JPH11508351A - 冷えおよび／または熱を発生させる熱化学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 気体と化学反応することができ、多孔性の支持体中に分散した関連する塩（Ｓ１、Ｓ２）が個々に入っている二つの反応器（１０、１２）、反応器（１０、１２）から気体を受けるためのハウジング（１６）、および反応器に気体を放出するためのハウジング（１８）を含む、化学反応によって冷えおよび／または熱を発生させる装置である。本発明によれば、反応器（１０、１２）は直接接触して、互いの間の熱伝達が伝導のみによって起こるように配列される。このような装置内で少なくとも一つの塩と一つの気体の間の化学反応を実施し、冷えおよび／または熱を発生させる方法も開示する。

Description

【発明の詳細な説明】 冷えおよび／または熱を発生させる熱化学装置 本発明は、固体／気体反応により冷え（コールド）および／または熱（ヒート ）を発生させる装置に関する。 本発明が意図する装置は、いわゆる「熱化学ポンプ」システムの使用に基づき 、その主な特徴は以下のようになる。 −以下のタイプの固体／気体間の可逆反応を「化学的エンジン」として使用する 。 この反応は方向１には発熱反応、すなわちこの方向には熱を発生させ、方向２ には吸熱反応、すなわちこの方向には冷えを発生させる。 このようなシステムは、エネルギーを化学的形態で貯蔵するとができ、様々な 分野で使用される。 さらに、このようなシステムでは、温度Ｔｓの熱源を使用して、以下のような 温度Ｔｕの熱を発生させることができる。 Ｔｕ＜Ｔｓ この場合、システムは「化学的ヒートポンプ」と呼ばれる。 このようなシステムはまた、温度Ｔ’ｓの熱源を使用して、以下のような温度 Ｔ’ｕの熱を発生させることもできる。 Ｔ’ｕ＞Ｔ’ｓ この場合、システムは「化学的熱変換器」と呼ばれる。 このシステムにより、熱源を使用して冷却力を発生させ、同時に温度Ｔ”ｓの 熱源を使用して温度Ｔ”ｕ（Ｔ”ｕ＜Ｔ”ｓ）の熱および冷却力を発生させるこ とができる。 環境によって、発生した熱または冷えは、高温（Ｔｓ、Ｔ’ｓ、Ｔ”ｓ）でエ ネルギーを消費するのと同時に使用されるか、または後になって使用される（貯 蔵効果）。 文献ＥＰ−Ａ−０３８２５８６号には、固体／気体反応により冷えおよび／ま たは熱を発生させる、適当な温度および圧力の範囲内で気体と反応することがで きる異なる塩が個々に入れられた二つの反応器、蒸発器、ならびに凝縮器を含む 装置が開示されている。この文献に記載されているように、クラペイロン図で異 なる位置にある二種類の塩を選択することにより、動作サイクルの一段階中に、 高温の範囲にある塩の合成反応の熱を使用して低温範囲にある塩の分解反応を実 行する（エネルギーの供給を必要とする）ことが可能になる。二つの反応器の間 を流れる熱伝達流体を介して起こるこの熱伝達には、エネルギー効率を改善する 効果がある。 しかし、例えばこの装置は多くの制御弁を必要とするので、このようにシステ ムの効率を改善しても、このようなシステムに必要とされる商業的な要件を完全 には満たさない。 文献ＦＲ−Ａ−２６５３５４１号には、固体／気体反応により冷えおよび／ま たは熱を発生させる、適当な温度および圧力の範囲内で気体と反応することがで きる異なる塩が個々に入れられた反応室、蒸発器、ならびに凝縮器を含む装置が 開示されている。文献ＥＰ−Ａ−０３８２５８６号の場合と同様に、動作サイク ルを実行することにより、二つの固体／気体反応器の間の内部エネルギー回復段 階をもたらすことができる。しかし、この場合は、熱力学的動作サイクル、具体 的には回復段階の管理は、いくつかの重力ヒートパイプを使用することにより実 現する。 したがって本発明の主題は、固体／気体反応によって冷えおよび／または熱を 発生させる、良く機能する一方で必要なバルブおよび熱伝達用の補助装置の数が より少ない装置である。 この目的を達成するために本発明は、気体と化学反応するこ とができ、多孔性の支持体中に分散した関連する塩（Ｓ１、Ｓ２）が個々に入っ ている二つの反応器、反応器から気体を受けるように設計されたエンクロージャ 、および反応器に気体を放出するように設計されたエンクロージャを含む、化学 反応によって冷えおよび／または熱を発生させる装置であって、これらの反応器 が直接接触して配置され、それらの間の熱伝達が伝導のみによって起こるように 配列されることを特徴とする装置を提供する。 本発明はまた、多孔性の支持体中に配置した関連する塩が個々に入っている二 つの反応器、反応器から気体を受けるように設計されたエンクロージャ、および 反応器に気体を放出するように設計されたエンクロージャを含む冷えおよび／ま たは熱を発生させる装置内で、少なくとも一種類の塩と気体の間の化学反応を実 行する方法も提供するが、この方法は以下の段階を含む。 −気体を受けるように設計されたエンクロージャの圧力と気体を放出するよう に設計されたエンクロージャの圧力との間でその塩を気体と反応させることによ り、第一反応器を動作させる段階、および同時に、 −気体を受けるように設計されたエンクロージャの圧力と第一反応器に気体を 放出するように設計されたエンクロージャより低い圧力との間でその塩を気体と 反応させることにより、第二反応器を動作させる段階。 本発明の利点および動作は、添付の図面と関連して非制限的に述べた以下の説 明を読めば、より明確に理解されるであろう。 −第１図は、本発明による冷えおよび／または熱を発生させる装置を示す概略図 である。 −第２図から第７図は、本発明による装置の動作を示すクラペイロンダイアグラ ムをそれぞれに表す図である。 第１図は、本発明による冷えおよび／または熱を発生させる装置を示す図であ るが、この装置は図示の例では円筒形となる二つの反応室または反応器１０、１ ２を含み、この場合では１２となる反応器の一つの方がより小さい直径を有し、 もう一つの反応器１０の内部にほぼ同軸に配置される。二つの反応器は軸方向の 長さが同じであり、非多孔性壁面１４によって分離される。 さらにこの装置は、減圧弁２２を備えたパイプ２０により接続された凝縮器１ ６および蒸発器１８を含む。したがって、凝 縮器および蒸発器１８は、気体を受けるように設計されたエンクロージャ、およ び気体を放出するように設計されたエンクロージャをそれぞれ形成する。四個の バルブ２４、２６、２８、および３０のセットにより、反応器１０、１２のいず れかをパイプ３２および３４を介して凝縮器１６および蒸発器１８に選択的に接 続することができる。第１図に示す例では、電気抵抗エレメント３６が反応器１ ２内部に軸方向に配置され、反応器を選択的に加熱することができる。ただし、 この方法の動作原理が反応器１２を加熱するその他のどのような方式にも適用さ れることは明らかであり、非制限的な例として、ガスバーナーや、パイプ内の熱 伝達流体の流れ、または熱パイプ内に入れた流体の凝縮をともなう現象からなる 可能性がある。 最後に、この装置はまた、反応器１０および１２の一端側に配置され、それら を選択的に冷却することができるファン３８も含む。この場合も、冷却方式はこ の方法の動作を例示するためのただ一つの例のみを構成するが、サイクルの様々 な段階の実行を修正することなく、その他のどのようなタイプの冷却でも使用す ることができる。 反応器１０および１２はそれぞれに塩Ｓ１およびＳ２を備え、 それらは多孔性の支持体と混合されるか、またはその中に分散している。好まし い実施形態では、この多孔性の支持体は、０．０５から０．５の間の相対密度を 有する再圧縮した発泡黒鉛を含む。 次に第２図から第５図のクラペイロンダイアグラムに関連してこの装置の動作 について述べる。 この装置の動作サイクルの初期状態を第２図のダイアグラムに示す。この瞬間 では、２種類の塩Ｓ１およびＳ２は分解しており、凝縮器１６の圧力Ｐｃｏｎｄ にある。塩Ｓ２と直接接触する電気抵抗エレメント３６に電圧を加え、塩Ｓ２を 高温Ｔｈまで加熱する。ファン３８はオフになっている。塩Ｓ２が入っている反 応器１２の周りに配置された塩Ｓ１は、Ｔｈと凝縮器１６の圧力におけるその平 衡温度ＴｅｑＳ１（Ｐｃｏｎｄ）との間の温度まで塩Ｓ２によって加熱される。 反応器１０および１２の位置は、ドット１０、１２によって第２図に示す。 本発明による装置の動作方法の第一段階を第３図に示す。この段階の間、電気 抵抗エレメント３６はオフになり、ファン３８はオンになる。 塩Ｓ１が入っている反応器１０を冷却するとその温度が低下 する。これはまた、平衡線を横切り、合成条件を満たす状態になる。それはその 後凝縮器から遮断される。結果として、反応器１０の温度低下はその圧力低下を ともない、塩はその平衡線をたどる。反応器１０の圧力が蒸発器１８の圧力Ｐｅ ｖａｐに達したとき、バルブ３０が開き、その他のバルブが閉じたままであるた めに、これらは互いに連絡するようになる。塩Ｓ１は合成反応を起こし、これに ともなってＴｅｖａｐにおける蒸発によって冷えが発生する。 塩Ｓ２が入っている反応器１２は壁面１４を介してＳ１と熱接触するので、塩 Ｓ１が入っている反応器１０を冷却すると、塩Ｓ２が冷却され、その平衡線を横 切り、合成条件を満たす状態になる。反応器１２はその後凝縮器１６から遮断さ れる。結果として、反応器１２の温度低下はその圧力低下をともない、塩Ｓ２は その平衡線をたどる。その後反応器１２は蒸発器１８の圧力（Ｐｅｖａｐ）より 低い圧力になる。 塩Ｓ１の合成段階の間、塩Ｓ２が入っている反応器１２は、バルブが閉じてい るために蒸発器１８から遮断されたままであり、いかなる反応も防止される。し たがってこれは、塩Ｓ１が入っている反応器１０の内部と壁面１４を介して熱接 触してい るので、依然として平衡線上にあり、ＴｅｑＳ１（Ｐｅｖａｐ）に近い温度であ る。 この方法の第二段階を第４図に示す。この段階の間、ファン３８はオフになっ ている。塩Ｓ２が入っている反応器１２は蒸発器と連絡するようになり、したが って塩は合成条件におかれる。この反応により発生した熱はＳ２の温度を上昇さ せ、その後圧力Ｐｅｖａｐになり、温度はＴｅｑＳ２（Ｐｅｖａｐ）に近くなる 。Ｓ２の合成は、Ｔｅｖａｐで蒸発により冷えを発生させる。 塩Ｓ１が入っている反応器１０は壁面１４を介して反応器１２と熱接触してい るので、塩Ｓ２の温度が上昇すると塩Ｓ１の温度が上昇する。塩Ｓ１はその平衡 線を横切り、分解条件を満たす状態になる。その後反応器１０は蒸発器から遮断 される。結果として、塩Ｓ１の温度上昇は圧力上昇をともない、塩はその平衡線 をたどる。塩Ｓ１の圧力が凝縮器１６の圧力に達したとき、バルブ２６が開くこ とによりこれらは互いに連絡するようになる。塩Ｓ１は分解されるが、その反応 に必要なエネルギーは熱接触により塩Ｓ２の発熱合成を介して直接供給される。 次に、装置の動作方法は第５図に示すように第三段階に移る。 この段階の最初に、電気抵抗エレメント３６をオンにする。 したがって塩Ｓ２は再び加熱され、平衡線を通過し、分解条件を満たす状態に なる。その後反応器１２が蒸発器から遮断される。結果として、塩Ｓ２の温度上 昇は圧力の上昇をともない、塩はその平衡線をたどる。塩Ｓ２の圧力が凝縮器１ ６の圧力Ｐｃｏｎｄに達したとき、バルブ２４が開き、その他のバルブが閉じた ままであるために、これらは互いに連絡するようになる。反応器１２の塩Ｓ２は 分解される。 この段階の間、その塩Ｓ１が既に分解されている反応器は、依然として圧力Ｐ ｃｏｎｄを加える凝縮器１６と連絡している。反応器１０と１２の間の熱接触の 結果として、反応器１０はＴｅｑＳ１（Ｐｃｏｎｄ）からＴｅｑＳ２（Ｐｃｏｎ ｄ）に近い温度に加熱される。 全サイクルにわたって、塩Ｓ１およびＳ２の合成に対応する蒸発によって二つ の有効な冷え発生効果が生じ、単一の分解(塩Ｓ２の分解)に対応する量のエネル ギーが放出される。したがって感熱性の項を無視すると、サイクルの理想ＣＯＰ の計算は以下のようになる。 クラペイロンダイアグラムに異なって配置された塩の間の直接の熱接触による この内部回復方式は、三種類の反応性の塩Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３の場合に容易 に拡張することができる。この場合には、反応塩が入っている反応器は三つの同 軸エンクロージャからなることになる。最小直径のエンクロージャには高温で反 応する塩（Ｓ３）を入れ、外側のエンクロージャには低温で反応する塩（Ｓ１） を入れ、前述の二つのエンクロージャの間にあるエンクロージャには中間温度で 反応する塩（Ｓ２）を入れる。これらの塩を使用する場合には、追加の段階を含 むサイクルは、塩Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３の合成に対応する蒸発によって有効な 三つの冷え発生段階を生じさせることができる。塩Ｓ３の分解に対応する量のエ ネルギーが放出される。 上記の説明を完全にするために、本発明による方法の二つの例示的な実施形態 を非制限的な例として以下に与える。第６図および第７図はそれぞれ、第２図か ら第５図と類似のクライペロンダイアグラムを示す図である。 第６図に概略を示す方法は温度５℃の冷えを発生させるよう になっており、周囲温度が３５℃の場合のエアーコンディショニングに適してい る。第一反応器１０にはアンモニア７モルと反応するＳｒＣｌ₂が入っている。 第二反応器１２には化学量論係数が４に等しいＦｅＣｌ₂が入っている。蒸発お よび凝縮の圧力における二つの塩の平衡温度と、動作サイクルの実行を特徴づけ る三つの段階の間のそれらの位置とを、中実のしるしで第６図に示す。 温度−２０℃の冷えを発生させる方法の概略を第７図に示す。この方法はとり わけ３５℃の周囲温度での冷凍に適している。第一反応器１０にはアンモニア４ モルと反応するＭｎＣｌ₂が入っている。第二反応器１２には化学量論係数が４ に等しいＮｉＣｌ₂が入っている。蒸発および凝縮の圧力におけるこれら二つの 塩の平衡温度と、動作サイクルの実行を特徴づける三つの段階の間のそれらの位 置とを、中実のしるしでこの図に示す。 代替の実施形態では、凝縮器１６および蒸発器１８をそれぞれ反応器１０、１ ２と類似の反応器で交換することができる。反応器は、気体を受けるように設計 されたエンクロージャ、および反応器（１０、１２）に気体を放出するように設 計された エンクロージャをそれぞれに形成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．気体と化学反応することができ、多孔性の支持体中に分散した関連する塩（ Ｓ１、Ｓ２）が個々に入っている二つの反応器（１０、１２）、反応器（１０、 １２）から気体を受けるように設計されたエンクロージャ（１６）、および反応 器に気体を放出するように設計されたエンクロージャ（１８）を含む、化学反応 によって冷えおよび／または熱を発生させる装置であって、これらの反応器（１ ０、１２）が直接接触して配置され、それらの間の熱伝達が伝導のみによって起 こるように配列されることを特徴とする装置。 ２．一つの反応器（１２）が別の反応器（１０）の内部に配置されることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載の装置。 ３．反応器（１０、１２）から気体を受けるように設計されたエンクロージャが 凝縮器（１６）を含み、反応器に気体を放出するように設計されたエンクロージ ャが蒸発器（１８）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記 載の装置。 ４．反応器（１０、１２）から気体を受けるように設計されたエンクロージャ、 および反応器に気体を放出するように設計さ れたエンクロージャが、関連した反応器（１６、１８）をそれぞれに含むことを 特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の装置。 ５．多孔性の支持体中に配置した関連する塩が個々に入っている二つの反応器、 反応器から気体を受けるように設計されたエンクロージャ、および反応器に気体 を放出するように設計されたエンクロージャを含む冷えおよび／または熱を発生 させる装置内で、少なくとも一種類の塩と気体の間の化学反応を実行する方法で あって、 −気体を受けるように設計されたエンクロージャの圧力と気体を放出するように 設計されたエンクロージャの圧力との間でその塩を気体と反応させることにより 、第一反応器を動作させる段階と、同時に、 −気体を受けるように設計されたエンクロージャの圧力と第一反応器に気体を放 出するように設計されたエンクロージャより低い圧力との間でその塩を気体と反 応させることにより、第二反応器を動作させる段階とを含む方法。