(57)【要約】【課題】熱交換器において反応材による発熱・吸熱反応の利用効率を向上すること。【解決手段】熱媒体が流れる流路を有するプレートフィンとコルゲートフィンとが交互に積層された熱交換器であって、反応媒体と可逆的に発熱及び吸熱反応して前記熱媒体との間で熱交換する反応材を含む反応材スラリーが、前記プレートフィンと前記コルゲートフィンとの間隙に充填されて結晶化することで固形化した反応部を有する熱交換器。【選択図】図４
2016211834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流れる流路を有するプレートフィンとコルゲートフィンとが交互に積層された熱交換器であって、
反応媒体と可逆的に発熱及び吸熱反応して前記熱媒体との間で熱交換する反応材を含む反応材スラリーが、前記プレートフィンと前記コルゲートフィンとの間隙に充填されて結晶化することで固形化した反応部を有する
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記反応材は、半水石膏又はIII型無水石膏である
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記反応材スラリーは、凝結遅延剤を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記反応部は、複数の空孔を有する
ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の熱交換器を含む反応器と、
前記反応器に前記反応媒体を供給する反応媒体供給器と、
前記反応器から前記反応媒体を回収する反応媒体回収器と、を有する
ことを特徴とするケミカルヒートポンプ。
【請求項６】
熱媒体が流れる流路を内部に有するプレートフィンとコルゲートフィンとが交互に積層された熱交換器の製造方法であって、
反応媒体と可逆的に発熱及び吸熱反応して前記熱媒体との間で熱交換する反応材を含む反応材スラリーを作製するスラリー作製工程と、
前記プレートフィンと前記コルゲートフィンとの間に、前記反応材スラリーを充填する充填工程と、
前記プレートフィンと前記コルゲートフィンとの間に充填した前記反応材スラリーを固形化させて反応部を形成する反応部形成工程と、を有する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項７】
前記スラリー作製工程は、凝結遅延剤と水との混合液に、前記反応材を加えて混練することで前記反応材スラリーを作製する
ことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項８】
前記スラリー作製工程は、前記反応材と凝結遅延剤との混合物に、水を加えて混練することで前記反応材スラリーを作製する
ことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器の製造方法。
【請求項９】
前記反応部形成工程は、
前記反応部を乾燥させる乾燥工程と、
前記反応部を焼成する焼成工程と、を有する
ことを特徴とする請求項６から８の何れか一項に記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器、ケミカルヒートポンプ及び熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー等の観点から、余剰排熱を有効活用するケミカルヒートポンプ等の熱回収システムが注目されている。
【０００３】
ケミカルヒートポンプは、反応媒体と蓄熱材（以下、「反応材」という）との間の可逆的な化学反応に伴う発熱・吸熱現象を利用して蓄熱及び放熱を行うシステムである。このようなケミカルヒートポンプには、反応媒体と発熱・吸熱反応する反応材を収納し、熱媒体との間で熱交換する熱交換器が設けられている。
【０００４】
熱交換器における発熱・吸熱反応の利用効率を向上するために、積層されたプレートフィンとコルゲートフィンとの間に形成される空間部に、粒状の吸着材を充填した構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、多数の吸着材を結合剤で一体化した吸着部を伝熱管とコルゲートフィンとの間隙に形成した構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係る構成では、粒状の吸着材とプレートフィン及びコルゲートフィンとの接触面積が小さく、吸着材で発生する反応熱をプレートフィン及びコルゲートフィンを介して熱媒体との間で効率良く授受できない可能性がある。また、特許文献２に係る構成では、吸着材を一体化するために用いられている結合剤が発熱・吸熱反応を阻害し、反応熱量が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、熱交換器において反応材による発熱・吸熱反応の利用効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、熱媒体が流れる流路を有するプレートフィンとコルゲートフィンとが交互に積層された熱交換器であって、反応媒体と可逆的に発熱及び吸熱反応して前記熱媒体との間で熱交換する反応材を含む反応材スラリーが、前記プレートフィンと前記コルゲートフィンとの間隙に充填されて結晶化することで固形化した反応部を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、熱交換器において反応材による発熱・吸熱反応の利用効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態におけるケミカルヒートポンプの全体構成を例示する概略図である。
【図２】ケミカルヒートポンプの蓄熱動作を説明するための図である。
【図３】ケミカルヒートポンプの放熱動作を説明するための図である。
【図４】実施形態における熱交換器の構成を例示する図である。
【図５】実施形態における熱交換器の他の構成を例示する図である。
【図６】実施形態における熱交換器の製造方法を例示するフローチャートである。
【図７】実施例１における放熱特性を例示する図である。
【図８】実施例２における放熱特性を例示する図である。
【図９】実施例３における放熱特性を例示する図である。
【図１０】実施例４における放熱特性を例示する図である。
【図１１】実施例５における放熱特性を例示する図である。
【図１２】実施例６における放熱特性を例示する図である。
【図１３】実施例７及び実施例８における蓄熱特性を例示する図である。
【図１４】実施例７及び実施例８における放熱特性を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
＜ケミカルヒートポンプの構成及び動作＞
図１は、実施形態におけるケミカルヒートポンプ１０の全体構成を例示する概略図である。
【００１２】
図１に示されるように、ケミカルヒートポンプ１０は、反応器１００、凝縮器２００、蒸発器３００を有する。
【００１３】
反応器１００は、筐体内部に熱交換器１１０を有する。熱交換器１１０は、反応媒体と可逆的に発熱・吸熱反応する反応材を収納し、熱媒体導入口１１１から熱媒体が導入される。熱交換器１１０に導入された熱媒体は、熱交換器１１０内部の流路を通って熱媒体排出口１１２から排出される。熱媒体は、例えばシリコンオイル等の油である。
【００１４】
熱交換器１１０は、反応媒体と発熱・吸熱反応する反応材を収納し、反応材が反応媒体と発熱反応することで熱媒体に熱を放出し、反応材が反応媒体と吸熱反応することで熱媒体の熱を蓄える。
【００１５】
熱交換器１１０に収納される反応材は、例えば酸化カルシウム（CaO）、酸化マグネシウム（MgO）、硫酸カルシウム（CaSO4）等、反応媒体との間で可逆的に吸熱・発熱反応する材料を用いることができる。本実施形態では、反応材として石膏（硫酸カルシウム（CaSO4））が用いられている。反応材が石膏である場合には、水（H2O）を反応媒体として以下の式（１）で示される吸熱・発熱反応が起こる。
【００１６】
CaSO4 + 0.5H2O（gas）  ⇔  CaSO4・0.5H2O + 32.89kJ/mol        …（１）
式（１）の右向きの反応が起こると、熱交換器１１０において反応材が熱媒体に放熱し、熱交換器１１０から温度が上昇した熱媒体が排出される。また、式（１）の左向きの反応が起こると、熱交換器１１０において反応材が熱媒体の熱を蓄熱し、熱交換器１１０から温度が低下した熱媒体が排出される。
【００１７】
凝縮器２００は、反応媒体回収器の一例であり、内部に低温熱源２１０を有する。凝縮器２００は、第１接続パイプ１１及び第１バルブ２１を介して反応器１００に接続され、蓄熱時に吸熱反応により生じる水蒸気を反応器１００から回収する。
【００１８】
ケミカルヒートポンプ１０における蓄熱動作時には、熱交換器１１０において式（１）の左向きの吸熱反応が進み、反応材の水和物から水蒸気が発生する。このような蓄熱動作時には、図２に示されるように、第１バルブ２１が開弁されて、凝縮器２００が第１接続パイプ１１を通じて反応器１００内から水蒸気を回収する。凝縮器２００に回収された水蒸気は、低温熱源２１０により冷却されて液化される。
【００１９】
低温熱源２１０は、例えば水等の低温流体が流れるパイプ及びパイプの周囲に設けられている複数のフィンを有し、反応器１００から回収した水蒸気を冷却して液化させる。
【００２０】
また、凝縮器２００は、第３接続パイプ１３及び第３バルブ２３を介して蒸発器３００に接続されており、第３バルブ２３が適宜開弁されることで、第３接続パイプ１３を通じて液化した水を蒸発器３００に供給する。
【００２１】
蒸発器３００は、反応媒体供給器の一例であり、内部に高温熱源３１０を有する。蒸発器３００は、第２接続パイプ１２及び第２バルブ２２を介して反応器１００に接続され、反応器１００に反応媒体である水蒸気を供給する。
【００２２】
蒸発器３００では、内部に貯留されている水が高温熱源３１０により加熱されて水蒸気となる。ケミカルヒートポンプにおける放熱動作時には、図３に示されるように、第２バルブ２２が開弁されて、蒸発器３００で発生した水蒸気が第２接続パイプ１２を通じて反応器１００に供給される。反応器１００内に水蒸気が供給されると、熱交換器１１０において式（１）の右向きの発熱反応が進んで反応材が熱媒体に放熱する。
【００２３】
高温熱源３１０は、例えば水等の高温流体が流れるパイプ及びパイプの周囲に設けられている複数のフィンを有し、蒸発器３００に貯留されている水を加熱して水蒸気を発生させる。
【００２４】
ケミカルヒートポンプ１０は、上記した構成を有し、熱交換器１１０に収納されている反応材が反応媒体との間で吸熱反応することで熱媒体の熱を蓄え、発熱反応することで熱媒体に放熱するように動作する。
【００２５】
なお、反応器１００には、複数の熱交換器１１０が設けられてもよい。また、凝縮器２００及び蒸発器３００は、反応器１００との間で反応媒体を供給・回収可能であれば、上記構成に限られるものではない。
【００２６】
＜熱交換器の構成＞
図４は、実施形態における熱交換器１１０の構成を例示する図である。
【００２７】
図４に示されるように、熱交換器１１０は、熱媒体導入口１１１、熱媒体排出口１１２、導入タンク１１３、排出タンク１１４、プレートフィン１１５、コルゲートフィン１１６、反応部１１７を有する。
【００２８】
熱交換器１１０は、対向して設けられた導入タンク１１３と排出タンク１１４との間に、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６とが交互に積層配置され、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙に反応部１１７が形成されている。導入タンク１１３、排出タンク１１４、プレートフィン１１５及びコルゲートフィン１１６は、例えばアルミ合金等の金属材料で形成されている。
【００２９】
導入タンク１１３及び排出タンク１１４は、それぞれ中空箱型の形状を有する。各プレートフィン１１５は、内部に熱媒体の流路が形成されており、流路の一端が導入タンク１１３の内部空間と連通し、流路の他端が排出タンク１１４の内部空間と連通するように設けられている。熱媒体導入口１１１から導入タンク１１３に導かれた熱媒体は、各プレートフィン１１５内の流路を流れて、排出タンク１１４に設けられている熱媒体排出口１１２から排出される。
【００３０】
各コルゲートフィン１１６は、板状部材が屈曲した連続波形状を有し、プレートフィン１１５の間に設けられている。各コルゲートフィン１１６は、反応部１１７で生じた熱をプレートフィン１１５内の流路を流れる熱媒体に伝達できるように、図４において上下に挟まれている２つのプレートフィン１１５の両方に接触するように設けられている。
【００３１】
反応部１１７は、反応媒体と可逆的に発熱・吸熱反応してプレートフィン１１５を流れる熱媒体との間で熱交換する反応材を含む反応材スラリーが、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填されて固形化することで形成される。
【００３２】
反応部１１７は、上記したように、充填された反応材スラリーが固形化することでプレートフィン１１５及びコルゲートフィン１１６と一体に形成されている。このように反応部１１７、プレートフィン１１５及びコルゲートフィン１１６が一体形成されることで、反応部１１７において反応材と反応媒体との間での吸熱・発熱反応によって生じる熱がプレートフィン１１５を流れる熱媒体に伝達されやすくなる。したがって、熱交換器１１０における反応材による発熱・吸熱反応の利用効率が向上する。
【００３３】
ここで、反応部１１７に用いられる反応材としては、水と混合されることで泥漿化して反応材スラリーとなり、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填して固形化させることが可能な石膏（硫酸カルシウム（CaSO4））を用いることが好ましい。
【００３４】
石膏は、無水石膏（CaSO4）、半水石膏（CaSO4・0.5H2O）、二水石膏（CaSO4・2H2O）に分類される。また、無水石膏は、結晶系の違いによりI型、II型、III型に分類される。反応材として石膏を用いる場合、III型無水石膏が水和して半水石膏に相転位するときに式（１）の右向きの発熱反応が起こり、半水石膏が脱水してIII型無水石膏に相転位するときに式（１）の左向きの吸熱反応が起こる。
【００３５】
半水石膏は、水和反応により凝結硬化性を有する。具体的には、半水石膏の粉末と水とを混合した石膏スラリー（反応材スラリー）は、半水石膏が水を結晶内に取り込んで二水石膏に相転位することで凝結して固形化する。石膏スラリーが固形化した状態で、例えば１５０℃程度で焼成することで、二水石膏がIII型無水石膏となる。
【００３６】
ここで、半水石膏と水とを混合した石膏スラリーは、短時間で半水石膏から二水石膏に相転位して凝結硬化するため、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填している最中に固形化してしまう可能性がある。短時間で凝結する石膏スラリーが充填しやすくなるように、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙を大きくすることも考えられる。しかし、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙は、小さいほど反応部１１７と熱媒体との間での熱交換効率が向上するため、大きくすることは好ましくない。
【００３７】
そこで、石膏スラリーの凝結硬化を遅らせるために、石膏スラリーに凝結遅延剤を加えてもよい。凝結遅延剤によって半水石膏の結晶内への水の取り込み速度が低下し、凝結して固形化するまでの時間が長くなるため、石膏スラリーをプレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填しやすくなる。
【００３８】
凝結遅延剤としては、例えば、フノリ、ツノマタ、アラビアゴム、ゼラチン、デンプン等の有機物、ホウ酸、リン酸ナトリウム等の無機塩類、酒石酸、クエン酸、コハク酸等の有機酸及びそのアルカリ塩等を用いることができる。
【００３９】
また、反応部１１７には、複数の空孔が設けられてもよい。図５は、反応部１１７に空孔１１８が形成された熱交換器１１０を例示する図である。
【００４０】
図５に例示されている空孔１１８は、導入タンク１１３と排出タンク１１４との対向方向に延伸する細長い貫通孔として設けられている。空孔１１８は、例えばコルゲートフィン１１６に形成した切り込みに板状部材を挿入した状態で、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙に反応材スラリーを充填して固形化させた後に板状部材を抜き取ることで形成できる。
【００４１】
反応部１１７にこのような複数の空孔１１８が設けられることで、反応部１１７の表面積が増加し、反応部１１７に含まれている反応材の利用効率が向上し、短時間で反応が進行する。したがって、熱交換器１１０において蓄熱及び放熱を短時間で行うことが可能になる。
【００４２】
熱交換器１１０は、上記した構成を有し、反応部１１７に含まれている反応材が反応媒体と発熱・吸熱反応することで、プレートフィン１１５内を流れる熱媒体と反応部１１７との間で熱交換が行われる。
【００４３】
なお、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填して固形化させることが可能であれば、反応材として石膏以外の材料を用いてもよい。また、反応部１１７に設ける空孔１１８の数、形状及び作製方法等は、上記した例に限られるものではない。
【００４４】
＜熱交換器の製造方法＞
次に、熱交換器１１０の製造方法について説明する。図６は、実施形態における熱交換器１１０の製造方法を例示するフローチャートである。
【００４５】
図６に示されるように、まずステップＳ１０１にて、反応材スラリーを作製する。本実施形態では、反応材スラリーとして、半水石膏、凝結遅延剤及び水を混練して石膏スラリーを作製する。半水石膏は、α型及びβ型の何れであってもよい。半水石膏及び凝結遅延剤は、例えば粉状、粒状又は塊状のものを用いることができる。
【００４６】
半水石膏と混合する水及び凝結遅延剤の量は、石膏スラリーをプレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填する際の扱いやすさや、充填に必要な時間、硬化後の密度や強度に応じて適宜設定される。
【００４７】
例えば水溶性の凝結遅延剤を用いる場合には、凝結遅延剤と水との混合液である凝結遅延剤水溶液に半水石膏を加えて混練して石膏スラリーを作製する。また、例えば不溶性の凝結遅延剤を用いる場合には、半水石膏及び凝結遅延剤の混合物を水に加えて混練して石膏スラリーを作製する。なお、半水石膏、凝結遅延剤及び水を十分に混練することが可能であれば、混練温度及び混練時間等に特に制限はない。
【００４８】
次にステップＳ１０２にて、ステップＳ１０１にて作製した反応材スラリーを、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に流し込んで充填する。反応材スラリーは、反応材の利用効率を向上させるために、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に隙間なく充填されることが好ましい。
【００４９】
ステップＳ１０３では、反応材スラリーをプレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間に充填した後に放置し、反応材スラリーを結晶化させることで固形化させて反応部１１７を形成する。本実施形態では、半水石膏が水を結晶内に取り込んで二水石膏に相転位することで、石膏スラリーが凝結して固形化し、反応部１１７が形成される。
【００５０】
ステップＳ１０４では、例えば室温環境下で、反応部１１７を乾燥させる。本実施形態では、例えば反応部１１７において結晶間に水が残っている二水石膏を乾燥させる。
【００５１】
ステップＳ１０５では、例えば１００℃から２００℃程度の減圧又は大気環境下で、反応部１１７を焼成する。本実施形態では、反応部１１７において二水石膏がIII型無水石膏となる。
【００５２】
熱交換器１１０は、上記した方法によって反応部１１７が形成される。なお、熱交換器１１０の製造方法は上記にて例示した方法に限定されるものではなく、例えば必要に応じて他の工程が追加されてもよく、固定の順序が入れ替えられてもよい。
【００５３】
＜実施例＞
次に、以下の実施例１〜６の条件で反応材ブロックを作製し、各反応材ブロックの放熱特性等を評価した。
【００５４】
［実施例１］
α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部に対して、蒸留水４０００．０質量部を加えて１分程度混練して石膏スラリーを得た。
【００５５】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、１０分程度放置して固形化させて反応材ブロックとして石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．３０ｇ／ｃｍ３であった。
【００５６】
上記により作製した石膏ブロックを乾燥させた状態でケミカルヒートポンプ１０の反応器１００内に設置し、蒸発器３００から反応器１００内に水蒸気を供給した。反応器１００内に水蒸気が供給されると、式（１）の右向きの発熱反応が進んで石膏ブロックが放熱する。放熱開始から１０分間、石膏ブロックの温度を測定して実施例１における放熱特性を得た。図７に、実施例１における放熱特性を示す。
【００５７】
［実施例２］
蒸留水４０２３．８質量部に対して、凝結遅延剤としてクエン酸６６．４質量部を加え、クエン酸水溶液を作製した。作製したクエン酸水溶液に、α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部を加えて１分程度混練して石膏スラリーを得た。
【００５８】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、３時間程度放置して固形化させて石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．３１ｇ／ｃｍ３であった。
【００５９】
上記により作製した石膏ブロックを用いて、実施例１と同様の条件で放熱特性を得た。図８に、実施例２における放熱特性を示す。
【００６０】
［実施例３］
蒸留水４０２６．８質量部に対して、凝結遅延剤として酢酸マグネシウム４水和物７７．０質量部を加え、酢酸マグネシウム水溶液を作製した。作製した酢酸マグネシウム水溶液に、α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部を加えて１分程度混練して石膏スラリーを得た。
【００６１】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、２時間程度放置して固形化させて石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．３５ｇ／ｃｍ３であった。
【００６２】
上記により作製した石膏ブロックを用いて、実施例１と同様の条件で放熱特性を得た。図９に、実施例３における放熱特性を示す。
【００６３】
［実施例４］
蒸留水４０２２．０質量部に対して、凝結遅延剤としてクエン酸水素マグネシウム５水和物１０５．６質量部を加え、クエン酸水素マグネシウム水溶液を作製した。作製したクエン酸水素マグネシウム水溶液に、α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部を加えて１分程度混練して石膏スラリーを得た。
【００６４】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、５時間程度放置して固形化させて石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．４５ｇ／ｃｍ３であった。
【００６５】
上記により作製した石膏ブロックを用いて、実施例１と同様の条件で放熱特性を得た。図１０に、実施例４における放熱特性を示す。
【００６６】
［実施例５］
蒸留水４００１．２質量部に対して、凝結遅延剤としてジクエン酸トリマグネシウム５３．２質量部を加え、ジクエン酸トリマグネシウム水溶液を作製した。作製したジクエン酸トリマグネシウム水溶液に、α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部を加えて１分程度混練して石膏スラリーを得た。
【００６７】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、５時間程度放置して固形化させることで石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．４５ｇ／ｃｍ３であった。
【００６８】
上記により作製した石膏ブロックを用いて、実施例１と同様の条件で放熱特性を得た。図１１に、実施例５における放熱特性を示す。
【００６９】
［実施例６］
α型半水石膏（吉野石膏製：ＹＧ−ＫＭ）１０，０００質量部に対して、凝結遅延剤としてクエン酸カルシウム１９９．９質量部を加え、混合粉末を作製した。作製した混合粉末に、蒸留水４０２８．４質量部を加えて混練して石膏スラリーを得た。
【００７０】
石膏スラリーを２５ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの型に流し込み、３時間程度放置して固形化させることで石膏ブロックを形成した。固形化した石膏ブロックを型から取り出し、１５０℃で５時間乾燥させ、無水石膏とした。乾燥後の石膏ブロックの実効密度は、１．４０ｇ／ｃｍ３であった。
【００７１】
上記により作製した石膏ブロックを用いて、実施例１と同様の条件で放熱特性を得た。図１２に、実施例６における放熱特性を示す。
【００７２】
上記したように、実施例１では、凝結遅延剤を使用せずに石膏ブロックを形成し、実施例２〜５では、凝結遅延剤を使用して石膏ブロックを形成した。凝結遅延剤を用いない実施例１では、石膏スラリーが１０分程度と短時間で固形化しているのに対して、凝結遅延剤を用いた実施例２〜５では、石膏スラリーが固形化するまでの時間が２〜５時間程度に延びている。
【００７３】
このように、凝結遅延剤により石膏スラリーが凝結して固形化するまでの時間が長くなることで、熱交換器１１０のプレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙への石膏スラリーの充填が容易になる。また、プレートフィン１１５とコルゲートフィン１１６との間隙に隙間なく石膏スラリーを充填しやすくなる。
【００７４】
また、凝結遅延剤を使用した実施例２〜６の石膏ブロックの実効密度は、凝結遅延剤を使用しない実施例１の石膏ブロックの実効密度よりも大きくなる。実効密度が大きくなることで、同じ大きさの石膏ブロックであっても放熱量及び蓄熱量が向上する。
【００７５】
さらに、図７〜図１２に示されるように、各実施例におけるピーク温度は１８５℃程度となっている。無水石膏に水蒸気圧力を９０ｋＰａ印加したときの反応平衡温度の理論値は１８６．７℃であり、各実施例においてほぼ理論通りの熱が発生している。
【００７６】
各実施例の放熱特性におけるピーク温度、ピーク温度に達するまでの時間、ピーク温度到達後の温度変化等に大きな差異は見られない。このように、凝結遅延剤を使用しても、ピーク温度の低下等といった放熱特性の低下は見られない。
【００７７】
［実施例７］
実施例３と同様に、凝結遅延剤として酢酸マグネシウム４水和物を用いて作製した石膏スラリーを、積層されたプレートフィンとコルゲートフィンとの間に充填して固形化させて反応部を形成した。さらに１５０℃で５時間乾燥させ、図４と同様の構成を有する実施例７の熱交換器を作製した。
【００７８】
実施例７の熱交換器の導入タンクと排出タンクとの間隔は２２ｃｍである。導入タンクと排出タンクとの間には、プレートフィンとコルゲートフィンが交互に積層されている。プレートフィンは、長さ２２ｃｍ、幅２ｃｍ、厚さ２ｍｍであり、プレートフィン同士の間隔は８ｍｍである。コルゲートフィンは、厚さ０．１ｍｍであり、コルゲートフィン同士の間隔は１．６ｍｍである。実施例７の熱交換器に形成された反応部の重量は、約１０３３ｇであった。
【００７９】
上記構成を有する実施例７の熱交換器を、ケミカルヒートポンプ１０の反応器１００内に設置し、以下の蓄熱・放熱動作を行った。蓄熱動作時には、熱交換器に１５０℃の熱媒体を導入して熱交換器の反応部において吸熱反応を進める。吸熱反応により熱媒体の熱が反応部に蓄えられ、吸熱されて温度低下した熱媒体が熱交換器から排出される。
【００８０】
反応部における吸熱反応により発生する水蒸気は、第１バルブ２１が開弁されることで、第１接続パイプ１１を通って凝縮器２００に導かれる。凝縮器２００の設定水蒸気圧力を１．５ｋＰａにすることで、凝縮器２００に導かれた水蒸気が液化する。
【００８１】
放熱動作時には、蒸発器３００の設定水蒸気圧力を９０ｋＰａとし、第２バルブ２２を開弁して第２接続パイプ１２を通じて水蒸気を反応器１００に導く。反応器１００に水蒸気が供給されると、反応部において発熱反応が進み、反応部によって加熱されて昇温した熱媒体が熱交換器から排出される。
【００８２】
上記した蓄熱動作を３０分行った後に放熱動作を３０分行い、本実施例の熱交換器が蓄熱した熱量及び放熱した熱量の評価を、全熱量の７割に達するまでに要した時間に基づいて行った。本実施例の熱交換器では、蓄熱時間は約１５０３秒、蓄熱速度は約９２Ｗであった。また、放熱時間は約３２３秒、放熱速度は約４２６Ｗであった。発生した全熱量は約１９６．６ｋＪで、無水石膏の充填量に基づいて求められる理論熱量は約２４９．５４ｋＪであり、実施例７の熱交換器における反応部の利用効率は約７９％であった。
【００８３】
なお、熱交換器から放出される熱量は、以下の式（２）で求められる熱出力ｑを時間で積分することで求められる。
【００８４】
ｑ ＝ Ｃ×（Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔ）×ρ×ｆ／６０        …（２）
ｑ    ：  熱出力［Ｗ］
Ｔｉｎ  ：  熱媒体の導入温度［℃］
Ｔｏｕｔ：  熱媒体の排出温度［℃］
Ｃ    ：熱媒体の比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
ρ    ：熱媒体の密度［ｋｇ／ｍ３］
ｆ    ：熱媒体の体積流量［ｍ３／ｍｉｎ］
なお、例えば熱媒体がシリコンオイルの場合には、Ｃ＝１６００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）、ρ＝９６０ｋｇ／ｍ３である。
【００８５】
［実施例８］
実施例３と同様に、凝結遅延剤として酢酸マグネシウム４水和物を添加して作製した石膏スラリーを用いて、図５と同様の複数の空孔を有する実施例８の熱交換器を作製した。空孔は、２枚のプレートフィンの間に一つずつ形成した。空孔は、開口部分の大きさが２００ｍｍ×１ｍｍであり、反応部を貫通している。空孔以外のプレートフィン、コルゲートフィン等の構成は、実施例７と同様である。実施例８の熱交換器に形成された反応部の重量は、約９００ｇであった。
【００８６】
上記構成を有する実施例８の熱交換器を、ケミカルヒートポンプ１０の反応器１００内に設置し、実施例７と同様の蓄熱・放熱動作を行い、本実施例の熱交換器が蓄熱した熱量及び放熱した熱量の評価を、全熱量の７割に達するまでに要した時間に基づいて行った。熱交換器が蓄熱した熱量及び放熱した熱量の評価を、全熱量の７割に達するまでに要した時間に基づいて行った。本実施例の熱交換器では、蓄熱時間は約３９８秒、蓄熱速度は約３１７Ｗであった。また、放熱時間は約２１１秒、放熱速度は約５９８Ｗであった。発生した全熱量は約１８０．３ｋＪで、無水石膏の充填量に基づいて求められる理論熱量は約２１７．４１ｋＪであり、実施例８の熱交換器における反応部の利用効率は約８３％であった。
【００８７】
［比較例１］
プレートフィンとコルゲートフィンとの間隙に、反応材としてβ型半水石膏（吉野石膏製：サクラ印焼石膏Ａ級）の粉末を充填して、比較例１の熱交換器を作製した。反応部以外のプレートフィン、コルゲートフィン等の構成は、実施例７と同様である。比較例１の熱交換器に充填された半水石膏の重量は、約６１０ｇであった。
【００８８】
上記構成を有する比較例１の熱交換器を、ケミカルヒートポンプ１０の反応器１００内に設置し、実施例７と同様の蓄熱・放熱動作を行い、熱交換器が蓄熱した熱量及び放熱した熱量の評価を、全熱量の７割に達するまでに要した時間に基づいて行った。本比較例の熱交換器では、蓄熱時間は約１３２０秒、蓄熱速度は約５３Ｗであった。また、放熱時間は約２６４秒、放熱速度は約２６６Ｗであった。発生した全熱量は約１００．３ｋＪで、半水石膏の充填量に基づいて求められる理論熱量は約１４６．３５ｋＪであり、比較例１の熱交換器における半水石膏の利用効率は約６９％であった。
【００８９】
実施例７及び実施例８の熱交換器では、反応材が反応材スラリーの状態でプレートフィンとコルゲートフィンとの間隙に充填されるため、反応材が粉末状態で充填される比較例１の熱交換器よりも、より多くの反応材が反応部に含まれている。
【００９０】
このため、比較例１における反応熱量約１００ｋＪに対して、実施例７における反応熱量は約１９５ｋＪ、実施例８における反応熱量は約１８０ｋＪとなっており、実施例７，８における反応熱量が比較例１の反応熱量に比べて大幅に増加している。
【００９１】
また、実施例７及び実施例８の熱交換器では、反応材が反応材スラリーの状態でプレートフィンとコルゲートフィンとの間隙に充填され、反応部とプレートフィン及びコルゲートフィンとが一体形成されている。このような構成により、実施例７及び実施例８の熱交換器では、反応材が粉末状態で充填されている比較例１の熱交換器よりも、反応材と熱媒体との間での熱交換効率が向上されている。
【００９２】
このため、実施例７における反応材の利用効率は約７９％、実施例８における反応材の利用効率は約８３％となっており、比較例１における反応材の利用効率（約６９％）に比べて大きく向上している。
【００９３】
また、実施例８における熱交換器では、空孔が設けられることで、反応材の利用効率が、実施例７における利用効率約７９％から約８３％に向上している。
【００９４】
上記したように、実施例７及び実施例８の熱交換器では、反応材が反応材スラリーの状態でプレートフィンとコルゲートフィンとの間隙に充填されている。このため、反応材が粉末状態で充填されている比較例１の熱交換器よりも、より多くの反応材が反応部に含まれて隙間が減少するため、熱交換器における熱伝導性が向上する。このため、実施例７における蓄熱速度（約９２Ｗ）・放熱速度（約４２６Ｗ）及び実施例８における蓄熱速度（約３１７Ｗ）・放熱速度（約５９８Ｗ）が、比較例１の蓄熱速度（約５３Ｗ）・放熱速度（約２６６Ｗ）よりも大きくなっている。
【００９５】
また、実施例８の熱交換器は、空孔が形成されていることで反応部の表面積が増え、反応材と反応媒体との反応が、空孔が形成されていない実施例７の熱交換器に比べて短時間で進行する。このため、実施例７の熱交換器における蓄熱速度（約９２Ｗ）・放熱速度（約４２６Ｗ）に対して、実施例８の熱交換器における蓄熱速度（約３１７Ｗ）・放熱速度（約５９８Ｗ）が大きくなっている。
【００９６】
図１３に、実施例７及び実施例８における熱交換器の蓄熱特性を示す。また、図１４に、実施例７及び実施例８における熱交換器の放熱特性を示す。
【００９７】
図１３に示される蓄熱特性及び図１４に示される放熱特性は、図４に示される熱媒体導入口１１１における熱媒体の温度Ｔｉｎと、熱媒体排出口１１２における熱媒体の温度Ｔｏｕｔとの差分ΔＴ＝Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎの時間変化で表されている。なお、熱媒体としてシリコンオイルを用いて、熱交換器内にシリコンオイルを２Ｌ／ｍｉｎで流して差分ΔＴを測定した。
【００９８】
図１３に示されるように、実施例８における熱交換器は、空孔が設けられていることによって、実施例７における熱交換器よりも短時間で蓄熱できていることが分かる。また、図１４に示されるように、実施例８における熱交換器は、空孔が設けられることによって、蓄熱時ほど大きな差はないが、実施例７における熱交換器よりも短時間で放熱できていることが分かる。
【００９９】
以下に示す表１に、実施例７、実施例８、及び比較例１の各特性を示す。
【０１００】
【表１】
2016211834.tif 000003
表１に示されている放熱時間及び蓄熱時間は、全熱量の７割に達するまでに要した時間である。また、放熱速度及び蓄熱速度は、上記した放熱時間及び蓄熱時間に基づいて求められた値である。
【０１０１】
以上で説明したように、本実施形態に係る熱交換器によれば、反応部がプレートフィン及びコルゲートフィンと一体形成されることで、反応材による発熱・吸熱反応の利用効率が向上されている。また、このような熱交換器を有するケミカルヒートポンプによれば、より効率良く蓄熱及び放熱することが可能になる。
【０１０２】
以上、実施形態に係る熱交換器、ケミカルヒートポンプ及び熱交換器の製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  ケミカルヒートポンプ
１００  反応器
１１０  熱交換器
１１５  プレートフィン
１１６  コルゲートフィン
１１７  反応部
１１８  空孔
２００  凝縮器（反応媒体回収器）
３００  蒸発器（反応媒体供給器）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０４】
【特許文献１】特開平１１−１０８４９９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０３８１１号公報
【図１】
2016211834.tif 000004
【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】
2016211834.tif 000009
【図７】
2016211834.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016211834.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2016211834.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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