JP4714923B2

JP4714923B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP4714923B2
Application number: JP2005101940A
Authority: JP
Inventors: 平野　　聡
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284031A

Description

本発明は、物質の相変化を利用して外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱装置に関するものである。

潜熱蓄熱材を融解させて貯蔵した熱を回収し、利用するには、温度が低下し、凝固点以下の温度に達した潜熱蓄熱材を、必要時に凝固させ、凝固熱を発生させる必要がある。潜熱蓄熱材に考えられている物質の多くは、温度が凝固点に低下しても直ちに凝固を開始せず、凝固点よりも低い温度まで過冷却したのちに、凝固を開始し、凝固熱を放出する性質がある。凝固点と凝固開始温度との差、すなわち過冷却度は物質やその置かれた状態により異なるが、６０℃あまりに達する物質もある。このため、潜熱蓄熱材の融液を凝固点以下の温度で速やかに発核させ、凝固を開始させる方法が種々考案されてきている。

図６は特許第３４７２７９５号明細書等に記載されている従来の蓄熱装置を示す。図において、３１は蓄熱容器、３２は前記蓄熱容器３１の中に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、蓄熱容器３１と潜熱蓄熱材３２とで蓄熱体を形成する。３３は前記蓄熱体を収容する蓄熱槽、３４は蓄熱槽３３の内部を上方の蓄熱部と下方の発核部とに分割する断熱体、３５と３６は過冷却を解除するときに熱媒体を注入するための経路、３７と３８は過冷却解除によって得られる熱を熱媒体を介して抽出するための経路、３９は熱源、４０は熱利用設備である。

上述のように構成された蓄熱装置において、熱の注入過程では熱源３９から経路３５、経路３６および経路３７、経路３８を介して蓄熱槽３３の蓄熱部及び発核部に高温の熱媒体を循環させ、潜熱蓄熱材３２を融解させる。熱の保存過程では、潜熱蓄熱材３２の過冷却状態を保持し続ける。熱の抽出過程では、潜熱蓄熱材３２の過冷却状態を解除するために自発的発核温度よりも低い温度の熱媒体を熱源３９から経路３５、経路３６を介して蓄熱槽３３の発核部に循環させ、発核部に位置する潜熱蓄熱材３２を冷却する。この操作により、潜熱蓄熱材３２の下部から発核が起こり、潜熱蓄熱材３２の再結晶化が始まる。ひとたび再結晶化が始まれば、結晶は急速に上方へ成長していく。そこで、熱媒体を蓄熱槽３３の蓄熱部に循環させれば、潜熱蓄熱材３２から放出される凝固熱を回収し、蓄熱装置に接続された熱利用設備で利用することができる。

特許第３４７２７９５号明細書

上述のように構成された蓄熱装置の蓄熱体においては、過冷却状態を解除するための冷熱を受ける蓄熱体の断面構造が一様であるため、主に蓄熱材自身を媒介とする上方の蓄熱部から下方の発核部への熱損失が大きくなり、冷却による発核操作の障害になるばかりではなく、貯蔵していた熱の損失にもなることが問題である。また、蓄熱体の断面構造が一様であるため、蓄熱体同士が密着してしまい、熱媒体が蓄熱槽内を均一に流れることができず、効率よく熱の注入・抽出を行うことができない。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、熱損失量の少なく、発核が確実に行われ、かつ熱媒体が蓄熱槽内を均一に流れることが可能な蓄熱装置を提供することを目的とする。

本発明による蓄熱装置は、断面積が大きい部分と小さい部分とを持ち、内部に潜熱蓄熱材が充填される複数の蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体の断面積の小さい部分が貫通され、前記蓄熱槽を、蓄熱部としての第１領域Ａと、発核部としての第２領域Ｂとに分離する断熱板とを備え、前記第２領域Ｂには前記蓄熱体の断面積の小さい部分のみが存在し、前記第１領域Ａには前記蓄熱体の断面積の大きい部分と小さい部分とが存在するようにし、該蓄熱体の断面積の小さい部分が貫通され、前記蓄熱体を支持するとともに、前記第１領域Ａを上下二つの蓄熱部に区画する支持板が設けられ、該支持板には、下側の蓄熱部（Ａ１）に供給された熱媒体を上側の蓄熱部（Ａ２）に流通させ、前記蓄熱体の断面積の大きい部分の各外表面に、該蓄熱体の軸方向の流れを形成する流通孔が設けられていることを特徴とする。

また、前記流通孔は、前記支持板の内側に設けられた孔より最外周に設けられた孔の方が小さいことを特徴とする。
また、前記蓄熱体は、前記領域Ａにある部分の断面積が端部で絞られており、該蓄熱体端部が貫通され、かつ前記熱媒体が流通するための流通孔が設けられた支持板を備えたことを特徴とする。
また、前記領域Ｂの内部に電熱器が設けられていることを特徴とする。
また、前記領域Ａの内部に電熱器が設けられていることを特徴とする。

また、前記潜熱蓄熱材は、水和物を主成分とすることを特徴とする。
また、前記潜熱蓄熱材は、相分離防止剤が添加されていることを特徴とする。
また、前記水和物は、燐酸水素二ナトリウム十二水和物であることを特徴とする。
また、前記水和物は、硫酸ナトリウム十水和物であることを特徴とする。
また、前記水和物は、塩化カルシウム六水和物であることを特徴とする。
また、前記水和物は、チオ硫酸ナトリウム五水和物であることを特徴とする。
また、前記水和物は、酢酸ナトリウム三水和物であることを特徴とする。
また、前記水和物は、塩化マグネシウム六水和物を主成分とする。

また、前記潜熱蓄熱材は、アルコールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、スレイトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、エリスリトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、マンニトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、ズルシトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、ペンタエリスリトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記アルコールは、イノシトールを主成分とすることを特徴とする。
また、前記潜熱蓄熱材は、尿素樹脂を主成分とすることを特徴とする。

本発明の蓄熱装置では、過冷却を解除するために冷却される領域Ｂに位置する蓄熱体の断面積が冷却されない領域Ａに位置する蓄熱体の断面積よりも小さいので、領域Ｂの蓄熱体の熱容量を小さくし、かつ領域Ａから領域Ｂへの熱移動を小さくすることもできる。これにより、領域Ｂは効率良く冷却されて発核操作を円滑に行うことができ、同時に冷却の不要な領域Ａの熱損失を小さく抑えることも可能になる。また、断面積の小さい部分を蓄熱体の冷却される部分と冷却されない部分の接続部分に設けることによって、発核の起こり易さを妨げることなく、発核効率を高めることができる。よって、該蓄熱体を用いた蓄熱装置は、凝固の制御性が高まるとともに、有効に熱を利用することが可能となる。
さらに、本発明の蓄熱装置では、蓄熱体と熱媒体との熱交換を迅速に行わせることが可能となる。この特徴を図５の熱媒体の流れを示す図を用いて説明する。蓄熱槽内の熱媒体の流れは、蓄熱体の軸方向を主成分とする流れと半径方向を主成分とする流れが起き得る。しかし、蓄熱体同士が密着していると、熱媒体が蓄熱体同士の間隙に侵入することは困難である。従来の蓄熱装置では、蓄熱体が下端から同一の断面形状で伸びていたので、蓄熱槽に流入した熱媒体は蓄熱体群の最外周に位置する蓄熱体に邪魔されて、蓄熱体間に流れ込むことが困難であった。このため、従来装置では蓄熱体群の最外周の軸方向の流れが強く、蓄熱体間の流れは弱いので、熱媒体と蓄熱体と間の熱交換は主に最外周の蓄熱体に対して作用し、蓄熱体群の内側に位置する蓄熱体の熱交換は、漏れて蓄熱体間へ浸入した僅かの熱媒体との間の熱伝達と、最外周に位置する蓄熱体との熱伝導で行われる。その結果として、とくに蓄熱体群の内側に位置する蓄熱体は融解に時間がかかるとともに、凝固後の熱回収にも時間を必要とした。

本発明の蓄熱装置の断面構造図である。（実施例１）本発明の蓄熱体の断面構造図である。（実施例１）本発明の支持板の上面図である。（実施例１）本発明の蓄熱装置の断面構造図である。（実施例２）熱媒体の流量を説明する図である。従来の蓄熱装置の断面図である。

本発明の蓄熱装置は、主に蓄熱を目的とする領域Ａに収容された複数の蓄熱体において、その断面積の大きい部分同士が密着していても、その断面積の小さい部分同士においては蓄熱体と仕切板との間に間隙ができるので、領域Ａ内を循環する熱媒体が該間隙から各蓄熱体間の隙間に容易に侵入し、蓄熱体間の軸方向の流れを形成させやすい。このため、蓄熱体群の最外周に位置する軸方向の流れと、蓄熱体群の内側に形成される蓄熱体間の軸方向の流れとが、均一に形成されやすい。その結果として、蓄熱体は蓄熱槽内の設置位置にかかわらず熱媒体との間で均一な熱交換を行わせることが可能になり、融解時間と凝固後の熱回収時間を短縮することが可能になる。
また、従来装置の融解時間、熱回収時間で許容される対象であっても、本発明の装置では蓄熱槽内の流れの偏りすなわち温度分布の偏りを小さくすることができるので、熱伝導の駆動力となる温度差を小さくすることができ、従来よりも蓄熱材の融点に近い低温で融解させることが可能になる。

また、前記領域Ａに蓄熱体を支持するための支持板を蓄熱体の断面積の小さい部分を貫通させて設けることにより、前記蓄熱体を安定的に固定でき、前記領域Ｂにある蓄熱槽の底面に対して蓄熱体の最端部を浮上させることができるので、蓄熱体の最端部と蓄熱槽との間の直接的熱損失を防止できる。
また、前記支持板に設けられた流通孔を介して、蓄熱槽内を熱媒体が循環する。
このとき、支持板の内側に設けられた流通孔よりも最外周に設けられた流通孔の方が小さいので、熱媒体の流れにくい蓄熱体同士の密着した内部に熱媒体が流れやすくなり、流れを均一にすることができる。

本発明の蓄熱装置は、熱媒体の循環する領域Ａに複数の蓄熱体の断面積の大きい部分と小さい部分とが収容され、かつ発核を促すための領域Ｂに該蓄熱体の断面積の小さい部分が収容されていることを特徴とする。

図１は本発明の蓄熱装置の断面構造図である。また、図２に本実施例の蓄熱体の断面詳細図を示す。図１において、１は例えばポリプロピレンからなる蓄熱容器であり、２は前記蓄熱容器１の中に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、でんぷん質の相分離防止剤を添加した燐酸水素二ナトリウム十二水和物（融点３６℃）を主成分とする。蓄熱容器１と潜熱蓄熱材２とで蓄熱体を形成する。蓄熱容器１は図２に示すように、潜熱蓄熱材２を注入した後、例えばポリプロピレンからなる蓋１５を溶着することで、密封される。蓄熱容器１は、主にその断面積の異なる２つの部分ａ、ｂからなるが、小さい方の断面の直径は凝固時の結晶成長を妨げない大きさとして、１ｍｍ以上に設定する。また、蓄熱容器１は潜熱蓄熱材２を注入する上部に断面積の小さい部分ｃを持つが、これは蓄熱体を支持するのにも好都合となる。

容器１および潜熱蓄熱材２は、材料適合性があれば種々の材料の組み合わせが考えられ、本実施例に限定されない。たとえば、容器１の材料にはポリエチレンやフッ素樹脂、ステンレス鋼、酸化アルミニウムなども耐食性が高く、種々の潜熱蓄熱材２に適用できる。
また、潜熱蓄熱材２は必要とする融点に応じた物質が選択可能であり、たとえば硫酸ナトリウム十水和物（融点３２℃）、塩化カルシウム六水和物（融点２９℃）、チオ硫酸ナトリウム五水和物（融点４８℃）、酢酸ナトリウム三水和物（融点５８℃）、塩化マグネシウム六水和物（融点１１５℃）などの水和物、スレイトール（融点８８℃）、エリスリトール（融点１１８℃）、マンニトール（融点１６７℃）、ズルシトール（融点１８７℃）、ペンタエリスリトール（融点１８７℃）、イノシトール（融点２２４℃）などの多価アルコール類、各種融点のパラフィン類、安息香酸（融点１２２℃）、尿素（融点１３３℃）などの有機物も使用できる。

３は前記蓄熱体を収容する蓄熱槽であり、蓄熱部Ａと過冷却解除のときに自発的発核温度以下に冷却される発核部Ｂとに断熱板４を介して分断される。蓄熱体の断面積の大きい部分ａと断面積の小さい部分ｂの一部は蓄熱部Ａに存在し、蓄熱体の断面積の大きい部分ａの存在する領域を蓄熱部Ａ２、断面積の小さい部分ｂの一部が存在する領域を蓄熱部Ａ１と区分する。断面積の小さい部分ｂの残りの部分は断熱板４を貫通して発核部Ｂに存在する。蓄熱槽３の材質は、ステンレス鋼やポリプロピレン、架橋ポリエチレンなどの耐熱、耐食、防液性及び支持強度のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。断熱板４の材質は、フッ素ゴム、シリコンゴムおよびそれらの発泡体などの耐熱、耐食、防液性及び断熱性のある材料であれば、種々の材料が選択可能である。特に、断熱板４に弾性のある材料を用いると蓄熱部Ａと発核部Ｂとの間のシール性がよくなる。

５は蓄熱槽内を循環する熱媒体、６と７は過冷却を解除するときに熱媒体を注入するための経路、８と９は過冷却解除によって得られる熱を熱媒体を介して抽出するための経路である。１０は蓄熱体と断熱板４を鉛直方向に支持するために、蓄熱体が貫通できる孔が開けられた支持板である。１１は蓄熱体を支持するために蓄熱体の上部ｃが貫通できる孔の開けられたディフューザーであり、蓄熱槽３の中の熱媒体の流れを水平方向断面で一様になるようにするために流路となる多数の孔が開けられている。１２は熱媒体５を循環させるためのポンプ、１３は蓄熱槽の外部に設けられている熱源で、加熱／冷却の駆動力は電気や燃焼熱、太陽熱など種類を問わない。１４は熱利用設備である。図示していないが、蓄熱槽３の外面や接続配管は、グラスウールやポリスチレンフォーム、クロロプレンフォームのような断熱材で被覆される。

次に上述のように構成された蓄熱装置の動作について説明する。まず、熱の注入時には、熱源１３から蓄熱槽３の蓄熱部Ａと発核部Ｂに経路６→経路７、経路８→経路９の順にそれぞれ高温の熱媒体を循環させ、容器１を介して潜熱蓄熱材２を加熱し、融解させる。
蓄熱が完了すると、熱媒体５の循環を停止させ、蓄熱槽３を放置する。熱の保存期間においては、蓄熱槽から蓄熱槽周囲環境への熱損失のために、潜熱蓄熱材２の温度は徐々に低下し、過冷却状態になる。この際、発核部Ｂの温度が潜熱蓄熱材２の自発的発核温度を下回らないように熱媒体５を少量循環させて保持する。

熱の抽出時には、熱源１３から潜熱蓄熱材２の自発的発核温度よりも低温の熱媒体５を経路６から経路７へ循環させ、潜熱蓄熱材２を冷却することで発核を起こさせる。一度発核が起こると結晶は上方に成長し、蓄熱部Ａに潜熱を放出しながら凝固が進展する。発核が完了すれば、経路６から経路７への冷却水の循環を停止させる。次に、蓄熱体から放出される凝固熱を抽出するために経路８から経路９に熱媒体５を循環させ、蓄熱体から熱媒体５に熱を移動させる。このとき、複数の蓄熱体において、その断面積の大きい部分ａ同士が密着していても、その断面積の小さい部分ｂ同士においては間隙ができるので、経路８から蓄熱部Ａ１に注入される熱媒体５は該間隙から断面積の大きい部分ａの蓄熱体間の微細な間隙にも移動しやすく、蓄熱部Ａ１から蓄熱部Ａ２まで均一に熱媒体５を流入させることができ、すなわち効率よく熱の注入・抽出を行わせることができる。潜熱蓄熱材２の凝固熱で加熱されて経路９から流出する熱媒体５は、熱利用設備１４で利用された後に、経路８から蓄熱槽３に帰還する。
各経路に熱媒体を流す方向は自由であり、例えば加熱時は経路７→経路６→経路８→経路９の順やその逆の経路９→経路８→経路６→経路７の順に、蓄熱部Ａと発核部Ｂを直列接続で熱媒体５を循環させてもよい。また、冷却時は経路７→経路６で、熱回収時は経路９→経路８で熱媒体５を循環させてもよい。

１６は蓄熱部Ａ１と蓄熱部Ａ２との境界に設けられた支持板であり、蓄熱体を鉛直方向に支持するために、蓄熱体の断面積の小さい部分ｂが貫通できる孔が開けられ、また、熱媒体５の流路となる多数の孔が開けられている。１７は蓄熱容器１が貫通する部分である。このとき、孔の大きさは、図３に示すように最外周の孔１８の方が内側の孔１９よりも小さくなるように設定されている。支持板１６の材質は、ステンレス鋼やフッ素樹脂など耐熱、耐食性と強度のある材料であれば、種々の材料が選択できる。

上述のように構成された蓄熱装置においては、支持板１６を設けたことにより、発核部Ｂに位置する蓄熱体の底部を蓄熱槽３から浮上させることができるので、蓄熱体の底部と蓄熱槽３との間の直接的な熱損失を防止することができる。また、支持板１６に開けられた孔は、最外周の孔１８の方が内側の孔１９よりも小さく設定されているので、経路８からの熱媒体５は最外周の孔１８より内側の孔１９の方が管路抵抗が小さく、通過しやすい。逆に支持板１６より上方では、該蓄熱装置の構造から熱媒体５は蓄熱体同士の間隙を流れるよりも、蓄熱体群の外側と蓄熱槽３の内面で挟まれた空間の方が広く、通過しやすい。したがって、支持板１６で両者の管路抵抗を調節すれば、蓄熱体群の外側と蓄熱体間の熱媒体５の流量を均一にし、蓄熱体と熱媒体５との間の熱交換を均一にすることができる。

図４は、本発明の他の蓄熱装置の断面構造図を示す。図において、１〜１１、１６は図１と同一あるいは相当する部分を示す。２０は発核部Ｂに設けられた電熱器、２１は蓄熱部Ａに設けられた電熱器である。電熱器２０を設けることにより、熱の貯蔵期間中に発核部Ｂの潜熱蓄熱材２が自発的発核温度を下回ってしまわないように温度を制御することができる。また、蓄熱部Ａに電熱器２１を設けることにより、電力、とくに深夜電力で蓄熱槽内を加熱できる。電熱器２０、２１は、必要に応じてどちらかあるいは両方を設置すればよい。また、実施例１の蓄熱装置に設置することも可能である。

１蓄熱容器
２潜熱蓄熱材
３蓄熱槽
４断熱板
５熱媒体
１０、１６支持板
１１ディフューザー
１８、１９流通孔
２０、２１電熱器

Claims

断面積が大きい部分と小さい部分とを持ち、内部に潜熱蓄熱材が充填される複数の蓄熱体と、前記蓄熱体を収容する蓄熱槽と、前記蓄熱体の断面積の小さい部分が貫通され、前記蓄熱槽を、蓄熱部としての第１領域Ａと、発核部としての第２領域Ｂとに分離する断熱板とを備え、前記第２領域Ｂには前記蓄熱体の断面積の小さい部分のみが存在し、前記第１領域Ａには前記蓄熱体の断面積の大きい部分と小さい部分とが存在するようにし、該蓄熱体の断面積の小さい部分が貫通され、前記蓄熱体を支持するとともに、前記第１領域Ａを前記断熱板の存在する側の蓄熱部（Ａ１）と前記断熱板の存在しない側の蓄熱部（Ａ２）とに区画する支持板が設けられ、該支持板には、蓄熱部（Ａ１）に供給された熱媒体を蓄熱部（Ａ２）に流通させ、前記蓄熱体の断面積の大きい部分の各外表面に、該蓄熱体の軸方向の流れを形成する流通孔が設けられていることを特徴とする蓄熱装置。
前記流通孔は、前記支持板の内側に設けられた孔より最外周に設けられた孔の方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
前記蓄熱体は、前記第１領域Ａにある部分の断面積が端部で絞られており、該蓄熱体端部が貫通され、かつ前記熱媒体が流通するための流通孔が設けられた支持板を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱装置。
前記第２領域Ｂの内部に電熱器が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の蓄熱装置
前記第１領域Ａの内部に電熱器が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の蓄熱装置。
前記潜熱蓄熱材は、水和物を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の蓄熱装置。
前記潜熱蓄熱材は、相分離防止剤が添加されていることを特徴とする請求項６に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、燐酸水素二ナトリウム十二水和物であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、硫酸ナトリウム十水和物であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、塩化カルシウム六水和物であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、チオ硫酸ナトリウム五水和物であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、酢酸ナトリウム三水和物であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記水和物は、塩化マグネシウム六水和物を主成分とすることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の蓄熱装置。
前記潜熱蓄熱材は、アルコールを主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、スレイトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、エリスリトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、マンニトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、ズルシトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、ペンタエリスリトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記アルコールは、イノシトールを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の蓄熱装置。
前記潜熱蓄熱材は、尿素樹脂を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の蓄熱装置。