JP2007107773A - 蓄熱装置、ヒートポンプシステムおよびソーラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 過冷却現象を生じる水和物スラリを用いて蓄熱、放熱を行う蓄熱装置において、熱交換器内部の伝熱面において水溶液の過冷却が解除されると、生成した水和物が熱交換器内部の伝熱面に付着しやすくなり、熱交換器の伝熱性能低下や、熱交換器の閉塞が発生する。
【解決手段】 蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱サイクル１１と放熱サイクル１３を有する蓄熱装置において、放熱サイクル１３の蓄熱材放熱部１０５に流入する蓄熱材を固液共存状態とすることにより、過冷却を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶質とそれを可溶な溶媒とを有する蓄熱材を用いて高密度の蓄熱をする装置、これを用いたヒートポンプシステムおよびソーラーシステムに関するものである。

蓄熱材として水を用いた蓄熱装置は、実用に供されている。蓄熱密度を更に上昇させるために、水以外の蓄熱材、例えば、水和物を用いた蓄熱装置の利用が検討されている。

具体的な水和物の例としては、特許文献１に開示されているように、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−ブチルフォスフォニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩などをゲスト化合物とする水和物（液系包接水和物）がある。これらの水和物の融点は室温以下であり、潜熱蓄熱量は約２００（ｋＪ／Ｌ）程度である。

このような蓄熱材を利用する蓄熱装置としては、蓄熱材をタンクに貯留したまま他の流体を用いて熱を運び蓄熱する形式のものと、蓄熱材を他の流体とともに水和物スラリを形成し、これを流動させて熱交換する形式のものとがある。後者の場合には、蓄熱材を運搬して直接熱交換を行うために、高効率が期待されるが、蓄熱材が放熱する際には、液相から固相に状態変化するに伴い、粘度が急激に増大するという問題がある。特に熱交換器(放熱器)の内部に於いて、急速に液相から固相への状態変化が起こる(過冷却が解除される)と、生成した水和物(固相)が熱交換器の伝熱面に付着しやすくなり伝熱性能を低下させたり、流動抵抗が増大し、最悪の場合には熱交換器を閉塞させたりする等の問題があった。

このような課題に対応するために、例えば特許文献１には、次のような装置が開示されている。特許文献１の蓄熱装置は、図１５に示されるように、蓄熱材の放熱または冷却手段として、第１の熱交換器２と第２の熱交換器３ａ、３ｂと２段階の冷却手段を設置している。蓄熱槽４から搬送された蓄熱材水溶液は、第１の熱交換器２における冷水との熱交換により過冷却水溶液へと冷却される。次に、第１の熱交換器から第２の熱交換器に搬送される間に、過冷却が解除され水和物スラリとなる。そして第２の熱交換器３ａまたは３ｂにおける冷水との熱交換により水和物スラリは固液体共存状態にて冷却され、蓄熱槽４に貯蔵される。

すなわち、特許文献１の装置では、第１および第２の熱交換器を用いることにより、熱交換器内部で過冷却を解除することを避け、熱交換効率の低下を防いでいる。

特開２００４−３７１８号公報

以上述べたように、蓄熱材を流動させて熱交換を行う蓄熱システムにおいては、熱交換器(放熱器)に於いて、過冷却が解除され、熱交換効率が低下するという課題があった。一方、これに対する上記特許文献１の方法は、このような問題に対処することはできる。しかし、特許文献１の方法は、第１及び第２の熱交換器の間（外部）で過冷却を解除する方法であるので、複数の熱交換器が必要であり、かつ、熱交換器の外部で流路が閉塞するのを防止する機構が必要であり、装置が複雑化、大型化するという課題がある。

本発明は、蓄熱材を流動させて熱交換を行う蓄熱システムに於いて、装置を大型化や複雑化することなく、熱交換器内における蓄熱材の過冷却解除を防止し、小型高効率の蓄熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の蓄熱装置は、溶質と前記溶質を可溶な溶媒とを含む蓄熱材を貯蔵する蓄熱材貯蔵容器と、
前記蓄熱材貯蔵容器と蓄熱材加熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる蓄熱サイクルと、
前記蓄熱材貯蔵容器と、前記蓄熱材から放熱させて熱媒体を加熱する蓄熱材放熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる放熱サイクルとを有し、
前記蓄熱材は、前記蓄熱材放熱部入口において固液共存状態で存在するものである。

本発明の蓄熱装置の蓄熱材放熱部（熱交換器）入口においては、蓄熱材は固液共存状態で存在する。固液共存状態の蓄熱材中においては、固体状態の蓄熱材が過冷却防止剤として働く為、前記蓄熱材が過冷却状態になることが防止される。言い換えると、液中の固体状態の蓄熱材が種結晶として働き、結晶の成長が促進され、過冷却状態になりにくくなる。これにより、前記熱交換器内部の伝熱面において蓄熱材の過冷却が解除されることが抑制され、析出した固体状態の蓄熱材が熱交換器内部の伝熱面に付着しにくくなる為、前記熱交換器の伝熱性能の低下や前記熱交換器が閉塞することを防止することができる。

以下、図面を用いて本発明の蓄熱装置について説明する。
（実施の形態１）
本実施形態の蓄熱装置は、図１に示すように、蓄熱材を貯蔵する蓄熱材貯蔵容器１０２と、蓄熱材を加熱する蓄熱サイクル１１と、蓄熱材を放熱する放熱サイクル１３とを有する。本実施形態の蓄熱材は、溶質とその溶質を可溶な溶媒とを含む。溶質の固相と液相との状態変化に伴う潜熱、および、溶質と溶媒の固層または液相における顕熱を利用して蓄熱または放熱が行われる。

蓄熱材貯蔵容器１０２には蓄熱材が充填されている。容器１０２内では、容器下部から上部にかけて温度が次第に高くなる温度分布を持たせた状態で蓄熱材が充填されている。すなわち、容器１０２内では、安定な温度成層が形成されている。

次に、蓄熱サイクル１１を用いた蓄熱材に蓄熱するステップについて説明する。

蓄熱サイクル１１は、蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱材加熱部１０１とが配管１０３によって接続され、蓄熱材が循環するように構成されている。蓄熱材を循環させるための搬送手段としては、蓄熱サイクル用ポンプ１０４が設けられている。また、蓄熱材加熱部１０１の出口付近の配管１０３には、蓄熱材の温度を測る温度計１１１が設けられ、この温度計で計測した温度によって、コントローラ１１２は、加熱用ポンプ（蓄熱サイクル用ポンプ）を制御して、蓄熱材の流量、流速などを制御する。

ここで、蓄熱材貯蔵容器１０２と配管１０３との接続については、蓄熱材貯蔵容器１０２の下部に、配管が接続され、容器内部で比較的低温の蓄熱材が加熱用（蓄熱用）に取り出されるように構成されている。逆に、蓄熱材加熱部１０２を経由して加熱された蓄熱材は容器１０２内部で最も高温の上部に戻るように容器１０２と配管１０３は接続されている。

蓄熱用加熱部１０１において蓄熱材は加熱され、蓄熱材中の溶質が固相から液相へ相変化する際の潜熱、および蓄熱材の固相、液相における顕熱を利用して蓄熱が行われる。

蓄熱サイクル１１の制御は次のように行われる。蓄熱材温度計１１１により、蓄熱材加熱部１０１の出口における蓄熱材温度が検知され、前記コントローラ１１２に温度データが送られる。
そして、前記蓄熱材加熱部１０１の出口における蓄熱材温度が、予め入力してある蓄熱材の完全溶解温度以下となるように、コントローラ１１２によって、蓄熱サイクル用ポンプ１０４の出力が制御されることにより、蓄熱材流量が制御される。すなわち、蓄熱材温度計１１１で計測される温度が蓄熱材の完全溶解温度を越えている場合には、蓄熱用ポンプの出力が増加し、蓄熱材流量が増加する。この制御により、蓄熱材加熱部１０１の出口において、蓄熱材は固液共存状態に保持される。

加熱（蓄熱）された前記蓄熱材は、前記蓄熱サイクル用ポンプ１０４により、前記蓄熱用加熱部１０１から前記蓄熱材貯蔵容器１０２上部に向かって配管１０３を搬送され、蓄熱材容器上部に搬送される。こうして、蓄熱材貯蔵容器１０２内において、容器下部から上部にかけて蓄熱材温度の高くなる安定な温度成層が形成される。

次に、放熱サイクル１３を用いた蓄熱材放熱ステップについて説明する。

放熱サイクル１３は、蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱材放熱部１０５とが、配管１０６で接続され、蓄熱材を搬送することができるように構成されている。蓄熱材搬送手段としては、放熱サイクル用ポンプ１０７が配管１０６に接続され、蓄熱材を搬送する。また、蓄熱材放熱部１０５においては、蓄熱材の熱が熱媒体に与えられる。

蓄熱材貯蔵容器１０２と配管１０６は、容器１０２の上部に接続され、容器内部の比較的高温の蓄熱材が放熱サイクル１３に放出されるように構成されている。

蓄熱材放熱部１０５の蓄熱材入口において、蓄熱材は固液共存状態に制御されている。

これを実現するため、本実施形態においては、加熱ステップにおいて説明したように、蓄熱材加熱部１０１出口において、蓄熱材を完全溶解温度以下に制御する。これによって、加熱部１０１の出口において、蓄熱材は固液共存状態になっている為、前記蓄熱材貯蔵容器１０２の温度成層上部においても、固液共存状態となっている。言い換えると完全溶解状態とはなっていない。したがって、本実施形態においては、蓄熱材放熱部１０５において、蓄熱材は固液共存状態に保持されている。

蓄熱材放熱器１０５において、蓄熱材は前記熱媒体に熱を奪われ、蓄熱材中の溶質が液相から固相へ相変化する際の潜熱、および溶媒を含む蓄熱材の固相、液相における顕熱を利用して熱媒体を加熱する。本実施形態の蓄熱装置は、配管１０８と蓄熱材放熱部１０５と、配管１０８とを接続した熱媒体加熱流路１４を有している。熱媒体加熱流路１４を流れる熱媒体は、蓄熱材放熱部１０５で加熱される。加熱された熱媒体は、空調や給湯等に用いられる。

本発明の特徴は、蓄熱材放熱部入口において、蓄熱材が固液共存状態であるため、放熱しても、過冷却状態となりにくいことである。したがって、熱交換機１０５内部および配管１０６内部において過冷却が解除され、固化した水和物が熱交換機内部の配管や配管１０６に付着すると言う問題が発生しにくい。

また、放熱した蓄熱材は、前記蓄熱材放熱部１０５から前記蓄熱材貯蔵容器１０２下部に向かって搬送され、前記蓄熱材貯蔵容器１０２内において、容器下部から上部にかけて蓄熱材温度の高くなる安定な温度成層を形成する。
(実施例１)
次に本実施形態のより具体的な構成例である実施例１について説明する。

本実施例では、蓄熱材を構成する溶質として酢酸ナトリウムを、溶媒として水を用いている。酢酸ナトリウムは、水と水和物を形成し、酢酸ナトリウム三水和物となる。さらに、添加剤（増粘剤）としてスメクタイト系の粘土を添加している。その重量組成比は、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部に対して、水５０重量部、粘土１．５重量部である。酢酸ナトリウム三水和物は常温で無色の単斜晶系柱状結晶であり、単体で約２６０ｋＪ／ｋｇという大きな潜熱を有している。さらに、酢酸ナトリウム三水和物の固体密度および液体密度はそれぞれ約１．５ｋｇ／Ｌ、約１．３ｋｇ／Ｌである為、単位体積当りの蓄熱密度が約３４０ｋＪ／Ｌと大きい。これは氷の蓄熱密度約３３０ｋＪ／Ｌと同程度以上の潜熱量であり、蓄熱材として優れた性能を有している。

図３に酢酸ナトリウムー水系の二元状態図を示す（以下の文献を参照：「潜熱蓄熱材料」和田隆博、松永浩二、木村文子、山本涼市、楠田隆男、伊勢悠紀彦 National Technical Report Vol. 29 No. 1 Feb. 1983）酢酸ナトリウム三水和物は、酢酸ナトリウムと水との化合物である。図３では、横軸は酢酸ナトリウム−水系二元状態における酢酸ナトリウムの重量濃度を、縦軸は温度を示している。横軸の酢酸ナトリウムの重量濃度が６０．２８％の時が、酢酸ナトリウム三水和物の組成となる。図３によれば、酢酸ナトリウム三水和物単体、すなわち図３において横軸約６０％から縦軸方向に垂直に立ち上がっている線上では、固液共存状態となる温度が融点あるいは凝固点に限られてしまい、凝固点より低い温度では全てが固体となってしまうため、流動性を持たない。これに対して、図３のＡの領域、すなわち、３０％以上６０％以下の領域においては、ある温度範囲で、酢酸ナトリウム三水和物と酢酸ナトリウム水溶液との固液共存状態(スラリ状態)とすることができ、流動性を持たせることができる。そこで、本実施例においては、酢酸ナトリウム三水和物に水を加えることにより、Ａの領域の組成範囲としている。Ａの領域と高温側の領域との境界線が、完全溶解温度を示している。特に今回の実験では、酢酸ナトリウムの重量濃度が約４０％になる組成に調整した。

しかし、上記のように、酢酸ナトリウム三水和物の固体密度は液体密度より大きく、かつ、水の密度よりも大きい為、酢酸ナトリウム三水和物と水を混合しただけの蓄熱材では、固体粒子がすぐに沈降してしまい、固液共存状態において、液相と固相が分離してしまう。そこで、本実施例においては、増粘剤として、スメクタイト系の粘土を添加することにより、蓄熱材の粘度を増加させ、ある程度の降伏応力を持たせることによって、固体粒子の沈降を防止している。

次に、本実施例の蓄熱装置について、図２を用いて説明する。図２の基本的な構成は、図１と同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付けて説明を省略する。

本実施例の蓄熱装置は、実施形態１の蓄熱装置と同様に、蓄熱材貯蔵容器１０２と、蓄熱サイクル１１と、放熱サイクル１３と、熱媒体サイクル１５とを有する。

蓄熱材貯蔵容器１０２として、ステンレス製円筒容器を用いた。このステンレス製円筒容器内に蓄熱材が貯蔵されている。

蓄熱サイクル１１は、蓄熱材貯蔵容器１０２と蓄熱材加熱部１０１を配管１０３で接続して構成されている。本実施例では、蓄熱材加熱部１０１として、水温を４０℃に保持し
た恒温水槽中に設置したチューブ式熱交換器を用いた。このチューブ式熱交換器管内を蓄熱材が流動し、約３５℃まで加熱される。

また、配管１０３として、シリコンブレードホースを用いた。配管については、蓄熱サイクル１１だけでなく、放熱サイクル１３、熱媒体加熱サイクル１５についても同様のものを用いている。

また、蓄熱サイクル用ポンプ１０４として、蓄熱材中の固体粒子を駆動部が噛み込むことのない遠心式ポンプである、マグネットポンプを用いた。これは、放熱サイクル用ポンプ１０７についても同様である。

次に、放熱サイクル１３は、蓄熱材貯蔵容器１０２と、蓄熱材放熱部１０５とを配管１０６で接続したものである。

蓄熱材放熱部１０５としては、二重管式熱交換器を用いている。この二重管式熱交換器においては、蓄熱材が内管内を、熱媒体が外管内を流動する構成となっており、蓄熱材と熱媒体との間で熱交換が行われる。蓄熱材と熱媒体は、図２に示すように、互いに逆方向に流体が流れるように構成されている。すなわち、流動形式は、対向流である。

熱媒体加熱サイクル１５は、蓄熱材放熱部１０５と、熱媒体放熱部(冷却水循環装置)５０１を、配管１０８を介して接続し熱媒体を循環させるように構成したものである。

次に、図２の構成の本実施例の蓄熱装置を用いて、蓄熱および放熱運転した例について説明する。

既に説明したように、蓄熱材としては、酢酸ナトリウムの重量濃度が約４０％の水溶液に、添加剤としてスメクタイト系の粘土を添加したものを用いた。蓄熱材とし、蓄熱材貯蔵容器１０２に充填した。当初の蓄熱材の温度は、室温(約２０℃)である。図３より明らかなように、酢酸ナトリウムの組成が４０％の時には、完全溶解温度(液相と固液共存領域の境界の温度)は約４０℃であるので、この時の蓄熱材温度は蓄熱材完全溶解温度よりも低い温度であるため、蓄熱材は固液共存状態で存在していた。

次に、蓄熱サイクル用ポンプ１０４を稼働させて、前記蓄熱材貯蔵容器１０２下部から前記蓄熱材加熱部１０１に向かって蓄熱材を搬送し、蓄熱材加熱部１０１において、蓄熱材を加熱した。このとき、蓄熱サイクル１１における蓄熱材の質量流量は、０．３〜０．５ｋｇ／ｍｉｎとした。また、蓄熱材加熱部１０１の出口における蓄熱材温度は、４０℃以下となるようにした。したがって、蓄熱材加熱部１０１の出口における蓄熱材は固液共存状態となっていた。

次に、放熱用ポンプ１０７を稼働させて、蓄熱材貯蔵容器１０２上部から蓄熱材放熱部１０５に向かって蓄熱材を搬送し、蓄熱材放熱部１０５において、前記冷却水循環装置５０１より供給される熱媒体（水）との熱交換を行った。このとき、蓄熱材放熱部１０５における蓄熱材の質量流量は、０．３〜０．５（ｋｇ／ｍｉｎ）に、水の質量流量は１．１〜１．３（ｋｇ／ｍｉｎ）に制御した。これによって、蓄熱材の流速は０．１〜０．１５（ｍ／ｓｅｃ）に、水の流速は０．２５〜０．３（ｍ／ｓｅｃ）となる。

本実施例では、約４３分間、連続して蓄熱および放熱による熱交換を行った。その間に蓄熱材流路が閉塞することは無く、定常的に熱交換を行うことができた。

一方、本実施例の実験データより、本実施例の蓄熱装置の性能について検討する。本実
施例において検討した蓄熱装置における、放熱運転時の蓄熱材の見かけ比熱の時間推移を示したグラフを図４に示す。蓄熱材の見かけ比熱Ｃｐｈは、以下の熱量収支式（１）より算出した。

Ｃｐｈ（Ｔｈｉｎ−Ｔｈｏｕｔ）Ｆｈ＝Ｃｐｗ（Ｔｗｏｕｔ−Ｔｗｉｎ）Ｆｗ・・・(１)
ここで、式（１）中において、各記号の示す意味は以下の通りである。なお、熱媒体としては、水を用いている。

蓄熱材放熱部１０５蓄熱材入口温度（℃）：Ｔｈｉｎ
蓄熱材放熱部１０５蓄熱材出口温度（℃）：Ｔｈｏｕｔ
蓄熱材放熱部１０５内蓄熱材質量流量（ｋｇ／ｍｉｎ）：Ｆｈ
蓄熱材放熱部１０５水入口温度（℃）：Ｔｗｉｎ
蓄熱材放熱部１０５水出口温度（℃）：Ｔｗｏｕｔ
蓄熱材放熱部１０５水質量流量（ｋｇ／ｍｉｎ）：Ｆｗ
水比熱（ｋＪ／ｋｇ／Ｋ）：Ｃｐｗ
今回の実験の結果によれば、式（１）によって計算される蓄熱材の見かけ比熱は、図４に示すように、４．５〜５ｋＪ／ｋｇ／Ｋとなっている。この値は、液体状態の蓄熱材の比熱約４ｋＪ／ｋｇ／Ｋと比較して、最大１ｋＪ／ｋｇ／Ｋも大きな値である。また、水の比熱４．２ｋＪ／ｋｇ／Ｋと比較しても大きな値である。

なお、本実施例においては、蓄熱材の溶質として酢酸ナトリウムを、水和物として酢酸ナトリウム三水和物を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる蓄熱材であれば、例えば、硫酸ナトリウム十水和物やチオ硫酸ナトリウム五水和物等の他の水和物を用いても良い。

なお、本実施例においては、増粘剤（添加剤）としてスメクタイト系の粘土を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる増粘剤（添加剤）であれば、用いることができる。例えば、キサンタンガムなどの親水性多糖類であってもよい。

なお、本実施例においては、蓄熱材の重量組成比を、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部に対して、水５０重量部と、粘土１．５重量部としているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、流動性の付与と固体粒子の沈降防止を両立できる他の組成比であってもよい。

なお、本実施例においては、蓄熱材加熱部１０１として恒温水槽中に設置したチューブ式熱交換器を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、ヒートポンプの放熱部や太陽熱集熱部や工場や施設から排出される廃熱などと組み合わせた、二重管式、フィンアンドチューブ、コイルアンドフィンなどの形式の熱交換器からなる構成であっても良い。

なお、蓄熱材加熱部１０１として二重管式熱交換器を用いる場合、蓄熱材が外管内を流動し、蓄熱材を加熱する媒体が内管内を流動する構成が望ましいが、同様の効果を生じる構成であれば、蓄熱材が内管内を流動し、蓄熱材を加熱する媒体が外管内を流動する構成でもよい。

なお、蓄熱材加熱部１０１として二重管式熱交換器を用いる場合、蓄熱材と前記加熱媒体が対向流で流動する構成であることが望ましいが、同様の効果を生じる構成であれば、蓄熱材と前記加熱媒体が並流で流動する構成であってもよい。

なお、本実施例においては、蓄熱用ポンプ１０４としてマグネットポンプを用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、スクリューポンプなどの他の遠心式ポンプであっても良い。

なお、蓄熱サイクル用ポンプ１０４は蓄熱材流れ方向に対して、前記蓄熱材加熱部１０１の上流側に設置することが望ましいが、必ずしも上記の形態だけに留まるものではなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、蓄熱サイクル用ポンプ１０４は蓄熱材流れ方向に対して、前記蓄熱材加熱部１０１の下流側に設置してもよい。

なお、本実施例においては、熱媒体として水を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、ブラインなどの他の熱媒体であっても良い
なお、本実施例においては、蓄熱材放熱部１０５として二重管式熱交換器を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、フィンアンドチューブ、コイルアンドフィンなどの形式の熱交換器であっても良い。

なお、本実施例においては、蓄熱材放熱部１０５の内管内を蓄熱材が流動し、外管内を水が流動する構成となっているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、蓄熱材が外管内を流動し、水が内管内を流動する構成でもよい。

なお、本実施例においては、蓄熱材放熱部１０５で蓄熱材と水が対向流で流動する構成となっているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、蓄熱材と水が並流で流動する構成であってもよい。

なお、本実施例においては、放熱用ポンプ１０７としてマグネットポンプを用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、スクリューポンプなどの他の遠心式ポンプであっても良い。

なお、放熱サイクル用ポンプ１０７は蓄熱材流れ方向に対して、蓄熱材放熱部１０５の上流側に設置することが望ましいが、必ずしも上記の形態だけに留まるものではなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、放熱サイクル用ポンプ１０７は蓄熱材流れ方向に対して、前記蓄熱材放熱部１０５の下流側に設置してもよい。
（比較例１）
次に、比較例１として、蓄熱材放熱部入口において、蓄熱材が液体状態となるように制御された場合について説明する。比較例１で用いた蓄熱材の組成は、実施例１と類似している。比較例１の蓄熱材の組成は、酢酸ナトリウム三水和物１００重量部＋水５０重量部に、さらに、過冷却防止剤としてリン酸三ナトリウム十二水和物１０重量部を添加した。比較例１の実験装置の構成は、図２に示した実施例１の場合と同様である。

比較例１においては、蓄熱ステップにおいて、蓄熱材加熱部１０１出口の蓄熱材の温度を、８０℃に設定する。この温度は、図３に示すように、この比較例１で用いる組成が４０％の酢酸ナトリウムの完全溶解温度である約４０℃よりも高いので、蓄熱材は完全溶解状態となる。蓄熱サイクル１１においては、蓄熱材貯蔵容器の下部から流出した蓄熱材は、蓄熱材加熱部で加熱され、全て液相となって、蓄熱材貯蔵容器１０２の上部に運ばれる。次に、放熱サイクル１３に蓄熱材を流通させ、実施例１と同様にして、蓄熱材放熱部１０５において、蓄熱材と冷却水循環装置５０１から供給される冷水との間で、連続熱交換を試みた。蓄熱材放熱部１０５内における蓄熱材の質量流量は約０．３（ｋｇ／ｍｉｎ）に、水の質量流量は０．３（ｋｇ／ｍｉｎ）となるように、蓄熱材の流速は約０．１（ｍ
／ｓｅｃ）に、水の流速は約０．０５（ｍ／ｓｅｃ）となるように制御しようとした。

しかし、熱交換開始後すぐに蓄熱材放熱部１０５内管の入口側圧力の上昇、および蓄熱材流量の急激な減少を検知し、蓄熱材放熱部１０５内管は閉塞してしまった。

この原因は、比較例１においては、熱交換部入口において、蓄熱材は液相状態となっており、熱交換部において過冷却状態となり、熱交換部１０５内管内伝熱面において前記蓄熱材水溶液の過冷却が解除され、生成した水和物から急激な結晶成長が起こり、熱交換器内部の伝熱面に付着した為と考えられる。

なお、熱交換が定常状態になる前に、管内閉塞に至ってしまうため、実施例１のように、蓄熱材の見かけ比熱等を算出することは不可能であった。
（実施の形態２）
実施の形態２の蓄熱装置について、図５を用いて説明する。図５では、図１と同じ構成については同一の符号を用いて、説明を省略する。

本実施形態の蓄熱装置は、蓄熱材放熱部１０５の蓄熱材流路を加熱するヒーター３０１を有する以外の構成は、実施形態１の蓄熱装置と同様の構成である。本発明の蓄熱装置に於いては、蓄熱材放熱部１０５において固化（結晶化）した蓄熱材が伝熱管内部に付着することは抑制されているが、それでも、長時間運転時や非定常時等に、蓄熱材の付着は発生しうる。熱交換器の伝熱管内部に付着した蓄熱材を溶解して除去するために、ヒーター３０１は設けられている。ヒーターに通電することにより、発熱し、蓄熱材流路を加熱することができる。これによって、流路に付着した蓄熱材が溶解すれば、流路の抵抗は低下し、スムーズな蓄熱材の放熱が可能になる。

本実施形態の放熱サイクル１３に於いては、蓄熱材放熱部１０５の入口の配管１０６に圧力検知器２１１が備えられている。圧力検知器２１１は、配管内の圧力を検知する。蓄熱材の流路への固着により、流路抵抗が増加したときは、配管の圧力の上昇を検出することができる。

次に、本実施の形態における蓄熱装置の動作について、説明する。

定常時の蓄熱装置の運転については、実施形態１と全く同様である。すなわち、放熱サイクルに備えられた圧力検知器２１１によって検知される圧力値が予め設定された所定値以下である場合には、熱媒体加熱流路１４に熱媒体が流され、放熱サイクル１３を流れる蓄熱材と、熱媒体加熱流路１４を流れる熱媒体の間で熱交換が行われ、熱媒体が加熱される。

圧力検知器２１１によって検知される圧力値が予め設定された値よりも大きい場合には、蓄熱材が蓄熱材放熱部１０５内壁に付着するなどして、流路抵抗が大きく、圧力値も大きくなっていると考えられる。そこで、固着した蓄熱材を溶解して取り除くため、ヒーターに通電して、加熱する。これによって、蓄熱材放熱部１０５内部に固着していた蓄熱材は融解し、放熱サイクル１３の流路抵抗(圧力)は低下する。

ヒーター３０１による加熱によって、圧力検出器２１１により検出される圧力値が、所定値以下になれば、通電を中止する。これによって、通常時の蓄熱材と熱媒体との熱交換が行われる。

以上は、蓄熱材を加熱するヒーター３０１を蓄熱材放熱部１０５に設置する場合について説明した。この位置にヒーターを設置するのが最も直接的かつ効率的である。しかしな
がら、ヒーターの設置場所としては、放熱サイクル１３のいずれの蓄熱材流路に設置されていても、蓄熱材を加熱する効果があり、蓄熱材放熱部内部で固着した蓄熱材を融解させる効果がある。また、間接的ではあるが、蓄熱材貯蔵容器１０２内部や、蓄熱サイクル１１において蓄熱材を加熱するようにヒーターを設置しても効果を発揮しうる。

なお、このようなヒーターは、単に、流路抵抗の増加対策としてのみならず、補助加熱手段として熱媒体を加熱する能力を上昇させるのにも寄与する。

以上では、上記ヒーター３０１として電気ヒーターを例として説明しているが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、熱媒体を熱源として利用することもできる。そのような方法の一例について、次に詳細に説明する。

実施形態２の変形例１の蓄熱装置を、図６に示す。図６では、図５と同じ構成については同一の符号を用いて、説明を省略する。

本変形例の蓄熱装置は、ヒーター３０１の代わりに、放熱器加熱サイクル１７を有する。

放熱器加熱サイクル１７は、熱媒体加熱部２０１、切替弁２０５、蓄熱材放熱部１０５、切替弁２０４を配管２０２を介して順次接続して、熱媒体を循環させるように構成されている。この熱媒体は、熱媒体加熱流路１４で用いられる熱媒体と共通である。また、熱媒体を循環させる手段として、放熱器加熱サイクル用ポンプ２０３が備えられている。

次に、本変形例における蓄熱装置の動作について、図６〜８を用いて説明する。

定常時の蓄熱装置の運転については、実施形態１と全く同様である。すなわち、放熱サイクルに備えられた圧力検知器２１１によって検知される圧力値が予め設定された値以下である場合には、図６に示すように、熱媒体加熱流路１４に熱媒体が流され、放熱サイクル１３を流れる蓄熱材と、熱媒体加熱流路１４を流れる熱媒体の間で熱交換が行われ、熱媒体が加熱される。切替弁２０４および２０５は、熱媒体加熱流路１４に熱媒体が流れるように制御される。

次に、圧力検知器２１１によって検知される圧力値が所定値よりも大きい場合には、蓄熱材が蓄熱材放熱部１０５内壁に付着するなどして、流路抵抗が大きくなっていると考えられる。そこで、固着した蓄熱材を溶解して取り除くため、次の操作を行う。

放熱サイクル用ポンプ１０７は停止して、蓄熱材の流れは停止させる。熱媒体の流れについては、第１ステップとして、切替弁２０４および２０５を切り替えて、図７のように熱媒体が流れるようにする。これによって、放熱器加熱サイクルが熱媒体で満たされる。第２ステップとして、再び切替弁２０４および２０５を切り替えて、図８に示すような熱媒体流路を構成する。すなわち、放熱器加熱サイクル１７内に熱媒体を循環させる。熱媒体は、熱媒体加熱部２０１に於いて加熱され、蓄熱材放熱部１０５内を通過している間に内部を加熱する。これによって、蓄熱材放熱部１０５内部に固着していた蓄熱材は融解し、放熱サイクル１３の流路抵抗は低下する。

熱媒体の流れは、図６に示す定常時の流れに復帰させ、ポンプ１０７を起動し、放熱サイクル１３に蓄熱材を流すことにより、蓄熱材放熱部１０５において、蓄熱材と熱媒体との熱交換が行われる。

なお、以上では、一旦図７に示すように熱媒体の流路を切り替えて、放熱器加熱流路に
熱媒体を流す場合について説明した。しかし、予め、放熱器加熱流路に熱媒体が挿入されている場合には、図６の経路から、図７の経路を経由せずに図８の経路に移行しても良い。
(実施例２)
次に、実施形態２の変形例１をより具体的にした実施例２について、実験装置の構成図、図９を用いて説明する。本実施例で用いる蓄熱材の組成は、実施例１で用いたものと同じである。本実施例の蓄熱装置の構成は、実施例１の構成に、放熱器加熱サイクル１７を付加したものである。放熱器加熱サイクル１７は、実施形態２の変形例１で説明したように、熱媒体加熱部２０１、切替弁２０５、蓄熱材放熱部１０５、切替弁２０４を配管２０２を介して順次接続して、熱媒体を循環させるように構成したものである。本実施例に於いては、熱媒体加熱部２０１として、水温を７０℃に保持した温水循環装置を用いた。

また、放熱器加熱サイクル用ポンプ２０３としてはマグネットポンプを、配管２０２として、シリコンブレードホースを、熱媒体流路切替弁２０４および２０５として真鍮製のＴ型三方弁を用いた。

次に本実施例における実験方法について、説明する。

実施例１と全く同様の方法で、蓄熱サイクル１１に蓄熱材を流して蓄熱材を加熱し、放熱サイクル１３に蓄熱材を流し、熱媒体サイクル１５において冷却水循環装置５０１より供給される水(熱媒体)を加熱する運転を連続して行った。

約１時間に渡る連続熱交換を行ったところ、圧力検出器２１１によって、蓄熱材放熱部１０５内管の入口側圧力の上昇を検知し、また蓄熱材流量の急激な減少が見られた。そこで、放熱用ポンプ１０７を停止し、図１０に示すように、切替弁２０４および２０５を切り替えて、水が放熱器加熱サイクル１７を循環するようにした。そして、前記放熱器加熱サイクル用ポンプ２０３を運転して、温水循環装置２０１から供給される温水を放熱器加熱サイクル１７中に１から２分間程度、循環させた。

その後、再び、前記熱媒体流路切替弁２０４および２０５が、水の流れ方向が図９に示す方向になるように開き、放熱用ポンプ１０７を運転させたところ、蓄熱材放熱部１０５において、再び前記蓄熱材と前記冷却水循環装置５０１から供給される水との間で、定常的に熱交換を行うことが可能であった。

なお、本実施例においては、熱媒体加熱部２０１として水温を７０℃に保持した温水循環装置を用いているが、本発明の実施においてはこれに限られたものである必要はなく、同様の効果を生じる構成であれば、例えば、熱源として、ヒートポンプの放熱部や太陽熱集熱部や工場や施設から排出される廃熱などと組み合わせた、二重管式、フィンアンドチューブ、コイルアンドフィンなどの形式の熱交換器からなる構成であっても良い。
(その他の実施形態)
実施形態１の蓄熱装置における蓄熱材加熱部１０１としては、種種の形態が考えられる。

その一つとしては、ヒートポンプの放熱器を用いることができる。図１１は、ヒートポンプサイクル１９を用いた構成例である。ヒートポンプサイクル１９は、冷媒を圧縮する圧縮機１２２と、蓄熱材加熱部１０１を兼ねる冷媒放熱器１２１と、冷媒の膨張機構１２４と、冷媒を蒸発させる蒸発器１２３とを順次接続する冷媒配管１２５から構成される。ヒートポンプは加熱時のエネルギー効率が非常に優れている為、蓄熱材加熱部１０１としてヒートポンプの放熱器を用いることにより、前記蓄熱材に蓄熱を行う際に必要となる入力エネルギーを少なくすることができる。これによって、本蓄熱装置の動作に必要な消費
電力を少なくすることができる。

なお、蓄熱用加熱部１０１としてヒートポンプサイクルの冷媒は特に限られたものではなく、例えば、二酸化炭素やＨＦＣ等の冷媒を用いた構成でよい。

蓄熱材加熱部１０１の別の形態としては、図１２に示すように、太陽熱集熱器１３１を用いることもできる。すなわち、図１２の蓄熱装置は、ソーラーシステムとして利用できる。太陽熱集熱器１３１を前記蓄熱用蓄熱材加熱部に用いることにより、前記蓄熱材に蓄熱するために必要な消費エネルギーを太陽エネルギーで賄うことができるため、本蓄熱装置の動作に必要な消費電力を少なくすることができる。

次に、実施形態１の蓄熱サイクル１１および放熱サイクル１３に用いるポンプは供用して、両サイクルを結合したパスを構成することも可能である。この場合、図１３に示すように、実施形態１のポンプ１０４，１０７の代わりに、蓄放熱兼用ポンプ４０１を用いる。また、蓄熱サイクルと放熱サイクルを切り替えるための切替弁４１１，４１２，４１３および４１４を用いる。

本変形例に於いて、蓄熱材に蓄熱を行う際には、蓄熱材ポンプ流路切替弁４１１および４１２は開に、切替弁４１３および４１４は閉に制御される。蓄放熱兼用ポンプ４０１を運転することにより、図１３に示すように、蓄熱サイクル１１に蓄熱材が搬送される。

次に、蓄熱材を用いて熱媒体を加熱する際には、蓄熱材ポンプ流路切替弁４１１および４１２は閉に、切替弁４１３および４１４は開に制御され、蓄放熱兼用ポンプ４０１を稼働させることにより、図１４に示すように、放熱サイクル１３に、蓄熱材が搬送される。本構成とすることにより、蓄熱材を搬送するポンプが一つで済む為、イニシャルコスト、スペースの点でメリットが得られる。

本発明の蓄熱装置は、蓄熱密度が高く、
蓄熱式給湯器や蓄熱式冷暖房機といった、蓄熱を利用するシステムに用いることができる。

本発明の実施の形態１における蓄熱装置の構成図 本発明の実施例１における蓄熱装置の構成図 酢酸ナトリウム―水系の二元状態図 実施例１における蓄熱材見かけ比熱の時間変化を示す図 本発明の実施の形態２における蓄熱装置の構成図 本発明の実施の形態２の変形例１における蓄熱装置の構成と定常時の熱媒体の流れを示す図 本発明の実施の形態２の変形例１において、蓄熱材放熱部加熱時の第１ステップにおける熱媒体の流れを示す図 本発明の実施の形態２の変形例１において、蓄熱材放熱部加熱時の第２ステップにおける熱媒体の流れを示す図 本発明の実施例２の蓄熱装置の構成と定常時の熱媒体の流れを示す図 本発明の実施例２において、蓄熱材放熱部加熱時の熱媒体の流れを示す図 本発明の一実施形態の蓄熱装置の構成図 本発明の一実施形態の蓄熱装置の構成図 本発明の一実施形態の蓄熱装置の構成と蓄熱時の蓄熱材の流れを示す図 本発明の一実施形態の蓄熱装置において、放熱時の蓄熱材の流れを示す図 特許文献１に記載された蓄熱装置の構成図

符号の説明

１１ 蓄熱サイクル
１３ 放熱サイクル
１４ 熱媒体加熱流路
１５ 熱媒体加熱サイクル
１７ 放熱器加熱サイクル
１９ ヒートポンプサイクル
１０１ 蓄熱材加熱部
１０２ 蓄熱材貯蔵容器
１０３ 配管
１０４ 蓄熱サイクル用ポンプ
１０５ 蓄熱材放熱部
１０６ 配管
１０７ 放熱サイクル用ポンプ
１０８ 配管
１１１ 温度計
１１２ コントローラ

Claims (8)

1. 溶質と前記溶質を可溶な溶媒とを含む蓄熱材を貯蔵する蓄熱材貯蔵容器と、
   前記蓄熱材貯蔵容器と蓄熱材加熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる蓄熱サイクルと、
   前記蓄熱材貯蔵容器と、前記蓄熱材から放熱させて熱媒体を加熱する蓄熱材放熱部とを配管を介して接続し、前記蓄熱材を循環させる放熱サイクルとを有し、
   前記蓄熱材は、前記蓄熱材放熱部入口において固液共存状態で存在するものである蓄熱装置。
2. 前記蓄熱材加熱部出口における蓄熱材温度が、前記蓄熱材の完全溶解温度よりも低い請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記溶質として酢酸ナトリウム、前記溶媒として水を用いる請求項１に記載の蓄熱装置。
4. 前記蓄熱材中における酢酸ナトリウムの濃度は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である請求項３に記載の蓄熱装置。
5. 前記蓄熱材放熱部に蓄熱材流路加熱手段をさらに有する請求項１に記載の蓄熱装置。
6. 前記放熱サイクルに、蓄熱材の圧力を測定する圧力計をさらに有し、前記圧力計で測定した圧力値が所定値以上の時に前記蓄熱材流路加熱手段で加熱する請求項５に記載の蓄熱装置。
7. 請求項１に記載の蓄熱装置に加えて、さらに、ヒートポンプサイクルを備え、前記蓄熱材加熱部が前記ヒートポンプサイクルの放熱部であるヒートポンプシステム。
8. 請求項１に記載の蓄熱装置に於いて、前記蓄熱材加熱部が太陽熱集熱部であるソーラーシステム。

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