JPH0610566B2 - 蓄熱・放熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、熱エネルギーを化学エネルギーに変換して貯
蔵し、必要に応じて熱エネルギーとして取り出し得る蓄
熱・放熱装置に係り、特に液状の蓄熱剤を用いた蓄熱・
放熱装置に関する。

〔発明の背景〕

近年、エネルギーの有効利用をはかるため、太陽熱など
の自然のエネルギーや、各種工場排熱などの低コスト熱
源が注目されている。しかし、これらの熱源は、熱エネ
ルギーの供給が不安定であり、かつ時間的に限定される
ため利用しにくい。したがつて、上記のような熱源を利
用するためには、熱エネルギーを一時貯蔵し、必要に応
じて取り出せる蓄熱・放熱機能をもつた装置が望まし
い。しかも、取り出す熱エネルギーは、利用目的に応じ
た状態として取り出されることが望ましく、たとえば、
冷房に使用する場合にはより低温の熱源（冷熱源）とし
て、また暖房の場合にはより高温の熱源（温熱源）とし
て利用できることが望まれる。そこで、低コスト熱源を
有効利用するための装置として、熱エネルギーを化学エ
ネルギーに変換した形により蓄熱する装置が開発されて
いる。この装置は、熱エネルギーを比較的低温状態のま
まで貯蔵することができるところから、蓄熱状態におけ
る放熱が大幅に防止でき、長期間にわたつて熱エネルギ
ーを貯蔵することが可能になるなど、顕熱や潜熱を利用
した装置に比べ熱エネルギーを有効利用することができ
る。熱エネルギーを化学エネルギーとして蓄熱するもの
のうち、化合物の濃度を変えて蓄熱する方式は、操作温
度、出力温度を任意に変化させることができる等から、
極めて有利な手段である。この化合物の濃度を変えて蓄
熱する技術にかかる代表的な蓄熱・放熱装置として、特
開昭５７−157995号公報に記載されたものがあり、第５
図に示すような構成となつている。

第５図において、反応容器１０は、内部に気体を通過さ
せるが、液体を通過させない撥水性の多孔質材からなる
多孔性隔壁１２が設けられており、気室部１４と蓄熱剤
貯留部１６とに区画されている。蓄熱剤貯留部１６に
は、蓄熱剤としてのたとえば臭化リチウムの水溶液であ
る吸収剤溶液１８が貯留されているとともに、熱交換器
２０が内設してある。そして、気室部１４は、冷媒通路
２２を介して冷媒貯留容器２４に連通している。冷媒貯
留容器２４には、冷媒２６としてのたとえば水が貯留さ
れており、熱交換器２８が内設してある。

上記のごとく構成してある従来の蓄熱・放熱装置の作用
は、次の通りである。

いま、低コスト熱源を暖房に利用する場合、熱交換器２
８を低コスト熱源に接続し、冷媒２６を気化させる。気
化した冷媒２６（冷媒ガス）は、冷媒通路２２を通つて
反応容器１０の気室部１４内に流入する。気室部１４内
に流入した冷媒ガスは、多孔性隔壁１２を通過して蓄熱
剤貯留部１６に入り、吸収剤溶液１８に吸収される。こ
のとき、多量の吸収熱が発生し、熱交換器２０内を流通
している液体を加熱するため、温熱源として暖房等に使
用することができる。

一方、低コスト熱源の熱エネルギーを蓄熱する場合に
は、熱交換器２０を低コスト熱源に接続し、蓄熱剤貯留
部１６内の吸収剤溶液１８を加熱する。吸収剤溶液１８
は、加熱されると吸収、混合していた冷媒が蒸発し、多
孔性隔壁１２を通過して気室部１４内に流入する。気室
部１４内の冷媒ガスは、さらに冷媒通路２２を介して冷
媒貯留容器２４内に流入する。冷媒容器２４内に設けて
ある熱交換器２８には、冷却用の液体が流通しており、
冷媒ガスを凝縮する。このようにして、冷媒２６を吸収
剤溶液１８から分離することにより、蓄熱剤である吸収
剤溶液１８の濃度を高め、低コスト熱源からの熱エネル
ギーを貯えることができる。

また、蓄熱した熱エネルギーを、放熱させる場合には、
熱交換器２８に冷却用液体を流すことにより、吸収剤溶
液１８を冷却する。これにより、蓄熱剤貯留部１６内の
蒸気圧が低下し、気室部１４内に充満している冷媒ガス
が多孔性隔壁１２を通過して蓄熱剤貯留部１６内におい
て凝縮する。このため、冷媒貯留容器２４内の冷媒２６
は、蒸発が促進され、気化熱を奪つて冷媒２６自体を冷
却する。この結果、熱交換器２８内の液体が冷却され、
熱交換器２８を流れる液体は、出口側が入口側より低温
となり、冷熱源として冷房用に供することができる。

なお、冷媒貯留容器２４を反応容器１０と同様に、撥水
性多孔質材からなる多孔性隔壁により気室部と冷媒貯留
部とに区画し、冷媒として希薄な吸収剤溶液を用いるも
のが考えられる。しかし、上記のような構造を有する従
来の蓄熱・放熱装置は、反応容器１０および冷媒貯留容
器２４内に熱交換器２０，２８を設け、吸収剤溶液１８
と冷媒２６とを加熱または冷却するようにしている。こ
のため、従来の蓄熱・放熱装置においては、蓄熱容量の
増大に伴ない、蓄熱操作から放熱操作への切り換え時間
または放熱操作から蓄熱操作への切り換え時間が長くな
る欠点があり、しかも熱交換器２０、２８への入力が無
駄に消費されることにもなる。すなわち、従来の蓄熱・
放熱装置は、蓄熱と放熱との操作を繰り返しておこなう
場合、反応容器１０内の吸収剤溶液１８と冷媒貯留容器
２４内の冷媒２６との全量を交互に加熱、冷却するよう
になつている。このため、吸収剤溶液１８および冷媒２
６の全量が作動温度まで昇温または降温しなければ冷媒
ガスの移動がおこらず、蓄熱または放熱をおこなうこと
ができない。このため、蓄熱・放熱の切り換え時間が長
くなり、また熱交換器２０，２６への入力が、多量の吸
収剤溶液１８または冷媒２６の全体を加熱するために浪
費されることになる。

たとえば、蓄熱剤である吸収剤溶液の初期濃度６０％の
臭化リチウム水溶液を用い、冷媒２６として水を用いる
とともに、入熱量1250kcal／ｈ、蓄熱時間８時間、蓄熱
量10000kcalとし、吸収剤溶液の濃縮時温度を７５℃、
放熱時温度を４０℃とした場合の理論計算結果を示す
と、従来装置の場合、第６図のごとくなる。第６図に見
られるように、濃度変化幅（濃度変化量）を大きくとる
と、吸収剤溶液の必要重量が少なくなる。しかし、濃度
変化幅は、大き過ぎると入熱に対する利用効率が低下
し、熱エネルギーの有効利用ができなくなるため、一般
に３％程度となつている。したがつて、蓄熱・放熱間の
切り換え時間は、１時間以上必要とし、蓄熱操作を終了
した後、直ちに放熱操作に入つても約１時間は放熱がで
きず、単に反応容器１０内に貯留している吸収剤溶液１
８を冷却するのみであつて、吸収剤溶液１８の顕熱変化
に費やされる無駄な時間となる。一方、放熱操作を終了
した後、熱交換器２０に加熱水を流して蓄熱操作に移行
したとしても、約１時間は蓄熱がおこなわれず、熱交換
器２０からの入熱は、単に吸収剤溶液１８を加熱するた
めにのみ費やされ、入熱の有効利用がはかれない。

〔発明の目的〕

本発明は、蓄熱操作から放熱操作への切り換え時間、お
よび放熱操作から蓄熱操作への切り換え時間を短縮する
ことができる蓄熱・放熱装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明は、蓄熱剤に冷媒を吸収または反応させるととも
に、蓄熱剤と冷媒とを分離する反応部を反応槽として、
蓄熱剤と冷媒とを貯留する貯留槽と別体に構成し、反応
槽と蓄熱剤貯留槽および反応槽と冷媒貯留槽との間に循
環路を形成し、循環している蓄熱剤と冷媒とを加熱，冷
却することにより、蓄熱剤と冷媒との一部を加熱・冷却
し、蓄熱操作から放熱操作への切り換え時間、および放
熱操作から蓄熱操作への切り換え時間を大幅に短縮でき
るようにしたものである。

〔発明の実施例〕

本発明に係る蓄熱・放熱装置の好ましい実施例を、添付
図面にしたがつて詳説する。

第１図は、本発明に係る蓄熱・放熱装置の実施例の概略
構成図である。

第１図において、反応槽３０は、内部に撥水性多孔質か
らなる多孔性隔壁３２，３４が配設されており、蓄熱剤
流通部３６、冷媒流通部３８、冷媒ガス流通部４０に区
画されている。蓄熱剤流通部３６は、蓄熱剤用熱交換器
４２が内設されているとともに、蓄熱剤循環路を構成す
る蓄熱剤供給配管４４と蓄熱剤戻り配管４６とを介して
蓄熱剤貯留槽４８に連通している。蓄熱剤貯留槽４８に
は、蓄熱剤４９が貯留してあり、蓄熱剤供給配管４４と
蓄熱剤戻り配管４６とは、蓄熱剤用熱回収器５０を経由
するようになつており、また、蓄熱剤供給配管４４には
蓄熱剤供給ポンプ５２が設けてある。

一方、冷媒流通部３８には、冷媒用熱交換器５４が内設
してあり、冷媒供給配管５６と冷媒戻り配管５８との一
端が接続してある。これら冷媒供給配管５６と冷媒戻り
配管５８とは、冷媒循環路を形成しており、それぞれの
他端が冷媒用熱回収器６０を介して冷媒６３を貯留して
ある冷媒貯留槽６２に接続され、反応槽３０の冷媒流通
部３８と冷媒貯留槽６２とを連通している。そして、冷
媒供給配管５６には、冷媒供給ポンプ６４が設けてあ
る。なお、第１図に示した符号６６は、反応槽３０に設
けた抽気管であつて、非凝縮性ガスである空気等を排気
し、反応槽３０内を減圧できるようになつている。

蓄熱剤貯留槽４８と冷媒貯留槽６２とは、第２図に示す
ように底部付近に蓄熱剤供給配管４４と冷媒供給配管５
６とに接続される出口部６８と、蓄熱剤戻り配管４６と
冷媒戻り配管５８とに接続される入口部７０とが設けら
れている。そして、蓄熱剤貯留槽４８、冷媒貯留槽６２
は、内部に浮蓋７２を有しており、空気等の非凝縮性ガ
スが蓄熱剤４９、冷媒６３に溶解するのを防止している
とともに、上端部に開放孔７４が形成され、槽内を大気
圧に維持できるようになつている。

上記のごとく構成した実施例の作用は、次の通りであ
る。

反応槽３０は、抽気管６６が、図示しない抽気装置に接
続されており、内部が抽気された後、密閉される。そし
て、蓄熱をおこなう場合には、熱交換器４２に加熱液が
流され、熱交換器５４に冷却液が流される。そして、蓄
熱剤供給ポンプ５２と冷媒供給ポンプ６４とが駆動さ
れ、蓄熱剤４９と冷媒６３とがそれぞれ蓄熱剤供給配管
４４、冷媒供給配管５６を介して反応槽３０の蓄熱剤流
通部３６と冷媒流通部３８とに供給される。

蓄熱剤流通部３６内の蓄熱剤４９は、蓄熱剤用熱交換器
４２により加熱され蒸気圧が高まる。一方、冷媒流通部
３８内の冷媒６３は、冷媒用熱交換器５４により冷却さ
れ、蒸気圧が低下する。このため、蓄熱剤流通部３６側
の多孔性隔壁３２の表面から冷媒６３の蒸気（冷媒ガ
ス）が発生し、冷媒ガス流通部４０を介して冷媒流通部
３８側に移動し、冷媒流通部３８側の多孔性隔壁３４を
通つて冷媒流通部３８内に入り、吸収（凝縮）される。
一部蒸気を放出して濃縮された温度の高い蓄熱剤流通部
３６内の蓄熱剤４９は、蓄熱剤戻り配管４６を通つて蓄
熱剤用熱回収器５０に入り、蓄熱剤供給配管４４を通れ
る蓄熱剤４９に予熱し、蓄熱剤貯留槽４８に戻る。ま
た、冷媒流通部３８内の冷たい冷媒６３は、冷媒戻り配
管５８を通つて冷媒用熱回収器６０に入り、冷媒供給配
管５６を流れる冷媒を予冷した後、冷媒貯留槽６２に戻
る。

次に、放熱操作（冷房操作）をおこなうには、熱交換器
（蓄熱用熱交換器）４２に冷却液（たとえば常温の水）
を流すことにより、蓄熱剤流通部３６内の蓄熱剤４９を
冷却する。これにより、蓄熱剤流通部３６内の蒸気圧が
低下し、冷媒流通部３８内より低くなる。このため、冷
媒ガス流通部４０内の冷媒ガスが多孔性隔壁３２を通し
て蓄熱剤流通部３６に入り、蓄熱剤４９に吸収される。
そして、冷媒流通部３８内の冷媒６３は、一部が多孔性
隔壁３４の表面から気化し、冷媒ガス流通部４０を通つ
て蓄熱剤通路部３６側に移動する。また、冷媒流通部３
８内の冷媒６３は、気化熱を奪われて冷却され、熱交換
器（冷媒用熱交換器）５４を流れる液体を冷却する。し
たがつて、熱交換器５４を流れる液体は、入側より出側
の温度が低温となり、低熱源として冷房に供される。

蓄熱剤流通部３６を出た蓄熱剤４９は、蓄熱剤戻り配管
４６により蓄熱剤用熱回収器５０に入り、蓄熱剤供給配
管４４を流れる蓄熱剤４９を予冷する。また、冷媒流通
部３８を出た冷たい冷媒６３は、冷媒戻り配管５８を介
して冷媒用熱回収器６０に入り、冷媒供給配管５６を流
れる冷媒６３を予冷する。

なお、低コスト熱源の熱エネルギーを用いて暖房する場
合には、熱交換器５４を低コスト熱源に接続し、冷媒流
通部３８内の冷媒６３を加熱する。これにより、冷媒６
３の一部は多孔性隔壁３４の表面から蒸発し、冷媒ガス
流通部４０を介して多孔性隔壁３２に達する。多孔性隔
壁３２に到達した冷媒ガスは、蓄熱剤流通部３６内に入
り蓄熱剤４９に吸収され、蓄熱剤４９を希釈する。この
とき、蓄熱剤流通部３６内の蓄熱剤４９は、希釈熱を発
生して、熱交換器４２を流れる液体を加熱する。これに
より、熱交換器４２を流れる液体を温熱源として暖房に
供することができる。

そして、蓄熱剤流通部３６と冷媒流通部３８とを出た暖
かな蓄熱剤４９と冷媒６３とは、それぞれ蓄熱剤用熱回
収器５０、冷媒用熱回収器６０において反応槽３０に供
給される蓄熱剤４９と冷媒６３とを予熱する。

以上のように、本実施例によれば、反応槽３０に形成し
た容量の小さな蓄熱剤流通部３６と冷媒流通部３８とを
流通する蓄熱剤４９と冷媒６３とを加熱，冷却するよう
にしてあるため、蓄熱時には、蓄熱剤流通部３６に供給
された蓄熱剤４９を、ただちに定格温度まで昇温するこ
とができると同時に、冷媒流通部３８に供給された冷媒
６３を速やかに冷却することができる。また、放熱時に
は、蓄熱剤流通部３６に供給された蓄熱剤４９をただち
に冷却することができ、蓄熱操作から放熱操作への切り
換え時間、および放熱操作から蓄熱操作への切り換え時
間を大幅に短縮することができる。

しかも、本実施例においては、蓄熱剤４９と冷媒６３と
を、蓄熱剤用熱回収器５０、冷媒用熱回収器６０により
予熱・冷却するようにしてあるため、入熱および出熱の
効率を向上することができる。さらに、本実施例におい
ては、蓄熱剤貯留槽４８と冷媒貯留槽６２とは、第２図
に示すように内部が大気圧化に保たれるとともに、蓄熱
剤４９、冷媒４３か浮蓋７２により空気等の非凝縮性ガ
スに接触しないようにしてあるため、蓄熱剤貯留槽４８
と冷媒貯留槽６２とを安価に製作することができる。す
なわち、大容量の蓄熱をおこなう場合には、蓄熱剤貯留
槽４８、冷媒貯留槽６２が大容量化し、これら各貯留槽
内を減圧保持するときに、耐圧構造の点から高価となる
のに対し、大気圧下に保持するときには、耐圧構造を必
要としないため、極めて安価に製作することができる。
この効果は、本実施例のごとく、反応槽３０と各貯留槽
とを分離したことにより達成できる効果である。

第３図は、本発明に係る他の実施例を示す概略構成図で
ある。本実施例においては、蓄熱剤４９を加熱・冷却す
る蓄熱剤用熱交換器４２を蓄熱剤供給管４４に設けると
ともに、冷媒６３を加熱・冷却する冷媒用熱交換器５４
を冷媒供給配管５６に設けたものである。本実施例によ
れば、反応槽３０の簡略化と小型化をはかることができ
る。

第４図は本発明に係る蓄熱・放熱装置のさらに他の実施
例を示す概略構成図である。第４図に示した実施例は、
蓄熱剤供給配管４４に蓄熱剤加熱・冷却熱交換器７６を
設け、蓄熱剤戻り配管４６に温熱取出し熱交換器７８が
設けてある。また、冷媒供給配管５６には、冷媒加熱・
冷却熱交換器８０が設けてあり、冷媒戻り配管５８に冷
熱取出し熱交換器８２が設けてある。本実施例において
は、蓄熱時に蓄熱剤加熱・冷却熱交換器７８により蓄熱
剤４９を加熱するとともに、冷媒加熱・冷却熱交換器８
０により冷媒６３を冷却する。そして、放熱時（冷房出
熱時）には、蓄熱剤加熱・冷却熱交換器７６により蓄熱
剤４９を冷却し、冷熱取出し熱交換器８２を冷房用の冷
熱源とする。また、暖房運転時には、冷媒加熱・冷却熱
交換器８０により冷媒６３を加熱し、温熱取出し熱交換
器７８を暖房用の温熱源とする。このようにすることに
より、反応槽３０の簡素化と小型化をはかることができ
るとともに、蓄熱操作から放熱操作への切り換え、およ
び放熱操作から蓄熱操作への切り換え時間を短くするこ
とができる。

前記実施例においては、蓄熱剤４９と冷媒６３とを大気
圧下において貯留する方法を示したが、安価で耐圧性に
富み、かの耐食性のある材料、たとえば耐食性コンクリ
ート容器や高抗張性合成樹脂等が開発されたときには、
蓄熱剤４９および冷媒６３を減圧下において貯留するこ
とができる。この場合には、蓄熱剤供給ポンプ５２と冷
媒供給ポンプ６４とを小型化することができる。また、
現状においては、蓄熱剤４９または冷媒６３を減圧貯留
する場合に、鋼製の内部ライニング等を施工する必要が
あり、ライニングの信頼性に不安があるが、このような
問題点を解消することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、蓄熱操作から放
熱操作への切り換え時間および放熱操作から蓄熱操作へ
の切り換え時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る蓄熱・放熱装置の実施例を示す概
略構成図、第２図は蓄熱剤貯留槽および冷媒貯留槽の詳
細説明図、第３図および第４図は本発明に係る蓄熱・放
熱装置の他の実施例を示す概略構成図、第５図は従来の
蓄熱・放熱装置の概略構成図、第６図は従来例に基づく
蓄熱操作，放熱操作間における切り換え時間を示す理論
計算結果の特性図である。 ３０……反応槽、３２，３４……多孔性隔壁、４２……
蓄熱剤用熱交換器、４４……蓄熱剤供給配管、４６……
蓄熱剤戻り配管、４８……蓄熱剤貯留槽、５４……冷媒
用熱交換器、５６……冷媒供給配管、５８……冷媒戻り
配管、６２……冷媒貯留槽。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江原 勝也 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 高橋 燦吉 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒用熱交換器を内設した冷媒流通部と冷
   媒ガス流通部とを区画し気体を通過させかつ液体の通過
   を阻止する多孔性隔壁と、前記冷媒ガス流通部と蓄熱剤
   用熱交換器を内設した蓄熱剤流通部とを区画する他の前
   記多孔性隔壁とを備え、気化した冷媒を前記冷媒ガス流
   通部を経由し蓄熱剤に吸収または反応させるとともに、
   該蓄熱剤と前記冷媒とを分離させる反応槽と、前記冷媒
   用熱交換器により加熱・冷却される前記冷媒を貯留して
   いる冷媒貯留槽と、該冷媒貯留槽と前記冷媒流通部とを
   連通する冷媒循環路と、前記蓄熱剤用熱交換器により加
   熱・冷却される前記蓄熱剤を貯留している蓄熱剤貯留槽
   と、該蓄熱剤貯留槽と前記蓄熱剤流通部とを連通する蓄
   熱剤循環路とを有することを特徴とする蓄熱・放熱装
   置。
2. 【請求項２】前記蓄熱剤循環路は、前記反応槽に供給さ
   れる前記蓄熱剤と、前記蓄熱剤貯留槽に戻る前記蓄熱剤
   とが熱交換する蓄熱剤用熱回収器を有し、前記冷媒循環
   路は、前記反応槽に供給される前記冷媒と、前記冷媒貯
   留槽に戻る前記冷媒とが熱交換する冷媒用熱回収器を有
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の蓄熱・放熱装置。
3. 【請求項３】冷媒流通部と冷媒ガス流通部とを区画し気
   体を通過させかつ液体の通過を阻止する多孔性隔壁と、
   前記冷媒ガス流通部と蓄熱剤流通部とを区画する他の前
   記多孔性隔壁とを備え、気化した冷媒を前記冷媒ガス流
   通部を経由し蓄熱剤に吸収または反応させるとともに、
   該蓄熱剤と前記冷媒とを分離させる反応槽と、前記冷媒
   を貯留している冷媒貯留槽と、該冷媒貯留槽と前記冷媒
   流通部とを連通する冷媒循環路と、前記蓄熱剤を貯留し
   ている蓄熱剤貯留槽と、該蓄熱剤貯留槽と前記蓄熱剤流
   通部とを連通する蓄熱剤循環路と、前記反応槽の入口側
   の前記冷媒循環路と前記蓄熱剤循環路とにそれぞれ設け
   られた冷媒用熱交換器及び蓄熱剤用熱交換器とを有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載の蓄熱・放熱装置。
4. 【請求項４】前記蓄熱剤貯留槽と冷媒貯留槽とは、それ
   ぞれ前記蓄熱剤または前記冷媒と大気との接触を防止す
   る浮蓋を有していることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第３項のいずれか１項に記載の蓄熱・放熱装
   置。