JPS58224281A - ケミカルヒ−トポンプ式冷暖房給湯装置 - 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】 本発明は無機塩と気体との可・逆反応において無機塩と
°気体との可逆反応が起こる高温状態と気体の凝縮・蒸
発が起こる低温状態との間の温度サイクルの組合せによ
るケミカルヒートポンプに関するものである。さらに詳
しくは、高温状態の無機塩から気体を分解吸熱反応する
場所と無機塩が気体を吸収発熱反応する場所とを分離し
、その両者の反応場所（おいて無機塩および気体吸収無
機塩を移動、循環させ、かつその途中において無機塩の
貯蔵容器を備えることにより季間蓄熱を可能にしたケミ
カルヒートポンプ式冷暖房給湯装置に関するものである
。

エネルギ資源の急速な消費を抑制するために太陽エネル
ギなどの間欠的な自然エネルギの有効利用がさけばれて
いる中で、顕熱利用あるいは潜熱利用の蓄熱方法が利用
されてきている。しかし第１図に示すようにたとえば太
陽エネルギの場合では夏と冬とでは集熱可能な量は人込
に異なっており、−年を通じて同程度のエネルギを利用
することは、顕熱や潜熱利用の蓄熱方法では極めて困難
である６ところが化学反応を用いた蓄熱方法では装置を
断熱することなく長期間蓄熱することが可能である。そ
こで、可逆的な化学反応を用いた蓄熱方法により、夏場
には冷房を行ないながら余剰のエネルギを蓄熱し、冬場
には不足分のエネルギを夏場に蓄熱していた分でおぎな
いながら暖房することを可能にしだととか、本発明の主
な特徴である。

また、本発明は原理的にはケミカルヒートポンプを利用
したものであるが、従来から使用されている吸収式冷凍
機に代表されるケミカルヒートポンプと異なる点は、固
体の吸収剤を用いていることにある。そして固体の吸収
剤を気体分解反応器と気体吸収反応器との間を循環させ
かつ気体を高温側容器と低温側容器との間を循環させる
方式をとっており、この方式は本発明の特徴の一つであ
る。

以下、本発明の一実施例につき図面に？っで説明する。

１はすでに気体を吸収している無機塩を加熱分解して気
体を発生させ、発生し、た気体と分解した無機塩°とを
分解させる機能をもつ気体分解反応器、２は無機塩に気
体を吸収させ同時に発生する熱エネルギを捕集し、暖房
、給湯などに利用する機能をもつ気体吸収反応器　３は
気体分解反応器１で気体を分離した無機塩を貯蔵する容
器で、断熱材を必要としないものである。そして、気体
分解反応器１．気体吸収反応器２および容器３は連結パ
イプ４．無機塩移動装置５および気体吸収無機塩移動装
置６により連結されている。連結パイプ４は分岐バイブ
７をもっており、バルブ８，９の切換えに上り流路を変
えられる。ここで、無機塩移動装置５および気体吸収無
機塩移動装置６のいずれか一方は重力による自然落下を
利用することも可能である。１ｏは気体分解反応器１で
分解発生した高温の気体を外冷気、地下冷水などを利用
して冷却し、凝縮させる機能をもつ凝縮器、１１は凝縮
器１０で凝縮させた液体を冷房しようとする室内空気な
どのもつ熱エネルギにより蒸発させる機能をもつ蒸発器
、１２は凝縮器１０で凝縮させた気体を貯蔵する容器、
凝縮器１０．蒸発器１１゜容器１２は、連結パイプ１３
および液体輸送装置１４により連結されている。連結パ
イプ１３は分岐パイプ１５をもっており、バルブ１６，
１７の切換えに上り流路を変えられる。なお液体輸送装
置値１４は重力による自然落下装置を利用することもで
きる。気体分解反応器１と凝縮器１ｏは気体を輸送する
連結パイプ１８により連結されている。

なお、効率よく気体を輸送するためにキャリヤガスを用
い、第２図に示すように気体分解反応器１から凝縮器１
ｏに気体を含むキャリヤガスを輸送する連結パイプ１８
と凝縮器１ｏから気体分解反応３こキャリヤガスを戻す
だめの連結くイブ１８とこより気体分解反応器１と凝縮
器１０とが連結されている。ここでキャリヤガスを気体
分解反応器１と凝縮器１０との間を循環させるだめの気
体輸送装置１９を用いるが、この気体輸送装置１９は上
記一対の連結パイプ１８のいずれか重力に取り付ける。

また気体吸収反応器２と蒸発器１１は気体を輸送する連
結パイプ２ｏにより連結されており、この連結パイプ２
０は蒸発器１１から気体吸収反応器２へ気体を含むキャ
リヤガスを輸送する連結パイプと気体吸収反応器２から
蒸発器１１ヘキヤリヤガスを戻すだめの連結パイプとの
一対から構成している。気体輸送装置２１は上記一対の
連結パイプ２ｏのいずれか一方にとりつける。

２２は集熱器で、太陽熱などの自然熱エネルギ、工場、
家庭などの廃熱などを捕集し気体分解反応器１への熱供
給源としての機能を有する。２３は気体分解反応器１と
集熱器２２との間の熱交換器、２４は気体吸収反応器２
で得られた熱エネルギを暖房・給湯に利用するだめの熱
交換器、２５は容器３と外気、地下水などの自然冷体と
の間の熱交換器、２６は凝縮器１０と冷房しようとする
室内空気（ただし、冷房不用の場合は地下水、外気）と
の熱交換器である。

つぎに動作について説明する。第２図の一実施例でｄ、
次の二種類の可逆過程を組合せて用いる。

ここで、Ｍ−Ｘ（ｓ）は気体を吸収した無機塩であり、
Ｍ（ｓ）は無機塩であり、Ｘ（ｇ）は気体であり、Ｘ（
１）は液体である。

その動作は過程Ａ（気体発生）、過程Ｂ（気体凝縮）、
過程Ｃ（気体蒸発）、過程Ｄ（気体吸収）。

過程Ａ（気体発生）のサイクルの繰り返しからなる。

過程Ａでは気体分解反応器１に運ばれてきたＭＸ（ｓ）
が集熱器２２より熱エネルギの供給を受けて気体Ｘ（ｇ
）を分解発生する。発生したＸ（ｇ）はキャリヤガスを
循環させている連結ノイブ２１を通して凝縮器１ｏに輸
送され、同時にＸ（ｇ）の一部あるいは全部を分解した
後の無機塩Ｍ（ｓ）は、無機塩移動装置６の作動により
連結パイプ４を通って気体吸収反応器２へ送り込まれる
。

過程Ｂでは凝縮器１０に運ばれてきた高温気体Ｘ（ｇ）
が熱交換器２５により冷却され液体Ｘ（１）になり、液
体輸送装置ｆ１４の作動により連結パイプ１３を通って
蒸発器１１へ送り込まれる。この時放出される熱は熱交
換器２５を通して地下水、外気などの自然冷体に廃棄さ
れる。

過程Ｃでは蒸発器１１に運ばれてきた液体Ｘ（７）が熱
交換器２６により冷房しようとする室内空気のもつ熱エ
ネルギの供給をうけて蒸発し、その蒸発した低温気体Ｘ
（ｇ）は連結パイプ２０を通して気体吸収反応器２に送
られる。

過程りでは気体吸収反応器２に運ばれてきた無機塩Ｍ（
ｓ）と低温気体Ｘ（ｇ）とが反応し、熱エネルギを放出
しなからＭ−Ｘ（Ｓ）にもどる。この吸収反応において
発生した高温の熱エネルギが熱交換器２４を通して暖房
および給湯に利用される。気体を吸収した無機塩Ｍ−Ｘ
（ｓ）は気体吸収無機塩移動装置６により、再び気体分
解反応器１へ送り込まれる。

以上の過程Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄを連続的に繰り返すことによ
り、特に過程Ｃで起っている蒸発器６内の熱エネルギ吸
収を冷房に用いることができ、また過程Ｉ）で起ってい
る気体吸収反応器２内の熱エネルギ放出を暖房あるいは
給湯に用いることができる。

さらに条間蓄熱について説明する。

１）夏期：冷房運転時には、低温側の蒸発器１１Ｖこ液
体を、高温側の気体吸収反応器２に無機塩をそれぞれ供
給しなければならないので、バルブの切換えにより貯蔵
容器を通らず直接液体と無機塩をそれぞれ蒸発器１１と
気体吸収反応器２に送り込む。冷房運転休止時にはバル
ブを切換え貯蔵容器の方へ流れるようにし、高温側の気
体分解反応２（１で生成した無機塩を無機塩貯蔵の容器
３へ、低温側の凝縮器１ｏで生成した液体を液体貯蔵の
容器６へ貯蔵する。

２）冬期：第１図に示したように、冬期に集熱１丁能な
量は夏期のそれの約半分しかない。そこで、集熱器２２
からのエネルギ量が減少し、高温側の気体分解反応器１
での分解反応の効率が落るだめ、これをおきなうために
、夏期に無機塩貯蔵の容器３Ｋ貯蔵しておいた無機塩を
高温側の気体吸収反応器２へ送り、反応を行なわせ放出
したエネルギを主として暖房に用いる。また、高温側の
気体分解反応器１での分解反応がゆるやかになれば、低
温側の凝縮器１０へ送られる気体の量が減少−するため
蒸発器１１へ送られる液体の量が減少する。

そこで、液体貯蔵の容器に貯蔵しておいた液体を蒸発器
１１へ送り、発生１た気体を高温側の気体吸収反応器２
へ送り無機塩との吸収反応を行なわせる。

このように、夏の間は冷房しながらエネルギを蓄積し、
冬にその蓄積されたエネルギを用いながら暖房を行なう
ことができる。さらに、蓄積容器には断熱を必要としな
−長所を有している。

つぎに具体例を挙げて説明する。

〔具体例〕

無機塩として市販の塩化カルシウム（ＣａＣ１２）を、
気体として市販のメタノール（ＣＨ３ｏＨ）をそれぞれ
用意し、っぎの二種類の可逆過程（ｉ）、（ｉｉ）の組
合せを選んだ。

ＣａＣ６２ＣＩ−１３０ＦＩ系の可逆反応（１）の平衡
蒸気圧−ｌ都度曲線およびメタノールの凝縮蒸発過程（
１１）の平衡蒸気用−己度曲線をそれぞれ第３図に示す
。高温度側のメタノール蒸気の平衡圧として０．４　気
圧を選んだ。この時のＣａＣｌ２−Ｃｌ−１３０Ｈ系の
可逆反応（１）ｖこおける平衡温度１１０℃　であり、
メタノール凝縮蒸発過程（１１）の平衡温度は４１．６
℃である。

一方、低温度側のメタノール蒸気の弔衡圧として０．０
６気圧を選んだ。この時のＣａＣｌ２−Ｃ１］３０Ｈ系
町逆反応（ｉ）の平衡温度は７０．６℃であり、メタノ
ール凝縮蒸発過程（ｉｉ）の平衡温度は５℃である。

斗だ、無機塩および液体の貯蔵容器の大きさは、冬期（
１１，１２，１，２月）の平均集熱量（Ｋ　ｃａｌ／ｍ
’ｍｏｎｔｂ）を３０．ｏｏｏ（Ｋｃａｌ／ｍ’、ｍｏ
ｎｔｈ　）程度にするのに必要な量（ＣａＣｌ２：７０
０ＫＰ、ＣＭ３０Ｈ：３００に７ただし集熱面積ば４ｒ
ｎ”とする）を収容できる大きさとする。

過程Ａ（気体分解過程）における気体分解反応器１内の
ＣａＣ１２・ＣＨｓ０Ｈ（ｓ）の分解反応温度１２０℃
に選んだ。この時発生するメタ、ノール蒸気の分圧は０
．５気圧である。一般には、分解反応の動作点Ａは平衡
温度１１０℃、平衡蒸気圧０．４気圧よりも高ければよ
い。過程Ａの分解反応に要する集熱器５から供給される
べき熱エネルギは約２２２ｃａｌ／、！−ＣａＣ１２で
ある。つ捷り、夏期に集熱器２２からの熱エネルギ供給
により、分解反応を行なわせ、分解生成物であるＣａＣ
ｌ２（ｓ）を無機塩貯蔵の容器３に貯蔵する。冬期には
、集熱器２２からのエネルギが不足するので、無機塩貯
蔵の容器３から夏期に貯蔵した無機塩を高温側の気体吸
収反応器２へ供給する。

過程Ｂ（気体凝縮過程）における凝縮器１０内における
メタノール蒸気の凝縮温度を３６℃に選んだ。この時の
メタノール蒸気の分圧は０．３気圧である。一般には、
凝縮の動作点Ｂは平衡温度４１．５℃平衡蒸気圧０．４
気圧よりも低ければよい。過程Ｂのメタノール凝縮に要
する熱交換器２５を通じて外部（実施例では水道水を利
用）にくみ出さｈるべき熱エネルギは約２６３ｃａｌ、
／！ｊＣＨ３０Ｈである。そして液化したメタノールは
冷房まだは暖房不用時には、液体貯蔵の容器１２へ送ら
れ、冷房ま／こは暖房時には直接蒸発器１１へ送られる
。

過程Ｃ（気体蒸発過程）では、蒸発器１１に送られてき
た３５℃のメタノール液体は蒸発器１１内が設定された
平衡蒸気圧０．０６気圧、平衡温度５℃よりもわずかに
高い動作点Ｃ（蒸気圧０．０７房しようとする室内の熱
エネルギから熱交換器２６を通じて供給される。冷房の
限界温度は設定された動作点Ｃの温度である。つまり、
夏期には冷房として用いられるが、冷房不用時には外気
との熱心交換により蒸発に要する熱エネルギが供給され
る。

まだ、この過程で蒸発するメタノール蒸気は、冷房時に
はもちろんのこと、暖房時にも、高温側の気体吸収反応
器２へ供給されなければならないので、供給量は年間通
じて安定していなければならない。つまり、液体貯蔵の
容器１２に貯蔵されたメタノールは、冬期に予想される
メタノール生成量の減少をおぎなりためのもの・である
。

過程Ｄ（気体吸収過程）では、気体吸収反応器２内の塩
化カルシウムに過程Ｃで生じたメタノールの低温蒸気を
吸収させるだめには、その吸収反応温度（動作点りの温
度）を平衡温度７０．６℃以下に保持する必要がある。

すなわち、吸収反応により放出される熱量約２２２ｃａ
ｌｇＣａＣＩＪ２を、熱交換器２（を通じて速やかに気
体吸収反応器２の外に取り出すことが必要である。この
放出された熱エネルギは暖房あるいは給湯に利用する。

ただしこれらの到達限界温度は設定された動作点りの温
度である。冬期の暖房時には、高温側の気体分解反応器
１から供給される無機塩の量は減少するので、無機塩貯
蔵の容器３に貯蔵された無機塩でおぎないながら暖房を
行なう。なお、第２図に示すように気体分解反応器１と
凝縮器１０との間を一対の連結パイプ１８と気体輸送装
置１９とを用いてギヤリヤガスを高速循環させると、そ
の循環速度を高める程、動作点ＡおよびＢはそれぞれの
゛ト衡を品度に近づくことがわかった。また、同様に蒸
発器１１と気体吸収反応器２との間を一対の連結パイプ
２０と気体輸送装置２１とを用いてキャリヤガスを高速
循環させるとその循環速度を高める程、動作点Ｃおよび
Ｄはそれぞれの平衡温度に近づくことがわかった。

このように、ＣａＣｌ２−ＣＨ３０Ｈ系の可逆反応およ
びＣＨ３０１−１の凝縮蒸発過程を組合せた過程Ａ。

Ｂ、Ｃ，Ｄを繰り返すことにより、メタノール蒸気の分
圧が１気圧以下の非常に低い圧力で連続的に冷房および
暖房あるいは給湯を行なうことができた。

このようにＣａＣｌ２−ＣＨ３０Ｈ系の可逆反応および
Ｃｌ−１３０Ｈの凝縮蒸発過程を組み合せた過程Ａ。

Ｂ、Ｃ，Ｄの連続的な繰り返しにより、メタノール蒸気
の分圧がほぼ一気圧以下の低圧力で連続的に冷房および
暖房あるいは給湯を行なうことができた。

以上説明したように、本発明によＩｔば、ｆｌｒ来の顕
熱あるいは潜熱蓄熱では極め−Ｃ困難であった手間蓄熱
（例えば、夏期に蓄熱しながら冷房を行ない、冬期に蓄
熱した熱で暖房を行なう。）を１１Ｊ能にてき°る。ま
た従来の液体の吸収剤を用い／こ連続式ケミカルヒート
ポンプ（例１１２０−ＮＨ３系）では動作蒸気の蒸気圧
が高くなるとともに吸収剤の蒸気圧も無視できないなど
の欠点があったが、本発明によればキャリヤガスをも含
めた動作蒸気圧ｄ：高々数気圧であり、はぼ蒸気圧ドで
の使用が可能であり、また吸収剤の蒸気圧はほとんど無
視できるなどの大きな利点を有するものであり、実用的
価値の高いケミカルヒートポンプ式冷暖房給湯装置を提
供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は日射量および月当りの集熱量を示す特性図、第
２図は本発明の一実施例におけるケミカルヒートポンプ
式冷暖房給湯装置の概要図、第３図はＣａ　Ｃ１１２Ｃ
Ｈ３０Ｈ系およびＣＨ３０Ｈの蒸気圧と温度の関係を示
す特性図である。 １・・・・・・気体分解反応器、２・・・・・・気体吸
収反応器、３・・・・・・無機塩貯蔵の容２″＜、　４
，１３．１Ｂ。 ２０・・・・・・連結パイプ、５・・・・・・無機塩移
動装置、６・・・・・・気体吸収無機塩移動装置、７，
１５・・・・・・分岐パイプ、８，９，１６．１７・・
・・・・パルプ、１ｏ・・・・・・凝縮器、１１・・・
・・・蒸発器、１２・・・・・・液体貯蔵の容器、１４
・・・・・・液体輸送装置、１９．２１・・・・・・気
体輸送装置、２２・・・・・・集熱器、２３，２４，２
５．２６・・・・・・熱交換器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はか１名禅 第１図 茸７月 第２図 先爪１す）１　　　　　　　　　　低ｉ側す１１、第　
３　図 １／う昌７Ｌｙ−イγヂＯ３）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）無機塩への気体の吸収反応（発熱）および気体を
   吸収した無機塩からの気体の分解反応（吸熱）かげ通約
   であるを利用したケミカルヒートポンプを形成し、高温
   度側の気体吸収反応器、気体分解反応ｚＪ、無機塩移動
   装置および気体を吸収した無機塩を移動させる気体吸収
   無機塩移動装置、集熱器、無機塩を貯蔵する容器、およ
   び低温度側の凝縮ヒセ、蒸発器、凝縮しだ液体を貯蔵す
   る容器、液体を移動させる液体輸送装置を具備し、かつ
   高温度側の無機塩移動装置および気体を吸収した無機塩
   の気体吸収無機塩移動装置により無機塩および気体を吸
   収した無機塩を気体吸収反応器と気体分解反応器との間
   を循環させる連結パイプを具備し、低温度０１１ｊの液
   体輸送装置により凝縮器で凝縮された液体を蒸発器へ輸
   送させる連結パイプを具備し、高温度側の気体分解反応
   器で発生する高温の気体を低温度側の凝縮器へ輸送させ
   る連結パイプおよび低温度側の蒸発器で発生する低温の
   気体を高温度側の気体吸収反応器へ輸送させる連結パイ
   プおよび集熱器と高温度側の気体分解反応器との間で熱
   媒体゛を循環させる連結パイプをそれぞれ具備したケミ
   カルヒートポンプ式冷暖房給湯装置、。
2. （２）高温側の気体分解反応器で発生する高温の気体を
   低温側の凝縮器へ輸送させる場合、その気体に対して化
   学的に不活性なキャリヤガスを用い、高温気体を含むキ
   ャリヤガスを高温側の気体分解反応器から低温側の凝縮
   器へ輸送させる連結パイプおよび高温気体の全部あるい
   はその一部を失なったキャリヤガスを低温側の凝縮器か
   ら高温側の気体分解反応器へ輸送させる連結パイプを具
   備し、かつ高温側の気体分解反応器と低温側の凝縮器と
   の間にキャリヤガスを循環させる装置を具備した特許請
   求の範囲第１項記載のケミカルヒートポンプ式冷暖房給
   湯装置０
3. （３）低温側の蒸発器で発生する低温の気体を高温側の
   気体吸収反応器へ輸送させる場合、上記気体に対しで一
   化学的に反応不活性なキャリヤガスを用い、低温気体を
   含むキャリヤガスを低温側の蒸発器から高温側の気体吸
   収反応器へ輸送させる連結パイプおよび低温気体の全部
   あるいはその一部を失ったキャリヤガスを高温側の気体
   吸収反応器から低温側の蒸発器へ輸送させる連結パイプ
   を具備し、かつ低温側の蒸発器と高温側の気体吸収反応
   器との間にキャリヤガスを循環させる装置を具備した特
   許請求の範囲第１項記載のケミカルヒートポンプ式冷暖
   房給湯装置。
4. （４）高温側の気体分解反応器と高温側の気体吸収反応
   器を結ぶ連結パイプは、無機塩貯蔵容器の前後に分岐点
   をもち、かつ分岐点には流路切換えパルプの切換えによ
   り無機塩の流路を変えることをｕｆ能にした特許請求の
   範囲第１項記載のケミカル−ヒートポンプ式冷暖房給湯
   装置。
5. （５）低温側の凝縮器と蒸発器とを結ぶ連結パイプは、
   液体貯蔵容器の前後に分岐点を有し、かつ分岐点には流
   路切換えバルブを設け、パルプの切換えにより、液体の
   流路を変えることを可能にしだ特許請求の範囲第１項記
   載のケミカルヒートポンプ式冷暖房給湯装置。