JPH08270989A - 蓄熱装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蓄熱槽内の蓄熱材と、該蓄熱材と比重が異な
り、かつ、蓄熱材よりも凝固点が低く、互いに溶解しな
い循環冷媒とを直接接触させて熱交換を行うようにした
蓄熱装置において、蓄熱槽内の蓄熱材が完全に凝固した
状態でも運転することができ、小型で熱伝達性能にも優
れた蓄熱装置及びその運転方法を提供する。 【構成】 蓄熱槽１１内に循環冷媒用の熱交換流路１６
ａを有する熱交換器１６を設けるとともに、熱交換流路
１６ａを、冷媒循環系統１５の冷媒導出側１５ａと冷媒
導入側１５ｂとに冷媒流通弁１７を介して接続し、蓄熱
材Ａが凝固したら循環冷媒Ｂを熱交換器１６に循環させ
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蓄熱装置及びその運転
方法に関し、詳しくは、地域冷暖房の冷熱源や冷凍倉庫
等のヒートポンプにおいて、液体の顕熱及び液体から固
体へ凝固する際の潜熱を利用して寒冷を蓄えるようにし
た蓄熱装置及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図３に示すように、蓄熱材Ａ
及び循環冷媒Ｂを貯留する蓄熱槽１と、該蓄熱槽１から
循環冷媒を導出して被冷却体２及び冷凍機３を循環させ
た後、再び蓄熱槽１内に循環冷媒を導入する冷媒循環系
統４とを備えた構成の蓄熱装置が知られている。

【０００３】上記蓄熱材Ａとしては、流動性を有すると
ともに熱容量の大きな物質、例えば水が用いられ、循環
冷媒Ｂとしては、蓄熱材Ａと比重が異なり、かつ、蓄熱
材Ａよりも凝固点が低く、さらに、蓄熱材Ａとは互いに
溶解しない物質、例えば冷凍機油等が用いられている。
また、蓄熱槽１は、外部からの熱侵入を防ぐために断熱
材１ａにより断熱されており、冷媒循環系統４には、循
環冷媒を循環させるためのポンプ５が設けられている。

【０００４】例えば、循環冷媒Ｂとして蓄熱材Ａよりも
比重が小さい物質を用いた場合、比重差により蓄熱槽１
の上部に分離する循環冷媒Ｂは、ポンプ５の作用により
槽上部に設けられた冷媒導出部６から吸入され、被冷却
体２，ポンプ５，冷凍機３を経て冷媒循環系統４を流
れ、蓄熱槽１の底部に設けられた冷媒導入部７から槽内
の蓄熱材中に噴出する。

【０００５】このような蓄熱装置は、例えば、夜間の安
価な電力を利用して冷凍機３を運転し、冷凍機３で冷却
した循環冷媒を蓄熱槽１内に導入して蓄熱材Ａを冷却
し、蓄熱材Ａを細かい氷粒状（シャーベット状）に凝固
させることにより、蓄熱材Ａの顕熱及び潜熱として冷熱
を蓄えるとともに、熱負荷が増大する昼間には、蓄熱材
Ａに蓄えた冷熱を利用して循環冷媒Ｂを冷却することに
より被冷却体２を冷却し、これによって冷凍機３の消費
電力を低減するようにしている。

【０００６】上記蓄熱装置は、循環冷媒Ｂと蓄熱材Ａと
が蓄熱槽１内で直接接触するので、熱交換器のような熱
伝達を劣化させる伝熱壁が無いため、熱伝達性能に優れ
ており、また、蓄熱槽１内を流動する循環冷媒Ｂにより
蓄熱材Ａがかき混ぜられるため、対流伝熱が促進される
という利点を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の蓄熱装
置では、蓄熱槽１内の蓄熱材Ａの凝固量が多くなるのに
伴って循環冷媒Ｂの流動抵抗が大きくなり、仮に蓄熱槽
１内の蓄熱材が全て凝固して固体になってしまうと、循
環冷媒Ｂがほとんど流れなくなり、蓄熱材Ａに寒冷を与
えることも、蓄熱材Ａから寒冷を取出すこともできなく
なってしまう。万一、蓄熱材Ａが完全に凝固した場合
は、蓄熱材Ａが流動性を回復するまで待つ必要がある
が、蓄熱槽１が断熱構造を有しているため、凝固した蓄
熱材Ａが融解するまでには長時間を必要とする。したが
って、従来の蓄熱装置では、蓄熱材Ａが完全に凝固しな
いように注意して運転しなければならないため、管理が
大変で、また、蓄熱材Ａの潜熱を十分に利用できないた
め、蓄熱槽１が大型になるという欠点があった。

【０００８】そこで本発明は、蓄熱槽内の蓄熱材が完全
に凝固しても運転することができ、小型で熱伝達性能に
も優れた蓄熱装置及びその運転方法を提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の蓄熱装置は、流動性を有する蓄熱材を所定
量貯留した蓄熱槽と、該蓄熱材と比重が異なり、かつ、
蓄熱材よりも凝固点が低く、互いに溶解しない循環冷媒
を被冷却体及び冷凍機を介して前記蓄熱槽に循環させる
冷媒循環系統とを備え、該循環経路は、前記蓄熱槽内の
蓄熱材中に循環冷媒を直接導入する循環冷媒導入部と、
蓄熱槽内で比重差により蓄熱材から分離した循環冷媒を
導出する循環冷媒導出部と、蓄熱槽内に配設された熱交
換器を介して循環冷媒を循環させる熱交換流路とを備え
ていることを特徴とし、さらに、前記熱交換流路は、前
記冷媒循環系統から蓄熱槽内に直接導入導出される循環
冷媒の流量が所定流量以下になったとき、あるいは、蓄
熱槽内に直接導入される循環冷媒の圧力が所定圧力以上
になったときに開弁する自動弁を介して前記冷媒循環系
統に接続されていることを特徴としている。

【００１０】また、本発明の蓄熱装置の運転方法は、前
記蓄熱槽内の蓄熱材が流動性を有している際には、前記
循環冷媒を蓄熱槽内の蓄熱材中に循環冷媒を導入して蓄
熱材と循環冷媒とを直接接触させることにより熱交換さ
せ、蓄熱材が凝固して蓄熱材中を流れる循環冷媒の圧力
損失が高くなったときに、循環冷媒を前記熱交換器に循
環させて蓄熱材と循環冷媒とを熱交換器を介して熱交換
させることを特徴としている。

【００１１】

【作 用】上記構成によれば、蓄熱材の冷却が進んで凝
固量が多くなり、循環冷媒の流動抵抗が大きくなったと
きに、循環冷媒を熱交換器の熱交換流路に流すことによ
り、循環冷媒が有する寒冷を蓄熱材に与えて蓄熱材に更
に多くの寒冷を蓄えることができ、蓄熱量を従来より増
加させることができる。また、蓄熱材が完全に凝固した
状態で蓄熱材から寒冷を取出す場合は、最初に熱交換器
を介して寒冷の取出しを行い、この熱交換で蓄熱材が融
解して循環冷媒を流通させるのに十分な流動性を回復し
たら循環冷媒を直接蓄熱槽内に循環させればよい。ま
た、熱交換流路を上述の自動弁を介して冷媒循環系統に
接続することにより、循環冷媒の経路を自動的に蓄熱槽
内と熱交換器とに切換えることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を、図面に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。まず、図１は、循環冷媒Ｂ
として蓄熱材Ａよりも比重が小さい物質を用いた場合の
実施例を示すものである。

【００１３】本実施例に示す蓄熱装置は、従来と同様の
蓄熱槽１１と、被冷却体１２（熱負荷），ポンプ１３及
び冷凍機１４を有する冷媒循環系統１５とを備えるとと
もに、蓄熱槽１１内に熱交換流路１６ａを有する熱交換
器１６を設け、該熱交換器１６の熱交換流路１６ａの両
端を、前記冷媒循環系統１５の冷媒導出側１５ａと冷媒
導入側１５ｂとに、それぞれ冷媒流通弁１７を介して接
続したものである。

【００１４】次に、本発明の蓄熱装置の運転方法に基づ
いて、蓄熱材Ａを水とし、循環冷媒Ｂを、水よりも比重
が軽く、水には溶解せず、かつ、水の凝固点（氷点）よ
り低い温度でも凝固しないシリコンオイルとした場合で
説明する。

【００１５】まず、蓄熱槽１１内の水に寒冷を蓄える蓄
熱運転の際には、ポンプ１３を運転して循環冷媒である
シリコンオイルを冷媒循環系統１５に循環させるととも
に、冷凍機１４を運転してシリコンオイルを冷却する。
冷却されたシリコンオイルは、冷媒循環系統１５の冷媒
導入側１５ｂから蓄熱槽１１の底部に設けられた冷媒導
入部１８に至り、該冷媒導入部１８に形成された噴出口
１８ａから水中に噴出する。水中に噴出したシリコンオ
イルは、水には溶解せず、また、水よりも比重が軽いの
で、水中を上向きに流れて蓄熱槽１１の上部に分離し、
蓄熱槽１１の上部に設けられた冷媒導出部１９の吸入口
１９ａから吸入され、冷媒導出側１５ａの配管を経て冷
媒循環系統１５に循環する。

【００１６】このとき、冷媒流通弁１７を閉じておくこ
とにより、あるいは、該冷媒流通弁１７における圧力損
失を、冷媒導入部１８から蓄熱槽１１を経て冷媒導出部
１９に至る経路の圧力損失よりも大きくしておくことに
より、シリコンオイルは、そのほとんどが蓄熱槽１１内
の水中を流れ、水と直接接触して熱交換を行い、水を冷
却して水に寒冷を蓄える。また、シリコンオイルの上昇
流により水に対流が発生して熱交換が促進される。

【００１７】そして、水の冷却が進んで氷結が始まり、
蓄熱槽１１内を流れるシリコンオイルの圧力損失が高く
なったときに冷媒流通弁１７を開くと、冷媒導入側１５
ｂからのシリコンオイルは、圧力損失が小さな熱交換器
１６の熱交換流路１６ａに流入し、該熱交換流路１６ａ
の隔壁を介して水を冷却する。この熱交換器１６による
水の冷却は、蓄熱槽１１内の水が全て氷結した状態でも
継続して行うことができる。

【００１８】一方、蓄熱槽１１内の水に蓄えられた寒冷
を取出す場合、最初に蓄熱槽１１内の水が全て氷結して
いるときは、被冷却体１２を冷却することにより温度上
昇したシリコンオイルが冷媒流通弁１７を通って熱交換
器１６の熱交換流路１６ａを流れ、熱交換流路１６ａの
隔壁を介して水（氷）と熱交換を行い、氷を融解すると
ともに、この熱交換によりシリコンオイルが冷却され
る。

【００１９】そして、氷の融解が進んで蓄熱槽１１内の
圧力損失が十分に低下したときに冷媒流通弁１７を絞る
と、シリコンオイルは、冷媒導入側１５ｂから冷媒導入
部１８を経て蓄熱槽１１内に導入され、水中を通って水
との直接接触による熱交換で冷却された後、冷媒導出部
１９から冷媒導出側１５ａの配管を経て冷媒循環系統１
５に循環する。

【００２０】このように、蓄熱槽１１内に循環冷媒を流
す熱交換器１６を設け、蓄熱槽１１内の蓄熱材Ａが凝固
したときに循環冷媒を熱交換器１６に流通循環させるよ
うに構成することにより、蓄熱材Ａの凝固状態に関係な
く蓄熱運転を行うことができ、より多くの寒冷を蓄熱材
Ａに蓄えることができるとともに、蓄熱材Ａが完全に凝
固した状態でも寒冷を取出すことができ、蓄熱材Ａの熱
エネルギーを有効に利用することができる。

【００２１】なお、冷媒流通弁１７は、蓄熱槽１１の内
部，外部のいずれに設けてもよく、熱交換流路１６ａの
入口・出口のいずれか一方にのみ設けてもよい。また、
手動弁，自動弁のいずれでも用いることができ、例え
ば、自動弁を用いる場合は、冷媒循環系統１５の冷媒導
出側１５ａ又は冷媒導入側１５ｂを流れる循環冷媒の流
量を検出する流量計を設け、該流量が所定流量以下にな
ったときに開き、所定流量以上になったときに閉じるよ
うな構成としたり、あるいは、冷媒導入側１５ｂの圧力
を検出する圧力計を設け、該圧力が所定圧力以上になっ
たときに開き、所定圧力以下になったときに閉じるよう
な構成としたり、冷媒導入側１５ｂの圧力変動に応じ
て、例えば適当な弾性を有するスプリングの作用で自動
的に開閉するような構成としたりすればよい。さらに、
蓄熱槽１１内の蓄熱材Ａの温度や流動状況を検出して弁
を開閉するようにしてもよい。また、上述のような自動
弁を用いることにより、蓄熱材Ａの状態に応じて自動的
に熱交換器１６を作動させることができ、蓄熱装置の自
動運転が可能になるが、上記流量や圧力を表示し、該表
示に基づいて手動弁を適宜開閉するようにしてもよい。

【００２２】さらに、蓄熱槽１１及び熱交換器１６の両
方に同時に循環冷媒が流れるようにしてもよく、この場
合は、冷媒流通弁１７に代えて、それぞれの流路の圧力
損失を調節し、蓄熱槽１１内の蓄熱材Ａが十分な流動性
を有している場合には循環冷媒が主として蓄熱槽１１内
を流れ、蓄熱槽１１内の蓄熱材Ａが凝固して圧力損失が
大きくなったときに循環冷媒が熱交換器１６を流れるよ
うにすることもできる。このときの圧力損失の調節は、
熱交換器１６の熱交換流路１６ａの一部又は全部の配管
を細くしたり、熱交換器１６の配管系にオリフィスを設
けたり、冷媒導入部１８の噴出口１８ａの大きさや数を
変更したりすることにより行うことができる。

【００２３】図２は、本発明の他の実施例を示すもの
で、循環冷媒Ｂの比重が蓄熱材Ａの比重よりも大きい場
合の実施例を示すものである。なお、上記実施例と同一
構成要素のものには同一符号を付して詳細な説明は省略
する。

【００２４】本実施例においては、比重が大きな循環冷
媒Ｂは、蓄熱槽１１の上部に設けた冷媒導入部２１から
蓄熱材Ａ中に導入され、蓄熱材Ａと熱交換を行いながら
比重差で蓄熱槽１１の底部に下降した後、蓄熱槽１１の
底部に設けた冷媒導出部２２から導出されて被冷却体１
２，ポンプ１３及び冷凍機１４を有する冷媒循環系統１
５を循環する。また、蓄熱材Ａが凝固しているときに
は、循環冷媒Ｂは、熱交換器１６を流れて間接的に蓄熱
材Ａと熱交換を行う。

【００２５】すなわち、循環冷媒Ｂと蓄熱材Ａとの比重
の関係から、前記図１における実施例に対して循環冷媒
の流れ方向が逆になったものであるが、その作用効果
は、前記実施例と同様であり、従来装置に比べて冷熱の
大幅な有効利用が図れる。

【００２６】なお、装置の各部の形状等は、上記実施例
に限定されるものではなく、蓄熱装置の所用能力に応じ
て適宜に選定することが可能であり、例えば、蓄熱槽の
容積等に応じて熱交換器を複数基に分割して配置するこ
ともできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の蓄熱装置
及びその運転方法によれば、蓄熱槽内の蓄熱材が完全に
凝固した状態でも寒冷の蓄積や取出しを行うことができ
るので、熱の有効利用が図れ、蓄熱槽等の機器の小形化
が図れる。また、蓄熱材が流動性を有している場合は、
蓄熱剤と循環冷媒とを直接接触させて熱交換させるの
で、熱交換器のみを用いたものよりも熱伝達率が良好
で、効率のよい熱交換を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の蓄熱装置の一実施例を示す説明図で
ある。

【図２】 本発明の蓄熱装置の他の実施例を示す説明図
である。

【図３】 従来の蓄熱装置の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１１…蓄熱槽、１２…被冷却体（熱負荷）、１３…ポン
プ、１４…冷凍機、１５…冷媒循環系統、１５ａ…冷媒
導出側、１５ｂ…冷媒導入側、１６…熱交換器、１６ａ
…熱交換流路、１７…冷媒流通弁、１８，２１…冷媒導
入部、１９，２２…冷媒導出部、Ａ…蓄熱材、Ｂ…循環
冷媒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流動性を有する蓄熱材を所定量貯留した
   蓄熱槽と、該蓄熱材と比重が異なり、かつ、蓄熱材より
   も凝固点が低く、互いに溶解しない循環冷媒を被冷却体
   及び冷凍機を介して前記蓄熱槽に循環させる冷媒循環系
   統とを備え、該循環経路は、前記蓄熱槽内の蓄熱材中に
   循環冷媒を直接導入する循環冷媒導入部と、蓄熱槽内で
   比重差により蓄熱材から分離した循環冷媒を導出する循
   環冷媒導出部と、蓄熱槽内に配設された熱交換器を介し
   て循環冷媒を循環させる熱交換流路とを備えていること
   を特徴とする蓄熱装置。
2. 【請求項２】 前記熱交換流路は、前記冷媒循環系統か
   ら蓄熱槽内に直接導入導出される循環冷媒の流量が所定
   流量以下になったとき、あるいは、蓄熱槽内に直接導入
   される循環冷媒の圧力が所定圧力以上になったときに開
   弁する自動弁を介して前記冷媒循環系統に接続されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の蓄熱装置の運転方法であ
   って、前記蓄熱槽内の蓄熱材が流動性を有している際に
   は、前記循環冷媒を蓄熱槽内の蓄熱材中に導入して蓄熱
   材と循環冷媒とを直接接触させて熱交換させ、蓄熱材が
   凝固して蓄熱材中を流れる循環冷媒の圧力損失が高くな
   ったときに、循環冷媒を前記熱交換器に循環させて蓄熱
   材と循環冷媒とを熱交換器を介して熱交換させることを
   特徴とする蓄熱装置の運転方法。