(57)【要約】【課題】減圧ポンプなどを不要として単純な構成とするとともに、水の補給などを行うことなくメンテナンスを容易とする。【解決手段】少なくとも水との化学反応により発熱し脱水反応により吸熱する蓄熱材を収納した反応容器１と、発熱行程において凝縮容器２に貯溜された液体の水が反応容器１に向かって流通する第１流路10と、吸熱行程において反応容器１で発生した水蒸気が凝縮容器に向かって流通する第２流路20と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮容器と、
少なくとも水を含む液体との化学反応により発熱し脱水反応により吸熱する蓄熱材を収納した反応容器と、
該凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体が該反応容器に向かって流通する第１流路と、
該凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体を該第１流路を通じて該反応容器に供給する供給手段と、
該反応容器で発生した少なくとも水蒸気を含む気体が該凝縮容器に向かって流通する第２流路と、よりなることを特徴とするケミカルヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記凝縮容器、前記反応容器、前記第１流路及び前記第２流路からなる系全体が減圧雰囲気にある請求項１に記載のケミカルヒートポンプ装置。
【請求項３】
少なくとも水を含む前記液体は、水とアルコールとの共沸混合物である請求項１又は請求項２に記載のケミカルヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記凝縮容器は前記凝縮容器の内容物を保温する断熱手段を備える請求項１〜３のいずれかに記載のケミカルヒートポンプ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のケミカルヒートポンプ装置を用い、前記第１流路を開き前記供給手段によって前記蓄熱材に少なくとも水を含む液体を供給して化学反応による発熱で熱媒体を加熱する発熱行程と、前記第２流路を開き該熱媒体からの熱による脱水反応によって生じた少なくとも水蒸気を含む気体を凝縮させ前記凝縮容器に貯溜する吸熱行程と、を行うことを特徴とするケミカルヒートポンプ装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応による発熱と吸熱を利用したケミカルヒートポンプ装置とその使用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば特開昭59−180258号公報には、二つの密閉した槽をバルブを設けた一つの連結管で結び、一方の槽に塩化カルシウムからなる蓄熱材を入れ、他方の槽に水を入れ、系全体を脱気したケミカルヒートポンプ装置が記載されている。このケミカルヒートポンプ装置は、塩化カルシウムと水との化学反応による発熱と脱水反応による吸熱とを利用するものである。
【０００３】
このケミカルヒートポンプ装置では、内部に水蒸気以外の気体は存在せず、水蒸気が連結管を通じて蓄熱材に供給されることで発熱反応が生じ、蓄熱材を加熱することで吸熱反応によって生じた水蒸気は連結管を通じて他方の槽へ戻る。ところが水蒸気を用いた化学反応による発熱では、反応速度がきわめて遅く単位時間当たりの発熱量が少ないという不具合があった。
【０００４】
そこで例えば特開2004−003832号公報には、塩化カルシウムと水との反応による発熱と脱水反応による吸熱とを利用した化学蓄熱装置が提案されている。そして同公報には、反応容器内に収納した蓄熱材に液体の水を供給して、蓄熱材の化学反応による発熱を利用してエンジン冷却水を加温することが記載されている。このようにしたことで、化学反応速度が大きくなって単位時間当たりの発熱量が向上する。
【０００５】
また同公報には、蓄熱材を加熱して脱水反応で生成した水蒸気を外部へ排出することで、反応容器内を減圧することが記載されている。このようにしたことで、蓄熱材の脱水を短時間で効率良く行うことができ、また長期間放置しても蓄熱材の蓄熱状態を良好に維持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭59−180258号公報
【特許文献２】特開2004−003832号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが特許文献２に記載された化学蓄熱装置においては、吸熱による蓄熱時に脱水反応で生成した水蒸気を外部へ排出している。この水蒸気は元々、蓄熱材と反応した水が脱水したものであるため、次に発熱させるためには排出された不足分の水を定期的に補う必要があった。また水蒸気を排出するための減圧ポンプが使用時に必要であり、装置が大型となるという問題もある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、減圧ポンプなどを不要として単純な構成とするとともに、水の補給などを行うことなくメンテナンスを容易とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明のケミカルヒートポンプ装置の特徴は、凝縮容器と、少なくとも水を含む液体との化学反応により発熱し脱水反応により吸熱する蓄熱材を収納した反応容器と、凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体が反応容器に向かって流通する第１流路と、凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体を第１流路を通じて反応容器に供給する供給手段と、反応容器で発生した少なくとも水蒸気を含む気体が凝縮容器に向かって流通する第２流路と、よりなることにある。
【００１０】
また本発明のケミカルヒートポンプの使用方法の特徴は、本発明のケミカルヒートポンプ装置を用い、第１流路を開き供給手段によって蓄熱材に少なくとも水を含む液体を供給して化学反応による発熱で熱媒体を加熱する発熱行程と、第２流路を開き熱媒体からの熱による脱水反応によって生じた少なくとも水蒸気を含む気体を凝縮させ凝縮容器に貯溜する吸熱行程と、を行うことにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のケミカルヒートポンプ装置及びその使用方法によれば、少なくとも水を含む液体を蓄熱材に供給することで、蓄熱材は少なくとも水を含む液体との化学反応によって発熱する。この発熱を利用してエンジン冷却水などを加温することができ、エンジンの暖機あるいは車室の暖房を行うことができる。またエンジン冷却水などが十分に熱せられた状態では、脱水反応によって蓄熱材から少なくとも水蒸気を含む気体が発生し、この気体は一部又は全部が凝縮して凝縮容器に液体として貯溜される。したがって外部から少なくとも水を含む液体を補給する必要なく、密閉系で作動するので、メンテナンスが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のケミカルヒートポンプ装置において発熱行程の作動を示す説明図である。
【図２】本発明のケミカルヒートポンプ装置において吸熱行程の作動を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係るケミカルヒートポンプ装置のブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るケミカルヒートポンプ装置のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るケミカルヒートポンプ装置に用いた反応容器の断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係るケミカルヒートポンプ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１及び図２を参照しながら、本発明に係るケミカルヒートポンプ装置の作動機構を説明する。先ず図１に示す発熱行程では、凝縮容器に蓄えられた少なくとも水を含む液体が第１流路を通じて反応容器に供給される。すると反応容器内の蓄熱材が少なくとも水と反応して発熱するので、その発熱による熱エネルギーを反応容器から取り出すことができる。
【００１４】
図２に示す吸熱行程では、外部から供給される熱エネルギーによって反応容器内で少なくとも水と反応した蓄熱材が加熱される。すると脱水反応によって蓄熱材から水蒸気を含む気体が脱離して第２通路に向かい、その一部又は全部が凝縮して凝縮容器に貯溜される。一方、蓄熱材は脱水によって蓄熱状態となり、次の発熱行程に備える。
【００１５】
本発明のケミカルヒートポンプ装置に用いられる蓄熱材は、少なくとも水との化学反応により発熱し脱水反応により吸熱するものであり、塩化カルシウム（CaCl2）、酸化カルシウム（CaO）、酸化マグネシウム（MgO）、MgとNi,Co,Cu及びAlから選ばれる金属との複合酸化物、臭化カルシウム（CaBr2）、臭化リチウム（LiBr）、硫酸カルシウム（CaSO4）などが例示される。このうち塩化カルシウムなどは水やアルコールに溶解することで発熱し、酸化カルシウムなどは水酸化物となる際に発熱する。また硫酸カルシウムなどは水和反応に伴って発熱する。
【００１６】
反応容器には蓄熱材が収納され、凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体が第１流路から蓄熱材に供給される。例えば蓄熱材として塩化カルシウムを用いた場合には、少なくとも水との化学反応が急激に進行するので、蓄熱材の量に応じた量の液体と蓄熱材とをできるだけ速やかに接触させることが望ましい。このようにすることで、大きな熱エネルギーが一気に発生する。
【００１７】
このようにするには、少なくとも水を含む液体をシャワー状に吐出し液滴として表面積を大きくすることが望ましい。また蓄熱材と少なくとも水を含む液体との接触面積を高めるためには、蓄熱材は粉末状とし、各粒子の表面ができるだけ多く表出するように反応容器に収納されていることが望ましい。
【００１８】
なお吸熱行程においては、蓄熱材がケーキ状となる場合があり、そうなると深部の蓄熱材では脱水反応によって生じる気体が抜けにくくなり効率が低下する。したがって、蓄熱材がケーキ状となっても気体が抜け易い構造とすることが望ましい。
【００１９】
蓄熱材粒子の表面ができるだけ多く表出するように反応容器に収納するには、反応容器内に多孔質物質を配置しその表面に蓄熱材粉末を付着させることが好ましい。多孔質物質としては気孔が連続しているものが望ましい。連続気孔が少なくとも水を含む液体の通路となるとともに、脱水反応の際には発生した気体が第２流路へ向かう通路ともなる。多孔質物質としては各種の材質を利用できるが、発生した熱エネルギーを効率良く回収するためには熱伝導性に優れたものが望ましく、金属製の繊維集積体、パンチングメタル、金属製リボンの集積体、発泡金属などを用いることが望ましい。
【００２０】
なお本願発明者らの実験によれば、金属製リボンの集積体の一例として家庭用のステンレスたわしを蓄熱材（塩化カルシウムと水とを反応させたもの）と共に容器に入れたものと、ステンレスたわしを入れなかったものを、同時に大気中で200℃まで加熱したところ、ステンレスたわしが無い場合は約50％の水が脱水したのに対し、ステンレスたわしが共存する場合は80％以上の水が脱水したことが確認されている。すなわち連続気孔を有する多孔質物質を共存することで、脱水反応に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００２１】
例えば蓄熱材としての塩化カルシウムは、液体の水と接触することで化学反応し、その際に発熱する。また塩化カルシウムがメタノールを吸収した際の発熱量は、水の場合に比べて小さいものの発熱反応である。したがって少なくとも水を含む液体としては、水のみを用いてもよいし、アルコールあるいはアセトンと水との混合物を用いることもできる。
【００２２】
ここで、アルコールなどに水と共沸する種を選択し、水との共沸混合物を用いることが望ましい。例えばエタノールと水との混合物の沸点は、水の沸点とエタノールの沸点との間で組成割合に応じた温度となる。したがって水のみの場合に比べて沸点を低下させることができ、吸熱行程における外部からの加熱温度を低くすることができる。
【００２３】
発熱行程は、蓄熱材に少なくとも水を含む液体を接触させる固−液反応で行われるが、蓄熱材に少なくとも水蒸気を接触させる固−気反応を併用することもできる。固−気反応は固−液反応に比べて単位時間当たりの発熱量が小さくなるが、その反面、長時間発熱を続けることができるので、保温などの目的で本発明のケミカルヒートポンプ装置を用いる場合に有効である。この場合、固−液反応と固−気反応を同時に行わせてもよいし、固−気反応後に固−液反応を行わせてもよい。
【００２４】
凝縮容器は、吸熱行程で蓄熱材から脱離した蒸気を凝縮して貯溜する。この凝縮容器は、内容物を保温する断熱手段を備えることが望ましい。断熱手段によって少なくとも水を含む液体あるいは水蒸気が保温されるので、発熱行程における初期温度が高くなり発熱効率が高まる。また凝縮容器内の蒸気圧が高まるため、第１流路を流れる流速が向上するという効果もある。この断熱手段としては、凝縮容器を二重構造として空気層や真空層で断熱する方法、凝縮容器を発泡体などで覆って断熱する方法などがある。
【００２５】
反応容器は、用途に応じて断熱した方が良い場合と、断熱しない方が良い場合とに分かれる。
【００２６】
本発明のケミカルヒートポンプ装置は、第１流路と第２流路の少なくとも二つの流路によって凝縮容器と反応容器とを接続している。凝縮容器に貯溜された少なくとも水を含む液体は、第１流路を通じて反応容器に向かって流通する。液体を供給するためには、気体のように差圧で供給することは困難であるので、供給手段が必要である。この供給手段としては、凝縮容器を反応容器より高い位置に置いて重力で供給することもできるし、各種ポンプを用いることもできる。重力で供給する方法を用いれば、ポンプが不要となるので騒音の発生を抑制することができる。この第１流路も、断熱することが望ましい。
【００２７】
第２流路は、凝縮容器と反応容器との間で少なくとも水蒸気を含む気体が流通する。第２流路は気体が流通するものであり、差圧によって流通させることができるので、ポンプなどは不要とすることができる。この第２流路は、吸熱行程において蓄熱材から脱離した少なくとも水蒸気を含む気体が流通するのが主であるが、発熱行程において固−気反応を併用する場合には、発熱行程において凝縮容器から反応容器へ向かって少なくとも水蒸気を含む気体が流通することになる。この第２流路も、用途に応じて断熱した方が良い場合と、断熱しない方が良い場合とに分かれる。
【００２８】
本発明のケミカルヒートポンプ装置は、凝縮容器、反応容器、第１流路及び第２流路からなる系全体が減圧雰囲気にあることが望ましい。減圧雰囲気とすることで少なくとも水を含む液体の沸点が降下するため、共沸混合物を用いた場合と同様に、吸熱行程における加熱温度を低くすることができる。減圧の程度には特に制約が無いが、吸熱行程における加熱温度を低くするためには、真空に近い方が望ましい。
【００２９】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図３に、本実施例に係るケミカルヒートポンプ装置を示す。このケミカルヒートポンプ装置は、自動車のエンジン冷却水の加熱に用いられる。
【００３１】
このケミカルヒートポンプ装置は、反応容器１と、凝縮容器２と、第１流路10と、第２流路20とから構成され、図示しない真空ポンプによって系全体が予め−98KPa以下の減圧雰囲気とされている。反応容器１には粒状又は粉末状の塩化カルシウムからなる蓄熱材11が収納され、凝縮容器２には水21が貯溜されている。反応容器１及び凝縮容器２は、グラスウールなどの断熱材12、22で覆われている。
【００３２】
第１流路10は、凝縮容器２内の液相部分から延び、反応容器１内に配置されたノズル13に連結されている。第１流路10には、ポンプ14とバルブ15が設けられている。第２流路20は、反応容器１の気相部分と凝縮容器２の気相部分とに連通している。第２流路にはバルブ23が設けられている。
【００３３】
反応容器１内には、熱交換器３が配置され、熱交換器３にはエンジン冷却水が流通する。エンジン100とラジエータ101との間には、ウォータポンプ102によってエンジン冷却水が循環する冷却水流路103が形成されている。熱交換器３は冷却水流路103に連結され、冷却水流路103を循環するエンジン冷却水が熱交換器３を流通し蓄熱材11との間で熱エネルギーの授受が行われる。またエンジン冷却水の熱エネルギーは、暖房用のヒータコア104にも供給されている。
【００３４】
上記のように構成された本実施例に係るケミカルヒートポンプ装置の使用方法を説明する。
【００３５】
＜発熱行程＞
先ずエンジン100が始動されウォータポンプ102が駆動される。エンジン冷却水の温度が例えば35℃以下であると、バルブ15が「開」とされ、ポンプ14が駆動される。これにより凝縮器２に貯溜されている液体の水21が第１流路10を通じて反応容器１へ向かい、ノズル13から蓄熱材11に噴霧される。すると蓄熱材11は化学反応（溶解反応）により発熱し、その熱エネルギーは熱交換器３を介してエンジン冷却水に伝わる。したがってエンジン冷却水を即効で加熱することができ、エンジン始動時における出力及び燃費が向上する。またヒータコア104も即効で加温されるため、車室内を早期に暖房することができる。
【００３６】
なお反応容器１内の温度が凝縮容器２内の温度より低い場合には、バルブ23を「開」とすることで凝縮容器２内の水蒸気が第２流路20を通じて反応容器１へ流入し、それによって蓄熱材11に化学反応が生じる。水蒸気による化学反応は液体の水による化学反応に比べて反応速度が遅いので、発熱行程における発熱は液体の水による化学反応が主となる。
【００３７】
＜吸熱行程＞
エンジン始動後に暖機が完了した時点で、ポンプ14が停止されバルブ15が「閉」とされる。そしてエンジン冷却水が例えば50℃以上になると、蓄熱材11からは脱水反応によって水蒸気が発生する。すると反応容器１の内圧が高まるため、水蒸気は第２流路20を通じて凝縮容器２へ向かい、一部又は全部が凝縮して凝縮容器２に貯溜される。一方、蓄熱材11は脱水によって蓄熱状態となる。
【００３８】
エンジン停止時にはバルブ23を「閉」とする。こうすることによって蓄熱材11と水との反応が生じるのを確実に防止することができ、次の発熱行程に備える。
【実施例２】
【００３９】
図４に、本実施例に係るケミカルヒートポンプ装置を示す。このケミカルヒートポンプ装置は、自動車のエンジンオイルの加熱に用いられる。
【００４０】
このケミカルヒートポンプ装置は、反応容器１と、凝縮容器２と、第１流路10と、第２流路20とから構成され、図示しない真空ポンプによって系全体が予め−98KPa以下の減圧雰囲気とされている。反応容器１には粒状又は粉末状の硫酸カルシウムからなる蓄熱材11が収納され、凝縮容器２には水21が貯溜されている。
【００４１】
反応容器１は熱伝導性に優れた金属製のものであり、断熱材で覆われることなくオイルパン４のエンジンオイル40中に配置されている。反応容器１には、図５に示すように、２枚のパンチングメタルが互いに間隔を隔てて対向するフィン16が放射状に配置され、フィン16どうしで区画された小室に蓄熱材11が収納されている。フィン16にはそれぞれ空隙17が形成され、空隙17はパンチングメタルのパンチ穴18と連通している。
【００４２】
凝縮容器２は、断熱材で覆われていないこと以外は実施例１と同様である。また第１流路10及び第２流路20の構成も実施例１と同様である。
【００４３】
＜発熱行程＞
冬季などにおけるエンジン始動時には、エンジオイル40の温度が低いために潤滑性能が低く燃費が悪化するという不具合がある。そこで、エンジンオイル40の温度が例えば40℃以下の場合には、バルブ15が「開」とされ、ポンプ14が駆動される。これにより凝縮器２に貯溜されている液体の水21が第１流路10を通じて反応容器１へ向かい、ノズル13から蓄熱材11に噴霧される。すると蓄熱材11は化学反応（水和反応）により発熱し、その熱エネルギーによってエンジンオイル40が即効で加熱される。したがってエンジン始動時における出力及び燃費が向上する。なお所定量の水21が蓄熱材11に供給された時点で、ポンプ14が停止されバルブ15が「閉」とされる。
【００４４】
このとき、噴霧された水は、フィン16の空隙17からパンチ穴18を通じて浸透する。したがって蓄熱材11との接触面積が大きいので、単位時間当たりの発熱量が大きくエンジンオイル40を速やかに加熱することができる。
【００４５】
＜吸熱行程＞
自動車の走行中にはエンジンオイル40は高温となるので、蓄熱材11からは脱水反応によって水蒸気が発生し、第２流路20を通じて凝縮して凝縮容器２に液体の水となって貯溜される。蓄熱材11の脱水反応が完了後は、その蓄熱状態が維持される。発生した水蒸気の一部は、フィン16のパンチ穴18から空隙17へ入り、空隙17を通じて第２流路20へ向かう。したがって深部の蓄熱材11から脱水した水蒸気も抜け易くなり、蓄熱材11の蓄熱量が増大するので、次の発熱行程における発熱量が増大する。
【００４６】
なお、エンジン停止時又はエンジンオイル40の温度が低下し始めた時など適切なタイミングで、バルブ23を「閉」とする。こうすることによって蓄熱材11に水和反応が生じるのを確実に防止することができ、蓄熱量を十分に維持することができる。
【００４７】
またエンジン始動時にエンジオイル40の温度が例えば40℃などの設定温度以上であった場合には、バルブ23とバルブ15を「閉」とし、ポンプ14も駆動しない。しかしこの場合でも、エンジオイル40の温度が例えば55℃など第２の設定温度以上であった場合には、バルブ23を「開」として蓄熱材11のさらなる脱水反応を行わせることが好ましい。
【００４８】
本実施例では、フィン16の材質としてパンチングメタルを用いたが、不織布やメッシュを用いてもよく、発泡金属、焼結金属を用いることもできる。
【実施例３】
【００４９】
図６に示す本実施例のケミカルヒートポンプ装置は、凝縮容器２が断熱材22で覆われていること、蓄熱材11として実施例１と同様の塩化カルシウムを用いたこと、フィン16に代えて金属製リボンの集積体19を反応容器１内に配置したこと以外は実施例２と同様である。
【００５０】
本実施例のケミカルヒートポンプ装置によれば、凝縮容器２が断熱材22で覆われているため、凝縮容器２内の水21を水温が高い状態で保温することができる。したがって発熱行程において、蓄熱材11に実施例２に比べて高温の水を噴霧することができるので、蓄熱材11の初期温度が高くなるので発熱効率が高まる。また凝縮容器２内の蒸気圧が高くなるため、バルブ23を「閉」とすることで第１流路10を流れる流速が大きくなり、蓄熱材11に多量の水を供給することができる。これらの効果によって、単位時間当たりの発熱量が増大する。
【００５１】
そして本実施例のケミカルヒートポンプ装置によれば、反応容器１内に金属製リボンの集積体19を配置したことで、蓄熱材11と集積体19との間に空隙が生じるため、実施例２のフィン16と同様の効果が奏される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のケミカルヒートポンプ装置は、自動車、農業機械、産業機械などの原動機の始動時における即効暖機、即効冷暖房、エンジン冷却水あるいはオイルの加熱や保温、燃料電池の凍結防止などに用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１：反応容器
２：凝縮容器
３：熱交換器
４：オイルパン
10：第１流路
11：蓄熱材
20：第２流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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