JPS636388A - 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１ 本発明は、温度成層を形成する横置型シェル・チューブ
型の蓄熱器の改良に関するものである。

［従来の技１ｆｉ］ 熱エネルギーの有効な回収、利用を図る上で熱エネルギ
の貯蔵技術は重要な技術の一つである。

−般的な熱エネルギの貯蔵方法としては、（１）物質の
比熱を利用する顕然蓄熱、（２）物質の相変化を利用す
る潜熱Ｗ熱、（３）或いは物質の化学反応熱を利用する
所謂化学蓄熱等がある。

いずれの技術も、熱供給側及び需要側と蓄熱媒体との間
に於て熱交換が必要である。

現在、最も広く応用されている熱交換方式は、温度成層
を形成する伝熱管と胴で構成されるシェル・チューブ型
の熱交換器による方法である。

−般に蓄熱媒体の熱伝導率は低く　（ｋ＜　１ｗ＃ｏ°
に）、又粉体で利用する事もある為、効率良い熱の出し
入れをする事が難しい。−方、熱の授受を行う上で、蓄
熱槽内を温度成層、すなわち上部を高温、下部を低温と
し、温度分布をつけ、極力槽内の対流を抑制することに
より、温度効率の良い熱の出し入れが可能となる。

これは、第１５図の示す如く、温度成層型の蓄熱器では
、（ａ）のように、大半の熱は高温度でｊｑられるのに
対し、温度成層がなく、−揉に混合された蓄熱器では（
ｂ）にように放熱黙示の総量は差がなくとも、温度降下
が著しく、従って質の低い熱として得られるためである
。

従って、温度成層を形成するためには、蓄熱時には上部
より下部の順に高温の熱媒体を流し、逆に、放熱時には
、下部より上部の順に低温の！！！媒体を流す。

更に、潜熱蓄熱器の場合は、上記手順によって上部より
蓄熱媒体が溶融しく蓄熱時）、下部より固化（放熱時）
することになるが、これは同時に溶融・凝固に伴う体積
変化（１０％〜３０％）による熱応力と巣の発生を防ぐ
上でも効果がある。

しかし、伝熱効果が悪いと温度成層が形成されにくい。

伝熱効率を上げて温度成層を形成するために、種々の伝
熱促進方法が提案されているが、実用化という点で確実
なものは現在に於いてもなお、フィン等による伝熱面積
の増大程度のものである。

このような理由から、従来方式による横置型のシェル・
チューブ型の潜熱蓄熱器は、第１１図ないし第１４図に
示すように伝熱促進を目的としたフィンが全長に装着さ
れた伝熱管が細かい間隔てもって配設された構造になっ
ていた。

第１１図は全体図、第１２図は一部縦断正面図、第１３
図は第１２図に於けるＢ部詳細図、第１４図は管仮に於
ける伝熱管の配置を示している。構造的には左右の鏡板
１と胴部２を形成するシェル、鏡板１と胴部２の接合部
に位置し伝熱管３を保持する管板４、さらに熱媒体４の
バスを構成する隔壁６、熱媒体５の出入ロア、蓄熱媒体
８の出入口９等によって構成され、上記伝熱管３にはフ
ィン１０・・・が全長にｇＩされた状態となっている。

［発明・考案が解決しようとする問題点１このように、
従来の蓄熱器には、蓄熱材料への伝熱を促進し熱交換の
効率を向上させる為、全長にわたって伝熱面積を増大さ
せるフィン１０・・・が装着された伝熱管３が剣かい間
隔でもって配設されており、この為、製造に当っては長
い期間を必要とし、伝熱管等の材料費のみならず特殊な
加工、溶接等により、製造原画の高騰は避けられない問
題であった。製造原画の低減に関する要求は、従来から
の大きな課題であった。

本発明は、上記事情に基づきなされたもので、その目的
とするところは、熱エネルギーの貯蔵・放出において必
要とされる熱交換方式として多用されている横置型シェ
ル・チューブ型の蓄熱器において、構造の簡素化と低コ
ストイヒが図れ、しかも、伝熱性能の向上が可能にでき
るようにした蓄熱器を提供しようとするものである。

し問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決するために、横置型シェル
・チューブ型の蓄熱器において、胴内に配置された伝熱
管の内、上下層に位置する伝熱管のピッチを密に且つ中
間層に位置する伝熱管のピッチは粗にした構造、および
／または上下層に位置する伝熱管のみをフィン付とした
構造を有してなることを特徴とする蓄熱器を供するもの
である。

［作　用１ すなわち、本発明は、上記の構成とすることによって、
伝熱性能に顕著な影響を受ける上下層に位置する部分の
伝熱促進が図れ、これにより伝熱性能を向上させること
が可能となり、また、伝熱性能に対して影響の少ない部
分に付いては極力簡素イしでき、従来に比してはるかに
安価な費用でもって！１１でき、低コスト化が可能とな
る。

［実施例］ 以下本発明の〜実施例を第１図ないし第７図を参照して
説明する。

第２図は全体図、第１図は一部縦断正面図、第３図は管
仮における伝熱管の配置を示し、その構成要素としては
、頂板１と胴部２を形成するシェル、鏡、板１と胴部２
の接合部に位置し伝熱管３を保持する管板４、さらに、
熱媒体５のパスを構成する隔壁６、熱媒体５の出入ロア
、蓄熱媒体８の出入口９等によって組成され、従来０１
とはほとんど同じであるが、従来のものと異なる２つの
大きな特徴−がある。

すなわち、第３図に示すように胴２内に配置された伝熱
管３・・・の内、上下層すなわちρ　、」で示す範囲に
位置する伝熱管３・・・ピッチｐ。を密に、また、中間
層すなわちＪ１３で示す範囲に位置する伝熱管３・・・
のピッチｐを粗にする（ｐ＞ｌ）０にする）とともに、
第３図に示すように１１゜ｆ２で示す範囲に位置する上
下層に位置する伝熱管３・・・のみにフィン１ｏ・・・
がＨ！された状態となっている。第４図および第５図は
このフィン付伝熱管３を示す。

このように、本発明においては、蓄熱媒体８の上下層に
集中して伝熱促進対策が施された構成となっている。

第６図は、放熱特性の例（試験データ）を示し、図面中
、（ａ）実線は１インチの伝熱管３・・・を１．５イン
チの等間隔で全面配列されたもの、同図中（ｂ）破線は
、同径の伝熱管３・・・を上下２０％を１．５インチの
間隔（ｐｏ＝１．５インチ）で配列し、中央部６０％は
２．５インチの間隔（ｐ＝２．５インチ）で配列したも
のである。

第７図は、同じく放熱特性の例（試験データ）であり、
図面中、［ａ）実線は、１インチのフィン付伝熱管３・
・・が２．５インチの間隔で配列されたもの、同図中。

（ｂ）破線は、同径フィン付伝熱管３・・・を上下２０
％に２．５インチの間隔で配列し、中央部６０％には同
径のフィンなし伝熱管３・・・を２．５インチの間隔で
配列したもの、なお、同図中、（Ｃ）−点鎖線は、１イ
ンチのフィン付伝熱管３・・・を上下１０％に２インチ
の間隔（ｐｏ＝２インチ）で配列し、中央部８０％には
同径のフィンなし伝熱管３・・・を２．５インチの間隔
（ｐ＝２．５インチ）で配列したものである。

以上の試験結果から理解できるように本発明による簡易
形状にて製作しても、従来例と比較して、伝熱性能はほ
とんど差異のない事が実証されており、伝熱促進の手段
（例えば、放熱面積の増大、伝熱管の設定間隔、数等）
を適宜選択することにより性能を向上させることも可能
となる。

なお、本発明は、上記実施例にのみ限定されるものでな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に於いて、種々変
更を加え得るものである。

すなわち、蓄熱器表面からの熱放散による熱損失を少な
くした構成としてもよい。

蓄熱器の特徴は熱エネルギーを一時的に蓄えておくもの
であるから蓄熱器表面から大気中への放熱量は最小限に
おさえる必要がある。

しかしながら、蓄熱器内の高温蓄熱媒体８は、胴２の内
面に直接接しているため胴２の表面は蓄熱媒体８の温度
に近い温度となり、胴２の外表面から熱放散による熱損
失があり、蓄熱器表面に保温材を設けても無視できない
ものがあった。また、保温材の厚みも厚くする必要があ
り、コストもかなり高くなるといった問題がある。

そこで第８図及び第９図に示すように、Ｉｐ１２の内面
に沿って内筒１１を複数の支え仮１２・・−を介して取
付けることにより胴内部を二重溝造とし、蓄熱器表面の
温度を抑えるために胴２の内面と蓄熱媒体（液体あるい
は固体の状態で蓄熱）８との間に、液体あるいは固体に
比べ熱伝導率が１７１０〜１／１００以下である窒素ガ
ス等の気相域１３を設けるものである。この結果、蓄熱
器外表面への熱の流れは、その途中に熱抵抗をもつこと
になり、蓄熱器壁の温度は低くなり、この外表面からの
放熱量も低下させることができる。蓄熱器の胴２と■２
の内面に設けた気相域１３の熱伝達が自然対流によるも
のであれば、伝熱量は次式であられせる。

λ：気体の熱伝導率［ｋｃａｌ／ＩＩ、ｈｒ　”Ｃ］Ｎ
ｕ：ヌセルト数［−］ ｔｏ：高温側温度［”Ｃ］ ｔｌ　：低温側温度［”Ｃ］ Ｓ：伝熱面の面積［ＴＩｔ］ Ｑ：伝熱ｆｆｉ　［ｋｃａｌ／　ｈｒ］Ｌ：伝熱面の垂
直方向にとった 気相間の距離［ｍ］ このように単位時間当りの伝熱量は、気体の熱伝導率λ
に比例している。熱伝導率が小さいほど対流による伝熱
量は小さくなる。

従来法のように気相域がなく蓄熱媒体が容器内面に接し
ているとλ（蓄熱媒体ン〉λ（気体）であるため伝熱量
は大きい。

このため蓄熱容器壁の温度は、はとんど蓄熱媒体温度に
等しくなり、同じ保温材施工条件（保温材種類、保温材
厚み）であれば蓄熱容器表面からの放熱量は、従来法が
はるかに大きくなる。

これは物体の表面からの熱伝達量は次式であられせるよ
うに高温側温度ｔ　と低温側温度ｔ１の差（１ｏ−１１
）に比例することからも明らかである。

Ｑ＝Ｋ・（１−１１＞・Ｓ Ｑ：熱伝達量（伝熱量）　　［ｋｃａｌ／　ｆｉｒ］Ｋ
：熱通過率［ｋｃａｌ／ｍ、Ｈｒ　・”Ｃ］ｔｏ：高温
側温度［°Ｃ］ ｔｌ　：低温側温度［℃コ Ｓ：伝熱面の面積［ＴＩｔ］ なお、この実施例によれば、胴２の内部を二重Ｉ造する
ことにより、胴２の内面に気相域１３を設けることによ
り胴２表面の温度を低下させ、胴２の表面からの熱放散
をおさえるようにしたから、近時提案されている昼夜の
電力使用量のアンバランスを平準化する一方法として出
力変動が難しい原子力発雷などの夜間熱エネルギを蓄熱
器等によって貯蔵しておき、需要の多い昼間に、利用す
る場合等に有用である。

なお、第１０吋に示すような竪型蓄熱器の場合、伝熱管
３の上下部に伝熱管全長の２０％についてフィン１０・
・・を設ける事によって、全長にフィン１０・・・を有
する伝熱管３を配列した蓄熱器と同等の性能を発揮する
事が確認されている。

なお、上述の他の実施例（第８図〜第９図）の説明にお
いて、前述の一実施例と同一部分は同一の符号を付して
詳細な説明を省略する。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように、横置型シェル・チュー
ブ型の蓄熱器において、胴内に配置された伝熱管の内、
上下層に位置する伝熱管のピッチを密に、また、中間層
に位置する伝熱管のピッチを粗にするとともに、上下層
に位置する伝熱管をフィン付としたものである。したが
って、伝熱性能に顕著な影響を受ける上下層に位置する
部分の伝熱促進が図れ、これにより伝熱性能を向上させ
ることが可能となる。また、伝熱性能に対して影響の少
ない部分に付いては極力簡素化でき、従来に比してはる
かに安価な費用でもって製造でき、低コスト化が可能と
なるとともに納期の大幅な矧縮が可能となるといった効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の一実施例を示すもので、第１
図は要部の縦断正面図、第２図は全体図、第３図は管仮
における伝熱管の配置を示す図、第４図および第５図は
フィン付伝熱管の正面図および斜視図、第６図および第
７図は潜熱蓄熱器における放熱特性の例（試験データ）
をそれぞれ示す図、第８図および第９図は本発明の他の
実施例を示すもので、第８図は一部切欠して示す正面図
、第９図は第８図ＩＸ　−ＩＸ線に沿う断面図、第１０
図は縦型蓄熱器を示す概略的断面図、第１１図〜第１４
図は従来例を示すもので、第１１図は全体図、第１２図
は一部縦断正面図、第１３図はフィン付伝熱管の構成説
明図、第１４図は管板における伝熱管の配置を示す図、
第１５図は温度と時間の関係を示す説明図である。 １・・・鏡板、２・・・ｌ１ｉｌ（シェル）、３・・・
伝熱管、４・・・管板、５・・・熱媒体、６・・・隔壁
、７・・・熱媒体出入口、８・・・蓄熱媒体、９・・・
蓄熱媒体出入口、１０・・・フィン、１１・・・内筒、
１２・・・支え板、１３・・・気相域。 出願人復代理人　鈴　江　武　彦 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度成層を形成する横置型シェル・チューブ型の
   蓄熱器において、胴内に配置された伝熱管の内、上下層
   に位置する伝熱管のピッチを密に且つ中間層に位置する
   伝熱管のピッチを粗にした構造、および／または上下層
   に位置する伝熱管のみをフィン付とした構造を有してな
   ることを特徴とする蓄熱器。
2. （２）胴内部を二重構造にすることにより胴内面に気相
   域を設け、内部蓄熱媒体と胴表面との間に温度抵抗をも
   たせる構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の蓄熱器。