JPH02269182A - 潜熱蓄熱型加熱装置及び固液二相熱媒体 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄熱材循環方式の潜熱蓄熱型加熱装置とこれ
に使用する固液二相熱媒体に関するものである。

（従来の技ｗｉｔ＞ 従来の潜熱蓄熱型加熱装置に於いては、蓄熱材の物理的
及び化学的性質の特殊性から、蓄熱材と熱媒体とを伝熱
壁を介して隔離する方式の伝熱機構が一般的に利用され
ている。第２図及び第３図はその一例を示すものであり
、前者（カプセル型）では、蓄熱材Ａを充填したカプセ
ルＢの外表面に沿って空気等の熱媒体Ｃが流通され、ま
た後者（シェル・チューブ型）に於いては、蓄熱材Ａの
内部に設けたチューブＤ内へ水等の熱媒体Ｃが流通され
、蓄熱材Ａと熱媒体Ｃ間の熱交換が行なわれている。

しかし、前記カプセル型やシェル・チューブ型の熱交換
には、伝熱壁部に於ける熱伝達率が低く、放熱速度や蓄
熱速度を上げ難いという基本的な欠点があり、潜熱蓄熱
型加熱装置の実用化を図る上で大きな障害となっている
。

例えば、放熱時に於いては、凝固した蓄熱材が時間の経
過と共に蓄熱材側の伝熱面上に層状に付着し、その厚さ
が順次増大する。ところが、蓄熱材そのものは熱伝導度
が相対的に低いため、蓄熱材の凝固層の厚みが大きくな
るとその熱抵抗が大きな値となる。その結果、溶融状態
の蓄熱材の蓄熱量が十分で且つ蓄熱材温度と熱媒体間の
温度差が大きな場合でも、伝熱量は極く制限されたもの
となり、加熱装置の容量アップが著しく困難となる。

一方、上述の如きカプセル型やシェル・チューブ型の伝
熱上の欠点を除去するものとして、第３図の如き蓄熱材
循環型の所謂アクティブ型熱交換を用いた潜熱蓄熱型加
熱装置が開発されている。

即ち、タンクＥ内に貯留した溶融塩等の蓄熱材Ａを熱媒
体とし、これを循環ポンプＦによって熱交換器Ｇ内へ送
ることにより、チューブＨ内を流通する水を加熱して温
水（又は蒸気）を得るよう構成されている。尚、第３図
に於いて工は送水ポンプ、Ｊはヒータ等の加熱源である
。

前記蓄熱材循環方式の潜熱蓄熱型加熱装置では、蓄熱材
Ａが一定の流速で循環流動されるため、伝熱チューブＨ
の外表面上に蓄熱材Ａの凝固層が固着し難くなる。その
結果、熱伝達特性も蓄熱材Ａが静止した状態にあるカプ
セル型やシェル・チューブ型の場合に比較して相当改善
されることになる。

しかし、チューブＨの外表面に於ける蓄熱材の凝固層の
積層固着を皆無にすることは困難であり、特に熱媒体と
しての蓄熱材Ａの循環流速が低いと、チューブ外表面へ
の凝固層の固着が著しく増大する。その結果、高い熱伝
達特性を保持するためには蓄熱材Ａの循環流速を相当に
高める必要があり。

蓄熱材である溶融塩がスラリー状であってその流動性が
相対的に低いこととも相俟って、循環ポンプＦの動力費
が著しく高騰することになる。

また、従前の蓄熱材循環型加熱装置に於いては。

熱媒体である蓄熱材Ａとして単相の溶融塩を使用してい
るため、溶融温度が８０℃〜２００℃で。

蓄熱性に優れた実用可能な蓄熱材Ａの入手固層である。

その結果、冷・暖房設備等で必要とする８０℃〜２００
℃程度の加熱水若しくは蒸気を容易に入手することが出
来ないという問題がある。

（発明が解決しようとする間厘点） 本発明は従前の潜熱蓄熱型加熱装置に於ける上述の如き
問題、即ち、■カプセル型やシェル・チューブ型の伝熱
機構を用いた加熱装置では、伝熱壁部に於ける熱抵抗が
著しく高くなり、必要な伝熱特性が得にくいこと、及び
■蓄熱材循環型加熱装置では、高い熱伝達率を得ようと
すれば循環ポンプの動力費が１大すると共に、溶融温度
が８０℃〜２００℃程度の実用可能な蓄熱材Ａが存在せ
ず、８０℃〜２００℃程度の加熱水若しくは蒸気の入手
が困難なこと等の問題を解決せんとするものであり、少
ない動力消費でもって８０℃〜２００℃程度の水若しく
は蒸気を高効率で、しかも容易に入手出来ると共に、装
置の大幅な小形化を可能とした蓄熱材循環方式の潜熱蓄
熱型加熱装置と、これに使用する固液二相熱媒体を提供
するものである。

（課題を解決するための手段） 請求項（１）に記載の潜熱蓄熱型加熱装置は、加熱源を
備えた蓄熱タンクと；前記蓄熱タンク内に貯留した表面
架橋合成樹脂粒体と熱媒油若しくは合成樹脂液体とから
成る固液二相熱媒体と；前記固液二相熱媒体の循環ポン
プと；前記固液二相熱媒体の循環により給水を加熱する
熱交換器とを発明の基本構成とするものである。

また、請求項（２）に記載の固液二相熱媒体は、表面架
橋合成樹脂粒体と；熱媒油若しくは合成樹脂液体とを発
明の基本構成とするものであり、表面架橋合成樹脂粒体
の内部の相転移を利用して潜熱蓄熱を行なうものである
。

（作用） 蓄熱タンク内の加熱源で固液二相熱媒体を所定の温度下
で一定時間加熱することにより、熱媒体の固相分を形成
する表面架橋合成樹脂粒体の内部が固相状から液相状に
相転移を起し、潜熱に相当する熱量が粒体内部に蓄熱さ
れると共に熱媒体及び粒体に顕熱が蓄熱される。

潜熱蓄熱が行なわれた固液二相熱媒体は、循環ポンプに
よって熱交換器を通して循環され、ひれ付熱交換用水管
を介して保持する熱を給水に与える。尚、熱媒体内の粒
体はその表面が架橋されているため、蓄熱状態下に於い
ても保形性があり、元の形状を保持している。

熱交換により、熱媒体内の粒体はその潜熱を放出して内
部の液相が固相に相転移すると共に、順次蓄熱タンクへ
戻される。

表面架橋合成樹脂包体は、前述の通り蓄熱状態下に於い
ても元の形状を保持しているため、熱交換用水管の外表
面へ固着するようなことは全く起らず、熱伝達率が著し
く改善される。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る潜熱蓄熱型加熱装置の系統図であ
り１図に於いて１は蓄熱タンク、２は蓄熱材の加熱源で
あるヒータ、３は熱媒体循環ポンプ、４は熱交換器、５
はひれ付熱交換用水管、６は給水ポンプ、７は温水（又
は蒸気）出口、８は管路、Ｋは蓄熱タンク１内に貯留し
た熱媒体である。

前記熱媒体には所謂固液二相流体であって、液相Ｋａ内
に固相Ｋｂが混在した状態で管路８及び熱交換器４内を
流通する。

前記熱媒体にの固相分Ｋｂはポリエチレン、ポリエステ
ル、ポリプロピレン等の粒材の表層部のみを架橋した所
謂表面架橋合成樹脂粒体から構成されている０本実施例
では直径１．５〜５ｍφ、比重約０．９〜１．０、軟化
温度約８０℃〜２００℃、潜熱的５０〜８０　Ｋ　ｃ　
ａ　Ｑ　／　ｋｇの表面架橋ポリエチレンが、前記熱媒
体の固相分Ｋｂとして利用している。より具体的に記述
すれば、前記表面架橋ポリエチレンの粒径は１．５〜３
ｍφ位いが伝熱並びに熱媒体にの循環流動という点から
最適であり、又、その軟化温度が約１３３℃と１８８℃
の二種麗のものについて実用試験を行なった。

尚、前記ポリエチレン粒体の表面架橋は所謂電子線照射
法等によって行なわれ、当該表面架橋処理を行なうこと
により、ポリエチレン粒子の表層部のみが若干硬化する
。その結果、粒体内部が加熱下で溶融状態にあっても、
その表層部は固化状のままであり１粒体形状を保持する
ことになる。

又、前記表面架橋処理を施しても、ポリエチレンの潜熱
が大帳に減少するようなことは全く無い。

一方、前記固液二相熱媒体にの液相分Ｋａには、熱媒油
若しくはエチレングリコールやプロピレングリコール等
液状高分子材が使用されている０本実施例では、前記熱
媒体の液相分Ｋａとして、熱媒油か若しくはエチレング
リコールの何れかを前記表面架橋ポリエチレン粒体の軟
化温度に応じて使用している。

熱媒体にの液相分Ｋａの材質としては、前記固相分Ｋｂ
が浮遊し得る比重を有する必要があり、更に、固相分Ｋ
ｂを形成する表面架橋合成樹脂粒体の表層部の安定性を
阻害しないことが必要がある。加えて、液相分Ｋａ−は
、化学的安定性や流動性に優れ、熱容量の大きな物質が
良い。これ等の点を勘案し１本実施例では前述の如く、
軟化温度が約１３３℃の表面架橋ポリエチレン粒体を固
相分Ｋｂとした場合には、エチレングリコールを、また
、軟化温度が約１８８℃の表面架橋ポリエチレン粒体を
固相分Ｋｂとした場合には、熱媒油を、夫々液相分Ｋａ
とするようにしている。

前記固液二相熱媒体Ｋを構成する液相分Ｋａと固相分Ｋ
ｂとの混合比率（Ｋｂ／Ｋａ）は２０〜７０ＶＯＬ％程
度であり、５０％程度が伝熱特性等の点から最適である
。

次に１本発明に係る潜熱蓄熱型加熱装置の作動について
説明する。

蓄熱タンク１内に貯留された熱媒体Ｋ（固相分Ｋｂ・表
面架橋ポリエチレン、液相分Ｋａエチレングリコール）
は、夜間等の余剰電力を用いて加熱′ｇ２により、表面
架橋ポリエチレンの軟化温度約１３３℃以上の温度で一
定時間加熱される。これにより、表面架橋ポリエチレン
粒体の内部が溶融状態になり（粒子の外表層は若干軟化
するが。

元の形状が保持された状態にある）、潜熱に相当する熱
量が蓄熱されると共に、エチレングリコール等の液相分
には所謂顕熱蓄熱が行なわれる。

熱媒体循環ポンプ３を駆動して固液二相熱媒体Ｋを熱交
換器４へ送ることにより、ひれ付熱交換用水管５を介し
て給水ポンプ６からの給水との間で熱交換が行なわれ、
出ロアから温水（又は蒸気）が取り出される。

熱媒体に内のポリエチレン粒体は、その内部が溶融して
いても外表層は固化状態にあり、粒体形状を保持してい
る。従って、熱交換用水管５の外表面に固相分が固着す
ることは全くない。

熱交換により潜熱を放出したポリエチレン粒子は、その
内部が固相に相転移し、液相分Ｋａ内に浮遊した状態で
管路８を通して蓄熱タンク１へ戻される。

（発明の効果） 本発明に於いては、熱媒体Ｋを固液二相流体とすると共
に、その固相分を表面架橋合成樹脂粒体としているため
、固相分に大量の潜熱が蓄熱されることになり、熱媒体
の蓄熱密度が上昇すると共に蓄熱時の蓄熱速度も大量に
向上する。

また、固液二相流体を、流動させると共に、潜熱蓄熱材
を表面架橋合成樹脂粒体としているため、従前の溶融塩
循環方式のように熱交換器の熱交換用水管の外表面に溶
融塩の固相分が固着して熱伝達率が悪化するようなこと
が皆無となる。これにより、前記溶融塩循環方式の場合
に比較して、熱伝達率が約３倍径度向上することが確認
されている。

更に、小粒径の潜熱蓄熱材を液相分向へ浮遊せしめた状
態で固液二相熱媒体をポンプにより循環させるようにし
ているため、従前のスラリー状の溶融塩を循環させる場
合に比較して流体の流動性が向上し、ポンプ動力費の引
下げが可能となる。

そのうえ１表面架橋合成樹脂粒体の軟化温度を８０℃〜
２００℃程度に選定することにより、高温水又は蒸気が
容易に得られると共に、熱媒油等の液相分は１００℃以
上でも常圧であるため、蓄熱タンクには圧力がかからず
、安全性や経済性の点でも好都合である。

本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る潜熱蓄熱型加熱装置の系統図であ
る。 第２図乃至第４図は従前の潜熱蓄熱型加熱装置の説明図
である。 １　　蓄熱タンク ２　　加熱源 ３　　熱媒体循環ポンプ ４　　熱交換器 ５　　熱交換用水管 Ｋ　　熱媒体 Ｋａ　　液相分 Ｋｂ　　固相分 特許出願人　　　　株式会社　出前総合研究所代表者　
福谷　鈴 第 図 第２図 第３図 第４ 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱源を備えた蓄熱タンクと；前記蓄熱タンク内
   に貯留した表面架橋合成樹脂粒体と熱媒油若しくは合成
   樹脂液体とから成る固液二相熱媒体と；前記固液二相熱
   媒体の循環ポンプと；前記固液二相熱媒体の循環により
   給水を加熱する熱交換器とから構成した潜熱蓄熱型加熱
   装置。
2. （２）表面架橋合成樹脂粒体と熱媒油若しくは合成樹脂
   液体との混合体より成る潜熱蓄熱型加熱装置用の固液二
   相熱媒体。
3. （３）表面架橋合成樹脂粒体を表面架橋ポリエチレン粒
   体とすると共に、合成樹脂液体をエチレングリコールと
   した請求項（２）に記載の潜熱蓄熱型加熱装置用の固液
   二相熱媒体。
4. （４）表面架橋ポリエチレン粒体の粒径を１．５５ｍｍ
   φとすると共に、固相分と液相分の比率を２０〜７０Ｖ
   ＯＬ％とした請求項（３）に記載の潜熱蓄熱型加熱装置
   用の固液二相熱媒体。