JPH01252838A - 潜熱蓄冷装置 - Google Patents

潜熱蓄冷装置

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JPH01252838A
JPH01252838A JP63076134A JP7613488A JPH01252838A JP H01252838 A JPH01252838 A JP H01252838A JP 63076134 A JP63076134 A JP 63076134A JP 7613488 A JP7613488 A JP 7613488A JP H01252838 A JPH01252838 A JP H01252838A
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heat
temperature
latent heat
thermal
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JP63076134A
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Katsuaki Yamagishi
勝明 山岸
Koji Kashima
弘次 鹿島
Akio Mitani
三谷　明男
Masatoshi Shimura
志村　政利
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は潜熱蓄冷装置に係り、特に蓄冷時に発生する潜
熱蓄熱材の過冷却を防止し蓄冷性能を向上した蓄冷装置
に関する。
（従来の技術） 近年、夏期における冷房用のエアコンの家庭・＼の普及
率が非常に高くなった。またビルあるいは電車等におい
ては、冷房の設備が充実した。このため夏期の昼間時に
は、家庭、ビル、工場、乗物等の全ての電力使用が集中
する現宋が発生している。これ等の使用電力は、電力会
社がら供給する電力を」１回る値になっている。このた
め電力会社では、この電力使用の集中の問題を避けるた
めに、ビル、工場等に冷房能力を落とした冷房機の使用
等の協力をお願いしている。
そこで、このような問題を解決するために、電力使用の
少ない夜間電力を使って冷凍機を動がし、この冷凍機で
発生する熱を蓄熱材に蓄冷する。そして、この蓄熱材に
蓄冷された熱を電力集中を起こす昼間時に取り出して使
用することにより、不足する昼間時の冷房能力を補うこ
とが考えられている。
従って、この蓄冷装置に使用される蓄熱材としては、大
量の熱を蓄えることが可能であり、しかも蓄える熱量が
多くても大型化しない材料が好ましい。このような観点
から例えば、水、不凍液、あるいは常温以下の温度に相
変化温度を有する水和塩（ＳＯ２６Ｈ２０（融点７℃）
　、ＣｔＨｓ　０・１７Ｈ２０（融点４．４℃）等の潜
熱蓄熱材が使用されている。
すなわち、上述した種類の潜熱蓄熱材によれば、液相か
ら固相に相変化を行う際に大量の熱を吸収（又は放出）
する。このため潜熱蓄熱材を使用することにより、小さ
な容積で大量の熱を蓄えることができる利点がある。
しかしながら潜熱蓄熱材は、過冷却現象と呼ばれる蓄冷
には好ましくない作用を持っている。第６図の破線で示
す特性図は、潜熱蓄熱材として、水を使用した時の使用
の変化に対する温度変化を示した特性図である。第６図
からも明らかなように、水を冷凍機で徐々に冷やしてい
くとき、時間ｔ１において、水が相変化温度θ℃に達し
たにもかかわらず、水がその時点で氷にならないで水の
状態をそのまま維持するために、冷凍機で更に冷やされ
て温度が低下している。すなわち、水は、液相から固相
に変化する際に、１ｇ当り８０ｃａｌの熱を吸収できる
にもかかわらず、相変化が発生しないために１ｇ１℃の
温度変化に対して吸収する１　　ｃａ１分の熱しか蓄え
ることができない。従って過冷却が発生すると温度差分
のみを乗じた値の熱量しか蓄えることができない。この
ことは、蓄冷能力の低下につながるだけでなく、蓄熱材
を多量に必要とし、蓄冷装置が大型化してくる欠点があ
る。また、蓄熱材は、その材質において固有の過冷却解
除温度を有している。水の場合は、第６図°に示すよう
に一１２℃がその温度である。しかしながら、水を一１
２℃まで冷却するためには、非常に大型の冷凍機を必要
としてくるとともに、電力消費が大きくなる。従って、
自然に過冷却を解除しようとしても、装置自体が大型化
し、しかも蓄冷のための消費電力が大きくなることから
、蓄冷性能が低下する欠点がある。従ってこのような欠
点を解決するために、潜熱蓄熱材に蓄冷を行うときは、
確実に過冷却を防止するための対策が必要となる。
従来、相変化温度で確実に相変化を発生させるための潜
熱蓄熱材の過冷却を防止する蓄冷装置として、特公昭６
１−３４０７５号公報に記載されている電子冷凍素子を
用いた過冷却防止装置が知られている。この潜熱蓄冷装
置を第７図及び第８図に示す。
図において、潜熱蓄冷装置Ｕは過冷却を生じる潜熱蓄熱
材５１と、この潜熱蓄熱材５１を満たした容器５２と、
吸熱媒体５３の通る吸熱用熱交換器５４と、放熱媒体５
５の遺る放熱用熱交換器５６と、ペルチェ効果を利用し
た電子冷凍素子５７を用いた強制冷却機構−Ｌ」−とで
構成されている。電子冷凍素子５７はＰ型半導体５９、
Ｎ型半導体６０、高温側金属片６１、低温側金属片６２
で構成されている。強制冷却機構−晃」−は、潜熱蓄冷
装置５０の外部に突出し、潜熱蓄熱材５１の融液と同じ
組織の結晶核形成物６３を、ヒートバイブロ４を通して
電子冷凍素子ｉユの低温側金属片である吸熱面６２で冷
却して常時融点以下に維持するもので、この結晶核形成
物６３は銅棒６５、ウィック（繊維質物質）６６を通し
て潜熱蓄熱材５１の融液の一部と気密的に切れ目なく接
触している。
上記構成による潜熱蓄冷装置−乳」−では蓄冷すべく、
潜熱蓄熱材５１を吸熱用熱交換器５４で吸熱し、潜熱蓄
熱材５１を冷却する。一方電子冷凍素子−５７−には、
常時電流を流しこの素子Ｕで結晶核形成物６３を強制的
に冷却することにより、結晶核の溶融を防止している。
これにより結晶核形成物６３にウィック６６を通して接
触している潜熱蓄熱材５１が相変化温度以下に冷却され
たとき、結晶化が伝わり潜熱蓄熱材５１の相変化が進行
し過冷却を防止する。
しかしながら、上記従来の潜熱蓄冷装置５０に設置１．
た電子冷凍素子５７の高温側金属片（放熱面）６１は、
潜熱蓄冷装置５０の外部に露出１．ている。そのため放
熱面６１が外気の高温にさらされることになり低温側金
属片（吸熱面）６２との間の温度差が大きくなる。この
ため電子冷凍素子５７の特性上、温度差が大きくなる。
この温度差は、水の場合で考えるど、夏期における室温
あるいは外気温が最高４０℃まで達することを考慮りる
と、水が自然に過冷却解除する温度は一１２℃とされて
いるため温度差５２℃を発生する重子冷凍素子が必要に
なる。このような特性を出すためには、素子５７の多段
組みの構成が必要となり、過冷却防止装置が大型化し５
実用性に欠ける欠点がある。また過冷却防止の作用が外
気温度の変化に影響を受ける等外気温によっては、吸熱
面側が一１２℃に達しないこともあり確実性に欠ける等
の欠点がある。
（発明が解決しようとする課題） このように従来の潜熱蓄熱材を用いた蓄冷装置において
は、電子冷凍素子を過冷却防止装置として使用すると占
、放熱面が蓄冷装置外部に露出１、ているため、蓄熱材
が持っている；ｉ冷却解除温度と外気温の温度差が非常
に大きくなるため過冷却防止装置が大型化し、１〜かも
外気温の変化の影響を受けるため確実に過冷却を防止で
きないことがあった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、潜熱蓄熱材
を相変化温度で娘実に相変化を発生させ、容易に過冷却
を防止でき効率良く熱を蓄えることのできる潜熱蓄冷装
置を提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題が解決しようとする手段） 」１紀目的を達成するために本発明の潜熱蓄冷装置は、
過冷却を生じる潜熱蓄熱材を収容した蓄冷槽と、この蓄
冷槽内に収容した前記潜熱蓄熱材を冷却するーコ゛−１
−１二人日者漬緬・竜セ＃七貴冷却器と、前記潜熱蓄熱
材中に吸放熱可能に設けられた電子冷凍手段で前記潜熱
蓄熱材の過冷却を防止する過冷却防止装置と、前記電子
冷凍手段を前記冷却器により前記潜熱蓄熱材を冷却中に
駆動する制御手段とを具備して成ることを特徴とする。
（作　用） このように構成されたものにおいては、電子冷凍手段を
蓄冷槽内の冷却器の熱媒体入り口部の表面あるいは近傍
に設置したことにより、電子冷凍手段の放熱面側が潜熱
蓄熱材中にあるため、一義的に定める潜熱蓄熱材の相変
化温度をそのまま利用でき、電子冷凍手段の吸熱面側を
確実に蓄熱材の過冷却解除温度に冷却することができ、
小型の電子冷凍手段で潜熱蓄熱材を相変化温度で確実に
相変化を発生させ、過冷却を防止できる。
すなわち、例えば水の場合は、相変体温＆が０℃で、過
冷却解除温度が一１２℃であるから、電子冷凍素子の吸
熱面側と放熱面側の温度差は１２℃有ればよいことにな
る。
これは、冷却器を駆動して、蓄熱材が０℃になわば、電
子冷凍素子の放熱面側が素子の特性上に＝１２℃になる
ので、自然に蓄熱材の中に部分的に一１２℃の領域がで
きて、そこから蓄熱材の過冷却の解除が自動的に進行す
る。
次に、本発明の作用について、下表の比較例により具体
的に説明する。
表 上記表の値は電流ｌ−５（Ａ）、素子長さし・素子断面
積Ａ、と１１、てＬ　／　Ａ　−５，１（＋Ｊｌ−’）
、吸熱】約１　（Ｗ）　、己して計算。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照１．で説明する。第
１図は、本発明に係る潜熱蓄冷装置の・一実施例を示す
断面図である。
図において、潜熱蓄冷装置１１：ｊ、断熱性の良好な蓄
冷人２に例えば、水、不凍液、永和塩Ｈ２Ｏ（融点４．
４℃））等の潜熱蓄熱材３が充満している。この蓄冷槽
２の中には、上記潜熱蓄熱材３を冷却するための冷却器
の伝熱管４が設けられ、この伝熱管４内を後述する冷凍
機で冷却した熱媒体（冷媒）５が流通し、この熱媒体５
により蓄熱材３の熱を奪い冷却していく。また熱媒体５
の入り口部の伝熱管４の表面に設置した電子冷凍手段で
ある電子冷凍素子６と蓄熱材３の温度を検知する温度セ
ンサ７が設置されている。蓄冷槽２の上部には蓄冷槽２
内の蓄熱材３の相変化に伴なう体積変化を吸収するゴム
やばね鋼等の薄膜を使用したダイヤフラム８を内部に備
えた蓄熱材３の膨張タンク９が設置されている。制御手
段である電子冷凍装置１０は、商用電源１１の交流を直
流に変換して使用する直流電源１２と、前記温度センサ
７の検知する温度を設定するための温度コントローラ１
３と、前記電子冷凍素子６の吸放熱面の切り替えを行う
切替スイッチ１４とで構成されており、温度コントロー
ラ１３は温度センサ７と、また切替スイッチ１４は電子
冷凍素子６とそれぞれ絶縁したリード線で結ばれている
。
前記電子冷凍素子６を第２図及び第３図の第１図のＡ−
Ａ断面から見た平面図に示す。図において、電子冷凍素
子６はペルチェ効果を利用した電子冷凍素子で、Ｐ型半
導体１５とＮ型半導体１６と、金属接合片１７、金属接
合片１８及び１９から成るものであって、この電子冷凍
索子６は周囲をエポキシ樹脂等の絶縁体２０で覆われて
おり絶縁されている。またこの電子冷凍素子６は固定用
治具２１を用いて伝熱管４の蓄冷槽２内で最も過冷却を
起こしやすい場所である熱媒体５の入り口部表面にエポ
キシ樹脂系接着剤等で固定されている。
この電子冷凍素子６は前記電子冷凍装置１０の切替スイ
ッチ１４により、電流の流れを変えることができる。す
なわち、第２図の第１図のＡ−Ａ断面から見た平面図は
、切替スイッチ１４を正の位置とした図であり、この場
合直流型１１ｉｉ１２からの直流電流が金属接合片１８
からＰ型半導体１５を経て、金属接合片１７、Ｎ型半導
体１６、金属接合片１９へ流れ、金属接合片１８及び１
９は低温接合部（吸熱面）となり、金属接合片１７は高
温接合部（放熱面）となることにより冷却作用が生じる
。
また、第３図の第１図のＡ−Ａ断面から見た平面図は、
切替スイッチ１４を逆の位置とした面であり、この場合
直流電源１２からの直流電流が金属接合片１９からＮ型
半導体１６を経て、金属接合片１７、Ｐ型半導体１５、
金属接合片１８へ流れ、金属接合片１８及び１９は高温
接合部（放熱面）となり、金属接合片１７は低温接合部
（吸熱面）となることにより冷却作用が生じ、蓄冷槽２
内の蓄熱材３を冷却する。
次に上記構成における本発明の詳細な説明する。
上記潜熱蓄冷装置１を第４図の本発明の具体例に係る冷
凍機として密閉冷媒式の冷凍サイクルを示す構成図に組
み込んだ場合において、蓄冷槽２内の蓄熱材３として水
を使用した場合について説明する。今、電子冷凍素子６
は、温度差１２℃を発生する能力のものを使用している
ものとする。まず圧縮機３０で圧縮した熱媒体５である
冷媒ガスは四方弁３１を経て熱交換器である凝縮器３２
で冷媒ガスを水あるいは空気で冷却して液化後、この高
圧液を膨脂弁３１をへて蓄冷槽２内の熱交換器である冷
却器の伝熱管４へ送る。この伝熱管４は蒸発器の役目を
し冷媒５はこの中で蒸発して潜熱蓄熱材の熱を奪い、蓄
熱材３を冷却する。伝熱管４の表面温度は、−４℃ぐら
いの温度になる冷媒５を使用している。このとき、伝熱
管４の冷媒５の入り口近傍に設置した電子冷凍素子６は
電子冷凍装置１０の切替スイッチ１４により正の位置に
切り替えておく。
伝熱管４内の冷媒５によって冷却された蓄熱材３は、蓄
熱材３の温度が０℃まで下がってくると、電子冷凍素子
６の吸熱面側１８及び１９は、−１２℃まで温度が下が
る。したがって吸熱面側１８及び１９回りの蓄熱材３の
過冷却を発生することなく、凍結していく。この部分が
核となって冷凍機により０℃以下に冷却されていく蓄熱
材３の相変化が進行し過冷却を発生することなく蓄冷槽
２内の水は凍結していく。そして、蓄冷槽２内の水が全
て凍結したとき、冷凍機の冷却を持続すれば、冷凍機の
冷凍能力である伝熱管４の表面温度−４℃まで蓄冷する
ことができる。第６図の温度−時間特性図により、その
変化の状態を実線で示した。また、伝熱管４の冷媒５入
り口近傍に設置した温度センサ７で伝熱管４の回りの蓄
熱材３の温度が相変化温度（水の場合は０℃）からどの
くらい温度が下がっているかを示す過冷却度を検知し、
予め、電子冷凍装置１０の温度コントローラ１３で過冷
却度（例えば０℃）を設定しておき、この過冷却度に温
度センサ７が達したとき電子冷凍装置１０の直流電源１
２により直流電流を伝熱管４の冷媒５入り口近傍に設置
した電子冷凍素子６に流し、電子冷凍を行う。このとき
電子冷凍素子６．は、金属接合片１７が放熱面（高温接
合部）、金属接合片１８及び１９が吸熱面（低温接合部
）となり冷却作用が生じる。
吸熱面１９で伝熱管４回りの蓄熱材３を急速に冷却でき
るため伝熱管４回りの蓄熱材３が相変化を起こし、過冷
却を防止することができる。ここで電子冷凍素子６の放
熱面１７は冷却されている蓄熱材３に放熱するため、反
対側の吸熱面１９は蓄熱材３の温度からさらに低温度に
冷却されることになるため確実に蓄熱材３の相変化を発
生させることができる。また素子６本体も小型のものが
使用できる。
一度凝固すると、これが核となって伝熱管４に沿って上
流から下流へと凝固が伝わっていき蓄冷作用が生じる。
このように電子冷却素子６を蓄冷槽２内に設置すること
により、伝熱管４回りの蓄熱材３の低温の熱源を利用し
てさらに低温度の吸熱面１９ができ大型の電子冷凍素子
を使用することなく、蓄熱材３を確実に相変化させ過冷
却を防止できる。
また温度コントＶ−ラ１３で温度センサ７の検知する温
度を変えることにより（例えば、水の場合−３℃）過冷
却の解除も容易に行える。
次に本発明の変形例について説明する。第１図の本発明
に係る潜熱蓄冷装置の一実施例を示す断面図の電子冷凍
装置１０の切替スイッチ１４を逆の位置に切り替えると
、第３図の第１図のＡ−Ａ断面から見た平面図に示すよ
うに、電子冷凍素子６の吸熱面と放熱面が逆になる。こ
の電子冷凍素子６を設置した蓄冷槽２を、第４図の本発
明の一具体例に係る冷凍サイクルを示す構成図に組み込
んだ場合において、蓄冷槽２内の蓄熱材３として水を使
用した場合、まず圧縮機３０で圧縮した熱媒体５である
冷媒ガスは四方弁３１を経て熱交換器である凝縮器３２
で冷媒ガスを水あるいは空気で冷却して液化後、この高
圧液を膨脹弁３１をへて蓄冷槽２内の熱交換器である冷
却器の伝熱管４へ送る。この伝熱管４は蒸発器の役目を
し冷媒５はこの中で蒸発して熱を奪い、蓄熱材３を冷却
する。このとき、伝熱管４の冷媒５の入り口近傍に設置
した電子冷凍素子６は電子冷凍装置１０の切替スイッチ
１４により逆の位置になっている。
このとき、伝熱管４の冷媒５入り口近傍に設置した温度
センサ７で伝熱管４の回りの蓄熱材３の温度が相変化温
度（水の場合は０℃）からどのくらい温度が下がってい
るかを示す過冷却度を検知し、予め、電子冷凍装置１０
の温度コントローラ１３で過冷却度（例えば０℃）を設
定しておき、この過冷却度に温度センサ７が達したとき
電子冷凍装置１０の直流電源１２により直流電流を伝熱
管４の冷媒５入り口近傍に設置した電子冷凍素子６に流
し、電子冷凍を行う。このとき電子冷凍素子６は、金属
接合片１８及び１９が放熱面（高温接合部）、金属接合
片１７が吸熱面（低温接合部）となり冷却作用が生じる
。
吸熱面１７で伝熱管４近傍の蓄熱材３を急速に冷却でき
るため伝熱管４近傍の蓄熱材３が相変化を起こし、過冷
却を防止することができる。ここで電子冷凍素子６の放
熱面１８及び１９は冷却されている蓄熱材３に放熱する
ため、反対側の吸熱面１７は蓄熱材３の温度からさらに
低温度に冷却されることになるため確実に蓄熱材３の相
変化を発生させることができる。また素子６本体も小型
のものが使用できる。
−度凝固すると、これが核となって伝熱管４に沿って上
流から下流へと凝固が伝わっていき蓄冷作用が生じる。
なお、本発明は第４図に示した冷凍サイクルに潜熱蓄冷
装置を組み込んだ場合に限られるものではなく、例えば
第５図に示した中間熱交換器、ポンプ等を組み込んだサ
イクルであってもよい。
［発明の効果］ 本発明によれば、蓄冷槽内の潜熱蓄熱材中に電子冷凍手
段を吸放熱可能に設置したことにより、電子冷凍手段の
放射面が蓄冷槽内の低温の熱源（潜熱蓄熱材）を利用す
ることができ、電子冷凍手段の吸熱面を確実に過冷却解
除温度まで冷却することができるため、潜熱蓄熱材の相
変化を発生させ、確実に過冷却を防ぐことができる。
更に、電子冷凍素子が造る温度差を小さく設定できるの
で、過冷却解除手段の小型化を計れる等の効果を有する
。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る潜熱蓄冷装置の一実施例を示す断
面図、第２図及び第３図は第１図の本発明に係る潜熱蓄
冷装置のＡ−Ａ線から見た断面図、第４図は本発明の一
実施例に係る冷凍サイクル図、第５図は本発明の変形例
に係る冷凍サイクル図、第６図は潜熱蓄熱材の温度−時
間特性図、第７図及び第８図は従来の潜熱蓄冷装置を示
す断面図である。 １・・・潜熱蓄冷装置　　２・・・蓄冷槽３・・・潜熱
蓄熱材　　　４・・・伝熱管５・・・冷媒　　　　　　
６・・・電子冷凍素子７・・・温度センサ　　１０・・
・電子冷凍装置１２・・・直流電源　　　１３・・・温
度コントローラ１４・・・切替スイッチ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）過冷却を生じる潜熱蓄熱材を収容した蓄冷槽と、
    この蓄冷槽内に収容した前記潜熱蓄熱材を冷却する冷却
    器と、前記潜熱蓄熱材中に吸放熱可能に設けた電子冷凍
    手段で前記潜熱蓄熱材の過冷却を防止する過冷却防止装
    置とを具備して成ることを特徴とする潜熱蓄冷装置。
  2. （２）過冷却を生じる潜熱蓄熱材を収容した蓄冷槽と、
    この蓄冷槽内に収容した前記潜熱蓄熱材を冷却する冷却
    器と、この冷却器の表面に吸放熱可能に設けた電子冷凍
    手段と、この電子冷凍手段を前記冷却器により前記潜熱
    蓄熱材を冷却中に駆動する制御手段とを具備したことを
    特徴とする潜熱蓄冷装置。
  3. （３）前記電子冷凍手段を前記冷却器の熱媒体の入口側
    表面に設置したことを特徴とする特許請求の範囲第２項
    記載の潜熱蓄冷装置。
JP63076134A 1988-03-31 1988-03-31 潜熱蓄冷装置 Pending JPH01252838A (ja)

Priority Applications (2)

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JP63076134A JPH01252838A (ja) 1988-03-31 1988-03-31 潜熱蓄冷装置
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