WO2015133381A1

WO2015133381A1 - 蓄熱器

Info

Publication number: WO2015133381A1
Application number: PCT/JP2015/055735
Authority: WO
Inventors: 裕昭桐木
Original assignee: イビデン株式会社
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-09-11
Also published as: JP2015166639A

Abstract

　潜熱蓄熱材と、ハニカム体とを用いた蓄熱器において、潜熱蓄熱材が溶融した後に急昇温しにくくすることにより、潜熱蓄熱材の劣化あるいはハニカム体の破損が起こりにくい蓄熱器を提供する。　蓄熱器１０Ａは、熱媒体が流通可能な流路配管２１と、流路配管２１の外側面２１２を覆うとともに内部空間２０１を有する容器２０と、内部空間２０１に収容され流路配管２１の外側面２１２と接触する蓄熱体３０を有する。蓄熱体３０は、潜熱蓄熱材３１と、潜熱蓄熱材３１に浸漬され直線状の連通路３２２が並行に密集配列されたハニカム体３２を有し、ハニカム体３２は、連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されている。このため、複数のハニカム体３２に分けて潜熱蓄熱材３１に浸漬することにより、ハニカム体３２の連通路３２２が細かく分断されて潜熱蓄熱材３１に浸漬される。これにより、流路配管２１を流れる熱媒体によって加熱されると、各連通路３２２の内部の潜熱蓄熱材３１がほぼ同時に溶融するので、潜熱蓄熱材３１が溶融した後に急昇温しにくくして、潜熱蓄熱材３１の劣化やハニカム体３２の破損を防止できる。

Description

蓄熱器

　本発明は、例えば、自動車の暖機運転の短縮、太陽熱の蓄熱等、様々な分野で利用されている蓄熱器に関するものである。

　特許文献１には、優れた伝熱効率を有する蓄熱装置として、過冷却蓄熱材を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置であって、過冷却蓄熱材を収容する容器と、過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させる発核装置と、を備え、容器内には、複数の細孔を有する隔壁と、当該隔壁により区分けされた複数のセルと、が設けられていることを特徴とする蓄熱装置が記載されている。なお、過冷却蓄熱材とは、液相状態から温度を下げて、その温度が凝固点以下になっても液相のままで固化しない性質を有する潜熱蓄熱材である。

　さらに、略水平な第１の隔壁と、この第１の隔壁に交差する第２の隔壁とによって、過冷却蓄熱材を収容する容器内が格子状のセルに区分けされていること、第１の隔壁、第２の隔壁および外周壁は、アルミナやＳｉＣ（シリコンカーバイド）等の多孔質の熱伝導体を押出し成形することにより、一体成形されることが記載されている。
　このような格子状のセルを用いることによってこれらの隔壁に対して略垂直に成長した針状結晶と各隔壁との接触面積を増大できる結果、これらの隔壁を通じて過冷却蓄熱材の潜熱をより効率良く伝熱できることが記載されている。

特開２０１２－７８０３０号公報

　しかしながら、潜熱蓄熱材は、大きな融解潜熱を有している代わりに液体の比熱がそれほど大きくない。特許文献１に開示された複数のセル（ハニカム体）と潜熱蓄熱材とが設けられた蓄熱装置は、潜熱蓄熱材が一旦溶融してしまうと熱を蓄える能力が大きくなく、熱源に近い部分では急昇温する。このため、潜熱蓄熱材の熱膨張によるセル（ハニカム体）の破損あるいは、潜熱蓄熱材の使用上限温度を超え、潜熱蓄熱材を劣化させるなどの問題がある。

　本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、潜熱蓄熱材と、ハニカム体とを用いた蓄熱器において、潜熱蓄熱材が溶融した後に急昇温しにくくすることにより、潜熱蓄熱材の劣化あるいはハニカム体の破損が起こりにくい蓄熱器を提供することを目的とする。

　前記課題を解決するための本発明の蓄熱器は、熱媒体が流通可能な流路配管と、前記流路配管の外側面を覆うとともに内部空間を有する容器と、前記内部空間に収容され、前記流路配管の外側面と接触する蓄熱体と、からなる蓄熱器において、前記蓄熱体は、潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材に浸漬され、連通路が並行に密集配列されたハニカム体とからなり、前記各ハニカム体は、それぞれの前記各連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されているものである。

　本発明の蓄熱器は、熱媒体が流通可能な流路配管と、流路配管の外側面を覆うとともに内部空間を有する容器と、内部空間に収容され流路配管の外側面と接触する蓄熱体を有する。
　蓄熱体は、潜熱蓄熱材と、潜熱蓄熱材に浸漬され直線状の連通路が並行に密集配列されたハニカム体を有し、ハニカム体は、各連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されている。

　このため、複数のハニカム体に分けて潜熱蓄熱材に浸漬することにより、ハニカム体の連通路が細かく分断されて潜熱蓄熱材に浸漬される。これにより、流路配管を流れる熱媒体によって加熱されると、各連通孔の長さが短く分断されているので、各連通路の内部の潜熱蓄熱材がほぼ同時に溶融することができるので、潜熱蓄熱材が溶融した後に急昇温しにくくして、潜熱蓄熱材の劣化あるいはハニカム体の破損を防止することができる。
　ハニカム体の連通路は、太さが一定の孔であるので、くびれた部分がなく潜熱蓄熱材の対流の抵抗となりにくいので、潜熱蓄熱材を効率良く対流させることができる。
　また、各ハニカム体は、連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置され連通路は、潜熱蓄熱材が存在する空間に面しているので、開口を通して溶融した潜熱蓄熱材が容易に出入り対流することができる。

　また、本発明の蓄熱器は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記ハニカム体は、セラミック製である。
　潜熱蓄熱材は、使用する温度域に応じて様々なものが選択され、腐食性を有するものがあるが、化学的に安定なセラミックを用いることにより、腐食されることなく安定して使用することができる。また、セラミックは、耐熱性を有しているので、高温でも腐食することなく使用することができる。

（２）前記ハニカム体は、炭化珪素製である。
　炭化珪素は、セラミックの中でも耐熱性が高く、化学的に安定であるので、高温でも腐食することなく使用することができる。

（３）前記複数のハニカム体は、互いに点接触している。
　従って、複数のハニカム体が互いに点接触するように浸漬されていることによって、潜熱蓄熱材が溶融した際に、ハニカム体が自由に浮遊しないように拘束される。また、潜熱蓄熱材が溶融して対流を開始する前にも、ハニカム体間の熱伝導によって伝熱を促進することができる。さらに、点接触するように浸漬されていることによって、ハニカム体の間に空間を形成することができ、対流を促進することができる。

（４）前記ハニカム体の少なくとも一方の開口面は、凸部を有する。
　開口面に設けられた凸部が、他のハニカムの外表面と対向しても空間を形成するように機能することができるので、対流を促進することができる。

（５）前記ハニカム体の少なくとも一方の開口面は、破断面を有する。
　開口面は平坦な面ではない破断面であるので、破断面の凸部が他のハニカムの外表面と対向しても空間を形成することができ、対流を促進することができる。

　本発明では、蓄熱体は、潜熱蓄熱材と、潜熱蓄熱材に浸漬され直線状の連通路が並行に密集配列されたハニカム体を有するとともに、ハニカム体は、各連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されている。このため、複数のハニカム体に分けて潜熱蓄熱材に浸漬することにより、ハニカム体の連通路が細かく分断されて潜熱蓄熱材に浸漬されるので、流路配管を流れる熱媒体によって加熱されると、各連通路の内部の潜熱蓄熱材がほぼ同時に溶融することができ、ハニカムの連通路を通って潜熱蓄熱材が対流するようになるので、潜熱蓄熱材が溶融した後に急昇温しにくくして、潜熱蓄熱材の劣化あるいはハニカム体の破損を防止することができる。また、ハニカム体は、各連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されているので、潜熱蓄熱材の対流に要する空間を形成できるという効果を有する蓄熱器を提供できる。

本発明に係る第１実施形態の蓄熱器の断面図潜熱蓄熱材の例および性質を示す表ハニカム体の一例の斜視図（Ａ）～（Ｃ）はハニカム体の凸部を示す断面図本発明に係る第２実施形態の蓄熱器におけるハニカム体の開口面に設けられた破断面を示す断面の拡大図

（第１実施形態）
　以下、本発明に係る第１実施形態の蓄熱器について、図面を用いて説明する。
　図１に示すように、第１実施形態の蓄熱器１０Ａは、内部空間２０１を有する例えば円柱や矩形等の箱状の容器２０を有する。容器２０は、例えばステンレスや鉄等の金属で形成することができる。あるいは、容器２０は、アルミナや陶磁器等のセラミックで形成することもできる。

　容器２０には、内部空間２０１を貫通する流路配管２１が設けられている。流路配管２１は、例えば直管状、クランク状、Ｕ字状、Ｌ字状、サーペンタイン構造、並列構造、螺旋状等の形状を取ることができる。図１では、直管状の流路配管２１を示しており、流路２１１を熱媒体が流通する。
　また、流路配管２１は、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で形成することができる。あるいは、流路配管２１は、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、炭化珪素、窒化アルミニウム、窒化珪素、黒鉛等のセラミックで形成することもできる。

　容器２０の内部空間２０１には、蓄熱体３０が収容されており、流路配管２１の外側面２１２と接触している。
　蓄熱体３０は、潜熱蓄熱材３１と、潜熱蓄熱材３１に浸漬された複数個のハニカム体３２を有する。
　潜熱蓄熱材３１は、最初に加熱される前は例えば粉体であり、流路配管２１内を高熱の熱媒体が通過することにより加熱されると液化する性質を有する。潜熱蓄熱材３１としては、図２に示すように、例えば、硝酸ナトリウム＋硝酸カリウム、塩化マグネシウム六水和物、塩化カルシウム六水和物、ナフタリン等が使用できる。なお、一旦溶融した潜熱蓄熱材３１は、凝固すると粉体にはならず、塊状になる。このため２回目以降に使用される際は、溶融前の潜熱蓄熱材は塊状の固体である。

　図３に示すように、ハニカム体３２は、例えば矩形箱状の筐体３２１を有し、筐体３２１の内部には、直線状の複数の連通路３２２が並行に密集配列されている。連通路３２２の両端は、筐体３２１の両開口面３２３に位置する。
　また、ハニカム体の連通路は、直線状であっても、湾曲していてもよい。
　ハニカム体３２は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅等の金属で形成することができる。あるいは、炭化珪素、アルミナ、コージェライト、陶磁器等のセラミックで形成することができる。ここでは、ハニカム体３２はセラミックで形成するのが望ましい。さらに、ハニカム体３２を炭化珪素で形成するのが一層望ましい。炭化珪素は熱伝導率が高く、耐熱性があり、化学的に安定な物質であるので好適に利用できる。

　また、図４（Ａ）～図４（Ｃ）に示すように、ハニカム体３２は、少なくとも一方の開口面３２３に凸部３３を有する。
　図４（Ａ）に示すハニカム体３２では、一部の連通路３２２の長さが長く形成されており、開口面３２３から流通方向に突出して凸部３３１が形成されている。なお、ここでは、両開口面３２３に凸部３３１が設けられているが、一方の開口面３２３にのみ設けることもできる。また、２本の連通路３２２が突出する場合を例示したが、連通路３２２の本数は、これに限るものではない。

　図４（Ｂ）に示すハニカム体３２は、全ての連通路３２２の長さが等しく、全体として平行四辺形に形成されている。このため、両開口面３２３において凸部３３２が形成される。
　また、図４（Ｃ）に示すハニカム体３２は、全ての連通路３２２の長さが等しく、幅方向の一端側において、連通路３２２が流通方向にずれている。このため、開口面３２３から突出する部分に凸部３３３が形成される。

　図１に示すように、各ハニカム体３２は、潜熱蓄熱材３１の内部において、それぞれの各連通路３２２の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されている。
　このため、ハニカム体３２は、近接する別のハニカム体３２に一部が接触するので、両ハニカム体３２の間に空間Ｓが生じる。特に、凸部３３を設けた場合には、近接する別のハニカム体３２に接触した際に点接触になりやすいため、大きな空間Ｓが形成されやすくなる。

　従って、流路配管２１に熱媒体を流して蓄熱体３０の潜熱蓄熱材３１加熱すると、潜熱蓄熱材３１は塊状の固体から溶融して液体に相変化する。このとき、複数のハニカム体３２の間には空間Ｓが設けられているので、各ハニカム体３２の各連通路３２２の内部の潜熱蓄熱材３１が、ほぼ同時に加熱されて溶融し、液化した潜熱蓄熱材３１がすぐに対流を開始し、各ハニカム体３２を加熱する。

　次に、蓄熱器１０Ａの作用効果について説明する。
　蓄熱器１０Ａは、熱媒体が流通可能な流路配管２１と、流路配管２１の外側面２１２を覆うとともに内部空間２０１を有する容器２０と、内部空間２０１に収容され流路配管２１の外側面２１２と接触する蓄熱体３０を有する。
　蓄熱体３０は、潜熱蓄熱材３１と、潜熱蓄熱材３１に浸漬され直線状の連通路３２２が並行に密集配列された複数のハニカム体３２を有する。そして、ハニカム体３２は、各連通路３２２の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されている。

　このため、複数のハニカム体３２に分けて潜熱蓄熱材３１に浸漬することにより、ハニカム体３２の連通路３２２が細かく分断されて潜熱蓄熱材３１に浸漬される。これにより、流路配管２１を流れる熱媒体によって加熱されると、各連通路３２２の内部の潜熱蓄熱材３１がほぼ同時に溶融することができるので、潜熱蓄熱材３１が溶融した後に急昇温しにくくして、潜熱蓄熱材３１の劣化あるいはハニカム体３２の破損を防止することができる。

　また、各ハニカム体３２は、連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されているので、各ハニカム体３２は不規則に当接して、各ハニカム体３２の間には潜熱蓄熱材３１の対流に要する空間Ｓを形成することができる。これにより、潜熱蓄熱材３１は、効率良く対流することができる。
　各連通路３２２の内部の潜熱蓄熱材３１は、ほぼ同時に溶融することができるので、連通路３２２またはハニカム体３２の間の空間Ｓを利用して対流し、潜熱蓄熱材３１が加熱されることを防止することができる。

　また、蓄熱器１０Ａでは、ハニカム体３２は、セラミック製である。
　潜熱蓄熱材３１は、使用する温度域に応じて様々なものが選択され、腐食性を有するものがあるが、化学的に安定なセラミックを用いることにより、腐食されることなく安定して使用することができる。また、セラミックは、耐熱性を有しているので、高温でも腐食することなく使用することができる。

　蓄熱器１０Ａでは、ハニカム体３２は、炭化珪素製である。
　炭化珪素は、セラミックの中でも耐熱性が高く、化学的に安定であるので、高温でも腐食することなく使用することができる。

　蓄熱器１０Ａでは、複数のハニカム体３２は、互いに点接触している。
　複数のハニカム体３２が互いに点接触するように浸漬されていることによって、潜熱蓄熱材３１が溶融した際に、ハニカム体３２が自由に浮遊しないよう拘束する。また、潜熱蓄熱材３１が溶融して対流を開始する前にも、ハニカム体３２間の熱伝導によって伝熱を促進することができる。さらに、点接触するように浸漬されていることによって、ハニカム体３２の間に空間Ｓを形成することができ、対流を促進することができる。全面が接触していないので、対流に必要な充分な空間Ｓを形成することができる。なお、点接触が好ましいのは、ハニカム体３２の開口面３２３に限定されず、ハニカム体の側面でも点接触することによって空間Ｓを確保でき、潜熱蓄熱材の対流を促進することができる。

　蓄熱器１０Ａでは、ハニカム体３２の少なくとも一方の開口面３２３は、凸部を有する。
　このため、ハニカムの開口面が他のハニカムの外表面と対向しても凸部が開口面３２３の間に空間Ｓを形成するように機能することができる。

（第２実施形態）
　次に、図５に示す第２実施形態の蓄熱器１０Ｂについて説明する。
　なお、前述した第１実施形態の蓄熱器１０Ａと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
　第１実施形態の蓄熱器１０Ａでは、ハニカム体３２の開口面３２３に凸部３３を設けてハニカム体３２の間に空間Ｓを設けた（図４参照）が、第２実施形態の蓄熱器１０Ｂでは、図５に示すように、凸部３３を設ける代わりに、開口面３２３に破断面３４を設けた。

　蓄熱器１０Ｂでは、ハニカム体３２の少なくとも一方の開口面３２３は、破断面３４を有する。
　このため、開口面３２３は平坦な面ではない破断面３４となるので、ハニカム体３２の開口面３２３が他のハニカム体３２の外表面と対向しても破断面３４の凸部３４１が接触することにより、開口面３２３の間に空間Ｓを形成することができ、対流を促進することができる。

　本発明の蓄熱器は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。

　本発明の蓄熱器は、例えば、自動車の暖機運転の短縮、太陽熱の蓄熱等、様々な分野で利用されている蓄熱器として利用することができる。

　１０Ａ、１０Ｂ　蓄熱器
　２０　容器
　２０１　内部空間
　２１　流路配管
　２１２　外側面
　３０　蓄熱体
　３１　潜熱蓄熱材
　３２　ハニカム体
　３２２　連通路
　３２３　開口面
　３３　凸部
　３４　破断面

Claims

　熱媒体が流通可能な流路配管と、
　前記流路配管の外側面を覆うとともに内部空間を有する容器と、
　前記内部空間に収容され、前記流路配管の外側面と接触する蓄熱体と、からなる蓄熱器において、
　前記蓄熱体は、潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材に浸漬され、直線状の連通路が並行に密集配列されたハニカム体とからなり、
　前記各ハニカム体は、それぞれの前記各連通路の連通方向が互いに不規則な方向を向くように配置されていることを特徴とする蓄熱器。
　前記ハニカム体は、セラミック製であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱器。
　前記ハニカム体は、炭化珪素製であることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱器。
　前記複数のハニカム体は、互いに点接触していることを特徴とする請求項１～請求項３のうちのいずれか一項に記載の蓄熱器。
　前記ハニカム体の少なくとも一方の開口面は、凸部を有することを特徴とする請求項１～請求項４のうちのいずれか一項に記載の蓄熱器。
　前記ハニカム体の少なくとも一方の開口面は、破断面を有することを特徴とする請求項１～請求項４のうちのいずれか一項に記載の蓄熱器。