(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（１）〜（５）の条件を同時に満足する、ランダム充填可能な円筒状で、円筒の中間部にくびれを有する蓄熱カプセル：
（１）単位容積当たりの容器の内表面積が１（cm２/cm３）以上であること、
（２）内容積が２００cm３以上であること、
（３）３次元座標のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相当する容器の長さの内で、最長の長さを最短の長さで割った値が２以下であること、
（４）くびれ部分における円筒直径（ｄ）／非くびれ部分の円筒直径（Ｄ）が１／３〜２／３であること、および
（５）くびれ部分の角度（α）が４５度以下であること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、潜熱蓄熱システムに用いられる蓄熱材収納カプセルに関するものであり、詳しくは、内容積に比して内表面積が大きく、伝熱特性に優れ且つランダム充填可能な蓄熱カプセルに関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
潜熱蓄熱システムの蓄熱槽は、大別してシェルアンドチューブ型とカプセル型に分けられる。シェルアンドチューブ型は、通常のシェルアンドチューブ型熱交換器のシェル側に蓄熱材が入っており、チューブ側に熱媒体が流れる形式のものである。カプセル型は、蓄熱材が円柱状、平板状または球状等の比較的小さな容器（カプセル）の中に収納されており、シェル内に多数配置された該容器外を熱媒体が流れる形式のものである。
シェルアンドチューブ型は氷蓄熱用としては数多く研究されているが、氷以外の無機水和塩を蓄熱材に用いる場合は、無機塩の腐食性などの問題から、圧倒的にカプセル型が多く研究開発および実用化されている。
【０００３】
カプセル型蓄熱システムに使用されるカプセルの形状についても、各種のものが検討されている。例えば、平板状カプセルとしては、該カプセルを前後及び上下に組み合わせるための凹凸部分を備えた容器が提案されている（米国特許第４，８７２，５５７号明細書参照）。
平板状カプセルは、容器の厚みが全体に薄いため伝熱特性がよく、蓄熱時間及び放熱時間を短縮することが可能である。また、該容器を蓄熱槽内に層状に積み重ねることができ、熱媒体の流路が整然と確保されるために、整流効果により伝熱特性が向上する効果が期待される。しかしながら、平板状カプセルはその形状からランダム充填は不可能であるので、蓄熱槽内に該カプセルを充填するには、規模にもよるが数人で２〜３週間の工期を要してカプセルを容器内に敷き詰める必要があり、蓄熱カプセルの充填行程だけで多くの人役と時間を要する欠点があった。
【０００４】
また、既設の水蓄熱槽の能力増強策として、潜熱蓄熱材が収納された蓄熱カプセルを既設の水槽に追加設置する方法が検討されている。この場合、既設の水槽には開口部としてマンホールしかないので、その構造上、平板状カプセルの追加充填は不可能であり、充填するには水槽の改修工事から始めなければならない。従って、既設水蓄熱槽の能力増強のために、平板状カプセルを用いることは実際上不可能であると言える。
【０００５】
一方、球状カプセルはその形状からランダム充填が可能であり、且つ耐圧性能からも優れた形状であることは明らかである。しかしながら、球は内容積に対する表面積が最も小さくなることから、他の形状に比べて伝熱性能が悪いという欠点がある。伝熱性能を向上させるためにはその径を小さくすればよいが、必要量の蓄熱材を蓄熱槽に充填するには、小さなボール（カプセル）を数多く充填しなければならないので、該カプセル（外皮）を構成する材料の容積（使用量）が大きくなり、また該容積を少なくしようとすれば充填される蓄熱材の量が減ってしまう結果となる。従って、球状カプセルの伝熱性能を高めるためにその径を小さくすると、槽当たりの蓄熱量が減少し、反対にカプセル材料（例えば、樹脂）の量が増加することや、カプセル個数の増加によるコスト高は避けられない。
【０００６】
本発明の目的は、上記したような従来のカプセルの問題点を改良し、伝熱性能が優れ且つランダム充填可能な蓄熱カプセルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下記（１）〜（３）の条件を同時に満足する、ランダム充填可能な円筒状蓄熱カプセルが提供される。
（１）単位容積当たりの容器の内表面積が１（ｃｍ２／ｃｍ３）以上であること、
（２）内容積が２００ｃｍ３以上であること、および
（３）３次元座標のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相当する容器の長さの内で、最長の長さを最短の長さで割った値が２以下であること。
【０００８】
［発明の具体的説明］
上記したように、ランダム充填が可能なカプセルとして球状カプセルが知られているが、球形状では単位容積当たりの表面積が最小になるため伝熱特性が良くない。例えば、氷のように融解したとき粘性も低く、対流による伝熱の効果が期待できる蓄熱材である場合は、樹脂製カプセルで直径１００ｍｍ程度まで大きくすることが可能である。ところが、氷以外の無機水和塩を蓄熱材として利用する場合は、相分離防止のためカルボキシメチルセルロースや高吸水性樹脂等を添加して系の粘度を高くすることが多い。そのために、蓄熱材自体の熱伝導率が悪くなり、対流による伝熱の効果も期待できないので、別途、カプセルの伝熱性能を向上させる必要がある。無機水和塩を利用した蓄熱材を、蓄熱契約制度の限られた時間（通常は夜間）内で凝固融解させることができ、且つ相分離現象を最小に押さえるためには、球状カプセルの直径は５０〜６０ｍｍまで小さくしなければならない。
【０００９】
しかし、容器はそれを構成する材料の厚さがあることから、容器を小径化すればするほど蓄熱槽に占める容器材料の体積が大きくなり、蓄熱材の充填率が低下する。例えば、１ｍ３の蓄熱槽に充填率６０％で容積１００ｃｍ３の球状カプセルを充填する場合、カプセルは６０００個必要となる。同一条件で容積２００ｃｍ３の球状カプセルを充填する場合、カプセルは３０００個で足りる。
従って、カプセルの製造コスト、蓄熱材のカプセルへの装填コスト等を考慮すると、蓄熱カプセルの容積は２００ｃｍ３以上が好ましい。コスト面からの蓄熱カプセルの容積の上限はないが、蓄熱契約時間（１０時間）内に蓄熱材を凝固させる点を考慮すれば、該容積は５００ｃｍ３以下、好ましくは４００ｃｍ３以下である。
【００１０】
次に、内容積が２００ｃｍ３程度になるように直径７３ｍｍの球状カプセルを考えると、内容積は２０３．６ｃｍ３、表面積は１６７．３ｃｍ２（但し、容器の厚みは計算上無視する）となり、単位容積当たりの容器の内表面積（以下、Ｓ／Ｖと略記する）は０．８２２である。内容積１００ｃｍ３の球状カプセルの場合は、その直径は５７．６ｍｍ、表面積は１０４．２ｃｍ２およびＳ／Ｖは１．０４２となる。
多数個充填されている蓄熱槽内の全てのカプセル中の蓄熱材を蓄熱契約時間（１０時間）内に完全凝固させるには、各カプセル単体の蓄熱材を６時間以内に凝固させる必要がある。
上記Ｓ／Ｖ値の異なる２つの球状カプセルについて硫酸ナトリウム１０水和塩を主成分とする蓄熱材を用いた実験を行ったところ、Ｓ／Ｖ値が大きいカプセルでは該蓄熱材は６時間内で凝固融解したが、Ｓ／Ｖ値が小さいカプセルでは該時間内には凝固融解しないことが確認された。
【００１１】
伝熱性能は表面積に比例することは良く知られているので、Ｓ／Ｖの値が大きくなるほど伝熱性能が向上する。よって、上記の結果から、蓄熱カプセルはＳ／Ｖが１以上であることが好ましいと判断される。なお、この場合、計算上容器材料の厚みを無視したが、実際の容器は材料の厚みが存在するので、計算に用いる表面積Ｓは外表面積でなく、蓄熱材と接する容器の内表面積とする。
【００１２】
蓄熱カプセルの製造コストおよび蓄熱材の装填コストを小さくするためには、１つのカプセルで内容積が２倍となる形状、つまり球が２個連結した形状が好ましいと考えられる。単純に直径５７．６ｍｍの球状カプセルを２個連結すると、容積が２００ｃｍ３で且つＳ／Ｖがおよそ１の容器となる。
この容器が球にどれだけ似ているかを表す指標として、３次元座標のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に相当する容器の長さを測定し、最長軸長さ／最短軸長さ（≧１）を球似率として定義すると、球ならばＸ：Ｙ：Ｚの比は１であるので球似率は１である。球が２つ連結された容器の場合は、Ｘ：Ｙ：Ｚ＝１：１：２であるので、球似率は２．０となる。従って、カプセルをランダム充填することを考えると、容器の球似率は球が縦に２個連結された形状まで、つまり２．０以下が好ましいことになる。
【００１３】
以上の知見から、伝熱特性に優れ且つランダム充填が可能な蓄熱カプセルは、そのＳ／Ｖが１以上、内容積が２００ｃｍ３以上及び球似率が２．０以下の条件を満たすものであることが必要である。
容器の耐久性、大量生産性、充填作業性および蓄熱材の相分離防止効果等を考慮すると、図１に示すように、円筒状であり且つ円筒の中間部にくびれを有する（例えば、ひょうたん状の）ものが好ましい。
くびれの程度は、上記の条件が満たされる範囲内において任意であるが、くびれ部分における円筒直径（ｄ）が非くびれ部分の円筒直径（Ｄ）の１／３〜２／３程度であり、底面からくびれ開始点までの高さ（ｈ）は円筒全長（Ｌ）の１／３程度であることが好ましい。また、Ｌ／Ｄは２以下である。
また、くびれは１カ所に限定されるものでなく、２カ所以上のくびれを有していても差し支えない。
くびれ部分の角度（α）は４５度以下、好ましくは３０度以下である。この角度が４５度より大きいと、くびれ部分の平面に垂直にかかる力が該平面と平行に下向きに働く力よりも大きくなり、蓄熱材の相分離防止効果が小さくなる。
【００１４】
また、本発明の円筒状カプセルはその底面は平面でなくてもよく、内容積を大きくするために凸状としたり、伝熱性能を向上させるために凹状にすることもできる。さらに、蓄熱材の充填時の空気抜きを容易にするために、円筒状容器の肩部分は若干丸みをおびていた方が好ましい。
図４に示した蓄熱カプセルは本発明の好ましい態様の１つであり、容器材料として、樹脂、例えば高密度ポリエチレンを用いて容易に成形することができる。
【００１５】
本発明の蓄熱カプセルは、上記したような形状であることから、単なる円筒状容器に比べて表面積を大きくすることができ、伝熱性能が向上した容器が得られる。
また、このような形状の容器は、伝熱特性の向上のみでなく、さらに２つの効果が得られる。即ち、その１つは、蓄熱カプセルを蓄熱槽にランダム充填したときに熱媒体の流路が確保されることであり、もう１つは、蓄熱材としての無機水和塩の相分離が防止されることである。
相分離は沈降高さ、つまり容器の高さ（厚み）に依存するといわれ、長期間繰り返し使用するために容器の高さ（厚み）を低くする工夫がなされている。円筒状容器の場合は、その平面を下にして垂直に立てたとき沈降高さは非常に大きくなるので、本発明においては、円筒の中央部にくびれを設けることにより、容器が上下２相に分割され、該くびれ部分が蓄熱材の沈降に対しての抵抗となり、相分離が防止される。
【００１６】
本発明の蓄熱カプセルの製造には、従来からこの種のカプセルの製造に使用されている材料、例えば、金属、樹脂等を使用することができ、該カプセルが使用される蓄熱システムに応じて適宜選択することができる。
本カプセルは、製造の容易性からすれば、その材料として樹脂を使用することが好ましく、例えば、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の樹脂を用いることができる。
本発明による樹脂製蓄熱カプセルは、例えば、ビル空調用蓄熱システム、地域冷暖房空調用蓄熱システムおよび産業用蓄熱システム等の蓄熱システムに好適に採用することができる。
【００１７】
【実施例】
１．蓄熱カプセルの製作
本発明による特定形状の蓄熱カプセルの伝熱性能を他の形状の蓄熱カプセルと比較することを目的として、厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ  ３０４）を用いて、図１〜図３に示すような蓄熱カプセルを製作した。
図１に示した容器１は、本発明の蓄熱カプセルに相当するもので、蓄熱材挿入口（高さ２０ｍｍ×１２ｍｍφ）を有し、中央部がくびれた円筒状容器であり、Ｄ＝６５ｍｍ、ｄ＝２５ｍｍ；Ｌ＝９０ｍｍ、；ｈ＝３２．５ｍｍ；α＝２０度のサイズである。
図２に示した容器２は、比較のために作成した球状カプセルであり、直径（Ｄ０）７７ｍｍのサイズである。
図３に示した容器３も、比較のために作成した円筒状カプセルであり、中央部にくびれを有しないもので、高さ（Ｌ１）が７２．５ｍｍ、直径（Ｄ１）が６５ｍｍのサイズである。
これら三種の容器の内容積、内表面積、Ｓ／Ｖおよび球似率を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
２．蓄熱カプセルの伝熱性能評価試験
試験（１）
蓄熱材として５℃で凝固融解するｎ−テトラデカン（キシダ化学社製試薬特級）を用いて、上記で作成した三種の容器における蓄熱材の凝固時間を測定した。内容積が同じであれば、蓄熱材が完全に凝固するまでの時間は伝熱性能に比例するので、凝固時間により伝熱性能を比較した。
各容器に、それぞれ１９８ｍｌのｎ−テトラデカンを充填し、温度コントロール可能な水槽に該容器を入れ、容器の中で最も凝固しにくい部分（図１〜３の×印）の温度変化を熱電対により測定した。図５に示すように、水温を１３℃から０℃まで３０分間で降下させ、その後７．５時間０℃に維持した。そのときの各容器の蓄熱材の温度変化を図５に示す。
【００２０】
いずれの容器においても、蓄熱材は５℃で凝固し、その後水温の０℃と等しい温度となった。蓄熱材の温度が０℃まで降下するのに、容器１（本発明）では５．３時間、容器２では６．１時間、容器３では６．７時間を要した。
このように、各容器とも同一容量の蓄熱材が使用されているにも拘わらず、凝固時間に差が生じたことは、各容器の伝熱性能の違いによるものであり、この結果から、本発明の容器１は、本発明の要件を具備しない容器２および容器３よりも、伝導性能が優れていることがわかる。
【００２１】
試験（２）
１１℃付近に融解温度を有する、下記組成の蓄熱材を用いて、上記試験（１）と同様の試験を行った。
［蓄熱材の組成］
硫酸ナトリウム１０水和塩                                ８０重量部
塩化アンモニウム                                        １２重量部
塩化ナトリウム                                            ４重量部
硫酸アンモニウム                                          ４重量部
四ホウ酸ナトリウム１０水和塩                            １．５重量部
高吸水性樹脂（三洋化成社製「サンウエットＩＭ−１０００」）    １．５重量部
【００２２】
試験（１）と同様に、水槽を１５℃から４℃まで３０分間で降下させ、その後７．５時間４℃に維持した。その間の各容器の蓄熱材の温度変化を測定し、その結果を図６に示す。
いずれの容器においても、蓄熱材は６．５〜７．０℃付近で過冷却が破れ、結晶化と共に８℃付近まで温度が上昇した、その後水温と等しくなった。蓄熱材の温度が水温と等しくなるのに要した時間は、容器１（本発明）で５．４時間、容器２で６．２時間、容器３で７．０時間であった。
この結果から、硫酸ナトリウム１０水和塩を主成分とする蓄熱材を用いた場合においても、本発明の容器１は他の容器２および容器３よりも伝熱性能が優れていることがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の蓄熱カプセルは、その形状から伝熱性能に優れ、且つランダム充填が可能であるという顕著な効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用した蓄熱カプセルを示す断面図である。
【図２】比較のために使用した球状の蓄熱カプセルを示す断面図である。
【図３】比較のために使用した円筒状の蓄熱カプセルを示す断面図である。
【図４】本発明の蓄熱カプセルの一態様を示す断面図である。
【図５】蓄熱材の凝固パターンを示すグラフである。
【図６】蓄熱材の凝固パターンを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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