JP2015169366A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】たとえば水和塩を蓄熱材料として使用する際に、簡単な構成により、相分離の発生を抑えることのできる太陽熱集熱装置を提供する。【解決手段】太陽熱を蓄熱する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱容器１３と、蓄熱容器１３内の蓄熱材と熱交換して温水を生成する熱交換水路１５とを備え、蓄熱容器内部が透水性の多孔質板状部材１７により上下方向に複数の領域に区画されている。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を蓄熱する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱容器を備えた太陽熱集熱装置の構造に関する。

従来の太陽熱集熱装置として、太陽光の方向に向けた上面に、太陽光を透過するガラス板等の板材を備えた箱体と、前記箱体内に設けられた集熱器とを有し、集熱器で集められた太陽エネルギーにより温水を生成するものが提案されている。この生成した温水は集熱器と一体に構成された蓄熱タンクに蓄えられる。
別の従来技術では、集熱器により熱媒を加熱し、集熱器と分離して設置された貯湯タンクとの間で熱媒をポンプにより循環させ、貯湯タンク中の水を間接的に加熱する。

これら従来技術は、いずれも太陽熱を温水の状態で蓄える。そのため、集熱器とタンクとが一体となったタイプでは、屋根への荷重が大きくなり、タンク容量に制約が生ずるという課題がある。またタンクを集熱器から分離したタイプでは、タンクの大きさに関する制約は小さくなるが、集熱器とは別に分離するタンクを設置するスペースが新たに必要になるという課題がある。
これら課題を解決するため、従来、潜熱蓄熱材を使用した太陽熱温水システムが提案されている（特許文献１、２）。この太陽熱温水システムは、太陽熱を集熱する集熱器と、集熱された熱を蓄えるための潜熱蓄熱材が搭載された蓄熱器と、蓄えられた熱から温水を生成する熱交換器とからなっている。

代表的な潜熱蓄熱材としては、パラフィンや水和塩などがあげられる。パラフィンは蓄熱温度が低い点や、蓄熱密度が小さいといった問題がある。酢酸ナトリウム三水和物などの水和塩には、利用温度領域が高く、蓄熱密度が大きいという特徴があり、太陽熱蓄熱に適している。しかしながら、水和塩系蓄熱材は相分離が生じやすく、相分離が生じた場合には、蓄熱に寄与しない成分が増加し、蓄熱密度が低下する。

図４Ａ〜Ｃは、蓄熱材の相分離現象を説明する図である。
熱衝撃試験の結果、蓄熱器１１３内では、水Ｗ／水和結晶Ｓ／無水結晶Ｋの分離現象が現れることが判明している。太陽熱温水システムは、蓄熱器１１３を縦に配置する縦型配置が一般的であり、重力の影響で相分離が進行し、無水結晶Ｋが蓄熱器１１３内で沈殿する。過冷却状態となるたびに、図４Ｂ、Ｃに示すように、密度が高い無水結晶Ｋが容器底部１３に沈殿し、全体的に濃度分布が生じ、潜熱放出の際に排除された密度の小さい水Ｗが徐々に上部にたまる現象が現れる。無水結晶Ｋと水Ｗが分離すると、蓄熱過程では温度が上昇しても液体にならない現象が現れる。

実開昭５６-１５２２５８号公報 実開昭５８-１４１１５９号公報

従来技術として、水和塩を蓄熱材料として使用する際に、相分離が発生しないように、増粘剤を加えてゲル化する方法、カプセルやシートなど固体形状化する方法、水を加えて薄める方法、などが知られている。
増粘剤を加えてゲル化する方法では、蓄熱に寄与しない材料を加えることになるため、蓄熱密度が低下する課題がある。また太陽熱集熱パネルは集熱量を大きくするため大面積であり、集熱部と一体に形成された蓄熱部も扁平な形状になるため、粘性の高い蓄熱材を注入するのが困難になるという課題がある。
カプセルやシートなど個体形状化する方法では、固体形状形成のための添加剤が必要となり、蓄熱密度が小さくなるという課題がある。
また蓄熱材を固形化する方法では、蓄熱材と集熱部や熱交換部との間の熱交換を維持しにくくなるという課題がある。
蓄熱材に水を加えて薄める方法では、蓄熱材が１００％蓄熱することができなくなるため、蓄熱密度が低下するという課題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、たとえば水和塩を蓄熱材料として使用する際に、簡単な構成により、相分離の発生を抑えることのできる太陽熱集熱装置を提供することにある。

本発明は、太陽熱を蓄熱する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱容器と、前記蓄熱容器内の蓄熱材と熱交換して温水を生成する熱交換水路とを備え、前記蓄熱容器内部が透水性の多孔質板状部材により上下方向に複数の領域に区画されていることを特徴とする。
この発明では、蓄熱部の内側が透水性の多孔質板状部材により上下方向に複数の領域に区画されるため、無水結晶Ｋが生じた場合には、無水結晶Ｋは各領域の底部となる多孔質板状部材で受け止められ、容器底部に沈殿集積することが防止される。
そして、蓄熱時に蓄熱材温度が上昇し蓄熱材が液相になった際に、対流による流れが、多孔質板状部材の上を通過できるようにし、多孔質板状部材に保持されていた無水結晶Ｋの再融解が促進される。板状部材は多孔質であり、日射で溶融した蓄熱材は区画だけでなく、多孔質板状部材を通じて区画をまたがって対流する。本構成では、撹拌効果により多孔質板状部材の上にたまった無水結晶Ｋを溶融しやすくする。

この場合において、前記多孔質板状部材が金属メッシュ、焼結金属、発泡金属等の多孔質金属体で構成されていてもよい。
また、前記多孔質板状部材がパンチングメタル、エキスパンドメタル等の穴加工金属板で構成されていてもよい。
前記多孔質板状部材が樹脂発泡体または透水性フィルムで構成されていてもよい。
前記多孔質板状部材が織布または不織布で構成されていてもよい。
前記多孔質板状部材がセラミックス焼結体で構成されていてもよい。
前記多孔質板状部材が前記蓄熱容器に伝熱可能とされていてもよい。
前記多孔質板状部材が前記熱交換水路に伝熱可能とされていてもよい。
前記多孔質板状部材に下向きにバーリング加工された貫通孔が開けられてもよい。

本発明では、蓄熱部の内側が透水性の多孔質板状部材により上下方向に複数の領域に区画されるため、無水結晶が生じた場合には、無水結晶は各領域の底部となる多孔質板状部材で受け止められ、容器底部に沈殿集積することが防止される。

本発明の一実施形態を示す図である。 別の実施形態を示す断面図である。 別の実施形態を示す断面図である。 Ａ〜Ｃは、蓄熱材の相分離の進行を説明する図である。

この発明の一実施形態を以下図面とともに説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
符号１は、太陽熱集熱システム（太陽熱集熱装置）を示している。
この太陽熱集熱システム１は、太陽光の方向に向けた上面に、太陽光を透過するガラス板等の板材３を備えた箱体５を備えて構成されている。
この箱体５はアルミニウム製であり、箱体５内には集熱器７が配置されている。この集熱器７は箱体５に対し、断熱材９を介して固定されている。

この集熱器７は集熱部１１と、蓄熱部１３とを備えて構成されている。集熱部１１と、蓄熱部（蓄熱容器）１３とはステンレス製の容器であり、容器の内部には潜熱蓄熱材として、たとえば酢酸ナトリウム三水和物などの水和塩が充填されている。集熱部１１には、たとえば黒クロムメッキ処理などの選択吸収膜加工がなされており、日射吸収効率を高めると同時に、輻射による放熱を抑制している。
蓄熱部１３には、蓄熱部１３を貫通する熱交換水路１５が配置されている。熱交換水路１５には水が供給され、温水が生成される。

酢酸ナトリウム三水和物は、利用温度領域が高く、蓄熱密度が大きいという特徴があり、太陽熱蓄熱に適している。しかしながら、水和塩系蓄熱材は相分離が生じやすく、相分離が生じた場合には、蓄熱に寄与しない成分が増加し、蓄熱密度が低下する。特に、太陽熱集熱パネルの場合、傾けた状態や垂直な状態で設置されるため、集熱部上下に高低差ができ、重力の影響で相分離が進行しやすくなる。

本実施の形態では、蓄熱部１３の内側が透水性の多孔質板状部材１７により上下方向に複数の領域（本実施の形態では、５つの領域Ａ〜Ｅ）に区画されている。この多孔質板状部材１７は熱伝導性を有し、熱交換水路１５と伝熱可能とされている。
具体的な多孔質板状部材１７としては、金属メッシュ、金属焼結体、金属発泡体等の多孔質金属体で構成されていてもよい。また、多孔質板状部材１７としては、パンチングメタル、エキスパンドメタル等の穴加工金属板で構成されていてもよい。
多孔質板状部材１７は熱伝導性を有する金属体が望ましく、集熱部１１と伝熱可能とされ、さらに蓄熱部１３とも伝熱可能とされている。
多孔質板状部材１７は金属体に限定されず、たとえば多孔質板状部材１７が樹脂発泡体または透水性フィルムで構成されていてもよい。さらに、多孔質板状部材１７が織布または不織布で構成されていてもよい。また、多孔質板状部材１７がセラミックス焼結体で構成されていてもよい。

次に、本実施の形態の作用を説明する。
太陽熱集熱システム１では、太陽光がガラス板等の板材３を透過し、箱体５内の集熱器７により集熱される。具体的には集熱部１１で集光され、蓄熱部１３の内部の潜熱蓄熱材、たとえば酢酸ナトリウム三水和物などの水和塩に蓄熱される。熱交換水路１５に水が流通すると、潜熱蓄熱材の潜熱により温水化される。
蓄熱の過程では、一般に蓄熱材の相分離現象が現れる。熱衝撃試験の結果、図４Ａ〜Ｃに示すように、蓄熱部１３内で水Ｗ／水和結晶Ｓ／無水結晶Ｋの分離現象が現れる。この太陽熱集熱システム１は、箱体５を縦に配置する縦型配置が一般的であり、重力の影響で相分離が進行し、無水結晶Ｋが蓄熱部１３内で沈殿する。過冷却状態となるたびに、密度が高い無水結晶Ｋが容器底部１３に沈殿し、全体的に濃度分布が生じ、潜熱放出の際に排除された密度の小さい水Ｗが徐々に上部にたまる現象が現れる。無水結晶Ｋと水Ｗが分離すると、蓄熱過程では温度が上昇しても融解せず、潜熱蓄熱に寄与しなくなるため、実質的な蓄熱量が小さくなる現象が現れる。

本実施の形態では、図１に示すように、蓄熱部１３の内側が透水性の多孔質板状部材１７により上下方向に複数の領域Ａ〜Ｅに区画され、多孔質板状部材１７は熱交換水路１５と伝熱可能とされている。したがって、本構成では、無水結晶Ｋが生じた場合には、無水結晶Ｋは各領域Ａ〜Ｅの底部となる多孔質板状部材１７で受け止められ、容器底部に沈殿集積することが防止される。
そして、蓄熱時に蓄熱材温度が上昇し蓄熱材が液相になった際に、破線矢印で示すように、対流による流れが、多孔質板状部材１７の上を通過できるようにし、多孔質板状部材１７に保持されていた無水結晶Ｋの再融解が促進される。板状部材１７は多孔質であり、日射で溶融した蓄熱材は区画Ａ〜Ｅだけでなく、多孔質板状部材１７を通じて区画Ａ〜Ｅをまたがって対流する。本構成では、撹拌効果により多孔質板状部材１７の上にたまった無水結晶Ｋを溶融しやすくする。

一般的な水和塩の潜熱蓄熱材は過冷却しやすいため、潜熱放出手段(不図示)を起点として結晶成長させながら潜熱を放出させる。そのため、蓄熱部１３内の多孔質板状部材１７を透水性とすることで、仕切りをまたいだ結晶成長が可能となり、潜熱放出手段を起点とした潜熱放出のための結晶成長の進行を妨げないようにし、一つの潜熱放出手段により蓄熱部全体から潜熱を放出させることが可能となる。潜熱放出手段としては、図示は省略したが、蓄熱時にも種結晶を保持しておく方式や、金属板の溝に保持した種結晶を放出させる方式がある。
また多孔質板状部材１７を透水性とすることで、集熱パネルの製造時に蓄熱材を充填する際に、一か所の注入口から集熱部全体に蓄熱材を注入できる。
また多孔質板状部材１７を熱伝導性の高い金属で形成し、集熱部と伝熱可能とすることで、蓄熱時に蓄熱部が高温となった際に、多孔質板状部材１７で保持した無水結晶Ｋを加温し、再融解を促進できる。また多孔質板状部材１７を熱伝導性の高い金属で形成し、熱交換水路１５と伝熱可能とすることで、多孔質板状部材１７が伝熱フィンの機能を持ち、一般的に熱伝導率が小さい蓄熱材料から熱交換水路１５への熱の移動を促進し、熱交換速度、すなわち熱利用速度が高められる。

比較例として、たとえば蓄熱部１３の内側に多孔質金属を充填した多孔質金属充填方式によるものがある。多孔質金属充填方式では、蓄熱部１３の等価熱伝導率が高まる利点がある。しかしながら、多孔質金属充填方式では、多孔質金属を充填するため蓄熱部１３の実効蓄熱密度が低下し、結晶成長速度が低下する。また多孔質金属充填方式では、蓄熱部１３の内側に多孔質金属を充填するため、多孔質金属が邪魔になり、対流しにくくなり、撹拌による無水結晶の再融解効果が得られない。

本実施の形態では、多孔質板状部材１７により蓄熱部１３内を仕切ったため、蓄熱部１３の実効蓄熱密度が低下せず、結晶成長速度への影響が小さく、かつ、上述したように対流の効果により無水結晶Ｋが融解しやすい。
これにより、蓄熱部１３内における水Ｗ／水和結晶Ｓ／無水結晶Ｋの分離が抑制され、特に、無水結晶Ｋと水Ｗとの分離が抑制される。そのため、従来のように蓄熱過程で融解せず、実質的な蓄熱量が小さくなる、といった不都合が解消される。

図２は、別の実施の形態を示す。
この実施の形態では、蓄熱部１３の内部が透水性の多孔質板状部材１７により上下方向に複数の領域Ａ〜Ｅに区画され、熱交換水路１５が蛇行状に配置されている。本実施の形態によっても、多孔質板状部材１７は熱伝導性を有し、熱交換水路１５と伝熱可能とされている。この構成によれば、多孔質板状部材１７により蓄熱部１３内を仕切ったため、蓄熱部１３の実効蓄熱密度が低下せず、結晶成長速度への影響が小さく、かつ、上述したように対流の効果により無水結晶が融解しやすい。
これにより、蓄熱部１３内における水Ｗ／水和結晶Ｓ／無水結晶Ｋの分離が抑制され、特に、無水結晶Ｋと水Ｗとの分離が抑制される。そのため、従来のように蓄熱過程で温度が上昇しても液体にならない、といった不都合が解消される。

図３は、さらに別の実施の形態を示す。
この実施の形態では、蓄熱部１３の内部が透水性の多孔質板状部材１７により上下方向に複数の領域Ａ〜Ｅに区画され、熱交換水路１５が蛇行状に配置されている。多孔質板状部材１７は下向きにバーリング加工され、複数の板１７ごとに、複数個の貫通孔２１、２１、２１…が開けられている。
本構成では、複数の板１７ごとに、複数個の貫通孔２１、２１、２１…を設け、さらにバーリング加工されているため、蓄熱材がより対流しやすくなる。したがって、多孔質板状部材１７が保持した無水結晶Ｋをより再融解しやすくなり、無水結晶Ｋと水Ｗとの分離が抑制される。
そのため、従来のように蓄熱過程で温度が上昇しても液体にならない、といった不都合が解消される。
なお、多孔質板状部材１７は、上向きにバーリング加工されていてもよい。

１ 太陽熱集熱システム（太陽熱集熱装置）
３ 板材
５ 箱体
７ 集熱器
９ 断熱材
１１ 集熱部
１３ 蓄熱部
１５ 熱交換水路
１７ 多孔質板状部材
Ａ〜Ｅ 領域

Claims (9)

1. 太陽熱を蓄熱する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱容器と、前記蓄熱容器内の蓄熱材と熱交換して温水を生成する熱交換水路とを備え、前記蓄熱容器内部が透水性の多孔質板状部材により上下方向に複数の領域に区画されていることを特徴とする太陽熱集熱装置。
2. 前記多孔質板状部材が金属メッシュ、焼結金属、発泡金属等の多孔質金属体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
3. 前記多孔質板状部材がパンチングメタル、エキスパンドメタル等の穴加工金属板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
4. 前記多孔質板状部材が樹脂発泡体または透水性フィルムで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
5. 前記多孔質板状部材が織布または不織布で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
6. 前記多孔質板状部材がセラミックス焼結体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
7. 前記多孔質板状部材が前記蓄熱容器に伝熱可能とされていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の太陽熱集熱装置。
8. 前記多孔質板状部材が前記熱交換水路に伝熱可能とされていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の太陽熱集熱装置。
9. 前記多孔質板状部材に下向きにバーリング加工された貫通孔が開けられていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の太陽熱集熱装置。

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