JP2000241091A

JP2000241091A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP2000241091A
Application number: JP11045099A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hirano; 平野　　聡
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2000-09-08
Also published as: US6877549B2; US6371198B1; DE10007639A1; US20020112845A1; US6772823B2; US20020053418A1; DE10007639C2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部への熱損失の小さい蓄熱装置を提供す
る。【解決手段】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材
１を充填した蓄熱槽２と、上記蓄熱材と熱媒体との熱交
換により蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行う
熱交換器３とを備える。熱交換器３は、蓄熱槽２の中心
部分２ａと外部との間で熱交換を行うように配管し、蓄
熱槽２の周囲部分２ｂに高分子吸液性物質５を分散させ
るなどして、その周囲部分における蓄熱材の自然対流を
抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱を一時的に貯蔵
する蓄熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の蓄熱装置の基本的な構造を、図１
１乃至図１３に断面図で示す。図１１の蓄熱装置は、蓄
熱槽３２に熱を貯蔵する蓄熱材３１を充填し、蓄熱槽３
２に外部との間の熱交換を行う熱交換器３３を設けたも
のである。蓄熱材３１には、水が用いられることが多
い。蓄熱槽３２の形状は、直方体や円柱など種々のもの
があるが、蓄熱装置としての動作は同じである。例え
ば、温度がＴｘの熱を貯蔵するには外部から熱交換器３
３に温度がＴｘ以上の熱を加え、蓄熱材３１の温度をＴ
ｘに高める。熱の注入が完了すると、蓄熱装置は静置さ
れる。時間が経過し、外部で熱が必要になれば、熱交換
器３３を利用して蓄熱材３１から温度がＴｘの熱が外部
へ抽出される。パラフィンのような熱の注入・抽出過程
で融解・凝固する物質を蓄熱材３１に利用する場合で
も、蓄熱装置の基本的な動作は上記と同様である。

【０００３】図１２の蓄熱装置は、熱を貯蔵する蓄熱材
を兼ねた熱媒体４７が充填される蓄熱槽４２ａ，４２ｂ
を備え、蓄熱槽４２ａにはそれと外部との間を接続する
連通管４４ａを設け、蓄熱槽４２ａと蓄熱槽４２ｂとの
間は連通管４４ｂにより接続し、蓄熱槽４２ｂにはそれ
と外部との間を接続する連通管４４ｃを設けている。外
部との間の熱輸送を行う熱媒体と蓄熱材を兼ねた熱媒体
４７には、水が利用されることが多い。蓄熱槽４２ａと
蓄熱槽４２ｂは適宜形状に形成される。また、ここで
は、蓄熱槽が２槽で構成される場合を示しているが、蓄
熱槽が１槽でも、３槽以上の多槽であっても、基本的な
動作は以下の２槽の場合と同様である。

【０００４】この蓄熱装置の動作において、例えば温度
がＴｘの熱を貯蔵するには、連通管４４ｃから熱媒体４
７を吸い出し、外部で熱媒体４７に熱を加えて温度をＴ
ｘ以上に高め、連通管４４ａから蓄熱槽４２ａへ注入す
る。この注入によって蓄熱槽４２ａから排除される熱媒
体４７は、連通管４４ｂを通過して蓄熱槽４２ｂに至
り、やがて連通管４４ｃから吸い出されて、外部との間
で熱輸送を行い、再び連通管４４ａを通して蓄熱槽４２
ａに戻るという循環が達せられる。蓄熱槽への熱の注入
が完了すると、蓄熱装置は静置される。時間が経過し、
外部で熱が必要になれば、熱の注入過程とは逆の方向、
すなわち連通管４４ａから熱媒体４７を吸い出し、外部
で熱を吸収、利用し、それによって温度の低下した熱媒
体４７は、連通管４４ｃから蓄熱槽４２ｂへ戻される。
この戻りにより蓄熱槽４２ｂから排除される熱媒体４７
は、連通管４４ｂを通過して蓄熱槽４２ａに流れ込むこ
とで、熱媒体４７の循環が達せられる。

【０００５】このように、蓄熱槽を適当に分割する理由
は、蓄熱槽内部に流れの滞りやすい死水域ができること
を抑制し、熱の注入・抽出時の熱媒体４７の循環を蓄熱
槽内部全体を使って均一に行われるようにするためであ
る。また、室温よりも低温の熱を貯蔵する場合には、熱
の注入・抽出過程における熱媒体４７の流れの方向が逆
になるが、基本的な動作は上記と同様である。

【０００６】一方、図１３の蓄熱装置では、主に転移熱
利用の蓄熱材５１を小容器５６に充填して、その小容器
５６を蓄熱槽５２に収容し、蓄熱槽５２にそれを外部と
連通させる連通管５５ａ，５５ｂを設けて、それらの連
通管５５ａ，５５ｂ及び蓄熱槽を通して循環する熱媒体
５７により、外部と熱交換を行うための熱交換手段を構
成させている。この場合に、熱の貯蔵は主として転移熱
利用の蓄熱材５１が行い、熱媒体５７は熱の輸送手段と
して機能するが、熱の貯蔵に全く関与しないわけではな
い。なお、上記小容器５６の形状は、球体が多い。

【０００７】この蓄熱装置においては、例えば温度がＴ
ｘの熱を貯蔵するには、連通管５５ａを通して温度がＴ
ｘ以上にある熱媒体５７を外部から蓄熱槽５２へ注入す
る。蓄熱材５１は、小容器５６の壁を介して、熱媒体５
７の放出する熱により加熱される。注入された熱媒体５
７は連通管５５ｂを通過して外部へ戻り、再びＴｘ以上
の温度に加熱されて同様の循環を繰り返す。熱の注入が
完了すると、蓄熱装置は静置される。外部で熱が必要に
なれば、熱の注入過程とは逆の方向、すなわち連通管５
５ｂから蓄熱槽５２へ外部から熱媒体５７を注入する。
注入された熱媒体５７は、小容器５６の壁を介して、蓄
熱材５１の放出する熱により加熱される。加熱された熱
媒体５７は連通管５５ａを通過して外部へ戻り、外部で
利用されてＴｘより低い温度になり、再び連通管５５ｂ
に注入されて同様の循環を繰り返す。

【０００８】室温よりも低温の熱を貯蔵する場合には、
熱の注入・抽出過程において外部から注入される熱媒体
５７の流れの方向が逆になるが、基本的な動作は上記と
同様である。この構成例では、外部から注入・抽出さ
れる熱媒体５７が小容器５６同士の間隙を通過するた
め、蓄熱材５１に対する伝熱面積が大きくなり、また蓄
熱材５１の取扱が容易になるため、パラフィンを蓄熱材
５１とするような転移熱を利用する蓄熱装置に使われる
ことが多い。

【０００９】上記図１１乃至１３の蓄熱装置では、熱の
貯蔵状態において、蓄熱材３１，５１及び蓄熱材を兼ね
る熱媒体４７と蓄熱槽３２，４２，５２を取り囲む外部
の環境との間に温度差があれば、蓄熱槽３２，４２，５
２の壁面を通じて外部環境との間で常に熱移動が発生す
る。熱輻射の影響は通常小さいため無視すれば、蓄熱材
やそれを兼ねる熱媒体（以下、これらを蓄熱材とい
う。）の熱損失量Ｑは、

【数１】で表される。

【００１０】ここで、ｋは蓄熱槽の材質、構造、周囲風
速等により定まる熱通過率、Ａは蓄熱槽と周囲流体（例
えば空気）との接触面積である。Ｔｏは蓄熱装置の外部
の環境の温度、Ｔｘ′は蓄熱材が蓄熱槽に接する面（蓄
熱材の表面）での温度である。ｔは経過時間である。ｋ
とＡは、通常は時間にかかわらず一定とみなすことがで
きるため、式（１）は次のように近似することができ
る。

【数２】

【００１１】蓄熱方式には、図１１及び図１２に示す場
合のように、主に蓄熱材３１や熱媒体４７の顕熱を利用
するものと、図１３に示す場合のように、主に蓄熱材５
１の転移熱を利用するものとがあるが、顕熱及び転移熱
のいずれを利用する場合でも、例えば温度Ｔｘの熱を貯
蔵するには、蓄熱材の表面の温度Ｔｘ′をＴｘ以上の温
度に保持する必要がある。しかしながら、蓄熱材の表面
の温度Ｔｘ′と外部の環境温度Ｔｏとの温度差が大きい
ほど、また貯蔵時間が長くなるほど、式（２）で表され
る熱損失は増大し、蓄熱効率の著しい低下の原因とな
る。したがって、式（２）において蓄熱槽からの熱損失
を小さくするには、熱通過率ｋや表面積Ａを小さくし、
時間ｔを短くし、あるいは蓄熱材の表面温度Ｔｘ′と環
境温度Ｔｏとの差を小さくする必要がある。熱通過率ｋ
を小さくする方法としては、蓄熱槽の周囲に断熱材を取
り付けることが試みられている。表面積を小さくする方
法としては、蓄熱槽を立方体や球のような単位体積当た
りの表面積の小さい形状にすることが試みられている。
また、時間ｔを小さくする方法としては、熱を再抽出し
た後の熱利用系のシステム制御を最適化することが試み
られているが、時間項と温度項とは蓄熱本来の目的であ
って、大幅に変更できる性質のものではない。

【００１２】一方、図１１及び図１２に示す例におい
て、蓄熱材の温度は、蓄熱槽３２，４２の壁面により近
い部分から徐々に外部環境の温度に近づくため、蓄熱材
内に温度差が発生する。通常、物質は温度が変化すると
膨張あるいは収縮するため、蓄熱材内に温度差ができれ
ば、そこに密度差が生じて、重力差が発生することにな
り、この結果、蓄熱材内においては自然対流と呼ばれる
運動が誘発される。したがって、外部環境との温度差の
最も大きい蓄熱槽３２，４２の壁面付近、即ち蓄熱材の
外側から自然対流が発生して、それが蓄熱材全体に広が
るため、蓄熱材の内側部分には、貯蔵した熱よりも外部
環境温度に近づいた該蓄熱材が表面側から流れ込むと同
時に、蓄熱材の表面へ貯蔵した熱が移動し、これによ
り、外部環境との間では蓄熱槽の壁面を通して常に熱移
動が行われるため、蓄熱材には大きな熱損失が生じてし
まう。

【００１３】また、上記図１３の蓄熱装置は、熱の保存
過程において、蓄熱槽５２内における蓄熱材５１の自然
対流は小容器５６によって抑制されるものの、蓄熱槽５
２内に滞留している熱媒体５７に自然対流が発生するた
め、該熱媒体５７については上記図１１及び図１２の蓄
熱装置の蓄熱材３１，４１と同様のことがいえる。この
ように、蓄熱槽の壁面により近い部分にある蓄熱材から
その温度が外部環境に近い温度へと変化するため、熱移
動の過程で蓄熱材内の外側と内側（蓄熱槽が球体の場合
には半径方向）との間に温度差が生じ、これにより、蓄
熱材内で自然対流が発生するため、蓄熱材と外部環境と
の間では蓄熱槽の壁面を通して常に熱移動が行われ、蓄
熱材は熱損失を生じることになる。

【００１４】上記図１１〜１３に示す従来の蓄熱装置で
は、いずれにしても蓄熱材が流動しやすいため、熱の保
存過程はもとより、特に熱の注入・抽出過程では熱交換
による温度差を原因として蓄熱材全体におよぶ自然対流
が起きやすく、結果的に、式（２）の熱通過率ｋが大き
くなり、蓄熱材から外部への熱損失が増大し、熱回収率
を低下さる要因の一つとなっていた。

【００１５】蓄熱材の内部のある位置における熱収支
は、次のような式で表されることが知られている。

【数３】ここでｘ、ｙ、ｚは直角座標、ｔは時間、ｕ、ｖ、ｗは
速度のそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向成分、ｅは蓄熱材の内部
エネルギー、λは蓄熱材の熱伝導率、ｐは蓄熱材の圧
力、ｑｉは蓄熱材の内部発熱、ρは蓄熱材の密度、ηは
蓄熱材の粘性関数である。

【００１６】式（３）は、単位時間・体積当たりの蓄熱
材の内部エネルギーの変化が、蓄熱材の運動で周囲から
流れ込む熱と、蓄熱材の熱伝導で周囲から流れ込む熱
と、蓄熱材自身の発熱と、蓄熱材の圧力変化で発生する
熱と、蓄熱材の粘性摩擦で発生する熱との和であること
を示している。一般的には熱伝導等による熱の移動より
も、自然対流を原因とする熱の移動の方が激しいことが
知られていることから、自然対流によって蓄熱材内部の
運動が激しくなれば、それだけ蓄熱材内部の熱移動も激
しくなることになる。したがって、蓄熱装置において
は、蓄熱材の熱損失を抑えるため、蓄熱材の表面と外部
環境との温度差、及び、少なくともその蓄熱材の表面
と、外部と熱の注入・抽出を行う蓄熱材の内側部分との
間での熱移動の抑制について考慮する必要がある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよ
うな蓄熱材からの熱損失を改善するためになされたもの
であり、蓄熱材の表面と外部環境との温度差を小さく
し、且つ、その蓄熱材の表面と、外部と熱の注入・抽出
を行う蓄熱材の内側部分との間での熱移動を抑制するこ
とにより、外部環境が蓄熱槽の内側部分に与える影響を
小さくして、外部への熱損失を抑えることができる蓄熱
装置を提供することを課題とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第１の蓄熱装置は、外部から与えられた熱を
貯蔵する蓄熱材を充填した蓄熱槽と、上記蓄熱材と熱媒
体との熱交換により蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・
抽出を行う熱交換手段とを備え、上記熱交換手段は、上
記蓄熱槽の中心部分と外部との間で熱交換を行うよう
に、あるいは、上記蓄熱槽の中心部分と周囲部分に対し
て順次外部との間で熱交換を行うか、個別に熱交換を行
うように配設し、蓄熱槽の周囲部分に蓄熱材の自然対流
を抑制する抑制手段を備えたことを特徴とするものであ
る。また、上記課題を解決するための本発明の第２の蓄
熱装置は、外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材を兼
ねた熱媒体が充填される蓄熱槽と、上記熱媒体の流出入
により、蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行う
熱輸送手段とを備え、上記熱輸送手段は、上記蓄熱槽の
中心部分と外部との間で熱輸送を行うように配設し、蓄
熱槽の周囲部分に熱媒体の自然対流を抑制する抑制手段
を備えたことを特徴とするものである。

【００１９】上記蓄熱装置においては、抑制手段を、蓄
熱槽の周囲部分における蓄熱材または熱媒体中に吸液性
物質を分散させることにより構成することができる。ま
た、上記抑制手段は、蓄熱槽の周囲部分における蓄熱材
または熱媒体に、電圧の印加により粘性を増す性質を持
たせるとともに、蓄熱槽の周囲部分を挟むように電極を
対向配置し、それらの電極間に通電する手段を備えたも
のとし、あるいは、蓄熱槽の周囲部分における蓄熱材ま
たは熱媒体に、磁力によって粘性が増す性質を持たせる
とともに、蓄熱槽の周囲部分に磁力を作用させる磁石を
設けたものとし、さらに、蓄熱槽の周囲部分に蓄熱材ま
たは熱媒体の自然対流を妨げる障壁を設けたものとする
こともできる。また、上記蓄熱装置においては、蓄熱槽
内の中心部分と周囲部分との間に、熱の移動を促進させ
る手段を設けることもできる。

【００２０】上記構成を有する蓄熱装置においては、蓄
熱槽の中心部分と熱交換する熱交換手段、またはその中
心部分に熱輸送する熱輸送手段により、熱抽出時に必要
な温度以上の熱を蓄熱槽に注入し、主に蓄熱槽の周囲部
分に収容された蓄熱材または熱媒体に熱が伝達貯蔵、保
存され、必要に応じて、貯蔵した熱を蓄熱槽の中心部分
から抽出するものである。熱を注入・抽出する場合に
は、主として対流の容易な蓄熱槽の中心部分で熱交換が
行われるため、熱伝導による熱移動に、自然対流熱伝達
による大きな熱移動が加わり、外部との熱交換は効率よ
く行われる。また、熱を保存する場合には、通常、蓄熱
槽の周囲部分と外部の環境との間で熱移動が生じるた
め、蓄熱材または熱媒体の温度は、蓄熱槽により近い位
置のものから徐々に外部の環境の温度に近づこうとす
る。そのため、この蓄熱槽内では、熱移動による温度差
が生じ、蓄熱槽により近い位置の蓄熱材または熱媒体か
ら自然対流が発生しようとする。

【００２１】このとき、上記自然対流は、その運動を蓄
熱槽の周囲部分全体及び中心部分に位置する蓄熱材にま
で拡大して大きな熱の移動を生じさせようとするが、上
記蓄熱装置では、蓄熱槽の周囲部分に設けた自然対流を
抑制する抑制手段により自然対流による周囲部分の大き
な熱移動を困難にする。

【００２２】上記式（２）に示すように、蓄熱材の熱損
失量Ｑは、蓄熱材表面の温度と蓄熱槽を取り囲む外部の
環境の温度との差（Ｔｘ′−Ｔｏ）が大きいほど、また
熱通過率（ｋ）が大きいほど大きくなる。上述のよう
に、本発明においては、蓄熱槽の周囲部分で自然対流が
抑制され、蓄熱槽の周囲部分の蓄熱材の表面で発生した
自然対流が、蓄熱槽の周囲部分の蓄熱材内全体に拡大す
るのが妨げられるため、蓄熱槽の周囲部分と外部環境と
の間での対流による熱伝達及び熱通過率（ｋ）が小さく
なり、しかも、蓄熱槽の周囲部分の蓄熱材内の熱が該蓄
熱材の表面に移動するのが抑えられるため、該周囲部分
の蓄熱材内に大きな温度勾配が形成され、蓄熱材の表面
と外部の環境との間の温度差が徐々に小さくなる。した
がって、蓄熱槽内部の温度をほぼ保ったままで、蓄熱槽
内から外部の環境への熱損失を小さく抑えることができ
る。

【００２３】本発明においては、自然対流の抑制手段
を、蓄熱槽の周囲部分における蓄熱材または熱媒体中に
吸液性物質を分散させることにより構成することができ
るが、この場合、上記吸液性物質は、蓄熱材または熱媒
体の一部を吸収して膨張することにより、蓄熱槽の周囲
部分に立体的な網の目状に滞留する。すなわち、蓄熱材
等は、吸液性物質の間隙に充満する状態となってその移
動が困難となるため、上記周囲部分の蓄熱材の自然対流
が抑制され、その結果、蓄熱槽の内部から外部への熱損
失を小さくすることができる。

【００２４】上記抑制手段として、蓄熱槽の周囲部分に
おける蓄熱材または熱媒体に、電圧の印加により粘性を
増す性質を持たせるとともに、蓄熱槽の周囲部分を挟む
ように電極を対向配置し、それらの電極間に通電する手
段を備えた場合には、電極に電圧を印加すると周囲部分
に電場が発生し、蓄熱材の粘性が増すので、これによ
り、蓄熱材の自由な移動が妨げられ、周囲部分の自然対
流を抑制することができる。また、上記抑制手段とし
て、蓄熱槽の周囲部分における蓄熱材または熱媒体に、
磁力によって粘性が増す性質を持たせるとともに、蓄熱
槽の周囲部分に磁力を作用させる磁石を設けた場合に
は、その磁石による磁場の作用により、蓄熱材または熱
媒体の粘性が増し、これにより、蓄熱材の自由な移動が
妨げられるので、周囲部分の自然対流を抑制することが
できる。

【００２５】さらに、上記抑制手段は、蓄熱槽の周囲部
分に設けた蓄熱材または熱媒体の自然対流を妨げる障壁
とすることができ、この場合には、上記障壁により蓄熱
材または熱媒体の移動を物理的に妨げることができるの
で、この障壁を適確に配置すれば、蓄熱材の移動速度を
障害物がない場合よりも格段に遅くすることができ、結
果的に自然対流を抑制することができる。また、本発明
においては、上記蓄熱槽内の中心部分と周囲部分との間
に、熱の移動を促進させる手段を設け、蓄熱槽に対する
迅速な熱の注入または抽出が求められる場合等に、中心
部分と、自然対流の抑制手段によって該中心部分からの
熱移動が困難な周囲部分との間での熱移動を迅速に行う
ことができる。

【００２６】本発明における熱交換手段は、蓄熱槽の中
心部分と周囲部分に対して順次外部との間で熱交換を行
うように配設することができ、この構成により、熱の注
入時には、蓄熱槽の中心部分を加熱または冷却した後の
余熱で、周囲部分をさらに加熱または冷却することがで
き、逆に熱の抽出時には、熱交換手段を蓄熱槽の周囲部
分で予熱または予冷した後に、中心部分でさらに加熱ま
たは冷却することができ、そのため、蓄熱装置と外部の
環境との熱のやり取りを迅速に且つ効率的に行うことが
できる。また、熱交換手段を、蓄熱槽の中心部分と周囲
部分に対して個別に外部との間で熱交換を行うように配
設することもでき、この構成により、熱の注入時には外
部から蓄熱槽へ注入する熱の温度に応じて、中心部分と
周囲部分のどちらか適当な方を加熱または冷却し、逆に
熱の抽出時には外部から要求される熱の温度に応じて、
蓄熱槽の中心部分または周囲部分のどちらか適当な方で
熱交換することができる。これにより、蓄熱装置と外部
との熱のやり取りをより広い範囲で効率良く行うことが
可能になる。

【００２７】

【発明の実施の形態】［実施例１］図１は、本発明に係
る蓄熱装置の断面図の一例である。この蓄熱装置は、蓄
熱槽２に熱を貯蔵する蓄熱材１を収容し、蓄熱槽２に外
部との間の熱交換を行うための手段として、熱交換器３
を設けている。蓄熱材１としては、必要とする蓄熱温度
に応じて種々の物質を用いることができ、熱の注入・抽
出過程において相変化する物質であってもかまわない。
図面では、蓄熱槽２を直方体状に表現しているが、蓄熱
槽２は蓄熱材１に対して安定性のあるものであれば材質
や形状は限定されず、円柱体や球体など、種々の形状に
することが可能である。また、この蓄熱槽２は、内部の
空間を網４によって中心部分２ａとその周囲の周囲部分
２ｂに二分割しており、すなわち、蓄熱槽２の内部で
は、中心部分２ａと周囲部分２ｂとの境界に網４を張り
巡らし、その網４を介して中心部分２ａが周囲部分２ｂ
に取り囲まれている。そして、周囲部分２ｂにある蓄熱
材１中のみに高分子吸液性物質５を分散させている。

【００２８】上記網４は、蓄熱材１および吸液性物質５
に対して安定性があり、かつ吸液性物質５が中心部分２
ａへ混入するのを阻止するものであれば、材質や構造は
限定されない。例えば、周囲部分２ｂに分散させる吸液
性物質５の直径が０．５ｍｍよりも大きい場合には、そ
れよりも目の間隔の細かい網、すなわち５０〜１００メ
ッシュ程度以上の網を用いればよく、それにより吸液性
物質５が中心部分２ａに入り込まないように維持するこ
とが可能である。熱交換器３は、蓄熱装置の外部と中心
部分２ａにある蓄熱材１との間で熱交換を行う手段とし
て設けたものであり、蓄熱材１に対して安定性のあるも
のであれば、材質や構造は限定されない。また、吸液性
物質５は、蓄熱槽２と網４に対して化学的、熱的に安定
であり、周囲部分２ｂにある蓄熱材１の粘性を高め、そ
れによって自然対流の抑制手段を構成できるものであれ
ば、材質や形状は限定されない。例えば、澱粉−アクリ
ロニトリルグラフト重合体加水分解物のような高吸水性
の高分子材料粒子や、脱脂綿のような繊維など、種々の
物質が適用可能である。

【００２９】次に、蓄熱装置の外部の環境よりも高い温
度を貯蔵する場合について、図１の蓄熱装置の動作を説
明する。熱の注入過程では、熱交換器３を利用して蓄熱
槽２に充填された蓄熱材１のうち、中心部分２ａにある
ものを加熱し、温度を上昇させる。中心部分２ａにある
蓄熱材１の温度が上昇すると、中心部分２ａと周囲部分
２ｂとの温度差が大きくなるため、中心部分２ａから周
囲部分２ｂに向かって熱が移動し、周囲部分２ｂにある
蓄熱材１は徐々に加熱されて行く。熱の注入・抽出過程
においても、周囲部分２ｂから蓄熱槽２の壁を通して、
蓄熱槽２を取り囲む外部環境へ熱が移動するが、説明を
単純にするために、外部への熱損失については次の保存
過程についてのみ説明する。

【００３０】熱の保存過程では、中心部分２ａから周囲
部分２ｂおよび蓄熱槽２を通して、蓄熱槽２を取り囲む
外部環境へ熱が移動するため、蓄熱材１の温度は徐々に
低下する。前述のように蓄熱材１の温度は蓄熱槽２によ
り近い周辺部分から変化していくため、熱移動の過程
で、蓄熱材１の内部には中心から周囲へ向かう方向に温
度差が発生し、蓄熱材１が自由に流動するものである場
合には、蓄熱材１の内部に自然対流が誘発される。この
自然対流の強さは、次の式で定義されるグラスホフ数
（Grashof number）Ｇｒに支配されることがよく知られ
ている。

【００３１】

【数４】ｌは代表的な長さ（例えば蓄熱槽２の鉛直壁面の高さ）ｇは重力加速度 βは蓄熱材１の体膨張係数 ΔＴは蓄熱材１内にできた温度差 νは蓄熱材１の動粘性係数

【００３２】また、蓄熱材１内に物質の移動がなけれ
ば、蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱移動は、蓄熱材１と
蓄熱槽２において個々に隣り合う構成分子／原子同士の
直接的な熱移動、すなわち熱伝導のみに依存するが、蓄
熱材１内に上記のような自然対流がある場合には、熱伝
導の他に、自然対流すなわち物質の移動による速く大き
な熱移動（熱伝達）が存在し、自由で活発な熱移動が起
きる。この流体と固体壁面との間の熱伝達の強さは、次
の式で定義されるヌセルト数（Nusselt number）Ｎｕに
支配されることがよく知られている。

【００３３】

【数５】ｈは蓄熱材１と蓄熱槽２の間の熱伝達率ｘは蓄熱槽２の鉛直壁面下からの距離 λは蓄熱材１の熱伝導率Ｐｒは蓄熱材１のプラントル数でＰｒ＝ν／α（αは蓄
熱材１の熱拡散率）Ｃ、ｍは壁面の状態により定まる定数

【００３４】式（５）の右辺は、ヌセルト数Ｎｕがプラ
ントル数Ｐｒとグラスホフ数Ｇｒの関数であることを表
している。式（４）および（５）より、蓄熱材１と蓄熱
槽２との間の熱伝達率は、

【数６】で表されることがわかる。

【００３５】式（６）は、蓄熱材１の熱伝導率や体膨張
係数、蓄熱槽２の鉛直方向の長さ、あるいは蓄熱材１と
蓄熱槽２の温度差が大きくなるほど、熱伝達率ｈの大き
さ、すなわち蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱移動が大き
くなり、逆に蓄熱材１の熱拡散率や動粘性係数が大きく
なるほど、蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱移動は小さく
なることを示している。蓄熱材１から外部への熱移動量
は式（２）に従うが、蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱伝
達率ｈが大きくなるほど、熱通過率ｋは鋭敏に反応して
大きくなるため、それだけ蓄熱材１から外部環境への熱
損失は大きくなる。

【００３６】この実施例の蓄熱装置では、周囲部分２ｂ
に分散した高分子吸液性物質５によって、周囲部分２ｂ
にある蓄熱材１は、その粘性νが高められるのと同様の
作用を受け、式（４）で示されるように自然対流が困難
になり、また、その結果として、式（６）に示されるよ
うに周囲部分２ｂにある蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱
伝達が減少し、したがって外部への熱損失も小さくな
る。

【００３７】熱の抽出過程においては、熱交換器３を利
用して、蓄熱槽２から蓄熱材１の温度に対応した熱を抽
出することができる。熱の抽出にともなって中心部分２
ａにある蓄熱材１の温度が下降すると、中心部分２ａと
周囲部分２ｂとの温度差が大きくなるため、周囲部分２
ｂから中心部分２ａに向かって熱が移動し、周囲部分２
ｂにある蓄熱材１は徐々に冷却されて行く。蓄熱装置の
外部環境よりも低い温度の熱を貯蔵する場合について
も、温度の高低と熱の流れる方向が逆になるだけで、基
本的な動作は上記と同様である。

【００３８】［実施例２］図２は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、蓄熱
槽２に熱を貯蔵する蓄熱材１を収容しているが、図１の
場合とは異なり、蓄熱槽２の網４により取り囲まれた中
心部分２ａと蓄熱装置の外部との間を、蓄熱材を兼ねた
熱媒体８を流出入させる二つの連通管６ａ，６ｂにより
連通させている。これらの連通管６ａ，６ｂは、熱媒体
８に対して安定性のあるものであれば、材質や構造は限
定されない。なお、その他の構成は図１の実施例の場合
と同様である。

【００３９】次に、上記図２の蓄熱装置に外部の環境よ
りも高い温度を貯蔵する場合の動作について説明する。
熱の注入過程では、連通管６ｂから熱媒体８を吸い出
し、外部の熱源で加熱する。外部で加熱された熱媒体８
は、連通管６ａを利用して蓄熱槽２に戻される。このよ
うな蓄熱槽２と蓄熱装置外部との間の熱媒体８の循環が
必要に応じて繰り返されることにより、中心部分２ａに
ある熱媒体８の温度は上昇し、すなわち蓄熱槽２に熱が
注入されることになる。中心部分２ａにある熱媒体８の
温度が上昇すると、中心部分２ａと周囲部分２ｂとの間
の温度差が大きくなるため、中心部分２ａから周囲部分
２ｂに向かって熱が移動し、周囲部分２ｂにある熱媒体
８は徐々に加熱されて行く。なお、熱の注入・抽出過程
においても、周囲部分２ｂから蓄熱槽２の壁を通して、
蓄熱槽２を取り囲む外部環境へ熱が移動するが、説明を
単純にするために、外部への熱損失については次の保存
過程についてのみ説明する。

【００４０】熱の保存過程では、中心部分２ａから周囲
部分２ｂおよび蓄熱槽２を通して、蓄熱槽２を取り囲む
外部環境へ熱が移動するため、熱媒体８の温度は徐々に
低下する。しかし、図１の動作と同様に、周囲部分２ｂ
に分散させた高分子吸液性物質５によって、周囲部分２
ｂにある熱媒体８は粘性νが高められるのと同様の作用
を受け、式（４）で示されるように自然対流が困難にな
り、その結果として、式（６）に示されるように、周囲
部分２ｂにある熱媒体８と蓄熱槽２との間の熱伝達が減
少し、したがって外部への熱損失も小さくなる。

【００４１】熱の抽出過程では、連通管６ａを通して蓄
熱槽２に収容されている熱媒体８を吸い出し、外部で熱
媒体８の温度にある熱源として利用する。熱利用により
外部で冷却された熱媒体８は、連通管６ｂを通して蓄熱
槽２に戻される。熱の抽出にともなって中心部分２ａに
ある熱媒体８の温度が下降すると、中心部分２ａと周囲
部分２ｂとの温度差が大きくなるため、周囲部分２ｂか
ら中心部分２ａに向かって熱が移動し、周囲部分２ｂに
ある熱媒体８は徐々に冷却される。なお、蓄熱装置の外
部の環境よりも低い温度の熱を貯蔵する場合について
も、温度の高低と熱の流れ、熱媒体８を抽出・注入する
方向が逆になるだけで、基本的な動作は上記と同様であ
る。

【００４２】［実施例３］図３は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置では、図
２の実施例と同様な構成の蓄熱槽２において、網４によ
り取り囲まれた蓄熱槽２の中心部分２ａと蓄熱装置の外
部との間を、二つの連通管６ａ，６ｂにより連通させて
いるが、蓄熱槽２の中心部分２ａと周囲部分２ｂに収容
する蓄熱材１ａ，１ｂをそれぞれ小容器７ａ，７ｂに収
容し、中心部分２ａにおけるそれらの小容器７ａの間と
蓄熱装置の外部との間において、連通管６ａ，６ｂによ
り熱媒体８を循環させるようにして、蓄熱材と外部との
間の熱交換手段を構成させている。蓄熱材１ａ，１ｂと
しては、必要とする蓄熱温度に応じて種々の物質を用い
ることができ、熱の注入・抽出過程において相変化する
物質であっても構わない。また、蓄熱槽２の中心部分２
ａと周囲部分２ｂの蓄熱材１ａ，１ｂは、互いに同一の
物質であっても、あるいは異なる物質であっても構わな
い。

【００４３】なお、図面では本実施例の小容器７ａ，７
ｂを球形に表わしているが、蓄熱材１ａ、１ｂ及び熱媒
体８に対して安定性のあるものであれば、材質や形状は
限定されず、また中心部分２ａと周囲部分２ｂとで小容
器の寸法が異なっていても、同じであっても構わない。
熱媒体８も、使用する温度範囲において安定性のあるも
のであれば、その材質は限定されない。

【００４４】次に、図３の蓄熱装置において、その蓄熱
装置に外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作
について説明する。熱の注入過程では、まず連通管６ｂ
を通して蓄熱槽２に滞留する熱媒体８を吸い出し、外部
の熱源で加熱する。外部で加熱された熱媒体８は、連通
管６ａを通して蓄熱槽２に戻される。このような蓄熱槽
２と外部環境との間の熱媒体８の循環を必要に応じて繰
り返すことにより、蓄熱槽２の中心部分２ａに収容され
た各小容器７ａの壁を通して熱媒体８から蓄熱材１ａへ
熱が移動し、蓄熱材１ａの温度が上昇する。すなわち、
蓄熱槽２に熱が注入される。

【００４５】中心部分２ａにある蓄熱材１ａの温度が上
昇すると、中心部分２ａと周囲部分２ｂとの温度差が大
きくなるため、中心部分２ａから周囲部分２ｂに向かっ
て熱が移動し、周囲部分２ｂにある蓄熱材１ｂは徐々に
加熱される。熱の注入・抽出過程においても、周囲部分
２ｂから蓄熱槽２の壁を通して、蓄熱槽２を取り囲む外
部環境へ熱が移動するが、説明を単純にするために、外
部への熱損失については次の保存過程についてのみ説明
する。

【００４６】熱の保存過程では、中心部分２ａから周囲
部分２ｂおよび蓄熱槽２を通して蓄熱槽２を取り囲む外
部環境へ熱が移動するため、蓄熱材１ａ，１ｂの温度は
徐々に低下する。しかし、図１の動作と同様に、周囲部
分２ｂに分散された高分子吸液性物質５によって、周囲
部分２ｂにある熱媒体８は粘性νが高められるのと同様
の作用を受け、式（４）で示されるように自然対流が困
難になり、また、その結果として、式（６）に示される
ように、周囲部分２ｂにある熱媒体８と蓄熱槽２との間
の熱伝達が減少し、したがって外部への熱損失も小さく
なる。

【００４７】熱の抽出過程では、連通管６ａを利用して
蓄熱槽２に収容されている熱媒体８を吸い出し、外部に
おいて蓄熱材１ａの温度にある熱源として利用し、熱利
用により外部で冷却された熱媒体８は、連通管６ｂを通
して蓄熱槽２に戻される。熱の抽出にともなって、中心
部分２ａにある蓄熱材１ａの温度が下降すると、中心部
分２ａと周囲部分２ｂとの温度差が大きくなるため、周
囲部分２ｂから中心部分２ａに向かって熱が移動し、周
囲部分２ｂにある蓄熱材１ｂは徐々に冷却される。な
お、蓄熱装置の外部環境よりも低い温度の熱を貯蔵する
場合についても、温度の高低と熱の流れの方向が逆にな
るだけで、基本的な動作は上記と同様である。

【００４８】［実施例４］図４は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と実質的に同じ構成を備え、その蓄熱槽２の外
側に断熱層９を設けている。この断熱層９は、内表面が
蓄熱槽２に対して、また外表面が外部環境に対して安定
性のあるものであれば、材質や構造は限定されない。な
お、図１の実施例との共通部分については、図４中に同
一の符号を付してそれらの説明を省略する。

【００４９】次に、図４の蓄熱装置において、その蓄熱
装置に外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作
について説明する。熱の注入過程の動作は、基本的に実
施例１と同様である。熱の保存過程では、中心部分２ａ
から周囲部分２ｂおよび蓄熱槽２を通して、蓄熱槽２を
取り囲む外部環境へ熱が移動するため、蓄熱材１の温度
は徐々に低下する。しかし、図１の動作と同様に周囲部
分２ｂに分散させた高分子によって、周囲部分２ｂにあ
る熱媒体８は粘性νが高められるのと同様の作用を受
け、式（４）で示されるように自然対流が困難になり、
また、その結果として式（６）に示されるように周囲部
分２ｂにある蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱伝達が減少
し、したがって外部への熱損失も小さくなる。その際、
断熱層９の熱伝導率は蓄熱槽２に比べて小さいため、式
（２）における熱通過率ｋを小さくすることができ、さ
らに熱損失の小さい蓄熱装置を提供することができる。

【００５０】熱の抽出過程の動作も、基本的に実施例１
と同様である。蓄熱装置の外部の環境よりも低い温度の
熱を貯蔵する場合についても、温度の高低と熱の流れる
方向が逆になるだけで、基本的な動作は上記と同様であ
る。また、本実施例では蓄熱槽等が実施例１と同様の場
合を示しているが、実施例２や３に挙げるような構造に
対しても、同様に適用することが可能である。

【００５１】［実施例５］図５は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と同様の蓄熱槽２、熱交換器３を備えるもので
あるが、蓄熱槽２の中心部分２ａと周囲部分２ｂとの境
界に張り巡らされた網４に代えて電極４ａを設けてい
る。すなわち、中心部分２ａと周囲部分２ｂとが空間的
に分離されるように、電極４ａが設けられている。ま
た、蓄熱槽２の内表面近傍に電極４ｂを張り巡らしてい
る。これらの電極４ａ，４ｂは、周囲部分２ｂを挟むよ
うに対向配置してそれぞれ電源１１に接続し、蓄熱槽２
の内部には、蓄熱材の働きをする電気粘性流体１０を充
填している。この電気粘性流体１０は、電圧が印加され
ることにより粘性が増加する性質を持つものである。

【００５２】電極４ａ，４ｂは、電源１１への電圧の印
加によって、周囲部分２ｂに均一な電場を発生できるも
のであれば、材質や構造は限定されず、例えば、網状の
ものでもよい。電気粘性流体１０は、蓄熱槽２や熱交換
器３、電極４ａ，４ｂに対して安定なものであれば、材
質や組成は限定されない。例えば、炭素粉末を懸濁させ
た液体など、必要とする蓄熱温度に応じて種々の物質を
適用することができる。

【００５３】次に、図５の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作につ
いて説明する。熱の注入過程では、熱交換器３により蓄
熱槽２に収容された電気粘性流体１０のうち、中心部分
２ａにあるものを加熱し、温度を上昇させる。中心部分
２ａにある電気粘性流体（蓄熱材）１０の温度が上昇す
ると、中心部分２ａと周囲部分２ｂとの温度差が大きく
なるため、中心部分２ａから周囲部分２ｂに向かって熱
が移動し、周囲部分２ｂにある電気粘性流体１０は徐々
に加熱されて行く。

【００５４】外部から蓄熱装置へ供給される熱量が、中
心部分２ａから周囲部分２ｂへ拡散する熱量以下の場合
には、電源１１によって電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加
する。この電圧が印加されると、電極４ａ，４ｂ間に電
場が発生し、電極４ａ，４ｂに挟まれた周囲部分２ｂに
ある電気粘性流体１０の粘性が増加するので、周囲部分
２ｂにおいて式（４）で示されるように自然対流が困難
になり、その結果として、式（６）に示されるように周
囲部分２ｂにある電気粘性流体１０と蓄熱槽２との間の
熱伝達が減少し、したがって外部への熱損失も小さくな
る。外部から蓄熱装置へ供給される熱量が、中心部分２
ａから周囲部分２ｂへ拡散する熱量よりも大きい場合に
は、電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加しないことにより、
周囲部分２ｂの粘性を小さくし、中心部分２ａから周囲
部分２ｂへの熱移動を自由に行わせて、外部から注入さ
れる熱を効率良く蓄熱槽２に吸収させることも可能であ
る。

【００５５】熱の保存過程では、電源１１によって電極
４ａ及び４ｂに電圧を印加する。電圧の印加により、上
述の理由で蓄熱装置から外部への熱損失が小さくなる。
熱の抽出過程においては、熱交換器３を通して蓄熱槽２
から電気粘性流体１０の温度に対応した熱を抽出するこ
とができる。熱の抽出にともなって中心部分２ａにある
電気粘性流体１０の温度が下降すると、中心部分２ａと
周囲部分２ｂとの温度差が大きくなるため、周囲部分２
ｂから中心部分２ａに向かって熱が移動し、周囲部分２
ｂにある電気粘性流体１０は徐々に冷却されて行く。

【００５６】外部から蓄熱装置に求められる熱量が、中
心部分２ａに保存された熱で足りる場合には、電源１１
によって電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加する。電圧の印
加により、上述の理由で蓄熱装置から外部への熱損失が
小さくなる。外部から蓄熱装置に求められる熱量が、中
心部分２ａに保存された熱だけでは不足する場合には、
電極４ａ，４ｂ間に電圧を印加しないことにより、周囲
部分２ｂの粘性を小さくし、周囲部分２ｂから中心部分
２ａへの熱移動を自由に行わせて、外部で必要とされる
熱を効率良く蓄熱槽２から抽出させることも可能であ
る。蓄熱装置の外部の環境よりも低い温度の熱を貯蔵す
る場合についても、温度の高低と熱の流れる方向が逆に
なるだけで、基本的な動作は上記と同様である。また、
実施例４のように蓄熱槽２の外面を断熱層９で覆うこと
により、より熱損失の小さい蓄熱装置とすることも可能
である。

【００５７】［実施例６］図６は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と同様の蓄熱槽２、熱交換器３を備えるもので
あるが、蓄熱槽２内には蓄熱材の働きをする磁性流体１
２を充填している。この磁性流体は、磁場が印加される
ことにより粘性が増加する性質を持つものである。蓄熱
槽２内における中心部分２ａと周囲部分２ｂとの境界、
及び蓄熱槽２の外側には、外部の電源１１からの電圧の
印加によって磁力を発生させる多数の電磁石１３ａ，１
３ｂを配設している。それらの数は任意に設定すること
ができる。なお、図では電磁石１３ａ，１３ｂと電源１
１との間の配線については省略している。

【００５８】電磁石１３ａは、磁極が中心部分２ａに背
を向けるように設けられ、電磁石１３ｂは、逆に磁極が
蓄熱装置の外部に背を向けるように設けられている。電
磁石１３ａ，１３ｂは、周囲部分２ｂにのみ磁場を発生
させることができれば、材質や構造は限定されない。例
えば、電磁石１３ａ，１３ｂに代えて永久磁石を用いる
ことも可能であり、その場合も基本的な働きは変わらな
い。磁性流体１２は、蓄熱槽２や熱交換器３、電磁石１
３ａ，１３ｂに対して安定なものであれば、材質や組成
は限定されない。例えば、フェライト粉末を懸濁させた
液体など、必要とする蓄熱温度に応じて種々の物質を用
いることができる。

【００５９】次に、図６の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作につ
いて説明する。熱の注入過程では、熱交換器３を用いて
蓄熱槽２に充填された磁性流体１２のうち、中心部分２
ａにあるものを加熱し、温度を上昇させる。中心部分２
ａにある磁性流体１２の温度が上昇すると、中心部分２
ａと周囲部分２ｂとの温度差が大きくなるため、中心部
分２ａから周囲部分２ｂに向かって熱が移動し、周囲部
分２ｂにある磁性流体１２は徐々に加熱される。

【００６０】外部から蓄熱装置へ供給される熱量が、中
心部分２ａから周囲部分２ｂへ拡散する熱量以下の場合
には、電源１１によって電磁石１３ａ，１３ｂに通電す
る。この通電により、電磁石１３ａ，１３ｂは、磁極が
周囲部分２ｂに向かうように配置されているため、磁極
が背を向けている中心部分２ａには磁場が作用せず、電
磁石１３ａ，１３ｂに挟まれた周囲部分２ｂに磁場が発
生する。したがって、中心部分２ａにある磁性流体１２
は磁場の影響を受けないが、周囲部分２ｂにある磁性流
体１２は磁場の作用を受けて、見掛けの粘性が増加す
る。粘性の増加により、周囲部分２ｂにおいて式（４）
で示されるように自然対流が困難になり、その結果とし
て、式（６）に示されるように周囲部分２ｂにある磁性
流体１２と蓄熱槽２との間の熱伝達が減少し、したがっ
て外部への熱損失も小さくなる。

【００６１】外部から蓄熱装置へ供給される熱量が、中
心部分２ａから周囲部分２ｂへ拡散する熱量よりも大き
い場合には、電磁石１３ａ，１３ｂへの通電を断つこと
により、周囲部分２ｂの粘性を小さくし、中心部分２ａ
から周囲部分２ｂへの熱移動を自由に行わせて、外部か
ら注入される熱を効率良く蓄熱槽２に吸収させることも
可能である。

【００６２】熱の保存過程では、電源１１から電磁石１
３ａ，１３ｂに通電することにより、上述の理由で蓄熱
装置から外部への熱損失を小さくすることができる。熱
の抽出過程においては、熱交換器３により蓄熱槽２から
磁性流体１２の温度に対応した熱を抽出することができ
る。熱の抽出にともなって中心部分２ａにある磁性流体
１２の温度が下降すると、中心部分２ａと周囲部分２ｂ
との温度差が大きくなるため、周囲部分２ｂから中心部
分２ａに向かって熱が移動し、周囲部分２ｂにある磁性
流体１２は徐々に冷却される。外部から蓄熱装置に求め
られる熱量が、中心部分２ａに保存された熱で足りる場
合には、電源１１によって電磁石１３ａ，１３ｂに通電
し、この通電により、上述と同様の理由で蓄熱装置から
外部への熱損失が小さくなる。外部から蓄熱装置に求め
られる熱量が、中心部分２ａに保存された熱だけでは不
足する場合には、電磁石１３ａ，１３ｂへの通電を断つ
ことにより、周囲部分２ｂの粘性を小さくし、周囲部分
２ｂから中心部分２ａへの熱移動を自由に行わせて、外
部で必要とされる熱を効率良く蓄熱槽２から抽出するこ
とも可能である。

【００６３】電磁石１３ａ，１３ｂが永久磁石で代替さ
れる場合の動作は、電磁石１３ａ，１３ｂに通電してい
る場合と同様である。蓄熱装置の外部の環境よりも低い
温度の熱を貯蔵する場合についても、温度の高低と熱の
流れる方向が逆になるだけで、基本的な動作は上記と同
様である。また、実施例４のように蓄熱槽２の外面を断
熱層９で覆うことにより、より熱損失の小さい蓄熱装置
とすることも可能である。

【００６４】［実施例７］図７は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と同様に、蓄熱槽２に熱を貯蔵する蓄熱材１を
収容し、蓄熱槽２に外部との間の熱交換を行う熱交換器
３を設けているが、蓄熱槽２内における網４で区画され
た周囲部分２ｂに多数の障壁１４を設けている。この障
壁１４は、蓄熱材１に対して安定であり、蓄熱材１の直
進的な移動を妨げるようなものであれば、材質や構造は
限定されない。例えば、網状のものでも利用可能であ
る。なお、この実施例では、図１の実施例において用い
ている吸液性物質５は用いていないが、それを使用して
も差し支えない。その他の構成は図１の実施例と変わる
ところがないので、それらの説明を省略する。

【００６５】次に、図７の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作につ
いて説明する。熱の注入過程の動作は、基本的に実施例
１と同様である。熱の保存過程では、中心部分２ａから
周囲部分２ｂおよび蓄熱槽２を通して、蓄熱槽２を取り
囲む外部環境へ熱が移動するため、蓄熱材１の温度は徐
々に低下する。しかし、周囲部分２ｂには細かく入り組
んだ障壁１４があり、周囲部分２ｂにある蓄熱材１が中
心部分２ａ側に移動しようとしても、直進し続けること
できず、障壁１４で衝突を繰り返すことになる。これに
より、蓄熱材１の移動速度は障壁１４がない場合よりも
小さくなって、見掛け上は周囲部分２ｂにある蓄熱材１
の粘性νが高められるのと同様の作用を受け、式（４）
で示されるように自然対流が困難になり、その結果とし
て、式（６）に示されるように周囲部分２ｂにある蓄熱
材１と蓄熱槽２との間の熱伝達が減少し、したがって外
部への熱損失も小さくなる。

【００６６】熱の抽出過程の動作も、基本的に実施例１
と同様である。蓄熱装置の外部の環境よりも低い温度の
熱を貯蔵する場合についても、温度の高低と熱の流れる
方向が逆になるだけで、基本的な動作は上記と同様であ
る。また、実施例４のように蓄熱槽２の外面を断熱層９
で覆うことにより、より熱損失の小さい蓄熱装置とする
ことも可能である。

【００６７】［実施例８］図８は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と同様に、蓄熱槽２に熱を貯蔵する蓄熱材１を
収容し、蓄熱槽２に外部との間の熱交換を行う熱交換器
３を設けている。また、蓄熱槽２内における網４で区画
された周囲部分２ｂにおいて、蓄熱材１中に高分子吸液
性物質５を分散させている。そして、蓄熱槽内の中心部
分２ａと周囲部分２ｂとの間に、熱の移動を任意に促進
させることができる伝熱素子１５を配設している。伝熱
素子１５は、蓄熱材１に対して安定性のあるものであれ
ば、材質や構造、機構等は限定されない。例えば、熱電
素子のように外部から電圧を印加することによって、任
意の方向に任意の量の熱を輸送することができるもので
あっても、ヒートパイプのように温度によって伝熱抵抗
が著しく変化するものであっても良い。

【００６８】次に、図８の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合の動作につ
いて説明する。熱の注入過程の動作は、基本的に実施例
１と同様である。ただし、外部から蓄熱装置へ供給され
る熱量が中心部分２ａにある蓄熱材１を加熱して余りあ
る場合には、実施例１の手順に加えて、伝熱素子１５に
より中心部分２ａから周囲部分２ｂへの熱移動を促進
し、中心部分２ａに余剰にある熱を周囲部分２ｂへ移動
させることで、外部から供給される熱を可能な限り余す
ところ無く速やかに蓄熱装置へ貯蔵することができる。
熱の保存過程での動作も、実施例１と同様であり、蓄熱
装置からの熱損失は従来例よりも小さくなる。熱の抽出
過程の動作も、基本的に実施例１と同様である。ただ
し、外部から蓄熱装置へ要求される熱量が、中心部分２
ａにある蓄熱材１に貯蔵された熱を利用するだけでは不
足する場合に、実施例１の手順に加えて、伝熱素子１５
により周囲部分２ｂから中心部分２ａへの熱移動を促進
し、中心部分２ａで不足する熱を周囲部分２ｂから移動
させることで、外部から要求される熱を可能な限り不足
無く速やかに蓄熱装置から抽出することができる。蓄熱
装置の外部の環境よりも低い温度の熱を貯蔵する場合に
ついても、温度の高低と熱の流れる方向が逆になるだけ
で、基本的な動作は上記と同様である。また、本実施例
では、蓄熱槽等が実施例１と同様の場合を示している
が、実施例２〜７に挙げるような構造を有する場合にお
いても、同様の動作を得ることが可能である。

【００６９】［実施例９］図９は、本発明に係る蓄熱装
置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、図１
の実施例と同様に、蓄熱槽２に熱を貯蔵する蓄熱材１を
収容し、蓄熱槽２に外部との間の熱交換を行う熱交換器
１６を設けている。また、蓄熱槽２内の網４で区画され
た周囲部分２ｂにおいて、蓄熱材１中に高分子吸液性物
質５を分散させている。熱交換器１６は、中心部分２ａ
と周囲部分２ｂとを順次に通過するように配置されたも
ので、蓄熱材１に対して安定性のあるものであれば、材
質や断面形状、フィンの有無などの構造は限定されな
い。

【００７０】次に、図９の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合等の各過程
の動作について説明する。各過程における動作は、基本
的に実施例１と同様である。熱の注入過程では、熱交換
器１６を用いて、まず蓄熱槽２に充填された蓄熱材１の
中心部分２ａにあるものを加熱し、温度を上昇させる。
次に、その余熱で周囲部分２ｂにある蓄熱材１を加熱す
る。実施例１では、周囲部分２ｂにある蓄熱材１は、中
心部分２ａにある蓄熱材１の温度上昇による熱移動で徐
々に加熱されるが、周囲部分２ｂは実施例１の説明のよ
うに見掛けの粘性が大きく、熱移動が困難であるため、
熱交換器１６を利用することで、実施例１よりも迅速に
熱の注入を行わせることが可能になる。

【００７１】熱の保存過程では、実施例１と同様に、周
囲部分２ｂにある蓄熱材１の見掛けの粘性が大きいた
め、周囲部分２ｂにある蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱
伝達が減少し、したがって外部への熱損失も小さくな
る。熱の抽出過程では、熱交換器１６によりまず蓄熱槽
２に充填された蓄熱材１のうち周囲部分２ｂにある熱
で、外部との熱のやり取りをする熱媒体を加熱し、熱媒
体の温度を予熱させる。次に、中心部分２ａにある蓄熱
材１の熱で熱媒体を加熱する。実施例１では、周囲部分
２ｂにある蓄熱材１は、中心部分２ａにある蓄熱材１の
温度降下による熱移動で、徐々に冷却される。この実施
例でも周囲部分２ｂは見掛けの粘性が大きく、熱移動が
困難であるが、熱交換器１６を用いることで、実施例１
よりも迅速に熱の抽出を行わせることが可能になる。蓄
熱装置の外部の環境よりも低い温度の熱を貯蔵する場合
についても、温度の高低と熱の流れる方向が逆になるだ
けで、基本的な動作は上記と同様である。また、本実施
例では、蓄熱槽等が実施例１と同様の場合を示している
が、実施例２〜８に挙げるような構造に対して適用して
も、同様の動作を得ることが可能である。

【００７２】［実施例１０］図１０は、本発明に係る蓄
熱装置の他の実施例の断面図である。この蓄熱装置は、
図９の実施例における熱交換器１６に代えて、蓄熱槽２
の中心部分２ａと周囲部分２ｂとをそれぞれ別々に加熱
あるいは冷却できるような熱交換器１７ａ，１７ｂを配
設している。熱交換器１７ａ，１７ｂは、蓄熱材１に対
して安定性のあるものであれば、材質や断面形状、フィ
ンの有無などの構造は限定されない。なお、その他の構
成は図９の実施例と変わるところがないので、それらの
説明を省略する。

【００７３】次に、図９の蓄熱装置において、蓄熱装置
の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合等の動作に
ついて説明する。各過程における動作は、基本的に実施
例１と同様である。熱の注入過程では、以下の３種類の
場合で手順が異なる。第一の手順は、外部からの熱源の
温度が中心部分２ａにある蓄熱材１の温度よりも高く、
かつ中心部分２ａを加熱して有り余る十分な熱量がある
場合に採られるものである。この時、外部との熱のやり
取りをする熱媒体は、熱源からまず熱交換器１７ａに送
られ、中心部分２ａにある蓄熱材１を加熱し、外部へ戻
されるが、この戻された熱媒体の温度は周囲部分２ｂに
ある蓄熱材１の温度よりも高いため、熱媒体は次に熱交
換器１７ｂへ送られ、周囲部分２ｂにある蓄熱材１を加
熱してから熱源へ戻される。この熱交換器１７ａから戻
される熱媒体を熱交換器１７ｂに送り込むことによっ
て、周囲部分２ｂにある蓄熱材１を迅速に加熱すること
ができるとともに、熱源における熱交換の効率を向上さ
せることも可能になる。なぜならば、中心部分２ａにあ
る蓄熱材１のみを加熱する場合よりも熱源から送られる
熱媒体の温度は低下して熱源へ送り返されるため、熱源
における熱交換温度差が増加するためである。

【００７４】熱の注入過程における第二の手順は、外部
からの熱源の温度が中心部分２ａにある蓄熱材１の温度
よりも高いが、中心部分２ａを加熱するだけの熱量しか
無い場合に採られる。この時、熱源からの熱媒体は熱交
換器１７ａに送られ、中心部分２ａにある蓄熱材１を加
熱し、再び熱源へ戻される。熱交換器１７ａから戻って
きた熱媒体の温度は、周囲部分２ｂにある蓄熱材１の温
度よりも高いが、第一の手順のようにさらに熱媒体を熱
交換器１７ｂへ送ることはできない。なぜならば、この
場合は熱源の熱量が十分にないため、熱交換器１７ｂを
利用することで温度のさらに低下した熱媒体を、熱源で
再び中心部分２ａにある蓄熱材１よりも高温に加熱する
ことはできず、熱源から熱交換器１７ａ及び熱交換器１
７ｂを経て熱源に戻る循環が、熱的に成り立たないため
である。

【００７５】熱の注入過程における第三の手順は、外部
からの熱源の温度が中心部分２ａにある蓄熱材１よりも
低く、かつ周囲部分２ｂにある蓄熱材１の温度よりも高
い場合に採られる。この場合は、熱源からの熱媒体を熱
交換器１７ａへ送り込むと、中心部分２ａにある蓄熱材
１の温度を低下させてしまうので、熱媒体は熱交換器１
７ｂに送られ、周囲部分２ｂにある蓄熱材１を加熱し、
再び熱源へ戻される。周囲部分２ｂの温度は、中心部分
２ａの温度と蓄熱装置外部の環境の温度との間にあるた
め、熱交換器１７ｂを単独で利用することで、たとえ熱
源の温度が十分に高くなくても、熱源のエネルギーを効
果的に蓄熱装置へ貯蔵させることが可能になる。熱の保
存過程では、実施例１と同様に、周囲部分２ｂにある蓄
熱材１の見掛けの粘性が大きいため、周囲部分２ｂにあ
る蓄熱材１と蓄熱槽２との間の熱伝達が減少し、したが
って外部への熱損失も小さくなる。

【００７６】熱の抽出過程でも、以下の３種類の場合で
手順が異なる。第一の手順は、外部で必要な熱の温度が
中心部分２ａにある蓄熱材１の温度に近く、かつ中心部
分２ａの熱だけでは不足する場合に採られる。この時、
外部との熱のやり取りをする熱媒体は、熱源からまず熱
交換器１７ｂに送られ、周囲部分２ｂにある蓄熱材１で
予熱されて一旦外部へ戻される。熱交換器１７ｂから戻
された熱媒体の温度は中心部分２ａにある蓄熱材１の温
度よりも低いため、熱媒体は次に熱交換器１７ａへ送ら
れ、中心部分２ａにある蓄熱材１で加熱されてから外部
へ戻される。熱交換器１７ａで熱媒体を加熱する前に、
熱交換器１７ｂで熱媒体を予熱することによって、周囲
部分２ｂにある蓄熱材１の熱を迅速に抽出することがで
きるとともに、外部からの大きな負荷による中心部分２
ａの急激な温度下降を抑制することも可能になる。

【００７７】熱の抽出過程における第二の手順は、外部
で必要な熱の温度が中心部分２ａにある蓄熱材１の温度
に近く、かつ中心部分２ａから抽出される量で足りる場
合に採られる。この時、外部からの熱媒体は熱交換器１
７ａに送られ、中心部分２ａにある蓄熱材１で加熱さ
れ、再び外部へ戻されて利用される。

【００７８】熱の抽出過程における第三の手順は、外部
で必要な熱の温度が中心部分２ａにある蓄熱材１よりも
低いが、周囲部分２ｂにある蓄熱材１の温度よりも高い
場合に採られる。この場合、外部からの熱媒体は熱交換
器１７ｂで加熱され、外部へ戻されて利用される。もし
も外部からからの熱媒体を熱交換器１７ａへ送り込んで
しまうと、蓄熱装置から外部へ取り出す熱量が同一であ
っても、周囲部分２ｂよりも高い温度にある中心部分２
ａの蓄熱材１の温度を低下させて、蓄熱装置の持つ有効
エネルギー（エクセルギー）がより低下してしまうので
良くない。

【００７９】例えば、かりに中心部分２ａにある蓄熱材
１の平均温度が６０℃で、周囲部分２ｂにある蓄熱材１
の平均温度が５０℃であり、外部にある熱媒体の温度が
３０℃であり、必要とされる熱の温度が４０℃である場
合を考える。また、熱交換器１７ｂを用いて、３０℃の
熱媒体を周囲部分２ｂにある蓄熱材１の熱で加熱して４
０℃にするとき、周囲部分２ｂの平均温度が４２℃にな
るとする。同じく熱交換器１７ａを用いて３０℃の熱媒
体を中心部分２ａにある蓄熱材１の熱で加熱して４０℃
にするとき、中心部分２ａの平均温度が５６℃になるも
のとする。この場合、一見して熱交換器１７ａを用いる
方が温度の低下が小さいために有効であるように見える
が、例えば、次に５８℃の熱が必要になったとき、前者
では蓄熱材１の周囲部分２ｂの温度は４２℃に低下して
しまっているが、中心部分の温度は６０℃のままなの
で、今度は熱交換器１７ａを用いて中心部分２ａにある
蓄熱材１の熱で熱媒体を加熱し、５８℃の熱を取り出す
ことができる。他方、後者では周囲部分２ｂにある蓄熱
材１の温度が５０℃のままであるが、中心部分２ａの温
度は５６℃に低下してしまっているため、５８℃の熱を
取り出すことは不可能である。すなわち、蓄熱装置の有
効性が低下していることになる。

【００８０】このように第三の手順は、外部から必要と
される熱の温度に対応した、蓄熱材１の適当な部分から
熱を抽出することで、蓄熱装置の有効性を可能な限り低
下させないようにするものである。これにより、熱の供
給量や需要量の広い変動幅に対して、効率良く動作する
蓄熱装置を提供することができる。蓄熱装置の外部の環
境よりも低い温度の熱を貯蔵する場合についても、温度
の高低と熱の流れる方向が逆になるだけで、基本的な動
作は上記と同様である。また、本実施例では、蓄熱槽等
が実施例１と同様の場合を示しているが、実施例２〜８
に挙げるような構造に対しても、同様の動作を得ること
が可能である。

【００８１】

【発明の効果】上述した本発明に係る蓄熱装置によれ
ば、蓄熱槽の内部において移動可能な蓄熱材あるいは熱
媒体の対流のしやすさが部分的に異なり、蓄熱材への外
部からの熱の注入と抽出操作は、対流の起きやすい中心
部分に対して行われ、熱の貯蔵は主に対流の起きにくい
周囲部分において行われるため、熱の保存過程はもとよ
り、熱の注入・抽出過程においても、外部との熱交換で
生じる温度差に起因して蓄熱材の内部に生じる自然対流
は、蓄熱槽の中心部分において発生し、周囲部分ではほ
とんど起きない状態におかれ、式（２）の熱通過率ｋは
従来よりも小さなものとなる。したがって、蓄熱材から
外部への熱損失の小さい蓄熱装置を提供することが可能
になる。

【００８２】また、電場あるいは磁場を形成する機構を
設け、電場あるいは磁場の強度により粘性が増減する流
体を蓄熱材とすることで、蓄熱槽内の対流状態を制御で
きるので、熱の需要と供給に応じた効率的な蓄熱槽の運
用を行いながら、上述のような熱損失の小さい蓄熱装置
を提供することが可能になる。さらに、中心部分と周囲
部分に伝熱素子を設けることにより、基本的に熱移動の
小さい周囲部分と中心部分との間の熱移動を必要に応じ
て一時的に促進させることができるので、熱の需要と供
給にに応じた効率的な蓄熱槽の運用を行いながら、上述
のような熱損失の小さい蓄熱装置を提供することが可能
になる。

【００８３】さらにまた、熱交換器を、蓄熱槽の中心部
分と周囲部分とを一巡するように配置することで、基本
的に熱移動の小さい周囲部分と直接熱交換を行わせるこ
とができ、また中心部分と周囲部分とに熱を順々に注入
あるいは抽出することができるので、蓄熱装置と外部と
の熱のやり取りを迅速にかつ大量に行いながら、上述の
ように外部への熱損失の小さい蓄熱装置を提供すること
が可能になる。蓄熱槽の中心部分と周囲部分とにそれぞ
れ別々に熱交換器を配置することによっても、異なる温
度にある中心部分と周囲部分、あるいはその両者を選択
的に利用することができるので、蓄熱装置と外部との熱
のやり取りを熱の需要と供給に応じて効率的に行いなが
ら、上述のように外部への熱損失の小さい蓄熱装置を提
供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における蓄熱装置の一実施例の断面図で
ある。

【図２】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図３】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図４】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図５】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図６】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図７】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図８】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図９】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面図
である。

【図１０】本発明における蓄熱装置の他の実施例の断面
図である。

【図１１】従来の蓄熱装置の一例を示す断面図である。

【図１２】従来の蓄熱装置の他の一例を示す断面図であ
る。

【図１３】従来の蓄熱装置の他の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ蓄熱材２蓄熱槽２ａ中心部分２ｂ周囲部分３熱交換器４ａ，４ｂ電極４網５高分子吸液性物質６ａ，６ｂ連通管７ａ，７ｂ小容器８熱媒体９断熱層１０電気粘性流体１１電源１２磁性流体１３ａ，１３ｂ電磁石１４障壁１５伝熱素子１６，１７ａ，１７ｂ熱交換器

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．
１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７３】次に、図１０の蓄熱装置において、蓄熱装
置の外部の環境よりも高い温度を貯蔵する場合等の動作
について説明する。各過程における動作は、基本的に実
施例１と同様である。熱の注入過程では、以下の３種類
の場合で手順が異なる。第一の手順は、外部からの熱源
の温度が中心部分２ａにある蓄熱材１の温度よりも高
く、かつ中心部部２ａを加熱して有り余る十分な熱量が
ある場合に採られるものである。この時、外部との熱の
やり取りをする熱媒体は、熱源からまず熱交換器１７ａ
に送られ、中心部分２ａにある蓄熱材１を加熱し、外部
へ戻されるが、この戻された熱媒体の温度は周囲部分２
ｂにある蓄熱材１の温度よりも高いため、熱媒体は次に
熱交換器１７ｂへ送られ、周囲部分２ｂにある蓄熱材１
を加熱してから熱源へ戻される。この熱交換器１７ａか
ら戻される熱媒体を熱交換器１７ｂに送り込むことによ
って、周囲部分２ｂにある蓄熱材１を迅速に加熱するこ
とができるとともに、熱源における熱交換の効率を向上
させることも可能になる。なぜならば、中心部分２ａに
ある蓄熱材１のみを加熱する場合よりも熱源から送られ
る熱媒体の温度は低下して熱源へ送り返されるため、熱
源における熱交換温度差が増加するためである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材を
充填した蓄熱槽と、上記蓄熱材と熱媒体との熱交換によ
り蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行う熱交換
手段とを備え、上記熱交換手段は、上記蓄熱槽の中心部
分と外部との間で熱交換を行うように配設し、蓄熱槽の
周囲部分に蓄熱材の自然対流を抑制する抑制手段を備え
た、ことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材を
充填した蓄熱槽と、上記蓄熱材と熱媒体との熱交換によ
り蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行う熱交換
手段とを備え、上記熱交換手段は、上記蓄熱槽の中心部
分と周囲部分に対して順次外部との間で熱交換を行うよ
うに配設し、蓄熱槽の周囲部分に蓄熱材の自然対流を抑
制する抑制手段を備えた、ことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項３】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材を
充填した蓄熱槽と、上記蓄熱材と熱媒体との熱交換によ
り蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行う熱交換
手段とを備え、上記熱交換手段は、上記蓄熱槽の中心部
分と周囲部分に対して個別に外部との間で熱交換を行う
ように配設し、蓄熱槽の周囲部分に蓄熱材の自然対流を
抑制する抑制手段を備えた、ことを特徴とする蓄熱装
置。
【請求項４】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱材を
兼ねた熱媒体が充填される蓄熱槽と、上記熱媒体の流出
入により、蓄熱槽内と外部との間で熱の注入・抽出を行
う熱輸送手段とを備え、上記熱輸送手段は、上記蓄熱槽
の中心部分と外部との間で熱輸送を行うように配設し、
蓄熱槽の周囲部分に熱媒体の自然対流を抑制する抑制手
段を備えた、ことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄熱装
置において、抑制手段を、蓄熱槽の周囲部分における蓄
熱材または熱媒体中に吸液性物質を分散させることによ
り構成したことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄熱装
置において、抑制手段として、蓄熱槽の周囲部分におけ
る蓄熱材または熱媒体に、電圧の印加により粘性を増す
性質を持たせるとともに、蓄熱槽の周囲部分を挟むよう
に電極を対向配置し、それらの電極間に通電する手段を
備えたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄熱装
置において、抑制手段として、蓄熱槽の周囲部分におけ
る蓄熱材または熱媒体に、磁力によって粘性が増す性質
を持たせるとともに、蓄熱槽の周囲部分に磁力を作用さ
せる磁石を設けたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の蓄熱装
置において、抑制手段として、蓄熱槽の周囲部分に蓄熱
材または熱媒体の自然対流を妨げる障壁を設けたことを
特徴とする蓄熱装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の蓄熱装
置において、蓄熱槽内の中心部分と周囲部分との間に、
熱の移動を促進させる手段を設けたことを特徴とする蓄
熱装置。