蓄熱材及び蓄熱システム
【課題】固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできる蓄熱材を提供する。
【解決手段】熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度ＴＭが、熱負荷の温度Ｔａより高く、熱源の温度Ｔｂより低い偏晶型の多成分混合物からなり、多成分混合物の組成が、偏晶反応を起こす組成である蓄熱材である。
【解決手段】熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度ＴＭが、熱負荷の温度Ｔａより高く、熱源の温度Ｔｂより低い偏晶型の多成分混合物からなり、多成分混合物の組成が、偏晶反応を起こす組成である蓄熱材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源から供給された熱を潜熱として蓄熱し、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱材及び蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体と液体の相変化による潜熱を利用して、熱源からの熱を蓄熱して熱負荷に放熱する潜熱蓄熱材は、顕熱蓄熱材と比較して蓄熱密度が大きく、かつ、熱負荷の温度を略一定に保つことができるという利点があり、例えばソーラシステム等の蓄熱システムに用いられる。しかし、流動性が低い固体状態の潜熱蓄熱材の伝熱効率は、液体状態の潜熱蓄熱材の伝熱効率と比較して低いという欠点がある。そこで、潜熱蓄熱材に流動性を持たせて伝熱効率を向上させる技術の一つとしてスラリ化がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スラリ化技術の一つとして、純物質または共晶点の組成を持つ共晶型の２成分混合物を使用する方法がある。放熱により冷却された２成分混合物は、融点または共晶点にて温度一定のまま凝固反応が起こる。固相率が３０〜６０％の固液共存状態となったときを放熱完了とすれば、攪拌することでスラリ化が実現できる。
【０００４】
また、他のスラリ化技術の例として、共晶点からずらした組成の共晶型の２成分混合物を使用する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この場合、放熱により冷却された２成分混合物は、液相線温度で固相が晶出し始め、その後、系の温度が液相線に沿って低下しながら固相率が増加していく。固相率が３０〜６０％の固液共存状態となったときを放熱完了とすれば、攪拌することでスラリ化が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０４５１７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のスラリ化技術においては、以下のような問題があった。
【０００７】
純物質、あるいは共晶点の組成の共晶型の２成分混合物を使用した場合には、凝固および融解時の温度を一定とできるものの、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができないという問題点があり、固相率の制御が困難である。
【０００８】
また、共晶点からずらした組成の共晶型の２成分混合物を使用した場合には、固相率が所定の割合に達したことを温度から判断できるものの、凝固および融解時の温度が一定ではなく、放熱開始時（あるいは蓄熱完了時）と放熱終了時（あるいは蓄熱開始時）の蓄熱材の温度差が大きい。このとき、放熱開始時の温度を一定とすると、蓄熱材に温度変化がないと想定した場合と比較して、放熱終了時の蓄熱材の温度が大きく低下することになるので、その蓄熱材から熱を受け取る熱負荷の温度をより低くする必要がある。つまり、放熱前後で蓄熱材の温度変化が大きい場合、蓄熱した熱を十分に取り出すためには、熱負荷の温度をより低くする必要がある。よって、蓄熱温度範囲（放熱開始時と放熱完了時の温度差）が大きくなり、蓄熱システムの効率が低下してしまう。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできる蓄熱材及び蓄熱システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために創案された本発明は、熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、前記熱負荷の温度より高く、前記熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、前記多成分混合物の組成が、前記偏晶反応を起こす組成である前記多成分混合物を用いた蓄熱材である。
【００１１】
前記多成分混合物の組成が、その放熱完了時の固相率が３０％以上６０％以下となる組成であると良い。
【００１２】
また本発明は、前記蓄熱材を用いた、蓄熱システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできる蓄熱材及び蓄熱システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図２】本発明に係る蓄熱材の蓄熱及び放熱時の温度・エンタルピ線図を示す図であり、２成分混合物の組成と温度・エンタルピ線図との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図４】偏晶型のＣｕ−Ｐｂ系の平衡状態図を示す図である。
【図５】本発明に係る蓄熱システムの一例を示す模式図であり、（ａ）は蓄熱槽の外部に熱交換器を設置する構成を、（ｂ）は蓄熱槽の内部に熱交換器を設置する構成を示す図である。
【図６】従来の蓄熱材に用いる共晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図７】従来の蓄熱材の蓄熱及び放熱時の温度・エンタルピ線図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な一実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１６】
まず、本発明を説明するに先立ち、共晶型の２成分混合物を蓄熱材として使用した場合の挙動について説明しておく。
【００１７】
図６は、成分ＡEおよび成分ＢEの２成分からなる共晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。なお、図６に示す共晶型の２成分混合物では、成分ＡEおよび成分ＢEは液体状態で完全に溶け合い液相Ｌとなり、固体状態で全く溶け合わず固相ＡEおよび固相ＢEとなる。
【００１８】
さて、上述のように、共晶点Ｅの共晶組成ｘEを有する２成分混合物を用いた蓄熱材では、図６に示すように、共晶点Ｅの共晶温度ＴEにて温度一定のまま潜熱を放熱することになるため、液相Ｌが完全に固相ＡEと固相ＢEに凝固するまで、温度から蓄熱材の固相率を判断することができない。また、共晶点Ｅからずらした組成ｘAを有する２成分混合物を用いた蓄熱材では、固相率の変化を温度から判断することができるが、放熱（または蓄熱）前後で蓄熱材の温度が大きく変化する場合があり、図７に示されるように、放熱中の温度・エンタルピ線７１が熱負荷の温度Ｔaと交わり、熱を十分に放熱できない可能性がある。そのため、共晶型の２成分混合物を蓄熱材に用いた場合、その熱負荷の温度Ｔaを、より低い熱負荷の温度Ｔa'とする必要があり、熱負荷の温度Ｔaと熱源の温度Ｔbとの温度範囲である蓄熱温度範囲ΔＴが大きくなってしまう（図６）。
【００１９】
そこで本発明者らはこの問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、凝固および融解時に偏晶反応を起こす偏晶型の多成分混合物を蓄熱材に用いることで、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできることを見出した。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、この蓄熱材を構成する偏晶型の２成分混合物は、その偏晶温度ＴMが蓄熱温度範囲ΔＴ（すなわち、蓄熱システムの熱負荷の温度Ｔaよりも高く、熱源の温度Ｔbより低い温度範囲）にあり、その放熱（凝固）および蓄熱（融解）時に偏晶反応を起こす成分ＡMおよび成分ＢMの２成分混合物から選択される。
【００２２】
また、この蓄熱材の組成は、放熱（または蓄熱）時に偏晶反応を起こすように、２成分混合物の組成が偏晶反応を起こす組成、すなわち図１に示した偏晶線ＱＮ上の任意の組成から選択される。
【００２３】
なお、蓄熱材の組成は、放熱完了時に偏晶型の２成分混合物の固相率が３０％以上６０％以下となる組成であることが望ましい。これは、放熱完了時の固相率を３０％以上６０％以下とすることで、蓄熱材のスラリ化を容易とし、伝熱効率を向上することができるためである。
【００２４】
次に、本発明の蓄熱材で、放熱完了時の固相率を温度から判断できる理由について図１，２により説明する。ここでは、成分ＡMおよび成分ＢMの２成分からなり、偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMを有する偏晶型の２成分混合物を用いる場合について説明する。
【００２５】
図１に示すように、高温の液体状態で完全に溶け合い液相Ｌとなった２成分混合物は、冷却により偏晶点Ｍに達し、偏晶組成ｙMの液相Ｌから、固相ＡMと、偏晶線ＱＮの液相Ｌに望む端点Ｎに対応した組成ｙNを有する液相ＬNとが生成する偏晶反応（液相Ｌ⇔固相ＡM＋液相ＬN）を起こす。偏晶反応で生成する固相ＡMと液相ＬNの存在比は、所謂天秤の法則（てこの法則）により表される。より具体的には、２成分混合物の偏晶組成ｙMと偏晶線ＱＮの交点（ここでは偏晶点）Ｍを用いて、線分ＭＮの長さ：線分ＱＭの長さの比として表される。よって、偏晶反応完了時の２成分混合物の固相率は、線分ＭＮの偏晶線ＱＮに対する長さの割合（ＭＮ÷ＱＮ）となる。この偏晶反応の間は、系の温度は偏晶温度ＴMで一定に保たれる。つまり、偏晶反応による潜熱を蓄熱システムに利用するためには、２成分混合物の偏晶温度ＴMが、蓄熱システムの熱負荷の温度Ｔaより高く、熱源の温度Ｔbより低ければよい。
【００２６】
液相Ｌから固相ＡMと液相ＬNを生成する偏晶反応が終了したとき、２成分混合物（蓄熱材）は、固相ＡMと液相ＬNの固液共存状態にあり、これらを攪拌することでスラリ化することが可能である。このときの蓄熱材の固相率は、３０％以上６０％以下であることが好ましい。また、偏晶反応の終了時には、偏晶温度ＴMで一定温度であった系の温度が再び低下し始める。よって、偏晶反応を利用すれば、温度変化から蓄熱材の固相率がＭＮ÷ＱＮに達したことを判断でき、スラリ化を行う上で扱いやすい。
【００２７】
なお、本実施の形態に係る蓄熱材は、その２成分混合物の組成を偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに限定するものではなく、偏晶点Ｍよりも固相ＡMをより少なく生成する組成ｙM'や、反対に固相ＡMをより多く生成する組成ｙM"を有する２成分混合物を用いてもよい。
【００２８】
例えば、図１に示すように、組成ｙM'の２成分混合物を用いた蓄熱材では、二液分離の境界線ＭＮと組成ｙM'が交わる温度Ｔ1で、液相Ｌが成分ＡMに富む液相Ｌ1と、成分ＢMに富む液相Ｌ2に分離する。その後、温度低下に伴って、液相Ｌ1は偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに、液相Ｌ2は偏晶線ＱＮの端点Ｎの組成ｙNに境界線ＭＮに沿って近づき、やがて偏晶温度ＴMで偏晶反応を起こし、偏晶組成ｙMの液相Ｌ1が消費しつくされ、組成ｙNの液相ＬNと固相ＡMが残る。
【００２９】
また、組成ｙM"の２成分混合物を用いた蓄熱材では、液相線ＣＭと組成ｙM"が交わる温度Ｔ2で固相ＡMが晶出し始める。その後、液相Ｌの組成は液相線ＣＭに沿って偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに近づき、偏晶温度に達すると偏晶反応が起きる。このように、偏晶型の２成分混合物の組成を偏晶線ＱＮ上の組成とすることで、凝固および融解時に偏晶反応を起こす蓄熱材とすることができ、偏晶反応による潜熱を蓄熱に利用することができる。
【００３０】
なお、偏晶反応後に晶出する固相ＡMの量は、偏晶型の２成分混合物の組成が端点Ｑに近いほど多くなり、組成が端点Ｎに近いほど少なくなる。つまり本実施の形態では、偏晶型の２成分混合物の組成を偏晶線ＱＮ上で調節することで、偏晶反応終了後、すなわち放熱完了時の蓄熱材の固相率を自由に設定することができる。
【００３１】
また本実施の形態の蓄熱材では、蓄熱させる蓄熱量を自由に設定することができる。ここで具体的に、熱源の温度Ｔbが液相線ＣＭおよび境界線ＭＮより高温であり、熱負荷の温度Ｔaが偏晶線ＱＮの直下である蓄熱システムにて、偏晶組成ｙM，組成ｙM'，組成ｙM"の３種の２成分混合物を蓄熱材に用いる場合について説明する。
【００３２】
図２に示すように、偏晶組成ｙMの２成分混合物を温度Ｔbから冷却する場合、その温度・エンタルピ線２１は、温度Ｔbと偏晶温度ＴMの区間で単調減少を示し、偏晶温度ＴMでは、偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。
【００３３】
次に、組成ｙM'の２成分混合物を冷却する場合、その温度・エンタルピ線２２は、偏晶組成ｙMの場合と同様に、温度Ｔbと偏晶温度ＴMの区間で単調減少を示し、偏晶温度ＴMでは、偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。偏晶反応の終了時、２成分混合物から晶出する固相ＡMの量は、偏晶組成ｙMのものよりも少ないので、組成ｙM'の蓄熱材から放熱される潜熱の量は偏晶組成ｙMよりも少なくなる。
【００３４】
また、組成ｙM"の２成分混合物の場合、その温度・エンタルピ線２３は、温度Ｔbと温度Ｔ2（組成ｙM"と液相線ＣＭが交わる温度）の区間で単調減少した後、温度Ｔ2と偏晶温度ＴMの区間では単調減少の勾配が凝固による潜熱で緩やかとなり、偏晶温度ＴMでは偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。偏晶反応の終了時には、より多くの固相ＡMが晶出するので、組成ｙM"の蓄熱材から放熱される潜熱の量はより多くなる。
【００３５】
このように、本実施の形態の蓄熱材は、その偏晶型の２成分混合物の組成を任意に調節することによって、偏晶反応により晶出する固相ＡMの量を調節し、蓄熱量を自由に設定することができる。
【００３６】
以上要するに、本実施の形態では、熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、熱負荷の温度より高く、熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、その偏晶型の多成分混合物の組成が、偏晶反応を起こす組成である蓄熱材を用いるようにした。
【００３７】
これにより、放熱あるいは蓄熱時に固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできるため、スラリ化を行う上で取り扱いやすい蓄熱材とすることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、液体状態で一部溶け合い、固体状態で全く溶け合わない液相分離型の偏晶型の２成分混合物を用いた蓄熱材について説明したが、例えば図３に示すように、液体状態で一部溶け合い、固体状態で一部溶け合う偏晶型の２成分混合物を用いてもよい。図３に示す２成分混合物は、固体状態で一部溶け合い、主成分ＡMに成分ＢMが溶けた固溶体αMと、主成分ＢMに成分ＡMが溶けた固溶体βMを形成するが、図１に示した２成分混合物と同じく、偏晶反応による潜熱を蓄熱に利用する蓄熱材として使用できる。また、本発明は蓄熱材を２成分混合物に限らず、偏晶温度や粘度を調節するための成分を添加した多成分混合物であっても良い。
【００３９】
次に、偏晶反応を起こす２成分混合物としてＣｕ−Ｐｂ系の２成分混合物を用いた場合の、偏晶反応で得られる蓄熱密度（単位体積当たりのエンタルピ）を計算した一例を示す。ここではＣｕ−Ｐｂ系の偏晶点の組成の２成分混合物を蓄熱材とし、その偏晶反応の蓄熱密度を、図４に示すＣｕ−Ｐｂの平衡状態図から求めた。
【００４０】
図４に示すように、このＣｕ−Ｐｂ系の偏晶点Ｍの組成（モル分率）はＣｕ０．２２１で、端点Ｎの組成はＣｕ０．６２９なので、偏晶反応終了後の固相率は天秤の法則（てこの法則）よりａ＝０．６５０となる。偏晶反応での放熱量は、その偏晶点の温度（１２３０［Ｋ］）における融解エンタルピＬ（Ｔ）と固相率ａの積で求められる。また、温度Ｔ［Ｋ］における融解エンタルピＬ（Ｔ）は、［数１］に示す式（１）より求められる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
但し、ｃpml［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］は純物質液相の定圧モル比熱、ｃpms［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］は純物質固相の定圧モル比熱、Ｔm［Ｋ］は純物質の融点、Ｌ0［Ｊ／ｍｏｌ］は純物質の融解エンタルピである。
【００４３】
これらＣｕの物性値は、
ｃpml＝３２．８４４［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］ （９００＜Ｔ［Ｋ］＜４０００）
ｃpms＝−１１１１．３１７９＋０．０９３４９４４８７９Ｔ
＋３６０６２７４６３Ｔ-2−１９０９９６６．９Ｔ-1
＋８２１２６．９７４Ｔ-0.5 （１１００＜Ｔ［Ｋ］＜２０００）
Ｔm＝１３５８［Ｋ］
Ｌ0＝１３１３８［Ｊ／ｍｏｌ］
であり、偏晶点の温度Ｔ＝１２３０［Ｋ］では、
ｃpms＝３０．９４７［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］
となる。
【００４４】
よって、偏晶点の温度Ｔ＝１２３０［Ｋ］における融解エンタルピはＬ＝１１６６９［Ｊ／ｍｏｌ］となり、偏晶反応で得られるエンタルピはＬ×ａ＝７５８０［Ｊ／ｍｏｌ］となる。
【００４５】
ここで、Ｃｕ原子量は６３．５５［ｇ／ｍｏｌ］、Ｐｂ原子量は２０７．２［ｇ／ｍｏｌ］であるので、
この２成分混合物の分子量は、
６３．５５×０．２２１＋２０７．２×０．７７９＝１７５．４５［ｇ／ｍｏｌ］
となる。
【００４６】
また、Ｃｕの密度は８．９２［ｇ／ｍＬ］（２０℃，１気圧）、Ｐｂの密度は１１．３４［ｇ／ｍＬ］（２０℃，１気圧）であり、Ｃｕの質量分率は、
（６３．５５×０．２２１）／１７５．４５＝０．０８００
であり、Ｐｂの質量分率は、
（２０７．２×０．７７９）／１７５．４５＝０．９２０
である。
【００４７】
さらに、０．２２１ｍｏｌのＣｕの容積は、
（６３．５５×０．２２１）／８．９２＝１．５７５［ｍＬ］
であり、０．７７９ｍｏｌのＰｂの容積は、
（２０７．２×０．７７９）／１１．３４＝１４．２３４［ｍＬ］
なので、この２成分混合物の密度は、
１７５．４５／（１．５７５＋１４．２３４）＝１１．０９８［ｇ／ｍＬ］＝１１０９８［ｋｇ／ｍ3］
となる。
【００４８】
よって、Ｃｕ−Ｐｂ系の偏晶点Ｍの組成の蓄熱材から偏晶反応で得られる単位体積当たりのエンタルピは、
（７５８０［Ｊ／ｍｏｌ］×１１０９８［ｋｇ／ｍ3］）／（１７５．４５×１０-3［ｋｇ／ｍｏｌ］）＝４７９０００［ｋＪ／ｍ3］
となり、蓄熱材として十分な蓄熱密度が偏晶反応により得られることがわかる。
【００４９】
この偏晶反応で得られる蓄熱材の蓄熱密度で十分な熱量が確保できれば、図７に示すような、温度が略一定であるような温度・エンタルピ線７２の蓄熱材が実現でき、蓄熱システムの蓄熱温度範囲ΔＴをさらに小さくできる。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る蓄熱材を用いた蓄熱システムの一例を図５により説明する。なお、図５（ａ），（ｂ）に示す蓄熱システム１００ａおよび蓄熱システム１００ｂは一例であり、本実施の形態に係る蓄熱材３１ｓを用いる蓄熱システムの構成はこれらに限定されない。
【００５１】
図５（ａ）に示す蓄熱システム１００ａは、熱源１１からの熱を本発明の蓄熱材３１ｓに蓄熱して、その熱を熱負荷１３に放熱するものである。また、蓄熱システム１００ａは、熱源１１の熱を蓄熱材３１ｓに蓄熱するための蓄熱熱交換器１２と、その熱を熱負荷１３に放熱するための放熱熱交換器１４を、蓄熱材３１ｓを貯留する蓄熱槽３１の外部に設置する構成を有する。
【００５２】
蓄熱材３１ｓとしては、例えば偏晶型の２成分混合物を用いる。蓄熱槽３１の蓄熱温度範囲は、蓄熱材３１ｓが固液共存状態となるように、熱負荷１３の温度が蓄熱材３１ｓの偏晶温度よりも低く、熱源１１の温度が蓄熱材３１ｓの偏晶温度よりも高く設定される。
【００５３】
蓄熱システム１００ａは、蓄熱槽３１の出口３１ａから圧送ポンプ３３により圧送した蓄熱材３１ｓを、熱源１１に接続した蓄熱熱交換器１２を通じる蓄熱ライン３４を経て入口３１ｂに戻すか、あるいは熱負荷１３に接続した放熱熱交換器１４を通じる放熱ライン３５を経て入口３１ｂに戻すかを切替え可能にする流路切換手段３２を備える。本実施の形態では、流路切換手段３２を出側三方弁３２ａおよび入側三方弁３２ｂで構成し、蓄熱時には蓄熱熱交換器１２を蓄熱材３１ｓが通流し、放熱時には放熱熱交換器１４を蓄熱材３１ｓが通流するように各三方弁３２ａ，３２ｂを切換えるようにした。
【００５４】
蓄熱槽３１に貯留された蓄熱材３１ｓは、圧送ポンプ３３によって熱源１１に接続した蓄熱熱交換器１２に送られることによって蓄熱した状態で蓄熱槽３１に戻り、また、熱負荷１３に接続した放熱熱交換器１４に送られることによって放熱した状態で蓄熱槽３１に戻る。
【００５５】
蓄熱システム１００ａでは、熱源１１で加熱された熱源用熱媒体を蓄熱熱交換器１２に導入し、蓄熱熱交換器１２にて熱源用熱媒体と蓄熱材３１ｓとの間で熱交換させることにより、熱源１１の熱を蓄熱材３１ｓに伝えるようにしているが、熱源１１が熱を出力するための出力用の熱交換器を備えるヒートポンプ等である場合には、その熱交換器を蓄熱熱交換器１２として用いるようにしても良い。
【００５６】
また、蓄熱システム１００ａでは、放熱熱交換器１４にて蓄熱材３１ｓと熱負荷用熱媒体との間で熱交換させ、加熱された熱負荷用熱媒体を熱負荷１３に導入することで、蓄熱材３１ｓの熱を熱負荷１３に伝えるようにしている。
【００５７】
なお、本実施の形態に係る蓄熱材を用いる蓄熱システムとしては、図５（ｂ）に示すような、蓄熱槽３１の内部に熱交換器３１ｐを設置する構成を有する蓄熱システム１００ｂとすることもできる。
【００５８】
図５（ｂ）に示す蓄熱システム１００ｂの場合には、蓄熱材３１ｓを貯留する蓄熱槽３１の内部に、蓄熱槽３１の入口３１ｂから熱媒体を導入して出口３１ａまで通流させる、熱交換器としての螺旋状の熱媒体用流路３１ｐが設けられる。入口３１ｂから導入された熱媒体は、螺旋状の熱媒体用流路３１ｐを通流する間に蓄熱材３１ｓと熱交換し、蓄熱槽３１の出口３１ａに至る。蓄熱槽３１から導出された熱媒体は、熱源１１に接続した蓄熱ライン３４を経て加熱された状態で蓄熱槽３１に戻るか、または、熱負荷１３に接続した放熱ライン３５を経て冷却された状態で蓄熱槽３１に戻る。このとき、熱媒体は熱源１１または熱負荷１３と直接に熱交換をする。
【００５９】
蓄熱槽３１は蓄熱材３１ｓを攪拌するための攪拌手段３６を備え、この攪拌手段３６により固液共存状態の蓄熱材３１ｓを攪拌して、蓄熱材３１ｓのスラリ化を行うようにしている。本実施の形態では攪拌手段３６を、熱媒体用流路３１ｐの螺旋の中央に配置され、蓄熱材３１ｓを攪拌する３枚の攪拌羽根３６ｆと、その攪拌羽根３６ｆを回転させるためのモータ３６ｍから構成した。攪拌手段３６の攪拌羽根３６ｆの枚数は３枚に限られず、蓄熱槽３１の容量等に合わせて適宜変更可能である。
【００６０】
なお、上述の蓄熱システム１００ａ，１００ｂの構成は一例であり、例えば蓄熱システム１００ａと蓄熱システム１００ｂを組合わせた構成としても良い。
【符号の説明】
【００６１】
Ｔb 熱源の温度
Ｔa 熱負荷の温度
ＴM 偏晶温度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源から供給された熱を潜熱として蓄熱し、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱材及び蓄熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体と液体の相変化による潜熱を利用して、熱源からの熱を蓄熱して熱負荷に放熱する潜熱蓄熱材は、顕熱蓄熱材と比較して蓄熱密度が大きく、かつ、熱負荷の温度を略一定に保つことができるという利点があり、例えばソーラシステム等の蓄熱システムに用いられる。しかし、流動性が低い固体状態の潜熱蓄熱材の伝熱効率は、液体状態の潜熱蓄熱材の伝熱効率と比較して低いという欠点がある。そこで、潜熱蓄熱材に流動性を持たせて伝熱効率を向上させる技術の一つとしてスラリ化がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スラリ化技術の一つとして、純物質または共晶点の組成を持つ共晶型の２成分混合物を使用する方法がある。放熱により冷却された２成分混合物は、融点または共晶点にて温度一定のまま凝固反応が起こる。固相率が３０〜６０％の固液共存状態となったときを放熱完了とすれば、攪拌することでスラリ化が実現できる。
【０００４】
また、他のスラリ化技術の例として、共晶点からずらした組成の共晶型の２成分混合物を使用する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この場合、放熱により冷却された２成分混合物は、液相線温度で固相が晶出し始め、その後、系の温度が液相線に沿って低下しながら固相率が増加していく。固相率が３０〜６０％の固液共存状態となったときを放熱完了とすれば、攪拌することでスラリ化が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０４５１７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のスラリ化技術においては、以下のような問題があった。
【０００７】
純物質、あるいは共晶点の組成の共晶型の２成分混合物を使用した場合には、凝固および融解時の温度を一定とできるものの、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができないという問題点があり、固相率の制御が困難である。
【０００８】
また、共晶点からずらした組成の共晶型の２成分混合物を使用した場合には、固相率が所定の割合に達したことを温度から判断できるものの、凝固および融解時の温度が一定ではなく、放熱開始時（あるいは蓄熱完了時）と放熱終了時（あるいは蓄熱開始時）の蓄熱材の温度差が大きい。このとき、放熱開始時の温度を一定とすると、蓄熱材に温度変化がないと想定した場合と比較して、放熱終了時の蓄熱材の温度が大きく低下することになるので、その蓄熱材から熱を受け取る熱負荷の温度をより低くする必要がある。つまり、放熱前後で蓄熱材の温度変化が大きい場合、蓄熱した熱を十分に取り出すためには、熱負荷の温度をより低くする必要がある。よって、蓄熱温度範囲（放熱開始時と放熱完了時の温度差）が大きくなり、蓄熱システムの効率が低下してしまう。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできる蓄熱材及び蓄熱システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために創案された本発明は、熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、前記熱負荷の温度より高く、前記熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、前記多成分混合物の組成が、前記偏晶反応を起こす組成である前記多成分混合物を用いた蓄熱材である。
【００１１】
前記多成分混合物の組成が、その放熱完了時の固相率が３０％以上６０％以下となる組成であると良い。
【００１２】
また本発明は、前記蓄熱材を用いた、蓄熱システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできる蓄熱材及び蓄熱システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図２】本発明に係る蓄熱材の蓄熱及び放熱時の温度・エンタルピ線図を示す図であり、２成分混合物の組成と温度・エンタルピ線図との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図４】偏晶型のＣｕ−Ｐｂ系の平衡状態図を示す図である。
【図５】本発明に係る蓄熱システムの一例を示す模式図であり、（ａ）は蓄熱槽の外部に熱交換器を設置する構成を、（ｂ）は蓄熱槽の内部に熱交換器を設置する構成を示す図である。
【図６】従来の蓄熱材に用いる共晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【図７】従来の蓄熱材の蓄熱及び放熱時の温度・エンタルピ線図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な一実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１６】
まず、本発明を説明するに先立ち、共晶型の２成分混合物を蓄熱材として使用した場合の挙動について説明しておく。
【００１７】
図６は、成分ＡEおよび成分ＢEの２成分からなる共晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。なお、図６に示す共晶型の２成分混合物では、成分ＡEおよび成分ＢEは液体状態で完全に溶け合い液相Ｌとなり、固体状態で全く溶け合わず固相ＡEおよび固相ＢEとなる。
【００１８】
さて、上述のように、共晶点Ｅの共晶組成ｘEを有する２成分混合物を用いた蓄熱材では、図６に示すように、共晶点Ｅの共晶温度ＴEにて温度一定のまま潜熱を放熱することになるため、液相Ｌが完全に固相ＡEと固相ＢEに凝固するまで、温度から蓄熱材の固相率を判断することができない。また、共晶点Ｅからずらした組成ｘAを有する２成分混合物を用いた蓄熱材では、固相率の変化を温度から判断することができるが、放熱（または蓄熱）前後で蓄熱材の温度が大きく変化する場合があり、図７に示されるように、放熱中の温度・エンタルピ線７１が熱負荷の温度Ｔaと交わり、熱を十分に放熱できない可能性がある。そのため、共晶型の２成分混合物を蓄熱材に用いた場合、その熱負荷の温度Ｔaを、より低い熱負荷の温度Ｔa'とする必要があり、熱負荷の温度Ｔaと熱源の温度Ｔbとの温度範囲である蓄熱温度範囲ΔＴが大きくなってしまう（図６）。
【００１９】
そこで本発明者らはこの問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、凝固および融解時に偏晶反応を起こす偏晶型の多成分混合物を蓄熱材に用いることで、固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできることを見出した。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る蓄熱材に用いる偏晶型の２成分混合物の平衡状態図を示す図である。
【００２１】
図１に示すように、この蓄熱材を構成する偏晶型の２成分混合物は、その偏晶温度ＴMが蓄熱温度範囲ΔＴ（すなわち、蓄熱システムの熱負荷の温度Ｔaよりも高く、熱源の温度Ｔbより低い温度範囲）にあり、その放熱（凝固）および蓄熱（融解）時に偏晶反応を起こす成分ＡMおよび成分ＢMの２成分混合物から選択される。
【００２２】
また、この蓄熱材の組成は、放熱（または蓄熱）時に偏晶反応を起こすように、２成分混合物の組成が偏晶反応を起こす組成、すなわち図１に示した偏晶線ＱＮ上の任意の組成から選択される。
【００２３】
なお、蓄熱材の組成は、放熱完了時に偏晶型の２成分混合物の固相率が３０％以上６０％以下となる組成であることが望ましい。これは、放熱完了時の固相率を３０％以上６０％以下とすることで、蓄熱材のスラリ化を容易とし、伝熱効率を向上することができるためである。
【００２４】
次に、本発明の蓄熱材で、放熱完了時の固相率を温度から判断できる理由について図１，２により説明する。ここでは、成分ＡMおよび成分ＢMの２成分からなり、偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMを有する偏晶型の２成分混合物を用いる場合について説明する。
【００２５】
図１に示すように、高温の液体状態で完全に溶け合い液相Ｌとなった２成分混合物は、冷却により偏晶点Ｍに達し、偏晶組成ｙMの液相Ｌから、固相ＡMと、偏晶線ＱＮの液相Ｌに望む端点Ｎに対応した組成ｙNを有する液相ＬNとが生成する偏晶反応（液相Ｌ⇔固相ＡM＋液相ＬN）を起こす。偏晶反応で生成する固相ＡMと液相ＬNの存在比は、所謂天秤の法則（てこの法則）により表される。より具体的には、２成分混合物の偏晶組成ｙMと偏晶線ＱＮの交点（ここでは偏晶点）Ｍを用いて、線分ＭＮの長さ：線分ＱＭの長さの比として表される。よって、偏晶反応完了時の２成分混合物の固相率は、線分ＭＮの偏晶線ＱＮに対する長さの割合（ＭＮ÷ＱＮ）となる。この偏晶反応の間は、系の温度は偏晶温度ＴMで一定に保たれる。つまり、偏晶反応による潜熱を蓄熱システムに利用するためには、２成分混合物の偏晶温度ＴMが、蓄熱システムの熱負荷の温度Ｔaより高く、熱源の温度Ｔbより低ければよい。
【００２６】
液相Ｌから固相ＡMと液相ＬNを生成する偏晶反応が終了したとき、２成分混合物（蓄熱材）は、固相ＡMと液相ＬNの固液共存状態にあり、これらを攪拌することでスラリ化することが可能である。このときの蓄熱材の固相率は、３０％以上６０％以下であることが好ましい。また、偏晶反応の終了時には、偏晶温度ＴMで一定温度であった系の温度が再び低下し始める。よって、偏晶反応を利用すれば、温度変化から蓄熱材の固相率がＭＮ÷ＱＮに達したことを判断でき、スラリ化を行う上で扱いやすい。
【００２７】
なお、本実施の形態に係る蓄熱材は、その２成分混合物の組成を偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに限定するものではなく、偏晶点Ｍよりも固相ＡMをより少なく生成する組成ｙM'や、反対に固相ＡMをより多く生成する組成ｙM"を有する２成分混合物を用いてもよい。
【００２８】
例えば、図１に示すように、組成ｙM'の２成分混合物を用いた蓄熱材では、二液分離の境界線ＭＮと組成ｙM'が交わる温度Ｔ1で、液相Ｌが成分ＡMに富む液相Ｌ1と、成分ＢMに富む液相Ｌ2に分離する。その後、温度低下に伴って、液相Ｌ1は偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに、液相Ｌ2は偏晶線ＱＮの端点Ｎの組成ｙNに境界線ＭＮに沿って近づき、やがて偏晶温度ＴMで偏晶反応を起こし、偏晶組成ｙMの液相Ｌ1が消費しつくされ、組成ｙNの液相ＬNと固相ＡMが残る。
【００２９】
また、組成ｙM"の２成分混合物を用いた蓄熱材では、液相線ＣＭと組成ｙM"が交わる温度Ｔ2で固相ＡMが晶出し始める。その後、液相Ｌの組成は液相線ＣＭに沿って偏晶点Ｍの偏晶組成ｙMに近づき、偏晶温度に達すると偏晶反応が起きる。このように、偏晶型の２成分混合物の組成を偏晶線ＱＮ上の組成とすることで、凝固および融解時に偏晶反応を起こす蓄熱材とすることができ、偏晶反応による潜熱を蓄熱に利用することができる。
【００３０】
なお、偏晶反応後に晶出する固相ＡMの量は、偏晶型の２成分混合物の組成が端点Ｑに近いほど多くなり、組成が端点Ｎに近いほど少なくなる。つまり本実施の形態では、偏晶型の２成分混合物の組成を偏晶線ＱＮ上で調節することで、偏晶反応終了後、すなわち放熱完了時の蓄熱材の固相率を自由に設定することができる。
【００３１】
また本実施の形態の蓄熱材では、蓄熱させる蓄熱量を自由に設定することができる。ここで具体的に、熱源の温度Ｔbが液相線ＣＭおよび境界線ＭＮより高温であり、熱負荷の温度Ｔaが偏晶線ＱＮの直下である蓄熱システムにて、偏晶組成ｙM，組成ｙM'，組成ｙM"の３種の２成分混合物を蓄熱材に用いる場合について説明する。
【００３２】
図２に示すように、偏晶組成ｙMの２成分混合物を温度Ｔbから冷却する場合、その温度・エンタルピ線２１は、温度Ｔbと偏晶温度ＴMの区間で単調減少を示し、偏晶温度ＴMでは、偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。
【００３３】
次に、組成ｙM'の２成分混合物を冷却する場合、その温度・エンタルピ線２２は、偏晶組成ｙMの場合と同様に、温度Ｔbと偏晶温度ＴMの区間で単調減少を示し、偏晶温度ＴMでは、偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。偏晶反応の終了時、２成分混合物から晶出する固相ＡMの量は、偏晶組成ｙMのものよりも少ないので、組成ｙM'の蓄熱材から放熱される潜熱の量は偏晶組成ｙMよりも少なくなる。
【００３４】
また、組成ｙM"の２成分混合物の場合、その温度・エンタルピ線２３は、温度Ｔbと温度Ｔ2（組成ｙM"と液相線ＣＭが交わる温度）の区間で単調減少した後、温度Ｔ2と偏晶温度ＴMの区間では単調減少の勾配が凝固による潜熱で緩やかとなり、偏晶温度ＴMでは偏晶反応により温度一定のままエンタルピの減少を示す。偏晶反応の終了時には、より多くの固相ＡMが晶出するので、組成ｙM"の蓄熱材から放熱される潜熱の量はより多くなる。
【００３５】
このように、本実施の形態の蓄熱材は、その偏晶型の２成分混合物の組成を任意に調節することによって、偏晶反応により晶出する固相ＡMの量を調節し、蓄熱量を自由に設定することができる。
【００３６】
以上要するに、本実施の形態では、熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに、凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、熱負荷の温度より高く、熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、その偏晶型の多成分混合物の組成が、偏晶反応を起こす組成である蓄熱材を用いるようにした。
【００３７】
これにより、放熱あるいは蓄熱時に固相率が所定の割合に達したことを温度で判断することができ、かつ、放熱あるいは蓄熱前後での温度差を小さくできるため、スラリ化を行う上で取り扱いやすい蓄熱材とすることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、液体状態で一部溶け合い、固体状態で全く溶け合わない液相分離型の偏晶型の２成分混合物を用いた蓄熱材について説明したが、例えば図３に示すように、液体状態で一部溶け合い、固体状態で一部溶け合う偏晶型の２成分混合物を用いてもよい。図３に示す２成分混合物は、固体状態で一部溶け合い、主成分ＡMに成分ＢMが溶けた固溶体αMと、主成分ＢMに成分ＡMが溶けた固溶体βMを形成するが、図１に示した２成分混合物と同じく、偏晶反応による潜熱を蓄熱に利用する蓄熱材として使用できる。また、本発明は蓄熱材を２成分混合物に限らず、偏晶温度や粘度を調節するための成分を添加した多成分混合物であっても良い。
【００３９】
次に、偏晶反応を起こす２成分混合物としてＣｕ−Ｐｂ系の２成分混合物を用いた場合の、偏晶反応で得られる蓄熱密度（単位体積当たりのエンタルピ）を計算した一例を示す。ここではＣｕ−Ｐｂ系の偏晶点の組成の２成分混合物を蓄熱材とし、その偏晶反応の蓄熱密度を、図４に示すＣｕ−Ｐｂの平衡状態図から求めた。
【００４０】
図４に示すように、このＣｕ−Ｐｂ系の偏晶点Ｍの組成（モル分率）はＣｕ０．２２１で、端点Ｎの組成はＣｕ０．６２９なので、偏晶反応終了後の固相率は天秤の法則（てこの法則）よりａ＝０．６５０となる。偏晶反応での放熱量は、その偏晶点の温度（１２３０［Ｋ］）における融解エンタルピＬ（Ｔ）と固相率ａの積で求められる。また、温度Ｔ［Ｋ］における融解エンタルピＬ（Ｔ）は、［数１］に示す式（１）より求められる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
但し、ｃpml［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］は純物質液相の定圧モル比熱、ｃpms［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］は純物質固相の定圧モル比熱、Ｔm［Ｋ］は純物質の融点、Ｌ0［Ｊ／ｍｏｌ］は純物質の融解エンタルピである。
【００４３】
これらＣｕの物性値は、
ｃpml＝３２．８４４［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］ （９００＜Ｔ［Ｋ］＜４０００）
ｃpms＝−１１１１．３１７９＋０．０９３４９４４８７９Ｔ
＋３６０６２７４６３Ｔ-2−１９０９９６６．９Ｔ-1
＋８２１２６．９７４Ｔ-0.5 （１１００＜Ｔ［Ｋ］＜２０００）
Ｔm＝１３５８［Ｋ］
Ｌ0＝１３１３８［Ｊ／ｍｏｌ］
であり、偏晶点の温度Ｔ＝１２３０［Ｋ］では、
ｃpms＝３０．９４７［Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）］
となる。
【００４４】
よって、偏晶点の温度Ｔ＝１２３０［Ｋ］における融解エンタルピはＬ＝１１６６９［Ｊ／ｍｏｌ］となり、偏晶反応で得られるエンタルピはＬ×ａ＝７５８０［Ｊ／ｍｏｌ］となる。
【００４５】
ここで、Ｃｕ原子量は６３．５５［ｇ／ｍｏｌ］、Ｐｂ原子量は２０７．２［ｇ／ｍｏｌ］であるので、
この２成分混合物の分子量は、
６３．５５×０．２２１＋２０７．２×０．７７９＝１７５．４５［ｇ／ｍｏｌ］
となる。
【００４６】
また、Ｃｕの密度は８．９２［ｇ／ｍＬ］（２０℃，１気圧）、Ｐｂの密度は１１．３４［ｇ／ｍＬ］（２０℃，１気圧）であり、Ｃｕの質量分率は、
（６３．５５×０．２２１）／１７５．４５＝０．０８００
であり、Ｐｂの質量分率は、
（２０７．２×０．７７９）／１７５．４５＝０．９２０
である。
【００４７】
さらに、０．２２１ｍｏｌのＣｕの容積は、
（６３．５５×０．２２１）／８．９２＝１．５７５［ｍＬ］
であり、０．７７９ｍｏｌのＰｂの容積は、
（２０７．２×０．７７９）／１１．３４＝１４．２３４［ｍＬ］
なので、この２成分混合物の密度は、
１７５．４５／（１．５７５＋１４．２３４）＝１１．０９８［ｇ／ｍＬ］＝１１０９８［ｋｇ／ｍ3］
となる。
【００４８】
よって、Ｃｕ−Ｐｂ系の偏晶点Ｍの組成の蓄熱材から偏晶反応で得られる単位体積当たりのエンタルピは、
（７５８０［Ｊ／ｍｏｌ］×１１０９８［ｋｇ／ｍ3］）／（１７５．４５×１０-3［ｋｇ／ｍｏｌ］）＝４７９０００［ｋＪ／ｍ3］
となり、蓄熱材として十分な蓄熱密度が偏晶反応により得られることがわかる。
【００４９】
この偏晶反応で得られる蓄熱材の蓄熱密度で十分な熱量が確保できれば、図７に示すような、温度が略一定であるような温度・エンタルピ線７２の蓄熱材が実現でき、蓄熱システムの蓄熱温度範囲ΔＴをさらに小さくできる。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る蓄熱材を用いた蓄熱システムの一例を図５により説明する。なお、図５（ａ），（ｂ）に示す蓄熱システム１００ａおよび蓄熱システム１００ｂは一例であり、本実施の形態に係る蓄熱材３１ｓを用いる蓄熱システムの構成はこれらに限定されない。
【００５１】
図５（ａ）に示す蓄熱システム１００ａは、熱源１１からの熱を本発明の蓄熱材３１ｓに蓄熱して、その熱を熱負荷１３に放熱するものである。また、蓄熱システム１００ａは、熱源１１の熱を蓄熱材３１ｓに蓄熱するための蓄熱熱交換器１２と、その熱を熱負荷１３に放熱するための放熱熱交換器１４を、蓄熱材３１ｓを貯留する蓄熱槽３１の外部に設置する構成を有する。
【００５２】
蓄熱材３１ｓとしては、例えば偏晶型の２成分混合物を用いる。蓄熱槽３１の蓄熱温度範囲は、蓄熱材３１ｓが固液共存状態となるように、熱負荷１３の温度が蓄熱材３１ｓの偏晶温度よりも低く、熱源１１の温度が蓄熱材３１ｓの偏晶温度よりも高く設定される。
【００５３】
蓄熱システム１００ａは、蓄熱槽３１の出口３１ａから圧送ポンプ３３により圧送した蓄熱材３１ｓを、熱源１１に接続した蓄熱熱交換器１２を通じる蓄熱ライン３４を経て入口３１ｂに戻すか、あるいは熱負荷１３に接続した放熱熱交換器１４を通じる放熱ライン３５を経て入口３１ｂに戻すかを切替え可能にする流路切換手段３２を備える。本実施の形態では、流路切換手段３２を出側三方弁３２ａおよび入側三方弁３２ｂで構成し、蓄熱時には蓄熱熱交換器１２を蓄熱材３１ｓが通流し、放熱時には放熱熱交換器１４を蓄熱材３１ｓが通流するように各三方弁３２ａ，３２ｂを切換えるようにした。
【００５４】
蓄熱槽３１に貯留された蓄熱材３１ｓは、圧送ポンプ３３によって熱源１１に接続した蓄熱熱交換器１２に送られることによって蓄熱した状態で蓄熱槽３１に戻り、また、熱負荷１３に接続した放熱熱交換器１４に送られることによって放熱した状態で蓄熱槽３１に戻る。
【００５５】
蓄熱システム１００ａでは、熱源１１で加熱された熱源用熱媒体を蓄熱熱交換器１２に導入し、蓄熱熱交換器１２にて熱源用熱媒体と蓄熱材３１ｓとの間で熱交換させることにより、熱源１１の熱を蓄熱材３１ｓに伝えるようにしているが、熱源１１が熱を出力するための出力用の熱交換器を備えるヒートポンプ等である場合には、その熱交換器を蓄熱熱交換器１２として用いるようにしても良い。
【００５６】
また、蓄熱システム１００ａでは、放熱熱交換器１４にて蓄熱材３１ｓと熱負荷用熱媒体との間で熱交換させ、加熱された熱負荷用熱媒体を熱負荷１３に導入することで、蓄熱材３１ｓの熱を熱負荷１３に伝えるようにしている。
【００５７】
なお、本実施の形態に係る蓄熱材を用いる蓄熱システムとしては、図５（ｂ）に示すような、蓄熱槽３１の内部に熱交換器３１ｐを設置する構成を有する蓄熱システム１００ｂとすることもできる。
【００５８】
図５（ｂ）に示す蓄熱システム１００ｂの場合には、蓄熱材３１ｓを貯留する蓄熱槽３１の内部に、蓄熱槽３１の入口３１ｂから熱媒体を導入して出口３１ａまで通流させる、熱交換器としての螺旋状の熱媒体用流路３１ｐが設けられる。入口３１ｂから導入された熱媒体は、螺旋状の熱媒体用流路３１ｐを通流する間に蓄熱材３１ｓと熱交換し、蓄熱槽３１の出口３１ａに至る。蓄熱槽３１から導出された熱媒体は、熱源１１に接続した蓄熱ライン３４を経て加熱された状態で蓄熱槽３１に戻るか、または、熱負荷１３に接続した放熱ライン３５を経て冷却された状態で蓄熱槽３１に戻る。このとき、熱媒体は熱源１１または熱負荷１３と直接に熱交換をする。
【００５９】
蓄熱槽３１は蓄熱材３１ｓを攪拌するための攪拌手段３６を備え、この攪拌手段３６により固液共存状態の蓄熱材３１ｓを攪拌して、蓄熱材３１ｓのスラリ化を行うようにしている。本実施の形態では攪拌手段３６を、熱媒体用流路３１ｐの螺旋の中央に配置され、蓄熱材３１ｓを攪拌する３枚の攪拌羽根３６ｆと、その攪拌羽根３６ｆを回転させるためのモータ３６ｍから構成した。攪拌手段３６の攪拌羽根３６ｆの枚数は３枚に限られず、蓄熱槽３１の容量等に合わせて適宜変更可能である。
【００６０】
なお、上述の蓄熱システム１００ａ，１００ｂの構成は一例であり、例えば蓄熱システム１００ａと蓄熱システム１００ｂを組合わせた構成としても良い。
【符号の説明】
【００６１】
Ｔb 熱源の温度
Ｔa 熱負荷の温度
ＴM 偏晶温度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、
凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、前記熱負荷の温度より高く、前記熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、
前記多成分混合物の組成が、前記偏晶反応を起こす組成であることを特徴とする蓄熱材。
【請求項２】
前記多成分混合物の組成が、その放熱完了時の固相率が３０％以上６０％以下となる組成である請求項１記載の蓄熱材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蓄熱材を用いた、蓄熱システム。
【請求項１】
熱源から供給された熱を蓄熱して、その熱を熱負荷に放熱する蓄熱システムに用いる蓄熱材であって、
凝固および融解時に偏晶反応を起こし、その偏晶温度が、前記熱負荷の温度より高く、前記熱源の温度より低い偏晶型の多成分混合物からなり、
前記多成分混合物の組成が、前記偏晶反応を起こす組成であることを特徴とする蓄熱材。
【請求項２】
前記多成分混合物の組成が、その放熱完了時の固相率が３０％以上６０％以下となる組成である請求項１記載の蓄熱材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蓄熱材を用いた、蓄熱システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−４０２２４（Ｐ２０１３−４０２２４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５８９２（Ｐ２０１１−１７５８９２）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
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