JP3867147B2

JP3867147B2 - 蓄熱体、蓄熱装置およびその熱管理方法

Info

Publication number: JP3867147B2
Application number: JP2004073325A
Authority: JP
Inventors: 平野　　聡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP2005257243A

Description

本発明は、物質の相変化を利用して外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱体、該蓄熱体を用いた蓄熱装置およびその熱管理方法に関するものである。

潜熱蓄熱材を融解させて貯蔵した熱を回収し、利用するには、温度が低下し、凝固点以下の温度に達した潜熱蓄熱材を、必要時に凝固させ、凝固熱を発生させる必要がある。潜熱蓄熱材に考えられている物質の多くは、温度が凝固点に低下しても直ちに凝固を開始せず、凝固点よりも低い温度まで過冷却したのちに、凝固を開始し、凝固熱を放出する性質がある。凝固点と凝固開始温度との差、すなわち過冷却度は物質やその置かれた状態により異なるが、60℃あまりに達する物質もある。このため、潜熱蓄熱材の融液を凝固点以下の温度で速やかに発核させ、凝固を開始させる方法が種々考案されてきている。

図５は特許第３４７２７９５号明細書等に記載されている従来の蓄熱装置を示す。図において、１１は蓄熱容器、１２は前記蓄熱容器１１の中に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、蓄熱容器１１と潜熱蓄熱材１２とで蓄熱体を形成する。１３は前記蓄熱体を収容する蓄熱槽、１４は蓄熱槽１３の内部を上方の蓄熱部と下方の発核部とに分割する断熱体、１５は蓄熱槽１３に冷熱あるいは温熱を与えるための熱源、１６と１７は過冷却を解除するときに熱媒体を注入するための経路、１８と１９は過冷却解除によって得られる熱を熱媒体を介して抽出するための経路である。

上述のように構成された蓄熱装置において、熱の注入過程では熱源１５から経路１６、経路１７および経路１８、経路１９を介して蓄熱槽１３の蓄熱部及び発核部に高温の熱媒体を循環させ、潜熱蓄熱材１２を融解させる。熱の保存過程では、潜熱蓄熱材１２の過冷却状態を保持し続ける。熱の抽出過程では、潜熱蓄熱材１２の過冷却状態を解除するために再結晶化温度よりも低い温度の熱媒体を熱源１５から経路１６、経路１７を介して蓄熱槽１３の発核部に循環させ、発核部に位置する潜熱蓄熱材１２を冷却する。この操作により、潜熱蓄熱材１２の下部から発核が起こり、潜熱蓄熱材１２の再結晶化が始まる。ひとたび再結晶化が始まれば、結晶は急速に上方へ成長して行く。そこで、熱媒体を蓄熱槽１３の蓄熱部に循環させれば、潜熱蓄熱材１２から放出される凝固熱を回収し、熱利用設備で利用することができる。
特許第３４７２７９５号明細書

上述のように構成された蓄熱装置の蓄熱体においては、過冷却状態を解除するための冷熱を受ける蓄熱体の断面構造が一様であるため、主に蓄熱材自身を媒介とする上方の蓄熱部から下方の発核部への熱損失が大きくなり、冷却による発核操作の障害になるばかりではなく、貯蔵していた熱の損失にもなることが問題である。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、熱損失量の少ない、すなわち、発核が確実に行われる蓄熱体を提供することを目的とする。また、該蓄熱体を用いた蓄熱装置及びその熱管理方法を提供することを目的とする。

本発明における蓄熱体は、潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、過冷却状態にある該蓄熱材の一部を冷却して過冷却解除する部分の断面積が、冷却されない部分の断面積よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明における他の蓄熱体は、潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、過冷却状態にある該蓄熱材の一部を冷却して過冷却解除する部分と冷却されない部分との接続部分の断面積が、冷却される部分と冷却されない部分の断面積よりも小さいことを特徴とする。
また、本発明における他の蓄熱体は、前記蓄熱体の冷却される部分が、冷却されない部分よりも該蓄熱体の壁を薄くしたことを特徴とする。
また、本発明における他の蓄熱体は、前記蓄熱体の冷却される部分の先端に、前記潜熱蓄熱材が充填される空間とは別に、空隙を設けていることを特徴とする。
また、本発明における他の蓄熱体は、前記蓄熱体の冷却される部分が、冷却されない部分よりも該蓄熱体の壁の熱伝導率を大きくしたことを特徴とする。

さらに、本発明における蓄熱装置においては、過冷却可能な蓄熱材が充填され、かつ部分的に断面積が小さい部分を有する蓄熱体と、前記蓄熱体を内部に備えた蓄熱槽と、前記蓄熱体の断面積が小さい部分で前記蓄熱槽の一部の領域Ｂとその他の領域Ａとに分離し、前記蓄熱体が貫通された断熱体と、前記蓄熱槽の一部の領域Ｂ及びその他の領域Ａと外部との間の熱の注入・抽出を行う第１の熱交換手段と、前記蓄熱槽の一部の領域Ｂと外部との間の熱の注入を行う第２の熱交換手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明における蓄熱装置においては、前記蓄熱体および前記蓄熱槽の一部の領域Ｂとその他の領域Ａとに分離し、前記蓄熱体が貫通された断熱体とは、前記蓄熱体が貫通できる穴が開けられた支持板で支持されることを特徴とする。
また、本発明における蓄熱装置においては、前記蓄熱槽のその他の領域Ａの内部に、前記蓄熱体が貫通できる穴の周囲に、熱媒体が流通できる多数の穴が開けられ、前記蓄熱体間の位置決めと支持及び蓄熱槽内の流れの整流を兼ねた整流板が設けられていることを特徴とする。
また、本発明における蓄熱装置においては、前記一部の領域Ｂに電熱器が設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明における蓄熱装置の熱管理方法においては、前記蓄熱体に充填された蓄熱材に融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、前記第２の熱交換手段によって前記一部の領域Ｂのみを前記蓄熱材の再結晶化温度以下に冷却し、蓄熱材の凝固を誘発させ、蓄熱材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。

さらに、本発明における蓄熱装置の熱管理方法においては、前記蓄熱体に充填された蓄熱材に融点よりも低い過冷却状態で熱を貯蔵する際に、前記一部の領域Ｂの温度が該蓄熱材の再結晶化温度に至らないように、前記電熱器の発熱で保持することを特徴とする。

本発明による蓄熱体は、過冷却を解除するために冷却される発核部の断面積が冷却されない蓄熱部の断面積よりも小さいので、発核部の熱容量を小さくし、かつ蓄熱部から発核部への熱移動を小さくすることもできる。これにより、発核部は効率良く冷却されて発核操作を円滑に行うことができ、同時に冷却の不要な蓄熱部の熱損失を小さく抑えることも可能になる。また、断面積の小さい部分を蓄熱体の冷却される部分と冷却されない部分の接続部分に設けることによって、発核の起こり易さを妨げることなく、発核効率を高めることができる。よって、該蓄熱体を用いた蓄熱装置は、凝固の制御性が高まるとともに、有効に熱を利用することが可能となる。

潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、該蓄熱材の過冷却を解除するために冷却される部分の断面積が、冷却されない部分よりも小さいことを特徴とする。

図１は本発明による蓄熱体の断面図である。図において、１はその中に潜熱蓄熱材が充填され、例えばポリプロピレンからなる蓄熱容器、２は容器１内に充填される過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、でんぷん質の相分離防止剤を添加した燐酸水素二ナトリウム十二水和物を主成分とする。蓄熱容器１は、その断面積の異なる２つの部分ａ、ｂからなるが、小さい方の断面の直径は凝固時の結晶成長を妨げない大きさとして、１ｍｍ以上に設定する。容器１および潜熱蓄熱材２は、材料適合性があれば種々の材料の組み合わせが考えられ、本実施例に限定されない。たとえば、容器１の材料にはポリエチレンやフッ素樹脂、ステンレス鋼、酸化アルミニウムなども耐食性が高く、種々の潜熱蓄熱材２に適用できる。また、潜熱蓄熱材２は必要とする融点に応じた物質が選択可能であり、たとえば酢酸ナトリウム三水和物、チオ硫酸ナトリウム五水和物、硫酸ナトリウム十水和物などの水和物、ペンタエリスリトール、マンニトール、エリスリトール、スレイトールなどの多価アルコール類、各種融点のパラフィン類なども使用できる。

このように構成された蓄熱体の潜熱蓄熱材２が過冷却状態にある場合、その過冷却を解除するために蓄熱体の断面積の小さい方の部分ｂを再結晶化温度以下に冷却する。断面積が小さいと、内容積当たりの容器１の表面積すなわち伝熱面積が大きく、かつ潜熱蓄熱材２の熱容量が小さいので、潜熱蓄熱材２は冷却されやすく、したがって発核しやすくなる。また、このような構造の蓄熱体においては、冷却時に断面積の大きい方ａから小さい方ｂへの熱移動が起こりにくく、冷熱を有効に用いることができ、熱損失を小さくすることが可能になる。

また、容器１の断面積の小さい部分ｂは断面積の大きい部分ａよりも構造的に強度を保ちやすいので、強度を保ちながら断面積の大きい部分ａよりも壁の厚みを薄くすることができる。容器１の断面積の小さい部分ｂの壁を断面積の大きい方の部分よりも薄くすることで、断面積の小さい部分ｂの壁を通した容器１の外部と潜熱蓄熱材２との間の熱移動がより容易になり、すなわち潜熱蓄熱材２が冷却されやすくなり、発核操作を迅速に実施することができるとともに、冷熱を有効に用いることが可能となる。

また、断面積の小さい部分ｂの容器の熱伝導率を断面積の大きい部分ａの容器の熱伝導率よりも大きくなるように材料を選択使用すれば、断面積の小さい部分ｂの壁を通した容器１の外部と潜熱蓄熱材２との間の熱移動がより容易になり、すなわち潜熱蓄熱材２が冷却されやすくなり、発核操作を迅速に実施することができるとともに、冷熱を有効に用いることが可能となる。

図２は、断面積の小さい部分ｂの先端に、潜熱蓄熱材２が充填される空間とは別に、空隙を設けた蓄熱体の断面図である。容器１を蓄熱槽に鉛直に設置する場合に、図１の形状では容器１を蓄熱槽の底面から浮かせる必要がある。なぜなら、蓄熱槽の底面は蓄熱槽の中で温度が最も低く、熱損失が大きくなりやすいので、容器１との間に隙間を設けて、熱の保存期間における潜熱蓄熱材２から容器１底部、蓄熱槽の底部を介した外部への熱損失を抑制する必要があるためである。そこで図２のように断面積の小さい部分ｂの先端に空隙を設ければ、容器１を蓄熱槽の底面に接する状態で直接置いても、潜熱蓄熱材２と蓄熱槽底面との間の熱移動を空隙が抑制するので、熱損失を大きくすること無く、簡単に蓄熱体を蓄熱槽に設置することが可能になる。

図３は、本発明の他の蓄熱体の断面図である。図において、１、２は実施例図１と同一あるいは相当する部分を示す。ただし、本実施例では、図示するように断面積の小さい部分ｂが蓄熱容器１の途中に設けられ、おもに蓄熱を目的とする蓄熱部分ａと発核のために冷却される部分ｃとを接続している。

このように構成された蓄熱体の利点は、潜熱蓄熱材２が過冷却状態にある場合、その過冷却を解除するために再結晶化温度以下に冷却される部分ｃの断面積が実施例１よりも大きく、したがって潜熱蓄熱材２の体積が大きくなり、冷却部分における発核の確率が高まるので、結晶化しやすくなることである。すなわち、迅速な冷却のためには、冷却部の断面積は小さい方が都合がよいが、断面積が小さくなると結晶核の生成頻度は低下し、発核が起こりにくくなるので、この相反する条件を制御するための構造が本実施例図となる。つまり、潜熱蓄熱材２の種類や利用方法によって、冷却部分ｃの大きさを変更する。

また、本実施例においても冷却部分ｃの壁を他の部分よりも薄くしたり、熱伝導率の良い材質で構成したり、あるいは冷却部分ｃの先端に潜熱蓄熱材２が充填される空間とは別に空隙を設けて、熱損失を大きくすること無く、簡単に蓄熱体を蓄熱槽に設置するのも有効である。

図４は、本発明の蓄熱装置の構成図である。図において、１、２は実施例図１と同一あるいは相当する部分を示す。３は蓄熱槽であり、蓄熱部分Ａと過冷却解除のときに再結晶化温度以下の冷熱によって冷却される発核部分Ｂとに断熱板４を介して分断される。蓄熱体の断面積の大きい部分ａは蓄熱部分Ａに存在し、蓄熱体の断面積の小さい部分ｂは断熱板４を貫通して発核部分Ｂに存在する。蓄熱槽３の材質は、ステンレス鋼やポリプロピレン、架橋ポリエチレンなどの耐熱、耐食、防液性及び支持強度のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。断熱板４の材質は、フッ素ゴム、シリコンゴムおよびそれらの発泡体などの耐熱、耐食、防液性及び弾性のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。５は、蓄熱槽３に熱を供給するための熱源であり、熱媒体が循環されることによって蓄熱槽３との間で熱の交換が行われる。６は、蓄熱体と断熱板４を鉛直方向に支持するために、蓄熱体が貫通できる穴が開けられた支持板である。７は、蓄熱槽３の中の熱媒体の流れを水平方向断面で一様になるようにするために、蓄熱体が貫通できる穴の他に流路となる多数の穴が開けられた整流板ある。支持板６および整流板７の材質は、ステンレス鋼やフッ素樹脂など耐熱、耐食性と強度のある材料であれば、種々の材料が選択できる。８は発核部分Ｂの槽に設けられた電熱器である。電熱器８は細線形状のものを螺旋状に配置すれば、表面積が大きくなり、電熱器から発核部分Ｂの各要素への熱伝達を促進させることができる。

次に上述のように構成された蓄熱装置の動作について説明する。まず、熱の注入時には、熱源５から蓄熱槽３の蓄熱部分Ａと発核部分Ｂに高温の熱媒体を循環させ、容器１を介して潜熱蓄熱材２を加熱し、融解させる。蓄熱が完了すると、蓄熱槽３は放置される。熱の貯蔵期間においては、蓄熱槽から蓄熱槽周囲環境への熱損失のために、潜熱蓄熱材２の温度は徐々に低下し、過冷却状態になる。この際、発核部分Ｂの温度が潜熱蓄熱材２の再結晶化温度を下回ってしまうと、過冷却状態が不必要な時機に破れてしまうので、その場合には電熱器８に電力を投入し、発核部Ｂの温度が潜熱蓄熱材２の再結晶化温度に至らないように保持する。

熱の抽出時には、熱源５から潜熱蓄熱材２の再結晶化温度よりも低い温度の冷熱を発核部分Ｂにのみ循環させ、潜熱蓄熱材１２を冷却することで発核を起こさせる。蓄熱槽は断熱材４で分断され、蓄熱体は断面積の小さい部分ｂのみが冷却されるため、蓄熱部分Ａと発核部分Ｂとの間の熱損失は小さく抑えられ、熱源５からの冷熱は効率よく冷却操作に利用され、したがって発核が起こりやすくなる。一度発核が起こると、結晶は上方に成長し、断面積の大きい部分ａに潜熱を放出しながら凝固が進展する。放出される潜熱は熱利用設備の方に循環され、利用される。本実施例では、図１に示す蓄熱体を用いたが、図２や図３に示す蓄熱体を用いても良い。

本発明の蓄熱体の断面図である。（実施例１）本発明の蓄熱体の断面図である。（実施例１）本発明の蓄熱体の断面図である。（実施例２）本発明の蓄熱装置の断面図である。（実施例３）従来の蓄熱装置の断面図である。

符号の説明

１蓄熱容器
２潜熱蓄熱体
３蓄熱槽
４断熱材
５熱源
６支持板
７整流板
８電熱器

Claims

潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、過冷却状態にある該蓄熱材の一部を冷却して過冷却解除する部分の断面積が、冷却されない部分の断面積よりも小さいことを特徴とする蓄熱体。
潜熱蓄熱材が充填される蓄熱体において、過冷却状態にある該蓄熱材の一部を冷却して過冷却解除する部分と冷却されない部分との接続部分の断面積が、冷却される部分と冷却されない部分の断面積よりも小さいことを特徴とする蓄熱体。
前記蓄熱体の冷却される部分は、冷却されない部分よりも該蓄熱体の壁が薄いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱体。
前記蓄熱体の冷却される部分の先端に、前記潜熱蓄熱材が充填される空間とは別に、空隙が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の蓄熱体。
前記蓄熱体の冷却される部分は、冷却されない部分よりも該蓄熱体の壁の熱伝導率が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の蓄熱体。
過冷却可能な蓄熱材が充填され、かつ部分的に断面積が小さい部分を有する蓄熱体と、前記蓄熱体を内部に備えた蓄熱槽と、前記蓄熱体の断面積が小さい部分で前記蓄熱槽の一部の領域Ｂとその他の領域Ａとに分離し、前記蓄熱体が貫通された断熱体と、前記蓄熱槽の一部の領域Ｂ及びその他の領域Ａと外部との間の熱の注入・抽出を行う第１の熱交換手段と、前記蓄熱槽の一部の領域Ｂと外部との間の熱の注入を行う第２の熱交換手段とを備えたことを特徴とする蓄熱装置。
前記蓄熱体および前記蓄熱槽の一部の領域Ｂとその他の領域Ａとに分離し、前記蓄熱体が貫通された断熱体とは、前記蓄熱体が貫通できる穴が開けられた支持板で支持されることを特徴とする請求項６に記載の蓄熱装置。
前記蓄熱槽のその他の領域Ａの内部には、前記蓄熱体が貫通できる穴の周囲に、熱媒体が流通できる多数の穴が開けられ、前記蓄熱体間の位置決めと支持及び蓄熱槽内の流れの整流を兼ねた整流板が設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の蓄熱装置。
前記一部の領域Ｂに電熱器が設けられていることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一つに記載の蓄熱装置。
前記蓄熱体に充填された蓄熱材に融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、前記第２の熱交換手段によって前記一部の領域Ｂのみを前記蓄熱材の再結晶化温度以下に冷却し、蓄熱材の凝固を誘発させ、蓄熱材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請求項６乃至請求項８のいずれか一つに記載の蓄熱装置における熱管理方法。
前記蓄熱体に充填された蓄熱材に融点よりも低い過冷却状態で熱を貯蔵する際に、前記一部の領域Ｂの温度が該蓄熱材の再結晶化温度に至らないように、前記電熱器の発熱で保持することを特徴とする請求項１０に記載の蓄熱装置における熱管理方法。