JP4760994B1 - 蓄熱装置およびこれを備える空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蓄熱装置20Aは、水からなる蓄熱溶液で構成される蓄熱溶液層11と、蓄熱溶液層11に浸漬された蓄熱熱交換器22を内部空間に配置し、蓄熱溶液層11には酸化マグネシウムなどの微溶解性塩基性物質14が浸漬されている。マグネシウム系の微溶解性塩基性物質14は、水質PHが最大でも10.5までしか上昇しないうえに、腐食を誘発する酸性イオンを捕捉して中和して液性PHを中性から弱アルカリ性に長期間維持するので、蓄熱熱交換器22の腐食が抑制されその耐食性が長期間維持できる。
【選択図】図1
Description
と、圧縮機913につながる配管916のうち、冷媒が流れる方向の上流側とをつなぐように、バイパス配管914が設けられている。このバイパス配管914は、吸熱用熱交換器905を備えており、二方弁915を開くことで、冷媒が流れるように構成されている。
あった。また、水を主成分とした蓄熱材3の場合でも、水の液性がPH5〜6といった酸性であると同様に、放熱用熱交換器904および吸熱用熱交換器905が腐食する例が極稀にあった。
炭素数を有する炭化水素を含んでいるため、有機酸が僅かしか生成しないうえに、空気中の酸素が蓄熱溶液に浸入し難くなる。このことで、マグネシウム系の微溶解性塩基性物質の寿命が向上するので長期間に渡って、腐食を誘発する酸性イオンを捕捉して中和し、蓄熱溶液層の液性PHを中性から弱アルカリ性に維持でき、蓄熱熱交換器の腐食低減をさらに一層確実なものとすることができる。これに加えて、蒸発防止層により、蓄熱溶液層は蒸発が抑制されるので補充の必要がなく、長期間良好な蓄熱特性を維持できる。
[蓄熱装置の構成]
まず、本実施の形態に係る蓄熱装置の具体的な構成について、図1を参照して具体的に説明する。
ピンホールを有するゴム材からなるものを用いることができる。
[蓄熱装置の効果検証]
効果検証に使用した蓄熱装置20Aを、実施例に基づいて具体的に説明する。蓄熱容器21として、PPS樹脂(ポリフェニレンサルファイド樹脂)を成型して、箱部211と蓋部212を得た。次に、箱部211の内部空間に、銅の蛇管からなる蓄熱熱交換器22と酸化マグネシウム系の微溶解性塩基性物質14を浸漬しさらに、市水に塩素イオンや硫酸イオンなどの酸性イオンを混合して初期PH5.2に調整した蓄熱溶液を注入して蓄熱溶液層11とし、蓋部212を箱部211に積層して蓄熱装置20Aは完成である。なお、蓄熱装置20Aは、箱部211に蓋部212を極微少な隙間を設けて積層して、蓄熱溶液の蒸発および圧力上昇を極力抑制防止している。
寿命であり、特性測定値に応じて「優れる」「良好」「不充分」「極度に劣る」の4段階でランク分けし、その各々を「◎」「○」「△」「×」の記号で表現している。
蓄熱容器内に、初期PH5.2の市水を用いた蓄熱溶液の中に、酸化マグネシウムの微溶解性塩基性物質14を浸漬し、所定条件にて試験した後の特性を評価した結果の纏めで
ある。その結果を表1に示す。
(本発明の実施例2)
微溶解性塩基性物質14として水酸化マグネシウムを使用した以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(本発明の実施例3)
微溶解性塩基性物質14として炭酸マグネシウムを使用した以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(本発明の実施例4)
微溶解性塩基性物質14として珪酸マグネシウムを使用した以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(本発明の実施例5)
微溶解性塩基性物質14として金属マグネシウムを使用した以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(従来例)
微溶解性塩基性物質14を使用しない以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(比較例)
微溶解性塩基性物質14として酸化カルシウムを使用した以外は、前記実施例1と同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。
(本発明の評価結果)
(表1)は、初期PH5.2の市水を用いた蓄熱溶液に、種々の微溶解性塩基性物質14を浸漬し、所定条件(80℃1ヶ月)にて加速促進試験した後の特性を評価した結果の纏めである。
[蓄熱装置の効果検証2]
同様の効果確認実験を、蟻酸やグリコール酸を混合してPH5に調整したエチレングリ
コール水溶液を使用した蓄熱溶液にて行い、種々の微溶解性塩基性物質14を浸漬し、所定条件(80℃で1ヶ月)にて試験した前後の特性を前述の様に評価した。この蓄熱溶液は、脱イオン水の約70%にニ価アルコールであるエチレングリコールを30%と微量の添加溶液を混合した溶液を基本にしており、この基本溶液が長期使用されることによって生成する蟻酸やグリコール酸を予め混合してPH5に調整した蓄熱溶液である。
[水質PHと溶出銅イオン濃度との関係]
上記の効果を明確にするため、PHの異なる水溶液に銅管を浸漬して加速促進試験した後に溶出する銅イオン濃度を測定した。図2は、PHと溶出銅イオン濃度の相関をグラフ化した特性図である。溶出銅イオン濃度は、PHが6〜11、好ましくはPHが7〜10.5の領域が少なく、PH6以下の酸性領域およびPH11以上のアルカリ領域になると、急激に増大することがわかる。この理由を説明する。銅は、水中に溶解している酸素(溶存酸素と称す)との電池作用により、腐食して銅イオンとなって溶出するが、PHが7〜10.5の中性から弱アルカリの領域では、溶存酸素によって酸化銅の不動態が形成されるので、耐食性が向上して銅イオンは僅かしか溶出しない。ところが、PH6以下の酸性領域になると、酸化銅の不動態が溶解してCu2+の銅イオンになり多く溶出し、PH11以上のアルカリ領域になると、酸化銅の不動態が溶解してCuO2 2―やHCuO2 ―の銅イオンになり多く溶出すると考えられている。
[最適な微溶解性塩基性物質の組成]
検討したマグネシウム系の微溶解性塩基性物質14のうち、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、金属マグネシウムは、寿命が長いという観点で優れているがこの中で特に、酸化マグネシウムは、焼成により粒状となるので取り扱いが簡単、水素等のガス発生がないので安心して使用できるという利点があった。そこで、以後の検討は、酸化マグネシウム主成分とする材料で行なった。
[最適な機微溶解性塩基性物質の焼成温度と粒径]
酸化マグネシウムは、水酸化マグネシウムあるいは炭酸マグネシウム等の原料を焼成して製造するが一般的である。そこで、この原料の焼成温度について、前述の酸化マグネシウムを主成分とする組成物(1)〜(7)について検討したところ、1500〜2300℃で焼成すると、溶解二酸化炭素の吸収性が大幅に低下して塩基性炭酸マグネシウムが生成し難くなる、粒状となるので取り扱いが簡単、適度に溶解して酸性イオンを捕捉し液性PHを中性から弱アルカリに調整する利点を有することが判明した。また、この中で特に、1600〜2100℃で焼成した物は、極めて良好であった。この理由は、酸化マグネシウムは融点が2800℃の材料であるが、これら金属酸化物は融点が約1700〜2600℃の材料である。このため、これら金属酸化物を混合した酸化マグネシウムは、融点が低下して1500〜2300℃で焼成することができその結果として、この様な低温度で焼成した酸化マグネシウムは、結晶が発達して安定な酸化物となるためと考えられる。また、逆に、2300℃を超えて焼成した酸化マグネシウムは、過酸化状態となって本来と僅かに結晶が異なる酸化物となり、溶解し難くなって、酸性イオンを捕捉し液性PHを中性から弱アルカリに調整する特性が低下する課題があった。また、1500℃未満で焼
成した酸化マグネシウムは、溶解二酸化炭素の吸収性があるので中和能力が低下するとともに寿命が短くなる課題や、粒状となり難いので取り扱いが不便の課題があった。
[蓄熱溶液の組成]
蓄熱溶液層11を構成する蓄熱溶液は、少なくとも水から構成される蓄熱媒(thermal−storage medium)であればよい。蓄熱溶液は、水のみから構成されてもよいが、水に溶解または分散が可能な種々の添加剤を含んでもよい。特に本実施の形態では、凍結防止剤(不凍液)として、二価アルコールを含んでいることが好ましい。蓄熱溶液が、二価アルコールを含む水溶液であれば、氷点(常温常圧で0℃)以下であっても、当該蓄熱溶液の凍結を回避することができる。
熱容器21が金属製の場合)等、蓄熱材組成物の分野で公知の種々の添加剤を用いることができる。これら添加剤の添加量、添加方法等も特に限定されず、公知の範囲または手法を好適に用いることができる。
前記実施の形態1においては、蓄熱装置20Aは蓄熱容器21内に、蓄熱溶液層11が配置され用途に応じてさらにこの上方に空気層12を積層する構成となっているが、本実施の形態2においては図3に示すように、蓄熱溶液層11と空気層12の間に、蓄熱溶液の蒸発を防止または抑制する蒸発防止層13が配置される構成となっている。
[蓄熱容器内の層構成]
図3に示すように、本実施の形態に係る蓄熱装置20Bは、前記実施の形態1に係る蓄熱装置20Aと同一の構成を有しているが、蓄熱容器21内には、下から順に蓄熱溶液層11と蒸発防止層13と空気層12が形成される構成となっている。
ン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、シクロヘキサン等の飽和アルカン類;トルエン、キシレン、ベンゼン等の芳香族アルカン類;1,2−ジクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロホルム、モノクロロベンゼン、四塩化炭素、塩化メチレン(ジクロロメタン)等のハロアルカン類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル等のエステル類;ジエチルエーテル、イソプロピルエーテル、エチルtert−ブチルエーテル、フラン等のエーテル類;ポリアルファオレフィンワックス、パラフィンワックス、シリコーンオイル等の鉱油類;コーン油、大豆油、ごま油、菜種油、米油、椿油、ベニバナ油、パーム核油、ヤシ油、綿実油、ヒマワリ油、エゴマ油、オリーブオイル、ピーナッツオイル、アーモンドオイル、グレープシードオイル、マスタードオイル、魚油等の食用油脂;ひまし油、アブラキリ油等の工業用油脂;等を挙げることができるが、これらに限定されない。これら不水溶性溶媒は、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、溶媒組成物が複数種類の不水溶性溶媒を含む場合、有効な蒸発防止機能を実現できるのであれば、それぞれの溶媒の組成も特に限定されない。
[蒸発防止層の最適組成]
本実施の形態で、特に好ましい蒸発防止層13は、溶媒組成物の融点が常温未満であり、不水溶性溶媒はその炭素数が24〜44の範囲内にある炭化水素の少なくともいずれかを含んでいるとした組成物を、挙げることができる。不水溶性溶媒を構成する炭化水素は、鎖式または脂環式の飽和アルカン類(もしくは、限りなく飽和アルカン類に近い炭化水素であり、以下これらを飽和アルカン類と称す)である。具体的には、前記範囲内の炭素数を有する成分を含むポリアルファオレフィンワックスまたはパラフィンワックス、鉱油等を例示することができる。この組成物の蒸発防止層13を使用すると、蓄熱熱交換器22の腐食を低減できる利点と、蓄熱溶液層11を構成する蓄熱溶液の蒸発を一層防止または抑制する利点が得られた。
は抑制ししかも空気中の酸素が蓄熱溶液に浸入しがたい利点が有る。
[蒸発防止層の腐食低減効果の効果検証]
効果検証方法とその結果を、実施例に基づいて具体的に説明する。前述実施の形態1に記載した効果検証方法と異なる点は、蒸発防止層13が蓄熱溶液層11と空気層12の間に配置された点と、脱イオン水に予め極微量のマグネシウム溶液を混合して初期PH7に調整した蓄熱溶液を注入して蓄熱溶液層11とした点と、酸化マグネシウム系の微溶解性塩基性物質14の固形物を浸漬していない点である。蓄熱溶液の中に酸化マグネシウム系の微溶解性塩基性物質14の固形物を浸漬すると、この影響で蓄熱溶液の水質PHが変化するのだが、この効果検証においては、微溶解性塩基性物質14の固形物を浸漬していない。このため、蒸発防止層13から生成する有機酸が水質PHに与える影響を明確にできた。
(本発明の実施例A)
蒸発防止層13は、溶媒組成物の融点が常温未満であり、不水溶性溶媒はその炭素数が24〜44の範囲内にある炭化水素の少なくともいずれかを含んでいる組成物を使用した
実施例である。この蒸発防止層13は、流動点がー31℃で分解開始温度が260℃の組成物であり、図4はこの組成物の不水溶性溶媒に関するGC―MS分析装置の分析結果である。蓄熱容器内に、初期PH7.0の脱イオン水を用いた蓄熱溶液注入しその上部に、蒸発防止層13を積層し、所定条件にて試験した後の特性を評価した結果の纏めを表2に示す。
(従来例A)
蒸発防止層13として、C15H32の飽和炭化水素を使用した以外は、前記実施例Aと同様にして前記各評価を行った。その結果を表2に示す。この蒸発防止層13は、融点が10℃で、沸点が270℃の組成物である。
(従来例B)
蒸発防止層13として、シリコーン油を使用した以外は、前記実施例Aと同様にして前記各評価を行った。その結果を表2に示す。この蒸発防止層13は、流動点がー40℃で、分解開始温度が250℃の組成物である。
(従来例C)
蒸発防止層13として、油脂(脂肪酸エステル)を使用した以外は、前記実施例Aと同様にして前記各評価を行った。その結果を表2に示す。この蒸発防止層13は、流動点がー20℃で、分解開始温度が200℃の組成物である。
(比較例I)
蒸発防止層13として、C23H48の飽和炭化水素を使用した以外は、前記実施例Aと同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。この蒸発防止層13は、融点が46℃で、沸点が200℃の組成物である。
(比較例II)
蒸発防止層13として、C1000のエチレン樹脂を使用した以外は、前記実施例Aと同様にして前記各評価を行った。その結果を表1に示す。この蒸発防止層13は、融点が80℃で、分解開始温度が160℃の高分子樹脂であり、C45の炭素数を有する炭化水素が現在の技術では得られないので、これの代替品として評価に使用した。
(本発明の評価結果)
(表2)は、初期PH7.0の脱イオン水を用いた蓄熱溶液に、種々の蒸発防止層13を積層し、所定条件(20℃で2週間後さらに100℃で2週間)で試験した結果の纏めである。
らに比較例I、IIも、蓄熱溶液の蒸発防止効果と有機酸の抑制効果が、両方とも不充分であった。
組成物となっていてもよい。この場合、蓄熱溶液層11は、水を含む蓄熱溶液組成物で構成されていることになり、蒸発防止層13は、炭素数が24〜44の範囲内にある炭化水素を含む溶媒組成物で構成されていることになる。
前記実施の形態1に係る蓄熱装置20A、または前記実施の形態2に係る蓄熱装置20Bは、いずれも蓄熱容器21および蓄熱熱交換器22から構成されていたが、本実施の形態3に係る蓄熱装置20Cは、さらに加熱源26を備え、加熱源26の廃熱を蓄熱可能とする構成となっている。この構成について、図5(a)および(b)を参照して具体的に説明する。
前記実施の形態1から3は、いずれも蓄熱装置の構成を例示するものであったが、本実施の形態においては、前記構成の蓄熱装置の代表的な適用例である空気調和装置の一例について、図6を参照して具体的に説明する。
図6に示すように、本実施の形態に係る空気調和装置30は、冷媒配管により互いに接続された室内機31および室外機32から構成されており、室外機32は、前記実施の形態3に係る蓄熱装置20Cを備えている。室内機31および室外機32および外部配管310は、管継手40を介して室内機内部配管311と室外機内部配管である第1配管301および第2配管302に接続されている。
いる。具体的には、第1配管301においては、第5配管305が分岐する位置から上流側に四方弁41が設けられ、第4配管304においては、第7配管307が分岐する位置から上流側で、室外熱交換器34に接続する位置から下流側となる位置に四方弁41が設けられている。
次に、前記構成の空気調和装置30の動作について、通常暖房運転、並びに、除霜・暖房運転を例に挙げて、図6を参照して具体的に説明する。
12 空気層
13 蒸発防止層
14 微溶解性塩基性物質
20A,20B,20C 蓄熱装置
21,23 蓄熱容器
22,24 蓄熱熱交換器
25 熱伝導性部材
26 圧縮機(加熱源、加熱器)
214,234 通気孔
Claims (15)
- 少なくとも水からなる蓄熱溶液で構成される蓄熱溶液層と、前記蓄熱溶液層に浸漬された熱交換器と、その内部空間に前記蓄熱溶液層と前記熱交換器を配置した蓄熱容器とを備え、前記蓄熱溶液層には、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、珪酸マグネシウム、金属マグネシウムの少なくとも1種を主成分とする微溶解性塩基性物質を浸漬し、前記蓄熱溶液層の上部に蒸発防止層を配置し、前記蒸発防止層は、少なくとも1種の不水溶性溶媒からなる溶媒組成物から構成し、前記溶媒組成物の流動点は常温未満であり、前記不水溶性溶媒は、炭素数が24〜44の範囲内にある炭化水素の少なくともいずれかを含んでいるとした蓄熱装置。
- 前記溶媒組成物を構成する炭化水素は、鎖式または脂環式の飽和アルカン類であることを特徴とする請求項1に記載の蓄熱装置。
- 前記溶媒組成物がポリアルファオレフィンまたはパラフィン、鉱油の少なくともいずれか一つにより構成されることを特徴とする請求項2に記載の蓄熱装置。
- 前記微溶解性塩基性物質は、珪酸及び/又は酸化アルミニウムが少なくとも少量混合された酸化マグネシウムを主成分とした材料である請求項1から3のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記微溶解性塩基性物質は、酸化鉄が少なくとも少量混合された酸化マグネシウムを主成分とした材料である請求項1から4のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記微溶解性塩基性物質は、酸化カルシウムが少なくとも少量混合された酸化マグネシウムを主成分とした材料である請求項1から5のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記微溶解性塩基性物質は、酸化マグネシウムを主成分とし1500〜2300℃で焼成した材料である請求項1から6のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記微溶解性塩基性物質は、粒径が1〜15mmの酸化マグネシウムを主成分とした材料
である請求項1から7のいずれか1項に記載の蓄熱装置。 - 前記蓄熱溶液が、二価アルコールを含む水溶液である請求項1から8のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記蓄熱溶液が、二価アルコールの酸化を防止する酸化防止液を含む水溶液であることを特徴とする請求項9項に記載の蓄熱装置。
- 前記熱交換器は、前記蓄熱溶液層に蓄熱された熱を回収する蓄熱熱交換器であり、前記蓄熱溶液を加熱する加熱源をさらに備えた請求項1ないし10のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 前記加熱源は、前記蓄熱溶液層の外部に設けられ、前記蓄熱熱交換器は、前記蓄熱容器の内部で前記蓄熱溶液層に浸漬する位置に設けられていることを特徴とする請求項11に記載の蓄熱装置。
- 前記蓄熱容器は、前記加熱源を囲むように設けられていることを特徴とする請求項11または12に記載の蓄熱装置。
- 前記蓄熱容器は、熱伝導性部材を介して前記加熱源と接触していることを特徴とする請求項11から13のいずれか1項に記載の蓄熱装置。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載の蓄熱装置を備えることを特徴とする空気調和装置。
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