JP5133321B2 - 蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱を一時的に蓄熱することができる直接接触式の蓄熱装置に関する。

直接接触式の蓄熱装置に関する技術としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された熱貯蔵ユニット（蓄熱装置）は、固体と液体との状態変化により蓄熱するエリスリトールなどの蓄熱材と、当該蓄熱材よりも比重が小さくかつ当該蓄熱材と混合しない油などの熱交換媒体と、蓄熱材および熱交換媒体を収容する貯蔵容器と、熱交換媒体を貯蔵容器内に供給する供給管と、熱交換媒体を貯蔵容器の外部に排出する排出管とを備えている。

特許文献１の図２に記載されているように、供給管の先端部（供給孔が設けられている）は、貯蔵容器内の蓄熱材層の下部に位置する。また、排出管の吸込口は、貯蔵容器内上部の油層（熱媒油層）に位置する。熱交換媒体（熱媒油）は、供給管を経由して貯蔵容器内の蓄熱材層に供給される。供給された熱媒油は、比重が蓄熱材よりも小さいため、蓄熱材層内を上昇する。この上昇中に、蓄熱材との直接接触により熱媒油から蓄熱材へ（または、蓄熱材から熱媒油へ）熱が伝導する。その後、熱媒油は排出管を経由して外部に出ていく。

特開２００５−１８８９１６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された蓄熱装置では、以下に詳述するように、貯蔵容器内への熱媒油の供給流量が大きい場合、貯蔵容器内の蓄熱材層の上面が上昇して、排出管から貯蔵容器の外部へ蓄熱材が流出してしまうという問題があった。熱媒油の供給流量を小さくすることで蓄熱材層の上面上昇を防止することができるが、この場合、熱の高速入力（蓄熱速度の高速化）・高速出力（放熱速度の高速化）を行えない。

（蓄熱時）
蓄熱材層は固体から液体へと状態変化していく。蓄熱材層へ熱媒油を供給すると、蓄熱材層内に熱媒油の泡（油泡）が形成される。熱媒油の供給流量が比較的小さい場合、問題発生は少ないが、熱媒油の供給流量が大きい場合、蓄熱材層とその上方の熱媒油層との間の界面（蓄熱材層の上面）に油泡が到達し、その後も油泡は消滅せず積み重なっていくことがある。これにより、蓄熱材層の体積（見かけの体積）が膨張し、蓄熱材層の上面が上昇して、排出管から貯蔵容器の外部へ蓄熱材が流出してしまう。当然ながら、貯蔵容器の蓄熱材層内に流入する熱媒油の量、およびそれにともなう蓄熱材層の上面レベル上昇を想定して排出管の高さは決められている。それにもかかわらず、排出管から貯蔵容器の外部へ蓄熱材が流出してしまうのである。貯蔵容器の外部へ流出した蓄熱材は、熱媒油の循環配管内などで凝固し、当該循環配管などを詰まらせ、システム動作不良の原因となる。

（放熱時）
放熱時も蓄熱時と同様に、排出管から貯蔵容器の外部へ蓄熱材が流出してしまうことがある。放熱時、蓄熱材層は液体から固体へと状態変化していく。蓄熱材層へ熱媒油を供給すると、蓄熱材層内に熱媒油の泡（油泡）が形成される。熱媒油の供給流量が大きい場合、蓄熱材層の上面（界面）に油泡が到達し、その後も油泡は消滅せず積み重なっていくことがある。界面に積み重なった油泡周囲の蓄熱材はやがて凝固し、また油泡同士は結合していく。その結果、界面付近で凝固した蓄熱材は蓋のようになる。この蓋の下方には液体状態の蓄熱材が残っているため、油泡の形成は継続される。この油泡が前記した蓋を押し上げ、その結果、蓄熱材層の上面が上昇し、排出管から貯蔵容器の外部へ蓄熱材が流出してしまう。蓄熱時と同様に、熱媒油の供給流量が比較的小さい場合、このような問題発生は少ないが、熱媒油の供給流量が大きくなると、前記したような蓄熱材の流出という問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、蓄熱容器外部への蓄熱材の流出を従来よりも防止することができる構造を備えた蓄熱装置を提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、複数の金属板または複数の管を、その上端が蓄熱容器内下部の蓄熱材層の上面レベル近傍以上の高さに位置するように、蓄熱材層内に上下方向に配置することで、蓄熱材層とその上方の熱媒油層との間の界面（以下、「蓄熱材層の界面」と呼ぶ）付近に油泡が形成されにくく、かつ形成されても消滅しやすい状態となり、これにより前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材が収容され、当該蓄熱材からなる蓄熱材層が下部に形成された蓄熱容器と、前記蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部から前記蓄熱材層内へ供給するための供給管と、前記蓄熱材層内へ供給された前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部へ排出するための排出管と、前記蓄熱材層内に上下方向に配置され、金属板または管からなる複数のＰＣＭ層内部材と、を備え、前記蓄熱材層の上面レベル近傍以上の高さに前記ＰＣＭ層内部材の上端が位置するように前記ＰＣＭ層内部材が配置されている蓄熱装置である。

また本発明において、前記ＰＣＭ層内部材の側面に孔が形成されていることが好ましい。

さらに本発明において、前記蓄熱容器内を上下方向に区分けされた２つの空間に仕切るように、当該蓄熱容器の下端部に水平に取り付けられた多孔板を備え、前記供給管の下端と前記多孔板とが接続され、前記熱交換媒体が、前記供給管を経由して前記多孔板より下方の前記蓄熱容器内に供給されることが好ましい。

本発明によれば、本発明の構成要件、特に、金属板または管からなる複数のＰＣＭ層内部材を、その上端が蓄熱容器内下部の蓄熱材層の上面レベル近傍以上の高さに位置するように、蓄熱材層内に上下方向に配置することで、蓄熱材層の界面付近に到達した油泡は、当該ＰＣＭ層内部材の上端部によりはじかれて消滅しやすくなる。その結果、蓄熱材層の界面付近に油泡が形成されにくく、かつ形成されても消滅しやすい状態となる。これにより、蓄熱材層の上面上昇は抑えられ、蓄熱容器外部への蓄熱材の流出を従来よりも防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置を備えた熱利用システムを示すブロック図である。 図１に示す蓄熱装置の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 図２に示す蓄熱装置の変形例を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る蓄熱装置を示す縦断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図およびＤ−Ｄ断面図である。 図５に示す蓄熱装置の変形例を示す一部縦断面図である。 蓄熱および放熱運転の性能比較試験結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明においては、本発明の蓄熱装置を定置式蓄熱装置として用いる例について説明する。定置式蓄熱とは、外部への熱の輸送をともなわない、すなわち、蓄熱装置を常時固定した状態で用いる蓄熱のことをいう。

なお、本発明の蓄熱装置は、蓄熱輸送などの用途にも適用することができる装置である。蓄熱輸送の例としては、例えば特許文献１（特開２００５−１８８９１６号公報）を参照されたい。製鉄所やゴミ焼却場などで発生した排熱を、温水プール、空調（例えばビルの暖房設備）、銭湯などへ輸送するための装置として、本発明の蓄熱装置を用いることができる。蓄熱輸送の場合、熱源は、製鉄所やゴミ焼却場などで発生した排熱、コージェネ排熱などであり、熱利用先は、温水プール、空調（例えばビルの暖房設備）、銭湯などである。

さらには、本発明の蓄熱装置を自動車（乗用車、建設車両などを含む）のエンジン暖機用蓄熱装置として用いることもできる。エンジン暖機用蓄熱装置として本発明の蓄熱装置を用いる場合、当該蓄熱装置は、自動車に搭載されることになる。熱源は例えばエンジンの排熱であり、熱利用先はエンジン（エンジンの暖機に利用）である。

（熱利用システムの構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置１を備えた熱利用システム１００を示すブロック図である。図１に示すように、熱利用システム１００は、熱源２と、熱利用機器３と、熱源２から回収した熱を蓄熱しかつ蓄熱した熱を熱利用機器３へ供給する蓄熱装置１とを備えている。

（熱源および熱利用機器）
例えば製鉄所に蓄熱装置１を定置（常設）する場合、熱源２は、高炉・転炉・圧延設備などである。熱利用機器３は、製鉄所内の温水発生装置・空調設備などである。

（蓄熱装置）（第１実施形態）
図２は、図１に示す蓄熱装置１の縦断面図である。図３（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図であり、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。

図１〜図３に示すように、蓄熱装置１は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材２２が収容される蓄熱容器４と、熱媒油２１（熱交換媒体）を蓄熱容器４内へ供給するための供給管６と、熱媒油２１を蓄熱容器４の外部へ排出するための排出管７と、蓄熱容器４内のおおよそ中央部から下端部まで当該蓄熱容器４内に垂直方向に配置された複数の金属板８（ＰＣＭ層内部材）とを備えている。なお、ＰＣＭとは、Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ（潜熱蓄熱材）の略語である。

（蓄熱材および熱交換媒体）
蓄熱材２２としては、潜熱（融解熱）が大きい物質を採用することが好ましく、このような物質として、エリスリトール、マンニトール、ガラクチトール、キシリトールなどの糖アルコール類が挙げられる。例えばエリスリトールは、融点：約１１９℃、融解熱：約３４０ｋＪ／ｋｇ、マンニトールは、融点：約１６７℃、融解熱：約３００ｋＪ／ｋｇ、の物資である。なお、以降の説明では、特記なき限り、蓄熱材２２としてエリスリトールを採用したものとする。また、熱媒油２１（熱交換媒体）は蓄熱材２２よりも比重の小さい物質である。熱媒油２１としては、蓄熱材２２と完全に分離した状態を維持できる物質を採用することが好ましく、このような物質として、例えば、鉱物油が挙げられる。なお、以降の説明では、特記なき限り、熱媒油２１として鉱物油を採用したものとする。

（蓄熱容器）
蓄熱容器４は、底板部４ａおよび天板部４ｂを有する円筒状の容器（例えば金属製容器）である。底板部４ａおよび天板部４ｂの形状は、いずれも円板状である。また、蓄熱容器４は断熱層５で被覆されている。断熱層５の形成方法としては、グラスウールなどの断熱材を蓄熱容器４の周囲に巻いて断熱層５を形成してもよいし、蓄熱容器４を二重殻容器にして、グラスウールなどの断熱材で断熱層５を形成したり、真空断熱層としたりしてもよい。蓄熱容器４の周囲に断熱層５を形成することで、蓄熱容器４の壁面を介した外部への無駄な放熱を防止でき、熱媒油２１を介して回収した熱を熱利用機器３での加熱に有効に使用することができる。なお、蓄熱容器４は円筒状のものに限られることはなく、直方体状、立方体状であってもよい。

蓄熱容器４内を上下方向に区分けされた２つの空間に仕切るように、蓄熱容器４の下端部に円板状の多孔板９が水平に取り付けられている。多孔板９の外周面と蓄熱容器４の内壁面とが接触させられて、蓄熱容器４に対して溶接などにより多孔板９は固定される。蓄熱容器４の底板部４ａと多孔板９との間には所定の間隔が設けられている。多孔板９には、その厚さ方向に複数の貫通孔９ａが開けられている。なお、多孔板９の貫通孔９ａの直径を適切に設計することで、蓄熱材２２が液体状態であっても表面張力（蓄熱材２２および熱媒油２１の表面張力）により多孔板９よりも下方に蓄熱材２２は移動しない。多孔板９は、例えば金属材料からなる。図３（ｂ）に示したように、蓄熱容器４を上方からみたとき、多孔板９は、蓄熱容器４内の平断面全体（全面）にわたって配置されている。すなわち、蓄熱容器４の内径と多孔板９の外径とはほぼ等しい。

なお、本実施形態では、蓄熱容器４の下端部に１枚の多孔板９を配置した例を示しているが、蓄熱容器４の下端部に、内部空間を有する箱状体を水平に配置しても（取り付けても）よい。この場合、例えば、箱状体の上面を多孔板とする。この箱状体は、蓄熱容器４内の平断面全体（全面）にわたって配置されることが好ましい。すなわち、蓄熱容器４の内径と箱状体の外径とがほぼ等しくされることが好ましい。また、供給管６を流れてきた熱媒油２１は、箱状体の中（内部空間）を流れ、そして当該箱状体を構成する多孔板の孔から蓄熱材層内へ入っていくことになる。なお、箱状体の下面を多孔板としてもよい。

蓄熱容器４には、供給管６および排出管７が取り付けられている。供給管６は、蓄熱容器４の天板部４ｂ中央を貫通するように、蓄熱容器４の上方からその内部へ垂直方向に配管されている。多孔板９の中央部で供給管６の下端と多孔板９とが接続されている。供給管６は、蓄熱容器４の下端部で蓄熱容器４内に開放されている。排出管７は、蓄熱容器４の天板部４ｂを貫通するように、蓄熱容器４の上方からその内部へ垂直方向に配管されている。排出管７は、蓄熱容器４の上部で蓄熱容器４内に開放されている。

蓄熱容器４内の下部には、熱媒油２１よりも比重の大きい蓄熱材２２の層（蓄熱材層）が形成される。この蓄熱材層の上（蓄熱容器４内の上部）には、蓄熱材２２よりも比重の小さい熱媒油２１の層（熱媒油層）が形成される。また、蓄熱容器４の外部からその内部へ供給管６を経由して熱媒油２１が供給されることにより、蓄熱容器４内の下端部（蓄熱容器４の底板部４ａと多孔板９との間）には、熱媒油２１の層（熱媒油層）が形成される。熱媒油２１は蓄熱材２２よりも比重が小さいが、多孔板９の貫通孔９ａの直径を適切に設計することで、表面張力（蓄熱材２２および熱媒油２１の表面張力）により、熱媒循環ポンプ（不図示）を稼動させない限り、蓄熱材層（蓄熱材２２）が液体状態であっても、熱媒油２１は当該蓄熱材層内へ入っていかない。

（ＰＣＭ層内部材）
蓄熱容器４内の下部（蓄熱容器４内に形成される蓄熱材層内）には垂直方向に複数の金属板８が配置されている。金属板８の厚さ方向に対して直交する方向が垂直方向となるように金属板８は配置されている。なお、金属板８の配置の向きは厳密に垂直方向でなくてもよい。垂直方向に対して少し傾いていてもよい。すなわち、金属板８は蓄熱材層内に上下方向に配置されていればよい。また、金属板８は、本実施形態のような１枚の板材からなるものではなく、複数の板材を組み合せて形成した中空（箱形状）のものであってもよい。

図３（ａ）に示したように、蓄熱容器４を上方からみたとき、供給管６は蓄熱容器４の中心に配置されている。供給管６を中心に８つの金属板８が放射状にひろがるように金属板８は配置されている。供給管６側の金属板８の側面は、供給管６の外周面に接触し溶接などにより供給管６に対して固定される。蓄熱容器４側の金属板８の側面は、蓄熱容器４の内面に接触し溶接などにより蓄熱容器４に対して固定される。８つの金属板８により蓄熱容器４内の下部（蓄熱材層）は、８つの扇形状に区分けされている。また、図２に示したように、金属板８の下端は多孔板９の上面に接触させられている。

また、図２に示すように、蓄熱材層の上面レベルＬよりも少し高い位置に金属板８の上端が位置するように金属板８は配置されている。なお、蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに金属板８の上端が位置すればよい。例えば、上面レベルＬよりも少し低い位置に金属板８の上端が位置してもよい。しかしながら、金属板８による消泡（消油泡）効果を高めるには、蓄熱材層の上面レベルＬ以上の高さに金属板８の上端を位置させることが好ましい。さらには、本実施形態のように上面レベルＬよりも高い位置に金属板８の上端を位置させる、すなわち、蓄熱材層の界面を横切るように金属板８を配置することが好ましい。

なお、蓄熱容器４内の蓄熱材層への熱媒油２１の供給およびこれに伴う蓄熱材層の状態変化（液体・固定）により、蓄熱材層内には少なからず熱媒油２１が含まれた状態となる。この熱媒油２１による蓄熱材層の体積増を考慮して、蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに金属板８の上端が位置するように金属板８の寸法は決定される。

（熱媒循環経路）
図１に示すように、熱源２と蓄熱装置１との間、および蓄熱装置１と熱利用機器３との間は、管３３〜３６（熱媒循環経路）で接続されている。熱源２側の熱媒循環経路を管３３〜３５で構成し、熱利用機器３側の熱媒循環経路を管３３、３４、３６で構成している。管３３は、蓄熱装置１の供給管６の上端に接続される。管３４は、蓄熱装置１の排出管７の上端に接続される。管３３、管３５ａ、および管３６ａは、三方弁３１を介して相互に接続されている。管３４、管３５ｂ、および管３６ｂは、三方弁３２を介して相互に接続されている。管３４には熱媒循環ポンプ（不図示）が取り付けられる。この熱媒循環ポンプを稼動させることにより、熱源２側の熱媒循環経路（管３３〜３５）および熱利用機器３側の熱媒循環経路（管３３、３４、３６）のうちのいずれかを熱媒油２１が循環させられる。熱源２側を循環させるか、または熱利用機器３側を循環させるかの切り換えは、三方弁３１、３２により行われる。三方弁３１、３２は、通常、電動とされる。

（熱利用システムの作動）
次に、熱利用システム１００の作動について説明する。熱利用システム１００の作動（蓄熱装置１の作動）は、蓄熱動作と放熱動作とに大きく分けられる。

（蓄熱動作）
まず蓄熱動作について説明する。熱源２側の熱媒循環経路（管３３〜３５）を熱媒油２１が循環するように、三方弁３１、３２を切り換える（または、その状態であることを確認する）。そして熱媒循環ポンプ（不図示）を起動し蓄熱装置１と熱源２との間で熱媒油２１を循環させる。

熱源２内を熱媒油２１が流れることにより、熱媒油２１は熱源２からの熱（排熱）で加熱され、これにより熱源２の熱が回収される。熱源２で加熱された熱媒油２１は、管３５ａおよび管３３を経由して供給管６から蓄熱容器４内へ戻される。このとき、熱媒油２１は、供給管６を経由して多孔板９よりも下方の蓄熱容器４内へ戻される。そして、多孔板９に形成された複数の貫通孔９ａから蓄熱材層内へ熱媒油２１は入っていく（押し込まれていく）。熱媒油２１は、蓄熱材２２に対して直接接触することで蓄熱材２２に熱を供給（蓄熱材２２と熱交換）しながら、蓄熱材２２と熱媒油２１との比重差により蓄熱容器４内を油泡となって上昇（浮上）する。熱媒油２１は、扇形状に区分けされた８つの金属板８の間を上昇（浮上）していく。そして、熱媒油２１は、蓄熱材２２の上に形成された熱媒油２１の層（熱媒油層）へ到達するようになっている。

熱媒油層に到達し放熱した熱媒油２１は、熱源２により再加熱されるために熱媒循環ポンプ（不図示）により排出管７から吸い上げられ、管３４および管３５ｂを経由して熱源２へ再供給される。蓄熱動作時、蓄熱材層は固体から液体へと状態変化していく。

（放熱動作）
次に放熱動作について説明する。熱利用機器３側の熱媒循環経路（管３３、３４、３６）を熱媒油２１が循環するように、三方弁３１、３２を切り換える。そして熱媒循環ポンプ（不図示）を起動し蓄熱装置１と熱利用機器３との間で熱媒油２１を循環させる。

蓄熱容器４内の熱媒油２１が熱利用機器３に入ると熱媒油２１は抜熱される。熱利用機器３で抜熱された熱媒油２１は、管３６ａおよび管３３を経由して供給管６から蓄熱容器４内へ戻される。このとき、熱媒油２１は、供給管６を経由して多孔板９よりも下方の蓄熱容器４内へ戻される。そして、多孔板９に形成された複数の貫通孔９ａから蓄熱材層内へ熱媒油２１は入っていく（押し込まれていく）。

蓄熱容器４の底板部４ａと多孔板９との間（多孔板９の下）には、多孔板９の下面全体にわたって接触する熱媒油の層が形成される。これにより、多孔板９を介した熱伝導による熱交換が促進される。

熱媒油２１は、蓄熱材２２に対して直接接触することで蓄熱材２２から熱を受け取り（蓄熱材２２と熱交換）しながら、蓄熱材２２と熱媒油２１との比重差により蓄熱容器４内を油泡となって上昇（浮上）する。熱媒油２１は、扇形状に区分けされた８つの金属板８の間を上昇（浮上）していく。そして、熱媒油２１は、蓄熱材２２の上に形成された熱媒油２１の層（熱媒油層）へ到達するようになっている。

熱媒油層に到達し受熱した熱媒油２１は、熱媒循環ポンプ（不図示）により排出管７から吸い上げられ、管３４および管３６ｂを経由して熱利用機器３へ再供給される。放熱動作時、蓄熱材層は液体から固体へと状態変化していく。

以上、本発明に係る蓄熱装置１を備えた熱利用システム１００について説明しつつ蓄熱装置１を説明したように、当該蓄熱装置１によると、複数の金属板８（ＰＣＭ層内部材）を、蓄熱容器４の中の蓄熱材層内に垂直方向に配置することで、蓄熱材層は複数に区分けされた状態となる。蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに金属板８の上端を位置させることで、蓄熱材層の界面付近に到達した油泡は、金属板８の上端部によりはじかれて消滅しやすくなる。その結果、蓄熱材層の界面付近に油泡が形成されにくく、かつ形成されても消滅しやすい状態となり、蓄熱材層の上面上昇は抑えられる。換言すれば、蓄熱材層の界面での熱媒油２１と蓄熱材２２との分離性が向上する。これにより、蓄熱容器４外部への蓄熱材２２の流出を従来よりも防止することができる。また、これにより、蓄熱容器４内への熱媒油２１の供給流量を従来よりも大きくすることが可能となり、より高速の熱交換が可能となる。

また、放熱動作時（蓄熱容器４内での蓄熱材２２から熱媒油２１への熱移動）、蓄熱材２２の凝固は、金属板８に沿う部分から始まる。蓄熱材２２よりも低温の熱媒油２１が供給管６を経由して多孔板９よりも下方の蓄熱容器４内へ入ってくる。このとき、供給管６および多孔板９は、熱媒油２１により冷やされる。金属板８は、供給管６および多孔板９に接触しているため、供給管６および多孔板９が熱媒油２１により冷やされることにより金属板８も冷やされる。その結果、放熱動作時、蓄熱材２２の凝固が金属板８に沿う部分から始まるのである。蓄熱材２２の凝固が金属板８に沿う部分から始まることにより、金属板８同士の間に上下方向に沿って（熱媒油２１の浮上方向に沿って）熱媒油２１の流路が確保される。このことからも、たとえ蓄熱容器４内への熱媒油２１の供給流量を大きくしても、蓄熱材層が盛り上がって当該蓄熱材層の上面が上昇してしまうことは防止される。これにより、蓄熱容器４外部への蓄熱材２２の流出を防止することができる。

（変形例）
図４は、図２に示した蓄熱装置１の変形例を示す縦断面図である。なお、図４に示す変形例に係る蓄熱装置１０１において、図２に示した蓄熱装置１の構成部材と同一の構成部材については同一の符号を付している。

図４に示すように、蓄熱装置１０１の金属板１０（ＰＣＭ層内部材）の側面には、その厚さ方向に貫通する孔１０ａが複数形成されている。この点が蓄熱装置１の金属板８と相違する点である。蓄熱装置１の金属板８と本変形例に係る蓄熱装置１０１の金属板１０とは、金属板の側面に孔が複数形成されているか否かという点を除き、形状、配置、数量とも同一である。孔１０ａは、多孔板９の貫通孔９ａよりも大きい。

なお、孔１０ａの形状は円形に限られることはなく、四角形など他の形状であってもよい。しかしながら、金属板１０は過酷な温度条件下で使用され、繰り返しの熱応力を受ける。一方、円形の孔１０ａは角部がないため応力集中しにくい。したがい、円形の孔１０ａとすることで、金属板１０の破損を防止することができる。すなわち、円形の孔１０ａとすることが好適である。

金属板１０の側面に複数の孔１０ａを形成することにより、金属板１０の表面積が増加する。これにより、金属板１０と蓄熱材２２との接触面積が増加し、放熱動作時、金属板１０に沿う部分からの蓄熱材２２の凝固量が増える。その結果、上下方向に（熱媒油２１の浮上方向に）沿う蓄熱材層内の熱媒油２１の流路がより確保される。

また、孔１０ａにより隣り合う区画が連通される。これにより、孔１０ａが上昇する熱媒油２１の逃げ道となり、蓄熱材層の盛り上がりがより防止される。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る蓄熱装置１０２を示す縦断面図である。図６（ａ）は図５のＣ−Ｃ断面図であり、図６（ｂ）は図５のＤ−Ｄ断面図である。本実施形態の説明においては、図２に示した第１実施形態の蓄熱装置１の構成部材と同一の構成部材については同一の符号を付している。

図５および図６に示すように、本実施形態の蓄熱装置１０２と第１実施形態の蓄熱装置１との相違点は、ＰＣＭ層内部材にある。

蓄熱容器４内の下部（蓄熱容器４内に形成される蓄熱材層内）には垂直方向に複数の円筒状の円管１１（ＰＣＭ層内部材）が配置されている。円管１１の径方向に対して直交する長手方向が垂直方向となるように円管１１は配置されている。なお、円管１１の配置の向きは厳密に垂直方向でなくてもよい。垂直方向に対して少し傾いていてもよい。すなわち、円管１１は蓄熱材層内に上下方向に配置されていればよい。また、円管１１自体の両端は、開放されている。

図６（ａ）に示したように、蓄熱容器４を上方からみたとき、供給管６は蓄熱容器４の中心に配置されている。複数の円管１１は、供給管６を中心にしてその周囲に配置されている。複数の円管１１により蓄熱容器４内の下部（蓄熱材層）は、小さく区分けされている。また、図５に示したように、円管１１の下端は多孔板９の上面に接触させられている。なお、蓄熱容器４を上方からみたとき、円管１１の外側および内側に多孔板９の貫通孔９ａが位置するように、貫通孔９ａは形成される。

また、図５に示すように、蓄熱材層の上面レベルＬよりも少し高い位置に円管１１の上端が位置するように円管１１は配置されている。なお、蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに円管１１の上端が位置すればよい。例えば、上面レベルＬよりも少し低い位置に円管１１の上端が位置してもよい。しかしながら、円管１１による消泡（消油泡）効果を高めるには、蓄熱材層の上面レベルＬ以上の高さに円管１１の上端を位置させることが好ましい。さらには、本実施形態のように上面レベルＬよりも高い位置に円管１１の上端を位置させる、すなわち、蓄熱材層の界面を横切るように円管１１を配置することが好ましい。

なお、蓄熱容器４内の蓄熱材層への熱媒油２１の供給およびこれに伴う蓄熱材層の状態変化（液体・固定）により、蓄熱材層内には少なからず熱媒油２１が含まれた状態となる。この熱媒油２１による蓄熱材層の体積増を考慮して、蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに円管１１の上端が位置するように金属板８の寸法は決定される。

蓄熱装置１０２によると、複数の円管１１（ＰＣＭ層内部材）を、蓄熱容器４の中の蓄熱材層内に垂直方向に配置することで、蓄熱材層は複数に区分けされた状態となる。蓄熱材層の上面レベルＬ近傍以上の高さに円管１１の上端を位置させることで、蓄熱材層の界面付近に到達した油泡は、円管１１の上端部によりはじかれて消滅しやすくなる。その結果、蓄熱材層の界面付近に油泡が形成されにくく、かつ形成されても消滅しやすい状態となり、蓄熱材層の上面上昇は抑えられる。換言すれば、蓄熱材層の界面での熱媒油２１と蓄熱材２２との分離性が向上する。これにより、蓄熱容器４外部への蓄熱材２２の流出を従来よりも防止することができる。また、これにより、蓄熱容器４内への熱媒油２１の供給流量を従来よりも大きくすることが可能となり、より高速の熱交換が可能となる。

また、複数の円管１１はいずれも多孔板９に接触している。そのため、第１実施形態の説明で記載したように、複数の円管１１により、蓄熱容器４内の上下方向に沿って（熱媒油２１の浮上方向に沿って）熱媒油２１の流路が確保される。その結果、たとえ蓄熱容器４内への熱媒油２１の供給流量を大きくしても、蓄熱容器４外部への蓄熱材２２の流出を防止することができる。円管１１は熱伝導率の高い材質からできていることが好ましく、すなわち円管１１の材質はステンレスなどの金属であることが好ましい。

なお、円管１１ではなく、例えば断面形状が矩形の角管などであってもよい。しかしながら、蓄熱容器４内の管（ＰＣＭ層内部材）は過酷な温度条件下で使用され、繰り返しの熱応力を受けるため、応力集中しにくい形状である円管１１とすることが好適である。

（変形例）
図７は、図５に示した蓄熱装置１０２の変形例を示す一部縦断面図である。なお、図７に示す変形例に係る蓄熱装置１０３において、図５に示した蓄熱装置１０２の構成部材と同一の構成部材については同一の符号を付している。

図７に示すように、蓄熱装置１０３の円管１２（ＰＣＭ層内部材）の側面には、その長手方向に一列に孔１２ａが複数形成されている。この点が蓄熱装置１０２の円管１１と相違する点である。蓄熱装置１０２の円管１１と本変形例に係る蓄熱装置１０３の円管１２とは、円管の側面に孔が複数形成されているか否かという点を除き、形状、配置、数量とも同一である。なお、円管１２に対する孔１２ａの形成は、二列以上であってもよいし、直線状ではなく千鳥状配置であってもよい。孔１２ａは、多孔板９の貫通孔９ａよりも大きい。

なお、孔１２ａの形状は円形に限られることはなく、四角形など他の形状であってもよい。しかしながら、円管１２は過酷な温度条件下で使用され、繰り返しの熱応力を受ける。一方、円形の孔１２ａは角部がないため応力集中しにくい。したがい、円形の孔１２ａとすることで、円管１２の破損を防止することができる。すなわち、円形の孔１２ａとすることが好適である。

円管１２の側面に複数の孔１２ａを形成することにより、円管１２の表面積が増加する。これにより、円管１２と蓄熱材２２との接触面積が増加し、放熱動作時、円管１２に沿う部分からの蓄熱材２２の凝固量が増える。その結果、上下方向に（熱媒油２１の浮上方向に）沿う蓄熱材層内の熱媒油２１の流路がより確保される。

また、孔１２ａにより円管１２の内側と円管１２の外側とが連通される。これにより、孔１２ａが上昇する熱媒油２１の逃げ道となり、蓄熱材層の盛り上がりがより防止される。

（実施例）
図８は、蓄熱および放熱運転の性能比較試験結果を示すグラフである。図８（ａ）は、蓄熱運転時の性能比較試験結果を示し、図８（ｂ）は、放熱運転時の性能比較試験結果を示す。本発明に係る蓄熱装置の試験結果は、図５に示した構造を有する蓄熱装置１０２によるものであり、比較例に係る蓄熱装置の試験結果は、円管１１を有さない蓄熱装置によるものである。

グラフの縦軸にとった累積入熱量（または累積放熱量）Ｑ（ｋＪ）は、次式により求まる。
Ｑ＝Σ（ｍ×Ｃｐ×ΔＴ）
ｍ：熱媒油の流量（ｋｇ／ｓｅｃ）
Ｃｐ：熱媒油の比熱（ｋＪ／ｋｇ℃）
ΔＴ：蓄熱容器の入口・出口での熱媒油の温度差

（蓄熱運転試験結果）
図８（ａ）に示したように、本発明に係る蓄熱装置の場合、約２７分間で１１３５ｋＪの熱を蓄熱することができた。なお、蓄熱装置の内部温度は８℃から１４０℃に上昇した。一方、比較例に係る蓄熱装置の場合、約４８間で１０５７ｋＪの蓄熱量であった。比較例に係る蓄熱装置の場合、熱媒油の供給流量ｍを大きくすると、蓄熱材層の界面に油泡が積み重ねって蓄熱材層の上面が上昇してしまうため、熱媒油の供給流量ｍを大きくできなかった。これに対して、本発明に係る蓄熱装置の場合、蓄熱材層の界面付近で油泡が形成されにくく（蓄熱材層の界面での熱媒油と蓄熱材との分離性がよい）、比較例に係る蓄熱装置の場合に比して、熱媒油の供給流量ｍを大きくすることができた。これにより、本発明に係る蓄熱装置を用いた場合のほうが高速で蓄熱することができた。

（放熱運転試験結果）
図８（ｂ）の放熱運転時間２５０（ｓｅｃ）近辺の試験結果からわかるように、本発明に係る蓄熱装置を用いた場合のほうが、放熱運転の立ち上がりを早くすることができた。また、放熱開始から約２５分後の累積放熱量は、本発明に係る蓄熱装置を用いた場合７８２ｋＪであったのに対し、比較例に係る蓄熱装置を用いた場合７６０ｋＪであった。これらの差は、蓄熱運転試験時と同様に、本発明に係る蓄熱装置を用いた場合のほうが、熱媒油の供給流量ｍを大きくすることができたためである。なお、本発明に係る蓄熱装置の内部温度は１１０℃から３５℃に下降した。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：蓄熱装置
２：熱源
３：熱利用機器
４：蓄熱容器
６：供給管
７：排出管
８：金属板（ＰＣＭ層内部材）
２１：熱媒油（熱交換媒体）
２２：蓄熱材
１００：熱利用システム

Claims (3)

1. 潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材が収容され、当該蓄熱材からなる蓄熱材層が下部に形成された蓄熱容器と、
   前記蓄熱材と比較して比重の小さい熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部から前記蓄熱材層内へ供給するための供給管と、
   前記蓄熱材層内へ供給された前記熱交換媒体を前記蓄熱容器の外部へ排出するための排出管と、
   上下方向に延びるように前記蓄熱材層内に配置され、金属板または管からなる複数のＰＣＭ層内部材と、
   を備え、
   前記蓄熱材層の上面レベル近傍以上の高さに前記ＰＣＭ層内部材の上端が位置するように前記ＰＣＭ層内部材が配置されていることを特徴とする蓄熱装置。
2. 請求項１に記載の蓄熱装置において、
   前記ＰＣＭ層内部材の側面に孔が形成されていることを特徴とする、蓄熱装置。
3. 請求項１または２に記載の蓄熱装置において、
   前記蓄熱容器内を上下方向に区分けされた２つの空間に仕切るように、当該蓄熱容器の下端部に水平に取り付けられた多孔板を備え、
   前記ＰＣＭ層内部材と前記多孔板とが接触し、
   前記供給管の下端と前記多孔板とが接続され、
   前記熱交換媒体が、前記供給管を経由して前記多孔板より下方の前記蓄熱容器内に供給されることを特徴とする、蓄熱装置。

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