JP5749999B2

JP5749999B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP5749999B2
Application number: JP2011160552A
Authority: JP
Inventors: 裕行荏原
Original assignee: Dainichi Co Ltd
Current assignee: Dainichi Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: JP2013024489A

Description

本発明は、熱源からの排熱により蓄熱体を加熱する蓄熱装置に関するものである。

従来、内燃機関や外燃機関からの排熱を利用して動力、温熱、冷熱を取り出し、総合エネルギー効率を高めるコジェネレーションシステムが開発されている。このコジェネレーションシステムは、例えば、エンジンやガスタービン等の熱機関と発電機とからなるコジェネレーション装置を備え、燃料を熱機関で燃焼させて発電機を駆動して発電する一方、その熱機関の排熱を利用して暖房や給湯を行うように構成されたものであり、さらに近年においては、コジェネレーション装置として燃料電池を用いたシステムも提案されている。

なお、熱機関や燃料電池からの排熱を有効に利用するためにはその熱を蓄熱しておく必要がある。熱を蓄えるための蓄熱材としては、比熱が高く安全かつ安価であるという理由から一般的に水が利用されているが、水を蓄熱材として利用した場合、その顕熱で蓄熱することになるので単位体積あたりの熱容量が十分ではなく、多くの熱を蓄えるためには蓄熱容器が大型化してしまうという問題があった。

そこで、この問題を解消するために、潜熱蓄熱材を用いて蓄熱する方法が提案されている。潜熱蓄熱材は水に比べ単位体積あたりの熱容量が大きいため、装置を小型化することが可能となるのである。

例えば特許文献１では、貯湯タンクと、潜熱蓄熱材を収容した蓄熱タンクを併用しており、これにより蓄熱装置全体で蓄えることのできる熱量を変えずに蓄熱装置を小型化している。

また、特許文献２では、潜熱蓄熱材と水を蓄熱材として収容した蓄熱材槽をそれぞれ備えており、貯湯タンクを設けていない分、装置を小型に構成することが可能となっている。

特開２０１０−１８６６６８号公報特開２００７−２０５６１８号公報

しかしながら、上記従来の蓄熱装置では蓄熱タンクと貯湯タンク、または蓄熱材槽同士が配管で繋がれているので構造が複雑なだけでなく、この配管からも熱が放出されるため蓄熱効率を低下させてしまうおそれがある。そして、配管を制御する弁も多く使用されるため装置はさらに複雑化してしまうことになる。

また、特許文献２の構成では貯湯タンクを設けていないのでその分装置は小型化できるが、その代わりに給湯側にも熱交換器が必要となってしまっていた。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、構成を簡略化して小型化を可能にするとともに、蓄熱能力の高い蓄熱装置を提供することを目的とする。

本発明は、顕熱蓄熱部と、前記顕熱蓄熱部の外周に密接して設けられた潜熱蓄熱部と、熱源からの排熱により前記顕熱蓄熱部を加熱する加熱経路と、前記顕熱蓄熱部を冷却する冷却経路と、前記潜熱蓄熱部との間に空気通路を介して設けられたケースと、前記空気通路と蓄熱装置外部とを連通する連通口と、前記連通口を開閉する開閉部材を有し、前記開閉部材は前記潜熱蓄熱部に蓄えられた熱量が所定値に達すると連通口を開放することを特徴とする蓄熱装置である。

上述のように構成することにより、複雑な配管を必要としないため構成が簡単であり、さらに顕熱蓄熱部から潜熱蓄熱部へと熱が効率よく伝わるため、熱の損失が少なくなり蓄熱効率を上げることができる。また、潜熱蓄熱部の外周に設けたケースが外部への放熱を抑えるとともに、連通口を開放することにより強制的に放熱させることができる。

本発明の蓄熱装置を使用したコジェネレーションシステムの概略図である。本発明の蓄熱ユニットの平面−断面図である。本発明の蓄熱装置の断面図である。

好適と考える本発明の最良の形態を、本発明の作用効果を示して簡単に説明する。

本発明の蓄熱装置は、蓄熱材として顕熱蓄熱材と潜熱蓄熱材を用い、顕熱蓄熱材を収容した顕熱蓄熱部の外周に潜熱蓄熱材を収容した潜熱蓄熱部を密接して設けており、さらに、顕熱蓄熱部内には蓄熱材を加熱および冷却するための経路を配置している。

つまり、顕熱蓄熱部と潜熱蓄熱部を密接させることでこれらを繋ぐ配管が不要になるため、装置が簡略化できるとともに、顕熱蓄熱部と潜熱蓄熱部との間で熱を伝達する際に熱の損失がなくなり蓄熱効率を高めることができる。

そして、蓄熱材を加熱および冷却する経路が熱伝導率の高い顕熱蓄熱部内に設けられていることにより、加熱・冷却経路は蓄熱材との熱交換をすばやく行うことができるので、蓄熱装置の加熱・冷却を効率よく行うことができる。

また、潜熱蓄熱部の外周は空気通路を介して断熱性能を有するケースで囲われているので、蓄熱材に熱を蓄えているときはケースと空気通路により蓄熱装置外部への放熱を抑えることができる。一方で、この空気通路は装置外部と連通する連通口を有しているので、蓄熱材に蓄えた熱量が所定量を超えたときには連通口を開放して通気を行うことで強制的に潜熱蓄熱部から放熱させることも可能となる。

以下本発明の一実施例を図面により説明する。

図１は本発明の蓄熱装置を使用したコジェネレーションシステムの概略図である。蓄熱装置１は熱を蓄える蓄熱ユニット２、蓄熱ユニット２を加熱する加熱経路３、蓄熱ユニット２から熱を奪い冷却する冷却経路４より構成されている。

加熱経路３には循環ポンプ５が設けられていて、熱交換器２１を介して熱源である発電ユニット２０から発生する排熱と熱交換を行い、その熱により蓄熱ユニット２を加熱するようになっている。

発電ユニット２０は発電に伴い熱を発生するため、冷却しなければ発電に支障をきたしてしまうが、熱交換器２１で加熱経路３と熱交換することにより冷却されるので、発電を継続して行うことができる。なお、この発電ユニット２０としては、例えばエンジンやガスタービン、燃料電池など発電の際に熱を発生させるものであればよく、特にその種類を限定するものではない。

また、冷却経路４の一端は冷却経路４内に水や空気など蓄熱ユニット２から熱を回収する流体を供給する流体供給口６となっており、流体供給口６と蓄熱ユニット２との間には流体を送出するための電気部品７が設けられている。電気部品７とは具体的には、流体が水の場合はポンプ、流体が空気の場合は送風機を設けることになる。そして、他端は蓄熱ユニット２を通過することで加熱された流体を排出する流体排出口８となっていて、湯や温風が排出される。

図２は本発明の蓄熱装置を構成する蓄熱ユニットの平面−断面図であり、蓄熱ユニット２はその中心に顕熱蓄熱体を収容した顕熱蓄熱部９を備え、顕熱蓄熱部９の外周には潜熱蓄熱体を収容した潜熱蓄熱部１０が配置されている。そして、顕熱蓄熱部９の内部に略Ｕ字型の加熱経路３と冷却経路４が互いに交わることなく配置されている。

加熱経路３は筒状のパイプ部材に、放熱面積を広げるための多数の伝熱フィン１１ａが設けられた形状であり、その内部には不凍液が循環しており、この不凍液が発電ユニット２０からの排熱と熱交換して昇温し、熱を放出する。

顕熱蓄熱部９を構成する顕熱蓄熱体には、水または不凍液など熱伝導率が比較的高く、熱容量の低い液体が用いられていて、伝熱フィン１１ａを通じて加熱経路３から放出される熱を素早く吸収して昇温させることができる。

一方、潜熱蓄熱部１０を構成する潜熱蓄熱体には、例えば酢酸ナトリウム水和物などが用いられ、熱が加わることによって潜熱蓄熱体が融解されると、このときに加えられた熱量が潜熱として潜熱蓄熱部１０に蓄熱される。潜熱蓄熱体は、顕熱蓄熱体に比べて熱伝導率は低いが熱容量が大きいため、蓄えた熱を長時間放出することができる。

潜熱蓄熱部１０の内部には伝熱部材１２が設けられており、昇温した顕熱蓄熱部９が放出する熱をこの伝熱部材１２を介して潜熱蓄熱体に伝達することで、潜熱蓄熱部１０の加熱効率が向上する。

また、顕熱蓄熱部９と潜熱蓄熱部１０は熱が伝達する際に熱損失が発生しないよう互いに密接して設けられている。

冷却経路４は、加熱経路３と同様に筒状のパイプ部材に多数の伝熱フィン１１ｂが設けられた形状であり、電気部品７の動作により流体供給口６からパイプ部材の内部に流体を導入して、この流体により顕熱蓄熱部９の熱を奪い顕熱蓄熱部９を冷却するようになっている。また、顕熱蓄熱部９から熱を奪うことにより加熱された流体は流体排出口８から排出されるようになっている。

そして、図３は蓄熱装置の断面図であり、蓄熱ユニット２を囲うように断熱材からなるケース１３が設けられ、この潜熱蓄熱部１０とケース１３の間には空気が通過する空気通路１４が形成されている。また、ケース１３の所定位置には空気通路１４と蓄熱装置１の外部とを連通し空気が出入りする連通口１５ａ、１５ｂが設けられるとともに、この連通口１５ａ、１５ｂを開閉する開閉部材１６が設置されており、この開閉部材１６は潜熱蓄熱部１０に蓄えられた熱量によって動作が制御される。

潜熱蓄熱部１０の外周には伝熱フィン１１ｃが形成されており、連通口１５ａから流入した空気は空気通路１４を通過する間に伝熱フィン１１ｃと熱交換することで潜熱蓄熱部１０から熱を奪い、もう一方の連通口１５ｂから排出される。

次に、前述した構成からなる蓄熱装置１の動作について説明する。なお、本発明の蓄熱装置１は、蓄熱ユニット２に熱を蓄える蓄熱動作、冷却経路を介して蓄熱ユニット２の熱を回収する冷却動作、蓄熱ユニット２の熱を強制的に放熱させる放熱動作の３つの動作を行うものであり、以下では冷却経路４を介して熱を回収する流体の例として水を用いた場合について説明する。

蓄熱動作：熱源となる発電ユニット２０が発電動作を行うと、これに伴って熱を排出するので、加熱経路３内を循環する不凍液はこの排熱と熱交換器２１で熱交換を行うことにより昇温して、加熱経路３から熱が放出されるようになる。蓄熱ユニット２内では、加熱経路３に密接して顕熱蓄熱部９が配置されているので、加熱経路３から放出される熱は顕熱蓄熱部９に吸収される。顕熱蓄熱材は熱伝導率が高いため、熱を受けて素早く昇温する。

一方、加熱経路３内を循環する不凍液は、顕熱蓄熱部９と熱交換することで熱を奪われ、蓄熱ユニット２を出る際には温度が低下した状態となっている。したがって、熱交換器２１には温度の低い不凍液が流入することにより、発電ユニット２０が冷却されて、発電を継続して行うことができる。

顕熱蓄熱部９に蓄えられた熱は、さらにその外周の潜熱蓄熱部１０に供給される。潜熱蓄熱部１０は顕熱蓄熱部９に密接して配置されているので、顕熱蓄熱部９から放出される熱は全て潜熱蓄熱部１０に吸収される。また潜熱蓄熱部１０の内部に設けられた伝熱部材１２が顕熱蓄熱部９が放出する熱を潜熱蓄熱部１０の内部から伝達するので、潜熱蓄熱部１０は顕熱蓄熱部９との境界面からだけでなく内部からも加熱されることとなり、加熱効率が向上する。

そして、潜熱蓄熱体の温度が融解温度に達すると、潜熱蓄熱体が融解してこの潜熱が潜熱蓄熱部１０に蓄熱される。

このときケース１３の開閉部材１６は閉じられているので、潜熱蓄熱部１０に蓄えられた熱は、空気通路１４およびケース１３によって外部への放出が抑えられるため、蓄熱ユニット２は高温を維持することが可能となる。

冷却動作：蓄熱ユニット２に熱が蓄えられている状態で給湯の要求があると、電気部品であるポンプ７が作動し、流体供給口６から冷却経路４内に水が導入されるので、冷却経路４内に導入された水は、蓄熱ユニット２を通過する間に顕熱蓄熱部９から熱を奪うことで湯となり、流体排出口８から排出される。つまり、本蓄熱装置においては、給湯用に貯湯タンクを必要とせず、さらに蓄熱ユニット２内で熱交換が行われるので、構成が簡単となるため装置の小型化が可能となる。

顕熱蓄熱部９は冷却経路４を通過する水により冷却されるので、温度が低下するが、外周に設けられた潜熱蓄熱部１０が放出する熱により加熱されて顕熱蓄熱部９は一定温度を保つことができる。

なお、冷却動作と同時に蓄熱動作も行われることもあるが、この場合は、顕熱蓄熱部９は冷却経路４にて冷却されると同時に加熱経路３により加熱される。

また、蓄熱動作時と同様、冷却動作時においてもケース１３の開閉部材１６は閉じられているので、潜熱蓄熱部１０に蓄えられた熱は、空気通路１４およびケース１３によって外部への放出が抑えられる。

このように蓄熱動作を行うことで蓄熱ユニット２が加熱され、冷却動作を行うことで蓄熱ユニット２が冷却される。蓄熱動作と冷却動作のバランスが取れていると、冷却動作で蓄熱ユニット２が冷却された分、蓄熱動作で蓄熱ユニット２に熱を蓄えることができるので、加熱経路３を循環する不凍液は顕熱蓄熱部９に熱を奪われて蓄熱ユニット２通過後には温度が低下した状態となる。したがって、加熱経路３は熱交換器２１を介して発電ユニット２０を冷却することができる。

しかし、通常は冷却動作で奪われる熱量と蓄熱動作で蓄える熱量とは一致するものではなく、蓄熱動作で蓄える熱量が多くなることが予想される。そして、潜熱蓄熱部１０の蓄熱量が所定量に達すると、顕熱蓄熱部９は加熱経路３から熱を奪うことができなくなるため、蓄熱ユニット２を通過後の加熱経路３内の不凍液は高温を維持したままの状態となる。すると、不凍液は温度が高いまま熱交換器２１に流れ込むので、発電ユニット２０を冷却することができず、発電動作に支障をきたし、発電動作を規制しなければならなくなる。そこで、このような状態を回避するために、蓄熱量が所定の値に達すると、強制的に潜熱蓄熱部１０を放熱させる放熱動作が行われる。

放熱動作：潜熱蓄熱部１０に蓄えられた熱量が所定量を超えたと判断された場合、ケース１３の開閉部材１６を開き、連通口１５ａから蓄熱装置内部に空気を流入させる。すると、連通口１５ａより流入した空気は、空気通路１４を通過する間に潜熱蓄熱部１０から放出される熱を受けて昇温し、もう一方の連通口１５ｂより排出される。これにより、潜熱蓄熱部１０は冷却されて温度が低下するので、顕熱蓄熱部９は加熱経路３から熱を奪うことができるようになる。

そして、放熱動作を続けることで潜熱蓄熱部１０に蓄えられた熱量が所定量以下になったと判断されると、開閉部材１６を閉じて以降の放熱を遮断する。

ケース１３は、蓄熱動作および冷却動作時には潜熱蓄熱部１０から外部への熱の放出を抑えて高温に維持する役割を果たすものであるが、放熱動作時においては開閉部材１６を開くことで潜熱蓄熱部１０を放熱させて冷却することができる。つまり、潜熱蓄熱部１０を冷却するためにラジエーター等の冷却装置を別途設ける必要がないため、より装置を小型かつ安価に構成することが可能となる。

３加熱経路
４冷却経路
６流体供給口
８流体排出口
９顕熱蓄熱部
１０潜熱蓄熱部
１３ケース
１４空気通路
１５ａ，１５ｂ連通口
１６開閉部材

Claims

顕熱蓄熱部と、前記顕熱蓄熱部の外周に密接して設けられた潜熱蓄熱部と、熱源からの排熱により前記顕熱蓄熱部を加熱する加熱経路と、前記顕熱蓄熱部を冷却する冷却経路と、前記潜熱蓄熱部との間に空気通路を介して設けられたケースと、前記空気通路と蓄熱装置外部とを連通する連通口と、前記連通口を開閉する開閉部材を有し、前記開閉部材は前記潜熱蓄熱部に蓄えられた熱量が所定値に達すると連通口を開放することを特徴とする蓄熱装置。