(57)【要約】【課題】  高い蓄熱性能と耐久性を併せ持つ実用性の高い蓄熱装置及び蓄熱利用システムを提供する。【解決手段】  蓄熱装置を、蓄熱性を有する蓄熱体ユニットと、蓄熱体ユニットの各蓄熱体に入熱する入熱用熱交換器と、各蓄熱体に蓄熱された熱を外部へ出熱する出熱用熱交換器と、蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器を収納保持する保持容器と、該保持容器内に投入されて蓄熱体ユニットの各蓄熱体と入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器の間の隙間に充填保持される伝熱媒体とを備えて構成する。係る構成によれば、入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器と蓄熱体ユニットは、これらの間の隙間に充填保持された伝熱媒体を介して熱的に密着結合した状態となり、これら相互間の伝熱効率が極めて高く、この結果、高い蓄熱性能及び熱交換性能をもつ蓄熱装置を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から供給される熱を蓄熱するとともに、蓄熱された熱を取出せるようにした蓄熱装置であって、
蓄熱性を有する複数の蓄熱体を略円周状に列設配置して構成される蓄熱体ユニットと、
上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され熱源から供給される熱を各蓄熱体に入熱する入熱用熱交換器と、
上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され各蓄熱体に蓄熱された熱を外部へ出熱する出熱用熱交換器と、
上記蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器を収納保持する保持容器と、
該保持容器内に投入されて上記蓄熱体ユニットの各蓄熱体と入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器の間の隙間に充填保持される伝熱媒体とを備えて構成されたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記入熱用熱交換器は、熱媒循環式熱交換器とされ、上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成される一方、
上記出熱用熱交換器は、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項３】
請求項１において、
上記入熱用熱交換器は、太陽光を受けて昇温する受光板を備えた太陽熱熱交換器とされ、上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成される一方、
上記出熱用熱交換器は、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項４】
請求項１，２又は３において、
上記伝熱媒体は、セラミック粉末であることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４において、
上記蓄熱体は、蓄熱媒体容器内に溶融性の蓄熱媒体を収納した構成であることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項６】
請求項５において、
上記蓄熱媒体容器は、セラミック材によって上開きテーパの有底筒状に形成されていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項７】
請求項１，２，４，５又は６の何れかに記載の蓄熱装置を備え、該蓄熱装置から取り出される熱を熱利用機器において利用するようにした蓄熱利用システムであって、
上記蓄熱装置が、蓄熱温度の異なる複数の蓄熱装置を直列に多段配置して構成されていることを特徴とする蓄熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱源から供給される熱を蓄熱するとともに、蓄熱された熱を取出せるようにした蓄熱装置、及びこの蓄熱装置を備えて構成される蓄熱利用システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の蓄熱装置としては、例えば、排熱回収システムにおいて排熱を回収してこれを蓄熱し且つ利用する手段として、あるいは太陽熱発電システムにおいて太陽光を熱エネルギーに変換してこれを蓄熱し且つ利用する手段として提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１に示される蓄熱装置は、内壁、中間壁及び外壁からなる多重構造の球状体を備え、その内壁の内側空間に小径球状の蓄熱体を多数充填収納する一方、上記内壁と中間壁の間に熱媒体の流路を設け、さらに上記中間壁と外壁の間に断熱材を配置して構成されている。さらに、上記外壁から内壁まで貫通して行路が形成され、この行路から太陽光を導入し、これを熱エネルギーに変換して上記蓄熱体に蓄熱するようになっている。
【０００４】
また、上記蓄熱体は、溶融塩又は溶融金属からなる潜熱蓄熱物質を、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックスからなる外郭の中に充填封入して構成される。
【０００５】
特許文献２に示される集熱部（蓄熱装置に相当する）は、ステンレス製の筒状体で、且つその円環部分が中空になった金属シェルの該中空部分に蓄熱媒体としてアルミニウムを充填するとともに、該アルミニウムの内部にＣＯ２が流れるステンレス製のＣＯ２伝熱管を配置している。そして、この金属シェルの内周部に太陽光を導入し、これを熱に変換して上記アルミニウムに蓄熱するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１９４９２７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１に示される蓄熱装置では、球状の内壁の内側空間に小径球状の蓄熱体を多数充填収納しているが、このような構造では、上記内側空間に充填収納された蓄熱体相互間が点接触状態となることから、行路から入熱される太陽熱が内壁の内側空間に充填された蓄熱体全体に拡散される場合の熱伝導率が低く、この結果、上記蓄熱体の蓄熱性能が低劣となり、蓄熱装置としての実用性に乏しいものとなる。
【０００８】
特許文献２に示される集熱部（蓄熱装置に相当する）は、ステンレス製の金属シェルの中空部分にアルミニウムを充填するとともに、該アルミニウムの内部にステンレス製のＣＯ２伝熱管を配置する構成であるため、以下のような理由から、耐久性という点において問題がある。
【０００９】
第１の理由    溶融アルミニウム中にステンレス材が浸漬配置されている場合、ステンレス材は次第にアルミニウムに溶解されることが知られている。したがって、この特許文献２に記載の集熱部のように、アルミニウムの内部にステンレス製のＣＯ２伝熱管が配置されていると、ＣＯ２伝熱管が次第にアルミニウムに溶解して徐々に減肉し、その強度が低下することになる。
【００１０】
第２の理由    元来、ステンレスとアルミニウムとは濡れ性が良いことから、アルミニウムが凝固に伴って体積変化する場合、該アルミニウムはステンレス製のＣＯ２伝熱管をくっつけたままこれと一体的に収縮し、ＣＯ２伝熱管に大きな引張応力が掛ることとなり、しかもこの引張応力はアルミニウムの凝固毎に繰り返されることから、該ＣＯ２伝熱管は金属疲労によって次第にその強度が低下することになる。
【００１１】
これらの理由が相乗して、ＣＯ２伝熱管の耐久性が低下し、延いては集熱部の耐久性が低下するものであり、実用性に乏しいものである。
【００１２】
そこで本願発明は、高い蓄熱性能と耐久性を併せ持つ実用性の高い蓄熱装置、及びこの蓄熱装置を備えて構成される蓄熱利用システムを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として以下のような構成を採用している。
【００１４】
本願の第１の発明では、熱源から供給される熱を蓄熱するとともに、蓄熱された熱を取出せるようにした蓄熱装置において、蓄熱性を有する複数の蓄熱体を略円周状に列設配置して構成される蓄熱体ユニットと、上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され熱源から供給される熱を各蓄熱体に入熱する入熱用熱交換器と、上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され各蓄熱体に蓄熱された熱を外部へ出熱する出熱用熱交換器と、上記蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器を収納保持する保持容器と、該保持容器内に投入されて上記蓄熱体ユニットの各蓄熱体と入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器の間の隙間に充填保持される伝熱媒体とを備えたことを特徴としている。
【００１５】
本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る蓄熱装置において、上記入熱用熱交換器を、熱媒循環式熱交換器とし上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成する一方、上記出熱用熱交換器を、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成したことを特徴としている。
【００１６】
本願の第３の発明では、上記第１の発明に係る蓄熱装置において、上記入熱用熱交換器を、太陽光を受けて昇温する受光板を備えた太陽熱熱交換器とし、上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成する一方、上記出熱用熱交換器を、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成したことを特徴としている。
【００１７】
本願の第４の発明では、上記第１、第２又は第３の発明に係る蓄熱装置において、上記伝熱媒体をセラミック粉末としたことを特徴としている。
【００１８】
本願の第５の発明では、上記第１、第２、第３又は第４の発明に係る蓄熱装置において、上記蓄熱体を、蓄熱媒体容器内に溶融性の蓄熱媒体を収納した構成としたことを特徴としている。
【００１９】
本願の第６の発明では、上記第５の発明に係る蓄熱装置において、上記蓄熱媒体容器を、セラミック材によって上開きテーパの有底筒状に形成したことを特徴としている。
【００２０】
本願の第７の発明では、上記第１、第２、第３、第４、第５又は第６の何れかの発明に係る蓄熱装置を備え、該蓄熱装置から取り出される熱を熱利用機器において利用するようにした蓄熱利用システムであって、
上記蓄熱装置を、蓄熱温度の異なる複数の蓄熱装置を直列に多段配置して構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本願発明では次のような効果が得られる。
【００２２】
（ａ）本願の第１の発明に係る蓄熱装置は、蓄熱性を有する複数の蓄熱体を略円周状に列設配置して構成される蓄熱体ユニットと、上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され熱源から供給される熱を各蓄熱体に入熱する入熱用熱交換器と、上記蓄熱体ユニットの上記各蓄熱体に接触又は近接して配置され各蓄熱体に蓄熱された熱を外部へ出熱する出熱用熱交換器と、上記蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器を収納保持する保持容器と、該保持容器内に投入されて上記蓄熱体ユニットの各蓄熱体と入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器の間の隙間に充填保持される伝熱媒体とを備えた構成であることから、
（ａ−１）上記入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器と上記蓄熱体ユニットの各蓄熱体とは、これらの間の隙間に充填保持された上記伝熱媒体を介して熱的に密着結合した状態となることから、例えば、上記入熱用熱交換器と出熱用熱交換器を上記各蓄熱体に対して直接に接触させ、この接触部のみを通して熱伝導により伝熱する場合に比して、これら各部材相互間の伝熱効率が極めて高いものとなり、その結果、上記入熱用熱交換器側においては該入熱用熱交換器側からの入熱が上記伝熱媒体を介して上記保持容器内の全域へ拡散して効率良く上記各蓄熱体に蓄熱されるとともに、上記出熱用熱交換器側においては上記各蓄熱体に蓄熱された熱が上記伝熱媒体を介して該出熱用熱交換器側に効率良く伝達され、これらの相乗効果として、高い蓄熱性能及び熱交換性能をもつ蓄熱装置を提供できる、
（ａ−２）上記入熱用熱交換器及び上記出熱用熱交換器と上記蓄熱体ユニットの各蓄熱体は、直接密着していなくともこれらの間に充填される上記伝熱媒体によって熱的に密着結合した状態とされることから、例えば、蓄熱装置の製作時においてこれら各熱交換器及び各蓄熱体の相対位置が多少ずれてもこれに影響されることなく適正な伝熱性能を確保でき、また当初から上記各熱交換器と上記蓄熱体を密着させることなく離間配置する構成を採用した場合にもこの離間状態に拘わらず適正な伝熱性能を確保できるなど、製作性に優れた蓄熱装置を提供できる、
（ａ−３）蓄熱性を有する複数の蓄熱体を略円周状に列設配置して蓄熱体ユニットを構成することから、例えば、大きな蓄熱量をもつ大型の蓄熱体を一体形成することが製作上困難であるような場合であっても、小型の蓄熱体を複数配置してこれを蓄熱体ユニットとすることで、より大きな蓄熱量を持つ大型の蓄熱装置を容易に得ることができ、実用上極めて有用である、
等の効果が得られる。
【００２３】
（ｂ）本願の第２の発明では、上記（ａ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記入熱用熱交換器を、熱媒循環式熱交換器とし、上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成する一方、上記出熱用熱交換器を、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成しているので、
（ｂ−１）上記蓄熱体ユニットにおいては、上記入熱用熱交換器からの熱は該蓄熱体ユニットにその底面側から導入されて上方側に向かって流れると同時に、水平方向においては該蓄熱体ユニットの中心側から周辺側へ向かって流れることで、該蓄熱体ユニットの底面寄り部分が比較的高温となり、周辺寄り部分は比較的低温となり、この結果、上記蓄熱体ユニットを構成する各蓄熱体に内蔵された蓄熱媒体は、最も溶融しにくい底部側から上面側に向かって順次溶融が進行し、該蓄熱体における蓄熱作用が安定し、延いては、上記蓄熱体ユニット全体としての蓄熱性能が向上する、
（ｂ−２）上記入熱用熱交換器による加熱形態に起因して上記蓄熱体ユニットの外周部は比較的低温とされるところ、さらにこの部分から出熱用熱交換器によって出熱されることで、この外周部分は比較的低温な状態が維持され、その結果、上記蓄熱体ユニットが収容された保持容器の外側に配置される断熱材はその周辺温度が低く抑えられることで、該断熱材による断熱効果が良好に維持され、延いては上記蓄熱装置全体としての熱損失が抑制され、蓄熱性能がより一層向上する、
等の効果が得られる。
【００２４】
（ｃ）本願の第３の発明では、上記（ａ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記入熱用熱交換器を、太陽光を受けて昇温する受光板を備えた太陽熱熱交換器とし、上記蓄熱体ユニットに対してその内周面側と底面側から入熱するように構成する一方、上記出熱用熱交換器を、上記蓄熱体ユニットに対してその外周面側と上面側から出熱するように構成しているので、
（ｃ−１）上記蓄熱体ユニットにおいては、上記太陽熱熱交換器からの熱は該蓄熱体ユニットにその底面側から導入されて上方側に向かって流れると同時に、水平方向においては該蓄熱体ユニットの中心側から周辺側へ向かって流れることで、該蓄熱体ユニットの底面寄り部分が比較的高温となり、周辺寄り部分は比較的低温となり、この結果、上記蓄熱体ユニットを構成する各蓄熱体に内蔵された蓄熱媒体は、最も溶融しにくい底部側から上面側に向かって順次溶融が進行することとなり、該蓄熱体における蓄熱作用が安定し、延いては上記蓄熱体ユニット全体としての蓄熱性能が向上する、（ｃ−２）上記入熱用熱交換器が太陽熱熱交換器で構成されていることから、例えば、熱媒の循環を伴う熱媒循環式熱交換器で構成する場合に比して、より高温の入熱を、しかも長期に渡って安定的に得ることができ、この結果、蓄熱性能の向上とともにランニングコストの低減が図れる、
（ｃ−３）上記蓄熱体ユニットの外周部が比較的低温とされるとともに、この部分から出熱用熱交換器によって出熱されることで、この外周部分は比較的低温な状態が維持され、上記蓄熱体ユニットが収容された上記保持容器の外側に通常配置される断熱材の周辺温度が低く抑えられ、該断熱材による断熱効果が良好に維持され、延いては上記蓄熱装置全体としての熱損失が抑制され、蓄熱性能がより一層向上する。
【００２５】
（ｄ）  本願の第４の発明によれば、上記（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記伝熱媒体をセラミック粉末で構成しているので、
（ｄ−１）上記伝熱媒体を、上記入熱用熱交換器と上記出熱用熱交換器及び上記蓄熱体の相互間の隙間にくまなく充填することができ、これら相互間の密着結合性がより一層高められ、その伝熱効率がさらに向上する、
（ｄ−２）上記入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器は温度変化に伴って膨縮変化するが、その場合、上記伝熱媒体はこれがセラミック粉末で構成され流動性をもつことから、上記入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器の膨縮変化時にはこれに追従して伝熱媒体が流動し、これら各熱交換器との密着結合性を維持することができ、これによって温度変化に拘わらず安定した熱交換性能が確保される、
（ｄ−３）上記伝熱媒体がセラミック粉末で構成されていることから、該伝熱媒体の保持容器内への投入及び取出しが容易であり、例えば、蓄熱装置のメンテナンス時においては、上記伝熱媒体を取り出すことで上記各熱交換器あるいは蓄熱体ユニットの各蓄熱体を露出させて点検整備を行い、作業完了後は再度伝熱媒体を保持容器内に投入することで該伝熱媒体によって上記各熱交換器及び蓄熱体の相互間を密着結合させることができ、メンテナンス性に優れた蓄熱装置を提供できる、
等の効果が得られる。
【００２６】
（ｅ）  本願の第５の発明に係る蓄熱装置によれば、上記（ａ）、（ｂ），（ｃ）又は（ｄ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記蓄熱体が、蓄熱媒体容器内に溶融性の蓄熱媒体を収納して構成されており、上記入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器はこの蓄熱体の外側に配置されることから、該各熱交換器が上記蓄熱媒体に直接接触することは無く、この結果、
（ｅ−１）例えば、上記各熱交換器が蓄熱媒体に浸食されてその強度が低下するとか、蓄熱媒体の凝固収縮によって各熱交換器に引張応力が掛る等のことが無く、該各熱交換器の耐久性、延いては蓄熱装置の耐久性が向上する、
（ｅ−２）上記各熱交換器を上記蓄熱体とは関係なく単独で取り出してメンテナンス等を行うことができ、例えば、上記蓄熱媒体に直接上記各熱交換器が接触しており、該各熱交換器の単独での補修点検ができず、蓄熱媒体と一体的に熱交換器を取り換える必要があるような場合に比して、メンテナンス作業の容易化、低コスト化が図れる、
等の効果がある。
【００２７】
（ｆ）  本願の第６の発明によれば、上記（ｅ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記蓄熱媒体容器を、セラミック材によって上開きテーパの有底筒状に形成しているので、
（ｆ−１）上記蓄熱媒体容器の内部に収容された溶融性の蓄熱媒体が蓄熱媒体容器の内面に付着するのが防止され、該蓄熱媒体の温度変化に伴う蓄熱媒体容器内での膨縮変化が安定的に行われることで、蓄熱作用の向上が期待できる、
（ｆ−２）上記蓄熱媒体容器が上開きテーパの有底筒状に形成されていることから、該蓄熱媒体が凝固して膨張する場合、該蓄熱媒体はその膨張の進行に伴って上記蓄熱媒体容器の内面への接触状態から自動的に上方へ退避移動し、これによって膨張した蓄熱媒体によってセラミック製の上記蓄熱媒体容器が損壊するのが確実に防止され、延いては蓄熱装置の耐久性の向上が期待できる。
【００２８】
（ｇ）  本願の第７の発明によれば、上記（ａ），（ｂ），（ｄ），（ｅ）又は（ｆ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記第１〜第５の何れかの発明に記載の蓄熱装置を備え、該蓄熱装置から取り出される熱を熱利用機器において利用するようにした蓄熱利用システムにおいて、上記蓄熱装置を、蓄熱温度の異なる複数の蓄熱装置を直列に多段配置して構成したので、蓄熱温度の高い側の蓄熱装置において熱回収（蓄熱）した後の熱媒を、さらに蓄熱温度の低い側の蓄熱装置に導入して熱回収を行うことで、上記熱源をより有効に利用することができ、延いては蓄熱利用システムの熱効率を高めることができ、特に大きな蓄熱量が要求される大型の蓄熱利用システムとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本願発明の第１の実施形態に係る蓄熱装置の全体構造を示す断面図である。
【図２】図１に示した蓄熱体の拡大断面図である。
【図３】蓄熱体を集合配置して構成される蓄熱体ユニットの分解斜視図である。
【図４】蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び出熱用熱交換器の配置関係を示す斜視図である。
【図５】図１の蓄熱装置を備えた蓄熱利用システムの全体構成図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態に係る蓄熱装置の全体構造を示す断面図である。である。
【図７】蓄熱体ユニットと入熱用熱交換器及び受光板を備えた出熱用熱交換器の配置関係を示す斜視図である。
【図８】図６の蓄熱装置を備えた蓄熱利用システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本願発明をいくつかの実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００３１】
「第１の実施形態」
図１には、本願発明の第１の実施形態に係る蓄熱装置Ｚ１の全体構造を示している。この蓄熱装置Ｚ１は、図１及び図４に示すように、円筒形の保持容器１１内に、多数の蓄熱体１を備えた蓄熱体ユニット７を上下二段に配置するとともに、該蓄熱体ユニット７の裏面側と内周側には熱媒循環式熱交換器で構成される入熱用熱交換器２０を、該蓄熱体ユニット７の外周側と上面側には熱媒循環式熱交換器で構成される出熱用熱交換器３０をそれぞれ配置し、さらにこの保持容器１１内に伝熱媒体１２を投入し、これを上記蓄熱体ユニット７と上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０相互間の隙間に充填して構成される。そして、上記入熱用熱交換器２０に供給される熱源の熱を上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１に蓄熱するとともに、この各蓄熱体１に蓄えられた熱を上記出熱用熱交換器３０によって外部へ出熱するようになっている。
【００３２】
以下、これら蓄熱装置Ｚ１の各構成部材を具体的に説明し、併せて、この蓄熱装置Ｚ１を備えて構成される蓄熱利用システムについて説明する。
【００３３】
Ａ：蓄熱装置Ｚ１
Ａ−１：蓄熱体１
上記蓄熱体１は、入熱用熱交換器２０から導入される熱を蓄えるとともに、ここに蓄えられた熱を上記出熱用熱交換器３０によって外部へ出熱するものであって、図２に示すように、蓄熱媒体容器２内に蓄熱媒体３を所定量充填するとともに、該蓄熱媒体３の上面側に内蓋４を載置し、さらに該蓄熱媒体容器２の上面に外蓋５を取り付けて構成される。
【００３４】
Ａ−１−１：蓄熱媒体３
上記蓄熱媒体３としては、溶融金属、溶融塩が用いられるが、この実施形態では溶融金属を用いるものとし、具体的にはアルミニウムと亜鉛を用いるようにしている。
【００３５】
Ａ−１−２：蓄熱媒体容器２
上記蓄熱媒体容器２は、上述のように、その内部に上記蓄熱媒体３が充填保持されるものであるが、その形成素材の要件としては、第１に、内部に投入される上記蓄熱媒体３により浸食あるいは変質されない高温安定性の高い素材であることが必要であり、この要件に最適な素材としてはセラミック材、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ等が考えられる。さらに、上記蓄熱媒体容器２は、その外側に上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０が配置され、その外壁を通して熱伝達が行われることから、高い熱伝導率を持つことが必要であり、この要件に関しては、上掲セラミック材のうち、最も熱伝導率が高い炭化ケイ素が好適である。そこで、この実施形態では、上記蓄熱媒体容器２を炭化ケイ素で形成した。
【００３６】
なお、上記蓄熱媒体容器２を炭化ケイ素で形成する場合、成形性という点から、比較的小型であること、応力が集中する角部を持たないこと、等の条件が課せられる。ここで、前者の条件に関しては、上記蓄熱媒体容器２が小型であれば、その内部に充填される蓄熱媒体３の量も少なくその蓄熱容量も小さいものとなり、実用性に乏しいものとなる。そこで、この実施形態では、後述のように、比較的小型の蓄熱媒体容器２を複数個組み合わせて蓄熱体ユニット７を構成し、これによって蓄熱容量の増大を図り実用性を高めている。また、後者の条件に関しては、後述のように、上記蓄熱媒体容器２を筒状形体とすることでクリアした。
【００３７】
上記蓄熱媒体容器２は、上述の諸条件を勘案した上で、図２に示すように、炭化ケイ素を素材として、上開きテーパの有底円筒状に形成されている。ただし、高さ方向の全体をテーパとしたのではなく、上端寄りの一部分を除く領域をテーパ部とし、該テーパ部より上側部分は平行部として直筒状に形成している。また、上記蓄熱媒体容器２の上端、即ち、上記平行部の上端には外蓋５が取り付けられる。
【００３８】
また、上記蓄熱媒体容器２内には上記蓄熱媒体３が充填されるが、この場合、該蓄熱媒体３の充填量は、該蓄熱媒体３の上面が上記蓄熱媒体容器２の平行部の高さ範囲内に位置し、しかも該上面側に内蓋４を浮上配置したとき該内蓋４と上記外蓋５の間に所要の空間部が形成されるように設定される。
【００３９】
なお、上記内蓋４は、蓄熱媒体３と空気の接触を最小限にして該蓄熱媒体３の酸化劣化を防止する機能をもつものであって、そのためには、上記蓄熱媒体３が上記蓄熱媒体容器２内で熱膨縮してその上面位置が上下方向に変化する場合に、この上面変化に追従して上下動することが必要である。このため、上記内蓋４は、その外周面と上記蓄熱媒体容器２の内周面との間に僅かな隙間を確保し得るようにその大きさが設定されている。
【００４０】
Ａ−２：蓄熱体１の製作
上記蓄熱体１は、上記蓄熱媒体容器２内に上記蓄熱媒体３を充填して行われるが、この蓄熱媒体容器２への上記蓄熱媒体３としてのアルミニウム又は亜鉛の充填は、以下のようにして行われる。
【００４１】
上記蓄熱媒体３の上記蓄熱媒体容器２への充填は、全量を一度に充填することはできないので、少量ずつ複数回に分けて行う。先ず、粒径２〜３ｍｍ程度のアルミニウム粒体又は亜鉛粒体を用意し、これを別設置の加熱装置にセットされた上記蓄熱媒体容器２に投入し、これを加熱溶融させたのち、放熱凝固させる。このような所定量ずつの加熱溶融・放熱凝固を複数回繰り返すことで、上記蓄熱媒体容器２内に規定量の蓄熱媒体３を充填する。このように上記蓄熱媒体容器２に上記蓄熱媒体３を充填した後、該蓄熱媒体３の上面に上記内蓋４を配置し、さらに上記蓄熱媒体容器２の上端開口部に上記外蓋５を嵌装することで、上記蓄熱体１の製作が完了する。
【００４２】
Ａ−３：蓄熱体ユニット７
上記蓄熱体ユニット７は上記蓄熱体１を複数個集合させて構成される。即ち、図３に示すように、所定径の円環上に形成されたステンレス製の蓄熱体支持枠６に、内外二つの同心円上にそれぞれ所定ピッチで保持孔６ａを形成する。この場合、上記保持孔６ａは、上記蓄熱媒体容器２のテーパ部の高さ方向中間位置の外径に略合致するような内径寸法に設定される。そして、この蓄熱体支持枠６の各保持孔６ａのそれぞれに上記蓄熱体１をその小径の下端側から挿入し、そのテーパ部の中間高さ位置で上記保持孔６ａに掛止保持させることで、略円環状形体をもつ蓄熱体ユニット７が形成される。そして、この実施形態では、上記蓄熱体ユニット７を上下二段に積層配置して用いるようにしている（図１、図４参照）。
【００４３】
なお、上記蓄熱体ユニット７を略円環状形体に形成したのは、後述のように該蓄熱体ユニット７が収容される保持容器１１（図１、図４参照）を円筒状に形成してその表面積を小さくして表面からの放熱を抑制するという形体上の要請に対応させたものである。
【００４４】
Ａ−４：入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０
Ａ−４−１：入熱用熱交換器２０
上記入熱用熱交換器２０は、熱媒（この実施形態では空気）循環式の熱交換器であって、上下二段配置された上記蓄熱体ユニット７の内周側と底面側に対応するように配置される。即ち、図２及び図４に示すように、上記入熱用熱交換器２０は、上記蓄熱体ユニット７の内周側に沿うように螺旋状に巻回されたステンレス製の内周側伝熱コイル２１と上記蓄熱体ユニット７の底面側に沿うように渦巻状に巻回されたステンレス製の底部側伝熱コイル２２を備えて構成される。
【００４５】
そして、これら各伝熱コイル２１，２２は、上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１に接触状態で、あるいは近接状態で配置されるが、該蓄熱体１と内周側伝熱コイル２１及び底部側伝熱コイル２２の間に後述の伝熱媒体１２が密に充填されるように充填隙間を確保するという意味から、近接状態で配置されるのが望ましい。
【００４６】
このように上記入熱用熱交換器２０を上記蓄熱体ユニット７の内周側と底面側に配置することで、上記蓄熱体ユニット７においては、上記入熱用熱交換器２０からの熱は該蓄熱体ユニット７にその底面側から導入されて上方側に向かって流れると同時に、水平方向においては該蓄熱体ユニット７の中心側から周辺側へ向かって流れることで、該蓄熱体ユニット７の底面寄り部分が比較的高温となり、周辺寄り部分は比較的低温となる。この結果、この蓄熱体ユニット７を構成する各蓄熱体１に内蔵された蓄熱媒体３は、最も溶融しにくい底部側から上面側に向かって順次溶融が進行し、該蓄熱体１における蓄熱作用が安定し、延いては上記蓄熱体ユニット７全体としての蓄熱性能が向上することになる。
【００４７】
Ａ−４−２：出熱用熱交換器３０
上記出熱用熱交換器３０は、熱媒（この実施形態では空気）循環式の熱交換器であって、上下二段配置された上記蓄熱体ユニット７の外周側と上面側に対応するように配置される。即ち、図２及び図４に示すように、上記出熱用熱交換器３０は、上記蓄熱体ユニット７の外周側に沿うように螺旋状に巻回されたステンレス製の外周側伝熱コイル３１と上記蓄熱体ユニット７の上面側に沿うように渦巻状に巻回されたステンレス製の上面側伝熱コイル３２を備えて構成される。
【００４８】
そして、これら各伝熱コイル３１，３２は、上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１に接触状態で、あるいは近接状態で配置されるが、該蓄熱体１と各伝熱コイル３１，３２との間に後述の伝熱媒体１２が密に充填されるように充填隙間を確保するという意味から、近接状態で配置されるのが望ましい。
【００４９】
このように、上記出熱用熱交換器３０を上記蓄熱体ユニット７の外周側と上面側に配置することで、上記入熱用熱交換器２０による加熱形態に起因して上記蓄熱体ユニット７の外周部は比較的低温とされるところ、さらにこの部分から出熱用熱交換器３０によって出熱されることで、この外周部分は比較的低温な状態が維持される。この結果、上記蓄熱体ユニット７が収容された後述の保持容器１１の外側に配置される断熱材８は、該保持容器１１の周辺温度が低く抑えられることで断熱効果が良好に維持され、延いては上記蓄熱装置全体としての熱損失が抑制され、蓄熱性能がより一層向上することになる。
【００５０】
Ａ−５：保持容器１１
上記保持容器１１は、ステンレス製の有底円筒状の容器（図４参照）とされ、その内部には、図１に示すように、上記蓄熱体ユニット７と入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０が収納配置される。さらに、この保持容器１１内には、上記入熱用熱交換器２０と上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１との間、及び上記出熱用熱交換器３０と上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１の間をそれぞれ熱的に密に結合するために伝熱媒体１２が充填されている。
【００５１】
Ａ−６：伝熱媒体１２
上記伝熱媒体１２に要求される条件としては、
（１）熱伝導率が極めて高いこと、
（２）高温下でも、化学的に安定しており変性しないこと、
（３）高温下でも、上記蓄熱媒体容器２とか上記各熱交換器２０、３０の伝熱コイルと反応しないこと、
（４）上記蓄熱媒体容器２及び上記各熱交換器２０、３０の伝熱コイルに密着すること、
（５）上記蓄熱体１のセラミック製の蓄熱媒体容器２の膨張率は極めて小さく、ステンレス製の各熱交換器２０，３０の伝熱コイルの膨張率は比較的大きいため、昇降温時に上記蓄熱媒体容器２と上記各熱交換器２０，３０の相対位置が微妙に変化するとき、これに伝熱媒体１２が追従できること、
等が考えられ、これら各条件を満たすものとして、例えば、炭化ケイ素粉末、窒化ケイ素粉末、アルミナ粉末等のセラミック粉末が考えられるが、この実施形態では特に熱伝導率が高いことを重要視して炭化ケイ素粉末を採用した。
【００５２】
上記伝熱媒体１２は、図１に示すように、上記蓄熱体ユニット７と入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０が収容された上記保持容器１１内に充填される。この場合、伝熱媒体１２としての炭化ケイ素粉末は、同一粒径のもののみではなく、粒径０．０５〜０．５ｍｍの範囲で粒径が小さいものと粒径が大きいものを混合した状態で充填される。このように、異なる粒径の炭化ケイ素粉末を充填することで、該炭化ケイ素粉末は上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１と上記入熱用熱交換器２０の間、及び各蓄熱体１と上記出熱用熱交換器３０の間に殆ど空隙を作ることなく密に充填され、該炭化ケイ素粉末によって上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１と上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０はそれぞれ熱的に密に結合されることになる。
【００５３】
したがって、上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０を上記蓄熱体ユニット７の外側に配置した構成（例え上記蓄熱体１の外面に上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０が密着した状態で配置されたとしても、これら相互間の接触状態が線接触であって、伝熱効率が比較的低くならざるを得ないような構成）であるにも拘わらず、上記炭化ケイ素粉末の高い熱伝導率によって、恰も上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１内の蓄熱媒体３に上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０を挿入配置したと略同様の伝熱効率が確保され、延いては上記入熱用熱交換器２０から上記蓄熱体１への入熱効率、及び該蓄熱体１における蓄熱効率、該蓄熱体１から上記出熱用熱交換器３０側への出熱効率が、それぞれ格段に向上することになる。
【００５４】
また、上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０は温度変化に伴って膨縮変化するが、その場合、上記伝熱媒体１２はこれが炭化ケイ素粉末で構成され流動性をもつことから、上記入熱用熱交換器２０及び出熱用熱交換器３０の膨縮変化時にはこれに追従して伝熱媒体１２が流動し、これら各熱交換器２０，３０との密着結合性を維持することができ、これによって温度変化に拘わらず安定した熱交換性能が確保される。
【００５５】
さらに、上記伝熱媒体１２が炭化ケイ素粉末で構成されていることから、該伝熱媒体の保持容器１１内への投入及び取出しが容易であり、例えば、蓄熱装置のメンテナンス時においては、上記伝熱媒体１２を取り出すことで上記各熱交換器２０，３０あるいは蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１を露出させて点検整備を行い、作業完了後は再度伝熱媒体１２を保持容器１１内に投入することで該伝熱媒体１２によって上記各熱交換器２０，３０及び蓄熱体１の相互間を密着結合させることができ、メンテナンス性に優れた蓄熱装置を提供できる。
【００５６】
Ｂ：蓄熱利用システム
図５には、上記蓄熱装置Ｚ１を備えて構成される蓄熱利用システムの一例として、排熱回収再利用システムを示している。この排熱回収再利用システムは、排熱源５１からの排熱を回収する排熱回収用熱交換器５２と、直列に二段配置された第１の蓄熱装置Ｚ１ａと第２の蓄熱装置Ｚ１ｂと、該第１及び第２の蓄熱装置Ｚ１ａ、Ｚ１ｂにおいて蓄熱された熱を取り出して熱利用機器５４において利用する利用側熱交換器５３を備えて構成される。また、この実施形態では、入熱側及び出熱側ともに熱媒として空気を用いている。
【００５７】
なお、この実施形態において二つの蓄熱装置Ｚ１ａ、Ｚ１ｂを直列に二段配置したのは、排熱の回収効率を上げるためであって、システム構成上の限定要素ではなく、例えば、他の実施形態においては単一の蓄熱装置Ｚ１を備えて排熱回収再利用システムを構築することもできる。
【００５８】
上記第１及び第２の蓄熱装置Ｚ１ａ、Ｚ１ｂは、該第１の蓄熱装置Ｚ１ａの入熱用熱交換器２０の熱媒出口と上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの熱媒入口を管路３７ａで接続する一方、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの出熱用熱交換器３０の熱媒入口と上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの熱媒出口を管路３７ｂで接続している。また、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの熱媒入口を管路３３で上記排熱回収用熱交換器５２の熱媒出口に接続する一方、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの熱媒出口を管路３４で上記排熱回収用熱交換器５２の熱媒入口に接続している。さらに、上記管路３７ａと管路３４は、過昇温防止用のバイパス弁６３を備えた管路３９で接続されるとともに、該管路３４の上記管路３９の接続位置より熱媒下流側には入熱量調整用の流量制御弁６２を備えたコンプレッサ６１が設けられている。
【００５９】
上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの上記出熱用熱交換器３０の熱媒出口と上記利用側熱交換器５３の熱媒入口を管路３５で接続する一方、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの上記出熱用熱交換器３０の熱媒入口と上記利用側熱交換器５３の熱媒出口を管路３６で接続している。また、上記管路３５と上記管路３６は、温度調整用のバイパス弁６４を備えた管路３８で接続されている。上記管路３６の上記管路３９の接続位置より熱媒上流側には、出熱量調整用の流量制御弁６２を備えたコンプレッサ６１が設けられている。
【００６０】
一方、この実施形態では、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの蓄熱体１に使用される蓄熱媒体３としてアルミニウムを採用し、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂに使用される蓄熱媒体３として亜鉛を採用している。なお、ここではアルミニウムの蓄熱温度は６６０℃、亜鉛の蓄熱温度は４２０℃として説明する。
【００６１】
また、この実施形態で使用される排熱源５１からの排熱温度は８００℃と想定しており、上記排熱回収用熱交換器５２から上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａに８００℃の入熱用空気が導入される。一方、上記利用側熱交換器５３から上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂに導入される出熱用空気の温度は２２０℃を想定している。係る条件の下で、この排熱回収再利用システムの上記各蓄熱装置Ｚ１ａ，蓄熱装置Ｚ１ｂにおけるヒートバランスを考察する。
【００６２】
上記排熱回収再利用システムにおいて、上記バイパス弁６３、及び上記バイパス弁６４を共に閉弁とした状態で考える。先ず、入熱側においては、上記排熱回収用熱交換器５２から８００℃の空気（熱媒）が上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの入熱用熱交換器２０に導入され、該入熱用熱交換器２０において上記蓄熱体ユニット７の蓄熱体１との間で熱交換したのち、温度６６０℃で導出される。この入熱用熱交換器２０から導出された空気は、温度６６０℃のまま上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの入熱用熱交換器２０に導入され、該入熱用熱交換器２０において上記蓄熱体ユニット７の蓄熱体１との間で熱交換したのち、温度４２０℃で導出され、上記排熱回収用熱交換器５２に還流される。
【００６３】
したがって、入熱側においては、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの入熱用熱交換器２０の入口温度と出口温度の温度差１４０℃と、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの入熱用熱交換器２０の入口温度と出口温度の温度差２４０℃との合計温度差３８０℃だけ排熱が回収されたことになる。
【００６４】
一方、出熱側においては、上記利用側熱交換器５３から２２０℃の空気（熱媒）が上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの出熱用熱交換器３０に導入され、該出熱用熱交換器３０において上記蓄熱体ユニット７の蓄熱体１との間で熱交換したのち、温度４２０℃で導出される。この出熱用熱交換器３０から導出された空気は、温度４２０℃のまま上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの出熱用熱交換器３０に導入され、該出熱用熱交換器３０において上記蓄熱体ユニット７の蓄熱体１との間で熱交換したのち、温度６６０℃で導出され、上記利用側熱交換器５３に還流される。なお、この利用側熱交換器５３においては、還流される高温空気によって水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を上記熱利用機器５４に供給し所要の仕事（例えば、蒸気タービンを駆動し、発電機を回して発電する）を行わせる。
【００６５】
したがって、出熱側においては、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの出熱用熱交換器３０の入口温度と出口温度の温度差２００℃と、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの出熱用熱交換器３０の入口温度と出口温度の温度差２４０℃との合計温度差４４０℃だけ熱が利用されたことになる。
【００６６】
ここで、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａと第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの間のヒートバランスを考えてみると、入熱側では、入熱用空気の上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａでの温度差は１４０℃であるのに対して、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂでの温度差は２４０℃であり、該第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの温度差が大きくなっている。また、出熱側では、出熱用空気の上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂでの温度差は２００℃であるのに対して、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａでの温度差は２４０℃であり、該第１の蓄熱装置Ｚ１ａの温度差が大きくなっている。
【００６７】
したがって、この蓄熱利用システムでは、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａ側において蓄熱量が不足し、該第１の蓄熱装置Ｚ１ａと上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂのバランスがとれておらず、上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂが過熱することも考えられる。このような上記各蓄熱装置Ｚ１ａ、Ｚ１ｂ間のアンバランス状態を改善し、該第２の蓄熱装置Ｚ１ｂの過熱を防ぐために上記バイパス弁６３が備えられたものであり、必要に応じてこのバイパス弁６３を開いて上記第２の蓄熱装置Ｚ１ｂへの入熱用空気量を制限する。この操作によって、蓄熱できる熱量は減少するものの、蓄熱利用システムの安全且つ安定した運転が実現される。
【００６８】
上記排熱回収再利用システムでは、入熱側全体の入熱量は上記流量制御弁６２によって制御でき、出熱側全体の出熱量は上記流量制御弁５９によって制御できる。また、出熱用空気の流量調整を行っても、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａの出口温度は常に第１の蓄熱装置Ｚ１ａの蓄熱体１の蓄熱温度と同じで変化しないため、出熱温度の調整が必要となった場合は、上記バイパス弁６４を開いて、上記第１の蓄熱装置Ｚ１ａから導出される高温空気に管路３８からの冷空気を混合させて出熱温度を下げれば良い。
【００６９】
「第２の実施形態」
図６には、本願発明の第２の実施形態に係る蓄熱装置Ｚ２の全体構造を示している。この蓄熱装置Ｚ２は、図６及び図７に示すように、円筒形の保持容器１１内に、多数の蓄熱体１を備えた蓄熱体ユニット７を上下二段に配置するとともに、該蓄熱体ユニット７の裏面側と内周側に跨って太陽熱熱交換器で構成される入熱用熱交換器４０を、該蓄熱体ユニット７の外周側と上面側には熱媒循環式熱交換器で構成される出熱用熱交換器４７をそれぞれ配置し、さらにこの保持容器１１内に伝熱媒体１２を投入し、これを上記蓄熱体ユニット７と上記入熱用熱交換器４０及び出熱用熱交換器４７相互間の隙間に充填して構成される。そして、上記入熱用熱交換器４０に供給される熱（太陽熱）を上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１に蓄熱するとともに、この各蓄熱体１に蓄えられた熱を上記出熱用熱交換器４７によって外部へ出熱するようになっている。
【００７０】
以下、これら蓄熱装置Ｚ２の各構成部材を具体的に説明し、併せて、この蓄熱装置Ｚ２を備えて構成される蓄熱利用システムについて説明する。
【００７１】
Ａ：蓄熱装置Ｚ２の構成部材
Ａ−１：蓄熱体１
上記蓄熱体１は、入熱用熱交換器４０から導入される熱を蓄えるとともに、ここに蓄えられた熱を上記出熱用熱交換器４７によって外部へ出熱するものであって、該蓄熱体１の構成及びそれに付随する各部材、即ち、蓄熱媒体容器２及び蓄熱媒体３の構成等、並びに該蓄熱体１の製作手法は、上記第１の実施形態における蓄熱体１の場合と同様であり、ここでは第１の実施形態における該当記載を援用し、重ねての説明を省略する。
【００７２】
Ａ−２：蓄熱体ユニット７
上記蓄熱体ユニット７は、上記蓄熱体１を複数個集合させて構成されるものであって、第１の実施形態に記載した蓄熱体ユニット７とその構成及び機能等を同様とするものであるため、第１の実施形態の該当説明を援用し、ここでの説明を省略する。
【００７３】
Ａ−３：入熱用熱交換器４０
上記入熱用熱交換器４０は、太陽熱熱交換器であって、図６及び図７に示すように、上下二段配置された上記蓄熱体ユニット７の内周側と底面側にそれぞれ対応するように配置される筒状受光体４２と平板状受光体４３からなる受光板４１を備えて構成される。
【００７４】
この実施形態では、上記受光板４１の筒状受光体４２及び平板状受光体４３を、共に熱伝導率の高い炭化ケイ素で構成している。この場合、上記受光板４１は、上記筒状受光体４２と平板状受光体４３を必ずしも一体に製作する必要は無く、例えば、上記筒状受光体４２と平板状受光体４３に２分割して製作するとか、さらにこの筒状受光体４２及び平板状受光体４３をそれぞれ複数に分割して製作することもできる。特に、上記平板状受光体４３は、これを大型とする場合、小さな平板体を多数製作し、これらを伝熱媒体１２上に並べて配置することもできる。このような分割構造としても、これが一体化されていると同様の熱伝導性を確保できるのは、後述のように、上記伝熱媒体１２が高い熱伝導率を持ち、しかも上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１と上記入熱用熱交換器４０及び上記出熱用熱交換器４７の各構成部材の間に密に充填され、該伝熱媒体１２を介してこれら各部材が熱的に密に結合されるためである。
【００７５】
なお、この実施形態では、上記受光板４１の平板状受光体４３を、その受光部、即ち、上記筒状受光体４２の内部空間で構成される光導入路４４に対応する部分の大きさよりも大幅に大きく形成しているが、その理由は、受光部に太陽光が入射しここでエネルギー変換が行われることで、この受光部に太陽熱が集中し上記平板状受光体４３が急激に温度上昇するため、該平板状受光体４３をその受光部よりも大きくして発生熱を素早く周囲の伝熱媒体１２に伝達して該平板状受光体４３の温度上昇を抑えるためである。これによって、上記受光板４１の過熱が防止されるとともに、該受光板４１から大気に放出される輻射熱が低減され、該受光板４１での受光効率が向上することになる。
【００７６】
上記入熱用熱交換器４０は、別設置の太陽光の集光装置において集光された太陽光を、上方から上記筒状受光体４２の内側に形成される光導入路４４を通して上記筒状受光体４２に照射させることで、該太陽光を太陽熱に変換してこれを上記筒状受光体４２及び平板状受光体４３にそれぞれ熱伝導により伝達する。また、上記平板状受光体４３の上記筒状受光体４２の上記光導入路４４に対応する部分（即ち、受光部）の表面は太陽光を乱反射させる乱反射面に形成されている。このため、上記平板状受光体４３の受光部に入射した太陽光の一部はここで乱反射して上記筒状受光体４２の内面に照射され、ここで太陽熱に変換されて該筒状受光体４２の全域に熱伝導により伝達されることになる。
【００７７】
この場合、上記受光板４１で受けた熱を周辺に配分するために、図６に示すように、該受光板４１の下側に伝熱媒体１２として炭化ケイ素粉末の層を設け、この炭化ケイ素粉末の層を通して下側から上記出熱用熱交換器４７に熱を配分するようにしており、この熱の配分は炭化ケイ素粉末の層の厚さで調整することができる。
【００７８】
上記入熱用熱交換器４０は、図６及び図７に示すように、その受光板４１の上記筒状受光体４２を上記蓄熱体ユニット７の内周側に、上記平板状受光体４３を上記蓄熱体ユニット７の下面側に、それぞれ接触あるいは近接状態させた状態で配置されるが、
該蓄熱体１と上記受光板４１の筒状受光体４２及び平板状受光体４３との間に上記伝熱媒体１２が密に充填されるように充填隙間を確保するという意味から、近接状態で配置されるのが望ましい。
【００７９】
このように上記入熱用熱交換器４０を上記蓄熱体ユニット７の内周側と底面側に配置することで、上記蓄熱体ユニット７においては、上記入熱用熱交換器４０からの熱が該蓄熱体ユニット７にその底面側及び内周側から導入されて上方側に向かって流れると同時に、水平方向においては該蓄熱体ユニット７の中心側から周辺側へ向かって流れることで、該蓄熱体ユニット７の底面寄り部分が比較的高温となり、周辺寄り部分は比較的低温となる。この結果、この蓄熱体ユニット７を構成する各蓄熱体１に内蔵された蓄熱媒体３は、最も溶融しにくい底部側から上面側に向かって順次溶融が進行し、該蓄熱体１における蓄熱作用が安定し、延いては上記蓄熱体ユニット７全体としての蓄熱性能が向上することになる。
【００８０】
Ａ−４：出熱用熱交換器４７
上記出熱用熱交換器４７は、水を熱媒とした熱媒循環式の熱交換器であって、上下二段配置された上記蓄熱体ユニット７の外周側と上面側に対応するように配置される。即ち、図６及び図７に示すように、上記出熱用熱交換器４７は、上記蓄熱体ユニット７の外周側に沿うように螺旋状に巻回されたステンレス製の外周部伝熱コイル４８と上記蓄熱体ユニット７の上面側に沿うように渦巻状に巻回されたステンレス製の上面側伝熱コイル４９を備えて構成される。なお、この出熱用熱交換器４７は、上述のように水を熱媒として用い、蓄熱装置Ｚでの熱交換によって蒸気を発生させ、この蒸気を熱利用機器５４（図８参照）に供給して所要の仕事を行わせるものであって、蒸気発生器として機能するものである。
【００８１】
上記各伝熱コイル４８，４９は、上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１に接触状態で、あるいは近接状態で配置されるが、該蓄熱体１と上記各伝熱コイル４８，４９との間に伝熱媒体１２が密に充填されるように充填隙間を確保するという意味から、近接状態で配置されるのが望ましい。なお、上記出熱用熱交換器４７は、管路７５，７６を介して別設置の熱利用機器５４（図８参照）に接続されている。
【００８２】
このように上記出熱用熱交換器４７を上記蓄熱体ユニット７の外周側と上面側に配置することで、上記出熱用熱交換器３０による加熱形態に起因して上記蓄熱体ユニット７の外周部は比較的低温とされるところ、さらにこの部分から出熱用熱交換器４７によって出熱されることで、この外周部分は比較的低温な状態が維持される。この結果、上記蓄熱体ユニット７が収容された保持容器１１（図７参照）の外側に配置される断熱材８はその周辺温度が低く抑えられ、これによって該断熱材８による断熱効果が良好に維持され、延いては上記蓄熱装置全体としての熱損失が抑制され、蓄熱性能がより一層向上することになる。
【００８３】
Ａ−５：保持容器１１
上記保持容器１１は、ステンレス製の有底円筒状の容器（図７参照）とされ、その内部には、図６に示すように、上記蓄熱体ユニット７と入熱用熱交換器４０及び出熱用熱交換器４７が収納配置される。さらに、この保持容器１１内には、上記入熱用熱交換器４０と上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１との間、及び上記出熱用熱交換器４７と上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１の間をそれぞれ熱的に密に結合するために伝熱媒体１２が充填されている。
【００８４】
Ａ−６：伝熱媒体１２
上記伝熱媒体１２は、図６に示すように、上記蓄熱体ユニット７と入熱用熱交換器４０及び出熱用熱交換器４７が収容された上記保持容器１１内に充填されるものであって、この実施形態では、第１の実施形態の場合と同様に、炭化ケイ素粉末を用いている。このように、上記保持容器１１内に上記伝熱媒体１２としての炭化ケイ素を充填することで、該炭化ケイ素粉末が上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１と上記入熱用熱交換器４０の受光板４１の間、及び各蓄熱体１と上記出熱用熱交換器４７の間に殆ど空隙を作ることなく密に充填され、該炭化ケイ素粉末によって上記蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１と上記入熱用熱交換器４０及び出熱用熱交換器４７はそれぞれ熱的に密に結合され、これら相互間の伝熱効率が格段に向上するものである。
【００８５】
Ｂ：蓄熱利用システム
図８には、上記蓄熱装置Ｚ２を備えて構成される蓄熱利用システムの一例として、太陽熱発電システムを示している。この太陽熱発電システムは、太陽熱熱交換器で構成される上記入熱用熱交換器４０と、直列に接続された外周部伝熱コイル４８と上面側伝熱コイル４９をもち蒸気発生器として機能する出熱用熱交換器４７を備えて構成される蓄熱装置Ｚ２と、蒸気タービン５５と復水器５６からなる熱利用機器５４で構成される。
【００８６】
上記蓄熱装置Ｚ２の上記出熱用熱交換器４７の熱媒出口側に位置する外周部伝熱コイル４８は、ドレーン弁６８及び蒸気タービン５５の出力調整用の圧力調整弁６７を備えた管路７５を介して上記熱利用機器５４の蒸気タービン５５に接続されている。また、上記出熱用熱交換器４７の熱媒入口側に位置する上面側伝熱コイル４９は、熱媒流量調整用の流量制御弁６９及び循環ポンプ７０を備えた管路７６を介して上記熱利用機器５４の復水器５６に接続されている。さらに、管蒸気を上記蒸気タービン５５をバイパスして上記復水器５６に流す上記タービンバイパス弁７２を備えた管路管路７１により、管路管路７５と上記復水器５６が接続されている。一方、上記外周部伝熱コイル４８と上記上面側伝熱コイル４９を接続する管路７８は、過熱防止用のバイパス弁６５を備えた管路７９を介して上記管路７５に接続されている。また、上記管路７５と管路７６は、冷水散布用の仕切弁６６を備えた管路７７によって接続されている。
【００８７】
このように構成された太陽熱発電システムにおいては、上記入熱用熱交換器４０から入熱される太陽熱が上記蓄熱装置Ｚ２の蓄熱体ユニット７の各蓄熱体１において蓄熱されるとともに、この蓄熱によって上記出熱用熱交換器４７の上記外周部伝熱コイル４８及び上面側伝熱コイル４９内を流れる水（熱媒）が加熱され、蒸気を発生する。この蒸気は、管路７５を介して上記蒸気タービン５５に供給され、該蒸気タービン５５によって発電機（図示省略）が駆動され発電が行われる。上記蒸気タービン５５から出た蒸気は、上記復水器５６において凝縮されて水となり、上記蓄熱装置Ｚ側へ還流される。
【００８８】
上記出熱用熱交換器４７の出口の蒸気温度は上記蓄熱体１における蓄熱温度近くまで上昇するため、蓄熱媒体３をアルミニウムとした場合（蓄熱温度６６０℃）、蒸気温度が高くなり過ぎる。このため、この実施形態では、上記出熱用熱交換器４７を外周部伝熱コイル４８と上面側伝熱コイル４９の二つに分割し、蒸気温度が高くなり過ぎた場合には上記バイパス弁６５により上記管路７９を開いて、上記上面側伝熱コイル４９から出る蒸気を、上記外周部伝熱コイル４８を通すことなくこれを迂回して管路７５側へ流すことで蒸気温度の過上昇を防止するようにしている。
【００８９】
また、出熱用熱交換器４７は高温に晒されるため、クリープ損傷に注意する必要がある。この場合、熱媒としての水の供給を停止すれば出熱を停止させることはできるが、上記出熱用熱交換器４７は熱を受け続け、蓄熱温度まで昇温するためクリープ損傷を防ぐことはできない。このため、この実施形態では、出熱しない場合、即ち、上記蒸気タービン５５への蒸気供給を停止させてこれを停止させる場合は、上記圧力調整弁６７を全閉とするとともに、上記循環ポンプ７０を停止させて水の供給を停止し、上記復水器５６の真空状態が維持されている場合には上記タービンバイパス弁７２を開いて上記出熱用熱交換器４７内の蒸気を上記復水器５６に導いてこれを冷却することで内圧を無くし、上記復水器５６の真空状態が維持されていない場合には、上記ドレーン弁６８を開いて上記出熱用熱交換器４７内の蒸気を全て大気に放出して内圧を無くすることで、それぞれ上記出熱用熱交換器４７のクリープ損傷を防ぐようにしている。さらに、出熱している状態における蒸気温度の過上昇は、散布用の仕切弁６６を開いて冷水を蒸気中に散布することで防ぐことができる。
【００９０】
なお、この実施形態においては、上述のように上記出熱用熱交換器４７において直接蒸気を発生させ、これを上記熱利用機器５４側へ供給するようにしているが、本願発明は係る構成に限定されるものではなく、例えば、上記第１の実施形態（図５参照）のように、上記出熱用熱交換器４７側の熱媒を空気とし、該出熱用熱交換器４７から高温空気として出熱させ、この高温空気を熱利用機器５４側に設けた蒸気発生器に導入して蒸気を発生させ、これを蒸気タービン５５に導入するような構成とすることもできる。しかし、これら両構成を対比した場合、この実施形態に示した構成の方が、第１の実施形態に示された構成よりも、システムの構成機器が少なく低コストであり、且つシステム全体としての熱効率も高い等の利点があることから、有利である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本願発明に係る蓄熱装置及び蓄熱利用システムは、排熱回収利用分野とか太陽熱利用分野において利用されるものである。
【符号の説明】
【００９２】
１  ・・蓄熱体
２  ・・蓄熱媒体容器
３  ・・蓄熱媒体
４  ・・内蓋
５  ・・外蓋
６  ・・蓄熱体支持枠
７  ・・蓄熱体ユニット
８  ・・断熱材
１１  ・・保持容器
１２  ・・伝熱媒体
２０  ・・入熱用熱交換器
２１  ・・内周側伝熱コイル
２２  ・・底部側伝熱コイル
３０  ・・出熱用熱交換器
３１  ・・外周側伝熱コイル
３２  ・・上面側伝熱コイル
４０  ・・入熱用熱交換器
４１  ・・受光板
４２  ・・筒状受光部
４３  ・・平板状受光部
４４  ・・光導入路
４７  ・・出熱用熱交換器
４８  ・・外周部伝熱コイル
４９  ・・上面側伝熱コイル
５１  ・・排熱源
５２  ・・排熱回収用熱交換器
５３  ・・利用側熱交換器
５４  ・・熱利用機器
Ｚ１，Ｚ２  ・・蓄熱装置
【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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