Vol.44

貯めた熱は時間が経てばやがて周囲に流れ環境温度に近づきます．したがって，省エネルギー推進の観点から排熱回収した熱は時間的に速やかに，また空間的に近い場所で利用することが好ましいです．しかし，時間や距離に囚われない利用が可能になれば従来よりも更にエネルギーを効率よく利用できます．今回は新たな排熱利用法である「蓄熱技術」についてご紹介します．

蓄熱技術を導入することによって直ちに利用できない熱を貯めておき，熱が不足する時間に補うことが可能になります．例えば熱設備の場合は運転停止後に炉内を冷却させます．このとき，熱はただ捨てられるだけです．もし，この熱を蓄熱できれば，次のスタート時の加熱補助に利用することができます．また，コージェネレーションシステムは発電と排熱回収を行うシステムですが，需要・季節・時間帯によって排熱過剰になります．この過剰な排熱を蓄熱できれば，電力負荷の平準化に利用することができます．表１に蓄熱技術の用途を示します．

表 1 蓄熱技術の用途

加熱設備

システムスタート時の加熱補助

潜熱蓄熱
化学蓄熱

自動車エンジンエンジンスタート時の燃焼室，触媒などの予熱

コージェネシステム

電力負荷平準化，システムスタート時の加熱補助

ヒートポンプ給湯機

稼働時の迅速温水供給

ガス給湯機

潜熱蓄熱
化学蓄熱

1）

潜熱蓄熱
化学蓄熱

2）

潜熱蓄熱
化学蓄熱
3）

太陽光，太陽熱，床暖房，積雪地帯道路の消融雪

顕熱蓄熱

風力，地熱，下水熱4）熱源を所有する工場では，高温排熱は工場内での利用が進んでいます．200℃以下の中低温の排熱は， 工場での熱利用が進まず，未利用のまま放出されている場合が多くあります．一方，我々が日常生活において空調や給湯の用途で必要とする温度域は低く，中低温排熱で十分にまかなうことが可能です．しかし，工場施設と熱需要施設とは立地が互いに離れているために，熱を輸送することができない場合があります 5）．
トランスヒートコンテナと呼ばれる蓄熱輸送システムでは排熱源から約 20km 圏内の熱需要施設へ供給を可能にします(図 2-1，2-2)．100℃程度の工場からの排熱を数百 kg の潜熱蓄熱材に蓄熱しま
す．熱交換には直接または間接接触がありますが，トランスヒートコンテナでは熱媒油を直接接触させることにより，高い効率の蓄熱・放熱を行っています 6)．

図 2-1 トランスヒートコンテナ 7）

図 2-2 トランスヒートシステム 6）

また，蓄熱には高い断熱性能が必要となります．熱の伝わり方は熱伝導・熱伝達・熱放射の 3 種類があります．熱伝達を完全に断熱する方法は真空層を利用します．熱放射は鏡面仕上げのアルミや銅などの金属により反射させます．熱伝導ですが，これを完全に除く方法は存在しません．しかし，材質や形状により熱抵抗を大きくすることで熱輸送を遅らせることはできます．こうした技術は魔法瓶に使われており，蓄熱材の入る蓄熱槽に真空層を用いれば長時間の蓄熱が実現します．

図 2-3 左:レキュペレータバーナ

右:真空断熱容器

弊社では蓄熱技術に真空層を活用するために高温に耐える工業用真空断熱容器の開発を進めています．図 2-3 は弊社開発のレキュペレータバーナを炉に付けて燃焼を行っている様子です．排気口に真空断熱容器を接続しています．排ガスが容器中を常に流れ，熱が連続で与えられている条件になります．本装置によって容器内温度 450℃に対して表面温度 50℃まで断熱ができました．容器の厚みは僅か 10mm です．非常に高い断熱性能を持ち，高温にも耐えることわかりました．今度は蓄熱体を入れて蓄熱槽としてどれだけ温度保持能力持つのか調査を行う予定です．

蓄熱方法は顕熱蓄熱，潜熱蓄熱，化学蓄熱の 3 種類に区別されます．

顕熱蓄熱材では蓄熱材の比熱と温度差を利用して蓄熱します．蓄熱材の種類と性質を表 2 に示します．材料が豊富であり，安価で応用範囲が広く，蓄放熱の繰り返しを安定して行うことができます．
一方，蓄熱材の蓄熱容量が小さいため，大きな質量または温度差が必要になります．そのため使用温度帯は環境温度±10℃程度と低くなります 6)．用途は床暖房などが主流です．

表 2 顕熱蓄熱材 8）※温度差 10K と仮定

コンクリート2300

0.88202420240

乾燥土壌17000.80160016000

水1000

4.18420042000

図 2-4 に潜熱蓄熱材として使われるパラフィンの凝固と融解の様子を示します．潜熱蓄熱は物質の相変化による融解熱と凝固熱，または蒸発熱と凝縮熱を利用して蓄熱します．例えば固体から液体，液体から固体への相変化で蓄熱と放熱を行います．その間は温度がほぼ一定になります．このことか
ら使用温度を超えない制御が重要となります．潜熱蓄熱材の特徴は顕熱蓄熱よりも小容量で大量の熱を蓄えることです．蓄熱可能な温度帯は最大で約 200℃程度です．エリスリトールはノンカロリーの甘味料で知られますが融点 119℃，融解熱 340kJ/kg と高融点，高蓄熱量の潜熱蓄熱材です(図 2-5)．

図 2-4 パラフィンの凝固と融解 9)

図 2-5 潜熱蓄熱材．左から酢酸ナトリウム三水和物，キシリトール，エリスリトール

化学蓄熱は物質の化学変化に伴う発熱・吸熱などの化学反応熱を利用した蓄熱システムです．すなわち，可逆化学反応を利用し熱エネルギーを化学エネルギーで貯蔵し，必要な時にその逆反応を起こして化学エネルギーを熱エネルギーに変換させ回収する方法です．熱化学反応，光化学反応，吸着反応，電気化学反応などが利用されます．特徴は潜熱蓄熱と比較して蓄熱可能な温度帯が広く，数倍の蓄熱量があります 1)5) ．このため蓄熱装置として小型高性能化するため様々な分野で期待されるシステムです．しかし，運用には蓄熱密度の他に，反応速度や可逆反応性， コストパフォーマンス，安全性などを考慮しなければならず実用課題が未だ多いシステムとなっています 10）．
化学蓄熱のシステムは熱を動力に変換することを考えた場合，高温の熱を取り出すケミカルヒートポンプとして運用できます．図 2-3 に酸化マグネシウム/水系を利用したケミカルヒートポンプの作動原理を示します．酸化マグネシウム（MgO）と水（H2O）が反応（水和反応）すると発熱反応し，水酸化マグネシウム（Mg（OH２））が生成します．Mg(OH)2 を加熱すると脱水反応が吸熱しながら進み MgO，H2O が再生します 11）．以下に，図中の番号に従って，熱放出・蓄熱・熱吸収の方法を説明します．

① 排熱を用いて水酸化マグネシウムの脱水反応にて貯蔵し（左方向の反応）．生成した水蒸気の凝縮熱が利用可能．
② 蓄熱．
③ 熱出力モードにて，必要時に酸化マグネシウム水和反応を行うことで発熱し熱出力．

図 2-6 酸化マグネシウム/水系

ケミカルヒートポンプ作動原理 11）

このケミカルヒートポンプの利点は酸化マグネシウムが熱力学的に可逆的な材料であること，資源として海水中から回収できること，安全であること，環境面で最適であることが挙げられます 12）．
また，蓄熱技術の利点である時間に囚われない熱利用が可能です．

蓄熱技術は工業炉にどのように使われるでしょうか．それも含め工業炉の理想像とは何なのでしょうか．

図 3 次世代型高効率工業炉概念図

次世代に対応した炉とは 100%の熱効率と，有害な燃焼生成物の排出ゼロを目指したものであると考えています．図３に次世代型高効率工業炉概念図を示します．以下に，図中の番号に従って，説明します．
① バーナには弊社で開発中のレキュペレータバーナを用い，排熱回収を行います．燃焼方式は以前ご紹介した高温空気燃焼により窒素酸化物と未燃燃料の排出を極力ゼロにします．
② 炉内が十分に昇温した場合は温度維持に優れたヒータに切り替えます．被加熱物に当たらない輻射
熱は耐熱鏡により反射させます 13).
③ 炉の放散熱は蓄熱材に蓄熱されます．熱は蓄熱材に張り巡らされた熱媒体により熱輸送され，熱交換器で空気の予熱に用いられます．
④ 蓄熱材からの熱伝導は真空断熱によりほとんどを断熱します．真空断熱により防ぎきれなかった熱は熱電変換モジュールにて電気に変換します．
⑤ 排ガス熱は熱交換器にて空気の予熱に使用されます．

弊社はこのような理想を求め，可能性のある所から要素開発を進めています．

［参考文献］
1)

タイガー魔法瓶㈱ [online]http://www.tiger.jp/b2b/oem_butsuryu01.html

2)

Pratt & Whitney Power Systems [online]http://www.pwps.com/3)㈱コロナ [online]http://www.corona.co.jp/eco/lineup/index.html#e01

4)

福日機電㈱ [online]http://www.fukunichi.co.jp/cases/machine/entry-13.html

5)

劉 稙秀（2012）「エリスリトール／マンニトール混合潜熱蓄熱材の蓄・放熱挙動に関する研究」, p.1-2, 岡山大学大学院.

6)

化学工学会 SCE・Net 編「熱とエネルギーを科学する 公益社団法人」,p.178-194,東京電機大学出版局

7)

三機工業㈱ [online]http://www.sanki.co.jp/product/thc/mechanism/

8)

住化プラスチック㈱ [online]http://www.sumikapla.co.jp/yukadanbo/ideabox/idea_handbook0302.html

9)

三菱広報委員会(2012) [online]https://www.mitsubishi.com/mpac/j/monthly/saizensen/saizensen54.html

10)

デンソーテクニカルレビューVol.19(2014) [online]https://www.denso.co.jp/ja/aboutdenso/technology/dtr/v19/files/18.pdf

11)

東京工業大学 加藤之貴研究室 [online]http://www.nr.titech.ac.jp/~yukitaka/activity/MgO.html

12)

マグネシア・ミュー(2010) [online]http://www.tateho.co.jp/myu/documents/2909-12.pdf

13)

日本電気硝子株式会社(2010) [online]http://www.neg.co.jp/assets/file/rd/archive/rd_96-p055.pdf