(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が内部を通過する第１配管（１７）と、
前記第１配管から前記作動流体が供給され、前記作動流体の圧力を低下させる作動手段（１３，１３Ａ，１３Ｂ）と、
前記作動手段の上流側で前記第１配管から分岐し、前記作動手段の下流側で前記第１配管に合流する第２配管（１８）と、
前記第２配管から供給される前記作動流体と反応し、前記作動流体の温度に応じて発熱または吸熱する蓄熱材料（１９）を有する反応器（１４）と、
前記反応器の蓄熱材料との熱交換によって温度が調節される温度調節対象物（１５，１３Ａ，３１）と、
前記反応器の上流側の前記第２配管に設けられ、前記第２配管を通過する前記作動流体の流量を調節する第１流量調整手段（１１）と、
前記反応器の下流側の前記第２配管に設けられ、前記第２配管を通過する前記作動流体の流量を調節する第２流量調整手段（１２）と、を含み、
前記作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した前記作動流体を前記第１配管の下流側に供給することを特徴とする蓄熱システム。
【請求項２】
前記第１配管は、前記作動流体が回流する経路を形成していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項３】
前記作動流体は、水であり、
前記作動手段は、蒸気タービン（１３Ａ）であり、
前記温度調節対象物は、前記蒸気タービンであることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱システム。
【請求項４】
前記第１配管は、前記作動流体が回流せずに、前記作動流体が下流側にて大気中に開放する経路を形成していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項５】
前記作動流体は、アルコール系またはアンモニア系の燃料であり、
前記作動手段は、気化器（１３Ｂ）または改質器（３１）の少なくともいずれか一方であり、
前記温度調節対象物は、前記気化器、前記改質器、またはエンジン（３３）の少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の蓄熱システム。
【請求項６】
前記蓄熱材料は、ＣａＯ−Ｈ２Ｏ、ＣａＯ−ＣＯ２、ＭｇＯ−Ｈ２Ｏ、ＭｇＯ−ＣＯ２、ＣａＣｌ２−Ｈ２Ｏ、ＣａＢｒ−Ｈ２Ｏ、ＣａＣｌ２−ＮＨ３、ＳｒＣｌ２−ＮＨ３、ＳｒＢｒ−ＮＨ３、ゼオライト−Ｈ２Ｏ、活性炭−Ｈ２Ｏ、ゼオライト−ＮＨ３、ゼオライト−アルコール系、活性炭−アルコール系、およびターシャルブチルアルコール−水のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つ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、温度変化によって吸着剤の吸着調節する温度スイング方式、および圧力変化によって吸着剤の吸着制御する圧力スイング方式を用いた蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の蓄冷型冷凍装置では、太陽熱を利用するため、太陽熱を吸着剤に蓄熱している。具体的には、吸着剤の再生時には６０℃以上の温水を有効に利用したＴＰＳＡ方式による再生方式の採用により蓄熱効率の高い冷凍サイクルを確立している。また吸着剤の吸着時には、冷媒蒸気の吸着による発熱を押さえるべく用意された冷却水が供給され、その流量の加減によってより効率良く冷凍出力を加減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３０３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の蓄冷型冷凍装置では、温度スイング方式と圧力スイング方式を併用することで、吸着剤の再生温度が低温化し作動温度が高くなるので、効率（ＣＯＰ）を大きくすることができる。しかし、温度スイング方式は予熱を使って行うことができるが、圧力スイング方式はポンプを用いる必要がある。したがってポンプを稼働した分だけ蓄冷型冷凍装置の効率（ＣＯＰ）が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、効率よく蓄熱することができる蓄熱システム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】
【０００６】
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第１配管から作動流体が供給され、作動流体の圧力を低下させる作動手段（１３，１３Ａ，１３Ｂ）と、反応器の上流側の第２配管に設けられ、第２配管を通過する作動流体の流量を調節する第１流量調整手段（１１）と、反応器の下流側の第２配管に設けられ、第２配管を通過する作動流体の流量を調節する第２流量調整手段（１２）と、を含み、作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を第１配管の下流側に供給することを特徴とする蓄熱システムである。
【０００８】
このような本発明に従えば、反応器の上流側および下流側のそれぞれに流量調整手段が設けられる。これによって反応器に作動流体が流れ込む量を調整することができる。作動手段は、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を下流側に供給する。したがって反応器に流れ込む作動流体の圧力は、上流側と下流側とのいずれ側から流れ込むかによって異なることになる。流体は圧力が高くなれば、温度が高くなる。したがって下流側から反応器に流れ込む作動流体は高温であり、上流側から流れ込む作動流体は低温となる。これによって反応器に蓄熱材料の蓄熱量を調節することができる。したがって温度調節対象物の温度を調節することができる。このようにポンプなどの昇圧手段を用いることなく反応器に蓄熱し、蓄熱した熱量を用いることができる。したがって効率よく蓄熱することができる蓄熱システムを実現することができる。
【０００９】
なお、前述の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一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の蓄熱システム１０を示すブロック図である。
【図２】ＣａＣｌ２・ＮＨ３のＰＶ線図である。
【図３】Ｃａ（ＯＨ）２のＰＶ線図である。
【図４】第２実施形態のランキンサイクルシステム１０Ａを示すブロック図である。
【図５】第３実施形態のコージェネレーションシステム１０Ｂを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図３を用いて説明する。蓄熱システム１０は、図１に示すように、第１バルブ１１と、第２バルブ１２と、システム要素１３と、反応器１４と、加熱対象物１５と、熱源１６と、基準配管１７と、迂回配管１８とを含んで構成される。
【００１３】
基準配管１７の上流側の端部には、基準配管１７に作動流体を供給する供給手段（図示せず）が設けられる。基準配管１７は、第１配管であって、供給された作動流体が内部を通過する。システム要素１３は、作動手段であって、基準配管１７に設けられる。システム要素１３は、基準配管１７から作動流体が供給され、作動流体の圧力によって所定の作用をする。所定の作用は、たとえば作動流体の圧力によって対象物を回転または移動させたり、対象物を圧縮して高温にしたりする。またシステム要素１３は、作動流体の圧力による所定の作用に起因して、供給された作動流体の圧力を損失（圧損ΔＰ）し、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を基準配管１７の下流側に供給する。
【００１４】
迂回配管１８は、第２配管であって、システム要素１３の上流側で基準配管１７から分岐し、システム要素１３の下流側で基準配管１７に合流する。迂回配管１８には、反応器１４が設けられる。また迂回配管１８には、第１バルブ１１および第２バルブ１２が設けられる。第１バルブ１１は、迂回配管１８の反応器１４の上流側に設けられ、迂回配管１８を通過する作動流体の流量を調節する。第１バルブ１１は、第１流量調整手段であって、本実施形態では迂回配管１８内の通路を開閉する。したがって第１バルブ１１を開状態にすると、上流側から作動流体が反応器１４に供給される。
【００１５】
第２バルブ１２は、迂回配管１８の反応器１４の下流側に設けられ、迂回配管１８を通過する作動流体の流量を調節する。第２バルブ１２は、第２流量調整手段であって、本実施形態では迂回配管１８内の通路を開閉する。したがって第２バルブ１２を開状態にすると、下流側から作動流体が反応器１４に供給される。
【００１６】
反応器１４は、蓄熱材１９を有する。蓄熱材１９は、迂回配管１８から供給される作動流体と反応し、作動流体の温度に応じて発熱または吸熱する。蓄熱材１９（蓄熱材料ともいう）は、様々なものが用いられるが、たとえば、ＣａＯ−Ｈ２Ｏ、ＣａＯ−ＣＯ２、ＭｇＯ−Ｈ２Ｏ、ＭｇＯ−ＣＯ２、ＣａＣｌ２−Ｈ２Ｏ、ＣａＢｒ−Ｈ２Ｏ、ＣａＣｌ２−ＮＨ３、ＳｒＣｌ２−ＮＨ３、ＳｒＢｒ−ＮＨ３、ゼオライト−Ｈ２Ｏ、活性炭−Ｈ２Ｏ、ゼオライト−ＮＨ３、ゼオライト−アルコール系、活性炭−アルコール系、およびターシャルブチルアルコール−水のいずれかである。
【００１７】
図２に示すＣａＣｌ２・ＮＨ３は、蓄熱材１９として用いられる。図２では、配位数１の条件のＣａＣｌ２を蓄冷材として用いる。またＣａＣｌ２・ＮＨ３の反応式を次式（１）に示す。
【００１８】
反応式：  ＣａＣｌ２＋ＮＨ３  →  ＣａＣｌ２・ＮＨ３＋６９ｋＪ／ｍｏｌ  …（１）
反応式（１）および図２に示すように、ＣａＣｌ２とＮＨ３とが反応すると、熱が発生して、右側のＮＨ３の波形から左側のＣａＣｌ２・ＮＨ３の波形となる。したがって同じ圧力下において、温度が上昇しているので、熱量を蓄えることができる。またいずれも波形も圧力が上昇すると、温度が高くなっている。
【００１９】
図３に示すＣａ（ＯＨ）２は、蓄熱材１９として用いられる。Ｃａ（ＯＨ）２の反応式を次式（２）に示す。
【００２０】
反応式：  ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ  →  Ｃａ（ＯＨ）２＋１０８ｋＪ／ｍｏｌ    …（２）
反応式（２）および図３に示すように、ＣａＯとＨ２Ｏとが反応すると、熱が発生して、右側のＨ２Ｏの波形から左側のＣａ（ＯＨ）２の波形となる。したがって同じ圧力下において、温度が上昇しているので、熱量を蓄えることができる。
【００２１】
反応器１４は、加熱対象物１５と熱交換可能に構成される。また反応器１４は、熱源１６と熱交換可能に構成される。熱源１６は、蓄熱材１９を加熱可能であり、たとえばヒータなどの加熱手段である。熱源１６は、蓄熱材１９の熱量が不足している場合に、蓄熱材１９を蓄熱するために用いられる。加熱対象物１５は、蓄熱材１９と熱交換して、蓄熱材１９の熱量によって加熱される。蓄熱材１９に多くの熱量が蓄熱されているときは、加熱対象物１５と熱交換して、加熱対象物１５を加熱することができる。また蓄熱材１９の熱量が不足しているときには、熱源１６と熱交換して、蓄熱材１９に熱量を蓄積することができる。
【００２２】
次に、蓄熱システム１０の作動に関して説明する。蓄熱材１９を作動させるときは、システム要素１３の上流の高圧の作動流体側の第１バルブ１１を開き蓄熱材１９と反応させる。また蓄熱材１９を再生させるときは、システム要素１３下流の低圧の作動流体側の第２バルブ１２を開き蓄熱材１９と反応させる。これによって、作動時は高温で作動し、再生時は低温で蓄熱材１９を再生させることが可能となる。この結果、ポンプレスで圧力スイングを行うことが可能となり、高いＣＯＰが望める。
【００２３】
以上説明したように本実施形態の蓄熱システム１０では、反応器１４の上流側および下流側のそれぞれにバルブ１１，１２が設けられるので、反応器１４に作動流体が流れ込む量を調整することができる。作動手段であるシステム要素１３は、所定の作用に起因して、供給された作動流体の圧力を損失し、供給前に比べて圧力が低下した作動流体を下流側に供給する。したがって反応器１４に流れ込む作動流体の圧力は、上流側と下流側とのいずれ側から流れ込むかによって異なることになる。流体は圧力が高くなれば、温度が高くなる。したがって下流側から反応器１４に流れ込む作動流体は高温であり、上流側から流れ込む作動流体は低温となる。これによって反応器１４に蓄熱材料の蓄熱量を調節することができる。したがって温度調節対象物、たとえば加熱対象物１５の温度を調節することができる。このように本実施形態の蓄熱システム１０では、ポンプなどの昇圧手段を用いることなく反応器１４に蓄熱し、蓄熱した熱量を用いることができる。したがって効率よく蓄熱することができる蓄熱システム１０を実現することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図４を用いて説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態において、システム要素１３が蒸気タービン１３Ａであり、作動流体が水であり、加熱対象物１５が蒸気タービン１３Ａである点に特徴を有する。また基準配管１７は、作動流体の水が回流する経路を形成している。したがってランキンサイクルは、密閉サイクル（クローズドサイクル）であり、作動流体である水が大気から隔離されて回流する熱力学的サイクルである。
【００２５】
ランキンサイクルシステム１０Ａは、図４に示すように、作動流体である水を加熱して高圧蒸気を生成するボイラ２１と、ボイラ２１にて生成された高圧蒸気により駆動される蒸気タービン１３Ａと、蒸気タービン１３Ａの駆動に利用した蒸気を冷却水で冷却して液化する復水器２２と、この復水器２２にて液化された作動流体（つまり水）を汲み上げ、ボイラ２１に供給する水ポンプ２３とを含んで構成される。
【００２６】
次に、ランキンサイクルシステム１０Ａの作動に関して説明する。図４に示すように、蒸気タービン１３Ａの前後に反応器１４がバルブ１１，１２を有する迂回配管１８によって接続されているので、作動時は、高圧側の第１バルブ１１のみを開放し、高圧蒸気との反応により反応器１４から熱を取り出す。再生時は、低圧側の第２バルブ１２のみを開放し、比較的小さい熱を外から加えることによって反応器１４を再生させる。この圧力スイングの作動により、作動時の温度が上昇し、再生時の温度が低下する。このため、システムのＣＯＰ＝（作動時の発熱）／（再生時の入熱）が向上する。
【００２７】
また反応器１４に蓄熱された熱は、蒸気タービン１３Ａの温度上昇に用いられる。蒸気タービン１３Ａは、システムの作動開始時には熱量が不足しているので、反応器１４に蓄熱されている熱量を用いることによって、作動開始時から温度を上昇させることができる。
【００２８】
反応器１４と蒸気タービン１３Ａとの熱交換に関する構成は、特に限定するものではなく、たとえば反応器１４と蒸気タービン１３Ａとを密着させておいてもよいし、熱媒体などを用いて熱交換してもよい。
【００２９】
第１バルブ１１を開にして、蒸気タービン１３Ａを加熱するタイミングは、システム起動時が好ましい。蒸気タービン１３Ａの温度が不足しているからである。また第２バルブ１２を開にして、蓄熱材１９に蓄熱するタイミングは、システムが定常運転になり、熱が余っている定常時が好ましい。熱がシステムに余っているからである。
【００３０】
従来技術では、ポンプを作動させることで圧力スイングを行っているため、ポンプ動力分、システムのＣＯＰが低下する。しかしながら、本実施形態では一部、水ポンプ２３の動力により圧力を昇圧しているが、水ポンプ２３の動力は気体ポンプの動力と比べて充分に小さいので、無視することが可能である。本実施形態のランキンサイクルシステム１０Ａは、蒸気タービン１３Ａの前後の圧力差のみを駆動力として圧力スイングを行うので、ポンプ動力分の効率低下なしにシステム効率を向上させることができる。
【００３１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図５を用いて説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態において、システム要素１３が気化器１３Ｂであり、作動流体がアンモニア系の燃料であり、加熱対象物１５が改質器３１である点に特徴を有する。また基準配管１７は、作動流体の燃料が回流せずに下流側にて大気中に開放する開放サイクル（オープンサイクル）の経路を形成している。
【００３２】
コージェネレーションシステム１０Ｂは、図５に示すように、アンモニア（ＮＨ３）タンク３２と、アンモニアタンク３２から供給されるアンモニアを気化する気化器１３Ｂと、気化器１３Ｂからの気化した燃料と空気とを混合して改質し、燃料ガスを生成する改質器３１と、燃料ガスによって駆動するエンジン３３と、を含んで構成される。
【００３３】
次に、コージェネレーションシステム１０Ｂの作動に関して説明する。図５に示すように、気化器１３Ｂの前後に反応器１４がバルブ１１，１２を有する迂回配管１８によって接続されているので、作動時は、高圧側の第１バルブ１１のみを開放し、高圧燃料との反応により反応器１４から熱を取り出す。再生時は、低圧側の第２バルブ１２のみを開放し、比較的小さい熱を外から加えることによって反応器１４を再生させる。この圧力スイングの作動により、作動時の温度が上昇し、再生時の温度が低下する。このため、システムのＣＯＰが向上する。
【００３４】
また反応器１４に蓄熱された熱は、改質器３１の温度上昇に用いられる。改質器３１は、システムの作動開始時には熱量が不足しているので、反応器１４に蓄熱されている熱量を用いることによって、作動開始時から温度を上昇させることができる。また、加熱対象物１５としては改質器３１の他に、気化器１３Ｂ、エンジン３３のいずれかであってもよく、改質器３１をあわせたいずれかひとつ以上がであってもよい。またアンモニアは難燃性のため、蓄熱により低温始動時の挙動がよりスムーズになる。
【００３５】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００３６】
また前述の各実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００３７】
また前述の各実施形態では、加熱対象物１５は１つのみであったが、１つに限るものではなく、複数の温度調節対象物を用いてもよい。また加熱に限るものではなく、冷却や温度維持などの温度調節に用いてもよい。
【００３８】
また前述の各実施形態では、第１バルブ１１、第２バルブ１２は開閉の制御しかされていないが、開閉に限るものではなく、開度を調節して、流量を連続的に制御してもよい。これによって、蓄熱量を高精度に制御することができる。
【００３９】
前述の第２実施形態では、作動流体が蒸気（水）であり、蓄熱材１９に関しては特に限定していないが、蓄熱材１９が水と反応する水系化学蓄熱作用を有する材料であってもよい。これによって作動流体を用いて、反応器に効率よく蓄熱することができる。
【００４０】
また前述の第２、第３実施形態では、システム要素１３が蒸気タービン１３Ａまたは気化器１３Ｂであったが、これらに限るものではなく、たとえば蒸気圧縮式ヒートポンプサイクルを構成する膨張器であってもよい。
【００４１】
前述の第３実施形態では、作動流体は、アンモニア系の燃料であったが、アンモニア系の燃料に限るものではなく、アルコール系の燃料であってもよい。また第３実施形態では、システム要素１３として気化器１３Ｂを用いたが、気化器１３Ｂに限るものではなく、改質器３１であってもよい。
【００４２】
前述の第３実施形態では、作動流体がアンモニアであり、蓄熱材１９に関しては特に限定していないが、蓄熱材１９がアンモニアと反応するアンモニア系化学蓄熱作用を有する材料であってもよい。これによって作動流体を用いて、反応器１４に効率よく蓄熱することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０…蓄熱システム
１０Ａ…ランキンサイクルシステム（蓄熱システム）
１０Ｂ…コージェネレーションシステム（蓄熱システム）
１１…第１バルブ（第１流量調整手段）  １２…第２バルブ（第２流量調整手段）
１３…システム要素（作動手段）        １３Ａ…蒸気タービン（作動手段）
１３Ｂ…気化器（作動手段）            １４…反応器
１５…加熱対象物            １６…熱源      １７…基準配管（第１配管）
１８…迂回配管（第２配管）  １９…蓄熱材    ２１…ボイラ
２２…復水器                ２３…水ポンプ  ３１…改質器
３２…アンモニアタンク      ３３…エンジン
【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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