JP2017003182A - Heat storage device and heat storage method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、蓄熱装置及び蓄熱方法に関する。 The present disclosure relates to a heat storage device and a heat storage method.
従来、包接水和物(クラスレートハイドレート)を形成する蓄熱材を用いた蓄熱装置が提案されている。 Conventionally, a heat storage device using a heat storage material forming clathrate hydrate (clathrate hydrate) has been proposed.
例えば、特許文献1には、図6に示す通り、蓄熱槽310と、メイン冷凍機313と、サブ冷凍機320とを備えた水和物生成装置300が記載されている。蓄熱槽310の内部には、蓄熱体311が設けられている。蓄熱体311は、上部ヘッダー管315と下部ヘッダー管316との間に伝熱管317が接続された多管集合管で構成されている。蓄熱体311には、シクロペンタン又はペンタンなどの炭化水素であるゲスト物質とホスト物質である水とが収容されている。蓄熱槽310の内部には、蓄熱体311を冷却又は冷熱を回収するための冷媒312が充填されている。この冷媒は、メイン冷凍機313によって冷却される。上部ヘッダー管315には、過冷却部318が設けられている。過冷却部318は、サブ冷凍機320で制御される。
For example, Patent Document 1 describes a hydrate generating apparatus 300 including a
水和物生成装置300において、ゲスト物質としてシクロペンタンを用いて包接水和物を生成する場合には、その水和物の生成温度は約7℃である。蓄熱体311を7℃よりやや低い5〜3℃の温度に冷却する。この状態で、シクロペンタンと水とは生成温度(約7℃)に対して過冷却の液状態に保たれている。この状態で、サブ冷凍機320を作動させて、過冷却部318で、その周辺の過冷却の液を、−6℃近くまで冷却することで、過冷却水が氷になり、この氷を種として包接水和物の種が形成され、その種を基に水和物生成が伝播して蓄熱体311内のゲスト物質とホスト物質である水との包接水和物が生成される。このようにして、過冷却が解除される。
When the clathrate hydrate is produced using cyclopentane as the guest material in the hydrate production apparatus 300, the production temperature of the hydrate is about 7 ° C. The
特許文献1に記載の水和物生成装置300は、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材の過冷却を解除するのに必要なエネルギーを低減させる余地を有する。そこで、本開示は、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材の過冷却をより少ないエネルギーで解除できる蓄熱装置を提供する。 The hydrate production | generation apparatus 300 of patent document 1 has room to reduce energy required in order to cancel | release the supercooling of the thermal storage material which forms a clathrate hydrate by cooling. Therefore, the present disclosure provides a heat storage device that can release supercooling of a heat storage material that forms a clathrate hydrate by cooling with less energy.
本開示は、
冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材と、
前記蓄熱材に接触している一対の電極と、を備え、
前記一対の電極の少なくとも一方が銅若しくは銀を含み、又は、前記蓄熱材が液体状態であるときに前記蓄熱材が銀イオンを含み、
前記蓄熱材が液体状態で冷却されて過冷却状態にあるときに、前記蓄熱材の過冷却状態を解除して前記クラスレートハイドレートを生成するように、前記一対の電極間に電圧が印加される、
蓄熱装置を提供する。
This disclosure
A heat storage material that forms a clathrate hydrate by cooling;
A pair of electrodes in contact with the heat storage material,
At least one of the pair of electrodes contains copper or silver, or when the heat storage material is in a liquid state, the heat storage material contains silver ions,
When the heat storage material is cooled in a liquid state and is in a supercooled state, a voltage is applied between the pair of electrodes so as to release the supercooled state of the heat storage material and generate the clathrate hydrate. The
A heat storage device is provided.
上記の蓄熱装置は、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材の過冷却をより少ないエネルギーで解除できる。 Said heat storage apparatus can cancel | release the supercooling of the thermal storage material which forms a clathrate hydrate by cooling with less energy.
氷を蓄熱材として用いた蓄熱装置が知られている。例えば、料金が安価な夜間電力を利用して氷を製造し、氷に蓄えた冷熱を昼間の冷房に利用する技術が知られている。氷は、融解熱が大きく(約334J/g)、蓄熱材として優れた物質である。氷の融点は0℃であるので、氷の生成のためには−5℃程度に冷却する必要がある。このため、冷凍機を用いて氷を生成する場合、冷凍機の成績係数COP(Coefficient of Performance)を高めにくい。この場合、例えば冷凍機を0℃で運転する場合と比べて、COPが約20%低下する。このため、この技術はエネルギー消費量の低減の観点から改良の余地を有している。 A heat storage device using ice as a heat storage material is known. For example, a technique is known in which ice is produced using low-cost nighttime electricity and cold energy stored in the ice is used for daytime cooling. Ice has a large heat of fusion (about 334 J / g) and is an excellent heat storage material. Since the melting point of ice is 0 ° C., it is necessary to cool to −5 ° C. in order to produce ice. For this reason, when producing ice using a refrigerator, it is difficult to increase the coefficient of performance (COP) of the refrigerator. In this case, for example, the COP is reduced by about 20% compared to the case where the refrigerator is operated at 0 ° C. For this reason, this technology has room for improvement from the viewpoint of reducing energy consumption.
融点が5℃〜30℃の物質を冷房用の蓄熱材として利用することが、エネルギー消費量の低減の観点から望ましい。しかし、その温度範囲に融点を有する単一の化合物は、例えば、テトラデカン(融点:5℃、融解熱210J/g)又はペンタデカン(融点:9.9℃、融解熱:158J/g)などのパラフィン系化合物などの特定の化合物に限られる。高純度のテトラデカン又はペンタデカンを工業的に安価に製造することは困難である。また、パラフィン系化合物は、熱伝導率が低く、又は、液体であるときの密度が低いので、多量に用いることが難しい。このため、テトラデカン又はペンタデカンなどのパラフィン系化合物を冷房用の蓄熱材として用いることは難しい。 It is desirable to use a substance having a melting point of 5 ° C. to 30 ° C. as a heat storage material for cooling from the viewpoint of reducing energy consumption. However, a single compound having a melting point in that temperature range is, for example, paraffin such as tetradecane (melting point: 5 ° C., heat of fusion 210 J / g) or pentadecane (melting point: 9.9 ° C., heat of fusion: 158 J / g). Limited to specific compounds such as series compounds. It is difficult to produce high-purity tetradecane or pentadecane industrially at low cost. Paraffinic compounds are difficult to use in large quantities because they have low thermal conductivity or low density when in liquid form. For this reason, it is difficult to use a paraffinic compound such as tetradecane or pentadecane as a heat storage material for cooling.
一方、第四級アンモニウム塩のクラスレートハイドレートのように冷却によりクラスレートハイドレートを形成する材料の中には、0℃より高い融点(クラスレートハイドレートの分解が始まる温度)を有する材料がある。例えば、テトラブチルアンモニウムブロマイド(TBAB)のクラスレートハイドレートは約5〜12℃の融点を有する。テトラブチルアンモニウムクロライド(TBAC)のクラスレートハイドレートは約15℃の融点を有する。テトラブチルアンモニウムフルオリド(TBAF)及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシド(TBAOH)のクラスレートハイドレートは約27℃の融点を有する。このため、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する材料を冷房用の蓄熱材として氷の代わりに利用することによって、エネルギー消費量を低減することが期待される。しかし、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する材料は、大きな過冷却を示し、場合によっては、過冷却の解除、つまり、クラスレートハイドレートの生成のために−6℃以下に冷却する必要がある。 On the other hand, among materials that form clathrate hydrates by cooling, such as clathrate hydrates of quaternary ammonium salts, there are materials having a melting point higher than 0 ° C. (temperature at which clathrate hydrate starts to decompose). is there. For example, tetrabutylammonium bromide (TBAB) clathrate hydrate has a melting point of about 5-12 ° C. The clathrate hydrate of tetrabutylammonium chloride (TBAC) has a melting point of about 15 ° C. The clathrate hydrates of tetrabutylammonium fluoride (TBAF) and tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) have a melting point of about 27 ° C. For this reason, it is anticipated that energy consumption will be reduced by using the material which forms a clathrate hydrate by cooling instead of ice as a heat storage material for cooling. However, the material that forms clathrate hydrate by cooling exhibits large supercooling, and in some cases, it is necessary to cool to −6 ° C. or lower in order to release the supercooling, that is, to produce clathrate hydrate. .
例えば、特許文献1の水和物生成装置300では、過冷却部318によって、その周辺の過冷却の液を、−6℃近くまで冷却している。このため、特許文献1の水和物生成装置300では、過冷却の解除のために多くのエネルギーが必要になる。
For example, in the hydrate production | generation apparatus 300 of patent document 1, the
本開示の第1態様は、
冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材と、
前記蓄熱材に接触している一対の電極と、を備え、
前記一対の電極の少なくとも一方が銅若しくは銀を含み、又は、前記蓄熱材が液体状態であるときに前記蓄熱材が銀イオンを含み、
前記蓄熱材が液体状態で冷却されて過冷却状態にあるときに、前記蓄熱材の過冷却状態を解除して前記クラスレートハイドレートを生成するように、前記一対の電極間に電圧が印加される、
蓄熱装置を提供する。
The first aspect of the present disclosure is:
A heat storage material that forms a clathrate hydrate by cooling;
A pair of electrodes in contact with the heat storage material,
At least one of the pair of electrodes contains copper or silver, or when the heat storage material is in a liquid state, the heat storage material contains silver ions,
When the heat storage material is cooled in a liquid state and is in a supercooled state, a voltage is applied between the pair of electrodes so as to release the supercooled state of the heat storage material and generate the clathrate hydrate. The
A heat storage device is provided.
第1態様によれば、一対の電極に電圧が印加され、過冷却状態の蓄熱材の一部に電気的な刺激が与えられることによって、クラスレートハイドレートの種が形成される。このクラスレートハイドレートの種を起点にクラスレートハイドレートの生成が蓄熱材全体に伝播して、蓄熱材の全体においてクラスレートハイドレートが速やかに生成され、過冷却が解除される。第1態様に係る蓄熱装置は、一対の電極に電圧を印加することによって過冷却を解除できるので、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材の過冷却をより少ないエネルギーで解除できる。 According to the first aspect, the clathrate hydrate seed is formed by applying a voltage to the pair of electrodes and applying electrical stimulation to a part of the supercooled heat storage material. The generation of clathrate hydrate propagates to the entire heat storage material starting from the seed of the clathrate hydrate, and the clathrate hydrate is quickly generated in the entire heat storage material, and the supercooling is released. Since the heat storage device according to the first aspect can release supercooling by applying a voltage to the pair of electrodes, it can release the supercooling of the heat storage material forming the clathrate hydrate by cooling with less energy.
本開示の第2態様は、第1態様に加えて、前記蓄熱材は、前記クラスレートハイドレートのゲスト物質として、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフルオリド、及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシドからなる群から選択される1つ以上の第四級アンモニウム塩を含む、蓄熱装置を提供する。第2態様によれば、蓄熱材が比較的高い融点を有するので、蓄熱装置のエネルギー消費量を有利に低減できる。 According to a second aspect of the present disclosure, in addition to the first aspect, the heat storage material includes tetrabutylammonium bromide, tetrabutylammonium chloride, tetrabutylammonium fluoride, and tetrabutylammonium as a guest material of the clathrate hydrate. A heat storage device is provided that includes one or more quaternary ammonium salts selected from the group consisting of hydroxides. According to the second aspect, since the heat storage material has a relatively high melting point, the energy consumption of the heat storage device can be advantageously reduced.
本開示の第3態様は、第1態様又は第2態様に加えて、前記一対の電極の少なくとも一方は、銅又は銀を含む、蓄熱装置を提供する。第3態様によれば、液体状態の蓄熱材に銀イオンが含まれていなくても、一対の電極への電圧の印加によって蓄熱材の過冷却状態を解除できる。 According to a third aspect of the present disclosure, in addition to the first aspect or the second aspect, at least one of the pair of electrodes includes a heat storage device including copper or silver. According to the 3rd aspect, even if silver ion is not contained in the heat storage material of a liquid state, the supercooled state of a heat storage material can be cancelled | released by the application of the voltage to a pair of electrode.
本開示の第4態様は、第1態様〜第3態様のいずれか1つの態様に加えて、前記蓄熱材は、前記蓄熱材が液体状態であるときに銀イオンを含む、蓄熱装置を提供する。第4態様によれば、一対の電極の少なくとも一方が銅又は銀を含んでいるか否かに関わらず、一対の電極への電圧の印加によって蓄熱材の過冷却状態を解除できる。 According to a fourth aspect of the present disclosure, in addition to any one of the first to third aspects, the heat storage material provides a heat storage device including silver ions when the heat storage material is in a liquid state. . According to the fourth aspect, regardless of whether or not at least one of the pair of electrodes contains copper or silver, the supercooled state of the heat storage material can be canceled by applying a voltage to the pair of electrodes.
本開示の第5態様は、第1態様〜第4態様にいずれか1つの態様に加えて、
筐体と、
前記蓄熱材を収容している蓄熱材容器であって、前記蓄熱材に熱を付与する又は前記蓄熱材から熱を回収するための熱媒体の流路が前記筐体の内周面と当該蓄熱材容器の外周面との間に形成されるように、前記筐体の内部空間に配置された蓄熱材容器と、
前記熱媒体が流れる方向における前記筐体の両端のそれぞれに配置され、前記筐体に向かって拡大する内径を有する漏斗状の一対の端部材と、
前記筐体の前記両端のそれぞれに接して前記端部材のそれぞれの内側に固定され、複数の貫通孔を有する前記熱媒体の流れを整える一対の整流部材と、を備えた、
蓄熱装置を提供する。
In addition to any one of the first to fourth aspects, the fifth aspect of the present disclosure includes:
A housing,
A heat storage material container containing the heat storage material, wherein a flow path of a heat medium for applying heat to the heat storage material or recovering heat from the heat storage material includes an inner peripheral surface of the housing and the heat storage material. A heat storage material container disposed in the internal space of the housing, so as to be formed between the outer peripheral surface of the material container,
A pair of funnel-shaped end members disposed at both ends of the casing in the direction in which the heat medium flows and having an inner diameter that expands toward the casing;
A pair of rectifying members that are in contact with each of the both ends of the casing and are fixed to the inside of each of the end members, and regulate the flow of the heat medium having a plurality of through holes,
A heat storage device is provided.
第5態様によれば、一対の端部材及び一対の整流部材によって、筐体の内周面及び蓄熱材容器の外周面との間に形成された熱媒体の流路に熱媒体を効率的に流すことができる。これにより、蓄熱材への熱の付与及び蓄熱材からの熱の回収を効率的に行うことができる。 According to the fifth aspect, the pair of end members and the pair of rectifying members efficiently transfer the heat medium to the heat medium flow path formed between the inner peripheral surface of the housing and the outer peripheral surface of the heat storage material container. It can flow. Thereby, the provision of heat to the heat storage material and the recovery of heat from the heat storage material can be efficiently performed.
本開示の第6態様は、
前記蓄熱材が前記クラスレートハイドレートを形成している状態の第1態様〜第5態様のいずれか1つの態様の蓄熱装置を準備する工程と、
前記蓄熱材の温度を上昇させて前記クラスレートハイドレートを分解させる工程と、
液体状態の前記蓄熱材から前記クラスレートハイドレートが形成されるように前記蓄熱材を冷却する冷却工程と、を備え、
前記冷却工程は、前記蓄熱材が液体状態かつ過冷却状態であるときに、前記一対の電極に電圧を印加して前記蓄熱材の過冷却状態を解除して前記クラスレートハイドレートを生成する過冷却解除工程と、前記蓄熱材の過冷却状態の解除に伴って前記蓄熱材から放出される熱を回収する熱回収工程と、を含む、
蓄熱方法を提供する。
The sixth aspect of the present disclosure is:
A step of preparing the heat storage device according to any one of the first to fifth aspects in a state where the heat storage material forms the clathrate hydrate;
Increasing the temperature of the heat storage material to decompose the clathrate hydrate;
Cooling the heat storage material to form the clathrate hydrate from the heat storage material in a liquid state, and
In the cooling step, when the heat storage material is in a liquid state and a supercooling state, a voltage is applied to the pair of electrodes to release the supercooling state of the heat storage material and generate the clathrate hydrate. A cooling release step, and a heat recovery step of recovering heat released from the heat storage material in association with release of the supercooled state of the heat storage material.
Provide a heat storage method.
第6態様によれば、一対の電極に電圧を印加することによって過冷却を解除できるので、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する蓄熱材の過冷却をより少ないエネルギーで解除できる。 According to the sixth aspect, since the supercooling can be canceled by applying a voltage to the pair of electrodes, the supercooling of the heat storage material forming the clathrate hydrate by cooling can be canceled with less energy.
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The following description relates to an example of the present invention, and the present invention is not limited to these.
図1に示すように、本開示の蓄熱装置100は、蓄熱材10と、一対の電極22とを備える。蓄熱材10は、冷却によりクラスレートハイドレートを形成する。すなわち、蓄熱材10は、ゲスト物質と、ホスト物質である水とを含んでいる。一対の電極22は、蓄熱材10に接触している。一対の電極22の少なくとも一方が銅若しくは銀を含み、又は、蓄熱材10が液体状態であるときに蓄熱材10が銀イオンを含む。蓄熱装置100において、蓄熱材10が液体状態で冷却されて過冷却状態にあるときに、蓄熱材10の過冷却状態を解除してクラスレートハイドレートを生成するように、一対の電極22間に電圧が印加される。これにより、蓄熱装置100は、一対の電極22に電圧を印加することによって、蓄熱材10の過冷却をより少ないエネルギーで解除できる。
As shown in FIG. 1, the
例えば、蓄熱装置100は、図1に示すように、電圧印加回路2を備える。電圧印加回路2は、直流電源21a及びスイッチ23を備える。一対の電極22のそれぞれが、配線によって直流電源21aに電気的に接続されており、一対の電極22の一方と直流電源21aとの間にスイッチ23が配置されている。スイッチ23が閉じられることにより、一対の電極22間に電圧が印加される。なお、図2に示すように、一対の電極22のそれぞれが、配線によって交流電源21bに電気的に接続されていてもよい。
For example, the
蓄熱材10に含まれるゲスト物質は、冷却によりクラスレートハイドレートが形成される限り特に制限されない。蓄熱材10は、例えば、クラスレートハイドレートのゲスト物質として、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフルオリド、及びテトラブチルアンモニウムヒドロキシドからなる群から選択される1つ以上の第四級アンモニウム塩を含む。これにより、蓄熱材10が比較的高い融点(例えば、5℃〜30℃)を有するので、蓄熱装置100のエネルギー消費量を有利に低減できる。なお、融点は、示差走査熱量計(DSC)を用いて、蓄熱材10の温度を1℃/分の速度で昇温させたときに得られるDSC曲線において、蓄熱材10の融解(クラスレートハイドレートの分解)が始まるときに現れる融解ピークの変曲点における接線とベースラインとの交点に相当する温度を意味する。また、過冷却とは、融点未満の温度で蓄熱材が液体状態であることを意味する。蓄熱材10は、上記の第四級アンモニウム塩のいずれか1種を単独で含んでいてもよいし、上記の第四級アンモニウム塩の2種以上の組み合わせを含んでいてもよい。
The guest substance contained in the
一対の電極22の少なくとも一方が銅若しくは銀を含む場合、液体状態の蓄熱材10に銀イオンが含まれていなくても、一対の電極22への電圧の印加によって蓄熱材10の過冷却状態を解除できる。
When at least one of the pair of
蓄熱材10が液体状態であるときに蓄熱材10が銀イオンを含む場合、一対の電極22の少なくとも一方が銅又は銀を含んでいるか否かに関わらず、一対の電極22への電圧の印加によって蓄熱材10の過冷却状態を解除できる。
When the
図1又は図2に示すように、例えば、蓄熱装置100は、筐体30と、蓄熱材容器12と、一対の端部材31と、一対の整流部材40とを備えていてもよい。筐体30は、例えば、両端に開口が形成された筒形状を有する。また、筐体30は、断熱性を有する材料でできている。蓄熱材容器12は、蓄熱材10を収容しており、伝熱性を有する材料でできている。蓄熱材容器12は、蓄熱材10に熱を付与する又は蓄熱材10から熱を回収するための熱媒体の流路15が筐体30の内周面と蓄熱材容器12の外周面との間に形成されるように、筐体30の内部空間に配置されている。一対の端部材31は、熱媒体が流れる方向における筐体30の両端のそれぞれに配置されている。一対の端部材31は、筐体30に向かって拡大する内径を有する漏斗状の部材である。一対の端部材31のそれぞれは、筐体30の両端のいずれかに固定されている。一対の端部材31によって、蓄熱装置100の、熱媒体の流入口及び熱媒体の流出口が形成されている。一対の整流部材40は、熱媒体が流れる方向における筐体30の両端のそれぞれに接して端部材31のそれぞれの内側に固定されている。一対の整流部材40は、複数の貫通孔を有し、熱媒体の流れを整える働きをする。
As shown in FIG. 1 or FIG. 2, for example, the
例えば、熱媒体が図1又は図2の左側の端部材31を通過して蓄熱装置100の内部に流入するとき、端部材31の内部空間において熱媒体の流速が減少する。その後、熱媒体は、整流部材40の複数の貫通孔を通過して、筐体30の内部に形成された熱媒体の流路15に導かれる。このため、熱媒体の流路15を流れる熱媒体の流速の空間的なばらつきが抑制される。これにより、熱媒体の流路15に熱媒体を効率的に流すことができる。その結果、蓄熱装置100において、蓄熱材10への熱の付与及び蓄熱材10からの熱の回収が効率的に行われる。
For example, when the heat medium passes through the
一対の電極22は、筐体30の外側に露出した外側部分と、筐体30の内部空間で蓄熱材容器12を貫通しながら延びている内側部分とを有する。筐体30の内部空間に配置されている蓄熱材容器12の数は特に制限されないが、筐体30の内部空間に複数の蓄熱材容器12が配置されている場合、一対の電極22の内側部分は、複数の蓄熱材容器12のすべてを貫通するように延びている。代わりに、蓄熱装置100が複数対の電極22を備え、全ての蓄熱材容器12に収容された蓄熱材10が、複数対の電極22のうちいずれかの対の電極22に接触していてもよい。この場合、複数対の電極22は、直流電源21a又は交流電源21bに対して電気的に並列に接続される。一対の電極22の、蓄熱材10に接触している部分同士の距離は、特に制限されないが、例えば1mm〜15mmである。また、一対の電極22の形状は特に制限されないが、例えば、板材状又は線材状である。一対の電極22のいずれもが銅又は銀を含んでいてもよい。また、蓄熱材10が液体状態であるときに蓄熱材10が銀イオンを含む場合には、一対の電極22の少なくとも一方又は一対の電極22の双方は、例えば、銅又は銀以外の金属又は炭素(グラファイト)でできていてもよい。
The pair of
熱媒体の流れ方向における一対の電極22の内側部分の配置は特に制限されない。例えば、一対の電極22の内側部分は、熱媒体の流れ方向において熱媒体の流出口よりも熱媒体の流入口に近い位置に配置されている。熱媒体によって蓄熱材10を冷却する場合、熱媒体の流入口の近くに存在する蓄熱材10の温度は、熱媒体の流出口の近くに存在する蓄熱材10の温度よりも低くなりやすい。一対の電極22の内側部分を、このような位置に配置することで蓄熱材10の過冷却を有利に解除できる。
The arrangement of the inner portions of the pair of
次に、蓄熱装置100を用いた蓄熱方法の一例を説明する。図3に示すように、本開示の蓄熱方法は、工程S1、工程S2、及び工程S3を備える。工程S3は、工程S31、工程S32、及び工程S33を含む。
Next, an example of a heat storage method using the
工程S1は、蓄熱材10がクラスレートハイドレートを形成している状態の蓄熱装置100を準備する工程である。
Step S1 is a step of preparing the
工程S2は、蓄熱材10の温度を上昇させてクラスレートハイドレートを分解させる工程である。工程S2は、例えば、蓄熱材10によって形成されるクラスレートハイドレートの融点よりも高い温度を有する熱媒体が一方の端部材31から他方の端部材31へ向かって熱媒体の流路15を通過するように、蓄熱装置100の内部に熱媒体を供給することによって行われる。
Step S2 is a step of increasing the temperature of the
工程S3は、液体状態の蓄熱材10からクラスレートハイドレートが形成されるように蓄熱材10を冷却する冷却工程である。工程S3は、例えば、蓄熱材10の温度よりも低い温度を有する熱媒体が一方の端部材31から他方の端部材31へ向かって熱媒体の流路15を通過するように、蓄熱装置100の内部に熱媒体を供給することによって行われる。
Step S3 is a cooling step for cooling the
工程S31は、工程S3の一部の工程であり、蓄熱材10が液体状態かつ過冷却状態となるように蓄熱材10を冷却する工程である。
Step S31 is a part of step S3 and is a step of cooling the
工程S32は、蓄熱材10が液体状態かつ過冷却状態であるときに、一対の電極22に電圧を印加して蓄熱材10の過冷却状態を解除してクラスレートハイドレートを生成する過冷却解除工程である。工程S32は、工程S3の期間中に行われる工程であり、工程S31に続いて行われる。例えば、工程S32において、スイッチ23が閉じられ、直流電源21aによって直流電圧が一対の電極22に印加され、又は、交流電源21bによって交流電圧が一対の電極22に印加される。これにより、過冷却状態の蓄熱材10に電気的な刺激が加わり、準安定的な過冷却状態が解除され、エネルギー的により安定な結晶状態(固体状態)への相変化が開始される。すなわち、クラスレートハイドレートが生成される。これにより、蓄熱材10から凝固熱が放出される。工程S32は、望ましくは、蓄熱材10によって形成されるクラスレートハイドレートの融点から蓄熱材10の温度を差し引いた過冷却度が2℃〜10℃の範囲において実行される。
In step S32, when the
工程S32において、一対の電極22に印加される電圧の大きさは特に制限されないが、例えば1V〜5Vである。なお、蓄熱材10はホスト物質として水を含むので、一対の電極22への電圧の印加によって水の電気分解が生じないことが望ましい。この観点から、一対の電極22に印加される電圧の大きさは、1.23V以下であることが望ましい。また、一対の電極22に交流電圧を印加する場合、交流電圧の両振幅は、例えば1Vpp〜10Vppである。交流電圧の周波数は、特に制限されないが、イオンの移動速度を考慮すると、10Hz以下であることが望ましい。
In step S32, the magnitude of the voltage applied to the pair of
工程S33は、蓄熱材10の過冷却状態の解除に伴って蓄熱材10から放出される熱を回収する熱回収工程である。工程S33は、工程S3の一部の工程であり、工程S32に続いて行われる。具体的に、蓄熱材10から放出された熱が蓄熱装置100の内部を流れる熱媒体に伝わって回収される。
Step S33 is a heat recovery step of recovering the heat released from the
(変形例)
蓄熱装置100は、様々な観点から変更が可能である。例えば、蓄熱装置100は、図4及び図5に示すように、温度センサ50aと、制御器60とを備えていてもよい。例えば、温度センサ50aは、図4に示すように、熱媒体の流出口を形成する端部材31の内部に配置されている。これにより、温度センサ50aを用いて蓄熱装置100から流出する熱媒体の温度を検出できる。また、温度センサ50aは、図5に示すように、蓄熱材容器12の内部に配置されていてもよい。これにより、温度センサ50aを用いて蓄熱材10の温度を検出できる。制御器60は、スイッチ23の開閉を制御するための制御器である。制御器60は、温度センサ50aによる検出結果を示す信号を受信できるように温度センサ50aに接続されている。また、制御器60は、スイッチ23の開閉を制御するための制御信号をスイッチ23に送信できるようにスイッチ23に接続されている。制御器60は、例えば、CPUなどの演算装置と、演算装置による演算結果を一時的に記憶可能なRAMなどの主記憶装置と、所定のプログラムが格納されたROM又はEEPROMなどの補助記憶装置と、を備える。
(Modification)
The
例えば、工程S3において、制御器60は、温度センサ50aの検出結果に基づいて蓄熱材10の過冷却度を算出する。制御器60は、算出された蓄熱材10の過冷却度が所定の範囲(例えば2℃〜10℃)であるときに、スイッチ23を閉じるための制御信号をスイッチ23に送信する。これにより、スイッチ23が閉じられ、一対の電極22に電圧が印加される。
For example, in step S3, the
また、工程S32において、クラスレートハイドレートが形成されると、蓄熱材10の温度が融点付近まで上昇する。そこで、工程S32において、制御器60は、温度センサ50aの検出結果に基づいてクラスレートハイドレートが生成されたか否かを判断する。制御器60は、温度センサ50aの検出結果に基づいてクラスレートハイドレートが生成されたと判断されたときに、スイッチ23を開くための制御信号をスイッチ23に送信する。これにより、スイッチ23が開き、一対の電極22への電圧の印加が停止される。
Further, when clathrate hydrate is formed in step S32, the temperature of the
実施例により、本開示の蓄熱装置及び蓄熱方法をより詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。 The heat storage device and the heat storage method of the present disclosure will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
<実施例1>
9ccのガラス製のサンプル瓶に、40重量%のTBABと60重量%の水との混合物5gを充填し、さらに、線材状の一対の銀電極(線径:1.5mm)をこの混合物中に約10mm浸漬させた。このとき、一対の銀電極間の距離は、約3〜5mmであった。このようにして、実施例1に係る蓄熱装置を作製した。示差走査熱量計(DSC)において、40重量%のTBABと60重量%の水との混合物を1℃/分で昇温させたときに得られるDSC曲線の融解ピークの変曲点における接線とベースラインとの交点から求めた混合物の融点は11.5℃であった。次に、25℃の雰囲気においてサンプル瓶中の混合物を完全に融解させ濃度40重量%のTBAB水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を2℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の銀電極を直流電源に接続し3Vの電圧を印加した。一対の銀電極への電圧の印加を開始してから約10分後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。
<Example 1>
A 9 cc glass sample bottle is filled with 5 g of a mixture of 40 wt% TBAB and 60 wt% water, and a pair of wire-like silver electrodes (wire diameter: 1.5 mm) are placed in the mixture. It was immersed for about 10 mm. At this time, the distance between the pair of silver electrodes was about 3 to 5 mm. Thus, the heat storage device according to Example 1 was produced. In a differential scanning calorimeter (DSC), the tangent and base at the inflection point of the melting peak of the DSC curve obtained when the mixture of 40% by weight TBAB and 60% by weight water is heated at 1 ° C./min. The melting point of the mixture determined from the intersection with the line was 11.5 ° C. Next, the mixture in the sample bottle was completely melted in an atmosphere at 25 ° C. to obtain a TBAB aqueous solution having a concentration of 40% by weight. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 2 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of silver electrodes was connected to a DC power source and a voltage of 3 V was applied. About 10 minutes after the start of voltage application to the pair of silver electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle.
<実施例2>
9ccのガラス製のサンプル瓶に、34重量%TBAOHと66重量%の水との混合物5gを充填し、さらに、線材状の一対の銀電極(線径:1.5mm)をこの混合物中に約10mm浸漬させた。このとき、一対の銀電極間の距離は、約3〜5mmであった。このようにして、実施例2に係る蓄熱装置を作製した。示差走査熱量計(DSC)において、34重量%のTBAOHと66重量%の水との混合物を1℃/分で昇温させたときに得られるDSC曲線の融解ピークの変曲点における接線とベースラインとの交点から求めた混合物の融点は27.2℃であった。次に、35℃の雰囲気においてサンプル瓶中の混合物を完全に融解させて濃度34重量%のTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を17℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の銀電極を直流電源に接続し2Vの電圧を印加した。一対の銀電極への電圧の印加を開始してから約10後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。その後、一対の銀電極への電圧の印加を停止し、35℃の雰囲気においてサンプル瓶中の混合物を完全に融解させてTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を22℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の銀電極を直流電源に接続し2Vの電圧を印加した。一対の銀電極への電圧の印加を開始してから約9分後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。
<Example 2>
A 9 cc glass sample bottle is filled with 5 g of a mixture of 34% by weight TBAOH and 66% by weight water, and a pair of wire-like silver electrodes (wire diameter: 1.5 mm) are added to the mixture. It was immersed for 10 mm. At this time, the distance between the pair of silver electrodes was about 3 to 5 mm. In this way, a heat storage device according to Example 2 was produced. In a differential scanning calorimeter (DSC), the tangent and base at the inflection point of the melting peak of the DSC curve obtained when the mixture of 34 wt% TBAOH and 66 wt% water is heated at 1 ° C./min. The melting point of the mixture determined from the intersection with the line was 27.2 ° C. Next, the mixture in the sample bottle was completely melted in an atmosphere of 35 ° C. to obtain a TBAOH aqueous solution having a concentration of 34% by weight. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 17 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of silver electrodes was connected to a DC power source and a voltage of 2 V was applied. About 10 years after the start of voltage application to the pair of silver electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle. Thereafter, the application of voltage to the pair of silver electrodes was stopped, and the mixture in the sample bottle was completely melted in an atmosphere at 35 ° C. to obtain a TBAOH aqueous solution. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 22 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of silver electrodes was connected to a DC power source and a voltage of 2 V was applied. About 9 minutes after the start of voltage application to the pair of silver electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle.
<実施例3>
9ccのガラス製のサンプル瓶に、34重量%TBAOHと66重量%の水との混合物5gを充填し、さらに、線材状の一対の銅電極(線径:1.5mm)をこの混合物に約10mm浸漬させた。このとき、一対の銅電極間の距離は、約3〜5mmであった。このようにして、実施例3に係る蓄熱装置を作製した。次に、35℃の雰囲気においてサンプル瓶中の混合物を完全に融解させて濃度34重量%のTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を17℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の銅電極を直流電源に接続し3Vの電圧を印加した。一対の銅電極への電圧の印加を開始してから約35分後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。
<Example 3>
A 9 cc glass sample bottle is filled with 5 g of a mixture of 34% by weight TBAOH and 66% by weight water, and a pair of wire-like copper electrodes (wire diameter: 1.5 mm) is added to the mixture by about 10 mm. Soaked. At this time, the distance between the pair of copper electrodes was about 3 to 5 mm. In this way, a heat storage device according to Example 3 was produced. Next, the mixture in the sample bottle was completely melted in an atmosphere of 35 ° C. to obtain a TBAOH aqueous solution having a concentration of 34% by weight. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 17 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of copper electrodes was connected to a DC power source, and a voltage of 3 V was applied. About 35 minutes after the start of voltage application to the pair of copper electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle.
<実施例4>
実施例2の蓄熱装置を用いて、35℃の雰囲気において、サンプル瓶中の、34重量%TBAOHと66重量%の水との混合物を完全に融解させて、34重量%のTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を17℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の銀電極を直流電源に接続し1.0Vの電圧を印加した。一対の銀電極への電圧の印加を開始してから約105分後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。
<Example 4>
Using the heat storage device of Example 2, the mixture of 34 wt% TBAOH and 66 wt% water in the sample bottle was completely melted in an atmosphere of 35 ° C. to obtain a 34 wt% TBAOH aqueous solution. . Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 17 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of silver electrodes were connected to a DC power source and a voltage of 1.0 V was applied. About 105 minutes after the start of voltage application to the pair of silver electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle.
<実施例5>
9ccのガラス製のサンプル瓶に、34重量%のTBAOHと66重量%の水との混合物5gを充填し、酸化銀(I)(Ag2O)を0.05g添加した。さらに、線材状の一対の炭素電極(線径:3.0mm)をTBAOH水溶液に約10mm浸漬させた。このとき、一対の炭素電極間の距離は、約2〜3mmであった。このようにして、実施例5に係る蓄熱装置を作製した。次に、35℃の雰囲気においてサンプル瓶中のTBAOHと水との混合物を完全に融解させて銀イオンを含むTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を17℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の炭素電極を直流電源に接続し3.0Vの電圧を印加した。一対の炭素電極への電圧の印加を開始してから約10分後にサンプル瓶中において結晶核の生成が目視により確認された。
<Example 5>
A 9 cc glass sample bottle was filled with 5 g of a mixture of 34 wt% TBAOH and 66 wt% water, and 0.05 g of silver (I) oxide (Ag 2 O) was added. Further, a pair of wire-like carbon electrodes (wire diameter: 3.0 mm) were immersed in a TBAOH aqueous solution by about 10 mm. At this time, the distance between the pair of carbon electrodes was about 2 to 3 mm. In this way, a heat storage device according to Example 5 was produced. Next, in a 35 ° C. atmosphere, the mixture of TBAOH and water in the sample bottle was completely melted to obtain an aqueous TBAOH solution containing silver ions. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 17 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of carbon electrodes was connected to a DC power source, and a voltage of 3.0 V was applied. About 10 minutes after the start of voltage application to the pair of carbon electrodes, the formation of crystal nuclei was visually confirmed in the sample bottle.
<比較例1>
9ccのガラス製のサンプル瓶に、34重量%のTBAOHと66重量%の水との混合物5gを充填し、さらに、線材状の一対の白金電極(線径:1.0mm)をこの混合物に約10mm浸漬させた。このとき、一対の白金電極間の距離は、約3〜5mmであった。このようにして、比較例1に係る蓄熱装置を作製した。次に、35℃の雰囲気において、サンプル瓶中のTBAOHと水との混合物を完全に融解させて濃度34重量%のTBAOH水溶液を得た。次に、サンプル瓶中の温度を17℃まで低下させた。このとき、サンプル瓶中の混合物は、液体状態を保っており、過冷却状態であった。次に、一対の白金電極を直流電源に接続し3Vの電圧を印加した。一対の白金電極への電圧の印加を約150分継続してもサンプル瓶中において結晶核の生成は確認されなかった。
<Comparative Example 1>
A 9 cc glass sample bottle was filled with 5 g of a mixture of 34% by weight TBAOH and 66% by weight water, and a pair of wire-like platinum electrodes (wire diameter: 1.0 mm) was added to the mixture. It was immersed for 10 mm. At this time, the distance between the pair of platinum electrodes was about 3 to 5 mm. In this manner, a heat storage device according to Comparative Example 1 was produced. Next, in a 35 ° C. atmosphere, the mixture of TBAOH and water in the sample bottle was completely melted to obtain a TBAOH aqueous solution having a concentration of 34% by weight. Next, the temperature in the sample bottle was lowered to 17 ° C. At this time, the mixture in the sample bottle maintained a liquid state and was in a supercooled state. Next, a pair of platinum electrodes were connected to a DC power source and a voltage of 3 V was applied. Even when the voltage application to the pair of platinum electrodes was continued for about 150 minutes, formation of crystal nuclei was not confirmed in the sample bottle.
本開示の蓄熱装置は、空調や冷蔵において冷熱を一時的に蓄える用途に利用できる。 The heat storage device of the present disclosure can be used for applications that temporarily store cold energy in air conditioning or refrigeration.
10 蓄熱材
12 蓄熱材容器
15 熱媒体の流路
22 一対の電極
30 筐体
31 一対の端部材
40 一対の整流部材
100 蓄熱装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記蓄熱材に接触している一対の電極と、を備え、
前記一対の電極の少なくとも一方が銅若しくは銀を含み、又は、前記蓄熱材が液体状態であるときに前記蓄熱材が銀イオンを含み、
前記蓄熱材が液体状態で冷却されて過冷却状態にあるときに、前記蓄熱材の過冷却状態を解除して前記クラスレートハイドレートを生成するように、前記一対の電極間に電圧が印加される、
蓄熱装置。 A heat storage material that forms a clathrate hydrate by cooling;
A pair of electrodes in contact with the heat storage material,
At least one of the pair of electrodes contains copper or silver, or when the heat storage material is in a liquid state, the heat storage material contains silver ions,
When the heat storage material is cooled in a liquid state and is in a supercooled state, a voltage is applied between the pair of electrodes so as to release the supercooled state of the heat storage material and generate the clathrate hydrate. The
Thermal storage device.
前記蓄熱材を収容している蓄熱材容器であって、前記蓄熱材に熱を付与する又は前記蓄熱材から熱を回収するための熱媒体の流路が前記筐体の内周面と当該蓄熱材容器の外周面との間に形成されるように、前記筐体の内部空間に配置された蓄熱材容器と、
前記熱媒体が流れる方向における前記筐体の両端のそれぞれに配置され、前記筐体に向かって拡大する内径を有する漏斗状の一対の端部材と、
前記筐体の前記両端のそれぞれに接して前記端部材のそれぞれの内側に固定され、複数の貫通孔を有する前記熱媒体の流れを整える一対の整流部材と、を備えた、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄熱装置。 A housing,
A heat storage material container containing the heat storage material, wherein a flow path of a heat medium for applying heat to the heat storage material or recovering heat from the heat storage material includes an inner peripheral surface of the housing and the heat storage material. A heat storage material container disposed in the internal space of the housing, so as to be formed between the outer peripheral surface of the material container,
A pair of funnel-shaped end members disposed at both ends of the casing in the direction in which the heat medium flows and having an inner diameter that expands toward the casing;
A pair of rectifying members that are in contact with each of the both ends of the casing and are fixed to the inside of each of the end members, and regulate the flow of the heat medium having a plurality of through holes,
The heat storage device according to any one of claims 1 to 4.
前記蓄熱材の温度を上昇させて前記クラスレートハイドレートを分解させる工程と、
液体状態の前記蓄熱材から前記クラスレートハイドレートが形成されるように前記蓄熱材を冷却する冷却工程と、を備え、
前記冷却工程は、前記蓄熱材が液体状態かつ過冷却状態であるときに、前記一対の電極に電圧を印加して前記蓄熱材の過冷却状態を解除して前記クラスレートハイドレートを生成する過冷却解除工程と、前記蓄熱材の過冷却状態の解除に伴って前記蓄熱材から放出される熱を回収する熱回収工程と、を含む、
蓄熱方法。 Preparing the heat storage device according to any one of claims 1 to 5 in a state where the heat storage material forms the clathrate hydrate;
Increasing the temperature of the heat storage material to decompose the clathrate hydrate;
Cooling the heat storage material to form the clathrate hydrate from the heat storage material in a liquid state, and
In the cooling step, when the heat storage material is in a liquid state and a supercooling state, a voltage is applied to the pair of electrodes to release the supercooling state of the heat storage material and generate the clathrate hydrate. A cooling release step, and a heat recovery step of recovering heat released from the heat storage material in association with release of the supercooled state of the heat storage material.
Thermal storage method.
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