JPS60256756A - 温度別蓄熱槽 - 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】 本発明は太陽熱エネルギー又は工場廃熱等の温度的にバ
ラツキのある熱エネルギー、或いは、冷凍機等よりの冷
熱等を温度別に分級し、蓄熱を図かろうとする装置に関
するものである。

但し、ここでは熱媒体としては一般的には水を対象とす
るものとする。

一般に、太陽熱又は工場廃熱等を集熱して使用する場合
、天候・時間・熱源の稼動状況等により様々に変動り、
熱の供給が一定せず、これがため需要側においては非常
に使いにくいものとなっていた。

そこで従来からこの様な問題を解消する方法として、系
統内に一時熱を蓄積する蓄熱槽を設けてきた。

しかしながら、従来の蓄熱槽にあっては、集熱装置等よ
り送給される温度が高温の場合でも、又。

低温の場合でも、同一蓄熱槽内に単一蓄熱方式で貯える
ようにしているため、蓄熱温度が平均化されてしまい、
せっかくの高温度での熱回収の場合。

その優位性を有効に生かすことは出来なかった。

そこで、この問題に対応しようと、熱容量の異なる蓄熱
槽を数個ならべ、ヒートパイプにより、それぞれを熱流
体の送給の導管と接続することにより、温度別に蓄熱す
る方法が提案されてきたが。

コスト等種々のことに問題があり、未だ実用機種として
満足させられるものではなかった。

本発明は、この様な事情に鑑みてなされるものでよく保
温された外枠の内に、底面をもつ内枠を任意数重ねて多
重槽を形成した蓄熱槽であり、これをインプット側より
見れば、形状記憶合金のコイルバネが組込まれた分級弁
と、内枠の底面の直管群とにより連結することにより、
高温域・中温域・低温域と三段階以上の温度別に、熱が
蓄積されることが特徴となっており、アウトプット側よ
り見れば、各槽を連通管等により連結することにより、
蓄積された熱を高温側より順に取り出しが可、　能なる
蓄熱槽である。もって、熱のエクセルギー的有効性を高
めようとする装置に関するものである。

以下主要なる構成を図に示す実施例を用いて説明する。

第１図は１本発明における温度別蓄熱槽の断面図及びそ
の循環回路略図であり、第２図は１分級弁の断面図であ
り、第３図は１分級弁の上面断面図である。

蓄熱槽の形式は、いわゆる密封型と大気開放型とが考え
られるが１本発明はこのいづれにも適用される訳であり
、ここでは密封型を実施例として。

図面に基づいて説明する。

温度別蓄熱槽の外枠１は、任意の形状１例えば長方形・
円柱形等で、よく保温された枠組であり。

その内側に底面３をもった任意の形状の内枠２を設置し
、二重槽の蓄熱槽を形成する。

底面３をもった内枠２は複数個以上をさらに重ねて増加
させることが出来、多重槽となすことも出来る。

そＬ？・温熱０蓄熱を目的とする場合は・底面３　、（
と内枠２の内側を高温域用のＨ域と呼び、内枠２　″と
外枠１との開を中温域用のＭ域と呼び、内枠２の底面３
と外枠１との間を低温域用のＬ域と呼ぶものとする。

熱源よりの熱の送給体制による訳であるが１通常は第１
図のように、Ｈ域〈Ｍ域〈Ｌ域、のような容積比の構成
となすことが望ましい。

内枠２には、もぐりせき、又は連通管５等と、溜り空気
の抜穴４と、形状記憶合金のコイルバネ２２が組込まれ
ている分級弁６を単数又は複数個以上を適当な位置に設
置する。

内枠２の底面３には、内側に直立する直管７と下方に向
かって突出する導管８とを付着する。

外枠１には、給水口９と、熱交換器又は集熱装置１２と
の間でポンプ１１により用水の循環を図るため温度別の
分級のための分級弁６の構成は第２図・、第３図に示す
通りである。

即ち１分級弁６の枠組１５を大きく脹らませて応答基調
となし、枠組１５の底辺部より支柱１６・１６′を突出
し、心棒１７を摺動可能に支え、心棒１７の両端の各々
の側に支柱１６・１６′より適当な間隔をもって弁体１
８・１８′を固定し、弁体１８・１８′に見合う位置に
シートリング１９・１９′を枠組１５に固着する。

心棒１７の支柱１６と１６′との間の適当な位置に留金
２０を固着し、コイルシート２１をおいて、留金２０の
両側に心棒１７を中心軸として、形状記憶合金のコイル
バネ２２とバイアスバネ２３を組合せて設定する。

コイルバネ２２の直前に相対するように、熱流体の送給
の道管１４を枠組１５に挿入する。

ここで用うる形状記憶合金のコイルバネ２２は一方向性
のものであっても、二方向性のものであってもよく、形
状記憶合金の温度変化による復元応答作動を直接的弁体
１８・１８′の駆動源とする構造であることを特徴とす
る。

分級弁６の設置位置は、必ずしも密封型の蓄熱槽の場合
は内枠２におく必要はなく、蓄熱槽外の循環回路上にお
いて９分級された熱流体をＨ域とＭ域の適当な位置に導
入してもよい訳であるが、大気開放型の蓄熱槽の場合は
９分級弁６を内枠２に設置するか、又は循環回路上に設
置する場合は。

蓄熱槽の貯水面以下の位置に設置し、シートリング１９
・１９′の両端共が、常にほぼ等圧の静水圧をうけてい
るようにし、弁体Ｉ８・１８′の一方が循環用水の流動
水圧、もう一方は大気圧と大きな圧力差を生じないよう
な措置をとらねばならない。

これは形状記憶合金のコイルバネ２２の温度変化に対す
る特性は、外部負荷の変動に対して、非線１的な不安定
な応答をしめすためである。

したがって又１分級弁６えの熱流体の道管１４の断面積
よりも、弁体１８の断面積が大であることが望ましく、
そのためには７分級弁６を複数個以上並列的に設置する
ことが望ましい。

以上のように１本温度別蓄熱槽は （１）任意の形状でよく保温された外枠の内に底面をも
った内枠を単数又は複数個以上を重ねておぎ。

内枠には連通管等と分級弁を設置し、内枠の底面には、
内側に直立する直管と下方に向かって突出する導管とを
付着したることを特徴とする蓄熱槽ゞ　であり。

（２）上記記載の分級弁の枠組を大きく脹らませて応答
室となし、支柱を突出し、支柱に摺動可能に支えられた
心棒の両端の各々の側に弁体を固定し。

心棒を中心軸として形状記憶合金のコイルバネとバイア
スバネを組合せて設定し、形状記憶合金の温度変化によ
る復元応答作動を直接的弁体の駆動源とする構造である
ことを特徴とする温度別蓄熱槽の温度別の分級のための
分級弁である。

上記の構成を有する温度別蓄熱槽の作動は次の通りであ
る。

実施例として１図面に基き太陽熱を集熱する一回路式の
受熱・蓄熱装置である場合につい説明する。

先ず、給水口９より上水道等を一旦シスタンク等に送り
込む方法等により用水を圧送し、外枠１及び内枠２内を
満水状態とする。

太陽が昇り、集熱装置１２が太陽熱を受熱して温度が上
昇し、蓄熱槽のＬ域の部分の温度より高い温度になった
ならば、ポンプ１１を稼動させて、用水を集熱装置１２
に送り込む。

そこで加温されて、その熱流体は道管１４を通って　、
１゛１ 分級弁６をこ還流供給される。

道管１４は大ぎく脹らんだ応答室Ｕ内において、形状記
憶合金のコイルバイ・２２の直前に挿入されているので
あるから、形状記憶合金のコイルバネ２２ヲこ直ちに温
度変化を与え、それが形状記憶合金のコイルバネ２２の
変態の設定温度より高かければ、相の変態が始まり、記
憶されている伸長方向に復元りようとし１反対側のバイ
アスバイ・２３を圧縮し短縮方向へもっていく。

この応答作動は、今までバイアスバイ・２３の伸び方向
の応力で弁体１８がシートリング１ｇ＆こ抑えつけられ
ていたものを引きはなし、一方、心棒１７の反対側にあ
る弁体１８′は押しだされてシートリング１９′に押り
つけられることになる。

即ち、今まで弁体１８とシートリング１９との間が閉で
あったものが開となり、弁体１８’とシートリング１９
’との開は、開であったものが閉となる結果となり、送
給されてきた熱流体は、形状記憶合金のコイルバネ２２
の変態の設定温度を界として、温度別の分級がなされた
結果としてＨ域に対して流入することを意味する。

逆に、形状記憶合金のコイルバイ・２２の変態の設定温
度より低い熱流体が応答南回に送給されてくれば、弁体
の動ぎは前述のものと逆となり、その分級作用を受けた
結果として、低温の熱流体であるものとして１Ｍ域に向
かって流出することとなり。

温度別の蓄熱が出来ることとなる。

これを具体的に述べるならば、今ここで形状記憶合金の
コイルバイ・２２は一方向性の形状記憶合金であり、変
態の設定温度は６０°Ｃで伸長方向に復元するものを分
級弁６に使用したものとするならば。

集熱器１２を通って応答室２４に送給されてきた熱流体
の温度が７０°Ｃであるものとすれば、これは形状記憶
合金のコイルバイ・２２の変態の設定温度のω℃よりも
高い訳であるから、コイルバＡ・２２は伸長方向に復元
しようとする。

しかし、コイルバネ２２とバイアスバイ・２３は、固定
されｌコ支柱１６・１６′に支えられた摺動可能な心棒
１７を中心軸として、固定された留金２０を挾んで設定
されているのであるから、コイルバネ２２の伸長はバイ
アスバイ・２３の圧縮・縮少という結果を生ずる。

それは今までバイアスバネ２３の伸びＯこよる応力によ
す、支柱１６・１６’の外側において、弁体１８はシー
トリング１９に押しつけられ閉状態になっていたものを
手前に引きつけ、シートリング１９より引きはなし、開
状態となし。

一方、心棒１７の反対側に固着されている弁体１８′は
バイアスバＡ・２３の伸びをこよる応力により、支柱１
６′に引きつけられ、開状態になっていたものが押し出
されてシートリング１９′に密着り、閉の状態に変化す
る。

したがって１分級弁６に送給されてきた７０℃の熱流体
はＩ（域をこ対してのみ、６０°Ｃ以上の高温の熱流体
であると分級・認識された結果として流入することとな
る。

これにより当初満水とした用水の温度が仮りに２０℃で
あったとするならば、この強制流入による直接混合の温
度上昇が始まり、Ｈ域は容積比が最少であるから急速に
送給温度の７０℃に近づく。

や　そして、Ｈ域全体が７０℃に達すれば、外側のＭ域
の２０℃の用水との間の比重差と浮力により７０°Ｃの
熱流体は連通管５を通しての上昇流となってＭ域を高温
化していく。

以降も７０℃の高温の送給がつづけば、Ｌ域では温度成
層を形成しながら、上の方より昇温してゆぎ。

蓄熱槽全体が７０℃の同一温度に達すれば、蓄熱作業は
完了する。

これがその途中において夕方ＯこなってＬまったり。

一時曇ったりなどして、集熱温度が降下し、５０’Ｃの
熱流体の送給になったものとすれば、それは形状記憶合
金のコイルバネｎの変態の設定温度たる６０°Ｃを下廻
ったことになり、形状記憶合金は軟らかく降伏応力は小
となり、バイアスバス２３の力は容易にコイルバネ２２
の応力に打勝ち、バイアスバネ２３は伸長し、コイルバ
ネ２２は圧縮・縮少される。

これは前述の逆作用であり、弁体１８はシートリング１
９に対して押し出され、閉状態となり、弁体１８′はシ
ートリング１９′より引きはなされ、ここでは開の＊Ｂ
ｌｆｘ６・　１．．１ したがって、Ｈ域えの流入はなくなり１Ｍ域への　６流
出となる。

Ｍ域もＬ域も共に未だ２０°Ｃの用水が存しているもの
とすれば１分級弁６より流出した５０℃の熱流体は、当
然上昇流となって１Ｍ域を初づ加温し９次にＬ域に対し
ては温度成層を形成りながら順次上の方より高温化して
いく。

所で、太陽熱エネルギーの集熱は極めて不安定であり、
蓄熱槽内の用水の温度は先の仮定のように２０℃で満水
となっている時、不幸にも分級弁６の形状記憶合金のコ
イルバネ２２の変態の設定温度である６０℃より低い、
４０℃とか５０℃位の集熱が最高温であったという場合
も当然予想される。

そうするとこの場合は形状記憶合金のコイルバネｎの伸
長がおこらない訳であるから、Ｈ域を二対する弁は閉状
態のままであり、Ｈ域は放置状態となり全く昇温しない
結果となってしまう。

これを救済するため、内枠２の底面３に直立する直管７
と下方に突出する導管８とを封着する。

これはＭ域の熱流体がＬ域のにライン附近まで。

４０℃とか５０℃の温度成層帯を切下げてくれば、Ｈ域
とＬ域との間で、直管７及び導管８を循環するサーモサ
イフオン作用が生じ、Ｈ域を昇温させることになり、Ｈ
域も４０°Ｃとか５０℃まで加温される結果となる。

このよう（二本温度別蓄熱槽を機能的をこみるならば直
管７及び導管８を付着した底面３と、形状記憶合金のコ
イルバλ・２２とバイアスバ４・２３を組込んだ分級弁
６が設定された内枠２とを外枠１内におくことにより、
そしてそこに生ずるサーモサイフオン作用と温度別の分
級作用等とを利用することにより、極めて合理的に、Ｈ
域は高温域用・Ｍ域は中温域用・Ｌ域は低温域用・と三
段階の温度別の蓄熱が可能となるのである。

これらの関係が理想的に有効をこ作用するために。

Ｈ−Ｍ−Ｌ域の各容積比・位置・形態等は集熱面積等の
熱の送給の状況を考慮して適切に定められていることが
望ましい。

高温になった用水の利用の体制は、給水［１９より用水
の圧送による押出型の取り出しとなる。

それは分級弁６はどちら側かが常に閉状態となってふり
、直管７及び導管８〈連通管５の断面積の関係にあり、
かつ、流れ抵抗が連通管５の方が小さければ、給水口９
→Ｌ域→Ｍ域→連通管５→Ｈ域→取り出口１３．の順に
温度成層を形成りながら順次高温用水が押し出されてく
る。

工場廃熱の場合は、集熱装置１２を熱交換器であるとみ
なせば、その作動概念はそのまま適用され。

蓄冷熱の場合は、Ｈ域とＬ域の位置関係を逆転しＨ域に
最低温域の冷熱流体を流入するものと考えれば、同様の
概念が適用されることは明白である。

以上のように本発明は９分級弁６（二よる温度別の分級
作用と、内枠の底面に付着した直管と導管の組合せによ
るサーモサイフオン作用等とを利用することにより、極
めて合理的に、Ｈ域＝高温域用Ｍ域＝中温域用、Ｌ域＝
低温域用、と温度別の蓄熱が可能となる装置である。

これはバラツキのある温度の熱流体が送給されれば、そ
の平均温度しか利用出来なかった在来型の蓄熱槽に比べ
て、エクセルギー的に熱利用の優位性が図れ、経済効果
も一段と優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、温度別蓄熱槽の断面図及び用水の循環回路略
図である。 第２図は１分級弁の断面図である。 第３図は１分級弁の上面断面図である。 １−−−−−−−一外枠　２〜＝−−−−一内枠　３−
−−−−−−・底面５−−−−−−−一連通管　６−−
−−−−−−分級弁　７、−−−−−−直管８−−−−
−−−−導管　１６−−−−−−−一支柱　１７−−−
−−−−−心棒１８−−−−−−−−弁体　１９−−−
−−−−−シートリング　２０−−−−−一留金２２−
−−−−−−形状記憶合金のコイルバネ２３−−−−−
−−バイアスバネ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）任意の形状でよく保温された外枠の内に底面をも
   った内枠を単数又は複数個以上を重ねておき。 内枠には連通管等と分級弁を設置り、内枠の底面には内
   側に直立する直管と下方に向かって突出する降管とを付
   着したることを特徴とする温度別蓄熱槽。
2. （２）分級弁の枠組を大きく脹らませて応答室となし、
   支柱を突出し、支柱に摺動可能に支えられた心棒の両端
   の各々の側に弁体を固着し、心棒を中心軸として形状記
   憶合金のコイルバネとバイアスバイ・を組合せて設定し
   、形状記憶合金の温度変化による復元応答作動を直接的
   弁体の駆動源とする構造であることを特徴とする特許請
   求の範囲１に記載の分級弁。