(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱槽の外部からの熱源媒体を連通させる熱源媒体循環管路と該蓄熱槽の外部へ向けての熱出力媒体を連通させる熱出力媒体循環管路とを内部に持って一体構造に組み立てられた金属製の熱媒体熱交換器と該熱媒体熱交換器の外表面に隣接して蓄熱材を設置することにより該熱源媒体と該熱出力媒体が熱交換できると共に両媒体夫々が該熱媒体熱交換器全体の外表面を通じて該蓄熱材と伝熱できるように構成し、それらを内部が大気圧に近いか等しい圧力に保った蓄熱容器内に収納して前記蓄熱槽と成し、
冷房空調シーズンに給水や洗面やトイレその他に使われるべく供給される水道水の温度より高い温度に融解温度を設定した潜熱蓄熱材を前記蓄熱材として用い、前記熱出力媒体として前記水道水を前記熱出力媒体循環管路に連通させてその冷熱を前記蓄熱材に蓄熱して凝固させ、一方冷房運転を行う時に空調装置であるヒートポンプユニットの冷凍サイクルの高温高圧冷媒を一旦屋外空気熱交換器で冷却した後に前記熱源媒体として前記熱源媒体循環管路に連通させて前記蓄熱材を融解させながら放熱させた事を特徴とした熱交換器型蓄熱システム。
【請求項２】
蓄熱槽の外部からの熱源媒体を連通させる熱源媒体循環管路と該蓄熱槽の外部へ向けての熱出力媒体を連通させる熱出力媒体循環管路とを内部に持って一体構造に組み立てられた金属製の熱媒体熱交換器と該熱媒体熱交換器の外表面に隣接して蓄熱材を設置することにより該熱源媒体と該熱出力媒体が熱交換できると共に両媒体夫々が該熱媒体熱交換器全体の外表面を通じて該蓄熱材と伝熱できるように構成し、それらを内部が大気圧に近いか等しい圧力に保った蓄熱容器内に収納して前記蓄熱槽と成し、
前記蓄熱容器を高分子樹脂材料のフィルムシートを用いて上部が広く開放された袋状となし、前記蓄熱容器を蓄熱槽を構成する金属板等で構成される筐体の内面乃至は前記筐体に取り付けた断熱パネルの内面に接する状態で設置させ、該袋状容器の内部に前記熱媒体熱交換器と前記蓄熱材を収納した状態で上部解放部を封止させて該蓄熱槽を構成した事を特徴とした熱交換器型蓄熱システム。
【請求項３】
蓄熱槽の外部からの熱源媒体を連通させる熱源媒体循環管路と該蓄熱槽の外部へ向けての熱出力媒体を連通させる熱出力媒体循環管路とを内部に持って一体構造に組み立てられた金属製の熱媒体熱交換器と該熱媒体熱交換器の外表面に隣接して蓄熱材を設置することにより該熱源媒体と該熱出力媒体が熱交換できると共に両媒体夫々が該熱媒体熱交換器全体の外表面を通じて該蓄熱材と伝熱できるように構成し、それらを内部が大気圧に近いか等しい圧力に保った蓄熱容器内に収納して前記蓄熱槽と成し、
前記蓄熱容器を、薄肉材料製のタンク状となし、金属板等で構成される筐体の内面乃至は筐体に取り付けた発泡材断熱パネル乃至は真空断熱パネルの内面に接する状態で設置させ、該タンク状容器の内部に前記熱媒体熱交換器と前記蓄熱材を収納して前記蓄熱槽を構成した事を特徴とした熱交換器型蓄熱システム。
【請求項４】
蓄熱容器内に金属製の熱媒体熱交換器と該熱媒体熱交換器の外表面に隣接して蓄熱材を設置することにより熱源媒体と熱出力媒体が熱交換できると共に両媒体夫々が該熱媒体熱交換器全体の外表面を通じて該蓄熱材と伝熱できるように構成し、
冷房空調シーズンに建物の給水や洗面やトイレその他に使われるべく供給される水道水の温度より高い温度に融解温度を設定した潜熱蓄熱材を前記蓄熱材として用い、
前記水道水の冷熱を前記熱媒体熱交換器を通して前記蓄熱材に蓄熱して凝固させ、一方冷房運転を行う時に空調装置であるヒートポンプユニットの冷凍サイクルの高温高圧冷媒を前記熱媒体熱交換器に連通させて前記蓄熱材を融解させながら放熱させた事を特徴とした熱交換器型蓄熱システム。
【請求項５】
前記蓄熱材として潜熱蓄熱材を用いて小さな袋乃至は小容器などに詰めてブロック状にした多数のブロック状潜熱蓄熱材又は小さな樹脂製カプセルに潜熱蓄熱材を封入したカプセル状潜熱蓄熱材と前記熱媒体熱交換器とを前記蓄熱容器内の袋状容器乃至はタンク状容器に収納した後に前記潜熱蓄熱材の融解温度より低温の融解温度を持ち、且つ前記潜熱蓄熱材の融解時の比重に対し融解温度付近で７０％以上１３０％以下の比重の充填用液体を前記潜熱蓄熱材と前記熱媒体熱交換器の間に充填し、且つ前記充填用液体を満たした前記容器内の空間を外気に近い乃至は等しい圧力に保った状態で外気と密閉構造とした事を特徴とした請求項１、２、３、４に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術が適用される技術分野は民生用、特に家庭用、業務用の空調機器と給湯機器を総合した分野での熱エネルギー有効利用を目指した次世代向けの新しい機器システムに関した分野である。この民生分野では現在でも多種多様の機器、システムが実用化されている。事例を挙げると、電力駆動冷凍サイクルを利用した空調機器及び冷凍機器や給湯機器、ガス石油を燃焼させて熱源とした暖房機器及び給湯機器や燃焼機器、ガス石油を動力駆動用燃料とした発電機や空調機器、太陽熱を熱源とした給湯機器など等である。特に近年、省エネルギー又は地球環境を重視するために機器のエネルギー効率の向上や自然エネルギーの活用のための新しい技術、機器、システムの検討が各方面で精力的に進められてきている。またエネルギー供給の社会インフラの特性から昼間電力の利用を抑えて夜間電力を利用するための技術や新らしい機器が開発され、実用化されて来ている。
【０００２】
それらのシステムに利用されるエネルギーは商用電力、石油、ガソリンなど、何時でも社会インフラとして何処でも入手できた高い密度の使いやすいエネルギーから、例えば深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱などなど、限られた時間帯のみに限られたエネルギー濃度や温度が低く、且つ運転サイト毎に特有で標準化されていない、いわば排熱を主体にした各種のエネルギーの利用へ向けての変化が除々にではあるが生じている。
【０００３】
そういった動勢を一層進展させ更に種々な面で有益なシステム機器を実現する為の一つのキー技術が蓄熱システムに関するものである。それは需要側と時間や濃度でずれた供給エネルギーを一旦熱エネルギーに蓄積し、使いたいときに使いたい密度で熱エネルギーを供給する事ができるものと位置づける事が出来るからである、今後の社会生活の変化を支える一つのキー技術とも言えよう。
【０００４】
この分野の技術で最も実用化が進んでいるのが深夜電力を利用して温水をつくりそれを蓄熱して何時でも利用できるようにした高いエネルギー効率のシステムとして、ヒートポンプ給湯器がある。この場合年間平均２５℃程度の水道水を８０℃程度まで加熱して温水タンクに貯湯しておき、それを必要な時に利用するシステムである。この場合温水の蓄熱量はその温度差が８０℃と２５℃の差即ち５５℃もあるため貯湯する温水タンクの容量は小さくて済むため家庭、店舗等でも広く普及されてきつつある。例えば一般家庭では４００リッター程度の温水タンクを１０００リッター程の筐体に収納させて設置するため、蓄熱タンクの底面の専有面積は０．５平方メートル程度となり、設置スペースの点でも可能な地域が多くある為である。
【０００５】
しかしながら、それでも都会の住宅やマンションやアパートなどの場合、及び商業地域での小型店舗などの周囲ではそのスペースが無く、乃至はスペース確保費用が極めて高価なため、全国規模での普及拡大には課題となっている。
一方、給湯ではなくて冷暖房用の温冷水を蓄熱する場合には、例えば暖房の場合、その暖房効果を発揮させるためにはその温水の暖房後の戻り温度でも４５℃程度の高温度が必要であり、従って貯湯の温度差は８０℃と４５℃の差即ち３５℃となり前述した給湯の場合の５５℃と比べて半分に近くなる。これは同じ熱量を貯湯するには倍近い温水タンク容量が必要となるわけである。冷房の場合はその冷水の温度差は８℃と１８℃の温度差である１０℃程度となり同じ必要熱量ベースであれば給湯の５．５倍程度の容量の冷水タンクが必要に成る。
【０００６】
しかも給湯と冷暖房を総合的に供給できるシステムではその双方を足した温冷水タンク容量は給湯のみの場合に比べて５〜８倍程度になり、現地での据付けスペース及び価格の制約からみて殆ど実用性が無いと言えよう。
即ち、現在の民生機器用蓄熱装置における最大の課題は如何にコンパクトで蓄熱性能の良い蓄熱システムを実現する事ができるかであると言える。現状の温水給湯用の蓄熱量が容積あたり倍増できれば蓄熱システムを用いた空調給湯システムの実用化に扉を開く事ができると考えられる。さらに、深夜電力利用のヒートポンプと昼間の太陽熱の双方をうまく蓄熱すれば、一般家庭の朝晩の暖房と夕方の給湯などを１次エネルギー消費量が少なくて低い運転ランニングコストの方式の実用化が大きく進展できると考えられる。
【０００７】
エネルギー装置分野の蓄熱システムに必要となる技術分野としては以上に説明したコンパクト化以外にも、蓄熱槽から大気への放熱ロスを最小化できるシステム、多種類の熱源を制御して最適に利用できる蓄熱システム、ヒートポンプ熱源ユニットとの連携、太陽熱太陽光発電との連携、冷暖房の双方を実現できる空調システムとの連携、現地での据付け工事性などの大きな課題があり、これらが実用化のためのキーである。更にこういった装置が開発され普及拡大が進展するためには以上の課題をクリヤーした上で、コスト低減を実現するための簡略化されたシステムと構成ユニット及び部品の実現が必要である。本発明提案では、蓄熱システムとしてその成立に必要な範囲の項目についてとりあげていく。
【背景技術】
【０００８】
先ず、最優先の課題として、蓄熱システムのコンパクト化が上げられる。これに関しては多くの要因があり、一つづつ列挙すると、ＰＣＭと略称される液体と固体の相変化を利用した潜熱蓄熱材を利用し、ＰＣＭの容積充填効率を高める、蓄熱温度の設定を出来る限り常温の大気温度から離れずに低温度温熱蓄熱と高温度冷熱蓄熱を実現して断熱に要するスペースを低減する、蓄熱タンク内の圧力を大気圧に近づけて耐圧強度を確保する事による容器と構造物の容積増加を少なくする、外気との断熱構造に費やされるスペースをコンパクト化する、などの技術項目を検討する必要がある。以下これ等の要因を掘り下げる。
【０００９】
コンパクト化に続く二番目の目標として、蓄熱システムからの熱リークによるロスの低減があげられる。その為の技術としては上記の様に潜熱蓄熱材を利用して蓄熱温度を温熱蓄熱の場合は低くし冷熱蓄熱の場合は高くして外気温度に近つける、蓄熱容器外表面積を少なくする、蓄熱容器外周の断熱特性を向上させるなどの技術項目が上げられる。
【００１０】
三番目の検討目標として水や冷媒などの作動流体を作動ポンプなどにより循環乃至は流動させる方法の最適化が挙げられる。理想的には作動ポンプなどは極力廃止して、それを駆動するモータ電力の低減、長期使用品質の向上、初期コストの低減が重要視点となる。
【００１１】
四番目の検討目標は、多くの種類のエネルギー熱源に対応できる蓄熱システムであり、一方給湯冷房暖房などより広範囲の熱供給ニーズに応えられる汎用性のある効率の高い蓄熱システムの実現があげられる。  
【００１２】
五番目の目標は蓄熱容器を利用したシステムを如何に地球環境面から見て、またランニング費用の点からみてエネルギー効率の高いものにできるかが重要な視点であり、この点に応えられる蓄熱システムの実現は大きな目標である。
【００１３】
六番目の目標は長期的な信頼性と安全性の確保である。特に作動流体や媒体を循環させる為のポンプの長期的な信頼性は全体システムの信頼性向上のキー要素の一つと言える。また蓄熱材の劣化及び潜熱蓄熱材の場合には相変化による形状歪の繰り返しは強固な金属性熱交換器や容器などを変形さらには破損させる危険性を含んでいる。装置に用いられる作動冷媒の人的安全性、環境安全性についても取り上げるべき大きな課題の一つである。特に現在フレオンを含む代替冷媒から、それを含まない自然冷媒への移行がポイントとなる。
【００１４】
七番目の検討課題は、以上概説してきた種々の課題、目標を達成した蓄熱システムが実際の機器として具体化した際のコストが高価になり、実用上の普及が難しくなるという点である。この点からシステム全般の構成、構造、材料が簡潔で低コストであることが重要である。
【００１５】
以上、７つの目標について技術的視点で述べたが、これらの項目に対して従来から関連する多くの技術検討と開発検討が進められてきている。例えば、特許文献１はフィンチューブ熱交換器を利用して効率的に蓄熱しコンパクトな蓄熱システム実現に係わる発明である。特許文献２も温度が違う二つの蓄熱槽を用いて高効率とコンパクトなシステムを目指した発明である。特許文献３は冷房と暖房に共用の潜熱蓄熱材を用いてコンパクトで年間利用できる蓄熱システムを提示している。特許文献４は潜熱蓄熱材としてのパラフィンの熱特性を向上させる発明である。
【００１６】
特許文献５は潜熱蓄熱材カプセルと別置きの熱交換器とを連通させて熱媒体を繰り返し循環させる事による蓄熱効率向上技術が示されている。特許文献６には太陽光電池と太陽熱集熱器において集熱した熱量を蓄熱しヒートポンプを用いて、コンパクトな蓄熱槽で太陽電池の冷却と給湯水の供給を行えるとしている。特許文献７には太陽熱を蓄熱し給湯を効率よく行うシステムで、パネルブロック状の蓄熱体が示されている。特許文献８には冷蓄熱材容器と暖蓄熱材容器を一緒に複数設置して別置きのヒートポンプ出力用熱交換器に出力媒体を連通させて快適な冷暖房を行う発明が提示されている。特許文献９には蓄熱材の中に熱媒体用熱交換器を設置して蓄熱材の充填率を向上しコンパクトにする方式が提示されている。
【００１７】
特許文献１０にはヒートポンプ他各種の熱源による加熱手段を設けた給湯タンクシステムによる各種エネルギー利用システムを提起している。特許文献１１には蓄熱缶体に複数の出力側熱交換器を備えて高圧給湯用その他、使用ニーズに適合させる技術が提示されている。特許文献１２はヒートポンプ出力熱交換器を融点の異なる複数の蓄熱材を備えた蓄熱手段によるポンプの不要な高効率な給湯装置を提示している。特許文献１３には上部が開放された蓄熱材容器内に冷媒配管を設置しかつ蓄熱材の相変化歪が上部に開放されるような工夫が提示されている。
【００１８】
以上、背景技術の一部として特許文献を提示した。そこには先に述べた７つの技術開発目標課題の殆どの内容の検討が進められてきている事を示している。しかしながら本発明で提示しようとしている技術分野の背景技術の現在の状況として次の三つの側面を見る事ができる。
上記７つの目標課題の個々に付き解決策、技術がいまだ検討不十分である。
各特許文献に示された解決の為の技術は、その殆どが先に示した７つの目標課題の一つ乃至は二つに関するものであり、七つの目標課題の全体をシステムとして整合のとれた技術としては不十分である。
従って、システムとして技術的に多くの改善課題を残しており、従ってこれに関連したシステムの実用化、商品化が広範囲に進まないのはこの為と考えられる。
【００１９】
従って、本発明では深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱などを蓄熱する事に有効に且つ実用的に利用する為の上記七つの個々の課題別の改善技術を明確に提示し、また７つの課題全体として整合性の取れた解決技術を提示していく。
【特許文献１】特開平０５−５５８２号広報
【特許文献２】特開平０５−１９６３７９号公報
【特許文献３】特開平０５−１９６２６７号公報
【特許文献４】特開平０５−１６３４８５号公報
【特許文献５】特開平０６−３０７８号公報
【特許文献６】特開平０６−２３４０２０号公報
【特許文献７】特開平１０−１９０７４号公報
【特許文献８】特開平１０−８９７３１号公報
【特許文献９】特開平１０−４７７１２号公報
【特許文献１０】特開２００２−２２２７０号広報
【特許文献１１】特開２００３−１１４０５０号公報
【特許文献１２】特開２００５−３２６０７８号公報
【特許文献１３】特開２００５−３３７６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱など、標準化されていないために使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して利用できるようなシステムを広範囲に確立する事が目標であり、そのための技術的な課題は以下の様になる。
【００２１】
先ず、最優先の課題として挙げた蓄熱システムのコンパクト化に付いては前述の検討アイテムがあるが、課題の目標としては現在市販されている蓄熱装置の容積の半減化を目指すべきである。例えば、現在家庭用の深夜電力利用ヒートポンプ給湯器に使われる蓄熱槽の標準容積は正味４００リッターである。しかしながら、円筒型の高圧水道水容器を収めて外周を断熱をして配管などを収納した場合、それを収める長方形の蓄熱槽筐体外寸容積は１０００リッター以上となるのが実情である。従って家庭用に限らず、蓄熱容器の正味容積だけでなく実際に現地に取り付けられる蓄熱筐体の全体容積の縮小が対象になる。半減という目標はアパートメントや店舗等の建築物に設置した時のスペース制約と重量制約の双方から検討して当面の目標として設定した数値目標である。本発明では蓄熱材の容器は高圧タイプではなく大気圧と等しい内圧のシステムの実現を目指した。
【００２２】
蓄熱容器の容積半減が実現した時の上記の蓄熱関連の家庭用商品の限界普及率は据付スペース制約が減少する効果により倍増するのではないかと推定している。それでも５０％程度が想定される限界普及率である。業務用でも同様な傾向にあるものと推測される。
二番目の目標として挙げたのは蓄熱システムからの熱リークによるロスの低減である。前述した家庭用給湯蓄熱槽における熱ロスは年間平均で総蓄熱量の５〜１０％に達する。これを改善するためには蓄熱温度、蓄熱タンク外表面積、断熱特性その他の要因がある事は先に述べたが、この課題目標としてはやはり半減化をあげて検討する。
【００２３】
三番目の検討目標としてあげた水や冷媒などの作動流体を循環させる作動ポンプの問題である。作動ポンプはモータ電力の低減、長期使用品質の向上、初期コストの低減の問題であり、本発明システムの検討では作動ポンプの使用台数の少ないシステムの実現を目標とした。何故なら前述のポンプの持つ三つの要素の改善を図るには作動ポンプそのものを無くす事以上の解決策が無いからである。
【００２４】
四番目の検討目標は種々なエネルギー熱源に対応でき、且つ給湯冷房暖房などより広範囲の熱供給ニーズに応えられる汎用性のある効率の高い蓄熱システムの実現があげたい。効率のみではなく、使用者ニーズに合わせて最適化制御できるシステム構成の実現を目指す。  
【００２５】
五番目の目標は蓄熱システムを用いて如何に地球環境面から見て、またランニング費用の点からみてエネルギー利用効率の高い民生用エネルギーシステムを実現するかである。これは前述したエネルギー源として深夜電力、太陽光発電電力や太陽熱、各種コジェネレイション装置の排熱などを使ってかつヒートポンプシステムと組み合わせて実用化できる高度な自然エネルギー利用蓄熱システムの実現を課題にした。
【００２６】
六番目の目標は安全性と長期的な信頼性の確保である。この為にはポンプを出来る限り使用しない事を含めて作動媒体の選択に代表される安全性と潜熱蓄熱材の相変化による形状歪を吸収できる構造機構など、本質信頼性の実現を課題とした。
【００２７】
七番目の検討目標のコスト低減についてはシステム全般の構成、構造、材料を簡潔で低コスト材料の使用が課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
請求項１〜３には本発明の熱交換器型蓄熱システムの基本構成を提示した。蓄熱材は容器外との出入りや流動は無い状態で且つ、大気圧に等しい圧力状態でシステムの蓄熱容器内に設置乃至は封入されており、従ってこれを流動させるポンプなどの機構は不要である。蓄熱材への熱の授受は容器内の熱媒体熱交換器を通じて行うとともに、熱源媒体と熱出力媒体同士の熱交換も該熱交換器内で行う事が可能である。
勿論本発明で言う蓄熱材とは潜熱蓄熱材を含んだ蓄熱できる材料全体を指す。
【００２９】
この基本構成は後に詳述する多くの特性の機能を実現する上で必須なものであり、その効果のみを列挙すると、
蓄熱材は熱源媒体及び熱出力媒体と分離されているので、その選択に制約が少なく、固体液体を問わず殆どの種類の蓄熱材が利用可能である。
他方、熱源媒体と熱出力媒体は本蓄熱システムにおいてその選択に制約が少なく、フロン冷媒、水、炭酸ガス、炭化水素、不凍液、エマルジョン流動体、小カプセルを含んだスラリー液体など熱媒体熱交換器の循環管路内を流動するものであれば良く、圧力状態、化学的特性などの制約は少ない。
熱源媒体と熱出力媒体とを同じ蓄熱システムで一緒に扱える媒体数は基本的には制約が無く、実際上も６〜７種類を扱うことができる。
【００３０】
最も基本的な事例として、熱源媒体をヒートポンプユニット冷媒、熱出力媒体を給湯用水道水を選択した所謂ヒートポンプ給湯器に利用した場合は両媒体用のポンプの必要が無い極めて簡潔なシステムが構成でき蓄熱槽容積が半減化出来ることは後で述べる。
熱源媒体と熱出力媒体は夫々が熱媒体熱交換器全体を活用して蓄熱材と熱交換できるため蓄熱時にも蓄熱した熱を受け取る時にも高い伝熱特性が得られる。
それだけでは無くて、蓄熱材に蓄熱した熱量を使い果たした時には、熱出力媒体は熱源媒体から直接熱を受け取る事ができる。実機では極めて重要なこの効果も他の熱交換器などを必要とせずに確保できている。
【００３１】
（７）熱源媒体及び熱出力媒体が密閉され分離されているから、蓄熱材の設置環境に自由度が高い。そこで此処では蓄熱材空間を大気圧状態に設定しており、これは蓄熱容器の上部空間を外界の大気との間を柔らかな膜でシールさせる事により簡単に実現出来る。この事が容器の構造の簡略化、形状の自由度、低い強度構造などの効果を実現しやすくし、口述するように全体の容積、熱ロスの低減、製品コスト低減に大きな効果を産む前提となる。
以上述べた様に、請求項１〜３及び５の熱交換器型蓄熱システムがシステム全体の課題解決にもたらす効果は大きく、本発明の大前提となる技術であり構成要件となる。
【００３９】
これ等の効果ある項目を全て折りこんだ場合、試算によれば蓄熱槽の全容積の低減効果は６０％程度と算定された。即ち容積は４０％程度になると算定されたわけである。この効果はシステムのコスト低減、装置の現地への輸送コスト低減、現地での据付け工事費の低減に結びつくが、このコスト削減額が水に替えて潜熱蓄熱材を使用する事による材料費コストアップを相殺できるか否かが最終の重要判断基準であり、詳細設計が完了しているわけでは無いが、水道水圧のかかった温水式の蓄熱タンク方式に比べ潜熱蓄熱材と熱媒体熱交換器を用いた潜熱蓄熱方式の収納筐体はほぼ同等となる見込みである。
【００４２】
蓄熱容器は従来の水道水の給湯器の場合は円筒状の耐圧ステンレス容器を用いている。請求項２はコンパクト化、コスト低減、製造製アップ、現地工事性向上を実現するもので、薄い高分子樹脂材料のフィルムを袋状とし、工事完了後に最終的には筐体の内面に張り付く状態で容器を構成しその内側に蓄熱材と熱媒体熱交換器を収める構造である。薄いフィルムを用いて耐圧構造容器を用いた場合、容器事態がスペースをとるような事が無く筐体容積を最小化できるのは蓄熱システムが請求項１を前提としているからである。このフィルムの袋状の容器は十分大きな寸法にできた物で現地組み立ての際に前面から蓄熱材ブロックを入れる方式をとる場合は前面側を底板位置乃至は中間位置までずり下ろしておき、蓄熱材を前面から組み込む事を容易にする事ができる。蓄熱材の組み込み完了後に再度上部位置までたくし上げて袋状にしてから筐体の前面板を取り付ける事によりこのフィルムの袋は容器としての最終の形を完成させる。
【００４３】
請求項３は容器の別案で、本体側と前面カバー乃至は上面カバーに分割されている樹脂容器からなり、双方のあわせ部は相互にネジ締めなどにより水密シール状態に締結して容器を完成させる。勿論耐圧容器である必要が無いので水密シール部分を除けば薄い且つ蓄熱筐体の内面にピッタリあわせた形状とする乃至はあわせた形状になるようにする事ができ、請求項７に対しても筐体容積の増加への影響は少ない。
【００４４】
請求項９は潜熱蓄熱材に関し、温熱蓄熱の場合で前述した方法による融解温度選定基準に一致するものをブロック状にしたものを用いて現地で容器内に収納する方法についての発明である。蓄熱材は潜熱蓄熱材などは勿論、液体の蓄熱材以外の場合容器内への収納方法は簡単では無い。その重量は家庭用の小さなシステムでも２００キログラム以上の重量があり、工場で一体に組み込んだものを狭い空間である事が多い現地に運搬するのは難しい。従って小さなブロックに小分けしたものを現地で容器内に組み込むという作業が必要に成る。請求項２、４に示したように熱媒体熱交換器は蛇行状に曲げ成形されて容器内に収納される。そこに生じた隙間に前記の樹脂フィルム等で梱包状態にした多数の潜熱蓄熱材ブロックを挿入する。ブロックは前記の熱交換器の隙間にあわせた形状にしてあり、挿入後のブロックと熱交換器の隙間は確実に確保された形状になっている。
【００４５】
充填材は熱交換器の外表面とブロック外表面の間を常に隙間無く充填して相互の伝熱を高める。同時に蓄熱ブロック材が融解して膨張した時には、充填材が押しのけられて容器内の液上面が上昇することによりその膨張を吸収し、蓄熱ブロックが冷却固体化して縮小した時には逆の減少によりこれを吸収する。この機能を果すための液体充填材は作動温度領域の範囲で常に液体である事が必要であり、常に液体で存在するためには凝固点が零度以下である事が望ましい。
【００４６】
また潜熱蓄熱材との比重が３０％以上異なる液体は長期使用によりその浮力の差により位置ズレを起こし、これを防止するため潜熱蓄熱材をブロック化して固定するなどの施策が必要になるので注意が必要である。より小さいカプセルの場合はより注意が必要である。これ等の点を注意して潜熱蓄熱材の比重を考慮して水乃至は塩化カルシューム水溶液乃至はエチレングリコール水溶液乃至は低融解温度パラフィンなどの液体の中から選択する。この液体が長期間の使用期間に蒸発して外部へ飛散してしまう事を防止するために封入容器を密閉にするか、減量した時には補充することが必要となるが、民生用機器のメンテナンスの実態から見て補充を確実に実施することは難しく、容器を密閉にすることが実用的であり、その為には容器の上部をフレキシブルなフィルムで構成して密閉で且つ内部を大気圧にする方法が具体的である。
【００６８】
オフィスビルなどの様に水道水の使用量が多く、しかし給湯はさほど必要の無いサイトで冷房運転のみが多くの時間で必要であるサイトは少なくない。そのサイトの場合は前述した様に２５℃程度の大量の水道水を利用して蓄熱材を冷却して蓄えた３０℃程度の冷熱蓄熱をその後の冷房運転の性能向上とエネルギー効率向上に役立てる事が出来る。その様なサイトでは給水洗面ノミでなく、トイレの排水用の水道水乃至は処理水も利用可能であり、オフィスビルディングのみでなく年間を通して冷房負荷の高い人の集まるところ例えばレストランなどがこの種のサイトの事例として上げられる。特に中間期でも冷房を利用するところでは大きな効果がある。
【００６９】
この水道水を用いて冷熱蓄熱する技術は請求項１及び４に提示した。建物全体に供給される水道水の温度は冬季で１５℃夏期で２５℃程度と仮定した時に融解温度がそれより５℃高い３０℃の潜熱蓄熱材の熱交換器型蓄熱システムを設定する。全ての水道水を利用する前にこの蓄熱システムに連通させて水道水の冷熱で潜熱蓄熱材を凝固させて冷熱を蓄熱しておく。他方、ヒートポンプユニットは建物内を冷房しその排熱を大気に放熱する際の放熱凝縮温度は大気温度を３５℃程度と想定すると通常は５０℃程度になる。しかしながらこの大気に放熱した後に前記熱交換器型蓄熱システムに連通させて３０℃の蓄熱材にて冷却させればその際の放熱凝縮温度を４０℃程度に低くする事ができるし、冷媒の過冷却、即ち冷房能力を増加させる事もできる。その結果ヒートポンプユニットの冷房能力は増大し、その動力となる消費電力量は低減し、その比であるエネルギー効率を２０〜３０％程度向上させる事が出来ると試算される。この発明が適用できるであろうサイトは国内外に多く、この商品システムの市場となるであろう規模は極めて大きく、地球規模の夏場の消費電力低減と電力消費ピークの低減への効果は大きい。
【００７０】
そのサイトが冷房運転のチャンスが少なくて、暖房と給湯といった加熱運転が主体である場合は請求項１及び４の冷房主体のケースとは逆の設定であるが、同じ様な効果が可能になる。この場合冷房の事例では３０℃に設定した潜熱蓄熱材の融解温度をこのケースでは１０℃程度に設定したシステムを用いる。建物内で利用される１５℃程度の水道水の熱を利用してこの潜熱蓄熱材を融解させて１０℃で蓄熱しておいて、ヒートポンプユニットが暖房乃至は給湯運転を行うときにこの１０℃の熱を熱源として利用するものである。こうすれば大気が零度以下になった場合にも１０℃の熱源を利用して効率の高いヒートポンプ運転が可能になる。しかも潜熱蓄熱材を１０℃前後に設定しておけばこの運転によって水道水が凍結するなどの問題は回避できる。何れのケースも潜熱蓄熱材と複数の媒体循環管路を独立一体に構成した熱交換器型蓄熱槽によりこれらの効果は実現させる事ができるわけである。
【発明の効果】
【００７８】
以上の様に、使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して効果的に利用できるような民生用システムを広範囲に確立するという目標で熱交換器型蓄熱システムを特定しそれを広範囲に利用する事について必要な多くの技術項目の解決策を提示できたと考える。それらの技術は具体的には以下のような最初に示した課題の解決につき多くの直接的効果と派生的効果が期待できる。  最初の課題として、蓄熱槽のコンパクト化については請求項１、２、３、４、５に提示した技術により例えば水圧のかかった給湯用の水道水を蓄熱する場合に比べ５０％以下の容積が可能に成ると算定される。その主な因子を挙げれば、潜熱蓄熱材を用いその充填率を９０％にした効果が３０％、蓄熱容器を薄型の立方体化した効果が１８％、真空断熱材採用で８％その他効果１０％と試算される。現地での据付けスペースの制約を排除するという主要な目的はほぼ達成できた。２番目の課題である蓄熱槽からの熱ロス低減については蓄熱槽の容積自体の半減で表面面積低減による効果３０％、請求項５に提示したように蓄熱温度を３０℃低下させた効果が４０％及び真空断熱材による効果が５〜８％総計約６０％以上の熱ロス低減効果が期待される。
【００７９】
３番目の熱媒体、特に水の搬送ポンプの使用を抑えるという目標についてはヒートポンプ冷凍サイクルをフルに活用したシステムを種々構成できた事から十分な成果を達成した。
４番目の課題としての多数の熱源供給の処理、多数の熱出力の実現については請求項１、４に示した技術が極めて広範囲で自由度の高いシステムを実現できたと考えられる。
【００８０】
５番目の目標であったシステムエネルギー効率の向上については請求項１、４に提示した技術が大幅な効果を達成したと考えており、例えば太陽光コジェネレイション装置の実現は自然エネルギーである太陽光を発電と熱をハイブリッドに取り出しているので太陽光エネルギー回収率は３０％を超える画期的な成果を実現する。６番目と７番目の目標としてのシステム信頼性の確保と十分なコスト低減の達成については全請求項に示した技術アイテムが全体として簡素で部品点数の少ないシステムの確立に大きく貢献する内容が十二分に提示できたと考える。
【００８１】
全体目標としては「深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱など、標準化されていないために使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して効果的に利用できるような民生用システムを広範囲に確立する」という目標を達成する為に必要な種々基幹技術を提示する事ができ、特にシステムの実用化のための熱交換器型蓄熱システムという基幹システムを特定しその応用方法につき多くの技術分野を明確にする事ができた。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００８２】
以下、本発明の実施形態を、図１〜図５に基づいて説明する。図１は水道水を加熱して給湯するための熱交換器型蓄熱システムに使われる給湯用の熱媒体熱交換器２１である。循環管路用に用いられる二十個の穴４を持ったアルミ製の扁平多穴管１には、その内四つの穴からなる循環管路を６の矢印で示されたように熱出力媒体としての水道水が流れ、他の三つの穴からなる別の循環管路を５の矢印で示された様に熱源媒体としてヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒であるプロパンガスが流れる。残りの十三個の穴は多穴管の両端に６穴づつと中心に一穴が配置され、循環管路には使われていないが、蓄熱材との伝熱のための拡張面積を確保している。アルミ製の循環管路接続管フレア２により断面形状の異なる扁平多穴管１と循環管路接続管３をロー付け接合により連結している。この熱交換器と潜熱蓄熱材であるパラフィンが収納され熱交換器型蓄熱システム１６が構成される。ここでは図示していないが、循環管路の穴の構成をプロパンガスと水道水の間の伝熱特性を上げるために一つ置きの穴配置にする交錯した配管レイアウト方法も考えられるが、その場合循環管路接続管フレア２等の形状が複雑で多分岐管になり、コストアップとロー付けリーク不良などの可能性が増えるのが難点である。
【００８３】
矢印５、６で示される様に両媒体を対交流に流しており、冷凍サイクル冷媒が出口でスーパーヒートが多く取れてサイクル制御をし易いようにしている。
両媒体は一つの扁平多穴管１内を一緒に流れるようになっているため相互間の伝熱に優れ、且つ該扁平多穴管の外表面が大きな面積に構成してあるのでその外表面の外側に隣接して設置される潜熱蓄熱材７と両媒体との間の伝熱特性も優れたものになる。扁平多穴管の厚さは出来る限り薄い平板状にして蛇行状に成型しやすくするとともに、潜熱蓄熱材７の収納容積を増やして蓄熱容器内の蓄熱材の容積比率を９０％以上に設定している。このため扁平管の平板厚さを７ｍｍとし容積比率９０％にするためのその蛇行ピッチ１８は７３ｍｍとし、そこに挿入される蓄熱材ブロックの厚さを６４ｍｍとしている。この６４ｍｍの寸法は蓄熱材の内部伝熱特性からみて最大寸法に近い。これ以上厚い場合、蓄熱材ブロックの中心部分が蓄熱や放熱に参加するまでの時定数が大きくなり伝熱抵抗による無駄が生じるため避けねばならない。
【００８４】
扁平多穴管の穴ピッチ寸法１９は１０ｍｍであり扁平多穴管の外形幅寸法は２０穴のため２００ｍｍとなる。請求項６に示した様に蓄熱容器２０の奥行き方向内部寸法はこれを２列並べた場合２００ｍｍの２倍である４００ｍｍプラス隙間５ｍｍで４０５ｍｍとなる。もちろんこの場合２列分を一体でアルミ押し出し扁平多穴管で構成しても良いがその場合には４０穴の扁平管となり中心部の７穴のみ又は往復で１４穴を用いて水道水と冷媒用の循環管路が構成される、乃至は隣り合わせた７穴を一対の循環管路として４０穴の内で２８穴に４対の循環管路を交互の位置に構成してもよい。扁平多穴管１と接続管３は内部に腐食性のある水道水等が連通される事を想定して腐食防止のためにアルミニウム合金成分調整、酸化皮膜処理、めっき処理などが必要に応じて施してある。材料信頼性を更に高めるために銅パイプをインサートする方法もある。しかしながら通常の水道水であれば、その流速を抑えておけば、耐食性の強いアルミ合金等を用いるだけで表面処理を省略する事も可能である。
【００８５】
図２は図１に対しより多数の穴を持った扁平多穴管を用い多数の媒体循環管路を持った熱媒体熱交換器を示している。図１の場合と同様にアルミの押し出し成型品を用いているが、前述した様にそれはロールボンドでも良いし、アルミの平板上にはめ込んでロー付けしたものでも良いがここでは最も製造性が高く、製造品質が安定するアルミの押し出し多穴管を用いている。図２の熱交換器に連通される媒体は例えば熱源媒体としてはヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒やコジェネレイション装置の排熱を搬送する不凍液などであり、熱出力媒体としては給湯用の水道水や空調用の温冷熱媒体である不凍液又は二酸化炭素や再加熱追い炊き用の風呂の温水や蓄熱を熱源に利用したヒートポンプの冷媒などがある。
【００８６】
それ以外にも幾つもの種類の熱媒体を連通する事ができるが、ここでは図を示さない。この五つの循環管路は熱源媒体と熱出力媒体間の伝熱が相互に効率良く行われる様にそれらが隣り合わせて交互に配置される。この熱交換器は全体が蛇行状に成型され、扁平多穴管の幅寸法は２００ｍｍの場合４００ｍｍの奥行き寸法の蓄熱容器には奥行き方向に２列に配置される。勿論４００ｍｍの幅の扁平多穴管の場合なら１列配置で良く、この場合５つの循環管路は適宜な穴位置と穴数を選択して配置される。当然アルミ製の多穴管は媒体の作動圧力や流速や作動温度、流体成分などによってその材料、寸法、肉厚、細部形状等が調整し最適に設定されている事は言うまでも無い。
【００８７】
この様な熱媒体熱交換器２１を用いた蓄熱システムが本発明の熱交換器型蓄熱システム１６でありその事例を図３に示す。図３は蓄熱槽筐体及び断熱パネルその他小さな補器部品は省略してあり蓄熱容器２０及びその主要部分のみを示している。これはヒートポンプユニットを利用した単一熱源媒体による家庭用の給湯システムの事例である。前面から蓄熱材ブロックを入れる方式の場合で、蓄熱容器の内部寸法は幅６００ｍｍ、奥行きは４０５ｍｍ、高さは１７００ｍｍのポリプロピレン樹脂製で、容器前面１２は取り外しが出来、螺子で水密状にシールとなる様に容器本体１０に取り付けられる。図示しないがこの容器２０を包むように真空断熱パネルそしてその外側を鉄板筐体が組みつけられ、該筐体が蓄熱槽全体を保持する構造になっている。
【００８８】
熱媒体熱交換器２１は図１に示したもので奥行きを４００ｍｍにしたものを用いており、蓄熱容器の中に図の様に設置され固定される。４本の循環管路接続管は容器２１の上部から容器とシール状態で外部に連通されている。熱媒体熱交換器が設置された後に薄いポリプロピレン樹脂容器に入れた潜熱蓄熱材ブロック７が空間に挿入し設置され、これが完了すると容器前面１２が螺子により容器本体に固定される。その後均圧膜１１部分から充填液８として水を図に示した様に蓄熱材を覆う位置まで注入し、均圧膜がかぶせられてシールされる。寒冷地域では水ではなくて不凍液が用いられるのは言うまでもない。潜熱蓄熱材は２４−パラフィン乃至は酢酸ナトリウムが使われ、相変化を繰り返しながら蓄熱材の平均温度を約５０℃前後に保っている。  パラフィンは水より軽く、酢酸ナトリウムは水より重いため充填液に対し浮き上り又は沈む傾向があるため図示はしないが、蓄熱材ブロックの移動防止用の止め具を各所に使用している。上部から蓄熱材ブロックを入れる方式では熱媒体熱交換器の蛇行成型方向が変わるので注意が要る。
【００８９】
熱源媒体はヒートポンプユニットからの５５℃の凝縮温度を持つ高圧のプロパン冷媒で図中５に示される様に連通され、熱源媒体熱交換器２１の循環管路１７内で冷やされて凝縮され液体となって蓄熱容器２０から外部に流出される。その凝縮熱は熱源媒体熱交換器２１の外表面から充填液８の水を通して潜熱蓄熱材ブロック７内の融解温度が５０℃の蓄熱材パラフィンに伝わりこれを融解させて蓄熱する。一方給湯する時には熱出力媒体である水道水が熱出力媒体循環管路１７に連通され、蓄熱材であるパラフィンから熱を受け取りこれを凝固させ、４５℃程度の温水となって給湯される。また、給湯を使いすぎて前夜の電力を使った蓄熱量が少なくなってきた時などはヒートポンプ運転による高温のプロパン冷媒により直接熱媒体熱交換器を通して水道水を加熱して給湯する事ができる。このシステムではプロパン冷媒は圧縮機により送り込まれるし、水道水は水道水圧で押し出されるので、媒体を連通させるためのポンプなどは必要が無い。
【００９０】
平均的な家庭における一日辺りの給湯負荷は約２２０００キロカロリーと算定される。これを８０℃のお湯で蓄熱したときも、パラフィンや酢酸ナトリウムの潜熱蓄熱材で５０℃で蓄熱した時も、正味の蓄熱材の容積は双方ともに約４００リッター（Ｌ）と算定される。温水蓄熱では８０℃の温水からの熱ロスが多いため断熱材は厚くなり、蓄熱容器として水圧のかかった円柱の耐圧タンクを用いざるを得ない事等から、立方体の蓄熱槽筐体の容積は増加して約１０００Ｌ以上となるのが普通である。他方本発明の熱交換器型蓄熱槽では真空段熱パネルの効果も含めると５００Ｌ以下ですみ、即ちその容積比は約二分の一となることが実証されている。
【００９１】
蓄熱装置全体は５００キログラム近い重さとなるので一体にして現地に搬入するのは困難であり、前述した様に蓄熱材はブロック状に小分けして搬入し現地で組み付ける。均圧膜１１は窓枠に膜が張られた形で容器本体１０に固定し取り付けられており、たわんだ形状の伸縮性の高い樹脂又はゴム製の膜を持っている。蓄熱材の相変化、全体の温度変化などにより容器の内部が膨張、収縮したときにも容器内のシール性を保ちながら且つ内部の圧力を略大気圧に保ち、内部部材、特に充填液が蒸発して大気に散逸する事も防止している。
【００９２】
蓄熱材が相変化するとその体積は伸縮するので、周囲の構造物を破壊折損させる恐れがある。このため蓄熱材を溶解させて蓄熱容器内に流し込んで固めるという方法が採用できない。従って蓄熱材はブロック状に分散させて小容器に入れて熱媒体熱交換器２１の隙間に挿入し、生じる隙間を充填液８で埋めて伝熱の促進と相変化歪の吸収を図っている。蓄熱容器２０は前述したような硬い樹脂容器では無くて、薄い樹脂フィルムでできた袋状のものでも良い。即ちこの袋状の容器が筐体の底板の上にセットされ、その前面部分はずり下ろされて前面が開いた状態で作業を行う。熱媒体熱交換器２１と蓄熱材ブロック７を設置したら、その前面部をたくし上げて上部が開放された袋の様にし、充填液を入れた後に該袋の上部のフィルム全体の開放部が２枚の板状の鉄板製の天板に挟みつけられて締め付けられて開放部はシール密封される。上部が開口部の場合も同様の手順の作業内容と成る。前記の均圧膜はこの天板に設けられている。
【００９３】
この袋状の容器の方式は工場で袋状に完成されて搬入されるので前述した硬い樹脂の容器を現場で螺子留めによりシール密閉を完成させるより充填液のリーク不良などに対しては信頼度が高く、且つコストの削減にもなる。充填液は前述した様に伝熱の促進のみでなく、潜熱蓄熱材の相変化歪を吸収し熱媒体熱交換器や蓄熱容器が損傷されたり膨らんで変形させられる事を防いでいる。
【００９４】
この熱交換器型蓄熱システムでは、全体が簡単な構造で殆ど大気圧に等しい均一の圧力、熱歪の低減、作動温度変動を少なくしているなどシステム全体の信頼性と品質を高める基本的な施策を取り込んでおり、蓄熱槽自体をコンパクトにすることができる事、従ってその表面からの熱ロスを低減できる、各種の熱媒体を自由に導入させて蓄熱と同時に熱交換ができる事などを含めて基本構造的な優位点が多くあるが、図４でさらなるシステム上の利点を説明したい。
【００９５】
図３に示された熱交換器型蓄熱システムは空調機器の省エネルギー運転に寄与する補完装置としても有効に利用できる。それは請求項１、４に提示した発明の具体化である。この効果は既に詳細を説明した。熱源媒体として冷房作動中の高圧冷媒を連通させ、熱出力媒体として建物全体に供給され消費される水道水を連通させ、融解温度が真夏の水道水温度より少なくとも５℃程度高い３０℃の潜熱蓄熱材の熱交換器型蓄熱システムを設定する。水道水は建物内でトイレ、洗面、給水などに利用される前にこの蓄熱システムに連通させて潜熱蓄熱材を冷却して凝固させ３０℃の冷熱を蓄熱しておく。他方、冷房用ヒートポンプユニットは建物内を冷房してその排熱をこの冷熱に放熱する。この場合前述した様に大気へ放熱する通常の冷房運転に比べ３０％程度の性能が向上する。
【００９６】
しかしながら実際には建物内で利用する水道水の量は真夏の冷房運転の全排熱量を冷却する程多い事例は少ない。このため実際には通常の大気放熱と併用されて使われ、大気熱交換器の下流にこの熱媒体循環管路に連通される方法が採られる。高温高圧の冷媒はまづ大気に冷却されさらに上記の様に水道水により冷却された蓄熱材により冷却されてその凝縮温度は低下しアンダークールが増加する。この場合でも２０％以上の性能向上が得られる。この商品システムはいまだ実用化されていない。その理由は本発明の熱交換器型蓄熱システムが実用化されていない為と言う事ができる。その期待される市場規模は大きく、社会全体の夏場の消費電力低減と電力消費ピークの緩和への期待は大きい。図３に示された熱交換器形蓄熱システムの更なる応用例として使用済みの風呂温水を熱源媒体循環管路に、水道水を熱出力媒体循環管路に連通させ使用済みの風呂温水の保有する熱量を再利用する方法の装置として有効である。これにより真冬でも次の日の給水は２０℃を超える新しい水道水を利用できる。
【００９７】
図４は太陽光コジェネレイション装置を主なエネルギー源として、本発明の熱交換器型蓄熱システムを有効に利用して給湯と空調を実現し、建物や施設に広く活用できる、優れた次世代ライフラインシステムを提示する。システム全体を熱交換器型蓄熱システムを用いた太陽光給湯空調システムと名付けた。１００はシステムの中心装置である蓄熱槽で、温熱蓄熱槽１０１と冷熱蓄熱槽１０２から構成される。主な熱源の供給を行うのはヒートポンプユニット１０３であり、圧縮機、大気との熱交換を行う室外熱交換器、室外ファン、冷暖の冷媒の流れを切り替える四方切り替え弁などから成る冷凍サイクルと、圧縮機の駆動用の周波数と電圧を制御して供給するインバータ電源装置などで構成されており、その作動媒体は当然自然冷媒でありプロパンが使われる。その冷凍サイクルはユニット外の太陽光受熱用基板熱シンク１０７と太陽光冷凍サイクル管路１０８を通して、また前記の蓄熱槽内の熱媒体熱交換器と冷熱蓄熱冷凍サイクル管路１１０及び温熱蓄熱冷凍サイクル管路１０９を通して連結されて全体の冷凍サイクルシステムを構成する。  
【００９８】
太陽光コジェネレイション装置１２３は太陽光１０５を受ける太陽光発電セルからなる受光面１０４とそれを支持するための電気絶縁層とアルミ基板からなる受熱用基板１０６で構成される。受熱用基板１０６の端部にはその基板から熱を受け取り基板を冷却するための受熱用基板熱シンク１０７が構成されている。受熱用基板熱シンク１０７は１．２ｍｍ厚さのアルミ製の受熱用基板１０６の端面を折り返し内部に太陽光冷凍サイクル管路１０８を挟み込んで締め付けることにより受熱用基板１０６と太陽光冷凍サイクル管路１０８の間を良好に伝熱できるように構成されている。太陽光冷凍サイクル管路１０８は連続の銅製パイプで太陽光コジェネレイション装置が屋根上などに設置された後に該装置のモジュール毎に設けられた前記受熱用基板１０６の当該位置にあわせて引き回され、該基板１０６の端部の基板熱シンク１０７へと締め付けられ、全発電モジュールの太陽光受熱用基板１０６を通して受光面１０４を冷却しつつ熱を受け取ったり、逆に熱を与えて受光面を加熱することができる。
【００９９】
太陽光受光面１０４の発電セルで発電した電力は太陽発電パワーコントローラ１１２で電圧と周波数を調整され商用電源ライン１１３に逆潮流させたりヒートポンプ１０３の電源に利用される。ヒートポンプ１０３への電力が不足したときには系統連携電源ライン１１４を通じて商用電源ライン１１３から電力の供給を受ける。それ以外の実際の電力の授受はここでは省略しており、取り上げて検討はしない。
熱源動力装置であるヒートポンプユニット１０３を作動させて熱出力するモードは次のようなものがある。まずその１は、冷熱蓄熱槽１０２に冷熱を蓄熱しながら熱を得て、温熱蓄熱槽１０１に温熱を蓄熱するモードで、冷熱で冷房を温熱で給湯を行う時である。その２は受熱用基板熱シンク１０７から熱を得て温熱蓄熱槽１０１に、場合によっては冷熱蓄熱槽１０２にも温熱蓄熱するモードで冬に給湯用と暖房用の蓄熱をするモードである。
【０１００】
その３はその１とその２を足し合わせたモードで、受熱用基板熱シンク１０７と冷熱蓄熱槽の双方から熱を得てそれらを冷却し、温熱蓄熱槽に蓄熱し、夏に冷房しながら大量の給湯需要のあった時に対応するモードである。その４は室外熱交換器で室外空気から熱を得てその熱を温熱蓄熱槽１０１と冷熱蓄熱槽１０２に蓄熱し双方で雨や曇りの時に給湯と暖房を行うモードである。その５は冷熱蓄熱槽を冷却し室外空気に放熱し、夏に給湯負荷が小さな時に運転するモードである。その６は熱を室外気から得てその熱で受熱用基板熱シンク１０７を加熱し太陽光受光面１０４を加熱して積もった雪を融雪するモードである。
【０１０１】
その７は受熱用基板熱シンク１０７を加熱して融雪する目的はその６に同じであるが、積雪量が多い、外気温度が低いなどで融雪が進まないときに温熱蓄熱槽１０２の熱を利用するモードである。その８は室外空気から吸熱して冷熱蓄熱槽を加熱するもので、冷熱蓄熱槽を３０℃程度に予熱しておくモードである。その９としてその熱をさらに汲み上げて温熱蓄熱槽に蓄熱するモードがその後に引き続き運転されるもので、給湯と暖房の熱の使用量に従ってその９のモードで追加加熱する場合である。その１０はその８の様に蓄熱した状態で給湯用の水道水を冷熱蓄熱槽で３０℃近くまで予熱しておいてさらに温熱蓄熱槽１０２に連通させて４５℃程度に加熱して給湯するもので、その８のヒートポンプ運転は凝縮温度が低くできるためその運転エネルギー効率が高く、どうしても昼間の高価格な電力を利用するときに選択されるモードである。
【０１０２】
以上の様なヒートポンプユニットの運転モードで温熱蓄熱槽１０１と冷熱蓄熱槽１０２に蓄熱された温冷熱は熱媒体熱交換器の熱出力媒体循環管路を通る熱出力媒体に次のようにその熱を伝える。温熱蓄熱槽１０１へは給湯用の水道水と暖房空調用の炭酸ガスが連通されており、冷熱蓄熱槽１０２には給湯用の水道水と冷房空調用の炭酸ガスが連通されている。炭酸ガスは図示しないが二つの電動ポンプにより作動されて暖房用と冷房用の空調媒体ライン１１８を通って各室内ユニット端末である空調用室内機１１９、空調壁面パネル１２０、床暖房パネル１２０等に連通されそこで暖房乃至は冷房を行って元に戻る。
その時にどの室内機端末を選択するかはシステム制御により自動的に乃至は使用者の選択により決定される。
【０１０３】
炭酸ガスは作動容積流量が少なくて性能が確保できるという利点があるが、暖房時には作動温度は５０℃前後なので臨界点温度３１℃を超えた超臨界流体の状態で相変化無しに熱の授受を行うため熱交換によりガス自体に温度差が生じること、及び圧力が１００気圧程度と高いこと、及び超臨界流体用の特殊ポンプが必要となること等のコストアップ要因その他の課題がある。そこで不凍液に潜熱蓄熱材料を封入した微小カプセルを混ぜてエマルジョン状態にしたものも検討されてきている。どの媒体が適正かは作動ポンプの信頼性、コスト、消費電力なども含めて総合検討の上で判断される。
【０１０４】
室内温度分布を少なくし、ドラフトを軽減させ、運転騒音を低下させるなどを目的に同一の室内空間に対し２つの室内機端末を用いることも多い。その場合片方を暖房、片方を冷房に設定し、結果として室内全体の温度を変えずに除湿のみに効果のある運転を行う事ができる。一方給湯用の温水は温湯供給ライン１１７を通して各給湯端末に運ばれる。この時、水道水の経路は上記に説明した通り温熱蓄熱槽１０１のみの場合もあるが、予熱として温水貯蓄された冷熱蓄熱槽１０２に一旦経由してから温熱蓄熱槽１０１に連通させる場合もある。
両蓄熱槽内の熱媒体熱交換器の熱出力媒体循環管路はこの場合給湯用水道水と空調用媒体が連通される。さらに風呂用の追い炊き用などに３本目の熱出力媒体循環管路が使われる場合もある。一方熱源媒体循環管路には上記のヒートポンプ冷媒のみでなく、ガスコージェネレイション排熱用媒体など他の熱源媒体が連通され、選択的に運転されるケースもある。
【０１０５】
以上のシステムは太陽光コジェネレイション装置１２３から出力される電力と熱を有効に利用し、ある時は電力は商用電源ライン１１３に逆潮流され、ある時は商用電力ラインから電力を受けてヒートポンプユニットを作動させる。太陽光コジェネレイション装置１２３から出力される熱はヒートポンプユニット１０３を通して蓄熱槽１００に蓄熱され暖房と給湯用に使われる。その熱源が不足した時にはヒートポンプユニットは大気熱源で作動して蓄熱熱量不足を補完する。それを受けて蓄熱槽１２０は熱を臨機に受け入れ臨機に多くの対象に出力する極めて自在な適応性を持った蓄熱システムを実現でき、その中心的な技術はそこに組み込まれた熱媒体熱交換器である事が知れる。
【０１０６】
図５は給湯を行うシステムの性能を飛躍的に向上させる乃至は蓄熱槽の容量を低減させる事ができる技術に使われる予熱用熱交換器付きの熱交換器型蓄熱システムを示している。各部の構成は殆ど図３と同じシステムである。相違点は予熱用熱交換器１３を蓄熱容器２０の上部空間９の中に設けている点である。これは水道水とヒートポンプユニットの冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させる為のもので、二重管であったり、２つの管路をロー付けした構造であったりする。前夜の深夜電力でヒートポンプユニットを作動させ、次の日に温水を多量に消費して不足しそうな事が推定されたとき、昼間の電力を利用してヒートポンプユニットを作動させ予熱用熱交換器で水道水を予熱するものである。
【０１０７】
これにより予熱された分だけ、蓄熱槽内の蓄熱された熱の使用量は減少し、長持ちする。他方２５℃以下の低温度の水道水に放熱するのでヒートポンプユニットの冷凍サイクルの凝縮温度は低くなり圧縮機の消費電力は低減し、省エネ運転で電気代が少なくなり、地球温暖化の炭酸ガスの発生も抑えられる。この効果を最初から考慮して蓄熱槽の蓄熱材の容量を少なく設定する事もできる。即ち先に提示した事例で言えば、４００Ｌの蓄熱槽が必要な家庭用のシステムでは、この効果を踏まえて３００Ｌに少なくしても、この予熱用熱交換器１３を設ける事により同等の蓄熱効果を得る事が可能である。
【０１０８】
例えば水道水給水温度が２０℃で蓄熱温度が５０℃蓄熱容量が４００Ｌであり、給湯温度が４８℃の場合では予熱方式により全ての給湯運転で３０℃まで予熱する運手を行った場合、蓄熱材で加熱しなければならない温度差が２８℃から１８℃に低減するので実際蓄熱槽が給湯に使える容量はその比だけ増えて６２２Ｌとなり、１．５５倍の効果が得られる。
【０１０９】
実際には予熱用熱交換器１３のスペースが必要でその効果は目減りするが、それを考慮しても１．３倍程度の効果は得られる。この予熱の効果は潜熱蓄熱材を用いる熱交換器型蓄熱システムではない現状方式では得る事ができない。従って先に算出した温水蓄熱に対する本発明による蓄熱容量増加の効果は約２．０倍であるので、この１．３倍と併せて２．６倍となる。即ち温水蓄熱に対し本発明による水道水予熱を伴なった潜熱蓄熱システムではその蓄熱槽容積を２．６分の１に小さくできるわけである。
図５に示した蓄熱容器２０に於いては容器前面１２は上半分になっている。容器の水密シール性、強度の点では図３より優れるが、潜熱蓄熱材ブロック７の挿入性では劣っている。潜熱蓄熱材ブロックの高さからみて挿入作業は可能であり、この方式が最も実用的と思われる。小さなカプセル式の潜熱蓄熱材の場合はむしろ上面のみが開口する方式で良いと考えられる。図５では容器前面１０は中間部から上部の半分にしており、潜熱蓄熱材ブロックはこの部分まで持ち上げてから挿入することになる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】給湯用熱媒体熱交換器
【図２】多循環管路の熱媒体用熱交換器の管路出入り口部
【図３】給湯用熱交換器型蓄熱システム
【図４】蓄熱システム利用太陽光空調給湯システム
【図５】水道水予熱式熱交換器型蓄熱システム
【符号の説明】
【０１１５】
１    偏平多穴管  
２    循環管路接続管フレア
３    循環管路接続管
４    循環管路用穴
５    熱源媒体流路方向
６    熱出力媒体流路方向
７    潜熱蓄熱材ブロック
８    充填液
９    上部空間
１０  容器本体
１１  均圧膜
１２  容器前面
１３  予熱用熱交換器
１５  室外空気
１６  熱交換器型蓄熱システム
１７  熱媒体循環管路
１８  蛇行ピッチ
１９  穴ピッチ
２０  蓄熱容器
２１  熱媒体熱交換器
１００蓄熱槽
１０１温熱蓄熱槽
１０２冷熱蓄熱槽
１０３ヒートポンプユニット
１０４太陽光受光面
１０５太陽光
１０６太陽光受熱用基板
１０７受熱用基板熱シンク
１０８太陽光冷凍サイクル管路
１０９温熱蓄熱冷凍サイクル管路
１１０冷熱蓄熱冷凍サイクル管路
１１１太陽光発電リード
１１２太陽発電パワーコントローラー
１１３商用電源ライン
１１４系統連携電源ライン
１１５ヒートポンプ用電源ライン
１１６水道水供給ライン
１１７温湯供給ライン
１１８空調媒体ライン
１１９空調用室内機
１２０空調壁面パネル
１２１床暖房パネル
１２２予熱熱交換器付き熱交換器型蓄熱システム
１２３太陽光コジェネレイション装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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