JPS6316019B2

JPS6316019B2 -

Info

Publication number: JPS6316019B2
Application number: JP6159182A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Matsuo; Koji Matsunaga; Ryoichi Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1982-04-13
Filing date: 1982-04-13
Publication date: 1988-04-07
Also published as: JPS58178164A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は二種類の無機塩と気体との可逆反応の
それぞれにおける高温高圧状態と低温低圧状態と
の間の温度サイクルの組合せによるケミカルヒー
トポンプに関するものである。さらに詳しくは、
二種類の可逆反応のそれぞれについて、高温高圧
状態に対応する無機塩から気体を分解吸熱反応さ
せる場所と低温低圧状態に対応する無機塩へ気体
を吸収発熱反応させる場所とを分離し、その両者
の反応場所の間において無機塩を移動、順環させ
ることを特徴とするケミカルヒートポンプに関す
るものである。

従来、太陽熱利用のケミカルヒートポンプ式冷
暖房装置としては吸収式冷凍機があり、そこでは
例えば冷媒にはH₂O，CH₃OH，NH₃などの気体
が、吸収剤にはLiBr，LiCl，NaOHなどの水溶
液あるいはH₂Oなどの液体が用いられている。

このように従来のケミカルヒートポンプ式冷暖
房用の吸収剤には流動性が要求されることから全
て液体が用いられている。しかし、これらの液体
の欠点は蒸気圧が高く、動作温度が限定されるこ
とである。これに対し、本発明の吸収剤は無機塩
の固体であり、動作温度における蒸気圧は極めて
低く無視できる点に特徴がある。

また、固体の吸収剤を用いた二種類の反応を組
合せたケミカルヒートポンプにおいて、固体の吸
収剤を高温高圧状態の容器と低温低圧状態の容器
との間を循環させる方式としては、従来知られて
いるものとして金属水素化物がある（特開昭55―
33588号）。しかし、無機塩の吸収剤を気体分解反
応器と気体吸収反応器との間を循環させ、かつ気
体を高温高圧側容器と低温低圧側容器との間を循
環させる方式は本発明の１つの特徴である。従
来、無機塩の吸収剤を用いた二種類の反応を組合
せたケミカルヒートポンプとしては、長期蓄熱あ
るいは秀間蓄熱としての応用が考えられており、
そこでは二種類の無機塩吸収剤はそれぞれの容器
に固定して収納されており、吸収反応と分解反応
を交互に切り換えて行なう方式がとられていた。
すなわちこの方式は長期断続運転であり、この方
式の欠点は連続運転ができないことにある。

第１図に、本発明の実施に係わる基本的な構成
図を示す。１，２はそれぞれすでに気体を吸収し
ている無機塩を加熱分解して気体を発生させ、発
生した気体と分解した無機塩とを分離させる機能
をもつ気体分解反応器であり、１は高温側の、２
は低温側の気体分解反応器である。すなわち、１
は太陽熱あるいは廃熱などの高温熱エネルギーを
加熱分解の熱源として用いるが、一方、気体分解
反応器２では冷房しようとする室内空気などの低
温熱エネルギを加熱分解の熱源として用いる点に
おいて異なるものである。３，４は運ばれてきた
無機塩と気体とを反応させ、気体を吸収した無機
塩にして送り出す機能をもつ気体吸収反応器であ
り、３は高温側の、４は低温側の気体吸収反応器
である。すなわち、気体吸収反応器３では無機塩
が気体を吸収した時に発生する高温熱エネルギー
を暖房あるいは給湯などに利用するが、気体吸収
反応器４では無機塩が気体を吸収した時に発生す
る低温熱エネルギーは外気、地下水などの自然冷
体に廃棄される点において異なる。つぎに、気体
分解反応器１と気体吸収反応器３とは無機塩移動
装置５により気体分解反応器１から気体吸収反応
器３へ無機塩を移動させ、気体を吸収した無機塩
移動装置６により気体吸収反応器３から気体分解
反応器１へ気体を吸収した無機塩を移動させるた
めの連結パイプ７により互に連結されている。こ
こで無機塩移動装置５，６のいずれか一方は、重
力による自然落下を利用することも可能である。
また同様に、気体吸収反応器４と気体分解反応器
２とは、気体を吸収した無機塩移動装置８により
気体吸収反応器４から気体分解反応器２へ気体を
吸収した無機塩を移動させ、無機塩移動装置９に
より気体分解反応器２から気体吸収反応器４へ無
機塩を移動させるための連結パイプ１０により互
に連結されている。ここで、無機塩移動装置８，
９のいずれか一方の装置は重力による自然落下を
利用することも可能である。つぎに、気体分解反
応器１と気体吸収反応器４とは基本的には気体分
解反応器１から気体吸収反応器４へ気体を輸送す
る連結パイプ１１により連結されている。しか
し、効率よく気体輸送するためにキヤリヤガス
（気体との反応がないこと）を用い、第１図に示
すように気体分解反応器１から気体吸収反応器４
へ気体を含むキヤリヤガスを輸送する連結パイプ
と気体吸収反応器４から気体分解反応器１へキヤ
リヤガスをもどすための連結パイプとの一対の連
結パイプ１１により気体分解反応器１と気体吸収
反応器４とが連結されている。ここで、キヤリヤ
ガスを気体分解反応器１と気体吸収反応器４との
間を循環させるために気体輸送装置１２を用いる
が、この気体輸送装置１２は上記一対の連結パイ
プ１１のいずれか一方に取り付ける。また同様
に、気体吸収反応器３と気体分解反応器２とは基
本的には気体分解反応器２から気体分解反応器３
へ気体を輸送する連結パイプ１３により連結され
ている。しかし、効率よく気体輸送するためにキ
ヤリヤガス（気体との反応がないこと）を用い、
第１図に示すように気体分解反応器２から気体吸
収反応器３へ気体を含むキヤリヤガスを輸送する
ための連結パイプ１３と、気体吸収反応器３から
気体分解反応器２へキヤリヤガスを戻すための連
結パイプとの一対の連結パイプ１３により気体吸
収反応器３と気体分解反応器２とが連結されてい
る。ここで、キヤリヤガスを気体吸収反応器３と
気体分解反応器２との間を循環させるために気体
輸送装置１４を用いるが、この気体輸送装置１４
は上記一対の連結パイプ１３のいずれか一方のパ
イプに取り付ける。つぎに、１５は集熱器であ
り、太陽熱などの自然熱エネルギ、工場、家庭な
どの廃熱などを捕集する機能をもち、気体分解反
応器１への熱供給源として働らくものである。１
６は気体分解反応器１と集熱器１５との間の熱交
交換器、１７は気体吸収反応器３で得られた熱エ
ネルギを暖房、給湯に利用するための熱交換器、
１８は気体吸収反応器４と外気、地下水などの自
然冷体との間の熱交換器、１９は気体分解反応器
２と冷房しようとする室内空気（ただし、冷房不
要の場合は地下水、外気）との熱交換器である。

つぎに、本発明の装置における動作原理につい
て説明する。本発明の装置はつぎの二種類の可逆
反応を組合せて用いる。

ここで、Ｍ・Ｘ（ｓ）およびＮ・Ｘ（ｓ）は気体
を吸収した無機塩であり、Ｍ（ｓ）およびＮ（ｓ）
は無機塩であり、Ｘ(g)は気体である。上記二種類
の可逆反応において用いるそれぞれの気体は必ず
同一のＸ(g)を用いるが、それぞれの無機塩の種類
はＭ（ｓ）とＮ（ｓ）とで異なる。

したがつて、それぞれの反応温度は異なる。こ
こでは可逆反応Ｉの反応温度は可逆反応の反応
温度よりも高いものとなる。すなわち、が高温
側反応、が低温側反応とする。

本発明の装置における運転動作は過程Ａ（高温
気体分解）→過程Ｂ（高温気体吸収）→過程Ｃ（低
温気体分解）→過程Ｄ（低温気体吸収）の一連の
過程のサイクルからなる。

過程Ａでは高温側の気体分解反応器１に運ばれ
てきたMX（ｓ）が集熱器１５より熱エネルギの
供給を受けて高温の気体Ｘ(g)を分解発生する。発
生した高温の気体Ｘ(g)は、キヤリヤガスを循環さ
せている連結パイプ１１を通して低温側の気体吸
収反応器４に輸送される。同時ににおいてＸ(g)
の一部あるいは全部を分解した後の高温側の無機
塩Ｍ（ｓ）が、無機塩移動装置５の作動により連
結パイプ７を通つて高温側の気体吸収反応器３に
送り込まれる。

過程Ｂでは、低温側の気体吸収反応器４に運ば
れてきた無機塩Ｎ（ｓ）（低温側の気体分解反応器
２より連結パイプ１０を通して）と高温の気体Ｘ
(g)（気体分解反応器１より連結パイプ１１を通し
て）とが発装反応する。すなわち、気体吸収反応
器４においてＮ（ｓ）がＸ(g)を吸収する過程であ
る。この時放出される熱は熱交換器１８を通して
地下水、外気などの自然冷体に廃棄される。気体
を吸収した無機塩Ｎ・Ｘ（ｓ）は連結パイプ１０
を通して、気体を吸収した無機塩移動装置８の作
動により気体分解反応器２に送り込まれる。

過程Ｃでは、低温側の気体分解反応器２に運ば
れてきたＮ・Ｘ（ｓ）が熱交換器１９により冷房
しようとする室内空気のもつ熱エネルギの供給を
受けて低温の気体Ｘ(g)を分解発生する。発生した
低温の気体Ｘ(g)は気体輸送装置１４の作動により
キヤリヤガスを循環させている連結パイプ１３を
通つて高温側の気体吸収反応器３に送り込まれ
る。また同時に気体分解反応器２においてＸ(g)の
一部があるいは全部を分解した後の低温側の無機
塩Ｎ（ｓ）は、無機塩移動装置９の作動により連
結パイプ１０を通して低温側の気体吸収反応器４
に送り込まれる。

過程Ｄでは、高温側の気体吸収反応器３に運ば
れてきた高温側の無機塩Ｍ（ｓ）が低温側の気体
分解反応器２より連結パイプ１３を通して高温側
の気体吸収反応器３に輸送されてきた低温の気体
Ｘ(g)を吸収反応し、高温側の気体を吸収した無機
塩Ｍ・Ｘ（ｓ）を形成する。この吸収反応におい
て発生した高温の熱エネルギーが熱交換器１７を
通して暖房および給湯に利用される。生成した
Ｍ・Ｘ（ｓ）は気体を吸収した無機塩移動装置６
の作動により、連結パイプ７を通して高温側の気
体分解反応器１に再び送り込まれる。

以上の過程Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄを連続的に繰り返す
ことにより、特に過程Ｃで起きていいる低温側の
気体分解反応器２内での熱エネルギー吸収を冷房
に用いることができ、また過程Ｄで起きている高
温側の気体吸収反応器３内での熱エネルギー放出
を暖房あるいは給湯に用いることができる。しか
も、それらを連続的に行なうことができる。

以下具体例を挙げて説明する。

高温側の無機塩として市販の塩化ニツケル
（NiCl₂）を、低温側の無機塩として市販の塩化
カルシウム（CaCl₂）を、共通の気体として市販
のアンモニアガス（NH₃）をそれぞれ用意し、
次の二種類の可逆反応，の組合せを選んだ。

NiCl₂・2NH₃―NH₃系の可逆反応および
CaCl₂・4NH₃―NH₃系の可逆反応のそれぞれ
の平衡蒸気圧―温度曲線を第２図に示す。高温側
のアンモニアガスの平衡蒸気圧として１気圧を選
んだ。この時の可逆反応における平衡温度は
168℃であり、可逆反応における平衡温度は31
℃である。一方、低温側のアンモニアガスの平衡
蒸気圧として0.14気圧を選んだ。この時の可逆反
応における平衡温度は122℃であり、可逆反応
における平衡温度は０℃である。

過程Ａ（気体分解過程）における高温側の気体
分解反応器１内のNiCl₂・6NH₃（ｓ）の分解反応
温度を170℃に選んだ。この時、発生するアンモ
ニア蒸気の分圧は1.05気圧である。一般には高温
側の分解反応の動作点Ａは平衡温度168℃、平衡
蒸気圧１気圧よりも高ければよい。過程Ａの高温
側の分解反応に要する集熱器１５から供給される
べき熱エネルギーは59.1kcal／moleである。

過程Ｂ（気体吸収過程）における低温側の気体
吸収反応器４内のCaCl₂・4NH₃が高温のアンモ
ニアガスを吸収する反応温度を30℃に選んだ。こ
の時のアンモニア蒸気の分圧は0.9気圧である。
一般には、低温側の吸収反応の動作点Ｂは平衡温
度３１℃、平衡蒸気圧１気圧よりも低ければよ
い。過程Ｂにおいて、CaCl₂・4NH₃（ｓ）がアン
モニアガスを吸収してCaCl₂・8NH₄（ｓ）を形成
するのに要する熱交換器４３を通して外部にくみ
出されるべき熱エネルギーは40.7kcal／moleで
ある。

過程Ｃ（気体分解過程）では低温側の気体分解
反応器４に送られてきたCaCl₂・8NH₃（ｓ）は気
体分解反応器４内が設定された平衡蒸気圧0.14気
圧、平衡温度０℃よりもわずかに高い動作点Ｃ
（蒸気圧0.2気圧、温度５℃）にあるため4NH₃を
分解放出してCaCl₂・4NH₄（ｓ）となる。このと
きの分解反応に要する吸熱量は約40.9kcal／
moleであり、この熱エネルギーは冷房しようと
する室内の熱エネルギーをもつて熱交換器１９を
通して供給される。冷房の限界温度は設定された
動作点Ｃの温度である。

過程Ｄ（気体吸収過程）では、高温側の気体吸
収反応器３内のNiCl₂・2NH₄（ｓ）に過程Ｃで生
じたアンモニアの低温低圧蒸気を吸収させるため
に、その吸収反応温度（動作点Ｄの温度）を平衡
温度122℃以下に保持する必要がある。すなわち、
吸収反応により放出される熱量59.3kcal／mole
を、熱交換器１７を通して高温側の気体吸収反応
器３の外に速やかに取り出すことが必要である。
この放出された熱エネルギーを暖房あるいは給湯
に利用する。ただし、それらの到達限界温度は設
定された動作点Ｄの温度である。

なお、本発明の実施例として、第１図に示すよ
うに高温側の気体分解反応器１と低温側の気体吸
収反応器４との間を一対の連結パイプ１１と気体
輸送装置１２とを用いてキヤリヤガス（窒素ガ
ス）を高速循環させると、その循環速度を高める
程、動作点ＡおよびＢはそれぞれの平衡温度に近
ずくことがわかつた。また、同様に低温側の気体
分解反応器２と高温側の気体吸収反応器３との間
を一対の連結パイプ１３と気体輸送装置１４とを
用いてキヤリヤガス（窒素ガス）を高速循環させ
ると、その循環速度を高める程、動作点Ｃおよび
Ｄはそれぞれの平衡温度に近ずくことがわかつ
た。

このように、NiCl₂・2NH₃―NH₃系の高温側
の可逆反応およびCaCl₂・4NH₃―NH₃系の低温
側の可逆反応を組合せた過程Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの連
続的な繰り返しにより、アンモニヤ蒸気がほぼ１
気圧以下の低圧力で連続的に冷房および暖房ある
いは給湯を行なうことができた。

以上説明したように、本発明では従来から知ら
れている固体の吸収剤を用いた固定式ケミカルヒ
ートポンプでは得られなかつた連続運転（例えば
昼間太陽熱を蓄熱しながら、同時に冷暖房を行な
う）を可能にしたことおよびそれにより小型軽量
化を可能にしたことおよび従来の液体の吸収剤を
用いた連続式ケミカルヒートポンプ（例H₂O―
NH₄系）では動作蒸気の蒸気圧が高くなること
および吸収剤の蒸気圧も無視できないなどの欠点
があつたが、本発明ではキヤリヤガスをも含めた
動作蒸気圧は高々数気圧であり、ほぼ常気圧下で
の使用が可能であり、また吸収剤の蒸気圧はほと
んど無視できるなどの優れた効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のケミカルヒートポンプ式冷暖
房給湯装置の回路説明図、第２図はNiCl₂・
2NH₄―NH₃系およびCaCl₂・4NH₄―NH₃系の
平衡蒸気圧―温度特性図である。１，２……気体分解反応器、３，４……気体吸
収反応器、５，６，８，９……無機塩移動装置、
１２，１４……気体輸送装置。

Claims

【特許請求の範囲】

１無機塩への気体の吸収反応（発熱）および無
機塩からの気体の分解反応（吸熱）が可逆的であ
り、かつ反応温度は互に異なるが同一の気体を使
用する二種類の可逆反応を利用したケミカルヒー
トポンプを設け、高反応温度側の気体吸収反応
器、気体分解反応器、無機塩を移動させる装置、
気体を吸収した無機塩を移動させる装置、集熱器
を設け、低反応温度側の気体吸収反応器、気体分
解反応器、無機塩を移動させる装置、気体を吸収
した無機塩を移動させる装置を設け、高温側の無
機塩移動装置により高温側の無機塩を高温側の気
体吸収反応器と高温側の気体分解反応器との間を
循環させる連結パイプを設け、低温側の無機塩移
動装置により低温側の無機塩を低温側の気体吸収
器と低温側の気体分解器との間を循環させる連結
パイプを設け、さらに、高温側の気体分解反応器
で発生する高温―高圧の気体を低温側の気体吸収
反応器に輸送させる連結パイプを設け、低温側の
気体分解反応器で発生する低温―低圧の気体を高
温側の気体吸収反応器に輸送させる連結パイプを
設け、集熱器と高温側の気体分解反応器との間で
熱媒体を循環させる連結パイプを設けたケミカル
ヒートポンプ式冷暖房給湯装置。