(57)【要約】【課題】ＣＯＰが１を越え、連続的に温水を取り出すことが可能なケミカルヒートポンプ式給湯器を提供すること。【解決手段】気体を発生する化学反応Ａ又はその逆反応Ａ＊が起こる第１反応器１２、第２反応器１３、気体を吸収する化学反応Ｂ又はその逆反応Ｂ＊が起こる第３反応器１５、第４反応器１４、環境熱を第１反応器１２、第２反応器１３に入れる第１主熱交換器１９、第２熱交換器２０、熱源の熱を第３反応器１５、第４反応器１４に入れる第３主熱交換器２１、第４主熱交換器２２、第１切替弁２８付き上流側配水管回路２７、第２切替弁３５付き下流側配水管回路３４、反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第１副熱交換器２３、第２副熱交換器２４、第３副熱交換器２５、第４副熱交換器２６を備えた構成とし、第１反応器１２又は第２反応器１３内の反応熱、第４反応器１４又は第３反応器１５内の反応熱で給水を加熱し、出湯管１６に出湯する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を発生する化学反応Ａまたはその逆反応である化学反応Ａ＊が起こる第１反応器および第２反応器と、前記気体を吸収する化学反応Ｂまたはその逆反応である化学反応Ｂ＊が起こる第３反応器および第４反応器と、前記第１反応器と前記第３反応器とを連通する第１連通管と、前記第２反応器と前記第４反応器とを連通する第２連通管と、前記第１反応器に設けられ、環境の熱を前記第１反応器に入れる第１主熱交換器と、前記第２反応器に設けられ、環境の熱を前記第２反応器に入れる第２主熱交換器と、前記第３反応器に設けられ、加熱源からの熱を前記第３反応器に入れる第３主熱交換器と、前記第４反応器に設けられ、加熱源からの熱を前記第４反応器に入れる第４主熱交換器と、前記第１反応器に設けられ、前記化学反応Ａ＊による反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第１副熱交換器と、前記第２反応器に設けられ、前記化学反応Ａ＊による反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第２副熱交換器と、前記第３反応器に設けられ、前記化学反応Ｂによる反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第３副熱交換器と、前記第４反応器に設けられ、前記化学反応Ｂによる反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第４副熱交換器と、給水管からの水を第１切替弁を介して前記第１副熱交換器または前記第２副熱交換器へ供給するとともに、前記第１副熱交換器または前記第２副熱交換器から取り出した温水を下流側へ供給する上流側配水管回路と、前記上流側配水管回路からの温水を第２切替弁を介して前記第４副熱交換器または前記第３副熱交換器へ供給するとともに、前記第４副熱交換器または前記第３副熱交換器から取り出した温水を出湯管へ供給する下流側配水管回路とを備えたことを特徴とするケミカルヒートポンプ式給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルヒートポンプ式給湯器に関し、さらに詳しくは、２種類の可逆化学反応を利用したケミカルヒートポンプ式給湯器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ケミカルヒートポンプ式給湯器としては、無機塩と気体の可逆化学反応が起こる高温状態と、気体の相変化（凝縮・蒸発）が起こる低温状態との間の温度サイクルの組み合わせによるケミカルヒートポンプを利用したものが知られている（特許文献１参照。）。
【０００３】
このケミカルヒートポンプ式給湯器の動作原理は概略次のとおりである。図４は、従来のケミカルヒートポンプ式給湯器の構成を示した模式図、図５は、従来のケミカルヒートポンプ式給湯器における温度と圧力の関係を示したＰ−Ｔ線図である。
【０００４】
図４および図５に示すように、高温熱源からの熱を、熱交換器１００を介して反応器１０１に加え、すでに気体Ｘを吸収している無機塩を分解する化学反応Ｂ＊（吸熱反応）を起こし、気体Ｘを発生させる。気体Ｘは連通管１０２を通じて反応器１０３に送られ、分解後の無機塩は無機塩移動装置１０４により反応器１０５に送られる。気体Ｘは、相変化Ａ＊により凝縮し、熱交換器１０６を介して外部に熱を放出し、生じた液体Ｘ’は液体輸送装置１０７により反応器１０８に送られる。化学反応Ｂ＊が終了すれば、圧力を減じ、反応器１０５において気体Ｘを吸収する化学反応Ｂ（化学反応Ｂ＊の逆反応）を起こす。
【０００５】
すなわち、環境からの熱を、熱交換器１０９を介して反応器１０８に加え、相変化Ａ（蒸発）を起こし、気体Ｘを発生させる。気体Ｘは連通管１１０を通じて反応器１０５に送られ、化学反応Ｂ（発熱反応）により気体Ｘが吸収される。相変化Ａにより冷熱を得ることができ、化学反応Ｂにより温熱を得ることができ、このときの温熱が給湯に利用される。
【０００６】
また、他にも、ケミカル蓄熱を利用したケミカルヒートポンプ式給湯器も知られている（特許文献２および３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−１７８１６３号公報
【特許文献２】特開昭６０−９９９６７号公報
【特許文献３】特開昭６０−３８５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来知られるケミカルヒートポンプ式給湯器は、化学反応Ｂによる熱を給湯に利用するだけであり、この給湯器の成績係数（cofficient of performance、以下「ＣＯＰ」という）は１を越えることができない。すなわち、高温熱源による熱量以上には、給湯熱量を得ることができない。
【０００９】
また、従来知られる他のケミカルヒートポンプ式給湯器は、ケミカル蓄熱を主な特徴とした装置であり、これらのＣＯＰも１を越えることができない。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ＣＯＰが１を越え、連続的に温水を取り出すことが可能なケミカルヒートポンプ式給湯器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係るケミカルヒートポンプ式給湯器は、
気体を発生する化学反応Ａまたはその逆反応である化学反応Ａ＊が起こる第１反応器および第２反応器と、前記気体を吸収する化学反応Ｂまたはその逆反応である化学反応Ｂ＊が起こる第３反応器および第４反応器と、前記第１反応器と前記第３反応器とを連通する第１連通管と、前記第２反応器と前記第４反応器とを連通する第２連通管と、前記第１反応器に設けられ、環境の熱を前記第１反応器に入れる第１主熱交換器と、前記第２反応器に設けられ、環境の熱を前記第２反応器に入れる第２主熱交換器と、前記第３反応器に設けられ、加熱源からの熱を前記第３反応器に入れる第３主熱交換器と、前記第４反応器に設けられ、加熱源からの熱を前記第４反応器に入れる第４主熱交換器と、前記第１反応器に設けられ、前記化学反応Ａ＊による反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第１副熱交換器と、前記第２反応器に設けられ、前記化学反応Ａ＊による反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第２副熱交換器と、前記第３反応器に設けられ、前記化学反応Ｂによる反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第３副熱交換器と、前記第４反応器に設けられ、前記化学反応Ｂによる反応熱を回収して配水管内の通水を加熱する第４副熱交換器と、給水管からの水を第１切替弁を介して前記第１副熱交換器または前記第２副熱交換器へ供給するとともに、前記第１副熱交換器または前記第２副熱交換器から取り出した温水を下流側へ供給する上流側配水管回路と、前記上流側配水管回路からの温水を第２切替弁を介して前記第４副熱交換器または前記第３副熱交換器へ供給するとともに、前記第４副熱交換器または前記第３副熱交換器から取り出した温水を出湯管へ供給する下流側配水管回路とを備えたことを要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るケミカルヒートポンプ式給湯器によれば、外部加熱源からの熱以外に、大気温度の熱を昇温し、給湯用の熱として利用することができるので、従来のケミカルヒートポンプ式給湯器とは異なり、ＣＯＰが１を越える。また、第１反応器および第４反応器内で生じる反応熱と、第２反応器および第３反応器内で生じる反応熱とを交互に回収することができるので、これを交互に繰り返すことによって連続的に温水を取り出すことが可能となる。また、熱だけで駆動することができるため、都市ガスの燃焼熱なども利用できるという利点も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ式給湯器について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ式給湯器の概略構成を示した図である。
【００１４】
図１に示すケミカルヒートポンプ式給湯器１０は基本的に、給水管１１から取り入れた水道水もしくは井戸水などの給水を第１反応器１２または第２反応器１３で起きる化学反応による反応熱で加熱し、さらに、この加熱された温水を第４反応器１４または第３反応器１５で起きる化学反応による反応熱で加熱し、出湯管１６に供給するものである。
【００１５】
かかるケミカルヒートポンプ式給湯器１０においては、第１反応器１２および第２反応器１３で、気体を発生する化学反応Ａまたはその逆反応である気体を吸収する化学反応Ａ＊が起こるようになっている。一方、第３反応器１５および第４反応器１４では、気体を吸収する化学反応Ｂまたはその逆反応である気体を発生する化学反応Ｂ＊が起こるようになっている。
【００１６】
ここで、第１反応器１２および第２反応器１３は、低反応温度側であり、第３反応器１５および第４反応器１４は、高反応温度側である。また、上記化学反応Ｂは化学反応Ａと対をなし、化学反応Ｂ＊は化学反応Ａ＊と対をなす。これら化学反応は、無機化学反応または有機化学反応の何れであっても構わないが、無触媒で化学反応が進行する観点などから、無機化学反応を好適に用いることができる。無機化学反応としては、具体的には、表１に示す化学反応の組みわせなどを用いることができる。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
なお、上記化学反応を起こさせるにあたり、組み合わせ１では、化学反応物質として、第１反応器１２および第２反応器１３内にＦｅＯとカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＣｕ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填するか、あるいは、第１反応器１２および第２反応器１３内にＦｅ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＣｕＯとカーボンなどの添加物を充填しておけば良い。
【００１９】
同様に、組み合わせ２では、第１反応器１２および第２反応器１３内にＦｅＯとカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎＯ２、Ｈ２ＳＯ４とカーボンなどの添加物を充填するか、あるいは、第１反応器１２および第２反応器１３内にＦｅ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎ（ＳＯ４）２とカーボンなどの添加物を充填しておけば良い。
【００２０】
同様に、組み合わせ３では、第１反応器１２および第２反応器１３内にＣｏＯとカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎＯ２、Ｈ２ＳＯ４とカーボンなどの添加物を充填するか、あるいは、第１反応器１２および第２反応器１３内にＣｏ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎ（ＳＯ４）２とカーボンなどの添加物を充填しておけば良い。
【００２１】
同様に、組み合わせ４では、第１反応器１２および第２反応器１３内にＣｕＯとカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎＯ２、Ｈ２ＳＯ４とカーボンなどの添加物を充填するか、あるいは、第１反応器１２および第２反応器１３内にＣｕ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＳｎ（ＳＯ４）２とカーボンなどの添加物を充填しておけば良い。
【００２２】
同様に、組み合わせ５では、第１反応器１２および第２反応器１３内にＡｌ２Ｏ３とカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＣｕ（ＯＨ）２とカーボンなどの添加物を充填するか、あるいは、第１反応器１２および第２反応器１３内にＡｌ２Ｏ３・３Ｈ２Ｏとカーボンなどの添加物を充填し、第３反応器１５および第４反応器１４内にＣｕＯとカーボンなどの添加物を充填しておけば良い。
【００２３】
第１反応器１２と第３反応器１５とは、第１連通管１７により連通されており、第１反応器１２または第３反応器１５で発生した気体がこの第１連通管１７を通じて行き来することができるようになっている。同様に、第２反応器１３と第４反応器１４とは、第２連通管１８により連通されており、第２反応器１３または第４反応器１４で発生した気体がこの第２連通管１８を通じて行き来することができるようになっている。
【００２４】
第１反応器１２および第２反応器１３には、それぞれ第１主熱交換器１９および第２主熱交換器２０が設けられ、環境の熱（例えば、大気温度の熱）をそれぞれ第１反応器１９および第２反応器１３に入れることができるようになっている。そしてこの環境から吸い上げられ熱が、第１反応器１２および第２反応器１３で化学反応Ａを起こし、気体を発生させる。
【００２５】
一方、第３反応器１５および第４反応器１４には、それぞれ第３主熱交換器２１および第４主熱交換器２２が設けられ、外部にある加熱源からの熱（例えば、ガスバーナ燃焼排ガスの熱、ヒーターによる発熱など）をそれぞれ第３反応器１５および第４反応器１４に入れることができるようになっている。そしてこの加熱源からの熱が、第３反応器１５および第４反応器１４で化学反応Ｂ＊を起こし、気体を発生させる。
【００２６】
また、第１反応器１２および第２反応器１３には、それぞれ第１副熱交換器２３および第２副熱交換器２４が設けられ、化学反応Ａ＊による反応熱を回収して後述する上流側配水管回路２７内の通水を加熱することができるようになっている。そしてこの反応熱により、給水管１１から供給された水は、加熱されて温水となる。
【００２７】
一方、第３反応器１５および第４反応器１４には、それぞれ第３副熱交換器２５および第４副熱交換器２６が設けられ、化学反応Ｂ＊による反応熱を回収して後述する下流側配水管回路３４内の通水を加熱することができるようになっている。そしてこの反応熱により、上流側で加熱された温水は、さらに加熱され、出湯管１６の給湯口（図示されない）より出湯される。
【００２８】
第１反応器１２と第２反応器１３との間には、上流側配水管回路２７が配設されている。すなわち、給水管１１から給水された水は、第１切替弁２８により方向が切り替えられ、行き管２９または行き管３０を通じて第１副熱交換器２３または第２副熱交換器２４へ供給されるようになっている。また、第１副熱交換器２３または第２副熱交換器２４によって加熱された温水は、戻り管３１または戻り管３２を通じて取り出され、連結管３３を介して下流側へ送られるようになっている。
【００２９】
一方、第３反応器１５と第４反応器１４との間には、下流側配水管回路３４が配設されている。すなわち、上記上流側配水管回路２７より送られてきた温水は、第２切替弁３５により方向が切り替えられ、行き管３６または行き管３７を通じて第４副熱交換器２６または第３副熱交換器２５へ供給されるようになっている。また、第４副熱交換器２６または第３副熱交換器２５によって加熱された温水は、戻り管３８または戻り管３９を通じて取り出され、出湯管１６を介して給湯口へ送られるようになっている。
【００３０】
なお、第１切替弁２８および第２切替弁３５は、図示されない切替弁制御手段により、第１切替弁２８が第１反応器１２側、第２切替弁３５が第４反応器１４側方向となるようにほぼ同時に切り替えられるか、あるいは、第１切替弁２８が第２反応器１３側、第２切替弁３５が第３反応器１５側方向となるようにほぼ同時に切り替え可能なものである。この際、切替弁制御手段としては、具体的には、シーケンス制御、時間制御などを用いることができ、各反応器内の化学物質の化学反応の進行度合いを考慮して種々調整可能なものである。
【００３１】
次に、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ式給湯器１０の動作について説明する。図２は、第１反応器および第４反応器で起きる化学反応の反応熱により給水を加熱して温水を取り出す場合の動作を示した図であり、図３は、第２反応器および第３反応器で起きる化学反応の反応熱により給水を加熱して温水を取り出す場合の動作を示した図である。なお、両図において、破線で示されている装置は停止状態とされていることを示している。
【００３２】
先ず、図２に示す動作について説明する。この図２においては、当初、第１切替弁２８は第１反応器１２側、第２切替弁３５は第４反応器１４側へ切り替えられた状態になっている。図示されない外部加熱源（ガスバーナなど）からの熱を第３主熱交換器２１を介して第３反応器１５に入れ、第３反応器１５を加熱する。第３反応器１５内では、化学反応Ｂ＊（吸熱反応）が起こり、気体Ｘが発生する。生じた気体Ｘは、圧力差により第１連通管１７内を通って第１反応器１２に移動する。第１反応器１２内では、化学反応Ａ＊（発熱反応）が起こり、気体Ｘは吸収される。この際、化学反応Ａ＊による反応熱は、第１副熱交換器２３により回収され、給水管１１から供給されて上流側配水管回路２７内を流れる通水の加熱に使われる。
【００３３】
一方、第２反応器１３では、第２主熱交換器２０を介して環境から熱（大気温度）が吸い上げられて化学反応Ａが起こり、気体Ｘが発生する。生じた気体Ｘは、圧力差により第２連通管１８内を通って第４反応器１４に移動する。第４反応器１４内では、化学反応Ｂ（発熱反応）が起こり、気体Ｘは吸収される。この際、化学反応Ｂによる反応熱は、第４副熱交換器２６により回収され、上流側配水管回路２７から供給されて下流側配水管回路３４内を流れる温水の加熱に使われる。これにより、出湯管１６に温水が送られ、図示されない給湯口より温水を得ることができる。
【００３４】
上記動作において、それぞれの反応器内の化学物質の化学反応が全て完了すれば、図示されない切替弁制御手段により、第１切替弁２８を第２反応器１３側、第２切替弁３５を第３反応器１５側へ切り替える。また、第３反応器１５を加熱する外部加熱源および第３主熱交換器２１と第２反応器１３の第２主熱交換器２０とを停止し、第４反応器１４を加熱する外部加熱源および第４主熱交換器２２と第１反応器１２の第１主熱交換器１９とを始動する。これにより図３に示す動作の開始が可能となる。
【００３５】
次に、図３の動作について説明する。この図３においては、上記の図１の動作終了時において、第１切替弁２８は第２反応器１３側、第２切替弁３５は第３反応器１５側へ切り替えられた状態になっている。図示されない外部加熱源（ガスバーナなど）からの熱を第４主熱交換器２２を介して第４反応器１４に入れ、第４反応器１４を加熱する。第４反応器１４内では、化学反応Ｂ＊（吸熱反応）が起こり、気体Ｘが発生する。生じた気体Ｘは、圧力差により第２連通管１８内を通って第２反応器１３に移動する。第２反応器１３内では、化学反応Ａ＊（発熱反応）が起こり、気体Ｘは吸収される。この際、化学反応Ａ＊による反応熱は、第２副熱交換器２４により回収され、給水管１１から供給されて上流側配水管回路２７内を流れる通水の加熱に使われる。
【００３６】
一方、第１反応器１２では、第１主熱交換器１９を介して環境から熱（大気温度）が吸い上げられて化学反応Ａが起こり、気体Ｘが発生する。生じた気体Ｘは、圧力差により第１連通管１７内を通って第３反応器１５に移動する。第３反応器１５内では、化学反応Ｂ（発熱反応）が起こり、気体Ｘは吸収される。この際、化学反応Ｂによる反応熱は、第３副熱交換器２５により回収され、上流側配水管回路２７から供給されて下流側配水管回路３４内を流れる温水の加熱に使われる。これにより、出湯管１６に温水が送られ、図示されない給湯口より温水を得ることができる。
【００３７】
上記動作において、それぞれの反応器内の化学物質の化学反応が全て完了すれば、図示されない切替弁制御手段により、第１切替弁２８を第１反応器１２側、第２切替弁３５を第４反応器１４側へ切り替える。また、第４反応器１４を加熱する外部加熱源および第４主熱交換器２２と第１反応器１２の第１主熱交換器１９とを停止し、第３反応器１５を加熱する外部加熱源および第３主熱交換器２１と第２反応器１３の第２主熱交換器２０とを始動する。これにより再び図２の動作の開始が可能となる。
【００３８】
以上説明した図２および図３に示した動作を交互に繰り返すことにより、連続的に温水を取り出すことができる。
【００３９】
かかるケミカルヒートポンプ式給湯器によれば、外部加熱源からの熱以外に、大気温度の熱を昇温し、給湯用の熱として利用することができるので、従来のケミカルヒートポンプ式給湯器とは異なり、ＣＯＰが１を越える。また、第１反応器および第４反応器内で生じる反応熱と、第２反応器および第３反応器内で生じる反応熱とを交互に回収することができるので、これを交互に繰り返すことによって連続的に温水を取り出すことが可能となる。また、熱だけで駆動することができるため、都市ガスの燃焼熱なども利用できるという利点がある。
【００４０】
なお、上記実施形態は本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形・改良が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係るケミカルヒートポンプ式給湯器の概略構成を示した図である。
【図２】第１反応器および第４反応器で起きる化学反応の反応熱により給水を加熱して温水を取り出す場合の動作を示した図である。
【図３】第２反応器および第３反応器で起きる化学反応の反応熱により給水を加熱して温水を取り出す場合の動作を示した図である。
【図４】従来のケミカルヒートポンプ式給湯器の構成を示した模式図である。
【図５】従来のケミカルヒートポンプ式給湯器における温度と圧力の関係を示したＰ−Ｔ線図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ケミカルヒートポンプ式給湯器
１１  給水管
１２  第１反応器
１３  第２反応器
１４  第４反応器
１５  第３反応器
１６  出湯管
１７  第１連通管
１８  第２連通管
１９  第１主熱交換器
２０  第２主熱交換器
２１  第３主熱交換器
２２  第４主熱交換器
２３  第１副熱交換器
２４  第２副熱交換器
２５  第３副熱交換器
２６  第４副熱交換器
２７  上流側配水管回路
２８  第１切替弁
３３  連結管
３４  下流側配水管回路
３５  第２切替弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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