(57)【要約】【課題】  蓄熱材を用いた蓄熱熱交換器において、蓄熱した熱を放冷する際に、放冷開始時は伝熱管周りの氷が解けて有効な（あるいは過剰な）熱交換量を出すものの、放冷時間の経過とともに氷の量が減少することから、次第に熱交換量は低下し、長時間に亘って安定した熱交換量を得ることが難しい。  また構造上、放冷回路の冷媒入口側で、伝熱管に近いものは解けやすいが、放冷回路の冷媒出口側で伝熱管から遠いものは解けにくいという氷融解状態のアンバランスが生じる。【解決手段】  冷媒ポンプＰを介して蓄熱熱交換器２と利用側熱交換器５とを結ぶ冷媒回路Ｒに対して、蓄熱熱交換器２を流れる冷媒の流入、流出方向を所定時間毎に交互に逆方向に切り替える冷媒流通方向切替手段を設け、同冷媒流通方向切替手段により冷媒の流入、流出方向の切替制御を行うことによって、蓄熱熱交換器２の熱交部における氷水分布および温度分布を可能な限り均一化し、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようにした。【選択図】        図２
2006112727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ポンプ（Ｐ）を介して蓄熱熱交換器（２）と利用側熱交換器（５）とを結ぶ冷媒回路（Ｒ）に対して、、上記蓄熱熱交換器（２）を流れる冷媒の流入、流出方向を交互に逆方向に切り替える冷媒流通方向切替手段を設け、上記蓄熱熱交換器（２）を流れる冷媒の流入、流出方向の切替制御を行うようにしたことを特徴とする蓄熱熱交換器の放冷制御装置。
【請求項２】
冷媒流通方向切替手段は、冷媒ポンプ（Ｐ）の出口側冷媒通路を、蓄熱熱交換器（２）の入口側に接続する冷媒通路（Ｂ1）と、上記蓄熱熱交換器（２）の入口側を利用側熱交換器（５）の冷媒入口側に接続する冷媒通路（Ｂ4）と、上記冷媒ポンプ（Ｐ）からの冷媒を、上記本来の冷媒回路（Ｒ）の冷媒通路を介して上記蓄熱熱交換器（２）の入口側に供給する第１の冷媒供給状態と上記冷媒通路（Ｂ1）を介して上記蓄熱熱交換器（２）の出口側に供給する第２の冷媒供給状態との何れか一方の冷媒供給状態に交互に切り替える電磁バルブ（Ｖ2），（Ｖ5）とからなることを特徴とする請求項１記載の蓄熱熱交換器の放冷制御装置。
【請求項３】
利用側熱交換器（５）には、第１の冷媒供給状態および第２の冷媒供給状態の各状態において、蓄熱熱交換器（２）から利用側熱交換器（５）に供給される冷媒の一部を冷媒ポンプ（Ｐ）側にバイパスさせるバイパス用の冷媒通路（Ｂ2），（Ｂ3）が設けられていることを特徴とする請求項２記載の蓄熱熱交換器の放冷制御装置。
【請求項４】
蓄熱熱交換器（２）は、冷媒の通る伝熱管部分が、所定外径以下の合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・よりなり、該所定外径以下の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・を所定の間隔を保って多数本配設した細径多管構造のものよりなっていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の蓄熱熱交換器の放冷制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、蓄熱熱交換器の放冷制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば蓄熱槽内に固相と液相に相変化する潜熱蓄熱材を収容し、固相状態の潜熱蓄熱材を融解することによって蓄熱する一方、利用時には外部からの冷媒で同潜熱蓄熱材を凝固させることによって熱を取り出すフィンチューブ式の蓄熱熱交換器は良く知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この蓄熱熱交換器は、潜熱蓄熱材を用いているために、水などの顕熱蓄熱材に比べて蓄熱密度は高いが、他方熱伝達率が低く、特に水の対流熱伝達のように大きな熱伝達率を得ることが困難である。
【０００４】
また、フィンチューブ式の熱交換器では、フィンカラーがあるために、例えばフィンピッチを１．２ｍｍ以下に縮小することが困難で、単位体積当たりの伝熱面積も１６７０ｍ2／ｍ3以下と小さく、フィン効率やフィンと伝熱管との間の接触抵抗などから、形状的、構造的にも放熱時における熱の取出スピードを向上させるには一定の限界がある。
【０００５】
さらに、フィンチューブ式の熱交換器には、その管板外部に曲がり管部がある。そして、この曲がり管部分はフィンがないため、蓄熱も放熱もできない。そのため同領域における５〜１０％程度の蓄熱材が無駄になっている（有効に使えない）。
【０００６】
また、蓄熱時の冷媒配管と放熱（利用）時の冷媒配管とが異なる構成の場合にフィンチューブ式熱交換器を用いると、伝熱管とフィンとの距離が長くなって、フィン効率が大幅に低下する。
【０００７】
そこで、本願発明者等は、このような事情に鑑み、上記フィンチューブに変えて所定管径以下の合成樹脂製の細径管を用い、それら細径管を蓄熱容器内に平行又はクロス構造にして配設することにより、伝熱管密度の高い細径多管構造の蓄熱熱交換器を形成することによって、蓄熱材中における蓄熱密度および熱伝達率が高く、放冷時の熱の取出速度を有効に向上させた蓄熱熱交換器を提案している（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２０７１６３号公報（明細書第１−９頁、図３−７）
【特許文献２】特開２００４−１０５８４号公報（明細書第１−９頁、図５−７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、以上のような各種の蓄熱熱交換器において、蓄熱できたものを放冷する際に、放冷開始時には、伝熱管周りの氷が解けて有効な（あるいは過剰な）熱交換量を出すものの、放冷時間の経過とともに氷の量が減るので熱交換量は次第に低下し、時間的に安定した熱交換量を得ることが難しい。
【００１０】
また構造上、放冷回路の入口側で伝熱管に近いものは解けやすいが、放冷回路の出口側で伝熱管から遠いものは解けにくいという氷融解状態のアンバランスが生じる。
【００１１】
特に、後者のように所定外径以下の合成樹脂製の細径管を用い、それら細径管を蓄熱容器内に平行又はクロス構造にして配設した伝熱管密度の高い細径多管構造の蓄熱熱交換器の場合、蓄熱材中における蓄熱密度および熱伝達率が高く、放冷時の熱の取出速度も速いために、そのような問題が顕著である。
【００１２】
そこで、本願発明では、このような事情に鑑み、蓄熱熱交換器と利用側熱交換器とを結ぶ冷媒回路に対して、上記蓄熱熱交換器を流れる冷媒の流入、流出方向を所定時間毎に逆方向に切り替える冷媒流通方向切替手段を設けて、冷媒の流入、流出方向の切替制御を行うことによって、蓄熱熱交換器熱交部の全体に亘って氷水分布および温度分布を均一化し、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようにした蓄熱熱交換器の放冷制御装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。
【００１４】
（１）  第１の課題解決手段
この発明の第１の課題解決手段は、冷媒ポンプＰを介して蓄熱熱交換器２と利用側熱交換器５とを結ぶ冷媒回路Ｒに対して、、上記蓄熱熱交換器２を流れる冷媒の流入、流出方向を交互に逆方向に切り替える冷媒流通方向切替手段を設け、上記蓄熱熱交換器２を流れる冷媒の流入、流出方向の切替制御を行うようにしたことを特徴としている。
【００１５】
このような構成によると、蓄熱熱交換器熱交部の放冷回路の冷媒入口側および出口側が交互に逆に切り替わるので、同蓄熱熱交換器の熱交部全体における氷水分布及び温度分布が可及的に均一化され、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようになる。
【００１６】
（２）  第２の課題解決手段
この発明の第２の課題解決手段は、上記第１の課題解決手段の構成において、冷媒流通方向切替手段は、冷媒ポンプＰの出口側冷媒通路を、蓄熱熱交換器２の入口側に接続する冷媒通路Ｂ1と、上記蓄熱熱交換器２の入口側を利用側熱交換器５の冷媒入口側に接続する冷媒通路Ｂ4と、上記冷媒ポンプＰからの冷媒を、上記本来の冷媒回路Ｒの冷媒通路を介して上記蓄熱熱交換器２の入口側に供給する第１の冷媒供給状態と上記冷媒通路Ｂ1を介して上記蓄熱熱交換器２の出口側に供給する第２の冷媒供給状態との何れか一方の冷媒供給状態に交互に切り替える電磁バルブＶ2，Ｖ5とからなることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によると、電磁バルブＶ2，Ｖ5の開閉又は通路切換制御によって、蓄熱熱交換器熱交部放冷回路の冷媒入口側および出口側が容易に切り替わるので、同蓄熱熱交換器の熱交部全体における氷水分布及び温度分布が可及的に均一化され、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようになる。
【００１８】
また、このような構成によれば、必要に応じて上記電磁バルブＶ2，Ｖ5の開度を調節することにより、上述のように可逆的に流される蓄熱熱交換器側の冷媒流量をも適切に調整（制限）することができるようになり、より可及的長時間に亘って、安定した放冷能力を確保することができるようになる。
【００１９】
（３）  第３の課題解決手段
この発明の第３の課題解決手段は、上記第１又は第２の課題解決手段の構成において、利用側熱交換器５には、第１の冷媒供給状態および第２の冷媒供給状態の各状態において、蓄熱熱交換器２から利用側熱交換器５に供給される冷媒の一部を冷媒ポンプＰの冷媒入口側にバイパスさせるバイパス用の冷媒通路Ｂ2，Ｂ3が設けられていることを特徴としている。
【００２０】
このような構成によると、同バイパス通路Ｂ2，Ｂ3を介した冷媒バイパス量の調整により、放冷能力が適切にセーブされ、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようになる。
【００２１】
（４）  第４の課題解決手段
この発明の第４の課題解決手段は、上記第１，第２又は第３の課題解決手段の構成において、蓄熱熱交換器２は、冷媒の通る伝熱管部分が、所定外径以下の合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・よりなり、該所定外径以下の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・を所定の間隔を保って多数本配設した細径多管構造のものよりなっていることを特徴としている。
【００２２】
細径多管構造の蓄熱熱交換器の場合、蓄熱材中における蓄熱密度および熱伝達率が高く、放冷時の熱の取出速度も速い。したがって、蓄熱できたものを放冷する際に、放冷開始時は伝熱管周りの氷が速やかに解けて過剰な熱交換量を出すものの、時間とともに氷の量が減ることにより、熱交換量が低下しやすく、より時間的に安定した熱交換量を得ることが難しい。
【００２３】
また構造上、放冷回路の入口側で細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・に近いものは解けやすいが、放冷回路出口側で細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・から遠いものは解けにくいという氷融解状態のアンバランスが生じやすい。
【００２４】
したがって、上記第１，第２の又は第３の課題解決手段の構成および作用効果が、より有効となる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の結果、本願発明によれば、熱交換部における氷水分布および温度分布が可及的に均一化され、一定時間以上安定した熱交換量が得られる高性能な蓄熱熱交換器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１〜図３は、本願発明の最良の実施の形態に係る蓄熱熱交換器の構造およびその放冷制御装置（放冷制御回路）の構成を示している。
【００２７】
先ず図１は、同蓄熱熱交換器の構成を示している。図１中、符号１は所望の種類の蓄熱材（例えば水等の顕熱蓄熱材）が所定量貯留された方形箱型の蓄熱容器、符号２は蓄熱熱交換器であり、蓄熱熱交換器２は、蓄熱容器１内に浸漬状態で収納されている。
【００２８】
この最良の実施の形態における蓄熱熱交換器２は、一例として例えば多数本（例えば数百本程度）の合成樹脂製の細径管（中空細径管）をメッシュ構造に編成した偏平な単位熱交換器ユニットを、上下方向に多数段積層（例えば２００段程度）したものとなっている。そして、それら各単位熱交換器ユニットの各々は、例えば外径０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度の合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・を多数本Ｘ−Ｙ方向に交互にクロスさせて配設し、それらを連結固定（接着等）することにより、相互の間に所定のピッチを保った状態で略水平面方向に保持されている。
【００２９】
これら多数本の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・は、そのＹ方向（図面前後方向）の寸法とＸ方向（図面左右方向）の寸法を所定の比率に設定した平面方形の形状となるようにし、それら各端部を冷媒ヘッダ３Ａ，３Ｂ、３Ｃ，３Ｄ間に接続している。
【００３０】
そして、これら各冷媒ヘッダ３Ａ，３Ｂ、３Ｃ，３Ｄは、例えば図１に矢印で示すように、蓄冷時又は放冷時（熱取出時）の何れかの動作に応じて何れか一方側が冷媒の入口ヘッダ、他方側が冷媒の出口ヘッダとして機能する。図１の例では、３Ａが蓄冷回路側入口ヘッダ、３Ｂが蓄冷回路側出口ヘッダ、３Ｃが放冷回路側入口ヘッダ、３Ｄが放冷回路側出口ヘッダであり、４Ａ，４Ｂ、４Ｃ，４Ｄは、それぞれ対応する冷媒供給口、冷媒排出口である。
【００３１】
このような構成によると、冷媒の通る伝熱管部分が合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・よりなり、しかも該合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・が所定の間隔を保って多数本メッシュ構造に編成されて、単位熱交換器ユニットを形成し、これら単位熱交換器ユニットが上下方向に密接した所定の間隔を置いて多段構造に積層された状態で、蓄熱容器１内に収納されて、蓄熱熱交換器２を構成する。
【００３２】
したがって、蓄熱容器１内の蓄熱材中に伝熱管である多数本の合成樹脂製の細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・が、均一かつ均等に密集した状態で、フィンなどを介することなくダイレクトに接触して分布するようになり、蓄熱材と細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・との間の熱抵抗が大きく低減され、細径管２ａ，２ａ・・・、２ｂ，２ｂ・・・内を流れる冷媒と蓄熱材との熱伝達率（熱伝達性能）が大きく向上する。その結果、熱交換性能も大きく向上する。
【００３３】
ところで、この蓄熱熱交換器２では、上述のように、本来の状態（冷媒流通方向非切替状態）では、図１の上下方向（Ｙ方向）下側の冷媒ヘッダ３Ｃが放冷回路の冷媒入口ヘッダ、同図１の上下方向（Ｙ方向）上側の冷媒ヘッダ３Ｄが同放冷回路の冷媒出口ヘッダであり、それらの間の各々Ｙ方向に延びる多数本の細径管２ａ，２ａ・・・が同放冷回路の各パス部を形成しており、図１の左右方向（Ｘ方向）の蓄冷回路（左側から右側に細径管２ｂ，２ｂ・・・を介して冷媒が流れる）により蓄熱した熱を放冷する際に、放冷開始時は同多数本の細径管２ａ，２ａ・・・周りの氷が解けて有効な（あるいは過剰な）熱交換量を出すものの、放冷時間の経過とともに氷の量が減少することから、次第に熱交換量は低下し、長時間に亘って安定した熱交換量を得ることが難しい問題がある。
【００３４】
また構造上、同放冷回路入口側（図１の冷媒ヘッダ３Ｃ側）で、細径管２ａ，２ａ・・・に近いものは解けやすいが、放冷回路出口側（図１の冷媒ヘッダ３Ｄ側）で、細径管２ａ，２ａ・・・から遠いものは解けにくい、という氷融解状態のアンバランスが生じる。
【００３５】
そこで、この実施の形態では、そのような事情に鑑み、上記図１の構成の蓄熱熱交換器２において、例えば図２（放冷開始時）、図３（放冷開始後一定時間が経過した時）に示すように、上記蓄熱熱交換器２と冷熱利用側熱交換器（蒸発器）５とを、冷媒ポンプＰを介して循環可能に接続することによって冷媒回路（空調用冷凍回路等）Ｒを形成するとともに、同冷媒回路Ｒに対して、蓄熱熱交換器２と並列に設けられ、冷媒ポンプＰからの冷媒を蓄熱熱交換器２の出口側に供給する第１の冷媒通路Ｂ1、利用側熱交換器５と並列に設けられ、蓄熱熱交換器２から利用側熱交換器５に供給される放冷時の冷媒の一部を冷媒ポンプＰの冷媒入口側にバイパスする第２の冷媒通路Ｂ2、冷媒ポンプＰと並列に設けられ、蓄熱熱交換器２の冷媒入口側を冷媒ポンプＰの入口側に接続する第３の冷媒通路Ｂ3、冷媒ポンプＰおよび利用側熱交換器５をバイパスして設けられ、蓄熱熱交換器２の冷媒入口側を利用側熱交換器５の冷媒入口側に接続する第４の冷媒通路Ｂ4をそれぞれ設け、かつ第４の冷媒通路Ｂ4の冷媒入口側に第１の電磁バルブＶ1、冷媒回路Ｒの冷媒ポンプＰと蓄熱熱交換器２の冷媒入口との間に第２の電磁バルブＶ2、第２の冷媒通路Ｂ2に第３の電磁バルブＶ3、冷媒回路Ｒの冷媒ポンプＰが設置されていない冷媒通路の第２の冷媒通路Ｂ2との接続部と利用側熱交換器５の冷媒入口との間に第４の電磁バルブＶ4、第１の冷媒通路Ｂ1に第５の電磁バルブＶ5、第３の冷媒通路Ｂ3に第６の電磁バルブＶ6をそれぞれ設け、それらをマイコン等の制御手段によって適切に開閉制御することによって、例えば放冷開始時には、先ず図２の破線矢印で示すように蓄熱熱交換器２の本来の冷媒出口側から利用側熱交換器５の冷媒入口側に冷媒を流し、また同放冷開始後、一定の時間が経過すると、今度は図３の破線矢印で示すように同蓄熱熱交換器２の冷媒入口側と出口側とをそれまでとは逆の関係にして、つまり蓄熱熱交換器２の本来の冷媒入口側を冷媒出口側に切り替えて利用側熱交換器５の冷媒入口側に冷媒を流す。
【００３６】
すなわち、放冷開始時には、上記第１，第５，第６の電磁バルブＶ1，Ｖ5，Ｖ6を全閉、第２の電磁バルブＶ2を全開、第３，第４の電磁バルブＶ3，Ｖ4の開度を所定量絞った状態に開制御することにより、利用側熱交換器５への冷媒流入量を第２の冷媒通路Ｂ2を介して冷媒ポンプＰの入口側にバイパスさせることにより適当に制限しながら流し、所定量以下の熱量のみを利用側熱交換器５に供給する。
【００３７】
他方、放冷開始後一定時間経過後には、上記第２，第３，第４の電磁バルブＶ2，Ｖ3，Ｖ4を全閉、第５の電磁バルブＶ5を全開、第１，第６の電磁バルブＶ1，Ｖ6の開度を所定量絞った状態に開制御することにより、第１の冷媒通路Ｂ1を介して上記蓄熱熱交換器２に流す冷媒の方向を逆方向に切り替える一方、第３の冷媒通路Ｂ3を介して利用側熱交換器５への冷媒を冷媒ポンプＰの入口側に所定量バイパスさせることにより、利用側熱交換器５への冷媒流入量を適当に制限しながら流し、所定量以下の熱量のみを利用側熱交換器５に供給する。
【００３８】
以後、これを所定の時間毎に交互に繰り返す。
【００３９】
そして、これにより、放冷回路の冷媒パス部を形成する多数本の細径管２ａ，２ａ・・・の冷媒入口側〜出口側周辺の氷を、その全体に亘って略均等な状態で徐々に融解させながら、効率良く冷熱を取り出すことによって、できるだけ放冷能力が一定の状態に安定した可及的に長い放冷運転時間を確保する。
【００４０】
このような構成によると、放冷時における熱交部全体（入口側および出口側を含めて）の氷水分布及び温度分布が可及的に均一化され、一定時間以上安定した熱交換量が得られるようになる。
【００４１】
また、以上の場合、必要に応じて第２の電磁バルブＶ2、第５の電磁バルブＶ5の開度を調節することにより、上述のように可逆的に流される蓄熱熱交換器２の冷媒流量自体をも適切に調整（セーブ）することができるようになり、より可及的長時間に亘って、安定した放冷能力を確保することができるようになる。
【００４２】
（その他の最良の実施の形態）
なお、以上の説明では、本願発明が適用される蓄熱熱交換器として、合成樹脂製の細径多管式熱交換器の場合を例として説明したが、本願発明は、その他の各種蓄熱熱交換器の場合にも同様に適用することができることは言うまでもない。
【００４３】
また、以上の説明における各電磁バルブＶ1〜Ｖ6の内、特にバルブ開度の調節を必要とせず、単に３方の通路の通路方向の切り換えのみで良い個所の場合には、例えば３方切換弁等の電磁バルブを用いて構成することもできることも言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本願発明の最良の実施の形態に係る蓄熱熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図２】同熱交換器の放冷制御装置の放冷開始時の制御状態を示す図である。
【図３】同熱交換器の放冷制御装置の放冷開始後一定時間が経過した時の制御状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１は蓄熱容器、２は蓄熱熱交換器、２ａ，２ｂは合成樹脂製の細径管、３Ａ，３Ｂ、３Ｃ，３Ｄは冷媒ヘッダ、Ｖ1〜Ｖ6は第１〜第６の電磁バルブ、Ｂ1〜Ｂ4は第１〜第４の冷媒通路である。
【図１】
2006112727.tif 000003
【図２】
2006112727.tif 000004
【図３】
2006112727.tif 000005