(57)【要約】【課題】蓄熱材全体における蓄熱量を正確に推定することができる蓄熱器の制御システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】蓄熱器２の筐体２ａの内部に一部が備わる蓄熱材３と、その内部の作動流体Ｗと蓄熱材３とを熱交換させる熱交換器４と、を備えて構成される蓄熱器の制御システム１において、筐体２ａの内部に関して、少なくとも蓄熱材３を除く空間８の実際の圧力Ｐｒを取得する圧力センサ６と、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係が予め設定されて記憶されているとともに蓄熱器の制御システム１を制御する制御装置９と、を備えて、制御装置９が、上記の相関関係に基づいて圧力センサ６の実際の取得値Ｐｒに対応する蓄熱材３の実際の蓄熱量Ｓｒを推定する。【選択図】図４
2020159575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱器の筐体の内部に一部が備わる蓄熱材と、その内部の作動流体と前記蓄熱材とを熱交換させる熱交換器と、を備えて構成される蓄熱器の制御システムにおいて、
前記筐体の内部に関して、少なくとも前記蓄熱材を除く空間の実際の圧力を取得する圧力取得装置と、
前記空間の圧力と前記蓄熱材の蓄熱量の相関関係が予め設定されて記憶されているとともに、前記蓄熱器の制御システムを制御する制御装置と、を備えて、
前記制御装置が、
前記相関関係に基づいて、前記圧力取得装置の取得値に対応する前記蓄熱材の蓄熱量を推定する制御を行うように構成される蓄熱器の制御システム。
【請求項２】
前記熱交換器に作動流体を流通させる状態と前記熱交換器に作動流体を流通させない状態とを切り替える流路切替装置と、
作動流体の温度を取得する温度取得装置と、を備えて、
前記制御装置が、
前記蓄熱器への蓄熱または前記蓄熱器からの放熱時に、前記相関関係に基づいて推定された前記蓄熱材の蓄熱量より前記蓄熱材の温度を推定するとともに、この推定された前記蓄熱材の温度が前記温度取得装置の取得値に達するまで前記流路切替装置により前記熱交換器に作動流体を流通させる状態とする制御を行うように構成される請求項１に記載の蓄熱器の制御システム。
【請求項３】
前記蓄熱材を過冷却状態を伴う潜熱蓄熱材として構成するとともに、前記蓄熱材を振動させる振動装置を備えて、
前記蓄熱器からの放熱時で前記蓄熱材が過冷却状態である場合に、前記振動装置を駆動させるとともに、前記圧力取得装置の取得値が予め設定された設定閾値以下となるまで前記振動装置の駆動を継続させる制御を行うように構成される請求項１または２に記載の蓄熱器の制御システム。
【請求項４】
蓄熱器の筐体の内部に一部が備わる蓄熱材と、その内部の作動流体と前記蓄熱材とを熱交換させる熱交換器と、を備えて構成される蓄熱器の制御システムの制御方法において、
前記筐体の内部に関して、少なくとも前記蓄熱材を除く空間の圧力と前記蓄熱材の蓄熱量の相関関係を設定する第１ステップと、
前記空間の実際の圧力を取得する第２ステップと、
前記相関関係に基づいて、前記空間の実際の圧力に対応する前記蓄熱材の蓄熱量を推定する第３ステップと、
を有することを特徴とする蓄熱器の制御システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄熱器の制御システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱材を収蔵し、伝熱壁を介して熱媒体と熱交換を行う蓄熱槽を有する蓄熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００―０３８５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような蓄熱器（蓄熱装置）では、蓄熱器への蓄熱または蓄熱器からの放熱を高精度で行うためにその内部の蓄熱材全体における蓄熱量（蓄熱材全体の状態）を正確に把握する必要がある。
【０００５】
ここで、蓄熱材全体における蓄熱量を蓄熱材の温度または熱媒体（作動流体）の温度に基づいて推定することがある。しかしながら、このようにすると、蓄熱材の温度の測定部分や作動流体の温度の測定部位の近傍に位置する蓄熱材の部分等の蓄熱材の一部分の状態で蓄熱材全体における蓄熱量を推定することとなり、蓄熱材全体における蓄熱量を正確に推定する技術に関しては向上の余地があった。
【０００６】
本開示の目的は、蓄熱材全体における蓄熱量を正確に推定することができる蓄熱器の制御システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の態様の蓄熱器の制御システムは、蓄熱器の筐体の内部に一部が備わる蓄熱材と、その内部の作動流体と前記蓄熱材とを熱交換させる熱交換器と、を備えて構成される蓄熱器の制御システムにおいて、前記筐体の内部に関して、少なくとも前記蓄熱材を除く空間の実際の圧力を取得する圧力取得装置と、前記空間の圧力と前記蓄熱材の蓄熱量の相関関係が予め設定されて記憶されているとともに、前記蓄熱器の制御システムを制御する制御装置と、を備えて、前記制御装置が、前記相関関係に基づいて、前記圧力取得装置の取得値に対応する前記蓄熱材の蓄熱量を推定する制御を行うように構成される。
【０００８】
また、上記の目的を達成するための本発明の態様の蓄熱器の制御システムの制御方法は、蓄熱器の筐体の内部に一部が備わる蓄熱材と、その内部の作動流体と前記蓄熱材とを熱交換させる熱交換器と、を備えて構成される蓄熱器の制御システムの制御方法において、前記筐体の内部に関して、少なくとも前記蓄熱材を除く空間の圧力と前記蓄熱材の蓄熱量の相関関係を設定する第１ステップと、前記空間の実際の圧力を取得する第２ステップと、前記相関関係に基づいて、前記空間の実際の圧力に対応する前記蓄熱材の蓄熱量を推定する第３ステップと、を有することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、蓄熱材全体における蓄熱量を正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の蓄熱器の制御システムの構成を平面視で例示する図である。
【図２】図１の蓄熱器の制御システムで、固体状態の蓄熱材を側面視で例示する図である。
【図３】図１の蓄熱器の制御システムで、液体状態の蓄熱材を側面視で例示する図である。
【図４】第１実施形態の蓄熱器の制御システムの制御方法を制御フローの形で例示する図である。
【図５】第２実施形態の蓄熱器の制御システムの構成を側面視で例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施形態の蓄熱器の制御システム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、Ｘ方向を蓄熱器２の幅方向（水平方向）、Ｙ方向を蓄熱器２の奥行方向（水平方向）、Ｚ方向を蓄熱器２の高さ方向（鉛直方向）と定義する。
【００１２】
図１〜図３に例示するように、第１実施形態の蓄熱器の制御システム１には、蓄熱器２の筐体２ａの内部に蓄熱材３と熱交換器４とを備えて構成されるシステムである。蓄熱材３は、過冷却状態を伴うことなく固体状態（図２）と液体状態（図３）の間で相変化しながら蓄熱する潜熱蓄熱材である。本実施形態では、蓄熱材３は、蓄熱器２の筐体２ａの内部にその全体が備わっているがこの構成には限定されず、蓄熱器２の筐体２ａの内部にその一部が備わればよい。熱交換器４は、蓄熱材３に接触してその内部の作動流体Ｗと蓄熱材３とを熱交換させる。作動流体Ｗと蓄熱材３とを熱交換させる構成は、本実施形態のように熱交換器４と蓄熱材３を接触させる構成に限定されず、例えば蓄熱材３の熱を輸送する配管と作動流体Ｗが通る配管とを接触させて熱交換させる構成でもよい。
【００１３】
なお、図３に例示するように、熱交換器４を液体状態の蓄熱材３に内包される構成とすると、熱交換器４の内部の作動流体Ｗと蓄熱材３の熱交換が促進されるので好ましい。また、蓄熱材３は、潜熱蓄熱材ではなく、固体状態または液体状態のままで相変化することなく蓄熱する顕熱蓄熱材でもよいが、いずれの蓄熱材でも蓄熱器２内の後述する空間８の容積がゼロとならないようにする（蓄熱器２内を蓄熱材３で満充填しないようにする）。
【００１４】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１には、流路切替装置５が備わる。流路切替装置５は、熱交換器４に作動流体Ｗを流通させる状態と熱交換器４に作動流体Ｗを流通させない状態とを切り替える装置である。流路切替装置５は、流入用流路５ａと、流出用流路５ｂと、バイパス流路５ｃと、２つのバイパス弁５ｄ、５ｅとで構成される。流入用流路５ａは、熱交換器４に接続されて、熱交換器４に流入する作動流体Ｗがその内部を流通する流路である。流出用流路５ｂは、流入用流路５ａの接続位置とは異なる位置で熱交換器４に接続されて、熱交換器４から流出する作動流体Ｗがその内部を流通する流路である。バイパス流路５ｃは、流入用流路５ａと流出用流路５ｂを接続する流路である。バイパス弁５ｄは、流入用流路５ａとバイパス流路５ｃの接続箇所に配置される。バイパス弁５ｅは、流出用流路５ｂとバイパス流路５ｃの接続箇所に配置される。
【００１５】
流路切替装置５に関して、熱交換器４に作動流体Ｗを流通させる状態とは、作動流体Ｗがバイパス流路５ｃを経由することなく流入用流路５ａ、熱交換器４、流出用流路５ｂの順に流通する状態である。また、熱交換器４に作動流体Ｗを流通させない状態とは、作動流体Ｗが熱交換器４を経由することなく流入用流路５ａ、バイパス流路５ｃ、流出用流路５ｂの順に流通する状態である。この流通させる状態と流通させない状態の２つの状態は、２つのバイパス弁５ｄ、５ｅの開閉状態を後述する制御装置９により制御することで切り替えられる。
【００１６】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１には、圧力センサ（圧力取得装置）６と、温度センサ（温度取得装置）７とが備わる。圧力センサ６は、図３に例示するように、蓄熱器２の筐体２ａの内部に関して液体状態の蓄熱材３の液面３ａより上方の空間８に配置される。このように配置することで、圧力センサ６は、蓄熱器２の筐体２ａの内部に関して、少なくとも蓄熱材３（本実施形態では蓄熱材３及び熱交換器４）を除く空間８の実際の圧力Ｐｒを取得する。温度センサ７は、作動流体Ｗの流入用流路５ａに配置されて、作動流体Ｗの温度Ｔａを取得する。温度センサ７は、作動流体Ｗの流出用流路５ｂに配置されてもよい。
【００１７】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１には制御装置９が備わる。制御装置９は、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量（蓄熱材３全体における蓄熱量）Ｓの相関関係が実験等により予め設定されて記憶されているとともに、蓄熱器の制御システム１を制御する。制御装置９は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置９は、各種装置５ｄ、５ｅ、６、７と電気的に接続される。
【００１８】
空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係は、例えば、以下のような方法で設定することができる。まず、空間８の圧力Ｐを取得するとともに、この取得時点での流入用流路５ａを流通する作動流体Ｗの温度Ｔａと流出用流路５ｂを流通する作動流体Ｗの温度Ｔｂと熱交換器４に流通する作動流体Ｗの流量Ｖを取得する。圧力Ｐは、例えば、圧力センサ６により取得される。温度Ｔａは、例えば、温度センサ７により取得される。温度Ｔｂは、例えば、流出用流路５ｂに配置した温度センサにより取得される。流量Ｖは、例えば、流入用流路５ａに配置した流量センサにより取得される。
【００１９】
次いで、制御装置９が、温度Ｔａと温度Ｔｂの温度差の絶対値であるΔＴを算出する。次いで、制御装置９が、作動流体Ｗの比熱Ｃｐに温度差ΔＴ及び流量Ｖを乗算して、熱交換器４での作動流体Ｗと蓄熱材３の熱交換量を算出する。次いで、制御装置９が、この熱交換量を時間積分することで蓄熱材３の蓄熱量Ｓを算出して記憶する。最後に、空間８の圧力Ｐに対応する蓄熱材３の蓄熱量Ｓの値を空間８の圧力Ｐに応じて複数回算出することで、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係を例えば制御マップの形で制御装置９に設定して記憶する。
【００２０】
あるいは、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係は、例えば、以下のような方法でも設定することができる。まず、空間８の圧力Ｐを取得するとともに、蓄熱材３に関する互いに離間した複数の部位の温度を熱電対等を利用して取得する。次いで、制御装置９が、取得した蓄熱材３に関する複数の部位の温度を平均化した温度（平均温度）を算出して、この算出した平均温度を蓄熱材３全体の温度として記憶する。次いで、制御装置９が、蓄熱材３全体の温度に蓄熱材３の比熱と蓄熱材３の容量を乗算することで蓄熱材３の蓄熱量Ｓを算出して記憶する。最後に、空間８の圧力Ｐに対応する蓄熱材３の蓄熱量Ｓの値を空間８の圧力Ｐの圧力に応じて複数回算出することで、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係を例えば制御マップの形で制御装置９に設定して記憶する。
【００２１】
これらの相関関係の設定方法は、蓄熱材３の蓄熱量Ｓに応じて蓄熱材３の形状が変化し、蓄熱材３の形状に応じて空間８の容積（圧力Ｐ）が変化することを利用した設定方法である。言い換えれば、この方法は、蓄熱材３の蓄熱量Ｓが空間８の圧力Ｐと１対１対応となることを利用した設定方法である。
【００２２】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１では、制御装置９が、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係に基づいて、圧力センサ６の実際の取得値Ｐｒに対応する蓄熱材３の実際の蓄熱量Ｓｒを推定する制御を行うように構成される。
【００２３】
このように制御すると、圧力センサ６の取得値Ｐと蓄熱材３全体における蓄熱量Ｓとが１対１対応であることを利用するので、蓄熱材３全体における実際の蓄熱量Ｓｒを正確に推定することができる。
【００２４】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１では、制御装置９が、蓄熱器２への蓄熱または蓄熱器２からの放熱時に、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係に基づいて推定された蓄熱材３の実際の蓄熱量Ｓｒより蓄熱材３の温度Ｔｒを推定する。そして、制御装置９が、この推定された蓄熱材３の温度Ｔｒが温度センサ７の取得値Ｔａに達するまで流路切替装置５により熱交換器４に作動流体Ｗを流通させる状態とする制御を行う。
【００２５】
このように制御することで、正確に推定された蓄熱材３全体における実際の蓄熱量Ｓｒを利用して蓄熱器２への蓄熱または蓄熱器３からの放熱を行うので、作動流体Ｗの温度を高精度で制御することが可能となる。
【００２６】
第１実施形態の蓄熱器の制御システム１を基にした制御フローについて、言い換えれば、蓄熱器の制御システムの制御方法について図４を参照しながら説明する。図４の制御フローは蓄熱器の制御システム１が搭載されるエンジン（内燃機関）の運転中に周期的に行われる制御フローである。また、図４の制御フローを開始する前に、蓄熱器２の筐体２ａの内部に関して、蓄熱材３及び熱交換器４を除く空間８の圧力Ｐと蓄熱材の蓄熱量Ｓの相関関係を実験等により予め設定しておく（第１ステップ）。
【００２７】
図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、蓄熱器２への蓄熱、または、蓄熱器２からの放熱を行うか否かを判定する。この蓄熱、放熱を行うか否かの判定はエンジンの運転状態に応じて行う。より具体的には、例えば、エンジンの冷却媒体であるエンジン冷却水の温度が実験等により予め設定された設定温度閾値以上である場合に蓄熱器２への蓄熱を行うと判定する。また、例えば、エンジンを備えた車両の始動時（エンジンの暖機時）である場合に蓄熱器３からの放熱を行うと判定する。この蓄熱、または、放熱を行うと判定する場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０に進む。この蓄熱も放熱も行わないと判定する場合（ＮＯ）は、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
【００２８】
ステップＳ２０にて、流路切替装置５により熱交換器４に作動流体Ｗを流通させる状態に切り替える。この切り替えにより、蓄熱器２への蓄熱、または、蓄熱器２からの放熱が開始される。ステップＳ２０を実施後、ステップＳ３０に進む。
【００２９】
ステップＳ３０（第２ステップ）にて、空間８の実際の圧力Ｐｒを圧力センサ６により取得する。ステップＳ３０を実施後、ステップＳ４０に進む。
【００３０】
ステップＳ４０（第３ステップ）にて、空間８の圧力Ｐと蓄熱材３の蓄熱量Ｓの相関関係に基づいて、空間８の実際の圧力Ｐｒに対応する蓄熱材３の実際の蓄熱量Ｓｒを推定する。ステップＳ４０を実施後、ステップＳ５０に進む。
【００３１】
ステップＳ５０にて、ステップＳ４０で推定された蓄熱材３の実際の蓄熱量Ｓｒより蓄熱材３の温度Ｔｒを推定する。また、このとき、作動流体Ｗの温度Ｔａも温度センサ７により取得する。ステップＳ５０を実施後、ステップＳ６０に進む。
【００３２】
ステップＳ６０にて、ステップＳ５０で推定された蓄熱材３の温度Ｔｒが作動流体Ｗの温度Ｔａに達しているか否か（Ｔｒ＝Ｔａとなっているか否か）を判定する。温度Ｔｒが温度Ｔａに達している場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ７０に進む。温度Ｔｒが温度Ｔａに達していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ３０に戻る。
【００３３】
ステップＳ７０にて、流路切替装置５により熱交換器４に作動流体Ｗを流通させない状態に切り替える。この切り替えにより、蓄熱器２への蓄熱、または、蓄熱器２からの放熱は終了する。ステップＳ７０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
【００３４】
第２実施形態の蓄熱器の制御システム１について図５を参照しながら説明する。第２実施形態の蓄熱器の制御システム１は、蓄熱材３を過冷却状態を伴う潜熱蓄熱材として構成している点と蓄熱器２の下部に振動装置１０を備えた点で第１実施形態の蓄熱器の制御システム１とは異なり、その他の点で同じ構成である。過冷却状態を伴う潜熱蓄熱材としては、スレイトールが例示される。振動装置１０は、蓄熱材３を振動させる装置である。蓄熱材３が過冷却状態であるときに、振動装置１０を駆動して蓄熱材３を振動させることで、蓄熱材３を液体状態から固体状態に遷移させて過冷却状態を解除する。
【００３５】
第２実施形態の蓄熱器の制御システム１では、制御装置９が、蓄熱器２からの放熱時で蓄熱材３が過冷却状態である場合に振動装置１０を駆動させるとともに、圧力センサ６の実際の取得値Ｐｒが設定閾値Ｐ１以下となるまで振動装置１０の駆動を継続させる制御（過冷却状態の解除制御）を行う。蓄熱材３が液体状態から固体状態に遷移するにつれて空間８の容積が大きくなるので、圧力センサ６の実際の取得値Ｐｒは低下する。設定閾値Ｐ１は、この閾値以下であると蓄熱材３の液体状態から固体状態への遷移が完了した（過冷却状態が解除された）と判定可能な値として実験等により予め設定される。蓄熱材３が過冷却状態であるか否かは、例えば、制御装置９により推定された蓄熱材３の温度Ｔｒと圧力センサ６の実際の取得値Ｐｒとに基づいて制御装置９が判定する。
【００３６】
このように制御することで、蓄熱材３の液体状態から固体状態への遷移に伴う潜熱を作動流体Ｗに放熱させることができる。
【００３７】
なお、第２実施形態の蓄熱器の制御システム１を基にした蓄熱器の制御システムの制御方法を表す制御フローは、例えば以下のような制御フローである。すなわち、図４に例示する第１実施形態の蓄熱器の制御システムの制御フローのステップＳ５０とステップＳ６０の間に、蓄熱材３が過冷却状態であるか否かの判定を行うステップと、蓄熱材３が過冷却状態であると判定する場合に上記の過冷却状態の解除制御を行うステップを追加したフローとなる。なお、蓄熱材３が過冷却状態でないと判定する場合には上記の過冷却状態の解除制御を行うことなくステップＳ６０に進む。
【００３８】
以上より、本実施形態の蓄熱器の制御システム１及びその制御方法によれば、蓄熱材３全体における実際の蓄熱量Ｓｒを正確に推定することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  蓄熱器の制御システム
２  蓄熱器
２ａ  筐体
３  蓄熱材
３ａ  液体状態の蓄熱材の液面
４  熱交換器
５  流路切替装置
５ａ  流入用流路
５ｂ  流出用流路
５ｃ  バイパス流路
５ｄ、５ｅ  バイパス弁
６  圧力センサ（圧力取得装置）
７  温度センサ（温度取得装置）
８  空間
９  制御装置
１０  振動装置
【図１】
2020159575.tif 000003
【図２】
2020159575.tif 000004
【図３】
2020159575.tif 000005
【図４】
2020159575.tif 000006
【図５】
2020159575.tif 000007