JP4905690B2

JP4905690B2 - 蓄熱装置

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Publication number: JP4905690B2
Application number: JP2007050403A
Authority: JP
Inventors: 謙年林; 繁則松本; 信吾高雄; 利幸濱田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008215656A

Description

本発明は、包接化合物のホスト分子を溶媒としゲスト分子を溶質として含む溶液（以下、「原料溶液」という）を冷却することにより潜熱蓄熱物質である包接化合物を生成させ、該包接化合物に潜熱相当の熱エネルギーを蓄積し、該包接化合物を融解させることにより当該包接化合物に蓄積されている熱エネルギーを放出させる蓄熱技術に関し、より詳しくは、原料溶液を冷却して包接化合物を生成させる熱交換器を収容する蓄熱槽を備える蓄熱装置において、当該蓄熱槽内で生成する包接化合物に蓄積されている熱エネルギーを効率的に蓄熱槽外に取り出す技術に関する。

ビル空調において夜間電力の有効利用及び電力負荷平準化を図るために、夜間や冷房負荷のオフピーク時に蓄熱材に蓄熱して、昼間の冷房運転時に蓄熱材から冷熱を取り出す蓄熱式空調システムが一般に用いられている。

このような蓄熱式空調システムにおいて、蓄熱材として氷を用いる場合、特許文献１に開示されているような、蓄熱槽内に冷媒を流通させるチューブ式またはコイル式熱交換器を設け、蓄熱時には熱交換器チューブの周囲に氷を生成し、冷熱取出し時には氷を融解させる、一般的に「内融式」と呼ばれている方法が知られている。

特許文献１の蓄熱方式によると、蓄熱時には、チューブ内に流れる代替フロン、二酸化炭素、アンモニアなどの冷媒によって蓄熱槽内の水が冷却されてチューブ外側に氷が成長していき、冷熱取出し時にはチューブ内に流れる冷媒によって昇温され氷が融解する。

このような蓄熱材として氷を用いる氷蓄熱槽では、冷熱取出し時にチューブ周囲に付着している氷が融解して剥離し、氷の密度が水より小さいため、剥離した氷が蓄熱槽上部に浮上する。このため、氷が蓄熱槽の上部にのみ存在することとなり、冷熱の取出し効率が低下するという問題があった。

そこで、この問題に対して、特許文献２，３に示されるように、氷の浮上を防止すべく、例えば水平な板状又は網状の部材等の氷浮上防止材を蓄熱槽内に設けて氷の浮上を防止することが提案されている。ただし、内融式の氷蓄熱技術の場合、氷が蓄熱槽上部に浮上してしまったとしても、蓄熱槽内では相対的に高温の水が浮揚するので、浮上した氷との共存により、当該氷は融解し易く、残存し難いと言える。

氷以外の蓄熱材としては、冷却すると包接化合物を生成する原料溶液を用いるものが知られている。例えば、特許文献４には、冷却すると包接水和物を生成する水溶液を蓄熱材として用いる蓄熱装置が開示されている。
特開平１１−１４１９２７号公報特開平５−３４０６３６号公報特開２００２−３３３１６９号公報特開２０００−１１１２８３号公報

しかし、潜熱蓄熱物質である包接化合物、特に原料溶液より密度が大きい包接化合物を用いて、内融式の包接化合物蓄熱技術、即ち、原料溶液とその原料溶液の中に配置される熱交換器とを収容する蓄熱槽内で、熱交換器により原料溶液を冷却して包接化合物を生成させ、その熱交換器の熱交換面の外表面に包接化合物の塊状体を成長させることにより熱エネルギーを蓄積し、その熱交換面の外表面の側から当該包接化合物の塊状体を融解させて、熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出すという技術を構築しようとすると、次のような固有の問題が生じてくる。
（１）従来の蓄熱装置において、熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出す際、包接化合物の塊状体が熱交換器の熱交換面の外表面から離れて沈降すると、該塊状体は蓄熱槽内にて槽内底部に偏在することとなるので、熱エネルギーの回収を効率的に行うことができなくなる。
（２）蓄熱槽内では相対的に低温の原料溶液が沈降するので、該原料溶液と沈降した包接化合物とが共存しても、当該包接化合物は融解し難く、残存し易くなり、結局、熱エネルギーの回収を効率的に行うことができなくなる。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、原料溶液より密度が大きい包接化合物を用いて蓄熱した後に冷熱の取出しを行なう際に、冷熱の取出し効率を高める蓄熱装置を提供することを目的とする。

＜第一発明＞
本発明に係る蓄熱装置は、包接化合物のホスト分子を溶媒としゲスト分子を溶質として含む溶液を冷却して、熱交換面の外表面に該溶液よりも密度が大きい包接化合物の塊状体を成長させることにより熱エネルギーを蓄積し、その熱交換面の外表面の側から前記包接化合物の塊状体を融解させて熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出す熱交換器と、該熱交換器を収容する蓄熱槽とを備える。

かかる蓄熱装置は、前記熱交換器の下部と前記蓄熱槽の底部との間に配置されて溶液の透過を許容しつつ、沈降する前記包接化合物の塊状体が前記蓄熱槽の底部へ到達することを阻止する沈降阻止部材と、該沈降阻止部材より下方となる前記蓄熱槽の底部から該蓄熱槽の上部に向けて該蓄熱槽の底部の溶液を送り出して該溶液を循環させる液循環経路とを備えることを特徴としている。

このような構成の蓄熱装置では、熱交換器の熱交換面から剥離して蓄熱層内を沈降する包接化合物の塊状体は、熱交換器の下部と蓄熱槽との間に配置された沈降阻止部材によって蓄熱槽の底部へ到達することを阻止され、該沈降阻止部材上に堆積する。そして、沈降阻止部材よりも下方の領域の溶液は、該沈降阻止部材上の塊状体により冷却されて該塊状体とほぼ同じ温度となる。かかる蓄熱装置では、蓄熱槽の底部、具体的には沈降阻止部材よりも下方の領域から蓄熱槽上部に向けて溶液が循環される。これによって、蓄熱槽上部において、該蓄熱槽上部の溶液よりも低温となっている蓄熱槽底部の溶液と熱交換器との間で熱交換を行わせることが可能となる。また、かかる蓄熱装置では、沈降阻止部材によって塊状体が蓄熱槽の底部へ到達することが阻止されているので、沈降した塊状体によって液循環経路が閉塞されることはない。

ここで、本発明において用いられる、次に掲げる用語又は表現の意味は、以下のとおりとする。

（１）「包接化合物」とは、複数の分子が適当な条件下で組み合わさって結晶ができるとき、一方の分子（ホスト分子）が籠状、トンネル形、層状または網状構造をつくり、その隙間に他の分子（ゲスト分子）が入りこんだ構造の化合物の意味であり、包接水和物、準包接水和物を含む。言うまでもなく、水が凝固してできる氷はこれに該当しない。

（２）「熱交換器」とは、熱源又は熱媒体との熱交換を可能にする伝熱面を備える伝熱物体を意味し、該伝熱物体が中実であるか否か、断面形状、寸法、材質等は問わない。プレート式や多管式といった型式も問わない。ヒートパイプも「熱交換器」の一種である。本発明の具体的な説明を行う際に、熱媒体が流通する空洞を有する伝熱管を「熱交換器」として本発明の具体的な説明を行う場合があるとしても、それは「熱交換器」をかかる伝熱管に限定する意図ではない。

（３）熱交換器の「伝熱面」とは、熱交換器による熱交換が行われる、当該熱交換器が備える外表面及びその熱交換の効果が及ぶ前記外表面の近傍領域をいう。

（４）「下方」及び「上方」とは、それぞれ、重力が働く方向及びその反対の方向をいう。

（５）「塊状体」とは、一つの集合体としての外形を有する物体をいい、周囲のものと視覚的に区別できる外形であれば、その形状に限定はなく、特に明記する場合を除き、内部の構造、強度、硬度、粘性、密度、組成等は問わない。なお、「包接化合物の塊状体」とは、包接化合物が生成を重ねて塊状をなし、塊状体と肉眼で認定できる状態になるに至ったものをいう。

（６）「調和融点」とは、原料溶液の液相から包接化合物が生成する際、原料溶液中のゲスト分子の濃度と包接化合物中のゲスト分子の濃度とが等しく、包接化合物の生成の前後において当該液相の組成が変わらない場合の温度をいう。なお、縦軸を包接化合物生成温度、横軸を原料溶液中のゲスト分子の濃度とした状態図では極大点が「調和融点」となる。また、調和融点を与える原料溶液中のゲスト分子の濃度を「調和融点濃度」という。調和融点濃度未満の濃度の原料溶液から包接化合物を生成する場合には、包接化合物の生成につれて原料溶液のゲスト分子の濃度が低下し、その濃度に対する包接化合物生成温度が低下する。

熱交換器は沈降阻止部材上に堆積した包接化合物を融解する底部熱交換部を備えていることが好ましい。このように、底部熱交換部を設けることにより、蓄熱槽の底部付近において、沈降阻止部材上に堆積した包接化合物や該包接化合物によって冷却されて低温となっている、すなわち蓄熱密度が高くなっている溶液と底部熱交換部とで熱交換が行われる。これによって、包接化合物に蓄積された冷熱を取り出して利用する際、冷媒は、蓄熱槽上部と比較して低温となっている蓄熱槽底部付近においても包接化合物や溶液から冷熱を回収することとなり、蓄熱利用効率を向上させることができる。

底部熱交換部は、内部に冷媒を流通させる伝熱管を備え、該伝熱管は伝熱面積を増大させる伝熱部材が取り付けられていることが好ましい。このように、伝熱部材を取り付けることにより、包接化合物に蓄積された冷熱を取り出して利用する際、蓄熱槽底部付近での熱交換において、冷媒はより多くの冷熱を回収することとなり、蓄熱利用効率をさらに向上させることができる。

かかる蓄熱装置は、溶液と冷媒との熱交換を可能とする副熱交換器をさらに備えていることが好ましい。これによって、副熱交換器においても、溶液と冷媒との間で熱交換を行うことができるので、低温の溶液と冷媒を熱交換させて冷媒を冷却することが可能となる。

副熱交換器は、熱交換器を流通した後の冷媒が液循環経路での溶液と該副熱交換器にて熱交換するようになっていることとが好ましい。これによって、液循環経路を流通している、蓄熱槽底部側で冷却されて低温となった溶液と、蓄熱槽内の熱交換器を流通した後の冷媒とが副熱交換器において、熱交換することとなり、冷媒を冷却することが可能となる。

＜第二発明＞
第一発明では、該沈降阻止部材より下方となる前記蓄熱槽の底部から該蓄熱槽の上部に向けて該蓄熱槽の底部の溶液を送り出して該溶液を循環させる液循環経路を備えることとしたが、第二発明として、蓄熱槽の上部から沈降阻止部材より下方となる該蓄熱槽の底部に向けて該蓄熱槽の上部の溶液を送り出して該溶液を循環させる液循環経路を備えることとしてもよい。

このように、蓄熱槽の上部から底部に向けて溶液を循環させることにより、蓄熱槽底部の溶液よりも高温である蓄熱槽上部の溶液が蓄熱槽底部に供給される。これによって、沈降阻止部材上に堆積している包接化合物の塊状体の融解が促進されるので、蓄熱槽における包接化合物の塊状体の偏在が解消される。この結果、包接化合物および溶液から冷熱を取り出して利用する際、冷熱の取出し効率が向上する。

本発明に係る蓄熱装置では、第一発明として、熱交換器の下部と蓄熱槽の底部との間に沈降阻止部材を配置して包接化合物の塊状体が蓄熱槽の底部へ到達することを阻止し、蓄熱槽上部の溶液よりも低温となっている蓄熱槽底部の溶液を蓄熱槽上部に向けて循環させることとした。これによって、原料溶液より密度が大きい包接化合物の塊状体を生成させて冷熱を蓄積し、該包接化合物の塊状体を融解させて熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出す際、包接化合物の塊状体が熱交換器の熱交換面から剥離して沈降しても、蓄熱槽の上部側において、底部側から循環させた溶液と熱交換器との間で熱交換を行わせることができるので、冷熱の取出し効率が高められる。

また、本発明に係る蓄熱装置では、第二発明として、蓄熱槽の上部から底部に向けて溶液を循環させることとした。これによって、蓄熱槽底部の溶液より高温である蓄熱槽上部の溶液が蓄熱槽底部に供給され、沈降阻止部材上に堆積している包接化合物の塊状体の融解が促進される。この結果、蓄熱槽における包接化合物の塊状体の偏在が解消され、冷熱の取出し効率が向上する。

＜第一実施形態＞
以下において、本発明の実施形態として包接水和物を利用した蓄熱装置について説明する。包接化合物の具体例として包接水和物について説明するが、本発明は、包接水和物以外の包接化合物であっても、包接化合物のホスト分子を溶媒としゲスト分子を溶質として含む溶液を冷却して該溶液よりも密度が大きい包接化合物を生成させることができるものであれば、利用することが可能である。

図１は第一実施形態に係る蓄熱装置である。同図に示されるように、かかる蓄熱装置は、蓄熱槽１に包接水和物のゲスト分子を含む水溶液からなる原料溶液（以下、「水溶液」という）が貯留されており、この蓄熱槽１内には水溶液と冷凍サイクルの熱媒体としての冷媒とを熱交換させる熱交換器２（ここでは伝熱管）が収容されている。この熱交換器２としての伝熱管は管内に熱媒体を流通して上記熱交換を行う際に、その伝熱面積を大きくするために、図示の例では、上下に蛇行して形成されその管長を長くしている。熱交換器２の下部と蓄熱槽１の底部との間には、沈降する包接水和物の塊状体が蓄熱槽１の底部へ到達することを阻止する沈降阻止部材３が配置されている。該沈降阻止部材３は、例えば、網状の部材や複数の孔が形成された有孔部材等、水溶液の通過を許容しつつ包接化合物の塊状体の通過を阻止する形状の部材である。ただし、沈降阻止部材３に形成された孔よりも小さい包接水和物の塊状体は、該沈降阻止部材３の通過が許容される。

蓄熱槽１には、その底部、具体的には沈降阻止部材３よりも下方の領域から槽内上部に向け水溶液を送るべく、循環経路４が槽外に設けられ、この循環経路４にはポンプ５が設けられている。該ポンプ５の作動により、沈降阻止部材３よりも下方の領域の水溶液が循環経路４を経て槽内上部へ送られる。

このような蓄熱装置では、蓄熱工程において、熱交換器２としての伝熱管に包接水和物生成温度より低温の冷媒が流通されると、冷媒が伝熱管表面で水溶液と熱交換して、水溶液が冷却され包接水和物が形成される。包接水和物は熱交換器２の表面に付着し堆積して熱交換器２の周囲に包接水和物の塊状体が形成される。包接水和物を生成する際の潜熱が熱エネルギーとして蓄積される。

蓄積された熱エネルギーを取出す放熱工程において、熱交換器２としての伝熱管に包接水和物生成温度より高温の冷媒が流通されると、冷媒が伝熱管表面で包接水和物と熱交換して、冷媒が冷却されて冷熱エネルギーが回収される。包接水和物は熱交換器２の表面に接している部分から融解し、未融解の包接化合物の塊状体が熱交換器２の表面から離脱し、包接水和物と水溶液との密度差に応じて下方に沈降して沈降阻止部材３上に堆積する。そして、沈降阻止部材３よりも下方の領域の水溶液は、沈降阻止部材３上の塊状体により冷却されて塊状体とほぼ同じ温度となっている。図１には熱交換器２としての伝熱管の周囲に包接水和物の塊状体が付着残留している状態および包接水和物の塊状体が熱交換器２の表面から剥離して沈降して沈降阻止部材３上に堆積している状態を示している。

さらに、この蓄熱装置では、蓄熱槽の底部、具体的には沈降阻止部材３よりも下方の領域から蓄熱槽上部に向けて水溶液が循環される。これによって、蓄熱槽上部において、該蓄熱槽上部の水溶液よりも低温となっている蓄熱槽底部の水溶液と熱交換器との間で熱交換を行わせることが可能となる。また、かかる蓄熱装置では、沈降阻止部材３によって塊状体が蓄熱槽の底部へ到達することが阻止されているので、沈降した塊状体によって循環経路４が閉塞されることはない。

熱交換器２としての伝熱管の配置例として、上下方向に蛇行したものを示したが、これに限定されるものではなく、例えば、水平方向に蛇行するように配置したものでもよい。

図２は、図１の蓄熱装置を有する蓄熱式空気調和装置１０を示す図である。図２の蓄熱式空気調和装置１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、外気と冷凍サイクルの冷媒との熱交換を行う室外側熱交換器１２、室内に設置されて室内空気と冷凍サイクルの冷媒との熱交換を行う室内側熱交換器１３、該室内側熱交換器１３に流入する冷媒を減圧する第一減圧装置１４、蓄熱槽内１に包接水和物のゲスト分子を含む水溶液からなる蓄熱材を貯留すると共に熱交換器２を有する蓄熱装置、該蓄熱装置の熱交換器２に流入する冷媒を減圧する第二減圧装置１５を有している。そして、冷媒配管でこれらの機器が連結されて冷凍サイクル回路が構成されている。また、冷凍サイクル回路には、図２に示されるように、冷媒の流路を切り換える開閉弁１６，１７，１８，１９が設けられている。

以下、本実施形態に係る蓄熱式空気調和装置１０の動作を説明する。このシステムでは、蓄熱運転、蓄熱利用過冷却冷房運転、そして一般冷房運転に切り換えることができる。

（１）蓄熱運転
蓄熱運転時には、開閉弁１６、１９が「開」となり、開閉弁１７、１８が「閉」となる。また、蓄熱槽１内の熱交換器２を構成する伝熱管に冷媒が流通される。上記のような開閉弁の状態において、圧縮機１１から吐出された冷媒は室外側熱交換器１２で凝縮される。液化した冷媒は第二減圧装置１５で減圧され、減圧された冷媒は伝熱管内で蒸発して水溶液を冷却し伝熱管外表面に包接水和物の塊状体を形成して蓄熱する。

（２）蓄熱利用過冷却冷房運転
蓄熱利用過冷却冷房運転時には、開閉弁１６，１８を「開」、開閉弁１７，１９を「閉」とする。また、第二減圧装置１５は全開にしておく。上記のような開閉弁の状態において、圧縮機１１から吐出された冷媒は室外側熱交換器１２で凝縮される。液化した冷媒は開弁した第二減圧装置１５を経由して蓄熱槽１内の熱交換器２で包接水和物の塊状体と熱交換して冷却され過冷却状態になる。このとき、蓄熱装置では，図１で示したポンプ５を作動させて蓄熱槽１の底部から水溶液を抜き出し、槽内上部へ戻すように水溶液を循環させている。該熱交換器２を経由して過冷却状態になった冷媒は、第一減圧装置１４で減圧されて室内側熱交換器１３で蒸発して室内を冷房し、再び圧縮機１１に戻る。

蓄熱利用過冷却冷房運転を継続していると、伝熱管表面から包接水和物の塊状体が融解し、この融解がある程度進むと包接水和物の塊状体が伝熱管から剥離する。包接水和物の密度は水溶液よりも大きいため、剥離した包接水和物の塊状体は蓄熱槽１の下方へ沈降し、沈降阻止部材３上に堆積する。該沈降阻止部材３上の塊状体はその周囲の水溶液を該塊状体とほぼ同温度に冷却する。したがって、ポンプ５を作動させて沈降阻止部材３よりも下方の水溶液を循環経路４によって蓄熱槽１の上部の水溶液液面近傍に戻すことにより、蓄熱槽１上部の水溶液よりも低温、すなわち蓄熱密度の高い水溶液を伝熱管と熱交換させることができる。これによって、伝熱管から剥離して該伝熱管との熱交換ができなくなった包接水和物の塊状体の保有する潜熱を効率的に回収することができ、冷熱の取出し効率が向上する。

また、沈降阻止部材３を設けることにより、伝熱管表面から剥離して沈降した包接水和物の塊状体が蓄熱槽１の底部へ到達することが阻止される。これによって、沈降阻止部材３より下方には、大きな包接水和物の塊状体は沈降しないので、循環経路４で該塊状体により閉塞が生じることを防止できる。

（３）一般冷房運転
一般冷房運転時には、開閉弁１７を「開」、開閉弁１６、１８、１９を「閉」とする。このような開閉弁の状態において、圧縮機１１から吐出された冷媒は室外側熱交換器１２で凝縮される。液化した冷媒は開弁した開閉弁１７を経由して第一減圧装置１４で減圧される。室内側熱交換器１３で冷媒は蒸発して室内を冷房し、再び圧縮機１１に戻る。

＜第二実施形態＞
本実施形態は、熱交換器に底部熱交換部が設けられている点で第一実施形態と異なる。ここでは、第一実施形態との相違点を中心に本実施形態を説明する。なお、熱交換器の下部と蓄熱槽の底部の間に沈降阻止部材が設けられている点、蓄熱層の底部から上部に向けて水溶液を循環させる液循環経路および循環ポンプが設けられている点は、第一実施形態と同様である。

図３は、本実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。同図において、第一実施形態と同一の部材には、第一実施形態での符号と同一の符号が付されている。本実施形態において、蓄熱槽１内には、熱交換器２が設けられており、該熱交換器２は、沈降阻止部材３上に堆積した包接水和物の塊状体を融解させて熱交換を行うための伝熱管として形成された底部熱交換部２Ａを有している。図３に示されるように、底部熱交換部２Ａは、蛇行した伝熱管と一体として形成され、該蛇行した伝熱管の下部と沈降阻止部材３との間で水平方向に位置するよう設けられている。したがって、本実施形態に係る蓄熱装置では、熱交換器２内の冷媒は、蛇行する伝熱管、次いで底部熱交換部２Ａを流通して蓄熱槽１の外部へ流通することとなる。

このように、熱交換器２に底部熱交換部２Ａを設けることにより、蛇行した伝熱管の下方の領域において、底部熱交換部２Ａ内の冷媒と、沈降阻止部材３上に堆積している包接水和物の塊状体や該塊状体により冷却されて低温になった水溶液との間で熱交換が行われる。これによって、蓄熱利用過冷却冷房運転時において、蛇行した伝熱管にて包接水和物の塊状体と熱交換して冷却された冷媒は、その後、底部熱交換部２Ａにて塊状体や上記低温の水溶液とも熱交換することとなる。したがって、底部熱交換部２Ａにおいても冷熱を取り出すことができる分、蓄熱利用効率、すなわち冷熱の取出し効率を向上させることができ、冷媒の冷却効果を高めることができる。特に、蛇行した伝熱管にて包接水和物の塊状体と熱交換して冷却された冷媒が、沈降阻止部材３上の包接水和物の塊状体や該塊状体により冷却されて低温になった水溶液との間で熱交換によりさらに冷却されるので、冷媒の過冷却度を大きくでき、蓄熱利用効率を大きくすることができる。

なお、底部熱交換部２Ａにて、より多くの冷熱を取り出すために、該底部熱交換部２Ａは包接水和物の塊状体の近傍、すなわち、沈降阻止部材３の近傍に位置させることが好ましい。

また、図３では、底部熱交換部２Ａは上下方向に蛇行した伝熱管に連続して一体となるように形成され、冷媒が蛇行する伝熱管次いで底部熱交換部２Ａを流通するように構成されているが、蛇行する伝熱管と底部熱交換部２Ａとを並列に配置し、冷媒が蛇行する伝熱管と底部熱交換部２Ａとに分かれて流通する構成にしてもよい。

また、伝熱管である底部熱交換部２Ａに、例えばフィン等、伝熱面積を増大させるための伝熱部材を設ければ、熱交換の効率をさらに向上させることができる。また、蓄熱槽内において相対的に低温の水溶液は、より下側に滞留するので、より低温の水溶液と熱交換させるべく、伝熱部材は、底部熱交換部２Ａの下部、すなわち沈降阻止部材３に近い側に設けることが好ましい。なお、伝熱部材を網状に形成して、沈降阻止部材としての機能を備えさせてもよい。この場合、蓄熱槽１内に沈降阻止部材３を設ける必要はなくなる。

＜第三実施形態＞
本実施形態は、蓄熱槽外に副熱交換器が設けられている点で第一実施形態と異なる。ここでは、第一実施形態との相違点を中心に本実施形態を説明する。なお、熱交換器の下部と蓄熱槽の底部の間に沈降阻止部材が設けられている点、蓄熱層の底部から上部に向けて水溶液を循環させる液循環経路および循環ポンプが設けられている点は、第一実施形態と同様である。

図４は、本実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。同図において、第一実施形態と同じ部材には、第一実施形態での符号と同一の符号が付されている。本実施形態では、同図に示されるように、蓄熱槽１外に副熱交換器６が設けられており、冷媒配管および循環経路４と接続されている。具体的には、熱交換器２を流通した後の冷媒が流通する冷媒配管および蓄熱槽１の底部から上部へ水溶液を循環させる循環経路４が副熱交換器６内部を通過するようになっている。これによって、副熱交換器６では、熱交換器２を流通した後の冷媒と循環経路４内の水溶液との間で熱交換が行われる。

循環経路４内の水溶液は、沈降阻止部材３上に堆積した包接水和物の塊状体とほぼ同じ温度まで冷却されている。したがって、蓄熱層１内の熱交換器２を流通した後の冷媒は、副熱交換器６において、循環経路４内の水溶液によってさらに冷却される。このように、蓄熱槽１の底部から抜き出した低温の水溶液を副熱交換器６における熱交換に利用することにより、蓄熱利用過冷却冷房運転時における蓄熱利用効率を向上させることができる。また、冷媒は、熱交換器２で冷却された後、さらに副熱交換器６にて冷却されることになるので、副熱交換器６を設けない場合と比較して冷却効果を高めることができる。

＜第四実施形態＞
図５は、本実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。同図において、第一実施形態ないし第三実施形態と同一の部材には、これらの実施形態での符号と同一の符号が付されている。本実施形態は、第二実施形態と第三実施形態を組み合わせた実施形態である。つまり、本実施形態に係る蓄熱装置では、同図に示すように、蓄熱槽１内には底部熱交換部２Ａを有する熱交換器２が設けられており、蓄熱槽１外には副熱交換器６が設けられている。本実施形態における熱交換器は第二実施形態における熱交換器と、本実施形態における副熱交換器は第三実施形態の副熱交換器と構成は同様であるので、説明を省略する。

本実施形態に係る蓄熱装置によれば、底部熱交換部２Ａを有する熱交換器２および副熱交換器６の双方を設けることにより、第二実施形態および第三実施形態の双方で得られる蓄熱利用効率を向上させる効果および冷却効果を得ることができる。

＜第五実施形態＞
本実施形態は、蓄熱層の上部から底部に向けて水溶液を循環させる循環経路およびポンプが設けられている点で第一実施形態と異なる。ここでは、第一実施形態との相違点を中心に本実施形態を説明する。なお、熱交換器の下部と蓄熱槽の底部の間に沈降阻止部材が設けられている点および熱交換器の構成は、第一実施形態と同様である。

図６は、本実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。同図において、第一実施形態と同一の部材には、第一実施形態での符号と同一の符号が付されている。本実施形態では、同図に示されるように、蓄熱槽１に、その上部から底部、具体的には沈降阻止部材３よりも下方の領域に向け水溶液を送るべく、循環経路４Ａが取り付けられ、この循環経路４Ａにはポンプ５Ａが設けられている。該ポンプ５Ａの作動により、槽内上部の水溶液が循環経路４Ａを経て沈降阻止部材３よりも下方の領域へ送られる。

蓄熱槽１上部の水溶液は、底部の水溶液と比較して高温となっており、本実施形態では、この蓄熱槽１上部の水溶液を蓄熱槽１底部へ向け循環させる。これによって、該水溶液は、沈降阻止部材３上に堆積している包接水和物の塊状体によって冷却された蓄熱槽底部の低温の水溶液と混合される。この結果、蓄熱槽１底部の水溶液の温度が上昇し、沈降阻止部材３上の塊状体の融解が促進されるので、蓄熱槽１内における塊状体の偏在が解消され、冷熱の取出し効率を向上させることができる。

また、本実施形態において、図６に示されるように、蓄熱槽上部から循環された水溶液を蓄熱槽１の底部にて分散させる分配配管７を沈降阻止部材３よりも下方の領域に設けてもよい。該分配配管７は、複数の配管に分枝して、各配管に図示しない複数の吐出口が形成されていることが好ましい。該分配配管７は、循環経路４Ａに接続され、蓄熱槽１上部から抜き出した水溶液を、蓄熱槽１底部にて、複数の吐出口から吐出して分散させる。これによって、蓄熱槽１底部における広範囲で高温の水溶液と低温の水溶液とを効率よく混合させて、塊状体の融解をさらに促進させることが可能となる。

分配配管の複数の吐出口は、斜め下向きに開口して形成されていることが好ましい。なぜならば、蓄熱槽１では、低密度の水溶液が上部へ浮揚する傾向にあるので、分配配管７の吐出口を斜め下向きに形成して、蓄熱槽１上部から抜き出した上記低密度の水溶液を蓄熱槽１底部に向けそして略水平方向にも分散させることにより、水溶液をより良好に混合させることができるからである。

なお、本実施形態に係る蓄熱装置は、本実施形態における水溶液の循環の方向とは逆の方向、すなわち、蓄熱槽の底部から上部へ向けて水溶液を循環させるようにポンプ５Ａを作動させることにより、第一実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明では、蓄熱槽内の包接化合物生成物質、すなわち蓄熱材として、融点が０℃より高く２０℃より低い蓄熱材を用いると、夜間蓄冷時や昼間蓄冷利用冷房時において、蓄冷や冷熱放出の際に相変化時の潜熱を有効に活用でき、また、従来の氷蓄熱に比べて冷媒の蒸発温度を高くでき、圧縮機の圧力比を小さい条件で運転することができるので、蓄熱式空気調和装置の省エネルギー化を図ることが可能となる。

このような蓄熱材として融点が０℃より高く２０℃より低い水和物からなる水和物蓄熱材があり、例えば、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩を主材とする水溶液を冷却して水和物を形成させて用いる。テトラｎ−ブチルアンモニウム塩として臭化テトラｎ−ブチルアンモニウムの水溶液中の濃度が調和融点濃度である約４０wt％の場合、凝固融解温度は約１２℃であり、０℃で凝固融解する氷に比べて高い温度で潜熱蓄冷熱が可能である。

水和物蓄熱材として用いる包接水和物のゲスト分子を含む溶液におけるゲスト分子の濃度は、調和融点を与える濃度（調和融点濃度）であっても、それ未満又はそれより大きな濃度であっても構わない。

融点が０℃より高く２０℃より低い水和物からなる水和物蓄熱材の他の例としては、臭化トリnブチルnペンチルアンモニウム水和物などのトリｎ−ブチルnペンチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−ブチルフォスフォニウム塩、トリｉｓｏアミルサルフォニウム塩などが挙げられる。

第一実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。図１の蓄熱装置を有する蓄熱式空気調和装置を示す図である。第二実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。第三実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。第四実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。第五実施形態に係る蓄熱装置を示す図である。

符号の説明

１蓄熱槽
２熱交換器
２Ａ底部熱交換部
３沈降阻止部材
４，４Ａ循環経路
５，５Ａポンプ
６副熱交換器

Claims

包接化合物のホスト分子を溶媒としゲスト分子を溶質として含む溶液を冷却して、熱交換面の外表面に該溶液よりも密度が大きい包接化合物の塊状体を成長させることにより熱エネルギーを蓄積し、その熱交換面の外表面の側から前記包接化合物の塊状体を融解させて熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出す熱交換器と、該熱交換器を収容する蓄熱槽とを備える蓄熱装置であって、
前記熱交換器の下部と前記蓄熱槽の底部との間に配置されて溶液の透過を許容しつつ、沈降する前記包接化合物の塊状体が前記蓄熱槽の底部へ到達することを阻止する沈降阻止部材と、該沈降阻止部材より下方となる前記蓄熱槽の底部から該蓄熱槽の上部に向けて該蓄熱槽の底部の溶液を送り出して該溶液を循環させる液循環経路とを備えることを特徴とする蓄熱装置。
熱交換器は沈降阻止部材上に堆積した前記包接化合物を融解する底部熱交換部を備えることとする請求項１に記載の蓄熱装置。
底部熱交換部は、内部に冷媒を流通させる伝熱管を備え、該伝熱管は伝熱面積を増大させる伝熱部材が取り付けられていることとする請求項２に記載の蓄熱装置。
溶液と冷媒との熱交換を可能とする副熱交換器をさらに備えることとする請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄熱装置。
副熱交換器は、熱交換器を流通した後の冷媒が液循環経路での溶液と該副熱交換器にて熱交換するようになっていることとする請求項４に記載の蓄熱装置。
包接化合物のホスト分子を溶媒としゲスト分子を溶質として含む溶液を冷却して、熱交換面の外表面に該溶液よりも密度が大きい包接化合物の塊状体を成長させることにより熱エネルギーを蓄積し、その熱交換面の外表面の側から前記包接化合物の塊状体を融解させて熱エネルギーを蓄熱槽外に取り出す熱交換器と、該熱交換器を収容する蓄熱槽とを備える蓄熱装置であって、
前記熱交換器の下部と前記蓄熱槽の底部との間に配置されて溶液の透過を許容しつつ沈降する前記包接化合物の塊状体が前記蓄熱槽の底部へ到達することを阻止する沈降阻止部材と、該蓄熱槽の上部から該沈降阻止部材より下方となる該蓄熱槽の底部に向けて該蓄熱槽の上部の溶液を送り出して該溶液を循環させる液循環経路とを備えることを特徴とする蓄熱装置。