JP2018146127A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧印加を用いて蓄熱材の過冷却状態を解除し熱を取り出す蓄熱装置において、熱の取り出しを繰り返しても、電極の劣化を抑えることができる蓄熱装置を提供する。【解決手段】本開示の蓄熱装置は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材１０４と、蓄熱材１０４に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極１０９と、電極１０９に接続され、電気トリガーとして電気パルスを電極１０９に出力する電気パルス発生器１１５と、を備える。電気パルス発生器１１５は、電極反応が発生しない時間長のパルス幅と前記時間長の範囲で過冷却を解除可能な大きさの振幅とを有する矩形波の電気パルスを出力する。【選択図】図１

Description

本開示は、蓄熱装置に関する。

従来の蓄熱材として、潜熱蓄熱材が知られている。潜熱蓄熱材は、物質の相変化を利用する蓄熱材である。相変化時の温度が一定であるので、潜熱蓄熱材は、熱エネルギーを安定した温度で取り出せるという利点を有する。潜熱蓄熱材を用いて蓄熱を行う場合、潜熱蓄熱材が加熱されて液体状態になる。その後、潜熱蓄熱材は、液体状態に維持されるように保温される。潜熱蓄熱材を固化（凝固）させることによって、潜熱蓄熱材に蓄えられた熱を必要な時期に取り出すことができる。

例えば、酢酸ナトリウム三水和物は、比較的大きい融解潜熱を有するので、少ない容量で効率的に熱を蓄えることができる物質として知られている。酢酸ナトリウム三水和物は、物質固有の温度（融点）で融解するものの、一旦融解すると融点を下回っても凝固せず、過冷却状態になることが知られている。そこで、酢酸ナトリウム三水和物を含む蓄熱材を加熱して液体状態にした後、蓄熱材を過冷却状態に保って蓄熱することが検討されている。この場合、酢酸ナトリウム三水和物を含む蓄熱材の過冷却状態を解除することによって、蓄熱材に蓄えられた熱を取り出すことができる。

従来の過冷却状態の解除手段としては、過冷却状態の蓄熱材に電圧を印加する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。図３は、特許文献１に記載された、過冷却解除の機能を有する従来の蓄熱装置を示している。図３に示す蓄熱装置は、蓄熱槽２０１、蓄熱材２０２、熱交換パイプ２０３、スイッチ２０４、電極材２０５、及び直流電源２０６を備えている。スイッチ２０４を熱交換パイプ２０３側に接続して直流電源２０６を動作させると、電極材２０５−熱交換パイプ２０３間に所定の電圧が印加される。

特開昭６１−２０４２９３号公報

特許文献１に記載の技術では、電圧の印加の仕方についての詳細は、直流又は交流で印加可能であること及び電圧の大きさと電極間距離について開示があるが、電圧の印加を繰り返すことによる電極の劣化に関しては具体的に検討されていない。

本開示は、過冷却を解除するために電圧印加を繰り返すという利用方法においても電極の劣化を抑えることができる蓄熱装置を提供する。

本開示の蓄熱装置は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とした蓄熱材と、前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、前記電極に接続され、前記電気トリガーとして電気パルスを前記電極に出力する電気パルス発生器と、を備え、前記電気パルス発生器は、電極反応が発生しない時間長のパルス幅と前記時間長の範囲で過冷却を解除可能な大きさの振幅とを有する矩形波の前記電気パルスを出力する、蓄熱装置を提供する。

本開示の蓄熱装置によれば、電圧印加を用いた過冷却解除による熱取り出しを繰り返しても、電極の劣化を抑えることができる。

本開示の実施の形態における蓄熱装置の概略図 本開示の実施例における電圧と固化開始時間との関係を示す特性図 従来の蓄熱装置の概略図

（本発明者らの検討に基づく知見）
電極を用いて電気トリガーを与えることで蓄熱材の過冷却状態を解除する蓄熱装置では、直流又は交流で電圧を印加する必要がある。特許文献１においては、実施例として、直流を印加しているが、電圧の通電の仕方、特に、どの程度の時間で通電したのかは開示されていない。本発明者らは、このような、直流で電圧を印加する通電方法について検討したところ、過冷却状態を一度解除するためには数秒から１分以上の通電が必要であることが確認できた。このような蓄熱装置で繰り返し熱を取り出す場合、例えば１２００回以上の繰り返し利用を行うとした場合には、１回の通電時間が１分であったとすると、通算通電時間は２０時間以上にもなる。このように通電時間が長くなると、電極と蓄熱材との間で電気反応が生じ、おそらくは、電極の溶出による蓄熱材の組成変化、及び、電極表面への不要な金属化合物の析出、と考えられる要因により、電極が劣化してしまうという課題があることを、本発明者らは新たに見出した。このため、このような電極劣化の要因が生じうる電極と蓄熱材との間の電気反応が生じにくい構成とするのが望ましい。

そこで、本発明者らは、電圧印加を用いた過冷却解除による熱取り出しを繰り返しても、電極の劣化を抑えることができる構成の検討を重ねた。その結果、本発明者らは、所定の条件の矩形波の電気パルスを、過冷却解除の電気トリガーとして電圧印加することで、電極と蓄熱材との間の電気反応（以下、電極反応）を抑え、繰り返し熱の取り出しを行っても電極の劣化を抑えることができることを新たに見出した。このような構成として、例えば、電気トリガーの電圧を、振幅５Ｖ以上且つパルス幅１秒未満の矩形波の電気パルスとして印加すれば、固化を促す電極周りの拡散２重層の形成速度が大きくなるため、固化に必要な印加時間を１秒未満に短縮することができ、結果として電極の劣化を抑えることができる。これは、一回の過冷却解除において、電気パルスの印加電圧を高電圧化し且つ印加時間を短縮することで、電極反応が始まる前に通電を終わらせることができるためと考えられる。したがってこのような構成とすれば、電圧印加を用いた過冷却解除による熱の取り出しを繰り返しても、電極の劣化を抑えることができる。本発明者らは、この新たな知見に基づいて、本開示の蓄熱装置を案出した。なお、上記の知見は本発明者らの検討に基づくものであり、上記の知見は先行技術ではない。

本開示の第１の態様は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とした蓄熱材と、前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、前記電極に接続され、前記電気トリガーとして電気パルスを前記電極に出力する電気パルス発生器と、を備え、前記電気パルス発生器は、電極反応が発生しない時間長のパルス幅と前記時間長の範囲で過冷却を解除可能な大きさの振幅とを有する矩形波の前記電気パルスを出力する、蓄熱装置を提供する。

第１の態様の蓄熱装置によれば、電気トリガーによって液相を固相に変える固化による熱取り出しを繰り返し行う場合において、電極の溶出による蓄熱材の組成変化及び電極表面への不要な金属化合物の析出を引き起こす電極反応が発生するまでに、蓄熱材の固化を開始させることができるため、電極の劣化を抑えることができる。

本開示の第２の態様は、第１の態様に加え、前記電気パルスは、パルス幅が１秒未満で且つ電圧の大きさが５Ｖ以上である蓄熱装置を提供する。

第２の対応の蓄熱装置によれば、固化を促す電極周りの拡散２重層の形成速度をより速くすることができ、電極反応が発生しない状態で通電を終了することができるため、電極の劣化を抑えることができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施の形態）
図１は、本開示における蓄熱装置の概略図である。

図１において、蓄熱装置は過冷却状態を利用して、常温で長期間熱を保持することができ、必要に応じて熱を取り出すことができる装置である。蓄熱槽１０１内は蓄熱材１０４で満たされており、断熱材１０２によって周囲から断熱されている。また蓄熱槽１０１内には蓄熱材１０４と接するように、一対の電極１０９を備える。

電極１０９は、その間に電気パルス発生器１１５を備え、電気パルス発生器１１５から出力される所定の条件の矩形波の電気パルスを、過冷却解除の電気トリガーとして蓄熱材１０４に与えることができる（実施の形態の構成）。

通常、蓄熱材の水溶液中に電極を設置して電圧を印加した場合、水溶液中のイオンを電極へ引き寄せる現象と、電極反応に起因する、電極の溶出による蓄熱材の組成変化及び電極表面への金属化合物の析出と、の二段階の現象が発生する。したがって、電極反応が生じる前に電極への通電を終えることで、電極の劣化を抑えることが可能となる。言い換えれば、電極反応が発生するまでに蓄熱材の固化が開始されるような条件の電圧印加を行えばよい。

本実施の形態では、電気パルス発生器１１５が出力する電圧の電気パルスは、以下の条件を満たすものとする。一パルスのパルス幅、すなわちパルスの立ち上がりから立下りまでの時間は、電極反応開始が発生しない長さの時間とする。パルスの大きさすなわち印加する電圧の大きさは、電圧印加の時間すなわちパルス幅を短くすることを考慮すると、単に蓄熱材が固化する電圧とするのは不十分であって、固化がより早く開始される程度の電圧である必要がある。このような電圧の大きさとすれば、固化を促す電極周りの拡散２重層の形成速度を速くすることができ、電極反応が発生しない状態で、通電を終了し且つ液相から固相への固化による熱取り出しが可能となる。したがって、このような蓄熱装置を繰り返し利用しても、蓄熱材の組成変化と電極表面への不要な金属化合物の析出が抑制されていると考えられるため、電極の劣化を抑えることができる。

なお、本実施の形態において、１対の電極を設けたが、これを複数対備えた構成としても良い。

以下、実施例により本開示を具体的に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
（溶液調整）
酢酸ナトリウム無水物２８．８ｇと水２３．６ｇ、さらに酢酸銀０．０２５ｇを６０ｃｃスクリュー管に添加し、６５℃の恒温槽内でスクリュー管内の添加物が完全に溶解するまで加熱した。

（電極の設置）
直径１．５ｍｍ、長さ６５ｍｍの銀線（純度９９．９％）を電極に対して、２本の電極を５ｍｍの間隔でプラスチック蓋に取り付け、電極先端が蓄熱材に５ｍｍ浸漬するように蓄熱装置に設置する。

（固化実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、２０℃の水槽内に３０分静置した。その後、電極間に電圧５Ｖ、印加時間０．６秒の電気パルスを掛けた結果、固化（凝固）を開始した（図２参照）。

（実施例２）〜（実施例３）
実施例１と同様の操作を行い、試料を調整した。さらに上記試料に印加する電圧を６．０Ｖ、１０Ｖに対して、印加電圧に対する固化が開始する印加時間計測した結果、図２のように、電圧の上昇に伴い、固化が開始する印加時間が短くなった。

（比較例１）〜（比較例３）
実施例１と同様の操作を行い、試料を調整した。さらに上記試料に印加する電圧を１．０Ｖ、２．０Ｖ、４．０Ｖに対して、印加電圧に対する固化が開始する印加時間計測した結果、図２のように、電圧の減少に伴い、固化が開始する印加時間が長くなった。

（通電試験）
繰り返しの利用を想定して、上記試料に印加する電圧を１．０Ｖ、２．０Ｖ、４．０Ｖ、５．０Ｖ、６．０Ｖ、１０Ｖとし、印加電圧に対して固化が開始される印加時間（図２参照）をパルス幅とし、このパルス幅を有する矩形波を半周期とし、繰り返しとして６００周期、上記試料に印加する通電試験を行った。この時、試料は６５℃の恒温槽内に入れて、温度は常に一定で融液の状態を保った（表１参照）。

（通電試験後の固化実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、２０℃の水槽内に３０分静置した。その後、電極間に所定の印加電圧、印加時間の電気パルスを掛けた結果、５Ｖ未満の電圧印加を行った試料については、固化が始まらなかったのに対して、５Ｖ以上の電圧印加を行った試料については、３０回の繰り返しで、毎回固化が始まった（表１参照）。

本明細書に開示された技術は、内燃機関の廃熱、燃焼式ボイラーの廃熱などを熱源として機器の暖機を行うための蓄熱装置に有用である。また、本明細書に開示された技術は、空調機または給湯器にも応用できる。

１０１ 蓄熱槽
１０２ 断熱材
１０４ 蓄熱材
１０９ 電極
１１５ 電気パルス発生器
２０１ 蓄熱槽
２０２ 蓄熱材
２０３ 熱交換パイプ
２０４ スイッチ
２０５ 電極材
２０６ 直流電源

Claims (2)

1. 過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材と、
   前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、
   前記電極に接続され、前記電気トリガーとして電気パルスを前記電極に出力する電気パルス発生器と、
   を備え、
   前記電気パルス発生器は、
   電極反応が発生しない時間長のパルス幅と前記時間長の範囲で過冷却を解除可能な大きさの振幅とを有する矩形波の前記電気パルスを出力する、
   蓄熱装置。
2. 前記電気パルスは、
   パルス幅が１秒未満で且つ電圧の大きさが５Ｖ以上である、
   請求項１に記載の蓄熱装置。

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