JP4673325B2

JP4673325B2 - 熱貯蔵器

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Publication number: JP4673325B2
Application number: JP2007002960A
Authority: JP
Inventors: 勇青木; 優一中島
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP2008170051A

Description

本発明は、熱の輸送に供される熱貯蔵器に関する。

この種の技術として、特許文献１は、蓄熱体と熱交換媒体とを収容する貯蔵容器と、熱交換媒体を貯蔵容器に供給する供給管と、貯蔵容器に収容された熱交換媒体を貯蔵容器の外部に排出する排出管と、を備える熱貯蔵ユニットを開示する。この熱貯蔵ユニットが備える排出管は、「収容された油2が位置する熱貯蔵容器1aの上層部分に貫設」（段落番号００３２）されている。また、図２〜図４を見ると、排出管の熱貯蔵容器1a側先端は動かないようになっている。

特開2005-188916号公報（請求項１、段落番号００３２、図２〜図４）

しかし、上記特許文献１の構成では、排出管は、熱交換媒体のみならず蓄熱体も同時に排出してしまう可能性を排除できなかった。

即ち、(1)熱交換媒体のみを排出対象とする観点から排出管の熱貯蔵容器1a側先端は酢酸ナトリウム（蓄熱体）3から極力離れた位置とするのが好ましく、一方、(2)酢酸ナトリウム3は相変態の過程で容積を変動させるものであるから、この酢酸ナトリウム3の上面の高さの変動を考慮した上で、排出管の熱貯蔵容器1a側先端の位置を定めなければならない。そして、このような技術上の制約の存在により、若干の蓄熱体が熱交換媒体と共に排出管内に流入していた。

なお、上記特許文献１の図２〜図８において熱交換媒体としての油2の収容の態様は明らかではない。

本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、蓄熱材の相変態に伴う熱交換媒体の層の液面高さの変動の如何に関わらず、熱交換媒体を、蓄熱材との境界面から離れた位置で吸い取って排出できる熱貯蔵器を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第一の観点によれば、以下のように構成される、熱貯蔵器が提供される。即ち、潜熱蓄熱による蓄熱に供される蓄熱材と、所定量の前記蓄熱材を収容する蓄熱容器と、前記蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部から前記蓄熱材内へ供給するための供給手段と、前記比重の差により、前記蓄熱容器内において前記蓄熱材の上側に層を成す前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の内部から外部へ排出するための排出手段と、を備える。前記排出手段は、前記熱交換媒体の層の中に配される排出口を有し、この排出口を、前記熱交換媒体の層の液面高さの変動に追従させる液面追従手段を備える。この構成によれば、前記蓄熱材の相変態に伴う前記熱交換媒体の層の液面高さの変動の如何に関わらず、前記熱交換媒体を、前記蓄熱材との境界面から離れた位置で吸い取って排出できる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記液面追従手段は、前記排出口と連動し、前記熱交換媒体の層に対して浮揚性を有する、浮き部材を含んで構成される。この構成によれば、前記液面追従手段を簡素な構成で実現できる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記液面追従手段は、前記熱交換媒体が流動可能な可撓性管を備え、この可撓性管に前記浮き部材を固定して構成される。この構成によれば、前記可撓性管の存在により前記浮き部材の自由な運動が担保されるので、前記排出手段の一部を前記熱貯蔵器に繋止する構成が可能となる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記可撓性管の前記熱交換媒体側端部には筒体が設けられ、この筒体を介して、前記浮き部材は前記可撓性管に固定されている。この構成によれば、前記浮き部材の前記可撓性管に対する取り付けを容易とできる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記筒体は、その一端が閉塞されており、前記排出口は、この筒体の周壁に形成される。この構成によれば、前記熱交換媒体が前記可撓性管へ流入する際に生じる該熱交換媒体の流れの向きを自在に設定できる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記筒体は、周壁に形成される前記排出口が前記熱交換媒体の層の液面に対向するように構成される。この構成によれば、前記熱交換媒体が前記可撓性管へ流入する際に生じる該熱交換媒体の流れを、前記蓄熱材が該熱交換媒体の層の中へ上昇してしまわないような流れとできる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記液面追従手段は、前記熱交換媒体が流動可能な管と、前記排出口が形成され、この管に対して摺動可能な有孔部材と、を備える。この有孔部材に前記浮き部材が固定され、前記熱交換媒体が前記有孔部材に形成された前記排出口を通って前記管に流入するよう構成される。この構成によれば、前記熱交換媒体の層の液面高さの変動に伴って前記浮き部材と連動する部材（上記有孔部材）をコンパクトとできるから、前記液面追従手段によって奏される液面追従性を向上できる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記有孔部材が摺動する前記管は垂設される。この構成によれば、前記熱交換媒体の層の液面高さの変動に伴う前記有孔部材の移動距離が小さいので、前記液面追従手段によって奏される液面追従性が前記熱交換媒体の粘性の如何に影響され難くなる。

上記の熱貯蔵器は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記有孔部材は、周壁に前記排出口が形成された筒体に構成され、前記管に対して摺動可能に外嵌される。この構成によれば、前記有孔部材と前記管との間のガイド機構が極めて簡素な構成で実現される。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態を説明する。

先ず、本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器を用いた熱輸送を、図１に基づいて概説する。図１は、本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器を用いた熱輸送の概略を説明するための概略図である。

図１に示す如く本実施形態において熱貯蔵器1は、例えば製鉄所や発電所、ゴミ焼却工場などの熱源設備100で発生した排熱を、例えば銭湯やプールなどの熱利用設備200へ輸送するのに供されるものである。この熱源設備100で発生した排熱を熱貯蔵器1へ供給するために、この熱貯蔵器1は熱源設備100に対して適宜に設けられる熱交換器101を介して熱的に接続可能に構成されている。同様に、熱貯蔵器1に蓄えられた熱を熱利用設備200へ供給するために、この熱貯蔵器1は熱利用設備200に対して適宜に設けられる熱交換器201を介して熱的に接続可能に構成されている。

次に、本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器を図２及び図３に基づいて説明する。図２は、本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器の側面図である。図３は、図２のX-X線矢視断面図である。

図２及び図３に示す如く熱貯蔵器1は、潜熱蓄熱による蓄熱に供される蓄熱材2と、所定量の前記蓄熱材2を収容する蓄熱容器3と、前記蓄熱材2と比較して比重の小さい熱交換媒体4を前記蓄熱容器3の外部から前記蓄熱材2内へ供給するために前記蓄熱容器3の底板3aに沿って配される供給管（供給手段）5・5・・・と、前記比重の差により、前記蓄熱容器3内において前記蓄熱材2の上側に層を成す前記熱交換媒体4を前記蓄熱容器3の内部から外部へ排出するための排出部（排出手段）6と、を備える。

上記の蓄熱材2としては、潜熱（融解熱）が大きく常温で固体となる物質を採用することが好ましく、このような物質として例えばエリスリトールや酢酸ナトリウム、糖アルコール類などが挙げられる。これらの物質の特性を下記に例示する。

・エリスリトール
融点[℃]：約121、融解熱[kJ/kg]：約340
・酢酸ナトリウム
融点[℃]：約58、融解熱[kJ/kg]：約250
・糖アルコール類（例えばD-マンニトール）
融点[℃]：約166、融解熱[kJ/kg]：約330

以降の説明では、特記ない限り、蓄熱材2として上記エリスリトールを採用したとする。

次に、上記の蓄熱容器3の形状を説明する。本実施形態において蓄熱容器3は、図３に示す垂直断面視において、その前記底板3aの中央から側方へ向かうにつれて次第に湾曲する湾曲部3b・3bを有する。即ち、図示する如く蓄熱容器3は、その底板3aの略中央に配され、略平板状の平板部3cと、この平板部3cの両側方側へ配され、平板部3c側から側方へ向かうにつれて次第に上方へ湾曲する湾曲部3b・3bと、を備える。この意味で、前記の底板3aは、湾曲部3b・3b及び平板部3cから構成されると言え、他方、湾曲部3b・3bの一部が蓄熱容器3の側板を構成するとも言うことができる。また、前記蓄熱容器3は、図３に示す垂直断面視において、外接する矩形Pの幅が該矩形Pの高さよりも大となるように形成される。また、前記蓄熱容器3は、図３に示す垂直断面視において、楕円状に形成される。即ち、その底板3aの中央から側方へ向かうにつれて次第に湾曲する蓄熱容器3は、水平線Qに関して線対称となるように形成される。

ここで、図２を参照されたい。本図に示すように前記蓄熱容器3は、符号Aで示す水平方向へ長尺に形成されており、その一端及び他端の夫々は平板3d・3dによって閉塞され、もって、蓄熱容器3は保密状に構成される。

次に、上記の熱交換媒体4について説明する。この熱交換媒体4としては、上記の蓄熱材2と比較して比重が小さくて、更に、この蓄熱材2とは完全に分離した状態を能動的に維持する物質を採用することが好ましく、例えば鉱物油などの炭化水素が挙げられる。

次に、上記の供給管5・5・・・について説明する。本実施形態において供給管5・5・・・は、図２に示すように前記蓄熱容器3の長手方向Aに沿って延在し、図３に示すように前記蓄熱容器3の底板3aに沿って一定の間隔で互いに平行となるように複数本（7本）で配される。これらの供給管5・5・・・の夫々は前記底板3aから若干離間されており、この意味で、供給管5・5・・・は、蓄熱容器3の下板（底板3a）近傍で水平となるように配されると言える（図２も併せて参照）。

ここで、図４を参照されたい。図４は、図３の部分拡大図である。本図に示す如く供給管5・5・・・には、前記熱交換媒体4を前記蓄熱材2内へ吐出して供給するための吐出口5aが形成される。この吐出口5aは、図４に示す垂直断面視（前記供給管5・5・・・の延在方向に対する垂直断面視）において、その形成方向が斜め下向きに形成されている。なお、この吐出口5aの形状は、供給管5・5・・・の外側から見たときに円形とされ、その内径は、供給管5・5・・・の内径と比較して約1/3とされる。

上記の吐出口5aは、本図に示す垂直断面視において、その形成方向が水平を基準として下向き45度となるように形成されている。更には、この吐出口5aは、前記供給管5・5・・・の夫々に対して複数で設けられており、これらの吐出口5a・5a・・・は、本図に示す垂直断面視において、その形成方向が互いに異なる向きとなるように形成されている。なお、本図に示される一対の吐出口5a・5aは何れも水平を基準として下向き45度に形成されており、垂直に対して線対称となっている。

そして、上記複数の供給管5・5・・・は、図３に示す如く適宜に設けられた共通の分岐管7に接続されており、この分岐管7は、図２に示される開閉自在の供給側接続口8に接続される。

以上の構成で、図１に示される熱交換器101において加熱され（又は、熱交換器201において抜熱され）た熱交換媒体4は、図２に示される供給側接続口8と図３に示される供給管5・5・・・の夫々に形成された複数の吐出口5a・5a・・・（図４も併せて参照）を介して、前記蓄熱容器3に収容されている蓄熱材2内へ供給され、蓄熱材2に対して直接的に接触しながら前記比重の差により概ね真上に上昇し、蓄熱材2の上方に形成された熱交換媒体4の層へ到達するようになっている。

次に、上記の排出部6について説明する。ここで、図５を参照されたい。図５は、図２の部分拡大図である。本図に示す如く排出部6は、蓄熱容器3の平板3dに対して一端が繋止され、前記熱交換媒体4が内部を流動可能な可撓性管9と、この可撓性管9の他端側（前記熱交換媒体4側）端部に嵌入される筒体10と、この筒体10に固定される浮き部材11と、から構成される。

蓄熱容器3の平板3dには、一端が該蓄熱容器3の内側に配され、他端が外側に配される接続筒12が貫設されている。そして、上記の可撓性管9は、この接続筒12に外嵌することで蓄熱容器3の平板3dに対して繋止される。可撓性管9としては、例えば180〜200[℃]程度の耐熱性と、長期に亘って維持される可撓性と、を呈する素材が採用されることが好ましく、このような素材として、例えば鉄やステンレス、アルミ、銅などが挙げられる。

上記の筒体10は、その先端側一端が閉塞されており、その周壁には、前記熱交換媒体4の層の中に配される排出口13が形成される。更に、この排出口13は、前記熱交換媒体4の層の液面に対向するように形成される。

上記の浮き部材11としては、前記熱交換媒体4の層に対して浮揚性を有し、上記可撓性管9と同様、例えば180〜200[℃]程度の耐熱性を呈する部材を採用することが好ましく、このような部材として、例えばアルミや鉄、銅、耐熱性樹脂などが挙げられる。なお、本実施形態では浮き部材11としてアルミが採用されており、上記筒体10の姿勢の如何に関わらず常に一定の浮揚性を前記熱交換媒体4に対して発揮できるよう、図示する如く略球状に形成されている。

以上の構成により、上記の排出口13は、前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動に追従できるようになっている。なお、蓄熱材2は、固体の状態から液体の状態へと相変態することで、その体積は約10〜20[%]程度、増大するとされる。

そして、上記の接続筒12は、図２に示される開閉自在の排出側接続口14に接続される。

以上の構成で、本図に示す如く熱貯蔵器1内で層を成している熱交換媒体4は、図５に示される排出口13を通って筒体10・可撓性管9・接続筒12へこの順に流動し、排出側接続口14を介して図１に示される熱交換器101へ排出され（又は、熱交換器201へ供給され）るようになっている。

以上説明したように上記実施形態において熱貯蔵器1は以下のように構成されている。即ち、潜熱蓄熱による蓄熱に供される蓄熱材2と、所定量の前記蓄熱材2を収容する蓄熱容器3と、前記蓄熱材2と比較して比重の小さい熱交換媒体4を前記蓄熱容器3の外部から前記蓄熱材2内へ供給するための供給管5・5・・・と、前記比重の差により、前記蓄熱容器3内において前記蓄熱材2の上側に層を成す前記熱交換媒体4を前記蓄熱容器3の内部から外部へ排出するための排出部6と、を備える。前記排出部6は、前記熱交換媒体4の層の中に配される排出口13を有し、この排出口13を、前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動に追従させる液面追従機構（可撓性管9、浮き部材11など）を備える。この構成によれば、前記蓄熱材2の相変態に伴う前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動の如何に関わらず、前記熱交換媒体4を、前記蓄熱材2との境界面から離れた位置で吸い取って排出できる。

この熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成されている。即ち、前記液面追従機構は、前記排出口13と連動し、前記熱交換媒体4の層に対して浮揚性を有する、浮き部材11を含んで構成される。この構成によれば、前記液面追従機構を簡素な構成で実現できる。

この熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成されている。即ち、前記液面追従機構は、前記熱交換媒体4が流動可能な可撓性管9を備え、この可撓性管9に前記浮き部材11を固定して構成される。この構成によれば、前記可撓性管9の存在により前記浮き部材11の自由な運動が担保されるので、前記排出部6の一部を前記熱貯蔵器1に繋止する構成が可能となる。

この熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成されている。即ち、前記可撓性管9の前記熱交換媒体4側端部には筒体10が設けられ、この筒体10を介して、前記浮き部材11は前記可撓性管9に固定される。この構成によれば、前記浮き部材11の前記可撓性管9に対する取り付けを容易とできる。

この熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成されている。即ち、前記筒体10は、その一端が閉塞されており、前記排出口13は、この筒体10の周壁に形成される。この構成によれば、前記熱交換媒体4が前記可撓性管9へ流入する際に生じる該熱交換媒体4の流れの向きを自在に設定できる。

この熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成されている。即ち、前記筒体10は、周壁に形成される前記排出口13が前記熱交換媒体4の層の液面に対向するように構成される。端的に言えば、この排出口13の向きを仰向けとし、前記熱交換媒体4の上澄みを狙って吸い取ろうとするものである。この構成によれば、前記熱交換媒体4が前記可撓性管9へ流入する際に生じる該熱交換媒体4の流れを、前記蓄熱材2が該熱交換媒体4の層の中へ上昇してしまわないような流れとできる。

以上に本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。

即ち、上記実施形態においては、前記熱交換媒体4を前記蓄熱容器3の外部から前記蓄熱材2内へ供給するために、前記蓄熱容器3の底板3aに沿って前記複数の供給管5・5・・・を配する構成とした。しかし、この複数の供給管5・5・・・に代えて、有孔の扁平箱体を配する構成でもよい。この場合でも、上記の排出部6に関する種々の効果が有効に奏されるのは言うに及ばない。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る熱貯蔵器を図６及び図７に基づいて説明する。図６は、本発明の第二実施形態に係る熱貯蔵器の側面図であって、図２に類似する図である。図７は、図６の部分拡大図である。

図７に示す如く本実施形態において排出部6は、前記熱交換媒体4が内部を流動可能な管15と、この管15に対して摺動可能に外嵌される筒状の有孔部材16と、から構成されている。

上記管15は、上端が蓄熱容器3の上板3fから上方へ突出し、下端が蓄熱材2の内部に至るまで延在するよう、該上板3fに対して垂直に貫設される。この管15の前記上端には前記の排出側接続口14が接続されており、その下端は閉塞される。そして、この管15の周壁には、該管15の延在方向に沿って所定長・所定幅のスリット17が形成されており、このスリット17の上端は、前記蓄熱材2の上側に層を成す前記熱交換媒体4と、上板3fと、の間の空間に位置し、一方、このスリット17の下端は、前記の蓄熱材2及び熱交換媒体4の境界面18の近傍に位置する。

上記の有孔部材16の周壁の上部には、前記の排出口13が形成されると共に、この排出口13と有孔部材16の軸心を挟んで反対側に前記の浮き部材11が適宜の固定手段により固定されている。更に言えば、この浮き部材11は、該浮き部材11と上板3fとの間の距離が、上記排出口13と上板3fとの間の距離と略等しくなるように、有孔部材16の周壁の外周面に対して固定される。

以上の構成により、上記の排出口13は、前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動に追従できるようになっている。なお、前述した通り、蓄熱材2は、固体の状態から液体の状態へと相変態することで、その体積は約10〜20[%]程度、増大するとされる。

以上の構成で、本図に示す如く蓄熱材2の上側に層を成している熱交換媒体4は、太線で図示するように、排出口13・スリット17・管15へこの順に流動し、排出側接続口14を介して図１に示される熱交換器101へ排出され（又は、熱交換器201へ供給され）るようになっている。

以上説明したように上記実施形態において熱貯蔵器1は以下のように構成されている。即ち、前記液面追従機構は、前記熱交換媒体4が流動可能な管15と、前記排出口13が形成され、この管15に対して摺動可能な有孔部材16と、を備える。この有孔部材16に前記浮き部材11が固定され、前記熱交換媒体4が前記有孔部材16に形成された前記排出口13を通って前記管15に流入するよう構成される。この構成によれば、前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動に伴って前記浮き部材11と連動する部材（上記有孔部材16に相当する。）をコンパクトとできるから、前記液面追従機構によって奏される液面追従性を向上できる。

上記の熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成される。即ち、前記有孔部材16が摺動する前記管15は垂設される（鉛直に設けられる）。この構成によれば、前記熱交換媒体4の層の液面高さの変動に伴う前記有孔部材16の移動距離が小さいので、前記液面追従機構によって奏される液面追従性が前記熱交換媒体4の粘性の如何に影響され難くなる。

上記の熱貯蔵器1は、更に、以下のように構成される。即ち、前記有孔部材16は、周壁に前記排出口13が形成された筒体に構成され、前記管15に対して摺動可能に外嵌される。この構成によれば、前記有孔部材16と前記管15との間のガイド機構が極めて簡素な構成で実現される。

即ち、例えば、上記実施形態において上記の管15に対する有孔部材16の回転を規制する回転規制手段を排出部6に設けてもよい。この回転規制手段は、例えば管15の外周面上に該管15の延在方向に沿って突設される線状突部と、この線状突部に対して嵌合するように有孔部材16の内周面に刻設された線状溝部と、の組み合わせから成るものなどが考えられる。この回転規制手段によれば、管15の周壁に形成されたスリット17に対して排出口13が常に対向した状態で、有孔部材16を管15に対して摺動する構成が実現される。

本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器を用いた熱輸送の概略を説明するための概略図本発明の第一実施形態に係る熱貯蔵器の側面図図２のX-X線矢視断面図図３の部分拡大図図２の部分拡大図本発明の第二実施形態に係る熱貯蔵器の側面図であって、図２に類似する図図６の部分拡大図

符号の説明

１熱貯蔵器
２蓄熱材
３蓄熱容器
３ａ底板
３ｂ湾曲部
３ｃ平板部
３ｆ上板
４熱交換媒体
５供給管
６排出部
１１浮き部材
１３排出口
１４排出側接続口
１５管
１６有孔部材
１７スリット
１８境界面

Claims

潜熱蓄熱による蓄熱に供される蓄熱材と、
所定量の前記蓄熱材を収容する蓄熱容器と、
前記蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部から前記蓄熱材内へ供給するための供給手段と、
前記比重の差により、前記蓄熱容器内において前記蓄熱材の上側に層を成す前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の内部から外部へ排出するための排出手段と、
を備える熱貯蔵器において、
前記排出手段は、前記熱交換媒体の層の中に配される排出口を有し、この排出口を、前記熱交換媒体の層の液面高さの変動に追従させる液面追従手段を備え、
前記液面追従手段は、
前記熱交換媒体が流動可能な管と、
前記排出口が形成され、前記管に対して摺動可能な有孔部材と、
前記有孔部材に固定されることで前記排出口と連動し、前記熱交換媒体の層に対して浮揚性を有する浮き部材と、
を有し、
前記熱交換媒体が前記有孔部材に形成された前記排出口を通って前記管に流入するよう構成される、
ことを特徴とする熱貯蔵器。
前記有孔部材が摺動する前記管は垂設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の熱貯蔵器。
前記有孔部材は、周壁に前記排出口が形成された筒体に構成され、前記管に対して摺動可能に外嵌される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱貯蔵器。