JP6895783B2

JP6895783B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP6895783B2
Application number: JP2017062068A
Authority: JP
Inventors: 啓子近澤; 田中　賢吾; 賢吾田中; 木村　裕一; 裕一木村; 真人反町
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: JP2018165578A

Description

本発明は、ゼオライトが、被吸着物（例えば、水等）を吸着する際に熱を放出し、吸熱して被吸着物が離脱する作用を利用して、発熱と蓄熱を繰り返すことができる蓄熱装置に関する。

近年、工業プラント等における排熱の貯蔵及び利用や、自動車のエンジンや排気から得られる排熱を貯蔵及び利用する蓄熱装置が検討されている。

そこで、図４に示すように、粉体の化学蓄熱材６２と、化学蓄熱材６２に隣接して配置した発泡膨張材６３とを含有する化学蓄熱材複合体が内管６１と外管６７との間に収容され、化学蓄熱材６２の蓄熱・放熱に伴う反応物・反応生成物としての水蒸気が流通する反応流路６４が、内管６１内に構成され、化学蓄熱材６２との間で熱交換を行う熱交換媒体であるガス状の流体が流通する熱交換流路６６が、外管６７と外壁６５との間に設けられた蓄熱容器６が、提案されている（特許文献１）。

しかし、特許文献１で使用する、酸化カルシウム等の化学蓄熱材は、蓄熱するために必要となる温度（蓄熱温度）が３５０℃超と高い。従って、例えば、自動車の排ガス管の下流に蓄熱部を配置する場合等、蓄熱部を配置する場所によっては、蓄熱部が配置される環境温度が３５０℃以下と低くなるので、排熱を蓄熱部へ蓄熱することが困難になるという問題があった。

特開２００９−２２８９５２号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、蓄熱部が配置される環境温度が低くても、熱を蓄熱部へ蓄えることができる蓄熱装置を提供することを目的とする。

本発明の態様は、ゼオライトが収容された蓄熱部と、前記蓄熱部と接続された、前記ゼオライトに吸着される被吸着物が貯留された被吸着物貯留部と、前記蓄熱部及び前記被吸着物貯留部と接続された熱交換部と、を有し、前記ゼオライトの蓄熱温度が、１５０℃以上３５０℃以下である蓄熱装置である。

上記態様では、ゼオライトは、被吸着物の吸着によって発熱し、吸熱して該被吸着物が脱離する。従って、ゼオライトは、蓄熱材として機能する。また、本明細書中、「蓄熱温度」とは、ＪＩＳＫ７１２２転移熱測定方法を用い、示差走査熱量（ＤＳＣ）測定装置を用いて測定した転移温度である。本発明では、ゼオライトに吸着された被吸着物の７０質量％が離脱する温度を蓄熱温度とする。

本発明の態様は、前記ゼオライトが、下記一般式（１）
Ｍｅ_２／ｘＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ（１）
（式中、Ｍｅは陽イオン、ｘはＭｅの価数、ｍは２．０以上５．０未満の値を意味する。）
で表される蓄熱装置である。

ｍの値はゼオライトのシリカアルミナ比であり、上記態様では、シリカアルミナ比が２．０以上５．０未満となっている。なお、本明細書中、「親水性ゼオライト」とは、シリカアルミナ比が２．０以上５．０未満のゼオライトを意味し、「疎水性ゼオライト」とは、シリカアルミナ比が５．０以上のゼオライトを意味する。

本発明の態様は、前記ｍが、２．０以上３．０以下である蓄熱装置である。

上記態様には、Ａ型ゼオライト（ｍ＝２．０）、Ｘ型ゼオライト（ｍ＝２．５）が含まれる。

本発明の態様は、前記ゼオライトが、Ｘ型ゼオライトである蓄熱装置である。

本発明の態様は、前記ゼオライトが、６０モル％以上のイオン交換率にて、２価以上の陽イオンを含有する蓄熱装置である。

本明細書中、「イオン交換率」とは、（蓄熱部に収容されたゼオライトに含まれる２価以上の陽イオンと交換された１価の陽イオンのモル数／蓄熱部に収容されたゼオライトに含まれる陽イオンが全て１価の陽イオンとみなした場合の陽イオンのモル数）×１００を意味する。

本発明の態様は、前記２価以上の陽イオンが、Ｍｇ^２＋、Ｆｅ^３＋及びＡｌ^３＋からなる群から選択された少なくとも１種である蓄熱装置である。

本発明の態様は、前記蓄熱部が、管状体と、該管状体に収容された前記ゼオライトと、前記管状体を長軸方向に貫通する流路と、前記ゼオライトと前記流路との間に設けられた拡散層と、を有する蓄熱装置である。

本発明の態様は、前記蓄熱部と、前記管状体の一方の端部と接続された、液相の前記被吸着物が収容された前記被吸着物貯留部と、前記管状体の他方の端部と接続された熱交換部と、前記蓄熱部と前記被吸着物貯留部とを接続する第１の配管系と、前記被吸着物貯留部と前記熱交換部とを接続する第３の配管系と、を備えた、循環系を有し、前記循環系が、気密状態であり、脱気されている蓄熱装置である。

本発明の態様は、前記第１の配管系には、第１のバルブが設けられ、前記第１のバルブが、前記蓄熱部の放熱温度に応じて閉鎖される蓄熱装置である。

本発明の態様によれば、蓄熱温度が１５０℃以上３５０℃以下であるゼオライトが、蓄熱部の蓄熱材として用いられることにより、蓄熱部が配置される環境温度が低い場合でも、熱を蓄熱部へ蓄えることができる。従って、酸化カルシウム等の化学蓄熱材を使用した蓄熱装置と比較して、蓄熱装置の設置場所の選択の自由度が向上する。

本発明の態様によれば、シリカアルミナ比が２．０以上５．０未満である親水性ゼオライトを用いることにより、特に、被吸着物として水を用いた場合に、蓄熱密度がさらに向上する。

本発明の態様によれば、ゼオライトのシリカアルミナ比が２．０以上３．０以下であることにより、より優れた蓄熱密度が得られ、Ｘ型ゼオライトであることにより、特に優れた蓄熱密度が得られる。

本発明の態様によれば、６０モル％以上のイオン交換率にて２価以上の陽イオンを有することにより、蓄熱密度がさらに向上する。

（a）図は、第１実施形態例に係る蓄熱部の側面断面図、（b）図は図１（a）における蓄熱部のＡ−Ａ’断面図である。（a）図は、第２実施形態例に係る蓄熱部の側面断面図、（b）図は図２（a）における蓄熱部のＢ−Ｂ’断面図である。本発明の第１実施形態例に係る蓄熱装置の説明図である。従来の蓄熱装置の説明図である。

以下に、本発明の実施形態例に係る蓄熱装置について説明する。本発明の実施形態例に係る蓄熱装置１００は、後述する図３に示すようにゼオライト１２が収容された蓄熱部２と、第１の配管系１０２を介して蓄熱部２と接続された、ゼオライト１２に吸着される被吸着物（以下、「熱輸送流体」ともいう）が貯留された被吸着物貯留部１０１と、第２の配管系１０４を介して蓄熱部２と接続され、且つ第３の配管系１０７を介して被吸着物貯留部１０１と接続された熱交換部１０６と、を備えている。

まず、本発明の実施形態例に係る蓄熱装置に設けられた蓄熱部について、図面を用いながら説明する。図１（a）に示すように、第１実施形態例に係る蓄熱部１は、両端部が開口した管状体である筒状体１１と、筒状体１１の内部に配置されたゼオライト１２を備えている。また、蓄熱部１は、ゼオライト１２の筒状体１１の一方の端部１３側に隣接して配置された多孔質体からなる第１の蓋体１５と、ゼオライト１２の筒状体１１の他方の端部１４側に隣接して配置された多孔質体からなる第２の蓋体１６と、第１の蓋体１５と第２の蓋体１６との間に、ゼオライト１２の内側側面に隣接して配置された、液体を輸送する拡散層である、毛細管構造を有する第１のウィック構造体１７を備えている。

図１（b）に示すように、筒状体１１の径方向の断面は円形状である。また、ゼオライト１２は、粉体が筒状に成型された態様であり、径方向の断面は円形状である。筒状体１１の中心軸と筒状であるゼオライト１２の中心軸は、同軸状に配置されている。

第１の蓋体１５と第２の蓋体１６は、いずれも、中央部に孔部が形成された円形状であり、第１の蓋体１５の孔部１５’の壁面と第２の蓋体１６の孔部１６’の壁面は、後述する流路１８の壁面の一部であり、流路１８の端部を形成してもいる。従って、孔部１５’、１６’は、流路１８の径方向の断面の形状及び寸法に対応した形状及び寸法となっている。

図１（a）、（b）に示すように、蓄熱部１では、第１の蓋体１５、第２の蓋体１６、第１のウィック構造体１７及び筒状体１１内面は、それぞれ、対向するゼオライト１２の部位と、直接、接している。第１の蓋体１５がゼオライト１２の一方の端部の端面を覆い、第２の蓋体１６がゼオライト１２の他方の端部の端面を覆い、第１のウィック構造体１７がゼオライト１２の内側側面を覆い、筒状体１１内面がゼオライト１２の外側側面を覆っている。第１の蓋体１５、第２の蓋体１６は、それぞれ、筒状体１１の一方の端部１３、他方の端部１４よりも内部に収容されている。また、第１のウィック構造体１７は、第１の蓋体１５表面の孔部１５’の周縁部と第２の蓋体１６表面の孔部１６’の周縁部に、それぞれ、接続されている。具体的には、第１のウィック構造体１７の一方の端部が、流路１８の開口した一方の端部を形成している孔部１５’を有する第１の蓋体１５と接し、第１のウィック構造体１７の他方の端部が、流路１８の開口した他方の端部を形成している孔部１６’を有する第２の蓋体１６と接している。従って、蓄熱部１では、ゼオライト１２は、第１の蓋体１５、第２の蓋体１６、第１のウィック構造体１７及び筒状体１１内面に接した状態で被覆されている。

蓄熱部１では、第１のウィック構造体１７の形状は、筒状であり、径方向の断面は円形状である。つまり、第１のウィック構造体１７の内側には、筒状体１１を長軸方向に貫通する空間部、すなわち、流路１８が設けられている。従って、第１のウィック構造体１７の内周面が、流路１８の壁面となっている。

ゼオライト１２は、第１の蓋体１５、第２の蓋体１６、第１のウィック構造体１７及び筒状体１１内面に接した状態で被覆されているので、ゼオライト１２の被吸着物として水等の液体を使用しても、成型されたゼオライト１２の形状を維持することができる。従って、第１のウィック構造体１７は、ゼオライト１２の形状の保持部材としても機能する。また、液相の熱輸送流体（被吸着物）Ｌは、その一部が、第１の蓋体１５を介して、ゼオライト１２の一方の端部へ供給される。さらに、第１のウィック構造体１７の有する毛細管力によって、液相の熱輸送流体Ｌが、ゼオライト１２の一方の端部からゼオライト１２の内側側面全体へ、円滑に供給される。つまり、第１のウィック構造体１７の毛細管力によって、液相の熱輸送流体Ｌが、第１のウィック構造体１７の長手方向に沿って、すなわち、筒状体１１の長軸方向に沿って、ゼオライト１２の一方の端部から他方の端部まで、円滑かつ確実に拡散される。

第１のウィック構造体１７は、ゼオライト１２の内周面と接触しているので、第１のウィック構造体１７に吸収された液相の熱輸送流体Ｌが、ゼオライト１２に速やかに吸着され、熱Ｈが放出される。

ゼオライト１２から放出された熱Ｈは、流路１８の一方の端部から供給された液相の熱輸送流体Ｌへ移動する。これにより、液相の熱輸送流体Ｌは、流路１８内を一方の端部から他方の端部へ移動する間に液相から気相へ相変化する。流路１８内で気化した熱輸送流体（すなわち、気相の熱輸送流体Ｇ）は、流路１８の他方の端部から蓄熱部１外へ放出され、さらには熱交換部１０６へ熱Ｈを輸送する。このように、流路１８は、気相の熱輸送流体Ｇの通路として機能する。蓄熱部１では、流路１８の径方向の断面は円形状であり、流路１８の中心軸は、筒状体１１の中心軸と同軸状に配置されている。

このように、液相の熱輸送流体Ｌは、ゼオライト１２の吸熱及び発熱に寄与する被吸着物として機能し、かつゼオライト１２に蓄熱された熱を熱利用先へ輸送する熱輸送のための媒体としても機能する。よって、被吸着物の経路と熱輸送流体の経路を、それぞれ、別経路とする必要がなく、配管経路の構造を簡易化できる。また、気相ではなく液相の被吸着物がゼオライトに吸着するので、優れた蓄熱密度を得ることができる。

ゼオライト１２としては、蓄熱温度１５０℃以上３５０℃以下のものが、蓄熱部１に収納されている。蓄熱温度１５０℃以上３５０℃以下のゼオライト１２が蓄熱部１に用いられることにより、蓄熱部１の配置される環境温度が３５０℃以下の場合でも、熱を蓄熱部１へ蓄えることができる。従って、酸化カルシウム等の化学蓄熱材を使用した蓄熱装置と比較して、蓄熱部１の設置場所の選択の自由度が向上する。

蓄熱部１に収納されるゼオライト１２は、下記一般式（１）
Ｍｅ_２／ｘＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ（１）
（式中、Ｍｅは陽イオン、ｘはＭｅの価数、ｍは２．０以上を意味し、ｎは、特に限定されず適宜選択されるが、例えば、０〜１５が挙げられる。）で表される。一般式（１）中のｍ（すなわち、シリカアルミナ比）の値は、特に限定されないが、被吸着物として水を用いた場合に、被吸着物のゼオライト１２に対する吸着特性が向上して良好な蓄熱密度を得る点から、２．０以上５．０未満（すなわち、親水性ゼオライト）が好ましく、より優れた蓄熱密度を得る点から２．０以上３．０以下がより好ましく、Ｘ型ゼオライト（ｍ＝２．５）が特に好ましい。

ゼオライト１２は、必要に応じて、２価以上の陽イオンを所定量含有する態様としてもよい。２価以上の陽イオンを有する態様とすることで、ゼオライト１２の蓄熱密度がより向上する。２価以上の陽イオンを所定量含有するゼオライト１２は、例えば、ゼオライト１２を２価以上の陽イオンを含んだ液にてイオン交換処理することで調製することができる。

本明細書においては、ゼオライト中の２価以上の陽イオンの含有量を「イオン交換率」として特定する。また、本明細書において、上記「イオン交換率」は、（蓄熱部１に収容されたゼオライトに含まれる２価以上の陽イオンと交換された１価の陽イオンのモル数／蓄熱部１に収容されたゼオライトに含まれる陽イオンが全て１価の陽イオンとみなした場合の陽イオンのモル数）×１００にて算出する。

例えば、上記一般式（１）のｍが２．０のゼオライトの場合、Ａｌが計６価、Ｓｉが計８価なので、電荷のバランスをとるために、ゼオライトには、２価分の陽イオン（Ｍｅ）が含まれている。従って、蓄熱部１に収容されたゼオライトに含まれる陽イオン（Ｍｅ）が全て１価の陽イオンとみなした場合、ｍが２．０のゼオライトの１モル中に、２モルの陽イオンが含まれることとなる。また、蓄熱部１に収容されたゼオライトに含まれる２価以上の陽イオンのモル数は、蓄熱部１に収容されたゼオライトを蛍光Ｘ線元素分析法にて測定することで特定される。なお、陽イオンのモル数の測定は、蛍光Ｘ線元素分析法に限らず、EDS（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：エネルギー分散型Ｘ線分光器）組成分析、ICP（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）発光分光分析等で測定してもよい。

ゼオライトのイオン交換率は、特に限定されないが、例えば、その下限値は、蓄熱密度を確実に向上させる点から６０モル％が好ましく、８０モル％がより好ましく、８５モル％が特に好ましい。また、ゼオライトのイオン交換率の上限値は、優れた蓄熱密度を得る点から１００モル％が好ましい。ただ、２価以上の陽イオンの種類に関わらず生産性と蓄熱密度を向上させる点とのバランスからは、上記上限値は９５モル％が好ましい。

２価以上の陽イオンであれば、価数は特に限定されないが、より優れた蓄熱密度を得る点から、２価または３価の陽イオンが好ましい。２価以上の陽イオン種としては、特に限定されないが、より優れた蓄熱密度を得る点から、Ｍｇ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｕ^２+、Ｚｎ^２+、Ｓｒ^２+、Ｂａ^２+、Ｃａ^２+、Ｃｏ^２+、Ｎｉ^２+、Ｃｄ^２+、Ｈｇ^２+、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋、Ｔｈ^４＋が好ましく、Ｍｇ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋がより好ましく、Ｍｇ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋が特に好ましい。これらの陽イオンは、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

第１の蓋体１５及び第２の蓋体１６は、液相の熱輸送流体Ｌの通過は可能であるが、ゼオライト１２は通過しない寸法の貫通孔を有する多孔質体である。多孔質体の貫通孔の寸法（平均口径）は、上記機能を有する寸法であれば特に限定されず、例えば、５０マイクロメートル以下である。また、第１の蓋体１５及び第２の蓋体１６の材質は、特に限定されず、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属メッシュ、発泡金属、貫通孔を設けた金属箔、貫通孔を設けた金属板等を挙げることができる。

第１のウィック構造体１７は、毛細管構造を有する構成であれば特に限定されず、例えば、粉末状の金属材料を焼成することで構築される金属焼結体、金属メッシュ等の部材を挙げることができる。また、第１のウィック構造体１７は、蓄熱部１のように、第１の蓋体１５及び第２の蓋体１６と別体でもよく、第１のウィック構造体１７として、銅粉等の金属粉の焼結体や金属メッシュを使用する場合には、第１の蓋体１５及び第２の蓋体１６と一体としてもよい。

筒状体１１の材質は、特に限定されず、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等を挙げることができる。液相の熱輸送流体Ｌとしては、例えば、水、エタノール等のアルコール、水とアルコールとの混合物等を挙げることができる。

次に、第２実施形態例に係る蓄熱部について図面を用いながら説明する。なお、第１実施形態例に係る蓄熱部と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。図２（a）、（b）に示すように、第２実施形態例に係る蓄熱部２では、長軸方向の形状が筒状であり、径方向の断面は円形状である第１のウィック構造体１７の内周面に、両端部が開口した管材である内管１９が嵌挿されている。従って、第２実施形態例に係る蓄熱部２では、内管１９の内面が、流路２８の壁面となっている。また、第１のウィック構造体１７の内周面と内管１９の外面が接触することで、内管１９が第１のウィック構造体１７と熱的に接続されている。

内管１９の径方向の断面は円形状であり、内管１９の中心軸（すなわち、流路２８の中心軸）は、筒状体１１の中心軸と同軸状に配置されている。また、内管１９の端部は、筒状体１１の一方の端部１３及び他方の端部１４よりも内部に位置している。

第２実施形態例に係る蓄熱部２では、第１のウィック構造体１７が受熱した熱Ｈは、内管１９を介して、流路２８の一方の端部から供給された流路２８内の、液相の熱輸送流体Ｌへ移動する。また、第１のウィック構造体１７の内周面に内管１９が嵌挿されることにより、第１ウィック構造体１７の内側側面が外部環境から保護される。さらに、内管１９により、第１ウィック構造体１７の形状変化を防止できるので、流路２８の形状を確実に維持できる。

内管１９の材質は、特に限定されず、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等を挙げることができる。

次に、上記各実施形態例に係る蓄熱部の動作について説明する。ここでは、第１実施形態例に係る蓄熱部１を例にとって説明する。蓄熱部１を、例えば、熱回収対象である流体（例えば、排ガス）に近接して設置すると、筒状体１１の外面が、前記流体から熱を受け、受けた熱を蓄熱部１内へ伝達する。筒状体１１の外面を介して前記流体から伝達された熱は、筒状体１１の内面と接触することで熱的に接続されているゼオライト１２へ伝えられ、ゼオライト１２が、伝えられた前記熱を蓄える。ゼオライト１２が蓄熱する際に、熱輸送流体がゼオライト１２から脱離し、気体としてゼオライト１２から放出される。

一方、蓄熱部１へ供給された液相の熱輸送流体Ｌが、蓄熱したゼオライト１２に吸着されることで、熱Ｈが、ゼオライト１２から放出される。

ゼオライト１２から放出された熱Ｈは、蓄熱部１へ供給された液相の熱輸送流体Ｌへ伝えられ、液相の熱輸送流体Ｌの一部が流路１８内にて液相から気相へ相変化する。流路１８内にて液相から相変化した気相の熱輸送流体Ｇが、該熱Ｈを輸送する熱媒体として蓄熱部１から熱交換部１０６へ輸送される。

なお、蓄熱部１は、熱回収対象である流体からの熱回収効率を向上させるために、筒状体１１の外面に熱交換手段、例えばフィン等を備えてもよい。

次に、本発明の蓄熱装置で使用される蓄熱部の製造方法例を説明する。ここでは、第２実施形態例に係る蓄熱部２を例にして説明する。蓄熱部２の製造方法は、特に限定されないが、例えば、まず、筒状体１１の長軸方向に、筒状体１１の内面に沿って、筒状にゼオライト１２を挿入する。この時、必要に応じて、ゼオライト１２の入ったスラリーとして、ゼオライト１２の粒子に加えて、バインダや添加剤等を含んだものを用いてもよい。バインダとしては、例えば、粘土系の鉱物（セピオライト、タルクなど）、ビニルアルコール系、（メタ）アクリル系などの有機バインダ、アルミナゾルなどの無機バインダが挙げられる。バインダを使用すると、ゼオライト１２の粒子と一緒に残存して固まり得、これら粒子間を相互に接続すると共に蓄熱部２の筒状体１１に密着し得るので、ゼオライト１２と筒状体１１との間において、より高い熱伝達性を得ることができる。添加剤としては、分散剤、粘度調整剤等が挙げられ、既知のものが使用され得る。次に、筒状体１１の長軸方向に沿って、内管１９を挿入し、内管１９の外面とゼオライト１２の内周面との間に形成された空隙部に、拡散層である第１のウィック構造体１７となる材料（例えば、粉末状の金属材料）を充填する。次に、ゼオライト１２の一方の端部側に第１の蓋体１５となる材料（例えば、粉末状の金属材料）、ゼオライト１２の他方の端部側に第２の蓋体１６となる材料（例えば、粉末状の金属材料）を、それぞれ、充填する。上記各材料を充填後、加熱処理して、内側側面部を第１のウィック構造体１７に、一方の端部を第１の蓋体に、他方の端部を第２の蓋体に、それぞれ、覆われたゼオライト１２を有する蓄熱部２を製造することができる。

なお、必要に応じて、上記のように製造した蓄熱部２を、さらに、扁平加工して、扁平型の蓄熱部としてもよい。

また、第１のウィック構造体１７を金属メッシュ等で形成する場合には、例えば、筒状体１１に芯棒を挿入し、芯棒の外周面に金属メッシュ等を配置、固定して第１のウィック構造体１７を形成する。その後、筒状体１１の内面と第１のウィック構造体１７の外面との間に形成された空隙部にゼオライト１２を充填配置することで、蓄熱部２を製造してもよい。

また、ゼオライト１２の表面に拡散層（第１のウィック構造体１７）を設ける方法として、例えば以下に示す方法をとることができる。まず、ゼオライト１２を、相互に連通する複数の開口部を有する孔部を備えた形状に成形し、前記開口部から成形されたゼオライト１２へ、前記孔部の経路に対応した形状を有する芯棒を挿入する。次に、前記芯棒の外面と前記孔部の内面との間に拡散層（第１のウィック構造体１７）となる材料（例えば、粉末状の金属材料）を挿入し、前記材料を加熱または焼結する。その後、前記芯棒を引き抜くことで、ゼオライト１２表面に拡散層を設けることができる。

次に、本発明の蓄熱装置について、図面を用いながら説明する。ここでは、第２実施形態例に係る蓄熱部２を用いた蓄熱装置を例にとって説明する。

図３に示すように、本発明の第１実施形態例に係る蓄熱装置１００は、蓄熱部２の筒状体１１の開口した一方の端部１３が、第１の配管系１０２を介して、液相の熱輸送流体Ｌが貯留された被吸着物貯留部１０１と接続されている。第１の配管系１０２は、液相の熱輸送流体Ｌの供給手段である第１のバルブ１０３を備えている。上記の通り、液相の熱輸送流体Ｌは、ゼオライト１２の蓄熱及び発熱に寄与する媒体として機能し、かつ液相から気相へ相変化することにより熱輸送媒体としても機能する。被吸着物貯留部１０１は、蓄熱部２と同じ高さ、又は蓄熱部２よりも高い位置に設置されているので、第１のバルブ１０３を開くことにより、液相の熱輸送流体Ｌが、被吸着物貯留部１０１から、筒状体１１の開口した一方の端部１３を介して、蓄熱部２内、すなわち、第１のウィック構造体１７と内管１９内部（すなわち、流路２８）へ流入する。なお、蓄熱装置１００における蓄熱部２の設置数は、１つに限定されず、複数の蓄熱部２がヘッダー部（図示せず）に組み込まれて並列に連結された構成としてもよい。

第１のウィック構造体１７内へ流入した、液相の熱輸送流体Ｌが、ゼオライト１２に吸着されて、熱Ｈが放出される。一方で、蓄熱部２の流路２８へ流入した、液相の熱輸送流体Ｌが、流路２８を一方の端部１３側から他方の端部１４側へ移動する間に、放出された熱Ｈを受熱して気化し、気相の熱輸送流体Ｇとなる。流路２８内にて気化した気相の熱輸送流体Ｇは、筒状体１１の開口した他方の端部１４から、つまり、蓄熱部２から第２の配管系１０４へ、熱輸送流体として放出される。

図３に示すとおり、第１の配管系１０２には、第１のバルブ１０３と蓄熱部２との間に、逆流抑制部材として多孔質体である隔壁１０５が配置されている。隔壁１０５によって、第１の配管系１０２は、蓄熱部２側と被吸着物貯留部１０１側とに分離されている。隔壁１０５の材料である多孔質体は、液相の熱輸送流体Ｌが通過できる寸法の貫通孔を有している。よって、第１のバルブ１０３が開放されると、液相の熱輸送流体Ｌは、被吸着物貯留部１０１から隔壁１０５を通過して蓄熱部２へ供給される。また、多孔質体である隔壁１０５は、気相の熱輸送流体Ｇの第１の配管系１０２側への逆流を防止する部材として機能する。

隔壁１０５を形成する多孔質体の各貫通孔の寸法（平均口径）は、上記機能を有する寸法であれば特に限定されず、例えば、所定の断面において、貫通孔を円形に換算した場合の直径で５０マイクロメートル以下である。また、多孔質体の材質は特に限定されず、例えば、第１の蓋体１５、第２の蓋体１６と同じ材質を挙げることができ、具体的には、例えば、銅粉等の金属粉の焼結体、金属メッシュ、発泡金属、貫通孔を設けた金属箔、貫通孔を設けた金属板等を挙げることができる。

また、上記逆流抑制部材は、流路２８内における気相の熱輸送流体Ｇの逆流を防止できる部材であれば、多孔質体である隔壁１０５に限定されず、例えば、１つの孔部を有する部材や整流板等でもよく、また、弁でもよい。

図３に示すとおり、蓄熱部２の筒状体１１の開口した他方の端部１４は、第２の配管系１０４を介して、熱交換部１０６（例えば、凝縮器）と接続されている。筒状体１１の他方の端部１４から第２の配管系１０４へ放出された気相の熱輸送流体Ｇは、第２の配管系１０４中を熱交換部１０６の方向へ移動していき、熱交換部１０６へ導入される。熱交換部１０６は、第２の配管系１０４から導入された気相の熱輸送流体Ｇを、例えば、冷却することによって液相へ相変化させる。

熱交換部１０６に導入された気相の熱輸送流体Ｇは、凝縮されて液相に相変化することで、液相の熱輸送流体Ｌになるとともに、潜熱を放出する。熱交換部１０６にて放出された潜熱は、熱交換部１０６と熱的に接続された熱利用先（図示せず）へ輸送される。このように、蓄熱装置１００では、ゼオライト１２に吸着する媒体（すなわち、被吸着物）を、ゼオライト１２から放出された熱を熱交換部１０６へ輸送する熱輸送流体としても使用している。

さらに、蓄熱装置１００は、熱交換部１０６と被吸着物貯留部１０１とを接続する第３の配管系１０７を備えている。第３の配管系１０７を介して、熱交換部１０６にて気相から相変化した液相の熱輸送流体Ｌが、熱交換部１０６から被吸着物貯留部１０１へ返送される。また、第３の配管系１０７には、液相の熱輸送流体Ｌの供給手段である第２のバルブ１０８が設けられている。

蓄熱装置１００は、第１の配管系１０２、第２の配管系１０４及び第３の配管系１０７によって、それぞれ、被吸着物貯留部１０１から蓄熱部２へ、蓄熱部２から熱交換部１０６へ、熱交換部１０６から被吸着物貯留部１０１へと、熱輸送流体が循環する循環系が形成されている。前記循環系は、気密状態であり、かつ脱気されている。つまり、前記循環系は、ループ状のヒートパイプ構造となっている。また、被吸着物貯留部１０１は、蓄熱部２と同じ高さ、又は蓄熱部２よりも高い位置に設置されている。さらに、第１のバルブ１０３と蓄熱部２の間の第１の配管系１０２には、気相の熱輸送流体Ｇの逆流を防止する隔壁１０５が配置されている。

従って、循環系に収容された熱輸送流体を循環させるための機器（例えば、ポンプ等）を使用しなくても、第１のウィック構造体１７の毛細管力や、相対的に高温である蓄熱部２内部と相対的に低温である熱交換部１０６内部との温度差、あるいは蓄熱部２内部と熱交換部１０６内部との間における気圧差によって、熱輸送流体は、蓄熱装置１００の循環系を円滑に循環する。

次に、図３の蓄熱装置１００の構成要素を用いて、蓄熱部２に熱を蓄熱させる場合の操作例について説明する。蓄熱部２の蓄熱時には、蓄熱装置１００の第１のバルブ１０３を閉じ、第２のバルブ１０８を開けた状態で、蓄熱部２に外部環境から熱を受熱させる。蓄熱部２が外部環境から熱を受熱すると、ゼオライト１２が気相の被吸着物を放出する。ゼオライト１２から放出された気相の被吸着物は、第２の配管系１０４、熱交換部１０６（熱交換部１０６にて、被吸着物は、気相から液相へ相変化）、第３の配管系１０７を介して、液相の被吸着物（すなわち、液相の熱輸送流体Ｌ）として被吸着物貯留部１０１へ輸送、貯留される。

なお、第１のバルブ１０３は、蓄熱部２が所定の放熱温度に達した時点で閉じられてもよい。また、例えば、蓄熱部２の熱放出の動作後、ゼオライト１２の熱放出の開始（又は、第１のバルブ１０３の開放）から所定時間経過した時、液相の熱輸送流体Ｌが被吸着物貯留部１０１へ所定量返送された時、または熱交換部１０６の放熱量が所定値に達した時等から、第１のバルブ１０３を閉じるタイミングを判断してもよい。

蓄熱部２の温度変化を図示しないセンサ等で測定し、蓄熱が完了したと判断された場合には、第１のバルブ１０３だけではなく、第２のバルブ１０８も閉じて、液相の熱輸送流体Ｌを被吸着物貯留部１０１内に閉じ込めておく。

なお、第２のバルブ１０８は、被吸着物貯留部１０１における液相の熱輸送流体Ｌの貯留量に応じて閉じられてもよい。液相の熱輸送流体Ｌの貯留量は、被吸着物貯留部１０１中の体積を実測してもよく、ゼオライト１２の放熱時間や放熱量、被吸着物貯留部１０１の重さ、熱交換部１０６の放熱量、熱交換部１０６からの液相の熱輸送流体Ｌの排出量等から、判断してもよい。

一方、蓄熱部２から熱交換部１０６へ、蓄熱部２に蓄えられていた熱を輸送する場合には、蓄熱装置１００の第１のバルブ１０３を開けて、液相の熱輸送流体Ｌを蓄熱部２へ供給するとともに、第２のバルブ１０８も開けて蓄熱装置１００の循環系を開放することで、蓄熱装置１００を稼働させる。

次に、本発明の蓄熱装置を用いた暖機装置の例について、説明する。例えば、車両に搭載された内燃機関（エンジン等）に接続された排気管に蓄熱装置の蓄熱部を搭載することで、排気管内を流れる排ガスの熱を蓄熱部に蓄熱することができる。蓄熱部の筒状体の外面の少なくとも一部が、排気管内を流れる排ガスと直接接触するように蓄熱部を配置することで、蓄熱部を熱源と熱的に接続することができる。

蓄熱部に蓄熱された排ガス由来の熱は、蓄熱装置の循環系にて、蓄熱部から熱交換部へ輸送され、さらに、熱交換部から熱利用先である内燃機関の暖機装置へ輸送される。

次に、本発明の他の実施形態例について説明する。第２実施形態例に係る蓄熱部では、第１のウィック構造体は、粉末状の金属材料を焼成することで構築される金属焼結体や金属メッシュ等の部材であったが、これに代えて、内管の外面に形成された毛細管力を有する溝でもよい。

また、上記各実施形態例の蓄熱部では、第１のウィック構造体は、粉末状の金属材料を焼成することで構築される金属焼結体や金属メッシュ等の部材であったが、これに代えて、筒状体の内面に形成された毛細管力を有する溝でもよい。また、内管の内面に、毛細管構造を有する第２のウィック構造体を設けてもよい。

上記各実施形態例の蓄熱部では、筒状体の径方向の断面は円形状であったが、該断面の形状は特に限定されず、例えば、上記した扁平型の他、楕円形状、三角形状や四角形状等の多角形状、長円形状、丸角長方形等でもよい。さらに、上記各実施形態例の蓄熱部では、第１の蓋体と第２の蓋体は多孔質体であったが、これに代えて、毛細管構造を有するウィック構造体としてもよい。

上記実施形態例に係る蓄熱部では、孔部を有する第１の蓋体が使用されていたが、これに代えて、孔部を有さない第１の蓋体が使用されてもよい。なお、この場合、内管の長さを、蓄熱部の内管の長さよりも、適宜、短くすることで、孔部を有さない第１の蓋体をゼオライトの筒状体の一方の端部側に隣接して配置することができる。

また、上記各実施形態例の蓄熱部では、第１のウィック構造体の設置数は１つであったが、その設置数は特に限定されず、使用される状況に応じて複数設けてもよい。また、上記各実施形態例の蓄熱部では、第１のウィック構造体の内側に設けられた流路の設置数は１つであったが、その設置数は特に限定されず、使用される状況に応じて複数設けてもよい。また、上記各実施形態例の蓄熱部では、拡散層としてウィック構造体が用いられていたが、これに代えて、ゼオライトの有する細孔構造を用いてもよい。

本発明の蓄熱装置の使用方法は、車両に搭載された内燃機関の暖機装置用以外にも、特に限定されず、例えば、車内の暖房装置用でもよく、また、本発明の蓄熱装置を工業プラントからの排熱の回収・貯蔵・利用に使用してもよい。さらに、本発明の蓄熱装置の他の熱利用先として、例えば、室内暖房、給湯器、乾燥機等を挙げることができる。

上記本発明の各実施形態例に係る蓄熱装置では、第２実施形態例に係る蓄熱部を用いたが、これに代えて、他の実施形態例に係る蓄熱部を使用してもよい。

本発明の蓄熱装置は、蓄熱部が配置される環境温度が低くても、熱を蓄熱部へ蓄えることができるので、広汎な分野で利用可能であり、例えば、車両に搭載して排熱を回収・貯蔵及び利用する分野で、利用価値が高い。

１、２蓄熱部
１２ゼオライト
１００蓄熱装置
１０１被吸着物貯留部
１０６熱交換部

Claims

ゼオライトが収容された蓄熱部と、前記蓄熱部と接続された、前記ゼオライトに吸着される被吸着物が貯留された被吸着物貯留部と、前記蓄熱部及び前記被吸着物貯留部と接続された熱交換部と、を有し、
前記ゼオライトの蓄熱温度が、１５０℃以上３５０℃以下であり、
前記蓄熱部が、管状体と、該管状体に収容された前記ゼオライトと、前記管状体を長軸方向に貫通する流路と、前記ゼオライトと前記流路との間に設けられた拡散層と、を有し、
前記ゼオライトの粒子に加えてバインダを含み、前記バインダが、前記ゼオライトの粒子と一緒に残存して固まり、前記ゼオライトの粒子間を相互に接続すると共に、前記ゼオライトを前記管状体に密着させており、
前記ゼオライトが、下記一般式（１）
Ｍｅ _２／ｘＯ・Ａｌ _２Ｏ _３・ｍＳｉＯ _２・ｎＨ _２Ｏ（１）
（式中、Ｍｅは陽イオン、ｘはＭｅの価数、ｍは２．５の値を意味する。）で表され、
前記ゼオライトが、Ｘ型ゼオライトであり、
前記ゼオライトが、８５モル％以上９５モル％以下のイオン交換率にて、２価または３価の陽イオンを含有し、前記２価または３価の陽イオンが、Ｍｇ ^２＋、Ｆｅ ^３＋及びＡｌ ^３＋からなる群から選択された少なくとも１種である、
自動車の排ガス管の下流の環境温度が３５０℃以下に低くなる場所に配置される蓄熱装置。
前記蓄熱部と、
前記管状体の一方の端部と接続された、液相の前記被吸着物が収容された前記被吸着物貯留部と、
前記管状体の他方の端部と接続された熱交換部と、
前記蓄熱部と前記被吸着物貯留部とを接続する第１の配管系と、
前記被吸着物貯留部と前記熱交換部とを接続する第３の配管系と、
を備えた、循環系を有し、
前記循環系が、気密状態であり、脱気されている請求項１に記載の蓄熱装置。
前記第１の配管系には、第１のバルブが設けられ、前記第１のバルブが、前記蓄熱部の放熱温度に応じて閉鎖される請求項２に記載の蓄熱装置