JPH0684873B2 - ヒートパイプ機能を備えた固体蓄熱器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は顕熱として熱エネルギを蓄える固体蓄熱器に
関し、さらに詳しくは主として潜熱として熱の輸送を行
なう作動流体と蓄熱材との間で熱授受を行なうよう構成
された蓄熱器に関するものである。

従来の技術 個人住宅や中小規模集合住宅などにおける各戸の給湯設
備としては、小型であること、エネルギコストが低廉で
あることなどの要請があり、本出願人等はそれらの要請
を満すことのできる給湯設備を特願昭63−253575（特開
平１−252898号公報参照）として既に提案した。その基
本構成は、熱源である蓄熱器と水を加熱する熱交換器と
をループ型ヒートパイプによって連結したものであり、
これを略示すれば第５図の通りである。すなわち第５図
中符号１はループ型ヒートパイプを示し、これは真空排
気した密閉循環路の内部に、水やフロン、アルコールな
どの潜熱として熱の輸送を行なう凝縮性の流体を作動流
体として封入したものであり、そのヒートパイプ１のう
ちの一部が低い位置において蓄熱器２を貫通しており、
これに対して高い位置において熱交換器３を貫通してい
る。蓄熱器２はセラミック材料や有機材料などの適宜の
材料を蓄熱材とするものであって、外部から熱を与える
ために電気ヒータ４が取付けられている。また熱交換器
３は外部から供給した水を加熱して温水とするものであ
り、その給水管路５には開閉弁６が介装されている。さ
らにまたループ型ヒートパイプ１のうち熱交換器３から
蓄熱器２に至る管路の部分には、液相の作動流体の流量
を調整する調整弁７が設けられている。

したがって上述した給湯設備では、電気ヒータ４によっ
て蓄熱材を加熱することにより熱エネルギを蓄熱器２に
蓄えておき、出湯の必要があるときは、調整弁７を介し
て液相の作動流体を蓄熱器２に送る一方、熱交換器３に
水を供給すれば、ヒートパイプ１のうち蓄熱器２の部分
で作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気が熱交換器３
の部分に流れた後に水に熱を与えて凝縮し、その結果、
温水が得られる。このように第５図に示す給湯設備で
は、出湯の必要があるとき以外の任意のときに電気ヒー
タ４をオンにして熱エネルギを蓄えておくことができる
ため、安価な深夜電力を利用でき、また貯湯タンクが要
らないので、小型のものとすることができる。

発明が解決しようとする課題 上述した給湯設備では、蓄熱材から水に対する熱の伝達
を、ヒートパイプ内の作動流体が媒介することになるか
ら、蛇口の開動作と同時に所要温度の温水を得るべく熱
応答性を良好ならしめるためには、蓄熱器２における蓄
熱材からヒートパイプへの熱伝達を迅速かつ多量に行な
わせる必要がある。そこで例えば蓄熱材としてセラミッ
クなどの固体を使用する場合、第６図に示すように、ル
ープ型ヒートパイプ１のうち作動流体を蒸発させる蒸発
部８を、上部ヘッダ管９と下部ヘッダ管10との間に複数
の縦管11を設けて全体として格子状に形成し、その縦管
11を二分割構造の固体蓄熱材12によって密着状態に挟み
付け、かつ必要に応じて縦管11と蓄熱材12とを溶接する
蓄熱器を採用することが考えられる。

このような構造の蓄熱器にあっては、縦管11と蓄熱材12
とを密着させるために、蓄熱材12に半円形断面の凹部13
を形成する必要があるが、その凹部13の径と縦管11の外
径とを完全に一致させることは凹部13の加工技術上極め
て困難であり、その結果、通常では凹部13の径が縦管11
の外径とわずかながら相違してしまい、それに伴って縦
管11と蓄熱材12とが点もしくは線で接触してしまい、両
者の間に空間部が生じる。このような空間部には空気が
入り込み、しかも空気は熱伝達率が低いために、蓄熱材
12と縦管11との間の熱伝達が阻害される問題を生じる。

このような不都合を解消するために、蓄熱材12と縦管11
とを溶接することも可能であるが、そのためには技術的
に困難もしくは高度な作業が要求され、蓄熱器あるいは
給湯設備がコスト高になる不都合を生じ、また縦管11と
蓄熱材12とは繰り返し加熱・冷却されるうえに熱膨張率
が異なるから、長期間使用しているうちに溶接部分で剥
離して空間部が生じ、前述したような不都合が生じるお
それがある。これに加え、溶接の際に縦管11が損傷を受
けて作動流体が漏洩したり、これとは反対に空気が内部
に侵入したりするおそれがある。

また一方、縦管11と蓄熱材12との間の空間部に、ペース
ト状のサーマルジョイントを充填することにより、縦管
11と蓄熱材12との間の熱伝達を確実にすることが考えら
れるが、サーマルジョイントは経時的に劣化するので、
熱伝達が次第に損われたり、また縦管11や蓄熱材12が熱
膨張・熱収縮することにより不可避的に空間部が生じる
不都合がある。

蓄熱材12と縦管11とを確実に面接触させかつ接触面積を
可及的に広くするために、縦管11を矩形断面のものとす
ることが考えられるが、そのようにすると管材の入手が
困難になり、またヘッダ管9,10に対する溶接を含めた全
体としての製造作業性が悪くなり、さらには強度や熱的
特性が円周方向で不均一なるなどの問題を生じる。

そして上述した従来蓄熱器の構造では、ヘッダ管9,10が
蓄熱材12の外部に位置することになるために、この部分
が伝熱面として機能せず、熱効率悪くなる問題がある。
これを解決するためには、分割構造の蓄熱材でヘッダ管
9,10を挟み込む構造とすればよいが、そのためには蓄熱
材をヘッダ管9,10に密着させるための複雑な構造や作業
が必要となる問題が生じる。

この発明は上記の事情を背景としてなされたもので、熱
的な特性に優れ、しかも小型軽量な固体蓄熱器を提供す
ることを目的とするものである。

課題を解決するための手段 この発明ののヒートパイプ機能を備えた固体蓄熱器は、
上記の目的を達成するために、ガス透過性のない蓄熱材
ブロックの内部に形成された中空部として、前記蓄熱材
ブロックの上部にほぼ水平方向に向けて形成されかつ蓄
熱材ブロックの側面に開口した上部ヘッダ部と、前記蓄
熱材ブロックの下部にほぼ水平方向に向けて形成されか
つ蓄熱材ブロックの側面に開口した下部ヘッダ部と、こ
れらのヘッダ部を連通させるよう上下方向に向けて形成
された複数の縦孔部とを有する構成とし、かつ前記中空
部の上部ヘッダ部の一端および下部ヘッダ部の一端に、
それぞれ蒸発潜熱として熱を輸送する作動流体を流通さ
せるパイプを気密状態に接続してなることを特徴とする
ものである。

さらにこの発明では、前記蓄熱材ブロックの外面に他の
材種の固体の蓄熱材を密着して取付け、そして例えば蓄
熱材ブロックを金属とし、かつ異材種の固体の蓄熱材を
セラミックとすることにより、重量を特に増大させずに
蓄熱容量を増大させることができる。

さらに中空部の下側に加熱器を設け、中空部内の作動流
体を下側から補助加熱することによって作動流体の蒸発
を促進させることができる。

作用 この発明の蓄熱器では、蓄熱材ブロックに形成された中
空部の内部を作動流体が流れることにより、作動流体が
蓄熱材に接触して両者の間で熱授受が行なわれる。より
具体的には、作動流体は、外部からパイプを介して蓄熱
材ブロックの内部に形成されたヘッダ部のうち一方（例
えば下部ヘッダ部）に流入し、この下部ヘッダ部から同
じく蓄熱材ブロックの内部に形成された複数の縦孔部に
分岐されて流入し、さらに同じく蓄熱材ブロックの内部
に形成された他方のヘッダ部（例えば上部ヘッダ部）に
集合され、そのヘッダ部からパイプを介して外部へ流出
することになるが、下部ヘッダ部、縦孔部、上部ヘッダ
部を作動流体が流れる間、作動流体は蓄熱材に接触し続
け、その間熱授受が行なわれることになる。このように
蓄熱作用を行なう蓄熱材ブロック自体が作動流体の流通
する中空部を形成するから、作動流体と蓄熱材との間に
介在する物がなく、そのため両者の間の熱伝達が極めて
効率良く行なわれ、また熱膨張や熱収縮もしくは経時変
化による熱伝達率の低下は生じない。そして前述のよう
に各縦孔部にそれぞれ作動流体を流入、流出させるため
のヘッダ部分（上部ヘッダ部、下部ヘッダ部）自体も蓄
熱材ブロックの内部に形成されているため、作動流体と
の熱授受を行なう伝熱面積が広く、その点からも熱伝達
を極めて効率良く行なうことができる。

蓄熱材ブロックの外面に他の材質の固体の蓄熱材を密着
して取付けた場合、熱エネルギは蓄熱材ブロックと他の
材質の固体の蓄熱材との両方に蓄えられ、またこれらの
蓄熱材ブロックおよび固体の蓄熱材とから作動流体に熱
が与えられる。その場合、蓄熱材ブロックと固体の蓄熱
材とは平面で接触させることができるので、両者の間で
の熱授受は良好に行なわれる。

そして中空部の下側に加熱器を配置した構成では、中空
部内の作動流体を下側から加熱することが可能になるの
で、作動流体の蒸発を促進することができる。

実施例 つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す破断断面正面図であ
り、第２図は同じく破断断面平面図であって、蓄熱材ブ
ロック20はステンレス鋼や鋳鉄などの体積比熱の大きい
金属によって薄い直方体状に形成されており、この蓄熱
材ブロック20の内部には、上下の各ヘッダ部21,22およ
びこれらを連通させる複数本の縦孔部23からなる中空部
が形成されている。すなわち上部ヘッダ部21は、蓄熱材
ブロック20の上側の部分に、ほぼ水平方向に沿って形成
され、蓄熱材ブロック20の側面に開口している。また下
部ヘッダ部22は、蓄熱材ブロック20の下側の部分に、ほ
ぼ水平方向に沿って形成され、上部ヘッダ部21とは反対
方向に向けて開口している。さらに各縦孔部23は、互い
に平行でかつ上下方向に向けて形成されて各ヘッダ部2
1,22を連通させている。この中空部は、蓄熱材ブロック
20に穿孔加工を施して形成し、かつ不必要な開口部にプ
ラグ24を溶接してここを密閉することにより形成しても
よく、あるいは蓄熱材ブロック20の鋳造の際に貫通孔を
同時に形成し、しかる後に不必要な開口部にプラグ24を
溶接してここを密閉して形成してもよい。特に後者の方
法は、中空部の内表面に凹凸ができるために、後述する
作動流体の核沸騰の促進や表面積の増大などの点で好ま
しい。

蓄熱材ブロック20の表裏両面には、上下方向に沿う厚板
部25と板厚の薄いフィン26とが突設されており、その厚
板部25には電気ヒータ27が上下方向に向けて挿入配置さ
れている。また前記下部ヘッダ部22の下側に他の電気ヒ
ータ28がほぼ水平方向に向けて挿入配置されている。な
お、厚板部25とフィン26とは蓄熱材ブロック20と一体に
鋳造してもよいが、溶接により蓄熱材ブロック20に一体
化させてもよい。

上記の厚板部25とフィン26との間には、セラミックや蓄
熱レンガなどの体積比熱の大きい固体蓄熱材29が、蓄熱
材ブロック20に密着した状態に配置されている。これら
の固体蓄熱材29の取付構造について説明すると、各厚板
部25の先端部には、第３図に分解して示すように、蓄熱
材ブロック20の表面もしくは裏面と平行となるようフラ
ットプレート30がボルト31によって固定され、各固体蓄
熱材29はそのフラットプレート30と蓄熱材ブロック20と
の間に配置され、かつフラットプレート30との間に配置
した弾性体たとえば皿バネ32によって蓄熱材ブロック20
に密着するよう押し付けられている。したがって蓄熱材
ブロック20と固体蓄熱材29との熱膨張量・熱収縮量の相
違を、両者の相対的な滑りを許容することにより吸収
し、同時に密着状態を常時維持するようになっている。
なお、固体蓄熱材29と蓄熱材ブロック20および厚板部25
ならびにフィン26との接触面には伝熱セメントを塗布し
ておくことが好ましい。また第３図中符号33はスペーサ
である。

前述した上部ヘッダ部21には蒸気管34が気密性を維持し
た状態で接続され、また下部ヘッダ部22には液戻り管35
が気密性を維持した状態で接続されており、そしてこの
状態で中空部には、空気などの非凝縮性流体を真空排気
した状態で、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動
流体として封入されている。また前記固体蓄熱材29を取
付けた蓄熱材ブロック20の外周全体が断熱材36によって
被覆されている。

上述した蓄熱器を使用した給湯設備の系統図を第４図に
示す。ここにす給湯設備は前述し蓄熱材ブロック20の中
空部をループ型ヒートパイプ37の一部としたものであ
り、蒸気管34と液戻り管35とが、熱交換器38の一部をな
す凝縮器39に接続されている。この凝縮器39は、上部ヘ
ッダ管40と下部ヘッダ管41とを複数本の凝縮管42によっ
て連通させた構造であって、前記蒸気管34が上部ヘッダ
管40に接続され、かつ液戻り管35が下部ヘッダ管41に接
続されている。そして熱交換器38は、この凝縮器39の外
周をジャケット43で覆った構造であって、そのジャケッ
ト43の下部流入口に給水管44が接続され、かつ上部流出
口に給湯管45が接続されている。またその給湯管45に
は、上部流出口から送り出された温水を給水管44から分
流させた水と混合して温水温度を一定に保つためのミキ
シングバルブ46が介装されている。さらに凝縮器39の下
部ヘッダ管41に接続した液戻り管35の途中には、流量調
整弁47が介装されている。

前述した蓄熱器の作用を第４図に示す給湯設備の作用と
併せて説明すると、先ず蓄熱器における各電気ヒータ2
7,28をオンにして発熱させると、蓄熱材ブロック20が加
熱昇温されてここに熱エネルギが顕熱として蓄えられ、
また蓄熱材ブロック20の熱がこれに密着させた固体蓄熱
材29に与えられ、その固体蓄熱材29にも熱エネルギが蓄
えられる。その場合、蓄熱材ブロック20と固体蓄熱材29
とは、その熱膨張率が相違することにより膨張量が異な
るが、両者は積極的に接合されずに、皿バネ32の弾性力
で互いに加圧接触させられているだけであるから、両者
の相対移動が許容され、両者の間に熱応力やそれに伴う
亀裂が生じず、同時に密着状態が維持される。

一方、蓄熱材ブロック20における中空部および凝縮部39
ならびにこれらを接続した蒸気管34、液戻り管35からな
るループ型ヒートパイプ37の内部には、蒸発潜熱として
熱を輸送する作動流体が封入されており、前記流量調整
弁47を開くことにより、液相の作動流体が液戻り管35を
介して蓄熱器の下部ヘッダ部22に供給される。その場
合、蓄熱器を熱交換器38より低い位置に設け、かつ液戻
り管35を第１図に示すように下部ヘッダ部22に向けて下
向きに傾斜させることにより、液相の作動流体は水頭差
によって下部ヘッダ部22に供給される。下部ヘッダ部22
に供給された作動流体は、温度の高い蓄熱材ブロック20
に接触して加熱されるために蒸発し、その蒸気は上部ヘ
ッダ部21から蒸気管34に流出する。このような作動流体
を蒸発させるための加熱は、作動流体が蓄熱材ブロック
20に直接接触することにより行なわれるから、熱伝達を
阻害する要因が殆どなく、極めて効率良く熱伝達が行な
われる。作動流体を加熱蒸発させることにより蓄熱材ブ
ロック20の温度が低下すると、固体蓄熱材29から蓄熱材
ブロック20に熱が与えられ、結局、蓄熱材ブロック20と
固体蓄熱材29との両方に蓄えた熱エネルギが作動流体を
加熱蒸発させることに使用される。その場合、固体蓄熱
材29から蓄熱材ブロック20に対する熱の伝達は、両者の
接触面を介した熱伝達のみならず、前述した厚板部25お
よびフィン26を介しても行なわれるから、熱伝達効率は
良好になる。なお、作動流体の蒸発が不足する場合、下
部ヘッダ部22の下側に設けた電気ヒータ28を通電発熱さ
せれば、下部ヘッダ部22に供給した作動流体をほぼ直接
加熱することになるので、作動流体の蒸発が活発に生じ
る。

以上のようにして生じた作動流体の蒸気は、蒸気管34を
通って凝縮器39に流れるが、前記給水管44から熱交換器
38に水を供給してあれば、凝縮器39の内部の作動流体蒸
気とジャケット43の内部の水との間で熱交換が生じ、水
が加熱されて温水となり、給湯管45から送り出される。
また同時に凝縮器39の内部では、放熱することにより作
動流体蒸気が凝縮し、液化した作動流体は下部ヘッダ管
41から液戻り管35に流出し、流量調整弁47を介して再度
蓄熱器に供給される。なお、熱交換器38で得られる温水
温度が設定温度より高い場合には、ミキシングバルブ46
において水が混合され、給湯温度が設定温度に維持され
る。

発明の効果 以上説明したようにこの発明の蓄熱器によれば、ヒート
パイプの一部となる中空部が蓄熱材ブロックに空所を設
けることにより形成されているから、蓄熱作用を行なう
蓄熱材ブロックに作動流体が直接接触することになり、
その結果、蓄熱材から作動流体に対する熱伝達を阻害す
る部材材や空間部分がなくなり、従来になく効率良く作
動流体との間で熱授受を生じさせることができ、特にヘ
ッダ部分までもが蓄熱材ブロックの内部に形成されてい
るため、伝熱面積が従来になく著しく広く、その点から
も効率良く作動流体との熱授受を行なうことができ、ま
た熱容量を減じることなく小型化を図ることができる。
また蓄熱材ブロックの内部には異材質の構造部材が存在
しないから、熱応力やそれに伴う亀裂発生などの危険が
なく、また当然、作動流体の漏洩や空気の侵入などの危
険を未然に防止することができる。

また蓄熱材ブロックの外面に材質の異なる固体蓄熱材を
密着して取付けることにより、蓄熱量や形状・寸法を容
易にニーズにあったものとすることができ、特に金属と
セラミックやレンガなど併用をすれば、軽量化を図るこ
とができる。

そしてまた中空部の下側に加熱器を設けることにより、
蓄熱料が不足しもしくは減少した場合に、その加熱器に
よって迅速かつ効率良く作動流体を加熱蒸発させること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す破断断面正面図、第
２図は同じく破断断面平面図、第３図は固体蓄熱材の取
付け構造を説明するための部分分解平面図、第４図は第
１図および第２図に示す蓄熱器を使用した給湯設備の系
統図、第５図はループ型ヒートパイプを使用した一般的
な給湯設備の系統図、第６図はループ型ヒートパイプの
ヘッダ管タイプの蒸発器に固体蓄熱材を取付ける一般的
な蓄熱器の構成を説明するための概略斜視図である。 20……蓄熱材ブロック、21……上部ヘッダ部、22……下
部ヘッダ部、23……縦孔部、28……電気ヒータ、29……
固体蓄熱材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 999999999 京セラ株式会社 京都府京都市山科区東野北井ノ上町５番地 の22 (72)発明者 望月 正孝 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 益子 耕一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 置鮎 隆一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内 (72)発明者 鈴木 皓三 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 岡田 宗男 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 鈴木 康一 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 久松 明彦 愛知県常滑市港町３丁目77番地 株式会社 イナックス榎戸工場内 (72)発明者 長崎 浩一 鹿児島県国分市山下町１番１号 京セラ株 式会社鹿児島国分工場内 (56)参考文献 特開 昭63−38245（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−154378（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス透過性のない蓄熱材ブロックの内部に
   形成された中空部として、前記蓄熱材ブロックの上部に
   ほぼ水平方向に向けて形成されかつ蓄熱材ブロックの側
   面に開口した上部ヘッダ部と、前記蓄熱材ブロックの下
   部にほぼ水平方向に向けて形成されかつ蓄熱材ブロック
   の側面に開口した下部ヘッダ部と、これらのヘッダ部を
   連通させるよう上下方向に向けて形成された複数の縦孔
   部とを有する構成とし、かつ前記中空部の上部ヘッダ部
   の一端および下部ヘッダ部の一端に、それぞれ蒸発潜熱
   として熱を輸送する作動流体を流通させるパイプを気密
   状態に接続してなることを特徴とするヒートパイプ機能
   を備えた固体蓄熱器。
2. 【請求項２】前記蓄熱材ブロックの外面に、該蓄熱材ブ
   ロックとは異材質の固体の蓄熱材が密着して取付けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ
   機能を備えた固体蓄熱器。
3. 【請求項３】前記蓄熱材ブロックが金属ブロックであ
   り、かつ前記固体の蓄熱材がセラミックであることを特
   徴とする請求項２に記載のヒートパイプ機能を備えた固
   体蓄熱器。
4. 【請求項４】前記中央部より下側に加熱器が設けられて
   いることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ機
   能を備えた固体蓄熱器。