JP2012215323A - 潜熱蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潜熱蓄熱材の固相化により潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても、隙間による潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる潜熱蓄熱装置の提供にある。
【解決手段】密閉された容器と、容器の外部から容器の内部を通って容器の外部へ至る熱媒体の流路を形成する伝熱チューブを有する熱交換体と、を備え、容器内に潜熱蓄熱材Ｐが収容されるとともに、潜熱蓄熱材Ｐよりも低比重であって、潜熱蓄熱材Ｐに対して不溶性の不溶性液体Ｓと、が容器内に収容され、潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体Ｓは、重力方向に対して、潜熱蓄熱材Ｐが下層で不溶性液体Ｓが上層となる層状に収容され、熱交換体は、不溶性液体Ｓと潜熱蓄熱材Ｐとに跨る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、潜熱蓄熱材を用いた潜熱蓄熱装置に関する。

潜熱蓄熱材を用いた潜熱蓄熱装置としては、例えば、特許文献１に開示された蓄熱装置が知られている。
この種の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材とその潜熱蓄熱材よりも比重の小さい熱媒油とを潜熱蓄熱材の表面に熱媒油が浮いた状態で収容する蓄熱タンクとを有している。
また、蓄熱装置は、その蓄熱タンクの外側から蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材中へ熱媒油を流入される入口管と、蓄熱タンク内の熱媒油を蓄熱タンクの外側へ流出させる出口管と備えている。

この種の蓄熱装置によれば、入口管から流入した熱媒油と蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材とを直接接触させて、熱媒油と潜熱蓄熱材との間において熱交換が行われる。
そして、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材が相変化するときに、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱量に応じて熱媒油の液面高さが変化するので、熱媒油の液面高さに基づいて蓄熱タンク内の潜熱蓄熱量が測定される。
しかしながら、特許文献１に開示された蓄熱装置は、出口管から流出する熱媒油の流出量と入口管から流入する熱媒油の流入量が異なると、熱媒油の液面高さが変動し、潜熱蓄熱量を正確に計測できないという問題がある。

潜熱蓄熱材を用いた潜熱蓄熱装置の別の従来技術としては、例えば、特許文献２に開示された潜熱蓄熱槽の熱表示器を挙げることができる。
この種の潜熱蓄熱槽は、シェルアンドチューブ形の潜熱蓄熱槽であり、潜熱蓄熱槽の内部に複数個の管を管板の間に配列している。
潜熱蓄熱槽の管板により区画された部分（シェル）には、潜熱蓄熱材が充填されている。
潜熱蓄熱槽の上部中央にはハッチが付設され、ハッチの内部には蓄熱材の上面に接した仕切板を遊嵌され、仕切板の上方にばねが挿入されている。
相変化時の潜熱蓄熱時の体積変化を利用して、ハッチの側面に設けた窓から見える仕切板の位置に応じて蓄熱量を知ることができるとしている。
この種の装置によれば、特許文献１に開示された蓄熱装置において生じる上記の問題を解決することができる。

潜熱蓄熱装置に関連する別の従来技術としては、例えば、特許文献３に開示されている蓄放熱量測定装置が存在する。
この種の蓄放熱量測定装置は、無機系水和物の潜熱蓄熱剤と、蓄熱剤に実質的に相溶性がなく、かつ、低粘度であって常圧下温度１２０℃未満で実質的に蒸発しない液体を充填した容器を備えている。
この容器には導管で連通接続され上部を大気開放したレベル計が取り付けられている。
相変化時の体積変化によりレベル計における液面レベルを検知することで潜熱蓄熱剤の蓄熱量を測定するとしている。

特開２００８−２４１１０７号公報 実願昭５６−１６４８６８号（実開昭５８−７１５８９号）のマイクロフィルム 特開昭５９−１２５３９２号公報

しかしながら、特許文献２に開示された潜熱蓄熱槽の熱表示器は、潜熱蓄熱材が液相から固相へ相変化すると、潜熱蓄熱材を充填した管において、相変化による潜熱蓄熱材の体積減少により、管内壁と潜熱蓄熱材との間に空隙が生じるという問題がある。
この空隙は断熱機能を果すことから、空隙が生じると潜熱蓄熱材と冷温水との間の熱交換が妨げられ、熱交換の効率が低下する。
なお、特許文献３に開示された蓄放熱量測定装置は、特許文献２の潜熱蓄熱槽の熱表示器において生じる上記の問題を解決する点の記載はない。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、潜熱蓄熱材の固相化により潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても、隙間による潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる潜熱蓄熱装置の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、密閉された容器と、前記容器の外部から前記容器の内部を通って前記容器の外部へ至る熱媒体の流路を形成する伝熱チューブを有する熱交換体と、を備え、前記容器の内部に潜熱蓄熱材が収容されるとともに、前記潜熱蓄熱材よりも低比重であって、前記潜熱蓄熱材に対して不溶性の不溶性液体と、が前記容器の内部に収容され、前記潜熱蓄熱材と前記不溶性液体は、重力方向に対して、前記潜熱蓄熱材が下層で前記不溶性液体が上層となる層状に収容され、前記熱交換体は、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ることを特徴とする。
なお、潜熱蓄熱材は液相から固相へ相変化するとき体積減少を生じる材料である。

本発明では、潜熱蓄熱材よりも低比重であって、潜熱蓄熱材に対して不溶性の不溶性液体が潜熱蓄熱材とともに容器内に収容されている。
容器内では、重力方向に対して、潜熱蓄熱材が下層となり、不溶性液体が上層となる。
熱交換体は、不溶性液体と潜熱蓄熱材との境界面に干渉するから、潜熱蓄熱材の固相化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても、不溶性液体が隙間に入り込む。
本発明によれば、不溶性液体が隙間に入り込むことから、隙間が空隙のままである状態と比べて潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率が向上し、隙間による潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記不溶性液体の液量は、前記潜熱蓄熱材の液相から固相への相変化時における体積減少量以上に設定されてもよい。

この場合、潜熱蓄熱材の液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても不溶性液体が隙間の全体を埋める。
これにより隙間における空隙を確実に解消することができ、潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下をより確実に抑制することができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記熱交換体は、重力方向に対して上下方向へ延在する部位を有してもよい。

この場合、潜熱蓄熱材の液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じるとき、熱交換体の重力方向に対して上下方向へ延在する部位を伝わって、不溶性液体が隙間に入り込む。
熱交換体の重力方向に対して上下方向へ延在する部位は、蓄熱材と熱交換体との間に隙間へ不溶性液体を確実に入り込ませることができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記伝熱チューブは、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ってもよい。

この場合、潜熱蓄熱材の液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じるとき、熱媒体を通す伝熱チューブの外周面を伝わって、不溶性液体が隙間に入り込む。
熱媒体を通す伝熱チューブは重力方向に対して上下方向へ延在する部位として利用することができ、重力方向に対して上下方向へ延在する部位に相当する部材を別途設ける必要がない。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記伝熱チューブは、重力方向に対して上下にそれぞれ形成される複数の折り返し部と、上下の前記折り返し部の間に形成される直線部を有する連続チューブであり、上方の前記折り返し部又は前記直線部が前記潜熱蓄熱材と前記不溶性液体とに跨ってもよい。

この場合、潜熱蓄熱材の液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じるとき、不溶性液体は上下方向に延設されている直線部を伝わって隙間に素早く入り込むことができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記熱交換体は、前記容器の内部にて前記伝熱チューブに取り付けられて前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材との熱交換可能なフィンを有し、前記フィンは、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ってもよい。

この場合、潜熱蓄熱材の液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材の体積が減少し、潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じるとき、不溶性液体はフィンを伝わって隙間に入り込むことができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記フィンは重力方向に対して上下方向に延設されてもよい。

この場合、フィンは重力方向に対して上下方向へ延在する部位として利用することができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記容器の内部における前記不溶性液体の液面上に空間部が形成されてもよい。

この場合、液面ゲージを備えない潜熱蓄熱装置において、潜熱蓄熱材の固相化により潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても、潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記不溶性液体は、不揮発性の液体であってもよい。

この場合、不溶性液体が不揮発性の液体であることから、不溶性液体は液量に応じた液面レベルを保つことができる。
このため、例えば、液面ゲージにより不溶性液体の液面レベルを計測して潜熱蓄熱材の潜熱蓄熱量を求める場合に好適である。

また、本発明では、上記の潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材は、酢酸ナトリウム水和物であり、前記不溶性液体はシリコンオイルであってもよい。

この場合、酢酸ナトリウム水和物は、車載用の潜熱蓄熱材として好適であるほか、相変化の体積増減から潜熱蓄熱量を測定し易い。
また、シリコンオイルは酢酸ナトリウム水和物に対して不溶性であることから不溶性液体として好適である。

本発明によれば、熱蓄熱材の固相化により潜熱蓄熱材と熱交換体との間に隙間が生じても、隙間による潜熱蓄熱材と熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる潜熱蓄熱装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る潜熱蓄熱装置を示す縦断面図である。 不溶性液体が潜熱蓄熱材と伝熱チューブとの間の隙間を埋めた状態を模式的に示す拡大縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る潜熱蓄熱装置を示す縦断面図である。 変形例に係る潜熱蓄熱装置を示す縦断面図である。潜熱蓄熱装置を示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る潜熱蓄熱装置について図面を参照して説明する。
本実施形態の潜熱蓄熱装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載可能な車載用の潜熱蓄熱装置である。

図１に示す潜熱蓄熱装置１０は、断熱壁１２により密閉された断熱性を有する蓄熱タンク１１を備えている。
蓄熱タンク１１は容器に相当し、蓄熱タンク１１には潜熱蓄熱材Ｐおよび不溶性液体Ｓが収容されている。
この実施形態の潜熱蓄熱材Ｐは、酢酸ナトリウム三水和物（ＣＨ_３ＣＯＯＨ・３Ｈ_２Ｏ）を材料としており、酢酸ナトリウム三水和物を水に溶かして得られ、水との所定の重量比が設定されている。
潜熱蓄熱材Ｐは固相から液相に相変化するときに周りから熱を吸収して体積を増加させ、液相から固相に相変化するときに熱を放出して体積を減少させる。

不溶性液体Ｓは潜熱蓄熱材Ｐに対して不溶性であって不反応の性質を有する不揮発性の液体であり、さらに、潜熱蓄熱材Ｐの比重よりも低比重の液体である。
この実施形態では、潜熱蓄熱材Ｐの比重よりも低比重のシリコンオイルを用いている。
このシリコンオイルは、所定温度以上の時に酢酸ナトリウム三水和物の液相化に伴い酢酸ナトリウム三水和物から分離して生じる無水塩（酢酸ナトリウム）の溶液よりも比重が小さい。
因みに、不溶性液体Ｓは粘度が小さい方が好ましく、また、熱伝導に優れた液体が好ましい。

蓄熱タンク１１内の潜熱蓄熱材Ｐが液体である状態では、潜熱蓄熱材Ｐよりも低比重の不溶性液体Ｓは潜熱蓄熱材Ｐの上に浮く。
つまり、重力方向に対して、潜熱蓄熱材Ｐが下層となり、不溶性液体Ｓが上層となり、潜熱蓄熱材Ｐおよび不溶性液体Ｓは蓄熱タンク１１内において層状に収容されている。
蓄熱タンク１１内における不溶性液体Ｓの貯溜量は、潜熱蓄熱材Ｐが液体から固体へ相変化するときの潜熱蓄熱材Ｐの体積減少量よりも多く設定されている。
この実施形態では、酢酸ナトリウム三水和物を潜熱蓄熱材Ｐの材料としていることから、液相から固相への相変化時に約１０％の体積が減少する。

蓄熱タンク１１は入口孔１３と出口孔１４が形成されている。
入口孔１３には、蓄熱タンク１１の外部から熱媒体（図示せず）を通す伝熱チューブ１５の一方の端部が接続されており、伝熱チューブ１５の他方の端部は出口孔１４と接続されている。
伝熱チューブ１５は蓄熱タンク１１の内部において何度も折り返されて単一の流路を形成するように配管された連続チューブである。
このため、伝熱チューブ１５は、重力方向に対して上下にそれぞれ形成される複数の折り返し部１６、１７と、重力方向に対する上下の折り返し部１６、１７の間に形成される直線部１８を有する。
この実施形態の伝熱チューブ１５は、熱交換可能な熱伝導に優れた材料により形成されており、この実施形態では伝熱性に優れた銅を伝熱チューブ１５の材料としている。

伝熱チューブ１５は、直線部１８の長手方向と直角方向になる複数のフィン１９を備えている。
伝熱チューブ１５に取り付けられるフィン１９は、蓄熱タンク１１内の潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５内を流れる熱媒体との熱交換を促進するための要素であり、熱伝導に優れた材料により形成されている。
この実施形態では、伝熱チューブ１５とフィン１９とにより熱交換体が構成されており、熱交換体における伝熱チューブ１５が重力方向に対して上下方向へ延在する部位に相当する。
伝熱チューブ１５の上方の折り返し部１６又は直線部１８の上部が潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体Ｓとの境界面Ｂに干渉する。
すなわち、伝熱チューブ１５の上方の折り返し部１６又は直線部１８の上部は潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体Ｓとに跨っている。
因みに、潜熱蓄熱材Ｐが液相から固相へ相変化する際に、潜熱蓄熱材Ｐは体積減少を伴うが、伝熱チューブ１５は、固相への相変化開始前に潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体Ｓとに跨っている状態にあればよい。
例えば、潜熱蓄熱材Ｐが完全に液相化されている状態では、境界面Ｂが伝熱チューブ１５よりも上方に位置して伝熱チューブ１５が境界面Ｂに干渉しなくても、潜熱蓄熱材Ｐの固相化が開始する以前において伝熱チューブ１５と境界面Ｂが干渉すればよい。

入口孔１３および出口孔１４の伝熱チューブ１５の各端部には、外部配管２０が接続されており、外部配管２０は熱源や熱負荷対象となる熱交換要素Ｈに接続されている。
熱交換要素Ｈと潜熱蓄熱材Ｐとの間を熱媒体が一方向へ循環する循環経路が形成されている。
外部配管２０における熱媒体を循環させるための循環ポンプ２１が設置されている。

さらに、本実施形態では、潜熱蓄熱装置１０の蓄熱タンク１１の上部には液面ゲージ２２が設けられている。
液面ゲージ２２は蓄熱タンク１１に接続された筒体２３を備えており、筒体２３の内部に不溶性液体Ｓの液面が位置し、筒体２３内の空間は大気開放されている。
筒体２３内での不溶性液体Ｓの液面レベルＬは、蓄熱タンク１１内の潜熱蓄熱材Ｐの相変化に伴う体積増減により変動し、不溶性液体Ｓの液面レベルＬの位置に応じて潜熱蓄熱材Ｐの潜熱蓄熱量を計測することができる。
蓄熱タンク１１内の潜熱蓄熱量は、液面ゲージ２２によって計測した液面レベルＬと潜熱蓄熱材Ｐが全て固体の状態にあるときの液面レベルＬの高さに基づいて、潜熱蓄熱材Ｐの体積増加率を求め、この体積増加率に潜熱蓄熱材Ｐが全て液体の状態にあるときの蓄熱タンク１１内の潜熱蓄熱量を乗じて算出することができる。
本実施形態では、潜熱蓄熱材Ｐが相変化により体積減少しても、液面ゲージ２２内に液面レベルＬが位置するだけの不溶性液体Ｓの液量が設定されている。

次に、本実施形態の潜熱蓄熱装置１０による蓄熱について説明する。
本実施形態の潜熱蓄熱装置１０に蓄熱する場合、熱源（例えば、車両におけるモータや電力機器等の発熱部位）となる熱交換要素Ｈに接続された外部配管２０に潜熱蓄熱装置１０を接続する。
次に、循環ポンプ２１を作動させて熱媒体を一方向へ循環させる。
循環ポンプ２１の作動により、熱媒体は入口孔１３側から出口孔１４側へ向けて伝熱チューブ１５を通る。
熱媒体は、伝熱チューブ１５を通る際に伝熱チューブ１５およびフィン１９を介して潜熱蓄熱材Ｐと熱交換を行う。
潜熱蓄熱材Ｐと熱媒体との熱交換により潜熱蓄熱材Ｐへの蓄熱が行われる。
出口孔１４側から蓄熱タンク１１の外へ出た熱媒体は外部配管２０を通り熱交換要素Ｈへ移送される。

例えば、熱交換要素Ｈを熱負荷要素としての暖房対象空間（例えば、車室）とし、潜熱蓄熱装置１０を熱源として利用する場合、外部配管２０を介して潜熱蓄熱装置１０を熱交換要素Ｈと接続し、熱媒体を循環する。
潜熱蓄熱材Ｐが液体の状態のとき、伝熱チューブ１５を通る熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐが熱交換を行う。
熱交換による潜熱蓄熱材Ｐの放熱により、熱媒体は潜熱蓄熱材Ｐからの熱を受け、潜熱蓄熱材Ｐは液相から固相へ相変化する。
熱を受けた熱媒体は蓄熱タンク１１を出ると、外部配管２０を通じて潜熱蓄熱装置１０から熱負荷要素としての熱交換要素Ｈへ移送され、潜熱蓄熱装置１０により得た熱を暖房に使用する。

ところで、潜熱蓄熱材Ｐが液相から固相へ相変化する過程では、潜熱蓄熱材Ｐの体積減少に伴い、伝熱チューブ１５と潜熱蓄熱材Ｐとの境界や、フィン１９と潜熱蓄熱材Ｐとの境界に隙間が生じる場合がある。
この場合、生じた隙間が空隙の状態のままであると、空隙による断熱作用により熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐとの熱交換の効率が低下する。
図２に示すように、本実施形態では、潜熱蓄熱材Ｐとともに不溶性液体Ｓが蓄熱タンク１１に収容されている。
伝熱チューブ１５の上部が不溶性液体Ｓと潜熱蓄熱材Ｐとに跨っているから、伝熱チューブ１５やフィン１９と潜熱蓄熱材Ｐとの間に隙間Ｇが生じても、不溶性液体Ｓが伝熱チューブ１５を伝わるなどして隙間Ｇに入り込む。
不溶性液体Ｓが隙間Ｇを埋めるように入り込むことで、隙間Ｇが空隙の状態となることが妨げられる。
そして、隙間Ｇを熱伝導に優れた不溶性液体Ｓが埋めることから、隙間Ｇの熱交換の効率が向上し、熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐとの熱交換の効率低下が抑制される。
また、伝熱チューブ１５の直線部１８の長手方向が上下方向であることから、重力方向に対して上下方向に延びる隙間Ｇができやすく、また、不溶性液体Ｓは直線部１８を伝わって隙間Ｇに素早く入り込む。
図２では説明の便宜上、フィン１９を２点鎖線による仮想線により示し、フィン１９と潜熱蓄熱材Ｐとの隙間は図示していない。
フィン１９と潜熱蓄熱材Ｐとの間に生じた隙間は、隙間Ｇと連通している場合は隙間Ｇを伝わる不溶性液体Ｓにより埋められる。

不溶性液体Ｓの熱伝導率が高いほど熱交換の効率低下はより抑制され、また、不溶性液体Ｓの粘度が小さいほどと、不溶性液体Ｓが隙間へ入り込み易くなり、隙間Ｇによる空隙の残存を解消し易くなる。
不溶性液体Ｓの液量は、潜熱蓄熱材Ｐの液相から固相への相変化時における体積減少量以上に設定されている。
このため、潜熱蓄熱材Ｐの液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材Ｐの体積が減少し、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５やフィン１９との間に隙間Ｇが生じても不溶性液体Ｓが隙間Ｇの全体を埋める。
さらに言うと、本実施形態では、不溶性液体Ｓにより隙間Ｇの全体が埋められても、液面ゲージ２２内に液面レベルＬが位置する。

次に、例えば、熱交換要素Ｈを熱負荷要素としての冷房対象空間（例えば、車室）とし、潜熱蓄熱装置１０を吸熱源として利用する場合、外部配管２０を介して潜熱蓄熱装置１０と熱交換要素Ｈとを接続し、熱媒体を循環する。
潜熱蓄熱材Ｐが固体の状態のとき、伝熱チューブ１５を通る熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐが熱交換を行う。
熱交換における潜熱蓄熱材Ｐの吸熱により、熱媒体は潜熱蓄熱材Ｐに熱を奪われ、吸熱する潜熱蓄熱材Ｐは固相から液相へ相変化する。
熱を奪われた熱媒体は蓄熱タンク１１を出ると、外部配管２０を通じて潜熱蓄熱装置１０から熱交換要素Ｈへ移送され、熱を奪われた熱媒体を冷房に使用する。

潜熱蓄熱材Ｐの材料が酢酸ナトリウム三水和物であるから、潜熱蓄熱材Ｐが固相から液相へ相変化したときに、酢酸ナトリウム三水和物から無水塩が生じる場合があり、この場合、酢酸ナトリウム三水和物の溶液と無水塩の溶液による潜熱蓄熱材Ｐの２層化が発生する。
本実施形態では、不溶性液体Ｓの比重が無水塩の溶液よりも比重が小さいシリコンオイルを使用しており、潜熱蓄熱材Ｐの２層化が発生しても、シリコンオイルは常に無水塩の溶液上に浮上する。
このため、潜熱蓄熱材Ｐの相変化が繰り返されても、相変化の度に発生する無水塩の溶液が分離されて不溶性液体Ｓ上に残存して増え続けることが防止される。

伝熱チューブ１５を通る熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐとの熱交換により、潜熱蓄熱材Ｐが相変化する際、潜熱蓄熱材Ｐの体積は増減する。
このとき、液面ゲージ２２における不溶性液体Ｓの液面レベルＬの位置に基づき、蓄熱タンク１１内における潜熱蓄熱材Ｐの潜熱蓄熱量が測定される。

本実施形態の潜熱蓄熱装置１０によれば以下の作用効果を奏する。
（１）伝熱チューブ１５は、不溶性液体Ｓと潜熱蓄熱材Ｐとに跨るから、潜熱蓄熱材Ｐの固相化により潜熱蓄熱材Ｐの体積が減少し、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５やフィン１９との間に隙間Ｇが生じても、不溶性液体Ｓが隙間Ｇに入り込む。このため、隙間Ｇが空隙のままの状態と比べて、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５との熱交換の効率が向上し、隙間Ｇによる潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５との熱交換の効率低下を抑制することができる。
（２）不溶性液体Ｓの液量は、潜熱蓄熱材Ｐの液相から固相への相変化時における体積減少量以上に設定されている。このため、液相から固相への相変化により潜熱蓄熱材Ｐの体積が減少し、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５との間に隙間Ｇが生じても不溶性液体Ｓが隙間Ｇの全体を埋める。これにより隙間Ｇにおける空隙を確実に解消することができ、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５やフィン１９との熱交換の効率低下をより確実に抑制することができる。

（３）潜熱蓄熱材Ｐの液相から固相へ相変化により潜熱蓄熱材Ｐの体積が減少し、潜熱蓄熱材Ｐと伝熱チューブ１５との間に隙間Ｇが生じるとき、伝熱チューブ１５の外周面を伝わって、不溶性液体Ｓが隙間Ｇに入り込む。伝熱チューブ１５を重力方向に対して上下方向へ延在する部位として利用することができ、重力方向に対して上下方向へ延在する部位に相当する部材を別途設ける必要がない。
（４）伝熱チューブ１５は、長手方向が上下方向である直線部１８を有するから、相変化により隙間Ｇが生じるとき、不溶性液体Ｓが伝熱チューブ１５の上下方向の直線部１８を伝わって隙間Ｇに素早く入り込むことができる。

（５）潜熱蓄熱材Ｐは酢酸ナトリウム水和物であり、不溶性液体Ｓはシリコンオイルであるから、酢酸ナトリウム水和物は潜熱蓄熱材Ｐとして充分な機能を果すことができるほか、潜熱蓄熱装置１０を車載用とする場合にも好適である。また、シリコンオイルは酢酸ナトリウム水和物に対して確実に不溶性を持し、また、酢酸ナトリウム水和物よりも低比重の液体として利用できる。
（６）潜熱蓄熱材Ｐとしての酢酸ナトリウム水和物が液相に相変化したときに、酢酸ナトリウム三水和物の溶液と無水塩の溶液による潜熱蓄熱材の２層化が発生する場合があり、相変化の繰り返しにより無水塩の溶液が増大する。しかし、不溶性液体Ｓは、無水塩の溶液よりも低比重のシリコンオイルであるから、潜熱蓄熱材Ｐの２層化が発生しても、シリコンオイルは常に無水塩の溶液上に浮遊することができる。これにより、発生した無水塩は蓄熱時に再び酢酸ナトリウム三水和物の溶液に融解されるため、相変化が繰り返されても酢酸ナトリウム三水和物の溶液と無水塩の溶液との増大と不溶性液体Ｓ上での残存を回避することができ、無水塩の溶液の残存による蓄熱能力の低下を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態に係る潜熱蓄熱装置について説明する。
第２の実施形態では、熱交換体の構成が第１の実施形態と異なる。
図３に示す、潜熱蓄熱装置３０は、断熱壁１２により形成された容器としての蓄熱タンク１１と、熱交換体を構成する伝熱チューブ３５およびフィン３９と、を備えている。
蓄熱タンク１１は第１の実施形態と同一構成であるため、符号を共通して用いる。

伝熱チューブ３５は、蓄熱タンク１１の入口孔１３に接続され、下方へ延在する導入管部３６と、出口孔１４に接続され、下方へ延在する導出管部３７と、導入管部３６から分岐され導出管部３７に接続される複数の水平管部３８とを備えている。
従って、入口孔１３側から伝熱チューブ３５へ導入された熱媒体は導入管部３６から水平管部３８をそれぞれ通って導出管部３７へ至り、導出管部３７から外部配管２０へ移送される。
伝熱チューブ３５を通る熱媒体は潜熱蓄熱材Ｐと熱交換を行うが、フィン３９は熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐとの熱交換を促進する。
フィン３９は重力方向に対して上下方向に延設されており、フィン３９の上部が潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体とに跨るように、フィン３９は伝熱チューブ３５に取り付けられて固定されている。

潜熱蓄熱装置３０を熱源として利用する場合、伝熱チューブ３５を通る熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐが熱交換を行い、潜熱蓄熱材Ｐが放熱することで、熱媒体は潜熱蓄熱材Ｐからの熱を受ける。
熱交換により潜熱蓄熱材Ｐは液相から固相へ相変化する。
潜熱蓄熱材Ｐの固相へ相変化による体積減少に伴い、フィン３９と潜熱蓄熱材Ｐとの境界や、伝熱チューブ３５と潜熱蓄熱材Ｐとの境界に隙間（図示せず）が生じる場合がある。
このとき、フィン３９の上部が潜熱蓄熱材Ｐと不溶性液体とに跨って境界面Ｂに干渉しているから隙間が生じても、不溶性液体Ｓがフィン３９を伝わるなどしてこの隙間に入り込む。
不溶性液体Ｓが隙間を埋めるように入り込むことで、隙間が空隙の状態となることが妨げられ、熱媒体と潜熱蓄熱材Ｐとの熱交換の効率低下が抑制される。
また、フィン３９の長手方向が上下方向であることから、隙間が形成されても重力方向に対して上下方向に延びる隙間ができやすくなり、不溶性液体Ｓもこの隙間に素早く入り込む。
なお、伝熱チューブ３５と潜熱蓄熱材Ｐとの間に生じた隙間は、フィン３９と潜熱蓄熱材Ｐとの隙間と連通している場合、フィン３９と潜熱蓄熱材Ｐとの隙間を伝わる不溶性液体Ｓにより埋められる。

本実施形態の潜熱蓄熱装置によれば、第１の実施形態の作用効果（２）、（５）、（６）と同等の作用効果を奏する。
さらに、フィン３９は、不溶性液体Ｓと潜熱蓄熱材Ｐとに跨って境界面Ｂに干渉するから、固相化により潜熱蓄熱材Ｐの体積が減少し、潜熱蓄熱材Ｐとフィン３９との間に隙間が生じる場合でも、不溶性液体Ｓが隙間に入り込むことができる。
また、フィン３９の表面を伝わって、不溶性液体Ｓが隙間に入り込むから、フィン３９は重力方向に対して上下方向へ延在する部位と利用することができる。

なお、上記の各実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態では、熱交換体の伝熱チューブが蓄熱タンクの入口孔および出口孔に固定されることで、熱交換体が蓄熱タンクに保持されたが、熱交換体は、例えば、別に設けた支持部材により蓄熱タンク内に固定するようにしてもよい。
○ 上記の実施形態では、熱交換体として伝熱チューブを用いたが、熱交換体は、例えば、熱媒体を通すコルゲートフィン構造やハニカム構造であって、熱媒体が潜熱蓄熱材と直接接触しない構造であってもよい。この場合も上記の実施形態と同等の作用効果を奏することが期待できる。
○ 上記の実施形態では、蓄熱タンクに液面ゲージが設けられた潜熱蓄熱装置としたが、潜熱蓄熱装置は液面ゲージを必ずしも備えなくてもよい。例えば、図４に示すように、液面ゲージを備えない潜熱蓄熱装置４０であってもよく、図４に示す潜熱蓄熱装置４０では、蓄熱タンク１１内において不溶性液体Ｓの液面上に空間部Ａが形成されている。空間部Ａは大気開放された領域と連通するが、空間部Ａが潜熱蓄熱材Ｐの体積減少分を吸収することができる場合は密閉空間でもよい。この潜熱蓄熱装置４０によれば、潜熱蓄熱材Ｐの潜熱蓄熱量は計測できないものの、潜熱蓄熱材Ｐの固相化により潜熱蓄熱材Ｐと熱交換体との間に隙間が生じても、潜熱蓄熱材Ｐと熱交換体との熱交換の効率低下を抑制することができる。空間部Ａを密閉する場合、容器の断熱性がさらに向上する。なお、図４において熱交換体は第１の実施形態の構成としたが、第２の実施形態の構成であってもよい。
○ 上記の実施形態では、不溶性液体としてシリコンオイルを用いたが、シリコンオイルの代替オイルとして、トランスオイル、ミネラルオイル、スピンドルオイルを不溶性液体として用いることもできる。

１０、３０、４０ 潜熱蓄熱装置
１１ 蓄熱タンク
１２ 断熱壁
１３ 入口孔
１４ 出口孔
１５、３５ 伝熱チューブ
１６ 折り返し部（上）
１７ 折り返し部（下）
１８ 直線部
１９、３９ フィン
２０ 外部配管
２１ 循環ポンプ
２２ 液面ゲージ
２３ 筒体
３６ 導入管部
３７ 導出管部
３８ 水平管部
Ｈ 熱交換要素
Ｐ 潜熱蓄熱材
Ｓ 不溶性液体
Ｌ 液面レベル
Ｂ 境界面
Ｇ 隙間
Ａ 空間部

Claims (10)

1. 密閉された容器と、
   前記容器の外部から前記容器の内部を通って前記容器の外部へ至る熱媒体の流路を形成する伝熱チューブを有する熱交換体と、を備え、
   前記容器の内部に潜熱蓄熱材が収容されるとともに、
   前記潜熱蓄熱材よりも低比重であって、前記潜熱蓄熱材に対して不溶性の不溶性液体と、が前記容器の内部に収容され、
   前記潜熱蓄熱材と前記不溶性液体は、重力方向に対して、前記潜熱蓄熱材が下層で前記不溶性液体が上層となる層状に収容され、
   前記熱交換体は、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ることを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 前記不溶性液体の液量は、前記潜熱蓄熱材の液相から固相への相変化時における体積減少量以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱装置。
3. 前記熱交換体は、重力方向に対して上下方向へ延在する部位を有することを特徴とする請求項１又は２記載の潜熱蓄熱装置。
4. 前記伝熱チューブは、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置。
5. 前記伝熱チューブは、重力方向に対して上下にそれぞれ形成される複数の折り返し部と、上下の前記折り返し部の間に形成される直線部を有する連続チューブであり、
   上方の前記折り返し部又は前記直線部が前記潜熱蓄熱材と前記不溶性液体とに跨ることを特徴とする請求項４記載の蓄熱装置。
6. 前記熱交換体は、前記容器の内部にて前記伝熱チューブに取り付けられて前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材との熱交換可能なフィンを有し、
   前記フィンは、前記不溶性液体と前記潜熱蓄熱材とに跨ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置。
7. 前記フィンは重力方向に対して上下方向に延設されることを特徴とする請求項６記載の蓄熱装置。
8. 前記容器の内部における前記不溶性液体の液面上に空間部が形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置。
9. 前記不溶性液体は、不揮発性の液体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置。
10. 前記潜熱蓄熱材は、酢酸ナトリウム水和物であり、前記不溶性液体はシリコンオイルであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置。

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