(57)【要約】    【課題】  蓄熱材１が過冷却状態（潜熱蓄熱状態）にあることを正確に判別する。    【解決手段】  蓄熱材１は、過冷却性を有し、融点以上に加熱されて液体状態とされた後、液体状態のまま融点以下に冷却されることで、潜熱を蓄熱する。コントローラ５は、温度センサ６の信号と光センサ７（投光部７ａ及び受光部７ｂ）の信号とに基づき、温度が融点より低く、光線透過率が所定値以上（液体状態に相当）のときに、過冷却状態と判別する。そして、過冷却状態であることを少なくとも１つの条件として、発核手段としての熱電素子４に電圧を印加して、発核を行わせ、潜熱を放出させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点以上に加熱されて液体状態とされた後、液体状態のまま融点以下に冷却される、過冷却性を有する蓄熱材と、
過冷却状態の蓄熱材に活性化のための刺激を与えて固相の核を生じさせることにより潜熱を発生させる発核手段と、
を含んで構成される蓄熱装置であって、
前記蓄熱材の温度を検出する温度センサと、
前記蓄熱材の光線透過率を検出する光センサと、
前記温度センサと前記光センサからの信号に基づいて前記蓄熱材の過冷却状態を判別する過冷却状態判別手段と、
を備えることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記過冷却状態判別手段は、前記蓄熱材の温度が融点より低く、前記蓄熱材の光線透過率が所定値以上のときに、過冷却状態と判定することを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記過冷却状態判別手段により過冷却状態と判別されていることを少なくとも１つの条件として、前記発核手段を作動をさせる発核制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記光センサは、前記蓄熱材を介して相対させた投光部と受光部とを有してなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記発核手段は、熱電素子であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記蓄熱材を融点以上に加熱する加熱手段と、前記蓄熱材から潜熱を取出す放熱手段とを更に含んで構成される請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過冷却性を有する蓄熱材を用いた蓄熱装置に関するもので、特にその蓄熱材が過冷却状態にあるか否かを判別する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱装置は、熱を保存し、再び取出すもので、相転移の潜熱を利用するものが知られている。具体的には、特許文献１や特許文献２に記載のように、過冷却性を有する蓄熱材を用い、これを融点以上に加熱して液体状態とした後、液体状態のまま融点以下に冷却（自然放冷）することで、潜熱を蓄熱させる。その後、過冷却状態の蓄熱材に活性化のための刺激を投入して、固相の核を生じさせること（発核）により、潜熱（凝固熱）を発生させる。発核手段としては、一般に熱電素子（ペルチェ素子）が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平０５−０４８７９９号公報
【特許文献２】特開２００７−２８５５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の蓄熱装置においては、過冷却性を有する潜熱蓄熱材が実際に過冷却状態にあるか否かを正確に知ることができなかった。このため、実際に蓄熱されているか否かによらず、発核手段である熱電素子へ電圧を印加することになり、場合によっては無駄に電気エネルギーを消費していた。
尚、特許文献２では、蓄熱材の中に温度センサを設けて、温度分布より蓄熱状態か否かを判定しているが、温度だけでは液相か固相かを判別できず、過冷却状態か否かを正確に判別することは難しい。
【０００５】
本発明は、このような実状に鑑み、蓄熱材が過冷却状態（潜熱蓄熱状態）にあるか否かを確実に判別できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、蓄熱材の温度を検出する温度センサと、蓄熱材の光線透過率を検出する光センサとを設け、温度センサと光センサからの信号に基づいて、過冷却状態を判別する構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、蓄熱材の温度と光線透過率とを検出することで、過冷却状態を精度良く判別することができる。すなわち、過冷却状態では、温度が融点より低く、液体状態である。固体状態か液体状態かは、光線透過率から判別できる（光線透過率が所定値以上であれば液体状態と判別できる）。よって、温度センサと光センサとを用い、温度と光線透過率とを検出することで、これらから過冷却状態を的確に判別できるのである。
【０００８】
従って、本発明によれば、蓄熱材の過冷却状態を精度良く判別して、発核手段の作動を適正化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態を示す蓄熱装置のシステム図
【図２】過冷却性蓄熱材の特性図
【図３】過冷却判定ルーチンのフローチャート
【図４】発核制御ルーチンのフローチャート
【図５】本発明の第２実施形態を示す蓄熱装置のシステム図
【図６】本発明の第３実施形態を示す蓄熱装置のシステム図
【図７】本発明の第４実施形態を示す蓄熱装置のシステム図
【図８】本発明の第５実施形態を示す蓄熱装置のシステム図
【図９】光センサ（投光部・受光部）の配置例１を示す図
【図１０】光センサ（投光部・受光部）の配置例２を示す図
【図１１】光センサ（投光部・受光部）の配置例３を示す図
【図１２】光センサ（投光部・受光部）の配置例４を示す図
【図１３】光センサ（投光部・受光部）の配置例５を示す図
【図１４】光センサ（投光部・受光部）の配置例６を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す蓄熱装置のシステム図である。
蓄熱材１は、過冷却性を有する潜熱蓄熱材であり、例えば、酢酸ナトリウム三水和物、硫酸ナトリウム１０水和物等の含水塩と、この含水塩の担持体、例えばキサンタンガム、グアルガム、いなご豆ガム等の親水性多糖類、又は澱粉、ポリアクリル酸等の濃化剤よりなり、収納容器内に封入されている。
【００１１】
この過冷却性蓄熱材１は、融点が例えば５０〜６０℃であり、融点以上に加熱して液体状態とした後、融点以下に自然冷却すると、液体状態のまま過冷却状態となり、潜熱が蓄熱される。そして、過冷却状態の蓄熱材１に対し、活性化のための刺激（局所的冷却など）を与えて固相の核を生じさせる発核を行うことにより、過冷却状態が解除され、このときに蓄熱されていた潜熱を放出させることができる。
【００１２】
蓄熱材１に対しては、熱交換可能に、入熱用の加熱回路（加熱手段）２と、出熱用の放熱回路（放熱手段）３とが設けられる。
加熱回路２は、外部熱源に熱的に接して設けた集熱用熱交換器１１と、蓄熱材１の中に設けた入熱用熱交換器１２との間で、熱媒体を循環させるもので、循環路には、ポンプ１３と、流量制御弁１４とが備えられる。
【００１３】
放熱回路３は、蓄熱材１の中に設けた集熱用熱交換器２１と、熱を必要とする部位に設けた放熱用熱交換器２２との間で、熱媒体を循環させるもので、循環路には、ポンプ２３と、流量制御弁２４とが備えられる。
蓄熱材１の中には、発核手段として、１〜複数の熱電素子（ペルチェ素子）４が設けられ、熱電素子４の作動は外部のコントローラ５によりなされる。
【００１４】
そして、前記熱電素子４による発核の制御のため、蓄熱材１の中に、温度センサ６と、光センサ７とが設けられ、これらの信号はコントローラ５に入力される。
温度センサ６は、蓄熱材１の温度を検出するもので、少なくとも、蓄熱材１の温度が融点より高いか低いかを検出できるものであればよい。
光センサ７は、蓄熱材１の光線透過率を検出する。具体的には、蓄熱材１を介して相対させた投光部７ａと受光部７ｂとを含んで構成され、投光部７ａの投光量（一定）に対する受光部７ｂの受光量の割合より、光線透過率を検出する。尚、投光量を一定とすれば、受光量のレベルから、光線透過率を検出することができる。
【００１５】
図２は、過冷却性蓄熱材と非過冷却性蓄熱材とについて、蓄熱材温度と光線透過率との関係を計測した例を示している。
非過冷却性蓄熱材の場合は、融点以上での液体状態から融点以下の固体状態となることで、光線透過率が低下する。
過冷却性蓄熱材の場合は、融点以下となっても、過冷却性により液体状態が保持されることから、光線透過率は高く維持され、過冷却限界温度以下となって固体状態となることで、光線低下率が低下する。
【００１６】
従って、光線透過率が所定値以上であれば、液体状態と判定でき、また、温度が融点より低温で光線透過率が所定値以上であれば、過冷却状態（潜熱蓄熱状態）であると判定できる。尚、ここでいう所定値とは、固体状態での光線透過率と液体状態での光線透過率との間に設定したしきい値である。
次に作用を説明する。
【００１７】
外部熱源の熱発生時に、加熱回路２（ポンプ１３）の運転により、すなわち、外部熱源に熱的に接して設けた集熱用熱交換器１１により集熱し、入熱用熱交換器１２を介して、蓄熱材１を融点以上に加熱する。このとき、蓄熱材１は融点以上に加熱されることで、液体状態となり、再生される。
再生後、加熱回路２の運転を停止して、自然放冷により、蓄熱材１を融点以下に冷却し、その過冷却性を利用して、液体状態のまま過冷却状態とする。これにより、蓄熱材１に潜熱が蓄熱される。
【００１８】
その後、蓄熱材１に蓄熱された熱を利用しようとする時は、温度センサ６と光センサ７の信号をコントローラ５に読込む。
コントローラ５は、温度センサ６により検出される蓄熱材１の温度が融点よりも低温で、かつ、光センサ７により検出される蓄熱材１の光線透過率が所定値以上であるときに、過冷却状態（潜熱蓄熱状態）と判別して、発核手段としての熱電素子４を作動させる。
【００１９】
図３はコントローラ５により実行される過冷却判定ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１では、温度センサ６の信号（蓄熱材１の温度）を読込む。そして、Ｓ２で、蓄熱材１の温度が融点よりも低温か否かを判定する。この判定でＹＥＳの場合は、Ｓ３へ進む。
Ｓ３では、光センサ７の信号（蓄熱材１の光線透過率）を読込む。そして、Ｓ４で、光線透過率が所定値より高いか否か、すなわち液体状態であるか否かを判定する。この判定でＹＥＳの場合は、Ｓ５へ進む。
【００２０】
すなわち、蓄熱材１の温度が融点よりも低く、光線透過率が所定値以上の場合は、Ｓ５へ進み、融点以下の液体状態、すなわち過冷却状態と判定して、フラグＦＳをセットする（ＦＳ＝１）。
これに対し、蓄熱材１の温度が融点以上の場合（Ｓ２の判定でＮＯの場合）、又は、蓄熱材１の光線透過率が所定値未満で蓄熱材１が固体状態の場合（Ｓ４の判定でＮＯの場合）は、Ｓ６へ進み、過冷却状態ではないと判定して、フラグＦＳをリセットする（ＦＳ＝０）。
【００２１】
図４はコントローラ５により実行される発核制御ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１１では、放熱要求（蓄熱材１に蓄熱されている熱の利用要求）があるか否かを判定し、放熱要求ありのときは、Ｓ１２へ進む。
Ｓ１２では、蓄熱材１が過冷却状態（潜熱蓄熱状態）であるか否かを前記フラグＦＳの値に基づいて判定し、過冷却状態（ＦＳ＝１）のときに、Ｓ１３へ進む。
【００２２】
Ｓ１３では、発核手段としての熱電素子４を作動させる（具体的には熱電素子４に電圧を印加する）。尚、Ｓ１１又はＳ１２の判定でＮＯの場合は、発核手段を作動させることなく、本ルーチンを終了する。
発核手段としての熱電素子４を作動させた場合、すなわち熱電素子４に電圧を印加すると、蓄熱材１が局所的に冷却され、局所的に過冷却限界温度に達する結果、発核を生じて凝固が開始される。これにより相変化に伴って潜熱（凝固熱）を発生する。
【００２３】
発生した潜熱は、放熱回路３（ポンプ２３）の運転により、すなわち、集熱用熱交換器２１により回収され、放熱用熱交換器２２を介して、熱を必要とする部位に供給される。
具体的な熱の回収・利用の態様としては、例えば自動車の例では、通常運転時に、そのエンジン（内燃機関）、モータ、燃料電池などの廃熱を熱源として用い、従来廃棄していた熱を回収して蓄熱する。そして、例えば始動時など、所望の時点で、その熱を取出して利用し、省動力・省エネルギーを図る。熱の利用箇所としては、エンジン、モータ、燃料電池などの暖機、車室の暖房（シートの暖め等を含む）、窓のデフロスト、空調用可変容量圧縮機のクランク室内液冷媒の暖めなどを挙げることができる。
【００２４】
尚、発核手段としては、熱電素子（ペルチェ素子）４を用いることで、搭載性が良く、繰り返し使用できる等の利点があるが、この他、機械的刺激を与える衝撃発生素子などを用いることもできる。
次に本発明の他の実施形態について説明する。
図５は本発明の第２実施形態を示す蓄熱装置のシステム図である。
【００２５】
図５の実施形態では、放熱手段として、放熱回路３に代えて、送風機２５を設けてあり、発核手段の作動により潜熱を発生させた場合、コントローラ５により、送風機２５を作動させて、熱を必要とする部位に温風を送風するようにしたものである。これにより、蓄熱材１の中に放熱手段を設ける必要がなくなり、構成を簡素化できる。また、送風機２５の制御のため、蓄熱材１の出熱側に温度センサ８を設けて、放熱可能な温度になっているか否かを判定できるようにしている。
【００２６】
図６は本発明の第３実施形態を示す蓄熱装置のシステム図である。
図６の実施形態では、加熱手段としての加熱回路２の入熱用熱交換器１２を、蓄熱材１の中ではなく、蓄熱材１の外に、熱的に接して設けている。これにより、蓄熱材１の中に加熱手段を設ける必要がなくなり、構成を簡素化できる。また、放熱手段の送風機２５化と併せて実施することで、蓄熱材１の内部構成を大幅に簡素化できる。
【００２７】
図７は本発明の第４実施形態を示す蓄熱装置のシステム図である。
図７の実施形態では、加熱手段としての加熱回路２を既設の熱循環回路２’に付加する形で設けている。
既設の熱循環回路２’は、外部熱源に熱的に接して設けた集熱用熱交換器１１と、熱を必要とする部位に設けた出熱用熱交換器１５との間で熱媒体を循環させるもので、循環路には、ポンプ１３と、流量制御弁１４とが備えられる。尚、出熱用熱交換器１５は、例えば車両用空調装置、補機加温装置として用いられる。
【００２８】
この熱循環回路２’に対し、四方弁１６を介して、加熱回路２、具体的には、蓄熱材１の中に（あるいは熱的に接して）設けた入熱用熱交換器１２を接続することで、蓄熱材１に対する加熱手段を構成している。
四方弁１５は、コントローラ５により図示Ａの状態と図示Ｂの状態とに切換えられ、図示Ａの状態では、熱循環回路２’と加熱回路２とが直列に接続され、図示Ｂの状態では、熱循環回路２’と加熱回路２とが切離される。
【００２９】
従って、蓄熱材１を融点以上に加熱するときに、コントローラ５により四方弁１５を図示Ａの状態に切換えることで、外部熱源に熱的に接して設けた集熱用熱交換器１１にて集熱した熱媒体がポンプ１３により四方弁１６を介して入熱用熱交換器１２へ流れ、その熱を蓄熱材１に与えることができる。これ以外のときは、四方弁１５を図示Ｂの状態に切換えることで、加熱回路２の運転を停止することができる。
【００３０】
図８は本発明の第５実施形態を示す蓄熱装置のシステム図である。
図８の実施形態では、蓄熱材１の光線透過率の検出のため、複数の光センサを設けている。すなわち、光センサ７（投光部７ａ及び受光部７ｂ）とは別に、異なる配設位置、異なる対向距離で、別の光センサ７’（投光部７ａ’及び受光部７ｂ’）を設けることで、蓄熱材１が収納容器内部で過冷却状態と過冷却破壊状態とが混在していても、蓄熱材１の各部の光線透過率をより精度良く検出でき、より的確に蓄熱材１の状態を判別することができる。
【００３１】
次に光センサ（投光部・受光部）の配置例について説明する。
図９は光センサの配置例１を示している。この例では、光センサ７の投光部７ａ及び受光部７ｂ（投光面及び受光面）を、蓄熱材１の収納容器３０の互いに対向する外壁にそれぞれ固定して、相対させてある。この場合、収納容器３０は容器全体が光線透過性材料であってもよいし、光路のみが光線透過性材料で、他の部位は光線不透過材料であってもよい。本構成によれば、光センサは蓄熱材と直接接しないため、光センサは蓄熱材による腐食や溶解作用を受けないため、低廉な材料構成にすることができる。
【００３２】
図１０は光センサの配置例２を示している。この例では、光センサ７の投光部７ａ及び受光部７ｂを、蓄熱材１の収納容器３０の互いに対向する外壁に設けた凹部にそれぞれ嵌合固定して、相対させてある。この場合も、収納容器３０は容器全体が光線透過性材料であってもよいし、光路のみが光線透過性材料で、他の部位は光線不透過材料であってもよい。本構成によれば、光センサを収納容器に固定するための特別な部品が不要となり、システムとして低廉にすることができる。
【００３３】
図１１は光センサの配置例３を示している。この例では、光センサ７の投光部７ａ及び受光部７ｂを、蓄熱材１の収納容器３０の互いに対向する外壁に設けた貫通孔にそれぞれ嵌合固定し、投光部７ａ及び受光部７ｂ（投光面及び受光面）を収納容器３０の内壁面と面一にして相対させてある。この場合、収納容器３０は光線不透過材料であってもよい。
図１２は光センサの配置例４を示している。この例では、光センサ７の投光部７ａ及び受光部７ｂを、蓄熱材１の収納容器３０の互いに対向する外壁に設けた貫通孔にそれぞれ嵌合固定し、投光部７ａ及び受光部７ｂ（投光面及び受光面）を収納容器３０の内壁面より内側に突入させて相対させてある。この場合も、収納容器３０は光線不透過材料であってもよい。
【００３４】
図１３は光センサの配置例５を示している。この例では、光センサの投光部７ａ及び受光部７ｂを、蓄熱材１の収納容器３０の中に配置して相対させてある。この場合も、収納容器３０は光線不透過材料であってもよい。配置例３〜５によれば、収納容器を光線不透過材料とすることが可能であるので、蓄熱材が外部の熱により劣化するのを防ぐことができ、蓄熱装置の長期稼働信頼性を向上することができる。
【００３５】
尚、図９〜図１３では投光部７ａと受光部７ｂとは対称に配置したが、対称にする必要はなく、投光部７ａを図９〜図１３のいずれかの態様とし、受光部７ｂを図９〜図１３のいずれかの態様とするなど、適宜組み合わせてを採用してもよい。
図１４は光センサの配置例６を示している。光センサ７の投光部７ａから受光部７ｂへの光路の途中に、入射光の一部を反射し、一部を透過するビームスプリッター（ハーフミラー）４０を設け、その反射光路上にもう１つの受光部７ｂ’を配置したものである。このようにすることで、投光部７ａは共通にして、受光部７ｂ、７ｂ’のみ複数化し、蓄熱材１の各部の光線透過率を検出することで、判別精度を向上させることができる。尚、投光部７ａ及び受光部７ｂ、７ｂ’の取付方法は図９〜図１３のいずれの態様であってもよい。
【００３６】
以上の実施形態によれば、下記のように、（１）効率的な採熱の実行、（２）効率的な蓄熱の実行、（３）蓄熱材を含む蓄熱装置の寿命向上、という効果が得られる。
（１）効率的な採熱の実行
（１−１）発核のためのエネルギー消費の効率化
過冷却性蓄熱材１が過冷却状態である場合にのみ、発核手段を動作させればよく、蓄熱装置としてのエネルギー効率の向上、すなわち、消費動力や消費電力の低減による効率化が可能となる。
【００３７】
（１−２）採熱の信頼性の向上
蓄熱材１が潜熱を保有している過冷却状態であることが明確にできるので、採熱する精度が向上し、採熱の信頼性が向上する。すなわち、採熱したい際に過冷却性蓄熱材１が潜熱を有しているのか否かが判定できるため、採熱可否の判定精度が格段に向上する。つまり、過冷却性蓄熱材１を有する蓄熱装置を用い、例えば自動車において、採熱により窓の除霜や結露面の乾燥や車室内の除湿を行おうとする場合、採熱可否が確実に判定できるため、自動車の乗員の快適性や運転安全性が大幅に改善されるのである。さらに、本実施形態を基本とし、必要熱量に対し、蓄熱材１の潜熱量と同顕熱量と蓄熱材収納容器３０の熱容量とから、発核させ採熱させるか否かを判断し制御してもよい。
【００３８】
（２）効率的な蓄熱の実行
加熱熱融解した蓄熱材１は、過冷却状態を保持していれば蓄熱のための再加熱は必要ないが、過冷却状態が破壊された場合、すなわち、相変化が生じた場合かつ蓄熱が必要な際は加熱しなくてはならない。蓄熱装置内の蓄熱材１の温度が凝固温度以下であるが、相変化過冷却状態であるか否かが不明の場合は蓄熱材１への蓄熱のために再加熱を行わねばならず、蓄熱材が過冷却状態であった場合、潜熱蓄熱が不能な状態の蓄熱材を加熱するという、蓄熱効率の極めて劣る行為をせねばならなかった。この点、本実施形態によれば、過冷却性蓄熱材１が蓄熱可能な状態か否かが判定できるため、蓄熱是非の判定精度が格段に向上する。
【００３９】
（３）蓄熱材を含む蓄熱装置の寿命向上
過冷却性蓄熱材１からの採熱時に、発核手段である熱電素子４への通電による近傍の過冷却性蓄熱材１の局所的冷却（あるいは加熱）や、機械的刺激としての衝撃発生素子への電力や動力の入力回数を、必要最低限にすることができる。このことは発核手段の過剰な耐久性保有のための高級材料の使用やメンテナンス頻度の短縮化といった、好ましからざる事態を防ぐことが可能である。加えて、過冷却性蓄熱材１の無駄な加熱時間の排除を行うことで、過冷却性蓄熱材１の熱劣化や酸化劣化を防止することが可能である。蓄熱材１の長期加熱または局所加熱は、熱による蓄熱材組成の不可逆変化や変質、収納容器３０内の微量な酸素や水蒸気等との化学反応による劣化反応物として酸性物質の生成や腐食生成物の発生が生ずる可能性がある。従って、本実施形態によれば、過冷却性蓄熱材１を過剰に蓄熱することが防げるため、高い腐食性を有する高級、すなわち、高価な容器材料や伝熱材料を使用しなくてよく、著しいコスト増なしに採熱することが可能になる。
【００４０】
尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４１】
１  蓄熱材
２  加熱回路
３  放熱回路
４  発核手段（熱電素子）
５  コントローラ
６  温度センサ
７  光センサ
７ａ  投光部
７ｂ  受光部
８  温度センサ
１１  集熱用熱交換器
１２  入熱用熱交換器
１３  ポンプ
１４  流量制御弁
１５  出熱用熱交換器
１６  四方弁
２１  集熱用熱交換器
２２  出熱用熱交換器
２３  ポンプ
２４  流量制御弁
２５  送風機
３０  収納容器
４０  ビームスプリッター
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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