(57)【要約】【課題】潜熱蓄熱材の過冷却状態を確実かつ迅速に解除し得る蓄熱装置を提供する。【解決手段】  蓄熱装置１００は、潜熱蓄熱材１１１を保持する容器１１２と、容器１１２内の潜熱蓄熱材１１１と容器１１２の外部にある熱媒体１１３とが熱交換する熱交換部１０５と、潜熱蓄熱材１１１が融点以下の温度であって、かつ、潜熱蓄熱材１１１の少なくとも一部が過冷却状態であるときに、潜熱蓄熱材１１１の一部の温度を低下させる冷却部１６と、冷却部１６が動作しているときに、潜熱蓄熱材１１１の他の一部の温度を上昇させる加熱部１５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱材を保持する容器と、
前記容器内の前記潜熱蓄熱材と前記容器の外部にある熱媒体とが熱交換する熱交換部と、
前記潜熱蓄熱材が融点以下の温度であって、かつ、前記潜熱蓄熱材の少なくとも一部が過冷却状態であるときに、前記潜熱蓄熱材の一部の温度を低下させる冷却部と、
前記冷却部が動作しているときに、前記潜熱蓄熱材の他の一部の温度を上昇させる加熱部と
を備える蓄熱装置。
【請求項２】
前記冷却部は、前記潜熱蓄熱材の前記一部と接する冷却用熱伝導体を含み、
前記加熱部は、前記潜熱蓄熱材の前記他の一部と接する加熱用熱伝導体を含む請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
ペルチェ素子をさらに備え、
前記冷却用熱伝導体は前記ペルチェ素子の吸熱面と接続され、
前記加熱用熱伝導体は前記ペルチェ素子の放熱面と接続されている請求項２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記加熱用熱伝導体は、その一部が前記熱媒体と接するように配置されている請求項３に記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記潜熱蓄熱材内における前記冷却用熱伝導体と前記加熱用熱伝導体との距離は０ｍｍ超５ｍｍ以下である請求項２から４のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記熱媒体は水である請求項１から５のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項７】
前記潜熱蓄熱材は、硫酸ナトリウム十水和物である請求項１から６のいずれかに記載の蓄熱装置。
【請求項８】
（ａ）液体状態の潜熱蓄熱材を、前記潜熱蓄熱材の融点よりも低い第１の温度まで冷却し、前記潜熱蓄熱材の少なくとも一部を過冷却状態とする過冷却工程と、
（ｂ）少なくとも一部が過冷却状態である前記潜熱蓄熱材を前記第１の温度で保持する保持工程と、
（ｃ）前記潜熱蓄熱材の一部を冷却するとともに前記潜熱蓄熱材の他の一部を加熱して前記潜熱蓄熱材に温度勾配を生じさせることにより、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する過冷却解除工程と
を包含する蓄熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置に関する。特に、潜熱蓄熱材の過冷却状態を任意のタイミングで解除することの可能な蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱媒体として、従来、固相と液相との間の相変化時に吸収又は放出される潜熱を利用する潜熱蓄熱材が検討されている。潜熱蓄熱材の一例として、硫酸ナトリウム十水和物および酢酸ナトリウム三水和物等の水和塩系の材料が挙げられる。硫酸ナトリウム十水和物は、凝固点３２℃、潜熱量２６０Ｊ／ｇの物性を有している。硫酸ナトリウム十水和物は、凝固点が５８℃である酢酸ナトリウム三水和物とともに、１００℃未満の低温排熱の高密度蓄熱媒体として高い有用性を有している。このため、暖房や洗濯機など向けの温水生成機能の補助熱源等への応用が検討されている。
【０００３】
硫酸ナトリウム十水和物などの潜熱蓄熱材は、凝固点を下回っても相変化を起こさず液相を維持する過冷却状態になる特性を有している。潜熱蓄熱材を過冷却状態に維持することによって、長期にわたってその潜熱を蓄えることができる。必要に応じて過冷却状態を解除する、つまり、潜熱蓄熱材の相変化を生じさせることによって、相変化に伴って放出される潜熱を利用できる。
【０００４】
しかし、過冷却状態は一般に不安定であり、過冷却状態を安定的に維持することと、任意のタイミングで解除することを両立させることは困難である。例えば硫酸ナトリウム十水和物および酢酸ナトリウム三水和物などは、凝固点よりも２０Ｋ以上低い温度でも過冷却状態を安定的に維持できる特異な特性を持っているが、室温で過冷却を解除して潜熱を利用することは困難であった。
【０００５】
これに対して、過冷却状態の潜熱蓄熱材に温度変化による熱衝撃を与えることによって、過冷却状態を解除する手段が提案されている。例えば特許文献１および２には、過冷却状態の潜熱蓄熱材の一部をペルチェ素子で冷却することによって、過冷却状態を解除する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−６２８８２号公報
【特許文献２】特開平６−２８１３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の技術では、潜熱蓄熱材の過冷却状態を迅速かつ確実に解除することが困難な場合があった。
【０００８】
本開示の一実施形態は、潜熱蓄熱材の過冷却状態を確実かつ迅速に解除することの可能な蓄熱装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、潜熱蓄熱材を保持する容器と、前記容器内の前記潜熱蓄熱材と前記容器の外部にある熱媒体とが熱交換する熱交換部と、前記潜熱蓄熱材が融点以下の温度であって、かつ、前記潜熱蓄熱材の少なくとも一部が過冷却状態であるときに、前記潜熱蓄熱材の一部の温度を低下させる冷却部と、前記冷却部が動作しているときに、前記潜熱蓄熱材の他の一部の温度を上昇させる加熱部とを備える蓄熱装置を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一実施形態によれば、潜熱蓄熱材の過冷却状態を確実かつ迅速に解除することの可能な蓄熱装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１の蓄熱装置１００の一例を示す模式的な断面図
【図２】実施の形態１における過冷却解除部の効果を説明するための図
【図３】実施の形態１の蓄熱方法における蓄熱材の温度変化を示す模式図
【図４】実施の形態１の蓄熱装置２００を備えた蓄熱システムを例示する模式的な上面図
【図５】蓄熱装置２００における蓄熱材ユニットおよび過冷却解除部を示す断面図
【図６】実施の形態２の蓄熱装置３００を備えた蓄熱システムを例示する模式的な断面図
【図７】蓄熱装置３００における蓄熱材ユニットおよび過冷却解除部を示す断面図
【図８】実施例で用いた評価装置を説明するための模式的な断面図
【図９】評価装置の加熱用銅板６２および冷却用銅板６３の拡大断面図
【図１０】実施例１における潜熱蓄熱材の冷却および加熱開始から潜熱蓄熱材の発核までの温度変化を示す図
【図１１】比較例１における潜熱蓄熱材の冷却開始から潜熱蓄熱材の発核までの温度変化を示す図
【図１２】潜熱蓄熱材に形成される温度勾配の増加速度と、潜熱蓄熱材が発核するまでの時間との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の基礎となった知見は以下のとおりである。
【００１３】
上述したように、特許文献１、２等に開示された従来の方法では、確実かつ迅速に過冷却状態を解除することが困難な場合があった。本発明者が検討したところ、特に、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を、その凝固点を大きく下回る温度（例えば室温程度（１０〜２０℃））で長期間維持した後では、過冷却状態の解除に長時間を要したり、解除できない場合があることを見出した。
【００１４】
例えば、特許文献１には、過冷却状態の酢酸ナトリウム三水和物の一部をペルチェ素子で−１０〜−１５℃まで冷却すると、過冷却状態が解除される（すなわち発核する）という実験例が記載されている。また、特許文献２には、ペルチェ素子を用いて、過冷却状態の酢酸ナトリウム三水和物を０℃以下で１５秒間冷却すると発核するという実験例が記載されている。しかしながら、本発明者が、１５℃で過冷却状態に維持されていた酢酸ナトリウム三水和物をペルチェ素子で冷却する実験を行ったところ、上述した特許文献１および特許文献２の実験結果に関わらず、−２０℃に達するまで５分間以上冷却しても発核しないことが多かった。
【００１５】
このように、潜熱蓄熱材の凝固点を大きく下回る温度で、過冷却状態の潜熱蓄熱材を保持した後であっても、確実かつ迅速に過冷却状態を解除できる方法が求められていた。
【００１６】
これに対し、本発明者は、過冷却状態の潜熱蓄熱材に迅速に大きな温度勾配を形成することができ、これによって確実かつ迅速に過冷却状態を解除し得る新規な過冷却解除手段を見出した。
【００１７】
本開示の一態様は、上記の知見に基づくものであり、その概要は以下のとおりである。
【００１８】
本開示の一態様である蓄熱装置は、潜熱蓄熱材を保持する容器と、前記容器内の前記潜熱蓄熱材と前記容器の外部にある熱媒体とが熱交換する熱交換部と、前記潜熱蓄熱材が融点以下の温度であって、かつ、前記潜熱蓄熱材の少なくとも一部が過冷却状態であるときに、前記潜熱蓄熱材の一部の温度を低下させる冷却部と、前記冷却部が動作しているときに、前記潜熱蓄熱材の他の一部の温度を上昇させる加熱部とを備える。
【００１９】
上記構成により、過冷却状態の潜熱蓄熱材が凝固点よりも十分に低い温度で保持されていた場合であっても、従来よりも迅速かつ確実にその過冷却状態を解除して潜熱を取り出すことができる。
【００２０】
ある実施形態において、前記冷却部は、前記潜熱蓄熱材の前記一部と接する冷却用熱伝導体を含み、前記加熱部は、前記潜熱蓄熱材の前記他の一部と接する加熱用熱伝導体を含む。
【００２１】
ある実施形態において、上記蓄熱装置はペルチェ素子をさらに備え、前記冷却用熱伝導体は前記ペルチェ素子の吸熱面と接続され、前記加熱用熱伝導体は前記ペルチェ素子の放熱面と接続されている。
【００２２】
ある実施形態において、前記加熱用熱伝導体は、その一部が前記熱媒体と接するように配置されている。
【００２３】
前記潜熱蓄熱材内における前記冷却用熱伝導体と前記加熱用熱伝導体との距離は、例えば０ｍｍ超５ｍｍ以下であってもよい。
【００２４】
前記熱媒体は、例えば水であってもよい。
【００２５】
前記潜熱蓄熱材は、例えば硫酸ナトリウム十水和物であってもよい。
【００２６】
本発明の一実施形態の蓄熱方法は、（ａ）液体状態の潜熱蓄熱材を、前記潜熱蓄熱材の融点よりも低い第１の温度まで冷却し、前記潜熱蓄熱材の少なくとも一部を過冷却状態とする過冷却工程と、（ｂ）少なくとも一部が過冷却状態である前記潜熱蓄熱材を前記第１の温度で保持する保持工程と、（ｃ）前記潜熱蓄熱材の一部を冷却するとともに前記潜熱蓄熱材の他の一部を加熱して前記潜熱蓄熱材に温度勾配を生じさせることにより、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する過冷却解除工程とを包含する。
【００２７】
（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら、実施の形態１の蓄熱装置を説明する。
【００２８】
図１は、蓄熱装置１００の基本構成を例示する模式的な断面図である。
【００２９】
蓄熱装置１００は、潜熱蓄熱材１１１を保持する容器１１２と、容器１１２内の潜熱蓄熱材１１１と容器１１２の外部にある熱媒体１１３とが熱交換する熱交換部１０５とを有している。蓄熱装置１００には、熱交換部１０５とは別に、潜熱蓄熱材１１１の冷却部１６および加熱部１５が設けられている。本明細書では、冷却部１６および加熱部１５をまとめて「過冷却解除部」と呼ぶことがある。
【００３０】
容器１１２は、例えば、熱伝導性の高い材料で構成されている。容器１１２の内部には潜熱蓄熱材１１１が封入されている。本明細書では、潜熱蓄熱材１１１が封入された容器１１２を「蓄熱材ユニットＵ」と呼ぶ。
【００３１】
図１に示す例では、蓄熱材ユニットＵは筐体１１４に収容されている。蓄熱装置１００の外部との熱のやり取りを媒介する熱媒体１１３は、例えば、筐体１１４内に配置された流路１０７に供給される。熱媒体１１３は、流路１０７内を容器１１２の外表面と接するように流通する。これにより、容器１１２の壁を介して、潜熱蓄熱材１１１と熱媒体１１３とを熱交換させることができる。すなわち、この例では、熱媒体１１３の流路１０７のうち容器１１２の壁と接する部分が熱交換部１０５となる。熱交換された後の熱媒体１１３は、筐体１１４から外部に流出する。熱媒体１１３は、例えば水であってもよい。なお、容器１１２および熱交換部１０５の構成は、例示する構成に限定されない。例えば、１つの筐体１１４内に複数の蓄熱材ユニットＵが収容されていてもよい。
【００３２】
冷却部１６は、潜熱蓄熱材１１１が融点以下の温度であって、かつ、潜熱蓄熱材の少なくとも一部が過冷却状態であるときに、潜熱蓄熱材１１１の一部の温度を低下させる。加熱部１５は、冷却部１６が動作しているときに、潜熱蓄熱材１１１の他の一部の温度を上昇させる。このような構成により、過冷却状態の潜熱蓄熱材１１１に局所的に温度差の大きい領域を迅速に形成できる。
【００３３】
本実施の形態では、加熱部１５は、加熱手段１１５１と、加熱手段１１５１に接続された加熱用熱伝導体１１５とを含んでいる。加熱用熱伝導体１１５は、容器１１２の外部から容器１１２内に延設されており、加熱用熱伝導体１１５の先端部分が潜熱蓄熱材１１１の一部（「第１部分」と呼ぶ。）に接触するように配置されている。冷却部１６は、冷却手段１１６１と、冷却手段１１６１に接続された冷却用熱伝導体１１６とを含んでいる。冷却用熱伝導体１１６は、容器１１２の外部から容器１１２内に延設されており、冷却用熱伝導体１１６の先端部分が潜熱蓄熱材１１１の一部（「第２部分」と呼ぶ。）に接触するように配置されている。本明細書では、加熱用熱伝導体１１５と潜熱蓄熱材１１１との接触面（第１部分）のうち最も冷却用熱伝導体１１６側に位置する点ｐ１を「第１の接点」と呼ぶ。同様に、冷却用熱伝導体１１６と潜熱蓄熱材１１１との接触面（第２部分）のうち最も加熱用熱伝導体１１５側に位置する点ｐ２を「第２の接点」と呼ぶ。
【００３４】
加熱手段１１５１として、例えば、ヒータ、太陽熱集熱器などを用いてもよい。あるいは、動作時に発熱する内燃機関および電動機などの冷却器を熱源とする手段を用いてもよい。冷却手段１１６１として、例えばペルチェ素子、ヒートポンプ式冷凍機などを用いてもよい。あるいは、予め生成・蓄積した氷およびドライアイスなどの冷熱を利用する手段を用いてもよい。加熱手段１１５１および冷却手段１１６１は、いずれも電源制御部１１７からの指示により、加熱または冷却を開始あるいは停止するように構成されていてもよい。例えば、電源制御部１１７は、加熱手段１１５１及び冷却手段１１６１に加熱・冷却を開始するように指示し、冷却用熱伝導体１１６で潜熱蓄熱材１１１が冷却されると同時に、加熱用熱伝導体１１５で潜熱蓄熱材１１１が加熱されるように制御を行う。これにより、潜熱蓄熱材１１１の第１の接点ｐ１と第２の接点ｐ２とに挟まれた領域Ｒに、冷却のみを行う場合（特許文献１、２）に比べて迅速にかつ大きな温度勾配が形成される。この結果、迅速かつ確実に潜熱蓄熱材１１１の過冷却状態が解除され、凝固が開始する（発核する）。
【００３５】
図２は、本実施形態の過冷却解除部による効果を説明するためのグラフであり、第１の接点ｐ１および第２の接点ｐ２を結ぶ直線に沿った潜熱蓄熱材１１１の温度変化を模式的に示している。ここでは、融点Ｔｅよりも低い温度ｔ１で保存されていた過冷却状態の潜熱蓄熱材１１１に対し、冷却および加熱を行う例を示している。
【００３６】
図２から分かるように、潜熱蓄熱材１１１のうち加熱用熱伝導体１１５と接する第１部分は、保存温度ｔ１よりも高く、かつ、融点よりも低い温度まで加熱される。潜熱蓄熱材１１１のうち冷却用熱伝導体１１６と接する第２部分は、保存温度ｔ１よりも低い温度まで冷却される。このため、第１の接点ｐ１と第２の接点ｐ２とに挟まれた領域Ｒに、冷却のみを行う場合よりも迅速に大きな温度勾配が形成される。これにより、潜熱蓄熱材１１１に素早く大きな熱衝撃を与えることができる。また、冷却用熱伝導体１１６と接する第２部分では、過冷却度が増大するため、結晶核成長障壁が低下するので、発核しやすくなる。さらに、冷却および加熱を同時に行うことで領域Ｒに大きな温度勾配を形成できるため、結晶材料の輸送が促進され、発核がさらに促進される。従って、従来よりも、迅速かつ確実に過冷却状態を解除することが可能になる。
【００３７】
保存温度ｔ１は、過冷却状態が安定的に維持し得る温度に設定され得る。過冷却状態の潜熱蓄熱材を維持する温度を低くすると、分子運動が低下して粘性が増大するため、結晶構造への移行が抑制される。例えば酢酸ナトリウム三水和物などの潜熱蓄熱材では、この分子運動低下による抑制力と、過冷却度が増加することによる結晶化推進力との兼ね合いから、特に室温付近（１０℃〜２０℃）において過冷却状態がより安定化する。このため、特許文献１、２に開示された従来の方法では、室温付近で維持された過冷却状態を迅速に解除することは難しかったと考えられる。これに対し、本実施形態によると、過冷却状態の潜熱蓄熱材に従来の方法よりも大きな熱衝撃を迅速に与えることができるので、過冷却状態が安定的に保存されていた場合でも、その解除を迅速に行うことができる。従って、過冷却状態を安定的に維持することと、任意のタイミングで過冷却状態を解除することを両立することが可能になる。
【００３８】
潜熱蓄熱材１１１の主成分は、特に限定しないが、過冷却状態を維持しやすい蓄熱材が好適に用いられ得る。潜熱蓄熱材１１１として、例えば、硫酸ナトリウム十水和物、酢酸ナトリウム三水和物、リン酸水素二ナトリウム十二水和物、炭酸ナトリウム十水和物、チオ硫酸ナトリウム五水和物などの水和塩、マンニトール、エリスリトール、Ｄ−スレイトールなどの糖アルコールを用いてもよい。
【００３９】
次いで、図１および図３を参照しながら、蓄熱装置１００を用いた蓄熱方法の一例を説明する。図３は、潜熱蓄熱材１１１の温度変化を例示する模式的な図である。
【００４０】
まず、液体状態の潜熱蓄熱材１１１を融点Ｔｅよりも低い温度まで冷却し、潜熱蓄熱材１１１の少なくとも一部を過冷却状態とする（過冷却工程）。潜熱蓄熱材１１１の冷却方法は特に限定しない。例えば、熱交換部１０５において、潜熱蓄熱材１１１を熱媒体１１３と熱交換させることによって冷却してもよい。
【００４１】
次いで、融点Ｔｅよりも低い第１の温度（保存温度）ｔ１で、過冷却状態の潜熱蓄熱材１１１を保持する。これにより、潜熱蓄熱材１１１に蓄えられた潜熱を長期間保存することが可能になる。保存温度ｔ１が室温程度であれば、蓄熱装置の運転を停止、すなわち熱媒体１１３の循環を停止させて潜熱を保存することも可能である。
【００４２】
この後、必要に応じて、過冷却解除部を動作させて、潜熱蓄熱材１１１の過冷却状態を解除し、潜熱蓄熱材１１１を凝固させる（過冷却解除工程）。
【００４３】
具体的には、潜熱蓄熱材１１１における加熱用熱伝導体１１５と接する部分の温度を保存温度ｔ１よりも上昇させると同時に、冷却用熱伝導体１１６と接する部分の温度を保存温度ｔ１よりも低くして、潜熱蓄熱材１１１に温度差を生じさせる。加熱用熱伝導体１１５と潜熱蓄熱材１１１との第１の接点ｐ１の温度Ｔ１は、例えば保存温度ｔ１よりも５℃以上、好ましくは１０℃以上高くなるように設定され得る。温度Ｔ１の上限は、特に限定しない。ただし、潜熱蓄熱材１１１に融点Ｔｅよりも温度の高い部分が生じると、その部分では核が生成しないことから、温度Ｔ１は融点Ｔｅ以下に制御されることが好ましい。一方、冷却用熱伝導体１１６と潜熱蓄熱材１１１との第２の接点ｐ２の温度Ｔ２は、例えば保存温度ｔ１よりも１０℃以上、好ましくは２０℃以上低くなるように設定され得る。なお、温度Ｔ１、Ｔ２は上記に限定されず、潜熱蓄熱材１１１の融点Ｔｅ、保存温度ｔ１等により適宜選択され得る。
【００４４】
潜熱蓄熱材１１１の領域Ｒに温度差ΔＴ（Ｔ１−Ｔ２）が生じると、潜熱蓄熱材１１１の過冷却状態が速やかに解除される。冷却および加熱の開始から過冷却状態が解除されるまでの時間は、温度差ΔＴの大きさのみでなく、温度差ΔＴが増加する速度にも依存する。過冷却状態が解除されると、潜熱蓄熱材１１１の温度が上昇（最も高くて融点Ｔｅまで上昇）し、その後、潜熱蓄熱材１１１の凝固が開始される。潜熱蓄熱材１１１の凝固が始まると、潜熱蓄熱材１１１から潜熱が放出される（放熱工程）。放出された熱は、例えば熱交換部１０５において熱交換するように熱媒体１１３を流通させることによって回収できる。
【００４５】
放熱後、固相となった潜熱蓄熱材１１１を融点Ｔｅ以上の温度まで加熱して潜熱蓄熱材１１１を液体状態に変化させることにより、潜熱蓄熱材１１１に熱を蓄えることができる（蓄熱工程）。潜熱蓄熱材１１１の加熱は、熱交換部１０５において熱媒体１１３と潜熱蓄熱材１１１とを熱交換させることによって行ってもよい。この後、前述した過冷却工程を行い、過冷却状態で放熱時まで潜熱を保存してもよい。
【００４６】
＜蓄熱システム＞
図４は、蓄熱装置２００を備えた蓄熱システムを例示する模式的な図である。図４では、蓄熱装置２００における蓄熱材ユニットUの厚さ方向の断面が示されている。図５は、蓄熱装置２００の拡大図であり、図４におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す。図４および図５では、図１の基本構成と同じ構成要素に同じ符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
蓄熱システムは、蓄熱装置２００と、熱負荷または熱源２１と、循環ポンプ２２と、熱媒体１１３が流通する配管２３とを備える。配管２３は、熱媒体１１３が筐体１１４内の流路１０７、熱負荷または熱源２１および循環ポンプ２２を循環するように構成されている。従って、熱媒体１１３は、熱負荷または熱源２１と熱の受け渡しを行うことが可能である。
【００４８】
図示する例では、蓄熱装置２００は、１つの筐体１１４の内部に複数の蓄熱材ユニットＵが収容されている点で、図１に示す蓄熱装置１００と異なっている。加熱用熱伝導体１１５及び冷却用熱伝導体１１６は、それぞれ、筐体１１４の外部で加熱手段１１５１および冷却手段１１６１と接続され、筐体１１４内において、複数の蓄熱材ユニットＵの配列方向に延びている。
【００４９】
図４および図５を参照して、加熱用熱伝導体１１５及び冷却用熱伝導体１１６の構成を詳しく説明する。加熱用熱伝導体１１５及び冷却用熱伝導体１１６は、それぞれ、銅、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属から形成されていてもよい。この例では、加熱用熱伝導体１１５は、主部２５と、主部２５から分岐した複数の枝部２６とを有している。主部２５は、筐体１１４内において、複数の蓄熱材ユニットＵに隣接するように配置されている。また、主部２５は、複数の蓄熱材ユニットＵを横切る方向に延びていてもよい。枝部２６は蓄熱材ユニットＵと対応するように配置されている。各枝部２６は、対応する蓄熱材ユニットＵの容器１１２の壁を貫いて延び、その先端部分は潜熱蓄熱材１１１と接触している。冷却用熱伝導体１１６も同様に、主部２８と、主部２８から分岐した複数の枝部２９とを有している。主部２８は、筐体１１４内において、複数の蓄熱材ユニットＵに隣接するように配置されている。また、主部２８は、複数の蓄熱材ユニットＵを横切る方向に延びていてもよい。枝部２９は蓄熱材ユニットＵと対応するように配置されている。各枝部２９は、対応する蓄熱材ユニットＵの容器１１２の壁面を貫いて延び、その先端部分は潜熱蓄熱材１１１と接触している。
【００５０】
潜熱蓄熱材１１１内において、加熱用熱伝導体１１５（ここでは枝部２６）と、冷却用熱伝導体１１６（ここでは枝部２９）とは、近接して配置されてもよい。潜熱蓄熱材１１１と枝部２６との第１の接点ｐ１と、潜熱蓄熱材１１１と枝部２９との第２の接点ｐ２との間の距離を「距離Ｇ」とすると、距離Ｇは、例えば０ｍｍ超５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以上３ｍｍ以下であってもよい。距離Ｇは、潜熱蓄熱材１１１の過冷却状態における熱伝導率が低いほど小さく設定され得る。例えば、潜熱蓄熱材１１１が硫酸ナトリウム十水和物（過冷却状態における熱伝導率：約０．５９Ｗ／ｍ・Ｋ）である場合、距離Ｇは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。ここでは、距離Ｇを例えば１ｍｍ程度に設定する。
【００５１】
図５に示す例では、加熱用熱伝導体１１５と冷却用熱伝導体１１６とが、潜熱蓄熱材１１１に接触する前に互いに熱交換しないように、加熱用熱伝導体１１５および冷却用熱伝導体１１６のうち潜熱蓄熱材１１１の外部に位置する部分は、距離Ｇよりも大きな間隔を空けて配置されている。潜熱蓄熱材１１１内において、枝部２６、２９の少なくとも一方の先端付近は、間隔を距離Ｇまで狭めるように曲がっている。
【００５２】
なお、加熱用熱伝導体１１５および冷却用熱伝導体１１６の配置および形状は、図示する形状に限定するものではい。加熱用熱伝導体１１５、冷却用熱伝導体１１６の一方あるいは両方は断熱材で覆われていてもよい。これにより、両者の熱交換量を低減することが可能である。
【００５３】
（実施の形態２）
以下、図面を参照しながら、実施の形態２の蓄熱装置を説明する。本実施形態の蓄熱装置は、冷却手段および加熱手段として、ペルチェ素子を利用する点で、前述の実施形態の蓄熱装置と異なる。
【００５４】
図６は、実施の形態２の蓄熱装置３００を備えた蓄熱システムを例示する模式的な図である。図７は、蓄熱装置３００の拡大図であり、図６におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を示す。図６および図７において、図４および図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５５】
蓄熱装置３００では、加熱手段および冷却手段として、共通のペルチェ素子４１を用いている。加熱用熱伝導体１１５および冷却用熱伝導体１１６は、それぞれ、ペルチェ素子４１の放熱面４１Ａ及び吸熱面４１Ｂに接続されている。ペルチェ素子４１は、電源制御部１１７に接続されており、電源制御部１１７によってペルチェ素子４１の動作が制御される。
【００５６】
加熱用熱伝導体１１５および冷却用熱伝導体１１６の配置および形状は、図４および図５を参照しながら前述した配置および形状と同様であってもよい。加熱用熱伝導体１１５は主部２５および枝部２６を有し、加熱用熱伝導体１１５の主部２５がペルチェ素子４１の放熱面４１Ａと接していてもよい。同様に、冷却用熱伝導体１１６は主部２８および枝部２９を有し、冷却用熱伝導体１１６の主部２８がペルチェ素子４１の吸熱面４１Ｂと接していてもよい。
【００５７】
図８に示すように、冷却用熱伝導体１１６の主部２５および枝部２６は、潜熱蓄熱材１１１と接触する部分を除いて、断熱材４２で覆われていてもよい。これにより、ペルチェ素子４１の負荷を下げることができ、潜熱蓄熱材１１１により大きな温度勾配を形成することが可能になる。
【００５８】
前述したように、加熱用熱伝導体１１５と潜熱蓄熱材１１１との第１の接点ｐ１における温度Ｔ１は、潜熱蓄熱材１１１の融点Ｔｅを超えないように設定されることが好ましい。第１の接点ｐ１の温度Ｔ１を融点Ｔｅ以下に保つために、例えば、ペルチェ素子４１の放熱面４１Ａからの熱が潜熱蓄熱材１１１に対してだけでなく、筐体１１４内に満たされた熱媒体１１３に対しても放出されるように構成されてもよい。例えば、図８に示すように、加熱用熱伝導体１１５は断熱材で覆われておらず、加熱用熱伝導体１１５の一部が流路１０７内の熱媒体１１３と直接接触するように配置されていてもよい。これにより、温度Ｔ１を融点Ｔｅを超えない温度に保ちつつ、冷却用熱伝導体１１６と潜熱蓄熱材１１１との第２の接点ｐ２の温度Ｔ２をさらに低くすることが可能になり、領域Ｒの温度勾配をより大きくできる。
【００５９】
本実施形態によると、電源制御部１１７がペルチェ素子４１に作動を指示することにより、過冷却状態を維持している潜熱蓄熱材１１１の冷却用熱伝導体１１６と接する部分を冷却すると同時に、加熱用熱伝導体１１５と接する部分を加熱することができる。この結果、潜熱蓄熱材１１１に大きな温度勾配を迅速に形成でき、潜熱蓄熱材１１１に大きな熱衝撃を与えることが可能になる。従って、従来の方法よりも迅速かつ確実に過冷却状態を解除することができる。
【００６０】
また、ペルチェ素子４１の吸熱面４１Ｂから冷却用熱伝導体１１６を介して吸収される潜熱蓄熱材１１１の顕熱は、同じペルチェ素子４１の放熱面４１Ａから加熱用熱伝導体１１５を介して潜熱蓄熱材１１１（あるいは潜熱蓄熱材１１１が潜熱を放出しようとしている熱媒体１１３）へ放出され得る。従って、蓄熱装置３００に蓄えられた熱量を損なうことなく、過冷却状態の解除を行うことができる。
【００６１】
本実施の形態では、ペルチェ素子４１の放熱面４１Ａからの熱を、潜熱蓄熱材１１１だけでなく、熱媒体１１３へも放出させることで、潜熱蓄熱材１１１における第１の接点ｐ１の温度Ｔ１の過剰な上昇を抑制できる。なお、潜熱蓄熱材１１１の温度が高い（融点Ｔｅに近い）場合は、流路１０７を流通する熱媒体１１３の流量を上げることで熱媒体１１３への放熱量を増加させ、潜熱蓄熱材１１１の温度が融点Ｔｅよりも十分に低い場合は、熱媒体１１３の流量を下げることで熱媒体１１３への放熱量を減少させるように、循環ポンプ２２を制御してもよい。また、潜熱蓄熱材１１１の融点Ｔｅが低い場合には、潜熱蓄熱材１１１のうち加熱用熱伝導体１１５と接する部分の温度の上昇をより抑えるため、加熱用熱伝導体１１５と熱媒体１１３との接触面積が大きくなるように、加熱用熱伝導体１１５を構成してもよい。例えば、加熱用熱伝導体１１５のうち熱媒体１１３と接触する面（金属板の表面）に突起を設けてもよい。
【００６２】
＜実施例および比較例＞
上述した実施形態によると、過冷却状態の潜熱蓄熱材の冷却および加熱を同時に行うことによって、潜熱蓄熱材の発核までの所要時間を短縮できる。この効果を確認する実験を行ったので、その方法および結果を説明する。
【００６３】
・評価装置
図８は、実験で用いた評価装置を示す模式図である。評価装置は、次のようにして作製される。まず、過冷却状態の潜熱蓄熱材６１が収容されたガラス容器を用意する。次いで、冷却用熱伝導体６３の先端と、加熱用熱伝導体６２の先端とを潜熱蓄熱材６１に浸す。ここでは、冷却用熱伝導体６３として冷却用銅板６３、加熱用熱伝導体６２として加熱用銅板６２を用いる。加熱用銅板６２および冷却用銅板６３は、これらの先端が近接するように配置する。ここでは、加熱用銅板６２の先端と冷却用銅板６３の先端との間の距離Ｇを１ｍｍ程度に設定する。冷却用銅板６３のうち潜熱蓄熱材６１と接していない部分を、冷却手段に相当するペルチェ素子６５の吸熱面と接続させる。ペルチェ素子６５の放熱面に水冷ヒートシンク６６を配置する。また、水冷ヒートシンク６６内の水経路と恒温循環槽（図示せず）との間で冷却水が循環するように配管（図示せず）を設ける。加熱用銅板６２の潜熱蓄熱材６１と接していない部分を、加熱手段に相当するシートヒータ６４と接続する。
【００６４】
図９は、加熱用銅板６２および冷却用銅板６３の一部を示す拡大断面図である。図９に示すように、潜熱蓄熱材６１に浸した加熱用銅板６２の先端および冷却用銅板６３の先端に、それぞれ、熱電対７１、７２を取り付ける。また、潜熱蓄熱材６１のうち冷却用銅板６３の先端近傍に位置する部分に、熱電対７３を配置する。熱電対７３と冷却用銅板６３との間には断熱スペーサ７５を配置して断熱する。熱電対７１で測定する温度を、加熱用銅板６２と潜熱蓄熱材６１との接点（第１の接点）の温度Ｔ１とする。同様に、熱電対７２で測定する温度を、冷却用銅板６３と潜熱蓄熱材６１との接点（第２の接点）の温度Ｔ２とする。熱電対７３で測定する温度を、潜熱蓄熱材６１における冷却用銅板６３との接点近傍の温度とする。
【００６５】
本実施例では、潜熱蓄熱材６１として、硫酸ナトリウム３０重量％水溶液を使用する。硫酸ナトリウム３０重量％水溶液は、凝固点である３２℃を下回っても、３０℃から１０℃程度までであれば安定して水溶液の状態を維持する。しかし、硫酸ナトリウム３０重量％水溶液がひとたび発核すれば、硫酸ナトリウム十水和物の結晶が全体に析出し、潜熱を放出して温度上昇する。
【００６６】
・実施例１
まず、液体状態の潜熱蓄熱材６１を１５℃程度まで冷却して過冷却状態とした。この状態を初期状態とする。初期状態では、ペルチェ素子６５を冷却する水冷ヒートシンク６６にも１５℃の冷却水を循環させることで、冷却用銅板６３の先端と潜熱蓄熱材６１の温度差が生じないようにした。なお、初期状態では、シートヒータ６４およびペルチェ素子６５はオフとした。
【００６７】
次いで、シートヒータ６４およびペルチェ素子６５を動作させて、潜熱蓄熱材６１の加熱および冷却を同時に開始した。冷却及び加熱を開始するとともに、温度Ｔ１、T２およびＴ３の測定を開始した。このようにして、潜熱蓄熱材６１が発核するまでの温度変化を調べた。測定結果を図１０に示す。
【００６８】
また、比較例１として、シートヒータ６４を動作させず、潜熱蓄熱材６１の冷却のみを行う点以外は、上記実施例と同様の方法で、潜熱蓄熱材６１が発核するまでの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の変化を調べた。測定結果を図１１に示す。
【００６９】
図１０および図１１の縦軸は温度（℃）、横軸は、シートヒータ６４およびペルチェ素子６５の通電開始（またはペルチェ素子６５の通電開始）からの経過時間である。これらの測定結果から、潜熱蓄熱材６１の冷却および加熱を行うと、冷却のみを行う場合（図１１）よりも大きな温度差ΔＴ（Ｔ１−Ｔ２）が迅速に生じることが分かる。従って、潜熱蓄熱材６１の冷却と同時に加熱を行うことにより、発核までの時間を大幅に短縮できることが確認できる。
【００７０】
・温度勾配増加速度の測定
続いて、実施例１と同様の方法で潜熱蓄熱材６１の加熱・冷却を３回行い、潜熱蓄熱材６１における加熱用銅板６２と冷却用銅板６３との間に生じる温度勾配、すなわち温度差ΔT（＝Ｔ１−Ｔ２）が増加する速度（温度勾配増加速度）と、潜熱蓄熱材６１が発核するまでの時間（発核時間）との関係を調べた。ここでは、「温度勾配増加速度」として、加熱および冷却開始から４０秒間における温度勾配の平均増加速度（４０秒後の温度差ΔＴ（Ｋ）／４０（ｓｅｃ））を算出した。
【００７１】
なお、ペルチェ素子６５に印加する電流およびシートヒータ６４に印加する電流が大きいほど、温度勾配増加速度は大きくなると考えられる。そこで、ペルチェ素子６５に印加する電流を３．１Ａ（２３Ｗ）、シートヒータ６４に印加する電流を０．２Ａ（７．９Ｗ）とした。
【００７２】
同様に、比較例１と同様の方法で、潜熱蓄熱材６１の冷却のみを行った場合の温度勾配増加速度と発核時間との関係を調べた。ペルチェ素子６５に印加する電流を３．１Ａ（２３Ｗ）とした。なお、シートヒータ６４はオフ（印加電流：０Ａ）とした。
【００７３】
測定結果を図１２に示す。図１２から分かるように、潜熱蓄熱材６１の冷却のみを行った場合、温度勾配増加速度（３回の平均値）は１７．５Ｋ、発核時間は平均１３６秒であった。これに対し、潜熱蓄熱材６１の冷却および加熱を同時に行うと、温度勾配増加速度（３回の平均値）は２１．３Ｋであり、冷却のみを行う場合よりも２２％増加することが分かった。また、発核するまでの経過時間は平均７８秒であり、冷却のみを行う場合よりも４２％短縮されることが確認できた。
【００７４】
上記の実験結果から、潜熱蓄熱材の冷却と同時に加熱を行うことにより、冷却手段の冷却能力を変えることなく、潜熱蓄熱材に与える熱衝撃を大きくできることが分かった。従って、上記実施の形態によって、迅速かつ確実に潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本開示の一実施形態は、暖房機器や温水生成機器の始動時に必要なヒータ等の熱源の能力及びエネルギーを抑えつつ、素早く高温の温風・温水を出力できるようにするための補助熱源、自動車の内燃機関、変速機、蓄電池等の暖機のための熱源等として有用である。また、再生可能エネルギーなど不安定な熱源を有効活用するためのバッファ等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１００、２００、３００  蓄熱装置
１０５  熱交換部
１０７  流路
１１１  潜熱蓄熱材
１１２  容器
１１３  熱媒体
１１４  筐体
１１５  加熱用熱伝導体
１１６  冷却用熱伝導体
１５  加熱部
１６  冷却部
１１５１  加熱手段
１１６１  冷却手段
１１７  電源制御部
２１  熱負荷または熱源
２２  循環ポンプ
２３  配管
４１  ペルチェ素子
４２  断熱材
６１  潜熱蓄熱材
６２  冷却用銅板
６３  加熱用銅板
６４  シートヒータ
６５  ペルチェ素子
６６  水冷ヒートシンク
【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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