JPH02282696A - ヒートパイプ機能を備えた固体蓄熱器 - 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 この発明は顕然として熱エネルギを蓄える固体蓄熱器に
関し、さらに詳しくは主として潜熱として熱の輸送を行
なう作１７＋流体と蓄熱材との間で熱授受を行なうよう
栴成された蓄熱器に関するものである。

従来の技術 個人住宅や中小規模集合住宅などにおける各戸の給温設
備としては、小型であること、エネルギコストが低順で
あることなどの要請があり、本出願人等はそれらの要請
を満すことのできる給湯設備を特願昭６３−２５３５７
５号として既に提案した。その基本構成は、熱源である
蓄熱器と水を加熱する熱交換器とをループ型ヒートパイ
プによって連結したものであり、これを略示すれば第５
図の通りである。すなわち第５図申付号１はループ型ヒ
ートパイプを示し、これは真空排気した密閉循環路の内
部に、水やフロン、アルコールなどの潜熱として熱の輸
送を行なう凝縮性の流体を作動流体として封入したもの
であり、そのヒートパイプ１のうちの一部が低い位置に
おいて蓄熱器２を貫通しており、これに対して高い位置
において熱交換器３を貫通している。蓄熱器２はセラミ
ック材料や有機材料などの適宜の材料を蓄熱材とするも
のであって、外部から熱を与えるために電気ヒータ４が
取付けられている。また熱交換器３は外部から供給した
水を加熱して温水とするものであり、その給水管路５に
は開閉弁６が介装されている。さらにまたループ型ヒー
トパイプ１のうち熱交換器３から蓄熱器２に至る管路の
部分には、液相の作動流体の流量を調整する調整弁７が
設けられている。

したがって上述した給湯設備では、電気ヒータ４によっ
て蓄熱材を加熱することにより熱エネルギを蓄熱器２に
蓄えておき、出湯の必要があるときは、調整弁７を介し
て液相の作動流体を蓄熱器２に送る一方、熱交換器３に
水を供給すれば、ヒートパイプ１のうち蓄熱器２の部分
で作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気が熱交換器３
の部分に流れた後に水に熱を与えて凝縮し、その結果、
温水が得られる。このように第５図に示す給湯設備では
、出潮の必要があるとき以外の任意のときに電気ヒータ
４をオンにして熱エネルギを蓄えておくことができるた
め、安価な深夜電力を利用でき、また貯湯タンクが要ら
ないので、小型のものとすることができる。

発明が解決しようとする課題 上述した給湯設備では、蓄熱材から水に対する熱の伝達
を、ヒートパイプ内の作ｖＪ流体が媒介することになる
から、蛇口の開動作と同時に所要温度の温水を得るべく
熱応答性を良好ならしめるためには、蓄熱器２における
蓄熱材からヒートパイプへの熱伝達を迅速かつ多量に行
なわせる必要がある。そこで例えば蓄熱材としてセラミ
ックなどの固体を使用する場合、第６図に示すように、
ループ型ヒートパイプ１のうち作動流体を蒸発させる蒸
発部８を、上部ヘッダ管９と下部ヘッダ管１０との間に
複数の縦管１１を設けて全体として格子状に形成し、そ
のｌＩｉ管１１を二分割＠造の固体蓄熱材１２によって
密着状態に挟み付け、かつ必要に応じて！Ｉ菅１１と蓄
熱材１２とを溶接する蓄熱器を採用することが考えられ
る。

このような構造の蓄熱器にあっては、ｌｕ管１１と蓄熱
材１２とを密着させるために、蓄熱材１２に半円形断面
の凹部１３を形成する必要があるが、その凹部１３の径
と縦管１１の外径とを完全に一致させることは凹部１３
の加工技術上極めて困難であり、その結果、通常では凹
部１３の径が縦管１１の外径とわずかながら相違してし
まい、それに伴って［管１１と蓄熱材１２とが点もしく
は線で接触してしまい、両者の間に空間部が生じる。

このような空間部には空気が入り込み、しかも空気は熱
伝達率が低いために、蓄熱材１２と縦管１１との間の熱
伝達が阻害される問題を生じる。

このような不都合を解消するために、蓄熱材１２と縦管
１１とを溶接することも可能であるが、そのためには技
術的に困難もしくは高度な作業が要求σれ、蓄熱器ある
いは給７Ｍ設備がコスト高になる不都合を生じ、また縦
管１１と蓄熱材１２とは繰り返し加熱・冷却されるうえ
に熱膨張率が異なるから、長期間使用しているうちに溶
接部分で剥離して空間部が生じ、前述したような不都合
が生じるおそれがある。これに加え、溶接の際に縦管１
１が損傷を受けて作動流体が漏洩したり、これとは反対
に空気が内部に侵入したりするおそれがある。

また一方、４［１管１１と蓄熱材１２との間の空間部に
、ペースト状のサーマルジヨイントを充填することによ
り、縦管１１と蓄熱材１２との間の熱伝達を確実にする
ことが考えられるが、サーマルジヨイントは経時的に劣
化するので、熱伝達が次第に損われたり、また縦管１１
や蓄熱材１２が熱膨張・熱収縮することにより不可避的
に空間部が生じる不都合がある。

蓄熱材１２と縦管１１とを確実に面接触させかつ接触面
積を可及的に広くするために、ｌｕ管１１を矩形断面の
ものとすることが考えられるが、そのようにすると管材
の入手が困難になり、またヘッダ管９，１０に対する溶
接を含めた全体としての製造作業性が悪くなり、さらに
は強度や熱的特性が円周方向で不均一になるなどの問題
を生じる。

そして上述した従来の蓄熱器のｉＩ４造では、ヘッダ管
９，１０が蓄熱材１２の外部に位置することになるため
に、この部分が伝熱面として機能せず、熱効率が悪くな
る問題がある。これを解決するためには、分割Ｍ４造の
蓄熱材でヘッダ管９．１０をも挟み込む構造とすればよ
いが、そのためには蓄熱材をヘッダ管９．１０に密着さ
せるための複雑な４１＋１造や作業が必要となる問題が
生じる。

この発明は上記の事情を背端としてなされたもので、熱
的な特性に優れ、しがも小型軽量な固体蓄熱器を提供す
ることを目的とするものである。

課題を解決するための手段 この発明は、上記の目的を達成するために、ガス透過性
のない蓄熱材７０ツクの内部に中空部を形成するととも
に、蒸発潜熱として熱を輸送する作動流体を流通させる
バイブを、前記中空部に気密状態に接続したことを特徴
とするものである。

またこの発明では、前記中空部を、上下のヘッダ部を複
数の縦孔部で連通させた格子状のものとすることができ
る。

さらにこの発明では、前記蓄熱材ブロックの外面に他の
材種の固体の蓄熱材を密着して取付け、そして例えば蓄
熱材ブロックを金属とし、かつ異材種の固体の蓄熱材を
セラミックとすることにより、宙吊を特に増大させずに
蓄熱容量を増大させることができる。

さらに中空部の下側に加熱器を設け、中空部内の作動流
体を下側から補助加熱することによって作ｅ流体の蒸発
を促進させることができる。

作　　　　　用 この発明の蓄熱器では、蓄熱材ブロックに形成された中
空部の内部を作！ｌＪ流体が流れることにより、作動流
体が蓄熱材に接触して両者の間で熱授受が行なわれる。

したがって蓄熱作用を行なう蓄熱材ブロック自体が作動
流体の流通する中空部を形成するから、作ｖＪ流体と蓄
熱材との間に介在する物がなく、両者の間の熱伝達が極
めて効率良く行なわれる。また当然、熱膨張や熱収縮も
しくは経時変化による熱伝達率の低下は生じない。

蓄熱材ブロックの外面に他の材質の固体の蓄熱材を密着
して取付けた場合、熱エネルギは蓄熱材ブロックと他の
材質の固体の蓄熱材との両方に蓄えられ、またこれらの
蓄熱材ブロックおよび固体の蓄熱材とから作動流体に熱
が与えられる。その場合、蓄熱材ブロックと固体の蓄熱
材とは平面で接触させることができるので、両者の間で
の熱授受は良好に行なわれる。

そして中空部の下側に加熱器を配置した構成では、中空
部内の作動流体を下側から加熱することが可能になるの
で、作動流体の蒸発を促進することができる。

実　　施　　例 つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す破断断面正面、図で
あり、第２図は同じく破断断面平面図であって、蓄熱材
ブロック２ｏはステンレス鋼や鋳鉄などの体積比熱の大
きい金属によって薄い直方体状に形成されており、この
蓄熱材ブロック２ｏの内部には、上下の各ヘッダ部２１
．２２およびこれらを連通させる複数本の縦孔部２３か
らなる中９部が形成されている。すなわち上部ヘッダ部
２１は、蓄熱材ブロック２０の上側の部分に、はぼ水平
方向に沿って形成され、蓄熱材ブロック２゜の側面に開
口している。また下部ヘッダ部２２は、蓄熱材ブロック
２０の下側の部分に、はぼ水平方向に沿って形成され、
上部ヘッダ部２１とは反対方向に向けて開口している。

さらに各縦孔部２３は、互いに平行でかつ上下方向に向
けて形成されて各ヘッダ部２１．２２を連通させている
。この中空部は、蓄熱材ブロック２０に穿孔加工を施し
て形成し、かつ不必要な開口部にプラグ２４を溶接して
ここを密閉することにより形成してもよく、あるいは蓄
熱材ブロック２０の鋳造の際に貫通孔を同時に形成し、
しかる後に不必要な開口部にプラグ２４を溶接してここ
を密閉して形成してもよい。特に後者の方法は、中空部
の内表面に凹凸ができるために、後述する作ｖＪ流体の
核沸騰の促進や表面積の増大などの点で好ましい。

蓄熱材ブロック２０の表裏両面には、上下方向に沿う厚
板部２５と板厚の薄いフィン２６とが突設されており、
その厚板部２５には電気ヒータ２７が上下方向に向けて
挿入配置されている。また前記上部ヘッダ部２２の下側
に他の電気ヒータ２８がほぼ水平方向に向けて挿入配置
されている。

なお、厚板部２５とフィン２６とは蓄熱材ブロック２０
と一体に鋳造してもよいが、溶接により蓄熱材ブロック
２０に一体化させてもよい。

上記の厚板部２５とフィン２６との間には、セラミック
や蓄熱レンガなどの体積比熱の大きい固体蓄熱材２９が
、蓄熱材ブロック２０に密着した状態に配置されている
。これらの固体蓄熱材２９の取付構造について説明する
と、各厚板部２５の先端部には、第３図に分解して示す
ように、蓄熱材ブロック２０の表面もしくは表面と平行
となるようフラットプレート３０がボルト３１によって
固定され、各固体蓄熱材２９はそのフラットプレート３
０と蓄熱材ブロック２０との間に配置され、かつフラッ
トプレート３０との間に配置した弾性体たとえば皿バネ
３２によって蓄熱材ブロック２０に密着するよう押し付
けられている。したがって蓄熱材ブロック２０と固体蓄
熱材２９との熱膨張量・熱収縮量の相違を、両者の相対
的な滑りを許容することにより吸収し、同時に密着状態
を常時維持するようになっている。なお、固体蓄熱材２
９と蓄熱材ブロック２０および厚板部２５ならびにフィ
ン２６との接触面には伝熱セメントを塗布しておくこと
が好ましい。また第３図申付号３３はスペーサである。

訪述した上部ヘッダ部２１には蒸気管３４が気密性を維
持した状態で接続され、また下部ヘッダ部２２には液戻
り菅３５が気密性を維持した状態で接続されており、そ
してこの状態で中空部には、空気などの非凝縮性流体を
真空排気した状態で、水やアルコールなどの凝縮性の流
体が作り流体として封入されている。また前記固体蓄熱
材２９を取付けた蓄熱材ブロック２０の外周全体が断熱
材３６によって被覆されている。

上述した蓄熱器を使用した給湯設備の系統図を第４図に
示す。ここに示す給湯設備は前述した蓄熱材ブロック２
０の中空部をループ型ヒートパイプ３７の一部としたも
のであり、蒸気管３４と液戻り管３５とが、熱交換器３
８の一部をなす凝縮器３９に接続されている。この凝縮
器３９は、上部ヘッダ管４０と下部ヘッダ管４１とを複
数本の凝ｌａ菅４２によって連通させた構造であって、
前記蒸気管３４が上部ヘッダ管４０に接続され、かつ液
戻り管３５が下部ヘッダ管４１に接続されている。そし
て熱交換器３８は、この凝縮器３９の外周をジャケット
４３で覆った４１１１造であって、そのジャケット４３
の下部流入口に給水管４４が接続され、かつ上部流出口
に給湯管４５が接続ぎれている。またその給湯管４５に
は、上部流出口から送り出された温水を給水管４４から
分流させた水と混合して温水温度を一定に保つためのミ
キシングバルブ４６が介装されている。さらに凝縮器３
９の下部ヘッダ管４１に接続した液戻り管３５の途中に
は、流量調整弁４７が介装されている。

前述した蓄熱器の作用を第４図に示す給湯設備の作用と
併せて説明すると、先ず蓄熱器における各電気ヒータ２
７．２８をオンにして発熱させると、蓄熱材ブロック２
０が加熱昇温されてここに熱エネルギが顕然として蓄え
られ、また蓄熱材ブロック２０の熱がこれに密着させた
固体蓄熱材２９に与えられ、その固体蓄熱材２９にも熱
エネルギが蓄えられる。その場合、蓄熱材ブロック２０
と固体蓄熱材２９とは、その熱膨張率が相違することに
より膨張量が異なるが、両者は積極的に接合されずに、
皿バネ３２の弾性力で互いに加圧接触させられているだ
けであるから、両者の相対移動が許容され、両者の間に
熱応力やそれに伴う亀裂が生じず、同時に密着状態が維
持される。

一方、蓄熱材ブロック２０における中空部および凝縮器
３９ならびにこれらを接続した蒸気管３４、液戻り菅３
５かうなるループ型ヒートパイプ３７の内部には、蒸発
潜熱として熱を輸送する作Ｖ）流体が封入されており、
前記流量調整弁４７を開くことにより、液相の作動流体
が液戻り管３５を介して蓄熱器の下部ヘッダ部２２に供
給される。

その場合、蓄熱器を熱交換器３８より低い位置に設け、
かつ液戻り管３５を第１図に示すように下部ヘッダ部２
２に向けて下向きに傾斜させることにより、液相の作動
流体は水頭差によって下部ヘッダ部２２に供給される。

下部ヘッダ部２２に供給された作動流体は、温度の高い
蓄熱材ブロック２０に接触して加熱されるために蒸発し
、その蒸気は上部ヘッダ部２１から蒸気管３４に流出す
る。

このような作動流体を蒸発させるための加熱は、作動流
体が蓄熱材ブロック２０に直接接触することにより行な
われるから、熱伝達を阻害する要因が殆どなく、極めて
効率良く熱伝達が行なわれる。

作動流体を加熱蒸発させることにより蓄熱材ブロック２
０の温度が低下すると、固体蓄熱材２９がら蓄熱材ブロ
ック２０に熱が与えられ、結局、蓄熱材ブロック２０と
固体蓄熱材２９との両方に蓄えた熱エネルギが作ｅ流体
を加熱蒸発させることに使用される。その場合、固体蓄
熱材２９から蓄熱材ブロック２０に対する熱の伝達は、
両者の接触面を介した熱伝達のみならず、前述した厚板
部２５およびフィン２６を介しても行なわれるから、熱
伝達効率は良好になる。なお、作動流体の蒸発が不足す
る場合、下部ヘッダ部２２の下側に設けた電気ヒータ２
８を通電発熱させれば、下部ヘッダ部２２に供給した作
ｉ！！ｌＩ流体をほぼ直接加熱することになるので、作
動流体の蒸発が活発に生じる。

以上のようにして生じた作ｖＪ流体の蒸気は、蒸気管３
４を通って凝縮器３９に流れるが、前記給水管４４から
熱交換器３８に水を供給してあれば、凝縮器３９の内部
の作動流体蒸気とジャケット４３の内部の水との間で熱
交換が生じ、水が加熱されて温水となり、給湯管４５か
ら送り出される。

また同時に凝縮器３９の内部では、放熱することにより
作動流体蒸気が凝縮し、液化した作動流体は下部ヘッダ
菅４１から液戻り管３５に流出し、流量調整弁４７を介
して再度蓄熱器に供給される。

なお、熱交換器３８で得られる温水温度が設定温度より
高い場合には、ミキシングバルブ４６において水が混合
され、給湯温度が設定温度に維持される。

発明の詳細 な説明したようにこの発明の蓄熱器によれば、ヒートパ
イプの一部となる中空部が蓄熱材ブロックに空所を設け
ることにより形成されているから、蓄熱作用を行なう蓄
熱材ブロックに作動流体が直接接触することになり、そ
の結果、蓄熱材から作１１Ｊ流体に対する熱伝達を阻害
する部材や空間部分がなくなり、従来になく効率良く作
動流体との間で熱授受を生じさせることができる。また
蓄熱材ブロックの内部には異材質の構造部材が存在しな
いから、熱応力やそれに伴う亀裂の発生などの危険がな
く、また当然、作動流体の漏洩や空気の侵入などの危険
を未然に防止することができる。

さらにこの発明では、ヘッダ部分をも蓄熱材ブロックの
内部に設けることになるので、作動流体との熱授受を行
なう伝熱面積を従来になく広くでき、換言すれば、熱容
量を減じることなく小型化を図ることができる。

また蓄熱材ブロックの外面に材質の異なる固体蓄熱材を
密着して取付けることにより、蓄熱量や形状・寸法を容
易にニーズにあったものとすることができ、特に金属と
セラミックやレンガなどを併用すれば、軽量化を図るこ
とができる。

そしてまた中空部の下側に加熱器を設けることにより、
蓄熱材が不足しもしくは減少した場合に、その加熱器に
よって迅速かつ効率良く作ｖＪ流体を加熱蒸発させるこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す破ｌ！Ｆｉ断面正面
図、第２図は同じく破断断面平面図、第３図は固体蓄熱
材の取付は情造を説明するための部分分解平面図、第４
図は第１図および第２図に示す蓄熱器を使用した給温設
備の系統図、第５図はループ型ヒートパイプを使用した
一般的な給温設備の系統図、第６図はループ型ヒートパ
イプのヘッダ管タイプの蒸発器に固体蓄熱材を取付ける
一般的な蓄熱器の構成を説明するための概略斜視図であ
る。 ２０・・・蓄熱材ブロック、　２１・・・上部ヘッダ部
、２２・・・下部ヘッダ部、　２３・・・縦孔部、　２
８・・・電気ヒータ、　２９・・・固体蓄熱材。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス透過性のない蓄熱材ブロックの内部に中空部
   を形成するとともに、蒸発潜熱として熱を輸送する作動
   流体を流通させるパイプを、前記中空部に気密状態に接
   続してなることを特徴とするヒートパイプ機能を備えた
   固体蓄熱器。
2. （２）前記中空部が、前記蓄熱材ブロックの上部にほぼ
   水平方向に向けて形成されかつ蓄熱材ブロックの側面に
   開口した上部ヘッダ部と、前記蓄熱材ブロックの下部に
   ほぼ水平方向に向けて形成されかつ蓄熱材ブロックの側
   面に開口した下部ヘッダ部と、これらのヘッダ部を連通
   させるよう上下方向に向けて形成された複数の縦孔部と
   からなることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイ
   プ機能を備えた固体蓄熱器。
3. （３）前記蓄熱材ブロックの外面に、該蓄熱材ブロック
   とは異材質の固体の蓄熱材が密着して取付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ機能を
   備えた固体蓄熱器。
4. （４）前記蓄熱材ブロックが金属ブロックであり、かつ
   前記固体の蓄熱材がセラミックであることを特徴とする
   請求項３に記載のヒートパイプ機能を備えた固体蓄熱器
   。
5. （５）前記中空部より下側に加熱器が設けられているこ
   とを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ機能を備
   えた固体蓄熱器。