(57)【要約】【課題】伝熱管の熱膨張に基因する伸縮動作に対して蓄熱材の荷重等の影響を軽減し、その動作を許容することで伝熱管の破損故障を未然に防止することができる蓄熱装置を提供する。【解決手段】伝熱管１４は、混合蓄熱材１３内を、湾曲部と直線部とを有する複数のＵ字管を組み合わせたように蛇行して配設されている。そして、伝熱管１４の最上流部のＵ字状に湾曲反転する湾曲部２０ａは、混合蓄熱材１３の上面より上方に配置されている。また、直線部１９は混合蓄熱材１３の内部に配置されている。そのため、伝熱管１４は、湾曲部２０ａの上面に混合蓄熱材１３が配置されない構成となっているため、直線部１９で生ずる膨張収縮の上下方向への動きが、上方からの荷重によっては規制されない。従って、伝熱管１４は、混合蓄熱材１３に完全に埋設されている場合と比較して、その外面において膨張収縮動作に対する荷重負担を軽減することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に加熱状態において液状となる液状蓄熱材及び加熱状態においても固体である固体蓄熱材を混合した蓄熱材が充填されたケース本体と、
前記蓄熱材を加熱する加熱手段と、
上下方向に形成された直線部及び上部にて湾曲反転される湾曲部を含むように蛇行し、前記ケース本体内に配設されると共に内部に熱媒体が流通される伝熱管とを備えた蓄熱装置であって、
少なくとも一つの前記湾曲部は、少なくとも上面の一部が前記固体蓄熱材の上面よりも上方に位置された開放湾曲部とされていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記湾曲部を複数備え、
該湾曲部のうち、少なくとも前記熱媒体の流入に対して最も上流側に配置された湾曲部は、前記開放湾曲部とされていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記開放湾曲部は、該開放湾曲部の全体が前記固体蓄熱材の上面から上方に位置していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記直線部の一部も前記固体蓄熱材の上面から上方に位置されていることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比熱の大きな物質に熱を蓄えておき、後でこの蓄熱を利用する蓄熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、次のような蓄熱装置が知られている。即ち、蓄熱装置のケース本体内には蓄熱材が充填されている。この蓄熱材には同蓄熱材を加熱するヒータ及び上下方向を含むように蛇行し、かつ湾曲部と直線部とを有する伝熱管がそれぞれ配設されている。そして、前記蓄熱装置は、容器内の蓄熱材をヒータにより加熱した後に伝熱管の一方から水を供給することにより、伝熱管の他方から蓄熱材との間で熱交換した高温の蒸気を取り出している。また、このような蓄熱装置では、水と蓄熱材との間で効率よく熱交換を行うという観点から、水の流入口と流出口を除く伝熱管の全体を蓄熱材の内部に完全に埋設している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５５２９号公報（段落番号「００１３」〜「００３２」、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記蓄熱装置の伝熱管が埋設されている蓄熱材は、蓄熱容量の確保やコスト低減等の観点から、加熱状態となる蓄熱温度領域で液体化する硝酸塩等からなる液状材の他、加熱状態となる蓄熱温度領域でも固体状態を維持するマグネシア等からなる固体蓄熱材を含む混合蓄熱材とされている。そのため、このような固体蓄熱材を含む混合蓄熱材内に配置された伝熱管は、同混合蓄熱材との摩擦力又はその荷重によって、蓄熱材内での移動が規制されていた。
【０００５】
従って、蓄熱装置の稼動時において熱媒体としての水の流入と停止が繰り返されると、伝熱管は、温度変化による収縮と膨張を繰り返して上下方向へ移動しようとするが、上記した規制により移動できず大きな負荷が伴っていた。その結果、上記伝熱管は、蓄熱装置の実稼働時において、例えば直線部にて湾曲する等の変形が生じる等、外面に大きな負担がかかってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、伝熱管に対する蓄熱材の荷重を軽減し、その動作を許容することで伝熱管の破損故障を未然に防止することができる蓄熱装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、内部に加熱状態において液状となる液状蓄熱材及び加熱状態においても固体である固体蓄熱材を混合した蓄熱材が充填されたケース本体と、前記蓄熱材を加熱する加熱手段と、上下方向に形成された直線部及び上部にて湾曲反転される湾曲部を含むように蛇行し、前記ケース本体内に配設されると共に内部に熱媒体が流通される伝熱管とを備えた蓄熱装置であって、少なくとも一つの前記湾曲部は、少なくとも上面の一部が前記固体蓄熱材の上面よりも上方に位置された開放湾曲部とされていることを要旨とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄熱装置において、前記湾曲部を複数備え、該湾曲部のうち、少なくとも前記熱媒体の流入に対して最も上流側に配置された湾曲部は、前記開放湾曲部とされていることを要旨とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の蓄熱装置において、前記開放湾曲部は、該開放湾曲部の全体が前記固体蓄熱材の上面から上方に位置していることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の蓄熱装置において、前記直線部の一部も前記固体蓄熱材の上面から上方に位置されていることを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
【００１２】
図１に示すように、蓄熱装置１１の容器１２は、上部が開口したケース本体１２ａと同ケース本体１２ａの上部開口部を閉鎖する蓋板１２ｂとを備えている。有底四角筒状のケース本体１２ａ内には、固体蓄熱材１３ａと、加熱状態となる蓄熱温度領域で液体化する液状蓄熱材１３ｂとが均等分布して混合された蓄熱材としての混合蓄熱材１３が充填されている。また、ケース本体１２ａには、内部に熱媒体としての水が流通される伝熱管１４の一部が配設されている。
【００１３】
伝熱管１４は、ステンレススチール等から形成され、混合蓄熱材１３内を、直線部１９と湾曲部２０とを有する複数のＵ字管を組み合わせて上下方向を含むように蛇行して配設されている。直線部１９は、伝熱管１４のうち、混合蓄熱材１３内を上下方向に直線状に形成された部分である。湾曲部２０は、伝熱管１４のうち、上部にてＵ字状に湾曲反転する部分である。
【００１４】
そして、図１，２に示すように、伝熱管１４は、複数の直線部１９及び湾曲部２０を備え、ケース本体１２ａの一側面と平行な一平面上に沿って配設されるように複数段（本実施形態では６段）に区分されている。また、伝熱管１４の両端に配置された流入部１４ａ及び流出部１４ｂは、前記蓋板１２ｂを貫通して外部に導出されるとともに、蓋板１２ｂに対して所定の手段により支持されている。
【００１５】
また、湾曲部２０は、ケース本体１２ａの長手方向に沿う湾曲部２０ａ，２０ｂと、ケース本体１２ａの幅方向（長手方向に対して直交する方向）に沿う湾曲部２０ｃとを有している。
【００１６】
湾曲部２０ａは、水の流入に対して最も上流側に位置され、固体蓄熱材１３ａを含む混合蓄熱材１３の上面よりも上方に位置している。すなわち、本実施形態の湾曲部２０ａは、開放湾曲部として形成されている。また特に、本実施形態における開放湾曲部としての湾曲部２０ａは、その全体が混合蓄熱材１３の上面と蓋板１２ｂの下面とで形成される空間１５に配置され混合蓄熱材１３の上面から上方に位置する構成である。そのため、湾曲部２０ａは、その上部に混合蓄熱材１３が配置されないため、同混合蓄熱材１３の荷重を上方から受けるということがない。従って、伝熱管１４は、混合蓄熱材１３に完全に埋設されている伝熱管と比較して上下方向の伸びが規制されにくい構成となっている。
【００１７】
またさらに、本実施形態では、直線部１９のうち、湾曲部２０ａと直結する直線部１９ａは混合蓄熱材１３の内部に配置されている。しかし、直線部１９ａは、直結する湾曲部２０ａが開放湾曲部であるとともに鉛直方向に直線状に配置されているため、混合蓄熱材１３の荷重を上方から受けることなく上下方向に移動し得る。
【００１８】
湾曲部２０ｂは、ケース本体１２ａの長手方向に沿う湾曲部２０のうち、前記湾曲部２０ａを除いた部分である。湾曲部２０ｂは、湾曲部２０ａと異なり、その全体が混合蓄熱材１３の内部に埋設されている。従って、湾曲部２０ｂの内部を流通する熱媒体としての水は、湾曲部２０ａの内部を流通する場合よりも効率よく熱交換することができるようになっている。また、湾曲部２０ｃは、湾曲部２０ｂと配置される方向が直交する点で異なるが、同様な構成である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、ケース本体１２ａ内において、前記伝熱管１４の蛇行部間には加熱手段としての複数のヒータ１６が埋設されている。すなわち、ヒータ１６は、前記蓋板１２ｂ（図２にて省略）を貫通してケース本体１２ａ内部に導入され、前記伝熱管１４の蛇行する谷部に挿入するようにして収容されている。そして、ヒータ１６は、混合蓄熱材１３内にてＵ字状に曲折された後、再び前記蓋板１２ｂを貫通して容器１２外部に導出されている。
【００２０】
次に、蓄熱装置１１の作用について説明する。
ヒータ１６が通電されて発熱すると、混合蓄熱材１３が加熱されて熱を蓄える。そして、混合蓄熱材１３が十分に蓄熱すると蓄熱装置１１が稼働する。このような蓄熱装置１１の稼働時においては、負荷装置（図示しない）への蒸気供給の要求に応じて、伝熱管１４に水の流入及び停止が繰り返される。そして、この状態で供給された水は、伝熱管１４を介して混合蓄熱材１３の蓄熱と熱交換され、蒸気として流出部１４ｂから負荷装置へ流出される。
【００２１】
また、このように蓄熱装置１１が稼働する状態では、伝熱管１４は略４５０℃の温度状態となっている。一方で、伝熱管１４に流入される水は略２０℃となっている。従って、直線部１９のうち、特に湾曲部２０ａに直結する直線部１９ａは、流入部１４ａ近辺に位置するため、前記した略２０℃の水がほぼそのままの温度で流通される。
【００２２】
すると、同直線部１９ａは急激に温度低下する。それとともに、直線部１９ａは温度低下に伴って収縮をしようとする。また、このように直線部１９ａが温度低下した状態で水の流入が停止されると、次に直線部１９ａは急激に温度上昇する。それとともに、直線部１９ａは温度上昇に伴って膨張しようとする。すなわち、蓄熱装置１１の稼働時においては、特に加熱前の水が流通される直線部１９ａの温度変化が激しい。従って、同直線部１９ａは、水の流入の有無に応じて比較的大きな収縮又は膨張を繰り返して行おうとする。
【００２３】
そして、本実施形態の直線部１９ａは、温度変化に基づく膨張又は収縮動作を、上方から混合蓄熱材１３の荷重による影響を受けることなく上下方向に伸縮運動等（膨張収縮運動）することにより行う。
【００２４】
これに対し、直線部１９のうち、直線部１９ａを除いた直線部１９は、その内部を流通する蒸気（水）が既に加熱されて混合蓄熱材１３の蓄熱温度に近い過熱温度又は飽和温度となっているため、蒸気（水）の流通の有無に応じて急激に温度変化することはない。そのため、直線部１９のうち、流入部１４ａの近傍に位置する直線部１９ａ以外の直線部１９は、直線部１９ａに比して温度変化が小さく、比較的小さな収縮又は膨張しか行わず負担も小さい。
【００２５】
従って、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、伝熱管１４の湾曲部２０に、その上面の少なくとも一部が混合蓄熱材１３（固体蓄熱材１３ａ）の上面よりも上方に位置した開放湾曲部を湾曲部２０ａとして備えた。
【００２６】
従って、湾曲部２０ａに直結した直線部１９ａは、温度変化に伴う膨張又は収縮において、固体蓄熱材１３ａによる影響が抑制された状態で上下方向に伸縮等することができる。すなわち、伝熱管１４の熱膨張に基因する伸縮動作に対して混合蓄熱材１３の荷重等の影響を軽減し、その動作を許容することで伝熱管１４の破損故障を未然に防止することができる。
【００２７】
（２）また、上記実施形態では、熱媒体としての水の流入に対して最も上流側に配置された湾曲部を、開放湾曲部として設けた。
従って、伝熱管１４のうち、伸縮率が最も高く、負担も最も大きいとされる直線部１９ａの膨張収縮運動を容易にさせることができる。
【００２８】
また、熱媒体としての水の流入に対して最も上流側に配置された湾曲部のみを、開放湾曲部として設けたため、全ての湾曲部２０を開放湾曲部として設ける場合と比較して、伝熱管１４内を流通する熱媒体としての水の熱交換を効率的に行うことができる。
【００２９】
（３）またさらに、上記実施形態では、湾曲部２０ａの全体を混合蓄熱材１３（固体蓄熱材１３ａ）の上面から上方に配置するとともに、空間１５に配置した。
【００３０】
従って、湾曲部２０ａの全体が混合蓄熱材１３の上面より上方に位置しない場合と比較して、上記（１）の効果を大きくすることができる。すなわち、このようにすることにより、直線部１９ａは、固体蓄熱材１３ａの荷重を湾曲部２０ａの上面から受けることなく、上下方向への直線的な膨張収縮運動を行うことができる。
【００３１】
また、湾曲部２０ａは、混合蓄熱材１３内に配置されないが、密閉された高温の空間１５内に位置するため、伝熱管内を流れる水の熱交換効率が下がるのを防止できる。
【００３２】
（４）またさらに、上記実施形態では、湾曲部２０ａを、固体蓄熱材１３ａのみならず、同固体蓄熱材１３ａを含む混合蓄熱材１３の上面よりも上方に位置させた。
【００３３】
従って、直線部１９ａは、混合蓄熱材１３による湾曲部２０ａの上面からの荷重による影響を受けることなく、上下方向への直線的な膨張収縮運動を行うことができる。
【００３４】
（５）上記実施形態では、ヒータ１６を伝熱管１４の蛇行部の谷部に近接して配置した。
従って、蓄熱温度が低下した場合でも、ヒータ１６の加熱動作にて容易に伝熱管１４に熱を与えることができ、追い炊きが可能である。
【００３５】
なお、上記実施形態は以下のような別例に変更して具体化してもよい。
○上記実施形態では、湾曲部２０ａを、その全体が混合蓄熱材１３（固体蓄熱材１３ａ）の上面より上方に位置する開放湾曲部として設けた一方で、直線部１９を混合蓄熱材１３の内部に配置したが、開放湾曲部を備えれば伝熱管１４をどのように配置してもよい。
【００３６】
例えば、図３（ａ）に示すように、湾曲部２０ａの上部の一部のみが、混合蓄熱材１３又は固体蓄熱材１３ａの上面から突出するようにしてもよい。さらに、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、湾曲部２０ａの上面の一部のみが、混合蓄熱材１３又は固体蓄熱材１３ａの上面より上方に位置しているものであってもよい。これらの場合であっても、上記実施形態と略同様の効果が得られる。
【００３７】
さらに、図３（ｄ）の実線に示すように、湾曲部２０ａに加えて直線部１９ａの一部が、混合蓄熱材１３の上面より上方に位置していてもよい。特にこの場合にあっては、直線部１９ａ又は湾曲部２０ａにおける上下方向への膨張又は収縮のみならず、図３（ｄ）の２点鎖線に示すように、左右方向への膨張又は収縮が発生しても空間１５にて変形可能である。なお、図３（ｅ）に示すように、湾曲部２０ａの上面の少なくとも一部が、混合蓄熱材１３の上面よりも上方に位置していれば、直線部１９は傾斜していてもよい。
【００３８】
○上記実施形態では、伝熱管１４を、直線部１９及び湾曲部２０を有する複数のＵ字管のみを組み合わされたように形成したが、上下方向を含むように蛇行していれば、水平方向への蛇行とを組み合せたりしてもよい。
【００３９】
○上記実施形態では、ケース本体１２ａを有底四角筒状に形成したが、どのような形状であってもよい。
○上記実施形態では、伝熱管１４の最上流部に位置する湾曲部２０ａのみを、混合蓄熱材１３の上面より上方に位置する開放湾曲部としたが、湾曲部２０ａの他の湾曲部２０も開放湾曲部として形成してもよい。また、いずれかの湾曲部２０が開放湾曲部とされていれば、熱媒体の最上流部に位置する湾曲部２０ａを開放湾曲部としなくてもよい。さらに、図４に示すように、全ての湾曲部２０を、混合蓄熱材１３の上面より上方に位置した開放湾曲部として設けてもよい。
【００４０】
○上記実施形態では、一つのケース本体１２ａ内にのみ配置された伝熱管１４に具体化したが、図５に示す蓄熱装置１１としてもよい。すなわち、蓄熱装置１１は、ケース１７，１８を分離可能に備えている。同ケース１７，１８は、それぞれ混合蓄熱材１３、伝熱管１４及びヒータ１６を備えている。
【００４１】
ケース１７に内装された伝熱管１４の流入部１４ａとケース１８に内装された伝熱管１４の流出部１４ｂとは連結フランジ１４ｃ、１４ｄをもって着脱可能に直列接続されている。ケース１７の伝熱管１４の流出部１４ｂは負荷装置（図示しない）に接続されている。ケース１７は蓄熱装置１１の本体とし、蓄熱容量の大半を負担している。また、ケース１７内の伝熱管１４は、その全体が混合蓄熱材１３内に埋設されている。
【００４２】
ケース１８はケース１７よりも熱媒体の上流側に配置されている。ケース１８内の伝熱管１４は、湾曲部２０のうち、最上流部に位置する湾曲部２０ａのみを混合蓄熱材１３の上面より上方に位置するように配置している。従って、蓄熱装置１１に２つのケースを備えることで、前記実施例と同様の作用効果が得られる。そればかりか、比較的低温の熱媒体が流入される上流側のケース１８に位置することで、急激な温度変化による熱衝撃を受けやすく、破損頻度が高い伝熱管の部分的な交換を容易にできる。そのため、消耗した部分を有する伝熱管１４を小さな単位ごとに交換できる。
【００４３】
○上記実施形態では、蓄熱材を混合蓄熱材１３とし、固体蓄熱材１３ａと液状蓄熱材１３ｂとを均一に分布する状態としたが、湾曲部２０ａの上面の少なくとも一部が、固体蓄熱材１３ａよりも上方に位置すれば、この混合方法に限られるものではない。例えば図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、混合蓄熱材１３の上部（上層）に液状蓄熱材１３ｂのみが存在したような場合であって、湾曲部２０ａの上面の少なくとも一部が、固体蓄熱材１３ａの上面よりも上方に位置しているものでもよい。
【００４４】
特にこの場合、直線部１９ａは、湾曲部２０ａの上部に液状蓄熱材１３ｂのみが存在するだけであるため上方からの荷重等による影響を抑制した状態で円滑に動作できる一方で、伝熱管１４内部を流通する熱媒体としての水の熱交換の効率をも向上できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、伝熱管に対する蓄熱材の荷重を軽減し、その動作を許容することで伝熱管の破損故障を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の蓄熱装置の第１実施形態を示す平断面図。
【図２】図１の蓄熱装置の略体平面図。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、この発明の別例における湾曲部を示す概略説明図。
【図４】この発明の蓄熱装置の別例を示す平断面図。
【図５】この発明の蓄熱装置の別例を示す略体平面図。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、この発明の蓄熱装置の別例における湾曲部を示す概略説明図。
【符号の説明】
１１…蓄熱装置、１２ａ…ケース本体、１３…蓄熱材としての混合蓄熱材、１３ａ…固体蓄熱材、１３ｂ…液状蓄熱材、１４…伝熱管、１６…加熱手段としてのヒータ、１９…直線部、２０…湾曲部。
【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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