JP2013152042A - 太陽熱利用システム、および熱媒の凍結防止制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを極力抑えつつ、熱媒の凍結を防止する。
【解決手段】太陽熱利用システム１は、集熱器３、タンク４およびポンプ２が配管７により接続された熱媒の循環経路と、配管７に設けられた温度センサ部３４と、ポンプ２を制御し、熱媒を循環させる制御部６と、を有する。制御部６は、ポンプ２を一時的に動作させることで、ポンプ２の停止中に集熱器３にあった熱媒を、配管７に設けた温度センサ部３４にまで押し出し、温度センサ部３４により集熱器３の熱媒の温度を検出して凍結状態を判断し、集熱器３の熱媒が凍結し始めている場合には、ポンプ２を連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱を熱源として利用する太陽熱利用システム、および太陽熱で加熱される熱媒の凍結防止制御方法に関する。

太陽熱利用システムは、たとえば、水などの熱媒を、ポンプ、集熱器、およびタンクが接続された循環経路で循環させる。そして、ポンプの動力で熱媒を循環させ、集熱器において熱媒を太陽エネルギーで加熱し、タンクに貯蔵されている給湯用の水を熱媒で加熱する。

特開平１１−２９４８６９号公報 実開昭５７−１２０９６６号公報 特開２０１１−１４９６７３号公報

しかしながら、太陽エネルギーにより加熱される熱媒は、凝固点以下になると凝固が始まり、凍結する。熱媒が凍結すると、熱媒の体積が増加し、集熱器や熱媒の循環経路に不具合を生じる可能性がある。
特許文献１では、集熱器で熱媒が凍結しないように、集熱器より低い位置に落水タンクを設け、落水バルブを開いて、集熱器の熱媒を落水タンクへ落水させる。
特許文献２では、熱媒として、水より凝固点が低い不凍液を使用する。
特許文献３では、熱媒の検出温度が熱媒の凝固点より高い判定温度以下になると、ポンプを動作させて熱媒を強制的に循環させる。
しかしながら、特許文献１では、集熱器の熱媒を落水させる膨張タンクを必要とし、設備コストがアップする。
特許文献２では、水より高価な不凍液の使用が必須となり、コストアップの一因となる。また、不凍液を使用したとしても、使用環境によっては、熱媒としての不凍液が凍結してしまう可能性が残る。
特許文献３では、追加設備等は不要であるものの、例えば集熱器内の最も温度が低下する箇所の温度を測定することは困難で、可能だとしても集熱器の内部に温度センサを取り付ける等が必要となり、コストアップとなるため、それ以外の配管中や集熱器と配管の接続部分に温度センサを設置している。そのため、最も温度が低下する箇所と、温度センサ設置箇所の温度差を考慮し、安全のため熱媒の検出温度を凝固点より高い判定温度と比較している。その結果、熱媒の温度が凝固点に低下しないような状況下でも、凍結防止のためポンプが動作することになる。熱媒の凍結を防止するためのランニングコストが嵩む。

このように太陽熱利用システムでは、コストアップを極力抑えつつ、熱媒の凍結を防止することが求められている。

本発明の第１の観点に係る太陽熱利用システムは、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが配管により接続された熱媒の循環経路と、配管に設けられた温度センサ部と、ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、を有する。そして、制御部は、ポンプを一時的に動作させることで、ポンプの停止中に集熱器にあった熱媒を、配管に設けた温度センサ部にまで押し出し、温度センサ部により集熱器の熱媒の温度を検出して凍結状態を判断し、集熱器の熱媒が凍結し始めている場合には、ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行する。

好適には、制御部は、温度センサ部により検出した熱媒の温度を用いて集熱器の熱媒が凍結し始めるまでの凍結開始時間を予想し、当該凍結開始時間が経過した場合、ポンプを一時的に動作させて温度センサ部により集熱器の熱媒の温度を検出する、とよい。

好適には、制御部は、凍結開始時間毎に、熱媒の温度を繰り返し検出し、熱媒の温度を検出する度に、凍結開始時間を、当該検出での熱媒の温度を用いて更新する、とよい。

好適には、熱媒の循環経路には、熱媒を冷却するためのラジエタが接続され、配管は、断熱材に覆われ、制御部は、外気にさらされる集熱器の熱媒の凍結が始まるまでの第１凍結開始時間、および熱媒を冷却するラジエタの熱媒の凍結が始まるまでの第２凍結開始時間を予想し、第１凍結開始時間および第２凍結開始時間のうちの短い方の凍結開始時間が経過すると、集熱器の熱媒の温度およびラジエタの熱媒の温度を検出し、検出したいずれかの熱媒の温度が熱媒が凍結し始める温度以下である場合には、ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行する、とよい。

好適には、熱媒の循環経路では、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが環状に接続され、ポンプの動作により熱媒が循環経路を循環し、循環経路についての集熱器の前後に、供給温度センサと排出温度センサとを設けて供給温度センサ部と排出温度センサ部を構成し、ラジエタは、供給温度センサより上流側において循環経路に接続され、制御部は、熱媒の温度を検出する場合、ポンプを一時的に動作させて、ポンプの停止中に集熱器にあった熱媒を、排出温度センサ部にまで押し出すことにより検出し、ポンプの停止中にラジエタにあった熱媒を、供給温度センサ部にまで押し出すことにより検出する、とよい。

好適には、集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプは、断熱材に覆われた配管により接続され、制御部は、熱媒循環制御において、熱媒の温度が、熱媒が凍結しない制御温度以上になるまで、ポンプを連続的に動作させる、とよい。

好適には、熱媒循環制御を実行した場合、当該熱媒循環制御後の熱媒の検出温度を用いて凍結開始時間を予想する、とよい。

好適には、制御部は、熱媒が凍結する可能性のある時間帯において、凍結開始時間を繰り返し予想する、とよい。

本発明の第２の観点に係る熱媒の凍結防止制御方法は、太陽熱を熱媒の熱へ変換する集熱器における、熱媒の凍結防止制御方法であって、集熱器の熱媒を循環させるポンプを一時的に動作させることで、ポンプの停止中に集熱器にあった熱媒を、熱媒が循環する配管に設けた温度センサ部にまで押し出すステップと、温度センサ部により集熱器の熱媒の温度を検出して凍結状態を判断するステップと、集熱器の熱媒が凍結し始めている場合には、ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行するステップと、を有する。

本発明では、集熱器の内部またはラジエタの内部といった温度計測が困難で、熱媒の凍結が発生しやすい箇所の熱媒を、ポンプの一時的な動作により温度センサ部に押し出すことで、これらの温度を計測している。これにより、最小限のコストでこれらの温度を計測し、凍結防止制御に用いることができる。
また、検出した熱媒の温度を用いて集熱器またはラジエタの熱媒が凍結し始めるまでの凍結開始時間を予想し、その凍結開始時間が経過すると、ポンプを一時的に動作させて集熱器内部またはラジエタ内部の熱媒を温度センサ部に押し出して、熱媒の温度を検出する。
しかも、温度検出後にポンプは停止するが、次にポンプが動作するのは凍結開始時間経過直後であるため、仮に熱媒が凍結していたとしても、熱媒が凍結し始めたタイミングである。よって、凍結による熱媒の流動性の低下が抑えられ、ポンプを動作させることにより熱媒を容易に循環でき、短時間のポンプ動作により熱媒を凍結していない状態に戻すことができる。
これに対して、熱媒の凍結タイミングとは無関係な周期で熱媒の温度を検出して凍結開始を判断する場合には、ポンプを一時的に動作させる検出タイミングによっては、そのタイミングが長すぎることで熱媒の凍結が進行してしまっている、もしくは短すぎることで温度は凝固点よりも十分に高い可能性がある。長すぎる場合、凍結栓などが形成されて、ポンプを動作させたとしても熱媒を循環できず、熱媒を凍結していない状態に戻すことができない可能性が生じる。また、凍結を解除するためにヒータなどを併用する必要が生じ、コストアップ、ランニングコストの増加を招く。一方短すぎる場合、ポンプの動作が頻繁となり、ランニングコストのアップやポンプの寿命の低下を招く。
更に、本発明では、検出した熱媒の温度について凝固点と比較している。そして、検出温度が凝固点以下である場合に連続的にポンプを動作させている。よって、検出温度を凝固点より高い判定温度と比較してポンプを動作させる場合と比べて、ポンプの動作回数を減らすことができ、ランニングコストを削減することができる。
このように、本発明では、コストをかけて集熱器内部やラジエタ内部に新たな温度センサを設置することなく、また、熱媒の凍結を検出する回数およびそれに基づくポンプの一時的な動作の回数を減らし、しかも、凍結を検出した場合でのポンプの負荷および動作期間を削減できる。よって、本発明では、熱媒の凍結を防止するための各種のコストを総合的に削減できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る、太陽熱利用システムの概略構成図である。 図２は、図１の太陽熱利用システムにおける、熱媒の凍結防止制御のフローチャートである。 図３は、本発明の第２実施形態に係る、太陽熱利用システムの概略構成図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽熱利用システム１の概略構成図である。
図１の太陽熱利用システム１は、ポンプ２、集熱器３、タンク４、ラジエタ５、コントローラ（ＣＴＲＬ）６を有する。集熱器３とタンク４とは、分離されている。集熱器３とタンク４とは、一体化されてもよい。太陽熱利用システム１は、太陽熱を、タンク４の給湯用の水を加熱するために利用する。
ポンプ２、集熱器３、タンク４は、断熱材で覆われた配管７により環状に接続される。これにより、熱媒としての水が循環する循環経路が構成される。熱媒は、オイルなどの他の液体またはＣＯ_２などの気体でもよい。
ラジエタ５は、循環経路から分岐接続された配管７により、ポンプ２と集熱器３との間の配管７と並列に接続される。
循環経路とラジエタ５との分岐箇所には、コントローラ６により切り替え制御される第１切替バルブ８および第２切替バルブ９が設けられる。

集熱器３は、たとえば円筒状のガラス製の真空管１１内に、熱媒の内部循環路１２を有する。真空管１１の内部は、断熱性能を高めるために減圧されている。集熱器３は、いわゆる真空管形集熱器である。内部循環路１２は、配管７により循環経路に接続される。集熱器３へ供給された熱媒は、内部循環路１２を循環し、循環中に太陽エネルギーにより加熱される。集熱器３は、日陰になり難いビルの屋上、家屋の屋根に設置される。集熱器３は、真空管１１が太陽に対して直角になると、受光量が最大となる。集熱器３は、設置個所の緯度などに応じた角度により、設置される。真空管１１へ照射される太陽の光は、ほぼすべて、内部循環路１２へ照射される。

タンク４は、たとえばタンク本体２１と、熱交換器２２と、を有する。タンク本体２１は、断熱構造を有し、内部に給湯用の水を貯蔵する。熱交換器２２は、タンク本体２１内に配置され、循環経路に接続される。タンク４は、熱交換器２２により加熱された給湯用の温水を貯蔵できる。タンク本体２１には、給水管２３、排水管２４、給湯管２５が接続される。排水管２４には、タンク本体２１からの水道水の排出を制御する排水弁２６が設けられる。給湯管２５の先には水道水との混合用バルブが設置され、シャワー等で利用される温度になるよう、温水と水道水が混合される。排水弁２６は、コントローラ６に接続され、開閉が制御される。

ポンプ２は、たとえばモータ駆動される容積式ポンプである。ポンプ２は、配管７中に配置される。ポンプ２の力により、熱媒は、循環経路を循環する。コントローラ６は、ポンプ２を動作させ、停止させる。コントローラ６は、ポンプ２により、熱媒の流量を制御してもよい。

ラジエタ５は、たとえば屈曲された放熱管を有する。循環経路の配管７が断熱材により被覆されているのに対し、放熱管はそのような被覆が無い。ラジエタ５は、空冷ではなく、水冷でもよい。水冷のラジエタ５では、放熱管が冷却水に浸漬される。ラジエタ５を冷却するファンを備えてもよい。

コントローラ６は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ｉ／Ｆ（Inter Face）が内部バスで接続された１チップマイクロコンピュータである。コントローラ６は、第１切替バルブ８、第２切替バルブ９およびポンプ２に接続され、これらの動作を制御する。コントローラ６は、太陽熱利用システム１の動作を制御する。
コントローラ６には、時間を計測するタイマ（ＴＭＲ）３１が接続される。コントローラ６は、タイマ３１から時刻または時間の情報を取得し、太陽熱利用システム１の制御に利用する。
コントローラ６には、各種のセンサが接続される。本実施形態では、コントローラ６に、たとえば、熱媒の流量計３２、熱媒の供給温度センサ３３、熱媒の排出温度センサ３４、外気温センサ３５、日射量センサ３６が接続される。

流量計３２は、たとえばオリフィス流量計である。流量計３２は、たとえば熱媒の供給路に配置される。流量計３２は、集熱器３からタンク４までの熱媒の排出路に配置されてもよい。流量計３２は、ポンプ２により循環される熱媒の流量（Ｑ）を計測し、その計測値をコントローラ６へ出力する。

供給温度センサ３３、排出温度センサ３４、または外気温センサ３５は、たとえば熱電対、サーミスタである。供給温度センサ３３は、熱媒の供給路に配置され、集熱器３へ供給される加熱前の熱媒の温度（Ｔｉ）を検出する。図１では、ポンプ２と集熱器３との間に配置される。排出温度センサ３４は、熱媒の排出路に配置され、集熱器３から出力される加熱後の熱媒の温度（Ｔｏ）を検出する。なお、流量計３２に熱線式流量計を使用し、供給温度センサ３３または排出温度センサ３４と兼用してもよい。外気温センサ３５は、たとえば集熱器３の周辺に配置され、外気温（Ｔａｍｂ）を計測する。供給温度センサ３３、排出温度センサ３４、または外気温センサ３５は、計測した温度の値をコントローラ６へ出力する。

日射量センサ３６は、たとえば集熱器３の周囲に設置される。日射量センサ３６は、集熱器３の日射量（Ｇ）を計測し、その実測値をコントローラ６へ出力する。

次に、図１の太陽熱利用システム１の動作について説明する。
図１の太陽熱利用システム１において、コントローラ６は、タンク４の給湯用の水を太陽熱で加熱するための制御を実行する。

コントローラ６は、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、配管７側に切り替える。
タンク４内の給湯用の水の温度が所定の熱媒温度以下に冷たい場合、コントローラ６は、ポンプ２を動作させる。熱媒は、循環経路で循環する。
熱媒の温度には、供給温度センサ３３または排出温度センサ３４により実測された温度、または日射量センサ３６の実測値の積算値などから演算した温度を利用すればよい。

熱媒の循環が開始されると、ポンプ２から送り出された熱媒は、供給路を通じて集熱器３へ供給される。熱媒は、集熱器３の内部循環路１２を循環する際に、集熱器３に照射される太陽エネルギーにより加熱される。集熱器３において加熱された熱媒は、集熱器３の出口から排出路へ出力され、タンク４へ供給される。熱交換器２２において、熱媒の熱の一部が給湯用の水へ移動する。タンク４内のたとえば常温の給湯用の水は、加熱される。これにより、タンク４内に蓄積されている給湯用の水の温度が上昇する。

タンク４内の給湯用の温水が所定の温度以上もしくは熱媒温度以下になると、コントローラ６は、ポンプ２を停止させ、熱媒の循環を停止する。これにより、タンク４内の給湯用の温水の温度は、所定の温度以下に制御される。

タンク４内の給湯用の温水を使用する場合、温水は、給湯管２５から供給され、たとえばタンク４外で水と混合され、適温で利用される。
タンク４内の水が利用されると、水道圧により、タンク４内へ新たな常温の水が追加される。
タンク４内の水の温度が熱媒温度以下になる度に、コントローラ６は、上述した太陽熱によるタンク４の水を加熱する制御を繰り返し実行する。制御の度に、ポンプ２は、動作と停止とを繰り返す。
なお、太陽の日射は、昼間のみであり、夜間はない。コントローラ６は、日射量センサ３６により日射が検出されている期間に、またはタイマ３１の計測時間により判断される日中期間に、熱媒を循環させるように加熱制御を実行してよい。

また、コントローラ６は、供給温度センサ３３、排出温度センサ３４、外気温センサ３５などの実測値を用いて、熱媒が沸騰しないように、熱媒の冷却制御を実行する。
冷却制御が開始した場合、コントローラ６は、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を配管７からラジエタ５へ切り替え、ポンプ２を動作させる。これにより、熱媒は、ラジエタ５を循環して冷却される。
熱媒の温度が低下すると、コントローラ６は、ポンプ２を停止し、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９をラジエタ５から配管７へ切り替える。

ところで、図１の太陽熱利用システム１では、集熱器３では主に放射冷却により、ラジエタ５では主に外気との接触により、熱媒の熱が奪われるため、熱媒が凝固して凍結する可能性がある。水の凝固点は約０度である。水に凍結防止剤をまぜたとしても、凍結する可能性がある。
このため、図１の太陽熱利用システム１では、上述した太陽熱による加熱制御に加えて、熱媒を凍結させない制御を実行する。
図２は、図１の太陽熱利用システム１における、熱媒の凍結防止制御のフローチャートである。
熱媒を凍結させないために、コントローラ６は、太陽熱利用システム１の動作期間中に周期的に、熱媒の温度を検出し、熱媒が凍結する場合には、ポンプ２を動作させて熱媒循環制御を実行する。
また、配管７が断熱材で覆われ、タンク３が断熱構造を有することから、熱媒は、一般的に、集熱器３およびラジエタ５において最も冷却される。集熱器３では、放射冷却により、熱媒の温度が外気より低い温度になることがある。
熱媒が凍結すると、熱媒の体積が凝固により増え、太陽熱利用システム１中の機器が破損する可能性がある。

図２の凍結防止制御において、コントローラ６は、まず、凍結防止制御が必要であるか否かを判断する（ＳＴ１）。
たとえばタイマ３１により計測される時刻がたとえば夜間などの凍結可能性のある時間帯である場合、コントローラ６は、凍結防止制御が必要であると判断する。この他にも、外気温センサ３５に検出される外気温が熱媒の凝固点に低下している場合、コントローラ６は、凍結防止制御が必要であると判断してよい。また、時間帯のみならず、季節、月等をも考慮して、凍結防止制御の要否を判断してよい。
そして、熱媒の凍結防止制御が不要であると判断した場合、コントローラ６は、凍結防止制御を実行することなく、図２の処理を終了する。

凍結防止制御が必要であると判断した場合、コントローラ６は、熱媒の温度を検出する。
集熱器３は、一般的に集熱器３内部の熱媒の温度を検出する機能を持たない。集熱器３と配管７の接続部周辺に温度センサを設けたとしても、集熱器３内部の熱媒は放射冷却により外気温より低い温度に冷却されるので、集熱器３内部の熱媒の温度を検出することにならない。また、ラジエタ５も同様に内部の熱媒の温度を検出する機能を持っておらず、温度センサ設置のためには追加的なコストが発生する。
そこで、本実施形態では、コントローラ６は、熱媒の沸騰防止制御や加熱制御などで用いる供給温度センサ３３および排出温度センサ３４を用いて、集熱器３の熱媒の温度およびラジエタ５の熱媒の温度を検出する。

コントローラ６は、ポンプ２を所定時間動作させる（ＳＴ２）。
また、コントローラ６は、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、配管７からラジエタ５へ切り替える。
ポンプ２の動作時間は、集熱器３の熱媒が排出温度センサ３４まで移動するのに十分であり、かつ、ラジエタ５の熱媒が供給温度センサ３３まで移動するのに十分な時間とする。動作時間は、熱媒の検出流量Ｑと配管７の長さに基づいて演算されたものでも、予め設定された固定値でもよい。本実施形態では、熱媒の凍結が始まっている状態で検出する可能性がある。このため、熱媒の検出流量Ｑを用いて最少の動作時間を演算し、使用するのが望ましい。

ポンプ２を所定時間動作させた後、コントローラ６は、排出温度センサ３４により集熱器３の熱媒の温度を検出し、供給温度センサ３３によりラジエタ５の熱媒の温度を検出する（ＳＴ３）。

熱媒の温度を検出した後、コントローラ６は、いずれかの検出温度が熱媒の凝固点以下であるか否かを判断する（ＳＴ４）。水が凝固して凍結する温度は、約０度である。

双方の検出温度が熱媒の凝固点以下でない場合、コントローラ６は、今回の検出タイミングにおいて、熱媒循環制御を実行しない。コントローラ６は、次回の検出タイミングを規定する凍結開始時間を演算する（ＳＴ５）。
コントローラ６は、集熱器３の熱媒の凍結が始まると予想される時点までの第１凍結開始時間と、ラジエタ５の熱媒の凍結が始まると予想される時点までの第２凍結開始時間とを演算し、これらの短い方を、制御に使用する凍結開始時間とする。

集熱器３の熱媒の凍結が始まると予想される時点までの第１凍結開始時間は、たとえば以下のように演算できる。
本実施形態の集熱器３は、真空管形である。この場合、集熱器３から天空へ輻射放熱される放熱量は、下記式１、式２により演算できる。
なお、内部循環路１２が真空断熱されていないたとえば所謂平板形集熱器では、この輻射放熱ととともに対流放熱を考慮する必要がある。
式１は、Ｂｒｕｎｔの式と呼ばれ、放射熱量Ｑｃ［Ｊ／ｍ^２／ｓ］を演算する式である。εは輻射率であり、σ［Ｗ／ｍ^２Ｋ^４］はステファン・ボルツマン定数であり、Ｔｃ［Ｋ］は集熱器３の温度であり、Ｔａ［Ｋ］は外気温度であり、Ｃｆは雲量であり、ＲＨは相対湿度であり、ρ’［ｈＰａ］は飽和水蒸気圧である。また、通常、晴天日を考えればよいので、雲量は「０」とできる。
ここで、時間ｄｔの間に、温度変化ｄＴｃが生じたとすると、式２の方程式が成立する。これを用いて、ｔ［ｓｅｃ］後のＴｃ［Ｋ］を解くことができる。
本実施形態では、Ｔｃが０度（＝２７３Ｋ）となるｔ［ｓｅｃ］を、第１凍結開始時間として演算する。
式２において、Ｃｐｃ［Ｊ／ｍ^２Ｋ］は、集熱器３の比熱である。
なお、εは、集熱器３毎に特有の値である。この値は、あらかじめコントローラ６のＲＯＭに記憶させればよい。Ｔａ［Ｋ］、ＲＨ、ρ’には、検出した計測値を用いるが、過去の最小値を調査し、その最小値をあらかじめコントローラ６のＲＯＭに記憶させてもよい。最小値を用いた場合、実測値を用いる場合より、第１凍結開始時間が短くなるため、検出頻度（すなわち、ポンプの動作頻度）が増加し、ランニングコストはアップするが、これらの検出のためのセンサが不要となる。

ラジエタ５の熱媒の凍結が始まると予想される時点までの第２凍結開始時間は、たとえば以下の式３を用いて演算できる。
式３は、ＪＩＳ Ａ９５０１（保温保冷工事標準）による、ｔ［ｈ］後のラジエタの配管温度θ［℃］を演算する式である。θｔｍ［℃］は初期水温であり、θａ［℃］は外気温度であり、ｑ_ｗｐ［Ｗ／ｍ］は拡散熱量であり、ｔ［ｈ］は経過時間であり、ｍ_ｗ［ｋｇ］は保有水質量であり、Ｃｐｗ［ｋＪ／ｋｇＫ］は保有水比熱であり、ｍ_ｐ［ｋｇ］は配管質量であり、Ｃｐｐ［ｋＪ／ｋｇＫ］は配管比熱であり、ｈｓｅ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］は表面熱伝達率であり、Ｔｓｅ［Ｋ］は表面温度であり、θｓｅ［℃］は表面温度であり、Ｄｅ［ｍ］は配管外形であり、εは輻射率であり、ｗ［ｍ／ｓｅｃ］は風速である。自然対流の場合には風速ｗは、０［ｍ／ｓｅｃ］でよい。
なお、ｍ_ｗ［ｋｇ］、Ｃｐｗ［ｋＪ／ｋｇＫ］、ｍ_ｐ［ｋｇ］、Ｃｐｐ［ｋＪ／ｋｇＫ］、ｈｓｅ［Ｗ／ｍ^２Ｋ］、Ｄｅ［ｍ］、εは、ラジエタ５毎に固有の値である。この値は、あらかじめコントローラ６のＲＯＭに記憶させればよい。θａ［℃］、Ｔｓｅ［Ｋ］、θｓｅ［℃］には、検出した計測値を用いるが、過去の最小値を調査し、その最小値をあらかじめコントローラ６のＲＯＭに記憶させてもよい。最小値を用いた場合、実測値を用いる場合より、第２凍結開始時間が短くなるため、検出頻度（すなわち、ポンプの動作頻度）が増加し、ランニングコストはアップするが、これらの検出のためのセンサが不要となる。

凍結開始時間を演算すると、コントローラ６は、当該凍結開始時間の経過を待つ（ＳＴ６）。
タイマ３１の経過時間が凍結開始時間を経過したと判断すると、コントローラ６の処理は、ステップＳＴ１に戻る。
このように、コントローラ６は、検出した熱媒の温度を用いて熱媒の凍結が始まるまでの凍結開始時間を予想することと、当該凍結開始時間が経過すると熱媒の温度を検出することとを、凍結開始時間毎に繰り返し実行する。
また、ステップＳＴ１において凍結防止が不要であると判断すると、図２の凍結防止処理を終了する。コントローラ６は、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９を、ラジエタ５から配管７へ切り替える。

ステップＳＴ４において集熱器３の熱媒の温度またはラジエタ５の熱媒の温度のいずれかの検出温度が熱媒の凝固点以下であると判断すると、コントローラ６は、熱媒循環制御を実行する。
熱媒循環制御において、コントローラ６は、まず、ポンプ２を動作させる（ＳＴ７）。
その後、コントローラ６は、集熱器３の熱媒の温度、およびラジエタ５の熱媒の温度を検出する（ＳＴ８）。
熱媒の温度を検出した後、コントローラ６は、双方の検出温度が、熱媒が凍結しない制御温度以上であるか否かを判断する（ＳＴ９）。
制御温度は、たとえば熱媒が凝固する凝固点より数度高い温度とする。たとえば水の凝固点に対して、２度であればよい。本実施形態では、熱媒の凍結防止をする制御において、ポンプ２を動作させるだけである。この場合、循環される熱媒は、配管７との摩擦熱、動作するポンプ２の発熱のみにより加熱される。
双方の検出温度が制御温度以上である場合、コントローラ６は、ポンプ２を停止する。
また、ＳＴ８およびＳＴ９は、ポンプ２の運転時間をカウントし、熱媒が過熱するに足る一定時間の経過後にポンプ２が停止するような制御としてもよい。

以上の熱媒循環制御により、熱媒は、ＳＴ７においてポンプ２を動作させてから、ＳＴ１０でポンプ２を停止するまでの期間、循環され、温められる。なお、ポンプ２は、この連続的な期間において、不断で、または断続的に動作すればよい。

そして、この熱媒循環制御を終えると、コントローラ６の処理は、ＳＴ５に移る。コントローラ６は、熱媒循環制御終了時に検出した集熱器３の熱媒の温度を用いて第１凍結開始時間を演算し、熱媒循環制御終了時に検出したラジエタ５の熱媒の温度を用いて第２凍結開始時間を演算し、いずれか短い方を、制御に使用する凍結開始時間とする。その後のコントローラ６の処理は、上述したものと同様である。

以上のように、第１実施形態では、集熱器３の熱媒が凍結するまでの期間毎に繰り返して集熱器３の熱媒の温度を検出し、熱媒が凍結する場合にはポンプを動作させて熱媒循環制御を実行する。また、ラジエタ５の熱媒が凍結するまでの期間毎に繰り返してラジエタ５の熱媒の温度を検出し、熱媒が凍結する場合にはポンプを動作させて熱媒循環制御を実行する。集熱器３およびラジエタ５は、配管７と異なり、断熱材で覆われていない。このように熱媒が凍結しやすい個所での凍結を防止することにより、太陽熱利用システム１の全体での熱媒の凍結を防止できる。
特に、第１実施形態では、加熱制御や沸騰防止制御に用いる供給温度センサ３３、排出温度センサ３４を利用して、凍結防止制御を行えるため、凍結防止のための追加的な初期コストが発生しない。また、検出した熱媒の温度を用いて熱媒の凍結が始まるまでの凍結開始時間を予想し、その凍結開始時間が経過すると、ポンプ２を一時的に動作させて集熱器３の内部やラジエタ５の内部の熱媒を温度センサ部に押し出して、熱媒の温度を検出する。
しかも、第１実施形態の検出タイミングにおいて、温度検出後にポンプ２は停止するが、次にポンプ２が動作するのは凍結開始時間経過直後であるため、仮に熱媒が凍結していたとしても、熱媒が凍結し始めたタイミングである。よって、凍結による熱媒の流動性の低下が抑えられ、ポンプ２を動作させることにより熱媒を容易に循環でき、短時間のポンプ２の動作により熱媒を凍結していない状態に戻すことができる。
これに対して、熱媒の凍結タイミングとは無関係な周期で熱媒の温度を検出して凍結開始を判断する場合には、ポンプ２を一時的に動作させる検出タイミングによっては、そのタイミングが長すぎることで熱媒の凍結が進行してしまっている、もしくは短すぎることで温度は凝固点よりも十分に高い可能性がある。長すぎる場合、凍結栓などが形成されて、ポンプ２を動作させたとしても熱媒を循環できず、熱媒を凍結していない状態に戻すことができない可能性が生じる。また、凍結を解除するためにヒータなどを併用する必要が生じ、コストアップ、ランニングコストの増加を招く。一方短すぎる場合、ポンプの動作が頻繁となり、ランニングコストのアップやポンプの寿命の低下を招く。
更に、第１実施形態では、検出した熱媒の温度について凝固点と比較している。そして、検出温度が凝固点以下である場合にポンプ２を動作させている。よって、検出温度を凝固点より高い判定温度と比較してポンプ２を動作させる場合と比べて、ポンプ２の動作回数を減らすことができ、ランニングコストを削減することができる。
このように、第１実施形態では、コストをかけて集熱器３の内部やラジエタ５の内部に温度センサを設置することなく、また、熱媒の凍結を検出する回数およびそれに基づくポンプ２の一時的な動作回数を減らし、しかも、凍結を検出した場合でのポンプ２の負荷および動作期間を削減できる。よって、本発明では、熱媒の凍結を防止するための各種のコストを総合的に削減できる。
よって、第１実施形態では、落水タンクや不凍液を用いることなく、ポンプ２による熱媒の循環により、熱媒の凍結を効果的に抑制できる。しかも、このポンプ２による熱媒の循環を開始する温度を凝固点としているため、判定温度を下げ、ポンプ２の動作回数および動作時間を最小化できる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱利用システム４１の概略構成図である。
図３の太陽熱利用システム４１は、太陽熱で室内を冷房するものであり、熱を伝える媒体として、太陽熱で加熱される熱媒と、熱媒の熱で加熱されて循環する冷媒と、冷却する室内へ循環する水とを用いる。

図３の太陽熱利用システム４１は、ポンプ２、集熱器３、熱交換器４２、ラジエタ５、コントローラ６を有する。
集熱器３、熱交換器４２、ポンプ２は、断熱材で被覆された配管７により環状に接続され、熱媒としての水が循環する循環経路を構成する。
ラジエタ５は、ポンプ２と集熱器３との間の熱媒の供給路と並列に接続される。ラジエタ５とこれと並列の循環経路の配管７との分岐箇所には、コントローラ６により切り替え制御される第１切替バルブ８および第２切替バルブ９が設けられる。
コントローラ６には、タイマ３１と、図示しない各種のセンサが接続される。コントローラ６には、たとえば、図１と同様に、熱媒の流量計３２、熱媒の供給温度センサ３３、熱媒の排出温度センサ３４、外気温センサ３５、日射量センサ３６が接続される。
コントローラ６は、第２実施形態と同様に、太陽熱で加熱された熱媒を熱交換器４２へ循環させる太陽熱の利用制御と、熱媒の沸騰防止制御とを実行する。

熱交換器４２は、吸収式冷凍機４３に配置される。
ファンコイルユニット４４と吸収式冷凍機４３は配管により接続される。ファンコイルユニット４４と吸収式冷凍機４３との間で、水が循環される。室内の熱は、水により、吸収式冷凍機４３へ移動する。
図３に示すように、吸収式冷凍機４３では、冷媒としての水の気化熱を利用して熱交換を実施する。吸収式冷凍機４３では、蒸発器５１、吸収器５２、再生器５３および凝縮器５４の４つが配管により接続される。

熱交換器４２は、再生器５３に配置される。再生器５３は、水を含む吸収液を収容する。水を含む吸収液には、臭化リチウム水溶液がある。熱交換器４２の熱により、水を含む吸収液を加熱し、水蒸気を発生させる。

凝縮器５４は、再生器５３に接続される。再生器５３で気化した水蒸気は、凝縮器５４において凝縮して液化する。凝縮器５４において、凝縮水が生成される。
蒸発器５１は、凝縮器５４に接続される。蒸発器５１には、ファンコイルユニット４４に接続された水の熱交換器が配置される。蒸発器５１に供給された凝縮水は、ファンコイルユニット４４を介して室内から移動した熱により、気化する。
吸収器５２は、蒸発器５１と再生器５３との間に接続される。蒸発器５１で気化した水蒸気は、吸収器５２において、再生器５３から供給される水分が気化されて高濃度となった吸収液に吸収され、吸収液は低濃度になる。低濃度の吸収液は、再び、再生器５３へ供給される。

この太陽熱利用システム４１では、コントローラ６がポンプ２を駆動することにより、太陽熱で加熱された熱媒が、吸収式冷凍機４３の再生器５３へ供給される。熱媒の熱により、再生器５３において、吸収液から水蒸気が分離される。水蒸気は凝縮器５４で液化し、蒸発器５１においてファンコイルユニット４４とからくる水の冷却に用いられ、再び水蒸気となる。この水蒸気は、吸収器において凝縮し、高濃度の吸収液と混ざって再生器５３へ供給され、再利用される。

以上のように、第２実施形態では、太陽熱を利用して冷房ができる。具体的には、太陽熱は、冷媒が循環する蒸発、吸収、再生および凝縮の４過程のうちの、冷媒を含む吸収液から冷媒を気化により分離して再生する再生器５３において、吸収液を加熱するために利用される。
また、第２実施形態でも、熱媒の凍結防止制御を実行するので、第１実施形態と同様に、熱媒の凍結の発生を効果的に抑制できる。

以上の実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形または変更が可能である。

たとえば上記実施形態では、熱媒の温度検出、凍結開始時間の演算、および熱媒循環制御の終了判定において、集熱器３の熱媒の温度の実測値と、ラジエタ５の熱媒の温度の実測値とを用いている。
この他にもたとえば、ラジエタ５を持たない太陽熱利用システム１，４１の場合、または、設置条件などにより、ラジエタ５での熱媒の温度が、集熱器３の熱媒の温度より常に高く維持される場合などにおいては、集熱器３の熱媒の温度のみを検出してよい。

上記実施形態では、凍結防止のために熱媒の温度を検出する度に、次回の検出までの時間として利用される凍結開始時間を、毎回更新している。
この他にもたとえば、熱媒の検出温度が安定している場合には、前回使用した凍結開始時間を、次回の凍結開始時間に再利用してよい。

上記実施形態では、集熱器３のハウジングとしての真空管１１の内部は、断熱性能を高めるために減圧されている。
この他にもたとえば、集熱器３のハウジングの内部は、大気圧でもよい。この場合、集熱器３の内部循環路１２の熱媒は、対流により放熱する。よって、集熱器３の熱媒の凍結が始まるまでの凍結開始時間には、輻射放熱と対流放熱とを考慮する必要がある。

上記実施形態では、ラジエタ５は、集熱器３、タンク４およびポンプ２が環状に接続された循環経路のうちの、タンク４から集熱器３までの熱媒の供給路と並列に接続されている。このため、熱媒循環制御において熱媒を循環させると、熱媒はタンク４をも循環する。タンク４に蓄積された温水等は、冷たい熱媒により冷却されてしまう。
この他にもたとえば、ラジエタ５は、タンク４と並列に接続されてよい。この場合、第１切替バルブ８および第２切替バルブ９の切り替えにより、ラジエタ５とタンク４とが切り替えられるので、熱媒循環制御において熱媒を循環させても、冷たい熱媒がタンク４に循環しなくなる。
また、ラジエタ５は、集熱器３からタンク４までの熱媒の排出路と並列に接続されてもよい。
さらに、タンク４の配管出入口部分に、熱媒循環制御時にのみ熱媒が流れるバイパス回路を設けてもよい。

上記実施形態では、集熱器３で加熱される熱媒としての水は、タンク４に設けた熱交換器２２の熱交換器２２を循環する。
この他にもたとえば、タンク４の水そのものを、集熱器３に直接注入し、循環させてもよい。この場合、凍結防止制御においてタンク４に蓄積されていた温水が循環するので、仮に集熱器３またはラジエタ５において熱媒の凍結が進んで凝固した熱媒の栓が形成されたとしても、これを溶かして熱媒が循環できるように復旧させることができる。

［実施の形態の効果］
以上の実施形態および変形例は、たとえば以下の効果を奏する。
上記実施形態では、集熱器３の内部やラジエタ５の内部といった温度計測が困難で、熱媒の凍結が発生しやすい箇所の熱媒を、ポンプ２の一時的な動作により温度センサ部に押し出すことで、これらの温度を計測している。これにより、これらの箇所にコストをかけて温度センサを設置する場合と比べて、最小限のコストでこれらの温度を計測し、凍結防止制御に用いることができる。
また、検出した熱媒の温度を用いて熱媒の凍結が始まるまでの凍結開始時間を予想し、その凍結開始時間が経過すると、ポンプ２を一時的に動作させて集熱器３の内部やラジエタ５の内部の熱媒を温度センサ部に押し出して、熱媒の温度を検出する。温度検出後にポンプ２は停止するが、次にポンプ２が動作するのは凍結開始時間経過直後であるため、仮に熱媒が凍結していたとしても、熱媒が凍結し始めたタイミングである。よって、凍結による熱媒の流動性の低下が抑えられ、ポンプ２を動作させることにより熱媒を容易に循環でき、短時間のポンプ動作により熱媒を凍結していない状態に戻すことができる。
これに対して、熱媒の凍結タイミングとは無関係な周期で熱媒の温度を検出して凍結開始を判断する場合には、ポンプ２を一時的に動作させる検出タイミングによっては、そのタイミングが長すぎることで熱媒の凍結が進行してしまっている、もしくは短すぎることで温度は凝固点よりも十分に高い可能性がある。長すぎる場合、凍結栓などが形成されて、ポンプ２を動作させたとしても熱媒を循環できず、熱媒を凍結していない状態に戻すことができない可能性が生じる。また、凍結を解除するためにヒータなどを併用する必要が生じ、コストアップ、ランニングコストの増加を招く。一方短すぎる場合、ポンプ２の動作が頻繁となり、ランニングコストのアップやポンプの寿命の低下を招く。
しかも、上記実施形態では、検出した熱媒の温度と凝固点とを比較し、検出温度が凝固点以下である場合にポンプ２を連続的に動作させることで、熱媒を加熱して、凍結を防止している。よって、検出温度を凝固点より高い判定温度と比較してポンプを動作させる場合と比べて、ポンプ２の動作回数を抑えることができ、ランニングコストを削減することができる。
このように、上記実施形態では、コストをかけて集熱器３内部やラジエタ５内部に温度センサを設置することなく、また、熱媒の凍結の検出のためのポンプ２の一時的な動作の回数を極力減らして、ポンプ２の凍結防止動作によるランニングコストの増加を抑えることができる。よって、熱媒の凍結を防止するための各種のコストを総合的に削減できる。

１，４１…太陽熱利用システム
２…ポンプ
３…集熱器
４…タンク
５…ラジエタ
６…コントローラ（制御部）
７…配管
３３…供給温度センサ
３４…排出温度センサ
４２…熱交換器

Claims (9)

1. 集熱器、タンクまたは熱交換器、およびポンプが配管により接続された熱媒の循環経路と、
   前記配管に設けられた温度センサ部と、
   前記ポンプを制御し、熱媒を循環させる制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記ポンプを一時的に動作させることで、前記ポンプの停止中に前記集熱器にあった熱媒を、前記配管に設けた温度センサ部にまで押し出し、
   前記温度センサ部により前記集熱器の熱媒の温度を検出して凍結状態を判断し、
   前記集熱器の熱媒が凍結し始めている場合には、前記ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行する
   太陽熱利用システム。
2. 前記制御部は、
   前記温度センサ部により検出した熱媒の温度を用いて前記集熱器の熱媒が凍結し始めるまでの凍結開始時間を予想し、
   当該凍結開始時間が経過した場合、前記ポンプを一時的に動作させて前記温度センサ部により前記集熱器の熱媒の温度を検出する
   請求項１記載の太陽熱利用システム。
3. 前記制御部は、
   前記凍結開始時間毎に、熱媒の温度を繰り返し検出し、
   熱媒の温度を検出する度に、前記凍結開始時間を、当該検出での熱媒の温度を用いて更新する
   請求項２記載の太陽熱利用システム。
4. 前記熱媒の循環経路には、熱媒を冷却するためのラジエタが接続され、
   前記配管は、断熱材に覆われ、
   前記制御部は、
   外気にさらされる前記集熱器の熱媒の凍結が始まるまでの第１凍結開始時間、および熱媒を冷却する前記ラジエタの熱媒の凍結が始まるまでの第２凍結開始時間を予想し、
   前記第１凍結開始時間および前記第２凍結開始時間のうちの短い方の凍結開始時間が経過すると、前記集熱器の熱媒の温度および前記ラジエタの熱媒の温度を検出し、
   検出したいずれかの熱媒の温度が熱媒が凍結し始める温度以下である場合には、前記ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行する
   請求項１から３のいずれか一項記載の太陽熱利用システム。
5. 熱媒の前記循環経路では、前記集熱器、前記タンクまたは前記熱交換器、および前記ポンプが環状に接続され、
   前記ポンプの動作により熱媒が前記循環経路を循環し、
   前記循環経路についての前記集熱器の前後に、供給温度センサと排出温度センサとを設けて供給温度センサ部と排出温度センサ部を構成し、
   前記ラジエタは、前記供給温度センサより上流側において前記循環経路に接続され、
   前記制御部は、
   熱媒の温度を検出する場合、前記ポンプを一時的に動作させて、前記ポンプの停止中に前記集熱器にあった熱媒を、前記排出温度センサ部にまで押し出すことにより検出し、前記ポンプの停止中に前記ラジエタにあった熱媒を、前記供給温度センサ部にまで押し出すことにより検出する
   請求項４記載の太陽熱利用システム。
6. 前記集熱器、前記タンクまたは前記熱交換器、および前記ポンプは、断熱材に覆われた配管により接続され、
   前記制御部は、
   前記熱媒循環制御において、熱媒の温度が、熱媒が凍結しない制御温度以上になるまで、前記ポンプを連続的に動作させる
   請求項１記載の太陽熱利用システム。
7. 前記制御部は、
   前記熱媒循環制御を実行した場合、当該熱媒循環制御後の熱媒の検出温度を用いて前記凍結開始時間を予想する
   請求項６記載の太陽熱利用システム。
8. 前記制御部は、
   熱媒が凍結する可能性のある時間帯において、前記凍結開始時間を繰り返し予想する
   請求項１記載の太陽熱利用システム。
9. 太陽熱を熱媒の熱へ変換する集熱器における、熱媒の凍結防止制御方法であって、
   前記集熱器の熱媒を循環させるポンプを一時的に動作させることで、前記ポンプの停止中に前記集熱器にあった熱媒を、前記熱媒が循環する配管に設けた温度センサ部にまで押し出すステップと、
   前記温度センサ部により前記集熱器の熱媒の温度を検出して凍結状態を判断するステップと、
   前記集熱器の熱媒が凍結し始めている場合には、前記ポンプを連続的に動作させて熱媒を循環させる熱媒循環制御を実行するステップと、
   を有する熱媒の凍結防止制御方法。

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