(57)【要約】【課題】温度成層型貯湯槽などの蓄熱槽における蓄熱量を簡単な構造で正確に測定できるようにする。【解決手段】蓄熱槽（温度成層型貯湯槽２）における蓄熱温度領域内に融点を有するパラフィンなどの融点材料４を容器３内に入れるとともに、容器３内に、融点材料４を介して対向して設けられるともに容器の長手方向に伸びる１対の電極６ａ，６ｂを配置する。温度成層型貯湯槽２における温度成層に応じて融点材料４は液相領域４ａと固相領域４ｂに分かれ、液相領域と固相領域での比誘電率が違うことにより、液相領域４ａと固相領域４ｂの割合に応じて電極６ａ．６ｂ間の静電容量が変化するので、電極６ａ．６ｂ間の静電容量を静電容量計測部７で計測して、温度成層における高温領域１ａと低温領域１ｂの割合、すなわち蓄熱量を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱槽における蓄熱量を検出する蓄熱量検出システムであって、
前記蓄熱槽における蓄熱温度領域内に融点を有する物質である融点材料と、
前記蓄熱槽内に設けられて前記融点材料を入れる容器と、
前記容器内における、前記融点材料の固相状態の部分と前記融点材料の液相状態の部分との境界の位置、または前記固相状態の部分の量と前記液相状態の部分の量との割合に応じて変化する物理量を測定する手段と、
を有する、蓄熱量検出システム。
【請求項２】
前記測定する手段は、前記容器内において前記融点材料を介して対向して設けられるともに前記容器の長手方向に延びる１対の電極と、前記電極間の静電容量を計測する手段と、を有する、請求項１に記載の蓄熱量検出システム。
【請求項３】
前記容器は導電性を有する材料からなり、
前記測定する手段は、前記容器内において前記容器の内壁から離されて設けられるともに前記容器の長手方向に延びる電極と、前記電極と前記容器間の静電容量を計測する手段と、を有する、請求項１に記載の蓄熱量検出システム。
【請求項４】
前記容器は、前記電極が配置される均一な径を有する管状部と、前記管状部の上端にあって前記径よりも大きな断面形状を有する膨張室とを有し、前記管状部は常に前記融点材料で満たされている、請求項１または２に記載の蓄熱量検出システム。
【請求項５】
前記測定する手段は、前記境界において反射される超音波パルスに基づいて前記境界の位置を求める超音波センサである、請求項１に記載の蓄熱量検出システム。
【請求項６】
前記測定する手段は、前記容器の上端部に連通して独立して質量を測定することが可能である液だめと、前記液だめの質量を測定する質量センサと、を有し、
前記融点材料の体積膨張に基づき前記液相状態の部分の量に応じて前記液だめ内の前記融点材料の量が変化する、請求項１に記載の蓄熱量検出システム。
【請求項７】
前記蓄熱槽は、温度成層型貯湯槽である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蓄熱量検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯または暖房用蓄熱槽における蓄熱量を検出するためのシステムに関し、特に、蓄熱槽における温度分布を検出できる蓄熱量検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
給湯や暖房に対する熱需要は、一般に大きな時間変化を示すものである。そこで、このような熱需要のピークより小さな出力の熱源機と蓄熱槽とを組み合わせ、熱需要が小さい時間帯には熱源機からの熱出力の大半を蓄熱槽内に蓄積させ、熱需要が大きい時間帯には、熱源機からの熱出力のほかに蓄熱槽に蓄えられていた熱も利用することによって、時間変動を示す熱需要に対応する方法がある。この方法によれば、ピークの熱需要に対応するものよりも小型の熱源機とすることができることから、設備投資や機器の設置スペースの削減が図れるほか、熱需要の変動に追随させて熱を発生させる必要がなくなることから、例えば価格の安い深夜電力を用いて熱を発生させたり、効率の良い出力を選択して運転できるなど、経済的、効率的な熱発生を行うことができる。
【０００３】
このような方法による熱供給システムに使用される蓄熱槽としては、各種のものが知られているが、家庭用などとして広く用いられている小型の蓄熱槽としては、蓄熱媒体を水とし、かつ鉛直方向に対し高温領域と低温領域とが分離した状態となる温度成層型貯湯槽がある。この貯湯槽に対しては、その上端の位置で、熱源機によって加熱された温水を供給する。水道水などの冷水は、貯湯槽に対し、その下端から供給される。また、熱源機に送られる冷水も、貯湯槽の下端の位置から供給される。そして、貯湯槽からの出湯も、貯湯槽の上端の位置から行われるようにする。その結果、貯湯槽内では、鉛直方向に高温領域と低温領域とが分離するとともに、熱源機から温水を貯湯槽に供給すれば、供給された温水の分だけ貯湯槽の下端から冷水が熱源機に送られて、高温領域と低温領域との境界が貯湯槽内で下方に移動する。一方、貯湯槽から出湯した場合には、外部に送り出された温水の分だけ冷水が下端から貯湯槽に供給され、高温領域と低温領域との境界が貯湯槽内で上方に移動する。このような温度成層型貯湯槽は、内部の温水（すなわち高温領域）を使い切る直前まで出湯温度が一定しているという利点がある一方、出湯温度からは蓄熱量すなわち温水の残量（高温領域の水の量）を推定しにくいという問題がある。
【０００４】
熱供給システムにおいて熱源機である電気ヒータやヒートポンプ、エンジンまたは燃料電池を効率的に運転するためには、蓄熱槽内の蓄熱量を把握する必要があり、このためには、貯湯槽内の鉛直方向の温度分布を知るか、温度成層型貯湯槽においては、少なくとも高温領域と低温領域との境界位置を知る必要があり、いずれの場合も、貯湯槽の鉛直方向に一定間隔で温度計測点を設ける必要があった。
【０００５】
このような温度計測のために、蓄熱槽（貯湯槽）において、鉛直方向に対し複数箇所の貫通口を設け、サーミスタや熱電対等からなる温度センサーを挿入したり、蓄熱容器外壁に温度センサーを貼り付け、間接的に内部の温度分布を求める方法がとられてきた。間接的に温度測定を行う例としては、例えば、非特許文献１（株式会社キューヘンのホームページ）に開示されるものがある。非特許文献１では、温度センサーとして「残油センサー」や「湯温センサー」が蓄熱容器の外壁に設けられている。
【非特許文献１】“電気温水器の構造について”、［online］、株式会社キューヘン、［２００６年１月１７日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：http://www.kyuhen.co.jp/qanda/pageB-4.htm〉
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蓄熱槽、特に温度成層型貯湯槽における温度の鉛直分布を調べたり、高温領域と低温領域との境界位置を調べる場合に、鉛直方向に対して複数個所の貫通口を設けて温度センサーを挿入する場合には、貯湯槽への穴あけ加工と防水型センサーの使用が必須である。この場合、貫通口を設けることによる蓄熱容器の強度低下の問題とコストの上昇との問題とから、設置させる温度センサーの数を増やしにくく、温度分布の測定の分解能を上げることが難しい。また、蓄熱容器の外壁にセンサーを配して間接的に温度分布を求める方法では、蓄熱容器を介して計測するため、温度分布の変化に対し反応が遅くなるという問題があり、また、容器の外面に沿った熱の拡散や対流等の影響により、鉛直方法での分解能が低下する問題があった。上記いずれの方法も、温度センサーが配置された位置での温度を求めるものであるので、鉛直方向にとびとびの位置でしか温度を求めることができず、鉛直方向に連続した温度分布を求めることができない。特に、温度成層における高温領域と低温領域との境界の位置を正確に求めることができない。
【０００７】
そこで本発明の目的は、構造が複雑でなくて低コストであり、かつ。蓄熱槽内での温度分布、特に、温度成層型の蓄熱槽における高温領域と低温領域との境界位置に基づいて蓄熱槽の蓄熱量を正確に求めることができる、蓄熱量検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の蓄熱量検出システムは、蓄熱槽における蓄熱量を検出する蓄熱量検出システムであって、蓄熱槽における蓄熱温度領域内に融点を有する材料（融点材料）と、蓄熱槽内に設けられて材料を入れる容器と、容器内における、材料の固相状態の部分と材料の液相状態の部分との境界の位置、または固相状態の部分の量と液相状態の部分の量との割合に応じて変化する物理量を測定する手段と、を有する。
【０００９】
本発明において、蓄熱槽は、好ましくは、温度成層型貯湯槽である。
【００１０】
ここで融点材料とは、蓄熱槽が温度成層型貯湯槽である場合においては、例えば高温領域の温度帯で融解して液相となり低温領域の温度帯で凝固し固相となる物質からなる材料のことである。温度成層型貯湯槽の場合、高温領域と低温領域が混ざることなく分離しているので、これらの高温領域と低温領域に対応して融点材料は液相状態の部分と固相状態の部分とにそれぞれ分かれることとなる。
【００１１】
このような蓄熱量検出システムでは、融点材料として、例えば、絶縁性のものを用いるとともに、測定する手段として、容器内において材料を介して対向して設けられるともに容器の長手方向に伸びる１対の電極と、電極間の静電容量を計測する手段と、を有するものや、導電性を有する材料から容器が構成されているとして容器内において容器の内壁から離されて設けられるともに容器の長手方向に伸びる電極と、電極と容器間の静電容量を計測する手段と、を有するものを用いることができる。このとき、融点材料の比誘電率は、液相と固相とでは異なりかつそれぞれの相内では温度変化に対しあまり変化しない。例えば融点付近を挟んで固相から液相へ向け急激に誘電率が増加し、融点付近以外の温度領域では温度に対する誘電率の変化が緩慢となることから、実質的に液相と固相の違いにより誘電率が決まることになる。誘電率の違いは、静電容量の違いとして検出できることから、液相領域と固相領域の占める割合の変化を静電容量変化として捉えることができる。この静電容量の変化と温度成層境界位置との関係を予めつかんでおけば、静電容量から高温領域の厚み、すなわち蓄熱量を求めることができる。
【００１２】
本発明において、静電容量に基いて蓄熱量を求める場合に用いられる融点材料としては、化学的に安定であり、かつ、液相と固相との間で大きな誘電率変化を示すものが好ましく用いられる。そのような融点材料の例として、例えば、パラフィンが挙げられる。パラフィンの場合、それを構成する一般式ＣnＨ2n+2で表わされる炭化水素の配合を変えることにより、所望の融点を有するものを得ることができる。このほか、所望の融点を有する、脂環式炭化水素、オレフィン系炭化水素、アルコール類、ケトン類、脂肪酸類、アミン、エーテル、環式エーテル、脂肪酸エステル類、グリコール類、フェノール系化合物などが挙げられる。
【００１３】
なお一般に融点材料は融点を挟んで体積も急激に変化する。そこで、本発明では、電極が配置される均一な径を有する管状部と、管状部の上端にあって径よりも大きな断面形状を有する膨張室とを有し、管状部は常に融点材料で満たされるようにすることにより、体積膨張分が膨張室に逃げることとなって、融点材料における液相領域と固相領域の占める長さの割合の変化と、温度成層境界位置の変化とを等価のものとすることができ、静電容量と温度成層境界位置との関係をより明快なものとすることができる。
【００１４】
また、膨張室の代わりに容器の上端部に連通して独立して質量を測定することが可能である液だめを設けてもよい。この場合は、融点材料の体積膨張に基づき液相状態の部分の量に応じて液だめ内の融点材料の量が変化するようにしておくことにより、質量センサによって液だめの質量を測定することによって、静電容量を測定することなく、蓄熱量を求めることができるようになる。この場合も、融点材料としては、上述した材料を好ましく用いることができる。
【００１５】
また、本発明では、静電容量を測定する代わりに、超音波センサを用いて、融点材料の固相状態の部分と融点材料の液相状態の部分との境界の位置を求め、蓄熱量を求めるようにしてもよい。この場合も、融点材料としては、上述した材料を好ましく用いることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、蓄熱槽における蓄熱温度領域内に融点を有する物質である融点材料を入れた容器を蓄熱槽内に配置し、容器内における、融点材料の固相状態の部分と融点材料の液相状態の部分との境界の位置、または固相状態の部分の量と液相状態の部分の量との割合に応じて変化する物理量を測定することによって、極めて簡易な構成により、蓄熱量を正確に検出するシステムを実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽の断面図である。この温度成層型貯湯槽２は、水を蓄熱媒体１とするものであって、鉛直方向に伸びる円筒形状のものである。温度成層型貯湯槽２の中央部には、温度成層型貯湯槽２の上面から底面へ向かって直線状に伸びる容器３が設けられており、容器３内には、例えば、パラフィンなどからなる融点材料４が充填され、さらに、融点材料４を挟んで１対の対向する電極６ａ，６ｂが設けられている。電極６ａ，６ｂも、温度成層型貯湯槽２の上面から底面へ向かって直線状に伸びており、その最上端は温度成層型貯湯槽２の外部に引き出されている。電極６ａ，６ｂの最上端は、これら電極６ａ，６ｂ間の静電容量を測定する静電容量検出部７に接続している。
【００１９】
このような温度成層型貯湯槽２内においては、蓄熱媒体１である水が、例えば６０℃程度の高温領域１ａと２０℃程度の給水温に近い低温領域１ｂとに層分離して、相互に混ざらない状態で安定して存在し、温度成層を形成している。したがって、容器３は、その下側部分では、低温領域１ｂに囲まれてその温度が低温領域１ｂの温度とほぼ等しくなり、低温領域１ｂと高温領域１ａとの境界部分より上側では、容器３は、高温領域１ａに囲まれてその温度が高温領域１ａの温度とほぼ等しくなる。ここで、容器３内部に充填される融点材料４として、例えば融点が５０℃程度のパラフィンを選択すると、ほぼ蓄熱媒体１の温度成層に対応して融点材料４が、高温領域１ａに対応する液相領域４ａと低温領域１ｂに対応する固相領域４ｂとに分離する。なお融点材料４の融解温度は、必ずしも前記例によるものではなく、沸き上げ温度や容器３の熱伝導を考慮して設定する。
【００２０】
融点材料４において液相領域４ａと固相領域４ｂとが明確に界面を形成するためには、蓄熱媒体１における高温領域１ａと低温領域１ｂとの温度差が５０℃以上あることが好ましく、このような高温領域１ａと低温領域１ｂの中間温度の±５℃に融点を有する融点材料４を用いることが好ましい。例えば、温度成層型貯湯槽２において、高温領域１ａの温度が７０℃となるように熱源機から給湯され、低温領域の温度が水道水の代表的な温度である２０℃であるとすれば、融点材料４の融点は、４０〜５０℃の範囲にあることが好ましく、最適には４５℃である。融点材料４としてパラフィンを用いる場合、融点温度は、パラフィンを構成する各パラフィン炭化水素（一般式：ＣnＨ2n+2）の配合量を変えることで、適宜に制御できる。
【００２１】
このように容器３内の融点材料４は、液相領域４ａと固相領域４ｂとに分離するが、同一材料であっても液相と固相とでは一般に比誘電率が異なる。図２は、パラフィンの比誘電率の変化を模式的に示したグラフである。図示するように、パラフィンの比誘電率は、液相と固相とでは異なりかつそれぞれの相内では温度変化に対しあまり変化しない。融点Ｔm付近を挟んで、例えば固相から液相へ向け急激に誘電率εが増加し、融点Ｔm付近以外の温度領域では温度に対する誘電率εの変化が緩慢となることから、実質的に液相と固相の違いにより誘電率が決まることになる。
【００２２】
融点材料４を挟んで対向する１対の電極６ａ，６ｂ間の静電容量は、液相領域４ａでの電極間の容量と固相領域４ｂでの電極間の容量との合成容量となるが、液相と固相とでは上述したように比誘電率が異なることから、合成容量から液相領域４ａと固相領域４ｂの占める割合を求めることができる。液相領域４ａの方が比誘電率が大きいことから、液相領域４ａの占める割合が大きいほど、電極６ａ，６ｂ間の静電容量が大きくなる。ここであらかじめ合成容量と液相領域４ａと固相領域４ｂの占める割合、すなわち高温領域１ａと低温領域１ｂの占める割合との関係を求めておけば、静電容量検出部７によって測定された合成容量から高温領域の容積、すなわち蓄熱量を算出することができる。なお容器３内部の上部にある膨張用空間５は、融点材料４が融解する際に体積膨張するため、この膨張分を吸収するために設けた空間である。膨張用空間５は、液相領域４ａの割合が増えるほど小さくなるので、液相領域４ａの割合が増えた場合には、膨張用空間５が小さくなった分だけさらに合成容量が増加することになる。なお、容器３は、密閉構造でもよいし、膨張用空間５の一部に圧力調整用の開口部を設けた構造のいずれでもよい。
【００２３】
図３は、第１の実施形態の蓄熱量検出システムの別の例の構成を示す断面図である。
【００２４】
図１に示したものでは、融点媒体４が充填された容器３に対して１対の電極６ａ，６ｂを設けているが、図３に示したものでは、容器３として導電性を有する金属製のものを使用し、この容器３自体を一方の電極としたものである。したがって、円管状の容器３内には、その長手方向の軸に沿うようにして１本の電極６ｃのみが設けられている。静電容量検出部７は、電極６ｃと容器３との間の静電容量を測定する。円管状の容器の内半径をＲ、電極６ｃの半径をｒ、液相領域4ａでの融点媒体４の比誘電率をＡ、固相領域４ｂでの融点媒体４の比誘電率をＢ、液相領域４ａの長さをＬa、固相領域４ｂの長さをＬb、膨張用空間５の長さをＬcとし、真空中の誘電率をε0とすれば、空気の比誘電率がほぼ１であるとして、合成容量Ｃは、
【００２５】
【数１】
2007278841.tif 000003
で表わされる。
【００２６】
図４は、本発明の第２の実施形態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽の断面図である。この蓄熱量検出システムは、図１に示したものと同様のものであるが、融点媒体４が充填される容器３ａとして、上部に膨張室８が別途設けられたものを使用する。すなわち容器３ａは、均一な径を有する管状部と、管状部の上部に設けられ、管状部での径よりも大きな断面形状を有する膨張室８とを備えていることになる。そして、温度成層型貯湯槽２における高温領域１ａ及び低温領域１ｂの分布によらず、常に管状部は融点媒体４によって満たされるように、容器３ａ内の融点媒体の量が設定されている。
【００２７】
膨張室８は、融点材料４が融解し液相となる際の体積膨張分を逃がすために設けられている。膨張室８の存在により、融点材料４の融解による体積膨張分が吸収され、液相領域の割合が変化しても、融点材料４の上面の位置がほとんど変わらないようになる。その結果、第１の実施形態において膨張用空間５の長さが変わることによる合成容量への寄与を無視することができて、静電容量測定から求められる液相領域４ａと固相領域４ｂとの比が、蓄熱媒体１における高温領域１ａと低温領域１ｂの比とさらによく一致するようになり、蓄熱量測定をより正確に行えるようになる。なお、膨張室８は、膨張室８内で融点材料４が凝固しないようにするため、温度成層型貯湯槽２内において、高温領域１ａの存在確率が最も高い温度成層型貯湯槽２の上部端内に設けるのがよい。
【００２８】
図５は、本発明の第３の実施形態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽の断面図である。
【００２９】
図５に示す蓄熱量検出システムは、融点材料４が充填された直管状の容器３ｂを備える点で上述した図１に示すものと同様のものであるが、電極６ａ，６ｂや静電容量計測部７が設けられておらず、その代わりに、超音波パルスを発射してその超音波パルスが反射して戻ってくるまでの時間を計測する超音波センサ９が設けられている。超音波センサ９は、容器３ｂの最上部に設けられており、そこから超音波パルスを発射して、融点材料４の固相部分４ａと液相部分４ｂとの界面で反射され、戻ってくるパルスを検出する。この実施形態の蓄熱量検出システムでは、超音波パルスが発射されてから戻ってくるまでの時間を計測することで、融点材料４の固相部分４ａと液相部分４ｂとの界面の位置を求めることができ、これから、温度成層型貯湯槽２における蓄熱量を求めることができる。
【００３０】
図６は、本発明の第４の実施形態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽の断面図である。
【００３１】
図６に示す蓄熱量検出システムは、上述の各実施形態の場合と同様に温度成層型貯湯槽２内に設けられて融点材料４が充填された直管状の容器３ｃと、容器３ｃの上端より下の位置に対して可撓管（フレキシブルチューブ）１１で接続された液だめ１０と、液だめ１０の質量を測定する質量センサ１２と、を備えている。この構成では、融点材料４が融解した際の体積膨張による部分が、液だめ１０に流れ込むようになっており、液相領域４ａが大きければ液だめ１０に流れ込む液体状態の融点材料４の量が多くなり、逆に、液相領域４ａが小さくなれば、液だめ１０内の融点材料４の量も少なくなる。この液だめ１０は可撓管１１によって容器３ｃに接続しているので液だめ１０の部分だけの質量を計測することが可能であｍり、質量センサ１２によって液だめ１０の質量を計測することにより、液だめ１０内の融点材料４の量を知ることができる。液だめ１０内の融点材料４の量は、上述したように液相領域４ａの大きさに対応し、これは蓄熱媒体１における高温領域１ａの割合に対応するので、質量センサ１２によって求められた質量から、高温領域１ａの割合、すなわち蓄熱量を知ることができる。なお図では省略しているが、液だめ１０は、内部に流れ込んだ融点材料４の固化を防止するため、断熱材で保温するか貯湯槽の内部の熱が伝わる構造とする。保温処置として、液だめ１０を貯湯槽内部に設けてもよい。この場合、液だめ１０の内部に流入する融点材料４の量を浮力の変化として捉えればよい。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明において、融点材料における液相部分と固相部分との境界を求める方法は、上述したものに限られるものではない。融点材料４としてパラフィン等を用いる場合、固相状態では白色であって光を散乱させ、液相状態では透明であって光を通過させる。そこで、融点材料４が充填される容器３として透明なものを用い、また、温度成層型貯湯槽２の壁面の少なくとも一部を透明材料で構成しておいて、貯湯槽２の外部から容器３に対してレーザ光を照射し、光の透過や散乱の状況を調べることによっても、融点材料における液相部分と固相部分との境界を求めることができ、蓄熱量を求めることができる。さらに、融点材料として、固相では電気抵抗率が高いものの液相では電気抵抗率が低下する、例えばイオン性のものを使用することによって、図１や図２、図４に示す構成において静電容量計測部の代わりに電極間の電気抵抗を測定する電気抵抗測定部を設ければ、電気抵抗の測定結果に基づいて、蓄熱量を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施様態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽を示す断面図である。
【図２】パラフィンにおける温度と比誘電率との関係を示すグラフである。
【図３】第１の実施様態の蓄熱量検出システムの別の例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施様態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施様態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽を示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施様態の蓄熱量検出システムを備えた温度成層型貯湯槽を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    蓄熱媒体
１ａ    蓄熱媒体の高温領域
１ｂ    蓄熱媒体の低温領域
２    温度成層型貯湯槽
３，３ａ、３ｂ    容器
４    融点材料
４ａ    融点材料の液相部
４ｂ    融点材料の固相部
５    膨張用空間
６ａ，６ｂ，６ｃ    電極
７    静電容量計測部
８    膨張室
９    超音波センサ
１０    液だめ
１１    可撓管
１２    質量センサ
【図１】
2007278841.tif 000004
【図２】
2007278841.tif 000005
【図３】
2007278841.tif 000006
【図４】
2007278841.tif 000007
【図５】
2007278841.tif 000008
【図６】
2007278841.tif 000009