(57)【要約】【課題】電熱ヒータの加熱による蓄熱材への効率の良い蓄熱、および蓄熱材に蓄えられた熱の伝熱管内の熱媒体への効率の良い伝達を実現させることができる蓄熱装置の提供。【解決手段】２種類の直径の異なるコイル状の第１、第２伝熱管３、４を含み、Ｕ字形であって、湾曲部の半径の異なる２種類の第１、第２電熱ヒータ８、９を含むとともに、これらの第１、第２電熱ヒータ８、９は所定の角度間隔で放射状に配列され、湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８は内側に位置する第２伝熱管４及び外側に位置する第１伝熱管３を挟むように配列され、湾曲部半径の小さい第２電熱ヒータ９は外側に位置する第１伝熱管３を挟み、しかも隣り合う湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８の間の位置に配列されるように構成してある。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱材が充填された蓄熱容器内に複数の伝熱管および複数の電熱ヒータを配置し、前記伝熱管のそれぞれに熱媒体を流すことにより、この熱媒体を加熱して高温の熱媒体および蒸気を生成し、これらを熱負荷に供給する蓄熱装置において、
前記伝熱管が少なくとも２種類の直径の異なるコイル状のものを含み、
前記電熱ヒータがＵ字形であって、湾曲部の半径の異なる２種類のものを含むととともに、
これらの各電熱ヒータは所定の角度間隔で放射状に配列され、
前記湾曲部半径の大きい電熱ヒータは内側および外側に位置する伝熱管を挟むように配列され、
前記湾曲部半径の小さい電熱ヒータは外側に位置する伝熱管を挟み、しかも隣り合う前記湾曲部半径の大きい電熱ヒータの間の位置に配列されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の発明において、
前記内側に位置する伝熱管の端部と前記外側に位置する伝熱管の端部とは、互いに連絡されており、被加熱熱媒体の入口は、内側に位置する伝熱管に形成され、被加熱熱媒体の出口は、外側に位置する伝熱管に形成されることを特徴とする蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深夜電力などの余剰電力が活用される蓄熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、昼間と深夜の電力負荷の違いを平準化するために深夜電力を動力源として利用する蓄熱装置として、蓄熱材が充填された蓄熱層内に伝熱管および電熱ヒータを配置し、深夜、電熱ヒータに電力を投入して蓄熱材に蓄熱しておき、昼の出熱運転時に、前述の蓄熱装置の伝熱管内に熱媒体を流すことにより熱媒体を加熱して高温の熱媒体および蒸気を生成し、これらを熱負荷に供給するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、伝熱管をコイル状にしたものや直径の異なる２種類のコイル状の伝熱管を同芯状に配置したものが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２９２０８４公報
【特許文献２】特開２００２−３２３２９３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の従来技術においては、伝熱管と電熱ヒータとの相関位置関係に関しては考慮されておらず、電熱ヒータの加熱による蓄熱材への蓄熱、蓄熱材からの熱による伝熱管の熱媒体への加熱が効率良く行われない虞がある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術における実状からなされたもので、その目的は、電熱ヒータの加熱による蓄熱材への効率の良い蓄熱、および蓄熱材に蓄えられた熱の伝熱管内の熱媒体への効率の良い伝達を実現させることができる蓄熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するために、蓄熱材が充填された蓄熱容器内に複数の伝熱管および複数の電熱ヒータを配置し、前記伝熱管のそれぞれに熱媒体を流すことにより、この熱媒体を加熱して高温の熱媒体および蒸気を生成し、これらを熱負荷に供給する蓄熱装置において、前記伝熱管が少なくとも２種類の直径の異なるコイル状のものを含み、前記電熱ヒータがＵ字形であって、湾曲部の半径の異なる２種類のものを含むととともに、これらの各電熱ヒータは所定の角度間隔で放射状に配列され、前記湾曲部半径の大きい電熱ヒータは内側および外側に位置する伝熱管を挟むように配列され、前記湾曲部半径の小さい電熱ヒータは外側に位置する伝熱管を挟み、しかも隣り合う前記湾曲部半径の大きい電熱ヒータの間の位置に配列されていることを特徴としている。
【０００７】
このように構成した本発明は、上述のように、これらの各電熱ヒータは所定の角度間隔で放射状に配列され、湾曲部半径の大きい電熱ヒータは内側および外側に位置する伝熱管を挟むように配列され、湾曲部半径の小さい電熱ヒータは外側に位置する伝熱管を挟み、しかも隣り合う前記湾曲部半径の大きい電熱ヒータの間の位置に配列されていることから、蓄熱に有効な空間、すなわち蓄熱容器内の蓄熱材の充填された領域に電熱ヒータ、伝熱管をほぼ均一に分布させることができ、電熱ヒータから蓄熱材への蓄熱、蓄熱材から伝熱管内の熱媒体への熱伝達を効率良く行うことができる。また、Ｕ字形の電熱ヒータは規則的な配列であるから、位置決めも簡単で、組み立てが容易である。
【０００８】
また、本発明は前記発明において、前記内側に位置する伝熱管の端部と前記外側に位置する伝熱管の端部とは、互いに連絡されており、被加熱熱媒体の入口は、内側に位置する伝熱管に形成され、被加熱熱媒体の出口は、外側に位置する伝熱管に形成されることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、伝熱管が少なくとも２種類の直径の異なるコイル状のものを含み、電熱ヒータがＵ字形であって、湾曲部の半径の異なる２種類のものを含むととともに、これらの各電熱ヒータは所定の角度間隔で放射状に配列され、湾曲部半径の大きい電熱ヒータは内側および外側に位置する伝熱管を挟むように配列され、湾曲部半径の小さい電熱ヒータは外側に位置する伝熱管を挟み、しかも隣り合う湾曲部半径の大きい電熱ヒータの間の位置に配列されるように構成にしてあるので、電熱ヒータの加熱による蓄熱材への効率の良い蓄熱、および蓄熱材に蓄えられた熱の伝熱管内の熱媒体への効率の良い伝達を実現させることができ、従来よりも高い信頼性を確保することができる。また、Ｕ字形の電熱ヒータは規則的な配列であるから、位置決めも簡単で、組み立てが容易にでき、したがって、高効率、高精度な蓄熱装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る蓄熱装置を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。
【００１１】
［本実施形態の構成］
図１は、本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を示す縦断面図、図２は、本実施形態の平面図、図３は、図１のＢ−Ｂ矢視に相応する断面図、図４は、図３の要部拡大図である。図５は、本実施形態に備えられる伝熱管を示す平面図、図６は、図５に示す伝熱管の正面図、図７は、本実施形態に備えられる結束用針金の装着部の要部拡大図、図８は、図６に示す結束用針金の装着部の要部拡大図、図９は、本実施形態に備えられる上方間隔保持板の取り付け部の要部拡大縦断面図である。図１０は、本実施形態に備えられる電熱ヒータの正面図である。
【００１２】
本実施形態は、図１および図２に示すように、底付きで水平断面の輪郭が正方形であり、円形の筒状をした蓄熱容器１と、この蓄熱容器１を塞ぐ蓋（図示省略）を備えている。また、伝熱管が少なくとも２種類の直径の異なるコイル状のものを含んでいる。例えば、蓄熱容器１内に設置し、直径が蓄熱容器１の対向辺の距離より若干小さく、高さが蓄熱容器１の高さより少し低いコイル状に巻いた外側に位置する伝熱管、すなわち第１伝熱管３と、直径が第１伝熱管３より小さく、例えば、０．６倍前後で高さが同程度であり、コイル状に巻かれ、図３に示すように、その入口部４Ａが第１伝熱管３の出口部３Ｂに接続された内側に位置する伝熱管である第２伝熱管４とを備えている。すなわち、内側に位置する第２伝熱管４の端部と外側に位置する第１伝熱管３の端部とは、互いに連絡されており、被加熱熱媒体の入口部４Ａは、内側に位置する第２伝熱管４に形成され、被加熱熱媒体の出口部３Ｂは、外側に位置する第１伝熱管３に形成されている。
【００１３】
さらに、第１伝熱管３のピッチに対応した間隔で、図７に示す凹部５Ａを一方に形成し、長手方向に所定間隔で孔５Ｂを有し、第１伝熱管３の外側に凹部５Ａが当接されるプレート状の第１管ガイド５と、第２伝熱管４のピッチに対応した間隔で凹部６Ａを一方に形成し、長手方向に所定間隔で孔６Ｂを有し、第２伝熱管４の内側に凹部６Ａが当接されるプレート状の第２管ガイド６と、図７、８に示すように、第１ガイド５の孔５Ｂと第２ガイド６の孔６Ｂの間に装着される結束用針金７を備えている。
【００１４】
また、図１０に示すようにＵ字型をしており、両端の間隔が第１伝熱管３と第２伝熱管４よりも大きい、すなわち図４に示す湾曲部８Ｃの半径が大きい第１電熱ヒータ８と、この第１電熱ヒータ８と同じＵ字型をしており、湾曲部９Ｃの半径が第１電熱ヒータ８の湾曲部８Ｃの半径より小さい第２電熱ヒータ９を備えている。なお、図４に示すように後述する外ヒータサポート板１１Ａの収容孔１１Ｈに挿入される第１電熱ヒータ８の直線部８Ａと、後述する内ヒータサポート板１１Ｃの収容孔１１Ｈに挿入される第１電熱ヒータ８の直線部８Ｂの間隔は、第１伝熱管３と第２伝熱管４との距離よりも大きく設定され、第２電熱ヒータ９の直線部９Ａと直線部９Ｂの間隔は、第１伝熱管３と第２伝熱管４の距離と同程度に設定してある。さらに、図１、２に示すように複数の第１、第２電熱ヒータ８、９の相対角度を一定に保持するための収容孔１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃと、図６に示すように第１伝熱管３の入口部３Ａと第２伝熱管４の出口部４Ｂを挿入する伝熱管収容孔１０Ｄと、中心部に形成される円形開口１０Ｅと、角部に形成される三角形開口１０Ｆとが設けられ、正方形の図９に示す上方間隔保持板１０を備えている。
【００１５】
また、図４に示す等角度間隔に形成された第１、第２電熱ヒータ８、９の収容孔１１Ｈを有し、図３に示すように最外方に位置し、４分割されている外ヒータサポート板１１Ａと、中間に位置する中ヒータサポート板１１Ｂと、最内方に位置する内ヒータサポート１１Ｃの３種類のリング状をした直径の異なるヒータサポート板１１を備えている。さらに、蓄熱容器１および蓋（図示省略）の外周面に貼り付けられた断熱材（図示省略）と、蓄熱容器１内に充填された蓄熱材１２を備えている。
【００１６】
本実施形態では、充填されている蓄熱材１２がマグネシアやアルミナ等の粒子から成っている。
【００１７】
また、上述の第１電熱ヒータ８と第２電熱ヒータ９の配列は、上述した上方間隔保持板１０と３種類の外ヒータサポート板１１Ａ、中ヒータサポート板１１Ｂ、内ヒータサポート１１Ｃによって決定される。そして、第１電熱ヒータ８の直線部８Ａを外ヒータサポート板１１Ａの収容孔１１Ｈに挿入し、直線部８Ｂを中ヒータサポート板１１Ｂの収容孔１１Ｈに挿入する。これによって、第１電熱ヒータ８の直線部８Ａが第１伝熱管３の外側に位置し、直線部８Ｂが第２伝熱管４の内側に位置し、また、第２電熱ヒータ９の直線部９Ａが第１伝熱管３の外側に位置し、直線部９Ｂが第１伝熱管３と第２伝熱管４との間、すなわち第１伝熱管３の内側で第２伝熱管４の外側に位置する。これによって、第１電熱ヒータ８と第２電熱ヒータ９とが交互に所定の角度間隔で放射状に放射状に配置される。また、湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８は内側および外側に位置する第１伝熱管３及び第２伝熱管４を挟むように配列され、湾曲部半径の小さい第２電熱ヒータ９は外側に位置する第１伝熱管３を挟み、しかも隣り合う前述の湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８の間の位置に配列される。
【００１８】
［本実施形態の蓄熱槽の組み立て動作］
図１１は、本実施形態の蓄熱装置の組み立て途中の状態を示す図で、特に伝熱管ブロックを組み立てた後、この伝熱管ブロックに含まれる伝熱管の出入口部を上方間隔保持板の孔に挿入した状態を示す図、図１２は、本実施形態の蓄熱装置の組み立て途中の状態を示す図で、図１１の状態に組み立てた後、伝熱管ブロックに電熱ヒータを組み込む様子を示す図である。
【００１９】
本実施形態の蓄熱装置の組み立てにおいては、まず、図１１に示す四角筒をした治具１３に上方間隔保持板１０を上下反対向き、すなわち据付時と上下が反対の向きに配置し、支持台１４上に載置する。次に、図７に示すように、第１伝熱管３の中に第２伝熱管４を位置させ、第１伝熱管３の外側に第１管ガイド５の凹部５Ａを当接し、第２管ガイド４の内側に第２管ガイド６の凹部６Ａを当接した状態で、第１管ガイド５の孔５Ｂと第２管ガイド６の孔６Ｂに針金７を通して、結束する。なお、この第１管ガイド５と第２管ガイド６の結束は、図６に示すように第１、第２管ガイド５、６の長手方向に３ヶ所、これを円周方向の１２０度間隔に設けられた第１、第２管ガイド５、６の３ヶ所（図示省略）の合計９ヶ所について行われる。これによって、第１伝熱管３の中に第２伝熱管４を位置させ、第１、第２伝熱管３、４の相対位置関係および第１、第２伝熱管３、４それぞれの上下方向の間隔を維持した伝熱管ブロック２０が組み立てられる。なお、ヒータサポート板１１も第１、第２伝熱管３、４に結束しておく。
【００２０】
前述の伝熱管ブロック２０が組み立てられた後、図１１に示すように、この伝熱管ブロック２０を上下反対向きに吊り、少しずつ下降させながら第１伝熱管３の入口部３Ａと、第２伝熱管４の出口部４Ｂを前述の上方間隔保持板１０の孔１０Ｄに挿入する。  
この状態を保持したまま、図１２に示すように、上下反対向きにした第１伝熱ヒータ８の直線部８Ａを図４に示す外ヒータサポート板１１Ａの孔１１Ｈ、直線部８Ｂを内ヒータサポート板１１Ｃの孔１１Ｈにそれぞれ通す。その後、第１電熱ヒータ８の湾曲部８Ｃを上に位置し、第１、第２伝熱管３、４を第１電熱ヒータ８の直線部８Ａ、８Ｂで挟んだ状態で下降させる。そして、図１２に示す上方間隔保持板１０の孔１０Ａ、１０Ｃに挿入する。これらの作業を１２本の第１電熱ヒータ８について行う。次に、外ヒータサポート板１１Ａ、内ヒータサポート板１１Ｃと上述の各第１伝熱ヒータ８とを、針金等により結束する。さらに、上方間隔保持板１０の孔１０Ｃに挿入された第１電熱ヒータ８の直線部８Ｂと上方間隔保持板１０とを点付け溶接により結合する。
【００２１】
また、上述の第１電熱ヒータ８の場合と同様に、上下反対向きにした第２電熱ヒータ９の直線部９Ａを図４に示す外ヒータサポート板１１Ａの孔１１Ｈ、直線部９Ｂを中ヒータサポート板１１Ｂの孔１１Ｈにそれぞれ通す。その後、第２電熱ヒータ９の湾曲部９Ｃを上に位置し、第１、第２伝熱管３、４を第１電熱ヒータ９の直線部９Ａ、９Ｂで挟んだ状態で下降させる。そして、上方間隔保持板１０の孔１０Ａ、１０Ｃに挿入する。これらの作業を１２本の第２電熱ヒータ９について行う。次に、外ヒータサポート板１１Ａ、中ヒータサポート板１１Ｂと上述の各第２伝熱ヒータ９とを、針金等により結束する。さらに、上方間隔保持板１０の図２に示す孔１０Ｂに挿入された第２電熱ヒータ９の直線部９Ｂと上方間隔保持板１０とを点付け溶接により結合する。
【００２２】
この状態において、第１、２電熱ヒータ８、９の上下方向の捩れの有無を確認する。これによって、捩れがある場合には、これを修正した後に、各第１、第２電熱ヒータ８、９の直線部８Ａ、９Ａと上方間隔保持板１０とを溶接により結合する。さらに、第１、第２伝熱管３、４の最下部と各第１、第２電熱ヒータ８、９の湾曲部８Ｃ、９Ｃとの距離を所定寸法に維持するために、第１、第２伝熱管３、４の最下部と各第１、第２電熱ヒータ８、９の湾曲部８Ｃ、９Ｃとを針金で結束する。この状態において、上方間隔保持板１０と第１伝熱管３の入口部３Ａと第２伝熱管４の出口部４Ｂとを点付け溶接する。これらにより、伝熱管ブロック２０、第１、第２電熱ヒータ８、９、上方間隔保持板１０、ヒータサポート板１１、蓄熱容器１内に納める全部材が１つの伝熱管・ヒータブロックとなる。
【００２３】
この伝熱管・ヒータブロックの上下を入れ替え、据付時の向きにした状態で吊り上げ、蓄熱容器１内に下降させることによりこの伝熱管・ヒータブロックを収納する。この状態において、図２に示す上方間隔保持板１０の中心部の円形開口１０Ｅおよび各場所の三角開口１０Ｆから粒子状の蓄熱材１２を投入し、第１、第２伝熱管３、４及び各第１、第２電熱ヒータ８、９の周囲に充填する。これによって、本実施形態の組み立てが完了する。なお、断熱材の取り付け時期は、蓄熱材１２の充填の前後の何れでもよい。
【００２４】
［本実施形態の動作］
このように構成した本実施形態においては、深夜または電力余剰電力を第１、第２電熱ヒータ８、９に投入して蓄熱材１２に蓄熱する。この蓄熱した熱を利用する際には、第１伝熱管３内に熱媒体（液体）が供給され、この熱媒体が管内を流通する間に蓄熱材１２により加熱され、その後、第２伝熱管４から取り出され、吸収式冷温水機や給油器などの熱源として利用される。
【００２５】
［本実施形態の効果］
このように構成した本実施形態によれば、２種類の直径の異なるコイル状の第１、第２伝熱管３、４を含み、Ｕ字形であって、湾曲部の半径の異なる２種類の第１、第２電熱ヒータ８、９を含むとともに、これらの第１、第２電熱ヒータ８、９は所定の角度間隔で放射状に配列され、湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８は内側に位置する第２伝熱管４及び外側に位置する第１伝熱管３を挟むように配列され、湾曲部半径の小さい第２電熱ヒータ９は外側に位置する第１伝熱管３を挟み、しかも隣り合う湾曲部半径の大きい第１電熱ヒータ８の間の位置に配列されるように構成にしてあるので、第１、第２電熱ヒータ８、９の加熱による蓄熱材１２への効率の良い蓄熱、および蓄熱材１２に蓄えられた熱の第１、第２伝熱管３、４内の熱媒体への効率の良い伝達を実現させることができ、高い信頼性を確保することができる。また、Ｕ字形の第１、第２電熱ヒータ８、９は規則的な配列であるから、位置決めも簡単で、組み立てが容易にでき、したがって、高効率、高精度な蓄熱装置を実現できる。
【００２６】
蓄熱材１２が粒状にした高密度電融マグネシアのみからなる構成にしてあるので、内部に形成される空洞を少なくすることができ、また溶融塩の蒸発温度により制限されることがない。これらにより、より高い温度での蓄熱を可能とし、蓄熱材１２当りの蓄熱量を高くすることができ、所望の蓄熱効果を得る為の蓄熱装置を従来よりも小型にすることできる。また、溶融塩を設けないので、製造コストを安くすることができる。さらに、蓄熱材１２が高密度電融マグネシアのみから成るので、蓄熱容器１内に均一に分布させることができ、精度の良い蓄熱性能を確保できる。また、第１、第２伝熱管３、４と第１、第２電熱ヒータ８、９の配置、向きに対する制約を緩和させることができ、第１、第２伝熱管３、４と第１、第２電熱ヒータ８、９の蓄熱容器１内への組み込みが容易になる。したがって製作工数を低減でき、これによっても構造コストを安くすることができる。
【００２７】
また、より高温で蓄熱される結果、第１、第２伝熱管３、４内を通る熱媒体との温度差を大きく採れるので、蓄熱材１２から熱媒体への伝熱性能が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る蓄熱装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本実施形態の平面図ある。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視に相応する断面図である。
【図４】図３の要部拡大図である。
【図５】本実施形態に備えられる伝熱管を示す平面図である。
【図６】図５に示す伝熱管の正面図である。
【図７】本実施形態に備えられる結束用針金の装着部の要部拡大図である。
【図８】図６に示す結束用針金の装着部の要部拡大図である。
【図９】本実施形態に備えられる上方間隔保持板の取り付け部の要部拡大縦断面図である。
【図１０】本実施形態に備えられる電熱ヒータの正面図である。
【図１１】本実施形態の蓄熱装置の組み立て途中の状態を示す図で、特に伝熱管ブロックを組み立てた後、この伝熱管ブロックに含まれる伝熱管の出入口部を上方間隔保持板の孔に挿入した状態を示す図である。
【図１２】本実施形態の蓄熱装置の組み立て途中の状態を示す図で、図１２の状態に組み立てた後、伝熱管ブロックに電熱ヒータを組み込む状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    蓄熱容器
３    第１伝熱管
３Ｂ  出口部
４    第２伝熱管
４Ａ  入口部
７    結束用針金
８    第１電熱ヒータ
８Ａ、８Ｂ  直線部
８Ｃ  湾曲部
９    第２電熱ヒータ
９Ａ、９Ｂ  直線部
９Ｃ  湾曲部
１０  上方間隔保持板
１１  ヒータサポート板
１２  蓄熱材
１３  治具
１４  支持台
２０  伝熱管ブロック
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008151448.tif 000011
【図１０】
2008151448.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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