JPH09287884A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄熱体の変形、移動による熱媒流路の閉塞が
効果的に防止された新しい熱交換器を提供する。 【解決手段】 結晶化度４０％未満の低結晶性ポリオレ
フィンに、固−液間を可逆的に相転移する有機系蓄熱材
が担持された蓄熱体（１）をハウジング（３）に収容し
た熱交換器であって、芯部材（２）が蓄熱体（１）内を
貫通している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、熱交換器に関す
るものである。さらに詳しくは、この発明は、大量の熱
を蓄え、かつ放出することのできる蓄熱材を備え、たと
えば蓄熱式温水床暖房システムの蓄熱パネル等の構成部
材として有用な熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、たとえば蓄熱式温水床暖房シ
ステムの蓄熱パネル等の構成部材として、大量の熱を蓄
熱し、かつ放熱することのできる潜熱蓄熱材を用いた熱
交換器が各種提案されている。従来の熱交換器は、主に
シェルチューブ型とカプセル型に分類されている。シェ
ルチューブ型熱交換器は、たとえば図８に示したよう
に、配管（ア）を備えたハウジング（イ）内に潜熱蓄熱
材（ウ）が充填されており、配管（ア）中を流れた熱媒
の熱が潜熱蓄熱材（ウ）に蓄えられるようになってい
る。一方、カプセル型熱交換器は、図９（ａ）（ｂ）に
例示したように、潜熱蓄熱材（ウ）を封入したカプセル
（エ）がハウジング（イ）に充填されており、カプセル
（エ）間の隙間が熱媒の流路となる。

【０００３】しかしながら、シェルチューブ型熱交換器
の場合には、熱交換される面積が配管（ア）の表面積に
よって限定されるため、熱交換の速度が遅いという欠点
がある。また、カプセル型熱交換器の場合には、カプセ
ル（エ）は潜熱蓄熱材（ウ）が相転移によって液体とな
った際の液の流出を防ぐために用いられているが、この
カプセル（エ）を介しているために熱交換速度が遅くな
るという問題を有している。しかもカプセル（エ）自体
を小型化してその表面積を増大させることは困難であ
る。

【０００４】そこで、この発明の発明者等は、結晶化度
４０％未満の低結晶性ポリオレフィンに、固−液間を可
逆的に相転移する有機系蓄熱材を担持させた新しい蓄熱
体を開発し、この蓄熱体をハウジング内に装填した熱交
換器を提案している。この新しい熱交換体は、熱媒との
接触によっても蓄熱材が溶出しないため、これを装填し
た熱交換器では、熱媒を蓄熱体と直接接触させることが
でき、熱交換速度が大幅に早まるという優れた特徴を有
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな優れた特徴を有する熱交換器の場合にも、その後の
検討によってさらに改良すべき点が見い出された。すな
わち、この発明者等によって既に提案されている熱交換
器は、たとえば図１０に例示したように、ハウジング
（オ）内にボード状蓄熱体（カ）またはペレット状蓄熱
体（キ）を充填していた。ボード状蓄熱体（カ）を充填
した熱交換器（ク）の場合には、ハウジング（オ）の内
壁面と蓄熱体（カ）の表面との隙間が熱媒流路となり、
ペレット状蓄熱体（キ）を充填した熱交換器（ケ）の場
合には、各ペレット状蓄熱体（キ）の隙間が熱媒流路と
なる。

【０００６】しかしながら、このような熱交換器（ク）
（ケ）は、図１１（ａ）（ｂ）に示したように、長期間
に渡って熱媒を流した場合に、ペレット状蓄熱材（キ）
は熱媒の圧力によって圧縮されやすく、熱媒排出側に偏
って密に集合して流路を塞ぎ、またボード状蓄熱体
（カ）の場合も全体形状が変形することによって流路を
閉塞してしまうという問題点があった。

【０００７】この発明は、以上のとおりの事情に鑑みて
なされたものであって、この発明者等が既に提案してい
る熱交換器をさらに改良し、熱媒流路が閉塞されること
のない新しい熱交換器を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、結晶化度４０％未満の低結晶性
ポリオレフィンに固−液間を可逆的に相転移する有機系
蓄熱材が担持されたボード状蓄熱体をハウジングに収容
した熱交換器であって、芯部材が蓄熱体内を貫通してい
ることを特徴とする熱交換器（請求項１）を提供する。

【０００９】また、この発明の熱交換器においては、上
記蓄熱体が、結晶化度４０％以上の結晶性ポリオレフィ
ンをも含有すること（請求項２）、上記有機系蓄熱材
が、結晶性アルキルハイドロカーボン、結晶性脂肪酸お
よび結晶性脂肪酸エステルからなる群より選択される少
なくとも一つであること（請求項３）をそれぞれ好まし
い態様としている。

【００１０】さらに、上記の芯部材が棒状体であること
（請求項４）、複数本の棒状芯部材が蓄熱体内を貫通し
ていること（請求項５）、芯部材が管状体であり（請求
項６）、そしてこの管状芯部材が熱伝導率０．２ｋｃａ
ｌ（ｍ・Ｈ・℃）以上であること（請求項７）、芯部材
が放射状突起を有する棒状体であること（請求項８）、
および芯部材がらせん状体であること（請求項９）をそ
れぞれ好ましい態様としてもいる。

【００１１】さらにまた、この発明は、結晶化度４０％
未満の低結晶性ポリオレフィンに固−液間を可逆的に相
転移する有機系蓄熱材が担持されたペレット状蓄熱体を
ハウジングに収容した熱交換器であって、ハウジングの
両側壁が波型面であることを特徴とする熱交換器（請求
項１０）を提供する。そして、この請求項１０の熱交換
器においても、上記蓄熱体が、結晶化度４０％以上の結
晶性ポリオレフィンをも含有すること（請求項１１）、
上記有機系蓄熱材が、結晶性アルキルハイドロカーボ
ン、結晶性脂肪酸および結晶性脂肪酸エステルからなる
群より選択される少なくとも一つであること（請求項１
２）をそれぞれ好ましい態様としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面に沿って実施
例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく
説明する。

【００１３】

【実施例】図１は、この発明の熱交換器の一実施例を示
した透視斜視図である。この熱交換器においては、ボー
ド状熱交換体（１）の略中心部に棒状の芯部材（２）が
貫通しており、この芯部材（２）はハウジング（３）に
固定されている。すなわち、ボード状蓄熱体（１）は粘
着性を有し、一度熱媒に接触させて熱交換を行うと固着
して変形しにくくなる。そこで、芯部材（２）を挿入し
た状態で熱交換を行い、芯部材（２）を蓄熱体（１）に
固定した後に、芯部材（２）をハウジング（３）に固定
することによって、ボード状蓄熱体（１）の変形、移動
を防止している。

【００１４】芯部材（２）は、熱による変形の程度や硬
度が一定の範囲にあるものであればよく、たとえば金
属、合金、ポリマー、セラミックス等の適宜なものをも
のを用いることができる。また、ボード状蓄熱体（１）
に芯部材（２）を貫通させるには、たとえば芯部材
（２）を入れた容器に溶融した蓄熱体材料を注入して固
化させる方法、蓄熱体（１）の溶融時に芯部材（２）を
突き刺す方法、蓄熱体（１）の固化後に芯部材（２）を
挿入する方法、蓄熱体（１）と芯部材（２）を共押し出
しする方法等の適宜な方法を採用することができる。

【００１５】また、蓄熱体（１）は、結晶化度４０％未
満の低結晶性ポレオレフィンに、固−液間を可逆的に相
転移する有機系蓄熱材を担持させたものとして成形され
ている。低結晶性ポレオレフィンとしては、たとえば、
エチレンとα−オレフィンとの共重合体またはアタクチ
ックポリプロピレン等を例示することができる。上記の
α−オレフィンとしては、プロピレン、ブテン−１、ペ
ンテン、ヘキセン−１、４−メチルペンテン−１、オク
テン−１等を例示することができるが、これらに限定さ
れるものではない。これらの低結晶性ポレオレフィン
は、Ｘ線解析による結晶化度が４０％未満であることが
要求される。結晶化度４０％以上の結晶性ポリオレフィ
ンを有機形蓄熱材の担体として用いた場合には、蓄熱体
から有機形蓄熱材が溶出する場合があり、好ましくな
い。さらに言えば、有機形蓄熱材の溶出防止の観点から
は、ポリオレフィンの結晶化度は３０％以下、より好ま
しくは２０％以下とする。

【００１６】さらに、蓄熱体（１）は、上記の低結晶性
ポリオレフィンと共に、結晶化度４０％以上の結晶性ポ
リオレフィンを含有させて成形することによって、蓄熱
体（１）の形状保持力を向上させることができる。特
に、結晶化度３０％以下の低結晶性ポリオレフィンを担
体として用いた場合には効果的である。このような結晶
化度４０％以上の結晶性ポリオレフィンとしては、エチ
レンとα−オレフィンの共重合体、中密度ポリエチレン
および高密度ポリエチレン等を例示することができる。
なお、上記の中密度および高密度ポリエチレンは、ＪＩ
Ｓ−Ｋ−６７６０として規定されているものである。

【００１７】一方、この蓄熱体（１）に用いる有機系蓄
熱材は、固−液間を可逆的に相転移する物質であって、
結晶化度４０％未満の低結晶性ポリオレフィンと相溶性
を有するものが好ましく、また、結晶化度４０％以上の
結晶性ポリオレフィンを併用する場合には、この結晶性
ポリオレフィンとも相溶性を有するものが好ましい。こ
のような有機形蓄熱材としては、たとえば、パラフィ
ン、パラフィンワックス、イソパラフィン、ポリエチレ
ンワックス等のハイドロカーボン、脂肪酸および脂肪酸
エステル類等を例示することができる。これらの有機系
蓄熱材は２種以上を併用することもできる。なお、熱交
換のための熱媒が水分を含む場合には、脂肪酸および脂
肪酸エステル類は劣化する恐れがあるため、ハイドロカ
ーボンを用いることが好ましい。また、これらの蓄熱材
は、蓄熱効率の観点から、２０ｃａｌ／ｇ以上の融解熱
量を有する結晶性物質であることが好ましい。

【００１８】以上のとおりの低結晶性ポリオレフィンと
有機系蓄熱材との配合比率は、蓄熱体（１）または熱交
換器の用途等に応じて適宜とすることができるが、たと
えば低結晶性ポリオレフィンは１０〜７０重量％程度が
適当である。低結晶性ポリオレフィンの配合比率がこの
範囲以下の場合には、有機系蓄熱材が溶出する恐れがあ
り、好ましくない。また、有機系蓄熱材は３０〜９０％
重量程度が適当であり、この範囲以下の場合には、蓄熱
量が低下して熱交換効率が損なわれる。

【００１９】さらに、低結晶性ポリオレフィンと結晶性
ポリオレフィンを併用して用いる場合の配合比率は、た
とえば、低結晶性ポリオレフィンを５〜６０重量％、結
晶性ポリオレフィンを１〜６５重量％、有機系蓄熱材を
３０〜９０重量％程度とする。ただし、低結晶性ポリオ
レフィンと結晶性ポリオレフィンの合計は１０〜７０重
量％の範囲内とする。これ以上とした場合には、相対的
に蓄熱材の比率が減少して蓄熱効率が低下する。

【００２０】低結晶性ポリオレフィン、または低結晶性
ポリオレフィンと結晶性ポリオレフィンに有機系蓄熱材
を担持させるには、たとえば、ポリオレフィンの融点以
上の温度で上記の材料を混練りし、この溶融混合物を所
定の形状に成形すればよい。形状は、直方体に限定され
るものではなく、ハウジングの形状や熱交換器の用途等
に応じて適宜とすることができる。また、成形方法は、
たとえば、押出成形、射出成形等の通常のプラスチック
成形に用いられている方法を採用することができる。ま
た、このような方法で成形する蓄熱体には、上記の材料
の他に、必要に応じて、各種無機系フィラー、難燃材、
酸化防止材、金属繊維、ガラス繊維、ウィスカー等を添
加し、分散させてもよい。

【００２１】図２は、この発明の熱交換器に用いる蓄熱
体の別の例を示した斜視図である。たとえばこの蓄熱体
（１）の場合には、その略中心に管状の芯部材（４）が
貫通されている。このため、ハウジング（３）に収納さ
れたこの蓄熱体（１）が熱媒との接触によって変形し、
ハウジング（３）内の熱媒流路が閉塞した場合でも、芯
部材（４）の管内に熱媒を流すことによって熱交換器と
しての機能を維持させることができる。この場合に、有
機系蓄熱材の熱伝導率は、フィラー等を含まない場合に
は、０．２ｋｃａｌ／（ｍ・Ｈ・℃）程度であるため、
それ以上の熱伝導率を有する物質からなる管状芯部材
（４）を用いることによって、高い熱交換性能を得るこ
とができる。そのような物質としては、たとえば、ガラ
ス（０．６５ｋｃａｌ）、アルミニウム（１６０〜１７
０ｋｃａｌ）、ポリエチレン（０．４ｋｃａｌ）等を例
示することができる。

【００２２】図３、図４および図５は、各々、この発明
の熱交換器に用いることのできるさらに別の蓄熱体の構
成を例示した斜視図である。たとえば、図３の蓄熱体
（１）は２本の棒状芯部材（５）が、図４の蓄熱体
（１）は放射状突起を有する棒状の芯部材（６）が、そ
して図５の蓄熱体（１）はらせん状の芯部材（７）がそ
れぞれの略中心部を貫通している。これらの蓄熱体の場
合には、複数の芯部材（５）または特殊形状の芯部材
（６）（７）によってより強固に固定され、その変形が
効果的に防止されるようになっている。

【００２３】次に、図６は、この発明のさらに別の熱交
換器に使用するハウジングを例示した斜視図である。こ
のハウジング（８）は、天板（９）と底板（１０）との
間の空間部が波型の隔壁（１１）によって各々仕切られ
ており、各仕切り空間（１２）にペレット状蓄熱体を充
填するようになっている。

【００２４】このような形状からなるハウジング（８）
は、たとえば押出成形等によって得ることができ、これ
に充填するペレット状蓄熱材も、上記ボード状蓄熱材と
同様の低結晶性ポリオレフィンと有機系蓄熱材とを用
い、適宜な成形方法によって作成することができる。こ
のようなハウジング（８）の各仕切り空間（１２）に充
填したペレット状蓄熱体は、その粘着性によって波型の
隔壁に固着しやすく、一度熱媒を通液させて熱交換を行
うと蓄熱体同志も固着するが、隔壁（１１）の凹凸によ
って熱媒流による蓄熱体の移動が防止される。すなわ
ち、図７に模式的に示したように、蛇行した隔壁（１
１）のため、熱媒流によって加わる力の方向が排出側方
向だけに集中せずに分散されるため、排出側に蓄熱体
（１３）が偏ることなく、蓄熱体（１３）の密集による
熱媒流路の閉塞が防止される。

【００２５】もちろん、この発明は以上の例によって限
定されるものはなく、細部の構成等については様々な態
様が可能であることは言うまでもない。

【００２６】

【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この発明に
よって、蓄熱体の変形、移動による熱媒流路の閉塞が効
果的に防止された新しい熱交換器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の熱交換器の一実施例を示した斜視図
である。

【図２】この発明の熱交換器に用いる蓄熱体の一例を示
した斜視図である。

【図３】この発明の熱交換器に用いる蓄熱体の別の例を
示した斜視図である。

【図４】この発明の熱交換器に用いる蓄熱体のさらに別
の例を示した斜視図である。

【図５】この発明の熱交換器に用いる蓄熱体のさらにま
た別の例を示した斜視図である。

【図６】この発明のさらに別の熱交換器に使用するハウ
ジングを例示した斜視図である。

【図７】図６に例示したハウジングに充填したペレット
状蓄熱体の状態を例示した模式図である。

【図８】従来のシェルチューブ型熱交換器を例示した断
面図である。

【図９】従来のカプセル型熱交換器を例示した断面図で
ある。

【図１０】この発明の発明者等が既に提案した熱交換器
の製造工程を例示した模式図である。

【図１１】各々、図１０に示した熱交換器の使用後の状
態を例示した断面模式図である。

【符号の説明】

１ ボード状蓄熱体 ２、４、５、６、７ 芯部材 ３ ハウジング ８ ハウジング ９ 天板 １０ 底板 １１ 隔壁 １２ 仕切り空間 １３ ペレット状蓄熱体

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶化度４０％未満の低結晶性ポリオレ
   フィンに固−液間を可逆的に相転移する有機系蓄熱材が
   担持されたボード状蓄熱体をハウジングに収容した熱交
   換器であって、芯部材が蓄熱体内を貫通していることを
   特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 蓄熱体が、結晶化度４０％以上の結晶性
   ポリオレフィンをも含有する請求項１の熱交換器。
3. 【請求項３】 有機系蓄熱材が、結晶性アルキルハイド
   ロカーボン、結晶性脂肪酸および結晶性脂肪酸エステル
   からなる群より選択される少なくとも一つである請求項
   １または２の熱交換器。
4. 【請求項４】 芯部材が、棒状体である請求項１、２ま
   たは３の熱交換器。
5. 【請求項５】 複数本の棒状芯部材が蓄熱体内を貫通し
   ている請求項１、２または３の熱交換器。
6. 【請求項６】 芯部材が、管状体である請求項１、２ま
   たは３の熱交換器。
7. 【請求項７】 管状の芯部材が、熱伝導率０．２ｋｃａ
   ｌ（ｍ・Ｈ・℃）以上である請求項６の熱交換器。
8. 【請求項８】 芯部材が、放射状突起を有する棒状体で
   ある請求項１、２または３の熱交換器。
9. 【請求項９】 芯部材が、らせん状体である請求項１、
   ２または３の熱交換器。
10. 【請求項１０】 結晶化度４０％未満の低結晶性ポリオ
    レフィンに固−液間を可逆的に相転移する有機系蓄熱材
    が担持されたペレット状蓄熱体をハウジングに収容した
    熱交換器であって、ハウジングの両側壁が波型面である
    ことを特徴とする熱交換器。
11. 【請求項１１】 蓄熱体が、結晶化度４０％以上の結晶
    性ポリオレフィンをも含有する請求項１０の熱交換器。
12. 【請求項１２】 有機系蓄熱材が、結晶性アルキルハイ
    ドロカーボン、結晶性脂肪酸および結晶性脂肪酸エステ
    ルからなる群より選択される少なくとも一つである請求
    項１０または１１の熱交換器。