ケミカルヒートポンプ及びそれを用いたハイブリッド冷凍システム
【課題】冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプ及びこれを用いたケミカルヒートポンプ冷凍システムを提供する。
【解決手段】第一の手段として、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプであって、蒸発凝縮部内に、アルコールを含む水溶液を収容する。また、第二の手段として、圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたハイブリッド冷凍システムであって、ケミカルヒートポンプの蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容する。
【解決手段】第一の手段として、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプであって、蒸発凝縮部内に、アルコールを含む水溶液を収容する。また、第二の手段として、圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたハイブリッド冷凍システムであって、ケミカルヒートポンプの蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルヒートポンプ及びそれを用いたハイブリッド冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
食品等の保存等を行うことのできる冷凍装置は日々の生活において非常に重要な装置である。冷凍装置は、保存室内における熱を奪い、この熱を外部に捨てることで保存室内の保存対象物を冷凍することができる。冷凍装置として現時点で実用化されているものとしては、圧縮式冷凍装置や吸収式冷凍機および吸着式冷凍機がある。いずれも食品等の保存等を達成するために、低温で冷却できることは共通している。
このなかで圧縮式冷凍装置は車両エンジン動力等により冷媒を機械的に圧縮しその膨張過程で熱を奪い、この熱を外部に捨てることで保存室内を０度以下にすることができる。
【０００３】
しかしながら吸収式冷凍機や吸着式冷凍機は、作動流体として水を用い、この作動流体を用いて吸収や吸着操作により保存室内の熱を奪い、保存室外部で熱を放出させることで冷凍を行おうとしているが、０度以下の低温の場合、作動流体が凍ってしまうため、この凍結防止を図らなければならない。
【０００４】
上記の課題に対し、例えば、下記特許文献１及び２には、吸収式冷凍機において、蒸発器内における冷媒液内に凝固点降下剤を混入させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８１１８８号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで近年、ケミカルヒートポンプといった技術が提案されている。ケミカルヒートポンプとは、化学反応において放熱する、又は、吸熱する熱を用いて熱の移動を行うことのできるヒートポンプであって、作動媒体における単位質量当たりのエネルギー量が高く、しかもこのエネルギー量を物質の形で蓄えることができるといった利点がある。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載の技術は、いわゆる吸収式冷凍機に関する技術であって、そのまま他の冷凍機に適用できるものではない。具体的には、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機は物質における吸収を用いる（物質自体の変化が生じない）冷凍機である一方、上記ケミカルヒートポンプは吸収ではなく化学反応そのものを用いている（物質自体の変化が生じる）ため、作動原理がそもそも異なり、吸熱及び放熱機構においてどのような影響を及ぼすのか分からず、ケミカルヒートポンプへの適用についてはなされていない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプ及びこれを用いたケミカルヒートポンプ冷凍システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行なったところ、ケミカルヒートポンプシステムの蒸発凝縮部において、溶液にアルコールを添加剤として含ませることで、反応を阻害することなく、物体を冷凍することができる点を発見し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の一観点に係るケミカルヒートポンプは、反応部及び蒸発凝縮部を有し、蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容していることを特徴の一つとする。
【００１１】
また、本発明の他の一観点に係るハイブリッド冷凍システムは、圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたものであって、ケミカルヒートポンプの蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容していることを特徴の一つとする。
【発明の効果】
【００１２】
以上、本発明は、冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプ及びこれを用いたハイブリッド冷凍システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るケミカルヒートポンプの構成の概略を示す図である。
【図２】実施形態に係るケミカルヒートポンプの動作の原理を説明するための図である。
【図３】実施形態のケミカルヒートポンプを応用した冷凍車の構成の概略を示す図である。
【図４】実施形態のケミカルヒートポンプを応用した冷凍車の構成の概略を示す図である。
【図５】実施例に係るケミカルヒートポンプの放熱水和過程における蒸発凝縮器内の温度変化を示す図である。
【図６】実施例に係るケミカルヒートポンプの放熱水和過程における反応器内の冷熱回収量の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。
【００１５】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ（以下「本ケミカルヒートポンプ」という。）１の構成概略を示す図である。
【００１６】
これらの図で示すように、本ケミカルヒートポンプ１は、反応部１１と、蒸発凝縮部１２と、反応部１１と蒸発凝縮部１２とを接続する反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３と、反応部１１に配置されケミカルヒートポンプ外部との熱の交換を行なう反応部側熱交換部１４と、蒸発凝縮部１２に配置されケミカルヒートポンプ外部との熱の交換を行なう蒸発凝縮部側熱交換部１５と、を有している。なお、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３には、反応部１１と蒸発凝縮部１２との間の接続（開閉）を制御する制御バルブが設けられている。
【００１７】
（反応部）
また本ケミカルヒートポンプ１の反応部１１は、内部に化学蓄熱材を収容しており、反応部側熱交換部１４から供給される熱を用いて化学蓄熱材に化学反応を起こし、この熱の少なくとも一部を、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３を介して蒸発凝縮部１２に移動させ、ケミカルヒートポンプ内に蓄えさせることができるものである。なお反応部１１は、限定されるわけではないが、化学蓄熱材を収容する反応器１１１を有して構成されていることが好ましい。反応器１１１の数は、一つであってもよいが複数であっても良い。本実施形態では説明を簡単にするため単一の反応器１１１を用いた例で説明する。
【００１８】
本実施形態における反応部１１に収納される化学蓄熱材は、全体の反応において水を用いるものである限り限定されるわけではないが、例えば、下記式（１）又は（２）で示される物質を用いることが好ましい。なお下記式においてＭはカルシウム、マグネシウム、ナトリウム等の金属又はその化合物を意味し、ｍは整数を意味する。
【数１】
【数２】
【００１９】
なお上記式（１）の化学蓄熱材を用いる場合、化学反応は下記式（１−１）で示される反応が起こり、上記式（２）の化学蓄熱材を用いる場合、下記式（２−１）で示される反応が起こる。
【数３】
【数４】
【００２０】
即ち、上記式（１）、（２）で示される化学蓄熱材に対し熱を与えると、水が分離し、この分離した水を、熱移動のための媒体として用いることができる。逆に、上記式（１）又は（２）におけるＭを水と反応させることで蒸発凝縮部の水の冷却に利用することができる。
【００２１】
なお、上記反応を行なうことができる限りにおいて化学蓄熱材は限定されるわけではないが、具体的にはＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２のような水和物の少なくともいずれかを含んでいることが好ましい。なおＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏの場合、限定されるわけではないがＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ、ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏの少なくともいずれかを上げることができ、またＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏの場合も、限定されるわけではないがＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣａＣｌ２・３Ｈ２Ｏの少なくともいずれかを上げることができる。ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏを用いた場合の例を下記式（１−１−１）に、Ｃａ（ＯＨ）２を用いた場合の例を下記式（２−１−１）にそれぞれ示しておく。
【数５】
【数６】
【００２２】
（蒸発凝縮部）
また、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の蒸発凝縮部１２は、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３を介して反応部１１に接続されており、反応部１１が発生させた熱を外部に放出（供給）したり、外部から熱を吸収したりすることのできるものである。限定されるわけではないが上記（１）又は（２）の化学蓄熱材を用いて上記（１−１）又は（１−２）の反応を利用する場合、下記（３−１）の式で示す反応を利用することができる。即ち下記式の場合、反応部１１により供給される蒸気を凝縮することで放熱することが可能となり、蒸発凝縮部１２において水を蒸発させることで周囲から熱を吸収することができる。
【数７】
【００２３】
また、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の蒸発凝縮部１２の内部には、水のほか、アルコールを含んでいる。一般に、化学反応において添加剤を加える場合、意図する化学反応に対し当然に影響を及ぼす可能性があるため十分に検討しなければならないところ、本発明者らは、上記化学反応を用いるケミカルヒートポンプにおいては、アルコールを加えた場合であっても上記反応が殆ど影響を受けず、０℃以下になっても水溶液が凍ることなく行なわれることを発見した。また本実施形態においてアルコールは、上記機能を奏する限りにおいて限定されるわけではないが、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンの少なくともいずれかであれば、反応器内の化学蓄熱材に影響を殆ど与えることなく更に好適に用いることができる。
【００２４】
また、本実施形態において、水溶液はアルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲内で含むことが好ましく、より好ましくは３５重量％以上５５重量％以下、更に好ましくは４０重量％以上５５重量％以下の範囲内である。１重量％以上とすることで０℃以下に冷却を図ることができ、３５重量％以上とすることで凍結点を−２０℃以下にすることができ、４０重量％以上とすることで凍結点を−２５℃以下にすることができるといった効果がある一方、５５重量％以下とすることで、凍結点をほぼ最下点に確保することができる一方、蒸発器内における増大を防止する、更には蒸発器内の液の粘度の不必要な増大を防止することができるといった効果がある。なお本実施形態、特に上記式のような可逆的な化学反応において水和物が生ずる場合、添加剤の濃度は化学反応の進捗状況により大きく異なる可能性がある。したがって、ここでいう「溶液の濃度」とは、反応器内における化学蓄熱材中に含まれる水の重量をも含んで計算するものとする。
【００２５】
また本実施形態に係る蒸発凝縮部１２は、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、凝縮器１２１と、蒸発器１２２と、凝縮器１２１と蒸発器１２２とを接続する凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３を有して構成されていることが好ましい。本実施形態では説明のため、凝縮器１２１と蒸発器１２２を用いた例で説明する。なお、この場合において、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３には凝縮器１２１と蒸発器１２２の接続（開閉）を制御する制御バルブ１２３１が設けられている。
【００２６】
本実施形態において凝縮器１２１は、反応器１１１と反応器−凝縮器接続パイプ１３１を介して接続され、反応器１１が発生させた蒸気を内部で液体の状態に凝縮させることができるものである。凝縮器１２１の構成については、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、周知の構成を採用することができる。なお、蒸気が液体に凝縮される際には熱が発生するが、この熱は蒸発凝縮部１２の内側又は外側に配置される蒸発凝縮部側熱交換部１５、より具体的には凝縮器側熱交換器１５１を介して排出される。また本実施形態において、反応器−凝縮器接続パイプ１３１には、経路の開閉を制御する制御バルブ１３１１が設けられており、この経路の接続を制御することができる。
【００２７】
また本実施形態において、蒸発器１２２は、反応器１１１と反応部−蒸発器接続パイプ１３２を介して接続され、内部の液体を蒸発させ、蒸気を反応器１１１に供給することができるものである。蒸発器１２２の構成については、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、周知の構成を採用することができる。なお、この蒸発の際、水は凝縮蒸発部１２内側又は外側に配置された蒸発凝縮部側熱交換部１５、より具体的には蒸発器側熱交換器１５２によって供給される熱を利用する。この結果、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは周囲を冷却する（冷熱を提供する）ことができる。
【００２８】
また上記の通り本実施形態に係る反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３は、反応部１１と蒸発凝縮部１２とを接続するパイプであり、上記の例では、反応器１１１と凝縮器１２１を接続する反応器−凝縮器接続パイプ１３１と、反応器１１１と蒸発器１２２とを接続する反応器−蒸発器接続パイプ１３２と、を有して構成されている。また、反応器−凝縮器接続パイプ１３１、及び反応器１１１と反応器−蒸発器接続パイプ１３２には、経路の接続を制御する接続バルブ１３１１、１３１２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
（反応部側熱交換部）
また本実施形態において、反応部側熱交換部１４は、熱を反応部１１に供給することのできるものであって、限定されるわけではないが、具体的には熱交換器を用いることができる。なお反応部側熱交換部１４は、ケミカルヒートポンプ外部にある高温側熱源（図省略）に接続されており、この高温側熱源の熱を反応部１１に供給することができる。
【００３０】
（蒸発凝縮部側熱交換部）
本実施形態における蒸発凝縮部側熱交換部１５は、蒸発凝縮部と外部とが熱交換を行うことができるよう設置されるものである。本実施形態に係る蒸発凝縮部側熱交換部１５は、具体的には凝縮器側熱交換器１５１と、蒸発器側熱交換器１５２と、を有して構成されている。
【００３１】
本実施形態の例において、凝縮器側熱交換器１５１は、低温の熱を凝縮器１２１に供給すること、及び、凝縮器１２１の外に高温の熱を排出することの少なくともいずれかを行なうことができるものである。このようにすることで、反応器１１１から導入された蒸気を水に変えることができる。
【００３２】
また本実施形態の例において、蒸発器側熱交換器は、高温の熱を蒸発器１２２に供給すること、及び、蒸発器１２２の外に低温の熱を供給すること、の少なくともいずれかを行なうことができるものである。このようにすることで、凝縮器１２１から導入された水を再び蒸気に変えることができ、その際に必要とされる蒸発熱を外部から吸収すること（冷熱を供給する）でケミカルヒートポンプの外部を冷却することができる。
【００３３】
（動作説明）
ここで、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の動作について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１が、外部（具体的には高温側熱源）からの熱を反応部１１から吸収し、蒸発凝縮部１２から排出する状態を示す図であり、図２（Ｂ）は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１が、外部からの熱を蒸発凝縮部１２から吸収し、反応部１１から排出する状態を示す図である。
【００３４】
図２（Ａ）の状態においては、高温側熱源から高温の熱が供給される、具体的には反応部側熱交換部１４を介して高温の熱が供給されるため、この供給された熱ＱＨにより、反応器内で下記化学反応が起こり、蒸気が発生する。発生した蒸気は、凝縮器１２１に反応器−凝縮器接続パイプ１３１を介して導入される。すなわちこの状態において反応器−凝縮器接続パイプ１３１は開いた状態であり、逆に反応器−蒸発器接続パイプ１３２は閉じた状態である。
【数８】
【００３５】
そして、凝縮器１２１に導入された蒸気は、低温側熱源からの低温の熱を利用して凝縮され、又は、熱を凝縮器１２１外に排出して液化する。なお反応式は下記式となる。
【数９】
【００３６】
なおこの場合において、液体は、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３を介して凝縮器１２１から蒸発器１２２に導入される。この場合、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３の制御バルブ１２３１は開いた状態となっている。
【００３７】
一方、図２（Ｂ）の状態においては、凝縮器１２１において凝縮された水を、外部からの熱を用いて再び蒸発させて蒸気とする。具体的には下記式の変化を起こさせる。
【数１０】
【００３８】
そして蒸気は、反応器−蒸発器接続パイプ１３２を介して反応器１１１に導入される。この場合、反応器−蒸発器接続パイプ１３２に設けられる制御バルブ１３２１は開いた状態となっている。なお、反応器１１１に導入された蒸気は、下記式に示す反応を起こし、熱ＱＨを放出する。
【数１１】
【００３９】
即ち、この一連の流れにより、本実施形態にかかるケミカルヒートポンプ１は外部を冷却することができる。具体的には、蒸発器が水を蒸発させて蒸気にする際、蒸発器側熱交換器から蒸発熱を吸収することで、その熱の分だけ外部を冷却することができるのである。
【００４０】
一般に、反応式（４）の反応において水が蒸発すると蒸発器１２２内の温度は低下し、それにともない蒸発圧力がしだいに低下し、反器内の圧力が低下し、反応器１１１の反応式（５）の速度も低下してしまうが、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、蒸発凝縮部においてアルコールを含む水溶液としているため、蒸発凝縮部に水のみが存在する場合とは異なった凍結メカニズムにより、水単体では凍結して水蒸気圧力が殆どない温度域においても水蒸気圧力を維持することが可能となり、反応式（５）が低圧下の状況であっても反応を進めることができる。更に、このアルコール水溶液から蒸発するアルコール成分は、本来必要とされる水蒸気の反応を阻害するような悪影響を殆ど与えることがないため、良好な反応を維持することができるといった利点も有している。
【００４１】
以上、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、冷凍機に応用することのできるものとなる。
【００４２】
（冷凍車への応用例）
ここで、本実施形態に係るケミカルヒートポンプを用いた冷凍車の例について説明する。図３は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプを用いた冷凍車の概略を示す図であり、図４は、より詳細な冷凍車の構成の概略を示す図である。本冷凍車は、ケミカルヒートポンプと圧縮式冷凍装置とを組み合わせたケミカルヒートポンプシステムを用いたものであり、いわゆるハイブリッドな冷凍システムである。
【００４３】
図３、４で示すとおり、本ハイブリッド冷凍車ＨＦは、自動車として必須であるエンジン、タイヤ等のほか、上記ケミカルヒートポンプ１と、圧縮式冷凍装置ＣＦと、冷却対象となるコンテナＣＮと、を有して構成されている。
【００４４】
ケミカルヒートポンプ１は、上記したケミカルヒートポンプと同様の構成を有しているが、反応器側熱交換器１４１は、エンジン又はエンジンの排気管９近傍の熱を反応器１１１に供給するよう、パイプ１４１１及びエンジン側熱交換器１４１２に接続され、作動流体を介して熱の移動を可能としている。また、蒸発器側熱交換器１５２も、冷却対象となるコンテナＣＮから熱の供給を受ける（冷熱を供給する）ため、パイプ１５２１及びコンテナ側熱交換器１５２２に接続され、作動流体を介して熱の移動を可能としている。更に、凝縮器側熱交換器１５１も、反応器１１１からの蒸気を水に戻すための低温の熱の供給を受けるために、圧縮式冷凍装置ＣＦの作動流体の流路の一部（蒸発器ＣＦ４と圧縮式冷凍機ＣＦ１の間のパイプの一部）の経路が接続されている。
【００４５】
本応用例における圧縮式冷凍装置ＣＦは、冷媒に圧縮、膨張を施すことで冷熱を提供することができる装置である。圧縮式冷凍装置ＣＦの構成については、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、圧縮式冷凍機ＣＦ１と、凝縮器ＣＦ２と、減圧器（膨張弁）ＣＦ３と、蒸発器ＣＦ４と、これらを循環するよう接続する圧縮式冷凍装置用パイプＣＦ５と、を有して順次接続してなることが好ましい。このように配置することで、まず、圧縮式冷凍機ＣＦ１は作動流体を圧縮し、凝縮部ＣＦ２で作動流体を凝縮するとともに凝縮の再発生した熱を外部に排出する。そして減圧器ＣＦ３により減圧し、蒸発器ＣＦ４において作動流体を蒸発させる。この蒸発器ＣＦ４はコンテナＣＮ内に配置されているため、この作動流体の蒸発の際、コンテナから熱を奪うこととなり、コンテナＣＮを冷却することができる。なお、図３、４で示している通り、圧縮式冷凍装置用パイプＣＦ５の一部（蒸発器ＣＦ４と圧縮式冷凍機ＣＦ１の間のパイプの一部）は、ケミカルヒートポンプ１の凝縮器側熱交換器１５１に接続されており、未利用の低温の熱をケミカルヒートポンプ１の凝縮器１２１に提供することができる。
【００４６】
また図３、４から明らかなように、本ハイブリッド冷凍車において、コンテナＣＮは、食品等の冷凍保存対象物を入れることができるものであって、断熱材によって覆われた空間であり、コンテナＣＮには、上記の通り、コンテナ内部から熱を奪うためのコンテナ側熱交換器１５２２、圧縮式冷凍装置ＣＦの蒸発器ＣＦ４が配置されている。
【００４７】
即ち、本図で示すように、本ハイブリッド冷凍車は、反応器において化学蓄熱材における反応を促進するためにエンジンの排熱の利用をすることができるとともに、反応器における反応により生じた蒸気を凝縮するために圧縮式冷凍装置の未利用低温の熱を有効に活用することができる。更に、凝縮した水を再び蒸気に戻すためにコンテナＣＮ内から熱を奪うことで、コンテナ内をより効率よく冷却することができるといった効果がある。
【００４８】
以上、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、冷凍車に応用することができる。また本ハイブリッド冷凍車におけるケミカルヒートポンプは、エンジンの排熱、圧縮式冷凍装置の未利用冷熱を利用することで更に効率が良くなるといった利点がある。
【実施例】
【００４９】
ここで、上記実施形態に関し、実際にケミカルヒートポンプの例を作製し、その効果を確認した。以下説明する。
【００５０】
まず、ＳＵＳ３０４で形成された反応器（２００ｍｍ×３６８ｍｍ×７０ｍｍ）に、硫酸カルシウム（粒径７１０〜１０００μｍ）を２４００ｇ充填した。一方、ＳＵＳ３１６で形成された蒸発凝縮器（８０ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍ）に蒸留水３５０ｇ（３５０ｃｃ）とエチレングリコール３８８ｇ（３５０ｃｃ、比重１．１０８８ｇ／ｃｃ）からなる水溶液を充填した。なお、反応器と蒸発凝縮器は、制御バルブを配置したパイプによって接続した。また、蒸発凝縮器にはガラス窓を設け、容器内の状態が見えるようにした。
【００５１】
（蓄熱脱水過程）
硫酸カルシウム及び水溶液を充填した後、反応器及び蒸発凝縮器を恒温油槽に浸した状態で一定時間浸し、一定温度になった後、反応器内は反応器内温度における平衡圧力まで別途接続した減圧ポンプにて減圧し、蒸発凝縮器も別途接続した減圧ポンプにより飽和水蒸気圧まで減圧した。
【００５２】
その後、反応器を再び恒温油槽に浸して４２３Ｋまで上昇させて制御バルブを開き、反応器内で、下記式で示される反応を促進させ、蓄熱脱水させた。なお反応が十分進んだ後、制御バルブを閉じた。
【数１２】
【００５３】
（放熱水和過程）
【００５４】
そして、上記反応を十分に行なわせた後、制御バルブを閉じ、恒温油槽の温度を２９３Ｋに設定し、再び制御バルブを開き、下記反応を促進させた。反応が十分進んだ後、制御バルブを閉じた。なおこの場合において、蒸発凝縮器も恒温油槽に浸したが、その温度は、様々な温度（２７８Ｋ，２７３Ｋ，２６８Ｋ，２６３Ｋ，２５８Ｋ）に設定し、それぞれの温度においてこの反応を行なわせた。
【数１３】
【００５５】
上記放熱水和過程における蒸発凝縮器内の温度変化を、図５に示す。この結果、２７８Ｋ〜２５８Ｋのいずれの温度においても、温度の低下即ち冷熱の生成が確認できた。これは０℃以下の温度、特に−１５℃と純水の凝固点よりも１５℃以上低い場合であっても凍ることなく良好に反応が起こっていることを示しており、確かに蒸発凝縮器のガラス窓から確認した場合であっても、水溶液は凍らず良好な液体状態を保っていることが確認できた。
【００５６】
また、今度は上記とは逆に、蒸発凝縮器の温度を２７８Ｋの一定に保ち、反応器の温度を３０３Ｋ、３１３Ｋ、３２３Ｋと変化させた場合の冷熱回収量の経時変化を測定した。この結果を図６に示す。この結果、いずれの温度領域においても冷熱の回収熱量に大きな差は見られず、１００％水和反応熱量の３６０ｋＪに近い熱量を回収できたことが分かり、安定的な冷熱回収を確認した。
【００５７】
以上、本実施例により、十分冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプであることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、ケミカルヒートポンプとして、更にはこれを用いた冷凍車として、産業上利用可能性がある。
【符号の説明】
【００５９】
１…ケミカルヒートポンプ、１１…反応部、１２…蒸発凝縮部、１３…反応部−蒸発凝縮部連結パイプ、１４…反応部側熱交換部、１５…蒸発凝縮部側熱交換部、ＣＦ…圧縮式冷凍装置、ＣＮ…コンテナ、ＨＦ…ハイブリッド冷凍車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルヒートポンプ及びそれを用いたハイブリッド冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
食品等の保存等を行うことのできる冷凍装置は日々の生活において非常に重要な装置である。冷凍装置は、保存室内における熱を奪い、この熱を外部に捨てることで保存室内の保存対象物を冷凍することができる。冷凍装置として現時点で実用化されているものとしては、圧縮式冷凍装置や吸収式冷凍機および吸着式冷凍機がある。いずれも食品等の保存等を達成するために、低温で冷却できることは共通している。
このなかで圧縮式冷凍装置は車両エンジン動力等により冷媒を機械的に圧縮しその膨張過程で熱を奪い、この熱を外部に捨てることで保存室内を０度以下にすることができる。
【０００３】
しかしながら吸収式冷凍機や吸着式冷凍機は、作動流体として水を用い、この作動流体を用いて吸収や吸着操作により保存室内の熱を奪い、保存室外部で熱を放出させることで冷凍を行おうとしているが、０度以下の低温の場合、作動流体が凍ってしまうため、この凍結防止を図らなければならない。
【０００４】
上記の課題に対し、例えば、下記特許文献１及び２には、吸収式冷凍機において、蒸発器内における冷媒液内に凝固点降下剤を混入させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８１１８８号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで近年、ケミカルヒートポンプといった技術が提案されている。ケミカルヒートポンプとは、化学反応において放熱する、又は、吸熱する熱を用いて熱の移動を行うことのできるヒートポンプであって、作動媒体における単位質量当たりのエネルギー量が高く、しかもこのエネルギー量を物質の形で蓄えることができるといった利点がある。
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載の技術は、いわゆる吸収式冷凍機に関する技術であって、そのまま他の冷凍機に適用できるものではない。具体的には、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機は物質における吸収を用いる（物質自体の変化が生じない）冷凍機である一方、上記ケミカルヒートポンプは吸収ではなく化学反応そのものを用いている（物質自体の変化が生じる）ため、作動原理がそもそも異なり、吸熱及び放熱機構においてどのような影響を及ぼすのか分からず、ケミカルヒートポンプへの適用についてはなされていない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプ及びこれを用いたケミカルヒートポンプ冷凍システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行なったところ、ケミカルヒートポンプシステムの蒸発凝縮部において、溶液にアルコールを添加剤として含ませることで、反応を阻害することなく、物体を冷凍することができる点を発見し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の一観点に係るケミカルヒートポンプは、反応部及び蒸発凝縮部を有し、蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容していることを特徴の一つとする。
【００１１】
また、本発明の他の一観点に係るハイブリッド冷凍システムは、圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたものであって、ケミカルヒートポンプの蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容していることを特徴の一つとする。
【発明の効果】
【００１２】
以上、本発明は、冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプ及びこれを用いたハイブリッド冷凍システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係るケミカルヒートポンプの構成の概略を示す図である。
【図２】実施形態に係るケミカルヒートポンプの動作の原理を説明するための図である。
【図３】実施形態のケミカルヒートポンプを応用した冷凍車の構成の概略を示す図である。
【図４】実施形態のケミカルヒートポンプを応用した冷凍車の構成の概略を示す図である。
【図５】実施例に係るケミカルヒートポンプの放熱水和過程における蒸発凝縮器内の温度変化を示す図である。
【図６】実施例に係るケミカルヒートポンプの放熱水和過程における反応器内の冷熱回収量の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示に限定されるものではない。
【００１５】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ（以下「本ケミカルヒートポンプ」という。）１の構成概略を示す図である。
【００１６】
これらの図で示すように、本ケミカルヒートポンプ１は、反応部１１と、蒸発凝縮部１２と、反応部１１と蒸発凝縮部１２とを接続する反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３と、反応部１１に配置されケミカルヒートポンプ外部との熱の交換を行なう反応部側熱交換部１４と、蒸発凝縮部１２に配置されケミカルヒートポンプ外部との熱の交換を行なう蒸発凝縮部側熱交換部１５と、を有している。なお、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３には、反応部１１と蒸発凝縮部１２との間の接続（開閉）を制御する制御バルブが設けられている。
【００１７】
（反応部）
また本ケミカルヒートポンプ１の反応部１１は、内部に化学蓄熱材を収容しており、反応部側熱交換部１４から供給される熱を用いて化学蓄熱材に化学反応を起こし、この熱の少なくとも一部を、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３を介して蒸発凝縮部１２に移動させ、ケミカルヒートポンプ内に蓄えさせることができるものである。なお反応部１１は、限定されるわけではないが、化学蓄熱材を収容する反応器１１１を有して構成されていることが好ましい。反応器１１１の数は、一つであってもよいが複数であっても良い。本実施形態では説明を簡単にするため単一の反応器１１１を用いた例で説明する。
【００１８】
本実施形態における反応部１１に収納される化学蓄熱材は、全体の反応において水を用いるものである限り限定されるわけではないが、例えば、下記式（１）又は（２）で示される物質を用いることが好ましい。なお下記式においてＭはカルシウム、マグネシウム、ナトリウム等の金属又はその化合物を意味し、ｍは整数を意味する。
【数１】
【数２】
【００１９】
なお上記式（１）の化学蓄熱材を用いる場合、化学反応は下記式（１−１）で示される反応が起こり、上記式（２）の化学蓄熱材を用いる場合、下記式（２−１）で示される反応が起こる。
【数３】
【数４】
【００２０】
即ち、上記式（１）、（２）で示される化学蓄熱材に対し熱を与えると、水が分離し、この分離した水を、熱移動のための媒体として用いることができる。逆に、上記式（１）又は（２）におけるＭを水と反応させることで蒸発凝縮部の水の冷却に利用することができる。
【００２１】
なお、上記反応を行なうことができる限りにおいて化学蓄熱材は限定されるわけではないが、具体的にはＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２のような水和物の少なくともいずれかを含んでいることが好ましい。なおＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏの場合、限定されるわけではないがＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ、ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏの少なくともいずれかを上げることができ、またＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏの場合も、限定されるわけではないがＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、ＣａＣｌ２・３Ｈ２Ｏの少なくともいずれかを上げることができる。ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏを用いた場合の例を下記式（１−１−１）に、Ｃａ（ＯＨ）２を用いた場合の例を下記式（２−１−１）にそれぞれ示しておく。
【数５】
【数６】
【００２２】
（蒸発凝縮部）
また、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の蒸発凝縮部１２は、反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３を介して反応部１１に接続されており、反応部１１が発生させた熱を外部に放出（供給）したり、外部から熱を吸収したりすることのできるものである。限定されるわけではないが上記（１）又は（２）の化学蓄熱材を用いて上記（１−１）又は（１−２）の反応を利用する場合、下記（３−１）の式で示す反応を利用することができる。即ち下記式の場合、反応部１１により供給される蒸気を凝縮することで放熱することが可能となり、蒸発凝縮部１２において水を蒸発させることで周囲から熱を吸収することができる。
【数７】
【００２３】
また、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の蒸発凝縮部１２の内部には、水のほか、アルコールを含んでいる。一般に、化学反応において添加剤を加える場合、意図する化学反応に対し当然に影響を及ぼす可能性があるため十分に検討しなければならないところ、本発明者らは、上記化学反応を用いるケミカルヒートポンプにおいては、アルコールを加えた場合であっても上記反応が殆ど影響を受けず、０℃以下になっても水溶液が凍ることなく行なわれることを発見した。また本実施形態においてアルコールは、上記機能を奏する限りにおいて限定されるわけではないが、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンの少なくともいずれかであれば、反応器内の化学蓄熱材に影響を殆ど与えることなく更に好適に用いることができる。
【００２４】
また、本実施形態において、水溶液はアルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲内で含むことが好ましく、より好ましくは３５重量％以上５５重量％以下、更に好ましくは４０重量％以上５５重量％以下の範囲内である。１重量％以上とすることで０℃以下に冷却を図ることができ、３５重量％以上とすることで凍結点を−２０℃以下にすることができ、４０重量％以上とすることで凍結点を−２５℃以下にすることができるといった効果がある一方、５５重量％以下とすることで、凍結点をほぼ最下点に確保することができる一方、蒸発器内における増大を防止する、更には蒸発器内の液の粘度の不必要な増大を防止することができるといった効果がある。なお本実施形態、特に上記式のような可逆的な化学反応において水和物が生ずる場合、添加剤の濃度は化学反応の進捗状況により大きく異なる可能性がある。したがって、ここでいう「溶液の濃度」とは、反応器内における化学蓄熱材中に含まれる水の重量をも含んで計算するものとする。
【００２５】
また本実施形態に係る蒸発凝縮部１２は、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、凝縮器１２１と、蒸発器１２２と、凝縮器１２１と蒸発器１２２とを接続する凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３を有して構成されていることが好ましい。本実施形態では説明のため、凝縮器１２１と蒸発器１２２を用いた例で説明する。なお、この場合において、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３には凝縮器１２１と蒸発器１２２の接続（開閉）を制御する制御バルブ１２３１が設けられている。
【００２６】
本実施形態において凝縮器１２１は、反応器１１１と反応器−凝縮器接続パイプ１３１を介して接続され、反応器１１が発生させた蒸気を内部で液体の状態に凝縮させることができるものである。凝縮器１２１の構成については、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、周知の構成を採用することができる。なお、蒸気が液体に凝縮される際には熱が発生するが、この熱は蒸発凝縮部１２の内側又は外側に配置される蒸発凝縮部側熱交換部１５、より具体的には凝縮器側熱交換器１５１を介して排出される。また本実施形態において、反応器−凝縮器接続パイプ１３１には、経路の開閉を制御する制御バルブ１３１１が設けられており、この経路の接続を制御することができる。
【００２７】
また本実施形態において、蒸発器１２２は、反応器１１１と反応部−蒸発器接続パイプ１３２を介して接続され、内部の液体を蒸発させ、蒸気を反応器１１１に供給することができるものである。蒸発器１２２の構成については、上記機能を奏する限りにおいて限定されず、周知の構成を採用することができる。なお、この蒸発の際、水は凝縮蒸発部１２内側又は外側に配置された蒸発凝縮部側熱交換部１５、より具体的には蒸発器側熱交換器１５２によって供給される熱を利用する。この結果、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは周囲を冷却する（冷熱を提供する）ことができる。
【００２８】
また上記の通り本実施形態に係る反応部−蒸発凝縮部接続パイプ１３は、反応部１１と蒸発凝縮部１２とを接続するパイプであり、上記の例では、反応器１１１と凝縮器１２１を接続する反応器−凝縮器接続パイプ１３１と、反応器１１１と蒸発器１２２とを接続する反応器−蒸発器接続パイプ１３２と、を有して構成されている。また、反応器−凝縮器接続パイプ１３１、及び反応器１１１と反応器−蒸発器接続パイプ１３２には、経路の接続を制御する接続バルブ１３１１、１３１２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
（反応部側熱交換部）
また本実施形態において、反応部側熱交換部１４は、熱を反応部１１に供給することのできるものであって、限定されるわけではないが、具体的には熱交換器を用いることができる。なお反応部側熱交換部１４は、ケミカルヒートポンプ外部にある高温側熱源（図省略）に接続されており、この高温側熱源の熱を反応部１１に供給することができる。
【００３０】
（蒸発凝縮部側熱交換部）
本実施形態における蒸発凝縮部側熱交換部１５は、蒸発凝縮部と外部とが熱交換を行うことができるよう設置されるものである。本実施形態に係る蒸発凝縮部側熱交換部１５は、具体的には凝縮器側熱交換器１５１と、蒸発器側熱交換器１５２と、を有して構成されている。
【００３１】
本実施形態の例において、凝縮器側熱交換器１５１は、低温の熱を凝縮器１２１に供給すること、及び、凝縮器１２１の外に高温の熱を排出することの少なくともいずれかを行なうことができるものである。このようにすることで、反応器１１１から導入された蒸気を水に変えることができる。
【００３２】
また本実施形態の例において、蒸発器側熱交換器は、高温の熱を蒸発器１２２に供給すること、及び、蒸発器１２２の外に低温の熱を供給すること、の少なくともいずれかを行なうことができるものである。このようにすることで、凝縮器１２１から導入された水を再び蒸気に変えることができ、その際に必要とされる蒸発熱を外部から吸収すること（冷熱を供給する）でケミカルヒートポンプの外部を冷却することができる。
【００３３】
（動作説明）
ここで、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１の動作について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１が、外部（具体的には高温側熱源）からの熱を反応部１１から吸収し、蒸発凝縮部１２から排出する状態を示す図であり、図２（Ｂ）は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプ１が、外部からの熱を蒸発凝縮部１２から吸収し、反応部１１から排出する状態を示す図である。
【００３４】
図２（Ａ）の状態においては、高温側熱源から高温の熱が供給される、具体的には反応部側熱交換部１４を介して高温の熱が供給されるため、この供給された熱ＱＨにより、反応器内で下記化学反応が起こり、蒸気が発生する。発生した蒸気は、凝縮器１２１に反応器−凝縮器接続パイプ１３１を介して導入される。すなわちこの状態において反応器−凝縮器接続パイプ１３１は開いた状態であり、逆に反応器−蒸発器接続パイプ１３２は閉じた状態である。
【数８】
【００３５】
そして、凝縮器１２１に導入された蒸気は、低温側熱源からの低温の熱を利用して凝縮され、又は、熱を凝縮器１２１外に排出して液化する。なお反応式は下記式となる。
【数９】
【００３６】
なおこの場合において、液体は、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３を介して凝縮器１２１から蒸発器１２２に導入される。この場合、凝縮器−蒸発器接続パイプ１２３の制御バルブ１２３１は開いた状態となっている。
【００３７】
一方、図２（Ｂ）の状態においては、凝縮器１２１において凝縮された水を、外部からの熱を用いて再び蒸発させて蒸気とする。具体的には下記式の変化を起こさせる。
【数１０】
【００３８】
そして蒸気は、反応器−蒸発器接続パイプ１３２を介して反応器１１１に導入される。この場合、反応器−蒸発器接続パイプ１３２に設けられる制御バルブ１３２１は開いた状態となっている。なお、反応器１１１に導入された蒸気は、下記式に示す反応を起こし、熱ＱＨを放出する。
【数１１】
【００３９】
即ち、この一連の流れにより、本実施形態にかかるケミカルヒートポンプ１は外部を冷却することができる。具体的には、蒸発器が水を蒸発させて蒸気にする際、蒸発器側熱交換器から蒸発熱を吸収することで、その熱の分だけ外部を冷却することができるのである。
【００４０】
一般に、反応式（４）の反応において水が蒸発すると蒸発器１２２内の温度は低下し、それにともない蒸発圧力がしだいに低下し、反器内の圧力が低下し、反応器１１１の反応式（５）の速度も低下してしまうが、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、蒸発凝縮部においてアルコールを含む水溶液としているため、蒸発凝縮部に水のみが存在する場合とは異なった凍結メカニズムにより、水単体では凍結して水蒸気圧力が殆どない温度域においても水蒸気圧力を維持することが可能となり、反応式（５）が低圧下の状況であっても反応を進めることができる。更に、このアルコール水溶液から蒸発するアルコール成分は、本来必要とされる水蒸気の反応を阻害するような悪影響を殆ど与えることがないため、良好な反応を維持することができるといった利点も有している。
【００４１】
以上、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、冷凍機に応用することのできるものとなる。
【００４２】
（冷凍車への応用例）
ここで、本実施形態に係るケミカルヒートポンプを用いた冷凍車の例について説明する。図３は、本実施形態に係るケミカルヒートポンプを用いた冷凍車の概略を示す図であり、図４は、より詳細な冷凍車の構成の概略を示す図である。本冷凍車は、ケミカルヒートポンプと圧縮式冷凍装置とを組み合わせたケミカルヒートポンプシステムを用いたものであり、いわゆるハイブリッドな冷凍システムである。
【００４３】
図３、４で示すとおり、本ハイブリッド冷凍車ＨＦは、自動車として必須であるエンジン、タイヤ等のほか、上記ケミカルヒートポンプ１と、圧縮式冷凍装置ＣＦと、冷却対象となるコンテナＣＮと、を有して構成されている。
【００４４】
ケミカルヒートポンプ１は、上記したケミカルヒートポンプと同様の構成を有しているが、反応器側熱交換器１４１は、エンジン又はエンジンの排気管９近傍の熱を反応器１１１に供給するよう、パイプ１４１１及びエンジン側熱交換器１４１２に接続され、作動流体を介して熱の移動を可能としている。また、蒸発器側熱交換器１５２も、冷却対象となるコンテナＣＮから熱の供給を受ける（冷熱を供給する）ため、パイプ１５２１及びコンテナ側熱交換器１５２２に接続され、作動流体を介して熱の移動を可能としている。更に、凝縮器側熱交換器１５１も、反応器１１１からの蒸気を水に戻すための低温の熱の供給を受けるために、圧縮式冷凍装置ＣＦの作動流体の流路の一部（蒸発器ＣＦ４と圧縮式冷凍機ＣＦ１の間のパイプの一部）の経路が接続されている。
【００４５】
本応用例における圧縮式冷凍装置ＣＦは、冷媒に圧縮、膨張を施すことで冷熱を提供することができる装置である。圧縮式冷凍装置ＣＦの構成については、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、圧縮式冷凍機ＣＦ１と、凝縮器ＣＦ２と、減圧器（膨張弁）ＣＦ３と、蒸発器ＣＦ４と、これらを循環するよう接続する圧縮式冷凍装置用パイプＣＦ５と、を有して順次接続してなることが好ましい。このように配置することで、まず、圧縮式冷凍機ＣＦ１は作動流体を圧縮し、凝縮部ＣＦ２で作動流体を凝縮するとともに凝縮の再発生した熱を外部に排出する。そして減圧器ＣＦ３により減圧し、蒸発器ＣＦ４において作動流体を蒸発させる。この蒸発器ＣＦ４はコンテナＣＮ内に配置されているため、この作動流体の蒸発の際、コンテナから熱を奪うこととなり、コンテナＣＮを冷却することができる。なお、図３、４で示している通り、圧縮式冷凍装置用パイプＣＦ５の一部（蒸発器ＣＦ４と圧縮式冷凍機ＣＦ１の間のパイプの一部）は、ケミカルヒートポンプ１の凝縮器側熱交換器１５１に接続されており、未利用の低温の熱をケミカルヒートポンプ１の凝縮器１２１に提供することができる。
【００４６】
また図３、４から明らかなように、本ハイブリッド冷凍車において、コンテナＣＮは、食品等の冷凍保存対象物を入れることができるものであって、断熱材によって覆われた空間であり、コンテナＣＮには、上記の通り、コンテナ内部から熱を奪うためのコンテナ側熱交換器１５２２、圧縮式冷凍装置ＣＦの蒸発器ＣＦ４が配置されている。
【００４７】
即ち、本図で示すように、本ハイブリッド冷凍車は、反応器において化学蓄熱材における反応を促進するためにエンジンの排熱の利用をすることができるとともに、反応器における反応により生じた蒸気を凝縮するために圧縮式冷凍装置の未利用低温の熱を有効に活用することができる。更に、凝縮した水を再び蒸気に戻すためにコンテナＣＮ内から熱を奪うことで、コンテナ内をより効率よく冷却することができるといった効果がある。
【００４８】
以上、本実施形態に係るケミカルヒートポンプは、冷凍車に応用することができる。また本ハイブリッド冷凍車におけるケミカルヒートポンプは、エンジンの排熱、圧縮式冷凍装置の未利用冷熱を利用することで更に効率が良くなるといった利点がある。
【実施例】
【００４９】
ここで、上記実施形態に関し、実際にケミカルヒートポンプの例を作製し、その効果を確認した。以下説明する。
【００５０】
まず、ＳＵＳ３０４で形成された反応器（２００ｍｍ×３６８ｍｍ×７０ｍｍ）に、硫酸カルシウム（粒径７１０〜１０００μｍ）を２４００ｇ充填した。一方、ＳＵＳ３１６で形成された蒸発凝縮器（８０ｍｍ×８０ｍｍ×２００ｍｍ）に蒸留水３５０ｇ（３５０ｃｃ）とエチレングリコール３８８ｇ（３５０ｃｃ、比重１．１０８８ｇ／ｃｃ）からなる水溶液を充填した。なお、反応器と蒸発凝縮器は、制御バルブを配置したパイプによって接続した。また、蒸発凝縮器にはガラス窓を設け、容器内の状態が見えるようにした。
【００５１】
（蓄熱脱水過程）
硫酸カルシウム及び水溶液を充填した後、反応器及び蒸発凝縮器を恒温油槽に浸した状態で一定時間浸し、一定温度になった後、反応器内は反応器内温度における平衡圧力まで別途接続した減圧ポンプにて減圧し、蒸発凝縮器も別途接続した減圧ポンプにより飽和水蒸気圧まで減圧した。
【００５２】
その後、反応器を再び恒温油槽に浸して４２３Ｋまで上昇させて制御バルブを開き、反応器内で、下記式で示される反応を促進させ、蓄熱脱水させた。なお反応が十分進んだ後、制御バルブを閉じた。
【数１２】
【００５３】
（放熱水和過程）
【００５４】
そして、上記反応を十分に行なわせた後、制御バルブを閉じ、恒温油槽の温度を２９３Ｋに設定し、再び制御バルブを開き、下記反応を促進させた。反応が十分進んだ後、制御バルブを閉じた。なおこの場合において、蒸発凝縮器も恒温油槽に浸したが、その温度は、様々な温度（２７８Ｋ，２７３Ｋ，２６８Ｋ，２６３Ｋ，２５８Ｋ）に設定し、それぞれの温度においてこの反応を行なわせた。
【数１３】
【００５５】
上記放熱水和過程における蒸発凝縮器内の温度変化を、図５に示す。この結果、２７８Ｋ〜２５８Ｋのいずれの温度においても、温度の低下即ち冷熱の生成が確認できた。これは０℃以下の温度、特に−１５℃と純水の凝固点よりも１５℃以上低い場合であっても凍ることなく良好に反応が起こっていることを示しており、確かに蒸発凝縮器のガラス窓から確認した場合であっても、水溶液は凍らず良好な液体状態を保っていることが確認できた。
【００５６】
また、今度は上記とは逆に、蒸発凝縮器の温度を２７８Ｋの一定に保ち、反応器の温度を３０３Ｋ、３１３Ｋ、３２３Ｋと変化させた場合の冷熱回収量の経時変化を測定した。この結果を図６に示す。この結果、いずれの温度領域においても冷熱の回収熱量に大きな差は見られず、１００％水和反応熱量の３６０ｋＪに近い熱量を回収できたことが分かり、安定的な冷熱回収を確認した。
【００５７】
以上、本実施例により、十分冷凍機に応用することのできるケミカルヒートポンプであることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、ケミカルヒートポンプとして、更にはこれを用いた冷凍車として、産業上利用可能性がある。
【符号の説明】
【００５９】
１…ケミカルヒートポンプ、１１…反応部、１２…蒸発凝縮部、１３…反応部−蒸発凝縮部連結パイプ、１４…反応部側熱交換部、１５…蒸発凝縮部側熱交換部、ＣＦ…圧縮式冷凍装置、ＣＮ…コンテナ、ＨＦ…ハイブリッド冷凍車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプであって、
前記蒸発凝縮部内に、アルコールを含む水溶液を収容するケミカルヒートポンプ。
【請求項２】
前記水溶液は、前記アルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲で含む請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項３】
前記アルコールとしてエチレングリコールを含む、請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項４】
前記反応部は、ＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２の少なくともいずれかを含む化学蓄熱材を収容する請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項５】
圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたハイブリッド冷凍システムであって、
前記ケミカルヒートポンプの前記蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容するハイブリッド冷凍システム。
【請求項６】
前記水溶液は、アルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲で含む請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【請求項７】
前記アルコールとしてエチレングリコールを含む、請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【請求項８】
前記反応部は、ＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２の少なくともいずれか含む化学蓄熱材を収容する請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【請求項１】
反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプであって、
前記蒸発凝縮部内に、アルコールを含む水溶液を収容するケミカルヒートポンプ。
【請求項２】
前記水溶液は、前記アルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲で含む請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項３】
前記アルコールとしてエチレングリコールを含む、請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項４】
前記反応部は、ＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２の少なくともいずれかを含む化学蓄熱材を収容する請求項１記載のケミカルヒートポンプ。
【請求項５】
圧縮式冷凍機、凝縮器、減圧器及び蒸発器を有する圧縮式冷凍システムと、反応部及び蒸発凝縮部を有するケミカルヒートポンプと、を組み合わせたハイブリッド冷凍システムであって、
前記ケミカルヒートポンプの前記蒸発凝縮部は、アルコールを含む水溶液を収容するハイブリッド冷凍システム。
【請求項６】
前記水溶液は、アルコールを１重量％以上５５重量％以下の範囲で含む請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【請求項７】
前記アルコールとしてエチレングリコールを含む、請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【請求項８】
前記反応部は、ＣａＳＯ４・ｘＨ２Ｏ、ＣａＣｌ２・ｙＨ２Ｏ、Ｃａ（ＯＨ）２の少なくともいずれか含む化学蓄熱材を収容する請求項５記載のハイブリッド冷凍システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１６３７３０（Ｐ２０１１−１６３７３０Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３０２０３（Ｐ２０１０−３０２０３）
【出願日】平成２２年２月１５日（２０１０．２．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年８月１６日 社団法人 化学工学会発行の「化学工学会 第４１回秋季大会 研究発表講演要旨集（ＣＤ）」に発表
【出願人】（３０４０２１８３１）国立大学法人 千葉大学 (601)
【出願人】（０００２１９２３３）東プレ株式会社 (91)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１５日（２０１０．２．１５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年８月１６日 社団法人 化学工学会発行の「化学工学会 第４１回秋季大会 研究発表講演要旨集（ＣＤ）」に発表
【出願人】（３０４０２１８３１）国立大学法人 千葉大学 (601)
【出願人】（０００２１９２３３）東プレ株式会社 (91)
【Ｆターム（参考）】
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