(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱材として高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群から選ばれる少なくとも一つのポリオレフィンを容器に収納してなる潜熱蓄熱体と、プロピレングリコール、鉱油、廃油、動植物油、重油からなる群から選ばれる少なくとも一つの液体状熱媒体とを収容する蓄熱槽と、蓄熱槽中の熱媒体を加熱する加熱手段と、該熱媒体から伝熱壁を介して熱利用媒体側に熱回収を行う熱回収用熱交換器とを備え、前記加熱手段より与えられた熱量を液体状熱媒体を介して前記ポリオレフィンに蓄熱するよう構成するとともに、前記潜熱蓄熱体を所定間隔を持って蓄熱槽内に複数配置し、該複数配置した潜熱蓄熱体間の間隔内に熱回収用熱交換器の伝熱壁を浸漬配置したことを特徴とする温蓄熱装置。
【請求項２】
前記蓄熱槽は、伝熱良好な仕切り板で区分された一側に、熱利用媒体を供給する供給口と蓄熱槽から吸熱した熱利用媒体を取り出す取り出し口を備えている熱交換室を形成し、他側には前記仕切り板から、ポリオレフィンを充填した厚板状蓄熱体が複数枚所定間隔で延在し且つ該潜熱蓄熱体間の間隔内に板状良熱伝導体からなるフィン若しくは熱交換パイプが複数延在していることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【請求項３】
前記蓄熱槽が内部にポリオレフィンを容器に収納してなる厚板形状の前記潜熱蓄熱体の複数枚を等間隔に配置し、それにより形成される内部空間に前記熱媒体を満たしてなることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【請求項４】
前記蓄熱槽が内部に高密度ポリエチレンを容器に収納してなる肉厚中空円筒形状の前記潜熱蓄熱体の複数個を同軸に配置し、それにより形成される内部空間に前記熱媒体を満たしてなることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱槽が直方体であって、該直方体の方形断面を碁盤目状の隔壁で仕切って形成される複数の室を、交互に前記潜熱蓄熱材の容器とし、高密度ポリエチレンからなる前記潜熱蓄熱材を収納し、別の室内に前記熱媒体を満たしてなることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【請求項６】
前記加熱手段が電気ヒータであり、該電気ヒータが、廃熱により蓄熱槽中の熱媒体を加熱する予備蓄熱を行ったのち、蓄熱温度の調整を行う調整手段であることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【請求項７】
前記ポリオレフィンが高密度ポリエチレンからなる廃プラスチックスであることを特徴とする請求項１記載の温蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は物質の潜熱を利用した蓄熱装置に関する。更に詳しくは、温度の高い領域の廃熱の回収若しくは深夜電力の有効利用などを可能とする温蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
潜熱蓄熱装置については、各種工業や廃棄物回収過程で排出する廃熱の回収、深夜電力の貯蔵などにとって、有効な手段であるので、適切、高効率である蓄熱材と、該蓄熱材のエンタルピ変化を円滑に授受可能な熱媒体の選択を含むその装置構成が従来多数の研究対象となってきた。
【０００３】
潜熱蓄熱材は、該物質の持つ得意な相転移点におけるエンタルピ変化を利用して、熱を吸収させることにより、相変化した該物質に蓄熱し、必要時に、逆の相変化をさせて、熱を取り出す機能を果たす材料である。従来、この相転移点は物質の持つ融点を利用するケ−スがこの種の目的では大多数であるが、結晶転移点その他を利用する例もある。従って、前者の場合は、エンタルピ変化は融解熱（若しくは結晶化熱）であり、後者の場合は結晶転移熱である。
【０００４】
従来、蓄熱材として知られ、利用されている物質は、無機系と有機系とに大別できる。無機系のものには、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、酢酸ナトリウムなどの無機塩水和物があり、これらは比較的低温度の相転移点を利用できるが、１００℃付近で相変化するものには、水酸化バリウム、硝酸マグネシウム、などの無機塩水和物がある。
【０００５】
これら、無機塩水和物は溶融状態から、次第に降温させていくと、本来の融点を過ぎても固化（結晶化）せず、放熱しない（熱を取り出せない）という過冷却現象を呈し、同時に融解時に不溶性物質が晶出し、融解〜固化のヒートサイクルを繰り返すことにより、不溶性物質が増加し続け、延いては相分離現象を来たす。これらの分離、過冷却対策も各種なされているが、未だ完全ではない。
【０００６】
一方、有機系の蓄熱材には、低分子結晶性ポリオレフィン若しくは高分子ポリオレフィンがあり、熱的安定性は良好で腐食性・毒性はなく、潜熱も大だが、粘度が高く自体流動せず、熱伝導も低いので、工夫が必要である。例えばペレット、ストランド、フィルムなどの形状で利用するが、そのままでは形状が保持できないので、コストのかかる放射線、電子線、シラン架橋などが行われている。これらの分子構造における操作は、自ずと分子構造を変化させることにほかならないので、融点などの物理特性が変化してしまう。また、架橋高分子ポリオレフィンに結晶性物質を担持させて用いるケースもみうけられるが、該結晶性物質を溶出せずに、エンタルピ変化を取り出すための熱媒体の選定も問題である。
【０００７】
前記したように、蓄熱材・熱媒体の選定と相俟って、それら特定な物質を有効に機能させるための、装置構成がさらに問題であって、それぞれの物性に適った装置の工夫がなされなけらばならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、特定の蓄熱材と該蓄熱材のエンタルピ変化を授受可能な特定の熱媒体とを用いて、廃熱の回収若しくは深夜電力の有効利用などを可能とする温蓄熱装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の温蓄熱装置は、潜熱蓄熱材として高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群から選ばれる少なくとも一つのポリオレフィンを容器に収納してなる潜熱蓄熱体と、プロピレングリコール、鉱油、廃油、動植物油、重油からなる群から選ばれる少なくとも一つの液体状熱媒体とを収容する蓄熱槽と、蓄熱槽中の熱媒体を加熱する加熱手段と、該熱媒体から伝熱壁を介して熱利用媒体側に熱回収を行う熱回収用熱交換器とを備え、前記加熱手段より与えられた熱量を液体状熱媒体を介して前記ポリオレフィンに蓄熱するよう構成するとともに、前記潜熱蓄熱体を所定間隔を持って蓄熱槽内に複数配置し、該複数配置した潜熱蓄熱体間の間隔内に熱回収用熱交換器の伝熱壁を浸漬配置したことを特徴とする。
【００１０】
廃棄物の焼却廃熱やボイラ廃熱など、熱回収を必要とする廃熱源の温度は比較的高温で、少なくとも１５０℃を超えるケースが多い。これら廃熱源より有効に熱を吸収して蓄熱するには、熱源温度付近で、相転移を起して、大きなエンタルピ変化で吸熱する蓄熱材を用いるのが最も好ましい。また、深夜電力若しくは余剰電力などを熱源として蓄積する目的に置いても、適度な高温で行ったほうが、蓄熱槽の容積が小さくて済み効率的である。かかる第一条件に加えて、蓄熱材のヒートサイクル安定性、熱伝導性、価格、毒性、爆発火災に対する安全性、腐食性等を勘案し、更に蓄熱材の融解前後の形態変化に対応した装置構成を考案する必要がある。そして、かくして案出した蓄熱体と熱を円滑に授受できる熱媒体の選定も蓄熱材の場合と同様な選定要素を勘案する必要がある。
【００１１】
本発明者等は、各種の蓄熱材を検討した結果、本発明の目的に適うには、高密度エチレンを蓄熱材に用い、プロピレングリコールを熱媒体として用いる組み合わせが最もよいことを見出した。しかも、高密度ポリエチレンは後記するように、適切な選別が施されていれば、廃プラスチックスの利用が可能であり、資源の有効利用にもなる。
【００１２】
本発明に使用する高密度ポリエチレンは密度が０．９４〜０．９７ｇ／ｃｃの範囲であり、チーグラー・ナッタ系の触媒で重合された、結晶性の高いポリエチレンであって、その融点は約１２０℃と好ましい高さであり、その溶融潜熱は約５０ｋｃａｌ／ｋｇの大きさを持っている。また、毒性、腐食性はなく、適切な酸化防止措置さえあれば、ヒートサイクルに対する安定性は良好である。
【００１３】
そして、溶融後は当然流体となるので、高密度ポリエチレンを容器に収納して用いる。容器の材質は特に問わないが、少なくとも２００℃以上の温度に耐え、熱媒体に侵食されない材質である必要がある。通常金属が適当であり、好ましくは防錆性の金属板を溶接などの加工で缶体に加工して用いる。
【００１４】
容器即ち蓄熱体の形状及び蓄熱槽内での配置方法は限定されないが、充分な伝熱面積が確保され、熱媒体の循環が出来るようにするのが必要である。更に、外部の熱源による加熱、蓄熱槽からの吸熱の手段が可能なように構成されねばならない。
【００１５】
なお、前記蓄熱槽は、伝熱良好な仕切り板で区分された一側に、熱利用媒体を供給する供給口と蓄熱槽から吸熱した熱利用媒体を取り出す取り出し口を備えている熱交換室を形成し、他側には前記仕切り板から、ポリオレフィンを充填した厚板状蓄熱体が複数枚所定間隔で延在し且つ該潜熱蓄熱体間の間隔内に板状良熱伝導体からなるフィン若しくは熱交換パイプが複数延在しているのがよい。
【００１６】
更に本発明の温蓄熱装置は、前記蓄熱槽が内部に厚板形状の前記潜熱蓄熱体の複数枚を等間隔に配置し、それにより形成され内部空間に前記熱媒体を満たしてなることを特徴とする。
【００１７】
又前記潜熱蓄熱体は、薄い箱型の容器を作成し、これに高密度ポリエチレン等のポリオレフィンを充填して厚板状の潜熱蓄熱体とする。
【００１８】
更に本発明の温蓄熱装置は、前記蓄熱槽が内部に肉厚中空円筒形状の前記潜熱蓄熱体の複数個を同軸に配置し、それにより形成される内部空間に熱媒体を満たしてなることを特徴とする。
【００１９】
即ち、蓄熱体を同心円状に配置する構成であり、蓄熱槽を円筒型にする場合有用な構成である。この場合の蓄熱体間間隔（距離）においても、前記同様である。
【００２０】
更に本発明の温蓄熱装置は、前記蓄熱槽が直方体であって、該直方体の方形断面を碁盤目状の隔壁で仕切って形成される複数の室を、交互に前記潜熱蓄熱材の容器とし、前記潜熱蓄熱材を収納し、別の室内に前記熱媒体を満たしてなることを特徴とする。
【００２１】
なお、前記で説明した、先ず所望形状の容器を作成して該容器中にポリエチレン等のポリオレフィンを充填した構成に限らず、例えば、所望形状の蓄熱体にポリエチレン等のポリオレフィンを成形加工し、しかる後に被覆をした構成も、形状によっては可能であり、本発明の機能を果たしさえすれば差し支えない。
【００２２】
【００２３】
また、本発明の温蓄熱装置は、前記加熱手段が電気ヒータであり、該電気ヒータが、廃熱により蓄熱槽中の熱媒体を加熱する予備蓄熱を行ったのち、蓄熱温度の調整を行う調整手段であることを特徴とする。
【００２４】
蓄熱すべき熱源が、深夜電力及び補助熱源としての廃熱の場合であり、電気ヒータを（伝熱壁を介して）蓄熱槽内部の熱媒体内に挿入して、加熱手段とする。
【００２５】
更に本発明の温蓄熱装置は、前記加熱手段が加熱側熱交換手段であることを特徴とする。
【００２６】
この場合二つの方式が可能であり、その一つは蓄熱槽と外部の熱交換器との連絡手段を設け、本発明の熱媒体であるプロピレングリコールを強制循環し、外部の熱交換器で熱源と本発明の熱媒体との熱交換を行って加熱する方式である。前記連絡手段は例えば管路と、開閉弁と循環ポンプなどで形成される。
【００２７】
他の一つは、本発明の熱媒体であるプロピレングリコールは蓄熱槽に封じおいて自然対流型の熱媒体として機能させ、蓄熱槽内に外部と連絡手段を持つ別の伝熱面を備え、外部から該連絡手段を通じて、熱源流体そのものを流通させ若しくは、熱源流体と熱交換した二次熱媒を流通させて、本発明の熱媒体との熱交換を行って加熱する方式である。やはり、前記連絡手段は例えば管路と、開閉弁と循環ポンプなどで形成される。
【００２８】
蓄熱槽から吸熱して熱を回収する側の熱交換手段も加熱側同様二つの方式が可能であり、その一つは蓄熱槽と外部の熱交換器との連絡手段を設け、本発明の熱媒体であるプロピレングリコールを強制循環し、外部の熱交換器で回収熱量の利用側と熱交換して、吸熱する方式である。
【００２９】
他の一つは、本発明の熱媒体であるプロピレングリコールは蓄熱槽に封じおいて自然対流型の熱媒体として機能させ、蓄熱槽内に外部と連絡手段を持つ別の伝熱面を備え、外部から該連絡手段を通じて、利用側の熱供給すべき流体そのものを流通させ若しくは、利用側と熱交換した二次熱媒を流通させて、本発明の熱媒体との熱交換を行って加熱する方式である。
【００３０】
更に本発明の温蓄熱装置は、前記蓄熱槽中の前記潜熱蓄熱材間を満たす前記熱媒体層が少なくとも３ｍｍを有することを特徴とする。これは本発明者等が各種検討実験の中で経験的に見出した数値であり、蓄熱槽内の配置間隔は少なくとも自然対流方式の場合、隣接間距離を３ｍｍ以上保つ必要があるのは、熱媒体の自然対流現象に関わる蓄熱体壁面での、温度勾配も含めての総括伝熱係数のなせる業に関連するものと考えられる。
【００３１】
更に前記ポリオレフィンが高密度ポリエチレンからなる廃プラスチックスであることを特徴とする。これにより廃棄物の再資源化が促進され、本発明の根底にあるエネルギの有効利用とともに、資源枯渇、地球温暖化の対策をさらに促進する。なお、廃ポリエチレンを利用する際には、特に塩素含有ポリマーの混入を避けることが肝要である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を例示的に詳述する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３３】
［実施例１］
図１は本発明の温蓄熱装置の第１の例の略図である。図１において、１５は保温された蓄熱槽で、上部と下部に伝熱良好な仕切り板で区分され、上部は熱交換室１４とし、二次熱媒として水を供給する供給口、及び蓄熱槽から吸熱した高温の水を取り出す取り出し口を備えている。下部には前記仕切り板から、容器に高密度ポリエリチレンを充填した厚板状蓄熱体１０が複数枚等間隔で下方に延在している。同時に板状良熱伝導体からなる放熱・吸熱フィン１３が複数枚前記蓄熱体間を下方に延在し熱回収側熱交換手段を構成し、更に、該蓄熱槽底部付近には加熱手段として電気ヒータ１２が装備されている。残りの蓄熱槽下部空間は、プロピレングリコールからなる熱媒体１１で満たされている。
【００３４】
電気ヒータ１２を加熱手段として用い、深夜電力により蓄熱槽内熱媒体１１を１５０℃以上の所定温度に加熱した。それにより蓄熱体の高密度ポリエチレンを溶融し、溶融熱として蓄熱した。なお、当然ながら、熱媒体及び蓄熱体の顕熱分も貯えられている。昼間になって、ポンプＰを稼動して調節弁１６を調節しつつ、二次熱媒体としての熱回収前の水１７（約２５℃）を熱交換室１４に導入し、約５０℃の温水（熱回収後水１８）を得た。なお、二次熱媒体は水に限らず、熱利用側の事情によって、適宜変更ができる。
【００３５】
［実施例２］
図２は本発明の温蓄熱装置の第２の例の略図である。本例は実施例１の構成を基本に、更に熱交換手段の伝熱面積及び総括伝熱係数を改善したものである。図２において、Ａは本発明の温蓄熱装置の第２の例の立面図、Ｂは平面図、ＣはＡ−Ａ’矢視図である。図において、他の図と共通の部材、部品には同じ記号を付してある。本例では、熱交換室１４が隔壁２１で区分され、Ａにおいて手前、即ちＢにおいては下方（Ｃにおいては左方）の室に水（二次熱媒体）１７が流入し、熱交換パイプへの開口２２（複数）からパイプ２０（複数）を通過し、Ａにおいて向こう、即ちＢにおいては上方（Ｃにおいては右方）の室に熱交換パイプへの開口２２（複数）から流出し、熱回収後水（二次熱媒体）１８として熱が得られるよう構成されている。
【００３６】
即ち、実施例１のフィンに変わって、仕切り板からは、熱交換パイプが下垂して蛇行し、二次熱媒体が流通するようになっている。更に、パイプ間にはパイプ間フィン２３を設けて伝熱面積を増やしている。なお、熱交換手段の諸元はすべて実施例１と同一である。
【００３７】
本装置で、電気ヒータ１２を加熱手段として用い、深夜電力により蓄熱槽内熱媒体１１を１５０℃以上の所定温度に加熱した。それにより蓄熱体の高密度ポリエチレンを溶融し、溶融熱として蓄熱した。なお、当然ながら、熱媒体及び蓄熱体の顕熱分も貯えられている。昼間になって、ポンプＰを稼動して調節弁１６を調節して流速を実施例１と同じにしつつ、二次熱媒体としての熱回収前の水１７（約２５℃）を熱交換室１４に導入し、約８０℃の温水（熱回収後水１８）を得た。なお、この場合も、二次熱媒体は水に限らず、熱利用側の事情によって、適宜変更ができる。
【００３８】
［実施例３］
図３は本発明の温蓄熱装置の第３の例の概念図であって、蓄熱槽に熱を付与、若しくは吸収する本発明の熱交換手段の変化について説明した図である。
【００３９】
図３において（Ａ）は、蓄熱槽内に伝熱壁を液体状熱媒体内に浸漬した一つの加熱側熱回収側兼用熱交換手段３１を備えており、１１はプロピレングリコールからなる熱媒体、１０は高密度ポリエチレンからなる蓄熱体、１５は蓄熱槽である。先ず蓄熱プロセスではバルブ３２の切り換えにより加熱源流体３３のみが加熱側熱回収側兼用熱交換手段３１に流れるようにして、それにより熱媒体１１を蓄熱体１０の溶融温度以上に加熱する。取り出しプロセスでは、バルブ３２の切り換えにより熱回収源流体３４のみが該加熱側熱回収側兼用熱交換手段３１に流れるようにして、それにより蓄熱体１０等の熱を熱媒体１１から取り出す。
【００４０】
図３において（Ｂ）は、蓄熱槽内に伝熱壁を液体状熱媒体内に浸漬した一対の加熱側交換手段３７と熱回収用熱交換器３８を備えており、同じく１１はプロピレングリコールからなる熱媒体、１０は高密度ポリエチレンからなる蓄熱体、１５は蓄熱槽である。蓄熱プロセスでは加熱源流体３３を加熱側交換手段３７に流して、それにより熱媒体を蓄熱体１０の溶融温度以上に加熱する。取り出しプロセスでは、熱回収源流体３４を熱回収用熱交換器３８に流して、それにより蓄熱体１０等の熱を熱媒体１１から取り出す。
【００４１】
図３において（Ｃ）は、蓄熱槽内に伝熱壁を液体状熱媒体内に浸漬した一対の加熱側交換手段３７と熱回収用熱交換器３８を備えており、更に加熱側熱交換手段３７と管路で接続された、加熱側二次熱交換手段３９と、熱回収用熱交換器３８と管路で接続された、熱回収側二次熱交換手段４０とを備えている。前記同様、１１はプロピレングリコールからなる熱媒体、１０は高密度ポリエチレンからなる蓄熱体、１５は蓄熱槽である。また、３５は二次熱媒体であり、３６は３５と同じ若しくは別の二次熱媒体である。蓄熱プロセス、取り出しプロセスともこの場合は間接的に熱交換器３９、４０を介して蓄熱、取り出しを行う。加熱源流体３３若しくは熱回収源流体３４が腐食性などの理由で、直接蓄熱槽１５に通したくないない場合に適切な構成である。
【００４２】
［実施例４］
図４は本発明の温蓄熱装置の第４の例の略図であって、蓄熱体の形体の変化について説明したものである。
【００４３】
図において（Ａ）は厚板状の蓄熱体１０を複数枚等間隔で蓄熱槽１５内に配置して、熱媒体１１を満たしたもので、実施例１、２の場合に相当する。
【００４４】
図において（Ｂ）は肉厚円筒状の蓄熱体１０を複数個同軸に円筒状蓄熱槽１５内に配置して、熱媒体１１を満たしたものである。
【００４５】
図において（Ｃ）は直方体の蓄熱槽１５の断面碁盤目状に、縦方向の隔壁で仕切り、これにより形成される室に、図のように交互に蓄熱材である高密度ポリエチレンを充填して蓄熱体１０とし別の室にプロピレングリコールの熱媒体１１を満たして蓄熱槽１５を構成したものである。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、特に高密度ポリエチレン（ポリオレフィン）を蓄熱材とし、該蓄熱材のエンタルピ変化を授受可能なプロピレングリコール（プロピレングリコール、鉱油、廃油、動植物油、重油からなる群から選ばれる少なくとも一つの液体状熱媒体）を熱媒体として用い、廃熱の回収若しくは深夜電力の有効利用などを可能とする温蓄熱装置の提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の温蓄熱装置の第１の例の略図である。
【図２】  本発明の温蓄熱装置の第２の例の略図である。
【図３】  本発明の温蓄熱装置の第３の例の概念図である。
【図４】  本発明の温蓄熱装置の第４の例の略図である。
【符号の説明】
１０    蓄熱体（高密度ポリエチレン）
１１    熱媒体（プロピレングリコール）
１２    電気ヒータ
１３    放熱・吸熱フィン
１４    熱交換室
１５    蓄熱槽
１６    調節弁
１７    熱回収前水（二次熱媒体）
１８    熱回収後水（二次熱媒体）
２０    熱交換パイプ
２１    熱交換室仕切り
２２    熱交換パイプへの開口
２３    パイプ間フィン
３１    加熱側熱回収側兼用熱交換手段
３２    切り換え兼調節バルブ
３３    加熱源流体
３４    熱回収源流体
３５    加熱側二次熱媒体
３６    熱回収側二次熱媒体
３７    加熱側熱交換手段
３８    熱回収用熱交換器
３９    加熱側二次熱交換手段
４０    熱回収側二次熱交換手段
【図１】
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【図２】
0003873229.tif 000003
【図３】
0003873229.tif 000004
【図４】
0003873229.tif 000005