(57)【要約】【課題】幅広い温度域で使用可能であって、低温でも性能の低下が少なく、高温で使用することができ、伝熱性能が高く、性能劣化の少ない構成の蓄熱器を提供する【解決手段】パイプと、前記パイプを埋設する黒鉛を主成分とする粉粒体と、前記パイプと、前記粉粒体とを収容する容器とからなる蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、対流によることなく黒鉛自体が伝熱することができ、蓄熱および伝熱の機構は低温から高温まで変わらない。このため、温度に依存することなく蓄熱することができる。また黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、耐熱性が高い上に、劣化しにくい素材であるので、高温でも使用することができ、さらに長期間の使用に用いることができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプと、前記パイプを埋設する黒鉛を主成分とする粉粒体と、前記パイプと、前記粉粒体とを収容する容器とからなる蓄熱器。
【請求項２】
前記粉粒体は、炭化珪素を含有することを特徴とする請求項１記載の蓄熱器。
【請求項３】
前記パイプは、サーペンタイン構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱器。
【請求項４】
前記パイプは、互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有し、複数列のサーペンタイン構造の間に黒鉛板が埋設されていることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱器。
【請求項５】
前記粉粒体の粒子の形成する空隙に相転移物質が充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱器は、空調システム、冷蔵装置など熱を扱う分野において、広く利用されている。
特許文献１には、蓄熱槽内の水を、該蓄熱槽内に配設された循環管を通流する冷媒にて氷結させて蓄熱する蓄熱システムであり、複数の循環管を、それぞれの各屈曲部が平行する平面内にてジグザグ状に位置するように連続的に屈曲して、相隣する各循環管の冷媒通流方向を逆方向にしたことを特徴とする蓄熱システムが記載されている。
【０００３】
平面内にてジグザグ状に位置するように連続的に屈曲する構造をサーペンタイン構造ともいい、限られた面積の中で、熱を受け渡しするパイプの配置方法として、エアコンデショナー、自動車のラジエーターなど広く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平１−７８８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された蓄熱システムは、パイプを通して蓄熱槽内の液体（水）に熱を蓄えるものである。蓄熱体（蓄熱槽内の液体）は液体であるので熱移動は対流を前提としたものである。このため蓄熱体が曝される温度域で粘度が高くなったり、凝固、沸騰が起きると大幅に蓄熱性能が低下し、場合によっては蓄熱器の破損の原因となる。
このため、使用する蓄熱体の種類によって蓄熱器を使用可能な温度域が大きく影響を受ける。
【０００６】
本発明は、幅広い温度域で使用可能であって、低温でも性能の低下が少なく、高温で使用することができ、伝熱性能が高く、性能劣化の少ない構成の蓄熱器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の蓄熱器は、パイプと、前記パイプを埋設する黒鉛を主成分とする粉粒体と、前記パイプと、前記粉粒体とを収容する容器とからなる。
本発明の蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、対流によることなく黒鉛自体が伝熱することができ、蓄熱および伝熱の機構は低温から高温まで変わらない。このため、温度に依存することなく蓄熱することができる。
本発明の蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、耐熱性が高い上に、劣化しにくい素材であるので、高温でも使用することができ、さらに長期間の使用に用いることができる。
【０００８】
さらに本発明の蓄熱器は次の態様が望ましい。
（１）前記粉粒体は、炭化珪素を含有する。
炭化珪素は、硬いセラミックであり、黒鉛は軟らかいセラミックである。これらが共存することにより、使用を繰り返すうちに振動、熱変形などによる粉粒体を構成する粒子間の摩擦により炭化珪素が黒鉛を研磨し、接触面積が増え、熱伝導しやすくさせることができる。
【０００９】
（２）前記パイプは、サーペンタイン構造を有する。
本発明の蓄熱器のパイプが、さらにサーペンタイン構造を有すると、温度上昇時または温度下降時のパイプの変形は様々な箇所で発生し、その箇所では、粉粒体を構成する粒子間の摩擦を発生しやすくすることができる。また、熱膨張、熱収縮による熱変形の大きい部分は、パイプ周辺の熱の流れの大きい部分でもあるので、蓄熱体への蓄熱を効率良く行うことができる。
【００１０】
（３）前記パイプは、互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有し、複数列のサーペンタイン構造の間に黒鉛板が埋設されている。
本発明の蓄熱器は、前記パイプが互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有し、複数列のサーペンタイン構造の間に黒鉛板が埋設されるによって、略平行な２枚の黒鉛板が形成する空間に、サーペンタイン構造を構成するパイプが配置されるとともに、パイプは粉粒体に埋設される配置となる。
【００１１】
このような配置をとることで、サーペンタイン構造のパイプの熱膨張または熱収縮による変形が生じたとき、略平行な２枚の黒鉛板と粉粒体によりその動きが拘束され、パイプ周辺の粉粒体には強い摩擦力が生じる。このため、粉粒体を構成する粒子間を伝熱しやすくすることができ、伝熱性能を高めることができる。
【００１２】
（４）前記粉粒体の形成する空隙に相転移物質が充填されている。
相転移物質は、相転移に伴って多くの熱を蓄えることができる。また、伝熱は相転移物質によることなく行われるので、低温でも性能の低下が少なく、高温で使用することができ、伝熱性能が高く、性能劣化の少ない蓄熱器を提供することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、対流によることなく黒鉛自体が伝熱することができ、蓄熱および伝熱の機構は低温から高温まで変わらない。このため、温度に依存することなく蓄熱することができる。
本発明の蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、耐熱性が高い上に、劣化しにくい素材であるので、高温でも使用することができ、さらに長期間の使用に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る実施形態１の蓄熱器の外観図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】本発明に係る実施形態１の蓄熱器の断面図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ’断面、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ’断面、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ’断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の蓄熱器は、パイプと、前記パイプを埋設する黒鉛を主成分とする粉粒体と、前記パイプと、前記粉粒体とを収容する容器とからなる。
本発明の蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、対流によることなく黒鉛自体が伝熱することができ、蓄熱および伝熱の機構は低温から高温まで変わらない。このため、温度に依存することなく蓄熱することができる。
本発明の蓄熱器によれば、黒鉛を主成分とする粉粒体が蓄熱するので、耐熱性が高い上に、劣化しにくい素材であるので、高温でも使用することができ、さらに長期間の使用に用いることができる。
【００１６】
本発明のパイプの材質、厚さなどは特に限定されない。中でもパイプの材質は、金属であることが好ましく、例えばステンレス、鉄、銅、アルミニウムなどが利用できる。
粉粒体は、黒鉛が主成分であれば特に限定されない。黒鉛の種類としては、天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛などどのようなものでも利用することができる。
【００１７】
黒鉛が主成分であるとは、粉粒体の５０重量％以上が黒鉛であることが望ましく、さらに、粉粒体の７０重量％以上が黒鉛であることが望ましい。粉粒体の５０重量％以上が黒鉛であると、摩擦によって黒鉛が摩耗しやすく、７０重量％以上であるとさらに摩耗しやすくすることができる。黒鉛が摩耗しやすくなることによって、粒子間の接触面積が増え、蓄熱体内の伝熱性能を高めることができる。
【００１８】
黒鉛が主成分であるとは、特にその形態は限定されない。例えば次のような形態が挙げられる。（ａ）黒鉛の粉粒体と他の物質の粉粒体が混合して本発明の粉粒体を構成、（ｂ）黒鉛の粉粒体を構成する粒子の表面が部分的に他の物質に転化して本発明の粉粒体を構成、（ｃ）黒鉛の粉粒体を構成する粒子の内部に別物質が存在させ、本発明の粉粒体を構成。
【００１９】
他の物質が炭化珪素である場合について、上記（ａ）（ｂ）（ｃ）の場合について例示する。（ａ）の場合、本発明に係る粉粒体は、例えば黒鉛の粉粒体と炭化珪素の粉粒体を混合することによって得ることができる。（ｂ）の場合、本発明に係る粉粒体は、例えば１５００℃以上の高温雰囲気でＳｉＯガスなどの作用により表面が反応転化した黒鉛の塊状体を粉砕することによって得ることができる。（ｃ）の場合、例えば、黒鉛の原材料であるコークスに炭化珪素の粉を混ぜピッチなどのバインダを加え混練し、プレス成形し、焼成、黒鉛化して得られた黒鉛材料をさらに粉砕することによって得られる。この粉粒体は、内部に均一に炭化珪素の粒子が分散した構造となる。
【００２０】
黒鉛の含有量についての測定方法を説明する。
黒鉛は、他のセラミックスと異なり、酸素との反応生成物が二酸化炭素、一酸化炭素などのガスであり、被膜などを作ることがない。このため、大気中で加熱することにより、取り除くことができる。このため、黒鉛の表面が露出するように粉砕して、大気中で燃焼することにより、加熱前後の重量変化を測定し、黒鉛の含有量を測定することができる。
【００２１】
粉粒体を収納する容器は特に限定されない。セラミックの容器、金属の容器などを利用することができる。なお、蓄熱器を、６００℃を超える温度で使用する場合には、外気と接触しないよう密閉されていることが好ましい。
【００２２】
本発明の蓄熱器の粉粒体の平均粒子径は特に限定されない。細かなものでも粗いものでも良い。中でも望ましい粉粒体の平均粒子径は、１〜５０ｍｍである。平均粒子径が１ｍｍ以上であると、粒子間の接点の数が少なくできるので粉粒体の内部での伝熱性能を高くすることができる。平均粒子径が１ｍｍ以下であると、蓄熱器の内部のパイプにより多くの箇所で接触することができるので、伝熱性能を高めることができる。
また、粉粒体の粒度分布は、複数のピークを有する粒度分布であると、粗い粒子の隙間に細かな粒子が入ることができ、より伝熱性能を高め、蓄熱の容量を大きくすることができる。
【００２３】
本発明の蓄熱器は黒鉛の粉粒体は、炭化珪素を含有することが好ましい。
炭化珪素は、硬いセラミックであり、黒鉛は軟らかいセラミックである。これらが共存することにより、振動、熱変形などによる粉粒体を構成する粒子間の摩擦により炭化珪素が黒鉛を研磨し、接触面積が増え、熱伝導しやすくさせることができる。
【００２４】
炭化珪素の好ましい含有量は、２０〜３０重量％である。炭化珪素の含有量が２０〜３０重量％の範囲であると研磨材である炭化珪素と研磨される黒鉛の比率が適度であって、摩耗によって粒子間の接触面積が大きくなりやすい。
【００２５】
本発明の蓄熱器のパイプは、サーペンタイン構造を有することが好ましい。
本発明の蓄熱器のパイプが、さらにサーペンタイン構造を有すると、温度上昇時のパイプの変形は様々な箇所で発生し、その箇所では、粉粒体を構成する粒子間の摩擦を発生しやすくすることができる。また、熱膨張、熱収縮による熱変形の大きい部分は、パイプ周辺の熱の流れの大きい部分でもあるので、蓄熱体への蓄熱を効率良く行うことができる。
【００２６】
サーペンタイン（serpentine）構造とは、ヘビのように曲がっている構造をしめし、線状の物体が交互に折り返されながら、面を形成する状態である。
サーペンタイン構造は、線状に流れる流体を面状に拡散することができるので、蓄熱体として使用することにより、より多くの粉粒体に熱を伝えることができる。
【００２７】
本発明の蓄熱器のパイプは、互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有し、複数列のサーペンタイン構造の間に黒鉛板が埋設されていることが好ましい。
【００２８】
本発明の蓄熱器は、前記パイプが互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有し、複数列のサーペンタイン構造の間に黒鉛板が埋設されるによって、略平行な２枚の黒鉛板が形成する空間に、サーペンタイン構造を構成するパイプが配置されるとともに、パイプは粉粒体に埋設される配置となる。
【００２９】
このような配置をとることで、サーペンタイン構造のパイプの熱膨張または熱収縮による変形が生じたとき、略平行な２枚の黒鉛板と粉粒体によりその動きが拘束され、パイプ周辺の粉粒体には強い摩擦力が生じる。このため、粉粒体を構成する粒子間を伝熱しやすくすることができ、伝熱性能を高めることができる。
また、パイプが互いに対向する複数列のサーペンタイン構造を有することにより、線状に流れる流体を蓄熱器の内部の粉粒体の隅々にまで行き渡らせることができる。
【００３０】
本発明の前記粉粒体の形成する空隙に相転移物質が充填されていることが好ましい。
相転移物質は、相転移に伴って多くの熱を蓄えることができる。また、伝熱は相転移物質によることなく行われるので、低温でも性能の低下が少なく、高温で使用することができ、伝熱性能が高く、性能劣化の少ない蓄熱器を提供することができる。
【００３１】
相転移物質としては、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム等が利用できる。これらの物質は、本発明の蓄熱器に使用できる温度域に融点を有しているので、融点を超えて加熱、冷却する際により多くの熱を蓄熱することができる。
【００３２】
本発明の蓄熱体は、黒鉛を主成分とする粉粒体よりなるので、高い温度で使用することができ、例えば太陽熱発電の熱を蓄える蓄熱体として好適に使用することができる。太陽熱発電に用いる場合、より高い温度を保持することが好ましく、相転移物質は、用いないか、例えば硝酸ナトリウムなどを使用することが好ましい。これらの相転移物質は、３８０℃を超える温度まで安定して使用することができ、蓄熱器の性能を低下させることなく使用することができる。
【００３３】
以下本発明の実施形態１について図を用いて説明する。
図１は、本発明に係る実施形態１の蓄熱器の外観図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図２は、本発明に係る実施形態１の蓄熱器の断面図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ’断面、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ’断面、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ’断面を示す。
なお、Ａ−Ａ’断面は、パイプの位置の断面であり、Ｂ−Ｂ’断面は、黒鉛板の位置の断面である。
【００３４】
実施形態１の蓄熱器１０は、外寸が長さ１４１２ｍｍ、高さ７９８ｍｍ、幅１４００ｍｍの直方体のステンレスからなる容器３に収容されている。容器３の内側の上面、下面、側面には５０ｍｍの厚さの断熱材が取り付けられている。断熱材はアルミナからなる。
容器３の長さ方向の両端部には、それぞれ内部のパイプ１につながる継ぎ手４を有している。継ぎ手４の開口は、内径φ１５０ｍｍである。蓄熱器１０の内部はサーペンタイン構造となるようにパイプ１が曲げられている。パイプ１の太さはφ３０ｍｍである。このようなサーペンタイン構造をとるパイプ１は、それぞれ両端の継ぎ手４に並列接続となるように５列有し、サーペンタイン構造をとるパイプが形成する面の間に４４８×３６０×１０ｍｍの黒鉛板５がそれぞれ挿入されている。サーペンタイン構造をとるパイプ１および黒鉛板５は、黒鉛を主成分とする粉粒体２によって充填されている。粉粒体の粒子の形成する空隙さらに硝酸ナトリウムからなる相転移物質が充填されている。
【００３５】
粉粒体２は、例えば以下のようにして得られる。黒鉛の塊状体を１５００〜２２００℃の環境下に置き、ＳｉＯガスを導入する。
２Ｃ＋ＳｉＯ→ＳｉＣ＋ＣＯ↑                            （式１）
の反応により、表面に炭化珪素が形成される。炭化珪素の形成された黒鉛の塊状体を粉砕することにより、表面の一部が、炭化珪素に転化した粒子からなる黒鉛を主成分とする粉粒体が得られる。出発物質を黒鉛とし、ＳｉＯガスで炭化珪素に転化する場合には、黒鉛の含有量Ｃは、反応による重量変化Ｗ’から化学量論的に計算することができる。
【００３６】
反応による重量増がなければ（処理後の質量が元の質量と同じ：Ｗ’＝１）、黒鉛の含有量Ｃは０％
反応による重量増が６６．７％であれば（Ｗ’＝１．６６７）、炭化珪素の含有量Ｃは１００％であり、その中間の値は、
Ｃ＝３×（Ｗ’−１）／２                              （式２）
で示される。例えば、出発物質を黒鉛とし、ＳｉＯガスで炭化珪素に転化する場合、反応による重量増加が２２％であれば、黒鉛の含有量は３３％である。
【００３７】
本実施形態の蓄熱器によれば、蓄熱材が黒鉛を主成分とする粉粒体および相転移物質からなる。相転移物質は、３８０℃以下であれば安定して使用することができる。蓄熱器は、対流によることなく伝熱でき、広い温度域で使用が可能となる。
また粉粒体は、炭化珪素を含有しているので使用時に黒鉛と炭化珪素の摩擦により徐々に粉粒体の接触面積を大きくすることができるので、伝熱性能の高い蓄熱器を提供することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  パイプ
２  粉粒体
３  容器
４  継ぎ手
５  黒鉛板
１０  蓄熱器
【図１】
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【図２】
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