JP3715440B2 - 炭素繊維を用いた蓄熱システム及びその器具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、夜間電力を利用した蓄熱において、炭素繊維（ＣＦ）を用いた蓄熱システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エチレングリコール等の熱媒体が内部を通る伝熱管を有する蓄熱槽又は熱交換器において、伝熱管の外側の蓄熱材への単位体積当たりの伝熱量は、伝熱管からの距離が離れると減少する。さらに、蓄熱材が潜熱蓄熱材の場合は、液相では対流による熱伝達で伝熱が促進されるが、固相では熱伝導による伝熱となる。したがって、伝熱管から離れた部分への熱通過係数が小さいと蓄熱槽の性能を低下させることになり、特に、潜熱蓄熱材の固相部分があると蓄熱槽の性能は著しく低下する。
【０００３】
また、熱伝導率が大きい金属等で伝熱管外側の半径方向にフィンや線等を付け、伝熱管から離れた部分に伝熱するには、熱伝導率が方向性を持たない金属等であれば使用量が増し、蓄熱材の量が減少する問題がある。
【０００４】
また、炭素繊維を蓄熱槽の蓄熱材の中に短繊維として方向性がなくランダムに均一に混入したもの、炭素繊維を伝熱管周りに不均一な分布に配置した方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特殊な炭素繊維を蓄熱材の中に方向性を持たせて配置する方法で、伝熱管と蓄熱材との熱通過係数を大きくし、蓄熱槽の性能を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明は
第１に繊維の半径方向より繊維方向の熱伝導率が高い炭素繊維を２条の芯金の間に並べて該芯金をねじり、該炭素繊維を連続的に螺旋状に芯金に拘束して螺旋状炭素繊維を形成し、伝熱方向に上記繊維方向を指向させたことを特徴とする炭素繊維を用いた蓄熱システム、
第２に伝熱管を有する蓄熱槽又は熱交換器内に、上記炭素繊維を内蔵し、繊維方向を伝 熱管から蓄熱材への伝熱方向に指向させた上記第１発明記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム、
第３に上記炭素繊維が伝熱管の伝熱面と接する上記第１又は第２発明記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム、
第４に上記熱交換器の伝熱管内に上記炭素繊維を内周伝熱面から伝熱管の中心に向う方向に方向性を持たせて配置した上記第２又は第３発明記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム、
第５に繊維の半径方向より繊維方向の熱伝導率が高い炭素繊維を２条の芯金の間に並べて該芯金をねじり、該炭素繊維を連続的に螺旋状に芯金に拘束して螺旋状炭素繊維を形成してなる炭素繊維を用いた蓄熱器具、
によって構成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（炭素繊維の熱伝導率の方向性、ピッチ系ＣＦ）
本発明に用いる炭素繊維は、繊維の半径方向より繊維方向の熱伝導率が高い例えば繊維の径が１０ミクロン程度のピッチ系の炭素繊維で、繊維方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いる。
【０００８】
（図１：蓄熱槽、伝熱管、炭素繊維の配列）
図１（ａ）は蓄熱槽１の中に蓄熱材２を入れ、エチレングリコール等の熱媒体３が内部を流れる伝熱管４を介して蓄熱し、伝熱管４の間には、芯金５により拘束された炭素繊維６を入れる。蓄熱槽１での伝熱管４の配列が、図１（ｂ）の碁盤目状の配列又は図１（ｃ）の千鳥状の配列の場合、伝熱管４の半径方向に炭素繊維の繊維方向を並べ、伝熱管４の配管ピッチの間に炭素繊維６の芯金５を約半ピッチずらして配置し、伝熱管から離れた部分の蓄熱材への熱伝導性を向上させる。ただし、炭素繊維の繊維方向と伝熱管の半径方向が必ずしも一致せずにずれてもかまわない。ここで、蓄熱材に対する炭素繊維の体積比は、０．１〜５％程度である。
【０００９】
（図１：伝熱管の表面とＣＦが接する、金属メッキ等、ＣＦの重なり）
また、炭素繊維６の先端付近が伝熱管４に点接触または線接触して接するようにすることで、伝熱管からの炭素繊維への伝熱を向上する。ここで、伝熱管４と炭素繊維６の接触部分の熱抵抗を軽減するため金属メッキまたはロー付けを行ってもよい。炭素繊維の表面を炭素繊維より熱伝導率が低いエポキシ樹脂などでコーティングすることで、半径方向に対する繊維方向の熱伝導率の比率を大きくする方法、または部分的にコーティングする方法も可能である。さらに、炭素繊維６の重なり７の部分において、隣接する伝熱管を結ぶ線と繊維方向がほぼ垂直で炭素繊維による伝熱の効果が低い問題を解決するため、この重なり７を設けることで炭素繊維の密度を大きくして伝熱を向上する。伝熱管の間の炭素繊維の保持方法は、炭素繊維と伝熱管の接触により行うかまたは芯金５等の炭素繊維を拘束しているものを支持して行なう。
【００１０】
（図１：蓄熱材としてパラフィン、温熱蓄熱）
蓄熱材２として温熱潜熱蓄熱材を用いる場合、例えば融点が４０〜８０℃の範囲にあるパラフィンを使用すると、ヒートポンプなどの温熱源でパラフィンの融点以上に加熱された熱媒体３を伝熱管４内に循環してパラフィンを加熱し、伝熱管４周りのパラフィンは融解して液相となる。
【００１１】
（図１：体積膨張の吸収方法、蓄熱量測定）
パラフィンは融解に伴い体積膨張が１０％程度であるので、密閉構造の蓄熱槽１の上部等に体積膨張用風船８を設ける。この風船８は、揮発性成分を持つ蓄熱材の場合その成分減少防止に有効であり、また体積膨張収縮による熱損失に有効である。ただしパラフィンは融解してもほとんど気化しないので蓄熱層は半密閉構造にすることができる。また、蓄熱量を測定する方法は、体積膨張による蓄熱槽１の蓄熱材２の液面上昇を測定する方法、体積膨張用風船８の体積膨張量を測定する方法、伝熱管４から離れた位置での蓄熱材の固相と液相の電気抵抗の違いにより測定する方法がある。
【００１２】
（図１：温熱放熱）
パラフィン等の温熱潜熱蓄熱材を用いて放熱する場合、パラフィンの融点以下の熱媒体３を伝熱管４内に循環してパラフィンを冷却し、伝熱管４周りのパラフィンは凝固して固相となる。
伝熱管の外側の蓄熱材への単位体積当たりの伝熱量は、伝熱管からの距離が離れると減少し、液相では対流による熱伝達で伝熱が促進されるが、固相では熱伝導による伝熱となるので炭素繊維を用いることで熱通過係数を大きくする。
【００１３】
（図１：冷熱蓄熱・放熱）
蓄熱材２として冷熱潜熱蓄熱材を用いる場合、例えば水を使用すると、冷熱源で水の融点０℃以下に冷却された熱媒体３を伝熱管４内に循環して伝熱管周りに氷を成長させる。また、放熱は、水の融点以上の熱媒体３を伝熱管４内に循環して氷を内部から融解する内融式または蓄熱槽１内の水を外部に循環し伝熱管周りの氷を外側から溶かす外融式にて放熱する。ただし、水の場合は蓄熱層１を密閉構造にする必要はないが、冷熱潜熱蓄熱材が揮発性成分を持つ場合は蓄熱槽１を密閉構造にし圧力タンクのような槽に強度を持たせる方法、体積膨張用風船等の体積変化に追従する構造をとる方法または温度により気体を吸収する合金を用いる方法などが考えられる。
【００１４】
（図１：熱交換器、シェルアンドチューブ）
図１の蓄熱槽１は、同様に伝熱管４を有する熱交換器にも適用でき、また、伝熱管として直管を持つシェルアンドチューブ熱交換器の伝熱管またはフィン付伝熱管の間に炭素繊維を適用することもできる。
【００１５】
（図２（ａ）：炭素繊維の加工方法、繋ぎ方＜端面フック＞、両端支持方法）
図２（ａ）は、芯金５を用いた炭素繊維６の加工方法であり、炭素繊維６を２本の芯金５の間に入れながら芯金をねじり、炭素繊維を連続的に螺旋状に芯金に拘束し螺旋状炭素繊維１６に加工する。芯金の材質は鋼線または糸等を用いる。また、炭素繊維の芯金からの抜け防止に、芯金５に接着材を塗布してねじる方法もある。芯金の端面はループ９または引っかけ構造に加工し、伝熱管の間の炭素繊維の保持方法は、芯金を伝熱管の両端から引張る方法でも行え、連続した螺旋状炭素繊維１６の長尺を製作する場合は複数の螺旋状炭素繊維１６の芯金端面をつなぐ方法がある。また、蓄熱槽１の壁面付近において炭素繊維の量を多くして炭素繊維の長さを長くしさらに芯金の方向を曲げ、また蓄熱槽の上下において螺旋状炭素繊維１６の単位長さ当たりの量を変化させることもでき、部分的に炭素繊維の熱伝導が大きいものを用いることもでき、芯金の径を小さくし螺旋のピッチを小さくすることもできる。又炭素繊維は、線径０．３ｍｍ以下の線状または繊維状の銅等の熱伝導率が大きい金属で代用することもできる。
【００１６】
（図３：一つの槽に密度の違う複数の蓄熱材、体積膨張の吸収方法）
図３は一つの蓄熱槽２８に密度が小さい蓄熱材Ａ１８と密度が大きい蓄熱材Ｂ１９を入れ、それぞれに熱媒体Ａ２１と熱媒体Ｂ２２が流れる配管系統を持たせたものである。ここで、蓄熱材ＡとＢは蓄熱材界面２０により分離する物性を持つ組合せを選定する。例えば、単一槽で冷熱と温熱の同時蓄熱する場合、蓄熱材Ａとして温熱潜熱蓄熱材のパラフィンと蓄熱材Ｂとして冷熱潜熱蓄熱材の水の組合せが考えられる。パラフィンと水の組合せの場合、蓄熱時は温熱源でパラフィンの融点以上に加熱された熱媒体Ａ２１を伝熱管Ａ２４内に循環してパラフィンを加熱しパラフィンは溶解して液相となるが、水と接する蓄熱材界面２０付近のパラフィンは固相の状態であり、パラフィンの融解による体積膨張用風船８は膨らむ。また、冷熱源で水の融点０℃以下に冷却された熱媒体Ｂ２２を伝熱管Ｂ２５内に循環して伝熱管周りに氷を成長させる。また、放熱は、水の融点以上の熱媒体３を伝熱管４内に循環して氷を内部から融解する内融式または蓄熱槽１内の水を外部に循環し伝熱管周りの氷を外側から溶かす外融式にて放熱する。氷の体積膨張により配管２３を通して膨張タンク１７の水面は上昇する。水の場合は膨張タンク１７は大気開放にすることができるが、蓄熱材Ｂが揮発性の成分がある場合は体積膨張用風船などを用いる必要がある。ここで、蓄熱材は密度が固相または液相になっても密度が上下で逆転しない蓄熱材を選定することが望ましく、蓄熱材Ｂ１９の体積膨張で蓄熱材界面２０が押上げられても伝熱管の支持などは十分な強度または柔軟性を有する必要がある。図３では、炭素繊維を蓄熱材Ａ、Ｂ両方向に用いているがどちらか片方のみで用いることもできる。
【００１７】
図３においてパラフィンと水の組合せの場合のシステム運転として、夏場はパラフィンによる温熱蓄熱と氷による冷熱蓄熱するが、冬場は水を加熱して温水蓄熱とし、水とパラフィンの界面２０部分も温熱蓄熱に有効利用することができる。また、温熱と冷熱の同時蓄熱の場合、蓄熱材界面２０の付近での熱損失を軽減するため、一部に断熱材５２を用いる方法がある。
【００１８】
（図４：２重管式熱交換器の中心部にＣＦ位置）
図４はシャーベット状氷を製氷する装置であり、製氷部は向流型または並流型２重管式熱交換器２９において、冷凍機で蓄熱材の融点以下に冷却した熱媒体３４で、伝熱管４３の外側から水などの蓄熱材３１を冷却して過冷却状態にし、蓄熱槽３９で過冷却解消しシャーベットアイス３２が蓄熱槽に溜まる。蓄熱時は、蓄熱槽３９の底部の液状蓄熱材３３を循環ポンプ３６で吸込み２重管式熱交換器で連続製氷を行う。放熱時は切換弁３７を放熱用配管３８に切替えて、蓄熱槽３９の蓄熱材３３を循環ポンプ３６で室内ファンコイルなどの放熱器３５に循環して放熱し蓄熱槽に戻す。２重管式熱交換器２９の伝熱管４３内に、蓄熱材との熱交換を向上するため、螺旋状炭素繊維１６を伝熱管４３の内面と線接触するように配置する。ここで、炭素繊維の単位長さ当たりの量、長さ、材質、芯金の径を変化させ熱交換器の伝熱特性を変えることもできる。また、Ｄ−ソルビットなどを水に添加して２重管式熱交換器２９内でシャーベットアイスを管内製氷することもできる。炭素繊維３０の芯金は水流により下流に流されないため、伝熱管４３内に脱着可能に取付けることもできる。放熱時、蓄熱槽３９内のシャーベットアイスの解氷速度を上げるため、炭素繊維４２を支持材上４０と支持材下４１により蓄熱槽３９内に指向性を持たせて、例えば鉛直方向に並べて、シャーベットアイス３２と液状蓄熱材３３との伝熱量を増加させて、循環する液状蓄熱材３３の温度を蓄熱材の融点温度に近づけることができる。ハニカム板を積層する熱交換器またはプレート式熱交換器においても、プレートの間にピッチ系炭素繊維をプレートに線接触するように入れ熱交換効率を向上することができる。
【００１９】
（図５：カプセル内にＣＦを配置）
図５（ａ）は金属または樹脂製の円筒カプセル４４内に潜熱蓄熱材４７を入れ、円筒カプセル４４内の上部には体積膨張用の空気層４９があって蓄熱材界面４８をなし、芯金４６により螺旋状に拘束した炭素繊維４５がほぼ同軸に位置する。炭素繊維４５が円筒カプセル４４の内面に接する場合は円周方向に回転させて取付ける。蓄熱および放熱は、カプセルの外側には熱媒体を流して行う。
【００２０】
図５（ｂ）は球状カプセル５０の中に、炭素繊維の長さをかえて中心部分が長く軸対称にしたもので、図５（ｃ）は球状カプセル５０の中に、炭素繊維を拘束している芯金４６を螺旋状に巻いた状態で炭素繊維４５を入れたものである。
【００２１】
図５（ｄ）は板状カプセル５１に炭素繊維を板の内面厚さ程度の長さで芯金で拘束し折り返し入れたものであり、分割して入れてもよい。
カプセルには強度アップと炭素繊維との接触を増すために、へこみを設けることも考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は上述のシステム及び器具によったので蓄熱材や潜熱蓄熱材内に配置した上記炭素繊維の繊維の方向に熱が伝導し、それによって熱通過係数を大となし、蓄熱槽や熱交換器の性能を向上させ得る効果がある。
【００２３】
又伝熱管内を流通する蓄熱材の流通外周から流通中心線に至る熱伝導率が大で流通蓄熱材の断面熱分布を速やかに均一化し得る。
【００２４】
さらにカプセル内の蓄熱材を外周から中心部まで迅速に熱を伝導させることができる。
【００２５】
又シャーベットやパラフィンのような固形潜熱蓄熱材の中に上記炭素繊維を配置して融解又は冷却凝固を速めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）図は温熱放熱装置の側面図である。
（ｂ）（ｃ）図は伝導管と炭素繊維の芯金の配置状態を示すもので（ａ）図の縦断面図である。
【図２】 （ａ）図は炭素繊維を用いた蓄熱器の側面図である。
（ｂ）（ｃ）図は従来の伝熱管の外周に炭素繊維を植毛した状態の正面図である。
【図３】 １個の蓄熱槽内に密度の違う複数の蓄熱材を収容した状態の縦断側面図である。
【図４】 ２重管式熱交換器の中心部に炭素繊維を配置し、かつシャーベットアイス内に炭素繊維を配置した状態の縦断側面図である。
【図５】 （ａ）図はカプセル内に炭素繊維を配置した状態の縦断面図である。
（ｂ）（ｃ）図はカプセル内に炭素繊維を配置した状態の縦断面図である。
（ｄ）図は６面体ケース内に炭素繊維を配置した状態の斜視図である。
【符号の説明】
１ 蓄熱槽
２ 蓄熱材
４ 伝熱管
５ 芯金
６ 炭素繊維
３２ 潜熱蓄熱材
４４、５０、５１ カプセル

Claims (5)

1. 繊維の半径方向より繊維方向の熱伝導率が高い炭素繊維を２条の芯金の間に並べて該芯金をねじり、該炭素繊維を連続的に螺旋状に芯金に拘束して螺旋状炭素繊維を形成し、伝熱方向に上記繊維方向を指向させたことを特徴とする炭素繊維を用いた蓄熱システム。
2. 伝熱管を有する蓄熱槽又は熱交換器内に、上記炭素繊維を内蔵し、繊維方向を伝熱管から蓄熱材への伝熱方向に指向させた請求項１記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム。
3. 上記炭素繊維が伝熱管の伝熱面と接する請求項１又は２記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム。
4. 上記熱交換器の伝熱管内に上記炭素繊維を内周伝熱面から伝熱管の中心に向う方向に方向性を持たせて配置した請求項２又は３記載の炭素繊維を用いた蓄熱システム。
5. 繊維の半径方向より繊維方向の熱伝導率が高い炭素繊維を２条の芯金の間に並べて該芯金をねじり、該炭素繊維を連続的に螺旋状に芯金に拘束して螺旋状炭素繊維を形成してなる炭素繊維を用いた蓄熱器具。

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