(57)【要約】【課題】蓄熱・放熱システムにおける熱交換に際して、熱交換器の大型化を招くことなしに、高い熱交換効果を達成するために、０℃以外の温度帯において背景技術で示した氷と氷の相変化と同じようにＴAとＴBの温度差のない高熱交換を実現する。【解決手段】物質の相変化を物質の共晶点においてスラリー状態で行わせることとともに放熱側へそのスラリー状態で搬送利用する。共晶点において物質の相変化を行わせているので、利用できる温度差の制約がなく、熱交換器を大型化することなしに高い熱交換効果を奏することが可能となる。また蓄熱槽に図２のように溶液濃度に制限されない状態でスラリーを貯めることができるので、蓄熱槽を小型化できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多成分系混合液をスラリー状態の流動性の結晶生成する手段と、その生成した流動性結晶を蓄熱する手段と、二次側へスラリー状態で輸送する手段と、二次側で放熱する熱交換手段とからなり、多成分系混合液の共晶点を利用する結晶生成により一定温度の熱取出しを特徴とする蓄熱・放熱装置。
【請求項２】
多成分系混合液をスラリー状態の流動性の結晶生成する手段およびその生成した流動性結晶を蓄熱する手段および二次側への放熱時には上記したような結晶生成手段にて生成した流動性結晶を搬送する手段により直接放熱する熱交換手段に搬送し、熱交換後の結晶量の低下または結晶のなくなった混合液を蓄熱槽に戻すことにより蓄熱槽の蓄熱量を予冷的に利用し、かつ多成分系混合液の共晶点を利用する結晶生成により一定温度の熱取出しを特徴とする蓄熱・放熱方法。
【請求項３】
多成分系混合液をスラリー状態の流動性の結晶生成する手段と、その生成した流動性結晶をスラリー状態で輸送する手段と、放熱する熱交換手段とからなり、多成分系混合液の共晶点を利用する結晶生成により一定温度の熱取出しを特徴とする熱交換装置。
【請求項４】
結晶生成手段に混合溶液を過冷却させる熱交換器と過冷却を解除する手段により結晶生成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
結晶生成手段に混合溶液を過冷却させる熱交換器と過冷却を解除する手段により結晶生成することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
結晶生成手段に掻取り式製氷機を用いることにより結晶生成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
結晶生成手段に掻取り式製氷機を用いることにより結晶生成することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
結晶生成手段に浮遊性結晶生成する製氷機を用いることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
結晶生成手段に浮遊性結晶生成する製氷機を用いることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は多成分系ダイナミックタイプの蓄熱・放熱システムにおける熱交換方法と装置に関するものであり、さらに詳しくは蓄熱槽をインターフェイスとして接続された蓄熱回路と放熱回路とからなる多成分系ダイナミックタイプの蓄熱・放熱システムにおける熱交換方法と装置の改良に関するものである。
【０００２】
この明細書においては「蓄熱・放熱」という用語を用いるが、これはシステムにおいて熱交換により対象（例えば室内空気）に熱を与える場合（例えば暖房）と熱交換により対象から熱を奪う場合（例えば冷房）の両者を包含する概念である。前者の場合にはシステムに熱を蓄えてシステムから熱を放出し、後者の場合にはシステムに冷熱を蓄えてシステムから冷熱を放出するものである。
【０００３】
この発明は複数種類の物質を用いた多成分系混合物質の熱交換技術の改良に関するものであるが、以下の記載では２種の物質Ｘ、Ｙを用いて熱交換を行う二成分系の場合であって、かつ熱交換により対象から熱を奪う場合を例に取ってこの発明を説明する。
【背景技術】
【０００４】
蓄熱・放熱システムにおける単成分系熱交換方法としては物質として水を用いたものがあり、ダイナミック型の氷蓄熱と呼ばれている。この場合には水（液相）と氷（固相）との間の相変化となる。つまり製氷機で氷（固相）にしたブラインを熱交換機に送って対象から熱を奪い、水（液相）に戻ったブラインを再び製氷機に戻すという循環を行う。
【０００５】
しかしこのシステムでは氷と水との相変化は０℃で行い、しかも０℃しか利用できないという問題がある。そこでこれに代えて多成分系（例えば二成分系）混合物質の熱交換方法がすでに従来から開発されている。
【０００６】
二成分系のシステムにおける物質ＸとＹの状態を図１により説明する。横軸は混合物中の物質Ｙの濃度（ｗｔ％）を、縦軸は混合物の温度（℃）を示している。液相線より上側の液相領域においては物質Ｘ、Ｙともに液相である。固相線より下側の固相領域においては物質Ｘ、Ｙともに固相である。また液相線と固相線の間の左側の固液共存相領域においては物質Ｘが固相となり、物質ＸとＹの混合物が液相となる。右側の固液共存相領域においては物質ＸとＹの混合物が液相となり、物質Ｙが固相となる。この発明は図中の共晶点において物質の相変化を行わしめるものである。
【０００７】
この発明を応用する蓄熱・放熱システムの構成を図２により説明する。該システムは蓄熱槽１をインターフェイスとして互いに接続された蓄熱回路１０と放熱回路２０から構成されるものであり、蓄熱回路１０においてはブラインが蓄熱槽１から製氷機１１を経て蓄熱槽１へと循環し、放熱回路２０においてはブラインが蓄熱槽から熱交換器２１を経て蓄熱槽へと循環する。
【０００８】
蓄熱時は蓄熱槽１から出た温度ＴAの混合液（液相）は製氷機１１に入って熱を奪われて温度ＴAは低下する。一部は固相の結晶が混じった固液相として蓄熱槽に戻る。蓄熱槽の混合液は順次製氷用循環ポンプで繰り返し製氷を行ない、最終的に温度ＴB（ＴA＞ＴB）の混合液（固液共存相）となって蓄熱槽１に戻る。放熱時には蓄熱槽１から出た温度ＴBの混合液（固液共存相）は熱交換器２１に入って対象から熱を奪い温度上昇して蓄熱槽に戻る。放熱用循環ポンプにて順次放熱を繰り返し、最終的に温度ＴBの混合液（液相）となって蓄熱槽１に戻る。
【０００９】
このプロセスにおける混合液温度（℃）と混合液中の物質Ｘ、Ｙの濃度（ｗｔ％）の変化を図３に示す。二成分系の熱交換技術においては液相線のＡ点からＢ点の区間を利用する。混合液温度がＴAからＴBに降下するに伴い混合液中の物質Ｙの濃度がＣAからＣBへと増加する。
【００１０】
またこのシステムにおける蓄熱量の時間変化を図５に示す。
【００１１】
図６に従来技術の蓄熱・放熱システムの場合の混合液温度の時間変化を、また図７に混合液濃度（物質Ｙの濃度）の時間変化を、それぞれ示す。
【００１２】
これらの図から明らかなように、従来技術の場合には、蓄熱量の増加に伴い混合液濃度が高まり、混合液温度が降下している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここでＴAとＴBとの温度差が問題となる。すなわちＴAは混合液の温度であるから熱交換により熱を奪われる対象の温度より低くなければならない。一方ＴBは製氷機１１においてどの程度温度を降下させるかにより決まってくる。つまりＴBを低くしようとすればそれだけ製氷機の運転に多くの電力が必要となる。これらの制約から従来ＴAとＴBの温度差をあまり大きくすることは実務上困難であった。
【００１４】
このように温度差（ＴA−ＴB）が制約されると濃度の変化幅（ＣB−ＣA）も制約されることになり、その結果として蓄熱槽１に貯蔵可能な混合液中の固相量が制限される。
【００１５】
加えて製氷機における消費電力を考慮すると、ＴAが定まったらＴBをあまり低くできないことになる。これらの制約の下で高い熱交換効果を達成するには、熱交換面積を増大させる、つまり熱交換器１を大型化せざるを得ないのが現状である。
【００１６】
かかる従来技術の現状に鑑みて、この発明の目的は蓄熱・放熱システムにおける熱交換に際して、熱交換器の大型化を招くことなしに、高い熱交換効果を達成するために、０℃以外の温度帯において背景技術で示した氷と氷の相変化と同じようにＴAとＴBの温度差のない高い熱交換を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このためにこの発明においては、物質の相変化を物質の共晶点においてスラリー状態で行わせることとともに、放熱側へそのスラリー状態で搬送利用することを要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば共晶点において物質の相変化を行わせているので、利用できる温度差の制約がなく、熱交換器を大型化することなしに高い熱交換効果を奏することが可能となる。また蓄熱槽に図２のように溶液濃度に制限されない状態でスラリーを貯めることができるので、蓄熱槽を小型化できる。
【００１９】
さらにもうひとつの効果として「一定温度での熱交換」が挙げられる。特に大面積を一定にできる良さがある。例えばアイススケートリンクの氷温度を一定にできることや、住宅（ビル空調も含む）の壁面に流動熱交換させて一定の空調環境を実現させることができる。
【００２０】
大面積、大空間では二次側の条件が変化している。例えば一部日射が当たってしまっているアイススケートリンクでは、その部分だけ水浸しになることも多い。また住宅やオフィスビルなどでは日射の当たる面と当たらない面では熱負荷が極端に違うので、暖房と冷房が必要なこともあるが、流動性のある共晶点蓄熱剤を壁面に流動させるとかするだけで（勿論、熱交換器を利用した方法でもよいのだが）快適な環境が維持できることになる。
【００２１】
なお上記に示したように、二次側への放熱経路においては、共晶点でのスラリー状態での利用が重要である。従来技術として、蓄熱槽に硬い結晶状態（移動しない板状の結晶）で共晶物質を形成し、二次側への利用はその板状の結晶と循環する溶液との熱交換による顕熱利用する方法も提示されているが、放熱側での顕熱交換は出入口に温度差が発生し、前記した温度差のない熱交換の特徴を示すことができない方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図４に示すのはこの発明の蓄熱・放熱システムの一実施例である。全体の構成は図２に示す従来技術の場合と実質的に同じである。蓄熱槽１から出た温度ＴEの混合液（液相）は製氷機１１を経て温度ＴEの混合液（固液共存相）となって蓄熱槽１に戻る。蓄熱槽１から出た温度ＴEの混合液（固液共存相）は熱交換器２１に入って対象から熱を奪い温度ＴE’（ＴE’＞ＴE）のブライン（液相）となって蓄熱槽に戻る。
【００２３】
また蓄熱・放熱システムの構成によっては、蓄熱槽と結晶生成器との構成を変えることもできる（図１０参照）。蓄熱時は同じであるが、二次側での放熱時に蓄熱槽からスラリー状の溶液を取り出すのではなく、結晶生成器のスラリー状の溶液を直接二次側の放熱器に搬送し、熱交換後の結晶量の減少した溶液または、全く結晶がなくなった溶液を蓄熱槽に戻して、蓄熱槽の蓄熱量を結晶生成器へ導入する溶液の予冷に利用する装置構成とすることもできる。この場合には、蓄熱槽からスラリーを取り出す工夫が必要なく、単純な方法となる。
【００２４】
さらにこの方法は蓄熱手段を利用しないこともできる。蓄熱するのは熱交換量が変動する場合などで、蓄熱した方がシステムの冷熱源容量を小さくできる利点がある場合である。一方、常に放熱負荷がある場合には蓄熱槽は不要であり、放熱負荷に見合った冷熱源容量により熱交換を実施する、その例を図１１に示す。冷熱源を持った結晶生成器によるスラリー状の溶液を放熱する熱交換器に直接搬送して熱交換し、熱交換後結晶生成器に戻すシステムである。
【実施例１】
【００２５】
図８にこの発明の蓄熱・放熱システムの場合のブライン温度の時間変化を、また図９にブライン濃度（物質Ｙの濃度）の時間変化を、それぞれ示す。
【００２６】
これらの図から明らかなように、従来技術と比較してこの発明の場合には、蓄熱量の変化による温度変化および濃度変化がないことが分かる。
【００２７】
この発明の多成分系ダイナミック蓄熱・放熱システムに利用できる物質の組合せとしては例えば金属系では、ＣａとＭｇ（共晶点＝４５６℃）、ＣｄとＩｎ（共晶点＝１２７．７℃）、ＣｏとＭｏ（共晶点＝１３３５℃）、ＣｒとＮｉ（共晶点＝１３４５℃）、ＣｕとＭｇ（共晶点＝７２２℃）などが挙げられる。また無機化合物系ではＡｇＢｒとＫＣｌ（共晶点＝３１８℃）、ＣａＣｌ2とＭｇＣｌ2（共晶点＝６２１℃）、ＣａＯとＭｇＯ（共晶点＝２２８０℃）、ＮＯＣｌとＣｌ2（共晶点＝−１０７．４℃）、ＳｎＣｌ4とＢｒ2（共晶点＝−４０．５℃）などが挙げられる。
【００２８】
水との混合物質としては、以下のものがある。硝酸ナトリウム(共晶点＝−１０．６℃)、尿素（濃度３２．５％、共晶点＝−１１．５℃)、塩化カドミウム(共晶点＝−１１．５℃)、塩化ナトリウム(濃度８．８％、共晶点＝−１４．５℃)、硫酸ナトリウム(共晶点＝−１４．５℃)、フッ化水素ナトリウム(共晶点＝−１５．０℃)、フッ化ナトリウム(共晶点＝−１５．２℃)、塩化アンモニウム(共晶点＝−１６．０℃)、硝酸アンモニウム(共晶点＝−１６．９℃)、臭化アンモニウム(共晶点＝−１７．０℃)、硫酸アンモニウム(共晶点＝−１８．５℃)、塩化ストロンチウム(共晶点＝−１８．７℃)、亜硝酸ナトリウム(共晶点＝−１９．５℃)、塩化ナトリウム(濃度２２．４％、共晶点＝−２１．２℃)、ヨウ化カリウム(共晶点＝−２５℃)、水酸化ナトリウム(共晶点＝−２８℃)、臭化ナトリウム(共晶点＝−２８℃)、ヨウ化ナトリウム(共晶点＝−３３℃)、グリセリン(共晶点＝−４６．５℃)。
【００２９】
なお実用的なブラインとして使用する場合、防食剤や消泡剤などを添加するのが一般的であるが、その添加量は微量であるので、この発明の技術への影響は実務上無視することができる。
【００３０】
蓄熱・放熱システム実施例である図２、図４、図１０、図１１の流動性（スラリー状態）の結晶生成する手段としての製氷機はいろいろなものが考えられる。
【００３１】
一例としては混合物質を過冷却させる熱交換器「過冷却器」とその後に過冷却を解除する「解除器」の構成とした方法がある。過冷却器は通常よりも伝熱面積の多いプレート熱交換器やシェル＆チューブ熱交換器などで安定的に過冷却を実現する。解除器は過冷却液を落差などの利用で板状の解除板にぶつけると、その衝撃で過冷却が解除する機能などのものである。解除器はそのほかに、ペルチェ素子などの冷却源により過冷却液の一部を凍結させて過冷却を解除する方法などもある。
【００３２】
その他の一例としては、食品の冷却などに利用されている「掻取式熱交換器」を利用して、この熱交換器内で過冷却生成と結晶生成の両方を行う機能のものでもよい。
【００３３】
さらにその他の一例としては、掻取式熱交換器と同じように熱交換器内に攪拌機構を持つが、熱交換伝熱面に攪拌機構が接触していない点に特徴がある浮遊性結晶製氷機がある。この機能は伝熱面にて発生した過冷却液が攪拌機能により過冷却液が伝熱面から剥離させられ、中央の流水中で過冷却が解除されることにより、伝熱面での結晶成長がない。安定して連続的に結晶成長させることができる製氷機である。
【００３４】
なお、製氷機の冷却源は特にこだわらない。冷媒による蒸気圧縮式冷凍サイクルで構成した冷凍システムによる、直接膨張システムやブラインを介した間接冷却システムでもよい。また、吸収式冷凍システムでもよい。さらに、共晶点物質の温度帯によっては冷却水や空気熱源による冷却でも良い場合がある。
【実施例２】
【００３５】
ここでは一定温度での熱交換の実施例を示す。図１２にはアイススケートリンクの従来例を示す。日射が一部当たっている屋外リンクの例である。このような広域の冷却面には系統別に多数列のブラインを流す。氷の性質を同じにするために同温度の氷としたいので、熱交換によるブラインの温度上昇幅が少なくなるように多量のブライン量を流す。このとき、一部のリンクに日射が当たっている時には、その部分の熱負荷が多くなるためその部分だけ氷が融解する（水浸しになる）ことがある。この部分にあわせて流すには全体ブライン流量を増やすことで対処するしかないので、それもできないことが多い。
【００３６】
このような場合に、本システムの共晶点のスラリー状のブラインを流すことができると、図１３に示したように熱負荷の部分的増加は結晶の融解で対処するので、ブラインの温度上昇が全く発生しない。従来方式が常に温度上昇してしまうのとは全く異なる。広域に全体的に同温度の氷が生成でき、滑走性能の全く同じ良質なリンクが誕生する。ブライン流量も少なくて良いので、省エネ的なリンクである。
【００３７】
同様の考えの例で建物の空調が可能である例を示す。図１４は建築の構造面全体にこの共晶点蓄熱物質のスラリーを流動させた場合を示す。建築の熱負荷はいろんなパターンがある。建築では日射の当たる南面と日射の全く当たらない北面ではそれぞれ冷房と暖房が必要な例がある。これは、屋外負荷である日射が強く空調（室内空気温度）に影響する場合である。このような場合でも、本システムの共晶点スラリーを外壁面に流すと、室内空気温度が一定の空調が可能である。なお、図１４では壁と屋根への導入を記したが、導入の主旨は床面に入れることも包含する。
【００３８】
広域に一定温度を実現するのは、系統別に流す流量を同じようにすることや、熱負荷にあわせて多量にブラインを流すことが必要であるが、顕熱変化させる通常のブラインでは流量の均一性や熱負荷の変動に対処できないことが多い。しかし、本システムの共晶点スラリーでは各系統へ流す流量に違いがあっても問題なく、局所的な熱負荷の増大に対しても特に対処をしなくても良いことになる。
【００３９】
なお、上記は一例であり、一定温度での熱交換の実施例は産業用に広範囲にわたっての利用が考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
この発明の方法は冷房、暖房、冷凍および冷蔵など多くの産業分野において広く利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】二成分系ブラインの状態図である。
【図２】従来の蓄熱・放熱システムの構成とブラインの循環を示すブロック線図である。
【図３】ブラインの温度と濃度の変化を示す状態図である。
【図４】この発明の蓄熱・放熱システムの一実施例を示すブロック線図である。
【図５】蓄熱量の時間変化を示すグラフである。
【図６】従来技術の場合のブライン濃度の時間変化を示すグラフである。
【図７】同じく濃度の時間変化を示すグラフである。
【図８】この発明の場合のブライン濃度の時間変化を示すグラフである。
【図９】同じく濃度の時間変化を示すグラフである。
【図１０】この発明の装置の他の実施例を示すブロック線図である。
【図１１】この発明の装置のさらに他の実施例を示すブロック線図である。
【図１２】屋外アイススケートリンクに従来技術を応用した模型図である。
【図１３】熱交換部分出入口における温度変化状態を示す説明図である。
【図１４】建物にこの発明を応用した模型図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ：  蓄熱槽
１０：  蓄熱回路
１１：  製氷機
２０：  放熱回路
２１：  熱交換器
ＢＲ：  ブライン
【図１】
2008025921.tif 000003
【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】
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【図１０】
2008025921.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2008025921.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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