JP2755422B2

JP2755422B2 - 潜熱蓄熱タンクに使用する潜熱蓄熱カプセル

Info

Publication number: JP2755422B2
Application number: JP1116133A
Authority: JP
Inventors: 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JPH02298759A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、潜熱蓄熱タンクに使用する潜熱蓄熱カプセ
ルに関する。

〔従来の技術〕

従来からビル、住宅等の温水および冷水等を利用する
空調装置及び潜熱蓄熱システムに、潜熱蓄熱カプセル
（以下カプセルと略称す）を充填した潜熱蓄熱タンク
（以下タンクと略称す）を使用して熱エネルギーを貯蔵
することが知られている。

上記の典型的なものとして潜熱蓄熱タンクを用いた空
調装置を第５図について説明すると、例えば太陽熱利用
の場合は、太陽光20に面した日照側に水等の媒体の流路
を設けた太陽熱集熱器21を配設し、これを鉄、不銹鋼、
プラスチック、FRP、コンクリート等で構築したタンク2
2に配管23,24を介して接続し、配管23にはポンプ25をま
た配管24には弁26を配設する。

タンク22は通常約300の容積を有し、内部には高密
度ポリエチレン等の薄肉プラスチック製の約70mm直径の
球状カプセル（仏、クリストピア社により市販されてい
る）27が約1,000個充填されている。球状カプセル27に
は例えば塩化カルシウム６水塩（CaCl₂6H₂O）等の相変
化物質（PCM）が収容されている。集熱器21内で加熱さ
れた約60℃の媒体がタンク22内のカプセル27の周囲を通
過中にカプセル27内の相変化物質を加熱してその一部を
融解する。即ちこの融解時に媒体の熱の一部が相変化物
質の潜熱に変わる。このようにして熱を奪われて約30℃
の低温となった媒体が再び集熱器21に送られて太陽熱に
より加熱される。上記のサイクルを繰返えすうちにカプ
セル内の相変化物質は全部融解することにより約50℃の
高い熱エネルギーを蓄熱するに至る。これを空調に使用
する際には、高温となったカプセル27の周囲に別の媒体
を流し、相変化物質が凝固する際の放熱によって該媒体
を加熱して高温媒体を得、これを空調用の対応機器に送
る（図示せず）。

また太陽熱集熱器の代りに低料金の深夜電力を利用す
る場合は、専用の加熱器を使用して循環媒体を加熱し、
これによってカプセル内の相変化物質に蓄熱する。

上記のカプセルに対して要求される性能は下記の三つ
である。

蓄熱速度即ち融解速度が速いこと、（殊に深夜電力
を使用する場合は融解速度が速いことが望ましい）。

放熱速度即ち凝固速度が速いこと、（凝固速度は融
解速度に略比例する）。

単価が低いこと、（多数個のカプセルを使用するの
で低価格は重要である）。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の球状カプセルはカプセル本体の構造が簡単で製
造しやすい利点があるが、形が球形であるためその中心
部までの距離が大きい。そのためカプセルの中心部にあ
る相変化物質に外部の熱が伝わるのに長時間を要し、融
解速度が遅い欠点がある。

また、球状カプセル以外に、長い板状のカプセルや、
断面がやや偏平な六角形である棒状のカプセルも知られ
ているが、これらの長い板状或いは棒状のカプセルでは
潜熱蓄熱タンク内に収容し得る数が必然的に少なくなる
ために、端面の総数が少なくなって、カプセル全体の熱
伝達に関与する表面積の積算値をある程度以上は大きく
することができない。従って、全体として熱伝達率が低
く抑えられる結果、充填された相変化物質の融解速度を
あまり高くすることができないという問題がある。

また、長い板状或いは棒状のカプセルを潜熱蓄熱タン
ク内に積み重ねた場合には、それらのカプセルの間に媒
体が流通するに十分な隙間が形成されないために、それ
らの長いカプセルを、例えば相互に平行に、それらの間
に隙間が形成されるように支持することが必要になるの
で、カプセルの支持手段を設けることによって潜熱蓄熱
タンクの構造が複雑でコスト高のものになるだけでな
く、潜熱蓄熱タンク全体が大型化するという問題もあ
る。

従って本発明の目的は、個々のカプセル内における熱
伝達率を高めて、相変化物質の融解速度を速めることに
より、従来の球状カプセルや、長い板状或いは棒状のカ
プセルが有している前述のような問題点を解消すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、内部に適量の相変化物質が充填される
と共に、潜熱蓄熱タンク内に略水平状態を保って積み重
ねて収容される潜熱蓄熱カプセルであって、上記カプセ
ルが実質的に偏平な回転体としての形状を備えており、
該カプセルの水平方向の主面の平均径と上下方向の平均
厚さとの比が、2:1〜10:1に形成されたことを特徴とす
る潜熱蓄熱タンクに使用するための潜熱蓄熱カプセルに
よって達成される。

〔作用〕

本発明の潜熱蓄熱カプセルは、水平方向の主面の平均
径と上下方向の平均厚さとの比が、2:1〜10:1に形成さ
れた偏平な回転体としての形状を備えているので、この
カプセルを多数個、潜熱蓄熱タンクの中に略水平状態を
保って積み重ねると、自然に各カプセルの全周に媒体が
流通する隙間が形成される。特に回転楕円体状カプセル
の場合は、積み重ねるときに上下に隣接するものを横に
ずらす必要もなく、自動的に立体的な隙間がカプセルの
周囲に形成される。

しかも、球状カプセルと比べて、主要な熱伝達面であ
るカプセルの底面からカプセルの中心部までの距離が短
いのと、相変化物質の特に固相とそのメルト（融解液）
とに共に接触する熱伝達面（カプセルの底面）の面積が
大きいために、媒体と相変化物質との間の熱伝達率が高
くなり、相変化物質の融解速度が著しく高くなる。

また、熱の媒体と接触する広い熱伝達面上において、
液相となった相変化物質の渦流が生じてその混合が活発
となるために、対流熱伝達による所謂対流融解も促進さ
れるので、これも固相の相変化物質の融解速度を高める
要因となる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。

実施例1: 前述したように従来の球状カプセルの中心部はカプセ
ルの外表面から最大距離の位置にあって相変化物質が外
部の熱媒体によって溶ける融解速度が遅い。従って球状
カプセルの上下方向の厚さを少なくすれば外表面から中
心迄の距離が短くなって融解速度が速くなることに着目
し、第１図に示す回転楕円体のカプセル１と第２図に示
す球状カプセル27とについて比較試験をした。実際には
両型式のカプセルを夫々周囲よりヒーターで一様に加熱
し、またスライダックで温度制御をして、内部に充填し
た相変化物質の変化を観察した。カプセル内部の相変化
物質（CaCl₂6H₂O）は水和物なので、ある程度の加熱に
よって融解して、密度の小さい液相２と密度の大きい固
相３とに夫々上下に分離する。４はカプセルの中心を示
す。

この場合の融解のメカニズムは接触融解と対流融解に
分れ、融解の大部分（70％）は固相３とカプセル１底部
間の接触融解で行われ、残りの30％はカプセル内の対流
融解で行われることが観察された。これにより固相３と
カプセル１との接触面積が大きい程融解速度が速くな
り、換言すればカプセルを偏平にすれば有効であること
が判明した。

またカプセルが偏平であると界面５上の液相２中で矢
印６の方向の渦７が交互に発生する（この現象はベナー
ル（仏）の原理で証明されているのでその説明を省略す
る）。即ち液相中に互に反対方向の渦が多数発生するの
で液相２と固相３間の界面５で対流融解が行われて両相
がよく混合し、これによっても融解速度が速くなる。

これに反し従来の球状カプセル27の場合は第２図に示
すように、第１図に比較して固相とカプセル間の接触面
積が小さく、また界面５上の液相２中で回転方向が互に
反対の一対の渦７のみが発生するが、これらの渦は流速
が遅く、液相２と固相３との混合力が弱く従って融解速
度が遅い。

なお、球状カプセルに代わるものとして、長い板状の
カプセルや、断面がやや偏平な六角形である棒状のカプ
セルも考えられているが、前述のように、それらのカプ
セルは端面が少ないために、その熱伝達率は本発明のも
のに比べて低くなるだけでなく、それらを潜熱蓄熱タン
ク内に積み重ねた場合には、カプセル相互間に媒体が流
通する十分な隙間が形成されないので、それらの長いカ
プセルを相互に平行に支持する支持手段が必要になると
いう問題がある。

尚、上記の比較試験は同一厚さ、同一容積の高密度ポ
リエチレン製のカプセルについて行なった。

第３図は各型式のカプセルの形状の違いによる融解速
度の比較を表す。図において縦軸は融解体積比即ち相変
化物質の融解した体積／内容積を表しその値が１になれ
ば相変化物質が全部融解したことを示し、横軸は時間を
示す。尚、各型式のカプセルは夫々同一容積に形成され
ている。

図中Ａは従来の球状カプセル、B,C及びＤは回転楕円
体状カプセルを表しそのうちB,C及びＤは水平方向の主
面の径を上下方向の平均厚さとの比（アスペクト比と仮
称す）が2:1,4:1及び8:1のものを夫々示し、Ｅは上記の
アスペクト比が8:1の円板状カプセルを示す。

第３図から判るように、回転楕円体状カプセル又は円
板状カプセル（これらは共に偏平な回転体形状を有し、
潜熱蓄熱タンクの中に積み重ねた場合には、自然に各カ
プセルの周囲に媒体が流通する隙間が形成される。特に
回転楕円体状カプセルの場合は、積み重ねるときに上下
に隣接するものを横にずらす必要もなく、自動的に立体
的な隙間が形成される。）の融解速度は、同一容積の球
状カプセルにおける融解速度に比べて極めて速いことが
判る。このようにアスペクト比が２以上の偏平な回転体
形カプセルは球形カプセルに比較して優れているが、ア
スペクト比の上限を決定するために例えば円板状カプセ
ルについて考察すると、アスペクト比＝10:1の円板状カ
プセルの必要材料量は厚さを同一とした場合、それと同
一容積の球状カプセルの４倍となるので上限を10:1以下
にすることが望ましい。

実施例2: 本発明によればカプセルを偏平形にしたので結果的に
若干大型（大径）になるが、従来多数個（約1,000個）
使用した球状カプセルに比して少数の大形偏平カプセル
を使用すれば多数のカプセルを水平状にならべる手間も
簡略化できる。但しこの場合球状カプセルに比べて偏平
状カプセルの周囲の媒体の流通が悪くなるので第４図に
示すように例えば円板状カプセル11の上下に連通する少
なくとも一つの筒状貫通孔12を設けると好都合である。
また該カプセル11の表面に、外方に突出した複数の突出
部13を設けると、該突起部13が、上下に重ね合わせたカ
プセル11間のスペーサの役目をして媒体の流通性を向上
する。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成して主面の径と厚さの比が
2:1〜10:1の偏平な回転体形のカプセルに形成したの
で、カプセルに収容した相変化物質の固相とカプセル底
部間の接触面積が増大し、また広い界面上で相変化物質
の液相と固相との渦流による混合性が増進し、これらに
よって得られる接触融解及び対流融解の向上によって相
変化物質の融解速度を著しく増大することができる。

更に、将来は超高層ビルやドーム施設のような巨大な
建築物等において大規模なエネルギー貯蔵が日常的に行
われるようになると考えられ、その場合は１週間或いは
３〜４ケ月というような長い期間のサイクルで蓄熱と放
熱を繰り返すことになるが、本発明の偏平な回転体形状
の潜熱蓄熱カプセルはこのような目的に特に適してい
る。即ち、偏平な回転体形状のカプセルは比較的容量の
大きなものでも内部まで容易に熱が伝熱されるために、
大型のカプセルをタンク内に密に収納することができ、
しかもカプセルの隙間を媒体が隈なく流動するために、
凝固や融解のための長い時間を提供することができる。
また、従来の球形のカプセルの場合は、中心部までの熱
伝達が遅れるために直径を大きくすることができないの
で、どうしても使用するカプセルの個数が多くなり、充
填作業やコストの面で不利になるが、本発明の回転体形
状のカプセルを用いると、使用するカプセルの個数をき
わめて少なくすることができるため、カプセルへの相変
化物質の充填やタンク内へのカプセルの積み込み等の作
業が軽減され、コストも大幅に削減することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明のカプセルの縦断面図、第２図は従来の
球状カプセルの縦断面図、第３図は各型式のカプセルの
形状の違いによる融解速度比較図、第４図は本発明のカ
プセルの別の実施例を示す断面図、第５図は従来の空調
装置を示す全体概略図である。 1,11……カプセル、 12……筒状貫通孔、13……突起部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に適量の相変化物質が充填されると共
に、潜熱蓄熱タンク内に略水平状態を保って積み重ねて
収容される潜熱蓄熱カプセルであって、上記カプセルが
実質的に偏平な回転体としての形状を備えており、該カ
プセルの水平方向の主面の平均径と上下方向の平均厚さ
との比が、2:1〜10:1に形成されたことを特徴とする潜
熱蓄熱タンクに使用する潜熱蓄熱カプセル。
【請求項２】上記カプセルの形状が実質的に回転楕円体
形である請求項１に記載の潜熱蓄熱カプセル。
【請求項３】上記カプセルの形状が実質的に円板形であ
る請求項１に記載の潜熱蓄熱カプセル。
【請求項４】上記カプセルが上下の主面の間を連通する
少なくとも一つの筒状貫通孔を備えている請求項１乃至
３のいずれか１項に記載の潜熱蓄熱カプセル。
【請求項５】上記カプセルの表面に外方に突出した複数
の突起部を備えた請求項１乃至４のいずれか１項に記載
の潜熱蓄熱カプセル。