JPH01302099A

JPH01302099A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JPH01302099A
Application number: JP63132962A
Authority: JP
Inventors: Koji Kashima; 弘次鹿島; Katsuaki Yamagishi; 勝明山岸; Akio Mitani; 三谷　明男
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1989-12-06

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、過冷却を生じる潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置
に係り、特に過冷却解除手段を改良した蓄熱装置に関す
る。

（従来の技術）周知のように、物質が液体状態から固体状態に相変化す
るとき放出する潜熱は、物質が相変化を伴わずに放出す
る顕熱に比べてはるかに大きい。

このような潜熱を利用すると、小型で熱容量の大きい蓄
熱装置を実現できる。

ところで、潜熱を利用した蓄熱装置を構成する場合、蓄
熱材としては通常、相変化温度、つまり融点が蓄熱時の
熱源温度に近いものが選ばれる。

たとえば、ヒートポンプ式冷暖房機において、暖房時の
立上がりを速めるために用いられる蓄熱装置では、融点
が４０〜９０度の範囲にある。チオ流酸ナトリウムの５
水塩（Ｎａ２　Ｓ　２０３５Ｈ２０）　、水酸化ストロ
ンチウムの８水塩（５ｒ（Ｏｌｌｈ　８Ｈ２０）　。

酢酸ナトリウム３水塩などの水和塩が潜熱蓄熱材として
用いられている。しかし、これらの潜熱蓄熱材は過冷却
現象を起こし易い。このため、蓄熱材から熱を取り出そ
うとしたとき、エネルギ密度の大きい潜熱による放熱が
開始されるまで長時間を要する問題があった。そこで最
近では、このような不具合を解消するために、潜熱蓄熱
材と同一組成の凝固核部を形成しておき、これを蓄熱材
の融液の一部に接触させることによって過冷却を解除す
る方式が採用されている。

潜熱蓄熱材と同一組成の凝固核部を形成する手段として
は、従来１種々の方式が考えられているが、その中に電
子冷凍装置を用いたものがある。

この電子冷凍装置を用いたものは、たとえば特公昭６１
−３４０７５号公報に開示されているもので代表される
ように、潜熱蓄熱材を収容した断熱容器に対して、放熱
面が外部に露出し、吸熱面が断熱容器内の潜熱蓄熱材に
通じた部分に位置するように電子冷凍素子を設け、この
電子冷凍素子の吸熱面に潜熱蓄熱材と同一組成の凝固核
部を保持させ、この凝固核部と潜熱蓄熱材とを凝固状態
にある潜熱蓄熱材のウィックで接続したものとなってい
る。このような構成であると、凝固核部が潜熱蓄熱材に
対して同一物質を介して接続されているので過冷却を解
除することができる。

しかしながら、上記のように電子冷凍装置で過冷却解除
装置を構成した従来の蓄熱装置にあっては次のような問
題があった。すなわち、従来の装置では、凝固核部を保
持するのに要した熱エネルギのほとんどを最終的に電子
冷凍素子の放熱面から外部に放熱させている。このため
、効率が低いと言う問題があった。また、電子冷凍素子
の吸熱面に保持された凝固核部を同じく凝固状態にある
ウィックを介して断熱容器内の潜熱蓄熱材に接続させて
いるので、凝固核部およびウィックを保持するために容
量の大きい高価な電子冷凍素子を必要とする問題もあっ
た。

（発明が解決しようとする課題）上述の如く、過冷却解除装置を電子冷凍装置で構成した
従来の蓄熱装置にあっては、凝固核部の凝固状態を保持
するために要したエネルギのほとんどを外部に捨ててい
るため効率が悪いばかりか、電子冷凍素子を外部に設置
しなければならない関係上、容量の大きい高価な電子冷
凍素子を必要とする問題があった。

そこで本発明は、容量の大きい電子冷凍素子を必要とせ
ずに、しかも凝固核部を形成するために要したエネルギ
のほとんどを有効利用できる蓄熱装置を提供することを
目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために本発明は、断熱容器と、この
断熱容器内に収容された過冷却を生じる潜熱蓄熱材と、
この蓄熱材に接触する加熱面を備え蓄熱材を選択的に加
熱する手段と、蓄熱材から選択的に熱を取出す手段と、
蓄熱材からの熱の取出し時に蓄熱材の過冷却を解除する
ための電子冷凍°装置とを備えてなる蓄熱装置において
、電子冷凍装置の電子冷凍素子を次のように設けている
。

すなわち、吸熱面および放熱面がそれぞれ断熱容器内の
蓄熱材に熱的に接続されるとともに吸熱面から蓄熱材を
介して前記加熱面に至る熱伝達路長が放熱面から蓄熱材
を介して前記加熱面に至る熱伝達路長より長くなる関係
に電子冷凍素子を配置している。

この場合、断熱容器内の蓄熱材中に、放熱面を前記加熱
面側に位置させるとともに吸熱面を断熱容器の内面また
は断熱材に近接させて電子冷凍素子を設けるとより効果
的である。

また、放熱面と前記加熱面との間に断熱材を設けると一
層効果的である。

さらに、断熱容器の一部を構成する金属製内槽の壁の一
部を内側に凸となる関係に窪ませて形成された凹部内に
放熱面側を前記加熱面側に位置させて電子冷凍素子を装
着することもできる。

（作　用）電子冷凍素子に通電すると、その吸熱面側では熱を奪い
、また放熱面側では奪った熱を放熱する。上述の如く、
吸熱面から蓄熱材を介して前記加熱面に至る熱伝達路長
が放熱面から蓄熱材を介して上記加熱面に至る熱伝達路
長より長くなる関係に電子冷凍素子が配置されている。

このため。

電子冷凍素子の放熱面からの放熱は、加熱面からの放熱
と同様に蓄熱材を加熱するのに供される。

一方、電子冷凍素子の吸熱面側では、加熱面や放熱面か
らの放熱の影響をあまり受けることなく。

吸熱面に熱的に接続している蓄熱材を冷却する。

したがって、断熱容器内に収容されている蓄熱材のうち
、吸熱面に最も近い位置に存在している蓄熱材は凝固し
て凝固核部となり、この凝固核部が過冷却の解除に供さ
れることになる。このように。

電子冷凍素子を上記関係に配置しているので、吸熱面側
において蓄熱材の凝固核部の形成に寄与すべく上記吸熱
面を介して奪われた熱は、電子冷凍素子の放熱面を介し
て上記凝固核部に熱的な影響を与えることが少ない位置
に存在している蓄熱材の加熱に供される。したがって、
凝固核部を形成するために要したエネルギのほとんどを
回収できることになり、この結果、効率の向上が可能と
なる。また、電子冷凍素子の吸熱面は断熱容器内に収容
された潜熱蓄熱材の一部を冷却して凝固核部を形成する
。したがって、冷却効率が良く、小容量の電子冷凍素子
の使用を可能化する。

（実施例）以下２図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係る蓄熱装置が示されて
いる。

同図において、１は断熱容器を示している。この断熱容
器１は１合成樹脂材あるいはステンレス鋼などのように
熱伝導性の低い金属材で形成された内槽２と、この内槽
２を覆うように設けられた断熱材層３とで構成されてい
る。そして、断熱容器１内には、酢酸ナトリウム３水塩
（融点５８℃）からなる潜熱蓄熱材４と熱交換パイプに
よって形成された熱交換器５とが収容されている。熱交
換器５は、潜熱蓄熱材４に蓄熱するときに必要な加熱用
熱交換器と潜熱蓄熱材４から熱を取出すときに必要な放
熱用熱交換器とを兼用したもので、その両端部はそれぞ
れ断熱容器１の上壁を液密に貫通して外部に導かれてい
る。そして、外部に導かれた両端部は、たとえばヒート
ポンプ式冷暖房機６に接続されている。このヒートポン
プ式冷暖房機６は、制御器７によって冷房運転および暖
房運転に選択的に切換えられる。そして、定常暖房運転
時には、圧縮機から吐出された高温の冷媒の一部を熱交
換器５に通流させ、また暖房運転の立ち上がり時は圧縮
機の吸込み口に熱交換器５を一定時間、たとえば直列に
接続するようにしている。

断熱容器１の内外には、電子冷凍装置によって構成され
た過冷却解除装置１１が配置されている。

この過冷却解除装置１１は、大きく分けて断熱容器１内
の底部で、隅の部分に配置された電子冷凍素子１２と、
断熱容器１外に設けられて電子冷凍素子１２への通電制
御を行なう制御装置１３とで構成されている。電子冷凍
素子１２は、第２図に示すように、ｎ型半導体ブロック
１４とｐ型半導体ブロック１５とを互いの長手辺を対向
させるとともに互いの間に一定の間隔をあけて交互に配
列し、この状態でｎ型半導体ブロック１４とｐ型半導体
ブロック１５とを吸熱電極１６および放熱電極１７で直
列に接続し、さらに絶縁材１８でモールドし、全体が角
柱状に形成されたものとなっている。そして、上記のよ
うに構成された電子冷凍素子１２は、吸熱面２０を内槽
２の側壁内面に対向させるとともに放熱面２１を熱交換
器５側に位置させ、さらに吸熱面２０と内槽２の側壁内
面との間に１ＣＭ程度の隙間２２をあけた状態で支持材
２３．２４を介して内槽２の内面に固定されている。な
お、支持材２４には隙間２２と、隙間２２より上方部分
とを連通させる孔２５が復数形成されている。電子冷凍
素子１２には、この素子に通電するためのシース形のリ
ード線２６の一端側が接続されており、このリード線２
６の他端側は第１図に示すように断熱容器１の土壁を液
密に貫通して外部に導かれている。また、隙間２２内で
吸熱面２０に近い位置にはシース形熱電対２７の温度接
点側が挿設されている。そして、この熱電対２７の他端
側も第１図に示すように断熱容器１の上壁を気密に貫通
して外部に導かれている。

制御装置１３は、第１図に示すように熱雷対２７によっ
て得られた検出温度と設定温度とを比較し、検出温度が
設定温度より高い期間はスイッチ３１をオン作動させる
温度設定器３２と、スイッチ３１がオン動作していると
きリード線２６を介して電子冷凍素子１２に通電する直
流電源３３とで構成されている。なお、温度設定器３２
は。

後述するように制御器７からの信号によって動作の開始
および停止を行なう。

次に、上記のように構成された蓄熱装置の動作を説明す
る。

断熱容器１内に収容されている潜熱蓄熱材４は。

前述の如く融点が５８℃である。したがって、この例に
おいては温度設定器３２の設定温度を潜熱蓄熱材４の融
点より任かに低い、たとえば５７℃に設定しておく。

今、ヒートポンプ式冷暖房機６が定常運転に移行して一
定時間経過すると、制御器７は圧縮機から吐出された高
温の冷媒（６０〜９０℃）の一部を熱交換器５に通流さ
せるように切換えるとともに温度設定器３２に動作開始
指令を与える。この結果。

高温の冷媒が熱交換器５に通流し、これに伴って潜熱蓄
熱材４が徐々に温度上昇する。そして、熱交換器５の熱
交換面、つまり加熱面近傍に位置する潜熱蓄熱材４から
融解を開始する。電子冷凍素子１２の放熱面２１の近傍
に位置する潜熱蓄熱材４ａが融解し始めるころ、隙間２
２内に位置する潜熱蓄熱材４ｂが相変化温度に近付く。

すなわち。

電子冷凍素子１２の吸熱面２０から潜熱蓄熱材４を介し
て熱交換器５の加熱面に至る熱伝達路長は。

放熱面２１から潜熱蓄熱材４を介して熱交換器５の加熱
面に至る熱伝達路長より長い。このため。

隙間２２に存在している潜熱蓄熱材４ｂの温度上昇は潜
熱蓄熱材４ａの温度上昇より遅れる。そして、吸熱面２
０の近傍温度が設定温度である５７℃を越えようとする
と、スイッチ３１がオン状態となり、電子冷凍素子１２
に通電される。この結果。

吸熱面２０の近傍の温度上昇が抑制され、吸熱面２０の
近傍は蓄熱材の凝固状態を維持できる５７℃近くに保た
れる。このとき、電子冷凍索子１２の吸熱面２０を介し
て奪われた熱は、放熱面２１より放熱されて放熱面２１
の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ａの加熱に供される。一
定時間経過すると。

吸熱面２０の近傍に存在する潜熱蓄熱材４ｂを除°　　
いた大部分の潜熱蓄熱材４が融解を完了する。そして、
潜熱蓄熱材４の上面温度が一定温度まで上昇した時点で
制御器７は熱交換器５への高温の冷媒の通流を停止させ
る。この停止によって潜熱蓄熱材４への蓄熱が完了する
。温度設定器３２は。

蓄熱終了後も吸熱面２０の近傍の温度が５７℃に保たれ
るようにスイッチ３１をオン、オフ制御する。

したがって、吸熱面２０の近傍には、いわゆる凝固核部
が継続して形成される。そして、そのときに奪った熱は
放熱面２１を介して放熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄
熱材４ａの加熱に供される。

翌朝、暖房運転を開始させると、制御器７は圧縮機の吸
込みラインに熱交換器５を直列に接続するように切換え
るとともに一定時間後に温度設定器３２の動作を停止さ
せる。この結果、熱交換器５には低温（たとえば１０℃
）、低圧の冷媒が通流することになる。このとき、潜熱
蓄熱材４の大部分は５８℃を越えた温度にあるので、こ
んどは潜熱蓄熱材４から熱交換器５内を流れる冷媒に熱
が与えられることになる。つまり、蓄熱装置からの熱の
取出しが開始される。

このとき、吸熱面２０の近傍に位置する潜熱蓄熱材以外
の潜熱蓄熱材４の温度は融点を越えている。このため、
潜熱蓄熱材４は、まず液体°顕熱を放出する。この放出
によって潜熱蓄熱材４は液体のままの状態で温度低下す
る。そして、一部が過冷却状態となり、続いて電子冷凍
素子１２の放熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ａ
も過冷却状態となる。その後、吸熱面２０の近傍に形成
されている凝固核部に隣接した部分に位置する潜熱蓄熱
材が過冷却状態になると、凝固核部が核となって過冷却
が解除され、この時点から潜熱の放出が開始される。こ
の潜熱の放出によって室内温度が急速に立上がることに
なる。上記解除までに要する遅れ時間は、電子冷凍素子
１２の位置、設置の仕方、熱交換器５の吸熱特性の選択
によって数１０秒から数分程度の範囲で自由に設定する
ことができる。

このように、凝固核部を形成するために電子冷凍素子１
２に与えたエネルギのほとんど全部を有効に使用するこ
とができる。したがって、従来装置に比べて効率を向上
させることができる。また。

電子冷凍素子１２の吸熱面２０で断熱容器１内に収容さ
れている潜熱蓄熱材４の一部から直接的に熱を奪って凝
固核部を形成するようにしているので、冷却効率がよい
。この結果、電子冷凍素子１２の容量が小さい場合でも
十分に機能させることができる。

第３図には本発明の別の実施例に係る蓄熱装置における
要部だけが示されている。そして、第１図と同一部分は
同一符号で示しである。したがって２重複する部分の詳
しい説明は省略する。

この実施例では、電子冷凍素子１２の放熱面２１と熱交
換器５との間に断熱材４１を介在させ。

放熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ａが熱交換器
５によって直接的に加熱されないようにしている。なお
、制御形態は第１図に示した実施例と同様である。

このような構成であると、熱交換器５に高温の冷媒を通
流させて潜熱蓄熱材４に蓄熱するとき。

電子冷凍素子１２の放熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄
熱材４ａは断熱材４１の存在で熱交換器５によって直接
的に加熱されない。一方、設定温度を５７℃程度に設定
して電子冷凍素子１２に通電すると、放熱面２１は融点
である５８℃を越える温度まで上昇する。この温度上昇
で放熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ａが加熱さ
れるが、相変化過程では吸熱するので、放熱面２１の近
傍に位置する潜熱蓄熱材４ａは温度上昇しない。したが
って、吸熱面２１の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ａと吸
熱面２０の近傍に位置する潜熱蓄熱材４ｂとの間の温度
差を小さくできる。このように温度差が小さいと、設定
温度５７℃を維持するのに要するエネルギは少なくてす
む。したがって、効率を一層向上させることができる。

第４図には本発明のさらに別の実施例に係る蓄熱装置に
おける要部だけが示されてている。この図においても第
１図および第３図と同一部分は同一符号で示しである。

したがって２重複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例では、断熱容器１ａの内槽２ａを熱伝導が比
較的よい金属材で形成するとともに内槽２ａの底壁４２
で隅に位置する部分に内？！２ａの側壁内面から１Ｃ１
１程度離れた状態で内側に凸となるように凹部４３を形
成し、この凹部４３内に放熱面２１が熱交換器５側に位
置し、吸熱面２０が内１２ａの側壁内面側に位置する関
係に電子冷凍素子１２を密接状態に挿設している。そし
て、凹部構成壁４４と内槽２ａの側壁内面との間に形成
された隙間２２ａに熱雷対２７を挿設している。

このような構成であると、実質的に四部構成壁４４の外
面で熱交換器５側に位置した面４５が放熱面となり、ま
た凹部構成壁４４の外面で内槽２ａの側壁内面に対向し
た面４６が吸熱面となる。

したがって、第１図に示した実施例と同様の効果が得ら
れることになる。そして、この場合には電子冷凍素子１
２を外部から容易に保守点検できる利点がある。

なお、上述した各実施例では、断熱容器内の下部で隅の
部分に電子冷凍素子を組み込むようにしているが、熱交
換器の形態、解除時間の選択等によって底部中央部や側
壁内面中央部近傍、側壁内面上部近傍、上壁内面中央部
近傍に組み込むようにしてもよい。また、上述した各実
施例では加熱用熱交換器と放熱用熱交換器とを兼用させ
ているが、それぞれ専用の熱交換器を設けてもよい。ま
た、上述した各実施例では、ｎ形バこ導体ブロックとｐ
形半導体ブロックとを複数段構成に配置した電子冷凍素
子を設配列方向を垂直方向にして組み込んでいるが、水
平方向にして組み込んでもよい。

この場合、吸熱面側に断熱材を対向配置し、この断熱材
で熱伝達路長に違いを持たせるようにしてもよい。要は
、吸熱面および放熱面がそれぞれ断熱容器内の蓄熱材に
熱的に接続されるとともに吸熱面から上記蓄熱材を介し
て加熱用熱交換器等の加熱面に至る熱伝達路長が放熱面
から上記蓄熱材を介して上記加熱面に至る熱伝達路長よ
り長くなる関係に配置されていればよい。

［発明の効果］以上の如く構成された蓄熱装置によれば、凝固核部を形
成するために要したエネルギの大部分を有効に利用でき
るので、効率を向上させることができる。また、電子冷
凍素子の吸熱面で断熱容器内に収容されている潜熱蓄熱
材の一部を冷却して凝固核部を形成させるようにしてい
るので、冷却効率を向上させることができ、安価な小容
量の電子冷凍素子を使用できる。

また、断熱容器内の蓄熱材中に、放熱面を加熱用熱交換
器等の加熱面側に位置させるとともに吸熱面を断熱容器
の側壁内面に近接させて電子冷凍素子を配置すると、電
子冷凍素子を設置するためのスペースを最小にすること
ができる。

また、上記構成において、電子冷凍素子の放熱面と加熱
用熱交換器等の加熱面との間に断熱材を介在させると、
吸熱面側に位置する潜熱蓄熱材と放熱面側に位置する潜
熱蓄熱材との間の温度差を小さくでき、これによって凝
固核部を形成するために外部から与えるエネルギを少な
くできる。

さらに、断熱容器の一部を構成する金属製内槽の壁の一
部を内側に凸となる関係に窪ませて形成された凹部内に
放熱面側を加熱用熱交換器等の加熱面側に位置させて電
子冷凍素子を装着すると。

断熱容器の外部から電子冷凍素子の保守点検を行なうこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る蓄熱装置の概略構成図
、第２図は同装置における要部を局部的に取出して示す
縦断面図、第３図は本発明の別の実施例に係る蓄熱装置
における要部を局部的に取出して示す縦断面図、第４図
は本発明のさらに別の実施例に係る蓄熱装置における要
部を局部的に取出して示す縦断面図である。１・・・断熱容器、２・・・内槽、４・・・潜熱蓄熱材
。５・・・熱交換器、６・・・ヒートポンプ式冷暖房機。１１・・・過冷却解除装置、１２・・・電子冷凍素子。１３・・・制御装置、２０・・吸熱面、２１・・・放熱
面。２２．２２２・・・隙間、２６・・・リード線、２７・
・・熱電対、３２・・・温度設定器、４１・・・断熱材
。４３・・・凹部、４４・・・凹部構成壁。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）断熱容器と、この断熱容器内に収容された過冷却
を生じる潜熱蓄熱材と、この蓄熱材に接触する加熱面を
備え上記蓄熱材を選択的に加熱する手段と、前記蓄熱材
から選択的に熱を取出す手段と、前記蓄熱材からの熱の
取出し時に上記蓄熱材の過冷却を解除するための電子冷
凍装置とを備えてなる蓄熱装置において、前記電子冷凍
装置は、吸熱面および放熱面がそれぞれ前記断熱容器内
の前記蓄熱材に熱的に接続されるとともに上記吸熱面か
ら上記蓄熱材を介して前記加熱面に至る熱伝達路長が上
記放熱面から上記蓄熱材を介して上記加熱面に至る熱伝
達路長より長くなる関係に配置された電子冷凍素子を具
備してなることを特徴とする蓄熱装置。
（２）電子冷凍素子は、前記断熱容器内の前記蓄熱材中
に、放熱面を前記加熱面側に位置させるとともに吸熱面
を前記断熱容器の内面もしくは断熱材に近接させて配置
されている請求項１に記載の蓄熱装置。
（３）電子冷凍素子の放熱面と前記加熱面との間に断熱
材が設けられている請求項２に記載の蓄熱装置。
（４）電子冷凍素子は、前記断熱容器の一部を構成する
金属製内槽の壁の一部を内側に凸となる関係に窪ませて
形成された凹部内に放熱面側を前記加熱面側に位置させ
て装着されている請求項２に記載の蓄熱装置。