(57)【要約】【課題】蓄放熱性能が経時的に低下しない蓄放熱装置を提供すること。【解決手段】  反応媒体と可逆的に反応する反応材を収納し、前記反応材と熱の授受を行う伝熱面を有する反応材収納部と、前記反応材収納部に連通し、前記反応材収納部に前記反応媒体を供給する又は前記反応材収納部から前記反応媒体を排出する反応媒体流通部と、を有し、前記反応材収納部の伝熱面は、前記反応材収納部の外側と内側との間の圧力差によって変形可能である、蓄放熱ユニット。【選択図】図１
2014088980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応媒体と可逆的に反応する反応材を収納し、前記反応材と熱の授受を行う伝熱面を有する反応材収納部と、
前記反応材収納部に連通し、前記反応材収納部に前記反応媒体を供給する又は前記反応材収納部から前記反応媒体を排出する反応媒体流通部と、
を有し、
前記反応材収納部の伝熱面は、前記反応材収納部の外側と内側との間の圧力差によって変形可能である、
蓄放熱ユニット。
【請求項２】
前記伝熱面は、金属箔によって形成される、
請求項１に記載の蓄放熱ユニット。
【請求項３】
前記反応材収納部内に、前記反応材収納部への反応媒体の供給を支持する、支持部材が配置されている、
請求項１又は２に記載の蓄放熱ユニット。
【請求項４】
前記支持部材は、金属繊維又は金属多孔質体を含んで形成される、
請求項３に記載の蓄放熱ユニット。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の蓄放熱ユニットと、
前記反応材収納部に熱的に接続される熱媒体流路と、
前記反応媒体流通部に接続される反応媒体流路と、
前記反応媒体流路に接続される凝縮器と、
前記反応媒体流路に接続され、開閉機構を介して前記凝縮器を接続される蒸発器と、
を有するケミカルヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄放熱ユニット及びケミカルヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーなどの観点から、ケミカルヒートポンプや吸着式冷凍装置を始めとする、廃熱などの熱源を回収して利用するための熱回収システムが注目されている。
【０００３】
熱回収システムは、一般的に、反応媒体と可逆的に反応する蓄熱材（以後、反応材と称する）との間で熱を交換する蓄放熱装置と、反応媒体を蒸発させる蒸発器と、反応媒体を凝縮させる凝縮器とが、開閉機構を介して接続される。また、蓄放熱装置は、一般的に、熱媒が移動する熱媒流路と、該熱媒流路と熱的に接続され、反応材を収納する反応材収納部とを有して構成される。
【０００４】
熱回収システムを使用して効率的に熱を回収するために、反応材と、熱媒流路と熱的に接続された反応材収納部の壁部とが常に密着していることが好ましい。しかしながら、反応材は、蓄熱及び放熱の過程で、膨張及び収縮するため、反応材と反応材収納部の壁部を常に密着させることが困難である。そのため、特許文献１などでは、バネ部材などの弾性材を使用して、反応材を反応材収納部の壁部に押し当てる技術が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バネ部材を使用する特許文献１の方法では、経時的使用により前述の押し当てる力が弱まるため、長期使用において蓄放熱性能が低下することがあった。
【０００６】
上記課題に対して、蓄放熱性能が経時的に低下しない蓄放熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
反応媒体と可逆的に反応する反応材を収納し、前記反応材と熱の授受を行う伝熱面を有する反応材収納部と、
前記反応材収納部に連通し、前記反応材収納部に前記反応媒体を供給する又は前記反応材収納部から前記反応媒体を排出する反応媒体流通部と、
を有し、
前記反応材収納部の伝熱面は、前記反応材収納部の外側と内側との間の圧力差によって変形可能である、
蓄放熱ユニットが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、蓄放熱性能が経時的に低下しない蓄放熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの作成方法の一例を説明するための概略図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の蓄放熱ユニットの作動例を説明するための概略図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの他の作動例を説明するための概略図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの作成方法の他の例を説明するための概略図である。
【図５】図５は、本実施形態のケミカルヒートポンプの一例の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して、本実施形態を説明する。
【００１１】
（反応材及び反応媒体）
反応材としては、反応媒体との吸脱着を可逆的に行うことができ、吸脱着の過程で固体又はゲルの形態である反応材であれば、特に限定されない。
【００１２】
反応媒体としては、例えば、水、アンモニア、メタノールなどを使用することができる。反応媒体として水を用いる場合、反応材としては、例えば、硫酸カルシウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化マンガン、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酢酸ナトリウム、炭酸ナトリウムなどを使用することができるが、本発明はこれに限定されない。反応媒体としてアンモニアを用いる場合、反応材としては、例えば、塩化マンガン、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、塩化バリウム、塩化カルシウムなどを使用することができる。反応媒体としてメタノールを使用する場合、反応材としては、例えば、塩化マグネシウムなどが挙げられる。これらの反応材は１種類を単独で使用しても良く、２種類以上を混合して使用しても良い。
【００１３】
反応材は、熱伝導性を高めるために、高熱伝導性材料を混合して使用しても良い。高熱伝導性材料としては、例えば粒状の膨張黒鉛、金属粉などが挙げられる。
【００１４】
また、上述した反応材の中には、潮解性を有する物質が含まれるが、このような反応材であっても、膨張黒鉛等と混合して含浸処理することで、蓄熱及び放熱の過程で固定の形態となるものであれば、使用することができる。
【００１５】
反応材は、ブロック状又は平板状に予め成形されたものや、粒子状のものを使用することができる。反応材の成形方法としては、特に限定されず、例えば、公知のバインダーを用いて所望の形状に成形する方法などが挙げられる。
【００１６】
反応材として粒子状のものを使用する場合、反応材の粒子径よりも開口部の径が小さい、メッシュや金属焼結体等のフィルターを使用して、粒子状の反応材を梱包し、ブロック状又は板状にして使用することが好ましい。なお、フィルターの材料としては、熱伝導性に優れた金属を使用することが好ましい。
【００１７】
（第１の実施形態の蓄放熱ユニット）
図１に、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの作成方法の一例を説明するための概略図を示す。より具体的には、図１（ａ）は、第１の実施形態の蓄放熱ユニット１００ａの反応器部１０を構成するシート状金属部材１２の概略図であり、図１（ｂ）は、第１の実施形態の蓄放熱ユニット１００の側面概略図である。
【００１８】
第１の実施形態の蓄放熱ユニット１００ａは、例えば矩形や円形である１対（２枚）のシート状金属部材１２を接合することにより形成することができる。このとき、シート状金属部材１２には、後述する反応媒体流通部に対応する例えば箔材を予め形成しておくことが好ましい。
【００１９】
シート状部材１２は、伝熱性に優れた金属を用いた箔材（金属箔）などの材料を使用することができる。金属箔の膜厚としては、限定されないが、例えばアルミニウムを使用した場合には３０〜２００μｍとすることができ、例えば銅を使用した場合には１０〜１００μｍとすることができる。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、シート状金属部材１２は、破線の外側の外縁部に沿って形成されるシール部１４と、金属部材１２の外縁部の一部に形成される反応媒体流通部１６と、反応材Ｒを収納するための反応材収納部１８と、を有する。反応材収納部１８は、本実施形態の蓄放熱装置１００ａにおいて、反応材と熱媒の間に形成される伝熱面２０に相当する。
【００２１】
反応媒体流通部１６は、後述する反応媒体流路に接続され、反応器２内部に収納される反応材Ｒへ反応媒体を供給する若しくは反応材Ｒから脱着した反応媒体を排出する。
【００２２】
金属部材１２の外縁部は全て、シール部１４又は反応媒体流通部１６により形成される。したがって、反応材収納部１８内の反応媒体の供給又は排出は、反応媒体流通部１６を介してのみ実施される。
【００２３】
１対のシート状金属部材１２のシール部１４における接合方法は、特に限定されず、拡散接合により接合しても良く、公知の接着剤を用いて接合しても良く、ろう付けなどにより接合しても良い。
【００２４】
図２に、第１の実施形態の蓄放熱ユニットの作動例を説明するための概略図を示す。より具体的には、図２は、図１（ａ）のシート状金属部材１２を２枚準備し、これらを接合することにより形成された蓄放熱ユニット１００ａのＡ−Ａ断面の概略図の一例である。
【００２５】
図２の直線は、例えば外側の圧力が内側の圧力と等しい場合における蓄放熱ユニット１００ａの様子を示す。また、図２の一点鎖線は、例えば外側の圧力が内側の圧力よりも大きい場合における蓄放熱ユニット１００ａの様子を示す。さらに、図２の二点鎖船は、例えば外側の圧力が内側の圧力よりも小さい場合における蓄放熱ユニット１００ａの様子を示す。
【００２６】
後述するように、本実施形態の蓄放熱ユニット１００ａを使用したケミカルヒートポンプの作動時（蓄熱過程及び放熱過程）においては、蓄放熱ユニット１００ａの外側の圧力が内側の圧力よりも大きくなる。この場合、伝熱面２０がシート状金属部材１２で形成されているため、圧力差により、伝熱面２０が直線の位置から一点鎖線側の位置へと変形し、伝熱面２０が反応材Ｒに押し当てられる。そのため、伝熱面２０と反応材Ｒとの間の熱抵抗が小さくなり、効率の良い熱交換性能が得られる。
【００２７】
また、本実施形態の蓄放熱ユニット１００ａは、ケミカルヒートポンプの作動時に反応材Ｒが膨張した場合においても、伝熱面２０が直線の位置から二点鎖線側の位置へと変形することができる。この変形が反応材Ｒの膨張量を吸収するため、蓄放熱ユニット１００ａ内に多くの反応材Ｒを充填することができる。
【００２８】
また、図１の変形例として、１対のシート状金属部材１２で形成される反応材収納部１８に、支持部材４０を配置しても良い。
【００２９】
図３に、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの他の作動例を説明するための概略図を示す。支持部材４０は、蓄放熱ユニット１００ａが前述の圧力差により圧縮された場合であっても、反応媒体の流路を確保する部材である。支持部材４０は、蓄放熱ユニット１００ａが前述の圧力差により圧縮された場合であっても、反応媒体の流路を確保することができれば特に限定されないが、伝熱性に優れ、弾性を有する部材を使用することが好ましい。支持部材４０の具体例としては、例えば、スチールウールなどの金属繊維又はニッケル多孔質体などの金属多孔質体などが挙げられる。
【００３０】
（第２の実施形態の蓄放熱ユニット）
図４に、本実施形態に係る蓄放熱ユニットの作成方法の他の例を説明するための概略図を示す。
【００３１】
第１の実施形態の蓄放熱ユニット１００ａは、１対のシール状金属部材１２で形成された。しかしながら、第２の実施形態の蓄放熱ユニット１００ｂは、額縁状の例えば金属板５０と、額縁状の金属板５０の外周表面から内周表面へと伸びる反応媒体流通部６０とを有する。また、蓄放熱ユニット１００ｂは、額縁状の金属板５０の内周輪郭よりも大きく、額縁状の金属板５０の厚さ方向の第１の表面５２に額縁状に接合される第１のシート状金属部材７０と、額縁状の金属板５０の内周輪郭よりも大きく、額縁状の金属板５０の厚さ方向の第２の表面５４に額縁状に接合される第２のシート状金属部材７５と、を有する。
【００３２】
本願において、「額縁状」の用語は、平面視において、平板形状の内部が取り除かれ、外側輪郭および内側輪郭を有する「枠」で構成された形状の総称を意味する。しかしながら、「額縁状」の外側輪郭及び／又は内側輪郭は、図４に示すような、矩形の形状に限られず、例えば、略台形、略円形又は略楕円形の形状であっても良い。また、「額縁状」の外側輪郭と内側輪郭は、必ずしも相似形である必要はなく、両者は、全く異なる形状であっても良い。
【００３３】
本実施形態において、反応材収納部８０は、額縁状の金属板５０の内周輪郭と、第１のシート状金属部材７０と、第２のシート状金属部材７５と形成される。また、反応材Ｒと熱媒Ｈとの間の伝熱面９０は、反応材収納部８０を形成する第１のシート状金属部材７０と第２のシート状金属部材７５とに対応する。
【００３４】
第１のシート状金属部材７０及び／又は第２のシート状金属部材７５は、伝熱性に優れた金属を用いた箔材（金属箔）などの材料を使用することができる。金属箔の膜厚としては、限定されないが、例えばアルミニウムを使用した場合には３０〜２００μｍとすることができ、例えば銅を使用した場合には１０〜１００μｍとすることができる。
【００３５】
第１のシート状金属部材７０及び第２のシート状金属部材７５の額縁状の金属板５０への接合方法は、特に限定されず、拡散接合により接合しても良く、公知の接着剤を用いて接合しても良く、ろう付けなどにより接合しても良い。
【００３６】
前述したとおり、反応媒体流通部６０は、額縁状の金属板５０の外周表面から内周表面へと伸び、反応材収納部８０内の空間への反応媒体の供給及び前記空間からの反応媒体の排気は、反応媒体流通部６０を介して実行される。
【００３７】
本実施形態の蓄放熱ユニット１００ｂにおいても、伝熱面９０がシート状金属部材７０、７５で形成されている。したがって、蓄放熱ユニット１００ｂをケミカルヒートポンプに応用した場合に、圧力差により、伝熱面９０が反応材Ｒに押し当てられる。そのため、伝熱面９０と反応材Ｒとの間の熱抵抗が小さくなり、効率の良い熱交換性能が得られる。
【００３８】
また、本実施形態の蓄放熱ユニット１００ｂは、ケミカルヒートポンプの作動時に反応材Ｒが膨張した場合においても、伝熱面９０が変形して反応材Ｒの膨張量を吸収することができるため、蓄放熱ユニット１００ｂ内に多くの反応材Ｒを充填することができる。
【００３９】
なお、第２の実施形態の蓄放熱ユニット１００ｂ内に、支持部材３０を設置しても良い。
【００４０】
（ケミカルヒートポンプ）
次に、本実施形態の蓄放熱ユニットをケミカルヒートポンプに応用した実施形態について説明する。
【００４１】
図５に、本実施形態のケミカルヒートポンプの一例の概略構成図を示す。なお、ケミカルヒートポンプとして使用する場合には、蓄放熱ユニットを更に１セット準備する。一方の蓄放熱ユニットでは凝縮器と接続することにより蓄熱過程を進行させ、もう一方の蓄放熱ユニットでは蒸発器と接続することにより放熱過程を進行させ、各々の過程がバルブなどの開閉機構により、切り替え可能な構成を有するが、図５では簡略化して示している。
【００４２】
本実施形態のケミカルヒートポンプ２００は、前述した蓄放熱ユニット１００と、蓄放熱ユニット１００の反応媒体流通部１６に接続された反応媒体流路１１０と、蓄放熱ユニット１００を収納し、内部に熱媒が通る熱媒流路１２０と、熱媒流路１００に接続された凝縮器１３０及び蒸発器１４０と、を有する。
【００４３】
反応媒体流路１００は、バルブ１２２を介して凝縮器１３０に接続され、バルブ１２４を介して蒸発器１４０に接続されている。
【００４４】
熱媒流路１２０には、一般的に複数の蓄放熱ユニット１００が配置され、この場合、各々の蓄放熱ユニット１００の反応媒体流通部１６は、反応媒体流路１１０を介して接続されている。
【００４５】
凝縮器１３０は、蓄熱過程により反応材Ｒから脱着した気体状の反応媒体を凝縮する機能を有する。一方、蒸発器１４０は、凝縮した反応媒体を、放熱過程において反応材Ｒに供給するために、蒸発させる機能を有する。
【００４６】
次に、本実施形態のケミカルヒートポンプ２００を使用した、熱回収例について説明する。なお、本実施形態では、説明のために、反応材Ｒとして硫酸カルシウムを使用し、反応媒体として水蒸気を使用した実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４７】
蓄熱過程においては、バルブ１２２を開放して、バルブ１２４を閉鎖する。この状態で、例えば工場で発生する排気を熱媒Ｈとして、熱媒流路１２０に導入することで、水和した硫酸カルシウムから、水蒸気を脱着させ、放熱過程を進行させる。硫酸カルシウムから脱着した水蒸気は、反応媒体流路１１０を通って凝縮器１３０内で凝縮される。
【００４８】
一方、放熱過程においては、バルブ１２４を開放し、バルブ１２２を閉鎖する。蒸発器１４０で蒸発した水蒸気は、反応媒体流路１１０を通って蓄放熱ユニット１００内に導入される。導入された水蒸気が硫酸カルシウムと反応することにより、放熱過程が進行する。
【００４９】
蓄熱過程及び放熱過程においては、熱媒流路１２０の内部で、かつ、蓄放熱ユニット１０の外側の領域（即ち、熱媒Ｈが存在している領域）の圧力は、一般的に大気圧とされる。一方、蓄放熱ユニット１０の内部は、真空に排気された空間に水蒸気及び硫酸カルシウムが存在する状態であるため、その圧力は、蓄放熱ユニット１０内の水蒸気圧となる。この水蒸気圧は、蓄熱過程においては、凝縮器１３０の温度における水蒸気圧に近似され、放熱過程においては、硫酸カルシウムの温度に依存する水蒸気圧に近似され、いずれの水蒸気圧も、通常大気圧未満となる。即ち、蓄放熱ユニット１０の内部と外部とでは、外部側が高圧となる圧力差が生じる。
【００５０】
本実施形態では、反応材収納部１８の外壁の一部である伝熱面２０が、金属箔などのシート状の金属部材で形成されているため、前述の圧力差により、伝熱面２０が硫酸カルシウムに押し付けられる。つまり、伝熱面２０と反応材Ｒとの間を、低い熱抵抗で接続することができる。これにより、放熱過程においては、反応材Ｒの反応媒体との反応による反応熱を、効率よく伝熱面２０に伝達して、熱媒Ｈと熱交換することができる。一方、蓄熱過程においては、熱媒Ｈから伝熱面２０に伝達された熱を、効率よく反応材Ｒへと蓄熱することができる。即ち、蓄放熱ユニットの熱入力出力特性に優れたケミカルヒートポンプを得ることができる。
【００５１】
より具体的な例として、熱媒流路１２０の内部で、かつ、蓄放熱ユニット１０の外側の領域の圧力が大気圧程度（例えば、１０１ｋＰａ）であり、反応材Ｒとして硫酸カルシウム、反応媒体として水蒸気を使用する実施形態について説明する。この実施形態の放熱過程において、硫酸カルシウムの温度を１９０度未満、水蒸気圧を９０ｋＰａ未満の条件において、優れた熱出力特性を有するケミカルヒートポンプを得ることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、蓄放熱ユニット１００を熱媒浴内に配置し、外圧をかける方法などにより、反応材Ｒの温度及び反応媒体の圧力をより高く設計することができる。即ち、蓄放熱ユニット１００内の圧力を、熱媒流路１２０の内部で、かつ、蓄放熱ユニット１０の外側の領域の圧力より低い全ての実施条件において、熱入力出力特性に優れたケミカルヒートポンプを得ることができる。
【００５２】
従来の伝熱面が固定された蓄放熱ユニットにおいては、反応材Ｒが反応媒体との反応により膨張又は収縮するため、反応材Ｒと伝熱面との接触状態が変化し、経時的には熱抵抗が増大するという問題点を有していた。しかしながら、本実施形態の蓄放熱ユニットは、伝熱面２０が金属箔などで製造されているため、前述の膨張又は収縮による反応材Ｒの体積変化に追従することができる。そのため、反応材Ｒと伝熱面２０との間の熱接続を良好にすることができる。また、本実施形態の蓄放熱ユニットは、蓄放熱ユニット内外の圧力差を利用しているため、経時的な劣化が少なく、長期的に安定した熱交換性能を得ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０        反応器部
１２        金属部材
１４        シール部
１６        反応媒体流通部
１８        反応材収納部
２０        伝熱面
３０        支持部材
５０        額縁状の金属板
５２        第１の表面
５４        第２の表面
６０        反応媒体流通部
７０        金属部材
７５        金属部材
８０        反応材収納部
９０        伝熱面
１００      蓄放熱ユニット
１１０      反応媒体流路
１２０      熱媒流路
１２２      バルブ
１２４      バルブ
１３０      凝縮器
１４０      蒸発器
２００      ケミカルヒートポンプ
Ｈ          熱媒
Ｒ          反応材
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５４】
【特許文献１】特開２００１−８２６９７号公報
【図１】
2014088980.tif 000003
【図２】
2014088980.tif 000004
【図３】
2014088980.tif 000005
【図４】
2014088980.tif 000006
【図５】
2014088980.tif 000007