JP3889698B2

JP3889698B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP3889698B2
Application number: JP2002339963A
Authority: JP
Inventors: 知英工藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP2004176932A; US7035532B2; CA2449838A1; US20040197090A1; CA2449838C; EP1426720A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気加熱した蓄熱材から熱交換流体により熱エネルギーを取出す形式の蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、安価な深夜電力を使って蓄熱し、昼間に熱エネルギーを取出して、給湯や暖房に充てるという需要が増加し、それに伴って蓄熱装置の高性能化が求められている。
【０００３】
従来の蓄熱装置として蓄熱形熱交換装置が知られている（例えば、特許文献１。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２６４６８３号公報（段落番号［００１２］、図１）
【０００５】
前記特許文献１の図１（Ａ）、（Ｂ）を再掲して従来の技術を説明する。
図１３は特許文献１の図１（Ｂ）の再掲図であり、符号４は相変化物質、符号３が流体流路であり、流体流路３に空気などの媒体を流すと、この媒体は相変化物質４の保有する熱エネルギーを吸収する。
特許文献１の段落番号［００１２］第６行〜第７行に「セラミック壁２ａにより多数の４角形の流路３を形成している。」との記載がある。
【０００６】
図１４は特許文献１の図１（Ａ）の再掲図であり、蓄熱体１を構成するセラミック製ハニカム２は格子状に区切られ、４角形の流路３及び相変化物質４を収納する４角形の相変化物質収納室が多数個設けられていることが分かる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の４角形の流路や相変化物質収納室で構成した従来の熱交換装置では次の課題がある。
１）４角形状の流体通路が交互に多数存在するため、全ての流体通路に均一に熱交換流体を流すことが困難であり、部分的に熱交換流体が多く流れ熱交換が早く終わってしまう場所や、反対に熱交換流体が少ししか流れないために熱交換が進まない場所ができてしまうため、全体として高い性能を得ることが難しい。
【０００８】
２）４角形状の蓄熱材収納室が交互に多数存在するため、蓄熱材収納室ひとつ当りの体積が小さくなり、相変化蓄熱材から熱を取出す際に過冷却現象が起こりやすくなり、安定した出力が得られない。
【０００９】
図１５は従来の別の課題を示す図であり、図１４の部分図に相当し、４角形の流路３、３に四角形の相変化物質収納室に収納された相変化物質４、４が隣接していることを示す。深夜電力を使って蓄熱し、昼間に熱エネルギーとして取出すには、相変化物質４を導電性を有するものとし相変化物質４を相変化させる電極板１０１、１０１を相変化物質収納室に設け、これらの電極板１０１、１０１にリード線１０２、１０２を介して電源１０３を接続する必要がある。
【００１０】
すなわち、深夜には電源１０３にて電極板１０１、１０１に通電し、相変化物質４に蓄熱させる。昼間は電源１０３による通電を停止し、流路３に空気や水などの熱交換流体を流し、この熱交換流体に吸熱させて熱エネルギーを取出す。
【００１１】
しかし、電極板１０１毎にリード線１０２を引出す必要があり、例えば図１４であれば、相変化物質４が、４×４＝１６個に区画されて収納されるため、リード線１０２は１６×２＝３２本を引出す必要があり、多数本のリード線１０２を這わせるため、装置の製造コストが嵩むと共に給電制御も難しくなる。
【００１２】
すなわち、４角形状の蓄熱材収納室が交互に多数存在するため、蓄熱材をジュール熱で直接加熱するためには、全ての蓄熱材収納室に電極板を配置し、それらを配線する必要があり、電気配線が非常に複雑になり、装置の部品点数が増加し製造コストが嵩む。
【００１３】
本発明の目的は、熱交換性能を高めることができ、電気配線を簡略化することのできる蓄熱装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、導電性を有する蓄熱材を収納する蓄熱材収納室と、熱交換流体を流す流体通路とを隔壁を介して隣接させ、蓄熱材を電気的に加熱した後に蓄熱材が保有する熱を、熱交換流体へ移して外部に取出すことができる蓄熱装置であって、この蓄熱装置の蓄熱本体には、隔壁と共に蓄熱材収納室並びに流体通路を渦巻き形状に構成し、熱交換流体は、渦巻き形状の流体通路の一端から、該流体通路に沿って渦巻き状に流れるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
蓄熱材収納室並びに流体通路を渦巻き形状に構成したので、蓄熱材収納室並びに流体通路の数を大幅に減らすことができる。数を減らしたことにより、蓄熱材収納室並びに流体通路の一個当りの体積を大幅に増加させることができ、この体積増加に伴って、流体の流れを容易に均一化させることができ、蓄熱材の過冷却現象の発生を防止することができ、熱交換性能を高めることができる。
【００１６】
蓄熱材収納室の数を大幅に減らすことができたので、それらに付属させる電極板の数を大幅に減らすことができ、電気配線を簡略化することができ、製造コストを容易に低減することができる。
【００１７】
請求項２では、蓄熱材は、固体から液体に相変化する際に、電気抵抗が急増する性質を有する物質であることを特徴とする。
固体から液体に相変化させることで蓄熱を終える。この際に電気抵抗が急増するようにすれば、電流値が小さくなるという自律制御が可能となり、サーモスタットなどの温度−電気制御部品を省くことができる。制御部品を省くことができれば、製造コストの一層の低減が図れる。
【００１８】
請求項３では、蓄熱本体は、蓄熱材収納室並びに流体通路が両端面に開口する円柱体であり、この円柱体の両端面を上蓋及び下蓋で塞いだことを特徴とする。
蓄熱本体が蓄熱材収納室並びに流体通路が両端面に開口する円柱体であれば、押出し成形法で製造することができ、蓄熱本体の製造コストを低減することができる。
【００１９】
請求項４では、複数個の蓄熱本体を、中間プレートを介して直列に並べたことを特徴とする。
中間プレートを用いることで複数の蓄熱本体を直列に繋ぐことができるので、蓄熱装置の仕様に応じて、蓄熱装置を自由に構成することができる。
【００２０】
請求項５は、蓋及び／又は中間プレートに、通電用リードパターンを備え、このリードパターンに渦巻き状パターンを含めたことを特徴とする。
蓋や中間プレートにリードパターンを設ければ、低コストで信頼性の高い電気配線を行うことができる。くわえて、リードパターンに渦巻き状パターンを含めれば、この渦巻き状パターンはインダクタンスとして作用させることができるので、力率の改善を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る蓄熱装置の分解斜視図であり、蓄熱装置１０は、円柱状の蓄熱本体２０と、この蓄熱本体２０の上面に被せる上蓋４０と、蓄熱本体２０の下面を塞ぐ下蓋５０と、止めビス６１・・・（・・・は複数を示す。）とからなる。
【００２２】
上蓋４０には、中央に熱交換流体の流体入口４１を設け、この流体入口４１を囲む様に渦巻き状リードパターン４２を設け、この渦巻き状リードパターン４２を囲む様にリング状リードパターン４３を設け、このリング状リードパターン４３を囲む様に３個の蓄熱材注入口４４、４５、４６を設ける。
リードパターン４２、４３は、真空メッキ法や無電解メッキ法により、絶縁性を有する上蓋４０又は下蓋５０に形成することができる。
【００２３】
下蓋５０には、熱交換流体の流体出口５１を３個設ける。
上蓋４０の下面及び下蓋５０の上面には、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ディエンゴム）などの可撓性樹脂を被せることで、蓄熱本体２０との間の気密を確保させることができる。
【００２４】
次に円柱状の蓄熱本体２０の構造を説明するが、理解を促すために図２（抜粋図）及び図３（分解図）を先に説明する。
図２は本発明に係る蓄熱本体の抜粋図であり、円柱体２１に渦巻き状の第１蓄熱材収納室２２を設け、この第１蓄熱材収納室２２に第１ａ電極板２３ａ及び第１ｂ電極板２３ｂを平行に配置し、第１ａ電極板２３ａに第１ａボルト２４ａを接触させ、第１ｂ電極板２３ｂに第１ｂボルト２４ｂを接触させたことを示す。
【００２５】
図３は本発明に係る蓄電本体の分解斜視図であり、円柱体２１に渦巻き状の第１蓄熱材収納室２２、渦巻き状の第２蓄熱材収納室２５及び渦巻き状の第３蓄熱材収納室２６を１２０°ずつ位相を変えて設ける。そして、第１蓄熱材収納室２２に上から第１ａ電極板２３ａ及び第１ｂ電極板２３ｂを挿入し、第２蓄熱材収納室２５に第２ａ電極板２７ａ及び第２ｂ電極板２７ｂを挿入し、第３蓄熱材収納室２６に第３ａ電極板２８ａ及び第３ｂ電極板２８ｂを挿入することで、蓄熱本体１０を構成する。尚、各電極板は後述の隔壁に真空メッキや無電解メッキすることによって形成してもよい。
【００２６】
図４は本発明に係る蓄熱本体の平面図であり、円柱体２１をごく薄い隔壁群で仕切る。この隔壁群を詳しく説明する。
先ず、第１蓄熱材収納室２２の第１ａ電極板２３ａを沿わせるために渦巻き状の第１内側隔壁３１ａを設ける。この第１内側隔壁３１ａは図２に示す第１蓄熱材収納室２２と同様に約１．５回転の渦巻きとなる。
そして、この様な第１内側隔壁３１ａから隙間ｔを置いた外側に、第１外側隔壁３１ｂを設ける。
【００２７】
第１内側隔壁３１ａの外端部と第１外側隔壁３１ｂの外端部を、Ｕ字壁３２で連結する。このＵ字壁３２の内径は約２×ｔとした。
同様に、第１内側隔壁３１ａの内端部と第１外側隔壁３１ｂの内端部を、Ｕ字壁３３で連結する。このＵ字壁３３の内径は約３×ｔとした。
【００２８】
コーナ部は他の部位に比べて流体が停滞する。そこで、Ｕ字壁３２、３３を（２〜３）×ｔにすることで、熱交換流体の停滞化を防ぎ、熱交換流体が均一に流れる様に工夫した。
このようにして第１内側隔壁３１ａと第１外側隔壁３１ｂとで隙間ｔの第１流体通路３４を形成する。
【００２９】
同じ要領で、第２内側隔壁３５ａと第２外側隔壁３５ｂで、第２流体通路３６を構成し、第３内側隔壁３７ａと第３外側隔壁３７ｂで、第３流体通路３８を構成した。
符号３９・・・は必要に応じて設けられる断熱室であり、空間で構成したり断熱材を充填して構成することができる。
【００３０】
前記円柱体２１は電気絶縁性の良好な材料により、押出し成形、射出成形、削りだし、焼結、その他の方法により製造される。電気絶縁性の良好な材料としては、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂や、セラミックスが適している。
【００３１】
図５は熱交換流体の流し方及び蓄熱材の封入の仕方の説明図である。なお、説明の便利のために蓄熱本体２０と上蓋４０とは分離して描いた。
上蓋４０の中央の流体入口４１から熱交換流体を供給すると、この熱交換流体はＹ字をなすＵ字壁３３・・・に当って矢印の如く３つに分流し、第１〜第３流体通路３４、３６、３８に均等に流れ込む。これらの第１〜第３流体通路３４、３６、３８を通過し熱交換した後、熱交換流体は下蓋５０の流体出口５１（図１参照）から流れ出る。
【００３２】
一方、蓄熱材注入口４５から蓄熱材７１（図８参照）を第２蓄熱材収納室２５に注入する。他の蓄熱材注入口４４から第１蓄熱材収納室２２に蓄熱材を注入し、蓄熱材注入口４６から第３蓄熱材収納室２６に蓄熱材を注入する。
【００３３】
注入する蓄熱材７１は、固体から液体に相変化を伴う材料で且つ電気を流すことのできる材料であり、自由電子、イオン、正孔のいずれかの電荷キャリアを有する材料である。具体的には、パラフィンにグラファイトを混合、分散した材料や、エリスリトールなどの糖アルコール系蓄熱材に導電体を混合、分散した材料が適している。
【００３４】
固体から液体に相変化する際に、電気抵抗が大きく増加するＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性をもつ蓄熱材を採用することはより好ましい。
固体から液体に相変化させることで蓄熱を終える。この際に電気抵抗が急増するようにすれば、電流値が小さくなるという自律制御が可能となり、サーモスタットなどの温度−電気制御部品を省くことができる。制御部品を省くことができれば、製造コストの一層の低減が図れるからである。
【００３５】
図６は電極板へ外部から通電する構造の説明図であり、上蓋４０のリング状リードパターン４３から第１ａボルト２４ａを下げ、これを第１ａ電極板２３ａに接触させる。また、上蓋４０の渦巻き状リードパターン４２から第１ｂボルト２４ｂを下げ、これを第１ｂ電極板２３ｂに接触させる。
【００３６】
同様に、リング状リードパターン４３から下げた第２ａボルト７２ａを、第２ａ電極板２７ａに接触させ、渦巻き状リードパターン４２から下げた第２ｂボルト７２ｂを、第２ｂ電極板２７ｂに接触させる。
さらに、リング状リードパターン４３から下げた第３ａボルト７３ａを、第３ａ電極板２８ａに接触させ、渦巻き状リードパターン４２から下げた第３ｂボルト７３ｂを、第３ｂ電極板２８ｂに接触させる。
【００３７】
図７は本発明で採用したリードパターン、ボルト及び電極板の関係を示す図であり、リング状リードパターン４３から例えば第１ａボルト２４ａを下げ、このボルト２４ａを第１ａ電極板２３ａに接触させたことを示す。その他のボルトも同様であるから、説明を省略する。
【００３８】
図８は本発明に係る蓄熱装置の作用説明図である。説明を容易にするために第１蓄熱材収納室２２のみを説明する。
先ず深夜に、適量の蓄熱材７１が充填されている第１蓄熱材収納室２２の第１ａ電極板２３ａと第１ｂ電極板２３ｂに単相交流電源７４を繋ぐ。すると、一対の電極板２３ａ、２３ｂを介して蓄熱材７１に電流が流れ、ジュール熱により畜熱材７１の温度が上昇する。本発明では十分に大きな電極板同士２３ａ、２３ｂを少ない間隔を置いて配置したので、蓄熱材７１に満遍なくジュール熱を発生させることができる。
【００３９】
そして、蓄熱材７１が融点に達した時点で固体から液体に相変化させ、蓄熱材７１に潜熱として大きなエネルギーを蓄積させることができる。
この後、給電を停止し、昼間のエネルギー回収に備える。
【００４０】
昼間は、必要に応じて、第１流体通路３４に熱交換流体（水や空気）を流す。すると、熱交換流体は隔壁を介して蓄熱材７１から熱を奪い、自身は温度が高まる。このようにして、熱交換流体からエネルギーを外部に取出し、給湯や空調の熱エネルギーとして活用することができる。
以上は、第１蓄熱材収納室２２及び第１流体通路３４について説明したが、第２・３蓄熱材収納室２５、２６及び第２・３流体通路３６、３８についても同様である。
【００４１】
図９は単相交流を電源とした電気回路図であり、ａライン７６はリング状リードパターン４３（図１参照）、ｂライン７７及びインダクタンス７８は渦巻き状リードパターン４２（図１参照）、抵抗７９・・・は蓄熱材７１（図８参照）、誘電体８１・・・は電極板２３ａ、２３ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂに相当するため、図の様な回路を描くことができる。
【００４２】
リードパターンに渦巻き状パターンを含め、この渦巻き状パターンはインダクタンスとして作用させることができるので、力率の改善を図ることができる。
【００４３】
以上の例は単相交流を使用したが、これを三相交流に変えることができる。
図１０は三相交流に好適なリードパターン図であり、上蓋４０に小さなリング状リードパターン４３を配置し、このリング状リードパターン４３を囲む様にして大きな渦巻き状リードパターン４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを配置する。
【００４４】
図１１は三相交流を電源とした電気回路図であり、図１０で説明した渦巻き状リードパターン４２Ａを、図１１のインダクタンス７８Ａに置換え、同様に図１０で説明した渦巻き状リードパターン４２Ｂ、４２Ｃを、図１１のインダクタンス７８Ｂ、７８Ｃに置換え、電源を三相交流電源８２に置換えることにより、図の様な電気回路を描くことができる。
本実施例の様に蓄熱材収納室が３室ある場合は、三相交流電源８２で給電することに適している。
【００４５】
図１２は本発明の多段型蓄熱装置の分解斜視図であり、蓄熱装置１０Ｂは上蓋４０、上段の蓄熱本体２０Ａ、中間プレート８３、下段の蓄熱本体２０Ｂ及び下蓋５０で２段以上の多段に構成することができる。蓄熱本体２０Ａ、２０Ｂは蓄熱本体２０と同一物であるが、位置を明確にするためにＡ，Ｂを添えた。
【００４６】
中間プレート８３に蓄熱材通孔８４、８４、８４や流体通口８５、８５、８５を設ける。さらに、必要に応じて絶縁性を有する中間プレート８３にリードパターンを設ける。
中間プレート８３の上下面には、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ディエンゴム）などの可撓性樹脂を被せることで、蓄熱本体２０Ａ、２０Ｂとの間の気密を確保させることができる。
【００４７】
尚、実施例では蓄熱材収納室を３室としたが、電源が単相交流であれば１室、２室又は４室以上であっても良い。電源が三相交流であれば、蓄熱材収納室は３室、６室、９室の如く３の倍数であればよい。従って、蓄熱本体に形成する蓄熱材収納室は渦巻き形状であればよく、その室数は任意である。
【００４８】
また、止めビスは、円柱体の長さより長いボルトとこのボルトの両端部にねじ込む１対のナットに変えても良い。
【００４９】
もしくは、止めビスやボルトを使用せずに、蓄熱本体に上蓋、下蓋や中間プレートを接合一体化することは差し支えない。接合一体化には、超音波溶着、レーザビーム溶着、ろー付け、接着材、その他の方法が適用できる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１では、導電性を有する蓄熱材を収納する蓄熱材収納室と、熱交換流体を流す流体通路とを隔壁を介して隣接させ、前記蓄熱材を電気的に加熱した後に蓄熱材が保有する熱を、熱交換流体へ移して外部に取出すことができる蓄熱装置であって、この蓄熱装置の蓄熱本体には、前記隔壁と共に蓄熱材収納室並びに流体通路を渦巻き形状に構成し、熱交換流体は、渦巻き形状の流体通路の一端から、該流体通路に沿って渦巻き状に流れるようにした。
即ち、蓄熱材収納室並びに流体通路を渦巻き形状に構成したので、蓄熱材収納室並びに流体通路の数を大幅に減らすことができる。数を減らしたことにより、蓄熱材収納室並びに流体通路の一個当りの体積を大幅に増加させることができ、この体積増加に伴って、流体の流れを容易に均一化させることができ、蓄熱材の過冷却現象の発生を防止することができ、熱交換性能を高めることができる。
【００５１】
蓄熱材収納室の数を大幅に減らすことができたので、それらに付属させる電極板の数を大幅に減らすことができ、電気配線を簡略化することができ、製造コストを容易に低減することができる。
【００５２】
請求項２では、蓄熱材は、固体から液体に相変化する際に、電気抵抗が急増する性質を有する物質であることを特徴とする。
固体から液体に相変化させることで蓄熱を終える。この際に電気抵抗が急増するようにすれば、電流値が小さくなるという自律制御が可能となり、サーモスタットなどの温度−電気制御部品を省くことができる。制御部品を省くことができれば、製造コストの一層の低減が図れる。
【００５３】
請求項３では、蓄熱本体は、蓄熱材収納室並びに流体通路が両端面に開口する円柱体であり、この円柱体の両端面を上蓋及び下蓋で塞いだことを特徴とする。蓄熱本体が蓄熱材収納室並びに流体通路が両端面に開口する円柱体であれば、押出し成形法で製造することができ、蓄熱本体の製造コストを低減することができる。
【００５４】
請求項４では、複数個の蓄熱本体を、中間プレートを介して直列に並べたことを特徴とする。
中間プレートを用いることで複数の蓄熱本体を直列に繋ぐことができるので、蓄熱装置の仕様に応じて、蓄熱装置を自由に構成することができる。
【００５５】
請求項５は、蓋及び／又は中間プレートに、通電用リードパターンを備え、このリードパターンに渦巻き状パターンを含めたことを特徴とする。
蓋や中間プレートにリードパターンを設ければ、低コストで信頼性の高い電気配線を行うことができる。くわえて、リードパターンに渦巻き状パターンを含めれば、この渦巻き状パターンはインダクタンスとして作用させることができるので、力率の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蓄熱装置の分解斜視図
【図２】本発明に係る蓄熱本体の抜粋図
【図３】本発明に係る蓄電本体の分解斜視図
【図４】本発明に係る蓄熱本体の平面図
【図５】熱交換流体の流し方及び蓄熱材の封入の仕方の説明図
【図６】電極板へ外部から通電する構造の説明図
【図７】本発明で採用したリードパターン、ボルト及び電極板の関係を示す図
【図８】本発明に係る蓄熱装置の作用説明図
【図９】単相交流を電源とした電気回路図
【図１０】三相交流に好適なリードパターン図
【図１１】三相交流を電源とした電気回路図
【図１２】本発明の多段型蓄熱装置の分解斜視図
【図１３】特許文献１の図（Ｂ）の再掲図
【図１４】特許文献１の図（Ａ）の再掲図
【図１５】従来の別の課題を示す図
【符号の説明】
１０、１０Ｂ…蓄熱装置、２０、２０Ａ、２０Ｂ…蓄熱本体、２１…円柱体、２２、２５、２６…第１〜第３蓄熱材収納室、３４、３６、３８…第１〜第３流体通路、４０…上蓋、４２…渦巻き状リードパターン、５０…下蓋、７１…蓄熱材、８３…中間プレート。

Claims

導電性を有する蓄熱材を収納する蓄熱材収納室と、熱交換流体を流す流体通路とを隔壁を介して隣接させ、前記蓄熱材を電気的に加熱した後に蓄熱材が保有する熱を、熱交換流体へ移して外部に取出すことができる蓄熱装置であって、
この蓄熱装置の蓄熱本体には、前記隔壁と共に蓄熱材収納室並びに流体通路を渦巻き形状に構成し、
前記熱交換流体は、渦巻き形状の流体通路の一端から、該流体通路に沿って渦巻き状に流れるようにした、
ことを特徴とする蓄熱装置。
蓄熱材は、固体から液体に相変化する際に、電気抵抗が急増する性質を有する物質であることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
前記蓄熱本体は、蓄熱材収納室並びに流体通路が両端面に開口する円柱体であり、この円柱体の両端面を上蓋及び下蓋で塞いだことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蓄熱装置。
複数個の前記蓄熱本体を、中間プレートを介して直列に並べたことを特徴とする請求項３記載の蓄熱装置。
前記蓋及び／又は中間プレートに、通電用リードパターンを備え、このリードパターンに渦巻き状パターンを含めたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の蓄熱装置。