(57)【要約】【課題】潜熱蓄熱材に流動性を持たせ、かつ、攪拌具などを必要とせずに潜熱蓄熱材を確実に攪拌することができ、殊更大きな熱交換器を使用することなく、潜熱蓄熱材の流動に伴う効率の良い熱交換を図り得る潜熱蓄熱装置。【解決手段】潜熱蓄熱材を収容する蓄熱槽を備え、熱源用熱交換器６と負荷用熱交換器７が蓄熱槽内に配設されている潜熱蓄熱装置で、潜熱蓄熱材が、カプセル内に封入された多数のカプセル蓄熱材２と液状蓄熱材３からなる混合蓄熱材４で構成され、蓄熱槽が、その内部が減圧された減圧蓄熱槽１で構成され、熱源用熱交換器６が、減圧蓄熱槽１の下部に収容される混合蓄熱材４内においてその混合蓄熱材４の下方に配設され、負荷用熱交換器７が、減圧蓄熱槽１の上部に形成される減圧空間５内に配設されている。【選択図】        図１
2004225964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱材を収容する蓄熱槽を備え、熱源用熱交換器と負荷用熱交換器が前記蓄熱槽内に配設されている潜熱蓄熱装置であって、
前記潜熱蓄熱材が、カプセル内に封入された多数のカプセル蓄熱材と液状蓄熱材からなる混合蓄熱材で構成され、
前記蓄熱槽が、その内部が減圧された減圧蓄熱槽で構成され、
前記熱源用熱交換器が、前記減圧蓄熱槽の下部に収容される前記混合蓄熱材内においてその混合蓄熱材の下方に配設され、
前記負荷用熱交換器が、前記減圧蓄熱槽の上部に形成される減圧空間内に配設されている潜熱蓄熱装置。
【請求項２】
前記減圧空間に連通するドレン分離タンクが、前記減圧蓄熱槽の外部に設けられ、そのドレン分離タンク内のガスを外部へ抽気するガス抽気手段と、前記ドレン分離タンク内の凝縮液を前記減圧蓄熱槽へ還元する凝縮液還元路が設けられている請求項１に記載の潜熱蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜熱蓄熱材を収容する蓄熱槽を備え、熱源用熱交換器と負荷用熱交換器が前記蓄熱槽内に配設されている潜熱蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような潜熱蓄熱装置は、例えば、コージェネレーションなどで熱の回収を行うに際し、熱の需要と供給の間で時間的な差異がある場合に、その時間差を解消するために使用されるもので、従来、潜熱蓄熱材としてパラフィンを使用し、そのパラフィンにブラシ状の炭素繊維を１％未満混合した複合蓄熱材を開放型蓄熱槽内に収容したものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
「第３７回日本伝熱シンポジウム講演論文集」、２０００年５月、第３〜４頁、「パラフィン／炭素繊維複合蓄熱材を用いた潜熱蓄熱槽内の伝熱」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来公知の装置では、潜熱蓄熱材が、ほとんどパラフィンで占められるため、固相時にはほとんど流動せず、また、液相時においても粘度が高くて流動性に乏しく、潜熱蓄熱材の流動による効率の良い熱交換を期待することは不可能である。そのため、蓄熱槽内全体にわたって熱交換器を満遍なく配設し、かつ、ブラシ状の炭素繊維を併用して熱交換の効率化を図っている。
したがって、この公知の装置では、蓄熱槽全体に満遍なく配設するための大きな熱交換器を必要とし、そのために装置のコストアップを招くという欠点があり、さらに、熱交換効率改善のため、例えば、熱交換器に伝熱用フィンを設ける場合には、より一層のコストアップを招くことになる。
【０００５】
そこで、潜熱蓄熱材としてパラフィンを使用しながら、その潜熱蓄熱材に流動性を持たせる方法として、例えば、パラフィンを微小なカプセル内に封入して、その多数のカプセルと水とを混合したものを蓄熱材として使用することが考えられる。その場合には、蓄熱材の流動に伴う熱交換の効率化が可能となるため、必ずしも蓄熱槽全体にわたって熱交換器を満遍なく配設する必要はない。
しかし、その反面、蓄熱材を積極的に攪拌する必要が生じるため、攪拌具などを必要とし、必ずしも満足できるコストダウンを図れるとは限らない。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、潜熱蓄熱材に流動性を持たせ、かつ、攪拌具などを必要とせずに潜熱蓄熱材を確実に攪拌することができ、殊更大きな熱交換器を使用することなく、潜熱蓄熱材の流動に伴う効率の良い熱交換を図り得る潜熱蓄熱装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の特徴構成は、潜熱蓄熱材を収容する蓄熱槽を備え、熱源用熱交換器と負荷用熱交換器が前記蓄熱槽内に配設されている潜熱蓄熱装置であって、前記潜熱蓄熱材が、カプセル内に封入された多数のカプセル蓄熱材と液状蓄熱材からなる混合蓄熱材で構成され、前記蓄熱槽が、その内部が減圧された減圧蓄熱槽で構成され、前記熱源用熱交換器が、前記減圧蓄熱槽の下部に収容される前記混合蓄熱材内においてその混合蓄熱材の下方に配設され、前記負荷用熱交換器が、前記減圧蓄熱槽の上部に形成される減圧空間内に配設されているところにある。
【０００８】
請求項１の発明の特徴構成によれば、潜熱蓄熱材が、カプセル内に封入された多数のカプセル蓄熱材と液状蓄熱材からなる混合蓄熱材で構成されているので、その混合蓄熱材の流動に伴う熱交換の効率化が可能となる。
したがって、蓄熱槽全体にわたって満遍なく熱源用熱交換器や負荷用熱交換器を配設する必要がなく、熱交換器の小型化が可能となり、熱交換器の小型化によるコストダウンを図ることができる。
【０００９】
そして、その混合蓄熱材を収容する蓄熱槽が、内部が減圧された減圧蓄熱槽で構成され、熱源用熱交換器が、減圧蓄熱槽の下部に収容される混合蓄熱材内においてその混合蓄熱材の下方に配設されているので、熱源用熱交換器により混合蓄熱材を加熱すると、１００℃以下の比較的低い温度で混合蓄熱材中の液状蓄熱材が沸騰することになる。
その沸騰に伴う気泡は、熱源用熱交換器の近傍、つまり、混合蓄熱材の下方で発生して上昇するため、沸騰に伴う気泡によって混合蓄熱材が自動的に攪拌される。したがって、特別な攪拌具などを必要とすることなく、混合蓄熱材を確実に攪拌して効率的な熱交換が可能となる。
【００１０】
さらに、負荷用熱交換器が、減圧蓄熱槽の上部に形成される減圧空間内に配設されているので、減圧空間内の蒸気が負荷用熱交換器に接触することにより凝縮して凝縮熱を放出し、その凝縮熱によって、例えば、負荷用熱交換器を通流する負荷用の水が効率良く加熱される。
その際、蒸気の凝縮により減圧空間の圧力が低下し、場合によっては、減圧空間の圧力低下により混合蓄熱材が沸騰することもあり、その場合には、沸騰に伴う気泡で混合蓄熱材が攪拌されて、カプセル蓄熱材と液状蓄熱材との間での熱伝導が促進され、その結果、効率的な熱交換が可能となる。
【００１１】
請求項２の発明の特徴構成は、前記減圧空間に連通するドレン分離タンクが、前記減圧蓄熱槽の外部に設けられ、そのドレン分離タンク内のガスを外部へ抽気するガス抽気手段と、前記ドレン分離タンク内の凝縮液を前記減圧蓄熱槽へ還元する凝縮液還元路が設けられているところにある。
【００１２】
請求項２の発明の特徴構成によれば、減圧空間に連通するドレン分離タンクが、減圧蓄熱槽の外部に設けられ、そのドレン分離タンク内のガスを外部へ抽気するガス抽気手段が設けられているので、減圧蓄熱槽内で発生した水素や外部から洩れ込んだ空気などの非凝縮性ガスが減圧空間内に滞留して、蒸気と負荷用熱交換器との間における熱交換を阻害するおそれがある場合、ガス抽気手段により非凝縮性ガスを外部へ抽気して、蒸気と負荷用熱交換器との間における熱交換を所望どおりに維持することができる。
その際、非凝縮性ガスと一緒に吸引された蒸気は、凝縮してドレン分離タンク内に溜まることになり、ドレン分離タンク内に溜まった凝縮液は、凝縮液還元路により減圧蓄熱槽へ還元されるので、混合蓄熱材における液状蓄熱材の減少が抑制され、長期間にわたって所望どおりの作用を期待することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による潜熱蓄熱装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この潜熱蓄熱装置は、図１に示すように、その内部が大気圧よりも低い圧力、例えば、真空に近い状態にまで減圧された気密でかつ断熱構造の減圧蓄熱槽１を備え、その減圧蓄熱槽１内には、例えば、粒子径が１μｍ程度の微小な球状のメラミン樹脂製カプセル内に潜熱蓄熱材としてのパラフィンが封入された多数のマイクロカプセル蓄熱材２と、液状の潜熱蓄熱材としての水３からなる混合蓄熱材４が収容され、減圧蓄熱槽１の上部には、減圧空間５が形成されている。
【００１４】
マイクロカプセル蓄熱材２は、水３に近い比重を有し、パラフィン固化時で９９０ｋｇ／ｍ３程度、パラフィン融解時で９６０〜９７０ｋｇ／ｍ３程度であり、したがって、水３と混合しても、全体にわたってほぼ均一に分散し、水３の上部に凝集するようなことはない。
このようなマイクロカプセル蓄熱材２が、混合蓄熱材４中において１０〜６０重量％、好ましくは、４０〜５０重量％の範囲内になるように設定されて水３と混合されている。したがって、特定の温度範囲内においては、水３のみを単独で使用する場合と比較して、蓄熱量を大幅に向上させることができる。
【００１５】
すなわち、水の場合であれば、比熱容量が４．１９ｋｊ／ｋｇ・Ｋ（キロジュール／キログラム・ケルビン）であり、例えば、温度を６０℃から５℃上昇させて６５℃にするには、下記の数式より２０．９５ｋｊ／ｋｇ（キロジュール／キログラム）の熱量が必要となる。
【００１６】
【数１】
４．１９（ｋｊ／ｋｇ・Ｋ）×５（Ｋ）＝２０．９５（ｋｊ／ｋｇ）
【００１７】
それに対して、マイクロカプセル蓄熱材２を構成するパラフィン５０重量％の場合であれば、比熱容量が３．２ｋｊ／ｋｇ・Ｋで、融解熱が８０ｋｊ／ｋｇであるから、下記の数式より９６ｋｊ／ｋｇの熱量が必要となる。
【００１８】
【数２】
３．２（ｋｊ／ｋｇ・Ｋ）×５（Ｋ）＋８０（ｋｊ／ｋｇ）＝９６（ｋｊ／ｋｇ）
【００１９】
したがって、パラフィンが封入されたマイクロカプセル蓄熱材２の場合、水と比較して（９６／２０．９５）≒４．６、つまり、約４．６倍の蓄熱が可能となる。
【００２０】
しかし、マイクロカプセル蓄熱材２の混合比が増えると、粘性が上昇して流動性が悪くなり、熱交換の効率が低下することになるので、上述したように、混合蓄熱材４中において１０〜６０重量％、好ましくは、４０〜５０重量％の範囲内になるように設定する必要がある。
例えば、マイクロカプセル蓄熱材２の混合比が４０重量％の場合、温度が６０℃〜７０℃の範囲において、約７．８ｍＰａ・ｓ（ミリパスカル・秒）の粘度を有し、これは水の約１０倍の粘度に相当する。しかし、油のような流動性があって十分に実施可能であり、温度範囲によっては６０重量％程度まで実施可能となる。
【００２１】
このような混合蓄熱材４が収容された減圧蓄熱槽１において、その減圧蓄熱槽１の下方には、混合蓄熱材４内に位置するように熱源用熱交換器６が配設され、減圧蓄熱槽１の上方には、減圧空間５内に位置するように負荷用熱交換器７が配設されている。
減圧蓄熱槽１の上部には、減圧空間５に連通する筒部１ａが突設され、その筒部１ａ内に負荷用熱交換器７の基端部が配設されて、その筒部１ａに管台８が連通接続されている。その管台８は、ドレン用配管９を介して減圧蓄熱槽１の外部に設けられたドレン分離タンク１０に連通接続され、そのドレン分離タンク１０には、ドレン分離タンク１０内のガスを外部へ抽気するガス抽気手段１１が接続されている。
【００２２】
ガス抽気手段１１は、ドレン分離タンク１０に連通接続されたガス用配管１２、そのガス用配管１２を介してドレン分離タンク１０内のガスを吸引して外部へ排出する吸引ポンプ１３、および、ガス用配管１２に介装された電磁弁１４などで構成されている。
その吸引ポンプ１３と電磁弁１４は、制御装置１５により制御され、減圧蓄熱槽１内の混合蓄熱材４の温度を検出する第１温度センサＴ１と管台８内のドレンの温度を検出する第２温度センサＴ２からの信号が、制御装置１５に入力されるように構成されている。
そして、ドレン分離タンク１０の底部には、減圧蓄熱槽１の減圧空間５内に開口するＵ字状の凝縮液還元路１６が連通接続されて、ドレン分離タンク１０内の凝縮液が減圧蓄熱槽１内へ還元されるように構成されている。
【００２３】
つぎに、この潜熱蓄熱装置の作動について説明する。
潜熱蓄熱装置への蓄熱に際しては、例えば、図外ボイラーからの温水などを熱源用熱交換器６へ流通させて、混合蓄熱材４との間で熱交換させる。その際、減圧蓄熱槽１内部が真空に近い減圧状態であるため、１００℃以下の比較的低い温度の温水であっても、熱源用熱交換器６の表面で水３の沸騰が起こり、大きな気泡が発生して混合蓄熱材４中を上昇する。
したがって、その気泡により混合蓄熱材４が自動的に攪拌され、混合蓄熱材４は、全体にわたってほぼ均一な温度に上昇される。換言すると、熱源用熱交換器６からの熱が、混合蓄熱材４全体にわたってほぼ均一に蓄熱される。
【００２４】
潜熱蓄熱装置からの放熱に際しては、例えば、負荷用の水などを負荷用熱交換器７へ通流させて、減圧空間５内の蒸気との間で熱交換させる。つまり、減圧空間５内の蒸気よりも低い温度の水を通流させることで、負荷用熱交換器７の表面に接触している蒸気が凝縮して凝縮熱を放出する。その凝縮熱によって負荷用熱交換器７内の水が加熱されるとともに、負荷用熱交換器７表面の圧力が低下して蒸気の流れが発生し、かつ、その蒸気の流れが連続して発生するため、負荷用熱交換器７内の水は、連続的に、かつ、確実に加熱される。
同時に、減圧空間５内の圧力低下に伴って、混合蓄熱材４の水３が再び沸騰し、大きな気泡の発生によって混合蓄熱材４が攪拌される。したがって、混合蓄熱材４は、常に全体にわたってほぼ均一な温度に維持され、また、マイクロカプセル蓄熱材２と水３との間の熱伝導も良好に維持されることにより、混合蓄熱材４の熱量が、全て負荷用熱交換器７に熱伝達されることになる。
【００２５】
潜熱蓄熱装置の作動中、減圧蓄熱槽１内で発生した水素や外部から洩れ込んだ空気などの非凝縮性ガスが負荷用熱交換器７の表面近くに滞留すると、減圧空間５内の蒸気と負荷用熱交換器７内の水との間における熱交換が阻害されることになる。そのような不都合を回避するため、第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２からの信号が、連続的あるいは一定時間ごとに間歇的に制御装置１５へ入力される。
すなわち、非凝縮性ガスが負荷用熱交換器７の表面近くに滞留すると、その非凝縮性ガスの一部が、減圧蓄熱槽１の筒部１ａを介して管台８内に流入し、それによって減圧空間５内の蒸気の温度が第２温度センサＴ２に伝わらず、第２温度センサＴ２による検出温度が低下する。
【００２６】
したがって、第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２との温度差を検出することにより、非凝縮性ガスの滞留状態を検出することができる。
具体的には、第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２との温度差が５〜１０℃程度になると、制御装置１５は、非凝縮性ガスが滞留したものと判断して、例えば、一定時間の間、電磁弁１４を開弁するとともに吸引ポンプ１３を作動させる。すると、負荷用熱交換器７の表面近くに滞留していた非凝縮性ガスが蒸気と一緒に吸引される。その際、蒸気はドレン用配管９やドレン分離タンク１０内において外気により冷却されて凝縮し、凝縮液としてドレン分離タンク１０内に溜まり、非凝縮性ガスのみが外部へ排出される。
そして、ドレン分離タンク１０内に溜まった凝縮液は、最終的に凝縮液還元路１６を介して減圧蓄熱槽１内へ還元されるので、混合蓄熱材４における水３の減少が抑制される。
【００２７】
〔別実施形態〕
（１）つぎに、図２に基づいて別の実施形態について説明するが、重複説明を避けるため、先の実施形態で説明した構成部材や同じ作用を有する構成部材については、同じ符号を付すことでその説明を省略し、主として先の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
この図２に示す別の実施形態では、ガス抽気手段１１を構成するために水エゼクター器１７が使用されている。すなわち、先の実施形態における吸引ポンプ１３に代えて、水の噴出に伴って非凝縮性ガスを吸引して外部へ排出するための水エゼクター器１７が使用され、その水エゼクター器１７には、ガス用配管１２に加えて、水用電磁弁１８を有する水用配管１９が接続されている。
【００２８】
そして、この別の実施形態においては、第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２との温度差が５〜１０℃程度になって、制御装置１５が非凝縮性ガスの滞留を検出すると、一定時間の間、電磁弁１４を開弁するとともに水用電磁弁１８を開弁させて、吸引用の水を水エゼクター器１７に送り込む。
すると、水エゼクター器１７での水の噴出に伴うエゼクター効果によって、負荷用熱交換器７の表面近くに滞留していた非凝縮性ガスが蒸気と一緒に吸引され、先の実施形態と同様、非凝縮性ガスのみが外部へ排出され、ドレン分離タンク１０内に溜まった凝縮液は、凝縮液還元路１６を介して減圧蓄熱槽１内へ還元される。
【００２９】
（２）これまでの実施形態では、マイクロカプセル内に封入する潜熱蓄熱材としてパラフィンを例示したが、パラフィン以外にも、溶融塩、液体金属、水和塩などを潜熱蓄熱材として使用してマイクロカプセル内に封入して実施することができ、また、その封入のためのマイクロカプセルは、必ずしも１μｍ程度の微小なものである必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】潜熱蓄熱装置の概略構成図
【図２】別の実施形態による潜熱蓄熱装置の概略構成図
【符号の説明】
１        減圧蓄熱槽
２        カプセル蓄熱材
３        液状蓄熱材
４        混合蓄熱材
５        減圧空間
６        熱源用熱交換器
７        負荷用熱交換器
１０      ドレン分離タンク
１１      ガス抽気手段
１６      凝縮液還元路
【図１】
2004225964.tif 000003
【図２】
2004225964.tif 000004