ヒートポンプシステム
【課題】 従来の限界を超えて伝熱効率を向上させた、固気混相流によるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】 受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステム。
【解決手段】 受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱媒体として固気混相流を用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に開示されているように、伝熱媒体として固気混相流を利用したヒートポンプが提案されている。伝熱媒体として液相を用いたヒートポンプに比べて大幅に軽量化できるという利点がある。伝熱媒体として気相のみを用いると、配管内壁に気相の不動層が形成され、伝熱媒体の輸送が妨げられ伝熱効率が低下する。固気混相流は、気相中に固相（主として粒子）を混合することにより、配管内壁の不動層を撹乱・破壊することができる。そのため、より多くの伝熱媒体を輸送でき、かつ固相自体も熱容量を持つため、気相のみのヒートポンプに比べて格段に伝熱効率が高い。
【０００３】
しかしながら、例えば自動車搭載用途のような設置空間が小さい場合には、確保できるシステム体格が限られるため、更に高い伝熱効率が求められる。
【０００４】
固気混相流を利用したヒートポンプシステムにおける熱輸送は、伝熱媒体である気相と固相の顕熱に基づいており、媒体の単位体積当たり輸送できるエネルギー密度は小さい。前出の特許文献１等には、熱効率を高めるための種々の工夫がなされているが、いずれも、内部に装入する熱交換器の形状を改良したり、固相粒子による混合撹乱作用を改良するものが主であり、伝熱効率の向上に限界があった。
【０００５】
一方、液相と固相を組み合わせて利用したヒートポンプシステムとして、特許文献２には反応熱を繰り返し得る化学発熱装置が開示されている。固相としてアルカリ土類金属酸化物を充填した反応器に液相として水を循環させ、水和反応による発熱を利用する。固相である酸化物は循環せず、液相である水のみが循環する。循環する伝熱媒体が液相のみであり、気相と固相との混相流を伝熱媒体として循環させるヒートポンプシステムとは構成も作用効果も全く異なる。
【０００６】
また、特許文献３には、固相である水素吸蔵合金と気相である水素を組み合わせたヒートポンプを利用した加熱・冷却システムが開示されている。しかし、ヒートポンプ自体の構成については何ら具体的な説明がなく、固気混相流によるヒートポンプシステムについては全く示唆するところがない。
【０００７】
【特許文献１】特許第２６９０１７２号
【特許文献２】特開平７−１８０５３９号公報
【特許文献３】特開昭６３−２８０８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の限界を超えて伝熱効率を向上させた、固気混相流によるヒートポンプ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】
上記の目的を達成するために、受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、伝熱媒体の顕熱に加えて、伝熱媒体の構成成分である気体Ａ、固体Ｂ、固体Ｃの上記反応による反応熱ΔＨ（潜熱）をも利用するので、顕熱のみによる従来技術に比べて輸送熱量を格段に増加させることができ、従来の限界を超えて伝熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
〔実施形態１〕
図１に、本発明によるヒートポンプシステムの基本構成を示す。図示したヒートポンプシステム１００は、受熱部１０と放熱部１２とが循環経路１４によって連結されており、循環経路１４内を伝熱媒体１６が受熱部１０から放熱部１２へ矢印Ｘのように流れ、放熱部１２から受熱部１０へ矢印Ｙのように流れて、全体として時計回りに循環している。
【００１２】
伝熱媒体１６は、反応式：Ａ＋Ｂ⇔Ｃ＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成る固気混相流である。
【００１３】
受熱部１０では吸熱ΔＨを伴う反応式左向きの吸熱反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解する。その結果、実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路１４を受熱部１０から放熱部１２へ矢印Ｘのように進行する。
【００１４】
放熱部１２では発熱ΔＨを伴う反応式右向きの発熱反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなる。その結果、実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路１４を放熱部１２から受熱部１０へ矢印Ｙのように進行する。
【００１５】
ここで「実質的に」とした意味は下記のとおりである。
【００１６】
すなわち、反応式の両辺にあるＣとＡ＋Ｂとの存在比Ｒは、反応の平衡定数によって決まる０≦Ｒ≦１の範囲にある。したがって、Ｒ＝０やＲ＝１すなわちＣのみが存在する状態やＡ＋Ｂのみが存在する状態だけでなく、０＜Ｒ＜１すなわちＡ、Ｂ、Ｃが全て存在する状態も含んでいる。ただし実用的には、Ｒ≒０やＲ≒１すなわち「実質的に」Ｃのみの状態や「実質的に」Ａ＋Ｂのみの状態になるように、受熱部１０、放熱部１２の使用温度とＡ、Ｂ、Ｃの反応物質との組合せを適宜選定してシステムを稼動させる。
【００１７】
ヒートポンプシステム１００の始動に際しては、駆動ポンプ１８により伝熱媒体１６の時計回りの循環を開始させる。始動前の状態では、受熱部１０に入った伝熱媒体１６は熱Ｑ１を付与されて、Ｃ＋ΔＨ⇒Ａ＋Ｂの吸熱反応により、実質的に気体Ａ＋固体Ｂ＋搬送気体Ｇから成る固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕となる。受熱部１０から出た伝熱媒体１６はＸ方向の固気混相流として放熱部１２に向かう。放熱部１２に入った伝熱媒体１６はＡ＋Ｂ⇒Ｃ＋ΔＨの発熱反応により熱Ｑ２を放出し、実質的に固体Ｃ＋搬送気体Ｇから成る固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕となる。以下、同様のプロセスを繰り返して伝熱媒体１６が受熱部１０と放熱部１２との間を循環して、受熱部１０から放熱部１２へ熱輸送する。１００×｛１−（Ｑ１−Ｑ２）／Ｑ１｝が伝熱効率（％）となる。
【００１８】
このように本発明のヒートポンプシステム１００においては、伝熱媒体１６の顕熱に加えて反応熱ΔＨをも熱輸送するので、顕熱のみが熱輸送される従来のヒートポンプシステムに比べて格段に伝熱効率が向上する。
【００１９】
表１に、本発明に用いる固気反応系：Ａ＋Ｂ⇔Ｃ＋ΔＨの選択例を示す。反応類型は表中に分類を示した。反応類型や個々の反応系は表１に示したものに限定する必要はない。
【００２０】
なお、表１の反応式の欄には、Ｃ（ｓ）⇔Ｂ（ｓ）＋Ａ（ｇ）の形で示してある。
【００２１】
表１に示した個々の反応系は、（１）受熱部１０の温度域が反応温度と重なるか、（２）反応熱ΔＨは大きいか、を考慮して選択した。
【００２２】
分解反応でＨ２Ｏが生成する反応系の場合には、循環経路１４の少なくとも内壁面について特に耐食性を考慮することが望ましい。
【００２３】
【表１】
【００２４】
本発明に用いる搬送気体（キャリアガス）Ｇは、本発明の固気混相流の反応に関与せずそれ自体も反応しない安定なガスが適している。このように不活性なガスとしては、窒素ガスが性質およびコストの両面から望ましい。
【００２５】
図１に示したヒートポンプシステム１００は例えば下記の構成とすることができる。
【００２６】
＜ヒートポンプシステム１００の具体例＞
受熱部１０：５００℃、ラジェータ形状
放熱部１２：室温（０〜３０℃）、ラジェータ形状
循環経路１４：配管材質 ＳＵＳ３１０ステンレス鋼
配管内圧力 ０．１ＭＰａ
固気反応系：ＭｇＨ２（ｓ）⇔Ｍｇ（ｓ）＋Ｈ２（ｇ）
〔 Ｃ（ｓ） ⇔Ｂ（ｓ）＋Ａ（ｇ）〕
気体：反応性気体Ａ Ｈ２
搬送気体Ｇ Ｎ２
Ｎ２：Ｈ２＝８：２（モル比）
固体：固相Ｂ Ｍｇ粒子５００ｇ、粒径５０ｎｍ
【００２７】
本発明のヒートポンプシステム１００は、任意に逆止弁２０を用いて有利な作動を行なうことが可能である。すなわち、伝熱媒体１６の循環が定常状態に達したら、循環経路１４内の圧力差を利用することにより、駆動ポンプ１８による駆動なしに、または駆動を軽減して、循環を継続することができる。
【００２８】
循環経路１４内の伝熱媒体１６の圧力は、Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）の反応式において、気体Ａが存在する左辺の組成の場合すなわち受熱部１０から放熱部１２に向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕（図中の上半分）で相対的に高く、気体が存在しない右辺の組成の場合すなわち放熱部１２から受熱部に向かうＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕（図中の下半分）で相対的に低い。このように、伝熱媒体１６は、Ｘ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕がＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕より相対的に圧力が高い。
【００２９】
このように圧力差が存在する状況下において、図１に示すように循環経路１４の途中に逆止弁２０を挿入して、時計回りの流れのみを可能とする。そして、駆動ポンプ１８を例えば開放状態（自由流通状態）にすると、高圧の〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕（図の上半分）から低圧の〔Ｃ＋Ｇ〕（図の下半分）へ時計回りに循環が継続する。
【００３０】
逆止弁２０は、図１の例では受熱部１０から放熱部１２へ向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の途中に挿入したが、この位置に限定する必要はなく、循環経路１４のどの位置でもよく、複数個配設しても良い。
【００３１】
逆止弁２０は、上記のように圧力差を利用する場合には必要であるが、そうでなければ必要ない。
【００３２】
〔実施形態２〕
本発明の固気反応系：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨにおいて、固相Ｂの粒径は１０ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましい。
【００３３】
＜望ましい粒径の上限を２０ｎｍとする理由＞
図２に、粒子径と比表面積との関係の一例としてＰｄ粒子の場合を示す。
【００３４】
このように、粒径が２０ｎｍを超える粒子は比表面積が１００ｍ２／ｇ未満であるため、反応速度が小さい。そのため、循環流が受熱部・放熱部を通過する時間内に反応完了しない未反応の割合が大きくなり、その分だけ反応熱ΔＨが小さくなる。その結果、ヒートポンプシステムとしての伝熱性能が低下する。
【００３５】
＜望ましい粒径の下限を１０ｎｍとする理由＞
固相Ｂの粒子の粒径が１０ｎｍ未満になると、サイズ効果により比熱が低下し、結果としてヒートポンプシステムの伝熱性能が低下する。
【００３６】
すなわち、粒径１０ｎｍ未満の微粒子は、伝導電子の量子的エネルギー順位の差が、低い温度では熱エネルギーｋＢＴ（Ｔは絶対温度）よりも大きく、また１個の微粒子から電子１個を奪い又は余分に与えるための仕事が熱エネルギーｋＢＴよりも遥かに大きいため、微粒子集団の比熱がバルク体と比べて著しく低い（いわゆる「久保効果」）。そのため、固相Ｂの粒径が１０ｎｍ未満になると顕熱を有効に利用できなくなり、その分だけ、ヒートポンプシステムの伝熱性能が低下する。
【００３７】
以上の理由により、顕熱と反応熱（潜熱）とを同時に効率良く利用するには、固相Ｂの粒子の粒径は１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
【００３８】
〔実施形態３〕
図３（１）に、本発明によるヒートポンプシステムの望ましい一実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１１０は、図１に示した実施形態１の基本構成に加えて、固相粒子に電荷を付与するための帯電手段を備えた点が特徴である。すなわち、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の固相Ｂの粒子に電荷を付与するための帯電手段２２Ａと、固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕の固相Ｃの粒子に電荷を付与するための帯電手段２２Ｂのうち、一方または両方を備えている。
【００３９】
一般に固相Ｂの粒子同士、あるいは固相Ｃの粒子同士は、ファンデルワールス力で相互に引き合っているため、凝集し易い。特に粒径がμｍオーダー、ｎｍオーダーになると凝集する傾向が著しくなる。粒子同士の凝集が起きると、実効的な比表面積が小さくなり、顕熱および反応熱の両面で伝熱効率の低下を招く。更に、循環経路１４が凝集した粒子により狭くなったり、詰まったりしてしまい、ヒートポンプシステムとして作動不良あるいは作動停止してしまう。
【００４０】
本実施形態においては、循環経路１４に帯電手段２２Ａおよび２２Ｂの少なくとも一方を配備し、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の固相粒子Ｂおよび固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕の固相粒子Ｃの少なくとも一方に電荷を付与する。これにより、固相粒子Ｂ同士および固相粒子Ｃ同士の少なくとも一方にファンデルワールス力に打ち勝つ斥力としてクーロン力を付与する。その結果、粒子Ｂ同士の凝集および粒子Ｃ同士の凝集の少なくとも一方を防止できる。望ましくは、帯電手段２２Ａおよび２２Ｂを両方配備することにより、粒子Ｂ同士の凝集および粒子Ｃ同士の凝集を両方とも防止する。
【００４１】
帯電手段２２Ａ、２２Ｂに用いる帯電手段としては、コロナ放電を用いることができる。図３（２）にコロナ放電による帯電処理の原理を示す。同図は、受熱部１０から放熱部１２へ向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕が流れる循環経路（配管）１４に帯電手段２２Ａを挿入した状態を示す。帯電手段２２Ａは、直流高電圧Ｄを印加された針状の正極Ｅ１と平板状の負極Ｅ２との間に生成されたコロナ放電域Ｌ中を固相粒子Ｂが通過することにより＋に帯電される。
【００４２】
これは、放熱部１２から受熱部１０へ向かうＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕が流れる循環経路（配管）１４に挿入した帯電手段２２Ｂにより固相粒子Ｃが帯電される場合も同様である。
【００４３】
〔実施形態４〕
実施形態３において固相粒子Ｂ、Ｃを帯電させた場合、循環経路１４を構成する配管を絶縁体で作製するか、少なくとも配管１４の内壁を絶縁体で形成することが望ましい。
【００４４】
図４（１）に示すように、例えば＋電荷を付与された粒子Ｐは互いにクーロン力による斥力Ｒを作用し合っており、凝集しない。しかし、一般に配管１４は耐熱性、加工性の観点から鉄あるいはステンレス鋼等の金属製であり導電性を有するので、粒子Ｐが矢印Ｍのように配管１４の内壁面Ｓに接触すると放電して、図４（２）に示すように＋電荷を失う。その結果、クーロン力による粒子Ｐ間の斥力Ｒが失われ、再びファンデルワールス力Ｆにより引き合って凝集が発生する。
【００４５】
これに対して本実施形態においては、図５（１）に示すように、配管１４は金属製の外管１４Ａの内壁に絶縁体層１４を形成してある。帯電粒子Ｐが矢印Ｍのように配管１４の内壁面Ｓに接触しても、内壁面Ｓは絶縁体層１４Ｂの表面であるため放電が起きることがなく、図５（２）に示すように＋電荷を維持した状態が確保され、クーロン力による粒子間に斥力Ｒが作用し合った状態が保たれ、凝集が防止される。
【００４６】
本実施形態の配管構造は、鉄やステンレス鋼の配管本体１４Ａの内壁面にアルミナ等の絶縁体層１４Ｂを被覆することにより形成できる。絶縁体層１４Ｂの材質としては、絶縁性とともに、耐食性、耐熱性を備えていることが望ましい。この点でアルミナ、コージェライト等のセラミック材料が適している。
【００４７】
〔実施形態５〕
図６に、本発明によるヒートポンプシステムの望ましい他の実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１２０は、図１に示した実施形態１の基本構成のうち、駆動ポンプ１８に代えてコンプレッサー（加圧器）２４を配備し、逆止弁２０は用いていない。
【００４８】
本発明の固気反応系において、常温における反応の平衡圧が大気圧付近である場合、放熱部１２の入口Ｔ１から受熱部１０の入口Ｔ２までの区間Ｗの循環経路１４内を加圧下に保持することが有利である。この加圧は、放熱部１２の入口より手前に挿入したコンプレッサー２４により行なう。
【００４９】
常温で平衡圧が大気圧付近である反応：Ａ＋Ｂ⇔Ｃの場合、放熱部の温度が高くなると平衡圧が上昇し、反応（→）が進行しなくなる。例えば気相ＡとしてＨ２、固相ＢとしてＬａＮｉ５を選択した場合を想定する。これは前出の表１中で「水素化型」の一つであり、反応式：３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６で表される。この反応の平衡圧は、温度１０℃では１〜２気圧（ほぼ大気圧）であるが、温度が５０℃に上がると６〜７気圧まで上昇する。したがって、外気温５０℃で放熱部１２から放熱する状況では、ＬａＮｉ５Ｈ６への結合反応は進行せず、この反応による発熱ΔＨも生じないので、反応熱を有効に利用できず、顕熱＋反応熱の合計から期待される伝熱性能が得られない。
【００５０】
これに対処するために本実施形態では、反応系３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６を加圧下に保持することにより、昇温により上昇した平衡圧に打ち勝って反応（→）を進行させてＬａＮｉ５Ｈ６（固相Ｃ）の生成を促進し、反応熱ΔＨの効率的な利用を可能とし、高い伝熱効率を達成する。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、放熱部１２の使用温度域を高温側へ拡張したヒートポンプシステムを提供できる。
【００５２】
図６に示したヒートポンプシステム１２０は例えば下記の構成とすることができる。
【００５３】
＜ヒートポンプシステム１２０の具体例＞
○反応系 ３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６
気相Ａ： Ｈ２
固相Ｂ： ＬａＮｉ５
固相Ｃ： ＬａＮｉ５Ｈ６
○受熱部１０入口〜放熱部１２入口の区間
配管内径：φ１０ｍｍ
管内圧力：２気圧
○放熱部１２入口〜受熱部入口の区間（Ｗ）
配管内径：φ５ｍｍ
管内圧力：４気圧
【００５４】
〔実施形態６〕
図７（１）に、本発明によるヒートポンプシステムのもう一つの望ましい実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１３０は、図１に示した実施形態１の基本構成に下記の構成を付加して、蓄熱機能を付与したものである。
【００５５】
すなわち、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕がＸ方向に流れる循環経路１４の途中に分離手段２６を設けて、気相Ａ（＋搬送気体Ｇ）と固相Ｂを分離し、気相Ａ＋Ｇは循環経路１４の分離手段２６と放熱部１２との間に挿入した気相タンク３０に貯蔵し、固相Ｂは循環経路１４から分岐した配管３２を介して固相タンク３４に貯蔵する。気相タンク３０はバルブ４０と駆動ポンプ１８を介して循環経路１４により放熱部１２に接続し、固相タンク３４はバルブ３８を介して配管３６により放熱部１２に接続している。
【００５６】
このように反応物質である気相Ａと固相Ｂとを分離して貯蔵し、必要に応じてバルブ３８、４０を開放してそれぞれ放熱部１２に導入することにより、Ａ＋Ｂ→Ｃ＋ΔＨの反応をさせて発熱のタイミングを制御することができる。例えば、自動車に搭載した場合、エンジンからの排ガスの熱を受け取れる位置に受熱部１０を配設し、自動車用エアコン、搭乗者用シート、エンジンオイル、冷却水等を加熱できる位置に放熱部１２を配設する。そして、始動時など上記の部位を加熱したいときに、バルブ３８、４０を開いてＡとＢを反応させれば、顕熱＋反応熱ΔＨを利用できるので、顕熱のみを用いる場合に比べて加熱速度を高めることができる。
【００５７】
このように本実施形態によれば、伝達すべき熱の一部を反応熱ΔＨの形で蓄熱できる。
【００５８】
分離手段２６としては、フィルター、遠心分離機等を用いることができる。図７（２）に分離手段２６としての遠心分離機の概念図を示す。図示した遠心分離機５０は、下向き円錐形の回転胴５２の回転軸５４の位置に、分離前の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の流入管５６、分離後の気相〔Ａ＋Ｇ〕の流出管５８、および分離後の固相〔Ｂ〕の流出管６０が、回転胴５２に対して気密摺動状態に配設されている。すなわち、回転胴５２は管５６、５８、６０と気密係合を維持しながら、これらに拘束されずに回転できる。固気混相流の流入管５６と気相の流出管５４とは同軸状に配置されている。
【００５９】
下向き円錐状回転胴５２に上方から流入した固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕は、回転胴５２の回転により回転駆動され、重い固相〔Ｂ〕は遠心力で回転胴５２の外周壁に当たって下方へ落下し、流出管６０から下方へ流出する。同時に、軽い気相〔Ａ＋Ｇ〕は遠心力の影響を実質的に受けずに回転胴５２の中心にある流出管５４から上方へ流出する。これにより気相部分〔Ａ＋Ｇ〕と固相部分〔Ｂ〕が分離され、それぞれ気相タンク３０、固相タンク３４へ適当な配管により導かれる。
【００６０】
なお、放熱部１２は、気相タンク３０、固相タンク３４のいずれか一方と兼ねた構成とすることもできる。
【００６１】
〔実施形態７〕
実施形態６において分離手段２６としてフィルターを用いる場合に、このフィルターを固相粒子Ｂの帯電極性と同極性に帯電させておくことが望ましい。
【００６２】
固相粒子Ｂをフィルターで分離する場合、固相粒子Ｂはフィルター表面で凝集し捕獲されてしまい、伝熱媒体が減少して伝熱効率が低下するだけでなく、フィルターの孔が目詰まりを起こし、気相Ａ、Ｇが透過せず、結果としてシステムが作動できないという問題があった。これはフィルター孔において気体Ａが固体Ｂを押し付ける力が、帯電した固相粒子Ｂ同士のクーロン力による斥力を上回っているからである。本実施形態はこの問題に対処するための手段を提供する。
【００６３】
図８に、本実施形態による循環経路１４の分離手段２６付近のみを拡大して示す。循環経路１４から分岐した配管３２が固相タンク３４（図７(１)）に接続している。循環経路１４、分岐路３２はそれぞれステンレス鋼製の配管本体１４Ａ、３２Ａの内壁にアルミナ絶縁層１４Ｂ、３２Ｂが形成されている。分離手段としてのフィルター２６は、循環経路１４内壁のアルミナ絶縁層１４Ｂに固定されており、配管本体１４Ａから絶縁されており、外部の直流電源Ｄにより接地電位に対して＋電位が印加されている。
【００６４】
図の左から、＋帯電した固相粒子Ｂを含む固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕が流入する。固相粒子Ｂは同極性に帯電しているフィルター２６から斥力を受けるので凝集・捕獲が起きることなく分離されて分岐路３２へ進行し、フィルター２６を透過した気相Ａ＋Ｇのみが循環経路１４を進行する。
【００６５】
これにより、伝熱媒体の減少もフィルターの目詰まりも起こすことなく、反応性気体Ａと固体粒子Ｂとを確実に分離できる。
【００６６】
なお、上記の例では固相粒子Ｂが＋に帯電させてあるため、これに対応してフィルター２６を接地電位に対して＋に印加した。固相粒子Ｂが−に帯電させてある場合には、もちろんフィルター２６にもこれに対応して−電位を印加する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によれば、顕熱と反応熱とを利用したことにより、顕熱のみを利用した従来のヒートポンプシステムの限界を超えて伝熱効率を向上させた、固気混相流によるヒートポンプシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の基本構成を備えた実施形態によるヒートポンプシステムを示す配置図である。
【図２】固相粒子Ｐｄの粒子径と比表面積との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の望ましい実施形態により（１）帯電手段を備えたヒートポンプシステムを示す配置図および（２）帯電手段付近の拡大断面図である。
【図４】帯電粒子と導電性の配管内壁との接触により電荷を失う過程を模式的に示す断面図である。
【図５】帯電粒子と絶縁性の配管内壁との接触により電荷を維持する過程を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の望ましい実施形態により放熱部入口から受熱部入口の区間を加圧できるヒートポンプシステムを示す配置図である。
【図７】本発明の望ましい実施形態により（１）反応性気体Ａと固相粒子Ｂとを分離して貯蔵する蓄熱型ヒートポンプシステムを示す配置図および（２）上記分離に用いる遠心分離機の構成例を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の望ましい実施形態により反応性気体Ａと固相粒子Ｂとを分離するためのフィルターに、固相粒子Ｂの帯電極性と同じ極性に帯電させるための構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００、１１０、１２０、１３０ ヒートポンプシステム
１０ 受熱部
１２ 放熱部
１４ 循環経路
１４Ａ 循環経路１４の金属製外管
１４Ｂ 循環経路１４の内壁を構成する絶縁体層
１６ 伝熱媒体
１８ 駆動ポンプ
２０ 逆止弁
２２Ａ、２２Ｂ 帯電手段
２４ コンプレッサー（加圧器）
２６ 分離手段
３０ 気相タンク
３２ 分岐配管
３４ 固相タンク
３６ 配管
３８ バルブ
４０ バルブ
５０ 遠心分離機
５２ 回転胴
５４ 回転軸
５６ 流入管
５８ 流出管
６０ 流出管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱媒体として固気混相流を用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に開示されているように、伝熱媒体として固気混相流を利用したヒートポンプが提案されている。伝熱媒体として液相を用いたヒートポンプに比べて大幅に軽量化できるという利点がある。伝熱媒体として気相のみを用いると、配管内壁に気相の不動層が形成され、伝熱媒体の輸送が妨げられ伝熱効率が低下する。固気混相流は、気相中に固相（主として粒子）を混合することにより、配管内壁の不動層を撹乱・破壊することができる。そのため、より多くの伝熱媒体を輸送でき、かつ固相自体も熱容量を持つため、気相のみのヒートポンプに比べて格段に伝熱効率が高い。
【０００３】
しかしながら、例えば自動車搭載用途のような設置空間が小さい場合には、確保できるシステム体格が限られるため、更に高い伝熱効率が求められる。
【０００４】
固気混相流を利用したヒートポンプシステムにおける熱輸送は、伝熱媒体である気相と固相の顕熱に基づいており、媒体の単位体積当たり輸送できるエネルギー密度は小さい。前出の特許文献１等には、熱効率を高めるための種々の工夫がなされているが、いずれも、内部に装入する熱交換器の形状を改良したり、固相粒子による混合撹乱作用を改良するものが主であり、伝熱効率の向上に限界があった。
【０００５】
一方、液相と固相を組み合わせて利用したヒートポンプシステムとして、特許文献２には反応熱を繰り返し得る化学発熱装置が開示されている。固相としてアルカリ土類金属酸化物を充填した反応器に液相として水を循環させ、水和反応による発熱を利用する。固相である酸化物は循環せず、液相である水のみが循環する。循環する伝熱媒体が液相のみであり、気相と固相との混相流を伝熱媒体として循環させるヒートポンプシステムとは構成も作用効果も全く異なる。
【０００６】
また、特許文献３には、固相である水素吸蔵合金と気相である水素を組み合わせたヒートポンプを利用した加熱・冷却システムが開示されている。しかし、ヒートポンプ自体の構成については何ら具体的な説明がなく、固気混相流によるヒートポンプシステムについては全く示唆するところがない。
【０００７】
【特許文献１】特許第２６９０１７２号
【特許文献２】特開平７−１８０５３９号公報
【特許文献３】特開昭６３−２８０８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の限界を超えて伝熱効率を向上させた、固気混相流によるヒートポンプ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】
上記の目的を達成するために、受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、伝熱媒体の顕熱に加えて、伝熱媒体の構成成分である気体Ａ、固体Ｂ、固体Ｃの上記反応による反応熱ΔＨ（潜熱）をも利用するので、顕熱のみによる従来技術に比べて輸送熱量を格段に増加させることができ、従来の限界を超えて伝熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
〔実施形態１〕
図１に、本発明によるヒートポンプシステムの基本構成を示す。図示したヒートポンプシステム１００は、受熱部１０と放熱部１２とが循環経路１４によって連結されており、循環経路１４内を伝熱媒体１６が受熱部１０から放熱部１２へ矢印Ｘのように流れ、放熱部１２から受熱部１０へ矢印Ｙのように流れて、全体として時計回りに循環している。
【００１２】
伝熱媒体１６は、反応式：Ａ＋Ｂ⇔Ｃ＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成る固気混相流である。
【００１３】
受熱部１０では吸熱ΔＨを伴う反応式左向きの吸熱反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解する。その結果、実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路１４を受熱部１０から放熱部１２へ矢印Ｘのように進行する。
【００１４】
放熱部１２では発熱ΔＨを伴う反応式右向きの発熱反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなる。その結果、実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路１４を放熱部１２から受熱部１０へ矢印Ｙのように進行する。
【００１５】
ここで「実質的に」とした意味は下記のとおりである。
【００１６】
すなわち、反応式の両辺にあるＣとＡ＋Ｂとの存在比Ｒは、反応の平衡定数によって決まる０≦Ｒ≦１の範囲にある。したがって、Ｒ＝０やＲ＝１すなわちＣのみが存在する状態やＡ＋Ｂのみが存在する状態だけでなく、０＜Ｒ＜１すなわちＡ、Ｂ、Ｃが全て存在する状態も含んでいる。ただし実用的には、Ｒ≒０やＲ≒１すなわち「実質的に」Ｃのみの状態や「実質的に」Ａ＋Ｂのみの状態になるように、受熱部１０、放熱部１２の使用温度とＡ、Ｂ、Ｃの反応物質との組合せを適宜選定してシステムを稼動させる。
【００１７】
ヒートポンプシステム１００の始動に際しては、駆動ポンプ１８により伝熱媒体１６の時計回りの循環を開始させる。始動前の状態では、受熱部１０に入った伝熱媒体１６は熱Ｑ１を付与されて、Ｃ＋ΔＨ⇒Ａ＋Ｂの吸熱反応により、実質的に気体Ａ＋固体Ｂ＋搬送気体Ｇから成る固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕となる。受熱部１０から出た伝熱媒体１６はＸ方向の固気混相流として放熱部１２に向かう。放熱部１２に入った伝熱媒体１６はＡ＋Ｂ⇒Ｃ＋ΔＨの発熱反応により熱Ｑ２を放出し、実質的に固体Ｃ＋搬送気体Ｇから成る固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕となる。以下、同様のプロセスを繰り返して伝熱媒体１６が受熱部１０と放熱部１２との間を循環して、受熱部１０から放熱部１２へ熱輸送する。１００×｛１−（Ｑ１−Ｑ２）／Ｑ１｝が伝熱効率（％）となる。
【００１８】
このように本発明のヒートポンプシステム１００においては、伝熱媒体１６の顕熱に加えて反応熱ΔＨをも熱輸送するので、顕熱のみが熱輸送される従来のヒートポンプシステムに比べて格段に伝熱効率が向上する。
【００１９】
表１に、本発明に用いる固気反応系：Ａ＋Ｂ⇔Ｃ＋ΔＨの選択例を示す。反応類型は表中に分類を示した。反応類型や個々の反応系は表１に示したものに限定する必要はない。
【００２０】
なお、表１の反応式の欄には、Ｃ（ｓ）⇔Ｂ（ｓ）＋Ａ（ｇ）の形で示してある。
【００２１】
表１に示した個々の反応系は、（１）受熱部１０の温度域が反応温度と重なるか、（２）反応熱ΔＨは大きいか、を考慮して選択した。
【００２２】
分解反応でＨ２Ｏが生成する反応系の場合には、循環経路１４の少なくとも内壁面について特に耐食性を考慮することが望ましい。
【００２３】
【表１】
【００２４】
本発明に用いる搬送気体（キャリアガス）Ｇは、本発明の固気混相流の反応に関与せずそれ自体も反応しない安定なガスが適している。このように不活性なガスとしては、窒素ガスが性質およびコストの両面から望ましい。
【００２５】
図１に示したヒートポンプシステム１００は例えば下記の構成とすることができる。
【００２６】
＜ヒートポンプシステム１００の具体例＞
受熱部１０：５００℃、ラジェータ形状
放熱部１２：室温（０〜３０℃）、ラジェータ形状
循環経路１４：配管材質 ＳＵＳ３１０ステンレス鋼
配管内圧力 ０．１ＭＰａ
固気反応系：ＭｇＨ２（ｓ）⇔Ｍｇ（ｓ）＋Ｈ２（ｇ）
〔 Ｃ（ｓ） ⇔Ｂ（ｓ）＋Ａ（ｇ）〕
気体：反応性気体Ａ Ｈ２
搬送気体Ｇ Ｎ２
Ｎ２：Ｈ２＝８：２（モル比）
固体：固相Ｂ Ｍｇ粒子５００ｇ、粒径５０ｎｍ
【００２７】
本発明のヒートポンプシステム１００は、任意に逆止弁２０を用いて有利な作動を行なうことが可能である。すなわち、伝熱媒体１６の循環が定常状態に達したら、循環経路１４内の圧力差を利用することにより、駆動ポンプ１８による駆動なしに、または駆動を軽減して、循環を継続することができる。
【００２８】
循環経路１４内の伝熱媒体１６の圧力は、Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）の反応式において、気体Ａが存在する左辺の組成の場合すなわち受熱部１０から放熱部１２に向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕（図中の上半分）で相対的に高く、気体が存在しない右辺の組成の場合すなわち放熱部１２から受熱部に向かうＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕（図中の下半分）で相対的に低い。このように、伝熱媒体１６は、Ｘ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕がＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕より相対的に圧力が高い。
【００２９】
このように圧力差が存在する状況下において、図１に示すように循環経路１４の途中に逆止弁２０を挿入して、時計回りの流れのみを可能とする。そして、駆動ポンプ１８を例えば開放状態（自由流通状態）にすると、高圧の〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕（図の上半分）から低圧の〔Ｃ＋Ｇ〕（図の下半分）へ時計回りに循環が継続する。
【００３０】
逆止弁２０は、図１の例では受熱部１０から放熱部１２へ向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の途中に挿入したが、この位置に限定する必要はなく、循環経路１４のどの位置でもよく、複数個配設しても良い。
【００３１】
逆止弁２０は、上記のように圧力差を利用する場合には必要であるが、そうでなければ必要ない。
【００３２】
〔実施形態２〕
本発明の固気反応系：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨにおいて、固相Ｂの粒径は１０ｎｍ〜２０ｎｍであることが望ましい。
【００３３】
＜望ましい粒径の上限を２０ｎｍとする理由＞
図２に、粒子径と比表面積との関係の一例としてＰｄ粒子の場合を示す。
【００３４】
このように、粒径が２０ｎｍを超える粒子は比表面積が１００ｍ２／ｇ未満であるため、反応速度が小さい。そのため、循環流が受熱部・放熱部を通過する時間内に反応完了しない未反応の割合が大きくなり、その分だけ反応熱ΔＨが小さくなる。その結果、ヒートポンプシステムとしての伝熱性能が低下する。
【００３５】
＜望ましい粒径の下限を１０ｎｍとする理由＞
固相Ｂの粒子の粒径が１０ｎｍ未満になると、サイズ効果により比熱が低下し、結果としてヒートポンプシステムの伝熱性能が低下する。
【００３６】
すなわち、粒径１０ｎｍ未満の微粒子は、伝導電子の量子的エネルギー順位の差が、低い温度では熱エネルギーｋＢＴ（Ｔは絶対温度）よりも大きく、また１個の微粒子から電子１個を奪い又は余分に与えるための仕事が熱エネルギーｋＢＴよりも遥かに大きいため、微粒子集団の比熱がバルク体と比べて著しく低い（いわゆる「久保効果」）。そのため、固相Ｂの粒径が１０ｎｍ未満になると顕熱を有効に利用できなくなり、その分だけ、ヒートポンプシステムの伝熱性能が低下する。
【００３７】
以上の理由により、顕熱と反応熱（潜熱）とを同時に効率良く利用するには、固相Ｂの粒子の粒径は１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
【００３８】
〔実施形態３〕
図３（１）に、本発明によるヒートポンプシステムの望ましい一実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１１０は、図１に示した実施形態１の基本構成に加えて、固相粒子に電荷を付与するための帯電手段を備えた点が特徴である。すなわち、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の固相Ｂの粒子に電荷を付与するための帯電手段２２Ａと、固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕の固相Ｃの粒子に電荷を付与するための帯電手段２２Ｂのうち、一方または両方を備えている。
【００３９】
一般に固相Ｂの粒子同士、あるいは固相Ｃの粒子同士は、ファンデルワールス力で相互に引き合っているため、凝集し易い。特に粒径がμｍオーダー、ｎｍオーダーになると凝集する傾向が著しくなる。粒子同士の凝集が起きると、実効的な比表面積が小さくなり、顕熱および反応熱の両面で伝熱効率の低下を招く。更に、循環経路１４が凝集した粒子により狭くなったり、詰まったりしてしまい、ヒートポンプシステムとして作動不良あるいは作動停止してしまう。
【００４０】
本実施形態においては、循環経路１４に帯電手段２２Ａおよび２２Ｂの少なくとも一方を配備し、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の固相粒子Ｂおよび固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕の固相粒子Ｃの少なくとも一方に電荷を付与する。これにより、固相粒子Ｂ同士および固相粒子Ｃ同士の少なくとも一方にファンデルワールス力に打ち勝つ斥力としてクーロン力を付与する。その結果、粒子Ｂ同士の凝集および粒子Ｃ同士の凝集の少なくとも一方を防止できる。望ましくは、帯電手段２２Ａおよび２２Ｂを両方配備することにより、粒子Ｂ同士の凝集および粒子Ｃ同士の凝集を両方とも防止する。
【００４１】
帯電手段２２Ａ、２２Ｂに用いる帯電手段としては、コロナ放電を用いることができる。図３（２）にコロナ放電による帯電処理の原理を示す。同図は、受熱部１０から放熱部１２へ向かうＸ方向の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕が流れる循環経路（配管）１４に帯電手段２２Ａを挿入した状態を示す。帯電手段２２Ａは、直流高電圧Ｄを印加された針状の正極Ｅ１と平板状の負極Ｅ２との間に生成されたコロナ放電域Ｌ中を固相粒子Ｂが通過することにより＋に帯電される。
【００４２】
これは、放熱部１２から受熱部１０へ向かうＹ方向の固気混相流〔Ｃ＋Ｇ〕が流れる循環経路（配管）１４に挿入した帯電手段２２Ｂにより固相粒子Ｃが帯電される場合も同様である。
【００４３】
〔実施形態４〕
実施形態３において固相粒子Ｂ、Ｃを帯電させた場合、循環経路１４を構成する配管を絶縁体で作製するか、少なくとも配管１４の内壁を絶縁体で形成することが望ましい。
【００４４】
図４（１）に示すように、例えば＋電荷を付与された粒子Ｐは互いにクーロン力による斥力Ｒを作用し合っており、凝集しない。しかし、一般に配管１４は耐熱性、加工性の観点から鉄あるいはステンレス鋼等の金属製であり導電性を有するので、粒子Ｐが矢印Ｍのように配管１４の内壁面Ｓに接触すると放電して、図４（２）に示すように＋電荷を失う。その結果、クーロン力による粒子Ｐ間の斥力Ｒが失われ、再びファンデルワールス力Ｆにより引き合って凝集が発生する。
【００４５】
これに対して本実施形態においては、図５（１）に示すように、配管１４は金属製の外管１４Ａの内壁に絶縁体層１４を形成してある。帯電粒子Ｐが矢印Ｍのように配管１４の内壁面Ｓに接触しても、内壁面Ｓは絶縁体層１４Ｂの表面であるため放電が起きることがなく、図５（２）に示すように＋電荷を維持した状態が確保され、クーロン力による粒子間に斥力Ｒが作用し合った状態が保たれ、凝集が防止される。
【００４６】
本実施形態の配管構造は、鉄やステンレス鋼の配管本体１４Ａの内壁面にアルミナ等の絶縁体層１４Ｂを被覆することにより形成できる。絶縁体層１４Ｂの材質としては、絶縁性とともに、耐食性、耐熱性を備えていることが望ましい。この点でアルミナ、コージェライト等のセラミック材料が適している。
【００４７】
〔実施形態５〕
図６に、本発明によるヒートポンプシステムの望ましい他の実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１２０は、図１に示した実施形態１の基本構成のうち、駆動ポンプ１８に代えてコンプレッサー（加圧器）２４を配備し、逆止弁２０は用いていない。
【００４８】
本発明の固気反応系において、常温における反応の平衡圧が大気圧付近である場合、放熱部１２の入口Ｔ１から受熱部１０の入口Ｔ２までの区間Ｗの循環経路１４内を加圧下に保持することが有利である。この加圧は、放熱部１２の入口より手前に挿入したコンプレッサー２４により行なう。
【００４９】
常温で平衡圧が大気圧付近である反応：Ａ＋Ｂ⇔Ｃの場合、放熱部の温度が高くなると平衡圧が上昇し、反応（→）が進行しなくなる。例えば気相ＡとしてＨ２、固相ＢとしてＬａＮｉ５を選択した場合を想定する。これは前出の表１中で「水素化型」の一つであり、反応式：３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６で表される。この反応の平衡圧は、温度１０℃では１〜２気圧（ほぼ大気圧）であるが、温度が５０℃に上がると６〜７気圧まで上昇する。したがって、外気温５０℃で放熱部１２から放熱する状況では、ＬａＮｉ５Ｈ６への結合反応は進行せず、この反応による発熱ΔＨも生じないので、反応熱を有効に利用できず、顕熱＋反応熱の合計から期待される伝熱性能が得られない。
【００５０】
これに対処するために本実施形態では、反応系３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６を加圧下に保持することにより、昇温により上昇した平衡圧に打ち勝って反応（→）を進行させてＬａＮｉ５Ｈ６（固相Ｃ）の生成を促進し、反応熱ΔＨの効率的な利用を可能とし、高い伝熱効率を達成する。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、放熱部１２の使用温度域を高温側へ拡張したヒートポンプシステムを提供できる。
【００５２】
図６に示したヒートポンプシステム１２０は例えば下記の構成とすることができる。
【００５３】
＜ヒートポンプシステム１２０の具体例＞
○反応系 ３Ｈ２＋ＬａＮｉ５⇔ＬａＮｉ５Ｈ６
気相Ａ： Ｈ２
固相Ｂ： ＬａＮｉ５
固相Ｃ： ＬａＮｉ５Ｈ６
○受熱部１０入口〜放熱部１２入口の区間
配管内径：φ１０ｍｍ
管内圧力：２気圧
○放熱部１２入口〜受熱部入口の区間（Ｗ）
配管内径：φ５ｍｍ
管内圧力：４気圧
【００５４】
〔実施形態６〕
図７（１）に、本発明によるヒートポンプシステムのもう一つの望ましい実施形態を示す。図示したヒートポンプシステム１３０は、図１に示した実施形態１の基本構成に下記の構成を付加して、蓄熱機能を付与したものである。
【００５５】
すなわち、固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕がＸ方向に流れる循環経路１４の途中に分離手段２６を設けて、気相Ａ（＋搬送気体Ｇ）と固相Ｂを分離し、気相Ａ＋Ｇは循環経路１４の分離手段２６と放熱部１２との間に挿入した気相タンク３０に貯蔵し、固相Ｂは循環経路１４から分岐した配管３２を介して固相タンク３４に貯蔵する。気相タンク３０はバルブ４０と駆動ポンプ１８を介して循環経路１４により放熱部１２に接続し、固相タンク３４はバルブ３８を介して配管３６により放熱部１２に接続している。
【００５６】
このように反応物質である気相Ａと固相Ｂとを分離して貯蔵し、必要に応じてバルブ３８、４０を開放してそれぞれ放熱部１２に導入することにより、Ａ＋Ｂ→Ｃ＋ΔＨの反応をさせて発熱のタイミングを制御することができる。例えば、自動車に搭載した場合、エンジンからの排ガスの熱を受け取れる位置に受熱部１０を配設し、自動車用エアコン、搭乗者用シート、エンジンオイル、冷却水等を加熱できる位置に放熱部１２を配設する。そして、始動時など上記の部位を加熱したいときに、バルブ３８、４０を開いてＡとＢを反応させれば、顕熱＋反応熱ΔＨを利用できるので、顕熱のみを用いる場合に比べて加熱速度を高めることができる。
【００５７】
このように本実施形態によれば、伝達すべき熱の一部を反応熱ΔＨの形で蓄熱できる。
【００５８】
分離手段２６としては、フィルター、遠心分離機等を用いることができる。図７（２）に分離手段２６としての遠心分離機の概念図を示す。図示した遠心分離機５０は、下向き円錐形の回転胴５２の回転軸５４の位置に、分離前の固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕の流入管５６、分離後の気相〔Ａ＋Ｇ〕の流出管５８、および分離後の固相〔Ｂ〕の流出管６０が、回転胴５２に対して気密摺動状態に配設されている。すなわち、回転胴５２は管５６、５８、６０と気密係合を維持しながら、これらに拘束されずに回転できる。固気混相流の流入管５６と気相の流出管５４とは同軸状に配置されている。
【００５９】
下向き円錐状回転胴５２に上方から流入した固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕は、回転胴５２の回転により回転駆動され、重い固相〔Ｂ〕は遠心力で回転胴５２の外周壁に当たって下方へ落下し、流出管６０から下方へ流出する。同時に、軽い気相〔Ａ＋Ｇ〕は遠心力の影響を実質的に受けずに回転胴５２の中心にある流出管５４から上方へ流出する。これにより気相部分〔Ａ＋Ｇ〕と固相部分〔Ｂ〕が分離され、それぞれ気相タンク３０、固相タンク３４へ適当な配管により導かれる。
【００６０】
なお、放熱部１２は、気相タンク３０、固相タンク３４のいずれか一方と兼ねた構成とすることもできる。
【００６１】
〔実施形態７〕
実施形態６において分離手段２６としてフィルターを用いる場合に、このフィルターを固相粒子Ｂの帯電極性と同極性に帯電させておくことが望ましい。
【００６２】
固相粒子Ｂをフィルターで分離する場合、固相粒子Ｂはフィルター表面で凝集し捕獲されてしまい、伝熱媒体が減少して伝熱効率が低下するだけでなく、フィルターの孔が目詰まりを起こし、気相Ａ、Ｇが透過せず、結果としてシステムが作動できないという問題があった。これはフィルター孔において気体Ａが固体Ｂを押し付ける力が、帯電した固相粒子Ｂ同士のクーロン力による斥力を上回っているからである。本実施形態はこの問題に対処するための手段を提供する。
【００６３】
図８に、本実施形態による循環経路１４の分離手段２６付近のみを拡大して示す。循環経路１４から分岐した配管３２が固相タンク３４（図７(１)）に接続している。循環経路１４、分岐路３２はそれぞれステンレス鋼製の配管本体１４Ａ、３２Ａの内壁にアルミナ絶縁層１４Ｂ、３２Ｂが形成されている。分離手段としてのフィルター２６は、循環経路１４内壁のアルミナ絶縁層１４Ｂに固定されており、配管本体１４Ａから絶縁されており、外部の直流電源Ｄにより接地電位に対して＋電位が印加されている。
【００６４】
図の左から、＋帯電した固相粒子Ｂを含む固気混相流〔Ａ＋Ｂ＋Ｇ〕が流入する。固相粒子Ｂは同極性に帯電しているフィルター２６から斥力を受けるので凝集・捕獲が起きることなく分離されて分岐路３２へ進行し、フィルター２６を透過した気相Ａ＋Ｇのみが循環経路１４を進行する。
【００６５】
これにより、伝熱媒体の減少もフィルターの目詰まりも起こすことなく、反応性気体Ａと固体粒子Ｂとを確実に分離できる。
【００６６】
なお、上記の例では固相粒子Ｂが＋に帯電させてあるため、これに対応してフィルター２６を接地電位に対して＋に印加した。固相粒子Ｂが−に帯電させてある場合には、もちろんフィルター２６にもこれに対応して−電位を印加する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によれば、顕熱と反応熱とを利用したことにより、顕熱のみを利用した従来のヒートポンプシステムの限界を超えて伝熱効率を向上させた、固気混相流によるヒートポンプシステムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の基本構成を備えた実施形態によるヒートポンプシステムを示す配置図である。
【図２】固相粒子Ｐｄの粒子径と比表面積との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の望ましい実施形態により（１）帯電手段を備えたヒートポンプシステムを示す配置図および（２）帯電手段付近の拡大断面図である。
【図４】帯電粒子と導電性の配管内壁との接触により電荷を失う過程を模式的に示す断面図である。
【図５】帯電粒子と絶縁性の配管内壁との接触により電荷を維持する過程を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の望ましい実施形態により放熱部入口から受熱部入口の区間を加圧できるヒートポンプシステムを示す配置図である。
【図７】本発明の望ましい実施形態により（１）反応性気体Ａと固相粒子Ｂとを分離して貯蔵する蓄熱型ヒートポンプシステムを示す配置図および（２）上記分離に用いる遠心分離機の構成例を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の望ましい実施形態により反応性気体Ａと固相粒子Ｂとを分離するためのフィルターに、固相粒子Ｂの帯電極性と同じ極性に帯電させるための構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００、１１０、１２０、１３０ ヒートポンプシステム
１０ 受熱部
１２ 放熱部
１４ 循環経路
１４Ａ 循環経路１４の金属製外管
１４Ｂ 循環経路１４の内壁を構成する絶縁体層
１６ 伝熱媒体
１８ 駆動ポンプ
２０ 逆止弁
２２Ａ、２２Ｂ 帯電手段
２４ コンプレッサー（加圧器）
２６ 分離手段
３０ 気相タンク
３２ 分岐配管
３４ 固相タンク
３６ 配管
３８ バルブ
４０ バルブ
５０ 遠心分離機
５２ 回転胴
５４ 回転軸
５６ 流入管
５８ 流出管
６０ 流出管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１において、固体Ｂの粒子は粒径が１０ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、固体Ｂおよび固体Ｃのうち少なくとも一方の粒子に電荷を付与する帯電手段を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項３において、循環経路を構成する配管は少なくとも内壁が絶縁体から成ることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項において、放熱部の入口から受熱部の入口までの循環経路内の圧力を、反応式における右向きの反応による気体Ａと固体Ｂとの結合反応の平衡圧よりも高く維持することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項において、
循環経路の途中に気体Ａと固体Ｂとを分離する分離手段、および
分離された気体Ａと固体Ｂとを別々に貯留するタンク
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項６において、分離手段がフィルターであることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
請求項７において、フィルターが固体Ｂと同極性に帯電していることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１】
受熱部と放熱部の間を伝熱媒体として固気混相流が循環するヒートポンプシステムにおいて、
伝熱媒体は、反応式：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｓ）⇔Ｃ（ｓ）＋ΔＨで表される反応の反応物質：気体Ａ、固体Ｂの粒子、固体Ｃの粒子、および搬送気体Ｇから成り、ただし、
受熱部では反応熱ΔＨの吸収を伴う反応式左向きの反応により固体Ｃから気体Ａと固体Ｂに分解し、これにより実質的に気体Ａおよび固体Ｂと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を受熱部から放熱部へ進行し、
放熱部では反応熱ΔＨの放出を伴う反応式右向きの反応により気体Ａと固体Ｂが結合して固体Ｃとなり、これにより実質的に固体Ｃと搬送気体Ｇとから成る固気混相流が循環経路を放熱部から受熱部へ進行する、
ことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
請求項１において、固体Ｂの粒子は粒径が１０ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、固体Ｂおよび固体Ｃのうち少なくとも一方の粒子に電荷を付与する帯電手段を備えていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項３において、循環経路を構成する配管は少なくとも内壁が絶縁体から成ることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項において、放熱部の入口から受熱部の入口までの循環経路内の圧力を、反応式における右向きの反応による気体Ａと固体Ｂとの結合反応の平衡圧よりも高く維持することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項において、
循環経路の途中に気体Ａと固体Ｂとを分離する分離手段、および
分離された気体Ａと固体Ｂとを別々に貯留するタンク
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項６において、分離手段がフィルターであることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
請求項７において、フィルターが固体Ｂと同極性に帯電していることを特徴とするヒートポンプシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１１３８６８（Ｐ２００７−１１３８６８Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０６９４７（Ｐ２００５−３０６９４７）
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２１日（２００５．１０．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
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