JP7474441B2 - 化学蓄熱システム、及び蓄熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学蓄熱システム、及び蓄熱方法に関する。

特許文献１，２に開示されるように、水蒸気を吸収材で吸収させることで回収する回収器を備え、化学蓄熱システムの蓄熱動作の際に、化学蓄熱材の脱水反応で発生する水蒸気を回収することで、蓄熱動作を促進する化学蓄熱システムが知られている。

特開２０１２－２２０１６５号公報 特開２０１４－１５３０２９号公報

上記のような化学蓄熱システムの回収器に用いられる吸収材の中でも、水蒸気の吸収能力が比較的高い吸収材は、自発的に水溶液となる潮解性を有する場合がある。このような吸収材を回収器に用いて、化学蓄熱材の温度が比較的高い状態から蓄熱動作を開始すると、回収器内の水蒸気圧が吸収材を潮解させる水蒸気圧を超えるおそれがあった。吸収材の表面が潮解すると、吸収材の表面が水溶液で覆われるため、水蒸気が吸収材の内部に拡散し難くなる。すなわち、吸収材における水蒸気の吸収速度が低下することで、蓄熱動作を好適に促進することが困難となるおそれがあった。

本発明の目的は、吸収材の潮解を要因とした水蒸気の吸収速度の低下を抑えることで、化学蓄熱材の蓄熱動作を好適に進行させることのできる化学蓄熱システム、及び蓄熱方法を提供することにある。

上記課題を解決する化学蓄熱システムは、水を反応媒体とする化学蓄熱材を有し、排熱源からの排熱を蓄熱する蓄熱器と、水蒸気を吸収する吸収材を有し、前記化学蓄熱材から発生した水蒸気を回収する回収器と、前記蓄熱器から前記回収器に水蒸気を送る回収用流路と、を備える化学蓄熱システムであって、冷却媒体を用いて水蒸気を凝縮させる復水器と、前記蓄熱器から前記復水器に水蒸気を送る復水用流路と、前記回収用流路の開閉と前記復水用流路との開閉を制御する開閉制御部と、を備え、前記開閉制御部は、前記化学蓄熱材の蓄熱動作中に、前記回収用流路を閉鎖するとともに前記復水用流路を開放して前記復水器を作動させる復水器作動ステップから、前記復水用流路を閉鎖するとともに前記回収用流路を開放して前記回収器を作動させる回収器作動ステップに切り替える制御を行うように構成される。

この構成によれば、上述した復水器作動ステップにより、蓄熱動作の開始時の化学蓄熱材から発生する比較的高い圧力の水蒸気を回収器に流入させずに復水器に導入することで、回収器の吸収材の潮解を防ぐことができる。また、化学蓄熱システムは、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えることができる。これにより、蓄熱動作が進行し、化学蓄熱材から発生する水蒸気の圧力が低下してから、回収器作動ステップを行うことができる。すなわち、回収器の吸収材の潮解を抑えることができる。このため、吸収材の潮解を要因とした水蒸気の吸収速度の低下を抑えることで、化学蓄熱材の蓄熱動作を好適に進行させることができる。

上記化学蓄熱システムは、前記蓄熱器内において前記化学蓄熱材の水蒸気圧を計測する蓄熱器内圧力計測部を備え、前記開閉制御部は、前記蓄熱器内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果に基づいて、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替えるように構成されることが好ましい。この構成によれば、回収器の吸収材の潮解を抑えるための上記切り替えの精度を高めることができる。

上記化学蓄熱システムにおいて、前記開閉制御部は、前記吸収材が潮解し得る最も低い水蒸気圧である第１の水蒸気圧と、前記蓄熱器内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果を含む装置情報から推定される前記回収器内の水蒸気圧である第２の水蒸気圧とを対比し、前記第１の水蒸気圧よりも前記第２の水蒸気圧が低いと判定された場合、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替えるように構成されることが好ましい。この構成によれば、回収器の吸収材の潮解を抑えるための上記切り替えの精度をより高めることができる。

上記化学蓄熱システムにおいて、前記回収器及び前記復水器は、冷却媒体が導入される熱交換器を有し、蓄熱動作時に、前記回収器の前記熱交換器、前記復水器の前記熱交換器の順に直列的に前記冷却媒体を導入するように構成されることが好ましい。

この構成によれば、蓄熱動作中に、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替える際に、回収器の熱交換器及び復水器の熱交換器に導入する冷却媒体の流路を変更することなく、回収器を作動させることができる。また、復水器作動ステップ中に回収器を冷却することができる。

上記化学蓄熱システムにおいて、排熱源からの排熱を利用して前記回収器内の吸収材を再生する再生動作時に、前記吸収材から発生する水蒸気を前記回収器から前記復水器に送る再生用流路をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、蓄熱動作で用いる復水器を吸収材の再生動作にも用いることができる。これにより、化学蓄熱システムを小型化することができる。

上記化学蓄熱システムは、前記蓄熱動作中に、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始する制御を行う熱交換開始制御部をさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、例えば、化学蓄熱材の温度が排熱による加熱を必要とする温度まで低下した後に、排熱と化学蓄熱材との熱交換を開始することができる。これにより、排熱による化学蓄熱材の不要な冷却を抑えることができるため、蓄熱動作をより効率的に行うことが可能となる。

上記化学蓄熱システムは、前記化学蓄熱材の温度を計測する温度計測部を備え、前記熱交換開始制御部は、前記温度計測部による温度の計測結果に基づいて、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始させることが好ましい。

この構成によれば、温度計測部による温度の計測結果から、排熱による化学蓄熱材の加熱が必要なタイミングを決定することができるため、化学蓄熱材の不要な冷却を抑えるための制御の精度を高めることができる。

上記化学蓄熱システムにおいて、前記蓄熱器は、前記排熱を熱輸送する流路となる流路管を備え、前記化学蓄熱システムは、前記流路管内の水蒸気圧を計測する流路管内圧力計測部を備え、前記熱交換開始制御部は、前記流路管内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果に基づいて、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始させることが好ましい。

この構成によれば、流路管内の水蒸気圧を測定することで、化学蓄熱材の全体で平均化された温度を推定することができる。これにより、より好適なタイミングで排熱と化学蓄熱材との熱交換を開始させることができる。

上記化学蓄熱システムにおいて、前記吸収材は、アルカリ土類金属のハロゲン化物を含むことが好ましい。この構成によれば、例えば、１２０℃以下の排熱等、比較的低温の排熱を利用して、蓄熱動作を行うことが可能となる。

蓄熱方法は、上記化学蓄熱システムを用いる蓄熱方法であって、前記開閉制御部は、前記蓄熱動作中に、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替える。

本発明によれば、化学蓄熱材の脱水反応を好適に進行させることができる。

第１実施形態における化学蓄熱システムを示す概略図である。 化学蓄熱システムの蓄熱動作を説明する概略図である。 化学蓄熱システムの蓄熱動作を説明する概略図である。 化学蓄熱システムの蓄熱動作を説明する概略図である。 化学蓄熱システムの放熱動作及び再生動作を説明する概略図である。 第２実施形態における化学蓄熱システムを示す概略図である。 化学蓄熱システムの蓄熱動作を説明する概略図である。 化学蓄熱システムの蓄熱動作を説明する概略図である。 時間と蓄熱器内の水蒸気圧との関係を示すグラフである。 時間と回収器内の水蒸気圧との関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、化学蓄熱システム、及び蓄熱方法の第１実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、化学蓄熱システム１１は、水を反応媒体とする化学蓄熱材ＨＭを有し、排熱源ＨＳからの排熱を蓄熱する蓄熱器１２と、水蒸気を吸収する吸収材ＬＭを有し、化学蓄熱材ＨＭから発生した水蒸気を回収する回収器１３とを備えている。

化学蓄熱システム１１は、冷却源ＣＳからの冷却媒体を用いて水蒸気を凝縮させる復水器１４を備えている。また、化学蓄熱システム１１は、排熱源ＨＳからの排熱により蒸気を発生する蒸発器１５を備えている。

蓄熱器１２は、化学蓄熱材ＨＭが収容される容器１２ａと、容器１２ａ内に配置される熱交換器１２ｂとを備えている。水を反応媒体とする化学蓄熱材ＨＭは、化学蓄熱システム１１の蓄熱動作時に脱水反応し、化学蓄熱システム１１の放熱動作時に水和反応する材料である。蓄熱器１２の容器１２ａは、化学蓄熱材ＨＭの水和反応に用いられる蒸気が導入されるように構成されている。また、蓄熱器１２の容器１２ａは、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応で生じる蒸気が排出されるように構成されている。

化学蓄熱材ＨＭとしては、周知の固体材料を用いることができる。化学蓄熱材ＨＭは、化学蓄熱物質のみから構成してもよいし、粒子状の化学蓄熱物質を水蒸気透過性樹脂等の水蒸気透過性のバインダーで結合した材料であってもよい。化学蓄熱物質としては、例えば、アルカリ土類金属のハロゲン化物、硫酸カルシウム等が挙げられる。化学蓄熱材ＨＭは、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。化学蓄熱材ＨＭは、２００℃以上の耐熱性を有していることが好ましい。

蓄熱器１２の熱交換器１２ｂには、冷却源ＣＳから冷却媒体が導入されるように構成されている。また、蓄熱器１２の熱交換器１２ｂには、排熱源ＨＳから加熱媒体が導入されるように構成されている。

蓄熱器１２の熱交換器１２ｂとしては、例えば、フィンチューブ型の熱交換器、フィンレス熱交換器等が挙げられる。なお、以下で説明する熱交換器についても、同様の熱交換器を用いることができる。

回収器１３は、吸収材ＬＭと、吸収材ＬＭが収容される容器１３ａと、容器１３ａ内に配置される熱交換器１３ｂとを有している。回収器１３の熱交換器１３ｂには、冷却源ＣＳから冷却媒体が導入されるように構成されている。また、回収器１３の熱交換器１３ｂには、排熱源ＨＳから加熱媒体が導入されるように構成されている。

吸収材ＬＭは、化学蓄熱材ＨＭを脱水反応させる温度を下げるために用いられる。吸収材ＬＭは、水蒸気の吸収能力が比較的高く、潮解性を有している。吸収材ＬＭを用いることで、より低い温度の排熱であっても、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を進行させて蓄熱することが可能となる。また、吸収材ＬＭは、排熱源ＨＳの加熱媒体の温度において、脱水反応可能な物質が用いられる。これにより、排熱源ＨＳを利用して吸収材ＬＭを再生することができる。

冷却源ＣＳの温度における吸収材ＬＭの平衡蒸気圧ＶＰ２Ｃは、排熱源ＨＳの温度における化学蓄熱材ＨＭの平衡蒸気圧ＶＰ１Ｈよりも低いことで、化学蓄熱材ＨＭの蓄熱反応を好適に促進することができる。一方、排熱源ＨＳの温度における吸収材ＬＭの平衡蒸気圧ＶＰ２Ｈは、同じく排熱源ＨＳの温度における化学蓄熱材ＨＭの平衡蒸気圧ＶＰ１Ｈよりも高いことが好ましい。このような吸収材ＬＭは、化学蓄熱材ＨＭよりも脱水し易いため、排熱源ＨＳを用いて吸収材ＬＭを再生することで、次の蓄熱動作に効率的に使用することができる。また、排熱源ＨＳの温度における吸収材ＬＭの平衡蒸気圧ＶＰ２Ｈは、冷却源ＣＳの温度における水の平衡蒸気圧ＶＰ３Ｃよりも高いことが好ましい。これにより、排熱源ＨＳにより吸収材ＬＭを加熱して発生した水蒸気を冷却源ＣＳによる冷却で凝縮させることで、吸収材ＬＭの再生を効率的に行うことができる。

吸収材ＬＭとしては、例えば、アルカリ土類金属のハロゲン化物が挙げられる。吸収材ＬＭは、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。吸収材ＬＭは、２００℃以上の耐熱性を有していることが好ましい。

復水器１４は、容器１４ａと、容器１４ａ内に収容される熱交換器１４ｂとを備えている。復水器１４の熱交換器１４ｂには、冷却源ＣＳから冷却媒体が導入されるように構成されている。

蒸発器１５は、容器１５ａと、容器１５ａ内に収容される熱交換器１５ｂとを備えている。熱交換器１５ｂには、排熱源ＨＳから加熱媒体が導入されるように構成されている。蒸発器１５には、ポンプ２１により復水器１４の容器１４ａ内の水Ｗ１が送液可能に構成されている。また、蒸発器１５の容器１５ａ内の水Ｗ１は、ポンプ２２により蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに送液可能に構成されている。

次に、化学蓄熱システム１１の主な流路構成について説明する。
化学蓄熱システム１１は、蓄熱動作時に使用される流路として、蓄熱器１２から回収器１３に水蒸気を送る回収用流路Ｌ１と、蓄熱器１２から復水器１４に水蒸気を送る復水用流路Ｌ２とを備えている。化学蓄熱システム１１は、排熱源ＨＳからの排熱を利用して回収器１３内の吸収材ＬＭを再生する再生動作時に使用される流路として、吸収材ＬＭから発生する水蒸気を回収器１３から復水器１４に送る再生用流路Ｌ３を備えている。

化学蓄熱システム１１は、放熱動作時に使用される流路として、蒸発器１５内で発生させた水蒸気を蓄熱器１２に送る反応媒体用流路Ｌ４と、蒸発器１５内で加熱された温水をポンプ２２によって蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに送る放熱媒体用流路Ｌ５とを備えている。図１では省略するが、化学蓄熱システム１１は、冷却源ＣＳの冷却媒体を回収器１３の熱交換器１３ｂ及び復水器１４の熱交換器１４ｂに送る流路を備えている。本実施形態では、冷却源ＣＳの冷却媒体を回収器１３の熱交換器１３ｂ、復水器１４の熱交換器１４ｂの順に直列的に冷却媒体を導入する流路を備えている。

次に、化学蓄熱システム１１の制御に関する構成について説明する。
化学蓄熱システム１１は、蓄熱器１２内において化学蓄熱材ＨＭの水蒸気圧を計測する蓄熱器内圧力計測部Ｍ１を備えている。すなわち、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１は、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応により発生する水蒸気の圧力を計測する。化学蓄熱システム１１は、化学蓄熱材ＨＭの温度を計測する温度計測部Ｍ２を備えている。

化学蓄熱システム１１は、制御部３１を備えている。制御部３１は、回収用流路Ｌ１の開閉と復水用流路Ｌ２の開閉とを制御する開閉制御部３２を備えている。また、制御部３１は、蓄熱動作中に、排熱源ＨＳの排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始する制御を行う熱交換開始制御部３３をさらに備えている。制御部３１は、図示を省略したプロセッサ、メモリ、ソフトウェア等により構成することができる。

次に、化学蓄熱システム１１の動作の一例について説明する。
図２～図４には、蓄熱動作中の化学蓄熱システム１１を示している。化学蓄熱システム１１の蓄熱動作時には、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応が行われる。蓄熱動作開始時の化学蓄熱材ＨＭの温度は、排熱源ＨＳから供給可能な加熱媒体の温度よりも高い。本実施形態の蓄熱動作は、後述する化学蓄熱材ＨＭの放熱動作が完了した直後から開始される。

化学蓄熱システム１１の開閉制御部３２は、化学蓄熱材ＨＭの蓄熱動作時に、復水器作動ステップから、回収器作動ステップに切り替える制御を行うように構成されている。開閉制御部３２は、化学蓄熱システム１１の流路を形成する配管に設けられる開閉弁の開閉を制御するように構成されている。

図２に示すように、化学蓄熱システム１１の蓄熱動作は、復水器作動ステップから開始される。復水器作動ステップでは、回収用流路Ｌ１を閉鎖するとともに復水用流路Ｌ２を開放して復水器１４を作動させる。復水器作動ステップにおいて、復水器１４の熱交換器１４ｂには冷却源ＣＳから冷却媒体が導入される。なお、冷却源ＣＳの冷却媒体は、回収器１３の熱交換器１３ｂ、復水器１４の熱交換器１４ｂの順に直列的に導入されているが、冷却源ＣＳの冷却媒体を回収器１３の熱交換器１３ｂを通過させずに、復水器１４の熱交換器１４ｂのみに導入するように構成してもよい。

復水器作動ステップでは、蓄熱器１２の化学蓄熱材ＨＭから発生する水蒸気Ｗ２が復水用流路Ｌ２を通じて復水器１４に送られる。復水器１４では、水蒸気Ｗ２を凝縮することができるため、蓄熱器１２の化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を進行させることができる。

化学蓄熱物質の一種である塩化カルシウムの蓄熱動作時の脱水反応は、例えば、下記式（１ａ）で表される。
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ→ＣａＣｌ_２・Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ・・・（１ａ）
化学蓄熱システム１１は、上述した復水器作動ステップにより、蓄熱動作の開始時の化学蓄熱材ＨＭから発生する比較的高い圧力の水蒸気Ｗ２を回収器１３に流入させずに復水器１４に導入することで、回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を防ぐことができる。

化学蓄熱システム１１を用いた蓄熱方法において、化学蓄熱システム１１の開閉制御部３２は、図２に示される復水器作動ステップから図３及び図４に示される回収器作動ステップへ切り替える。回収器作動ステップでは、復水用流路Ｌ２を閉鎖するとともに回収用流路Ｌ１を開放して回収器１３を作動させる。回収器作動ステップにおいて、回収器１３の熱交換器１３ｂには冷却源ＣＳから冷却媒体が導入されている。

回収器作動ステップでは、蓄熱器１２の化学蓄熱材ＨＭから発生する水蒸気Ｗ２が回収用流路Ｌ１を通じて回収器１３に送られる。このとき、回収器１３の吸収材ＬＭが水蒸気Ｗ２を吸収することで、蓄熱器１２の化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を進行させることができる。

吸収材ＬＭの一種である臭化ストロンチウムは、下記式（２ａ）で表される水和反応により水蒸気Ｗ２を吸収する。
ＳｒＢｒ_２・Ｈ_２Ｏ＋５Ｈ_２Ｏ→ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏ・・・（２ａ）
上述したように化学蓄熱システム１１は、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えることができる。これにより、蓄熱動作が進行し、化学蓄熱材ＨＭから発生する水蒸気Ｗ２の圧力が低下してから、回収器作動ステップを行うことができる。すなわち、回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を抑えることができる。このため、吸収材ＬＭの潮解を要因とした水蒸気Ｗ２の吸収速度の低下を抑えることで、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を好適に進行させることができる。

本実施形態の化学蓄熱システム１１の開閉制御部３２は、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１による水蒸気圧の計測結果に基づいて、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えるように構成されている。

開閉制御部３２は、吸収材ＬＭが潮解し得る最も低い水蒸気圧である第１の水蒸気圧Ｐ１と、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１の計測結果を含む装置情報から推定される回収器１３内の水蒸気圧である第２の水蒸気圧Ｐ２とを対比する。開閉制御部３２は、第１の水蒸気圧Ｐ１よりも第２の水蒸気圧Ｐ２が低いと判定された場合、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替える。一方、開閉制御部３２は、第１の水蒸気圧Ｐ１と第２の水蒸気圧Ｐ２とが同じか、又は第１の水蒸気圧Ｐ１よりも第２の水蒸気圧Ｐ２が高いと判定された場合、復水器作動ステップを継続し、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１の計測結果に基づく第２の水蒸気圧Ｐ２の算出、第１の水蒸気圧Ｐ１と第２の水蒸気圧Ｐ２との対比、及び判定を繰り返す。

第１の水蒸気圧Ｐ１は、吸収材ＬＭの種類及び吸収材ＬＭの温度に依存する。このため、使用する吸収材ＬＭについて、温度と、第１の水蒸気圧Ｐ１（潮解圧力）との関係を予め取得し、吸収材ＬＭの使用温度から第１の水蒸気圧Ｐ１を求めればよい。なお、吸収材ＬＭは、冷却源ＣＳから回収器１３の熱交換器１３ｂに導入される冷却媒体で冷却されるため、吸収材ＬＭの使用温度は、冷却源ＣＳの冷却媒体の温度とほぼ同一となっている。例えば、吸収材ＬＭが臭化ストロンチウムであり、冷却媒体の温度が３０℃の場合では、第１の水蒸気圧Ｐ１は、２．８ｋＰａである。すなわち、臭化ストロンチウムを吸収材ＬＭとして用いるとともに、吸収材ＬＭを３０℃の冷却媒体で冷却する場合、回収器１３の容器１３ａ内の水蒸気圧を２．８ｋＰａ以上にすると吸収材ＬＭが潮解する。このような吸収材ＬＭの潮解を抑えるには、蓄熱器１２と回収器１３とを接続したときに推定される回収器１３内の水蒸気圧、すなわち第２の水蒸気圧Ｐ２が２．８ｋＰａ未満となるまで、復水器作動ステップを継続すればよい。

第２の水蒸気圧Ｐ２は、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１の計測結果である蓄熱器１２内の水蒸気圧Ｐ１２等から、例えば、下記式（３ａ）により求めることができる。
Ｐ２＝（Ｐ１２×Ｖ１２）／（Ｖ１２＋Ｖ１３）・・・（３ａ）
Ｐ１２：蓄熱器１２内の水蒸気圧
Ｖ１２：蓄熱器１２の容積
Ｖ１３：回収器１３の容積
なお、蓄熱器１２の容積は、蓄熱器１２における容器１２ａの容積から化学蓄熱材ＨＭ及び熱交換器１２ｂが占める体積を除外した空間容積である。回収器１３の容積についても、回収器１３における容器１３ａの容積から吸収材ＬＭ及び熱交換器１３ｂが占める体積を除外した空間容積である。

また、第２の水蒸気圧Ｐ２は、図示を省略するが、回収器１３内の水蒸気圧Ｐ１３を計測する回収器内圧力計測部を回収器１３にさらに設けることにより、下記式（３ｂ）により求めることもできる。

Ｐ２＝（Ｐ１２×Ｖ１２＋Ｐ１３×Ｖ１３）／（Ｖ１２＋Ｖ１３）・・・（３ｂ）
Ｐ１３：回収器１３内の水蒸気圧
なお、開閉制御部３２による復水器作動ステップから回収器作動ステップへの切り替えは、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１や回収器内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果を用いずに、所定の閾値により行うこともできる。開閉制御部３２による上記切り替えは、例えば、装置の容積や冷却媒体の温度等を含む装置情報や化学蓄熱システム１１を試運転した結果に基づいて予め決定した時間を閾値として行うこともできる。

化学蓄熱システム１１の蓄熱動作中には、蓄熱器１２の化学蓄熱材ＨＭの温度が低下する。このとき、化学蓄熱システム１１の熱交換開始制御部３３は、蓄熱動作中に、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始する制御を行う。熱交換開始制御部３３は、温度計測部Ｍ２による温度の計測結果に基づいて、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始する。詳述すると、熱交換開始制御部３３は、排熱源ＨＳから蓄熱器１２に導入可能な加熱媒体の温度である第１の温度Ｔ１と、温度計測部Ｍ２による化学蓄熱材ＨＭの温度の計測結果である第２の温度Ｔ２とを対比する。熱交換開始制御部３３は、第１の温度Ｔ１よりも第２の温度Ｔ２が低いと判定された場合、図４に示すように、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させる。すなわち、排熱源ＨＳの加熱媒体を蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに導入する。一方、熱交換開始制御部３３は、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２と同じか、又は第１の温度Ｔ１よりも第２の温度Ｔ２が高いと判定された場合、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との対比を繰り返す。

例えば、化学蓄熱材ＨＭとして塩化カルシウムを用いた上記式（１ａ）の脱水反応の場合、回収器１３の吸収材ＬＭにより蓄熱器１２内の水蒸気圧を２ｋＰａ程度まで低下させることにより、比較的低温である８０℃の排熱を利用して蓄熱させることができる。

図５には、放熱動作中の化学蓄熱システム１１を簡略化して示している。化学蓄熱システム１１の放熱動作時には、化学蓄熱材ＨＭの水和反応が行われる。この放熱動作では、排熱源ＨＳから蒸発器１５に加熱媒体を導入することで、水蒸気Ｗ２を発生させる。発生させた水蒸気Ｗ２は、蒸発器１５から反応媒体用流路Ｌ４を通じて蓄熱器１２に送られる。また、蒸発器１５内で加熱された温水は、放熱媒体用流路Ｌ５を通じて蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに送られる。蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに送られた温水は、化学蓄熱材ＨＭにより加熱された後、加熱対象４１に送られる。加熱対象４１は、特に限定されないが、例えば、蒸気発生装置等が挙げられる。

化学蓄熱物質の一種である塩化カルシウムの放熱動作時の水和反応は、例えば、下記式（１ｂ）で表される。
ＣａＣｌ_２・Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ→ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ・・・（１ｂ）
塩化カルシウムは、例えば、水蒸気圧が９５ｋＰａの条件の場合、１７０℃の熱を放熱する。

図５に示すように、放熱動作中の化学蓄熱システム１１では、回収器１３の吸収材ＬＭの再生動作も行っている。化学蓄熱システム１１の再生動作時には、吸収材ＬＭの脱水反応が行われる。この再生動作では、排熱源ＨＳから回収器１３の熱交換器１３ｂに加熱媒体を導入することで、吸収材ＬＭを加熱する。

吸収材ＬＭの一種である臭化ストロンチウムは、下記式（２ｂ）で表される脱水反応により再生する。
ＳｒＢｒ_２・６Ｈ_２Ｏ→ＳｒＢｒ_２・Ｈ_２Ｏ＋５Ｈ_２Ｏ・・・（２ｂ）
以上のように化学蓄熱システム１１は、吸収材ＬＭの再生動作を行った後に、再び蓄熱動作を行うことができる。また、このような化学蓄熱システム１１は、排熱源ＨＳを用いて蓄熱した後、排熱源ＨＳよりも高い温度の放熱を行うケミカルヒートポンプとして用いることができる。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）化学蓄熱システム１１の開閉制御部３２は、化学蓄熱材ＨＭの蓄熱動作時に、復水器作動ステップから、回収器作動ステップに切り替える制御を行うように構成されている。復水器作動ステップは、回収用流路Ｌ１を閉鎖するとともに復水用流路Ｌ２を開放して復水器１４を作動させる。回収器作動ステップは、復水用流路Ｌ２を閉鎖するとともに回収用流路Ｌ１を開放して回収器１３を作動させる。

この構成によれば、上述した復水器作動ステップにより、蓄熱動作の開始時における回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を防ぐことができる。また、化学蓄熱システム１１は、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えることができる。このとき、蓄熱動作が進行し、化学蓄熱材ＨＭから発生する水蒸気Ｗ２の圧力が低下してから、回収器作動ステップを行うことができる。すなわち、回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を抑えることができる。このため、吸収材ＬＭの潮解を要因とした水蒸気Ｗ２の吸収速度の低下を抑えることで、化学蓄熱材ＨＭの蓄熱動作を好適に進行させることができる。

（２）化学蓄熱システム１１は、蓄熱器１２内において化学蓄熱材ＨＭの水蒸気圧を計測する蓄熱器内圧力計測部Ｍ１を備えている。開閉制御部３２は、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１による水蒸気圧の計測結果に基づいて、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えるように構成されている。この場合、回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を抑えるための上記切り替えの精度を高めることができる。

（３）開閉制御部３２は、吸収材ＬＭが潮解し得る最も低い水蒸気圧である第１の水蒸気圧と、蓄熱器内圧力計測部Ｍ１による水蒸気圧の計測結果を含む装置情報から推定される回収器１３内の水蒸気圧である第２の水蒸気圧とを対比するように構成してもよい。この開閉制御部３２は、第１の水蒸気圧よりも前記第２の水蒸気圧が低いと判定された場合、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替えるように構成される。これにより、回収器１３の吸収材ＬＭの潮解を抑えるための上記切り替えの精度をより高めることができる。

（４）回収器１３及び復水器１４は、冷却源ＣＳの冷却媒体が導入される熱交換器１３ｂ，１４ｂを有している。化学蓄熱システム１１は、蓄熱動作時に、回収器１３の熱交換器１３ｂ、復水器１４の熱交換器１４ｂの順に冷却媒体を直列的に導入するように構成されている。この場合、蓄熱動作中に、復水器作動ステップから回収器作動ステップに切り替える際に、回収器１３の熱交換器１３ｂ及び復水器１４の熱交換器１４ｂに導入する冷却媒体の流路を変更することなく、回収器１３を作動させることができる。また、復水器作動ステップ中に回収器を冷却することができる。これにより、回収器１３を冷却する時間を短縮することができる。

（５）化学蓄熱システム１１は、排熱源ＨＳからの排熱を利用して回収器１３内の吸収材ＬＭを再生する再生動作時に、吸収材ＬＭから発生する水蒸気Ｗ２を回収器１３から復水器１４に送る再生用流路Ｌ３をさらに備えている。この場合、蓄熱動作で用いる復水器１４を吸収材ＬＭの再生動作にも用いることができる。これにより、化学蓄熱システム１１を小型化することができる。

（６）化学蓄熱システム１１は、蓄熱動作中に、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始する制御を行う熱交換開始制御部３３をさらに備えている。この場合、例えば、化学蓄熱材ＨＭの温度が排熱による加熱を必要とする温度まで低下した後に、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始することができる。これにより、排熱による化学蓄熱材ＨＭの不要な冷却を抑えることができるため、蓄熱動作をより効率的に行うことが可能となる。

（７）化学蓄熱システム１１は、化学蓄熱材ＨＭの温度を計測する温度計測部Ｍ２を備えている。熱交換開始制御部３３は、温度計測部Ｍ２による温度の計測結果に基づいて、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させている。この場合、温度計測部Ｍ２による温度の計測結果から、排熱による化学蓄熱材ＨＭの加熱が必要なタイミングを決定することができるため、化学蓄熱材ＨＭの不要な冷却を抑えるための制御の精度を高めることができる。

（第２実施形態）
化学蓄熱システム１１、及び蓄熱方法の第２実施形態について第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図６～図８に示すように、第２実施形態の化学蓄熱システム１１の蓄熱器１２は、複数の熱交換器１２ｂを有している。すなわち、蓄熱器１２は、例えば、複数のフィンチューブ型等の熱交換器１２ｂの熱媒体流路を連結した熱交換部を有している。蓄熱器１２の熱交換器１２ｂは、排熱を熱輸送する流路となる流路管を備えている。第２実施形態の化学蓄熱システム１１は、流路管内の水蒸気圧を計測する流路管内圧力計測部Ｍ３を備えている。

図７に示すように、第２実施形態の化学蓄熱システム１１の蓄熱動作は、第１実施形態と同様に復水器作動ステップから開始される。また、図８に示すように、復水器作動ステップから回収器作動ステップへ切り替えられることで、回収器１３が作動される。

第２実施形態の化学蓄熱システム１１の熱交換開始制御部３３は、流路管内圧力計測部Ｍ３による水蒸気圧の計測結果に基づいて、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させる。ここで、蓄熱器１２の熱交換器１２ｂにおける流路管内は、大気雰囲気と隔離されている。化学蓄熱システム１１の放熱動作が完了した後、蓄熱器１２の熱交換器１２ｂにおける流路管内は、水と水蒸気Ｗ２が混合した気液混合状態となっている。このような蓄熱器１２の熱交換器１２ｂにおける流路管内の水蒸気圧は、化学蓄熱材ＨＭの全体の温度に依存する飽和水蒸気圧となり、熱交換器１２ｂの全体で略一定の値を示す。このため、流路管内の水蒸気圧を測定することで、化学蓄熱材ＨＭの全体で平均化された温度を推定することができる。

一方、上記第１実施形態の温度計測部Ｍ２では、化学蓄熱材ＨＭの部分的な温度が計測される。このため、化学蓄熱材ＨＭの大部分の温度が、温度計測部Ｍ２で計測された温度と異なる場合がある。このため、排熱による化学蓄熱材ＨＭの不要な冷却を抑えるための制御の精度が十分に得られないおそれがある。この点、第２実施形態では、上述したように化学蓄熱材ＨＭ全体で平均化された温度を推定することができるため、より好適なタイミングで排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させることができる。

ここで、上記第１実施形態では、排熱源ＨＳの加熱媒体を蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに導入することで、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を行っているが、第２実施形態のように蒸発器１５を用いて排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を行うこともできる。詳述すると、排熱源ＨＳの加熱媒体を蒸発器１５の熱交換器に導入して得られた水蒸気Ｗ２を蓄熱器１２の熱交換器１２ｂに導入することで、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を行うこともできる。

第２実施形態によれば、上記第１実施形態の（１）～（６）欄に記載した効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（７）化学蓄熱システム１１の熱交換開始制御部３３は、流路管内圧力計測部Ｍ３による水蒸気圧の計測結果に基づいて、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させている。この場合、上述したように、より好適なタイミングで排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始させることができる。例えば、化学蓄熱材ＨＭの排熱による不要な冷却をさらに抑えたり、排熱による化学蓄熱材ＨＭの加熱開始が遅延することをさらに抑えたりすることができる。これにより、排熱をより有効に利用することができる。

（変更例）
上記実施形態を次のように変更してもよい。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態の化学蓄熱システム１１では、復水器作動ステップ中において、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換を開始しているが、排熱と化学蓄熱材ＨＭとの熱交換は、回収器作動ステップの開始と同時に開始してもよいし、回収器作動ステップ中に開始してもよい。すなわち、排熱を用いた化学蓄熱材ＨＭの加熱は、化学蓄熱材ＨＭと排熱との温度に応じて開始すればよい。

・化学蓄熱システム１１は、蓄熱動作時に蓄熱器１２と接続される復水器１４に加えて、吸収材ＬＭの再生動作時に回収器１３と接続される復水器を備えていてもよい。
次に、試験例について説明する。以下の試験例では、部材の符号を省略する。

（試験例１）
試験例１では、化学蓄熱システムの蓄熱器の容器内の水蒸気圧が６ｋＰａとなるまで、復水器作動ステップを行った後、回収器作動ステップを開始する蓄熱動作を行った。この回収器作動ステップ中の蓄熱器内の水蒸気圧と回収器内の水蒸気圧を計測した。

試験条件の詳細は以下のとおりである。
吸収材：臭化ストロンチウム
蓄熱器の容積：５Ｌ
回収器の容積：５Ｌ
冷却源の冷却媒体の温度：３０℃
吸収材の臭化ストロンチウムは、冷却源の冷却媒体により約３０℃に冷却されており、この温度において、臭化ストロンチウムが潮解し得る最も低い水蒸気圧は、３ｋＰａである。

（試験例２）
試験例２では、復水器作動ステップを行わずに、回収器作動ステップから蓄熱動作を開始した以外は、試験例１と同様に蓄熱動作を行った。試験例２において、回収器作動ステップを開始した時点の蓄熱器内の水蒸気圧は、１１ｋＰａであった。試験例２においても、試験例１と同様に回収器作動ステップ中の蓄熱器の内の水蒸気圧と回収器内の水蒸気圧を計測した。

（試験結果）
図９には、試験例１，２における時間と、蓄熱器内の水蒸気圧との関係を示している。図１０は、試験例１，２における時間と、回収器内の水蒸気圧との関係を示している。図９及び図１０では、試験例１，２のいずれも、時間０秒の時点から回収器作動ステップを開始している。

試験例２のように、蓄熱動作を回収器作動ステップから開始した場合、図９に示すように、蓄熱器内の水蒸気圧は、６００秒経過した後であっても、２ｋＰａを超えている。この蓄熱器内の水蒸気圧では、例えば、化学蓄熱材として塩化カルシウムを用いて、塩化カルシウムの温度を８０℃程度とした場合、蓄熱動作が進行しない。

図１０に示すように、試験例２における回収器内の水蒸気圧は、吸収材が潮解し得る最も低い水蒸気圧である３ｋＰａを超えている。この試験例２では、吸収材が潮解することで、水蒸気の吸収速度が極端に低下したことが分かる。

これに対して、試験例１では、図９に示すように、蓄熱器内の水蒸気圧が３０秒程度で２ｋＰａ未満となり、例えば、化学蓄熱材として塩化カルシウムを用いて、塩化カルシウムの温度を８０℃程度とした場合であっても、蓄熱動作を進行させることができる。

図１０に示すように、試験例１における回収器内の水蒸気圧は、吸収材が潮解し得る最も低い水蒸気圧である３ｋＰａ未満であることから、吸収材の潮解が発生せずに、水蒸気の吸収速度の低下が抑えられていることが分かる。

１１…化学蓄熱システム
１２…蓄熱器
１２ａ，１３ａ，１４ａ…容器
１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ…熱交換器
１３…回収器
１４…復水器
３１…制御部
３２…開閉制御部
３３…熱交換開始制御部
ＣＳ…冷却源
ＨＭ…化学蓄熱材
ＨＳ…排熱源
ＬＭ…吸収材
Ｌ１…回収用流路
Ｌ２…復水用流路
Ｌ３…再生用流路
Ｍ１…蓄熱器内圧力計測部
Ｍ２…温度計測部
Ｍ３…流路管内圧力計測部
Ｗ１…水
Ｗ２…水蒸気

Claims (10)

1. 水を反応媒体とする化学蓄熱材を有し、排熱源からの排熱を蓄熱する蓄熱器と、
   水蒸気を吸収する吸収材を有し、前記化学蓄熱材から発生した水蒸気を回収する回収器と、
   前記蓄熱器から前記回収器に水蒸気を送る回収用流路と、を備える化学蓄熱システムであって、
   冷却媒体を用いて水蒸気を凝縮させる復水器と、
   前記蓄熱器から前記復水器に水蒸気を送る復水用流路と、
   前記回収用流路の開閉と前記復水用流路との開閉を制御する開閉制御部と、を備え、
   前記開閉制御部は、前記化学蓄熱材の蓄熱動作中に、前記回収用流路を閉鎖するとともに前記復水用流路を開放して前記復水器を作動させる復水器作動ステップから、前記復水用流路を閉鎖するとともに前記回収用流路を開放して前記回収器を作動させる回収器作動ステップに切り替える制御を行うように構成される、化学蓄熱システム。
2. 前記蓄熱器内において前記化学蓄熱材の水蒸気圧を計測する蓄熱器内圧力計測部を備え、
   前記開閉制御部は、前記蓄熱器内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果に基づいて、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替えるように構成される、請求項１に記載の化学蓄熱システム。
3. 前記開閉制御部は、
   前記吸収材が潮解し得る最も低い水蒸気圧である第１の水蒸気圧と、
   前記蓄熱器内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果を含む装置情報から推定される前記回収器内の水蒸気圧である第２の水蒸気圧とを対比し、
   前記第１の水蒸気圧よりも前記第２の水蒸気圧が低いと判定された場合、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替えるように構成される、請求項２に記載の化学蓄熱システム。
4. 前記回収器及び前記復水器は、冷却媒体が導入される熱交換器を有し、蓄熱動作時に、前記回収器の前記熱交換器、前記復水器の前記熱交換器の順に直列的に前記冷却媒体を導入するように構成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の化学蓄熱システム。
5. 排熱源からの排熱を利用して前記回収器内の吸収材を再生する再生動作時に、前記吸収材から発生する水蒸気を前記回収器から前記復水器に送る再生用流路をさらに備える、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の化学蓄熱システム。
6. 前記蓄熱動作中に、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始する制御を行う熱交換開始制御部をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の化学蓄熱システム。
7. 前記化学蓄熱材の温度を計測する温度計測部を備え、前記熱交換開始制御部は、前記温度計測部による温度の計測結果に基づいて、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始させる、請求項６に記載の化学蓄熱システム。
8. 前記蓄熱器は、前記排熱を熱輸送する流路となる流路管を備え、
   前記化学蓄熱システムは、前記流路管内の水蒸気圧を計測する流路管内圧力計測部を備え、
   前記熱交換開始制御部は、
   前記流路管内圧力計測部による水蒸気圧の計測結果に基づいて、前記排熱と前記化学蓄熱材との熱交換を開始させる、
   請求項６に記載の化学蓄熱システム。
9. 前記吸収材は、アルカリ土類金属のハロゲン化物を含む、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の化学蓄熱システム。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の化学蓄熱システムを用いる蓄熱方法であって、
    前記開閉制御部は、前記蓄熱動作中に、前記復水器作動ステップから前記回収器作動ステップに切り替える、蓄熱方法。