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公開番号2025131942
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-10
出願番号2022091887
出願日2022-06-06
発明の名称サーマルサーキットシステム
出願人国立大学法人神戸大学,国立大学法人東海国立大学機構,国立大学法人東京科学大学,国立大学法人岡山大学,アサヒグループホールディングス株式会社,株式会社ファンクショナル・フルイッド,日新電機株式会社,森松工業株式会社
代理人弁理士法人グローバル知財
主分類F25B 27/02 20060101AFI20250903BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生する熱再生システムを提供する。
【解決手段】プロセスから出る温廃熱と冷廃熱を用いて必要な高温熱と低温熱に変換する熱再生システムである。a)温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容されたサーマルアンプ4、b)その出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容されたサーマルバッテリー5、c)高圧吸収器での蒸発水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力し、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセス7から出る冷廃熱を冷却して低温熱を出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生するサーマルトランジスタ2、d)高温熱を化学蓄熱材の水和反応により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させ、プロセスに必要な熱源を得るサーマルブースター3を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
高温プロセスから出る温廃熱を用いて該プロセスに必要な高温熱源に変換する熱再生システムであって、
第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプ及び第３ヒートポンプで構成され、
第１ヒートポンプは、温廃熱を昇温し、
第２ヒートポンプは、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を熱源として低温熱を出力し、
第３ヒートポンプは、前記高温熱の熱を更に昇温する、ことを特徴とするサーマルサーキットシステム。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
第１ヒートポンプの出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容された蓄熱槽を備え、第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させることを特徴とする請求項１に記載のサーマルサーキットシステム。
【請求項３】
第１ヒートポンプは、前記温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容され、
第２ヒートポンプは、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し前記高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却して低温熱を出力し、前記潜熱蓄熱材の潜熱を用いて前記吸収液を再生し、
第３ヒートポンプは、前記高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、前記高温熱を用いて前記化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、前記低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ前記化学蓄熱材の再生を促進させる、ことを特徴とする請求項２に記載のサーマルサーキットシステム。
【請求項４】
前記温廃熱は７０～１００℃であり、
前記第１ヒートポンプからの出力熱は８０～１００℃であり、
前記第２ヒートポンプが出力する前記高温熱は１００～１５０℃であり、前記低温熱は５～１０℃であり、
前記第３ヒートポンプにおける昇温温度は２００～３００℃である、ことを特徴とする請求項１～３の何れかのサーマルサーキットシステム。
【請求項５】
前記潜熱蓄熱材は、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を含むマイクロカプセルであることを特徴とする請求項２又は３に記載のサーマルサーキットシステム。
【請求項６】
前記潜熱蓄熱材は、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を含むマイクロカプセルの集積体であり、かつ、前記マイクロカプセルがグラファイトで架橋されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のサーマルサーキットシステム。
【請求項７】
請求項１～３の何れかのサーマルサーキットシステムにおいて、
外部供給エネルギーは、送液用ポンプ動力と制御用電力であり、
外部供給の熱量は無く、廃熱がシステム内で消費されることを特徴とするサーマルサーキットシステム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱や冷却などのプロセスから出る廃熱を用いて、該プロセスに必要な熱源に変換する熱再生システム（以下「サーマルサーキットシステム」という）に関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
現状、産業界、特に素材産業では、素材生成における熱源として、化石燃料および電力が用いられている。一方で、カーボンニュートラルが求められている中、化石燃料を用いない熱源が求められている。鉄鋼業のように１０００℃程度の熱源が必要な産業では、アンモニアや水素燃焼に頼る必要があるが、食品加工業や化学産業では、２００℃程度の熱源が主体であり、貯蔵問題や毒性のある燃料を用いることは最適解ではない。また、素材産業では、化石燃料による加熱など高温プロセスのみならず、常温以下の冷却の低温プロセスが必要となるが、冷熱に関しては電力によって賄われている。そのため、高温プロセスや低温プロセスに関して、カーボンニュートラルを実現することは急務である。
【０００３】
ヒートポンプは、小さいエネルギーで熱を集めて大きな熱エネルギーとして利用するものであり、高温プロセスや低温プロセスに関して電力節減のために用いられており、例えば、ケミカルヒートポンプとして特許文献１，２が知られ、吸収式ヒートポンプとして特許文献３，４が知られ、吸着式ヒートポンプとして特許文献５などが知られている。また８０℃以上の相転移点を有する相変化物質を利用できる潜熱蓄熱材が知られている（特許文献６）。
しかしながら、高温・低温プロセスから出る廃熱によって、それらのプロセスに必要な熱源を再生し、カーボンニュートラルを実現できるシステムは見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１９－１５８２９９号公報
特開２０１６－１１８３７９号公報
特開２００４－２７０９９４号公報
特開２００６－１１２６８６号公報
特開平９－３１８１９３号公報
特許第６３３２８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる状況に鑑みて、本発明は、プロセスから出る廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生する熱再生システム（サーマルサーキットシステム）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】
上記課題を解決すべく、本発明のサーマルサーキットシステムは、高温プロセスから出る温廃熱を用いて該プロセスに必要な高温熱源に変換する熱再生システムであって、第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプ及び第３ヒートポンプで構成され、第１ヒートポンプは、温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプは、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を熱源として低温熱を出力し、第３ヒートポンプは、高温熱を更に昇温する構成とされ、プロセスから出る廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生し、カーボンニュートラルを実現する。
【０００７】
ここで、高温プロセスとは、２００℃以上の熱源を必要とするプロセスであり、プラスティック成形加工など多くの素材生成プロセスが該当する。高温プロセスから出る温廃熱としては７０～１００℃の廃熱である。第１ヒートポンプによって７０～１００℃の温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプによって、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して１００～１５０℃の高温熱として出力すると共に、冷廃熱を冷却して５～１０℃の低温熱として出力し、最終的に、第３ヒートポンプによって、プラスティック成形加工など多くの素材生成プロセスが熱源として必要とする２００～３００℃まで昇温する。
一般的に、吸収式ヒートポンプでは、１３０℃以上に昇温することは困難であるが、本システムでは、第１ヒートポンプで温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプで第１ヒートポンプからの熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を冷却して低温熱として出力し、第３ヒートポンプで高温熱を更に昇温することで、７０～１００℃の廃熱から２００～３００℃まで昇温する。
【０００８】
本発明のサーマルサーキットシステムにおいて、第１ヒートポンプの出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容された蓄熱槽を備え、第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させることが好ましい。第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させるだけでなく、例えば、システムが停止した後、半日（１２時間ぐらい）温度を保つことができれば、翌日の運転開示時に即座にブートアップできるという効果がある。
【０００９】
本発明のサーマルサーキットシステムにおいて、第１ヒートポンプは、温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容される吸着式ヒートポンプを用いてもよい。また、第２ヒートポンプは、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却し低温熱として出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生する吸収式ヒートポンプを用いてもよい。さらに、第３ヒートポンプは、高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱の冷熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させるケミカルヒートポンプを用いてもよい。
【００１０】
かかる構成によれば、高温・低温プロセスから出る温廃熱と冷廃熱を用いて、該プロセスに必要な高温熱と低温熱に変換する熱再生ができる。
なお、第１ヒートポンプは吸着式ヒートポンプ、第２ヒートポンプは吸収式ヒートポンプ、第３ヒートポンプはケミカルヒートポンプを用いることが、発展性の観点から好ましい態様であるが、例えば、第２ヒートポンプを吸収式からケミカルヒートポンプに置き換えることも可能であり、さらに、第３ヒートポンプを吸着式に置き換えることも可能である。但し、吸着式は再生に時間がかかるため、数個の再生器を準備することが必要になる。
（【００１１】以降は省略されています）

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