JPS60259890A - 直接熱交換方式の潜熱型蓄熱器 - 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】 ［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−長
−短がある。

蓄熱研究の主要な課題が蓄熱器の性能の向−１−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って
は、いかに性能が優秀であっ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（結晶水な持つ無機塩類、たとえば硫酸ナトリ
ウムｌＯ水塩、Ｎ　ａ、Ｓ　０４ｍ　ＩＯＨ，Ｏやチオ
硫酸ナトリウム５水塩、Ｎａ、５２０３φ５Ｈ２０など
）が蓄熱材の有力な候補物質とされてきた。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
）はシェル舎チュ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）のシェル・チューブ型蓄熱器
において、１１は蓄熱容器、１２は熱媒体の入口、１３
は回出１１、Ｉ４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ューブを示す
。

これらの潜熱型蓄熱器において、蓄熱材４，１４は溶融
と凝固をくり返すことにより、蓄熱・放熱を行うか、図
示したカプセルや熱交換チューブは、Ｘｉ熱材と熱媒体
の間に適）１！ｉな熱交換面を確保する１−１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
目的をもって設備されている。

ところがこのカプセルや熱交換チューブの製作と加工に
は、非常に多大の経費が必要であり、場合によれば蓄熱
材そのものの価格を−１−回ることもめずらしくない。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、このような経費の軽減をはかるため、
直接熱交換方式を用いて、カプセルや熱交換チューブを
省略し、蓄熱器を構造がｍ午で低コストに構成したもの
として提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明の蓄熱器は、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って、
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Ｉｉ＋１シ、かつその」〜）＋ｌ一端が蓄熱器の
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
配設したことを特徴とするものである。

［作　用］ １、記梧成の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、適冷することなく円滑な凝固
が進行する。

［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はに
記蓄熱材よりも比重が小さい熱媒体液であって、１−記
蓄熱容器２１内においては、充填した蓄熱材２４の１一
方に熱媒体の出口２３に通じる熱媒体貯留空間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によっ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
１走蓄熱容器２】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１］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２４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−の作用を期待できる他の構成を採用することができ
る。

１−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が小滴となって浮上するため、蓄放熱操
作の過程で全体的に固体化することがあってはならない
。そのため、無機水利塩にその化学量論比以−にの水を
含有させ、無機水利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、無機水和塩の種類によってそれぞれ相
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中位体積当
りの溶融潜熱が低下する。種々検討した結果、適当と考
えられろ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
小滴となって、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「適冷」や「相分離」などの不
都合な現象も大幅に改善される。

また、」−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−］−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。

第１表 一方、熱媒体２５としては、一般に、蓄熱材２４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
パラフィン、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、小滴になり易い一ヒに、蓄
熱材融液とエマルジョ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、お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
っ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２８に
送給し、それを熱源２８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。」１記熱源２８として
は、例えば太陽熱、工場排液、夜間電力などがある。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って蓄熱
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、蓄熱容器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の温度が一ヒ昇すると同時に、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
を暖房用ファンコイル、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Ｓせる。入口２２から送入された熱媒体２
５は、蓄熱材２４中を小滴となって上昇（浮−ヒ）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１ 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の温度変化に伴って、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２
７は、熱媒体２５が蓄熱材２４中を急速に一１＝昇して
分離するのを抑制し、両者の接触時間を十分に保って熱
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２ 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３
２の上に析出した水利塩結晶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を設置しない場合には、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、
比重差によって水和塩結晶が容器の底部に沈降し、大量
の水利塩結晶が容器底部に堆積すると、入口２２を通っ
て熱媒体が原人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〜ｌｏｃｍ
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
無機水利塩を充填し、その一端が蓄熱材２４中部に蓄熱
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、蓄熱材中の無機水利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、溶融せずに結晶のまま
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っ
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
交換チューブを不要とし、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
。

以下に本発明の実験例を示す。

第２図に示す構造を有し、その蓄熱容器の直径が３０ｃ
ｍ、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、残部が無水酢酸ナトリウム
）を入れ、蓄熱材の一ヒ部に厚みが７ｃｍになるまでシ
リコーン油を入れて熱媒体とした。案内５ 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°Ｃ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、波速及び比熱から、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Ｑは蓄熱材に、ま
た曲！ＩＣ４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℃
であった。この温度から上下ｔｏ℃（計２０’Ｏ）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°Ｃの過冷が観察された。

６

【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。 指定代理人 第８図 （（１）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   器であって、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
   設したことを特徴とする直接熱交換方式の潜熱型蓄熱器
   。