JP2761777B2 - Heat storage device - Google Patents
Heat storage deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は給湯器などに用いる電気式の蓄熱装置に関す
るものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electric heat storage device used for a water heater or the like.
〔従来の技術〕 従来より、比熱の大きい物体に熱を蓄えておいて、後
でこの顕熱を利用する蓄熱技術は広く知られており、さ
まざまな分野で利用されていた。[Prior Art] Conventionally, a heat storage technique in which heat is stored in an object having a large specific heat and this sensible heat is used later is widely known, and has been used in various fields.
たとえば、電気エネルギーによる蓄熱を利用した給湯
器として、水を直接加熱し、水自体を蓄熱体として利用
する貯湯式のものが広く用いられていた。また、より小
型、高性能の蓄熱装置として、本出願人等は、非酸化物
セラミックスを蓄熱材として用いることを既に提案した
（特願昭63−180594号、63−180595号）。これは、炭化
珪素質セラミックスや窒化珪素質セラミックス等の非酸
化物セラミックスからなる蓄熱体に電気ヒータ及びヒー
トパイプを具備したものであって、電気ヒータによって
前記蓄熱体に蓄熱しておいて、必要なときに、前記ヒー
トパイプによってこの熱を取り出すようにしたものであ
った。For example, as a water heater using heat storage by electric energy, a hot water storage type that directly heats water and uses the water itself as a heat storage material has been widely used. The present applicants have already proposed the use of non-oxide ceramics as a heat storage material as a smaller and higher performance heat storage device (Japanese Patent Application Nos. 63-180594 and 63-180595). This is provided with an electric heater and a heat pipe in a heat accumulator made of non-oxide ceramics such as silicon carbide ceramics and silicon nitride ceramics. At this time, the heat is extracted by the heat pipe.
上述したような蓄熱装置では、蓄熱体からヒートパイ
プへの熱伝達を迅速かつ多量に行わせる必要があり、蓄
熱体に求められる特性として次のような点があった。In the above-described heat storage device, it is necessary to quickly and a large amount of heat transfer from the heat storage body to the heat pipe, and the following characteristics are required of the heat storage body.
１）蓄熱量（熱容量）が大きいこと ２）熱伝導率が大きいこと ３）ヒートパイプから与えられる熱的応力に耐えられる
こと ４）熱的安定性に優れ、劣化・変質・腐食のないこと ５）施工性・製作性の面から軽量なこと ６）製作性の良いこと ところが、１種類の蓄熱体でこれらすべての特性を満
たすことは非常に困難であり、前記した非酸化物セラミ
ックスでも蓄熱量がやや低く、またコストが非常に高い
という問題点があった。1) Large heat storage capacity (heat capacity) 2) High thermal conductivity 3) Withstand the thermal stress given by the heat pipe 4) Excellent thermal stability and no deterioration, deterioration or corrosion 5 ) Lightweight in terms of workability and manufacturability 6) Good manufacturability However, it is very difficult to satisfy all these characteristics with one kind of heat storage body, and even with the above-mentioned non-oxide ceramics, the heat storage amount However, there was a problem that the cost was rather low and the cost was very high.
本発明はこのような事実に鑑み、蓄熱体に望まれる特
性を２極分化し、蓄熱装置を２つの異なる蓄熱体から構
成したものである。その１つは入熱のためのヒータと出
熱のためのヒートパイプを備えた第１の蓄熱体であり、
ヒートパイプから与えられる熱的応力に耐えられ、熱的
安定性にも優れるステンレス鋼または窒化珪素質セラミ
ックスから成る。In view of such a fact, the present invention divides the characteristics desired for the heat storage body into two poles and configures the heat storage device from two different heat storage bodies. One of them is a first heat storage element having a heater for heat input and a heat pipe for heat output,
It is made of stainless steel or silicon nitride ceramics that can withstand the thermal stress given by the heat pipe and has excellent thermal stability.
もう１つは顕熱として熱エネルギを蓄えるための第２
の蓄熱体であり、安価・軽量・蓄熱性に優れるアルミナ
セラミックス、マグネシア質レンガ、または炭化珪素質
レンガから成る。The other is to store heat energy as sensible heat.
Made of alumina ceramics, magnesia brick, or silicon carbide brick, which is inexpensive, lightweight, and excellent in heat storage.
以下、本発明の実施例を図によって説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図に示す蓄熱装置Ｔは、第１蓄熱体１と第２蓄熱
体２を組合わせてなるものである。第１蓄熱体１はステ
ンレス、窒化珪素質セラミックス等の耐熱衝撃性、耐蝕
性に優れた材質から成り、第２図に示すように第２蓄熱
体２を取付けるための取付部1aおよび伝熱フィン1bを備
えている。また、この第１蓄熱体１は出熱のためのヒー
トパイプ３を具備し、このヒートパイプ３に連通する蒸
発部3aが、内部に複数に分岐して形成され、さらに入熱
のための電気ヒータ４も埋設されている。A heat storage device T shown in FIG. 1 is a combination of a first heat storage body 1 and a second heat storage body 2. The first heat storage element 1 is made of a material having excellent thermal shock resistance and corrosion resistance, such as stainless steel and silicon nitride ceramics, and as shown in FIG. 1b. Further, the first heat storage body 1 includes a heat pipe 3 for outputting heat, and an evaporator 3a communicating with the heat pipe 3 is formed by being branched into a plurality of parts therein, and furthermore, an electric power for heat input is formed. The heater 4 is also buried.
一方、第２蓄熱体２は第３図に示すように、前記取付
部1aに合致するように直方体であり、アルミナセラミッ
クス、マグネシア質レンガ、炭化珪素質レンガなどの熱
容量が大きく、軽くて安価な材質からなるものである。On the other hand, as shown in FIG. 3, the second heat storage body 2 is a rectangular parallelepiped so as to match the mounting portion 1a, and has a large heat capacity of alumina ceramics, magnesia brick, silicon carbide brick, etc., and is light and inexpensive. It is made of a material.
上記第１蓄熱体１と第２蓄熱体２の結合構造は、第１
図に示すように、第１蓄熱体１の取付部1aに第２蓄熱体
２を複数取付けて、接合部材５をボルト６で締付けるこ
とによって両者を結合一体化させればよい。The first heat storage element 1 and the second heat storage element 2
As shown in the figure, a plurality of second heat storage elements 2 are attached to the mounting portion 1a of the first heat storage element 1, and the two members may be joined and integrated by tightening the joining member 5 with bolts 6.
このとき、第１蓄熱体１と第２蓄熱体２は接着せずに
接合部材５による締付け力のみで結合しているため、容
易に分解可能であり、また両者の熱膨張差に基づくワレ
等の恐れはない。さらに、両者の接合部分には、金属粉
末をペースト状にした伝熱セメント等を厚さ1mm程度に
介在させておくことによって接合部分の空隙をなくし、
第１蓄熱体１と第２蓄熱体２間の熱伝達を良好にするこ
とができる。At this time, since the first heat storage element 1 and the second heat storage element 2 are joined only by the fastening force of the joining member 5 without bonding, the first heat storage element 1 and the second heat storage element 2 can be easily disassembled. There is no fear. In addition, the gap between the joints is eliminated by interposing a heat transfer cement or the like made of a paste of metal powder to a thickness of about 1 mm in the joints of both.
Heat transfer between the first heat storage element 1 and the second heat storage element 2 can be improved.
この蓄熱装置Ｔは、あらかじめ電気ヒータ４に通電す
ることによって第１蓄熱体１、および該第１蓄熱体１を
通じて第２蓄熱体２に蓄熱しておき、必要なときにヒー
トパイプ３中を水などの熱媒体を通過させれば、前記第
１蓄熱体１、第２蓄熱体２に蓄えられた熱は前記熱媒体
に伝わり、効率よく熱を取り出すことができる。即ち、
本発明の蓄熱装置Ｔにおいて、第２蓄熱体２は蓄熱のみ
に作用し、一方第１蓄熱体１は蓄熱作用と同時に、ヒー
トパイプ３や電気ヒータ４と第２蓄熱体２間の熱の伝達
作用をなすものである。The heat storage device T stores heat in the first heat storage body 1 and the second heat storage body 2 through the first heat storage body 1 by energizing the electric heater 4 in advance. If the heat medium such as is passed through, heat stored in the first heat storage body 1 and the second heat storage body 2 is transmitted to the heat medium, and heat can be efficiently extracted. That is,
In the heat storage device T of the present invention, the second heat storage element 2 acts only on heat storage, while the first heat storage element 1 transfers heat between the heat pipe 3 or the electric heater 4 and the second heat storage element 2 simultaneously with the heat storage function. It works.
次に本発明の他の実施例について説明する。 Next, another embodiment of the present invention will be described.
第４図に示く蓄熱装置Ｔは、伝熱フィンを備えずに平
板状とした第１蓄熱体１の両側に複数の第２蓄熱体２を
配置し、さらにこれらの両側から、接合部材５をボルト
6a、シャフト6b、ナット6cで締め付けることによって、
前記第１蓄熱体１と第２蓄熱体２を結合したものであ
る。In the heat storage device T shown in FIG. 4, a plurality of second heat storage bodies 2 are arranged on both sides of a first heat storage body 1 having no heat transfer fins and having a flat plate shape. The bolt
By tightening with 6a, shaft 6b, nut 6c,
The first heat storage element 1 and the second heat storage element 2 are combined.
また、第５図に示す蓄熱装置Ｔは、平板状とした第１
蓄熱体１の両側に複数の第２蓄熱体２と、別体で形成し
た伝熱フィン７を配置し、これらの両側から、接合部材
５をボルト6a、シャフト6b、ナット6cで締めつけること
によって全体を結合したものである。上記伝熱フィン７
は熱伝達性に優れた鉄からなり、この伝熱フィン７と前
記第１蓄熱体１との接合面は表面粗さ10s以下のなめら
かな面とするか、あるいは両者を溶接することによって
熱伝達性を高めるようにしている。The heat storage device T shown in FIG.
A plurality of second heat storage elements 2 and heat transfer fins 7 formed separately are arranged on both sides of the heat storage element 1, and the joining member 5 is tightened from both sides with bolts 6a, shafts 6b, and nuts 6c. Are combined. Heat transfer fins 7
Is made of iron having an excellent heat transfer property. The joining surface between the heat transfer fin 7 and the first heat storage body 1 is a smooth surface having a surface roughness of 10 s or less, or the heat transfer is performed by welding the both. I try to enhance the nature.
また、本発明の蓄熱装置Ｔにおいて、第１蓄熱体１
は、ヒートパイプ近傍が急冷され、廻りの部分との温度
差による歪みのために激しい熱応力が発生する。したが
って、第１蓄熱体１は加工性が良く、耐熱応力が大き
く、また水などの熱媒体による腐食や500℃程度の高温
に耐え得る材料でなければならない。In the heat storage device T of the present invention, the first heat storage body 1
In this case, the vicinity of the heat pipe is rapidly cooled, and severe thermal stress is generated due to distortion due to a temperature difference from a surrounding part. Therefore, the first heat storage body 1 must be made of a material that has good workability, high heat stress, and can withstand corrosion by a heat medium such as water or high temperature of about 500 ° C.
このような観点から、第１表に示すさまざまな材料に
ついて、500℃に加熱し、水冷実験を行った。それぞれ
耐熱性、耐蝕性、耐熱応力性の点から総合評価を行い、
第１蓄熱体１としての使用可能性検討を検討した。結果
は第１表に示す通り、ステンレス（SUS316L）以外の金
属材は耐熱性、耐蝕性、加工性、材料価格の点で問題が
あり、また窒化珪素質セラミックス以外のセラミック材
では水冷時にクラックが生じ、耐熱応力性の問題があっ
た。したがって、第１蓄熱体１の材質としてはステンレ
スまたは窒化珪素質セラミックスが優れており、特にス
テンレスはセラミックスに比べ加工性に優れ、コストが
低く、熱容量も大きいため最も優れていた。From such a viewpoint, various materials shown in Table 1 were heated to 500 ° C. and subjected to a water cooling experiment. Comprehensive evaluations were made in terms of heat resistance, corrosion resistance, and heat stress resistance.
The possibility of use as the first heat storage body 1 was examined. The results are shown in Table 1. Metal materials other than stainless steel (SUS316L) have problems in heat resistance, corrosion resistance, workability, and material price. And there was a problem of heat stress resistance. Therefore, stainless steel or silicon nitride ceramics was excellent as the material of the first heat storage body 1. In particular, stainless steel was superior to ceramics because of its excellent workability, low cost, and large heat capacity.
一方、第２蓄熱体２は、大きな熱応力は加わらず、熱
を顕熱として蓄えるためだけのものであることから、大
きな熱容量をもった材料であることが必要であり、また
施工性などの点からは軽量であることが望まれる。 On the other hand, since the second heat storage body 2 does not receive a large thermal stress and is only for storing heat as sensible heat, it is necessary that the second heat storage body 2 be a material having a large heat capacity. From the point of view, it is desired that the weight is light.
そこで、第２表に示す様々な材料について使用試験を
行ったところ、単位体積あたりの熱容量が0.70cal/cm3
・ｋ以上で、比重が4.0以下の材料、即ちアルミナセラ
ミックス、マグネシア質レンガ、炭化珪素質レンガが優
れていた。中でもアルミナセラミックスは大きな熱容量
を持ち耐久性に優れていることから、業務用など長期的
安定性や小型化が要求される用途に有効であり、小型の
家庭用給湯器としては経済的なマグネシア質レンガが、
また一般的な給湯器としては、炭化珪素質レンガが最適
であるという結果が得られた。Therefore, when use tests were performed on various materials shown in Table 2, the heat capacity per unit volume was 0.70 cal / cm 3
-Materials having a specific gravity of 4.0 or more and a specific gravity of 4.0 or less, that is, alumina ceramics, magnesia brick, and silicon carbide brick were excellent. Among them, alumina ceramics have a large heat capacity and excellent durability, so they are effective for applications requiring long-term stability and miniaturization, such as for business use, and are economical for small household water heaters. Bricks
In addition, a result was obtained that a silicon carbide brick is most suitable as a general water heater.
上記アルミナセラミックスとは、70％以上のAl2O3を
主成分とし、SiO2,MgO,CaO等の焼結助剤を添加して焼成
した緻密質体であり、またマグネシア質レンガとは70％
以上のMgOを主成分とし、不純物を多く含有したまま焼
成した、気孔率10〜25％程度の多孔質体であり、さらに
炭化珪素質レンガとは、70％以上のSiCを主成分として
不純物を多く含有したまま焼成した気孔率10〜25％程度
の多孔質体である。The alumina ceramics is a dense body that is made of 70% or more of Al 2 O 3 as a main component, and is sintered by adding a sintering aid such as SiO 2 , MgO, and CaO. %
A porous body having a porosity of about 10 to 25%, containing MgO as a main component and sintering while containing a large amount of impurities. It is a porous body with a porosity of about 10 to 25% fired while containing much.
また、各第２蓄熱体２の大きさは、製作性、施工性な
どの点から、100×100×20mmから300×300×100mmの範
囲内のものが最適であった。Further, the size of each second heat storage element 2 was optimally in the range of 100 × 100 × 20 mm to 300 × 300 × 100 mm from the viewpoint of manufacturability, workability, and the like.
次に、本発明の蓄熱装置Ｔを給湯器に用いた例を説明
する。第６図に示すように、蓄熱装置Ｔを断熱容器８で
取り囲み、ヒートパイプ３は熱交換器Ｋを通って循環す
る熱サイホン式のものとし、熱交換器Ｋでは水管Ｐへ通
る水道水へ伝熱するようになっている。 Next, an example in which the heat storage device T of the present invention is used for a water heater will be described. As shown in FIG. 6, the heat storage device T is surrounded by a heat insulating container 8, and the heat pipe 3 is of a thermosiphon type circulating through a heat exchanger K. In the heat exchanger K, the tap water passes through a water pipe P. It is designed to transfer heat.
上記給湯器は、まず夜間に電気ヒータ３に通電して、
第１蓄熱体１、第２蓄熱体２を500℃程度に加熱してお
き、温水を利用する際に蛇口を捻ると、ヒートパイプ３
内を水などの熱媒体が循環し、熱交換器Ｋで水管Ｐ中の
水に熱を伝え、温水が発生するようになっている。この
給湯器は、クリーンな電気エネルギーのみを用いるもの
であり、インテリジェントビルにも応用でき、また夜間
電力を利用することから、低コストで、電力の昼夜平滑
化にも貢献できる。First, the water heater supplies electricity to the electric heater 3 at night,
When the first heat storage element 1 and the second heat storage element 2 are heated to about 500 ° C. and the faucet is twisted when using hot water, the heat pipe 3
A heat medium such as water circulates through the inside, and heat is transmitted to the water in the water pipe P by the heat exchanger K to generate hot water. This water heater uses only clean electrical energy, and can be applied to intelligent buildings. In addition, since it uses nighttime power, it can contribute to low-cost and smooth power supply day and night.
ここで、実際に第１図に示す蓄熱装置Ｔを試作した。
第１蓄熱体１はオーステナイト系ステンレス鋼（SUS316
L）を使用し、0.005m3の容積をもつものとした。また第
２蓄熱体２は、92％のAl2O3を主成分とするアルミナセ
ラミックスにより形成し、全体で0.020m3の容積のもの
とした。さらに電気ヒータ４はNi−Cr発熱体の範囲をMg
Oの無機系充填材で絶縁し、ステンレス（SUS304）でシ
ースした棒状体で、外径20mm、長さ340mm、発熱量400W
のものを５本埋設した。このような蓄熱装置Ｔは、電気
ヒータ４に通電することによって500℃まで５時間でほ
ぼ均熱でき、このとき、総蓄熱量として7700kcalを蓄え
られ、家庭用の台所給湯器として充分利用できることを
確認された。Here, the thermal storage device T shown in FIG.
The first heat storage body 1 is made of austenitic stainless steel (SUS316).
L) and had a volume of 0.005 m 3 . The second heat storage body 2 was formed of alumina ceramics containing 92% of Al 2 O 3 as a main component, and had a total volume of 0.020 m 3 . Further, the electric heater 4 has a range of Ni-Cr heating element of Mg.
Bar-shaped body insulated with inorganic filler of O and sheathed with stainless steel (SUS304), outer diameter 20mm, length 340mm, calorific value 400W
5 were buried. By energizing the electric heater 4, such a heat storage device T can substantially equalize the temperature to 500 ° C. in 5 hours, and at this time, 7700 kcal is stored as a total heat storage amount, and it can be sufficiently used as a kitchen water heater for home use. confirmed.
また、この蓄熱装置Ｔは、大部分を占める第２蓄熱体
２として軽量のアルミナセラミックスを用いていること
から、たとえば全体をステンレス鋼で形成したものに比
べ、半分以下（84〜106kg）程度に軽量化することがで
き、取扱い、施工の容易なものとなった。In addition, since the heat storage device T uses lightweight alumina ceramics as the second heat storage body 2 occupying a large part, the heat storage device T is about half or less (84 to 106 kg) as compared with, for example, the whole formed of stainless steel. The weight can be reduced, and handling and construction are easy.
叙上のように本発明によれば、入熱のための電気ヒー
タと出熱のためのヒートパイプを具備した第１蓄熱体
と、顕熱として熱エネルギーを蓄えるための第２蓄熱体
を組合わせて蓄熱装置を構成したことによっで、第１蓄
熱体として耐熱応力等に優れた材料を用い、一方第２蓄
熱体として熱容量が大きく、軽量の材料を用いることが
できるため、全体として、小型、軽量で、安全性に優
れ、大きな蓄熱量を持つ蓄熱装置を安価に提供すること
ができる。As described above, according to the present invention, a first heat storage element including an electric heater for heat input and a heat pipe for heat output, and a second heat storage element for storing heat energy as sensible heat are assembled. By configuring the heat storage device together, a material having excellent heat resistance and the like can be used as the first heat storage body, and a large heat capacity and lightweight material can be used as the second heat storage body. A heat storage device that is small, lightweight, excellent in safety, and has a large heat storage amount can be provided at low cost.
第１図は本発明の蓄熱装置の全体構造を示す斜視図、第
２図は第１図中の第１蓄熱体のみを示す斜視図、第３図
は同じく第２蓄熱体のみを示す斜視図である。 第４図、第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す斜
視図である。 第６図は本発明の蓄熱装置を用いた給湯器の概略図であ
る。 1:第１蓄熱体、1:第２蓄熱体 3:ヒートパイプ、4:電気ヒータ1 is a perspective view showing the overall structure of the heat storage device of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing only the first heat storage element in FIG. 1, and FIG. 3 is a perspective view showing only the second heat storage element in the same manner. It is. 4 and 5 are perspective views each showing another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram of a water heater using the heat storage device of the present invention. 1: 1st heat storage, 1: 2nd heat storage 3: heat pipe, 4: electric heater
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長崎 浩一 鹿児島県国分市山下町１番１号 京セラ 株式会社鹿児島国分工場内 (72)発明者 鈴木 皓三 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 岡田 宗男 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 望月 正孝 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 益子 耕一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 置鮎 隆一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 久松 明彦 愛知県常滑市港町３丁目77番地 株式会 社イナックス榎戸工場内 (72)発明者 牧野 勤 愛知県常滑市港町３丁目77番地 株式会 社イナックス榎戸工場内 審査官 小菅 一弘 (56)参考文献 特開 昭56−34094（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Koichi Nagasaki 1-1-1, Yamashita-cho, Kokubu-shi, Kagoshima Kyocera Inside Kagoshima Kokubu Plant (72) Inventor Kozo Suzuki 1-1-3 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Electric Power Company (72) Inventor Muneo Okada 1-3-1 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Tokyo Electric Power Company (72) Inventor Masataka Mochizuki 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (72) Inventor Koichi Mashiko 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Inside Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (72) Inventor Ryuichi Okiayu 1-5-1, Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Electric Wire Co., Ltd. (72) Invention Person Akihiko Hisamatsu 3-77 Minatomachi, Tokoname, Aichi Prefecture Inside Inax Enokido Plant (72) Inventor Tsutomu Makino Minatomachi, Tokoname City, Aichi Prefecture Chome address 77 stock companies Inakkusu Enokido factory examiner Kazuhiro Kosuge (56) Reference Patent Sho 56-34094 (JP, A)
Claims (2)
ヒートパイプを備えた、耐熱応力性及び熱安定性に優れ
たステンレス鋼、窒化珪素等の金属又はセラミックスか
らなる第１蓄熱体と、熱エネルギーを蓄えるための熱容
量の大きな第２蓄熱体とを組み合わせ一体化してなる蓄
熱装置。1. A first heat accumulator made of a metal or ceramics such as stainless steel, silicon nitride and the like, which is provided with an electric heater for heat input and a heat pipe for heat output, and is excellent in heat resistance and heat stability. And a second heat storage element having a large heat capacity for storing heat energy.
量が0.70cal/cm3K以上で、かつ比重が4.0以下であるこ
とを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。2. The heat storage device according to claim 1, wherein the second heat storage body has a heat capacity per unit volume of 0.70 cal / cm 3 K or more and a specific gravity of 4.0 or less.
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP1300626A JP2761777B2 (en) | 1989-11-17 | 1989-11-17 | Heat storage device |
Publications (2)
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