JP2006284008A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潜熱蓄熱材の過冷却を解除するために蓄熱体の一端が発核部に隔離された蓄熱体を冷却して発核を促進させる際に、該発核部と冷却されない蓄熱部との間で蓄熱槽の壁の熱伝導に起因する熱損失が発生していた。
【解決手段】潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、該蓄熱材の過冷却を解除するために冷却される領域を蓄熱槽の内部で熱的に隔離する。あるいは、該蓄熱材の過冷却を解除するための領域以外の領域を蓄熱槽の内部で熱的に隔離する。あるいは、それら双方を同時に適用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物質の相変化を利用して外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱装置に関するものである。

潜熱蓄熱材を融解させて貯蔵した熱を回収し、利用するには、温度が低下し、凝固点以下の温度に達した潜熱蓄熱材を、必要時に凝固させ、凝固熱を発生させる必要がある。潜熱蓄熱材に考えられている物質の多くは、温度が凝固点に低下しても直ちに凝固を開始せず、凝固点よりも低い温度まで過冷却したのちに、凝固を開始し、凝固熱を放出する性質がある。凝固点と凝固開始温度との差、すなわち過冷却度は物質やその置かれた状態により異なるが、６０℃あまりに達する物質もある。このため、潜熱蓄熱材の融液を凝固点以下の温度で速やかに発核させ、凝固を開始させる方法が種々考案されてきている。

図５は特許第３４７２７９５号明細書等に記載されている従来の蓄熱装置を示す。図において、２１は蓄熱容器、２２は前記蓄熱容器２１の中に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、蓄熱容器２１と潜熱蓄熱材２２とで蓄熱体を形成する。２３は前記蓄熱体を収容する蓄熱槽、２４は蓄熱槽２３の内部を上方の蓄熱部（Ａ）と下方の発核部（Ｂ）とに分割する断熱体、２５は蓄熱槽外面に設けられた断熱材、２６と２７は過冷却を解除するときに熱媒体を注入するための経路、２８と２９は過冷却解除によって得られる熱を熱媒体を介して抽出するための経路、３０は熱源、３１は熱利用設備である。

上述のように構成された蓄熱装置において、熱の注入過程では熱源３０から経路２６、経路２７および経路２８、経路２９を介して蓄熱槽２３の蓄熱部及び発核部に高温の熱媒体を循環させ、潜熱蓄熱材２２を融解させる。熱の保存過程では、潜熱蓄熱材２２の過冷却状態を保持し続ける。熱の抽出過程では、潜熱蓄熱材２２の過冷却状態を解除するために自発的発核温度よりも低い温度の熱媒体を熱源４０から経路２６、経路２７を介して蓄熱槽２３の発核部に循環させ、発核部に位置する潜熱蓄熱材２２を冷却する。この操作により、潜熱蓄熱材２２の下部から発核が起こり、潜熱蓄熱材２２の再結晶化が始まる。ひとたび再結晶化が始まれば、結晶は急速に上方へ成長していく。そこで、熱媒体を蓄熱槽２３の蓄熱部に循環させれば、潜熱蓄熱材２２から放出される凝固熱を回収し、蓄熱装置に接続された熱利用設備で利用することができる。
特許第３４７２７９５号明細書

上述のように構成された蓄熱装置においては、熱の抽出過程で潜熱蓄熱材２２の過冷却状態を解除するために自発的発核温度よりも低い温度の熱媒体を熱源４０から経路２６、経路２７を介して蓄熱槽２３の発核部に循環させ、発核部に位置する潜熱蓄熱材２２を冷却する際に、蓄熱槽壁を伝導する熱によって蓄熱部と発核部との間で熱交換が起きやすく、蓄熱部の温度を低下させるとともに、逆に発核部の温度を上昇させ、発核操作が非効率になることが問題であった。また、発核部が室温よりも低温になる条件では、蓄熱槽壁と断熱材２５を伝導する熱によっても発核部は過熱される状態になり、発核操作が非効率になることが問題であった。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、熱損失量の少なく、発核が効率的に行われることが可能な蓄熱装置を提供することを目的とする。

本発明による蓄熱装置は、内部に潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体が貫通され、前記蓄熱槽をその容積の過半を占める第１領域Ａ（以下「領域Ａ」と略称する）と残りの第２領域Ｂ（以下「領域Ｂ」と略称する）とに分離する断熱板と、前記断熱板を除き前記領域Ｂの内面に断熱層とを備えることを特徴とする。

また、内部に潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体が貫通され、前記蓄熱槽をその容積の過半を占める領域Ａと残りの領域Ｂとに分離する断熱板と、前記断熱板を除き前記領域Ａの内面に断熱層が設けられていることを特徴とする。
また、前記断熱板を除き前記領域Ａの内面にも断熱層が設けられていることを特徴とする。

さらに、前記蓄熱体と前期断熱板の接触面、前記断熱板と前記蓄熱槽の接触面、前記蓄熱槽と前記断熱層の接触面、前記断熱層と前記断熱板の接触面は、防液性のグリスが塗布または耐液性の物質で接着または溶着されていることを特徴とする。
また、前記断熱板を除き前記領域Ｂの内面に設けられた断熱層は、蓄熱槽内側面の断熱層が蓄熱層端面の断熱層の外周に被さっていることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽の配管接続部分にある前記断熱層の貫通部分には、スリーブがはめ込まれていることを特徴とする。

本発明の蓄熱装置によれば、領域Ｂが蓄熱槽の内部で熱的に絶縁されているので、蓄熱槽壁の熱伝導による領域Ｂと領域Ａとの間の熱交換を抑制することができる。あるいは、領域Ａが蓄熱槽の内部で熱的に絶縁されているので、蓄熱槽壁の熱伝導による領域Ａと領域Ｂとの間の熱交換を抑制することができる。あるいは、領域Ａと領域Ｂとが蓄熱槽の内部でそれぞれ独立的に熱絶縁されているので、蓄熱槽壁の熱伝導による領域Ａと領域Ｂとの間の熱交換を強く抑制することができる。これによって、領域Ｂの冷却操作を効率的に行うことができ、領域Ｂにある蓄熱体の発核時間の短縮と領域Ａにある蓄熱体の蓄熱量減少の抑制を同時に図ることが可能になる。また、蓄熱槽内部に設ける断熱層を通過する熱媒体の流路の確保と、蓄熱槽と断熱層との間の隙間への熱媒体の流れ込みも防止することが可能になる。

本発明の蓄熱装置は、蓄熱槽の領域Ａあるいは領域Ｂあるいはそれら双方が蓄熱槽の内部で熱的に絶縁されていることを特徴とする。

図１は本発明の蓄熱装置の断面構造図である。図において、１は例えばポリプロピレンからなる蓄熱容器である。２は蓄熱容器１の中に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、例えばでんぷん質の相分離防止剤を添加した燐酸水素二ナトリウム十二水和物（融点３６℃）を主成分とする。蓄熱容器１と潜熱蓄熱材２とで蓄熱体を形成する。容器１および潜熱蓄熱材２は、材料適合性があれば種々の材料の組み合わせが考えられ、本実施例に限定されない。たとえば、容器１の材料にはポリエチレンやフッ素樹脂、ステンレス鋼、酸化アルミニウムなども耐食性が高く、種々の潜熱蓄熱材２に適用できる。また、潜熱蓄熱材２は必要とする融点に応じた物質が選択可能であり、たとえば 硫酸ナトリウム十水和物（融点３２℃）、塩化カルシウム六水和物（融点２９℃）、チオ硫酸ナトリウム五水和物（融点４８℃）、酢酸ナトリウム三水和物（融点５８℃）、塩化マグネシウム六水和物（融点１１５℃）などの水和物、スレイトール（融点８８℃）、エリスリトール（融点１１８℃）、マンニトール（融点１６７℃）、ズルシトール（融点１８７℃）、ペンタエリスリトール（融点１８７℃）、イノシトール（融点２２４℃）などの多価アルコール類、各種融点のパラフィン類、尿素樹脂（融点１３３℃）などの有機物も使用できる。

３は前記蓄熱体を収容する蓄熱槽であり、蓄熱部分Ａと過冷却解除のときに自発的発核温度以下の冷熱によって冷却される発核部分Ｂとに断熱板４を介して分断される。蓄熱体は断熱板４に開けられた孔を貫通し、過半は蓄熱部分Ａに位置し、残りが発核部分Ｂに位置する。蓄熱槽３の材質は、ステンレス鋼やポリプロピレン、架橋ポリエチレンなどの耐熱、耐食、防液性及び支持強度のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。断熱板４の材質は、フッ素ゴム、シリコンゴムおよびそれらの発泡体などの耐熱、耐食、防液性及び断熱性のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。特に、断熱板４に弾性のある材料を用いると蓄熱部分Ａと発核部分Ｂ間のシール性がよくなる。５は蓄熱槽の外面に設けられた断熱材、６は蓄熱槽内を循環する熱媒体、７と８は過冷却を解除するときに熱媒体を注入するための経路、９と１０は過冷却解除によって得られる熱を熱媒体を介して抽出するための経路である。１１は熱媒体６を循環させるためのポンプであり、１２は蓄熱槽の外部に設けられている熱源で、加熱／冷却の駆動力は電気や燃焼熱、太陽熱など種類を問わない。１３は熱利用設備である。

１４は発核部Ｂの蓄熱槽内面に設けられた断熱層である。断熱層１４は断熱板４を除く発核部Ｂの内面すべてに設けられるが、蓄熱槽３と経路７や８の接続部分は熱媒体６を通過させるための孔が開けられている。断熱層１４は中空の真空断熱体や断熱板４と同様の材料を適用することができる。断熱層１４は、蓄熱槽３の内側面に位置する部材が蓄熱槽３の端面に位置する部材の外周に被さるように組み合わせる。
蓄熱容器１と断熱板４の接触面、断熱板４と蓄熱槽３の接触面、蓄熱槽３と断熱層１４の接触面、断熱層１４と断熱板４の接触面には、防液性のグリスが塗布されている。

次に上述のように構成された蓄熱装置の動作について説明する。まず、熱の注入時には、熱源１２から蓄熱槽３の蓄熱部Ａと発核部Ｂに経路７→８及び経路９→１０の順に高温の熱媒体６を循環させ、容器１を介して潜熱蓄熱材２を加熱し、融解させる。蓄熱が完了すると、熱媒体６の循環を停止させ、蓄熱槽３を放置する。熱の保存期間においては、蓄熱槽から蓄熱槽周囲環境への熱損失のために、潜熱蓄熱材２の温度は徐々に低下し、過冷却状態になる。この際、発核部Ｂの温度が潜熱蓄熱材２の自発的発核温度を下回らないように熱媒体６を少量循環させて保持する。

熱の抽出時には、熱源５から潜熱蓄熱材２の自発的発核温度よりも低温の熱媒体６を経路７から経路８へ循環させ、潜熱蓄熱材２を冷却することで発核を起こさせる。一度発核が起こると結晶は上方に成長し、蓄熱部Ａに潜熱を放出しながら凝固が進展する。放出される潜熱を抽出するために経路９から経路１０に熱媒体６を循環させ、蓄熱体から熱媒体６に熱を移動させる。潜熱蓄熱材２の凝固熱で加熱された熱媒体６を熱利用設備１３に導入し、その熱源として利用する。

潜熱蓄熱材２を発核させるために発核部Ｂに低温の熱媒体６を循環させる際、熱媒体６と蓄熱槽３は熱的に隔離されているので、蓄熱槽３の熱伝導で蓄熱部Ａが発核部Ｂから漏れた熱で冷却されることが抑制されるので、発核操作による蓄熱部Ａの蓄熱量の減少が抑制される。その逆の効果として、蓄熱槽３の熱伝導で発核部Ｂが蓄熱部Ａから漏れた熱で加熱されることが抑制されるので、発核操作で発核部Ｂにある潜熱蓄熱材２が迅速に冷却され、発核時間が短縮される。

断熱板４や断熱層１４は一般的に熱媒体６よりも密度が小さいので、熱媒体６の中では浮き上がろうとする。しかし、熱媒体６よりも蓄熱体の方が一般的に密度が大きいので、断熱板４は蓄熱体に押さえつけられて、浮き上がることはない。断熱板４は発核部Ｂの内側面に位置する断熱層１４に被さっているので、内側面の断熱層１４は断熱板４で押さえつけられて、浮き上がることはない。さらに、図１のように蓄熱槽３の内側面に位置する断熱層１４の部材は蓄熱槽３の端面に位置する部材の外周に被さるように配置されているので、端面に位置する部材は内側面に位置する部材で押さえつけられて、浮き上がることはない。すなわち、断熱層１４の位置関係を図１のようにすることによって、接着や他の部材を使用することなく密度の小さな断熱層を確実に固定することが可能になる。
蓄熱容器１と断熱板４の接触面、断熱板４と蓄熱槽３の接触面、蓄熱槽３と断熱層１４の接触面、断熱層１４と断熱板４の接触面には、防液性のグリスが塗布されているので、それぞれの接触面の隙間を通した熱媒体６の移動による熱交換を抑制することができる。グリスによる熱媒体６の移動の抑止は、接触面を耐液性の物質で接着または溶着することで代替することも可能である。

図２は、本発明の他の蓄熱装置の断面構造図を示す。図において、１〜１４は実施例図１と同一あるいは相当する部分を示す。１５は蓄熱部Ａの下部内側面に設けられた断熱層であり、構造や材質は断熱層１４と同様のものが適用できる。 断熱層１５を設けることにより、蓄熱槽３の熱伝導で蓄熱部Ａが発核部Ｂから漏れた熱で冷却されることが実施例１よりも強く抑制されるので、発核操作による蓄熱部Ａの蓄熱量の減少がより強く抑制される。またその逆の効果として、蓄熱槽３の熱伝導で発核部Ｂが蓄熱部Ａから漏れた熱で加熱されることが実施例１よりも強く抑制されるので、発核操作で発核部Ｂにある潜熱蓄熱材２が迅速に冷却され、発核時間がより短縮される。
断熱板４を除く蓄熱部Ａの内面すべてを断熱層１５で被覆すれば、蓄熱部Ａの断熱効果がより高まるが、蓄熱部Ａにある熱媒体６は断熱板４から遠ざかるほど蓄熱槽３の熱伝導による発核部Ｂとの間の熱交換量が小さくなるので、図２のように断熱層１５は断熱板４の近傍に設けるだけでも、熱交換の抑制効果は大きい。
また、断熱層１４を設けずに断熱層１５のみを設けても、断熱層１４のみを設けた場合と同等の熱損失削減効果を得ることができる。

図３及び図４は、本発明の他の実施例の部分構造図及び部品図を示す。図３において、１〜５、７、１４は図１と同一あるいは相当する部分を示す。１６は蓄熱槽３と経路７との接続部にはめ込まれたスリーブである。スリーブ１６は蓄熱槽３近傍の経路７の内面、経路７から蓄熱槽３へ熱媒体６を導入するために蓄熱槽３に開けられている流通口、および断熱層１４に開けられている流通口を連続的に被覆している。スリーブ１６は、例えば経路７が円管の場合には図４のような構造を採る。スリーブ１６の材質は、ステンレス鋼やポリプロピレン、架橋ポリエチレンなどの耐熱、耐食、防液性のある材料であれば、種々の材料が選択可能であるが、とくに樹脂のように熱伝導率の小さな材料を適用する方が、断熱効果の点で優れている。図示していないが、断熱層１４に開けられている流通口に対する経路８の接続部や、断熱層１５の流通口に開けられている経路９や経路１０の接続部においても、同様のスリーブ１６がはめ込まれる。

スリーブ１６を挿入することにより、蓄熱槽３と断熱層１４や１５との間の隙間への熱媒体６の流れ込みを防止することができる。また、熱媒体６と蓄熱槽３との間にスリーブ１７が挟まれることで、熱媒体６と蓄熱槽３との間の熱交換量を減少させられるので、蓄熱槽３の熱伝導に起因する蓄熱部Ａと発核部Ｂとの間の熱交換損失を低減させ、断熱層１４や１５の効果をより高めることが可能になる。

本発明の蓄熱装置の断面構造図である。（実施例１） 本発明の蓄熱装置の断面構造図である。（実施例２） 本発明の蓄熱装置の部分断面構造図である。（実施例３） スリーブの断面図である。 従来の蓄熱装置の断面図である。

符号の説明

１ 蓄熱容器
２ 潜熱蓄熱材
３ 蓄熱槽
４ 断熱板
５ 断熱材
６ 熱媒体
１４、１５ 断熱層
１６ スリーブ

Claims (6)

1. 内部に潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体が貫通され、前記蓄熱槽をその容積の過半を占める第１領域Ａと残りの第２領域Ｂとに分離する断熱板と、前記断熱板を除き前記第２領域Ｂの内面に断熱層とを備えることを特徴とする蓄熱装置。
2. 内部に潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体が貫通され、前記蓄熱槽をその容積の過半を占める第１領域Ａと残りの第２領域Ｂとに分離する断熱板と、前記断熱板を除き前記第１領域Ａの内面に断熱層が設けられていることを特徴とする蓄熱装置。
3. 前記断熱板を除き前記第１領域Ａの内面にも断熱層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
4. 前記蓄熱体と前期断熱板の接触面、前記断熱板と前記蓄熱槽の接触面、前記蓄熱槽と前記断熱層の接触面、前記断熱層と前記断熱板の接触面は、防液性のグリスが塗布または耐液性の物質で接着または溶着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の蓄熱装置。
5. 前記断熱板を除き前記第２領域Ｂの内面に設けられた断熱層は、蓄熱槽内側面の断熱層が蓄熱層端面の断熱層の外周に被さっていることを特徴とする請求項１又は請求項３又は請求項４に記載の蓄熱装置。
6. 前記蓄熱槽の配管接続部分にある前記断熱層の貫通部分には、スリーブがはめ込まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の蓄熱装置。
   

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