JP2000161882A

JP2000161882A - 蓄熱・蓄冷槽

Info

Publication number: JP2000161882A
Application number: JP10335296A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kito; 和明木藤; Koji Shiina; 孝次椎名; Koichi Chino; 耕一千野; Mitsugi Nakahara; 中原　　貢; Hidefumi Araki; 秀文荒木; Harumi Wakana; 晴美若菜
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムを
成立させるため、幅広い温度範囲で使用でき、熱性能，
信頼性，耐久性が高く、かつ低コストな蓄熱・蓄冷槽の
開発が必要とされる。【解決手段】蓄冷槽は、固体蓄冷材１６中に流体流路１
５を設け、その側面を強度を維持するための外壁１４で
覆った構造を持つ。同時に、流体流路１５の内側にも柱
形の固体蓄冷材２０を配する。さらに本蓄冷槽を流体流
路方向に少なくとも２つ以上の蓄冷槽ユニット２４に分
割し、各ユニット２４の接合面２４に断熱材２３を配
し、各ユニットを熱的に分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体蓄熱・蓄冷材を
用いた蓄熱・蓄冷槽に係わる。

【０００２】

【従来の技術】エネルギーの有効利用のため、現在まで
に蓄熱・蓄冷を目的としてさまざまな装置が提案されて
いる。このうち蓄冷を目的とした蓄冷槽では気体の凝縮
時または液体凝固時の潜熱を利用して蓄冷効率を高めた
装置が主流である。このうち、蓄冷材に気体を用いた蓄
冷槽は、気体の比熱が小さく、しかも蒸発・凝縮によっ
て蓄冷槽内の圧力が大きく変動するため、大規模な蓄冷
システムには用いづらい。

【０００３】これに対し、液体の凝固熱を用いたシステ
ムは、ビルなどのシステム空調に利用されている氷蓄熱
に代表されるように、比較的大規模なシステムを構築し
やすい。氷蓄熱に関しては、特開平5−340571 号公報や
特開平5−5541 号公報など数多くの特許が出願されてい
る。これらの装置の多くは、蓄冷材として用いた水を作
動流体としても用い、冷熱を取り出す時は氷と水の混相
流を循環させることにより熱交換させている。しかし、
水は凝固時に体積膨張し蓄冷槽構造物に負荷がかかるた
め、これら水を用いた蓄冷システムでは氷の結晶成長を
回避するため、使用温度範囲は０℃程度までに限られ
る。また、氷スラリーを生成するために水を過冷却する
装置や凍結防止装置等が必要となる。

【０００４】また、水よりも凝固点の低い液体を蓄冷材
に用いるまたは水にこれらの液体を混ぜることによっ
て、より低温まで使用できるよう改良した蓄冷槽・蓄冷
システムもある。例えば特開平10−110161号公報や特開
平10−30094 号公報では、油やアルコールまたはこれら
に水を混ぜた液体を用いることにより、より低温まで使
用できる熱媒体又は蓄冷材を提案している。

【０００５】これらに対し、固体の蓄冷材を用いた蓄冷
槽も提案されている。固体蓄冷材は凝固熱を用いること
はできないものの、非常に低い温度まで安定して使用す
ることができ、特開平5−239586 号公報では−２５０℃
以下の極低温でも使用できるＲｕと希土類元素から成る
合金を蓄冷材として提案している。

【０００６】以上のような蓄冷槽に対し、建築物の床部
分，柱部分，梁部分，基礎部分などに使われているコン
クリートをそのまま蓄熱・蓄冷材として用い、ビル空調
などに利用する案が特開平10−227486号公報で提案され
ている。この発明では、建築物の構造材であるコンクリ
ートをそのまま蓄熱・蓄冷材として用い、空調機と空調
空間と蓄熱・蓄冷部が閉ループを構成する蓄熱・蓄冷シ
ステムを提案している。

【０００７】同様に、コンクリートなどの固体を蓄冷材
として用いた蓄冷槽の案が特開平10−238366号公報でも
提案されている。この発明では、流体流路中に球状また
はそれに類する形状の固体蓄熱・蓄冷材を充填し、ここ
を流した流体と蓄熱・蓄冷材を直接接触させて伝熱させ
ている。固体蓄冷材としては、石，セラミックス，金属
酸化物，コンクリートなどを挙げている。流体流路配管
は、内部に蓄冷材が入るため、口径が大きな耐圧管であ
る。蓄熱・蓄冷槽自体の構造強度は耐圧管に持たせる
か、または、耐圧間をコンクリート中に埋め込むこと
で、コンクリートと耐圧管に待たせている。この方法
は、蓄熱・蓄冷材と流体を直接接触させるため熱抵抗が
小さくでき、また蓄熱・蓄冷材が球形であるため伝熱面
積を大きく取れるため、熱の取り出し性能が高い。ま
た、高温から低温まで安定した固体を用いることで、蓄
熱・蓄冷槽とすることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】蓄熱・蓄冷槽を用いた
エネルギー貯蔵システムとして、蓄冷槽に貯蔵した冷熱
を用いて、エネルギーを液体空気で貯蔵するシステムが
特開平9−250360 号公報などで提案されている。このシ
ステムが成立するためには、常温から氷点下200℃近い
極低温まで使用可能で、安価で熱取り出し性能の高い蓄
熱・蓄冷槽が必要である。

【０００９】氷蓄熱はすでに一部で実用化されており、
水の凝固熱を利用するためエネルギー貯蔵量は大きい。
よって、０℃程度までの蓄冷システムとしては優れてい
る。しかし、水は凝固時に膨張し、蓄冷槽に負荷がかか
るため、より低い温度での蓄冷が求められる場合には用
いづらい。水のかわりに、特開平10−110161号公報や特
開平10−30094 号公報で提案されているように、油やア
ルコールをなど低温まで凝固しない液体を混ぜたり、こ
れらの液体と水を混ぜて液体蓄冷材とすれば、氷蓄熱よ
りも低い温度での蓄冷が可能となる。

【００１０】しかし、これら低温まで液体を保つ物質は
可燃性であり、適切な安全設備が必要となる。低温まで
液体を保ち、可燃性でない物質にはフロンがあるが、こ
れは国際的に使用を制限する方向にある。本発明では蓄
熱・蓄冷槽を０℃よりもかなり低い温度で用い、またガ
スタービン近くで用いることを想定しているため、水や
可燃性の液体蓄熱・蓄冷材を用いるのは安全上好ましく
なく、広い温度範囲で安定な固体蓄熱・蓄冷材を用いた
蓄熱・蓄冷槽が適していると考えられる。

【００１１】固体蓄熱・蓄冷材として、特開平5−23958
6 号公報で提案されているような合金を用いれば、高温
から低温まで安定した蓄熱・蓄冷槽を構成できる。これ
ら金属を蓄冷材として用いた従来の極低温用蓄冷槽は、
小規模な蓄冷装置に用いるには有用だが、蓄冷材が高価
であるため、大規模な蓄冷槽に用いるのはコスト的に難
しい。

【００１２】固体蓄熱・蓄冷材として安価なコンクリー
トを用い、空調に用いることを目的とした蓄熱・蓄冷槽
が特開平10−227486号公報で提案されている。この発明
では、蓄熱・蓄冷材が建築物の構造材であるため、基本
的に蓄熱・蓄冷材にかかるコストはなく、非常に低コス
トな蓄熱・蓄冷システムを構成できる。構造強度は蓄熱
・蓄冷材自体に持たせている。上記発明を大きな温度差
を必要とするシステムに用いると、コンクリート内にク
ラック等が発生し、構造強度が著しく減少する可能性が
ある。また０℃を挟む温度サイクルを与えると、コンク
リート内の自由水が凝固融解を繰り返し、その結果、膨
張収縮するため、コンクリートの劣化が促進される。よ
って、大きな温度差の温度サイクル、または０℃を挟む
温度サイクルを受けるシステムの場合には、この方式を
用いることは難しい。

【００１３】また、特開平10−238366号公報では構造強
度を耐圧管に持たせ、耐圧管内に配した球形の固体蓄冷
材と流体を直接接触熱伝達させる案を提案している。し
かしこの方法では、耐圧管内に蓄冷材を配するため、耐
圧管の口径が大きくなり、耐圧管の肉厚が増大しコスト
が上昇する。また、流体は耐圧管内に充填された球状の
蓄熱・蓄冷材の隙間を流れることになり、流路抵抗は大
きくなる。流路抵抗が大きいと圧力損失が大きくなり、
圧縮機動力を大きくする必要がある。必要時に取り出せ
るエネルギー量は、貯蔵されたエネルギー量から、圧縮
機動力など貯蔵と取り出しに必要な動力と、熱損失分を
引いたものであるので、流路抵抗の増大は貯蔵エネルギ
ーの損失を意味し、好ましくない。

【００１４】また、蓄熱・蓄冷材にコンクリート等の多
孔質の物質を用い、低温流体に液化天然ガス（ＬＮ
Ｇ），高温流体に空気というように違う流体を連続して
流す場合には、蓄冷材に吸収されたＬＮＧが、空気を流
した時に混じる可能性が高い。これらのＬＮＧや空気を
ガスタービンに供給する場合などは、ＬＮＧと空気量を
正確に制御できないと燃焼効率が下がるため、混合する
ことは好ましくない。よって上記発明のように、蓄熱・
蓄冷材が流体流路内に配された形式は、低温流体と高温
流体が混合することを避ける必要があるときには使えな
い。

【００１５】本発明の目的は、大きな温度差の温度サイ
クルをかけても構造強度を保ち、伝熱性能とエネルギー
貯蔵効率が高い蓄熱・蓄冷槽を開発することにある。

【００１６】またさらには、大きな温度差の温度サイク
ル下でも耐久性が高い蓄熱・蓄冷槽を開発することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的の内、大きな温
度差の温度サイクルをかけても蓄熱・蓄冷槽が構造強度
を保つために、本発明で提案する蓄熱・蓄冷槽は、蓄熱
・蓄冷材として固体を用い、その側面を金属を主材料と
する外壁で囲み、外壁に構造強度を持たせた構造とす
る。

【００１８】固体蓄熱・蓄冷材は、液体や気体の蓄熱・
蓄冷材を用いたときに比べ温度変化による膨張収縮が小
さく、凝縮や沸騰がないため大きな温度差を与えても安
定である。さらに固体蓄熱・蓄冷材の側面を、広い温度
範囲で強い強度を持つ、金属を主材料とした外壁で覆う
ことにより、固体蓄熱・蓄冷材に構造強度を持たせる必
要が無く、蓄熱・蓄冷材の材質によらず、構造強度を保
つことが出来る蓄熱・蓄冷槽をつくることが出来る。

【００１９】また上記目的の内、伝熱性能とエネルギー
貯蔵効率を向上させため、蓄熱・蓄冷槽中の流体流路を
蓄熱・蓄冷材と同じ材料で制作する。または、流体流路
は金属配管とし、金属配管や蓄熱・蓄冷槽構造物を蓄熱
・蓄冷材よりも熱伝導率の高い材料で制作した梁で結
ぶ。更に伝熱性能を向上させる必要が有れば、流体流路
中にも柱状の蓄熱・蓄冷材を配する。

【００２０】流体流路と蓄熱・蓄冷材を同一の材料で制
作することにより、配管と蓄熱・蓄冷材の熱膨張率の差
による、蓄熱・蓄冷材と配管の間のギャップ発生を防止
でき、ギャップ部での熱抵抗をなくすことが出来る。高
温流体と低温流体の混合を避けるため、流体流路を金属
配管にする必要があるときには、金属配管や蓄熱・蓄冷
槽構造物を梁で結ぶことにより、金属配管に拡大伝熱面
を加えた効果を持たせ、ギャップ部での伝熱を促進す
る。

【００２１】また、梁が蓄熱・蓄冷在中にも通ることに
より、蓄熱・蓄冷材中にクラックなどが発生した場合で
も、梁によって伝熱を促進することが出来る。蓄熱・蓄
冷材を配管外側に設置することにより配管径が小さくで
きるため、配管肉厚を薄くできる。これにより、金属製
の耐圧管内に球状の蓄熱・蓄冷材を充填する特開平10−
238366号公報に示されている従来の方法に比べて、金属
の使用量を低減でき、コストが減少する。

【００２２】さらに上記目的の内、信頼性向上のため
に、蓄熱・蓄冷槽を流体流れ方向に分割して蓄熱・蓄冷
槽ユニットを構成し、このユニットを流体流れ方向に組
み合わせ、更にユニット接合部に断熱材を配して、各ユ
ニットを熱的に分離する。

【００２３】蓄熱・蓄冷槽を流体流れ方向に分割し、熱
的に分離することで、各蓄熱・蓄冷槽ユニットにかかる
温度の範囲を小さくすることが出来る。これにより、ク
ラック発生などによる固体蓄熱・蓄冷材の劣化を抑制で
き、蓄熱・蓄冷槽の耐久性が向上する。また、蓄熱・蓄
冷材にコンクリートのように水を多く含有する物質を用
いた場合、０℃を挟む温度サイクルを与えると蓄熱・蓄
冷材の劣化が特に著しくなるが、蓄熱・蓄冷槽ユニット
に分け、各ユニットにかかる温度範囲を小さくすること
により、劣化の著しいユニットとそうでないユニットに
分けることが出来る。本発明による方式では、劣化の著
しいユニットのみを交換することができるため、維持コ
ストを低減し、メンテナンスを容易にすることが出来
る。高いメンテナンス性も蓄熱・蓄冷槽の耐久性向上と
コスト低減に寄与する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。

【００２５】図１に本発明による実施例である蓄熱・蓄
冷槽の斜視図を示し、図２に本蓄熱・蓄冷槽の使用例で
あるエネルギー貯蔵型ガスタービン発電システムのシス
テム構成図を示す。まず、使用例であるエネルギー貯蔵
型ガスタービン発電システムについて説明する。このシ
ステムは、特開平9−250360 号公報で提案されている負
荷平準化を目的とした発電システムに、液化天然ガス
（以下ＬＮＧと略す）冷熱を回収して利用する系統を加
えたものである。本実施例は、夜間電力を液体空気の形
でエネルギー貯蔵し、昼間の電力需要ピーク時に放出す
ることによって電力負荷平準化を行うシステムである。
本実施例中では、蓄熱・蓄冷槽は冷熱を貯蔵する蓄冷槽
として用いられるため、名称は蓄冷槽で統一する。

【００２６】まず、夜間電力を用いてモーター兼発電機
１によって１段目の圧縮機２を運転し、高温の高圧空気
を生成する。ここでモーター兼発電機１は、夜間の液体
空気製造時はモーターとして圧縮機を運転し、昼間の電
力需要ピーク時には発電機として使用される。高圧空気
は高圧空気系統３を通りＬＮＧ冷熱回収用の蓄冷槽４に
送られ、蓄冷槽４に貯えられたＬＮＧ冷熱によって冷却
される。ＬＮＧは通常、氷点下１６０℃程度でＬＮＧ貯
蔵タンク５に貯蔵され、発電プラントなどにはこれを気
化して供給する。ＬＮＧの気化は、通常、海水と熱交換
させることにより行われ、ＬＮＧの冷熱はそのほとんど
が海水に捨てられる。本システムではこれをＬＮＧ用蓄
冷槽４で回収し利用する。ＬＮＧは、ＬＮＧ貯蔵タンク
５からガスタービン発電プラントなどにＬＮＧ輸送ライ
ン６で送られる。

【００２７】本発明の実施例では、ＬＮＧ輸送ライン６
の途中に、ＬＮＧ用蓄冷槽４を置き、ここでＬＮＧを加
熱，気化させるとともに、ＬＮＧ用蓄冷槽４を冷却し、
冷熱を貯蔵する。蓄冷槽４を用いず熱交換器によって、
ＬＮＧを加熱するとともに１段目の圧縮機より供給され
る高温の高圧空気を冷却することで、ＬＮＧ冷熱の回収
を行うことも可能であるが、液体空気を製造する夜間は
ＬＮＧの消費量が少ないため、蓄冷槽４とするほうが良
いと考えられる。

【００２８】ＬＮＧ用蓄冷槽４で冷却された空気は、高
圧空気系統３を通り２段目の圧縮機７に送られる。２段
目の圧縮機７により空気は、気相と液層の区別が無くな
り沸騰現象が無くなる圧力（以下臨界圧力と略す）以上
に圧縮され、液体空気冷熱回収用の蓄冷槽８で冷却させ
る。空気を臨界圧力以上まで圧縮するのは、臨界圧力以
上では液相と気相の区別がないため、大気圧ならば１部
が液化してしまうような非常に低いエンタルピーまで、
連続的に冷却でき、また圧力が高い方が沸点が高くなる
ため、液化しやすいからである。冷却された空気のエン
タルピーは大気圧下の飽和乾き空気のエンタルピー以下
であればよいが、液化率を高めるためになるべく低いエ
ンタルピーまで冷却する。この高圧で低温の空気は、断
熱膨張弁９で断熱膨張させられ、一部が液化する。液化
した液体空気は液体空気系統１０により、液体空気貯蔵
タンク１１に送られ、貯蔵される。これで夜間の運転は
終了する。

【００２９】ＬＮＧ用蓄冷槽４，空気用蓄冷槽８とも
に、蓄冷槽によって空気を冷却することにより、蓄冷槽
は逆に加熱されるため、夜間の運転終了時の蓄冷槽平均
温度は運転開始時の蓄冷槽平均温度よりも高い。また、
圧縮機を２段にしているのは特開平10−238366号公報で
提案されているように、圧縮機を複数段にすることによ
り圧縮機動力を低減できるからである。本実施例では圧
縮機を２段としているが、これは３段以上でも構わな
い。

【００３０】つぎに、昼間の電力需要ピーク時に、液体
空気貯蔵タンク１１より液体空気系統１０を通して液体
空気を空気用蓄冷槽８に供給する。蓄冷槽８は夜間の運
転により温度が上昇しているため、蓄冷槽温度は液体空
気温度よりも高い。よって、液体空気は蓄冷槽８を通る
ことによって蓄冷槽８を冷却するとともに空気は加熱さ
れる。加熱され、膨張によって高圧になった空気は、高
圧空気系統３を通って燃焼器１２に送られる。この空気
は、燃焼器１２内で、ＬＮＧタンク５よりLNG系統６に
よって送られたＬＮＧと混合され、燃焼器１２で燃焼さ
せられ、タービン１３でエネルギーを回収する。なお、
ＬＮＧ貯蔵タンク５は、通常１つのタンクから複数のガ
スタービンプラントやそのほかの施設にＬＮＧを供給し
ているため、ＬＮＧ輸送ライン５は他のガスタービンプ
ラントなどへもつながっている。通常のガスタービン発
電では、タービン１３で回収されたエネルギーの５０％
程度が圧縮機の動力に使われている。そのため、タービ
ン１３で回収されたエネルギーの内、モーター兼発電機
１で実際に発電に使えるエネルギーは全体の５０％程度
である。しかし本発電システムによれば、電力需要ピー
ク時に圧縮機を用いずに高圧空気を供給できるため、電
力需要ピーク時にタービン１３で回収されたエネルギー
を、他の小さな損失を無視すれば、１００％発電に使う
ことが出来、発電電力量をタービン１３で回収したエネ
ルギーの５０％から１００％へと２倍程度に増加させる
ことができ、負荷平準化が可能となる。

【００３１】次に、本発明の蓄冷槽４，８の斜視図を図
１に、本発明の蓄冷槽４，８と液体空気貯蔵タンク１１
の配置図を図３に示す。単体の蓄冷槽４，８は図１に示
すような高さ方向が長い直方体形状とし、これを水平方
向に複数まとめる。蓄冷槽全体は、単体の蓄冷槽４，８
の集合体であるので、蓄冷槽の１部をＬＮＧ用蓄冷槽
４、残りを空気用蓄冷槽８というように２種類以上の蓄
冷槽を混在させることが出来る。

【００３２】図１の蓄冷槽４，８は側面を金属を主材料
とする外壁１４で覆い、その中に流体流路１５を通す。
流体流路１５の回りにはコンクリートなどの固体蓄冷材
１６を充填する。液体空気貯蔵タンク１１が蓄冷槽４，
８の内部にあるため、貯蔵タンク１１からもれた液体空
気１０の冷熱は蓄冷槽４，８に回収され、エネルギー損
失とはならない。また、蓄冷槽４，８と液体空気貯蔵タ
ンク１１全体または一部を地下に埋め、周りを断熱材で
固めることにより、装置全体の断熱性を高めるととも
に、横方向にかかる力を地盤で支えるため外壁１４に要
求される強度を減少させ、外壁構造を簡略化することも
できる。

【００３３】固体蓄冷材１６としてコンクリートを用い
た蓄冷装置は特開平10−227486号公報で提案されている
が、この発明では使用目的が空調であるため、コンクリ
ートにかかる温度範囲は小さく、コンクリートの構造強
度は十分に保たれる。よって、蓄冷材であるコンクリー
トに構造強度を持たせている。しかし、本発明で用いる
蓄冷槽は使用温度範囲が常温から氷点下２００℃程度と
非常に大きい。よって、温度サイクルによって蓄冷材に
クラックなどが発生し、蓄冷材の強度が減少する可能性
が高い。よって蓄冷槽４，８の構造強度は金属を主材料
とする外壁１４にもたせる。

【００３４】この構造により、例えば全く強度の期待で
きない砂なども蓄冷材として用いることができる。逆に
強い強度を持つ材料を蓄冷材として用いれば、外壁１４
の強度は余り必要なく、外壁構造を簡略化したり、外壁
材料に安価な材料を用いることでコスト削減を図ること
が出来る。また使用可能な蓄熱・蓄冷材の材料と外壁材
料に自由度が大きいため、蓄熱・蓄冷材と外壁材料を変
えることによりさまざまな温度に対応した蓄熱・蓄冷槽
を作ることができる。

【００３５】図４〜図７に本発明の蓄冷槽４，８の上部
斜視図を示す。蓄冷槽４，８の上部には、流体流路に流
体を分配するためのヘッダを設置する。ヘッダは図４，
図５の様に配管を用いて分配する方法や、図６の様に内
部が空洞になっている空気溜１７を蓄冷槽４，８上部に
設置し、空気溜１７から流体流路１５に流体を分配する
方法などが考えられる。またＬＮＧ用蓄冷槽４におい
て、ＬＮＧ流路１８と空気流路１９を分離する場合に
は、図７の様にヘッダをＬＮＧ用と空気用の２系統に分
離する。同様に蓄冷槽４，８の下部にも同様なヘッダを
設置する。

【００３６】流体の流し方も、液体は下部から上部に流
し気体は上部から下部に流す方法やその逆に流す方法、
両流体ともに下部から上部に向けて流す、またはその逆
に流す方法、ある蓄冷槽の下部から上部に流し、つづけ
て次の蓄冷槽の上部に接続し上部から下部に流すという
ようにいくつかの蓄冷槽に連続的に流す方法など、様々
な流し方が考えられる。外壁１４は図４〜図７のよう
に、蓄冷材部分のみを囲うように配しても良いし、もう
少し高さを増して、ヘッダ部まで含めて囲っても良い。

【００３７】次に図８に本発明の空気用蓄冷槽８の上面
断面図を示す。空気用蓄冷槽８内に流す流体は空気であ
るため、流体の漏れ防止を徹底させる必要は無い。よっ
て、流体流路配管を固体蓄冷材１６と同一の材料で作成
する。同一材料であるので、流体流路配管と固体蓄冷材
１６を必ずしも分離して製作する必要は無く、固体蓄冷
材１６に流体流路１５となる穴を空けても良い。また、
流体流路中に円柱形の蓄冷材２０を配することで伝熱面
積を増加させ、伝熱性能を向上させることもできる。

【００３８】流体流路中の蓄冷材２０は、ヘッダ部で固
定するか、または流体流路中の一部に小さな支持棒を通
して固定する。固体蓄冷材１６としては、コンクリー
ト，モルタル，アスファルト，プラスチック，酸化金属
などさまざまな材料が考えられるが、コスト削減の観点
からはなるべく単位比熱当たりの材料費が安いものが好
ましい。しかし、アスファルトなどは可燃性であるた
め、このような材料を固体蓄冷材１６として用いる場合
には安全上の配慮が必要となる。蓄冷材は一体構造でも
良いし、小さな蓄冷材ブロックを作り、これを組み合わ
せて蓄冷槽としても良い。

【００３９】次に、図９にＬＮＧ用蓄冷槽４の概略を示
す。ＬＮＧは可燃性ガスであり、蓄冷槽４からの漏洩は
確実に防止する必要があるため、空気用蓄冷槽８と同様
の直接接触による熱交換を行うのは安全上問題がある。
そのため、ＬＮＧ用蓄冷槽４は空気用の蓄冷槽８とは別
の構造となる。固体蓄冷材１６中の流路配管は金属配管
２１とし、固体蓄冷材１６とＬＮＧを完全に分離する。
本方式の場合、固体蓄冷材１６の乾燥や金属配管２１と
蓄冷材１６の熱膨張率の違いにより、金属配管２１と蓄
冷材１６の間にギャップが形成され伝熱を阻害する可能
性がある。

【００４０】また、固体蓄冷材として砂などの粉体を充
填した物を用いる場合などは問題ないが、コンクリート
などを用いた場合には、大温度差の温度サイクルによっ
て蓄冷材１６にクラックが入り、これが伝熱を阻害する
可能性が高い。蓄冷材１６のクラックは部分的かつ小規
模に発生しても熱性能の面で大きな問題はないが、系統
的に発生し大きな亀裂となった場合には、熱伝導率が大
きく減少し、蓄冷した冷熱を取り出せなくなる。

【００４１】本発明では、図９に示したように金属配管
２１に梁２２を渡すことにより上記の問題を解決する。
梁２２は鉄などの熱伝導率の高い材料で作る。梁２２を
渡すことにより、ギャップ部での伝熱を確保するととも
に、蓄冷材中に大きな亀裂が発生した場合でも蓄冷材部
での熱伝導を確保できる。梁２２は図１０のように金属
配管２１だけに渡しても良いが、図１１のように金属配
管２１とともに外壁１４または外壁内側の断熱材２３に
渡しても良い。

【００４２】これら梁を渡した蓄冷槽４において、蓄冷
材１６としてコンクリートを用いることで、鉄筋コンク
リートと同様の構造となり、蓄冷材部の強度が増すた
め、外壁構造を簡素化したり、外壁材料に安価な材料を
用いるなどして、コストダウンを図ることもできる。梁
２２の渡し方は、図１０，図１１の様に金属配管２１で
交差させる、図１２のように金属配管２１の間で交差さ
せるなどさまざまな方法が考えられる。蓄冷材１６とし
て粉体を充填したものを用いる場合も、粉体の空隙によ
る熱抵抗を補償する、または単に伝熱促進の観点から、
本発明による方式は有用と考えられる。

【００４３】ＬＮＧ用蓄冷槽４においても、金属配管２
１内に口径の小さな金属配管２１を通し、その中にも蓄
冷材１６を配することで、流路抵抗を大きく増大させる
こと無く伝熱面積を増やすことができる。また、空気用
蓄冷槽８もＬＮＧ用蓄冷槽４もともに、図７の様なヘッ
ダ構造を持たせることで、低温流体の流路と高温流体の
流路を分離することが可能である。流路を分離する場
合、ＬＮＧ用蓄冷槽４においてＬＮＧの流路のみを金属
配管２１とし、空気の流路は金属配管２１などを配して
いない流体流路としても良い。

【００４４】蓄冷材にコンクリートのように水分を含む
ものを用いる場合、水分の凝固，融解により固体蓄冷材
１６が劣化する。よって、書籍「コンクリートの耐久
性，岡田清著，朝倉書店」などに書かれているように、
水分量をなるべく少なくし、気泡を意図的に混入したほ
うが良い。気泡を混入することにより、水分の凝固，融
解時の膨張収縮を気泡で吸収できるようになる。蓄冷材
がコンクリートの場合には、高炉セメントなどのように
発熱量の少ないセメントを用い、水分量減少のため骨材
比率を高めたほうが良い。減水剤など含有水分量を減少
させる物質を添加することも有効である。また、クラッ
ク発生を抑制するため、炭素や金属の繊維をコンクリー
トに添加することも効果がある。

【００４５】これはクラックの進行が繊維の張力によっ
て押さえられるからである。特に、金属繊維など熱伝導
率や比熱の高い材料の繊維を添加した場合は伝熱促進効
果と蓄冷能力増大効果も期待できる。同様の考えで、コ
ンクリート中に熱伝導率、比熱の高い金属などの小片を
混入するのも有効である。蓄冷材に粉体を充填したもの
を用いる場合は、クラック発生などの心配はない。この
場合、比熱を大きくするためには充填率が高いほうが良
い。そのため、充填率を高めるために粒径が異なる粉体
を２種類以上混ぜて用いる。

【００４６】蓄冷槽４，８の信頼性を向上させるために
は、蓄冷槽４，８を図１のように流体の流れ方向に分割
し、蓄冷槽ユニット２４とする。分割した各蓄冷槽ユニ
ット２４の間のユニット結合面２５には断熱材２６を挟
み、ユニット間の熱移動を抑制する。蓄冷槽４，８に流
体を流している間、蓄冷槽４，８には流体流れ方向に大
きな温度分布が現れるが、蓄冷槽４，８を流体流れ方向
に分割することによって、運転停止時に流体流れ方向の
温度分布が平均化されることを抑え、蓄冷材にかかる温
度サイクルの温度差を小さくできる。温度差が小さくな
ることにより、蓄冷槽の信頼性と耐久性が向上する。

【００４７】蓄冷槽ユニット２４の流体流路１５や金属
配管２１つなぎ目には、図１３の様な蛇腹状の継ぎ手２
７など、固体蓄冷材１６や流体流路配管２１の熱膨張と
熱収縮を吸収するための機構を設ける。本発明による蓄
冷槽を流体流れ方向に分離する方式をとることで、０℃
を挟む温度サイクルを受ける蓄冷槽ユニットは水分の含
有量が少ない蓄冷材を用いるなどして工夫することがで
きる。

【００４８】また、蓄冷材にコンクリートを用いる場合
には、０℃付近の温度サイクルを受ける蓄冷槽ユニット
は特に劣化が激しいと思われるが、本方式を取り、図１
４のように蓄冷槽ユニット２４結合部配管にネジ状の継
ぎ手２８をつけるなどして、簡単に着脱できる構造にす
ることで、一部の蓄冷槽ユニットのみ交換することもで
きるようになり、メンテナンスも容易になる。また、１
ユニットの体積，重量が小さくなるため、製作・運搬の
作業性も向上する。

【００４９】また、蓄冷槽ユニット２４の重さは金属な
ど圧縮強度の強い材料で作成したユニット結合部材２９
で支える。ユニット結合部材２９は、蓄冷槽ユニットの
重さを支えるだけではなく、横方向の揺れも防止するた
め、図１３，図１４のように凹凸をつける。凹凸の形
は、このほかにも図１５，図１６のような形など、様々
な形が考えられる。図１３〜図１５のようなユニット結
合部材２９であれば上方から、図１６のようなユニット
結合部材２９を相対する２面のみに設置すれば横方向か
ら、蓄冷槽ユニット２４の取り外し，取り付けができ
る。図１４のような継ぎ手を用い、蓄冷槽ユニット２４
の取り外しを考える時には、ユニット結合部材２９の一
部に、ネジ状の継ぎ手２８を操作できる程度の隙間を空
けておく。

【００５０】

【発明の効果】本発明の請求項１によれば、固体蓄熱・
蓄冷材を用いた蓄熱・蓄冷槽において、蓄熱・蓄冷材の
側面を外壁で囲み、外壁に強度を持たせることにより、
幅広い温度に対応できる蓄冷槽とすることが出来る。

【００５１】本発明の請求項２によれば、流体流路配管
を蓄冷材と同一の材料で作成することにより、流路抵抗
を大きく増大させることなく蓄熱・蓄冷材と、流体の直
接接触熱伝達が可能となる。これにより、熱性能が向上
し、さらに製造コストを低減できる。

【００５２】本発明の請求項３によれば、蓄熱・蓄冷材
中を通した流体流路配管や蓄熱・蓄冷槽構造物を、蓄熱
・蓄冷槽よりも熱伝導率の高い梁で結ぶことにより、熱
性能と信頼性が向上する。

【００５３】本発明の請求項４によれば、上記のような
蓄熱・蓄冷槽において、流体流路中にも柱状の蓄冷材を
配することにより、伝熱面積が増大し、伝熱性能をさら
に向上させることが可能となる。

【００５４】本発明の請求項５によれば、蓄熱・蓄冷槽
を流体流れ方向に分割し、熱的に分離することによっ
て、蓄熱・蓄冷槽にかかる温度サイクルの温度差を小さ
くでき、耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蓄冷槽の斜視図。

【図２】本発明のエネルギー貯蔵型ガスタービン発電シ
ステムの系統図。

【図３】本発明の蓄冷槽全体配置の上面図。

【図４】本発明の蓄冷槽ヘッダ第１例の斜視図。

【図５】本発明の蓄冷槽ヘッダ第２例の斜視図。

【図６】本発明の蓄冷槽ヘッダ第３例の斜視図。

【図７】本発明の蓄冷槽ヘッダ第４例の斜視図。

【図８】本発明の空気用蓄冷槽の上面断面図。

【図９】本発明のＬＮＧ用蓄冷槽の上面断面図。

【図１０】本発明のＬＮＧ用蓄冷槽の梁の渡し方第１例
の上面断面図。

【図１１】本発明のＬＮＧ用蓄冷槽の梁の渡し方第２例
の上面断面図。

【図１２】本発明のＬＮＧ用蓄冷槽の梁の渡し方第３例
の上面断面図。

【図１３】本発明の蓄冷槽ユニットの蛇腹状結合部およ
びユニット結合部材第１例の横断面図。

【図１４】本発明の蓄冷槽ユニットのネジ式結合部およ
びユニット結合部材第１例の横断面図。

【図１５】本発明の蓄冷槽ユニットのユニット結合部材
第２例の横断面図。

【図１６】本発明の蓄冷槽ユニットのユニット結合部材
第３例の横断面図。

【符号の説明】

１…モーター兼発電機、２…１段目の圧縮機、３…高圧
空気系統、４…ＬＮＧ用蓄冷槽、５…ＬＮＧ貯蔵タン
ク、６…ＬＮＧ輸送ライン、７…２段目の圧縮機、８…
空気用蓄冷槽、９…断熱膨張弁、１０…液体空気系統、
１１…液体空気貯蔵タンク、１２…燃焼器、１３…ター
ビン、１４…蓄冷槽外壁、１５…流体流路、１６…固体
蓄冷材、１７…空気溜、１８…ＬＮＧ流路、１９…空気
流路、２０…円柱形蓄冷材、２１…金属配管、２２…
梁、２３，２６…断熱材、２４…蓄冷槽ユニット、２５
…ユニット結合面、２７…蛇腹状の継ぎ手、２８…ネジ
状の継ぎ手、２９…ユニット結合部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者千野耕一茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者中原貢茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者荒木秀文茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者若菜晴美茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱・蓄冷材として個体を用いることと、
該蓄熱・蓄冷材中に少なくとも１本以上の流体流路を持
つことと、該蓄熱・蓄冷材の側面を金属を主材料とした
外壁で囲むことを特徴とする蓄熱・蓄冷槽。
【請求項２】請求項１において、流体流路の少なくとも
一部が、蓄熱・蓄冷材と同じ材料で作られるまたは蓄熱
・蓄冷材表面自体を流体流路として用いることを特徴と
する蓄熱・蓄冷槽。
【請求項３】請求項１において、流体流路や蓄熱・蓄冷
槽構造物を蓄熱・蓄冷材よりも熱伝導率の高い材料の梁
でつなぐことを特徴とする蓄熱・蓄冷槽。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項記載におい
て、流体流路内にも柱状の蓄熱・蓄冷材を配することを
特徴とする蓄熱・蓄冷槽。
【請求項５】蓄熱・蓄冷槽を流体流れ方向に分割し蓄熱
・蓄冷槽ユニットを構成することと、該蓄熱・蓄冷槽ユ
ニットを流体流れ方向に組み合わせることにより蓄冷槽
を構成することと、該蓄熱・蓄冷槽ユニットの流体流れ
方向接合部に断熱材を配し、各蓄熱・蓄冷槽要素を熱的
に分離することを特徴とする蓄熱・蓄冷槽。