JP2000044939A

JP2000044939A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP2000044939A
Application number: JP10215201A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yamazaki; 正典山崎; Hiroyuki Kakiuchi; 博行垣内; Shoichi Chihara; 彰一千原
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】潜熱蓄熱材を用いる蓄熱装置であって、蓄熱
完了時間及び残蓄熱量を容易に検出することにより、装
置を最適且つ効率的に運転制御することができる蓄熱装
置の提供。【解決手段】融解凝固による潜熱を利用する蓄熱材を
用いる蓄熱装置において、耐圧性の密閉容器に封入され
た蓄熱材の相変化に伴う容器内の気相の圧力変化の検出
手段及び該圧力変化に基づく運転制御手段を少なくとも
具備してなることを特徴とする蓄熱装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄熱装置に関す
る。詳しくは、潜熱蓄熱材を用い、容器内の圧力変化の
検出手段及びこの変化に基づく運転制御手段を具備して
なる蓄熱装置に関する。本発明の蓄熱装置は、容器内の
圧力変化を測定することにより、蓄熱完了時間及び残蓄
熱量を容易に求めることができ、装置を最適且つ効率的
に運転することができるので、特に多価糖アルコールを
含む蓄熱材を用いたシェル＆チューブ型蓄熱装置に有用
である。

【０００２】

【従来の技術】蓄熱材は、大きく潜熱蓄熱型、顕熱蓄熱
型、化学蓄熱型の三つに分類できるが、装置の簡便さや
蓄熱密度等の観点から潜熱型蓄熱材が注目されている。
潜熱型蓄熱材は、比熱によって定まる顕熱だけでなく、
相変化に伴う潜熱を利用できることから狭い温度範囲で
大量の熱エルルギーを貯蔵、放出することが可能で、一
定温度での熱の取り出しや装置の小型化等に利用検討が
行われている。潜熱蓄熱材としては氷、硫酸ナトリウム
十水塩、塩化カルシウム六水塩、酢酸ナトリウム三水
塩、パラフィンワックス等が知られている。

【０００３】これら潜熱蓄熱材を利用した蓄熱装置とし
ては、使用温度域に対応した様々な蓄熱材を利用した形
式のものがあるが、中でも、空調システムを対象とした
夜間電力利用の氷蓄熱システム、特にカプセル中に潜熱
蓄熱材である水を封入し、ブライン循環液と共存させた
蓄熱槽は夏場の電力負荷平準化とも相俟って実用化され
ている。これらの蓄熱装置では、装置の有効且つ経済運
転のために蓄熱槽の入口付近と出口付近のブライン液の
温度差を監視することにより蓄熱槽の蓄熱量を求め、運
転制御が行われるのが一般的である。

【０００４】また、ディンプルを設けたカプセルに潜熱
蓄熱材を封入し、これをブライン液に投入することによ
りブライン液と熱交換を行わせる方法がある。このブラ
イン液を利用するカプセル式の蓄熱システムにおいて
は、蓄熱槽の蓄熱量を簡易な手段で精度良く計測するた
めに、カプセルに封入した蓄熱材の凝固融解に伴う体積
変化をブラインの液面変化で捕える方法が特開平９−１
４５１０７号公報に提案されている。この方法は、蓄熱
槽の入口付近と出口付近のブライン液の温度差を監視す
ることにより蓄熱槽の蓄熱量を求める方法では、ブライ
ンの温度分布のばらつき等が原因となって蓄熱量の測定
精度が低くなり、実測値と測定値との間に大きな誤差が
生じるといった問題を解決するものである。しかしなが
ら、このブライン液面変化による蓄熱量の検出方法の場
合、本質的にはカプセル式の蓄熱システムに対しては有
効であるものの、潜熱蓄熱材と熱交換したブラインを更
に熱交換器を介して利用する形態であるために、熱交換
媒体を直接、温水や温風として使用するシェル＆チュー
ブ型、アイスオンコイル型等の蓄熱装置に用いることは
できないという問題がある。

【０００５】一方、直接、温水や温風を得るために最適
な潜熱蓄熱材としては、比較的高い相変化温度を有する
エリスリトール、マンニトール、ガラクチトール等の糖
アルコールを用いることが提案されている（特開平５−
３２９６３号公報、特公表６３−５００９４６号公報、
米国特許第４，３９５，５１７号明細書）。しかし、糖
アルコールを含む蓄熱材組成物、例えばエリスリトール
を含む蓄熱材組成物は固体と液体の比重差が大きいこと
から融解凝固に際して体積変化が大きく、また融点も１
００℃以上と高いため、通常のカプセル式蓄熱システム
で使用することは困難である。更に融解凝固に際する容
器内の圧力変化を防ぐために蓄熱材封入容器にピンホー
ル等の穴を設けた場合、糖アルコールは高温大気下で分
子内脱水反応を引き起こすために蓄熱材の性能が大きく
低下し、従って、このような手段を採用することができ
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、糖ア
ルコールを含有する蓄熱材組成物は、固体／液体間の密
度差が大きいために体積収縮が大きく、これを用いた蓄
熱装置の設計、蓄熱量の推定、運転制御法等が問題とな
っていた。本発明の目的は上記の問題点を解決し、且つ
融解凝固に際する大きな体積変化を利用することにより
蓄熱材の蓄熱完了時間、残蓄熱量を検知し、効率的に運
転制御を行い、温風及び／又は温水を得ることのできる
蓄熱装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記事情
に鑑み鋭意検討した結果、潜熱蓄熱材では、融解凝固に
伴う体積変化が大きく、特に直鎖状の多価糖アルコール
系潜熱蓄熱材を用いた場合には、封入容器には一定範囲
の耐圧性が必要で、且つ逆に耐圧容器内での圧力変化か
ら、蓄熱材がどの程度融解し、どの程度凝固しているか
が判別できることを見い出し、本発明を完成するに至っ
た。

【０００８】即ち、本発明の要旨は、融解凝固による潜
熱を利用する蓄熱材を用いる蓄熱装置において、耐圧性
の密閉容器に封入された蓄熱材の相変化に伴う容器内の
気相の圧力変化の検出手段及び該圧力変化に基づく運転
制御手段を少なくとも具備してなることを特徴とする蓄
熱装置、にある。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材、例えばエリスリトー
ルが封入された耐圧性の密閉容器からなる。蓄熱材の充
填量は加熱時の膨張を吸収できる空間部があれば、特に
制限はない。そして、この容器は蓄熱材の融解凝固によ
る体積変化及び蓄熱材を充填した容器上部に存在する気
相の膨張、収縮のために、通常、０．４〜３気圧、好ま
しくは０．３〜３気圧、より好ましくは０．１〜５気圧
の耐圧性が必要である。

【００１０】そして、容器内には、熱交換用の熱媒体、
例えば水が循環する少なくとも一本の熱交換用水管及び
容器上部の気相の圧力を検出する手段が少なくとも設け
られている。更に、容器上部の気相、蓄熱材及び熱媒体
の温度を検出する手段を設けることが好ましく、また、
必要に応じて容器内に蓄熱材を加熱する手段、例えばヒ
ーターを設けることも好ましい。但し、加熱手段を蓄熱
材中に設けない場合には、高温の熱媒体を循環させて蓄
熱材を加熱し、蓄熱することができる。

【００１１】そして、蓄熱材が加熱されて完全に融解す
ると、容器上部の気相の圧力は最大値となり、一方、蓄
熱材が放熱されて完全に凝固すると気相の圧力は減圧と
なり、最小値となる。エリスリトールの場合、体積収縮
率が１０％以上であり、又、１２０℃で融解するため、
容器の内容積に対して充填する蓄熱材及び存在する気相
の割合によってもかなりの圧力変化を生じる。この圧力
変化は、蓄熱材の膨張収縮率、容器内の気体の体積容器
内温度等の函数であるので、蓄熱材充填率が一定であれ
ば、容器内の圧力変化及び容器内の温度を測定すること
により蓄熱材の融解、凝固状態を知ることができる。

【００１２】従って、蓄熱材融解時には融解完了時点で
一定圧力となることから、予め融解完了予定時刻を推定
することが可能であり、また、放熱時には蓄熱材凝固に
伴う圧力減少から残蓄熱量、現在の放熱量等を求めるこ
とができる。更に、容器内の圧力を測定することにより
蓄熱材の融解完了後も通電し続けるといった運転のロス
も防ぐことができる。容器上部の気相の圧力の検出手段
については、特に限定はされず、公知の各種圧力センサ
ーが使用できる。また、温度検出手段についても特に限
定はされず、公知の各種温度センサーが使用できる。そ
して、得られた圧力、温度等のデータにより蓄熱材の融
解、凝固状態が分かるので、蓄熱材を加熱するヒーター
や熱媒体の流量等の運転を制御することができる。

【００１３】本発明の蓄熱装置は、特にシェル＆チュー
ブ型、アイスオンコイル型の蓄熱装置に対して有効であ
る。特に、直鎖状の多価糖アルコール系潜熱蓄熱材をこ
のような形式の蓄熱装置に用いる場合、大気と接触する
ことにより蓄熱材自体の劣化が生じるために密閉系とせ
ざるを得ない。このため蓄熱材を封入した容器内に大き
な圧力変化が生じる。従って、蓄熱量変化は、容器内圧
力変化及び温度変化を測定することにより容易に求める
ことができる。次に、このような蓄熱装置に用いられる
潜熱蓄熱材組成物としては、相変化前後での体積変化が
大きい直鎖状の多価糖アルコール系潜熱蓄熱材が好適で
ある。多価糖アルコール系潜熱蓄積材は、蓄熱材成分中
で多価糖アルコールを通常６０〜１００重量％の範囲で
含む蓄熱材が好ましい。体積変化が小さい潜熱蓄熱材
は、容器内圧力変化が主として蓄熱材充填率に対応して
存在する気体層の温度変化による膨張収縮変化に基づく
ものとなり、精度良く蓄熱・放熱量を測定することが困
難となる。従って、使用する蓄熱材中の直鎖状多価糖ア
ルコールの含有量は、好ましくは７０〜１００重量％、
より好ましくは８０〜１００重量％である。

【００１４】炭素数４以上の直鎖状の多価糖アルコール
として、エリスリトール、Ｄ−スレイトール、Ｌ−スレ
イトール、キシリトール、リビトール、マンニトール、
ソルビトール、ガラクチトール、Ｄ−アラビトール、ア
リトール、イジトール、タリトール等が用いられるが、
この中で特に蓄熱材としての性能、相変化に伴う体積収
縮の観点からエリスリトール、マンニトール、ガラクチ
トールが好ましく用いられる。本発明の蓄熱材組成物に
は副成分として、主成分となる化合物に相溶し、共晶可
能なものを添加することができる。その添加量について
は主成分の蓄熱材性能を著しく損わない範囲、通常は重
量で主成分量を越えない範囲で使用することができる。

【００１５】本発明に用いる蓄熱材組成物については、
過冷却を防止するため、通常、過冷却防止剤が添加され
る。過冷却防止剤としては、水に難溶性の無機塩が用い
られる。水に難溶性とは、２５℃の水１００ｇに対して
５ｇ以上溶解しないことを意味する。このような無機塩
の具体例としては、例えば炭酸カルシウム、リン酸三カ
ルシウム、硫酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、リ
ン酸アルミニウム、リン酸銀、硫酸銀、塩化銀、ヨウ化
銀等が挙げられる。これらは単独又は組み合せて用いる
ことができる。また、本発明に用いる蓄熱材組成物に
は、熱安定剤、難燃剤、増粘剤、ゲル化剤、酸化防止
剤、熱伝導性改良剤等の添加剤を適宜使用することがで
きる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施
例に限定されるものではない。

【００１７】実施例１蓄熱材として直鎖状多価糖アルコールであるエリスリト
ール（三菱化学フーズ社製（株））を３００ｍｌの耐圧
性ＳＵＳ容器に容積換算で５０容量％、７０容量％、９
０容量％と充填率を変化させて溶融状態で注入し、ＳＵ
Ｓ容器上部に内圧の変化を測定するために圧力ゲージを
装着して、自然放冷で冷却、凝固させた場合の減圧度を
測定した。エリスリトール溶融は、１５０℃、オーブン
中で行い、ＳＵＳ容器も１５０℃オーブン中で十分加熱
し、実験に用いた。結果を表１に示す。

【００１８】実施例２蓄熱材として直鎖状多価糖アルコールであるエリスリト
ール（三菱化学フーズ社製（株））を３００ｍｌの耐圧
性ＳＵＳ容器に容積換算で５０容量％、７０容量％、９
０容量％と充填率を変化させて溶融状態で注入し、完全
に凝固させた。次にＳＵＳ容器上部に常圧下で圧力ゲー
ジを装着した。ＳＵＳ容器を１５０℃オイルバス中に浸
し、完全に融解した場合の加圧度を測定した。結果を表
１に示す。

【００１９】実施例３サンプルビンに直鎖状多価糖アルコールとしてエリスリ
トール８０ｇ、混合成分としてペンタエリスリトール２
０ｇ（東京化成社製）を秤量し、更にシリコンオイルを
２０ｍｌ添加して、１６０℃オーブン中で完全に溶融し
た。これを大気下で自然放冷し、凝固による収縮の度合
いをシリコンオイルの液面降下を目視で観察し、蓄熱材
の収縮率の目安とした。液面降下が激しい場合を○、中
程度の場合を△、殆んど変化のない場合を×とし、三段
階で評価した。結果を表２に示す。

【００２０】実施例４実施例３においてエリスリトールを６０ｇ、ペンタエリ
スリトールを４０ｇとした以外は同様に行った。結果を
表２に示す。実施例５実施例３においてペンタエリスリトールをトリメチロー
ルエタン（東京化成社製）とした以外は同様に行った。
結果を表２に示す。実施例６実施例３においてエリスリトールを６０ｇ、トリメチロ
ールエタンを４０ｇとした以外は同様に行った。結果を
表２に示す。

【００２１】比較例１実施例３においてエリスリトールを５０ｇ、ペンタエリ
スリトールを５０ｇとした以外は同様に行った。結果を
表２に示す。比較例２実施例３においてエリスリトールを５０ｇ、トリメチロ
ールエタンを５０ｇとした以外は同様に行った。結果を
表２に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】実施例７次に本発明を用いた蓄熱装置につ
いて図面に基づいて説明する。図１はシェル＆チューブ
型の給湯装置を対象にした全体の構成図を示した。図１
において、１は運転制御盤、２は蓄熱材の発生する熱と
熱交換可能なチューブ、３、３′は冷水流路、４は蓄熱
材封入容器、５は圧力センサー、６は蓄熱材封入容器内
の温度検出器、７は熱媒体出口温度検出器、８は熱媒体
を使用する際にその出口温度を最適温度に調整する冷水
ポンプ、９は冷水流路、１０は蓄熱材加熱用のヒーター
である。

【００２５】先ず、蓄熱時として、給湯装置を使用しな
い夜間等に夜間電力を使用してヒーター１０に通電し、
蓄熱材封入容器４内の蓄熱材を融解する。この際、蓄熱
材はヒーター１０が蓄熱材及び蓄熱材上方の気体層に跨
って配置されているために蓄熱材の融解率に応じて蓄熱
材の膨張収縮に伴う圧力変化が気体層に伝わり、圧力検
出センサー５で検出できるようになっている。また、気
体層の温度も温度検出器６によって検出し、圧力センサ
ー５及び温度検出器６からの信号が、運転制御盤１に送
られる。容器内の蓄熱材は徐々に融解し、容器内圧力も
それに応じて加圧となるが、蓄熱材が完全に融解する時
点では、容器内温度及び蓄熱材の膨張率によって決まる
容器内圧力の最大値を示すため、この時点でヒーターへ
の通電を停止するように運転制御盤より信号が送られる
ようにし、過剰な電力投入を防ぐ。

【００２６】一方、加熱時には冷水流路３より、冷水を
流す。この際、蓄熱材と冷水の温度差のためにチューブ
２の表面に蓄熱材が凝固し、ここで蓄熱材から冷水への
熱交換が行われる。蓄熱材の凝固に伴い、蓄熱材の収縮
率に応じた容器内圧力変化が生じる。また、冷水を通す
ことにより、蓄熱材上方の気体層の温度も降下する。こ
の圧力変化及び温度変化を圧力センサー５及び温度検出
器６で検出し、運転制御盤１に送る。蓄熱材の収縮率及
び気体層の温度によって徐々に圧力降下が生じるため、
圧力変化を計測することにより現時点での残蓄熱量を求
めることが可能となる。これによって、冷水流路３から
流す冷水量や使用側の温度コントロール用ポンプ８を制
御し、残蓄熱量に応じた最適運転制御を行うことができ
る。また、放熱時には、ヒーター１０は停止している
が、蓄熱量の減少によって給湯に用いられる温水を得る
のに、現時点での蓄熱量としては不足と判断すれば、ヒ
ーター１０に通電し、蓄熱量の不足を補う最適運転を行
うことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれは表１及び２より直鎖状の
多価糖アルコールを蓄熱材成分中に６０〜１００重量％
含む蓄熱材を用いることにより蓄熱材の充填率に応じ
て、蓄熱材の相変化による体積の膨張収縮が起こること
が分かる。このことは、蓄熱材の融解凝固率による状態
変化によっても圧力変化が起こることを示す。また、図
１に示すようなシェル＆チューブ型等の蓄熱装置では、
上記圧力変化及び温度変化を計測することにより蓄熱完
了時間、残蓄熱量等を容易に求めることができ、装置の
最適且つ効率的な運転制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄熱装置の一態様であるシェル＆チュ
ーブ型の給湯装置のフローチャートを示す。

【符号の説明】

１運転制御盤２蓄熱材と熱交換可能なチューブ３熱媒体（冷水）流路４蓄熱材封入の密閉容器５容器内の圧力センサー６容器内の温度検出器７熱媒体（温水）の温度検出器８熱媒体（温水）の温度調節用冷水供給ポンプ９熱媒体（温水）の温度調節用冷水流路１０蓄熱材融解用ヒーター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】融解凝固による潜熱を利用する蓄熱材を
用いる蓄熱装置において、耐圧性の密閉容器に封入され
た蓄熱材の相変化に伴う容器内の気相の圧力変化の検出
手段及び該圧力変化に基づく運転制御手段を少なくとも
具備してなることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】密閉容器に封入された蓄熱材の加熱手段
が、融解状態の蓄熱材の液相部及びその上部の気相部に
跨って配設されている請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】圧力変化の検出手段が蓄熱材の上部の気
相部に配設されている請求項１又は２に記載の蓄熱装
置。
【請求項４】密閉容器中に更に温度検出手段を有する
請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の蓄
熱装置がシェル＆チューブ型又はアイスオンコイル型で
あることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項６】蓄熱材として炭素数４以上の直鎖状多価
糖アルコールを６０〜１００重量％含有する蓄熱材を用
いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記
載の蓄熱装置。
【請求項７】直鎖状多価糖アルコールがエリスリトー
ル、マンニトール及びガラクチトールから選ばれる少な
くとも一種を用いることを特徴とする請求項１ないし６
のいずれかに記載の蓄熱装置。