JP2981890B1

JP2981890B1 - 蓄熱装置およびその装置における熱管理方法

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Publication number: JP2981890B1
Application number: JP10285162A
Authority: JP
Inventors: 平野　　聡
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: JP2000111282A

Abstract

【要約】【課題】外部環境への熱損失が小さい蓄熱装置および
その装置における熱管理方法を提供する。【解決手段】蓄熱装置は、熱を貯蔵する過冷却現象の
顕著な蓄熱材１と、蓄熱材１が充填された蓄熱槽２と、
蓄熱材１と蓄熱槽２の外部との間の熱の注入・抽出を行
う熱交換器４とを備える。この蓄熱装置において、蓄熱
材１に凝固点よりも低い過冷却状態で熱を貯蔵し、熱の
抽出に際しては、蓄熱材１の凝固点温度への回復および
その後の凝固過程において放出される熱を用いる。【効果】蓄熱材が熱回収時よりも低い温度で保管され
るため、熱貯蔵中の外部環境への熱損失が小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱を一定時間貯蔵
する蓄熱装置およびその装置における熱管理方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の蓄熱装置の基本的な構造を、図８
および図９に断面図で示す。図８の蓄熱装置は、蓄熱槽
２２に熱を貯蔵する蓄熱材２１を充填し、蓄熱槽２２の
外周を断熱材２３で囲み、蓄熱槽２２に外部との熱交換
を行う熱交換器２４を設けたものである。また、図９に
示す蓄熱装置は、図８の装置と同様に、蓄熱槽３２の外
周を断熱材３３で囲んでいるが、蓄熱材３１を小容器３
５に充填してそれを蓄熱槽３２に収容し、蓄熱槽３２と
外部とを連通させる連通管３６を設けて、外部との熱交
換を行う熱交換器を構成させたものである。そして、蓄
熱様式には三種類があり、図８および図９に示すような
蓄熱装置において蓄熱材２１，３１の顕熱（温度差が作
り出す熱）を利用するもの、転移熱（相変化にともなう
熱）を利用するもの、また化学反応を利用するものがあ
る。ここでは、本発明に関連する前二者の蓄熱方式につ
いて更に具体的に説明する。

【０００３】蓄熱装置が図８または図９に示すような構
成を有することを前提とし、まず、顕熱を利用するもの
の動作を説明する。顕熱利用の蓄熱材には、水が利用さ
れることが多い。例えば、温度がＴｘの熱を貯蔵するに
は、外部から熱交換器に温度がＴｘ以上にある熱を加
え、蓄熱材の温度をＴｘ以上に高める。熱の注入が完了
すると、蓄熱装置は静置される。時間が経過し、外部で
熱が必要になれば、熱交換器を利用して蓄熱材から温度
がＴｘの熱が外部へ抽出される。抽出される熱の温度
は、時間経過とともに低下する。蓄熱材が水の場合に
は、熱交換器を利用せずに、図９の連通管３６と同様の
ものを利用して、蓄熱槽へ外部から直接温水を注入し、
必要なときに温水を直接抽出して利用する場合もある。
この場合、水は熱交換の媒体と蓄熱材を兼ねることにな
る。

【０００４】次に、転移熱を利用するものの動作を説明
する。転移熱利用の蓄熱材には、水やパラフィンの融解
熱が利用されることが多い。例えば、温度がＴｃの熱を
貯蔵するには、Ｔｃ以上の凝固点を持つ物質を蓄熱材に
利用する。外部から熱交換器に温度が蓄熱材の融点Ｔａ
以上の熱が加えられると、蓄熱材の温度はＴａまで上昇
し、その温度で固体から液体へと融解する。融解過程で
は、外部から与えられる熱がすべて融解潜熱として吸収
されるため、蓄熱材の温度はＴａに保たれる。蓄熱材の
融解が終了して固体がすべて液体に変わると、蓄熱材の
温度は外部から加えられる熱の温度まで再び上昇する。
熱の注入が完了すると、蓄熱装置は静置される。時間が
経過し、外部で熱が必要になれば、熱交換器を利用して
蓄熱材から熱が抽出される。蓄熱材の温度は凝固点のＴ
ｃまで低下すると、液体から固体へと凝固する。凝固過
程は融解過程の逆で、外部へ放出される熱はすべて凝固
熱（融解熱に等しい）であるため、蓄熱材の温度はＴｃ
に保たれる。蓄熱材の凝固が終了して液体がすべて固体
に変わると、外部への熱抽出に従って、蓄熱材の温度は
再び下降する。蓄熱材に水が利用される場合には、水の
融点を利用した氷蓄熱装置として、冷熱の貯蔵に利用さ
れる。

【０００５】なお、図９の形式の蓄熱装置は、連通管３
６を利用して外部から蓄熱槽３２に流体を通過させるこ
とで、熱の注入と抽出と行うものである。外部からの流
体は小容器３５の周りの間隙を通過するため、蓄熱材３
１に対する伝熱面積が大きくなり、また蓄熱材３１の取
扱が容易になるため、主に転移熱を利用した蓄熱装置に
使われているが、熱交換方法が異なるだけで、基本的な
蓄熱動作は図８のものと同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８および図９に示す
ような蓄熱装置において、蓄熱槽とそれを取り囲む環境
との間に温度差があれば、蓄熱槽と外部との間には常に
熱移動が発生し、蓄熱槽の熱損失量Ｑｌは、

【数１】で表される。熱輻射の影響は、通常小さいため無視して
いる。ｋは蓄熱槽と断熱材の材質、構造、周囲風速等に
より定まる熱通過率、Ａは蓄熱槽と周囲流体（例えば空
気）との接触面積である。Ｔｏは蓄熱槽周囲の温度、Ｔ
ｘは蓄熱材が蓄熱槽に接する面での蓄熱材の温度であ
る。ｔは、経過時間である。ｋとＡは、通常は時間にか
かわらず一定とみなすことができるため、式（１）は次
のように近似することができる。

【数２】

【０００７】従来の蓄熱装置においては、前記のように
顕熱を利用する場合でも、転移熱を利用する場合でも、
例えば温度Ｔｘの熱を貯蔵するには、蓄熱材をＴｘ以上
の温度に保持する必要がある。このため、貯蔵温度が高
くなるほど、また貯蔵時間が長くなるほど、式（２）で
表される熱損失は増大し、蓄熱効率を低下させる原因と
なっている。式（２）より、蓄熱槽からの熱損失を小さ
くするには、熱通過率ｋや表面積Ａを小さくし、時間ｔ
を短くし、あるいは、蓄熱温度Ｔｘと環境温度Ｔｏとの
差を小さくする必要がある。熱通過率ｋを小さくする方
法としては、断熱材を改良することが試みられ、表面積
を小さくする方法としては、蓄熱槽を立方体や球のよう
な形状にすることが試みられている。時間ｔを小さくす
る方法および蓄熱温度Ｔｘと環境温度Ｔｏとの差を小さ
くする方法としては、熱を再抽出した後の熱利用系のシ
ステム制御を最適化することが試みられているが、時間
項と温度項は蓄熱本来の目的であって、大幅に変更でき
る性質のものではない。

【０００８】本発明は、上述のような蓄熱材からの熱損
失を改善するためになされたものであり、蓄熱材を熱抽
出時に必要な温度よりも低い温度で貯蔵し、蓄熱材から
外部への熱の放散による熱損失を小さくした蓄熱装置お
よびその装置における熱管理方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の蓄熱装置における熱管理方法は、与えられた
熱を貯蔵する過冷却可能な蓄熱材と、前記蓄熱材が充填
された蓄熱槽と、前記蓄熱材と前記蓄熱槽の外部との間
の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えた蓄熱装置
において、前記蓄熱材に凝固点よりも低い過冷却状態で
熱を貯蔵と共に蓄熱材の温度が一定値よりも下がらない
ように維持し、熱の抽出に際しては、蓄熱材の凝固点温
度への回復およびその後の凝固過程において放出される
熱を用いることを特徴とするものである。また、上記熱
管理方法を実施するための本発明の蓄熱装置は、与えら
れた熱を貯蔵する過冷却可能な蓄熱材と、前記蓄熱材が
充填された蓄熱槽と、前記蓄熱材の温度が一定値よりも
下がらないように維持する加熱手段と、前記蓄熱材と前
記蓄熱槽の外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手
段とを備えたことを特徴とするものである。

【００１０】前記蓄熱槽には、蓄熱材の温度を部分的に
冷却する手段を設け、さらに、蓄熱材を擾乱する手段を
設けることができる。

【００１１】

【作用】上記構成を有する蓄熱装置およびその装置にお
ける熱管理方法の作用の説明に先立ち、まず、蓄熱材の
融解と凝固における特徴を説明する。図６は、物質が融
解、凝固する場合の温度変化の様子を示し、横軸は物質
を一定の速度で加熱・冷却すると仮定した場合の経過時
間を、縦軸は物質の温度を示している。初め固体であっ
た物質を加熱して行くと、時刻Ａまでは注入された熱に
よって物質分子の運動エネルギーが増加するため、物質
の温度は上昇する。物質の融点Ｔａとなる時刻Ａに達す
ると、物質は融解を始める。融解過程における物質の温
度は、注入される熱がすべて分子間の位置エネルギーの
増加に消費されるため、一定値のＴａとなる。融解が完
了して時刻Ｂに至ると、液体となった物質の温度は再び
上昇し、顕熱として蓄えられる。その後に物質が冷却さ
れると、物質分子の運動エネルギーが減少して温度が下
降し、時刻Ｃに物質の凝固点Ｔｃに達すると物質は凝固
を開始する。凝固過程における物質の温度は、放出され
る熱がすべて分子間の位置エネルギーの減少で供給され
るため、一定値のＴｃとなる。凝固が完了して時刻Ｅに
至ると、固体となった物質の温度は再び下降して顕熱が
放出されて行く。純粋な物質の場合には、融点と凝固点
は同じ値であるが、不純物が入れば凝固点は融点よりも
低くなる。

【００１２】ところで、現実には、物質の温度が凝固点
に達しても凝固が始まらないことが多い。液体状態の物
質を静かにゆっくりと冷却して行くと、物質の温度は下
降して行き、時刻Ｃに物質の凝固点Ｔｃになると、理想
的には物質が凝固を開始するはずであるが、現実には物
質の各分子が結晶格子にうまく合うようにすぐに配向す
ることはなく、液体としての自由な運動が続いて、図７
のように温度がさらに下降する。物質の温度がある一定
値（図７において、ＴｃよりもΔＴｓだけ低い温度）ま
で下降して時刻Ｄに到達すると、一部の分子同士がよう
やく配向して、微小な結晶を構成する。すると、それが
中心となってその周りに別の分子も配向し、結果として
結晶が急激に成長する。すなわち、凝固が開始される。
凝固過程では、液体として持っていた位置エネルギーが
放出されるため、物質の運動エネルギーが増加し、物質
の温度は凝固点Ｔｃに回復する。凝固を開始した物質
は、一定の温度、すなわち凝固点Ｔｃで液体から固体へ
と相変化し、凝固が完了する時刻Ｅからは、固体となっ
た物質の温度が再び下降して、顕熱が放出されて行く。
時刻Ｃから時刻Ｄまでの液状の準安定状態は、過冷却状
態と呼ばれる。

【００１３】蓄熱装置の基本動作は、熱の注入、保存お
よび抽出の三つの過程の繰り返しである。与えられた熱
を貯蔵する過冷却可能な蓄熱材と、蓄熱材が充填された
蓄熱槽と、蓄熱材と蓄熱槽の外部との間の熱の注入・抽
出を行う熱交換手段とを備えた本発明の前記蓄熱装置に
おいて、まず、熱の注入過程では、蓄熱槽に充填された
蓄熱材をその融点以上の温度で加熱し、融解させる。保
存過程では、蓄熱材から蓄熱槽を通して環境へ熱が移動
するため、蓄熱材の温度は徐々に低下する。蓄熱材の温
度が凝固点になっても、過冷却現象によって凝固は開始
されないため、凝固点よりも低い温度で液体のまま存在
させることができる。蓄熱材の温度が再結晶化温度（Ｔ
ｃ−ΔＴｓ）よりも高い限り、この過冷却状態は持続す
る。熱の抽出過程においては、まず、蓄熱材の一部の温
度を再結晶化温度まで低下させて凝固を誘発し、凝固が
開始されて蓄熱材の温度が凝固点あるいは凝固点近くに
回復したところで、熱交換器等により蓄熱槽から熱を抽
出する。再結晶化温度まで降下させる蓄熱材の量は、蓄
熱材のごく一部分だけで十分である。なぜなら、残りの
蓄熱材は再結晶化温度まで降下しなくとも、前述したよ
うに発生した一部の結晶を中心（核）として、残りの大
部分の再結晶化が進展するからである。

【００１４】また、前記蓄熱槽に設けられた蓄熱材を一
定の温度よりも下がらないように維持する手段は、蓄熱
材の温度が再結晶化温度まで下がらないように働く。こ
のため、蓄熱期間や環境温度が外乱によって予定外に変
動しても、不必要な再結晶化を回避することができる。

【００１５】前記蓄熱槽に設けられた蓄熱材の温度を部
分的に冷却する手段は、過冷却状態の蓄熱材の一部の温
度を再結晶化温度まで冷却し、再結晶化を誘発させるよ
うに働く。このため、熱の保存から抽出過程へと移行す
る際に、蓄熱材全体に巡らされた大きな熱交換器を利用
して蓄熱材の温度を再結晶化温度まで下げる必要がなく
なり、それだけ少ない熱損失で熱を回収することができ
る。なぜなら、上述のように、大部分の蓄熱材は再結晶
化温度まで降下しなくとも、一部分で発生した結晶を中
心として、再結晶化が進展するからである。

【００１６】また、前記蓄熱槽に設けられた蓄熱材を擾
乱する手段は、過冷却状態の蓄熱材の分子の一部の位置
を強制的に変更し、再結晶化を誘発させるように働く。
このため、熱抽出の直前に蓄熱材の一部の温度を再結晶
化温度まで下げる必要がなく、それだけ少ない熱損失で
熱を回収することができ、また再結晶化温度まで下げる
ための熱源が不要となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態について詳述する。図１は、本発明の前提と
なる蓄熱装置の第１実施例を示している。この第１実施
例において、蓄熱材１としては、過冷却現象が顕著な物
質の中から必要とする温度や過冷却度に応じて種々の物
質を選択して用いることができる。過冷却の程度は、例
えば、りん酸水素二ナトリウム・十二水和物（Ｎａ_２
ＨＰＯ_４・１２Ｈ_２Ｏ）ではその凝固点が約３０９Ｋ
（３６℃）で、再結晶化温度は２９６Ｋ（２３℃）程度
になり、あるいは、酢酸ナトリウム三水和物（ＣＨ_３
ＣＯＯＨＮａ・３Ｈ_２Ｏ）ではその凝固点が約３３１
Ｋ（５８℃）で、再結晶化温度は２５０Ｋ（−２３℃）
程度になることが知られている。これらの他に、前記蓄
熱材１として用いるのに適した過冷却現象が顕著な物質
としては、例えば、硫酸ナトリウム十水和物（Ｎａ_２
ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏ）、炭酸ナトリウム十水和物（Ｎ
ａ_２ＣＯ_３・１０Ｈ_２Ｏ）、チオ硫酸ナトリウム五
水和物（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏ）、塩化マグネ
シウム六水和物（ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ）、硫酸アル
ミニウム十水和物（Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１０Ｈ_２
Ｏ）、硝酸マグネシウム六水和物（Ｍｇ（ＮＯ_３）_２
・６Ｈ_２Ｏ）、硫酸アルミニウムアンモニウム十二水
和物（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）、硫
酸アルミニウムカリウム十二水和物（ＫＡｌ（ＳＯ
_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）、硝酸ニッケル（II）六水和
物（Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ）、塩化カルシウ
ム六水和物（ＣａＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ）、炭酸カルシウ
ム六水和物（ＣａＣＯ_３・６Ｈ_２Ｏ）、およびふっ化
カリウム四水和物（ＫＦ・４Ｈ_２Ｏ）などを挙げるこ
とができるが、これらに限定されるものではない。

【００１８】図１においては、前記蓄熱材１を蓄熱槽２
に充填し、その蓄熱槽２の外周を断熱材３で囲み、蓄熱
槽２に外部との熱交換を行う熱交換器４を設けている。
蓄熱槽２は、蓄熱材１に対して安定性のあるものであれ
ば、材質や形状は限定されない。断熱材３は、蓄熱槽２
と断熱材を取り囲む環境とに対して安定性のあるもので
あれば、材質や形状は限定されない。また、熱交換器４
は、蓄熱材１に対して安定性のあるものであれば、材質
や構造は限定されない。ただし、蓄熱槽２と断熱材３
は、貯蔵期間内に蓄熱材１が再結晶化温度を下回らない
ように設計することが望まれる。

【００１９】次に、この第１実施例の蓄熱装置の動作に
ついて説明する。まず、熱の注入過程では、熱交換器４
を利用して蓄熱槽２に充填された蓄熱材１を蓄熱材１の
融点以上の温度で加熱し、固体から液体へ融解させる。
保存過程では、蓄熱材１から蓄熱槽２と断熱材３を通し
て外部環境へ熱が移動するため、蓄熱材１の温度は徐々
に低下する。蓄熱材１の温度は、やがて凝固点に到達す
るが、過冷却現象のために凝固は開始されない。蓄熱材
１の温度はさらに低下し、凝固点よりも低い温度になる
が、液体のまま存在することができる。蓄熱槽２の形状
や断熱材３を、貯蔵期間内に蓄熱材１が再結晶化温度を
下回らないように設計すれば、蓄熱材１の温度が凝固点
を切っても、貯蔵期間内に再結晶化することはない。通
常、貯蔵中の大半の期間は、蓄熱材の温度が凝固点より
低くなるため、凝固点以上の高い温度で常に保持する従
来の蓄熱槽と比較して、式（２）における蓄熱材と環境
との間の温度差を小さくすることができ、蓄熱材１から
環境への熱損失Ｑｌも小さくすることができる。

【００２０】抽出過程においては、まず熱交換器４を用
いて、蓄熱材１の一部の温度を再結晶化温度まで低下さ
せて凝固を誘発する。再結晶化温度まで降下させる蓄熱
材１の量は、熱交換器４の近傍にあるごく僅かの蓄熱材
１だけで十分である。なぜなら、残りの蓄熱材は再結晶
化温度まで温度が降下しなくとも、前述したように、発
生した微小な結晶が核となって、蓄熱材１全体に結晶化
の動きが波及するからである。凝固が開始されると、貯
蔵していた融解熱によって蓄熱材の温度が凝固点あるい
は凝固点近くに回復するため、熱交換器４を通して、蓄
熱槽２から蓄熱材１の凝固点あるいは凝固点に近い温度
の熱を抽出することができる。

【００２１】上述のように、蓄熱材や蓄熱槽、熱交換手
段は、任意の形状や構成をとることができる。例えば、
従来例の図９に対応する形態として、図２に例示する本
発明の前提となる第２実施例のような構成とすることも
可能である。図２の蓄熱装置においては、蓄熱槽１２の
外周を断熱材１３で囲んでいるが、蓄熱材１１を小容器
１５に充填してそれを蓄熱槽１２に収容し、蓄熱槽１２
と外部とを連通させる連通管１６を設けて、外部との熱
交換を行う熱交換器を構成させている。小容器１５は、
蓄熱材１１および蓄熱槽１２内を循環する流体に対して
安定性のあるものであれば、材質や形状は限定されな
い。連通管１６は、連通管１６の内部を通過する流体と
連通管１６を取り囲む環境とに対して、安定性のあるも
のであれば、材質や形状は限定されない。

【００２２】この第２実施例の動作は、第１実施例のそ
れと基本的に同様である。すなわち、熱の注入過程で
は、連通管１６を通して蓄熱材１１の融点以上の温度の
流体を蓄熱槽１２内の各小容器１５の間隙に通過させ、
各小容器１５に充填された蓄熱材１１を融解させる。保
存過程では、蓄熱材１１から小容器１５と蓄熱槽１２、
断熱材１３を通して外部環境へ熱が移動するため、蓄熱
材１１の温度は徐々に低下するが、蓄熱材１１は上述の
ように過冷却現象により、蓄熱材１１の凝固点よりも低
い温度でも液体のまま保存される。すなわち、従来の蓄
熱装置と比較して、式（２）における蓄熱材と環境と間
の温度差を小さくすることができ、蓄熱槽１２から環境
への熱損失Ｑｌを小さくすることができる。抽出過程に
おいては、まず、連通管１６を利用して、蓄熱材１１の
一部の温度を再結晶化温度まで低下させて凝固を誘発す
る。再結晶化温度まで降下させる蓄熱材１１の量は、連
通管１６から蓄熱槽１２への流入口近傍にあるごく僅か
の蓄熱材１１だけで十分である。凝固が開始されると、
貯蔵していた融解熱によって蓄熱材の温度が凝固点ある
いは凝固点近くに回復するため、連通管１６を利用し
て、蓄熱槽１２から蓄熱材１１の凝固点あるいは凝固点
に近い温度の熱を回収することができる。

【００２３】図３は、本発明の蓄熱装置の典型例を示し
ている。すなわち、図１の第１実施例において、蓄熱槽
２に、蓄熱材１の温度が一定値よりも下がらないように
維持する手段として、加熱器７を設けている。この加熱
器７は、電熱器のように蓄熱槽２で直接熱を発生するも
のであっても、熱交換器のように蓄熱槽２の外部で発生
させた熱を注入するものであっても、あるいは熱電素子
（ペルチェ素子）のように電圧の印加によって外部の温
熱を蓄熱槽２内へ静的に輸送するものであっても良く、
発熱原理や構造は限定されない。

【００２４】次に、図３の蓄熱装置の動作について説明
する。蓄熱材１から外部環境への熱損失は、蓄熱期間が
長くなるほど、あるいは環境温度が低くなるほど増加す
ることが、先の式（２）より明らかである。蓄熱材の熱
損失が増えれば、蓄熱材の温度はそれだけ大きく低下す
ることになる。図３の装置では、設計した蓄熱期間、環
境温度が保存時に何らかの理由で変動し、蓄熱材の温度
が再結晶化温度を下回ることが予想される場合に、蓄熱
材の温度が再結晶化温度を下回らないように、加熱器７
を動作させる。これにより、熱利用状態や環境の変化に
左右されない蓄熱装置を提供することができる。上記以
外の本実施例の構成および動作原理は、第１実施例のも
のと同様であるため、それらの説明を省略する。

【００２５】図４は、本発明の前提となる前記第１実施
例の蓄熱装置の他の変形例を示している。すなわち、図
１の第１実施例において、蓄熱槽２に、蓄熱材１を部分
的に冷却する手段として、蓄熱材１の温度を再結晶化温
度よりも下げる冷却器８を設けている。この冷却器８
は、熱電素子のように電圧の印加によって蓄熱槽２の熱
を外部へ放出するものであっても、熱交換器のように蓄
熱槽２の外部で発生させた冷熱を注入するものであって
も良く、冷却原理や構造は限定されない。

【００２６】次に、図４の蓄熱装置の動作について説明
する。熱の保存から抽出過程へ移行する際に、第１実施
例では、熱交換器４を用いて、蓄熱材１の一部の温度を
再結晶化温度まで低下させて凝固を誘発する。しかし、
熱交換器４は伝熱促進のために蓄熱槽２の内部全体に張
り巡らせるのが通例で、この熱交換器４を利用して蓄熱
材１を冷却することは、蓄熱材１の温度を必要以上に低
下させる可能性も合わせ持つ。さらに、前記のように、
再結晶化温度まで降下させる蓄熱材１の量は、ごく僅か
だけで十分である。したがって、図４の装置では、熱の
抽出時に行う再結晶化促進のための冷却を、微小な冷却
器８で行わせる。これにより、蓄熱材の温度を再結晶化
温度まで不必要に低下させることがなくなり、それだけ
少ない熱損失で熱を回収する蓄熱装置を提供することが
できる。上記以外の本実施例の構成および動作原理は、
第１実施例のものと同様であるため、それらの説明を省
略する。

【００２７】また、上記手段を図３の実施例で述べたよ
うな本発明の、蓄熱材１の温度を一定値よりも下がらな
いように維持する加熱器７に付加すれば、熱の抽出過程
で蓄熱材１の温度を再結晶化温度まで不必要に低下させ
ることがなく、かつ熱利用状態や環境の変化に左右され
ない蓄熱装置を得ることができる。

【００２８】図５は、本発明の前提となる前記第１実施
例の蓄熱装置の他の変形例を示している。すなわち、図
１の第１実施例において、蓄熱槽２に、蓄熱材１を擾乱
する手段として、擾乱器９を設けている。この擾乱器９
は、蓄熱材１の分子の一部の位置を外部から強制的に変
更させ、再結晶化を誘発させるものであり、攪拌子によ
る攪拌、振動子による加振、摺動子による圧搾や衝突な
どを利用することができる。攪拌方法や加振方法、圧
搾、衝突方法は、種々の方式を採ることができる。例え
ば、加振する場合には圧電素子のように蓄熱槽２におい
て直接振動するものであっても、電動バイブレーターの
ように蓄熱槽２の外部で発生させた振動を蓄熱槽２の内
部に伝えるものであっても良く、振動原理や構造は限定
されない。

【００２９】次に、図５の蓄熱装置の動作について説明
する。熱の抽出過程において、第１実施例では熱交換器
４を用いて、蓄熱材１の一部の温度を再結晶化温度まで
低下させて凝固を誘発させるが、図５の装置では再結晶
化の引き金を、蓄熱材１の分子の一部の位置を外部から
強制的に変更させることによって行わせる。蓄熱材１の
分子は外部から擾乱されることによって、過冷却の準安
定状態が破れ、核が発生して結晶化が始まる。これによ
り、蓄熱材１の温度を再結晶化温度まで低下させること
がなくなり、それだけ少ない熱損失で熱を回収する蓄熱
装置を提供することができる。上記以外の本実施例の構
成および動作原理は、実施例１のものと同様であるた
め、それらの説明を省略する。

【００３０】また、上記手段を図３の実施例で述べたよ
うな本発明の、蓄熱材１の温度を一定値よりも下がらな
いように維持する加熱器７に付加すれば、熱の抽出過程
で蓄熱材１の温度を再結晶化温度まで低下させて熱を失
うことなく再結晶化を開始させることができ、かつ熱利
用状態や環境の変化に左右されない蓄熱装置を得ること
ができる。さらに、図４の実施例で述べたような、蓄熱
材１の温度を部分的に再結晶化温度よりも下げる冷却器
８を本実施例に付加すれば、不測の理由で擾乱器による
蓄熱材１の再結晶化が困難になったとしても、冷却器８
で確実に再結晶化を開始させることができるため、より
確実に少ない熱損失で熱を回収する蓄熱装置を得ること
ができる。

【００３１】

【発明の効果】以上に詳述した本発明によれば、熱の抽
出過程において蓄熱材の凝固点あるいは凝固点に近い温
度の熱を抽出することが可能である。一方、熱の保存過
程においては、蓄熱材を凝固点以下の過冷却状態の低い
温度で保存するため、従来の蓄熱槽と比較して、式
（２）における蓄熱材と環境との間の温度差を小さくす
ることができ、蓄熱槽から環境への熱損失Ｑｌを小さく
することができる。

【００３２】ところで、本発明による蓄熱装置では、熱
の保存過程で、蓄熱材がその凝固点以下になり、熱の抽
出過程で、蓄熱材が過冷却状態から蓄熱材の凝固点に回
復する経過を経る。その際の熱は、貯蔵していた融解熱
の一部で供給されることになるため、全過程を通した熱
損失は従来の蓄熱装置よりも大きくなる場合もある。例
えば、仮に温度がＴｃで熱量がＱｃの熱を時間ｔの長さ
で貯蔵する場合を考える。ここで、本発明の蓄熱装置の
蓄熱材と従来の蓄熱装置の蓄熱材とは、過冷却現象の有
無以外は、同じ物性値を示すものとし、蓄熱材以外の仕
様は同一で、環境温度はＴｃよりも１０℃低い一定の温
度Ｔｏであるとする。さらに、両蓄熱材は本発明の蓄熱
材の再結晶化温度よりも高い温度で貯蔵されるものとす
る。

【００３３】この場合、従来の蓄熱装置が時刻ｔの時点
で貯蔵している熱量は、Ｑｏ＝Ｑｃ−Ｑｌｃ（３）となる。ただし、Ｑｌｃは式（２）で表される熱損失で
ある。一方、本発明の蓄熱装置が時刻ｔの時点で貯蔵し
ている熱量は、Ｑｎ＝Ｑｃ−２Ｑｌｈ（４）となる。ただし、Ｑｌｈは式（２）で表される熱損失で
ある。損失が２倍になるのは、再結晶化を開始してから
蓄熱材の温度が凝固点まで回復するために、保存時に外
部へ放出される熱損失と同じ熱量が必要なためである。
ここで、計算を単純化するために、従来の蓄熱装置の蓄
熱材は時刻ｔにおいても凝固は完了しないものとする。
また、両蓄熱材は容積１m³で、両蓄熱槽は直方体をな
し、式（２）に記す熱通過率は０．３W/m²K であるとす
る。このとき、両蓄熱槽の表面積は約６m²であるから、
式（２）よりＱｌｃ＝１．８（Ｔｃ−Ｔｏ）ｔ＝１８ｔ（５）となる。

【００３４】本発明の蓄熱材の温度は、凝固点以下にな
っても凝固が始まらず、融解熱が放出されないため、蓄
熱槽を通した外部環境への熱放出によって、温度が低下
して行く。計算を単純化するために、蓄熱材の再結晶化
温度は環境温度Ｔｏよりも低いものとし、時刻ｔまでに
蓄熱材の温度がほぼ環境温度に低下するものとすると、
蓄熱材は時刻ｔにおいても完全に液体のままであり、そ
れまでに環境へ放出する熱損失は蓄熱材の失う顕熱に等
しくなる。すなわち、Ｑｌｈ＝ＭＣ（Ｔｃ−Ｔｏ）＝１０ＭＣ（６）である。ただし、Ｍは蓄熱材の質量を、Ｃは蓄熱材の定
圧比熱である。例えば、蓄熱材が前記りん酸水素二ナト
リウム・十二水和物の場合には、１m³で貯蔵することの
できる融解熱は約５５０MJであり、式（４）の２Ｑｌｈ
に相当する熱量は約１００MJである。凝固点Ｔｃにある
従来の蓄熱装置から２Ｑｌｈと同じ熱量が放熱されるの
に要する時間ｔは、式（５）より５５６万秒（６４日）
であることがわかる。すなわち、ある境界となる期間
（例えば、上記仮定の場合には６４日間）以内であれば
従来の蓄熱装置の方が熱損失が小さいが、それ以上の期
間であれば、本発明の蓄熱装置の方が全期間を通した熱
損失が小さくなることがわかる。したがって、本発明の
蓄熱装置は、自然エネルギーのような蓄熱期間が３〜６
カ月となる蓄熱対象において、特に優れた効果を発揮す
る。

【００３５】また、本発明の蓄熱装置は、蓄熱材の再結
晶化のきっかけを熱交換器で自由に行わせることができ
る。したがって、従来の蓄熱装置と全く同じ構造の機器
で構成することができる。しかも、加熱器を蓄熱槽に設
けることにより、蓄熱材の温度が再結晶化温度まで下が
らないようにすることができ、蓄熱期間や環境温度が外
乱によって予定外に変動しても、不必要な再結晶化を回
避することができる。あるいは、冷却器を蓄熱槽に設け
ることによって、過冷却状態にある蓄熱材の温度を再結
晶化温度まで部分的に冷却し、再結晶化を誘発させるこ
とができるため、熱抽出の際に蓄熱材全体に巡らされた
大きな熱交換器を利用して、蓄熱材の温度を再結晶化温
度まで下げる必要がなくなり、それだけ少ない熱損失で
熱を回収することができる。あるいは、擾乱器を蓄熱槽
に設けることによって、過冷却状態にある蓄熱材の分子
を擾乱し、再結晶化を誘発させることができるため、熱
抽出の際に蓄熱材の一部の温度を再結晶化温度まで下げ
る必要がなく、それだけ少ない熱損失で熱を回収するこ
とができ、また蓄熱材を再結晶化温度まで下げるための
熱源が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となる蓄熱装置の第１実施例を示
す断面図である。

【図２】本発明の前提となる蓄熱装置の第２実施例を示
す断面図である。

【図３】本発明の蓄熱装置の例を示す断面図である。

【図４】本発明における蓄熱装置の他の変形例を示す断
面図である。

【図５】本発明における蓄熱装置の他の変形例を示す断
面図である。

【図６】転移現象の説明図である。

【図７】過冷却を伴う転移現象の説明図である。

【図８】従来の蓄熱装置の断面図である。

【図９】従来の他の蓄熱装置の断面図である。

【符号の説明】

１，１１蓄熱材２，１２蓄熱槽３，１３断熱材４，熱交換器７加熱器８冷却器９擾乱器１５小容器１６連通管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】与えられた熱を貯蔵する過冷却可能な蓄熱
材と、前記蓄熱材が充填された蓄熱槽と、前記蓄熱材と
前記蓄熱槽の外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換
手段とを備えた蓄熱装置において、前記蓄熱材に凝固点
よりも低い過冷却状態で熱を貯蔵すると共に蓄熱材の温
度が一定値よりも下がらないように維持し、熱の抽出に
際しては、蓄熱材の凝固点温度への回復およびその後の
凝固過程において放出される熱を用いることを特徴とす
る蓄熱装置における熱管理方法。
【請求項２】請求項１に記載の方法を実施するための装
置であって、与えられた熱を貯蔵する過冷却可能な蓄熱
材と、前記蓄熱材が充填された蓄熱槽と、前記蓄熱材の
温度が一定値よりも下がらないように維持する加熱手段
と、前記蓄熱材と前記蓄熱槽の外部との間の熱の注入・
抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする蓄熱
装置。
【請求項３】蓄熱槽には、蓄熱材を部分的に冷却する手
段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の
蓄熱装置。
【請求項４】蓄熱槽には、蓄熱材を擾乱する手段が設け
られていることを特徴とする請求項２又は３に記載の蓄
熱装置。