(57)【要約】【課題】効率の高い蓄熱媒体である気体を用い所定の温度以上の熱を持つ対象物から集熱し、貯蔵し、時間／空間の異なる座標軸で貯蔵熱を取り出すことができる蓄熱装置を提供する。【解決手段】蓄熱容器１１とＴ字型配管１２とＴ字型配管の入熱側１３には開閉バルブ１４と熱交換器１５が設けられ、また、Ｔ字型配管の出熱側１６には開閉バルブ１７と熱交換器１８が設けられている。Ｔ字型配管の入熱側１３には、また、熱交換器１５と取り外し可能にする接続機構１９が設けられている。Ｔ字型配管１２には、温度測定装置２２、圧力測定装置２３、赤外線測定装置２４が取り付けられており、また、基準圧力装置２５と簡易型熱量計２６を備え、昇圧減圧機構２７と、その昇圧減圧機構２７を制御する制御装置２８と電源２９を備えている。【選択図】  図１
2004340558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を蓄熱媒体とし、温度、圧力を一定とすることにより蓄熱する装置であって、
所定の温度、所定の圧力の範囲内の一点に所定の精度の温度圧力条件で静的に精密に制御・安定させ、吸熱を行わせ、
この制御のために温度、圧力、赤外線等の各計測装置を備え、
圧力の精確な計測のための基準圧力装置を備え、
蓄えられた熱量の測定のための簡易型熱量計を備え、
温度が低下する場合は自己の蓄熱媒体より熱を取りだし昇温させ、
熱を吸収するためには前記温度圧力条件を保つ媒体による熱交換、あるいは熱伝導性の良い銅等の金属物質、グラファイト、カーボンナノチューブ等の炭素系物質により外部の前記温度より高温の場所から直接本蓄熱媒体に伝熱し、同材料による同蓄熱装置内の放熱装置により放熱を行い、伝熱対象が前記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、
蓄えられた熱を利用する場合は上記気体を蓄熱装置外に取り出し、前記温度圧力条件の範囲外に移行させることにより蓄積された熱を利用し、
大型化する場合はこの装置の容量の大型化のみならず、複数を接続することを特徴とする温度、圧力を静的に制御する蓄熱装置。
【請求項２】
前記気体は二酸化炭素であり、前記所定の温度の範囲は３０４．２±２Ｋ、所定の圧力の範囲は７．３８±０．１ＭＰａであり、所定の精度は０．２％以下であることを特徴とする請求項１記載の静的制御蓄熱装置。
【請求項３】
前記気体は二酸化炭素とメタノール、エタン、エタノール、エヌペンタン（ｎ−ｐｅｎｔａｎｅ）、エヌプロパノール（ｎ−ｐｒｏｐａｎｏｌ）、エヌブタノール（ｎ−ｂｕｔａｎｏｌ）、ピリヂン（ｐｙｒｉｄｅｎｅ）、水等との混合物であることを特徴とする請求項１記載の静的制御蓄熱装置。
【請求項４】
前記気体は二酸化炭素とメタノールが４対６の割合で混合された混合物であり、所定の温度は約４７３Ｋ、所定の圧力は約７５ｂａｒであり、
蓄えられた熱を利用する場合は温度約３０８Ｋ、圧力約１２５ｂａｒとすることにより熱を取り出すことを特徴とする請求項１記載の静的制御蓄熱装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の静的制御蓄熱装置を発電所、製鉄施設、セメント製造施設等の大量の廃熱発生装置に取り付け、熱の回収、貯蔵、再利用を行い、家屋、工場建家、路面または砂漠、荒野等の太陽熱受熱地域の熱の回収、貯蔵、再利用を行い、蓄熱された装置を取り外し、前記温度圧力条件を保ちながら制御し、遠隔地に運搬することにより熱輸送を可能とすることを特徴とする静的制御蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静的制御蓄熱装置に関し、特に、温暖化物質である二酸化炭素を有効利用し、産業、家庭において環境に放出されている熱を電気エネルギー、機械的エネルギー等に変換することなくそのまま熱として蓄え、必要な時点で熱エネルギーを提供することにより化石燃料消費量を低下させることにより環境問題を大幅に改善するとともに、熱コストを引き下げることによりユーザの各種生活利便性および産業・生活コストを向上することができる静的制御蓄熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の装置としては温水貯蔵、潜熱・化学蓄熱あるいは特許文献１に記載のように氷蓄熱による冷房用低温蓄熱装置、あるいはヒートポンプに代表される温度、圧力が系の中で超臨界状態から亜臨界状態へダイナミック変化する非静的装置であった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２５３２５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、温水貯蔵の場合は水の熱容量以上の熱を蓄えることは不可能であるとともに、ほとんどの場合は夜間電力を利用したシステムであり、環境に放出される廃熱あるいは太陽熱を回収するものではなく、特許文献１記載の方式では冷房のための低温供給が目的であり、ヒートポンプの場合は汲み上げられた熱を貯蔵することなくその場で使用することが目的であり、いずれも熱を効率的に大容量貯蔵できないといった短所があった。
【０００５】
化石燃料による発電ではエネルギーとして供給される割合は３５％と言われており、残りの６５％は発電ロスおよび送電ロスとして最終的には熱の形で環境に放出されている。
【０００６】
家庭・産業の建家においては太陽熱として屋根、壁面に供給される熱エネルギーは捕集されず、室内に伝えられた熱を除去するため、冷房装置を使いその熱も環境に放出されている。また、ガス給湯器の場合も約１０％が廃熱として散逸し、利用されていない。
路面に太陽熱として供給される熱も同様で、自動車の廃熱と相俟ってヒートアイランド現象が起きている。
【０００７】
これらの熱を効率的に回収・貯蔵が可能で必要な時点、必要な地点で再度熱エネルギーとして利用可能であることが望ましい。これが可能となると、発電効率の向上、環境負荷改善はもとより、化石燃料発電所の負荷追従運転をある程度回避され、また建家、路面への太陽熱を利用することにより生活コストの改善が可能となるのみならず、道路、歩道の所有者である自治体がエネルギー供給をすることが可能となる。
【０００８】
また、京都議定書の結果相当量の二酸化炭素削減を参加国は求められているため、この対策の一つとしてＣＯ２の地下処分が考えられているが、単なる厄介物の処分であり、漏れた場合を考えて住民の反対にあっている。しかし、この二酸化炭素を熱エネルギー貯蔵装置と考えると処分場当たり数億トンが貯蔵される場合には、ほぼ無限の熱エネルギー貯蔵場所となるため、住民感情も全く異なってくる。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、効率の高い蓄熱媒体である二酸化炭素を用い３０４．２Ｋ以上の熱を持つ対象物から集熱し、貯蔵し、時間／空間の異なる座標点で貯蔵熱を取り出すことができる蓄熱装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る静的制御蓄熱装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１１】
第１の静的制御蓄熱装置（請求項１に対応）は、気体を蓄熱媒体とし、温度、圧力を一定とすることにより蓄熱する装置であって、所定の温度、所定の圧力の範囲内の一点に所定の精度で静的に精密に制御・安定させ、吸熱を行わせ、この制御のために温度、圧力、赤外線等の各計測装置を備え、圧力の精確な計測のための基準圧力装置を備え、蓄えられた熱量の測定のための簡易型熱量計を備え、温度が低下する場合は自己の蓄熱媒体より熱を取りだし昇温させ、熱を吸収するためには上記温度圧力条件を保つ媒体による熱交換、あるいは熱伝導性の良い銅等の金属物質、グラファイト、カーボンナノチューブ等の炭素系物質により外部の上記温度より高温の場所から直接本蓄熱媒体に伝熱し、同材料により同蓄熱装置内に放熱装置により放熱を行い、伝熱対象が上記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、蓄えられた熱を利用する場合は可能な限り温度を一定とし、圧力を上記範囲外に移行させることにより蓄積された熱を利用し、大型化する場合はこの装置の容量の大型化のみならず、複数を接続することで特徴づけられる。
【００１２】
第１の静的制御蓄熱装置によれば、文献（Ｒｅｉｄ，ｅｔ  ａｌ．，Ｔｈｅ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｇａｓｅｓ  ａｎｄ  Ｌｉｑｕｉｄｓ；４ｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ．ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ；Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８７）に記載されるように二酸化炭素の臨界点は３０４．２Ｋ，７．３８ＭＰａであり、この点において過剰エンタルピーは急激に変化し、理論的には無限大となる。これは、媒体の熱容量が非常に大きいことを意味する。既存物質の熱容量とは比較にならない。この現象を利用し、自己保温型の精密な圧力制御機構、熱伝導物質による直接熱伝達、さらには収熱装置が上記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、より多くの熱を蓄熱することができる。また、伝熱装置により、蓄熱装置の内部で伝熱を蓄熱媒体に効率良く伝えることができる。
【００１３】
第２の静的制御蓄熱装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは気体は二酸化炭素であり、所定の温度の範囲は３０４．２±２Ｋ、所定の圧力の範囲は７．３８±０．１ＭＰａであり、所定の精度は０．２％以下であることで特徴づけられる。これにより、二酸化炭素の臨界点である３０４．２Ｋ，７．３８ＭＰａの点において過剰エンタルピーは急激に変化し、理論的には無限大となり、媒体の熱容量を非常に大きくすることができ、自己保温型の精密な圧力制御機構、熱伝導物質による直接熱伝達、さらには伝熱対象が上記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、より多くの熱を蓄熱することができる。また、伝熱装置により、蓄熱装置の内部で伝熱を蓄熱媒体に効率良く伝えることができる。
【００１４】
第３の静的制御蓄熱装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは気体は二酸化炭素とメタノール、エタン、エタノール、エヌペンタン（ｎ−ｐｅｎｔａｎｅ）、エヌプロパノール（ｎ−ｐｒｏｐａｎｏｌ）、エヌブタノール（ｎ−ｂｕｔａｎｏｌ）、ピリヂン（ｐｙｒｉｄｅｎｅ）等との混合物であることで特徴づけられる。これにより、大量の熱を蓄えることができる。
【００１５】
第４の静的制御蓄熱装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは気体は二酸化炭素とメタノールが４対６の割合で混合された混合物であり、所定の温度は約４７３Ｋ、所定の圧力は約７５ｂａｒであり、蓄えられた熱を利用する場合は温度約３０８Ｋ、圧力約１２５ｂａｒとすることにより熱を取り出すことで特徴づけられる。これにより、、大量の熱を蓄えることができる。
【００１６】
第５の静的制御蓄熱装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは静的制御蓄熱装置を発電所、製鉄施設、セメント製造施設等の大量の廃熱発生装置に取り付け、熱の回収、貯蔵、再利用を行い、家屋、工場建家、路面または砂漠、荒野等の太陽熱受熱地域の熱の回収、貯蔵、再利用を行なうことを可能とし、蓄熱された装置を取り外し、上記の条件を保ちながら制御し、遠隔地に運搬することにより熱輸送を可能とすることで特徴づけられる。これにより、熱回収、貯蔵、再利用を可能とし、遠隔地に熱輸送をすることができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る静的制御蓄熱装置の断面図である。静的制御蓄熱装置１０は、蓄熱容器１１とＴ字型配管１２とＴ字型配管の入熱側１３には開閉バルブ１４と熱交換器１５が設けられ、また、Ｔ字型配管の出熱側１６には開閉バルブ１７と熱交換器１８が設けられている。Ｔ字型配管の入熱側１３には、また、熱交換器１５と取り外し可能にする接続機構１９が設けられており、Ｔ字型配管の出熱側１６には、また、熱交換器１８と取り外し可能にする接続機構２０が設けられている。蓄熱容器１１の周りには断熱材を備えた保温用容器２１で覆われている。Ｔ字型配管１２には、温度測定装置２２、圧力測定装置２３、赤外線測定装置２４が取り付けられており、また、基準圧力装置２５と簡易型熱量計２６を備え、昇圧減圧機構２７と、その昇圧減圧機構２７を制御する制御装置２８と電源２９を備えている。
【００１９】
蓄熱容器１１は、熱伝導率が低く高圧に耐えうる材料から成り、蓄熱媒体として二酸化炭素を蓄えるための容器である。その二酸化炭素は、後述する各装置により温度３０４．２±２Ｋ、圧力７．３８±０．１ＭＰａの範囲内の一点に０．２％以下の精度で静的に精密に制御・安定させて蓄えられる。
【００２０】
Ｔ字型配管１２は、蓄熱容器１１に入熱側１３に取り付けられた熱交換器１５からの熱を二酸化炭素に伝え、その熱を蓄熱装置１１に入熱し、蓄熱容器１１から出熱側１６に取り付けられた熱交換器１８に二酸化炭素により熱を出熱するための配管である。
【００２１】
開閉バルブ１４は、Ｔ字型配管１２の入熱側１３から熱の媒体である二酸化炭素の流れを止めたり、流れさせたりするためのバルブであり、熱の入熱あるいは遮断を行うためのものである。
【００２２】
熱交換器１５は、熱源、例えば、発電所、製鉄施設、セメント製造施設等の大量の廃熱発生装置の熱放出部から熱を導入するための装置である。そして、熱交換器１５の熱導入部３０から、熱導入部３１に熱交換し、開閉バルブ１４を開いたときにＴ字型配管１２を通して熱媒体である二酸化炭素により熱を蓄熱装置に導入する。熱導入部３０、３１及び熱交換器１５は、熱伝導性の良い銅等の金属物質、グラファイト、カーボンナノチューブ等の炭素系物質により外部の上記温度より高温の場所から直接本蓄熱媒体に伝熱し、同材料により同蓄熱装置内に放熱装置により放熱を行い、伝熱対象が上記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備える。
【００２３】
開閉バルブ１７は、Ｔ字型配管１２の出熱側１６から熱の媒体である二酸化炭素の流れを止めたり、流れさせたりするためのバルブであり、熱の出熱あるいは遮断を行うためのものである。
【００２４】
熱交換器１８は、蓄熱装置から利用する熱を熱放出部３２から伝達するための装置である。そして、熱交換器１８の熱伝達部３３から、熱放出部３２に熱交換し、開閉バルブ１７を開いたときにＴ字型配管１２を通して熱媒体である二酸化炭素により熱を蓄熱装置から熱を利用するための熱伝導体に伝導する。
【００２５】
接続機構１９，２０は、蓄熱装置１０を熱交換器１５，１８から取り外し、あるいは接続するための装置である。これにより、熱源から蓄熱装置１０だけを取り外し、蓄熱容器１１だけを輸送することができる。
【００２６】
保温容器２１は、蓄熱容器を外気、光、熱から遮断するためのものである。温度測定装置２２は、蓄熱容器内の二酸化炭素の温度を測定するための装置である。そして、その測定された温度データは、制御装置２８に入力される。圧力測定装置２３は、蓄熱容器１１内の圧力を測定する装置であり、その測定された圧力データは、制御装置２８に入力される。赤外線測定装置２４は、蓄熱媒体を透過する赤外線を検出する装置であり、その赤外線の強度、スペクトルは制御装置２８に入力される。基準圧力装置２５は、蓄熱容器１１内の圧力を一定に保つための基準となる圧力を制御装置２８に入力するものである。簡易型熱量計２６は、蓄熱容器１１内の熱量を測定し、その熱量データを制御装置２８に入力するものである。昇圧減圧機構２７は、測定された圧力データ、温度データ、に基づいて、所定の超臨界状態に保つための昇圧、減圧をする装置である。制御装置２８は、圧力測定装置２３からの圧力データと、温度測定装置２２からの温度データと、赤外線測定装置２４からの赤外線データと、簡易型熱量計２６からの熱量データ、基準圧力装置２５からの基準圧力データの入力値に基づいて、蓄熱するときには、温度３０４．２±２Ｋ、圧力７．３８±０．１ＭＰａの範囲内の一点に０．２％以下の精度で静的に精密に制御・安定させるために昇圧減圧機構を制御する。なお、蓄熱媒体は二酸化炭素とメタノール、エタン、エタノール、エヌペンタン（ｎ−ｐｅｎｔａｎｅ）、エヌプロパノール（ｎ−ｐｒｏｐａｎｏｌ）、エヌブタノール（ｎ−ｂｕｔａｎｏｌ）、ピリヂン（ｐｙｒｉｄｅｎｅ）等との混合物でもよく、メタノールの場合は例えば二酸化炭素４対メタノール６の割合で温度約４７３Ｋ、圧力約７５ｂａｒに静的に精密に制御・安定させ、吸熱を行わせ、蓄えられた熱を利用する場合は温度約３０８Ｋ、圧力約１２５ｂａｒとすることにより熱を取り出すようにすれば良い。
【００２７】
次に、本実施形態に係る静的制御蓄熱装置１０の動作を説明する。
【００２８】
まず、初期起動は、図２に示すように蓄熱容器１１を二酸化炭素ボンベ４０により、冷却しながら、二酸化炭素を導入し、昇温後、所定の温度、圧力状態に制御する。
【００２９】
次に、蓄熱容器１１を熱交換器１５，１８に取り付け、熱交換器１５の熱導入部３０を熱源、例えば、発電所、製鉄施設、セメント製造施設等の大量の廃熱発生装置に取り付ける。そして、開閉バルブ１４を開く。それにより、Ｔ字型配管１２の入熱側１３から熱の媒体である二酸化炭素が流れ、熱の入熱が行われる。
【００３０】
Ｔ字型配管１２において、蓄熱容器１１に入熱側１３に取り付けられた熱交換器１５からの熱を二酸化炭素に伝え、その熱を蓄熱装置１１に入熱する。
【００３１】
このとき、保温容器２１は、蓄熱容器を外気、光、熱から遮断されている。温度測定装置２２により蓄熱容器１１内の二酸化炭素の温度を測定し、そして、その測定された温度データは、制御装置に入力され、圧力測定装置２３による蓄熱容器内の圧力と蓄熱容器内の圧力を一定に保つための基準圧力装置２５の各圧力及び圧力差を測定し、その測定された圧力データは、制御装置に入力され、赤外線測定装置は、蓄熱媒体を通過する赤外線を検出し、その赤外線の強度、スペクトルは制御装置に入力され、簡易型熱量計２６により、蓄熱容器内の熱量を測定し、その熱量データを制御装置に入力する。そして、測定された圧力データ、温度データ、に基づいて、超臨界状態に保つために、昇圧、減圧をする。このとき、制御装置２８は、圧力測定装置２３からの圧力データと、温度測定装置２２からの温度データと、赤外線測定装置２４からの赤外線データと、簡易型熱量計２６からの熱量データ、基準圧力装置からの基準圧力データの入力値に基づいて、蓄熱するときには、温度３０４．２±２Ｋ、圧力７．３８±０．１ＭＰａの範囲内の一点に０．２％以下の精度で静的に精密に制御・安定させる。
【００３２】
熱を利用する場合は、開閉バルブ１７を開き、Ｔ字型配管１２の出熱側１６から熱の媒体である二酸化炭素を流れさせたりする。それにより、熱の出熱が行われる。例えば、出熱側１６にスターリングエンジン等の動力装置や発電機を接続することによって熱を動力源や電力源として用いることができる。
【００３３】
このように、自己保温型の精密な圧力制御機構、熱伝導物質による直接熱伝達、さらには伝熱対象が上記温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、より多くの熱を蓄熱することができる。また、伝熱装置により、蓄熱装置の内部で伝熱を蓄熱媒体に効率良く伝えることができる。
【００３４】
図３は、他の実施例である。屋根４１の上に瓦などで一面にしき、それを太陽熱受熱装置４２とし、その熱を熱伝導率の高い金属やカーボンナノチューブやグラファイトの熱伝導体４３で熱伝導させ、放熱板１１Ａを備えた蓄熱容器１１に蓄熱するようにしたものである。また、この装置では、機械的な逆流防止熱伝導路遮断装置４４が設けられ、蓄熱槽内に放熱板が設けられている。これにより、蓄熱が容易に大量にできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３６】
自己保温型の精密な圧力制御機構、熱伝導物質による直接熱伝達、さらには伝熱対象が蓄熱媒体の超臨界状態となる温度以下となった場合は機械的に伝熱線路を遮断し、熱の逆流を防ぐことを防止する装置を備え、より多くの熱を蓄熱することができる。また、伝熱装置により、蓄熱装置の内部で伝熱を蓄熱媒体に効率良く伝えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る静的制御蓄熱装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る静的制御蓄熱装置の初期起動ユニットを示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る静的制御蓄熱装置を示す図である。
【符号の説明】
１０          静的制御蓄熱装置
１１          蓄熱容器
１２          Ｔ字型配管
１３          入熱側
１４          開閉バルブ
１５          熱交換器
１６          出熱側
１７          開閉バルブ
１８          熱交換器
１９          接続機構
２０          接続機構
２１          保温用容器
２２          温度測定装置
２３          圧力測定装置
２４          赤外線測定装置
２５          基準圧力装置
２６          簡易型熱量計
２７          昇圧減圧機構
２８          制御装置
【図１】
2004340558.tif 000003
【図２】
2004340558.tif 000004
【図３】
2004340558.tif 000005