JPH04236095A - 蓄熱装置 - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、冷房や暖房の空間設備
に用いられる冷熱や温熱の蓄熱装置に関するものである
。

【０００３】

【従来の技術】従来、冷房や暖房の空調設備に用いられ
る冷熱や温熱の蓄熱装置として、蓄熱材を内部に充填し
た球形のカプセル多数を蓄熱槽内に収納し、熱媒体流体
をこの蓄熱槽内に循環し、カプセル外表面に流す手段が
多く用いられていた。

【０００４】この手段では、蓄熱槽内に流す熱媒体流体
の流路が確定せず、流れ易い部分と流れ難い部分が生じ
てしまうから蓄熱材を有効に活用することができなかっ
た。また、球形のカプセルは、他の蓄熱材に比べて熱伝
達のための表面が相対的に小さく、短時間に蓄熱を達成
する場合に不利となっていた。

【０００５】さらに、カプセル同士の位置を固定する手
段を構じていないため、輸送時に振動や重力が作用する
とカプセルが偏在する。

【０００６】一方、従来のカプセルを収納した蓄熱装置
は、同一の蓄熱槽内に収納されるカプセルは、１種類の
蓄熱材であり、したがって相変化温度も一定である。

【０００７】例えばビル内の空調の場合、熱媒体流体は
、ビル内を空調した後蓄熱槽に還流し、再度冷房または
暖房のために冷却または加熱されて送出されるが、冷房
のための蓄冷についてみれば、蓄熱槽を出る熱媒体流体
の温度は略７℃以下であり、空調後略１５℃以上で環流
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
蓄熱装置は、蓄熱材を充填するカプセルの強度が十分で
なく、カプセルを収納した状態で蓄熱槽を輸送した場合
にカプセルの変形や蓄熱槽内での偏在が発生し、これを
元の状態に修正するのがきわめて困難であるため、蓄熱
槽の性能を低下させてしまう欠点があった。また、カプ
セル内に充填する蓄熱材の熱伝導率が小さいため、熱の
移動が円滑に行われない欠点があった。

【０００９】一方、従来の蓄熱装置は、蓄熱槽に収納す
る蓄熱材が一種類でその相変化温度も一定であるため、
蓄熱材の相変化温度を熱媒体流体の出口温度（例えば上
記冷房運転では略７℃）を基準として必要温度差を見込
んで設定しているが、蓄熱が完了し蓄熱槽から熱を移動
する場合、熱媒体流体は、運転初期に蓄熱槽の入口近傍
では蓄熱材と大きい温度差があり、蓄熱槽の出口では必
要以上に冷却されて流出することになる。また、運転後
期には蓄熱槽の入口近傍では温度差が無くなり、入口近
傍のカプセルは、熱媒体流体冷却に何ら寄与せず、悪戯
に熱媒体流体の流れに対する抵抗となってしまう。した
がって、熱媒体流体の出口温度と蓄熱材の相変化温度の
差を比較的大きく設定するか、または蓄熱材の利用率（
全潜熱蓄熱量に対し相変化による放出熱量の比率）を小
さく設定し、熱伝達のための余剰部分を設ける必要があ
った。

【００１０】本発明の目的は、蓄熱装置の形状を設置面
積の縮小に効果的な直方体にすることを可能にすると共
に、蓄熱材と熱媒体流体間の伝熱性能を改善し、熱の移
動が短時間にしかも高効率で行われ、熱の取出しがスム
ースとなる蓄熱装置を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、熱媒体流体と
蓄熱材間の熱伝達のための必要温度差を小さくしてシス
テムの効率を向上し、蓄熱材の利用率を向上し、熱媒体
流体と蓄熱槽入口温度および出口温度が運転期間中に変
化せず安定し、蓄熱槽内に収納される全てのカプセルと
蓄熱槽内を流れる熱媒体流体を常時熱の授受に寄与させ
、有効熱伝達面積が十分に確保される蓄熱装置を提供す
ることにある。 ［発明の構成］

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、蓄熱槽に蓄熱材を収納し、この蓄熱材の固相から液
相または液相から固相への相変化に伴う潜熱の移動を介
して蓄熱する蓄熱装置において、蓄熱材を容器に収納し
てユニットカプセルを構成し、このユニットカプセルを
複数個熱媒体流体が流通する隙間を設けて結合し、蓄熱
槽に収納したものである。

【００１３】また、請求項２に記載の本発明は、蓄熱槽
に蓄熱材を収納し、この蓄熱材の固相から液相または液
相から固相への相変化に伴う潜熱の移動を介して蓄熱す
る蓄熱装置において、蓄熱材には相変化温度の異なる複
数種類を用い、これらを別々にカプセルに充填すると共
に、相変化温度の異なる順に熱媒体流体の流れ方向に沿
って区画すると共に、熱媒体流体の温度勾配に従った顕
熱の変化に応じて蓄熱材の潜熱による蓄熱が可能となる
ように蓄熱槽に収納したものである。

【００１４】

【作用】請求項１の発明においては、蓄熱材を充填した
カプセル相互を隙間が形成されるように結合しているの
で、容器内にカプセルを収納した状態で輸送した場合に
もカプセルの変形や偏在の発生することがなく熱媒体の
流路も変形することなく確保され、熱媒体の流通が円滑
に行われ、蓄熱効率を向上することもできる。

【００１５】また、請求項２の発明においては、相変化
温度の異なる複数種類の蓄熱材ごとに充填したカプセル
を、相変化温度の異なる順に蓄熱槽内に区画して収納し
ているので、熱媒体流体が区画された各部位におけるカ
プセルと熱交換しながら流れるとき、各部位で熱媒体流
体の温度変化に対応する蓄熱材潜熱の授受を常に行うこ
とができる。

【００１６】さらに、各部位における熱媒体流体の温度
変化量が蓄熱材との熱授受量になるので、熱媒体流体の
顕熱変化分を全て蓄熱材の潜熱で全蓄熱状態から全放熱
状態に至るまで対応させるため、各部位における蓄熱材
の総潜熱量の割合いを各部位における熱媒体流体の温度
変化量の比率に等しく設定し、各部位がそれぞれ同時に
蓄熱または放熱を完了することができる。したがって、
全蓄熱状態から全放熱状態に至るまで容器内における温
度分布を、マクロ的に略均一にすることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例の構成を示す断面図
であり、図２は、本発明の一実施例の要部を示す斜視図
である。

【００１８】図１および図２において、蓄熱装置１は、
蓄熱槽２と、この蓄熱槽２内に装着されたカプセル３と
から構成されている。しかして、蓄熱槽２は、断熱材料
から直方体状に形成され、下端に熱媒体流体の入口２ａ
、上端に出口２ｂが設けられ、下部にスペーサ４ａを設
けてバッファ空間２ｃを形成し、上部にスペーサ４ｂを
設けてバッファ空間２ｄを形成し、熱媒体流体の流量分
布を均一となるようにしている。ここで、スペーサ４ａ
，４ｂは、カプセル３内を熱媒体流体が均一に流れるよ
うにするための整流板の作用を兼ねている。一方、蓄熱
槽２のカプセル収納部に装着されるカプセル３は、適宜
の隙間をもって横方向に配列した複数のユニットカプセ
ル５で１つの段を形成すると共に、この段を上下方向に
沿って積層して構成している。ここで、上下に隣接する
段は、互いに直交するように配列されている。

【００１９】上記したユニットカプセル５は、横断面が
縦方向に長くした六角形で、熱媒体流体の流れに対して
抵抗の小さい流線形に形成され、側面の外側に突設する
伝熱フイン６ａおよび側面の内側に突設する伝熱フイン
（図示しない）を設けた容器６と、この容器６の内部に
充填された蓄熱材７と、容器６の上下各角部に一体に設
けられ、隣接する上下のユニットカプセル５を結合させ
る結合部８，９とから構成されている。ここで、結合部
８は、図３に示すように容器６の下方の角部に一体に設
けられ、上部には平板部８ａを有し、下部には平板部８
ａより幅の狭い差込部８ｂを有し、平板部８ａと差込部
８ｂの間に溝８ｃを設けている。また、結合部９は、容
器６の上方の角部に一体に設けられ、上記した結合部８
の差込部８ｂが挿入される溝９ａを設けている。組立時
には下段から順次上段に積上げることが可能である。さ
らに、これらの結合部８，９は、上下のユニットカプセ
ル５の結合箇所に設けられており、熱媒体流体の流れに
対して抵抗にはならない。なお、伝熱フイン６ａは、カ
プセル組立の際の補強作用をも兼ねている。

【００２０】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。蓄熱槽２の入口２ａから流入した熱媒体
流体は、バッファ空間２ｃおよびスペーサ４ａを経てカ
プセル３の隙間を流れ、スペーサ４ｂおよびバッファ空
間２ｄを経て出口２ｂから排出する。この流通過程で、
熱媒体流体とユニットカプセル５の蓄熱材７間で熱の授
受が行われ、蓄熱材７は相変化をする。また、蓄熱材７
の熱伝導率は低いので熱の移動も緩慢となるが、ユニッ
トカプセル５の側面の外側には伝熱フイン６ａが設けら
れ、内側にも図示しない伝熱フインが設けられているの
で、従来の球形カプセルに比較して熱媒体流体と蓄熱材
７間の熱抵抗が減少し、熱の移動が改善される。さらに
、ユニットカプセル５の横断面形状が六角形で熱媒体流
体の流通抵抗が小さく、熱媒体流体がスムースで流量分
布も均一となるように流れ、伝熱性能を改善する。

【００２１】一方、蓄熱装置１を輸送する場合、カプセ
ル３は、蓄熱槽２の内部でユニットカプセル５が相互に
結合され、ユニットカプセル５の側面に伝熱フイン６ａ
も設けられて機械的強度も大きくなっているので、変形
や偏在を生じることがなく製作時における形状を維持で
きる。

【００２２】したがって、以上のように構成された実施
例（以下、第１の実施例という）は、組立状態で輸送し
てもカプセルの変形や偏在を生じることがなく、熱媒体
流体の流通路を製作時の状態を維持して所定の伝熱性能
を確保できる。また、伝熱フインを設けているので、熱
媒体流体と蓄熱材間の熱抵抗が減少し、熱の授受も円滑
になって伝熱性能を向上させる。さらに、蓄熱装置を直
方体形状としているので、上下方向の空間を有効に利用
でき設置場所の制約が大幅に緩和される。

【００２３】次に、本発明の他の実施例を説明する。図
４は、本発明の他の実施例の構成を示す断面図である。

【００２４】図４において、蓄熱装置１０は、蓄熱槽１
１と、この蓄熱槽１１内に相変化温度の異なる蓄熱材ご
とに区画されて収納したカプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２
Ｃとから構成されている。

【００２５】この構成において、蓄熱槽１１は、断熱性
材料から直方形状に形成され、上端に熱媒体流体の出口
（または入口）１１ａ、下端に熱媒体流体の入口（また
は出口）１１ｂが設けられ、上部に金網１３ａにより区
画されたバッフア空間１１ｃ、下部に金網１３ｂにより
区画されたバッファ空間１１ｄを形成すると共に、金網
１３ａ，１３ｂの間に多孔状の仕切板１４ａ，１４ｂを
設けてセクション１１ｅ，１１ｆ，１１ｇを形成してい
る。

【００２６】カプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それ
ぞれセクション１１ｅ，１１ｆ，１１ｇに収納される。 また、カプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、それぞれ相
変化温度の異なる蓄熱材を適宜の被膜（例えばプラスチ
ックまたは金属材）内に封入したものである。ここで、
各カプセルにそれぞれ封入される蓄熱材は、熱媒体流体
の流れ方向に沿って相変化温度が徐々に変化するように
選定するが、例えば冷房を対象とする場合には相変化温
度が０℃から１２℃程度のものを用いる（例えば、水，
Ｐキシレン，クラスレート等）。また、各カプセルにそ
れぞれ封入されている各蓄熱材の総潜熱量は、それぞれ
の相変化温度における各セクションの熱媒体流体の蓄熱
運転時または放熱運転時の定常時温度変化の比率に従う
ようになっている。

【００２７】一方、カプセル１２Ａと１２Ｂの間には温
度センサ１５ａ、カプセル１２Ｂと１２Ｃの間には温度
センサ１５ｂが設けられ、蓄熱槽１１内の蓄熱状態が温
度計測により判定できるようになっている。

【００２８】次に、以上のように構成された他の実施例
の作用を説明する。なお、以下の説明は、冷房を対象と
し、図５に模擬した蓄熱装置とする。

【００２９】熱媒体流体による蓄熱運転時には、熱媒体
流体の蓄熱装置入口温度は約−５℃であり、蓄熱装置出
口では約８℃まで温度上昇し、この顕熱分が蓄熱材に冷
熱分の潜熱として蓄熱されたことになる。図６は、この
蓄熱運転時における蓄熱装置内のカプセル１２Ａ，１２
Ｂ，１２Ｃの蓄熱材および熱媒体流体の温度分布図であ
る。この温度分布は、蓄熱運転が完了するまでは殆ど変
らない。また、図７は、蓄熱完了後、放熱運転時におけ
る蓄熱装置内のカプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの蓄熱
材および熱媒体流体の温度分布図である。この場合には
、熱媒体流体の流れ方向が図５にも示すように蓄熱運転
時と逆になっており、熱媒体流体の蓄熱装置入口温度は
約１７℃である。

【００３０】以上のように蓄熱装置内においては、全て
の領域で熱媒体流体とカプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ
との間に熱伝達に有効な温度差が保持されているので、
熱の授受が確実に行われる。換言すれば、蓄熱装置内で
カプセル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに対する熱媒体流体の
流れの抵抗が、熱伝達に活用されていることになる。こ
れに対し、図８に示すように蓄熱槽３１を金網３２ａ，
３２ｂで区画したセクション３１ａに、相変化温度が１
種類のカプセル３３を収納した従来の蓄熱装置において
は、熱媒体流体の温度変化は、図９に示すようにカプセ
ル３３内の比較的狭い領域で発生している。また、蓄熱
材を封入したカプセル３３の温度変化に着目すれば、既
に潜熱を放出し固相となったカプセル３３の収納部内は
、過冷却の状態になっていることが分かる。この過冷却
状態は、顕熱による蓄熱を行ったからであり、一概に性
能悪化との判定はできないが、通常過冷却の凝固状態は
これを溶解させるのに時間を要する関係上、蓄熱装置と
して適当ではない。

【００３１】したがって、以上のように構成された実施
例（以下、第２の実施例という）は、蓄熱装置内におい
て熱媒体流体とカプセル間に常に温度差が保持されてお
り、全ての領域で熱の伝達が行われる。これは、伝熱の
ための面積を極めて大きくすることが可能であることを
示している。また、熱媒体流体の顕熱を十分に利用する
ことができる。

【００３２】なお、上記した第２の実施例は、熱媒体流
体が蓄熱装置の軸方向に沿って直線状に流れるように構
成したが、図１０に示すように熱媒体流体を蓄熱装置の
軸方向に対しジグザグ状に流れるように構成してもよい
。 すなわち、図１０において、蓄熱装置２０は、蓄熱槽２
１と、この蓄熱槽２１内に相変化温度の異なる蓄熱材ご
とに区画して収納されるカプセル２２Ａ，２２Ｂ，２２
Ｃ，２２Ｄとから構成されている。蓄熱槽２１内には、
金網２３ａ，２３ｂで区画してバッファ空間２１ａ，２
１ｂを形成し、また、この金網２３ａ，２３ｂ間に金網
２３ｃ，２３ｄ，２３ｅを設けてセクション２１ｃ，２
１ｄ，２１ｆを形成する。しかして、各セクションでは
熱媒体流体がジグザグ状に流れるようにするため、金網
２３ａに接し下方が開口している仕切板２４ａ、金網２
３ｃに接し上方が開口している仕切板２４ｂ、金網２３
ｄに接し下方が開口している仕切板２４ｃ、金網２３ｅ
に接し上方が開口している仕切板２４ｄ、金網２３ｂに
接し下方が開口している仕切板２４ｅをそれぞれ設ける
。このようにして形成されたセクション２１ｃにカプセ
ル２２Ａ、セクション２１ｄにカプセル２２Ｂ、セクシ
ョン２１ｅにカプセル２２ｃ、セクション２１ｆにカプ
セル２２Ｄを収納する。ここで、蓄熱完了時から放熱運
転に切替える間に、各カプセル間で温度差に起因する熱
媒体流体の対流熱移動や伝導による熱の移動を制限する
ため、仕切板２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、熱伝
導率の小さい材料（例えば、低熱伝導率のプラスチック
材）で形成する。以上のように構成しても、第２の実施
例と同様に熱媒体流体とカプセル２２Ａ，２２Ｂ，２２
Ｃ，２４Ｄの間に常に温度差が保持され、全ての領域で
熱の伝達が行われて伝熱のための面積をきわめて大きく
することができると共に、熱媒体流体をカプセル２２Ａ
，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄの全てに均一に接触させるこ
とができ、効率をさらに向上することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、蓄
熱材は複数個の容器に充填してユニットカプセルを構成
し、このユニットカプセル相互を隙間が形成されるよう
に結合しているので、輸送に際してもカプセルの変形や
偏在が発生せず、熱媒体流体の流路も確実に形成され、
円滑な熱の授受が可能となる。

【００３４】また、蓄熱材として複数種類の相変化温度
の異なるものをそれぞれカプセルに充填し、相変化温度
の順に熱媒体流体の流れ方向に沿い区画し容器内に収納
しているので、蓄熱材に蓄熱または放熱する熱媒体流体
が相変化温度の異なる蓄熱材の部位で熱の授受を効率的
に行うことができる（つまり、蓄熱槽内の全域に亘り熱
の伝達が行われることになるから、各部位での温度差が
小さくても、全体では充分な熱が移動することになる）
。しかも、各部位のカプセルに充填される蓄熱材の総潜
熱量の割合いは、その部位における熱媒体流体の温度変
化量の比率によって配分しているので、各部位が略同時
に蓄熱または潜熱を終了させることが可能となり、部位
における熱伝達条件を一定にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例の要部を一部切断して示す斜
視図。

【図３】本発明の一実施例の図２と異なる要部を一部切
断して示す斜視図。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面図。

【図５】本発明の他の実施例の作用を説明するための構
成図。

【図６】本発明の他の実施例の蓄熱運転時における熱媒
体流体と蓄熱材の温度分布図。

【図７】本発明の他の実施例の放熱運転時における熱媒
体流体と蓄熱材の温度分布図。

【図８】従来の蓄熱装置の構成図。

【図９】図８に示す従来の蓄熱装置の熱媒体流体と蓄熱
材の温度分布図。

【図１０】本発明のさらに異なる他の実施例の断面図。

【符号の説明】

２，１１…蓄熱槽、３，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…カプ
セル、５…ユニットカプセル、７…蓄熱材、８，９…結
合部、１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ…セクション。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　蓄熱槽に蓄熱材を収納し、この蓄熱材
   の固相から液相または液相から固相への相変化に伴う潜
   熱の移動を介して蓄熱する蓄熱装置において、前記蓄熱
   材を容器に収納してユニットカプセルを構成し、このユ
   ニットカプセルを複数個熱媒体流体が流通する隙間を設
   けて結合し、前記蓄熱槽に収納したことを特徴とする蓄
   熱装置。
2. 【請求項２】　　蓄熱槽に蓄熱材を収納し、この蓄熱材
   の固相から液相または液相から固相への相変化に伴う潜
   熱の移動を介して蓄熱する蓄熱装置において、前記蓄熱
   材には相変化温度の異なる複数種類を用い、これらを別
   々にカプセルに充填し、相変化温度の異なる順に前記熱
   媒体流体の流れ方向に沿って区画すると共に、前記熱媒
   体流体の温度勾配に従った顕熱の変化に応じて前記蓄熱
   材の潜熱による蓄熱が可能となるように前記蓄熱槽に収
   納したことを特徴とする蓄熱装置。