JPS594894A - 低温蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低沸点有機化合物の水和物結晶の水懸濁物を冷媒として
用いた低温蓄熱装置に関する。

従来、冷熱の潜熱型蓄熱材としては、氷が利用されてい
る。

しかしながら、氷は住居や事務所等の空調施設の低温蓄
熱材として利用するためには、下記のような欠点が指摘
され、いまだ実用化されていない。

（１）空調施設における冷熱源には０℃以下の温度は不
必要であり、夏期の冷房には５℃から１５℃の温度範囲
の冷熱源で十分である。

（２）　　伝熱管群や氷カプセルからなる低温蓄熱槽に
おいては、氷の結晶化の際に結晶核発生のための過冷却
や時間おくれが生じ、その結果、蓄熱に必要な所要エネ
ルギーが増大し、蓄熱効率を低下させる。

（３）氷の結晶は伝熱界面がら成長するので、成長にと
もなって伝熱面での対流が妨げられて伝熱速度が低下し
、更に結晶化につれて体積が膨張するので余分の空間を
必要とし、高性能な蓄熱槽の設計を困ＮＫしている。

そこで本発明は、ががる従来の欠点を解消すべくなされ
たものであり、本発明者らが先に提案した低温蓄熱材を
用いて夏期の冷房に好適な」℃〜１５°Ｃの範囲の空調
用として使用することができ、しかも蓄熱材の原料であ
る低沸点有機化合物をランキンサイクルの作動媒体とし
て用いると共に高温排ガスや太陽熱をランキンサイクル
の熱源として用いたり、或は冬期の寒冷な外気温を利用
して冷熱を蓄熱することができるので、運転が極めて経
済的であり、冷熱を高効率で蓄熱することができるなど
の特長を有するものである。

すなわち水弟１の発明の低温蓄熱装置は、沸点が３０°
Ｃ以下であり、臨界分解点が５°Ｃ〜１８℃の水和物結
晶を形成しつる有機化合物を冷媒とする蓄熱冷凍サイク
ルと、前記有機化合物を作動媒体とするランキンサイク
ルとから成り、前記蓄熱冷凍サイクルは低温蓄熱槽と、
該低温蓄熱槽内の水中に前記有機化合物を液状で混入す
る供給装置と、該低温蓄熱槽で気化した前記有機化合物
蒸気を加圧する圧縮器と、この圧縮されたガスを液化し
て前記供給装置に導く凝縮器とから構成され、前記ラン
キンサイクルは前記併機化合物の高圧蒸気を発生せしめ
る高温蓄熱器と、該高温蓄熱器からの前記高圧蒸気によ
り駆動させるタービンと、該タービンがら排出された蒸
気を液化して前記高温蓄熱器に導く凝縮器とから構成さ
れ、更に前記低温蓄熱槽内で前記冷媒により冷却された
冷水を用いる温調施設と、前記高温蓄熱器への加熱源供
給手段とを設けたことを特徴とするものである。

また水弟２の発明の蓄熱装置は、沸点が３０　℃以下の
有機化合物を水と反応せしめて臨界分解点が５°Ｃ〜１
８℃の水和物結晶を析出させるべき低温蓄熱槽と、前記
有機化合物を液状で貯蔵する貯槽と、該貯槽および前記
低温蓄熱槽の底部に沈降した前記液状有機化合物を前記
低温蓄熱槽に導く供給装置と、前記低温蓄熱槽内の前記
有機化合物の蒸気および前記沈降した液状有機化合物を
外気との熱交換により冷却して前記貯槽に導く熱交換器
とから構成したことを特徴とするものである。

以下、本発明を図面に示した実施例にもとづ旺説明する
。

第１図は水弟１の発明の実施例を示し、低温蓄熱装置は
低温蓄熱サイクルＡとランキンサイクルＢとから構成さ
れている。

低湿蓄熱サイクルＡは、水または水溶液りをその内部に
保持する低温蓄熱槽１と、低沸点有機化合物を液状で水
り中に供給するノズル８を有し、更に、低温蓄熱槽１で
発生した低沸点有機化合物の蒸気を圧縮する圧縮器３と
、圧縮された蒸気を液化する凝縮器５が設けられており
、液化した低沸点有機化合物６は、再びノズル８に導か
れる。

ここで低沸点有機化合物は、沸点が３０’Ｃ以下の、い
わゆる低沸点物であり、かつ臨界分解点が５℃〜１８℃
の水和物結晶を形成しえるものである。

また、水和物結晶が懸濁される水は、水溶性の無機塩ま
たは有機化合物の水溶液であっても良く、たとえば食塩
、硫酸ナトリウムやアルコールの水溶液などが、水和物
の臨界分解点の圧水溶液は高い臨界分解点を示す化合物
の場合に好適に用いられる。

下記第１表に代表的な低沸点化合物の例と、その水和物
の特性を示す。

（本頁以下余白） この第１表から明らかなように、これら有機化合物の水
和物結晶９析出温度（臨界分解点湿度）は、いづれも氷
の析出温度である氷点０°Ｃよりも高い温度、すなわち
５°Ｃから１８℃の温度範囲にあり、しかもこれら水和
物の生成熱は７０〜９０　Ｋ７Ａ９であり、氷の結晶化
熱８０　Ｋ−２とほぼ同程度である。

低温蓄熱材は、低沸点有機化合物を自ら冷媒として用い
ることによって製造される。すなわち、前述したような
、水と反応して水和物を水和物を形成しつる能力のある
低沸点有機化合物を液状で水または前述したような無機
塩や有機化合物を含む水中に混入させる。そして、この
有機化合物の一部分を蒸発させながら、残部の翁機化合
物を水と反応させて有機化合物の水和物を形成させる。

すると、有機化合物の蒸発による蒸発熱によって反応系
は冷却され、水和物結晶が析出して水中に懸濁した状態
になり、低温蓄熱材が得られる。

一方、本第１の発明におけるランキンサイク動流体とし
て用いるものであり、高温蓄熱器９と、この蓄熱器９内
において低沸点有機化合物の蒸気を発生せしめる蒸発器
１７と、発生した蒸気から気液を分離する気液分離器１
９とを有し、更に気液分離器１９で分離された蒸気の断
熱膨張によって駆動されるタービン２１と、このタービ
ンから排出された蒸気を凝縮、液化せしめて前記蒸発器
１７に導く凝縮器２４を有している。なお、気液分離器
１９からの液状有機化合物は凝縮器２４からのものと合
伴され、また凝縮器２４には冷却水２８が供給され、更
にタービン２１は前述した蓄熱冷凍サイクルＡの圧縮機
３を駆動すると共に、補助動力機２２が連結されている
。

更に本第１の発明においては低温蓄熱槽１内に冷水熱交
換器２９が設けられ、ここで得られた冷水は冷暖房切換
弁３０．循環ポンプ３１および管路３２を経て温調施設
３３に送られ、管路３４を経て熱交換器２９に循環され
る。

また、ランキンサイクルＢの高温蓄熱器９に１ま、高温
排ガス等の廃熱を利用する熱交換器１１、或は、太陽光
集熱器１５により得られた温水を利用する加熱源供給手
段が設けられている。

ここで蓄熱冷凍サイクルＡにおける圧縮機３の理論所要
動力Ｐｆ（Ｋｌｖ）は、低沸点有機化合物の蒸発によっ
て吸収される冷凍量をＱｆ　（Ｋ７／ｈ　）、サイクル
の成績係数をζｆとすると、（１）式で与えられる。

またランキンサイクルＢにおけルターヒン２１の理論出
力ＰＲ（ｙｘ　）は、作動媒体（低沸点有機化合物）の
蒸発に必要な加熱量をＱＲ（Ｋｄ／ｈ　）、ランキンサ
イクル効率をζ□とすると（２）式で与えられる。

Ｐｆ（ＦＪ　）　＝　Ｑ４　／　８６０＋ζｆ（１）Ｐ
、（ＫＩＶ　）　＝　ＱＲζＲ／　８６０　　　　　　
（２）すると（１）式と（２）式から（３）式が得られ
る。

Ｑｆ／ＱＲ＝ζｆ×ζＲ（３） ここにＱｆ／ＱＲは低温蓄熱装置における理論熱変換効
率となる。

低沸点有機化合物としてフロン１２　（ＣＣＶ２Ｆ２　
）を用い、低温蓄熱槽１におけるフロン１２の蒸発温度
を５℃（水和物析出温度８°Ｃに対して、３℃の過熱度
にある。）、その凝縮温度を３５℃とすると、フロン１
２の熱力学データからζｆ＝８．０１となる。

また、ランキンサイクルＢの作動媒体にも同じフロン１
２を用い、高温蓄熱器９における蒸発温度を７０°Ｃ（
蒸発のための温度差＝１５〜２５８Ｃ）、その凝縮温度
を３５°Ｃとすると、ζ□＝０．０９３となり、（３）
式からこの装置における理論熱転換効率は約７４％とな
る。なお、実際のＷ濡蓄熱装置においては、圧縮機やタ
ービンの機械効率等の損失や熱損失等が生ずる。しかし
これらの損失を考慮しても、本発明の装置の熱転換効率
は　４５〜５５多を示した。このことは、低沸点有機化
合物の水和物による低温蓄熱材の採用が、太陽熱や工場
排熱を利用した８０〜９５°Ｃの温水による高温蓄熱器
からでも、高い熱転換効率で冷熱を蓄熱することを示し
ている。

次に水弟１の発明の機能について述べる。

卜記第１図に示した工程に従い、冷媒としてフロン１２
を用いた。

予め低温蓄熱槽１内に水りを供給しておき、一方、液状
のフロン１２を管路６から膨張弁７を経てノズル８から
水り中に注入する。すると、フロン１２の一部が蒸発す
ることによって水が冷却され、フロン１２と水との反応
によって生成したフロンＩ２の水和物の結晶が析出し、
水和物結晶の水懸濁物が形成され、水の顕熱と水和物結
晶の生成熱との形態で槽内温度８℃から１１℃の範囲で
冷熱が蓄熱される。低温蓄熱槽１で蒸発したフロン１２
の蒸気を管路２を経て、タービン２１と直結した圧縮機
３に送って加圧し、管路４を経て凝縮器５において冷却
水２８で液化される。

この液化フロン１２は管路６．膨張弁７を経てノズル８
から低温蓄熱槽１に送られ、上記同様の操作が再ん繰り
返えされる。

一方、高温蓄熱器９では、１５０〜３００°Ｇの工場排
ガス１０を熱交換器１１に供給するか、或は、太陽熱集
熱器１５を利用して８０〜９５℃の温水を一１造し、こ
れを管路１６を経て蓄熱器９内に蓄熱し、冷却した温水
は管路１２．循環ポンプ１３および管路１４を介して再
び集熱器１５に送られる。

この温水によって蒸発器１７で発生したフロン１２の高
圧蒸気は気液分離器１９に導かれ、分離した蒸気を管２
０によりタービン２１に導入し、その断熱膨張によって
タービン２１を駆動する。

なお、タービン２１　の起動またはフロン１２の不足の
場合には補助電動機２２が用いられる。

次にタービン２１から排出されたフロン１２の蒸気は管
路２３を経て凝縮器２４に導かれ、冷却水２８により冷
却され、液化される。液化したフロン１２は管路２５．
循環ポンプ２６により管路２７を経て蒸発器１７に循環
される。

次いで、かかる冷熱蓄熱操作により、低温蓄熱槽１に蓄
熱された冷熱を利用して蓄熱槽１内の熱交換器２９で調
温用冷水を約１５℃前後に冷却する。この冷水は切換弁
３０．循・環ポンプ３１を経て、管路３２から、たとえ
ば居室や事務所、電算機室等に設置した温調施設３３に
送られ、各加温された冷水は管路３４．切換弁３５を経
て熱交換器２９に循環され、再び上述の操作が行なわれ
る。

以上述べた冷房操作は、主として夏期に実施されるが、
冬期においては、高温蓄熱器９内の温水が直接、温調施
設３３の暖房用温水として使用される。すなわち、管路
３６．切換弁３７を経て循環ポンプ３１より温水を供給
し、各部屋を暖房した後に温度の低下した温水を管路３
４．切換弁３８．管路３９を経て蓄熱器９内にもどされ
る。

低沸点有機化合物としてフロン１２を用いたこの実施例
にもとづき、フロン１１．フロン２２およびフロン２１
を用いた場合の、冷熱蓄熱容量。

理論熱転換効率を求め、フロン１２と比較して下記第２
表に示した。

第２表の最高放熱温度は、水和物結晶が残留し、結晶種
が存在し得る温度であり、各水和物の臨界分解点温度よ
りも約１０°Ｃ前後低い湿度を採用した。また晶析温度
には最高放熱湿度より点有機化合物の蒸発温度には、蒸
発のための過熱度として３℃を採用し、晶析温度よりも
３°Ｃ低い温度に夫々設定しである。

第２表から明らかなように、蓄熱容量、理論転換率はフ
ロン２２において最も高いが、低温蓄熱槽１の操作圧力
が１２℃で４，９００調Ｈｇ　（６，７Ｋｇ／Ｊ　ａ　
ｂ　ｓ　）、１５℃で５，９００　ｍｍＨｇ　（８，０
Ｋｇ／ｃｒｔ？ａｂｓ　）と高い圧力にある。

また低沸点有機化合物としてフロン１１を採用すると、
低い温度で冷熱が蓄熱され、その蓄熱容量も大きいが、
槽内の操作圧力は３°Ｃで３　］、ＯｍｍＨｇ、６°Ｃ
で４００　＋ｍｎＨｇと逆に負圧となり、槽内への空気
の混入等を防ぐ工夫が必要である。

また、フロン１２は、その蓄熱容量が最も小さいが、低
湿蓄熱槽１の操作圧力が８℃で２．７００ｍｍＨｇ　（
３，７Ｋｒ／Ｊ　ａｂｓ　）、１１℃で３．３００　ｍ
Ｈｇ　（４，４Ｋｇ／ｉ　ａｂｓ　）であり、最も使用
しゃすい低沸点有機化合物である。

ｒ＝′また、低温蓄熱槽１の操作圧力や、蓄熱温度の調
整には、前記第１表に示した低沸点有機化合物を適宜、
混合して使用することもできる。

第２図は水弟２の発明の実施例を示し、前述したような
低沸点有機化合物を冷媒に用いると共に、前記第１の発
明において用いた圧縮機３（第１図）の代りに、冬期に
おける寒冷な外気、好ましくは５℃以下の外気温を利用
して冷熱を蓄熱し、夏期の冷房に使用することを可能に
したものである。すなわち第２図において、低温蓄熱装
置は低温蓄熱槽４ｏと、冬期外気に熱を放出して低沸点
有機化合物を凝縮、液化せしめる熱交換器４１と、この
液状有機化合物の貯槽４２とから構成されている。そし
て液状有機化合物は貯槽４２から、低温蓄熱槽４ｏ内の
水りにノズル４８を経て混入され、蓄熱槽４ｏ内の上部
空間がらの低沸点有機化合物蒸気、蓄熱槽４ｏ底部のフ
ロン溜４９に沈降した液状の低沸点有機化合物は共に熱
交換器４１において外気により冷却、凝縮されるように
なっている。

羽前記第２表に示したフロン系の水和物結晶は、フロン
の種類によっても異なるが、５℃から１６°Ｃの温度範
囲で析出する。たとえばフロン１２を冷媒に用いた場合
には、１１８℃以下の湿度で水和物結晶が析出するので
、フロン１２を熱交換器４１で５℃以下の冬期外気温と
熱交換させて冷却し、その冷却された液状のフロン１２
を低温蓄熱槽４０内の水中に直接混入して水を１１℃以
下の湿度に冷却することにより、水中にフロン１２の水
和物結晶を析出させることができる。或は、熱交換器４
１を利用して、蓄熱槽４０内で発生したフロン１２の蒸
気を凝縮、液化せしめ、再使用しながら蓄熱槽４０内を
冷却し水和物結晶を析出させる。ただし、フロン１２の
蒸気を凝縮、液化せしめるためには、外気温が０°Ｃ前
後、好ましくは０℃以下となる気象条件が必要である。

以下、本第２の発明の機能を第２図にもとづき述べる。

外気温が５°Ｃ以下に低下した時点で貯槽４２から液状
フロン１２を弁４３．循環ポンプ４４．弁１５、管路４
６を経て熱交換器４１に導き、冷却する。ま・た同時に
弁４γを開き、液状フロン１２をノズル４８から低温蓄
熱槽４０内の水りに混入する。混入した液状フロン１２
は、水りと反応して水和物を形成すると共に、一方、加
温された液状フロン１２は槽４０の下部のフロン溜４９
にたまり、ポンプ５０．弁５１および管路５２を経て熱
交換器４１に送られ、冷却されて、貯槽４２に送られる
。この冷却操作によって、低湿蓄熱槽４０内の温度が１
０°Ｃ以下に低下すると、徐々にフロン１２の水和物結
晶が析出する。このとき槽４０内のフロン１２の蒸気圧
は約４．０〜４．２　Ｋｆ／ｃｒ！ａｂｓである。また
外気温が０℃前後、またはそれ以下の温度の気象条件下
では、熱交換器４１およびフロン１２の貯槽４２内のフ
ロン１２の蒸気圧は、３．０〜３．３Ｋｇ／ｃｎ？ａｂ
ｓとなり、低温蓄熱槽４０内のフロン１２液を蒸発させ
、それを凝縮、液化するために十分な条件となる。そこ
で弁４５と１５１を閉じ、熱交換器４１へのフロン１２
液の循環を中止し、弁５３を開放し、低温蓄熱槽４０内
のフロン１２のる。凝縮、液化したフロン１２は、更に
十分に冷却されて、貯槽４２．ポンプ４４を経てノズル
４８から低温蓄熱槽４０内に流入し、蒸発と水和物結晶
の析出を繰り返す。また低温蓄熱槽４０内の、蒸発もし
なく水和物結晶をも析出しない他の液状フロン１２は、
前記の如くフロン溜４９にたまる。そしてポンプ５０に
より、弁５４を経てノズル５６から噴出され、この循環
中にその一部を蒸発させ、自らも冷却して水中に混入し
、水和物結晶の析出を繰り返す。

上記操作によって、５℃以下、または０℃前後とそれ以
下の冬期の外気温を利用して、低温蓄熱槽４０内に冷熱
を蓄熱することができる。この場合の蓄熱容量は、冬期
の気象条件によって非常に異なるが、５℃以下に低下す
る１２月中旬から３月中旬頃までの外気温、特に夜間の
気温を利用し、上述したような冷熱蓄熱の原理にもとづ
いて、低温蓄熱槽４０内の水分量に対して、８０　％か
ら１００　％の水和物結晶を析出させると、れ、低温蓄
熱槽４０内に設置された冷水熱交換・器５６によって１
５℃から２０°Ｃの冷水を送り、この冷水を管路５７．
冷水ポンプ５８によって、たとえば屋内の温調器５９に
循環させ、屋内の冷房に使用され、管路６０を経て熱交
換器５６に循環される。

以上述べた如く、本第１の発明によれば、低沸点有機化
合物を蓄熱冷凍サイクルの冷媒に使用し、かつランキレ
サイクルの作動媒体に使用するので、冷凍サイクルにお
いて蒸発した冷媒の蒸気を圧縮するための圧縮機と、ラ
ンキンサイクルにおいて、この圧縮機を駆動せしめるた
めのターピンとを連結する軸構造が簡単になり、軸受け
からの低沸点有機化合物の漏れを無くし、その損失を極
めて少なくすることができる。

また、蓄熱冷凍サイクルとランキンサイクルとを組合せ
ているので、高温蓄熱槽から低温蓄熱槽への熱転換工程
において、高い変換効率でまた本第２の発明によれば、
冷媒である低沸点有機化合物の蒸気の液化に、この有機
化合物の沸点以下の温度の外気を利用しているので、本
第１の発明のように圧縮機や凝縮機を使用する必要がな
く、従ってランキンサイクルが全く不要になり、この結
果、装置の構造を極めて簡単にすることができる。

従って、冬期の寒冷な外気温を利用して、冷熱を有効に
蓄熱し、この冷熱を夏期の冷房に使用することができる
。

また、本発明はいずれも臨界分解点が５°Ｃ〜１８℃の
水和物結晶を蓄熱材に用いているので、夏期の冷房気温
として好適な５°Ｃ〜１５°Ｃの範囲の温度を与えるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本第１の発明の実施例を示す概要図、第２図は
本第２の発明の実施例を示す概要図である。 Ａ　蓄熱冷凍サイクル、Ｂ・・ランキンサイク源供給手
段、２１・・・タービン、２４　　・凝縮器、３３・・
・温調施設、４０・・・低温蓄熱槽、４１・・・熱交換
器、４２・・・貯槽、４８　、５５・・・供給装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、沸点が３０℃以下であり、臨界分解点が５℃〜１８
   ℃の水和物結晶を形成しつる有機化合物を冷媒とする蓄
   熱冷凍サイクルと、前記有機化合物を作動媒体とするラ
   ンキンサイクルとから成り、前記蓄熱冷凍サイクルは低
   温蓄熱槽と、該低温蓄熱槽内の水中に前記有機化合物を
   液状で混入する供給装置と、該低温蓄熱槽で気化した前
   記有機化合物蒸気を加圧する圧縮器と、この圧縮された
   ガスを液化して前記供給装置に導く凝縮器とから構成さ
   れ、前記ランキンサイクルは前記有機化合物の高圧蒸気
   を発生せしめる高温蓄熱器と、該高温蓄熱器からの前記
   高圧蒸気により駆動されるタービンと、該タービンから
   排出された蒸気を液化して前記高温蓄熱器に導く凝縮器
   とから構成され、更に前記低温蓄熱槽内で前記冷媒によ
   り冷却された冷水を用いる温調施設と、前記高温蓄熱器
   への加熱源供給手段とを設けたことを特徴とする低温蓄
   熱装置。 ２、沸点が３０°Ｃ以下の有機化合物を水と反応せしめ
   て臨界分解点が５°Ｃ〜１８°Ｃの水和物結晶に析出さ
   せるべき低温蓄熱槽と、前記有機化合物を液状で貯蔵す
   る貯槽と、該貯槽および前記低温蓄熱槽の底部に沈降し
   た前記液状有機化合物を前記低温蓄熱槽に導く供給装置
   と、前記低温蓄熱槽内の前記有機化合物の蒸気および前
   記沈降した液状有機化合物を外気との熱交換により冷却
   して前記貯槽に導く熱交換器とから構成したことを特徴
   とする低温蓄熱装置。