JP6132015B2 - 蓄熱システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄熱システムに関するものである。
集熱エリアで太陽光を集光して集熱し、この熱により水蒸気を生成して蒸気タービンを駆動し発電を行う太陽熱発電システムが知られている。太陽熱発電システムでは、夜間や日射量が得られない時間帯での発電を補い、出力電力の過渡的な変化を抑制するために、蓄熱システムが備えられるのが一般的である。
太陽熱発電システム等に用いられる蓄熱システムとして、液体状態のソーラーソルトと呼ばれる溶融塩（硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）の混合物、硝酸ナトリウムの質量分率は０．６）を蓄熱材として用い、顕熱により蓄熱を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、蓄熱量が例えば１ＴＪと大きくなると、顕熱を用いた蓄熱システムでは蓄熱槽が大きくなりすぎ、現実的ではなくなる。そこで、蓄熱槽の寸法を現実的なものとするため、潜熱を利用した蓄熱システムが望まれる。
特開平５−２５６５９１号公報 特開２００４−２２５９６４号公報 特開平５−２０３２０１号公報 特開平１１−４４４９４号公報 特開２００８−１７５１８９号公報 特開２００１−４２９０号公報
しかしながら、潜熱を利用した従来の蓄熱システムでは、固相の熱伝導率が低く流動性もないことから、伝熱管を蓄熱槽内の全体に張り巡らせて蓄熱槽全体を熱交換部とする必要があり、特に蓄熱槽が大型である場合には、非常にコストが高くなってしまうという問題があった。
なお、潜熱を利用することにより、顕熱を利用した場合と比較して蓄熱槽を小型化することが可能であるが、この場合でも、蓄熱量が１ＴＪ程度になると蓄熱槽の容積は１０００ｍ3のオーダーとなり、蓄熱槽全体に伝熱管を張り巡らせるためにはコストがかかる。
特許文献４では、固相が液相よりも比重が重い蓄熱材を用いた蓄熱装置において、加熱源を貯槽内の下部に配置し、加熱源の上方に蓄熱材の冷却用の熱交換媒体の流路を配置する点が記載されている。しかし、この特許文献４では、沈降した固相の蓄熱材が貯槽の側壁に固着してしまい、伝熱効率が低下してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、上記課題を解決し、潜熱を利用した蓄熱システムにおいて、低コストでかつ伝熱効率の高い蓄熱システムを提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、固相が液相よりも比重が大きい蓄熱材と、前記蓄熱材を貯留する蓄熱槽と、前記蓄熱槽内の上部に設けられ前記蓄熱材を冷却する冷却側熱交換器と、前記蓄熱槽内の下部に設けられ前記蓄熱材を加熱する加熱側熱交換器と、前記蓄熱槽の側壁を加熱する壁面ヒータと、を備えた蓄熱システムである。
前記蓄熱材として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いてもよい。
前記蓄熱槽の側壁を加熱する壁面ヒータを備えてもよい。
前記蓄熱槽内の下部に、前記加熱側熱交換器による加熱で固相から液相となった前記蓄熱材を上方に逃がす液通路を形成するための補助ヒータを備えてもよい。
前記加熱側熱交換器は、前記蓄熱槽の底面に設けられ、加熱用の熱媒体を通す流路が内部に設けられた板状の熱交換器からなってもよい。
前記冷却側熱交換器の冷却面がガラスからなってもよい。
前記冷却側熱交換器にて冷却され固相となった前記蓄熱材を、前記冷却側熱交換器から剥落させる固相剥落手段を備えてもよい。
前記固相剥落手段は、前記蓄熱槽内の液相の前記蓄熱材を吸入すると共に、吸入した前記蓄熱材を前記蓄熱槽内に吐出し、前記蓄熱材を流動させることで、固相となった前記蓄熱材を前記冷却側熱交換器から剥落させる循環ポンプを備えてもよい。
前記固相剥落手段は、前記蓄熱槽内の前記冷却側熱交換器の下方で気泡を生成し、生成した気泡により、固相となった前記蓄熱材を前記冷却側熱交換器から剥落させる気泡発生装置を備えてもよい。
前記冷却側熱交換器が、冷却用の熱媒体を通す伝熱管からなり、前記固相剥落手段は、前記伝熱管を通す伝熱管挿通穴が形成されたスライド板と、該スライド板を前記伝熱管挿通穴に挿通された前記伝熱管の長さ方向にスライド移動させることで、前記伝熱管の表面に付着した固相の前記蓄熱材を剥落させるアクチュエータと、を備えてもよい。
前記固相剥落手段は、前記蓄熱材に添加され、液相の前記蓄熱材の流動により前記冷却側熱交換器に衝突して、固相となった前記蓄熱材を前記冷却側熱交換器から剥落させる固体片を備えてもよい。
前記蓄熱槽内に、前記液相の前記蓄熱材よりも比重が小さく前記蓄熱材と混合しない液相の剥離材を備え、前記剥離材を、前記蓄熱槽内に設けられた前記冷却側熱交換器を覆うように設けてもよい。
前記蓄熱材の加熱時に、前記冷却側熱交換器に高温の熱媒体を導入し、前記冷却側熱交換器と前記加熱側熱交換器の両方で前記蓄熱材を加熱するように構成してもよい。
本発明によれば、低コストでかつ伝熱効率の高い蓄熱システムを提供できる。
（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、（ｂ）は、本発明で蓄熱材として用いるＫＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。 本発明で蓄熱材として用いるＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。 本発明で蓄熱材として用いるＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。 本発明で蓄熱材として用いるＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物の状態遷移図である。 本発明で蓄熱材として用いるＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一変形例に係る蓄熱システムの模式図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施の形態に係る蓄熱システムの模式図である。 （ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、（ｂ）はその要部拡大斜視図、（ｃ），（ｄ）は固相剥落手段の一変形例を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る蓄熱システムの模式図である。 本発明の他の実施の形態に係る蓄熱システムの模式図である。 図１０の蓄熱システムの一変形例を示す模式図である。 本発明で加熱側熱交換器として用いるホットプレートの一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ），（ｃ）は断面図である。 （ａ）は本発明の他の実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、（ｂ）は蓄熱時の熱媒体の流れを示す図、（ｃ）は熱利用時の熱媒体の流れを示す図である。 本発明の一変形例に係る蓄熱システムを示す図であり、（ａ）は模式図、（ｂ）は上から見た模式図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
図１（ａ）は、本実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態で蓄熱材として用いる硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）の混合物の状態遷移図である。
図１（ａ）に示すように、蓄熱システム１は、蓄熱材２を貯留する蓄熱槽３と、蓄熱槽３内に設けられた２つの熱交換器４，５と、を備えている。なお、図１（ａ）では、固相の蓄熱材２をハッチングで表している。
２つの熱交換器４，５は、蓄熱槽３内の上部に設けられ蓄熱材２を冷却する冷却側熱交換器４と、蓄熱槽３内の下部に設けられ蓄熱材２を加熱する加熱側熱交換器５と、からなる。
冷却側熱交換器４は、冷却用の熱媒体である低温の第１熱媒体が供給され、第１熱媒体と蓄熱材２とを熱交換させることで、蓄熱材２を冷却し、熱交換により高温となった第１熱媒体を熱負荷等に出力するものである。冷却側熱交換器４は、第１熱媒体を通す伝熱管からなり、蓄熱槽３内の上部のみに設けられる。蓄熱槽３内には、冷却側熱交換器４の全体を浸すように蓄熱材２が収納される。
凝固し固相となった蓄熱材２の付着を抑制するために、冷却側熱交換器４の蓄熱材２と接する冷却面は、ガラスから構成されることが望ましい。
冷却側熱交換器４に用いる第１熱媒体としては、液相の熱媒体の他、スチームを用いることも可能である。スチームはその圧力を調整することにより容易に温度調整が可能であり、第１熱媒体としてスチームを用いることで、冷却側熱交換器４の温度調整が容易になる。なお、第１熱媒体として液相の熱媒体を用いた場合には、第１熱媒体がそれほど高圧とならないので、冷却側熱交換器４を高圧に耐える構造とする必要がなく、コストを削減できるというメリットがある。また、水を冷却側熱交換器４内で蒸発させスチームとすることで蓄熱材２を冷却させるように構成することも可能であり、これにより、効率よく蓄熱材２を冷却可能になる。
加熱側熱交換器５は、加熱用の熱媒体である高温の第２熱媒体が供給され、第２熱媒体と蓄熱材２とを熱交換させることで、蓄熱材２を加熱して蓄熱させるものである。加熱側熱交換器５は、第２熱媒体を通す流路が内部に設けられた板状の熱交換器であるホットプレートからなり、蓄熱槽３の底面に設けられる。
図１２に示すように、加熱側熱交換器５として用いるホットプレートは、例えば、第２熱媒体を通す流路となる中空部１２２を有する円盤状の部材１２１を用い、その中空部１２２に仕切り板１２３や支柱１２４を設けた構成としてもよい。
詳細は後述するが、本実施の形態では、下方に沈降した固相の蓄熱材２を加熱側熱交換器５で加熱する構成となっている。そのため、加熱側熱交換器５であるホットプレートの表面の温度分布が大きくなると、固相の蓄熱材２が融解する場所と融解しない場所ができ、固相の蓄熱材２とホットプレートとの間に隙間ができ伝熱性能が低下するおそれがある。本実施の形態では、中空部１２２に仕切り板１２３や支柱１２４を設けることで、第２熱媒体を中空部１２２全体に行き渡らせ表面の温度分布を小さくしている。つまり、仕切り板１２３や支柱１２４は、沈降した固相の蓄熱材２が押しつけられた際の変形や破損を抑制する役割と、第２熱媒体を中空部１２２全体に行き渡らせ表面の温度分布を小さくする役割と、を兼ねている。
なお、ホットプレートの構造は上述のものに限定されず、例えば、水平面内で往復するように配管した伝熱管の上面に板状部材を溶接した構造のものを使用することも可能である。伝熱管の断面形状は円形状であるため変形しにくく、沈降した固相の蓄熱材２が押しつけられた際の変形や破損の発生を抑制可能である。なお、伝熱管のみを配置した構成とすること、すなわち板状部材を省略した構成とすることも可能であるが、この場合、沈降した固相の蓄熱材２が押しつけられた際に、一部の伝熱管に荷重が集中し、伝熱管の変形や破損が発生するおそれがある。
加熱側熱交換器５に用いる第２熱媒体としては、液相の熱媒体の他、スチームを用いることも可能である。スチームはその圧力を調整することにより容易に温度調整が可能であり、第２熱媒体としてスチームを用いることで、加熱側熱交換器５の温度調整が容易になる。なお、第２熱媒体として液相の熱媒体を用いた場合には、第２熱媒体がそれほど高圧とならないので、加熱側熱交換器５を高圧に耐える構造とする必要がなく、コストを削減できるというメリットがある。また、高温スチームを加熱側熱交換器５内で凝縮させて蓄熱材２を加熱するように構成することも可能であり、これにより、効率よく蓄熱材２を加熱可能になる。
図示していないが、蓄熱槽３内には、蓄熱材２を撹拌する撹拌手段を備えてもよい。また、蓄熱材２を冷却する際には、局所的な低温部に比較的強固に固相が付着しやすいため、局所的な低温部（例えば、冷却面の気液界面や、第１熱媒体の供給側の端部など）に断熱手段や加熱手段を設けてもよい。なお、局所的な低温部が生じないように、冷却側熱交換器４を蓄熱材２から露出させないことが望ましい。
本実施の形態では、太陽熱発電システム等の高温のシステムに適用することを想定しているため、蓄熱最低温度Ｔminは１５０℃以上、好ましくは２００℃以上とする。ここでは、一例として、蓄熱システム１の蓄熱最高温度Ｔmaxが４００℃、蓄熱最低温度Ｔminが２５０℃である場合を説明する。
蓄熱システム１では、蓄熱材２として、固相が液相よりも比重が大きいものを用いる。これにより、上部の冷却側熱交換器４で冷却され固相となった蓄熱材２が沈降し、蓄熱槽３内の下部に堆積していくことになり、固相の蓄熱材２による伝熱効率の低下を抑制することが可能になる。
ところで、冷却側熱交換器４の表面に固相の蓄熱材２が付着すると、固相の蓄熱材２が沈降せず伝熱効率の低下を引き起こしてしまう。そのため、蓄熱材２としては、冷却側熱交換器４の表面に付着しにくいものを用いることが望まれる。
そこで、本実施の形態に係る蓄熱システム１では、蓄熱材２として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の２成分混合塩からなるものを用いた。
ここでは、蓄熱材２として、硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）とを非共晶となる組成で混合した２成分混合塩を用いる場合を説明する。
図１（ｂ）に示すように、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物では、硝酸ナトリウムのモル分率が０．４９となる組成で共晶となる。よって、この共晶となる組成以外の組成とし、かつ、蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃において固液共存状態となるように、組成を決定する必要がある。
本実施の形態では、図１（ｂ）に太線破線で示した組成、すなわち硝酸ナトリウムのモル分率が０．７８６（質量分率が０．７５５）となる組成のものを蓄熱材２として用いた。
この場合、蓄熱材２は、蓄熱最高温度Ｔmaxである４００℃から徐々に冷却していくと、２７４℃で固相が生じ、さらに冷却されると固相率を徐々に増加させながら蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃に至る。このとき、最も低温となる冷却面（冷却側熱交換器４である伝熱管の表面）にて固相が発生し、その固相が冷却面に沿って成長するが、固相は冷却面に密着しないため、蓄熱材２の流動等によってはがれ落ちる。なお、蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃からさらに冷却すると、２３４℃で蓄熱材２は完全に固相になる。つまり、図示太線実線で示す温度領域が固液共存状態となる。
蓄熱材２の固相率は、温度により制御することができる。固液共存状態となる温度幅が狭すぎると所望の固相率に制御することが困難になるので、固液共存状態となる温度幅が１℃以上となるように組成を決定することが望ましい。なお、特許文献１のように固相と液相で物質が異なる固液共存状態となる蓄熱材を用いた場合には、温度による固相率の制御は困難である。
上述のように、非共晶組成の２成分混合塩を蓄熱材２として用いると、凝固して固相となった蓄熱材２が冷却面（冷却側熱交換器４である伝熱管の表面）に強く付着せず、容易にはがれ落ちるようになる。
これは、凝固しはじめる際に冷却面付近の固相率が局所的に大きくなるため、融点が比較的低い液相の溶融塩が冷却面と固相の間に入り込みながら凝固が進行するためだと考えられ、非共晶の溶融塩の固液共存領域が温度幅をもって存在することに起因すると考えられる。したがって、液相の状態から徐々に固相が増加するように（つまり徐々に温度を低下させるように）制御を行うことで、固相となった蓄熱材２が冷却面に密着してしまうことが抑制可能になる。
蓄熱材２の流動や撹拌等によりはがれ落ちた固相の蓄熱材２は、液相の蓄熱材２よりも比重が大きいため、蓄熱槽３の下部に沈降する。よって、蓄熱槽３の上部に冷却側熱交換器４を設けることで、液相の蓄熱材２を効率よく冷却することが可能になる。また、蓄熱槽３の底面に加熱側熱交換器５を設けることで、固相の蓄熱材２が自重により加熱側熱交換器５に押しつけられることになり、固相の蓄熱材２を効率よく加熱することが可能になる。
本実施の形態では、蓄熱材２として硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物を用いたが、これに限らず、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の２成分混合塩であれば、蓄熱材２として使用可能である。
例えば、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２５０℃に設定する場合、蓄熱材２として、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物を用いることが可能である。また、Ｔmin＝２８０℃に設定する場合、蓄熱材２として、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物を用いることが可能である。それぞれの平衡状態図を図２〜５に示す。
図２に示すように、蓄熱材２としてＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物を用いる場合、ＮａＮＯ3のモル分率を０．９０２（質量分率を０．８０１）とすることで、Ｔmin＝２５０℃において固液共存状態とすることができる。同様に、図３のＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＮａＮＯ3のモル分率を０．８７７（質量分率を０．８９８）、図４のＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＲｂＮＯ3のモル分率を０．１０５（質量分率を０．１６９）とすることで、Ｔmin＝２５０℃において固液共存状態とすることができる。また、図５のＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＮａＮＯ3のモル分率を０．９６４（質量分率を０．９６３）とすることで、Ｔmin＝２８０℃において固液共存状態とすることができる。なお、図２〜５においても、図１（ｂ）と同様に、固液共存状態となる温度領域を太線実線で表している。
また、蓄熱システム１は、蓄熱槽３の側壁を加熱する壁面ヒータ６２をさらに備えている。壁面ヒータ６２は、例えば、加熱側熱交換器５で蓄熱材２を加熱する際（つまり蓄熱時）にオンとなる（加熱を行う）ように制御される。
壁面ヒータ６２としては、電気ヒータを用いることができる。なお、これに限らず、蓄熱槽３の側壁に高温のスチームを通す配管を配置することにより、壁面ヒータ６２を構成しても構わない。スチームはその圧力を調整することにより容易に温度調整が可能であるため、壁面ヒータ６２の熱源としてスチームを用いることで、壁面ヒータ６２の温度調整が容易になる。また、壁面ヒータ６２は、加熱側熱交換器５と一体に構成することも可能である。
図６（ａ）では、壁面ヒータ６２を蓄熱槽３の外部に設けた場合を示しているが、蓄熱槽３の内部に（例えば、蓄熱槽３の内壁に沿って）設けるようにしてもよい。
壁面ヒータ６２を備えることにより、側壁付近の固相の蓄熱材２を溶融させて、固相の蓄熱材２の側壁への固着を解消することが可能になる。その結果、固相の蓄熱材２が鉛直方向に自由に動けるようになり、固相の蓄熱材２を自重で加熱側熱交換器５（ホットプレート）に押しつけて、加熱側熱交換器５と固相の蓄熱材２の間に形成される液相の蓄熱材２の層を薄くし、伝熱を促進することが可能になる。
また、蓄熱槽３内の壁面付近の固相が溶融されて、液相の蓄熱材２を通す液通路６３が形成されるため、加熱側熱交換器５で加熱により溶融した液相の蓄熱材２が、液通路６３を通って上部に抜けるようになり、蓄熱槽３の下部における圧力上昇を抑制し、蓄熱槽３の破損等の不具合を抑制することが可能になる。蓄熱システム６１における蓄熱槽３内の液相の蓄熱材２の流れは、図６（ａ）に示すように、蓄熱槽３の周縁部で上昇流となり、中央部で下降流となる。
蓄熱システム１では、蓄熱槽３の下部のみに壁面ヒータ６２を設けたが、これに限らず、図６（ｂ）に示す蓄熱システム６１のように、蓄熱槽３の側壁全体に壁面ヒータ６２を設けるようにしてもよい。これにより、何らかのトラブルで蓄熱材２全体が固相となった状態においても、壁面ヒータ６２により固相の蓄熱材２を加熱し、固相の蓄熱材２を融解させることが可能になる。
また、蓄熱システム１では、壁面ヒータ６２により蓄熱槽３の周縁部（側壁付近）に液通路６３を形成したが、蓄熱槽３の周縁部以外の部分に液通路６３を形成することも勿論可能である。
例えば、図６（ｃ）に示す蓄熱システム６５のように、加熱側熱交換器５による加熱で固相から液相となった蓄熱材２を上方に逃がす液通路６３を形成するための補助ヒータ６６を備えるようにしてもよい。
なお、図６（ｃ）では、蓄熱槽３内の上部から下部にわたるように棒状の補助ヒータ６６を設ける場合を示しているが、少なくとも、固相の蓄熱材２が堆積する下部に補助ヒータ６６が設けられていればよく、形状も棒状に限定されるものではない。また、図示していないが、壁面ヒータ６２と補助ヒータ６６の両者を備えることも当然に可能である。蓄熱槽３内の液相の蓄熱材２の流れは、例えば、蓄熱槽３の周縁部で下降流となり、中央部で上昇流となってもかまわない。
以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱システム１では、固相が液相よりも比重が大きい蓄熱材２と、蓄熱材２を貯留する蓄熱槽３と、蓄熱槽３内の上部に設けられ蓄熱材２を冷却する冷却側熱交換器４と、蓄熱槽３内の下部に設けられ蓄熱材２を加熱する加熱側熱交換器５と、蓄熱槽３の側壁を加熱する壁面ヒータ６２と、を備えている。
このように構成することで、上部の冷却側熱交換器４で冷却され固相となった蓄熱材２が沈降するため、固相となった蓄熱材２により冷却側熱交換器４と液相の蓄熱材２間の伝熱が悪化してしまうことを抑制でき、また、沈降して下部に堆積した蓄熱材２を下部の加熱側熱交換器５で加熱することにより、固相の蓄熱材２を効率よく加熱することが可能になる。さらに、壁面ヒータ６２を備えることで固相の蓄熱材２が蓄熱槽３の側壁に固着してしまうことを抑制でき、固相の蓄熱材２を自重で加熱側熱交換器５（ホットプレート）に押しつけて、伝熱を促進させることが可能になる。
つまり、本実施の形態によれば、蓄熱槽３全体を熱交換部とせずとも両熱交換器４，５で効率よく伝熱させることが可能となり、低コストでかつ伝熱効率の高い蓄熱システム１を実現できる。
また、本実施の形態では、蓄熱材２として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の２成分混合塩からなるものを用いている。
これにより、凝固して固相となった蓄熱材２が冷却面に強く付着せずに、容易にはがれ落ちるようになるため、固相となった蓄熱材２による伝熱低下をより抑制することが可能になる。
蓄熱最低温度Ｔminが１５０℃以上となるような蓄熱システム１において、固液共存状態で使用でき、かつ、固相の冷却面への付着を抑制できるような蓄熱材２は従来見出されていなかったため、本発明は、高温領域で使用される蓄熱システム１の発展に大きく寄与すると考えられる。
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
図７に示す蓄熱システム７１は、図１の蓄熱システム１において、冷却側熱交換器４にて冷却され固相となった蓄熱材２を、冷却側熱交換器４から剥落させる固相剥落手段６をさらに備えたものである。
蓄熱システム７１では、固相剥落手段６は、蓄熱槽３内の液相の蓄熱材２を吸入すると共に、吸入した蓄熱材２を蓄熱槽３内に吐出し、蓄熱材２を流動させる循環ポンプ７２を備えている。循環ポンプ７２の吸入口には吸入管７３が接続され、循環ポンプ７２の吐出口には吐出管７４が接続される。
吸入管７３の循環ポンプ７２の反対側の端部には、蓄熱材２を吸い込む吸入口７３ａが設けられている。本実施の形態では、吸入口７３ａを冷却側熱交換器４の上方に設けた。
吐出管７４の循環ポンプ７２と反対側の端部には、蓄熱材２を吹き出す吹出口７４ａが設けられている。本実施の形態では、吹出口７４ａを冷却側熱交換器４の下方でかつ蓄熱槽３の周縁部（側壁付近）に設けると共に、上方に蓄熱材２を吹き出すように設けた。なお、吹出口７４ａを底部に設けると、沈降した固相の蓄熱材２を再び上部に持ち上げることになるため、吹出口７４ａは蓄熱槽３内の上部に設けられる。吸入口７３ａと吹出口７４ａは、少なくとも、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固相の蓄熱材２が堆積する位置よりも上方に設けられる必要がある。
これにより、蓄熱システム７１では、蓄熱槽３内の液相の蓄熱材２の流れは、蓄熱槽３の周縁部で上昇流となり、中央部で下降流となる。このように循環ポンプ７２で液相の蓄熱材２を流動させることで、固相となった蓄熱材２を冷却側熱交換器４から剥落させることができる。その結果、冷却側熱交換器４と液相の蓄熱材２の接触面積を増加させ、伝熱効率をより向上させることが可能になる。
なお、固相剥落手段６はこれに限定されるものではなく、例えば図７（ｂ）に示す蓄熱システム７５のように、固相剥落手段６は、蓄熱槽３内の冷却側熱交換器４の下方で気泡７９を生成し、生成した気泡７９により、固相となった蓄熱材２を冷却側熱交換器４から剥落させる気泡発生装置７６を備えてもよい。
気泡発生装置７６は、外気を取り込み圧縮するコンプレッサ７７と、コンプレッサ７７で圧縮された空気を搬送する空気搬送管７８と、からなる。空気搬送管７８の吹出口７８ａは、冷却側熱交換器４の下方でかつ蓄熱槽３の周縁部（側壁付近）に設けられ、上方に気泡７９を吹き出すように設けられる。吹出口７８ａは、少なくとも、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固相の蓄熱材２が堆積する位置よりも上方に設けられる必要がある。
循環ポンプ７２や気泡発生装置７６を用いた固相剥落手段６は、固相を剥落させる力が比較的小さいので、上述の非共晶組成の２成分混合塩など、冷却面に対する付着性が低い蓄熱材２を用いる場合に有効である。循環ポンプ７２や気泡発生装置７６を用いる場合には、間欠的に蓄熱材２の流れや気泡の供給を強めて、効率よく固相の蓄熱材２を冷却側熱交換器４から剥落させることが望ましい。
冷却面に対する付着性が高い蓄熱材２を用いる場合には、機械的方法により固相の蓄熱材２を剥落させるように固相剥落手段６を構成することができる。
図８（ａ），（ｂ）に示す蓄熱システム８１では、固相剥落手段６は、冷却側熱交換器４である伝熱管４ａを通す伝熱管挿通穴８２ａが形成されたスライド板８２と、スライド板８２を伝熱管挿通穴８２ａに挿通された伝熱管４ａの長さ方向にスライド移動させることで、伝熱管４ａの表面に付着した固相の蓄熱材２を剥落させるアクチュエータ８３と、を備えている。
スライド板８２の材質は特に限定するものではないが、例えば１５０℃以上の高温領域で使用する場合には、金属からなるものを用いるとよい。本実施の形態では、伝熱管挿通穴８２ａを円形状としているが、これに限定されず、例えば、複数の突起あるいは爪が伝熱管４ａに向かって突出するように形成されていてもよい。
アクチュエータ８３は、所定の周期でスライド板８２を往復運動させるように構成される。アクチュエータ８３としては、例えば、エアーシリンダーや電動機等を用いることができる。
蓄熱システム８１では、伝熱管４ａに付着した固相の蓄熱材２は、定期的にスライド板８２によって剥ぎ落とされ、蓄熱槽３の下部に堆積していくことになる。よって、蓄熱材２として伝熱管４ａに付着しやすいものを用いた場合であっても、伝熱管４ａの表面を常に液相の蓄熱材２に晒し、伝熱性能を維持することが可能になる。
図８（ａ），（ｂ）では、スライド板８２を用いた場合を説明したが、図８（ｃ）に示すように、先端が先細となったスライド部材８４を伝熱管４ａの表面に沿わせて往復運動させたり、図８（ｄ）に示すように、先端にベアリングを設けたスライド部材８５を伝熱管４ａの表面に沿わせて往復運動させるよう固相剥落手段６を構成してもよい。スライド部材８４，８５を往復運動させることで、伝熱管４ａに固着した固相の蓄熱材２にひびや切れ目が入り、固相の蓄熱材２が自重で剥落し易くなる。なお、スライド部材８４，８５の先端をヒータ等により加熱するように構成することも可能である。
さらにまた、図９に示す蓄熱システム９１のように、固相剥落手段６として、蓄熱材２に添加され、液相の蓄熱材２の流動により冷却側熱交換器４に衝突して、固相となった蓄熱材２を冷却側熱交換器４から剥落させる固体片９２を備えるようにしてもよい。
固体片９２の大きさ（最大長さ）は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とするとよい。これは、固体片９２の大きさを０．１ｍｍ未満とすると固相の蓄熱材２を剥落させる効果が十分に得られず、５ｍｍを超えると伝熱管４ａを損傷してしまうおそれがあるためである。固体片９２としては、液相の蓄熱材２中を漂うように、液相の蓄熱材２と同等の比重（密度）のものを用いることが好ましい。図９では、図の簡略化のため固体片９２を円形状（球状）に示しているが、固体片９２の形状はこれに限定されるものではない。
さらには、冷却側熱交換器４の伝熱管４ａを鉛直方向に往復させて、鉛直方向に沿った面を増加させ、固相の蓄熱材２を剥落し易くしてもよい。また、伝熱管４ａの形状を鉛直方向に沿った面を有する板状に形成することで、固相の蓄熱材２を剥落し易くしてもよい。
また、伝熱管４ａとしてベローズ状のものを用い、そのベローズ状の伝熱管４ａをアクチュエータにより延び縮みさせることで、固相の蓄熱材２を剥落させるように固相剥落手段６を構成することも可能である。
また、伝熱管４ａにバイメタルを配置することで固相剥落手段６としてもよい。バイメタルとして、例えば冷却側熱交換器４による冷却時に変形し伝熱管４ａから起きあがるものを用いることで、固相の蓄熱材２が伝熱管４ａに固着することを抑制できる。
また、伝熱管４ａに振動を与える加振装置を備え、加振装置により伝熱管４ａを振動させることで、固相の蓄熱材２を剥落させるように固相剥落手段６を構成することも可能である。加振装置としては、継続的に伝熱管４ａを振動させるものの他、間欠的に伝熱管４ａに衝撃を与えて伝熱管４ａを振動させるものも使用可能である。
上述の蓄熱システム７１，７５，８１，９１では、冷却側熱交換器４に付着した固相の蓄熱材２を固相剥落手段６により剥落させる場合を説明したが、これに限らず、そもそも冷却側熱交換器４と蓄熱材２を直接接触させないように構成することも可能である。
具体的には、図１０に示す蓄熱システム１０１のように、蓄熱槽３内に、液相の蓄熱材２よりも比重が小さく蓄熱材２と殆ど混合しない液相の剥離材（中間熱媒体）１０２を備え、剥離材１０２を、蓄熱槽３内に設けられた冷却側熱交換器４を覆うように設けるとよい。剥離剤１０２としては、蓄熱温度範囲において液相であるものを用いる必要がある。蓄熱システム１０１においては、固相の蓄熱材２の比重＞液相の蓄熱材２の比重＞剥離材１０２の比重、という関係を満たすことになる。
蓄熱システム１０１においては、蓄熱材２の凝固は、剥離材１０２と蓄熱材２の界面で生じる。この界面に析出する固相の蓄熱材２の付着力は弱く、容易に沈降する。必要に応じて、循環ポンプ７２や気泡発生装置７６により蓄熱材２を撹拌するように構成してもよい。
剥離材１０２と蓄熱材２の界面と接触する蓄熱槽３の壁面は冷却されやすく、蓄熱槽３の壁面に固相の蓄熱材２が固着してしまうことも考えられるため、剥離材１０２と蓄熱材２の界面と接触する蓄熱槽３の壁面は加熱しておくことが望ましい。蓄熱槽３の壁面の加熱は、壁面ヒータ６２により行うように構成してもよいし、壁面ヒータ６２とは別の加熱手段により行うように構成してもよい。
蓄熱材２の全体の体積は、固相率により変動するため、蓄熱温度範囲内で固相率が変動したときも冷却側熱交換器４の全体を覆えるように、蓄熱槽３内に収容する蓄熱材２および剥離材１０２の量を決定するとよい。
なお、剥離材１０２の外部に冷却側熱交換器４を配置することも考えられるが、この場合、蓄熱材２の体積変化が大きい場合には、冷却側熱交換器４と剥離材１０２が離間して、蓄熱材２への伝熱が低下してしまうおそれがある。蓄熱システム１０１のように、剥離材１０２の内部に冷却側熱交換器４を配置することで、蓄熱材２の体積変化が大きい場合であっても、伝熱効率が低下してしまうことを抑制できる。
また、図１１に示す蓄熱システム１１１のように、上方と側方が閉じられると共に下方が開放され、その内部の空間に剥離材１０２を収容する剥離材収容容器１１２を複数備えることで、剥離剤１０２と蓄熱材２との接触面積をより大きくし、伝熱効率を高めるように構成してもよい。蓄熱システム１１１では、剥離材収容容器１１２を２つ備える場合を示しているが、剥離材収容容器１１２を３つ以上備えることも当然に可能である。
剥離材収容容器１１２の上面は傾斜させ、剥離材収容容器１１２の上面に固相の蓄熱材２が積もらないように構成することがより望ましい。
また、蓄熱システム１１１では、各剥離材収容容器１１２の間において冷却側熱交換器４の配管が露出することになるため、この露出部分に断熱材を設けて保温する等して、蓄熱材２の付着を抑制することが望ましい。
図１３（ａ）に示す蓄熱システム１３１は、図１の蓄熱システム１において、蓄熱材２の加熱時に、上部の冷却側熱交換器４にも高温の熱媒体を導入し、冷却側熱交換器４と加熱側熱交換器５の両方で蓄熱材２を加熱するように構成したものである。
蓄熱システム１３１では、熱源１３２と熱負荷１３３側の熱交換器１３４間で熱媒体を循環させる熱媒体循環ライン１３５を有し、その熱媒体循環ライン１３５における熱源１３２の上流側と下流側を接続するように、冷却側熱交換器用ライン１３６と加熱側熱交換器用ライン１３７を接続して構成されている。冷却側熱交換器用ライン１３６には冷却側熱交換器４が配置され、加熱側熱交換器用ライン１３７には加熱側熱交換器５が配置されている。熱源１３２は、例えば、産業排熱や太陽熱などである。熱負荷１３３は、例えば、発電用の蒸気タービンなどである。
冷却側熱交換器用ライン１３６には、冷却側熱交換器用ライン１３６を流れる熱媒体の流量を調整するための流量調整弁１３８が設けられている。また、加熱側熱交換器用ライン１３７には、加熱側熱交換器用ライン１３７を流れる熱媒体の流量を調整するための流量調整弁１３９が設けられている。さらに、冷却側熱交換器用ライン１３６や加熱側熱交換器用ライン１３７への分岐部分よりも熱源１３２側の熱媒体循環ライン１３５には、熱源１３２を流れる熱媒体の流量を調整するための流量調整弁１４０が設けられている。蓄熱システム１３１では、冷却側熱交換器４と加熱側熱交換器５に共通の熱媒体が供給されるように構成されている。
流量調整弁１３８〜１４０は、図示しない制御装置に接続されており、制御装置により開度が調整されるように構成されている。冷却側熱交換器用ライン１３６や加熱側熱交換器用ライン１３７への分岐部分よりも熱交換器１３４側の熱媒体循環ライン１３５には、熱媒体を循環させるポンプ１４１が設けられている。
図１３（ｂ）に示すように、蓄熱材２の加熱時、すなわち蓄熱時には、全ての流量調整弁１３８〜１４０を開とし、熱源１３２にて加熱され高温となった熱媒体を冷却側熱交換器４と加熱側熱交換器５の両方に導入し、両者で蓄熱材２を加熱する。
他方、図１３（ｃ）に示すように、蓄熱材２の冷却時、すなわち熱利用時には、冷却側熱交換器用ライン１３６に設けた流量調整弁１３８のみを開とし、他の流量調整弁１３９，１４０を閉とする。これにより、熱交換器１３４で冷却され低温となった熱媒体を冷却側熱交換器４に導入し、蓄熱材２を冷却すると同時に熱媒体を加熱する。
蓄熱システム１３１では、冷却側熱交換器４と加熱側熱交換器５の両方で蓄熱材２を加熱するため、蓄熱材２を効率の良く加熱することが可能であり、冷却側熱交換器４に固着した蓄熱材２も容易に融解させることが可能になる。
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、一例として、非共晶組成の２成分混合塩からなるものを蓄熱材２として用いた場合を説明したが、蓄熱材２はこれに限定されず、例えば共晶組成のものを用いてもよいし、３成分以上の混合塩を用いてもよく、溶融塩でなくとも相変化する物質全般を蓄熱材２として使用可能である。
また、上記実施の形態では、１本の伝熱管４ａを曲げて構成された冷却側熱交換器４を用いる場合を説明したが、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、複数本の伝熱管４ａを並列に接続するように冷却側熱交換器４を構成することも可能である。このように構成することで、低温の第１熱媒体の流量を大幅に増加させることが可能となり、それにより第１熱媒体の入口と出口の温度差を小さくすることが可能になる。その結果、冷却側熱交換器４で冷却した際に均一に固相の蓄熱材２が生じるようになり、固相の蓄熱材２がより剥離し易くなる。
また、何らかのトラブル等により蓄熱材２全体が固化してしまった場合に、固化した蓄熱材２が冷却側熱交換器４の伝熱管４ａを取り込んで伝熱管４ａに変形や損傷が発生しないように、蓄熱材２全体が固化したときに伝熱管４ａが蓄熱材２から露出されるように冷却側熱交換器４を配置するようにしてもよい。
ただし、冷却側熱交換器４が完全に露出した状態では、冷却側熱交換器４に高温の熱媒体を供給することによる蓄熱材２の加熱は出来なくなるので、図１３のように冷却側熱交換器４に高温の熱媒体を供給可能に構成する場合には、蓄熱材２全体が固化したときに伝熱管４ａの一部が蓄熱材２から露出されるように、すなわち伝熱管４ａの少なくとも一部が固相の蓄熱材２に接触した状態となるように、冷却側熱交換器４を配置するとよい。
また、冷却側熱交換器４を、複数の伝熱管４ａを柔軟なフレキシブル管により連結した構成とし、伝熱管４ａに固相の蓄熱材２が付着した際に伝熱管４ａにかかる応力を分散させ、伝熱管４ａの変形や損傷を抑制するように構成することも可能である。
１ 蓄熱システム
２ 蓄熱材
３ 蓄熱槽
４ 冷却側熱交換器
５ 加熱側熱交換器
６２ 壁面ヒータ

Claims (7)

  1. 固相が液相よりも比重が大きい蓄熱材と、
    前記蓄熱材を貯留する蓄熱槽と、
    前記蓄熱槽内の上部に設けられ前記蓄熱材を冷却する冷却側熱交換器と、
    前記蓄熱槽内の下部に設けられ前記蓄熱材を加熱する加熱側熱交換器と、
    前記蓄熱槽の側壁を加熱する壁面ヒータと、
    前記冷却側熱交換器にて冷却され固相となった前記蓄熱材を、前記冷却側熱交換器から剥落させる固相剥落手段と、
    を備え、
    前記固相剥落手段は、前記蓄熱材に添加され、液相の前記蓄熱材の流動により前記冷却側熱交換器に衝突して、固相となった前記蓄熱材を前記冷却側熱交換器から剥落させる固体片を備える
    ことを特徴とする蓄熱システム。
  2. 前記蓄熱材として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた
    請求項１記載の蓄熱システム。
  3. 前記蓄熱槽内の下部に、前記加熱側熱交換器による加熱で固相から液相となった前記蓄熱材を上方に逃がす液通路を形成するための補助ヒータを備えた
    請求項１または２に記載の蓄熱システム。
  4. 前記加熱側熱交換器は、前記蓄熱槽の底面に設けられ、加熱用の熱媒体を通す流路が内部に設けられた板状の熱交換器からなる
    請求項１〜３の何れか一項に記載の蓄熱システム。
  5. 前記冷却側熱交換器の冷却面がガラスからなる
    請求項１〜４の何れか一項に記載の蓄熱システム。
  6. 前記蓄熱槽内に、前記液相の前記蓄熱材よりも比重が小さく前記蓄熱材と混合しない液相の剥離材を備え、
    前記剥離材を、前記蓄熱槽内に設けられた前記冷却側熱交換器を覆うように設けた
    請求項１〜５の何れか一項に記載の蓄熱システム。
  7. 固相が液相よりも比重が大きい蓄熱材と、
    前記蓄熱材を貯留する蓄熱槽と、
    前記蓄熱槽内の上部に設けられ前記蓄熱材を冷却する冷却側熱交換器と、
    前記蓄熱槽内の下部に設けられ前記蓄熱材を加熱する加熱側熱交換器と、
    前記蓄熱槽の側壁を加熱する壁面ヒータと、
    を備え、
    前記蓄熱材の加熱時に、前記冷却側熱交換器に高温の熱媒体を導入し、前記冷却側熱交換器と前記加熱側熱交換器の両方で前記蓄熱材を加熱するように構成した
    ことを特徴とする蓄熱システム。
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