JP2001183085A - 蓄熱槽、蓄熱装置及び蓄熱及び熱回収方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】過冷却状態にある潜熱蓄熱体に凝固を誘発させ
ることにより、潜熱蓄熱材が発生する融解熱を回収利用
する蓄熱槽、蓄熱装置及びこの装置を利用した熱回収方
法。 【解決手段】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
熱体を収容しており、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間には熱
媒体を流すことができる空間を有している蓄熱槽、 前
記固体片に振動を与える振動付与手段として、固体片の
位置で振動の振幅の腹を持つような外力を付与する振動
付与手段又は固体片を固体片の固有振動数で振動させる
外力を付与する振動付与手段がが敷設されていることか
らなることを特徴とする蓄熱槽、蓄熱装置及びこの装置
を利用した熱回収方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄熱槽、蓄熱槽を
用いた蓄熱装置及びこの蓄熱装置を用いた蓄熱及び熱回
収方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱の蓄熱保存過程においては蓄熱材を過
冷却状態に維持し、熱の回収過程において、何らかの手
段を用いて過冷却状態にある蓄熱材に凝固を誘発させ
て、相変化に伴い発生する蓄熱材の融解熱を回収利用す
る蓄熱装置がある。この回収装置では、凝固を誘発させ
るための発核手段が種々検討されている。具体的には、
例えば、蓄熱材にショックまたは振動を与えることによ
る特開平３−２９２２１４号公報等がある。

【０００３】前記公報に記載された自動車の室内暖房装
置の蓄熱部は、図２に示すとおりである。自動車の即暖
房のための熱源となる。蓄熱部は囲い枠状の枠体３１内
に、合成樹脂材のシート等から形成される水密なシート
である四角な箱状に形成されたパック３２を保持せし
め、そのパック３２には、前記枠体３１を透通する方向
の通気管３３多数本を並列させて装設しておき、このパ
ック３２内に、チオ硝酸ナトリウムまたは酢酸ナトリウ
ム等が満たされており、液相でゆっくりと冷却されるこ
とで液相のまま過冷却の状態となる物質を、蓄熱材３６
として密封状態に充填しておく。さらに、このパック３
２に充填された蓄熱材３６に対してショックを与える衝
撃部材３４を組み付け、その衝撃部材３４を、リモート
コントロールにより作動させる押し釘式の操作部材３５
を連繋しておき、キャビン（図示されず）内に配設する
ことで構成されている。

【０００４】この構成の暖房装置の蓄熱部は、自動車の
運転時に暖房装置によってもたらされる温風により加温
され、パック３２内に充填されている蓄熱材３６である
酢酸ナトリウムは融解して液相になる。次に、自動車の
運転を終えて、スイッチを切り、自動車を次に運転する
まで放置しておくと、蓄熱材３６は静置状態において放
冷されることになり、次に自動車の運転をするときが翌
日の朝であれば、その朝の外気温まで温度降下するよう
になる。そして、この静置状態での放冷により、蓄熱材
３６は、液相のまま過冷却の状態となって冷却され、こ
れにより、融解熱に相当する熱量を蓄えた状態となる。
この過冷却の状態として蓄熱した熱量を、次回に自動車
を運転するときに放出させて、運転開始直後の冷えてい
るキャビン内の即暖房に用いる。すなわち、エンジン始
動時にキャビン内に配設してある操作部材３５を操作し
て衝撃部材３４を作動させ、蓄熱材３６にショックまた
は振動を与えれば、瞬時に過冷却の状態が破れて固相に
変換していき、融解熱に相当する熱量を放出する。この
融解熱を用いて自動車のキャビン内の即暖房が可能にな
る。従来の暖房装置の蓄熱部は、凝固を誘発させる手段
として衝撃部材３４を用いるものであり、単なるショッ
クや振動では実用に至るような凝固を開始させられない
ことが問題点として、指摘されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、過冷
却状態にある潜熱蓄熱体を用いる蓄熱槽及び過冷却状態
にある潜熱蓄熱体に凝固を誘発させることにより、潜熱
蓄熱材が発生する融解熱を回収利用する蓄熱槽、この蓄
熱槽を用いる蓄熱装置及びこの蓄熱装置を用いた蓄熱及
び熱回収方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、潜熱蓄熱
材４が収容されている潜熱蓄熱体３中に固体片を存在さ
せておき、前記固体片に振動を与える振動付与手段とし
て、固体片の位置で振動の振幅の腹を持つような外力を
付与する振動付与手段、又は固体片を固体片の固有振動
数で振動させる外力を付与する振動付与手段を用いて、
蓄熱槽を振動させると、振動の圧力波は熱媒体２を経て
潜熱蓄熱体３及び潜熱蓄熱材４へ順々に伝播し、固体片
１３に達して固体片１３を振動させることができ、潜熱
蓄熱体３の壁との間で摩擦が起き、過冷却の準安定状態
が破れ、核が発生して凝固させることができることを見
いだした。即ち、固体片１３を前記手段より振動させる
と、固体片１３と潜熱蓄熱材４の温度を凝固開始温度ま
で低下させることなく凝固を開始させることができるこ
とを見いだした。このような振動付与手段を用いると、
外部からの振動のエネルギーを、より有効に固体片１３
の振動に利用することができることを見いだして、本発
明を完成させたものである。

【０００７】すなわち、本発明によれば以下の発明が提
供される。潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄熱
体が収容され、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間には熱媒
体を流すことができる空間が設けられており、 前記固
体片に振動を与える振動付与手段として、固体片の位置
で振動の振幅の腹を持つような外力を付与する振動付与
手段が敷設されていることからなることを特徴とする蓄
熱槽。潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄熱体が
収容され、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間には熱媒体を
流すことができる空間が設けられており、 前記固体片
に振動を与える振動付与手段として、固体片を固体片の
固有振動数で振動させる外力を付与する振動付与手段が
敷設されていることからなることを特徴とする蓄熱槽。
前記記載のいずれかである蓄熱槽、潜熱蓄熱体と蓄熱槽
との間に熱媒体を流すことのできる空間、前記空間に満
たされた熱媒体、前記熱媒体を加熱・冷却するための熱
交換手段、 及び前記熱媒体から熱を回収する熱回収手
段を有することを特徴とする蓄熱装置。前記記載のいず
れかである蓄熱槽、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間に熱媒体
を流すことのできる空間、前記空間と熱媒体を加熱・冷
却するための熱交換手段とが開閉手段及び熱媒体駆動手
段を介して連絡されている熱媒体流路、及び前記潜熱蓄
熱体と蓄熱槽との間の空間と、熱回収設備を結ぶ連絡路
とが開閉手段と熱媒体駆動手段を介して連絡されている
熱媒体流路からなることを特徴とする蓄熱装置。前記記
載のいずれかである蓄熱槽、前記熱媒体を前記蓄熱槽に
導入し、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間を経由させた
のちに蓄熱槽から排出して、再び蓄熱槽に導入するに至
る熱媒体循環経路に、熱媒体を加熱・冷却するための熱
交換手段及び熱回収設備が並列に設置され、前記循環経
路中に熱媒体の流れを調節する開閉手段及び熱媒体駆動
手段が設けられており、さらに前記循環経路とは別に、
潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間の一部を経由させたの
ちに蓄熱槽から熱媒体を排出し、前記循環経路に接続さ
れる熱媒体流路が、開閉手段を介して設けられているこ
とを特徴とする蓄熱装置。潜熱蓄熱材に粘性を増加させ
る物質を添加して用いることを特徴とする前記記載のい
ずれかである蓄熱装置。潜熱蓄熱材及び固体片が封入さ
れた潜熱蓄熱体を収容しており、前記固体片に振動を与
える振動付与手段として、固体片の位置で振動の振幅の
腹を持つような外力を付与する振動付与手段を敷設した
蓄熱槽を用いて、前記潜熱蓄熱材を融解させたのちに過
冷却状態で保持し、前記固体片に振動を付与して潜熱蓄
熱材を凝固させることにより、融解熱を発生させ、熱回
収することを特徴とする蓄熱及び熱回収方法。潜熱蓄熱
材及び固体片が封入された潜熱蓄熱体を収容しており、
前記固体片に振動を与える振動付与手段として、固体片
を固体片の固有振動数で振動させる外力を付与する振動
付与手段を敷設した蓄熱槽を用いて、前記潜熱蓄熱材を
融解させたのちに過冷却状態で保持し、前記固体片に振
動を付与して潜熱蓄熱材を凝固させることにより、融解
熱を発生させ、熱回収することを特徴とする蓄熱及び熱
回収方法。潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄熱
体を収容しており、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間に熱
媒体を流すことができる空間、前記空間に満たされた熱
媒体を有している蓄熱槽に、前記固体片に振動を与える
振動付与手段として、固体片の位置で振動の振幅の腹を
持つような外力を付与する振動付与手段を敷設した蓄熱
槽を用いて、前記熱媒体により前記潜熱蓄熱材を加熱融
解させたのちに過冷却状態で保持し、前記固体片に振動
を付与して潜熱蓄熱材を凝固させることにより、融解熱
を発生させ、発生した融解熱を前記熱媒体で回収するこ
とを特徴とする蓄熱及び熱回収方法。潜熱蓄熱材及び固
体片が封入された潜熱蓄熱体を収容しており、前記潜熱
蓄熱体と蓄熱槽との間に熱媒体を流すことができる空
間、前記空間に満たされた熱媒体を有している蓄熱槽
に、前記固体片に振動を与える振動付与手段として、固
体片を固体片の固有振動数で振動させる外力を付与する
振動付与手段を敷設した蓄熱槽を用いて、前記熱媒体に
より潜熱蓄熱材を加熱融解させたのちに過冷却状態で保
持し、前記固体片に振動を付与して潜熱蓄熱材を凝固さ
せることにより、融解熱を発生させ、発生した融解熱を
前記熱媒体で回収することを特徴とする蓄熱及び熱回収
方法。前記記載のいずれかによる蓄熱及び熱回収方法に
おいて、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間と、熱媒体を
加熱・冷却するための熱交換手段とが開閉手段及び熱媒
体駆動手段を介して連絡されており、この通路に熱媒体
を流して潜熱蓄熱材を融解させたのちに過冷却状態で保
持し、固体片に振動を付与して潜熱蓄熱材を凝固させる
ことにより、融解熱を発生させ、潜熱蓄熱体と蓄熱槽と
の間の空間と、熱回収設備とを結ぶ連絡路が、開閉手段
と熱媒体駆動手段とを介して連絡されている通路に熱媒
体を流して、潜熱蓄熱材から発生する融解熱を回収する
ことを特徴とする蓄熱及び熱回収方法。前記記載のいず
れかの蓄熱及び熱回収方法において、潜熱蓄熱体と蓄熱
槽との間の空間と、熱媒体を加熱・冷却するための熱交
換手段とが開閉手段及び熱媒体駆動手段を介して連絡さ
れており、この通路熱媒体循環経路に熱媒体を流して潜
熱蓄熱材を融解させたのちに過冷却状態で保持し、前記
循環経路とは別に、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間の
一部を経由させた後に蓄熱槽から熱媒体を排出し、前記
循環経路に開閉手段を介して接続される熱媒体流路に熱
媒体を流して潜熱蓄熱材を冷却したのちに、前記固体片
に振動を付与して潜熱蓄熱材を凝固させることにより、
融解熱を発生させ、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間
と、熱交換手段と並列に設置されている熱回収設備とを
開閉手段と熱媒体駆動手段を介して連絡する通路に熱媒
体を流して、潜熱蓄熱材から発生する融解熱を回収する
ことを特徴とする蓄熱及び熱回収方法。潜熱蓄熱材に粘
性を増加させる物質を添加して用いることを特徴とする
前記いずれか記載の蓄熱及び熱回収方法。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の蓄熱装置の断面図は、図
１に示されている通りである。蓄熱装置には、蓄熱槽１
が設けられており、この蓄熱槽１には、潜熱蓄熱体３が
設置されている。この蓄熱槽１の潜熱蓄熱体３と蓄熱槽
１との間には、熱媒体２を流すことができるように空間
７が形成されている。潜熱蓄熱体３には、潜熱蓄熱材４
及び固体片１３が封入されている。

【０００９】本発明の蓄熱装置は、この熱媒体２を用い
て潜熱蓄熱材４の加熱融解及び潜熱蓄熱材が発生した熱
を回収することができるものである。熱の供給及び発生
した熱の回収を行う装置は以下のように組み立てられ
る。潜熱蓄熱体と蓄熱槽の間の空間７と、熱媒体２を加
熱するための熱交換手段５とが開閉手段１０及び熱媒体
駆動手段１２を介して連絡される熱媒体流路、及び潜熱
蓄熱体と蓄熱槽の間の空間７と、熱回収設備６を結ぶ連
絡路が開閉手段１１と熱媒体駆動手段１２を介して連絡
されている熱媒体流路から構成されている。この熱の供
給及び発生した熱の回収装置である熱回収設備６は、以
下のように組み立てられることにより一層合理的に運転
される。蓄熱槽に熱媒体を導入する経路（ｂ）を経て潜
熱蓄熱体と蓄熱槽の間の空間７に導かれ、更に蓄熱槽１
から熱媒体が排出する経路（ａ）から排出され、再び蓄
熱槽に熱媒体２を導入する経路からなる熱媒体２の循環
経路に、熱媒体２を加熱・冷却するための熱交換手段５
及び熱回収設備６が並列に設けられ、前記循環経路中に
熱媒体２の流れを調節する開閉手段９、１０，１１及び
熱媒体駆動手段１２が設けられている熱媒体循環経路、
及びこの熱媒体循環経路とは別に、潜熱蓄熱体と蓄熱槽
の間の空間を経て蓄熱槽から熱媒体２が排出されて開閉
手段８を介して前記熱媒体循環経路に接続する熱媒体循
環経路から構成されている。

【００１０】潜熱蓄熱体３には、潜熱蓄熱材４が充填さ
れている。潜熱蓄熱材４中には固体片１３を存在させて
いる。固体片は、潜熱蓄熱材に対して振動、回転などの
運動により、物理的な刺激を与えることができるもので
あれば、任意の形状のものが使用できる。具体的には、
板状、球状、円筒状、角柱状等任意の形状のものを使用
することができる。材質は潜熱蓄熱材４に腐食されない
もので、かつ蓄熱槽１の運用される温度範囲において相
変化しないものであれば差し支えない。具体的には、金
属やセラミックス、ガラス、鉱石等の種々の物質から選
ばれるものが利用できる。金属の固体片ではステンレス
製の棒状体（ｒｏｄ）や板状体などが用いられる。固体
片は、蓄熱槽及び潜熱蓄熱体に振動、回転などの運動に
よる刺激が与えられたときに、潜熱蓄熱材の中で揺れ動
かされることにより、過冷却の状態にある潜熱蓄熱材を
凝固させるものである。潜熱蓄熱体３が複数個の場合、
固体片１３も蓄熱体３のそれぞれに封入される。蓄熱槽
に接して振動子１４が設けられている。振動子１４は蓄
熱槽に振動を発生させることにより、潜熱蓄熱体及び潜
熱蓄熱材にも振動を与えることができ、その結果、固体
片１３を振動させ、潜熱蓄熱材４の一部を強制的に結晶
化させるためのものである。

【００１１】蓄熱槽１に接して、蓄熱槽１及び潜熱蓄熱
体３に対して振動を与える手段が設けられている。外部
から固体片１３に振動を与えるには、超音波のような指
向性の強い振動を利用すれば、より効果的であり、実現
することが容易である。すなわち、振動子１４に１０ｋ
Ｈｚ程度以上の高周波電力を与え、超音波振動を発生さ
せると、蓄熱槽１に接して取り付けられている振動子１
４が同じ周波数で振動し、その部分に接する蓄熱槽の内
部の熱媒体２を振動させて熱媒体２の中に縦波を発生さ
せる。この縦波は高周波の性質により、振動子１４直近
の潜熱蓄熱体３の壁を振動させ、その部分の内側に接す
る潜熱蓄熱材４を振動させて、潜熱蓄熱材４の中に縦波
を発生させる。このようにして、縦波はほぼ直線状に蓄
熱槽から熱媒体２の中を伝わる。さらに、この縦波も高
周波の性質でほぼ直線状に潜熱蓄熱材４の中を伝わり、
やがて固体片１３に達し、振動子１４の周波数の振動を
与えることができる。振動を発生させる手段は、以下の
２通りの手段がある。 （１）固体片の位置で振動の振幅の腹を持つような外力
を付与する振動付与手段、及び（２）固体片を固体片の
固有振動数で振動させる外力を付与する振動付与手段。

【００１２】固体片の位置で振動の振幅の腹を持つよう
な外力を付与する振動付与手段は次の通りである。外部
から固体片１３に振動を与える際に、固体片１３の位置
で振動の振幅の腹を持つような外力を付与すれば、外部
からの振動のエネルギーをより有効に固体片１３の振動
に利用することができる。振動子１４が蓄熱槽１の壁面
で振動するとき、蓄熱槽１の壁面は振動子１４の変位と
同じ変位をするので、振動子１４と同じ最大振幅で振動
することになる。すなわち、蓄熱槽１の壁面は振動の腹
となる。振動子１４の振動周波数をｆとし、熱媒体２の
音速をｖとすれば、熱媒体２中に発生する振動波の波長
はｖ／ｆとなることが知られているから、振動面からｖ
／（４ｆ）の位置に振動波の最初の節が、ｖ／（２ｆ）
の位置に振動波の二つ目の腹が、３ｖ／（４ｆ）の位置
に振動波の二つ目の節がそれぞれ発生するという具合
に、振動子１４によって熱媒体２の中に造られる振動波
は、蓄熱槽１の壁面から離れる方向に腹と節をくり返し
持つ。振動の周波数と熱媒体２の音速が変わらない限
り、腹と節の位置は一定であり、波の筋では振幅がほぼ
無く、腹ではその波の圧力に応じた最大の振幅となる。
したがって、蓄熱槽１の壁面からｎｖ／（２ｆ）（ｎは
０以上の整数）離れた位置に潜熱蓄熱体３の壁面を設置
すれば、潜熱蓄熱体３の壁面に振動波の腹が当たるの
で、潜熱蓄熱体３の壁面を振動子１４の最大振幅に近い
大きな振幅で振動させることができる。潜熱蓄熱体３か
ら潜熱蓄熱材４へと伝播する振動波も同様に腹と筋を持
ち、その位置は振動の周波数と潜熱蓄熱材４の音速等に
より定まる装置固有の値となる。したがって、潜熱蓄熱
材４の振動波の腹の位置に固体片１３が滞留するように
潜熱蓄熱体３と固体片１３との間隔や振動子１４の振動
数を設計するか、あるいは固体片を潜熱蓄熱材４の振動
波長の４分の１以上の長さに設計すれば、固体片１３を
振動波の最大の振幅で動かすことができ、潜熱蓄熱体３
と壁との摩擦振動を効果的に激しく行わせることができ
る。このような超音波振動を与える具体的な手段として
は、ハンマー或いはハンマーのような形状をしたものに
より、蓄熱槽の壁面に力を作用させるものがある。

【００１３】固体片を固体片の固有振動数で振動させる
外力を付与する振動付与手段は次の通りである。外部か
ら固体片１３に振動を与える際に、固体片１３が固体片
の固有振動数で振動するような外力を付与すれば、外部
からの振動のエネルギーをより有効に固体片１３の振動
に利用することができる。振動子１４による振動波で振
動する固体片１３は、液相の潜熱蓄熱材４の中で潜熱蓄
熱体３の壁面を摺動するので、運動の方向とは逆の方向
の制振力を潜熱蓄熱材４及び潜熱蓄熱体３の壁面から受
ける。この制振力は潜熱蓄熱材４の移動にともなう慣性
力と粘性力、固体片１３の移動による潜熱蓄熱体３壁面
との摩擦力により発生するものであるので、固体片１３
の運動速度が小さいうちは、潜熱蓄熱材４が固体片１３
の動きにほぼ追従でき、制振力に大きな変化はないが、
固体片１３の運動速度が大きくなると潜熱蓄熱材４の移
動が追いつけず、振動の位相が遅れるようになる。固体
片１３の運動速度が更に大きくなると、固体片１３の振
動の位相と潜熱蓄熱材４の振動の位相とが９０°ずれ、
それまで固体片１３の運動を減衰させる方向に働いてい
た潜熱蓄熱材４の制振力がほとんど働かなくなる。すな
わち固体片１３はその固有振動数で共振することにな
る。固体片１３の質量をｍ、変位をｘ、時間をｔ、潜熱
蓄熱材４の粘性抵抗係数をｃ、固体片１３と潜熱蓄熱体
３の壁との動摩擦係数をμ、重力加速度をｇ、潜熱蓄熱
体３の壁の振動の振幅をＡ、角振動数をωであるとすれ
ば、固体片１３の運動は ｍ・ｄ＾２ｘ／（ｄｔ＾２）＋ｃ・ｄｘ／ｄｔ＋μｍｇ
＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ） で近似表記でき、ωが固有振動数の近傍で固体片１３の
変位ｘは最大となることが知られている。すなわち、固
体片１３の運動、したがって固体片１３の固有振動数
は、固体片１３の密度と形状、潜熱蓄熱材４の密度と動
粘性係数、固体片１３と潜熱蓄熱体３の壁面との動摩擦
係数などで定まり、装置固有の値となる。したがって固
体片１３をその固有振動数で振動するような外力を振動
子１４で与えれば、あるいは固体片１３の密度と形状、
固体片１３と潜熱蓄熱体３の壁面との動摩擦を決めれ
ば、固体片１３は少ない振動エネルギーで、共振して、
潜熱蓄熱材４中で激しく振動することになるので、効率
的に固体片１３を潜熱蓄熱体３の壁面で振動させること
ができる。固体片を固体片の固有振動数で振動させるた
めには、固体片をマグネチックスターラーにより回転さ
せるものが装置があり、電動バイブレーターが利用でき
る。

【００１４】さらに、図１に示す装置の潜熱蓄熱体３の
内部に粘性を増加させる物質を散在させることにより、
潜熱蓄熱材４の耐久性も優れた蓄熱装置を得ることがで
きる。また、本実施例では固体片１３を潜熱蓄熱体３の
下方に描画してあるが、遠隔からの振動によって振動
し、潜熱蓄熱体１３との間で摩擦を発生することができ
るものであれば、位置や構造は図３に限定されない。ま
た、本実施例では固体片１３への振動の付与に圧力波を
用いる方法を挙げてあるが、たとえば電場や磁場、引力
のように遠隔的に力を及ぼすことのできる手段であれ
ば、その形態は限定されない。

【００１５】潜熱蓄熱材４は、必要とする温度や過冷却
度に応じて種々の物質を用いることができる。例えば、
りん酸水素二ナトリウム・十二水和物（Ｎａ_２ＨＰＯ_４
・１２Ｈ_２Ｏ）を用いる場合には、融点は約３０９Ｋ
（３６℃）であり、凝固開始温度は２９６Ｋ（２３℃）
程度である。酢酸ナトリウム三水和物（ＣＨ_３ＣＯＯＨ
Ｎａ・３Ｈ_２Ｏ）を用いる場合には、融点は約３３１Ｋ
（５８℃）であり、凝固開始温度は２５０Ｋ（−２３
℃）程度である。 熱媒体は、使用温度範囲において液
体で安定に存在するものであれば用いることができる。
具体的には、水やエチレングリコール等各種アルコール
水溶液、シリコンオイル等を挙げることができる。

【００１６】次に、蓄熱操作について説明する。潜熱蓄
熱材４に対して、潜熱蓄熱体３の外側から熱媒体２によ
り加熱を行うと、潜熱蓄熱材４の温度は上昇し、融点に
到達して融解する。潜熱蓄熱材を完全に融解させた後
に、熱媒体による加熱を終えると、高温にある蓄熱槽１
から低温にある蓄熱槽１の周囲環境への熱移動により、
蓄熱槽１すなわち潜熱蓄熱材４の温度は徐々に低下して
行く。潜熱蓄熱材４の温度はやがて融点に到達するが、
過冷却現象により、凝固が直ちに開始されることはな
い。温度はさらに低下を続け、融点よりも低い温度の凝
固開始温度まで液体のまま存在し続ける。潜熱蓄熱材４
は凝固開始温度を下回らないようにすることが必要であ
り、潜熱蓄熱材４が凝固開始温度に達することはないよ
うに、熱操作が行われる。蓄熱した熱を取り出すには、
過冷却の状態にある潜熱蓄熱材に凝固を発生させるよう
にすると、過冷却の状態は壊されて凝固が起こり、その
際に潜熱を放出する。このようにして発生させた潜熱を
熱媒体２と熱交換操作させることにより回収利用する。

【００１７】潜熱蓄熱材４には、粘性を増加させる物
質、例えばパルプ、粘土、多糖類、高分子物、木綿等の
繊維、綿、合成高分子からなる不織布やスポンジ等を混
入させることにより、潜熱蓄熱材４の成分が分離するの
を防ぎ、繰り返し過冷却現象が起きるようにすることが
できる。

【００１８】本発明の蓄熱操作は、前記潜熱蓄熱材の加
熱（蓄熱）工程と、熱の保存工程、及び前記潜熱蓄熱材
からの熱回収（熱の放出）工程を、順次行うものであ
る。蓄熱工程においては、蓄熱槽１と潜熱蓄熱体３との
間に、熱交換手段を用いて加熱された潜熱蓄熱材４の融
点以上の温度にある熱媒体２を流入させ、移動させるこ
とにより、潜熱蓄熱体３中の潜熱蓄熱材を加熱させる。
具体的な操作は次の通りである。この通路には経路を特
定するための開閉手段である開閉手段（バルブ）及び駆
動手段である熱媒体駆動手段（ポンプ）が設置されてい
る。この経路は、次の通りである。開閉手段（バルブ）
８、１１を閉じ、開閉手段（バルブ）９、１０を開き、
熱媒体駆動手段（ポンプ）１２を動作させる。潜熱蓄熱
材の融解開始温度以上の温度とされた熱媒体２を用い、
連通管ｂ→蓄熱槽１（蓄熱体と蓄熱槽の間の空間７）→
連通管ａの順に循環させて、潜熱蓄熱材４を加熱融解さ
せる。

【００１９】熱の保存工程では、潜熱蓄熱材の熱は蓄熱
槽を通して外部環境へ移動することとなるため、蓄熱材
の温度は徐々に下降する。蓄熱材の温度が凝固の始まる
温度（凝固開始温度）よりも高く保たれている限り、こ
の過冷却状態は持続され、熱は保存される。蓄熱槽１の
形状や蓄熱槽１を構成する断熱材は、貯蔵期間内に潜熱
蓄熱材４が凝固開始温度を下回らないように設計されて
いるため、潜熱蓄熱材４の温度は融点を下回り、凝固開
始温度に近づいて行くが、貯蔵期間内に凝固を開始し、
結晶化することはない。

【００２０】熱回収過程においては、熱の保存過程にお
いて融点以下の温度に自然冷却されている潜熱蓄熱材４
の中に置かれた固体片１３を振動付与手段により振動さ
せて、結晶を発生させ、これを核として（凝固を誘発さ
せるようにして）潜熱蓄熱体全体に凝固を起こさせて、
融解熱を発生させる。具体的な操作は次の通りである。
熱の保存過程において蓄熱槽１の中に静かに置かれてい
る潜熱蓄熱材４と熱媒体２は、自然冷却により温度が低
下するが、熱媒体２は蓄熱槽１の壁近傍から冷却される
ことになるので、蓄熱槽１の壁に近い熱媒体２ほど、温
度が低くなる。このため、熱媒体２の密度差と重力によ
る微弱な対流が発生し、蓄熱槽１の中でより下方にある
熱媒体２ほど低い温度となっている。したがって、熱媒
体２と接する潜熱蓄熱体３は、潜熱蓄熱体３の中でより
下方にある潜熱蓄熱材４ほど低い温度、すなわち凝固開
始温度により近い温度になっており、凝固しやすい条件
にある。熱の回収過程においては、まず蓄熱槽１に取り
付けられた振動付与手段が用いられる。振動付与手段に
は、（１）固体片１３の位置で振動の振幅の腹を持つよ
うな外力を付与する振動付与手段、及び（２）固体片１
３が固体片１３の固有振動数で振動するような外力を付
与する振動付与手段がある。これらは 、いずれも 外部
からの振動のエネルギーをより有効に固体片１３の振動
に利用することができるものである。蓄熱槽１に振動す
る運動が与えられると、その運動は熱媒体２→潜熱蓄熱
体３の壁→潜熱蓄熱材４の順序で伝搬し、最後は固体片
１３を振動させる。固体片１３を磁性体とし、蓄熱槽１
に振動する磁力が与えられると、その力は固体片に伝搬
し、振動させる。固体片１３は潜熱蓄熱材４の中で、上
述のような凝固しやすい条件にある部分に置かれている
ので、課題を解決する手段で述べたように、固体片１３
の振動は潜熱蓄熱材４の凝固を誘発させる。凝固の誘発
によるごく微小な結晶が核となって、結晶は成長し、大
部分の領域を占める領域に存在する潜熱蓄熱体３の潜熱
蓄熱材４へと進展する。凝固が開始されると、上記の過
冷却の状態が破られ、潜熱蓄熱材４の温度は融点まで上
昇し、発生した熱は熱媒体２により回収される。自然冷
却により、熱の回収を行う時点で、潜熱蓄熱材４の温度
が融点よりも十分に低くかつ凝固開始温度よりも高い温
度になるように蓄熱槽１は設計されているが、何らかの
外乱により潜熱蓄熱材４の温度が依然として融点よりも
高い場合、あるいは融点より僅かに低い場合には、熱の
放出過程の凝固の誘発は以下のような操作により行う。
この工程の経路には、開閉手段（バルブ）及び熱媒体駆
動手段（ポンプ）が設置されている。潜熱蓄熱材４の温
度が融点よりも高い場合には、凝固を開始させる前に開
閉手段（バルブ）８、１０を閉じ、開閉手段（バルブ）
９、１１を開け、熱媒体駆動手段（ポンプ）１２を動作
させる。熱回収設備６で熱を回収することで低い温度に
なった熱媒体７を、潜熱蓄熱材４の温度が融点よりも低
くなるまで、連通管ｂ→蓄熱槽１→連通管ａの経路で循
環させる。潜熱蓄熱材４の温度が融点よりも僅かに低い
場合、および上述の方法で融点よりも低い温度になるま
で熱回収設備６で熱回収を行った場合には、開閉手段
（バルブ）８、１０を開け、開閉手段（バルブ）９、１
１を閉じ、熱媒体駆動手段（ポンプ）１２を動作させ
る。熱交換手段で凝固開始点に近い温度とされた熱媒体
２を、連通管ｂ→蓄熱槽１→連通管ｃの経路で循環させ
る。

【００２１】このようにして、潜熱蓄熱材４のうち固体
片１３のある部分の温度だけを凝固しやすい温度まで低
下させ、次に振動付与手段１４を用いて固体片１３を振
動させて、凝固を誘発させる。残りの潜熱蓄熱材４は、
凝固開始温度まで温度が降下しなくとも、前述したよう
に発生した微小な結晶が核となって、潜熱蓄熱材４全体
に結晶化の動きが波及することにより凝固が起こる。凝
固が開始されると、貯蔵していた融解熱によって蓄熱材
の温度が融点あるいは融点近くまで上昇する。次に、開
閉手段（バルブ）８、１０を閉じ、開閉手段（バルブ）
９、１１を開け、熱媒体駆動手段（ポンプ）１２を動作
させて熱媒体２を流す。熱媒体２は、を連通管ｂ→蓄熱
槽１→連通管ａの経路で流すことにより、潜熱蓄熱材４
の融点あるいは融点に近い温度となった熱は熱媒体２で
回収される。回収された熱は、熱回収設備６に流され、
熱交換させることにより熱利用される。

【００２２】蓄熱槽１の形状や蓄熱槽１を構成する断熱
材を適切に設計することにより、潜熱蓄熱材４の温度が
凝固開始温度を下回らないようにしたが、蓄熱期間内に
熱交換手段５を動作させ、蓄熱槽１に熱を注入すること
により、潜熱蓄熱材４の温度が凝固開始温度を下回らな
いにすることもできる。このような場合は、外部環境の
急変や何らかの事情で潜熱蓄熱材４が凝固開始温度を下
回りそうなときに有効である。また、本発明では、蓄熱
槽１の形状を円筒とし、潜熱蓄熱体３を蓄熱槽１の長手
方向に縦置きに配列してあるが、蓄熱槽１が球体や直方
体であったり、固体片１３の位置が下方以外の位置にあ
っても機能的な問題はない。すなわち、蓄熱槽１、潜熱
蓄熱体３の形状、および固体片１３の位置関係は、任意
に設定することが可能である。

【００２３】

【実施例】実施例１ 図１に示される蓄熱装置及びその装置を用いた熱回収方
法を行った。図において、１は蓄熱槽、３は潜熱蓄熱
体、４は潜熱蓄熱体中に充填されている潜熱蓄熱材であ
る。１３は、潜熱蓄熱材４の内部に封入される固体片で
ある。潜熱蓄熱材には、リン酸水素二ナトリウム・十二
水和物（Ｎａ_２ＨＰＯ_４ ・１２Ｈ_２Ｏ）（融点、約３
０９Ｋ（３６℃）。凝固開始温度、２９６Ｋ（２３℃）
程度。）を用いた。潜熱蓄熱体３にはガラス、固体片１
３にはステンレス鋼の釘を用いた。振動付与手段には、
電圧の印加により歪む圧電素子を蓄熱槽１の底面に固着
し、２５ｋＨｚの高周波電力を印加した。 潜熱蓄熱材の蓄熱工程 開閉手段（バルブ）８、１１を閉じ、開閉手段（バル
ブ）９、１０を開き、熱媒体駆動手段（ポンプ）１２を
動作させた。潜熱蓄熱材４の融点より高い温度（４０
℃）の熱媒体（水）を、連通管ｂ→流路蓄熱槽１→連通
管ａの順に循環させ、潜熱蓄熱材４を加熱し、融解させ
た。 熱の保存工程 外部環境の影響を受けて潜熱蓄熱材４の温度は徐々に低
下し、やがて潜熱蓄熱材の融点に到達するが、過冷却現
象のために凝固は開始されなかった。潜熱蓄熱材４の温
度はさらに低下し、融点よりも低い温度になるが、液体
のまま存在することができた。 熱の回収工程 振動子１４に２４ｋＨｚの高周波電流を流して蓄熱槽１
の外壁を振動させた。振動波は熱媒体２→潜熱蓄熱体３
の壁→潜熱蓄熱材４→固体片１３へと順々に伝播した。
固体片１３が潜熱蓄熱体３の内壁を摺動することによ
り、潜熱蓄熱材４に結晶核が発生し、潜熱蓄熱材４全体
に凝固が進展した。凝固が開始されると、貯蔵していた
融解熱によって蓄熱材の温度が融点あるいは融点近くに
回復し、開閉手段（バルブ）８、１０を閉じ、開閉手段
（バルブ）９、１１を開け、熱媒体駆動手段（ポンプ）
１２を動作させることにより、蓄熱材４の融点あるいは
融点に近い温度の熱媒体２から熱を回収した。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、潜熱蓄熱材を結晶化
（固相化）させるきっかけとなる刺激を、蓄熱槽に接し
て設けられた振動付与手段を用い、潜熱蓄熱材中に存在
させた固体片を介して、過冷却の状態にある潜熱蓄熱材
に与えることにより行うことができ、その際に発生する
融解熱を回収することにより蓄熱することができる蓄熱
装置及びその蓄熱装置を用いた熱回収方法が得られる。
すなわち、潜熱蓄熱材の温度を結晶化の必要な温度まで
低下させることなく結晶化のきっかけを得ることができ
るので、貯蔵した熱をより多く回収することが可能にな
る。また、本発明の蓄熱装置の蓄熱体内部に粘性を増加
させる物質を散在させることによって、固体片による結
晶化のきっかけの機能を維持したまま、蓄熱材の相分離
を防止することができ、したがって繰り返し安定した過
冷却現象を起こさせることができる。しかも、熱交換手
段を用いて蓄熱材の温度が凝固開始温度を下回らないよ
うにすることができ、蓄熱期間や環境温度が外乱によっ
て予定外に変動しても、不必要な結晶化を回避すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における蓄熱装置のフローシートであ
る。

【図２】従来の蓄熱装置の断面図である。

【符号の説明】

１ 蓄熱槽 ２ 熱媒体 ３ 潜熱蓄熱体 ４ 潜熱蓄熱材 ５ 熱交換手段 ６ 熱回収設備 ７ 蓄熱体と蓄熱槽との間の空間 ８〜１１ 開閉手段（バルブ） １２ 熱媒体駆動手段（ポンプ） １３ 固体片 １４ 振動付与手段

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
   熱体が収容され、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間には熱
   媒体を流すことができる空間が設けられており、前記固
   体片に振動を与える振動付与手段として、固体片の位置
   で振動の振幅の腹を持つような外力を付与する振動付与
   手段が敷設されていることからなることを特徴とする蓄
   熱槽。
2. 【請求項２】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
   熱体が収容され、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間には熱
   媒体を流すことができる空間が設けられており、前記固
   体片に振動を与える振動付与手段として、固体片を固体
   片の固有振動数で振動させる外力を付与する振動付与手
   段が敷設されていることからなることを特徴とする蓄熱
   槽。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のいずれかである蓄熱
   槽、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間に熱媒体を流すことので
   きる空間、前記空間に満たされた熱媒体、前記熱媒体を
   加熱・冷却するための熱交換手段、 及び前記熱媒体から熱を回収する熱回収手段を有するこ
   とを特徴とする蓄熱装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２記載のいずれかである蓄熱
   槽、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間に熱媒体を流すことので
   きる空間、前記空間と熱媒体を加熱・冷却するための熱
   交換手段とが開閉手段及び熱媒体駆動手段を介して連絡
   されている熱媒体流路、及び前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽と
   の間の空間と、熱回収設備を結ぶ連絡路とが開閉手段と
   熱媒体駆動手段を介して連絡されている熱媒体流路から
   なることを特徴とする蓄熱装置。
5. 【請求項５】請求項１又は２記載のいずれかである蓄熱
   槽、前記熱媒体を前記蓄熱槽に導入し、潜熱蓄熱体と蓄
   熱槽との間の空間を経由させたのちに蓄熱槽から排出し
   て、再び蓄熱槽に導入するに至る熱媒体循環経路に、熱
   媒体を加熱・冷却するための熱交換手段及び熱回収設備
   が並列に設置され、前記循環経路中に熱媒体の流れを調
   節する開閉手段及び熱媒体駆動手段が設けられており、
   さらに前記循環経路とは別に、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との
   間の空間の一部を経由させたのちに蓄熱槽から熱媒体を
   排出し、前記循環経路に接続される熱媒体流路が、開閉
   手段を介して設けられていることを特徴とする蓄熱装
   置。
6. 【請求項６】潜熱蓄熱材に粘性を増加させる物質を添加
   して用いることを特徴とする請求項１乃至５記載のいず
   れかである蓄熱装置。
7. 【請求項７】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
   熱体を収容しており、前記固体片に振動を与える振動付
   与手段として、固体片の位置で振動の振幅の腹を持つよ
   うな外力を付与する振動付与手段を敷設した蓄熱槽を用
   いて、前記潜熱蓄熱材を融解させたのちに過冷却状態で
   保持し、前記固体片に振動を付与して潜熱蓄熱材を凝固
   させることにより、融解熱を発生させ、熱回収すること
   を特徴とする蓄熱及び熱回収方法。
8. 【請求項８】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
   熱体を収容しており、前記固体片に振動を与える振動付
   与手段として、固体片を固体片の固有振動数で振動させ
   る外力を付与する振動付与手段を敷設した蓄熱槽を用い
   て、前記潜熱蓄熱材を融解させたのちに過冷却状態で保
   持し、前記固体片に振動を付与して潜熱蓄熱材を凝固さ
   せることにより、融解熱を発生させ、熱回収することを
   特徴とする蓄熱及び熱回収方法。
9. 【請求項９】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱蓄
   熱体を収容しており、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間に
   熱媒体を流すことができる空間、前記空間に満たされた
   熱媒体を有している蓄熱槽に、前記固体片に振動を与え
   る振動付与手段として、固体片の位置で振動の振幅の腹
   を持つような外力を付与する振動付与手段を敷設した蓄
   熱槽を用いて、前記熱媒体により前記潜熱蓄熱材を加熱
   融解させたのちに過冷却状態で保持し、前記固体片に振
   動を付与して潜熱蓄熱材を凝固させることにより、融解
   熱を発生させ、発生した融解熱を前記熱媒体で回収する
   ことを特徴とする蓄熱及び熱回収方法。
10. 【請求項１０】潜熱蓄熱材及び固体片が封入された潜熱
    蓄熱体を収容しており、前記潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間
    に熱媒体を流すことができる空間、前記空間に満たされ
    た熱媒体を有している蓄熱槽に、前記固体片に振動を与
    える振動付与手段として、固体片を固体片の固有振動数
    で振動させる外力を付与する振動付与手段を敷設した蓄
    熱槽を用いて、前記熱媒体により潜熱蓄熱材を加熱融解
    させたのちに過冷却状態で保持し、前記固体片に振動を
    付与して潜熱蓄熱材を凝固させることにより、融解熱を
    発生させ、発生した融解熱を前記熱媒体で回収すること
    を特徴とする蓄熱及び熱回収方法。
11. 【請求項１１】請求項９乃至１０記載のいずれかによる
    蓄熱及び熱回収方法において、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との
    間の空間と、熱媒体を加熱・冷却するための熱交換手段
    とが開閉手段及び熱媒体駆動手段を介して連絡されてお
    り、この通路に熱媒体を流して潜熱蓄熱材を融解させた
    のちに過冷却状態で保持し、固体片に振動を付与して潜
    熱蓄熱材を凝固させることにより、融解熱を発生させ、
    潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間と、熱回収設備とを結
    ぶ連絡路が、開閉手段と熱媒体駆動手段とを介して連絡
    されている通路に熱媒体を流して、潜熱蓄熱材から発生
    する融解熱を回収することを特徴とする蓄熱及び熱回収
    方法。
12. 【請求項１２】請求項９又は１０記載のいずれかの蓄熱
    及び熱回収方法において、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の
    空間と、熱媒体を加熱・冷却するための熱交換手段とが
    開閉手段及び熱媒体駆動手段を介して連絡されており、
    この熱媒体循環経路に熱媒体を流して潜熱蓄熱材を融解
    させたのちに過冷却状態で保持し、前記循環経路とは別
    に、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間の一部を経由させ
    た後に蓄熱槽から熱媒体を排出し、前記循環経路に開閉
    手段を介して接続される熱媒体流路に熱媒体を流して潜
    熱蓄熱材を冷却したのちに、前記固体片に振動を付与し
    て潜熱蓄熱材を凝固させることにより、融解熱を発生さ
    せ、潜熱蓄熱体と蓄熱槽との間の空間と、熱交換手段と
    並列に設置されている熱回収設備とを開閉手段と熱媒体
    駆動手段を介して連絡する通路に熱媒体を流して、潜熱
    蓄熱材から発生する融解熱を回収することを特徴とする
    蓄熱及び熱回収方法。
13. 【請求項１３】潜熱蓄熱材に粘性を増加させる物質を添
    加して用いることを特徴とする請求項６乃至１０いずれ
    か記載の蓄熱及び熱回収方法。