JPH0311399B2

JPH0311399B2 -

Info

Publication number: JPH0311399B2
Application number: JP60097615A
Authority: JP
Inventors: Mineo Kosaka; Tadashi Asahina; Hiroshi Taoda
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1991-02-15
Also published as: JPS60259890A

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、Na₂S₂O₃・5H₂Oな
ど）が蓄熱材の有力な侯捕物質とされてきた。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
ル型、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、
１４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、非常に多大の経費が必要であり、
場合によればそのものの価格を上回ることもめず
らしくない。一方、蓄熱器に熱エネルギーを蓄熱する過程で
は、熱媒体の温度が予定よりも高過ぎたり、長過
ぎる熱交換時間を与えたなどの誤操作のために、
蓄熱器中の蓄熱材が完全に融解し、一方の種子結
晶も残存しないまでに過熱される場合がある。こ
のような場合には、蓄熱材中に結晶核となる物質
がなくなり、次に熱エネルギーを取出す過程にお
いて、溶融点以下になつても結晶化が進行せず、
いわゆる過冷状態を示すことが多発し、その結
果、蓄熱装置の機能が大きく阻害される。従つて、このような問題についても簡易な手段
による対応策を講じる必要がある。［発明が解決しようとする課題］本発明の技術的課題は、前記カプセルや熱交換
チユーブを省略できる直接熱交換方式を用いて、
蓄熱器を構造が簡単で低コストなものとし、また
直接接触方式の潜熱型蓄熱器では、熱媒体の流動
による蓄熱材の攪拌作用が著しく、むしろその攪
拌をできるだけ助長するように配慮していること
から、それを結晶核の分散のために有効に利用で
きるようにした種子結晶発生器を得ることにあ
る。［課題を解決するための手段］上記課題を解決するため、本発明の潜熱型蓄熱
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とからなり、上記蓄熱器に、
その内部の蓄熱材が満たされている位置に開口
し、他端が封止された管の内部に蓄熱材となる無
機水和塩を充填し、かつその封止端が蓄熱器の断
熱材層の外側まで引出された構造の種子結晶発生
器を配設し、上記熱媒体の流動による蓄熱材の攪
拌を結晶核の分散手段としたことを特徴とするも
のである。［作用］蓄熱器に熱を貯蔵する場合には、加熱された熱
媒体を蓄熱器に供給し、それを小滴として蓄熱材
と直接的に接触させ、熱交換を行わせる。このよ
うな操作を継続すると、蓄熱材の温度が上昇する
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
媒体を冷却させてから蓄熱材に小滴として接触さ
せる。その結果、溶融していた無機水和塩が折出
し、溶融潜熱が熱媒体に与えられる。上記蓄熱器の放熱過程において、融液中に結晶
核が不足しても、種子結晶発生器中の結晶が溶融
せずに結晶のまま残存していることから、その結
晶が結晶核として作用することとなり、過冷する
ことなく円滑な凝固が進行する。この場合、蓄熱材とその融液は、熱媒体の小滴
との直接接触によりよく攪拌されて流動するの
で、蓄熱材自体によつて種子結晶が広く分散さ
れ、別に結晶核の分散装置等を設置することな
く、蓄熱材全体に２次核を発生させることができ
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、上記蓄熱材容器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に通ずる熱媒体貯留空間２５′を形成し
ている。また、２６は断熱材層、２７は案内板、
２８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
２２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は蓄熱材容器２１から断熱材
層２６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
２５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２
４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
頼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、上記蓄熱体としては、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
４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
コーン油は蓄熱材の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、
夜間働力などがある。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体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、熱媒容器２１内の上方の熱媒体貯留空
間２５′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製している
ため、熱媒体を蓄熱体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を配置しない場合には、
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、次に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
さずに結晶のままで残存できる。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、種子結晶発生器を配
設したので、その発生器内の結晶を種子結晶とし
て作用させて、過冷することなく円滑な凝固を進
行させることができる。さらに、直接接触の熱交換方式によつて、蓄熱
材とその融液が熱媒体によりよく攪拌されて流動
するために、蓄熱材自体によつて種子結晶が広く
分散されて蓄熱材全体に二次核を発生させるの
で、これによつても蓄熱器を安価にすることがで
きる。以下に本発明の実施列を示す。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
（水分量43重量パーセント、残部が水酢酸ナトリ
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。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４図に示す。曲線C₃は蓄熱材に、ま
た曲線C₄は比較のため計測した蓄熱材と等容積
の水に対応する結果である。蓄熱材の見かけ融点
は約57℃であつた。この温度から上下10℃（計27
℃）の温度幅で比較すると、蓄熱材の熱含量は水
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。

【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

【特許請求の範囲】

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、上記蓄熱器に、その内
部の蓄熱材が満たされている位置に開口し、他端
が封止された管の内部に蓄熱材となる無機水和塩
を充填し、かつその封止端が蓄熱器の断熱材層の
外側まで引出された構造の種子結晶発生器を配設
し、上記熱媒体の流動による蓄熱材の撹拌を結晶
核の分散手段としたことを特徴とする直接熱交換
方式の潜熱型蓄熱器。