JP2015135205A

JP2015135205A - 蓄熱器

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Publication number: JP2015135205A
Application number: JP2014006388A
Authority: JP
Inventors: 裕昭桐木; Hiroaki Kiriki; 久保　修一; Shuichi Kubo; 修一久保
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-27

Abstract

【課題】天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収する蓄熱器を提供する【解決手段】第１接続孔と前記第１接続孔と中心軸を共有する第２接続孔と、第１接続孔を有する第１区画と、を有する第２区画と、第１区画と第２区画との間に配置される第３区画と、からなる蓄熱器において、蓄熱器は、第１区画と第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第１隔壁と、第２区画と第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第２隔壁と、第３区画に、第１隔壁および第２隔壁と離間して、中心軸方向に流路を有するハニカム構造体と、第１接続孔と第１隔壁との間に、第１区画の内壁と離間しかつ中心軸に垂直な第１の整流板と、第２接続孔と第２隔壁との間に、第２区画の内壁と離間しかつ中心軸に垂直な第２の整流板と、を有する【選択図】図１

Description

本発明は、流体の熱を蓄熱する蓄熱器に関する。

自然エネルギーを利用した発電として、太陽熱発電装置が注目されている。太陽熱発電装置は、太陽光を集光し、熱エネルギーに変換したあと、熱エネルギーから電気エネルギーに変換する発電方式である。一般には、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換は、運動エネルギーを介して行われる。
このような太陽熱発電装置は夜間の発電ができない。このため昼間に蓄熱器に蓄熱し、夜間にこの熱を利用するために様々な蓄熱器が検討されている。

特許文献１には、ハウジングを備える蓄熱モジュールと、前記ハウジングの外部に配置された少なくとも１つの熱交換器と、送風機と、少なくとも１つの供給配管と、少なくとも１つの排出配管とを含んでいる高温蓄熱器が開示されている。このような蓄熱器を用いることにより、発電のできない日没後に蓄えられた熱を利用して発電することが記載されている。

特表２０１３−５３３４５５号公報

近年、高温で動作し大規模な太陽熱発電装置が検討されつつある。高温で動作する太陽熱発電装置は、熱媒体として空気など気体が利用される。気体は液体に比べ熱容量が小さいため、太陽を雲が一時的に覆う天候の変化でも、伝達されるエネルギーが急速に減少する。太陽熱発電装置から生み出されるエネルギーが減少すると、電源の周波数変動あるいは電圧変動の原因となる。上記発明蓄熱器は、夜間の発電をするための蓄熱器であり、このような短い周期の出力変動を吸収することは考慮されていない。
本発明では、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収する蓄熱器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の蓄熱器は、第１接続孔と前記第１接続孔と中心軸を共有する第２接続孔と、前記第１接続孔を有する第１区画と、前記第２接続孔を有する第２区画と、前記第１区画と前記第２区画との間に配置される第３区画と、からなる蓄熱器において、前記蓄熱器は、前記第１区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第１隔壁と、前記第２区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第２隔壁と、前記第３区画に、前記第１隔壁および前記第２隔壁と離間して、前記中心軸方向に流路を有するハニカム構造体と、前記第１接続孔と第１隔壁との間に、前記第１区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第１の整流板と、前記第２接続孔と第２隔壁との間に、前記第２区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第２の整流板と、を有する。

このような構成にすることにより、第１接続孔から導入された流体が、一旦第１の整流板によって第１区画内に拡散したのち、第１隔壁を通過し、第３区画内のハニカム構造体の流路を通過し、第２隔壁を通過し、第２区画に到達した後、第２の整流板を迂回し第２接続孔から排出される。このような構造により、第３区画内にあるハニカム構造体は、第１区画から第２区画に向かって一様に流れる流体との間で熱を受け渡しし、ハニカム構造体全体が直接熱交換に関わることができる。このような構造によって、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

さらに本発明の蓄熱器は、次の態様が望ましい。
（１）前記第１の整流板は、前記第１接続孔よりも大きく、前記第２の整流板は、前記第２接続孔よりも大きいこと。
このような蓄熱器は、第１の整流板が第１接続孔よりも大きいので、第１接続孔から導入される流体が直接第１隔壁に向かって進むことができず、第１接続孔の正面にあるハニカム構造体に流れが集中しにくくすることができる。また、第２の整流板が第２接続孔よりも大きいので、ハニカム構造体から流出する流体が第２接続孔に直接引き寄せられにくいので、第２接続孔の正面にあるハニカム構造体に流れが集中しにくくすることができる。このような作用により、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

（２）前記第１の整流板と前記第１接続孔との距離は、前記第１の整流板と前記第１隔壁との距離より小さく、前記第２の整流板と前記第２接続孔との距離は、前記第２の整流板と前記第２隔壁との距離より小さい。
このような蓄熱器は、第１の整流板と第１接続孔との距離を、第１の整流板と第１隔壁との距離より小さくすることにより、第１接続孔から導入された流体が速やかに第１区画内に拡散し、第１隔壁の近傍の圧力分布を平準化することができる。また第２の整流板と第２接続孔との距離は、第２の整流板と第２隔壁との距離より小さくすることにより、第２接続孔から流体が引き出される発生する差圧が、第２の整流板の近傍のみで大きくなるので、第２隔壁の近傍の圧力分布を平準化することができる。このような作用によって、第１区画から第２区画に向う流体の一様に流れを形成することができる。このような作用により、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

（３）前記第１隔壁と前記ハニカム構造体との距離および前記第２隔壁と前記ハニカム構造体との距離は、前記ハニカム構造体のセルピッチの１０倍以上である。
本発明の蓄熱器の第１隔壁および第２隔壁は、第１区画から第２区画に向かう流体の一様な流れを形成するためにわずかに抵抗を有している。抵抗を生じさせる要因は、第１隔壁あるいは第２隔壁が多孔体である場合には母材であり、第１隔壁あるいは第２隔壁が開口を有する板である場合には開口以外の部分である。第１隔壁あるいは第２隔壁近傍では、多孔体の不均一性あるいは、開口を有する板である場合には開口部分と開口以外の部分との差によって、流体の流れに部分的な偏りが生じ易くなる。第１隔壁とハニカム構造体との距離および第２隔壁とハニカム構造体との距離は、ハニカム構造体のセルピッチの１０倍以上有することにより、第１隔壁または第２隔壁近傍で発生する流れの偏りを緩和することができ、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

（４）前記蓄熱器は、気体の熱媒体の蓄熱に用いられる。
熱媒体として気体を用いる場合、熱容量が小さく、温度の変動が起こりやすくなる。本発明の蓄熱器は、応答性が高いので熱媒体が気体である場合に特に効率良く温度変動を平滑化することができる。

（５）前記蓄熱器は、太陽熱発電装置用である。
太陽熱発電装置は、昼間でも一時的に雲によって太陽が遮られることがある。このような場合でも、本発明の蓄熱器は応答性が高いので、一時的な出力変動を平滑化することができる。

本発明の蓄熱器によれば、第１接続孔から導入された流体が、一旦第１の整流板によって第１区画内に拡散したのち、第１隔壁を通過し、第３区画内のハニカム構造体の流路を通過し、第２隔壁を通過し、第２区画に到達した後、第２の整流板を迂回し第２接続孔から排出される。このような構造により、第３区画内にあるハニカム構造体は、第１区画から第２区画に向かって一様に流れる流体との間で熱を受け渡しし、ハニカム構造体全体が直接熱交換に関わることができる。このような構造によって、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

本発明の第１実施形態の蓄熱器の断面図。本発明の第１実施形態の蓄熱器に用いられる第１隔壁（第２隔壁）の平面図。本発明の第１実施形態の蓄熱器に用いられるハニカム構造体の流路に直交する方向の断面図。実施例１および比較例１、比較例２の性能試験の結果を示すグラフである。

本発明の蓄熱器は、第１接続孔と前記第１接続孔と中心軸を共有する第２接続孔と、前記第１接続孔を有する第１区画と、前記第２接続孔を有する第２区画と、前記第１区画と前記第２区画との間に配置される第３区画と、からなる蓄熱器において、前記蓄熱器は、前記第１区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第１隔壁と、前記第２区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第２隔壁と、前記第３区画に、前記第１隔壁および前記第２隔壁と離間して、前記中心軸方向に流路を有するハニカム構造体と、前記第１接続孔と第１隔壁との間に、前記第１区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第１の整流板と、前記第２接続孔と第２隔壁との間に、前記第２区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第２の整流板と、を有する。

本発明の蓄熱器は、前記第１の整流板が、前記第１接続孔よりも大きく、前記第２の整流板は、前記第２接続孔よりも大きいことが好ましい。
このような蓄熱器は、第１の整流板が第１接続孔よりも大きいので、第１接続孔から導入される流体が直接第１隔壁に向かって進むことができず、第１接続孔の正面にあるハニカム構造体に流れが集中しにくくすることができる。また、第２の整流板が第２接続孔よりも大きいので、ハニカム構造体から流出する流体が第２接続孔に直接引き寄せられにくいので、第２接続孔の正面にあるハニカム構造体に流れが集中しにくくすることができる。このような作用により、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

本発明の蓄熱器のハニカム構造体は、特に限定されないがセラミックであることが好ましい。本発明の蓄熱器は、高温で使用する気体の熱を蓄熱する。使用温度は、６００〜１５００℃程度で使用されるので、セラミックのハニカム構造体であれば、化学的に安定であるので、劣化することなく使用することができる。セラミックとしては、例えばアルミナ、コージェライト、炭化珪素、ジルコニアなどが挙げられる。

本発明の蓄熱器の第１隔壁あるいは第２隔壁は、特に限定されないが、セラミックであることが好ましい。本発明の蓄熱器は、高温で使用する気体の熱を蓄熱する。使用温度は、６００〜１５００℃程度で使用されるので、セラミックの第１隔壁あるいは第２隔壁であれば、化学的に安定であるので、劣化することなく使用することができる。第１隔壁あるいは第２隔壁は、多孔体あるいは開口を有する板を使用することができる。多孔体としては、繊維の集合体あるいは、内部に連続気孔を有する素材などが使用できる。
本発明の蓄熱器の第１接続孔および第２接続孔の形状は、形状は特に限定されない。例えば円形、正方形、長方形、多角形などが利用できる。

本発明の蓄熱器において中心軸とは、第１接続孔においては、第１接続孔の形状の幾何学的な重心を通る垂線と定義する。また、第２接続孔においては、第２接続孔の形状の幾何学的な重心を通る垂線と定義する。
本発明の第１の整流板および第２の整流板の形状は特に限定されない。例えば、円形、正方形、長方形、多角形などが利用できる。第１の整流板および第２の整流板の形状は厚さも特に限定されない。
本発明の第１の整流板および第２の整流板は、中心軸に垂直に配置される。中心軸に垂直に配置されることによって、第１の整流板および第２の整流板に当たった流体は、一方向に偏ることなく流れを分散し蓄熱器の内壁との隙間を通って流れることができる。

本発明の蓄熱器は、前記第１の整流板と前記第１接続孔との距離が、前記第１の整流板と前記第１隔壁との距離より小さく、前記第２の整流板と前記第２接続孔との距離が、前記第２の整流板と前記第２隔壁との距離より小さいことが好ましい。

このような蓄熱器は、第１の整流板と第１接続孔との距離を、第１の整流板と第１隔壁との距離より小さくすることにより、第１接続孔から導入された流体が速やかに第１区画内に拡散し、第１隔壁の近傍の圧力分布を平準化することができる。また第２の整流板と第２接続孔との距離は、第２の整流板と第２隔壁との距離より小さくすることにより、第２接続孔から流体が引き出される発生する差圧が、第２の整流板の近傍のみで大きくなるので、第２隔壁の近傍の圧力分布を平準化することができる。このような作用によって、第１区画から第２区画に向う流体の一様に流れを形成することができる。このような作用により、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

本発明の蓄熱器は、前記第１隔壁と前記ハニカム構造体との距離および前記第２隔壁と前記ハニカム構造体との距離が、前記ハニカム構造体のセルピッチの１０倍以上であることが好ましい。セルピッチとは、隣合う流路の幾何学上の重心間の最短距離である。
本発明の蓄熱器の第１隔壁および第２隔壁は、第１区画から第２区画に向かう流体の一様な流れを形成するためにわずかに抵抗を有している。抵抗を生じさせる要因は、第１隔壁あるいは第２隔壁が多孔体である場合には母材であり、第１隔壁あるいは第２隔壁が開口を有する板である場合には開口以外の部分である。第１隔壁あるいは第２隔壁近傍では、多孔体の不均一性あるいは、開口を有する板である場合には開口部分と開口以外の部分との差によって、流体の流れに部分的な偏りが生じ易くなる。第１隔壁とハニカム構造体との距離および第２隔壁とハニカム構造体との距離は、ハニカム構造体のセルピッチの１０倍以上有することにより、第１隔壁または第２隔壁近傍で発生する流れの偏りを緩和することができ、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収、応答性の高い蓄熱器を提供することができる。

本発明の蓄熱器は、気体の熱媒体の蓄熱に用いられることが好ましい。
熱媒体として気体を用いる場合、熱容量が小さく、温度の変動が起こりやすくなる。本発明の蓄熱器は、応答性が高いので熱媒体が気体である場合に特に効率良く温度変動を平滑化することができる。

本発明の蓄熱器は、太陽熱発電装置用であることが好ましい。
太陽熱発電装置は、昼間でも一時的に雲によって太陽が遮られることがある。このような場合でも、本発明の蓄熱器は応答性が高いので、一時的な出力変動を平滑化することができる。

＜第１実施形態＞
本発明の実施形態を、図を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の蓄熱器１００の断面図である。図２は、第１実施形態の蓄熱器に用いられる第１隔壁２１の平面図である。第１実施形態では、第１隔壁２１と第２隔壁２２とは同一形状であり第２隔壁２２の平面図も、図２と同一である。図３は、第１実施形態の蓄熱器に用いられるハニカム構造体５の流路５１に垂直方向の断面図である。
本実施形態の蓄熱器１００は、図１において左から順に第１区画１１、第３区画１３、第２区画１２となる。図１において第１区画１１の左側には第１接続孔３１を有し、第２区画１２の右側には第２接続孔３２を有する。第１接続孔３１および第２接続孔３２は中心軸６を共有している。

本実施形態の蓄熱器１００は、中心軸６に沿う方向の長さが２２０ｍｍでありその垂直方向の面はそれぞれ３４．３ｍｍの正方形である内寸である。
本実施形態の蓄熱器は、中心軸６に沿う方向の第１区画１１の長さが１０ｍｍ、第２区画１２の長さが１０ｍｍ、第３区画１３の長さが２６０ｍｍである。
第１区画１１と第３区画１３の間には、第１隔壁２１を有し、第２区画１２と第３区画１３の間には、第２隔壁２２を有している。第１隔壁２１および第２隔壁２２は、φ４ｍｍの穴が６ｍｍ間隔に空いた厚さ０．８ｍｍのパンチングメタルからなる。（図２）
第３区画の中央には、流路５１が第１接続孔３１から第２接続孔に向かうようハニカム構造体５が配置されている。ハニカム構造体５の流路５１の断面は、０．４１ｍｍ間隔の格子状である。つまり、セルピッチは０．４１ｍｍである。ハニカム構造体１００は炭化珪素からなる。

ハニカム構造体５と第１隔壁２１および第２隔壁２２との距離は２０ｍｍである。すなわち第３区画１３の長さ２６０ｍｍは、２０ｍｍの空隙が２つ、２２０ｍｍのハニカム構造体５に分割される。２０ｍｍの空隙は、ハニカム構造体５のセルピッチの４８．８倍である。

第１接続孔３１および第２接続孔３２はφ６ｍｍの円形の孔である。第１接続孔３１から５ｍｍ隔ててφ８ｍｍ厚さ０．８ｍｍの第１の整流板４１が、中心軸６と垂直になるように配置されている。また第２接続孔３２から５ｍｍ隔ててφ８ｍｍ厚さ０．８ｍｍの第２の整流板４２が、中心軸６と垂直になるように配置されている。このように第１の整流板４１および第２の整流板４２を配置することにより、第１の整流板４１と第１接続孔３１との距離は、第１の整流板４１と第１隔壁２１との距離より小さく、第２の整流板４２と第２接続孔３２との距離は、第２の整流板４２と第２隔壁２２との距離より小さくなる。

＜性能試験＞
このような蓄熱材を用い、１８０秒の温風と、９０秒の冷風を交互５回に流したときに取り出される空気の温度変化を計測した。このときの熱媒体である空気流量は、１．０２５ｇ／ｓｅｃである。
比較として、同一形状からなり内部が単一の区画である蓄熱器に、コンクリートの破砕品を詰めた蓄熱器および黒鉛の破砕品を詰めた蓄熱器であって、中央に熱媒体を通過させるための貫通孔を有する一般的な蓄熱器をそれぞれ用意し、温度変化を比較した。
第１実施形態の蓄熱器を用いた性能試験を実施例１、黒鉛の破砕品を詰めた蓄熱器を比較例１、コンクリートの破砕品を詰めた蓄熱器を比較例２としてその結果を、図４に示す。実施例１の蓄熱器は、比較例１および比較例２と比較し取り出される空気の温度は緩やかに変動するようになっている。実施例１の蓄熱器は、天候変化などにより発生する急激な出力変動を吸収することができ、応答性が高いことが確認された。

１１第１区画
１２第２区画
１３第３区画
２１第１隔壁
２２第２隔壁
３１第１接続孔
３２第２接続孔
４１第１の整流板
４２第２の整流板
５ハニカム構造体
５１流路
６中心軸
７内壁
１００蓄熱器
Ｌセルピッチ

Claims

第１接続孔と、前記第１接続孔と中心軸を共有する第２接続孔と、前記第１接続孔を有する第１区画と、前記第２接続孔を有する第２区画と、前記第１区画と前記第２区画との間に配置される第３区画と、からなる蓄熱器において、
前記蓄熱器は、
前記第１区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第１隔壁と、
前記第２区画と前記第３区画の間に、開口を有する板または多孔体からなる第２隔壁と、
前記第３区画に、前記第１隔壁および前記第２隔壁と離間して、前記中心軸方向に流路を有するハニカム構造体と、
前記第１接続孔と第１隔壁との間に、前記第１区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第１の整流板と、
前記第２接続孔と第２隔壁との間に、前記第２区画の内壁と離間しかつ前記中心軸に垂直な第２の整流板と、
を有することを特徴とする蓄熱器。
前記第１の整流板は、前記第１接続孔よりも大きく、前記第２の整流板は、前記第２接続孔よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱器。
前記第１の整流板と前記第１接続孔との距離は、前記第１の整流板と前記第１隔壁との距離より小さく、前記第２の整流板と前記第２接続孔との距離は、前記第２の整流板と前記第２隔壁との距離より小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱器。
前記第１隔壁と前記ハニカム構造体との距離および前記第２隔壁と前記ハニカム構造体との距離は、前記ハニカム構造体のセルピッチの１０倍以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄熱器。
前記蓄熱器は、気体の熱媒体の蓄熱に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄熱器。
前記蓄熱器は、太陽熱発電装置用であることを特徴とする請求項５に記載の蓄熱器。