JPH1123065A

JPH1123065A - 蓄放熱装置

Info

Publication number: JPH1123065A
Application number: JP9175592A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Yabe; 昌義矢部; Hiroyuki Kakiuchi; 博行垣内
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、蓄熱密度が高く人体および環境に
配慮した安全性に優れ、軽量かつ装置形状の設計の自由
度が高い省スペース型蓄放熱装置を提供する。【解決手段】融点が５０〜２００℃の範囲にある潜熱
蓄熱材と、室温で液状でかつ引火点が２００℃以上であ
る飽和炭化水素を合成樹脂製の伝熱壁を介して接触さ
せ、蓄熱材と熱媒体間を伝熱壁を介して熱交換するよう
にしてなる蓄放熱装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄放熱装置に関す
る。更に詳しくは、蓄熱エネルギ密度が高く、かつ人体
および環境に対する安全性が高く、軽量かつ装置形状の
設計自由度が高い蓄放熱装置に関する。本発明の蓄放熱
装置は、家庭、ビルその他の建造物あるいは地域向けの
給湯あるいは暖房用の蓄放熱装置として用いることがで
きるばかりでなく、ゴミ焼却炉等のプラントにおける未
利用廃熱の蓄熱、ガス冷暖房およびガス給湯におけるコ
ジェネレーションシステムの蓄放熱ユニット等に好適に
利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】電力のピーク負荷の増大に伴って電力供
給設備の増設を余儀なくされているにもかかわらず、供
給設備の年平均負荷率は一向に改善されていないという
深刻な状況が続いている。こうした中、近年深夜電力を
利用した蓄エネルギーシステムが注目を集め、蓄熱によ
る冷暖房システムをはじめとする蓄冷熱システムが大き
な効果を挙げつつある。例えば深夜電力を利用した電気
温水器が使用されているが、主流は貯湯式電気温水器で
ある。この型の温水器は温水を貯蔵しているため応答性
がよいが、水の顕熱を利用することから蓄熱密度が稼げ
ず、また温度成層方式であるため装置の占有容積が大き
くかつ装置形状の設計にも縦長型にしなければならない
等数多くの制約があった。

【０００３】このため、装置のコンパクト化あるいは形
状設計の自由度拡大が求められている。これらを解決す
る方法として蓄熱密度の高い潜熱蓄熱材の利用が考えら
れているが、５０〜２００℃に融点等潜熱を吸収する転
移点を有し、高蓄熱密度、低腐食性でかつ人体および環
境に悪影響を及ぼさない安全な物質が見出されていなか
った。このため、特開平２−２６７４６２号及び同２−
２６７４６３号公報には、融点１３０〜１８０℃の表面
を架橋した高密度ポリエチレンを蓄熱材とし、熱媒油ま
たは水を混合した固液二相熱媒体を使用する蓄熱式電気
温水・蒸気発生器が提案されている。

【０００４】しかしながら、前記温水器については熱媒
油に関する検討が何ら示されておらず、また耐圧容器の
使用等、貯湯式電気温水器の代替装置としては不満足な
ものであった。また、特開平８−２４５９５３号公報に
は、安全性の高い糖アルコール類を蓄熱材として安定的
に使用する技術が開示されている。即ち、エリスリトー
ルにケイ酸化合物およびまたは２価または３価の無機化
合物を添加したエリスリトールを主成分とする蓄熱用組
成物が示されている。しかしながら、その蓄熱材の安全
性および蓄熱能を損なわないためのシステムあるいはユ
ニットに関する技術については何ら示されていない。

【０００５】一方、ゴミ焼却設備やガス冷暖房設備、火
力発電設備あるいは自動車等からの未利用エネルギーと
しての廃熱を利用する試みが徐々に為されているもの
の、その多くは土中あるいは大気中に放出されているの
が現状である。これら廃熱の有効利用率を改善すること
は世界的規模で進行するエネルギー枯渇や地球温暖化傾
向等の危機的状況を改善していく上で非常に重要な要素
であるが、１００℃を越える熱を効率よく蓄熱でき、か
つ要求される安全性を満足できるシステムは見出されて
いないのが現状である。

【０００６】これまで２００℃付近の廃熱利用を目的と
する蓄熱システムとしては、例えばスターラーを内蔵す
るシェル内にペンタエリスリトール粉末を該粉末と共存
性の良い炭化水素系熱媒体とを混合したスラリーを充填
し、熱媒体を通すための銅製のスパイラル状チューブが
該スラリーに浸漬されているシェル＆チューブ型潜熱蓄
熱装置が提案されている（Ａｂｅ，Ｙ．ｅｔ．ａｌ．：
Ｐｒｏｃ．１９ｔｈＩＥＣＥＣ．ｐ．１１２０（１９８
４））。しかしながら、これはペンタエリスリトールの
粘着によるスラリーの不安定化によって安定した蓄放熱
特性が発揮できなかったり、攪拌ユニットや銅管を使用
することによる重量増等の問題があった。

【０００７】ところで、潜熱蓄熱型蓄放熱装置は大別し
て３種の型式がある。即ち、カプセル型、シェル＆
チューブ型、直接接触型である。の利点は蓄熱材単位体積当たり、あるいは蓄熱槽単位
体積当たりの伝熱面積が比較的大きくできる点、蓄熱材
の相変化時の体積変化に対応しやすい点、装置が大型化
しても単位ユニットとしてのカプセルが一定のため装置
スケールに係わらず蓄放熱性能の設計が容易である点等
がある。については、製作費を比較的抑えられる等の利点があ
る一方、大型の装置では金属製チューブを用いた場合、
装置の重量増やチューブが長くなることによる圧損の問
題等、カプセル型に比べて多くの技術的課題を有してい
る。については、特に放熱時の熱交換性能が優れているこ
とや、熱輸送が容易であるなど、期待されている技術で
あるが、依然研究レベルの域を出ていない。

【０００８】これらの中でおよびについては低温か
ら中温において既に数多くの実用例があり、について
は樹脂チューブを用いたアイスオンコイル型蓄放熱装置
が提案されているが、高温領域に用いられる装置として
は円筒状の金属缶を用いたカプセル型の実験例とチュー
ブに銅管等の金属管を使用したシェル＆チューブ型の例
があるのみであり、これらは装置重量が重くなったり、
成形および設計に手間がかかる等の問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、蓄熱密度が
高く人体および環境に配慮した安全性に優れ、軽量かつ
装置形状の設計の自由度が高い省スペース型蓄放熱装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記課題を
解決するため鋭意研究を重ねた結果、蓄熱材と熱媒体間
の熱交換を伝熱壁を介して行なう蓄放熱装置において、
蓄熱材として、融点が、５０〜２００℃の範囲である潜
熱蓄熱材、および、熱媒体として、引火点が２００℃以
上の飽和炭化水素を選定することによって、伝熱壁に合
成樹脂を使うことが可能となり、結果として軽量かつ省
スペースで装置形状の自由度が高く、更に万一蓄熱材や
熱媒体が漏洩した際にも、人体や環境に悪影響を及ぼす
危険性の低い蓄放熱装置が実現されることを見出し、本
発明に到達した。即ち本発明は、融点が５０〜２００℃
の範囲にある潜熱蓄熱材と、室温で液状でかつ引火点が
２００℃以上である飽和炭化水素からなる熱媒体を合成
樹脂製の伝熱壁を介して接触させ、蓄熱材と熱媒体間を
伝熱壁を介して熱交換するようにしてなる蓄放熱装置を
提供するものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいてよ
り詳細に説明する。図１は、本発明の蓄放熱装置の一例
を示すフローチャートである。図１において、蓄放熱装
置１は、蓄熱材を収蔵し、合成樹脂製伝熱壁を介して熱
交換を行なう蓄熱槽２を有している。蓄熱槽２の形式は
特に制限されるものではないが、カプセル型あるいはシ
ェル＆チューブ型が適する。カプセル型蓄熱槽２は、図
２に示すように熱媒体の導出入口３ａと他の導出入口３
ｂを有するドラム５内を多孔板６ａ，６ｂで区画すると
共に、多孔板６ａ，６ｂで画成された内側の蓄熱室７に
は、伝熱壁材で形成されたカプセル８がランダムに充填
されており、カプセル８内には蓄熱材が内蔵されてい
る。

【００１２】従って、熱媒体導出入口３ａから熱媒体を
送給すると、熱媒体は多孔板６ａを通過して蓄熱室７に
入り、カプセル８，８の間隙を通る。この間に熱媒体と
蓄熱材との間で熱交換が行なわれ、蓄熱材は熱エネルギ
ーを吸収して蓄熱したり、放熱して熱媒体を加熱したり
する。熱交換の行なわれた熱媒体は多孔板６ｂ、他方の
熱媒体導出入管３ｂを経由して他の機構へと送給され
る。シェル＆チューブ型は図３に示すように、槽体１０
を有し、槽体１０には、熱媒体の導出入口３ａから主管
１１が延び、主管１１には多数の支管１２，１２が連設
され、支管１２，１２の他端は、他方の導出入口側の主
管１３に連結されており、他方の熱媒体導出入口３ｂか
ら他の機構に送給されるように構成されている。前記の
主管１１，１３及び支管１２，１２は伝熱壁材で形成さ
れ、主管１１，１３及び支管１２，１２の外側の蓄熱室
７には蓄熱材が充填される。

【００１３】本発明に用いられる蓄熱材は、融点が５０
〜２００℃の範囲にある潜熱蓄熱材であれば特に制限は
なく、該当する範囲内であれば単独あるいは複数の化合
物を組み合わせて蓄熱材とすることが出来るが、安全衛
生上、主成分として糖アルコール類を用いるのが好まし
い。用いる糖アルコール類としては、ｍｅｓｏ−エリス
リトール、Ｌ−エリスリトール、Ｄ−エリスリトール、
ＤＬ−エリスリトール、ペンタエリスリトール、ジペン
タエリスリトール、リビトール、キシリトール、Ｄ−ア
ラビトール、Ｌ−アラビトール、ＤＬ−アラビトール、
アリトール、ダルシトール、Ｄ−ソルビトール、Ｌ−グ
ルシトール、ＤＬ−グルシトール、Ｄ−マンニトール、
Ｌ−マンニトール、ＤＬ−マンニトール、Ｄ−イディト
ール、Ｌ−イディトール、Ｄ−タリトール、Ｌ−タリト
ール、ＤＬ−タリトール、ペルセイトール、ポレミトー
ル、グリセロ−グロ−ヘプチトール、Ｄ−グリセロ−Ｄ
−イド−ヘプチトール、Ｄ−エリスロ−Ｄ−ガラクト−
オクチトール等が例示できる。中でも１００℃付近に融
点を持ち、蓄熱密度が高く、結晶性に優れた安価な材料
として、エリスリトールがより好ましく例示される。

【００１４】また、蓄熱材副成分として、上記主成分と
なる化合物に相溶し、共晶可能な他の蓄熱材を併用する
ことができる。添加量としては主成分の蓄熱材性能を著
しく損なわない範囲、通常は、重量で主成分量を越えな
い範囲で使用することができる。他にも本発明に用いら
れる蓄熱材への添加剤としては、通常用いられる過冷却
防止剤、熱安定剤、難燃剤、消泡剤、酸化防止剤、融点
調整剤等を適宜使用することが出来る。

【００１５】本発明に用いられる熱媒体は、室温で液状
であり、かつ引火点が２００℃以上の飽和炭化水素であ
る。該飽和炭化水素は、芳香族系炭化水素オイルに比べ
て低毒性で樹脂を侵しにくい特長をもつため、本発明の
目的に適した材料である。該飽和炭化水素としては、特
に制限はなく、該当するものの一種または二種以上を混
合して用いることができる。例としては、流動パラフィ
ン類、水素添加した天然抽出オイル類等が好ましく挙げ
られるが、無毒で沸点の安定している流動パラフィンが
より好ましい。これはサームオイルＵ（松村石油（株）
社製）等として容易に入手することができる。

【００１６】本発明に用いられる熱媒体には、添加剤を
添加することができる。該添加剤としては、通常用いら
れる着色剤、熱安定剤、難燃剤、消泡剤、酸化防止剤等
を適宜使用することが出来る。本発明においては、伝熱
壁を介した熱交換型とされる。これに対して直接接触型
の蓄放熱装置では、特に放熱時の熱交換性能が非常に優
れているものの、直接接触させ得るのは放熱過程のみで
蓄熱過程は伝熱壁を介した熱交換を要することや、蓄熱
材と熱媒体との分離や蓄熱材の輸送のこと等、未だ重大
な技術的問題がある上、本発明の目的の一部である装置
形状の自由度を上げることや装置の省スペース化を達成
でき得ないため好ましくない。

【００１７】本発明の合成樹脂製伝熱壁に用いられる樹
脂とは、押出成形、押出ブロー成形、射出ブロー成形、
延伸ブロー成形、あるいはガスアシストインジェクショ
ン成形の何れかが可能な樹脂であれば特に制限はなく、
単独若しくは二種以上の混合物として使用することがで
きる。例えば、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−
１等のオレフィン系樹脂；シラン架橋ポリプロピレン等
の架橋型ポリプロピレン樹脂；ポリテトラフロロエチレ
ン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン
系樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン
−スチレン共重合体、アクリロニトリル−スチレン共重
合体等のスチレン系樹脂；ポリエチレンテレフタレー
ト、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタ
レート等のテレフタル酸エステル系樹脂；ポリアリレー
ト等の芳香族ポリエステル系樹脂；ポリアミド６、ポリ
アミド１０、ポリアミド１２、ポリアミド６６、ポリ
アミド４６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１
１、芳香族ポリアミド等のポリアミド樹脂；ポリカーボ
ネート樹脂；ポリオキシメチレン、変性ポリフェニレン
エーテル等のポリエーテル系樹脂；ポリスルホン樹脂；
ポリエーテルイミド樹脂；ポリエーテルスルホン樹脂；
ポリエーテルエーテルイミド樹脂等が挙げられる。

【００１８】中でも、中温から高温における耐溶剤性に
優れ、かつ成形性にも優れた汎用樹脂として、超高分子
量ポリエチレン、架橋ポリプロピレン、ポリプロピレ
ン、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリアミド、ポリ
カーボネート、ポリオキシメチレン、変性ポリフェニレ
ンエーテル、ポリフェニレンスルフィドが好ましく例示
できる。これら樹脂は単独若しくは二種以上を混合し
て、あるいは他の樹脂と混合して用いることができる。
該樹脂には必要に応じて無機繊維、金属繊維、有機繊
維、金属粉、無機粉、金属ウィスカ、無機ウィスカ等の
充填剤、補強剤、チクソ剤、増粘剤、酸化防止剤、難燃
剤、離型剤、消泡剤、ゴム成分等の各種添加剤を使用す
ることができる。

【００１９】また、カプセル型蓄放熱装置において、蓄
熱材の相転移に伴う容積変化を吸収するために、カプセ
ル内に減圧あるいは加圧された空隙を設けておくことも
重要な技術である。同様にシェル＆チューブ型蓄放熱装
置において、蓄熱材の相転移に伴う容積変化を吸収する
ために、蓄熱槽内に減圧あるいは加圧された空隙を設け
ておくことも重要な技術である。

【００２０】蓄放熱装置１は、熱源装置１５に連結され
ている。熱源装置１５の材質、構造は、利用される熱源
に応じて適当なものを使用することができ、例えば、ゴ
ミ焼却炉等の燃焼炉の熱エネルギーを利用するときは、
炉内又は煙道に金属製の管体（図示せず）を設置し、管
体内に熱媒体を通すことによって熱エネルギーを取入れ
ることができる。蓄熱槽２と熱源装置１５は、弁体１
６，１７，１８及びポンプ１９を介してループを形成し
ており、ポンプ１９を駆動することによって熱源装置１
５で取入れた熱エネルギーを蓄熱槽２に蓄熱することが
できる。

【００２１】また、蓄放熱装置１は熱交換器２０を有
し、被加熱体流路２１から導入された被加熱体を熱交換
によって加熱するように構成されている。熱交換器２０
と蓄熱槽２は、弁体１７、三方弁２２、ポンプ２３、弁
体１８を介してループを形成するように構成され、ポン
プ２３を駆動することによって、蓄熱槽２で加熱された
熱媒体を熱交換器２０に送給して被加熱体を加熱するよ
うにされている。なお、三方弁２２は、蓄熱槽２から送
られる加熱媒体と、バイパス管２４を通して熱交換器２
０から帰還する熱媒体との混合割合を調整するための弁
体で、熱交換器２０の加熱温度調整に用いられる。

【００２２】なお、これらに例示される本発明の蓄放熱
装置には、圧力計、流量計、過加熱防止装置、温度計、
温度制御装置、断熱材、補助ポンプ、減圧弁、逆止弁、
あるいは蓄熱材の相転移等による熱媒体のオーバーフロ
ーあるいは減少を吸収するための熱媒体補助タンク等を
必要に応じて使用する必要があるのは言うまでもない。
本発明蓄熱装置１を利用して蓄熱するときは、三方弁２
２を閉とし、弁体１６，１７，１８を開としてポンプ１
９を駆動すると、熱源装置１５で加熱された熱媒体は、
弁体１６，１７を経由して蓄熱槽２に入り、伝熱壁８を
介して蓄熱材に熱エネルギーを伝達する。熱源装置１５
で加熱された熱媒体は、蓄熱材の融点より５℃以上、好
ましくは１０℃以上高い温度となるように加熱される。
熱媒体によって熱エネルギーを与えられた蓄熱材は固相
状態から液相状態への転相による融解潜熱及び顕熱とし
て蓄熱する。

【００２３】蓄熱材を加熱して自体は冷却した熱媒体は
弁体１８、ポンプ１９を経由して熱源装置１５で再度加
熱される。蓄熱槽２内に蓄熱された熱エネルギーを利用
するときは、弁体１６を閉とし、弁体１７；三方バルブ
２２の弁体１７とポンプ２３間の流路及び弁体１８を開
としてポンプ２３を駆動すると、蓄熱槽２の蓄熱材の潜
熱によって加熱された熱媒体は、三方弁２２、ポンプ２
３を経由して熱交換器２０に送給され、被加熱体流路２
１から送給される被加熱体を加熱する。一方、潜熱を放
出した蓄熱材は固相化する。

【００２４】被加熱体を加熱した熱媒体は弁体１８を経
由して蓄熱槽２に入り再度加熱される。熱交換器２０の
加熱温度は、三方弁２２の調節によって、蓄熱槽２で加
熱された熱媒体と、バイパス管２４を経由して熱交換器
２０を循環する熱媒体の混合比を調整することによって
調節することができる。また、被加熱体を加熱するとき
に熱源が熱エネルギーを放出しているときには、バルブ
１６を開として熱源からの熱媒体をそのまま、あるいは
蓄熱槽２で加熱された媒体と混合して熱交換器２０に送
給することもできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明の蓄放熱装置は従来の中温から高
温用顕熱蓄熱型装置よりも軽量、省スペースで装置形状
の自由度が高く、また万一蓄熱材や熱媒体が漏洩した際
にも人体や環境に悪影響を及ぼす危険性が低く、かつ優
れた蓄放熱能力を有するため家庭、ビル、その他の建造
物あるいは地域向けの給湯あるいは暖房用の蓄放熱装置
として用いることができるばかりでなく、ゴム焼却炉等
のプラントにおける未利用廃熱の蓄熱、ガス冷暖房およ
びガス給湯におけるコジェネレーションシステムの蓄放
熱ユニット等に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明蓄放熱装置の一例を示すフローチャー
ト。

【図２】カプセル型蓄熱槽の一例を示す縦断面図。

【図３】シェル＆チューブ型蓄熱槽の一例を示す縦断面
図。

【符号の説明】

１蓄放熱装置２蓄熱槽８伝熱壁１５熱源装置１９，２３ポンプ１６，１７，１８，２３弁体２０熱交換器２２三方弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】融点が５０〜２００℃の範囲にある潜熱
蓄熱材と、室温で液状でかつ引火点が２００℃以上であ
る飽和炭化水素からなる熱媒体を合成樹脂製の伝熱壁を
介して接触させ、蓄熱材と熱媒体間を伝熱壁を介して熱
交換するようにしてなる蓄放熱装置。
【請求項２】熱交換方式が、シェル＆チューブ型であ
り、シェル部に蓄熱材を収蔵し、合成樹脂製チューブ内
を熱媒体が流通する請求項１記載の蓄放熱装置。
【請求項３】熱交換方式が、カプセル型であり、合成
樹脂製カプセルに蓄熱材を収蔵し、該カプセルに熱媒体
を接触させる請求項１記載の蓄放熱装置。
【請求項４】蓄熱材が、糖アルコール類を主成分とす
る請求項１〜３いずれかに記載の蓄放熱装置。
【請求項５】蓄熱材が、エリスリトールを主成分とす
る請求項４記載の蓄放熱装置。
【請求項６】熱媒体が、流動パラフィンであることを
特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の蓄放熱装置。
【請求項７】合成樹脂製伝熱壁が、超高分子量ポリエ
チレン、架橋ポリプロピレン、ポリプロピレン、ポリ−
４−メチルペンテン−１、ポリアミド、ポリカボネー
ト、ポリオキシメチレン、変性ポリフェニレンエーテ
ル、ポリフェニレンスルフィドから選ばれた一種以上の
樹脂により形成された請求項１〜６いずれかに記載の蓄
放熱装置。