(57)【要約】【課題】液体の蓄熱材に液体の水を供給する化学蓄熱装置において、放熱量の向上を図る。【解決手段】化学蓄熱装置５０は、蓄熱器９と、水蒸気を凝縮させかつ凝縮した水を貯蔵する凝縮器１０と、蓄熱工程の際に蓄熱器９内の蓄熱材８が加熱されることによって生じる水蒸気を凝縮器１０に戻す還流路２２と、放熱工程の際に凝縮器１０内の水を蓄熱器９に供給する供給路２３とを備えている。蓄熱器９の蓄熱槽２１内には、液相状態で水よりも比重が大きくかつ水の脱着を伴う可逆反応を行うことによって蓄熱または放熱しうる蓄熱材８として、塩化カルシウムを用いた蓄熱材８が貯留されている。供給路２３は、蓄熱槽２１内に蓄熱槽２１の下側部分から水を供給するように構成されている。放熱工程の際に、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に、水の供給を終了する。【選択図】図１
2009019866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相状態で水よりも比重が大きくかつ水の脱着を伴う可逆反応を行うことによって蓄熱または放熱しうる蓄熱材を、蓄熱開始時には固相状態で、放熱開始時には固液共存状態または液相状態で貯留する蓄熱槽を有する蓄熱器と、
水蒸気を凝縮させかつ凝縮した水を貯蔵する凝縮器と、
蓄熱工程の際に前記蓄熱槽内の蓄熱材が加熱されることによって生じる水蒸気を前記凝縮器に導く還流路と、
放熱工程の際に前記凝縮器内の水を前記蓄熱槽内に当該蓄熱槽の下側部分から供給する供給路と、
を備えた化学蓄熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載の化学蓄熱装置において、
放熱工程の際に、前記供給路から供給された水が前記蓄熱槽内を上昇して前記蓄熱材の界面に達する前に、前記供給路からの水の供給が停止される化学蓄熱装置。
【請求項３】
請求項１に記載の化学蓄熱装置において、
放熱工程の際に、前記供給路から供給された水によって前記蓄熱槽内に前記蓄熱材の界面にまで達する上下方向に延びる水の筋ができる前に、前記供給路からの水の供給が停止される化学蓄熱装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の化学蓄熱装置において、
前記蓄熱槽は、前記供給路からの水を前記蓄熱槽内に導入するための複数の孔が形成された底板を備えている化学蓄熱装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の化学蓄熱装置において、
前記蓄熱材は、固相状態で塩化カルシウムの水和物である化学蓄熱装置。
【請求項６】
請求項２または３に記載の化学蓄熱装置において、
前記供給路に設けられた弁と、
前記供給路を流れる水の累積流量を計測する流量センサと、
前記流量センサで計測された累積流量が所定量以上になると前記弁を閉じるコントローラと、
をさらに備えた化学蓄熱装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の化学蓄熱装置において、
前記蓄熱槽に配置された熱交換部を有し、熱媒体が流通する第１熱媒体回路と、
前記凝縮器に配置された冷却部を有し、熱媒体が流通する第２熱媒体回路と、
をさらに備え、
蓄熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材を加熱し、前記冷却部に供給する熱媒体によって前記凝縮器内の水蒸気を凝縮させ、
放熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材から熱を吸収する化学蓄熱装置。
【請求項８】
請求項２に記載の化学蓄熱装置において、
前記蓄熱槽内を上昇する水の加速後の速度をｕ1、水の供給時間をｔ、蓄熱材の層厚を
ｈとしたときに、ｕ1×ｔ＜ｈを満たす化学蓄熱装置。
【請求項９】
請求項２に記載の化学蓄熱装置において、
水の噴出速度をｕ0、蓄熱材の密度をρ∞、水の密度をρ、重力加速度をｇ、蓄熱材の
層厚をｈ、水の供給時間をｔ、水の流量をＱ、蓄熱材と接する底板の面積をＡとしたときに、
【数２】
2009019866.tif 000005
を満たす化学蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応を利用した化学蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱エネルギーを蓄える蓄熱技術は、省エネルギー技術として有効である。また、近年、ＣＯ2ヒートポンプや燃料電池コージェネレーションシステムを利用した給湯
機器が注目されているが、これらの機器を小型化し、設置性の向上を図るために、高密度蓄熱技術の開発が待望されている。
【０００３】
蓄熱技術を大別すると、顕熱蓄熱技術、潜熱蓄熱技術、および化学蓄熱技術に分類される。さらに、化学蓄熱技術は、利用する化学反応によって、吸着系、水素貯蔵合金系、有機反応系、無機反応系などに細分化することができる。
【０００４】
従来の化学反応を利用した化学蓄熱装置として、吸着材を乾燥させることによって蓄熱を行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。この種の化学蓄熱装置においては、蓄熱材は以下の２種類の形態で利用される。第１の形態は、蓄熱材を利用して冷熱を得る形態であり、いわゆるデシカント空調と呼ばれる。この第１の形態では、吸着材層に空気を直接通過させ、その結果得られた乾燥空気に加湿することで、調湿冷気を得る。第２の形態は、蓄熱材を利用して温熱を得る形態である。この第２の形態では、吸着材層に加湿空気を直接通過させ、吸着材の水分吸着時に発生する吸着熱により、空気を加熱する。加熱された空気は高温となるので、例えばこの高温の空気を利用して水を加熱し、温水等を得ることができる。なお、この第２の形態では、蓄熱材（吸着材）は固体物であり、この蓄熱材に供給される水分は、水蒸気として供給される。
【０００５】
特許文献２には、固体の無機水和物（例えば塩化カルシウム２水和物）と水蒸気とが反応して固体の無機水和物（例えば塩化カルシウム６水和物）が生成される反応を利用した化学蓄熱技術が開示されている。また、特許文献２には、蓄熱時に発生する水蒸気が凝縮することによって生じる熱（凝縮熱）を、蓄熱の熱源であるヒートポンプに回収することが開示されている。ただし、この場合も、蓄熱材（無機水和物）は固体物であり、この蓄熱材に供給される水分は、水蒸気として供給される。
【０００６】
特許文献３には、固体のアルカリ土類金属酸化物に対して、液体としての水を供給し、密閉容器内でアルカリ土類金属酸化物と水とを反応させる化学発熱装置が開示されている。この装置では、蓄熱材（アルカリ土類金属酸化物）に供給される水分は、液体の水として供給されるが、蓄熱材は固体物である。
【特許文献１】特開２００１−２５５０８８号公報
【特許文献２】特公平７−６７０８号公報
【特許文献３】特開平８−３３７７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、蓄熱材として固体物を使用する場合、蓄熱材の内部に空隙が形成され、空隙の分だけ、単位容積当たりの蓄熱量が減ってしまうという課題がある。そこで、本願発明者は、蓄熱後の蓄熱材を固液共存状態または液相状態とし、放熱時にはその固液共存状態または液相状態の蓄熱材に対して液体の水を供給することを検討した。
【０００８】
ところが、固液共存状態または液相状態の蓄熱材に対して上方から水を散布することと
すると、蓄熱材の界面（液面）付近では反応が進むが、蓄熱材は通常は水よりも比重が大きなものであるために蓄熱材の界面よりも下側には水が十分に供給されず、反応が不十分となる。そのため、蓄熱材に蓄熱した熱が全て放出されずに十分な放熱量が得られにくいという課題がある。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固液共存状態または液相状態の蓄熱材に液体の水を供給する化学蓄熱装置において、放熱量の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る化学蓄熱装置は、液相状態で水よりも比重が大きくかつ水の脱着を伴う可逆反応を行うことによって蓄熱または放熱しうる蓄熱材を、蓄熱開始時には固相状態で、放熱開始時には固液共存状態または液相状態で貯留する蓄熱槽を有する蓄熱器と、水蒸気を凝縮させかつ凝縮した水を貯蔵する凝縮器と、蓄熱工程の際に前記蓄熱槽内の蓄熱材が加熱されることによって生じる水蒸気を前記凝縮器に導く還流路と、放熱工程の際に前記凝縮器内の水を前記蓄熱槽内に当該蓄熱槽の下側部分から供給する供給路と、を備えたものである。
【００１１】
前記化学蓄熱装置は、放熱工程の際に、前記供給路から供給された水が前記蓄熱槽内を上昇して前記蓄熱材の界面に達する前に、前記供給路からの水の供給が停止されるものであってもよい。
【００１２】
また、前記化学蓄熱装置は、放熱工程の際に、前記供給路から供給された水によって前記蓄熱槽内に前記蓄熱材の界面にまで達する上下方向に延びる水の筋ができる前に、前記供給路からの水の供給が停止されるものであってもよい。
【００１３】
前記蓄熱槽は、前記供給路からの水を前記蓄熱槽内に導入するための複数の孔が形成された底板を備えていてもよい。
【００１４】
前記蓄熱材は、固相状態で塩化カルシウムの水和物であってもよい。
【００１５】
前記化学蓄熱装置は、前記供給路に設けられた弁と、前記供給路を流れる水の累積流量を計測する流量センサと、前記流量センサで計測された累積流量が所定量以上になると前記弁を閉じるコントローラと、をさらに備えていてもよい。
【００１６】
前記化学蓄熱装置は、前記蓄熱槽に配置された熱交換部を有し、熱媒体が流通する第１熱媒体回路と、前記凝縮器に配置された冷却部を有し、熱媒体が流通する第２熱媒体回路と、をさらに備え、蓄熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材を加熱し、前記冷却部に供給する熱媒体によって前記凝縮器内の水蒸気を凝縮させ、放熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材から熱を吸収するものであってもよい。
【００１７】
前記化学蓄熱装置は、前記蓄熱槽内を上昇する水の加速後の速度をｕ1、水の供給時間
をｔ、蓄熱材の層厚をｈとしたときに、ｕ1×ｔ＜ｈを満たすものであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、固液共存状態または液相状態の蓄熱材と液体の水とを比較的均等に混合させることができ、放熱量の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置５０の構成図である。化学蓄熱装置５０は、ヒートポンプ回路５３と第１熱媒体回路５１と第２熱媒体回路５２と蓄熱回路５４とを備えている。
【００２０】
ヒートポンプ回路５３は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮された冷媒を放熱させるガスクーラ３と、放熱後の冷媒を膨張させる膨張機構４と、膨張後の冷媒を蒸発させる蒸発器５とを備えている。ヒートポンプ回路５３に充填される冷媒の種類は特に限定されないが、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素が充填されている。本実施形態では、冷媒は圧縮機２によって超臨界状態にまで圧縮される。ガスクーラ３は、ヒートポンプ回路５３を循環する冷媒と第１熱媒体回路５１を循環する熱媒体とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。膨張機構４は、冷媒を膨張させるものであれば足り、例えば、膨張弁であってもよく、回転式の膨張機等であってもよい。蒸発器５は、ヒートポンプ回路５３を循環する冷媒と外気および第２熱媒体回路５２を循環する熱媒体とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。符号１は、蒸発器５に空気を供給する送風機を示している。
【００２１】
蓄熱回路５４は、蓄熱槽２１を有する蓄熱器９と、凝縮器１０と、蓄熱槽２１の上側部分と凝縮器１０の上側部分とをつなぐ還流路２２と、凝縮器１０の下側部分と蓄熱槽２１の下側部分とをつなぐ供給路２３とを備えている。
【００２２】
蓄熱槽２１は、断熱性に優れた密閉容器で構成されている。この蓄熱槽２１には、固体の状態だけでなく液体の状態でも水よりも比重の大きな蓄熱材８が貯留されている。本実施形態では、蓄熱材８として塩化カルシウムの水和物が採用されている。塩化カルシウムの水和物は、水が可逆的に脱着するものであり、水の脱離によって吸熱し、水との結合によって放熱する。蓄熱材８としては、水の脱離によって塩化カルシウム４水和物となり、さらに塩化カルシウム２水和物となる塩化カルシウム６水和物が特に好適である。
【００２３】
蓄熱材８は、水の脱離に伴う蓄熱（化学蓄熱）に加え、相変化に伴う蓄熱（潜熱蓄熱）を利用するものであってもよい。潜熱蓄熱を利用するために、蓄熱材８は、１００℃未満の温度で固相状態から液相状態または固液共存状態へと移行することが好ましい。より詳しくは、塩化カルシウム６水和物は、蓄熱前は、図４中に点Ａで示すように常温以下の温度では固相状態であるが、水を脱離させて塩化カルシウム４水和物へと移行させつつ蓄熱すると、蓄熱後は、図４中に点Ｂで示すように塩化カルシウム２水和物と塩化カルシウム水和物融液（塩化カルシウム水溶液）との混合状態（固液共存状態）となる。こうして、蓄熱材８は、顕熱蓄熱に加え、化学蓄熱および潜熱蓄熱により蓄熱する。この蓄熱の際の蓄熱材８の総質量に対する塩化カルシウムの質量の割合（ＣａＣｌ2質量濃度）は、蓄熱
開始時には約５０％であり、蓄熱後の放熱開始時には約６２％である。
【００２４】
なお、蓄熱材８は、図４中の点Ａと点Ｂの間で状態変化する必要はなく、例えば、蓄熱後の状態では塩化カルシウム水和物融液単体（液相状態）となり、放熱開始時のＣａＣｌ2質量濃度が約６０％となっていてもよい。また、蓄熱材８は、固相状態で塩化カルシウ
ム６水和物と塩化カルシウム４水和物との混合状態となっていてもよいし（蓄熱開始時のＣａＣｌ2質量濃度が例えば５５％程度）、あるいは蓄熱前に塩化カルシウム６水和物の
一部が水に溶解していてもよい。
【００２５】
凝縮器１０は、還流路２２を通じて蓄熱槽２１から戻ってくる水蒸気を凝縮させ、凝縮後の水を貯留する。本実施形態では、凝縮器１０はタンクからなっている。供給路２３には、ポンプ１２と、流量センサ１１と、電磁弁１３とが設けられている。なお、供給路２３の弁は、必ずしも電磁弁１３でなくてもよい。化学蓄熱装置５０には、流量センサ１１の計測値に基づいて電磁弁１３を制御するコントローラ３５が設けられている。
【００２６】
供給路２３は、蓄熱槽２１内に蓄熱槽２１の下側部分から水を供給する。ここで、蓄熱槽２１の下側部分とは、貯留されている固液共存状態または液相状態の蓄熱材８の上下方向中間位置よりも下側の部分のことであり、必ずしも蓄熱槽２１の底面に限られないが、本実施形態では、供給路２３は蓄熱槽２１の底面から水を供給するように構成されている。具体的には、図２に模式的に示すように、蓄熱槽２１の底板２５には、複数の孔２５ａが形成されている。供給路２３からの水は、これらの孔２５ａから蓄熱槽２１内に導入されるようになっている。すなわち、複数の孔２５ａは、蓄熱槽２１内に開口する供給路２３の供給口を構成している。複数の孔２５ａは、マトリクス状または千鳥状に規則的に配置されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。
【００２７】
詳細は後述するが、供給路２３は、供給した水が蓄熱槽２１内を上昇して蓄熱材８の界面（重力によって形成される水平面であって蓄熱槽２１内で空気と接する面）８ａに達する前に、水の供給を終了する。すなわち、供給路２３は、供給した水が蓄熱材８と十分に反応してから蓄熱材８の界面８ａに達するように水を供給する。供給路２３から供給する水の量が多かったり、供給速度が速すぎると、供給された水の一部は蓄熱材８と反応することなく界面８ａに達してしまう。その結果、図３の仮想図に示すように、蓄熱槽２１の内部には、界面８ａにまで達する上下方向に延びる水の筋３０ａが形成されてしまう。本実施形態では、供給路２３は、このような水の筋３０ａが形成されないように、水の筋３０ａができる前に水の供給を終了する。
【００２８】
本実施形態では、水の供給量および供給速度は、供給路２３を流れる水の流量と、蓄熱槽２１の孔２５ａの数および直径と、蓄熱材８の層厚とによって定まる。なお、孔２５ａの直径は均一であってもよく、不均一であってもよい。孔２５ａの直径が不均一である場合には、計算に際して孔２５ａの平均直径を用いればよい。孔２５ａの数および直径に関しては、例えば、
【数１】
2009019866.tif 000003
ｕ1：水の加速後の速度［ｍ／ｓ］  ｕ0：水の噴出速度［ｍ／ｓ］
ρ∞：蓄熱材密度［ｋｇ／ｍ3］  ρ：水の密度［ｋｇ／ｍ3］
ｇ：重力加速度［ｍ／ｓ2］  ｈ：蓄熱材の層厚［ｍ］
から求められる、浮力によって加速された後の水の速度ｕ1と、所定の供給量を供給する
時間ｔ（例えば３０ｓ）との積が、蓄熱材８の層厚ｈよりも小さくなるようにまず水の噴出速度ｕ0を決定し、これに基づいて孔２５ａの数および直径を決定すればよい。すなわ
ち、水の加速後の速度ｕ1［ｍ／ｓ］×供給時間ｔ［ｓ］＜蓄熱材層の層厚ｈ［ｍ］とい
う不等式が満たされるように水の噴出速度ｕ0並びに孔２５ａの数および直径を決定すれ
ば、理論上、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を終了することができる。水の噴出速度を決定する際の供給時間ｔとしては、仮の目標時間（例えば１８００ｓ）を使用すればよい。なお、実際には、種々の外乱もあり得るので、必ずしも上記不等式を満たさなくても、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を終了することができる場合もある。
【００２９】
なお、蓄熱材８の界面８ａに達する水の筋３０ａが形成されないようにするためには、上記の不等式から水の噴出速度ｕ0はできる限り遅い方が好ましいが、全ての孔２５ａか
らの噴出速度を同じにするという観点から、水の噴出速度ｕ0は２Ｑ／Ａ［ｍ／ｓ］（Ｑ
：水の流量［ｍ3／ｓ］、Ａ：底板２５の面積［ｍ2］）以上であることが好ましい。
【００３０】
以上をまとめると、水の噴出速度ｕ0の範囲は、次の式を満足すればよいことがわかる
。
【数２】
2009019866.tif 000004
【００３１】
第１熱媒体回路５１は、蓄熱工程の際には蓄熱材８に熱を供給し、放熱工程の際には蓄熱材８から熱を吸収する熱媒体が流れる回路である。本実施形態では、熱媒体として水が利用される。第１熱媒体回路５１は、第１循環ポンプ１４、第１の三方弁１６、第２の三方弁６、ガスクーラ３、第３の三方弁７、および第４の三方弁１７が順に環状に接続されてなる主回路５１ａを備えている。なお、第３の三方弁７と第４の三方弁１７との間には、蓄熱槽２１内に配置された熱交換部２０が設けられている。なお、熱交換部２０は、蓄熱槽２１内の蓄熱材８と熱交換するものであればよく、必ずしも蓄熱槽２１の内部に設けられている必要はない。熱交換部２０は、蓄熱槽２１の外部から蓄熱槽２１を加熱または冷却するものであってもよい。また、第１熱媒体回路５１は、第２の三方弁６から主回路５１ａに水を導入する導入回路５１ｂと、第３の三方弁７から主回路５１ａの水を導出する導出回路５１ｃと、を備えている。導入回路５１ｂには、主回路５１ａに向かって水を搬送するポンプ１５が設けられている。また、第１熱媒体回路５１には、第１の三方弁１６と第４の三方弁１７とをつなぐ通路５１ｄが設けられている。
【００３２】
第２熱媒体回路５２は、蓄熱工程の際に凝縮器１０内の水蒸気を冷却する熱媒体が循環する回路である。本実施形態では、熱媒体として水が利用される。第２熱媒体回路５２には、第２循環ポンプ１８と、凝縮器１０内に配置された冷却部２４と、蒸発器５とが順に環状に接続されている。なお、冷却部２４は、凝縮器１０内の水蒸気を冷却するものであれば足り、必ずしも凝縮器１０の内部に配置されている必要はない。冷却部２４は凝縮器１０の外部に設置されていてもよい。
【００３３】
次に、化学蓄熱装置５０の動作について説明する。
【００３４】
まず、図５を参照しながら、蓄熱工程について説明する。蓄熱工程では、ヒートポンプ回路５３を熱源として、蓄熱材８に熱を蓄える。
【００３５】
ヒートポンプ回路５３では、圧縮機２から吐出された冷媒がガスクーラ３で放熱し、放熱後の冷媒は膨張機構４で膨張する。膨張後の冷媒は、蒸発器５で蒸発し、圧縮機２に戻る。
【００３６】
第１熱媒体回路５１では、第１循環ポンプ１４が運転を行い、ポンプ１５は運転を停止する。第１循環ポンプ１４から吐出された水は、第１の三方弁１６、第２の三方弁６を順に通過し、ガスクーラ３において加熱される。加熱された水（例えば８０℃程度の水）は、第３の三方弁７を通過した後、熱交換部２０において、蓄熱材８に放熱する。放熱後の水は、第４の三方弁１７を通過し、第１循環ポンプ１４に戻る。
【００３７】
第２熱媒体回路５２では、蒸発器５で冷却された水が第２循環ポンプ１８を通過し、凝縮器１０の冷却部２４に供給される。冷却部２４に供給された水は、凝縮器１０内の水蒸気を冷却し、水蒸気を凝縮させる。冷却部２４を流出した水は、再び蒸発器５で冷却され、上述の動作を繰り返す。
【００３８】
蓄熱回路５４では、ポンプ１２は運転を行わず、電磁弁１３は閉止される。蓄熱器９においては、熱交換部２０を流れる温水によって、蓄熱材８が加熱される。その結果、蓄熱槽２１内の塩化カルシウム６水和物（蓄熱材）が吸熱することにより塩化カルシウム４水
和物となり、蓄熱材８から水分が水蒸気として放出される。蓄熱槽２１内で発生した水蒸気は、還流路２２を通って凝縮器１０に供給され、ここで冷却部２４によって冷却されて凝縮する。凝縮した水は、凝縮器１０に溜められる。そして、還流路２２に設けられた図略の弁によって蓄熱槽２１から凝縮器１０への水蒸気の移送量が規制されることにより、蓄熱材８は最終的に塩化カルシウム２水和物と塩化カルシウム水和物融液との混合状態（固液共存状態）となる。なお、還流路２２に真空ポンプを設けて蓄熱器９内を減圧することにより、蓄熱材８から水分を蒸発させ易くするようにしてもよい。
【００３９】
次に、図６を参照しながら、放熱工程について説明する。放熱工程は、蓄熱器９の蓄熱を利用して第１熱媒体回路５１の水を加熱し、その水を給湯等に利用する工程である。
【００４０】
放熱工程では、ヒートポンプ回路５３および第２熱媒体回路５２は運転を行わない。
【００４１】
蓄熱回路５４では、電磁弁１３が開放され、ポンプ１２が駆動する。凝縮器１０内の水は供給路２３から蓄熱槽２１に供給される。その結果、蓄熱槽２１の底部から水が供給される。供給された水は、蓄熱材８よりも密度が低いので、蓄熱材８との間の密度差によって上昇する。その結果、供給された水は、蓄熱材８と反応しながら、蓄熱槽２１内を上昇していく。このとき、蓄熱材８に含まれる塩化カルシウムと水との水和反応により反応熱が得られる。蓄熱槽２１内を上昇する水は、上昇に伴って渦を生成する場合があり、その場合、蓄熱材８はこの渦によって攪拌され、水に対してより一層均質に混合しやすくなる。
【００４２】
凝縮器１０から蓄熱槽２１に供給される水の累積流量は、流量センサ１１によって計測される。本実施形態では、予め定めた所定量の水が供給される、すなわち流量センサ１１で計測された累積流量が所定量以上になると、コントローラ３５によって電磁弁１３が閉じられ、蓄熱槽２１に対する水の供給が停止される。なお、ここで「所定量」とは、前述したように、供給された水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を終了するような量であり、例えば、供給された水が蓄熱材８の界面８ａに達する量よりも若干少ない量等である。言い換えると、この「所定量」は、蓄熱槽２１内において水の筋３０ａが形成されない程度の量である。この「所定量」は、予めシミュレーション等で設定してもよく、実験等によって設定してもよい。
【００４３】
第１熱媒体回路５１では、第１循環ポンプ１４は運転を停止し、導入回路５１ｂのポンプ１５が駆動する。第１熱媒体回路５１では、ポンプ１５から供給された水は、第２の三方弁６、第１の三方弁１６、通路５１ｄ、第４の三方弁１７をこの順に通過し、蓄熱槽２１内の熱交換部２０に流入する。熱交換部２０に流入した水は、蓄熱材８によって加熱され、温水（例えば９５℃程度の温水）となる。この温水は、熱交換部２０を流出してから第３の三方弁７を通過し、導出回路５１ｃに導かれ、その後、給湯水等として利用される。一方、蓄熱材８は、熱交換部２０で水と熱交換することにより冷却され、これにより固相状態の塩化カルシウム６水和物へと戻る。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係る化学蓄熱装置５０によれば、水よりも比重の大きな固液共存状態の蓄熱材８を貯留する蓄熱槽２１に対して、当該蓄熱槽２１の下側部分から水を供給することとした。そのため、供給された水は、蓄熱材８と反応しながら蓄熱槽２１内を上昇していくので、蓄熱槽２１内において水と蓄熱材８とが比較的均一に混ざり合う。したがって、蓄熱材８の界面８ａに対して上方から水を散布する方法と異なり、水と蓄熱材８とを良好に反応させることができ、放熱量の向上を図ることができる。
【００４５】
図７（ａ）は、蓄熱槽２１に塩化カルシウム４水和物を加熱して得た蓄熱材８（融液と塩化カルシウム２水和物の固液共存状態）を貯留しておき、蓄熱槽２１の下側部分から水
を供給したときの蓄熱材８の温度変化を示す図である。一方、図７（ｂ）は、蓄熱槽２１に塩化カルシウム４水和物を加熱して得た蓄熱材８（融液と塩化カルシウム２水和物の固液共存状態）を貯留しておき、上方から水を散布したときの蓄熱材８の温度変化を示す図である。どちらの場合も、給水によって蓄熱材８の温度が上昇し、その後、蓄熱材８が熱交換部２０によって冷却されることにより、温度が低下している。しかし、図７（ａ）および（ｂ）を見比べると明らかなように、蓄熱槽２１の下側部分から水を供給した場合の方が、温度上昇は大きくなり、その分所定温度までの温度低下に時間がかかるようになって放熱時間を長くすることができる。
【００４６】
特に、本実施形態によれば、放熱工程において、蓄熱槽２１の下側部分に供給された水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に、水の供給を終了することとした。本実施形態によれば、蓄熱材８の内部に、界面８ａにまで達する上下方向に延びる水の筋３０ａができることを防止することができる。したがって、供給した水が蓄熱材８と反応しないまま蓄熱材８の界面８ａよりも上方に移動することを防ぐことができ、水と蓄熱材８とを効率的に反応させることができる。すなわち、供給した水が界面８ａに達するまでに、水と蓄熱材８とを十分に反応させることができる。そのため、より一層の放熱量の向上を図ることができる。
【００４７】
図８は、水の供給速度（噴出速度）を変化させたときの蓄熱材８の塩化カルシウム６水和物への転化率の経時変化を示すグラフである。図８から分かるように、水の供給を終了した時点で水が界面８ａに到達していない場合の方が、界面８ａに到達している場合に比べて、転化率が大きい。
【００４８】
本実施形態では、蓄熱槽２１の底板２５に複数の孔２５ａを形成し、これらの孔２５ａから水を供給することとした。そのため、蓄熱材８の下側から水を比較的均一に供給することができる。また、複数の孔２５ａが形成された底板２５を有するという比較的簡単な構成により、蓄熱槽２１の下側部分に水を供給する好適な手段を実現することができる。
【００４９】
本実施形態では、供給路２３を流れる水の累積流量を計測し、その累積流量に基づいて水の供給を停止することとした。すなわち、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達するか否かを供給路２３の水の累積流量に基づいて推定し、水が界面８ａに達する前に水の供給を停止することとした。したがって、水の供給停止の時期を比較的正確かつ簡単に知ることができ、比較的簡単な方法によって、水の供給を停止することができる。
【００５０】
本実施形態に係る化学蓄熱装置５０は、蓄熱回路５４の他に、蓄熱槽２１に配置された熱交換部２０を有する第１熱媒体回路５１と、凝縮器１０に配置された冷却部２４を有する第２熱媒体回路５２とを備えている。そのため、蓄熱回路５４を好適に利用する優れた化学蓄熱装置５０を得ることができる。
【００５１】
《変形例》
なお、前記実施形態では、ヒートポンプ回路５３における冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒は二酸化炭素に限定される訳ではない。冷媒として、例えばフロン系の冷媒を用いることも可能である。また、前記実施形態では、第１熱媒体回路５１および第２熱媒体回路５２の熱媒体として水を用いているが、水以外の熱媒体、例えば不凍液、熱媒油等を用いてもよい。熱媒体は、液体に限らず、気体であってもよい。
【００５２】
また、前記実施形態では、蓄熱材８として塩化カルシウムの水和物を使用しているが、蓄熱材８の材料はこれに限定される訳ではない。すなわち、本発明の蓄熱材は、蓄熱開始時に固相状態となり、放熱開始時に固液共存状態または液相状態となるものであればよく、相対湿度に対する吸水量の差が大きい他の材料系のものも好適に利用することができる
。例えば、蓄熱材８は、臭化カリウム６水和物等であってもよい。ただし、蓄熱材８が塩化カルシウムの水和物であれば、安価に大量に入手できるため、製造コストを低減できる。
【００５３】
蓄熱槽２１内に蓄熱槽２１の下側部分から水を供給する構成は、前記実施形態のように複数の孔２５ａが形成された底板２５に限定されない。また、蓄熱槽２１の下側部分とは、必ずしも蓄熱槽２１の底面に限らず、底面から若干上方の部分であってもよい。例えば、図９に示すように、複数の孔２６ａが形成された管２６を、底板２５の上方に配置するようにしてもよい。この場合、管２６は底板２５に接触するように配置してもよいが、底板２５から若干上方に離間させて配置するようにしてもよい。この変形例では、蓄熱槽２１内の蓄熱材８に対して、管２６の孔２６ａから水が供給される。
【００５４】
前記実施形態では、蓄熱槽２１に供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達したか否かを、供給路２３を流れる水の流量に基づいて推定するが、他の手法を用いて推定するようにしてもよい。
【００５５】
例えば、上記推定を水の供給時間に基づいて行うようにしてもよい。例えば、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を停止するように、水の供給開始時から所定時間が経過すると電磁弁１３を閉じるようにしてもよい。
【００５６】
また、蓄熱材８と水との反応が進むと、蓄熱材８の温度が変化する。そこで、上記推定を蓄熱材８の温度に基づいて行うようにしてもよい。例えば、蓄熱材８の温度を計測する温度センサを設けておき、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を停止するように、蓄熱材８の温度が所定温度になると電磁弁１３を閉じるようにしてもよい。
【００５７】
また、蓄熱材８と水との反応が進むと、蓄熱材８の界面８ａの位置が変化する。そこで、上記推定を蓄熱材８の界面８ａの位置に基づいて行うようにしてもよい。例えば、蓄熱槽２１に蓄熱材８の界面８ａの位置を検出する液面センサを設けておき、供給した水が蓄熱材８の界面８ａに達する前に水の供給を停止するように、界面８ａの位置が所定位置になると電磁弁１３を閉じるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、例えば冷凍、空調、給湯等の各種分野において利用可能な化学蓄熱装置について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置の全体構成図
【図２】蓄熱槽の底板の斜視図
【図３】蓄熱槽内の水の挙動を説明するための仮想的な概念図
【図４】蓄熱材の変化を表す相図
【図５】蓄熱工程時の化学蓄熱装置の全体構成図
【図６】放熱工程時の化学蓄熱装置の全体構成図
【図７】（ａ）は蓄熱材の下側から水を供給したときの蓄熱材の温度変化を示すグラフ、（ｂ）は蓄熱材の上方から水を散布したときの蓄熱材の温度変化を示すグラフ
【図８】蓄熱材の転化率の経時変化を示すグラフ
【図９】変形例に係る蓄熱槽の下側部分の斜視図
【符号の説明】
【００６０】
８      蓄熱材
８ａ    蓄熱材の界面
９      蓄熱器
１０    凝縮器
１１    流量センサ
１３    電磁弁
２０    熱交換部
２１    蓄熱槽
２２    還流路
２３    供給路
２４    冷却部
２５    底板
２５ａ  孔
３５    コントローラ
５０    化学蓄熱装置
５１    第１熱媒体回路
５２    第２熱媒体回路
５３    ヒートポンプ回路
５４    蓄熱回路
【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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