(57)【要約】【課題】外部熱を蓄熱する化学蓄熱装置において、放熱時に外部熱が存在しなくても、外部熱よりも高温の熱を出力可能とする。【解決手段】水酸化カルシウムを太陽熱により加熱する再生用熱交換器１５Ａ、１５Ｂと、酸化カルシウムとを収容する反応器１１Ａ、１１Ｂと、水を収容する容器１２Ａ、１２Ｂと、容器１２Ａ、１２Ｂに収容された水を反応器１１Ａ、１１Ｂへ導くとともに、開閉弁（１４Ａ、１４Ｂ）を有する接続通路１３Ａ、１３Ｂとを有する２段の蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂと、各段の蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂの反応器１１Ａ、１１Ｂで水酸化カルシウムを分離させた際に生じる気体状態の水を凝縮させる凝縮器３とを備え、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの反応器１１Ｂを熱機関６と熱的に接続し、１段目の蓄熱ユニット１Ａの反応器１１Ａを２段目の蓄熱ユニット１Ｂの容器１２Ｂと熱的に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）を反応させて化合物を生成する際に生じる反応熱によって加熱対象物（６）を加熱し、系外にて発生する熱である外部熱によって前記化合物を前記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）に分離させて蓄熱する化学蓄熱装置であって、
前記化合物を前記外部熱により加熱する再生用熱交換器（１５Ａ、１５Ｂ）と、前記第１反応物（Ａ）とを収容する反応器（１１Ａ、１１Ｂ）と、
前記第２反応物（Ｂ）を収容する容器（１２Ａ、１２Ｂ）と、
前記容器（１２Ａ、１２Ｂ）に収容された前記第２反応物（Ｂ）を前記反応器（１１Ａ、１１Ｂ）へ導くとともに、開閉手段（１４Ａ、１４Ｂ）を有する接続通路（１３Ａ、１３Ｂ）とを有するＭ段（Ｍは２以上の整数）の蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）と、
各段の前記蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の前記反応器（１１Ａ、１１Ｂ）で前記化合物を分離させた際に生じる気体状態の前記第２反応物（Ｂ）を凝縮させる凝縮手段（３）とを備え、
Ｍ段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記反応器（１１Ｂ）は、前記加熱対象物（６）と熱的に接続されており、
（Ｎ−１）段目（Ｎは２以上Ｍ以下の整数）の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記反応器（１１Ａ）は、Ｎ段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記容器（１２Ｂ）と熱的に接続されていることを特徴とする化学蓄熱装置。
【請求項２】
１段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記容器（１２Ａ）が、前記１段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記反応器（１１Ａ）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。
【請求項３】
１段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記容器（１２Ａ）が、２段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記容器（１２Ｂ）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。
【請求項４】
１段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記容器（１２Ａ）は、前記外部熱よりも低温の加熱源（４）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の化学蓄熱装置。
【請求項５】
前記凝縮手段は、前記気体状態の前記第２反応物（Ｂ）を凝縮させる際に生じる凝縮熱を蓄熱する蓄熱材（３００）を有する凝縮器（３）であり、
前記加熱源は、前記凝縮器（３）であることを特徴とする請求項４に記載の化学蓄熱装置。
【請求項６】
前記加熱源は、前記外部熱を発生させる外部熱源（２）と熱的に接続されていることを特徴とする請求項４または５に記載の化学蓄熱装置。
【請求項７】
前記容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の前記第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、前記第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］未満であり、
前記第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃにおける飽和蒸気圧をＰｅ［Ｐａ］としたとき、前記蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖ［Ｐａ］は、次の数式１
（数１）
Ｐｖ＞Ｐｅ
にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置。
【請求項８】
前記容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の前記第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、前記第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］以上であり、
前記容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の前記第２反応物（Ｂ）の分子量をｎ［ｍｏｌ］、前記容器（１２Ａ、１２Ｂ）の体積をＶｍ［ｍ３］、圧縮因子をｚ、気体定数をＲとしたとき、前記蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖ［Ｐａ］は、次の数式２
（数２）
Ｐｖ＞ｚｎＲＴ／Ｖｍ
に示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置。
【請求項９】
前記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）から前記化合物を生成させる反応の反応熱をΔＨｒ［Ｊ／ｍｏｌ］、前記第２反応物（Ｂ）の蒸発潜熱をΔＨｅ［Ｊ／ｍｏｌ］、（Ｎ−１）段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記反応器（１１Ａ）の熱容量をＱｒ（Ｎ−１）ＨＭ［Ｊ／Ｋ］、Ｎ段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記反応器（１１Ｂ）の熱容量をＱｅＮＨＭ［Ｊ／Ｋ］、前記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）を反応させる際の（Ｎ−１）段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記反応器（１１Ａ）内の目標温度をＴａ（Ｎ−１）［Ｋ］、前記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）を反応させる際のＮ段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記反応器（１１Ｂ）内の目標温度をＴａＮ［Ｋ］、外気温度をＴａｉｒ［Ｋ］、（Ｎ−１）段目の前記蓄熱ユニット（１Ａ）の前記反応器（１１Ａ）において前記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）を反応させることにより得られる熱量をＮ−１段目発生熱量Ｑｒ（Ｎ−１）［Ｊ］、Ｎ段目の前記蓄熱ユニット（１Ｂ）の前記反応器（１１Ｂ）において記第１反応物（Ａ）および前記第２反応物（Ｂ）を反応させることにより得られる熱量をＮ段目発生熱量ＱｒＮ［Ｊ］としたとき、次の数式３
（数３）
Ｑｒ（Ｎ−１）・ΔＨｒ／ΔＨｅ＜ＱｒＮ＜｛Ｑｒ（Ｎ−１）−Ｑｒ（Ｎ−１）ＨＭ・（Ｔａ（Ｎ−１）−Ｔａｉｒ）−ＱｅＮＨＭ・（ＴａＮ−Ｔａｉｒ）｝・ΔＨｒ／ΔＨｅ
に示される関係を満たすように、前記Ｎ−１段目発生熱量Ｑｒ（Ｎ−１）および前記Ｎ段目発生熱量ＱｒＮが設定されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置。
【請求項１０】
前記加熱対象物は、作動気体を加熱膨張させる高温部（７１ａ）および前記作動気体を冷却収縮させる低温部（７１ｂ）を有し熱エネルギを運動エネルギに変換する熱機関（７１）の前記高温部（７１ａ）であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置。
【請求項１１】
前記第１反応物（Ａ）は、酸化カルシウムであって、
前記第２反応物（Ｂ）は、水であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の反応熱を利用して熱を取り出し、また熱分解して蓄熱する化学蓄熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱機器からの排熱を回収する熱回収装置として、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１の従来技術では、熱機器から排出される高温の排ガスにて第１化学蓄熱装置の反応材を加熱し被反応材を放出させ、反応材加熱後のガスをさらに熱交換器にて熱回収した後、第２化学蓄熱装置の被反応材を加熱して気化させ、第２の化学蓄熱装置の反応材と反応させている。また、出力の取り出しは、第１化学蓄熱装置の被反応材を収容した容器内に水を通し、さらに、第２化学蓄熱装置の反応材を収容した容器を通すことで高温蒸気を発生させることにより行う。
【０００３】
これによると、需要に応じて適宜出力を取り出すことができる。さらに、熱機器の排ガス温度よりも高温の蒸気を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平８−６６０８号公報
【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、上記従来技術では、需要に応じて適宜出力を取り出すためには、熱機関から得られる排熱（外部熱）が常に一定量以上存在している必要がある。このため、熱機関から得られる熱量が時間経過とともに低下するような熱量変動を伴うシステムに上記従来技術を適用した場合、第１化学蓄熱装置の反応材は、熱量不足のため被反応材を放出できない虞がある。したがって、上記従来技術を、熱量変動を伴う熱機器の排熱を利用するシステム適用すると、熱回収作動が成立しないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、外部熱を蓄熱する化学蓄熱装置において、放熱時に外部熱が存在しなくても、外部熱よりも高温の熱を出力可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、化合物を外部熱により加熱する再生用熱交換器（１５Ａ、１５Ｂ）と、第１反応物（Ａ）とを収容する反応器（１１Ａ、１１Ｂ）と、第２反応物（Ｂ）を収容する容器（１２Ａ、１２Ｂ）と、容器（１２Ａ、１２Ｂ）に収容された第２反応物（Ｂ）を反応器（１１Ａ、１１Ｂ）へ導くとともに、開閉手段（１４Ａ、１４Ｂ）を有する接続通路（１３Ａ、１３Ｂ）とを有するＭ段（Ｍは２以上の整数）の蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）と、各段の蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の反応器（１１Ａ、１１Ｂ）で化合物を分離させた際に生じる気体状態の第２反応物（Ｂ）を凝縮させる凝縮手段（３）とを備え、Ｍ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１１Ｂ）は、加熱対象物（６）と熱的に接続されており、（Ｎ−１）段目（Ｎは２以上Ｍ以下の整数）の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）は、Ｎ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）と熱的に接続されていることを特徴としている。
【０００８】
これによれば、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）で加熱された第２反応物（Ｂ）が接続通路（１３Ａ）を介して反応器（１１Ａ）へ流入する。そして、流入した第２反応物（Ｂ）は、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）で第１反応物（Ａ）と反応して化合物を生成し、その際に反応熱が発生する。
【０００９】
このとき、（Ｎ−１）段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）は、Ｎ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）と熱的に接続されているため、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）で発生した反応熱が２段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）に伝熱される。そして、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）から伝熱された熱により、２段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）に収容された第２反応物（Ｂ）が加熱される。
【００１０】
このように、（Ｎ−１）段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）にて発生した反応熱が、Ｎ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）に伝熱され、この熱により加熱された第２反応物がＮ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１Ｂ）に流入し、再度第１反応物（Ａ）と反応して反応熱を発生させる。そして、Ｍ段目、すなわち最終段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１１Ｂ）が、加熱対象物（６）と熱的に接続されているので、各蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）において昇温されて外部熱よりも高温となった熱により、加熱対象物（６）を加熱することができる。
【００１１】
上述した放熱モードにおいては、放熱時に外部熱が存在しなくても、外部熱よりも高温の熱を出力することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の化学蓄熱装置において、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）が、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）と熱的に接続されていることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）で発生した反応熱の一部により、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）に収容された第２反応物（Ｂ）を加熱することができる。したがって、第２反応物（Ｂ）を加熱するための加熱源を別途設ける必要がないため、上記した請求項１の発明の効果を簡素な構成によって得ることができる。さらに、放熱時において、外部からの加熱源を全く必要としないため、本発明の化学蓄熱装置を幅広いシステムに適用することが可能となる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の化学蓄熱装置において、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）が、２段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）と熱的に接続されていることを特徴としている。
【００１５】
これによれば、２段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の容器（１２Ｂ）に伝熱された熱の一部により、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）に収容された第２反応物（Ｂ）を加熱することができる。したがって、第２反応物（Ｂ）を加熱するための加熱源を別途設ける必要がないため、上記した請求項１の発明の効果を簡素な構成によって得ることができる。さらに、放熱時において、外部からの加熱源を全く必要としないため、本発明の化学蓄熱装置を幅広いシステムに適用することが可能となる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の化学蓄熱装置において、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）は、外部熱よりも低温の加熱源（４）と熱的に接続されていることを特徴としている。
【００１７】
これによれば、加熱源（４）の熱により１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）に収容された第２反応物（Ｂ）を加熱することができるので、上記した請求項１の発明の効果をより確実に得ることができる。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の化学蓄熱装置において、凝縮手段は、気体状態の第２反応物（Ｂ）を凝縮させる際に生じる凝縮熱を蓄熱する蓄熱材（３００）を有する凝縮器（３）であり、加熱源は、凝縮器（３）であることを特徴としている。
【００１９】
これによれば、気体状態の第２反応物（Ｂ）を凝縮させる際に生じる凝縮熱により、１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）に収容された第１反応物（Ａ）を加熱することができる。したがって、凝縮器（３）に蓄熱材（３００）を設けるだけという簡素な構成で、上記した請求項４の発明の効果を得ることができる。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明では、請求項４または５に記載の化学蓄熱装置において、加熱源は、外部熱を発生させる外部熱源（２）と熱的に接続されていることを特徴としている。
【００２１】
これによれば、外部熱源（２）で発生した外部熱が余剰している場合は、外部熱を利用して１段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の容器（１２Ａ）に収容された第１反応物（Ａ）を加熱することができる。したがって、外部熱源（２）で発生した熱を有効利用し、熱利用効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置において、容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］未満であり、第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃにおける飽和蒸気圧をＰｅ［Ｐａ］としたとき、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖ［Ｐａ］は、次の数式１
（数１）
Ｐｖ＞Ｐｅ
にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【００２３】
これによれば、各蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］未満の場合には、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖを、当該蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）における容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃにおける飽和蒸気圧Ｐｅ［Ｐａ］より高く設定すればよい。すなわち、全蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）を一律の耐圧構造とする必要はなく、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）毎に耐圧Ｐｖに応じた耐圧構造とすることができる。
【００２４】
また、請求項８に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］以上であり、容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の分子量をｎ［ｍｏｌ］、容器（１２Ａ、１２Ｂ）の体積をＶｍ［ｍ３］、圧縮因子をｚ、気体定数をＲとしたとき、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖ［Ｐａ］は、次の数式２
（数２）
Ｐｖ＞ｚｎＲＴ／Ｖｍ
に示される関係を満たすように設定されていることを特徴としている。
【００２５】
これによれば、各蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の容器（１２Ａ、１２Ｂ）内の第２反応物（Ｂ）の最高到達温度Ｔｍ［Ｋ］が、第２反応物（Ｂ）の臨界温度Ｔｃ［Ｋ］以上の場合には、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）の耐圧Ｐｖを、上記数式２を満たすように設定すればよい。すなわち、全蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）を一律の耐圧構造とする必要はなく、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）毎に耐圧Ｐｖに応じた耐圧構造とすることができる。
【００２６】
また、請求項９に記載の発明のように、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置において、第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）から化合物を生成させる反応の反応熱をΔＨｒ［Ｊ／ｍｏｌ］、第２反応物（Ｂ）の蒸発潜熱をΔＨｅ［Ｊ／ｍｏｌ］、（Ｎ−１）段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）の熱容量をＱｒ（Ｎ−１）ＨＭ［Ｊ／Ｋ］、Ｎ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１１Ｂ）の熱容量をＱｅＮＨＭ［Ｊ／Ｋ］、第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）を反応させる際の（Ｎ−１）段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）内の目標温度をＴａ（Ｎ−１）［Ｋ］、第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）を反応させる際のＮ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１１Ｂ）内の目標温度をＴａＮ［Ｋ］、外気温度をＴａｉｒ［Ｋ］、（Ｎ−１）段目の蓄熱ユニット（１Ａ）の反応器（１１Ａ）において第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）を反応させることにより得られる熱量をＮ−１段目発生熱量Ｑｒ（Ｎ−１）［Ｊ］、Ｎ段目の蓄熱ユニット（１Ｂ）の反応器（１１Ｂ）において記第１反応物（Ａ）および第２反応物（Ｂ）を反応させることにより得られる熱量をＮ段目発生熱量ＱｒＮ［Ｊ］としたとき、次の数式３
（数３）
Ｑｒ（Ｎ−１）・ΔＨｒ／ΔＨｅ＜ＱｒＮ＜｛Ｑｒ（Ｎ−１）−Ｑｒ（Ｎ−１）ＨＭ・（Ｔａ（Ｎ−１）−Ｔａｉｒ）−ＱｅＮＨＭ・（ＴａＮ−Ｔａｉｒ）｝・ΔＨｒ／ΔＨｅ
に示される関係を満たすように、Ｎ−１段目発生熱量Ｑｒ（Ｎ−１）およびＮ段目発生熱量ＱｒＮが設定されていてもよい。
【００２７】
また、請求項１０に記載の発明のように、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置において、加熱対象物は、作動気体を加熱膨張させる高温部（７１ａ）および作動気体を冷却収縮させる低温部（７１ｂ）を有し熱エネルギを運動エネルギに変換する熱機関（７１）の高温部（７１ａ）であってもよい。
【００２８】
また、請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の化学蓄熱装置において、第１反応物（Ａ）は、酸化カルシウムであって、第２反応物（Ｂ）は、水であることを特徴としている。これによれば、後述する図３に示すように、蓄熱ユニット（１Ａ、１Ｂ）を２段設けるだけで、確実に外部熱よりも高温の出力を取り出すことが可能となる。
【００２９】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態における第１反応器１１Ａを示す分解斜視図である。
【図３】第１実施形態における放熱モード時の酸化カルシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。
【図４】真空中にて水酸化カルシウムの温度を１時間維持した際の脱水率を示すグラフである。
【図５】第１実施形態における蓄熱モード時の水酸化カルシウムの脱水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。
【図６】金属酸化物の吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。
【図７】酸化マグネシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。
【図８】第２実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図９】第３実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１０】第４実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１１】第５実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１２】第６実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１３】第７実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１４】第８実施形態における放熱モード時の酸化カルシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。
【図１５】第９実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１６】第１０実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。
【図１７】第１０実施形態に係る化学蓄熱装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図７に基づいて説明する。本実施形態の化学蓄熱装置は、太陽熱を蓄熱して、所望時にこの熱を熱機関で利用するものである。
【００３３】
図１は本第１実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。本実施形態の化学蓄熱装置は、第１反応物Ａおよび第２反応物Ｂを反応させて化合物を生成する際に生じる反応熱によって加熱対象物を加熱する放熱モードと、化合物を第１反応物Ａおよび第２反応物Ｂに分離させることによって反応の系外にて発生する熱である外部熱を蓄熱する蓄熱モードと、外部熱が蓄熱された状態を維持する蓄熱維持モードとを切り替え可能に構成されている。
【００３４】
ここで、本実施形態では、第１反応物Ａとして酸化カルシウム（ＣａＯ）、第２反応物Ｂとして水を用いており、化合物は水酸化カルシウムである。また、加熱対象物は熱機関であり、外部熱は太陽熱である。
【００３５】
化学蓄熱装置は、酸化カルシウムを固体状態で収容した反応器１１Ａ、１１Ｂ、水を液体状態で収容した容器１２Ａ、１２Ｂ、および容器１２Ａ、１２Ｂに収容された水を反応器１１Ａ、１１Ｂへ導く接続通路１３Ａ、１３Ｂを有する蓄熱ユニット１Ａ、１ＢをＭ段（Ｍは２以上の整数）備えている。本実施形態では、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂは２段設けられている。
【００３６】
接続通路１３Ａ、１３Ｂには、当該接続通路１３Ａ、１３Ｂを開閉する第１開閉弁１４Ａ、１４Ｂがそれぞれ設けられている。この第１開閉弁１４Ａ、１４Ｂは、接続通路１３Ａ、１３Ｂの通路面積を調整できるように構成されている。
【００３７】
また、反応器１１Ａ、１１Ｂには、反応器１１Ａ、１１Ｂ内部を太陽熱により加熱する再生用熱交換器１５Ａ、１５Ｂがそれぞれ収容されている。
【００３８】
本実施形態の化学蓄熱装置は、曲面鏡を用いて、当該曲面鏡の前に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる第１熱媒体を加熱する外部熱源としての集光集熱装置２と、集光集熱装置２および再生用熱交換器１５Ａ、１５Ｂ間に第１熱媒体を循環させる第１熱媒体回路２１とを備えている。第１熱媒体回路２１には、第１熱媒体を循環させるための第１熱媒体ポンプ２２が配置されている。
【００３９】
このため、集光集熱装置２において太陽光（太陽熱）により加熱された第１熱媒体が、再生用熱交換器１５Ａ、１５Ｂに供給され、この第１熱媒体により反応器１１Ａ、１１Ｂ内部が加熱されるようになっている。
【００４０】
また、容器１２Ａ、１２Ｂに収容された水を、接続通路１３Ａ、１３Ｂを介して反応器１１Ａ、１１Ｂへ導くことで、反応器１１Ａ、１１Ｂでは、酸化カルシウムおよび水が反応し、水酸化カルシウムが生成される。この反応は発熱反応であるため、反応熱が生じる。一方、反応器１１Ａ、１１Ｂ内に生じた水酸化カルシウムを、再生用熱交換器１５Ａ、１５Ｂにより加熱することで、水酸化カルシウムは、固体状態の酸化カルシウムと、気体状態の水（水蒸気）とに分離される。
【００４１】
化学蓄熱装置は、水酸化カルシウムを分離させた際に生じる水蒸気を凝縮させる凝縮手段としての凝縮器３を備えている。この凝縮器３は、水蒸気と外気との間で熱交換を行い、水蒸気を凝縮させる熱交換器である。
【００４２】
凝縮器３の入口側には、反応器１１Ａ、１１Ｂから流出した水蒸気を凝縮器３へ導く凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂの一端が接続されている。凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂの他端は、接続通路１３Ａ、１３Ｂにおける第１開閉弁１４Ａ、１４Ｂより反応器１１Ａ、１１Ｂ側の部位に接続されている。
【００４３】
凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂには、当該凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂを開閉する第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂがそれぞれ設けられている。この第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂは、凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂの通路面積を調整できるように構成されている。
【００４４】
凝縮器３の出口側には、凝縮器３で凝縮された水を容器１２Ａ、１２Ｂへ導く凝縮器出口通路３３の一端が接続されている。凝縮器出口通路３３には、凝縮器３から流出した水の流れを分岐する分岐部３４が設けられており、分岐部３４で分岐された一方の水を１段目の蓄熱ユニット１Ａの容器１２Ａへ流入させ、他方の水を２段目の蓄熱ユニット１Ｂの容器１２Ｂへ流入させるようになっている。
【００４５】
凝縮器出口通路３３における分岐部１４の上流側には、容器１２Ａ、１２Ｂに水を圧送する水ポンプ３５が配置されている。また、凝縮器出口通路３３における分岐部３４の下流側には、当該凝縮器出口通路３３を開閉する第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂがそれぞれ設けられている。この第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂは、凝縮器出口通路３３の通路面積を調整できるように構成されている。
【００４６】
１段目の蓄熱ユニット１Ａの容器（以下、第１容器１２Ａという）は、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する加熱源と熱的に接続されている。本実施形態では、加熱源は、集光集熱装置２により集熱された太陽熱の一部を蓄熱する蓄熱器４に蓄熱された熱である。
【００４７】
具体的には、第１容器１２Ａには、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する第１水加熱用熱交換器１６Ａが収容されている。この第１水加熱用熱交換器１６Ａは、第２熱媒体回路４１を介して蓄熱器４と接続されている。また、第２熱媒体回路４１には、第２熱媒体を循環させる第２熱媒体ポンプ４２が配置されている。
【００４８】
このため、蓄熱器４に蓄熱された熱により加熱された第２熱媒体が、第１水加熱用熱交換器１６Ａに供給され、この第２熱媒体により第１容器１２Ａ内の水が加熱されるようになっている。
【００４９】
また、１段目の蓄熱ユニット１Ａの反応器（以下、第１反応器１１Ａという）は、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの容器（以下、第２容器１２Ｂという）と熱的に接続されている。
具体的には、化学蓄熱装置は、第１反応器１１Ａ内に配置された第１熱回収用熱交換器１７Ａと、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの容器（以下、第２容器１２Ｂという）内に配置された第２水加熱用熱交換器１６Ｂと、第１熱回収用熱交換器１７Ａおよび第２水加熱用熱交換器１６Ｂ間で第３熱媒体を循環させる反応熱輸送回路５１とを備えている。
【００５０】
第１熱回収用熱交換器１７Ａは、第１反応器１１Ａにおいて酸化カルシウムおよび水の反応によって発生した反応熱により第３熱媒体を加熱する熱交換器である。第２水加熱用熱交換器１６Ｂは、第１熱回収用熱交換器１７Ａにて加熱された第３熱媒体と第２容器１２Ｂ内の水とを熱交換させる熱交換器である。このため、第１反応器１１Ａ内で発生した反応熱は、第３熱媒体を介して第２水加熱用熱交換器１６Ｂに伝熱され、この伝熱された熱により第２容器１２Ｂ内の水が加熱される。
【００５１】
反応熱輸送回路５１における第２水加熱用熱交換器１６Ｂの出口側と第１熱回収用熱交換器１７Ａの入口側との間には、反応熱輸送回路５１に第３熱媒体を循環させる第３熱媒体ポンプ５２が配置されている。また、反応熱輸送回路５１における第１熱回収用熱交換器１７Ａの出口側と第２水加熱用熱交換器１６Ｂの入口側との間には、反応熱輸送回路５１を開閉する第４開閉弁５３が配置されている。この第４開閉弁５３は、反応熱輸送回路５１の通路面積を調整できるように構成されている。また、反応熱輸送回路５１における第２水加熱用熱交換器１６Ｂの出口側と第３熱媒体ポンプ５２の入口側との間には、第３熱媒体の体積変化を吸収する貯留容器５４が配置されている。
【００５２】
本実施形態では、貯留容器５４は、第１熱回収用熱交換器１７Ａおよび第２水加熱用熱交換器１６Ａ内の第３熱媒体を全て収容可能な体積に構成されている。これにより、後述する蓄熱モード時に、第３熱媒体を貯留容器５４内に貯留して、第１熱回収用熱交換器１７Ａおよび第２水加熱用熱交換器１６Ａ内に第３熱媒体が満たされていない状態を作り出すことができるので、化学蓄熱装置の作動効率を向上させることができる。
【００５３】
また、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの反応器（以下、第２反応器１１Ｂという）は、加熱対象物である熱機関６と熱的に接続されている。
【００５４】
具体的には、化学蓄熱装置は、第２反応器１１Ｂ内に配置された第２熱回収用熱交換器１７Ｂと、第２熱回収用熱交換器１７Ｂおよび熱機関６間で第４熱媒体を循環させる熱出力回路６１とを備えている。第２熱回収用熱交換器１７Ｂは、第２反応器１１Ｂにおいて酸化カルシウムおよび水の反応によって発止した反応熱により第４熱媒体を加熱する熱交換器である。このため、第２反応器１１Ｂ内で発生した反応熱は、第４熱媒体を介して熱機関６に伝熱される。
【００５５】
また、熱出力回路６１における第２熱回収用熱交換器１７Ｂの出口側と熱機関６の入口側との間には、熱出力回路６１に第４熱媒体を循環させる第４熱媒体ポンプ６２が配置されている。
【００５６】
ここで、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂおよび第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂの具体的な構成について説明する。第１、第２容器１１Ａ、１１Ｂおよび第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂは、ほぼ同様の構成であるため、以下では第１反応器１１Ａについて説明し、第２反応器１１Ｂおよび第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂについては説明を省略する。
【００５７】
図２は、本第１実施形態に係る化学蓄熱装置の第１反応器１１Ａを示す分解斜視図である。図２に示すように、第１反応器１１Ａは、円筒状に形成されているとともに、二重管構造となっている。
【００５８】
具体的には、第１反応器１１Ａは、酸化カルシウムが収容される反応器内空間１１０を形成する内壁部１１１、第１反応器１１Ａの外形を形成する外壁部１１２を有して構成されている。内壁部１１１は、最内側に配置されるとともに、略円筒状に形成されている。また、外壁部１１２は、内壁部１１１の外側に配置されるとともに、内壁部１１１より大きい円筒状に形成されている。
【００５９】
内壁部１１１と外壁部１１２との間には、反応器内空間１１０を断熱する断熱層１１３が設けられている。この断熱層１１３は、内壁部１１１と外壁部１１２との間を真空にする、または、内壁部１１１と外壁部１１２との間に断熱材若しくは空気を充填することにより構成されている。これにより、第１反応器１１Ａの外部への放熱を抑制することができるので、化学蓄熱装置の作動効率を向上させることができる。
【００６０】
再生用熱交換器１５Ａは、第１熱媒体が流れる第１熱媒体配管１５０を、反応器内空間１１０内部で螺旋状に複数回巻回することにより形成されている。同様に、第１熱回収用熱交換器１７Ａは、第３熱媒体が流れる第３熱媒体配管１７０を、反応器内空間１１０内部で螺旋状に複数回巻回することにより形成されている。本実施形態では、再生用熱交換器１５Ａおよび第１熱回収用熱交換器１７Ａは、第１熱媒体配管１５０および第３熱媒体配管１７０が略一定の間隔を維持しながら二重螺旋状に巻回された二重螺旋構造になっている。
【００６１】
次に、上述の構成において本実施形態の作動について図１を参照して説明する。まず、放熱モードの作動について説明する。
【００６２】
放熱モードでは、第１、第４開閉弁１４Ａ、１４Ｂ、５３が全開状態となり、第２、第３開閉弁３２Ａ、３２Ｂ、３６Ａ、３６Ｂが全閉状態となり、第２〜第４熱媒体ポンプ４２、５２、６２が作動状態となり、第１熱媒体ポンプ２２および水ポンプ３５が停止状態となる。このため、蓄熱器４に蓄えられた熱により第１容器１２Ａ内の水が加熱されて蒸発し、この水蒸気が接続通路１３Ａを介して第１反応器１１Ａに流入する。そして、第１反応器１１Ａ内では、第１反応器１１Ａに収容されている酸化カルシウムと、第１容器１２Ａから流入した水蒸気とが反応し、水酸化カルシウムが生成されるとともに、反応熱が生じる。
【００６３】
第１反応器１１Ａで上記反応の際に生じた反応熱は、第３熱媒体を介して第２容器１２Ｂに伝熱され、この熱により第２容器１２Ｂ内に収容されている水が加熱されて蒸発する。そして、第２容器１２Ｂで蒸発した水蒸気が、接続通路１３Ｂを介して第２反応器１１Ｂに流入する。第２反応器１１Ｂ内では、第２反応器１１Ｂに収容されている酸化カルシウムと、第２容器１２Ｂから流入した水蒸気とが反応し、水酸化カルシウムが生成されるとともに、反応熱が生じる。そして、この反応の際に生じた反応熱が、第４熱媒体を介して熱機関６に伝熱される。
【００６４】
なお、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて、放熱モードにて生じる反応の化学式は、次の化学式１に表される。
（化１）
ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２
次に、蓄熱モードの作動について説明する。この蓄熱モードは、上記放熱モードの後に行われる。
【００６５】
蓄熱モードでは、第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂが全開状態となり、第１、第３、第４開閉弁１４Ａ、１４Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、５３が全閉状態となり、第１熱媒体ポンプ２２が作動状態となり、第２〜第４熱媒体ポンプ４２、５２、６２および水ポンプ３５が停止状態となる。このため、集光集熱装置２で集熱された太陽熱により第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムが加熱されて、酸化カルシウムと水蒸気とに分離される。これにより、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムは、酸化カルシウムに再生される。これにより、太陽熱を蓄熱することができる。
【００６６】
なお、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて、蓄熱モードにて生じる反応の化学式は、次の化学式２に表される。
（化２）
Ｃａ（ＯＨ）２→ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ↑
一方、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて発生した水蒸気は、凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂを介して凝縮器３に流入する。凝縮器３に流入した水蒸気は、外気により冷却されて凝縮し、凝縮器３に貯留される。
【００６７】
次に、蓄熱維持モードについて説明する。この蓄熱維持モードは、上記蓄熱モードの後に行われる。
【００６８】
蓄熱維持モードでは、上記蓄熱モードに対して、第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂが全閉状態となる点のみ異なり、他の開閉弁やポンプは上記蓄熱モードと同様になっている。このため、酸化カルシウムと水とが空間的に隔離されるので、蓄熱状態を維持することができる。
【００６９】
このとき、第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂを全開するとともに、水ポンプ３５を作動させることで、凝縮器３に貯留された水を、凝縮器出口通路３３を介して第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻すことができる。そして、凝縮器３に貯留された全ての水を第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻した後は、第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂを全閉状態とするとともに、水ポンプ３５を停止状態とする。
【００７０】
なお、上述した凝縮器３に貯留された水を第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻す工程は、蓄熱維持モードに限らず、放熱モードまたは蓄熱モードにおいて実施してもよい。
【００７１】
ところで、図３は本第１実施形態における放熱モード時の酸化カルシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。図３の横軸は温度の逆数を示し、縦軸は気体の圧力を示している。また、図３において、実線は酸化カルシウムの吸水反応における平衡線を表しており、破線は水の気液平衡線を表している。
【００７２】
図３に示すように、放熱モードにおいて、第１容器１２Ａ内の水を８０℃まで加熱すると、第１容器１２Ａ内の圧力は図中のａ点となる。すると、第１容器１２Ａと接続通路１３Ａを介して連通している第１反応器１１Ａ内の圧力は、第１容器１２Ａとほぼ同じになる。このため、第１反応器１１Ａ内の酸化カルシウムは上記化学式１に示す反応（吸水反応）とともに４３０℃程度（図中のｂ点参照）まで温度上昇する。
【００７３】
ここで、第１反応器１１Ａにおいて発生した熱は、第１熱回収用熱交換器１７Ａにて回収される。また、当該回収された熱は、反応熱輸送回路５１の第３熱媒体を介して、第２水加熱用熱交換器１６Ｂによって第２容器１２Ｂ内の水に与えられる。
【００７４】
このとき、第１反応器１１Ａおよび第２容器１２Ｂには伝熱に伴う温度差が生じる。本実施形態では、第１反応器１１Ａおよび第２容器１２Ｂの温度差が１００℃程度となっている。この場合、第２容器１２Ｂ内の水の温度は３３０℃程度となる。すると、第２容器１２Ｂ内の水は、その蒸気圧力が図中ｃ点に示すように１０ＭＰａ程度となる。また、第２容器１２Ｂと接続通路１３Ｂを介して連通している第２反応器１１Ｂ内の圧力は、第２容器１２Ａとほぼ同じになる。
【００７５】
このため、第２反応器１１Ｂ内の酸化カルシウムは上記化学式１に示す反応（吸水反応）とともに７７０℃程度（図中のｄ点参照）まで温度上昇する。この反応における反応熱は、第２熱回収用熱交換器１７Ｂにて回収され、当該回収された熱は熱機関６において利用される。
【００７６】
ところで、図４は、真空中にて水酸化カルシウムの温度を１時間維持した際の脱水率（再生率）を示すグラフである。図４の横軸は水酸化カルシウムの表面温度を示しており、縦軸は脱水率を示している。
【００７７】
図４に示すように、水酸化カルシウムは、４５０℃以上の温度を１時間維持することで、脱水率が０．８以上となる。したがって、蓄熱モードにおいて、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムを酸化カルシウムに再生させるためには、４５０℃以上に加熱することが実用上望ましい。
【００７８】
図５は本第１実施形態における蓄熱モード時の水酸化カルシウムの脱水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。図５の横軸は温度の逆数を示し、縦軸は気体の圧力を示している。また、図５において、実線は水酸化カルシウムの脱水反応における平衡線を表しており、破線は水の気液平衡線を表している。
【００７９】
上述したように、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムを再生させるためには、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂを４５０℃以上に加熱する必要がある。そして、図５に示すように、蓄熱モードにおいて、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ器内の水酸化カルシウムを４５０℃まで加熱すると、上記化学式２に示す反応（脱水反応）が生じ、水酸化カルシウムが酸化カルシウムと水蒸気とに分離する。このとき、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の圧力は図中のｅ点となる。
【００８０】
そして、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂと凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂを介して連通している凝縮器３内の圧力は、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂとほぼ同じになる。このため、図中のｆ点に示すように、凝縮器３内の温度が８０℃以下になると、水蒸気が凝縮して水（液体）となる。
【００８１】
ところで、本実施形態では、放熱モードにおいて第１容器１２Ａ内の水を８０℃で加熱して酸化カルシウムと反応させると、図３に示すように、１段目の蓄熱ユニット１Ａ内の圧力は、第１容器１２Ａ内の水の温度における飽和蒸気圧Ｐｅ１（約５０ｋＰａ）とほぼ同等となる。
【００８２】
同様に、放熱モードにおいて第２容器１２Ｂ内の水の温度は３３０℃となるため、２段目の蓄熱ユニット１Ｂ内の圧力は、第２容器１２Ｂ内の水の温度における飽和蒸気圧Ｐｅ２（約１３ＭＰａ）とほぼ同等となる。
【００８３】
したがって、本実施形態では、第１容器１２Ａ内の水の最高到達温度Ｔｍ１（８０℃）が、水の臨界温度Ｔｃ（３７４℃）未満であるため、１段目の蓄熱ユニット１Ａの耐圧Ｐｖ１を、当該最高到達温度Ｔｍ１における飽和蒸気圧Ｐｅ１、すなわち５０ｋＰａより高くなるように設定すればよい。同様に、本実施形態では、第２容器１２Ｂ内の水の最高到達温度Ｔｍ２（３３０℃）が、水の臨界温度Ｔｃ未満であるため、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧Ｐｖ２を、当該最高到達温度Ｔｍ２における飽和蒸気圧Ｐｅ２、すなわち１３ＭＰａより高くなるように設定すればよい。
【００８４】
ただし、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂの製造時において、第１反応物Ａである水を注入する前に蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂ内を真空状態とする真空引きを行う場合、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂの耐圧Ｐｖを大気圧、すなわち１０１．３ｋＰａより高くなるように設定する必要がある。したがって、本実施形態では、１段目の蓄熱ユニット１Ａの耐圧Ｐｖ１は、１０１．３ｋＰａより高くなるように設定されている。
【００８５】
このため、１段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧構造を、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧構造と比較して簡素な構造とすることができる。すなわち、全蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂの耐圧構造を一律に高くする必要がなくなり、コスト低減を図ることができる。
【００８６】
続いて、各蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂに充填される酸化カルシウムの最適充填比率を検討する。
【００８７】
まず、各蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂに熱容量がない理想的な作動状態の場合、放熱モードにおいては、第１反応器１１Ａにて生じる反応熱量Ｑｒ１［Ｊ］を、全て第２容器１２Ｂに与えることができる。このため、第１反応器１１Ａから第２容器１２Ｂに移動する熱量をＱｏ１［Ｊ］、第２容器１２Ｂにおいて水の蒸発に要する熱量をＱｅ２［Ｊ］としたとき、以下の数式４に示す関係が成り立つ。
【００８８】
（数４）
Ｑｒ１＝Ｑｏ１＝Ｑｅ２
そして、第２容器１２Ｂにて蒸発した水が第２反応器１１Ｂ内の酸化カルシウムと反応した際に第２反応器１１Ｂで得られる熱量Ｑｒ２［Ｊ］は、酸化カルシウムと水との反応に伴う反応熱をΔＨｒ［Ｊ／ｍｏｌ］、水の蒸発潜熱をΔＨｅ［Ｊ／ｍｏｌ］としたとき、以下の数式５にて示される。
【００８９】
（数５）
Ｑｒ２＝Ｑｅ２・ΔＨｒ／ΔＨｅ＝Ｑｒ１・ΔＨｒ／ΔＨｅ
このため、熱容量のない理想的な作動においては、１段目の蓄熱ユニット１Ａに充填する酸化カルシウム量と、２段目の蓄熱ユニット１Ｂに充填される酸化カルシウム量の比率を、ΔＨｒとΔＨｅの比と一致させることが望ましい。
【００９０】
しかし、実作動においては、上述したような理想的な作動状態とすることは難しく、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂの各部位において熱容量により幾らかの熱量を失う。このため、酸化カルシウムの最適充填比率は熱容量に応じて変化する。
【００９１】
ここで、第１反応器１１Ａの熱容量をＱｒ１ＨＭ［Ｊ／Ｋ］、第２容器１２Ｂの熱容量をＱｅ２ＨＭ［Ｊ／Ｋ］、第１反応器１１Ａ内の目標温度をＴａ１［Ｋ］、第２反応器１１Ｂ内の目標温度をＴａ２［Ｋ］、外気温度をＴａｉｒ［Ｋ］としたとき、以下の数式６、７に示す関係が成り立つ。なお、本実施形態では、第１反応器１１Ａの目標温度Ｔａ１は７０３．１５Ｋ（４３０℃）、第２反応器１１Ｂ内の目標温度Ｔａ２は６０３．１５Ｋ（３３０℃）、外気温度Ｔａｉｒは２９８．１５Ｋ（２５℃）である。
【００９２】
（数６）
Ｑｏ１＝Ｑｒ１ーＱｒ１ＨＭ
（数７）
Ｑｒ２＝｛Ｑｅ２−Ｑｅ２ＨＭ・（Ｔａ２−Ｔａｉｒ）｝・ΔＨｒ／ΔＨｅ
ここで、Ｑｅ２＝Ｑｏ１（上記数式３参照）より、数式７は以下の数式８に示すように変形される。
【００９３】
（数８）
Ｑｒ２＝｛Ｑｒ１−Ｑｒ１ＨＭ・（Ｔａ１−Ｔａｉｒ）−Ｑｅ２ＨＭ・（Ｔａ２−Ｔａｉｒ）｝・ΔＨｒ／ΔＨｅ
したがって、Ｑｒ２が以下の数式９に示す関係を満たすように、各蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂに充填される酸化カルシウム量の比率を設定することが望ましい。
【００９４】
（数９）
Ｑｒ１・ΔＨｒ／ΔＨｅ＜Ｑｒ２＜｛Ｑｒ１−Ｑｒ１ＨＭ・（Ｔａ１−Ｔａｉｒ）−Ｑｅ２ＨＭ・（Ｔａ２−Ｔａｉｒ）｝・ΔＨｒ／ΔＨｅ
ところで、本実施形態では化学蓄熱材である第２反応物Ｂとして酸化カルシウムを用いているが、化学蓄熱材としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化銅（ＩＩ）（ＣｕＯ）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物を用いることが考えられる。
【００９５】
図６は上記金属酸化物の吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。図６の横軸は温度の逆数を示し、縦軸は気体の圧力を示している。
【００９６】
図６中の複数の金属酸化物の吸水反応の平衡線のうち、酸化カルシウムの吸水反応の平衡線が、水の気液平衡線から一番離れている。したがって、上述した図３に示すように、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂを２段設けるだけで、所望の温度（７７０℃）まで昇温することができる。
【００９７】
一方、複数の金属酸化物の吸水反応の平衡線のうち、酸化カルシウムに次いで水の気液平衡線から離れている酸化マグネシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平行線を示すグラフを図７に示す。図７の横軸は温度の逆数を示し、縦軸は気体の圧力を示している。
【００９８】
図７に示すように、化学蓄熱材として酸化マグネシウムを用いた場合、蓄熱ユニットを４段連ねても、４５０℃程度までしか昇温できない。また、蓄熱ユニットの段数が増えるため、熱利用効率も低くなる。したがって、本実施形態のように、化学蓄熱材として酸化カルシウムを用いることにより、蓄熱ユニットの段数を最小限にして製造原価の低減を図りつつ、出力温度を確実に昇温することができる。
【００９９】
本実施形態によれば、放熱モードにおいて、１段目の蓄熱ユニット１Ａの第１反応器１１Ａにて発生した反応熱が、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの第２容器１２Ｂに伝熱され、この熱により加熱されて蒸発した水が、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの第２反応器１Ｂに流入し、再度、酸化カルシウムと反応して反応熱を発生させる。そして、２段目、すなわち最終段目の蓄熱ユニット１Ｂの第２反応器１１Ｂは、熱機関６と熱的に接続されているので、外部熱である太陽熱よりも高温（７７０℃）となった熱を熱機関６で利用することができる。
【０１００】
このように、放熱モードでは、太陽熱よりも低温（８０℃）の熱を供給する蓄熱器４からの熱があれば、出力を取り出すことができる。すなわち、放熱時に外部熱である太陽熱が存在しなくても、太陽熱よりも高温の熱を出力することができる。
【０１０１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、凝縮器入口通路および凝縮器出口通路を廃止する代わりに、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて発生した水蒸気を、冷媒を介して外気と熱交換させる点が異なるものである。
【０１０２】
図８は本第２実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図８に示すように、本実施形態の化学蓄熱装置は、蓄熱モード時に、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて発生した水蒸気は、接続通路１３Ａ、１３Ｂを介して第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに流入するようになっている。
【０１０３】
また、本実施形態の化学蓄熱装置は、第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂ内に配置された凝縮用熱交換器３７Ａ、３７Ｂと、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂ外に配置された冷媒冷却器３０と、凝縮用熱交換器３７Ａ、３７Ｂと冷媒冷却器３０との間で冷媒を循環させる冷媒回路３８とを備えている。
【０１０４】
凝縮用熱交換器３７Ａ、３７Ｂは、蓄熱モード時に蒸気と冷媒との間で熱交換を行い、水蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器である。冷媒冷却器３０は、冷媒と外気とを熱交換させて冷媒を冷却する熱交換器である。また、冷媒回路３８には、冷媒を循環させるための冷媒ポンプ３９が配置されている。
【０１０５】
続いて、本実施形態の作動を説明する。蓄熱モード時に、接続通路１３Ａ、１３Ｂを介して第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに流入した水蒸気は、凝縮用熱交換器３７Ａ、３７Ｂで冷却されて凝縮し、そのまま第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂ内に貯留される。また、凝縮用熱交換器３７Ａ、３７Ｂにて水蒸気から吸熱した冷媒は、冷媒回路３８を介して冷媒冷却器３０に流入する。冷媒冷却器３０に流入した冷媒は、外気と熱交換されて冷却される。
【０１０６】
本実施形態によれば、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂで発生した水蒸気を第１、第２容器１２Ａ、１２Ａ内で凝縮させることができる。このため、凝縮手段で凝縮した水を第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻すための通路や水ポンプ等を廃止しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
【０１０７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する加熱源として、第１反応器１１Ａにおいて発生する反応熱の一部を用いた点が異なるものである。
【０１０８】
図９は本第３実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図９に示すように、本実施形態の化学蓄熱装置は、第１反応器１１Ａ内に配置された熱源用熱交換器４３と、第１容器１２Ａ内に配置された第１水加熱用熱交換器１６Ａと、熱源用熱交換器４３および第１水加熱用熱交換器１６Ａの間で第５熱媒体を循環させる第５熱媒体回路４４とを備えている。
【０１０９】
熱源用熱交換器４３は、第１反応器１１Ａ内において酸化カルシウムと水とが反応した際に生じる反応熱により第５熱媒体を加熱する熱交換器である。第１水加熱用熱交換器１６Ａは、第５熱媒体と第１容器１２Ａ内に収容された水とを熱交換させ、当該水を加熱して蒸発させる熱交換器である。また、第５熱媒体回路４４には、第５熱媒体を循環させる第５熱媒体ポンプ４５が配置されている。
【０１１０】
続いて、本実施形態の作動を説明する。放熱モード時に、第１反応器１１Ａ内において酸化カルシウムと水とが反応した際に生じる反応熱が、第５熱媒体を介して第１容器１２Ａ内の水に伝熱され、これにより当該水が加熱されて蒸発する。そして、第１容器１２内で発生した水蒸気は接続通路１３Ａを介して第１反応器１１Ａに流入し、酸化カルシウムと反応することにより反応熱が発生する。
【０１１１】
本実施形態によれば、第１反応器１１Ａで発生した反応熱の一部により、第１容器１２Ａに収容された水を加熱することができる。したがって、加熱源を別途設ける必要がないので、上記第１実施形態の効果を簡素な構成によって得ることができる。さらに、放熱モードにおいて、外部からの加熱源を全く必要としないため、本実施形態の化学蓄熱装置を幅広いシステムに適用することが可能となる。
【０１１２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する加熱源として、第２容器１２Ｂが有する熱を用いた点が異なるものである。
【０１１３】
図１０は本第４実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図１０に示すように、本実施形態の反応熱輸送回路５１は、第１熱回収用熱交換器１７Ａ、第２水加熱用熱交換器１６Ｂ、第１水加熱用熱交換器１６Ａの順に第３熱媒体を循環させるように構成されている。第１水加熱用熱交換器１６Ａは、第３熱媒体ポンプ５２の出口側と、第１熱回収用熱交換器１７Ａの入口側との間に配置されている。
【０１１４】
続いて、本実施形態の作動を説明する。放熱モード時に、反応熱輸送回路５１を流通する第３熱媒体は、第１熱回収用熱交換器１７Ａにおいて、第１反応器１１Ａにて生じた反応熱を吸熱する。その後、第２水加熱用熱交換器１６Ｂにおいて、第１熱回収用熱交換器１７Ａにて吸熱した熱量の一部を、第２容器１２Ｂ内の水に放熱する。その後、第１水加熱用熱交換器１６Ａにおいて、第１熱回収用熱交換器１７Ａにて吸熱した熱量から第２水加熱用熱交換器１６Ｂにて放熱した熱量を引いた熱量を、第１容器１２Ａ内の水に放熱する。これにより、第１容器１２Ａ内の水が加熱されて蒸発し、この水蒸気が接続通路１３Ａを介して第１反応器１１Ａに流入し、酸化カルシウムと反応することにより反応熱が発生する。
【０１１５】
本実施形態によれば、第２容器１２Ｂに伝熱された熱の一部により、第１容器１２Ａに収容された水を加熱することができる。したがって、加熱源を別途設ける必要がないため、上記した第１実施形態の効果を簡素な構成によって得ることができる。さらに、放熱モードにおいて、外部からの加熱源を全く必要としないため、本実施形態の化学蓄熱装置を幅広いシステムに適用することが可能となる。
【０１１６】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１１に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する加熱源として、凝縮器３にて水蒸気を凝縮させる際に生じる凝縮熱を用いた点が異なるものである。
【０１１７】
図１１は本第５実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図１１に示すように、本実施形態の凝縮器３は、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂで発生した水蒸気を凝縮させる際に生じる凝縮熱を蓄熱する蓄熱材３００を有している。また、第１水加熱用熱交換器１６Ａは、第２熱媒体回路４１を介して凝縮器３と接続されている。このため、凝縮器３の蓄熱材３００に蓄えられた熱により、第１水加熱用熱交換器１６Ａを介して、第１容器１２Ａ内の水を加熱することができる。すなわち、本実施形態の凝縮器３が、本発明の加熱源に相当している。
【０１１８】
本実施形態によれば、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂで発生した水蒸気を凝縮させる際に生じる凝縮熱により、第１容器１２Ａに収容された水を加熱することができる。したがって、凝縮器３に蓄熱材３００を設けるだけという簡素な構成で、上記した第１実施形態の効果を得ることができる。そして、上記第１実施形態では外気に放出していた凝縮熱を、加熱源として有効利用することができるので、熱利用効率を向上させることができる。
【０１１９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１２に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態と比較して、集光集熱装置２の熱も蓄熱材３００に蓄熱できるように、集光集熱装置２と、加熱源である蓄熱材３００とが熱的に接続されている点が異なるものである。
【０１２０】
図１２は本第６実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図１２に示すように、本実施形態の化学蓄熱装置は、凝縮器３と熱的に接続される蓄熱用熱交換器３０１と、集光集熱装置２との間で第６熱媒体を循環させる第６熱媒体回路２３を備えている。蓄熱用熱交換器３０１は、集光集熱装置２で加熱された第６熱媒体と蓄熱材３００とを熱交換させて、第６熱媒体の有する熱を蓄熱材に与える熱交換器である。
【０１２１】
第６熱媒体回路２３における集光集熱装置２の出口側と蓄熱用熱交換器３０１の入口側との間には、第６熱媒体回路２３を開閉する第６開閉弁２４が配置されている。また、第６熱媒体回路２３における蓄熱用熱交換器３０１の出口側と集光集熱装置２の入口側との間には、第６熱媒体回路２３に第６熱媒体を循環させる第６熱媒体ポンプ２５が配置されている。
【０１２２】
本実施形態によれば、集光集熱装置２で集熱した太陽熱が余剰している場合に、第６開閉弁２４を開けるとともに、第６熱媒体ポンプ２５を作動させることにより、集光集熱装置２で集熱した太陽熱を、第６熱媒体を介して蓄熱材３００に蓄熱させることができる。したがって、集光集熱装置２で集熱した太陽熱を有効利用し、熱利用効率を向上させることが可能となる。
【０１２３】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１３に基づいて説明する。本第７実施形態は、上記第１実施形態と比較して、スターリングエンジンの高温部を加熱対象物とした点が異なるものである。
【０１２４】
図１３は本第７実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図１３に示すように、本実施形態の化学蓄熱装置には、化学蓄熱装置で蓄熱した熱を利用する熱利用機器７０が接続されている。この熱利用機器７０は、作動気体を加熱膨張させる高温部７１ａおよび作動気体を冷却収縮させる低温部７１ｂを有するとともに、熱エネルギを機械エネルギに変換する熱機関としてのスターリングエンジン７１を備えている。
【０１２５】
スターリングエンジン７１の高温部７１ａには、熱出力回路６１に接続されるとともに、第２熱回収用熱交換器１７Ｂにて加熱された第４熱媒体と作動気体とを熱交換させて作動気体を加熱する高温部熱交換器７１１が設けられている。
【０１２６】
スターリングエンジン７１の低温部７１ｂは、第３反応物Ｃを液体状態で収容する第３反応物収容部７２と熱的に接続されている。具体的には、熱利用機器７０は、スターリングエンジン７１の低温部７１ｂに配置された低温部熱交換器７１２と、第３反応物収容部７２内に配置された第３反応物熱交換器７２１と、低温部熱交換器７１２と第３反応物熱交換器７２１との間で第７熱媒体を循環させる第７熱媒体回路７３とを備えている。
【０１２７】
低温部熱交換器７１２は、作動気体と第７熱媒体とを熱交換させ、作動気体を冷却する熱交換器である。また、第３反応物熱交換器７２１は、第７作動媒体と第３反応物Ｃとを熱交換させ、第７作動媒体が低温部熱交換器７１２にて吸熱した熱を第３反応物Ｃに放熱させる熱交換器である。これにより、第３反応物Ｃは、第７作動媒体により加熱されて蒸発する。
【０１２８】
第３反応物収容部７２には、第３反応物収容部７２で蒸発した第３反応物Ｃを、固体状態の第４反応物Ｄを収容する第４反応物収容部７４へ導く第３反応物通路７５１が接続されている。第３反応物通路７５１には、当該第３反応物通路７５１を開閉する第３反応物通路開閉弁７５２が配置されている。
【０１２９】
ところで、本実施形態では、第３反応物Ｃとして水を用いており、第４反応物Ｄとして酸化カルシウムを用いている。これにより、第４反応物収容部７４においては、上記化学式１に示した化学反応が生じ、この反応の際、反応熱が発生する。
【０１３０】
第４反応物収容部７４内には、第４反応物収容部７４において上記反応の際に生じる反応熱を放熱させるための放熱用熱交換器７４１が配置されている。具体的には、放熱用熱交換器７４１は、反応熱を放熱用熱媒体に放熱させる熱交換器である。
【０１３１】
放熱用熱交換器７４１には、放熱用熱媒体を循環させる放熱用熱媒体回路７６１が接続されている。放熱用熱媒体回路７６１には、放熱用熱交換器７４１で反応熱から吸熱した放熱用熱媒体と外気とを熱交換させ、放熱用熱媒体を冷却する熱媒体冷却用熱交換器７６が配置されている。
【０１３２】
さらに第４反応物収容部７４内には、上記化学式１に示した化学反応の際に生じた水酸化カルシウムを加熱して酸化カルシウムおよび水に分離するための再生用熱交換器７４２が配置されている。再生用熱交換器７４２は、第１熱媒体回路２１に接続されており、集光集熱装置２において太陽熱により加熱された第１熱媒体により第４反応物収容部７４内の水酸化カルシウムが加熱されるようになっている。
【０１３３】
第４反応物収容部７４には、水酸化カルシウムから分離した水（水蒸気）を凝縮用熱交換器７７へ導く凝縮通路７７１が接続されている。凝縮通路７７１には、凝縮通路７７１を開閉する凝縮通路開閉弁７７２が配置されている。
【０１３４】
凝縮用熱交換器７７は、水酸化カルシウムから分離した水蒸気と外気とを熱交換させ、水蒸気を冷却して凝縮させる熱交換器である。また、凝縮用熱交換器７７は、凝縮用熱交換器７７で凝縮した水が貯留されるように構成されている。
【０１３５】
凝縮用熱交換器７７には、凝縮用熱交換器７７に貯留された水を第３反応物収容部７２へ導く還流通路７８１が接続されている。還流通路７８１には、還流通路７８１を開閉する還流通路開閉弁７８２が配置されている。
【０１３６】
次に、上述の構成において本実施形態の作動について図１３を参照して説明する。まず、放熱モードの作動について説明する。
【０１３７】
放熱モードでは、高温部熱交換器７１１に化学蓄熱装置で昇温された第４熱媒体が供給され、スターリングエンジン７１の高温部７１ａが加熱される。また、第３反応物通路開閉弁７５２が全開状態となり、凝縮通路開閉弁７７２および還流通路開閉弁７８２が全閉状態となるとともに、第４反応物収容部７４が放熱用熱媒体により冷却される。このため、第３反応物収容部７２内の水が７５１を介して第４反応物収容部７４に流入し、上記化学式１に示される化学反応が生じる。
【０１３８】
このとき、第３反応物熱交換器７２１において、第７熱媒体が第３反応物収容部７２内の水が蒸発する際の気化熱により冷却され、外気温より低温となる。これにより、低温部熱交換器７１２にて、外気温より低温の第７熱媒体により、スターリングエンジン７１の低温部７１ｂが冷却される。
【０１３９】
以上により、放熱モードにおいては、スターリングエンジン７１の高温部７１ａを７７０℃程度まで加熱するとともに、低温部７１ｂを外気温より低温に冷却することができるので、熱エネルギを機械エネルギに高効率に変換することができる。
【０１４０】
次に、蓄熱モードの作動について説明する。蓄熱モードでは、第３反応物通路開閉弁７５２および還流通路開閉弁７８２が全閉状態となり、凝縮通路開閉弁７７２が全開状態となり、第１熱媒体ポンプ２２が作動状態となる。このため、再生用熱交換器７４２にて太陽熱により加熱された第１熱媒体により第４反応物収容部７４内の水酸化カルシウムが加熱され、酸化カルシウムおよび水蒸気に分離される。この水蒸気は凝縮通路７７１を介して凝縮用熱交換器７７に流入し、凝縮用熱交換器７７にて外気により冷却されて凝縮する。
【０１４１】
次に、蓄熱維持モードの作動について説明する。蓄熱維持モードでは、凝縮通路開閉弁７７２も全閉状態となる。これにより、太陽熱を蓄熱することができる。
【０１４２】
このとき、還流通路開閉弁７８２を全開状態とすることで、凝縮用熱交換器７７に貯留された水を、還流通路７８１を介して第３反応物収容部７２に戻すことができる。そして、凝縮用熱交換器７７に貯留された全ての水を第３反応物収容部７２に戻した後は、還流通路開閉弁７８２を全閉状態とする。
【０１４３】
なお、上述した凝縮用熱交換器７７に貯留された水を第３反応物収容部７２に戻す工程は、蓄熱維持モードに限らず、放熱モードまたは蓄熱モードにおいて実施してもよい。
【０１４４】
本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を得つつ、熱エネルギを機械エネルギに高効率で変換することができる。
【０１４５】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について図１４に基づいて説明する。本第８実施形態は、上記第１実施形態と比較して、放熱モード時における第１容器１２Ａの加熱温度が異なるものである。
【０１４６】
図１４は本第８実施形態における放熱モード時の酸化カルシウムの吸水反応の平衡線、および水の気液平衡線を示すグラフである。図１４の横軸は温度の逆数を示し、縦軸は気体の圧力を示している。また、図１４において、実線は酸化カルシウムの吸水反応における平衡線を表しており、破線は水の気液平衡線を表している。
【０１４７】
図１４に示すように、放熱モードにおいて、第１容器１２Ａ内の水を１２０℃まで加熱すると、第１容器１２Ａ内の圧力は約２００ｋＰａ（図中のａ点参照）となる。すると、第１容器１２Ａと接続通路１３Ａを介して連通している第１反応器１１Ａ内の圧力は、第１容器１２Ａとほぼ同じになる。このため、第１反応器１１Ａ内の酸化カルシウムは上記化学式１に示す反応（吸水反応）とともに５００℃程度（図中のｂ点参照）まで温度上昇する。
【０１４８】
ここで、第１反応器１１Ａにおいて発生した熱は、第３熱媒体を介して、第２容器１２Ｂ内の水に与えられる。このとき、第１反応器１１Ａおよび第２容器１２Ｂには伝熱に伴い１００℃程度の温度差が生じるため、第２容器１２Ｂ内の水の温度は４００℃程度となる。このとき、第２容器１２Ｂと接続通路１３Ｂを介して連通している第２反応器１１Ｂ内の圧力は、第２容器１２Ａとほぼ同じになる。このため、第２反応器１１Ｂ内の酸化カルシウムは上記化学式１に示す反応（吸水反応）とともに８５０℃程度（図中のｄ点参照）まで温度上昇する。
【０１４９】
ところで、本実施形態では、第２容器１２Ｂ内の水の最高到達温度Ｔｍ２（図１４のｃ点参照）は、水の臨界温度Ｔｃ（３７４℃）を超えている。このため、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧構造を、上記第１実施形態と同様の耐圧構造とすることはできない。
【０１５０】
ここで、第２容器１２Ｂ内の水の分子量をｎ［ｍｏｌ］、第２容器１２Ｂの体積をＶｍ［ｍ３］、圧縮因子をｚ、気体定数をＲ（Ｒ＝８．３１４［Ｊ／（ｍｏｌＫ）］）とすると、第２容器１２Ｂ内水の圧力Ｐａｑは以下の数式１０にて示される。
【０１５１】
（数１０）
Ｐａｑ＝ｚｎＲＴｍ２／Ｖｍ
このため、蓄熱ユニット１Ｂの構造を維持するためには、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧Ｐｖ２［Ｐａ］をＰａｑよりも大きくする必要がある。すなわち、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧Ｐｖ２を、以下の数式１１で示される関係を満たすように設定する必要がある。
【０１５２】
（数１１）
Ｐｖ２＞ｚｎＲＴｍ２／Ｖｍ
本実施形態のように、第２蓄熱ユニット１Ｂの容器２Ｂ内の水の最高到達温度Ｔｍ２が水の臨界温度Ｔｃ以上の場合には、２段目の蓄熱ユニット１Ｂの耐圧Ｐｖを、上記数式１１を満たすように設定すればよい。
【０１５３】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態について図１５に基づいて説明する。本第９実施形態は、上記第７実施形態と比較して、第１容器１２Ａ内に収容された水を加熱する加熱源として、第４反応物収容部７４において酸化カルシウムおよび水の反応の際に生じる反応熱を用いた点が異なるものである。
【０１５４】
図１５は本第９実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図である。図１５に示すように、本実施形態の蓄熱装置は、放熱用熱交換器７４１と第１水加熱用熱交換器１６Ａとの間で放熱用熱媒体を循環させる放熱用熱媒体回路７６１を備えている。このため、放熱モード時に、放熱用熱交換器７４１にて第４反応物収容部７４において酸化カルシウムおよび水の反応の際に生じる反応熱を放熱用熱媒体に吸熱させ、第１水加熱用熱交換器１６Ａにて当該反応熱を第１容器１２Ａ内の水に放熱させ、当該水を加熱することができる。
【０１５５】
放熱用熱媒体回路７６１には、放熱用熱媒体を循環させる放熱用熱媒体ポンプ７６２と、放熱用熱媒体回路７６１を開閉する放熱用熱媒体回路開閉弁７６２とが配置されている。
【０１５６】
本実施形態によれば、第４反応物収容部７４で発生した反応熱により、第１容器１２Ａに収容された水を加熱することができる。したがって、加熱源を別途設ける必要がないので、上記第７実施形態の効果を簡素な構成によって得ることができる。さらに、放熱モードにおいて、外部からの加熱源を全く必要としないため、本実施形態の化学蓄熱装置を幅広いシステムに適用することが可能となる。
【０１５７】
また、上記第７実施形態では、第４反応物収容部７４で発生した反応熱を外気に放出していたが、本実施形態では、当該反応熱を加熱源として有効利用することができるので、熱利用効率を向上させることができる。
【０１５８】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態について図１６、図１７に基づいて説明する。本第１０実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内にそれぞれ配置される再生用熱交換器および熱回収用熱交換器を１つの熱交換器で構成するとともに、電気式三方弁により当該１つの熱交換器に供給される熱媒体が流れる熱媒体回路を切り替える構成とした点が異なるものである。
【０１５９】
図１６は本第１０実施形態に係る化学蓄熱装置を示す全体構成図、図１７は本第１０実施形態に係る化学蓄熱装置を示す斜視図である。
【０１６０】
第１反応器１１Ａの内部には、第１反応器１１Ａ内の物質（酸化カルシウムまたは水酸化カルシウム）と第８熱媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器１８１が設けられている。また、第２反応器１１Ｂ内部には、第２反応器１１Ｂ内の物質（酸化カルシウムまたは水酸化カルシウム）と第８熱媒体との間で熱交換を行う第２熱交換器１８２が設けられている。また、第２容器１２Ｂの内部には、第２容器１２Ｂ内の物質（水）と第８熱媒体との間で熱交換を行う第３熱交換器１８３が設けられている。
【０１６１】
本実施形態の化学蓄熱装置は、集光集熱装置２、第１〜第３熱交換器１８１〜１８３および熱機関６に第８熱媒体を循環させる第８熱媒体回路８０を備えている。第８熱媒体回路８０における集光集熱装置２の出口側には、第８熱媒体回路８０に第８熱媒体を循環させるための第１ポンプ８１が接続されている。
【０１６２】
第１ポンプ８１の熱媒体出口側には、第１ポンプ８１から流出した第８熱媒体の流れを分岐する分岐部８２が設けられている。そして、分岐部８２で分岐された一方の第８熱媒体を第１電気式三方弁８３へ流入させ、他方の第８熱媒体を第２電気式三方弁８４へ流入させるようになっている。
【０１６３】
第１、第２電気式三方弁８３、８４は、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される熱媒体回路切替手段である。
【０１６４】
より具体的には、第１電気式三方弁８３は、電力が供給される通電状態では、集光集熱装置２の熱媒体出口側と第１熱交換器１８１の第１の熱媒体流入出部１８１ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替え、電力の供給が停止される非通電状態では、第１熱交換器１８１の第１の熱媒体流入出部１８１ａと第３熱交換器１８３の熱媒体流入部１８３ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１６５】
第２電気式三方弁８４は、電力が供給される通電状態では、集光集熱装置２の熱媒体出口側と第２熱交換器１８２の第１の熱媒体流入出部１８２ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替え、電力の供給が停止される非通電状態では、第２熱交換器１８２の第１の熱媒体流入出部１８２ａと第２ポンプ８５の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１６６】
第２ポンプ８５は、第８熱媒体回路８０に第８熱媒体を循環させるためのものであり、その熱媒体出口側は熱機関６の熱媒体入口側に接続されている。
【０１６７】
また、第３熱交換器１８３の熱媒体流出部１８３ｂには、第８熱媒体の体積変化を吸収する貯留容器８６が接続されている。貯留容器８６の熱媒体出口側には、第８熱媒体回路８０に第８熱媒体を循環させるための第３ポンプ８７の熱媒体入口側が接続されている。
【０１６８】
第３ポンプ８７の熱媒体出口側には、第３電気式三方弁８８が接続されている。第３電気式三方弁８８は、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される熱媒体回路切替手段である。
【０１６９】
より具体的には、第３電気式三方弁８８は、電力が供給される通電状態では、第１熱交換器１８１の第２の熱媒体流入出部１８１ｂと集光集熱装置２の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替え、電力の供給が停止される非通電状態では、第３ポンプ８７の熱媒体出口側と第１熱交換器１８１の第２の熱媒体流入出部１８１ｂとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１７０】
また、第２熱交換器１８２の第２の熱媒体流入出部１８２ｂには、第４電気式三方弁８９が接続されている。第４電気式三方弁８９は、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される熱媒体回路切替手段である。
【０１７１】
より具体的には、第４電気式三方弁８９は、電力が供給される通電状態では、第２熱交換器１８２の第２の熱媒体流入出部１８２ｂと集光集熱装置２の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替え、電力の供給が停止される非通電状態では、熱機関６の熱媒体出口側と第２熱交換器１８２の第２の熱媒体流入出部１８２ｂとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１７２】
次に、上述の構成において本実施形態の作動について図１を参照して説明する。まず、放熱モードの作動について説明する。
【０１７３】
放熱モードでは、第１開閉弁１４Ａ、１４Ｂが全開状態となり、第２、第３開閉弁３２Ａ、３２Ｂ、３６Ａ、３６Ｂが全閉状態となり、第２熱媒体ポンプ４２および第２、第３ポンプ８５、８７が作動状態となり、第１ポンプ８１および水ポンプ３５が停止状態となる。
【０１７４】
また、放熱モードでは、第１電気式三方弁８３が、第１熱交換器１８１の第１の熱媒体流入出部１８１ａと第３熱交換器１８３の熱媒体流入部１８３ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。また、第３電気式三方弁８８が、第３ポンプ８７の熱媒体出口側と第１熱交換器１８１の第２の熱媒体流入出部１８１ｂとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１７５】
これにより、図１９の実線矢印に示すように、第３ポンプ８７→第３電気式三方弁８８→第１熱交換器１８１→第１電気式三方弁８３→第３熱交換器１８３→貯留容器８６→第３ポンプ８７の順に第８熱媒体が循環する熱媒体回路が構成される。
【０１７６】
また、放熱モードでは、第２電気式三方弁８４が、第２熱交換器１８２の第１の熱媒体流入出部１８２ａと第２ポンプ８５の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替える。また、第４電気式三方弁８９が、熱機関６の熱媒体出口側と第２熱交換器１８２の第２の熱媒体流入出部１８２ｂとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１７７】
これにより、図１９の実線矢印に示すように、第２ポンプ８５→熱機関６→第４電気式三方弁８９→第２熱交換器１８２→第２電気式三方弁８４→第２ポンプ８５の順に第８熱媒体が循環する熱媒体回路が構成される。
【０１７８】
以上により、蓄熱器４に蓄えられた熱により第１容器１２Ａ内の水が加熱されて蒸発し、この水蒸気が接続通路１３Ａを介して第１反応器１１Ａに流入する。そして、第１反応器１１Ａ内では、第１反応器１１Ａに収容されている酸化カルシウムと、第１容器１２Ａから流入した水蒸気とが反応し、水酸化カルシウムが生成されるとともに、反応熱が生じる。
【０１７９】
第１反応器１１Ａで上記反応の際に生じた反応熱は、第８熱媒体を介して第２容器１２Ｂに伝熱され、この熱により第２容器１２Ｂ内に収容されている水が加熱されて蒸発する。そして、第２容器１２Ｂで蒸発した水蒸気が、接続通路１３Ｂを介して第２反応器１１Ｂに流入する。第２反応器１１Ｂ内では、第２反応器１１Ｂに収容されている酸化カルシウムと、第２容器１２Ｂから流入した水蒸気とが反応し、水酸化カルシウムが生成されるとともに、反応熱が生じる。そして、この反応の際に生じた反応熱が、第８熱媒体を介して熱機関６に伝熱される。
【０１８０】
次に、蓄熱モードの作動について説明する。この蓄熱モードは、上記放熱モードの後に行われる。
【０１８１】
蓄熱モードでは、第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂが全開状態となり、第１、第３、第４開閉弁１４Ａ、１４Ｂ、３６Ａ、３６Ｂが全閉状態となり、第１ポンプ８１が作動状態となり、第２熱媒体ポンプ４２および第２、第３ポンプ８５、８７および水ポンプ３５が停止状態となる。
【０１８２】
また、蓄熱モードでは、第１電気式三方弁８３が、集光集熱装置２の熱媒体出口側と第１熱交換器１８１の第１の熱媒体流入出部１８１ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。また、第３電気式三方弁８８が、第１熱交換器１８１の第２の熱媒体流入出部１８１ｂと集光集熱装置２の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１８３】
これにより、図１６の破線矢印で示すように、第１ポンプ８１→分岐部８２→第１電気式三方弁８３→第１熱交換器１８１→第３電気式三方弁８８→集光集熱装置２→第１ポンプ８１の順に第８熱媒体が循環する熱媒体回路が構成される。
【０１８４】
また、蓄熱モードでは、第２電気式三方弁８４が、集光集熱装置２の熱媒体出口側と第２熱交換器１８２の第１の熱媒体流入出部１８２ａとの間を接続する熱媒体回路に切り替える。また、第４電気式三方弁８９が、第２熱交換器１８２の第２の熱媒体流入出部１８２ｂと集光集熱装置２の熱媒体入口側との間を接続する熱媒体回路に切り替える。
【０１８５】
これにより、図１６の破線矢印で示すように、第１ポンプ８１→分岐部８２→第２電気式三方弁８４→第２熱交換器１８２→第４電気式三方弁８９→集光集熱装置２→第１ポンプ８１の順に第８熱媒体が循環する熱媒体回路が構成される。
【０１８６】
以上により、集光集熱装置２で集熱された太陽熱により第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムが加熱されて、酸化カルシウムと水蒸気とに分離される。これにより、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の水酸化カルシウムは、酸化カルシウムに再生される。これにより、太陽熱を蓄熱することができる。
【０１８７】
一方、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂにおいて発生した水蒸気は、凝縮器入口通路３１Ａ、３１Ｂを介して凝縮器３に流入する。凝縮器３に流入した水蒸気は、外気により冷却されて凝縮し、凝縮器３に貯留される。
【０１８８】
ところで、本実施形態の貯留容器８６は、蓄熱モード時に、第８熱媒体回路８０のうち第１電気式三方弁８３および第３電気式三方弁８８により閉じられた回路部分に存在する第８熱媒体を全て収容可能な体積に構成されている。これにより、蓄熱モード時に、当該閉じられた回路部分に存在する第８熱媒体を貯留容器８６内に貯留して、第１熱交換器１８１および第３熱交換器１８３内に第８熱媒体が満たされていない状態を作り出すことができるので、化学蓄熱装置の作動効率を向上させることができる。
【０１８９】
次に、蓄熱維持モードについて説明する。この蓄熱維持モードは、上記蓄熱モードの後に行われる。
【０１９０】
蓄熱維持モードでは、上記蓄熱モードに対して、第２開閉弁３２Ａ、３２Ｂが全閉状態となる点のみ異なり、他の開閉弁やポンプは上記蓄熱モードと同様になっている。このため、酸化カルシウムと水とが空間的に隔離されるので、蓄熱状態を維持することができる。
【０１９１】
このとき、第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂを全開するとともに、水ポンプ３５を作動させることで、凝縮器３に貯留された水を、凝縮器出口通路３３を介して第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻すことができる。そして、凝縮器３に貯留された全ての水を第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻した後は、第３開閉弁３６Ａ、３６Ｂを全閉状態とするとともに、水ポンプ３５を停止状態とする。
【０１９２】
なお、上述した凝縮器３に貯留された水を第１、第２容器１２Ａ、１２Ｂに戻す工程は、蓄熱維持モードに限らず、放熱モードまたは蓄熱モードにおいて実施してもよい。
【０１９３】
本実施形態によれば、第１、第２反応器１１Ａ、１１Ｂ内の熱交換器を、それぞれ１つずつとすることができるので、簡易な構成で上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１９４】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【０１９５】
（１）上記各実施形態では、外部熱として太陽熱を用い、加熱対象物として熱機関６を用いた例について説明したが、これに限らず、例えば外部熱として工場等から排出される排熱を用い、加熱対象物として熱電変換素子や改質器を用いてもよい。
【０１９６】
（２）上記各実施形態では、蓄熱ユニット１Ａ、１Ｂを２段設けた例について説明したが、これに限らず、３段以上設けてもよい。
【０１９７】
（３）上記第７、第９実施形態では、第３反応物Ｃとして水を用い、第４反応物Ｄとして酸化カルシウムを用いた例について説明したが、これに限らず、第３反応物Ｃおよび第４反応物Ｄの組み合わせとしては、外気温より低い温度で第７熱媒体を冷却できる種々の物質の組み合わせを用いることができる。
【０１９８】
例えば、第４反応物Ｄとしてゼオライト、シリカゲル、活性炭等の吸着材を用いるとともに、第３反応物Ｃとして水またはエタノール等と用いることができる。また、第４反応物Ｄとしてアルカリ土類金属のハロゲン化物（塩化カルシウムや臭化ストロンチウム等）を用いるとともに、第３反応物Ｃとしてアンモニアを用いてもよい。
【０１９９】
（４）上記第７、第９実施形態では、蓄熱モード時に、太陽熱により加熱された第１熱媒体により第４反応物収容部７４内の水酸化カルシウムを加熱した例について説明したが、これに限らず、水酸化カルシウムから酸化カルシウムに再生可能な温度の熱を供給することができるものであれば、他の熱源を用いてもよい。
【０２００】
（５）上記各実施形態では、第１反応器１１Ａと第２容器１２Ｂとを熱的に接続するために、熱媒体を用いた例について説明したが、これに限らず、ヒートパイプ、溶融塩、または、金属等の固体による熱伝導等を用いてもよい。
【０２０１】
（６）上記各実施形態では、第２反応器１１Ｂと加熱対象物（熱機関６、スターリングエンジン７１の高温部７１ａ）とを熱的に接続するために、熱媒体を用いた例について説明したが、これに限らず、ガス等の流体による伝熱、輻射による伝熱、または、溶融塩等を用いてもよい。
【符号の説明】
【０２０２】
１Ａ、１Ｂ      蓄熱ユニット
２              集光集熱装置（外部熱源）
３              凝縮器（凝縮手段、加熱源）
４              蓄熱器（加熱源）
６              熱機関（加熱対象物）
１１Ａ、１１Ｂ  反応器
１２Ａ、１２Ｂ  容器
１３Ａ、１３Ｂ  接続通路
１５Ａ、１５Ｂ  再生用熱交換器
３００          蓄熱材
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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