(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を熱伝達媒体が流動するように形成された流路部と、
該流路部に接触した状態に構成され、多孔性物質で成る複数の熱伝達部材から形成されると共に、これら各熱伝達部材間には蓄熱物質が充填される空間部がそれぞれ形成されて、蓄熱物質と熱交換を行う熱交換部と、
を含んで構成され、
前記複数の熱伝達部材間に形成される各空間部は、前記流路部に近いところでは広く形成し、遠くなるほど幅が狭くなるように形成され、
前記熱交換部が固体状態と液体状態との間の相転移により熱交換を行う蓄熱物質は水である、
ことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記流路部は、管状に形成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記熱交換部は複数形成され、それら各熱交換部間に二つの板により前記流路部が形成されることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記熱交換部の熱伝達部材の多孔度は、80〜95％であることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記熱交換部の熱伝達部材は、多孔性金属から成ることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記熱交換部の熱伝達部材は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項５記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を蓄積または放出する熱交換装置に関し、詳しくは、蓄熱物質の凝固または融解速度を高めて、蓄熱及び放熱効率を向上し得る熱交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換装置において、熱蓄積システム（heat storage system）の一つである潜熱蓄熱システム（latent heat storage system）は、蓄熱物質の相転移による潜熱を利用するものであって、熱交換器チューブの周囲で蓄熱物質として利用される相転移物質を凝固または融解して熱を蓄積または放出する方式と、密閉容器中に充填された蓄熱物質を相転移して熱を蓄積または放出する方式とに大別される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記潜熱蓄熱システムの二つの方式においては、蓄熱物質の相転移が進行することにより、熱交換器チューブの壁面または密閉容器の表面などの熱伝達面と相転移境界面との間の距離が遠くなり、その間に充填された蓄熱物質により熱伝達時の抵抗が増加する現象が発生することがあった。従って、蓄熱物質の凝固または融解が進行することにより、その凝固または融解速度が低下して、蓄熱及び放熱効率が低下するという問題点があった。
【０００４】
また、従来の熱交換装置においては、放熱が進行することにより放熱率が大きく低下し、残りの蓄熱量が充分であるとしても、瞬間的に大きな熱負荷に対応する放熱量を供給し得ないことが発生することがあり、熱交換部を大型に設計しなければならず、或いは、冷凍器が変動負荷を供給し、熱交換部が固定負荷を担当するという冷凍器蓄熱槽の同時運転方法を選択しなければならないという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、このような従来の問題点に対処して、蓄熱物質の凝固または融解速度を高めて、蓄熱及び放熱効率を向上し得る熱交換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明による熱交換装置は、内部を熱伝達媒体が流動するように形成された流路部と、該流路部に接触した状態に構成され、多孔性物質で成る複数の熱伝達部材から形成されると共に、これら各熱伝達部材間には蓄熱物質が充填される空間部がそれぞれ形成されて、蓄熱物質と熱交換を行う熱交換部と、を含んで構成され、前記複数の熱伝達部材間に形成される各空間部は、前記流路部に近いところでは広く形成し、遠くなるほど幅が狭くなるように形成され、前記熱交換部が固体状態と液体状態との間の相転移により熱交換を行う蓄熱物質は水であるとしたものである。
【０００７】
また、前記流路部は、管状に形成されたものである。
さらに、前記熱交換部は複数形成され、それら各熱交換部間に二つの板により前記流路部が形成されるものとしてもよい。
【０００８】
また、前記熱交換部の熱伝達部材の多孔度は、80〜95％とされている。
さらに、前記熱交換部の熱伝達部材は、多孔性金属から成るものである。
そして、前記熱交換部の熱伝達部材は、アルミニウムから成るものとしてもよい。
【００１０】
また、前記熱交換部は、蓄熱槽の内部に熱伝達部材を密閉状態に設置して複数形成され、この複数の熱交換部の間に流路部が形成されるものとしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明による熱交換装置の第１の実施形態を示す中央縦断面図である。この実施形態に係る熱交換装置は、内部を熱伝達媒体が流動するように形成された流路部２０と、該流路部２０に接触した状態に構成され、多孔性の熱伝達部材１１から形成されて蓄熱物質と熱交換を行う熱交換部１０と、を含んで構成されている。
【００１２】
図１において、前記流路部２０は、内部を熱伝達媒体が流動する経路となるもので、パイプ状の管２１により形成されている。なお、この流路部２０は、通常パイプ状の管２１により形成されているが、二つの熱交換部１０の間に所定間隔を有して配置された２枚の板によって形成してもよい。前記熱交換部１０は、蓄熱物質と熱交換を行うもので、前記流路部２０の外側表面に接触した状態に構成され、多孔性の熱伝達部材１１から形成されて蓄熱物質と熱交換を行うようになっている。
【００１３】
そして、前記流路部２０の内部を通過しながら熱交換部１０と熱交換を終了した熱伝達媒体は、該流路部２０を通って外部の熱交換器（図示せず）に伝達される。且つ、その熱交換器を通過する熱伝達媒体は熱を吸収または放出する。
【００１４】
また、前記熱伝達部材１１は、蓄熱物質が充填された孔隙を有する多孔性物質で構成されており、前記流路部２０の内部に流れる熱伝達媒体と熱交換が行われるようになり、前記熱伝達部材１１と接触状態を維持する蓄熱物質と熱交換をすることにより、蓄熱物質に熱を蓄積しまたは放出することになる。即ち、熱伝達率の高い多孔性の熱伝達部材１１を使用することで、蓄熱物質との熱交換面積を拡大させて、熱交換速度を向上させるようになっている。このような熱伝達部材１１としては、熱伝達率の高い金属が主に使用され、好ましくはアルミニウムが使用される。
【００１５】
また、前記蓄熱物質としては多様な物質が使用されるが、水は、環境汚染問題が全然なく、相転移の時にその潜熱が大きいことから、蓄熱物質として広く活用される。
【００１６】
しかし、蓄熱物質として水を用いた場合は、水と氷間の相転移によって、体積が大きく変わるようになるが、本発明による熱交換装置の第１の実施形態においては、図２及び図３に示すように、前記熱交換部１０を複数の熱伝達部材１１で形成し、各熱伝達部材１１は、それらの間に蓄熱物質が充填される空間部１２を有して流路部２０の外側表面に接触して構成されることで、蓄熱物質の相転移による体積変化を吸収し得るようになっている。
【００１７】
即ち、蓄熱物質の相転移によって体積膨脹が発生した場合は、図２に示すように、蓄熱物質が熱伝達部材１１の間の空間部１２を通って外部に押し出されることとなり、蓄熱物質の体積膨脹による熱交換部１０の変形がほとんどなくなる。
特に、前記流路部２０に近接した位置でより多くの熱交換が行われるため、図３に示すように、前記空間部１２を、流路部２０の外側表面に近いところでは広く形成し、その外側表面から遠くなるほど幅が狭くなるように形成してもよい。
【００１８】
図４は、第１の実施形態に係る熱交換装置と従来の熱交換装置との性能を比較して示すグラフであり、熱伝達部材１１として多孔度が92％の多孔性アルミニウムを挿入した時の解氷厚さ（melted thickness）を符号ａのカーブで示し、放熱率（cooling rate）を符号ｂのカーブで示している。図中、従来の熱交換装置の性能は点線で示し、本発明による熱交換装置の性能は実線で示しているが、本発明による熱交換装置の放熱性能が従来に比べて大きく向上していることが分かる。
【００１９】
この時、熱伝達部材１１の多孔度の選択も重要な要素となるが、多孔度が過度に高い場合は、熱伝達率が低くなって、従来の熱交換装置の場合と放熱率または蓄熱時間において大差ない反面、多孔度が過度に低い場合は、蓄熱物質の量の減少で蓄熱量が減少し、熱交換装置の大きさが増大されるようになる。従って、熱伝達部材１１の多孔度は、ほぼ80〜95％程度であることが好ましい。
【００２０】
図５は、本発明による熱交換装置の第２の実施形態を示す中央縦断面図である。この実施形態は、蓄熱槽１３を形成して、該蓄熱槽１３の内部に熱伝達部材１１を密閉状態に設置して複数の熱交換部１０を形成し、それら各熱交換部１０間に流路部２０を形成して構成したものである。
【００２１】
本発明による熱交換装置においては、多孔性物質から成る熱伝達部材１１の高い熱伝導率によって、熱伝達面と相転移境界面間の熱抵抗が大きく減少されるため、管２１により形成される複数の流路部２０の間隔を広くして配置したり、または、熱伝達部材１１を内部に収納した蓄熱槽１３の幅を大きく形成することにより、既存の方式より蓄熱及び放熱効率を高く維持することができるので、熱交換部１０の単位体積当たりの蓄熱率を向上することができる。
【００２２】
また、本発明による熱交換装置においては、蓄熱物質の凝固または融解速度が高くて、熱負荷が時間によって大きく変動する場合でも、融解速度を調節して熱負荷に該当する放熱量を供給し得るため、熱交換装置の設計や運転方式の決定において、蓄熱槽１３の放熱率による制限要因を考慮する必要がなくなる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による熱交換装置においては、流路部の内部を熱伝達媒体が流動し、該流路部に接触した状態に構成され、多孔性物質で成る複数の熱伝達部材から形成されると共にこれら各熱伝達部材間には蓄熱物質としての水が充填される空間部が前記流路部に近いところでは広く形成され、遠くなるほど幅が狭くなるように形成され、固体状態と液体状態との間の相転移により熱交換を行う熱交換部により、蓄熱物質としての水の相転移による体積変化を吸収して熱交換を行うことができる。したがって、蓄熱物質の凝固または融解速度を高めて、蓄熱及び放熱効率を向上することができるという効果がある。
また、熱交換装置の設計や運転方式の決定において、蓄熱槽の放熱率による制限要因を考慮する必要がないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱交換装置の第１の実施形態を示す中央縦断面図である。
【図２】前記熱交換装置の変形例を示す中央縦断面図である。
【図３】前記熱交換装置の他の変形例を示す中央縦断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る熱交換装置と従来の熱交換装置との性能を比較して示すグラフである。
【図５】本発明による熱交換装置の第２の実施形態を示す中央縦断面図である。
【符号の説明】
１０…熱交換部
１１…熱伝達部材
１２…空間部
１３…蓄熱槽
２０…流路部
２１…管
【図１】
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【図２】
0003883965.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003883965.tif 000005
【図５】
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