(57)【要約】【課題】本発明の課題は、粉末状やペレット状などの蓄熱材が飛散することを抑制し、取り扱い性に優れた蓄熱装置を提供することである。【解決手段】上記課題を解決するために、蓄熱材が充填されたカートリッジと、前記カートリッジが保持される蓄熱材保持部と、を備えることを特徴とする、蓄熱装置を提供する。この蓄熱装置によれば、蓄熱材が充填されたカートリッジを使用するため、装置への蓄熱材の装填が容易であり、取り扱い性に優れた蓄熱装置を提供することができる。また、蓄熱材はカートリッジ内に充填されているため、蓄熱材が粉末状であっても飛散を抑制し、周囲の汚染を防止することができるという効果を奏する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱材が充填されたカートリッジと、
前記カートリッジが保持される蓄熱材保持部と、を備えることを特徴とする、蓄熱装置。
【請求項２】
前記カートリッジは、袋状であることを特徴とする、請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
蓄熱材が充填されたカートリッジであって、
前記カートリッジは、袋状であることを特徴とする、カートリッジ。
【請求項４】
蓄熱材が充填されたカートリッジの保管方法であって、
前記カートリッジを包装体に封入するステップと、
前記包装体の内部を真空引きするステップと、
を備えたことを特徴とする、カートリッジの保管方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置、蓄熱材を充填したカートリッジ、及び、カートリッジの保管方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ごみ焼却施設、発電所、製鉄所、各種工場等から放出される高温のエネルギーを有効に利用する技術への関心が高まっている。これらの環境に放出される熱エネルギーを回収し、有効に利用することを目的として種々の蓄熱技術が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、外部からの熱エネルギーを貯蔵する蓄熱材に蓄熱し、蓄熱した蓄熱材を保管又は熱エネルギーが必要な場所に移送して利用する化学蓄熱反応器が開示されている。また、特許文献１には、化学蓄熱の具体例として、４００度を超える高温の廃熱を効率よく蓄熱するために、化学蓄熱材として水酸化カルシウム系蓄熱材を用いた系が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１１８３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、蓄熱装置では、蓄熱材として粉末状や粒状のものや、ペレット状に成型したものを使用している。粉末状の蓄熱材では、蓄熱装置の蓄熱材保持部に装填する際に、周囲に飛散しやすいため、周囲の環境を汚染するおそれがある。また、こぼれやすいため取り扱いが困難であるという問題がある。これを解決するべく、粒状やペレット状にした蓄熱材があるが、粉末状のものより取り扱い易くはなるものの、粒状化するには、粒状化する手間や、バインダーなどの蓄熱材以外の材料の添加等が必要である等、技術的に不利な点もある。また、粉末状、粒状、ペレット状などの形状を問わず、蓄熱放熱を繰り返すと、膨張と収縮が生じて微粉化し、微粉化した粉末が飛散するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、粉末状やペレット状などの蓄熱材が飛散することを抑制し、取り扱い性に優れた蓄熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題について鋭意検討した結果、蓄熱材が充填されたカートリッジを利用することにより、粉末状やペレット状の蓄熱材の飛散を抑制し、取り扱い性に優れた蓄熱装置が得られることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の蓄熱装置、カートリッジ、カートリッジの保管方法である。
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の蓄熱装置は、蓄熱材が充填されたカートリッジと、前記カートリッジが保持される蓄熱材保持部と、を備えることを特徴とするものである。
この蓄熱装置によれば、蓄熱材が充填されたカートリッジを使用するため、蓄熱装置への蓄熱材の装填が容易であり、取り扱い性に優れた蓄熱装置を提供することができる。また、蓄熱材はカートリッジ内に充填されているため、蓄熱材が粉末状であっても飛散を抑制し、周囲の汚染を防止することができるという効果を奏する。
【０００９】
更に、本発明の蓄熱装置の一実施態様としては、カートリッジは、袋状であることを特徴とするものである。
カートリッジを袋状とすることにより、形を変形することができるため、カートリッジが保持される蓄熱材保持部の形状に合わせて装填することが可能となる。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明のカートリッジは、蓄熱材が充填されたカートリッジであって、前記カートリッジは、袋状であることを特徴とするものである。
このカートリッジによれば、袋状であるため、カートリッジを保持するための蓄熱材保持部の形状に合わせて形を変形することができる。よって、種々の蓄熱装置に装填することが可能な汎用性に優れたカートリッジを提供することができる。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明のカートリッジの保管方法は、蓄熱材が充填されたカートリッジの保管方法であって、前記カートリッジを包装体に封入するステップと、前記包装体の内部を真空引きするステップと、を備えたことを特徴とするものである。
このカートリッジの保管方法によれば、カートリッジを包装体で包み、真空状態として保管することができるため、安定して蓄熱状態を維持することができる。
また、真空引きした際に、カートリッジの外部に付着した蓄熱材、又は、メッシュ等のカートリッジでは捕捉できない微細な蓄熱材を予め取り除くことができる。
さらには、カートリッジが袋状である場合には、真空引きする際に、ブロック状に整形することが可能である。そして、型枠等を利用することにより、所定の形状に整形することができるため、蓄熱装置の蓄熱材保持部の形状に合わせた形状とすることができる。なお、本発明における「整形」とは、袋状のカートリッジを包装体の内部に封入し、包装体を真空下とすることにより、包装体の内部空間が縮小して内部のカートリッジをブロック状に固めることである。そして、真空引きによる整形体は、押し固めたものではないため、蓄熱材の膨張収縮に対して、一定の自由度を持っており、蓄熱材の膨張収縮による微粉化も緩和される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、粉末状やペレット状などの蓄熱材が飛散することを抑制し、取り扱い性に優れた蓄熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施態様の蓄熱装置の構造を示す概略説明図である。
【図２】本発明の第一の実施態様のカートリッジの構造と、他の例のカートリッジの構造を示す概略説明図である。
【図３】本発明の第一の実施態様のカートリッジの保管方法を説明する概略説明図である。
【図４】本発明の第二の実施態様の蓄熱装置の構造を示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施態様について詳細に説明する。
なお、実施態様に記載する蓄熱装置については、本発明に係る蓄熱装置を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
【００１５】
本発明の蓄熱装置は、蓄熱材に対して熱を蓄熱する蓄熱装置に係るものである。このような蓄熱装置における蓄熱技術としては、物質の状態変化を伴わない温度差を利用した顕熱蓄熱、固体・液体・気体といった物質の相変化を利用した潜熱蓄熱、化学反応を利用した化学蓄熱が挙げられる。特に、物質の化学反応を利用した化学蓄熱は、顕熱蓄熱や潜熱蓄熱に比べて蓄熱密度が非常に大きく、化学反応前後の物質が安定であれば放熱ロスもほとんどなく、長期間の蓄熱において熱損失が生じないことが知られている。
なお、本実施態様における蓄熱装置としては化学蓄熱に係るものを例示しているが、これに限定されるものではなく、顕熱蓄熱や潜熱蓄熱に係るものであってもよい。
【００１６】
本発明の蓄熱装置は、蓄熱材が充填されたカートリッジと、前記カートリッジが保持される蓄熱材保持部と、を備えることを特徴とするものである。本発明の蓄熱装置において、蓄熱材を熱需要地まで輸送する場合には、蓄熱装置のまま輸送してもよいし、蓄熱装置内に保持されたカートリッジの形態で輸送してもよい。
【００１７】
〔第一の実施態様〕
図１は、本発明の第一の実施態様の蓄熱装置１ａの構造を示す概略説明図である。本発明の第一の実施態様の蓄熱装置１ａは、蓄熱時には、蓄熱材を加熱して蓄熱生成物と生成流体に分離し、放熱時には、前記蓄熱生成物と反応流体を反応させて前記蓄熱材を生成する化学蓄熱装置であり、工場やごみ焼却場等から発生する廃熱を蓄熱材に貯蔵して、熱を必要とする熱需要地まで輸送が可能な装置である。
【００１８】
この蓄熱装置１ａは、蓄熱材を充填したカートリッジ４ａと、カートリッジ４ａを保持する蓄熱材保持部５と、カートリッジ４ａ及び蓄熱材保持部５を収納する蓄熱材容器２を備え、蓄熱材容器２の内部にはカートリッジ４ａと熱交換を行う外部からの熱流体Ｆが通過する熱交換部３が設けられている。また、蓄熱材容器２には、熱流体Ｆを外部から供給する供給部７が設けられ、熱交換後の熱流体Ｆ′を外部に排出する排出部８が設けられている。
以下、各構成について詳細に説明する。
【００１９】
蓄熱材容器２は、カートリッジ４ａを収納するための構成であり、密閉可能な構造物からなる。蓄熱材容器２には、熱流体Ｆが通過し、カートリッジ４ａに充填された蓄熱材に熱流体Ｆの熱を伝達するための熱交換部３、該熱交換部３に外部からの熱流体Ｆを供給するための供給部７、熱交換部３から熱交換後の流体Ｆ′を排出するための排出部８を有する。なお、蓄熱材容器２は、耐圧性を有することが好ましい。これにより、蓄熱材容器２内を減圧し、カートリッジ４ａの内部に充填された蓄熱材４から発生する生成流体や蓄熱生成物と反応する反応流体の移動を容易にするとともに、蓄熱材容器２の蓄熱効果を高めることが可能となる。
また、蓄熱材容器２の形状は、特に限定されず、例えば箱状や筒型とすることが挙げられる。
【００２０】
熱交換部３は、カートリッジ４ａに充填された蓄熱材と外部からの熱流体Ｆとの熱の伝達を行うことができれば、どのような形状のものでもよく、例えば、保持部材５の内部に蛇行して設置された熱交換チューブや、蓄熱材保持部５に対する２重円筒型の内筒部などにより構成される。
【００２１】
供給口７と排出口８は、それぞれ蓄熱材容器２に対して異なる面に配置してもよいし、同一面に配置してもよい。例えば、図１に示すように、蓄熱材容器２の同一面に供給口７と排出口８を設ける構成とし、熱流体の供給、排出を１つの面で行うものとしてもよい。また、蓄熱材容器２の中心軸に沿って、蓄熱材容器２の下方部に供給口７を設け、蓄熱材容器２の上方部に排出口８を設ける構成としてもよい。
【００２２】
また、蓄熱材容器２には、蓄熱時にカートリッジ４ａに充填された蓄熱材から発生した生成流体を大気に放出するための大気開放口９、放熱時に蓄熱生成物と反応する反応流体を供給するための給気口１０を備えている。また、図１に示すように、大気開放口９と給気口１０は、大気（外部環境）に連通するものである。なお、第一の実施態様の蓄熱装置１ａでは、大気開放口９と給気口１０は同一の通気口を使用しているが、別の位置に設けてもよい。
【００２３】
大気開放口９は、蓄熱時に開放され、蓄熱材から発生した生成流体を蓄熱材容器２の外部に排出するための構成であるが、生成流体を凝集して回収する受液槽（不図示）を設ける構成としてもよい。該大気開放口９を有することにより、生成流体は外部に放出されるため、生成流体を凝集して回収する受液槽を設ける必要がなく、また、生成流体を熱供給地から熱需要地に輸送する必要もない。そのため、装置のコンパクト化、輸送コストの低下等の利点がある。
【００２４】
給気口１０は、放熱時に開放され、反応流体を蓄熱材容器２に供給するための構成であり、放熱時には、反応流体を供給するための供給部（不図示）と連結する。
【００２５】
熱流体Ｆとしては、カートリッジ４ａに充填された蓄熱材に熱を供給することができる温度のものであればよく、気体や液体等の流体が好ましい。更に取り扱い性に優れるという観点から、気体を使用することが特に好ましい。
【００２６】
保温部６は、蓄熱材容器２を保温するための構成であり、蓄熱材容器２の周囲を覆うように設けられるものである。保温部６は、例えば、断熱材又は熱反射部材のような放熱抑制材を設けるものとしてもよい。
なお、断熱材としては、蓄熱材容器２内の熱を外部に放出させることを抑制する材質からなるものであれば、特に限定されない。例えば、発泡ポリエチレンや発泡スチロールなどの発泡樹脂、合成樹脂、無機材などが挙げられる。
一方、熱反射部材としては、蓄熱材容器２から放出される輻射熱を反射可能な材質からなるものであれば、特に限定されない。このような材質は、例えば、金属としては、アルミニウム、鉄、銅、黄銅、銀、金、白金、ニッケル、ステンレス、クロム、タングステンなどが挙げられる。また、非金属としては、石英ガラス、アルミナセラミクス、マグネシアセラミクス、耐火レンガなどが挙げられる。
【００２７】
カートリッジ４ａを保持する蓄熱材保持部５の構造は、蓄熱材容器２内でカートリッジ４ａを保持し、かつカートリッジ４ａに充填された蓄熱材４と熱交換部３との間で熱交換を可能とする構造のものであれば、特に限定されない。図１には、複数のトレイ状容器を積み重ねた構造物を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、カートリッジ４ａを吊るして保持してもよい。
また、蓄熱材保持部５の材質は、高温処理に耐えられるものであれば、特に限定されない。
【００２８】
（カートリッジ）
図２には、本発明の第一の実施態様のカートリッジ４ａの構造と、他の例のカートリッジ４ｂ、４ｃの構造を示す。
カートリッジ４ａは、不織布で形成された袋状の袋体４２と、袋体４２の内部に充填された蓄熱材４１を備える。
また、カートリッジ４ｂは、メッシュで形成された直方体状の枠体４３と、枠体４３の内部に充填された蓄熱材４１を備える。
また、カートリッジ４ｃは、メッシュで形成された球状の枠体４４と、枠体４４の内部に充填された蓄熱材４１を備える。
【００２９】
カートリッジを構成する袋体や枠体は、生成流体と反応流体などの流体を通過する部材により形成されている。例えば、不織布、メッシュ、多孔質体、パンチング体などが挙げられる。これらの多孔質部材の孔径は、蓄熱材がこぼれ出さない大きさであればよい。
【００３０】
また、袋体や枠体の材質は、蓄熱材の蓄熱時及び放熱時にかかる熱に耐え得る材質であればよく、例えば、金属、セラミック、石膏などが挙げられる。熱交換の効率が高いことから、金属であることが好ましい。
【００３１】
カートリッジの形状は、特に制限されないが、例えば、袋状、直方体状、立方体状、円筒状、楕円筒状、多角筒状、円錐状、楕円錐状、多角錐状、球状などが挙げられる。蓄熱材保持部５の構造に合わせて適宜設計すればよい。
【００３２】
なお、カートリッジは、袋状のものが好ましい。カートリッジを袋状とすることにより、カートリッジの形を変形することができるため、カートリッジが保持される蓄熱材保持部の形状に合わせて装填することが可能となる。よって、袋状のカートリッジとすることにより、種々の蓄熱装置に装填することが可能な汎用性に優れたカートリッジを提供することができる。
【００３３】
蓄熱材４１とは、加熱時に蓄熱生成物と生成流体に分離され、また、この逆の反応により熱を放出する化学物質である。例えば、蓄熱生成物と生成流体として、酸化カルシウム（ＣａＯ）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、臭化カルシウム（ＣａＢｒ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、ヨウ化カルシウム（ＣａＩ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）とアンモニア（ＮＨ３）、臭化ストロンチウム（ＳｒＢｒ２）とアンモニア（ＮＨ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素（ＣＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と二酸化炭素等（ＣＯ２）が挙げられる。取り扱いが容易であるという観点から、蓄熱材４１は、生成流体及び反応流体として水蒸気を利用するものであることが好ましい。
また、本発明における蓄熱装置は、高温での化学蓄熱時に特に効果を発揮する構成であるため、本発明における蓄熱材４１としては、高温での化学蓄熱が可能な蓄熱生成物と生成流体として、酸化カルシウムと水蒸気の組み合わせ（４００〜５００度）や酸化マグネシウムと水蒸気の組み合わせ（３００〜４００度）を用いることが好ましい。
【００３４】
本発明における蓄熱材４１の構造及び形状については、特に限定するものではなく、例えば、粉体状、粒状、顆粒状、ペレット状、フレーク状などが挙げられる。また、粉体を成型して得られる成型体、または蓄熱材４１を多孔質体に担持させたものであってもよい。反応性を高めるために表面積が大きいという観点から、粉体状であることが好ましい。
【００３５】
また、カートリッジの別の態様としては、物質の状態変化を伴わない温度差を利用した顕熱蓄熱材や、固体・液体・気体といった物質の相変化を利用した潜熱蓄熱材を充填したカートリッジがある。顕熱蓄熱材や潜熱蓄熱材を使用する場合には、カートリッジを構成する袋体や枠体は、顕熱蓄熱材や潜熱蓄熱材の状態に応じて適宜選択される。例えば、顕熱蓄熱材や潜熱蓄熱材の状態が液体状である場合には、液体を通過しない容器等によりカートリッジを構成すればよい。
【００３６】
（カートリッジの保管方法）
次に、カートリッジの保管方法について説明する。蓄熱材４１をカートリッジ４ａとして輸送する場合には、カートリッジ４ａの内部に充填された蓄熱材４１と、空気中に含まれる反応流体が反応しないように保管する必要がある。
すなわち、以下のステップを備えるものである。
（ステップ１）カートリッジを包装体に封入するステップ
（ステップ２）包装体の内部を真空引きするステップ
【００３７】
図３は、本発明の第一の実施態様のカートリッジ４ａの保管方法を説明する概略説明図である。
ステップ１のカートリッジを包装体に封入するステップは、図３に示すように、カートリッジ４ａを包装体１１の内部に封入する。なお、包装体１１の大きさや形状は、カートリッジ４ａが内部に封入できるものであれば、特に制限されない。また、第一の実施態様では、袋状の包装体１１であるが、容器などでもよい。
【００３８】
ステップ２の包装体１１の内部を真空引きするステップでは、真空ポンプ等の吸引装置を用いて包装体１１の内部を真空引きする。包装体１１の内部を真空引きするための吸引装置としては、特に制限されないが、例えば、真空ポンプやアスピレータなどが挙げられる。真空度を高めるという観点から、真空ポンプを使用することが好ましい。なお、第一の実施態様の包装体１１では、内部を真空引きするための吸引口１２を備えており、真空ポンプ（不図示）等の吸引装置を吸引口１２に連結して、内部を真空引きする。
【００３９】
また、本発明のカートリッジの保管方法は、以下のステップ３を備えることが好ましい。
（ステップ３）包装体を密封するステップ
ステップ３の包装体を密封するステップでは、包装体１１の内部を真空引きした後に、包装体１１を密封する。
【００４０】
包装体１１は、保存性向上の観点から、密封可能なものであることが好ましい。密封する手段としては、開口部に封をするためのチャック１３やヒートシールなどが挙げられる。密封性を高めるという観点から、ヒートシールで密封することが好ましい。
また、包装体１１は、容易に開封するためのノッチ１４を備える。
【００４１】
包装体１１の素材は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ３）、二酸化炭素（ＣＯ２）などの反応流体の流入を制限するものであればよい。例えば、アルミ袋、ビニール袋、クラフト袋などの袋状のものや、アルミ缶、スチール缶などの金属製容器、ガラス製容器、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などのプラスチック容器などが挙げられる。軽量であり、かつ、密封性が高いという観点から、好ましくはアルミ袋である。
【００４２】
本発明のカートリッジの保管方法によれば、カートリッジを包装体で包み、真空状態として保管することができるため、安定して蓄熱状態を維持することができる。
また、真空引きした際に、カートリッジの外部に付着した蓄熱材、又は、カートリッジでは捕捉できない微細な蓄熱材を取り除くことができる。
さらには、カートリッジが袋状である場合には、真空引きする際に、ブロック状に整形することが可能である。そして、型枠等を利用することにより、所定の形状に整形することができるため、蓄熱装置の蓄熱材保持部の形状に合わせた形状とすることができる。また、真空引きによる整形体は、押し固めたものではないため、蓄熱材の膨張収縮に対して、一定の自由度を持っており、蓄熱材の膨張収縮による微粉化も緩和される。
【００４３】
〔第二の実施態様〕
第二の実施態様の蓄熱装置１ｂは、第一の実施態様の蓄熱装置１ａから、大気開放口９及び給気口１０と、熱交換チューブにより形成された熱交換部３を取り除いたものである。その他の構成については、第一の実施態様と同様である。
【００４４】
第二の実施態様では、供給部７から供給された熱流体Ｆは、蓄熱材容器２の内部を流れて、排出部８から熱流体Ｆ′を排出する。この際、蓄熱材容器２の内部には、熱流体Ｆの強い流れが生じる。本発明の蓄熱装置１ｂでは、蓄熱材をカートリッジ４ａとして保持しているため、熱流体Ｆの流れに流されて蓄熱材容器２の外部に流出することを抑制することができる。また、熱交換チューブ等の熱交換部を介さず、熱流体Ｆがカートリッジ４ａの内部に直接侵入するため、熱流体Ｆと蓄熱材４１との熱交換の効率が高いという効果を奏する。
【００４５】
なお、上述した実施態様は蓄熱装置の一例を示すものである。本発明に係る蓄熱装置は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る蓄熱装置を変形してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の蓄熱装置は、工場やごみ焼却場等から発生する廃熱の有効利用することに用いられる。例えば、廃熱が発生する熱供給地において本発明の蓄熱装置を蓄熱し、熱が必要な熱需要地に蓄熱装置を輸送して放熱することに利用する。また、昼に蓄熱して、夜に放熱するというように、同一の設置場所において、廃熱が発生する時間帯に蓄熱して、熱が要求される時間帯に放熱することに利用することもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ，１ｂ…蓄熱装置、２…蓄熱材容器、３…熱交換部、４ａ，４ｂ，４ｃ…カートリッジ、４１…蓄熱材、５…保持部材、６…保温部、７…供給部、８…排出部、９…大気開放口、１０…給気口、Ｆ…熱流体、Ｆ′…熱交換後の熱流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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