JPH06507008A - 固体−気体反応利用の冷気及び／または熱気発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 固体−気体反応利用の冷気及び／または熱気発生装置本発明は、固体−気体反応 によって冷気及び／または熱気を発生する装置に係わる。

本発明が提供しようとする装置はいわゆる゛熱化学ボンア”システムに基づき、 このシステムの主な特徴は次のとおりである。

一システム自体の作動に熱エネルギーが用いられる。電気エネルギーは、熱伝達 流体を循環させるためにのみ選択的に用いられる。

〜用いられる″化学的機関”は、固体と気体との次のような可逆的反応である。

〈固体＾＞＋（Ｇ）　＜固体Ｂ〉 上記反応は方向１では発熱性であり、即ちこの方向の反応は熱気を発生し、−力 方向２では上記反応は吸熱性であり、即ちこの方向の反応は冷気を発生する。

このようなシステムは、エネルギーを化学的形態で蓄えることを可能にし、様々 な分野に適用される。

くわえて、上記システムは、温度子ｓの熱源からＴＬＩ＜Ｔｓ である温度Ｔｕの熱を得ることを可能にする。

この場合、上記システムは“化学的ヒートポンプ”と呼称される。

上記システムはまた、温度Ｔ’ｓの熱源からＴ’ｕ＞Ｔ′ｓ である温度Ｔ′ｕの熱を得ることも可能にする。

この場合は、上記システムは“化学的サーモコンバータ”と呼称される。

このシステムによって、熱源がら冷却エネルギーを得ること、及び温度Ｔ″Ｓの 熱源がら温度Ｔ″ｕ（Ｔ〜ｕ　＜　Ｔ″Ｓ）の熱と冷却エネルギーとを同時に得 ることが可能となる。

事情次第で、生じた熱気または冷気は高温（Ｔｓ、　Ｔ′ｓ、Ｔ−ｓ）のエネル ギーの消費と同時に、または遅延させて（貯蔵効果）用いられる。

ヨーロッパ特許出願公開第０．３８２．５８ｆ３号に、固体−気体反応によって 冷気及び／または熱気を発生する装置が開示されており、この装置は気体と化学 的に反応し得る塩を各々収容した２個の反応容器と、凝縮器と、気体を生じさせ る蒸発器とを含む。上記装置の構成要素は、気体に一方の反応容器から凝縮器及 び蒸発器を経て他方の反応容器へと伸長する通路を辿らせるように配置されてい る。化学反応終了時、内部の気体が無くなった反応容器は塩と反応したばかりの 気体を収容する反応容器より高温となり、２個の反応容器の圧力レベルに差が生 じる。温度が高い方の反応容器から低い方の反応容器へ熱伝達システムによって 熱が運ばれ、それによって後者の反応容器の温度は上昇する。

そうすると逆方向の化学反応が生起し、一方の反応容器の熱の一部が他方の反応 容器からの気体の脱離のための熱源として用いられる。２個の反応容器間でのこ の熱伝達は、上記システムの効率を改善するのに用いられる。

しかし、このように改善された上記システムの効率も、上記のようなシステムに おいて要求される商業的必要条件を完全には満たさない。

従って本発明は、固体−気体反応によって冷気及び／または熱気を発生する装置 であって、該装置の様々な反応室間での熱伝達が最適化される装置を提供するこ とを目的とする。

上記目的達成のために、本発明は、化学反応によって冷気及び／または熱気を発 生する装置であって、気体と化学的に反応し得る塩をそれぞれ収容した少なくと も４個の反応容器と、反応容器から気体を受け取るタンクと、反応容器へ気体を 送り出すタンクとを含み、化学反応の間前記反応容器のうちの２個は比較的高い 同一圧力レベル下に置がれ、別の２個は比較的低い同一圧力レベル下に置がれる ように構成されている装置を提供し、この装置は同一圧力レベル下の反応容器同 士の間で熱を伝達する熱伝達流体回路も含むことを特徴とする。

本発明の諸利点及び機能は、添付図面を参照しつつ以下に非限定的に記した説明 を読めばより明らがとなろう、添付図面の 第１Ａ区及び第１Ｂ図はいずれも本発明の第一の実施態様による装置に関するク ラペイロン図であり、第２八図及び第２Ｂ図はいずれも第一の実施態様による装 置の概略的説明図であり、 第３八図及び第３Ｂ図はいずれも本発明の第二の実施態様による装置に関するク ラペイロン図であり、第４八図及び第４８図はいずれも第二の実施態様による装 置の概略的説明図であり、 第５図は第二の実施態様による別の装置の概略的説明図である。

本発明による装置の機能は、塩と気体との反応に基づく。

真正の化学反応に関するので平衡状態の一変系が存在し、即ち温度と圧力との間 にＩｏｇＰ＝＾−Ｂ／Ｔの形態の一義的な関係が成り立ち、その際前記式のＰは 圧力であり、Ｔは絶対温度であり、＾及びＢは用いる塩と気体との組み合わせに 特徴的な定数である。

以下に説明する機能の諸段階は、用いた塩に関する平衡直線を含む第１八図及び 第１Ｂ図のクラペイロン図に示しである。

第２八図及び第２Ｂ図に、本発明の第一の実施態様による、固体−気体反応によ って冷気を発生する装置を示す、この装置は反応容器と呼称される４個の反応室 １０．１２．１４．１６を含み、これらの反応室は塩と、場合によっては再圧縮 した膨張グラファイトとの混合物を収容した容器から成る。

図示の装置はまた、気体を生じさせる蒸発器１８と、凝縮器２０とを含み、これ らはその周囲と熱を交換し得るように構成されている。

第２Ａ図に示した例において、反応容器１０及び１２は凝縮器２０と導管２２及 び２４によって接続されており、これらの導管は反応容器１０．１２と凝縮器２ ｏとの間で気体の通過を選択的に可能にし得るバルブ２６を具備している。同様 に、反応容器１４及び１６は蒸発器１８と導管３ｏ及び３２によって接続されて おり、これらの導管は、反応容器１４．１６と蒸発器１８との間で気体の通過を 選択的に可能にし得るバルブ３４を具備している。

反応周期の所与の時点に、反応容器１０．１２．１４．１６は第１Δ図のクラペ イロン図に示した温度及び圧力の下に有る。

上記クラペイロン図から知見されるように、反応容器１ｏは反応容器１２より高 い温度下に有り、また反応容器１４は反応容器１６より低い温度下に有る。

本発明によれば、温度が高く、圧力レベルが低い第一の反応容器から温度がより 低く、圧力レベルがより高い第二の反応容器に熱を伝達する替わりに、同一圧力 レベル下に有る２個の反応容器間での熱伝達が行なわれる。

第２図に示したように、反応容器１０．１２．１４及び１６は関連する熱交換器 ３８．４ｏ、４２及び４４をそれぞれ具備しており、これらの熱交換器は導管４ ６によって互いに接続されて熱伝達回路４５を構成している１反応容器１２と１ ４との間の導管４６間の導管４６には、例えばバーナー５０などの加熱装置が設 置されている。

この冷気発生装置が始動すると、気体は第１＾図に示した反応周期に従って反応 容器と、凝縮器２０及び蒸発器１８との間で導管２２．２４及び３０．３２を経 て移動する。反応周期の所与の時点において、反応容器１０．１２．１４及び１ ６の温度及び圧力は第１八図に示したようになり、反応容器１０及び１２は高い 圧力を、反応容器１４及び１６はそれより低い圧力を有する。

熱伝達回路４５が始動し、熱伝達流体がポンプ（図示せず）の作用で矢印５２の 方向へ循環する。

温度Ｔ１の反応容器１０から発せられた熱は、より低い温度Ｔ２の反応容器１２ に運ばれる。反応容器１２を通過して冷却された熱伝達流体は次に冷却器４８に よって更に冷却され、温度Ｔ、となって冷却器４８を離れる。このように冷却さ れた熱伝達流体はその後、反応容器１４を通過してから温度Ｔ、の反応容器１６ を通過し、続いてバーナー５０を通過して最初の温度レベルＴ１を取り戻す。

反応容器に収容された塩と、例えばアンモニアなどである気体との反応は可逆的 であり、両方向の反応が共に反応周期を構成する。反応周期終了のため、第２Ｂ 図に示すように反応容器１０及び１２は導管５２及び５４を介して蒸発器１８と 接続されており、反応容器１４及び１６は導管５６及び５８を介して凝縮器２０ と接続されている。反応終了時、反応容器１０及び１２と反応容器１４及び１６ とは第１＾図に示した位置に関して互いに入れ替わる。そうすると熱伝達回路は 、第１Ｂ図に矢印６０によって示したように反対方向へと始動する。熱伝達流体 の移動がもたらす伝熱効果は先に述べたものに類似する。

第４＾図及び第４Ｂ図に、本発明の第二の実施態様による、固体−気体反応によ って冷気または熱気を発生する装置を示す、この装置は第２図に示した装置とは 異なって、その凝縮器２ｏ及び蒸発器１８が反応容器に置き換えられている。

即ち、この装置は６個の反応容器８０．８２．８４．８６．８８及び９０を含み 、そのうち４個の反応容器８２．８４．８８及び９０はバーナー９２及び冷却器 ９４と、熱伝達回路９６によって接続されている。

反応周期の所与の時点において、上記反応容器の温度及び圧力は第３八図に示し たようになり、即ち反応容器８０と、８２と、８４とは同一圧力レベル下に有る がその温度は互いに異なり、また反応容器８６と、８８と、９０とは上記レベル より低い同一圧力レベル下に有って、その温度はやはり互いに異なる。そこで熱 伝達回路９６が始動し、熱伝達流体が矢印９８の方向へ循環する。第２図の装置 の場合同様、熱伝達流体は比較的高い圧力レベル下に有る反応容器８４及び８２ 間で連続的に熱を伝達し、その際これらの反応容器に関連する温度はＴ、及びＴ ２である。次に熱伝達流体は、冷却器９４を通過して自身の温度をＴ、に低下さ せてから反応容器８８及び９０を連続的に通過し、この通過の間に流体の温度は Ｔ３からＴ。

に上昇する。第１図の例でのように、熱伝達流体は続いてバーナー９２において 温度Ｔ、まで加熱される。

その後、第１Ｂ図に示した装置の反応に蹟似する逆方向の反応が生起し、反応周 期の所与の時点において反応容器の温度及び圧力は第３Ｂ図に示したようになる 。第３Ｂ図及び第４Ｂ図に矢印１００で示したように、熱伝達流体は反対方向へ 循環する。

このように、本発明によれば反応周期の個々の段階毎に熱伝達回路が、同一の高 い圧力レベルを有する反応容器同士の間での熱伝達を保証し、その除熱は所与の 温度の反応容器からそれより低温の反応容器へと流れる。より低い同一圧力レベ ル下に有る反応容器の場合は熱伝達流体が、相前後して位置するそれらの反応容 器を通過する間に加熱され、その際熱伝達流体は所与の温度の反応容器からそれ より高温の反応容器へと移動する。

第１図〜第４図の装置はそれぞれ、第一の反応容器から第二の反応容器へと熱を 伝達する熱伝達回路を含む、第５図に、熱が一連の反応容器のうちの１個から別 の１個へと伝導のみによって、即ち反応容器同士の間の熱伝達回路に頼らずに流 れる装置を示す。

この例では、円筒形の反応容器１１２の周囲に第一の環形反応容器１１４が位置 し、かつその周囲に第二の環形反応容器１１６が位置しており、これら３個の反 応容器はそれぞれの間での良好な熱伝導を保証するように配置されている。円筒 形反応容器１１２の内部に、参照符号１２０を付して概略的に示した熱伝達回路 と接続された熱交換器１１８が配置されている。図示の例で、上記３個の反応容 器１１２．１１４及び１１６の組は同様の、３個の反応容器１２２．１２４及び １２６から成る第二の組と接続されている。熱交換器１１８を通過した熱伝達流 体は、反応容器１１６との間に熱的交渉が有る別の熱交換器１２８を通過する。

その後、熱伝達流体は冷却器１３０、反応容器１２６との間に熱的交渉が有る熱 交換器１３２、反応容器１２２内に配置された熱交換器１３４、及びバーナー１ ３６を通過してから再び熱交換器１１８を通過する。このような装置は第３図及 び第４図の装置と同様に機能する。

固体と気体との化学反応によって冷気及び／または熱気を発生する装置の性能は 、成績係数即ちＣＯＰという経済的概念を用いて評価することができる。

−例として、第２八図の装置に対応する装置のＣＯＰを計算する。

この例では、反応容器１２及び１４は各々４モルのアンモニアと反応するＣＪＬ ＣＩ２即ちＣａＣＩｚ　・８ＮＨ−〜４ＮＩＩ−を収容し、反応容器１０及び１ ６は各々４モルのアンモニアと反応するＮｉＣｌ２即ちＮｉＣ１ｚ・６ＮＩ１． 〜２ＮＨ，を収容する。

バーナー５０す離れる熱伝達流体の温度は２８５℃であり、温度Ｔ、は３５°Ｃ で、蒸発器の出口では５°Ｃである。

気体の吸収または脱離の際に反応容器において行なわれる熱伝達流体の加熱また は冷却が最大限可能な温度上昇または低下の８０％に対応するとすると、生じた 低温エネルギーの高温エネルギーに対する比によって定義されるＣＯＰは１．０ ７である。この値は熱伝達流体の進入温度と、考慮される圧力下での反応体の平 衡温度との差に対応する。

上記装置の凝ｍ器をＢａＣｌ□（８−ＯＮＨ３）を収容した反応容器８０と置き 換え、かつ蒸発器を前記と同じ塩を収容した反応容器８６と置き換えると、ＣＯ Ｐは１．６０となる。

いずれの実施態様においても熱は、反応周期の一時点において所与の同一圧力ー ベル下に有る反応容器同士の間で伝達される。この熱伝達は熱伝達流体によって 、または単なる熱伝導によって実現され得る。同一圧力レベル下に有る反応容器 は関連する熱伝達回路と、または装置の全反応容器に共通の回路と接続され得る 。

本発明による装置は２組の反応容器を含み得、これらの組はそれぞれ幾つかの反 応容器から成り、組全体で凝縮器または蒸発器と接続される。あるいは他の場合 には、凝縮器及び蒸発器はそれぞれに関連する、気体を受け取るかまたは放出す る反応容器によって置き換えられ得る。

国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．化学反応によって冷気及び／または熱気を発生する装置であって、気体と化 学的に反応し得る塩をそれぞれ収容した少なくとも４個の反応容器と、反応容器 から気体を受け取るタンクと、反応容器へ気体を送り出すタンクとを含み、該装 置は、化学反応の同前記反応容器のうちの２個は比較的高い同一圧力レベル下に 置かれ、別の２個は比較的低い同一圧力レベル下に置かれるように構成されてお り、かつ付加的に、同一圧力レベル下の反応容器同士の間で熱を伝達する熱伝達 流体回路を含み、該熱伝達流体回路は閉じており、かつ４個の反応容器同士を接 続しており、該回路は熱伝達流体のための冷却器及び加熱装置を付加的に含むこ とを特徴とする冷気及び／または熱気発生装置。
2. ２．熱伝達流体回路が流体の流動方向に、温度を低下させるべく比較的高い圧力 レベル下に直かれる反応容器、冷却器、温度を上昇させるべく比較的低い圧力レ ベル下に置かれる反応容器、及び加熱装置を含むことを特徴とする請求項１に記 載の装置。
3. ３．気体を受け取るタンクが凝縮器を含み、気体を送り出すタンクは蒸発器を含 むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. ４．気体を受け取るタンク及び気体を送り出すタンクがそれぞれ反応容器を含む ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。