JP4663480B2

JP4663480B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP4663480B2
Application number: JP2005311954A
Authority: JP
Inventors: 一富山本
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2006153433A

Description

本発明は、温熱及び冷熱を回収可能であり、温熱及び冷熱を適時利用可能な蓄熱装置に関する。

環境問題が盛んに取り上げられる昨今、エネルギーの有効利用が大きな関心事となっている。日本で消費される全一次供給エネルギーの約６６％が廃熱となり利用されていないという統計があるが、これらの廃熱の多くは低品位廃熱であり、再利用が困難であるという問題を有している。
一方、住宅、オフィス、工場等において、空調機器、給湯器、ボイラー等が必要不可欠な機器となっており、これらの機器によるエネルギー消費量の増大が環境問題のみならず電力安定供給の不安をもたらしていることから、エネルギー消費量削減に向けてこれら機器の省エネルギー対策が盛んに行われている。

特に、空調機器の稼働率がピークを迎える夏季の正午付近の時間帯は、電力消費量が急増して電力の安定供給に多大な影響を及ぼしており、電力消費平準化が標榜される原因にもなっている。電力消費平準化対策に関する技術として、氷蓄熱システムがある。
氷蓄熱システムは、夏季の間、安価な夜間電力を利用して冷熱源となる氷を作って貯蔵し、空調機器を稼働させる昼間に、貯蔵しておいた氷の融解潜熱を利用して冷房を行う。そして、冬季の間、安価な夜間電力を利用して温熱源となる温水を作って貯蔵し、空調機器を稼働させる昼間に、温水の顕熱を利用して暖房を行う。しかし、氷蓄熱システムは設備が大きく、初期投資も高額になる欠点がある他、従来の空調機器と同様、圧縮機が必要であり、冬季には、冷水から温水を作りその温度を維持するための消費電力が大きい。したがって、冬季に氷蓄熱システムが達成する電力コスト低減は、夏季には及ばない。このような問題があるので、現状の氷蓄熱システムの普及率はパッケージエアコン出荷台数の１％程度に過ぎない。

そこで、氷蓄熱システムが有する消費電力低減の問題を解決するために、水を利用した潜熱蓄熱システムに関する技術が開発されている。かかる技術の一例として特許文献１に提唱されている潜熱蓄熱システムは、内部の水を蒸発させ、その蒸発潜熱により氷を生成して冷熱蓄熱する氷蓄熱槽と、氷蓄熱槽に接続する容器内に氷蓄熱槽からの水蒸気を吸着する吸着剤を収納してなる吸着ユニットと、吸着ユニットと氷蓄熱槽の間に介装されて弁を開く時には吸着ユニットと氷蓄熱槽を相互に連通するように接続し、弁を閉じる時にはその接続を遮断する開閉弁と、開閉弁を閉じる時に吸着剤を加熱する加熱手段と、を備え、前記加熱手段を作動させつつ前記容器内の吸着剤から容器外へ水蒸気を排出させて吸着剤を再生する。なお、吸着ユニットに収容されている吸着剤は、シリカゲルやゼオライト等を主成分としている。

この潜熱蓄熱システムでは、吸着剤が水蒸気を連続して吸着し、平衡状態が維持されるように氷蓄熱槽に収容された水は蒸発潜熱を奪い水蒸気となり、やがて氷が生成し、冷熱蓄熱が行われる。吸着剤がその吸着能の限界近くまで水分を吸着したら、開閉弁を閉じて吸着剤を加熱手段によって加熱し、吸着剤から発生する水蒸気を容器外へ取り出して吸着剤をほぼ当初の状態に再生し、再生した吸着剤によって冷熱蓄熱を継続して行う。加熱手段として廃熱等を利用することが可能である。

また、特許文献２に提唱されている潜熱蓄熱システムは、内部の水を蒸発させ、その蒸発潜熱によって氷を生成して冷熱蓄熱する氷蓄熱槽と、氷蓄熱槽に接続され、太陽光を受けて集熱する集熱容器と、集熱容器内に設けられ、氷蓄熱槽からの水蒸気を吸着する吸着剤と、集熱容器の集熱時には閉弁して集熱容器と氷蓄熱槽の接続を遮断し、非集熱時には開弁して集熱容器と氷蓄熱槽を互いに接続するよう集熱容器と氷蓄熱槽の間に介装された開閉弁と、集熱容器での集熱時に集熱容器内の吸着剤から排出される水蒸気を集熱容器外へ排出する排出手段とを備える。

この潜熱蓄熱システムでは、特許文献１に提唱されているものとほぼ同様にして冷熱蓄熱を行い、吸着剤の再生には太陽熱を利用している。
これらの潜熱蓄熱システムは、氷蓄熱システムとは異なり、氷の生成に冷凍機を使用しないので、消費電力が小さくてすみ、真空ポンプ等の排気手段を使用して氷蓄熱槽内で発生する水蒸気を外部に排出する必要がない。
特開平７−１６７４６３号公報特開平７−１６７４６６号公報

前述の潜熱蓄熱システムでは、吸着剤による水蒸気の吸着がシステムの駆動力となっており、氷蓄熱槽に収容された水が蒸発する際の蒸発潜熱によって氷の生成が行われる。しかしながら、シリカゲルやゼオライト等からなる吸着剤は、単位体積当たりの水吸着量が小さい。このため、氷蓄熱槽での氷の生成には極めて多量の吸着剤が必要であり、潜熱蓄熱システムが大型化するという問題がある。また、潜熱蓄熱システムが蓄熱するのは冷熱のみであるので、実用にあたってその適用分野が限定されてしまうという問題もある。
本発明は、上記問題を解決するものであり、その目的とするところは、小型化でき、冷熱及び温熱を蓄熱可能とし、大きな温熱及び冷熱を適時利用可能な蓄熱装置を提供することである。

本発明は、その課題を解決するために以下のような構成をとる。請求項１の発明に係る蓄熱装置は、一般式Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｎ≦２．７）により表される二チタン酸カリウムを主成分とする蓄熱材料を収容し、加熱手段及び熱吸収手段を有する蓄熱槽と、水を収容し、熱吸収手段を有するとともに、アルミニウム製であってその内壁表面を電解エッチングした後にアノード酸化処理することで非平滑形状が形成されている水槽と、蓄熱槽と水槽を連結し、開閉弁を有する導管と、蓄熱槽内と水槽内を減圧可能に構成された減圧手段とを有し、蓄熱槽内及び水槽内を大気圧以下に減圧して密閉し、水槽内で水が蒸発する際の蒸発潜熱を冷熱として水槽の熱吸収手段により回収しつつ、開閉弁を開いて水蒸気を水槽から蓄熱槽に導き、蓄熱槽内で蓄熱材料が水分子を結晶の層間に吸蔵する際の水和熱を温熱として蓄熱槽の熱吸収手段により回収し、水分子を結晶の層間に吸蔵した蓄熱材料を加熱手段によって加熱し、加熱された蓄熱材料から発生する水蒸気を水槽に導き、水槽内で水蒸気が凝縮する際の凝縮潜熱を温熱として水槽の熱吸収手段により回収し、開閉弁を閉じて蓄熱槽での発熱又は吸熱と水槽での発熱又は吸熱を停止させる。

蓄熱材料の主成分をなす二チタン酸カリウムは、水分子が結晶の層間に吸蔵されると発熱し、水分子が結晶中から離脱すると吸熱する。活性アルミナやゼオライトと同様に、二チタン酸カリウムは吸熱過程と発熱過程において固体であり、取り扱いが容易である。また、水分子を吸着する活性アルミナやゼオライトと比較すると、二チタン酸カリウムは単位体積当たりの重量が２倍以上あるため、単位体積当たりの蓄熱量が大きくなる。したがって、同じ蓄熱量の活性アルミナやゼオライトと二チタン酸カリウムを比較すると、二チタン酸カリウムは小容積で良く、蓄熱装置の小型化を可能とする。

二チタン酸カリウムの結晶構造は、ＴｉＯ₅三角両錐体からなる層と層との間にＫ⁺イオンが配置されていると考えられている。かかる結晶構造では、層間に配置されたＫ⁺イオンが容易に水和され、一般式Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏにより表記される二チタン酸カリウム水和物となる。このとき、水分子はＫ⁺イオンに誘導されるようにＴｉＯ₅三角両錐体からなる層間に吸蔵される。水分子が吸蔵されてＴｉＯ₅三角両錐体からなる層の間隔は伸長するが、結晶構造は維持されている。なお、実験データではあるが、Ｈ₂Ｏの量ｎが取り得る最大値として２．７が求められている。

Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-xは雰囲気中の水分子を速く結晶の層間に吸蔵し、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏを生成する。生成したＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏを２０℃、相対湿度５０％の大気中で２５０℃まで加熱すると、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏの質量の約１５％に相当するｎＨ₂Ｏが離脱し、ＴｉＯ₅三角両錐体からなる層間の間隔が収縮し、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-xに戻る。この反応は一種のトポケミカルな反応と考えられ、結晶構造の変化を伴わないため、二チタン酸カリウムは水分子の吸蔵と離脱の繰り返しに対して極めて安定である。

２０℃、相対湿度５０％の大気中で、ｎ＝２．６のＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏを１０℃／ｍｉｎの速さで３０℃から２５０℃まで加熱し、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂ＯからｎＨ₂Ｏが離脱するときの吸熱量を測定した結果、３０６Ｊ／ｇ（＝７８０Ｊ／ｃｍ³）の値が確認され、吸熱が３０〜２１５℃の温度域において認められた。したがって、二チタン酸カリウムは３０〜２１５℃の温度域において蓄熱材料として機能する。

また、二チタン酸カリウムの結晶構造において、ＴｉＯ₅三角両錐体からなる層間にあるＫ⁺イオンが水分子と強く結合するので、特に１３０℃未満では雰囲気の水蒸気圧や温度が変動しても、ほぼ一定の速度で結晶の層間に水分子を吸蔵し続けて発熱する。したがって、活性アルミナやゼオライトとは異なり、二チタン酸カリウムは雰囲気の水蒸気圧や温度の変動によって顕著な影響を受けない。

蓄熱槽内及び水槽内を真空ポンプ等によって大気圧以下に減圧した後密閉し、導管の開閉弁を開くと、水槽内は飽和水蒸気圧になるまで水が速やかに気化して水蒸気となり、水蒸気は蓄熱槽内に流れる。蓄熱槽内の蓄熱材料は結晶の層間に水分子を高速で吸蔵するので、蓄熱槽内及び水槽内は飽和水蒸気圧を維持するため水の気化が一層促進される。蓄熱槽内及び水槽内が飽和水蒸気圧に達するまで、水は蒸発潜熱を吸収し、その蒸発潜熱を冷熱として水槽の熱吸収手段が回収する。一方、蓄熱槽内では、水分子を結晶の層間に吸蔵することで蓄熱材料が発熱して温熱を放出し、この放出された温熱を蓄熱槽の熱吸収手段が回収する。蓄熱材料の主成分をなす二チタン酸カリウムは、二チタン酸カリウム１モルあたり最大２．７モルの水分子を結晶の層間に吸蔵すると発熱を停止する。

次に、蓄熱槽の加熱手段が水分子を吸蔵した蓄熱材料を加熱すると、二チタン酸カリウムの結晶内の水分子が水蒸気となって結晶外に離脱し、離脱した水蒸気が蓄熱槽内から導管を通って水槽内に流れる。
したがって、蓄熱材料を加熱するための熱を加熱手段によって外部から蓄熱装置に導入しさえすれば、冷熱と温熱を得ることができ、しかも、冷熱と温熱の放出を繰り返し行うことができる。

本発明では、水槽の内壁表面は平滑ではなく凹凸が形成されており、凹凸の凹部で水槽内に流れた水蒸気が毛管凝縮して水となる。毛管凝縮する水蒸気が凝縮潜熱を放出し、この凝縮潜熱を温熱として水槽の熱吸収手段が回収する。水槽の内壁表面上の凹凸の凹部では毛管凝縮した水の付着力が強く、凹部に付着した水の蒸気圧が水槽の底部に収容されている水の蒸気圧よりも小さいので、水蒸気の毛管凝縮と凝縮潜熱の放出が効率的に行われる。
蓄熱槽が有する加熱手段として、例えば、電気抵抗加熱ヒータ、給湯器やボイラー等の廃熱を用いる加熱機器、太陽集光熱を用いる加熱機器等を挙げることができる。蓄熱装置の稼働時間帯に応じて適切な加熱手段を選択活用すれば、コストの低廉化が可能となる。

さらに、本発明では、水槽がアルミニウム製であり、水槽の内壁表面を電解エッチングした後にアノード酸化処理することで非平滑形状を形成する。
電解エッチングした後にアノード酸化処理したアルミニウムは、陽極酸化アルミナ又は陽極酸化ポーラスアルミナと呼ばれ、その箔はアルミ電解コンデンサの電極として使用されている。アルミニウムに電解エッチングを施すことによって、アルミニウムの表面には細孔が形成される。この細孔は表面に対して直交するシリンダ状のセルが規則的に六方配列したハニカム構造を形成しており、比表面積が大きくなっている。電解エッチングによって形成される細孔の孔径は、電解エッチング条件によって異なるが、一般に０．１μｍ程度である。アルミニウム製の水槽に電解エッチングを施すときは、ＨＣｌ、ＮａＣｌ、ＮＨ₄Ｃｌ、ＣｌＣＨ₂ＣＯＯＨ等の水溶液をこの水槽に入れ、水槽を陽極とし、陰極を水溶液に入れて、直流、交流又は交流重畳電流を流す。

電解エッチングを施したアルミニウムにアノード酸化処理を施すと、アルミニウムの表面にあるシリンダ状のセルの表面がアルミナによって被覆され、アルミニウムの表面が水によって腐食されることを抑制できる。アルミニウム製の水槽に電解エッチングを施した後にアノード酸化処理を施すときは、この水槽に沸騰した水を入れ、Ａｌ₂Ｏ₃・ｍＨ₂Ｏ（ただし、１．０≦ｍ≦２．７）の擬ベーマイト皮膜を形成した後、水槽の水を排出してから、水槽にホウ酸アンモニウム水溶液や燐酸アンモニウム水溶液を入れ、水槽を陽極とし、陰極を水溶液に入れて、両極の間に６００Ｖ程度の直流電圧を印加する。
水槽をアルミニウム製とし、水槽の内壁表面に電解エッチングを施し、さらにアノード酸化処理を施すと、水槽の内壁表面で水蒸気が毛管凝縮しやすくなるとともに、水槽の内壁表面の腐食を防止できる。

請求項２の発明に係る蓄熱装置は、請求項１記載の蓄熱装置であり、水槽内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を充填すると、水蒸気が水槽内壁で毛管凝縮する際、生成した水が水槽内壁から素早く吸い取られるため毛管凝縮を促進させることができ、その結果凝縮潜熱の回収速度が向上する。さらに高い保水性によって蓄熱装置もしくは水槽を傾斜しても水が蓄熱槽に流れ込むことを防ぐことができ、その結果蓄熱材料の主成分をなす二チタン酸カリウムの分解を防ぐことができる。

０．０１テックス未満の繊維は超極細繊維と呼ばれ、繊維断面を真円と仮定すると直径約５μm以下の繊維に相当し、繊維間の隙間で起こる毛管現象によって水を素早く吸収し、大きな比表面積を有するため高い保水性も具備している。超極細繊維の多くは複雑な断面形状を有しており、その断面形状から分割型や海島型などに分けられる。繊維の太さは繊度で表現されるが、その表現方法には素材ごとに異なる太さの表記を統一するために導入された単位としてtex（テックス）がある。
tex（テックス）は、（1）式で表す。
tex（テックス）＝１０００×Ｗ（g）／L（ｍ）・・・・・（１）式
L：糸の長さ（ｍ）、Ｗ：糸の重さ（g）である。
水を素早く吸収し、高い保水性を有する素材としては、高吸水性樹脂が一般的である。しかし高吸水性樹脂は吸水した水を素早く放出する性質を具備しておらず、本発明の蓄熱装置の水槽において水の蒸発熱を利用する操作が十分機能しなくなる。
なお、０．０１テックス未満の繊維で作製された布は、織布又は不織布の形態を取り得る。

本発明は、上記のような蓄熱装置であるので、小型化でき、冷熱及び温熱を蓄熱可能であり、温熱及び冷熱を適時利用可能である。

本発明を実施するための最良の形態を図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る蓄熱装置の構成図、図２は水槽の説明図であり、（ｉ）は水槽の構造図、（ｉｉ）は（ｉ）のＩ−Ｉ線断面である。
蓄熱装置１は、蓄熱槽１０、水槽１２、熱交換器２４ｈ、２４ｗ、真空ポンプ２６、循環ポンプ２８ｈ、２８ｗ、貯槽３０ｈ、３０ｗ、導管４６を有する。

蓄熱槽１０内には、一般式Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｎ≦２．７）により表記される二チタン酸カリウムを主成分とする蓄熱材料Ｍが収容されている。蓄熱槽１０は、２５０℃までの範囲で温度制御可能な電気抵抗加熱ヒータ３２を有し、蓄熱材料Ｍを加熱可能に構成されており、蓄熱槽１０に設置された温度計（図示せず）によって蓄熱槽１０内の温度を測定可能に構成されている。また、熱吸収器３４ｈの導管３６ｈが蓄熱槽１０に密着して螺旋状に配設されている。

貯槽３０ｈ、循環ポンプ２８ｈ、熱交換器２４ｈが蓄熱槽１０に隣接して配置されている。貯槽３０ｈ、循環ポンプ２８ｈ、熱交換器２４ｈ及び熱吸収器３４ｈの導管３６ｈが配管によって互いに接続されている。貯槽３０ｈが循環ポンプ２８ｈの吸引側に接続され、循環ポンプ２８ｈの吐出側が熱交換器２４ｈを介して熱吸収器３４ｈの導管３６ｈの入側に接続され、熱吸収器３４ｈの導管３６ｈの出側が貯槽３０ｈに接続されている。

開閉弁３８ａが循環ポンプ２８ｈの吐出側と熱交換器２４ｈとの間の配管に配置され、開閉弁３８ｂ、３８ｃが熱交換器２４ｈと熱吸収器３４ｈの導管３６ｈの入側との間の配管に順番に配置され、開閉弁３８ｄが熱吸収器３４ｈの導管３６ｈの出側と貯槽３０ｈとの間の配管に配置されている。
配管が循環ポンプ２８ｈの吐出側と開閉弁３８ａとの間から分岐して開閉弁３８ｂと開閉弁３８ｃとの間に接続されており、開閉弁３８ｅ、３８ｆがこの分岐した配管に配置されている。別の配管が開閉弁３８ｂと開閉弁３８ｃとの間から分岐して開閉弁３８ｄと貯槽３０ｈとの間に接続されており、開閉弁３８ｇ、３８ｉがこの分岐した配管に配置されている。

貯槽３０ｈ内には熱媒体Ｔが貯留されている。
熱交換器２４ｈは一次側を流れる熱媒体Ｔから二次側を流れる水に温熱を伝達可能に構成されている。
水槽１２内の底部には水Ｗが収容されており、水槽１２内の上部が空間１３となっている。ただし、水槽内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を充填する場合は、水Wの一部または全部が布に保水されており、空間１３も布で占められる。水槽１２の内壁表面１４上には上下方向に連続し、幅が０．１〜２ｍｍである溝１６が形成されている。また、水槽１２に設置された温度計（図示せず）によって空間１３内の温度を測定可能となっており、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗが水槽１２に密着して螺旋状に配設されている。

貯槽３０ｗ、循環ポンプ２８ｗ、熱交換器２４ｗが水槽１２に隣接して設置されている。貯槽３０ｗ、循環ポンプ２８ｗ、熱交換器２４ｗ及び熱吸収器３４ｗの導管３６ｗが配管によって互いに接続されており、貯槽３０ｗが循環ポンプ２８ｗの吸引側に接続され、循環ポンプ２８ｗの吐出側が熱交換器２４ｗを介して熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの入側に接続され、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの出側が貯槽３０ｗに接続されている。

開閉弁４０ａが循環ポンプ２８ｗの吐出側と熱交換器２４ｗとの間の配管に配置され、開閉弁４０ｂ、４０ｃが熱交換器２４ｗと熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの入側との間の配管に順番に配置され、開閉弁４０ｄが熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの出側と貯槽３０ｗとの間の配管に配置されている。
配管が循環ポンプ２８ｗの吐出側と開閉弁４０ａとの間から分岐して開閉弁４０ｂと開閉弁４０ｃとの間に接続されており、開閉弁４０ｅ、４０ｆがこの分岐した配管に配置されている。別の配管が開閉弁４０ｂと開閉弁４０ｃとの間から分岐して開閉弁４０ｄと貯槽３０ｗとの間に接続されており、開閉弁４０ｇ、４０ｉがこの分岐した配管に配置されている。

貯槽３０ｗ内には熱媒体Ｔが貯留されている。
熱交換器２４ｗは一次側を流れる熱媒体Ｔから二次側を流れる水に冷熱を伝達可能に構成されている。
配管が熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの出側と開閉弁４０ｄとの間から分岐して開閉弁３８ｄと貯槽３０ｈとの間に接続されており、開閉弁４２ａがこの分岐した配管に配置されている。別の配管が開閉弁３８ｂと開閉弁３８ｃとの間から分岐して熱吸収器３４ｗの導管３６ｗの入側と開閉弁４０ｃとの間に接続されており、開閉弁４２ｂ、４２ｃがこの分岐した配管に配置されている。
導管４６ａが水槽１２内上部の空間１３から蓄熱槽１０内に接続されており、開閉弁４４ａ、４４ｂが導管４６ａに配置されている。導管４６ｂが開閉弁４４ａと開閉弁４４ｂの間の導管４６ａから分岐して真空ポンプ２６に接続されており、開閉弁４４ｃが導管４６ｂに配置されている。

次に、蓄熱装置１の作用について説明する。
蓄熱装置１は、温熱回収工程と温冷熱回収工程の２工程を連続的に繰り返すことで作動する。温熱回収工程とは蓄熱装置１から温熱を回収する工程であり、蓄熱材料Ｍからは水分子が離脱する。一方、温冷熱回収工程とは蓄熱装置１から温熱と冷熱の両方を回収する工程であり、蓄熱材料Ｍの結晶の層間には水分子が吸蔵される。すなわち、温熱回収工程と温冷熱回収工程の繰り返しからなる蓄熱装置１の作動サイクルは、蓄熱材料Ｍへの水分子の授受と相関している。

蓄熱装置１の始動時の状態として温熱回収工程と温冷熱回収工程のどちらも選択可能であるが、蓄熱材料Ｍの主成分である二チタン酸カリウムは、一般的な条件で製造すると水分子を結晶の層間に吸蔵したＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X・ｎＨ₂Ｏ（ただし、０≦Ｘ≦１、ｎ≒２．７）で生成するため、始動時の状態として温熱回収工程を行うのが適している。したがって、ここでは始動時の状態として温熱回収工程を行う場合について説明する。

まず、開閉弁４４ａ、４４ｃを開き、開閉弁４４ｂを閉じ、真空ポンプ２６を駆動して水槽１２内を減圧する。水槽１２内が所定の真空度に達したら、開閉弁４４ａを閉じ、開閉弁４４ｂを開き、蓄熱槽１０内を減圧する。蓄熱槽１０内が所定の真空度に達したら、開閉弁４４ｂ、４４ｃを閉じ、真空ポンプ２６を停止する。なお、この段階で、蓄熱槽１０内の蓄熱材料Ｍが可能な限り水分子を結晶の層間に吸蔵し、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・２．７Ｈ₂Ｏ（ただし、０≦ｘ≦１）となっていることが好ましい。

次いで、開閉弁４４ａ、４４ｂを開き、蓄熱槽１０内と水槽１２内とを連通させ、電気抵抗加熱ヒータ３２によって蓄熱材料Ｍを２５０℃まで加熱する。水分子が蓄熱材料Ｍから離脱して水蒸気Ｖとなり、水蒸気Ｖが蓄熱槽１０内から水槽１２内の空間１３に流れる。空間１３に流れた水蒸気Ｖが水槽１２の内壁表面１４上の溝１６で毛管凝縮して水Ｗとなり、毛管凝縮した水Ｗが溝１６を伝って水槽１２の底部に流れ排除される。ただし、水槽１２内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を充填する場合は、水Wの一部または全部が溝１６を伝わって水槽１２の底部に流れる間に布に吸水され、水Wは溝１６から素早く排除される。毛管凝縮する水蒸気Ｖから凝縮潜熱が温熱として水槽１２内に放出され、放出された温熱が水槽１２に密着する熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達される。

水槽１２内に放出された温熱を直ちに温水として取り出すときは、開閉弁３８ａ、３８ｂ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃを開き、開閉弁３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｉ、４０ｃ、４０ｄを閉じ、熱媒体Ｔの第１の循環経路を形成する。第１の循環経路は、貯槽３０ｈから、循環ポンプ２８ｈ、開閉弁３８ａ、熱交換器２４ｈ、開閉弁３８ｂ、４２ｂ、４２ｃ、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗ、開閉弁４２ａを順番に通って、貯槽３０ｈに戻る経路である。第１の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｈを駆動し、第１の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

温熱が水槽１２内で毛管凝縮する水蒸気Ｖから熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達され、さらに導管３６ｗから導管３６ｗを流れる熱媒体Ｔに伝達される。温熱を伝達された熱媒体Ｔは昇温し、昇温した熱媒体Ｔが熱交換器２４ｈの一次側に流れ、熱交換器２４ｈの二次側の水が熱媒体Ｔから温熱を伝達されて温水となり、温熱が熱交換器２４ｈから温水として取り出される。
蓄熱材料Ｍからの水分子の離脱が終了すると、凝縮潜熱を放出する水蒸気Ｖによって水槽１２内で生じていた発熱が収束し、水槽１２内の温度が徐々に低下する。水槽１２の温度計によって水槽１２内の温度低下を検出したら、開閉弁４４ａ、４４ｂを閉じ、循環ポンプ２８ｈを停止する。

水槽１２内に放出された温熱を直ちに温水として取り出さず、温熱を必要時に温水として取り出すときは、開閉弁３８ｅ、３８ｆ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃを開き、開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｇ、３８ｉ、４０ｃ、４０ｄを閉じ、熱媒体Ｔの第２の循環経路を形成する。第２の循環経路は、貯槽３０ｈから、循環ポンプ２８ｈ、開閉弁３８ｅ、３８ｆ、４２ｂ、４２ｃ、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗ、開閉弁４２ａを順番に通って、貯槽３０ｈに戻る経路である。第２の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｈを駆動し、第２の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

温熱が水槽１２内で毛管凝縮する水蒸気Ｖから熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達され、さらに導管３６ｗから導管３６ｗを流れる熱媒体Ｔに伝達されて、熱媒体Ｔが昇温する。第２の循環経路を循環する熱媒体Ｔは熱交換器２４ｈを通らないので、熱媒体Ｔが温熱を蓄えて高温となったまま貯槽３０ｈに貯まる。ただし、水槽１２内で生じていた発熱が収束し、水槽１２の温度低下を検出したら、開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｉ、４０ｃ、４０ｄ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃを閉じ、循環ポンプ２８ｈを停止し、貯槽３０ｈに熱媒体Ｔを貯める。

貯槽３０ｈの熱媒体Ｔに蓄えられた温熱を取り出すときは、開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｇ、３８ｉを開き、開閉弁３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆ、４２ａ、４２ｂを閉じて、熱媒体Ｔの第３の循環経路を形成する。第３の循環経路は、貯槽３０ｈから、循環ポンプ２８ｈ、開閉弁３８ａ、熱交換器２４ｈ、開閉弁３８ｂ、３８ｇ、３８ｉを順番に通って、貯槽３０ｈに戻る経路である。第３の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｈを駆動し、第３の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

温熱を蓄えている熱媒体Ｔが貯槽３０ｈから熱交換器２４ｈの一次側に流れ、熱交換器２４ｈの二次側の水が熱媒体Ｔから温熱を伝達されて温水となり、温熱が熱交換器２４ｈから温水として取り出される。
以上が蓄熱装置１の温熱回収工程である。
温熱回収工程を終了後、温冷熱回収工程に移る。

温熱回収工程が終了した段階で、蓄熱槽１０内の蓄熱材料Ｍは水分子が離脱してほぼＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X（ただし、０≦Ｘ≦１）となっている。
次に、全ての開閉弁が閉じられた状態から開閉弁４４ａ、４４ｂを開き、蓄熱槽１０内と水槽１２内とを連通させる。蓄熱材料ＭはほぼＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X（ただし、０≦Ｘ≦１となっているので、水分子を結晶の層間に吸蔵し、Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X・２．７Ｈ₂Ｏ（ただし、０≦Ｘ≦１）が生成しようとする反応が開始する。蓄熱槽１０内の水蒸気圧は一瞬低下するが、平衡状態を維持しようとするため水槽１２内の水Ｗが気化して、空間１３で水蒸気Ｖとなる。水Ｗが気化するときに蒸発潜熱を吸収し、その蒸発潜熱は冷熱として水槽１２に密着する熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達される。

水蒸気Ｖは水槽１２内の空間１３から蓄熱槽１０内に流れ、蓄熱槽１０内の蓄熱材料Ｍと接触する。ただし、水槽１２内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を充填する場合は、空間１３も布で占められている。蓄熱材料Ｍが水分子を結晶の層間に吸蔵すると発熱し、蓄熱材料Ｍから蓄熱槽１０内に温熱が放出され、放出された温熱が蓄熱槽１０に密着する熱吸収器３４ｈの導管３６ｈに伝達される。

水槽１２内で放出された冷熱を直ちに冷水として取り出すとともに、蓄熱槽１０内で放出された温熱を直ちに温水として取り出すときは、開閉弁４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを開き、開閉弁４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｉ、４２ａ、４２ｃを閉じて、熱媒体Ｔの第４の循環経路を形成するとともに、開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを開き、開閉弁３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｉ、４２ｂを閉じて、熱媒体Ｔの第５の循環経路を形成する。第４の循環経路は、貯槽３０ｗから、循環ポンプ２８ｗ、開閉弁４０ａ、熱交換器２４ｗ、開閉弁４０ｂ、４０ｃ、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗ、開閉弁４０ｄを順番に通って、貯槽３０ｗに戻る経路であり、第５の循環経路は、貯槽３０ｈから、循環ポンプ２８ｈ、開閉弁３８ａ、熱交換器２４ｈ、開閉弁３８ｂ、３８ｃ、熱吸収器３４ｈの導管３６ｈ、開閉弁３８ｄを順番に通って、貯槽３０ｈに戻る経路である。第４の循環経路と第５の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｗ、２８ｈを駆動し、第４の循環経路と第５の循環経路で熱媒体Ｔをそれぞれ循環させる。

冷熱が水槽１２内で気化した水蒸気Ｖから熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達され、さらに導管３６ｗから導管３６ｗを流れる熱媒体Ｔに伝達される。冷熱を伝達された熱媒体Ｔは降温し、降温した熱媒体Ｔが熱交換器２４ｗの一次側に流れ、熱交換器２４ｗの二次側の水が熱媒体Ｔから冷熱を伝達されて冷水となり、冷熱が熱交換器２４ｗから冷水として取り出される。

また、温熱が蓄熱槽１０内で発熱する蓄熱材料Ｍから熱吸収器３４ｈの導管３６ｈに伝達され、さらに導管３６ｈから導管３６ｈを流れる熱媒体Ｔに伝達される。温熱を伝達された熱媒体Ｔは昇温し、昇温した熱媒体Ｔが熱交換器２４ｈの一次側に流れ、熱交換器２４ｈの二次側の水が熱媒体Ｔから温熱を伝達されて温水となり、温熱が熱交換器２４ｈから温水として取り出される。
蓄熱材料Ｍの結晶の層間への水分子の吸蔵が終了すると、蓄熱槽１０内で蓄熱材料Ｍからの発熱が収束し、蓄熱槽１０内の温度が徐々に低下する。蓄熱槽１０の温度計によって蓄熱槽１０内の温度低下を検出したら、開閉弁４４ａ、４４ｂを閉じ、循環ポンプ２８ｗ、２８ｈを停止する。

水槽１２内で放出された冷熱を直ちに冷水として取り出さず、冷熱を必要時に冷水として取り出すときは、開閉弁４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆを開き、開閉弁４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｉ、４２ａ、４２ｃを閉じて、熱媒体Ｔの第６の循環経路を形成する。第６の循環経路は、貯槽３０ｗから、循環ポンプ２８ｗ、開閉弁４０ｅ、４０ｆ、４０ｃ、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗ、開閉弁４０ｄを順番に通って、貯槽３０ｗに戻る経路である。第６の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｗを駆動し、第６の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

冷熱が水槽１２内で気化する水Ｗから熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに伝達され、さらに導管３６ｗから導管３６ｗを流れる熱媒体Ｔに伝達されて、熱媒体Ｔが降温する。第６の循環経路を循環する熱媒体Ｔは熱交換器２４ｗを通らないので、熱媒体Ｔが冷熱を蓄えて低温となったまま貯槽３０ｗに貯まる。
貯槽３０ｗの熱媒体Ｔに蓄えられた冷熱を取り出すときは、開閉弁４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｉを開き、開閉弁４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆを閉じて、熱媒体Ｔの第７の循環経路を形成する。第７の循環経路は、貯槽３０ｗから、循環ポンプ２８ｗ、開閉弁４０ａ、熱交換器２４ｗ、開閉弁４０ｂ、４０ｇ、４０ｉを順番に通って、貯槽３０ｗに戻る経路である。第７の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｗを駆動し、第７の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

冷熱を蓄えている熱媒体Ｔが貯槽３０ｗから熱交換器２４ｗの一次側に流れ、熱交換器２４ｗの二次側の水が熱媒体Ｔから冷熱を伝達されて冷水となり、冷熱が熱交換器２４ｗから冷水として取り出される。ただし、蓄熱槽１０内でＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X（ただし、０≦Ｘ≦１）からＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X・２．７Ｈ₂Ｏ（ただし、０≦Ｘ≦１）が生成する反応が収束することで水Ｗの気化が停止し、水槽１２内の温度上昇を検出したら開閉弁４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｉを閉じ、循環ポンプ２８ｈを停止し、貯槽３０ｗに熱媒体Ｔを貯める。

蓄熱槽１０内で放出された温熱を直ちに温水として取り出さず、温熱を必要時に温水として取り出すときは、開閉弁３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆを開き、開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｇ、３８ｉ、４２ａ、４２ｂを閉じて、熱媒体Ｔの第８の循環経路を形成する。第８の循環経路は、貯槽３０ｈから、循環ポンプ２８ｈ、開閉弁３８ｅ、３８ｆ、３８ｃ、熱吸収器３４ｈの導管３６ｈ、開閉弁３８ｄを順番に通って、貯槽３０ｈに戻る経路である。第８の循環経路を形成したら、循環ポンプ２８ｈを駆動し、第８の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

温熱が蓄熱槽１０内で発熱する蓄熱材料Ｍから熱吸収器３４ｈの導管３６ｈに伝達され、さらに導管３６ｈから導管３６ｈを流れる熱媒体Ｔに伝達されて、熱媒体Ｔが昇温する。第８の循環経路を循環する熱媒体Ｔは熱交換器２４ｈを通らないので、熱媒体Ｔが温熱を蓄えて高温となったまま貯槽３０ｈに貯まる。
貯槽３０ｈの熱媒体Ｔに蓄えられた温熱を取り出すときは、前述の第３の循環経路を形成し、循環ポンプ２８ｈを駆動し、第３の循環経路で熱媒体Ｔを循環させる。

温熱を蓄えている熱媒体Ｔが貯槽３０ｈから熱交換器２４ｈの一次側に流れ、熱交換器２４ｈの二次側の水が熱媒体Ｔから温熱を伝達されて温水となり、温熱が熱交換器２４ｈから温水として取り出される。ただし、蓄熱槽１０内でＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X（ただし、０≦Ｘ≦１）からＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X・２．７Ｈ₂Ｏ（ただし、０≦Ｘ≦１）が生成する反応が収束することで蓄熱槽１０内の温度低下を検出したら開閉弁３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｉ、４０ｃ、４０ｄ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃを閉じ、循環ポンプ２８ｈを停止し、貯槽３０ｈに熱媒体Ｔを貯める。

以上が蓄熱装置１の温冷熱回収工程である。蓄熱装置１は、この状態で温熱回収工程と温冷熱回収工程とからなる作動サイクルが完了するが、引き続き温熱回収または温冷熱回収を行う場合は、再び温熱回収工程を行う。
なお、蓄熱装置１の始動時の状態として温冷熱回収工程を行う場合は、最初に水槽１２に蓄熱材料Ｍが結晶の層間に吸蔵する水量以上の水を入れておき、蓄熱槽１０に入れる蓄熱材料ＭにはＫ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-X（ただし、０≦Ｘ≦１）を使用する。

本実施の形態において、熱交換器２４ｈ、２４ｗは、二次側を水が流れているが、熱交換器２４ｈ、２４ｗをファンコイルとし、熱交換器２４ｈによって温熱を温風として取り出し、熱交換器２４ｗによって冷熱を冷風として取り出すことも可能である。
本実施の形態において、電気抵抗加熱ヒータ３２が蓄熱槽１０の蓄熱材料Ｍを加熱するが、廃熱や集光した太陽熱によって蓄熱材料Ｍを加熱することも可能である。ただし、夜間に蓄熱材料Ｍを加熱する場合は、安価な夜間電力を利用できる電気抵抗加熱ヒータ３２を用いるのが適当である。

本実施の形態において、熱吸収器３４ｈの導管３６ｈが蓄熱槽１０に密着して螺旋状に配設されており、熱吸収器３４ｗの導管３６ｗが水槽１２に密着して螺旋状に配設されているが、導管３６ｈ、３６ｗは熱伝達に優れるように配設されていればよく、螺旋状の配設に限定されるものではない。例えば、蓄熱槽１０の中に導管３６ｈを引き込み、導管３６ｈは水蒸気Vと大きな接触面積を確保できるように多数枚のプレートフィンに配設し、また水槽１２の中に導管３６ｗを引き込み、導管３６ｗは水蒸気Vと大きな接触面積を確保できるように多数枚のプレートフィンに配設しても良い。この場合、蓄熱槽１０と導管３６ｈおよび水槽１２と導管３６ｗは同一体であるので、導管３６ｈの表面やプレートフィンは蓄熱槽１０の内壁、また導管３６ｗの表面やプレートフィンは水槽１２の内壁と見なすことができる。

本実施の形態において、水槽１２の内壁表面１４上に、幅０．１〜２ｍｍの上下方向に連続する溝１６が形成されているが、代わりに、水槽１２を図３（ｉ）及び（ｉｉ）の変形例１に示す構成とすることも可能である。変形例１の水槽１２内には、銅線又は耐腐食処理を表面に施したアルミニウム線で形成された網１８が装着されており、網１８が水槽１２の内壁表面１４に密着している。

網１８を形成する銅線又はアルミニウム線は熱伝導率が高いので、網１８の網目上で水蒸気Ｖが毛管凝縮しやすく、網１８から温熱又は冷熱を熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに効率よく伝達できる。
水槽１２を図４（ｉ）及び（ｉｉ）の変形例２に示す構成とすることも可能である。変形例２の水槽１２はアルミニウム製であり、水槽１２の内壁表面１４が電解エッチングされた後にアノード酸化処理されており、内壁表面１４にはアルミナによって被覆された多数の細孔２０が形成されている。

水槽１２を形成するアルミニウムは熱伝導率が高く、内壁表面１４に多数の細孔２０が形成されているので、水槽１２の内壁表面１４で水蒸気Ｖが毛管凝縮しやすく、内壁表面１４から温熱又は冷熱を熱吸収器３４ｗの導管３６ｗに効率よく伝達できる。
開閉弁４４ａ、４４ｂを、ニードル式弁等の開度を調整可能な弁とすると、開閉弁４４ａ、４４ｂの開度を調整して、蓄熱槽１０と水槽１２との間を流れる水蒸気Ｖの流量を制御できる。水蒸気Ｖの流量を制御すると、水槽１２内で毛管凝縮する水蒸気Ｖの量、水槽１２内で気化する水Ｗの量、蓄熱槽１０内で蓄熱材料Ｍの結晶の層間に吸蔵される水分子の量を制御でき、水槽１２における単位時間当たりの冷熱及び温熱の放出量や蓄熱槽１０における単位時間当たりの温熱の放出量を制御できる。したがって、効率よく目的とする温度の冷熱及び温熱を取り出すことができる。

なお本実施のすべての形態において、水槽１２内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を水Ｗの全量を保水できる量以上充填すると、凝縮潜熱の回収効率が向上するだけでなく、水槽１２を傾斜しても水Ｗが蓄熱槽１０に流れ込むことがなくなるため蓄熱材料Ｍの主成分をなす二チタン酸カリウムの分解を防ぐことができる。
０．０１テックス未満の繊維は、ポリエステルやナイロン等の有機素材で製造されている場合が多いが、水蒸気の熱で変形・変質せず、耐水性があれば金属等の無機素材で製造しても構わない。

本発明に係る蓄熱装置の構成図である。水槽の説明図であり、（ｉ）は水槽の構造図、（ｉｉ）は（ｉ）のＩ−Ｉ線断面である。変形例１に係る水槽の説明図であり、（ｉ）は水槽の構造図、（ｉｉ）は（ｉ）のＩＩ−ＩＩ線断面である。変形例２に係る水槽の説明図であり、（ｉ）は水槽の構造図、（ｉｉ）は（ｉ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

符号の説明

１蓄熱装置
１０蓄熱槽
１２水槽
１３水槽内上部の空間
１４水槽の内壁表面
１５水槽の外壁表面
１６溝
１８網
２０細孔
２４ｗ、２４ｈ熱交換器
２６真空ポンプ
２８ｗ、２８ｈ循環ポンプ
３０ｈ、３０ｗ貯槽
３２電気抵抗加熱ヒータ
３４ｈ、３４ｗ熱吸収器
３６ｈ、３６ｗ熱吸収器の導管
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｉ開閉弁
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｉ開閉弁
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ開閉弁
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ開閉弁
４６ａ、４６ｂ導管
Ｍ蓄熱材料
Ｗ水
Ｖ水蒸気
Ｔ熱媒体

Claims

一般式Ｋ₂Ｔｉ₂Ｏ_5-x・ｎＨ₂Ｏ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｎ≦２．７）により表される二チタン酸カリウムを主成分とする蓄熱材料を収容し、加熱手段及び熱吸収手段を有する蓄熱槽と、
水を収容し、熱吸収手段を有するとともに、アルミニウム製であってその内壁表面を電解エッチングした後にアノード酸化処理することで非平滑形状が形成されている水槽と、
蓄熱槽と水槽を連結し、開閉弁を有する導管と、
蓄熱槽内と水槽内を減圧可能に構成された減圧手段とを有し、
蓄熱槽内及び水槽内を大気圧以下に減圧して密閉し、水槽内で水が蒸発する際の蒸発潜熱を冷熱として水槽の熱吸収手段により回収しつつ、開閉弁を開いて水蒸気を水槽から蓄熱槽に導き、蓄熱槽内で蓄熱材料が水分子を結晶の層間に吸蔵する際の水和熱を温熱として蓄熱槽の熱吸収手段により回収し、
水分子を結晶の層間に吸蔵した蓄熱材料を加熱手段によって加熱し、加熱された蓄熱材料から発生する水蒸気を水槽に導き、水槽内で水蒸気が凝縮する際の凝縮潜熱を温熱として水槽の熱吸収手段により回収し、
開閉弁を閉じて蓄熱槽での発熱又は吸熱と水槽での発熱又は吸熱を停止させることを特徴とする蓄熱装置。
水槽内に０．０１テックス未満の繊維で作製された布を充填することを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。