JP4617505B2 - 潜熱蓄熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、工場等から排出される廃熱及び太陽熱、地熱等の自然エネルギーを蓄熱し、ホテルや病院、学校、事務所、温水プール等の熱を必要とする施設に搬送、放熱することで、廃熱の有効利用を図る潜熱蓄熱装置に関する。

従来から、工場や発電所、廃棄物処理施設等の廃熱発生施設においては、発生する廃熱の有効利用が種々なされているが、通常、２００℃以下の低温排ガスは廃棄されるか、廃熱発生施設近隣にパイプライン等により搬送され利用される程度であって、有効利用されているとは言い難い。

このため、その低温排ガスを有効利用すべく、低温排ガスの持つ廃熱を潜熱蓄熱材に蓄熱し、その潜熱蓄熱材を、熱を必要とする熱需要施設へ車両等の搬送手段を用いて搬送し、そこで放熱させることで廃熱を利用する潜熱蓄熱装置が提案されている(特許文献１参照)。
ここで潜熱蓄熱材とは、相変化により蓄熱するものであって、例えば、酢酸ソーダ３水和物や塩化マグネシウム６水和物のように、融解時に潜熱を蓄熱して液体となり、凝固時に潜熱を放熱して固体となるものが使用される。
特開２０００−３１０４３２号公報

この装置によれば、上記したパイプライン等と異なり、場所的制限を受けることがないため、廃熱発生施設から離れた場所の熱需要施設においても、廃熱を有効利用することができる。また、インフラコストも大幅に削減することができる。

この潜熱蓄熱材に蓄熱又は放熱させるには、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と潜熱蓄熱材との間を循環させて、潜熱蓄熱材と熱媒体の間で熱交換することが必要である。その熱交換の方式として、潜熱蓄熱材をカプセルに収納した状態で循環する熱媒体との間で熱交換を行うカプセル方式、潜熱蓄熱材中にチューブを通し、チューブ内に熱媒体を循環させることにより熱交換を行うシェルチューブ方式、潜熱蓄熱材と循環する熱媒体とを直接接触させることにより熱交換を行う直接接触方式の３つの方式がある。

このうち、直接接触方式は、潜熱蓄熱材と熱媒体とが直接接触するため、他の方式に比べて熱交換の効率がよく、また、カプセルやチューブが不要なため、同じ容量であれば他の方式より多くの蓄熱材を充填可能であり、搬送のコストも低廉で済む。

ところが、直接接触方式は以下のような課題を有する。すなわち、第一に、熱媒体が流速や温度条件により液泡となって勢いよく蓄熱材中を循環する際には、熱媒体の液泡に蓄熱材が随伴し、熱媒体の循環装置により、熱媒体ごと潜熱蓄熱装置の容器外に排出されてしまうため、容器中の蓄熱材が減少し、熱交換の効率が落ちてしまう。

第二に、蓄熱材が、蓄放熱途中の固体と液体が混合した状態においては、蓄熱材中に熱媒体の通る一定の道筋ができてしまい、蓄熱材全体と熱媒体との接触に偏りが生じるため、蓄放熱の効率が悪い。

第三に、潜熱蓄熱材は放熱後に固化するため、蓄熱開始時に熱媒体を蓄熱材中に循環させようとしても、蓄熱材が固体の状態であるゆえ、循環がうまくいかず蓄熱装置の立ち上がりが遅い。

そこで、この発明は、直接接触方式の潜熱蓄熱装置において、以上の３つの課題を解決することを目的とする。

上記した第一の課題を解決するため、この発明は、容器内の供給口から供給される熱媒体の液泡を破砕する手段を設けたのである。
このようにすれば、供給口から供給される熱媒体の液泡は潜熱蓄熱材層内で破砕されるため、熱媒体に随伴して潜熱蓄熱材が熱媒体層ひいては容器外に流出することはなく、容器内の潜熱蓄熱材の減少による熱交換の効率の低下を防止することができる。

具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において２層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、かつ、前記潜熱蓄熱材内に前記供給部から吐出される熱媒体の液泡破砕手段を設けた構成を採用したのである。

その液泡破砕手段としては、網等の多孔質材を潜熱蓄熱材層内に設け、これに液泡を通過させることにより細分化させるのが簡便である。

上記した第二の課題を解決するため、この発明は、容器内の潜熱蓄熱材層を攪拌する攪拌手段を設けたのである。
このようにすれば、容器内の層をなした潜熱蓄熱材はかき混ぜられるため、蓄放熱途中において、蓄熱材中に熱媒体の通る一定の道筋が形成されることはなく、満遍なく熱媒体と蓄熱材が接触することで熱交換の効率が向上する。

具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において２層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、前記容器内における熱媒体と潜熱蓄熱材の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材を攪拌する攪拌手段を設けた構成を採用したのである。

その攪拌手段としては、潜熱蓄熱材層内にスクリュウを設けて、それを回転させることにより、広範囲にわたり同時攪拌する手段があり、これによると攪拌効率がよい。また、ブレード、インペラー等を用いても同様の効果が得られる。

また、他の攪拌手段としては、潜熱蓄熱材層内に磁性体からなる攪拌子を配置し、この攪拌子を容器外からマグネチックスターラにより遠隔的に回転操作することにより攪拌する手段があり、これによると容器外壁に孔を開けずに済むため、容器に孔を穿つことによる潜熱蓄熱材の漏れや容器の強度を低下を防止することができる。

上記した第三の課題を解決するため、この発明は、潜熱蓄熱材を収めた容器の内外へ熱媒体を循環させるための循環管の、容器内の潜熱蓄熱材層内に設けた熱媒体供給部から、容器内の熱媒体層へと、熱媒体の通路を形成する手段を設けたのである。
このようにすれば、形成された通路を通って、熱媒体が滞りなく循環するため、潜熱蓄熱装置の立ち上がり時間を短縮することができる。

具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において２層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、前記容器内における熱媒体と潜熱蓄熱材の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材層内に、その循環管の供給部から熱媒体層への通路を形成する手段を設けた構成を採用したのである。

その通路形成手段としては、上記潜熱蓄熱材層と熱媒体層の界面から潜熱蓄熱材層内に至るねじ棒又は棒状ヒータを用いるのが簡便であって、これらによれば、通路形成の効率がよい。その他、棒状スクリュウなどを用いてもよい。

上記したそれぞれの構成において、さらに、容器内における熱媒体の供給部の吐出口を、下向き又は横向きに設けることとすると、吐出口が上向きでないため、比重の高い潜熱蓄熱材が沈下することで循環管内に入り込んで固化し、熱媒体の循環の妨げとなることを防止できる。

なお、上記各解決手段はそれぞれ併用することができる。例えば、第一から第三の解決手段を全て採用するかあるいは、そのうちの２つ、たとえば、第二および第三の解決手段を併用してもよい。

この発明は、上記したそれぞれの解決手段を用いることにより、蓄熱開始時の立ち上げ時間の短縮や、潜熱蓄熱材と熱媒体との接触率の向上および潜熱蓄熱材の減少の防止に伴う効率のよい熱交換が可能となる。

図１に、この発明にかかる潜熱蓄熱装置１０の使用概略図を示す。図示のように、工場等の廃熱発生施設２０から排出される排ガスの持つ廃熱を、熱交換器２１を介して熱媒体１３に移動させ、搬送可能な容器１１に収納された潜熱蓄熱材１２にこの熱媒体１３を直接接触させて蓄熱させ、この潜熱蓄熱材１２を収めた容器１１を病院等の熱需要施設３０へ車両等の搬送手段４０により移動し、再度潜熱蓄熱材１２に熱媒体１３を直接接触させて放熱させ熱交換器３１を介して湯を沸かすなどして利用に供する。

さらに詳細には、図示のように、熱媒体１３は循環管１４を通じ、廃熱発生施設２０又は熱需要施設３０と容器１１との間を循環させられており、容器１１内には、下方に循環管１４につながる供給部１４ａが、上方に循環管１４につながる排出部１４ｂがそれぞれ設けられている。ここで、潜熱蓄熱材１２と熱媒体１３とは混ざり合わない物質を使用する。そして、前者は後者より比重が高く調節されているため、容器内１１において、潜熱蓄熱材１２層が下方に、熱媒体１３層が上方に、２層が分離して形成される。
このようにして、循環管１４の供給部１４ａは潜熱蓄熱材１２が沈下して形成される潜熱蓄熱材１２層中に位置することとなり、供給部１４ａの吐出口から吐き出された熱媒体１３は潜熱蓄熱材１２層中を潜熱蓄熱材１２と直接接触しながら上昇することで、熱媒体１３と潜熱蓄熱材１２との間で熱交換が行われ、上昇し終えた熱媒体１３は熱媒体１３層に吸収され、排出部１４ｂの吸い込み口から吸い込まれ、ポンプ１４ｃにより容器１１外に排出される。容器１１外に排出された熱媒体１３は、循環管１４を通り、熱交換器２１、３１を介して廃熱発生施設２０の排ガス等や熱需要施設３０の湯等と熱交換される。これを繰り返すことにより、潜熱蓄熱材１２に蓄熱又は放熱が行われる。

図２に潜熱蓄熱装置１０の一例を示す。この例は上記第一の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、容器１１内の潜熱蓄熱材１２層と熱媒体１３層とが２層に分離した界面に、一枚または複数枚を積層した網１５が設けられている。
また、循環管１４の熱媒体１３の供給部１４ａの吐出口は、循環管１４内に潜熱蓄熱材１２が入り込んで固化するのを防止すべく、下向きあるいは横向きに設けられてある。これは後述する他の例においても同様である。

通常、循環管１４の供給部１４ａの吐出口から液泡１３ａとなって吐き出された熱媒体１３は、潜熱蓄熱材１２層内を、潜熱蓄熱材１２を伴って勢いよく上昇する。その上昇時に、その液泡１３ａは、上記界面に設けられた網１５により破砕され、その液泡１３ａに伴われた潜熱蓄熱材１２も、その破壊とともに上昇力を失って、界面よりも上に飛び出ることはない。このため、潜熱蓄熱材１２が循環管１４の排出部１４ｂから容器１１外に排出されることはなく、潜熱蓄熱材１２の減少に伴う熱交換効率の低下を引き起こすことはない。

なお、網１５は界面上でなくても、潜熱蓄熱材１２層内に設けてあれば、液泡１３ａを破砕できるため、この発明の目的は達せられる。また、網１５以外の多孔質材によっても同様の効果を奏することができる。

網１５については、単層または複数層のどちらでもよいが、単層の場合には、発生する液泡１３ａの平均径と同等以下の目開きのメッシュ数となっており、複数層の場合には、重なり合った網１５の見かけ目開きが、液泡１３ａの平均径と同等以下になっていることが破砕の効率の観点から望ましい。

図３に潜熱蓄熱装置１０の他例を示す。この例は、上記第二の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、側面容器１１内の潜熱蓄熱材１２層内に、容器１１外の電動機１７に連結されたスクリュウ１６が回転可能に固定されている。このスクリュウ１６は、容器１１外壁側面に穿たれた孔から容器１１内部へと導入されており、孔とスクリュウ１６の間は気密にシールされている。

この潜熱蓄熱装置１０は、スクリュウ１６を電動機１７により回転させておくと、潜熱蓄熱材１２層が攪拌され、潜熱蓄熱材１２と熱媒体１３とが満遍なく接触するため、熱交換の効率が向上する。スクリュウ１６によると潜熱蓄熱材１２層の広範囲にわたって効率的な攪拌が可能となる。なお、スクリュウ１６は数分おきに間欠運転させるのが効率的である。

このスクリュウ１６に代えて、インペラー、ブレードにより潜熱蓄熱材１２層を攪拌しても同様の効果を得ることができる。

攪拌の方法は上述したものに限られない。他例を図４に示す。図示のように、この例においては、側面容器１１内の潜熱蓄熱材１２層内に磁石等の磁性体からなる棒状の攪拌子１８ａが配置されている。この攪拌子１８ａは潜熱蓄熱材による腐食を防ぐため、テフロン等の耐腐食性材料からなるコーティングが施されている。
また、容器１１外には、容器１１に近接してマグネチックスターラ１８ｂが配置されている。このマグネチックスターラ１８ｂは、潜熱蓄熱装置１０と別体とし、自由に持ち運び可能とするのが好ましい。

図示のように、マグネチックスターラ１８ｂは電動機１８ｃと、電動機１８ｃから延びる回転軸１８ｄと、回転軸１８ｄに連結された磁性部１８ｅとを備え、電動機１８ｃの駆動により、磁性部１８ｅに回転運動が与えられる。磁性部１８ｅの回転運動に随伴して、その磁気影響下にある磁性体からなる攪拌子１８ａも同じ向きに回転し、この回転により、潜熱蓄熱材１２層の攪拌が実現される。
以上のようにして、潜熱蓄熱材１２と熱媒体１３とが満遍なく接触するため、熱交換の効率が向上する。特にこの例においては、攪拌作業を遠隔操作により行うため、容器１１外壁に孔をあける必要がなく、容器１１の強度が低下したり、孔から潜熱蓄熱材１２が漏れたりする心配がないというメリットを有する。

攪拌子１８ａの個数は、勿論１個に限定されず、数を増やせばそれだけ、攪拌の効率が良くなることは言うまでもない。また、上述した例においては、攪拌子１８ａは棒状のもものを用いたが、無論形状はこれに限られず、十字型、羽根車型など様々な形状が考えられる。また、攪拌の効率を上げるために、攪拌子１８ａに、攪拌作業を補助する付属品を取り付けてもよい。
図５にその例を示す。この例においては、攪拌子１８ａは容器１１天井で支持されたシャフト１８ｆに連結され、シャフト１８ｆの中程には、羽根車１８ｇが備え付けられている。攪拌子１８ａのマグネチックスターラ１８ｂによる回転運動の付与に伴い、シャフト１８ｆが回転し、羽根車１８ｇが回転するため、潜熱蓄熱材１２層の比較的上部も攪拌されることになり、攪拌の効率が上がる。

なお、潜熱蓄熱装置１０の保温性を高めるため、容器１１外面をロックウール等で被覆している場合には、容器１１底面を覆うロックウールの一部を取り外し可能に形成しておき、蓄放熱時には、この部分を取り外してマグネチックスターラ１８ｂを攪拌子１８ａに近接できるようにしておくと、十分な攪拌効果が得られる。

図６に、潜熱蓄熱装置１０のさらに他の例を示し、この例は上記第三の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、ねじ棒１９が、容器１１の外壁上面に設けられたねじ孔から、容器１１内の放熱後固化した潜熱蓄熱材１２層内の、熱媒体１３の供給部１４ａの下までねじ込まれている。ねじ棒１９には頭部１９ａが設けられており、この頭部１９ａが容器１１外壁に当接することで、ねじ棒１９が固定されると同時に、容器１１内への落下が防止される。

この潜熱蓄熱装置１０においては、熱交換する運転開始時(蓄熱開始時)には、ねじ棒１９を引き抜いておく。このようにすると、潜熱蓄熱材１２層の、ねじ棒１９が固定されていた部分が熱媒体１３の通り道となり、熱媒体１３が容器内１０を供給口１４ａから排出口１４ｂへとスムーズに循環して、蓄熱装置１０の立ち上がり時間が短縮される。容器１１外壁上面に設けられたねじ孔には、ねじ棒１９を引き抜いた後、栓をしておけば、潜熱蓄熱材１２や熱媒体１３が外部に漏れ出す心配はない。
このねじ棒１９に代えて、棒状ヒータを同様に固定しておき、蓄熱装置１０の立ち上げ時にこのヒータを加熱してヒータ周辺の潜熱蓄熱材１２を融解させることにより、熱媒体１３の通り道を形成しても同様の効果が得られる。

上記の各例は併用することができ、例えば、図７に示すように、潜熱蓄熱装置１０に、網１５及びスクリュウ１６を共に設けることができる。その他、網１５と攪拌子１８ａを併用するなど、任意の選択が可能である。

潜熱蓄熱装置の使用概略図 潜熱蓄熱装置の一例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図

符号の説明

１０ 潜熱蓄熱装置
１１ 容器
１２ 潜熱蓄熱材
１３ 熱媒体
１３ａ 液泡
１４ 循環管
１４ａ 供給部
１４ｂ 排出部
１４ｃ ポンプ
１５ 網
１６ スクリュウ
１７ 電動機
１８ａ 攪拌子
１８ｂ マグネチックスターラ
１８ｃ 電動機
１８ｄ 回転軸
１８ｅ 磁性部
１８ｆ シャフト
１８ｇ 羽根車
１９ ねじ棒
１９ａ 頭部
２０ 廃熱発生施設
２１ 熱交換器
３０ 熱需要施設
３１ 熱交換器
４０ 搬送手段

Claims (8)

1. 搬送可能な容器（１１）に潜熱蓄熱材（１２）を収め、熱媒体（１３）を廃熱発生施設（２０）又は熱需要施設（３０）と前記容器（１１）との間を循環させることによって、前記容器（１１）内で、前記熱媒体（１３）と前記潜熱蓄熱材（１２）を直接接触させて、熱媒体（１３）と潜熱蓄熱材（１２）の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設（２０）又は熱需要施設（３０）と前記容器（１１）内との間で熱を移動可能とし、
   前記潜熱蓄熱材（１２）と熱媒体（１３）とは前者（１２）が後者（１３）より比重が高く前記容器（１１）内において２層を形成するものとし、
   前記容器（１１）内と前記廃熱発生施設（２０）又は熱需要施設（３０）間に熱媒体（１３）を循環させるための循環管（１４）の、容器（１１）内における熱媒体（１３）の供給部（１４ａ）は、前記潜熱蓄熱材（１２）層内にある潜熱蓄熱装置（１０）において、
   前記潜熱蓄熱材（１２）層内に前記供給部（１４ａ）から吐出される熱媒体（１３）の液泡を破砕して、この液胞に随伴して上昇する潜熱蓄熱材（１２）の前記熱媒体（１３）層への流出を防止する液泡破砕手段としての多孔質材（１５）を設けたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 上記液泡破砕手段としての多孔質材（１５）を、その孔の目開きが前記熱媒体（１３）の液泡の平均径以下としたことを特徴とする請求項１に記載の潜熱蓄熱装置。
3. 前記容器（１１）内における熱媒体（１３）と潜熱蓄熱材（１２）の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材（１２）層を攪拌する攪拌手段を設けた請求項１または２に記載の潜熱蓄熱装置。
4. 上記攪拌手段を、上記潜熱蓄熱材（１２）層内に設けたスクリュウ（１６）よりなしたことを特徴とする請求項３に記載の潜熱蓄熱装置。
5. 上記攪拌手段を、上記潜熱蓄熱材（１２）層内に配置した磁性体からなる攪拌子（１８ａ）とし、前記攪拌子（１８ａ）を上記容器（１１）外部からマグネチックスターラ（１８ｂ）により回転操作することを特徴とする請求項３に記載の潜熱蓄熱装置。
6. 前記容器（１１）内における熱媒体（１３）と潜熱蓄熱材（１２）の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材（１２）層内に、その循環管（１４）の供給部（１４ａ）から熱媒体（１３）層への通路を形成する手段を設けた請求項１から５のいずれかに記載の潜熱蓄熱装置。
7. 上記通路形成手段を、上記潜熱蓄熱材（１２）層と熱媒体（１３）層の界面から潜熱蓄熱材（１２）層内に至るねじ棒（１９）又は棒状ヒータからなしたことを特徴とする請求項６に記載の潜熱蓄熱装置。
8. 上記容器（１１）内における熱媒体（１３）の供給部（１４ａ）の吐出口を、下向き又は横向きに設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の潜熱蓄熱装置。

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