JPH02122197A

JPH02122197A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JPH02122197A
Application number: JP63275616A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamaguchi; 広一山口; Koji Kashima; 弘次鹿島; Akio Mitani; 三谷　明男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-09
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: JP2535603B2

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、蓄熱材として相変化温度より低い温度で安定
した過冷却状態を保持する潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置
に関する。

（従来の技術）熱エネルギを蓄積し、この熱エネルギを必要な時に取り
出して使用できるようにした蓄熱装置には、蓄熱材とし
て顕熱蓄熱材を用いたものと潜熱蓄熱材を用いたものと
がある。潜熱蓄熱材を用いたものは、蓄熱材の相変化に
伴わせて熱エネルギを放出さぜるもので、顕熱蓄熱材を
用いたものに比べて蓄熱密度か３〜５倍程度高いと言う
利点を備えている。したがって、蓄熱装置全体の小型化
を図ることかできる。

潜熱蓄熱材の中には、酢酸ナトリウム系の水和塩のよう
に１相変化部度より低い温度において凝固せずに安定な
過冷却状態を保持するものがある。

この潜熱蓄熱材は、過冷却状態の解除に伴い、液相から
固相に転移する際に潜熱を放出する。したかって　過冷
却状態を解除することによって、任意の時点で熱エネル
ギを取出すことができる。このようなことから、潜熱蓄
熱材を用いた蓄熱装置では、相変化温度より低い温度で
安定な過冷却状態を保持する潜熱蓄熱材を用いているも
のか多い。

ところで　」１記のように相変化温度より低い温度で安
定した過冷却状態を保持する潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装
置では、潜熱蓄熱材から熱エネルギを取出すときに何等
かの手段で過冷却状態を解除する必要かある。この解除
を行なう手段としては。

種々考えられているか、その中に蓄熱材の一部をその過
冷却安定限界温度以下にする方法があり。

具体的には電子冷凍素子を用いて蓄熱材の一部を過冷却
安定限界温度以下に冷却することが考えられている。第
８図は電子冷凍素子を用いて過冷却の解除を行なうよう
にした蓄熱装置を局部的に取り出して示すもので、／！
５熱蓄熱制御中に配設された熱交換パイプ２に取付けら
れたフィン３に固定金具４を介して電子冷凍素子５を固
定している。

電子冷凍素子５は、Ｐ形半導体６とＮ形半導体７とを金
属板８を介して直列に接続した構成となっている。そし
て、電子冷凍素子５は、その吸熱面９かエポキシ系接着
伺を介して固定金具４に接触し、またその放熱面１０が
エポキシ系接着材１１を介してフィン３に接触するよう
に配置されている。

しかしなから、電子冷凍素子５を」１記のように組込ん
だ従来の蓄熱装置にあっては、吸熱面９の温度を十分低
温にすることができず、このために使用できる蓄熱材か
制限される問題があった。すなわち２発明者らは、仕様
か真空中での放熱面温度Ｔｈ＝２７℃一定で、△Ｔｍａ
ｘ　＝６４’Ｃ，Ｑｃ　ｍａｘ＝ｉ　ｗ、　　Ｉ　ｍａ
ｘ　＝２　Ａ、　Ｖｍａｘ　＝０．８　Ｖ、素子の大き
さ３．９［ｉｍｍＸ　３．９６ｍｍである電子冷凍素子
を使って酢酸すトリウム３水塩中で実験してみた。その
結果、吸熱面温度Ｔｃは一１０°Ｃ程度にしかならなか
った。この温度は、潜熱蓄熱材として優れている酢酸ナ
トリウム３水塩の過冷却安定限界温度である一１５℃よ
り高い。したがって、潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウム
３水塩を使用できないことになる。

周知の如く、電子冷凍素子は、Ｐ形半導体とＮ形半導体
とを核にし、これに電流を流すことによって起こるペル
チェ効果を利用して高温面と低温面とを形成している。

そして、その特性は以下の式で表わされる。

Ｑｃ　＝　（αｐｎ−Ｔｃ　・Ｉ）−（１２Ｒ）／２−
　Ｌ　（Ｔｈ　−Ｔｃ　）　　　　　＝１１）Ｑｈ　＝
　Ｑｃ　＋　Ｐ　　　　　　　　　　　＝１２）Ｐ＝Ｉ
２Ｐ＋Ｉαｐｎ（Ｔｈ−Ｔｃ）　　＝１３）ただし、上
式において、Ｑｃ、Ｑｈは吸熱および放熱能力、Ｐは素
子の消費電力、Ｒ，Ｌは素子の電気抵抗および温度抵抗
、Ｔｃ、Ｔｈは吸熱面温度および放熱面温度、αｐｎは
ゼーベック係数。

■は電流である。

Ｑｃ、Ｑｂは素子の吸熱面積、放熱面積５ｃＳｈを用い
て次のように表わすことができる。

Ｑｃ　＝Ｋｃ　Ｓｅ　　（Ｔｍ　−Ｔｃ　）　　　　＝
４４）Ｑｈ　　＝Ｋｈ　　Ｓｈ　　（Ｔｈ　　−Ｔｒ　
　）　　　　　　−（５）ただし、」−式において、Ｋ
ｃ、Ｋｈは吸熱面側および放熱面側の熱通過率、Ｔｍ、
Ｔｒは被冷却物および放熱側の熱媒温度である。（１）
弐〜（５）式より次式が導かれる。

Ｔｃ　＝Ｔｍ　＋　［１２Ｒ（Ｋｌ＋　Ｓｈ＋Ｌ−αｐ
ｎＩ）　／２　＋Ｌ　（Ｋｈ　Ｓｈ　Ｔｒ＋　Ｉ２Ｒ／
２　）　−Ｔｍ　　ＩＬＫｈ　Ｓｈ＋αｐｎＩ　Ｋｈ　
Ｓｈ　−（αｐｎｌ　）　２１　］／　［Ｋｃ　Ｓｃ　
　（Ｋｈ　Ｓｈ　＋αｐｎＩ　）＋ＬＫｈ　Ｓｈ　＋α
ｐｎＩ　（Ｋｈ　Ｓｈ　−αｐｎｌ　）　］・・・（６
）この（６）式より以下のことが判かる。すなわちＫｃ　
Ｓｃの増加は吸熱面温度ＴＣの上昇を招き。

ＴｃはＴｍに近付く。一方、Ｋｈ　Ｓｈの増加は放熱面
温度Ｔ　ｈを低下させる。

前述した実験に用いた仕様の電子冷凍素子は。

最高温度差が６４°Ｃであるが、これは真空下（（６）
式において、ＫｃＳｃ−０）で、しかも放熱面温度Ｔ　
ｈを一定（２７°Ｃ）に保った場合に得られるものであ
り、この条件とは異なる条件で用いた場合には如何なる
条件においても最高温度差は上記値より小さくなる。こ
れは（６）式からも理解される。したかって、従来の蓄
熱装置のように、電子冷凍素子の全体を潜熱蓄熱材に接
触させる構造であると。

Ｋｃの増加や放熱面温度Ｔｈを一定にできないことなど
か原因して、吸熱面温度Ｔｃをそれ程下げることはでき
ない。

（発明が解決しようとする課題）」二連の如く、電子冷凍素子を用いて潜熱蓄熱材の過冷
却を解除させることは、極めて特殊な環境下で素子を働
かせることになる。従来の蓄熱装置のように単に電子冷
凍素子を配置した構成では吸熱面の温度Ｔｃを低下させ
ることが本質的に困難で、これが原因して使用できる潜
熱蓄熱材の種類が限定される問題があった。また、潜熱
蓄熱材の種類によって、上述したＫｃの値が大きく変化
するため、過冷却安定限界温度が高い潜熱蓄熱材の場合
であっても、過冷却解除を行なわせるために大きな放熱
装置（冷却器）を・設ける必要がある等、実用性に乏し
いばかりか、動作の信頼性に欠ける問題があった。

そこで本発明は、簡単な構成であるにも拘らず電子冷凍
素子の吸熱面側の温度を十分に下げることができ、もっ
て使用できる潜熱蓄熱材の種類を拡大できるとともに装
置としての信頼性の向上を図れる蓄熱装置を提供するこ
とを目的としている。

［発明の構成コ（課題を解決するだめの手段）上記課題を解決するために１本発明に係る蓄熱装置では
、相変化温度より低い温度で安定な過冷却状態を保持す
る潜熱蓄熱材を収容した蓄熱槽と、この蓄熱槽内に配置
された熱交換器と、前記潜熱蓄熱材の過冷却を解除する
ための電子冷凍素子とを備えたものにおいて、放熱面が
前記熱交換器に熱的に接触する関係に電子冷凍素子を設
けるとともに上記電子冷凍素子の吸熱面を覆うように水
を透過させない断熱材を設け、さらに上記吸熱面の一部
分を前記潜熱捨熱祠に接触させるための細孔を」１記断
熱材に設けたことを特徴としている。

（作　用）このように構成された蓄熱装置では、電子冷凍素子の吸
熱面側の大部分が水を透過させない断熱材で覆われてい
るため、潜熱蓄熱材の種類に関係なく、吸熱面側の熱通
過率を小さい、しかも−定の値に保持できる。つまり、
前記（６）式におけるＫｃＳｃの値を小さくできる。

このことを、酢酸ナトリウム３水塩の過冷却解除を例に
とって説明すると以下の通りである。前述した実験に用
いた電子冷凍素子の各種係数はαｐｎ＝０．００４２（
Ｖ／Ｋ）　、　Ｒ−０，３３２［ｉ　（Ω）　、　Ｌ−
０，０１９（Ｗ／Ｋ）である。電子冷凍素子は、耐熱温
度が１２０℃程度であるため、蓄熱装置に組込むときに
は。

通常、エポキシ系の接着材で取付けられる。・今。

接着材の厚みを０．３ｍｍとすると、Ｋｈは約１２００
（Ｗ／ｍ　２Ｋ　）となる。一方、酢酸ナトリウム３水
塩の熱伝導率は０．５　（Ｗ／ｍ２Ｋ）であるため、Ｋ
ｃは約２５０（Ｗ／ｍ　”　Ｋ）と推定される。

これらの値より、潜熱蓄熱材および熱媒温度が５℃の時
、電子冷凍素子に通電したときの吸熱面の温度Ｔｃは。

吸熱面が断熱材で覆われていないときには。

Ｔｃ−ｆ−０，０００６９８４６１３＋０．００９４４
８８２　１２−０．００４５７９９２８　　１　　＋ｏ
、ｔ４ｏ６ｓｓ７ｓｅ＋　　／　　ｆ−０，００００１
７６４１２＋Ｏ，ＱＱＯＯＧ２５ｅ’１１１＋Ｑ、ＱＯ
Ｏ５０５８Ｑｌｌとなる。一方、吸熱面か断熱材で覆わ
れているときには。

Ｔｃ　＝　（−０，０００６９８４Ｂ　　１３＋０．０
０９４４８８２　１２十０．０９９４４９８８５１　　
／　　ｆ−０，００００１７６４１２＋Ｏ，０Ｏ００７
９０３５’ｌ＋０．０００３５７５４１となる。

第４図は上記２つの式をグラフ化して示すものであり、
また第５図はこれに対応する放熱面温度Ｔ　ｈをグラフ
化して示すものである。第４図から判かるように、電子
冷凍素子め吸熱面の温度Ｔｃは２電流の増加にしたがっ
て次第に低くなるが。

０．７（Ａ）ｚ　Ｏ，８（Ａ）を境にして逆に」−昇す
る。これは第５図から判かるように、放熱面温度Ｔ　ｈ
が電流］０の増加とともに急激に増加するためである。したがって
、低温度を得ると言う目的においては、最適電流値が存
在し２通常、この電流値で動作させればよいことになる
。吸熱面温度Ｔｃが最低になる電流値において、断熱材
有りと、断熱材無しとを比較してみると、断熱材無しで
は酢酸ナトリウム３水塩の過冷却安定限界温度である一
１５°Ｃまでは低下せず、このため過冷却解除はできな
いことが判かる。一方、断熱キイ有りでは、−１６，５
℃まで吸熱面温度Ｔｃが低下し、過冷却解除を行なえる
ことが判かる。

なお、上記説明は、市販されている１段構成の電子冷凍
素子についての検討であるが、吸熱・放熱面の単位当り
の性能が種類によらずほぼ同等であることからして、他
の種類についても同様の結果が得られる。とりわけ２段
数の多い素子はど」二連した効果が著しくなり、より低
温が得られる。

しかし、従来のような構成を採用すると、吸熱面の熱負
荷の影響を受は易くなるので１段数増加の利点を発揮で
きないことになる□。また、吸熱面を覆う断熱材として
、水を透過させないものを使用している理由は、断熱材
に蓄熱材が浸透すると。

Ｋｃが増加するからである。

（実施例）以下２図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る蓄熱装置が示されて
いる。

この蓄熱装置は、大きく別けて蓄熱槽２１とこの蓄熱槽
２］内に収容された潜熱蓄熱材２２と。

この潜熱蓄熱利２２に接触するように蓄熱槽２１内に配
置された熱交換器２３と、電子冷凍素子２４と、この電
子冷凍素子２４の近傍に配置された温度センサ２５と、
蓄熱槽２１外に配置されて熱交換器２３への熱媒通流制
御および電子冷凍素子２４への通電制御を行なう制御装
置２６とで構成されている。

蓄熱槽２］は、外槽２７と、内槽２８と、内外槽間に装
着された断熱材層２９とで構成されている。

潜熱蓄熱材２２としては、この例では相変比況度量下の
温度において安定した過冷却状態を保持する酢酸ナトリ
ウム３水塩（過冷却安定限界温度１５℃）が用いられて
いる。

熱交換器２３は、蓄熱槽２１内に、たとえば蛇行状態に
配設された熱交換パイプ３０と、この熱交換パイプ３０
の外面に複数取付けられたフィン３１とで構成されてい
る。そして、熱交換パイプ３０の両端は、蓄熱槽２１の
土壁を液密にＮ通して外部へ導かれている。

電子冷凍索子２４は、具体的には第２図に示すように構
成されている。すなわち、Ｐ形半導体３２とＮ形半導体
３３とを金属板３４を介し直列に接続して電子冷凍素子
本体３５を構成し、この電子冷凍素子本体３５の放熱面
３６を図示しないエポキシ樹脂系接着材を介してフィン
３１に固定し、また電子冷凍素子本体３５の吸熱面３７
および側面を水を透過させない断熱材３８で液密に覆い
、さらに断熱材３８の外面にキャップ状の固定治具３９
を当てがい、この固定治具３９をねじ４０によってフィ
ン３１に固定している。そして。

］　３断熱材３８および固定治具３９には、放熱面３７の極狭
い一部分だけを潜熱蓄熱材２２に接触させるだめの直径
２　ｍｍ程度の細孔４１が形成されている。また、電子
冷凍素子本体３５には通電用のリド線４２の一端側が接
続されており、このリード線４２の他端側は蓄熱槽２１
外に導かれて制御装置２６に接続されている。

制御装置２６は２外部から与えられる蓄熱指令。

放熱指令に基いて後述する関係の制御を行なう。

次に、」１記のように構成された蓄熱装置の動作を第３
図を適宜参照しながら説明する。

まず、制御装置２６は、蓄熱指令が与えられると、熱交
換器２３に高温の熱媒を通流させる。この熱媒の通流に
よって潜熱蓄熱材２２は相変化温度Ｔｐｈ（５８℃）以
上に加熱されて液体状態となる。

これによって、潜熱蓄熱材２２に蓄熱が行われる。

この状態で放置しておくと、潜熱蓄熱材２２は外気によ
って冷却される。このとき、潜熱蓄熱材２２は、相変化
温度Ｔｐｈ以下に冷却されても液体状態を保持する。す
なわち過冷却状態となり、外〕４気温塵Ｔｓ　　（たとえば、　１０℃）まで冷却される
。

次に、放熱指令が与えられると、制御装置２６は次のよ
うな制御を行なう。すなわち、温度センサ２５の出力か
ら潜熱蓄熱材２２の現在の温度を検出し、この温度が予
め設定されている温度Ｔｍ。

（たとえば、５°Ｃ）より高いか否かを判定する。

もし、高いと判定したときには、熱交換器２３に熱媒を
流し、この熱媒で顕熱分を奪って潜熱蓄熱材２２の温度
をさらに低下させる。そして、設定温度Ｔ［ＩＩＯまで
温度低下した時点で電子冷凍素子本体３５に通電する。

また、潜熱蓄熱材２２の温度が設定温度Ｔｍｏより低い
ときには熱交換器２３に熱媒を通流させると同時に電子
冷凍素子本体３５に通電する。

電子冷凍素子本体３５に電流が流れると、吸熱面３７が
温度低下するが、この場合には吸熱面３７のほとんどが
水を透過させない断熱材３８で覆われているため、吸熱
面３７の温度Ｔｃは急速に酢酸ナトリウム３水塩の過冷
却安定限界温度である一１５℃以下となる。このため、
吸熱面３７に接触している細孔４１内の潜熱蓄熱材は過
冷却状態を解除される。この解除が蓄熱槽２１内全体に
伝わり、潜熱蓄熱材全体の過冷却解除に進展する。

なお、過冷却の解除と同時に制御装置２６は電子冷凍素
子本体３５への通電を停止する。

過冷却状態が解除されると、潜熱蓄熱材２２は相変化温
度Ｔｐｈまで温度上昇する。したがって。

この時点から潜熱蓄熱材２２が保有していた潜熱が外部
に取出されることになり、ここに蓄熱装置としての機能
が発揮されることになる。

このように、電子冷凍素子本体３５の吸熱面３７の一部
分だけを潜熱蓄熱材２２に接触させるようにしている。

したがって、１段構成の電子冷凍素子の場合でも２前述
した理由で吸熱面３７の温度を十分に低温にすることが
でき、過冷却の解除を確実に行なわせることができる。

このため。

信頼性の向上を図れるばかりか、゛使用できる潜熱蓄熱
材の種類を増加させることができる。また。

極めて簡単な構成で吸熱面３７の温度Ｔｃを十分に低温
にすることができるので、全体が大型化す〕６るようなこともない。

なお１本発明は」二連した実施例に限定されるものでは
ない。すなわち、細孔４１の部分には水を透過させる断
熱材を充填するようにしてもよい。

また、第６図に示すように、各放熱面３６かエポキシ樹
脂系の接着材を介してフィン３１に熱的に接続され、各
吸熱面３７が互いに対向するように２つの電子冷凍素子
本体３５ａ、３５ｂを設けさらに各吸熱面３７および側
面を覆うように水を透過させない断熱材３８ａを配置し
、各吸熱面３７の一部分を断熱材３８ａ中に形成された
細孔５１および固定治具５２に形成された細孔５３を介
して潜熱蓄熱材に接触させるようにしてもよい。

このような構成を採用すると、１−っの電子冷凍素子本
体か担う潜熱蓄熱材の量を少なくできるので。

潜熱蓄熱材の一部を過冷却温度まで低下させるのに必要
な時間を短縮させることができる。

以下、この理由を説明する。第７図は電子冷凍素子Ａの
設置の仕方を示すもので、同図（ａ）は従来の一般的な
（過冷却の解除用ではない）設置例を、同図（ｂ）は索
子Ａを１つだけ設置した例を、同図（ｃ）は素子Ａを第
６図に示すように２個向かい合わせに設置した例をそれ
ぞれ模式的に示している。Ｑ１〜３．Ｑａは素子Ａへの
流出入熱量、破線は素子Ａの冷却効果か及ぶ範囲を示し
ている。なお、潜熱蓄熱材中にあるため上記範囲は狭い
。比熱をＣｐ、質量をｍとすると、各場合におけるエネ
ルギバランスは次のようになる。

第７図（ａ）の場合Ｃｐ　ｍ−ｄＴ／ｄｔ＝　Ｑ　】＋　２Ｑ２　’　　Ｑ
ａ第７図（ｂ）の場合Ｃｐｍ−ｄＴ／ｄｔ＝Ｑ＋＋２Ｑ２　Ｑａ第７図（ｃ）
の場合Ｃｐ　ｍ−ｄＴ／　ｄｔ＝　２Ｑ　３　’　　　２Ｑ　
ａここで、（ａ）の場合と（ｂ）の場合とを比較してみ
ると、Ｑ２’　＜Ｑ２であるからＱ＋　＋　２Ｑ２　　
　Ｑａ　＜Ｑｓ　＋２Ｑ２　　Ｑａおなり、（ａ）の場
合力か（ｂ）の場合より速く温度が下がることになる。

一方、（Ｃ）の場合と（ａ）の場合とを比較してみると
＋　　Ｑ　１〉Ｑ　３　’　であるから。

ＱＩ　Ｑａ＞Ｑ３’　　　Ｑａ、　　また、　２Ｑ２≧
０≧Ｑ３’　　Ｑａ、（Ｑ３　　　Ｑａ≦０でなければ
潜熱蓄熱材は冷えない。）となり。

Ｑ１＋　２Ｑ２　′Ｑａ　＞　２　（Ｑ３　’　　Ｑａ
　）となる。したがって、（Ｃ）の場合の方が（ａ）の
場合より速く冷えることになる。特に、素子Ａの吸熱面
間の距離を短くする程、潜熱蓄熱材を速く冷やすことが
できる。したがって、第６図に示す構成を採用すると１
通電開始時点から過冷却か解除されるまでに要する時間
の短縮化を図ることができる。なお、この例の場合、細
孔５１．５３内に水を透過させる断熱材を充填するよう
にしてもよい。その他２本発明の要しを逸脱しない範囲
で種々変更することができることは勿論である。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば、簡単な構成であるに
も拘らず、電子冷凍素子の吸熱面温度を大幅に低下させ
ることができ、確実に過冷却解除動作を行なわせること
ができる。したがって、構成の複雑化や大型化を招くこ
となく、使用できる潜熱蓄熱材の種類を自由に選択でき
、しかも装置としての信頼性も向」ニさせることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る蓄熱装置の概略構成図
、第２図は同装置に組込まれた電子冷凍素子の構成図、
第３図は同装置の動作を説明するだめの図、第４図およ
び第５図は同装置に組込まれた電子冷凍素子の作用を説
明するための図、第６図は電子冷凍素子の変形例を説明
するための図。第７図は同素子の作用を説明するための図、第８図は従
来の蓄熱装置に組込まれた電子冷凍素子の構成説明図で
ある。２１・・・蓄熱槽、２２・・潜熱蓄熱材、２３・・・熱
交換器、２４，２４ａ・・・電子冷凍素子、２５・・・
温度センサ、２６・・・制御装置、３０・・・熱交換パ
イプ。３１・・・フィン、３２・・・Ｐ形半導°体、３３・・
・Ｎ形半導体、３４−・・金属板、３５，３５ａ、３５
ｂ−電子冷凍素子本体、３６・・・放熱面、３７・・・
吸熱面。３８．３８ａ・・・水を透過させない断熱材、４１゜５
１゜５３・・・細孔。檀線鞠四央Ｊ蕾ｔ−Ｊ４）留（つ。）フ土諏建戟篭τム

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相変化温度より低い温度で安定な過冷却状態を保
持する潜熱蓄熱材を収容した蓄熱槽と、この蓄熱槽内に
配置された熱交換器と、前記潜熱蓄熱材中に配置されて
上記潜熱蓄熱材の過冷却を解除するための電子冷凍素子
とを備えた蓄熱装置において、放熱面を前記熱交換器に
熱的に接触させて設けられた電子冷凍素子本体と、この
電子冷凍素子本体の吸熱面を覆うように設けられた水を
透過させない断熱材と、この断熱材に設けられ前記吸熱
面の一部分を前記潜熱蓄熱材に接触させる細孔とを具備
してなることを特徴とする蓄熱装置。
（２）前記電子冷凍素子本体は、吸熱面を向かい合わせ
にして２個設けてあり、各素子本体の吸熱面の一部分が
前記断熱材に形成された細孔を共通に介して前記潜熱蓄
熱材に接触している請求項１に記載の蓄熱装置。