JP2007127291A - 熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】放射冷却による冷熱および太陽熱による温熱を効率よく利用できる自然エネルギーの熱利用システムを提供する。
【解決手段】放射冷却による冷熱または太陽熱による温熱を蓄熱するスカイラジエター１０１と、前記蓄熱手段で蓄熱した熱を利用するための熱交換器１０３と、スカイラジエター１０１の蓄熱を熱交換器１０３へ搬送する熱搬送媒体とから構成され、熱搬送媒体は潜熱を有する蓄熱材であるので、従来と違い熱搬送媒体と蓄熱材との熱交換を必要としないため、蓄熱した熱を効率的に利用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然エネルギーの熱を、加熱あるいは冷却等の作用に利用するためのシステムに関するものである。

近年、二酸化炭素排出抑制などの環境保護の観点から、例えば空気調和機等の冷却装置に関する省エネルギー化が盛んに行われている。

その一例として、特許文献１あるいは特許文献２にあるように、夏場の夜間における放射冷却の冷熱を昼間のヒートポンプによる冷房時の凝縮器となる室外機の冷却に利用し、冬場は昼間の太陽熱をヒートポンプの暖房時の蒸発器となる室外機の加熱に利用することでヒートポンプの高効率化を行う例が公知として挙げられる。

さらに、最近では、顕熱型の蓄熱方法における大型化に対して、潜熱型蓄熱材を利用して装置を小型化することが出来る放射冷却方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図２は、従来発明の放射冷却方法の一例を示す説明図である。

図２において、従来使用されている潜熱型蓄熱材とは、液体−固体間の相変化、すなわち、化合物の融解潜熱を利用した蓄熱材を指す。例えば、特許文献４、特許文献５には、多価脂肪族アルコール（例えばエリスリトール）を主体とする潜熱型蓄熱材が提案されている。そして、例えば、排熱や夜間の低コスト電力などにより上記の化合物を溶解して蓄熱し、必要時に放熱して利用することが出来る。

従来においては、凝固点の異なる２種以上の潜熱型蓄熱材を使用している。ここで、凝固点が異なるとは、必ずしも、化合物が明確に異なることを必要としない。例えば、ある種の化合物について分子量が異なることにより、または、ある種の化合物の水溶液について溶液濃度が異なることにより、凝固点が異なればよい。また、凝固点に幅がある場合は、互いの凝固点が部分的に重複していてもよい。

この様な凝固点の異なる２種以上の潜熱型蓄熱材は、例えば、分子量６００のポリエチレングリコール（凝固点１３〜２０℃）と１０重量％濃度の硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）（凝固点８〜１０℃）の組合せによって実現することが出来る。

ところで、通常、高分子物質は分子量に分布を有し、その凝固点には幅がある。斯かる高分子物質は、異なる凝固点を有する潜熱型蓄熱材として単独で使用することが出来る。

本発明において、凝固点が異なるとは、凝固点において１℃以上の温度差があることを意味する。

次に、図２により従来の放射冷却システムについて説明する。本システムは、放射冷却器１と蓄熱槽４の間の第１循環路に水または不凍液Ａを冷熱媒体として強制的に循環させることにより、蓄熱槽４に夜間の冷熱を蓄熱するものである。

図２において、第１循環路は、放射冷却器１、温度コントローラー２、熱交換器３、バルブ１１、バルブ１２、２基の蓄熱槽４、バルブ１３、ポンプ２１、バルブ１４ａを順次に含んで形成されている。

図中の矢印（実線）は、第１循環路における水または不凍液Ａの流れを示す。前記第１循環路に水または不凍液Ａが循環される場合、後述するバルブ１５、１６、１７及び１８は閉止される。

不凍液Ａ及び放射冷却器１としては、従来公知の放射冷却システムに使用されているのと同様のものを使用することが出来る。また、放射冷却器１としては、非特許文献１に記載された「平板型スカイラジエター」又は「ＣＰＣ型スカイラジエター」を使用することが出来る。放射冷却器１は、通常、家屋の屋根やビルの屋上に配置される。

蓄熱槽４の中には、それぞれ、凝固点の異なる潜熱型蓄熱材（図示せず）が収容されている。前記潜熱型蓄熱材は、蓄熱槽４に直接収納してもよいし、例えばプラスッチック製の多数のボール状容器に収容し、蓄熱槽４に収納してもよい。前者の場合は、蓄熱槽４内部に水または不凍液Ａ用の配管が配置される。また、後者の場合は、複数の蓄熱槽４を使用する必要はなく、通常、凝固点の異なる２種の潜熱型蓄熱材をそれぞれ別個に収容した多数のボール状容器を、同一の蓄熱槽４に収納すればよい。

なお、分子量分布に依存して凝固点に幅を有する１種の高分子物質からなる潜熱型蓄熱材の場合は、そのままボール状容器に収容して使用される。この場合、冷却温度によっては部分的に凝固して潜熱型蓄熱材として作用する。

水または不凍液Ａは、ポンプ２１により循環され、そして、冷熱媒体として作用して各蓄熱槽４内の凝固点の異なる潜熱型蓄熱材に夜間の冷熱を蓄熱する。

なお、温度コントローラー２及び熱交換器３の機能については後述する。

上記従来のシステムによれば、冷熱媒体とは別途に潜熱型蓄熱材を使用しているため、十分な量の冷熱の蓄熱においても装置を小型化することが出来る。

しかも、凝固点の異なる２種以上の潜熱型蓄熱材を使用しているため、気象状況で変化する夜間放射に対応した冷熱の蓄熱が可能である。すなわち、例えば、分子量６００のポリエチレングリコール（凝固点１３〜２０℃）と１０重量％濃度の硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）で凝固点８〜１０℃のものを使用した場合、夜間放射によって１３℃前後または１０℃前後しか水または不凍液Ａが冷却されない何れの場合にも対応することが出来る。

また、蓄熱槽４と熱交換器５の間の第２循環路に水または不凍液を強制的に循環させて空調用空気と熱交換させる。この態様は、上記の放射冷却が行われた夜間の後、すなわち昼間に行うと効果的である。

前記第２循環路は、各蓄熱槽４、熱交換器５、ポンプ２２、バルブ１５を含み、順次接続して形成されている。図中の矢印（破線）は、前記第２循環路における水または不凍液Ａの流れを示す。

前記第２循環路に水または不凍液Ａが循環される場合、バルブ１２及び１３は閉止される。そして、水または不凍液Ａは、ポンプ２２により循環され、熱交換器５により空調用空気と熱交換される。符号Ｂは熱交換される空調用空気の流れを示している。

また、本システムは、放射冷却器１を集熱器として使用し、かつ蓄熱槽４をバイパスさせた第１循環路に、水または不凍液Ａを温熱媒体として強制的に循環させ、昼間の温熱を採集するソーラーシステムを兼備している。

上記の第１循環路は、放射冷却器１、温度コントローラー２、熱交換器３、バルブ１１、バルブ１６、ポンプ２１、バルブ１４ａを順次含んで形成されている。そして、上記の第１順路に水または不凍液Ａが循環される場合、バルブ１４ｂ、１２、１３は閉止される。

すなわち、上記のソーラーシステムの態様は、既に述べた様に、バルブ１２及び１３を閉止した上で蓄熱槽４と熱交換器５の間の第２循環路に水または不凍液を強制的に循環させ、空調用空気と熱交換させる態様（昼間に行なわれる態様）と同時に行うことが出来る。そして、水または不凍液Ａは、ポンプ２１により引き続き循環され、集熱器として使用される放射冷却器１により加熱される。

また、上記のソーラーシステムで加熱された水または不凍液Ａを、吸収式冷凍機６の熱源として使用する。

この場合、上記のソーラーシステムにおける第１循環路は、放射冷却器１、温度コントローラー２、熱交換器３、バルブ１７、バッファータンク７、ポンプ２３、吸収式冷凍機６、バルブ１８、バルブ１６、バルブ１４ｂを順次含んで形成される新たな順路に変更され、ソーラーシステムで加熱された水または不凍液Ａの循環は、ポンプ２３によって行われる。なお、バルブ１１及び１４ａは閉止される。

吸収式冷凍機６には付帯設備として冷却塔８が備えられ、吸収式冷凍機６、流路切替え用バルブ１９ａ、冷却塔８、ポンプ２４、流路切替え用バルブ１９ｂを順次含んで形成される順路に冷却水が循環される。

温度コントローラー２は、ポンプ２３による水または不凍液Ａの循環速度を制御し、水または不凍液Ａの温度が沸点を超えない様に制御する機能を有する。因みに、不凍液Ａとして、前述した４０重量％濃度のエチレングリコール水溶液（沸点９５℃）を使用した場合は、温度コントローラー２は制御できる最高温度を９５℃に設定するのがよい。なお、バッファータンク７の機能は後述する。

また、昼間のソーラーシステムによる温熱採集の後、夜間の放射冷却による冷熱蓄熱に先立ち、吸収式冷凍機６の付帯設備である冷却塔８で冷却された冷却水によって水または不凍液Ａを冷却する。この様な冷却により、前記ソーラーシステムから放射冷却への切替えが効率的に行なわれる。

上記の水または不凍液Ａの冷却は、前記第１循環路に配置された前述の熱交換器３に冷却塔８で冷却された冷却水を循環して行なわれる。この場合、流路切替え用バルブ１９ａ及び１９ｂの切替えにより、前記流路切替え用バルブ１９ａ、冷却塔８、ポンプ２４、流路切替え用バルブ１９ｂを順次に含んで形成される順路に冷却水が循環される。バッファータンク７は、水または不凍液Ａの冷却によって生じる減圧を大気圧に解除するための機能を有する。

以上のようにすることで、装置を小型化することが出来、しかも、気象状況で変化する夜間放射に対応した冷熱の蓄熱が可能となる。
特開昭６３−６５２４０号公報 特開２００３−４３３１号公報 特開２００１−３３０２７８号公報 特表昭６３−５００９４６号公報 特開平５−３２９６３号公報 第３６回日本電熱シンポジウム講演論文集（１９９５−５）

しかしながら、上記従来のシステムは、水または不凍液Ａを介しての熱交換となることから、損出が生じる。

つまり、潜熱型蓄熱材へ水または不凍液Ａから熱交換するために、伝熱に必要となる温度差が必要となり、例えば、外気温３０℃の場合に放射冷却で水または不凍液Ａが２０℃まで冷却できた場合、放射冷却器１から蓄熱槽４までの放熱ロスが無いと仮定しても伝熱の理論上、潜熱型蓄熱材は２０℃となることはなく、２０℃を越える温度となる。

この時、仮に蓄熱した熱を利用する相手側が４０℃であり、冷却したい場合においても温度差が小さくなってしまうので、熱交換面積を大きくとり蓄熱した熱を利用側へ伝える必要があり、かかる構成は、システムを大型化することにつながる。

さらに、潜熱型蓄熱材に加えて水や不凍液Ａを使用するのでそれ自体でコストが高くなり、またシステムも複雑化し、そのシステムの複雑化についてもコストアップとなり、加えてメンテナンスにおいても複雑かつ面倒となる。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蓄熱した熱を効率よく利用側へ伝熱でき、また小型化がはかれ、コストも安価となる熱利用システムを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、蓄熱システムに用いる熱搬送媒体に、融解潜熱あるいは蒸発潜熱を有する蓄熱材を用いたものである。

かかることにより、潜熱による蓄熱と熱搬送が同一物質で行えるため、熱搬送媒体と蓄熱材との熱交換が不要となり、その熱交換に伴う放熱ロスも抑制でき、効率よく蓄熱を利用側に伝熱できる。

また、本発明は、前記蓄熱システムにおいて、蓄熱を利用側へ伝熱する前に一時的に保存するため、昼間あるいは夜間等、必要なときに蓄熱を利用することができ、利便性の向上がはかれるものである。

本発明によれば、特許文献１に記載のシステムと比較し、潜熱型蓄熱材が蓄熱と熱搬送媒体の両方の役割を果たすことが可能となるため、放射冷却や太陽熱の加熱による蓄熱温度の変化が抑制でき、蓄熱した熱を効率よく利用側へ伝熱することができる。また、蓄熱専用の回路と熱搬送専用の回路を兼ねることができ、システムの小型化がはかれると共にシステム構成の簡素化が可能となり、コストが安価となり、さらにシステムのメンテナンスも簡素かつ容易となる。

請求項１に記載の発明は、放射冷却等による冷熱または太陽熱による温熱を蓄熱する蓄熱手段と、前記蓄熱手段で蓄熱した熱を利用するための利用手段と、前記蓄熱手段で蓄熱し前記利用手段へ搬送する熱搬送媒体とから構成される蓄熱システムを備え、前記熱搬送媒体を、融解潜熱または蒸発潜熱を有する蓄熱材としたものである。

かかる構成とすることにより、潜熱による蓄熱と熱搬送が同一物質で行えるため、従来の潜熱型蓄熱材を利用した場合のシステムの小型化がある程度維持でき、加えて従来の熱搬送媒体と蓄熱媒体とが異なる場合と異なり、熱搬送媒体と蓄熱材との熱交換を必要としない。その結果、冷熱を蓄熱して利用する場合は、従来に比して低い温度が利用でき、また温熱を蓄熱する場合についても、高い温度が利用でき効率的となる。

請求項２に記載の発明は、前記熱搬送媒体に、第１の温度以下で液体であり、前記第１の温度を越える温度で固体またはゲル状であり、前記第１の温度を越えた温度よりさらに高い温度である第２の温度以上で液体となる性質を有する蓄熱材を用いたものである。

かかることにより、例えば、第１の温度以下を、冷熱を蓄熱する温度として設定した場合は、潜熱で蓄熱が行われると同時に液体となるため、流動性が良好となり、搬送手段での搬送が容易になる。また、冷熱の蓄熱後に、利用手段でその冷熱を利用すると、前記蓄熱材が昇温して液体からゲル状に変化し、そして再び液体となる第２の温度まで潜熱を利用することができ、このとき、前記蓄熱材は、流動性の良好な液体となっているため、その後の蓄熱手段への搬送が容易となり、再度冷熱を蓄熱することができる。

さらに、温熱の蓄熱時についても、第２の温度を蓄熱温度として同様に利用手段から蓄熱された温熱を利用することができ、蓄熱材も、前記温熱が利用されるにつれて液体からゲル状に変化し、再び液状となる。

このように、蓄熱材は、冷熱蓄熱時あるいは温熱蓄熱時において潜熱を蓄熱して利用されるだけでなく、冷熱でも温熱でも蓄熱した状態では、熱搬送媒体として機能しやすい流動性のある液体となることから、冷熱あるいは温熱いずれの場合も、潜熱による蓄熱と熱搬送を同一物質で行うことができる。

したがって、従来のように潜熱型蓄熱材を利用した場合の小型化をある程度維持できる構成となることに加え、従来の熱搬送媒体と蓄熱媒体とが異なる場合に比して、熱搬送媒体と蓄熱材との熱交換を必要としないため、冷熱を蓄熱して利用する場合は従来に比して低い温度が利用でき、温熱を蓄熱する場合も従来に比して高い温度が利用でき、効率的なシステムが得られる。

請求項３に記載の発明は、前記蓄熱手段で蓄熱した熱を前記利用手段で利用する前に一時的に保存する保存手段を設け、前記保存手段を、大気と断熱した断熱容器より構成したものである。

かかる構成によれば、例えば夏場において夜間に放射冷却等を利用して蓄熱した冷熱を、前記保存手段に一時的に蓄熱保存することにより、昼間にその蓄冷熱を利用することが容易に行え、また冬場においては、昼間の太陽熱を蓄熱した温熱を保存手段に一時的に蓄熱保存することにより、夜間にその蓄温熱を利用することが容易に行える。

このことから、潜熱で蓄熱することによる小型化と、蓄熱材が熱搬送を兼ねることによる効率化に加えて、保存手段を設けることで、蓄熱した熱を利用価値の高い時期に利用でき、また必要に応じて前記蓄熱の利用量を利用可能なように容易に制御でき、利用率の向上と利便性の向上をはかることができる。

請求項４に記載の発明は、前記蓄熱システムに、前記蓄熱型熱搬送媒体を搬送する動力手段と、前記蓄熱手段の近傍に位置する弁を設け、さらに前記蓄熱手段を傾斜状態に配置し、前記利用手段または前記保存手段の少なくとも一方を、前記蓄熱手段の下端部と接続し、前記接続位置を前記利用手段または前記保存手段より上方の位置としたものである。

かかる構成により、蓄熱手段で蓄熱が行われた蓄熱材が液体の場合は、重力で下方に移動し、利用手段または保存手段へ流動する。このことから、蓄熱が行われた蓄熱材を熱搬送媒体として搬送する場合や蓄熱した熱を利用した後に蓄熱手段へ搬送する場合の動力手段の作動エネルギーが低減できるため、前述の潜熱で蓄熱することによる小型化と、蓄熱材が熱搬送を兼ねることによる効率化に加えて、省ネルギーで蓄熱材の円滑な搬送が行える。

請求項５に記載の発明は、前記利用手段の熱を、ヒートポンプサイクルを備えた機器の少なくとも一部と熱交換させるものである。

かかる構成により、潜熱で蓄熱することによる小型化と、蓄熱材が熱搬送を兼ねることによる効率化に加えて、前記蓄熱をヒートポンプサイクルの補助的な熱源として利用することができ、その結果、前記熱利用システムで蓄熱した冷熱または温熱の利用率向上がはかれ、またヒートポンプ自体の省エネルギーにもなる。

請求項６に記載の発明は、前記ヒートポンプサイクルを備えた機器を、空気調和機またはヒートポンプ式給湯システムとしたものである。

かかる構成とすることにより、潜熱で蓄熱することによる小型化と、蓄熱材が熱搬送を兼ねることによる効率化に加えて、汎用性の高い空気調和機、あるいはヒートポンプ式給湯システムの補助熱源として利用することができ、その結果、蓄熱した熱の利用率が一層向上し、空気調和機、あるいはヒートポンプ式給湯システムの省エネルギー化がはかれるものである。

請求項７に記載の発明は、前記蓄熱手段に、冷熱蓄熱時は外気温より低温で蓄熱し、温熱蓄熱時は外気温より高温で蓄熱するスカイラジエターを用いたものである。

かかる構成により、潜熱で蓄熱することによる小型化と、蓄熱材が熱搬送を兼ねることによる効率化に加えて、冷熱蓄熱時はより低温で蓄熱でき、温熱蓄熱時はより高温で蓄熱でき、その結果、利用手段においてより効率的な利用が可能となるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成及び差異がない部分については、詳細な説明を省略する。また、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における熱利用システムの構成図である。

図１において、スカイラジエター１０１は、内部に後述する蓄熱材（図示せず）が存在する場合、夜間は放射冷却により前記蓄熱材を冷却して冷熱を蓄え、昼間は太陽光により前記蓄熱材を加熱して温熱を蓄えるためのラジエターで、家屋の屋根等、日当たりのよい場所に設置されている。

保存手段１０２は、スカイラジエター１０１で熱が蓄熱された蓄熱材を一時的に貯留して保存するためのもので、周知の断熱構造を採用した容器によって構成され、前記断熱構造により、内部に存在する蓄熱材と外部との熱交換が抑制されている。また、保存手段１０２は、その上部が配管を介してスカイラジエター１０１の下端と接続されている。

熱交換器１０３は、前記蓄熱材で蓄熱している熱を熱交換により外部へ伝熱させて利用するための熱交換器で、一端が保存手段１０２の下方と配管接続され、保存手段１０２の蓄熱材が流入する。

ポンプ１０４は、蓄熱された熱を利用した後の蓄熱材を、再度蓄熱させるためにスカイラジエター１０１に戻すもので、その動作時は、保存手段１０２に一時保存された蓄熱材を熱交換器１０３に流通させる動力源ともなる。このポンプ１０４は、液体やガスを強制循環できる構成のもので、熱交換器１０３の他端からスカイラジエター１０１の上端に接続された配管の途中経路に設けられている。

開閉弁１０５ａは、スカイラジエター１０１と保存手段１０２を接続する配管１０５ｂの途中に設けられており、スカイラジエター１０１の近傍に取付けられている。

配管１０５ｂは、上方に位置するスカイラジエター１０１から保存手段１０２まで下方に傾斜しており、立ち上がり勾配がないように引廻されている。

開閉弁１０５ｃは、開閉弁１０５ａを備えた配管１０５ｂをバイパスする如く、スカイラジエター１０１と保存手段１０２を接続する配管１０５ｄの経路途中に取付けられている。配管１０５ｄは、その一部にスカイラジエター１０１より若干高い位置まで引廻された立ち上がり経路を有し、その上端より保存手段１０２側に前記開閉弁１０５ｃが取付けられている。

貯留タンク１１１は、ポンプ１０４の吐出側とスカイラジエター１０１の間に設けられており、ポンプ１０４からの蓄熱材を、スカイラジエター１０１へ供給する前に一旦ここで所定量貯留するものである。この貯留タンク１１１は、屋外に取付けられていることが好ましい。

三方弁１１２は、貯留タンク１０４とスカイラジエター１０１の間に設けられており、貯留タンク１０１とスカイラジエター１０１との連通回路と、大気とスカイラジエター１０１の連通回路を切換えるものである。

流通制御弁１１３は、保存手段１０２と熱交換器１０３の間に設けられており、保存手段１０２内にある蓄熱材の熱交換器１０３への流通を制御する。

上記構成により、蓄熱システム１１５が構成されているもので、蓄熱材は、スカイラジエター１０１から開閉弁１０５を経て、保存容器１０２、流通制御弁１１３、熱交換器１０３、ポンプ１０４、貯留タンク１１１、三方弁１１２、スカイラジエター１０１の順で一方向に循環する。

また、本実施の形態で使用する蓄熱材は、例えば、株式会社フタバ化学の商品名「エッカ」（登録商標）等で知られるように、第１の温度で液体であり、その第１の温度を越えると固体（ゲル状）となり、さらに高温化して第２の温度以上で再び液体となる蓄熱材を用いる。ここでは、第１の温度を２０℃とし、第２の温度を３０℃と設定した場合について説明する。前記第１の温度、第２の温度は、前記蓄熱材の特性を変更することにより、用途等に応じて変更することが可能である。

ヒートポンプシステム１０６は、本実施の形態においては冷暖房を行う空気調和機の冷凍サイクルであり、周知の如く内部に冷媒が封入され、圧縮機１０７、室外用熱交換器１０８、減圧手段１０９、室内用熱交換器１１０を機能的に環状に配管した通常の蒸気圧縮サイクルである。圧縮機１０７は往復式圧縮機、ロータリー式、スクロール式等の圧縮機でよく、室外用熱交換器１０８は、熱交換器１０３と密着あるいは伝熱的に結合されて熱交換する構造となっており、圧縮機１０７と共に室外に設置されている。減圧手段１０９はキャピラリーチューブ、膨張弁等が使用できる。室内用熱交換器１１０は室内に設置されている。

蓄熱システム１１５とヒートポンプシステム１０６の制御を行う制御装置１１４は、ポンプ１０４および圧縮機１０７の運転制御と、開閉弁１０５ａ、開閉弁１０５ｃ、さらに三方弁１１２、流通制御弁１１３の開閉制御を行うものである。

以上のように構成された熱利用システムについて、以下その動作を説明する。

まず、夏場に夜間蓄熱した冷熱を、ヒートポンプシステム１０６の昼間の冷房時に利用することで、ヒートポンプシステム１０６の省エネルギー化および冷房能力の向上を行う場合について説明する。

日没後、制御装置１１４により、流通制御弁１１３および開閉弁１０５ａが閉じられ、開閉弁１０５ｃが開放された後にポンプ１０４を作動させる。これにより、貯留タンク１１１内の蓄熱材は、スカイラジエター１０１へ供給される。スカイラジエター１０１内が蓄熱材で充満されると、開閉弁１０５ｃが閉じられ、ポンプ１０４の作動も停止する。

この動作は、夏場であることから蓄熱材が外気によって３０℃以上に熱せられており、液状態であることから、スカイラジエター１０１への供給動作が可能となっている。

そして、スカイラジエター１０１内に供給され、内部を満たした蓄熱材は、熱放射により外部に熱を奪われ、冷却される。

このとき、例えば、蓄熱材初期の温度が３５℃（３０８Ｋ）で、外気温度が２５℃である場合は、外気への放熱に加えて、天空に見える宇宙の−２７０℃（３Ｋ）との輻射伝熱によっても蓄熱材は冷却される。ここで、外気との熱交換より輻射伝熱による熱交換が良ければ外気より低温となる。

つまり、外気より蓄熱材が低温化した場合の外気から蓄熱材の吸熱より、天空と蓄熱材との輻射伝熱が勝るかバランスすることで、外気より低温化を実現できる。このようにして、夜間に蓄熱材が１８℃まで冷却されて蓄熱される。

その後、日没中（夜間）に開閉弁１０５ａ、１０５ｃを開放し、また三方弁１１２を大気側に切換えることにより、１８℃に蓄熱された蓄熱材はスカイラジエター１０１から重力によって保存手段１０２に流動する。

必要に応じて保存手段１０２の適宜箇所に、保存手段１０２内部の空気を抜くための例えば穴、あるいは周知のバルブ等からなる空気抜き機構（図示せず）を設けることにより、蓄熱材の保存手段１０２への流入が円滑となる。

また、保存手段１０２は、断熱構造であるため、保存中における蓄熱材の熱変動は抑制される。

そして、例えば翌日の昼間にヒートポンプシステム１０６が冷房作動すると、制御装置１１４により開閉弁１０５ａは閉じられ、開閉弁１０５ｃが開放され、また流通制御弁１１３が開放し、さらにポンプ１０４が運転される。

その結果、ポンプ１０４の動作により、保存手段１０２に保存されていた冷熱が蓄熱された１８℃の蓄熱材が熱交換器１０３へ流通する。

これと同時に、ヒートポンプシステム１０６は、周知の冷房作動を行う。すなわち、圧縮機１０７が冷媒を圧縮してヒートポンプシステム１０６内部の冷媒循環が開始され、室外用熱交換器１０８が冷媒の凝縮器として機能し高温となる。

ここで、室外用熱交換器１０８の高温高圧の冷媒は、熱交換器１０３を流れる蓄熱材の蓄冷熱と熱交換することで、凝縮作用が促進され、低温化して低温高圧の冷媒となり液化する。これは、通常の外気と熱交換する場合に比べて冷熱を蓄熱した外気より低い温度の蓄熱材と熱交換するため、外気との熱交換時に比べて冷媒は低温となり、凝縮圧力が低くなると共に、過冷却を増加させて減圧手段１０９へ流通する。

このとき、外気が３５℃で、例えば、通常の外気との熱交換の場合の凝縮温度が４５℃であるとすると、蓄熱材における第１の温度である潜熱温度を２０℃、第２の温度である潜熱温度を３０℃としているので、熱交換器１０３が外気と熱交換する温度としては、潜熱域である第１の温度である２０℃と第２の温度である３０℃が主な温度となり、室外用熱交換器１０８への主たる通風温度は２０℃と３０℃の平均温度である２５℃となる。このとき、凝縮温度３５℃が主たる温度となる。

前述した熱交換器１０３から室外用熱交換器１０８への通風温度や凝縮温度は、通風風量や熱交換器面積、熱交換器型式などにより変化するが、ここでは、このように仮定する。

そして、ヒートポンプシステム１０６側では、前記凝縮された冷媒が減圧手段１０９から室内用熱交換器１１０へと流れ、ここで蒸発（吸熱）作用を行い、圧縮機１０７へ戻り、以下前述の流れを繰り返して居室内の冷房を行う。

一方、蓄熱システム１１５では、冷媒と熱交換した蓄熱材は２つの潜熱域を過ぎてさらに温度を上昇させ、すなわち液体から固体（ゲル状）に変化し、再び液体となって熱交換器１０３より流出し、ポンプ１０４を経て貯留タンク１１１内に貯留される。

このとき、貯留タンク１１１の容積容量を保存手段１０２の容積容量と等しく設定しているため、蓄熱材は、スカイラジエター１０１に供給されることはない。したがって、蓄熱材は、日中において不必要に太陽熱によって加熱されることはなく、次回の蓄冷作用（夜間における放熱）が効率よく行われる。また、必要に応じて貯留タンク１１１に内部の空気を抜くための例えば穴、あるいは周知のバルブ等からなる空気抜き機構（図示せず）を設けることにより、蓄熱材の貯留タンク１１１への流入が円滑となる。

そして、再び日没（夜間）となれば、前述の如く制御装置１１４によって流通制御弁１１３および開閉弁１０５ａを閉じ、開閉弁１０５ｃを開放し、ポンプ１０４を作動させる。これにより、貯留タンク１１１内の蓄熱材は、スカイラジエター１０１へ供給される。

なお、スカイラジエター１０１と保存手段１０２および貯留タンク１１１の各容積容量を等しく設定すれば、蓄熱材のスカイラジエター１０１から保存手段１０２への保存、および保存手段１０２から貯留タンク１１１への移動、さらに貯留タンク１１１からスカイラジエター１０１への供給において、いずれか（特にスカイラジエター１０１）に蓄熱材が残存して次回の蓄冷作用に悪影響を与えることも少なくなる。

このようにして、保存手段１０２で冷熱が蓄熱された蓄冷材は、熱交換器１０３で冷熱が利用されて高温化し、一旦貯留タンク１１１に貯留された後にスカイラジエター１０１に供給され、次の日の冷房利用として夜間の冷熱蓄熱に備えられる。

また、ヒートポンプシステム１０６では、前述の通り居室内の冷房が行われるが、冷房時の凝縮圧力低下による圧縮比の低減により、圧縮機１０７の入力が低下するので省エネルギーとなる。さらに、過冷却を増加できるため、その分冷却能力も増加する。

次に、冬場において昼間に蓄熱した温熱を、ヒートポンプシステム１０６による夜間の暖房時に利用することにより、ヒートポンプシステム１０６の省エネルギー化、および暖房能力の向上を行う場合について説明する。ここで、暖房の場合は、周知の如く冷凍サイクル中に、冷媒流路を切換える切換弁を設ける構成が一般的であるが、本実施の形態においては、便宜上ヒートポンプシステム１０６の冷凍サイクル構成は図１に示す構成のままとし、冷媒の流れを逆にして説明する。

なお、夏場の夜間において蓄熱した冷熱を、ヒートポンプシステム１０６の昼間の冷房に利用した場合での説明と同一構成及び差異がない部分については、詳細な説明を省略する。

例えば、制御装置１１４により、日の出に合わせて流通制御弁１１３および開閉弁１０５ａを閉じ、開閉弁１０５ｃを開放した後にポンプ１０４を作動させる。これにより、貯留タンク１１１内の蓄熱材は、スカイラジエター１０１へ供給される。スカイラジエター１０１内が蓄熱材で充満されると、開閉弁１０５ｃが閉じられ、ポンプ１０４の作動も停止する。

この動作は、冬場であることから蓄熱材は外気によって２０℃以下に保たれており、液状態であることから、スカイラジエター１０１への供給動作が可能となっている。

そして、スカイラジエター１０１内に供給され、内部を満たした蓄熱材は、太陽光により加熱され、液体からゲル状に変化し、第２の温度を超えて再び液体となる。このとき、前記蓄熱材は、スカイラジエター１０１内における外気との熱交換作用により、太陽光輻射による熱交換加熱が良好であるので外気より高温となる。

その後、日没前のように、前記高温に蓄熱された蓄熱材の温度が所定温度以下に下がらないときを見計らって開閉弁１０５ａ、１０５ｃを開放し、また三方弁１１２を大気側に切換えることにより、温熱を蓄熱した蓄熱材は、スカイラジエター１０１から重力によって保存手段１０２に流動する。

その後、夜間にヒートポンプシステム１０６が暖房作動すると、制御装置１１４により開閉弁１０５ａは閉じられ、開閉弁１０５ｃが開放され、また流通制御弁１１３が開放し、さらにポンプ１０４が運転される。

その結果、ポンプ１０４の動作により、保存手段１０２に保存されていた温熱蓄熱された蓄熱材が熱交換器１０３へ流通する。

これと同時に、ヒートポンプシステム１０６は、周知の暖房作動を行う。すなわち、圧縮機１０７が冷媒を圧縮してヒートポンプシステム１０６内部の冷媒循環が開始され、室内用熱交換器１１０が冷媒の凝縮器として機能し高温となる。そして、室内用熱交換器１１０で居室内の空気と熱交換することで、居室内空気を高温化し、冷媒は低温化して減圧手段１０９へ流れ、ここで減圧して室外用熱交換器１０８へ流れる。

そして、室外用熱交換器１０８で冷媒が蒸発し、低温化してガスとなり圧縮機１０７に吸入される。

このような冷媒循環サイクルで暖房が継続される。

上述の如くヒートポンプシステム１０６による暖房時において、室外用熱交換器１０８では、熱交換器１０３に流通する温熱を蓄熱した蓄熱材と熱交換することで、冷媒の蒸発温度は高温化し、蓄熱材は低温化する。

これは、通常の外気と熱交換する場合に比べ、温熱を蓄熱した外気より高温の蓄熱材と熱交換するため、通常外気との熱交換時に比べて冷媒の蒸発温度は高温となり、蒸発圧力が高くなる。

例えば、外気が５℃であれば、通常の外気との熱交換なら蒸発温度は５℃未満となるが、太陽光で３５℃以上に蓄熱された蓄熱材と熱交換するので、蒸発温度は約１５℃の温度になる。

そして、冷媒と熱交換した蓄熱材は２つ潜熱域を過ぎてさらに温度を上昇させ、すなわち液体から固体（ゲル状）に変化し、再び液体となって熱交換器１０３より流出し、ポンプ１０４を経て貯留タンク１１１内に貯留される。

そして、再び日の出となれば、前述の如く制御装置１１４によって流通制御弁１１３および開閉弁１０５ａを閉じ、開閉弁１０５ｃを開放し、ポンプ１０４を作動させる。これにより、貯留タンク１１１内の蓄熱材は、スカイラジエター１０１へ供給される。

このようにして、保存手段１０２で温熱が蓄熱された蓄冷材は、熱交換器１０３で温熱が利用されて低温化し、一旦貯留タンク１１１に貯留された後にスカイラジエター１０１に供給され、次の日の暖房利用として昼間の温熱蓄熱に備えられる。

また、ヒートポンプシステム１０６では、前述の通り居室内の暖房が行われるが、暖房時の蒸発圧力低下による圧縮比の低減により、圧縮機１０７の入力が低下するので省エネルギーとなる。

以上のように、潜熱型蓄熱材が蓄熱と熱搬送媒体の役割を果たすことが可能となるため、放射冷却や太陽熱の加熱による蓄熱温度の変化を抑制でき、蓄熱した熱を効率よく利用側へ伝熱できるのでシステム全体を小型化でき、据付けコストも安価となる。さらにシステム構成も簡素化され、メンテナンスも容易となる。

なお、本実施の形態においては、ヒートポンプシステム１０６を、空気調和機の場合について説明したが、同様のヒートポンプの原理で高温の給湯を創出する周知の構成からなるヒートポンプ式給湯装置についても、同様に実施できる。

例えば、熱源側熱交換器を図１の室外用熱交換器１０８に相当させ、冷媒の流れを暖房サイクルと同じ流れにすれば、利用側熱交換器（図１の室内用熱交換器１１０に相当）で高温が得られ、これを熱源に給水タンク内で水と熱交換させることによって高温の給湯が得られる。

以上のように、本発明にかかる熱利用システムは、自然現象におけるエネルギー源を利用可能または価値の高いエネルギーとして回収利用するため、用途としてヒートポンプ応用システムとの組合せ適しており、省エネルギー等で大きな効果が期待できる。

本発明の実施の形態１における熱利用システムの構成図 従来の熱利用システムの説明図

符号の説明

１０１ スカイラジエター
１０２ 保存手段
１０３ 熱交換器
１０４ ポンプ
１０５ａ 開閉弁
１０５ｃ 開閉弁
１０６ ヒートポンプシステム
１１１ 貯留タンク
１１４ 制御装置
１１５ 蓄熱システム

Claims (7)

1. 放射冷却等による冷熱または太陽熱による温熱を蓄熱する蓄熱手段と、前記蓄熱手段で蓄熱した熱を利用するための利用手段と、前記蓄熱手段で蓄熱し前記利用手段へ搬送する熱搬送媒体とから構成される蓄熱システムを備え、前記熱搬送媒体を、融解潜熱または蒸発潜熱を有する蓄熱材とした熱利用システム。
2. 前記熱搬送媒体に、第１の温度以下で液体であり、前記第１の温度を越える温度で固体またはゲル状であり、前記第１の温度を越えた温度よりさらに高い温度である第２の温度以上で液体となる性質を有する蓄熱材を用いた請求項１に記載の熱利用システム。
3. 前記蓄熱手段で蓄熱した熱を前記利用手段で利用する前に一時的に保存する保存手段を設け、前記保存手段を、大気と断熱した断熱容器より構成した請求項１に記載の熱利用システム。
4. 前記蓄熱システムに、前記熱搬送媒体を搬送する動力手段と、前記蓄熱手段の近傍に位置する弁を設け、さらに前記蓄熱手段を傾斜状態に配置し、前記利用手段または前記保存手段の少なくとも一方を、前記蓄熱手段の下端部と接続し、前記接続位置を前記利用手段または前記保存手段より上方の位置とした請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱利用システム。
5. 前記利用手段の熱を、ヒートポンプサイクルを備えた機器の少なくとも一部と熱交換させる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱利用システム。
6. 前記ヒートポンプサイクルを備えた機器を、空気調和機またはヒートポンプ式給湯システムとした請求項５に記載の熱利用システム。
7. 前記蓄熱手段に、冷熱蓄熱時は外気温より低温で蓄熱し、温熱蓄熱時は外気温より高温で蓄熱するスカイラジエターを用いた請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱利用システム。

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