(57)【要約】【課題】水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材を使用した熱利用方法であって、放熱による温度変化が緩やかで放熱時の温風をそのまま利用できる熱利用方法を提供する。【解決手段】熱利用方法は、水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材が収容され且つ空気の入口と出口が備えられた可搬式の吸着材保持構造体を使用した熱利用方法であり、吸着材保持構造体を加熱して吸着材の水分を脱着させることにより蓄熱する蓄熱工程と、吸着材保持構造体に通気して吸着材に水分を吸着させることにより放熱する放熱工程とを包含する。そして、吸着材保持構造体として、放熱工程における出入口の空気の温度変化が特定の条件を満たす構造体を使用する。【選択図】図１
2012207808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材が収容され且つ空気の入口と出口が備えられた可搬式の吸着材保持構造体を使用した熱利用方法であって、吸着材保持構造体を加熱して吸着材の水分を脱着させることにより蓄熱する蓄熱工程と、吸着材保持構造体に通気して吸着材に水分を吸着させることにより放熱する放熱工程とを包含し、かつ、吸着材保持構造体が、放熱工程における出入口の空気の温度変化が以下の条件を満たす構造体であることを特徴とする熱利用方法。
【数１】
2012207808.tif 000005
【請求項２】
蓄熱工程の加熱源として、熱源機器の排熱、工場排熱、太陽熱、バイオマス熱または地熱を利用する請求項１に記載の熱利用方法。
【請求項３】
吸着材が、骨格構造にアルミニウムとリンを含む結晶性アルミノフォスフェートであり、かつ、２５℃で測定した水蒸気吸着等温線において、相対蒸気圧０．１〜０．２５の範囲における相対蒸気圧の値が０．１増加したときの水の吸着量の増加が０．１２ｇ／ｇ以上である請求項１又は２に記載の熱利用方法。
【請求項４】
蓄熱工程を実施した場所から、放熱工程を実施する場所へ、車両、貨車または船舶で吸着材保持構造体を搬送する請求項１〜３の何れかに記載の熱利用方法。
【請求項５】
吸着材保持構造体は、入口から出口に亙って空気が流れるように、粉状または粒状の吸着材を容器に充填してなる請求項１〜４の何れかに記載の熱利用方法。
【請求項６】
吸着材保持構造体は、吸着材を含む層が基材表面及び／又は基材内部に形成されてなる吸着エレメントを容器に収納して構成されている請求項１〜４の何れかに記載の熱利用方法。
【請求項７】
吸着エレメントが、フィン状エレメント、ハニカム状エレメントコルゲート状エレメントである請求項６項に記載の熱利用方法。
【請求項８】
蓄熱工程の加熱源が、１００℃以下の乾燥空気である請求項２〜７の何れかに記載の熱利用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着材を利用した熱利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱利用の分野においては、化合物の融解潜熱を利用した蓄熱材（潜熱型蓄熱材）及びその利用について種々提案されている。例えば、多価脂肪族アルコール（例えばエリスリトール）を主体とする潜熱型蓄熱材が提案されており、斯かる潜熱型蓄熱材によれば、排熱や夜間の低コスト電力などにより化合物を溶解して蓄熱し、必要時に放熱して利用することが出来る（特許文献１、２）。また、潜熱型蓄熱材を利用し、各種の焼却設備やボイラーの排気ガス等の高温流体を利用するために改良された可搬式蓄熱装置が提案されている（特許文献３）。更に、潜熱型蓄熱材を利用した熱の運搬システムが提案されている（特許文献４）。
【０００３】
しかしながら、上記のような潜熱型蓄熱材の場合、その蓄熱効率が断熱性能に依存するため、蓄熱材を収容する容器などに十分な断熱手段を講じる必要があった。これに対し、潜熱型とは異なる吸着材を利用した技術として、シリカゲル、ゼオライト等のほか、好ましくは天然非晶性でシリカ−アルミナ系の粘土鉱物であるアロフェンを使用し、水分の吸着・脱着によって熱移動を行うようにした熱利用方法が提案されている（特許文献５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表昭６３−５００９４６号公報
【特許文献２】特開平５−３２９６３号公報
【特許文献３】特開平１１−４４４９６号公報
【特許文献４】特開平１１−９４３１４号公報
【特許文献５】特開２００１−２５５０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シリカゲル、ゼオライト、アロフェン等を使用した熱利用方法は、特別な断熱手段を必要としない点において斬新な技術であるが、水分吸着時の放熱による温度変化が急激で放熱出力の抑制制御が難しく、放熱時の温風をそのまま利用し難いという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材を使用した熱利用方法であって、放熱による温度変化が緩やかで放熱時の温風をそのまま長時間利用できる熱利用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の要旨は、水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材が収容され且つ空気の入口と出口が備えられた可搬式の吸着材保持構造体を使用した熱利用方法であって、吸着材保持構造体を加熱して吸着材の水分を脱着させることにより蓄熱する蓄熱工程と、吸着材保持構造体に通気して吸着材に水分を吸着させることにより放熱する放熱工程とを包含し、かつ、吸着材保持構造体が、放熱工程における出入口の空気の温度変化が以下の条件を満たす構造体であることを特徴とする熱利用方法。
【０００８】
【数１】
2012207808.tif 000003
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る熱利用方法によれば、潜熱型蓄熱材の場合のような蓄熱効率の問題がなく、そして、放熱時に温度変化が緩やかであり、得られる温風をそのまま長時間利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の熱利用方法の一実施形態を示す概念図
【図２】本発明で使用される吸着材の温風出力の評価および比較例としてのシリカゲルの温風出力の評価を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る熱利用方法の実施形態について説明する。本発明の熱利用方法は、図１に示すように、水分の吸脱着に伴って放熱・蓄熱する吸着材２が収容され且つ空気の入口と出口が備えられた可搬式の吸着材保持構造体１を使用したものであり、吸着材保持構造体１を加熱して吸着材２の水分を脱着させることにより蓄熱する蓄熱工程Ａと、吸着材保持構造体１に通気して吸着材２に水分を吸着させることにより放熱する放熱工程Ｂとを包含する。
【００１２】
本発明においては、吸着材２としてゼオライトが使用される。好ましくは、骨格構造にアルミニウムとリンを含む結晶性アルミノフォスフェートであって、かつ、２５℃で測定した水蒸気吸着等温線において、相対蒸気圧０．１〜０．２５の範囲における相対蒸気圧の値が０．１増加したときの水の吸着量の増加が０．１２ｇ／ｇ以上の相対蒸気圧域を有するものが使用される。さらに好ましくは、吸脱着特性が、例えば、４０℃の水蒸気吸着等温線では、相対蒸気圧０．０５での吸着量が０．１ｇ／ｇ以下であり、かつ、相対蒸気圧０．０５以上、０．２５以下の範囲で相対蒸気圧が０．１５変化したときに水の吸着量変化が０．１５ｇ／ｇ以上の相対蒸気圧域を有するもの、あるいは、５５℃の水蒸気吸着等温線において相対蒸気圧０．０３での吸着量が０．１ｇ／ｇ以下であり、かつ、相対蒸気圧０．０３以上、０．２０以下の範囲で相対蒸気圧が０．１５変化したときに水の吸着量変化が０．１５ｇ／ｇ以上の相対蒸気圧域を有するものが使用される。
【００１３】
上記の特性を有する吸着材２は、１００℃以下、場合により８０℃以下で吸着質を脱着させることができるため、吸・脱着特性の優れた水蒸気吸着材として用いることができる。このような特性を持つと、低温から高温まで、低湿度から高湿度までの広い条件で吸着が可能であり、しかも、比較的低温で脱着ができる。骨格構造に少なくともＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート類は、例えば、特開２００３−１８３０２０号、特開２００５−０７５７０２に記載の公知の合成法を利用して合成することができる。また、吸着材２としては、結晶性アルミノフォスフェート類の他、その骨格構造内に少なくとも珪素原子、鉄原子等のヘテロ原子、Ａｌ及びＰを含有するメタロアルミノフォスフェートも挙げられる。
【００１４】
吸着材保持構造体１は、例えば、可搬式の容器などに上記の吸着材２を充填して構成される。吸着材保持構造体１は、空気の入口と出口が備えられ、蓄熱工程Ａにおいて熱源側から乾燥した高温の空気が入口から供給され、放熱工程Ｂにおいて熱利用設備に乾燥した高温の空気を出口から放出するように構成される。吸着材保持構造体１の具体的な構造は、熱源や熱利用設備の種類に応じて設計されるが、少なくとも入口と出口とを有する通気可能な構造であって、かつ、後述するように搬送の際は実質的に内部を密閉可能な構造とされる。
【００１５】
例えば、吸着材保持構造体１は、出入口を有する容器に粉状または粒状の吸着材２を充填して構成され、入口から出口に亙って空気が流れるように、吸着材２が容器に充填されている。すなわち、吸着材保持構造体１においては、入口から空気が供給された場合、粉状の吸着材２は容器内において流動することにより空気と接触し、また、粒状の吸着材２は粒体の隙間に空気が流れることにより空気と接触するようになされている。
【００１６】
また、吸着材保持構造体１は、吸着材２を含む層が基材表面及び／又は基材内部に形成されてなる吸着エレメントを上記の容器に収納して構成されてもよい。吸着エレメントとしては、多数の平板状の基材シートを平行且つ並列に微少な隙間を介して配列してなるフィン状エレメント、波板状の基材シートと平板状の基材シートを交互に積層し且つ同心円状に円筒状に巻回したハニカム状エレメント、または、波板状の基材シートと平板状の基材シートを交互に積層したブロック状のコルゲート状エレメント等が挙げられる。そして、上記の吸着エレメントにおいて、粉状または粒状の吸着材２は、バインダーを用いて基材シート上に担持または皮膜化されている。
【００１７】
蓄熱工程Ａでは、吸着材保持構造体１を加熱、すなわち、吸着材２を加熱して当該吸着材の水分を脱着させることにより蓄熱する。蓄熱工程Ａで採用される加熱源としては、熱源機器の排熱、工場排熱、太陽熱、バイオマス熱、地熱などを利用できる。例えば、夜間の低コスト電力や各種の焼却設備やボイラーの排気ガス等の高温流体の排熱を利用する方法を採用し得る。特に、従来廃棄されている発電設備、可燃性廃棄物の焼却設備等からの排熱を利用するのが、コスト面から好ましい。蓄熱工程Ａでは、排熱等を利用して、吸着材２を乾燥することで、排熱の熱を吸着材２に蓄熱するものである。具体的には、乾燥した高温の空気を吸着材保持構造体１の入口から供給し、脱着した水分を含む空気を吸着材保持構造体１の出口から放出する。蓄熱工程Ａにおいては、上記のような吸脱着性能を有する吸着材２を使用することにより、１００℃以下の低温、特には８０℃以下、例えば６０℃程度の乾燥空気を加熱原として、排熱を効率的に蓄えることができる。
【００１８】
放熱工程Ｂでは、吸着材保持構造体１に通気して吸着材２に水分を吸着させることにより、すなわち、水分を供給することにより放熱する。換言すれば、吸着材２において発熱させる。放熱工程Ｂで採用される水分供給方法としては、特に限定されないが、通常、発熱量の制御が容易であるとの観点から、高湿度空気と吸着材２とを接触させる方法が好適に採用される。具体的には、湿潤な空気を吸着材保持構造体１の入口から供給し、乾燥した高温の空気（温風）を吸着材保持構造体１の出口から放出する。放熱工程Ｂにおいては、上記のような吸脱着性能を有する吸着材２を使用することにより、４５℃前後の温風を長時間放出することができ、床暖房、ペリメータ暖房、融雪、凍結防止などの暖気利用システムにそのまま使用できる。更に、放熱工程Ｂでは、乾燥空気が得られるため、冷却水を導入可能な熱交換器に前記乾燥空気を使用することにより、冷風や涼風を生成し、これを例えば室内の冷房用などに利用することができる。
【００１９】
本発明においては、蓄熱工程Ａと放熱工程Ｂとが離れている場合、すなわち、熱排出元（高温流体発生場所）と熱需要先とが離れている様な場合、蓄熱工程Ａを実施した場所から、放熱工程Ｂを実施する場所へ、車両、貨車または船舶、例えばトラックで吸着材保持構造体１を搬送することができる。なお、吸着材保持構造体１を搬送する場合は、その入口および出口は封止される。
【００２０】
本発明においては、上記のような吸着材２が封入されているため、吸着材保持構造体１は、放熱工程における出入口の空気の温度変化が以下の条件を満足する。
【００２１】
【数２】
2012207808.tif 000004
【００２２】
具体的には、吸着材保持構造体１は、放熱工程Ｂにおいて、図２（ａ）に示すような温度特性の温風を放出することができる。すなわち、吸着材保持構造体１は、湿潤な空気を入口から供給すると、出口から放出される空気の温度が時間（ｓ１）経過後に最高温度（ｔ１）に達した後、徐々に低下し、時間（ｓ２）経過後に入口温度と同じ最低温度（ｔ２）になる。その際、最高温度（ｔ１）と最低温度（ｔ２）との中間温度（ｔ３）になるまでの時間（ｓ３）、換言すれば、中間温度以上の温度を保持している時間は、最高温度（ｔ１）に達してから最低温度（ｔ２）になるまでの時間（ｓ２−ｓ１）に対して１／２以上である。従って、上記の吸着材保持構造体１を使用した場合、比較的高温度の温風を長時間取り出すことができ、温風を利用した暖房や装置をより長い時間継続的に稼働させることができる。
【００２３】
これに対し、例えば、従来のシリカゲルを使用した場合、その放熱温度曲線は、図２（ｂ）に示すように、放熱時に温風の温度レベルがほぼ連続的に低下し、上記の最高温度に達するまでの時間（ｓ１）、入口温度と同じ温度になるまでの時間（ｓ２）及び中間温度になるまでの時間（ｓ３）の関係は、ｓ３／（ｓ２−ｓ１）＜１／２となる。すなわち、シリカゲルを使用した場合は、短時間のうちに温風が放出されなくなってしまい、温風を利用した暖房や装置の運転が継続的に行うことができない。
【００２４】
上記のように、特定の性能の吸着材２が収容された吸着材保持構造体１を使用して熱を搬送するようにした本発明は、潜熱型蓄熱材の場合の様な搬送時の蓄熱効率の問題が全く存在せず、そして、放熱時に温度変化が緩やかであり、得られる温風をそのまま長時間利用することができる。また、本発明においては、液体を使用しないため、搬送が容易であり、そして、特に、吸着材２として上記のような少なくともＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート類を使用した場合は、従来の潜熱型蓄熱材に比べて格段に軽量化することができるので、熱排出元と熱需要先とが離れている場合に特に有利である。
【実施例】
【００２５】
吸着材２として、ＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェートを収容した吸着材保持構造体１と、シリカゲルを収容した吸着材保持構造体とでそれぞれに温風出力特性の評価試験を行った。評価試験では、長さ２００ｍｍ、直径３２０ｍｍの円柱状のハニカム構造体に吸着材２を約１６１０ｇ塗布し、ハニカム構造体の一端側および他端側の空気温度を測定しながら、ハニカム構造体の一端側から温度５０℃、相対湿度１２．９％ＲＨの空気を２ｍ／ｓの風速で流し、ハニカム構造体の両端の温度がほぼ等しくなるまで吸着材２を完全に乾燥させた（蓄熱工程）。次いで、ハニカム構造体の一端側から温度３４℃、相対湿度５７．６％ＲＨの空気を２ｍ／ｓの風速で流し、吸着材２に水分を吸着させた（放熱工程）。これにより、ハニカム構造体に担持された吸着材２で吸着熱が発生するが、その発熱状態をハニカム構造体の他端から放出される空気の温度変化を測定した。
【００２６】
吸着材２として、ＡｌとＰを含む結晶性アルミノフォスフェート（三菱樹脂社製：商品名「ＡＱＳＯＡ−Ｚ０１」）を使用した場合は、図２（ａ）に示すように、４５℃以上の温風を放出する時間（ｓ３）が約１２０秒であり、斯かる温風放出時間は、最高温度に達してから最低温度になるまでの時間（ｓ２−ｓ１）約１７０秒に対して１／２以上であった。これに対し、吸着材として、シリカゲルを使用した場合は、図２（ｂ）に示すように、４５℃以上の温風を放出する時間（ｓ３）が約７０秒であり、斯かる温風放出時間は、最高温度に達してから最低温度になるまでの時間（ｓ２−ｓ１）約３００秒に対して１／２未満であった。上記の結果から、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０１を適用したハニカム構造体は、シリカゲルを適用したものに比べ、４５℃の温風が約７０％長く持続することが確認された。
【符号の説明】
【００２７】
１：吸着材保持構造体
２：吸着材
Ａ：蓄熱工程
Ｂ：放熱工程
【図１】
2012207808.tif 000006
【図２】
2012207808.tif 000007