JPS5926878B2 - 潜熱蓄熱器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蓄熱媒体を収納する容器と、蓄熱媒体と混合不
能であって蓄熱媒体とは異なる密度を有しかつ蓄熱媒体
中を自由に案内される熱交換媒体のための回路とを含み
、前記容器内に熱交換媒体の収集室を設け、該収集室内
に外部からの熱搬送媒体が流入する熱交換器を設けてこ
の交換器が前記熱搬送媒体と熱交換媒体との間の熱伝達
を生じさせるようにした潜熱蓄熱器に係わる。

このような装置は米国特許２９６９８９４号に記載され
ている。

この種の潜熱蓄熱器は、液状熱交換媒体が自由に蓄熱媒
体中を貫流しそして該蓄熱媒体と直接接触するので、熱
交換媒体から蓄熱媒体への、またはその逆方向の極めて
有効な熱伝達を可能にする。

比重が異なるため液状熱交換媒体は蓄熱媒体を通過した
後、例えば蓄熱媒体の上方に位置する収集室に収集され
る。

しかしこの方法では、熱交換媒体が蓄熱媒体と混合不能
であるにも拘らずこれに少量の蓄熱媒体が混入する可能
性のあることが判明している。

熱交換媒体を外部回路、例えば熱交換器に通す場合１．
番人物質が重要な箇処、例えばドイツ特許出願Ｐ’２６
０７１６８号に記載されているように外部熱交換器や内
部オバーフローに沈積し、蓄積するおそれがある。

この蓄積は熱交換媒体の回路が詰まるまで進行する可能
性がある。

本発明の目的は長時間運転した場合でも熱交換媒体に蓄
熱物質が混入して潜熱蓄熱器との熱交換に影響すること
がないように頭書の潜熱蓄熱器を改良することにある。

この目的は、本発明によると、頭書の潜熱蓄熱器中の熱
交換器に於いて熱搬入する第１熱搬送媒体及び熱搬出す
る第２熱搬送媒体を別々の導管系で案内し、両溝管系を
互いに且つ周囲の熱交換媒体と熱接触させることによっ
て達成される。

即ち、熱交換媒体の収集室内に熱交換器を設け、該交換
器内で熱搬入する熱搬送媒体、熱搬出する熱搬送媒体及
び蓄熱物質中を貫流する熱交換媒体を互いに熱接触させ
る。

従って、熱交換媒体を蓄熱物質沈積のおそれがある特別
の熱交換器に通さなくてもよい。

熱交換媒体を収集室から簡単な還流管を介して蓄熱媒体
中へ導入するのが好ましい。

本発明の構成は熱搬入と熱搬出とを同時に進行させるこ
とができる点で極めて有利である。

この場合、潜熱蓄熱器は緩衝器として作用する。

即ち、搬入熱が搬出熱よりも太きければ熱が蓄熱され、
これと逆に搬出熱が搬入熱よりも大きければ熱が抽出さ
れる。

熱搬入及び熱搬出が同時に行われると、熱搬入系から熱
搬出系への熱伝達が直接的に行われ、両者の差だけが周
囲の熱交換媒体を介して供給または吸収される。

本発明による潜熱蓄熱器の好ましい実施態様では、熱交
換媒体と熱接触する熱交換器の交換表面をほぼ垂直に構
成する。

このように構成すれば、熱交換媒体中にあって熱交換表
面に沈積する混入蓄熱媒体の粒子が重力作用下において
落下し、再び蓄熱物質中に戻るという利点がある。

熱交換媒体を蓄熱媒体中に放出する導管と熱接触し、こ
の導管から収集室にまで達する融解導管を蓄熱媒体容器
内に設けた潜熱蓄熱器においては、前記融解導管内を熱
搬送媒体が貫流するように構成することが好ましい。

例えば熱搬入する第１熱搬送媒体が融解導管を貫流する
場合が考えられるが、熱搬出する第２導管系にヒートポ
ンプを組み込み、ヒートポンプによって加熱された熱搬
送媒体の少くとも一部を先ず融解導管に導入するように
構成してもよい。

この場合、融解導管は熱交換器を通る導管系と並列に、
及びこの導管系と直列に随意に接続可能に構成すること
が好ましい。

熱交換媒体を蓄熱媒体中に放出する導管と熱接触し、こ
の導管から収集室にまで達する融解導管を蓄熱媒体容器
内に設けた潜熱蓄熱器の他の好ましい実施態様では、熱
搬出する第２導管系内にヒートポンプを設けてその凝縮
器を介して使用されるべき媒体を加熱できるようにし、
この使用されるべき媒体の少くとも一部が融解導管を貫
流するように構成する。

本発明のその他の好ましい実施態様は特許請求の範囲に
おける実施態様項に記載した通りである。

以下添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を
詳述する。

第１図に略示する潜熱蓄熱器はこの種の蓄熱器の重要な
構成要件、即ち、大部分を蓄熱媒体２で満たされ、この
蓄熱媒体の上方に液状またはガス状熱交換媒体４の収集
室３を具備する閉鎖された容器１を示す。

蓄熱媒体は潜熱蓄熱媒体、即ち、熱を奪われると固形と
なる媒体である。

ここでは一定の融解温度に達すると安定化する均等融解
物質でもよいし、化学平衡温度以下になると次第に固形
物質が沈積する不均等融解物質でもよい。

図示の潜熱蓄熱器はどちらのタイプの蓄熱媒体にも適応
できるが、不均等融解系を使用する場合特に有利である
。

潜熱蓄熱物質としては例えばポウ硝溶液（Ｇｌａｕｂｅ
ｒ’ｓ ５ａｌｔ ５ｏｌｕｔｉｏｎ）を使用すること
ができる。

熱交換媒体は運転時のあらゆる温度に於いて液状または
ガス状であり、蓄熱媒体とは混合せず、蓄熱媒体とは明
らかに異なる比重を有するものを選ぶ。

図示の場合には熱交換媒体の比重が蓄熱媒体の比重より
も小さい。

熱交換媒体として例えば鉱油を使用することができる。

容器１の底部には複数個の放出口６を有する放出管５が
配設されている。

放出管５は収集室３を起点とする還流管７と連通し、前
記還流管７には循環ポンプ８が組込まれである。

図示の実施例では還流管７の一部が容器１の外側を通っ
ているが、還流管７が終始容器１の内部を通過するよう
に構成してもよい。

収集室３には収集室３内の熱交換媒体４と熱接触する熱
交換器９がある。

図面ではこの熱交換器９を略示するにとどめた。

即ち、以下に１次回路と呼称する第１導管系１１のルー
プ状導管１０及び以下に２次回路と呼称する導管系１３
のループ状導管１２で示しである。

導管系１１には熱搬送用に通常使用される例えばフルオ
ロ炭化水素のような熱媒体を貫流させる。

図面に略示する１次回路は熱搬送媒体によって熱搬入を
行うが、この回路には容器外側の部分に熱供給源を組込
んであり、該供給源に於いて１次回路を循環する熱搬送
媒体が加熱される。

同様に、第２ループ状導管１２内にはこれも例えばフル
オロ炭化水素のような熱搬送媒体が流れている。

第２回路は収集室からの熱搬出がその目的であり、この
第２回路には第１図に図示してない低熱源が組込まれて
いる。

第１図では熱交換器９を略示するにとどめたが、この熱
交換器が満たすべき条件として、該熱交換器に於いて導
管系１１尚の熱搬送媒体が導管系１３内の熱搬送媒体と
も収集室３内の熱交換媒体とも熱接触して、固結搬送媒
体及び熱交換媒体の間に熱伝達が起り得るのでなければ
ならない。

実用に供し得る構成では両導管系１１及び１３が簡単な
ループ状導管の形で収集室を通過するだけでなく、公知
のように大きい熱交換表面を有する導管系が使用される
。

この場合、収集室内の熱交換媒体と接触する熱交換表挙
を垂直な、好ましくは平滑な面として構成すれば特に有
利である。

即ち、熱交換媒体４に混入した蓄熱媒体２が固形となっ
て熱交換器９に沈積する場合、この固形蓄熱媒体を熱交
換器９への搬入熱によって融解させることができ、熱交
換表面を垂直に構成することで蓄熱媒体は重力作用によ
って落下する。

即ち、このように構成すれば熱交換器９の自浄効果が得
られ、長期に亘って熱交換器９に蓄熱媒体が沈着する危
険は解消される。

第１図の潜熱蓄熱器の作動態様を以下に説明すると、先
ずポンプ８によって熱交換媒体が還流管７を通って放出
管５へ送られ、該放出管から液状またはガス状熱交換媒
体が蓄熱媒体２中に放出される。

熱交換媒体は蓄熱媒体層を貫流して収集室３に達するが
蓄熱媒体層を通過する際に蓄熱媒体との間に強力な熱交
換接触が行われる。

蓄熱器に蓄熱を行うため（熱搬入）、１次回路を介して
熱が供給され、この熱は熱交換器９に於いて熱交換媒体
４に伝達される。

同様に、放熱（熱搬出）に際しては２次回路１３内の熱
搬送媒体を介して熱交換媒体４から熱搬出される。

この２つのプロセスは同時に進行させることができ、１
次回路１１と２次回路１３との密接な熱接触により両回
路間の直接的な熱伝達も可能となる。

差熱量だけが熱交換媒体へ放出または熱交換媒体から吸
収される。

従って綜合的には熱交換媒体及びこれと熱接触する蓄熱
媒体が１次回路１１と２次回路１３との熱伝達域に於い
て緩衝器として作用することにな、る。

この実施例では潜熱蓄熱器がそれだけで１つの完釡な機
能ユニットを形成するように狭く限定された回路だけを
熱交換媒体が循環することが好ましい。

なぜなら、熱交換媒体が外部回路を通過しなくでもよい
から、外部ユニット、例えば熱交換器、ヒートポンプな
どへ熱交換媒体が流入するおそれもない。

逆に、熱交換媒体の熱搬入及び熱搬出には使用目的に応
じて最適と考えられる種々の熱媒体を使用することがで
き、例えば太陽エネルギー・コレクタに貯えられている
太陽エネルギーの極めて有効な利用を可能にする。

さらに、本発明の構成では、たとえ環境汚染性の熱交換
媒体が使用される場合でも、例えば２次回路１３に暖房
設備に使用する水のような環境上問題のない熱搬送媒体
を使用できる。

環境汚染性の熱交換媒体は事実上潜熱蓄熱器自体だけに
使用され、充分に隔離することができる。

以上に述べた潜熱蓄熱器の他の重要な長所は熱交換媒体
の回路の構成が極めて簡単なことにある。

従って熱交換媒体に混入する蓄熱媒体のためにこの簡単
な熱交換媒体の回路に長期に亘る沈積が形成される可能
性はほとんどないから、潜熱蓄熱器の故障発生率は極め
て低い。

以下第２図乃至第５図を参照して第１図に関連して上述
した基本構成に対するいくつかの改変及び好ましい実施
例を説明する。

第１図を参照して説明した潜熱蓄熱器の各部と対応する
部分には同じ参照符号を付記する。

第２図ではその他の点では第１図と同じ構成であるが、
１次回路のループ状導管１０と並列に融解導管１５が補
足されており、融解導管１５の分岐点は熱交換器９の直
前に位置する。

融解導管１５は環流管７及び放出管５に沿ってこれらと
熱接触関係に配設され、放出管５の端部に於いて蓄熱媒
体２を垂直に貫通する立ち上がり管として収集室３に達
し、ここで再びループ状導管１０と合流する。

このように配設したから、融解導管１５を流れる熱搬入
用の熱搬送媒体が還流管及び放出管の領域で固化した蓄
熱媒体を融解させ、従って熱搬出時（同化）でも熱交換
媒体は還流管及び放出管を通って蓄熱物質「川こ流入す
ることができる。

蓄熱媒体を垂直に貫通する融解導管部分に沿ってその周
りの蓄熱媒体が融解される。

このために蓄熱媒体が末だ固化したままの場合でも、放
出管５から収集室３に至る熱交換媒体の通路が完全に形
成される。

熱交換媒体そのものが貫流する公知の融解導管と比較し
て本発明の構成では熱交換媒体よりも高温の熱搬入用の
熱搬送媒体が融解導管を貫流する点で有利である。

従って、融解作用が促進される。融解導管に熱交換媒体
を貫流させると熱交換媒体に蓄熱媒体が混入して融解導
管に沈積するから、融解導管に詰まりを生ずる危険が常
に存在するのに対し、本発明の構成では融解導管を流れ
るのが熱交換媒体ではなく、蓄熱媒体と全熱接触しない
熱搬送媒体であるから、上記のような危険は存在しない
。

第２図に示す実施例では融解導管を熱交換媒体の流路と
ほぼ平行に配設するが、第３図のような構成も可能であ
る。

即ち、ループ状゛導管１０が熱交換器９の端部に於いて
垂直に蓄熱媒体２を貫通して放出管５に達し、これをル
ープ状に囲む。

さらに、熱交換器９の手前でループ状導管１０と並列に
融解導管が分岐し、これもループ状導管１０の端部と同
様に蓄熱媒体を垂直に貫通し、放出管５を囲む。

このように構成すれば、容器の２つの領域に於いて放出
管と収集室とを結ぶ垂直な連結導路が融解され形成され
る。

融解導管の配設形式は第２図に示す実施例とは異なるが
、ここでも基本原理は同じであり、熱交換媒体の流路を
融解させるために１次回路を流れる熱搬送媒体が利用さ
れる。

第４図の実施例では融解導管の別の実施態様を示しであ
る。

先ず第１融解導管１５ａをループ状導管１０と平行させ
、分岐点が熱交換器９の手前に来るように構成する。

この融解導管１５ａは還流管７及び放出管５の内部を通
ってこの放出管の端部に達し、ここから反転して再び同
じ経路を辿る。

さらに、ループ状導管１０の端部と平行に第２融解導管
１５ｂを設け、図示の実施例ではこの第２融解導管を熱
交換器９の内部に於いて１次回路から分岐させる。

この融解導管１５ｂは垂直に下方へ蓄熱媒体を貫通して
放出管５を囲む。

即ち、この実施例では１次回路に２つの融解導管が並列
挿入され、両方の融解導管を熱搬入用の熱搬送媒体が流
れ、融解導管１５ａは還流管及び放出管を解放するのが
その目的であり、融解導管１５ｂは収集室に至る連結導
路を融解させるのがその目的である。

第２図乃至第４図の実施例に於ける融解導管はいずれも
１次回路に挿入されているが、第５図の実施例では融解
導管１７を２次回路に挿入している。

この２次回路はコンプレッサ１８、これに接続する熱交
換器１９及び熱交換器９が接続している図面には特に図
示されていない膨張装置、さらにこれに接続している熱
交換器９を含むヒートポンプ回路として構成されている
。

この導管系１３（２次回路）では熱搬送媒体がコンプレ
ッサ１８に於いて圧縮されると同時に加熱される。

熱交換器１９に於いて熱の一部が導管系２０内で使用さ
れるべき媒体に与えられる。

冷却された熱搬送媒体は膨張装置に於いて膨張され、さ
らに冷却されて冷たい熱搬送媒体として熱交換器９に流
入し、該熱交換器９に於いてあらためて熱交換媒体及び
（または）１次回路から熱を吸収する。

このように構成すれば、熱交換器１９の入口で熱搬送媒
体の高い温度が得られる。

第５図の実施例ではこの入口付近で融解導管１７が分岐
し、例えは第４図の実施例に於ける融解導管１５ａと同
様に還流管及び放出管の内部を通って該放出管の端部に
達する。

融解導管１７の折返えし部分は熱交換器１９の下流で再
びループ状導管１２に開口する。

このように構成すれば、コンプレッサ１８で加熱された
熱搬送媒体が融解導管を貫流する。

即ち、このシステムでは潜熱蓄熱器自体に蓄積された熱
そのものを固化された蓄熱媒体の融解に利用することが
でき、蓄熱器の比較的低い温度から高い融解温度まで温
度を高めるためにコンプレッサ１８を、駆動するには比
較的小さい動力で充分である。

第５図に関連して上述した解決に代イっる構成として、
融解導管１７に導管系１３の熱搬送媒体を流すのではな
く、導管系２０内の有効媒体を流すように構成すること
も可能である。

このような構成を第５図では融解導管１７と導管系２０
とを結ぶ破線で示してあり、導管系２０との連結点を熱
交換器１９の入口または出口に配置しである。

従って、融解導管１７は第５図には特に図示しない固有
の有効媒体の回路と並列に接続される。

この構成の利点として、融解導管１７にも例えば湯沸し
装置に見られるように環境上問題のない無害の有効媒体
を通すことができる。

その結果、化学的に有害な熱媒体が潜熱蓄熱器内部に流
入する危険はさらに低下する。

融解導管の幾何的構成は種々考えられるが、蓄熱媒体が
固化している場合でも融解導管が熱交換媒体の回路を解
放できさえすればよい。

作動状態に応じて融解導管を種々の態様で熱媒体回路に
挿入することも可能である。

例えば始動に際しては融解導管を熱搬入用熱搬送媒体の
導管系１１に直列に挿入し、蓄熱媒体が融解し始めたら
、融解導管が導管１０と並列に接続されるように切換え
が行われる構成すればよい。

第１の場合には回路を通る熱搬送媒体全部が融解導管を
流れ、第２の場合にはその一部だけが流れる。

第６図には本発明の潜熱蓄熱器の他の好ましい実施例を
示す。

この実施例も大部分は第１図実施例と同じであるから、
対応部分には同じ参照符号を付しである。

第１図に示す潜熱蓄熱器の構成と異なる点として、この
実施例では容器１の内部に形成した中空室２２が壁２１
により容器１の残りの内部空間から隔離され、前記壁２
１は熱交換媒体４を満たされた収集室３の蓄熱媒体２と
は反対の側に位置し、熱交換媒体４と熱接触する。

壁２１は収集室３の側に熱交換媒体４内へ垂直に突出す
る熱伝達ひれ２３を具備する。

中空室２２は熱搬送媒体の導管系１１内に組込まれてい
るから、この熱搬送媒体がこの中空室を貫流する。

中空室２２の内部には別の熱搬送媒体のための別の導管
系１３も配設されている。

この構成の利点として、収集室３内の熱交換媒体４の層
厚を薄くすることができるから、容器内の蓄熱媒体の総
量を増大することができる。

しかも導管系１３の漏れ防止を一段と確実にすることが
できる。

即ち、導管系１３から漏れる熱搬送媒体があっても壁２
１で遮断されているから熱交換媒体４及び蓄熱媒体２と
接触できない。

実用的な実施例では中空室２２を熱搬送媒体として例え
ば水が流れ、導管系１３にフレオンが循環することにな
る。

この実施例でも上述のように融解導管を分岐させ得るこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は２つの別々の導管系を含む熱交換媒体の収集室
内に熱交換器を具備する潜熱蓄熱器を略示する断面図：
第２図は１次回路と連結する融解導管を含む第１図と同
様な断面図：第３図は１次回路に並列に接続した融解導
管及び１次回路に直列に挿入した融解導管を含む第２図
と同様な断面図：第４図は１次回路と並列に接続した２
つの融解導管を含む第３図と同様な断面図：第５図は２
次回路にヒートポンプ及び熱交換器を挿入し、熱交換器
と並列に２次回路に融解導管を挿入した第１図と同様な
断面図：第６図は好ましい構成の熱交換器を含む第１図
よ同様な断面図である。 １・・・・・・容器、２・・・・・蓄熱媒体、３・・・
・・・収集室、４・・・・・・熱交換媒体、５・・・・
・・放出管、６・・・・・・放出口、Ｉ・・・・・還流
管、８・・・・・・循環ポンプ、９，１９・・・・・・
熱交換器、１０，１２・・・・・・ループ状導管、１１
・・・・・・第１導管系（１次回路）、１３・・・・・
・第２導管系（２次回路）、１５，１５ａ、ｔ５ｂ、１
７＝−融解導管、１８・・・・・・コンプレッサ、２０
・・・・・・導管系、２１・・・・・壁、２２・・・・
・・中空室、２３・・・・・・熱伝達ひれ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蓄熱媒体を収納する容器と、蓄熱媒体と混合不能で
   あって蓄熱媒体とは異なる密度を有しかつ蓄熱媒体中を
   自由に案内される熱交換媒体のための回路とを含み、前
   記容器内に熱交換媒体の収集室を設け、該収集室内に外
   部からの熱搬送媒体が流入する熱交換器を設けてこの交
   換器が前記熱搬送媒体と熱交換媒体との間の熱伝達を生
   じさせるようにした潜熱蓄熱器であって、熱交換器９に
   於いて熱搬入する第１熱搬送媒体及び熱搬出する第２熱
   搬送媒体を別々の導管系１１，１３で案内し、これらの
   両導管系１１，１３を互いに且つ周囲の熱交換媒体４と
   熱接触させるようにしたことを特徴とする潜熱蓄熱器。 ２ 熱交換媒体４と熱接触する熱交換器９の交換表面を
   ほぼ垂直表面に構成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の潜熱蓄熱器。 ３ 熱交換媒体を蓄熱媒体中に放出する導管と熱接触し
   、この導管から収集室にまで達する融解導管を蓄熱媒体
   容器内に設け、前記融解導管１５゜１５ ａ 、１５
   ｂ ｔ １７を熱搬送媒体が貫流するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   潜熱蓄熱器。 ４ 融解導管１５．１５ ａ 、１５ ｂ内を、熱搬入
   する第１熱搬送媒体が貫流するようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項に記載の潜熱蓄熱器。 ５ 熱搬出する第２導管系１３内にヒートポンプを設け
   たことと、ヒートポンプによって加熱された熱搬送媒体
   の一部が先ず融解導管１７を通ることわ特徴とする特許
   請求の範囲第３項に記載の潜熱蓄熱器。 ６ 融解導管１５，１５ａ、１５ｂ、１７を熱交換器９
   を通る導管系１１，１３と並列に、及びこの導管系と直
   列に随意に接続可能であることを特徴とする特許請求の
   範囲第４項または第５項に記載の潜熱蓄熱器。 ７ 熱交換媒体を蓄熱媒体中に放出する導管と熱接触し
   、この導管から収集室にまで達する融解導管を蓄熱媒体
   容器内に設け、熱搬出する第２導管系１３内にヒートポ
   ンプを設けて、その凝縮器が有効媒体を加熱できるよう
   にしたことと、有効媒体の一部が先ず融解導管１７を貫
   流するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の潜熱蓄熱器。 ８ 容器１内に形成した熱交換媒体の収集室３の蓄熱媒
   体２とは反対の側に一方を壁２１で塞がれた中空室２２
   を設け、前記壁２１を収集室３内の熱交換媒体４と熱接
   触させたことと、両方の熱搬送媒体が中空室２２を貫流
   することと、中空室２２内に他方の熱媒体の導管系１１
   または１３が存在することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第７項いづれかに記載の潜熱蓄熱器。 ９ 中空室２２を閉塞している壁２１にこれとは直角に
   熱交換媒体４中に突出する熱伝達ひれ２３を設けたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の潜熱蓄熱器
   。