JP2012220145A

JP2012220145A - 蓄熱装置およびその凍結予防方法

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Publication number: JP2012220145A
Application number: JP2011088667A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Tatsumi; 敏也辰己
Original assignee: Purpose Co Ltd
Current assignee: Purpose Co Ltd
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: JP5792501B2

Abstract

【課題】蓄熱タンクに蓄熱されている熱媒の熱を利用し、循環回路の凍結を予防することにある。
【解決手段】熱源（４）の熱を熱媒（６）に熱交換して蓄熱タンク（８）に蓄熱する蓄熱装置（２）であり、蓄熱タンクの下層側から取り出した熱媒を熱源に循環させた後、蓄熱タンクの上層側に戻す循環回路（１０）と、熱源に循環した熱媒の温度が所定温度以下の場合に、熱媒が蓄熱タンクに戻るのを阻止して循環回路に循環させるリターン路（１４Ｂ）と、熱媒を循環回路またはリターン路に循環させるポンプ（１２）と、外気温度が熱媒の凍結予防温度に低下した際に、蓄熱タンクの下層側の熱媒を循環回路およびリターン路に循環させる凍結予防回路（５０）とを備え、循環回路（１０）の凍結を予防する。
【選択図】図３

Description

本発明はたとえば、コジェネレーションシステムに用いられ、エンジン発電機や燃料電池の排熱を蓄熱する蓄熱装置およびその凍結予防方法に関する。

エンジン発電機や燃料電池の排熱を蓄熱し、給湯などに利用するコージェネレーションシステムが普及している。このコージェネレーションシステムで構成された貯湯装置では、外気温度が低下すると、水供給路に流れる水が凍結するおそれがある。

この水供給路の凍結防止に関し、下記の特許文献１には、水供給路と湯供給路を接続するバイパス路とが備えられ、湯供給路には流路切替機構が設けられ、寒冷時、湯供給路を流れる湯の一部又は全部をバイパス路から水供給路に流して温度を上昇させることにより、凍結を防止することが記載されている。

特開２００９−２５７６５６号公報

ところで、熱電併給手段（特許文献１）で加熱した水を凍結予防に利用する場合には、熱電併給手段が動作しているか、凍結予防のために熱電併給手段を動作させ、排熱が発生する状態にすることが必要である。

そこで、本発明の蓄熱装置およびその凍結予防方法の目的は、上記課題に鑑み、蓄熱タンクに蓄熱されている熱媒の熱を利用し、循環回路の凍結を予防することにある。

斯かる目的を詳細に述べれば、熱電併給手段の動作を停止しているなど、排熱が発生しない場合でも、蓄熱を効率的に利用することにより、水供給路の凍結を防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明の蓄熱装置およびその凍結予防方法は、熱源の熱を熱媒に熱交換して蓄熱タンクに蓄熱する蓄熱装置の凍結予防に関し、熱媒の循環回路に凍結予防回路を構成し、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、蓄熱タンクの下層側の熱媒を循環回路に循環させる。

上記課題を解決するため、本発明は、熱源の熱を熱媒に熱交換して蓄熱タンクに蓄熱する蓄熱装置であって、前記蓄熱タンクの下層側から取り出した熱媒を前記熱源に循環させた後、前記蓄熱タンクの上層側に戻す循環回路と、前記熱源に循環した熱媒の温度が所定温度以下の場合に、該熱媒が前記蓄熱タンクに戻るのを阻止して前記循環回路に循環させるリターン路と、前記熱媒を前記循環回路または前記リターン路に循環させるポンプと、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記蓄熱タンクの下層側の熱媒を前記循環回路および前記リターン路に循環させる凍結予防回路を備える。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置において好ましくはさらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて補給用熱媒が溜められ、前記蓄熱タンクの下層側に連結した補助タンクと、前記循環回路に循環する前記熱媒を前記補助タンクに流すバイパス路と、前記バイパス路を開閉する開閉手段と、を備え、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記開閉手段を開き、前記凍結予防回路に前記バイパス路および前記補助タンクを介して前記蓄熱タンクの下層側に至る熱媒路を含み、凍結予防の熱媒に前記補給用熱媒を含んでもよい。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置において好ましくはさらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて前記熱媒が溜められる補助タンクと、前記蓄熱タンクの下層側との間に連通管を備え、該連通管に前記リターン路の分岐点を備えてもよい。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置において好ましくはさらに、
外気温度を検出する温度センサと、前記循環回路と前記リターン路との分岐点に設置され、前記熱媒の熱媒経路を切り替える切替手段と、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御する制御部とを備えてもよい。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置において好ましくはさらに、前記制御部は、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御するとともに、前記開閉手段を開いてもよい。

また、上記課題を解決するため、本発明は、
蓄熱タンクの下層側から取り出した熱媒を熱源に循環させた後、前記蓄熱タンクの上層側に戻す循環回路と、前記熱源に循環した熱媒の温度が所定温度以下の場合に、該熱媒が前記蓄熱タンクに戻るのを阻止して前記循環回路に循環させるリターン路と、前記熱媒を前記循環回路または前記リターン路に循環させるポンプとを備え、熱源の熱を熱媒に熱交換して蓄熱タンクに蓄熱する蓄熱装置の凍結予防方法であって、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記蓄熱タンクの下層側の熱媒を前記循環回路および前記リターン路に循環させる凍結予防回路を形成する。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置の凍結予防方法において好ましくはさらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて補給用熱媒が溜められ、前記蓄熱タンクの下層側に連結した補助タンクと、前記循環回路に循環する前記熱媒を前記補助タンクに流すバイパス路と、前記バイパス路を開閉する開閉手段とを前記蓄熱装置に備え、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記開閉手段を開き、前記凍結予防回路に前記バイパス路および前記補助タンクを介して前記蓄熱タンクの下層側に至る熱媒路を含み、凍結予防の熱媒に前記補給用熱媒を含ませてもよい。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置の凍結予防方法において好ましくはさらに、外気温度を検出する温度センサと、前記循環回路と前記リターン路との分岐点に設置され、前記熱媒の熱媒経路を切り替える切替手段と、制御部とを前記蓄熱装置に備え、前記制御部が、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御してもよい。

上記課題を解決するためには、上記蓄熱装置の凍結予防方法において好ましくはさらに、前記制御部が、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御するとともに、前記開閉手段を開くことにより、前記補給用熱媒を凍結予防に用いてもよい。

本発明の蓄熱装置およびその凍結予防方法によれば、次のいずれかの効果を得ることができる。

(1) 熱媒を循環させる循環回路の凍結予防を循環回路に接続されている蓄熱タンクにある熱媒の熱を利用して行うことができ、効率的に凍結を防止できる。

(2) 熱源が動作状態または停止状態のいずれであっても循環回路の凍結を防止することができる。

(3) 蓄熱タンクの下層側の熱媒を循環回路の凍結予防に用いるので、蓄熱タンクにある熱媒の階層状態を乱すことがなく、階層状態を維持することができる。つまり、蓄熱の利用効率を低下させることなく、凍結予防を実施できる。

第１の実施の形態に係る蓄熱装置の一例を示す図である。熱源の一例を示す図である。蓄熱装置の凍結予防方法の一例を示す図である。蓄熱装置の制御装置の一例を示す図である。蓄熱装置の制御を示すフローチャートである。凍結予防制御の処理手順を示すフローチャートである。凍結予防制御の処理手順を示すフローチャートである。停止時間調整の処理手順を示すフローチャートである。第２の実施の形態に係る蓄熱装置の一例を示す図である。蓄熱装置の凍結予防方法の一例を示す図である。蓄熱装置の凍結予防方法の一例を示す図である。

〔第１の実施の形態〕

図１は第１の実施の形態に係る蓄熱装置を示している。図１に記載した構成は一例であって、本発明が斯かる構成に限定されるものではない。

図１に示す蓄熱装置２は、本発明の蓄熱装置およびその凍結予防方法の一例である。この蓄熱装置２は、蓄熱ユニット３および熱源４を備え、熱源４の排熱を熱媒６に熱交換して回収し、蓄熱するシステムである。熱源４は、発電用エンジンなどの排熱を生じるものであればよい。

熱媒６にはたとえば、水が利用され、開放式の蓄熱タンク８に溜められている。この蓄熱タンク８には熱媒６の循環回路１０が接続され、この循環回路１０は蓄熱タンク８の下部から熱媒６を引き出し、排熱回収後の高温化した熱媒６を蓄熱タンク８の上部に戻す閉回路である。

この循環回路１０にはポンプ１２が設置されており、熱源４の稼動時、このポンプ１２を駆動する。ポンプ１２は、蓄熱タンク８の設置面１３より高い位置つまり、高さｈ（＞０）の高さ位置に設置されている。このポンプ１２を駆動すると、蓄熱タンク８の下層側の熱媒８、つまり低温の熱媒６が熱源４に導かれ、熱源４の排熱との熱交換により排熱を吸収した熱媒６が蓄熱タンク８の上部に戻される。

循環回路１０には蓄熱タンク８に至るストレージ路１４Ａに対し、蓄熱タンク８の入側と出側とを結ぶリターン路１４Ｂが形成されている。このリターン路１４Ｂの分岐点には切替弁１６が設けられているとともに、蓄熱タンク８の入側には温度センサ１８が設置されている。温度センサ１８によって検出される熱媒６の温度が所定の高温度に達していない場合には、切替弁１６により熱媒６の循環方向をストレージ路１４Ａからリターン路１４Ｂに切替え、蓄熱タンク８側に熱媒６が戻るのを阻止する。これにより、低温の熱媒６がリターン路１４Ｂからポンプ１２を経て熱源４にリターンし、低温の熱媒６に排熱を再熱交換する。

温度センサ１８の検出温度が所定の高温度に到達すると、切替弁１６がリターン路１４Ｂから蓄熱タンク８の入側に切り替えられ、高温化した熱媒６が蓄熱タンク８の上部に戻される。これにより、蓄熱タンク８には熱媒６の上層が高温化した熱媒６、下層が低温の熱媒６となる階層蓄熱が維持される。

このような階層状態は、蓄熱タンク８に設置された複数の温度センサ２１、２２、２３、２４、２５によって監視されている。温度センサ２１、２２、２３、２４、２５は蓄熱タンク８内に温度差による比重によって階層状態を成す熱媒６の階層毎の温度を検出する。ここで、上層から下層に温度センサ２１、２２、２３、２４、２５が設置されているので、熱媒６に水を用いた場合には、下層の温度センサ２５の検出温度が約４〔℃〕未満を検出すると、蓄熱タンク８内の全体の熱媒６の温度が４〔℃〕未満に低下したことになる。つまり、水の密度は約４〔℃〕で最大となるため、蓄熱タンク８の最下層の温度は通常約４〔℃〕以上となるのに対し、最下層が約４〔℃〕を下回るのは、蓄熱タンク８内の熱媒６の全体が約４〔℃〕より低下した場合である。

蓄熱タンク８には補助タンク３０が併設され、補助タンク３０には補給用の熱媒６として上水が溜められ、この熱媒６が蓄熱タンク８内の補給に用いられる。補助タンク３０は、蓄熱タンク８の下部に連通管３２で連通させて蓄熱タンク８と同一高さに設定されている。したがって、補助タンク３０内の熱媒レベルは蓄熱タンク８の熱媒レベルと同一となる。補助タンク３０にはレベルセンサ３４が設置され、熱媒レベルが検出される。

蓄熱タンク８内の熱媒６が蒸発などにより減少すると、蓄熱タンク８の熱媒レベルは補助タンク３０内のレベルセンサ３４で検出される。この熱媒レベルが基準レベルより低下すると、補給路４１にある開閉弁４２が開かれ、補助タンク３０に熱媒６に用いる上水４０が補水され、蓄熱タンク８内の熱媒レベルが所定レベルに維持される。

また、補助タンク３０の底部にはバイパス路３６が接続され、このバイパス路３６は開閉弁３８を介してポンプ１２の出側の循環回路１０に接続されている。つまり、補助タンク３０には連通管３２を介して蓄熱タンク８の底部と接続されているとともに、バイパス路３６および循環回路１０を介して蓄熱タンク８の底部と接続されている。バイパス回路３６の開閉弁３８は、通常駆動の際は閉止され、低温の熱媒６を取り出す蓄熱タンク８の下部より高い位置に設置されるポンプ１２のエア抜きの際に開放される。

蓄熱タンク８には、熱媒６の熱を利用するための負荷回路４５が接続され、この負荷回路４５にはポンプ４６および熱負荷４８が設置されている。熱負荷４８はたとえば、給湯負荷や浴槽水の追焚き負荷などである。給湯負荷では、熱媒６の熱を上水に熱交換し、給湯などの利用に供する場合である。この場合、蓄熱タンク８の熱媒６は、給湯利用などの要求を受け、ポンプ４６を駆動し、蓄熱タンク８の上部より高温の熱媒６を取り出し、上水などとの熱交換を経て、低温化した熱媒６が蓄熱タンク８の下部に戻される。

この蓄熱ユニット３に接続されている熱源４について、図２を参照する。図２は熱源の一例を示している。

この熱源４は図２に示すように、エンジンユニット５４が設置されている。このエンジンユニット５４には発電機５６を駆動するエンジン５８が設置され、このエンジン５８には熱媒６０を循環させる循環回路６２が形成されている。熱媒６０はエンジン５８の排熱を熱交換により回収する。循環回路６２には、第１の熱交換器６４およびポンプ６６が設置されているとともに、ヒータ６８が設置されている。熱交換器６４は熱媒６０の熱を熱媒６に熱交換する。ポンプ６６は熱媒６０を循環回路６２に循環させる。

ヒータ６８は熱媒６０を電熱により加熱する補助加熱器の一例であり、このヒータ６８には、スイッチ７０を介して余剰電力出力部７２または商用交流電源７４が接続されている。余剰電力出力部７２は、発電機５６の駆動時、発電機５６で発電した電力から負荷電力を減算した余剰電力を出力する。発電機５６の駆動時にはスイッチ７０を余剰電力出力部７２に切替え、余剰電力でヒータ６８を発熱させ、熱媒６０を加熱する。発電機５６が駆動を停止している場合には、スイッチ７０を商用交流電源７４側に切替え、商用交流電源７４によりヒータ６８を発熱させ、熱媒６０を加熱する。

エンジン５８の排気路７６には第２の熱交換器７８が設置され、この熱交換器７８では排気ガスの持つ熱を熱媒６に熱交換し、熱媒６に回収する。

この蓄熱ユニット３の凍結予防回路５０について、図３を参照する。図３は凍結予防回路を備えた蓄熱ユニット３を示している。

図３に示すように、凍結予防回路５０は、凍結を予防する対象である循環回路１０の一部、リターン路１４Ｂ、ポンプ１２および切替弁１６を含み、凍結防止媒体として熱媒６が用いられる。凍結予防運転は温度条件によって決定され、外気温度を検出する温度センサ５２が所定温度以下に低下した外気温度を検出した場合に凍結予防動作を開始する。

この凍結予防動作では、切替弁１６をリターン路１４Ｂ側に切り替え、バイパス路３６の開閉弁３８を開状態とし、ポンプ１２を間欠運転とする。このとき、この凍結予防回路５０は、ポンプ１２から熱源４を介して切替弁１６を経てリターン路１４Ｂから循環回路１０の分岐点４４を経てポンプ１２に至る循環路Ｉと、ポンプ１２から分岐点５６からバイパス路３６、補助タンク３０、連通管３２および蓄熱タンク８を経て循環回路１０からポンプ１２に至る循環路IIとが構成される。分岐点４４では循環回路１０に流れる熱媒にリターン路１４Ｂ側の熱媒が合流する。分岐点５６では循環回路１０に流れる熱媒６がバイパス路３６側に分岐して補助タンク３０に流れる。この場合、補助タンク３０にある熱媒６は、連通管３２を通して蓄熱タンク８側に流れる。

この凍結予防動作では、バイパス路３６がポンプ１２のエア抜きに用いられ、ポンプ１２により押し出された熱媒６の一部が補助タンク３０を経由し、蓄熱タンク８に戻る循環路IIに循環する。ポンプ１２に供給される熱媒６は、リターン路１４Ｂからの熱媒６と補助タンク３０の熱媒６とを混合したものとなり、ポンプ１２を通過後、蓄熱タンク８の出側の循環回路１０とバイパス路３６に送り出される。

このような凍結予防回路５０により、凍結予防で使用される熱媒６は蓄熱タンク８の下部より取り出されたものである。蓄熱タンク８の下部より取り出された熱媒６は低温であるとしても、凍結が予想される外気温度に比較すれば十分な熱を持っているので、この熱媒６を循環回路１０に循環すれば、循環回路１０内の熱媒６の凍結を防止することができる。

また、凍結予防に用いた熱媒６は、蓄熱タンク８の下部に戻される。つまり、バイパス路３６及び補助タンク３０を経由して蓄熱タンク８の下部に入るので、蓄熱タンク８の熱媒６を利用するものの、蓄熱タンク８内の熱媒６の階層状態を乱すことがない。したがって、熱媒６の階層状態が維持されるので、凍結予防運転が熱利用に対する悪影響を及ぼすことがない。

この蓄熱装置２の蓄熱動作および凍結予防動作を実行する制御装置８０について、図４を参照する。図４は制御装置の一例を示している。図４において、図１および図２と同一部分には同一符号を付してある。

この制御装置８０は、蓄熱ユニット３側の第１の制御部８２と、ヒータ６８側の第２の制御部８４を備えている。制御部８２と制御部８４とは通信部８６、８８より無線または有線で接続され、蓄熱制御または凍結予防制御が実行される。

制御部８２はたとえば、マイクロコンピュータで構成され、この制御部８２には制御プログラム、演算用データ等を記憶するメモリ９０、各種信号を出力する出力回路９２が備えられている。この制御部８２にはタイマー９４から計時信号が入力されるとともに、既述の温度センサ１８、２１、２２、２３、２４、２５、５２から検出温度が入力される。制御部８２では、予め設定された各種データや、制御プログラムにより各種の演算が行われ、切替弁１６、開閉弁３８、４２、ポンプ（Ｐ１）１２、ポンプ（Ｐ２）４６に対する制御出力が生成される。

制御部８２からヒータ６８を駆動するためのスイッチ制御出力が生成され、このスイッチ制御出力は通信部８６、８８の通信により制御部８４に伝達され、制御部８４によりスイッチ７０が切り替えられる。

この制御装置８０による制御について、図５を参照する。図５は制御装置８０による制御の処理手順を示している。

この処理手順は、本発明の蓄熱装置の凍結予防方法の一例であって、既述の制御部８２、８４を実行主体とする制御プログラムに含まれる凍結予防プログラムの一例である。

この処理手順では、図５に示すように、電源投入により蓄熱装置２の制御を司る制御システムの初期化を実行する（ステップＳ１１）。システム初期化の後、熱利用があるか否かを判断する（ステップＳ１２）。熱利用があれば（ステップＳ１２のＹＥＳ）、熱利用制御処理を実行し（ステップＳ１３）、熱源４であるエンジン動作の有無を確認する（ステップＳ１４）。熱利用がない場合（ステップＳ１２のＮＯ）もステップＳ１４での処理に移行する。

エンジン５８が動作していれば（ステップＳ１４のＹＥＳ）、排熱回収処理（ステップＳ１５）に移行し、排熱回収つまり蓄熱処理を実行し、その他の処理として排熱回収処理以外の処理（ステップＳ１６）を実行し、ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１４において、エンジン５８が動作していないと判断した場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、蓄熱装置２の凍結予防処理を実行し（ステップＳ１７）、ステップＳ１６に移行する。すなわち、凍結予防処理は、本制御処理において、割込み処理で実行される。

つぎに、凍結予防の処理手順について、図６および図７を参照する。図６および図７は凍結予防の処理手順を示している。図６および図７において、Ａはフローチャート間の連結部分を示している。

この処理手順は、本発明の蓄熱装置の凍結予防方法の一例であり、制御プログラムの１サイクル毎に実行される。このプログラムの実行において、タイマー９４はたとえば、時間をセットするとカウントダウンし、カウント値が“０”になるとタイムアップ状態となりカウントダウンを停止するカウントダウンタイマーで構成した場合を示しているが、これに限定されるものではない。

熱源４が動作中であれば凍結予防は不要である。そこで、外気温度が凍結予防の開始温度である所定温度Ｔ₁以下であるか否か（外気温度≦所定温度Ｔ₁）を判定する（ステップＳ２１）。外気温度は温度センサ５２の検出温度である。一例としての所定温度Ｔ₁はたとえば、７〔℃〕に設定される。

外気温度≦所定温度Ｔ₁であれば（ステップＳ２１のＹＥＳ）、ヒータ６８が動作中であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ヒータ６８が動作中であれば（ステップＳ２２のＹＥＳ）、蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≧ヒータ動作停止温度Ｔ₂であるかを判定する（ステップＳ２３）。ヒータ動作停止温度Ｔ₂はたとえば、３．５〔℃〕に設定される。

蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≧ヒータ動作停止温度Ｔ₂であれば（ステップＳ２３のＹＥＳ）、ヒータ６８を停止し（ステップＳ２４）、切替弁１６をリターン路１４Ｂ側に切り替え（ステップＳ２５）、開閉弁３８を開状態にする（ステップＳ２６）。

ステップＳ２１において、外気温度≦所定温度Ｔ₁でなければ（ステップＳ２１のＮＯ）、ポンプ１２を停止し（ステップＳ２７）、開閉弁３８を閉にし（ステップＳ２８）、ヒータ６８を停止する（ステップＳ２９）。

また、ステップＳ２２において、ヒータ６８が動作中でなければ（ステップＳ２２のＮＯ）、蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≦ヒータ動作開始温度Ｔ₃であるかを判定する（ステップＳ３０）。蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≦ヒータ動作開始温度Ｔ₃であれば（ステップＳ３０のＹＥＳ）、ヒータ６８を動作させ（ステップＳ３１）、切替弁１６をストレージ路１４Ａ側に切り替え（ステップＳ３２）、既述のステップＳ２６に移行する。

ステップＳ３０において、蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≦ヒータ動作開始温度Ｔ₃でなければ（ステップＳ３０のＮＯ）、ステップＳ２５に移行する。また、ステップＳ２３において、蓄熱タンク８の全体の熱媒６の温度≧ヒータ動作停止温度Ｔ₂でない場合（ステップＳ２３のＮＯ）も、ステップＳ２６に移行する。

開閉弁３８を開にした後、ポンプ１２が稼働中であるか否かを判定する（図７のステップＳ３３）。ポンプ１２が稼働中でなければ（ステップＳ３３のＮＯ）、タイマー９４がタイムアップしているか否かを判定する（ステップＳ３４）。タイマー９４がタイムアップしていれば（ステップＳ３４のＹＥＳ）、ポンプ１２が駆動中であり（ステップＳ３５）、タイマー９４に所定時間ＴＭ₁をセットして計時を開始し（ステップＳ３６）、温度センサ１８の検出温度を最低戻り温度データとして記憶し（ステップＳ３７）、ステップＳ１５（図５）にリターンする。

また、ステップＳ３３において、ポンプ１２が稼働中であれば（ステップＳ３３のＹＥＳ）、タイマー９４がタイムアップしているか否かを判定する（ステップＳ３８）。タイマー９４がタイムアップしていれば（ステップＳ３８のＹＥＳ）、ポンプ１２を停止し（ステップＳ３９）、停止時間の調整を行い（ステップＳ４０）、タイマー９４に待機時間データＴＭ₂をセットして計時を開始し（ステップＳ３６）、ステップＳ１５（図５）にリターンする。

また、ステップＳ３８において、タイマー９４がタイムアップしていなければ（ステップＳ３８のＮＯ）、温度センサ１８の検出温度＜最低戻り温度データであるかを判定する（ステップＳ４２）。温度センサ１８の検出温度＜最低戻り温度データであれば（ステップＳ４２のＹＥＳ）、温度センサ１８の検出温度を最低戻り温度データとして記憶し（ステップＳ４３）、ステップＳ１５（図５）にリターンする。また、温度センサ１８の検出温度＜最低戻り温度データでなければ（ステップＳ４２のＮＯ）、ステップＳ１５（図５）にリターンする。つまり、ポンプ１２が駆動中（ステップＳ３３）であり、タイマー９４が駆動中であれば（ステップＳ３８のＮＯ）、ポンプ１２が間欠運転中であるため、ポンプ１２を稼働状態に維持し、熱源４からの戻り温度を示す温度センサ１８の検出温度がメモリ９０に記憶している最低戻り温度データの値より小さければ（ステップＳ４２のＹＥＳ）、その値を新たな最低戻り温度としてメモリ９０に記憶する（ステップＳ４３）。

この処理手順において、ステップＳ２２からステップＳ３２の処理は、蓄熱タンク８内の熱媒温度によりヒータ６８を発熱させる場合についての処理であり、外気温度がたとえば、２．５〔℃〕以下になると、ヒータ６８を稼動する。このとき、切替弁１６をストレージ路１４Ａ側に切替え、蓄熱タンク８内の熱媒温度がたとえば、３．５〔℃〕以上になれば、ヒータ６８の発熱を停止させ、切替弁１６をリターン路１４Ｂ側に切替え、蓄熱タンク８内にある熱媒６を循環回路１０つまり、凍結予防回路５０に循環させる。

このとき、切替弁１６はリターン路１４Ｂ側に切り替え、ポンプ１２を間欠運転させる。これにより、循環回路１０の凍結を防止できるとともに、ポンプ１２の間欠運転により省エネルギー化を図ることができる。

つぎに、停止時間の調整について、図８を参照する。図８は停止時間調整の処理手順の一例を示している。

この処理手順は本発明の蓄熱装置の凍結予防方法の一例であって、既述の制御部８２、８４を実行主体とする制御プログラムに含まれる凍結予防プログラムの一例である。

循環回路１０内の熱媒温度が高ければ、ポンプ１２の停止時間が長くなり、循環回路１０内の熱媒温度が低ければ、ポンプ１２の停止時間が短くなる。これらの時間は、熱媒温度と滞留時間との関係を表しており、つまり、ポンプ１２の停止時間が長くなり、循環回路１０に熱媒６が停滞した状態が継続し、外気温度が低下しても、滞留している熱媒６が凍結に至るまでの時間を考慮している。

図８に示す処理手順では、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₄であるかを判定する（ステップＳ５１）。所定温度Ｔ₄はたとえば、２〔℃〕とする。最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₄であれば（ステップＳ５１のＹＥＳ）、待機時間データを０〔分〕とし（ステップＳ５２）、この場合（最低戻り温度データが所定温度Ｔ₄未満）、ポンプ１２は連続運転となる。そして、ステップＳ４０（図７）にリターンする。

ステップＳ５１において、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ４でなければ（ステップＳ５１のＮＯ）、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₅（＞Ｔ₄）であるかを判定する（ステップＳ５３）。最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₅（＞Ｔ₄）であれば（ステップＳ５３のＹＥＳ）、待機時間データ＝待機時間データ−ＴＭ₂にし（ステップＳ５４）、ステップＳ４０（図７）にリターンする。ＴＭ₂は調整時間であり、たとえば、２〔分〕である。この場合、最小待機時間ＴＭｍｉｎ＝０〔分〕である。

ステップＳ５３において、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₅（＞Ｔ₄）でなければ（ステップＳ５３のＮＯ）、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₆（＞Ｔ₅）であるかを判定する（ステップＳ５５）。最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₆であれば（ステップＳ５５のＹＥＳ）、待機時間データを維持し（ステップＳ５６）、ステップＳ４０（図７）にリターンする。この場合、所定温度Ｔ₆はたとえば、６〔℃〕である。

ステップＳ５５において、最低戻り温度データ＜所定温度Ｔ₆でなければ（ステップＳ５５のＮＯ）、待機時間データ＝待機時間データ＋ＴＭ₂にし（ステップＳ５７）、ステップＳ４０（図７）にリターンする。この場合、最大待機時間ＴＭｍａｘ＝１０〔分〕である。

このように熱媒６の最低戻り温度がＴ₄（たとえば、２〔℃〕）以上、Ｔ₅（たとえば、３〔℃〕）未満であれば、待機時間データをＴＭ₂（たとえば、２〔分〕）だけ短縮し、Ｔ₅（たとえば、３〔℃〕）以上、Ｔ₆（たとえば、６〔℃〕）未満の場合は（Ｓ１１０）、待機時間データの加減は行わず、その状態を維持し、Ｔ₆（たとえば、６〔℃〕）以上であれば、待機時間データをＴＭ₂（たとえば、２〔分〕）だけ延長する。

以上述べた第１の実施の形態の利点や効果を以下に列挙する。

(1) 熱媒を循環させる循環回路１０の凍結予防を循環回路１０に接続されている蓄熱タンクにある熱媒６の熱を利用して行うことができる。したがって、効率的に熱媒６の凍結を防止できる。

(2) 熱源４が動作状態または停止状態のいずれであっても循環回路１０にある熱媒６の凍結を防止できる。

(3) 蓄熱タンク８の下層側の熱媒６を循環回路１０の凍結予防に用いるので、蓄熱タンク８にある熱媒６の階層状態を乱すことがなく、階層状態を維持することができる。つまり、蓄熱の利用効率を低下させることなく、凍結予防を行うことができる。

〔第２の実施の形態〕

第１の実施の形態では、リターン路１４Ｂを循環回路１０側の分岐点４４に連結し、連通管３２は蓄熱タンク８の下部に連結した構成であるが、リターン路１４Ｂと連結管３２を結合して蓄熱タンク８に接続する構成であってもよい。

この第２の実施の形態について、図９、図１０および図１１を参照する。図９ないし図１１は第２の実施の形態に係る蓄熱装置を示している。図９ないし図１１に記載した構成は一例であって、本発明が斯かる構成に限定されるものではない。図９ないし図１１において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

図９に示す蓄熱装置２では、切替弁１６から分岐したリターン路１４Ｂの他端を蓄熱タンク８の下部に接続し、このリターン路１４Ｂに分岐点９６を設けて補助タンク３０の連通管３２を接続している。つまり、リターン路１４Ｂと連結管３２を結合して蓄熱タンク８に接続した構成である。

斯かる構成によれば、図１０に示すように、切替弁１６をリターン路１４Ｂ側に切り替えるとともに、開閉弁３８を開くことにより、第１の実施の形態と同様に、熱媒６を循環させて凍結予防回路５０を構成することができる。

また、この実施の形態において、図１１に示すように、開閉弁３８を閉じることにより、ポンプ１２から熱源４を通して切替弁１６に至り、リターン路１４Ｂを通して蓄熱タンク８の下層部からポンプ１２に至る凍結予防回路５０を構成してもよい。斯かる構成では、蓄熱タンク８の下層部にある熱媒６のみを用いることにより、循環回路１０の凍結を予防できる。

〔他の実施の形態〕

(1) 第２の実施の形態において、連通管３２に開閉弁を備え、この開閉弁を開閉して連通管３２を通過する熱媒６を制御してもよい。

(2) 熱源４には、エンジンユニット以外の排熱を生じる機器たとえば、燃料電池などを用いてもよい。

(3) 第１の実施形態では、凍結予防動作の際、ヒータ６８を発熱させているが、ヒータ６８の動作を停止し、熱媒６に蓄熱された熱量のみで循環回路１０の凍結を予防してもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明は熱源と蓄熱ユニットとを接続して熱媒を循環させる循環回路の凍結を予防するものであり、コジェネレーション装置などに広く利用でき、蓄熱媒体が持つ熱量で凍結を予防するので、有用である。

２蓄熱装置
３蓄熱ユニット
４熱源
６熱媒
８蓄熱タンク
１０循環回路
１２ポンプ
１４Ａストレージ路
１４Ｂリターン路
１６切替弁
１８温度センサ
２１、２２、２３、２４、２５温度センサ
３０補助タンク
３２連通管
３４レベルセンサ
３６バイパス路
３８開閉弁
４４分岐点
４５負荷回路
５０凍結予防回路
５２温度センサ
５４エンジンユニット
５６発電機
５８エンジン
６０熱媒

Claims

熱源の熱を熱媒に熱交換して蓄熱タンクに蓄熱する蓄熱装置であって、
前記蓄熱タンクの下層側から取り出した熱媒を前記熱源に循環させた後、前記蓄熱タンクの上層側に戻す循環回路と、
前記熱源に循環した熱媒の温度が所定温度以下の場合に、該熱媒が前記蓄熱タンクに戻るのを阻止して前記循環回路に循環させるリターン路と、
前記熱媒を前記循環回路または前記リターン路に循環させるポンプと、
外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記蓄熱タンクの下層側の熱媒を前記循環回路および前記リターン路に循環させる凍結予防回路と、
を備えることを特徴とする蓄熱装置。
さらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて補給用熱媒が溜められ、前記蓄熱タンクの下層側に連結した補助タンクと、
前記循環回路に循環する前記熱媒を前記補助タンクに流すバイパス路と、
前記バイパス路を開閉する開閉手段と、
を備え、外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記開閉手段を開き、前記凍結予防回路に前記バイパス路および前記補助タンクを介して前記蓄熱タンクの下層側に至る熱媒路を含み、凍結予防の熱媒に前記補給用熱媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
さらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて前記熱媒が溜められる補助タンクと、前記蓄熱タンクの下層側との間に連通管を備え、該連通管に前記リターン路の分岐点を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
さらに、外気温度を検出する温度センサと、
前記循環回路と前記リターン路との分岐点に設置され、前記熱媒の熱媒経路を切り替える切替手段と、
前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄熱装置。
前記制御部は、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御するとともに、前記開閉手段を開くことを特徴とする請求項４に記載の蓄熱装置。
蓄熱タンクの下層側から取り出した熱媒を熱源に循環させた後、前記蓄熱タンクの上層側に戻す循環回路と、
前記熱源に循環した熱媒の温度が所定温度以下の場合に、該熱媒が前記蓄熱タンクに戻るのを阻止して前記循環回路に循環させるリターン路と、
前記熱媒を前記循環回路または前記リターン路に循環させるポンプとを備え、熱源の熱を熱媒に熱交換して蓄熱タンクに蓄熱する蓄熱装置の凍結予防方法であって、
外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記蓄熱タンクの下層側の熱媒を前記循環回路および前記リターン路に循環させる凍結予防回路を形成することを特徴とする蓄熱装置の凍結予防方法。
さらに、前記蓄熱タンクと別個に設けられて補給用熱媒が溜められ、前記蓄熱タンクの下層側に連結した補助タンクと、前記循環回路に循環する前記熱媒を前記補助タンクに流すバイパス路と、前記バイパス路を開閉する開閉手段とを前記蓄熱装置に備え、
外気温度が前記熱媒の凍結予防温度に低下した際に、前記開閉手段を開き、前記凍結予防回路に前記バイパス路および前記補助タンクを介して前記蓄熱タンクの下層側に至る熱媒路を含み、凍結予防の熱媒に前記補給用熱媒を含ませることを特徴とする請求項６に記載の蓄熱装置の凍結予防方法。
さらに、外気温度を検出する温度センサと、前記循環回路と前記リターン路との分岐点に設置され、前記熱媒の熱媒経路を切り替える切替手段と、制御部とを前記蓄熱装置に備え、
前記制御部が、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御することを特徴とする請求項６または７に記載の蓄熱装置の凍結予防方法。
前記制御部が、前記温度センサの検出温度が前記凍結予防温度を検出した場合、前記切替手段により前記リターン路に前記熱媒の循環経路を切り替え、前記ポンプを動作させ、該動作を連続動作または間欠動作に制御するとともに、前記開閉手段を開くことにより、前記補給用熱媒を凍結予防に用いることを特徴とする請求項８に記載の蓄熱装置の凍結予防方法。