(57)【要約】【課題】熱交換媒体を蓄熱材に供給する場合の圧力上昇を低減することにより安定した運転を保障することができる蓄熱装置を提供することである。【解決手段】蓄熱装置１００においては、油２をエリスリトール３に供給する供給管４を備え、供給管４は、直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の１または複数の放出孔４ｈを備える。また、直径２ｍｍ以上５ｍｍ以下で形成されることがより好ましく、１個の放出孔４ｈ当り通過流速が０．５ｍ／ｓｅｃ以上となるように設けられることが望ましい。それにより、油２を供給する場合の圧力上昇を防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱を利用して蓄熱を行なう蓄熱材を収容した蓄熱装置において、
前記蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を前記蓄熱装置の外部から前記蓄熱材内へ供給する供給手段を含み、
前記供給手段は、
前記熱交換媒体を前記蓄熱材に供給させる１または複数の開口部を有し、当該開口部は、直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記開口部は、直径２ｍｍ以上５ｍｍ以下の１または複数の開口部を有することを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記供給手段は、
１の前記開口部において前記熱交換媒体の通過流速が１秒あたり０．５ｍ以上となるように設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱の輸送に供される蓄熱装置の構造、特に蓄熱材に熱を供給する供給装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場、例えば、製鉄所、ゴミ処理場等において発生する熱は工場付近の様々な施設に利用されている。また、工場で発生した熱を一時的に蓄熱体等に蓄え、当該蓄熱体を輸送することで、工場から離れた場所においても熱を利用することができる。これらの技術に対して種々の研究がなされている。
【０００３】
特許文献１には、蓄熱体の融解潜熱を利用する蓄熱装置に関する技術が開示されている。特許文献１の蓄熱装置に含まれる貯蔵容器（蓄熱容器）には、エリスリトール等の蓄熱体と、蓄熱体よりも比重が小さい油（熱交換媒体）とが収容されている。蓄熱した状態にある蓄熱体は融解状態にあるため、蓄熱体より比重の小さな油とは混合することなく、上下に分離して収容される。貯蔵容器（蓄熱容器）には、油を外部から供給し、また、外部へと排出するための供給管および排出管が貫設されており、当該供給管および排出管に接続される熱交換器側パイプは、熱交換器へ熱的に接続されている。また、供給管および排出管に接続される熱交換器側パイプは、熱交換器の内部で連通している。
【０００４】
そして、貯蔵容器（蓄熱容器）へ蓄熱する場合には、油は、供給管、排出管および熱交換器側パイプを通り、工場側の熱交換器内部で熱供給され、その熱供給された状態で、供給管を通って蓄熱体の下方に送り込まれる。送り込まれた油は比重が小さいため、蓄熱体の上方まで上昇する。この上昇の間に、蓄熱体と油との直接接触により熱交換が行なわれ、油の熱が蓄熱体へ供給される。以上の動作を繰り返すことで、蓄熱体への蓄熱が行なわれるようになっている。
【０００５】
一方、蓄熱体に蓄熱された熱を回収して利用する場合には、熱供給されていない油を、蓄熱体の下方へ送り込む。そして、送り込まれた油が蓄熱体内を上昇する間に、蓄熱体と油との直接接触により熱交換が行なわれ、蓄熱体に蓄熱された熱が、上昇する油へ供給される。そして、別途設けられた熱交換器において、上記のようにして熱供給された油の熱を回収することができる。以上の動作を繰り返すことで、蓄熱体に蓄熱された熱を回収して利用することができる。
【０００６】
そして、上記の貯蔵容器（蓄熱容器）は、トラック等により輸送可能となっているため、熱を発生する工場等と、その熱を利用する温水プール等の施設とが互いに離れている場合であっても、蓄熱された状態の蓄熱体が収容されている貯蔵容器を輸送することにより、熱輸送を行なうことができる。また、貯蔵容器内に蓄えられた熱を利用することにより、熱を利用する温水プール等の施設において、地球温暖化ガスであるＣＯ2の排出量を削減することができる。
【特許文献１】特開２００５−１８８９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の熱貯蔵ユニットにおいては、エリスリトール等の蓄熱体と蓄熱体よりも比重が小さい油等の熱交換媒体とが直接接触をすることにより熱交換が行なわれるが、蓄熱した状態にある蓄熱体は融解状態にあり、蓄熱していない状態にある蓄熱体は固体状態にある。そのため、蓄熱状態から熱回収を行う運転において低温の熱媒体を急激に蓄熱体に供給した場合、蓄熱体が凝固し、その過程で熱交換媒体の供給装置の開口部（供給口）を蓄熱体が閉塞するという状況が発生し、熱交換媒体を供給するための高い圧力が必要となっていた。また、この状況が発展すると、装置の運転が出来なくなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、熱交換媒体を蓄熱材に供給する場合の圧力上昇を低減することにより安定した運転を保障することができる蓄熱装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）
本発明に係る蓄熱装置は、潜熱を利用して蓄熱を行なう蓄熱材を収容した蓄熱装置において、蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を蓄熱装置の外部から蓄熱材内へ供給する供給手段を含み、供給手段は、熱交換媒体を蓄熱材に供給させる１または複数の開口部を有し、当該開口部は、直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下で形成される。
【００１０】
本発明に係る蓄熱装置においては、熱交換媒体を蓄熱材に供給する供給手段を備え、供給手段は、直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の１または複数の開口部を備えている。
【００１１】
この場合、蓄熱装置における供給手段は、１または複数の開口部を備えているため、蓄熱材の全体に効率よく熱交換媒体を供給することができ、蓄熱材の全体に熱を供給することができる。また、開口部が直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるため、熱交換媒体を供給する際の蓄熱材凝固による開口部閉塞状況を回避することができ、熱交換媒体の圧力上昇を防止することができる。その結果、容易に蓄熱材内部に熱交換媒体を供給することができる。
【００１２】
（２）
開口部は、直径２ｍｍ以上５ｍｍ以下の１または複数の開口部を有してもよい。
【００１３】
この場合、供給手段は、１または複数の開口部を有しているため、蓄熱材に効率よく熱交換媒体を供給することができ、蓄熱材に熱を供給することができる。また、開口部が直径２ｍｍ以上５ｍｍ以下であるため、、熱交換媒体を供給する際の蓄熱材凝固による開口部閉塞状況を回避することができ、熱交換媒体の圧力上昇を確実に防止することができる。その結果、容易に蓄熱材内部に熱交換媒体を供給することができる。
【００１４】
（３）
供給手段は、１の開口部において熱交換媒体の通過流速が１秒あたり０．５ｍ以上となるように設けられていることが好ましい。
【００１５】
この場合、供給手段は、１の開口部において熱交換媒体の通過流速が１秒あたり０．５ｍ以上となるように設けられているので、蓄熱材に効率よく熱交換媒体を供給することができ、容易に蓄熱材に熱を供給することができる。なお、１秒当りの通過流速の上限は、蓄熱材を熱交換媒体が同伴しない範囲の値であることが望ましい。例えば、２ｍ以下である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
（一実施の形態）
図１は、一実施の形態に係る蓄熱装置１００を含む熱輸送システムの全体構成を示す概略図である。図１（ａ）は蓄熱装置１００の蓄熱状態を示し、図１（ｂ）は蓄熱装置１００の運搬状態を示し、図１（ｃ）は蓄熱装置１００の排熱状態を示す。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、蓄熱装置１００の蓄熱状態においては、工場８０および熱交換器５ａが配管８０ａ，８０ｂで接続され、熱交換器５ａおよび蓄熱装置１００が配管５１ａ，５２ａおよび接続装置５１，５２により接続される。図１（ａ）に示すように、蓄熱装置１００は、トラック等の輸送機構５０の荷台５０ｂに搭載される。また荷台５０ｂは、固定装置５０ｃにより固定される。図１（ａ）における工場８０は、製鉄所である。なお、本実施の形態においては、工場８０が製鉄所であることとしたが、これに限定されず、ごみ焼却場または発電所、その他任意の熱を発生させる設備等であってもよい。
【００１９】
工場８０から排出された高温の蒸気または空気等の熱交換媒体が、配管８０ａ内を通って熱交換器５ａに与えられる。熱交換器５ａは、内部の熱受取部（図示せず）において配管８０ａから熱を受け取る。熱を排出した熱交換媒体は、配管８０ｂ内を通って工場８０に戻される。
【００２０】
熱交換器５ａにおいて熱受取部の熱が、熱交換器５ａの熱供給部（図示せず）に与えられる。熱供給部は、配管５１ａ，５２ａの間に設けられており、配管５２ａ内を通って熱交換器５ａに入った熱交換媒体（油）に熱を与える。このように、熱交換器５ａは、工場８０の熱を、熱交換器５ａ内を流通する熱交換媒体へ伝導するためのものである。熱を受け取った熱交換媒体は、配管５１ａ内を通過し、接続装置５１ａを介して蓄熱装置１００に熱を運ぶ。
【００２１】
蓄熱装置１００の内部で熱交換媒体から熱の受け渡しが行なわれ、熱を排出した熱交換媒体が接続装置５２および配管５２ａ内を通って熱交換器５ａに戻される。このように、繰り返し工場８０から熱交換器５ａを介して蓄熱装置１００に熱の運搬が行なわれる。なお、蓄熱装置１００の内部における熱の受け渡しの詳細については後述する。
【００２２】
また、図１（ａ）の接続装置５１に対して蓄熱装置１００の接続装置４１が設けられており、接続装置５１は、接続装置４１と脱着可能に設けられる。同様に、接続装置５２に対して蓄熱装置１００の接続装置６１が設けられており、接続装置６１は、接続装置５２と脱着可能に設けられる。
【００２３】
次に、図１（ｂ）に示すように、十分に熱を蓄積した蓄熱装置１００は、接続装置５１，５２と、接続装置４１，６１とが切り離される。そして、固定装置５０ｃを取り外して、トラック等の輸送機構５０により距離が離れた施設８５まで運搬される。
【００２４】
次いで、図１（ｃ）に示すように、トラック等の輸送機構５０により施設８５まで運搬された蓄熱装置１００は、荷台５０ｂに搭載された状態で、固定装置５０ｃに固定される。図１（ｃ）においては、施設８５および熱交換器５ｂが配管８５ａ，８５ｂで接続され、熱交換器５ｂおよび蓄熱装置１００が配管５１ｂ，５２ｂおよび接続装置５３，５４により接続される。図１（ｃ）における施設８５は、病院である。なお、本実施の形態においては、施設８５を病院であることとしたが、これに限定されず、温水プールまたは建築構造物の温度調整装置、他の任意の熱を利用する施設または設備であってもよい。
【００２５】
また、蓄熱装置１００の接続装置４１が接続装置５３と接続され、接続装置６１が接続装置５４と接続される。蓄熱装置１００に蓄熱された熱交換媒体が、接続装置５４および配管５２ｂ内を通って熱交換器５ｂの熱受取部（図示せず）に与えられる。熱交換器５ｂは、熱受取部において熱交換媒体からの熱を受け取る。熱を排出した熱交換媒体は、配管５１ｂ内および接続装置５３を通って蓄熱装置１００に戻される。
【００２６】
熱交換器５ｂにおいて熱受取部の熱が、熱交換器５ｂの熱供給部（図示せず）に与えられる。熱供給部は、配管８５ａ，８５ｂの間に設けられており、配管８５ａ内を通って熱交換器５ｂに入った熱交換媒体（油）に熱を与える。このように、熱交換器５ｂは、蓄熱装置１００の熱を、熱交換器５ｂ内を流通する熱交換媒体へ伝導するためのものである。熱を受け取った熱交換媒体は、配管８５ｂ内を通過し、施設８５に熱を運ぶ。
【００２７】
次に、本実施の形態における蓄熱装置１００について説明する。図２は、蓄熱装置１００の一例を示す模式的断面図である。図２（ａ）は蓄熱装置１００の横断面を示し、図２（ｂ）は蓄熱装置１００の縦断面を示す。
【００２８】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、蓄熱装置１００は、蓄熱容器１ａ、供給管４、排出管６、接続装置４１および接続装置６１を含む。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、蓄熱容器１ａの内部には、熱交換媒体２と熱交換媒体３とが収容されている。本実施の形態においては、熱交換媒体２が油であり、熱交換媒体３がエリスリトールである。以下、それぞれ、加熱されていない油２およびエリスリトール３と表記し、熱を受け取った油２を油２ａと表記し、熱を受け取ったエリスリトール３をエリスリトール３ａと表記する。
【００３０】
蓄熱容器１ａ内において、油２とエリスリトール３とは互いに混合せず、分離して収容されている。蓄熱容器１ａ内において、油２がエリスリトール３よりも比重が小さいため、上層に油２が収容され、下層にエリスリトール３が収容される。また、油２とエリスリトール３とが互いに混合しないため、油２とエリスリトール３との間には個々を分離するための部材等は介在しておらず、油２とエリスリトール３とは直接接触している。
【００３１】
ここで、エリスリトール３の融点は約１２１度であり、平時には（室温状態では）固体となっている。そして、熱が伝導されることにより、固体から液体に状態変化し、液体状態のときに蓄熱することが可能な物質である。すなわち、エリスリトール３は、潜熱を利用して蓄熱するものである。一方、エリスリトール３は、液体から固体へ状態変化するときに放熱する物質である。それにより、熱を取り出すことができる。ここで、エリスリトールは、融解熱が８１ｋｃａｌ／ｋｇと高いことから、その蓄熱量が大きいために蓄熱体として望ましい。なお、本実施の形態においては、エリスリトール３を用いているが、これに限定されず、蓄熱体としては、その他酢酸ナトリウム（融解熱：５８ｋｃａｌ／ｋｇ）、糖アルコール類等の任意の物質、特に融解熱（潜熱）が大きいものを用いることができる。
【００３２】
供給管４の一端には、接続装置４１が設けられている。供給管４の他端は、蓄熱容器１ａの上層部分の外側面から内部へ貫通して設けられる。供給管４は、鉛直下方へ延在し、油２とエリスリトール３との間の境界面（界面）を横切って蓄熱容器１ａの底部近傍まで延び、Ｌ字型に屈曲した後、水平方向に延在するように形成される。また、供給管４は、１または複数の分岐部を有し、図２（ｂ）に示すように最終的に複数本（図２（ｂ）においては、４本）の供給管４を形成する。また、供給管４は内部空間を有しており、当該内部空間を油２ａが流通できるように設けられる。また図２（ｂ）に示すように、供給管４の他端側には、放出孔４ｈが複数設けられている。この放出孔４ｈの詳細については、後述する。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、蓄熱装置１００は、１個の接続装置４１からなることとしたが、これに限定されず、複数個の接続装置４１からなることとしてもよい。したがって、供給管４も接続装置４１の個数に応じて複数本からなってもよい。さらに、供給管４は、パイプ形状からなるものとしたが、これに限定されず、内部空間を有する直方体状（ボックス状）で、表面に複数の放出孔４ｈが設けられてもよい。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、排出管６の一端には、接続装置６１が設けられている。排出管６の他端は、蓄熱装置１ａの上層部分の外側面から内部へ貫通して設けられる。排出管６も供給管４と同様に、１または複数の分岐部を有し、最終的に複数本の排出管６を形成する。また、排出管６は内部空間を有しており、油２が当該内部空間を流通できるように設けられる。
【００３５】
また、図２（ａ）に示すように、排出管６は、供給管４の接続口４１よりも鉛直下方向に配設されている。すなわち、間違えた手順で供給管４及び排出管６を熱交換器５ａから取り外した場合、外部と熱貯蔵容器１ａ内部との圧力の相違により、油２またはエリスリトール３が逆流する場合がある。このため、排出管６を供給管４よりも鉛直下方向に配設することで、逆流防止を図ることができる。
【００３６】
続いて、蓄熱装置１００における蓄熱工程について説明する。蓄熱容器１ａには、予め熱交換媒体である油２および固体のエリスリトール３が収容された状態となっている。そして、工場８０から配管８０ａ，８０ｂを介して熱交換器５ａに与えられ、熱交換器５ａにおいて配管５１，５２を流通する油２に熱が伝導される。
【００３７】
熱供給された油２ａが、配管５１ａおよび接続装置５１，４１を通って供給管４内に与えられ、供給管４内に設けられた放出孔４ｈから吐出される。ここで、放出孔４ｈは、蓄熱容器１ａの下層部分（鉛直下方向）の固体のエリスリトール３が収容された部分に設けられているため、放出孔４ｈから吐出された油２ａが、エリスリトール３と直接接触する。油２ａは、エリスリトール３よりも比重が小さいため、蓄熱容器１ａの上層部分へと上昇する。油２は、エリスリトール３に熱を供給する。それにより、固体のエリスリトール３が液体のエリストリール３ａに状態変化し、潜熱蓄熱が蓄えられる。
【００３８】
エリスリトール３ａに熱を供給した油２は、排出管６から排出される。油２は、排出管６、接続装置６１，５２および配管５２ａを介して、熱交換器５ａに戻される。蓄熱工程においては、上記の動作が繰り返し行われる。
【００３９】
なお、この蓄熱工程においては、蓄熱装置１００にさらに温度検出装置を設けてもよい。それにより、エリスリトール３への蓄熱が完了したかどうかを判定することができる。具体的には、エリスリトール３の平均温度を温度検出装置によりモニタリングしておき、所定の値以上となった場合に蓄熱完了と判定することができる。
【００４０】
続いて、蓄熱装置１００における排熱工程について説明する。蓄熱装置１００に蓄熱されているエリスリトール３の熱に対して、配管５１ｂ、接続装置５３，４１を通って、供給管４から油２が供給される。供給された油２は、上昇しながら直接接触によりエリスリトール３から熱が伝導される。それにより、液体のエリスリトール３が固体のエリスリトールに状態変化し、潜熱蓄熱が油２に排出される。エリスリトール３から熱を供給された油２ａは、排出管６から接続装置６１，５４を介して配管５２ｂを通って熱交換器５ｂに熱を与える。一方で、熱交換器５ｂには気体または水などの液体が取込まれる。そして、熱交換器５ｂにおいて熱伝導された気体または液体は、配管８５ｂを通り施設８５内の温調設備に供給される。排熱工程においては、上記の動作が繰り返し行われる。
【００４１】
続いて、複数の放出孔４ｈについて説明する。図３は、放出孔４ｈのパラメータを変化させた場合の熱回収率を示す結果図である。図３の左縦軸は熱交換媒体を供給する最高圧力（ＭＰａ）を示し、右縦軸は熱回収率（％）を示し、横軸は放出孔４ｈの直径（φｍｍ）を示す。
【００４２】
図３に示すように、放出孔４ｈの直径（φｍｍ）をφ１ｍｍ、φ２ｍｍ、φ３ｍｍと変化させた場合、放出孔４ｈがφ１ｍｍの場合、熱交換媒体を供給する最高圧力が０．３２ＭＰａであり、熱回収率は９７％である。
【００４３】
また、放出孔４ｈがφ２ｍｍの場合、熱交換媒体を供給する最高圧力が０．１１ＭＰａであり、熱回収率は９８％であり、放出孔４ｈがφ３ｍｍの場合、熱交換媒体を供給する最高圧力が０．０５ＭＰａであり、熱回収率が９６％である。
【００４４】
このように、放出孔４ｈがφ１ｍｍ，φ２ｍｍ，φ３ｍｍの場合について考慮すると、φ１．５ｍｍ以上の径を有する放出孔４ｈを形成することで、熱交換媒体の供給最高圧力を０．３ＭＰａ以下にすることができる。
【００４５】
また、放出孔４ｈがφ２ｍｍの場合、放出孔４ｈを徐々に大きくすることで、熱回収率が低下すると考えられる。
【００４６】
さらに、放出孔４ｈがφ１０ｍｍ以下とする上限について、熱媒供給ノズルの径が小さい時には、熱媒の浮力、または表面張力、熱媒が保持する圧力が、蓄熱材層の重さによるノズルにかかる圧力に打ち勝つために、ノズル内への蓄熱材の進入を防ぐことができる。一方、ノズル径が拡大するに従い、熱媒の浮力、または表面張力、熱媒が保持する圧力が弱まり、蓄熱材層の重さによる圧力に耐えられなくなり、ノズルの中に蓄熱材が浸入する。したがって、凝固の際に閉塞トラブルが生じる可能性が強まる。よって、ノズル径の上限は１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ程度が適当である。
【００４７】
以上のことから、放出孔４ｈは、φ１．５ｍｍ以上φ１０ｍｍ以下であることが好ましく、φ２ｍｍ以上φ５ｍｍ以下であることがより好ましい。また、熱交換媒体である油２ａを放出孔４ｈから吐出させる場合に、１個の放出孔４ｈから噴出させる油２ａの通過流速を０．５ｍ／ｓｅｃ以上にすることが好ましい。
【００４８】
以上のように、本実施の形態に係る蓄熱装置１００においては、供給管４が、１または複数の放出孔４ｈを備えているため、エリスリトール３に効率よく油２ａを供給することができ、エリスリトール３に熱を供給することができる。また、放出孔４ｈが直径１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、より好ましくは、直径２ｍｍ以上５ｍｍ以下で形成され、１個の放出孔４ｈ当り通過流速が０．５ｍ／ｓｅｃ以上となるように設けられることが望ましい。それにより、油２ａを供給する際の油２ａの圧力上昇を防止することができる。その結果、容易にエリスリトール３内部に油２ａを供給することができる。さらに、熱回収率を高く維持することができる。
【００４９】
上記一実施の形態においては、エリスリトール３が蓄熱材に相当し、蓄熱装置１００が蓄熱装置に相当し、油２が熱交換媒体に相当し、供給管４が供給手段に相当し、放出孔４ｈが１または複数の開口部に相当する。
【００５０】
本発明は、上記の好ましい一実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】一実施の形態に係る蓄熱装置を含む熱輸送システムの全体構成を示す概略図
【図２】蓄熱装置の一例を示す模式的断面図
【図３】放出孔のパラメータを変化させた場合の熱回収率を示す結果図
【符号の説明】
【００５２】
２  油
３  エリスリトール
４  供給管
４ｈ  放出孔
１００  蓄熱装置
【図１】
2008249192.tif 000003
【図２】
2008249192.tif 000004
【図３】
2008249192.tif 000005