JPH09145107A - 潜熱蓄熱システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】蓄熱槽の蓄熱量を簡易な手段で精度良く計測
し、これを基にシステムの適正な運転制御が行えるよう
にした潜熱蓄熱システムを提供する。 【解決手段】熱源機１，蓄熱槽４，熱負荷用の熱交換器
４，および前記機器の間を結んで配管したブライン循環
管路６からなり、前記蓄熱槽の槽内には小径なボール状
カプセル（ディンプル付き）に潜熱蓄熱媒体を封入して
なる蓄熱体３を充填した潜熱蓄熱システムにおいて、前
記蓄熱槽の頂部に大気側に開放したブライン膨張タンク
１３を備え、さらに膨張タンク内にブライン１４の液面
レベルを検出する液面レベルセンサ１５を付設し、該セ
ンサにより蓄熱媒体の凝固／融解に伴う蓄熱体の容積変
化に対応した膨張タンクの液面レベル変化を検出し、こ
の液面レベル信号を基に蓄熱槽の蓄熱量を求めてシステ
ムの運転制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば建屋内を
冷，暖房する空調システムに適用し、電気料金の割安な
夜間電力で熱源機を運転して蓄熱するとともに、昼間の
時間帯に放熱して空調機器の運転を行うようにした潜熱
蓄熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】空調システムを対象とした頭記の潜熱蓄
熱システムとして、熱源機（冷凍機），熱交換器を含む
ブライン循環系に多数の潜熱蓄熱体（ボール状カプセル
内に潜熱蓄熱媒体を封入したもの）を充填した蓄熱槽を
組合わせ、熱負荷（空調機器）を運転休止する深夜時に
は電気料金の割安な夜間電力を使って運転する熱源機と
蓄熱槽との間でブラインを循環して熱源機の生成熱を蓄
熱槽に蓄熱し、昼間の熱負荷運転時には蓄熱槽と熱交換
器との間でブラインを循環して蓄熱槽に貯えた熱量を熱
交換器を介して熱負荷側に放熱するようにした蓄熱シス
テムが、例えば特開昭６０−１９６５５８号公報に開示
されて公知である。

【０００３】なお、前記の潜熱蓄熱媒体として、冷熱用
の蓄熱媒体では液相の媒体を凝固させた状態で冷熱を蓄
熱し、融解させて冷熱を放熱する。また温熱用の蓄熱媒
体では、前記とは逆に固相の状態にある媒体を融解させ
て温熱を蓄熱し、凝固させて放熱するように、その使用
温度に応じて蓄熱媒体の材料を選択する。一方、前記の
蓄熱システムでは、システムの運用管理面から蓄熱槽に
おける蓄熱量を常時監視しておき、これを基に蓄熱モー
ドでの熱源機の運転制御，並びに放熱モードでの熱源機
の後追い運転制御などを自動的に行うようにしている。

【０００４】また、この場合に従来の蓄熱槽では、蓄熱
槽の入口と出口でここを流れるブラインの液温を計測
し、その温度差から蓄熱量の現在値を演算により求め、
これを基に蓄熱システムを運転潜熱するようにしている
のが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
に蓄熱槽の入口／出口におけるブラインの液温温度差か
ら蓄熱槽の蓄熱量を求める従来の方式では、槽内を通流
するブラインの温度分布のばらつきなど原因で蓄熱量の
測定精度が低くなって実際値と測定値との間に大きな誤
差が生じ、このためにシステムの運用面で蓄熱槽の蓄熱
能力が十分に生かせなかったり，熱負荷の変動にも十分
に対応できないなど、蓄熱システムを有効，かつ経済的
に運転制御することが中々困難であった。

【０００６】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記課題を解決し、蓄熱槽の蓄熱量
を簡易な手段で精度良く計測し、これを基にシステムの
適正な運転制御が行えるようにした潜熱蓄熱システムを
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、多数のボール状蓄熱体を充填した
蓄熱槽に対して大気側に開放したブライン膨張タンクを
備えるとともに、該膨張タンク内にブラインの液面レベ
ルセンサを付設し、該センサにより蓄熱媒体の凝固／融
解に伴う蓄熱体の容積変化に対応した膨張タンクの液面
レベル変化を検出し、この液面レベル変化を基に蓄熱槽
の蓄熱量を求めてシステムの運転制御を行うものとす
る。

【０００８】ここで、前記の蓄熱体は、ボール状カプセ
ルが周面上に凹みを形成したディンプル付きカプセル
で、かつこのカプセル内に蓄熱媒体を殆ど満杯状態に封
入したものを採用するのが有効である。また、前記にお
ける蓄熱槽の実施形態として、蓄熱槽を密閉形容器で構
成し、かつ液面レベルセンサを備えたブライン膨張タン
クを前記蓄熱槽の上方に分離配置して蓄熱槽の頂部に連
通接続する。あるいは、蓄熱槽を大気開放形容器で構成
するとともに、該容器内の頂部に大気側に連通するブラ
イン膨張タンク部を画成し、この膨張タンク内に液面レ
ベルセンサを配置した構成のものを採用することができ
る。

【０００９】上記において、蓄熱体のカプセル内に封入
した蓄熱媒体が凝固して液相から固相へ、あるいは液相
から固相に相変化すると、その相変化に対応して蓄熱媒
体が膨張／収縮する。ここで、蓄熱体としてディンプル
（凹み）付きカプセルの中に残余空間を残すことなく蓄
熱媒体を殆ど満杯状態に封入したものを採用すれば、蓄
熱媒体の凝固に伴い当初の液相状態で凹んでいたカプセ
ルのディンプルが膨らみ、蓄熱媒体が融解すれば再びデ
ィンプルが凹んだ状態に戻る。したがって、蓄熱媒体の
凝固／溶解の相変化がカプセルの容積変化として顕著な
形で現れるようになる。

【００１０】したがって、蓄熱体を充填した蓄熱槽内に
定量のブラインを満たした状態で、蓄熱モード，放熱モ
ードの際に蓄熱媒体が凝固／融解すると、蓄熱体カプセ
ルの容積変化に相応してブライン膨張タンクの液面レベ
ルが上昇，下降するので、この液面レベルの変化を測
定，監視することにより、蓄熱槽での蓄熱状態を判別で
きる。しかも、蓄熱媒体の熱膨張率、蓄熱体１個のカプ
セルに封入した蓄熱媒体の量、蓄熱槽に充填した蓄熱体
の個数、および膨張タンクの断面積などは既知の値であ
ることから、前記の液面レベルの変化を測定することで
蓄熱媒体の凝固／融解状態の変化、したがって蓄熱槽に
おける蓄熱量の現在値を高精度に求めることが可能であ
る。このことから、膨張タンクの液面レベルを測定，監
視することで、液面レベル検出値を基に蓄熱システムを
最適条件で運転制御することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。 〔実施例１〕図１は冷房用の空調システムを実施対象
に、密閉形蓄熱槽の槽内に充填した冷熱用の潜熱蓄熱体
として、蓄熱媒体である水をディンプル付きボール状カ
プセルに封入したものを採用した冷熱用潜熱蓄熱システ
ム全体の構成図である。図において、１は熱源機（冷凍
機）、２は槽内に多数の蓄熱体３を充填した密閉形の蓄
熱槽、４は熱交換器、５は熱負荷（冷房機器）、６は熱
源機１，蓄熱槽２，熱交換器４の相互間を結んで配管し
たブライン循環管路、７，８はブライン循環ポンプ、９
は熱負荷側の冷水循環ポンプ、１０はブラインバイパス
管路、１１は三方制御弁である。さらに、前記蓄熱槽２
の上方には接続配管１２を介して大気開放形のブライン
膨張タンク１３が連通接続されており、このタンク内に
はブライン１４の液面レベルＨを検出する液面レベルセ
ンサ１５を備えている。また、１６は蓄熱システムの運
転制御を司る制御監視盤であり、前記液面レベルセンサ
１５の検出信号を取り込んで蓄熱槽２の蓄熱量に換算
し、これを基に蓄熱モード，放熱モードでの運転制御を
行う。なお、ブライン１４としては例えばエチレングリ
コール（３３％）の不凍液を採用し、常温状態で膨張タ
ンク１３の液面レベルが基準レベルＨとなるように、蓄
熱システムの配管系に所定量のブラインを満たしてお
く。

【００１２】また、図２（ａ),（ｂ）は前記の蓄熱体３
を示し、外形１００mm，厚さ１mm程度の樹脂（例えば高
密度ポリエチレン）で作られたボール状カプセル３ａの
周面には凹みとなるディンプル３ｂがあらかじめ成形さ
れおり、このカプセル３ａの中には潜熱蓄熱媒体３ｃと
して例えば水が殆ど残余空間を残さずに満杯状態に封入
されている。なお、（ａ）は蓄熱媒体３ｃが溶融（液
相）している状態を、また（ｂ）は蓄熱媒体３ｃが凝固
（固相）している状態を表し、（ａ）の状態ではカプセ
ル３ａのディンプル３ｃが凹んでおり、蓄熱媒体３ｃが
凝固して膨張すると（ｃ）のようにカプセル３ａのディ
ンプル（凹所）３ｂが蓄熱媒体３ｃの膨張に押されてほ
ぼ平坦となるように膨出する。なお、かかるディンプル
付きのボール状蓄熱体３は、実用新案登録第１８５２４
９９号（実公平２−１２５５０号）として既に登録され
ている。

【００１３】次に前記構成になる蓄熱システムの蓄熱運
転モード，放熱運転モードにおける運転動作を図３
（ａ),（ｂ）により説明する。まず、熱負荷５を運転休
止している深夜の時間帯では、蓄熱運転モードに設定し
て電気料金の安い夜間電力で熱源機１を運転し、（ａ）
のように熱源機１と蓄熱槽２との間で循環ポンプ８によ
りブラインを循環送流し、熱源機（冷凍機）１で生成し
た冷熱を蓄熱槽２に充填した先記の蓄熱体３（図２参
照）に蓄熱させる。この蓄熱運転モードの過程で蓄熱体
３のカプセル３ａに封入した蓄熱媒体３ｃが凝固（水が
氷結する）して膨張すると、その凝固の進行に合わせて
カプセル３ａのディンプル３ｂが膨らんで蓄熱体３の容
積が増加するとともに、この容積増加に伴って蓄熱槽２
から排斥されたブラインが膨張タンク１３に入り込み、
その液面レベルがＨを次第に上昇させる。そして、蓄熱
体３のカプセル３ａに封入した蓄熱媒体３ｃが全て凝固
すると液面レベルＨの上昇が最大値を示す。そこで、液
面レベルセンサ１５の検出信号を基に制御監視盤１６で
蓄熱槽２での蓄熱状態を監視し、液面レベルＨが最大値
となったところで、制御監視盤１６からの指令で熱源機
１の運転を停止制御して過剰な電力の投入を防ぐ。

【００１４】一方、昼間の時間帯で熱負荷５を運転する
際には蓄熱システムを放熱運転モードに切り換える。こ
の放熱運転モードでは（ｂ）のようにポンプ７，９を始
動してブラインを蓄熱槽２と熱交換器４との間で循環さ
せ、蓄熱槽２で夜間に貯えておいた冷熱をブラインに放
熱して熱交換器４に付与し、該熱交換器４を介して熱負
荷５に供給する循環水を冷却して冷房を行う。なお、熱
負荷５の負荷変動に対応して、熱負荷側の送水温度を所
定の水温に保つように、三方制御弁１１を制御して蓄熱
槽２とバイパス管路１０とに流すブラインの分流割合を
適宜にコントロールするものとする。

【００１５】また、この放熱運転モードでは、蓄熱槽２
の放熱に伴って蓄熱体３に封入した蓄熱媒体３ｃが融解
してディンプル付きカプセル３ａの容積が減少するの
で、放熱の進行に伴って膨張タンク１３の液面レベルＨ
が次第に下降する。したがって、この液面レベルを測
定，監視することで蓄熱槽２における残余の蓄熱量を精
度よく求めることができる。

【００１６】なお、図示の放熱運転モードでは放熱中に
熱源機１を運転停止しているが、運転時間の経過ととも
に蓄熱槽２の蓄熱量が次第に減少することから、蓄熱槽
２の蓄熱量だけでは熱負荷５が要求する冷熱量を十分賄
い切れない状態になれば、熱源機１を後追い運転して蓄
熱量の不足分を補うようにする。この場合でも先記した
膨張タンク１３の液面レベルＨを監視して熱源機１を運
転制御することで、過剰な電力の投入を抑えた最適条件
での経済運転が達成できる。

【００１７】また、前記の蓄熱システムにおいては、熱
源機１にヒートポンプを採用し、蓄熱運転モードでヒー
トポンプにより生成した温熱を蓄熱槽２に充填した蓄熱
体３に顕熱のかたちで蓄熱させ、放熱運転モードで熱交
換器４に温熱を付与てし熱負荷５で暖房運転を行うこと
も可能である。 〔実施例２〕次に本発明の応用実施例として、蓄熱槽を
大気開放形容器で構成してその槽内にブライン膨張タン
ク部を画成した実施例を図４に示す。この実施例におい
ては、蓄熱槽が鋼材，コンクリート，強化プラスチック
（ＦＲＰ）などで構築された大気開放形の蓄熱槽１７と
してなり、かつその天井板には大気側に連通した通気管
１７ａを備えている。また、蓄熱槽１７の槽内頂部には
ブラインの膨張タンク部１７ｂとして機能する空間を画
成するとともに、槽内の上下にブライン給排用のディス
トリビュータ１８を配管し、さらに上部のディストリビ
ュータ１８の下方には槽内に充填した実施例１と同様な
ボール状の蓄熱体３の液面上への浮上を押え込むよう
に、格子状の仕切枠１９を装備している。そして、前記
の膨張タンク部１７ｃの中には液面レベルセンサ１５が
配置されている。なお、２０，２１は蓄熱槽１７の上下
箇所に備えたマンホールである。

【００１８】かかる構成の開放形蓄熱槽１７は実施例１
と同様に熱源機１，熱交換器４などと組合わせて潜熱蓄
熱システムを構成しており、使用状態では図示のように
蓄熱槽１７の槽内頂部に画成した膨張タンク部１７ｂに
大気側に通じる空間を残して液面レベルＨまでブライン
１４で満たしておく。そして、蓄熱運転モード，放熱運
転モードでは、実施例１で述べたと同様に、蓄熱体３の
カプセルに封入した蓄熱媒体の凝固／融解に伴うカプセ
ル容積の変化をブラインの液面レベル変化として液面レ
ベルセンサ１５により検出し、これを基に蓄熱槽１７の
蓄熱量を精度よく求めて蓄熱システムの運転制御を行
う。

【００１９】しかも、前記した膨張タンクと一体化した
大気開放形蓄熱槽１７を採用することにより、実施例１
の密閉形蓄熱槽と較べて独立したブライン膨張タンク１
３が省略できるほか、蓄熱槽１７には槽内に満たしたブ
ラインの静圧（例えば、高さ１０ｍのタンクでの静圧は
１Kg／cm² ）が加わるのみであることから、その設計上
で要求される耐圧強度が低くて済み、それだけ蓄熱槽が
安価に構築できる利点がある。

【００２０】なお、図示実施例では、冷房用空調システ
ムに適用する冷熱の蓄熱システムについて述べたが、蓄
熱体に封入する蓄熱媒体として温熱仕様の潜熱蓄熱媒体
を選択することにより、暖房用空調システムの蓄熱シス
テムにも同様に実施適用できることは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、多
数の蓄熱体を充填した蓄熱槽の蓄熱量を、大気側に開放
したブライン膨張タンクの液面レベル変化から求めるよ
うにしたことにより、従来の蓄熱槽のように入口，出口
におけるブラインの温度差から蓄熱量を求める方式と較
べて蓄熱槽内におけるブラインの温度分布のバラツキな
の影響を受けることなしに蓄熱量の測定精度が大幅に向
上するとともに、この液面レベルの検出値を基に蓄熱シ
ステムを運転制御することにより、蓄熱槽の蓄熱能力を
最大限に有効活用して当該蓄熱システムを最適条件で運
転制御することができる。

【００２２】また、蓄熱槽に充填した蓄熱体としてディ
ンプル付きのボール状カプセルに蓄熱媒体をほぼ満杯状
態に封入したものを採用することにより、カプセル内に
封入した蓄熱媒体の凝固／融解による固相，液相の相変
化が蓄熱体カプセルの容積変化として顕著に現れ、その
容積変化に対応するブライン膨張タンクの液面レベル変
化を測定することにより、蓄熱量を高精度に求めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する蓄熱システム全体
の構成図

【図２】図１の蓄熱槽内に充填した蓄熱体の構成を示
し、（ａ）は蓄熱媒体が融解している状態を表す図、
（ｂ）は蓄熱媒体が凝固している状態を表す図

【図３】図１の実施例における蓄熱システムの運転動作
の説明図であり、（ａ）は蓄熱運転モードの状態を表す
図、（ｂ）は放熱運転モードの状態を表す図

【図４】本発明の実施例２に対応する開放形蓄熱槽の構
成断面図

【符号の説明】

１ 熱源機 ２ 密閉形蓄熱槽 ３ 蓄熱体 ４ 熱交換器 ５ 熱負荷 ６ ブライン循環管路 ７，８ ブライン循環ポンプ １３ ブライン膨張タンク １４ ブライン １５ 液面レベルセンサ １６ 制御監視盤 １７ 大気開放形蓄熱槽 １７ａ 通気管 １７ｂ 膨張タンク部

フロントページの続き (72)発明者 渡辺 広作 神奈川県川崎市幸区幸町３丁目13番

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱源機，蓄熱槽，熱交換器，および前記機
   器の間を結んで配管したブライン循環管路を備え、蓄熱
   モードでは熱源機と蓄熱槽との間でブラインを循環して
   熱源機の生成熱を蓄熱槽に蓄熱し、放熱モードでは蓄熱
   槽と熱交換器との間でブラインを循環して蓄熱槽に貯え
   た熱量を熱交換器に放熱付与するようにした潜熱蓄熱シ
   ステムであり、前記蓄熱槽内にはボール状カプセルに潜
   熱蓄熱媒体を封入してなる蓄熱体を多数充填したものに
   おいて、前記蓄熱槽に大気側に開放したブライン膨張タ
   ンクを備えるとともに、該膨張タンク内にブラインの液
   面レベルセンサを付設し、該センサにより蓄熱媒体の凝
   固／融解に伴う蓄熱体の容積変化に対応した膨張タンク
   の液面レベル変化を検出し、この液面レベル変化を基に
   蓄熱槽の蓄熱量を求めてシステムの運転制御を行うこと
   を特徴とする潜熱蓄熱システム。
2. 【請求項２】請求項１記載の潜熱蓄熱システムにおい
   て、蓄熱体は、ボール状カプセルが周面上に凹みを形成
   したディンプル付きカプセルで、かつこのカプセル内に
   蓄熱媒体を殆ど満杯状態に封入したものとしてなること
   を特徴とする潜熱蓄熱システム。
3. 【請求項３】請求項１記載の潜熱蓄熱システムにおい
   て、蓄熱槽を密閉形容器で構成し、かつ液面レベルセン
   サを備えたブライン膨張タンクを前記蓄熱槽の上方に分
   離配置して蓄熱槽の頂部に連通接続したことを特徴とす
   る潜熱蓄熱システム。
4. 【請求項４】請求項１記載の潜熱蓄熱システムにおい
   て、蓄熱槽を大気開放形容器で構成するとともに、該容
   器内の頂部に大気側に連通するブライン膨張タンク部を
   画成し、この膨張タンク内に液面レベルセンサを配置し
   たことを特徴とする潜熱蓄熱システム。