JPS6089689A - 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】 産業上の利用分野 本発明は潜熱蓄熱材を用いる蓄熱装置に関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 従来より、潜熱蓄熱材を封入したカプセルを蓄熱槽中に
多数配置し、そのカプセルの間を熱媒体で満たし、その
熱媒体を蓄熱槽外に移送して熱交換を行なう蓄熱装置が
知られている。この方式で給湯を行なうとすると熱媒体
として水を用いる。

しかし、この方式では熱媒体である水と潜熱蓄熱材を収
納したカプセルが直接接触するため、もしカプセルが腐
食等により穴があいた場合、使用する湯の中に潜熱蓄熱
材が混入する危険性があった。

したがって、この蓄熱装置は、衛生的な面で問題があっ
た。

また、潜熱蓄熱材を封入したカプセルを蓄熱槽中に多数
配置し、そのカプセルの間を熱媒体で満たし、その熱媒
体中に熱交換器を配設した蓄熱装置が知られている。こ
の方式の蓄熱装置では、たとえ熱媒体として蓄熱装置を
使用する温度・圧力範囲で沸騰する熱媒体？用いても、
放熱用の熱交換器が液相の熱媒体中に配設されているた
め、気相空間は全熱冷却されず熱媒体は沸騰しない。そ
のため、この方式の蓄熱装置では、熱交換のために自然
対流しか利用できないので、放熱時の熱交換速度を大き
くするためには、熱交換面積を非常に大きくする必要が
ある。したがってこの方式の蓄熱装置は非常に高価にな
り、天川的ではなかった。

蓄熱槽中に潜熱蓄熱材と、この蓄熱槽の使用温度・圧力
範囲で沸騰し、しかもその蓄熱材の融液とは互いにほと
んど溶解しない蒸発性液体を収納し、蓄熱材の融液と蒸
発性液体を直接接触させて、蒸発性液体ケ蒸気に変えて
潜熱蓄熱材中に貯えた熱を取り出す蓄熱装置が提案され
ている。この方式の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材が融液の時
には熱媒体が蓄熱材中ケうまく移動して熱交換を行なう
が、潜熱蓄熱材が凝固を開始して固体の割合が増加して
くると、蓄熱材がスラリー状になり、熱媒体がその中を
きわめて移動しにくくなる。そのため、当然、蓄熱材が
すべて凝固してしまう前に熱交換が不可能になってし１
つ。したがって、この方式の蓄熱装置では、潜熱蓄熱材
の融解潜熱を１００％取り出すことができない。当然の
ことながら固体の顕熱は全然取り出せない。このように
、この方式の蓄熱装置は、蓄熱した熱の一部しか回収す
ることができないと言う基本的な問題点を有している。

壕だ用いる潜熱蓄、熱材の種類によっては、その融液の
粘性が高く、熱媒体がその中をう甘く移動せず、熱交換
が起こらないという問題点も有している。したがって、
この方式の蓄熱装置は、以上説明した基本的な問題によ
り笑用化が困難であった。

また、蓄熱槽内、潜熱蓄熱材全封入した容器を多数収納
し、その蓄熱槽の使用温度・圧力範囲において液相であ
る第１熱媒体と、その第１熱媒体とは互いに雑芥性であ
り、しかも液相時の比重が前記第１熱媒体より大きく、
前記蓄熱槽の使用温度・圧力範囲で沸騰する第２熱媒体
との２種類の熱媒体を、少なくとも第１熱媒体が潜熱蓄
熱材を封入した容器と直接接触するように、しかも蓄熱
槽上部には気相空間を残して収納し、その蓄熱槽中の気
相空間には冷却器（放熱用熱交換器）？、液相空間には
加熱器（蓄熱用熱交換器）を配設し、密封してなる蓄熱
装置が提案される。しかし、現在、冷却器の熱交換面積
を変化させずに、より急速な放熱が可能な蓄熱装置が耀
まれていた。

発明の目的 本発明は冷却器及び加熱器の熱交換面積がそれほど大き
くなくても、蓄熱時及び放熱時とも大きな熱交換速度が
得られ、しかも蓄熱材のオリ用効率が高く、低コストで
、その１甘水を加熱する場合にも得られる湯が非常に衛
生的でかつ安全性の高い蓄熱装置を提供するものである
。

発明の構成 本発明の基本構成は、潜熱蓄熱材を封入したカプセルを
蓄熱槽中に多数個配置し、蓄熱（加熱）時の熱交換を目
的として、この蓄熱槽の使用一度・圧力範囲において液
相である第１熱媒体と、放熱（冷却）時の熱交換を目的
として、その第１熱妹体とは互いにｇ溶性であり、しか
も液相時の比重が上記第１熱媒体、Ｊ：９大きく、前記
蓄熱槽の使用温度・圧力範囲で沸騰する第、２熱媒体と
上記２種の熱媒体にほとんど溶解しない粉体を、少なく
とも第１熱媒体が潜熱蓄熱材を収納した容器と直接接触
するように、しかも、前記蓄熱槽中に気相空間を残して
収納し、その蓄熱槽の気相空間には冷却器（放熱用熱交
換器）を、液相空間には加熱器（蓄熱用熱交換器）を配
設し、密封してなる構成である。

本発明の蓄熱装置の特徴の一つは、蓄熱時論熱器から液
体の粉体の分散した第１熱媒体に熱？与え、その第１熱
媒体からカプセル中の潜熱蓄熱材に熱が伝えられるので
、第１熱媒体の対流により、第１熱媒体の温度分布は均
一になり、効率のよい蓄熱が可能な点である。また当然
のことながら、蓄熱材の一部が異常に加熱されて変質し
てし甘うということもない。本発明の蓄熱装置のもう一
つの特徴は、放熱時潜熱蓄熱材の熱をカプセルの１わり
の粉体が分散した液体の第１熱媒体に伝え、その第１熱
媒体と蒸発性の第２熱媒体が直接接触して、あるいは蒸
発性の第２熱媒体が潜熱蓄熱材を封入したカプセルと直
接接触して、それらから熱を奪って蒸気になり、その蒸
気が蓄熱槽上部の気相空度に設けた冷却器に熱を伝え、
蒸気は凝縮して再ひ液体になり蓄熱槽の下部に移動する
という形で蓄熱材の熱？冷却器に伝えるので、冷却器の
熱交換面積が小さくても、大きな放熱速度が得られ、し
かも潜熱蓄熱材の液相と固相の顕熱それに当然１００％
融解潜熱ケ取り出すことができ、蓄熱効率が非常に高い
点にある。しかも、本発明の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材と
して腐食性の強い吉水塩を主成分とするものを用いた場
合でも、容器の中に封入するため、蓄熱槽には特別な防
食の必要がなく、カプセルに何らかの理由で穴がおいて
潜熱蓄熱フニイがもれ出しても、冷却器中を通る加熱し
だい熱媒（水道水々と）と熱媒体が直接接触しないため
、使用に際して非常に衛生的であり、かつ安全性の高い
ものである。

本発明を具体的に芙施する場合、たとえば潜熱蓄熱材と
して、融点が５８℃であり、その時の潜熱が６０　ｃ、
ａｌ！、／ｙと大きい酢酸ナトリウム３水塩に、過冷却
防止材として、ピロリン酸ナトリウムケ加えたものを用
いた。浩°熱蓄熱材を封入するカプセルとしては、潜熱
蓄熱材の腐食性とコスト面を考慮してポリエチレン製の
袋を用いた。

蓄熱時の熱交換を目的とした使用温度・圧力範囲で液体
の第１熱媒体としては、使用の容易さ等を考慮して水を
用いた。さらに水を使用した場合には、冬期には凍結に
よる蓄熱槽の破壊の危険性があるので、アルコールの水
啓液についても実験を行なった。

アルコールの水溶液としては、今回、人体への安全性等
を考慮して、グロピレングリコールの水溶液を用いた。

液相である第１熱媒体とは互いに難溶解性であり、しか
も液相照の比重が上記第１熱媒体より大きく、蓄熱槽の
使用温度範囲で沸騰する第２熱媒体として、熱安定性等
を考慮してフロン系化合物が望ましいと考えられる。今
回の場合には、４６℃に沸点を持ち、液相時の比重が約
１．６５のトリフルオロトリクロロエタンを用いた。第
２熱媒体の選択は、第１熱媒体との相溶性や比重の外に
、潜熱蓄熱材の融点と、第２熱媒体の沸点との関係も考
慮して行なわれる。つ唸り蒸発性液体の沸点が潜熱蓄熱
材の融点に比較して著るしく低いと、潜熱蓄熱材全加熱
して十分に蓄熱した時、第２熱媒体を液相のまま保つた
めにはかなり圧力が高くなる等の問題点が生じるためで
ある。

第１及び第２熱媒体の両方にほとんど溶解しない粉体と
しては、熱伝導性がよく、しかも第１熱媒体中にうまく
分散するものがよい。そのような粉体として、炭素粉末
や酸化アルミニウム粉末がある。

実施例の説明 第１図に本実施例の蓄熱装置の概略断面図を示した。こ
の図で、１１は蓄熱槽であり、１２は潜。

熱蓄熱材、１３はそ′ｉ″ｌ−ヲ封入した容器、１４は
加熱器、１５は冷却器である。潜熱蓄熱材としてピロリ
ン酸すトリウムｆ　１　ｗｔ％含有した酢酸ナトリウム
３水塩を用い、これを５００ｙつつポリエチレン製の袋
の中に封入して用いた。そして、この蓄熱材を封入した
ポリエチレン製の装定２６０本蓄熱槽中に縦に並べた。

この蓄熱槽の中に、第１熱媒体として水を、第２熱媒体
としてトリフルオロトリクロロエタンを用いた。トリフ
ルオロトリクロロエタンと水は互いに溶は合わず、しか
もトリフルオロトリクロロエタンは水よりも比重が大き
いので、蓄熱槽の底にはトリフルオロトリクロロエタン
が、その上に水が乗ったような状態になる。第１及び第
２熱媒体にほとんど溶解しない粉体として平均粒径が約
１μｍの炭素粉末を用いた。

それぞれの熱媒体と粉体の収納量を、下表に示すように
変化させて、本実施例の蓄熱装置の蓄熱及び放熱特性を
調べた。それぞれの熱媒体の収納量は、それぞれの熱媒
体の上部の液面の位置、っ寸り第１図のａからｅの各段
階で示したのは、第２熱媒体の上部の液面の位置がａで
あり、第１熱媒体の上部の液面の位置がｄの場合である
。

蓄熱は加熱器に７０℃の湯を１０２／分の流量で流して
行ない、蓄熱槽中央部の蓄熱材ケ封入した容器中に取り
つけた熱電体によって蓄熱材の温度を測定した。蓄熱特
性の評価としては、室温から加熱を始めて、蓄熱材の温
度が６５℃に達する捷での時間？用いた。実験番号３の
、第２熱媒体つ１りトリフルオロトリクロロエタンを蓄
熱槽の底からａの位置からＣの位置１で収納しさらに炭
素粉末を１０１加えた場合の蓄熱特性を第２図に示した
。この図の縦軸は蓄熱材の温度であり、横軸は加熱を開
始してからの経過時間である。

放熱は、冷却器［５℃の水を１５℃／分の流量で流して
行った。実際に利用できるのは、４０℃以上の湯と考え
られるので、４０’Ｃ以上の温度で取り出せた熱量で、
本実施例の蓄熱装置の放熱特性を評価した。ところで実
験番号３の場合の出湯特性ケ第３図に示した。横軸は冷
却器に５℃の水を流しはじめてからの経過時間であり、
縦軸は得られた湯の温度である。

下表には、熱媒体と粉体の収納量を変化させた場合の、
本実施例の蓄熱装置の蓄熱及び放熱特性を１とめて示し
ている。下表の放熱特性として、４０℃以上で得られた
熱量とともに、回収効率もめて示した。回収効率は、こ
の蓄熱材が、実際蓄熱した熱量のうち４０℃以上で回収
できた熱量の割合を百分率で示したものである。熱媒体
や粉体による蓄熱量は、蓄熱材によるものと比較して非
常に小さいので、考慮しなかった。今回用いた潜熱蓄熱
材の液相の比熱が０．７　ｃａｎ／ｙ　℃　であり、融
解潜熱が６０　ｃａｆｌ／ｙ　、固相の比熱が０．３　
ｃａｎ７７　℃であるので、この蓄熱材１３０に９を室
温（２０℃）から６５℃１で加熱すると、この蓄熱材中
には液相の顕熱として、６４０ｋｃａｊＬ　、融解潜熱
として７８００　ｋｃａＩＶ、、固相の顕熱として１４
８０１ｃｃａｎ蓄熱されていることになり、総蓄熱量と
して９９２０ｋｃａμになる。したがって実験番号３の
場合には、４０℃以上の回収熱量が８５００　ｋｃａμ
であったので、回収効率は約８６係になる。

（以下余白） 下表の実験１から４は、第１及び第２熱媒体の収納量を
一定にして、粉体の収納量を変化させた場合である。実
験１では、第２熱媒体をａの位置１で満たし、さらにそ
こからＣの位置まで第１熱媒体を満たし、粉体は加えな
かったものである。

実験２では熱媒体の収納量は変化させずに、炭素粉末に
１９’加えたものであり、実験３及び実験４は、炭素粉
末の含有量ｔそれぞれ１０ｙ、　５０ｙと増やした場合
である。実験１から実験３を比較すると、炭素粉末の含
有量の増加とともに蓄熱特性、放熱特性ともに向上して
いるのがわかる。しかし、炭素粉末の収納量が５０ｙの
実験４の蓄熱及び放熱特性は、炭素粉末の収納量が１０
１の場合の蓄熱及０・放熱特性と変わらなかった。これ
は、炭素粉末をあ寸りたくさん加えても、ある一定量以
上は熱媒体中に分散せず、蓄熱槽の底部等に凝集してし
育って熱又換にほとんど寄与し寿いためであると考えら
れる。実験５．爽験３．果験６゜実験７は、炭素粉末の
収納量と、熱媒体の総収納量を一定にして、第１熱媒体
と第２熱媒体の比率を変化させたものである。実験Ｓで
は第１熱媒体をＣの位置せで満たし、第２熱媒体を用い
ないものであゃ、実験３では第２熱媒体を蓄熱槽の底か
らａの位置寸で収納し、そこからさらにＣの位置筐で第
１熱媒体金収納したものである。そして実験６では、第
２熱媒体をｂの位置１で、実験７では、第１熱媒体を用
いず第２熱媒体のみＣの位置壕で満たしたものである。

第２熱媒体を用いない実験１では、蓄熱に必要な時間は
８６分と短かかったが、４０℃以上の熱としては、全熱
蓄熱した熱を回収出来なかった。第２熱媒体をａの位置
壕で加えた実験３では蓄熱に必要な時間は８５分と英、
験５と比較して変わらないが、放熱特性は著しく向上し
て４０ｃｇ、上の熱として８５００ｋｃａｊ２回収でき
た。この場合の回収効率は８６チであった。

そして実験６のように第２熱媒体の収納量が増加すると
、蓄熱特性は若干悪くなるが、放熱特性は若干よくなる
。しかし実験７のように第１熱媒体を用いずに第２熱媒
体のみを用いたのでは、放熱特性は実験６の場合と変わ
らないが蓄熱特性はかたり悪くなる。

第２熱媒体の比率が増加すると蓄熱に必要な時間が長く
なるのは、第２熱媒体が蒸発性の液体であり、若干蓄熱
槽の上部から熱が逃げていたために起こったものと考え
ら扛る。特に冷却器１５のパイプを伝って逃ける熱が大
きいようである。逆に考えると、実験７のように蒸発性
の第２熱媒体の与を使用する場合に比べて、第１熱媒体
を加えた方が蓄熱時間ヶ短くすることができる。１だ、
フロン化合物等の蒸発性の第２熱媒体の価格は一般的に
高いため、それ？大量に用いたのでは蓄熱装置が高価に
なり実用的でなくなるので、このように第１熱媒体ケ併
用することによってコストも大幅に下げることができる
。

実験８，３，９．１０は、炭素粉末の収納量を１ｏｙと
一定にし、さらに第２熱媒体の収納量を液面がａの位置
寸でと一定にして、第１熱媒体の収納量を変化させたも
のである。第１熱媒体が潜熱蓄熱材を封入した容器と直
接接触していない実験８では、蓄熱特性は著しく悪く、
１０時間蓄熱を行っても蓄熱材の温度が６６℃１で達し
なかった。第１熱媒体の収納量が増加して第１熱媒体の
液面の位置がＣである実験３は、実験８に比べて蓄熱特
性が著しく改善された。さらに第１熱媒体の収納量を増
加させた実験９は、実験８と比較して、蓄熱特性、放熱
特性ともに少しづつよくなる。

しかし、第１熱媒体の収納量があ１り増加して冷却器を
おおってしまった実験１０では、放熱特性が著しく悪く
なった。

これらの実験結果から考えると、望ましいのは第１熱媒
体と第２熱媒体それに、それらの熱媒に溶解しない粉体
を収納し、少なくとも第１熱媒体が潜熱蓄熱材を封入し
た容器と直接接触し、しかも熱媒体で冷却器ｒおおって
し１わない範囲である。

このように、それぞれの熱媒体の量や粉体の量をコント
ロールした本笑施例の蓄熱装置は、蓄熱及び放熱特性と
も良好で、しかもコストが低く、得られる湯が非常に衛
生的かつ安全なものである。

ところで、本笑施例において、第１熱媒体として不凍液
として知られているプロピレングリコールの水溶液を用
いたところ、水を用いた場合と同様の蓄熱及び放熱特性
が得られた。したがって、この第１熱媒体としてプロピ
レングリコールの水溶液を用いた蓄熱装置は、冬期に凍
結の可能性のある寒冷地に好適なものであると考えられ
る。

筐た、実施例と同様の条件で、粉体の祭ヲ炭素粉末から
酸化アルミニウム粉末に代えて同様の実験を行ったとこ
ろ、炭素粉末を用いた場合と同様の蓄熱及び放熱特性が
得られた。

発明の効果 本発明の蓄熱装置は、熱交換面積がそれほど大きくない
にもかかわらず、蓄熱時及び放熱時ともに大きな熱交換
速度が得られ、しかも蓄熱材の利用効率が高く、低コス
トで得られる湯が非常に衛生的かつ安全であるという特
徴を有するので、太陽熱や深夜電力を貯蔵するための蓄
熱装置として非常に好適なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蓄熱装置の一実施例の構造金示す概略
断面図であり、第２図及び第３図はそれぞれ本発明の蓄
熱装置の一実施例の蓄熱及び放熱特性を示す図である。 １１・・・・・・蓄熱槽、１２・−潜熱蓄熱材、１３・
・・・・・容器、１４・−・加熱器、１６・・・・冷却
器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
＠ 第２図 ｏ　２０　４０　１．θ　８０　１（４０時間　（分） 第３図 ０　５　／θ　１５　２θ 時間（蛎

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）蓄熱槽内に、潜熱蓄熱材を封入した容器を多数収
   納し、その蓄熱槽を使用する温度・圧力範囲において液
   相である第１熱媒体とその第１熱媒体とは互いに無溶性
   であり、しかも液相時の比重が上記第１熱媒体より大き
   く前記蓄熱槽の使用温度・圧力範囲で沸騰する第２熱媒
   体と、上記２種の熱媒体にほとんど啓解しない粉体を、
   少なくとも上記第１熱媒体が潜熱蓄熱材全封入した容器
   と直接接触するように、しかも上記蓄熱槽上部には気相
   空間全残して収納し、上記蓄熱槽中の気相空間には放熱
   用熱交換器を、液相空間には蓄熱用熱交換器全配設し密
   封してなる蓄熱装置。 （２）潜熱蓄熱材が過帝却防止材を混合した酢酸ナトリ
   ウム３水塩を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蓄
   熱装置。 （３）潜熱蓄熱材を収納する容器が、ポリエチレン製の
   袋である特許請求の範囲第１項記載の蓄熱装置。 （４）第１蓄熱媒体が水及びアルコールの水溶液である
   特許請求の範囲第１項記載の蓄熱装置。 （６）第２熱媒体が、蓄熱槽の使用温度及び圧力範囲で
   、潜熱蓄熱材の転移温度以下で沸騰する特許請求の範囲
   第１項記載の蓄熱装置。 （６）第２熱媒体がフロン系化合物である特許請求の範
   囲第１項記載の蓄熱装置。 （７）第２熱媒体がトリフルオロトリクロロエタンであ
   る特許請求の範囲第１項記載の蓄熱装置。 （８）第１熱媒体及び第２熱媒体の両方にほとんど溶解
   しない粉体が炭素及び酸化アルミニウムのうちの１種又
   は２種以上である特許請求の範囲第１項記載の蓄熱装置
   。