JP2018105616A - 蓄熱熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間の熱入力により固相を融解脱離できる蓄熱熱交換装置を提供する。【解決手段】蓄熱熱交換装置は、蓄熱槽と、蓄熱槽の内部に設けられ、蓄熱性能および放熱性能を有する蓄熱材と、蓄熱槽の内部で蓄熱材に覆われ、蓄熱材から熱を得る液体が水平方向に流れる第１直管部を有する液体流路と、蓄熱槽の内部で蓄熱材に覆われ、液体流路と隣接して対をなし、水平方向に液体よりも温度の高く蓄熱材に熱を与える熱媒体が流れる第２直管部を有する熱媒体流路と、液体流路を流れる液体の液体温度を検出する温度センサと、温度センサが検知した温度が所定の温度より小さい場合に、熱媒体流路に熱媒体を流し、温度センサが検知した温度が所定の温度より大きくなった場合に熱媒体流路に流れる熱媒体を止める制御を行う流量制御部とを備えている。第１直管部は、第２直管部よりも鉛直方向下側に位置する。【選択図】図１

Description

この発明は、潜熱蓄熱材を充填した蓄熱槽と熱交換器とを備えた蓄熱熱交換装置に関するものである。

従来、熱交換装置は、熱エネルギーの需要と供給の時間的なギャップを埋めるために、一時的に熱を貯めて必要な時に使用することができる蓄熱材が利用されている。その中でも液体と固体の相変化時の潜熱を利用した潜熱蓄熱材は、体積当たりの蓄熱密度の高い材料として用いられている。ここで、蓄熱材の固相は、一般的に熱伝導率が小さく、蓄熱時及び放熱時、熱エネルギーを出し入れする際に熱抵抗となることで熱の出し入れを阻害する。また、液相から固相へと凝固する際に体積が大きく変化するため、伝熱面が露出し、熱交換性能が低下してしまう。

そこで、特許文献１に記載の蓄熱熱交換装置では、蓄熱槽の底面を覆う加熱源と底面に垂直な加熱源を有することによって蓄熱槽内に空隙が生じることを防止し、溶解した潜熱蓄熱材の対流により残りの固相の潜熱蓄熱材の溶解を促進している。

特開昭５８−１７８１９１号公報

特許文献１の蓄熱熱交換装置は、蓄熱槽内の蓄熱材が凝固した場合に熱交換器の周囲の固相を溶解するために蓄熱槽内全体の蓄熱材固相を溶解させる必要があり、蓄熱に時間がかかる。また、この蓄熱熱交換装置は、熱交換量が固相の成長とともに低下するため、必要な熱量が増減するような使用条件においては、熱交換部分の容積が増大し、装置が大型化する。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、短時間で蓄熱できるとともに、伝熱面に蓄熱材の固相が析出した場合も短時間の熱入力により固相を融解脱離することができる蓄熱熱交換装置を得ることを目的とする。

本発明に係る蓄熱熱交換装置は、体流路を流れる液体と蓄熱材とで熱交換を行なうものであって、蓄熱槽と、前記蓄熱槽の内部に設けられ、蓄熱性能および放熱性能を有する前記蓄熱材と、前記蓄熱槽の内部で前記蓄熱材に覆われ、前記蓄熱材から熱を得る前記液体が水平方向に流れる第１直管部を有する前記液体流路と、前記蓄熱槽の内部で前記蓄熱材に覆われ、前記液体流路と隣接して対をなし、水平方向に前記液体よりも温度の高く前記蓄熱材に熱を与える熱媒体が流れる第２直管部を有する熱媒体流路と、前記液体流路を流れる液体の液体温度を検出する温度センサと、前記温度センサが検知した温度が所定の温度より小さい場合に、前記熱媒体流路に前記熱媒体を流し、前記温度センサが検知した温度が所定の温度より大きくなった場合に前記熱媒体流路に流れる前記熱媒体を止める制御を行う流量制御部とを備え、前記第１直管部は、前記第２直管部よりも鉛直方向下側に位置するものである。

本発明に係る蓄熱熱交換装置によれば、液体流路と熱媒体流路とが隣接して配置され、液体流路の内部で水平方向に液体が流れる第１直管部が、第１直管部と対をなす熱媒体流路の第２直管部よりも鉛直方向下側に位置するので、熱媒体流路に流した熱媒体によって液体流路周囲に析出した固相を速やかに溶解させることができ、必要な熱量が増加した場合に、液体と熱媒体を直接熱交換することによって熱出力を増加することができる。

本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の内部構造の一例を示した内部構成図である。 本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の蓄熱槽の内部に配置した液体流路と熱媒体流路の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の液体流路の周囲に析出した蓄熱材固相が融解及び脱離する際の模式図である。 図１に示したＡ部拡大図である。 図４に示したＢ−Ｂ線矢視断面図である。 本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置であって、第１直管部と第２直管部との対を千鳥配置とした構成を示した説明図である。 本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置を用いた流体回路の模式図である。 本発明の実施の形態２に係る蓄熱熱交換装置の液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る蓄熱熱交換装置の液体流路と熱媒体流路とヒータの断面図である。 本発明の実施の形態４に係る蓄熱熱交換装置であって、液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートとの関係を示した断面図である。 本発明の実施の形態５に係る蓄熱熱交換装置であって、液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートとの関係を示した断面図である。 図１１に示したＣ−Ｃ線矢視断面図である。

実施の形態１．
以下に本発明に係る蓄熱熱交換装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態のうち、ある実施の形態で述べた構造、材料等を技術的な矛盾が生じない範囲で他の実施の形態述べた構造、材料等に置き換え、付加等してもよい。

図１は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の内部構造の一例を示した内部構成図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の蓄熱槽の内部に配置した液体流路と熱媒体流路の断面図である。図１及び図２に示した実施の形態１の蓄熱熱交換装置は、一例としてコイル−タンク式の熱交換方式である。この蓄熱熱交換装置は、蓄熱槽１と、蓄熱槽１に充填される蓄熱材２と、蓄熱材２から熱を得る液体流路３と、蓄熱材２へ熱を与える熱媒体流路４と、液体流路３と熱媒体流路４とに交差させて配置された蓄熱材固相分断プレート５と、液体流路３の蓄熱槽１の出口側に位置する温度センサ６と、を備えている。また、実施の形態１の蓄熱熱交換装置は、液体流路３を流れる液体の流量及び熱媒体流路４に流れる熱媒体の流量を制御する流量制御部９を、更に備えている。

蓄熱槽１は、蓄熱材２、液体流路３及び熱媒体流路４を内包している。蓄熱槽１は、蓄熱材２によって腐食されない材質として、ステンレス、鉄、又はニッケルクロム合金などで構成されている。

蓄熱材２は、使用する温度範囲に融点を持つ潜熱蓄熱材であり、水等の顕熱蓄熱材が顕熱のみを蓄えるのに対し、潜熱である融解熱も蓄えることができるため、単位体積あたりの蓄熱密度が大きい。従って、顕熱蓄熱材を用いる場合に比べ蓄熱槽１を小型化することができる。蓄熱材２は熱媒体により加熱されると固体から液体に相変化することによって潜熱（融解熱）を蓄える。また、熱を受け取るための液体を流通すると熱を奪われて液体から固体に凝固し、放熱する。

蓄熱材２の具体的な材料としては、飽和炭化水素として、直鎖状のデカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、エイコサン、ヘンエイコサン、ドコサン、トリコサン、テトラコサン、ペンタコサン、ヘキサコサン、ヘプタコサン、オクタコサン、ノナコサン、トリアコンタン、ヘントリアコンタン、ドトリアコンタン、トリトリアコンタン、テトラトリアコンタン、ペンタトリアコンタン、ヘキサトリアコンタン、ヘプタトリアコンタン、オクタトリアコンタン、ノナトリアコンタン、テトラコンタン、ドテトラコンタン、トリテトラコンタン、テットラテトラテトラコンタン、ヘキサテトラコンタン、オクタテトラコンタン、ペンタコンタン、ヘキサコンタン、ヘプタコンタン、ヘクタンなどのパラフィンが挙げられる。または、脂肪酸として、パルミチン酸、ステアリン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、パルミトレイン酸、ｙ−リノレン酸、リノール酸、アラキドン酸、α−リノレン酸、デカン酸、ペンタデカン酸、ヘプタデカン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、デセン酸、ペンタデセン酸、ミリストレイン酸などが挙げられる。金属系として、水銀、カリウム、ナトリウム、ガリウム、インジウム、ビスマス、アルミニウム、亜鉛、けい素、マグネシウム、銅、錫、鉛、カドミウム、およびこれらを少なくとも一つ含む合金等が挙げられる。糖アルコール類では、Ｄ−スレイトール、Ｌ−スレイトール、ＤＬ−スレイトール、メソ−エリスリトール、Ｌ−エリスリトール、Ｄ−エリスリトール、ＤＬ−エリスリトール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、キシリトール、Ｄ−アラビトール、Ｌ−アラビトール、ＤＬ−アラビトール、Ｄ−ソルビトール、Ｌ−ソルビトール、ＤＬ−ソルビトール、Ｄ−マンニトール、Ｌ−マンニトール及びＤＬ−マンニトール等が挙げられる。水和塩としては、フッ化カリウム４水和物、塩化カルシウム６水和物、硝酸リチウム３水和物、酢酸ナトリウム３水和物、チオ硫酸ナトリウム５水和物、硫酸ナトリウム１０水和物、リン酸水素２ナトリウム、塩化鉄６水和物、硫酸マグネシウム７水和物、酢酸リチウム２水和物、水酸化ナトリウム１水和物、水酸化バリウム８水和物、水酸化ストロンチウム８水和物、硫酸アルミニウムアンモニウム６水和物、硫酸アルミニウムカリウム６水和物等が挙げられる。溶融塩としては、塩化アルミニウム、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、水酸化リチウム、塩化カルシウム、塩化リチウム、塩化マグネシウム、塩化カリウム、フッ化カリウム、フッ化リチウム、炭酸リチウム、炭酸カリウム、硝酸バリウム、炭酸ナトリウム等が挙げられる。その他にテトラブチルアンモニウムブロマイドなどの包接水和物、水等が挙げられる。これら以外にも、使用温度域に融点があり、液体と固体間の相変化が生じるものであれば使用できる。

液体流路３は、蓄熱材２に覆われて、蓄熱材２から熱を受け取る液体の流路である。液体流路３は、水平方向に液体が流れる第１直管部３ａを有している。液体流路３の材質は、たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス、チタニウム、ニッケルクロム合金などの金属、またはポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリカーボネイトなどの樹脂が用いられる。液体流路３の形状は、たとえば、円管、多穴管、扁平管、ねじり管などが用いられる。液体流路３は、たとえば内径が１〜２０ｍｍ、管壁厚さが０．３〜２．０ｍｍの管を用いると良い。液体流路３を流れる液体としては、水、シリコンオイル、またはエチレングリコール、プロピレングリコールなどのブラインなどが用いられる。

熱媒体流路４は、蓄熱材２に覆われており、蓄熱材２に熱を与える熱媒体の流路である。熱媒体流路４は、液体流路３と隣接して対をなし、水平方向に熱媒体が流れる第２直管部４ａを有している。熱媒体流路４の材質は、たとえば、銅、アルミニウム、ステンレス、チタニウム、ニッケルクロム合金などの金属、またはポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリカーボネイトなどの樹脂が用いられる。熱媒体流路４の形状は、たとえば、円管、多穴管、扁平管、ねじり管などが用いられる。熱媒体流路４は、たとえば内径が１〜２０ｍｍ、管壁厚さが０．３〜２．０ｍｍの管を用いると良い。熱媒体流路４を流れる液体としては、水、シリコンオイル、またはエチレングリコール、プロピレングリコールなどのブラインなどが用いられる。

液体流路３の第１直管部３ａ及び熱媒体流路４の第２直管部４ａの対は、図１に示すように、上下方向に複数段（図示例の場合は６段）配置されており、第１直管部３ａが、第２直管部４ａよりも鉛直方向下側に位置している。熱媒体流路４は、上下に隣接する第２直管部４ａの一端部が連結されて、上下方向に蛇行する構成とされている。同様に、流体流路３は、上下に隣接する第１直管部３ａの一端部が連結されて、上下方向に蛇行する構成とされている。

蓄熱材固相分断プレート５は、液体流路３及び熱媒体流路４が貫通する貫通孔５ｃを有し、液体流路３及び熱媒体流路４の外周を、液体流路３及び熱媒体流路４と交差するように設けられたプレートである。蓄熱材固相分断プレート５は、液体流路３によって熱を奪われた蓄熱材２の固体が析出した際に、熱媒体からの熱を蓄熱材２に伝え、液体流路３方向に交差するように分断するためのものである。蓄熱材固相分断プレート５の材質は、たとえば銅、アルミニウム、ステンレス、チタニウム、ニッケルクロム合金など熱伝導率の大きいものが望ましい。蓄熱材固相分断プレート５は、たとえば０．３〜２ｍｍの厚さの板を用いると良い。

温度センサ６は、液体流路３の出口温度を検知する。放熱工程において、液体流路３の外周に蓄熱材２の固体が析出すると熱抵抗となり液体の温度上昇を阻害する。そのまま液体を流し続けると出口での液体温度が所望の温度まで上昇しない。そのため、出口側での液体温度を検知し、一定温度以下になったところで熱媒体流路４に熱媒体を流通する必要がある。温度センサ６での検出温度に基づき、流量制御部９で熱媒体の供給量を制御できることが望ましい。出口側の液体温度が一定温度以上になったところで熱媒体流路４への熱媒体の供給を止める。ここで、さらに熱媒体流路４の出口温度を検知することで、液体流路３への液体の供給を止めていても、熱媒体温度が一定温度以上となったところで熱媒体の供給を止めることができる。

次に、実施の形態１の蓄熱熱交換装置による蓄熱材２への蓄熱及び放熱の各工程について説明する。蓄熱熱交換装置の温度が融点以下になっている場合、蓄熱材２は蓄熱槽１の中で固体状態となっている。

蓄熱工程は、熱媒体流路４に熱媒体を供給し、蓄熱材２と熱媒体が熱交換することによって蓄熱材２に熱を与える。蓄熱材２は、徐々に温度が上昇し、融点以上になると融解し始める。蓄熱材２が完全に融解し、熱媒体温度と蓄熱材２の温度差がほとんど無くなり熱交換しなくなったところを蓄熱工程完了とする。

放熱工程は、液体流路３に液体を供給することによって蓄熱材２と液体とが熱交換し、液体が蓄熱材２から熱を得る。蓄熱材２は、徐々に温度が低下し、融点以下になると凝固し始める。蓄熱材２が凝固すると熱抵抗となり、固相の厚みが増大していくことで熱抵抗が大きくなって熱交換量が小さくなる。

蓄熱−放熱工程は、液体の蓄熱槽１の出口での温度が、目標の温度以下となったところで必要となる蓄熱と放熱を同時に行う工程である。液体温度が、必要な温度以下になってしまうことを避けるために、目標の温度以下になったときに液体を供給すると同時に熱媒体を供給する。ここで、液体流路３と熱媒体流路４とを隣接しておくことで液体流路３内の液体は、周囲の蓄熱材２から得る熱の他に、熱媒体から熱を得て、温度が上昇する。熱媒体流路４内の熱媒体は、液体流路３内の液体に熱を与えると同時に周囲の蓄熱材２に熱を与えて蓄熱材２の固体を融解する。つまり、液体流路３と熱媒体流路４とを隣接しておくことで蓄熱と放熱とを同時に行うことができるようになる。

次に、液体流路３と熱媒体流路４との間の熱のやり取りを図３に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置の液体流路の周囲に析出した蓄熱材固相が融解及び脱離する際の模式図である。

Ｓ１は、液体流路３に液体を供給し、外周付近の蓄熱材２の熱が奪われることによって蓄熱材２の固体が析出している状態を示している。Ｓ１では、液体流路３からの伝熱によって熱媒体流路４の周りにも蓄熱材固相２０が付着する。液体を供給するにつれて蓄熱材固相２０の厚みが増大し、蓄熱槽１の出口での液体温度が徐々に低下する。

Ｓ２は、熱媒体流路４に熱媒体を供給している状態を示している。Ｓ２では、熱媒体流路４に供給された熱媒体が、まず熱媒体流路４の周りの蓄熱材固相２０に熱を与え、蓄熱材固相２０が融解し始める。

Ｓ３は、Ｓ２の状態からさらに熱媒体流路４に熱媒体を供給した状態を示している。Ｓ３では、熱媒体流路４の周囲の蓄熱材固相２０が熱媒体から与えられた熱により完全に融解し、液体流路３の周囲の蓄熱材固相２０が融解し始める。

Ｓ４は、Ｓ３の状態からさらに熱媒体流路４に熱媒体を供給した状態を示している。Ｓ４では、熱媒体流路４側における液体流路３周囲の蓄熱材固相２０が融解し、液体流路３の周囲の残った蓄熱材固相２０が脱離することによって液体流路３表面が露出し、熱交換能力が大きくなる。

ここで、蓄熱材２の固体状態の密度が液体状態の密度よりも大きい場合は、液体流路３の鉛直方向上側を融解することで蓄熱材固相２０が比重の差から鉛直方向下側に剥離するため速やかに液体流路３の表面を露出することができ、熱交換能力を速やかに上昇させることができる。そのため、液体の蓄熱槽１の出口温度が目標温度以下になるまで低下することを抑制することができて、液体の供給が停止してしまうことを回避することができる。一方、蓄熱材２がたとえば水の場合、固体状態の方が液体の状態よりも密度が小さいので、液体流路３から固体（氷）を速やかに剥離するために、液体流路３の下に熱媒体流路４を配設する必要がある。

また、図４は、図１に示したＡ部拡大図である。図５は、図４に示したＢ−Ｂ線矢視断面図である。図４に示すように、対となる熱媒体流路４と液体流路３の端部がＵ字に曲がる場合、図５に示すように鉛直方向に対してＵ字の部分を斜めに曲げることで、端部についても対となる熱媒体流路４と液体流路３の鉛直方向の位置関係を維持することができる。つまり、上下に隣接する第２直管部４ａの連結部分が、上下に隣接する第１直管部３ａの連結部分よりも鉛直方向上側に位置するようにした構成である。このとき、図５に示すように、熱媒体流路４の半径をｒ１、液体流路３の半径をｒ２、対となる熱媒体流路４の第２直管部４ａの外周と、液体流路３の第１直管部３ａの外周との距離をｄ、鉛直方向に対する曲げ角度をθとすると、（ｒ１＋ｒ２＋ｄ）ｓｉｎθ≧ｒ１＋ｒ２とすることで流路の干渉を避けることができる。

また、図１に示すように対となる第１直管部３ａと第２直管部４ａが上下方向に複数段配置される場合、図５に示すように、第２直管部４ａは他の対の第１直管部３ａからの距離Ｄよりも対となる第１直管部３ａからの距離ｄが小さくなるように配置する（ｄ＜Ｄ）。これにより、第２直管部４ａからの熱が優先的に対となる第１直管部３ａへと伝えられる。

また、図６は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置であって、第１直管部と第２直管部との対を千鳥配置とした構成を示した説明図である。図６に示すように、蓄熱槽１の鉛直方向における断面を見て、第１直管部３ａと第２直管部４ａの対が千鳥配置であると、剥離した蓄熱材固相２０を蓄熱槽１の鉛直方向下側への沈殿を促し、熱交換能力を向上させることができる。

また、熱媒体流路４の第２直管部４ａの配管径を、液体流路３の第１直管部３ａの配管径よりも小さくすることによって、熱媒体流路４の周囲に析出する蓄熱材固相２０の量が減少し、融解時間が短くなるため、熱交換能力をより速やかに向上させることができる。

また、対となる熱媒体流路４の本数が液体流路３の本数よりも多い場合には、熱媒体流路４の熱による蓄熱材固相２０の融解時間が短くなり、熱交換性能が向上する。

図１に示す実施の形態１では、蓄熱熱交換装置の一例として、コイル−タンク式の熱交換方式を示したが、シェルアンドチューブ型、２重管型、プレート−フィン型でも同様の効果が得られる。また、蓄熱材固相２０は、熱媒体によって融解された際に、長くつながっていた場合、速やかに剥離しないということが問題となる。そこで、実施の形態１の蓄熱熱交換装置では、蓄熱材固相２０が液体流路３に沿って長く形成されないように液体流路３と熱媒体流路４とに交差するように蓄熱材固相分断プレート５を設置する。蓄熱材固相分断プレート５は、熱媒体流路４に流れる熱媒体から伝わる熱によって液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０を液体流路３と交差する方向に分断する。分断された蓄熱材固相２０は、速やかに液体流路３から剥離するため、液体流路３の伝熱面が露出し、熱交換能力を速やかに向上することができる。

次に、蓄熱、放熱を制御するための温度センサ６を図７に基づいて説明する。図７は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱熱交換装置を用いた流体回路の模式図である。放熱工程では、液体流路３に液体を供給し、蓄熱材２から液体に熱が奪われると、液体流路３の表面の周囲には蓄熱材固相２０が析出する。蓄熱材固相２０は、熱伝導率が小さいため、熱抵抗となり、蓄熱材２から液体に与えられる熱は小さくなる。さらに、液体を供給し続けるといずれ蓄熱槽１の出口における液体温度が得たい温度以下になってしまい、液体の供給が止まってしまう。そこで、図７に示すように、流量制御部９は、液体流路３の蓄熱槽１の出口での温度を温度センサ６によって検出し、その検出値した温度が目標の温度以下になった場合、熱源７から熱媒体流路４に熱媒体を供給する、蓄熱−放熱工程を行う。放熱量は、蓄熱材固相２０の厚みによって決まるため、蓄熱材固相２０が剥離したかどうかについては、液体の出口温度から算出することができる。そのため、液体の出口温度が目標の温度以上になったところを温度センサ６で検出し、放熱工程完了とする。

ここで、蓄熱−放熱工程の途中で液体の供給を止めて、蓄熱工程に移行した場合、液体流路３の出口温度では、放熱工程の完了時期が分からない。そこで、蓄熱熱交換装置では、熱媒体流路４の蓄熱槽１の出口にも同様に温度センサ６を配設し、熱媒体の出口温度が所定温度以上になったところで蓄熱工程完了とする。

したがって、実施の形態１の蓄熱熱交換装置によれば、液体流路３と熱媒体流路４とが隣接して配置され、液体流路３の内部で水平方向に液体が流れる第１直管部３ａが、第１直管部３ａと対をなす熱媒体流路４の第２直管部４ａよりも鉛直方向下側に位置するので、熱媒体流路４に流した熱媒体で、液体流路３の周囲に析出した固相を速やかに溶解させることができ、必要な熱量が増加した場合に、液体と熱媒体を直接熱交換することによって熱出力を増加することができる。

また、実施の形態１の蓄熱熱交換装置によれば、流量制御部９は、温度センサ６が検知した液体温度及び熱媒体温度の少なくとも一方の温度に基づいて、液体流路３を流れる液体の流量及び熱媒体流路４に流れる熱媒体の流量を制御するので、液体流路３の周囲に生成した蓄熱材固相２０の上部を優先的に融解でき、比重の大きい蓄熱材固相２０の溶け残った下部を速やかに脱離させることできる。よって、液体流路３の伝熱面を露出させて、熱交換量を速やかに向上することができる。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２の蓄熱熱交換装置を図８に基づいて説明する。図８は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱熱交換装置の液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートの断面図である。なお、実施の形態１の蓄熱熱交換装置と同一の構成については、その説明を適宜省略する。

実施の形態２の蓄熱熱交換装置は、蓄熱材固相分断プレート５が、液体流路３と熱媒体流路４とに交差する形状で構成されている。蓄熱材固相分断プレート５は、熱媒体流路４の外周面を覆う第２覆い部５ｂと、液体流路３の外周面を覆う第１覆い部５ａと、を有している。実施の形態２の蓄熱熱交換装置は、蓄熱材固相分断プレート５を液体流路３と熱媒体流路４とに交差させることによって、熱媒体流路４から周囲の蓄熱材液相に拡散する熱を低減することができ、蓄熱工程、蓄熱−放熱工程において効率良く蓄熱材固相２０を融解し、液体流路３から剥離することができる。つまり、実施の形態２の蓄熱熱交換装置は、蓄熱材固相２０が液体流路３に交差する方向に分断される時間が短くなることで、液体を供給し続けることにより、蓄熱槽１の出口における液体温度が得たい温度以下になることよる液体の供給停止を避けることができる。

さらに、蓄熱材固相分断プレート５の形状において、液体流路３の半径方向の長さが熱媒体流路４の半径方向の長さより長い形状であることを特徴とする。具体的には、蓄熱材固相分断プレート５は、液体流路３の外周面と第１覆い部５ａの内周面との間の平均寸法が、熱媒体流路４の外周面と第２覆い部５ｂの内周面との間の平均寸法よりも大きい形状に形成されている。

蓄熱材固相分断プレート５が、上記形状を有することにより、蓄熱工程、蓄熱−放熱工程において、熱媒体流路４に供給される熱媒体の熱が効率的に液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０に伝わり、蓄熱材固相２０が液体流路３に交差する方向に分断される時間が短くなる。そのため、蓄熱工程、蓄熱−放熱工程の時間が短くなり、液体の供給停止を避けることができる。なお、蓄熱材固相分断プレート５は、液体流路３と熱媒体流路４の周囲に析出する蓄熱材固相２０の断面形状に近い方が熱媒体からの熱が効率良く蓄熱材固相２０に伝わる。

また、蓄熱材固相２０は、蓄熱材液相よりも密度が大きいため、液体流路３の中心部分から上側よりも下側の方が蓄熱材２の固相厚みが大きくなる。そのため、蓄熱材固相分断プレート５の形状は、液体流路３の上側よりも下側の方が、内径が大きくなる。熱媒体流路４の周囲に析出する蓄熱材固相２０は、液体流路３がある面の方が、厚みが大きくなるため、熱媒体流路４の中心から上側よりも下側の方が、内径が大きくなる。

そこで、蓄熱材固相分断プレート５は、第２直管部４ａよりも鉛直方向下側に位置する熱媒体流路４の外周面と第２覆い部５ｂの内周面との平均寸法が、第１直管部３ａよりも鉛直方向下側に位置する液体流路３の外周面と第１覆い部５ａの内周面との平均寸法よりも小さい形状としている。よって、実施の形態２の蓄熱熱交換装置は、熱媒体流路４から液体流路３へ効率良く熱を伝え、液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０の融解及び脱離時間を短くすることができ、速やかに熱交換能力を向上させることができる。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３の蓄熱熱交換装置を図９に基づいて説明する。図９は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱熱交換装置の液体流路と熱媒体流路とヒータの断面図である。なお、実施の形態１及び２の蓄熱熱交換装置と同一の構成については、その説明を適宜省略する。

実施の形態３の蓄熱熱交換装置では、図９に示すように、液体流路３の鉛直方向上側にヒータ８が設置された構成である。実施の形態３の蓄熱熱交換装置では、熱媒体流路４からの熱だけでは液体の温度が目標の温度以上にできなくなった場合に、ヒータ８に通電し、足りない熱を補うことができる。そのため、液体の停止を避けることができるとともに、液体流路３の周囲の蓄熱材２を融解することができ、蓄熱熱交換装置の熱交換能力を速やかに向上させることができる。また、ヒータ８への通電は、液体流路３の出口温度を温度センサ６によって検知し、流量制御部９で制御することによって、必要以上のヒータ８での電力消費を抑制することができる。

実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４の蓄熱熱交換装置を図１０に基づいて説明する。図１０は、本発明の実施の形態４に係る蓄熱熱交換装置であって、液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートとの関係を示した断面図である。なお、実施の形態１〜３の蓄熱熱交換装置と同一の構成については、その説明を適宜省略する。

実施の形態４の蓄熱熱交換装置では、図１０に示すように、蓄熱材固相分断プレート５の面内における熱媒体流路４の鉛直方向上側にスリット１０が設けられている。実施の形態４の蓄熱熱交換装置では、熱媒体流路４の鉛直方向上側への熱の伝達がスリット１０によって抑制されるため、熱媒体流路４から液体流路３へ効率良く熱を伝え、液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０の融解及び脱離時間を短くすることができ、速やかに熱交換能力を向上させることができる。

なお、詳細に図示することは省略したが、実施の形態４の蓄熱熱交換装置は、熱媒体流路４の左右側にもスリットを設けることによって、熱媒体流路４から液体流路３へ効率良く熱を伝え、液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０の融解及び脱離時間をさらに短くすることができ、速やかに熱交換能力を向上させることができる。

実施の形態５．
次に、本発明に係る実施の形態５の蓄熱熱交換装置を図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１は、本発明の実施の形態５に係る蓄熱熱交換装置であって、液体流路と熱媒体流路と蓄熱材固相分断プレートとの関係を示した断面図である。図１２は、図１１に示したＣ−Ｃ線矢視断面図である。なお、実施の形態１〜３の蓄熱熱交換装置と同一の構成については、その説明を適宜省略する。

実施の形態５の蓄熱熱交換装置では、図１１及び図１２に示すように、蓄熱材固相分断プレート５の面内における熱媒体流路４の鉛直方向上側に、蓄熱材固相分断プレート５の一部を前方に切り起こした切り起こし部１１が設けられている。切り起こし部１１は、切り口の切り込みが切り残し部分よりも鉛直方向下側となるように切り起こされている。実施の形態５の蓄熱熱交換装置では、熱媒体流路４から与えられる熱が蓄熱材固相分断プレート５を介して液体流路３に伝えられる際に、鉛直方向上側への熱の伝達が切り起こし部１１によって抑制される。そのため、実施の形態５の蓄熱熱交換装置は、熱媒体流路４から液体流路３へ効率良く熱を伝え、液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０の融解及び脱離時間を短くすることができ、速やかに熱交換能力を向上させることができる。

また、実施の形態５の蓄熱熱交換装置は、切り口の切り込みが切り残し部分よりも鉛直方向下側となるように切り起こし部１１が切り起こされているので、熱媒体流路４から液体流路３へさらに効率良く熱を伝え、液体流路３の周囲に析出した蓄熱材固相２０の融解及び脱離時間をさらに短くすることができ、速やかに熱交換能力を向上させることができる。なお、図１１及び図１２に示した切り起こし部１１の構成は一例であり、当該構成に限定されない。切り起こし部１１は、実施の状況に応じて種々の形状で構成される。

１ 蓄熱槽、２ 蓄熱材、３ 液体流路、３ａ 第１直管部、４ 熱媒体流路、４ａ 第２直管部、５ 蓄熱材固相分断プレート、５ａ 第１覆い部、５ｂ 第２覆い部、５ｃ 貫通孔、６ 温度センサ、７ 熱源、８ ヒータ、９ 流量制御部、１０ スリット、１１ 切り起こし部、２０ 蓄熱材固相。

Claims (14)

1. 液体流路を流れる液体と蓄熱材とで熱交換を行なう蓄熱熱交換装置において、
   蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽の内部に設けられ、蓄熱性能および放熱性能を有する前記蓄熱材と、
   前記蓄熱槽の内部で前記蓄熱材に覆われ、前記蓄熱材から熱を得る前記液体が水平方向に流れる第１直管部を有する前記液体流路と、
   前記蓄熱槽の内部で前記蓄熱材に覆われ、前記液体流路と隣接して対をなし、水平方向に前記液体よりも温度の高く前記蓄熱材に熱を与える熱媒体が流れる第２直管部を有する熱媒体流路と、
   前記液体流路を流れる液体の液体温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサが検知した温度が所定の温度より小さい場合に、前記熱媒体流路に前記熱媒体を流し、前記温度センサが検知した温度が所定の温度より大きくなった場合に前記熱媒体流路に流れる前記熱媒体を止める制御を行う流量制御部とを備え、
   前記第１直管部は、前記第２直管部よりも鉛直方向下側に位置する蓄熱熱交換装置。
2. 前記蓄熱材に熱を与える熱媒体が流れる前記第２直管部の配管径は、前記蓄熱材から熱を得る液体が流れる前記第１直管部の配管径よりも小さい
   請求項１に記載の蓄熱熱交換装置。
3. 前記熱媒体流路は、前記液体流路よりも多い本数で構成されている請求項１又は２に記載の蓄熱熱交換装置。
4. 前記第１直管部と前記第２直管部との対は、上下方向に複数段配置されており、
   前記熱媒体流路は、前記上下に隣接する第２直管部の一端部が連結されて、上下方向に蛇行する構成とされ、
   前記流体流路は、前記上下に隣接する第１直管部の一端部が連結されて、上下方向に蛇行する構成とされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。
5. 上下方向に複数段配置された対となる前記第１直管部と前記第２直管部の距離の平均は、隣接する一方の段の第２直管部と他方の段の第１直管部との距離よりも小さい請求項４に記載の蓄熱熱交換装置。
6. 前記上下方向に複数段配置されている前記第１直管部と前記第２直管部との対は、前記蓄熱槽の鉛直方向における断面を見ると、千鳥配置とされている請求項４又は５に記載の蓄熱熱交換装置。
7. 上下に隣接する前記第２直管部の連結部分は、上下に隣接する前記第１直管部の連結部分よりも鉛直方向上側に位置する請求項４〜６のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。
8. 前記液体流路と前記熱媒体流路とに、交差させて配置された分断プレートを、更に備えている請求項１〜７のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。
9. 前記液体流路及び前記熱媒体流路は、それぞれ管状からなり、
   前記分断プレートは、
   前記液体流路の外周面を覆う第１覆い部と、
   前記熱媒体流路の外周面を覆う第２覆い部と、を有し、
   前記液体流路の外周面と第１覆い部の内周面との間の平均寸法が、前記熱媒体流路の外周面と第２覆い部の内周面との間の平均寸法よりも大きい形状である請求項８に記載の蓄熱熱交換装置。
10. 前記分断プレートは、前記第２直管部よりも鉛直方向下側に位置する前記熱媒体流路の外周面と第２覆い部の内周面との平均寸法が、前記第１直管部よりも鉛直方向下側に位置する前記液体流路の外周面と前記第１覆い部の内周面との平均寸法よりも小さい形状である請求項９に記載の蓄熱熱交換装置。
11. 前記分断プレートには、前記第２直管部の鉛直方向上側にスリットが形成されている請求項８〜１０のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。
12. 前記分断プレートには、前記第２直管部の鉛直方向上側の一部を切り起こした切り起こし部が形成されている請求項８〜１０のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。
13. 前記切り起こし部は、切り口の切り込みが切り残し部分よりも鉛直方向下側となるように切り起こされている請求項１２に記載の蓄熱熱交換装置。
14. 前記液体流路の鉛直方向上側に隣接して設けられ、前記液体流路に熱を与えるヒータを、更に備えている請求項１〜１３のいずれか一項に記載の蓄熱熱交換装置。

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