JPS6040799B2 - 直接熱交換方式の潜熱型蓄熱器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直援熱交換方式の潜熱型蓄熱器に関するもの
である。

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函霞熱
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、多くの蓄熱朝珍式が研究され
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。本発明は、このような
蓄熱器において大幅なコストの低減をはかることを目的
とするものである。

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１
０ｋ塩、Ｎａ２Ｓ０４・１皿２０やチオ硫酸ナトリウム
５水塩、Ｎａ２Ｓ２Ｑ・斑２０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・チューブ型と呼ばれている。第１図ａのカプセ
ル型篭熱器において、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村、
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ｂのシェル。チューブ型篭熱器におい
て、竃１は蓄熱容器、１２は熱媒体の入口、１３は同出
口、１４は無機水勅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，亀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ューフは、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「場合によれば誓熱
材そのものの価格を上回ることもめずらし〈ない。本発
明は、このよつ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
熱器を構造が簡単で低コストに構成したものであって「
蓄熱材と混合しない熱煤（液）体を小滴としてｔ蓄熱村
と直接接触させ、熱交換を行わしめる方式の潜熱型蓄熱
器において、蓄教材が無機水和塩とその飽和水溶液から
なり、かつその飽和水溶液量が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、
蓄熱材全体の８〜１群容積パーセントとなるように水分
量が調節したことを特徴とするものである。

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（液）体であって「上
記蓄熱容器２１内においては、充填した蓄熱村２４の上
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Ｌ ２７１ま案内板、２８はポン
プ、２９は熱源または熱負荷「 ３川まポンプ２８１こ
よって供給される熱媒体２５を入口２２において蓄熱村
２４中に小滴として分散噴出させる多孔体、３亀は蓄熱
容器２亀から断熱材層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を蓄熱村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
恥こ直接接触させるための手段及び接触した熱媒体２Ｓ
を蓄熱材２４から分離する手段としては、図示の穣成例
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。上記叢熱材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、無機水勅塩の結晶とその飽和水溶液とが
共存するように調整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
熱村に熱エネルギーを貯蔵する前、またわ熱ェネルギ山
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、熱媒体が小摘となって、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「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。第１表 一方、熱媒体２５としては、一般に、蓄熱村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−ン油、灯油、軽油、石油
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
り易い上に、蓄熱村融液とェ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、あまり
‘こ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、工場廃液、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
りづ・滴となって篭熱体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、篭熱容器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、蓄熱村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を暖房用ファンコイル、吸
収式冷凍機、給油器などの熱負荷２９へ送り、熱媒体２
５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、蓄熱村２４中を
小滴となって上昇（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線体２５に与えられる
。以上の説明から明らかのように、上記蓄熱器では、蓄
熱材２４の温度変化にに伴って、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
媒体を蓄熱体中にづ・満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
る小孔鬼羊３３を有し、かつその周囲に熱媒体流（矢印
）を適正な方向に譲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
緑板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５〜７ｏ
の角度だけ煩斜するように縁板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
の水和塩結晶が容器底部に推債すると、入口２２を通っ
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、その全部が器底に推
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５〜１０秘が好適である。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と接触して開〇しており、池端が断熱材層
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、蓄熱村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。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。以下に本発明の実施例を
示す。〔実施例 １〕 第２図に示す構造を有し、その蓄熱容器の直径が３ルネ
、高さが８０肌の円筒型蓄熱器を製作した。

この中に底部からの高さが６５伽となるまで蓄熱村Ａ（
水分量６亀重量パーセント、残部が無水炭酸ナトリウム
）を入れ、蓄熱材の上部に厚みが７弧になるまでシリコ
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。熱媒体を出口２３から電
動ポンプで汲出し、入ロ２２に還流する途中で髄熱を用
いて加熱し、入口２２での温度が６びＣになるように調
節を行った。シリコーン油の出口と入口での温度差を計
測し、その日韓熱と流速を用いて熱媒体から蓄熱材へ移
動した熱エネルギー量を計算した。求められた蓄熱材の
熱含量Ｑと蓄熱材の平均温度Ｔの関係を第４図に示した
。図中の曲線Ｃ，は蓄熱材１のものであり、曲線Ｃ２は
比較のために蓄熱材Ａと等容積の水について実験したも
のである。Ｑが急増する温度（蓄熱村の見かけ融点）は
約３３℃であった。この見かけ融点から上下１び０（計
２ぴ０）の温度幅をとるとき、蓄熱材Ａの熱容量は水の
それの約３．７倍である。シリコーン油の流速を５００
の‘／分に一定とすると、第４図のＰ，点からＰ２点に
到達するのに約１．８時間を要したが、案内板２７を取
去った場合は所要時間が約３．袖時間となり、案内板の
熱交換促進効果が大であることが示された。〔実施例
２〕実施例１と同一の装置に、篭熱材Ｂ（水分量４３重
量パーセント、残部が無水酢酸ナトリウム）を充填した
。

あらかじめ蓄熱器全体を均一に６ｇ０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、姿熱材Ｂから熱媒体へと移
行した熱エネルギー量を計算し、蓄熱材の熱舎量Ｑと平
均温度Ｔの関係を第５図に示す。曲線Ｃ３は蓄熱材Ｂに
、また曲線Ｃ４は比較のため計測した蓄熱材Ｂと等容積
の水に対応する結果である。姿熱村Ｂの見かけ融点は５
７０であった。この温度から上下１ｏｏ○（計２０ご○
）の温度幅で比較すると蓄熱村Ｂの熱舎量は水の約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。〔実施
例 ３〕 上述と同一の装置を用いて、蓄熱材Ｃ（水分量４０．５
重量パーセント、無水酢酸ナトリウム３０．５重量パー
セント、チオ硫酸ナトリウム２携重量パーセント）によ
り試験した。

この場合の融解は４０〜５５℃で起り、前述のようなは
っきりした見かけ融点は示さなかったが、この温度範囲
での熱含量は水の３．４倍に達することが観察された。

【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図及び第５図は試
験結果を示す線図である。 ２１・・・・・・蓄熱容器、２２・・・・・・入口、２
３・・・・・・出口、２４・・・・・・蓄熱材、２５・
・・・・・熱媒体、２５′・・・・・・熱媒体貯留空間
。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 蓄熱材と混合しない熱媒（液）体を小滴として、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、かつその飽和水溶液量が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、蓄熱材全体の８〜１８容積パーセントとなるように
   水分量が調節されていることを特徴とする直接熱交換方
   式の潜熱型蓄熱器。