(57)【要約】【課題】過冷却蓄熱材の状態を大きく変化させることなく、かつ短時間でその状態を判定できる蓄熱装置を提供すること。【解決手段】過冷却蓄熱材２を備え、当該過冷却蓄熱材２の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置１であって、前記過冷却蓄熱材２の温度を検出する蓄熱材温度センサ９１と、前記過冷却蓄熱材２と熱交換可能な熱源の温度を検出する熱源温度センサ９２，９３，９４と、前記蓄熱材温度センサ９１および熱源温度センサ９２，９３，９４の出力に基づいて前記過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する熱時定数算出手段と、前記算出された熱時定数に基づいて前記過冷却蓄熱材２の状態を判定する状態判定手段と、を備える。【選択図】図１
2011179766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過冷却蓄熱材を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置であって、
前記過冷却蓄熱材の温度を検出する蓄熱材温度センサと、
前記過冷却蓄熱材と熱交換可能な熱源の温度を検出する熱源温度センサと、
前記蓄熱材温度センサおよび熱源温度センサの出力に基づいて前記過冷却蓄熱材の熱時定数を算出する熱時定数算出手段と、
前記算出された熱時定数に基づいて前記過冷却蓄熱材の状態を判定する状態判定手段と、を備えることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記過冷却蓄熱材は、液相状態のときの熱時定数が固相状態のときの熱時定数よりも小さい特性を有し、
前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数が所定の第１閾値よりも小さい場合には、前記過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、前記算出された熱時定数が前記第１閾値以上である場合には、前記過冷却蓄熱材は固相状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数が、第１下限値と第１上限値とを有する第１所定範囲内に所定の時間継続してある場合には、前記過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、前記算出された熱時定数が、前記第１上限値より大きな第２下限値と第２上限値とを有する第２所定範囲内に所定の時間継続してある場合には、前記過冷却蓄熱材は固相状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数の所定時間内の変動の大きさが所定の第２閾値よりも大きい場合には、前記過冷却蓄熱材は融解状態であると判定することを特徴とする請求項２または３に記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記過冷却蓄熱材の温度と前記熱源の温度とが略等しい場合には、前記過冷却蓄熱材または前記熱源の温度を上昇または下降させることにより前記過冷却蓄熱材と前記熱源に温度差を発生させる温度差発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置に関する。より詳しくは、過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の走行に伴って生じた各種廃熱を蓄熱しておき、蓄熱した熱を必要に応じて放出することにより内燃機関や自動変速機などの対象物を暖機する蓄熱装置が知られている。近年では、このような蓄熱装置において、蓄熱および放熱する熱材として過冷却蓄熱材を用いたものが提案されている。この蓄熱装置では、過冷却蓄熱材が過冷却状態となっているとき、すなわちその温度が融点よりも低くかつ液相にあるときに発核させることにより液相から固相へ変化させ、このときの相変化に伴って放出される潜熱を利用する。
【０００３】
このような過冷却蓄熱材を用いた蓄熱装置において、過冷却蓄熱材の蓄熱および放熱を制御するためには、過冷却蓄熱材の状態を的確に把握する必要がある。そこで、例えば特許文献１には、融点より高い温度の状態にある過冷却蓄熱材が冷却される過程における過冷却蓄熱材の温度変化の態様により、過冷却蓄熱材が過冷却状態であるか否かを判定する手順が示されている。例えば、融点より高い温度から冷却したとき、過冷却状態になる場合は、相変化に伴う潜熱の放出が無いのでその温度は概ね一定の割合で低下し続けるのに対し、過冷却状態にならずに凝固する場合は、液相から固相への相変化に伴い潜熱が放出されるのでその温度が凝固点付近で一定になる。特許文献１に示された判定方法は、このような温度変化の態様の違いに基づいて過冷却蓄熱材の状態を判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示された判定方法は、過冷却蓄熱材の状態を静的に判定することはできない。すなわち、この判定方法では、過冷却蓄熱材をその相が変化する程度に冷却する必要があり、また、この過程で凝固し始める際の潜熱の放出の有無を常に監視し続ける必要があり、時間がかかってしまう。
【０００６】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、過冷却蓄熱材の状態を大きく変化させることなく、かつ短時間でその状態を判定できる蓄熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明は、過冷却蓄熱材（例えば、後述の過冷却蓄熱材２）を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置（例えば、後述の蓄熱装置１）を提供する。前記蓄熱装置は、前記過冷却蓄熱材の温度を検出する蓄熱材温度センサ（例えば、後述の蓄熱材温度センサ９１）と、前記過冷却蓄熱材と熱交換可能な熱源（例えば、後述の熱媒体通路３１内を流通するＬＬＣおよびＡＴＦ，ペルチェ素子３２，外気）の温度を検出する熱源温度センサ（例えば、後述の第１熱源温度センサ９２，第２熱源温度センサ９３，第３熱源温度センサ９４）と、前記蓄熱材温度センサおよび前記熱源温度センサの出力に基づいて前記過冷却蓄熱材の熱時定数を算出する熱時定数算出手段（例えば、後述のＥＣＵ５，図１７のステップＳ１１２，１１４の実行に係る手段）と、前記算出された熱時定数に基づいて前記過冷却蓄熱材の状態を判定する状態判定手段（例えば、後述のＥＣＵ５，図１７のステップＳ１１５〜１２０の実行に係る手段）と、を備える。
【０００８】
この発明によれば、過冷却蓄熱材の温度を検出する蓄熱材温度センサおよび熱源の温度を検出する熱源温度センサの出力に基づいて過冷却蓄熱材の熱時定数を算出し、この熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材の状態を判定する。ここで、熱時定数とは、対象となる材料を温度が異なる熱源に接触させ、この材料が熱源と熱平衡に達する過程において、材料の温度が所定の温度に達するまでにかかる時間に相当するパラメータであり、一般的には材料の種類だけでなくその状態に応じて異なった値となる。すなわち、過冷却蓄熱材と熱源との温度差に対する過冷却蓄熱材の温度変化の割合が大きい場合、熱時定数は小さな値となり、過冷却蓄熱材と熱源との温度差に対する過冷却蓄熱材の温度変化の割合が小さい場合、熱時定数は大きな値となる。このため、熱時定数は、長時間に亘る過冷却蓄熱材の温度の履歴を参照せずとも、その時点における熱源の温度および過冷却蓄熱材の温度に基づいて算出することができる。このような熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材の状態を判定することにより、過冷却蓄熱材の状態を大きく変化させることなく、かつ短時間でその状態を判定することができる。
また、この発明によれば、従来と比較して、その状態を判定するために過冷却蓄熱材の状態を大きく変化させる必要がないので、例えば過冷却蓄熱材が不必要に発核してしまうのを防止できる。
また、例えば蓄熱装置を車両の暖機装置として応用した場合において、内燃機関の運転停止中は過冷却蓄熱材の温度履歴がキャンセルされてしまうので、従来では、内燃機関の始動直後における過冷却蓄熱材の状態を判定することはできなかった。そこで、この発明によれば、その時点における熱源の温度および過冷却蓄熱材の温度から算出可能な熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材の状態を判定するので、内燃機関の始動直後であってもその状態を判定することができる。
【０００９】
この場合、前記過冷却蓄熱材は、液相状態のときの熱時定数が固相状態のときの熱時定数よりも小さい特性を有し、前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数が所定の第１閾値よりも小さい場合には、前記過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、前記算出された熱時定数が前記第１閾値以上である場合には、前記過冷却蓄熱材は固相状態であると判定することが好ましい。
【００１０】
一般的な過冷却蓄熱材では、固相状態のときの方が液相状態のときよりも伝熱速度が高いので、その液相状態のときの熱時定数は固相状態のときの熱時定数よりも大きいが、この発明では、液相状態のときの熱時定数が固相状態のときの熱時定数よりも小さい特性を有する過冷却蓄熱材を用いる。具体的には、例えば固相状態において結晶間に気泡が入り込むことで液相状態のときよりも伝熱速度が低下し、液相状態のときの方が固相状態のときよりも熱時定数が小さい酢酸ナトリウム三水和物などを用いる。このため、熱源の温度および過冷却蓄熱材の温度に基づいて算出された熱時定数が所定の第１閾値よりも小さい場合には、過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、算出された熱時定数が第１閾値以上である場合には、過冷却蓄熱材は固相状態であると判定する。これにより、過冷却蓄熱材の状態を正確に判定でき、上記発明の効果が確実に奏される。
【００１１】
この場合、前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数が、第１下限値と第１上限値とを有する第１所定範囲内（例えば、後述の図１７のステップＳ１１５の判別に用いるτＬ１＜τ＜τＬ２）に所定の時間継続してある場合には、前記過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、前記算出された熱時定数が、前記第１上限値より大きな第２下限値と第２上限値とを有する第２所定範囲内（例えば、後述の図１７のステップＳ１１７の判別に用いるτＳＬ１＜τ＜τＳ２）に所定の時間継続してある場合には、前記過冷却蓄熱材は固相状態であると判定することが好ましい。
【００１２】
この発明によれば、算出された熱時定数が第１所定範囲内に所定の時間継続してある場合には、過冷却蓄熱材が液相状態にあると判定し、第１所定範囲よりも大きい熱時定数側に設定された第２所定範囲内に所定時間継続してある場合には、過冷却蓄熱材が固相状態にあると判定する。これにより、過冷却蓄熱材の相状態の判定をより正確に行うことが可能となる。
【００１３】
この場合、前記状態判定手段は、前記算出された熱時定数の所定時間内の変動の大きさが所定の第２閾値（例えば、後述の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲ）よりも大きい場合には、前記過冷却蓄熱材は融解状態であると判定することが好ましい。
【００１４】
過冷却蓄熱材の融解時においては、融解による吸熱で温度変化が小さいうえ、液体と固体が不規則に入り混じることによって熱の分布差が拡大するので、熱時定数にばらつきが生じる。そこで、この発明によれば、算出された熱時定数の所定の時間内の変動の大きさが所定の第２閾値よりも大きい場合には、過冷却蓄熱材は融解状態であると判定する。これにより、過冷却蓄熱材の融解状態を正確に判定できるので、無駄な発核操作を回避できる。
【００１５】
この場合、前記過冷却蓄熱材の温度と前記熱源の温度とが略等しい場合には、前記過冷却蓄熱材または熱源の温度を上昇または下降させることにより前記過冷却蓄熱材と前記熱源に温度差を発生させる温度差発生手段（例えば、後述のペルチェ素子３２）をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
上述したように、熱時定数の算出においては、対象となる材料の温度と熱源の温度とが異なることが必要であるところ、過冷却蓄熱材の温度と熱源の温度とが略等しい場合には、熱時定数を算出することができない。そこで、この発明によれば、過冷却蓄熱材または熱源の温度を上昇または下降させることにより、過冷却蓄熱材と熱源に温度差を発生させる。これにより、過冷却蓄熱材の熱時定数を算出でき、算出された熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材の状態を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の構成を示す模式図である。
【図２】過冷却蓄熱材の熱時定数τの特性に関する実験結果を示す図である。
【図３】過冷却蓄熱材の熱時定数τの特性に関する実験結果を示す図である。
【図４】パターン１の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図５】パターン１の算出方法において、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図６】パターン２の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図７】パターン２の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図８】パターン３の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図９】パターン３の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１０】パターン４の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１１】パターン４の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１２】パターン５の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１３】パターン５の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１４】パターン６の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１５】パターン６の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【図１６】発核制御実行可否の判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】過冷却蓄熱材の状態判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１８】ある物質の相状態と、τＬ１、τＬ２、τＳ１およびτＳ２との関係を模式的に示した図である。
【図１９】ある時間ｔにおける熱時定数τ（ｔ）と所定時間間隔における熱時定数τの平均値τ＿ａｖを示した図である。
【図２０】過冷却蓄熱材の液相固着判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図２１】過冷却蓄熱材の固相固着判定処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る蓄熱装置１の構成を示す模式図である。この蓄熱装置１は、図示しない車両に搭載されており、この車両の走行に伴って発生した廃熱を過冷却蓄熱材２で蓄熱しておき、蓄熱した熱で所定の対象物を加熱する。
【００１９】
蓄熱装置１は、過冷却蓄熱材２が収められた筐体３と、この筐体３に設けられた発核装置４と、この発核装置４を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Electric  Control  Unit）」という）５とを備える。
【００２０】
過冷却蓄熱材２は、液相状態から温度を下げて、その温度が凝固点以下になっても液相のままで固化しない性質を有する潜熱蓄熱材である。本実施形態では、過冷却蓄熱材２として酢酸ナトリウム三水和物を用いるが、これに限らず、例えばＮａ２ＳＯ４・１０Ｈ２ＯやＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏなどの水和塩化合物を用いてもよい。過冷却蓄熱材２は、その温度が凝固点以下でありかつ液相であるとき、すなわち過冷却状態にあるときに、この過冷却状態を解除し液相から固相に変化させると、この相変化に伴って潜熱を放出する。したがって、この過冷却蓄熱材２と熱交換可能な所定の対象物の温度が過冷却蓄熱材２の温度よりも低い場合には、過冷却蓄熱材２の過冷却状態を解除することにより、上記対象物を加熱することができる。なお、以下では、過冷却蓄熱材２の過冷却状態を解除し、液相から固相へ変化させることを、発核させるという。
【００２１】
発核装置４は、過冷却蓄熱材２に機械的な刺激を与えることで過冷却蓄熱材２を発核させる。この発核装置４は、例えば、金属ばねと、この金属ばねに打撃を与えるソレノイドとを含んで構成される。このソレノイドは、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５からの制御信号に応じてロッドを進退させて、金属ばねに打撃を与える。この構成により、発核装置４は、ＥＣＵ５からの制御信号に応じて動作し、過冷却状態にある過冷却蓄熱材２を発核させる。なお、発核装置４は、以上のように構成されたものに限らず、例えば、ＥＣＵ５からの制御信号に応じて過冷却蓄熱材２に電圧を印加するなどして、過冷却蓄熱材２に電気的な刺激を与えるように構成されたものでもよい。
【００２２】
筐体３には、エンジンの冷却水（ＬＬＣ）や自動変速機の作動油（ＡＴＦ）などの熱媒が流通する熱媒体通路３１が接続されており、筐体３内の過冷却蓄熱材２と熱媒体通路３１内の熱媒との間で熱交換が可能となっている。なお、本実施形態では、この熱媒体通路３１を流通するＬＬＣやＡＴＦを、蓄熱装置１の加熱対象物とするが、これに限らない。
【００２３】
また、筐体３にはペルチェ素子３２が設けられている。このペルチェ素子３２のコントローラ３３は、ＥＣＵ５に接続されており、ペルチェ素子３２は、ＥＣＵ５からの制御信号に基づいて発熱または吸熱する。これにより、ペルチェ素子３２で、筐体３内の過冷却蓄熱材２を加熱または冷却する。なお、本実施形態において熱源とは、特に断りのない限り、筐体３内の過冷却蓄熱材２と熱交換可能なものの全てをいう。したがって、上述の熱媒体通路３１内を流通するＬＬＣおよびＡＴＦ、並びにペルチェ素子３２の他、外気も熱源とする。
【００２４】
ＥＣＵ５には、蓄熱材温度センサ９１、第１熱源温度センサ９２、第２熱源温度センサ９３、および第３熱源温度センサ９４などの各種センサが接続されている。蓄熱材温度センサ９１は、過冷却蓄熱材２の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。第１熱源温度センサ９２は、熱媒体通路３１を流通する熱媒体の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。第２熱源温度センサ９３は、ペルチェ素子３２の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。第３熱源温度センサ９４は、外気温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。
【００２５】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、発核装置４やコントローラ３３を介してペルチェ素子３２に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００２６】
以上のように構成された蓄熱装置１では、蓄熱材温度センサ９１および熱源温度センサ９２，９３の検出値に基づいて、過冷却蓄熱材２の状態、より具体的にはその相状態および過冷却状態であるか否かなどを、ＥＣＵ５で判定することが可能となっている。本発明では、過冷却蓄熱材２の状態の判定に用いるパラメータの１つとして、過冷却蓄熱材２の熱時定数を参照する。以下、この熱時定数の意味合いと、その特性に関する実験結果について説明する。
【００２７】
熱時定数とは、対象となる材料を、温度が異なりかつ温度変化のない理想的な熱源と熱交換させることにより、この材料が熱源と熱平衡に達する過程において、材料の温度が所定の温度（熱源の温度の約６３．２％）に達するまでにかかる時間に相当するパラメータであり、一般的には材料の種類だけでなくその状態に応じて異なった値となる。この過冷却蓄熱材の熱時定数τは、過冷却蓄熱材の温度をＴ［Ｋ］とし、熱源の温度をＴ０［Ｋ］とし、過冷却蓄熱材の温度Ｔの時間微分値をＴ´（＝ｄＴ／ｄｔ）［Ｋ／ｓ］とした場合、τＴ´＋Ｔ＝Ｔ０の関係が成立し、熱時定数τは下記式（１）で示される。
［数１］
τ＝（Ｔ０−Ｔ）／Ｔ´      （１）
【００２８】
次に、過冷却蓄熱材の熱時定数τの特性に関する２つの実験結果について、図２および図３を参照して説明する。なお、以下の２つの実験いずれにおいても、測定サンプルとして、酢酸ナトリウム三水和物の含有量が５５質量％の過冷却蓄熱材５０ｃｃを用いた。
図２は、過冷却蓄熱材およびこの過冷却蓄熱材と熱交換可能に設けられた熱源の温度、並びに、過冷却蓄熱材の熱時定数を示す図である。図２中、上段は過冷却蓄熱材および熱源の温度の測定結果を示し、下段は上記式（１）を用いて算出された熱時定数の値を示す。この図２は、固相の過冷却蓄熱材と熱源とが略等しい温度（約２６℃）にある状態から、図２中、一点鎖線で示すように熱源の温度を所定の温度（約８１℃）まで瞬間的に上昇させた後、この熱源で過冷却蓄熱材を固相状態から液相状態になるまで昇温させた場合の結果を示している。図２に示すように、測定開始から約３３０［ｓｅｃ］までの間、過冷却蓄熱材は固相状態であった。その後、過冷却蓄熱材は、約３３０〜８１５［ｓｅｃ］までの間で徐々に融解し、約８１５［ｓｅｃ］以降は液相状態であった。
【００２９】
図２に示すように、過冷却蓄熱材が固相状態にある間は、その温度が徐々に上昇するにもかかわらず、熱時定数の値は所定値τｓで略一定となる。例えば、２００［ｓｅｃ］近傍における熱時定数の値は、熱源の温度Ｔ０として８１℃、過冷却蓄熱材の温度Ｔとして３３．７℃、および過冷却蓄熱材の温度Ｔの時間微分値Ｔ´として０．０５８を上記式（１）に代入して算出した結果、８１１［ｓｅｃ］であった。
また、図２に示すように、熱時定数の値は、過冷却蓄熱材が融解している間は大きく変化する。その後、過冷却蓄熱材が液相状態になると、熱時定数の値は、上記固相状態における収束値τｓよりも小さな所定値τｆで略一定となる。例えば、９００［ｓｅｃ］近傍における熱時定数の値は、熱源の温度Ｔ０として７９℃、過冷却蓄熱材の温度Ｔとして７３．１℃、および過冷却蓄熱材の温度Ｔの時間微分値Ｔ´として０．０５３を上記式（１）に代入して算出した結果、１１１［ｓｅｃ］であり、固相状態のときの熱時定数と液相状態のときの熱時定数との差は、７００［ｓｅｃ］であった。
【００３０】
図３は、過冷却蓄熱材およびこの過冷却蓄熱材と熱交換可能に設けられた熱源の温度、並びに、過冷却蓄熱材の熱時定数を示す図である。図３中、上段は過冷却蓄熱材および熱源の温度の測定結果を示し、下段は上記式（１）を用いて算出された熱時定数の値を示す。この図３は、過冷却蓄熱材と熱源とが略等しい温度（約２６℃）にある状態から、図３中、一点鎖線で示すように熱源の温度を所定の温度（約８１℃）まで緩やかに上昇させた場合の結果を示している。図３に示すように、測定開始から約１５００［ｓｅｃ］までの間、過冷却蓄熱材は固相状態であった。その後、過冷却蓄熱材は、約１５００〜２９００［ｓｅｃ］までの間で徐々に融解し、約２９００［ｓｅｃ］以降は液相状態であった。
【００３１】
図３に示すように、過冷却蓄熱材が固相状態にある間は、その温度が徐々に上昇するにもかかわらず、熱時定数の値は、図２に示す結果と比較してノイズの影響が大きいものの所定値τｓ´の近傍で略一定となる。例えば、５００［ｓｅｃ］近傍における熱時定数の値は、熱源の温度Ｔ０として４５．８℃、過冷却蓄熱材の温度Ｔとして２９℃、および過冷却蓄熱材の温度Ｔの時間微分値Ｔ´として０．０１６を上記式（１）に代入して算出した結果、１０５０［ｓｅｃ］であった。
また、図３に示すように、熱時定数の値は、過冷却蓄熱材が融解している間は大きく変化する。その後、過冷却蓄熱材が液相状態になると、熱時定数の値は、上記固相状態における収束値τｓ´よりも小さな所定値τｆ´で略一定となる。例えば、３０００［ｓｅｃ］近傍における熱時定数の値は、熱源の温度Ｔ０として８０．４℃、過冷却蓄熱材の温度Ｔとして７５．４℃、および過冷却蓄熱材の温度Ｔの時間微分値Ｔ´として０．０１４を上記式（１）に代入して算出した結果、３５７［ｓｅｃ］であり、固相状態のときの熱時定数と液相状態のときの熱時定数との差は、６９３［ｓｅｃ］であった。
【００３２】
以下、図２および図３の結果について考察する。
通常、物質の伝熱速度は、固相状態のときが最も高く、液相状態、気相状態の順に低くなるので、その熱時定数は固相状態のときが最も小さい。ところが、上述の実験で用いた酢酸ナトリウム三水和物では、その伝熱速度は固相状態のときよりも液相状態のときの方が高く、液相状態のときの熱時定数の方が固相状態のときの熱時定数よりも小さいことが確認された。これは、酢酸ナトリウム三水和物が発核により液相状態から固相状態に相変化する際に、体積が減少して結晶間に空気層が入り込むことにより、伝熱速度が低下して熱時定数が増大したものと考えられる。
【００３３】
また、上述の実験では、過冷却蓄熱材が固体から液体に融解する際に、その熱時定数が大きくばらつく現象が確認された。これは、過冷却蓄熱材の融解時には、融解による吸熱で温度変化が小さいうえ、液体と固体とが不規則に入り混じることによって熱の分布差が拡大した結果、熱時定数にばらつきが生じたものと考えられる。
【００３４】
また、上述の実験では、過冷却蓄熱材が固体から液体に融解する際に、融解状態のときの熱時定数が固相状態のときの熱時定数よりも大きいことが確認された。これは、過冷却蓄熱材の融解時には、融解による吸熱の影響で過冷却蓄熱材の温度上昇が緩やかになったためであると考えられる。
【００３５】
また、上述の２つの実験では、主として測定条件の相違、すなわち熱源の温度を急激に変化させた場合と緩やかに変化させた場合の相違により、熱時定数の値に差が見られたが、固相状態のときの熱時定数と液相状態のときの熱時定数との差は、測定サンプルが相違してもほぼ等しいことが確認された。この結果から、液相状態と固相状態の切り分けが可能であることが分かり、熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材の状態判別が可能であると考えられる。
【００３６】
また、図２で示される実験は、ペルチェ素子などの温度を瞬間的に自在に変化させることができる熱源を想定した実験であり、図３で示される実験は、熱媒体などの温度が比較的緩やかに変化する熱源を想定した実験である。したがって、２つの実験において熱時定数に差が見られた理由としては、ペルチェ素子と熱媒体のように熱源の熱容量の相違が考えられる。すなわち、熱源の熱容量が相違すると、熱時定数の値も異なったものとなると考えられる。このため、液相状態と固相状態の判別に用いる熱時定数の閾値は、熱源に応じて別設定する必要があると考えられる。
以上より、過冷却蓄熱材の状態を判定するパラメータとして熱時定数が有効であることが検証された。
【００３７】
以上のような特性を有する過冷却蓄熱材の熱時定数は、図１に示す蓄熱装置１では、熱時定数を算出するための熱源の種類や、この熱源と過冷却蓄熱材との温度差などに応じて、複数の異なる方法で算出することができる。以下では、熱時定数を算出する６種類の方法（パターン１〜６）について説明する。
【００３８】
＜パターン１＞
パターン１の算出方法について、図４および図５を参照して説明する。
パターン１は、熱源と過冷却蓄熱材との間に温度差があり、かつ、熱源の温度Ｔ０が過冷却蓄熱材の温度Ｔよりも高い場合に、この温度差を利用して熱時定数を算出する方法である。また、以下で詳細に説明するように、このパターン１の熱時定数の算出方法では、過冷却蓄熱材の温度変化に対して熱源の温度変化は小さい方が好ましいので、熱時定数を算出するための熱源を、過冷却蓄熱材と比較して熱容量が十分に大きいもの、すなわち図１の蓄熱装置１では、ＬＬＣ、ＡＴＦまたは外気とする。したがって、このパターン１では、図１の第１熱源温度センサ９２または第３熱源温度センサ９４の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００３９】
図４は、パターン１の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図５は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００４０】
図４および図５に示すように、熱源の温度Ｔ０が過冷却蓄熱材の温度Ｔよりも高い場合、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、熱源の温度Ｔ０へ向けて上昇する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図５に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００４１】
＜パターン２＞
パターン２の算出方法について、図６および図７を参照して説明する。
パターン２は、熱源と過冷却蓄熱材との間に温度差があり、かつ、熱源の温度Ｔ０が過冷却蓄熱材の温度Ｔよりも低い場合に、この温度差を利用して熱時定数を算出する方法である。また、このパターン２の算出方法も、上述のパターン１の算出方法と同様の理由により、熱時定数を算出するための熱源としては、ＬＬＣ、ＡＴＦまたは外気とする。したがって、このパターン１では、図１の第１熱源温度センサ９２または第３熱源温度センサ９４の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００４２】
図６は、パターン２の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図７は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００４３】
図６および図７に示すように、熱源の温度Ｔ０が過冷却蓄熱材の温度Ｔよりも低い場合、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、熱源の温度Ｔ０へ向けて下降する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図７に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００４４】
＜パターン３＞
パターン３の算出方法について、図８および図９を参照して説明する。
パターン３は、上述のパターン１および２で熱時定数を測定できない場合、すなわち熱源と過冷却蓄熱材との間に温度差がない場合に、能動的に温度差を発生させることで熱時定数を算出する方法である。したがって、このパターン３の熱時定数の算出方法では、熱時定数を算出するための熱源は、能動的に温度差を発生させることができる熱源、すなわち図１の蓄熱装置１ではペルチェ素子とする。したがって、このパターン３では、図１の第２熱源温度センサ９３の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００４５】
図８は、パターン３の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図９は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００４６】
パターン３の算出方法では、図８および図９に示すように、熱源の温度Ｔ０と過冷却蓄熱材の温度Ｔとが略等しい状態から、熱源の温度Ｔ０を所定の目標温度まで瞬間的に上昇させて、さらにこの目標温度に維持することにより、熱源と過冷却蓄熱材との間で能動的に温度差を発生させる。すると、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、熱源の目標温度へ向けて上昇する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図９に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００４７】
＜パターン４＞
パターン４の算出方法について、図１０および図１１を参照して説明する。
パターン４は、上述のパターン３と同様に熱源と過冷却蓄熱材との間で能動的に温度差を発生させることで熱時定数を算出する方法であり、熱時定数を算出するための熱源は、ペルチェ素子とする。したがって、このパターン４では、図１の第２熱源温度センサ９３の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００４８】
図１０は、パターン４の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図１１は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００４９】
パターン４の算出方法では、図１０および図１１に示すように、熱源の温度Ｔ０と過冷却蓄熱材の温度Ｔとが略等しい状態から、熱源の温度Ｔ０を所定の目標温度まで瞬間的に低下させて、さらにこの目標温度に維持することにより、熱源と過冷却蓄熱材との間で能動的に温度差を発生させる。すると、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、熱源の目標温度へ向けて下降する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図１１に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００５０】
＜パターン５＞
パターン５の算出方法について、図１２および図１３を参照して説明する。
パターン５は、上述のパターン３および４と同様に、熱源と過冷却蓄熱材との間に温度差がない場合に、熱源と過冷却蓄熱材との間で能動的に温度差を発生させることで熱時定数を算出する方法である。また、このパターン５の算出方法は、過冷却蓄熱材の温度が融点以下である場合に特に有効な算出方法である。すなわち、過冷却蓄熱材の温度が融点以下で過冷却状態のときに、過冷却状態を維持する観点から有効な算出方法である。したがって、熱時定数を算出するための熱源はペルチェ素子とし、このパターン５では、図１の第２熱源温度センサ９３の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００５１】
図１２は、パターン５の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図１３は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００５２】
パターン５の算出方法では、図１２および図１３に示すように、熱源の温度Ｔ０と過冷却蓄熱材の温度Ｔとが略等しい状態から、熱源の温度Ｔ０を所定の目標温度まで瞬間的に上昇させて、この目標温度を短時間維持した後、熱源の温度Ｔ０を瞬間的に元の温度に下降させる。すると、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、一旦、上記の目標温度に達した後、熱源の元の温度へ向けて下降する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図１３に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００５３】
＜パターン６＞
パターン６の算出方法について、図１４および図１５を参照して説明する。
パターン６は、上述のパターン３〜５と同様に、熱源と過冷却蓄熱材との間に温度差がない場合に、熱源と過冷却蓄熱材との間で能動的に温度差を発生させることで熱時定数を算出する方法である。また、このパターン６の算出方法は、過冷却蓄熱材の温度が融点以下である場合に特に有効な算出方法である。すなわち、過冷却蓄熱材の温度が融点以下で過冷却状態のときに、過冷却状態を維持する観点から有効な算出方法である。したがって、熱時定数を算出するための熱源はペルチェ素子とし、このパターン５では、図１の第２熱源温度センサ９３の出力値を利用して過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出する。
【００５４】
図１４は、パターン６の算出方法において、過冷却蓄熱材が固相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図であり、図１５は、過冷却蓄熱材が液相状態のときの過冷却蓄熱材の温度Ｔ、熱源の温度Ｔ０および熱時定数τの変化を示す図である。
【００５５】
パターン６の算出方法では、図１４および図１５に示すように、熱源の温度Ｔ０と過冷却蓄熱材の温度Ｔとが略等しい状態から、熱源の温度Ｔ０を所定の目標温度まで瞬間的に下降させて、この目標温度を短時間維持した後、熱源の温度Ｔ０を瞬間的に元の温度に上昇させる。すると、過冷却蓄熱材の温度Ｔは、一旦、上記の目標温度に達した後、熱源の元の温度へ向けて上昇する。このとき、時刻ｔにおける熱時定数τは、上記式（１）で示したように、熱源と過冷却蓄熱材の温度差（Ｔ０（ｔ）−Ｔ（ｔ））を、過冷却蓄熱材の温度の微分値Ｔ´（ｔ）で除することにより算出できる。また、上述のように、本実施形態の蓄熱装置１で用いる過冷却蓄熱材２としての酢酸ナトリウム三水和物は、液相状態のときの方が固相状態のときよりも伝熱速度が高いため、過冷却蓄熱材の温度Ｔの変化も液相状態のときの方が速い。したがって、図１５に示すように、液相状態のときの熱時定数τは、固相状態のときの熱時定数τよりも小さな値となる。
【００５６】
次に、上述したような熱時定数に基づく過冷却蓄熱材の状態判定を利用した発核制御実行可否の判定処理の手順について説明する。
図１６は、発核制御実行可否の判定処理の手順を示すフローチャートである。この発核制御実行可否の判定処理は、過冷却蓄熱材の発核制御が実行可能であるか否かを判定する処理であり、ＥＣＵにより所定の時期または所定の周期で繰り返し実行される。
【００５７】
ステップＳ１１では、過冷却蓄熱材の状態を判定する状態判定処理を実行し、実行後はステップＳ１２に移る。この状態判定処理については、後段で図１７を参照して詳述する。
【００５８】
ステップＳ１２では、ステップ１１の状態判定処理の結果に基づいて、過冷却蓄熱材が液相状態であるか否かを判別する。ステップＳ１２の判別がＹＥＳであり過冷却蓄熱材が液相状態である場合には、ステップＳ１３に移る。
【００５９】
ステップＳ１３では、蓄熱材温度センサの出力値に基づいて、過冷却蓄熱材の温度が凝固点以下であるか否かを判別する。このステップＳ１３の判別がＹＥＳである場合には、過冷却蓄熱材は過冷却状態であると判断し、ステップＳ１４に移る。
【００６０】
ステップＳ１４では、発核制御実行許可フラグを「１」にセットし、この処理を終了する。この発核制御実行許可フラグは、過冷却蓄熱材が過冷却状態であり、発核制御の実行が可能な状態であることを示すフラグである。したがって、このフラグを「１」にセットすることで、図示しない処理により発核制御が実行される。具体的には、上述した発核装置によって、例えば、過冷却蓄熱材に機械的な刺激を与えることで過冷却蓄熱材を発核させる処理が実行される。
【００６１】
一方、ステップＳ１２の判別がＮＯであり過冷却蓄熱材が液相状態でない場合、または、ステップＳ１３の判別がＮＯであり過冷却蓄熱材の温度が凝固点より高い場合には、過冷却蓄熱材は過冷却状態ではないと判断し、ステップＳ１５に移る。ステップＳ１５では、発核制御実行許可フラグを「０」にリセットし、この処理を終了する。
【００６２】
次に、過冷却蓄熱材の状態判定処理について、図１７を参照して説明する。
図１７は、過冷却蓄熱材の状態判定処理の手順を示すフローチャートである。この状態判定処理は、上述のパターン１〜６いずれかの算出方法により算出された熱時定数に基づいて、過冷却蓄熱材の相状態を判定する処理であり、ＥＣＵにより所定の時期または所定の周期で繰り返し実行される。
【００６３】
ステップＳ１１１では、蓄熱材温度センサおよび熱源温度センサの出力値に基づいて、過冷却蓄熱材と熱源との温度差の絶対値が所定の閾値ＴＤ＿ＴＨＲより大きいか否かを判別する。ステップＳ１１１の判別がＹＥＳであり、温度差の絶対値が上記閾値ＴＤ＿ＴＨＲよりも大きい場合には、ステップＳ１１２に移る。
なお、閾値ＴＤ＿ＴＨＲについては、予め実験を行うことにより、熱時定数を算出可能な程度に過冷却蓄熱材と熱源との間に十分な温度差が確保されるように設定されて、ＥＣＵに格納されている。
【００６４】
ステップＳ１１２では、蓄熱材温度センサおよび熱源温度センサの出力値に基づいて、熱時定数τを算出し、ステップＳ１１５に移る。ここで、熱源の温度が過冷却蓄熱材の温度よりも高い場合には、パターン１により熱時定数τを算出する。熱源の温度が過冷却蓄熱材の温度以下である場合には、パターン２により熱時定数τを算出する。
【００６５】
一方、ステップＳ１１１の判別がＮＯであり、温度差の絶対値が上記閾値ＴＤ＿ＴＨＲ以下であり、過冷却蓄熱材の温度と熱源の温度とが比較的近い場合には、過冷却蓄熱材の状態を判定するためには過冷却蓄熱材と熱源との温度差を拡大する必要があると判断し、ステップＳ１１３に移る。
ステップＳ１１３では、過冷却蓄熱材の強制加熱または強制冷却を実行し、実行後はステップＳ１１４に移る。具体的には、ＥＣＵからの制御信号に基づいてペルチェ素子を発熱または吸熱させることにより、過冷却蓄熱材を加熱または冷却する。これにより、過冷却蓄熱材の状態判定に必要な過冷却蓄熱材と熱源との温度差が確保される。
【００６６】
ステップＳ１１４では、蓄熱材温度センサおよび熱源温度センサの出力値に基づいて、熱時定数τを算出し、ステップＳ１１５に移る。ここで、過冷却蓄熱材の温度が融点よりも高くかつステップＳ１１３で過冷却蓄熱材を強制加熱した場合には、パターン３により熱時定数τを算出し、過冷却蓄熱材の温度が融点よりも高くかつステップＳ１１３で過冷却蓄熱材を強制冷却した場合には、パターン４により熱時定数τを算出する。また、過冷却蓄熱材の温度が融点以下でありかつステップＳ１１３で過冷却蓄熱材を強制加熱した場合には、パターン５により熱時定数τを算出し、過冷却蓄熱材の温度が融点以下でありかつステップＳ１１３で過冷却蓄熱材を強制冷却した場合には、パターン６により熱時定数τを算出する。
なお、本ステップで算出される熱時定数τは、パターン３〜６の算出方法によるものであるため、熱源としてペルチェ素子を用い、ＬＬＣやＡＴＦなどの熱媒体の熱容量も含めた状態で算出される熱時定数である。
【００６７】
ステップＳ１１５では、ステップＳ１１２またはステップＳ１１４で算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＬ１よりも大きくかつ上限値τＬ２よりも小さい範囲内（すなわち、τＬ１＜τ＜τＬ２で規定される第１所定範囲内）にあるか否かを判別する。この判別がＹＥＳであり、算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＬ１よりも大きくかつ上限値τＬ２よりも小さい範囲内にある場合には、ステップＳ１１６に移り、過冷却蓄熱材は液相状態にあると判断してこの処理を終了する。
なお、ステップＳ１１５の所定時間は、予め実験を行うことにより、過冷却蓄熱材の液相状態を正確に判定できる範囲内で設定され、ＥＣＵに格納されている。
【００６８】
一方、ステップＳ１１５の判別がＮＯであり、算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＬ１よりも大きくかつ上限値τＬ２よりも小さい範囲内にない場合には、過冷却蓄熱材は液相状態にはないと判断されるため、ステップＳ１１７に移る。
ステップＳ１１７では、算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＳ１よりも大きくかつ上限値τＳ２よりも小さい範囲内（すなわち、τＳ１＜τ＜τＳ２で規定される第２所定範囲内）にあるか否かを判別する。この判別がＹＥＳであり、算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＳ１よりも大きくかつ上限値τＳ２よりも小さい範囲内にある場合には、ステップＳ１１８に移り、過冷却蓄熱材は固相状態にあると判断してこの処理を終了する。
なお、ステップＳ１１７の所定時間は、予め実験を行うことにより、過冷却蓄熱材の固相状態を正確に判定できる範囲内で設定され、ＥＣＵに格納されている。
【００６９】
ここで、ステップＳ１１５の判別で用いる下限値τＬ１および上限値τＬ２と、ステップＳ１１７の判別で用いる下限値τＳ１および上限値τＳ２の設定について、図１８を参照して説明する。
図１８は、ある物質の相状態と、τＬ１、τＬ２、τＳ１およびτＳ２との関係を模式的に示した図である。上述の実験結果から明らかとされたように、本実施形態で用いる過冷却蓄熱材としての酢酸ナトリム三水和物は、液相状態のときの熱時定数の方が固相状態のときの熱時定数よりも小さい。このため、図１８に示すように、液相状態の判別に用いるτＬ１およびτＬ２は、固相状態の判別に用いるτＳ１およびτＳ２よりも小さな値に設定される。具体的なこれらの値は、予め実験を行うことにより、ノイズなどを考慮のうえ正確に相状態を判断できる範囲内で設定されて、ＥＣＵに格納されている。
【００７０】
また、上述の実験結果から確認されたように、熱源の熱容量が相違すると、熱時定数の値も異なったものとなるため、液相状態と固相状態の判別に用いる熱時定数の閾値は、熱源に応じて別設定する必要がある。すなわち、熱源としてペルチェ素子を用いた場合には、熱媒体通路内を流通するＬＬＣやＡＴＦなどの熱媒体も含めた状態での熱容量となるため、この場合の熱時定数は、ペルチェ素子を用いずに熱媒体のみを熱源とした場合の熱時定数とは異なったものとなる。したがって、液相状態と固相状態の判別に用いる熱時定数の閾値（τＬ１、τＬ２、τＳ１およびτＳ２）は、熱媒体のみを熱源とした場合（すなわち、強制加熱または強制冷却を実行しなかった場合）と、熱源としてペルチェ素子を用いた場合（すなわち、強制加熱または強制冷却を実行した場合）とでは、別設定とし、熱源に応じて持ち替えられる。
【００７１】
図１７に戻って、ステップＳ１１７の判別がＮＯであり、算出された熱時定数τが、所定時間継続して下限値τＳ１よりも大きくかつ上限値τＳ２よりも小さい範囲内にない場合には、過冷却蓄熱材は固相状態にはないと判断されるため、ステップＳ１１９に移る。
ステップＳ１１９では、算出された熱時定数τの所定時間間隔における変動の大きさＴＴＣＣが、所定の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲ以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳであり、算出された熱時定数τの所定時間間隔における変動の大きさが、所定の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲ以上である場合には、ステップＳ１２０に移り、過冷却蓄熱材が融解状態にあると判断してこの処理を終了する。
【００７２】
ここで、ステップＳ１１７の判別で用いる熱時定数τの変動の大きさについて、図１９を参照して説明する。
図１９は、ある時間ｔにおける熱時定数τ（ｔ）と、所定時間間隔における熱時定数τの平均値τ＿ａｖとを示した図である。図１９に示すように、熱時定数τ（ｔ）の値は、所定時間間隔において変動し、ばらつきが認められる。また、上述の実験結果から明らかとされたように、過冷却蓄熱材が固体から液体に融解する際には、上記のばらつきが顕著となる。そこで、下記式（２）により算出された値を、熱時定数τ（ｔ）の所定時間間隔における変動の大きさＴＴＣＣとし、この値を融解状態の判別に用いる。変動の大きさＴＴＣＣは、下記式（２）で表されるように、熱時定数τ（ｔ）と所定時間間隔における熱時定数τの平均値τ＿ａｖとの差分を２乗した総和である。
［数２］
ＴＴＣＣ＝Σ（τ（ｔ）−τ＿ａｖ）２      （２）
【００７３】
所定の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲは、予め実験を行うことにより、固相状態や液相状態と融解状態とが判別できる範囲内で設定されて、ＥＣＵに格納されている。なお、上述の実験結果から確認されたように、熱源の熱容量が相違すると、熱時定数の値も異なったものとなることから、上記の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲは、熱媒体のみを熱源とした場合（すなわち、強制加熱または強制冷却を実行しなかった場合）と、熱源としてペルチェ素子用いた場合（すなわち、強制加熱または強制冷却を実行した場合）とでは、別設定とし、熱源に応じて持ち替えられる。
【００７４】
図１７に戻って、ステップＳ１１９の判別がＮＯであり、算出された熱時定数τの所定時間内の変動の大きさが、所定の閾値ＴＴＣＣ＿ＴＨＲ未満である場合には、過冷却蓄熱材は融解状態にはないと判断され、この処理を終了する。
【００７５】
次に、過冷却蓄熱材の液相固着判定処理の手順について説明する。
図２０は、過冷却蓄熱材の液相固着判定処理の手順を示すフローチャートである。この液相固着判定処理は、発核装置を用いて発核制御を実行した場合において、発核が生じずに液相固着したか否かを熱時定数に基づいて判定する処理であり、ＥＣＵにより所定の時期または所定の周期で繰り返し実行される。
【００７６】
ステップＳ２１では、上述した過冷却蓄熱材の状態判定処理の手順に従って（図１７参照）、状態判定処理を実行する。実行後はステップＳ２２に移る。
【００７７】
ステップＳ２２では、ステップ２１の状態判定処理の結果に基づいて、過冷却蓄熱材が液相状態であるか否かを判別する。ステップＳ２２の判別がＹＥＳであり過冷却蓄熱材が液相状態である場合には、ステップＳ２３に移る。
【００７８】
ステップＳ２３では、蓄熱材温度センサの出力値に基づいて、過冷却蓄熱材の温度が凝固点以下であるか否かを判別する。このステップＳ２３の判別がＹＥＳである場合には、過冷却蓄熱材は過冷却状態であると判断し、ステップＳ２４に移る。
【００７９】
ステップＳ２４では、発核制御実行許可フラグを「１」にセットし、ステップＳ２６に移る。この発核制御実行許可フラグは、過冷却蓄熱材が過冷却状態であり、発核制御の実行が可能な状態であることを示すフラグである。したがって、このフラグを「１」にセットすることで、図示しない処理により発核制御が実行される。具体的には、上述した発核装置によって、例えば、過冷却蓄熱材に機械的な刺激を与えることで過冷却蓄熱材を発核させる処理が実行される。
【００８０】
一方、ステップＳ２２の判別がＮＯであり、過冷却蓄熱材が液相状態でない場合、または、ステップＳ２３の判別がＮＯであり過冷却蓄熱材の温度が凝固点より高い場合には、過冷却蓄熱材は過冷却状態ではないと判断し、ステップＳ２５に移る。ステップＳ２５では、発核制御実行許可フラグを「０」にリセットし、この処理を終了する。
【００８１】
ステップＳ２６では、再度、上述した過冷却蓄熱材の状態判定処理の手順に従って（図１７参照）、状態判定処理を実行する。実行後はステップＳ２７に移る。
【００８２】
ステップＳ２７では、ステップ２６の状態判定処理の結果に基づいて、過冷却蓄熱材が液相状態であるか否かを判別する。ステップＳ２７の判別がＹＥＳであり過冷却蓄熱材が液相状態である場合には、ステップＳ２８に移り、発核が失敗して液相固着したと判断し、この処理を終了する。
【００８３】
一方、ステップＳ２７の判別がＮＯであり過冷却蓄熱材が液相状態でない場合には、ステップＳ２９に移り、発核が成功したと判断し、この処理を終了する。
【００８４】
次に、過冷却蓄熱材の固相固着判定処理の手順について説明する。
図２１は、過冷却蓄熱材の固相固着判定処理の手順を示すフローチャートである。この固相固着判定処理は、融解するのに十分な熱量で過冷却蓄熱材を加熱した場合において、固相固着したか否かを熱時定数に基づいて判定する処理であり、ＥＣＵにより所定の時期または所定の周期で繰り返し実行される。
【００８５】
ステップＳ３１では、固相状態の過冷却蓄熱材に対して、融解するのに十分な熱量を加えて加熱処理を実行する。実行後はステップＳ３２に移る。
【００８６】
ステップＳ３２では、上述した過冷却蓄熱材の状態判定処理の手順に従って（図１７参照）、状態判定処理を実行する。実行後はステップＳ３３に移る。
【００８７】
ステップＳ３３では、ステップ３２の状態判定処理の結果に基づいて、過冷却蓄熱材が固相状態であるか否かを判別する。ステップＳ３３の判別がＹＥＳであり過冷却蓄熱材が固相状態である場合には、ステップＳ３４に移り、蓄熱装置としての融解機能が失陥したと判断し、この処理を終了する。
【００８８】
一方、ステップＳ３３の判別がＮＯであり過冷却蓄熱材が固相状態でない場合には、ステップＳ３５に移り、蓄熱装置としての融解機能が正常であると判断し、この処理を終了する。
【００８９】
以上より、本実施形態に係る蓄熱装置１によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、過冷却蓄熱材２の温度を検出する蓄熱材温度センサ９１および熱源の温度を検出する熱源温度センサ９２，９３，９４の出力に基づいて過冷却蓄熱材２の熱時定数τを算出し、この熱時定数τに基づいて過冷却蓄熱材２の状態を判定する。ここで、熱時定数τとは、対象となる材料を温度が異なる熱源に接触させ、この材料が熱源と熱平衡に達する過程において、材料の温度が所定の温度に達するまでにかかる時間に相当するパラメータであり、一般的には材料の種類だけでなくその状態に応じて異なった値となる。すなわち、過冷却蓄熱材２と熱源との温度差に対する過冷却蓄熱材２の温度変化の割合が大きい場合、熱時定数τは小さな値となり、過冷却蓄熱材２と熱源との温度差に対する過冷却蓄熱材２の温度変化の割合が小さい場合、熱時定数τは大きな値となる。このため、熱時定数τは、長時間に亘る過冷却蓄熱材２の温度の履歴を参照せずとも、その時点における熱源の温度および過冷却蓄熱材２の温度に基づいて算出することができる。このような熱時定数τに基づいて過冷却蓄熱材２の状態を判定することにより、過冷却蓄熱材２の状態を大きく変化させることなく、かつ短時間でその状態を判定することができる。
また、本実施形態によれば、従来と比較して、その状態を判定するために過冷却蓄熱材２の状態を大きく変化させる必要がないので、例えば過冷却蓄熱材２が不必要に発核してしまうのを防止できる。
また、例えば蓄熱装置１を車両の暖機装置として応用した場合において、内燃機関の運転停止中は過冷却蓄熱材２の温度履歴がキャンセルされてしまうので、従来では、内燃機関の始動直後における過冷却蓄熱材２の状態を判定することはできなかった。そこで、本実施形態によれば、その時点における熱源の温度および過冷却蓄熱材２の温度から算出可能な熱時定数τに基づいて過冷却蓄熱材２の状態を判定するので、内燃機関の始動直後であってもその状態を判定することができる。
【００９０】
また、一般的な過冷却蓄熱材では、固相状態のときの方が液相状態のときよりも伝熱速度が高いので、その液相状態のときの熱時定数は固相状態のときの熱時定数よりも大きいが、本実施形態では、液相状態のときの熱時定数が固相状態のときの熱時定数よりも小さい特性を有する過冷却蓄熱材２を用いる。具体的には、例えば固相状態において結晶間に気泡が入り込むことで液相状態のときよりも伝熱速度が低下し、液相状態のときの方が固相状態のときよりも熱時定数τが小さい酢酸ナトリウム三水和物などを用いる。このため、本実施形態では、算出された熱時定数τが、所定時間継続して上記のτＬ１＜τ＜τＬ２で規定される第１所定範囲内にある場合には、過冷却蓄熱材２が液相状態にあると判定する。また、算出された熱時定数τが、所定時間継続して上記のτＳ１＜τ＜τＳ２で規定される第２所定範囲内にある場合には、過冷却蓄熱材２が固相状態にあると判定する。これにより、過冷却蓄熱材２の相状態の判定を正確に行うことができる。
【００９１】
過冷却蓄熱材２の融解時においては、融解による吸熱で温度変化が小さいうえ、液体と固体が不規則に入り混じることによって熱の分布差が拡大するので、熱時定数にばらつきが生じる。そこで、本実施形態によれば、算出された熱時定数の所定の時間内の変動の大きさが所定の第２閾値よりも大きい場合には、過冷却蓄熱材２は融解状態であると判定する。これにより、過冷却蓄熱材２の融解状態を正確に判定できるので、無駄な発核操作を回避できる。
【００９２】
上述したように、熱時定数の算出においては、対象となる材料の温度と熱源の温度とが異なることが必要であるところ、過冷却蓄熱材２の温度と熱源の温度とが略等しい場合には、熱時定数を算出することができない。そこで、本実施形態によれば、過冷却蓄熱材２の温度を上昇または下降させることにより過冷却蓄熱材２と熱源に温度差を発生させる。これにより、過冷却蓄熱材２の熱時定数を算出でき、算出された熱時定数に基づいて過冷却蓄熱材２の状態を判定することができる。
【００９３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上記実施形態では、算出された熱時定数τが所定時間継続して上記第１所定範囲内にある場合には、過冷却蓄熱材が液相状態にあると判定し、算出された熱時定数τが、所定時間継続して上記第２所定範囲内にある場合には、過冷却蓄熱材が固相状態にあると判定したが、これに限定されない。熱時定数τが、予め実験を行うことにより設定した
所定の第１閾値よりも小さい場合に、過冷却蓄熱材は液相状態であると判定し、熱時定数τが第１閾値以上である場合に、過冷却蓄熱材は固相状態であると判定してもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１…蓄熱装置
２…過冷却蓄熱材
３…筐体
４…発核装置
５…ＥＣＵ（熱時定数算出手段，状態判定手段，温度差発生手段）
３１…熱媒体通路
３２…ペルチェ素子（温度差発生手段，熱源）
３３…コントローラ（温度差発生手段）
９１…蓄熱材温度センサ
９２…第１熱源温度センサ（熱源温度センサ）
９３…第２熱源温度センサ（熱源温度センサ）
９４…第３熱源温度センサ（熱源温度センサ）
【図１】
2011179766.tif 000003
【図２】
2011179766.tif 000004
【図３】
2011179766.tif 000005
【図４】
2011179766.tif 000006
【図５】
2011179766.tif 000007
【図６】
2011179766.tif 000008
【図７】
2011179766.tif 000009
【図８】
2011179766.tif 000010
【図９】
2011179766.tif 000011
【図１０】
2011179766.tif 000012
【図１１】
2011179766.tif 000013
【図１２】
2011179766.tif 000014
【図１３】
2011179766.tif 000015
【図１４】
2011179766.tif 000016
【図１５】
2011179766.tif 000017
【図１６】
2011179766.tif 000018
【図１７】
2011179766.tif 000019
【図１８】
2011179766.tif 000020
【図１９】
2011179766.tif 000021
【図２０】
2011179766.tif 000022
【図２１】
2011179766.tif 000023