(57)【要約】【課題】  使用時間に制約があり、低密度で使用し難い次世代エネルギー源としての深夜電力（原子力発電）、それを利用したヒートポンプ、晴天の日中だけ輝く太陽光、発電が主体のコジェネレイション装置の排熱などのエネルギーを巧みに処理して、蓄熱させ、それを必要な時に取り出して給湯や空調に利用する次世代の熱エネルギー利用システムを実現するためのキー技術として、種々な熱供給と熱出力に自在に対応でき、熱密度が高くコンパクトな、現地で据え付けやすく、熱ロスが少なく高いエネルギー効率で、簡素化された構成で信頼度の高い蓄熱システムの実現が望まれている。【解決手段】  複数熱媒体用の熱交換器と潜熱蓄熱材とを伝熱関係に構成して、大気圧状態の蓄熱容器に巧みに組み込んで蓄熱システムを実現させ、種々な熱源からの供給媒体を自在に取り込んで、必要な時に給湯と冷暖房などを高い効率で出力させる事ができる。【選択図】図３
2008064372.tif 000002
【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、前記熱源媒体を前記蓄熱槽の外部から連通させて温熱又は冷熱を放出させて該蓄熱槽に蓄熱又は蓄冷し、前記熱出力媒体を外部から連通させて前記温熱又は前記冷熱により加熱又は冷却して前記蓄熱槽の外部へ出力させる事を特徴とした熱交換器型蓄熱システム。
【請求項２】
前記熱源媒体循環管路と前記熱出力媒体循環管路用に複数乃至は多数の循環管路と、該循環管路の外表面同士を伝熱が良好な状態に接続させ、且つその双方の外表面面積を拡大させるためのアルミ製の部分とが一体で乃至は組み合わされて構成された熱交換器を前記熱媒体熱交換器として用いた事を特徴とした請求項１に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項３】
前記熱媒体熱交換器内に二つ以上の熱源媒体循環管路又は及び熱出力媒体循環管路を持ち二つ以上の種類の前記熱源媒体又は及び前記熱出力媒体を夫々連通させた事を特徴とした請求項１、２の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項４】
複数の前記循環管路を該管路と同じ方向に長尺の平板の上に又は平板内に接合又は成形した循環管路組み立て乃至は前記循環管路数以上の数の平行に配置された穴が形成された平板状で長尺の押し出し成形アルミ製の偏平多穴管を用いて、その全体を長尺方向に曲げ成形乃至は蛇行状に折りたたんで形成した熱交換器を、前記熱媒体熱交換器として用いた事を特徴とした請求項１、２、３の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項５】
温熱蓄熱の場合の蓄熱温度を６０℃以下に、冷熱蓄熱の場合の蓄熱温度を５℃以上に設定するとともに、前記蓄熱材として固体と液体間で相変化する時の融解潜熱を利用するためにパラフィン又はポリエチレングリコール又は無機塩水和物など５℃〜６０℃の間に融解温度を持った潜熱蓄熱材を用い、且つ前記容器外周乃至は前記容器を収める筐体の内面に設置する断熱材として真空断熱パネルを用いた事を特徴とした請求項１、２、３、４の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項６】
前記容器を立方体形状とし、前記熱媒体熱交換器の前記長尺の平板の幅寸法を前記容器の前面と背面の間の奥行き内寸法乃至は底面と実質最上面の間の上下内寸法に合わせて丁度収まる寸法乃至は複数重ねて丁度収まる寸法に設定し、前記長尺の平板の幅方向を前記容器の奥行き方向乃至は上下方向に合わせて、且つ１つの乃至は複数足し合わせた幅寸法が該奥行き内寸法乃至は該上下内寸法に丁度収まる数だけの前記熱媒体熱交換器を該容器の中に設置した事を特長とした請求項１、２、３、４、５の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項７】
前記容器を高分子樹脂材料の変形自在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、蓄熱槽を収納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開放部を密閉させて該蓄熱槽を構成した事を特長とした請求項１、２、３、４、５、６の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項８】
前記容器を、上面板乃至は及び前面板が本体と別体で構成され且つ該上面板乃至は該前面板と該本体がネジ締めなどでその全体が乃至は一部を除いて全体が相互に水密にシールされた状態で取り付けができる構造からなる高分子樹脂材料製のタンク状となし、金属板等で構成される前記筐体の内面乃至は前記筐体に取り付けた発泡材断熱パネル至は前記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長とした請求項１、２、３、４、５、６の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項９】
４５℃〜６０℃の範囲の融解温度を持つ２２〜２６炭素数パラフィン、酢酸ナトリウム水和物、ポリエチレングリコール、チオ硫酸ナトリウム水和物などの潜熱蓄熱材を小さな袋乃至は小容器等に収納してブロック状潜熱蓄熱材とし、前記熱媒体熱交換器を請求項４に示す様にその形状を蛇行状等に成形して生じた奥行き方向乃至は上下方向に連通する隙間及び前記容器内壁との隙間に挿入設置した事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１０】
前記蓄熱材として前記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容器内の前記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はるかに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する請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１１】
前記容器内における前記蓄熱材乃至は前記潜熱蓄熱材の全容積が前記容器の上部空間を除いた実質的全内容積に対し８２％以上９５％以下になるように前記熱媒体熱交換器と前記蓄熱材乃至は前記潜熱蓄熱材の構造と寸法と充填量を設定した事を特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１２】
前記筐体の上部及び乃至は前面部を除いた本体部分を設置場所に設置し、前記筐体の底板上に前記容器を上面及び乃至は前面が開いた状態で設置し、該容器の底面上に前記熱媒体熱交換器を載せ、前記熱媒体熱交換器の前記隙間及び前記容器内壁との隙間に前記ブロック状潜熱蓄熱材又は前記カプセル状潜熱蓄熱材を組み込んだ後に、必要により前記袋状容器の上端縁を上部にたくし上げて袋状容器を形成し乃至は前記タンク状容器の前記前面部分を組みつけて容器を形成し、容器上部から請求項１０に示した充填用液体を充填し、其の後に容器を密閉し、最後に蓄熱槽筐体の前面部及び乃至は上面部等の残された筐体部分を取り付ける事により組み立てを完成させる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システムに用いる蓄熱槽の据付け現地における組み立て方法。
【請求項１３】
供給価格が優遇された深夜電力乃至は及び太陽光発電装置の出力電力乃至は及び通常の商用電力乃至は及び各種燃料使用コジェネレイション装置の出力電力を利用して作動する圧縮機が組み込まれて大気を熱源として作動するヒートポンプユニットの出力冷媒を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凝縮放熱させて前記蓄熱材に温熱蓄熱させ、蓄熱させた温熱は前記熱出力媒体循環管路に連通させた水道水を加熱しその温水を前記熱出力媒体として出力させて給湯用に利用する事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１４】
供給価格が優遇された深夜電力乃至は及び太陽光発電装置の出力電力乃至は及び通常の商用電力乃至は及び各種燃料使用コジェネレイション装置の出力電力を利用して作動する圧縮機が組み込まれて大気を熱源乃至は放熱源として作動するヒートポンプユニットの出力冷媒を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凝縮放熱乃至は蒸発受熱させて前記蓄熱材に温熱蓄熱乃至は冷熱蓄熱させ、蓄熱させた温冷熱は前記熱出力媒体循環管路に連通させた空調用に利用する熱媒体を加熱乃至は冷却する事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１５】
熱源供給の為の主要装置となる前記ヒートポンプシステムの冷凍サイクルの作動冷媒として地球温暖化係数が１００以下で且つ冷凍サイクル効率の高い冷媒を用いて前記熱源媒体循環管路に連通し、前記熱出力媒体循環管路を連通する冷暖房空調用の熱出力媒体として前記ヒートポンプシステム用の冷媒と異なり不燃性で且つ無毒性で且つ地球温暖化係数が１００以下の熱媒体を用い、同時に前記熱媒体熱交換器内において熱源媒体循環管路と熱出力媒体循環管路を隣り合わせて配置した事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１４の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１６】
前記ヒートポンプユニットの出力としての熱源媒体と、太陽光により電力と温熱とを同時に得る事ができる装置である太陽光コジェネレイション装置乃至は燃料使用コジェネレイション装置の温熱出力である熱源媒体とを連通させるべく、一体の前記熱媒体熱交換器に夫々の熱源媒体用の二つの前記熱源媒体循環管路を設けた事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１５の何れか１項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１７】
前記太陽光コジェネレイション装置の受光面を支持し且つその熱を受ける様に構成された受熱用基板とヒートポンプユニットの冷凍サイクルの配管とを伝熱が行われる様に相互に接触させて固定し、該冷凍サイクルの配管内で冷媒が蒸発する事により太陽光温熱を受け取り、それを該冷凍サイクルによって汲み上げて前記潜熱蓄熱材の融解温度より高い凝縮温度を持った冷媒となし、それを前記熱源媒体として前記熱源媒体循環管路に連通させることにより、該太陽光温熱を前記潜熱蓄熱材に蓄熱させる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１３、１５の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１８】
冬季の必要な時には前記ヒートポンプユニットの前記冷凍サイクルを用いて、冷媒制御弁を切り替えてその冷媒の流れを請求項１７と逆転させて、大気の熱を汲み上げる方法乃至は前記蓄熱槽に蓄熱された熱を前記熱源媒体循環管路を通して汲み上げる方法の内、運転条件により最適な方法を選択して作動させ、前記太陽光コジェネレイション装置における前記受熱用基板でその熱を放熱させ、太陽光コジェネレイション装置の前記受光面と上部の外表面を加熱して該外表面に積もった雪を融解し除雪させるための熱供給源システムとして使われる事を特徴とする請求項１７に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項１９】
温熱を前記熱媒体熱交換器を通して４０℃〜６０℃の範囲に融解温度を持つ潜熱蓄熱材に蓄熱するための温熱蓄熱槽を持った熱交換器型蓄熱システムと、冷熱を前記熱媒体熱交換器を通して５℃〜３０℃の範囲に融解温度を持つ潜熱蓄熱材に蓄熱するための温熱用及び乃至は冷熱用の蓄熱槽を持ったもう一つの熱交換器型蓄熱システムを前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルで連結した複合システムに於いて、二つの前記熱交換器型蓄熱システムに１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システムを採用して、これらを利用して温冷熱を蓄熱しそれを使って別々に任意の時に温冷熱の熱出力媒体を出力出来るようにした事を特徴とした温冷熱蓄熱システム。
【請求項２０】
請求項１９の温冷熱蓄熱システムに蓄熱された温冷熱を同時に同一の屋内空間に搬送し、該空間で別々の屋内熱交換装置により冷房と暖房を同時に行うことにより該屋内空間の温度を余り変える事無く除湿を行わせる事を特徴とした運転に利用される請求項１９に記載の温冷熱蓄熱システム。
【請求項２１】
供給される熱源媒体の温度が前記潜熱蓄熱材の融解温度より一定温度以上高温度のときは前記熱交換器型蓄熱システムに熱を供給し、一方前記融解温度より一定温度以上高温度で無いときは該熱交換型蓄熱システムに供給せずに、さらに低温度の融解温度である潜熱蓄熱材を用いた他の熱交換器型蓄熱システムに蓄熱させ又はヒートポンプユニットの蒸発用熱源熱量として利用させ又は給湯用水道水の予熱に利用させるなどのうち少なくとも何れか１つの低温度熱源の利用方法を選択できるように構成したことを特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１３の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項２２】
前記熱出力媒体としての前記給湯用の水道水が前記熱媒体熱交換器の前記熱出力媒体循環管路に連通されて蓄熱材により加熱される以前に他に設けた予熱用熱交換器においてヒートポンプユニットの出力により該水道水を予熱する時に、前記蓄熱槽内の蓄熱量の残量の十分な時には前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの冷媒の凝縮温度を低く設定して予熱熱量を低減させ、蓄熱量の残量が少なくなった時には該凝縮温度の設定を蓄熱温度に近づけて高くして予熱熱量を増加させ、蓄熱量の残量が不足の時には前記ヒートポンプユニット出力を直接に前記熱媒体熱交換器で放熱させ水道水を加熱させる事により給湯運転するように、蓄熱量の残量の多少により幾つかの予熱運転モードを選択利用する様に制御した事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、９、１０、１１、１３の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項２３】
前記蓄熱容器内で前記熱媒体熱交換器の上部又は前記筐体内で該蓄熱容器の上部で前記蓄熱材が存在しない空間に前記予熱用熱交換器を設け、給湯用の水道水を前記熱出力媒体熱交換器として該予熱熱交換器から前記熱媒体熱交換器へと連通させ、加熱用の前記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源媒体として前記熱媒体熱交換器から前記予熱熱交換器へと連通させて前記水道水を予熱させる事ができるようにしたことを特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１３の何れか一項に記載の熱交換器型蓄熱システム。
【請求項２４】
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潜熱蓄熱材として用い、前記熱出力媒体として前記水道水を前記熱出力循環管路に連通させてその冷熱を前記潜熱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潜熱蓄熱材を融解させながら放熱させた事を特徴とした請求項１、２、４、５、６、７、８、１０、１１、１２の何れか１項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】
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。
【００３２】
請求項２、３、４は請求項１の基本構成の追加要件であり、全体システムの課題解決にとり重要な項目である。具体的な構成としては熱媒体熱交換器をアルミ押し出し成形品である偏平多穴管を用いた場合を請求項４に示した。媒体の循環管路としてはこの多穴管に設けた穴の中の必要な数本を利用して構成し、多穴管の出入り口は別の連結管へとロー付け接合して連結し媒体の全体循環管路を構成させる。この多穴管の製造方法は極めて簡単な押し出し成形をベースとしており、その構造上そこを連通する媒体同志は多穴管を構成するアルミ自体を通して伝熱関係にあり、且つ請求項３に示した様に複数の熱源媒体及び熱出力媒体を一つの偏平多穴管内に設ける事も容易であり、その場合相互の伝熱関係は維持される。特に高い伝熱特性が必要な媒体同志の場合は隣接した穴を利用して管路を構成させ、かつ対向流に媒体を連通させる。
【００３３】
このアルミ押し出し成形品である熱媒体熱交換器は薄い偏平状、板状であるからその押し出し長さ方向の曲げ成形は比較的自由である。従って蓄熱容器の内部形状に合う様に、かつその外回りに設置乃至は充填される蓄熱材中心部との距離を小さくして蓄熱材への蓄熱時間と放熱時間が短時間で済む様な形状に成形し易い。通常は蛇行状に折りたたんで成形しその隙間に蓄熱材を設置乃至は充填する。このアルミ押し出し管を使った方式は請求項１の構成要件を満たす方式で最も簡単に確実に実現できる方式と言える。
【００３４】
この熱交換器の製造方法は請求項２を満たすものであれば良く、アルミ押し出し成形に限らない。例えばロールボンドといわれる二枚のアルミ板の間に循環管路を設けたように形を成形して相互に圧着したものでも良く、平板上に循環管路となる管をロー付けにより接合したものでもよいし、循環管路を横並びに並べて相互に接する面をロー付け接合した物でも良い。またフィンチューブ形状でフィンとチューブを拡管乃至はブレージングで接合したものでも良いし、アルミ押し出し成型品の扁平多穴チューブでも良い。要は複数の管路が外表面面積を拡大しかつ相互に伝熱できるように繋がっていれば良い。この基本概念が請求項２において、より広い構成要件として提示されている。特に、請求項４の様に循環管路同士が金属の熱交換器の中で伝熱関係にあり、全体が平板上で蛇行成型や蚊取り線香状の成型が可能であれば蓄熱材の組み込み性には極めて優位である。最も重要なことは管路の外表面積が拡大されていて蓄熱材との伝熱が良く、且つ蓄熱材の組み込み性が良く、媒体の循環管路の数が熱交換器を使って自由に設定できることである。
【００３５】
請求項３に示したように、複数の循環管路を設ける上でこの形状は極めて優位な構造である。複数の循環管路には当然種類の異なる熱源媒体を連通させる事ができるし、数種類の熱出力媒体を連通させる事ができる。例えば熱源媒体にはヒートポンプ冷媒、太陽熱媒体、各種コジェネレイション装置の排熱媒体、家庭内の風呂からの排熱媒体などが対象となる。熱出力媒体として給湯用水道水、冷暖房用媒体、風呂追い焚き用の媒体等が考えられる。請求項１３以下で再度検討したい。ここでの認識で重要なことは請求項１〜４に規定したシステムはこの様な多数の熱源、熱利用を目指した各種の民生用熱エネルギーシステムへの展開が極めて簡単に行う事が可能という事である。それを可能にするのは循環管路の数を調整できる事が基本で、それだけで対応が可能であり、全体のシステムの構成を新しく開発する必要が無い事である。
【００３６】
請求項５は請求項１〜４の基本構成をより活かすための具体的な技術項目である。蓄熱槽の容積を低減させるための施策の一つは潜熱蓄熱材を用い相変化の潜熱を利用するもので、利用の仕方と蓄熱材の種類によるが、顕熱利用の場合に比べてその容積は８０％〜５０％程度まで低減させる事ができる。更に例えば暖房用及び給湯用の温熱蓄熱をする場合、温水による顕熱蓄熱方式の場合では蓄熱温度は８０℃程度まで上昇させて蓄熱量を確保する方法が採られる。潜熱蓄熱の場合は蓄熱温度が変わっても蓄熱熱量はほぼ一定なので蓄熱温度をうまく設定すれば種々な熱を集め易く且つ蓄熱した熱を有効に利用できる蓄熱温度を選定する事ができる。例えば、給湯利用に適した温度としては５０℃以上の蓄熱温度が必要であり、一方熱収集性と放熱ロス低減の観点から蓄熱温度をなるべく低くする事が望ましい。従って潜熱蓄熱温度を５０℃に設定すると、この場合蓄熱槽の外気温度を年間平均で２５℃と想定した場合、断熱特性が同じ蓄熱槽なら熱ロスの駆動源であるその温度差は５５℃（８０℃ー２５℃）対２５℃（５０℃ー２５℃）となり、潜熱蓄熱材による低温度蓄熱では顕熱蓄熱材による高温度蓄熱に対し半分以下の熱ロスとなる事がわかる。
【００３７】
冷熱を蓄熱する時にも同様な考え方で冷房特性の必要性から１２℃以下の蓄熱温度が必要で、熱収集性と放熱ロス低減及び水の凍結防止の観点から５℃以上の融解温度の潜熱蓄熱材を利用する。この熱ロス減少効果は蓄熱筐体全体の容積の縮小に有効であり、単純な計算ではこの熱ロス分の減少分だけ蓄熱量を減少でき、その値は潜熱蓄熱材利用による適正温度蓄熱効果として１０％程度が見込める。即ち１０％程度蓄熱槽容積が縮小できる事となる。また通常は熱ロス低減のために蓄熱筐体の内面に発泡材の断熱パネルを張り付けて蓄熱容器全体を覆う構造が採られるが、これに替えて断熱パネルの特性を向上させるため密封パネル内を真空状態にした真空断熱パネルを用いる事が蓄熱温度と合わせてダブルの熱ロス低減効果を果たす事が期待される。
【００３８】
真空断熱パネルは冷蔵庫などに用いられ省エネ効果を上げているが、潜熱蓄熱材とともに冷暖給湯用の蓄熱容器に用いられることは従来はなかった。その理由は蓄熱容器が大き過ぎて断熱コストが高くなる事と複雑な容器構造であった。しかしながら、本発明の蓄熱容器では以下のようにその理由の解消ができており、しかも採用により極めて高い相乗効果を得られるものである。試算に拠ればその容積低減に寄与する効果は１０％程度以上ありこの高い断熱特性を生かして更にコンパクトで実用性の高い蓄熱槽の実現に有効である。
さらに蓄熱容器の内部圧力は請求項１にあるように大気圧としたから、その容器の耐圧強度構造が不要になり、現在給湯用に使われている円筒型のステンレス製耐圧タンクなどは不要になり、請求項７、８の様な簡単な構造方式が可能になる。この結果これを収納する立方体筐体である蓄熱容器筐体全体の容積低減に寄与する効果は３０％程度と算定される。またフラットな平板状の前記真空断熱パネルを用いることが可能となる様に蓄熱容器自体を立方体形状として蓄熱槽のコンパクト化の効果を高めている。
【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。
【００４０】
請求項６は請求項１〜４に特定した熱媒体熱交換器を如何にスペース効率が高い状態で蓄熱容器に収めるかについての発明である。潜熱蓄熱材ブロックを前面から入れる方式の場合、平板で長尺の熱交換器をその平板の横幅が蓄熱容器の奥行き内寸法と同じ寸法に設定し、容器の高さ及び幅の内寸法に収まる様に請求項４に示した方法で熱交換器を曲げ成形して容器内にぴったりと収納する事ができる。これにより請求項１１に示す様な蓄熱材の充填率を確保しようとするものである。この結果として蓄熱槽の外形寸法容積を最小にし、且つ熱媒体熱交換器と蓄熱材の間の伝熱効率を最大に保つ事ができる。熱媒体熱交換器の曲げ成型方向は蓄熱材ブロック乃至はカプセルを上部から入れるか前面から入れるかで異なるが、上部から入れる方式でも上記の効果は変わらない。いずれの方式をとるか据付の作業性も勘案して慎重に決定を要す。
【００４１】
熱交換器の平板の寸法が小さく、それに合わせたのでは蓄熱槽の奥行き乃至は上下の寸法が小さくなり過ぎる場合は熱交換器を複数列分収納させるべく蓄熱槽の奥行き乃至は上下内寸法を平板の幅寸法の整数倍の寸法に設定する事が望ましい。この発明は請求項７、８に示すように蓄熱槽を現地で組み立てる場合、サービス修理やメンテナンスを行う場合に蓄熱槽の前面乃至は上面から作業を行うかを決めるという点でも重要である。
【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７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請求項１２に示すような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８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。勿論請求項１の前提により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】
その隙間は潜熱熱交換器が相変化するときの容積歪を吸収するために必要であり、請求項１の基本構造と請求項９の蓄熱材ブロック形状がこの隙間を実現している。一方熱媒体熱交換器と潜熱蓄熱材の間の伝熱特性は重要である。このため請求項１０はその隙間を満たす液状の充填材を容器内に満たす技術の発明である。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。
【００４７】
請求項１１に示した蓄熱容器内の蓄熱材の充填率は全体の蓄熱量を確保する事と、蓄熱材と熱媒体との伝熱の効率を高める事を両立させるという二律背反する条件のバランスの上で重要な要素である。検討によれば本発明の請求項１〜４に示した熱媒体熱交換器を用いてこの両特性を高めるための構造を実現するための蓄熱材充填率は９０％程度が最適である。従来の事例では充填率は６０〜７０％が多いが本発明では８２％以下では蓄熱量を稼ぐ点で不満であり、９５％以上では蓄熱材が多くなり過ぎて蓄熱材内部の伝熱特性が問題となる。この場合熱伝導性の特に優れた蓄熱材乃至は熱伝導繊維を混入させた蓄熱材の使用が望ましく、従来でも検討されているし検討内容が報告されている。しかしながらこの方法はコストその他の新しい課題が生じてくるため本発明では推奨しない。
【００４８】
請求項１２は熱交換器型蓄熱槽の現地に置ける組み立て方法の手順を提示したものである。簡単な方法であるが、極めて大重量の蓄熱材を現地に運送し、システム全体を適正に組み立てるには特殊な方法が必要に成る。前述したが、蓄熱槽の設置スペースは住宅や店舗、特にアパートや高層住宅では大きな制約になるため蓄熱槽を高さの高い立方体とする事が多い。従って床暖房装置や室内に設置される放熱ユニットなどに潜熱蓄熱材を組み込む場合とは全く違う方法が必要となる。基本的にはブロック状にされた多くの潜熱蓄熱材を前面側から乃至は上面から隙間空間に組み込んでいく方法である。
【００４９】
前面から蓄熱材ブロックを入れる場合、請求項７に示した袋状容器の場合は容器前面部分をずり下ろして潜熱蓄熱材を組み込んだ後に該袋状容器の上部を再度たくし上げて容器を形成させる。
請求項８に示した容器の場合も前面から潜熱蓄熱材を組み込んだ後に容器の前面側を本体側に取り付けて容器を完成させる。上部から蓄熱材ブロックを入れる場合はこの様な面倒なことは不要であるが、容器の上部スペースがある事が前提となる。従って前面の上半分を開放させるのがより実用的と思われる。この後に容器上部に設けた小穴などから請求項１０に示した充填用液体を充填し、其の後この小穴などを閉じて容器を密閉する。最後に蓄熱槽筐体の前面部及び上部の天板などを取り付けて全体の組み立てを完成させる。
【００５０】
以上が蓄熱システムに使われる熱交換器型蓄熱システムそのものに関する技術を特定するものであるが、請求項１３以降はこの蓄熱システムを利用した熱交換器型蓄熱システムの応用に関する技術項目である。請求項１３は最も基本的なシステムを特定しており、ヒートポンプの出力媒体を熱源媒体循環管路に連通させ、そこで凝縮、放熱させて温熱蓄熱する場合と蒸発、受熱させて冷熱蓄熱する場合の双方がある。最も簡単なヒートポンプ給湯システムの場合は、蓄熱された温熱で熱出力媒体循環管路に連通させた水道水を加熱して給湯させるものである。この場合水道水圧で循環されるから媒体循環用の循環ポンプは必要ないし、蓄熱容器には冷媒圧も水道水圧も作用しないから蓄熱容器は容易に大気圧に保持でき、その結果多くの利点を派生させる事ができる。
【００５１】
ヒートポンプの心臓である圧縮機を駆動する電動モータの動力源は低価格で販売される深夜電力や昼間の商用電力や太陽光発電電力や各種コジェネレイション装置出力電力の何れかが投入される。場合によってはそれらの内、複数の電力が時間帯や季節やその他のデータを分析した結果で選択的に投入されるように電力系統が制御される。既に説明した通り、給湯量を使いすぎた結果蓄熱材の蓄熱量が減少した場合にも、熱媒体熱交換器が一体であるという構造を活かして、ヒートポンプ出力により直接に水道水の加熱を行って給湯運転を継続する事が可能である。この効果は蓄熱容量を年間を通じて最適な大きさに設定することを容易くする。即ちエネルギー効率と蓄熱容積及び初期コストのバランスを考えて小さめの蓄熱容器を選択しても給湯が終了して停止してしまうという支障を考える必要が無い為である。
【００５２】
前述した各種電力によりヒートポンプユニットの圧縮機を駆動できるように電源電力回路を設定しておけば、最適な電源を選択して運転ができる。例えば、商用電力をバックアップに利用できるようにしておいて、通常はその他の電力で蓄熱して給湯を行う用に制御を設定しておき、使用の間に蓄熱量が不足してしまいその他の電力を得られない時には商用電力に切り替えてヒートポンプユニットを運転させて蓄熱したり、蓄熱しないで直接に給湯加熱する等により給湯運転を継続する事ができるわけである。
【００５３】
請求項１４は請求工１３と同じくヒートポンプユニットを用いて空調用に蓄熱乃至は蓄冷して暖房乃至は冷房を行わせるもので、この場合の熱出力循環管路を連通する空調用の媒体の特定については請求項１５に提示する。ヒートポンプユニットを運転させてこの蓄熱と冷熱を同時に行う方式については請求項１９に提示する。本発明の熱交換器型蓄熱システムの利点を活かして給湯と暖房さらには給湯した風呂のお湯の追い炊き等、幾つもの種類の熱出力を複数の循環管路を使いながら同時に行うことが出来るという利点がある。これらは大気を熱源乃至は放熱源としたヒートポンプユニットの場合に限っているが、請求工１６、１７では他の熱源を他の熱源媒体循環管路に導入させる場合とその熱源を大気に代わってヒートポンプユニットの熱源用に用いた場合を提示している。当然大気熱源を利用するための空気熱交換器はこのヒートポンプユニット内に組み込む場合が多い。
【００５４】
請求項１５は作動媒体に関する発明である。作動媒体として要求される特性としては、屋内を循環するものでは、無毒性、不燃性、低地球温暖化係数（発明者はこの係数の制約を１００以下と設定している）及び高い伝熱特性が要求される。その候補となる媒体は水、二酸化炭素、エチレングリコール等の不凍液、潜熱蓄熱材を微小な樹脂製カプセルに包んで大量に混ぜ込んだ水乃至は不凍液などが候補である。現在でもフッ素を成分とするフロン冷媒を屋内まで連通させる空調装置などが使われているが、このフロン冷媒は火災燃焼時の安全性と地球温暖化係数が１０００を超えることが課題であり将来は使用を避けるべきである。熱源機に相当するヒートポンプユニットは屋外に設定されるから無毒性や不燃性については装置の構造により対策を講じておき、冷凍サイクルの作動エネルギー効率の高い値が得られる特性を持っているか否かを優先して評価し採用決定すべきである。
【００５５】
勿論地球温暖化係数は屋内を循環するものと同様に１００以下の規制値を尊重する。フッ素と塩素を含むフロン冷媒は全てこの係数は１００以上であり、フッ素と塩素を含まない所謂自然冷媒は十分にこの係数は１００以下の数値であり、地球温暖化への影響は軽微である。この規制に該当しない媒体としてアンモニア、プロパンガス、ブタンガスなどの炭化水素ガスを使用する。ヒートポンプシステムの冷媒を熱源媒体循環管路に連通させ、それに隣り合う別の熱出力媒体循環管路に給湯用の水道水と空調用の媒体を連通させる事によりそれらの媒体が熱媒体熱交換器内で直接熱交換し易くなる。この事は前述した様に蓄熱材を通して熱の授受を行う通常の運転に対し、蓄熱した熱量が不足してきた時等に直接熱交換させる際に有効である。さらにヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒を蒸発させる場合を除いて両媒体同志を対向流になるように配置させるのは伝熱性能を向上させる意味で有効である。
【００５６】
冷媒を蒸発させる場合は冷媒の流れに従って圧力降下が生じて温度が下がるので平行流の方がむしろ伝熱性能を向上させるからである。
ここで重要な事は熱媒体熱交換器を間にして双方の媒体は、物理的に完全に分離されているが、熱媒体熱交換器と蓄熱材の双方を通して極めて高い特性で熱的には接続されていると言うことである。従って上記のように特性の違う最適な媒体を使用する事が可能になっている。
【００５７】
一方、本熱交換器型蓄熱システムは各種民生用エネルギー出力装置からの多様な熱源を単純な一つの蓄熱システムで極めて容易に且つ有効に活用する事ができる事が大きな優位点と言える。請求項１６はヒートポンプユニットの出力熱媒体とそれ以外の熱源からの熱媒体の双方を二つの熱源媒体循環管路に連通させて蓄熱させる事ができる様に構成した状態で、その何れを優先して蓄熱運転させるかを選択的に制御するという発明である。複数の熱源媒体循環管路を保有している本発明による熱媒体熱交換器を前提とすればそれは至極簡単に実現できる。
それとは別に、各種のエネルギー出力から得られる熱源は当然ながら様々な温度のものがある、従って温度が例えば５０℃より低い場合はヒートポンプユニットの冷凍サイクルにこの熱源を供給し、ヒートポンプユニットによりに温度を上げてから蓄熱槽に供給する様に制御される。
【００５８】
この概念は請求項１７の太陽熱を利用するシステムと同じである。発電用セルとその背面に太陽光受熱用基板を持った太陽光コジェネレイション装置は将来の自然エネルギー利用方式の有望株である。請求項１７はこの装置から発生した熱を効率よく利用する為に本発明の対象システムを連携させる技術についての発明である。即ち太陽光コジェネレイション装置の発電セルの発電効率を高める為にはセルの発電特性を考慮してセル部分の温度を出来るだけ４０℃以下に保ちたいが、他方太陽熱を利用する立場から言えば、暖房に使うにしろ給湯に使うにしろその温度を５０℃以上で取り出して有効利用したいと考えるところである。
【００５９】
一方、太陽光は当然ながら季節、時間、天候などにより変わる極めて不安定なエネルギー源であるから、太陽光発電のみでなく太陽熱もその出力時間、出力熱量、出力温度など大きく変動することとなる。従って通常の熱媒体によってこれを冷却してその熱を蓄熱する方法はうまく作動しない。それは不安定な太陽光エネルギーによって熱媒体が得られる温度が大きく変動し、蓄熱する相手となる蓄熱材の蓄熱温度よりも下がってしまう事も多く、整合しないためである。本発明はその温度が低い時にはヒートポンプユニットを作動させてこの熱を蓄熱温度より最低２℃以上必要によっては１０℃も高い温度に上昇させて最適温度にした上で蓄熱する。需要があるときにその熱を利用して放熱させるものである。
【００６０】
ヒートポンプユニットの冷凍サイクルはその原理から言って蒸発温度と凝縮温度を広い範囲で自由に制御できるという特長がある。それは具体的には圧縮機の回転数と冷媒の絞りを調節する絞り弁の開度という２つの因子を調節する事により実現できる。この意味で、前記の太陽光受熱用基板の温度を広範囲の熱量授受を行っている実使用運転時に最適値になるように制御するにはヒートポンプユニットは最も適していると言える。この特性を使ってコジェネレイション装置の冷却を行う方法は、屋根上の広範囲に設置された太陽光コジェネレイション装置の太陽光受熱用基板から受熱するためにヒートポンプの冷凍サイクルの冷媒配管を張り巡らせて連結して行く作業は業務量の多い労働作業、作業品質面での冷媒リーク発生、費用面など多くの課題があり、且つ冷媒配管長が長くなり過ぎて冷凍サイクルの信頼性の許容範囲をこえるため実現できていなかった。
【００６１】
そこで、太陽光コジェネレイション装置の設置を終えてから、ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの連続して継ぎ目の無い銅管を前記装置の傍に配設させて、アルミ板などで構成された受熱用基板との間で伝熱が行われる様に相互に接触させて締め付けて固定する方法などが作業面、価格面、リーク減少、配管長短縮に有効な手段と考えられる。具体的構造としてはアルミ製の受熱用基板の端部で装置からはみ出している部分を折り返して内面半円筒状に成型し、そこに冷凍サイクルの銅配管をはめ込んでから締め付けて固定するなどが適している。これにより、上記の作業性は簡略化され、冷媒リークの原因となる接続作業は無く、従って作業コストを最小化できると考えられる。此処で蓄熱システムと太陽光発電のバランスで重要な技術を請求項１７に示した。
【００６２】
受光面の温度が高い温度例えば５０℃に上昇してきている時、ハイブリッド太陽装置のセルの発電量を最大限確保するためにはヒートポンプユニットの蒸発温度を３０℃程度まで下げて受熱用基板を通じて受光面を４０℃程度まで強制冷却する。この場合には装置の発電量は増えるがヒートポンプユニットの圧縮機を駆動する電力消費量も増えるから問題はそのバランスになる。従って実際には例えばそのバランス点として蒸発温度を４０℃程度にする方法が選択される。他方電力は使わずに熱量を得たい時は、冷凍サイクルはほとんど圧縮しないでその蒸発温度を５０℃程度に制御する。この時は冷凍サイクルの圧縮機は熱媒運搬ポンプの機能となって熱交換器型蓄熱システムにその熱を蓄熱する。しかしながらこの場合はセルの温度上昇により装置の発電量も若干少なくなる。更に電力を多めに使っても最大の熱量が欲しい時には蒸発温度を２０℃程度まで下げて最大限太陽光から受熱してその温度をヒートポンプユニットで高めてその熱を蓄熱する。
【００６３】
この場合装置の発電量も増加するがヒートポンプユニットの消費電力に食われてしまうので差し引きの賞味発電量は逆に少なくなる。以上の様に、太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットと熱交換器型蓄熱システムを連結したシステムは、様々なタイプの運転を実現させる事が可能で、様々な条件に対し必要とするアウトプットを出す運転が選択可能な優れた方式となる。その一つが請求項１８に提示される融雪効果である。
【００６４】
太陽光コジェネレイション装置や大気熱源ヒートポンプ等を利用して一旦蓄熱槽に蓄えた熱を、ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを逆に回してそれを受熱して太陽光コジェネレイション装置の受熱用基板を逆に加熱させることができる。熱源は蓄熱槽に蓄えた熱ばかりでなく、大気熱源をヒートポンプにより汲み上げても良いが、大気の温度が下がり受熱用基板の温度が十分上昇しきれずに受光面の温度が不十分で積もった雪が取りきれない時には、蓄熱槽の熱を利用することが有効になる。積もった雪を融解させるには前記受熱用基板を３０℃〜５０℃程度に加熱する必要があり、大気が零度以下でこれを熱源として昼間の商用電源でヒートポンプユニットを運転する場合は該ユニットの冷凍サイクルによる汲み上げが必要な温度差は３０℃以上になり、大能力のヒートポンプ運転が必要であるため冷凍サイクルの圧縮機の消費電力が増加してしまう。
【００６５】
しかしながら愈々融雪が難しくなってきて蓄熱槽の熱を利用する場合その蓄熱温度が５０℃の場合は必要な汲み上げ温度差は零度であるからヒートポンプユニットは冷媒を圧縮する必要は無く循環させるだけで良い。従って冷凍サイクルの絞り機構は開放し、圧縮機は冷媒ポンプとしての機能を果せば済むため投入電力が低くなるように調整する。即ちヒートポンプの長所である出力の温度と熱量を最適に調整できる機能を活かし、蓄熱した熱量の有効利用を計る事ができるわけである。ここで重要な事は融雪に利用するヒートポンプユニットとその冷凍サイクルは請求項１７に記載した太陽光温熱を受け取る冷凍サイクルと同一であると言うことである。ヒートポンプユニットを熱利用のための受熱用と融雪のための熱供給用に兼ねて用いる事により受熱用基板と冷凍サイクルの配管を伝熱関係になるように結合させる作業が一回で済むため、熱媒体用と冷凍サイクルの冷媒用の二つの配管を受熱用基板と伝熱関係に配設するという極めて困難な構造とその作業を回避できるからである。更に、冷凍サイクルの配管が受熱用基板の端面で接触固定される構造とする事により屋根上での作業性を大幅に向上できる。
【００６６】
請求項１９にはさらに機能を拡大したシステムを提示している。温熱蓄熱槽と冷熱蓄熱槽を組み合わせたシステムは従来も一部で採用されてきている。本発明による熱交換器型蓄熱システムを利用した場合には双方の蓄熱槽は多数の熱媒体を連通させる事ができるので各種の熱媒体を連通させて多種類の運転モードを実現させる事ができる。中間温度域の温熱蓄熱としては各種コジェネ装置の排熱温熱やヒートポンプによる冷房運転の排熱などを３０℃程度の熱として一旦蓄熱しておき、その蓄熱した温熱を再度ヒートポンプにより５０℃以上の温熱にして温熱蓄熱槽に蓄熱し、給湯や暖房用に利用したり、又は給湯用の水道水を温熱蓄熱槽で加熱する前に３０℃近くまで予熱するため等に利用する。
【００６７】
逆に冷熱蓄熱の事例としてはヒートポンプにより温熱蓄熱槽に温熱を蓄熱する時に同時に発生する冷熱を利用してこの蓄熱槽に冷熱蓄熱したり、建物内で各種用途に水道水を利用する時にこの２５℃程度の水道水を常に連通させて３０℃の融解温度を持つ潜熱蓄熱槽にゆっくりと冷熱蓄熱させておき、この低温度の冷熱に排熱させてヒートポンプ運転による冷房運転する事等が可能となる。請求項１９に提示した様に融解温度をその目的に合わせて中間温度域である５〜３０℃程度の温度範囲である温度に設定された潜熱蓄熱材を用い多数の媒体循環管路を持つた熱交換器型蓄熱システムと、温熱を蓄熱するために４０〜６０℃程度の温度範囲に設定された潜熱蓄熱材を用い多数の媒体循環管路を持った熱交換器型蓄熱システムとの組み合わせによる温冷熱蓄熱システムとをヒートポンプユニットの冷凍サイクルで連結した複合システムである。その方式の最も有効な利用方法は冷房負荷の大きなサイトではその融解温度をさらに低温の５〜１０℃に設定して、給湯のためのヒートポンプによる温水加熱運転時に発生する冷熱を蓄熱するやり方が用いられるのは言うまでも無い。
【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２４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２４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。
【００７１】
請求項２０は空調する空間をあまり温度を下げずに湿度を主体的に下げる運転モードである徐湿を実現させる技術に関した物である。冷熱と温熱を蓄熱させた前述した温冷熱蓄熱システムを利用する。室内の空調機端末は加熱装置としては床暖房機や床面ラジエター、冷却装置としては壁面パネルや壁面ラジエターや壁面ファンコイルユニットなどがある。高級なシステムでは例えば床暖房機と壁面ラジエターを同一の室内に別々に設置しておいて夫々暖房と冷房を行う。請求項２０は前記の温冷熱蓄熱システムとこの屋内端末を連携させて冷房と暖房を同時に作動させ、顕熱を相殺させて冷房に伴って生じる除湿効果のみを活かす方法である。
【００７２】
請求項２１は各種エネルギー供給装置から供給される各種熱出源媒体を具体的にどの様に本発明の熱交換器型蓄熱システムに投入させるかについての基本的な技術である。即ち供給される各種熱源媒体の温度が目指す蓄熱槽の潜熱蓄熱材の融解温度より低いなど、蓄熱が難しい時は、下記の３通りの熱の供給元から選択して熱供給させる技術を提示している。その内の１つは融解温度の低い例えば３０℃程度の潜熱蓄熱材を用いた他の蓄熱槽であり、ここに一旦蓄熱したものを再度ヒートポンプでくみ上げる方法が採られる。二つ目の方法は目指す蓄熱槽と連結したヒートポンプユニットの作動熱源として直接に冷凍サイクルの蒸発器に投入する方法である。三つ目は給湯用に供給される水道水を予熱する熱量として使う方法である。いづれかの方法が採れるようにシステムを構成させておいて、熱源媒体の温度が変化しても常に対応してその熱を利用できるようにしたものである。この方法の実現のためにも多種類の熱源媒体を導入させて処理できる本発明の熱交換器型蓄熱システムは有効である。
【００７３】
請求項２２は上記三つの方法のうちの一つと関連する水道水の予熱の仕方を工夫することによる性能を高める技術に関する。蓄熱槽に蓄熱された熱を使って加熱する前に大気熱源のヒートポンプユニットを用いてその水道水を予熱するようにする方法が採られる。低温度の水道水を予熱する時には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るのでＣＯＰと表現される該ヒートポンプユニットの作動エネルギー特性は高い値となる。一方、利用者の視点からみると蓄熱されて蓄熱槽に残っている熱量がどの位あって、深夜電力を使ったヒートポンプ運転や、太陽光コジェネレイション装置の排熱などによる次の蓄熱運転までの間、現在の蓄熱残量で賄うことができるか否かが重要である。その点に着目して予熱運転のレベルを決定する事が必要である。
【００７４】
従ってヒートポンプユニットを用いて予熱運転を行う際に、その制御特性を利用して、予熱弱、予熱強、予熱でなく蓄熱の３通りを選択させるという技術である。これにより不必要な予熱運転をなるべく減らして、予熱時にヒートポンプユニットを作動させる電力の消費量を削減しようとするものである。蓄熱の残量は蓄熱材の数箇所の温度を経過的に精度良く測定すれば判読できるが、蓄熱材を使用した時間その他の履歴のデータを積算しても求めることが出来る。通常はその双方のデータを合算して判定する方法が採られることが多い。
【００７５】
請求項２３は、本発明の熱交換器型蓄熱システムに置いて具体的に水道水の予熱を行うための構成についての発明である。前記蓄熱容器内の熱媒体熱交換器と蓄熱材よりも上部の空間に二つの媒体間を伝熱させるための予熱用熱交換器を設置する。  この熱交換器は二重管であったり、二つの管路をその側面でロー付け接合させたものであったりする。通常は深夜電力による大気熱源ヒートポンプ運転の出力熱や太陽光コジェネレイション装置の出力熱を利用して蓄熱材に温熱を蓄熱する。この熱を使って水道水を加熱して給湯させるのは請求項１３に提示した。この運転中に蓄熱材に蓄熱した熱量を長持ちさせるには、昼間の高い価格の電力でヒートポンプ運転する方法をとらざるを得ないからその追加蓄熱のための電気代は高いものとなる。そこでこの高い電力を用いたヒートポンプ運転の時にはその冷凍サイクルの凝縮温度を下げて電力使用量を削減する方法を提示する。それに利用するのが２０℃程度の低温度の水道水を用いて給湯運転されている時にその水道水を蓄熱材で本格加熱する前の予熱運転として予熱熱交換器において中間温度のヒートポンプ運転出力冷媒と熱交換を行う方法である。
【００７６】
この発明によれば、予熱熱交換器と熱媒体熱交換器は近傍に設けられて管路で接続されており、またヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒は加熱運転の場合なので熱媒体熱交換器経由で予熱熱交換器に連通させ、水道水は予熱熱交換器経由で熱媒体熱交換器に連通させるように該管路を設定するという発明である。この管路構成は簡単であり、勿論管路の切り替えに用いる弁などは不要である。蓄熱運転の時は水道水は停止されているのでヒートポンプ冷媒は熱媒体熱交換器を加熱し蓄熱材に蓄熱する。蓄熱熱量だけで給湯加熱するときはヒートポンプは停止しており、水道水は蓄熱材により加熱される。給湯時にヒートポンプで水道水を予熱させる時にはヒートポンプ出力冷媒の凝縮温度を例えば３５℃程度の凝縮温度に調整して連通する。
【００７７】
この結果ヒートポンプの吐出ガスは５０〜６０℃程度になって出力され、先ず熱媒体熱交換器に入りわずかの熱量を放熱して５０℃程度の蓄熱温度近くまで冷却されてから予熱熱交換器に入り３５℃で凝縮しながら水道水を予熱し、水道水は３５℃近くまで予熱されてから熱媒体熱交換器に入り蓄熱温度である５０℃近くまで加熱されて給湯水として出力される。この結果ヒートポンプの冷凍サイクル凝縮温度が低いためその圧縮機消費電力がフル運転時の半分程度に低減される結果となる。予熱熱量とこの凝縮温度の調整は主に冷凍サイクルの圧縮機回転数と冷媒絞り弁の調整により行われる。
【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、４、５、６、７、８、９、１０、１１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３、１３、１５、１７、１８、２１、２４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に示した熱媒体熱交換器の効果、請求項１３、１７、１９、２１、２２、２３、２４に提示した技術が大幅な効果を達成したと考えており、例えば請求項１７に提示した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２４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。
【０１１０】
図５に関連して請求項２２、２３に提示した内容を詳細に説明する。前記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から前記予熱熱交換器へと連通させているから、この時のヒートポンプの運転能力を高めて即ち圧縮機の回転数を上げて熱源媒体としての圧力と温度を十分高くして供給する場合は該ヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒は吐出ガス温度が１００℃程度となり、先ず熱媒体熱交換器で放熱して５５℃程度の凝縮冷媒となり、大部分が液化してから予熱熱交換器へと流れ、そこで水道水を予熱しながら完全に液化しさらにアンダークールを生じる。この冷凍サイクルはその凝縮温度が若干下がりアンダークールが取れる事による効率の高い運転となる。例えば暖房や給湯で湯を使いすぎた時は緊急避難としてこの運転を選択する。
【０１１１】
他方、ヒートポンプ能力を抑えた状態で運転する場合は、吐出ガス温度が６０℃程度でその凝縮温度が４０℃以下になるように設定する。従って蓄熱容器に５０℃で蓄熱されている蓄熱材とはほとんど熱交換しない。約５０℃強の温度で予熱用熱交換器に送られて水道水に冷却される。これが既に説明した水道水予熱運転の詳細である。蓄熱槽の蓄熱量にまだ余裕があるが、その日の中に不足が予想される時はこの運転が選択される。
【０１１２】
さらに他の実用的に優れた技術について説明する。いわば請求項１８に記された温冷熱同時出力と請求項２３の水道水の予熱を組み合わせた方式とみなす事ができるものである。水道水予熱運転は大半が日中乃至は夕方、給湯が利用されるときにされる運転である。従って夏のその時間帯には冷房運転を行う事が多い。そこで予熱運転時に行うヒートポンプ運転を大気熱源ではなく冷房用蓄熱乃至は冷房運転そのものと組み合わせて冷房と給湯予熱を一体にした運転を行う方式である。そのときの冷凍サイクルは図４のシステムに使われて蒸発器が冷熱蓄熱槽１０２の熱媒体熱交換器であったり、又はその蒸発器が冷房する室内空気を直接冷却する冷房装置のものであったりする。
【０１１３】
この方式の実現により、ヒートポンプ運転の冷凍サイクルの高圧高温出力冷媒は水道水の予熱に使われるので比較的低い圧力と温度に制御され、他方この冷凍サイクルの低圧低温出力冷媒は冷房用に利用され、全体として凝縮温度の低い高効率な冷凍サイクルで出力される温熱と冷熱が双方とも有効に利用されるという極めて効率の高い且つ有効に出力が利用された運転モードを実使用状態で実現できる。
【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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