JP6396056B2

JP6396056B2 - 化学蓄熱装置

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Publication number: JP6396056B2
Application number: JP2014068817A
Authority: JP
Inventors: 洋亮後藤; 克哉小牧; 賢二秋田; 徹岡村; 今村　朋範; 朋範今村; 知寿若杉; 志満津　孝; 孝志満津
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015190704A

Description

本発明は、化学蓄熱材を内蔵した反応器と、反応器へ反応媒体を供給する蒸発器とを備えた化学蓄熱装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、環境負荷を低減させるために、信号待ちなどの停車時にエンジンを停止するアイドリングストップ機能が採用されている。アイドリングストップ機能によりエンジンが停止した状態においては、室内空調を使用することができないため、例えば、特許文献１に示された化学蓄熱装置が用いられる。

特許文献１の化学蓄熱装置は、水和反応により放熱し脱水反応により蓄熱する化学蓄熱材を内蔵した反応器と、化学蓄熱材が水和反応するための水蒸気を反応器へ供給する蒸発器と、脱水反応により生じた水蒸気を凝縮する凝縮部を備えている。蒸発器には、反応媒体が貯留されており、この反応媒体を気化させて反応器へと供給している。反応器に内蔵された化学蓄熱材の水和反応によって生じた熱は、暖房用の温熱源として利用される。また、蒸発器には、反応媒体の気化潜熱によって冷熱が生じるため、冷房用の冷熱源として利用される。

特開２０１３−１１２３１０号公報

しかしながら、特許文献１に示された化学蓄熱装置には以下の課題がある。
化学蓄熱装置における化学蓄熱材の水和反応の反応性は、反応初期に高く、時間が経つにつれて低下していく。また、化学蓄熱材の水和反応に用いられる水蒸気量は、反応性が高い場合には多量となり、反応性が低い場合には少量となる。したがって、蒸発器においては、化学蓄熱材における水和反応の反応性が高い反応初期に、多量の水蒸気を発生させ、多くの冷熱が生じるため必要とされる冷房性能よりも高い冷房性能を発揮できる。その一方で、化学蓄熱材の反応性が低くなる反応後期には、水蒸気の発生量が低下する。したがって、冷熱の発生量が低下し、ひいては蒸発器における冷房性能が低下する。

また、蒸発器における冷房性能を長時間維持するために、反応器と蒸発器とをつなぐ蒸気流路に開度を調整可能なバルブを設けることが知られている。このバルブによって、化学蓄熱材への水蒸気の供給量を制御し、化学蓄熱材における水和反応時間を延長することで、蒸発器において必要な冷房性能を長時間維持することができる。しかし、随時、バルブの開度を調整して水蒸気の供給量を制御するため、蒸気流路の圧損が増大すると共に、バルブの寿命が低下する。そのため、よりシンプルな構造で、かつ必要な冷房性能をより長時間維持することが望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、シンプルな構造で、かつ必要な冷房性能をより長時間維持することができる化学蓄熱装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、水和反応により放熱し、脱水反応により蓄熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
媒体流路によって上記反応器と連通され、反応媒体を蒸発させた媒体蒸気を生成すると共に空調空気と熱交換を行う蒸発器と、
該蒸発器において上記反応媒体が上記媒体蒸気へと変化する際の気化潜熱によって生じる冷熱を蓄える蓄冷材とを備え、
上記蓄冷材は、上記蒸発器の内側に設けられており、
上記蒸発器は、上記空調空気と上記反応媒体との間の熱交換に加え、上記空調空気と上記蓄冷材との間の熱交換をも行われるよう構成されており、
上記蓄冷材は、液相から固相に状態変化することにより冷熱を蓄えることを特徴とする化学蓄熱装置にある。

上記化学蓄熱装置は、上記蒸発器において上記反応媒体が上記媒体蒸気へと変化する際の気化潜熱によって生じる冷熱を蓄える蓄冷材を備えている。そのため、上記反応器の反応性が高い反応初期においては、必要な冷房性能を得るための冷熱以外の余剰となる冷熱を上記蓄冷材に蓄えることができる。そして、上記反応器の反応性が低くなる反応後期においては、上記蒸発器において不足する冷熱を、上記蓄冷材に蓄えられた冷熱によって補うことができる。これにより、上記蒸発器によって必要な冷房性能を長時間維持することができる。

また、上記蓄冷材の蓄放熱は、上記蒸発器の冷熱の発生状況に応じて、つまり、上記蒸発器の温度に応じて、適宜行われる。そのため、上記化学蓄熱材の水和反応の進行度合いを考慮する必要がない。したがって、上記蒸発器から上記反応器へ供給する上記媒体蒸気の供給量を、緻密に制御する必要がない。それゆえ、上記化学蓄熱装置における構成をシンプルにすることができる。

以上のごとく、上記化学蓄熱装置によれば、シンプルな構造で、かつ必要な冷房性能をより長時間維持することができる。

実施例１における、化学蓄熱装置を示す説明図。実施例１における、蒸発器を示す説明図。実施例１における、蒸発器の冷房性能を示すグラフ。参考例における、化学蓄熱装置を示す説明図。実施例２における、化学蓄熱装置を示す説明図。実施例３における、化学蓄熱装置を示す説明図。

また、上記化学蓄熱装置において、上記蓄冷材は、上記蒸発器の内側に設けられている。これにより、上記蒸発器に上記蓄冷材を内蔵することで、上記化学蓄熱装置の部品構成を従来から変更する必要がない。したがって、上記蓄冷材を用いた上記化学蓄熱装置を容易に形成することができる。

また、上記蓄冷材と空調空気との間においても熱交換を行うことができる。これにより、上記蒸発器に加えて、上記蓄冷材においても、空調空気との熱交換を行うことで、冷房性能を向上することができる。

また、上記蓄冷材の凝固点は、目標の冷房性能を得るための上記蒸発器における目標温度以下であることが好ましい。この場合には、上記蓄冷材からの冷熱の放熱によって、より確実に目標の冷房性能を得ることができる。

（実施例１）
上記化学蓄熱装置にかかる実施例について図１〜図３を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、化学蓄熱装置１は、化学蓄熱材１１が内蔵された反応器１０と、空調空気７ａと熱交換を行う蒸発器２と、冷熱を蓄える蓄冷材５とを備えている。化学蓄熱材１１は、水和反応により放熱し、脱水反応により蓄熱する。蒸発器２は、媒体流路２３によって反応器１０と連通され、反応媒体４を蒸発させた媒体蒸気４ｇを生成すると。蓄冷材５は、蒸発器２において、反応媒体４が媒体蒸気４ｇへと変化する際の気化潜熱によって生じる冷熱を蓄えることができる。

以下、さらに詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例に示す化学蓄熱装置１は、化学蓄熱材１１を内蔵した反応器１０と、反応器１０へ媒体蒸気４ｇを供給するための蒸発器２と、反応器１０から排出された媒体蒸気４ｇを凝縮するための凝縮器３とを備えている。反応器１０は、車両用空調における暖房の熱源として利用されている。また、蒸発器２は、車両用空調における冷房の冷熱源として利用されており、ブロアファン７により送風された空調空気７ａとの間において熱交換することで、冷風を発生させることができる。

図１に示すごとく、反応器１０は、化学蓄熱材１１と、化学蓄熱材１１を内包する容器とを有している。化学蓄熱材１１は、脱水反応に伴って蓄熱し、水和反応に伴って放熱する。
化学蓄熱材１１は、例えば、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）によって形成されている。反応器１０内では、以下に示すように蓄熱、放熱が可逆的に繰り返される。
Ｃａ（ＯＨ）_２ ⇔ ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ
なお、化学蓄熱材１１としては、水酸化カルシウム以外にも、蓄熱、放熱を可逆的に繰り返す材料を用いることができる。

また、反応器１０内には、化学蓄熱材１１に熱を供給するための熱媒流路１２と、化学蓄熱材１１が放熱した熱を外部へ放出させるための冷媒流路１３とが設けられている。これらの熱媒流路１２及び冷媒流路１３は、各々の内部を流れる熱媒又は冷媒と反応器１０内の化学蓄熱材１１とが熱交換可能に形成されている。

熱媒流路１２には、エンジンの排気ガスを流通する排気ライン１２１が接続されており、この排気ライン１２１から供給された高温の排気ガスによって化学蓄熱材１１が加熱される。つまり、化学蓄熱材１１は、本例の化学蓄熱装置１が搭載された車両からの排気ガスを利用して加熱される。また、排気ライン１２１には、その流路を開閉するバルブ（図示略）が設けられている。なお、排気ガスに以外にも、車両に搭載されたバッテリーから電力の供給を受けて作動する電気ヒータ等をもちいることができる。

冷媒流路１３には、化学蓄熱材１１が放熱した熱をヒータコアへ伝達するための熱放出ライン１３１が接続されている。熱放出ライン１３１は、反応器１０とヒータコアとの間でエンジン冷却水を循環させている。この熱放出ライン１３１には、流路を開閉するバルブ（図示略）と、エンジン冷却液をヒータコアへ圧送するウォータポンプ（図示略）とが設けられている。熱放出ライン１３１を介して反応器１０の冷媒流路１３に供給されたエンジン冷却水と反応器１０内の化学蓄熱材１１との間において熱交換をすることにより、化学蓄熱材１１の水和反応に伴って生じた熱がエンジン冷却水に放出され、エンジン冷却水が加熱される。

また、反応器１０には、化学蓄熱材１１と水和反応するための媒体蒸気４ｇ、又は化学蓄熱材１１の脱水反応で生じた媒体蒸気４ｇを流通する導入排出流路１４が連通している。この導入排出流路１４と、凝縮器３と連通する蒸気排出路３１２と、蒸発器２と連通する媒体流路２３とは、三方弁１４１によって接続されている。この三方弁１４１の動作により、導入排出流路１４と蒸気排出路３１２とが接続された状態と、導入排出流路１４と媒体流路２３とが接続された状態とに切り替えられるようになっている。

三方弁１４１は、蒸気排出路３１２、媒体流路２３、及び導入排出流路１４を独立して開閉可能に構成されており、蒸気排出路３１２を閉止すると共に導入排出流路１４及び媒体流路２３を開放した状態で、媒体流路２３の開度を調整することにより、媒体流路２３から反応器１０へ供給される水蒸気の流量を増減することができる。

なお、反応器１０、凝縮器３、蒸発器２、蒸気排出路３１２、媒体流路２３、導入排出流路１４、及び三方弁１４１は互いの接続部において気密に接続されており、これらの内部空間が真空脱気されている。これにより、蒸発器２の蒸発室２１内の反応媒体４が蒸発し易くなっている。

図１に示すごとく、凝縮器３には、反応器１０から蒸気排出路３１２を介して放出された媒体蒸気４ｇを凝縮するための凝縮室３１が形成されている。また、凝縮器３には、凝縮室３１を冷却するためのブロア（図示略）が設けられている。このブロアを用いて、凝縮室３１に流入された媒体蒸気４ｇを冷却することで反応媒体４に凝縮される。

図２に示すごとく、媒体流路２３を介して反応器１０と接続された蒸発器２は、媒体蒸気４ｇを生成するための蒸発室２１と、蓄冷材５が充填された蓄冷室２２とが形成されている。蒸発室２１には、反応媒体４が貯留されており、反応器１０との蒸気圧差により媒体蒸気４ｇを生成するように構成されている。

蓄冷室２２は、蒸発器２における外壁２１１の内部と、蒸発室２１の内側に形成された内壁２１２の内部とにそれぞれ形成されている。本例において、蓄冷室２２に充填される蓄冷材５としては、所望の温度が保持される温度緩衝性を備えたパラフィンを主原料としたものを用いている。また、蓄冷材５の凝固点は、目標の冷房性能を得るための蒸発器２における目標温度と同一となる。

次に化学蓄熱装置１の動作について説明する。
車両が信号待ち等で停車しエンジンが停止した際に、化学蓄熱装置１が作動する。このとき、化学蓄熱材１１は、脱水された蓄熱状態にある。
まず、三方弁１４１を動作させ、導入排出流路１４と媒体流路２３とを連通させる。これにより、蒸発器２の蒸発室２１内に貯留された反応媒体４が蒸発し、媒体蒸気４ｇとなり反応器１０へと供給される。反応器１０内に配設された化学蓄熱材１１は、媒体蒸気４ｇと水和反応することで放熱する。化学蓄熱材１１が放熱した熱は、冷媒流路１３内を流通するエンジン冷却液との間において熱交換する。熱交換により加熱されたエンジン冷却液は、ヒータコアへと送られ、車両用空調の暖房時における熱源として利用される。

また、図３に示すごとく、蒸発器２においては、液体の反応媒体４が、気体の媒体蒸気４ｇへと相変化する際の気化潜熱によって冷熱が生じる。図３は、縦軸を蒸発器２における冷房性能とし、横軸を化学蓄熱材１１における水和反応の反応時間としたグラフである。破線Ｂは、仮に蓄冷材５を備えていない場合の化学蓄熱装置１の蒸発器２によって得られる冷房性能を示すものである。また、実線Ｌは、蓄冷材５を設けた化学蓄熱装置１の蒸発器２によって得られる冷房性能を示すものである。尚、いずれも三方弁１４１は、媒体蒸気４ｇの供給開始及び供給停止をするのみであり、化学蓄熱材１１の水和反応開始後、媒体蒸気４ｇの流量制御は行っていない。

仮に化学蓄熱装置１が蓄冷材５を備えていない場合、図３の破線Ｂに示すごとく、化学蓄熱材１１における水和反応の反応初期に化学蓄熱材１１の反応性が高いため、多くの反応媒体４が媒体蒸気４ｇとなり多くの冷熱が生じ、目標の冷房性能Ｄを超える冷房性能が発生する。そして、化学蓄熱材１１における水和反応が進むにつれて、化学蓄熱材１１の反応性が低下し、これに伴い媒体蒸気４ｇの発生量も低下する。そのため、蒸発器２における冷房性能も低下し、化学蓄熱材１１における水和反応の反応初期においては目標の冷房性能を下回っていく。

これに対し、蓄冷材５を設けた化学蓄熱装置１は、図３の直線Ｌに示すごとく、目標の冷房性能Ｄを得るために必要な冷熱以外の余剰の冷熱は蓄冷材５へと蓄熱される。つまり、蓄冷材５の凝固点が目標の冷房性能Ｄを得るための目標温度と同一であるため、蒸発器２の温度が目標温度以下となった際に、蓄冷材５は液相から固相へと状態変化し蓄冷材５に冷熱が蓄熱される。また、これにより、蒸発器２における冷房性能は、目標の冷房性能Ｄに保たれる。

そして、化学蓄熱材１１における水和反応の反応後期に、蒸発器２において生じる冷熱の発生量が低下し、蒸発器２の冷房性能が低下した際には、蓄冷材５に蓄えられた冷熱によって、不足する冷熱を補うことで目標の冷房性能Ｄが維持される。

車両において、エンジンが再始動すると高温の排気ガスの熱により、化学蓄熱材１１が加熱され脱水反応が生じる。三方弁１４１を作動させ導入排出路と蒸気排出路３１２とを連通させ、脱水された媒体蒸気４ｇを凝縮器３へと送り、液体の反応媒体４へと凝縮する。凝縮器３の反応媒体４は、蒸発器２へと送られ、エンジン停止時に媒体蒸気４ｇとして反応器１０へと送られる。

次に本例の作用効果について説明する。
化学蓄熱装置１は、蒸発器２において反応媒体４が媒体蒸気４ｇへと変化する際の気化潜熱によって生じる冷熱を蓄える蓄冷材５を備えている。そのため、反応器１０の反応性が高い反応初期においては、必要な冷房性能を得るための冷熱以外の余剰となる冷熱を蓄冷材５に蓄えることができる。そして、反応器１０の反応性が低くなる反応後期においては、蒸発器２において不足する冷熱を、蓄冷材５に蓄えられた冷熱によって補うことができる。これにより、蒸発器２によって必要な冷房性能を長時間維持することができる。

また、蓄冷材５の畜放熱は、蒸発器２の冷熱の発生状況に応じて、つまり、蒸発器２の温度に応じて、適宜行われる。そのため、化学蓄熱材１１の水和反応の進行度合いを考慮する必要がない。したがって、蒸発器２から反応器１０へ供給する媒体蒸気４ｇの供給量を、緻密に制御する必要がない。それゆえ、化学蓄熱装置１における構成をシンプルにすることができる。

また、化学蓄熱装置１において、蓄冷材５は、蒸発器２の内側に設けられている。蒸発器２に蓄冷材５を内蔵することで、化学蓄熱装置１の部品構成を従来から変更する必要がない。したがって、蓄冷材５を用いた化学蓄熱装置１を容易に形成することができる。

また、蓄冷材５の凝固点は、目標の冷房性能を得るための蒸発器２における目標温度以下である。そのため、蓄冷材５からの冷熱の放熱によって、より確実に目標の冷房性能を得ることができる。

以上のごとく、本例の化学蓄熱装置１によれば、シンプルな構造で、かつ必要な冷房性能をより長時間維持することができる。

（参考例）
本例は、図４に示すごとく、実施例１における化学蓄熱装置１の構造を変更した例を示すものである。
本例の化学蓄熱装置１における蓄冷材５は、蒸発器２の外側に設けられると共に、内部に反応媒体４を流通する内部流路５１が形成されている。また、蓄冷材５の内部流路５１と蒸発器２の蒸発室２１との間には、反応媒体４を循環する循環流路５２が設けてある。蓄冷材５の大きさは、実施例１の化学蓄熱装置における畜冷材に比べて大きく設定してある。

また、室内空調のブロアファン７は、流路切り替え手段７１を備えており、空調空気７ａを蒸発器２及び蓄冷材５の両方と熱交換可能に構成されている。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の化学蓄熱装置１においては、蓄冷材５における蓄熱量を容易に増大することができる。また、蒸発器２に加えて、蓄冷材５においても、空調空気７ａとの熱交換を行うことで、冷房性能を向上することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、実施例１における化学蓄熱装置１の構成を変更した例を示すものである。
本例の化学蓄熱装置１は、反応器１０として、第１反応器１０１及び第２反応器１０２の２つを備えている。第１反応器１０１と蒸発器２とは、第１媒体流路２３１によって連通しており、第２反応器１０２と蒸発器２とは、第２媒体流路２３２によって連通している。第１媒体流路２３１には、流通する媒体蒸気４ｇの流量を調節する流量調節手段８としての第１バルブ８１を設けてある。また、第２媒体流路２３２には、流量調節手段８としての第２バルブ８２を設けてある。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の化学蓄熱装置１によれば、第１反応器１０１と第２反応器１０２とにおいて、化学蓄熱材における水和反応の反応時期をずらすことにより、蒸発器２における冷房性能を容易に長時間維持することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、実施例１における化学蓄熱装置１の構成を変更した例を示すものである。
本例の化学蓄熱装置１の蒸発器２は、反応媒体４の一部を貯留することができる補助貯留容器６を備えている。蒸発器２と補助貯留容器６とは、補助流路６１によって接続されており、反応媒体４を循環可能に構成されている。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の化学蓄熱装置１においては、反応媒体４の貯留量を増大させることにより、反応媒体４への冷熱の蓄熱量を増大することができる。これにより、蒸発器２における冷房性能を容易に長時間維持することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施例１〜上記実施例３においては、蒸発器２と凝縮器３とを互いに別体に設けた。これ以外にも、蒸発器２と凝縮器３とを一体に形成する蒸発凝縮器３を用いてもよい。

１化学蓄熱装置
１０、１０１、１０２反応器
１１化学蓄熱材
２蒸発器
２３、２３１、２３２媒体流路
４反応媒体
４ｇ媒体蒸気
５蓄冷材
７ａ空調空気

Claims

水和反応により放熱し、脱水反応により蓄熱する化学蓄熱材（１１）が内蔵された反応器（１０）と、
媒体流路（２３）によって上記反応器（１０）と連通され、反応媒体（４）を蒸発させた媒体蒸気（４ｇ）を生成すると共に空調空気（７ａ）と熱交換を行う蒸発器（２）と、
該蒸発器（２）において上記反応媒体（４）が上記媒体蒸気（４ｇ）へと変化する際の気化潜熱によって生じる冷熱を蓄える蓄冷材（５）とを備え、
上記蓄冷材（５）は、上記蒸発器（２）の内側に設けられており、
上記蒸発器（２）は、上記空調空気（７ａ）と上記反応媒体（４）との間の熱交換に加え、上記空調空気（７ａ）と上記蓄冷材（５）との間の熱交換をも行われるよう構成されており、
上記蓄冷材（５）は、液相から固相に状態変化することにより冷熱を蓄えることを特徴とする化学蓄熱装置（１）。
上記蓄冷材（５）の凝固点は、目標の冷房性能を得るための上記蒸発器（２）における目標温度以下であることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置（１）。
上記反応器（１０）としては、第１反応器（１０１）及び第２反応器（１０２）の２つを備えており、上記第１反応器（１０１）と上記蒸発器（２）とは、第１媒体流路（２３１）によって連通しており、上記第２反応器（１０２）と上記蒸発器（２）とは、第２媒体流路（２３２）によって連通しており、上記第１媒体流路（２３１）及び上記第２媒体流路（２３２）を流通する上記媒体蒸気（４ｇ）の流量を調整する流量調節手段（８）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化学蓄熱装置（１）。
上記蒸発器（２）は、上記反応媒体（４）の一部を貯留することができる補助貯留容器（６）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の化学蓄熱装置（１）。