第 1 章 緒 論

CO ₂ ヒートポンプ飲料自動販売機における 高性能潜熱蓄熱槽の開発研究

九州大学大学院工学府 化学システム工学専攻 藤井 秀俊

2018.4

目次

第 1 章 緒論

1. 1 本研究の背景

1. 1. 1 エネルギー情勢 ・・・・・1

1. 1. 2 ヒートポンプ ・・・・・2

1. 1. 3 飲料自動販売機でのヒートポンプ利用動向 ・・・・・2

1. 2 本研究の目的 ・・・・・7

1. 3 本論文の構成 ・・・・・9

1. 4 既往の研究

1. 4. 1 潜熱蓄熱 ・・・・・11

1. 4. 2 冷凍システムにおける蓄熱利用 ・・・・・12

1. 5 対象とした飲料自動販売機の概要

1. 5. 1 構造と消費電力 ・・・・・15

1. 5. 2 CO₂ヒートポンプと未利用熱 ・・・・・16

1. 5. 3 飲料自動販売機および蓄熱槽の設計 ・・・・・19

第 2 章 蓄熱槽内の伝熱解析

2. 1 緒言 ・・・・・21

2. 2 実験

2. 2. 1 装置 ・・・・・21

2. 2. 2 方法 ・・・・・24

2. 2. 3 結果 ・・・・・26

2. 3 数値解析

2. 3. 1 方法 ・・・・・28

2. 3. 2 結果 ・・・・・37

2. 4 結言 ・・・・・41

第 3 章 蓄熱槽の基本設計

3. 1 緒言 ・・・・・42

3. 2 蓄熱槽の仕様

3. 2. 1 庫室加熱用蓄熱槽 ・・・・・42

3. 2. 2 冷媒蒸発用蓄熱槽 ・・・・・50

3. 3 蓄熱材の基礎物性 ・・・・・58

3. 4 蓄熱槽の設置条件と形状 ・・・・・61

3. 5 数値解析による蓄熱槽の寸法の検討

3. 5. 1 方法 ・・・・・64

3. 5. 2 結果 ・・・・・68

3. 6 結言 ・・・・・85

第 4 章 蓄熱槽の蓄放熱予測

4. 1 緒言 ・・・・・86

4. 2 解析方法

4. 2. 1 庫室加熱用蓄熱槽 ・・・・・87

4. 2. 2 冷媒蒸発用蓄熱槽 ・・・・・90

4. 3 解析結果

4. 3. 1 庫室加熱用蓄熱槽 ・・・・・94

4. 3. 2 冷媒蒸発用蓄熱槽 ・・・・・99

4. 4 結言 ・・・・・105

第 5 章 飲料自動販売機における実証試験

5. 1 緒言 ・・・・・107

5. 2 実験

5. 2. 1 装置 ・・・・・107

5. 2. 2 方法 ・・・・・114

5. 3 評価方法 ・・・・・122

5. 4 省エネルギー効果

5. 4. 1 庫室加熱用蓄熱槽 ・・・・・126

5. 4. 2 冷媒蒸発用蓄熱槽 ・・・・・138

5. 5 結言 ・・・・・148

第 6 章 結論 ・・・・・150

Appendix A CO₂の物性値 ・・・・・152

Appendix B 二重管型蓄熱槽の外管・内管の等間隔曲げ加工方法 ・・・・・155

Appendix C 二重管型蓄熱槽の炭素繊維および蓄熱材の充填方法 ・・・・・163

Nomenclature ・・・・・166

Literature Cited ・・・・・169

Acknowledgement ・・・・・174

1

第 1 章 緒 論

1.1 本 研 究 の 背 景

1 . 1 . 1 エ ネ ル ギ ー 情 勢

人 類 活 動 は 経 済 （Ec o n o my）・ エ ネ ル ギ ー （E n e rg y）・ 環 境 （E n v i r o n me n t） の 3 E の ト リ レ ン マ の 構 造 に あ る と さ れ ，そ れ ぞ れ の 間 の 問 題 を 抱 え て い る ．例 え ば 経 済 と エ ネ ル ギ ー の 間 に は 資 源 枯 渇 ・ 食 糧 不 足 ， エ ネ ル ギ ー と 環 境 の 間 に は 様 々 な 環 境 破 壊 ・ 汚 染 と い う 問 題 が 存 在 す る ^{1 )}．

世 界 の エ ネ ル ギ ー 消 費 量 は 2 0 3 0 年 に は 1 9 9 0 年 の 2 倍 に 達 す る と 考 え ら れ て い る ^{2 )}．1 8 世 紀 の 産 業 革 命 に お い て エ ネ ル ギ ー 資 源 と し て 石 油 ・ 石 炭 と い っ た 化 石 燃 料 が 使 用 さ れ た こ と を 契 機 に し て ， エ ネ ル ギ ー 消 費 量 が 爆 発 的 ・ 継 続 的 に 増 加 す る と と も に ， 温 室 効 果 ガ ス の 増 加 が 懸 念 さ れ て お り ， 気 温 ・ 水 温 の 上 昇 ， 気 候 変 動 ， 生 態 系 の 破 壊 な ど の 多 岐 に わ た る 影 響 が 顕 在 化 し て い る ^{3 )}． ま た ， 化 石 燃 料 の 利 用 で き て い る エ ネ ル ギ ー は 1 / 3 程 度 し か な く ， 残 り の 2 / 3 は 損 失 に な っ て い る ． 例 え ば ， エ ネ ル ギ ー 消 費 量 の 多 い 産 業 分 野 で は ，8 0 ° C 以 下 の 排 水 や 2 0 0 ° C 以 下 の 排 ガ ス と い っ た 低 温 排 熱 の 形 で ，多 く の エ ネ ル ギ ー が 無 駄 に な っ て い る ^{4 ) , 5 )}．

将 来 の 地 球 環 境 を 保 護 す る こ と を 目 的 に ， 気 候 変 動 枠 組 条 約 締 約 国 会 議

（C o n f e r e n c e o f t h e P a r t i e s，C O P） が 1 9 9 5 年 か ら 開 催 さ れ て い る ．1 9 9 7 年 の

C O P 3 で は 温 室 効 果 ガ ス の 削 減 目 標 を 定 め る 京 都 議 定 書 が 採 択 さ れ た ^{6 )}．2 0 1 5

年 の C O P 2 1 で は 京 都 議 定 書 以 来 の 新 た な 枠 組 み で あ る パ リ 協 定 が 締 結 さ れ て

お り ，1 9 6 カ 国 が 参 加 し て い る ^{7 )}． こ れ は ， 各 国 が 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 量 削 減 目 標 を 作 成 ・ 提 出 ・ 維 持 し て ， そ れ を 達 成 す る た め の 対 策 を と る 義 務 を 負 い ， 有 効 な 対 策 を と ら な け れ ば 目 標 達 成 は 難 し い と 考 え ら れ て い る ． こ の よ う な 法 的 拘 束 力 の 有 無 に か か わ ら ず ， 環 境 問 題 解 決 の た め の 省 エ ネ ル ギ ー 化 の 取 り 組 み は 人 類 共 通 の 課 題 で あ る ．

2

1 . 1 . 2 ヒ ー ト ポ ン プ

経 済 産 業 省 の 「 エ ネ ル ギ ー 関 係 技 術 開 発 ロ ー ド マ ッ プ 」^{8 )}に 示 さ れ て い る よ う に ， ヒ ー ト ポ ン プ は 加 熱 ・ 冷 却 方 式 と し て ， 家 庭 ・ 業 務 ・ 産 業 分 野 の 様 々 な 熱 需 要 に 適 用 が 拡 大 し て お り ， 各 分 野 の 横 断 的 な 重 要 技 術 ・ 将 来 技 術 と 位 置 づ け ら れ て い る ．

現 在 ， 一 般 的 に 用 い ら れ て い る 圧 縮 式 ヒ ー ト ポ ン プ （ 圧 縮 式 冷 凍 機 ） は ， 圧 縮 機 ， 凝 縮 器 ， 膨 張 弁 ， 蒸 発 器 か ら 構 成 さ れ る シ ス テ ム で あ り ， 液 体 が 気 化 す る 際 の 気 化 熱 と ，再 び 液 体 に 戻 る 際 の 凝 縮 熱 を 利 用 す る 加 熱・冷 却 方 法 で あ る ． 特 に ， 冷 凍 ・ 冷 蔵 ・ 冷 房 ・ 製 氷 と い っ た 低 温 の 冷 却 方 法 は ， 他 の 技 術 が 実 用 化 さ れ て い な い こ と か ら ， 大 部 分 に 圧 縮 式 冷 凍 機 が 採 用 さ れ て い る ．

本 ロ ー ド マ ッ プ に お い て ，ヒ ー ト ポ ン プ の 技 術 開 発 目 標 は ，2 0 5 0 年 ま で に 機 器 効 率 2 倍 ， コ ス ト 1 / 2 倍 と 掲 げ ら れ て お り ， 各 種 の ヒ ー ト ポ ン プ シ ス テ ム の 高 効 率 化 ・ 省 エ ネ ル ギ ー 化 に 向 け て ， 次 世 代 ・ 長 期 的 視 点 で の 取 り 組 み が な さ れ て い る ．

家 庭 用 ・ 業 務 用 の 代 表 的 な 機 器 と し て ， 冷 蔵 庫 ， エ ア コ ン ， 給 湯 器 ， 冷 蔵 シ ョ ー ケ ー ス ， 熱 供 給 装 置 （ チ ラ ー ） な ど が 挙 げ ら れ ， 飲 料 自 動 販 売 機 も そ の 一 つ で あ る ．

1 . 1 . 3 飲 料 自 動 販 売 機 で の ヒ ー ト ポ ン プ 利 用 動 向

日 本 国 内 に お い て 現 在 5 0 9 万 台 の 自 動 販 売 機 が 稼 動 し て い る ．そ の 種 類 は（1） 飲 料 ，（2） 食 品 ，（3） た ば こ ，（4） 券 類 ，（5） 物 品 ，（6） 自 動 サ ー ビ ス の 6 つ の 種 類 に 分 け ら れ る が ，稼 働 台 数 の 約 5 0 %が 飲 料 自 動 販 売 機 で 占 め ら れ て い る

上 に（F i g . 1 - 1），年 間 に 新 た に 出 荷 さ れ て い る 自 動 販 売 機 の 9 0 %に あ た る 約 2 9

万 台 が 飲 料 自 動 販 売 機 と な っ て お り ， 飲 料 自 動 販 売 機 は 既 に 国 民 生 活 イ ン フ ラ の 一 部 と な っ て い る ^{9 )}． 一 方 ，2 0 11 年 3 月 11 日 に 発 生 し た 東 日 本 大 震 災 当 時 に は ， 飲 料 自 動 販 売 機 の 普 及 台 数 の 多 さ か ら 消 費 電 力 量 が に わ か に 注 目 を 集 め る こ と に な っ た ． 電 力 供 給 不 足 の お そ れ か ら ， 飲 料 自 動 販 売 機 に 限 ら ず ， 電 力 を 消 費 す る 機 器 ・ シ ス テ ム の 使 用 が 制 限 さ れ る と い う 状 況 を 迎 え た こ と は 記 憶 に 新 し く ， 製 品 開 発 に お け る 省 エ ネ ル ギ ー 化 へ の 取 り 組 み を さ ら に 加 速 さ せ る 大 き な 要 因 と な っ た ．

3

今 後 ，加 温 ・ 冷 却 機 能 が 搭 載 さ れ て い る 飲 料 自 動 販 売 機 は（1）更 な る 省 エ ネ ル ギ ー 化 ，（2） ノ ン フ ロ ン 化 ， の 2 つ の 技 術 が 重 要 な 開 発 項 目 と な る ．2 0 0 2 年 に「 エ ネ ル ギ ー の 使 用 の 合 理 化 に 関 す る 法 律（ 省 エ ネ 法 ）」が 制 定 さ れ ，特 定 機 器 の 指 定 を 受 け （ ト ッ プ ラ ン ナ ー 基 準 ），2 0 1 2 年 に 第 2 次 目 標 が 業 界 と し て 達 成 さ れ ^{1 0 )}， 現 在 第 3 次 目 標 が 検 討 さ れ て い る （F i g . 1 - 2）． 清 涼 飲 料 自 販 機 協 議 会 が 設 定 し て い る 自 主 行 動 計 画 で は ，2 0 2 0 年 ま で の 中 期 目 標 は ，ヒ ー ト ポ ン プ 技 術 を 活 用 し た 消 費 電 力 削 減 5 0 %（2 0 0 5 年 比 ） と 設 定 さ れ て い る （Ta b l e 1 - 1）

1 1 )． こ の よ う な 背 景 か ら ，2 0 1 2 年 度 の 実 績 か ら さ ら に 3 5 %前 後 の 省 エ ネ ル ギ

ー 化 が 見 込 ま れ た 5 0 0 k W h / y 程 度 の 目 標 値 が 設 定 さ れ る と 予 測 さ れ る ．

ま た ，「 国 等 に よ る 環 境 物 品 等 の 調 達 の 推 進 等 に 関 す る 法 律（ グ リ ー ン 購 入 法 ）」

に よ り ，冷 媒 選 択 の 基 準 が 設 定 さ れ ，2 0 1 3 年 4 月 か ら 清 涼 飲 料 自 動 販 売 機 に お い て ，R 1 3 4 a 冷 媒 が 使 用 不 可 に な り ，ノ ン フ ロ ン あ る い は 低 G W P 冷 媒 に 移 行 さ れ て い る （Ta b l e 1 - 2）^{1 2 )}．

飲 料 メ ー カ ー は 地 球 温 暖 化 防 止 へ の 意 識 が 当 初 よ り 高 い が ， 特 に グ ロ ー バ ル リ ー デ ィ ン グ カ ン パ ニ ー で あ る コ カ・コ ー ラ は 2 0 0 4 年 の ア テ ネ オ リ ン ピ ッ ク に て ，サ ン デ ン 製 の C O₂ 冷 媒 を 搭 載 し た 世 界 初 の 飲 料 自 動 販 売 機 と シ ョ ー ケ ー ス を 投 入 し た ． そ の 後 ， 地 球 温 暖 化 防 止 を ア ピ ー ル で き ， 十 分 な 効 果 が 得 ら れ る と い う 予 測 か ら ， コ カ ・ コ ー ラ グ ル ー プ で 使 用 す る 冷 凍 機 器 は C O2冷 媒 を 中 心 と し た ノ ン フ ロ ン シ ス テ ム と す る こ と を 決 定 し た ^{1 3 )}．こ れ を 受 け ，飲 料 自 動 販 売 機 の 日 本 国 内 市 場 に お い て 3 5 %の ト ッ プ シ ェ ア を 持 つ 日 本 コ カ ・ コ ー ラ は ，

2 0 2 0 年 ま で に 現 在 日 本 で 稼 動 し て い る 約 9 0 万 台 の 全 て を C O₂ 化 す る こ と を 決

定 し た ． そ の 動 き に 合 わ せ て ， 他 の 飲 料 メ ー カ ー も C O₂冷 媒 の 自 動 販 売 機 を 積 極 的 に 導 入 す る 動 き に な っ て い る ．

ま た ， 世 界 7 0 ヶ 国 の 食 品 メ ー カ ー 小 売 業 者 6 5 0 社 が 加 盟 す る T C G F（T h e C o n s u me r G o o d s F o r u m） の 2 0 1 0 年 サ ミ ッ ト に お い て ， 業 務 用 冷 凍 ・ 冷 蔵 機 器 に 使 わ れ て い る 冷 媒 を 2 0 1 5 年 か ら 自 然 系 冷 媒 に 転 換 す る こ と を 取 り 決 め た ^{1 4 )}． そ れ 以 降 ， 日 本 の 食 品 メ ー カ ー や 飲 料 メ ー カ ー も 積 極 的 に 自 然 系 冷 媒 機 器 の 採 用 拡 大 を 図 っ て き て お り ， 今 後 更 な る 普 及 が 進 む こ と に な る ．

以 上 の こ と か ら ，C O₂ 冷 媒 を 使 用 し た 第 3 次 ト ッ プ ラ ン ナ ー 目 標 を 達 成 で き る 省 エ ネ 飲 料 自 動 販 売 機 が 求 め ら れ て い る ．

4

F i g . 1 - 1 P o p u l a r n u mb e r b y t y p e o f v e n d i n g ma c h i n e ( F Y 2 0 1 2 ) .

F i g . 1 - 2 Ta rg e t a n d r e s u l t o f a n n u a l p o w e r c o n s u mp t i o n o f b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e m a n u f a c t u r e d b y S a n d e n C o r p o r a t i o n u n d e r E n e rg y C o n s e r v a t i o n A c t

( To p r u n n e r p r o g r a m) .

5

Ta b l e 1 - 1 Vo l u n t a r y r e d u c t i o n t a rg e t o f e n e rg y c o n s u mp t i o n b y J a p a n S o f t D r i n k Ve n d i n g M a c h i n e C o u n c i l .

Te r m Ta rg e t

( f r o m 2 0 0 5 )

R e s u l t ( f r o m 2 0 0 5 )

N e w d e v i c e

2 0 0 5 - 2 0 1 2 ( S h o r t )

ᇞ3 7 . 1 % ᇞ4 3 . 5 % ・A d o p t i o n o f h e a t p u mp

2 0 1 3 - 2 0 2 0

( M e d i u m ) ᇞ5 0 % -

・I mp r o v e me n t o f h e a t p u mp

・L E D i l l u mi n a t i o n

・I l l u mi n a t i o n O F F ( i n d o o r )

2 0 2 1 - 2 0 5 0

( L o n g ) ᇞ6 0 % -

・I n s t a n t h e a t i n g

・F u e l c e l l

6

Ta b l e 1 - 2 R e f r i g e r a n t r e g u l a t i o n u n d e r A c t o n P r o mo t i o n o f P r o c u r e me n t o f E c o - F r i e n d l y G o o d s a n d S e r v i c e s b y t h e S t a t e a n d O t h e r E n t i t i e s

( G r e e n P u r c h a s i n g L a w ) .

R e f r i g e r a n t F r e o n - f r e e ( C O₂, H C )

S u b s t i t u t e F r e o n G W P 1 4 0 l o w e r

( R 1 2 3 4 y f )

G W P 1 4 0 u p p e r ( R 4 0 7 C , R 1 3 4 a ) Ty p e o f

v e n d i n g ma c h i n e

A l l A l l S o f t D r i n k M i l k

C o ff e e

2 0 11

A p p r o v e d A p p r o v e d

A p p r o v e d ( C o n d i t i o n a l )

A p p r o v e d

2 0 1 2 A p p r o v e d

（C o n d i t i o n a l）

2 0 1 3 D e n i e d

※ G W P : G l o b a l Wa r m i n g P o t e n t i a l

7

1.2 本 研 究 の 目 的

飲 料 自 動 販 売 機 は 圧 縮 式 ヒ ー ト ポ ン プ に よ っ て 飲 料 庫 室 を 加 温 ・ 冷 却 し て い る ． 飲 料 自 動 販 売 機 の 年 間 消 費 電 力 （ 缶 ・ ボ ト ル ） を 2 0 0 5 年 度 と 比 較 す る と ， ヒ ー ト ポ ン プ ， ゾ ー ン ヒ ー テ ィ ン グ ・ ク ー リ ン グ ，L E D 照 明 と 自 動 減 光 機 能 ， ピ ー ク シ フ ト ，真 空 断 熱 材 な ど の 多 岐 に わ た る 新 技 術 の 採 用 に よ っ て 1 5 - 1 9 )，第 1 次 ・ 第 2 次 ト ッ プ ラ ン ナ ー 基 準 の 実 績 ^{1 0 )}と し て 約 1 / 2 以 下 ま で 削 減 さ れ て き て い る ． そ の た め ， 今 後 の 第 3 次 ト ッ プ ラ ン ナ ー 基 準 で は 第 1 次 ・ 第 2 次 と 同 程 度 の 年 間 消 費 電 力 量 の 削 減 目 標 と な る こ と が 予 想 さ れ る ． 更 な る 省 エ ネ ル ギ ー 化 に は ， 既 存 部 品 （ 筐 体 ， 圧 縮 機 ， 熱 交 換 器 ， 弁 ， 断 熱 材 な ど ） の 改 善 だ け で は な く ， 新 規 の 方 策 が 求 め ら れ る ．

飲 料 自 動 販 売 機 を は じ め と す る 各 種 の ヒ ー ト ポ ン プ シ ス テ ム の 高 効 率 化 ・ 省 エ ネ ル ギ ー 化 の 方 法 の 一 つ と し て ， 熱 の 最 適 利 用 が 期 待 さ れ る ． エ ク セ ル ギ ー の 観 点 か ら 熱 負 荷 に 対 し て 高 品 質 の 電 気 エ ネ ル ギ ー を 用 い る よ り も 低 品 質 の 熱 エ ネ ル ギ ー を 利 用 す る こ と が 望 ま し い た め で あ る 2 0 ) , 2 1 )．

蓄 熱 技 術 は 熱 の 最 適 利 用 を 可 能 に す る 技 術 と し て 着 目 さ れ て い る ^{2 2 )}．こ れ は 熱 （ 顕 熱 ， 潜 熱 ， 反 応 熱 ） を 蓄 え て ， 必 要 に 応 じ て 取 り 出 す 技 術 で あ る ． 大 き く 3 方 式 に 分 類 さ れ て お り ， 物 質 の 温 度 変 化 を 利 用 す る 顕 熱 蓄 熱 ， 物 質 の 相 変 化 （ 融 解 ， 凝 固 な ど ） を 利 用 す る 潜 熱 蓄 熱 ， お よ び 物 質 の 化 学 反 応 を 利 用 す る 化 学 蓄 熱 が 挙 げ ら れ る ． 現 状 ， 製 品 化 を 考 え た 場 合 ， 顕 熱 蓄 熱 は 蓄 熱 密 度 が 小 さ い こ と に 起 因 す る シ ス テ ム の 大 型 化 ， 化 学 蓄 熱 は シ ス テ ム の 複 雑 化 ・ 物 質 の 安 定 性 ・ 費 用 対 効 果 に 課 題 が 残 さ れ て い る こ と が 懸 念 さ れ る た め ， 潜 熱 蓄 熱 が 現 実 的 な 選 択 肢 と さ れ て い る ．

本 論 文 で は ，C O₂ ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 の 省 電 力 化 の た め ， 熱 を 余 す こ と な く 使 い き る た め の 2 種 類 の 蓄 熱 材 利 用 方 法 を 考 案 し て ， そ れ ら を 可 能 に す る 高 性 能 の 潜 熱 蓄 熱 槽 を 開 発 す る こ と を 目 的 と し た ．F i g . 1 - 3 に 自 動 販 売 機 の 主 要 構 成 部 品 と 各 潜 熱 蓄 熱 槽 の 位 置 付 け を 示 す ． 潜 熱 蓄 熱 槽 は 従 来 の 飲 料 自 動 販 売 機 に は 搭 載 さ れ て お ら ず ， ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル 上 の 新 規 部 品 で あ る ． 第 一 の 蓄 熱 槽 を ヒ ー ト ポ ン プ 停 止 時 の 加 温 庫 室 に お け る 空 気 ・ 飲 料 缶 の 加 熱 に 用 い る こ と で ， ヒ ー ト ポ ン プ の 圧 縮 機 の 電 源 O N - O F F 頻 度 の 低 減 を 目 指 し た

（ 以 下 ， 庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 と 呼 称 す る ）．

8

第 二 の 蓄 熱 槽 を ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル 上 に お け る 圧 縮 前 の C O₂冷 媒 の 加 熱 ・ 蒸 発 に 用 い る こ と で ， ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル の 未 利 用 熱 利 用 に よ る 消 費 電 力 削 減 を 目 指 し た （ 以 下 ， 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 と 呼 称 す る ）．

F i g . 1 - 3 D e v e l o p me n t ma t t e r s ( ma i n p a r t s ) o f b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e a n d n e w l y i n s t a l l e d t h e r ma l s t o r a g e t a n k s .

9

1.3 本 論 文 の 構 成

本 論 文 は 全 6 章 か ら 構 成 さ れ て い る ．F i g . 1 - 4 に 各 章 の 位 置 付 け を 示 す ． 第 1 章 で は ， 本 研 究 の 背 景 お よ び 目 的 に つ い て 述 べ ， 飲 料 自 動 販 売 機 を は じ め と す る ヒ ー ト ポ ン プ シ ス テ ム へ の 蓄 熱 材 の 応 用 に 関 す る 既 往 の 研 究 を 紹 介 す る ．

第 2 章 で は ， 数 値 熱 流 体 解 析 （C F D） に よ る 蓄 熱 槽 の 設 計 に あ た り ， 蓄 熱 槽 内 の 伝 熱 管 近 傍 の 蓄 熱 材 を 模 擬 し た 二 重 円 管 モ デ ル で の 基 礎 実 験 ・ 解 析 の 整 合 性 に つ い て 述 べ る ． 蓄 熱 材 内 の 温 度 応 答 を 実 験 ・ 解 析 か ら 検 討 す る ．

第 3 章 で は ，2 種 類 の 潜 熱 蓄 熱 槽 を 提 案 す る と と も に ， そ の 設 計 に あ た り ， C O₂ ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 が 設 置 ・ 利 用 さ れ る 環 境 下 で 要 求 さ れ る 仕 様 を 明 ら か に す る ． 庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 お よ び 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 に よ る 飲 料 自 動 販 売 機 の 省 エ ネ ル ギ ー 化 の 理 論 効 果 を 見 積 り ， そ れ を 成 立 可 能 に す る 蓄 熱 材 お よ び 蓄 熱 槽 の 仕 様 を 検 討 す る ．さ ら に ，第 2 章 で 述 べ た 蓄 熱 槽 の C F D に よ り 寸 法 を 検 討 す る ．

第 4 章 で は ， 庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 お よ び 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 の 蓄 放 熱 予 測 に つ い て 述 べ る ．庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 は ，ヒ ー ト ポ ン プ 停 止 時 の 加 温 庫 室 に お け る 空 気 ・ 飲 料 缶 の 加 熱 に 用 い る ． 本 蓄 熱 槽 に よ る 飲 料 自 動 販 売 機 の ヒ ー ト ポ ン プ の

O N - O F F 頻 度 低 減 の 予 測 と と も に 蓄 熱 材 側 の 熱 伝 導 促 進 と 空 気 側 の 熱 伝 達 促 進

の そ れ ぞ れ の 効 果 を 数 値 的 に 検 討 す る ． ま た ， 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 は ，C O2 ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル 上 に お け る 圧 縮 前 の 冷 媒 の 加 熱 ・ 蒸 発 に 用 い る ． 本 蓄 熱 槽 に よ る C O₂冷 媒 の 加 熱 に お け る 伝 熱 の 予 測 と と も に ，本 蓄 熱 槽 の 各 種 パ ラ メ ー タ の 影 響 を 数 値 的 に 検 討 す る ．

第 5 章 で は ， 基 礎 検 討 か ら 得 ら れ た 指 針 の 基 に 設 計 ・ 作 製 し た 2 種 類 の 潜 熱 蓄 熱 槽 を 搭 載 し た C O₂ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 の 省 エ ネ ル ギ ー 効 果 を 実 験 的 に 評 価 す る ． 庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 を 搭 載 し た ヒ ー ト ポ ン プ の O N - O F F 頻 度 と 加 温 庫 室 の 温 度 ， な ら び に 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 を 搭 載 し た ヒ ー ト ポ ン プ の 圧 縮 動 力 と 自 販 機 総 C O P（C o e ff i c i e n t O f P e r f o r m a n c e，成 績 係 数 ）を 検 討 す る ．さ ら に ， 各 蓄 熱 槽 を よ り 効 果 的 に 機 能 さ せ る こ と を 目 的 に ， 飲 料 自 動 販 売 機 の 冷 凍 回 路 に お け る 他 の 機 能 部 品 の 運 転 条 件 の 最 適 化 を 検 討 す る ．

第 6 章 で は ， 本 研 究 で 得 ら れ た 知 見 を 総 括 す る ．

10

F i g . 1 - 4 R e l a t i o n o f e a c h c h a p t e r i n t h i s s t u d y.

11

1.4 既 往 の 研 究

1 . 4 . 1 潜 熱 蓄 熱

潜 熱 蓄 熱 は ， 既 に 実 用 化 ・ 製 品 化 さ れ た 事 例 が 増 え て き て い る ． 例 え ば ， ア イ ド リ ン グ ス ト ッ プ 機 能 を も つ ガ ソ リ ン 自 動 車 の エ ン ジ ン 停 止 時 （ 圧 縮 機 停 止 時 ） の 冷 房 需 要 に 対 応 す る た め ， 蓄 冷 エ バ ポ レ ー タ が 製 品 化 さ れ て お り ， こ れ は エ ン ジ ン 運 転 時 に 蓄 冷 し て お き ， エ ン ジ ン 停 止 時 に 放 冷 す る ^{2 3 )}． ま た ， 過 去 の ハ イ ブ リ ッ ド 自 動 車 に は ， 起 動 時 の エ ミ ッ シ ョ ン 低 減 に 対 応 す る た め ， 温 水 に よ る エ ン ジ ン 暖 機 装 置 が 搭 載 さ れ て お り ， こ れ は エ ン ジ ン 運 転 時 に 蓄 熱 し て お き ， 次 の エ ン ジ ン 起 動 時 に 放 熱 す る ^{2 4 )}．

熱 エ ネ ル ギ ー の 需 要 と 供 給 は 発 生 す る 場 所 あ る い は 時 間 に ア ン マ ッ チ が あ る が ， 蓄 熱 技 術 に よ っ て ， 余 剰 の と こ ろ か ら 不 足 の と こ ろ に 供 給 す る こ と で 空 間 的 ・ 時 間 的 ア ン マ ッ チ を 解 消 で き ， 未 利 用 エ ネ ル ギ ー の 活 用 が 可 能 と な る ．

潜 熱 蓄 熱 は 物 質 の 相 変 化 （ 融 解 ， 凝 固 な ど ） を 利 用 す る こ と か ら ， 潜 熱 蓄 熱 材 は 相 変 化 物 質 （P h a s e C h a n g e M a t e r i a l， 以 下 P C M と 略 称 す る ） と 呼 称 さ れ ， B a ( O H )₂・8 H₂0，C a C 1₂・6 H₂O，p o l y g l y c o l，p a r a ff i n な ど の 様 々 な 物 質 が 提 案 さ れ て い る 2 5 - 2 9 )．P C M の 材 質 は 無 機 系 ，有 機 系 に 分 類 さ れ る（Ta b l e 1 - 3）2 2 ) , 3 0 )． 無 機 系 P C M の 蓄 熱 量 は ，有 機 系 よ り も 大 き い が ，金 属 材 料 の 腐 食 ，過 冷 却 ，相 分 離 な ど が 問 題 に な る 場 合 が 多 い ． そ の 対 策 と し て 添 加 剤 （ 核 生 成 剤 ， 増 粘 剤 な ど ） に よ る 改 質 が 行 わ れ る が ， 添 加 剤 自 体 の 化 学 的 な 安 定 性 ・ 毒 性 と い う 点 に お い て ，P C M の 漏 洩 が 周 囲 環 境 に 悪 影 響 を 及 ぼ す お そ れ が あ る ． 特 に ， 飲 料 自 動 販 売 機 の よ う に 食 品 を 取 り 扱 う 機 器 の 場 合 ， 人 体 の 安 全 性 へ の 要 求 に 対 応 し な け れ ば な ら な い ． ま た ， 廃 棄 が 規 制 さ れ ， か つ リ サ イ ク ル が 義 務 付 け ら れ て い る よ う な 機 器 に 用 い る 場 合 ， そ の 取 扱 い が 懸 念 さ れ る ^{3 1 )}． さ ら に ， 物 質 に よ っ て は R E A C H 規 則 ^{3 2 )}な ど の 法 規 制 に よ っ て 輸 出 が 制 限 さ れ る こ と も あ る ． 一 方 ，有 機 系 P C M の 蓄 熱 量 は ，無 機 系 よ り も 小 さ い が ，上 記 の 無 機 系 の よ う な 懸 念 は 少 な い ．そ の た め ，本 研 究 で は 有 機 系 P C M を 使 用 す る ．化 学 的 に 安 定 で あ る こ と か ら ，安 全 性 に 優 れ る 一 方 で ，一 般 的 な 有 機 系 P C M の 熱 伝 導 率 は 低 く

3 3 )， 固 相 の 伝 導 伝 熱 が 熱 媒 体 と 蓄 熱 材 の 間 の 伝 熱 を 支 配 す る ． し た が っ て ， 蓄

熱 材 内 の 熱 伝 導 促 進 に よ る 蓄 熱 材 の 蓄 放 熱 の 効 率 化 が ， 実 用 化 に と っ て 重 要 で あ る ．

12

Ta b l e 1 - 3 C o mp a r i s o n o f i n o rg a n i c a n d o rg a n i c l a t e n t h e a t s t o r a g e ma t e r i a l ( P C M ) .

Ty p e o f P C M I n o rg a n i c O rg a n i c

H e a t q u a n t i t y M e d i u m - L a rg e M e d i u m H e a t c o n d u c t i v i t y [ W / mK ] 0 . 5 - 1 . 1 ( L i q . ) 0 . 1 - 0 . 2 ( L i q . )

D e n s i t y ［g / c m³] 1 . 0 - 2 . 5 0 . 7 - 1 . 2

C o r r o s i v e n e s s L i k e l y H a r d l y

F l a m ma b i l i t y H a r d l y M a y b e

P h a s e s e p a r a t i o n L i k e l y H a r d l y

S u p e r c o o l i n g L a rg e S ma l l - M e d i u m

1 . 4 . 2 蓄 熱 を 利 用 し た 冷 凍 シ ス テ ム

飲 料 自 動 販 売 機 な ど の 冷 凍 シ ス テ ム の 研 究 開 発 に お い て ， 蓄 熱 材 の 利 用 は 以 前 か ら 取 り 組 ま れ て き て い る ．

A z z o u z ら は ，P C M を 用 い た 家 庭 用 冷 蔵 庫 の 性 能 向 上 に 関 し て 実 験 的 に 検 討

し た ^{3 4 )}．P C M は 水 あ る い は 共 晶 混 合 物 （ 凝 固 点- 3 ° C） を 用 い て お り ， エ バ ポ

レ ー タ の 背 面 に 設 置 さ れ る ． 共 晶 混 合 物 の 蓄 熱 量 は 水 よ り も わ ず か に 小 さ い 一 方 ， 冷 蔵 庫 に と っ て よ り 適 切 な 空 気 温 度 を 維 持 す る こ と が で き る ． こ の 蓄 熱 エ バ ポ レ ー タ に よ り ， 電 力 供 給 な し で の 連 続 運 転 時 間 は 従 来 の 1 - 3 時 間 か ら 5 - 9 時 間 ま で 延 長 可 能 と な り ，C O P は 1 0 - 3 0 %増 加 し て ， 従 来 の シ ス テ ム と 比 較 し て 大 幅 に 性 能 が 改 善 さ れ た ．こ れ は ，冷 蔵 庫 内 へ の P C M の 適 用 が ，冷 蔵 庫 の シ ス テ ム 性 能 の 向 上 と 冷 蔵 庫 内 の 温 度 変 化 の 低 減 と い う 効 果 を 有 す る こ と を 示 し て い る ．

C h e n g ら は ， 蓄 熱 コ ン デ ン サ を 搭 載 し た 家 庭 用 冷 蔵 庫 の 特 性 に 関 し て 実 験 的

に 検 討 し た ^{3 5 )}．こ の 家 庭 用 冷 蔵 庫 は 2 ド ア 冷 蔵 庫 で ，冷 媒 は R 6 0 0 a で あ る ．こ の 蓄 熱 コ ン デ ン サ は 形 状 安 定 化 さ れ た P C M（H C E - S S P C M） を 有 し て お り ， 凝 縮 熱 の 一 部 が 圧 縮 機 の 運 転 中 に P C M に 貯 蔵 さ れ ，圧 縮 機 の 停 止 中 に 外 気 に 放 出 さ れ る ． し た が っ て ， 冷 蔵 庫 か ら の 放 熱 は ， 圧 縮 機 の O N - O F F サ イ ク ル で 連 続 し て お り ，O N サ イ ク ル に お い て 本 コ ン デ ン サ に お け る 凝 縮 温 度 の 低 下 ， エ バ ポ レ ー タ に お け る 蒸 発 温 度 の 上 昇 お よ び 過 冷 却 度 の 拡 大 が 得 ら れ た ．I S O 標 準

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試 験 条 件 下 に お い て ，従 来 の 冷 蔵 庫 と 比 較 し て ，消 費 電 力 は 約 1 2 %削 減 さ れ た ．

G i n ら は ， 冷 凍 庫 に お け る ド ア 開 放 ， 除 霜 サ イ ク ル な ど の 熱 負 荷 の 存 在 下 で

安 定 し た 庫 内 温 度 を 維 持 す る た め に ，冷 凍 庫 の 内 壁 に 配 置 さ れ た P C M パ ネ ル の 効 果 を 検 討 し た ^{3 6 )}．P C M パ ネ ル は N H₄C l 水 和 塩 を 有 し て い る ． こ の P C M パ ネ ル に よ っ て ， 除 霜 サ イ ク ル 中 の 空 気 温 度 お よ び 物 品 温 度 が 従 来 よ り も そ れ ぞ れ

2 . 9 ° C お よ び 1 ° C 低 く 保 た れ て お り ， 庫 内 温 度 の 上 昇 率 が 著 し く 減 少 さ れ た ．

定 常 運 転 中 の 電 力 消 費 量 は ，P C M パ ネ ル が な い 場 合 と 比 較 し て ，除 霜 サ イ ク ル

中 に 8 %， ド ア 開 放 時 に は 7 %削 減 さ れ た ． こ れ は ， 冷 凍 庫 内 へ の P C M の 適 用

が ， 冷 凍 庫 内 の 温 度 変 化 を 最 小 化 す る 有 益 な 効 果 を 有 す る こ と を 示 し て い る ．

K h a n ら は ，P C M を 用 い た 家 庭 用 冷 蔵 庫 の 性 能 向 上 に 関 し て 実 験 的 に 検 討 し

た ^{3 7 )}．P C M は 水 あ る い は 共 晶 混 合 物 （ 凝 固 点- 5 ° C） を 用 い て お り ， エ バ ポ レ

ー タ の 側 面 に 設 置 さ れ る ． 実 験 結 果 か ら ，P C M が な い 場 合 と 比 較 し て ， こ の 蓄 熱 エ バ ポ レ ー タ を 用 い た 冷 凍 サ イ ク ル の C O P が 2 0〜2 7 %増 加 す る こ と が 確 認 さ れ ，圧 縮 機 の 1 サ イ ク ル あ た り の 平 均 運 転 時 間 は 約 2 - 3 6 %に 低 減 さ れ る こ と が 確 認 さ れ た ．

B e e k ら は ，P C M を 用 い た 飲 料 用 冷 蔵 シ ョ ー ケ ー ス の 消 費 電 力 量 の 削 減 を 解

析 的 ・ 実 験 的 に 検 討 し た ^{3 8 )}．こ の 冷 蔵 シ ョ ー ケ ー ス は ガ ラ ス 扉 を 有 す る タ イ プ で ，冷 媒 は R 6 0 0 a で あ る ．P C M は 蓄 熱 エ バ ポ レ ー タ と し て 主 の エ バ ポ レ ー タ と 併 せ て 設 置 さ れ る ． 解 析 結 果 か ら ， 蓄 熱 エ バ ポ レ ー タ は 冷 却 シ ス テ ム の 負 荷 低 減 に 効 果 的 で あ り ， よ り 小 さ い 冷 却 能 力 の 冷 却 シ ス テ ム の 選 択 が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た ． ま た ， 庫 室 温 度 の 上 昇 が 低 減 さ れ ， 冷 却 シ ス テ ム が 高 効 率 で 動 作 す る こ と が で き る ． ま た ， 実 験 結 果 か ら ，2 0 1 0 年 当 時 の 冷 蔵 シ ョ ー ケ ー ス と 比 較 し て ， 機 器 の 消 費 電 力 量 を 4 - 1 0 %削 減 さ れ る こ と が 確 認 さ れ た ．

研 究 開 発 で は ， 上 記 の 報 告 例 か ら わ か る よ う に ， 蓄 熱 材 の 利 用 に よ る 冷 凍 シ ス テ ム の 高 効 率 化 ， 冷 凍 機 器 の 温 度 変 化 の 低 減 ・ 消 費 電 力 の 削 減 の 可 能 性 が 示 さ れ て い る ． ま た ， 飲 料 自 動 販 売 機 の 製 品 開 発 で は ， こ れ ま で に ， 飲 料 自 体 の 熱 容 量 を 蓄 熱 材 と し て ， 夜 間 に 冷 却 し て お き 昼 間 に 放 冷 す る と い う 利 用 方 法 が 製 品 採 用 さ れ て い る が 3 9 ) , 4 0 )，そ の 目 的 は 消 費 電 力 の ピ ー ク シ フ ト で あ り ，直 接 的 な 省 エ ネ ル ギ ー 化 に は つ な が ら な い ． 一 方 ， 飲 料 自 動 販 売 機 の ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル 上 で の 蓄 熱 材 の 利 用 方 法 は 確 立 さ れ て お ら ず ， 製 品 採 用 に は 至 っ て い

14 な い ．

ヒ ー ト ポ ン プ は 重 要 将 来 技 術 に 位 置 づ け ら れ て お り ， そ の 高 効 率 化 は 工 学 上 の 重 要 課 題 で あ る ． ヒ ー ト ポ ン プ に よ る 冷 凍 機 器 の 中 で も ， 飲 料 自 動 販 売 機 は 加 熱 ・ 冷 却 機 能 の 両 方 を 同 時 利 用 す る 独 特 の 機 器 で あ り ， 特 に C O₂ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 の 加 熱 側 で の 蓄 熱 材 利 用 は 例 が な く ，そ の 実 用 化 を 図 る 上 で ， 知 見 を 蓄 積 す る こ と が 必 要 で あ る ．

15

1.5 対 象 と し た 飲 料 自 動 販 売 機 の 概 要

1 . 5 . 1 構 造 と 消 費 電 力

飲 料 自 動 販 売 機 は 取 扱 商 品 ご と に ， 缶 ・ ボ ト ル 式 ， カ ッ プ 式 ， 紙 容 器 式 に さ ら に 分 け ら れ る が ， 缶 ・ ボ ト ル 式 が 出 荷 さ れ て い る 飲 料 自 動 販 売 機 の 大 半 を 占 め る こ と か ら ^{9 )}， 本 論 文 で は ， 缶 ・ ボ ト ル 式 飲 料 自 動 販 売 機 を 研 究 の 対 象 と し た ． 缶 ・ ボ ト ル 式 飲 料 自 動 販 売 機 は ， 飲 料 を 収 納 す る た め の 3 庫 室 を 有 し て お り ， こ れ ら の 構 成 を 季 節 に 応 じ て 加 温 庫 室 （H O T） と 冷 却 庫 室 （C O L D） に 変 更 し て 運 転 し て い る （H C C，H H C，C C C）（F i g . 1 - 5 ( a )）． 日 本 工 業 規 格 （J I S）

に よ り 加 温 庫 室 は 5 5 ± 2 ᵒC に ， 冷 却 庫 室 4 ± 2 ° C に 保 持 す る こ と が 定 め ら れ て い

る ^{4 1 )}． 最 も 使 用 さ れ る 冷 温 パ タ ー ン は H C C モ ー ド で あ る （F i g . 1 - 5 ( b )）． そ の

消 費 電 力 量 の 約 6 割 を 加 温 が 占 め て お り （F i g . 1 - 5 ( c )）， 加 温 の 消 費 電 力 の 改 善 が 求 め ら れ て い る ．

F i g . 1 - 5 I n t e r n a l s t r u c t u r e ( f r o n t ) , H o t / C o l d s e t t i n g a n d p o w e r c o n s u mp t i o n r a t i o o f b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e .

16

1 . 5 . 2 C O₂ヒ ー ト ポ ン プ と 未 利 用 熱

飲 料 自 動 販 売 機 は 圧 縮 式 ヒ ー ト ポ ン プ の 熱 を 飲 料 庫 室 の 空 気 に 熱 交 換 ・ 循 環 す る こ と で ， 飲 料 缶 を 加 温 ・ 冷 却 す る （F i g . 1 - 6）． こ の 圧 縮 式 ヒ ー ト ポ ン プ に は ， 自 然 環 境 保 護 の 観 点 か ら ， 代 表 的 な 自 然 冷 媒 で あ る C O₂が 採 用 さ れ て き て い る ．C O₂ ヒ ー ト ポ ン プ の 加 熱 側 （ 高 温 高 圧 側 ） で は C O₂ 冷 媒 は 最 高 11 0 ᵒC の 超 臨 界 流 体 状 態 に あ る た め ， 他 の 冷 媒 の よ う に 相 変 化 熱 を 利 用 し た 一 定 温 度 の 加 熱 が で き な い ． そ の た め ， 給 湯 器 （ エ コ キ ュ ー ト ） の よ う に 水 を 低 温 か ら 高 温 ま で 加 熱 す る 場 合 に は 大 き な 加 熱 能 力 を 得 る こ と が で き 高 効 率 の 運 転 が 可 能 だ が ， 飲 料 自 動 販 売 機 の よ う に 加 温 庫 室 を 5 5 ᵒC に 保 持 す る 場 合 に は 圧 縮 機 の 吐 出 ガ ス 温 度 と 加 熱 対 象（ 加 温 庫 室 ）の 温 度 の 差 が 大 き く 効 率 が 低 下 す る（F i g . 1 - 7）．

飲 料 自 動 販 売 機 の 従 来 運 転 で は ，C O₂ 冷 媒 の 6 0～11 0 ᵒC の 間 の 利 用 で き る 熱 は ，加 温 庫 室 の 加 熱 の み に 用 い ら れ て い る た め ，余 剰 に な っ て い る ．ま た ，C O₂ 冷 媒 の 6 0 ᵒC 以 下 の 熱 は ， 加 温 庫 室 の 加 熱 に は 使 え な い た め ， 外 気 に 放 熱 さ れ て お り ， 未 利 用 に な っ て い る ．

こ れ ら の 余 剰 の 熱 と 未 利 用 の 熱 を よ り 効 率 的 に 利 用 す る こ と に よ り ， す な わ ち 先 述 の 蓄 熱 槽 利 用 の コ ン セ プ ト（ 第 1 章 2 節 ）に 基 づ き ，ヒ ー ト ポ ン プ の 省 エ ネ ル ギ ー 化 ・ 高 効 率 化 の 余 地 が あ る と 考 え ら れ る ．

飲 料 自 動 販 売 機 の C O2ヒ ー ト ポ ン プ の 効 率 に 影 響 を 及 ぼ す 冷 媒 の 特 性 上 の 熱 損 失 と し て ， 以 下 の 6 点 が 挙 げ ら れ る ． 本 研 究 で は ， こ の 4） か ら 6） に 着 目 し た （F i g . 1 - 8）．

1 ) 圧 縮 機 筐 体 の 熱 が 外 気 に 排 熱 さ れ て い る （ 圧 縮 機 の 暖 機 が 必 要 で あ る ）．

2 ) 圧 縮 機 の 小 型 化 に よ り 体 積 効 率 が 低 下 し て い る ．

3 ) 高 温 高 圧 側 の 冷 媒 温 度 範 囲（11 0 ° C か ら 3 0 ° C）と 加 温 庫 室 の 温 度（5 5 ° C） に 差 が あ り ， 加 熱 に 利 用 で き る 冷 媒 の 熱 （ エ ン タ ル ピ ー 差 ） が 小 さ い ． 4 ) 低 温 低 圧 側 の 冷 媒 温 度 ・ 圧 力 が 低 く 圧 縮 機 の 動 力 が 大 き い ．

5 ) 圧 縮 機 の O N - O F F が 頻 繁 な た め 起 動 時 の 冷 媒 の 吐 出 ガ ス 温 度 の 立 ち 上 が り に 時 間 が か か る ．

6 ) 加 温 庫 室 の 温 度 （5 5 ° C） 以 下 の 冷 媒 の 熱 （ エ ン タ ル ピ ー 差 ） が 外 気 に 排 熱 さ れ て い る ．

17

F i g . 1 - 6 I n t e r n a l s t r u c t u r e o f b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e ( S i d e ) .

F i g . 1 - 7 R e f r i g e r a t i o n c y c l e s o f w a t e r h e a t e r a n d b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e .

18

F i g . 1 - 8 H e a t l o s s ( 1 ) - ( 6 ) o f r e f r i g e r a t i o n c y c l e s o f b e v e r a g e v e n d i n g ma c h i n e .

19

1 . 5 . 3 飲 料 自 動 販 売 機 お よ び 蓄 熱 槽 の 設 計

採 用・普 及 が 進 ん で い る ノ ン フ ロ ン 冷 媒 は ，環 境 規 制 に 対 応 可 能 で あ る 反 面 ， 加 熱・冷 却 能 力 が R 4 0 7 C，R 1 3 4 aな ど の 従 来 冷 媒 と 比 較 し て 劣 る 場 合 が あ る 4 2 ) , 4 3 )． 各 種 の 冷 凍 シ ス テ ム に ノ ン フ ロ ン 冷 媒 を 使 用 可 能 に す る た め に は ， 一 つ の 画 期 的 な 効 率 改 善 手 段 に 依 存 す る こ と な く ， 様 々 な 改 善 手 段 の 積 み 上 げ が 必 要 で あ り ， 熱 を 余 す こ と な く 使 い き れ る よ う 設 計 さ れ て い る ．

近 年 ， 多 分 野 の 機 器 の 設 計 に C A E（C o mp u t e r A i d e d E n g i n e e r i n g） が 導 入 さ れ て お り ， 構 造 ・ 応 力 ・ 振 動 ・ 流 体 な ど の 解 析 検 討 と 実 験 確 認 の プ ロ セ ス に よ っ て ， 要 求 性 能 に 応 え る 最 適 な 設 計 条 件 を 追 求 可 能 に な っ た ． 開 発 期 間 の 短 縮 ， 開 発 リ ソ ー ス （ 試 作 ， 実 験 ） の 削 減 な ど の 効 果 も 認 め ら れ て い る ． 冷 媒 を 用 い る 機 器 は 専 用 設 備 で 実 験 ・ 評 価 さ れ ， 温 度 ・ 圧 力 ・ 漏 洩 な ど の 問 題 か ら 困 難 な 場 合 も あ る こ と か ら ，以 前 か ら C A E の 活 用 が 進 ん で い る 4 4 ) - 4 8 )．研 究 対 象 の C O₂ ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 は ， 特 に 高 温 高 圧 に な る た め ， 蓄 熱 槽 の 設 計 に と っ て 解 析 に よ る 検 討 が 必 須 で あ る ． 潜 熱 蓄 熱 槽 に お け る 現 象 は ，C O₂ と 蓄 熱 材 の 間 の 伝 熱 で あ り ， 数 値 熱 流 体 解 析 （C F D） で 予 測 可 能 で あ る ．

現 在 ， 飲 料 自 動 販 売 機 に は ，C O₂（R 7 4 4），H C（R 6 0 0 a な ど ），R 1 2 3 4 y f， の 3 種 類 の 冷 媒 が 採 用 さ れ て い る ． こ の 中 で ， 環 境 対 応 の 面 で は ， オ ゾ ン 破 壊 係 数 0， 地 球 温 暖 化 係 数 1 で あ る CO2 が 最 も 優 れ て い る ^{4 9 )}． 一 方 ， 加 熱 ・ 冷 却 の 性 能 面 で は ， 前 節 で 述 べ た 理 由 か ら C O2 の 加 熱 側 の 能 力 ・ 効 率 が 原 理 的 に 小 さ く な る ． 将 来 冷 媒 と し て 期 待 の か か る C O₂の 効 率 的 利 用 の た め ， 蓄 熱 槽 の 利 用 を 考 案 し た が ，こ れ ま で に C O₂ヒ ー ト ポ ン プ 飲 料 自 動 販 売 機 の 冷 凍 回 路 に お い て ， 蓄 熱 槽 に よ る 高 温 の 熱 利 用 の 実 用 例 が な く ， 基 礎 的 な 知 見 か ら 集 め る 必 要 が あ る ．

蓄 熱 槽 に お け る 熱 交 換 に 着 目 す る と ， 既 往 の 研 究 で は ， 蓄 熱 材 内 の 伝 熱 管 を 流 通 す る 熱 媒 体 の 切 り 替 え に よ っ て 熱 交 換 す る 事 例 が 多 い ^{5 0 )}．庫 室 加 熱 用 蓄 熱 槽 は ， 蓄 熱 材 内 部 の 冷 媒 か ら 蓄 熱 し て ， 蓄 熱 材 外 部 の 空 気 に 放 熱 す る と い う 熱 交 換 を 特 徴 に し て い る ． 一 方 ， 冷 媒 蒸 発 用 蓄 熱 槽 は 蓄 熱 材 内 部 で 熱 交 換 す る た め ， 冷 媒 か ら 蓄 熱 し て ， 冷 媒 へ 放 熱 す る ．

20

ま た ， 蓄 熱 槽 の 設 置 に 着 目 す る と ， 既 に 自 動 車 向 け に 製 品 化 さ れ た 実 績 の あ る エ ン ジ ン 暖 機 装 置 ，蓄 冷 エ バ ポ レ ー タ な ど の 蓄 熱 を 利 用 し た 装 置 5 1 ) , 5 2 )で は レ イ ア ウ ト お よ び 重 量 ・ 体 積 増 加 が 課 題 と 捉 え ら れ て い る ． 飲 料 自 動 販 売 機 は 定 置 式 機 器 で あ る た め 移 動 式 機 器 と 比 較 し て ， 重 量 面 で は 制 約 が 小 さ い 一 方 ， 体 積 面 で は そ の 内 部 空 間 の 大 部 分 が 飲 料 缶 ・ ボ ト ル を 収 納 す る 飲 料 庫 室 で あ る こ と か ら ， 蓄 熱 槽 を 含 む 冷 凍 回 路 部 品 の た め の 空 間 は 限 ら れ て い る ．

以 上 の こ と か ら ， 飲 料 自 動 販 売 機 に お い て 収 納 可 能 か つ 適 切 に 熱 交 換 で き る 高 性 能 な 蓄 熱 槽 の 形 状 設 計 が 重 要 と な る ．

21

第 2 章 蓄 熱 材 内 の 伝 熱

2. 1 緒 言

本 章 で は ， 数 値 熱 流 体 解 析 （C F D） に よ る 蓄 熱 槽 の 設 計 に あ た り ， 蓄 熱 材 内 の 温 度 応 答 を 基 礎 実 験 ・ 解 析 か ら 検 討 し て ， そ の 整 合 性 を 確 認 す る ．

2. 2 実 験

2 . 2 . 1 装 置

蓄 熱 槽 内 の 温 度 応 答 を 実 験 に よ り 基 礎 検 討 し た ． 蓄 熱 槽 内 の 伝 熱 管 近 傍 の 蓄 熱 材 を 模 擬 す る た め ， 二 重 円 管 型 の 実 験 装 置 を 用 い た ．

基 礎 実 験 装 置 の 概 略 図 を F i g . 2 - 1 に ， 外 観 を F i g . 2 - 2 に 示 す ． 本 実 験 装 置 は 以 下 の よ う に 作 製 し た ．

22

1 ) 6 0 m m 長 の 透 明 樹 脂 パ イ プ （ ポ リ カ ー ボ ネ ー ト ）1 本 と ， パ イ プ の 外 径

D_{s , o}（φ2 6 m m，φ3 8 m m，φ4 8 m m） と 同 径 の 中 央 穴 を も つ 透 明 樹 脂 フ ラ ン

ジ （ ポ リ カ ー ボ ネ ー ト ）2 枚 を 用 意 し て ， パ イ プ の 両 端 に フ ラ ン ジ を 接 着 す る ．

2 ) 2 0 0 m m 長 の 直 管 の 銅 管 1 本 と ， 銅 管 の 外 径 D_{t , o}（φ6 . 3 5 m m） と 同 径 の 中 央 穴 を も つ 透 明 樹 脂 フ ラ ン ジ （ ポ リ カ ー ボ ネ ー ト ）2 枚 を 用 意 し て ， フ ラ ン ジ 1 枚 と ゴ ム パ ッ キ ン （ 水 素 化 ニ ト リ ル ゴ ム ） を 手 順 1 ) の フ ラ ン ジ 付 き 樹 脂 パ イ プ に 取 り 付 け ，ボ ル ト ・ ナ ッ ト で 固 定 し た 後 ，フ ラ ン ジ の 中 央 穴 に 銅 管 を 通 し て ， 樹 脂 パ イ プ-銅 管 の 二 重 管 に す る ．

3 ) 残 り の フ ラ ン ジ 1 枚 に ，シ ー ス 熱 電 対（ シ ー ス 外 径 φ1 m m）を 取 り 付 け る

（Ta b l e 2 - 1）． シ ー ス 熱 電 対 は 恒 温 室 に お い て 精 密 温 度 計 の 温 度 に 較 正 し

て 用 い た ．手 順 3 ) の 樹 脂 パ イ プ-銅 管 の 二 重 管 の 環 状 部 に 蓄 熱 材 と し て 相 変 化 温 度 7 0 ° C グ レ ー ド の パ ラ フ ィ ン ワ ッ ク ス を 封 入 後 ，相 変 化 温 度 付 近 の 恒 温 槽 内 で 軟 化 さ せ て ，シ ー ス 熱 電 対 付 き フ ラ ン ジ と ゴ ム パ ッ キ ン（ 水 素 化 ニ ト リ ル ゴ ム ） を 取 り 付 け ， ボ ル ト ・ ナ ッ ト で 固 定 す る ．

4 ) 二 重 管 の 外 壁 に 断 熱 エ ラ ス ト マ ー を 取 り 付 け て ， 断 熱 す る ．

23

F i g . 2 - 1 E x p e r i me n t a l a p p a r a t u s a n d p o s i t i o n s o f t h e r mo c o u p l e s .

Ta b l e 2 - 1 D i me n s i o n s o f e x p e r i me n t a l a p p a r a t u s a n d p o s i t i o n s o f t h e r mo c o u p l e s . D i me n s i o n o f a p p a r a t u s e s

[ m m]

P o s i t i o n o f t h e r mo c o u p l e s [ m m]

D_{s , o} D_{s , i} D_{t , o} D_{t , i} δ δr_A δr_B δr_C

φ2 6 φ2 2

φ6 . 3 5 φ4 . 7 5

7 . 8 2 5 1 - 7

φ3 8 φ3 2 1 2 . 8 2 5 1 6 1 2

φ4 8 φ4 1 1 7 . 3 2 5 1 8 1 6

24

F i g . 2 - 2 P h o t o g r a p h o f e x p e r i me n t a l a p p a r a t u s (D_{s , o} = φ2 6 m m) .

2 . 2 . 2 方 法

実 験 回 路 図 を F i g . 2 - 3 に 示 す ． 前 節 で 述 べ た 基 礎 実 験 装 置 を 所 定 の 温 度 に 保 た れ た 恒 温 槽 内 に 設 置 し て ， 伝 熱 管 内 に 一 定 時 間 ， 一 定 温 度 の 熱 媒 体 を 循 環 さ せ て ， 蓄 熱 材 内 の 初 期 温 度 分 布 が な い こ と を 確 認 し た ． 温 度 ・ 流 量 測 定 は キ ー エ ン ス 製 温 度 計 測 ユ ニ ッ ト N R - T H 0 8 を 用 い た ．流 量 計 は O VA L 製 コ リ オ リ 式 流

量 計 C N 0 1 0 C - S S - 3 11 K を 用 い た ．流 量 は ニ ー ド ル バ ル ブ に よ り 調 整 し た ．な お ，

本 実 験 で は 実 験 回 路 の 操 作 性 と 回 路 部 品 の 耐 圧 性 か ら ，熱 媒 体 は C O₂ で は な く 水 を 用 い た ．

ま ず ， 恒 温 水 循 環 装 置 に よ り ， 低 温 （3 0 ° C） の 熱 媒 を 実 験 回 路 に 循 環 し て ， 蓄 熱 材 を 凝 固 状 態 で 一 定 温 度 に 保 温 し た ． そ し て ， 高 温 （9 0 ° C） の 熱 媒 に 切 り 替 え て ， 蓄 熱 材 を 相 変 化 温 度 以 上 ま で 加 熱 し た ． す べ て の 温 度 測 定 点 が 蓄 熱 材 の 相 変 化 温 度 以 上 に な っ た 時 点 で 完 了 と し て ， 温 度 ・ 流 量 測 定 を 終 了 し た ．

25

F i g . 2 - 3 F l o w d i a g r a m o f e x p e r i me n t a l a p p a r a t u s .

26 2 . 2 . 3結 果

基 礎 実 験 に お け る 蓄 熱 材 温 度 と 時 間 の 関 係 を F i g . 2 - 4 か ら F i g . 2 - 6 に 示 す ． 加 温 庫 室 の 加 熱 に 必 要 な 温 度 と 想 定 し た 7 0 ° C 以 上 に 到 達 す る ま で の 時 間 を 蓄 熱 時 間 と す る と ， 二 重 管 の 外 管 内 径 す な わ ち 蓄 熱 材 の 外 径 D_{s . i} = 2 2 m m の 場 合 に 約 3 2 0 0 s，D_{s . i} = 3 2 m m の 場 合 に 約 6 6 0 0 s の 蓄 熱 時 間 で あ っ た ．D_{s . i} = 4 1 m m の 場 合 に は 蓄 熱 完 了 に 至 ら な か っ た ． 蓄 熱 は 二 重 管 の 径 方 向 （P o s i t i o n A→C i n F i g . 2 - 1）， 熱 媒 体 の 流 通 方 向 （P o s i t i o n D→A→E i n F i g . 2 - 1） に 進 行 し て お り ， 蓄 熱 材 の 外 径 D_{s , i} が 大 き い ほ ど 蓄 熱 時 間 が 長 い と い う 想 定 通 り の 結 果 が 得 ら れ た ．

F i g . 2 - 4 E x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , i} = φ2 2 m m) .

27

F i g . 2 - 5 E x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , i} = φ3 2 m m) .

F i g . 2 - 6 E x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , i} = φ4 1 m m) .

28

2. 3 数 値 解 析

2 . 3 . 1 方 法

前 節 で 述 べ た 基 礎 実 験 結 果 を 基 に ，蓄 熱 材 内 の 伝 熱 を C F D に よ り 基 礎 検 討 し た ．C D - a d a p c o 社 の 汎 用 熱 流 体 解 析 プ ロ グ ラ ム で あ る S TA R - C C M +に よ り ，基 礎 実 験 と 同 様 の 条 件 に お け る 蓄 熱 材 内 の 伝 熱 の C F D を 作 成 し て ，そ の 妥 当 性 を 解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 比 較 に よ り 検 討 す る ．

F i g . 2 - 7 に 解 析 系 を 示 す ． 前 節 の 基 礎 実 験 装 置 （F i g . 2 - 1 a n d Ta b l e 2 - 1） と 同 様 の 二 重 円 管 型 の 解 析 系 を 用 い た ． 解 析 対 象 は ， 熱 媒 体 （ 水 ）， 伝 熱 管 壁 ， 蓄 熱 材 ， 蓄 熱 槽 管 壁 ， 断 熱 材 で あ る ． メ ッ シ ュ 構 造 は ポ リ へ ド ラ ル メ ッ シ ュ あ る い は ト リ ム メ ッ シ ュ を 適 用 し て 約 3 0 万 の メ ッ シ ュ 数 と し た ．

29 S t r u c t u r e

Tr i m me d m e s h P o l y h e d r a l m e s h

F i g . 2 - 7 C o mp u t a t i o n a l d o ma i n .

30

解 析 系 の 蓄 熱 材 ， 蓄 熱 槽 管 壁 ， 断 熱 材 で は 3 次 元 熱 伝 導 方 程 式 を 与 え た ．





t

c T  







こ こ で ，ρは 密 度 ，c_pは 比 熱 ，k は 熱 伝 導 率 で あ る ．

管 内 流 体 で は 3 次 元 連 続 方 程 式 ， 運 動 方 程 式 ， エ ネ ル ギ ー 方 程 式 を 与 え た ．

0



 v ( 2 - 2 )

g v

v vv

  





 



 



 2

t ( 2 - 3 )





t T

c T  



 



  



 v



こ こ で ，μは 粘 性 係 数 ，g は 重 力 加 速 度 ベ ク ト ル ，v は 速 度 ベ ク ト ル で あ る ． 初 期 条 件 と し て ， 全 領 域 が 初 期 温 度 Ti n iで 保 た れ て い る と し た ．

境 界 条 件 と し て ， 断 熱 材 の 外 表 面 で は ， 次 式 で 与 え た ．





dn h

kdT  

 ^{( 2 - 5 )}

こ こ で ，T_wは 断 熱 材 外 表 面 温 度 ，T_{r e f} は 参 照 温 度 （ 周 囲 空 気 温 度 ），h は 熱 伝 達 率 ，n は 法 線 方 向 距 離 で あ る ． 境 界 条 件 と し て ， 管 内 流 体 の 入 口 で は ， 次 式 で 与 え た ．

T = T_{f , i n}， v_z = v_{f , i n}， p = p₀ ( 2 - 6 )

31

こ こ で ，T_{f , i n} は 管 内 流 体 の 入 り 口 温 度 ，v_{f , i n} は 管 内 流 体 の 入 口 速 度 ，p₀ は 大 気 圧 で あ る ．T_{i n i}，T_{f , i n} お よ び v_{f , i n} と し て ， 基 礎 実 験 か ら 求 め た 数 値 を 与 え た ．

Ta b l e 2 - 2 に 解 析 条 件 を 示 す ． 解 析 手 法 と し て ， 空 間 離 散 化 に セ ル 中 心 有 限 体

積 法 （2 次 精 度 風 上 差 分 ）， 時 間 刻 み に 1 次 精 度 の 後 退 差 分 近 似 （1 次 精 度 陰 解 法 ） を 用 い ， 時 間 発 展 に は オ イ ラ ー 陰 解 法 に よ る 時 間 積 分 を 行 っ た ． 速 度 場 お よ び 圧 力 場 と も に A M G ( A l g e b r a i c M u l t i - G r i d )線 形 ソ ル バ ー に よ り 反 復 計 算 が 行 わ れ る ．

熱 伝 達 率 h の 算 出 方 法

ま ず ， 流 れ の 状 態 の 判 断 の た め ， グ ラ ス ホ フ 数 を 算 出 す る ．

2 2 3





TL Gr g 



こ こ で ，g は 重 力 加 速 度 ，L は 代 表 長 さ ，β は 体 積 膨 張 率 で あ る ． 対 流 あ り と 判 断 さ れ た 場 合 ， プ ラ ン ト ル 数 P r を 算 出 す る ．

グ ラ ス ホ フ 数 G r と プ ラ ン ト ル 数 P r か ら ヌ セ ル ト 数 N u を 以 下 の 式 に 従 っ て 算 出 す る ．

上 面 ：

0 　

　 a t G r < 1 0⁵ ( 2 - 8 )

4 1

) ( 54 .

0 GrPr

u

N  a t 1 0⁵ < G r < 2 × 1 0⁷ ( 2 - 9 )

³

1

) ( 14 .

0 GrPr

　 a t 2 × 1 0⁷ < G r ( 2 - 1 0 )

32 下 面 ：

0

 u

N a t 3 × 1 0⁵ < G r ( 2 - 11 )

⁴

1

) ( 27 .

0 GrPr

　 a t G r < 3 × 1 0⁵ ( 2 - 1 2 )

垂 直 面 ：

0 　

　 a t G r < 1 0⁵ ( 2 - 1 3 )

4 1

) ( 56 .

0 GrPr

u

N  a t 1 0⁵ < G r < 1 0⁹ ( 2 - 1 4 )

³

1

) ( 12 .

0 GrPr

　 a t 1 0⁹ < G r ( 2 - 1 5 )

と す る ． こ こ に ，N u と P r は 以 下 の よ う に 定 義 さ れ る ．

k

Pr_c^p



k

Nu hL ( 2 - 1 7 )

温 度 差 ΔT = 4 0 K と す る と ，上 面 の 熱 伝 達 率 0 . 0 7 3 2 W / m²K（ 代 表 長 さ L：11 0 m m）， 下 面 の 熱 伝 達 率 0 . 0 3 6 6 W / m²K（ 代 表 長 さ L：11 0 m m）， 水 平 面 の 熱 伝 達 率 約 6 . 2 7 W / m²K（ 代 表 長 さ L：11 0 m m） と な る （Ta b l e 2 - 4）．

33

Ta b l e 2 - 2 C a l c u l a t i o n o n d i t i o n s o f C F D .

S o f t w a r e S TA R - C C M + v 9 . 0 6 . 0 11

D i s c r e t i z a t i o n F i n i t e Vo l u me M e t h o d ( F V M )

M e s h 3 0 mi l l i o n

A n a l y s i s t y p e T h r e e d i me n s i o n , u n s t e a d y

I n i t i a l c o n d i t i o n s

P r e s s u r e A t mo s p h e r e

Te mp e r a t u r e [ ° C ]

H₂O Tu b e P a r a ff i n

S h e l l I n s u l a t i o n

9 0 3 0 3 0 3 0 3 0

B o u n d a r y c o n d i t i o n s

Wa t e r i n t u b e

I n l e t [ k g / s ] O u t l e t [ P a ] Te mp e r a t u r e [ ° C ]

0 . 1 3 6 7 5 0 9 0

S u r f a c e o f o u t e r o f t u b e

C o n v e c t i o n

Te mp e r a t u r e [ ° C ] 5 5 H e a t t r a n s f e r

c o e ff i c i e n t [ W / m²K ]

6 . 5 9 6 4

S u r f a c e o f o u t e r o f i n s u l a t i o n

C o n v e c t i o n

Te mp e r a t u r e [ ° C ] 5 5 H e a t t r a n s f e r

c o e ff i c i e n t [ W / m²K ]

0 . 0 7 3 2 ( U p p e r ) 0 . 0 3 6 6 ( L o w e r ) 6 . 2 7 3 6 ( S i d e )

R e ma r k s

P a r a ff i n

M e l t i n g p o i n t [ ° C ] 7 0 L a t e n t h e a t [ k J / k g ] 2 3 2

g r a v i t y [ m/ s²] 9 . 8 1

34

Ta b l e 2 - 3 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c o mp u t a t i o n a l d o ma i n .

M a t e r i a l S h e l l I n s u l a t i o n P a r a ff i n C o p p e r H₂O

D e n s i t y [ k g / m³]

1 2 0 0 7 2 7 6 0 8 9 4 0 9 6 5 . 3

S p e c i f i c h e a t

［k J / k g K］

1 . 2 6 0 0 . 9 8×1 0^{- 3} F i g . 2 - 8 0 . 3 8 6 4 . 2 0 5

H e a t c o n d u c t i v i t y

[ W / m K ]

0 . 1 9 0 . 0 3 5 F i g . 2 - 9 3 9 8 0 . 6 7 6

Vi s c o s i t y [ P a s ]

- - N o

c o n v e c t i o n

- 3 . 1 5 × 1 0^{- 4}

L a t e n t h e a t [ k J / k g ]

- - 2 3 2 - -

M e l t i n g

p o i n t [ ° C ] - - 6 0 - 7 0 - -

35

F i g . 2 - 8 T h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f p a r a ff i n .

F i g . 2 - 9 A p p a r e n t s p e c i f i c h e a t o f p a r a ff i n .

36

Ta b l e 2 - 4 O u t e r s u r f a c e o f c o mp u t a t i o n a l d o ma i n .

S y mb o l U p p e r L o w e r H o r i z o n t a l

( I n s u l a t i o n )

H o r i z o n t a l ( Tu b e )

g [ m/ s²] 9 . 8 1 9 . 8 1 9 . 8 1 9 . 8 1

ΔT [ K ] 4 0 4 0 4 0 4 0

L [ m] 0 . 11 0 . 11 0 . 11 0 . 0 9

β [ 1 / K ] 0 . 0 0 3 3 0 . 0 0 3 3 0 . 0 0 3 3 0 . 0 0 3 3 ρ [ k g / m³] 1 . 1 8 4 1 5 1 . 1 8 4 1 5 1 . 1 8 4 1 5 1 . 1 8 4 1 5

μ [ P a s ] 1 . 8 6 × 1 0^{- 5} 1 . 8 6 × 1 0^{- 5} 1 . 8 6 × 1 0^{- 5} 1 . 8 6 × 1 0^{- 5}

C_p [ k J / k g K ] 1 . 0 0 3 6 2 1 . 0 0 3 6 2 1 . 0 0 3 6 2 1 . 0 0 3 6 2

k [ W / mK ] 0 . 0 2 6 0 3 0 5 0 . 0 2 6 0 3 0 5 0 . 0 2 6 0 3 0 5 0 . 0 2 6 0 3 0 5

F l o w s t a t e L a mi n a r C o n v ec t i o n L a mi n a r L a mi n a r G r 7 . 0 2 × 1 0⁶ 7 . 0 2 × 1 0⁶ 7 . 0 2 × 1 0⁶ 3 . 8 5 × 1 0⁶

P r 7 . 1 5 × 1 0^{- 1} 7 . 1 5 × 1 0^{- 1} 7 . 1 5 × 1 0^{- 1} 7 . 1 5 × 1 0^{- 1} N u 2 . 5 6 × 1 0¹ 1 . 2 7 8 × 1 0¹ 2 . 6 5 × 1 0¹ 2 . 2 8 × 1 0¹

h [ W / m²K ] 7 . 3 1 9 × 1 0^{- 2} 3 . 6 6 × 1 0^{- 2} 6 . 2 7 6 . 6 0

37 2 . 3 . 2 結 果

F i g . 2 - 1 0に 二 重 管 の 外 管 内 径 す な わ ち 蓄 熱 材 外 径 D_{s , i} = φ2 2 m mの 場 合 の 基 礎 解 析 の 温 度 コ ン タ ー を 示 す ． 蓄 熱 材 温 度 が 相 変 化 温 度 で あ る 7 0 ° C 以 上 で あ り 蓄 熱 完 了 し て い る こ と が わ か る ． 熱 媒 体 （ 水 ） の 出 入 口 温 度 差 は ほ と ん ど 生 じ て お ら ず ， 基 礎 実 験 同 様 で あ る ．

F i g . 2 - 11 に ，蓄 熱 材 外 径 D_{s , i} = φ2 2 m m の 場 合 の 基 礎 解 析 お よ び 基 礎 実 験 の 蓄 熱 材 温 度 の 比 較 を 示 す ． 解 析 の 温 度 評 価 点 は 実 験 と 同 様 と し た （F i g . 2 - 1 a n d

Ta b l e 2 - 1）．加 温 庫 室 の 加 熱 に 必 要 な 温 度 と 想 定 し た 7 0 ° C 以 上 に 到 達 す る ま で

の 時 間 を 蓄 熱 時 間 と す る と ， 実 験 ・ 解 析 と も に 約 3 0 0 0 s の 蓄 熱 時 間 で あ っ た ． 本 条 件 に お け る 実 験 と 解 析 は 概 ね 良 好 に 整 合 す る こ と を 確 認 で き た ．

F i g . 2 - 1 0 Te mp e r a t u r e c o n t o u r i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , i} = φ2 2 m m) .

38

F i g . 2 - 11 N u me r i c a l a n d e x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , i} = φ2 2 m m) .

39

F i g . 2 - 1 2に 蓄 熱 材 外 径 D_{s , i} = φ3 2 m mの 場 合 の 基 礎 解 析 お よ び 基 礎 実 験 の 蓄 熱 材 温 度 の 比 較 を 示 す ． 実 験 で は 解 析 と 比 較 し て ， 初 期 に 温 度 上 昇 し に く い が 約

6 0 0 0 s 付 近 で 大 き く 温 度 上 昇 す る こ と が 確 認 で き る ． 初 期 に 温 度 上 昇 し に く い

理 由 は ， 温 度 評 価 点 と し た 二 重 管 の 長 さ 方 向 の 中 央 部 に お い て ， 解 析 で は 液 相 の 蓄 熱 材 の 対 流 を 考 慮 し て い な い た め 上 流 側 か ら 下 流 側 に か け て 生 じ る 温 度 差 に 応 じ た 蓄 熱 材 温 度 を 示 し て い る 一 方 で ， 実 験 で は 対 流 が 生 じ て 蓄 熱 材 温 度 が 均 一 化 さ れ た た め と 推 測 さ れ る ． ま た ， 約 6 0 0 0 s 付 近 で 大 き く 温 度 上 昇 す る 理 由 は ， 時 間 の 経 過 と と も に 対 流 の 寄 与 が 大 き く な り ， 二 重 管 の 径 方 向 の 温 度 上 昇 が 加 速 さ れ た た め と 推 測 さ れ る ．

F i g . 2 - 1 2 N u me r i c a l a n d e x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , o} = φ3 2 m m) .

40

F i g . 2 - 1 3に 蓄 熱 材 外 径 D_{s , i} = φ4 1 m mの 場 合 の 基 礎 解 析 お よ び 基 礎 実 験 の 蓄 熱 材 温 度 の 比 較 を 示 す ．

D_{s , i} = φ3 2 m m の 場 合 と 同 様 に ， 実 験 で は 解 析 と 比 較 し て ， 初 期 に 温 度 上 昇 し

に く い こ と が 確 認 で き ， そ の 傾 向 は よ り 顕 著 で あ っ た ．

以 上 の こ と か ら ， 蓄 熱 材 外 径 が 大 き く な る ほ ど ， 蓄 熱 材 の 対 流 の 影 響 が 大 き く な る こ と が 推 測 さ れ る ．た だ し 蓄 熱 材 外 径 D_{s , i} = φ2 2 m m の 場 合 の 実 験 と 解 析 は 概 ね 良 好 に 整 合 し て い る た め ，2 2 m m 以 下 の 蓄 熱 材 外 径 で あ れ ば ， 本 解 析 モ デ ル は 妥 当 で あ る と 考 え ら れ る ．

F i g . 2 - 1 3 N u me r i c a l a n d e x p e r i me n t a l t h e r ma l r e s p o n s e s i n l a t e n t h e a t s t o r a g e t a n k (D_{s , o} = φ4 1 m m) .

41

2. 4 結 言

本 章 で は ，C F D に よ る 蓄 熱 槽 の 設 計 に あ た り ， 蓄 熱 槽 内 の 伝 熱 管 近 傍 の 蓄 熱 材 を 模 擬 し た 二 重 円 管 で の 基 礎 実 験 ・ 解 析 か ら ， 蓄 熱 材 内 の 温 度 応 答 を 検 討 し て ， 以 下 の 知 見 を 得 た ．

1 ) 基 礎 実 験 に お い て ，蓄 熱 は 二 重 管 の 径 方 向 と 熱 媒 体 の 流 通 方 向 に 進 行 し て お り ，二 重 管 の 外 径 D_{s , o}が 大 き い ほ ど 蓄 熱 時 間 が 長 い と い う 結 果 が 得 ら れ た ．

2 ) 基 礎 実 験 に 基 づ き 作 成 し た C F D に よ る 解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 整 合 性 確 認 を 行 っ た 結 果 ， 蓄 熱 材 外 径 φ2 2 m m の 場 合 ， 概 ね 良 好 に 一 致 し た ．

3 ) 蓄 熱 材 外 径 φ3 2 m m の 場 合 ， 実 験 で は 解 析 と 比 較 し て ， 初 期 に 温 度 上 昇 し に く い が 約 6 0 0 0 s 付 近 で 大 き く 温 度 上 昇 す る こ と が 確 認 で き た ． こ の 理 由 は ，解 析 で は 液 相 の 蓄 熱 材 の 対 流 を 考 慮 し て い な い 一 方 で ，実 験 で は 対 流 が 生 じ て 蓄 熱 材 温 度 に 影 響 を 及 ぼ し た た め と 推 測 さ れ る ．

4 ) 蓄 熱 材 外 径 φ4 1 m m の 場 合 ，φ3 2 m m の 場 合 と 同 様 に ， 実 験 で は 解 析 と 比 較 し て ，初 期 に 温 度 上 昇 し に く い こ と が 確 認 で き ，そ の 傾 向 は よ り 顕 著 で あ っ た ．

5 ) 蓄 熱 材 外 径 が 大 き く な る ほ ど ，蓄 熱 材 の 対 流 の 影 響 が 大 き く な る が ，蓄 熱 材 外 径 φ2 2 m m 以 下 で あ れ ば 対 流 の 影 響 を 無 視 で き ，本 解 析 モ デ ル は 妥 当 で あ る と 考 え ら れ る ．