(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体の熱を利用するための熱利用槽と、前記熱利用槽に熱媒体を供給するための第１の経路と、前記熱利用槽から熱媒体を排出するための第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路の途中に設けられた蓄熱槽と、前記蓄熱槽の中に設けられ、過冷却中の自発的発核温度が前記第１の経路を通じて外部から前記蓄熱槽へ熱媒体が導入される直前までの蓄熱槽の温度よりも低く、かつ該自発的発核温度が前記第１の経路を通じて外部から前記蓄熱槽へ導入される熱媒体の温度以上である過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱体と、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段とを備えたことを特徴とする熱利用装置。
【請求項２】
熱媒体の熱を利用するための熱利用槽と、外部から熱媒体が注入され、過冷却可能な蓄熱体を備えた蓄熱槽と、前記熱利用槽と前記蓄熱槽との間で熱媒体を授受するための第１の経路と、前記蓄熱槽から前記熱利用槽に熱媒体を循環させるための第２の経路と、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段とを備え、前記第１の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の上部で連通し、前記第２の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の下部で連通し、前記蓄熱体には過冷却中の自発的発核温度が前記第１の経路を通じて外部から前記蓄熱槽へ熱媒体が導入される直前までの蓄熱槽の温度よりも低く、かつ該自発的発核温度が前記第１の経路を通じて外部から前記蓄熱槽へ導入される熱媒体の温度以上である蓄熱材が充填されていることを特徴とする熱利用装置。
【請求項３】
前記第１の経路と前記第２の経路を通過する熱媒体は、前記蓄熱槽内で隔離されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱利用装置。
【請求項４】
前記第１の経路と前記第２の経路を通過する熱媒体を前記蓄熱槽内で隔離する手段は、前記蓄熱体を取り巻きながら下方から上方に向かう管であることを特徴とする請求項３に記載の熱利用装置。
【請求項５】
前記熱供給手段は、前記蓄熱槽から前記熱利用槽へと延びる前記第１の経路の途中に設けられ、前記第１の経路を通過する熱媒体に熱を供給することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項６】
前記熱供給手段を通過する熱媒体を前記蓄熱槽に循環させるための第３の経路が前記熱供給手段と蓄熱槽との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項７】
前記蓄熱槽は、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段の燃焼排気経路中に置かれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項８】
前記過冷却可能な蓄熱材には、相分離防止材が添加されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項９】
前記蓄熱体は、過冷却可能な蓄熱材の充填された複数の小容器からなることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１０】
前記蓄熱体は、細長い形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１１】
前記蓄熱槽は、前記蓄熱体を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１２】
前記蓄熱槽は、断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１３】
前記過冷却可能な蓄熱材は、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１４】
前記過冷却可能な蓄熱材は、酢酸ナトリウム・三水和物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１５】
前記過冷却可能な蓄熱材は、硫酸ナトリウム・十水和物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１６】
前記過冷却可能な蓄熱材は、チオ硫酸ナトリウム・五水和物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１７】
前記過冷却可能な蓄熱材は、塩化カルシウム・六水和物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の熱利用装置。
【請求項１８】
熱媒体の貯蔵された熱利用槽に熱が供給されたのちに、熱利用槽の利用が終了すると、前記第２の経路を用いて熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする請求項１に記載の熱利用装置を使用した熱利用方法。
【請求項１９】
熱利用槽の利用が終了すると、熱利用槽中の熱媒体は保持された状態で、熱利用槽、第１の経路、蓄熱槽、第２の経路、熱利用槽という順で熱媒体を循環させ、熱利用槽中の熱媒体の温度成層を保持しながら、上部の高温の廃熱から蓄熱槽中の蓄熱体に注入し、蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする請求項２に記載の熱利用装置を使用した熱利用方法。
【請求項２０】
熱利用槽の利用が終了し、その廃熱が蓄熱材を融解させるのに十分な場合は、前記第２の経路を用いて前記熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させ、熱利用槽の廃熱が蓄熱材を融解させるのに不十分な場合は、蓄熱槽、第１の経路、熱供給手段、第３の経路、蓄熱槽という循環によって蓄熱槽中の熱媒体に熱を補いながら蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする請求項６に記載の熱利用装置を使用した熱利用方法。
【請求項２１】
熱媒体の貯蔵された熱利用槽に熱が供給されたのちに、熱利用槽の保温のために動作する熱供給手段の排熱で蓄熱槽を予熱し、熱利用槽の利用が終了すると、前記第２の経路を用いて熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする請求項７に記載の熱利用装置を使用した熱利用装置の熱利用方法。
【請求項２２】
熱媒体を貯蔵するための蓄熱槽において、蓄熱槽の内部に設置され、過冷却可能な蓄熱材の充填された複数の蓄熱体と、前記蓄熱体の下部に蓄熱槽を横断するように設けられた複数の熱媒体通路を持つ拡散体と、前記拡散体を挟んで蓄熱槽に設けられた熱媒体の通過する流入口と流出口とを備え、前記蓄熱材は過冷却中の自発的発核温度が過冷却中に前記流入口から前記蓄熱槽へ熱媒体が導入される直前までの蓄熱槽の温度よりも低く、かつ該自発的発核温度が過冷却中に流入口を通じて前記蓄熱槽へ導入される熱媒体の温度以上であることを特徴とする蓄熱槽。
【請求項２３】
前記拡散体は、網であることを特徴とする請求項２２に記載の蓄熱槽。
【請求項２４】
前記拡散体は、多孔質体であることを特徴とする請求項２２に記載の蓄熱槽。
【請求項２５】
前記過冷却可能な蓄熱材には、相分離防止材が添加されていることを特徴とする請求項２２乃至請求項２４のいずれか１項に記載の蓄熱槽。
【請求項２６】
前記蓄熱体は、細長い形状であることを特徴とする請求項２２乃至請求項２５のいずれか１項に記載の蓄熱槽。
【請求項２７】
前記蓄熱槽は、前記蓄熱体を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とする請求項２２乃至請求項２６の１ずれか１項に記載の蓄熱槽。
【請求項２８】
前記蓄熱槽は、断熱材で覆われていることを特徴とする請求項２２乃至請求項２７のいずれか１項に記載の蓄熱槽。
【請求項２９】
熱の注入過程においては、蓄熱槽の下部に設けられた前記流入口より熱媒体を注入し、該熱媒体を前記拡散体を通過させて、前記蓄熱体に熱を注入した後に、蓄熱槽の上部に設けられた前記流出口より熱媒体を流出させ、熱の抽出過程では、前記流入口より前記蓄熱材の過冷却の解消温度よりも低い温度の熱媒体を注入し、該熱媒体を前記拡散体を通過させて、前記蓄熱体の下部に熱媒体を接触させ、蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら前記流出口より流出されることを特徴とする請求項２２に記載の蓄熱槽を使用した蓄熱槽の熱利用方法。
【請求項３０】
前記蓄熱槽はｎ個（ｎは２以上の自然数）の蓄熱槽Ｊｉ（１≦ｉ≦ｎ−１、ｉ：整数）からなり、蓄熱槽Ｊｉ＋１の蓄熱材の融点は、蓄熱槽Ｊｉの蓄熱材の融点よりも低く、蓄熱槽Ｊｉから蓄熱槽Ｊｉ＋１へ順に熱媒体が通過して熱利用槽の廃熱が貯蔵されたのちに、蓄熱槽Ｊｉ＋１から蓄熱槽Ｊｉへ順に熱媒体が通過して廃熱が抽出されることを特徴とする請求項１に記載の熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を一定時間貯蔵する蓄熱槽を有する熱利用装置及びその装置利用管理方法に関し、特に、浴槽の廃熱を有効に利用する蓄熱槽、熱利用装置及びこの装置を使用した熱利用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃熱を有効に利用する方法として、例えば、特開２０００−１３０８８５公報に記載の排熱回収システム、風呂用排熱利用方法及び蓄熱槽が提案されている。図１４は従来の排熱回収システムを示す回路構成図である。
【０００３】
図１４において、３１は流体を循環させる流体循環路で、ここでは浴槽水を循環させる水循環路、３２は水循環路３１に設けたポンプ、３３は内部に温熱を有する流体を貯溜して利用する温熱利用槽で、ここでは浴槽である。浴槽３３の内部に例えば４０℃程度の浴槽水を貯溜して入浴に利用する。３４は温熱利用槽の流体（この場合には浴槽３３の浴槽水）を排出する流体排出手段で、例えば浴槽水の排水部であり、排熱回収後の浴槽水は排水部３４から排水される。３５はバルブなどの開閉手段であり、浴槽３３へ導入する温水の開閉を行う。３６は浴槽３３内に貯溜している水を補助的に加熱する加熱手段で、例えばヒータである。バルブ３５を開いて浴槽３内に温水が貯溜され排水部３４から排水することにより、浴槽３３内の流体である水は交換される。３３ａ、３３ｂは浴槽３３から水循環路３１への浴槽水の流出口、流入口である。
【０００４】
バルブ３５を開いて浴槽３３へ導入され貯溜された温水は、入浴で利用された後に夜間などの入浴を行わない時間帯に、ポンプ３２により流出口３３ａと流入口３３ｂを通って水循環路３１内を流動し、その温熱が後に記述する熱交換器３９で蓄熱ユニット４４側に熱回収される。
【０００５】
また、３７は水循環路、３８は水循環路３７に設けたポンプ、３９は第１熱交換部で、例えば水−水熱交換器、４０は水道管と直結している市水流入口、４１は内部に温熱を蓄熱する蓄熱材４２を有する蓄熱槽で例えば蓄熱タンク、４２は蓄熱槽４１内に充填した蓄熱材で例えば潜熱蓄熱材、４３は給湯口（温熱供給路）であり、例えばバルブ３５などの開閉手段を介し、蓄熱槽４１で加温された温水を浴槽３３に導入する流体導入手段を構成している。水循環路３７には熱媒体として例えば水を循環させる。
【０００６】
第１熱交換部である熱交換器３９の内部では水循環路３１を循環する浴槽水と水循環路３７を循環する熱媒体である水とが別々の流路で流通し、互いに熱交換可能である。ポンプ３８によって水循環路３７を循環する水が、熱交換器３９で浴槽水の温熱を吸熱し、蓄熱槽４１内を流通する際に蓄熱材用容器内に充填されている潜熱蓄熱材４２に熱を伝える。この場合、蓄熱槽４１内で水循環路３７を循環する熱媒体である水と潜熱蓄熱材４２との熱交換が行われており、第２熱交換部として動作している。即ち、水循環路３７によって、浴槽３３の流体である浴槽水からの排熱を蓄熱槽４１の潜熱蓄熱材４２に伝える温熱輸送手段を構成している。この構成では第２熱交換部と潜熱蓄熱材４２との間には、別の熱交換部を有する循環路が介在しておらず直接的に水と潜熱蓄熱材４２との間で熱交換される。
【０００７】
蓄熱槽４１内には複数の蓄熱材用容器が充填され、蓄熱材用容器の中には例えば酢酸ナトリウムやアルミニウムミョウバンなどの潜熱蓄熱材４２が封入されている。この蓄熱材用容器の周囲を水や温水が流通できる構造になっている。なお、蓄熱材用容器は、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどある程度耐熱性を有する材料で形成されている。潜熱蓄熱材４２は液体と固体の相変化を行うことにより熱を蓄熱・放熱する材料でその凝固温度によって蓄熱槽４１内に蓄えている熱の温度、即ち温熱供給路４３に供給する温熱の温度が異なる。
【０００８】
例えば、ネオペンチルグリコールでは４０℃程度、酢酸ナトリウムでは５０℃程度、ポリエチレングリコールでは６０℃程度、アルミニウムミョウバンでは９０℃程度の温度で蓄熱できる。ただし、本実施例の形態の構成では水ー水熱交換器３９で熱交換した後の水循環路３７内の水の温度も４０℃以上にはならない。従って、潜熱蓄熱材としてはネオペンチルグリコールが適していることになる。
【０００９】
上述のように構成された排熱回収システムにおいては、温熱利用槽３３の排熱を熱交換器３９を用いて、蓄熱槽４１に蓄熱し、再度、温熱利用槽３３を使用する際に、市水流入口４０から冷水を蓄熱槽４１に流入して蓄熱槽４１内の温熱が冷水に伝達される。その冷水から変化した温水が温熱供給路４３に供給され、直接の市水流よりも高温の水を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の排熱回収システムは上述のように構成されており、潜熱蓄熱材に排熱を蓄熱させているが、蓄熱槽の温度が潜熱蓄熱材の融点を下回ると、蓄熱材は勝手に凝固を開始し、せっかく貯蔵した高温の潜熱を放出してしまう。このため、熱の利用間隔が開くと、蓄熱された高温の潜熱が勝手に放出されやすい状態となり、排熱の利用効率を悪化させる原因となっていた。また、排熱の利用方法においても、何ら工夫が見られない。
【００１１】
本発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、排熱の利用効率が高く、長時間の蓄熱も可能な熱利用装置及びその熱の利用方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による熱利用装置においては、熱媒体を利用するための熱利用槽と、その中を熱媒体が通過し、前記熱利用槽に熱媒体を供給するための第１の経路と、その中を熱媒体が通過し、前記熱利用槽から熱媒体を排出するための第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路の途中に設けられた蓄熱槽と、前記蓄熱槽の中に設けられ、過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱体と、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明による熱利用装置においては、熱媒体の熱を利用するための熱利用槽と、外部から熱媒体が注入され、過冷却可能な蓄熱体を備えた蓄熱槽と、その中を熱媒体が通過し、前記熱利用槽と前記蓄熱槽との間で熱媒体を授受するための第１の経路と、前記蓄熱槽から前記熱利用槽に熱媒体を循環させるための第２の経路と、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段とを備え、前記第１の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の上部で連通し、前記第２の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の下部で連通することを特徴とする。
また、前記第１の経路と前記第２の経路を通過する熱媒体は、前記蓄熱槽内で隔離されていることを特徴とする。
また、前記第１の経路と前記第２の経路を通過する熱媒体を前記蓄熱槽内で隔離する手段は、前記蓄熱体を取り巻く管であることを特徴とする。
また、前記熱供給手段は、前記蓄熱槽から前記熱利用槽へと延びる前記第１の経路の途中に設けられ、前記第１の経路を通過する熱媒体に熱を供給することを特徴とする。
また、前記熱供給手段を通過する熱媒体を前記蓄熱槽に循環させるための第３の経路が前記熱供給手段と蓄熱槽との間に設けられていることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽は、前記熱媒体に熱を供給するための熱供給手段の燃焼排気経路中に置かれていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記過冷却可能な蓄熱材には、相分離防止材が添加されていることを特徴とする。
また、前記蓄熱体は、過冷却可能な蓄熱材の充填された複数の小容器からなることを特徴とする。
また、前記蓄熱体は、細長い形状であることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽は、前記蓄熱体を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽は、断熱材で覆われていることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材は、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物であることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材は、酢酸ナトリウム・三水和物であることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材は、硫酸ナトリウム・十水和物であることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材は、チオ硫酸ナトリウム・五水和物であることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材は、塩化カルシウム・六水和物であることを特徴とする。
【００１４】
また、上述の熱利用装置における熱利用方法は、熱媒体の貯蔵された熱利用槽に熱が供給されたのちに、熱利用槽の利用が終了すると、前記第２の経路を用いて熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする。
【００１５】
また、上述の熱利用装置における熱利用方法は、熱利用槽の利用が終了すると、熱利用槽中の熱媒体は保持された状態で、熱利用槽→第１の経路→蓄熱槽→第２の経路→熱利用槽という順で熱媒体を循環させ、熱利用槽中の熱媒体の温度成層を保持しながら、上部の高温の廃熱を蓄熱槽中の蓄熱体に注入し、蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする。
【００１６】
また、上述の熱利用装置における熱利用方法は、熱利用槽の利用が終了し、その廃熱が蓄熱材を融解させるのに十分な場合は、前記第２の経路を用いて前記熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させ、熱利用槽の廃熱が蓄熱材を融解させるのに不十分な場合は、蓄熱槽→第１の経路→熱供給手段→第３の経路→蓄熱槽という循環によって蓄熱槽中の熱媒体に熱を補いながら蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする。
【００１７】
また、上述の熱利用装置における熱利用方法は、熱媒体の貯蔵された熱利用槽に熱が供給されたのちに、熱利用槽の保温のために動作する熱供給手段の排熱で蓄熱槽を予熱し、熱利用槽の利用が終了すると、前記第２の経路を用いて熱利用槽の廃熱を前記蓄熱槽に輸送して蓄熱体中の蓄熱材を融解させたのちに、蓄熱材を過冷却現象を利用して液体のままで保持し、次の熱利用槽の利用時には、前記第１の経路を通過する熱媒体を廃熱の蓄熱された蓄熱体と接触させて蓄熱体中の蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら熱利用槽に注入されることを特徴とする熱利用装置の熱利用方法。
【００１８】
さらに、本発明による蓄熱槽においては、該蓄熱槽の内部に設置され、過冷却可能な蓄熱材の充填された複数の蓄熱体と、前記蓄熱体の下部に蓄熱槽を横断するように設けられた複数の熱媒体通路を持つ拡散体と、前記拡散体を挟んで蓄熱槽に設けられた熱媒体の通過する流入口と流出口とを備えたことを特徴とする。
また、前記拡散体は、網であることを特徴とする。
また、前記拡散体は、多孔質体であることを特徴とする。
また、前記過冷却可能な蓄熱材には、相分離防止材が添加されていることを特徴とする。
また、前記蓄熱体は、細長い形状であることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽は、前記蓄熱体を加熱するヒーターが設けられていることを特徴とする。
また、前記蓄熱槽は、断熱材で覆われていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の蓄熱槽における熱利用方法は、熱の注入過程においては、蓄熱槽の下部に設けられた前記流入口より熱媒体を注入し、該熱媒体を前記拡散体を通過させて、前記蓄熱体に熱を注入した後に、蓄熱槽の上部に設けられた前記流出口より熱媒体を流出させ、熱の抽出過程では、前記流入口より前記蓄熱材の過冷却の解消温度よりも低い温度の熱媒体を注入し、該熱媒体を前記拡散体を通過させて、前記蓄熱体の下部に熱媒体を接触させ、蓄熱材の過冷却を解消させ、該熱媒体はその時に発生する該蓄熱材の凝固熱を吸収しながら前記流出口より流出されることを特徴とする蓄熱槽の熱利用方法。
【００２０】
また、本発明による熱利用装置の蓄熱槽は、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の蓄熱槽Ｊｉ（１≦ｉ≦ｎ−１、ｉ：整数）からなり、蓄熱槽Ｊｉ＋１の蓄熱材の融点は、蓄熱槽Ｊｉの蓄熱材の融点よりも低く、蓄熱槽Ｊｉから蓄熱槽Ｊｉ＋１へ順に熱媒体が通過して熱利用槽の廃熱が貯蔵されたのちに、蓄熱槽Ｊｉ＋１から蓄熱槽Ｊｉへ順に熱媒体が通過して廃熱が抽出されることを特徴とする。
【００２１】
【作用】
本発明による熱利用装置では、第１の経路を通じて外部から蓄熱槽に導入される熱媒体の温度をＴ１、第１の経路を通じて蓄熱槽から熱利用槽に導入される熱媒体の温度をＴ２、熱利用槽の熱利用温度をＴ３、第２の経路を通じて熱利用槽から蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度をＴ４、第２の経路を通じて蓄熱槽から外部へ排出される熱媒体の温度をＴ５、蓄熱体に充填された過冷却可能な蓄熱材の融点（凝固点）をＴｍ、蓄熱材の過冷却度（融点と発核温度との差）をΔＴ、発核温度をＴｃとすれば、
Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔｍ＜Ｔ４≦Ｔ３                            （１）
Ｔ１＜Ｔ２≦Ｔｍ                                        （２）
Ｔｍ≦Ｔ５＜Ｔ４                                        （３）
Ｔｃ＝Ｔｍ−ΔＴ                                        （４）
の関係を持つようなＴｍやＴｃを示す蓄熱材を適用する。
【００２２】
熱利用槽での熱利用が終了すると、第２の経路を通じて熱利用槽から蓄熱槽へ温度Ｔ４の熱媒体が排出される。式（１）のように第２の経路を通じて熱利用槽から蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度Ｔ４は、蓄熱材の融点Ｔｍよりも高いので、蓄熱材は熱媒体からの熱を受けて融解する。第２の経路を通じて蓄熱槽から外部へ排出される熱媒体の温度Ｔ５は、蓄熱材を融解させた反作用として式（３）のようにＴ４よりも低くなる。熱利用槽の排水が無くなると蓄熱槽への熱供給が停止するので、蓄熱槽周囲の環境への熱損失によって蓄熱材の温度は低下する。蓄熱材の温度はやがて融点Ｔｍを下回ることになるが、蓄熱材は過冷却できるので、Ｔｃに達しない限りは融解熱を貯蔵した過冷却状態で液体のまま存在する。
【００２３】
熱利用槽での熱利用を再度行う際には、第１の経路を通じて外部から蓄熱槽へ温度Ｔ１の熱媒体を導入する。導入される熱媒体の温度Ｔ１は、式（１）に示すように蓄熱材の発核温度Ｔｃよりも低いので、蓄熱材は発核し、凝固を開始する。凝固中の蓄熱材の温度は融点Ｔｍになるので、第１の経路を通じて外部から蓄熱槽へ導入された熱媒体は蓄熱材の凝固熱で加熱され、Ｔ２となる。第１の経路を通じて蓄熱槽から熱利用槽へ導入される熱媒体の温度Ｔ２は、式（２）に示すように第１の経路を通じて外部から蓄熱槽へ導入される熱媒体の温度Ｔ１よりも高い。
【００２４】
熱利用槽の熱容量をＭとし、熱媒体を第１の経路の蓄熱槽を経由せずに熱利用槽へ導入すると仮定した場合に熱利用槽の昇温に必要な熱量をＱ１、本発明の方式により熱媒体を第１の経路の蓄熱槽を経由して熱利用槽へ導入する場合に熱利用槽の昇温に必要な熱量をＱ２とすれば、
Ｑ１＝Ｍ（Ｔ３−Ｔ１）                                  （５）
Ｑ２＝Ｍ（Ｔ３−Ｔ２）                                  （６）
になる。そこで、式（５）と式（６）を式（２）に代入して整理すれば、
Ｑ２＜Ｑ１                                              （７）
となる。すなわち、従来熱利用槽から利用されないままで廃棄されていた熱の一部が蓄熱材の蓄熱機能によって保存され、次回の熱利用槽の昇温の補助熱源となることで、熱利用槽の運転に必要な熱量が削減される。
【００２５】
過冷却現象を利用した蓄熱式加熱体や蓄熱器の蓄熱体には、水和物が適している。しかし、水和物は風解性あるいは潮解性と相分離が激しいので、長期間にわたって蓄熱材を密閉する手段と相分離を防止する手段を欠いて、蓄熱式加熱体や蓄熱器を実現することはできない。蓄熱材の体積が大きくなればなるほど、長期間にわたって蓄熱材を密閉する容器を製作することは強度上困難になり、また相分離の原因となる重力方向の寸法も大きくならざるをえないので、風解と相分離の防止が困難になる。
【００２６】
さらに、発明者の実験によれば、本蓄熱方式の鍵となる過冷却度は蓄熱材の体積に依存し、蓄熱材の体積が大きくなるほど過冷却度は小さくなり、過冷却度を利用した蓄熱の利点が減少してしまうことがわかった。このため、本発明による熱利用装置の蓄熱体は、内部に過冷却可能な蓄熱材を相分離防止剤とともに複数の小容器に収容する。これにより、本発明の熱利用装置では蓄熱材の風解あるいは潮解と相分離が容易に長期間防止されるとともに、蓄熱材は過冷却度が大きい状態で保持されるので、従来の提案では実現できなかった大きな過冷却現象を長期的に安定的に発現させることが可能になる。
【００２７】
また、給湯式の熱利用装置の場合、熱供給手段を通過する熱媒体を蓄熱槽に循環させるための第３の経路が熱供給手段と蓄熱槽の間に設けられているので、もしも熱利用槽の利用後の廃熱の温度が低く、蓄熱材を融解させるのに不十分な場合は、熱利用槽内の熱媒体を蓄熱槽に輸送後、第３の経路を用いることによって、蓄熱槽内の残液を熱供給手段と蓄熱槽との間で循環させ、不足分の熱を蓄熱材に供給する。あるいは、蓄熱槽内に設置したヒーターを用いることによって、不足分の熱を蓄熱材に供給する。
【００２８】
また、本発明による熱利用装置においては、熱利用槽と蓄熱槽との間で熱媒体を授受するための第１の経路と、蓄熱槽から熱利用槽に熱媒体を循環させるための第２の経路とを備えているので、熱利用槽の利用が終了したときに、熱利用槽中の熱媒体は保持された状態で、熱利用槽→第１の経路→蓄熱槽→第２の経路→熱利用槽という順で熱媒体を循環させることができ、熱利用槽中の熱媒体の温度成層を保持しながら、上部の高温の廃熱から蓄熱槽中の蓄熱体に注入し、蓄熱体中の蓄熱材を融解させる。この場合は、熱利用槽から蓄熱槽へ廃熱のみを回収するので、温度の低下した熱媒体を熱利用槽に貯蔵しておくことができ、必要に応じて再利用することができる。
【００２９】
また、本発明による蓄熱槽においては、熱媒体を拡散させるための拡散体を備えているので、注入された熱媒体は拡散体を通過し、複数の蓄熱体に均等に接触するので、蓄熱体へ均等に熱が供給される。これにより、複数の蓄熱体内の蓄熱材は、それぞれ均一に融解させられる。
【００３０】
また、本発明による熱利用装置においては、融点の異なる過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱槽を複数設置し、蓄熱材を融解させて熱を貯蔵する場合には融点の高い蓄熱槽から融点の低い蓄熱槽へ順に熱媒体を通過させ、蓄熱材を凝固させて熱を抽出する場合には融点の高い蓄熱槽から融点の低い蓄熱槽へ順に熱媒体を通過させる。
【００３１】
たとえば、二つの蓄熱槽を設け、第１の蓄熱槽の蓄熱材の融点をＳ２、第２の蓄熱槽の蓄熱材の融点をＳ４とし、第１の経路を通じて外部から第１の蓄熱槽に導入される熱媒体の温度をＸ１、第１の経路を通じて第１の蓄熱槽から第２の蓄熱槽に導入される熱媒体の温度をＸ２、第１の経路を通じて第２の蓄熱槽から熱利用槽に導入される熱媒体の温度をＸ３、熱利用槽の熱利用温度をＸ４、第２の経路を通じて熱利用槽から第２の蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度をＸ５、第２の経路を通じて第２の蓄熱槽から第１の蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度をＸ６、第２の経路を通じて第１の蓄熱槽から外部へ排出される熱媒体の温度をＸ７、第１の蓄熱槽の蓄熱材の発核温度をＳ１、第２の蓄熱槽の蓄熱材の発核温度をＳ３とすれば、
Ｘ１≦Ｓ１＜Ｓ２                                        （８）
Ｘ１＜Ｘ２≦Ｓ３＜Ｓ４                                  （９）
Ｘ２＜Ｘ３≦Ｘ４                                        （１０）
Ｓ２＜Ｓ４＜Ｘ５≦Ｘ４                                  （１１）
Ｓ２＜Ｘ６＜Ｘ５                                        （１２）
Ｘ７＜Ｘ６                                              （１３）
の関係を持つようなＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を示す蓄熱材を適用する。
【００３２】
熱利用槽での熱利用が終了すると、第２の経路を通じて熱利用槽から第２の蓄熱槽へ温度Ｘ５の熱媒体が排出される。式（１１）のように第２の経路を通じて熱利用槽から第２の蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度Ｘ５は、第２の蓄熱槽の蓄熱材の融点Ｓ４よりも高いので、蓄熱材は熱媒体からの熱を受けて融解する。第２の経路を通じて第２の蓄熱槽から第１の蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度Ｘ６は、蓄熱材を融解させた反作用として式（１２）のようにＸ５よりも低くなる。式（１２）のように第２の経路を通じて第２の蓄熱槽から第１の蓄熱槽へ排出される熱媒体の温度Ｘ６は、第１の蓄熱槽の蓄熱材の融点Ｓ２よりも高いので、蓄熱材は熱媒体からの熱を受けて融解する。
【００３３】
第２の経路を通じて第１の蓄熱槽から外部へ排出される熱媒体の温度Ｘ７は、蓄熱材を融解させた反作用として式（１３）のようにＸ６よりも低くなる。熱利用槽の排水が無くなると各蓄熱槽への熱供給が停止するので、蓄熱槽周囲の環境への熱損失によって各蓄熱材の温度は低下する。各蓄熱材の温度はやがて融点Ｓ２、Ｓ４を下回ることになるが、各蓄熱材は過冷却できるので、Ｓ１とＳ３にそれぞれ達しない限りは融解熱を貯蔵した過冷却状態で液体のまま存在する。
【００３４】
熱利用槽での熱利用を再度行う際には、第１の経路を通じて外部から第１の蓄熱槽へ温度Ｘ１の熱媒体が導入される。導入される熱媒体の温度Ｘ１は、式（８）に示すように第１の蓄熱槽の蓄熱材の発核温度Ｓ１よりも低いので、蓄熱材は発核し、凝固を開始する。凝固中の蓄熱材の温度は融点Ｓ２になるので、第１の経路を通じて外部から第１の蓄熱槽へ導入された熱媒体は蓄熱材の凝固熱で加熱され、Ｘ２となる。第１の経路を通じて第１の蓄熱槽から第２の蓄熱槽へ温度Ｘ２の熱媒体が導入される。導入される熱媒体の温度Ｘ２は、式（９）に示すように第２の蓄熱槽の蓄熱材の発核温度Ｓ３よりも低いので、蓄熱材は発核し、凝固を開始する。
【００３５】
凝固中の蓄熱材の温度は融点Ｓ４になるので、第１の経路を通じて第１の蓄熱槽から第２の蓄熱槽へ導入された熱媒体は蓄熱材の凝固熱で加熱され、Ｘ３となる。第１の経路を通じて第２の蓄熱槽から熱利用槽へ導入される熱媒体の温度Ｘ３は、式（１０）に示すように第１の経路を通じて第１の蓄熱槽から第２の蓄熱槽へ導入される熱媒体の温度Ｘ２よりも高い。第１の蓄熱槽が無い場合に外部から第２の蓄熱槽に導入される熱媒体の温度はＸ１であるのに対して、第１の蓄熱槽がある場合に第１の蓄熱槽から第２の蓄熱槽に導入される熱媒体の温度はＸ２であり、Ｘ１よりも高温である。
【００３６】
したがって、第１の蓄熱槽が無い場合よりも第１の蓄熱槽がある場合の方が、第２の蓄熱槽によって加熱され、熱利用槽に導入される熱媒体の温度は高温になり、その結果として熱利用槽の昇温に必要な熱量は削減されることになる。すなわち、蓄熱槽を複数用意し、蓄熱材の融点に関して直列に接続することによって、従来は使われずに廃棄されていた熱利用槽からの廃熱が、蓄熱槽が単独の場合よりもより有効に回収利用される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
（実施例１）
図１は、本発明による熱利用装置の構造図を示す。図において、１は浴槽、２は浴槽１に熱媒体となる水を供給するための給水経路、３は蓄熱槽１０の中に設けられ、浴槽１から廃熱を蓄熱するための蓄熱体で、内部には過冷却可能な蓄熱材が充填されている。４は蓄熱槽１０を覆うように設けられた断熱材である。５は浴槽１からの廃湯を蓄熱体３に輸送するための排水経路、６は給水経路２に設けられたバルブ、７、８は排水経路５に設けられたバルブである。９は浴槽１の中の水に熱を供給するための熱源となる湯沸かし器である。蓄熱槽１０は浴槽１よりも低い位置に配置する。
【００３８】
これによって、浴槽１の排水は自由落下により、外部動力を必要とせずに行われる。給水側はバルブ６に至る前に一定の給水圧が掛けられているので、給水においても本実施例のための特別な外部動力を与える必要はない。給水経路２においては、蓄熱槽１０の下部に入水口ａを設け、蓄熱槽１０の上部に出水口ｂを設けており、排水経路５においては蓄熱槽１０の下部に入水口ｃを設け、蓄熱槽１０の上部に出水口ｄを設けている。このような位置関係にすることにより、熱媒体が流れながら蓄熱体３に接触する面積を最大限にすることができる。
【００３９】
また、上述の過冷却可能な蓄熱材は、過冷却現象が顕著な物質の中から必要とする温度や過冷却度に応じて種々の物質を選択して用いることができる。過冷却の程度は、例えば、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物（Ｎａ２ＨＰＯ４・１２Ｈ２Ｏ）ではその凝固点が約３６℃で、結晶核が生成される温度は０℃〜３６℃程度になり、酢酸ナトリウム・三水和物（ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３Ｈ２Ｏ）ではその凝固点が約５８℃で、結晶核が生成される温度は−２０℃〜５８℃程度になることが知られている（蓄熱材の核生成温度は主に蓄熱材の体積に依存して変わる）。
【００４０】
また、チオ硫酸ナトリウム・五水和物（Ｎａ２Ｓ２Ｏ２・５Ｈ２Ｏ、凝固点約４８℃）、炭酸ナトリウム・十水和物（Ｎａ２ＣＯ３・１０Ｈ２Ｏ、凝固点約３３℃）、硫酸ナトリウム・十水和物（Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ、凝固点約３２℃）、塩化カルシウム・六水和物（ＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、凝固点約２９℃）なども、体積によるが１０℃以上の大きな過冷却度を示す。
【００４１】
他に過冷却現象が顕著な物質としては、塩化マグネシウム・六水和物（ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、凝固点１１７℃）、塩化ストロンチウム・六水和物（ＳｒＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、同１１５℃）、硫酸アルミニウム・十水和物（Ａｌ２（ＳＯ４）３・１０Ｈ２Ｏ、同１１２℃）、硫酸アルミニウム・アンモニウム・十二水和物（ＮＨ４Ａｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ、同９４℃）、硫酸カリウム・アルミニウム・十二水和物（ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ、同９３℃）、硝酸マグネシウム・六水和物（Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、同９３℃）、硝酸ニッケル（II）・六水和物（Ｎｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、同５７℃）、炭酸カルシウム・六水和物（ＣａＣＯ３・６Ｈ２Ｏ、同２９℃）、およびふっ化カリウム四水和物（ＫＦ・４Ｈ２Ｏ、同１９℃）などの水和物、マンニトール（ＨＯＣＨ２（ＣＨＯＨ）４ＣＨ２ＯＨ、同１６７℃）やエリスリトール（ＨＯＣＨ２（ＣＨＯＨ）２ＣＨ２ＯＨ、同１２２℃）などの多価アルコールを比較的人体に安全な物質として挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００４２】
上述のように構成された熱利用装置の動作について説明する。図２は熱利用装置における蓄熱材と水の温度の時間的な変化を示す。第１回目のサイクルでは、まず浴槽１に蓄熱槽１０を経る給水経路２から熱媒体である水を供給する。この場合、バルブ６は開けておき、バルブ７、８は閉じておく。この時点（時刻Ａ１）では蓄熱体３は固体で水温と同一温度である。次に、湯沸かし器９から浴槽に熱を与え、湯沸かしを行うと、水温は入浴可能な温度まで上昇し（時刻Ａ２）、入浴が行われる。入浴後はバルブ７、８を開け、バルブ６を閉じ、排水経路５から蓄熱槽１０へ浴槽１の温水を移動させると、温水は蓄熱体３と接触した後に排水されることになり、蓄熱体３中の過冷却可能な蓄熱材は、固相のまま徐々にその温度が上昇する（時刻Ａ３〜Ａ４）。時刻Ａ４で蓄熱材の融点に達すると、蓄熱材は融解し始める。融解中の蓄熱材は一定の温度になる。時刻Ａ５で融解が完了する。
【００４３】
時刻Ａ５以降は、蓄熱材は液相のままで徐々に温度が上昇し、排水の温度へ近づいて行く。時刻Ａ６で排水が終了すると、蓄熱槽１０への熱供給が無くなるので、蓄熱材の温度は蓄熱槽１０の周囲の環境への熱損失によって低下して行く。蓄熱材の温度はやがて蓄熱材の融点に達するが、蓄熱材は過冷却することが可能なのですぐには凝固を開始せず、顕熱を放出しながら液相のままで融点よりも低い温度に低下して行く。次のサイクルすなわち次の給水まで、この過冷却状態が保持できるような過冷却可能な蓄熱材を選択するか、断熱を行う。すなわち、過冷却中の蓄熱材の温度が発核温度を下回らないような断熱を行う。上述の操作において、もしも浴槽利用後の温水の温度が蓄熱材の融点を下回るときには、すぐに湯沸かし器９を用いて温水の温度が融点を上回るようにし、すべての蓄熱材が融解されるようにする。
【００４４】
次のサイクルの給水で、給水経路２から蓄熱槽１０に供給される水が、蓄熱体３を通過して浴槽１に供給されると、供給された低温の水によって蓄熱体３が冷却され、過冷却中の蓄熱材の発核が促される。つまり、蓄熱材の一部の分子同士が配向し、結晶核が生成されて蓄熱材内に結晶が成長し、凝固が開始される。この場合、凝固の開始条件として、給水温を上回る発核温度を持つ蓄熱材を選択することである。水道水の温度は季節に応じて５℃〜２５℃程度の範囲内で変化するが、たとえばリン酸水素二ナトリウム・十二水和物の発核温度は通常２０〜３０℃程度となるので、本発明の蓄熱材として適用することができる。
【００４５】
凝固が開始されると、過冷却状態の液体として持っていた位置エネルギーが放出されるので、蓄熱材原子あるいは分子の運動エネルギーが増加し、蓄熱材の温度は凝固点に回復する（時刻Ｂ０）。凝固過程では、蓄熱材は一定の温度、すなわち融点（凝固点）で潜熱を放出しながら液相から固相へと相変化して行く。このとき、注入され続ける水は、蓄熱材で放出される潜熱を吸収しながら浴槽１に移動するため、水温が上昇する。時刻Ｂ１で蓄熱材の凝固が完了すると、固体顕熱を放出しながら蓄熱材の温度は低下して給水温度に近づく。時刻Ｂ２で浴槽１への給水が完了すると、第１のサイクルと同じように湯沸かし以降が行われる。この繰り返しによって、温水の廃熱が有効利用される。
【００４６】
蓄熱材には、相分離防止材として粘土や多糖類・糊料、動植物繊維、吸液性樹脂などを添加する。多糖類・糊料には、アーモンドガム、アエロモナスガム、アカシアガム、アゾトバクター・ビネランジーガム、アマシードガム、アラビアガム、アラビノガラクタン、アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、アロエベラ抽出物、ウェランガム、エルウィニア・ミツエンシスガム、エレミ樹脂、エンテロバクター・シマナスガム、エンテロバクターガム、オクラ抽出物、カードラン、海藻セルロース、カシアガム、カゼイン、カゼインナトリウム、褐藻抽出物、ガティガム、カラギーナン、カラヤガム、カルボキシメチルセルロースカルシウム、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カロブビーンガム、キサンタンガム、キダチアロエ抽出物、キチン、キトサン、グァーガム、グアヤク樹脂、クエン酸ステアリル、グルコサミン、グルテン、グルテン分解物、ケルプ抽出物、酵母細胞膜、昆布類粘質物、サイリウムシードガム、サイリウムハスク、酸カゼイン、ザンサンガム、ジェランガム、スクレロガム、ステアリル乳酸ナトリウム、セスバニアガム、セドウガム、繊維素グリコール酸カルシウム、繊維素グリコール酸ナトリウム、タマリンドガム、タラガム、ダンマル樹脂、デキストラン、デンプングリコール酸ナトリウム、デンプンリン酸エステルナトリウム、トラガントガム、トリアカンソスガム、トロロアオイ、納豆菌粘質物、納豆菌ガム、乳酸ナトリウム、微小繊維状セルロース、ヒドロキシプロピルメチル繊維素、ヒドロキシプロピル繊維素、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸四ナトリウム、ピロリン酸二水素ナトリウム、ファーセレラン、ブドウ糖多糖、フラクタン、プルラン、ペクチン、紅藻抽出物、ホスファチジン酸アンモニウム、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタントリステアレート、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノオレート、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノステアレート、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノパルミテート、ポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレン（４０）ステアレート、ポリオキシエチレン（８）ステアレート、ポリソルベート（２０）、ポリソルベート４０、ポリソルベート６５、ポリソルベート８０、ポリビニルピロリドン、マクロホモプシスガム、マンナン、メチルセルロース、ラムザンガム、レバン、レンネットカゼイン、ローカストビーンガム、ＣＭＣなど、種々の物を利用することができる。
【００４７】
動植物繊維には羽毛や羊毛、綿花、および合成繊維などが利用できる。吸液性樹脂にはデンプン−アクリロニトリルグラフト重合体加水分解物、デンプン−アクリル酸塩架橋物、カルボキシメチルセルロース架橋体、アクリル酸メチル−酢酸ビニル共重合体ケン化物、アクリル酸重合体塩架橋物などを利用することができる。これにより、蓄熱材をより安定的に繰り返し使用することが可能になる。
【００４８】
蓄熱体３の容器は可能な限り小さい方が、蓄熱材の風解あるいは潮解と相分離の影響を長期的に防止し、大きな過冷却度を安定的に維持することができるので適している。たとえば、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物で容器の容積が１０ｍＬ程度の場合の過冷却度は１５℃程度になるが、１Ｌ程度の場合の過冷却度は１０℃程度になるので、容器の実用的な容積は数リットル程度以下となる。
【００４９】
蓄熱体３の容器の形状は任意であるが、図１のように細長い形状とすれば、給水経路２から蓄熱槽１０に流入する冷水と全ての蓄熱体３とを冷水の流入温度で接触させることができる。すなわち、蓄熱体３を細長い形状にすることは、各蓄熱体３の均一な発核を促す際に好都合である。また、図１では蓄熱体３を直立させて設置しているが、蓄熱槽１０が回転して蓄熱体３が横あるいは斜めに寝る姿勢で設置しても、図１と同様に熱媒体が蓄熱槽１０内を満たしながら蓄熱体３の長手方向に移動するような入出水口の配置を採れば、本実施例と同様の機能を実現することができる。
【００５０】
本発明による熱利用装置においては、過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱体３が設置され、発核の手段を熱媒体としているので、簡単な構造でしかも動力を用いずに廃熱の有効利用が可能となる。また、過冷却状態を保持することによって確実に蓄熱することができるので、長時間の蓄熱も可能になり、低温の廃熱の有効利用ができる。また、蓄熱体３の形状を細長く、複数個設けることにより、均一な発核を促すことができる。
【００５１】
（実施例２）
図３は本発明による他の熱利用装置の構造図である。図において、１〜１０は図１と同一あるいは相当するものを示す。１１は給水経路２に設けられたバルブ、１２は排水経路５に設けられたポンプである。本実施例においては、熱移動の原理は実施例１と同様である。実施例１では浴槽１からの排水に自由落下を利用し、排水のための外部動力を不要としているが、本実施例はポンプ１２を設けることで、ポンプ動力は必要となるが浴槽１と蓄熱槽１０の位置関係を任意に設定することが可能となる。たとえば、蓄熱槽１０を浴室の高所の空いている空間に設置したり、浴室とは別室の空いている空間に設置したり自由に設定することが可能である。
【００５２】
（実施例３）
図４は本発明による他の熱利用装置の構造図である。図において、１〜１０は図１と同一あるいは相当するものを示す。１３は蓄熱槽１０の内部に設置したヒーターである。ヒーターのエネルギー源は熱や電気、光など、自由に選択することができる。
【００５３】
本実施例は、給湯式の熱利用装置を示す。すなわち、浴槽１に熱媒体である水を加熱してから供給するシステムであり、給水経路２が湯沸かし器９を通過するように設置されているので、給水経路２から浴槽１に温水が供給される。発明の原理は実施例１と変わらないので、その説明を省略する。浴槽１の廃熱の温度が融点より十分に高くないか温度が高くとも排水量が少ない場合には、廃熱が不足して蓄熱材を完全に融解させることができないので、排水直後にヒーター１３で蓄熱材を加熱することによって、蓄熱材を完全に融解させることが可能になる。さらに、予期しない気温の低下によって発核予定の時刻までに蓄熱材が発核温度を下回る恐れがある場合には、ヒーター１３で蓄熱体３を加熱することによって、無用な発核を避けることができる。
【００５４】
（実施例４）
図５は本発明による他の熱利用装置の構造図である。図において、１〜１０は図１と同一あるいは相当するものを示す。１４は蓄熱槽１０と湯沸かし器９との間で熱媒体が循環できるように設けられた循環経路、１５は経路を切り替えるための三方弁、１６は熱媒体を循環させるためのポンプである。１７は循環経路１４に設けられた自動空気抜き弁である。本発明は、給湯式の熱利用装置において、浴槽１の廃熱の温度が蓄熱材の融点を上回らない場合に、湯沸かし器９を用いて不足する熱を補う方法を実現するものである。廃熱が十分な場合は、実施例１と変わらないので、その説明を省略する。ただし、給水時、給水経路２を通過する熱媒体が循環経路１４を通過しないように、三方弁の向きは循環経路１４を閉鎖するようにする。
【００５５】
さて、浴槽１の廃熱の温度が融点より十分に高くないか温度が高くとも排水量が少ない場合には、廃熱が不足して蓄熱材を完全に融解させることができないので、湯沸かし器９と循環経路１４とを用いて蓄熱材が完全に融解するような操作をする。すなわち、温水の排水後にまず排水経路５のバルブ７とバルブ８を閉じ、三方弁１５を三方の流れが通じるように設定する。次に、給水経路２のバルブ６を開き、給水経路２と循環経路１４に水を満たしたのちに、バルブ６を閉じる。次に、三方弁１５を給水経路２において蓄熱槽１０から三方弁１５に至る経路と循環経路１４とが接続され、給水経路２のうち三方弁から給水経路２の浴槽側出口までの経路は閉鎖されるように設定する。
【００５６】
ここで、湯沸かし器９とポンプ１６を作動させれば、蓄熱材に熱が追加される。蓄熱材が完全に融解すれば、湯沸かし器９とポンプ１６を停止し、バルブ８を開いて排水を行う。以上の操作により、万一の廃熱の不足が補償される。本実施例では、新たに給水することで給水経路２及び循環経路１４に水を満たしたが、類似の操作によって浴槽１からの高温の排水で給水経路２及び循環経路１４に水を満たし、より省エネルギー性を高めることも可能である。
【００５７】
（実施例５）
図６は本発明による他の熱利用装置の構造図である。図において、１〜６、８〜１０は図１と同一あるいは相当するものを示す。１８は浴槽１と蓄熱槽１０との間で熱媒体が循環できるように設けられた循環経路、１９は循環経路１８中に設けられたバルブ、２０は循環経路１８中に設けられたポンプである。
【００５８】
上述のように構成された熱利用装置においては、排水を行う前に蓄熱槽１０に廃熱を輸送するシステムになっているので、排水の洗濯や散水等への有効利用が可能となる。つまり、浴槽１の利用後にバルブ１９を開け、ポンプ２０を用いて温水を入水口ｃから蓄熱槽１０に移動させ、出水口ｄを通過して浴槽１に戻らせる。このように排水が循環経路１８を循環しているうちに蓄熱体３へ熱が移動し、蓄熱が完了する。蓄熱が完了して温度の低下した排水は、洗濯や散水などに用いられ、残りは排水経路５から排出される。浴槽１の上部の温水から取水し、浴槽１の下部へ戻すように水を循環させるので、浴槽１内に自然に形成される温度成層を崩すことなく、浴槽１の上部の高温層の熱を蓄熱材の融解に有効に利用することができる。
【００５９】
（実施例６）
上述の実施例１〜５において、図７に示すように蓄熱槽１０の内部で蓄熱体３を取り巻くような管を排水系路５とすれば、給水と排水とが蓄熱槽１０の中で同一の空間を通過することがなく、給水路２及び蓄熱槽１０内が排水で汚染されることを防止することができる。
また、これに代わる機能は、図１〜図６に示す蓄熱槽１０において、給水時に蓄熱槽１０に導入された初めの数リットルの水で蓄熱槽内を洗浄させたのちに、廃棄することで実現することも可能である。
また、これに代わる機能は、給水経路２の流出口ｂあるいは排水経路５の流入口ｃにフィルターを付けることによっても実現することが可能である。
【００６０】
（実施例７）
図８および図９は、それぞれ本発明による蓄熱槽１０の断面構造図を示す。図において、２〜５、１０は図１に示すものと同一あるいは相当するものを示す。２１は、蓄熱槽１０の内部を横断するように設けられた拡散体で、多数の孔を持つ面からなり、経路５から流入した熱媒体を蓄熱槽１の断面全体に均一化する。この拡散体２１は、金網、プラスチック網、パンチングメタル等の網状板や、スポンジ等の多孔質体など種々の材質、構造を採ることができる。図８に示す蓄熱槽は縦方向に細長い蓄熱体３を備えた場合で、図９に示す蓄熱槽は横方向に細長い蓄熱体３を備えた場合を示す。
【００６１】
次に上述のように構成された蓄熱槽の動作について、図８の配置を例として説明する。説明の都合上、拡散体２１で分離される蓄熱槽１０の上部領域を領域Ａ、下部領域を領域Ｂと呼ぶ。図９においても、基本的な動作は同様である。まず、熱の注入過程、つまり風呂の排水を蓄熱槽１０に誘導する過程において、潜熱蓄熱材の融点以上の温度にある熱媒体は流入口ｃ→領域Ｂ→領域Ａ→流出口ｄの順に通過し、蓄熱材を融解させる。このとき、領域Ｂに流入した熱媒体は、拡散体２１を通過することによってその流れが蓄熱槽横断面全体に均一化され、熱媒体が蓄熱体３と全体的に接触することになり、効率よく蓄熱することが可能となる。
【００６２】
熱の保存過程では、外部環境の影響を受けて蓄熱材の温度は徐々に低下し、やがて凝固点に到達するが、過冷却現象のために凝固は開始されない。蓄熱材の温度はさらに低下し、凝固点よりも低い温度になるが、液体のまま存在することができる。蓄熱槽１０の形状や蓄熱槽１０を構成する断熱材は、貯蔵期間内に蓄熱材が再結晶化温度を下回らないように設計されているため、蓄熱材の温度は凝固点を切り、再結晶化温度に近づいて行くが、貯蔵期間内に再結晶化することはない。
【００６３】
熱の抽出過程、つまり風呂に給水する過程においては、流入口ａ→領域Ｂ→領域Ａ→流出口ｂの順序で冷水を通過させ、蓄熱材の一部の温度を再結晶化温度まで低下させて凝固を誘発させる。この時、領域Ｂに注入された冷水は拡散体２１を通過して領域Ａに到達するため、流入する冷水は蓄熱槽１０の下部から蓄熱槽１０の断面全体に均一に拡散する。つまり、蓄熱体３の下部に均一に冷水が接触し、過冷却中の蓄熱材の発核を時間的に均一に促す。
【００６４】
図８に示す蓄熱槽においては、熱媒体の温度の成層化を利用でき、蓄熱体３の下側から発核させやすいという利点がある。図９に示す蓄熱槽においては、重力方向の寸法が小さいので、蓄熱材の相分離防止の点では図８よりも有利となる。本実施例では、本発明の蓄熱槽を風呂廃熱で利用する場合について説明したが、図１０に示すように、蓄熱槽を直接熱源につないで様々な用途で利用できることは、言うまでもない。
【００６５】
また、実施例１でも説明したように、発核を促すために蓄熱体の形状は細長い形状が望ましい。本発明の蓄熱装置においては、蓄熱のために流入される温水や過冷却中の蓄熱材の発核を促すための冷熱が均一に拡散するため、温水、冷水それぞれが蓄熱体３に対して持つ作用を効果的に利用することができ、効率よく熱エネルギーを回収利用することができる。
【００６６】
（実施例８）
図１１、図１２は蓄熱槽１０を湯沸かし器９の内部に納めた例を示している。これにより、湯沸かし器９と一体化したコンパクトな蓄熱式給湯機を提供することができる。特に図１２の場合には、蓄熱槽を湯沸かし器９の燃焼排気経路に暴露させることができるので、追い焚き時の廃熱で蓄熱槽を予熱し、図１１の場合よりも大量の蓄熱材を安定的に過冷却貯蔵させ、より多くの熱を回収利用させることができる。図１２の場合には、断熱材４は湯沸かし器９と蓄熱槽３を収納する筐体に設けるのが効果的である。
【００６７】
（実施例９）
上述の実施例は、一種類の蓄熱材を用いた熱利用装置であったが、図１３に示すように複数の過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱槽を用意し、融点の高い蓄熱材の充填された蓄熱槽から融点の低い蓄熱材の充填された蓄熱槽へ順に組み合わせて熱カスケードを形成させることができる。図１３では、浴槽１からの約４０℃の廃水を融点の高い蓄熱材の順に、すなわちリン酸水素二ナトリウム・十二水和物（凝固点３６℃）、硫酸ナトリウム・十水和物（凝固点３２℃）、塩化カルシウム・六水和物（凝固点２９℃）の順に通過させることによって、それぞれの蓄熱材に廃熱を蓄熱させることができる。
【００６８】
また、発核を促す際には、融点の低い蓄熱材の充填された蓄熱槽から融点の高い蓄熱材の充填された蓄熱槽へ順に、すなわち塩化カルシウム・六水和物、硫酸ナトリウム・十水和物、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物の順に冷水を通過させることによって、それぞれの蓄熱材の発核を促し、蓄熱材からの潜熱を有効に利用することができる。
【００６９】
上述のように、複数の過冷却可能な蓄熱材を組み合わせることによって、さらに廃熱の有効利用度を高めることが可能になる。本実施例では、廃熱として、風呂の湯を用い、過冷却可能な蓄熱材として、リン酸水素二ナトリウム・十二水和物、硫酸ナトリウム・十水和物、塩化カルシウム・六水和物を用いたが、上述の原理を利用するのにこれらのものに限定されるものではない。
【００７０】
たとえば、熱利用槽の熱利用温度が２００℃であり、熱媒体の供給温度が１０℃となる熱利用装置に対しては、マンニトール（凝固点１６７℃）→塩化マグネシウム・六水和物（同１１７℃）→硫酸アルミニウム・アンモニウム・十二水和物（同９４℃）→酢酸ナトリウム・三水和物（同５８℃）→チオ硫酸ナトリウム・五水和物（凝固点４８℃）→リン酸水素二ナトリウム・十二水和物（同３６℃）→塩化カルシウム・六水和物（同２９℃）の順に廃熱から熱を回収して過冷却現象を利用して蓄熱し、熱利用時には上記とは逆の順で熱媒体を通過させて加温させることで、蓄熱材が単一の場合よりも多くの熱を回収・利用することができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明によると、次のような効果が生じる。
（１）本発明による熱利用装置においては、熱利用槽に熱媒体を供給するための第１の経路の中に過冷却可能な蓄熱材が充填された蓄熱体と、熱利用槽中の温水を蓄熱体に輸送するための第２の経路とを備えているので、熱利用槽の廃熱を蓄熱体中の蓄熱材に過冷却状態で貯蔵することができ、また熱媒体を用いて望ましい時間に容易に発核を促すことができるので、長時間の蓄熱も可能になり、廃熱の効果的な貯蔵と利用を実現することができる。
（２）また、蓄熱体の形状を変化させることによって、過冷却度を制御することができるので、外部環境・水温等の種々の条件に対応することも可能になる。また、断熱材の材質や厚さを制御することによっても外部環境の条件に対応することができる。
（３）さらに、過冷却可能な蓄熱材に相分離防止材を添加すると、蓄熱材の相分離を長期的に防止することができ、蓄熱材を安定的に繰り返し利用することが可能になる。
【００７２】
（４）また、本発明による給湯式の熱利用装置においては、廃熱が蓄熱材を完全に融解させるのに不十分な場合に、第３の経路を用いて熱媒体を熱供給手段と蓄熱槽との間で循環させ、不足分の熱を蓄熱材に供給することによって蓄熱材を完全に融解させ、過冷却現象を有効に利用することが可能になる。
（５）また、本発明による給湯式の熱利用装置においては、廃熱が蓄熱材を完全に融解させるのに不十分な場合に、ヒーターを用いて不足分の熱を蓄熱材に供給することによって蓄熱材を完全に融解させ、過冷却現象を有効に利用することが可能になる。
（６）また、本発明による給湯式の熱利用装置においては、給湯や追い焚きの際の燃焼廃熱で蓄熱槽を予熱させることによって大量の蓄熱材を融解させ、過冷却現象を有効に利用することが可能になる。
【００７３】
（７）また、本発明による熱利用装置においては、熱利用槽と蓄熱槽との間で熱媒体を授受するための第１の経路と、蓄熱槽から熱利用槽に熱媒体を循環させるための第２の経路とを備えているので、熱利用槽と蓄熱槽との間で熱媒体を循環させることができ、利用済みの熱媒体を熱利用槽に保持した状態で、熱利用槽中の廃熱を蓄熱槽中の蓄熱材に移動させることが可能となる。これにより、廃熱回収後の熱媒体を熱利用槽から抽出し、別な用途に利用することができる。
（８）また、前記第１の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の上部で連通し、前記第２の経路は前記熱利用槽と蓄熱槽の下部で連通しているので、熱媒体を循環させるときに、蓄熱槽内の熱媒体の温度成層を保持した状態で、高温の熱を効率的に蓄熱槽に移動させることができる。
【００７４】
（９）また、本発明による蓄熱槽においては、拡散体を備えているので、熱媒体を均一に蓄熱体に接触させることができ、冷水による発核操作を効果的に促進させることができる。
（１０）また、本発明による熱利用装置においては、融点の異なる過冷却可能な蓄熱材の充填された蓄熱槽を複数用意し、融解時には蓄熱材の融点の高い順に熱媒体を通過させ、熱回収時には蓄熱材の融点の低い順に熱媒体を通過させることによって、熱カスケードを構成し、廃熱の有効利用度を一段と高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における熱利用装置の構造図である。
【図２】本発明における熱利用装置の熱媒体あるいは蓄熱材の温度の時間的な変化を示す図である。
【図３】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図４】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図５】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図６】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図７】本発明による蓄熱槽の構造図である。
【図８】本発明による蓄熱槽の構造図である。
【図９】本発明による蓄熱槽の構造図である。
【図１０】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図１１】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図１２】本発明による熱利用装置の構造図である。
【図１３】本発明による熱利用装置の熱利用方法を示す図である。
【図１４】従来の潜熱蓄熱利用装置の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１    浴槽
２    給水経路
３    蓄熱体
４    断熱材
５    排水経路
６、７、８、１１、１９  バルブ
９    湯沸かし器
１０  蓄熱槽
１２、１６、２０  ポンプ
１３  ヒーター
１４、１８  循環経路
１５  三方弁
１７  自動空気抜き弁
２１  拡散体
【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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