JP2005241146A - 蓄熱システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱面の表面に蓄熱物質の固相が付着してしまい、伝熱性が悪くなるのを防止することができる蓄熱システムを提供する。
【解決手段】 本発明の蓄熱システムは、熱媒体Ａと、固体からなる伝熱層Ｂと、液体からなる伝熱層Ｃと、伝熱層Ｂ及び伝熱層Ｃを介して熱媒体Ａと熱交換を行い、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる蓄熱物質Ｄと、蓄熱物質Ｄと混合することがない伝熱層Ｃを波立たせる手段と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、蓄熱物質が相変化するときに生じる潜熱を利用した産業用又は家庭用の蓄熱システム及び蓄熱方法に関する。

蓄熱物質が相変化するときに生じる潜熱を利用した熱交換器として、潜熱蓄熱器が知られている。潜熱蓄熱器は、温度に応じて液相から固相へ又は固相から液相へ変化しうる蓄熱物質と、この蓄熱物質に接触する伝熱面を有する熱交換器と、熱交換器の内部を流れ、蓄熱物質と熱交換を行う熱媒体とを備える。

潜熱蓄熱器では、融点が高温での蓄熱の場合、熱交換器に蓄熱物質の融点よりも温度が高い熱媒体を流入させ、熱媒体から蓄熱物質へ伝熱面を介して熱を伝導させ、これにより蓄熱物質を固相から液相へ相変化させる。一方、放熱の場合、熱交換器に蓄熱物質の融点よりも温度が低い熱媒体を流入させ、蓄熱物質から熱媒体へ伝熱面を介して伝熱し、これにより蓄熱物質を液相から固相へ相変化させる。

しかしながら、特に放熱の場合、伝熱面に接触する部分の蓄熱物質が冷えることになるので、伝熱面に蓄熱物質の固相が付着する。固相は液相よりも一般的に熱伝導率が悪いので、あたかも断熱材のような役割をし、この結果、蓄熱物質から熱媒体への伝熱性が悪くなり、熱をなかなか取り出せないという問題が生じていた。

このような熱応答性の悪さを解消するために、熱交換器の伝熱面と蓄熱物質とで熱交換する際、固相を伝熱面から剥離すべく、伝熱面と蓄熱物質との間に剥離材として水銀等の流体又はポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））を挟む技術が知られている（例えば特許文献１、請求項１参照）。

特開平５−２０３２０１号公報

しかしながら、蓄熱物質と伝熱面との間に単に剥離材を配置しただけでは、板状の固相が伝熱面に付着するのみで、伝熱面から固相を剥がすことができない。また、この技術では、蓄熱物質の固相と液相との比重差が大きいことが重要であり、蓄熱器が上から順に蓄熱物質、剥離材、伝熱面、熱媒体とで構成される場合、蓄熱物質の固相は液相より比重が小さい必要があり、蓄熱物質の使用条件が限られていた。

そこで、本発明は、伝熱面の表面に蓄熱物質の固相が付着してしまい、伝熱性が悪くなるのを防止することができ、しかも蓄熱物質の使用条件も限られることがない蓄熱システム及び方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、熱媒体Ａと、固体からなる伝熱層Ｂと、液体からなる伝熱層Ｃと、前記伝熱層Ｂ及び前記伝熱層Ｃを介して前記熱媒体Ａと熱交換を行い、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる蓄熱物質Ｄと、前記蓄熱物質Ｄと混合することがない前記伝熱層Ｃを波立たせる手段と、を備えることを特徴とする蓄熱システムにより、上述した課題を解決する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記熱媒体Ａが収容される収容部に、前記熱媒体Ａの流入口及び流出口を設け、前記熱媒体Ａを流動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記蓄熱物質又は前記伝熱層Ｃの内部に、流体を吹き込むためのノズルの先端を配置し、前記波立たせる手段は、前記ノズルから流体を吹き込むことによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄが収容される容器に、前記伝熱層Ｃの流体の流入口及び流出口を設け、前記伝熱層Ｃの流体を流動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記固体からなる伝熱層Ｂを振動させる振動発生装置を設け、前記伝熱層Ｂを振動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記伝熱層Ｃ又は前記蓄熱物質Ｄを、撹拌羽根を有する回転体を用いて撹拌する撹拌機構を設け、前記伝熱層Ｃ又は前記蓄熱物質Ｄを撹拌することによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄに電場又は磁場を与える電場又は磁場発生回路を設け、前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄに電場又は磁場を与えることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする。

請求項８の発明は、熱媒体Ａと、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる蓄熱物質Ｄとで、固体からなる伝熱層Ｂ及び液体からなる伝熱層Ｃを介して熱交換を行う蓄熱方法において、前記蓄熱物質Ｄと混合することがない前記伝熱層Ｃを、波立たせることを特徴とする蓄熱方法により、上述した課題を解決する。

この発明によれば、伝熱層Ｃの表面に付着する蓄熱物質の固相を、流体からなる伝熱層Ｃの波の力によって強制的に剥がすことができる。このため、蓄熱システムの伝熱性を向上させることができ、また蓄熱物質を過冷却するのを防止することができる。

以下添付図面に基づいて本発明の蓄熱システムを説明する。図１は蓄熱システムの原理図を示す。蓄熱システムは、上層から順に、熱媒体Ａ、固体からなる伝熱層Ｂ、液体からなる伝熱層Ｃ、熱媒体Ａと熱交換を行う蓄熱物質Ｄを有する。熱媒体Ａと蓄熱物質Ｄとは、伝熱層Ｂ及び伝熱層Ｃを介して熱交換を行う。

このような蓄熱システムは、蓄熱物質Ｄが相変化（液体・固体）するときに生じる潜熱を利用するもので、例えば水の潜熱を利用した氷蓄熱システムや、例えば融点８０℃の蓄熱物質の潜熱を利用した温熱蓄熱システムが一例として挙げられる。氷蓄熱システムの場合、熱媒体Ａには例えば−２０℃まで凍らないクーラント等が用いられ、蓄熱物質Ｄには水が用いられる。また、上記温熱蓄熱システムの場合、熱媒体Ａには例えば水が用いられ、蓄熱物質Ｄには融点８０℃の物質が用いられる。

熱媒体Ａは、気相、液相、気液混合、固気混合、固液混合、超臨界状態の流体からなる。熱媒体Ａの種類は、熱交換の対象となる蓄熱物質Ｄに応じて決定される。この熱媒体は、伝熱層Ｂに沿って流動しているのが一般的であるが、流動していなくてもよい。

伝熱層Ｂは、熱伝導性の良い金属又は樹脂等の固体からなり、一方の表面が熱媒体Ａに接触し、他方の表面が伝熱層Ｃに接触している。

伝熱層Ｃと蓄熱物質Ｄとの間には、蓄熱物質Ｄと混合することがない流体からなる伝熱層Ｃが設けられる。伝熱層Ｃは、液相でも気相でもよい。伝熱層Ｃには、伝熱性が良く、蓄熱物質Ｄに対して不活性な、例えばＨｅガス、Ｓｉオイル等の流体が用いられる。伝熱層Ｃの一方の表面は、固体からなる伝熱層Ｂに接触し、他方の表面は、蓄熱物質Ｄと接触する。蓄熱物質Ｄに接触する伝熱層Ｃの表面が蓄熱システムの伝熱面となる。

蓄熱物質Ｄは、上述のとおり、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる物質である。

このような蓄熱システムにおいて、蓄熱の場合、蓄熱物質Ｄの融点よりも温度が高い熱媒体Ａを用いて、熱媒体Ａから蓄熱物質Ｄへ伝熱層Ｂ及び伝熱層Ｃを介して熱を伝導させる。これにより、蓄熱物質Ｄが固相から液相へ相変化する。一方、放熱の場合、蓄熱物質Ｄの融点よりも温度が低い熱媒体Ａを用いて、蓄熱物質Ｄから熱媒体Ａへ伝熱層Ｂ及び伝熱層Ｃを介して熱を伝導させる。これにより、蓄熱物質Ｄが液相から固相へ相変化する。

放熱の場合、伝熱層Ｃの伝熱面には、蓄熱物質Ｄが相変化した固相が付着する。本実施形態では、伝熱層Ｃを常に波立たせる手段を設け、伝熱面に付着した蓄熱物質Ｄの固相を強制的に動くような状態にし、これにより伝熱層Ｃから蓄熱物質Ｄの固相を剥離する。伝熱層Ｃを波立たせて強制的に蓄熱物質の固相を剥離するので、蓄熱物質Ｄの固相と液相との密度差に関係なく、固相を剥離することができる。また、伝熱層Ｃを波立たせることで、蓄熱物質Ｄを撹拌したり、スケールを除去したりでき、より熱交換効率を向上させることができる。

以下伝熱層Ｃを波立たせる手段について、具体的に説明する。図２は、本発明の第１の実施形態における蓄熱システムを示す。図中（Ｂ）は、蓄熱システムユニットＵを示し、図中（Ａ）は、図中（Ｂ）で示される蓄熱システムユニットＵを、熱交換効率を向上させるために複数積み重ねたスタック型の蓄熱システムを示す。上記原理図で説明したとおり、蓄熱システムユニットＵの層は、熱媒体Ａ、伝熱層Ｂ、伝熱層Ｃ、蓄熱物質Ｄで構成される。この実施形態では、図中（Ｂ）に示されるように、熱媒体Ａが収容される収容部５に、熱媒体Ａの流入口２及び流出口１を設け、これらの流入口２及び流出口１に、流入管３及び流出管４を接続している。伝熱層Ｂは容易に変形し易い弾性材質からなる。そして、流入口２から収容部５に熱媒体Ａを流入し、流出口１から熱媒体Ａを流出させる。熱媒体Ａを流動させることによって、弾性材質の伝熱層Ｂを変形させ、ひいては伝熱層Ｃを変形・波立たせる。各ユニットの境には、金属又は樹脂等の固体からなるＥ層６が設けられる。

図３は、本発明の第２の実施形態における蓄熱システムを示す。この実施形態では、熱媒体Ａを管状の伝熱層Ｂ内に充満し、ポンプによって伝熱層Ｂに沿って流している。伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄが収容される容器７には、ノズル８が挿入される。ノズル８の先端８ａは蓄熱物質Ｄの内部に配置される。そして、ノズル８から例えば伝熱層Ｃの流体、若しくは高圧ガスを蓄熱物質Ｄに吹き込むことによって、伝熱層Ｃを波立たせる。ノズル８から吹き込まれた流体は、排出部９から排出される。なお、蓄熱物質Ｄの内部にノズル８の先端８ａを配置する代わりに、伝熱層Ｃの内部にノズル８の先端８ａを配置し、伝熱層Ｃの内部に流体を吹き込んでも良い。

図４は、本発明の第３の実施形態における蓄熱システムを示す。この実施形態では、伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄが収容される容器１０に、伝熱層Ｃの流体の流入口１１及び流出口１２が設けられる。そして、図示しないポンプによって伝熱層Ｃの流体を伝熱層Ｂに沿って流動させ、これにより伝熱層Ｃを波立たせている。

図５は、本発明の第４の実施形態における蓄熱システムを示す。この実施形態では、固体からなる伝熱層Ｂをノッカー１３等の振動発生装置によって振動させる。伝熱層Ｂを振動させることによって、伝熱層Ｂに接触する伝熱層Ｃを振動させ、これにより伝熱層Ｃを波立たせている。

図６は、本発明の第５の実施形態における蓄熱システムを示す。伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄが収容される容器１４の内部には、撹拌羽根を有する回転体１５が設けられる。図示しない回転機構で回転体１５を回転させて、伝熱層Ｃ又は蓄熱物質Ｄを撹拌する。この撹拌によって、伝熱層Ｃを波立たせる。

図７は、本発明の第６の実施形態における蓄熱システムを示す。この実施形態では、伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄが収容される容器１６と伝熱層Ｂとの間に、電場発生回路として交流電源回路１７を接続し、伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄに電場を与える。電源回路がショートしないように、容器１６はその一部が絶縁されている。伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄに電場を与えると、伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄの表面張力が変化して、伝熱層Ｃが波立つ。伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄに電場を与える代わりに、磁場を与えても良い。

蓄熱システムの原理図。 本発明の第１の実施形態における蓄熱システムを示す図。 本発明の第２の実施形態における蓄熱システムを示す図。 本発明の第３の実施形態における蓄熱システムを示す図。 本発明の第４の実施形態における蓄熱システムを示す図。 本発明の第５の実施形態における蓄熱システムを示す図。 本発明の第６の実施形態における蓄熱システムを示す図。

符号の説明

１…熱媒体Ａの流出口
２…熱媒体Ａの流入口
５…熱媒体Ａが収容される収容部
７，１０，１４，１６…伝熱層Ｃ及び蓄熱物質Ｄが収容される容器
８・・・ノズル
８ａ・・・ノズルの先端
１１・・・伝熱層Ｃの流体の流入口
１２・・・伝熱層Ｃの流体の流出口
１３・・・ノッカー（振動発生装置）
１５・・・回転体
１７・・・交流電源回路（電場発生回路）
Ａ・・・熱媒体
Ｂ・・・伝熱層
Ｃ・・・伝熱層
Ｄ・・・蓄熱物質

Claims (8)

1. 熱媒体Ａと、
   固体からなる伝熱層Ｂと、
   液体からなる伝熱層Ｃと、
   前記伝熱層Ｂ及び前記伝熱層Ｃを介して前記熱媒体Ａと熱交換を行い、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる蓄熱物質Ｄと、
   前記蓄熱物質Ｄと混合することがない前記伝熱層Ｃを波立たせる手段と、
   を備えることを特徴とする蓄熱システム。
2. 前記熱媒体Ａが収容される収容部に、前記熱媒体Ａの流入口及び流出口を設け、
   前記熱媒体Ａを流動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記蓄熱物質Ｄ又は前記伝熱層Ｃの内部に、流体を吹き込むためのノズルの先端を配置し、
   前記波立たせる手段は、前記ノズルから流体を吹き込むことによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
4. 前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄが収容される容器に、前記伝熱層Ｃの流体の流入口及び流出口を設け、
   前記伝熱層Ｃの流体を流動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
5. 前記固体からなる伝熱層Ｂを振動させる振動発生装置を設け、
   前記伝熱層Ｂを振動させることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
6. 前記伝熱層Ｃ又は前記蓄熱物質Ｄを、撹拌羽根を有する回転体を用いて撹拌する撹拌機構を設け、
   前記伝熱層Ｃ又は前記蓄熱物質Ｄを撹拌することによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
7. 前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄに電場又は磁場を与える電場又は磁場発生回路を設け、
   前記伝熱層Ｃ及び前記蓄熱物質Ｄに電場又は磁場を与えることによって、前記伝熱層Ｃを波立たせることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
8. 熱媒体Ａと、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる蓄熱物質Ｄとで、固体からなる伝熱層Ｂ及び液体からなる伝熱層Ｃを介して熱交換を行う蓄熱方法において、
   前記蓄熱物質Ｄと混合することがない前記伝熱層Ｃを、波立たせることを特徴とする蓄熱方法。

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