JP2012007796A - 蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】融点がそれぞれ異なる２種以上の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムにおいて高融点側の潜熱蓄熱材に過冷却が発生してもその過冷却を迅速に解除可能にする。
【解決手段】蓄熱システム１Ａは、潜熱蓄熱材３１〜３３のそれぞれを個別に収容する蓄熱槽２１〜２３と、蓄熱槽２１〜２３を当該蓄熱槽内の前記潜熱蓄熱材の融点の低い順に通過する流通路４と、流通路４の一端４ａに熱媒体を供給する供給路７１と、流通路４の他端４ｂから熱媒体を取り出す配給路７２とを備えている。流通路４は、蓄熱槽２１〜２３同士の間に介在する連絡部４３，４５を有している。供給路７１から分岐して連絡部４３，４５に至るバイパス路７３，７４には、流通規制手段８２，８３が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムに関する。

従来からの蓄熱技術として、物質の顕熱と固体から液体へ相変化する際に発生する潜熱を用いた潜熱蓄熱がある。潜熱蓄熱では、蓄熱可能な熱量が顕熱と相変化熱（潜熱）との和となるため、貯湯槽のように加熱した水をそのまま貯める顕熱のみを用いた蓄熱よりも蓄熱密度が大きくなる。その結果、蓄熱槽を小型化することができる。

また、潜熱蓄熱では、利用する熱源の温度に応じて適用可能な相変化温度の範囲が決まり、そのような範囲内に相変化温度（融点）を有する潜熱蓄熱材が選択される。例えば、８０〜１１０℃程度の熱源に対しては、非特許文献１に記載された水和物や無機物を潜熱蓄熱材として用いることができる。また、特許文献１には、３４〜５６℃の融点を有する、混合物系の潜熱蓄熱材が提示されている。

一方、給湯機として使用される蓄熱システムとしては、潜熱蓄熱材の加熱用の熱源としてヒートポンプを用いた蓄熱システムがよく知られている（例えば、特許文献２参照）。このような蓄熱システムでは、一般的に、潜熱蓄熱材が充填された蓄熱槽に熱交換器が設けられている。そして、蓄熱時には、熱交換器内にヒートポンプにより加熱した高温の水を通すことにより潜熱蓄熱材を加熱して融解させ、放熱時には、熱交換器内に給水配管から供給された低温の水を通すことにより潜熱蓄熱材から水へ放熱させ、加熱された水を湯として利用側に配給する。

しかしながら、このような構成の場合、蓄熱時において蓄熱槽の温度が上昇してくると、ヒートポンプにおける冷媒と水との間で熱交換を行う放熱器に流入する水の温度が上昇する。このため、放熱器において熱交換される熱量が低下し、ヒートポンプの加熱効率が低下してしまうという課題が生じる。

このような課題を解決するために、特許文献２では、図１０に示すような蓄熱システム１００が提案されている。この蓄熱システム１００は、ヒートポンプ１１０の放熱器１１１と、隔壁によって互いに隔てられた高温側蓄熱槽１５１および低温側蓄熱槽１５２とを経由する蓄熱回路１２０を備えている。高温側蓄熱槽１５１には、５０〜７０℃の融点を持つ高温潜熱蓄熱材１６１が収容され、低温側蓄熱槽１５２には、２０〜４０℃の融点を持つ低温潜熱蓄熱材１６２が収容されている。また、蓄熱回路１２０には、給水配管１４１および給湯配管１４２が接続されている。

蓄熱時には、ヒートポンプ回路１１０の放熱器１１１で加熱された水が、高温潜熱蓄熱材１６１と熱交換した後に、低温潜熱蓄熱材１６２と熱交換して、放熱器１１１に流入する。これにより、放熱器１１１に流入する水の温度を低温潜熱蓄熱材１６２の融点付近とすることができるため、ヒートポンプ回路１１０の加熱効率の低下を抑制することができる。

また、放熱時には、給水配管１４１から供給された水が、低温潜熱蓄熱材１６２と熱交換した後に、高温潜熱蓄熱材１６１と熱交換して、給湯配管１４２へ供給される。このように、低温潜熱蓄熱材１６２との熱交換によってある程度温度上昇した水が高温潜熱蓄熱材１６１と熱交換を行うため、高温潜熱蓄熱材１６１の温度低下が抑制される。

ところで、潜熱蓄熱材の中には、融点まで冷却しても液体から固体へ相変化を起こさない、いわゆる過冷却現象を起こす物質が多数存在する。図１１は、酢酸ナトリウム三水和物を主成分とした融点が５６℃の潜熱蓄熱材を冷却したときの蓄熱材温度の経時変化を表したグラフである。図１１より、潜熱蓄熱材が２５℃程度（過冷却解除温度）に冷却されるまでは、過冷却状態が維持されていることが分かる。なお、過冷却が解除された直後に、潜熱蓄熱材の温度は融点である５６℃付近まで急速に上昇する。

このような潜熱蓄熱材の過冷却は、例えば特許文献３に記載されているように、過冷却状態にある潜熱蓄熱材の一部に過冷却解除温度よりも低い温度の熱媒体（水）を接触させることにより解除することができる。

特表２００３−５０７５２４号公報 特許第３９０３８０４号公報 特許第３４７２７９５号公報

成田勝彦、甲斐潤二郎、「潜熱蓄熱材」、電氣學會雜誌、社団法人電気学会、１９８１年、第１０１巻、第１号、ｐ．１５−２２

図１０に示す蓄熱システム１００において、過冷却現象を起こす潜熱蓄熱材を用いた場合には、通常、給水配管１４１から供給される水の温度は、低温潜熱蓄熱材１６２の過冷却解除温度よりも低いため、低温潜熱蓄熱材１６２に過冷却が発生してもその過冷却はすぐに解除される。しかしながら、高温側蓄熱槽１５１には、低温潜熱蓄熱材１６２によって加熱された水が流入するため、高温潜熱蓄熱材１６１に過冷却が発生すると、高温潜熱蓄熱材１６１の過冷却状態は、低温蓄熱槽１５２から流出する水の温度が高温潜熱蓄熱材１６１の過冷却解除温度以下に低下するまで維持される。すなわち、高温潜熱蓄熱材１６１の温度は融点に到達してからもある程度の時間低下し続け、その間は、高温側蓄熱槽１５１から所望の出湯温度以上の湯を取り出すことができないおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑み、融点がそれぞれ異なる２種以上の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムにおいて高融点側の潜熱蓄熱材に過冷却が発生してもその過冷却を迅速に解除可能にすることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、融点がそれぞれ異なる２種以上の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムであって、前記潜熱蓄熱材のそれぞれを個別に収容する蓄熱槽と、前記潜熱蓄熱材と熱交換を行う熱媒体を流すための、前記蓄熱槽を当該蓄熱槽内の前記潜熱蓄熱材の融点の低い順に通過する流通路であって、前記蓄熱槽同士の間に介在する１つまたは複数の連絡部を有する流通路と、前記流通路における前記潜熱蓄熱材の低融点側の一端に熱媒体を供給する供給路と、前記流通路における前記潜熱蓄熱材の高融点側の他端から熱媒体を取り出す配給路と、前記供給路から分岐して前記連絡部のそれぞれに至る１つまたは複数のバイパス路と、前記バイパス路のそれぞれに設けられた、当該バイパス路を通じた前記供給路から前記連絡部への熱媒体の流通を許可または禁止する流通規制手段と、を備える、蓄熱システムを提供する。

上記の構成によれば、個々の蓄熱槽に供給路からの水を直接供給することが可能になっているので、高融点側の潜熱蓄熱材に過冷却が発生してもその過冷却を迅速に解除することができる。

本発明の第１実施形態に係る蓄熱システムの構成図 図１の蓄熱システムにおける蓄熱運転時の冷媒および水の流れを示す図 図１の蓄熱システムにおける放熱運転時の定常状態の水の流れを示す図 図１の蓄熱システムにおける放熱運転時の第１バイパス状態の水の流れを示す図 図１の蓄熱システムにおける放熱運転時の第２バイパス状態の水の流れを示す図 図１の蓄熱システムにおける放熱運転時の各蓄熱槽から流出する水の温度の推移を表したグラフ 本発明の第２実施形態に係る蓄熱システムにおける放熱運転時の第１バイパス状態の水の流れを示す図 本発明の第２実施形態に係る蓄熱システムにおける放熱運転時の第２バイパス状態の水の流れを示す図 本発明の第２実施形態に係る蓄熱システムにおける放熱運転時の各蓄熱槽から流出する水の温度の推移を表したグラフ 従来の蓄熱システムの構成図 冷却時間に対する蓄熱材の温度の推移を表すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る蓄熱システム１Ａの構成図である。この蓄熱システム１Ａでは、融点がそれぞれ異なる３種の潜熱蓄熱材３１〜３３が用いられている。ただし、本発明の潜熱蓄熱材の種類は、３種に限られるものではなく、２種であってもよいし、４種以上であってもよい。また、蓄熱システム１Ａは給湯機として使用されるものであり、潜熱蓄熱材と熱交換を行う熱媒体として水が用いられている。

具体的に、蓄熱システム１Ａは、潜熱蓄熱材３１〜３３を個別に収容する第１〜第３蓄熱槽２１〜２３と、第１〜第３蓄熱槽２１〜２３を貫通して延びる、水を流すための流通路４と、流通路４とで蓄熱回路５を構成する蓄熱路５０とを備えている。また、蓄熱システム１Ａは、水加熱用の熱源としてヒートポンプ１０を備えている。

ヒートポンプ１０は、冷媒を循環させる冷媒回路１５を有している。冷媒回路１５は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、圧縮された冷媒を放熱させて水を加熱する放熱器（加熱手段）１２、放熱した冷媒を膨張させる膨張手段１３、および膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１４を含んでいる。これらの機器１１〜１４は、配管によりこの順に接続されている。膨張手段１３は、膨張弁であってもよいし、膨張する冷媒から動力を回収する膨張機であってもよい。冷媒としては、本実施形態では二酸化炭素が用いられているが、例えばＲ４１０Ａまたはプロパンなどを採用することも可能である。

蓄熱路５０は、ヒートポンプ１０の放熱器１２を経由して延びている。蓄熱路５０には、一端から他端に向けて水が流れるように送水ポンプ５３が設けられている。蓄熱路５０の上流端である一端は、第１三方弁５１を介して流通路４の一端４ａに接続されており、蓄熱路５０の下流端である他端は、第２三方弁５２を介して流通路４の他端４ｂに接続されている。また、第１三方弁５１には、図略の水源（例えば、水道）から流通路４の一端４ａに水を供給する供給路７１がつながれており、第２三方弁５２には、流通路４の他端４ｂから水を取り出して図略の給湯栓などに配給する配給路７２がつながれている。

流通路４は、一端４ａから他端４ｂに向かって、第１蓄熱槽２１、第２蓄熱槽２２および第３蓄熱槽２３をこの順に通過している。第１蓄熱槽２１には、融点の最も低い低温潜熱蓄熱材３１が収容され、第３蓄熱槽２３には、融点の最も高い高温潜熱蓄熱材３３が収容され、第２蓄熱槽２２には、それらの間の融点の中温潜熱蓄熱材３２が収容されている。換言すれば、流通路４は、第１〜第３蓄熱槽２１〜２３を当該蓄熱槽内の潜熱蓄熱材の融点の低い順に通過している。すなわち、流通路４の一端４ａは潜熱蓄熱材３１〜３３の低融点側であり、他端４ｂは潜熱蓄熱材３１〜３３の高融点側である。

より詳しくは、流通路４は、各蓄熱槽２１〜２３内に配置された第１〜第３熱交換部４２，４４，４６を有している。第１〜第３熱交換部４２，４４，４６は、図略のフィンと共に、潜熱蓄熱材２１〜２３と水との間で熱交換を行う熱交換器を構成する。また、流通路４は、第１蓄熱槽２１と第２蓄熱槽２２の間に介在し、第１熱交換部４２と第２熱交換部４４を連絡する第１連絡部４３と、第２蓄熱槽２２と第３蓄熱槽２３の間に介在し、第２熱交換部４４と第３熱交換部４６を連絡する第２連絡部４５とを有している。さらに、流通路４は、第１蓄熱槽２１を挟んで第１連絡部４３の反対側に位置し、連通路４の一端４ａから第１熱交換器部４２へまたはその逆に水を導く第１入出力部４１と、第３蓄熱槽２３を挟んで第２連絡部４５の反対側に位置し、第３熱交換部４６から連通路４の他端４ｂへまたはその逆に水を導く第２入出力部４７とを有している。

第１〜第３蓄熱槽２１〜２３に収容される潜熱蓄熱材３１〜３３は、高温潜熱蓄熱材３３の融点が設計給湯温度（例えば、４０℃）以上であり、かつ、全ての潜熱蓄熱材３１〜３３の過冷却解除温度が供給路７１を通じて供給される水の温度（例えば、９℃）以上である限り特に限定されない。ただし、潜熱蓄熱材３１〜３３は、中温潜熱蓄熱材３２が液体から固体へ相変化する際の第２蓄熱槽２２から流出する水の温度、高温潜熱蓄熱材３３の過冷却解除温度、低温潜熱蓄熱材３１が液体から固体へ相変化する際の第１蓄熱槽２１から流出する水の温度、および、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却解除温度が、この順に低くなるような条件を満たすことが好ましい。

このような潜熱蓄熱材３１〜３３としては、例えば水和物系蓄熱材を用いることができる。水和物系蓄熱材には、塩化カルシウム水和物含有蓄熱材、酢酸ナトリウム水和物含有蓄熱材、硫酸ナトリウム水和物含有蓄熱材などがある。中でも、上記の好ましい条件の下で給湯に適した温度の湯を生成するという観点からは、酢酸ナトリウム水和物含有蓄熱材と硫酸ナトリウム水和物含有蓄熱材を併用して用いることが好ましい。

本実施形態では、一例として、高温潜熱蓄熱材３３として融点および過冷却解除温度がそれぞれ５６℃、２５℃である、酢酸ナトリウム水和物を主成分とする蓄熱材（酢酸ナトリウム３水和物よりも若干多い水分を含む）が用いられ、中温潜熱蓄熱材３２として融点および過冷却解除温度がそれぞれ３２℃、１５℃である、硫酸ナトリウム水和物を主成分とする蓄熱材（硫酸ナトリウム１０〜１３水和物となるような水分を含む）が用いられ、低温潜熱蓄熱材３１として融点および過冷却解除温度がそれぞれ２３℃、１０℃である、硫酸ナトリウム水和物を主成分とする蓄熱材（硫酸ナトリウム２５〜２６水和物となるような水分を含む）が用いられている。

さらに、第１蓄熱槽２１内には、低温潜熱蓄熱材３１の温度を検知する第１温度センサ６１が配置され、第２蓄熱槽２２内には、中温潜熱蓄熱材３２の温度を検知する第２温度センサ６２が配置され、第３蓄熱槽２３内には、高温潜熱蓄熱材３３の温度を検知する第３温度センサ６３が配置されている。

さらに、本実施形態の蓄熱システム１Ａは、供給路７１から分岐して第１連絡部４３に至る第１バイパス路７３と、供給路７１から分岐して第２連絡部４５に至る第２バイパス路７４とを備えている。また、配給路７２には、混合弁７６が設けられており、この混合弁７６には、供給路７１から分岐した短絡路７５が接続されている。

本実施形態では、第２バイパス路７４の第１上流領域７４ａが第１バイパス路７３の上流領域７３ａと共通の流路となっており、短絡路７５の上流領域７５ａが第２バイパス路７４の第１上流領域７４ａを含む第２上流領域７４ｂと共通の流路となっている。換言すれば、本実施形態では、短絡路７５と第１連絡部４３とが第１バイパス路７３の下流領域で橋架され、短絡路７５と第２連絡部４５とが第２バイパス路７４の下流領域で橋架されているとも言える。ただし、第１バイパス路７３、第２バイパス路７４および短絡路７５は、それぞれ単独の流路になっていてもよい。

供給路７１には、バイパス路７３，７４が分岐する位置よりも下流側に本流開閉弁８１が設けられている。また、第１バイパス路７３には、上流領域７３ａよりも下流側に支流開閉弁８２が設けられ、第２バイパス路７４には、第２上流領域７４ｂよりも下流側に支流開閉弁８３が設けられている。

支流開閉弁８２は、第１バイパス路７３を通じた供給路７１から第１連絡部４３への水の流通を許可または禁止し、支流開閉弁８３は、第２バイパス路７４を通じた供給路７１から第２連絡部４５への水の流通を許可または禁止する。すなわち、支流開閉弁８２，８３は、本発明の流通規制手段として機能する。

本流開閉弁８１は、全ての支流開閉弁８２，８３が閉じられている間は開かれ、支流開閉弁８２，８３の１つが開かれるときに閉じられる。

制御装置９は、ヒートポンプ１０、送水ポンプ５３、および上述した各種の弁を制御して、蓄熱運転および放熱運転を行う。特に、放熱運転時は、制御装置９は、第１〜第３温度センサ６１〜６３で検知される温度に基づいて、本流開閉弁８１および支流開閉弁８２，８３を制御する。具体的に、支流開閉弁８２は、第１バイパス路７３がつながる第１連絡部４３の配給路７２側に位置する第２蓄熱槽２２に収容される中温潜熱蓄熱材３２の温度（すなわち、第２温度センサ６２で検知される温度）に基づいて制御され、支流開閉弁８３は、第２バイパス路７４がつながる第２連絡部４５の配給路７２側に位置する第３蓄熱槽２３に収容される高温潜熱蓄熱材３３の温度（すなわち、第３温度センサ６３で検知される温度）に基づいて制御される。

次に、図２〜図５を参照して、制御装置９が行う蓄熱運転および放熱運転を説明する。なお、以下の説明では、前提条件を、蓄熱運転時に放熱器１２で水を７０℃まで加熱し、放熱運転時の供給路７１を通じて供給される水の温度が９℃、所望の出湯温度が４０℃であると仮定する。

（蓄熱運転）
図２は、蓄熱運転時の冷媒および水の流れを示す。蓄熱運転時には、制御装置９は、まず、三方弁５１，５２を流通路４と蓄熱路５０とが連通する状態に切り替える。そして、制御装置９は、ヒートポンプ１０および送水ポンプ５３を稼働し、放熱器１２において水を加熱する。

放熱器１２で加熱された水は、流通路４を他端４ｂから一端４ａに流れることにより、第３蓄熱槽２３内の高温潜熱蓄熱材３３、第２蓄熱槽２２内の中温潜熱蓄熱材３２、および第１蓄熱容器２１内の低温潜熱蓄熱材３１に順に放熱した後に、再び放熱器１２に流入して加熱される。この動作が繰り返されることにより、潜熱蓄熱材３１〜３３が溶解し、潜熱蓄熱材３１〜３３への蓄熱が行われる。

潜熱蓄熱材３１〜３３に放熱し、再び放熱器１２に流入する水の温度は、水が最後に通過する第１蓄熱槽２１内の低温潜熱蓄熱材３１の融点付近の温度（すなわち、２３℃程度）となるため、設計給湯温度よりも高い融点の高温潜熱蓄熱材のみを設置した蓄熱システムよりも、ヒートポンプ１０の加熱効率が高くなる。

なお、第１蓄熱槽２１内の低温潜熱蓄熱材３１が完全に溶解すると、放熱器１２に流入する水の温度が低温潜熱蓄熱材３１の温度上昇とともに上昇するが、制御装置９は、例えば、放熱器１２に流入する水の温度が例えば６０℃に到達したときに蓄熱運転を終了する。

（放熱運転）
図３は、放熱運転時の定常状態の水の流れを示す。なお、以下では、蓄熱槽２１〜２３内の潜熱蓄熱材３１〜３３が全て７０℃近い高温の液体になった状態から放熱運転を開始する場合について説明する。

放熱運転時には、制御装置９は、まず、三方弁５１，５２を流通路４と供給路７１および配給路７２とが連通する状態に切り替える。そして、制御装置９は、定常状態として、支流開閉弁８２，８３を閉じるとともに、本流開閉弁８１を開き、供給路７１からの水を第１蓄熱槽２１だけに流入させる。

第１蓄熱槽２１に流入した水は、低温潜熱蓄熱材３１によって加熱されて第１蓄熱槽２１から流出し、第２蓄熱槽２２に流入する。第２蓄熱槽２２に流入した水は、中温潜熱蓄熱材３２によって加熱されて第２蓄熱槽２２から流出し、第３蓄熱槽２３に流入する。第３蓄熱槽２３に流入した水は、高温潜熱蓄熱材３３によって加熱されて第３蓄熱槽２３から流出する。第３蓄熱槽２３から流出した水は、配給路７２を流れる途中で混合弁７６により短絡路７５を通じて供給路７１から抜き出された水と混合されて所望の出湯温度に調整された後に、図略の給湯栓などに配給される。

放熱運転が進むにつれて、潜熱蓄熱材３１〜３３の温度は低下し、これと共に各蓄熱槽２１〜２３から流出する水の温度も図６に示すように低下する。なお、図６中のａ線は、第１蓄熱槽２１から流出する水の温度を示し、図６中のｂ線は、第２蓄熱槽２２から流出する水の温度を示し、図６中のｃ線は、第３蓄熱槽２３から流出する水の温度を示す。

低温潜熱蓄熱材３１は、流通路４を流れる水と最初に熱交換を行うため、中温潜熱蓄熱材３２および高温潜熱蓄熱材３３よりも早く温度が低下する。低温潜熱蓄熱材３１の温度が融点（２３℃）以下になると低温潜熱蓄熱材３１に過冷却が発生するが、供給路７１を通じて供給される水の温度（９℃）が低温潜熱蓄熱材３１の過冷却解除温度（１０℃）よりも低いため、低温潜熱蓄熱材３１の過冷却は発生と同時に解除される。このため、低温潜熱蓄熱材３１の温度は、融点到達後はそのまま融点付近で維持される。なお、低温潜熱蓄熱材３１が液体から固体へ相変化する際の第１蓄熱槽２１から流出する水の温度は、低温潜熱蓄熱材３１の融点よりも少し低い１８℃程度である。

さらに放熱運転時間が経過し、中温潜熱蓄熱材３２の温度が融点（３２℃）以下になると中温潜熱蓄熱材３２に過冷却が発生する。ここで、低温潜熱蓄熱材３１が液体から固体へ相変化する際の第１蓄熱槽２１から流出する水の温度は、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却解除温度（１５℃）よりも高い。このため、何も制御しなければ、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却状態が長期間維持され、図６中のｂ’線のように第２蓄熱槽２２から流出する水の温度が大きく低下する。これを防止するために、制御装置９は、図４に示すような第１バイパス状態に移行する。

具体的に、制御装置９は、第２温度センサ６２で検知される温度が第１中温設定温度ＴＭ１以下になったときに、本流開閉弁８１を閉じるとともに支流開閉弁８２を開く。これにより、第１バイパス路７３を通じた水の流通が開始され、供給路７１からの水が第２蓄熱槽２２に直接流入する。供給路７１を通じて供給される水の温度（９℃）は中温潜熱蓄熱材３２の過冷却解除温度よりも低いため、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却は第１バイパス状態移行後に直ちに解除される。

ここで、第１中温設定温度ＴＭ１は、中温潜熱蓄熱材３２の融点に応じて予め決定される温度である。例えば、第１中温設定温度ＴＭ１は、中温潜熱蓄熱材３２の融点と等しくてもよいし、それよりも僅かに高いまたは低い温度（例えば、融点±２℃の範囲内の温度）であってもよい。

中温潜熱蓄熱材３２の過冷却が解除されても、中温潜熱蓄熱材３２の結晶化が熱交換部４４の上流端近傍から温度検知部付近に伝播するまでは、検知される中温潜熱蓄熱材３２の温度は低下を続ける。中温潜熱蓄熱材３２の結晶化が温度検知部付近に伝播すると、検知される中温潜熱蓄熱材３２の温度は上昇に転じ、融点まで上昇する。すなわち、中温潜熱蓄熱材３２の温度上昇を検知することにより、過冷却解除を検知することができる。

そこで、制御装置９は、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却が解除されると、第１バイパス状態から図３に示す定常状態に戻す。具体的に、制御装置９は、第２温度センサ６２で検知される温度が第２中温設定温度ＴＭ２以上になったときに、支流開閉弁８２を閉じるとともに本流開閉弁８１を開く。これにより、第１バイパス路７３を通じた水の流通が停止され、供給路７１からの水が再び第１蓄熱槽２１だけに流入する。

ここで、第２中温設定温度ＴＭ２は、中温潜熱蓄熱材３２の融点以下の温度であり、第１中温設定温度ＴＭ１に応じて予め決定される温度である。例えば、第２中温設定温度ＴＭ２は、中温潜熱蓄熱材３２の融点と等しくてもよいし、第１中温設定温度ＴＭ１が融点よりも低い場合は第１中温設定温度ＴＭ１と等しくてもよい。

なお、第１バイパス状態では、低温潜熱蓄熱材３１で加熱されていない水が第２蓄熱槽２２に流入するため、図６に示すように第２蓄熱槽２２から流出する水の温度がいったん落ち込む。しかし、定常状態への復帰に伴って、第２蓄熱槽２２から流出する水の温度は上昇するため、第２蓄熱槽２２から流出する水の温度が落ち込む期間は短い。中温潜熱蓄熱材３２が液体から固体へ相変化する際の第２蓄熱槽２２から流出する水の温度は、中温潜熱蓄熱材３２の融点よりも少し低い２８℃程度である。

さらに放熱運転時間が経過し、高温潜熱蓄熱材３３の温度が融点（５６℃）以下になると高温潜熱蓄熱材３３に過冷却が発生する。ここで、中温潜熱蓄熱材３２が液体から固体へ相変化する際の第２蓄熱槽２２から流出する水の温度は、高温潜熱蓄熱材３３の過冷却解除温度（２５℃）よりも高い。このため、何も制御しなければ、図６中のｃ’線のように高温潜熱蓄熱材３３の過冷却状態が長期間維持される。これを防止するために、制御装置９は、図５に示すような第２バイパス状態に移行する。

具体的に、制御装置９は、第３温度センサ６３で検知される温度が第１高温設定温度ＴＨ１以下になったときに、本流開閉弁８１を閉じるとともに支流開閉弁８３を開く。これにより、第２バイパス路７４を通じた水の流通が開始され、供給路７１からの水が第３蓄熱槽２３に直接流入する。供給路７１を通じて供給される水の温度（９℃）は高温潜熱蓄熱材３３の過冷却解除温度よりも低いため、高温潜熱蓄熱材３３の過冷却は第２バイパス状態移行後に直ちに解除される。

ここで、第１高温設定温度ＴＨ１は、高温潜熱蓄熱材３３の融点に応じて予め決定される温度である。例えば、第１高温設定温度ＴＨ１は、高温潜熱蓄熱材３３の融点と等しくてもよいし、それよりも僅かに高いまたは低い温度（例えば、融点±２℃の範囲内の温度）であってもよい。

高温潜熱蓄熱材３３の過冷却が解除されても、高温潜熱蓄熱材３３の結晶化が熱交換部４６の上流端近傍から温度検知部付近に伝播するまでは、検知される高温潜熱蓄熱材３３の温度は低下を続ける。高温潜熱蓄熱材３３の結晶化が温度検知部付近に伝播すると、検知される高温潜熱蓄熱材３３の温度は上昇に転じ、融点まで上昇する。すなわち、高温潜熱蓄熱材３３の温度上昇を検知することにより、過冷却解除を検知することができる。

そこで、制御装置９は、高温潜熱蓄熱材３３の過冷却が解除されると、第２バイパス状態から図３に示す定常状態に戻す。具体的に、制御装置９は、第３温度センサ６３で検知される温度が第２高温設定温度ＴＨ２以上になったときに、支流開閉弁８３を閉じるとともに本流開閉弁８１を開く。これにより、第２バイパス路７４を通じた水の流通が停止され、供給路７１からの水が再び第１蓄熱槽２１だけに流入する。

ここで、第２高温設定温度ＴＨ２は、高温潜熱蓄熱材３２の融点以下の温度であり、第１高温設定温度ＴＨ１に応じて予め決定される温度である。例えば、第２高温設定温度ＴＨ２は、高温潜熱蓄熱材３３の融点と等しくてもよいし、第１高温設定温度ＴＨ１が融点よりも低い場合は第１高温設定温度ＴＨ１と等しくてもよい。

なお、第２バイパス状態では、低温潜熱蓄熱材３１および中温潜熱蓄熱材３２で加熱されていない水が第３蓄熱槽２３に流入するため、図６に示すように第３蓄熱槽２３から流出する水の温度がいったん落ち込む。しかし、定常状態への復帰に伴って、第３蓄熱槽２３から流出する水の温度は上昇するため、第３蓄熱槽２３から流出する水の温度が落ち込む期間は短い。高温潜熱蓄熱材３３が液体から固体へ相変化する際の第３蓄熱槽２３から流出する水の温度は、高温潜熱蓄熱材３３の融点よりも少し低い５０℃程度である。

以上説明したように、本実施形態の蓄熱システム１Ａでは、過冷却が発生した潜熱蓄熱材３２（または３３）を収容する蓄熱槽２２（または２３）に、供給路７１からの水が直接供給されるので、その過冷却を迅速に解除することができる。

（第２実施形態）
次に、図７および図８を参照して、本発明の第２実施形態に係る蓄熱システム１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態では、供給路７１におけるバイパス路７３，７４が分岐する位置よりも下流側に本流流量調整弁８５が設けられている。また、第１バイパス路７３には、上流領域７３ａ（図１参照）よりも下流側に支流流量調整弁８６が設けられ、第２バイパス路７４には、第２上流領域７４ｂ（図１参照）よりも下流側に支流流量調整弁８７が設けられている。

支流流量調整弁８６は、第１バイパス路７３を通じた供給路７１から第１連絡部４３への水の流通を許可または禁止し、支流流量調整弁８７は、第２バイパス路７４を通じた供給路７１から第２連絡部４５への水の流通を許可または禁止する。すなわち、支流流量調整弁８６，８７は、本発明の流通規制手段として機能する。

本流流量調整弁８１は、全ての支流流量調整弁８６，８７が全閉とされている間は全開とされ、支流流量調整弁８６，８７の１つが所定開度開かれるときに所定開度開かれた状態に維持される。すなわち、本実施形態では、放熱運転時の第１バイパス状態および第２バイパス状態が第１実施形態と少し異なるだけであり、定常状態から第１バイパス状態および第２バイパス状態への移行、および第１バイパス状態および第２バイパス状態から定常状態への戻しは第１実施形態と同様に行われる。

具体的に、制御装置９は、放熱運転時の定常状態では、本流流量調整弁８５を全開とするとともに、支流流量調整弁８６，８７を全閉にする。

第１バイパス状態では、図７に示すように、制御装置９は、第２温度センサ６２で検知される温度が第１中温設定温度ＴＭ１以下になったときに、支流流量調整弁８６を所定開度開くとともに本流流量調整弁８５の開度を所定量だけ低減する。これにより、第１バイパス路７３を通じた水の流通が開始され、供給路７１からの水と第１蓄熱槽２１から流出した水とが混合した混合水が第２蓄熱槽２２に流入する。このときの双方の流量調整弁８５，８６の上記所定開度は、混合水の温度が中温潜熱蓄熱材３２の過冷却解除温度（１５℃）以下になる開度である。この所定開度は、予め設定しておいてもよいし、混合水の温度を検知しながら調整してもよい。これにより、中温潜熱蓄熱材３２の過冷却は第１バイパス状態移行後に直ちに解除される。

また、制御装置９は、第２温度センサ６２で検知される温度が第２中温設定温度ＴＭ２以上になったときに、支流流量調整弁８６を全閉とするとともに本流流量調整弁８５を全開とする。これにより、第１バイパス路７３を通じた水の流通が停止され、供給路７１からの水が再び第１蓄熱槽２１だけに流入する。

第２バイパス状態では、図８に示すように、制御装置９は、第３温度センサ６３で検知される温度が第１高温設定温度ＴＨ１以下になったときに、支流流量調整弁８７を所定開度開くとともに本流流量調整弁８５の開度を所定量だけ低減する。これにより、第２バイパス路７４を通じた水の流通が開始され、供給路７１からの水と第２蓄熱槽２２から流出した水とが混合した混合水が第３蓄熱槽２３に流入する。このときの双方の流量調整弁８５，８７の上記所定開度は、混合水の温度が高温潜熱蓄熱材３３の過冷却解除温度（２５℃）以下になる開度である。この所定開度は、予め設定しておいてもよいし、混合水の温度を検知しながら調整してもよい。これにより、高温潜熱蓄熱材３３の過冷却は第２バイパス状態移行後に直ちに解除される。

また、制御装置９は、第３温度センサ６３で検知される温度が第２高温設定温度ＴＨ２以上になったときに、支流流量調整弁８７を全閉とするとともに本流流量調整弁８５を全開とする。これにより、第２バイパス路７４を通じた水の流通が停止され、供給路７１からの水が再び第１蓄熱槽２１だけに流入する。

本実施形態のように、温度を調整した混合水によって過冷却を解除することにより、図９に示すように、第１実施形態で見られた第１バイパス状態で第２蓄熱槽２２から流出する水の温度の落ち込みおよび第２バイパス状態で第３蓄熱槽２３から流出する水の温度の落ち込みを抑制することができる。

なお、上述した第２バイパス状態では第１バイパス路７３に設けられた支流流量調整弁８６を操作しなかったが、第２バイパス状態では、全ての流量調整弁８５〜８７を同時に開けて、それらの流量調整弁８５〜８７の開度により第３蓄熱槽２３に流入する水の温度を調整してもよい。

（その他の実施形態）
前記第１および第２実施形態では、水を加熱する加熱手段としてヒートポンプ１０の放熱器１２を用いたが、加熱手段はこれに限られない。例えば、燃料電池やガスエンジンの排熱、工場の排熱、太陽熱集熱器などを熱源とする加熱手段を用いることも可能である。

また、給湯機以外の用途では、潜熱蓄熱材と熱交換を行う熱媒体として、例えば不凍液を用いてもよい。

本発明の蓄熱システムは、高融点側の潜熱蓄熱材に過冷却が発生してもその過冷却を迅速に解除することができるため、潜熱蓄熱材に蓄熱した熱を有効に活用することができる。従って、本発明の蓄熱システムは、給湯機として使用されるだけでなく、暖房システムや排熱利用システム等の用途にも有用である。

１ 蓄熱システム
２１〜２３ 蓄熱槽
３１〜３３ 潜熱蓄熱材
４ 流通路
４ａ 一端
４ｂ 他端
４３，４５ 連絡部
５ 蓄熱回路
５０ 蓄熱路
６１〜６３ 温度センサ
７１ 供給路
７２ 配給路
７３，７４ バイパス路
８１ 本流開閉弁
８２，８３ 支流開閉弁（流量規制手段）
８５ 本流流量調整弁
８６，８７ 支流流量調整弁（流量規制手段）
９ 制御装置
１０ ヒートポンプ
１２ 放熱器（加熱手段）

Claims (12)

1. 融点がそれぞれ異なる２種以上の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱システムであって、
   前記潜熱蓄熱材のそれぞれを個別に収容する蓄熱槽と、
   前記潜熱蓄熱材と熱交換を行う熱媒体を流すための、前記蓄熱槽を当該蓄熱槽内の前記潜熱蓄熱材の融点の低い順に通過する流通路であって、前記蓄熱槽同士の間に介在する１つまたは複数の連絡部を有する流通路と、
   前記流通路における前記潜熱蓄熱材の低融点側の一端に熱媒体を供給する供給路と、
   前記流通路における前記潜熱蓄熱材の高融点側の他端から熱媒体を取り出す配給路と、
   前記供給路から分岐して前記連絡部のそれぞれに至る１つまたは複数のバイパス路と、
   前記バイパス路のそれぞれに設けられた、当該バイパス路を通じた前記供給路から前記連絡部への熱媒体の流通を許可または禁止する流通規制手段と、
   を備える、蓄熱システム。
2. 前記蓄熱槽内の前記潜熱蓄熱材の温度を検知する温度センサと、
   前記温度センサで検知される温度に基づいて前記流通規制手段を制御する制御装置と、
   をさらに備える、請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記制御装置は、前記流通規制手段のそれぞれを、当該流通規制手段が設けられた前記バイパス路がつながる前記連絡部の前記配給路側に位置する前記蓄熱槽に収容される前記潜熱蓄熱材の温度が、第１設定温度以下になったときに当該流通規制手段が設けられた前記バイパス路を通じた熱媒体の流通を開始し、第２設定温度以上になったときに当該流通規制手段が設けられた前記バイパス路を通じた熱媒体の流通を停止するように、制御する、請求項２に記載の蓄熱システム。
4. 前記流通規制手段は、開閉弁であり、前記供給路における前記バイパス路が分岐する位置よりも下流側にも開閉弁が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
5. 前記供給路に設けられた開閉弁は、前記パイパス路に設けられた開閉弁が閉じられている間は開かれ、前記パイパス路に設けられた開閉弁が開かれるときに閉じられる、請求項４に記載の蓄熱システム。
6. 前記流通規制手段は、流量調整弁であり、前記供給路における前記バイパス路が分岐する位置よりも下流側にも流量調整弁が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
7. 前記供給路に設けられた流量調整弁は、前記パイパス路に設けられた流量調整弁が全閉とされている間は全開とされ、前記パイパス路に設けられた流量調整弁が所定開度開かれるときに所定開度開かれた状態に維持される、請求項６に記載の蓄熱システム。
8. 前記配給路には、混合弁が設けられており、前記混合弁には、前記供給路から分岐した短絡路が接続されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
9. 前記潜熱蓄熱材は、水和物系蓄熱材である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
10. 前記水和物系蓄熱材は、酢酸ナトリウム水和物含有蓄熱材と、硫酸ナトリウム水和物含有蓄熱材を含む、請求項９に記載の蓄熱システム。
11. 熱媒体を加熱する加熱手段を経由する、前記流通路とで蓄熱回路を構成する蓄熱路をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
12. 前記加熱手段は、ヒートポンプの放熱器である、請求項１１に記載の蓄熱システム。

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