JPH0432318B2

JPH0432318B2 -

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Publication number: JPH0432318B2
Application number: JP57500755A
Authority: JP
Priority date: 1981-01-19
Filing date: 1982-01-15
Publication date: 1992-05-28
Also published as: WO1982002590A1; JPS58500137A; US4346752A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、熱エネルギを輸送するための方法及
び装置に係り、更に詳細には熱エネルギを化学的
エネルギとして輸送する方法及び装置に係る。更
に詳細には本発明は熱エネルギを化学的エネルギ
の形で輸送するための自己駆動型の化学的ヒート
パイプ装置及びその運転方法に係る。

従来の技術熱源と吸熱源又は負荷との間に熱エネルギを輸
送するための種々の方法が従来より使用されてい
る。熱輸送距離が小さく従つて熱損失が僅かであ
ることが理由で、また輸送されるべき熱エネルギ
が非常に多量であるが故に、熱輸送プロセス中に
例えば輻射、対流又は伝導により失われる熱の量
が殆ど問題とはならない場合がある。しかし場合
によつては、できるだけ効率良く熱を輸送するこ
とが必要であり、このような目的を達成する上で
ヒートパイプ装置は特に有用なものである。ヒー
トパイプ装置は一般に閉ループ２サイクル系であ
るものと考えられている。蒸発／凝縮型のヒート
パイプ装置に於ては、熱が迅速にヒートパイプ装
置内に導かれ、これによりヒートパイプ装置内に
於て作動流体が蒸発される。かくして蒸発された
作動流体はそれがヒートパイプ装置に沿つて搬送
されるに十分な圧力を発生し、次いでヒートパイ
プ装置の他端に於て凝縮される。このサイクルは
ヒートパイプ装置内のウイツク又は他の適当な手
段を通る毛細管作用などによつて凝縮液をヒート
パイプ装置の蒸発端へ戻すことによつて完了す
る。一般に作動流体は水、フレオン、メチルアル
コール、アセトンなどである。しかし熱源より吸
熱源へ熱エネルギを輸送している間に於ては作動
流体は高温度にて蒸発化された状態にあるので、
一般にはかなり低い温度にある周囲の環境へ輻
射、対流、伝導などによつてかなりの熱が失われ
ることがある。これらの熱損失は熱輸送距離が特
に長い場合にはかなり大きくなり、従つてかかる
蒸発／凝縮型のヒートパイプ装置は一般に熱が輸
送されるべき距離が例えば10フイート（約３ｍ）
以下の如く比較的短い場合にのみ使用されてい
る。

しかし、数十乃至数百フイート（約10〜10ｍ）
より数十乃至数百マイル（約50〜500Km）程もの
比較的長い又はかなり長い距離に亙つて熱エネル
ギを輸送することが必要とされる場合も多い。か
かる長い距離に亙り比較的効率的に熱を輸送すべ
く、化学的ヒートパイプ装置内の反応物質がまず
熱源に於て第一の化学反応を受け、吸熱源に於て
第二の化学反応を受ける化学的ヒートパイプ装置
に対し種々の努力が払われている。上述の第一の
化学反応はその反応プロセスにより熱が化学的に
吸収される吸熱反応であり、第二の化学反応は反
応プロセス中に熱が化学的に放出される発熱反応
である。反応物質及び／又は反応生成物は、周囲
環境の温度と実質的に差異のない温度にて存在し
また搬送され得るものであり、これにより化学的
ヒートパイプ装置より熱エネルギが失われる可能
性を大きく低減し得ることは重要である。上述の
化学反応は一般に可逆的なものであり、一般に反
応領域の一方又は両方に於て触媒により生起及
び／又は加速される。

例えば原子炉からそれより遠く離れた工業用及
び／又は住宅用吸熱源まで長距離に亙つて熱エネ
ルギを輸送するためのヒートパイプ装置の幾つか
の例が、1965年８月３日付にてR.B.Longに付与
された米国特許第3198710号、1971年１月26日付
にてWolfgang等に付与された同第3558047号、
1972年９月12日付にてHilberath等に付与された
同第3690550号、1976年７月６日付にてH.S.
Spacilに付与された同第3967676号、1977年８月
30日付にてJ.C.Fletcherに付与された同第
4044821号、1978年５月30日付にてCocuzza等に
付与された同第4091864号、1979年10月２日付に
てLe Froisに付与された同第4169499号に記載さ
れている。前述の米国特許第4044821号及び同第
4169499号は或る温度の熱源からの熱エネルギが
吸熱源に於て実質的により高い温度にて使用され
るよう輸送される化学的ヒートパイプ装置の例で
ある。上述の他の米国特許は一般に高温度の熱源
より比較的低い温度の吸熱源へ熱エネルギを輸送
するためのものである。これらの化学的ヒートパ
イプ装置に於ては種々の反応物質が使用されてお
り、例えば米国特許第3198710号及び同第4044821
号に於てはシクロヘキサン及び／又はメチルシク
ロヘキサンが使用され、米国特許第3967676号に
於てはホスゲンが使用され、米国特許第4169499
号に於ては尿素が使用され、米国特許第4091864
号に於ては三酸化イオウが使用され、米国特許第
3558047号及び同3690550号に於ては、エタン及
び／又はメタンが使用されている。前述の米国特
許に記載された化学的ヒートパイプ装置は一般に
熱源と吸熱源との間に反応物質及び反応生成物を
輸送するための種々の補足的な装置を使用するも
のである。一般に所要の反応生成物の輸送を行な
うための一つ又はそれ以上のポンプ及び／又はブ
ロアが化学的ヒートパイプ装置内に設けられてい
る。これらの駆動装置では設備及び／又はポンプ
を駆動するために消費されるエネルギの点から化
学的ヒートパイプ装置の費用を増大させるもので
ある。かかる費用は化学的ヒートパイプ装置が大
容量のものであり、及び／又はかなり長い距離に
亙つて反応物質を輸送しなければならないもので
ある場合にはかなり大きくなり、場合によつては
それらの化学的ヒートパイプ装置により与えられ
る利点が相殺されるほど大きくなる。

従つて、本発明の主要な目的は、かなり長い距
離に亙つて熱エネルギを効率的に輸送することの
できる方法及び装置を提供することである。この
目的には改良されたヒートパイプ装置を提供する
ことが含まれている。

本発明の他の一つの目的は、従来の能動的な駆
動機構を組込まれなくても作動媒体の輸送を行な
うことのできるヒートパイプ装置を提供すること
である。この目的には、反応物質及び反応生成物
の性質及びヒートパイプ装置の幾何的形状を利用
して作動媒体の所要の流れを発生させる自己駆動
型のヒートパイプ装置を提供することが含まれて
いる。

本発明の更に他の一つの目的は、熱を貯蔵装置
に選択的に貯蔵しまた熱を貯蔵装置より選択的に
解放させることのできるヒートパイプ装置を提供
することである。

本発明によれば、ヒートパイプ装置を用いた自
己駆動型の化学的ヒートパイプ装置に於て、特に
比較的長い距離に亙つて熱エネルギを効率的に輸
送するための方法及び装置が得られる。ヒートパ
イプ装置はそれぞれ互いに隔置された熱源位置と
吸熱源位置に於ける可逆的な吸熱化学反応及び発
熱化学反応を利用して、熱源より吸熱源へ化学的
に熱を輸送する。化学反応物質は特に適当な触媒
の存在の下で可逆的な吸熱／発熱反応を行なう。
一つの好ましい種類の反応には、それぞれ反応物
質及び反応生成物の脱水素反応及び水素添加反応
が含まれており、かかる特徴を有する反応物質の
一つの好ましい例はメチルシクロヘキサンであ
る。

本発明によるヒートパイプ装置に於ては、ヒー
トパイプ装置に従来のポンプを組込まなくても、
ヒートパイプ装置の作動媒体を含む反応物質及び
反応生成物の輸送が行なわれる。本発明に於て
は、反応プロセスの化学的特徴及びヒートパイプ
装置内の選択弁により、ヒートパイプ装置の閉回
路内に反応物質及び反応生成物の実質的に一方向
の流れが成され、その流れはかなり長い距離に亙
つて比較的多量の熱エネルギを輸送するよう作用
する。更に本発明のヒートパイプ装置に於ては、
輸送される熱エネルギの損失が殆ど又は全然生じ
ない。

一つの好ましい実施例に於ては、反応物質の貫
流を許すが反応生成物の逆方向の流れを有効に阻
止する液体状の作動媒体により、流路導管の少な
くとも一部が熱源位置と吸熱源位置との間に於て
塞がれる。液体状の作動媒体は重力によつて熱源
位置へ向けて流され、好ましくは熱源位置の近傍
に於てＵ字管などを充填する。この場合液体状の
作動媒体は吸熱源に於ける反応生成物の再結合に
より生じた反応物質の凝縮液であることが好まし
い。反応物質の凝縮は外部冷却コイルにより行な
われてよい。或いはまた、液体状の作動媒体は再
結合された反応物質が溶解した液体状の溶媒を含
んでいてよく、この溶媒により反応物質が熱源へ
搬送されるようにされてよい。液体状の作動媒体
より生成し該作動媒体中に存在する反応物質は熱
源位置へ搬送され、熱源位置に於て反応物質は蒸
発し、しかる後触媒の存在の下で吸熱反応する。

本発明の他の一つの実施例に於ては、一般にガ
ス状態にある吸熱反応生成物は、吸熱源に於て熱
が必要とされない場合には吸熱源へ搬送される前
に長期貯蔵装置へ選択的に供給され、吸熱源に於
て熱が必要とされ且熱源に於て熱が得られない場
合に吸熱源に於て使用すべく長期貯蔵装置より選
択的に引出される。反応生成物の成分は凝縮され
て液体状態にて貯蔵されてよく、また吸着などに
よつて貯蔵されてもよい。尚このプロセスは、反
応生成物をヒートパイプ装置に戻して吸熱源に於
て反応させるべく、逆に進行され得るものであ
る。

実施例添付の第１図に、従来技術による化学的ヒート
パイプ装置１１０が図示されている。この化学的
ヒートパイプ装置１１０は熱源１１２の如き熱エ
ネルギ源と吸熱源１１４の如き熱エネルギを受け
る負荷との間に延在する閉ループ型、即ち密閉回
路型の流路よりなつている。熱源１１２と吸熱源
１１４の間の距離は数フイート（約１ｍ）程度の
短い距離であつて良いが、熱源と吸熱源との間の
距離が例えば少くとも数十フイート（約10ｍ）、
一般には数百フイート〜数百マイル（約100ｍ〜
500Km）の如き比較的長い距離である場合に、こ
のヒートパイプ装置の利点が最も顕著になる。熱
源１１２に近接した反応室１１６内の反応物質Ａ
は、それが触媒１１８の存在の下で吸熱反応をす
るに十分な温度にまで熱源１１２により加熱され
る。吸熱反応により生成した物質は符号Ｂにて示
されており、これ以降反応生成物と呼ばれる。典
型的には反応物質Ａは水素を含有する化合物であ
つて良く、脱水素反応を受けて反応生成物Ｂとな
る。反応生成物Ｂ内に化学的に保存された熱エネ
ルギは、一つ又はそれ以上のポンプ又はブロア１
２２の補助を受けて、アーム導管１２０を経て吸
熱源１１４に近接して設けられた反応室１２４へ
搬送される。反応生成物Ｂは反応室１２４内に於
て触媒１２６の存在の下で発熱反応を受け、熱エ
ネルギを吸熱源１１４へ解放する。この発熱反応
は、反応生成物Ｂに水素添加反応を行なわせこれ
により反応物質Ａとすることにより、反応室１１
６内に於て分解された反応物質を化合させる。か
くして化合された反応物質Ａは次いで一つ又はそ
れ以上のポンプ又はブロア１３０の補助を受けて
アーム導管１２８を経て反応室１１６内の熱源位
置へ搬送され、これにより次の熱輸送サイクルが
開始される。

第１図に示された従来技術による化学的ヒート
パイプ装置１１０は殆ど熱エネルギの損失を伴う
ことなくかなり長い距離に亙つて化学的に保存さ
れた多量の熱エネルギを輸送するのに有効である
が、かかる従来技術による化学的ヒートパイプ装
置に於てはその化学的ヒートパイプ装置内に於け
る作動媒体の所要の循環又は輸送行なうためには
ポンプ又はブロア１２２，１３０の補助が必要で
ある。これらの駆動補助装置、即ちポンプ１２２
及び１３０はエネルギの損失につながる構成要素
の代表的なものであり、これらのポンプを設ける
ことによつて定期的なメインテナンスが必要であ
るだけでなく、化学的ヒートパイプ装置の設備投
資が増大する。

本発明によれば、第２図に解図的に示されてい
る如き自己駆動型化学的ヒートパイプ装置１０が
得られる。反応物質Ａは熱源１２に近接し且これ
と熱交換関係にある反応室１６内の熱源位置に於
て吸熱反応を受け、反応生成物Ｂを生成する。そ
の反応生成物Ｂは吸熱源１４に近接し且これと熱
交換関係にある反応室２４内の吸熱源位置へアー
ム導管２０を経て搬送される。反応室２４内に於
ては、反応生成物Ｂは発熱反応を受けて、保存さ
れた熱エネルギを吸熱源１４へ解放する。反応室
１６内に於ける反応物質Ａの分解及び反応室２４
内に於ける反応生成物Ｂより反応物質Ａへの化合
は、それぞれ対応する触媒の存在の下で好ましく
行なわれる。反応物質Ａは反応室２４より反応室
１６へ戻されて新たな熱輸送サイクルが開始され
るが、本発明によれば、化学的ヒートパイプ装置
１０は作動媒体を長距離に亙り輸送するために従
来必要であつたポンプ又はブロアは不要である。

本発明による化学的ヒートパイプ装置に於て
は、反応プロセスの化学的特徴、熱源と吸熱源と
の間の反応物質の差圧、及び化学的ヒートパイプ
装置１０内の選択弁プロセスが、化学的ヒートパ
イプ装置の閉回路内に於ける反応物質及び反応生
成物の実質的に一方向の流れを確立するよう作用
し、この場合の反応物質及び反応生成物の流れは
かなり長い距離に亙つて多量の熱エネルギを輸送
するのに十分なものである。事実、反応室２４と
反応室１６との間にて化学的ヒートパイプ装置１
０の復帰アーム導管２８に設けられた液体にて充
填されたＵ字管は、化学的ヒートパイプ装置内の
作動媒体の一方向の流れを有効に創成し、これに
より後に詳細に説明する要領にて選択弁として作
用する。

添付の第３図に本発明による自己駆動型化学的
ヒートパイプ装置１０の一つの好ましい実施例が
図示されている。反応物質Ａは熱源温度に於て適
当な触媒１８の存在の下で発熱反応を受け、反応
生成物Ｂに化学的に分解するよう選定されてい
る。より詳細には、反応物質Ａは反応室１６内に
於て脱水素反応を受ける材料であつて良く、かか
る反応物質の例は脱水素反応することによりそれ
ぞれベンゼンと水素、トルエンと水素に変化する
シクロヘキサン及びメチルシクロヘキサンであ
る。説明簡略化の目的で、反応物質Ａはメチルシ
クロヘキサンであるものとしてこれ以降説明する
が、他の多くの適当な反応物質に置き換えられて
良いことに留意されたい。メチルシクロヘキサン
は以下の反応を受け、これにより反応生成物Ｂ、
即ちトルエンと水素とに分解し、逆にこれらの反
応生成物Ｂは吸熱源に於ける発熱反応によつて化
合してメチルシクロヘキサンとなる。

C₇H₁₄C₇H₈＋3H₂ 後に説明する如く液体状態にて反応室１６内へ
流入した反応物質Ａ（メチルシクロヘキサン）は、
一般に600〓（316℃）以上の高温度にある熱源１
２により大気圧にて蒸発化される。次いでかくし
て蒸発化された反応物質Ａは、熱源１２からの熱
の存在の下で例えば白金族より選定された金属の
如き適当な触媒１８により反応を促進された状態
にて吸熱反応をする。この吸熱反応によりメチル
シクロヘキサンはトルエンと水素とよりなるガス
状の反応生成物Ｂに分解する。反応生成物Ｂは後
に詳細に説明する要領にてアーム導管２０を経て
反応室２４へ搬送される。反応生成物Ｂは反応室
２４内に於て発熱反応を受け、この場合の発熱反
応はニツケル等であつて良い触媒２６により促進
される。この発熱反応は大気圧下にて約３〓
（149℃）の温度にて生起し、反応生成物の化合反
応、即ち水素添加反応が行なわれて反応物質Ａ
（メチルシクロヘキサン）が生成する。この発熱
反応は化学的に保存されていた熱エネルギを吸熱
源１４へ解放する。

かくして反応室２４内に於て生成されたメチル
シクロヘキサンは反応室２４の出口よりアーム導
管２８内へ流入する。反応室２４と反応室１６と
の間のアーム導管２８内には、従来の駆動装置又
はポンプ装置の補助を必要とせずに所要の熱エネ
ルギの輸送を行なうに十分な量にて反応物質Ａを
実質的に一方向に流す手段が設けられている。ガ
ス状態のメチルシクロヘキサンは、アーム導管２
８内を通過する反応物質Ａと有効に熱交換する関
係にて設けられたコンデンサ５０により、反応室
２４を出てアーム導管２８内へ流入する際に急激
に冷却される。コンデンサ５０はアーム導管２８
の外部にこれを囲繞するように適宜に配置されて
いて良い。かくしてガス状の反応物質Ａは急激に
冷却されることにより液体状態になり、その分圧
は急激に低下する。かくして凝縮された反応物質
Ａは重力により反応室１６へ向けて容易に導か
れ、アーム導管２８の一部を充填しこれにより該
部分を塞ぐ凝縮液４２として蓄積する。第３図に
示された実施例に於ては、アーム導管２８のダク
トはアーム導管２０のダクトよりも直径が小さく
されており、これによりアーム導管２８の長さの
殆どの部分が凝縮液４２にて充填され、これによ
り凝縮液が再蒸発することが最小限に抑えられる
ようになつている。アーム導管２８のＵ字管４４
は凝縮液４２を捕捉し該凝縮液を遂時反応室１６
へ放出する。かくして捕捉されアーム導管２８を
塞ぐ凝縮液４２は第２図の選択弁４０の作用をな
す。Ｕ字管４４の吐出端部に於ける凝縮液４２
は、その凝縮液が無制限に反応室１６内へ吐出さ
れ触媒１８の表面に溢れることを防止すべく、例
えばダム４６により塞き止められていることが好
ましい。Ｕ字管４４の吐出端部は熱源１２とある
程度熱交換関係をなすよう熱源１２に十分に近接
して配置されており、これにより凝縮液４２の反
応物質Ａは凝縮液プールの液面４７より容易に蒸
発し、これにより反応室１６内に於て吸熱反応が
行なわれるよう反応物質を供給する作用をなす。

次に作動媒体の流体力学的側面について説明す
る。第４図に示された化学的ヒートパイプ装置１
０の各セグメント及び第４図の下方にこれに整合
して図示された第５Ａ図〜第５Ｄ図に描かれた温
度及び圧力のグラフを参照する。反応物質Ａの凝
縮液４２は、ガス状の反応物質Ａを冷却してそれ
を液体に転換しこれによりその分圧を急激に低減
すべく反応室２４の出口端部に比較的近接して配
置されたコンデンサ５０の近傍より、熱源１２及
び反応室１６に比較的近接した位置での間に存在
している。

第５Ａ図は第４図に示された化学的ヒートパイ
プ装置の各セグメントに沿う種々の位置に於ける
作動媒体の相対温度の曲線を示している。反応生
成物Ｂ、即ちトルエン及び水素は、それが吸熱源
１４に近付く際には周囲温度に近い温度又は周囲
温度よりも幾分か高い温度を有している。作動媒
体の温度は、作動媒体が反応室２４内へ流入し、
発熱反応をすると、吸熱源１４に与えられる温度
にまで上昇する。反応室２４の出口に近接して設
けられたコンデンサ５０は化合したガス状の反応
物質Ａをそれが液体に凝縮する程度にまで急激に
冷却する。作動媒体（その大部分は凝縮された反
応物質Ａである。）はコンデンサ５０の冷却領域
を出た後、重力により凝縮液４２のプールへ導か
れ、凝縮液４２は重力により反応室１６へ向けて
導かれる。この距離は数十〜数百フイート（約10
〜100ｍ）から数マイル（約５Km）程度であつて
よく、この距離に沿う作動媒体の温度は周囲温度
に近い温度であつてよい。凝縮液４２はその一端
に於て熱源１２に近接しているので、凝縮液４２
の温度は徐々に上昇し、その下流側表面に於て比
較的急激に蒸発化する。反応室１６内に於ては、
吸熱反応をする作動媒体の温度は熱源１２の温度
に近い温度にまで急激に上昇する。図示の化学的
ヒートパイプ装置に於ては、この場合の最高温度
は反応室２４内に於ける最高温度よりも幾分か高
い。反応生成物Ｂは、吸熱源１４まで長距離に亙
り熱エネルギを輸送し得るよう、反応室１６より
出る際に好ましくは図には示されていない熱回収
装置により周囲温度に近い温度にまで冷却され
る。

第５Ｂ図は第４図に示された化学的ヒートパイ
プ装置の各セグメントに沿う種々の位置に於ける
反応物質Ａの分圧を示す解図的グラフである。メ
チルシクロヘキサンの分圧は反応室２４内に於て
最も高く、反応生成物Ｂは反応室２４内に於てガ
ス状の反応物質Ａに転換される。第５Ｂ図に於て
反応室２４に対応する位置よりも左側の部分に於
ける反応物質Ａの分圧は、反応室２４よりも上流
側に於ては反応物質Ａが少いことにより図にて左
方へ向かうにつれて少しずつ低下している。しか
し反応室２４より下流側の方向に於ては、反応物
質Ａの分圧はコンデンサ５０により行なわれる凝
縮のために急激に低下しており、従つて反応物質
Ａの流れが所要の方向（図にて右方）に誘発され
る。この反応物質Ａの分圧は反応物質がその凝縮
された状態にある限り比較的低い値のままに維持
され、反応物質が熱源１２に近付くと徐々に増大
することが解る。しかし反応物質Ａが凝縮液４２
のプールの下流側液面４７より出ると、反応物質
はすぐに蒸発化され、吸熱反応せしめられ、反応
室１６内に於て反応生成物Ｂに転換される。反応
物質Ａが反応生成物Ｂに転換されると、その分圧
は低下する。かくして反応物質の分圧が低下され
た状態はアーム導管２０を通る輸送経路の大部分
に亙つて維持され、反応室２４の領域に近付くに
つれて反応物質Ａの分圧は徐々に増大する。

第５Ｃ図は第４図に示された化学的ヒートパイ
プ装置の各セグメントに沿う反応生成物Ｂの分圧
を示しており、この第５Ｃ図より、反応生成物Ｂ
の分圧は、一般に例えば10〜１の係数だけ反応物
質Ａの分圧よりも実質的に大きく、また反応生成
物Ｂの分圧は化学的ヒートパイプ装置内の位置の
関数としては反応物質Ａの分圧とある程度逆の関
係にあることが解る。特に反応室１６に対応する
第５Ｃ図のグラフの位置に於ては、反応生成物Ｂ
の分圧は反応室１６内に於て反応生成物Ｂが形成
されている間に最大となり、反応物質Ａが図にて
右方へ流れる結果として凝縮液の流れの上流側へ
向けて僅かに低下し、アーム導管２０内に於ては
反応室２４へ向かうにつれて徐々に低下している
ことが解る。反応室２４内に於ては、反応生成物
Ｂは発熱反応して反応物質Ａとなり、反応物質内
の反応生成物Ｂの量が少くなることによつてその
分圧が比較的急激に低下する。かくして反応生成
物Ｂの分圧が低減された状態は凝縮液４２のプー
ルの上流側まで続く。反応生成物Ｂは凝縮液４２
により塞がれた領域より実質的に完全に排除され
ており、従つてその部分に於ては全然分圧を有し
ていないことが解る。

第５Ｄ図は反応物質Ａの分圧と反応生成物Ｂの
分圧との合計の圧力、即ち全圧を第４図に示され
た化学的ヒートパイプ装置の各セグメントに整合
して示している。反応生成物Ｂの分圧は一般に反
応物質Ａの分圧ほど高くはないので、化学的ヒー
トパイプ装置内の全圧の曲線は実質的に第５Ｃ図
に示された反応生成物Ｂの分圧を示す曲線と同様
になる。

かくして反応生成物Ｂの分圧により創成された
凝縮液４２のプールを横切る差圧、従つて反応生
成物Ｂの分圧と反応物質Ａの分圧との合計よりな
る全圧は非常に大きく、反応室１６内の凝縮液４
２のプールの下流側に於ける圧力の方がその上流
側の圧力よりも大きい。この差圧は、凝縮液４２
の蓄積部（プール）がアーム導管２８内に於ては
反応室１６内の液面４７のレベルよりも高いレベ
ルを有していることより明らかである。反応生成
物Ｂは凝縮液４２を通過して逆方向に、即ち第３
図で見て反時計廻り方向へ流れることはできない
ので、反応室１６内に存在する比較的大きい圧力
は作動媒体を吸熱源１４へ向けて図にて時計廻り
方向へ駆動する作用をなす。更に反応物質Ａによ
り与えられる最大の圧力勾配は反応室２４のすぐ
下流側のコンデンサ５０の領域及び反応室１６内
に存在する。これらの圧力勾配により第３図で見
て反応物質を時計廻り方向へ化学的ヒートパイプ
装置内を移動させる駆動力が与えられる。かくし
て反応生成物Ｂは圧力勾配により反応室１６より
アーム導管２０を経て反応室２４へ駆動され、化
合した反応物質Ａはその反応物質を凝縮させるこ
とによつて創成された圧力勾配及び凝縮された反
応物質の重力流により、反応室２４よりアーム導
管２８を経て反応室１６へ駆動される。選択弁４
０は反応生成物Ｂが逆方向に流れることを有効に
防止する。

以上の説明より、化学的ヒートパイプ装置１０
内に作動媒体（反応物質及び反応生成物）の一方
向の流れが確立され、その流れは熱損失を殆ど伴
うことなくかなり長い距離に亙つて実質的な量の
熱エネルギを輸送するに十分な能力を有するもの
であることが解る。コンデンサ５０の凝縮作用に
より作動媒体より除去されたエンタルピーは反応
熱に比べ非常に小さく、何れにせよ熱源に於て追
加の冷却を受けることにより回収される。

更に、上述の実施例は自己平衡的な特徴を備え
ている。例えば熱源１２に於ける温度が上昇する
と、反応室１６内に於ける反応物質Ａの反応と同
様、凝縮液４２のプールの液面４７よりの反応物
質Ａの蒸発速度もそれに対応して増大する。かか
る加速は化学的ヒートパイプ装置全体に作用し、
これによりより多量の熱エネルギが吸熱源１４へ
供給される。凝縮液４２のプールの体積は実質的
に一定の状態に維持される。尤も凝縮液４２のプ
ールよりの反応物質Ａの蒸発量が増大すれば、液
面４７に作用する反応生成物Ｂの分圧も増大し、
これにより凝縮液４２のプールの両端の相対的液
位が変化される。

上述の実施例に於ては液体プールの成分として
凝縮された反応物質Ａが使用されているが、代替
手段として又は補助手段として、液体プールの全
て又は一部が反応物質Ａを溶解する溶媒に置換え
られてよい。その場合反応物質Ａは溶液としてア
ーム導管２８及びＵ字管４４を経て液面４７へ搬
送され、該液面に於て蒸発し、上述の如く反応す
る。かかる構成の場合には反応室２４を出るガス
状の反応物質Ａが上述の実施例の場合の如く冷却
され凝縮される必要はない。その代りにガス状の
反応物質Ａを液体の溶媒中に溶解させることによ
り、反応物質の分圧が大きく低減され、また反応
物質は必要に応じて液体状態にて流入する。

復帰アーム導管２８内の凝縮された反応物質は
凝縮液の再蒸発を最小限に抑えるよう、アーム導
管の長さの全て又はその大部分に亙つてアーム導
管を塞いでいることが好ましいが、全体としての
液圧水頭が維持される限り、或る程度の空所が存
在していてもよい。

熱源が数十フイート（約10ｍ）程度吸熱源より
も高い位置に設けられているような状況に於て
は、液体状の反応物質を吸熱源が設けられた反応
室までの全距離に亙つて輸送する補助手段として
重力を使用することはできない。しかし第６図
（第３図に示された部材と同様の部材には同一の
符号が付されている）に示されている如く、反応
物質の凝縮液４２はそれを収集する一次リザーバ
６０まで比較的長いアーム導管２８内を容易に導
かれる。凝縮液４２は選択弁４０を与えるべく、
アーム導管２８の長さの全て又はその大部分に亙
つてアーム導管２８を塞いでいることが好まし
い。しかしリザーバ６０内の凝縮液４２のレベル
は熱源反応室１６内の凝縮液のレベルよりも低い
ので、リザーバ６０内の凝縮液はアーム導管２０
の熱源側端部をリザーバ６０内の凝縮液に通すこ
とによつて行なわれる熱交換により蒸発化され
る。このことは反応生成物が輸送され易くなるよ
う反応生成物を冷却するという好ましい効果をも
有している。かくして反応物質は蒸発化され、ア
ーム導管２８′の周りに設けられたコンデンサ５
０′により与えられた他の一つの凝縮領域まで比
較的短いアーム導管２８′内を強制的に上昇せし
められる。ガス状の反応物質は再度凝縮され、反
応室１６に近接して設けられた二次リザーバ６２
内に凝縮液４２として収集される。Ｕ字管４４及
びリザーバ６２は所要の二次液体弁としての作用
をなし、液体状の反応物質は液面４７に於て蒸発
化され、上述の如く吸熱反応せしめられる。

吸熱源への熱輸送速度は、流路内に一つ又はそ
れ以上の選択的に変化する機械的制御弁（図示せ
ず）を組込むことにより、及び／又はダム４６の
壁の断面を先細り状として凝縮液の液位の関数と
して凝縮液４２の液面４７の面積、従つて凝縮液
の蒸発速度を変化させることにより、或る程度制
御される。

本発明の他の一つの特徴によれば、反応生成物
の潜在的な熱エネルギを長期間に亙り保存し、ま
た必要とされるときにその熱エネルギを発熱反応
によつて吸熱源領域へ選択的に解放する貯蔵装置
が設けられてよい。

第７図は第３図に示された実施例と一部類似の
自己駆動型の化学的ヒートパイプ装置を示してお
り、この第７図に於て第３図に示された部材と同
様の部材には同一の符号が付されており、それら
の部材の詳細な説明を省略する。第７図に示され
た実施例に於ては、長期間に亙り反応生成物を一
時的に貯蔵し、また反応生成物が吸熱源１４に於
ける反応に必要とされる時に貯蔵した反応生成物
を解放する貯蔵リザーバ７０が設けられている。
熱に対する需要がなく高温度の廃エネルギが過剰
に存在する場合には、ヒートパイプ装置の吸熱セ
クシヨンは反応生成物が貯蔵リザーバ７０へ搬送
されるよう運転されてよい。メチルシクロヘキサ
ン／トルエン系に於ては、トルエンはコンデンサ
７２により凝縮され且室温にて液体トルエン７４
として貯蔵されてよく、水素は適当な吸着金属７
６の表面に吸着されてよい。熱が低温の吸熱源に
於て必要とされる場合には、活性化熱源がトルエ
ンを沸騰させ、水素を放出させ、水素添加反応を
促進させるべく使用されてよい。

より詳細には、一次系はアーム導管２０とアー
ム導管２８とよりなる一次流路を含んでおり、貯
蔵系はアーム導管２０′及びアーム導管２０″より
なる二次流路と、一次系に選択的に連通されまた
連通解除されるよう構成されたリザーバ７０とを
含んでいる。アーム導管２８，２０にはそれぞれ
弁８０及び８２が設けられており、アーム導管２
０′，２０″にはそれぞれ弁８４及び８６が設けら
れている。アーム導管２０′は弁８２と反応室１
６との間にてアーム導管２０に接続されており、
アーム導管２０″は弁８２と反応室２４との間に
てアーム導管２０に接続されている。これらの弁
の作動は熱源１２及び吸熱源１４の温度により決
定され、検出された熱的条件に応答して手段的に
又は好ましくは自動的に制御される。

熱源１２が高温度にあり且吸熱源１４が低温度
にある通常の運転条件下に於ては、弁８０及び８
２が開かれ、弁８４及び８６が閉じられ、これに
より一次系が前述の如き熱交換の態様にて運転さ
れる。

しかし、熱源の温度が高くまた吸熱源の温度も
比較的高い場合には、脱水素反応を促進させるた
めの熱を得ることはできるが、その熱は吸熱源に
於ては必要とされない。従つて、弁８０及び８４
を開き、弁８２及び８６を閉じることによつてト
ルエン及び水素が貯蔵される。反応生成物は開い
ている弁８４を経てアーム導管２０′内を流れる
ので、そのうちのトルエンはアーム導管２０′と
熱交換する関係にあるコンデンサ７２により液体
状に凝縮される。かくして生成された液体状のト
ルエン７４はリザーバ７０の底部に収集され且貯
蔵され、ガス状の水素は適当な吸着金属７６の表
面に吸着される。或いはまた、弁８６を開いた状
態のままにし、吸着金属７６を省略し、水素ガス
の圧力の増大が一次系及び貯蔵系全体の全容積又
は大部分の容積を用いて受入れられるようにされ
てもよい。

逆に、吸熱源及び熱源の温度が低く、吸熱源に
於て熱が必要とされる場合には、貯蔵されたトル
エン及び水素は、弁８０，８２，８４を閉じ、弁
８６を開き、始動熱を供給することによつて発熱
水素添加反応室へ解放されてよい。始動熱は、反
応室２４の触媒表面に近接して設けられたコイル
９２と、吸着金属７６に近接して設けられたコイ
ル９４と、液体トルエン７４に近接して設けられ
たコイル９６とを有するヒータ９０により与えら
れる。ヒータ９０はトルエンを蒸発させるに十分
な熱をコイル９６へ供給し、水素を放出させるに
十分な熱をコイル９４へ供給し、発熱反応を開始
させるに十分な熱をコイル９２へ供給する。ひと
たび発熱反応が開始すると、その発熱反応は継続
的に進行し、もはや熱を補充する必要はなくな
る。しかし貯蔵されたトルエン及び水素をリザー
バ７０より放出させる必要がある場合には、上述
の如き始動熱がコイル９４及び９６に於て必要と
される。前述の如く反応室２４内に於ける発熱反
応によりガス状の化合した反応物質が生成され、
その反応物質はコンデンサ５０により凝縮され、
凝縮液４２としてアーム導管２８の大部分を充填
する。しかし熱源１２に於ける温度が反応室１６
内に於ける吸熱反応を維持し得ないほど低いの
で、リザーバ７０より完全に放出された液体状の
反応物質の全てを貯蔵するに十分な能力をアーム
導管２８に与えることが望ましい。従つて上述の
如き貯蔵能力を与えるリザーバ９８がコンデンサ
５０の下流側にこれに近接してアーム導管２８に
設けられており、このリザーバ９８はアーム導管
２８内に於ける圧力水頭を殆ど増大させることな
く追加の凝縮液４２を貯容するに十分な直径を有
するものであることが好ましい。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
実施例が可能であることは当業者にとつて明らか
であろう。例えばアーム導管２０及び２８は図示
の如き単一の導管ではなく複数個の並列的な導管
を含んでいてよい（この場合にもそれぞれのアー
ム導管の機能は変化しない）。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による化学的ヒートパイプ装
置を示す解図である。第２図は本発明による自己
駆動型のヒートパイプ装置を示す解図である。第
３図は本発明の一つの実施例による自己駆動型の
ヒートパイプ装置を示す解図である。第４図は第
３図に示されたヒートパイプ装置の各セグメント
を直線状に配列して示す解図である。第５Ａ図は
第４図に示されたヒートパイプ装置の各セグメン
ト内に於ける作動媒体の温度を示すグラフであ
る。第５Ｂ図は第４図に示されたヒートパイプ装
置の各セグメント内に於ける反応物質の圧力を示
すグラフである。第５Ｃ図は第４図に示されたヒ
ートパイプ装置の各セグメント内に於ける反応生
成物の圧力を示すグラフである。第５Ｄ図は第４
図に示されたヒートパイプ装置の各セグメント内
に於ける反応物質及び反応生成物の全圧を示すグ
ラフである。第６図は吸熱源領域が熱源領域より
も低い位置にある自己駆動型のヒートパイプ装置
を示す解図である。第７図は本発明の他の一つの
実施例による貯蔵系を含む自己駆動型のヒートパ
イプ装置を示す解図でる。１０……自己駆動型化学的ヒートパイプ装置、
１２……熱源、１４……吸熱源、１６……反応
室、１８……触媒、２０……導管、２４……反応
室、２６……触媒、２８……導管、４０……選択
弁、４２……凝縮液、４４……Ｕ字管、４６……
ダム、４７……液面、５０……コンデンサ、６
０，６２，７０……リザーバ、７２……コンデン
サ、７４……液体トルエン、７６……吸着金属、
８０，８２，８４，８６……弁、９０……ヒー
タ、９２，９４，９６……コイル、１１０……化
学的ヒートパイプ装置、１１２……熱源、１１４
……吸熱源、１１６……反応室、１１８……触
媒、１２０……導管、１２２……ポンプ又はブロ
ア、１２４……反応室、１２６……触媒、１２８
……導管、１３０……ポンプ又はブロア。

Claims

【特許請求の範囲】１可逆的な吸熱化学反応及び発熱化学反応を利
用して熱源と吸熱源との間の比較的長い距離に亙
つて熱を輸送するための自己駆動型化学的ヒート
パイプにして、それぞれ熱源位置及び吸熱源位置にて熱源及び
吸熱源と熱交換する関係にある閉回路の流路を郭
定する閉回路型の流路装置であつて、前記流路は
前記熱源位置と前記吸熱源位置との間に延在する
互いに独立した第一及び第二のアーム導管を含ん
でいる如き閉回路型の流路装置と、前記閉回路型の流路装置内に収容された化学反
応物質であつて、前記熱源位置に於ける吸熱反応
により分解されてガス状の反応生成物となり、前
記ガス状の反応生成物は前記熱源位置に於て前記
吸熱源位置に於ける圧力よりも高い圧力を有し、
これにより前記吸熱源位置へ向かう前記反応生成
物の流れを創成し、前記反応生成物は前記吸熱源
位置に於ける発熱反応により化合されてガス状の
前記反応物質に再生成される如き化学反応物質
と、前記第二のアーム導管内のガス状の反応物質を
液体状の反応物質に転換する装置と、前記液体状の反応物質が前記第二のアーム導管
の少なくとも一部を塞ぎ、これにより前記ガス状
の反応生成物が前記液体状の反応物質を通つて流
れることが阻止され、前記液体状の反応物質が再
蒸発して逆方向に流れるガス状の反応生成物とな
ることが実質的に阻止され、前記第一のアーム導
管を経て前記吸熱源位置まで前記ガス状の反応生
成物を一方向に流させ且その流れを促進するに十
分な差圧が前記熱源位置と前記吸熱源位置との間
に創成されるよう、前記液体状の反応物質を前記
熱源位置へ向けて受動的に導く装置と、を含んでいることを特徴とする自己駆動型化学
的ヒートパイプ。２可逆的な吸熱化学反応及び発熱化学反応を利
用して熱源と吸熱源との間の比較的長い距離に亙
つて熱を輸送するためのヒートパイプであつて、
それぞれ熱源位置及び吸熱源位置にて熱源及び吸
熱源と熱交換する関係にあり前記熱源位置と前記
吸熱源位置との間に延在する互いに独立した第一
及び第二のアーム導管を含む閉回路型の流路と、
前記閉回路型の流路内に収容された化学反応物質
とを含むヒートパイプに於て、前記反応物質を前
記閉回路型の流路内にて実質的に一方向に自己駆
動させて該ヒートパイプを運転する方法にして、前記熱源位置に於て反応するよう前記流路内に
前記反応物質の供給源を設ける過程と、前記反応物質の供給源からの前記反応物質を前
記熱源位置に於て吸熱反応させ、これにより前記
吸熱源位置に於ける圧力に比して高い圧力にてガ
ス状の反応生成物を生成させ、これにより前記吸
熱源位置へ向かう前記反応生成物の流れを創成し
且前記供給源より前記熱源位置への前記反応物質
の移送を促進させる過程と、前記吸熱源位置に於て前記反応生成物を発熱反
応させてガス状の前記反応物質を再生成する過程
と、前記再生成したガス状の反応物質を液体状の反
応物質に転換し、前記液体状の反応物質が前記第
二のアーム導管の少なくとも一部を十分に塞ぎ且
前記反応物質の供給源を与え、前記液体状の反応
物質によつて前記第二のアーム導管が塞がれるこ
とにより、前記ガス状の反応生成物が前記液体状
の反応物質を貫通して流れることが阻止され、前
記液体状の反応物質が再蒸発して逆方向に流れる
ガス状の反応生成物となることが実質的に阻止さ
れ、前記第一のアーム導管を経て前記吸熱源位置
まで前記ガス状の反応生成物を一方向に流させ且
その流れを促進するに十分な差圧が前記熱源位置
と前記吸熱源位置との間に創成されるよう、前記
液体状の反応物質を前記熱源位置へ向けて受動的
に導く過程と、を含んでいることを特徴とする方法。