JP2001041585A - 蓄熱槽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で熱エネルギー密度の高い蓄熱槽
を得ることを課題とする。 【解決手段】 目的とする温度の範囲内で凝固と融解を
繰り返して融解熱の形で多量の熱を蓄えられる物質６を
を縦長の密閉容器５にいれて、この容器５を複数熱交換
用の熱媒体７内に、熱交換のための熱媒体７の対流運動
を妨げない形で入れて蓄熱槽１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、夜間電力利用の温
水器や太陽熱温水器のように、供給と需要に時間差のあ
る熱利用システムに利用される、熱エネルギーを蓄える
蓄熱槽に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は家庭用の夜間電力による電気温水
器或いは太陽熱温水器では、比熱の大きい水を利用し高
温の水を作って熱エネルギーを蓄えるか、適当な温度で
液相−固相間の相変化を起こす物質を小球状容器等に入
れて熱媒体を入れた蓄熱槽の内部に充填する方法等が採
られていた。前者は蓄熱するエネルギーに対する蓄熱槽
の大きさが大きいという欠点があり、後者は、蓄熱槽内
の自然対流が順調に行かず、相変化を起こす物質と熱媒
体との熱交換の効率が悪かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】電気温水器或いは太陽
熱温水器のようなエネルギーを得る時刻とエネルギーを
使う時刻とが必ずしも一致しない給熱ステムで使われる
蓄熱槽で、従来の高温の湯を作って蓄熱する蓄熱槽と同
じ容積で、更に多くのエネルギーを蓄えられるようにし
た蓄熱槽を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ため、本発明は物質の融解熱を利用する。良く知られる
ように、物質を融解するには多量の融解熱を必要とし、
その融解熱はその物質が凝固するときに放出される。こ
の性質を利用し水または油等の熱媒体の入った蓄熱槽内
に、適当な温度で融解する物質を入れておき、この物質
の融解熱の形で熱エネルギーを蓄えるようにする。

【０００５】そのためにこの物質と熱媒体との間の熱交
換を容易にし、且つ同じ槽の中に出来るだけ多くの融解
物質を熱媒体と交じり合わないように収納出来るような
構造を提供する。

【０００６】その為に、蓄熱槽の上部に熱い熱媒体で冷
たい水を暖めるための熱交換器を置き、蓄熱槽の下部に
熱交換によって冷めた熱媒体を外部の熱源からの熱で暖
める熱交換器を置き、その中間に蓄熱用の融解物質を入
れて密閉した縦長の容器を置き、蓄熱槽内の熱媒体が上
下方向に対流する間に、蓄熱用の物質と熱媒体との熱交
換を行うようにする。

【０００７】上下方向の対流を助長する為に、上方向の
流れと下方向の流れが交じり合わないように、融解物質
を入れた縦長の容器群と蓄熱槽の筐体の内壁との間に、
熱絶縁物で出来た上下方向の隔壁を設ける。少量の熱媒
体で熱交換を効率良く行い、蓄熱槽の熱エネルギー密度
を上げるために、熱を取り入れる熱交換器の近傍に熱媒
体の流れを盛んにするためのポンプを設置する。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態を
示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図
１で１は蓄熱槽、２はその筐体、３は上部の熱交換器、
４は下部の熱交換器、５は蓄熱用の物質を入れた容器、
６は蓄熱用の物質、７は蓄熱槽内の熱媒体、８は断熱材
である。

【０００９】筐体２は例えば金属で形成され、断熱材８
で外部を覆われている。内部は熱媒体７が入れられてい
る。この熱媒体７は主として熱交換用のものであり筐体
２より外部に出ることはない。１００℃以下で使われる
場合は、一般的には水が熱媒体７として使われる。更に
高温の場合は油等が用いられる。

【００１０】筐体２の上部が大気に解放されている場合
は高温のための熱媒体の蒸発量だけの熱媒体を時々補充
してやる。筐体２を密閉して熱媒体７の蒸発を防ぐ場合
は、使用温度での熱媒体の蒸気圧に耐えられるだけの強
度を筐体２に持たせて置く。容器５は後述するように、
金属又はプラスチックで、円筒形で縦長に形成され、内
部に蓄熱用の物質６を入れられるように中空部分を形成
して上下端を密閉している。

【００１１】下部の熱交換器４で暖められた熱媒体７
は、図１の破線で示されたような流れの対流運動によっ
て上部の熱交換器３に熱を運ぶ。その対流運動の途中に
流れに沿って縦長の容器５が設けられている。容器５の
中には蓄熱用の物質６が入っている。熱媒体７が対流す
るときに、容器５の壁を通して内部の物質６と熱媒体７
との間で熱交換が行われる。熱媒体７の温度が物質６の
融点より高い場合は、物質６はその融点に達して融け始
め、物質６が全部融けるまでその温度は融点に止まる。
物質６が全部融けると、物質６の温度は再び上がり始
め、熱媒体７の温度と均衡するところまで温度は上が
る。

【００１２】夜間電力による温水器の場合、夜間には電
力によって熱交換器４を通して熱媒体７は暖められて、
物質６は熱媒体７と熱交換をして全部融けた状態にあ
る。昼間になって電力が切れている時に冷水をお湯にす
るには、冷水を熱交換器３に通す。そうすると夜間に暖
められて熱交換器３の周囲にある熱媒体７に蓄えれてい
る熱によって、冷水をお湯にする。そうすると熱交換器
３によって熱交換をした熱媒体７は温度を下げて密度が
上がり、下方向への対流運動が起こす。そして図１の破
線で示したような上下方向の対流運動が起こるようにな
る。

【００１３】この時上方向への対流をしている熱媒体７
は、物質６の側を通る時に物質６から熱交換をしてその
温度を上げる。その代わりに、物質６の温度は下がる。
そしてその温度が物質６の融点に達すると、融けている
物質６は凝固し始めて、融解熱として蓄えた熱を凝固熱
として熱媒体７に放出する。この間熱媒体７の温度はほ
ぼ物質６の融点の温度に保たれる。融けていた物質６が
全部凝固すると、物質６からの凝固熱の放出は終わり、
熱媒体７の温度は再び下がり始める。この対流運動の間
に、物質６に蓄えられた熱は全部熱媒体７に放出され
る。

【００１４】１００℃以下の蓄熱槽で、４０℃程度のお
湯を得たい場合、物質６としては、融点が４０℃乃至１
００℃位の間にある物質６を選べば良い。また熱媒体７
としては水が適している。工業用の場合は使用する温度
によって適当な物質６を選べばよいが、２００℃を越す
場合のような高温になると、熱媒体７に水を用いるとそ
の蒸気圧が数十気圧に達して、筐体２の強度について良
く検討する必要が生ずるから、水の代わりに適当な油等
を用いると良い。勿論高圧の蒸気を得て蒸気タービンを
回して、発電等をするようなときは、水が良い。

【００１５】物質６として適当なものは、各種の結晶体
や有機化合物やプラスチックのなかに数多く発見できる
が、例えば家庭用の温水器のように１００℃以下の用途
に適当なものとしては、８０℃近辺の融点をもつナフタ
レンが挙げられる。ナフタレンの融点は８０．５℃、そ
の融解熱は３３．７カロリー／グラムとされている。

【００１６】いまナフタレンの熱特性を前記の通りとし
てその効果を検証してみる。先ず蓄熱槽１の内容が高温
になったお湯だけで、蓄熱用の物質６は使われていない
ものとして、４０℃のお湯を作る場合について検討す
る。この場合お湯は熱媒体７と蓄熱用の物質６の役目を
兼用している。蓄熱槽１のお湯の最初の温度を、１００
℃に迄暖められているとし、熱交換を終わったときの温
度を４０℃とすると、お湯の比熱をお湯１グラムにつき
１カロリー／℃として、１グラムの１００℃のお湯につ
いて放出できる熱量は０．５×（１００−４０）＝３０
カロリーである。１グラムのお湯の代わりに、０．５グ
ラムのお湯と０．５グラムのナフタレンを用いた場合に
ついて検討する。

【００１７】お湯の放出する熱量は量が半分になるから
０．５×３０＝１５カロリーで、ナフタレンの放出する
熱量は０．５×３３．７×（８０−４０）＝６７４カロ
リーで、お湯と物質６の放出する熱量は合計６８９カロ
リーである。熱媒体７としてのお湯を半分に減らし、後
の半分をお湯と同じ質量のナフタレンにすると、全部が
お湯の場合の約２３倍の熱量を蓄熱できると言うことで
ある。ナフタレンの場合その密度は１．１６で、殆どお
湯と同じ密度であるから、換言すれば、殆ど同じ重量と
体積の蓄熱槽１で、熱媒体７のお湯と物質６であるナフ
タレンを半分づつ使うと蓄熱できる熱量は、お湯だけの
場合のほぼ２０倍になると言うことである。勿論熱媒体
７と物質６の質量は必ずしも半々である必要はない。

【００１８】ナフタレン以外に同じような効果を発揮す
る適当な物質は、前記のように数多くの結晶体やプラス
チックのなかにあるが、要は適当な融点と大きい融解熱
を持つ物質ならば大きい効果が期待できる。プラスチッ
クの場合は結晶体のように、はっきりした融点は持た
ず、段々軟化して終に液状になるが、この場合も結晶体
と同じように、単なる水だけの熱媒体７より多くの熱量
を蓄えることができる。

【００１９】しかしながら、このような物質６を単に熱
媒体７と混合して蓄熱槽１の中に入れたのでは効果は期
待できない。何故ならこのような物質６は一般的に言っ
て熱媒体７と混合しないし、融けた場合は蓄熱槽１の上
部或いは下部に纏まってしまい、熱媒体６との熱交換は
期待出来なくなるからである。その為に従来は例えばマ
イクロカプセルとか小球状の容器等に入れた物質６が用
いられていた。

【００２０】本発明では物質６が、融けても熱媒体７と
交じり合わないように、且つ熱媒体７の中にほぼ平等に
分布させる為に縦長の容器５を用いる。この方式のほう
が、前記の従来の方式より、自然対流が起こり易く、熱
媒体７と物質６との熱交換が効率良く行われるからであ
る。

【００２１】図２は容器５の実施形態を示し、 図２で
（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図２で容
器５は同心の二重のパイプで外壁５１と内壁５２を形成
し、その間に中空部分を形成し、その中に融解と凝固を
繰り返す蓄熱用の物質６が入っている。容器５−１は容
器群５の中で一番外側に位置しているものである。９は
容器５−１の外側の壁に取り付けられた熱絶縁物であ
る。容器５は熱媒体７が対流運動で上下するのを妨げな
いように、縦長に作られ、長手方向が対流の流れに沿う
ように設けられる。従って一般的には長手方向が垂直に
なるように設けられる。

【００２２】容器５を形成する外側のパイプと内側のパ
イプ、即ち外壁５１と内壁５２との間隔は、物質６の内
部に熱が早く到達するように、小さく例えば数ミリメー
トル以下位に選ばれる。そして熱媒体７と交じり合わな
いように、その両端は密閉されている。容器５は図２に
図示されているように、一般的にはただ一個だけが使わ
れるのではなく、直径の異なる複数個の容器５−１、５
−２、５−３が用いられる。容器５を形成する壁は金属
またはプラスチックでつくられるが、熱伝導を良くする
ためにその厚さは薄くされる。薄肉の銅などが最も適し
ている。

【００２３】但し自然対流で熱交換を行う場合は、図２
で容器５−１の外側の壁は、熱絶縁性の良い材料で作る
か、或いはこの壁の上を熱絶縁物９で覆うようにして、
熱絶縁性を良くしておく。その理由は、熱交換器３によ
って温度の下がった熱媒体７が筐体２の内側の壁に沿っ
て下方に向かっているときに、その途中で容器５と熱交
換をして暖められると、熱媒体７の比重が温度上昇によ
って軽くなり、そのため自然対流が妨げられるようにな
るからである。同じ理由から、図３に示したような方法
も有効である。

【００２４】図３は本発明の第２の実施形態を示す縦断
面図で、１１は熱絶縁性の良い材料例えば耐熱性プラス
チックで作られた熱遮蔽筒の円筒である。この円筒１１
の最も外側の容器５−１の外周と筐体２の内壁との間
に、両者を隔てるように配置される。１２は円筒１１と
筐体２との間の隙間、１３は円筒１１の内部の容器５の
周囲にある隙間である。なお熱交換器等は省略され、ま
た円筒１１筐体に固定されている。図３の場合は熱交換
器３で温度の下がった熱媒体７は円筒１１の外側と筐体
２との間の隙間１２を通って下方に向かい、熱交換器４
で暖められた熱媒体７は円筒３１の内部の隙間３３を通
って上方に向かう。こうして自然対流が順調に達成され
る。

【００２５】円筒１１を使用する場合は、容器５は総て
熱伝導の良い材料で作るのが良く、図２の熱絶縁物９の
ようなものは不必要である。円筒１１と筐体２との間の
隙間１２の面積は、円筒内部の隙間１３の総面積とほぼ
同じにしておくのが良い以上の説明では筐体２は円筒形
になっており、容器５もそれに従って円筒形に形成され
ているが、円筒形でなく、長方形の箱形の筐体でも前記
の本発明の利点は生かされる。この場合容器５も円筒１
１もそれに従って直方体に作られる。

【００２６】図４は本発明の第３の実施形態で、（ａ）
は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図４では容器１
５は、断面が円形か楕円形か角型をした縦長のパイプで
形成されそれらが複数本平均的に配置されている。 熱
媒体７の対流を妨げないように、図示したように容器５
のパイプは縦長に、即ち通常は垂直に取り付けられ、図
２の場合と同じように、物質６が熱媒体７と交じり合わ
ないように両端で密閉されている。この場合も自然対流
を利用する場合は、図示しているように円筒１１を使用
するのが良い。なお熱交換器等は省略してある。

【００２７】図５は本発明の第４の実施形態を示す縦断
面で、図熱媒体７の対流を盛んにするために、ポンプを
設置した実施形態を示す。 図５で１７はポンプであ
る。このポンプ１７には、一般的にはスクリューポンプ
が適している。このようにポンプ１１を設置すると熱媒
体７の対流運動が盛んになるので、容器５を形成するパ
イプ群の相互間隔を小さくできるから、同じ容積の筐体
２の中に、多くの蓄熱用の物質を収容することができ
る。換言すると、同じ容積の筐体でより多くの熱量を蓄
熱できる。

【００２８】またポンプ１７を用いる場合は、容器５を
必ずしも縦長に用いる必要はない。自然対流を利用する
のではなく、強制循環をするのであるから、横長に寝か
せて用いても良い。なおポンプ１７は第１及び第２の実
施形態においても設置することが可能である。また円筒
１１はポンプ１７を使用する場合には必ずしも必要とは
しないが、対流を順調に行うには、円筒１１を設けた方
が良い。

【００２９】次に本発明の、同じ熱量を蓄えるための蓄
熱槽の体積が従来のお湯による蓄熱槽より小さく出来る
と言う効用以外の、他の効用について述べる。本発明の
ナフタレンを蓄熱物質として使った蓄熱槽１を太陽熱コ
レクターの蓄熱槽として使う場合について考えると、同
じ熱量を蓄える従来のお湯による蓄熱槽に比較して、体
積が１／２０になると共に、熱媒体７としての水の量
は、熱媒体の量と蓄熱物質の量を１：１として、約１／
４０になる。

【００３０】従って太陽熱によって暖められた熱媒体７
は、ナフタレンの融点８０℃になるまでは、熱容量が小
さいために、従来のお湯による蓄熱槽の場合より数１０
倍早く温度を上げて熱交換器４から熱交換器３へ熱を運
ぶことができる。換言すれば、太陽が照り出してから短
時間の内に８０℃までのお湯を得ることができるという
効用がある。勿論８０℃を越えて温度を上げるのに要す
る時間は従来の大型の、お湯によって蓄熱する型を同じ
であるが、しかし太陽熱コレクターの場合８０℃以下で
も十分大きな用途があるから、この効用は大変な利点で
ある。

【００３１】

【発明の効果】上記したように、本発明は簡単な構造
で、小さい容量で多量の熱エネルギーを蓄熱用物質の融
点の温度で貯蔵出来るし、またその温度迄の熱応答時間
を短縮できて、夜間電力や太陽熱を利用するエネルギー
システムに応用して、小さい面積で多くの熱量を蓄積で
きる応答の早い蓄熱槽を供給することができるので、大
変有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は縦断
面図、（ｂ）は横断面図である。

【図２】本発明の容器の示し、（ａ）は縦断面図、
（ｂ）は横断面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す横断面図であ
る。

【図４】本発明の第３の実施形態を示し、（ａ）は縦断
面図、（ｂ）は横断面図である。

【図５】本発明の第４実施形態を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 蓄熱槽 ２ 筐体 ３ 上部の熱交換器 ４ 下部の熱交換器 ５、１５ 容器 ６ 蓄熱用の物質 ７ 熱媒体 ８ 断熱材 ９ 熱絶縁物 １１ 円筒 １７ ポンプ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱を取り入れる熱交換器と熱を取り出
   す熱交換器と、熱の移動を行う熱媒体と、物質の融解熱
   を利用して蓄熱する蓄熱物質と、それらを収容する筐体
   とを備えた蓄熱槽において、 前記蓄熱用物質を縦長の密閉した容器に入れ、前記容器
   をその長手方向が熱媒体の対流の方向になるようにして
   複数個配置したことを特徴とする蓄熱槽。
2. 【請求項２】 前記容器を直径の差の少ない二つの同心
   の二重のパイプで外壁と内壁を形成すると共にその両端
   を密閉して構成し、更に直径の異なる前記容器を同心円
   状に複数個配置したことを特徴とする請求項１記載の蓄
   熱槽。
3. 【請求項３】 前記複数個の容器のうち、最も外側に位
   置する円筒の外側を熱絶縁性をもつように構成したこと
   を特徴とする請求項２記載の蓄熱槽。
4. 【請求項４】 前記複数個の容器の外側と、前記筐体
   の内壁との間に、この両者を隔てるように熱絶縁性をも
   つ熱遮蔽筒を配置したことを特徴とする請求項１又は２
   記載の蓄熱槽。
5. 【請求項５】 前記熱遮蔽筒が熱絶縁性の良い材料で形
   成された円筒であることを特徴とする請求項４記載の蓄
   熱槽。
6. 【請求項６】 前記容器が両端を密閉したパイプである
   ことを特徴とする請求項１記載の蓄熱槽。
7. 【請求項７】 前記蓄熱用物質がナフタレンであること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蓄熱槽。
8. 【請求項８】 前記熱を取り入れる熱交換器の近傍に、
   前記熱を取り出す熱交換器にむけて、前記熱を取り出す
   熱交換器に向けて、前記熱媒体を移動させるポンプを設
   けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の
   蓄熱槽。