JP4425444B2 - 蓄熱タンク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱利用装置で使用される熱媒の顕熱を効率的に回収するための蓄熱タンクの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金やゼオライト等における吸発熱を伴うガス吸脱着反応を利用したシステムとして、冷凍システム、冷房システム、暖房システム、ヒートポンプ等がある。上記システムでは、システムの効率を向上させるために、顕熱を回収して有効に利用する方法が実用化されている。
図７に、高温・低温の熱媒を交互に送り込み、加熱・冷却を繰り返して反応や処理等をさせる従来の熱利用システムの系統図を示す。このシステムでは、ガス吸脱着材料を収納した熱利用ユニット３０に、熱媒が流入してガス吸脱着材料を加熱、冷却し、その後、排出されるように熱媒流路（図示しない）を設ける。この流路には、外部の熱媒導入管３１と熱媒排出管３２とが接続されている。熱媒導入管３１には高温熱媒送出管３３と低温熱媒送出管３４とが接続されており、それぞれの送出管３３、３４は、バルブ３５、３６、ポンプ３７、３８を介して熱媒加熱装置３９、熱媒冷却装置４０に接続されている。また、熱媒加熱装置３９には高温熱媒返流管４１、熱媒冷却装置４０には低温熱媒返流管４２が接続されており、高温熱媒返流管４１はバルブ４３を介し、低温熱媒返流管４２はバルブ４４を介して上記熱媒排出管３２に接続されている。この装置では、熱利用ユニット３０での吸熱行程と放熱行程に合わせて各バルブ、ポンプの動作を制御して熱利用ユニット３０に高温の熱媒と低温の熱媒とを選択的に供給し、これを各配管および加熱または冷却装置を通して循環させる。図８は、この熱利用システムの運転パタ−ンを示すものである。加熱・冷却切換時および冷却・加熱切換時には、処理対象物を含めた熱利用ユニットの容器や周辺機器、配管系の温度変化に伴う温度差補間分のエネルギを加熱・冷却装置で全て賄う必要があり、エネルギロスが大きいことが分かる。
【０００３】
このため従来は、加熱・冷却切換時および冷却・加熱切換時に、熱利用ユニットの容器や配管系にある熱媒を一時的に蓄熱タンクに収容して顕熱回収し、その一方で、既に蓄熱タンクに収容している他種の熱媒を熱利用ユニットの容器や配管系に供給したり、他の熱利用ユニットに供給したりして回収した顕熱の利用を図っており、これを繰り返し行って効率の向上を図っている。
図９は、従来の蓄熱タンク構造を示す断面図である。蓄熱タンクは、専有面積を多く必要としないように、一つのタンクで高温の熱媒と低温の熱媒とを収容するように構成されている。この蓄熱タンク５０は、上下端にそれぞれ異種の熱媒が出入りする熱媒出入部５１、５２が設けられている。この蓄熱タンク５０には上記熱媒出入部５１、５２を通して高温熱媒と低温熱媒とが交互に収容されるが、その切換時にはタンク５０内に両方の熱媒が存在することになる。このため、両熱媒が対流して混じり合うのを避けるため、タンク壁との隙間や通過穴５３…５３の熱媒通路を有する対流防止用固定仕切板５４を縦方向に間隔を有して複数配置している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の蓄熱タンクでは、タンクへの流出入速度が速いと熱媒の流れが乱れ、温度分布の成層状態が崩れて熱拡散を起こして蓄える有効エネルギが減少し、遅いと流出入の間にタンクを通して外部への熱放出が大きくなる。また、対流防止用固定仕切板を設けても、仕切板の隙間や穴が大きいと、待機時に熱媒の自然対流が生じて有効エネルギが減少し、隙間や穴が小さいと流出入速度が低下し流れも乱れ、また、上部出入部と下部出入部からそれぞれ流出入する熱媒が混合してしまい、エネルギロスを生じるといった問題があった。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、熱媒の収容、供給を行う際に、エネルギロスの発生が小さく、熱利用装置の効率的な運転が可能な蓄熱タンクを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の蓄熱タンクのうち第１の発明は、熱利用装置で使用された高温の熱媒と低温の熱媒とを一時的に交互に収容して前記熱利用装置に再供給する筒状の蓄熱タンクにおいて、該蓄熱タンク内部に、前記熱媒の出入りに伴って軸方向に移動可能で該蓄熱タンク内部を軸方向両側の高温熱媒用の可変領域と低温熱媒用の可変領域とに仕切る可動ラムが配置されているとともに、前記可変領域内にそれぞれ収まるように熱媒出入部が設けられており、さらに前記可変領域の少なくとも一方に、前記熱媒出入部を通して熱媒が出入りする筒体であって、一端が可動ラムに密封固定され、他端が蓄熱タンク内端部に密封固定され、前記可動ラムの移動に伴って軸方向に伸縮する熱媒収容筒体が配置されていることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明の蓄熱タンクは、第１の発明において、前記熱利用装置が、吸発熱を伴ってガス吸脱着反応を起こすガス吸脱着材料を有するとともに該材料との間で熱移動させるために高温の熱媒と低温の熱媒とが選択的に使用されるガス吸脱着槽を備えるものであることを特徴とする。
第３の発明の蓄熱タンクは、第１または第２の発明において、前記熱媒導入筒が蛇腹壁で構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、熱利用装置における顕熱の回収、利用を図るものであり、その熱利用装置の構成は特に限定されるものではない。また、顕熱回収に用いられる熱媒の種別も熱利用装置の構成に依存するものであり、本発明として特に限定されるものではない。なお、代表的にはガス吸脱着材料におけるガスの吸脱着反応を利用して熱を移動させる装置が挙げられる。熱利用装置として冷熱を取り出すものでは、冷凍システムや冷房システム等として使用でき、温熱を取り出すものでは暖房システム等として使用することができる。また、熱の移動を意図する場合にはヒートポンプ等として使用することができる。
【０００８】
上記システムにおけるガスの吸脱着材料としては、代表的には水素吸蔵合金を挙げることができるが、要は、ガスの吸、脱着を可逆的に行うことができる材料であればよい。例えば吸着剤としてガスの吸、脱着を行ったり、反応によってガスの吸、脱着を行ったりするものを使用することができる。上記材料としては活性炭、カーボンファイバー、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金を挙げることができる。
ガスの吸・脱着とを交互に行わせる方法としては、各種の材料に適した方法が採られるが、加熱、冷却による熱駆動や圧縮機等を用いた圧力駆動の方法が挙げられる。この場合、雰囲気圧を下げることにより材料に吸蔵されているガスを脱着でき、雰囲気圧を上げることによって材料にガスを吸蔵させることができる。
【０００９】
本願発明は、上記装置等に利用される筒状の蓄熱（顕熱回収）タンクに関するものであり、その内部は可動ラムによって２つの領域に区画される。
上記ラムは蓄熱タンクの軸方向に沿って移動可能であり、区画された領域は容積が可変になっており、この可変領域に収まるようにそれぞれ熱媒出入部を設ける。熱媒出入部は一つの領域で一つでも複数でも良い。さらに、前記可変領域の少なくとも一方に、前記熱媒出入部を通して熱媒が出入りする熱媒収容筒体を配置する。この筒体は、一端が可動ラムに密封固定され、他端が蓄熱タンク内端部に密封固定されるものであり、前記可動ラムの移動に伴って軸方向に伸縮することができ、熱媒の出入りを除いて密封状態を維持することができる。なお、前記熱媒収容筒体の伸縮は、材質や構造の選定によって行うことができ、本発明としては特定のものに限定されないが、好適には筒体を蛇腹壁で構成したものが挙げられる。
【００１０】
上記構成により一方の領域で熱媒の導入または排出がなされると、これに伴って同時に他方の領域において熱媒の排出または導入がなされる。しかも、少なくとも一方の領域では、熱媒が熱媒収容筒体に収容されるので、二つの領域にある熱媒が混じり合うことなく、最小限のスペースを用いて顕熱の回収を効率的に行うことができる。なお、上記のように熱媒収容筒体は領域の一方に配置するほか、両方に配置してもよい。両方の配置によって熱媒の隔離が一層確実になされる。
また、この場合、蓄熱タンクを縦に設置し、可動ラムを上下に移動可能なものにして蓄熱タンク内を上下に区画して、ラム上方側を可変容積の低温領域、ラム下方側を可変容積の高温領域に割り当てるのが望ましい。これにより、熱媒が蓄熱タンク内に導入される際に熱媒の対流が抑制される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
本願発明が適用される熱利用装置は、図示しない水素吸蔵合金を内部に収容した水素吸蔵合金容器１を有しており、該容器１には、水素吸蔵合金との間で水素の移動を行う水素移動管（図示しない）が配置され、さらに、容器内部には水素吸蔵合金の加熱、冷却を行う熱媒を移動させる熱媒管（図示しない）が配置されている。該熱媒管には、容器外部にある熱媒導入管２と熱媒排出管３とに接続されている。熱媒導入管２には、バルブ４およびポンプ５を介して加熱装置６が接続されており、同様に熱媒導入管２に、バルブ８およびポンプ９を介して冷却装置１０が接続されている。また、熱媒排出管３には、バルブ１１を介して前記加熱装置６が接続され、同様に熱媒排出管３にバルブ１２を介して冷却装置１０が接続されており、バルブの調整によって水素吸蔵合金容器１を通して熱媒が循環できるように構成されている。さらに、熱媒導入管２には、バルブ１５、ポンプ１６を介して４方弁１７のポートｐ１が接続されており、該ポートｐ１と連通可能なポートｐ２は蓄熱タンク２０の上部熱媒出入部２１に接続されている。また、熱媒排出管３は、バルブ１８を介してポートｐ４に接続されており、上記４方弁１７のポートｐ１と連通可能なポートｐ３は、上記蓄熱タンク２０の下部熱媒出入部２２に接続されている。
【００１２】
上記蓄熱タンク２０は、両端が塞がれた円筒形状からなり縦に設置されるように設計されている。また、蓄熱タンク２０は、上記したように上下端部にそれぞれ熱媒出入部２１、２２が設けられており、内部に上下に移動可能な円柱状の可動ラム２３が配置されており、該ラム２３によってタンク２０内が可変容積で上下に区画されている。この区画領域は、上方側が低温領域に割り当てられ、下方側が高温領域に割り当てられている。
また、下方の高温領域には、蛇腹壁の熱媒収容筒体２４が蓄熱タンク２０の内壁にほぼ沿うように配置されており、その上端は可動ラム２３の密封状態で固定され、さらに筒体２４の下端は蓄熱タンク２０の底部上面に密封された状態で固定されており、該筒体２４内に上記した熱媒出入部２２が連通している。
【００１３】
この装置は、図３に示すように、加熱・冷却が繰り返し行われるように動作しており、該動作について、その一行程である加熱行程を基に説明する。
加熱行程では、バルブ８、１２、１５、１８を閉じ、ポンプ９、１６を停止させた状態で、バルブ４、１１を開け、ポンプ５を作動させて容器１内に加熱用の熱媒（すなわち高温熱媒）を循環させ、容器１内の水素吸蔵合金を加熱する（なお、水素吸蔵合金には、先の行程（冷却行程）で水素が吸蔵されている）。この加熱によって合金からは水素が放出され、該水素は図示しない水素移動管を通して適宜の用途に利用される。
水素吸蔵合金では、経時的には水素は放出され尽くすので、加熱行程を冷却行程に切り換える。このとき、容器１や熱媒導入管２、熱媒排出管３には高温の熱媒が残留しているので、この熱を顕熱として回収する行程を付加する。
【００１４】
すなわち、ポンプ５を停止した上で、開いていたバルブ４、１１を閉じ（閉じていたバルブ８、１２はそのまま閉じておく）、バルブ１５、１８を開き、４方弁１７は、ポートｐ１とｐ２、ポートｐ３とｐ４とが連通するように調整する。この状態でポンプ１６を動作させる。このとき蓄熱タンク２０では、先の行程（冷却工程後、加熱行程前の顕熱回収行程）で低温の熱媒が上方の領域に収容されて可動ラム２４が最下方位置に位置しており、ポンプ１６の動作によって低温の熱媒が４方弁のポートｐ２、ｐ１を通して引き出され、バルブ１５を通して容器１へと圧送される。一方、前工程（加熱行程）で熱媒導入管２、容器１、熱媒排出管３に残存していた高温の熱媒は、上記した低温の熱媒で押し出され、バルブ１８、４方弁１７のポートｐ３、ｐ４を通して蓄熱タンク２０の下方の熱媒出入部２２から熱媒収容筒体２４内に導入される。
【００１５】
上記した高温および低温の熱媒の移動により、蓄熱タンク２０内の可動ラム２３は上昇し、これに連れて熱媒収容筒体２４も伸長する。なお、熱媒収容筒体２４に導入された熱媒は、当初ほど温度が高く、後に導入される熱媒ほど低温の熱媒との距離が近いので、次第に温度が低くなっている。このため、筒体２４内では、図１の温度分布図に示すように温度が滑らかに分布しており、導入された熱媒の対流が起こりにくくなっている。また、上記により熱媒導入管２、容器１、熱媒排出管３に送られた低温の熱媒は、その顕熱をこれら装置に与えて後の冷却行程での効率を高める。
【００１６】
冷却行程では、上記加熱行程とは逆に、バルブ４、１１、１５、１８を閉じ、ポンプ５、１６を停止させ、バルブ８、１２を開きポンプ９を作動させる。これにより容器１内に冷却用の熱媒（すなわち低温熱媒）が循環して、容器１内の水素吸蔵合金を冷却する。この冷却によって外部の水素が合金によって吸蔵される。この吸蔵が飽和した後は、上記と同様に顕熱回収行程に移行する。
すなわち、ポンプ９の停止、バルブ８、１２の閉鎖、バルブ１５、１８の開放を行い、４方弁１７は、図４に示すように、ポートｐ１とｐ３、ポートｐ２とｐ４とを連通させて、ポンプ１６を動作させる。ポンプ１６の動作によって蓄熱タンク２０の下方の熱媒収容筒体２４に収容されている高温の熱媒が４方弁のポートｐ３、ｐ１を通して引き出され、バルブ１５を通して容器１へと圧送される。一方、熱媒導入管２、容器１、熱媒排出管３に残存していた低温の熱媒は、高温熱媒で押し出され、バルブ１８、４方弁１７のポートｐ４、ｐ２を通して蓄熱タンク２０の上方の熱媒出入部２１から熱媒収容筒体２４内に導入される。
【００１７】
上記した高温および低温の熱媒の移動により、蓄熱タンク２０内の可動ラム２３は下降し、これに追随して熱媒収容筒体２４は収縮する。なお、蓄熱タンク２０の上方領域に導入された熱媒は、当初ほど温度が低く、後に導入される熱媒ほど高温の熱媒との距離が近いので、次第に温度が高くなっている。このため、筒体２４の上方でも図４に示すように温度が滑らかに分布しており、導入された熱媒の対流が起こりにくくなっている。また、上記により熱媒導入管２、容器１、熱媒排出管３に送られた高温の熱媒は、その顕熱をこれら装置に与えて後の加熱行程での効率を高める。
上記の動作の繰り返しにより、顕熱を効率的に回収することができる。また、顕熱の回収に要する消費エネルギは図３に示すようポンプ１６の動作に伴うもののみであって非常に少なく、全体として装置の効率が大幅に向上していることが分かる。
【００１８】
なお、この実施形態では、蓄熱タンクの高温側の領域に伸縮自在な熱媒収容筒体を配置したが、図５および図６に示すように、蓄熱タンク２００における低温側の領域（図示上方領域）に熱媒収容筒体２５を配置するものであってもよい。なお、この実施形態で、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。また、この実施形態では前記実施形態における４方弁１７に変えて、３つのバルブ２６ａ〜２６ｃを配し、これらのバルブ２６ａ〜２６ｃの開閉調整によって蓄熱タンク２０への熱媒の導入方向を制御している。この実施形態においても、上記実施形態と同様に熱利用装置における顕熱を少ないロスで回収して効率的に利用することができる。
なお、これら実施形態では、高温側の領域と低温側の領域のいずれかに伸縮自在な熱媒収容筒体を配置するものとして説明したが、本発明としては、二つの領域の両方に熱媒収容筒体を配置するものであってもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の蓄熱タンクによれば、熱利用装置で使用された高温の熱媒と低温の熱媒とを一時的に交互に収容して前記熱利用装置に再供給する筒状の蓄熱タンクにおいて、該蓄熱タンク内部に、前記熱媒の出入りに伴って軸方向に移動可能で該蓄熱タンク内部を軸方向両側の高温熱媒用の可変領域と低温熱媒用の可変領域とに仕切る可動ラムが配置されているとともに、前記可変領域内にそれぞれ収まるように熱媒出入部が設けられており、さらに前記可変領域の少なくとも一方に、前記熱媒出入部を通して熱媒が出入りする筒体であって、一端が可動ラムに密封固定され、他端が蓄熱タンク内端部に密封固定され、前記可動ラムの移動に伴って軸方向に伸縮する熱媒収容筒体が配置されているので、加熱・冷却の変化に伴って無駄にしていた熱利用装置の持つ大きな顕熱エネルギを温度成層型蓄熱タンクに蓄え次のサイクルの加熱・冷却に再利用できる。しかもタンクの上部空間と下部空間とがラムと熱媒収容筒体とによって完全に隔離されるため、それぞれの領域に流出入する熱媒が混合することが無く、独立した温度分布を維持できるため、顕熱回収装置として蓄える有効エネルギのロスを大幅に押さえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態が利用される装置の一動作における系統図である。
【図２】 同じく蓄熱タンクの拡大断面図である。
【図３】 同じく行程順における消費エネルギ量を示すグラフである。
【図４】 同じく他動作における系統図である。
【図５】 本発明の他の実施形態が利用される装置の系統図である。
【図６】 同じく蓄熱タンクの拡大断面図である。
【図７】 従来の熱利用装置におけるライン図である。
【図８】 同じく行程順における消費エネルギ量を示すグラフである。
【図９】 従来の蓄熱タンクの拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 水素吸蔵合金容器
２ 熱媒導入管
３ 熱媒排出管
６ 加熱装置
１０ 冷却装置
１６ ポンプ
２０ 蓄熱タンク
２１ 上部熱媒出入部
２２ 下部熱媒出入部
２３ 可動ラム
２４ 熱媒収容筒体
２５ 熱媒収容筒体
２００ 蓄熱タンク

Claims (3)

1. 熱利用装置で使用された高温の熱媒と低温の熱媒とを一時的に交互に収容して前記熱利用装置に再供給する筒状の蓄熱タンクにおいて、該蓄熱タンク内部に、前記熱媒の出入りに伴って軸方向に移動可能で該蓄熱タンク内部を軸方向両側の高温熱媒用の可変領域と低温熱媒用の可変領域とに仕切る可動ラムが配置されているとともに、前記可変領域内にそれぞれ収まるように熱媒出入部が設けられており、さらに前記可変領域の少なくとも一方に、前記熱媒出入部を通して熱媒が出入りする筒体であって、一端が可動ラムに密封固定され、他端が蓄熱タンク内端部に密封固定され、前記可動ラムの移動に伴って軸方向に伸縮する熱媒収容筒体が配置されていることを特徴とする蓄熱タンク。
2. 前記熱利用装置は、吸発熱を伴ってガス吸脱着反応を起こすガス吸脱着材料を有するとともに該材料との間で熱移動させるために高温の熱媒と低温の熱媒とが選択的に使用されるガス吸脱着槽を備えるものであることを特徴とする請求項１記載の蓄熱タンク。
3. 前記熱媒収容筒体は、蛇腹壁で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱タンク。

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