(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱材から水分子を気化させて脱離する蓄熱工程を含む蓄熱方法を行い、前記蓄熱材を加熱する熱媒体を昇温させるヒートポンプ回路と、前記蓄熱材を収容し、前記蓄熱材の上部に空間を有する蓄熱ユニットを複数段積層した蓄熱槽と、前記蓄熱ユニットを貫通する熱媒体流路と、前記隣接する蓄熱ユニットの空間を連通する複数の水蒸気経路とを備え、同一の前記空間内に配置された前記水蒸気経路のうち、高温側の前記蓄熱材を貫通する前記水蒸気経路の開口面積が、低温側の前記蓄熱材を貫通する前記水蒸気経路の開口面積より小さい蓄熱システム。
【請求項２】
低温側の前記蓄熱材を貫通する前記水蒸気経路の開口面積が、前記水蒸気経路の前記蓄熱材に貫通している部分の断面積より大きい、
請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項３】
水和物と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態である蓄熱材を水和物の相変化温度以上になるよう加熱し、水和物の水分子の一部あるいは全部が脱離した固体と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態とし、固液共存状態から水を分離する蓄熱方法を行う、
請求項１または２に記載の蓄熱システム。
【請求項４】
水和物である蓄熱材を固相状態から相変化温度以上になるよう加熱し、溶質が水和物の無水物である水溶液とし、前記水溶液から水を分離する蓄熱方法を行う、
請求項１または２に記載の蓄熱システム。
【請求項５】
水和物と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態である蓄熱材を水和物の相変化温度以上になるよう加熱し、溶質が水和物の無水物である水溶液とし、前記水溶液から水を分離する蓄熱方法を行う、
請求項１または２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、高い蓄熱密度を実現できる蓄熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からの蓄熱技術として、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱および化学蓄熱がある。顕熱蓄熱とは、物質（蓄熱材）の熱容量を利用する蓄熱技術であり、潜熱蓄熱とは、蓄熱材の融解熱や気化熱を利用する蓄熱技術である。顕熱蓄熱や潜熱蓄熱における蓄熱性能は、蓄熱材料の物性である比熱と相変化熱に依存する。また、潜熱蓄熱材における蓄熱可能な熱量は、顕熱と相変化熱の和となる。一般的に、低い温度域での蓄熱材料の相変化熱は、高い温度域に比べて小さく、蓄熱密度が相対的に低くなる。また、潜熱蓄熱では、利用する熱源の温度に応じて相変化温度が決められる。潜熱蓄熱材としては、例えば、給湯用蓄熱の場合、発生する１００℃以下の熱を蓄熱するために、水和物、パラフィン類、糖類等が利用できる。この中でも、酢酸ナトリウム・３水和物がよく検討されている。しかしながら、このような顕熱および潜熱蓄熱の課題としては、蓄熱材の熱伝導率が低いため、実用上、熱交換時に取り出せない熱量が発生し、実際の蓄熱密度が低くなる点が挙げられる。
【０００３】
一方、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、無機反応系などがある。従来の化学蓄熱は、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、気体の形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低くなる。このため、蓄熱時に生成する気体を凝縮させる等相変化を用いて容積の低減を図るが、これによって生じる生成熱（凝縮熱）を外気に逃がしている。このため、放熱時には、再度気体を生じさせるために、外部から新たな熱エネルギーを投入する必要がある。従って、従来の化学蓄熱システムにおいて、蓄熱できる熱エネルギーは、原理的に、蓄熱された熱エネルギーから放熱時の反応のために必要とされる熱エネルギー（熱損失）を差し引いた値になる。
【０００４】
例えば、特許文献１では、このような課題に対して、図６に示すように、固体の無機無水物と水蒸気とが反応して固体の水和物が生成される反応を利用した化学蓄熱が開示されており、さらに、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開示されている。
【０００５】
図６は、特許文献１における従来の化学蓄熱システムの構成図である。この中でヒートポンプは従来と全く同一である。化学蓄熱装置は反応材１５を収納する第一容器１３、被反応材１６を収納する第二容器１４から成り、バルブ１８を有する蒸気移動管１７によって連結されている。また、反応材１５中には熱交換器９が設けてあり、圧縮機６の吐出側パイプ１２−ａ部に設けた熱交換器１１と、ポンプ１０を有するパイプ２３、２３’によって循環路を構成するように連結されている。また、被反応材１６中には熱交換器１９が設けてあり、圧縮機６の吸込側パイプ１２−ｂ部に設けた熱交換器２２と、ポンプ２０を有するパイプ２１、２１’によって循環路を構成するように連結されている。反応材１５としては、ゼオライト、塩化カルシウム２水塩ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、硫化ナトリウムＮａ２Ｓ、被反応材１６としては水、メタノール等が用いられる。反応材１５と被反応材１６とを反応させつつ熱を取り出し、蓄熱時には加熱しつつ両者を分解して再生して用いるものである。
【特許文献１】特公平７−６７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の化学蓄熱システムでは、ヒートポンプ回路を利用して蓄熱材を加熱するため、加熱側の熱媒体が入口側から出口側に向かって温度低下していくことに伴い、この温度変化に対応して蓄熱材内部に温度分布が形成される。このため、高温側の蓄熱材から脱離した水蒸気が、低温側の蓄熱材で凝縮して、蓄熱材の水和物濃度を変化させるため、蓄熱・放熱サイクルを繰り返すうちに、所定の蓄熱密度を確保できなくなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決する蓄熱システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来の課題を解決するため、本発明の蓄熱システムは、蓄熱材から水分子を気化させて脱離する蓄熱工程を含む蓄熱方法を行い、蓄熱材を加熱する熱媒体を昇温させるヒートポンプ回路と、蓄熱材を収容し、蓄熱材の上部に空間を有する蓄熱ユニットを複数段積層した蓄熱槽と、蓄熱ユニットを貫通する熱媒体流路と、積層した蓄熱ユニットの空間を連通する複数の水蒸気経路とを備え、同一の空間内に配置された水蒸気経路のうち、高温側の蓄熱材を貫通する水蒸気経路の開口面積が、低温側の蓄熱材を貫通する水蒸気経路の開口面積より小さいことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の蓄熱システムは、低温側の蓄熱材を貫通する水蒸気経路の開口面積が、水蒸気経路の蓄熱材に貫通している部分の断面積より大きいことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の蓄熱システムは、水和物と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態である蓄熱材を水和物の相変化温度以上になるように加熱し、水和物の水分子の一部あるいは全部が脱離した固体と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態とし、固液共存状態から水を分離する蓄熱方法を行うことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の蓄熱システムは、水和物である蓄熱材を固相状態から相変化温度以上になるように加熱し、溶質が水和物の無水物である水溶液とし、水溶液から水を分離する蓄熱方法を行うことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明の蓄熱システムは、水和物と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態である蓄熱材を水和物の相変化温度以上になるように加熱し、溶質が水和物の無水物である水溶液とし、水溶液から水を分離する蓄熱方法を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、顕熱と潜熱による蓄熱を行い、さらに、放熱過程において放熱反応促進のための新たな熱エネルギーの投入を必要としない化学蓄熱を可能にするとともに、低温域（１００℃以下）において高い蓄熱密度を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる蓄熱システムの構成図である。本発明の実施の形態１の蓄熱システムは、ヒートポンプ回路と、蓄熱槽１０６から構成される。ヒートポンプ回路は、圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張手段１０３、第１の蒸発器１０４、第２
の蒸発器１０５より構成される。蓄熱槽１０６は、蓄熱ユニット１１０を鉛直方向に複数段積層した構成である。それぞれの蓄熱ユニット１１０は、蓄熱材１０７を収容する部分と、その上部に設けた空間１０８とを有する。蓄熱槽１０６には、放熱時に蓄熱材１０７と反応させるための水を供給するため、それぞれの蓄熱ユニット１１０に接合させた水供給経路１０９を備えている。また、蓄熱槽１０６内には、蓄熱時に蓄熱材１０７を加熱するための熱媒体が流れる伝熱管１１１と、蓄熱材１０７内部の伝熱を促進するための第１のフィン１１２と、蓄熱時に蓄熱材１０７から脱離した水蒸気が流通する第１の水蒸気経路１１３と、水蒸気による蓄熱材１０７の加熱を促進するための第２のフィン１１４が設置されている。
【００１６】
次に、本発明の実施の形態１にかかる蓄熱システムの動作について説明する。ここでは、蓄熱材として、硫酸マグネシウム・７水和物を用いる。図２は、酢酸マグネシウムの濃度を横軸にして、縦軸に温度を表示し、その濃度、温度における状態を示す状態図である。
【００１７】
まず、蓄熱過程について説明する。図２に示すように、蓄熱運転の開始時には、硫酸マグネシウム・７水和物は室温に於いて、固体である。硫酸マグネシウム・７水和物を加熱することにより、約５０℃において、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体と、溶質が硫酸マグネシウムである水溶液とが共存する固液共存状態に相変化する。このとき、大きな吸熱が起こる。引き続き、蓄熱材を約８０℃まで昇温する（工程Ａ）。さらに、加熱することにより、固液共存状態から水が脱離（蒸発）し、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体状態となり、蓄熱運転を終了する（工程Ｂ）。このときにも相変化時と同様に、大きな吸熱が起こる。このような２回の大きな吸熱により、大きな蓄熱密度を実現することができる。
【００１８】
次に、放熱過程について説明する。放熱過程（工程Ｃ、Ｄ）は、上記蓄熱過程（工程Ａ、Ｂ）が終了した状態から開始される。工程Ｂでの、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体状態に、水を供給することにより、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体と溶質が硫酸マグネシウムである水溶液からなる固液共存状態となり、このときに大きな発熱が起こる（工程Ｃ）。さらに、冷却することにより、約５０℃において、固体に相変化し、大きな発熱が起こる（工程Ｄ）。
【００１９】
次に、図２の濃度、温度変化を、蓄熱システム上での動作に照らし合わせながら説明する。
【００２０】
まず、蓄熱槽１０６内の空間１０８と、第１の水蒸気経路１１３と、第２の水蒸気経路１１５と、蓄熱材１０７としての硫酸マグネシウム・７水和物から脱離した水を貯蔵するタンク１１６内を、真空ポンプ１１７を運転することで減圧状態にしてから、蓄熱運転を開始する。
【００２１】
蓄熱時には、ヒートポンプ回路の放熱器１０２において、高温、高圧冷媒との熱交換により昇温された熱媒体としての水が、熱媒体流路１２０を経由して、蓄熱槽１０６の上部に供給される。蓄熱槽１０６に供給された水（熱媒体）は伝熱管１１１を流通して、蓄熱槽１０６の下部から取り出され、再度、ヒートポンプ回路の放熱器１０２に循環される。
【００２２】
ここで、伝熱管１１１を流通する水（熱媒体）が、伝熱管１１１の壁および第１のフィン１１２を介して蓄熱材１０７を加熱することで、蓄熱材１０７は、水（熱媒体）が供給される上部から順に昇温される。約５０℃において、大きな吸熱が起こり、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体と溶質が硫酸マグネシウムである水溶液からなる固液共存状態に相変化し、その後も引き続き、約８０℃まで昇温される。
【００２３】
さらに、加熱することにより、固液共存状態の蓄熱材１０７から水が脱離し、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体状態となる。このとき、鉛直方向に複数段積層した蓄熱ユニット１１０上段側の蓄熱材１０７の温度よりも下段側の蓄熱材１０７の温度の方が低く、さらに下段側の蓄熱材１０７の温度よりも第２の蒸発器１０５に流入した時点での蓄熱材の温度（０〜２０℃）の方が低くなっていることから、蓄熱材１０７から脱離した水蒸気は凝縮され、第１の水蒸気経路１１３を流通した後、第２の蒸発器１０５において水となる。これによって、真空ポンプ１１７の運転を停止しても、減圧状態が維持される。
【００２４】
蓄熱材１０７から脱離した水蒸気は、一部が第１の水蒸気経路１１３を経由する過程で、第１の水蒸気経路１１３の壁や第２のフィン１１４を介して、下段側の蓄熱材１０７に対して放熱することにより凝縮する。すなわち、このことは上段側の蓄熱材１０７で工程Ｂが行われ、このとき蓄熱材１０７から脱離した水蒸気の凝縮熱を利用して、下段側の蓄熱材１０７を加熱して工程Ａを行うことを意味している。このようにして、水から得られた熱量を高い効率で系内に蓄熱することができる。さらに、第１の水蒸気経路１１３で凝縮しきれなかった水蒸気は、第２の水蒸気経路１１５を経由する過程での大気への放熱や、第２の蒸発器１０５における冷媒との熱交換により、凝縮されてタンク１１６内に貯蔵される。
【００２５】
また、放熱時には、水供給経路１０９から、蓄熱ユニット１１０の蓄熱材１０７に対して下段から順に蓄熱材１０７と反応させるために、蓄熱槽１０６の下部に熱媒体としての水が供給される。蓄熱槽１０６に供給された水は伝熱管１１１を流通して、蓄熱槽１０６の上部から取り出され、給湯等の用途に供せられる。
【００２６】
上記のように、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体状態に水を供給することにより、硫酸マグネシウムのモル分率が高まった固体と、溶質が硫酸マグネシウムである水溶液とからなる固液共存状態となったとき、および、約５０℃において、固体に相変化したときに、大きな発熱が起こる。この発熱を、伝熱管１１１を流通する熱媒体たる水に、伝熱管１１１の壁および第１のフィン１１２を介して放熱する。これによって、蓄熱槽１０６の下側から上側に流通する過程で伝熱管１１１を流通する水を昇温する。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態１の蓄熱装置の第１の水蒸気経路１１３の形状の特徴とその作用について説明する。
【００２８】
蓄熱時に、熱媒体たる水は、伝熱管１１１の中を、蓄熱槽１０６の入口側から出口側に流通するのに伴って、温度低下していく。この温度変化に対応して複数の蓄熱ユニット１１０間の蓄熱材１０７に温度差が発生する。このため、高温側の蓄熱材１０７から脱離（蒸発）した水蒸気が、低温側の蓄熱材１０７で凝縮すると、蓄熱材１０７の水和物濃度が変化し、所定の蓄熱密度を確保できなくなるという問題が発生する恐れがある。また、上記問題は、蓄熱・放熱サイクルを繰り返すうちに、特に大きな問題となる恐れがある。
【００２９】
上記問題を解決するために、本実施の形態１の蓄熱装置は、第１の水蒸気経路１１３が特有の形状を有している。
【００３０】
図３は、蓄熱槽１０６内の一部の蓄熱ユニット１１０を拡大した第１の水蒸気経路１１３の構成図である。蓄熱時には、上側の蓄熱ユニット１１０は高温であり、下側の蓄熱ユニット１１０は低温である。上側（高温側）の蓄熱材１０７を貫通する第１の水蒸気経路１１３ａの下部の空間１０８ａ内における第１の開口部１１８は絞り構造になっており、下側（低温側）の蓄熱材１０７を貫通する第１の水蒸気経路１１３ｂの上部の空間１０８
ａ内における第２の開口部１１９は、開き構造となっている。
【００３１】
このように、第１の開口部１１８の面積を小さくすることにより、上記第１の開口部１１８から流出する水蒸気の流速を向上させることができる。また、水蒸気の流速を向上させることにより、水蒸気の粘性により、周囲の流体がこの流れに引き込まれる作用が得られる。
【００３２】
さらに、本実施の形態１では、上記第１の開口部１１８の周囲に、開口面積の大きい第２の開口部１１９を配置する構成がとられている。この構成は、空間１０８ａより第１の水蒸気経路１１３ｂへの水蒸気の流入に対する抵抗として作用する。
【００３３】
したがって、第１の開口部１１８から流れの速い水蒸気が流出することで、空間１０８ａに存在する第１の開口部１１８周辺の水蒸気量が減少することになり、第１の開口部１１８周辺の空間１０８ａに対して圧力が低い領域が形成される。このような機構により、空間１０８ａから第１の水蒸気経路１１３ｂ側に水蒸気が流れ込むため、高温側の蓄熱材１０７から脱離した水蒸気が、低温側の蓄熱材１０７で凝縮して、蓄熱材１０７の水和物濃度が変化することを抑制することができる。このため、蓄熱・放熱サイクルを繰り返しても、所定の蓄熱密度を確保することができる。
【００３４】
また、副次的な効果ではあるが、第２の開口部１１９を図３のような開き構造とすることにより、蓄熱材１０７から水蒸気が脱離する際に、沸騰による溶液の飛散が生じても、第１の水蒸気流路１１３ｂ内に流入することを防止できる。
【００３５】
なお、本実施の形態１では、第１の開口部１１８、第２の開口部１１９を図３の構成としているが、これに限定されるものではなく、図４、図５に示す第１の開口部１１８、第２の開口部１１９を任意に組み合わせて使用しても、上記と同様の効果が得られるものである。
【００３６】
また、蓄熱材１０７として、硫酸マグネシウム・７水和物を用いているが、これに限定されるものではない。蓄熱材１０７として用いられる水和物は、塩化物、臭化物、ヨウ化物、水酸化物、硝酸化物、硫酸化物、チオ硫酸化物、リン酸化物、ホウ酸化物および酢酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種の化合物であっても良い。上記化合物であれば、硫酸マグネシウムを３６重量％〜５３重量％の範囲で含有し、残りが水からなる組成物、チオ硫酸ナトリウムを５２重量％〜７５重量％の範囲で含有し、残りが水からなる組成物、塩化カルシウムを４７重量％〜６４重量％の範囲で含有し、残りが水からなる組成物、臭化カルシウムを５８重量〜７４重量％の範囲で含有し、残りが水からなる組成物、硝酸亜鉛を５１重量％〜８４重量％の範囲で含有し、残りが水からなる組成物等が好ましい。
【００３７】
また、水和物である蓄熱材１０７を固相状態から相変化温度以上に加熱し、水和物の水分子の一部あるいは全部が脱離した固体と溶質が水和物の無水物である水溶液との固液共存状態とし、固液共存状態から水を分離する蓄熱方法を用いているが、蓄熱材１０７から水分子を脱離させて蓄熱する工程を含むものであれば、これに限定されるものではない。
【００３８】
さらに、蓄熱材１０７と水との熱交換を行う構成をフィン・アンド・チューブ熱交換器としているが、上記と同様の効果が得られるものであれば、これに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によると、顕熱と潜熱による蓄熱を行い、さらに、放熱過程において放熱反応促
進のための新たな熱エネルギーの投入を必要としない化学蓄熱を可能にするとともに、低温域（１００℃以下）において高い蓄熱密度を実現でき、ＣＯ２ヒートポンプ等の蓄熱槽を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる蓄熱システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１にかかる蓄熱方法における蓄熱材の濃度、温度変化を表す図
【図３】本発明の実施の形態１にかかる蓄熱槽内の一部の蓄熱ユニットを拡大した第１の水蒸気経路の構成図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１にかかる第１の開口部、第２の開口部の一形態の構成図  （ｂ）上記（ａ）の鳥瞰図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１にかかる第１の開口部、第２の開口部の一形態の構成図  （ｂ）上記（ａ）の鳥瞰図
【図６】従来技術の蓄熱システムの構成図
【符号の説明】
【００４１】
１  凝縮器
２  蒸発器
３、４  ファン
５  減圧機構
６  圧縮機
９、１１、１９、２２  熱交換器
１０、２０  ポンプ
１２、２１、２３  パイプ
１３  第一容器
１４  第二容器
１５  反応材
１６  被反応材
１７  蒸発移動管
１８  バルブ
１０１  圧縮機
１０２  放熱器
１０３  膨張手段
１０４  第１の蒸発器
１０５  第２の蒸発器
１０６  蓄熱槽
１０７  蓄熱材
１０８  空間
１０９  水供給経路
１１０  蓄熱ユニット
１１１  伝熱管
１１２  第１のフィン
１１３  第１の水蒸気経路
１１４  第２のフィン
１１５  第２の水蒸気経路
１１６  タンク
１１７  真空ポンプ
１１８  第１の開口部
１１９  第２の開口部
１２０  熱媒体流路
【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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