JP2003240465A

JP2003240465A - 潜熱蓄熱装置

Info

Publication number: JP2003240465A
Application number: JP2002042834A
Authority: JP
Inventors: Hirotada Kikuzawa; 央忠菊沢; Hideo Kawaguchi; 秀夫河口; Akihiro Kataoka; 明博片岡; Yoshikazu Kato; 美一加藤
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP4388253B2

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄熱特性及び放熱特性を向上させることができ
る潜熱蓄熱装置を提供すること。【解決手段】箱型の蓄熱タンク１３の対角位置に、排
熱温水を循環させる排熱回収回路１２を接続するための
排熱温水入口１５と排熱温水出口１６を設ける。そし
て、排熱温水入口１５と排熱温水出口１６との間を遮る
ように、潜熱蓄熱材が充填された板状の蓄熱容器１４を
蓄熱タンク１３内に所定の間隔を持って交互にずらして
配設し、排熱温水が蓄熱容器１４に沿って蓄熱タンク１
３内を蛇行して流れるようにする。そして、給湯水が流
れる給湯水循環通路１７を蓄熱容器１４に沿って設け、
蓄熱タンク１３内で給湯水が加熱されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一定の温度で起き
る物質の融解、凝固の相変化現象に基づく潜熱を利用し
た潜熱蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、潜熱蓄熱材を利用した潜熱蓄
熱装置としては、例えば、図１２に示すものがある。図
１２の潜熱蓄熱装置１００は、蓄熱タンク１０１に排熱
回収回路１０２と排熱利用回路１０３を接続したもので
ある。蓄熱タンク１０１には、蓄熱カプセル１０４が多
数収納されている。蓄熱カプセル１０４は、伝熱面積を
確保するために球状に形成され、充填された潜熱蓄熱材
の相変化に伴う体積膨張に対応するようポリオレフィン
系の剛性樹脂で形成されている。また、排熱回収回路１
０２は、蓄熱タンク１０１と熱源機１０５とを接続する
ものであり、排熱回収用循環ポンプ１０６を駆動させる
ことにより、熱源機１０５と蓄熱タンク１０１との間で
排熱温水を循環させるようになっている。さらに、排熱
利用回路１０３は、蓄熱タンク１０１と熱交換器１０７
とを接続するものであり、排熱利用循環ポンプ１０８を
駆動させることにより、蓄熱タンク１０１と熱交換器１
０７との間で排熱温水を循環させるようになっている。
尚、熱交換器１０７には、給湯水循環回路１０９が接続
している。

【０００３】よって、図１２の潜熱蓄熱装置１００で
は、排熱回収用循環ポンプ１０６を作動させると、排熱
温水が熱源機１０５において熱を吸収し、その熱を蓄熱
タンク１０１において蓄熱カプセル１０４に伝達するた
め、潜熱蓄熱材が固相から液相に相変化して蓄熱する。
一方、排熱利用循環ポンプ１０８を作動させると、蓄熱
タンク１０１内の排熱温水が熱交換器１０７に送り出さ
れて給湯水と熱交換し、蓄熱タンク１０１に戻される。
排熱温水は、給湯水に熱を与えて温度が下がっているた
め、潜熱蓄熱材は排熱温水に放熱し、排熱温水を加熱す
る。そして、潜熱蓄熱材は、温度低下に伴って液相から
固相に相変化する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
の潜熱蓄熱装置１００は、以下の点で問題であった。（１）図１２の潜熱蓄熱装置１００は、設置容易性の観
点から箱型のパッケージに納められることが多かった。
それに対して、蓄熱タンク１０１は、球状の蓄熱カプセ
ル１０４を少しでも多く収納して潜熱蓄熱材の充填率を
高くするために、円筒形状に形成されていた。こうした
円筒形状の蓄熱タンク１０１を箱型のパッケージに収納
した場合、蓄熱タンク１０１の外側面とパッケージの内
側面との間に形成されるデッドスペースが大きくなって
しまい、パッケージ全体から見た蓄熱密度が小さくなっ
てしまっていた。（２）また、球状の蓄熱カプセル１０４を単に蓄熱タン
ク１０１に詰め込んだ構造であるため、蓄熱タンク１０
１の内部において、排熱温水が流れやすい部分と流れに
くい部分が生じてしまっていた。そのため、排熱温水
が、全ての蓄熱カプセル１０４と同等に熱交換をするこ
とができず、潜熱蓄熱材全体を有効に利用することがで
きなかった。蓄熱タンク１０１内で蓄熱カプセル１０４
が偏在する場合、潜熱蓄熱材全体を有効に利用すること
がさらに難しくなる。（３）さらに、球状の蓄熱カプセル１０４は、表面積が
容積に比して小さいため、潜熱蓄熱材の熱伝達率が小さ
く、短時間で蓄熱及び放熱することができなかった。具
体的には、例えば、放熱時に、潜熱蓄熱材の外周面が内
部より先に液相から固相に相変化し、潜熱蓄熱材から排
熱温水に熱移動しにくくなってしまっていた。

【０００５】そこで、本発明は、上記課題を解決するた
めになされたものであり、蓄熱特性及び放熱特性を向上
させることができる潜熱蓄熱装置を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明は、潜熱蓄熱材を充填した蓄
熱容器を多数収納した蓄熱タンクを備え、蓄熱タンクに
熱媒体流体を循環させて、熱媒体流体と潜熱蓄熱材との
間で熱交換を行うことにより、潜熱蓄熱材を相変化させ
て蓄熱を行う潜熱蓄熱装置において、蓄熱タンクを箱型
に形成する一方、蓄熱容器を板状に形成し、蓄熱タンク
に蓄熱容器を所定の間隔を持たせてずらして連設したこ
と、を特徴とする。

【０００７】よって、蓄熱タンクを箱型に形成したた
め、箱型のパッケージに蓄熱容器を納めたときに、パッ
ケージと蓄熱容器との間に形成されるデッドスペースが
小さくなり、パッケージ全体から見た蓄熱密度を向上さ
せることができる。そして、蓄熱タンクは、板状の蓄熱
容器で内部を仕切られて、熱媒体流体が蓄熱容器に沿っ
て蓄熱タンク内を蛇行するように流れるので、熱媒体流
体の偏流を防止することができる。このとき、熱媒体流
体は、全ての蓄熱容器に充填された潜熱蓄熱材と熱交換
を行うが、板状の蓄熱容器は表面積が容積に比して大き
いため、潜熱蓄熱材の相変化を促すことができる。従っ
て、請求項１に記載の発明によれば、蓄熱密度を向上さ
せることができるとともに、熱伝達効率を向上させるこ
とができるので、蓄熱特性及び放熱特性を向上させるこ
とができる。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明であって、蓄熱タンクに給湯水が循環する
給湯水循環通路を設けたこと、を特徴とする。よって、
給湯水は、蓄熱タンクを通過する際に給湯水循環通路を
介して熱媒体流体から熱伝達されるので、熱媒体流体と
給湯水との間で熱交換を行うための熱媒体流体を循環さ
せる排熱利用回路、熱媒体流体と給湯水とが熱交換を行
う熱交換器、排熱利用回路に熱媒体流体を循環させるポ
ンプ等を設ける必要がなく、構造を簡素化して、装置サ
イズを小さくすることができる。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は請求項２に記載の発明であって、蓄熱容器の内壁と
外壁に伝熱フィンを設けることを特徴とする。よって、
潜熱蓄熱材と熱媒体流体が、蓄熱容器の側面の他に潜熱
容器の内壁及び外壁に設けられた伝熱フィンを介して熱
伝達を行うので、伝熱面積が増大し、潜熱蓄熱材の伝熱
特性を向上させることができる。

【００１０】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
又は請求項２に記載の発明であって、蓄熱容器に熱媒体
流体が流れる流路を形成したことを特徴とする。よっ
て、熱媒体流体が、蓄熱容器の側面の他に蓄熱容器に形
成された流路内壁を介して熱伝達を行うので、蓄熱容器
の伝熱面積が増大し、潜熱蓄熱材の伝熱特性を向上させ
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１実施の形態）以下、本発明
の潜熱蓄熱装置の第１実施の形態を図面を参照して詳細
に説明する。第１実施の形態では、潜熱蓄熱装置は、都
市ガスによる家庭用コージェネレーションシステムと組
み合わせて使用される。図１は、第１実施の形態の潜熱
蓄熱装置３を使用した家庭用コージェネレーションシス
テム１の概略構成図である。図１のガスコージェネレー
ションシステム１は、燃料電池２、潜熱蓄熱装置３など
を接続し、燃料電池２が発電した電力を電気機器Ｄに供
給するとともに、発電時に発生する排熱を回収して潜熱
蓄熱装置３に蓄熱し、その熱で水道水を加熱して追い焚
きバーナ２３に供給するよう構成されたものである。

【００１２】燃料電池２は、改質器５、燃料電池本体
６、直流・交流変換器７等で構成されている。改質器５
は、燃料電池本体６を冷却する冷却水系８から水蒸気を
抽出し、その水蒸気と都市ガスとを反応させて、水素を
主成分とするガスを生成するものである。燃料電池本体
６は、改質器５で生成した水素と大気中の酸素とを取り
入れ、直流電力を発生するものである。直流・交流変換
器７は、燃料電池本体６で発生した直流電力を交流電力
に変換し、電気機器Ｄに供給するものである。

【００１３】また、燃料電池２は、発電時に燃料電池本
体６と改質器５から排熱を回収するよう構成されてい
る。燃料電池本体６は、発電時にジュール熱が発生する
が、固体高分子膜の劣化を防止するために、温度を８０
℃程度に抑えるよう冷却水系８が接続され、冷却水系８
上に設けられた熱交換器９から７０℃程度の温水が回収
されるようになっている。一方、改質器５は、吸熱反応
である改質反応を維持するために、燃料電池本体６で未
反応の水素を燃焼させて加熱するが、その際に発生する
排気ガスを大気放散するための排気管１０が接続し、そ
の排気管１０上に熱交換器１１が設けられている。熱交
換器９と熱交換器１１には、「熱媒体流体」に相当する
排熱温水を潜熱蓄熱装置３に循環させるための排熱回収
回路１２が接続し、排気ガスなどから７０℃程度の排熱
温水が回収されるようになっている。

【００１４】図２に潜熱蓄熱装置３の概略構成図を示
す。潜熱蓄熱装置３は、蓄熱タンク１３に蓄熱容器１４
…を収納したものであって、蓄熱容器１４に充填された
潜熱蓄熱材の潜熱を利用して蓄熱又は放熱するよう構成
されている。蓄熱タンク１３は、箱型に形成され、排熱
回収回路１２上に配設されている。蓄熱タンク１３に
は、排熱回収回路１２を接続するための排熱温水入口１
５と排熱温水出口１６が設けられ、常時満水状態にされ
ている。排熱温水入口１５と排熱温水出口１６は、蓄熱
タンク１３の対角位置に設けられ、高温の排熱温水が蓄
熱タンク１３の上部に供給され、低温の排熱温水が蓄熱
タンク１３の底部から排出されるようになっている。

【００１５】蓄熱容器１４は、熱伝導率が高い金属を中
空の板状に形成したものであって、潜熱蓄熱材が充填さ
れている。蓄熱タンク１３は、収納する蓄熱容器１４の
数を調節することにより潜熱蓄熱材の充填率を任意に設
定することが可能であり、その際、それらの蓄熱容器１
４は、排熱温水入口１５と排熱温水出口１６との間を遮
るように等間隔に並べられ、排熱温水が排熱温水入口１
５から排熱温水出口１６に向かって蛇行して流れるよう
に交互にずらして連設される。

【００１６】そして、蓄熱タンク１３には、図１に示す
ように、給湯水が流れる給湯水循環通路１７の一部が内
設され、給湯水循環通路１７内を流れる水道水と蓄熱タ
ンク１３内の排熱温水とが熱交換するようになってい
る。給湯水循環通路１７は、図２に示すように、蓄熱容
器１４…の側面に接して蓄熱タンク１３内を蛇行するよ
うに設けられ、伝熱面積を増大させるために蓄熱タンク
１３内を往復している。給湯水循環通路１７は、排熱温
水の温度低下を極力抑えて加熱した給湯水を効率よく取
り出すために、図２に示すように、排熱温水出口１６付
近に設けられた蓄熱タンク１３の給湯水入口１９から蓄
熱タンク１３に挿入され、給湯水入口１９より上部に設
けられた給湯水出口２０から蓄熱タンク１３の外部に取
り出されている。

【００１７】給湯水循環通路１７が接続する混合弁２１
には、図１に示すように、蓄熱タンク１３をバイパスす
る水道水通路２２も接続され、混合弁２１で給湯水が設
定温度になるように調節される。尚、混合弁２１の下流
には、給湯水の温度が低い場合に追い焚きを行うための
追い焚きバーナ２３が設けられている。

【００１８】続いて、第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３
を使用する家庭用コージェネレーションシステム１の作
用について説明する。燃料電池２は、改質器５において
生成した水素と大気中の酸素とから直流電力を発生し、
その直流電力を交流に変換して家庭の電気機器Ｄに供給
する（図１参照）。このとき、改質器５は、排気ガスを
排気管１０に排出するが、その排気ガスから７０℃程度
の排熱温水が回収される。また、熱交換器９において燃
料電池本体２で発生したジュール熱から７０℃程度の排
熱温水が回収される。これらの排熱温水は、排熱回収回
路１２に循環される（図２参照）。

【００１９】排熱温水は、蓄熱タンク１３を流れる際に
潜熱蓄熱材に熱伝達する。排熱温水は、排熱回収回路１
２から排熱温水入口１５を介して蓄熱タンク１３に入力
すると、蓄熱容器１４の側面や蓄熱タンク１３の内壁な
どにぶつかりながら蛇行して流れ、蓄熱タンク１３から
排熱温水出口１６を介して排熱回収回路１２に排出され
る（図２参照）。このとき、蓄熱容器１４は、その外周
面に沿って流れる排熱温水と熱交換を行い、容器全体が
熱伝導により均一な温度になって潜熱蓄熱材の外周面全
体を加熱する。蓄熱容器１４は、表面積が容積に比して
大きく、外周面全体から内部に熱移動しやすいため、潜
熱蓄熱材の相変化が促進される。

【００２０】そして、例えば、給湯需要がある場合は、
水道水が給湯水入口１９から蓄熱タンク１３内に入力す
る。蓄熱タンク１３では、潜熱蓄熱材が蓄熱容器１４の
全体を均一な温度に加熱し、その蓄熱容器１４から給湯
水循環通路１７と排熱温水に熱伝達されるため、給湯水
は、給湯水循環通路１７、排熱温水、蓄熱容器１４を介
して潜熱蓄熱材に加熱されることになる。加熱された給
湯水は給湯水出口２０から混合弁２１に導入され、設定
温度を超える場合には水道水と混合して適温にする。
尚、給湯水が設定温度に満たない場合には、追い焚きバ
ーナ２３で給湯水を加熱する。

【００２１】ここで、本発明の発明者らは、本実施の形
態の潜熱蓄熱装置３の有効性を確認するために、蓄熱容
器の蓄熱性能及び放熱性能に関する実験、及び、潜熱蓄
熱装置の蓄熱特性及び放熱特性に関する実験を行った。
以下に、これらの実験について図面を参照しながら説明
する。

【００２２】先ず、蓄熱容器の蓄熱性能及び放熱性能に
関する実験について説明する。本実験では、第１実施の
形態の蓄熱容器１４と、従来技術で説明した蓄熱カプセ
ル１０４を使用しており、それらの仕様を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１に示すように、蓄熱容器１４は、ＳＵ
Ｓ３０４を縦幅１２０（ｍｍ）、横幅３０（ｍｍ）、高
さ１７０（ｍｍ）、厚さ１（ｍｍ）の箱型に成形したも
のであり、容積６１２（ｍＬ）に対して潜熱蓄熱材を６
６０（ｇ）充填している。一方、蓄熱カプセル１０４
は、ポリプロピレンを直径６７（ｍｍ）、厚さ２（ｍ
ｍ）の球状に成形したものであり、容積１５７（ｍＬ）
に対して潜熱蓄熱材を１６７（ｇ）充填している。

【００２５】蓄熱容器の蓄熱性能に関する実験では、６
５℃の温水中に蓄熱容器１４、蓄熱カプセル１０４を浸
し、蓄熱が完了するまでの時間（潜熱蓄熱材が固相から
液相に相変化するまでの時間）を測定した。なお、容器
内に充填した潜熱蓄熱材の温度が融点（５８℃）を越え
た時点（６０℃）で、蓄熱が完了したものとする。図３
にその実験結果を示す。蓄熱容器１４は、実線で示すよ
うに、１１６分程度で蓄熱が完了しているのに対して、
蓄熱カプセル１０４は、一点鎖線で示すように、２０４
分程度で蓄熱を完了しており、蓄熱容器１４は、蓄熱カ
プセル１０４の潜熱蓄熱材（１６７ｇ）の約４倍の潜熱
蓄熱材（６６０ｇ）が充填されているにもかかわらず、
蓄熱カプセル１０４の蓄熱時間の半分程度の時間で蓄熱
を完了することができる。

【００２６】これは、蓄熱容器１４は、熱伝導率が高い
ＳＵＳ３０４で形成されているため、温水から潜熱蓄熱
材に熱伝達しやすいのに対して、蓄熱カプセル１０４
は、熱伝導率が低いポリプロピレンで形成されているた
め、温水から潜熱蓄熱材に熱伝達しにくく、蓄熱容器１
４は蓄熱カプセル１０４より熱伝達率が優れているから
である。また、箱型の蓄熱容器１４は、容積に対する表
面積の割合が球状の蓄熱カプセル１０４より大きいた
め、潜熱蓄熱材の外周面全体から内部への熱移動が促進
されやすいからである。

【００２７】一方、蓄熱容器の放熱性能に関する実験で
は、潜熱蓄熱材を６５℃にまで加温して液化させた蓄熱
容器１４、蓄熱カプセル１０４を２０℃の水道水に浸
し、放熱が完了するまでの時間（液相から固相に相変化
するまでの時間）を測定した。なお、潜熱蓄熱材の温度
が５４℃を下回った時点で、放熱が完了したものとす
る。図４にその実験結果を示す。蓄熱容器１４は、実線
で示すように、１２分程度で放熱を完了し、蓄熱カプセ
ル１０４は、７４分程度で放熱を完了しており、蓄熱容
器１４は、蓄熱カプセル１０４の潜熱蓄熱材（１６７
ｇ）の約４倍の潜熱蓄熱材（６６０ｇ）が充填されてい
るにもかかわらず、蓄熱カプセル１０４の放熱時間の６
分の１程度の時間で放熱を完了することができる。

【００２８】これは、蓄熱容器１４は、熱伝導率が高い
ＳＵＳ３０４で形成されているため、潜熱蓄熱材から水
道水に熱伝達しやすいのに対して、蓄熱カプセル１０４
は、熱伝導率が低いポリプロピレンで形成されているた
め、潜熱蓄熱材から水道水に熱伝達しにくく、蓄熱容器
１４は蓄熱カプセル１０４より熱伝達率が優れているか
らである。また、箱型の蓄熱容器１４は、容積に対する
表面積の割合が球状の蓄熱カプセル１０４より大きいた
め潜熱蓄熱材の外周面全体から外部への熱移動が促進さ
れやすいからである。

【００２９】従って、ＳＵＳ３０４製の箱型容器に潜熱
蓄熱材を充填することにより、潜熱蓄熱材の充填量を増
大させて蓄熱能力の向上を図りつつ、蓄熱性能及び放熱
性能を飛躍的に向上させることができることを確認でき
た。

【００３０】次に、潜熱蓄熱装置の蓄熱特性及び放熱特
性に関する実験について説明する。図５は、潜熱蓄熱装
置の蓄熱特性及び放熱特性に関する実験で使用される潜
熱蓄熱装置５０である。図６は、潜熱蓄熱装置の蓄熱特
性及び放熱特性に関する実験で使用される潜熱蓄熱装置
６０である。本実験では、第１実施の形態の潜熱蓄熱装
置３に相当する図５の潜熱蓄熱装置５０と、従来技術で
説明した蓄熱カプセル１０４に相当する球状の蓄熱容器
６２を収納する図６の潜熱蓄熱装置６０とを使用し、そ
の仕様を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】潜熱蓄熱装置５０は、図５及び表２に示す
ように、縦幅３２０（ｍｍ）、横幅１７０（ｍｍ）、高
さ１７０（ｍｍ）、容積９．２（Ｌ）の箱型に形成され
た蓄熱タンク５１に、ＳＵＳ３０４製の板状の蓄熱容器
５２…が所定の間隔をあけて交互にずらして配設されて
いる。潜熱蓄熱材の総量は、４．０（ｋｇ）であり、蓄
熱タンク５１に対する潜熱蓄熱材の充填率は３２．６％
である。また、蓄熱タンク５１には、排熱温水入口５３
と排熱温水出口５４が対角位置に設けられ、給湯水循環
通路５５が蓄熱容器５２に沿って蛇行するように設けら
れている。また、潜熱蓄熱装置６０は、図６及び表２に
示すように、縦幅３３０（ｍｍ）、横幅３３０（ｍ
ｍ）、高さ９００（ｍｍ）、容積９８（Ｌ）の箱型に形
成された蓄熱タンク６１に、ポリプロピレン製の球状の
蓄熱容器６２が多数収納されている。潜熱蓄熱材の総量
は、２２．７（ｋｇ）であり、蓄熱タンク６１に対する
潜熱蓄熱材の充填率は２１．８％である。また、蓄熱タ
ンク６１には、排熱温水入口６３と排熱温水出口６４が
上下に設けられ、給湯水循環通路６５が全ての蓄熱容器
６２を囲うように螺旋状に設けられている。

【００３３】潜熱蓄熱装置の蓄熱特性に関する実験につ
いて説明する。表３に実験条件を示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】この実験では、表３に示すように、潜熱蓄
熱装置５０に対しては、給湯は行わずに、４００（Ｗ）
で加熱した排熱温水を１．０（Ｌ／ｍｉｎ）で蓄熱タン
ク５１に供給して行った。一方、潜熱蓄熱装置６０に対
しては、給湯は行わずに、１０００（Ｗ）で加熱した排
熱温水を４．５（Ｌ／ｍｉｎ）で蓄熱タンク６１に供給
して行った。ここで、加熱量及び排熱温水流量が相違す
るのは、装置サイズの相違を考慮したためである。図７
に潜熱蓄熱装置５０の実験結果を示し、図８に潜熱蓄熱
装置６０の実験結果を示す。

【００３６】図７及び図８に示すように、潜熱蓄熱装置
５０，６０の何れも蓄熱が完了する時点（排熱温水入口
の温度が７５℃になる時点）において潜熱蓄熱材への蓄
熱が完了（潜熱蓄熱材が固体から液体に完全に変化した
状態）し、目標仕様（蓄熱速度：潜熱蓄熱装置５０は１
００Ｗ、潜熱蓄熱装置６０は１０００Ｗ）を満足してい
る。しかし、潜熱蓄熱装置５０では、図７に示すよう
に、潜熱蓄熱材が実験開始後１００分頃から潜熱蓄熱を
開始し、実験開始後１６０分頃に潜熱蓄熱を完了し、潜
熱蓄熱に要した時間は６０分程度である。それに対し
て、潜熱蓄熱装置６０では、図８に示すように、潜熱蓄
熱材が実験開始後１８０分頃から潜熱蓄熱を開始し、実
験開始後４２０分頃に潜熱蓄熱を完了し、潜熱蓄熱に要
した時間は２４０分程度である。加熱量を増やせば、潜
熱蓄熱に要する時間を短縮することは可能であるが、加
熱量が潜熱蓄熱材への蓄熱量を上回ると、潜熱蓄熱材へ
の蓄熱が完了する前に、排熱温水入口の温度が７５℃に
到達することになる。潜熱蓄熱装置５０と潜熱蓄熱装置
６０とでは、加熱量が異なるが、それぞれ、排熱温水入
口温度が７５℃に達する時点で潜熱蓄熱材への蓄熱が完
了している。潜熱蓄熱装置５０は、潜熱蓄熱装置６０よ
り潜熱蓄熱材の充填率が１０％程度高いにもかかわら
ず、潜熱蓄熱に要した時間は４分の１程度である。よっ
て、潜熱蓄熱装置５０は、潜熱蓄熱装置６０より蓄熱速
度が４倍程度速いといえる。

【００３７】これは、潜熱蓄熱装置５０は、蓄熱容器６
２より蓄熱性能の優れた蓄熱容器５２を使用しているか
らである（図３参照）。それに加えて、潜熱蓄熱装置５
０では、排熱温水が蓄熱容器５２…に沿って蛇行して流
れるのに対して、潜熱蓄熱装置６０では排熱温水が蓄熱
容器６２…の隙間に入り込むようにして流れており、潜
熱蓄熱装置５０は、潜熱蓄熱装置６０より排熱温水の流
速が速く、高効率で熱伝達を行うからである。また、潜
熱蓄熱装置５０は、蓄熱容器５２…が蓄熱タンク５１内
に分散して設けられ、排熱温水が潜熱蓄熱材全体と熱交
換するのに対して、潜熱蓄熱装置６０は、蓄熱容器６２
が蓄熱タンク６１の中心部に偏在しているため、排熱温
水が蓄熱タンク６１の中心部に存在する潜熱蓄熱材と熱
交換しにくく、潜熱蓄熱装置５０は、潜熱蓄熱装置６０
と比較して排熱温水と潜熱蓄熱材全体との熱交換率が高
いからである。

【００３８】次に、潜熱蓄熱装置の放熱特性に関する実
験について説明する。表４に実験条件を示す。

【００３９】

【表４】

【００４０】この実験では、表４に示すように、潜熱蓄
熱装置５０に対しては、給湯開始時における潜熱蓄熱材
の温度を６０℃、排熱温水の温度を６０℃に設定し、排
熱温水を加熱せずに１．０（Ｌ／ｍｉｎ）で蓄熱タンク
５１に供給するとともに、給湯水を１．０（Ｌ／ｍｉ
ｎ）で給湯水循環通路５５に供給して行った。一方、潜
熱蓄熱装置６０に対しては、給湯開始時における潜熱蓄
熱材の温度を６０℃、排熱温水の温度を６５℃に設定
し、排熱温水を加熱せずに４．５（Ｌ／ｍｉｎ）で蓄熱
タンク６１に供給するとともに、給湯水を１０．０（Ｌ
／ｍｉｎ）で給湯水循環通路６５に供給して行った。こ
こで、給湯開始時の排熱温水の温度及び給湯量が相違す
るのは、装置サイズの相違を考慮したためである。尚、
本実験では、一般的に、給湯水は、入浴や炊事などで使
用され、４０℃程度の給湯水の需要が高いので、給湯水
入口と給湯水出口の温度差を２０℃以上に維持できる時
間（以下、「給湯可能時間」という。）について確認し
た。図９にその実験結果を示す。

【００４１】図９を参照すると、潜熱蓄熱装置５０で
は、給湯可能時間が７分程度であるのに対して、潜熱蓄
熱装置６０では、給湯可能時間が４分程度であり、潜熱
蓄熱装置５０は、給湯可能時間を３分程度長くすること
ができる。一般的に給湯水は、炊事や洗面などで使用さ
れ、給湯可能時間を４分から７分に長くできれば、長く
できた時間（本実験では、３分間）は、排熱温水を追い
焚きバーナ２３で加熱する必要がなく、省エネルギー効
果に有効である。

【００４２】このように潜熱蓄熱装置５０が潜熱蓄熱装
置６０より給湯可能時間を長くできるのは、潜熱蓄熱装
置５０は、潜熱蓄熱装置６０の蓄熱容器６２より放熱性
能が優れた蓄熱容器５２を使用しているからである（図
４参照）。それに加えて、潜熱蓄熱装置５０では、排熱
温水が蓄熱容器５２…に沿って蛇行して流れるのに対し
て、潜熱蓄熱装置６０では、排熱温水が蓄熱容器６２…
の隙間に入り込むようにして流れており、潜熱蓄熱装置
５０は、潜熱蓄熱装置６０より排熱温水の流速が速く、
高効率で熱伝達を行うからである。

【００４３】従って、潜熱蓄熱装置は、板状の蓄熱容器
５２を箱状の蓄熱タンク５１に所定の間隔をもってずら
して配置することにより、蓄熱タンク５１に対する潜熱
蓄熱材の充填率を高くして蓄熱能力の向上を図りつつ、
蓄熱特性及び放熱特性を飛躍的に向上させることができ
ることを確認できた。

【００４４】以上詳細に説明した通り、第１実施の形態
の潜熱蓄熱装置３によれば、蓄熱タンク１３を箱型に形
成したので、箱型のパッケージに納めたときに、蓄熱タ
ンク１３とパッケージとの間に形成されるデッドスペー
スを小さくすることができ、パッケージ全体から見た蓄
熱密度を大きくすることができる。それに加えて、箱型
の蓄熱容器１４に潜熱蓄熱材を充填し、潜熱蓄熱材の容
積に対する表面積の割合を向上させたので、潜熱蓄熱材
の外周面と内部とを同程度に相変化させることができ
る。そして、そうした蓄熱容器１４を蓄熱タンク１３に
所定の間隔をもってずらして配置し、潜熱蓄熱材を蓄熱
タンク１３内に分散させたので、排熱温水の流速が速く
なり、蓄熱容器１４との相乗効果により、潜熱蓄熱装置
３の蓄熱特性及び放熱特性を飛躍的に向上させることが
できる。

【００４５】また、給湯水は、蓄熱タンク１３を通過す
る際に給湯水循環通路１７を介して排熱温水から熱伝達
されて加熱されるので、従来技術で説明した排熱利用回
路１０３、熱交換器１０７、排熱利用循環ポンプ１０８
等を別途設ける必要がなく、構造を簡素化して、装置サ
イズを小さくすることができる。

【００４６】（第２実施の形態）続いて、本発明の潜熱
蓄熱装置の第２実施の形態について説明する。第２実施
の形態の潜熱蓄熱装置は、第１実施の形態の潜熱蓄熱装
置３と蓄熱容器が相違し、その他は第１実施の形態の潜
熱蓄熱装置３と同様の構造である。よって、ここでは、
第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３と相違する点について
のみ説明し、第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３と同様の
構成には同一符号を付することにする。

【００４７】図１０は、第２実施の形態の潜熱蓄熱装置
で使用される蓄熱容器３０の概略構成図である。蓄熱容
器３０は、熱伝達率が高い金属を板状に形成したもので
あって、金属製の伝熱フィン３１…，３２…が外壁と内
壁にそれぞれ垂設されている。外壁の伝熱フィン３１…
は、蓄熱タンク１３内を流れる排熱温水の流れと平行に
設けられる一方、内壁の伝熱フィン３２…は、潜熱蓄熱
材が融解する際に液相の自然対流を妨げないように垂直
方向に設けられている。蓄熱容器３０は、第１実施の形
態の蓄熱容器１４と同様に、蓄熱タンク１３に収納され
る。

【００４８】このような蓄熱容器３０を使用する第２実
施の形態の潜熱蓄熱装置では、蓄熱タンク１３の排熱温
水入口１５に供給された排熱温水が、蓄熱容器３０に沿
って蛇行して流れ、排熱温水出口１６から燃料電池２の
熱交換器１１に排出される。各々の蓄熱容器３０では、
排熱温水の熱が伝熱フィン３１と側面に伝達され、伝熱
フィン３２を含めた蓄熱容器３０全体が短時間で均一な
温度になるため、潜熱蓄熱材は、蓄熱容器３０の側面に
接した部分が加熱されるとともに、伝熱フィン３２によ
り内部も加熱される。

【００４９】そして、給湯水循環通路１７に給湯水を循
環させ、給湯水循環通路１７を介して給湯水を排熱温水
で加熱する。このとき、潜熱蓄熱材が保有している熱
は、蓄熱容器３０の側面と伝熱フィン３２に熱伝達さ
れ、その後、蓄熱容器３０の側面及び伝熱フィン３１か
ら排熱温水に熱伝達される。

【００５０】よって、第２実施の形態の潜熱蓄熱装置に
おいては、伝熱フィン３１，３２を蓄熱容器３０に設け
たので、第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３の蓄熱容器１
４より伝熱面積が増大し、第１実施の形態の潜熱蓄熱装
置３より伝熱特性を向上させることができる。

【００５１】（第３実施の形態）続いて、本発明の潜熱
蓄熱装置の第３実施の形態について説明する。第３実施
の形態の潜熱蓄熱装置は、第１実施の形態の潜熱蓄熱装
置３と蓄熱容器の相違し、その他は第１実施の形態の潜
熱蓄熱装置３と同様の構造である。よって、ここでは、
第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３と相違する点について
のみ説明し、第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３と同一の
構成については同一符号を付することにする。

【００５２】図１１は、第２実施の形態の潜熱蓄熱装置
で使用される蓄熱容器４０の概略構成図である。蓄熱容
器４０は、幅の異なる板状の小型容器４０ａ，４０ｂ，
４０ｃを連設したものであり、小型容器４０ｂ，４０ｃ
と蓄熱タンク１３との間に排熱温水が流入するよう構成
されている。そして、小型容器４０ａ，４０ｂ，４０ｃ
の間に流路４１，４２が形成され、小型容器４０ｂ，４
０ｃと蓄熱タンク１３との間に流入した排熱温水が流れ
るようになっている。蓄熱容器４０は、第１実施の形態
の蓄熱容器１４と同様に蓄熱タンク１３に収納される。

【００５３】このような蓄熱容器４０を使用する第２実
施の形態の潜熱蓄熱装置は、排熱温水入口１５から蓄熱
タンク１３に供給された排熱温水が、蓄熱容器４０に沿
って蛇行して流れ、排熱温水出口１６から排熱回収回路
１２を介して燃料電池２の熱交換器１１に排出される。
ここで、排熱温水は、蓄熱タンク１３の内壁に衝突して
方向転換するときに、蓄熱タンク１３の内壁と小型容器
４０ｂ，４０ｃとの間に形成された隙間に入り込み、流
路４１，４２に沿って流れる。蓄熱容器４０では、小型
容器４０ａ，４０ｂ，４０ｃが排熱温水に加熱されて均
一な温度になり、潜熱蓄熱材をそれぞれ加熱するため、
蓄熱容器４０の潜熱蓄熱材を内部から加熱することがで
きる。

【００５４】そして、給湯水循環通路１７に給湯水を循
環させると、排熱温水が給湯水循環通路１７を介して給
湯水に熱伝達し、給湯水を加温する。これに伴って、蓄
熱容器４０では、小型容器４０ａ，４０ｂ，４０ｃが潜
熱蓄熱材から排熱温水に熱伝達するため、潜熱蓄熱材の
内部から排熱温水に速やかに熱伝達される。

【００５５】よって、第３実施の形態の潜熱蓄熱装置に
おいては、蓄熱容器４０は、流路４１，４２を形成され
たことにより、第１実施の形態の潜熱蓄熱装置３の蓄熱
容器１４より伝熱面積が増大したので、第１実施の形態
の蓄熱容器１４と比較して伝熱特性を向上させることが
できる。

【００５６】尚、本発明は前記実施の形態に限定される
ものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲
で、例えば、以下のように実施することもできる。

【００５７】（１）前記第１実施の形態では、潜熱蓄熱
装置３を家庭用コージェネレーション装置１に使用し
た。それに対し、燃料電池又はガスエンジン、ガスター
ビン等の熱源機を備える様々なシステムに使用すること
も可能である。

【００５８】（２）上記第３実施の形態では、蓄熱容器
４０を分割するようにして流路４１，４２を設けた。そ
れに対し、板状の蓄熱容器にチューブを貫通させて、排
熱温水の流路を形成するようにしてもよい。

【００５９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明の構成によれば、
蓄熱容器の偏在や熱媒体流体の偏流を防止して全ての潜
熱蓄熱材を有効利用できるとともに、パッケージ全体か
ら見た蓄熱密度を増大させることができるので、蓄熱特
性及び放熱特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施の形態の潜熱蓄熱装置が使用された家
庭用ガスコージェネレーションシステムの概略構成図で
ある。

【図２】第１実施の形態の潜熱蓄熱装置の概略構成図で
ある。

【図３】蓄熱容器の蓄熱性能に関する実験の実験結果で
あって、縦軸に潜熱蓄熱材温度（℃）を示し、横軸に経
過時間（ｍｉｎ）を示す。

【図４】蓄熱容器の放熱性能に関する実験の実験結果で
あって、縦軸に潜熱蓄熱材温度（℃）を示し、横軸に経
過時間（ｍｉｎ）を示す。

【図５】潜熱蓄熱装置の蓄熱特性及び放熱特性に関する
実験で使用される潜熱蓄熱装置を示す図である。

【図６】潜熱蓄熱装置の蓄熱特性及び放熱特性に関する
実験で使用される潜熱蓄熱装置を示す図である。

【図７】潜熱蓄熱装置の蓄熱特性に関する実験の実験結
果であって、縦軸に温度（℃）を示し、横軸に経過時間
（ｍｉｎ）を示す。

【図８】潜熱蓄熱装置の蓄熱特性に関する実験の実験結
果であって、縦軸に温度（℃）を示し、横軸に経過時間
（ｍｉｎ）を示す。

【図９】潜熱蓄熱装置の放熱特性に関する実験の実験結
果であって、縦軸に温度差（℃）、横軸に給湯時間（ｍ
ｉｎ）を示す。

【図１０】本発明の第２実施の形態の潜熱蓄熱装置で使
用される蓄熱容器の概略構成図を示す。

【図１１】本発明の第３実施の形態の潜熱蓄熱装置で使
用される蓄熱容器の概略構成図を示す。

【図１２】従来の潜熱蓄熱装置の概略構成図である。

【符号の説明】

２燃料電池３潜熱蓄熱装置１２排熱回収回路１３蓄熱タンク１４，３０，４０蓄熱容器１７給湯水循環通路３１，３２伝熱フィン４１，４２流路

フロントページの続き (72)発明者片岡明博名古屋市熱田区桜田町19番地18号東邦瓦斯株式会社内 (72)発明者加藤美一名古屋市熱田区桜田町19番地18号東邦瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】潜熱蓄熱材を充填した蓄熱容器を多数収
納した蓄熱タンクを備え、前記蓄熱タンクに熱媒体流体
を循環させて、前記熱媒体流体と前記潜熱蓄熱材との間
で熱交換を行うことにより、前記潜熱蓄熱材を相変化さ
せて蓄熱を行う潜熱蓄熱装置において、前記蓄熱タンクを箱型に形成する一方、前記蓄熱容器を
板状に形成し、前記蓄熱タンクに前記蓄熱容器を所定の間隔を持たせて
ずらして連設したこと、を特徴とする潜熱蓄熱装置。
【請求項２】請求項１に記載の潜熱蓄熱装置であっ
て、前記蓄熱タンクに給湯水が循環する給湯水循環通路を設
けたこと、を特徴とする潜熱蓄熱装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の潜熱蓄熱
装置であって、前記蓄熱容器の内壁と外壁に伝熱フィンを設けることを
特徴とする潜熱蓄熱装置。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載の潜熱蓄熱
装置であって、前記蓄熱容器に前記熱媒体流体が流れる流路を形成した
ことを特徴とする潜熱蓄熱装置。