JP6501990B1 - 蓄熱器、蓄熱システム及び蓄熱方法 - Google Patents
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Abstract
蓄熱器は、温度により親水性と疎水性とを示す高分子及び水を有する蓄熱材料と、加熱用流体と熱交換して蓄熱材料を加熱して蓄熱材料に蓄熱すると共に、熱利用流体と熱交換して蓄熱材料から吸熱して蓄熱材料から放熱させる熱交換器と、蓄熱材料が充填され、熱交換器が収容された容器と、を備える。
Description
本発明は、熱を蓄える蓄熱器、蓄熱システム及び蓄熱方法に関する。
従来、給湯器等に利用される蓄熱システムに設けられた熱を蓄える蓄熱器が知られている。特許文献１には、蓄熱材料と伝熱管とフィンとを収容し上部に開口部が設けられた反応容器と、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部とを収容し、凝縮した水が輸送される水輸送経路が内部に形成された蓄熱材容器が開示されている。また、特許文献１には、蓄熱材容器を備えた給湯器である蓄熱システムが開示されている。特許文献１の蓄熱材容器は、蓄熱材料から脱離した水蒸気が、反応容器の開口部を通って上昇して反応容器の外部に流出し、凝縮部で凝縮して水となって、水が水輸送経路を通って水貯留部に貯留される。
しかしながら、特許文献１に開示された蓄熱材容器は、蓄熱材料を収容する反応容器の外部に、凝縮部と水輸送経路とを設けているため、蓄熱材容器及び蓄熱材容器を備える蓄熱システムが大型化してしまう。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型化を実現する蓄熱器、蓄熱システム及び蓄熱方法を提供するものである。
本発明に係る蓄熱器は、温度により親水性と疎水性とを示す高分子及び水を有する蓄熱材料と、加熱用流体と熱交換して蓄熱材料を加熱して蓄熱材料に蓄熱すると共に、熱利用流体と熱交換して蓄熱材料から吸熱して蓄熱材料から放熱させる熱交換器と、蓄熱材料が充填され、熱交換器が収容された容器と、を備え、熱交換器は、加熱用流体が流れる加熱配管と、熱利用流体が流れる熱利用配管と、を有する。
本発明によれば、蓄熱器が、熱交換器と容器とのほかに、温度により親水性と疎水性とを示す高分子及び水を有する蓄熱材料を備えている。蓄熱材料への蓄熱及び蓄熱材料からの放熱時に、水は液体状態である。このため、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した水が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱器を小型化することができる。
実施の形態１．
以下、本発明に係る蓄熱器、蓄熱システム及び蓄熱方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱器１００を示す模式図である。
以下、本発明に係る蓄熱器、蓄熱システム及び蓄熱方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱器１００を示す模式図である。
（蓄熱器１００）
図１に示すように、蓄熱器１００は、容器６１と、熱交換器６５と、蓄熱材料９０とを備えている。容器６１は、例えば略直方体状をなしており、材質はＳＵＳ（ステンレス鋼材）であり、厚みは１ｍｍである。容器６１の内部には、蓄熱材料９０が充填されており、最上部に空気層９５が形成されている。また、容器６１は、熱交換器６５を収容しており、上面及び下面に、熱交換器６５の加熱配管６６及び熱利用配管６７が挿入される複数の開口が形成されている。
図１に示すように、蓄熱器１００は、容器６１と、熱交換器６５と、蓄熱材料９０とを備えている。容器６１は、例えば略直方体状をなしており、材質はＳＵＳ（ステンレス鋼材）であり、厚みは１ｍｍである。容器６１の内部には、蓄熱材料９０が充填されており、最上部に空気層９５が形成されている。また、容器６１は、熱交換器６５を収容しており、上面及び下面に、熱交換器６５の加熱配管６６及び熱利用配管６７が挿入される複数の開口が形成されている。
熱交換器６５は、例えばフィンアンドチューブ型であり、加熱配管６６と熱利用配管６７と複数のフィン６８とを有している。加熱配管６６は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものであり、内部に蓄熱材料９０を加熱するための加熱用流体が流れる。加熱配管６６は、容器６１の上面及び下面に形成された開口に挿入されており、容器６１の内部と外部とに跨って設けられている。なお、加熱配管６６の両端には、継手６９が設けられている。継手６９の種類は、蓄熱器１００が設けられる蓄熱システム５００の構造に応じて適宜変更可能であり、例えばクイックファスナー継手又はＳｗａｇｅｌｏｋ継手等が挙げられる。加熱配管６６に継手６９が設けられることにより、蓄熱器１００を蓄熱システム５００に接続することが容易となる。
熱利用配管６７は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものであり、内部に蓄熱材料９０から吸熱するための熱利用流体が流れる。熱利用配管６７は、容器６１の上面及び下面に形成された開口に挿入されており、容器６１の内部と外部とに跨って設けられている。なお、熱利用配管６７の両端には、継手６９が設けられている。継手６９の種類は、蓄熱器１００が設けられる蓄熱システム５００の構造に応じて適宜変更可能であり、例えばクイックファスナー継手又はＳｗａｇｅｌｏｋ継手等が挙げられる。熱利用配管６７に継手６９が設けられることにより、蓄熱器１００を蓄熱システム５００に接続することが容易となる。
フィン６８は、例えばＳＵＳ又はＡｌ等の金属を板状に加工したプレートであり、略平行に並べられている。フィン６８には複数の開口が形成されており、加熱配管６６及び熱利用配管６７が、それぞれ複数回往復しつつ略平行に並べられた複数のフィン６８の開口に挿入されている。熱交換器６５は、加熱用流体と熱交換して蓄熱材料９０を加熱して蓄熱材料９０に蓄熱すると共に、熱利用流体と熱交換して蓄熱材料９０から吸熱して蓄熱材料９０から放熱させる。
本実施の形態１では、加熱用流体が鉛直方向の上方から下方に流れ、熱利用流体が下方から上方に流れる場合について例示しているが、加熱用流体と熱利用流体とが逆向きに流れる構成であればよい。例えば、加熱用流体が鉛直方向の下方から上方に流れ、熱利用流体が上方から下方に流れる構成としてもよい。また、容器６１の側面に開口が形成され、加熱用流体と熱利用流体とが水平方向に流れる構成としてもよい。
また、熱交換器６５は、蓄熱材料９０を加熱及び放熱することができる構造であればよく、形状及び材料は適宜変更可能である。例えば、熱交換器６５は、フィン６８を有さずに、加熱配管６６と熱利用配管６７とを高密度に配置した形状としてもよい。また、熱交換器６５は、加熱用流体が流れる層と、熱利用流体が流れる層と、蓄熱材料９０が充填された層とを、層状に並べた形状としてもよい。
蓄熱材料９０は、少なくとも高分子９２と水９１とを有しており、例えば温度応答性ゲルである。高分子９２は、温度により親水性と疎水性とを示す温度応答性高分子である。温度は、水９１に対する下限臨界溶液温度（Ｌｏｗｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＬＣＳＴ）である。高分子９２は、下限臨界溶液温度より低温の場合に親水性を示し、下限臨界溶液温度より高温の場合に疎水性を示す。
高分子９２の具体例としては、ポリ（Ｎ−エチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−ｎ−プロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−シクロプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−エチル−Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−メチル−Ｎ−ｎ−プロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−イソプロピル−Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジエチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−（メタ）アクリロイルピロリジン）、ポリ（Ｎ−（メタ）アクリロイルピペリジン）、ポリ（Ｎ−エトキシエチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−エチル−Ｎ−メトキシエチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−メトキシプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−エトキシプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−イソプロポキシプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−メトキシエトキシプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−１−メチル−２−メトキシエチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−１−メトキシメチルプロピル（メタ）アクリルアミド）、ポリ〔Ｎ−（２，２−ジメトキシエチル）−Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド〕、ポリ〔Ｎ−（１，３−ジオキソラン−２−イル）−Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド〕、ポリ〔Ｎ−８−（メタ）アクリロイル１，４−ジオキサ−８−アザースピロ（４，５）デカン〕、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメトキシエチル（メタ）アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−（メタ）アクリロイルモルフォリン）などの高密度架橋物、又は、上記を構成するモノマーの２種以上を共重合した共重合体の高密度架橋物である。この種の高密度架橋物は、高分子鎖同士が接触することができる混みいった構造を有している。
水９１は、純水が好ましいが、高分子９２を劣化させるおそれのある成分が含まれていない水９１であれば純水でなくてもよい。水９１は、高分子９２の高密度架橋物に結合した結合水と、結合水を除く自由水とに分けられる。高分子９２は、下限臨界溶液温度より低温で親水性の膨潤構造であるため、水９１の結合水が安定な高配列構造を形成し、水素結合力を高める。一方、高分子９２は、下限臨界溶液温度より高温で疎水性の収縮構造であるため、水９１の結合水が不安定な低配列構造を形成し、水素結合力を弱める。即ち、蓄熱材料９０は、下限臨界溶液温度の前後において結合水の水素結合力を向上又は低下させることができる。このように、蓄熱材料９０は、下限臨界溶液温度の前後において結合水の水素結合力を変化させることができるため、水素結合力の変化に相当する高い蓄熱量を有する。蓄熱材料９０が高い蓄熱量を有するため、容器６１内に充填される蓄熱材料９０の充填量を削減できる。従って、蓄熱器１００を小型化することができる。
（蓄熱器１００の蓄熱動作）
次に、蓄熱器１００の動作について説明する。先ず、蓄熱器１００の蓄熱動作について説明する。加熱配管６６に加熱用流体が流れると、加熱配管６６とフィン６８とを介して、加熱用流体の熱が蓄熱材料９０に伝えられ、蓄熱材料９０の温度が上昇する。蓄熱材料９０に含まれる水９１の温度が上昇すると、水９１は膨張して体積が増加する。ここで、容器６１内部において蓄熱材料９０の上方には、空気層９５が形成されており、水９１が膨張した体積分だけ、空気層９５の空気が圧縮される。このため、容器６１の体積を略一定に保つことができる。なお、容器６１に圧力調整機構を設け、水９１が膨張した際に容器６１内の圧力が圧力調整機構によって調整されるように構成してもよい。蓄熱材料９０に含まれる高分子９２は、温度が上昇して下限臨界溶液温度を超えると収縮する。これを収縮工程と呼称する。収縮工程において、水９１の結合水は低配列化して水素結合力が低下する。これにより、蓄熱材料９０は、水素結合力の低下分に相当する水素結合エネルギーを吸熱する。即ち、高分子９２は収縮工程を有し、収縮工程において、水９１の結合水の低配列化による吸熱エネルギーが蓄熱材料９０に蓄熱される。なお、収縮工程において、水９１は液体状態である。その後、加熱用流体は、温度が低下して容器６１から流出する。
次に、蓄熱器１００の動作について説明する。先ず、蓄熱器１００の蓄熱動作について説明する。加熱配管６６に加熱用流体が流れると、加熱配管６６とフィン６８とを介して、加熱用流体の熱が蓄熱材料９０に伝えられ、蓄熱材料９０の温度が上昇する。蓄熱材料９０に含まれる水９１の温度が上昇すると、水９１は膨張して体積が増加する。ここで、容器６１内部において蓄熱材料９０の上方には、空気層９５が形成されており、水９１が膨張した体積分だけ、空気層９５の空気が圧縮される。このため、容器６１の体積を略一定に保つことができる。なお、容器６１に圧力調整機構を設け、水９１が膨張した際に容器６１内の圧力が圧力調整機構によって調整されるように構成してもよい。蓄熱材料９０に含まれる高分子９２は、温度が上昇して下限臨界溶液温度を超えると収縮する。これを収縮工程と呼称する。収縮工程において、水９１の結合水は低配列化して水素結合力が低下する。これにより、蓄熱材料９０は、水素結合力の低下分に相当する水素結合エネルギーを吸熱する。即ち、高分子９２は収縮工程を有し、収縮工程において、水９１の結合水の低配列化による吸熱エネルギーが蓄熱材料９０に蓄熱される。なお、収縮工程において、水９１は液体状態である。その後、加熱用流体は、温度が低下して容器６１から流出する。
このように、収縮工程における蓄熱は容器６１の内部で実施され、収縮工程において水９１は液体状態である。このため、蓄熱器１００において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱器１００を小型化することができる。
（蓄熱器１００の放熱動作）
次に、蓄熱器１００の放熱動作について説明する。熱利用配管６７に熱利用流体が流れると、熱利用配管６７とフィン６８とを介して、蓄熱材料９０の熱が熱利用流体に伝えられ、蓄熱材料９０の温度が低下する。蓄熱材料９０に含まれる水９１の温度が低下すると、水９１は収縮して体積が減少する。なお、水９１の体積が最も減少した場合にも、フィン６８が蓄熱材料９０に浸漬するように、容器６１の容積、フィン６８の面積及び蓄熱材料９０の充填量が設計されている。蓄熱材料９０に含まれる高分子９２は、温度が低下して下限臨界溶液温度を下回ると膨潤する。これを膨潤工程と呼称する。膨潤工程において、水９１の結合水は高配列化して水素結合力が上昇する。蓄熱材料９０は、水素結合力の上昇分に相当する水素結合エネルギーを発熱する。即ち、高分子９２は膨潤工程を有し、膨潤工程において、水９１の結合水の高配列化による発熱エネルギーが蓄熱材料９０から放熱される。なお、膨潤工程において、水９１は液体状態である。その後、熱利用流体は、温度が上昇して容器６１から流出する。
次に、蓄熱器１００の放熱動作について説明する。熱利用配管６７に熱利用流体が流れると、熱利用配管６７とフィン６８とを介して、蓄熱材料９０の熱が熱利用流体に伝えられ、蓄熱材料９０の温度が低下する。蓄熱材料９０に含まれる水９１の温度が低下すると、水９１は収縮して体積が減少する。なお、水９１の体積が最も減少した場合にも、フィン６８が蓄熱材料９０に浸漬するように、容器６１の容積、フィン６８の面積及び蓄熱材料９０の充填量が設計されている。蓄熱材料９０に含まれる高分子９２は、温度が低下して下限臨界溶液温度を下回ると膨潤する。これを膨潤工程と呼称する。膨潤工程において、水９１の結合水は高配列化して水素結合力が上昇する。蓄熱材料９０は、水素結合力の上昇分に相当する水素結合エネルギーを発熱する。即ち、高分子９２は膨潤工程を有し、膨潤工程において、水９１の結合水の高配列化による発熱エネルギーが蓄熱材料９０から放熱される。なお、膨潤工程において、水９１は液体状態である。その後、熱利用流体は、温度が上昇して容器６１から流出する。
このように、本実施の形態１の蓄熱方法及び放熱方法は、収縮工程において蓄熱材料９０に蓄熱され、膨潤工程において蓄熱材料９０から放熱される。ここで、膨潤工程における放熱は容器６１の内部で実施され、膨潤工程において水９１は液体状態である。このため、蓄熱器１００において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱器１００を小型化することができる。
以上説明したように、蓄熱器１００において、高分子９２の収縮工程及び膨潤工程によって、容器６１の内部で蓄熱材料９０の蓄熱及び放熱が行われる。収縮工程及び膨潤工程において、水９１は液体状態であり、蓄熱器１００において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱器１００を小型化することができる。また、蓄熱材料９０は、水９１の結合水の水素結合力の高低を変化させ、水素結合力の変化に相当する高い蓄熱量を有する。よって、蓄熱材料９０の充填量を削減することができるため、蓄熱器１００を小型化することができる。
なお、容器６１内に、高分子９２が通過しない寸法の複数の開口が形成されたシート又は膜を層状に設けてもよい。これにより、高分子９２が、水９１との比重差によって容器６１内の上部方向又は下部方向に移動することを抑制することができる。
（蓄熱システム５００）
図２は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱システム５００を示す回路図である。次に、蓄熱システム５００について説明する。蓄熱システム５００は、熱源２００と、加熱ポンプ５２と、蓄熱器１００と、加熱用流体と、熱利用流体とを備えている。加熱配管６６の下部の継手６９と熱源２００とは、加熱ポンプ５２を介して入水配管５０により接続され、熱源２００と加熱配管６６の上部の継手６９とは、出湯配管５１により接続されている。これにより、熱源回路３１が構成されており、加熱用流体は熱源回路３１を循環している。熱源２００は、熱を生成するものであり、例えば電気ヒータ又は電力で駆動する蒸気圧縮式ヒートポンプ等である。熱源２００は、入水配管５０を通って流入した加熱用流体を加熱する。加熱ポンプ５２は、加熱用流体を搬送するものあり、入水配管５０に流れる加熱用流体を熱源２００に搬送し、熱源２００から流出した加熱用流体を出湯配管５１に流して加熱配管６６に搬送する。加熱用流体は、例えば水、エチレングリコール又はプロピレングリコール等の不凍液、ＨＦＣ又はＣＯ２等の冷媒である。
図２は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱システム５００を示す回路図である。次に、蓄熱システム５００について説明する。蓄熱システム５００は、熱源２００と、加熱ポンプ５２と、蓄熱器１００と、加熱用流体と、熱利用流体とを備えている。加熱配管６６の下部の継手６９と熱源２００とは、加熱ポンプ５２を介して入水配管５０により接続され、熱源２００と加熱配管６６の上部の継手６９とは、出湯配管５１により接続されている。これにより、熱源回路３１が構成されており、加熱用流体は熱源回路３１を循環している。熱源２００は、熱を生成するものであり、例えば電気ヒータ又は電力で駆動する蒸気圧縮式ヒートポンプ等である。熱源２００は、入水配管５０を通って流入した加熱用流体を加熱する。加熱ポンプ５２は、加熱用流体を搬送するものあり、入水配管５０に流れる加熱用流体を熱源２００に搬送し、熱源２００から流出した加熱用流体を出湯配管５１に流して加熱配管６６に搬送する。加熱用流体は、例えば水、エチレングリコール又はプロピレングリコール等の不凍液、ＨＦＣ又はＣＯ２等の冷媒である。
熱利用配管６７の下部の継手６９は、水道水又は上水が流れる給水管に接続された給水配管１０に接続されている。なお、水道水又は上水を、給水と呼称する。熱利用配管６７の上部の継手６９は、給湯配管１１に接続されており、給湯配管１１には熱利用端末が接続されている。なお、本実施の形態１では、熱利用端末は、シャワー又は蛇口等の給湯端末である。これにより、利用回路３２が構成されている。本実施の形態１では、熱利用流体が給水となっており、給水が、利用回路３２を介して、シャワー又は蛇口等の給湯端末で利用される。
蓄熱器１００の容器６１には、蓄熱材料９０が収容されており、高分子９２は、下限臨界溶液温度が例えば６０℃に構成されている。
（蓄熱システム５００の蓄熱動作）
次に、蓄熱システム５００の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５００の蓄熱動作について説明する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば７０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１に流入した加熱用流体は、蓄熱器１００の加熱配管６６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が７０℃に加熱される。加熱配管６６を流れる７０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９２は、下限臨界溶液温度である６０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、７０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を７０℃付近まで上昇させる。
次に、蓄熱システム５００の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５００の蓄熱動作について説明する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば７０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１に流入した加熱用流体は、蓄熱器１００の加熱配管６６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が７０℃に加熱される。加熱配管６６を流れる７０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９２は、下限臨界溶液温度である６０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、７０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を７０℃付近まで上昇させる。
（蓄熱システム５００の放熱動作）
次に、蓄熱システム５００の放熱動作について説明する。給湯端末の利用、即ちシャワー又は蛇口の利用により、熱利用流体である給水が、給水配管１０を通って蓄熱器１００の熱利用配管６７に流入する。給水は、熱交換器６５において加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。給水の温度は例えば１０℃であり、給水が熱利用配管６７に流れると、給水は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９２は、下限臨界溶液温度である６０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、１０℃の給水は、蓄熱材料９０の温度を１０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が７０℃付近であるため、給水の温度は６０℃〜７０℃に上昇し、給湯配管１１を通って給湯端末で利用される。なお、給水の温度が６０℃以上に上昇すると、給水中に含まれる雑菌等の影響の排除に好ましい。
次に、蓄熱システム５００の放熱動作について説明する。給湯端末の利用、即ちシャワー又は蛇口の利用により、熱利用流体である給水が、給水配管１０を通って蓄熱器１００の熱利用配管６７に流入する。給水は、熱交換器６５において加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。給水の温度は例えば１０℃であり、給水が熱利用配管６７に流れると、給水は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９２は、下限臨界溶液温度である６０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、１０℃の給水は、蓄熱材料９０の温度を１０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が７０℃付近であるため、給水の温度は６０℃〜７０℃に上昇し、給湯配管１１を通って給湯端末で利用される。なお、給水の温度が６０℃以上に上昇すると、給水中に含まれる雑菌等の影響の排除に好ましい。
このように、加熱用流体が熱源２００の熱を蓄熱器１００に導き、蓄熱器１００が熱源２００の熱を蓄熱する。そして、熱利用流体が蓄熱器１００の熱を熱利用端末に導き、蓄熱器１００に蓄えられた熱が利用される。例えば、蓄熱動作が夜間に実施されれば、夜間の安価な電力を用いて熱源２００を運転して蓄熱器１００に蓄熱することができる。従って、蓄熱システム５００の電力料金を抑制することができる。本実施の形態１では、熱利用流体である給水の温度が上昇して、給湯端末で給水自体が利用される。即ち、熱利用流体が熱利用端末で直接利用される直接熱利用である。
本実施の形態１によれば、蓄熱システム５００の蓄熱動作及び放熱動作において、蓄熱器１００に含まれる水９１は液体状態である。このため、蓄熱システム５００において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱システム５００を小型化することができる。また、蓄熱システム５００の蓄熱動作及び放熱動作において、加熱用流体と熱利用流体とは、蓄熱器１００において逆向きに流れる。従って、加熱用流体と熱利用流体とが同じ向きに流れる場合に比べて、蓄熱材料への蓄熱、及び蓄熱材料からの放熱の効率がよい。従って、熱交換器６５の容量を削減することができるため、蓄熱システム５００を更に小型化することができる。
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱器１０１を示す模式図である。本実施の形態２は、高分子９３が熱交換器６５の表面に接触している点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱器１０１を示す模式図である。本実施の形態２は、高分子９３が熱交換器６５の表面に接触している点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
（蓄熱器１０１）
先ず、蓄熱器１０１について説明する。図３に示すように、容器６１の内部において、熱交換器６５の表面と高分子９３とが接触している。具体的には、熱交換器６５を構成する加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面と高分子９３とが接触している。加熱配管６６は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。熱利用配管６７は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。フィン６８は、例えばＳＵＳ又はＡｌ等の金属を板状に加工したプレートである。
先ず、蓄熱器１０１について説明する。図３に示すように、容器６１の内部において、熱交換器６５の表面と高分子９３とが接触している。具体的には、熱交換器６５を構成する加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面と高分子９３とが接触している。加熱配管６６は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。熱利用配管６７は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。フィン６８は、例えばＳＵＳ又はＡｌ等の金属を板状に加工したプレートである。
一般的に、金属表面に接触した高分子を生成するには、少なくとも高分子のモノマーを含む溶媒と、架橋剤と、重合開始剤とを含む反応溶液を金属表面に塗布し、ラジカル重合を行う。ラジカル重合は、金属表面に塗布した反応溶液に、例えば放射線を照射することによって実現することができる。反応溶液は、金属表面の活性化剤又はカップリング剤を含有していてもよい。従って、本実施の形態２では、高分子９３の反応溶液を、加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面に塗布してラジカル重合する。これにより、熱交換器６５を構成する加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面と高分子９３とが接触する。なお、この状態を、高分子９３を熱交換器６５に接木（グラフト化）すると呼称してもよいし、高分子９３を熱交換器６５に塗布すると呼称してもよい。
複数のフィン６８は、例えばそれぞれの厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度で、フィン６８同士の間の距離は１〜３ｍｍ程度である。フィン６８の表面に重合する高分子９３の厚みは、例えばフィン６８同士の間の距離の約１／５〜１／１０程度が好ましく、約０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度が好ましい。これにより、フィン６８の両表面に高分子９３を重合しつつ、更に、フィン６８同士の間に水９１が充填される。即ち、熱交換器６５の表面に重合する高分子９３の厚みは、熱交換器６５の熱交換面同士の間の距離に基づいている。これにより、蓄熱材料９０の充填量が、熱交換器６５の伝熱能力に適した充填量となる。従って、容器６１を小型化することができ、それに伴って蓄熱器１０１を小型化することができる。また、熱交換器６５は、蓄熱材料９０を加熱及び放熱することができる構造であればよく、形状及び材料は適宜変更可能である。例えば、熱交換器６５は、フィン６８を有さずに、加熱配管６６と熱利用配管６７とを高密度に配置した形状としてもよい。この場合、加熱配管６６と熱利用配管６７との間の距離は数ｍｍであればよい。また、熱交換器６５は、加熱用流体が流れる層と、熱利用流体が流れる層と、蓄熱材料９０が充填された層とを、層状に並べた形状としてもよい。この場合、層間の距離は数ｍｍであればよい。層を並べる場合、各層を鉛直上下方向に並べることによって、高分子９３が、水９１との比重差によって容器６１内の上部方向又は下部方向に移動することを抑制することができる。
実施の形態１と同様に、蓄熱動作において、加熱配管６６に加熱用流体が流れると、加熱配管６６とフィン６８とを介して、加熱用流体の熱が蓄熱材料９０に伝えられる。また、放熱動作において、熱利用配管６７に熱利用流体が流れると、熱利用配管６７とフィン６８とを介して、蓄熱材料９０の熱が熱利用流体に伝えられる。本実施の形態２では、高分子９３が加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面と接触しているため、蓄熱時及び放熱時の伝熱性能が向上する。従って、熱交換器６５の容量を削減することができるため、蓄熱器１０１を小型化することができる。また、高分子９３が加熱配管６６、熱利用配管６７及びフィン６８のいずれか１つ以上の表面と接触しているため、容器６１内で、高分子９３が、水９１との比重差によって容器６１内の上部方向又は下部方向に移動することを抑制することができる。
（蓄熱システム５０１）
図４は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱システム５０１を示す回路図である。次に、蓄熱システム５０１について説明する。本実施の形態２は、利用回路３２に循環ポンプ２２が設けられ、利用回路３２に放熱端末２３が接続されている点で、実施の形態１と相違する。熱源回路３１の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。図４に示すように、熱利用配管６７の下部の継手６９と放熱端末２３とは、循環ポンプ２２を介して戻り配管２０により接続され、熱利用配管６７の上部の継手６９と熱利用端末である放熱端末２３とは、往き配管２１により接続されている。これにより、利用回路３２が構成されており、熱利用流体は利用回路３２を循環している。ここで、熱利用流体は、例えば水、エチレングリコール又はプロピレングリコール等の不凍液である。放熱端末２３は、例えば床暖房パネル、ファンコイルユニット又は温水ラジエータパネルである。放熱端末２３は、熱利用端末の一例であり、熱利用流体が放熱端末２３で放熱した熱が暖房などに利用される。
図４は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱システム５０１を示す回路図である。次に、蓄熱システム５０１について説明する。本実施の形態２は、利用回路３２に循環ポンプ２２が設けられ、利用回路３２に放熱端末２３が接続されている点で、実施の形態１と相違する。熱源回路３１の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。図４に示すように、熱利用配管６７の下部の継手６９と放熱端末２３とは、循環ポンプ２２を介して戻り配管２０により接続され、熱利用配管６７の上部の継手６９と熱利用端末である放熱端末２３とは、往き配管２１により接続されている。これにより、利用回路３２が構成されており、熱利用流体は利用回路３２を循環している。ここで、熱利用流体は、例えば水、エチレングリコール又はプロピレングリコール等の不凍液である。放熱端末２３は、例えば床暖房パネル、ファンコイルユニット又は温水ラジエータパネルである。放熱端末２３は、熱利用端末の一例であり、熱利用流体が放熱端末２３で放熱した熱が暖房などに利用される。
蓄熱器１０１の容器６１には、蓄熱材料９０が収容されており、高分子９３は、下限臨界溶液温度が例えば４０℃に構成されている。
（蓄熱システム５０１の蓄熱動作）
次に、蓄熱システム５０１の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５０１の蓄熱動作について説明する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１に流入した加熱用流体は、蓄熱器１０１の加熱配管６６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が５０℃に加熱される。加熱配管６６を流れる５０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、５０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を５０℃付近まで上昇させる。
次に、蓄熱システム５０１の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５０１の蓄熱動作について説明する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１に流入した加熱用流体は、蓄熱器１０１の加熱配管６６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が５０℃に加熱される。加熱配管６６を流れる５０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、５０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を５０℃付近まで上昇させる。
（蓄熱システム５０１の放熱動作）
次に、蓄熱システム５０１の放熱動作について説明する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、戻り配管２０を通って蓄熱器１０１の熱利用配管６７に流入する。熱利用流体は、熱交換器６５において加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。熱利用流体の温度は例えば３０℃であり、熱利用流体が熱利用配管６７に流れると、熱利用流体は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、３０℃の熱利用流体は、蓄熱材料９０の温度を３０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が５０℃付近であるため、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃程度に上昇し、熱利用流体は往き配管２１を通って放熱端末２３で放熱する。前述の如く、放熱端末２３は床暖房パネル等であり、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃であることが好ましい。
次に、蓄熱システム５０１の放熱動作について説明する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、戻り配管２０を通って蓄熱器１０１の熱利用配管６７に流入する。熱利用流体は、熱交換器６５において加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。熱利用流体の温度は例えば３０℃であり、熱利用流体が熱利用配管６７に流れると、熱利用流体は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、３０℃の熱利用流体は、蓄熱材料９０の温度を３０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が５０℃付近であるため、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃程度に上昇し、熱利用流体は往き配管２１を通って放熱端末２３で放熱する。前述の如く、放熱端末２３は床暖房パネル等であり、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃であることが好ましい。
このように、加熱用流体が熱源２００の熱を蓄熱器１０１に導き、蓄熱器１０１が熱源２００の熱を蓄熱する。そして、熱利用流体が蓄熱器１０１の熱を熱利用端末に導き、蓄熱器１０１に蓄えられた熱が利用される。例えば、蓄熱動作が夜間に実施されれば、夜間の安価な電力を用いて熱源２００を運転して蓄熱器１０１に蓄熱することができる。従って、蓄熱システム５０１の電力料金を抑制することができる。本実施の形態２では、熱利用流体の温度が上昇して放熱端末２３で放熱する。このように、熱利用流体自体が直接利用されず、熱利用流体の熱が利用される。即ち、熱利用流体が熱利用端末で間接利用される間接熱利用である。
本実施の形態２によれば、蓄熱システム５０１の蓄熱動作及び放熱動作において、蓄熱器１０１に含まれる水９１は液体状態である。水９１は液体状態であり、蓄熱システム５０１において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱システム５０１を小型化することができる。なお、本実施の形態２の蓄熱器１０１は、実施の形態１の蓄熱システム５０１に使用することが可能であり、本実施の形態２の蓄熱システム５０１は、実施の形態１の蓄熱器１００を使用することが可能である。
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱器１０２を示す模式図である。本実施の形態３は、実施の形態１及び２の加熱配管６６と熱利用配管６７とが同一の加熱利用配管８６である点で、実施の形態１、２と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１、２と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図５は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱器１０２を示す模式図である。本実施の形態３は、実施の形態１及び２の加熱配管６６と熱利用配管６７とが同一の加熱利用配管８６である点で、実施の形態１、２と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１、２と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
（蓄熱器１０２）
先ず、蓄熱器１０２について説明する。図５に示すように、加熱利用配管８６は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。加熱利用配管８６とフィン６８とは、実施の形態１及び２の加熱配管６６とフィン６８及び熱利用配管６７とフィン６８と同じように構成されている。蓄熱材料９０に蓄熱される際、加熱利用配管８６に加熱用流体が流れて、加熱用流体の熱は、加熱利用配管８６とフィン６８とを介して蓄熱材料９０に伝えられて蓄熱が行われる。一方、蓄熱材料９０から放熱される際、加熱利用配管８６に熱利用流体が加熱用流体の流れと逆向きに流れて、蓄熱材料９０の熱は、加熱利用配管８６とフィン６８とを介して熱利用流体に伝えられて放熱が行われる。
先ず、蓄熱器１０２について説明する。図５に示すように、加熱利用配管８６は、例えばＳＵＳ又はＣｕ等の金属を円筒状又は扁平状に加工したものである。加熱利用配管８６とフィン６８とは、実施の形態１及び２の加熱配管６６とフィン６８及び熱利用配管６７とフィン６８と同じように構成されている。蓄熱材料９０に蓄熱される際、加熱利用配管８６に加熱用流体が流れて、加熱用流体の熱は、加熱利用配管８６とフィン６８とを介して蓄熱材料９０に伝えられて蓄熱が行われる。一方、蓄熱材料９０から放熱される際、加熱利用配管８６に熱利用流体が加熱用流体の流れと逆向きに流れて、蓄熱材料９０の熱は、加熱利用配管８６とフィン６８とを介して熱利用流体に伝えられて放熱が行われる。
本実施の形態３では、加熱用流体が鉛直方向の上方から下方に流れ、熱利用流体が下方から上方に流れる場合について例示しているが、加熱用流体と熱利用流体とが逆向きの流れとなればよい。例えば、加熱用流体が鉛直方向の下方から上方に流れ、熱利用流体が上方から下方に流れる構成としてもよい。また、容器６１の側面に開口が形成され、加熱用流体と熱利用流体とが水平方向に流れる構成としてもよい。
本実施の形態３によれば、加熱用流体と熱利用流体とが、同じ加熱利用配管８６に流れて蓄熱及び放熱が行われる。このため、加熱配管６６と熱利用配管６７とをそれぞれ有する場合よりも更に熱交換器６５の容量を削減することができる。従って、蓄熱器１０２を更に小型化することができる。
（蓄熱システム５０２）
図６は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱システム５０２を示す回路図である。次に、蓄熱システム５０２について説明する。本実施の形態３は、切替器５３を有している点で、実施の形態１、２と相違する。図６に示すように、加熱利用配管８６の下部の継手６９と切替器５３とは、下部配管１６により接続されている。切替器５３と熱源２００とは、加熱ポンプ５２を介して入水配管５０により接続され、熱源２００と加熱利用配管８６の上部の継手６９とは、出湯配管５１及び上部配管１５により接続されている。これにより、熱源回路３１が構成されており、加熱用流体は熱源回路３１を循環している。また、放熱端末２３と切替器５３とは、循環ポンプ２２を介して戻り配管２０により接続され、加熱利用配管８６の下部の継手６９と切替器５３とは、下部配管１６により接続されている。加熱利用配管８６の上部の継手６９と熱利用端末である放熱端末２３とは、上部配管１５及び往き配管２１により接続されている。これにより、利用回路３２が構成されており、熱利用流体は利用回路３２を循環している。即ち、熱源回路３１と利用回路３２とは、上部配管１５と、加熱利用配管８６の上部の継手６９と、加熱利用配管８６と、加熱利用配管８６の下部の継手６９と、下部配管１６と、切替器５３とにおいて同一部を構成している。
図６は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱システム５０２を示す回路図である。次に、蓄熱システム５０２について説明する。本実施の形態３は、切替器５３を有している点で、実施の形態１、２と相違する。図６に示すように、加熱利用配管８６の下部の継手６９と切替器５３とは、下部配管１６により接続されている。切替器５３と熱源２００とは、加熱ポンプ５２を介して入水配管５０により接続され、熱源２００と加熱利用配管８６の上部の継手６９とは、出湯配管５１及び上部配管１５により接続されている。これにより、熱源回路３１が構成されており、加熱用流体は熱源回路３１を循環している。また、放熱端末２３と切替器５３とは、循環ポンプ２２を介して戻り配管２０により接続され、加熱利用配管８６の下部の継手６９と切替器５３とは、下部配管１６により接続されている。加熱利用配管８６の上部の継手６９と熱利用端末である放熱端末２３とは、上部配管１５及び往き配管２１により接続されている。これにより、利用回路３２が構成されており、熱利用流体は利用回路３２を循環している。即ち、熱源回路３１と利用回路３２とは、上部配管１５と、加熱利用配管８６の上部の継手６９と、加熱利用配管８６と、加熱利用配管８６の下部の継手６９と、下部配管１６と、切替器５３とにおいて同一部を構成している。
切替器５３は、下部配管１６、入水配管５０及び戻り配管２０を接続する例えば三方弁であり、熱源回路３１において加熱ポンプ５２よりも上流側に設けられている。切替器５３は、接続されている下部配管１６、入水配管５０及び戻り配管２０のうち２本を連通して残りの１本の経路を遮断する機能を有する。また、切替器５３は、接続されている下部配管１６、入水配管５０及び戻り配管２０のうち３本の全てを連通する機能も有する。なお、加熱用流体と熱利用流体とは同一であり、例えば水、エチレングリコール又はプロピレングリコール等の不凍液である。
（蓄熱システム５０２の蓄熱動作）
次に、蓄熱システム５０２の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５０２の蓄熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と入水配管５０とを連通して、戻り配管２０の経路、すなわち利用回路３２を遮断する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、下部配管１６及び入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。ここで、利用回路３２は切替器５３によって遮断されているため、加熱用流体は、出湯配管５１から往き配管２１には流れず、上部配管１５に流れ、蓄熱器１０２の加熱利用配管８６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が５０℃に加熱される。加熱利用配管８６を流れる５０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、５０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を５０℃付近まで上昇させる。
次に、蓄熱システム５０２の動作について説明する。先ず、蓄熱システム５０２の蓄熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と入水配管５０とを連通して、戻り配管２０の経路、すなわち利用回路３２を遮断する。加熱ポンプ５２が回転すると、加熱用流体は、下部配管１６及び入水配管５０を通って熱源２００に流入する。熱源２００に流入した加熱用流体は、熱源２００において加熱されて、温度が例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。ここで、利用回路３２は切替器５３によって遮断されているため、加熱用流体は、出湯配管５１から往き配管２１には流れず、上部配管１５に流れ、蓄熱器１０２の加熱利用配管８６に流入する。なお、加熱ポンプ５２の回転数及び熱源２００の加熱能力を適宜調整することによって、加熱用流体が５０℃に加熱される。加熱利用配管８６を流れる５０℃の加熱用流体は蓄熱材料９０を加熱して、高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を超えると収縮する。これにより、蓄熱材料９０への蓄熱が行われる。なお、５０℃の加熱用流体は、蓄熱材料９０の温度を５０℃付近まで上昇させる。
（蓄熱システム５０２の放熱動作）
次に、蓄熱システム５０２の放熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と戻り配管２０とを連通して、入水配管５０の経路、すなわち熱源回路３１を遮断する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、戻り配管２０を通って切替器５３に至る。ここで、熱源回路３１は切替器５３によって遮断されているため、熱利用流体は、戻り配管２０から入水配管５０には流れず、下部配管１６に流れ、蓄熱器１０２の加熱利用配管８６に流入する。熱利用流体は、熱交換器６５において蓄熱時における加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。熱利用流体の温度は例えば３０℃であり、熱利用流体が加熱利用配管８６に流れると、熱利用流体は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、３０℃の熱利用流体は、蓄熱材料９０の温度を３０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が５０℃付近であるため、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃程度に上昇する。ここで、熱源回路３１は切替器５３によって遮断されているため、熱利用流体は、上部配管１５から出湯配管５１には流れず、往き配管２１を通って放熱端末２３で放熱する。
次に、蓄熱システム５０２の放熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と戻り配管２０とを連通して、入水配管５０の経路、すなわち熱源回路３１を遮断する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、戻り配管２０を通って切替器５３に至る。ここで、熱源回路３１は切替器５３によって遮断されているため、熱利用流体は、戻り配管２０から入水配管５０には流れず、下部配管１６に流れ、蓄熱器１０２の加熱利用配管８６に流入する。熱利用流体は、熱交換器６５において蓄熱時における加熱用流体の流れとは逆向きに流れる。熱利用流体の温度は例えば３０℃であり、熱利用流体が加熱利用配管８６に流れると、熱利用流体は蓄熱材料９０の熱を吸熱して、蓄熱材料９０の温度が低下する。高分子９３は、下限臨界溶液温度である４０℃を下回ると膨潤する。これにより、蓄熱材料９０からの放熱が行われる。なお、３０℃の熱利用流体は、蓄熱材料９０の温度を３０℃付近まで低下させる。ここで、蓄熱材料９０の温度が５０℃付近であるため、熱利用流体の温度は４０℃〜５０℃程度に上昇する。ここで、熱源回路３１は切替器５３によって遮断されているため、熱利用流体は、上部配管１５から出湯配管５１には流れず、往き配管２１を通って放熱端末２３で放熱する。
このように、加熱用流体が熱源２００の熱を蓄熱器１０２に導き、蓄熱器１０２が熱源２００の熱を蓄熱する。そして、熱利用流体が蓄熱器１０２の熱を熱利用端末に導き、蓄熱器１０２に蓄えられた熱が利用される。例えば、蓄熱動作が夜間に実施されれば、夜間の安価な電力を用いて熱源２００を運転して蓄熱器１０２に蓄熱することができる。従って、蓄熱システム５０２の電力料金を抑制することができる。
本実施の形態３によれば、蓄熱システム５０２の蓄熱動作及び放熱動作において、蓄熱器１０２に含まれる水９１は液体状態である。水９１は液体状態であり、蓄熱システム５０２において、水９１の蒸発工程及び凝縮工程が不要である。従って、水蒸気を凝縮して液化する凝縮部と、液化した湯が流れる水輸送経路とが不要である。よって、蓄熱システム５０２を小型化することができる。また、蓄熱システム５０２の蓄熱動作及び放熱動作において、加熱用流体と熱利用流体とは、蓄熱器１０２において逆向きに流れる。従って、加熱用流体と熱利用流体とが同じ向きに流れる場合に比べて、蓄熱材料への蓄熱、及び蓄熱材料からの放熱の効率がよい。従って、熱交換器６５の容量を削減することができるため、蓄熱システム５０２を更に小型化することができる。
（蓄熱システム５０２の同時放熱動作）
次に、蓄熱システム５０２の同時放熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と戻り配管２０と入水配管５０とを連通する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、下部配管１６と入水配管５０とに流れる。下部配管１６に流れた熱利用流体は、放熱動作と同様に、蓄熱器１０２で加熱されて例えば４５℃程度の温度に上昇し、上部配管１５に流出する。一方、入水配管５０に流れた熱利用流体は、熱源２００において加熱されて、例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１と上部配管１５とが合流する場所において、蓄熱器１０２を通った４５℃の温度の熱利用流体と、熱源２００を通った５０℃の温度の熱利用流体とが合流する。これにより、熱利用流体の温度は例えば４８℃になり、往き配管２１に流れ、放熱端末２３に流入する。
次に、蓄熱システム５０２の同時放熱動作について説明する。切替器５３は、下部配管１６と戻り配管２０と入水配管５０とを連通する。循環ポンプ２２が回転すると、放熱端末２３で放熱して例えば３０℃程度の温度となった熱利用流体は、下部配管１６と入水配管５０とに流れる。下部配管１６に流れた熱利用流体は、放熱動作と同様に、蓄熱器１０２で加熱されて例えば４５℃程度の温度に上昇し、上部配管１５に流出する。一方、入水配管５０に流れた熱利用流体は、熱源２００において加熱されて、例えば５０℃に上昇し、出湯配管５１に流入する。出湯配管５１と上部配管１５とが合流する場所において、蓄熱器１０２を通った４５℃の温度の熱利用流体と、熱源２００を通った５０℃の温度の熱利用流体とが合流する。これにより、熱利用流体の温度は例えば４８℃になり、往き配管２１に流れ、放熱端末２３に流入する。
ここで、蓄熱器１０２からの熱のみを熱利用端末で放熱する場合を単純放熱と呼称し、蓄熱器１０２からの熱と熱源２００からの熱とを熱利用端末で放熱する場合を同時放熱と呼称する。本実施の形態３のように、同時放熱は、単純放熱に比べて熱源２００からの熱も利用することができるため、放熱端末２３での放熱量を増加させることができる。また、熱源２００からの熱を、蓄熱器１０２を介さずに放熱端末２３に利用することができるため、蓄熱器１０２における熱損失を回避することができる。従って、熱の利用効率が高い。なお、本実施の形態３の蓄熱器１０２において、実施の形態１のように、高分子９３が熱交換器６５の表面と接触していなくてもよい。また、本実施の形態３の蓄熱システム５０２は、実施の形態１のように直接熱利用であってもよい。
なお、実施の形態２及び３は、熱利用端末が冷房用途であってもよい。この場合、高分子９２の下限臨界溶液温度が、例えば１０℃に構成されていればよい。また、実施の形態１の用途は、実施の形態２及び３と同様に間接熱利用でもよく、実施の形態２及び３の用途は、実施の形態１と同様に直接熱利用でもよい。用途に応じて、高分子９２の下限臨界溶液温度を調整することによって、用途に応じた蓄熱システム５００を実現することができる。
熱源２００は、流入する加熱用流体を加熱する機能を有していればよく、太陽熱等の自然エネルギーを集熱して利用する構成でもよいし、工場、入浴施設又は家庭から排出される廃熱を利用する構成でもよい。この場合、蓄熱システム５００の消費エネルギーを削減することができる。また、加熱ポンプ５２は熱源２００の内部に設けられてもよい。この場合、蓄熱システム５００の配管系統を簡略化することができる。
１０ 給水配管、１１ 給湯配管、１５ 上部配管、１６ 下部配管、２０ 戻り配管、２１ 往き配管、２２ 循環ポンプ、２３ 放熱端末、３１ 熱源回路、３２ 利用回路、５０ 入水配管、５１ 出湯配管、５２ 加熱ポンプ、５３ 切替器、６１ 容器、６５ 熱交換器、６６ 加熱配管、６７ 熱利用配管、６８ フィン、６９ 継手、８６ 加熱利用配管、９０ 蓄熱材料、９１ 水、９２ 高分子、９３ 高分子、９５ 空気層、１００，１０１，１０２ 蓄熱器、２００ 熱源、５００，５０１，５０２ 蓄熱システム。
Claims (15)
- 温度により親水性と疎水性とを示す高分子及び水を有する蓄熱材料と、
加熱用流体と熱交換して前記蓄熱材料を加熱して前記蓄熱材料に蓄熱すると共に、熱利用流体と熱交換して前記蓄熱材料から吸熱して前記蓄熱材料から放熱させる熱交換器と、
前記蓄熱材料が充填され、前記熱交換器が収容された容器と、を備え、
前記熱交換器は、
前記加熱用流体が流れる加熱配管と、
前記熱利用流体が流れる熱利用配管と、を有する
蓄熱器。 - 前記容器の内部で、蓄熱及び放熱が行われる
請求項１記載の蓄熱器。 - 前記高分子は、収縮工程と膨潤工程とを有し、
前記収縮工程において前記蓄熱材料に蓄熱され、前記膨潤工程において前記蓄熱材料から放熱される
請求項１又は２記載の蓄熱器。 - 前記収縮工程及び前記膨潤工程において、前記水は液体状態である
請求項３記載の蓄熱器。 - 前記温度は、前記水に対する下限臨界溶液温度であり、
前記高分子は、前記下限臨界溶液温度より低温の場合に親水性を示し、前記下限臨界溶液温度より高温の場合に疎水性を示す
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱器。 - 前記下限臨界溶液温度より低温の場合に、膨潤工程を有し、
前記下限臨界溶液温度より高温の場合に、収縮工程を有する
請求項５記載の蓄熱器。 - 前記蓄熱材料は、温度応答性ゲルである
請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄熱器。 - 前記熱交換器の表面と前記高分子とが接触している
請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄熱器。 - 前記高分子の厚みは、前記熱交換器の熱交換面同士の間の距離に基づいている
請求項８記載の蓄熱器。 - 前記加熱配管と前記熱利用配管とが同一の加熱利用配管である
請求項１〜９のいずれか１項に記載の蓄熱器。 - 熱を生成する熱源と、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蓄熱器と、
前記熱源によって生成された熱を前記蓄熱器に導く前記加熱用流体と、
前記蓄熱器に蓄えられた熱を熱利用端末に導く前記熱利用流体と、
を備える蓄熱システム。 - 前記蓄熱器において、前記加熱用流体と前記熱利用流体とは、逆向きに流れる
請求項１１記載の蓄熱システム。 - 前記蓄熱器からの熱を前記熱利用端末で放熱する単純放熱と、
前記蓄熱器からの熱と前記熱源からの熱とを前記熱利用端末で放熱する同時放熱と、を有する
請求項１１又は１２記載の蓄熱システム。 - 前記熱利用端末における熱利用として、
前記熱利用流体が前記熱利用端末で直接利用される直接熱利用、又は、前記熱利用流体の熱が前記熱利用端末で利用される間接熱利用を有する
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の蓄熱システム。 - 温度により親水性と疎水性とを示す高分子及び水を有する蓄熱材料と、
加熱用流体と熱交換して前記蓄熱材料を加熱して前記蓄熱材料に蓄熱すると共に、熱利用流体と熱交換して前記蓄熱材料から吸熱して前記蓄熱材料から放熱させる熱交換器と、
前記蓄熱材料が充填され、前記熱交換器が収容された容器と、を備えた蓄熱器の蓄熱方法であって、
前記高分子は、収縮工程と膨潤工程とを有し、
前記収縮工程において前記蓄熱材料に蓄熱され、前記膨潤工程において前記蓄熱材料から放熱されるものであり、
前記熱交換器は、
前記加熱用流体が流れる加熱配管と、
前記熱利用流体が流れる熱利用配管と、を有する
蓄熱方法。
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2018
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