(57)【要約】【課題】  給湯用途で所定温度（例えば、４２℃）以上の熱を取出す場合に、蓄熱部に貯蔵された熱を高い効率で利用できない。【解決手段】  潜熱蓄熱材が主成分の蓄熱材を充填した複数の蓄熱容器１を積層した蓄熱部と、蓄熱部を加熱する加熱媒体と蓄熱部との第１の熱交換部４と、蓄熱部から吸熱する吸熱媒体と蓄熱材との第２の熱交換部５とを備え、吸熱媒体の入口部に近い蓄熱容器１の蓄熱材の過冷却時の温度が、前記吸熱媒体の出口部に近い前記蓄熱容器１の蓄熱材の過冷却時の温度より低い蓄熱装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱材を含む複数の蓄熱容器を有する蓄熱部と、
前記蓄熱材を加熱する加熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記加熱媒体が流通する第１の熱交換部と、
前記蓄熱材から吸熱する吸熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記吸熱媒体が流通し、前記吸熱媒体の入口部と出口部を有する第２の熱交換部とを備え、
前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度が、前記吸熱媒体の出口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度より低い蓄熱装置。
【請求項２】
潜熱蓄熱材と過冷却防止剤を含む複数の蓄熱容器を有する蓄熱部と、
前記蓄熱材を加熱する加熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記加熱媒体が流通する第１の熱交換部と、
前記蓄熱材から吸熱する吸熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記吸熱媒体が流通し、前記吸熱媒体の入口部と出口部を有する第２の熱交換部とを備え、
前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の過冷却防止剤の濃度が、前記吸熱媒体の出口部に近い前記蓄熱容器の過冷却防止剤の濃度より低い蓄熱装置。
【請求項３】
前記吸熱媒体が水であり、前記蓄熱材中の潜熱蓄熱材が酢酸ナトリウム・３水和物である請求項１または２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度が、２０℃以下である請求項１に記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱部に貯蔵された熱を高い効率で利用できる蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に開示されているように、熱源部の熱を蓄熱部に一旦蓄熱し、この蓄熱部の熱を熱媒体により利用側に供給する蓄熱装置が知られている。この蓄熱装置は、蓄熱材が充填された蓄熱部に熱交換部を設け、この熱交換部の伝熱管に熱媒体としての水を通し、熱媒体により加熱された水を利用側に供給する給湯器等に利用されている。また、蓄熱部の蓄熱材としては、蓄熱量を多く確保するため、潜熱蓄熱材を利用したものが良く検討されている。さらに、給湯用の潜熱蓄熱材としては、酢酸ナトリウム・３水和物が良く検討されている。
【０００３】
また、酢酸ナトリウム・３水和物を用いる場合、例えば特許文献２に開示されているように、炭酸ナトリウム・１水和物、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物、臭素酸バリウム・１水和物、硫酸カルシウム・２水和物、ピロリン酸２水素ナトリウム・６水和物、酢酸第２鉄、塩化第１鉄、塩化第２鉄、塩化カルシウム、臭化カルシウム、塩化第２銅、酒石酸カルシウム、燐酸水素２ナトリウム・１２水和塩、燐酸３ナトリウム・１２水和塩、フッ化物等の過冷却防止剤を添加するのが一般的である。
【特許文献１】特開２００１−２０７１６３号公報
【特許文献２】特開平８−６０１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、給湯用途で所定温度（例えば、４２℃）以上の熱を取出す場合に、蓄熱部の上部に多くの熱量が残るため、取出し熱量が減少し、蓄熱部に貯蔵された熱を高い効率で利用できないという課題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決する蓄熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明の蓄熱装置では、潜熱蓄熱材を含む複数の蓄熱容器を有する蓄熱部と、
前記蓄熱材を加熱する加熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記加熱媒体が流通する第１の熱交換部と、
前記蓄熱材から吸熱する吸熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記吸熱媒体が流通し、前記吸熱媒体の入口部と出口部を有する第２の熱交換部とを備え、
前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度が、前記吸熱媒体の出口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度より低い。
【０００７】
より望ましい構成においては、前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の蓄熱材の過冷却時の温度が、２０℃以下である。
【０００８】
また、本発明の別の蓄熱装置においては、潜熱蓄熱材と過冷却防止剤を含む複数の蓄熱容器を有する蓄熱部と、
前記蓄熱材を加熱する加熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記加熱媒体が流通する第１の熱交換部と、
前記蓄熱材から吸熱する吸熱媒体と前記蓄熱材とが熱交換するように、前記吸熱媒体が
流通し、前記吸熱媒体の入口部と出口部を有する第２の熱交換部とを備え、
前記吸熱媒体の入口部に近い前記蓄熱容器の過冷却防止剤の濃度が、前記吸熱媒体の出口部に近い前記蓄熱容器の過冷却防止剤の濃度より低い。
【０００９】
より望ましくは、前記吸熱媒体が給湯用の水であり、前記蓄熱材中の潜熱蓄熱材が酢酸ナトリウム・３水和物である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の蓄熱装置は、給湯用途で所定温度（例えば、４２℃）以上の熱を取出す場合に、上部に配置した蓄熱材から取出し熱量を増加することができるため、蓄熱部に貯蔵された熱を高い効率で利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１にかかる蓄熱装置の構成図である。蓄熱容器１は、６箇所に蓄熱材を充填できる構成となっており、上から５箇所には第１の蓄熱材２、１番下には第２の蓄熱材３を充填している。また、蓄熱容器１の壁を介して、一方には加熱媒体と蓄熱材との熱交換を行う第１の熱交換部４、他方には吸熱媒体と蓄熱材との熱交換を行う第２の熱交換部５を設けている。さらに、加熱媒体を加熱する熱源部として、圧縮機６、放熱器７、膨張弁８、蒸発器９から構成されるヒートポンプサイクルを設けている。
【００１３】
なお、蓄熱容器１の材質は銅であり、蓄熱材を充填する側の面にはスズめっきが施されている。また、第１の熱交換部４、第２の熱交換部５ともに銅板で囲まれた箱型の構造である。また、吸熱媒体としては給湯用の水を用いている。また、ヒートポンプサイクルの冷媒として、給湯用途に適した二酸化炭素を用いている。また、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３とも、主成分は酢酸ナトリウム・３水和物であり、過冷却防止剤とし、燐酸３ナトリウム・１２水和物を含んでいる。第１の蓄熱材２中の過冷却防止剤の濃度が、第２の蓄熱材３中の過冷却防止剤の濃度より低くなっている。
【００１４】
次に、本実施の形態１にかかる蓄熱装置の動作について説明する。蓄熱時には、加熱媒体は実線の矢印Ａで示す方向に流動する。放熱器７において、高温、高圧となった冷媒と加熱媒体との間で熱交換が行われ、加熱された加熱媒体は第１の熱交換部４の上側から流入し、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３の順に加熱した後、下側から流出し、再び冷媒との熱交換を行うサイクルとして流動する。また、放熱時には、吸熱媒体は破線の矢印Ｂで示す方向に流動し、吸熱媒体が第２の熱交換部５の下側から流入し、第２の蓄熱材３、第１の蓄熱材２の順に吸熱した後、上側から流出し、給湯等の用途に供せられる。
【００１５】
図２に、潜熱蓄熱材に添加した過冷却防止剤の重量濃度による過冷却解除温度に対する影響を示す。これは、潜熱蓄熱材として硫酸ナトリウム・１０水和物、過冷却防止剤として四ホウ酸ナトリウム・１０水和物を用い、過冷却防止剤の濃度を変化させた場合の結果である。図２では、過冷却防止剤の重量濃度が０．２２％以上においては、過冷却解除温度は約２５℃とほぼ一定であり、過冷却防止剤の重量濃度が０．１％以下では、過冷却解除温度が急速に低下している。過冷却防止剤の重量濃度と過冷却解除温度の関係は、蓄熱容器の大きさ等の諸条件により変わるため、定量的な議論は困難であるが、発核が過冷却防止剤を起点として、温度の関数とするある確率で発生するため、定性的には、このように過冷却防止剤の重量濃度が低いと過冷却解除温度が低くなる傾向があることは明確である。この傾向は、酢酸ナトリウム・３水和物でも同様である
図３に、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３に酢酸ナトリウム・３水和物を用い、過冷却防止剤の濃度を等しくした比較例における放熱時の各部温度の時間変化（解析結果）を示す。ここで、条件は、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３の厚み：６ｍｍ、第２の熱交換部５の厚み：２ｍｍ、吸熱媒体の流速：０．００６ｍ／ｓｅｃ、蓄熱装置の高さ：９００ｍｍ、放熱開始時の温度：８０℃、吸熱媒体の第２の熱交換部への入口温度：９℃としている。図に示すように、下部に配置した第２の蓄熱材３から吸熱媒体に放熱して温度が低下していき、次第に上部に配置した第１の蓄熱材２も同様に吸熱媒体に放熱して温度が低下していく。このとき、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３ともに過冷却を生じることなく、凝固を開始する。
【００１６】
図４に、本発明の実施の形態１における放熱時の各部温度の時間変化（解析結果）を示す。ここで、条件は図３と同様である。図４に示すように、下部に配置した第２の蓄熱材３から吸熱媒体に放熱して温度が低下していき、次第に上部に配置した第１の蓄熱材２も同様に吸熱媒体に放熱して温度が低下していく。このとき、第２の蓄熱材３は５８℃の融点から約４０℃過冷却した後、凝固を開始する。
【００１７】
比較例に対する本発明の実施の形態１の効果を明確にするため、図５に本発明の実施の形態１における過冷却時の温度による給湯温度４２℃以上での出湯時間に対する影響（第１の蓄熱材２の過冷却なし、解析結果）を示す。図５は、第１の蓄熱材２と第２の蓄熱材３の過冷却防止剤の濃度を等しくした比較例（いずれも過冷却なし）を基準として、第２の蓄熱材３の過冷却防止材の濃度を低くし、第２の蓄熱材３のみ過冷却する場合について、出湯時間の伸び率を第２の蓄熱材３に対して表している。ここで、第１の蓄熱材２と第２の蓄熱材３のいずれもが過冷却しない場合の出湯効率（＝出湯熱量／第１の蓄熱材２と第２の蓄熱材３の最大熱容量）は８５％である。このように、第２の蓄熱材３の過冷却時の温度が低くなると、出湯時間の伸び率は大きくなる傾向を示しており、特に第２の蓄熱材３の過冷却時の温度２０℃以下でこの傾向が顕著となる。
【００１８】
この理由を明確にするため、図６に、比較例（第１の蓄熱材２と第２の蓄熱材３のいずれも過冷却なし）と本発明の実施の形態１（過冷却度４０ｄｅｇ．）における放熱時に給湯温度（吸熱媒体の取出し温度）が４２℃まで低下した時点での第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３の保有熱量（解析結果）を示す。このように、本発明の実施の形態１では、比較例と比較して、上部に配置した第１の蓄熱材２の保有熱量が低下しており、取出し熱量が増加し、蓄熱装置に貯蔵した熱を高い効率で利用することができる。これは、第２の蓄熱材３において過冷却が生じている間に第１の蓄熱材２から吸熱媒体がより多くの熱量を吸熱しているためであると考えられる。
【００１９】
図７に本発明の実施の形態１における過冷却時の温度による給湯温度４２℃以上での出湯時間に対する影響（第１の蓄熱材２の過冷却あり、解析結果）を示す。図７は、第１の蓄熱材２と第２の蓄熱材３の過冷却防止剤の濃度を等しくした比較例（いずれも過冷却あり）を基準として、第２の蓄熱材３の過冷却防止材の濃度を低くし、第２の蓄熱材３の過冷却度を大きくする場合について、出湯時間の伸び率を比較例に対して表している。図５および図７から、第１の蓄熱材２の過冷却時の温度が出湯温度より高い場合に、第２の蓄熱材３の過冷却防止剤の濃度を第１の蓄熱材２より高くしたことによる出湯時間の伸びが現れている。また、第１の蓄熱材２の過冷却時の温度が出湯温度以上であれば、いずれも第２の蓄熱材３の過冷却時の温度２０℃以下でこの傾向が顕著となる。
【００２０】
なお、本発明の実施の形態１では、蓄熱容器１、第１の熱交換部４、第２の熱交換部５を各々１つずつ配置しているが、図７に示すように、複数の蓄熱容器１、第１の熱交換部４、第２の熱交換部５を水平方向に積層した構成としても良く、図１の構成と同様の効果が得られる。
【００２１】
また、蓄熱時にヒートポンプサイクルの凝縮器７で冷媒との熱交換を行った加熱媒体を第１の熱交換部４に流入させたが、図８に示すように、凝縮器７と第１の熱交換部４を共用し、第１の熱交換部４に直接冷媒を流入させて、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３を加熱する構成としても良く、図１の構成と同様の効果が得られる。
【００２２】
また、本実施の形態１では、加熱媒体、蓄熱媒体の流動方向を鉛直方向としているが、図９に示すように、仕切り板１１を設けて、流動方向を水平方向としても良く、図１の構成と同様の効果が得られる。
【００２３】
また、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３ともに、酢酸ナトリウム・３水和物に燐酸３ナトリウム・１２水和物を添加している。しかし、暖房等の用途に利用する場合には、潜熱蓄熱材の融点は５８℃より低くても十分である。
【００２４】
また、過冷却防止剤としては、燐酸３ナトリウム・１２水和物を用いているが、炭酸ナトリウム・１水和物、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物、臭素酸バリウム・１水和物、硫酸カルシウム・２水和物、ピロリン酸２水素ナトリウム・６水和物、酢酸第２鉄、塩化第１鉄、塩化第２鉄、塩化カルシウム、臭化カルシウム、塩化第２銅、酒石酸カルシウム、燐酸水素２ナトリウム・１２水和物、フッ化リチウム等のフッ化物、四ホウ酸ナトリウム・水和物、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム物等を用いても良い。さらに、潜熱蓄熱材と過冷却防止剤以外にも増粘剤を添加しても良い。
【００２５】
さらに、蓄熱容器１に６箇所蓄熱材を充填できる構成とし、過冷却防止剤の重量濃度が低い第２の蓄熱材３をそのうち１箇所に充填しているが、吸熱媒体の流速、第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３の厚み、第２の熱交換部５の厚み、蓄熱装置の高さ等の条件により変わるため、この構成に限定されるものではなく、最適な性能を得るように任意に選定することができる。また、過冷却防止剤の重量濃度も２種類だけでなくても良く、下部に配置した蓄熱材中の過冷却防止剤の重量濃度と上部に配置した蓄熱材中の過冷却防止剤の重量濃度との間に勾配をつけておいても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明にかかる蓄熱装置およびこれを用いた蓄熱装置は家庭用の給湯機用途に展開できるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、家庭用の暖房用途や産業用の排熱の貯蔵等にも展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１における蓄熱装置の構成図
【図２】潜熱蓄熱材に添加した過冷却防止剤の重量濃度による過冷却解除温度に対する影響を表す図
【図３】第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３に酢酸ナトリウム・３水和物を用いた比較例における放熱時の各部温度の時間変化（解析結果）を表す図
【図４】本発明の実施の形態１における放熱時の各部温度の時間変化（解析結果）を表す図
【図５】本発明の実施の形態１における過冷却時の温度による給湯温度４２℃以上での出湯時間に対する影響（第１の蓄熱材２の過冷却なし、解析結果）を表す図
【図６】比較例と本発明の実施の形態１（過冷却度４０ｄｅｇ．）における放熱時に給湯温度が４２℃まで低下した時点での第１の蓄熱材２、第２の蓄熱材３の保有熱量（解析結果）を表す図
【図７】本発明の実施の形態１における過冷却時の温度による給湯温度４２℃以上での出湯時間に対する影響（第１の蓄熱材２の過冷却あり、解析結果）を表す図
【図８】本発明の実施の形態１を改良した蓄熱装置の構成図
【図９】本発明の実施の形態１を改良した蓄熱装置の構成図
【符号の説明】
【００２８】
１  蓄熱容器
２  第１の蓄熱材
３  第２の蓄熱材
４  第１の熱交換部
５  第２の熱交換部
６  圧縮機
７  放熱器
８  膨張弁
９  蒸発器
１０  共用熱交換部
１１  仕切り板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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