JP4680941B2 - 熱貯蔵器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱を一時的に蓄熱することができる熱貯蔵器に関する。
例えば、製鉄所、ゴミ焼却場等の工場や処理場において発生する熱は、工場や処理場付近の様々な施設に利用されている。また、工場や処理場で発生した熱を一時的に蓄熱材に蓄え、その蓄熱材を輸送することで、工場や処理場から離れた場所においても熱を利用することができる。一時的に熱を貯蔵する装置として、例えば、下記の特許文献1に開示されているような蓄熱体(蓄熱材)の融解潜熱を利用する熱貯蔵ユニットに関する技術がある。
従来、発生した熱を蓄え、離れた場所に熱を輸送することができる熱貯蔵ユニットに関する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この熱貯蔵ユニットは、固体と液体との状態変化により蓄熱する酢酸ナトリウムやエリスリトール等の蓄熱体と、この蓄熱体に直接接触することにより熱交換し、この蓄熱体よりも比重が小さく且つこの蓄熱体と混合しない油等の熱交換媒体とを収容する貯蔵容器と、この熱交換媒体を貯蔵容器内に供給する供給管と、この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ているものである。
ここで、熱交換媒体は、蓄熱体との直接接触により、蓄熱体との間で熱交換する。熱交換媒体は、上記排出管から貯蔵容器の外部に排出されて熱交換器に取り込まれ、熱交換器内で熱供給されると、上記供給管を介して蓄熱体内に供給される。供給された熱交換媒体は、比重が蓄熱体よりも小さいため、上層の熱交換媒体まで上昇する。この上昇中に、蓄熱体との直接接触により熱交換媒体に供給された熱が蓄熱体に伝導されるようになっている。
特開2005−188916号公報
しかしながら、特許文献1に記載された熱貯蔵ユニットでは、蓄熱体内を上昇する熱交換媒体の流れに起因して、少なくとも一部が液体に状態変化している貯蔵容器内の蓄熱体の層が攪拌され、排出管内を流れる熱交換媒体中に蓄熱体が混入してしまうことがある。排出管内を流れる熱交換媒体中に混入した蓄熱体は、熱交換器に取り込まれ、さらに供給管内にも入ってしまう。そして、貯蔵容器への熱供給を終えたとき、熱交換器、排出管、及び供給管内の熱交換媒体中に混入した蓄熱体が放熱により凝縮し、これら機器、配管内を閉塞させてしまうという問題が生じる。また、蓄熱体が貯蔵容器外部に流出することで、貯蔵容器内の蓄熱体が減少し、蓄熱量が低下してしまうという問題もある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、蓄熱材(蓄熱体)を収容する蓄熱容器から蓄熱材の流出を防止することができる手段を備えた熱貯蔵器を提供することである。
課題を解決するための手段及び効果
本発明に係る熱貯蔵器は、熱を一時的に蓄熱することができる熱貯蔵器に関する。そして、本発明に係る熱貯蔵器は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の熱貯蔵器は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。
上記目的を達成するための本発明に係る熱貯蔵器における第1の特徴は、潜熱蓄熱による蓄熱に用いられる蓄熱材と、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管と、前記蓄熱材内へ供給された前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部へ排出するための排出管とを備える熱貯蔵器であって、前記蓄熱材内に配置される前記供給菅の供給口端部と、前記蓄熱材の上に浮上した前記熱交換媒体内に配置される前記排出管の排出口端部との間に、前記熱交換媒体が浮上する流れを複数の流れに分断する水平方向に沿って配置された整流手段が設けられていることである。
この構成によると、蓄熱材内へ供給された熱交換媒体は、少なくとも一部が液体に状態変化している蓄熱材内を浮上する際、蓄熱容器内に配置された上記整流手段を通過する。このとき、熱交換媒体の浮上する流れは、上記整流手段によって複数の流れに分断されることにより、熱交換媒体の上昇する勢いは減少する。したがって、熱交換媒体の浮上する流れによって整流手段より上方の蓄熱材が攪拌、押し上げ等されることは防止される。よって、蓄熱材が蓄熱材を収容する蓄熱容器から熱交換媒体を排出するための排出管へ流出することを防止できる。また、蓄熱材の流出が防止されることは、蓄熱量低下の防止にも繋がる。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第2の特徴は、前記整流手段は、前記蓄熱材の上に浮上した前記熱交換媒体と前記蓄熱材との境界に設けられていることである。
ここで、蓄熱材の上に浮上した熱交換媒体と蓄熱材との境界付近は、蓄熱材と熱交換媒体とが混じり合い易い部分であると共に、蓄熱材が排出管の排出口に近く位置する部分である。よって、この構成によると、蓄熱材の上に浮上した熱交換媒体と蓄熱材との境界付近に整流手段を設けることで、蓄熱材が蓄熱材を収容する蓄熱容器から熱交換媒体を排出するための排出管へ流出することを防止する効果が向上する。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第3の特徴は、前記整流手段は、平断面形状が升目状の中空部を有し、且つ、所定の厚みを有する板状体であることである。
この構成によると、蓄熱材内を浮上する熱交換媒体の流れは、整流手段の所定の厚みを有する升目状の中空部を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体の流れによって蓄熱材が攪拌、押し上げ等されることを防止できる。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第4の特徴は、前記整流手段は、上下方向に高さを有する複数の板状体が、水平方向に所定の間隔で配置されて形成されることである。
この構成によると、蓄熱材内を浮上する熱交換媒体の流れは、隣り合う複数の板状体の間に形成される複数の隙間を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体の流れによって蓄熱材が攪拌、押し上げ等されることを防止できる。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第5の特徴は、前記板状体は、平断面形状が波状であることである。
この構成によると、板状体の平断面形状を波状とすることで、蓄熱容器内に設けられた板状体の長さは、平断面形状が直線状の板状体に比較して長くなる。これにより、隣り合う複数の板状体の間に形成される複数の隙間を上昇する熱交換媒体と、整流手段を形成する板状体との接触面積がより大きくなり、上昇する熱交換媒体に作用する抵抗が増加する。よって、熱交換媒体の上昇する勢いはより減少する。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第6の特徴は、前記整流手段は、網状体であることである。
この構成によると、蓄熱材内を浮上する熱交換媒体の流れは、整流手段の網状部分を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体の流れによって蓄熱材が攪拌、押し上げ等されることを防止できる。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第7の特徴は、複数の前記整流手段を、上下方向に隣り合わせて配置していることである。
この構成によると、蓄熱容器内に、適宜、複数の前記整流手段を上下方向に隣り合わせて配置することにより、熱交換媒体の上昇する勢いをより減少させることができる。
また、本発明に係る熱貯蔵器における第8の特徴は、複数の前記整流手段を、平断面形状の水平方向の向きを相互に変えて配置していることである。
この構成によると、蓄熱容器内に、適宜、複数の前記整流手段を相互に向きを変えて配置することにより、蓄熱材内を浮上する熱交換媒体の流れを分断する効果が向上する。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器1を用いた熱輸送の概略を説明するための模式図である。
まず、図1に基づき本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器を用いた熱輸送について、その概略を説明する。図1に示すように、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、ゴミ焼却場などの熱源設備100で発生した排熱を、例えば銭湯や温水プールなどの熱利用設備200へ輸送するのに使用できるものである。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、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、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。また、この熱貯蔵器1は、蓄えた熱を熱利用設備200へ供給した後、再度、熱源設備100からの廃熱を蓄えることで繰り返し熱輸送を行えるものである。尚、熱貯蔵器1は、上述する熱輸送だけでなく、熱源設備100や熱利用設備200に常設して、熱を蓄えたり、蓄えた熱を他に供給したりして使用することもできる。
次に、本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器1を説明する。図2は、本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器1を示す模式図である。
図2に示すように、本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器1は、潜熱蓄熱による蓄熱に用いられる蓄熱材11と、蓄熱材11を収容する蓄熱容器15と、蓄熱材11と比較して比重の小さい熱交換媒体12を蓄熱容器15の外部から蓄熱材11内へ供給するための供給管13と、蓄熱材11内へ供給された熱交換媒体12を蓄熱容器15の外部へ排出するための排出管16とを備えている。
上記の蓄熱材11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三水和物などが挙げられる。エリスリトールは、融点:約121℃、融解熱:約340kJ/kg、酢酸ナトリウム三水和物は、融点:約58℃、融解熱:約250kJ/kg、の物質であり、いずれも常温で固体となっている。尚、以降の説明では、特記なき限り、蓄熱材11として上記エリスリトールを採用したものとする。
また、上記の熱交換媒体12としては、蓄熱材11と完全に分離した状態を維持でき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、鉱物油などの炭化水素が挙げられる。尚、以降の説明では、特記なき限り、熱交換媒体12として鉱物油を採用したものとする。
次に、本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器1には、蓄熱材11内に配置される供給菅13の供給口端部18と、蓄熱材11の上に浮上した熱交換媒体12内に配置される排出管17の排出口端部17との間に、熱交換媒体12が浮上する流れ(熱交換媒体12b)を複数の流れに分断する水平方向に沿って配置された整流手段14が設けられている。ここで、本実施形態においては、上記供給口端部18とは、蓄熱容器15内の下部に水平に配置された供給菅13に設けられている複数の孔部のことをいう。尚、蓄熱材11内に配置される供給菅13の供給口端部とは、このような形態に限定されず、熱交換媒体12が蓄熱材11内に配置される供給菅13から吐出するように形成された、その吐出部である端部であればよい。
以上の構成で、図1に示す熱交換器101において加熱された(又は、熱交換器201において抜熱された)熱交換媒体12は、図2に示す供給菅13を介して、蓄熱容器15に収容されている蓄熱材11内へ供給され、蓄熱材11に対して直接的に接触することで蓄熱材11に熱を供給(蓄熱材11と熱交換)しながら、蓄熱材11と熱交換媒体12との比重差により概ね真上に上昇(浮上)する。そして、熱交換媒体12は、整流手段14を通過して、蓄熱材11の上方に形成された熱交換媒体12の層(熱交換媒体12a)へ到達するようになっている。熱交換媒体12の層(熱交換媒体12a)に到達し、放熱した(受熱した)した熱交換媒体12は、図1に示す熱交換器101において加熱される(又は、熱交換器201において抜熱される)ために排出管17から外部に排出される。
ここで、例えば、本発明に係る本実施形態の整流手段14が蓄熱容器15内に配置されていない場合、蓄熱材11内を上昇する熱交換媒体12の流れの勢いにより、少なくとも一部が液体に状態変化している蓄熱材11は、攪拌されその一部が押し上げられて上方の熱交換媒体12の層(熱交換媒体12a)に混じり合い、排出管17を介して外部に排出される場合がある。排出された蓄熱材11は、熱貯蔵器1と、図1に示す、熱交換器101(又は、熱交換器201)との間を循環する。
そして、熱交換器101(又は、熱交換器201)との熱交換を終えたとき、熱交換器(101、102)、排出管16、及び供給管13内の熱交換媒体12中に混入した蓄熱体11は放熱により凝縮し、これら機器、配管内を閉塞させてしまう。また、特に、蓄熱した蓄熱材11の熱が、図1に示す熱交換器201において抜熱される場合には、熱交換器201との熱交換中に、蓄熱容器15内の蓄熱材11は徐々に液体から固体に凝縮していく。この場合、熱交換器201との熱交換運転中に、凝縮した蓄熱材11が、排出管17を介して外部に排出され、排出管17、熱交換器102、及び供給管13を閉塞させてしまう場合がある。
しかし、整流手段14を蓄熱容器15内に配置することにより、蓄熱材11内へ供給された熱交換媒体12は、蓄熱材11内を浮上する際、蓄熱容器15内に配置された整流手段14を通過する。このとき、熱交換媒体12の浮上方向の流れが整流手段14によって複数の流れに分断されることにより、整流手段14の配置された部分で熱交換媒体12の上昇する勢いは減少する。これにより、熱交換媒体12の浮上する流れによって整流手段14より上方の蓄熱材11が攪拌、押し上げ等されることは防止され、蓄熱材11が蓄熱容器15から排出管16へ流出することを防止できる。また、蓄熱材11の流出が防止されることは、熱貯蔵器1における蓄熱量低下の防止にも繋がる。尚、整流手段14により分断され、勢いの減少した熱交換媒体12は、上方の熱交換媒体12の層(熱交換媒体12a)に吸収される。
また、この整流手段14は、熱貯蔵器1の平断面視において、蓄熱容器15の側壁面に対してほぼ隙間なく水平方向に沿って配置されている。これにより、蓄熱材11内を浮上するほぼ全ての熱交換媒体12は、必ず、整流手段14を通過して上昇していくことになる。
また、本実施形態において、整流手段14は、蓄熱材11の上に浮上した熱交換媒体12aと蓄熱材11との境界に設けられている。熱交換媒体12aと蓄熱材11との境界付近は、蓄熱材11と熱交換媒体12aとが混じり合い易い部分であると共に、蓄熱材11が排出管16の排出口に近く位置する部分である。よって、蓄熱材11の上に浮上した熱交換媒体12と蓄熱材11との境界付近に整流手段14を設けることは、蓄熱材11の流出を防止するためにより好ましい。
次に、上記の整流手段14について詳細に説明する。図3は、図2に示す整流手段14の第1、第2実施形態を示す模式図である。
図3(a)に示すように、整流手段14の第1実施形態に係る整流手段14aは、平断面形状が升目状の中空部24を有し、且つ、所定の厚みBを有する板状体である。この形態によると、図2に示す蓄熱材11内を浮上する熱交換媒体12の流れは、整流手段14aの所定の厚みBを有する升目状の中空部24を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体12の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体12の流れに起因して蓄熱材11が攪拌、押し上げ等されることを防止でき、蓄熱材11が蓄熱容器15から排出管16へ流出することを防止できる。
尚、升目状の中空部24の寸法Aは、10mm以上、100mm以下であることが好ましい。ここで、升目は、正方形に限られるものではなく、長方形、平行四辺形などの矩形であってもよい。また、整流手段14aの厚みBは、20mm以上、200mm以下であることが好ましい。また、整流手段14aの材料としては、熱伝導性に優れた金属材料や、耐熱性に優れた樹脂材料が好ましく、金属材料としては、例えば、銅、アルミ、鉄、樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂などの耐熱樹脂材料が挙げられる。
また、図3(b)に示す、整流手段14の第2実施形態に係る整流手段14bは、上下方向に高さDを有する複数の板状体21が、水平方向に所定の間隔Cで配置されて形成されたものである。この形態によると、図2に示す蓄熱材11内を浮上する熱交換媒体12の流れは、隣り合う複数の板状体21の間に形成される複数の隙間を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体12の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体12の流れに起因して蓄熱材11が攪拌、押し上げ等されることを防止できる。
尚、板状体21の高さDは、20mm以上、200mm以下であることが好ましい。また、間隔Cは、10mm以上、100mm以下であることが好ましい。また、整流手段14bの材料としては、上記第1実施形態に係る整流手段14aと同様に、熱伝導性に優れた金属材料や、耐熱性に優れた樹脂材料が好ましく、金属材料としては、例えば、銅、アルミ、鉄、樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂などの耐熱樹脂材料が挙げられる。
次に、図4は、図2に示す整流手段の第3、第4実施形態を示す模式図である。図4(a)に示すように、整流手段14の第3実施形態に係る整流手段14cは、図3(b)に示す整流手段14bの板状体21の平断面形状を波状にした板状体22を、水平方向に所定の間隔Eで配置して形成しているものである。この形態によると、蓄熱容器15内に設けられた本第3実施形態に係る板状体22の長さは、平断面形状が直線状の板状体(本第2実施形態に係る板状体21)に比較して長くなる。これにより、隣り合う複数の板状体22の間に形成される複数の隙間を上昇する熱交換媒体12と、整流手段14を形成する板状体22との接触面積が、本第2実施形態の場合より大きくなり、上昇する熱交換媒体12に作用する抵抗が増加する。よって、熱交換媒体12の上昇する勢いをより減少させることができる。
尚、板状体22の高さFは、20mm以上、200mm以下であることが好ましい。また、間隔Eは、10mm以上、100mm以下であることが好ましい。また、整流手段14cの材料としては、前記他の実施形態に係る整流手段(14a、14b)と同様に、熱伝導性に優れた金属材料や、耐熱性に優れた樹脂材料が好ましく、金属材料としては、例えば、銅、アルミ、鉄、樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂などの耐熱樹脂材料が挙げられる。
また、図4(b)に示す、整流手段14の第4実施形態に係る整流手段14dは、複数の線材23を溶接などにより連結させた網状体であることである。この形態によると、図2に示す蓄熱材11内を浮上する熱交換媒体12の流れは、整流手段14dの網状部分を通過することにより分断される。これにより、熱交換媒体12の上昇する勢いは減少し、熱交換媒体12の流れに起因して蓄熱材11が攪拌、押し上げ等されることを防止できる。
尚、整流手段14dの網状体の目開きGは、1mm以上、100mm以下であることが好ましい。また、線材23の材料は、熱伝導性に優れた金属材料や、耐熱性に優れた樹脂材料が好ましく、金属材料としては、例えば、銅、アルミ、鉄、樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂などの耐熱樹脂材料が挙げられる。
一方、本発明の熱貯蔵器内に、複数の整流手段14を設けてもよい。以下、熱貯蔵器内に複数の整流手段14が設けられた熱貯蔵器について説明する。図5は、本発明の一実施形態に係る他の熱貯蔵器2を示す模式図である。尚、本実施形態の説明においては、前記の図2に示す実施形態と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。
図5に示すように、本実施形態に係る熱貯蔵器2は、蓄熱材11の上に浮上した熱交換媒体12aと蓄熱材11との境界付近に、上下方向に隣り合わせて配置された2つの整流手段14を備えている。これにより、熱交換媒体12の上昇する勢いをより減少させることが可能となる。尚、整流手段14は、2つに限られることなく、蓄熱容器15内に、適宜、2つ以上の複数の整流手段14を配置してもよい。
また、図6は、整流手段14の向きを相互に変えて配置する形態を説明するための模式図である。尚、この図6には、図4(b)に示す整流手段14の第4実施形態に係る整流手段14dを一例として示しているが、当然、この形態の整流手段14dに限られるものではなく、前記の整流手段14の第1〜3実施形態に係る整流手段を用いることも可能である。
図6に示すように、複数の整流手段14dを、平断面形状の水平方向の向きを相互に適宜変えて配置してもよい。このように、整流手段14dを配置することにより、蓄熱容器15に収容された蓄熱材11内を浮上する熱交換媒体12の流れを分断する効果が向上する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
例えば、熱交換媒体12が浮上する流れを複数の流れに分断する水平方向に沿って配置された整流手段14として、平断面形状が複数の六角形を隙間なく配置して形成された蜂の巣状の中空部を有し、所定の厚みを有する板状体を採用することもできる。
本発明の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模式図である。 本発明の一実施形態に係る熱貯蔵器を示す模式図である。 図2に示す整流手段の第1、第2実施形態を示す模式図である。 図2に示す整流手段の第3、第4実施形態を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る他の熱貯蔵器を示す模式図である。 整流手段の向きを相互に変えて配置する形態を説明するための模式図である。
符号の説明
1、2 熱貯蔵器
11 蓄熱材
12 熱交換媒体
13 供給管
14 整流手段
15 蓄熱容器
16 排出管
17 排出口端部
18 供給口端部
21、22 板状体
23 網状体
24 中空部

Claims (3)

  1. 潜熱蓄熱による蓄熱に用いられる蓄熱材と、
    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管と、
    前記蓄熱材内へ供給された前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部へ排出するための排出管と
    前記蓄熱材の上に浮上した前記熱交換媒体と前記蓄熱材との境界に設けられ、前記熱交換媒体が浮上する流れを複数の流れに分断する水平方向に沿って配置された整流手段と、
    を備え
    前記整流手段は、平断面形状が升目状の中空部を有し、且つ、所定の厚みを有する板状体であって、
    複数の前記整流手段を、平断面形状の水平方向の向きを相互に変えて、上下方向に隣り合わせて配置していることを特徴とする、熱貯蔵器。
  2. 潜熱蓄熱による蓄熱に用いられる蓄熱材と、
    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管と、
    前記蓄熱材内へ供給された前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部へ排出するための排出管と
    前記蓄熱材の上に浮上した前記熱交換媒体と前記蓄熱材との境界に設けられ、前記熱交換媒体が浮上する流れを複数の流れに分断する水平方向に沿って配置された整流手段と、
    を備え
    網状体からなる複数の前記整流手段を、平断面形状の水平方向の向きを相互に変えて、上下方向に隣り合わせて配置していることを特徴とする、熱貯蔵器。
  3. 前記蓄熱材を収容した状態で輸送されることを特徴とする、請求項1または2に記載の熱貯蔵器。
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