JPH04155186A - 蓄熱システム - 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】 Ａ　産業上の利用分野 本発明は、熱エネルギーを潜熱の形で貯蔵し、必要に応
じて元の熱エネルギーに変えて取り出すことがでる蓄熱
システムに関するものである。

Ｂ１発明の概要 本発明は、温排水等の低温熱源から熱を汲み上げて蓄熱
する蓄熱システムにおいて、過冷却特性を有する固相の
潜熱蓄熱材料を低温熱源により融点以上に加熱し、この
固相一液相変化に伴う融解熱を潜熱の形で潜熱蓄熱材料
に蓄熱して貯蔵することにより、低温熱源の熱エネルギ
ーを大量に貯蔵できるとともに、伝熱損失を小さくして
熱効率を向上させることができるものである。

Ｃ９従来の技術 従来、温廃水等の低温熱源から熱エルネルギーを回収し
て高温熱源を得るヒートポンプを利用した蓄熱システム
が開発されている。

蓄熱システムに使用されるヒートポンプには、フロン等
の作動媒体の蒸発（吸熱）と、ｊｉｇ（発地）を圧縮機
を用いてサイクルさせる圧縮式ヒートポンプと、臭化リ
チウム水溶液等の吸収液への水等の作動媒体の吸収（発
熱）と蒸発（吸熱）を利用した吸収式ヒートポンプ等か
ある。

ヒートポンプは、エネルギー効率か高く、燃焼をともわ
ないクリーンな熱エネルギーを得ることができる等の特
長を有する。ヒートポンプとは、熱量として多量に存在
する低温熱源（低品位の熱）から熱エネルギーを吸収し
、外部から仕事を加えて温度を高めることにより高温熱
源（高品位の熱）を得るものである。

この圧縮式ヒートポンプの原理を説明する。圧縮機で圧
縮された高温の高圧ガス（作動媒体）は凝縮磯で熱を放
出し高温の高圧液となり、膨張弁で減下されジュールト
ムソン効果により熱か奪われて低温の低’Ｉ液となる。

この低温低圧の作動媒体を蒸発器で蒸発させると周囲か
ら蒸発熱をとり、低圧の蒸気となって圧縮器にもどる。

０発明か解決しようとする課題 従来のヒートポンプは温排水等の低温熱源から熱エネル
ギーを間接的に冷媒ガス等の作動媒体に蓄熱するので、
作動媒体の伝熱損失が非常に大きく熱効率か悪くなる。

しかも、配管等で完全に連結された密封構造のループ内
に作動媒体を循環させているので、作動媒体の量を増や
すことかできず、温排水等の熱エネルギーを大量に貯蔵
できなかった。

また、従来のヒートポンプは作動媒体の蒸発（吸熱）を
利用して熱を汲み上げているので、蒸発した作動媒体が
配管接続部等から漏れる心配かある。　本発明は、上記
問題点に着目してなされたもので、熱源の熱エネルギー
を大量に貯蔵できるとともに、伝熱損失を小さくして熱
効率を向上し得る蓄熱システムを提供することを目的と
する。

Ｅ９　課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達成するために、過冷却特性を
有する潜熱蓄熱材料を融点以上に加熱する熱源と、この
熱源に前記潜熱蓄熱材料を供給する供給手段と、前記熱
源により加熱されて固相から液相に変化した前記潜熱蓄
熱材料を貯蔵する貯蔵手段により蓄熱システムを構成す
る。

Ｆ０作用 潜熱蓄熱材料が温排水等の熱源により融点以上に加熱さ
れると、融解して固相から液相へと変化する。このとき
、相変化に伴う融解熱は潜熱の形で潜熱蓄熱材料に蓄熱
される。この液相の１４！熱蓄熱材料は過冷却現象によ
り融点以下に低下しても液相の状態を保持できるので、
熱源の熱エネルギーを潜執の形に変えて大量に貯蔵する
ことかできる。

一方、液相の潜熱蓄熱材料から熱エネルギーを取り出す
場合、非安定状帖にある液相の潜熱蓄熱材料にわずかな
圧力刺激等を加えることにより、過冷却状態から固相を
晶析して本来の固相状態へと変化する。このとき、液相
の潜熱蓄熱材料に蓄熱された潜熱か放出される。

Ｇ、実施例 以下、本発明を第１図に示す第一実施例、第２図ないし
第４図に示す第二実施例、第５図ないし第７図に示す第
三実施例に基ついて説明する。

（第一実施例） 第１図は本発明の第一実施例の概略的な構成を示す構成
図である。本図において、１はフレーク状の結晶状態に
ある固相の潜熱蓄熱材料２ａを圧送する固液混合物用ポ
ンプで、本実施例では回転容積型の一軸偏心ネジポンプ
を使用している。この−軸偏心ネジポンプは、断面が長
円形のステーターの中で雄ネジのローターを回転させる
ことにより、両者の間にできる空隙容積に充満された固
゛相の潜熱蓄熱材料２ａを軸方向に送り出す。この固液
混合物用ポンプ１にて圧送された固相の潜熱蓄熱材料２
ａは、パイプ３を通して熱交換器４に送られる。

熱交換器４は冷却対象である温排水５を貯蔵する冷却対
象収容器６内に収められており、温排水５との熱交換率
を高めるために比較的太いパイプを多数の枝状に分岐し
た構造にしである。この熱交換器４に送られてきた固相
の潜熱蓄熱材料２ａは、温排水５から熱を吸収して融点
以上に暖められると、融解し固相から液相へと変化する
。このとき、相変化に伴う融解熱は潜熱の形で液相の潜
熱蓄熱材料２ｂに蓄熱される。

本発明に使用される潜熱蓄熱材料とは、融点以下になっ
ても固相とならず液相の状態を保つ過冷却特性を有する
もので、例えば酢酸ナトリウム三水塩（ＮａＣＨｘＣＯ
Ｏｅ　３Ｈ２０）等の水和塩が挙げられる。

前記熱交換器４で固相と液相の混合状態もしくは液相状
態になった潜熱蓄熱材料２ａ、２ｂは、パイプ７を通し
て分離回収槽８に送られる。この分離回収槽８内には固
相と液…の潜熱蓄熱材料２ａ、２ｂを分離するためのフ
ィルター９′か設けられており、完全に液化した液相の
潜熱蓄熱材料２ｂたけかフィルター９を通して分離回収
槽８の下部に溜められる。このとき、フィルター９の上
に残留した固相の潜熱蓄熱材料２ａは、パイプ■０を通
して固液混合物用ポンプ１により吸引され、再び熱交換
器４に送られる。

以上のサイクルを繰り返し行うことにより、固相の潜熱
蓄熱材料２ａは固液混合物用ポンプ１−熱交換器４−分
離回収槽８を循環し、冷却対象収容器６内に貯蔵された
温排水５から熱を吸収して液化され分離回収ＷＩ８に回
収される。分離回収槽８に溜められた液相の潜熱蓄熱材
料２Ｊは、バルブ１ｍ　ポンプ１２を介して貯蔵タンク
１３に送られる。

このように温排水５から熱を吸収して固相から液相に変
化した潜熱蓄熱材料２ｂは、その保管場所の温度が融点
温度以下に低下した場合でも、過冷却現象により液相の
状態を保ち続ける。この液相の潜熱蓄熱材料２ｂは過冷
却状態という非安定状態にあるので、わずかな圧力刺激
等を加えることによって過冷却状態から固相を晶析して
本来の安定な固相状態となる。この際、液相の潜熱蓄熱
材料２ｂに蓄熱されていた４ｐが放出される。

なお、固相の潜熱蓄熱材料２ａは温排水５の熱を吸収し
て液化されて量が次第に減少するため、固相の潜熱蓄熱
材料２ａがある程度減ったならば分離回収槽８内に固相
の潜熱蓄熱材料２ａを補充する必要がある。

また、サイクルを繰り返すうちに温排水５か潜熱蓄熱材
料２ａによって冷却されるため、温排水５の温度がある
限度以下まで低下したならばバルブ１４を開放して冷却
対象収容器６内の温排水５を排出し、ポンプ１５にて新
しい温排水５を冷却対象収容器６内に供給する。

したがって、このような構成によれば、固相の潜熱蓄熱
材料２ａを固液混合物用ポンプ１で圧送し熱交換器４と
分離回収槽８に循環させることにより、温排水５の熱エ
ネルギーを潜熱の形に変えて直接的に潜熱蓄熱材料に蓄
熱することができるため、従来のヒートポンプに比べて
伝熱損失が非常に小さく熱効率が良い。しかも、熱交換
器４で液化され液相の潜熱蓄熱材料２ｂだけを分離回収
槽８で分離することにより、サイクルの外部に液相の潜
熱蓄熱材料２ａを取り出すことができるため、いくらで
も温排水５の熱エネルギーを潜熱の形に変えて貯蔵する
ことができる。

また、過冷却特性を有する潜熱蓄熱材料の固相一液相変
化に伴う潜熱を利用しているので、作動媒体の蒸発（吸
熱）を利用した従来のヒートポンプで問題になっていた
ガス漏れの心配が無くなる。

（第二実施例） 第２図は本発明の第二実施例の概略的な構成を示す正面
図、第３図は同実施例に用いられる蓄熱テープを示す断
面図、第４図は同実施例に用いられる加圧部を示す正面
図である。

第２図において、２１．２２は所定の間隔に配設された
供給リールと巻取リールで、供給リール２１には蓄熱テ
ープ２３がき装されている。（共給リール２１または巻
取リール２２により蓄孤テープ２３を巻き取る際、送り
出し側のリール２１または２２にブレーキをかけて蓄熱
テープ２３か弛まないように考慮する。

前記蓄熱テープ２３は第３図に示すように構成されてい
る。すなわち、本実施例に使用される蓄熱テープ２３は
、過冷却特性を有する酢酸ナトリウム三水塩（Ｎ　ａ　
ＣＨ３ＣＯ０・３　Ｈ２０）等の潜熱蓄熱材料２４を内
包した有機系（フェノール。

塩化ビニリデン等）あるいは無機系（ガラス、シリカ等
）のマイクロカプセル２５で内包し、これをエポキン樹
脂等のマトリックス２６に混合させて厚さ４〜１０μｍ
のポリエチレンテレフタレート（Ｐ　Ｅ　Ｔ）あるいは
ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）製のベースフィル
ム２７の片面に塗布したものである。

前記供給リール２１に巻装された固相状態にある蓄熱テ
ープ２３は、ステンレス製のガイトローラ２８，２９に
より冷却対象である温排水３０を貯蔵する冷却対象収容
器３１内に導かれ、巻取り−ル２２により巻き取られる
。

この巻取リール２２をギヤドモータ等により駆動し、蓄
熱テープ２３を冷却対象収容器３１内の温排水３０に直
接接触させながら巻き取ると、同相の１４Ｉ熱蓄熱材料
２４は温排水３０から熱を吸収して融点以上に暖められ
て融解し固相から液相へと変化する。この相変化に伴う
融解熱は潜熱の形で液相の潜熱蓄熱材料２４に蓄熱され
る。このとき、潜熱蓄熱材料２４が十分に液相になるよ
うに冷却対象との接触距離と時間を適宜に調整する。

このように温排水３０から熱を吸収して固相から成用に
変化した潜熱蓄熱材料２４は、その保管場所の温度が融
点温度以下に低下した場合でも、過冷却現象により液相
の状態を保ち続ける。

この液相の接触蓄熱材料２４は過冷却状態という非安定
状態にあるので、わずかな圧力刺激等を加えることによ
って過冷却状態から固相を晶析して本来の安定な固相状
態となる。

前記巻取リール２２に巻き取られた液相状態にある蓄熱
テープ２３から熱を取り出す場合、例えば第４図に示す
ように巻取リール側のガイトローラ２９に挟み機構４１
により回動可能に支持された加圧ローラ４２をスプリン
グ４３で圧接させる。

この状態で、供給リール２１をギャトモータで駆動じて
蓄熱テープ２３を巻き取ると、蓄熱テープ２３に圧力ロ
ーラ４２か圧接してマイクロカブでル２５内のａ熱蓄熱
材！４２４に刺激が加わる。この刺激を受けた液相の潜
熱蓄熱材料２４は晶析を開始して潜熱を放出する。

このとき、圧力ローラ４２の圧力はマイクロカプセル２
５を押し潰さない程度の大きさで、かつ過冷却状態にあ
る液相の潜熱蓄熱材料２４に晶析を開始させる程度の大
きさになるようにする。

（第三実施例） 第５図は本発明の第三実施例の概略的な構成を示す構成
図、第６図は同実施例に用いられる蓄熱テープを示す断
面図、第７図は同実施例に用いられる加圧部を示す正面
図である。

第５図において、２１．２２は上記第一実施例と同様に
所定の間隔に配設された供給リールと巻取リールである
。供給リール２１には複数枚に重ね合わされた蓄熱テー
プ２３か巻装されている。

前記蓄熱テープ２３は第６図に示すように構成されでい
る。下なわら、本実施例に用いられる番地テープ２３は
、過冷却特性を有する酢酸ナトリウム三水塩（ＮａＣＨ
：ｌＣｏ○−３Ｈ２０）等の潜熱蓄熱材料２４を有機系
（フニノール、塩化ビニリデン等）あるいは無機系（ガ
ラス、シリカ等）のマイクロカプセル２５て内包し、こ
れをエポキシ樹脂等のマトリックス２６に混合させて厚
さ４〜１０μｍのポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）
製のテープ２７の両面に塗布したものである。

前記供給リール２１に巻装された固相状態にある各蓄熱
テープ２３ａ〜２３ｆは、各層毎にステンレス製の供給
側ガイド０−ラ５１ａ〜５１ｆと巻取側ガイトローラ５
２ａ〜５２ｆにより冷却対象である温排水３０を貯蔵す
る冷却対象収容器３１内に導かれ、巻取り−ル２２によ
り巻き取られる。

この巻取リール２２をギヤトモータ等により駆動し、蓄
熱テープ２３ａ〜２３ｆを冷却対象収容器３１内の温排
水３０に接、独させながら巻き取ると、固相の潜熱蓄熱
材料２４は温排水３０から熱を吸収して融点以上に暖め
られて融解し固相から液相へと変化する。二の相変化に
伴う融解熱は潜熱の形で液相の潜独蓄熱材′Ｎ２４に蓄
熱される。

このとき、潜熱蓄熱材料２４が十分に液相になるように
冷却対象との接触距離と時間を適宜に調整する。

前記巻取リール２２に巻き取られた液相状態；。

ある蓄熱テープ２３から熱を取り出す場合、例メば第７
図に示すように巻取リール側に設置されｔへラドローラ
６１に蓄熱テープ２３を導き、圧墳素子の超音波発信子
６２ａにチタンやセラミックスなとでできた針先６２ｂ
を取り付けた熱再生ハツト６２を用いて、超音波振動の
圧力波を蓄熱テープ２３に直接当てる。この状態で、供
給リーノ１２１をギヤドモータで駆動して蓄熱テープ２
３苓巻き取ると、マイクロカプセル２５内の潜熱蓄熱材
料２４に刺激が加わる。この刺激を受けた液社の潜熱蓄
熱材料２４は晶析を開始して潜熱を放汁する。

したがって、以上に述べた第二実施例および穿三実施例
の構成によれば、供給リール２１に巻馨された固相状態
にある蓄熱テープ２３を冷却対象収容器３１の温排水３
０中を通して巻取リール２２に巻き取ることにより、温
排水３０の熱エネル友　　ギーを潜熱の形に変えて直接
的に潜熱蓄熱材料２４に蓄熱することかできるので、従
来のヒートポンプに比べて伝熱損失および流動損失か非
常に小さく熱効率か良い。しかも、蓄熱テープ２３を交
換することにより、温排水３０から熱を吸収して・　　
液相状態になった蓄熱テープ２３をラインの外部シ　　
　に回収することができるため、いくらでも温排水］　
　　３０の熱エネルギーを潜熱の形に変えて貯蔵するこ
とができる。

また、潜熱蓄熱材料２４を内包したマイクロ力゛　　プ
セル２５をマトリックス２６に混ぜ合わせてべ゛　　−
スフィルム２７に塗布しているので、液漏れの心配かな
い。しかし、過冷却特性を何する潜熱蓄熱材料２４の固
相一液相変化に伴う潜熱を利用しているので、作動媒体
の蒸発（吸熱）を利用した従来のヒートポンプで問題に
なっていたガス漏れの心配も無くなる。

また、蓄熱テープ２３．２３ａ　〜２３ｆをカイトロー
ラ２８，２９．５１ａ　〜５１ｆ、５２ａ　〜５２ｆで
冷却対象収容器３Ｉ内に導くことかできるため、従来の
ヒートポンプのようにパ１′プラインを敷設するものに
比へてレイアウトの変更が容易にてきる。

また、蓄熱テープ２３を多層構造にすることにより、冷
却対象である温排水３０との接触面積をより大きくでき
るため、温排水３０の熱エネルギーを短時間に効率良く
蓄熱することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
要旨を変更しない範囲において種々変形して実施するこ
とかできる。

Ｈ０発明の効果 以上に詳述した本発明によれば、固相一液相に伴う融解
熱を潜熱の形に変えて潜熱蓄熱材料に蓄　　　　熱する
ことて、この潜熱蓄熱材料をシステムの外部に貯蔵する
ことか可能となり、熱源の熱エネルギーを大量に貯蔵す
ることができるとともに、直接的に潜熱直接材料に蓄熱
することで、従来のと−トポンプに比べて伝熱損失が非
常に小さく熱効率の良い蓄熱システムを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の概略的な構成を示す構成
図、第２図は本発明の第二実施例の概略的な構成を示す
正面図、第３図は同実施例に用いられる蓄熱テープを示
す断面図、第４図（二同実罹例に用いられる加圧部を示
す正面図、第５図は本発明の第三実施例の概略的な構成
を示す構成図、第６図は同実施例に用いられる蓄熱テー
プを示す断面図、第７図は同実施例に用いられる加圧部
を示す正面図である。 １・・固液混合物用ポンプ、２ａ、２ｂ・・・固相の潜
熱蓄熱材料、２ｂ・・・液相の潜熱蓄熱材料、３゜７．
１０・・・パイプ、４・・・熱交換器、５．３０・・・
温排水、６．３１・・・冷却対象収容器、８・・・分離
回収槽、９・・・フィルター、１１・・・バルブ、１２
・・・ポンプ、１３・・・貯蔵タンク、２１・・供給リ
ール、２２・・巻取リール、２３．２３ａ〜２３ｆ・・
・蓄熱テープ、２４・・・潜熱蓄熱材料、２５・・・マ
イクロカプセル、２６・・・マトリックス、２７・・・
ベースフィルム、２８．２９．５１ａ　〜５１ｆ、５２
ａ　〜５２ｆ・−ガイドローラ、４１・・・挟み機構、
４２・・・加圧ローラ、４３・・・スプリング、６１・
・・ヘットローラ、６２・・熱再生ヘット、６２ａ・・
・超音波発信子、６２ｂ・・・針先。 外１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）過冷却特性を有する潜熱蓄熱材料を融点以上に加
   熱する熱源と、 この熱源に前記潜熱蓄熱材料を供給する供給手段と、 前記熱源より加熱されて固相から液相に変化した前記潜
   熱蓄熱材料を貯蔵する貯蔵手段とを具備したことを特徴
   とする蓄熱システム。