓄熱材の膨張を抑制すると共に熱媒体の流路を確保することができる。さらに、複数の伝熱壁により熱媒体の流路の伝熱面積が広がるので、熱交換部での熱交換効率を高めることができる。

第５態様に係る蓄熱反応器は、前記第１流通方向と前記第２流通方向が平面視で交差する。

上記構成によれば、流路壁部と伝熱壁が平面視で交差配置となる。これにより、流路壁部の曲げに弱い方向と、伝熱壁の曲げに弱い方向とが同じ方向にならない。このため、第１流通方向と第２流通方向をそろえた構成に比べて、流路部及び熱交換部の変形を抑制することができる。

第６態様に係る蓄熱反応器は、前記拘束手段は、前記積層方向で前記単位ユニットの両側に配置された複数の筒部材と、前記複数の筒部材を連結する連結部材とを有する。

上記構成によれば、拘束手段として中空の筒部材を用いているので、拘束手段として中実の部材を用いる場合に比べて、熱容量を小さくすることができる。

第７態様に係る蓄熱反応器は、前記連結部材は、平面視で前記蓄熱材の外側に位置する。

上記構成によれば、蓄熱材の中に連結部材を設けるものに比べて蓄熱容量の低下が抑制されるので、熱効率の低下を抑制することができる。

第８態様に係る蓄熱反応器は、前記複数の筒部材の長手方向が、前記第１流通方向及び前記第２流通方向の少なくとも一方と交差する方向である。

上記構成によれば、流路壁部及び伝熱壁の少なくとも一方に対して、筒部材が平面視で交差配置となる。これにより、流路壁部や伝熱壁の曲げに弱い方向と、筒部材の曲げに弱い方向とが同じ方向にならないので、筒部材の長手方向と第１流通方向及び第２流通方向とをそろえた構成に比べて、流路部及び熱交換部の変形を抑制することができる。

第９態様に係る蓄熱反応器は、前記容器は、前記単位ユニットが配置された本体部と、該本体部の壁から外側へ向けて延びる筒状の延出部とを有し、前記熱交換部には、前記延出部を延出方向に沿って貫通すると共に内部に熱媒体が流れる配管が接続される。

上記構成によれば、配管と延出部が接触する位置は、容器の本体部から離れた位置となる。これにより、配管と本体部が接触する構成に比べて、配管から容器への伝熱量を低減させることができる。

第１０態様に係る蓄熱反応器は、前記延出部と前記配管とが接触し、且つ前記単位ユニットと前記本体部とが非接触である。

上記構成によれば、延出部と配管との間に断熱層が形成されるので、単位ユニットで生じた熱量が熱の伝達で消費されることが抑制される。これにより、熱効率の低下を抑制することができる。

第１１態様に係る蓄熱反応器は、前記容器の内部には、前記単位ユニットを支持すると共に前記単位ユニットから前記本体部への熱の伝達を抑制する断熱材が設けられている。

上記構成によれば、単位ユニットと本体部との間に断熱材が介在しているので、単位ユニットで生じた熱量が熱の伝達で消費されることが抑制される。これにより、熱効率の低下を抑制することができる。

第１２態様に係る蓄熱システムは、第１態様から第１１態様のいずれか１つに記載の蓄熱反応器と、前記容器に気密状態で連通され、液相の媒体を蒸発させて気相の反応媒体を前記容器に供給する蒸発部と、を有する。

上記構成によれば、蓄熱システムにおける蓄熱材を含む積層構造の変形を抑制することができる。

本発明は、上記構成としたので、蓄熱材を含む積層構造の変形を抑制することができる。

第１実施形態に係る蓄熱システムの概略構成を示す全体図である。 （Ａ）第１実施形態に係る反応容器の斜視図である。（Ｂ）第１実施形態に係る反応容器の平面図である。 第１実施形態に係る反応器の内部の構成図である。 第１実施形態に係る延出部の拡大図である。 （Ａ）第１実施形態に係る流路部の平面図である。（Ｂ）第１実施形態に係る流路部の部分拡大縦断面図である。 第１実施形態に係る蓄熱材拘束部の斜視図である。 （Ａ）第１実施形態に係る熱交換部の斜視図である。（Ｂ）第１実施形態に係る熱交換部の部分拡大縦断面図である。 第１実施形態に係る流路部材と熱媒流路部材との配置関係を示す説明図である。 第１実施形態に係る拘束部の斜視図である。 （Ａ）第１実施形態に係る蓄熱システムにおいて水和反応による高温熱媒オイルの加熱状態を示す説明図である。（Ｂ）第１実施形態に係る蓄熱システムにおいて高温熱媒オイルによる加熱で脱水反応を行うときの凝縮状態を示す説明図である。 第１実施形態に係る蓄熱システムにおける蓄熱材の反応平衡線及び水の気液平衡線を温度と平衡圧との関係で示す線図である。 第１実施形態に係る反応器内の蓄熱材の膨張状態を示す説明図である。 第２実施形態に係る反応器の内部の構成図である。

[第１実施形態]
本発明の第１実施形態に係る蓄熱反応器及び蓄熱システムの一例について説明する。

図１には、第１実施形態の一例としての蓄熱システム１０の概略構成が示されている。蓄熱システム１０は、蒸発部の一例としての蒸発凝縮器１２と、蓄熱反応器の一例としての反応器２０と、を有している。蒸発凝縮器１２では、反応媒体の一例としての水Ｗａ（Ｈ_２Ｏ）の蒸発、凝縮が行われる。反応器２０では、後述する蓄熱材４４（図６参照）の水和反応又は脱水反応が行われる。さらに、蓄熱システム１０は、蒸発凝縮器１２及び反応器２０に接続され、これらの内部を連通させる水蒸気流路１４を有している。なお、本実施形態では一例として、蓄熱システム１０を自動車（図示省略）に適用している。

〔蒸発凝縮器〕
蒸発凝縮器１２は、貯留した水Ｗａを蒸発させて反応器２０に供給する（水蒸気を生成する）蒸発部、反応器２０から導入された水蒸気を凝縮する凝縮部、及び水蒸気が凝縮された水を貯留する貯留部としての各機能を兼ね備えている。

また、蒸発凝縮器１２は、内部に水Ｗａを貯留した貯留容器１６を有している。貯留容器１６内には、水蒸気Ｗｂの凝縮用の冷媒が流れる冷媒流路１７及び水Ｗａの蒸発用のヒータ１８が設けられている。冷媒流路１７は、貯留容器１６内における少なくとも気相部１６Ａを含む部分で熱交換を行うように設けられている。ヒータ１８は、貯留容器１６内における少なくとも液相部（貯留部）１６Ｂを含む部分で通電により加熱を行うように設けられている。

水蒸気流路１４には、蒸発凝縮器１２（貯留容器１６）と反応器２０（後述する反応容器２２）との連通、非連通を切り替えるための開閉弁１９が設けられている。貯留容器１６、反応容器２２、水蒸気流路１４、及び開閉弁１９は、互いの接続部位が気密に構成されており、これらの内部空間が予め真空脱気されている。

〔反応器〕
次に、反応器２０について説明する。

図３に示すように、反応器２０は、水蒸気Ｗｂが内部に供給される容器の一例としての反応容器２２と、反応容器２２内に封入された単位ユニットの一例としての蓄熱ユニット３０、３２と、を有している。即ち、本実施形態では、一例として、反応器２０が２つの単位ユニットを有している。さらに、反応器２０は、蓄熱ユニット３０、３２を拘束する拘束手段の一例としての拘束部６２を有している。

なお、以後の説明では、反応器２０を正面視して、水平方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する鉛直方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する奥行き方向をＺ方向と記載する。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について、一方側と他方側を区別する場合は、左側を−Ｘ側、右側を＋Ｘ側、上側を＋Ｙ側、下側を−Ｙ側、奥側を＋Ｚ側、手前側を−Ｚ側と記載する。さらに、反応容器２２から水蒸気流路１４への水蒸気Ｗｂの流出方向をＡ方向、水蒸気流路１４から反応容器２２への水蒸気Ｗｂの流入方向をＢ方向と記載する。

＜反応容器＞
図３に示すように、反応容器２２は、蓄熱ユニット３０、３２が配置された本体部２３と、本体部２３から外側（＋Ｙ側）へ向けて延びる延出部２４、２５とを有している。蓄熱ユニット３０、３２と本体部２３は、非接触となっている。

図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本体部２３は、一例として、Ｙ方向（図３参照）に見て四角形の直方体状容器となっている。また、図３に示すように、本体部２３は、底壁２３Ａと、底壁２３Ａから＋Ｙ側に直立する側壁２３Ｂと、側壁２３Ｂの＋Ｙ側の端部を覆う天井壁２３Ｃとを有している。側壁２３ＢのＹ方向中央の一部には、水蒸気流路１４の一端が接続されている。なお、本体部２３は、２つの部位に分割されており、蓄熱ユニット３０、３２を内側に配置した後、２つの部位の接合部（図示省略）で接合（溶接）を行うことで、内部に蓄熱ユニット３０、３２が封入されるようになっている。

延出部２４、２５は、Ｙ方向を延出方向（軸方向）として形成されており、天井壁２３Ｃの−Ｘ側の端部と＋Ｘ側の端部とに配置されている。また、延出部２４、２５は、−Ｙ側の端部が本体部２３と連通されており、＋Ｙ側の端部が上壁２６で閉止されている。さらに、延出部２４は、図４に示すように、天井壁２３Ｃから上壁２６までの高さがＨ１となっており、後述する配管５７Ａが上壁２６をＹ方向に沿って貫通している。即ち、延出部２４と配管５７Ａは、上壁２６において接触している。なお、延出部２４と延出部２５（配管５７Ｂ（図３参照）側）は、同様の構成であるため、延出部２５の説明を省略する。

＜蓄熱ユニット＞
図３に示すように、蓄熱ユニット３０、３２は、反応容器２２内でＹ方向に重ねられている。なお、蓄熱ユニット３０、３２は、同じ構成となっている。このため、蓄熱ユニット３０の構成部材について説明し、蓄熱ユニット３２の構成部材については、蓄熱ユニット３０と同じ符号を付与して説明を省略する。また、本実施形態では、一例として、蓄熱ユニット３０、３２が、本体部２３内において後述する配管５７Ａ、５７Ｂによって吊り下げられた状態となっており、本体部２３とは非接触となっている。

蓄熱ユニット３０は、水蒸気Ｗｂが流れる流路部３６と、フィルタ３９と、蓄熱材拘束部４２と、蓄熱材拘束部４２に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部５２と、を有している。また、蓄熱ユニット３０では、熱交換部５２、蓄熱材拘束部４２、フィルタ３９、及び流路部３６が、−Ｙ側から＋Ｙ側へ向けて、この順番で積層されている。即ち、本実施形態では、Ｙ方向がこれらの積層方向となっており、流路部３６がＹ方向における蓄熱材拘束部４２の＋Ｙ側に配置され、熱交換部５２が蓄熱材拘束部４２の−Ｙ側に配置されている。

（流路部）
図５（Ａ）に示すように、流路部３６は、Ｘ−Ｚ面が四角形状の天板３７と、天板３７に固定された流路壁部の一例としての流路部材３８とを有している。流路部材３８は、水蒸気Ｗｂ（図３参照）が流れる第１流通方向の一例としてのＺ方向（長手方向）に沿うと共に、Ｘ方向で複数並んでいる。

また、図５（Ｂ）に示すように、流路部材３８は、一例として、プレス加工によりＸ−Ｙ断面がＵ字状に形成されたステンレス鋼で構成されている。具体的には、流路部材３８は、Ｙ方向に沿った側壁３８Ａと、２つの側壁３８Ａの＋Ｙ側の端部を繋ぐ上壁３８Ｂとを有する。そして、流路部材３８は、天板３７の−Ｙ側の面（下面）に上壁３８Ｂが溶接されることで−Ｙ側に開口している。これにより、流路部材３８の内側、及び隣り合う流路部材３８の間が、全て水蒸気Ｗｂ（図３参照）が流れる拡散流路Ｃ１となっている。複数の側壁３８Ａは、フィルタ３９（図３参照）の＋Ｙ側の面上に載せられる。

（フィルタ）
図３に示すフィルタ３９は、１枚の板状に形成された単体の金属箔で構成されており、一例として、ステンレス箔が用いられている。また、フィルタ３９には、Ｙ方向を軸方向として貫通した断面円形の複数の貫通孔（図示省略）が形成されている。この複数の貫通孔の直径は、一例として、後述する蓄熱材４４（図６参照）を構成する蓄熱粒子（図示省略）の平均粒子径の５倍以下で設定されている。

（蓄熱材拘束部）
図６に示すように、蓄熱材拘束部４２は、蓄熱材４４と、蓄熱材４４を拘束する拘束枠４６とを有している。

蓄熱材４４は、一例として、Ｘ−Ｚ面に沿って広がる扁平な直方体（ブロック）状に形成されている。また、蓄熱材４４は、一例として、アルカリ土類金属の酸化物の１つである酸化カルシウム（ＣａＯ）の成形体が用いられている。この成形体は、例えば、酸化カルシウム粉体をバインダ（例えば粘土鉱物等）と混練し、焼成することで形成されている。さらに、蓄熱材４４は、フィルタ３９（図３参照）に密着した状態で配置されている。

加えて、蓄熱材４４は、図３に示す反応器２０において、水蒸気Ｗｂと結合する水和に伴って発熱（放熱）し、水蒸気Ｗｂが脱離する脱水に伴って蓄熱（吸熱）するものである。そして、反応器２０内では、以下に示す反応で放熱、蓄熱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
この式に蓄熱量Ｑ、発熱量Ｑを併せて示すと、
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ
Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ
となる。なお、蓄熱材４４の１ｋｇ当たりの蓄熱容量は、一例として、１．８６［ＭＪ／ｋｇ］とされている。

拘束枠４６は、角筒状に形成され、蓄熱材４４のＸ方向及びＹ方向の側面を囲んでいる。また、拘束枠４６は、蓄熱材４４の非膨張時には蓄熱材４４と接触せず、蓄熱材４４の膨張時に蓄熱材４４と接触する大きさとされている。さらに、拘束枠４６は、蓄熱材４４とＹ方向の高さがそろえられている。

（熱交換部）
図７（Ａ）に示すように、熱交換部５２は、Ｘ−Ｚ面に沿って広がる扁平な直方体状の熱媒容器５４と、熱媒容器５４内に収容（固定）された伝熱壁の一例としての熱媒流路部材５８とを有している。また、熱交換部５２には、内部に熱媒体が流れる配管５７Ａ、５７Ｂを介して、熱媒体が流れるようになっている。熱媒体は、蓄熱材４４（図３参照）から得た熱を加熱対象に輸送するためのものであり、本実施形態では、一例として、高温熱媒オイルを用いている。なお、高温熱媒オイルの一例として、自動車（図示省略）のエンジンオイルを用いることができる。また、熱媒体の他の例として、水等の流体を用いてもよい。

熱媒容器５４は、＋Ｙ側に開口した本体部５５と、本体部５５の＋Ｙ側を覆う蓋部５６とを有している。本体部５５は、底板５５Ａと、底板５５Ａの縁部でＹ方向に直立する側板５５Ｂ、５５Ｃ、５５Ｄ、５５Ｅとを有している。側板５５Ｂと側板５５Ｄは、Ｚ方向で対向配置され、側板５５Ｃと側板５５Ｅは、Ｘ方向で対向配置されている。

また、側板５５Ｂの−Ｘ側の端部には、Ｚ方向に貫通された貫通孔５９Ａが形成されている。さらに、側板５５Ｄの＋Ｘ側の端部には、Ｚ方向に貫通された貫通孔５９Ｂが形成されている。貫通孔５９Ａには、配管５７Ａの一端が接続され、貫通孔５９Ｂには、配管５７Ｂの一端が接続されている。これにより、配管５７Ａから貫通孔５９Ａを通って熱媒容器５４内に流入した高温熱媒オイル（図示省略）が、熱媒流路部材５８及び貫通孔５９Ｂを通って配管５７Ｂへ流出するようになっている。

図７（Ｂ）に示すように、熱媒流路部材５８は、一例として、プレス加工により断面形状（Ｙ−Ｚ面）が凹凸を繰り返す矩形波状とされた、ステンレス鋼から成る波板で構成されている。具体的には、熱媒流路部材５８は、Ｚ方向に間隔をあけて直立配置された複数の側壁５８Ａと、Ｚ方向で１つおきに２つの側壁５８Ａの上端を繋ぐ上壁５８Ｂと、上壁５８ＢとずらしてＺ方向で１つおきに２つの側壁５８Ａの下端を繋ぐ下壁５８Ｃとで構成される。

このように、熱媒流路部材５８は、高温熱媒オイルが流れる第２流通方向の一例としてのＸ方向（長手方向）に沿うと共に、複数の側壁５８ＡがＺ方向で並んでいる。そして、熱媒流路部材５８では、複数の側壁５８Ａの間が、高温熱媒オイルが流れる熱媒流路Ｃ２となっている。

ここで、図８に示すように、流路部３６と熱媒流路部材５８は、水蒸気Ｗｂ（図３参照）が流れるＺ方向（第１流通方向）と、高温熱媒オイル（図示省略）が流れるＸ方向（第２流通方向）とが、平面視（Ｙ方向視）で交差している。

＜拘束部＞
図９に示すように、拘束部６２は、Ｙ方向で蓄熱ユニット３０、３２の＋Ｙ側、−Ｙ側に配置された筒部材６３、６４と、筒部材６３、６４を連結する連結部材の一例としてのボルト６８及びナット６９とを有する。なお、筒部材６３と筒部材６４は、一例として、同じ構成であるため、筒部材６３について説明し、筒部材６４の説明を省略する。また、図９では、ボルト６８及びナット６９を１組のみ示しており、残りの３組のボルト６８及びナット６９の図示を省略している。

筒部材６３は、Ｚ方向を長手方向としＸ方向に間隔をあけて並んだ複数（一例として４本）の角筒材６５と、Ｘ方向に沿って複数の角筒材６５に溶接され複数の角筒材６５を連結する複数（一例として６本）の角筒材６６とを有している。さらに、筒部材６３は、角筒材６６と同軸で＋Ｘ側及び−Ｘ側の角筒材６５にそれぞれ溶接され、Ｘ方向外側に突出した複数（一例として４本）の角筒材６７を有している。即ち、筒部材６３は、一例として、Ｘ方向において、蓄熱材４４（図６参照）以上の長さとなっている。また、複数の角筒材６５、６６、６７は、Ｙ方向に見て、格子状に配置されている。

複数の角筒材６５、６６、６７は、Ｙ方向の高さがそろえられている。即ち、複数の角筒材６５、６６、６７は、＋Ｙ側の面がほぼ同一面上に配置されており、且つ−Ｙ側の面がほぼ同一面上に配置されている。これにより、筒部材６３及び筒部材６４は、重ねられた蓄熱ユニット３０及び蓄熱ユニット３２を挟んだとき、Ｘ−Ｚ面に沿ってほぼ平行に配置されるようになっている。なお、本実施形態では、一例として、複数の角筒材６５の長手方向がＺ方向（第一流通方向の一例）であり、複数の角筒材６６、６７の長手方向がＸ方向（第二流通方向の一例）となっている。

角筒材６７には、Ｙ方向に貫通された貫通孔６７Ａが形成されている。貫通孔６７Ａは、ボルト６８を挿通可能な大きさとなっている。ここで、筒部材６３、６４が蓄熱ユニット３０、３２を挟んだ状態で、筒部材６３の貫通孔６７Ａと筒部材６４の貫通孔６７Ａとにボルト６８を挿通させ、ナット６９を締結することで、蓄熱ユニット３０、３２が拘束部６２に拘束される。即ち、拘束部６２は、蓄熱ユニット３０、３２をＹ方向（積層方向）で拘束する。ボルト６８及びナット６９は、平面視（Ｙ方向視）で蓄熱材４４（図６参照）の外側に位置している。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

図１０（Ａ）に示すように、蓄熱システム１０において反応器２０に蓄熱された熱を放熱する際には、開閉弁１９を開放した状態で、蒸発凝縮器１２のヒータ１８により液相部１６Ｂの水Ｗａを蒸発させる。そして、生成された水蒸気Ｗｂが、水蒸気流路１４内を矢印Ｂ方向に移動して反応器２０内に供給される。

続いて、図３に示すように、反応器２０内では、供給された水蒸気Ｗｂが、蓄熱ユニット３０の流路部３６内、及び蓄熱ユニット３２の流路部３６内を流れる。そして、各流路部３６内の水蒸気Ｗｂが、フィルタ３９を通って各蓄熱材４４（図６参照）と接触することにより、蓄熱材４４は、水和反応を生じつつ放熱する。この熱は、熱交換部５２内を流れる高温熱媒オイルによって、加熱対象に輸送される。

一方、図１０（Ｂ）に示すように、蓄熱システム１０において反応器２０の蓄熱材４４（図６参照）に蓄熱する際には、開閉弁１９を開放した状態で、配管５７Ａ、熱交換部５２、及び配管５７Ｂ内に熱源（図示省略）によって加熱された高温熱媒オイルを流通させる。この高温熱媒オイルによって加熱されることで、蓄熱材４４が脱水反応を生じ、この熱が蓄熱材４４に蓄熱される。このとき、蓄熱材４４から脱水された水蒸気Ｗｂは、流路部３６から水蒸気流路１４内を矢印Ａ方向に流れて蒸発凝縮器１２内に導入される。そして、蒸発凝縮器１２の気相部１６Ａにおいて、冷媒流路１７を流通する冷媒によって水蒸気Ｗｂが冷却され、凝縮された水Ｗａが貯留容器１６の液相部１６Ｂに貯留される。

以上説明した蓄熱材４４の蓄熱、放熱について、蓄熱システム１０のサイクル（一例）を参照しつつ補足する。図１１には、ＰＴ線図に示された圧力平衡点における蓄熱システム１０（図１参照）のサイクルが示されている。図１１において、上側の等圧線が脱水（吸熱）反応を示し、下側の等圧線が水和（発熱）反応を示している。なお、蓄熱システム１０の構成については、図１を参照する。

このサイクルでは、例えば、蓄熱材４４の温度が４１０[℃]で蓄熱された場合、水蒸気Ｗｂは５０[℃]が平衡温度となる。そして、蓄熱システム１０では、水蒸気Ｗｂは蒸発凝縮器１２において冷媒流路１７の冷媒との熱交換によって５０[℃]以下に冷却され、凝縮されて水Ｗａになる。

一方、ヒータ１８により加熱を行うことで、該ヒータ１８の温度に応じた蒸気圧の水蒸気が発生する。例えば、図１１のサイクルにおいて、５[℃]で水蒸気を発生させる場合、蓄熱材４４は、３１５[℃]で放熱することが解る。このように、内部が真空脱気されている蓄熱システム１０では、５[℃]付近の低温熱源から熱を汲み上げて、３１５[[℃]もの高温を得ることができる。

ここで、第１実施形態の反応器２０では、図１２に示すように、蓄熱材４４が水蒸気Ｗｂと結合して発熱し、膨張力Ｆが作用するとき、蓄熱材４４のＸ方向及びＺ方向の膨張は、拘束枠４６（図６参照）により抑制される。また、反応器２０では、蓄熱ユニット３０、３２が拘束部６２により拘束されているため、蓄熱材４４のＹ方向の膨張が抑制される。さらに、反応器２０では、蓄熱ユニット３０、３２毎にステンレス鋼製の流路部３６と熱交換部５２が設けられており、蓄熱材４４は、流路部３６と熱交換部５２とで挟まれる。これらの拘束作用により、反応器２０では、蓄熱材４４の膨張が抑制されるので、蓄熱材４４を含む積層構造である蓄熱ユニット３０、３２の変形を抑制することができる。

また、反応器２０では、蓄熱ユニット３０、３２毎に蓄熱材４４が流路部３６と熱交換部５２とで挟まれることで、蓄熱ユニット３０、３２の剛性が維持される。これにより、拘束部６２を熱容量が小さい部材で構成しても、蓄熱材４４を含む積層構造である蓄熱ユニット３０、３２の変形を抑制することができる。

さらに、反応器２０では、蓄熱材４４が膨張して一部が紛体化した場合、粉体化した蓄熱材４４は重力により−Ｙ側へ落下する。ここで、蓄熱ユニット３０、３２では、流路部３６が蓄熱材拘束部４２の上側に配置されているので、自重落下した蓄熱材４４が流路部３６内に侵入することがなくなる。これにより、反応器２０では、流路部３６内への蓄熱材４４の侵入を抑制することができる。

加えて、反応器２０では、断面Ｕ字状の複数の流路部材３８（図５（Ｂ）参照）の間が、全て水蒸気Ｗｂが流れる拡散流路Ｃ１（図５（Ｂ）参照）となるので、複数の流路部材３８の間が閉じられる構成に比べて、水蒸気Ｗｂの流路面積が広くなる。さらに、反応器２０では、蓄熱材４４が膨張したとき、複数の流路部材３８が、膨張する蓄熱材４４に対して抵抗力を付与する。これらの作用により、反応器２０では、蓄熱材４４の膨張を抑制すると共に水蒸気Ｗｂの流路を確保することができる。

また、反応器２０では、熱媒流路部材５８（図７（Ｂ）参照）における複数の側壁５８Ａの間が、高温熱媒オイルが流れる熱媒流路Ｃ２となるので、複数の側壁５８Ａの間が部分的に閉じられる構成に比べて、高温熱媒オイルの流路面積が広くなる。さらに、反応器２０では、蓄熱材４４が膨張したとき、熱媒流路部材５８は、膨張する蓄熱材４４に対して抵抗力を付与する。これらの作用により、蓄熱材４４の膨張を抑制すると共に高温熱媒オイルの流路を確保することができる。加えて、複数の側壁５８Ａにより、高温熱媒オイルの流路の伝熱面積が広がるので、熱交換部５２での熱交換効率を高めることができる。

また、反応器２０では、図８に示すように、流路部材３８と熱媒流路部材５８が平面視（Ｙ方向視）で交差配置となる。これにより、流路部材３８の曲げに弱い方向（Ｘ方向）と、熱媒流路部材５８の曲げに弱い方向（Ｚ方向）とが、同じ方向にならない。このため、流路部材３８の水蒸気Ｗｂが流れる方向と、熱媒流路部材５８の高温熱媒オイルが流れる方向とが同じ方向になる構成に比べて、流路部３６及び熱交換部５２の変形を抑制することができる。

さらに、反応器２０では、図９に示すように、拘束部６２として中空の筒部材６３、６４を用いているので、拘束部６２として中実の部材を用いる場合に比べて、反応容器２２内に封入される部材の質量を軽くすると共に、熱容量を小さくすることができる。

加えて、反応器２０では、ボルト６８及びナット６９が、平面視で蓄熱材４４（図６参照）の外側に位置する。これにより、蓄熱材４４の中にボルト６８を通すものに比べて、蓄熱容量の低下が抑制されるので、熱効率の低下を抑制することができる。

また、反応器２０では、流路部材３８及び熱媒流路部材５８に対して、筒部材６３、６４が平面視で交差配置となる。これにより、流路部材３８や熱媒流路部材５８の曲げに弱い方向が、筒部材６３、６４の曲げに弱い方向と同じ方向にならない。このため、筒部材６３、６４の長手方向とＺ方向及びＸ方向とを揃えた構成に比べて、流路部３６及び熱交換部５２の変形を抑制することができる。

さらに、反応器２０では、延出部２４、２５が設けられており、配管５７Ａ、５７Ｂと延出部２４、２５とが接触する位置は、反応容器２２の本体部２３から離れた位置となる。このため、配管５７Ａ、５７Ｂ内を流れる高温熱媒オイルの熱が本体部２３に直接伝わることが抑制される。これにより、配管５７Ａ、５７Ｂと本体部２３とが接触する構成に比べて、配管５７Ａ、５７Ｂから反応容器２２への伝熱量を低減させることができる。

加えて、反応器２０では、蓄熱ユニット３０、３２が配管５７Ａ、５７Ｂで吊り下げられており、反応容器２２の本体部２３と蓄熱ユニット３０、３２とが非接触状態（熱が伝達されない状態）となっている。このため、延出部２４、２５と配管５７Ａ、５７Ｂとの間、及び本体部２３と蓄熱ユニット３０、３２との間では、断熱層が形成されて熱の伝達が抑制される。これにより、蓄熱ユニット３０、３２で生じた熱量が熱の伝達で消費されることが抑制されるので、反応器２０の熱効率の低下を抑制することができる。

また、蓄熱システム１０では、反応器２０における積層構造の変形が抑制されるので、蓄熱システム１０としての変形を抑制することができる。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態に係る蓄熱反応器及び蓄熱システムの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材、部位には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。

図１３に示すように、第２実施形態の蓄熱反応器の一例としての反応器１００は、第１実施形態の蓄熱システム１０（図１参照）において、反応器２０（図１参照）に換えて設けられている。

反応器１００は、水蒸気Ｗｂが内部に供給される容器の一例としての反応容器１０２と、反応容器１０２内に封入された蓄熱ユニット３０、３２と、蓄熱ユニット３０、３２を拘束する拘束部６２とを有している。また、反応器１００は、熱交換部５２に接続され熱交換部５２に熱媒体の一例としての高温熱媒オイルを流入させる配管１０６Ａ、１０６Ｂと、断熱材１０８Ａ、１０８Ｂとを有している。なお、熱交換部５２から高温熱媒オイルを流出させる配管については、図示及び説明を省略する。

反応容器１０２は、蓄熱ユニット３０、３２が配置された本体部１０３と、本体部１０３から外側（−Ｘ側）へ向けて延びる延出部１０４、１０５とを有している。

本体部１０３は、一例として、Ｙ方向に見て四角形の直方体状容器となっている。また、本体部１０３は、底壁１０３Ａと、底壁１０３Ａから＋Ｙ側に直立する側壁１０３Ｂと、側壁１０３Ｂの＋Ｙ側の端部を覆う天井壁１０３Ｃとを有している。側壁１０３ＢのＹ方向中央の一部には、水蒸気流路１４の一端が接続されている。なお、本体部１０３は、２つの部位に分割されており、蓄熱ユニット３０、３２を内側に配置した後、２つの部位の接合部（図示省略）で接合（溶接）を行うことで、内部に蓄熱ユニット３０、３２が封入されるようになっている。

延出部１０４、１０５は、Ｘ方向を延出方向（軸方向）として形成されており、側壁１０３Ｂの−Ｘ側において、Ｙ方向に間隔をあけて配置されている。また、延出部１０４、１０５は、＋Ｘ側の端部が本体部１０３と連通されており、−Ｘ側の端部が蓋１０７で閉止されている。さらに、延出部１０４では、配管１０６Ａが蓋１０７をＸ方向に沿って貫通しており、延出部１０５では、配管１０６Ｂが蓋１０７をＸ方向に沿って貫通している。即ち、延出部１０４、１０５と配管１０６Ａ、１０６Ｂは、各蓋１０７において接触している。

断熱材１０８Ａ、１０８Ｂは、一例として、直方体状に形成されており、底壁１０３Ａ上にＸ方向に間隔をあけて配置されている。また、断熱材１０８Ａ、１０８Ｂは、蓄熱ユニット３０、３２を支持している。

次に、第２実施形態の作用について説明する。

反応器１００では、蓄熱材４４の水和反応による放熱で熱交換部５２内の高温熱媒オイルが加熱される。このとき、蓄熱ユニット３０と本体部１０３との間に断熱材１０８Ａ、１０８Ｂが介在しているので、蓄熱ユニット３０、３２で生じた熱量が本体部１０３へ伝わることが抑制される。これにより、反応器１００における熱効率の低下を抑制することができる。

さらに、反応器１００では、延出部１０４、１０５が設けられており、配管１０６Ａ、１０６Ｂと延出部１０４、１０５とが接触する位置は、反応容器１０２の本体部１０３から離れた位置となる。このため、配管１０６Ａ、１０６Ｂ内を流れる高温熱媒オイルの熱量が、本体部１０３に直接伝わることが抑制される。これにより、配管１０６Ａ、１０６Ｂと本体部１０３が接触する構成に比べて、配管１０６Ａ、１０６Ｂから反応容器１０２への伝熱量を低減させることができる。即ち、熱効率の低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。

反応容器２２、１０２は、平面視で四角形（直方体）状のものに限らず、蓄熱材４４を含む積層構造と反応容器との間の死容積が小さくなる（密度が高くなる）ように、蓄熱材４４を含む積層構造と同じ形状での立方体容器としてもよい。また、蓄熱ユニット（単位ユニット）の数は、蓄熱ユニット３０、３２の２つに限らず、１つ又は３つ以上の複数あってもよい。さらに、各蓄熱ユニット毎に拘束部６２が設けられていてもよい。加えて、反応容器２２、１０２が熱容量が大きい材料で構成される場合は、延出部が形成されていなくてもよい。

筒部材６３、６４は、平面視で角筒材の本数が２本×４本の組合せに限らず、他の本数の組合せであってもよい。また、角筒材の高さが低く、反応器２０、１００の熱効率に与える影響が小さい場合は、角筒材をＹ方向で重ねて格子状に形成してもよい。さらに、筒部材６３、６４は、Ｕ字状の部材で連結される場合、蓄熱材４４の幅よりも短い長さであってもよい。

蓄熱材４４の一例として酸化カルシウムを用いたが、水和、脱水による放熱、蓄熱を行う他の化学蓄熱材（例えば、アルカリ土類金属の酸化物）を用いてもよい。また、上記実施形態では、蓄熱材４４として成形体を用いた例を示したが、これに限定されず、例えば、粒状に形成された蓄熱材を拘束枠４６内に充填してもよい。さらに、蓄熱材として、ゼオライト、活性炭、メソポーラスシリカを含む多孔吸着材を用いてもよい。

流路部材３８及び熱媒流路部材５８が、蓄熱材４４の膨張力に抵抗可能な強度の材料で形成される場合は、第１流通方向と第２流通方向が同じ方向となっていてもよい。また、蓄熱材４４がフィルタ３９を通過しにくい大きさの場合は、流路部３６が蓄熱材拘束部４２の下側に配置されていてもよい。

１０ 蓄熱システム
１２ 蒸発凝縮器（蒸発部の一例）
２０ 反応器（蓄熱反応器の一例）
２２ 反応容器（容器の一例）
２３ 本体部
２４ 延出部
２５ 延出部
３０ 蓄熱ユニット（単位ユニットの一例）
３２ 蓄熱ユニット（単位ユニットの一例）
３６ 流路部
３８ 流路部材（流路壁部の一例）
４２ 蓄熱材拘束部
４４ 蓄熱材
４６ 拘束枠
５２ 熱交換部
５７Ａ 配管
５７Ｂ 配管
５８ 熱媒流路部材（伝熱壁の一例）
６２ 拘束部（拘束手段の一例）
６３ 筒部材
６４ 筒部材
６８ ボルト（連結部材の一例）
６９ ナット（連結部材の一例）
１００ 反応器（蓄熱反応器の一例）
１０２ 反応容器（容器の一例）
１０４ 延出部
１０５ 延出部
１０６Ａ 配管
１０６Ｂ 配管
１０８Ａ 断熱材
１０８Ｂ 断熱材

Claims (12)

1. 反応媒体が内部に供給される容器と、
   前記反応媒体が流れる流路部と、前記反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材が拘束枠で拘束された蓄熱材拘束部と、前記蓄熱材拘束部の前記流路部側とは反対側に配置され、前記蓄熱材拘束部に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部と、が積層され、前記容器内に封入された少なくとも１つの単位ユニットと、
   少なくとも１つの前記単位ユニットを、前記流路部、前記蓄熱材拘束部、及び前記熱交換部が積層された積層方向で拘束する拘束手段と、
   を有し、
   前記流路部は、前記反応媒体が流れる第１流通方向に沿うと共に該第１流通方向と直交する方向で複数並んだ流路壁部を有し、且つ前記蓄熱材拘束部の鉛直方向上側に配置されている蓄熱反応器。
2. 反応媒体が内部に供給される容器と、
   前記反応媒体が流れる流路部と、前記反応媒体と結合して発熱及び前記反応媒体が脱離して蓄熱する蓄熱材が拘束枠で拘束された蓄熱材拘束部と、前記蓄熱材拘束部の前記流路部側とは反対側に配置され、前記蓄熱材拘束部に対する熱供給及び熱回収の少なくとも一方を行う熱交換部と、が積層され、前記容器内に封入された少なくとも１つの単位ユニットと、
   少なくとも１つの前記単位ユニットを、前記流路部、前記蓄熱材拘束部、及び前記熱交換部が積層された積層方向で拘束する拘束手段であって、前記積層方向で前記単位ユニットの両側に配置された複数の筒部材と、前記複数の筒部材を連結する連結部材とを有する拘束手段と、
   を有する蓄熱反応器。
3. 前記流路部は、前記反応媒体が流れる第１流通方向に沿うと共に該第１流通方向と直交する方向で複数並んだ流路壁部を有する請求項２に記載の蓄熱反応器。
4. 前記連結部材は、平面視で前記蓄熱材の外側に位置する請求項２又は請求項３に記載の蓄熱反応器。
5. 前記複数の筒部材の長手方向が、前記第１流通方向及び前記熱交換部を熱媒体が流れる第２流通方向の少なくとも一方と交差する方向である請求項３又は請求項３を引用する請求項４に記載の蓄熱反応器。
6. 前記流路部が、前記蓄熱材拘束部の鉛直方向上側に配置された請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の蓄熱反応器。
7. 前記熱交換部は、熱媒体が流れる第２流通方向に沿うと共に該第２流通方向と直交する方向で複数並んだ伝熱壁を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄熱反応器。
8. 前記第１流通方向と、前記熱交換部を熱媒体が流れる第２流通方向とが、平面視で交差する請求項１を引用する請求項７又は請求項３を引用する請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の蓄熱反応器。
9. 前記容器は、前記単位ユニットが配置された本体部と、該本体部の壁から外側へ向けて延びる筒状の延出部とを有し、
   前記熱交換部には、前記延出部を延出方向に沿って貫通すると共に内部に熱媒体が流れる配管が接続される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の蓄熱反応器。
10. 前記延出部と前記配管とが接触し、且つ前記単位ユニットと前記本体部とが非接触である請求項９に記載の蓄熱反応器。
11. 前記容器の内部には、前記単位ユニットを支持すると共に前記単位ユニットから前記本体部への熱の伝達を抑制する断熱材が設けられている請求項９に記載の蓄熱反応器。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の蓄熱反応器と、
    前記容器に気密状態で連通され、液相の媒体を蒸発させて気相の反応媒体を前記容器に供給する蒸発部と、
    を有する蓄熱システム。