JP6434889B2 - 蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法、及び蓄熱槽 - Google Patents
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Description
(1)状態変化または化学反応により、生じた熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う蓄熱材と、該蓄熱材を封入する充填容器と、該充填容器を介して、蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有する蓄熱槽で、蓄熱材が充填容器から熱媒体に漏洩した場合に備えた蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記蓄熱材は、溶けたときの水溶液の液性が酸性、またはアルカリ性を呈する特性の材料であること、前記蓄熱材を溶解させた前記熱媒体を、第1評価基準用熱媒体とすると、前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン指数を、前記蓄熱材の濃度を変化させながらpH計測機器で測定し、前記蓄熱材の濃度と、測定された水素イオン指数とがプロットされたグラフに基づいて、前記蓄熱材の濃度と前記水素イオン指数との相関関係を、演算処理による近似で導出した熱媒体状態判定尺度を、評価基準として予め作成し、取得しておくこと、前記蓄熱槽内に収容された前記熱媒体に対し、その水素イオン濃度を示す蓄熱槽内水素イオン指数をpH計測機器で測定し、測定された前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数と前記熱媒体状態判定尺度とに基づいて、前記熱媒体に含む前記蓄熱材の濃度を知得すること、を特徴とする。
(2)(1)に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン濃度を、[H+]とし、前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン指数を、pHで示すと、
pH=−Log10[H+] …式(1)
前記第1評価基準用熱媒体に含有する前記蓄熱材の濃度を[A]([A]>0)とし、αとβ(β≠0)を定数とすると、
前記蓄熱材の濃度[A]は、前記水素イオン濃度[H+]の変化に対応する関数で示され、前記式(1)より、前記熱媒体状態判定尺度は、対数による近似で、次の式(2)に示された実験式であること、
pH=−β×Log[A]−α (但し、Logは自然対数) …式(2)
前記熱媒体中に漏洩した前記蓄熱材の濃度は、前記式(2)と、前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数の測定値とにより、算出されること、を特徴とする。
(3)(1)または(2)に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記蓄熱槽内に収容された前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数を、pH計測機器で継続的に測定し、測定した前記蓄熱槽内水素イオン指数の絶対値と、前記蓄熱槽内水素イオン指数の測定値の経時的な変化量との少なくとも一方を把握すること、前記絶対値と前記変化量とに対し、許容範囲内の大きさか否かを判断するのに用いる許容値を、閾値として設定すること、を特徴とする。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記蓄熱材は、相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材であること、を特徴とする。
(6)(5)に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記潜熱蓄熱材は、ミョウバン水和物であること、を特徴とする。
(7)(6)に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン12水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)であること、を特徴とする。
(8)状態変化または化学反応により、生じた熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う蓄熱材と、該蓄熱材を封入する充填容器と、該充填容器を介して、蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有する蓄熱槽において、水素イオン濃度を測定するpH計測機器と、前記蓄熱材の漏洩発生時に、前記熱媒体に対し、漏洩分の前記蓄熱材を、(1)乃至(7)のいずれか1つに記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法に基づいて検知し、検知した前記蓄熱材の漏洩分を定量的に算出する制御手段と、を備えること、を特徴とする。
(9)(8)に記載する蓄熱槽において、熱の供給側と熱の提供側で、当該蓄熱槽と連通する前記熱媒体の流路に、当該蓄熱槽との間で前記熱媒体の流通を制御する主開閉弁を備えていること、を特徴とする。
(10)(8)または(9)に記載する蓄熱槽において、当該蓄熱槽内に収容された前記熱媒体を外部に排出可能な副開閉弁を備えていること、を特徴とする。
(11)(8)乃至(10)のいずれか1つに記載する蓄熱槽において、当該蓄熱槽内に、前記熱媒体の温度を測定する温度計測機器を備えていること、を特徴とする。
(1)状態変化または化学反応により、生じた熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う蓄熱材と、該蓄熱材を封入する充填容器と、該充填容器を介して、蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有する蓄熱槽で、蓄熱材が充填容器から熱媒体に漏洩した場合に備えた蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、蓄熱材は、溶けたときの水溶液の液性が酸性、またはアルカリ性を呈する特性の材料であること、蓄熱材を溶解させた熱媒体を、第1評価基準用熱媒体とすると、第1評価基準用熱媒体の水素イオン指数を、蓄熱材の濃度を変化させながらpH計測機器で測定し、蓄熱材の濃度と、測定された水素イオン指数とがプロットされたグラフに基づいて、蓄熱材の濃度と水素イオン指数との相関関係を、演算処理による近似で導出した熱媒体状態判定尺度を、評価基準として予め作成し、取得しておくこと、蓄熱槽内に収容された熱媒体に対し、その水素イオン濃度を示す蓄熱槽内水素イオン指数をpH計測機器で測定し、測定された熱媒体の蓄熱槽内水素イオン指数と熱媒体状態判定尺度とに基づいて、熱媒体に含む蓄熱材の濃度を知得すること、を特徴とする。この特徴により、蓄熱槽内において蓄熱材が万一、充填容器から熱媒体に漏洩した場合や、その可能性がある場合でも、熱媒体に混じった漏洩分の蓄熱材の濃度を、定量的かつ感度良く検知できるため、蓄熱槽内で、熱媒体への蓄熱材の漏洩が的確に把握できる。
以下、本発明に係る蓄熱槽、及び蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法について、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明に係る蓄熱槽は、本実施形態では、蓄熱材の相変化による潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材とし、この潜熱蓄熱材を封入する充填容器と、この充填容器を介して潜熱蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有した潜熱蓄熱槽である。充填容器は、潜熱蓄熱槽内に複数収容されている。図1は、実施形態に係る蓄熱槽を模式的に示す図である。
本実施形態に係る蓄熱槽1内の潜熱蓄熱材41の漏洩検知方法は、熱媒体状態判定尺度を、評価基準として予め作成し、取得しておく。この熱媒体状態判定尺度は、図6に示すように、蓄熱槽1以外において、第1評価基準用熱媒体2Aの水素イオン指数を、潜熱蓄熱材41の濃度を変化させながら、図示しないpH計で測定し、潜熱蓄熱材41の濃度と、測定された水素イオン指数とがプロットされたグラフに基づき、潜熱蓄熱材41の濃度と水素イオン指数との相関関係を、対数による近似で導出した尺度(図7参照)である。第1評価基準用熱媒体2Aは、潜熱蓄熱材41を、濃度を変化させながら溶解させて任意の濃度に調整した熱媒体である。次に、蓄熱槽1内に収容された熱媒体2または漏洩状態熱媒体2Aに対し、その水素イオン濃度を、蓄熱槽内水素イオン指数としてpH計8で測定し、測定された水素イオン指数の絶対値(pH値)と上記熱媒体状態判定尺度とに基づいて、漏洩状態熱媒体2Aに含む漏洩分蓄熱材41Aの濃度を知得する。
ここで、熱媒体状態判定尺度を規定するに当たり、以下の検証実験を行った。検証実験は、漏洩した潜熱蓄熱材41が熱媒体2に混入した場合を想定し、第1評価基準用熱媒体2A(漏洩状態熱媒体2A)中に占める潜熱蓄熱材41の濃度変化と、pH計によるこの漏洩状態熱媒体2Aの水素イオン指数との相関関係を把握するため、蓄熱槽1以外で前もって行った試験である。この検証実験は、pH計の感度を検証するための試験でもある。
検証実験では、水道水(熱媒体2)100mlをビーカーに採取し、評価基準用としてのアンモニウムミョウバン12水和物(潜熱蓄熱材41)をビーカー内の水道水に加えて、水溶液(漏洩状態熱媒体2A)の状態を調整した。具体的には、添加する潜熱蓄熱材41の量を徐々に増やしながら、潜熱蓄熱材41の添加量に応じて、その都度、漏洩状態熱媒体2Aの水素イオン指数をpH計で測定した。
次に、潜熱蓄熱材41の濃度と、第1評価基準用熱媒体2Aの水素イオン指数の測定値とに基づいて、グラフ横軸を潜熱蓄熱材41の濃度、グラフ縦軸を第1評価基準用熱媒体2Aの水素イオン指数の測定値としたプロットを作成し、対数近似によって両者の相関関係を表す関係式を導き出した。その関係式が、後述する式(2)のような熱媒体状態判定尺度である。
pH=−Log10[H+] …式(1)
第1評価基準用熱媒体2Aに含有する潜熱蓄熱材41の濃度を[A]([A]>0)とし、αとβ(β≠0)を定数とすると、
潜熱蓄熱材41の濃度[A]は、水素イオン濃度[H+]の変化に対応する関数で示され、式(1)より、潜熱蓄熱材41の濃度と水素イオン指数の関係を、対数による近似を行うことにより次の式(2)を得た。熱媒体状態判定尺度は、潜熱蓄熱材41の濃度を変数に含むこの式(2)により、演算処理されるものである。
pH=−β×Log[A]−α (但し、Logは自然対数) …式(2)
この式(2)では、αとβ(β≠0)は何れも定数である。対数近似では、潜熱蓄熱材41の濃度と水素イオン指数との実測値のプロットに対し、最小二乗法によるフィッティングを行うことにより、定数の値をそれぞれ決定した。漏洩状態熱媒体2Aに含有する潜熱蓄熱材41の濃度は、式(2)の左辺に、漏洩状態熱媒体2Aの水素イオン指数の実測値を代入して算出される。なお、式(2)は、第1評価基準用熱媒体2A中における潜熱蓄熱材41の濃度変化と水素イオン指数の変化との関係について、本出願人により、これまで行ってきた数多くの実験を通じて得た実験式である。かくして、熱媒体2中に漏洩した漏洩分蓄熱材41Aの濃度は、式(2)と、熱媒体2の蓄熱槽1内の水素イオン指数の測定値とにより、算出される。
y=−0.263×Log[A]+3.2699 …式(3)
(α=−3.2699、β=0.263、R2=0.9865)
図7は、式(3)による熱媒体状態判定尺度をグラフ化した図である。
図7に示すように、潜熱蓄熱材41が混じっていない水道水では、pH値は6.6であり、たとえ僅かな量でも、潜熱蓄熱材41が水道水に混入すると、pH値は、一気に1.5以上低い値になる。しかも、式(3)によれば、第1評価基準用熱媒体2Aに混入している潜熱蓄熱材41の濃度が、0.001〜0.100wt%という比較的低い数値であっても、第1評価基準用熱媒体2AのpH値は、5.1〜4.5という幅広い範囲で、数値に差異を持つ。そのため、第1評価基準用熱媒体2Aに混入した潜熱蓄熱材41が、たとえ僅かな量であっても、混入した潜熱蓄熱材41の濃度を、高精度に検知することができる。
偶然誤差要因を排除する一つの手法として、本実施形態に係る蓄熱槽1内の潜熱蓄熱材41の漏洩検知方法では、蓄熱槽1内に収容された熱媒体2に対し、その水素イオン濃度を、pH計8で継続的に測定する。次に、測定時間と水素イオン指数の測定値との関係で、測定した水素イオン指数の絶対値と、水素イオン指数の測定値の経時的な変化量とを把握する。そして、これらの絶対値と変化量とに対し、許容範囲内の大きさか否かを判断するのに用いる許容値を、閾値として設定する。
次に、本実施形態に係る蓄熱槽1内の潜熱蓄熱材41の漏洩検知方法では、pH指示薬を用いた評価試験方法もある。図9は、実施形態に係る蓄熱槽内の潜熱蓄熱材の漏洩検知方法で、基準用サンプルと比較用サンプルとを対比した結果を示す説明図である。なお、図9(a)に図示した粗いドット表示は黄色透明であることを意味し、図9(b)に図示した細かいドット表示は赤色透明であることを意味する。
具体的に説明する。蓄熱槽1内で使用する潜熱蓄熱材組成物40に含む潜熱蓄熱材41は、液相状態で酸性を呈するため、用いるpH指示薬を、酸塩基指示薬の一種であるメチルレッドとしている。メチルレッドは、pH>6.2で黄色、pH<4.4で赤色を、変色域である4.4≦pH≦6.2ではオレンジ色を示し、酸塩基指示薬の中でも、酸性域において比較的幅広い変色域を有した特性である。
潜熱蓄熱材41を添加した比較用サンプル52の水溶液が、0.007wt%のアンモニウムミョウバン水溶液となったとき、すなわち漏洩状態熱媒体2Aに占める漏洩分蓄熱材41Aの濃度が0.007wt%となったとき、図9(b)に示すように、水溶液の色調が赤色透明に変化した。換言すれば、濃度0.007wt%の漏洩分蓄熱材41Aを含有する漏洩状態熱媒体2Aの水素イオン指数は、概ねpH4.4であると推察できる。なお、0.007wt%のアンモニウムミョウバン水溶液は、前述したように、蓄熱槽1内に収容した32,800袋の充填容器20のうち、2袋分の200gの潜熱蓄熱材組成物40が熱媒体2中に漏洩した場合で、漏洩状態熱媒体2Aに占める潜熱蓄熱材41の濃度0.008wt%より、低い濃度に相当する水溶液である。
熱媒体2に漏洩した潜熱蓄熱材41(漏洩分蓄熱材41A)が、たとえ濃度0.007wt%という低濃度で、漏洩状態熱媒体2Aに混入していても、基準用サンプル51と比較用サンプル52とを用いて、各水溶液の色調変化を相対的に比較するだけで、漏洩状態熱媒体2Aに漏洩した微量な漏洩分蓄熱材41Aを検知することができる。
(1)例えば、実施形態では、式(2),(3)に示す熱媒体状態判定尺度の演算を、制御ユニット7で行ったが、制御手段は、例えば、別体のパーソナルコンピュータ(PC)等の端末機器で、式(2),(3)に示す熱媒体状態判定尺度の演算を行い、この端末機器に接続されて作動する等の構成としても良い。
(2)また、実施形態では、蓄熱システム内の熱提供先70として、80〜90℃の温度帯域で使用する給湯設備や空気調和設備を挙げたが、熱提供先は、例えば、ガス吸収式冷凍機の再生器を加熱するのに用いる熱源等のほか、80℃以上の温度を必要とする装置を対象に、多様に用いることができる。また、80℃未満の温度帯域で使用する給湯設備や空気調和設備を熱提供先とすることもできる。
(4)また、実施形態では、蓄熱槽1との間で熱媒体2の流通を制御する弁を、制御ユニット7により自動で開閉する電磁弁5としたが、主開閉弁は、手動で開閉する手動弁でも良い。
(5)また、実施形態では、pH計8を3つ、温度計9を5つ、それぞれ設置したが、pH計測機器と温度計測機器について、蓄熱槽に設ける数量、蓄熱槽への配置位置は、適宜変更可能である。
(7)また、実施形態では、蓄熱材を、相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材41としたが、蓄熱材は、水との化学反応に伴う反応熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う化学蓄熱材で、溶けたときの水溶液の液性が酸性、またはアルカリ性を呈する特性を有した材料でも良い。
(8)また、実施形態では、蓄熱システムに構成した蓄熱槽1を1つとしたが、蓄熱システムは、熱供給源と熱提供先との間で、直列配管接続あるいは並列配管接続で複数の蓄熱槽を配置したものでも良い。
(10)また、実施形態では、熱媒体2の流路4と蓄熱槽1とを4つの接続口で連通し、このうちの2つの接続口を蓄熱槽1上部に、残り2つの接続口を蓄熱槽1下部に、それぞれ配置したが、熱媒体の流路と蓄熱槽とが連通していれば良く、熱媒体の流路が蓄熱槽に接続する位置は、いかなる位置でも良い。
2 熱媒体,第2評価基準用熱媒体
2A 第1評価基準用熱媒体,漏洩状態熱媒体
4 流路
4A 供給側流入路(熱の供給側流路)
4B 供給側流出路(熱の供給側流路)
4C 提供側流入路(熱の提供側流路)
4D 提供側流出路(熱の提供側流路)
5 電磁弁(主開閉弁)
6 排出弁(副開閉弁)
7 制御ユニット(制御手段)
8 pH計(pH計測機器)
9 温度計(温度計測機器)
20,20A 充填容器
41 潜熱蓄熱材(蓄熱材)
41A 漏洩分蓄熱材(漏洩分の蓄熱材)
51 基準用サンプル
52 比較用サンプル
K 許容値
Claims (11)
- 状態変化または化学反応により、生じた熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う蓄熱材と、該蓄熱材を封入する充填容器と、該充填容器を介して、蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有する蓄熱槽で、蓄熱材が充填容器から熱媒体に漏洩した場合に備えた蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記蓄熱材は、溶けたときの水溶液の液性が酸性、またはアルカリ性を呈する特性の材料であること、
前記蓄熱材を溶解させた前記熱媒体を、第1評価基準用熱媒体とすると、
前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン指数を、前記蓄熱材の濃度を変化させながらpH計測機器で測定し、前記蓄熱材の濃度と、測定された水素イオン指数とがプロットされたグラフに基づいて、前記蓄熱材の濃度と前記水素イオン指数との相関関係を、演算処理による近似で導出した熱媒体状態判定尺度を、評価基準として予め作成し、取得しておくこと、
前記蓄熱槽内に収容された前記熱媒体に対し、その水素イオン濃度を示す蓄熱槽内水素イオン指数をpH計測機器で測定し、測定された前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数と前記熱媒体状態判定尺度とに基づいて、前記熱媒体に含む前記蓄熱材の濃度を知得すること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項1に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン濃度を、[H+]とし、前記第1評価基準用熱媒体の水素イオン指数を、pHで示すと、
pH=−Log10[H+] …式(1)
前記第1評価基準用熱媒体に含有する前記蓄熱材の濃度を[A]([A]>0)とし、
αとβ(β≠0)を定数とすると、
前記蓄熱材の濃度[A]は、前記水素イオン濃度[H+]の変化に対応する関数で示され、前記式(1)より、前記熱媒体状態判定尺度は、対数による近似で、次の式(2)に示された実験式であること、
pH=−β×Log[A]−α (但し、Logは自然対数) …式(2)
前記熱媒体中に漏洩した前記蓄熱材の濃度は、前記式(2)と、前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数の測定値とにより、算出されること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項1または請求項2に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記蓄熱槽内に収容された前記熱媒体の前記蓄熱槽内水素イオン指数を、pH計測機器で継続的に測定し、測定した前記蓄熱槽内水素イオン指数の絶対値と、前記蓄熱槽内水素イオン指数の測定値の経時的な変化量との両方を把握すること、
前記絶対値と前記変化量とに対し、許容範囲内の大きさか否かを判断するのに用いる許容値を、閾値として設定すること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記蓄熱材が前記熱媒体に混ざっていない第2評価基準用熱媒体に、pH指示薬を滴下して生成した基準用サンプルと、
前記蓄熱槽内から取り出した前記熱媒体に、前記基準用サンプルに用いた同じ前記pH指示薬を滴下して生成した比較用サンプルと、を用意し、
前記基準用サンプルと前記比較用サンプルとの相対的な色調変化に基づいて、漏洩した前記蓄熱材が前記熱媒体に含まれているか否かを、前記pH指示薬の変色域に対応させて判別すること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記蓄熱材は、相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材であること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項5に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記潜熱蓄熱材は、ミョウバン水和物であること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 請求項6に記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法において、
前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン12水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)であること、
を特徴とする蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法。 - 状態変化または化学反応により、生じた熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う蓄熱材と、該蓄熱材を封入する充填容器と、該充填容器を介して、蓄熱材との間で熱を移動させるための熱媒体と、を有する蓄熱槽において、
水素イオン濃度を測定するpH計測機器と、
前記蓄熱材の漏洩発生時に、前記熱媒体に対し、漏洩分の前記蓄熱材を、請求項1乃至請求項7のいずれか1つに記載する蓄熱槽内の蓄熱材漏洩検知方法に基づいて検知し、検知した前記蓄熱材の漏洩分を定量的に算出する制御手段と、
を備えること、
を特徴とする蓄熱槽。 - 請求項8に記載する蓄熱槽において、
熱の供給側と熱の提供側で、当該蓄熱槽と連通する前記熱媒体の流路に、当該蓄熱槽との間で前記熱媒体の流通を制御する主開閉弁を備えていること、
を特徴とする蓄熱槽。 - 請求項8または請求項9に記載する蓄熱槽において、
当該蓄熱槽内に収容された前記熱媒体を外部に排出可能な副開閉弁を備えていること、
を特徴とする蓄熱槽。 - 請求項8乃至請求項10のいずれか1つに記載する蓄熱槽において、
当該蓄熱槽内に、前記熱媒体の温度を測定する温度計測機器を備えていること、
を特徴とする蓄熱槽。
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