(57)【要約】【課題】加工された状態における強度及び熱伝導率が高い化学蓄熱材を用いた蓄熱装置及び熱交換装置を提供すること。【解決手段】蓄熱装置1は、化学蓄熱体10と、化学蓄熱体10を収容した蓄熱体チャンバ20と、を備え、化学蓄熱体10は、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有する化学蓄熱材からなり、蓄熱体チャンバ20は、流体G1,G2を導入可能な第１ポート20aを有する。熱交換装置100は、蓄熱装置1を備え、化学蓄熱体10が熱源体である。【選択図】図１
2018054278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蓄熱体と、
前記化学蓄熱体を収容した蓄熱体チャンバと、
を備え、
前記化学蓄熱体は、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有する化学蓄熱材からなり、
前記蓄熱体チャンバは、流体を導入可能な第１ポートを有する、蓄熱装置。
【請求項２】
前記第２族元素化合物は、酸化カルシウムであり、
前記化学蓄熱材における、カルシウム原子の含有量は１３〜５９質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．４〜１１．３質量％であり、ケイ素原子の含有量は４．８〜３３．２質量％である、請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記第２族元素化合物は、酸化マグネシウムであり、
前記化学蓄熱材における、マグネシウム原子の含有量は８．３〜４６．５質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．５〜１１．９質量％であり、ケイ素原子の含有量は６．２〜３５．１質量％である、請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記蓄熱体チャンバは、前記流体を排出可能な第２ポートを有する流通式チャンバである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱体チャンバは、前記第１ポートに通じる閉鎖空間を形成している密閉式チャンバである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蓄熱装置を備え、前記化学蓄熱体が熱源体である、熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置及び熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の消費量を減少させて省エネルギ化を達成するために、工場や発電所における排熱を蓄えて利用する、蓄熱技術の開発が進められている。このような蓄熱技術としては、例えば水から氷への変化に代表されるような、物質の相転移を伴って熱を蓄える技術（潜熱蓄熱）が知られている。
【０００３】
潜熱蓄熱では、一般的に熱を蓄えておくことが可能な時間が短い傾向にある。また、潜熱蓄熱は、単位体積当たりに蓄熱可能な熱量（蓄熱密度）が低い傾向にある。従って、潜熱蓄熱では、長時間に渡る蓄熱や熱の輸送は難しい。
このような状況に鑑みて、蓄熱技術の中でも、長時間の蓄熱が可能で、且つ、蓄熱密度が高いことから、熱の輸送を容易にすることができる化学蓄熱材に注目が集まっている。
【０００４】
化学蓄熱について、より具体的に説明する。例えば、酸化カルシウム／水系の化学蓄熱であれば、化学蓄熱材中の酸化カルシウムが水和する際に発生する熱を放出することができ、逆に、酸化カルシウムが水和することで生成した水酸化カルシウムを加熱あるいは減圧して脱水することにより化学蓄熱材に蓄熱することができる。このように、化学蓄熱材を用いれば、物質の化学的変化に伴う発熱と吸熱を利用して、放熱と蓄熱を繰り返すことが可能になる。
【０００５】
化学蓄熱材は、例えば熱交換器に充填され、熱回収される。酸化カルシウム等の無機粉体を化学蓄熱材とする熱交換器（以下、熱交換型反応器とも言う）で熱回収を行う場合、化学蓄熱材は粉末状では熱伝導率が低いことから、熱交換面から離れている場所からの熱の回収が難しく、熱の回収効率が低くなってしまう傾向にある。また、粉末状の化学蓄熱材では、充填時に隙間ができてしまうこともあり、取り扱いが難しい。
【０００６】
このような問題に対して、粉末状に比べて熱伝導性が高く、取り扱いが容易なペレット状の化学蓄熱材を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱交換型反応器の熱交換効率を向上させるために、熱交換面に化学蓄熱材からなる層を形成する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２７７７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２７５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、化学蓄熱材に用いられる、酸化カルシウム等の無機粉体は、水和することで体積が増大し、逆に脱水されることにより体積が減少する。特許文献１で開示された技術では、粘土鉱物を含有させることでペレット状の化学蓄熱材の強度を向上させ、化学蓄熱材の体積の増大や減少による微粉化を防ぐことを目的としている。しかし、特許文献１で開示された技術は、ペレット状に成形した化学蓄熱材の強度を向上させる技術としては十分満足できるものではない。また、特許文献２で開示された技術では、熱交換面に形成された化学蓄熱材の強度については考慮されていない。
【０００９】
また、ペレット状に成形した化学蓄熱材は、その内部に水が浸透し難いことから、無機粉体の含有量と比べて十分な発熱性能（化学蓄熱材が投入される水の温度を上昇させる能力）を有さない場合がある。
【００１０】
このように、未だに、ペレット状等に成形等の加工された状態における、強度及び熱伝導率が高い化学蓄熱材については見出されていないのが現状である。
【００１１】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、加工された状態における強度及び熱伝導率が高い化学蓄熱材を有した蓄熱装置及び熱交換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】
【００１２】
本発明に係る蓄熱装置は、化学蓄熱体と、前記化学蓄熱体を収容した蓄熱体チャンバと、を備え、前記化学蓄熱体は、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有する化学蓄熱材からなり、前記蓄熱体チャンバは、流体を導入可能な第１ポートを有する。
【００１３】
また、前記第２族元素化合物は、酸化カルシウムであり、前記化学蓄熱材における、カルシウム原子の含有量は１３〜５９質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．４〜１１．３質量％であり、ケイ素原子の含有量は４．８〜３３．２質量％であることが好ましい。
【００１４】
また、前記第２族元素化合物は、酸化マグネシウムであり、前記化学蓄熱材における、マグネシウム原子の含有量は８．３〜４６．５質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．５〜１１．９質量％であり、ケイ素原子の含有量は６．２〜３５．１質量％であることが好ましい。
【００１５】
前記蓄熱体チャンバは、前記流体を排出可能な第２ポートを有する流通式チャンバとすることができる。
【００１６】
前記蓄熱体チャンバは、前記第１ポートに通じる閉鎖空間を形成している密閉式チャンバとすることができる。
【００１７】
本発明に係る熱交換装置は、上記の蓄熱装置を備え、前記化学蓄熱体が熱源体である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、加工された状態における強度及び熱伝導率が高い化学蓄熱材を有した蓄熱装置及び熱交換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る、蓄熱装置、及び、本発明の第１実施形態に係る、熱交換装置を示す模式断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る、蓄熱装置、及び、本発明の第２実施形態に係る、熱交換装置を示す模式断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る、蓄熱装置、及び、本発明の第３実施形態に係る、熱交換装置を示す模式断面図である。
【図４】本発明の蓄熱装置及び熱交換装置に使用可能な化学蓄熱体の一例を示す上面図であり、また、（ｂ）は、（ａ）の斜視透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の様々な実施形態について説明する。
【００２１】
＜蓄熱装置及び熱交換装置＞
図１中、符号１は、本発明の第１実施形態に係る、蓄熱装置である。蓄熱装置１は、後述するように、本発明の第１実施形態に係る、熱交換装置１００としても、機能させることができる。
【００２２】
符号１０は、化学蓄熱体である。化学蓄熱体１０は、水分子Ｈ２Ｏと反応して発熱し、反応終了後は、加熱あるいは減圧により水分子Ｈ２Ｏを分離することで発熱性能が復元される、可逆的な操作が可能な化学蓄熱材からなる。前記化学蓄熱材は、後述するように、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有する。
【００２３】
符号２０は、化学蓄熱体１０を収容した蓄熱体チャンバである。本実施形態では、蓄熱体チャンバ２０は、内部通路を有する筒状部材２１と、筒状部材２１の内部通路内に配置されて互いに筒状部材２１の軸方向に間隔を置いて配置される、２つの隔壁２２とで構成されている。２つの隔壁２２はそれぞれ、金属メッシュ等の通気性を有する部材で構成されている。本実施形態では、筒状部材２１及び２つの隔壁２２で構成された蓄熱体チャンバ２０に、複数の化学蓄熱体１０が充填されている。
【００２４】
蓄熱体チャンバ２０は、流体を導入可能な第１ポート２０ａを有している。本実施形態では、第１ポート２０ａは、筒状部材２１の一部（筒状部材２１の一方の端部）として構成されている。前記流体としては、化学蓄熱体１０（前記化学蓄熱材）を熱反応させる第１流体（水分子Ｈ２Ｏを含む気体、例えば、水蒸気）Ｇ１の他、化学蓄熱体１０（前記化学蓄熱材）からの熱量（反応熱）によって、実際に熱交換（加熱）が行われる第２流体（例えば、室内や室外等の空気やドライエア）Ｇ２が挙げられる。蓄熱体チャンバ２０への第１流体Ｇ１又は第２流体Ｇ２の導入（供給）の切換えは、例えば、切換弁によって行うことができる。
【００２５】
更に、本実施形態では、蓄熱体チャンバ２０は、前記流体を排出可能な第２ポート２０ｂを有する流通式チャンバである。本実施形態では、第２ポート２０ｂは、筒状部材２１の一部（筒状部材２１の他方の端部）として構成されている。第２ポート２０ｂは、化学蓄熱体１０を通過して熱交換が行われた第１流体Ｇ１又は第２流体Ｇ２を、熱交換された流体Ｇ３として排出することができる。
【００２６】
次に、本実施形態に係る蓄熱装置１及び熱交換装置１００の動作について説明する。
【００２７】
［放熱モード］
本実施形態に係る蓄熱装置１では先ず、第１ポート２０ａから蓄熱体チャンバ２０に第１流体Ｇ１を供給する。第１流体Ｇ１は、水分子Ｈ２Ｏを含む気体である。第１流体Ｇ１の温度は、高温でも低温でもよい。第１流体Ｇ１には、例えば、工場のスチーム等の水蒸気が挙げられる。第１流体Ｇ１が第１ポート２０ａから蓄熱体チャンバ２０に導入されると、化学蓄熱体１０を構成する化学蓄熱材が第１流体Ｇ１によって反応を開始する。
【００２８】
第１流体Ｇ１は、例えば、化学蓄熱体１０での反応が臨界（ここでは、「化学蓄熱体１０での放熱が最大となるとき」をいう。）に達するのに必要な水分子Ｈ２０が化学蓄熱体１０に供給されるまで、供給する。本実施形態では、第１流体Ｇ１は、第１流体Ｇ１の供給開始から所定時間ｔ１まで供給される。本実施形態では、所定時間ｔ１は、化学蓄熱体１０での反応が臨界に達するまでに必要な第１流体Ｇ１の供給に要する時間である。所定時間ｔ１は、化学蓄熱体１０及び第１流体Ｇ１の種類や量等によって、予め求めることができる。なお、第１流体Ｇ１の供給時間は、所定時間ｔ１より長くすることができ、或いは、所定時間ｔ１よりも短くすることもできる。
【００２９】
所定時間ｔ１が経過した後は、第１流体Ｇ１の供給を停止し、化学蓄熱体１０での反応を継続させる。第１ポート２０ａからの新たな流体の供給は、例えば、化学蓄熱体１０での反応が臨界に達するまで、停止される。本実施形態では、第１ポート２０ａからの新たな流体の供給は、例えば、化学蓄熱体１０の温度、具体的には、蓄熱体チャンバ２０内の温度を温度計や温度センサ等の温度検出手段を用いて検出し、当該温度が所定温度、例えば、蓄熱体チャンバ２０内の温度が臨界点に達したときの温度となるまで、停止される。但し、第１ポート２０ａから新たな流体を供給するタイミングは、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、第１ポート２０ａからの新たな流体の供給は、所定時間ｔ１と無関係に行うことができる。
【００３０】
前記所定温度に達した後、本実施形態に係る蓄熱装置１では、第１ポート２０ａから蓄熱体チャンバ２０に第２流体Ｇ２を供給する。第１流体Ｇ１及び第２流体Ｇ２の切換は、例えば、切換弁によって行うことができる。これにより、第２流体Ｇ２は、化学蓄熱体１０を通過して熱交換された、流体Ｇ３として排出される。
【００３１】
このように、本実施形態に係る蓄熱装置１は、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１により、化学蓄熱体１０での反応が開始されることで、当該化学蓄熱体１０が、熱源体として発熱する。このため、蓄熱装置１では、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１を第２流体Ｇ２に切り換えれば、第２ポート２０ｂから排出される第２流体Ｇ２を、化学蓄熱体１０によって熱交換された流体Ｇ３として使用することができる。即ち、化学蓄熱装置１は、化学蓄熱体１０を熱源体とする熱交換装置１００としても機能する。更に、本実施形態に係る蓄熱装置１では、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１を第２流体Ｇ２に換えることなく、第１流体Ｇ１を第１ポート２０ａに供給し続けることも可能である。この場合、第２ポート２０ｂから排出される第１流体Ｇ１を、化学蓄熱体１０によって熱交換された流体Ｇ３として使用することができる。
【００３２】
［蓄熱モード］
本実施形態に係る蓄熱装置１では、反応終了後の化学蓄熱体１０を加熱あるいは減圧し、脱水することで、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。化学蓄熱体１０の加熱は、例えば、電気エネルギが熱エネルギに変換される電熱線や電気炉等を利用して化学蓄熱体１０を加熱することにより行い、或いは、高温ガスを蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａ及び第２ポート２０ｂのいずれか一方に導入して化学蓄熱体１０を加熱することにより行う。化学蓄熱体１０の減圧は、例えば、蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａ及び第２ポート２０ｂのいずれか一方を密封し、他方の第１ポート２０ａ又は第２ポート２０ｂから蓄熱体チャンバ２０内の空気を吸引することにより行う。これにより、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。
【００３３】
上述のように、本実施形態に係る蓄熱装置１は、放熱及び蓄熱の可逆的な操作が可能な蓄熱装置となると共に、第１ポート２０ａからの流体（Ｇ１及び／又はＧ２）に熱を与えて、当該流体（Ｇ１及び／又はＧ２）を熱交換された流体Ｇ３として排出する熱交換装置１００としても機能させることができる。
【００３４】
次いで、図２中、符号２００は、本発明の第２実施形態に係る、熱交換装置である。熱交換装置２００は、図１と同じ蓄熱装置１を有し、化学蓄熱体１０が熱源体である。以下の説明において、図１の蓄熱装置１と実質的に同一の部分は、同一の符号を持ってその説明を省略する。
【００３５】
本実施形態に係る、熱交換装置２００は、第１流体Ｇ１を導入可能な入口ポートＰ１と、流体Ｇ３を排出可能な出口ポートＰ２と、第１流体Ｇ２を導入可能な他の入口ポートＰ３と、化学蓄熱体１０と、第１ポート２０ａと第２ポート２０ｂとを有して化学蓄熱体１０を収容した蓄熱体チャンバ２０と、第２ポート２０ｂを開閉する開閉弁Ｖ１と、導入口３０ａを有して蓄熱体チャンバ２０を内蔵した加熱チャンバ３０と、前記流体（Ｇ１）を加熱チャンバ３０の導入口３０ａ及び蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａの少なくともいずれか一方に導入する分配機構Ｄと、を備えている。
【００３６】
本実施形態では、加熱チャンバ３０は、蓄熱体チャンバ２０との間に形成された空間となっており、当該空間には、導入口３０ａを通して予熱用の流体を供給することができる。分配機構Ｄは、第１流体Ｇ１が導入される入口ポートＰ１と、入口ポートＰ１と加熱チャンバ３０の導入口３０ａとを連通させた加熱チャンバ側経路Ｒ１と、入口ポートＰ１と蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａとを連通させた蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２と、加熱チャンバ側経路Ｒ１及び蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２を開閉する少なくとも１つの切替弁（Ｖ２，Ｖ３）と、を備えている。
【００３７】
本実施形態では、分配機構Ｄにおける、少なくとも１つの前記切替弁は、加熱チャンバ側経路Ｒ１に有する開閉弁Ｖ２と、蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２に有する開閉弁Ｖ３との、２つの切替弁である。開閉弁Ｖ２は、加熱チャンバ側経路Ｒ１を開閉し、開閉弁Ｖ３は、蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２を開閉する。加熱チャンバ側経路Ｒ１及び蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２にそれぞれ、開閉弁Ｖ２又は開閉弁Ｖ３を設けたことにより、加熱チャンバ側経路Ｒ１からの第１流体Ｇ１の供給と、蓄熱体チャンバ側経路Ｒ２からの第１流体Ｇ１の供給とを、それぞれ、独立して制御することができる。
【００３８】
なお、前記分配機構Ｄにおける、少なくとも１つの前記切替弁は、１つの電気制御弁とすることも可能である。こうした電気制御弁としては、例えば、１つの入力ポートと、２つの出力ポートと、電磁ソレノイド等により電気制御可能な１つのプランジャとを備えるものが挙げられる。前記電気制御弁は、プランジャを動作させることにより、前記入力ポートから２つの前記出力ポートへの経路を切換可能にすると共に前記入力ポートから２つの前記出力ポートへの経路を閉じることができる。符号Ｖ４は、入口ポートＰ１を開閉する開閉弁である。開閉弁Ｖ４は、分配機構Ｄに補助的に設けられた任意の切換弁である。本実施形態では、開閉弁Ｖ４は、分配機構Ｄに対して任意に設けることができ、本実施形態では、フェールセーフ用の切換弁として機能している。
【００３９】
本実施形態に係る、熱交換装置２００は、掃気媒体が導入される他の入口ポートＰ３を有して蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａに接続された掃気媒体経路Ｒ３を備えている。本実施形態では、前記掃気媒体は、第２流体Ｇ２である。
【００４０】
本実施形態では、掃気媒体経路Ｒ３は、脱炭酸装置４０を有している。脱炭酸装置４０では、化学吸着法やリチウムシリケート等を用いた脱炭酸処理が行われ、二酸化炭素ＣＯ２が前記掃気媒体から除去される。前記掃気媒体に含まれる二酸化炭素ＣＯ２が除去されると、例えば、二酸化炭素ＣＯ２が化学蓄熱材に含まれる酸化カルシウムＣａＯと結び付くことで、炭酸カルシウムＣａＣＯ３に変化し、化学蓄熱体１０を加熱しても、発熱性能を完全に復元できなくなるような現象が抑制される。
【００４１】
本実施形態では、掃気媒体経路Ｒ３は、脱炭酸装置４０と蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａとの間に開閉弁Ｖ５を有している。開閉弁Ｖ５は、脱炭酸装置４０と第１ポート２０ａとの間で掃気媒体経路Ｒ３を開閉する。
【００４２】
加熱チャンバ３０は、蓄熱体チャンバ２０を予熱するためのチャンバである。本実施形態では、例えば、工場内のスチームを第１流体Ｇ１として、入口ポートＰ１から導入口３０ａを経て加熱チャンバ３０に導入することで加熱チャンバ３０を加熱し、当該加熱チャンバ３０により、蓄熱体チャンバ２０を予熱する。これにより、蓄熱体チャンバ２０にも供給された第１流体Ｇ１に含まれる水分子Ｈ２Ｏが、蓄熱体チャンバ２０の温度が低いことにより当該蓄熱体チャンバ２０内で液化することにより生じる、化学蓄熱体１０の発熱性能の低下を抑制することができる。
【００４３】
更に本実施形態では、加熱チャンバ３０は、ドレインポートＰ４を有している。ドレインポートＰ４は、加熱チャンバ３０に連通し、当該加熱チャンバ３０内に溜まった過度の第１流体Ｇ１を外部に放出させる。本実施形態では、ドレインポートＰ４は、ドレイン室５０に連通している。これにより、加熱チャンバ３０内に溜まった過度の第１流体Ｇ１を液化させて廃棄又は回収することができる。
【００４４】
更に、本実施形態では、ドレインポートＰ４は、開閉弁Ｖ６を有している。本実施形態では、開閉弁Ｖ６を閉じることにより、加熱チャンバ３０からの第１流体の放出を停止させると共に、加熱チャンバ３０内の温度を維持することができる。
【００４５】
次に、本実施形態に係る熱交換装置２００の動作について説明する。
【００４６】
［放熱モード］
本実施形態に係る熱交換装置２００では先ず、工場のスチームが、開閉弁Ｖ４及びＶ２を開くことで、第１流体Ｇ１として加熱チャンバ３０に供給される。このとき、ドレインポートＰ４の開閉弁Ｖ６以外の、開閉弁Ｖ１、Ｖ３及びＶ５は閉じられた状態にある。これにより、加熱チャンバ３０が第１流体Ｇ１によって加熱され、蓄熱装置１の蓄熱体チャンバ２０を予熱する。
【００４７】
次いで、蓄熱体チャンバ２０の予熱が完了すると、開閉弁Ｖ１及びＶ３を開くことで、蓄熱体チャンバ２０内に第１流体Ｇ１を供給し、化学蓄熱体１０での反応が開始される。開閉弁Ｖ１及びＶ３を開くタイミングは、例えば、蓄熱体チャンバ２０内の温度検出手段を基に制御する。
【００４８】
開閉弁Ｖ３は、例えば、化学蓄熱体１０での反応が臨界に達するのに必要な水分子Ｈ２０が化学蓄熱体１０に供給されるまで、開かれる。本実施形態では、開閉弁Ｖ３は、当該開閉弁Ｖ３を開いて蓄熱体チャンバ２０に対して第１流体Ｇ１の供給を開始してから所定時間ｔ１まで供給される。
【００４９】
一方、例えば、蓄熱体チャンバ２０の温度が所定温度に達すると、開閉弁Ｖ３を閉じる一方、開閉弁Ｖ５を開くことで、第１ポート２０ａから蓄熱体チャンバ２０に第２流体Ｇ２を供給する。これにより、第２流体Ｇ２は、第２ポート２０ｂから熱交換装置２００の出口ポートＰ２を通し、化学蓄熱体１０を通過して熱交換された、流体Ｇ３として排出される。
【００５０】
このように、本実施形態に係る熱交換装置２００では、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１により、化学蓄熱体１０での反応が開始されることで、当該化学蓄熱体１０が、熱源体として発熱する。このため、熱交換装置２００では、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１を第２流体Ｇ２に切り換えることにより、第２ポート２０ｂから排出される第２流体Ｇ２を、化学蓄熱体１０によって熱交換された流体Ｇ３として使用することができる。更に、本実施形態に係る熱交換装置２００では、第１ポート２０ａから供給される第１流体Ｇ１を第２流体Ｇ２に換えることなく、第１流体Ｇ１を第１ポート２０ａに供給し続けることも可能である。この場合、第２ポート２０ｂから排出される第１流体Ｇ１を、化学蓄熱体１０によって熱交換された流体Ｇ３として使用することができる。
【００５１】
［蓄熱モード］
本実施形態に係る熱交換装置２００では、反応終了後の化学蓄熱体１０を加熱あるいは減圧することで、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。本実施形態では、化学蓄熱体１０の加熱は、例えば、少なくとも、開閉弁Ｖ１、Ｖ３及びＶ４又は開閉弁Ｖ１及びＶ５を開いて、熱交換装置２００の出口ポートＰ２から、蓄熱体チャンバ２０の第２ポート２０ｂに高温のガスを導入して化学蓄熱体１０を加熱することにより行うことができる。あるいは、化学蓄熱体１０の減圧は、例えば、開閉弁Ｖ１を開いて開閉弁Ｖ３若しくは開閉弁Ｖ５を閉じ、又は、開閉弁Ｖ３若しくは開閉弁Ｖ５を開いて開閉弁Ｖ１を閉じることにより、蓄熱体チャンバ２０の第１ポート２０ａ及び第２ポート２０ｂのいずれか一方を密封し、ポートＰ１〜Ｐ３のいずれかを経て、他方の第１ポート２０ａ又は第２ポート２０ｂから蓄熱体チャンバ２０内の空気を吸引することにより行うことができる。これにより、反応終了後の化学蓄熱体１０を加熱あるいは減圧し、脱水することで、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。
【００５２】
上述のように、本実施形態に係る熱交換装置２００は、第１ポート２０ａからの流体（Ｇ１及び／又はＧ２）に熱を与えて、当該流体（Ｇ１及び／又はＧ２）を熱交換された流体Ｇ３として排出することができる。
【００５３】
更に、図３中、符号３００は、本発明の第３実施形態に係る、熱交換装置である。熱交換装置３００では、熱源体は、本発明の第２実施形態に係る、蓄熱装置２である。以下の説明において、図１の蓄熱装置１と実質的に同一の部分は、同一の符号を持ってその説明を省略する。
【００５４】
図３中、符号６０は、化学蓄熱体１０を収容した蓄熱体チャンバである。蓄熱体チャンバ６０は、流体を導入可能な第１ポート６０ａを有している。本実施形態では、第１ポート６０ａは、開閉弁Ｖ７を有し、当該開閉弁Ｖ７を介してスチームタンク７０に連通している。これにより、開閉弁Ｖ７を開くことにより、スチームタンク７０からのスチームが、第１流体Ｇ１として蓄熱体チャンバ６０に供給されるようになっている。
【００５５】
蓄熱体チャンバ６０は、第１ポート６０ａに通じる閉鎖空間を形成している密閉式チャンバである。本実施形態に係る蓄熱装置２は、化学蓄熱体１０、第１ポート６０ａを有する蓄熱体チャンバ６０を備えている。
【００５６】
一方、熱交換装置３００は、開閉弁Ｖ７、スチームタンク７０、蓄熱装置２及び熱交換用回路８０を備えている。本実施形態では、熱交換用回路８０は、蓄熱体チャンバ６０内に配置されている。熱交換用回路８０は、熱交換を要する第２流体Ｇ２が導入される第１ポート８０ａと、当該流体が化学蓄熱体１０によって熱交換された流体Ｇ３として排出される第２ポート８０ｂとを有している。熱交換用回路８０は、蓄熱体チャンバ６０内の空間には通じていない。本実施形態では、熱交換用回路８０に供給される第２流体Ｇ２として、気体や液体を用いることができる。
【００５７】
次に、本実施形態に係る熱交換装置３００の動作について、蓄熱装置２の動作と共に説明する。
【００５８】
［放熱モード］
本実施形態に係る熱交換装置３００では先ず、開閉弁Ｖ７を開いて、蓄熱装置２の第１ポート６０ａから蓄熱体チャンバ６０に第１流体Ｇ１を供給する。第１流体Ｇ１が蓄熱体チャンバ６０に導入されると、第１流体Ｇ１によって、化学蓄熱体１０での反応が開始される。本実施形態では、開閉弁Ｖ７は、化学蓄熱体１０での反応が臨界に達するあたりで閉じてもよいし、そのまま、開いたままでもよい。
【００５９】
次いで、熱交換用回路８０に第２流体Ｇ２を流通させると、第２流体Ｇ２は、熱交換用回路８０を介して熱交換された、流体Ｇ３として排出される。
【００６０】
［蓄熱モード］
本実施形態に係る熱交換装置３００では、蓄熱装置２に収容された、反応終了後の化学蓄熱体１０を加熱し、脱水することで、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。化学蓄熱体１０の加熱は、例えば、蓄熱体チャンバ６０に設けられた電熱線や電気炉等を利用して行う。或いは、化学蓄熱体１０の加熱は、高温のガスや高温の液体を熱交換用回路８０の第１ポート８０ａ及び第２ポート８０ｂのいずれか一方に導入して化学蓄熱体１０を加熱することにより行うこともできる。また、前記発熱性能の復元は、例えば、第１ポート６０ａから蓄熱体６０を減圧することでも行うことができる。これにより、化学蓄熱体１０の発熱性能が復元される。
【００６１】
＜化学蓄熱材＞
上述した、各実施形態に用いることが可能な化学蓄熱材は、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有する。
【００６２】
上記化学蓄熱材の含有する第２族元素化合物は、可逆的な化学反応を行うことができるものであれば特に限定されない。第２族元素化合物とは、第２族元素である、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムから選択されるいずれかの金属を含む化合物である。第２族元素化合物としては、水和することによって発熱し、水和した後に、逆に脱水することによって蓄熱するものであることが好ましい。
水和することによって発熱し、水和した後に、逆に脱水することによって蓄熱する第２族元素化合物としては、表１に記載した化合物を例示することができる。表１の「蓄熱操作温度」は、示された化合物が発熱反応している際の温度であり、「蓄熱密度」は、示された化合物の単位体積当たりの放出される熱エネルギ量である。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
表１に挙げた第２族元素化合物の中でも、蓄熱操作温度及び蓄熱密度が高いことから、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムのうち少なくとも一方を化学蓄熱材に含有させることが好ましい。また、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムは、安価に入手することが可能である。また、酸化ストロンチウム及び酸化バリウムも、第２族元素化合物として好ましく用いることができる。
【００６５】
化学蓄熱材の含有するホウ素化合物は、後述する化学蓄熱材形成用組成物の含有するホウ素含有化合物に由来する酸化ホウ素等である。化学蓄熱材は、ホウ素化合物を含有することによって、ペレット状に成形された状態における強度が向上する。化学蓄熱材がホウ素化合物を含有することによる、強度が向上する理由は必ずしも明らかではないが、後述のシリコーンポリマーにホウ素原子が含有されることによって、シリコーンポリマーの融点が下がって伸縮しやすくなる（柔軟性が増す）ことに因ると考えられる。
【００６６】
化学蓄熱材の含有するシリコーンポリマーは、後述する化学蓄熱材形成用組成物の含有する、アルコキシシラン、その加水分解物及びその縮合物からなる群より選択される少なくとも一種（以下、アルコキシシラン等と言う場合がある）が縮合したシリコーンポリマーである。アルコキシシラン等が縮合したシリコーンポリマーは、後述する焼成工程で、ケイ素に結合したアルコキシ基が全て脱離した構造になるのが好ましい。シリコーンポリマーは、緻密な三次元構造を形成しており、化学蓄熱材が崩壊するのを防ぐ。また、シリコーンポリマーは、緻密な三次元構造の内部に第２族元素化合物を保持することができる。
【００６７】
シリコーンポリマーとしては、トリエトキシシラン及びテトラエトキシシランの少なくとも一方、その加水分解物及びその縮合物からなる群より選択される少なくとも一種が縮合したシリコーンポリマーが、より緻密な三次元構造を形成することができることから好ましい。
また、化学蓄熱材におけるシリコーンポリマーの含有量は、１２〜８３質量％であることが好ましい。化学蓄熱材におけるシリコーンポリマーの含有量が、１２質量％未満であると、化学蓄熱材が崩壊しやすくなってしまう傾向にあり、８３質量％よりも多いと、化学蓄熱材の放出できる熱量が少なくなってしまう傾向にある。
【００６８】
第２族元素化合物が酸化カルシウムの場合には、化学蓄熱材における、カルシウム原子の含有量は１３〜５９質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．４〜１１．３質量％であり、ケイ素原子の含有量は４．８〜３３．２質量％であることが好ましい。化学蓄熱材の含有する、カルシウム原子は酸化カルシウムに、ホウ素原子はホウ素化合物に、ケイ素原子はシリコーンポリマーに、それぞれ由来する。
【００６９】
化学蓄熱材におけるカルシウム原子の含有量が、１３質量％未満である場合には、酸化カルシウムが少ないことから化学蓄熱材の放出できる熱量が少なくなってしまう傾向にある。化学蓄熱材におけるカルシウム原子の含有量が、５９質量％よりも多い場合には、シリコーンポリマーが少なくなることから化学蓄熱材が崩壊しやすくなってしまう傾向にある。
【００７０】
化学蓄熱材におけるホウ素原子の含有量が、０．４質量％未満である場合には、化学蓄熱材の強度が低下してしまう傾向にある。化学蓄熱材におけるホウ素原子の含有量が、１１．３質量％よりも多い場合には、シリコーンポリマーが少なくなることによって化学蓄熱材が崩壊しやすくなってしまう傾向にある。
【００７１】
化学蓄熱材におけるケイ素原子の含有量が、４．８質量％未満である場合には、シリコーンポリマーが少ないことから化学蓄熱材が崩壊しやすくなってしまう傾向にある。化学蓄熱材におけるケイ素原子の含有量が、３３．２質量％よりも多い場合には、酸化カルシウムが少なくなってしまうことによって、化学蓄熱材の放出できる熱量が少なくなってしまう傾向にある。
【００７２】
第２族元素化合物が酸化カルシウムである場合と同様の理由によって、第２族元素化合物が酸化ベリリウムの場合には、化学蓄熱材における、ベリリウム原子の含有量は３．２〜２４．４質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．７〜１２．６質量％であり、ケイ素原子の含有量は８．７〜３７．１質量％であることが好ましい。
【００７３】
また、同様の理由によって、第２族元素化合物が酸化マグネシウムの場合には、化学蓄熱材における、マグネシウム原子の含有量は８．３〜４６．５質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．５〜１１．９質量％であり、ケイ素原子の含有量は６．２〜３５．１質量％であることが好ましい。
【００７４】
また、同様の理由によって、第２族元素化合物が酸化ストロンチウムの場合には、化学蓄熱材における、ストロンチウム原子の含有量は２４．５〜７５．８質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．２〜９．８質量％であり、ケイ素原子の含有量は２．８〜２８．６質量％であることが好ましい。
【００７５】
また、同様の理由によって、第２族元素化合物が酸化バリウムの場合には、化学蓄熱材における、バリウム原子の含有量は３３．７〜８３．１質量％であり、ホウ素原子の含有量は０．２〜８．６質量％であり、ケイ素原子の含有量は２．０〜２５．０質量％であることが好ましい。
【００７６】
このように、第２族元素化合物がそれぞれ酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム及び酸化バリウムである場合における、各成分の好ましい質量換算での含有量は異なる。しかし、これらを物質量換算での含有量とすると、同等の値になる。また、第２元素化合物として、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム及び酸化バリウムから二種類以上を選択して併用してもよい。
【００７７】
なお、化学蓄熱材における、これらの原子（Ｃａ等、Ｂ、Ｓｉ及びＯ）の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）等による組成分析により求めることができる。
化学蓄熱材は、必要に応じて第２族元素化合物、ホウ素化合物及びシリコーンポリマー以外の成分を含有してもよい。
【００７８】
化学蓄熱材は、後述する化学蓄熱材形成用組成物を原料にして形成されることで、多孔質材料となる。
また、化学蓄熱材は、後述する化学蓄熱材形成用組成物を原料にして、任意の形状に加工することが可能である。化学蓄熱材から放出された熱は、例えば、熱交換された流体Ｇ３または前記熱交換装置によって外部に移動させて使用することができる。
【００７９】
続いて、化学蓄熱材の動作について説明する。化学蓄熱材は、発熱と、蓄熱と、を繰り返すことができる。
まず、化学蓄熱材からの発熱が行われる発熱工程においては、化学蓄熱材に水蒸気を接触させる。この際には、化学蓄熱材の含有する酸化カルシウム等の第２族元素化合物のモル量の１．２倍以下のモル量の水（水蒸気）を接触させるのが好ましい。化学蓄熱材に接触した水は、化学蓄熱材に形成された細孔内に浸透して、化学蓄熱材の内部でも良好に熱が発生する。化学蓄熱材に接触させる水が多すぎる場合、水そのものが熱量を消費し、トータルの発熱量を落としてしまう。化学蓄熱材から発生した熱は、前記熱交換装置の熱媒体等によって回収される。化学蓄熱材に水蒸気を接触させる方法は限定されず、化学蓄熱材への水蒸気の通気、化学蓄熱材の液体水への浸漬、化学蓄熱材への液体水の添加（滴下、散布等）のいずれであってもよい。なかでも、化学蓄熱材へ均一に接触させやすいことから、水蒸気の通気によって化学蓄熱材に水蒸気を接触させることが好ましい。
【００８０】
一方、化学蓄熱材への蓄熱が行われる蓄熱工程においては、酸化カルシウム等が水和することによって生成する水酸化カルシウム等の第２族元素化合物を含有する化学蓄熱材を加熱する。化学蓄熱材が加熱されることで、化学蓄熱材中の第２族元素化合物の水酸化物は脱水されて、発熱工程前の状態（例えば、酸化カルシウム）に戻る。蓄熱工程において発生する水蒸気は、必要に応じて回収される。
【００８１】
発熱工程においては、化学蓄熱材の体積は増大する。より具体的には、化学蓄熱材中の第２族元素化合物の体積は、化学蓄熱材が水和して発熱することで約２０％増大する。逆に、蓄熱工程においては、化学蓄熱材中の第２族元素化合物は脱水して蓄熱することに伴って体積が減少する。化学蓄熱材の体積の増大と減少の繰り返しは、所望の形状に形成された化学蓄熱材が崩壊して微粉化してしまう原因になる。
上述した、各実施形態に用いることが可能な化学蓄熱材は、多孔質であるので、それ自体が、体積の増大と減少によって生じる形状の歪を吸収することができる。また、本実施形態に係る化学蓄熱材は、ホウ素化合物を含有することで柔軟性が増すと考えられる。従って、上述した、各実施形態に用いることが可能な化学蓄熱材は、発熱と蓄熱を繰り返しても崩壊し難く、強度が高い。
【００８２】
＜化学蓄熱材形成用組成物＞
上述した、各実施形態に用いることが可能な化学蓄熱材を形成するための、化学蓄熱材形成用組成物は、第２族元素化合物と、ホウ素含有化合物と、アルコキシシラン、その加水分解物及びその縮合物からなる群より選択される少なくとも一種と、樹脂と、を含有する。上述した、各実施形態に用いることが可能な化学蓄熱材形成用組成物を用いて、上記の化学蓄熱材が形成される。
【００８３】
化学蓄熱材形成用組成物の含有する第２族元素化合物は、上記の化学蓄熱材の含有する第２族元素化合物と同様である。
しかし、化学蓄熱材形成用組成物の含有する第２族元素化合物は、水和した第２族元素化合物を用いることが好ましい。化学蓄熱材形成用組成物に水和した第２族元素化合物を含有させれば、後述する化学蓄熱材の形成における焼成工程において、第２族元素化合物は脱水して体積が減少する。従って、このように、水和した第２族元素化合物を含有させた化学蓄熱材形成用組成物を用いて形成した化学蓄熱材であれば、体積が膨張したとしても歪は生じ難いので、崩壊し難くなる傾向にある。化学蓄熱材形成用組成物の含有する第２族元素化合物としては、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム及び水酸化バリウム等が挙げられる。
【００８４】
特に、化学蓄熱材形成用組成物は、第２族元素化合物として、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムのうち少なくとも一方を含有することがより好ましい。水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムは、表１に示すように、蓄熱操作温度及び蓄熱密度が高い。
【００８５】
また、化学蓄熱材形成用組成物は、ホウ素含有化合物として、ホウ酸、トリアルキルボレート及びトリアリールボレートからなる群より選択される少なくとも一種を含有することが好ましい。化学蓄熱材形成用組成物がこれらのホウ素含有化合物を含有することで、化学蓄熱材におけるシリコーンポリマーの柔軟性が向上する。化学蓄熱材形成用組成物は、ホウ素含有化合物として、トリアルキルボレートを含有することがより好ましい。トリアルキルボレートとしては、トリメチルボレートやトリエチルボレートが挙げられる。トリアルキルボレートは、後述のアルコキシシラン等との反応性が高く、化学蓄熱材においてシリコーンポリマーの柔軟性を向上させる。化学蓄熱材においてシリコーンポリマーの柔軟性を向上することで、加工された状態における化学蓄熱材の強度が向上すると考えられる。
【００８６】
化学蓄熱材形成用組成物の含有するアルコキシシラン、その加水分解物及びその縮合物からなる群より選択される少なくとも一種は、化学蓄熱材においてシリコーンポリマーとなり、緻密な三次元構造を形成する。
アルコキシシラン等としては、例えば、テトラアルコキシシラン、アルキルトリアルコキシシラン、ジアルキルアルコキシシラン、及びこれらの部分縮合物等を挙げることができる。より具体的には、テトラアルキルシランの部分縮合物としては、ＭＫＣシリケートＭＳ５１（三菱化学株式会社製テトラアルコキシシランの縮合物）、エチルシリケート４０（コルコート株式会社製テトラエトキシシランの縮合物）等を挙げることができる。
【００８７】
化学蓄熱材形成用組成物の含有するアルコキシシラン等としては、シリコーンポリマーが緻密な三次元構造を形成することができることから、トリエトキシシラン及びテトラエトキシシランの少なくとも一方、その加水分解物及びその縮合物からなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。
【００８８】
化学蓄熱材形成用組成物の含有する樹脂は、増粘剤としての役割を果たし、化学蓄熱材の形状を維持するために必要である。
化学蓄熱材形成用組成物の含有する樹脂としては、上記の役割を果たすものであれば限定されず、天然樹脂と合成樹脂のいずれであってもよく、セルロース等の多糖類、たんぱく質、ポリフェノール、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂等から一種を選択して、もしくは複数種を組み合わせて用いることができる。化学蓄熱材形成用組成物は、樹脂として、ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、水酸基含有アクリル樹脂及びブチラール樹脂からなる群より選択される少なくとも一種を含有することが好ましい。これらの樹脂は、水酸基含有樹脂であることから、第２族元素化合物及びアルコキシシラン等との親和性が高い。また、化学蓄熱材の形状を安定させる観点から、化学蓄熱材形成用組成物は、水酸基含有アクリル樹脂又はブチラール樹脂を含有するのが好ましい。
化学蓄熱材形成用組成物の含有する樹脂としては、体積平均分子量が１００〜５，０００，０００であることが好ましい。化学蓄熱材形成用組成物の含有する樹脂の体積平均分子量は、ポリスチレン標準サンプル基準を用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィ（ＧＰＣ）で測定することができる。
【００８９】
ブチラール樹脂として、より具体的には、エスレックＢシリーズ及びＫシリーズ（いずれも積水化学工業株式会社製）等を挙げることができる。また、水酸基含有アクリル樹脂として、より具体的には、２−ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート等の２級水酸基モノマーや、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピル（メタ）アクリレート等の３級水酸基モノマーと、その他のモノマーとを含んだモノマー混合液を常法によって重合して得ることができる重合体を挙げることができる。
なお、化学蓄熱材形成用組成物の含有する樹脂は、後述する化学蓄熱材の形成方法の焼成工程において除去される。
【００９０】
また、化学蓄熱材形成用組成物は、ガラスファイバーを含有することが好ましい。化学蓄熱材形成用組成物がガラスファイバーを含有することで、加工された状態における化学蓄熱材の強度が向上する。
【００９１】
更に、化学蓄熱材形成用組成物は、炭素からなる物質及び炭化水素のうち少なくとも一方を含有してもよい。化学蓄熱材形成用組成物が、炭素からなる物質及び炭化水素のうち少なくとも一方を含有することで、化学蓄熱材の内部や表面により多くの細孔が形成され、化学蓄熱材の形状を安定させることができる。
炭素からなる物質としては、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノファイバー等を挙げることができ、炭化水素としては、パラフィン、オレフィン、シクロアルカン等を挙げることができる。
【００９２】
より好ましくは、化学蓄熱材の内部や表面に、より細かい孔が形成され、化学蓄熱材の形状をより安定化させることができることから、化学蓄熱材形成用組成物には、カーボンブラック及び炭化水素を含有させることが好ましい。
なお、化学蓄熱材形成用組成物の含有する炭素からなる物質や炭化水素は、後述する化学蓄熱材の形成方法の焼成工程において除去される。
【００９３】
化学蓄熱材形成用組成物は、上記成分を分散させるために溶剤を含有することが好ましい。溶剤としては、有機溶剤及び水の少なくとも一方を用いることができる。有機溶剤としては、トルエン、キシレン等の炭化水素類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸エチル、セロソルブアセテート、ブチルセロソルブ等のエステル類、アルコール類等が挙げられる。
【００９４】
化学蓄熱材形成用組成物は、必要に応じて上記成分以外の成分を含有してもよい。
【００９５】
＜化学蓄熱体＞
本発明において、化学蓄熱体１０としては、例えば、粉状物、粉砕物、成形物、又は、蓄熱装置１又は熱交換装置１００及び２００の蓄熱チャンバ２０及び隔壁２２や熱交換装置３００の熱交換面（例えば、熱交換用回路８０）に化学蓄熱材形成用組成物を塗布した後、焼成を行ったもの等が挙げられる。特に、こうした化学蓄熱体１０としては、例えば、粒径が０ｍｍよりも大きく０．０５ｍｍ以下の粉状物よりも粒径の大きい粒状体であって、そのサイズは、１つの化学蓄熱体１０の最も離れた頂点間の距離である最大対角線長さＬが０．０５mmを超えるサイズであるものが好ましい。１つの化学蓄熱体１０の最大対角線長さＬが０．０５mmより小さい場合、通気における圧損が大きくなりすぎるため、通気機能を大きく損なう傾向にある。加えて、粉立ちが生じ始めるため、ハンドリングを損なう傾向にある。ここでいう「粉立ち」は、粉体が舞い上がり、空気中への懸濁が目視により確認できる状態を指す。
【００９６】
前記成形物としての、化学蓄熱体としては、後述する成形工程（ここで、「成形工程」とは、広く、「ある形に作る工程」を言う。）の製造方法の違いにより分類することができ、例えば、造粒によって形成された「顆粒」、あるいは、成型（ここで、「成型」とは、「型を用いた成形」を言う。）によって形成された「ペレット」が挙げられる。粉末や顆粒をさらに成型したものも「ペレット」に含まれる。また、化学蓄熱体１０の製造方法は、この２種類に限定されるものではない。特に、上述した、各実施形態に用いることが可能な前記化学蓄熱体は、第２族元素化合物と、ホウ素化合物と、シリコーンポリマーと、を含有することにより、加工された状態における強度が高いことから、当該化学蓄熱体が顆粒又はペレットである場合、化学蓄熱材の体積の増大や減少による微粉化が防止され、発熱と蓄熱の繰り返しにも耐えることができる。
【００９７】
本実施形態に係る化学蓄熱体の形成方法の一例について説明する。本実施形態に係る化学蓄熱体の形成方法には、例えば、成形工程と、焼成工程と、を含む、加工方法がある。前記成形工程は、上記の各成分を任意の方法で混合した化学蓄熱材形成用組成物を成形する工程であり、例えば、化学蓄熱体が、「顆粒」であれば造粒による製造方法であり、「ペレット」であれば、型を用いた成型による製造方法である。
【００９８】
ここで、顆粒タイプの化学蓄熱体１０の製造方法について説明する。
【００９９】
顆粒タイプの製造方法には、以下に示す造粒法、例えば、転動造粒、流動層造粒、撹拌造粒、圧縮造粒、押出造粒、破砕造粒、等が挙げられる。但し、顆粒タイプの製造方法は、これら以外の造粒法であっても良く、また、二つ以上の造粒法を組み合わせて処理しても良い。顆粒タイプの化学蓄熱体１０の粒径が５mm以上となる場合は、造粒法として、転動造粒や破砕造粒が好適に用いられる。
【０１００】
焼成工程では、成形工程後に、成形された化学蓄熱材形成用組成物を焼成する。焼成工程は、電気炉等により行うことができるが、焼成する装置については特に限定されない。
化学蓄熱材形成用組成物は、焼成工程において焼成されることで、樹脂や、炭素からなる物質、炭化水素は気化されて、化学蓄熱材からは除去される。化学蓄熱材は、樹脂や、炭素からなる物質、炭化水素等が除去されることにより形成される細孔を有する。
【０１０１】
焼成工程において、成形された化学蓄熱材形成用組成物は、２００〜１２００℃で焼成されることが好ましく、３００〜１０００℃で焼成されることがより好ましい。焼成工程において、成形された化学蓄熱材形成用組成物が、２００℃未満の温度で焼成された場合には、焼成不足により化学蓄熱材が崩壊しやすくなる傾向にあり、１２００℃よりも高い温度で焼成された場合には、第二族元素化合物が酸化物の状態を維持できず、化学蓄熱材の蓄熱性能が低下する傾向にある。
【０１０２】
焼成工程において、成形された化学蓄熱材形成用組成物は、３０〜１２０分間焼成されることが好ましい。化学蓄熱材の機能を阻害しない範囲で、樹脂、炭素からなる物質及び炭化水素が、焼成工程後の化学蓄熱材中に残存していてもよい。焼成工程における、焼成時間が、３０分未満の場合には、焼成不足により化学蓄熱材が崩壊しやすくなる傾向にあり、１２０分よりも長い場合には、化学蓄熱材の内部に気泡が発生して、やはり化学蓄熱材が崩壊しやすくなる傾向にある。
【０１０３】
このように、本発明の各実施形態に用いられる化学蓄熱体１０は、造粒工程と焼成工程とを経て製造することができる。化学蓄熱体１０の「粒径」は、当該「粒径」が３mmを下回るものは、レーザー光回折式の粒度分布測定装置（例えば、株式会社島津製作所製SALD-3100）等を用いることにより、測定することができる。顆粒タイプの化学蓄熱体１０の粒径が３mmを超えるものは、１００個の化学蓄熱体１０を任意に抽出し、マイクロゲージにより最大対角線長さを測定することで、測定することができる。この明細書中では特に断りがない限り、顆粒タイプの化学蓄熱体１０の粒径は、メディアン径とする。なお、蓄熱体チャンバに収容される化学蓄熱体１０は、同一の造粒によって得られた顆粒のみとする他、異なる造粒によって得られた顆粒を二種以上混ぜたものを用いても良い。
【０１０４】
次に、顆粒タイプの化学蓄熱体１０の形状について説明する。
【０１０５】
上述した、各実施形態に用いることが可能な、顆粒タイプの化学蓄熱体１０では、前記粒径測定法において測定された、当該化学蓄熱体１０の最小の直径（粒径）は、好ましくは、０．０５mm以上、望ましくは０．１mm以上、さらに望ましくは０．５mm以上である。また、顆粒タイプの化学蓄熱体１０の最大の直径（粒径）は、好ましくは、１００mm以下、望ましくは１０mm以下、さらに望ましくは８mm以下である。但し、顆粒タイプの化学蓄熱体１０の最大の直径（粒径）は、１００mmより大きな径でもよい。しかしながら、生産性を考慮すれば、後述するペレットタイプの化学蓄熱体１０が好ましい。
【０１０６】
ここで、ペレットタイプの化学蓄熱体１０の製造方法について説明する。
【０１０７】
ペレットタイプの成型工程は、本発明に係る化学蓄熱材の可塑性を利用して、押出成型、型や打錠による圧縮成型、射出成型、シート成型とそれに続く型抜き工程、等（以下、「押出成型等」ともいう。）により製造することができるが、なかでも押出成型を用いることが好ましい。押出成型の場合、他の成型と比較して、設備としての普及率が高く、経済性・生産性の両面でも優れている。
【０１０８】
成型工程が行われた後は、顆粒タイプを製造する場合と同様の焼成工程を行い、この焼成工程を経て、ペレットタイプの化学蓄熱体１０が得られる。
【０１０９】
次に、ペレットタイプの化学蓄熱体１０の形状について説明する。
【０１１０】
ペレットタイプの化学蓄熱体１０の形状は、上述の押出成型等によって得られる立体であれば、化学蓄熱体１０の形状について制限はない。但し、化学蓄熱体１０の形状は、通気性の観点から、中空状の形状、例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すような円筒状の形状であることが望ましい。なお、ここでいう「中空」とは、内部に「肉抜き」がされていることを指す。「肉抜き」には、図４（ａ），（ｂ）に示す円筒状の形状のように貫通したものの他、いずれか一方が開放された窪みや、周囲が閉ざされた空間等が含まれる。ペレットタイプの化学蓄熱体１０の寸法を、図４に付した記号を用いて示す。
【０１１１】
図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０では、円筒の高さをＬ、内周の半径をr１、外周の半径をr２とし、内周半径r１の外周半径r２に対する比率をｋ（＝ｒ１／ｒ２）で示す（０≦ｋ＜１）。図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０の比表面積は、化学蓄熱体１０の体積Ｖ及び表面積Ｓとして、円筒の高さＬ、内周半径r１及び外周半径r２から円筒の体積及び表面積を求めた後、更に、体積Ｖ及び表面積Ｓの比をとって求めることができる。この計算結果から、図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０は、ｋが１に近づくほど、Ｌが小さくなるほど、大きくなるため、通気に有利となることがわかる。
【０１１２】
一方、ペレットタイプの化学蓄熱体１０の強度は、ｋ=０、つまり、化学蓄熱体１０が中空の形状ではなく、かつ、Ｌ=２・ｒ２となるときに最大になる。
【０１１３】
ここで、円筒高さＬ、外周半径ｒ２、比率ｋを用いて望ましい寸法の範囲を示す。但し、本発明では、後述する望ましい寸法は、図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０の形状に何ら制限を設けるものではない。
【０１１４】
まず、円筒高さＬが０．１mm以上であれば、図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０は、支障なく成形することができる。但し、化学蓄熱体１０の強度の面からは、円筒高さＬとして、Ｌ＝２・ｒ２に近い寸法を用いることが好ましい。
【０１１５】
次に、外周半径ｒ２は、３mm〜３００mmである。この範囲において、図４に示すペレットタイプの化学蓄熱体１０は、押出成型による生産に適する。外周半径ｒ２が３mm以下であれば、生産性の面で、顆粒タイプの化学蓄熱体１０が好ましい。比率ｋは０．１以下であれば通気性に乏しい傾向にあり、０．９５以上であれば強度を有する化学蓄熱体１０を成型することが困難な傾向にある。
【０１１６】
上述したところは、本発明の一実施形態を開示したにすぎず、特許請求の範囲に従えば、様々な変更が可能となる。例えば、上述した各実施形態に係る蓄熱装置及び熱交換装置の各構成は、互いに適宜に置き換えて、又は、組み合わせて使用することができる。
【実施例】
【０１１７】
次に、本発明に係る蓄熱装置及び熱交換装置に用いることが可能な化学蓄熱材の様々な実施例を更に詳細に説明するが、化学蓄熱材の実施例は、以下の実施例に限定されるものではない。
【０１１８】
［実施例１］
表２に示す量（単位：質量部）の、ポリエチレングリコール樹脂（明成化学工業株式会社製、商品名「アルコックス」）、ブチラール樹脂（株式会社クラレ製、商品名「ＭｏｗｉｔａｌＢ２０Ｈ」）と、エチルシリケートの低縮合物（コルコート株式会社製、商品名「エチルシリケート２８」）と、有機溶媒（日本乳化剤株式会社製、商品名「ＭＰＧ−１３０」、ポリエチレングリコールメチルエーテル）と、トリメチルボレート（東京化成工業株式会社製、商品名「Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ  Ｂｏｒａｔｅ」）を混合した。この混合物に、更に表２に示す量の水酸化カルシウムを加えて、よく混合し、化学蓄熱材形成用組成物を得た。この化学蓄熱材形成用組成物をペレット状（円筒状、直径約５ｍｍ、高さ約１０ｍｍ）に成形した。この成形した化学蓄熱材形成用組成物を電気炉に入れて１０００℃で１時間焼成し、ペレット状の化学蓄熱材を得た。なお、水酸化カルシウムは焼成されることで脱水し、酸化カルシウムとなる。
【０１１９】
［実施例２〜１３及び比較例１〜４］
化学蓄熱材形成用組成物の成分を表２〜表４に示した量に変更した以外は実施例１と同様の工程により、化学蓄熱材形成用組成物及び化学蓄熱材を得た。
なお、実施例５においては、ガラスファイバー（セントラルグラスファイバー株式会社製、商品名「ミルドファイバー」）をブチラール樹脂と、エチルシリケートの低縮合物と、有機溶媒と、トリメチルボレートと、の混合物に更に加えた。実施例６においては、トリメチルボレートに代えて、ホウ酸を用いた。実施例７〜１３においては、水酸化カルシウムに代えて、水酸化マグネシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウムをそれぞれ用いた。
【０１２０】
［化学蓄熱材の原子含有量］
化学蓄熱材の含有する、カルシウム原子等、ホウ素原子、ケイ素原子及び酸素原子の合計中における、それぞれの原子の含有量（質量％）を「化学蓄熱材中の原子含有量」として表２〜表４に示した。「化学蓄熱材中の原子含有量」は、化学蓄熱材を蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）によって元素分析することで求めた。
【０１２１】
［形状評価］
電気炉における焼成によって形成された直後の化学蓄熱材の形状（表２〜表４の「焼成後」）、及び、水に浸透させることで発熱させた後の化学蓄熱材の形状（表２〜表４の「発熱後」）について、目視にて評価した。ペレットの形状を保ち、ひび割れも生じない場合には「Ａ」、微細なひび割れが生じるが、ペレットの形状を保っていた場合には「Ｂ」、著しい割れが生じた場合や、粉体状になってしまった場合には「Ｃ」とした。結果を表２〜表４に示す。なお、比較例２〜４に係る化学蓄熱材は、発熱後に形状が崩れペレットの形状を維持することができなかった。従って、表４においては、比較例２〜４に係る化学蓄熱材の発熱後の形状評価を「評価不可」とした。
【０１２２】
［強度評価］
電気炉における焼成によって形成された直後の化学蓄熱材（表２〜表４の「焼成後」）、及び、水に浸透させることで発熱させた後の化学蓄熱材（表２〜表４の「発熱後」）について、引張圧縮試験機（テクノグラフ、ミネベア株式会社製）を用いて強度を評価した。具体的には、焼成後及び発熱後の、それぞれのペレット状の化学蓄熱材について、上下からの負荷によって押し潰される力（単位：Ｎ）を引張圧縮試験機で測定した。焼成後及び発熱後の化学蓄熱材の押し潰される力が、両方とも１０Ｎ以上であれば、発熱と蓄熱の繰り返しにも耐えることができる強度を有すると判断できる。なお、比較例２〜４に係る化学蓄熱材は、形状を安定して保持することができず、引張圧縮試験機による強度の評価ができなかった。従って、表４においては、比較例２〜４に係る化学蓄熱材の強度の評価を「評価不可」とした。
【０１２３】
【表２】
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【０１２４】
【表３】
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【０１２５】
【表４】
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【０１２６】
［発熱性能評価］
実施例１〜８のペレット状の化学蓄熱材について、発熱量を測定した。発熱量の測定は下記の手順で行った。
まず、断熱材によって覆われた容器に所定量の水を入れ、その水に化学蓄熱材を所定量（例えば５ｇ）投入した。容器中の水はマグネチックスターラーによって攪拌し、その温度の上昇をシース型熱電対によって追跡した。実施例の化学蓄熱材が投入された水の、シース型熱電対によって測定される温度は大きく上昇した。化学蓄熱材の発熱量Ｑ（単位：Ｊ）は、下記の式（１）によって求めることができる。式（１）中のΔＴは、化学蓄熱材の投入後の水の最高温度から、化学蓄熱材を投入する直前の水の温度を差し引いた値（単位：Ｋ）である。また、Ｗは、カップ内の水の質量（単位：ｇ）であり、Ｃｐは水の比熱（Ｊ／ｇ・Ｋ）である。
［数１］
Ｑ＝ΔＴ×Ｗ×Ｃｐ  ・・・（１）
【０１２７】
表２の実施例１〜４と表４の比較例１との比較から、「発熱後」及び「焼成後」ともに、実施例１〜４、６〜８の化学蓄熱材の方が比較例１の化学蓄熱材よりも強度評価の結果が良好であることが分かった。この結果から、第２族元素化合物と、ブチラール樹脂と、ホウ素含有化合物と、エチルシリケートの低縮合物と、を含有する化学蓄熱材形成用組成物を用いて形成された化学蓄熱材は、ホウ素含有化合物を含有しない化学蓄熱材形成用組成物を用いて形成された化学蓄熱材よりも、成形された状態における強度が高いことが確認された。
【０１２８】
また、表２の実施例１〜４と表３の実施例７〜１３との比較から、「発熱後」及び「焼成後」ともに、実施例７〜１３の化学蓄熱材も実施例１〜４の化学蓄熱材と遜色のない強度を有することが分かった。これらの結果から、カルシウム以外の第二族元素からなる化合物も、本発明に係る蓄熱装置及び熱交換装置に用いることが可能な化学蓄熱材に用いることができることが確認された。
【０１２９】
また、比較例２〜４の結果から、比較例２〜４の化学蓄熱材形成用組成物を用いて形成された化学蓄熱材は、形状評価の結果が芳しくないことが分かった。これらの結果から、化学蓄熱材形成用組成物が、第２族元素化合物、アルコキシシラン等及び樹脂のいずれかを含有しない場合には、ペレットの形状を維持できないことが確認された。
【０１３０】
また、上記のように、実施例１〜１３の化学蓄熱材が投入された水は温度が大きく上昇した。この結果から、実施例１〜１３のペレット状の化学蓄熱材は、発熱性能を有することが確認された。なお、実施例１〜１３のペレット状の化学蓄熱材の発熱量Ｑは、各化学蓄熱材の含有する酸化カルシウムの量から求められる発熱量の理論値と同等であった。
【０１３１】
なお、第２族元素化合物と、ホウ素含有化合物と、アルコキシシラン等と、樹脂と、を含有する化学蓄熱材形成用組成物を用いて形成された化学蓄熱材は、上記のように粒子同士が結着していることから、粘土鉱物を含有するペレット状の化学蓄熱材（例えば、上記の特許文献１に記載された化学蓄熱材）に比べて、ペレットの内部まで水（水蒸気）が浸漬しやすいと考えられる。内部まで水（水蒸気）が浸漬しやすい、実施例の化学蓄熱材は、発熱性能（上記の「発熱性能評価」において、水の温度を上昇させる能力）が高いと予想される。また、上述したところは、ペレット以外の、顆粒の化学蓄熱体等についても同様であると考えられる。
【０１３２】
従って、本発明によれば、加工された状態における、強度及び熱伝導率が高い化学蓄熱材を用いた蓄熱装置及び熱交換装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１３３】
１；蓄熱装置，  ２；蓄熱装置，  １０；化学蓄熱体，  ２０；蓄熱体チャンバ（流通式チャンバ），  ２０ａ；第１ポート，  ２０ｂ；第２ポート，  ３０；加熱チャンバ（流通式チャンバ），  ４０；脱炭酸装置，  ５０；ドレイン室，  ６０；蓄熱体チャンバ（密閉式チャンバ），  ６０ａ；第１ポート，  ７０；スチームタンク，  ８０；熱交換用回路，  １００；熱交換装置，  ２００；熱交換装置，  ３００；熱交換装置，  Ｄ；分配機構，  Ｇ１；第１流体，  Ｇ２；第２流体，  Ｇ３；熱交換された流体，  Ｐ１；入口ポート，  Ｐ２；出口ポート，  Ｐ３；他の入口ポート，  Ｐ４；ドレインポート，  Ｒ１；加熱チャンバ側経路，  Ｒ２；蓄熱体チャンバ側経路，  Ｒ３；掃気媒体経路，  Ｖ１〜Ｖ６；開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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