JPH0237291A - 蓄熱材付伝熱熱管および受蓄熱器 - Google Patents

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】 〔発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は宇宙基地等に搭載される宇宙軌道上発電用蓄熱
材付伝熱管および受蓄熱器に関する。

（従来の技術） 宇宙基地等軌道上にある設備に電力を供給する発電シス
テムとして、太陽光による熱輻射で流体を加熱しタービ
ン等の熱機関を駆動させて発電を行う熱発電方式がある
。ところで、地上に近い低軌道上では、太陽が地球の陰
に入り太陽からの熱輻射が得られない蝕期間が長く、ま
た蝕が生じる周期も短い。したがって、低軌道上で上記
の熱発電を行う場合には、蓄熱が必要であり、蓄熱材付
伝熱管が用いられることが多い。

このような宇宙軌道上発電用蓄熱材付伝熱管の従来例が
第１０図および第１１図に示しである。

すなわち、この蓄熱材伝熱管は伝熱管１の外側に蓄熱材
２を充填した蓄熱材容器３を設けたものであり、この場
合、蓄熱材２には固液の相変化の潜熱を利用して蓄熱を
行なう相変化蓄熱材が使用される。太陽からの熱輻射は
蓄熱材容器３の外表面から入射し、その入熱の一部は蓄
熱材２に蓄えられ、残りは伝熱管１内を入口４から出口
５に向かって流れる被加熱流体に伝熱管１内表面から伝
えられる。また独特には、蓄熱材２に蓄えられた熱か伝
熱管１内表面から被加熱流体に伝えられる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この宇宙軌道上発電用蓄熱材付伝熱管では、
蓄熱材２を有効に用いて伝熱管１内を流れる被加熱流体
を日射時、独特の区別なくできるだけ一定の出口温度に
まで加熱することが望ましい。しかしながら、伝熱管１
内を流れる被加熱流体の入口と出口の温度差は２００℃
以上あるため、蓄熱材２の相変化の状態が伝熱管１の軸
方向に不均一となり、その結果、被加熱流体の出口温度
も時間と共に大きく変化してしまうという問題かある。

また、液相での顕熱蓄熱を行っている蓄熱材２の温度は
局所的に高くなり、蓄熱材容器３や伝熱管１の信頼性を
低下せしめるという問題もある。

第１２図にはこの従来例の蓄熱材付伝熱管に対して、数
値解析によって求めた太陽光入射開始（蓄熱開始）時と
太陽光入射終了（蓄熱終了）時における蓄熱材２の液相
質量比の伝熱管軸方向の分布が示しである。この図から
も明らかなように、伝熱管１の入口４と出口５の中間付
近では、蓄熱開始と終了の間に多くの部分の蓄熱材２が
固相から液相へと相変化して相変化蓄熱材として有効に
利用されているが、入口４付近では、蓄熱終了時にも同
相のまま液化しない蓄熱材２が、また出口５付近では、
蓄熱開始時すなわち放熱終了時にも液相のまま固化しな
い蓄熱材２が多く、潜熱蓄熱材としてのＨ効利用率が低
くなっている。このように蓄熱材２がＦ１変化しない部
分では、時間の経過と共に蓄熱材２の温度が大きく変化
し、伝熱管１の内表面から被加熱流体への伝達熱量もそ
れにつれて変化するので、被加熱流体の出口温度変動幅
も大きくなるという問題が生じる。

発明は上記した問題を解決するためになされたもので、
宇宙軌道上発電用蓄熱材付伝熱管の蓄熱材の柑変化状憇
を均一化せしめるのに好適な蓄熱材付伝熱管および受蓄
熱器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明による蓄熱材付伝熱管は内部に気密空間が保持さ
れるように蓄熱材容器を形成すると共に、蓄熱材を蓄熱
材容器の空間全域を満たすように充填せしめ、さらに各
々蓄熱材容器の内壁を介して蓄熱材と接触し、かつ蓄熱
材容器を長手方向に貫（ように少なくとも２本の伝熱管
を設けてなり、伝熱管は低温の被加熱流体が導入される
入口側と、高温の被加熱流体が排出される出口側とを隣
り合わせに配置するように構成したことを特徴とするも
のである。

また、本発明に係る受蓄熱器は一側に開口部を有する円
筒状の胴内に一方は開口部を備えた側部に、他方は他の
側部に隣接するように環状の入口および出口マニホール
ドをそれぞれ設け、さらにこれらの人口および出口マニ
ホールドを連通して複数の蓄熱材イ・ｊ伝熱管を設けて
なり、蓄熱材付伝熱管は内部に気密空間が保持されるよ
うに蓄熱材容器を形成すると共に、蓄熱材を蓄熱材容器
の空間を満たすよう充填せしめ、さらに蓄熱材容器の内
壁を介して蓄熱材と接触し、かつ蓄熱材容器を長手方向
に貫いて少なくとも２本の伝熱管を設け、その際各伝熱
管は流路が互いに反対方向を向くように各開口を入口お
よび出口マニホールドにそれぞれ結合するように構成し
たことを特徴とするものである。

（作用） 蓄熱材付伝熱管内において、そこに導かれる被加熱流体
は入射してくる太陽光からの熱輻射を受けて温度上昇す
るが、伝熱面の構成の仕方により流れの向きが一方向に
なった場合、入口側から出口側にかけて温度勾配が生じ
る。つまり、出口側の被加熱流体の温度は常に高くなる
。この伝熱面の構成が対称でない伝熱管によるものに対
して、本発明においては伝熱面の対称性が保たれる構成
として最も少ない場合で２本の伝熱管を用いるものとし
、その場合、先に述べたような温度勾配が相反する向き
に発現するように低温の被加熱流体が導かれる入口側と
、高温の被加熱流体が排出される出口側とが隣り合わせ
に配置される。そして、このとき、各伝熱管は一つの蓄
熱材容器を共有するように構成される。

上記構成によるならば、蓄熱材は固相での顕熱蓄熱およ
びその後の相変化を伴なう蓄熱の各過程を通じて被加熱
流体の温度勾配が均されているため、伝熱管の軸方向に
熱量の偏在する領域がなく、相変化の状態が均一化され
る。

第３図にはかかる蓄熱材付伝熱管の構成において、数値
解析によって求・めた太陽光入射開始（蓄熱開始）時と
太陽光入射終了（蓄熱終了）時における蓄熱材の液相質
量比の伝熱管軸方向の分布が示されている。第１０図に
示した従来例のものにおける結果と比較すると、蓄熱時
に相変化を生じる蓄熱材の割合いが増加（従来例４０％
、本発明の構成７０％）し、相変化の状態も軸方向に均
一化されていることがわかる。さらに、数値計算によっ
て求めた被加熱流体の出口温度変動幅も従来例の１５０
℃から本発明の６５℃へと大幅な減少がみられることも
理解される。

また、本発明に係る受蓄熱器において、そこに備えられ
る蓄熱材付伝熱管は伝熱面の対称性を保つために少ない
場合でも２本の伝熱管によって構成されており、この２
本の伝熱管には互いに逆方向から被加熱流体が導かれて
、内部を流動するようになっている。このとき、被加熱
流体の温度勾配は伝熱管の入口側から出口側にかけて大
きな値が示されるが、双方の伝熱管において、流れる向
きは正反対の関係にあり、相反する向きに温度勾配が付
くことになる。この状態における熱の移動する形態は伝
熱管の入口側および出口側の双方で条件が同等とみるこ
とができ、蓄熱材での蓄熱は固相での顕熱蓄熱も、相変
化を伴なう蓄熱も同じ条件のもとに一様に進行する。

つまり、この間、伝熱管の軸方向に熱量の偏在する領域
は生じてなく、蓄熱材の相変化の状態は均一化されるこ
とになる。

（実施例） 初めに、蓄熱材付伝熱管の実施例を図面を参照して説明
する。

第１図において、符号１１ａおよびｌｌｂは第１および
第２の伝熱管を示している。これらの第１および第２の
伝熱管１１ａ、１１ｂは内部の気密空間に蓄熱材１２を
満たした蓄熱材容器１３を長手方向に貫く位置に取付け
られ、このとき、伝熱面は蓄熱材容器１３内壁を介して
蓄熱材１２とその全域で接触するようになっている。ま
た、第２図は蓄熱材容器１３の詳細を示しており、ここ
で、蓄熱材容器１３は断面長円形に形成される外筒１４
と、第１および第２の伝熱管１１ａ、１１ｂが挿入され
る一対の内筒１５ａ、１５ｂと、容器の両側部を閉じて
内部を気密空間とする一対の側ｆｌＺ１６ａ、１６ｂ（
第１図参照）とから構成されている。

なお、第１図中、符号１７ｉおよび１７ｏは第１の伝熱
管１１ａの開口を示しており、被加熱流体人口および出
口と称する。また同様に第２の伝熱管１１ｂの開口は被
加熱流体人口１８ｉおよび出口１８ｏと称する。

上記構成において、被加熱流体は被加熱流体人口１７ｉ
、１８ｉから第１および第２の伝熱管１１ａ、ｌｌｂ内
にそれぞれ導かれ、内部を互いに逆の方向に流動する間
に蓄熱材容器１３の外面から熱輻射を受けて温度上昇し
、反対側の被加熱流体出口１７ｏ、１８ｏから管外に排
出される。ここで、伝熱面の対称性は第１および第２の
伝熱管１１ａ、ｌｌｂにより保たれており、被加熱流体
が互いに逆の方向に流動し、双方において温度勾配が相
反する向きに生じる。このため、蓄熱材１２が受は取る
熱量は蓄熱中を通じて均一化され、蓄熱材１２が相変化
する過程において、−様な状態が保たれる。したがって
、蓄熱材１２の有効利用率を格段に優れたものとするこ
とができるのみならず、被加熱流体の温度変動の広がり
について、常に小幅に抑えられるものである。

また、本実施例は蓄熱材容器について次のように構成す
ればより有用な機能を獲得することができる。すなわち
、伝熱面の対称性を保つことと併せて、第４図に示され
るように周方向に蓄熱材１２の熱容量を均一に保つよう
に外筒１８を形成した蓄熱材容器１３、さらに第５図に
示されるように蓄熱材１２の伝熱抵抗を小さく保つため
に伝熱促進手段、たとえばフィン１９を内面を備えた蓄
熱材容器１３を適用することにより、より望ましい効果
を得ることが可能である。

さらに、上記各実施例と異なる本発明の他の実施例を第
６図および第７図を参照して説明する。

上記実施例の蓄熱材付伝熱管は２本の直線状の伝熱管を
主体に自己完結的に構成されるものであるが、このよう
な形式に拘らない場合にはＵ字状伝熱管により構成する
こともできる。すなわち、第６図に示されるものはＵ字
状の第１および第２の伝熱管２０ａ、２０ｂがＵ字状端
部を同じ側に揃え、直線部分を蓄熱材容器２１を長手方
向に貫くように配置して構成されている。ここで、上記
実施例と大きく異なるのは第１の伝熱管２０ａには隣接
する蓄熱材付伝熱管で熱輻射を受けて温度上昇した被加
熱流体が流れ、被加熱流体出口２２０でこれが回収され
ること、さらに第２の伝熱管２０ｂには被加熱流体入口
２３ｉから低温の被加熱流体が導かれ、これが隣接する
別な蓄熱材付伝熱管まで流れて行くことであり、蓄熱材
付伝熱管２本にわたって熱交換が行なわれる。

しかし、伝熱面の対称性が保たれるのは本実施例も上記
実施例と同様であるから、はぼ同一の機能を果たすこと
になり、効果の点においてもほぼ同様のものが得られる
。例えば、本実施例は１本のＵ字状伝熱管で往路と復路
を構成する場合にＵ字状端部の曲げ半径の大きさが蓄熱
材容器の形状等に大きく利いてくるため、それに左右さ
れない構成を得るとき特に有効なものである。

また、第７図には第１および第２の伝熱管２２ａ、２２
ｂに第３および第４の伝熱管２２ｃ、２２ｄ・か組み合
わされる蓄熱材付伝熱管の構成が示されている。これら
の各伝熱管２２ａ、２２ｂ。

２２ｃ、２２ｄは内部に蓄熱材２３を満たした円筒状の
蓄熱材容器２４に収められている。ここでも伝熱面の対
称性は、一方は第１および第２の伝熱管２２ａ、２２ｂ
の組み合わせにより、また他方は第３および第４の伝熱
管２２ｃ、２２ｄの組み合わせによりそれぞれ保たれて
おり、第１図および第２図に示される実施例と同様の機
能を果たし得るのは明らかである。

次に、かかる蓄熱材付伝熱管の適用が最も望ましいとさ
れる受蓄熱器の一実施例について、第８図および第９図
を参照して説明する。なお、ここで適用される蓄熱材付
伝熱管は第１図および第２図に示されるものである。

第８図において、符号３０は円筒状に形成された胴を示
しており、この胴３０は一方の側部に開口部３１を備え
ている。この開口部３１の反対側に位置する胴３０の側
部に隣接する部分には環状の入口マニホールド３２ａお
よび出口マニホールド３３ａが、また開口部３１に隣接
する領域にも同様に環状の人口マニホールド３２ｂおよ
び出口マニホールド３３ｂが各々設けられている。また
胴３０の内壁に倣って周方向に等間隔で並ぶ複数の蓄熱
材付伝熱管３４が支持リング３５を介して設けられてお
り、後記するようにこれらの蓄熱材付伝熱管３４を各マ
ニホールド３２ａ、３２ｂ。

３３ａ、３３ｂと連絡させている。なお、図中符号３６
ａ、３６ｂは入口管を、符号３７ａ、３７ｂは出口管を
各々示している。また、符号３８は断熱材を示している
。

また、第９図には上記した蓄熱材付伝熱管３４の詳細が
示されている。ここで、蓄熱材付伝熱管３４は第１およ
び第２の伝熱管３９ａ、３９ｂ。

蓄熱材４０および蓄熱材容器４１からなり、第１図およ
び第２図に示される実施例のものと同一の構成を備える
ものである。第１の伝熱管３９ａの一方の開口は連絡管
４２を介して低温の被加熱流体が導かれる入口マニホー
ルド３２ａと、また他方の開口は連絡管４３を介して高
温の被加熱流体が排出される出口マニホールド３３ｂと
結ばれ、さらに第２の伝熱管３９ｂの一方の開口は連絡
管４２を介して人口マニホールド３２ｂと、また他方の
開口は連絡管４３を介して出口マニホールド３３ａとそ
れぞれ接続されている。

以上の構成を備えた受蓄熱器は被加熱流体を導く流路の
方向が互いに反対方向に向いており、蓄熱材４０が蓄え
る熱量の偏在を少なくするという目的に沿ううえで余す
ところのない構成を備えている。すなわち、被加熱流体
は入口マニホールド３２ａ、３２ｂの双方から互いに反
対の方向に第１および第２の伝熱管３９ａ、３９ｂに導
かれ、途中熱輻射を受けて温度上昇しながら反対側に流
れ、出口マニホールド３３ａ、３３ｂにて回収される。

この間、受は取る熱量はすべて同一条件のもとにあり、
被加熱流体の温度勾配が相反する向きに付くために蓄熱
材４０は伝熱管軸方向に熱量の偏在する領域が全く生じ
ず、相変化の状態が均一化される。したがって、蓄熱材
４０が有効に利用される割合いが高くなり、受蓄熱器の
性能向上に大きな利点をもたらすものである。また、本
実施例の受蓄熱器によれば、運転中を通じて被加熱媒体
の温度変動幅は小幅に推移し、宇宙軌道上発電における
タービン出力を安定させるうえで有用な働きを果たすこ
とができる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明に係る蓄熱材付伝熱管および
受蓄熱器においては伝熱管軸方向に相変化の状態を均一
化することができ、蓄熱材の有効利用率が大幅に高めら
れるのみならず、運転中における被加熱媒体の温度変動
の広がりについても小幅の変動に抑えることが可能であ
る。したがって、本発明によれば、宇宙軌道上発電に用
いられる受蓄熱器の性能向上が果たされ、またタービン
出力の安定が図られ、宇宙基地等に対する電力の安定し
た供給が保たれるなど、優れて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蓄熱＋オ付伝熱管を示す断面図、
第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は本発
明による蓄熱材の液相質量比の伝熱管軸方向の分布状態
を示す特性図、第４図ないし第７図は本発明による蓄熱
材付伝熱管の他の実施例を示す断面図、第８図は本発明
による受蓄熱器を示す斜硯図、第９図は蓄熱材付伝熱管
部分を示す展開断面図、第１０図は従来の蓄熱材付伝熱
管を示す断面図、第１１図は第１０図のＸＩ−ＸＩ線に
沿う断面図、第１２図は従来の蓄熱材の液相質量比の伝
熱管軸方向の分布状態を示す特性図である。 １１ａ、２０ａ、２２ａ・・・第１の伝熱管１１ｂ、２
０ｂ、２２ｂ・・・第２の伝熱管１２．２３・・・・・
・・・・蓄熱材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に気密空間が保持されるように蓄熱材容器を
   形成すると共に、蓄熱材を前記蓄熱材容器の空間全域を
   満たすように充填せしめ、さらに各々前記蓄熱材容器の
   内壁を介して前記蓄熱材と接触し、かつ該蓄熱材容器を
   長手方向に貫くように少なくとも２本の伝熱管を設けて
   なり、前記伝熱管は低温の被加熱流体が導入される入口
   側と、高温の被加熱流体が排出される出口側とを隣り合
   わせに配置するように構成したことを特徴とする蓄熱材
   付伝熱管。
2. （２）一側に開口部を有する円筒状の胴内に一方は前記
   開口部を備えた側部に、他方は他の側部に隣接するよう
   に環状の入口および出口マニホールドをそれぞれ設け、
   さらにこれらの入口および出口マニホールドを連通して
   複数の蓄熱材付伝熱管を設けてなり、前記蓄熱材付伝熱
   管は内部に気密空間が保持されるように蓄熱材容器を形
   成すると共に、蓄熱材を前記蓄熱材容器の空間を満たす
   よう充填せしめ、さらに前記蓄熱材容器の内壁を介して
   前記蓄熱材と接触し、かつ該蓄熱材容器を長手方向に貫
   いて少なくとも２本の伝熱管を設け、その際前記各伝熱
   管は流路が互いに反対方向を向くように各開口を前記入
   口および出口マニホールドにそれぞれ結合するように構
   成したことを特徴とする受蓄熱器。