(57)【要約】【課題】本願発明は、蓄熱槽内における熱伝熱を促進し、これにより、小型化した高温蓄熱装置の蓄熱槽を提供することにある。【解決手段】蓄熱材にアルミニウムや鋳鉄等の熱伝導率が高い金属をブロックにして使用する。この金属ブロックは、内部に電気ヒータ及び流路を有している。電気ヒータで金属ブロックを加熱して熱エネルギーを蓄え、熱需要に応じて流路に水等を供給し、水を蒸気や熱水に変化させ、熱エネルギーを取り出す。このとき、蓄熱時の加熱及び出熱時の冷却による熱応力によって、金属ブロックに亀裂が発生しないように、金属ブロックにスリットを入れる。【選択図】図２
2015049019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に電気ヒータ及び流路を有する金属のブロックであることを特徴とする高温蓄熱装置の蓄熱槽。
【請求項２】
前記金属ブロックに前記電気ヒータの軸に沿って前記金属ブロックの表面から前記電気ヒータ近傍に達するスリットを有することを特徴とする請求項１に記載の高温蓄熱装置の蓄熱槽。
【請求項３】
前記金属ブロックに前記流路の軸に沿って前記金属ブロックの表面から前記流路近傍に達するスリットを有することを特徴とする請求項１に記載の高温蓄熱装置の蓄熱槽。
【請求項４】
前記電気ヒータの軸に沿った前記スリット及び前記流路の軸に沿った前記スリットに交差するスリットを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の高温蓄熱装置の蓄熱槽。
【請求項５】
前記金属とは、アルミニウム又は銅又は鉄又は鋳鉄であることを特徴とする請求項１、２、３の何れか一項に記載の高温蓄熱装置の蓄熱槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ヒータの加熱で蓄熱材に熱エネルギーを蓄え、蓄熱槽内部に水等を供給し、水を蒸気や熱水に変え、蓄えた熱エネルギーを取り出す高温蓄熱装置の蓄熱槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の高温蓄熱装置の蓄熱槽の構造は、ステンレス製の容器内に電気ヒータと伝熱管を設置し、蓄熱材としてマグネシアと硝酸塩の混合材を充填している。この従来技術の蓄熱槽では、運転経費を低減する目的から、電気料金制度の深夜時間帯において電気ヒータに通電し、蓄熱材を加熱して熱エネルギーを蓄え、そして、熱需要に応じて、伝熱管内に水等の流体を供給して、この水を蒸気や熱水に変え、蓄えた熱エネルギーを取り出す運転が行なわれている。
【０００３】
この従来技術の高温蓄熱装置において、蓄熱槽の小型化を図る目的から、昼間時間帯もヒータへの通電を行なう装置として構造を見直したところ、蓄熱槽に蓄える必要な熱エネルギー量が減少するので蓄熱材の使用量が減少するにもかかわらず、蓄熱槽の容積は比例して減少しないことが分かった。例えば、食事時間帯になると熱エネルギー使用量が多い特徴がある調理用の熱エネルギー源として高温蓄熱装置の蓄熱槽を使用する場合、蓄熱槽に蓄える熱エネルギー量は深夜時間帯のみ蓄熱するときの約１０分の１に減少するが、蓄熱槽の容積は２分の１程度しか減少しないことが分かった。
【０００４】
蓄熱槽の容積が蓄熱エネルギー量に比例して減少しない原因は、蓄熱性能を低下させないために電気ヒータの伝熱面積を減少することができない、出熱性能を低下させないために伝熱管の伝熱面積を減少することができないことにある。
【０００５】
電気ヒータの伝熱面積及び伝熱管の伝熱面積を減少することは、蓄熱材を熱伝導率が高い材料に変え、蓄熱槽内の電気ヒータ及び伝熱管における熱伝達を促進することにより可能になる。
【０００６】
蓄熱槽内における熱伝達を促進する従来技術として、大粒子と小粒子のマグネシアを混合して使用することにより、マグネシアと硝酸塩の混合において熱伝導率が高いマグネシアの混合比率を高くする公知例があるが、この公知例による熱伝達率の増加は数％から約２０％である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１６１７８６号公報
【特許文献２】特開２０００−９７４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、蓄熱槽内における熱伝達を促進し、これにより、電気ヒータ及び伝熱管の伝熱面積を減少し、もって、蓄熱槽の小型化を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、蓄熱材に熱伝率が高いアルミニウム、黄銅、鉄、鋳鉄等の金属のブロックを使用し、この金属ブロック内部に電気ヒータと水等の流路を有することによって解決する。金属ブロック内の流路は従来技術の蓄熱槽内の伝熱管に相当する。
【００１０】
蓄熱材に金属ブロックを使用することにより、電気ヒータによる金属ブロックへの加熱及び流路内を流れる水等による金属ブロックの冷却が促進される。
【００１１】
しかし、金属ブロックの電気ヒータ周囲では、電気ヒータの加熱によって熱膨張するので熱応力が発生し、流路周囲では、水等の冷却によって収縮するので熱応力が発生する。これらの熱応力が大きいときは、金属ブロックに亀裂が生じる。
【００１２】
金属ブロックにおける熱応力の問題は、膨張又は収縮するとき、膨張又は収縮しやすくなるスリットを金属ブロックに作ることで解決する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蓄熱性能及び出熱性能を低下することなく、熱応力による亀裂を発生することなく、蓄熱材の使用量の減少に合わせて小型化する高温蓄熱装置の蓄熱槽を提供できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１による高温蓄熱装置の蓄熱槽の概略図。
【図２】本発明の実施例２による高温蓄熱装置の蓄熱槽の概略図。
【図３】蓄熱量が減少するとヒータに通電する運転をする調理用の高温蓄熱装置における蓄熱と出熱のパターンの一例を示す図。
【図４】深夜時間帯のみ蓄熱する運転をする調理用の高温蓄熱装置における蓄熱と出熱のパターンの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の実施例1による高温蓄熱装置の蓄熱槽の概略図である。この高温蓄熱装置の蓄熱槽は、主に、金属ブロック１、電気ヒータ２、温度センサ４からに構成されている。金属ブロック１には、内部に電気ヒータ２が設置され、流路３、スリット６、７、８が作られている。なお、電気ヒータ２及び流路３は、一方向に伸びる形に限定するものでなく、Ｕ字や螺旋の形でもよい。温度センサ４は金属ブロック１の温度検出用に取り付けられている。
【００１７】
本発明の実施例1においては、金属ブロック１にはアルミニウムのブロックを使用しており、この金属ブロック１自体が、蓄熱槽になる。なお、図に明記されていないが、金属ブロック１は、断熱材によって覆われる。
【００１８】
電気ヒータ２は、概して、金属ブロック１を加熱したとき、金属ブロック１内の温度偏差が大きくならないような位置に配置される。流路３は、概して、内部に水Ｗが供給されて冷却されたとき金属ブロック１内の温度偏差が大きくならないような位置に配置される。
【００１９】
スリット６は、電気ヒータ２の軸に沿って金属ブロック１の表面から電気ヒータ２近傍に達する切り込みであり、スリット７は、流路３の軸に沿って金属ブロック１の表面から流路３近傍に達する切り込みであり、スリット８は、電気ヒータ２近傍と流路３近傍を結ぶ切り込みである。
【００２０】
スリット６は、熱膨張したとき拘束される領域を小さくするために電気ヒータ２近傍まで深くすることが好ましい。このスリット６の幅は、アルミニウムの線膨張係数が０．００００２５／℃であり、金属ブロック１内の温度偏差が１０数℃以下のときは、１ｍｍ程度で十分である。電気ヒータ２の１本当たりのスリット６の個数は、多いほど熱応力を減少できるが、過小にする必要がないので、２〜８が適性である。
【００２１】
スリット７は、熱収縮したとき拘束される領域を小さくするために流路近傍まで深くすることが好ましい。スリット７の幅は、上記スリット６と同様に、１ｍｍ程度とする。流路３当たりのスリット７の個数は、上記スリット６と同様に、２〜８が適性である。
【００２２】
スリット８と電気ヒータ２の間の距離及びスリット８と流路３の間の距離は、熱膨張及び熱収縮したとき拘束される領域を小さくするため、短いことが好ましい。スリット８の幅は、上記スリット６、７と同様に１ｍｍ程度とする。
【００２３】
本発明の実施例1による高温蓄熱装置の蓄熱槽では、電気ヒータ２に通電して金属ブロック１を加熱し、金属ブロック１に熱エネルギーを蓄え、熱需要に応じて流路３に水Ｗを供給し、この水が金属ブロック１によって加熱され、蒸気又は熱水Ｓに変えられ、熱エネルギーを取り出す運転が行なわれる。
【００２４】
電気ヒータ２への通電は、金属ブロック１の温度が設定温度より低くいとき行なわれ、設定温度より高くなると停止する。
【００２５】
アルミニウムの熱伝導率は、表１に示すように、従来技術の高温蓄熱装置の蓄熱槽に使用されているマグネシア粒子＋硝酸塩の熱伝導率の約５０倍である。
【００２６】
【表１】
2015049019.tif 000003
【００２７】
蓄熱槽内の熱伝達は熱伝導が支配的であるので、概して、熱伝達量は蓄熱材の熱伝導率に比例する。このため、蓄熱材をマグネシア粒子＋硝酸塩の混合蓄熱材からアルミニウムに変更すると、熱伝導率が約５０倍に増大するので、金属ブロック１内の電気ヒータ２の伝熱面積は、従来技術の蓄熱槽内の電気ヒータの伝熱面積の約５０分の１に減少することが可能になる。また、本発明による金属ブロック内の流路３の伝熱面積も、従来技術の蓄熱槽内の伝熱管の伝熱面積の約５０分の１に減少することが可能になる。
【００２８】
一例として、食事時間帯になると熱エネルギー使用量が多くなる特徴がある調理用の熱エネルギー源として最大熱出力５ｋＷの本発明による実施例１の蓄熱槽について、従来技術による蓄熱槽と、蓄熱槽を持たない装置と比較する。
【００２９】
図３は、本発明の実施例１の蓄熱槽に対応する蓄熱量が減少するとヒータに通電する調理用の熱エネルギー源の高温蓄熱槽における蓄熱と出熱のパターンの一例を示す図であり、図４は、従来技術による蓄熱槽に対応する夜時間帯のみ蓄熱する調理用の熱エネルギー源の高温蓄熱槽における蓄熱と出熱のパターンの一例を示す図である。
【００３０】
その結果、電気ヒータ２の容量は、蓄熱槽を持たない装置では５ｋＷであるが、本発明の実施例１の蓄熱槽及び従来技術による蓄熱槽では共に１ｋＷになる。蓄熱エネルギー量は、本発明の実施例１の蓄熱槽では２ｋＷ時であり、従来技術の蓄熱槽では１０ｋＷ時になる。このときの蓄熱材は、本発明の実施例１の蓄熱槽では約１０ｋｇのアルミニウムブロック１であり、従来の蓄熱槽では約１００ｋｇのマグネシア＋硝酸塩の混合材になる。電気ヒータ２の伝熱面積および流路３の伝熱面積は、本発明の実施例１の蓄熱槽では約０．０１平方メートル、従来の高温蓄熱装置の蓄熱槽では約０．１平方メートルになる。なお、このときの蓄熱温度は、４５０℃である。
【００３１】
本発明の実施例１によれば、調理用の熱エネルギー源として高温蓄熱装置の蓄熱槽を利用するとき、蓄熱材に蓄える熱エネルギー量が深夜時間帯のみ蓄熱するときの約１０分の１に減少することに合わせて、電気ヒータ２の伝熱面積及び流路３の伝熱面積を従来技術の蓄熱槽の約１０分の１に減少することが可能になる。なお、このときの熱伝達において、本発明の実施例１の蓄熱槽の電気ヒータ２の伝熱面積及び流路３の伝熱面積は、従来技術の蓄熱槽より余裕がある。
【００３２】
また、本発明の実施例１によれば、金属ブロック１の加熱による熱膨張及び流路４への水Ｗの供給による冷却によって熱応力が発生するが、スリット６、スリット７及びスリット８の設置によって、熱応力が緩和するので、金属ブロック１に亀裂を生じることがなくなる効果が得られる。
【００３３】
しかし、本発明の実施例１において、電気ヒータ２による加熱・蓄熱と流路３への水等の供給による出熱が同時に行なわれると、電気ヒータ２近傍の熱膨張と流路３近傍の熱収縮によって金属ブロック１に熱応力が生じる。
【００３４】
この加熱・蓄熱と出熱が同時に行なわれるときに生じる金属ブロック１における熱応力の問題は、図２の本発明の実施例２が示すように、前記した金属ブロック１の電気ヒータ２の軸に沿ったスリット６及び流路３の軸に沿ったスリット７に対して交差するスリット９を追加することにより解決する。このスリット６及び７とスリット９の交差は、直角であることが好ましい。
【００３５】
スリット９の切り込みは、電気ヒータ２の近傍及び流路３の近傍まで深くすることが好ましい。スリット９の幅は１ミリメートル程度で十分である。スリット９を作る間隔は、１００ミリメートル程度とする。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明になる高温蓄熱装置の蓄熱槽は、変動する熱需要量に対応でき、小型であることが要求される調理用、滅菌消毒用、乾燥用、実験用等に熱を供給する蒸気発生機器の一つとして利用される。
【符号の説明】
【００３７】
１：金属ブロック、２：電気ヒータ、３：流路、４：温度センサ、６：スリット、７：スリット、８：スリット、９：スリット、Ｗ：水、Ｓ：蒸気又は熱水
【図１】
2015049019.tif 000004
【図２】
2015049019.tif 000005
【図３】
2015049019.tif 000006
【図４】
2015049019.tif 000007