JP2008241174A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し使用した際に安定した蓄放熱性能を発揮できるような蓄熱装置を提供できるようにする。
【解決手段】平板状に成型され、非蓄熱時には固体となり、蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤３を、アルミラミネートフィルム製の袋２にて真空パックを施して形成された蓄熱手段４と、蓄熱手段４を挟み込むように保持すると共に、潜熱蓄熱剤３に対して熱の授受を行う伝熱壁５と、伝熱壁５を通じて蓄熱手段４を加熱または冷却するための流体が流れる流体通路６と、蓄熱手段４及び伝熱壁５の周囲に設置され、外部への熱リークを防止する断熱手段７から構成され、蓄熱手段４を水平方向に設置するもので、潜熱蓄熱剤３が融解・凝固を繰り返した際においても、潜熱蓄熱剤３の厚さを一定に保つことができ、伝熱壁５と効果的に熱の授受を行うことができ、安定した蓄放熱性能を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、潜熱蓄熱剤を搭載した蓄熱装置に関するものである。

蓄熱を行う方法として、非蓄熱時には固体となり、蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤の相変化を利用した蓄熱装置は良く知られており、この潜熱蓄熱剤をカプセル状の容器内に充填した蓄熱カプセルと被加熱流体を熱交換させることにより、蓄熱・放熱を行う装置はすでに実用化されている。

ここで、カプセル状の容器に潜熱蓄熱剤を充填した場合、熱交換を行う伝熱面との間の熱抵抗が大きくなる可能性があり、また容器の占める体積が大きくなる傾向となるため、体積当たりの潜熱蓄熱剤の充填量が減少するという課題があった。

この課題を解決するため、潜熱蓄熱剤を、薄いアルミラミネートフィルムにより成型された袋に充填し、真空パックするようにした蓄熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
実用新案登録第３１１５０８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の蓄熱装置は、アルミラミネートフィルムにより構成されているため、潜熱蓄熱剤が融解及び凝固し、体積が膨張及び収縮した際に潜熱蓄熱剤が重力の影響で下部に移動し、下部は、潜熱蓄熱剤が過度に集中した結果膨らみ、上部には、潜熱蓄熱剤の移動の結果として空間が生じることとなり、熱の授受性能が悪化するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、潜熱蓄熱剤の融解・凝固による移動の影響を少なくし、安定した熱の授受を行うことができる蓄熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄熱装置は、平板状に成型され、非蓄熱時には固体となり、蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤を、アルミラミネートフィルム製の袋にて真空パックを施して形成した蓄熱手段と、前記蓄熱手段を挟み込むように保持すると共に、前記潜熱蓄熱剤に対して熱の授受を行う伝熱壁と、前記伝熱壁を通じて前記蓄熱手段を加熱または冷却するための流体が流れる流体通路と、前記蓄熱手段及び前記伝熱壁の周囲に配設された断熱手段とを備え、前記蓄熱手段を略水平方向に配設する構成としたことを特徴とするもので、潜熱蓄熱剤が融解・凝固を繰り返した際においても、潜熱蓄熱剤の厚さを一定に保つことができ、伝熱壁と効果的に熱の授受を行うことができ、安定した蓄放熱性能を維持することができる。

本発明の蓄熱装置は、繰り返し使用した際においても蓄熱性能及び放熱性能を悪化させることなく一定に保つことが可能であり、潜熱蓄熱剤を用いた蓄熱装置の信頼性を向上させることができる。

第１の発明は、平板状に成型され、非蓄熱時には固体となり、蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤を、アルミラミネートフィルム製の袋にて真空パックを施して形成した蓄熱手段と、前記蓄熱手段を挟み込むように保持すると共に、前記潜熱蓄熱剤に対して熱の授受を行う伝熱壁と、前記伝熱壁を通じて前記蓄熱手段を加熱または冷却するための流体が流れる流体通路と、前記蓄熱手段及び前記伝熱壁の周囲に配設された断熱手段とを備え、前記蓄熱手段を略水平方向に配設する構成としたことを特徴とするもので、潜熱蓄熱剤が融解・凝固を繰り返した際においても、潜熱蓄熱剤の厚さを一定に保つことができ、伝熱壁と効果的に熱の授受を行うことができ、安定した蓄放熱性能を維持することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の伝熱壁に、一定間隔で凹凸を設けたもので、潜熱蓄熱剤と伝熱壁との接触面積を増やすと共に、伝熱壁を通じて蓄熱手段と熱交換を行う流体通路の耐圧性能を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第１又は２の発明の袋の表面に、一定間隔で規則的に折り曲げ加工を施したもので、伝熱壁と蓄熱手段との密着性を高め、熱の授受性能を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の潜熱蓄熱剤の主成分を、酢酸ナトリウム三水和物としたもので、高効率な蓄熱性能及び放熱性能を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄熱装置の正面断面図、図２は、同蓄熱装置の側面断面図、図３は、同蓄熱装置を用いた給湯機の構成図、図４は、同蓄熱手段の斜視図である。

図１〜4において、本実施の形態における蓄熱装置１は、大きくアルミラミネートフィルム製の袋２に真空パックされ平板状に成型された潜熱蓄熱剤３を封入した蓄熱手段４と、蓄熱手段４を、両側から挟み込むような構造で保持し蓄熱手段４に対して熱の授受を行うための伝熱壁５と、２枚の伝熱壁５内部に空間が設けられ、蓄熱手段４を加熱または冷却するための流体（例えば、水）が流れる流体通路６と、蓄熱手段４、伝熱壁５及び流体通路６から外部への熱リークを防止するためのウレタンフォームまたはウレタンスラブ等により構成された断熱手段７から構成されている。８は、蓄熱装置１の蓄熱手段４に蓄熱を行うための湯を加熱する加熱手段である。

本実施の形態では、蓄熱手段４の寸法は、取り扱い及び持ち運びが容易である幅２００ｍｍ、高さ２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの寸法に成型されており、蓄熱手段４内に封入されている潜熱蓄熱剤３は、現在一般家庭で使用されている貯湯タンク（図示せず）を有した給湯機（図示せず）の貯湯温度と同等温度である６０℃前後に融点を有する、主成分が酢酸ナトリウム三水和物で構成されているものを使用している。

潜熱蓄熱剤３を密封しているアルミラミネートフィルム製の袋２の表面には、伝熱壁５の凹凸５ａの凹部に合わせて一定間隔で折り曲げ加工がされており、潜熱蓄熱剤３が融解し体積が膨張した際に、この部分に潜熱蓄熱剤３を送り込むことで充填可能量を増やすことができる。伝熱壁５は、２枚の銅板を、はんだ付けまたはロウ付けにより接着、貼り合わせて形成されている。

２枚の銅板の間には、水または湯が流れる流体通路６が形成されているが、単位体積当たりの蓄熱剤充填量を大きくするために、銅板の板厚は０．３〜０．５ｍｍ程度のものを使用しており、そのままでは、水道圧をかけると変形してしまう恐れがあるため、一定間隔で凹凸を設け、凹部をはんだ付けまたはロウ付けにより接着することで耐圧性能を向上させている。

流体通路６には、蓄熱時には湯、放熱時には水が流される。蓄熱時に利用される湯は、加熱手段８によって常温の水から６５〜８０℃程度の湯に昇温される。加熱手段８は、ボイラーや電気ヒーター等でも勿論問題ないが、近年の省エネルギー化の流れを考えるとヒートポンプによる加熱がエネルギー効率も優れており望ましい。蓄熱手段４、伝熱壁５及び流体通路６は、外部との温度差が大きくこのままでは外部への熱リークによって蓄熱性能の悪化が予想されるため、グラスウール・発泡スチロール又は硬質ウレタンスラブ等によって構成された断熱手段７によって外部との熱の出入りが遮断される。

この蓄熱装置１を、一般家庭の給湯用に用いる場合、家庭環境、設置スペース等にもよるが、潜熱蓄熱剤３の必要量は、１００〜３００ｋｇ程度になるため、上記の寸法の蓄熱手段４が９０〜２７０個程度必要となる。

この数量の蓄熱手段４を一定のスペースに設置するため、蓄熱手段４と伝熱壁５及び流体通路６は、略水平方向に積層する構造によって省スペース化を図っている。まず底面に、内部に流体通路６を有した伝熱壁５が設置され、その上に一定数量の蓄熱手段４が並べられる。その上にさらに、伝熱壁５、その上に蓄熱手段４というような構造により、無駄な空間を有することなく一定体積に最大限潜熱蓄熱剤３を充填することができる。

この蓄熱装置１を用いた給湯機の作用を、以下に説明する。

蓄熱運転を行う場合、流体通路６に、加熱手段８で加熱された高温の湯が循環ポンプ９を通じて流され、潜熱蓄熱剤３に蓄熱を行う。潜熱蓄熱剤３の温度が、湯の温度に対して低い場合は、湯が有する熱は伝熱壁５を通じて潜熱蓄熱剤３に移動する。潜熱蓄熱剤３は温度が上昇するにつれて、固体から液体へと相変化を行い、潜熱領域の蓄熱を行うが、融解すると体積が膨張するため、液化した潜熱蓄熱剤３は、空間を有している伝熱壁５の凹部に流れていくが、このときアルミラミネートフィルム製の袋２に設けている折り込み部１０が、潜熱蓄熱剤３とともに伝熱壁５側に押されていき、伝熱壁５と蓄熱手段４の密着性を向上させ、熱伝導性をさらに向上させることができる。この動作を連続して行うと、酢酸ナトリウム三水和物系の潜熱蓄熱剤３の場合、融点が約６０℃であるため、この温度を上回ると蓄熱完了である。

蓄熱が完了すると、必要時に所定の温度の湯を使用することができる。湯を使用するため蛇口（図示せず）等が開けられた場合、水道から供給された水は、伝熱壁５を通じて蓄熱手段４内の潜熱蓄熱剤３と熱交換することにより加熱され、その後、混合弁１１により水と混合され所定の温度に調整された後、利用系に送られ風呂、シャワー等に使用される。潜熱蓄熱剤３が有する熱が、充分に利用され放熱されると、潜熱蓄熱剤３が、液体から固体へと相変化を行う。潜熱蓄熱剤３は相変化により凝固すると体積が減少するため、蓄熱手段４と上部の伝熱壁５との間に一定の間隔で空間が生じる。

再度蓄熱運転を行うと、潜熱蓄熱剤３は再び融解し体積が膨張するため上部の伝熱壁５と接触する。現在までの検討結果によると、蓄熱運転の際には、１枚の伝熱壁５で片面から蓄熱を行う場合と２枚の伝熱壁５を用いて両面から蓄熱を行う場合とで性能差はほとんどないことが確認されている。

放熱運転の場合は、１枚の伝熱壁５で片面から放熱を行う場合に比べて２枚の伝熱壁５で両面から放熱を行う場合の方が放熱性能が優れているため、理想的な状態で、体積吸収ができると共に上部から潜熱蓄熱剤３等に加重が加わっているため、融解時の潜熱蓄熱剤３の過度の体積膨張による変形等を防止することができる。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは、必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

以上のように、本発明にかかる蓄熱装置は、潜熱蓄熱剤と伝熱壁との間の熱の授受性能を、繰り返し使用した際においても、悪化させることなく一定に保つことができるため、液体等の流動性を持つ物質を用いた熱交換装置全般に利用可能である。

本発明の実施の形態１における蓄熱装置の正面断面図 同蓄熱装置の側面断面図 同蓄熱装置を用いた給湯機の構成図 同蓄熱手段の斜視図

符号の説明

１ 蓄熱装置
２ 袋
３ 潜熱蓄熱剤
４ 蓄熱手段
５ 伝熱壁
６ 流体通路
７ 断熱手段

Claims (4)

1. 平板状に成型され、非蓄熱時には固体となり、蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤を、アルミラミネートフィルム製の袋にて真空パックを施して形成した蓄熱手段と、前記蓄熱手段を挟み込むように保持すると共に、前記潜熱蓄熱剤に対して熱の授受を行う伝熱壁と、前記伝熱壁を通じて前記蓄熱手段を加熱または冷却するための流体が流れる流体通路と、前記蓄熱手段及び前記伝熱壁の周囲に配設された断熱手段とを備え、前記蓄熱手段を略水平方向に配設する構成としたことを特徴とする蓄熱装置。
2. 伝熱壁に、一定間隔で凹凸を設けたことを特徴とした請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 袋の表面に、一定間隔で規則的に折り曲げ加工を施した請求項１又は２に記載の蓄熱装置。
4. 潜熱蓄熱剤の主成分を、酢酸ナトリウム三水和物としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。

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