JPS591944B2 - 貯湯式長期蓄熱槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽熱又は農・工業等よりの排熱等を長期かつ
出来るだけ高温状態をもって貯蔵しようとするものであ
る。

特に、ソーラーハウス用蓄熱槽を対象として考え、集熱
器との間の熱媒体液として水を利用する場合は一応１０
０℃を限界として考えるものとする。

従来の蓄熱槽は、水又は岩石等を単純に断熱したものが
用いられてきた。

そして、その改善の方向は、断熱を強化するか、自然放
熱をやむを得ないものとして、その放熱をシステム的に
利用する方向で解決しようとして来た。

したがって、大容積・低温蓄熱→ヒートポンプの使用の
図式が定着しかけてきたが、直接的な冷房利用又は発電
等が要求されてくると、高温蓄熱が当然要請されるよう
になってきた。

そこで潜熱の利用、即ち相転移の際の潜熱、例えばパラ
フィン等の融解潜熱の利用が考えられて来た訳であるが
、熱の交換等障害となる事項が多く現段階では未だ実用
化はされてはいないのが現情である。

所で、蓄熱槽としての性能に対する評価の基準として（
イ）蓄熱密度が高いこと。

（ロ）時間の経過にともなう温度降下が出来るだけＯに
近いこと。

の両者をもって判定することもできる。

しかし、この要求は可逆的化学反応サイクルの利用を考
える場合を除いて、熱というそのもの自体でなさしめよ
うとする以上、蓄熱という概念上は相対立するものであ
る。

本発明においては、この問題を下記の三者の組合せによ
る相乗作用により解消し、従来の蓄熱槽に比して、数段
優れている蓄熱槽へ構造的改善をはかろうとするもので
ある。

（Ｉ） 潜熱利用による保温層の形成。

■ 断熱材層の同心軸多重層型水槽群による温度勾配の
形成と、中心槽の高温保持の体制確立。

（２）集熱器よりの還流温水のもつ温度別による土肥水
槽群への配分機構の確立。

以上の三者を中心として構成される貯湯式長期蓄熱槽で
あり、特に長期蓄熱に重点をおいている。

（Ｉ）の潜熱利用による保温層の形成とは、今迄にも蓄
熱槽に潜熱を利用しようとする試みは種々なされてきた
訳であるが、そのいずれもが潜熱材を蓄熱の素材そのも
のの対象とし、そして、そこより直接熱交換によって、
熱をとり出そうとしてきていた。

しかし、潜熱材の過冷却の問題とか熱の交換性の悪さ等
々により、実用化商品化は出来ていなかった。

そこで本発明においては、潜熱材より直接的に熱交換に
より熱をとり出そうとする努力をやめてしまって、熱の
交換性の悪さ等、特にアウトプットの場合の悪さを逆利
用して、保温層としてこれを利用しようとするものであ
る。

即ち、貯湯式水槽の囲りを潜熱材層でとり囲み、潜熱材
層よりの徐々の放熱をもって、貯湯式水槽の温度降下を
防ごうとするものである。

潜熱材としては、パラフィン、タールピッチ、アスファ
ルト等の有機質の融解潜熱を利用するか、又は塩化カル
シウム等の水和塩等の無機物を利用する。

■の断熱材層の同心軸多重層型水槽群とは、断熱材層に
より同心軸の円筒形又は球形等の水槽群を多重層型につ
くることにより貯湯したる場合、全水槽群が同一温度で
温度降下することなしに、中心槽では高温が温存され、
外側の層の水槽より冷えていき、各水槽間にいわゆる温
度勾配、又は温度傾斜と呼ばれる現象が生ずる。

そして、最終的には外界と槽全体は同一温度となるので
あるが。

本発明においては、その過程の温度勾配の現象を時間的
に出来るだけ延長させることによりそれを利用しようと
するものである。

即ち、かかる体制を確立することにより、中心槽部分は
より長期間高温状態が温存されることになり、吸収式冷
凍機やランキンサイクル・エンジンなどの成績係数を上
げることが出来、熱利用のシステム全体としての利用効
率も高めることが出来る。

（Ｉ［）の熱の配分機構の確立とは、 前記（社）の温度勾配の現象をさらに助成することを目
的としたものである。

即ち、太陽エネルギーの集熱体制において、定流量方式
の循環体制をとっていれば、いつも一定温度の温水が還
流してくるとはかぎらない。

当然朝夕は低い温度の温水が還流してくるのであるし、
又、突然うす日になったりなどした時は還流温水の温度
は低下することはまぬがれない。

この時、高温に保持されている中心槽へ低温水を還流さ
せて、温度を低める必要は全くない。

低温で蓄熱槽へ還流してきたものは、前記用で論者した
様な温度勾配の現象が各水槽群間にあれば、それに見合
った外側の各水槽へ自動的に配分されれば、熱利用体系
においてより好結果をもたらすことは間違いない。

この様な目的を遂行させるために、熱配分器を水槽群の
同心軸上底部におき、還流温水の温度別による配分を自
動的になさしめようとするものである。

以上、これらの王者の相乗作用により、中心槽の高温状
態を常につくりあげておくことにより、冷房、発電等の
稼動の成績係数の向上をはかり、かつ長期間の蓄熱体制
をも確立しようとするものである。

但し、ここでいう高温又は低温というのは各水槽間又は
還流してくる温水との間の相対的温度差をさすものとす
る。

これらの機構は第１図〜第４図の様に組立てられたもの
である。

まず、鉄筋コンクリート等で貯水量の荷重に耐えかつ、
内部を保護する役割をもつ、外壁■を円筒形又は球形等
につくり、その内側を断熱材層の外枠■で内張すし、中
央部分には、断熱材層でつくられた中心枠■をおき、外
枠■と中心枠■との間を断熱材層の内枠■によって、任
意数の層に分割する。

但し、これらの中心枠■、内枠■、外枠■は同心軸を中
心として形成するものとする。

又、断熱材層とは、断熱材を両面より不浸水性の板又は
コーテング等によって防水したものをいう。

ここで、中心枠■によって出来る中央部分を中心槽Ｎと
呼ぶこととし、内枠■によって分割された各層を、外枠
■より内側に向かって順に、水槽Ａ、水槽Ｂ・・・・・
・と呼ぶこととするそして、その同心軸上の底部には熱
配分器［相］がおかれるものとする。

熱配分器［相］とは第２図の熱配分器の断面図にしめす
様に、水槽群の同心軸上の底部において、蓄熱槽と集熱
器との間の熱媒体液を運ぶ循環パイプの還流管■の適当
な長さに突出している吐出口を、適当な大きさでとり囲
んでいる円筒型の中枠■、その中枠■をダルマ型又は円
錐台型等にさらにとり囲んだ枠■が第２図の様に、仕切
板［相］Ｂ・・・・・・Ｎと逆止弁■を内蔵して設置さ
れており、そして、ダルマ型の枠■よりは各水槽Ａ１水
槽Ｂ・・・・・・毎に上窓０及び上窓＠が任意の大きさ
をもって、数個づつ突出している。

仕切板０帖は適当な長さと太さをもつ細管を多数束ねて
帯状にしたものである。

又、上窓＠の先端にもこの様な細管束帯がおかれている
が、水槽Ａに属する上窓＠Ａに関しては必ずしもこの様
な細管束帯をおく必要はない。

中枠■内においては、還流管■の突出している吐出口よ
り適当な距離をおいて、直接的な噴出を押えるため緩衝
板［相］が糸等でつるされており、中枠■の下部には、
周辺との水圧のバランスを保つため、小穴０が数個設け
られている。

ダルマ型等の枠■の頂点部は吐出窓［相］が適当な大き
さで開いている。

以上の様に■〜［相］の構成をもって、その総称を熱配
分器［有］と呼称することとする。

一方、水槽Ａ、水槽Ｂ・・・・・・等の各水槽毎に、そ
の外側の壁面には適当な厚さをもつ、潜熱材層◎が付着
されている。

この潜熱材層◎は、熱のインプットは入りやすく熱の放
出は出来るだけゆるやかになる様に第３図上面部分図及
び第４図潜熱材層の内面の壁にそって展開した平面伸展
図の様な構成をもつものとする。

即ち、水槽Ｂの部分を例にとって図示するならば内枠■
Ｂの壁面との間に、適当な距離をもって鉄筋のコンクリ
ート又は陶器、磁器等による壁０により空隙部をつくり
、その空隙部に対して、任意の形状の適当な大きさのコ
ンクリート等の助勢板［相］を互い違いの傾斜をもたせ
て多数突出させる。

そして、適当な間隔毎に、鉄又は銅製等の助勢板［相］
より熱伝導性のよい物質で出来た潜熱材の相変化の際の
膨張を先に逃すだめの逃し板＠奇多数の穴をあけて設置
する。

但し、小型の蓄熱槽の場合は必ずしもこの逃し板［相］
の設置は必要ではない。

そして、残りの空隙部に潜熱材［相］を適量充填してお
く。

したがって、潜熱材層◎とは上記の様に＠〜［相］に構
成されたものの総称をもって潜熱材層◎と呼称すること
とする。

水槽群間の水の流通を計るため、移動管［相］が各水槽
Ａ、水槽Ｂ・・・・・・毎に適当本数づつおかれており
、以上述べたこれら全体を断熱材の上蓋［相］をもって
蓋い、適当な部分より下を地中に埋設するものとする。

熱利用機器［相］に対して、温水を送るだめの汲出し管
［有］は、中心槽Ｎの貯水の上層部に挿入されており、
ポンプＰ２により汲出し利用する。

そして、熱利用機器［相］例えば、冷暖房装置等を通っ
て循環還流するパイプは、給水管［相］と合流し、水槽
Ａの底部に還流される。

又、水槽Ａの底部には、集熱器■との間を循環する往管
［相］の吸込口と、これの稼動を制御するだめの温度差
継電器ＴＨ８の検出部［相］がおかれている。

もう一方の検出部［相］は集熱器■の出口附近におかれ
、この間の適当な温度差により、集熱器■への循環がポ
ンプＰ１への開閉により自動制御される。

これらの給水管［相］及び集熱器■への循環の往管Ｏ１
還流管■は水槽Ａの内面をはわせ、上蓋（ハ）を貫通し
て外部にとり出すものとする。

この様な構成よりなる蓄熱槽の蓄熱作用は、次の様に考
えられる。

給水管［相］より水を水槽Ａに注入し、水槽Ａ、水槽Ｂ
・・・・・・中心槽Ｎ間に適量を貯水する。

そして、集熱器■が太陽熱をうけ温度が高くなり温度差
継電器ＴＨ３が働けば、ポンプＰ１により、循環が開始
され、還流管■の吐出口より温水が噴出される。

この時、熱配分器［相］の中枠■内では、この還流管■
の吐出口上部に緩衝板０がおかれているため、一気に中
心槽Ｎに噴入することは出来ず、まず中枠■で拡散され
ながら、さらに広い断面積をもつダルマ型等の枠■の最
上部Ｎ室に到達し、そのまま上層の中心槽Ｎに上昇する
か、又は次の外側の槽、即ち第１図で言うならば、水槽
Ｂに沈降するか、その配分力唯働的に撰定される。

これは、この時Ｎ室内の温度が中心槽Ｎよりも高い温度
に昇温しでいればそのまま中心槽に上昇するのであり。

中心槽Ｎが十分高温となっており、Ｎ室の方が温度が低
い場合は、仕切板［相］Ｎと逆止弁■を通って、すぐ隣
の水槽Ｂに属するＢ室に沈降していき、そこでは水槽Ｂ
→下上窓Ｂ−＋ｆ３′室＝上窓ＯＢ→水槽Ｂとなる様な
対流現象及び拡散透力によって、水槽Ｂに温水が流入し
ていく。

そして、水槽Ｂが還流温水によるＢ′室の温度と同一と
なれば、次の外の槽に対して同様な現象をおこしながら
昇温させていくことになるのである。

この熱配分器［相］の機能は、水の温度差による比重差
と、温度成層の概念とを考え合わせれば肯定できること
である。

これを今一度言いかえれば、還流温水のもつ温度が高け
れば、それと中心槽Ｎの温度が同一温度とならなければ
、次の外槽の温度上昇は始まらないといえるし、又、還
流温水が中心槽Ｎよりも低い温度で還流してくれば、中
心槽Ｎにその低い温度の還流水は浸入することは出来ず
、それに見合った外側の水槽群へ流入する様に撰別配分
されることとなる。

そして結果的に、中心槽Ｎの温度〉・・・・・・〉水槽
Ｂの温度〉水槽Ａの温度という傾向の現象が稼動の過程
においては出来ることになる。

ところで、水槽Ｂ、水槽Ａ等の水槽群のかかえる潜熱材
層Ｏはそれぞれの水槽の温度が上昇してくることになる
のであるから、当然潜熱材層◎にも熱が伝えられること
になり、温度が高くなれば次第に潜熱材、例えばパラフ
ィン等は融解されて融解潜熱として蓄熱されていくこと
になる。

そして、もしこの系全体に熱損失熱負荷等がないものと
すれば、最終的には潜熱材層◎Ａ・・・・・・中心槽Ｎ
間の槽全体が同一の限界温度になるまで昇温することが
できるはずである。

本発明はこの熱の貯蔵を長期間温存することに特長をも
つものである。

実験によれば、潜熱材層■の熱の応答は、コンクリート
等の壁０及び助勢板［相］の作用により熱のインプット
は比較的容易であるが、潜熱材の凝固の際の熱の放出は
極めて緩慢にしか放熱しないことが確認されており、こ
れにより各々の水槽群の外側部分をとり囲んでいるので
あるから、水槽群の時間に対する温度降下率を潜熱材の
凝固温度近辺でもって長時間０に近ずけることかできる
。

そしてさらにこの様な層が同心軸多重層型に形成されて
いるのであるから、温度の降下現象は外側の層よりおこ
り、中心槽Ｎの高温状態は長期的に温存されることにな
りこの場合も、中心槽Ｎの温度〉・・・・・・〉水槽Ｂ
の温度〉水槽Ａの温度という傾向の現象が確保されるこ
ととなる。

又、長期蓄熱の経過期間中における太陽熱の受熱は、熱
配分器［有］の熱の自動釣な配分作用により各々のそれ
に見合った温度の水槽に配分されることになり、この温
度勾配の現象の傾向を助成する。

この様にこれらの相乗作用により長期蓄熱体制が確立し
ていることを特長とするものである。

熱利用の体系は、中心槽Ｎの上層部に挿入されている吸
出管［株］よりポンプＰ２により温水を吸上げ、熱利用
機器［相］を通って、給水管［相］に合流、水槽Ａの底
部に環流される。

ポンプＰ２により温水を吸い出している時の蓄熱槽内の
水の流れは、熱配分器［有］内の逆止弁■が働き←汲出
管［有］←中心槽Ｎ・・・・・・←移動管［相］Ｂ←水
槽Ｂ←移動管［相］Ａ←水槽Ａ←給水管［相］と押出型
の流通となって、温度勾配の現象はくずされず、中心槽
Ｎの高温状態が確保されることになる。

この様にして、中心槽Ｎの部分は、いかなる情況のもと
においても相対的高温状態ながら確保されていることは
、吸収式冷凍機やランキンサイクルエンジン等の稼動の
時の成績係数をあげることを意味する。

ここで使用する液体を水にかえて、他の沸点の高い液体
、例えば油等を用い、そして潜熱材層◎に用いる潜熱材
の相転移の温度が、外側より内側の各層にむかって漸次
高なる様な配列にもっていくならば１００℃以上の高温
の長期蓄熱も可能となり高温の工場排熱等のサイクル用
として有利に利用することができる。

以上述べたるがごとく、本貯湯式長期蓄熱槽は、水槽群
の同心軸多重層型による温度勾配現象と、中心槽をとり
まく各水槽がそれぞれいだく、潜熱材層の長期にわたる
放熱作用と、そして熱配分器による熱の配分作用の相乗
作用により、中心槽の高温を温存しながら、長期間の熱
の蓄熱を可能ならしめようとするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は貯湯式長期蓄熱槽の断面図である。 第２図は貯湯式長期蓄熱槽の熱配分器の断面図である。 第３図は貯湯式長期蓄熱槽の上面部分図である。 第４図は貯湯式長期蓄熱槽の潜熱材層の内面の壁に沿っ
て展開した平面伸展図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １（１）断熱材層によって、円筒形又は球形等の同心軸
   多重層型の水槽群を形成すること。 （２）その中心槽をとりまく各水槽毎に、コンクリート
   等で任意の形に突出した助勢板を多数をもつコンクリー
   ト等の壁と断熱材層の壁面との間につくられた空隙部分
   に適当な融解等の潜熱をもつ物質を充填したる層を抱か
   せること。 （３）水槽群の同心軸上底部には、円筒形の中枠と頂点
   部分には吐出口をもったダルマ型等の枠の二重枠間を、
   水槽群の各層毎に、細管束帯によってつくられた仕切板
   をもって仕切り、又、各層に対して突出した任意数の上
   窓、上窓をもつ熱配分器をおくこと。 これらを中心として構成することを特徴とする蓄熱槽で
   、水又はその他熱媒体液を貯湯式に用いることにより、
   中心槽とそれをとり囲く水槽群との間及び水槽群間に温
   度勾配をつくり、中心槽の相対的高温状態を温存し、か
   つ長期間熱を貯蔵することを特徴とする貯湯式長期蓄熱
   槽。