(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体との化学反応により発熱する化学反応物質を容器に充填するとともに、前記化学反応物質を加熱するヒータと前記化学反応による発熱を外部に取り出す熱移動媒体を封入した熱交換パイプを前記容器内に設けてなる熱交換器を収容した反応容器と、前記気体を供給および貯蔵する貯蔵容器とを、連通および遮断自在の開閉弁を介して連通したケミカルヒートポンプにおいて、前記容器内に良熱伝導体からなり長い帯状の伝熱板を幅方向を上下方向として厚さ方向に折りまたは曲げて配設し、前記伝熱板に前記ヒータと前記熱交換パイプを配設して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記伝熱板の側面に、長さ方向の略全長にわたり前記ヒータと前記熱交換パイプを添設して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記ヒータをフレキシブルヒータで構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項４】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記伝熱板の側面に、前記熱交換パイプを略全長にわたり連続して接合して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項５】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記伝熱板の幅方向上部に前記熱交換パイプを添設するとともに幅方向下部に前記ヒータを添設して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項６】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記容器を網状部材で構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項７】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記反応容器内に、前記熱交換器を上下方向に複数収容して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項８】
請求項７記載のケミカルヒートポンプにおいて、複数の前記熱交換器のそれぞれの前記熱交換パイプを上下方向で直列に連結して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項９】
請求項７記載のケミカルヒートポンプにおいて、複数の前記熱交換器のそれぞれの前記熱交換パイプを互いに独立して外部に導出するとともに、それぞれの前記ヒータを互いに独立して制御するように構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項１０】
請求項３記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記伝熱板の側面に、同方向に突出する複数の切り起こし部を設け、これらの切り起こし部と前記側面の間の隙間に前記フレキシブルヒータを挿通して構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項１１】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにおいて、前記伝熱板を平面から見て、略渦巻状または略九十九折り状に折りまたは曲げて構成したことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応容器に収容される熱交換器の熱交換効率を高めるとともに、化学反応による発生する熱量が増大するようにした、ケミカルヒートポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ケミカルヒートポンプの概念図を図１１に示す。図１１において、上側が開口される有底の容器１０内に、熱移動媒体が封入された熱交換パイプ１２とヒータ１４が配設され、容器１０内に気体との化学反応による発熱する化学反応物質１６が充填されて、熱交換器１８が構成される。そして、この熱交換器１８が密閉構造の反応容器２０内に適宜に収容される。また、密閉構造の貯蔵容器２２内に，加熱用ヒータ２４が収容されるとともに気体を発生させる液体２６が注入貯蔵される。そして、反応容器２０と貯蔵容器２２とが連通および遮断制御自在の開閉弁２８を介して連通される。
【０００３】
かかる構成からなるケミカルヒートポンプにおいて、一例として化学反応物質１６は酸化マグネシウムであり、液体２６は水であって気体は水蒸気である。まず、反応容器２０内の化学反応物質１６が酸化マグネシウムの状態にあり、開閉弁２８を閉塞して、加熱用ヒータ２４で液体２６を加熱して気体である水蒸気を発生させ、貯蔵容器２２内の水蒸気の圧力を高める。そして、開閉弁２８を開成することで、貯蔵容器２２内の水蒸気が圧力の低い反応容器２０内に移動し、化学反応物質１６の酸化マグネシウムと化学反応し、水酸化マグネシウムに化学変化させ、この化学反応により発熱する。そこで、この化学反応で生じた熱により熱交換パイプ１２に封入された熱移動媒体が加熱され、熱移動媒体をポンプなどで適宜に循環させることで、反応熱を外部に取り出して利用することができる。化学反応物質１６が全て水酸化マグネシウムに化学変化したならば、こんどはヒータ１４に通電することによりこれを加熱し、化学反応物質１６から脱水反応により水蒸気を分離させて再び酸化マグネシウムに変化させる。分離した水蒸気は貯蔵容器２２に戻り、液化して再び水として貯蔵させる。この化学反応物質１６の可逆的化学反応を繰り返すことで、反応熱を暖房や融雪などの利用することができる。
【０００４】
ところで、ケミカルヒートポンプの性能を改善するには、化学反応による発熱を効率良く取り出すことができることと、化学反応物質１６と気体を効率良く化学反応させること、さらに脱水反応を効率良く進行させることが要望される。
【０００５】
そこで、効率的なケミカルヒートポンプの熱交換器の構造の一例が、特開平１１−１８２９６８号公報に開示される。この特開平１１−１８２９６８号公報に開示された技術を簡単に説明するならば、中心を通る垂直面で少なくとも２分割可能な円板状の上部が開口されたトレイを上下方向に多段に配設し、そしてトイレの中心部に垂直方向に熱交換パイプを多段のトレイにわたり通し、トレイの外周部に垂直方向に複数のヒータを多段のトレイにわたり配設し、さらにトレイに化学反応物質が充填される。なお、トレイと熱交換パイプおよびトレイとヒータは、なるべく接触面が大きくなるように構成される。
【０００６】
かかる構成にあっては、多段のトレイに化学反応物質を充填することで、トレイの一段の化学反応物質の層高さが小さくなり、それだけ気体との反応が容易となる。また、トレイにより熱移動が良好であり、化学反応物質の化学反応による熱が中心部の熱交換パイプに効率良く移動し、またヒータの熱が化学反応物質に効率的に移動して脱水反応が均一かつ迅速になされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平１１−１８２９６８号公報に開示される技術は、１つの容器に全ての化学反応物質を充填する従来の構造に比較して、格段に効率が改善されている。しかるに、上下方向に多段に配設されるトレイの間には気体が流入するように適宜な隙間が設けられており、垂直方向に配設される熱交換パイプおよびヒータは、この隙間の部分においてトレイに接していない。そこで、この隙間の部分で熱交換パイプの熱が放射され、熱移動媒体の温度上昇を効率的になし得ないという問題がある。また、連続して発熱するヒータも、この隙間の部分の発熱が有効にトレイに伝達されずに放射され、化学反応物質１６を効率的に加熱し得ないという問題がある。さらに、トレイに設置された熱交換板に対して熱交換パイプは中心の１箇所にのみ設けられ、しかも熱交換板と熱交換パイプの接触面積が小さい。そこで、熱交換板の温度分布が大きく不均一となり、この温度不均一により化学反応が偏在する虞がある。また、接触面積不足により熱交換が効率的になされない。このため、熱交換板の均一な温度分布を実現して反応槽全体で均一な化学反応を進行させることができ、しかも高効率な熱交換を実現し得る熱交換器の設計が望まれる。ヒータの設置方法においても同様の課題があり、改善が望まれる。
【０００８】
本発明は、上述のごとき従来技術の事情に鑑みてなされたもので、より効率的に化学反応による発熱で熱交換パイプを加熱できるとともに、より効率的にヒータで化学反応物質を加熱できるようにして、もって効率的なケミカルヒートポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明のケミカルヒートポンプは、気体との化学反応により発熱する化学反応物質を容器に充填するとともに、前記化学反応物質を加熱するヒータと前記化学反応による発熱を外部に取り出す熱移動媒体を封入した熱交換パイプを前記容器内に設けてなる熱交換器を収容した反応容器と、前記気体を供給および貯蔵する貯蔵容器とを、連通および遮断自在の開閉弁を介して連通したケミカルヒートポンプにおいて、前記容器内に良熱伝導体からなり長い帯状の伝熱板を幅方向を上下方向として厚さ方向に折りまたは曲げて配設し、前記伝熱板に前記ヒータと前記熱交換パイプを配設して構成されている。
【００１０】
そして、前記伝熱板の側面に、長さ方向の略全長にわたり前記ヒータと前記熱交換パイプを添設して構成しても良い。
【００１１】
また、前記伝熱板の幅方向上部に前記熱交換パイプを添設するとともに幅方向下部に前記ヒータを添設して構成することもできる。
【００１２】
さらに、前記容器を網状部材で構成することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施例を図１ないし図６を参照して説明する。図１は、本発明のケミカルヒートポンプの第１実施例の反応容器を一部切り欠いて熱交換器を見せた正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面矢視図である。図３は、図２のＢ−Ｂ断面矢視図である。図４は、伝熱板に熱交換パイプとヒータを添設する構造を示し、（ａ）は正面部分図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面矢視図である。図５は、図４（ｂ）の熱交換パイプの部分の拡大図である。図６は、図４（ｂ）のヒータの部分の拡大図である。
【００１４】
本発明において、反応容器２０内に、上部に開口部が設けられた有底で深さが比較的に浅く、ステンレスの金網などの良熱伝導体の網状部材で構成される容器１０，１０…が上下方向に複数段それぞれの間に適宜な隙間を設けて配設収容される。そして、それぞれの容器１０内には、図２に示すごとく、長い帯状で平面から見て略渦巻状に厚さ方向に曲げられた銅やステンレスなどの良熱伝導体からなる伝熱板３０が、幅方向を上下方向として配設される。この伝熱板３０の側面に、長さ方向の略全長にわたり幅方向上部に熱交換パイプ１２が添設される。この添設構造の一例は、図５に示すごとく、熱交換パイプ１２の全長にわたって伝熱板３０の側面に溶接３２，３２…により連続して接合される。また、伝熱板３０の側面に、長さ方向の略全長にわたり幅方向下部にヒータ１４が添設される。その添設構造の一例は、図６に示すごとく、伝熱板３０の側面に、同じ方向に突出する複数の切り起こし部３４，３４…を形成し、この切り起こし部３４，３４…と伝熱板３０の側面の間の隙間に、ヒータ１４が挿通される。しかも、ヒータ１４は、長さ方向にも伸縮自在なフレキシブルヒータが用いられる。さらに、伝熱板３０が設けられた容器１０内に、酸化マグネシウムなどの化学反応物質１６が充填されて、熱交換器１８が構成される。そこで、反応容器２０内に上記構造の熱交換器１８，１８…が上下方向に複数段収容されることとなる。
【００１５】
そして、上下方向に配設された複数の熱交換器１８，１８…のそれぞれの熱交換パイプ１２，１２…が、上下方向に順次に直列に連結され、下側の熱交換パイプ入口３６および上側の熱交換パイプ出口３８が、反応容器２０から外部に導出される。なお、ポンプ等を用いて強制循環させるならば、下側の３６を出口とし、上側の３８を入口とすることもできる。また、上下方向に配設された複数の熱交換器１８，１８…のそれぞれのヒータ１４，１４…は、それぞれに反応容器２０から外部に導出されて制御電源（図示せず）に接続され、それぞれに独立して制御される。
【００１６】
かかる構成からなる複数段の熱交換器１８，１８…が反応容器２０内に設けられた本発明のケミカルヒートポンプにあっては、化学反応物質１６が網状部材からなる容器１０に充填されるので、網状部材の網目を気体が通過することで、化学反応物質１６と気体と接触面積を広くすることができ、それだけ化学反応物質１６と気体との化学反応が効率的になされる。また、化学反応による発熱が、広い接触面積の伝熱板３０を介して化学反応物質３０から熱交換パイプ１２に効率的に移動し得る。ここで、熱交換パイプ１２は、伝熱板３０に全長にわたり溶接３２，３２…により接合されており、熱の伝達効率が良好である。しかも、上下方向に多段に配設される熱交換器１８，１８…の熱交換パイプ１２，１２…が上下方向に直列に連結されるので、熱交換パイプ１２内に封入された熱移動媒体の対流により高温の熱移動媒体を上側の熱交換パイプ出口３８から外部に取り出すことができる。ここで、熱交換パイプ１２を伝熱板３０の幅方向上部に添設することで、化学反応物質１６の化学反応の熱が伝導熱伝達および自然対流熱伝達により伝熱板３０の上部に熱が伝達されて熱交換パイプ１２が効率良く加熱される。また、化学反応物質１６を脱水反応させるべくヒータ１４で伝熱板３０の幅方向下部を加熱すると、自然対流熱伝達および伝導熱伝達により化学反応物質１６を均一に加熱することができる。もって、化学反応物質１６の脱水反応を確実に効率良くなし得る。ところで、ヒータ１４にフレキシブルヒータを用い、しかも切り起こし部３４，３４…により伝熱板３０に添設させることで、加熱冷却により伝熱板３０が膨張収縮しても、ヒータ１４自体の伸縮と、固定して配設されずに相対的なずれが可能であることにより、ヒータ１４が破損されるようなことがない。もって、効率の良いケミカルヒートポンプを構成することができる。
【００１７】
上記第１実施例では、伝熱板３０を平面から見て、略渦巻状としたが、さらに図７に示すごとく、略渦巻状の伝熱板３０から適宜にフィン４０，４０…を突設しても良い。伝熱板３０と化学反応物質１６との間の熱移動がより確実なものとなる。
【００１８】
また、上記第１実施例では伝熱板３０を平面から見て、略渦巻状としたが、これに限られず、図８に示すごとく、平面から見て略九十九折り状に厚さ方向に折ったものでも良い。
【００１９】
さらに、容器１０の外形は、平面から見て円に限られず、図９に示すごとく、平面から見て正方形であっても良い。そして、伝熱板３０は、この正方形に応じて平面から見て、直線状を渦巻状に連結したごとき形状に折られて形成されても良い。
【００２０】
なお、伝熱板３０の平面から見た形状は、上述のごとき略渦巻状や略九十九折り状に限られず、長い帯状の板部材が互いに密着して重ならない形状で適宜に曲げられまたは折られて形成されれば、いかなる形状であっても良い。そこで、平面から見て、略花びらの形状などであっても良い。
【００２１】
次に、本発明の第２実施例を図１０を参照して説明する。図１０は、本発明のケミカルヒートポンプの第２実施例の反応容器を一部切り欠いて熱変換器を見せた正面図である。図１０において、図１ないし図９および図１１と同じまたは均等な部材には同じ符号を付けて重複する説明を省略する。
【００２２】
図１０に示す第２実施例において、図１に示す第１実施例と相違するところは、各熱交換器１８，１８…に設けられた熱交換パイプ１２，１２…がそれぞれ独立して反応容器２０の外部に導出されたことにある。
【００２３】
かかる構造の第２実施例にあっては、熱需要に変動がある場合に好適である。まず、フル出力運転が必要な場合には、全ての熱交換器１８，１８…のヒータ１４，１４…に通電して化学反応物質１６，１６…をいずれも脱水反応させて酸化マグネシウムの状態として反応容器２０内に気体を導入すれば、全ての熱交換器１８，１８…で化学反応が生じ、全ての熱交換パイプ１２，１２…により反応熱が外部に導出され得る。また、少ない熱量の出力運転とする場合には、一部の熱交換器１８，１８…のヒータ１４，１４…のみに通電して化学反応物質１６，１６…を酸化マグネシウムの状態とし、他の熱交換器１８，１８…のヒータ１４，１４…は通電することなく、化学反応物質１６を水酸化マグネシウムの状体のままとする。かかる状態で、反応容器２０内に気体を導入すると、脱水反応のなされた一部の熱交換器１８，１８…でのみ化学反応が生じ、脱水反応のなされていない他の熱交換器１８，１８…では化学反応が生じない。そこで、この化学反応が生ずるようにした一部の熱交換器１８，１８…から、熱交換パイプ１２，１２…で反応熱を外部に導出させれば良い。このように熱交換器１８，１８…のヒータ１４，１４…を個別に通電制御するとともに通電した熱交換器１８，１８…からのみ反応熱を外部に導出させることで、熱需要に応じた効率的な運転が可能である。
【００２４】
なお、上記実施例において、容器１０を形成する網状部材は線状部材を編んだものに限られず、板状部材に小さな孔を多数穿設したものも含む。また、伝熱板３０に対して熱交換パイプ１２とヒータ１４が熱伝達が容易な状態で配設されていれば良く、上記実施例のごとく添設するものに限られず、伝熱板３０に熱交換パイプ１２とヒータ１４の双方またはいずれか一方が一体的に組み付けられても良い。そして、上記実施例では伝熱板３０の側面に熱交換パイプ１２を溶接３２により接合していいるが、これに限られず、伝熱板３０と熱交換パイプ１２が直接的にまたは良熱伝導材を介して大きな接触面積で接合すればいかなる構造であっても、同様な効果が得られる。さらに、化学反応物質１６およびこれと反応する気体は、上記実施例のごとく酸化マグネシウムと水蒸気に限られず、化学反応により発熱するとともに、加熱による脱離反応で元の状態に戻る可逆的化学反応する物質であれば、いかなるものであっても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のケミカルヒートポンプは構成されているので、以下のごとき格別な効果を奏する。
【００２６】
請求項１記載のケミカルヒートポンプにあっては、化学反応物質が充填される容器内に、良熱伝導体からなり長い帯状の伝熱板を幅方向を上下方向として厚さ方向に折りまたは曲げて配設し、この伝熱板にヒータと熱交換パイプを配設するので、化学反応物質の化学反応による発熱が伝熱板を介して効率良く熱交換パイプを加熱でき、化学反応による発熱を効率良く外部に取り出すことができる。しかも、ヒータによる加熱が伝熱板を介して化学反応物質を均一に広い面で加熱でき、脱水反応を効率的になし得る。
【００２７】
請求項２記載のケミカルヒートポンプにあっては、伝熱板の側面に、長さ方向の略全長にわたりヒータと熱交換パイプを添設するので、化学反応による発熱により全長にわたり加熱された伝熱板で効率的に熱交換パイプが加熱され、またヒータにより伝熱板を全長にわたり加熱できて化学反応物質を広い範囲で均一に加熱し得る。
【００２８】
請求項３記載のケミカルヒートポンプにあっては、ヒータをフレキシブルヒータとするので、ヒータの加熱などにより伝熱板が伸縮してもヒータ自体も伸縮でき、破損することがない。
【００２９】
請求項４記載のケミカルヒートポンプにあっては、伝熱板に熱交換パイプを全長にわたり連続して接合するので、熱交換パイプの全長が伝熱板により均一に加熱され、封入される熱移動媒体の加熱が効率良くなされる。
【００３０】
請求項５記載のケミカルヒートポンプにあっては、伝熱板の幅方向上部に熱交換パイプを添設するので、化学反応熱が自然対流熱伝達および伝導熱伝達により、効果的に上部の熱交換パイプを加熱し得る。また、伝熱板の幅方向下部にヒータを添設するので、ヒータにより加熱された伝熱板の熱が自然対流熱伝体および伝導熱伝達により幅方向上部に移動し、伝熱板を均等に加熱でき、もって化学反応物質を均一に加熱させて脱水反応を効率的に促進することができる。
【００３１】
請求項６記載のケミカルヒートポンプにあっては、容器を網状部材で構成するので、この網状部材の網目を気体が通過して内部に充填される化学反応物質と広い面積で接触して化学反応をなし得る。そこで、化学反応物質と気体の化学反応が効率的になされる。
【００３２】
請求項７記載のケミカルヒートポンプにあっては、反応容器に熱交換器を上下方向に複数収容することにより、熱交換器を構成するそれぞれの容器の深さが浅くなり、それだけ充填される化学反応物質の層高さが低くできる。そこで、容器の上部の開口部により気体に晒される化学反応物質の面積が広くなり、化学反応が迅速なされ得る。
【００３３】
請求項８記載のケミカルヒートポンプにあっては、複数の熱交換器のそれぞれの熱交換パイプを上下方向で直列に連結するので、封入される熱移動媒体が加熱により下から上に向けて対流により移動して上側から外部に取り出され、効率的な加熱がなされる。
【００３４】
請求項９記載のケミカルヒートポンプにあっては、複数の熱交換器のそれぞれの熱交換パイプを互いに独立して外部に導出し、それぞれのヒータを互いに独立して制御するので、ヒータに通電する熱交換器は化学反応を生じ、熱交換パイプにより、熱を外に取り出すことができる。また、ヒータに通電しない熱交換器は化学反応を生じない。もって、熱需要に応じて、必要なだけの熱をケミカルヒートポンプから外部に取り出すことができる。しかも、少ない熱量を取り出す場合には、一部のヒータには通電しないので、エネルギー損失を生じない。
【００３５】
請求項１０記載のケミカルヒートポンプにあっては、伝熱板の切り起こし部により、フレキシブルヒータを固定することなしに伝熱板に配設できるので、相対的なずれが可能であり、伝熱板の伸縮に対して、フレキシブルヒータの相対的ずれとヒータ自体の伸縮により、ヒータが破損することがない。
【００３６】
請求項１１記載のケミカルヒートポンプにあっては、伝熱板を平面から見て略渦巻状または略九十九折りとするので、容器内に長い伝熱板を収容することができる。それだけ、伝熱板に接する化学反応物質の面積を広くでき、伝熱板と化学反応物質との間で、熱の伝達が効率的になし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のケミカルヒートポンプの第１実施例の反応容器を一部切り欠いて熱交換器を見せた正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面矢視図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面矢視図である。
【図４】伝熱板に熱交換パイプとヒータを添設する構造を示し、（ａ）は正面部分図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面矢視図である。
【図５】図４（ｂ）の熱交換パイプの部分の拡大図である。
【図６】図４（ｂ）のヒータの部分の拡大図である。
【図７】伝熱板にフィンを穿設した例を示す平面図である。
【図８】伝熱板を略九十九折り状とした例を示す平面図である。
【図９】容器を平面から見て正方形とし、伝熱板を直線状を渦巻状に連結したごとき形状に折り曲げた例を示す平面図である。
【図１０】本発明のケミカルヒートポンプの第２実施例の反応容器を一部切り欠いて熱変換器を見せた正面図である。
【図１１】ケミカルヒートポンプの概念図である。
【符号の説明】
１０  容器
１２  熱交換パイプ
１４  ヒータ
１６  化学反応物質
１８  熱交換器
２０  反応容器
２２  貯蔵容器
２４  加熱用ヒータ
２６  液体
２８  開閉弁
３０  伝熱板
３２  溶接
３４  切り起こし部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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