JPH0117079B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、直接熱交換方式の潜熱型蓄熱器に関
するものである。 ［従来の技術］ 現在、熱エネルギーの経済的な管理を目的とし
て、優秀な蓄熱器の出現が待望されている。これ
までに、物質の温度変化そのものを利用する顕熱
型、物質の溶融潜熱を利用する潜熱型、物質の化
学変化熱を利用する反応形など、多くの蓄熱形式
が研究されているが、いずれも一長一短がある。
蓄熱研究の主要な課題が蓄熱器の性能の向上であ
ることは言うまでもないが、さらに重要な問題と
してそのコストがあげられる。蓄熱器は省資源、
省エネルギーを目的とする機器であるため、あま
りに高コストとなつては、いかに性能が優秀であ
つても開発の意義がうすれる。 即ち、一般に、冷暖房や給湯を目的とする蓄熱
では、無機水和塩（結晶水を持つ無機塩類、たと
えば硫酸ナトリウム10水塩、Na₂SO₄・10H₂Oや
チオ硫酸ナトリウム５水塩、Na₂SO₄・5H₂Oな
ど）が蓄熱材の有力な候補物質とされてきた。第
１図ａ，ｂはそれらの蓄熱材を用いる従来の潜熱
型蓄熱器の構造例を示すもので、同図ａはカプセ
ル、ｂはシエル・チユーブ型と呼ばれている。第
１図ａのカプセル型において、１は蓄熱容器、２
は熱媒体の入口、３は同出口、４は無機水和塩よ
りなる潜熱型蓄熱材、５はその蓄熱材を充填・密
封した多数のカプセルを示す。また、第１図のｂ
のシエル・チユーブ型蓄熱器において、１１は蓄
熱容器、１２は熱媒体の入口、１３は同出口、１
４は無機水和塩よりなる潜熱型蓄熱材、１５は熱
媒体を通過させるための熱交換チユーブを示す。 これらの潜熱型蓄熱器において、蓄熱材４，１
４は溶融と凝固をくり返すことにより、蓄熱・放
熱を行うが、図示したカプセルや熱交換チユーブ
は、蓄熱材と熱媒体の間に適当な熱交換面を確保
する目的と、溶融した蓄熱材が熱媒体と共に流出
しないように防護する目的をもつて設備されてい
る。ところがこのカプセルや熱交換チユーブの製
作と加工には、非常に多大な経費が必要であり、
場合によれば蓄熱材そのものの価格を上回ること
もめずらしくない。 ［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、このような経費の軽減をはか
るため、直接熱交換方式を用いて、カプセルや熱
交換チユーブを省略し、蓄熱器を構造が簡単で低
コストに構成したものとして提供することにあ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の蓄熱器は、
蓄熱材と混合しない熱媒体液を小滴として、蓄熱
材と直接接触させ、熱交換を行わしめる方式の潜
熱型蓄熱器であつて、蓄熱材が、無機水和塩とそ
の飽和水溶液からなり、蓄熱器内部に、平板部の
片側に熱媒体を小滴として流出浮上させる小孔群
を有し、かつ蓄熱材結晶を担持するための縁板を
有する案内板を、小孔群を有する側が交互に位置
し、かつこの側が高くなるように、水平に対し５
〜7゜の角度だけ傾斜させて複数個配設したことを
特徴とするものである。 ［作用］ 上記構成の蓄熱器においては、流出浮上する熱
媒体は複数の案内板のそれぞれに交互に位置する
ように設けられた小孔群を通つて直接的に効率の
よい熱交換が行われる。また、蓄熱器の放熱過程
において融液から析出した結晶は各案内板に分散
した状態に担持され、それらの結晶の全てが器底
に堆積することなく、これによつても効率のよい
熱交換が行われる。 ［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の蓄熱器について
さらに詳細に説明する。 第２図は本発明に係る潜熱型蓄熱器の基本的構
造を示し、２１は蓄熱容器、２２は熱媒体の入
口、２３はその出口、２４は蓄熱に適した材料か
らなる蓄熱材、２５は上記蓄熱材よりも比重が小
さい熱媒体液であつて、上記蓄熱容器２１内にお
いては、充填した蓄熱材２４の上方に熱媒体の出
口２３に通じる熱媒体貯留空間２５′を形成して
いる。また、２６は断熱材層、２７は案内板、２
８はポンプ、２９は熱源または熱負荷、３０はポ
ンプ２８によつて供給される熱媒体２５を入口２
２において蓄熱材２４中に小滴として分散噴出さ
せる多孔体、３１は蓄熱容器２１から断熱材層２
６を通してパイプ先端を外部に導出することによ
り形成した種子結晶発生器を示している。 而して、上記蓄熱容器２１の底部の入口２２に
おいて熱媒体を小滴として噴出させる構成は、熱
媒体を蓄熱材に直接接触させるための手段を構成
し、また蓄熱容器２１の上部に形成した熱媒体貯
留空間２５及びそれに通じる出口２３は、熱媒体
２５の比重を蓄熱材２４のそれよりも小さくした
ことから、熱交換のために直接接触した熱媒体２
５を蓄熱材２４から分離抽出するための手段を構
成することになる。上記熱媒体２５を蓄熱材２４
に直接接触させるための手段及び接触した熱媒体
２５を蓄熱材２４から分離する手段としては、図
示の構成例に限ることなく、同一の作用を期待で
きる他の構成を採用することができる。 上記蓄熱材２４としては無機水和塩を用いる
が、その中を熱媒体２５が小滴となつて浮上する
ため、蓄放熱操作の過程で全体的に固体化するこ
とがあつてはならない。そのため、無機水和塩に
その化学量論比以上の水を含有させ、無機水和塩
の融点以下の温度でも、即ち熱エネルギーを貯蔵
する前または熱エネルギーを放出した後の状態に
おいても、無機水和塩の結晶とその飽和水溶液と
が共存するように調製したものが使用される。 無機水和塩の種類は非常に多く、適当な無機水
和塩を選択使用できるが、適量の飽和水溶液量を
得るために添加すべき水分量は、無機水和塩の種
類によつてそれぞれ相違する。この水分量は、あ
まり少なくては熱媒体の浮上が困難であり、また
あまり多くては蓄熱材の単位体積当りの溶融潜熱
が低下する。種々検討した結果、適当と考えられ
る水分量の一例を次表に示す。 このような水分量では、蓄熱材に熱エネルギー
を貯蔵する前、または熱エネルギーを放出した後
の状態において、蓄熱材はその全量に対し８〜18
容積パーセントの飽和水溶液と残部の水和塩結晶
を含有しており、熱媒体が小滴となつて、蓄熱材
中を上昇することが可能である。なお、無機水和
塩と適量の飽和水溶液が共存することにより、従
来法でみられた「過冷」や「相分離」などの不都
合な現象も大幅に改善される。 また、上記蓄熱材としては、二種以上の無機水
和塩の結晶とそれらの飽和水溶液を用いることも
できる。このような蓄熱体の見かけ融点は、熱エ
ネルギーの使途（冷房、暖房、給湯など）と関連
して重要であるが、無機水和塩の種類、水含量、
二種以上の塩の混合比を適切に選定することによ
りその見かけ融点を調節し、幅広い使途に対応さ
せることができる。

【表】 一方、熱媒体２５としては、一般に、蓄熱材２
と化学反応や溶解等の相互作用がなく、かつ蓄熱
材よりも比重の小さい液体、例えばシリコーン
油、灯油、軽油、石油パラフイン、やし油等が使
用される。特殊な場合には、空気等の気体を使用
することもできる。上記液体について種々検討し
たが、粘度が使用温度において５〜20センチスト
ークスのシリコーン油が最適である。シリコーン
油は、表面張力が小さく、小滴になり易い上に、
蓄熱材融液とエマルジヨンを生成しないので容易
に分離できるなどの点ですぐれているが、あまり
に高粘度のシリコーン油は、ポンプ２８による輸
送動力が過大となるために適さない。またシリコ
ーン油は蓄熱材上面を覆つて蓄熱材の水分の変動
を防止するほか、他の機器、例えば太陽熱集熱器
や給湯器等の腐食を軽減させる効果をも有してい
る。上記構成を有する蓄熱容器に熱を貯蔵する場
合には、熱媒体２５をポンプ２８により熱源２９
に送給し、それを熱源２９において加熱してから
蓄熱容器の入口２２に戻して循環させる。上記熱
源２９としては、例えば太陽熱、工場排液、夜間
電力などがある。熱源２９において加熱されて蓄
熱容器に送られた熱媒体は、多孔体３０内を通過
することにより小滴となつて蓄熱材２４の中を上
昇（浮上）しつつ直接的に蓄熱材２４と熱交換を
行い、蓄熱容器２１内の上方の熱媒体貯留空間２
５′へ戻る。このような操作を継続すると、蓄熱
材２４の温度が上昇すると同時に、その中に含ま
れる無機水和塩結晶が融解して、溶融潜熱に相当
する熱量が貯蔵される。 逆に、蓄熱器から熱を放出させる場合には、熱
媒体２５を暖房用フアンコイル、吸収式冷凍機、
給湯器などの熱負荷２９へ送り、熱媒体２５を冷
却させてから入口２２に戻して還流させる。入口
２２から送入された熱媒体２５は、蓄熱材２４中
を小滴となつて上昇（浮上）しつつ熱交換を行
い、蓄熱材２４が冷却される。その結果、融解し
ていた無機水和塩が析出し、相当する溶融潜熱が
熱媒体２５に与えられる。 以上の説明から明らかなように、上記蓄熱器で
は、蓄熱材２４の温度変化に伴つて、その中に含
まれる無機水和塩の結晶とその融液である飽和水
溶液の量比が大きく変化する。しかし、蓄放熱操
作の過程で、蓄熱材全体が固体化しないように、
無機水和塩の化学量論比以上の水を含有させ、水
和塩の融点以下の温度でも、適量の飽和水溶液が
無機水和塩の結晶と共存する状態に調整している
ため、熱媒体を蓄熱材中に小滴として分散させる
ことによる両者の直接接触に支障を来たすことは
ない。 次に、前記案内板２７について説明する。この
案内板２７は、熱媒体２５が蓄熱材２４中を急速
に上昇して分離するのを抑制し、両者の接触時間
を十分に保つて熱交換性能を高めるためのもの
で、第３図ａ，ｂにその構造例を示している。同
図の案内板２７は、その平板部３２の片側に熱媒
体を小滴状として流出浮上させる小孔群３３を有
し、かつその周囲に熱媒体流（矢印）を適正な方
向に誘導すると同時に平板部３２の上に析出した
水和塩結晶３５をすべり落ちないように支持する
縁板３４を有するものである。平板部３２は小孔
群３３を有する側が高くなるようにして水平に対
して５〜7゜の角度だけ傾斜するように縁板３４と
接合され、第２図及び第３図ｂに示すよように、
小孔群３３を有する側が左右交互に位置するよう
に蓄熱容器２１中に配置される。 このような案内板２７を設置しない場合には、
蓄熱器の放熱過程において、融液から無機水和塩
が析出すると、比重差によつて水和塩結晶が容器
の底部に沈降し、大量の水和塩結晶が容器底部に
堆積すると、入口２２を通つて熱媒体が流入する
ことが困難となり、また偏流を生じて熱交換が不
良になることもある。しかるに、上記案内板を設
置すると、蓄熱材中に生成した水和塩結晶が分散
して担持され、その全部が器底に堆積することが
なく、熱交換性能が高められる。案内板の間隔は
５〜10cmが好適である。 次に、前記種子結晶発生器３１について説明す
る。この種子結晶発生器３１は管状容器の中に、
蓄熱材と同種の無機水和塩を充填し、その一端が
蓄熱容器２１内部に蓄熱材２４と接触して開口し
ており、他端が断熱材層２６を貫通して外部へ引
出され、封止されている。蓄熱材が十分に昇温さ
れ、蓄熱材中の無機水和塩が完全に溶融している
場合、次の放熱を行わせようとすると、結晶核の
不足のため、軽度の過冷が観察されることがあ
る。種子結晶発生器３１中の水和塩は、特に外部
に引出された部分では加熱をうけないため、溶融
せずに結晶のままで残基できる。このため、放熱
に際してその結晶が種子結晶として作用し、過冷
の少ない円滑な凝固を進行させることができる。 ［発明の効果］ 以上に詳述したところから明らかなように、本
発明の蓄熱器によれば、直接接触の熱交換方式を
とることによつて従来の装置では多大の経費を要
していたカプセルや熱交換チユーブを不要とし、
極めて安価に蓄熱器を構成することができ、熱エ
ネルギーの有効利用に資するところが大である。 また、本発明においては、熱媒体を小滴として
流出浮上させる小孔群を有する複数の案内板を小
孔群が交互に位置するように配置したので、熱交
換を効率良く行うことができ、また上記案内板に
蓄熱材結晶を担持するための縁板を設けたので、
析出した結晶の全てが容器底部に堆積するのを回
避して、それらの結晶を各案内板に分散担持させ
ることができ、これによつても熱交換性能が高め
られる。 以下に本発明の実験例を示す。 実験例 １ 第２図に示す構造を有し、その蓄熱容器の直径
が30cm、高さが80cmの円筒型蓄熱器を製作した。
この中に底部からの高さが65cmとなるまで蓄熱材
Ａ（水分量66重量パーセント、残部が無水炭酸ナ
トリウム）を入れ、蓄熱材の上部に厚みが７cmに
なるまでシリコーン油を入れて熱媒体とした。案
内板は第３図ａ，ｂの形状のものを10枚設置し
た。熱媒体を出口２３から電動ポンプで汲出し、
入口２２に還流する途中で電熱を用いて加熱し、
入口２２での温度が60℃になるように調節を行つ
た。シリコーン油の出口と入口での温度差を計測
し、その比熱と流速を用いて熱媒体から蓄熱材へ
移動した熱エネルギー量を計算した。求められた
蓄熱材の熱含量Ｑと蓄熱材との平均温度Ｔの関係
を第４図に示した。図中の曲線C₁は蓄熱材Ａの
ものであり、曲線C₂は比較のために蓄熱材Ａと
等容積の水について実験したものである。Ｑが急
増する温度（蓄熱材の見かけ融点）は約33℃であ
つた。この見かけ融点から上下10℃、（計20℃）
の温度幅をとるとき、蓄熱材Ａの熱容量は水のそ
れの約3.7倍である。シリコーン油の流速を500
ml／分に一定とすると、第４図のP₁点からP₂点
に到達するのに約1.8時間を要したが、案内板２
７を取去つた場合は所要時間が約3.3時間となり、
案内板の熱交換促進効果が大であることが示され
た。 実験例 ２ 実験例１と同一の装置に、蓄熱材Ｂ（水分量43
重量パーセント、残部が無水酢酸ナトリウム）を
充填した。あらかじめ蓄熱器全体を均一に65℃に
なるまで昇温させ、蓄熱材中の無機水和塩を完全
に溶融させた。次に、電動ポンプを用いてシリコ
ーン油を汲出し、入口２２に還流する途中で水流
熱交換器により冷却し、入口温度を24℃に保持し
た。シリコーン油の出口と入口における温度差、
流速及び比熱から、蓄熱材Ｂから熱媒体へと移行
した熱エネルギー量を計算し、蓄熱材の熱含量Ｑ
と平均温度Ｔの関係を第５図に示す。曲線C₃は
蓄熱材Ｂに、また曲線C₄は比較のため計測した
蓄熱材Ｂと等容積の水に対応する結果である。蓄
熱材Ｂの見かけ融点は約57℃であつた。この温度
から上下10℃（計20℃）の温度幅で比較すると、
蓄熱材Ｂの熱含量は水の約4.1倍となる。種子結
晶発生器を取除いて試験すると、前述の見かけ融
点から約８℃の過冷が観察された。 実験例 ３ 上述と同一の装置を用いて、蓄熱材Ｃ（水分量
40.5重量パーセント、無水酢酸ナトリウム30.5重
量パーセント、チオ硫酸ナトリウム29重量パーセ
ント）により試験した。この場合の溶解は40〜55
℃で起こり、前述のようなはつきりした見かけ融
点は示さなかつたが、この温度範囲での熱含量は
水の3.4倍に達することが観察された。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは従来の潜熱型蓄熱器の断面図、
第２図は本発明の直接熱交換形式の蓄熱器の断面
図、第３図ａ，ｂは案内板の平面図及び断面図、
第４図及び第５図は試験結果を示す線図である。 ２１……蓄熱容器、２２……入口、２３……出
口、２４……蓄熱材、２５……熱媒体、２５′…
…熱媒体貯留空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蓄熱材と混合しない熱媒体液を小滴として、
   蓄熱材と直接接触させ、熱交換を行わしめる方式
   の潜熱型蓄熱器であつて、蓄熱材が無機水和塩と
   その飽和水溶液からなり、蓄熱器内部に、平板部
   の片側に熱媒体を小滴として流出浮上させる小孔
   群を有し、かつ蓄熱材結晶を担持するための縁板
   を有する案内板を、小孔群を有する側が交互に位
   置し、かつこの側が高くなるように、水平に対し
   ５〜7゜の角度だけ傾斜させて複数個配設したこと
   を特徴とする直接熱交換方式の潜熱型蓄熱器。