(57)【要約】【課題】電力を使うことなく、ケミカルヒートポンプの蓄熱完了を検知して、自動的に開閉バルブを閉操作することを目的とする。【解決手段】本発明の太陽熱蓄熱システムは、太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器１と、化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器２と、反応器１と凝縮器２とを接続し気体成分を導通する接続管３と、接続管の導通を開閉する開閉バルブ４とから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を支持する支持手段７と、開閉バルブ４を閉鎖する閉鎖手段８とからなり、化学蓄熱材の蓄熱の進行に応じて気体成分が凝縮器内に貯まることで太陽熱集熱器の重心が移動して太陽熱集熱器の傾きが変化することにより閉鎖手段８を作動させるようにしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を支持する支持手段と、前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、前記化学蓄熱材の蓄熱の進行に応じて前記気体成分が前記凝縮器内に貯まることで前記太陽熱集熱器の重心が移動して前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記閉鎖手段を作動させるようにした太陽熱蓄熱システム。
【請求項２】
閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との物理的な接触によって開閉バルブを閉じる請求項１に記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項３】
閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との磁力的な相互作用によって開閉バルブを閉じる請求項１または２に記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項４】
閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との静電気的な相互作用によって開閉バルブを閉じる請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項５】
凝縮器は反応器よりも下方に位置するようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項６】
太陽光を集光する集光手段を備えた請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項７】
集光手段は比較的小面積の開口部を有し、前記開口部が風圧を軽減することによって風がある場合でも設置角度が影響されにくいようにした請求項６記載の太陽熱蓄熱システム。
【請求項８】
凝縮器の上部に日光を遮蔽する遮蔽手段を設け、少なくとも開閉バルブが開状態の間凝縮器は遮蔽手段の陰に位置して直射日光を受けないようにした請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蓄熱材を用いて太陽熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスや電気のインフラが整っていない地域では練炭や薪が調理および暖房燃料として使われていて、その熱効率の悪さや燃料となる樹木の伐採が問題になっている。そうした問題を解決するために太陽熱を集光して加熱利用する太陽熱調理器の導入が図られたが、早朝や夕方の調理や夜間の暖房に用いることができないため必ずしも導入量は多くない。太陽熱を一般家庭需要に用いる上では、日照時間帯から熱利用時間帯まで蓄熱することが技術的に必要である。
【０００３】
特許文献１や特許文献２などに示されるケミカルヒートポンプは、放熱ロスがない点および熱利用の際に冷熱が同時に得られる点において有望な技術である。図６は従来技術によるケミカルヒートポンプの一例を示す。反応器１と凝縮器２は接続管３で接続され気密に構成されて内部は数ｋＰａオーダーの低圧に保たれる。接続管３の途中に設けられた開閉バルブ４は接続管３の開閉をおこなう。反応器１の中には硫酸カルシウム１／２水和物などの化学蓄熱材５が収納される。反応器１は太陽熱などにより加熱されて、化学蓄熱材５は反応式（１）により脱水蓄熱する。
【０００４】
ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ＋Ｑ１→ＣａＳＯ４＋１／２Ｈ２Ｏ（ｇ）・・・（１）
ただし、Ｑ１は加熱量
気化した水蒸気は凝縮器２で冷却液化される。気圧差により水蒸気の移動は連続しておこり、凝縮器２内に貯留される。反応器１からの水蒸気発生が低下した時点で開閉バルブ４が閉じられる。熱利用時は、開閉バルブ４を開けた状態で凝縮器２から水蒸気が発生して反応器１内の無水化した化学蓄熱材５と反応式（２）により水和発熱する。
【０００５】
ＣａＳＯ４＋１／２Ｈ２Ｏ（ｇ）→ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ＋Ｑ２・・・（２）
ただし、Ｑ２は発熱量
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１１５９２号公報
【特許文献２】特開２００９−０１９８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記前述の技術を太陽熱の蓄熱用途に利用する際は、開閉バルブ４を閉じるタイミングを正しく判定して閉じる操作をおこなう点に困難がある。蓄熱過程が完了するまでに通常数時間要し、かつ完了のタイミングは使用日の気温や全天日射量、風速により左右される。また、太陽の南中時間後に、開閉バルブを閉じるタイミングを大きく過ぎると反応式（２）による発熱反応が発生して蓄熱量が低下してしまう。
【０００８】
加えて、使用者は数時間に及ぶ蓄熱過程中、太陽熱集熱装置の近辺にとどまるとは限らないため、蓄熱完了のタイミングが検知できたとしても開閉バルブ４を閉じる操作をタイミングにあわせておこなうことにも課題がある。
【０００９】
電力を使うことなく、ケミカルヒートポンプの蓄熱完了を検知して、自動的に開閉バルブを閉操作することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の太陽熱蓄熱システムは、太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を支持する支持手段と、前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、前記化学蓄熱材の蓄熱の進行に応じて前記気体成分が前記凝縮器内に貯まることで前記太陽熱集熱器の重心が移動して前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記閉鎖手段を作動させるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
その結果、太陽熱蓄熱器の蓄熱完了を自動的に検知して、自動的に開閉バルブを閉操作し、逆反応発生による損失を防止して目的の蓄熱量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における太陽熱蓄熱システムの断面図
【図２】本発明の実施の形態１における太陽熱蓄熱システムの見取り図
【図３】本発明の実施の形態１における調理台１１の断面図
【図４】本発明の実施の形態２における開閉バルブと閉鎖手段の見取り図
【図５】本発明の実施の形態３における開閉バルブと閉鎖手段の見取り図
【図６】従来のケミカルヒートポンプ装置の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を支持する支持手段と、前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、前記化学蓄熱材の蓄熱の進行に応じて前記気体成分が前記凝縮器内に貯まることで前記太陽熱集熱器の重心が移動して前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記閉鎖手段を作動させるようにした太陽熱蓄熱システムである。蓄熱の進行に応じて凝縮器側に重心が移動するので、支持手段の保持力を適切に設けることによって目的の熱量が蓄熱されたときに開閉バルブが自動的に閉じるようにできる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との物理的な接触によって開閉バルブを閉じるようにしたものである。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との磁力的な相互作用によって開閉バルブを閉じるようにしたものである。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、閉鎖手段は太陽熱蓄熱器との静電気的な相互作用によって開閉バルブを閉じるようにしたものである。
【００１７】
第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、凝縮器は反応器よりも下方に位置するようにしたものである。
【００１８】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、
太陽光を集光する集光手段を備えたものである。
【００１９】
第７の発明は、特に、第６の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、集光手段は比較的小面積の開口部を有し、前記開口部が風圧を軽減することによって風がある場合でも設置角度が影響されにくいようにしたものである。
【００２０】
第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、凝縮器の上部に日光を遮蔽する遮蔽手段を設け、少なくとも開閉バルブが開状態の間凝縮器は遮蔽手段の陰に位置して直射日光を受けないようにしたものである。
【００２１】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における太陽熱蓄熱システムの断面図を示すものである。
【００２３】
図１において、反応器１は化学蓄熱材５を収納する容器であり、凝縮器２と中空の接続管３によって接続される。接続管３の途中には接続管３の導通を開閉する開閉バルブ４が設けられる。これらの構成要素からなる太陽熱蓄熱器は気密に設けられ、内部は数ｋＰａオーダーに減圧されている。反応器１を２方から囲むように略放物面からなる集光手段６が配置される。集光手段は、通常開口部を南向きに配置して太陽光を反射集光して反応器１の側面に集光する。太陽熱蓄熱器は支持手段７によって集光手段６との相対的な位置関係を保持される。また、太陽熱蓄熱器の傾きが一点鎖線イからロに傾いた際に、開閉バルブ４の一部に物理的に当たる位置に閉鎖手段８が配置される。
【００２４】
化学蓄熱材５としては硫酸カルシウム水和物、塩化カルシウム水和物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどを用いることが可能である。いずれも式（１）と同様に、蓄熱に伴って水蒸気を揮発する物質である。以下、硫酸カルシウム１／２水和物を例に説明する。
【００２５】
硫酸カルシウム１／２水和物は１００数十℃の加熱により式（１）の脱水蓄熱反応をおこなう。また、開閉バルブ４を開けた状態で凝縮器２が周囲の熱を奪うことで式（２）の水和発熱反応をおこなって１００℃以上の発熱が可能である。その際、凝縮器は最大−２０℃まで冷却が可能である。
【００２６】
式（２）における発熱量Ｑ２は１６．８ｋＪ／ｍｏｌである。本実施の形態の熱利用方法を中火相当（７００Ｗ）の加熱調理６０分とすると、必要な発熱量は約２．５ｋＪであり、必要な硫酸カルシウム１／２水和物は少なくとも２２ｋｇである。硫酸カルシウムは、水蒸気と反応しやすいように内部に中空な通気部を設けた形態で、反応器１内に収納される。
【００２７】
蓄熱開始時に太陽熱蓄熱器は、鉛直方向（一点鎖線ロ）から角度θ１だけ傾いた状態で支持手段７によって保持される。角度θ１は、南中時の太陽の角度θｓから次式で定められる。
【００２８】
θ１＝９０度−θｓ・・・（３）
また、集光手段６の両端をむすぶ一点鎖線ハが一点鎖線イと直行するように、集光手段６は配置される。これは太陽の南中時に反応器１が１日で最大の日射熱を受けるようにした角度である。
【００２９】
集光手段は線イおよび線ハを含む面ニと直交する方向に寸法を大きく設けて、図２に示すように長手方向に複数の太陽熱蓄熱器９をセットすることができる。なるべく長手方向の寸法を大きく取り、長手方向に多数の太陽熱蓄熱器９をセットすることによって、朝夕のように面ニから外れた斜め方向からの日射を受光できる太陽熱蓄熱器９の数を増やして全体としての太陽熱利用効率を高めることができる。ただし、その場合でも東端や西端に近い位置はそれぞれ朝日と夕日の受光率が低くなるので利用を避けたほうが良い。
【００３０】
集光手段６の最低必要面積は、必要な加熱量（単位ｋＪ）を全天日射量（単位ｋＪ／ｍ２）で除することによって大まかに求められる。反応式（１）と（２）の反応損失や反応器１表面の放熱ロスを考慮すると、反応器ひとつあたりの必要加熱量は上記の例の場合発熱量２．５ｋＪの倍程度を見積もる。
【００３１】
集光手段６は比較的小面積の開口部１０を有し、風を受けても開口部１０で風圧を逃がすことができる。その結果、風を受けても集光手段６、太陽熱蓄熱器９、閉鎖手段８の相対的位置関係が影響されにくいように設けられている。
【００３２】
以上のように構成された太陽エネルギー利用装置の特徴的な部分について、以下その動作、作用を説明する。
【００３３】
太陽熱蓄熱器９は、開閉バルブ４が開かれた状態で角度θ１に傾斜した状態で支持手段７にセットされる。この状態では支持手段７を支点に、反応器１と凝縮器２の重量はおよそつりあった状態である。反応器１の側面は、集光手段６によって集光された太陽光の輻射熱により１００数十度で加熱され、その熱は伝導伝熱によって化学蓄熱材５を加熱する。２２ｋｇの硫酸カルシウム１／２水和物を含む化学蓄熱材５は、蓄熱の進行とともに水蒸気を発生する。水蒸気は接続管３を通じて太陽熱蓄熱器９の内部に充満する。凝縮器２は、集光手段６の陰になって日射を受けず、かつフィンを有して他の部位よりも放熱性が高いために太陽熱蓄熱器９全体の中で最も温度が低い。そのため、水蒸気は凝縮器２内で液化凝縮する。２２ｋｇの硫酸カルシウム１／２水和物からは最大１．４ｋｇの水が気化し、凝縮器で液化する。その結果、支持手段７を支点として反応器１側よりも凝縮器２側が重くなり、太陽熱蓄熱器９は一点鎖線イから一点鎖線ロに傾きが変化する。その際に、開閉バルブ４の一部が閉鎖手段８に接触し、運動モーメントによる力で開閉バルブ４が閉じられる。
【００３４】
蓄熱された太陽熱を加熱調理に用いる際は、太陽熱蓄熱器９を図３の調理台１１にセットして使用者が開閉バルブ４を開く。その際、凝縮器２内の水は周囲の大気熱によって加熱されて気化し、接続管３を通じて反応器１内の化学蓄熱材５と反応して発熱する。反応器１の上部の平坦部分に加熱したい鍋などを置いて調理することが可能である。
【００３５】
加熱の出力は、凝縮器２への熱の与え方で調整する。例えば、凝縮器２を水の蓄えられた冷却容器１２に浸しかつ冷却容器１２に冷却したい食品などを浸せば、凝縮器２からの水蒸気発生が比較的速いため加熱力が比較的大きくなる。一方、凝縮器２を断熱容器などで囲えば断熱容器内を低温に保てるが、加熱力は比較的小さくなる。このように、使用者の需要に合わせて冷却用途と加熱用途両方に使用することが可能である。
【００３６】
（実施の形態２）
実施の形態２は、多くの部分で実施の形態１と共通であるので異なる部分のみ図４を用いて説明する。
【００３７】
閉鎖手段８は磁石からなり磁極の一方８’を開閉バルブ４に近い位置に配置している。
開閉バルブ４の一部４’は上記と同じ磁極を有する。蓄熱の進行によって太陽熱蓄熱器９の傾きが変化した際に、８’と４’の距離が近づくことによって磁力による反発力が生じてその結果開閉バルブ４が閉鎖される。
【００３８】
（実施の形態３）
実施の形態３は、多くの部分で実施の形態１と共通であるので異なる部分のみ図５を用いて説明する。
【００３９】
閉鎖手段８”は誘電体からなり開閉バルブ４に近い位置が帯電している。開閉バルブ４の一部４”は上記と同じ極性に帯電する。蓄熱の進行によって太陽熱蓄熱器９の傾きが変化した際に、８”と４”の距離が近づくことによって静電気的な反発力が生じてその結果開閉バルブ４が閉鎖される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる太陽熱蓄熱システムは、電気エネルギーを用いることなく蓄熱完了を判定してバルブ閉鎖をおこなうので、停電の際にも蓄熱過程を正常に完了することが求められる産業用廃熱蓄熱システム等での用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  反応器
２  凝縮器
３  接続管
４  開閉バルブ
５  化学蓄熱材
６  集光手段
７  支持手段
８  閉鎖手段
９  太陽熱蓄熱器
１０  開口部
１１  調理台
【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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