JP2920419B2 - 蓄熱装置及び蓄熱器と蒸発器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は蓄熱装置に係り、特に深夜電力などを蓄熱し
任意の時間に有効に利用するのに好適な蓄熱装置及び蓄
熱器と蒸発器に関する。

〔従来の技術〕

深夜電力温水器や深夜電力を煉瓦などに蓄熱して利用
する方式はすでに公知であり一般に使用されている。

前者は熱を温水として蓄える方式で水の蒸気圧などか
ら一般に100℃以下の温度で使われる。このため、温度
差が大きく取れないので蓄熱量が小さく、同じ蓄量を蓄
熱するのに容積が大きくなる。

後者は煉瓦を蓄熱材として使用するため600℃〜800℃
で加熱できる。比熱は小さいが温度差が大きく取れるこ
とや密度が大きいことから単位体積当りの蓄熱量は大き
くなる。しかし蓄熱温度が高いので給湯するときは直接
温水を流すと沸騰して危険なため、一般には（空気ー
水）の熱交換器で温水に変換している。このため、熱交
換器のサイズが大きくなり給湯に関しては効果的ではな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の深夜電力利用の場合、前述の従来技術で示した
ように、蓄熱材に水を用いたとき温度差を大きく取れな
いこと、蓄熱材に煉瓦等を用いて高温蓄熱したとき給湯
水が高温になりすぎて危険であること、などの問題点が
あった。

特に後者においては良い制御方法がなく、出力制御や
安全性に問題があり、そのため、空気を熱媒として間接
的に熱を回収することになり、前述のように極めて効率
が悪かった。

本発明の目的は、高温、例えば600℃〜800℃に加熱蓄
熱された煉瓦などから安全に有効に熱を取り出すことに
よって、例えば給湯水を必要なときに自由に取り出すこ
とができる装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は以下の手段によって達成される。

（イ）熱を蓄える蓄熱材と該蓄熱材の内部に熱を入力す
る熱交換器又は電気ヒータとからなる蓄熱器と、該蓄熱
材に蓄えられた熱を熱媒を介して回収する熱交換器と、
該熱媒を前記蓄熱器に滴下するトレイ、落下した熱媒を
貯留する熱媒溜め及び該熱媒溜めから該トレイに熱媒を
循環させるポンプからなる熱媒循環系とを有し、前記蓄
熱器に滴下した液状の熱媒が前記蓄熱材の熱によって蒸
発した蒸気を、前記熱回収用の熱交換器により凝縮させ
て熱を取り出すものである蓄熱装置において、前記蓄熱
器及び前記熱回収用の熱交換器は、真空中に設けられて
いることを特徴とする蓄熱装置。

（ロ）前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流
路に弁を備え、該弁は蓄熱装置内圧の上昇によって該ト
レイへの熱媒の供給を比例的に変化させる、又は止める
ものであることを特徴とする蓄熱装置。

（ハ）前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流
路に定流量弁を備え、該定流量弁は熱媒流量を所定流量
に制限するものであることを特徴とする蓄熱装置。

（ニ）前記熱媒流量は、該熱媒の蒸発潜熱が必要な負荷
に相当する流量であることを特徴とする蓄熱装置。

（ホ）前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流
路に電動の流量制御弁を備え、該流量制御弁は蓄熱装置
内圧によって熱媒流量を調整するものであることを特徴
とする蓄熱装置。

（へ）前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流
路に電動の流量制御弁を備え、該流量制御弁は前記熱回
収用の熱交換器又は該熱交換器の内部を流れる熱回収用
熱媒の温度によって、前記循環する熱媒の流量を調整す
るものであることを特徴とする蓄熱装置。

（ト）前記熱媒循環系のポンプは、前記熱回収用の熱交
換器又は該熱交換器の内部を流れる熱回収熱媒の温度に
より、前記循環する熱媒の流量を調整するものであるこ
とを特徴とする蓄熱装置。

（チ）前記蓄熱器は、前記蓄熱材の内部に前記熱媒を蒸
発させる蒸発器を有するものであることを特徴とする蓄
熱装置。

（リ）前記蒸発器は、前記蓄熱材の内部を該蓄熱材に熱
的に接触して上下に貫通する管と、該管の内周壁に沿っ
て熱媒通路を螺旋状に取り付けた蒸発部とからなること
を特徴とする蓄熱装置。

（ヌ）熱を蓄える蓄熱材と、該蓄熱材の内部に熱を入力
する熱交換器又は電気ヒータと、該蓄熱材の熱により熱
媒を蒸発させる蒸発器とからなり、該蒸発器は、該蓄熱
材の内部を該蓄熱材に熱的に接触して上下に貫通する管
と、該管の内周壁に沿って熱媒通路を螺旋状に取り付け
た蒸発部とからなるものである蓄熱器。

（ル）熱を蓄える蓄熱材の内部を該蓄熱材に熱的に接触
して上下に貫通する管と、該管の内周壁に沿って熱媒通
路を螺旋状に取り付けた蒸発部とからなり、該蓄熱材の
熱により熱媒を蒸発させるものである蒸発器。

〔作用〕

上記（イ）ないし（ル）の構成によれば以下のような
作用がある。

（イ）蓄熱材を適宜、例えば深夜電力時間帯に、加熱蓄
熱しておき、負荷のあるとき熱媒循環系を作動して、ト
レイから液状の熱媒を蓄熱器に滴下させると、蓄熱材の
熱によって蒸発し、この蒸気が熱回収用の熱交換器によ
り凝縮し負荷側に熱を伝達するとともに、凝縮した熱媒
は熱媒溜めに落下し、再びトレイに循環する。従って、
液状の熱媒は少量で良く、負荷側への熱伝達は凝縮熱伝
達となり、例えば（空気ー水）熱交換器に比較して伝熱
係数が大きく伝熱面積が小さくて済み、任意の時間に効
率良く熱を回収することができる。また、装置内部を真
空にすることにより、機器の酸化腐食などが防止され、
安全性が向上する。

（ロ）装置内の圧力上昇によって熱媒の供給を止めるの
で、過度の昇圧による危険が防止される。

（ハ）熱媒流量を所定流量に制限することにより、熱交
換器の能力以上の負担がなく、凝縮がまにあわないこと
による圧力上昇が防止される。

（ニ）負荷に相当させた熱媒流量を定めると、装置に対
する過度の能力負担が防止される。

（ホ）熱媒流量を装置内圧により制御するので、所定圧
力による効率の良い安全運転ができる。

（ヘ）（ト）熱交換器又はその内部の熱媒温度により熱
媒流量を制御するので有効に熱が得られる。

（チ）蒸発器によって熱媒が蒸発するので蓄熱材が保護
され長期運転が可能となる。

（リ）（ヌ）（ル）管内に滴下した熱媒は、蓄熱材から
熱移動の生じている内周壁に沿って螺旋状に蒸発しなが
ら移動する。そのため、蒸発効率が向上し、又、管の中
心部を蒸気の通路として有効に使うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を参照して
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示したもので、蓄熱装置
２は、電気ヒータ４で深夜電力を熱に変えて蓄熱材６に
蓄熱する蓄熱器８と、蓄熱器８の上方に設けて熱媒を蓄
熱器８に滴下するトレイ10と、蓄熱装置２内にあって熱
を負荷側に回収する熱交換器12と、蓄熱装置２の下部に
あって熱交換器12で凝縮した熱媒を溜める熱媒溜め14
と、熱媒溜め14の下部からトレイ10まで連絡した配管16
と、この配管16中に設けられた熱媒循環用のポンプ18と
から構成されている。熱媒溜め14は蓄熱材６の熱輻射の
影響を受けない位置に設けるのが望ましい。

蓄熱装置２の外側には断熱材20が設けてあるが蓄熱材
６を直接断熱することも可能である。このような構成の
蓄熱装置２内は真空にされ、水などの熱媒が熱媒溜め14
に封入されている。又、安全のため熱媒循環ポンプ18の
出口側の配管16には、定流量弁22、流量調整弁24等を設
けることができる。熱媒循環ポンプ18を定流量タイプに
したり、蓄熱装置２内の圧力変化などをとらえて流量制
御のできるタイプにすることもできる。熱媒循環ポンプ
18の制御のため熱交換器12に流量スイッチ26を設けるこ
ともある。

次に、本実施例の動作について説明する。

深夜電力時間帯（23時〜７時）に安価な深夜電力を使
って電気ヒータ４によって蓄熱材６を600℃〜800℃に加
熱蓄熱する。給湯負荷のあるときは熱交換器12に負荷用
の熱媒（主に水）を循環すると同時に熱媒循環ポンプ18
を運転して熱媒を蓄熱装置２上部のトレイ10に供給す
る。この場合流量スイッチ26などと熱媒循環ポンプ18或
いは後述の電磁弁などを連動させることができる。

供給された熱媒はトレイ10から600℃〜800℃に加熱さ
れた蓄熱器８に滴下して加熱され蒸発する。蒸発した熱
媒は低温の熱交換器12表面で熱を放出して凝縮、液化
し、落下して熱媒溜め14に戻り、再び熱媒循環ポンプ18
でくみだされ、同様のサイクルを続ける。蓄熱材６に熱
がなくなれば蒸発せずに下方の熱媒溜め14に戻る。

次に、熱媒の流量制御について説明する。

定流量弁22は熱媒循環ポンプ18の出口側に設ける。蓄
熱材６には多量の熱が蓄熱されているが熱媒を滴下しな
ければ熱は取り出せない。熱媒を多量に滴下すれば多量
の蒸気を発生して熱交換器12での凝縮が間に合わないた
め蓄熱装置２内の圧力が過度に上昇することになる。定
流量弁22の役目は熱交換器12の能力以上に熱媒を供給し
ないように熱媒流量を制限することにある。熱媒循環ポ
ンプ18を定流量型、又は可変流量型にしても同様の機能
を果すことができる。

流量調整弁24は熱媒循環ポンプ18の出口側に設ける。
蓄熱材６が極めて高温のため熱媒が多量に蓄熱器８に供
給されたとき瞬時に蒸発して蓄熱装置２内の圧力を急上
昇させるため危険である。このため、熱媒循環ポンプ18
の出口とトレイ10との間に流量調整弁24を設けている。
これはトレイ10に過度に熱媒を供給したとき熱媒の蒸発
量が増え、蓄熱装置２内の圧力が過度に上昇するのを制
限するための手段で、蓄熱装置２内の圧力によって熱媒
をトレイ10に供給するのを制限するものである。蓄熱装
置２内の圧力が正常になれば熱媒の供給を再開する。安
全装置として溶栓や破裂板、安全弁等を設けてもよい。

次に、他の実施例について説明する。

第２図はものは第１図のものに比較して、蓄熱装置２
の要素の位置関係を変えたもので、蓄熱器８の上方に熱
交換器12を配置し、上昇した蒸気から熱回収をするよう
になっている。本実施例では熱交換器12の下方、蓄熱器
８の上方に上部熱媒溜め30を設け、トレイと兼用させて
いる。

本実施例は、第２図に示すように、熱交換器12の流量
スイッチ26からの負荷流量によって、制御器32の信号に
より熱媒循環ポンプ18を運転し、熱媒を上部熱媒溜め30
に送る。上部熱媒溜め30に設けられた電磁弁34は制御器
32の信号により開弁して熱媒を蓄熱器８に滴下する。第
１図のものと比べて蒸発した熱媒が上部の熱交換器12で
凝縮し上部熱媒溜め30に滴下するため、熱媒循環ポンプ
18が小さくてすむ。下部の熱媒溜め14には水位スイッチ
36が設けられている。

次に、蓄熱器及び蒸発器について説明する。

第２図は本発明の一実施例の蓄熱器、第４図ないし第
６図は同じく蒸発器である。

第３図に示すように、蓄熱器８は蓄熱材６の中に電気
ヒータ４、蒸発器40が埋め込まれている。第４図に示す
ように、蒸発器40は蓄熱材６に熱的に接触する管42と、
管42の中に螺旋状に設けた熱媒通路である蒸発部44とで
構成されている。熱媒は螺旋状の蒸発部44の上を蒸発し
ながら下方に移動する。蒸発部44の上下端は開口してい
る。

蒸発器40は、第５図及び第６図に示すように、管42の
内周壁に沿って棚状の熱媒通路を螺旋状に取り付け、該
管42の中心線を含む平面で切った断面における前記熱媒
通路上面と前記管内周面のなす角度αが90度未満である
ように構成してある。これにより、熱媒Ａが熱媒通路上
で管壁に寄って流れ、管壁内外間での熱移動の効率がよ
くなる。また、該管42の中央部46には、上下方向に貫通
して熱媒蒸気の通路となる空間を形成してある。

本実施例の蓄熱器及び蒸発器によれば、トレイ10から
滴下された熱媒は蒸発器40に落下し、蒸発部44を流れな
がら急速に蒸発する。このとき熱媒蒸気は蒸発器40を上
下に通って蓄熱器８内を移動する。蓄熱材６の蓄熱量が
少なくなると蒸発器40の温度が低下し、次第に蒸発器40
の下部まで流れながら蒸発する。蒸発器40の温度が必要
以下（蓄熱量がない）になれば蒸発しないで下方の熱媒
溜め14に戻る。蒸発器40は蓄熱材６と熱的に接触してい
るため、蓄熱材６から蒸発器40への熱移動が生じ、熱を
有効に取り出すことができる。

これらの実施例によれば以下の効果がある。

（１）深夜電力を蓄熱して、任意の時間に効率的な熱を
安全且つ容易に、しかも低いコストで取り出すことがで
きる。

（２）非常に高温にして蓄えるため単位容積当りの蓄熱
量が大きく、水の10数倍とすることが可能なので、蓄熱
装置を小型にすることができる。

（３）負荷側の熱交換器への熱伝達は凝縮熱伝達にな
り、（空気ー水）熱交換器と比べて伝熱係数が大きく伝
熱面積が比較的小いさくて良い。

（４）蓄熱材に接触した熱交換器で熱を取り出すと極め
て高温になることが予想されるため、水などの熱媒体が
使えない。この点真空中で蒸気を発生させるため、非常
に楽に熱が取り出せる。

（５）この種の蓄熱装置の中では熱移動に使われる熱媒
の量が少なく、一度に加熱される熱媒の量も少ないこと
や装置内部が真空のために安全性が高い。

（６）蒸発器内の蒸発部を螺旋状にしたことで熱媒の移
動時間を遅らせ、安定した蒸発をさせることができる。
螺旋の角度によって出力をコントロールすることも可能
である。

（７）蒸発器の数を自由に設定することができるので、
蓄熱材から熱を取り出し易い。

（８）蓄熱材の形状を例えば煉瓦のように自由に形成す
ることができる。

（９）内部を真空にすることによって機器の酸化腐食な
どを防止することができる。

〔発明の効果〕

上述のとおり本発明によれば、コストの低い深夜電力
などを利用して、高温、例えば600℃〜800℃に加熱蓄熱
された煉瓦などから安全に有効に熱を取り出すことがで
きるので、例えば給湯水を必要なときに必要な量を自由
に取り出すことができる蓄熱装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蓄熱装置の一実施例を示す構成図、第
２図は他の実施例を示す構成図、第３図は本発明の蓄熱
器の一実施例を示す縦断面図、第４図は第３図の部分拡
大図、第５図は本発明の蒸発器の一実施例を示す説明
図、第６図は第５図のＡ矢視図である。 ２……蓄熱装置、４……電気ヒータ ６……蓄熱材、８……蓄熱器 10……トレイ、12……熱交換器 14……熱媒溜め、18……熱媒循環ポンプ 22……定流量弁、24……流量調整弁 30……上部熱媒溜め、40……蒸発器 42……管、44……蒸発部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−225951（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−75852（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−21501（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−33569（ＪＰ，Ａ) 実開 昭48−29450（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−18579（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F24H 7/04

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱を蓄える蓄熱材と該蓄熱材の内部に熱を
   入力する熱交換器又は電気ヒータとからなる蓄熱器と、
   該蓄熱材に蓄えられた熱を熱媒を介して回収する熱交換
   器と、該熱媒を前記蓄熱器に滴下するトレイ、落下した
   熱媒を貯留する熱媒溜め及び該熱媒溜めから該トレイに
   熱媒を循環させるポンプからなる熱媒循環系とを有し、
   前記蓄熱器に滴下した液状の熱媒が前記蓄熱材の熱によ
   って蒸発した蒸気を、前記熱回収用の熱交換器により凝
   縮させて熱を取り出すものである蓄熱装置において、 前記蓄熱材は、煉瓦等600℃ないし800℃まで加熱される
   ものであることと、前記蓄熱器及び前記熱回収用の熱交
   換器は、真空中に設けられていることを特徴とする蓄熱
   装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流路に弁
   を備え、該弁は蓄熱装置内圧の上昇によって該トレイへ
   の熱媒の供給を比例的に変化させる、又は止めるもので
   あることを特徴とする蓄熱装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流路に電
   動の流量制御弁を備え、該流量制御弁は蓄熱装置内圧に
   よって熱媒流量を調整するものであることを特徴とする
   蓄熱装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流路に定
   流量弁を備え、該定流量弁は熱媒流量を所定流量に制限
   するものであることを特徴とする蓄熱装置。
5. 【請求項５】請求項４記載の蓄熱装置において、 前記所定流量は、該熱媒の蒸発潜熱が必要な負荷に相当
   する流量であることを特徴とする蓄熱装置。
6. 【請求項６】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記熱媒循環系は、前記トレイの上流側の熱媒流路に電
   動の流量制御弁を備え、該流量制御弁は前記熱回収用の
   熱交換器又は該熱交換器の内部を流れる熱回収用熱媒の
   温度によって、前記循環する熱媒の流量を調整するもの
   であることを特徴とする蓄熱装置。
7. 【請求項７】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記熱媒循環系のポンプは、前記熱回収用の熱交換器又
   は該熱交換器の内部を流れる熱回収用熱媒の温度によっ
   て、前記循環する熱媒の流量を調整するものであること
   を特徴とする蓄熱装置。
8. 【請求項８】請求項１記載の蓄熱装置において、 前記蓄熱器は、前記蓄熱材の内部に前記熱媒を蒸発させ
   る蒸発器を有するものであることを特徴とする蓄熱装
   置。
9. 【請求項９】熱を蓄える蓄熱材と該蓄熱材の内部に熱を
   入力する熱交換器又は電気ヒータとなからる蓄熱器と、
   該蓄熱材に蓄えられた熱を熱媒を介して回収する熱交換
   器と、該熱媒を前記蓄熱器に滴下するトレイ、落下した
   熱媒を貯留する熱媒溜め及び該熱媒溜めから該トレイに
   熱媒を循環させるポンプからなる熱媒循環系とを有し、
   前記蓄熱器に滴下した液状の熱媒が前記蓄熱材の熱によ
   って蒸発した蒸気を、前記熱回収用の熱交換器により凝
   縮させて熱を取り出すものである蓄熱装置において、 前記蓄熱材は、煉瓦等600℃ないし800℃まで加熱される
   ものであることと、前記蓄熱器及び前記熱回収用の熱交
   換器は、真空中に設けられていることと、前記蓄熱器
   は、前記蓄熱材の内部に前記熱媒を蒸発させる蒸発器を
   有するものであって、該蒸発器は、前記蓄熱材の内部を
   該蓄熱材に熱的に接触して上下に貫通する管と、該管の
   内周壁に沿って棚状の熱媒通路を螺旋状に取り付け、該
   管の中心線を含む平面で切った断面における前記熱媒通
   路上面と前記管内周面のなす角度が90度未満であるよう
   に構成し、該管の中央部分には上下方向に貫通して熱媒
   蒸気の通路となる空間を形成した蒸発部とからなること
   を特徴とする蓄熱装置。
10. 【請求項１０】熱を蓄える蓄熱材と、該蓄熱材の内部に
    熱を入力する熱交換器又は電気ヒータと、該蓄熱材の熱
    により熱媒を蒸発させる蒸発器とからなり、該蒸発器
    は、該蓄熱材の内部を該蓄熱材に熱的に接触して上下に
    貫通する管と、該管の内周壁に沿って棚状の熱媒通路を
    螺旋状に取り付け、該管の中心線を含む平面で切った断
    面における前記熱媒通路上面と前記管内周面のなす角度
    が90度未満であるように構成し、該管の中央部分には上
    下方向に貫通して熱媒蒸気の通路となる空間を形成した
    蒸発部とからなるものである蓄熱器。
11. 【請求項１１】熱を蓄える蓄熱材の内部を該蓄熱材に熱
    的に接触して上下に貫通する管と、該管の内周壁に沿っ
    て棚状の熱媒通路を螺旋状に取り付け、該管の中心線を
    含む平面で切った断面における前記熱媒通路上面と前記
    管内周面のなす角度が90度未満であるように構成し、該
    管の中央部分には上下方向に貫通して熱媒蒸気の通路と
    なる空間を形成した蒸発部とからなり、該蓄熱材の熱に
    より熱媒を蒸発させるものである蒸発器。