JP4145220B2

JP4145220B2 - 蓄熱式給湯装置

Info

Publication number: JP4145220B2
Application number: JP2003311178A
Authority: JP
Inventors: 邦明三浦; 雅夫宗形; 福治永盛; 日出夫安部; 有美小笠原; 清山野
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; SFC Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; SFC Co Ltd
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP2005077053A

Description

本発明は、原子力発電所が稼働中に生じる余剰夜間電力を利用して蓄熱し、この蓄熱エネルギーを昼間に給湯用の熱源等として使い、エネルギーの有効利用を図る蓄熱式給湯装置に関し、特に大熱容量の蓄熱材を使用して省設置容積化を図ることが出来る蓄熱式給湯装置に関する。

従来の夜間電力利用の蓄熱式給湯装置は、ヒータによって水を温め蓄熱し、そのお湯と水を混合しながら適温水（４０〜４２℃）に温度調整し、給湯していた。ヒータにより水に蓄熱するのは、水が安全で安価であり、且つ入手性に問題がなく熱容量も比較的大きいことから、或る程度の容積の水に比較的大きな熱量を蓄熱できることによるものである。

しかし水は熱容量が比較的大きいものの、大気圧において１００℃で沸騰してしまうので、９０℃程度までしか昇温出来ない。１００℃以上の沸点で使用するためには、水を高圧容器に閉じ込めて沸騰しないようにする必要がある。しかしそうするためにはポンプから配管系までを全て高圧に対応出来るようにする必要があり、さらに安全弁等の保護系統も必要となり、コスト高になる。加えて運転するために免許が必要となる等、運転からメンテナンスまで多くの労力とコストが掛かってしまう。

水は比較的熱容量の大きい蓄熱材であるが、圧力容器を使わずに蓄熱しようとすると９０℃程度が限界である。従って熱容量を増やそうとするとその分容積を増やさなければならず、水タンクが大型化し、大きな設置空間が必要となる。
現在一般に市販されている夜間電力を水に蓄熱する給湯器の貯水容積は、１８０Ｌ入ドラム缶約２本分の水３７０Ｌである。これでは一般家庭での風呂や台所での給湯が限界であり、飲食店等の商業利用はほとんど不可能である。

因に水３７０Ｌに蓄熱する熱量は夜間の８時間に２００Ｖ×１８．８Ａの電気をヒータに通じて得られる熱量である。これは一般家庭が契約している４０Ａの半分程度の熱容量でしかない。３７０Ｌを常温２０℃から９０℃の温度まで温めるときに必要な電力と電流は次の式により求められる。
Ｑ＝Ｃｐ×Ｗ×ΔＴ／ｔ＝１ｋｃａｌ／ｋｇ℃×３７０ｋｇ×７０℃／８ｈｒ≒３２４０ｋｃａｌ／ｈ
ＱW＝Ｑ／８６０＝３２４０ｋｃａｌ／ｈ÷８６０＝３．７６ｋｗ
但し、Ｑ：熱量（ｋｃａｌ／ｈ）、Ｃｐ：水の比熱＝１（ｋｃａｌ／ｋｇ℃）、Ｗ：水の重さ≒３７０（ｋｇ）、ΔＴ：水の昇温量＝７０℃、ｔ：給電時間＝８時間、ＱW：給電力＝３．７６ｋｗ
単層３線式の電源では２００Ｖが得られるので
３．７６ｋＷ／２００Ｖ≒１８．８Ａ
一方、給湯装置の小型化ないしは大容量化をめざし、水による蓄熱をあきらめて、熱容量の大きい鉄やマグネシアに蓄熱する特許が出願されている。
特開２００３−１７２５９０号公報特開２００３−６５６１４号公報特開２０００−９７４９８号公報

Ｆｅを利用したものでは、小型化にはなるが重量が重すぎて設置が困難である。
例えば水３７０Ｌに相当する熱量を常温２０℃から７００℃のＦｅに蓄熱させるとすると、必要なＦｅの容積ｙは次の通りである。まず水の熱量を求めると、
水３７０ｋｇ×７０℃×１ｋｃａｌ／ｋｇ℃＝２５９００ｋｃａｌである。この水の熱容量をＦｅで得るには、
Ｆｅｘｋｇ×６８０℃×０．１１ｋｃａｌ／ｋｇ℃＝２５９００ｋｃａｌ
ｘ＝３４６ｋｇとなってＦｅの比重が７．８ｋｇ／Ｌであるから、
Ｆｅの容積ｙは、ｙ＝３４６ｋｇ／７．８ｋｇ／Ｌ＝４４．４Ｌ
水の必要な容積３７０Ｌに比べればＦｅの必要な容積４４．４Ｌは約１２％で済むことになる。しかし重量としては水３７０Ｌ＝３７０ｋｇと同じ程度の３４６ｋｇとなってしまう。

蓄熱材に水を使う場合、約ドラム缶２本分のタンクの重量は数十ｋｇで済むが、空のタンクを据え付けた後に注水できるので設置が簡単である。ところがＦｅの場合、最初から３４６ｋｇの鉄を乗せる架台と断熱材で蓄熱部を構成するために、初めから架台重量も含めた約４５０ｋｇのものを据え付けしなければならない。この重量の問題を除けば、鉄を水と同じ３７０Ｌの容積にすれば重量は水に比べ相当に重くなるが、約８．３倍の熱量を蓄熱することが出来る。

本発明は、前記の水やＦｅの塊を蓄熱材として使用する従来提案されている蓄熱式給湯装置における課題に鑑み、小さな容積で大きな熱量を蓄熱することが出来、しかも熱媒体による安定した熱供給と容易にその調整をすることが出来、設置の容易な蓄熱式給湯装置を提供することを目的とするものである。

蓄熱材として粒子状の無機材料や金属、例えば顆粒状のＭｇＯを利用すれば小型化と軽量化が可能である。例えば水３７０Ｌに相当する熱量を７００℃のＭｇＯに蓄熱させるとすると、必要なＭｇＯの容積ｙは次の通りである。
ＭｇＯｘｋｇ×６８０℃×０．３ｋｃａｌ／ｋｇ℃＝２５９００ｋｃａｌ
ｘ＝１２７ｋｇとなってＭｇＯ比重が３ｋｇ／Ｌであるから、
ＭｇＯの容積ｙは、ｙ＝１２７ｋｇ／３ｋｇ／Ｌ＝４２．３Ｌ

ＭｇＯはＦｅに比べればかなり軽いうえに、容積はＦｅと同等となって、据付時の問題も少なくて済む。特にＭｇＯは顆粒状であり、容器に蓄熱材として充填するＭｇＯは、現場に空の容器を据え付けた後に充填することができるので、Ｆｅの塊を使用する場合に比べて設置施工の点でも有利である。もっとも、ＦｅもＭｇＯのように顆粒状にしてしまえば、設置施工性は同様の条件となる。

しかし蓄熱材が、粉体や顆粒状にしてしまうと粒子どうしの接触熱抵抗のため、空隙も含む粒子全体としての熱伝導率が低くなってしまう。粒子全体としての単一の固体物質の塊に比べ約１／１０以下に低下してしまう。夜間電力を使って蓄熱する場合、８時間もの間にゆっくり加熱するので、この熱伝導率の低さはあまり問題にならない。しかし蓄熱された熱を短時間にお湯に伝える場合は問題になる。この熱伝導率の低さを補う為に、蒸発管にフィンを付けてフィンにまとわり付くようにＦｅやＭｇＯ粉体（顆粒）を接触させれば良い。

ＦｅやＭｇＯ粉体（顆粒）を蓄熱材として使用する場合、それら蓄熱材から熱を取り出し、水を加熱するための熱媒体が必要となる。Ｃｕ等の高熱伝導体を蓄熱材に挿入して、熱伝導で水へ熱を伝えて直接給水を適温（４０℃〜４２℃）に昇温することは可能である。しかし蓄熱材が１００℃を越える温度になるとＣｕも１００℃以上に昇温され水と接触する部分で沸騰が生じて音が発生するため、給水に応じた熱量の制御が出来にくい。

Ｃｕ中の伝熱量を制御するには、Ｃｕの断面を拡大したり縮少したりしなければならない。この伝熱断面を変えるには、Ｃｕを一旦切断し、途中にＣｕのスライド板機構を設けてやればよいが、Ｃｕは高温だと酸化しやすく高温での疑着を防止しながら、常に一定の揺動状態で伝熱面量を調整することは不可能に近い。従って高温物体（蓄熱材）から水へ熱を伝えるには、熱媒体が１００℃以上になっても熱供給差が無く、必要に応じて熱供給量を自由に可変できる熱媒体が最も望ましい。

水は蒸発するとき潜熱が非常に大きく、蒸気になってからの高温範囲での熱量上昇はかなり少ない。よって１００℃以上の高温に加熱されたＦｅやＭｇＯ等の蓄熱材から水を熱媒体として給湯水に伝達する場合、蓄熱材に水を当てて蒸発させその蒸気でもって熱を蓄熱材側から水を供給してやれば蒸気の温度にほとんど関係なく、ほぼ一定の熱供給が可能となる。給湯量に応じた蒸気量（蒸発水量）を調整してやれば簡単に湯温の制御は可能である。

ただし、高温の蓄熱材に直接水を接触させて蒸気を発生させると水蒸気の体積膨張によって密閉空間では高圧発生を伴う。水が蒸発するときに生じる非常に大きな体積膨張を緩和するためには最少限度の水を使って蒸気にし、さらにバッファータンクを用いることによって蒸気発生に伴う圧力上昇を押さえ、圧力容器を使わずに済むことが装置設計を簡単にしてコストも下がる。

次に熱媒体である水蒸気によって水に熱を与える場合、直接水に水蒸気を注入すると蒸気が復水するときに蒸気がつぶれて水になるとき急激な体積縮少が生じて大きな衝撃音が発生する。よって水蒸気による熱供給は間接的な伝熱壁を通して熱を水に伝えてやれば衝撃音の発生もない。この熱媒体である水を循環して使えば新しい水が蒸発するときに発生する残査を発生させることなく、連続的に蓄熱材から水へ熱が伝えられる。また、循環させる蒸発水量をポンプ等で流量制御すれば、給湯量に応じて給湯温度を適温にすることが可能である。

このような観点から採用された本発明による蓄熱式給湯装置の構成は、水より比熱が大きく、内部に縦に蒸発管７を埋め込んだ蓄熱材４と、この蓄熱材４を加熱するヒータ５と、前記蓄熱材４に縦に埋め込まれた蒸発管７に熱媒体としての水を注入する熱媒体注入ノズル１２と、この熱媒体注入ノズル１２により注入された熱媒体としての水が前記蒸発管７の表面に接触することにより発生する蒸気の熱により、給湯系の水を加熱する熱交換機１４と、前記蒸発管７の上端に注入する熱媒体としての水を循環させる熱媒体循環系８と、この熱媒体循環系８の途中に設けられ、熱媒体としての水の加熱により発生する蒸気の圧力上昇を緩和するバッファタンク２１とを有するものである。

このような蓄熱式給湯装置においては、蒸発管７を蓄熱材４の内部で蛇行させることにより、蓄熱材４の中の蒸発管７を長くとれるので、好都合である。加えて、蒸発管７を蛇行させることにより、その上端から熱媒体である水を注入したとき、その水滴が蒸発管７の底まで落下して溜まるのを防止しながら、蒸発管７の中間部で水滴を蒸発させることが出来る。

さらに、蒸発管７から離れた位置からも蓄熱材４から熱媒体である水が効率良く熱を吸収出来るように、蒸発管７の周面から蓄熱材４の内部に向けて放射状に伝熱フィン１０を突出する。また、蓄熱材４は粒状の固体とすることにより、現場に空の容器を据え付けた後に充填することができるので、Ｆｅの塊を使用する場合に比べて設置施工の点でも有利である。

以上説明した通り、本発明によれば、小さな容積で大きな熱量を蓄熱することが出来、しかも熱媒体による安定した熱供給と容易にその調整をすることが出来、設置の容易な蓄熱式給湯装置を提供することが可能となる。

本発明では、水より比熱が大きい蓄熱材４を使用し、この蓄熱材４を加熱した状態で、熱媒体としての水を注入し、さらに熱媒体としての水を循環させながら、水の加熱により発生する蒸気の圧力上昇をバッファタンク２１で緩衝することにより、小さな容積で大きな熱量を蓄熱することが出来、しかも熱媒体による安定した熱供給と容易にその調整をすることが出来るようにしたものである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は本発明による蓄熱式給湯装置の一実施形態を示す概略全体図であり、夜間電力を熱として蓄える蓄熱部１と、その蓄熱部１に熱媒体である水を循環させ、熱交換器２で熱媒体の熱を給湯用として取り出す熱媒体循環系８と、その熱媒体循環系８及び給湯配管系統の動作制御をする制御系統を示すものである。

夜間電力により蓄熱材４を加熱して蓄熱する蓄熱部１は、耐熱性があり後述するように断熱された容器３の中に粒子状の比熱の高い材料、例えばＭｇＯ、Ｆｅ等の粒子が蓄熱材４が充填されている。この蓄熱材４にはシーズヒータ等のヒータ５が埋め込まれ、夜間電力により加熱される。加熱温度は熱電対等の測温素子６により監視される。

この蓄熱材４の中には、蛇行する円筒形の蒸発管７が複数本縦に埋め込まれている。蒸発管７の周囲からは放射状に蓄熱材４の中に向けてフィン１０が突設されている。こらの蒸発管７やフィン１０は、熱伝導が良好な、例えばアルミニウム等からなっている。

蓄熱部１の容器３の上部であって、蓄熱材４の上の位置には、熱媒体注入ノズル１２を介して前記蒸発管７の上端部分に熱媒体である水を注入する熱媒体注入ヘッド１１が配置されている。尚、蒸発管７は、注水側が拡大しており、蒸気噴出速度を遅くして、注入ノズル１２から注水しやすくする。
熱媒体となる水を循環させる熱媒体循環系８は、復水を貯める受水容器２４を有しており、この受水容器２４は、ポンプ２６、流量計２７を有する配管９を介して前記蓄熱部１の熱媒体注入ヘッド１１に接続されている。

熱媒体循環系８は、熱媒体の保有する熱で給湯用の給水を加熱するための熱交換器２を備えている。この熱交換器２は、配管１３を介して前記蓄熱部１の容器３の上部に接続されている。
熱交換器２は、例えば容器１４の中に熱交換用のフィンコイルユニットのような熱交換モジュール１５が収納されており、この熱交換モジュール１５の水入口側には水道等の給水配管１６が接続され、熱交換モジュール１５の湯出口側には給湯配管１７が接続されている。給水配管１６側には流量計１８と温度計１９が接続されている。

熱媒体循環系８は、熱媒体の圧力一旦下げるバッファタンク２１を備えており、このバッファタンク２１は、熱媒体循環系８において前記熱交換器２と受水容器２４との間に挿入されている。このバッファタンク２１には、空気抜弁２２と安全弁２３とが設けられている。

この熱媒体循環系８には、制御器２０が備えられ、前記流量計１８と温度計１９により前記給水配管１６から熱交換器２に供給される水の流量と温度により、受水容器２４側から蓄熱部１側に熱媒体である水を供給するためのポンプ２６のインバータモータ２５を制御する。熱媒体である水の流量は流量計２７により測定され、制御器２０でインバータモータ２５がフィードバック制御される。

前記インバータモータ２５の駆動により、蓄熱部１側に供給された熱媒体である水は、熱媒体注入ヘッド１１から熱媒体注入ノズル１２を通して蓄熱体４の中に縦に収納した各蒸発管７の上端に滴下される。この蒸発管７の内壁は、フィン１０等を介して蓄熱体４が蓄熱した熱により高温に加熱されているため、瞬時に蒸発し、その蒸気が配管１３を通して熱交換器２の容器１４の中へと送られる。
熱交換器２では容器１４の中に配置された熱交換モジュール１５において、給水配管１６側から供給される水が気化した熱媒体により加熱され、給湯配管１７側から湯となって給湯される。

熱交換器２ではこのような熱交換が行われるため、熱媒体である蒸気は急速に冷却され、復水となって受水器２４に戻る。
バッファタンク２１は、こうして熱媒体が熱媒体循環系８を循環するときに、その熱媒体循環系８の圧力変動を緩衝し、過度な圧力上昇に際しては、必要に応じて安全弁２３から気体を逃がし、過度な圧力上昇を防止する。

図２は、蓄熱部１の横断斜視図である。各蒸発管７へは熱媒体である水が実線の矢印で示すように水滴または霧となって注入される。高温の各蒸発管７の内面に接触した熱媒体である水は瞬時に蒸発し、さらにこの蒸気がその蒸発管７内で加熱される。これにより、熱媒体の蒸気が上昇流となって図１に示す配管１３側に昇り、その配管１３を通って前述したように熱交換器２に送られる。

このように、蓄熱部２では直接蓄熱材４に水を降りかけるのではなく、フィン１０を備えた蒸発管７の上端からその中に水滴や霧の形で熱媒体である水を注入するものである。この蓄熱部１の中に縦に埋め込んだ蒸発管７を蛇行させているのは、その上端に熱媒体である水を注入したとき、その水が蒸発管７の底まで落下して溜まるのを防止しながら、蒸発管７の中間部で水滴が蒸発するようにするためである。

このような蓄熱式給湯装置において、一般家庭の給湯量（給水量）は、最大でも２０Ｌ／ｍｉｎである。冬期の水道水の温度を１０℃と仮定して４０℃まで上昇させるときの熱量を水蒸気で行うとするときの熱計算をすると、次の通りである。
水の必要熱量Ｑw＝Ｃｐ×ΔＴ×Ｗ
ここで、Ｃｐ：水の比熱＝１ｋｃａｌ／ｋｇ℃、ΔＴ：水の上昇温度＝４０℃−１０℃＝３０℃、Ｗ：水の重量流量＝２０Ｌ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ（比重）であるから、
Ｑw＝１ｋｃａｌ／ｋｇ℃×３０℃×２０Ｌ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ＝３６０００ｋｃａｌ／ｈ
すなわち、３６０００ｋｃａｌ／ｈ必要である。

水の蒸気潜熱γで伝える必要水蒸気量水量ｘを求めると次の通りである。
Ｑw＝γ×ｘ
ここで、γ：水の潜熱＝５４０ｋｃａｌ／ｋｇ、ｘ：熱媒体水量＝ｘｋｇ／ｈであり、このｘを１分当たりの水量に直すと６６．６６ｋｇ／ｈ×１／６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ（水の比重）＝１．１１Ｌ／分になって、ほぼｘは１Ｌ／分あれば良いことになる。
因に一般の家庭での給湯量は２０Ｌ／分の１／２〜１／３であるから、熱媒体水量も１／２〜１／３になる。

もっと詳細に熱媒体水が給湯水に供給できる熱量を計算する。この時、蓄熱材温度を７００℃とすると、次の通りである。
Ｑw＝熱媒体蒸気潜熱量ＱL＋熱媒体水の蒸発点までの熱量ＱΔT＋熱媒体水蒸気熱量Ｑs
ＱL＝γ×ｘ＝５４０ｋｃａｌ／ｋｇ×ｘＬ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ
ＱΔT＝ｘ×（１００℃−温水の温度４０℃）＝ｘ×６０℃
Ｑs＝ｘ×蒸気の比熱０．５ｋｃａｌ／ｋｇ℃×（７００℃−１００℃）
３６０００ｋｃａｌ／ｈ＝５４０ｋｃａｌ／ｋｇ×ｘＬ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ＋ｘＬ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ×６０℃＋ｘＬ／分×６０分／ｈ×１ｋｇ／Ｌ×０．５ｋｃａｌ／ｋｇ℃×６００℃
＝３２４００×ｘ＋３６００×ｘ＋１８０００×ｘ
＝５４０００×ｘ
ｘ＝０．６６Ｌ／分
となって熱媒体水量は０．７Ｌ／分で済む。

因に蓄熱材温度が１００℃となって蒸気潜熱分しかないと仮定すると、
３６０００ｋｃａｌ／ｈ＝５４０×ｘ×６０×１＋ｘ×６０×１×６０＋ｘ×６０×１×０．５×０＝３２４００×ｘ＋３６００×ｘ
ｘ＝１．０Ｌ／分
以上のことから熱媒体水量の調整は給湯量が２０Ｌ／分の時、１．０Ｌ／分−０．７Ｌ分の間の３００ｃｃ／分の熱媒体水量を調整してやればよい。給湯量が１／２になれば熱媒体水量も１／２で済む。

次に必要なバッファータンク２１の容積を求める。熱媒体水量が１Ｌ／分が最大と考えられる。このことからこの流量の水が蒸発しても常に同量が復水していれば圧力上昇はない。図１のように復水の受水容器２４に限定水量を決めて、それが蓄熱部１側に供給され、その全てが蒸発し、その蒸気量を吸収する量の容器を真空にしておけば、その容器は常圧（０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ）を越えることはない。いま受水容器２４の限定水量を０．２Ｌとすると、これを全て蒸気にすると水１モルは１８ｇなので０．２Ｌの水０．２ｋｇは、（２００ｇ／１８ｇ）×２２．４Ｌ＝２４９Ｌとなる。
バッファータンク２１を真空にするには、水を蒸発させながら空気抜弁２２から空気を抜くか、真空ポンプで空気を抜くかしておけば良い。このバファータンク２１を２４９Ｌにしておけば常圧を越えることはない。

次に蓄熱材４に熱媒体の水を注入して蒸気を発生させる必要がある。熱媒体である水を高温のＭｇＯかＦｅの粒子からなる蓄熱材４に直接ふりかけると、水はその蓄熱材の熱を吸収して蒸発する。しかし、粒子状の蓄熱材の熱伝導率はバルク材の１／１０以下になるので粒子間どうしの熱のやりとりが低く、蓄熱材４の温度が低くなれば成る程、蒸気発生の遅れが生じてレスポンスの悪い給湯装置となってしまう。

因みに、２０℃におけるＦｅ及びＭｇＯの形態の相違による熱伝導率を比較すると、次の通りである。
───────────────────────────────
金属塊又は単結晶顆粒・粉体状
───────────────────────────────
Ｆｅ４６ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃ ２〜４ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃
ＭｇＯ３５ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃ １〜３ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃
───────────────────────────────
従って蓄熱材の隅々まで金属の配管とそれに取り付けられた金属フィンがＦｅやＭｇＯ等の蓄熱材４に接触してその熱を吸収できるようにした方が良い。

水も水滴状ないしは霧状にして蓄熱材４の中に埋め込んだ蒸発管７の中に飛散させ、水を水蒸気にすれば蓄熱材４の全域から熱が吸収できて効率的になる。この時に給水２０Ｌ／ｍｉｎで１０℃→４０℃に温度上げるときの必要熱量Ｑwは次式で与えられる。
Ｑw＝λ・ΔＴ・Ａ
λ＝蒸気発生するときの蒸発管４の熱貫流率＝１５００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃
ΔＴ＝蒸気と水との温度差（最低値）＝１００℃−２０℃＝８０℃
これから蒸発管４の必要な伝熱面積Ａｍ²は次の通り求められる。
Ｑw＝３６０００ｋｃａｌ／ｈ
３６０００ｋｃａｌ／ｈ＝１５００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃×８０℃×Ａ
Ａ＝０．３ｍ²
すなわち、蒸発管７の最低必要伝熱面積Ａは０．３ｍ²も有れば良い。これはφ２０ｍｍで５００ｍ長さのパイプで作った場合の必要本数は次の通りである。
Ａ＝φ０．０２ｍ×π×０．５ｍ×ｎ本
０．３ｍ²＝０．０２ｍ×π×０．５ｍ×ｎ本
ｎ≒１０本
すなわち、蒸発管７は１０本もあれば良いことになるが、安全をみてもう少し増やしてやる必要はある。

熱媒体である水蒸気と給水とで熱交換を行う前記熱交換器２の最大必要伝熱面積Ｂは熱媒体の水蒸気温度が１００℃まで下がった時のことを考慮して設定すべきである。給水２０Ｌ／ｍｉｎで１０℃→４０℃に上げるときの必要熱量Ｑwは、前述した通り３６０００ｋｃａｌ／ｈであったことにより、熱交換器２の最大必要伝熱面積Ｂは次の通り求められる。
Ｑw＝λ’・ΔＴ’・Ｂ
λ’＝蒸気による蒸発管４への熱伝達率＝１５００ｋｃａｌ／ｈ
ΔＴ’＝最低蒸気温度と湯との温度差＝１００℃−４０℃＝６０℃
Ｂ＝最大必要伝熱面積ｍ²
３６０００ｋｃａｌ／ｈ＝１５００ｋｃａｌ／ｍ²ｈ℃×６０℃×Ｂ
Ｂ＝０．４ｍ²
すなわち、熱交換器２の最大必要伝熱面積Ｂは０．４ｍ²となる。

一般に蒸気を発生させて蒸気や温水を供給するものはボイラーと呼ばれてボイラー構造規格にのっとって容器の強度や厚みを決定し、ボイラーであれば運転上の免許や教育が必要となる。しかし、簡易ボイラーにすれば構造規格を満足させた装置を作っておけば装置の検定や運転の免許が必要がない。

いま、蓄熱材４の中の蒸発管７の内部で最大水量０．２Ｌを蒸気するだけなので、バッファータンク２１に空気が入っていても１ｋｇ／ｃｍ²Ｇになるだけである。ましてや蓄熱材４の中の蒸発管７の伝熱面積は０．３ｍ²であり、これはまさしく簡易ボイラーの規定の１つである「１ｋｇ／ｃｍ²Ｇ以下の圧力で０．５ｍ²以下の伝熱面積」の規定に合致し、本装置は簡易ボイラーの範疇に入る。

水蒸気という熱媒体から熱を給水に与える熱交換器は第二種圧力容器（コイル式加熱器）に相当するものと考えられるがこれもある条件を満たせば適用外となってこれも検定が必要でなくなる。先の計算で熱交換器の必要面積Ｂ＝０．４ｍ²であった。これを３０ｃｍの長さのφ２０のパイプで作るとすると
Ｂ＝φ０．０２ｍ×π×０．３ｍ×ｎ本
０．４ｍ²＝０．０２×π×０．３ｍ×ｎ
ｎ＝２１．２≒２２本
となる。この２２本を１１本づつ蛇行させて並列として７０ｍｍの厚みの中に入れ、かつ５００ｍｍの長さと４５０ｍｍの巾の箱に入れると、これにより熱交換器容器体積は
０．５ｍ×０．０７ｍ×０．４５ｍ＝０．０１５７５ｍ³
となる。

一般に給湯用の給水（水道水）の沸点が熱源（水蒸気）温度より低いので、ポンプ圧力（水道水）が第二種圧力容器で云う「容器内の圧力」に含まれる。従って第二種圧力容器の除外項目の「２ｋｇ／ｃｍ²以上で０．０４ｍ³以下の容器」に相当することになり、本案の実施例で示した熱交換器は第二種圧力容器にはならない。

次に蓄熱部１について説明すると、図１と図２にに示した実施形態では、多角形（図では六角形）の容器３に蓄熱材４であるＭｇＯやＦｅの粒子を充填する方式を示した。真空断熱方式を除いて最も断熱性能に優れているものがヒュームドシリカの微粒子（５〜３０ｎｍ）を圧縮して固め、空気の気泡の大きさを１００ｎｍ以下にして気圧の対流と分子衝突を阻止したものである。これは板状のものしか出来ないため、これを容器３の断熱方式と採用することを考慮したため、容器３は円筒形ではなく多角形とした理由である。

市販されているヒュームドシリカを固めた断熱材には、熱輻射も押さえるため、赤外線遮断を目的にＴｉＯ₂やＺｒＯ₂酸化物が配合されている。因にヒュームドシリカにＴｉＯ₂を配合したものが英国のマイクロサーム社から市販され、ＺｒＯ₂を配合したものが独国のワッカー社より市販されている。日本の場合設置空間が多くとれないので出来るだけ装置を小型化をせざるを得ず超微粒子シリカ断熱材を利用する例を示した。

以下に超微粒子シリカ断熱材の２００℃における熱伝導率を示す。
────────────────────────────
マイクロサーム０．０２ｋｃａｌ／ｍｈ℃
空気０．０３ｋｃａｌ／ｍｈ℃
アルミナ・シリカファイバー０．０４ｋｃａｌ／ｍｈ℃
グラスファイバー０．０８ｋｃａｌ／ｍｈ℃
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本発明による蓄熱式給湯装置の一実施形態を示す概略全体図であり、蓄熱部とその蓄熱部を通して熱媒体である水を循環させ、熱交換器で熱媒体の熱を給湯用として取り出す熱媒体循環系と、それらの動作制御をする制御系統を示す。前記本発明による蓄熱式給湯装置の一実施形態において使用されている蓄熱部の横断斜視図である。

符号の説明

４蓄熱材
５ヒータ
７蒸発管
８熱媒体循環系
１０蒸発管の伝熱フィン
１２熱媒体注入ノズル
１４熱交換機
２１バッファタンク

Claims

水より比熱が大きく、内部に縦に蒸発管（７）を埋め込んだ蓄熱材（４）と、この蓄熱材（４）を加熱するヒータ（５）と、前記蓄熱材（４）の縦穴状の蒸発管（７）に熱媒体としての水を注入する熱媒体注入ノズル（１２）と、この熱媒体注入ノズル（１２）により注入された熱媒体としての水が蓄熱材（４）の中に縦に埋め込まれた蒸発管（７）の表面に接触することにより発生する蒸気の熱により、給湯系の水を加熱する熱交換機（１４）と、前記蒸発管（７）の上端に注入する熱媒体としての水を循環させる熱媒体循環系（８）と、この熱媒体循環系（８）の途中に設けられ、熱媒体としての水の加熱により発生する蒸気の圧力上昇を緩和するバッファタンク（２１）とを有することを特徴とする蓄熱式給湯装置。
蓄熱材（４）の蒸発管（７）は蓄熱材（４）の内部で蛇行していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式給湯装置。
蒸発管（７）はその周面から蓄熱材（４）の内部に向けて放射状に伝熱フィン（１０）を突出していることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱式給湯装置。
蓄熱材（４）は粒状の固体であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の蓄熱式給湯装置。