(57)【要約】【課題】高効率であり、かつ、蓄熱量の多い蓄熱システムを提供する。【解決手段】蓄熱材を収容する反応容器１と、反応容器の外部に配置され、蓄熱材を加熱することによって蓄熱材から脱離した水蒸気を凝縮させて凝縮水を得る凝縮部１２と、反応容器、蓄熱材加熱部および凝縮部を収容する蓄熱容器２とを備え、凝縮部１２は、蓄熱容器において、反応容器と反応容器の上方および下方とを除く領域内に配置されており、蓄熱材加熱部は、反応容器内において熱媒体を流通させる熱媒体経路４を含んでおり、蓄熱容器の水平方向の断面において、反応容器内のある点と、凝縮部のうち上記ある点に最も近い点までの距離をＬとすると、熱媒体経路における熱媒体入口４２ａ、４２ｂは、反応容器内において、距離Ｌが最も大きくなる点またはその近傍に配置されている。【選択図】図１
2011052912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱材から水を脱離することによって蓄熱し、かつ、前記脱離した水を前記蓄熱材と反応させることによって放熱する蓄熱システムであって、
前記蓄熱材を収容する反応容器と、
蓄熱運転時に、前記蓄熱材を加熱する蓄熱材加熱部と、
前記反応容器の外部に配置され、前記蓄熱材を加熱することによって前記蓄熱材から脱離した水蒸気を凝縮させて凝縮水を得る凝縮部と、
前記反応容器、前記蓄熱材加熱部および前記凝縮部を収容する蓄熱容器と
を備え、
前記凝縮部は、前記蓄熱容器において、前記反応容器と前記反応容器の上方および下方とを除く領域内に配置されており、
前記蓄熱材加熱部は、前記反応容器内において熱媒体を流通させる熱媒体経路を含んでおり、前記熱媒体経路は、前記熱媒体経路に熱媒体を流入させる熱媒体入口と、前記蓄熱材と熱交換した後の熱媒体を前記熱媒体経路から流出させる熱媒体出口とを有し、
前記蓄熱容器の水平方向の断面において、前記反応容器内のある点と、前記凝縮部のうち前記ある点に最も近い点までの距離をＬとすると、前記熱媒体入口は、前記反応容器内において、距離Ｌが最も大きくなる点またはその近傍に配置されている蓄熱システム。
【請求項２】
前記蓄熱容器の水平方向の断面において、前記凝縮部は前記反応容器を包囲しており、前記熱媒体入口は、前記反応容器の中央部に配置されている請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項３】
前記熱媒体入口は、前記反応容器の底部に設けられている請求項１または２に記載の蓄熱システム。
【請求項４】
前記熱媒体経路は、前記熱媒体入口から前記反応容器に流入した熱媒体を、前記熱媒体入口から前記凝縮部に向かって水平方向に流通させるように構成されている請求項１から３のいずれかに記載の蓄熱システム。
【請求項５】
前記反応容器は上方に解放した開口を有し、
前記開口を覆うように配置され、水蒸気を透過させるが、液体の水を透過させない水蒸気透過手段をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の蓄熱システム。
【請求項６】
前記凝縮水を貯留する水貯留部と、
放熱運転時に、前記水貯留部に貯留された水を前記水貯留部から前記反応容器内に供給する水供給経路と
をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の蓄熱システム。
【請求項７】
前記水貯留部は、前記蓄熱容器の外部に設けられており、
前記上面から移動させた凝縮水を、前記蓄熱容器から前記水貯留部に輸送する水輸送経路と、
前記水輸送経路に設けられ、前記蓄熱容器と前記水貯留部との間の水の移動を制限する弁と、
前記水貯留部に貯留されていた水を加熱する貯留水加熱部と
をさらに備える請求項６に記載の蓄熱システム。
【請求項８】
前記蓄熱材加熱部は、
圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器およびこれらの間で冷媒を循環させる冷媒経路を含む冷媒回路と、
前記放熱器によって加熱され、前記蓄熱材と熱交換することによって冷却されるように熱媒を循環させる熱媒回路とを有し、
前記凝縮部は、前記冷媒回路の前記冷媒と熱交換することによって、前記脱離した水を冷却するように構成された請求項７に記載の蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを蓄える蓄熱システムは、従来から省エネルギー技術として有効である。また、近年、ＣＯ2ヒートポンプや燃料電池コージェネレーションシステムを利用した給湯機器が注目されているが、これらの機器を小型化し、設置性の向上を図るために、高密度蓄熱技術の開発が待望されている。
【０００３】
従来からの蓄熱技術を大別すると、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱および化学蓄熱に分類される。これらの中で顕熱蓄熱および潜熱蓄熱によると、実用上熱交換損失等の損失が発生するものの、理論的には、蓄熱時に入力した熱量と同等の熱量を必要時に取り出すことができる。
【０００４】
顕熱蓄熱と潜熱蓄熱は蓄熱部に用いる蓄熱材の種類によって区別される。潜熱蓄熱に用いる潜熱蓄熱材は、顕熱型蓄熱材に比べて蓄熱密度が高く、相変化温度が一定である。そのため、熱の取り出し温度が安定であるという利点を有する。この利点を活かして、種々の潜熱蓄熱材を用いる蓄熱システムが実用化されている。従来より、特許文献１に開示されているように、熱源部の熱を熱媒回路の蓄熱部に一旦蓄熱し、この蓄熱部の熱を熱媒を介して利用側に供給する蓄熱装置が一般に知られている。この蓄熱システムでは、例えば潜熱蓄熱材が充填された蓄熱部に熱交換部を設け、この熱交換部の伝熱管に熱媒としての水を通過させる。このようにして潜熱蓄熱材によって加熱された水は、利用側に供給され、給湯器などに利用される。
【０００５】
また、特許文献１には冷媒回路で生成した熱を蓄熱材料に熱を蓄えるように構成された蓄熱システムが開示されている。
【０００６】
図１１は冷媒回路を利用した従来の蓄熱システムの構成を例示する図である。図１１に示す蓄熱システムは、圧縮機６、第２熱交換部（熱媒加熱部）９、膨張装置８および蒸発器７を有する冷媒回路１０と、第２熱交換９と蓄熱材３を収容する反応容器１との間で熱媒を循環させる熱媒回路１１を備えている。反応容器１内には、熱媒と潜熱蓄熱材３との熱交換を行うための第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４と、第１熱交換部４の伝熱面を拡大するためのフィン５とが設けられている。
【０００７】
図１１の蓄熱システムでは、冷媒回路１０によって蓄熱部を加熱する構成をとっている。冷媒回路１０の冷媒と熱媒回路１１の熱媒とを第２熱交換部（熱媒加熱部）９で熱交換させることによって、熱媒を加熱する。加熱された熱媒は、第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４で蓄熱材３と熱交換される。これにより、蓄熱材３に熱源部の熱を蓄えることができる。蓄えられた熱は、例えば給湯器などの熱回収機器で利用される。このシステムでは、蓄熱状態の蓄熱材３と市水とを熱交換し、得られた水（温水）を給湯口２２から取り出して利用する。
【０００８】
一方、化学蓄熱を利用した蓄熱システムも提案されている。化学蓄熱は可逆的な化学反応による反応熱を利用する蓄熱技術である。化学蓄熱には、利用する化学反応により、吸着系、水素吸蔵合金系、有機反応系、無機反応系がある。化学蓄熱システムは、物質の吸着、水和等の化学変化を伴うため、蓄熱材自体の顕熱や潜熱による蓄熱方法と比較して単位質量当たりの蓄熱密度が高くなる特徴がある。しかし、化学蓄熱システムは上記のいずれの化学反応を利用する場合でも、気液反応もしくは気固反応を利用しており、気体の状態のまま貯蔵すると貯蔵気体の容積が極めて大きいために蓄熱密度がかなり低くなる。これに対し、蓄熱時に生成する気体を凝縮もしくは金属水素化物のような固体化合物に変換して、システムの容積を縮小することが提案されているが、凝縮または変換によって生じる熱（生成熱）を外気に逃がしている。このため、熱を利用する時、すなわち放熱過程では、液体もしくは固体化合物から気体を生じさせて、蓄熱時とは逆の反応を起こす。また、ケミカルヒートポンプといわれる化学蓄熱システムでは、単一の可逆反応の反応条件を変えることによって、あるいは複数の反応を組みわせることによって低温熱源から高温熱源に熱エネルギーを汲みあげることが可能である。このため、ケミカルヒートポンプを用いた排熱利用システムの開発が盛んに進められている。
【０００９】
また、特許文献２には、固体の無機無水物と水蒸気とが反応した固体の水和物が生成される反応を利用した化学蓄熱システムにおいて、蓄熱時に気体の水蒸気の凝縮によって生じる生成熱（凝縮熱）を蓄熱の熱源であるヒートポンプに回収することが提案されている。
【００１０】
さらに、特許文献３は、１つの密閉容器内に、蓄熱材を収容する蓄熱部と凝縮器／蒸発器とを一体的に配置することを提案している。
【００１１】
図１２は、特許文献３に開示されたケミカルヒートポンプの構成を示す図である。図１２に示すように、蓄熱部（反応部）５０、複数の凝縮部５２および複数の蒸発部５３が１つの蓄熱容器５４に設置されている。蓄熱部５０には、熱媒体を流通させるための経路が設けられている。蒸発部５３は、蓄熱容器５４の底面に配置されている。また、蓄熱容器５４内の蓄熱部５０の上方にはドーム型の滴下防止カバー５５が設けられている。なお、本明細書では、「上方」および「下方」は、それぞれ、水平面に対する上方および下方を指すものとする。
【００１２】
図１２に示すケミカルヒートポンプでは、まず、熱媒体入口５６から蓄熱容器５４に流入させた熱媒体を蓄熱部５０内で流通させ、熱媒体出口５７から蓄熱容器５４の外部に流出させる。これにより、蓄熱部５０の蓄熱材を加熱する。加熱によって蓄熱材から脱離した水蒸気は、滴下防止カバー５５の開口部を通過して凝縮部５２に移動し、凝縮される。凝縮された水（凝縮水）は、滴下防止カバー５５によって、蓄熱容器５４の下部に設けられた水貯留部５８に誘導される。
【００１３】
なお、本明細書では、蓄熱過程及び放熱過程を含む熱サイクルにおいて実質的に蓄熱できる熱エネルギー（熱量）を「蓄熱量」、蓄熱材量の単位体積（また単位重量）当たりの蓄熱量を「蓄熱密度」という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−２０７１６３号公報
【特許文献２】特公平７−６７０８号公報
【特許文献３】特開２００８−２３２４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
冷媒回路を利用した従来の蓄熱システムでは、蓄熱運転時にヒートポンプのサイクルの成績係数（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、以下「ＣＯＰ」とする。）が低下してしまうという問題が生じる。特許文献１に開示された蓄熱システム（図１１）を例に説明すると、蓄熱時において蓄熱材３の温度が上昇してくると、蓄熱材３と熱交換した後の熱媒の温度も上昇し、その結果、第２熱交換部（熱媒加熱部）９において熱交換される熱量が低下するからである。
【００１６】
これに対し、従来は、低いＣＯＰでシステムを運転することを防止するため、蓄熱材３と熱交換した後、第２熱交換部（熱媒加熱部）９で加熱される前の熱媒の温度が６０℃に達すると、蓄熱運転を完了させていた。このため、蓄熱材３の温度を６０℃よりも高くすることが難しく、蓄熱量を増加させることが困難であった。
【００１７】
また、特許文献２の蓄熱システムによると、凝縮熱を蓄熱の熱源であるヒートポンプに回収することにより冷媒回路のＣＯＰを向上させることができる。しかしながら、凝縮熱を回収したとしても、蓄熱部の加熱に伴う熱媒の温度上昇によって、熱源と蓄熱部との熱交換が抑制されるので、ＣＯＰの低下は避けられない。
【００１８】
その上、本発明者が検討したところ、特許文献２の蓄熱システムでは、蓄熱材を含む蓄熱部と、凝縮器／蒸発器とが別個の容器で構成され、互いに離れて配置されている。このため、蓄熱材から離脱した水蒸気が反応容器から凝縮器に移動する際の抵抗（流動抵抗）が高くなり、蓄熱材の脱水反応が進みにくくなるおそれがある。脱水反応が進みにくくなると、蓄熱運転時の効率が大幅に低下する。脱水反応を促進するためには、蓄熱材をより高い温度まで加熱する必要があるが、蓄熱材の加熱温度を上げると、ヒートポンプへの戻り温度が高くなり、ＣＯＰを低下させる要因となる。
【００１９】
一方、特許文献３で提案されているように、蓄熱部５０と凝縮部５２とを同一容器内に配置すると、蓄熱材から脱離した水蒸気が凝縮部に移動する際の流動抵抗を低減できるので、蓄熱容器の外部に凝縮部を設ける場合（特許文献２）よりも低い温度で脱水反応を進めることができると考えられる。また、蓄熱容器５４において、蓄熱部５０を側方および上方から包囲するように凝縮部５２が配置されているので、蓄熱材から脱離した水の凝縮を大幅に促進できる。しかしながら、本発明者が検討したところ、特許文献３に開示されたケミカルヒートポンプでは、蓄熱材からの脱水を蓄熱部５０内で均一に行うことが困難である。後で詳しく説明するが、特に蓄熱部５０の底部の中心付近に収容された蓄熱材から水を脱離させる速度（脱水速度）は、他の領域に収容された蓄熱材の脱水速度よりも低下する。この結果、蓄熱材の脱水反応を十分に促進できず、低温では蓄熱材を所望の塩濃度まで凝縮できない。従って、冷媒回路への戻り温度が高くなり、ＣＯＰを低下させる要因となる。
【００２０】
このように、従来の蓄熱システムによると、蓄熱量を確保しつつ、蓄熱システムの効率を高めることは困難であった。
【００２１】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、脱水反応によって蓄熱し、吸水反応によって放熱する蓄熱材を用いて、高効率であり、かつ、蓄熱量の多い蓄熱システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の蓄熱システムは、蓄熱材から水を脱離することによって蓄熱し、かつ、前記脱離した水を前記蓄熱材と反応させることによって放熱する蓄熱システムであって、前記蓄熱材を収容する反応容器と、蓄熱運転時に、前記蓄熱材を加熱する蓄熱材加熱部と、前記反応容器の外部に配置され、前記蓄熱材を加熱することによって前記蓄熱材から脱離した水蒸気を凝縮させて凝縮水を得る凝縮部と、前記反応容器、前記蓄熱材加熱部および前記凝縮部を収容する蓄熱容器とを備え、前記凝縮部は、前記蓄熱容器において、前記反応容器と前記反応容器の上方および下方とを除く領域内に配置されており、前記蓄熱材加熱部は、前記反応容器内において熱媒体を流通させる熱媒体経路を含んでおり、前記熱媒体経路は、前記熱媒体経路に熱媒体を流入させる熱媒体入口と、前記蓄熱材と熱交換した後の熱媒体を前記熱媒体経路から流出させる熱媒体出口とを有し、前記蓄熱容器の水平方向の断面において、前記反応容器内のある点と、前記凝縮部のうち前記ある点に最も近い点までの距離をＬとすると、前記熱媒体入口は、前記反応容器内において距離Ｌが最も大きくなる点またはその近傍に配置されている。
【００２３】
これにより、反応容器内において、凝縮部までの水平方向の拡散距離が長い位置に配置された蓄熱材を、拡散距離がより短い位置に配置された蓄熱材よりも高い温度まで加熱することができるため、蓄熱材からの脱水をより均一に行うことができる。この結果、蓄熱材の脱水速度の低下を抑制できるので、より高い効率で、蓄熱量の多い蓄熱システムを実現できる。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記蓄熱容器の水平方向の断面において、前記凝縮部は前記反応容器を包囲しており、前記熱媒体入口は、前記反応容器の中央部に配置されている。
【００２５】
これにより、反応容器内の蓄熱材から凝縮部までの水平方向の拡散距離をより短くすることができるので、脱水反応をさらに促進できる。
【００２６】
前記熱媒体入口は、前記反応容器の底部に設けられていることが好ましい。これにより、蓄熱材加熱時の減圧沸騰を利用して、反応容器内における鉛直方向の脱水速度のムラを抑え、脱水反応をより均一に促進させることができる。
【００２７】
前記熱媒体経路は、前記熱媒体入口から前記反応容器に流入した熱媒体を、前記熱媒体入口から前記凝縮部に向かって水平方向に流通させるように構成されていることが好ましい。これにより、反応容器内における水平方向の脱水速度のムラを抑えることができるので、蓄熱材の脱水反応をより均一に促進させることができる。
【００２８】
前記反応容器は上方に開放した開口を有し、前記反応容器の前記開口を覆うように配置され、水蒸気を透過させるが、液体の水を透過させない水蒸気透過手段をさらに備えていてもよい。
【００２９】
これにより、蓄熱材から脱離した水蒸気を反応容器の外部に移動させる際の流動抵抗を小さく抑えつつ、反応容器の外部で凝縮された液体の水が反応容器に逆流して蓄熱材と反応することを防止できる。
【００３０】
上記蓄熱システムは、前記凝縮水を貯留する水貯留部と、放熱運転時に、前記水貯留部に貯留された水を前記水貯留部から前記反応容器内に供給する水供給経路とをさらに備えてもよい。
【００３１】
前記水貯留部は、前記蓄熱容器の外部に設けられており、前記上面から移動させた凝縮水を、前記蓄熱容器から前記水貯留部に輸送する水輸送経路と、前記水輸送経路に設けられ、前記蓄熱容器と前記水貯留部との間の水の移動を制限する弁と、前記水貯留部に貯留されていた水を加熱する貯留水加熱部とをさらに備えてもよい。
【００３２】
上記のような構成によると、反応容器から水を取り出しながら蓄熱を行った後（第１の蓄熱工程）、蓄熱容器と水貯留器との間の水に移動を制限する弁を閉状態にして、さらに蓄熱材の温度を上昇させることができる（第２の蓄熱工程）。したがって、同一の熱源で、蓄熱材の温度をより高い温度まで上昇させることが可能になり、蓄熱量を高めることができる。また、放熱運転時において、貯留水加熱部で加熱された水と蓄熱材とを反応させることができる。このため、蓄熱状態の蓄熱材をより高温の水と反応させることが可能になるので、放熱運転時に、反応させる水が低いことによって取り出し熱量が減少することを抑制することができる。さらに、蓄熱容器から取り出した凝縮水を加熱する際に、上記弁を閉状態とすることにより、加熱された水が蓄熱容器内に逆流してくることを防止できる。したがって、蓄熱運転時に、蓄熱材と水と反応して放熱することによる蓄熱量の低下を抑制できる。
【００３３】
前記蓄熱材加熱部は、圧縮機、放熱器、膨張装置、蒸発器およびこれらの間で冷媒を循環させる冷媒経路を含む冷媒回路と、前記放熱器によって加熱され、前記蓄熱材と熱交換することによって冷却されるように熱媒を循環させる熱媒回路とを有し、前記凝縮部は、前記冷媒回路の前記冷媒と熱交換することによって、前記脱離した水を冷却するように構成されていてもよい。これにより、凝縮熱を蓄熱の熱源であるヒートポンプに回収することができるので、冷媒回路のＣＯＰを向上させることができる。
【００３４】
前記貯留水加熱部は、前記水貯留器に貯留されていた貯留水と、前記蓄熱材と熱交換した後であって前記放熱器によって加熱される前の前記熱媒とを熱交換させる貯留水／熱媒熱交換部、または前記水貯留器に貯留されていた貯留水と、前記放熱器を通過した後であって前記膨張装置によって減圧される前の前記冷媒と熱交換させる貯留水／冷媒熱交換部を含んでもよい。
【００３５】
このような構成によると、蓄熱運転時に、上記弁を閉状態とした後、冷媒回路の放熱器に流入する熱媒の温度を、水貯留器に貯留されていた水を利用して下げることができる。したがって、蓄熱材の温度が上昇しても、冷媒回路の放熱器で加熱される前の熱媒の温度または膨張装置で減圧される前の冷媒の温度を低く抑えることができるので、ヒートポンプサイクルのＣＯＰの低下を抑制できる。また、ＣＯＰの低下を抑制しつつ、蓄熱材を従来よりも高い温度まで加熱することが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、蓄熱材を収容する反応容器と、凝縮部とを同一の容器内に配置するので、蓄熱材から脱離した水蒸気が凝縮部に到達しやすくなる。このため、水蒸気の凝縮を効率よく行うことができる。また、反応容器内の蓄熱材のうち凝縮部までの水平方向の距離が長い位置にある蓄熱材を、凝縮部までの水平方向の距離が近い位置にある蓄熱材よりも高い温度まで加熱することができる。この結果、反応容器内の蓄熱材の脱水反応がより均一に行われるので、蓄熱材全体の脱水反応を促進することができる。したがって、蓄熱材を所望の塩濃度まで迅速に脱水させることができ、蓄熱運転時の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による実施形態の蓄熱システムの構成図である。
【図２】（ａ）は、本発明による実施形態における蓄熱容器の水平方向の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の蓄熱容器内に形成された熱媒体経路を例示する水平方向の断面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明における反応容器内の点Ｐおよび領域Ｒを説明するための水平方向の断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明による実施形態における他の蓄熱容器の水平方向の断面図および鉛直方向の断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明による実施形態におけるさらに他の蓄熱容器の水平方向の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、（ａ）の蓄熱容器内に形成された熱媒体経路を例示する水平方向および鉛直方向の断面図である。
【図６】図５（ａ）に示す蓄熱容器内に形成された熱媒体経路の他の例を示す水平方向の断面図である。
【図７】本発明による実施形態におけるさらに他の蓄熱容器の水平方向の断面図である。
【図８】本発明による実施形態における、蓄熱運転時の蓄熱材の温度と塩濃度との関係を例示するグラフである。
【図９】蓄熱材の脱水速度を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態の他の蓄熱システムの構成図である。
【図１１】冷媒回路を利用した従来の蓄熱システムの構成図である。
【図１２】従来のケミカルヒートポンプの構成を示す図である。
【図１３】塩化カルシウム水和物の温度と飽和水蒸気圧との関係を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明者は、蓄熱材の脱水速度に着目して検討を重ねた結果、図１２に示す従来のケミカルヒートポンプ４９では、蓄熱材からの脱水を均一に行うことが難しく、高い効率が得られないという知見を得た。以下、この知見を詳しく説明する。
【００３９】
ケミカルヒートポンプ４９では、蓄熱部５０に収容された蓄熱材から脱離した水（水蒸気）は凝縮部５２まで移動し、そこで凝縮される。このとき、水蒸気が凝縮部に達するまでの速度が大きいほど、脱水反応が促進される。水蒸気が凝縮部に達するまでの速度は、水蒸気が凝縮部５２まで移動する距離（拡散距離）が長いほど低下する。水蒸気の拡散距離が長くなると、水蒸気の流動抵抗が増大するからである。一方、上記速度は、蓄熱材の飽和水蒸気圧が高いほど大きくなる。
【００４０】
図１３は、蓄熱材として塩化カルシウム６水和物および４水和物を用いた場合の蓄熱材の温度と飽和水蒸気圧との関係を示すグラフである。このグラフから、蓄熱材の温度が高いほど、飽和水蒸気圧の値が高くなることがわかる。したがって、蓄熱材の温度を高くすることによって、水蒸気が凝縮部に達するまでの速度を向上できる。
【００４１】
ケミカルヒートポンプ４９では、蓄熱材を加熱するために、熱媒体入口５６から蓄熱容器５４に流入させた熱媒体を蓄熱部５０内で流通させ、熱媒体出口５７から蓄熱容器５４の外部に流出させている。熱媒体の温度は熱媒体入口５６付近で最も高いため、熱媒体入口５６の近傍に位置する蓄熱材はより高温に加熱され、飽和水蒸気圧が高くなる。また、熱媒体入口５６は凝縮部５２に近い位置に設けられているため、水蒸気の流動抵抗は小さい。従って、熱媒体入口５６の近傍に位置する蓄熱材の脱水反応は大幅に促進される。
【００４２】
これに対し、蓄熱部５０の中央部に位置する蓄熱材は、凝縮部５２までの距離が長く、水蒸気の流動抵抗が大きいので、脱水速度は低下する。さらに、蓄熱部５０の中央部では、熱媒体の温度は熱媒体入口５６の熱媒体の温度よりも低くなるため、蓄熱材の温度を十分に高めることができず、飽和水蒸気圧が低下する。従って、脱水速度はさらに低くなる。
【００４３】
このように、従来のケミカルヒートポンプ４９では、蓄熱部５０内において、脱水反応を均一に進めることができないという問題がある。特に蓄熱部５０の中央部に位置する蓄熱材からの脱水反応を十分に促進できず、そのような蓄熱材を所望の塩濃度まで濃縮することが困難となる。
【００４４】
本発明者は、上記知見に基づいて、凝縮部から遠く、水蒸気の拡散距離が大きい蓄熱材の温度が、凝縮部に近い蓄熱材の温度よりも高くなるように蓄熱材を加熱することによって、蓄熱材の脱水反応をより均一に生じさせることが可能になることを見出し、本発明に至った。
【００４５】
（実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による蓄熱システムの実施の形態を説明する。
【００４６】
図１は、本実施形態の蓄熱システムの構成図である。本実施形態では、蓄熱材として、脱水反応によって蓄熱し、吸水反応によって放熱する蓄熱材を用いる。
【００４７】
＜蓄熱システムの構成＞
本実施形態の蓄熱システムは、上方に解放した開口を有し、蓄熱材３を収容する反応容器１と、蓄熱運転時に蓄熱材３を加熱する蓄熱材加熱部（熱交換部）と、蓄熱材を加熱することによって蓄熱材から脱離し、反応容器１の開口を通過した水（水蒸気）を凝縮させる凝縮部１２とを備える。蓄熱材加熱部は、熱媒体を流通させる熱媒体経路４を備えている。熱媒体経路４は、反応容器１に熱媒体を流入させる熱媒体入口４２ａ、４２ｂと、蓄熱材と熱交換した後の熱媒体を反応容器１から流出させる熱媒体出口４３ａ、４３ｂとを有している。反応容器１には、蓄熱材経路４を通過する熱媒から蓄熱材３への伝熱性能を向上させるためのフィン５と、放熱運転時に蓄熱材３に水を供給するための散水部１５とが設けられている。反応容器１、熱媒体経路４および凝縮部１２は、何れも蓄熱容器２内に配置されている。
【００４８】
本実施形態では、熱媒体経路４の熱媒体入口４２ａ、４２ｂは、反応容器１内において、凝縮部１２からの水平方向の距離（最短距離）が最も長くなる点Ｐ上またはその近傍に設けられている。これにより、凝縮部１２までの水蒸気の拡散距離が長く、水蒸気の流動抵抗の大きい位置にある蓄熱材を、より高温の熱媒体を用いて加熱し、その飽和水蒸気圧を高めることができる。この結果、蓄熱材の位置による脱水速度のムラを低減し、より均一に脱水反応を生じさせることが可能になる。
【００４９】
図２（ａ）は、本実施形態における蓄熱容器２の水平方向の断面図であり、図２（ｂ）は、熱媒体経路を例示する水平方向の断面図である。図２（ａ）からわかるように、本実施形態における凝縮部１２は、蓄熱容器２の内壁に沿って、反応容器１を包囲するように配置されている。また、図２（ｂ）に示すように、熱媒体入口４２ａ、４２ｂは、凝縮部１２からの水平方向の距離が最も長くなる点Ｐ上またはその近傍に配置されている。本明細書では、点Ｐおよびその近傍からなる領域を領域Ｒとする。
【００５０】
ここで、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、反応容器１内の点Ｐおよび領域Ｒの位置を説明する。図３（ａ）に示す例では、水平方向の断面において、反応容器１は正方形である。凝縮部１２は反応容器１の輪郭と平行になるように、反応容器１の周囲に設けられている。反応容器１内のある点（点ｘとする。）と、凝縮部１２の任意の点とを結ぶ線分のうち、最も短い線分の長さを距離Ｌとすると、距離Ｌは、その点ｘから凝縮部１２までの水平方向の最短距離となる。これは、点ｘに位置する蓄熱材から脱離した水蒸気が、最も近い凝縮部１２まで水平方向に拡散する距離に対応する。図示する点ｘの場合、距離Ｌは、点ｘから凝縮部１２の上辺に向かって引いた垂線の長さとなる。
【００５１】
この例では、図３（ｂ）からわかるように、反応容器１の中央に位置する点Ｐと凝縮部１２との最短距離Ｌ（ＬPとする。）は、他の点ｒ１、ｒ２と凝縮部１２との最短距離Ｌ（Ｌr1、Ｌr2とする。）よりも大きくなる。最短距離Ｌが最大となる点は１点のみ存在するので、領域Ｒは点Ｐを中心とする円形となる。領域Ｒの半径は、例えば熱媒体経路の配管の直径の５倍（あるいは距離ＬPの１／５等）である。
【００５２】
領域Ｒに位置する蓄熱材では、脱水反応によって脱離した水が水平方向に拡散する距離Ｌが他の領域に位置する蓄熱材よりも長くなるため、脱水反応の速度（脱水速度）が低下する。本実施形態では、領域Ｒに熱媒体入口４２ａ、４２ｂが配置されているので、領域Ｒに位置する蓄熱材を、熱媒体入口４２ａ、４２ｂ付近の最も高温の熱媒体によって、他の領域の蓄熱材よりも高い温度まで加熱することができる。この結果、蓄熱材の脱水速度の低下を抑制できる。
【００５３】
なお、本実施形態のように、水平方向の断面において、凝縮部１２が反応容器１を包囲しており、かつ、点対称形状を有する場合、点Ｐは凝縮部１２の対称中心となる。ここでいう「凝縮部１２が反応容器１を包囲する」とは、凝縮部１２が反応容器１を完全に包囲している必要はない。凝縮部１２は隙間を有していても構わない。また、図１に示すように、本実施形態では、鉛直方向の断面において、反応容器１の高さ方向に複数段の凝縮部１２が配列されているが、少なくとも１段の凝縮部１２が設けられていればよく、例えば反応容器１の外壁の上部のみが凝縮部１２によって包囲されていてもよい。
【００５４】
本実施形態における反応容器１は、その上面の略全体が開口していることが好ましい。これにより、実際の水蒸気の水平方向の拡散距離と上記距離Ｌとが大きくずれることを抑制できるので、熱媒体入口４２ａ、４２ｂを領域Ｒに配置することによる効果をより確実に得ることができる。
【００５５】
後で詳しく説明するように、反応容器１に収容された蓄熱材では、深いほど大きな圧力がかかり、その脱水速度は低下する。従って、熱媒体入口４２ａ、４２ｂは、図２（ｂ）に示すように、蓄熱材の最下部、すなわち反応容器１の底面付近（底部）に配置されていることが好ましい。このように、反応容器１の底面であり、かつ、凝縮部１２からの水平方向の距離の最も長い領域Ｒ内に熱媒体入口４２ａ、４２ｂを配置すると、脱水反応が最も生じにくい蓄熱材の脱水反応を促進できるので、顕著な効果が得られる。さらに、蓄熱材３を加熱する際の減圧沸騰による攪拌効果を利用して、蓄熱材３の鉛直方向にも脱水反応を均一に促進させることが可能になる。
【００５６】
本実施形態における熱媒体経路４は、図１に示すように、熱媒体入口４２ａ、４２ｂから反応容器１に流入した熱媒体を、熱媒体入口４２ａ、４２ｂから凝縮部１２に向かって水平方向に流通させるように構成されていることが好ましい。これにより、反応容器１の面内において、蓄熱材の脱水反応をより均一に生じさせることができる。
【００５７】
「熱媒体入口４２ａ、４２ｂから凝縮部１２に向かって熱媒体を水平方向に流通させる」とは、反応容器１の鉛直方向の断面において、熱媒体経路４が熱媒体入口４２ａ、４２ｂから凝縮部１２に向かうように構成されていればよい。例えば図２（ｂ）に示すように、水平方向の断面において、熱媒体経路４は、熱媒体入口４２ａ、４２ｂから、反応容器１の上辺および下辺の間を、蛇行しながら、反応容器１の右側または左側の凝縮部１２に向かって延びていてもよい。このように、水平面内において、熱媒体経路４が部分的にどの方向に延びていても、全体として凝縮部１２に向かう方向Ｄａ、Ｄｂに熱媒体を移動させるように構成されていればよい。
【００５８】
熱媒体入口４２ａ、４２ｂが反応容器１の底面に設けられ、かつ、熱媒体入口４２ａ、４２ｂから凝縮部１２に向かって熱媒体を水平方向に流通させるように熱媒体経路４が構成されていると、さらに有利である。これにより、蓄熱材の最下部の面内において、蓄熱材を均一に高い温度まで加熱できるので、蓄熱材の脱水速度の低下をより効果的に抑制できる。
【００５９】
本実施形態における反応容器１の開口は、水蒸気透過手段１３によって覆われていることが好ましい。水蒸気透過手段１３は、水蒸気を透過させるが、液体の水を透過させない構造体であればよく、例えば気液分離膜を用いて構成されていてもよい。気液分離膜は、気体を通過させるが液体を通過させない膜であり、例えば中空糸や活性炭やポリテトラフルオロエチレン、または撥水性処理を施したポリビニリデンフオライド、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含む膜である。好ましくは、水滴を通さずに水蒸気のみを微細孔を介して通す透湿膜が用いられる。これにより、蓄熱材から脱離して反応容器１の外部で凝縮された水が、上記開口を経て反応容器１に戻り、蓄熱材と再水和することを防止できる。このため、より大きな開口を設けることが可能となり、水蒸気の流動抵抗を大幅に低下させることができる。さらに、蓄熱材を加熱する際に、蓄熱材３から脱離した水蒸気の流動抵抗を増大させることなく、蓄熱材３が減圧沸騰により反応容器１の外部まで飛散することを防止できる。
【００６０】
なお、減圧沸騰により飛散した蓄熱材や凝縮した凝縮水が透湿膜に付着した状態で蓄熱運転を続けると、水蒸気は透湿膜を通過しにくくなるので、水蒸気の流動抵抗が大きくなる。このため、透湿膜は撥水性を有することが好ましい。さらに、透湿膜には、蓄放熱運転による反応容器１内の圧力変化に耐えうる強度が求められる。本発明者は、このような要求性能から検討した結果、本実施形態における水蒸気透過手段１３に用いる透湿膜として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含んだ撥水透湿膜が適用可能であることを見出した。本実施形態では、そのような透湿膜として、住友電工ファインポリマー（株）製の孔径が５μｍ、厚さが１００μｍの撥水透湿膜（品名：ポアフロンメンブレン、型番：ＷＰ−５００−１００）を用いる。
【００６１】
本実施形態では、蓄熱材３として、塩化カルシウム、臭化カルシウム、硫酸マグネシウムから選ばれた少なくとも１種の化合物を含む潜熱蓄熱材を用いることができる。例えば塩化カルシウムの水和物、臭化カルシウムの水和物などを用いてもよい。ここでは、塩化カルシウム・６水和物を用いる。
【００６２】
本実施形態の蓄熱システムは、さらに、蓄熱容器２の外部に設けられ、凝縮部１２によって凝縮された凝縮水を貯留する水貯留部１７と、凝縮水を蓄熱容器２から水貯留部１７に輸送する水輸送経路１６と、放熱運転時に、水貯留部１７に貯留された水を水貯留部１７から反応容器１内に供給する水供給経路２０とを備えてもよい。水供給経路２０は、水貯留器１７と反応容器１に配置された散水部１５とを接続している。
【００６３】
ここで、蓄熱材３から脱離した水の移動をより詳しく説明すると、まず、蓄熱運転時には、蓄熱材を加熱することによって蓄熱材から脱離した水（水蒸気）は、水蒸気透過手段１３を透過し、凝縮部１２で冷却されて、凝縮水（液体の水）となる。凝縮水は、蓄熱容器２の内壁と反応容器１との間を下方に向かって通過する。ここでは、蓄熱容器２の内壁と反応容器１との間における凝縮水が通過する経路１４を「水排出経路」と称する。なお、水排出経路１４は、図示する経路に限定されない。水排出経路１４を通過した凝縮水は、水輸送経路１６により水貯留器１７に輸送されて貯留される。蓄熱運転時に水貯留器１７に貯留された貯留水は、放熱運転時に、ポンプ３０によって、水供給経路２０を通過して散水部１５まで輸送され、散水部１５から反応容器１内に供給されて蓄熱材と反応（水和反応）する。この反応により、蓄熱材に蓄えられていた熱が放出される。
【００６４】
水輸送経路１６には、反応容器２と水貯留器１７との間で水が移動することを制限する弁２３が設けられていることが好ましい。弁２３を開けた状態で、蓄熱容器２から水を取り出しながら第１の蓄熱工程を行った後、弁２３を閉じた状態で、蓄熱材３をさらに加熱する第２の蓄熱工程を行うと、蓄熱材３の温度をさらに上昇させることが可能になる。このため、蓄熱量を増加させることができる。
【００６５】
また、水貯留部１７に貯留されていた水を加熱する貯留水加熱部１９を備えていることが好ましい。これにより、放熱運転時に、加熱した貯留水と蓄熱材と反応させることができるので、取出し熱量を増加させることができる。蓄熱運転時に貯留水を加熱するときには、加熱された貯留水が反応容器１に逆流することを防止するために弁２３を閉じておくことが好ましい。
【００６６】
蓄熱材加熱部４は、冷媒を循環させる冷媒経路を含む冷媒回路１０と、冷媒回路１０の冷媒によって熱媒を加熱し、蓄熱材３と熱交換することによって熱媒が冷却されるように循環させる熱媒回路１１とを備えていてもよい。
【００６７】
本実施形態における冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する圧縮機６と、圧縮機６で圧縮された冷媒と熱媒回路１０の熱媒とを熱交換する第２熱交換部（熱媒加熱部）９と、熱媒と熱交換した後の冷媒を膨張させる膨張装置８と、膨張された冷媒を加熱する蒸発器７と、これらの間で冷媒を循環させる冷媒経路とを有している。凝縮部１２は、冷媒回路１０の冷媒と熱交換することによって、蓄熱材から脱離した水蒸気を冷却するように構成されていてもよい。図示する例では、凝縮部１２は、冷媒回路１０における圧縮機６の吸入側と蒸発器７との間に設けられ、反応容器１内の水蒸気と冷媒とを熱交換させるように構成されている。これにより、冷媒回路１０のＣＯＰをより効果的に向上できる。
【００６８】
熱媒回路１１は、冷媒回路１０の第２熱交換部（熱媒加熱部）９と、反応容器１の第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４と、これらの間で熱媒を循環させる熱媒経路とを有している。熱媒として、例えば水を用いてもよい。また、熱媒回路１１には、第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４で冷却された後、第２熱交換部（熱媒加熱部）９で加熱される前の熱媒と、水貯留部１７に貯留されていた貯留水との熱交換を行う第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８が設けられている。熱媒回路１１は、さらに、給水口２１および給湯口２２と接続されていてもよい。この場合、放熱時には、給水口２１から供給された熱媒（水）を、第１熱交換部４で蓄熱状態の蓄熱材３と熱交換させることによって加熱し、得られた温水を給湯口２２に輸送するように構成されていてもよい。
【００６９】
貯留水加熱部１９は、水貯留器１７と、第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８と、これらの間で水貯留器１７により貯留されていた貯留水を循環させる貯留水経路とを有している。このような構成により、水貯留器１７で貯留されていた貯留水は、第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８において、熱媒回路１１の熱媒と熱交換して加熱され、その後、水貯留器１７に戻される。また、貯留水加熱部１９は、水貯留器１７に貯留されていた貯留水と冷媒回路１０の放熱器９を流通し、膨張装置８を流通する前の冷媒と熱交換を行い、加熱を行う構成を有していてもよい。
【００７０】
＜熱媒体経路４および凝縮部１２の構成＞
本実施形態における凝縮部１２の構造は図２（ａ）に示す構造に限定されない。
【００７１】
図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本実施形態における他の蓄熱容器の水平方向の断面図および鉛直方向の断面図である。図４（ａ）に示すように、凝縮部１２は、反応容器２の対向する２つの側壁に沿って平行に配置された２つの部分から構成されていてもよい。この場合、反応容器１内において、凝縮部１２までの水平方向の最短距離Ｌが最大値ＬPなる点Ｐは、凝縮部１２の対向する２つの部分の中央を通り、かつ、凝縮部１２に平行な線Ｑ上に存在する。線Ｑよりも右側または左側にずれると（例えば点ｒ１）、最短距離Ｌr1が上記ＬPよりも小さくなるからである。このため、凝縮部１２から水平方向に最も離れた領域Ｒは、線Ｑおよびその近傍を含む線状の領域となる。領域Ｒにおける線Ｑに垂直な幅は、例えば熱媒体経路の配管の直径の５倍（あるいは距離ＬPの１／５等）である。したがって、熱媒体経路４の熱媒体入口を領域Ｒ内に配置することによって上記効果を得ることができる。熱媒体経路４の構成は特に限定しないが、例えば図２（ｂ）に示す構成と同様であってもよい。なお、領域Ｒが反応容器１の水平方向の断面の端部まで延びている場合、図４（ｂ）に示すように、反応容器１の側面（図４（ｂ）に示す領域Ｒ内）に熱媒体入口４２ａ、４２ｂを設けても良い。
【００７２】
図５（ａ）は、本実施形態におけるさらに他の蓄熱容器の水平方向の断面図である。図５（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、図５（ａ）に示す蓄熱容器に適用可能な熱媒体経路４を例示する水平方向および鉛直方向の断面図である。凝縮部１２を蓄熱容器２の１つの側壁に取り付けると、図５（ａ）に示すように、凝縮部１２は、蓄熱容器２の１つの側壁を除く全側壁に沿って配置される。この例では、蓄熱容器２および反応容器１の断面形状は四角形であり、凝縮部１２は、対向する２つの部分（対向部分）およびそれらを接続する部分（接続部分）からなるコの字型の形状を有する。反応容器１内において、凝縮部１２までの水平方向の最短距離Ｌが最大値ＬPとなる点Ｐは、図示するように、凝縮部１２の２つの対向部分の中央を通り、かつ、これらの対向部分に平行な線（凝縮部１２が線対称形状を有する場合には、その対称線）の一部（線Ｑ）上に存在する。線Ｑよりも上側または下側にずれると（例えば点ｒ１）、最短距離Ｌr1が上記ＬPよりも小さくなる。また、線Ｑよりも右側（凝縮部１２の接続部分側）にずれると（例えば点ｒ２）、凝縮部１２のうち対向する２つの部分を接続する部分に近くなるので、最短距離Ｌr2は上記ＬPよりも小さくなるる。このため、凝縮部１２から水平方向に最も離れた領域Ｒは、線Ｑおよびその近傍を含む線状の領域となる。領域Ｒにおける線Ｑに垂直な幅は、例えば熱媒体経路の配管の直径の５倍（あるいは距離ＬPの１／５等）である。
【００７３】
この例における熱媒体経路４は、例えば図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、領域Ｒ内に設けられた熱媒体入口４２ａ、４２ｂから凝縮部１２に向かう方向Ｄａ、Ｄｂに熱媒体を流通させるように構成されていることが好ましい。これにより、脱水反応をより効果的に促進できる。さらに、図５（ｃ）に示すように、熱媒体入口４２ａ、４２ｂを反応容器１の底面に設けるとともに、凝縮部１２に向かって水平方向Ｄａ、Ｄｂに熱媒体を流通させた後、反応容器１の上方に向かって流通させることが好ましい。これにより、反応容器１内の蓄熱材の脱水反応を鉛直方向により均一化できる。
【００７４】
図５（ｂ）に示す熱媒体経路４の代わりに、図６に示す構成を適用してもよい。この構成でも、熱媒体入口４２ａ、４２ｂが領域Ｒ内に配置され、かつ、熱媒体が凝縮部１２に向かって水平方向Ｄａ、Ｄｂに流通するように、熱媒体経路４が設けられている。
【００７５】
図７は、本実施形態におけるさらに他の蓄熱容器２の水平方向の断面図である。図７に示すように、凝縮部１２は、反応容器１の１つの側壁のみに沿って配置されていてもよい。この場合、反応容器１内において、凝縮部１２までの水平方向の最短距離Ｌが最大値ＬPなる点Ｐは、凝縮部１２から最も離れた側壁に沿った線Ｑ上に存在する。このため、凝縮部１２から水平方向に最も離れた領域Ｒは、線Ｑおよびその近傍を含む線状の領域となる。領域Ｒにおける線Ｑに沿った幅は、例えば熱媒体経路の配管の直径の５倍（あるいは距離ＬPの１／５等）である。
【００７６】
図示しないが、熱媒体入口は１つまたは３以上であってもよい。３以上の熱媒体入口を設ける場合、少なくとも１つが上記領域Ｒに配置されていればよいが、全ての熱媒体入口が領域Ｒに配置されているとより顕著な効果が得られる。凝縮部１２は、反応容器１の高さに亘って配置されている必要はなく、例えば反応容器１の外壁の上部にのみ配置されていてもよい。
【００７７】
また、反応容器１の断面形状も四角形に限定されず、円形や他の多角形であってもよい。反応容器１の断面形状にかかわらず、上述した例（図２〜図７）と同様に、凝縮部１２の位置および形状によって、水蒸気の拡散距離が長くなる領域Ｒを特定できる。
【００７８】
さらに、反応容器１における開口の位置や形状も特に限定されない。本実施形態では、反応容器１の上面全体が開口されているが、反応容器１は、水蒸気を凝縮部１２に移動させるために、上方に解放された開口を有していればよく、例えば上面の一部のみが開口されていてもよい。また、上方に開放された開口に加えて、側方に解放された開口をさらに有していてもよい。
【００７９】
＜蓄熱動作＞
次に、蓄熱材として塩化カルシウム・６水和物を用いる場合を例に、図１に示す蓄熱システムの蓄熱運転時の動作を説明する。
【００８０】
本実施形態では、弁２３を開けた状態で、蓄熱材３を加熱するとともに、凝縮部１２で凝縮した水を蓄熱容器２から取り出して水貯留器１７に貯留する（以下、「第１の蓄熱工程」という）。続いて、弁２３を閉じることによって、蓄熱容器２と水貯留器１７との間で水が移動することを遮断する。この状態で、蓄熱材３をさらに加熱して、蓄熱材３の温度をさらに上げるとともに、水貯留器１７に貯留されていた貯留水を加熱する（以下、「第２の蓄熱工程」という。）。このようにして、２段階で蓄熱工程を行う。
【００８１】
以下、図面を参照しながら、各蓄熱工程の動作をより詳しく説明する。
【００８２】
図８は、蓄熱運転時における蓄熱材の温度と塩濃度との関係を例示するグラフである。図８に示す曲線（Ａ）が第１の蓄熱工程に相当し、直線（Ｂ）が第２の蓄熱工程に相当する。
【００８３】
下記式（１）からわかるように、塩化カルシウム・６水和物は加熱されると脱水反応を生じて塩化カルシウム水溶液と塩化カルシウム・２水和物との混合物になるとともに、熱（ΔＨ）を蓄える（右向きの反応）。一方、塩化カルシウム水溶液と塩化カルシウム・２水和物との混合物は、水と反応して塩化カルシウム・６水和物になるとともに、熱（ΔＨ）を放出する（左向きの反応）。なお、本明細書では、蓄熱している状態（ここでは塩化カルシウム水溶液と塩化カルシウム・２水和物との混合物）を単に「蓄熱状態」、放熱後の状態（ここでは塩化カルシウム・６水和物）を単に「放熱状態」という。
ＣａＣｌ2・６Ｈ2Ｏ（固体）＋ΔＨ  ⇔  ａＣａＣｌ2／（４．０３〜４．４３）Ｈ2Ｏ（水溶液）＋  ｂＣａＣｌ2・２Ｈ2Ｏ（固体）＋２Ｈ2Ｏ            （１）
【００８４】
まず、第１の蓄熱工程を開始する前に、弁２３〜２７を全て閉じておく。次いで、弁２３を開放し、真空ポンプ等の減圧装置により蓄熱容器２及び水貯留器１７の圧力を下げる。蓄熱容器２及び水貯留器１７の圧力が所定の値まで下がれば、弁２３を閉じる。
【００８５】
続いて、第１の蓄熱工程を開始する。ここでは、冷媒回路１０により加熱した熱媒体を、蓄熱材経路４における熱媒体入口４２ａ、４２ｂから、熱媒体出口４３ａ、４３ｂに向かって流通させ、蓄熱材３を例えば６０℃まで加熱する。また、凝縮部１２に膨張装置８を流通した後の冷媒を流通させることによって、同時に蓄熱材３より脱離した水蒸気の冷却を行う。このとき、図８に示すように、水和物である蓄熱材３は固体から液体に相変化し、続いて濃縮により水和数が減少しはじめる。この反応は上式（１）の右方向の反応に相当する。蓄熱材３から脱離した水分は水蒸気となり、水蒸気透過手段１３を通じて、反応容器１の側方に配置された凝縮部１２で冷却される。凝縮部１２に到達した水蒸気は冷却され、液滴となり、重力により下方向に滴下する。滴下した凝縮水は、水排出経路１４を経て、水貯留器１７に貯留される。
【００８６】
この過程で、図８に示すように、本実施形態の構成によれば、従来よりも蓄熱材３を低温で高濃度まで濃縮できる理由について説明する。
【００８７】
図９に蓄熱材の脱水速度の関係を例示する図を示す。また、蓄熱材からの脱水速度Ｘは下式（２）で決定される。
Ｘ＝ｋΔＰ                            （２）
ΔＰ：ＰS−（ＰV＋ＰH＋ＰR）
なお、ｋは比例定数、ＰSは蓄熱材の飽和水蒸気圧、ＰVは蓄熱容器の空間圧力、ＰRは水蒸気が移動する際の流動抵抗、ＰHは蓄熱材の深さ方向に働く圧力である。ＰHは蓄熱材の密度をρ、重力加速度をｇ、蓄熱材の上面からの深さをｈとすると、ρｇｈで表される。したがって、例えば図９に示すＡ点なら、蓄熱材の密度ρを１５００ｋｇ／ｍ3、重力加速度ｇを９．８ｍ／ｓ2とすると、ｈは０．１ｍなので、ＰHは１４７０Ｐａとなり、これだけの圧力がＡ点の蓄熱材にかかっていることになる。上式（２）より、ＰｓがＰV＋ＰH＋ＰRの値を超えると脱水反応が開始することが分かる。
【００８８】
例えば反応容器１の底面に平行な面において中央により近く、また、反応容器１の底面により近い位置に配置された蓄熱材では、他の位置に配置された蓄熱材よりも凝縮部１２までの拡散距離が長くなり、ＰRおよびＰHの値が大きくなる。しかしながら、本実施形態によると、そのような蓄熱材をより高温に加熱することによってＰｓの値を大きくできるので、結果的にΔＰの値を確保でき、脱水速度の低下を抑制することができる。
【００８９】
また、本実施形態では、反応容器１の底面に設けられた熱媒体の入口４２ａ、４２ｂを通過した熱媒体が、反応容器１の底面に平行に（典型的には水平方向に）流通している。このため、反応容器１の底面近傍に位置し、脱水されにくい蓄熱材３のＰSを大きくすることができる。この結果、脱水されにくい位置にある蓄熱材３のΔＰの低下を抑えることができるので、蓄熱材３全体の脱水反応を均一に促進できる。さらに、本実施形態に示すように蓄熱部１の最下部に熱媒体の入口を設ければ、蓄熱材３を加熱する際の減圧沸騰による攪拌効果をより有効に活用できるので、鉛直方向に生じる脱水速度の差をさらに低減でき、脱水反応をさらに均一に促進できる。
【００９０】
このように、本実施形態によると、蓄熱材３の脱水反応を促進することができるので、蓄熱工程において、従来よりも蓄熱材３を低温で高濃度まで濃縮することができる。
【００９１】
第１の蓄熱工程では、図８の曲線（Ａ）で示すように、蓄熱材３の温度は６０℃まで上昇し、かつ、蓄熱材３における塩濃度は６０％まで高くなる。この工程において、蓄熱材３を相変化温度まで昇温させるための顕熱、相変化温度での蓄熱材の融解潜熱、固液共存状態の蓄熱材３を相変化温度から６０℃まで昇温させるための顕熱、および、蓄熱材３の脱水反応による反応熱を蓄えることが可能である。また、第１の蓄熱工程では、蓄熱材３で冷却された後、第２熱交換部（熱媒加熱部）９で加熱される前の熱媒の温度Ｔｍは、蓄熱材３の温度上昇に伴って上昇する。
【００９２】
この後、弁２３を閉じて、蓄熱容器２と水貯留器１７との間の水の移動を遮断する。これによって、第１の蓄熱工程を終了する。
【００９３】
なお、弁２３は、蓄熱材３で冷却された後、第２熱交換部（熱媒加熱部）９で加熱される前の熱媒の温度Ｔｍが所定温度（例えば６０℃）以上になると、開状態から閉状態に切り換えられることが好ましい。例えば、熱媒回路１１の第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４と第２熱交換部（熱媒加熱部）９との間に、熱媒の温度を計測する温度計測部２８を設けておき、温度計測部２８による測定温度が所定温度に達したことを検知すると、弁２３を閉じるように制御することができる。
【００９４】
代わりに、水貯留器１７に水位計を設けるか、あるいは水輸送経路１６に流量計を設けておき、蓄熱容器２から取り出された水の量が一定量に達すると弁２３を閉じるようにしてもよい。また、第１の蓄熱工程を開始して所定の時間が経過すると、弁２３を閉じてもよい。
【００９５】
続いて、第２の蓄熱工程を行う。弁２３を閉じた状態で、蓄熱材３をさらに加熱すると同時に、熱媒と水貯留器１７に貯留された貯留水とを熱交換する動作を行う。
【００９６】
第２の蓄熱工程では、まず、弁２４及び弁２５を開き、ポンプ２９により水貯留器１７内の貯留水を第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８に送る。第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８において、反応容器１内を流通した後の熱媒と水貯留器１７で貯留されていた貯留水とが熱交換され、熱媒の温度Ｔｍを下げるとともに、貯留されていた貯留水を加熱することができる。加熱された貯留水は、再び水貯留器１７に戻される。
【００９７】
本実施形態における第２の蓄熱工程では、弁２３を閉じた状態で、すなわち蓄熱容器２から水が取り出されることなく、蓄熱材３の加熱が行われる。蓄熱材３の加熱は、例えば、熱媒の温度Ｔｍが再び６０℃まで上昇するまで行うことができる。このため、図８の直線（Ｂ）で示すように、蓄熱材３の塩濃度は下げずに、第１の蓄熱工程よりも高い温度（例えば８０℃）まで蓄熱材３の温度を上昇させることができる。なお、図８からわかるように、本実施形態における蓄熱状態の蓄熱材３は固液共存状態である。
【００９８】
第２の蓄熱工程が終了すると、全ての弁を閉じた状態にして蓄熱材３の加熱を停止する。
【００９９】
一方、従来技術では、脱水速度が低いので、例えば、図８の破線で示すように蓄熱材３の温度が６０℃に達するまでに、塩濃度を６０％まで高めることができない。また、水の取り出しを終了した時点で蓄熱運転を終了し、第２の蓄熱工程を行わない。したがって、本実施形態によると、従来技術よりも脱水量を多くできるので、より多くの反応熱を蓄熱材の蓄えることができる。また、蓄熱材３を６０℃から８０℃まで昇温させるための顕熱分だけ、蓄熱量を増加させることが可能である。
【０１００】
さらに、本実施形態では、弁２３を閉じた状態で貯留水の加熱を行うので、開いた状態で加熱を行う場合と比べて、次のような利点もある。
【０１０１】
蓄熱時に、弁２３を開いた状態で貯留水を加熱すると、水貯留器１７内の水の温度が高くなることによって水貯留器１７内の蒸気圧が上昇し、蓄熱容器２内の蒸気圧より高くなってしまう。このため、水貯留器１７内の水（水蒸気）の逆流が起こるおそれがある。蓄熱時に水が蓄熱容器２に逆流すると、逆流した水が蓄熱材３と反応して放熱するため、脱水速度および蓄熱量の低下を引き起こす可能性がある。これに対して、本実施形態では、弁２３を閉じた状態で貯留水を加熱するので、貯留水の逆流による脱水速度および蓄熱量の低下を抑制することができる。
【０１０２】
＜放熱動作＞
次に、本実施形態の蓄熱システムの放熱運転時の動作を説明する。
【０１０３】
本実施形態では、上記蓄熱動作の後、水貯留器１７内の貯留水を反応容器１に供給し、蓄熱状態の蓄熱材３と反応させることによって放熱を行う。また、放熱時に蓄熱材から放出された熱の回収を、第１熱交換部（蓄熱材加熱部）４において、給水口２１より供給された市水と蓄熱材３とを熱交換させることにより行う。
【０１０４】
まず、放熱動作の第１パターンを説明する。冷媒回路１０を用いて蓄熱を行う場合には、深夜電力を用いることが多い。深夜電力とは、深夜から朝にかけての電力消費が少ない時間帯のみに利用ができ、契約により、通常の３分の１から４分の１の価格で使用できる電力をいう。
【０１０５】
第１の運転パターンでは、この深夜電力の時間帯が終了すると同時に蓄熱を終了し、水貯留器１７から反応容器１内に貯留水を供給する。具体的には、深夜電力の時間帯が終了すると、弁２４、２６を開き、水貯留器１７に貯留されていた貯留水をポンプ３０により、水供給経路２０を介して散水部１５に送る。散水部１５から反応容器１に水が供給されると、蓄熱状態（水和数が減少した状態）の蓄熱材３と水とが反応する。この結果、蓄熱材３が放熱状態（蓄熱前の状態）に戻るとともに、反応熱が発生する。したがって、蓄熱材３の温度がより高くなるので、より多くの熱量を取り出すことができる。
【０１０６】
放熱時に蓄熱材３と反応させる水は、例えば第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）１８で加熱されていることが好ましい。加熱を行っていない水や市水を供給しても放熱させることはできるが、その場合には、水の温度が低いため、蓄熱材３の温度を低下させてしまうので、たとえ蓄熱量が多くても、放熱時に回収できる熱量が減少するからである。
【０１０７】
次に、放熱時の第２の運転パターンを説明する。蓄熱終了後から給湯等の大きな負荷が発生するまでに長時間が経過してしまうと、反応容器１から外気への放熱損失が顕著となり湯切れ等の原因となる。したがって、第１の運転パターンのように蓄熱終了直後に反応容器１に水貯留器１７内の全ての貯留水を供給してしまうと、熱利用時までの放熱損失が大きくなり、効率のよい運転ができない場合がある。
【０１０８】
そこで、第２の運転パターンでは、給湯等の大きな負荷が発生する時間帯に多くの熱量が取り出せるように、反応容器１への貯留水の供給量を調整する。例えば、弁２４、２６を開き、水貯留器１７に貯留された水の一部のみを蓄熱終了直後に反応容器１に供給する（第１の動作）。第１の動作が終われば、弁２４、２６を閉じる。この後、給湯等の大きな負荷が発生する時間帯に合わせて、弁２４、２６を再び開き、水貯留器１７に残っている貯留水を反応容器１に供給する。このように、貯留水の供給を段階的に行えば、放熱損失を抑制した効率のよい運転を行うことができる。
【０１０９】
本実施形態の蓄熱システムの構成は、図１〜図７を参照しながら前述した構成に限定されない。例えば図１０に示すように、複数の反応容器１を備えていてもよい。その場合、複数の反応容器１を鉛直方向に積層し、各反応容器１内における蓄熱材３の厚さを低減してもよい。これにより、蓄熱材３の深さ方向に働く圧力ＰHの値を小さくできるので、前述した式（２）から分かるように、蓄熱材３の脱水速度Ｘをさらに向上させることができる。また、熱媒体入口４２ａ、４２ｂは、最も下段となる反応容器１の領域Ｒに配置されることが好ましい。
【０１１０】
本実施形態の蓄熱および放熱動作も上述した動作に限定されない。例えば、第２の蓄熱工程を行わなくてもよい。また、貯留水を加熱しなくてもよい。そのような場合でも、脱水反応の促進によって蓄熱材３を従来よりも高濃度まで濃縮できるので（図８）、本願発明の効果が得られる。さらに、本実施形態では、凝縮水を貯留して放熱時に再利用しているが、凝縮水を貯留しない構成であってもよい。放熱時に回収された熱の利用手段も給湯に限定されず、例えば暖房機器などに利用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明に係る蓄熱システムは、給湯器、空調設備、工業廃熱の貯蔵等に利用することができ、特に、給湯器に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１          反応容器
２          蓄熱容器
３          蓄熱材
４          第１熱交換部（蓄熱材加熱部）の熱媒体経路
５          フィン
６          圧縮機
７          蒸発器
８          膨張装置
９          第２熱交換部（熱媒加熱部）
１０        冷媒回路
１１        熱媒回路
１２        凝縮部
１３        水蒸気透過手段
１４        水排出経路
１５        散水部
１６        水輸送経路
１７        水貯留器
１８        第３熱交換部（貯留水／熱媒熱交換部）
１９        貯留水加熱部
２０        水供給経路
２１        給水口
２２        給湯口
２３〜２７  弁
２８        温度検知手段
２９、３０  ポンプ
３１〜３５  弁
３６        第４熱交換部（貯留水／冷媒熱交換部）
３７        貯留水加熱部
４２ａ、４２ｂ    熱媒体入口
４３ａ、４３ｂ    熱媒体出口
４９        蓄熱容器
５０        蓄熱部（反応器）
５１        ヘッダー
５２        凝縮部
５３        蒸発部
５４        密閉容器
５５        滴下防止カバー
５６        熱媒体の入口
５７        熱媒体の出口
５８        水貯留部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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