(57)【要約】【課題】ダイナミックに変化する排熱量を高効率に保存すること。【解決手段】第１熱交換器１は、その排熱流体の第１熱を熱交換液体層９に移動させる。第２熱交換器３は、熱交換媒体気層１１の第２熱を第２熱交換媒体に移動させる。その第２熱交換媒体は第２熱を熱保存器本体２の外側に輸送する。熱交換媒体液層９の中には相転換により熱を保存する潜熱蓄熱体１３が配置されている。熱交換媒体気層１１の気体は、熱交換媒体液層９の液体が相転換した蒸気である。潜熱蓄熱体１３は、固体と気体との間で相転換し、その潜熱に基づく熱保存量は大きく、且つ、その熱保存は安定している。潜熱蓄熱体で保存された熱は、熱交換媒体液層９と熱交換媒体気層１１の間の相転換に基づいて熱保存状態を容易に変換する。このように、熱は、液体状態、固体状態、液体状態、気体状態の４状態の相転換過程で熱輸送が行われ、４状態を介して、熱エネルギーの入力とその熱エネルギーの出力が行われ、排熱は、高効率に、且つ、リアルタイムに利用される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱保存器本体と、
前記熱保存器本体の中に配置される第１熱交換器と、
前記熱保存器本体の中に配置される第２熱交換器とを構成し、
前記熱保存器本体は、
熱交換媒体液層と、
熱交換媒体気層とを形成し、
前記第１熱交換器の第１熱交換媒体は熱源から供給される排熱流体であり、
前記第１熱交換器は、前記排熱流体の第１熱を前記熱交換液体層に移動させ、
前記第２熱交換器は、前記熱交換媒体気層の第２熱を第２熱交換媒体に移動させ、
前記第２熱交換媒体は前記第２熱を前記熱保存器本体の外側に輸送し、
前記熱交換媒体液層の中には相転換により熱を保存する潜熱蓄熱体が配置され、
前記熱交換媒体気層の気体は、前記熱交換媒体液層の液体が相転換した蒸気である
エネルギーの熱的保存システム。
【請求項２】
前記排熱流体はマイクロタービンから排出される排ガスである
請求項１のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項３】
前記排熱流体は燃料電池型発電機から排出される熱水である
請求項２のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項４】
前記熱交換媒体気層の蒸気圧力を制御する圧力制御弁を更に構成する
請求項１〜３から選択される１請求項のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項５】
前記圧力制御弁の開閉度は、前記熱交換媒体気層の圧力に基づいて制御される
請求項４のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項６】
前記圧力制御弁の開閉度は、前記熱交換媒体気層の温度に基づいて制御される
請求項４のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項７】
前記圧力制御弁の開閉度は、前記熱交換媒体液層の温度と前記熱交換媒体気層の圧力とに基づいて制御される
請求項４のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項８】
前記第１熱交換器は、
前記第１熱交換媒体を通す第１熱交換パイプと、
前記第１熱交換媒体の流量を制御する第１流量制御弁とを形成し、
前記第２熱交換器は、
前記第２熱交換媒体を通す第２熱交換パイプと、
前記第２熱交換媒体の流量を制御する第２流量制御弁とを形成する
請求項４のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項９】
前記熱交換液体層を形成する物質は、水とプロピレンとの混合液である
請求項１のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項１０】
前記潜熱蓄熱体は、熱機関の排熱温度レベルの１５０゜Ｃ前後で融解する物質であり、前記熱機関は、マイクロガスタービン又は燃料電池型発電機である
請求項１のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項１１】
前記物質はポリエチレンが主成分であるプラスチックである
請求項１０のエネルギーの熱的保存システム。
【請求項１２】
第１熱交換器の熱交換により排熱の熱を第１熱輸送媒体（７）に移動させるステップと、
第１熱輸送媒体の熱を潜熱蓄熱媒体に移動させるステップと、
第１熱輸送媒体の熱を潜熱蓄熱媒体に移動させた後に、潜熱蓄熱媒体の熱を第１熱輸送媒体に移動させるステップと、
第１熱輸送媒体の熱を第２熱輸送媒体に移動させるステップと、
第２熱交換器の熱交換により第２熱輸送媒体の熱を第３熱輸送媒体に移動させるステップとを構成し、
前記第１熱輸送媒体は液体であり、前記第２熱輸送媒体は前記第１熱輸送媒体が気化した蒸気である
排熱利用方法。
【請求項１３】
前記第２熱輸送媒体の蒸気圧を前記蒸気圧に基づいて制御するステップを更に構成する
請求項１２の排熱利用方法。
【請求項１４】
単位家族の居住環境内に設けられる発電機から排出される排熱を利用する排熱利用方法であり、
熱交換器を前記居住環境内に配置するステップと、
前記熱交換器の中で、第１熱交換器の熱交換により前記排熱の熱を第１熱輸送媒体に移動させるステップと、
前記熱交換器の中で、前記第１熱輸送媒体の熱を潜熱蓄熱媒体に移動させるステップと、
前記熱交換器の中で、前記第１熱輸送媒体の熱を潜熱蓄熱媒体に移動させた後に、前記潜熱蓄熱媒体の熱を前記第１輸送媒体に移動させるステップと、
前記熱交換器の中で、前記第１輸送媒体の熱を第２熱輸送媒体に移動させるステップと、
前記熱交換器の中で、第２熱交換器の熱交換により前記第２熱輸送媒体の熱を第３熱輸送媒体に移動させるステップと、
前記第３熱輸送媒体を前記居住環境内の熱利用位置に輸送するステップとを構成し、
前記第１熱輸送媒体は液体であり、前記第２熱輸送媒体は前記第１熱輸送媒体が気化した蒸気である
排熱利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギーの熱的保存システム、及び、排熱利用方法に関し、特に、排熱を貯蔵して有効に利用するエネルギーの熱的保存システム、及び、排熱利用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄熱技術は、古来から多様に知られている。炭は、古来から存在しその蓄熱原理は経験的に知られているが高度の化学知識がなければ理解され難い優れた蓄熱器である。発電所特に水力発電所で得られる電力は、その貯蔵が困難であり、自ら発電した電力で水を汲み上げる揚水ダムが知られている。夜間に過剰に生産される電力を家庭内で貯蔵するための貯蔵器が知られ、後掲特許文献１で知られているように、その貯蔵原理は顕熱貯蔵である。
【０００３】
水力発電方式に代替される発電方式として、ガスタービン発電方式が知られている。ガスタービンは、高温の排ガスを排出する。その高温排ガスの熱の回収の効率を向上させるために、熱電併給システムが有力である。そのような熱電併給システムでは、蓄熱によるエネルギー保存が重要視されている。そのエネルギーの貯蔵媒体として、後掲特許文献２で知られているように、氷が利用されている。蓄熱材料としては、後掲特許文献３がセラミックについて記述するように、多様に知られている。
【０００４】
電力需要の増大化とともに、環境に対する配慮が強制的に要求される。環境に優しい発電システムとして、２様が考えられている。その１つは、排熱利用の促進である。電力供給がダイナミックであることが要求される家庭用マイクロガスタービンでは、その余剰発電電力と排熱の再利用のために高効率蓄熱が求められる。他の１つは、燃料電池に代表されるように、発電態様のクリーン化である。
【０００５】
家庭内では、電力源と電力に基づかない熱源の併用が望まれる。発電システムから放出される熱の高効率貯蔵が求められる。その高効率貯蔵システムには、大量生産性と消費者の利便性の両方を同時的に促進するために、小型化と低コスト化が求められる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１０１０６０号
【特許文献２】
特開２０００−９７０４７号
【特許文献３】
特開２０００−１３０７３３号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ダイナミックに変化する排熱量を高効率に保存するエネルギーの熱的保存システム、及び、排熱利用方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、ダイナミックに変化する排熱量を高効率に保存し、且つ、その保存器を小型化し、更に、生産コストを適正化するエネルギーの熱的保存システム、及び、排熱利用方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明によるエネルギーの熱的保存システムは、熱保存器本体（２）と、熱保存器本体（２）の中に配置される第１熱交換器（１）と、熱保存器本体（２）の中に配置される第２熱交換器（３）とから構成されている。熱保存器本体（２）は、熱交換媒体液層（９）と熱交換媒体気層（１１）とから形成されている。第１熱交換器（１）の第１熱交換媒体は熱源から供給される排熱流体である。第１熱交換器（１）は、その排熱流体の第１熱を熱交換液体層（９）に移動させる。第２熱交換器（３）は、熱交換媒体気層（１１）の第２熱を第２熱交換媒体に移動させる。その第２熱交換媒体は第２熱を熱保存器本体（２）の外側に輸送する。熱交換媒体液層（９）の中には相転換により熱を保存する潜熱蓄熱体（１３）が配置されている。熱交換媒体気層（１１）の気体は、熱交換媒体液層（９）の液体が相転換した蒸気である。
【００１０】
潜熱蓄熱体は、固体と気体との間で相転換し、その潜熱に基づく熱保存量は大きく、且つ、その熱保存は安定している。潜熱蓄熱体で保存された熱は、熱交換媒体液層（９）と熱交換媒体気層（１１）の間の相転換に基づいて熱保存状態を容易に変換する。このように、熱は、液体状態、固体状態、液体状態、気体状態の４状態の相転換過程で熱輸送が行われ、このような４状態移行過程で熱保存が有効に行われる。このような４状態を介して、熱エネルギーの入力とその熱エネルギーの出力が結果的に行われ、排熱は、高効率に、且つ、リアルタイムに利用される。
【００１１】
排熱流体は、マイクロタービンを含むガスエンジンから排出される排ガス、又は、燃料電池型発電機から排出される熱水のような低レベルの排熱源である。このような排熱流体の熱の再利用は、今後の地域的熱利用、特に、家庭内熱利用の熱電併給システムで特に有用性が高い。
【００１２】
熱交換媒体気層（１１）の蒸気圧力を制御する圧力制御弁（１７）の存在は特に有効である。その圧力制御弁（１７）による蒸気圧制御により、再利用熱の量と温度が簡単に制御され得る。圧力制御弁（１７）の開閉度は、熱交換媒体気層（１１）の圧力に基づいて制御され、熱交換媒体気層（１１）の温度に基づいて制御され、又は、熱交換媒体液層（９）の温度と熱交換媒体気層（１１）の圧力とに基づいて制御される。このように多様なパラメータ、特に、熱交換媒体液層（９）のパラメータ（温度）と熱交換媒体気層（１１）のパラメータ（温度と圧力）の組合せに基づいて、より適正に蓄熱量と採熱量との比を制御することができる。
【００１３】
第１熱交換器（１）は、第１熱交換媒体を通す第１熱交換パイプ（４）と、第１熱交換媒体の流量を制御する第１流量制御弁（５，６）とを形成し、第２熱交換器（３）は、第２熱交換媒体を通す第２熱交換パイプ（１４）と、第２熱交換媒体の流量を制御する第２流量制御弁（１５，１６）とを形成している。熱交換液体層（９）を形成する物質は、水とプロピレンとの混合液であり、共沸点現象により、その沸点を降下させることができる。
【００１４】
潜熱蓄熱体（１３）は、熱機関の排熱温度レベルの１５０゜Ｃ前後で融解する物質である。そのような熱機関としては、マイクロガスタービンを含むガスエンジン又は燃料電池型発電機が将来的には有望である。そのような融解物質は、廃プラスティックの再利用が可能であるポリエチレンが将来的には有望である。
【００１５】
本発明による排熱利用方法は、第１熱交換器（１）の熱交換により排熱の熱を第１熱輸送媒体（７）に移動させるステップと、第１熱輸送媒体（７）の熱を潜熱蓄熱媒体（１３）に移動させるステップと、第１熱輸送媒体（７）の熱を潜熱蓄熱媒体（１３）に移動させた後に、潜熱蓄熱媒体（１３）の熱を第１熱輸送媒体（７）に移動させるステップと、第１熱輸送媒体（７）の熱を第２熱輸送媒体（８）に移動させるステップと、第２熱交換器（３）の熱交換により第２熱輸送媒体（８）の熱を第３熱輸送媒体に移動させるステップとから構成されている。第１熱輸送媒体は液体であり、第２熱輸送媒体（８）は第１熱輸送媒体（７）が気化した蒸気である。
【００１６】
このような複数回の熱移動と熱交換は、既述のとおり、エネルギーの入出力を高効率介し、且つ、排熱エネルギーの利用がリアルタイム化される。
【００１７】
第２熱輸送媒体（１１）の蒸気圧をその蒸気圧に基づいて制御するステップの追加は、特に顕著に有効である。
【００１８】
本発明による排熱利用方法は、単位家族の居住環境内に設けられる発電機から排出される排熱を利用する排熱利用方法であり、熱交換器（２）を居住環境内に配置するステップと、熱交換器（２）の中で、第１熱交換器（１）の熱交換により排熱の熱を第１熱輸送媒体（７）に移動させるステップと、熱交換器（２）の中で、第１熱輸送媒体（７）の熱を潜熱蓄熱媒体（１３）に移動させるステップと、熱交換器（２）の中で、第１熱輸送媒体（７）の熱を潜熱蓄熱媒体（１３）に移動させた後に、潜熱蓄熱媒体（１３）の熱を第１輸送媒体（７）に移動させるステップと、熱交換器（２）の中で、第１熱輸送媒体の熱を第２熱輸送媒体に移動させるステップと、熱交換器（２）の中で、第２熱交換器（３）の熱交換により第２熱輸送媒体（８）の熱を第３熱輸送媒体に移動させるステップと、第３輸送媒体を居住環境内の熱利用位置に輸送するステップとから構成されている。第１熱輸送媒体（７）は液体であり、第２熱輸送媒体（８）は第１熱輸送媒体（７）が気化した蒸気である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明によるエネルギーの熱的保存システムは、蓄熱用熱交換器が採熱用熱交換器とともに設けられている。その蓄熱用熱交換器１は、図１に示されるように、熱保存器本体２の底部領域に配置されている。その採熱用熱交換器３は、熱保存器本体２の天井部領域に配置されている。蓄熱用熱交換器１は、第１熱交換用パイプ４と、排熱流体入口側バルブ５と、排熱流体出口側バルブ６とから構成されている。ここで、排熱は、発電機、特に、燃料電池式発電機のように必然的に熱を排出する熱排出源から供給されてくる熱流体又はその熱を意味する。
【００２０】
熱保存器本体２の中の下半領域には、第１熱交換媒体７が収容されている。第１熱交換媒体７は、液体である。熱保存器本体２の中の上半領域には、第２熱交換媒体８が充満する。第２熱交換媒体８は、第１熱交換媒体７の混合物質の一部が気化して蒸気化した気体である。第１熱交換用パイプ４は、第１熱交換媒体７で形成される熱交換液層９の中に沈められている。第２熱交換媒体８で形成される熱交換気層１１と熱交換液層９とは、気液分離面により分離されている。
【００２１】
熱交換液層９の中に、蓄熱用熱交換器１より上方に潜熱蓄熱器１２が沈められている。潜熱蓄熱器１２の外側表面であり第１熱交換媒体７に接触する接触面の増大のために、潜熱蓄熱器１２は多体化され多表面化されて分散的に配置されている。潜熱蓄熱器１２の中には、潜熱蓄熱物質１３が充填されている。
【００２２】
採熱用熱交換器３は、第２熱交換用パイプ１４と、採熱流体入口側バルブ１５と、採熱流体出口側バルブ１６とから構成されている。熱保存器本体２には、熱保存器本体２の中の気体の圧力の増減を制御する圧力制御弁１７が取り付けられている。
【００２３】
蓄熱用熱交換器１に供給される排熱として、マイクロガスタービン、ガスエンジン、燃料電池のように熱を排出する熱機関、又は、熱を積極的に生成する焼却炉のような熱発生源を利用した分散電源システムから排出される低レベルエネルギーの熱が利用される。このような低レベルエネルギーは、１５０゜Ｃ前後の温度を有している。このような程度の低エネルギーの熱が、本発明によるエネルギーの熱的保存システムにより有効に利用される。１５０゜Ｃ前後の熱の交換ための第１熱交換媒体７としては、水とプロピレンとが混合した混合液体が適正である。
【００２４】
蓄熱過程では、採熱流体入口側バルブ１５と採熱流体出口側バルブ１６と圧力制御弁１７とが閉じられる。排熱流体入口側バルブ５と排熱流体出口側バルブ６とが開放され、熱源（図示されず）から供給される熱流体（例示：ボイラー水又は排ガス）が排熱流体入口側バルブ５から第１熱交換用パイプ４に導入され排熱流体出口側バルブ６から排出され、循環的に流動している。熱流体（蓄熱用熱交換媒体）の熱は、第１熱交換用パイプ４を介して、その熱流体から第１熱交換媒体７に交換的に移動する。その熱移動により、第１熱交換媒体７の温度は１５０゜Ｃ前後に上昇する。第１熱交換媒体７の熱は、次に、第１熱交換媒体７と潜熱蓄熱物質１３との間で熱交換されて、潜熱蓄熱器１２の中の潜熱蓄熱物質１３に移動する。このような熱移動により、潜熱蓄熱物質１３の温度は１５０゜Ｃの程度に上昇する。
【００２５】
潜熱蓄熱物質１３としては、熱機関排熱温度レベルの１５０゜Ｃ又はこれより低い温度で固体から液体に相転換して融解する物質が用いられている。そのような融解の融解温度を持つ物質として、ポリエチレンが好適である。ポリエチレンは、廃プラスティックに含まれるポリエチレンが再利用され、低コストで大量に供給され得る。ポリエチレン以外のプラスティック類の混入は、実用的には潜熱蓄熱材の蓄熱性を劣化することはなく、廃材の再利用が実用的に有効である。
【００２６】
潜熱蓄熱物質１３の蓄熱量が十分になれば、熱保存器本体２の中の第１熱交換媒体７は全体的に１５０゜Ｃ前後に到達する。材料的に第１熱交換媒体７を構成する水とプロピレンは、共沸点現象により激しく蒸発して、その蒸発気体８は、飽和蒸気圧の熱交換気層１１を形成する。熱交換気層１１の気圧は、閉じられた圧力制御弁１７により熱保存器本体２の中に閉じ込められていて、熱源の温度に基づく一定対応気圧に達し、第２熱交換媒体８の温度と圧力は、熱源の初期温度に対応する温度と圧力より上昇することはなく、その一定対応圧力に基づいて第１熱交換媒体７の沸騰蒸発は停止する。潜熱蓄熱物質１３は、その潜熱容量が大きく、多くの熱を蓄積することができる。
【００２７】
採熱過程では、図２に示されるように、排熱流体入口側バルブ５と排熱流体出口側バルブ６と圧力制御弁１７とが閉じられ、採熱流体入口側バルブ１５と第２熱交換用パイプ１４とが開放され、圧力制御弁１７は徐々に開放される。第２熱交換媒体８の熱は、第２熱交換用パイプ１４を介して、第２熱交換媒体８から第２熱交換用パイプ１４の中の採熱用熱交換媒体に交換的に移動する。その熱移動により、採熱用熱交換媒体の温度は１５０゜Ｃ前後に上昇する。採熱用熱交換媒体は、採熱流体出口側バルブ１６から出て採熱流体入口側バルブ１５に循環的に戻る。その循環路の途中で、採熱用熱交換媒体の熱は有効に再利用される。その再利用は、熱電併給システムが導入されている家庭内温水器、家庭内暖房機のような加熱器に対して実行される。
【００２８】
採熱用熱交換媒体の熱の再利用により、第２熱交換媒体８の温度が低下して、熱交換気層１１の圧力が低下すれば、第１熱交換媒体７は共沸点現象により蒸発を開始する。その蒸発の程度に対応して、圧力制御弁１７の開度が増加され、第１熱交換媒体７の蒸発が持続する。第２熱交換媒体８の温度と圧力の低下と圧力制御弁１７の開度と熱源の初期温度の全パラメータ、又は、それらのパラメータの１つ又は１つ以上のパラメータに基づいて、排熱流体入口側バルブ５と排熱流体出口側バルブ６の開度が調整されることは有効である。このような調整は、蓄熱と採熱を同時的に進行させることができる。第１熱交換媒体７の温度低下に従って、潜熱蓄熱物質１３は再凝固して固体に相転換する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によるエネルギーの熱的保存システム、及び、排熱利用方法は、ダイナミックに変化する排熱量を高効率に保存することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるエネルギーの熱的保存システムの実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、図１の動作状態が変更された断面図である。
【符号の説明】
１…第１熱交換器
２…熱保存器本体
３…第２熱交換器
４…第１熱交換パイプ
５，６…第１流量制御弁
７…第１熱輸送媒体
８…第２熱輸送媒体
９…熱交換媒体液層
１１…熱交換媒体気層
１３…潜熱蓄熱体
１５，１６…第２流量制御弁
１７…圧力制御弁
【図１】
2004150773.tif 000003
【図２】
2004150773.tif 000004