JPS5855434B2 - 蓄熱装置の過冷却防止方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱媒体の有する暖熱又は冷熱を潜熱利用蓄熱
材を用いて蓄熱する蓄熱装置の過冷却防止方法及びその
装置に関するものである。

本明細書において冷房負荷、暖房負荷、熱奪取型ヒート
ポンプ、熱供給型ヒートポンプなどは次のようなものを
指すものとする。

「冷房負荷」・・・・・・冷房負荷、冷凍負荷など冷熱
を要求する負荷。

「暖房負荷」・・・・・・暖房負荷、給湯負荷など暖熱
を要求する負荷。

「冷房」 「暖房」のつく言葉・・・・・・上記に準す
る。

「熱奪取型ヒートポンプ」・・・・・・冷凍機の如く、
低温のものから熱を取り去るヒートポン プ。

「熱供給型ヒートポンプ」・・・・・・狭義の「ヒート
ポンプ」と同じで、低温のものから熱を 取り高温のものに熱を供給するヒート ポンプ。

「ヒートポンプ」・・・・・・広義に解し、上述の「熱
奪取型」と「熱供給型」を総称。

外界から集熱した熱を蓄熱するための蓄熱槽においては
、その蓄熱媒体としては、従来型として水が用いられて
いる。

しかしながら、水は単位体積当たりの蓄熱容量が小さい
という欠点があるので、最近は潜熱利用蓄熱材を利用す
る方法が推奨されている。

例えば太陽熱を暖房用熱源として利用する場合、蓄熱器
内に蓄熱材として固体のチオ硫酸ナトＩＪウムを充填し
太陽熱集熱器により加熱された温水を導いて、この温水
によりチオ硫酸ナトリウムを加熱して固体から液体とす
ることにより融解熱なる潜熱の形で蓄熱する方法が試み
られている。

また、これと逆に冷熱を蓄熱する方法も試みられている
。

この場合は冷凍機の冷水により蓄熱材を冷却して、蓄熱
材を液体から固体に変化させることにより凝固熱なる潜
熱の形で冷熱を蓄熱（蓄冷）する。

これらの方法においては、いづれも潜熱を利用している
ので、水を用いているものに比べ蓄熱器のサイズは小さ
くなるが、蓄熱材の熱を利用する場合又は蓄熱材に冷熱
を蓄熱する場合など、液相の蓄熱材を冷却して温度を下
げ固相とするプロセスにおいて、特に潜熱利用蓄熱材は
徐々に冷却するといわゆる過冷却現象が起こり易く、転
位点より低い温度にならないと凝固せず、暖房不能とな
ったり、冷凍機用冷水が凍結するなどの事故を招くこと
があった。

本発明は潜熱利用蓄熱材に超音波による振動を与えるこ
とにより従来のものの上記の欠点を除き、過冷却が起こ
るのを未然に防止し、円滑にして確実な運転を行なうこ
とができる蓄熱装置を提供することを目°的とするもの
である。

本発明は、潜熱利用蓄熱材を用いた蓄熱装置の、前記蓄
熱材の温度下降に際して、蓄熱材に超音波振動を与えて
過冷却を防ぐことを特徴とした蓄熱装置の過冷却防止方
法及びその装置である。

本発明を実施例につき図面を用いて説明すれば、第１図
に示された例は、ヒートポンプ１２を介して接続される
冷暖房第一システム１と冷暖房第ニジステム２とに分け
られ、両システムはそれぞれ単独でも有効なシステムで
あるが、両者が組み合わされたことにより一層効果の犬
なるシステムを形成している。

冷暖房第一システム１は、後述の潜熱利用蓄熱材３を有
する複数個の蓄熱カプセル４を備えた蓄熱器としての蓄
熱槽５が備えられ、太陽熱を集熱する集熱体６との間に
水などの蓄熱材加熱媒体を通す糸路として、管路７，８
，９，１０が備えられている。

蓄熱材加熱媒体は、蓄熱槽５の中で蓄熱カプセル４の間
に充満し、ポンプ１１を運転することにより管路７，８
を経て集熱体６に送られ、管路９，１０を経て再び蓄熱
槽５に戻され、蓄熱カプセル４の間を流れて循環せしめ
られ、その間に蓄熱材３を加熱するようになっている。

また、管路１３，１４、ポンプ１５により、蓄熱槽５の
中の熱媒体を、冷却装置としてのクーリングタワー１６
に導き、管路１４により蓄熱槽５に戻し、蓄熱カプセル
４の間を通過せしめて循環せしめ、蓄熱材冷却媒体とし
て蓄熱材３を冷却するようになっている。

本実施例においては蓄熱材３を加熱する蓄熱材加熱媒体
も、冷却する蓄熱材冷却媒体も同一の熱媒体（例えば水
）を用いているので、以後加熱、冷却の区別をせずに単
に熱媒体と称する。

蓄熱材３としては、塩化カルシウムＣａＣｌ２゜６Ｈ２
０，硫酸ナトリウムＮａ２ ＳＯ４−１０Ｈ２０１チオ
硫酸ナトリウムＮａ２Ｓ２Ｏ３、５Ｈ２０などのような
、２９〜５２℃程度の範囲の中に融点を有し固相と液相
との間の変化をするような材料が選ばれる。

蓄熱作用（冷熱の蓄冷も含め）を行なわしめるに際し、
融点よりも高い温度で加熱して液相となして暖熱を蓄熱
し、この熱を利用する場合は凝固の潜熱も利用し得るよ
うにし、冷熱を蓄熱する場合は融点よりも低い温度に冷
却して固相となし、この冷熱を利用する場合は融解の潜
熱も利用するようにする。

各蓄熱カプセル４には超音波振動子１７が設けられ、発
振器１８により加えられる高周波電圧により超音波を発
生するようになっている。

１９は負荷であり、管路２０、ポンプ２１により蓄熱槽
５の内の熱媒体が導かれる。

２２は負荷１９からの戻り熱媒体を導く管路である。

冷暖房第ニジステム２においては、冷暖房第一システム
と同様に蓄熱カプセル４′を有する蓄熱槽５′が備えら
れている。

各蓄熱カプセル４′にも、前述の発振器１８の高周波電
圧を受けて超音波を発生する超音波振動子１７′が備え
られている。

また、太陽熱の集熱体６′と、蓄熱槽５′内の熱媒体を
集熱体６′に導いて循環させる管路７ｔ、Ｂｙ。

９’、１０’、ポンプ１１′が備えられている。

１９′は負荷であり、管路２０′、ポンプ２１′により
蓄熱槽５′内の熱媒体が導かれる。

２２′は負荷１９′からの戻り熱媒体を導く管路である
。

ヒートポンプ１２は、凝縮器２３、蒸発器２４、圧縮機
２５及びそれらを接続する冷媒管路を備えている。

凝縮器２３には、伝熱管２６が設けられ、管路７と８と
の間の三方弁２７にて分岐した入口管２８及び管路９と
１０と間に合流する出口管２９とが接続されて高温系熱
媒体系路が形成されている。

蒸発器２４には伝熱管３０が設けられ、三方弁３１及び
ポンプ３２を有する管路３３、入口管路３４と、出口管
路３５が接続されて低温系熱媒体系路が形成されている
。

４０は接続管、３６．３７，３８，３９は弁である。

本実施例の作用につき説明すれば、暖房時において、日
射量の多い場合には第２図に示す如く、冷暖房第一シス
テムのみによる暖房サイクルを形成し負荷１９に熱を供
給する。

即ち、集熱体６により加熱された熱媒体を蓄熱槽５に送
り循環せしめ蓄熱カプセル４を加熱して蓄熱し、負荷が
要求する折に蓄熱槽５内の高温の熱媒体をポンプ２１に
より負荷１９に送り暖房に供する。

あるいは集熱体６を通る熱媒体を循環させながら同時に
蓄熱槽５内の熱媒体を負荷１９に送ってもよい。

この場合蓄熱にあたっては蓄熱槽５内の温度は蓄熱材３
の種類によって異なるが、例えば炭酸ナトリウム・１０
Ｈ２０の場合で約４０℃、チオ硫酸ナトリウム・５Ｈ２
０の場合で約５３℃、硝酸ナトリウム・４Ｈ２０の場合
で約４５°Ｃ程度となり、蓄熱材３は融点を越えて液状
となって保持される。

この装置において冷房を行なうには第３図に示す如く、
三方弁２７を切換えてヒートポンプ１２の高温系熱媒体
系路に冷暖房第一システム１を入口管２８、出口管２９
にて接続して蓄熱槽５中の熱媒体を冷却水として循環せ
しめ、三方弁３１によりヒートポンプ１２の低温系熱媒
体系路に冷暖房第ニジステム２を管路７′、接続管４０
、入口管路３４、管路１０′にて接続して蓄熱槽５′の
熱媒体を冷水として循環せしめ、ヒートポンプ１２を熱
奪取型ヒートポンプ（即ち冷凍機）として作動せしめて
冷却された冷水としての熱媒体を蓄熱槽５′に戻して蓄
熱カプセル４′を冷却して冷熱を蓄熱し、負荷１９′が
要求する折に蓄熱槽５′内の低温の熱媒体をポンプ２１
′により負荷１９′に送り冷房に供する。

あるいはヒートポンプ１２により冷水としての熱媒体を
循環させながら同時に蓄熱槽５′内の熱媒体を負荷１９
′に送ってもよい。

この場合ヒートポンプ１２の高温系熱媒体系路には、別
の冷却水源からの冷却水を導いてもよい。

この場合冷熱の蓄熱に当っては蓄熱槽５′内の温度は約
５°Ｃとなり、例えば蓄熱材３にＣａＣｌ２・６Ｈ２０
とＦｅＣ１１３・６Ｈ２０の混合物を用いた場合には、
蓄熱材３は融点１０’Ｃ以下に冷却されて固体状となっ
て保持される。

一方冷暖房第一システム１内では冷却水として入口管２
８に導入された熱媒体は伝熱管２６で加熱されて高温と
なり出口管２９を経て蓄熱槽５に戻る。

この戻る熱媒体の温度は蓄熱材の種類によって異なるが
、４０〜５３°Ｃ程度となり前述の第２図における暖房
の場合の温度とほぼ同様であるので同一の蓄熱材で暖房
時でも冷房時でも蓄熱を行なうことができる。

しかして、夜間、外気の温度が低い時には第４図の如く
クーリングタワー１６の糸路を作動せしめ、蓄熱槽５内
の熱媒体の熱を放熱し、冷却する。

即ち昼間の間に冷却水が凝縮器２３にて受取った熱の一
部又は全部を一時蓄熱材３に蓄熱し、夜間に放熱するこ
とができる。

従って、蓄熱容量に応じて昼間外気温が高くても連続し
て大きな冷凍負荷に応することができる。

この夜間の冷却の場合に、管路１４を経て戻る熱媒体の
温度は３０〜２５℃程度となり、蓄熱材３は凝固し固体
となって保持される。

冷房時に、ヒートポンプ１２（冷凍機）の容量を小さく
するなどの目的のために、ヒートポンプ１２を夜間にも
運転して、その冷水により蓄熱材３′を冷却して冷熱を
蓄熱することができる。

この時の冷水温度は５°Ｃ程度であり、例えばＣａＣｌ
２・６Ｈ２０とＦｅＣｌ３−６Ｈ２０との混合物等の蓄
熱材３′凝固せしめ、固体として保持する。

以上の場合において蓄熱材３又は３′より蓄熱を奪う場
合、又は蓄熱材３又は３′を冷却して冷熱を蓄熱する場
合に、徐々に温度が下がるといわゆる過冷却現象を生じ
、転移点よりかなり低い温度にならないと凝固せず、暖
房不能や、冷凍機用冷水の凍結などの事故を招いたが、
本実施例においては蓄熱カプセル４又は４′に超音波振
動子１７．１７が設けられ、蓄熱材３，３′の温度が下
がるサイクルの時に発振器１８を作動せしめて超音波を
発生せしめ、その振動により蓄熱材３゜３′に物理的刺
激を与えることにより過冷却を防止することができる。

日射量が少ない時の暖房は、第５図に示す如く冷暖房第
ニジステム２の集熱体６′に得た熱を受けた熱媒体を低
熱源としてヒートポンプ１２を熱供給型ヒートポンプと
して作動せしめ、温水としての熱媒体に熱を供給して冷
暖房第一システム１の蓄熱槽５に蓄熱を行ない、これを
利用して負荷１９に熱を送るようにする。

即ち、弁３６，３７，３８、三方弁３１を切換え、ポン
プ１１′を駆動して熱媒体を循環せしめて、太陽熱を集
熱体６′にて集熱し、熱媒体を加熱して蓄熱槽５′に戻
す。

この時熱媒体の温度は１５℃程度以上となり、蓄熱材３
′は加熱されて液体となり、蓄熱を可能とする。

そしてこの蓄熱により温度上昇した熱媒体を低熱源の熱
媒体として、管路３３、ポンプ３２、入口管路３４を経
て、伝熱管３０に導き、出口管路３５を経て再び蓄熱槽
５′に戻し、循環せしめる。

ヒートポンプ１２で汲み上げられた熱は、伝熱管２６に
おいて熱媒体に与えられ、加熱された熱媒体は温水とし
て蓄熱槽５に入り蓄熱材３を加熱し蓄熱し、この蓄熱を
利用して負荷１９に熱が送られる。

この場合加熱されて蓄熱槽５に入る熱媒体の温度は３０
〜４５°Ｃ程度であるので、同一の蓄熱材３で蓄熱を行
なうことができる。

（床暖房方式にあっては３０℃でも暖房できる） 以上の如く、冷暖房第一システム１は、潜熱利用の蓄熱
材３を、太陽熱の蓄熱に利用すると共に、冷凍機用の冷
却水が受ける熱を一時蓄熱して夜中に放出させることに
も利用したシステムである。

また、冷暖房第ニジステム２は冷房時の冷熱の蓄熱と、
暖１のヒートポンプ１２の低熱源用の蓄熱とを同一の潜
熱利用の蓄熱材３′で行なうようにしたシステムであり
、何れのシステムにおいても超音波振動子１７，１７’
により振動を蓄熱材３゜３′に与えることにより、過冷
却を防止することができる。

本発明により、蓄熱材から熱を取り出す場合、又は蓄熱
材に冷熱を蓄熱する場合など、蓄熱材の温度が次第に下
がる場合において、過冷却現象が起こるのを防ぐことが
でき、暖房不能や冷水凍結などのトラブルを生ずるおそ
れがなく、円滑で確実、安定した運転を行なうことがで
きる蓄熱装置の過冷却防止方法及びその装置を提供する
ことができ、実用上、太陽熱利用上極めて犬なる効果を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すフロー図、第２図ないし
第５図は第１図の実施例のもののそれぞれ異なる運転条
件を示すフロー図である。 １・・・・・・冷暖房第一システム、２・・・・・・冷
暖房第ニジステム、３，３′・・・・・・蓄熱材、４，
４′・・・・・・蓄熱カプセル、５，５′・・・・・・
蓄熱槽、６，６′・・・・・・集熱体、７，７′・・・
・・・管路、８，８′・・・・・・管路、９，９′・・
・・・・管路、１０，１０’・・・・・・管路、１１，
１１’ ・・・・・・ポンプ、１２・・・・・・ヒー
トポンプ、１３・・・・・・管路、１４・・・・・・管
路、１５・・・・・・ポンプ、１６・・・・・・クーリ
ングタワー、１７，１７’・・・・・・超音波振動子、
１８・・・・・・発振器、１９，１９／・・・・・・負
荷、２０，２０’・・・・・・管路、２１，２１’・・
・・・・ポンプ、２２，２２’・・・・・・管路、２３
・・・・・・凝縮器、２４・・・・・・蒸発器、２５・
・・・・・圧縮機、２６・・・・・・伝熱管、２７・・
・・・・三方弁、２８・・・・・・入口管、２９・・・
・・・出口管、３０・・・・・・伝熱管、３１・・・・
・・三方弁、３２・・・・・・ポンプ、３３・・・・・
・管路、３４・・・・・・入口管路、３５・・・・・・
出口管路、３６・・・・・・弁、３７・・・・・・弁、
３８・・・・・・弁、３９・・・・・・弁、４０・・・
・・・接続管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 潜熱利用蓄熱材を用いた蓄熱装置の、前記蓄熱材の
   温度下降に際して、蓄熱材に超音波振動を与えて過冷却
   を防ぐことを特徴とした蓄熱装置の過冷却防止方法。 ２ 熱媒体の使用温度範囲の中に融点を有する潜熱利用
   蓄熱材を容器に収容した蓄熱カプセルを備え、該蓄熱カ
   プセルに超音波振動子を設け。 該振動子を超音波発振器により振動せしめるようにした
   ことを特徴とする蓄熱装置の過冷却防止装置。