特許 5903977 化学蓄熱システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5903977

(24)【登録日】2016年3月25日

(45)【発行日】2016年4月13日

(54)【発明の名称】化学蓄熱システム

(51)【国際特許分類】

   F28D 20/00 20060101AFI20160331BHJP

   C09K 5/18 20060101ALI20160331BHJP

【ＦＩ】

   F28D20/00 H

   C09K5/18 J

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-72468(P2012-72468)

(22)【出願日】2012年3月27日

(65)【公開番号】特開2013-204867(P2013-204867A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2015年2月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】若杉 知寿

(72)【発明者】

【氏名】志満津 孝

【審査官】 伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０１４７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０３３０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９５６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−００３８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１９８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１３２６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００４３４７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２０４８５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ２０／００

Ｃ０９Ｋ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、
前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ供給する反応液量の計測手段と、を備えた搬送装置と、
前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は前記反応器からの蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、
前記蒸発流路の前記反応液の液位を検出する液位検出手段であって、設定された目標生成蒸気量を確保するための反応液量から求められた目標液位を挟んで上下方向に所定の間隔を開けて少なくとも２個が設けられ、前記反応液の状態が気相であるか液相であるかを検出する前記液位検出手段と、
前記液位検出手段からの出力に基づいて前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段であって、２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を推定生成蒸気量とし、前記目標生成蒸気量と前記推定生成蒸気量との差から制御量を求め、前記搬送装置を制御して、前記制御量を用いて前記反応液の液位を前記目標液位に制御する前記制御手段と、
を有する化学蓄熱システム。

【請求項2】

２個の前記液位検出手段の前記所定の間隔は、前記目標生成蒸気量の許容範囲から求められた、前記目標液位からの液位変動の許容限度とされている請求項１に記載の化学蓄熱システム。

【請求項3】

加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、
前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、
前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ供給する反応液量の計測手段と、を備えた搬送装置と、
前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は前記反応器からの蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、
前記蒸発流路の前記反応液の液位を検出する液位検出手段であって、上下方向に少なくとも４個が設けられ、中央部の２個が設定された目標生成蒸気量を確保するための前記反応液量から求められた目標液位を挟む位置に配置され、最上部と最下部の２個が所定の間隔を開けた位置に配置され、前記反応液の状態が気相であるか液相であるかを検出する前記液位検出手段と、
前記液位検出手段からの出力に基づいて前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段であって、下部２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を下部推定生成蒸気量とし、上部２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた前記生成蒸気量を上部推定生成蒸気量とし、
前記目標生成蒸気量と前記下部推定生成蒸気量との差から下部制御量を求め、及び前記目標生成蒸気量と前記上部推定生成蒸気量との差から上部制御量を求め、前記搬送装置を制御して、前記下部制御量又は前記上部制御量を用いて前記反応液の液位を前記目標液位に制御する前記制御手段と、
を有する化学蓄熱システム。

【請求項4】

４個の前記液位検出手段における最下部とその直上の下部２個の下部液位検出手段間隔は、最上部とその直下の上部２個の上部液位検出手段間隔より広くされ、最下部と最上部の前記所定の間隔は、前記目標生成蒸気量の許容範囲から求められた、前記目標液位からの液位変動の許容限度とされている請求項３に記載の化学蓄熱システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、化学反応により蓄熱及び放熱する化学蓄熱システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、アルカリ土類金属酸化物を充填した反応器、水を貯蔵する水タンク、水タンクの水を反応器に供給する水供給管、及び反応器から水を水タンクに戻す還流管からなる密閉サイクル、反応器への水の給排水を制御する水送給手段、反応器内のアルカリ土類金属水酸化物を加熱分解しアルカリ土類金属酸化物に再生する加熱手段、並びに上記水送給手段を制御しアルカリ土類金属酸化物と水との可逆反応を制御する反応制御手段を備え、アルカリ土類金属酸化物の水和反応に伴い発生する熱を利用するようにした化学発熱装置が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０７−１８０５３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に記載の技術では、反応器を短時間で昇温させ、その後一定の放熱出力を実現する蒸気発生が困難である。即ち、反応液の供給量を増大させると、その後の低出力制御が不安定となり、反応液の供給量を減少させると、蒸発器内部のドライアウトにより出力が低下してしまう。

【0005】

本発明は上記事実を考慮し、蒸発流路の反応液の液位を目標液位に制御することにより、目標生成蒸気量を許容限度内に制御する化学蓄熱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】

【0006】

請求項１に記載の発明に係る化学蓄熱システムは、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ供給する反応液量の計測手段と、を備えた搬送装置と、前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は前記反応器からの蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、前記蒸発流路の前記反応液の液位を検出する液位検出手段であって、設定された目標生成蒸気量を確保するための反応液量から求められた目標液位を挟んで上下方向に所定の間隔を開けて少なくとも２個が設けられ、前記反応液の状態が気相であるか液相であるかを検出する前記液位検出手段と、前記液位検出手段からの出力に基づいて前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段であって、２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を推定生成蒸気量とし、前記目標生成蒸気量と前記推定生成蒸気量との差から制御量を求め、前記搬送装置を制御して、前記制御量を用いて前記反応液の液位を前記目標液位に制御する前記制御手段と、を有することを特徴としている。

【0007】

請求項１に記載の発明によれば、反応器は、内蔵された化学蓄熱材により、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する。また、反応器と気密状態で連通され、反応液の蒸発流路を備えた蒸発・凝縮器により、反応液を蒸発させて反応器へ蒸気が供給され、反応器からの蒸気を凝縮して反応液が回収される。
また、貯留槽に貯留された反応液が、搬送装置により貯留槽から蒸発流路へ供給され、蒸発流路から貯留槽へ反応液が排出される。このとき、媒体供給手段により、媒体流路には、反応液を蒸発させる熱媒又は反応蒸気を凝縮させる冷媒が供給されている。
また、制御手段は、設定された目標生成蒸気量を確保するために求められた蒸発流路における反応液の液位を目標液位とし、液位検出手段からの出力に基づいて搬送装置を制御して、反応液を目標液位に制御する。
そして、搬送装置に設けられた計測手段により、貯留槽から蒸発流路への反応液の供給量が計測され、蒸発流路内の目標液位を挟んで上下方向に所定の間隔を開けて設けられた２個の液位検出手段により、反応液の状態が気相であるか液相であるかが検出される。
また、制御手段により、２個の液位検出手段及び計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を推定生成蒸気量とし、目標生成蒸気量と推定生成蒸気量との差から制御量を求め、搬送装置を制御して、制御量を用いて反応液の液位を目標液位に制御する。
これにより、２個の液位検出手段で挟まれた目標液位に、反応液を制御することができる。

【0008】

この構成とすることにより、蒸発流路の反応液が目標液位に制御され、目標生成蒸気量を許容限度内に制御可能な化学蓄熱システムを提供することができる。

【0013】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の化学蓄熱システムにおいて、２個の前記液位検出手段の前記所定の間隔は、前記目標生成蒸気量の許容範囲から求められた、前記目標液位からの液位変動の許容限度とされていることを特徴としている。

【0014】

これにより、反応液を目標液位からの液位変動の許容限度の範囲内とすることで、目標生成蒸気量を許容範囲内に制御することができる。

【0015】

請求項３に記載の発明に係る化学蓄熱システムは、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する化学蓄熱材が内蔵された反応器と、前記反応器と気密状態で連通された反応液の蒸発流路を備え、前記蒸発流路で前記反応液を蒸発させて前記反応器へ蒸気を供給し、前記脱水反応で生じた前記反応器からの蒸気を凝縮して回収する蒸発・凝縮器と、前記蒸発流路と連通され前記反応液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ前記反応液を供給し、前記蒸発流路に貯留された前記反応液を前記貯留槽へ排出させる搬送量可変機能と、前記貯留槽から前記蒸発流路へ供給する反応液量の計測手段と、を備えた搬送装置と、前記蒸発流路と接して前記蒸発・凝縮器に設けられた媒体流路に、前記反応液を蒸発させる熱媒、又は前記反応器からの蒸気を凝縮させる冷媒を供給する媒体供給手段と、前記蒸発流路の前記反応液の液位を検出する液位検出手段であって、上下方向に少なくとも４個が設けられ、中央部の２個が設定された目標生成蒸気量を確保するための前記反応液量から求められた目標液位を挟む位置に配置され、最上部と最下部の２個が所定の間隔を開けた位置に配置され、前記反応液の状態が気相であるか液相であるかを検出する前記液位検出手段と、前記液位検出手段からの出力に基づいて前記搬送装置を制御して、前記反応液を前記目標液位に制御する制御手段であって、下部２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を下部推定生成蒸気量とし、上部２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた前記生成蒸気量を上部推定生成蒸気量とし、前記目標生成蒸気量と前記下部推定生成蒸気量との差から下部制御量を求め、及び前記目標生成蒸気量と前記上部推定生成蒸気量との差から上部制御量を求め、前記搬送装置を制御して、前記下部制御量又は前記上部制御量を用いて前記反応液の液位を前記目標液位に制御する前記制御手段と、を有することを特徴としている。

【0016】

請求項３に記載の発明によれば、反応器は、内蔵された化学蓄熱材により、加熱により脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する。また、反応器と気密状態で連通され、反応液の蒸発流路を備えた蒸発・凝縮器により、反応液を蒸発させて反応器へ蒸気が供給され、反応器からの蒸気を凝縮して反応液が回収される。
また、貯留槽に貯留された反応液が、搬送装置により貯留槽から蒸発流路へ供給され、蒸発流路から貯留槽へ反応液が排出される。このとき、媒体供給手段により、媒体流路には、反応液を蒸発させる熱媒又は反応蒸気を凝縮させる冷媒が供給されている。
また、制御手段は、設定された目標生成蒸気量を確保するために求められた蒸発流路における反応液の液位を目標液位とし、液位検出手段からの出力に基づいて搬送装置を制御して、反応液を目標液位に制御する。
そして、搬送装置に設けられた計測手段により、貯留槽から蒸発流路への反応液の供給量が計測される。
また、蒸発流路内の上下方向に少なくとも４個が設けられ、中央部の２個が目標液位を挟む位置に配置され、最上部と最下部の２つが所定の間隔を開けた位置に配置された液位検出手段により、反応液の状態が気相であるか液相であるかが検出される。

【0017】

このとき、制御手段は、下部２個の前記液位検出手段及び前記計測手段からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を下部推定生成蒸気量とし、上部２個の液位検出手段及び搬送装置からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を上部推定生成蒸気量とし、目標生成蒸気量と下部推定生成蒸気量から下部制御量を求め、及び目標生成蒸気量と上部推定生成蒸気量との差から上部制御量を求め、搬送装置を制御して、下部制御量及び上部制御量を用いて反応液の液位を目標液位に制御する。

【0018】

これにより、反応液を目標液位からの液位変動の許容限度内とすることができ、目標生成蒸気量を許容範囲に制御することができる。

【0019】

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の化学蓄熱システムにおいて、４個の前記液位検出手段における最下部とその直上の下部２個の下部液位検出手段間隔は、最上部とその直下の上部２個の上部液位検出手段間隔より広くされ、最下部と最上部の前記所定の間隔は、前記目標生成蒸気量の許容範囲から求められた、前記目標液位からの液位変動の許容限度とされていることを特徴としている。

【0020】

これにより、反応液の上昇時と下降時の液位変動の検出精度を、液位検出手段が２個の場合より高めることができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明は上記構成としてあるので、蒸発流路の反応液の液位を目標液位に制御することにより、目標生成蒸気量を許容限度内に制御する化学蓄熱システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の参考例に係る化学蓄熱システムのシステム構成を説明するための模式図である。

【図2】本発明の参考例に係る化学蓄熱システムの蒸発・凝縮器を説明するための図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は水平方向断面図、（ｃ）は鉛直方向断面図である。

【図3】本発明の参考例に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位制御を説明するための模式図である。

【図4】本発明の参考例に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位センサと水位の関係を示す図であり、（ａ）は水位センサより水位が低い場合を示し、（ｂ）は水位センサより水位が高い場合を示している。

【図5】本発明の参考例に係る化学蓄熱システムの水位制御シーケンスを示すフローチャートである。

【図6】本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位制御を説明するための模式図である。

【図7】本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位センサと水位の関係を示す図であり、（ａ）は水位センサより水位が低い場合を示し、（ｂ）は水位センサより水位が高い場合を示し、（ｃ）は２個の水位センサの間に水位がある場合を示している。

【図8】本発明の第１の実施の形態に係る化学蓄熱システムの水位制御シーケンスを示すフローチャートである。

【図9】本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位制御を説明するための模式図である。

【図10】本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの蒸発流路における水位センサと水位の関係を示す図であり、（ａ）は水位センサの取付け位置を示し、（ｂ）は水位センサより水位が高い場合を示し、（ｃ）は４個の水位センサの間に水位がある場合を示し、（ｄ）は水位センサより水位が低い場合を示している。

【図11】外乱による反応器の反応速度変化の例であり、（ａ）は急激な温度低下を示し、（ｂ）は緩やかな温度上昇を示す模式図である。

【図12】外乱による水位変化の例であり、（ａ）は急激な温度低下の場合を示し（ｂ）は緩やかな温度低下の場合を示す図である。

【図13】本発明の第２の実施の形態に係る化学蓄熱システムの水位制御シーケンスを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（参考例）
本発明の参考例に係る化学蓄熱システム１０について、図１〜図５に基づいて説明する。
図１には、本発明の参考例に係る化学蓄熱システム１０の基本構成が示され、図２には、蒸発・凝縮器１６の基本構成が示され、図３には蒸発流路３２における水位制御システムが示され、図４には水位センサと水位の関係が示され、図５には水位制御シーケンスを示すフローチャートが示されている。

【0024】

図１の模式図に示すように、化学蓄熱システム１０は、化学蓄熱材１４が内蔵された反応器１２を有している。化学蓄熱材１４は、例えば、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、酸化バリウム、水酸化バリウム等で形成され、脱水反応を生じることで蓄熱し、水和反応を生じることで放熱する特性を備えている。

【0025】

以下、化学蓄熱材として、アルカリ土類金属の水酸化物の１つである水酸化カルシウム（ＣａＯ／Ｃａ（ＯＨ）_２）を採用した例について説明する。従って、反応器１２内では、以下に示す反応で蓄熱、放熱を可逆的に繰り返し得る構成とされている。
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）_２＋ΔＨ（ｋＪ/ｍｏｌ）

【0026】

ここに、ΔＨは反応熱量であり、反応器１２には、水和反応で生じた反応熱量（放熱速度）を供給先へ搬送する、図示しない搬送装置が設けられている。
反応器１２は、水和反応用の蒸気を発生させる蒸発・凝縮器１６と蒸気配管２８で接続され、蒸気配管２８を介して蒸発・凝縮器１６から反応器１２へ蒸気が供給される。更に、蒸発・凝縮器１６は、反応器１２で発生した脱水反応時の水蒸気を凝縮させ、液体（水）にして回収する。

【0027】

蒸気配管２８は、気密状態で蒸発・凝縮器１６と反応器１２を連結され、蒸気配管２８には、蒸気の流れを制御するバルブ３０が取り付けられている。
蒸発・凝縮器１６は、図２（ａ）の斜視図に示すように、中空柱状に形成され、上面の中央部には開口部７８が設けられ、開口部７８が蒸気配管２８と連結されている。

【0028】

図２（ｂ）の水平断方向面図、図２（ｃ）の鉛直方向断面図に示すように、蒸発・凝縮器１６の中央部には、水（反応液）を貯留し蒸発させる蒸発流路３２が設けられ、蒸発流路３２の上部が開口部７８とされている。蒸発流路３２で発生した蒸気は、矢印Ｒ１方向へ移動する（図２（ｃ）参照）。蒸発流路３２の両側面には、蒸発流路３２と接して、加熱用の熱媒又は冷却用の冷媒を供給させる媒体流路３４が設けられている。

【0029】

蒸発流路３２と媒体流路３４は、熱伝導率の高い材料で形成された熱交換隔壁３８で鉛直方向に区画されている。蒸発流路３２の下部には、蒸発流路３２へ水を注入するための注入管２５と、蒸発流路３２から水を排出する排出管２７が設けられている。また、媒体流路３４の下部と上部には、加熱用又は冷却用の媒体を矢印Ｒ２（図２（ｃ）参照）方向に供給させる入口管１７ａと出口管１７ｂが設けられている。

【0030】

蒸発流路３２は、水を貯留する貯留槽２２と配管２５、２７で接続されている。配管２５には供給ポンプ２４が設けられ、貯留槽２２から蒸発流路３２へ水を供給する。このとき水の入口は蒸発流路３２の底面に設けられ、矢印Ｒ３で示すように、水は底面から上方へ注入される（図２（ｃ）参照）。

【0031】

また、排出ポンプ２６により、蒸発流路３２に貯留された水を貯留槽２２へ排出することができる。
供給ポンプ２４と排出ポンプ２６は、いずれも回転数制御機能を備えており、回転数を増大させて水の搬送量を増大させ、回転数を減少させて水の搬送量を減少させることができる。

【0032】

また、媒体流路３４は、媒体供給装置１８と配管１７ａ、１７ｂで接続されている。媒体供給装置１８は、媒体流路３４に媒体（熱媒又は冷媒）を供給させる。媒体供給装置１８が熱媒を供給させることで、蒸発流路３２に貯留させた水を加熱して蒸発させ（図２（ａ）の矢印Ｒ１参照）、冷媒を供給させることで、蒸発流路３２に送られた蒸気を凝縮させる（図２（ａ）の矢印Ｒ４参照）。

【0033】

蒸発流路３２には、蒸発流路３２に貯留された未蒸発の水を検出する水位センサ８８が設けられている。水位センサ８８は、予め設定された目標生成蒸気量から求められた目標液位ｈ_０（ｍ）と同じ高さに設置されている。

【0034】

ここに、水位センサ８８のプローブには、光ファイバプローブ、伝導率式、静電容量式、抵抗発熱体式、超音波式、レベルスイッチ式のいずれか１つが採用され、液体が検出された場合には図示しない変換部から検出信号Ｉ（ｔ）＝１が出力され、気体が検出された場合には検出信号Ｉ（ｔ）＝０が出力される。

【0035】

水位センサ８８、供給ポンプ２４及び排出ポンプ２６は、それぞれリード線３８でコントローラ３６と接続されている。
コントローラ３６には、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭが組み込まれ、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて、水位センサ８８の出力から、供給ポンプ２４及び排出ポンプ２６の回転数を制御して、水位を目標水位に制御する。

【0036】

以上説明した構成とすることにより、反応液供給回収装置２０により、貯留槽２２から供給された水は、蒸発・凝縮器１６の蒸発流路３２で、媒体流路３４の熱媒と熱交換され蒸気に変換される。生成された蒸気は、反応器１２内に充填された蓄熱材１４と反応して、反応熱量を発生させる。

【0037】

このとき、蒸発流路３２に貯留させた水量を増やす（蒸発流路３２における水位を高くする。）ことで、熱交換隔壁３８における媒体流路３４との熱交換面積が増し、交換熱量を増大させることができる。

【0038】

次に図３〜図５を用いて、制御手順を説明する。
先ず、コントローラ３６は、蒸発通路３２で蒸発させる目標生成蒸気量Ｆ_Ｖ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を設定する（ステップ１００）。また、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを実現するための目標水位ｈ_０（ｍ）と、目標水位ｈ_０まで到達させるための目標制御時間ｔ（ｓｅｃ）を設定する（ステップ１０１）。ここに、目標水位ｈ_０は必要蒸発水量、蒸発流路３２の伝熱面積、熱交換特性、水の物性値等により決定される。

【0039】

次に、コントローラ３６は、供給ポンプ２４を制御して、蒸発流路３２へ水の供給を開始する。運転開始直後の初期供給においては、蒸発流路３２には未蒸発水は存在していないため、下式（１）で示す、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを上回る水量Ｆ_Ｌを供給する（ステップ１０２）。

【0040】

Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ＋ｈ・Ａ_Ｃ・ρ／（Ｍ・ｔ） …（１）
ここに、Ｆ_Ｖ：設定された目標生成蒸気量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）
ｈ_０：目標水位（ｍ）
Ａ_Ｃ：蒸発流路の流路断面積（ｍ^２）
ρ ：反応液の密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｍ ：反応液の分子量（ｋｇ/ｍｏｌ）
ｔ ：液位高さへの目標制御時間（ｓｅｃ）

【0041】

次いで、水位センサ８８から変換器８９を介して出力された検出信号Ｉ（ｔ）を読み込む（ステップ１０３）。変換器８９で変換された検出信号Ｉ（ｔ）が「０」の時は、水位センサ８８の位置が液体であり（図４（ｂ）参照）、水位ｈが目標水位ｈ_０より高いため、次のステップ１０４へ進む。

【0042】

一方、変換器８９で変換された検出信号Ｉ（ｔ）が「１」の時は、水位センサ８８の位置が気体であり（図４（ａ）参照）、未だ水位ｈが目標水位ｈ_０より低いため、ステップ１０２へ戻り、水の初期供給を継続する。検出信号Ｉ（ｔ）が「０」になるまで、継続して水を供給する。

【0043】

水位ｈが上昇して、水位センサ８８の位置（目標水位ｈ_０）を越えたとき、水位センサ８８からは、液体検出信号（検出信号Ｉ（ｔ）＝０）が出力され、コントローラ３６は、供給水量Ｆ_Ｌを減少させ、新たな一定の供給水量Ｆ_Ｌ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ）を継続して供給する（ステップ１０４）。水位ｈが一定に制御された流路３２では、供給水量と生成蒸気量は等価となるため、供給水量Ｆ_Ｌを一定に維持することで、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを維持することができる。

【0044】

次いで、水位ｈが上昇し、水位センサ８８からの出力が液体を検出（検出信号Ｉ（ｔ）＝０）したとき（ステップ１０５）、コントローラ３６は、供給水量Ｆ_Ｌを減少させて（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ−ΔＦ_Ｌ）ステップ１０５へ戻る（ステップ１０７）。

【0045】

水位ｈが低下して、水位センサ８８からの出力が気体を検出（検出信号Ｉ（ｔ）＝１）したとき、コントローラ３６は、供給水量を増加させ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ＋ΔＦ_Ｌ）ステップ１０８へ進む（ステップ１０６）。
蒸気の生成を継続する時はステップ１０５へ戻り、蒸気の生成を終了する時は水の供給を終了させる（ステップ１０８）。
以上説明した手順により、蒸発流路３２における水位ｈが、目標水位ｈ_０に制御されるため、目標生成蒸発量を安定して維持することができる。

【0046】

以上説明したように、本実施の形態においては、蒸発流路３２における水位を一定に制御することが可能となり、外乱（例えば媒体温度変化、蒸気消費量変化など）により発生する、物質アンバランスによる液オーバーフロー、蒸発流路内ドライアウト等を回避することができる。

【0047】

なお、本実施の形態においては、蒸発流路３２の熱交換は、いわゆるコフロータイプの熱交換器の例で説明した。しかし、これに限定されることはなく、カウンターフロタイプやクロスフロータイプの熱交換器でもよい。

【0048】

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る化学蓄熱システム４０について、図６〜図８に基づいて説明する。
図６には、本発明の第１の実施形態に係る化学蓄熱システム４０の基本構成が示され、図７には、蒸発流路３２に設けられた水位センサ９０、９１の位置と水位の関係が示され、図８には制御フロー図が示されている。

【0049】

図６に示すように、第１の実施形態係る化学蓄熱システム４０は、供給された水位ｈを計測する、２個の水位センサ９０、９１が、蒸発流路３２に取り付けられている。また、供給ポンプ２４には、貯留槽２２から蒸発流路３２へ供給する水量の計測手段が設けられている。参考例と同一の部位には同一の番号を付して、参考例との相違点を中心に説明する。

【0050】

水位センサ９０、９１は、目標水位ｈ_０を挟んで上下方向に所定の間隔Δｈを開けて、高さｈ_１、ｈ_２の位置にそれぞれ取り付けられている。ここに、目標水位ｈ_０＝（ｈ_１＋ｈ_２）／２（ｍ）とされている。水位センサ９０、９１は、参考例で説明した水位センサ８８と同じ構成であり、水位センサ９０、９１の位置における水の状態が気相であるか液相であるかを検出する。

【0051】

また、２個の水位センサ９０、９１の所定の間隔Δｈは、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖの許容範囲から求められた、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを確保するために定められた目標水位ｈ_０の水位変動の許容限度Δｈｍの範囲内とされている。

【0052】

コントローラ５４は、後述するように、２個の水位センサ９０、９１及び供給ポンプ２４からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ‘とし、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖと推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ‘との差から制御量｜ΔＦ_Ｌ｜を求め、供給ポンプ２４を制御して、蒸発流路３２に貯留された水位ｈを目標水位ｈ_０に制御する。
これにより、水位ｈを、目標水位ｈ_０からの液位変動の許容限度Δｈｍの範囲内に制御することが可能となる。

【0053】

本実施の形態による制御を、図８のフローチャートを用いて説明する。

【0054】

先ず、記述の参考例と同様に、コントローラ５４は、蒸発通路３２で蒸発させる目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを設定する（ステップ１００）。また、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を実現するための目標水位ｈ_０（ｍ）と、目標水位ｈ_０まで到達させるための目標制御時間ｔ（ｓｅｃ）を設定する（ステップ１０１）。

【0055】

次に、蒸発通路３２への水の供給を開始する。初期供給においては、下式（２）で示す水量Ｆ_Ｌを供給する（ステップ１１０）。ここに、水位ｈ_２は高い方の水位センサ９１の位置である。
Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ＋ｈ_２・Ａ_Ｃ・ρ／（Ｍ・ｔ） …（２）
ここに、Ｆ_Ｖ：設定された目標生成蒸気量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）
ｈ_２：上側の水位センサ高さ（ｍ）
Ａｃ：蒸発流路の流路断面積（ｍ^２）
ρ ：反応液の密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｍ ：反応液の分子量（ｋｇ/ｍｏｌ）
ｔ ：液位高さへの目標制御時間（ｓｅｃ）

【0056】

次いで、水位センサ９０、９１の出力を、変換機８９を介して検出信号Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ）として読み込む（ステップ１１１）。検出信号Ｉ_２（ｔ）が「０」となったとき、上側の水位センサ９１まで水位が達している状態であり（図７（ｂ）参照）、次のステップ１１２へ進む。
検出信号Ｉ_２（ｔ）が「１」の時は水位センサ９１の位置が気体であり、未だ上側の水位センサ９１まで水位が上昇していない状態であり（図７（ａ）、（ｃ）参照）、ステップ１１０へ戻り、水の初期供給を継続する。

【0057】

水位が上昇して、水位センサ９１の位置ｈ_２に到達したとき、供給水量Ｆ_Ｌを減少させ、新たな一定の供給水量Ｆ_Ｌ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ）を継続して供給する（ステップ１１２）。水位が一定に制御された蒸発器では、供給水量と生成蒸気量は等価となるため、供給水量Ｆ_Ｌを一定に維持することで、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを維持することができる。

【0058】

次いで、２つの水位センサ９０、９１が水を検出した時間のずれから、検出の遅れ時間Δｔ（ｓｅｃ）を算出する（ステップ１１３）。この遅れ時間Δｔ（ｓｅｃ）は、２個の水位センサ９０、９１の間を水位が上昇（水位が下降）するのに要した時間となる。

【0059】

遅れ時間Δｔ（ｓｅｃ）、供給水量Ｆ_Ｌ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、蒸発流路の断面積Ａｃ（ｍ^２）等から推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ‘が下式（３）で求められる。
ＦＶ‘＝Ｆ_Ｌ−ρ／Ｍ・(ｈ_２−ｈ_１)・Ａｃ／Δｔ（ｍｏｌ／ｓｅｃ） …（３）
ここに、ρ ：密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｍ ：分子量（ｋｇ／ｍｏｌ）
Ａｃ：蒸発流路断面積（ｍ^２）
Δｔ：遅れ時間（ｓｅｃ）

【0060】

続いて、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖと推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ‘との差から制御量ΔＦ_Ｌを算出する（｜ΔＦ_Ｌ｜＝｜Ｆ_Ｖ−Ｆ_Ｖ’｜）。

【0061】

水位が上昇し、水位センサ９１からの出力が液体を検出（検出信号Ｉ_２（ｔ）＝０）したとき、（ステップ１１４）、供給水量Ｆ_Ｌを減少させて（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ−ΔＦ_Ｌ）、ステップ１１３へ戻る（ステップ１１６）。

【0062】

一方、液位が低下して、水位センサ９０からの出力が気体を検出（検出信号Ｉ_１（ｔ）＝１）したときは、供給水量Ｆ_Ｌを増大させて（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ＋ΔＦ_Ｌ）、ステップ１１３へ戻る（ステップ１１７）。
蒸気の生成を継続する時はステップ１１３へ戻り、蒸気の生成を終了する時は水の供給を終了させる（ステップ１１８）。

【0063】

以上説明した手順により、２つの水位センサ９０、９１を用いることで、蒸発流路３２における水位ｈが、目標水位ｈ_０に制御されるため、目標生成蒸発量を安定して維持することができる。

【0064】

以上説明したように、本実施の形態においては、液位高さを一定に制御することが可能となり、外乱（例えば媒体温度変化、蒸気消費量変化など）により発生する、物質アンバランスによる液オーバーフロー、蒸発流路内ドライアウト等を回避することができる。
なお、他の構成は参考例と同様であり、説明は省略する。

【0065】

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る化学蓄熱システム８０について、図９〜図１３に基づいて説明する。図９には、本発明の第２の実施形態に係る化学蓄熱システム８０の基本構成が示され、図１０には蒸発流路３２における水位センサと水位の関係が示され、図１１外乱による反応器の反応速度変化が示され、図１２には外乱による水位変化が示され、図１３には制御フロー図が示されている。

【0066】

図９に示すように、第２の実施形態係る化学蓄熱システム８０は、蒸発流路３２に貯留された水位ｈを計測する４個の水位センサ９２、９３、９４、９５が取り付けられている。また、供給ポンプ２４には、貯留槽２２から蒸発流路３２へ供給する反応水量の計測手段が設けられている。参考例と同一の部位には同一の番号を付して、参考例との相違点を中心に説明する。

【0067】

４個の水位センサ９２、９３、９４、９５は、いずれも参考例に係る水位センサ８８と同じ構成であり、それぞれの設置位置における水の状態が、気相であるか液相であるかを検出する。最下部と最上部の２個の水位センサ９２、９５は、高さｈ_１、ｈ_４に配置され、目標液位ｈ_０を挟んで上下方向に所定の間隔Δｈ_１４を開けて取り付けられている（目標液位ｈ_０＝（ｈ_１＋ｈ_４）／２（ｍ））。

【0068】

また、最下部の水位センサ９２と、その直上（下から２番目）の水位センサ９３との２個の間隔Δｈ_１２は、最上部の水位センサ９５と、その直下（下から３番目）の水位センサ９４との２個の間隔Δｈ_３４より広くされている（図１０（ａ）参照）。
また、最下部の水位センサ９２と最上部の水位センサ９５との所定の間隔Δｈ_１４は、設定された生成蒸気量の許容範囲から求められた、目標液位からの液位変動の許容限度の範囲内に設定されている（図１０（ａ）参照）。

【0069】

コントローラ３６は、下部２個の水位センサ９２、９３、及び供給ポンプ２４からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を下部推定生成蒸気量とし、上部２個の水位センサ９４、９５、及び供給ポンプ２４からの出力に基づいて求めた生成蒸気量を上部推定生成蒸気量とする。

【0070】

また、コントローラ３６は、目標生成蒸気量と下部推定生成蒸気量、及び目標生成蒸気量と上部推定生成蒸気量との差から、後述する方法で制御量を求め、供給ポンプ２４を制御して水位ｈを、目標水位ｈ_０に制御する。
これにより、蒸発通路３２に貯留させた水を、目標液位ｈ_０からの液位変動の許容限度Δｈの範囲内に制御することが可能となる。

【0071】

ここで、第１の実施形態で説明した２個の水位センサ９０、９１による制御の問題点として、例えば、図１１（ａ）の特性Ｑ_１に示すように、外乱により反応器１２の温度が急激に低下した場合、反応器１２からの要求出力が一時的に増加する場合がある。このような外乱に対して、２つの水位センサ９０、９１間の検出距離Δｈが短いため、水位低下を計測する時間が短かく（図１２（ａ）参照）、制御量の正確な算出が困難となる。

【0072】

更に、図１１（ｂ）の特性Ｑ_２に示すように、外乱により反応器１２の温度が緩やかに上昇した場合、水位センサ９０、９１間の検出距離Δｈが長いため、水位上昇に時間がかかり過ぎて（図１２（ｂ）参照）、制御が不安定となる点がある。
本実施形態では、４個の水位センサ９２、９３、９４、９５を用いることで、以下に示すように、これらの問題点を解消することができる。

【0073】

次に、具体的な制御方法について、図１３のフローチャートを用いて説明する。
先ず、参考例と同様に、コントローラ８６は、蒸発通路３２で蒸発させる目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを設定する（ステップ１００）。また、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を実現するための目標水位ｈ_０（ｍ）と、目標水位ｈ_０まで到達させるための目標制御時間ｔ（ｓｅｃ）を設定する（ステップ１０１）。

【0074】

次に、水の供給を開始する。初期供給においては、水位ｈ_２を目標にして下式（４）で示す水量Ｆ_Ｌを供給する（ステップ１２０）。水位ｈ_２は、水位センサ９３の位置の水位である。
Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ＋ｈ_２・Ａ_Ｃ・ρ／（Ｍ・ｔ） …（４）
ここに、Ｆ_Ｖ：設定された目標生成蒸気量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）
ｈ_４：水位センサ９５の高さ（ｍ）
Ａｃ：蒸発流路の流路断面積（ｍ^２）
ρ ：反応液の密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｍ ：反応液の分子量（ｋｇ/ｍｏｌ）
ｔ ：液位高さへの目標制御時間（ｓｅｃ）

【0075】

水位センサ９３の位置で水が検出されるまで（水位センサ９３の出力信号が「０」になるまで）、（４）式で示す水量Ｆ_Ｌを供給する（ステップ１２１）。

【0076】

水位が上昇して、水位センサ９３の位置ｈ_２に到達しとき、供給水量Ｆ_Ｌを減少させ、新たな一定の供給水量Ｆ_Ｌ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ）とし、継続して水を供給する（ステップ１２２）。水位が一定に制御された蒸発器では、供給水量と生成蒸気量は等価となるため、供給水量Ｆ_Ｌを一定に維持することで、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖを維持することができる。

【0077】

次いで、一定の供給水量Ｆ_Ｌ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｖ）状態において、水位センサ９２、９３、９４、９５の変換器８９を介した検出信号Ｉ_１（ｔ）、Ｉ_２（ｔ）、Ｉ_３（ｔ）、Ｉ_４（ｔ）を読み込み、下部２個の水位センサ９２、９３間の出力の遅れ時間Δｔ_１２（ｓｅｃ）、及び上部２個の水位センサ９２、９３間の出力の遅れ時間Δｔ_３４（ｓｅｃ）を算出して次のステップ１２４へ進む（ステップ１２３）。

【0078】

ステップ１２４では、水位が上昇して、水位センサ９５の位置ｈ_４に到達したか否かを判断する。即ち、検出信号Ｉ_４（ｔ）が「１」の時は、水位センサ９５の位置が気体であり、水位が上昇していないため、ステップ１２５へ進む。
一方、水位が上昇して、水位センサ９５の位置ｈ_４に到達しとき（図１０（ｂ）参照）、供給水量Ｆ_Ｌを減少させ、新たな一定の供給水量Ｆ_Ｌ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ−ΔＦ_Ｌ３４）とし、継続して供給する（ステップ１２６）。

【0079】

一方、水位ｈが低下して、図１０（ｄ）に示すように、水位センサ９２からの出力が気体を検出（検出信号Ｉ_１（ｔ）＝１）したときは（ステップ１２５）、供給水量を増大させ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ＋ΔＦ_Ｌ１２）ステップ１２３へ戻る（ステップ１２７）。

【0080】

ここに、下部制御量（ΔＦ_Ｌ１２）及び上部制御量（ΔＦ_Ｌ３４）は次の手順で算出する。
遅れ時間Δｔ_１２及びΔｔ_３４（ｓｅｃ）、液供給量Ｆ_Ｌ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、蒸発流路断面積Ａｃ（ｍ^２）等から、下部推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ１２‘と上部推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ３４‘を下式（５）（６）で算出する。
Ｆ_Ｖ１２‘＝ＦＬ-ρ／Ｍ・(ｈ_２−ｈ_１)・Ａｃ・Δｔ_１２（ｍｏｌ／ｓｅｃ） …（５）
Ｆ_Ｖ３４‘＝ＦＬ-ρ／Ｍ・(ｈ_４−ｈ_３)・Ａｃ・Δｔ_３４（ｍｏｌ／ｓｅｃ） …（６）
ここに、ρ ：密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｍ ：分子量（kg/mol）
Ａｃ：蒸発流路断面積（ｍ^２）
Δｔ_１２：下部２個の水位センサ間の遅れ時間（ｓｅｃ）
Δｔ_３４：上部２個の水位センサ間の遅れ時間（ｓｅｃ）

【0081】

続いて、目標生成蒸気量Ｆ_Ｖと下部推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ１２‘、及び目標生成蒸気量Ｆ_Ｖと上部推定生成蒸気量Ｆ_Ｖ３４‘との差から、下部制御量ΔＦ_Ｌ１２（｜ΔＦ_Ｌ１２｜＝｜Ｆ_Ｖ−Ｆ_Ｖ１２’｜）、上部制御量ΔＦ_Ｌ３４（｜ΔＦ_Ｌ３４｜＝｜Ｆ_Ｖ−Ｆ_Ｖ３４’｜）を算出する。

【0082】

水位ｈが上昇し、水位センサ９５からの出力が液体を検出（検出信号Ｉ_４（ｔ）＝０）したとき、（ステップ１２４）、供給水量Ｆ_Ｌを減少させて（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ−ΔＦ_Ｌ３４）ステップ１２３へ戻る（ステップ１２６）。このとき、上部水位センサ９４、９５は狭く配置しているので、外乱により反応器１２の温度が緩やかに上昇した場合でも、水位上昇に時間がかかり過ぎるという問題点が解消される。

【0083】

一方、上述したように、水位ｈが低下して、水位センサ９２からの出力が気体を検出（検出信号Ｉ_１（ｔ）＝１）したときは（ステップ１２５）、供給水量を増大させ（Ｆ_Ｌ＝Ｆ_Ｌ＋ΔＦ_Ｌ１２）ステップ１２３へ戻る（ステップ１２７）。
このとき、下部水位センサ９４、９５は広く配置しているので、外乱により水位低下の速度が早くても、制御量の正確な算出が困難となる問題点が解消される。

【0084】

続いて、蒸気の生成を継続する時はステップ１２３へ戻り、蒸気の生成を終了する時は水の供給を終了させる（ステップ１２８）。
以上説明した手順により、４つの水位センサ９２、９３、９４、９５を用いることで、水位ｈが目標水位ｈ_０に制御されるため、目標生成蒸発量を安定して維持することができる。

【0085】

以上説明したように、本実施の形態においては、４個の水位センサで水位を一定に制御することが可能となり、外乱（例えば媒体温度変化、蒸気消費量変化など）により発生する、物質アンバランスによる液オーバーフロー、蒸発流路内ドライアウト等を回避することができる。
なお、他の構成は参考例と同様であり、説明は省略する。

【符号の説明】

【0086】

１０、４０、８０ 化学蓄熱システム
１２ 反応器
１４ 化学蓄熱材
１６、７４、８６ 蒸発・凝縮器
１８ 媒体供給装置（媒体供給手段）
２２ 貯留槽
２４ 供給ポンプ（搬送装置）
２６ 排出ポンプ（搬送装置）
３２ 蒸発流路
３４ 媒体流路
３６、５４、８６ コントローラ（制御手段）
４８ 供給ポンプ（搬送装置、反応液流量計測手段）
５０ 排出ポンプ（搬送装置、反応液流量計測手段）
８８、９０、９１、９２、９３、９４，９５ 水位センサ（液位検出手段）
ｈ 水位
ｈ_０ 目標水位

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図1】