JP2007010177A - 熱回収装置、並びに、コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱回収装置の設置状態によらず放熱手段が放熱能力を安定して発揮可能な熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムの提供を目的とする。
【解決手段】 コージェネレーションシステム１は、燃料電池５において発生した熱エネルギーを回収するための熱回収装置３を備えている。熱回収装置３は、貯留タンク１０が高温の湯水で満杯で、熱エネルギーの貯留限界に達していることを条件として送風機２９ｂを作動させ、加熱流路２０を流れる湯水を冷却する。放熱手段２９において放出された熱エネルギーによって加熱された空気は、送風機２９ｂによって貯留タンク１０の底部側から頂部側に向けて吹き出され、貯留タンク１０に貯留されている湯水を保温する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムに関するものである。

従来より、下記特許文献１に開示されているように、燃料電池等の発電装置において発生した排熱が持つ熱エネルギーを湯水等の液体を介して回収し、貯留手段に貯留可能なコージェネレーションシステムがある。かかる構成のコージェネレーションシステムは、発電装置を冷却することにより加熱された液体を有効利用できるため、エネルギー効率が高い。
特開２００１−３２５９８２号公報

上記特許文献１に開示されているようなコージェネレーションシステムでは、発電装置において発生した排熱によって加熱された液体を貯留手段に貯留できない状態になった場合であっても、発電装置を作動させた方がエネルギー効率が高い場合がある。

そこで、本発明者らは、かかる場合にも発電装置を作動させることができるように、発電装置との間で液体のやりとりを行う熱回収装置に設けられた流路にラジエータなどの放熱手段を配することを検討した。しかし、さらに検討を行った結果、単に放熱手段を設けた構成とするだけでは、放熱手段の配置と、コージェネレーションシステムの設置状態との兼ね合いで放熱手段における放熱特性がばらついてしまい、貯留手段に熱エネルギーを貯留できない状態になるとすぐに発電装置の動作を継続させることができない状態になることがあるという問題が判明した。

そこで、本発明は、熱回収装置の設置状態によらず放熱手段が放熱能力を安定して発揮可能な熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムの提供を目的とした。

そこで、上記した課題を解決すべく提供される請求項１に記載の発明は、作動に伴って熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを回収する熱回収装置であって、熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを液体を介して回収する熱エネルギー回収系統と、当該熱エネルギー回収系統を流れる液体、あるいは、当該液体との熱交換により加熱された液体を貯留する貯留手段と、前記エネルギー回収系統を流れる液体が持つ熱エネルギーを放出させることが可能な放熱手段とを有し、当該放熱手段は、放熱器と当該放熱器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記貯留手段の下方に配置されており、前記送風機は、前記貯留手段を放熱手段側に投影して形成される投影領域内に設置されていることを特徴とする熱回収装置である。

本発明の熱回収装置のように放熱手段を設ける場合、放熱手段の設置環境によって放熱手段の冷却能力にバラツキが発生する。そのため、放熱手段が安定した冷却能力を発揮するためには、放熱手段は、熱回収装置の設置場所等が異なっても、配置環境のバラツキが少ない位置に設置されることが望ましい。

本発明の熱回収装置は、放熱手段が貯留手段の下方に配されている。そのため、上記した構成によれば、熱回収装置の設置場所や設置条件等によらず、放熱手段の設置環境が殆ど変動しない。従って、本発明の熱回収装置は、放熱手段の冷却能力が安定している。

ここで、本発明の熱回収装置が備える放熱手段は、送風機を備えた構成とされている。そのため、本発明の熱回収装置は、風雨にさらされる場所に設置されたとしても、送風機に雨水等が直接かからないような構造であることが望ましい。本発明の熱回収装置では、貯留手段の下方に放熱手段を配すると共に、貯留手段を放熱手段側に投影して形成される投影領域内に送風機を配した構成とされているため、熱回収装置の上方から雨水等が侵入してきても送風機に降りかかるのを防止することができる。

上記請求項１に記載の熱回収装置において、送風機は、送風方向が貯留手段側に向くように設置されていることが望ましい（請求項２）。

かかる構成によれば、放熱手段において放熱することによって発生した暖かい空気を貯留手段側に向けて送風することができる。そのため、上記した構成によれば、放熱手段において発生した暖かい空気によって貯留手段を保温することができる。従って、本発明の熱回収装置は、放熱手段において発生した熱エネルギーを貯留手段の保温に転用することができ、放熱に伴う熱回収装置のエネルギー効率の低下を抑制することができる。

また、同様の知見に基づいて提供される請求項３に記載の発明は、作動に伴って熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを回収する熱回収装置であって、熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを液体を介して回収する熱エネルギー回収系統と、当該熱エネルギー回収系統を流れる液体、あるいは、当該液体との熱交換により加熱された液体を貯留する貯留手段と、前記エネルギー回収系統を流れる液体が持つ熱エネルギーを放出させることが可能な放熱手段とを有し、当該放熱手段は、放熱器と当該放熱器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記貯留手段の下方に配置されており、前記送風機は、送風方向が貯留手段側に向くように設置されていることを特徴とする熱回収装置である。

かかる構成によれば、熱回収装置の設置場所や設置条件等によらず、放熱手段の設置環境の変動しない熱回収装置を提供できる。従って、本発明によれば、熱回収装置の設置条件によらず、放熱手段において安定した冷却能力を発揮させることができる。

また、本発明の熱回収装置では、貯留手段の下方に放熱手段を配した構成とされているため、熱回収装置の上方から雨水等が侵入してきても放熱手段に降りかかるのを防止できる。

上記したように、本発明の熱回収装置は、放熱手段における放熱に伴って発生した暖かい空気を貯留手段側に向けて送り、これによって貯留手段を保温することができる。そのため、本発明によれば、放熱手段において放出された熱エネルギーを有効利用し、熱回収装置のエネルギー効率を向上させることができる。

上記請求項１〜３のいずれかに記載の熱回収装置は、熱回収装置の設置面と放熱手段との間に気体が流通可能な空間が形成されていることが望ましい（請求項４）。

かかる構成によれば、貯留手段の下方に放熱手段を配した場合であっても、空気の流れを確保することができる。従って、上記した構成によれば、放熱手段において液体を十分放熱させることができる。

ここで、上記請求項１〜４のいずれかに記載の熱回収装置において、放熱手段は、貯留手段の下方に配されているため、送風機が熱回収装置の設置面側に向くように配されていると、熱回収装置の設置面に溜まった雨水等によって送風機が濡れてしまう可能性がある。そのため、上記請求項１〜４のいずれかに記載の熱回収装置は、送風機が、放熱器と貯留手段との間に配されていることが望ましい（請求項５）。

ここで、近年、コージェネレーションシステムのような熱回収装置を備えた装置が、一般家庭にも導入される傾向にある。輸送トラックの高さや、マンション等に設置される場合のエレベータの高さ等を考慮すると、熱回収装置は、高さを最小限に抑制することが望ましい。

そこで、かかる知見に基づいて提供される請求項６に記載の発明は、貯留手段が、底面に配管を接続するための接続部を有し、放熱器と貯留手段の底面との間に複数の送風機が並べて配されており、当該複数の送風機の間に、前記接続部及び／または当該接続部に繋がる配管を配置可能な空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱回収装置である。

本発明の熱回収装置では、放熱器に貯留手段の底面に設けられた接続部やこれに繋がる配管を収容可能な空間が設けられているため、その分だけ装置全体の高さを抑制することができる。

上記請求項１〜６のいずれかに記載の熱回収装置は、貯留手段に貯留されている液体を貯留手段の頂部側から取り出して熱回収装置の外部の熱負荷に供給するための給液系統を有し、熱エネルギー回収系統が、貯留手段の底部側から取り出された液体を加熱し、貯留手段の頂部側に戻して貯留可能なものであり、送風機が、送風方向が貯留手段の底部側から頂部側に向くように設置されていることが望ましい（請求項７）。

本発明の熱回収装置は、貯留手段の底部側から液体を取り出して加熱し、貯留手段の頂部側に戻して貯留可能な構成とされている。また、本発明の熱回収装置は、貯留手段に貯留されている液体を貯留手段の頂部側から取り出して熱負荷に供給する構成とされている。そのため、液体の加熱が進むにつれて貯留手段の底部側に到来した液体は、熱負荷に供給されるまで、長期にわたって貯留手段に滞留する可能性がある。よって、加熱された後、貯留手段の底部側まで到達した液体が放熱してしまうと、その分だけ熱エネルギーが無駄になってしまうという問題がある。

そこで、かかる問題に鑑み、本発明の熱回収装置では、送風機が、送風方向が貯留手段の底部側から頂部側に向くように設置されている。これにより、放熱手段において放出された熱エネルギーによって加熱され、暖められた空気が貯留手段の底部側を優先的に保温することとなる。そのため、本発明によれば、貯留手段の底部付近まで加熱された液体が溜まる場合であっても、この液体を十分保温することができる。

また、エネルギー効率の観点からすれば、上記請求項１〜７のいずれかに記載の熱回収装置は、貯留手段が、所定の貯留限界まで熱エネルギーを貯留可能なものであり、貯留手段に貯留されている熱エネルギーが、貯留手段の貯留限界に達していることを条件として送風機が作動することが望ましい（請求項８）。

本発明の熱回収装置は、熱エネルギーが貯留手段に貯留限界まで貯留された後に送風機が作動して放熱を促進する構成であるため、熱エネルギーの無駄が発生しない。

上記請求項１〜８のいずれかに記載の熱回収装置において、放熱手段は、空気の導入口と排出口とを有し、当該排出口の開口面積が、導入口の開口面積よりも小さいことが望ましい（請求項９）。

かかる構成によれば、放熱手段から空気を勢いよく吹き出させることができる。そのため、本発明によれば、貯留手段の大部分あるいは全体を、放熱手段において放出された熱エネルギーで加熱された空気によって包むことができ、貯留手段の保温特性を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれかに記載の熱回収装置を備えていることを特徴とするコージェネションシステムである。

本発明のコージェネレーションシステムは、上記した熱回収装置を備えたものであるため、放熱手段の冷却能力が安定している。

本発明によれば、熱回収装置の設置状態によらず放熱手段が放熱能力を安定して発揮可能な熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムを提供することができる。

続いて、本発明の一実施形態である熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態の熱回収装置、並びに、コージェネレーションシステムは、後述する放熱手段の構造や配置等に特徴を有するものであるが、これらの説明に先立って全体の装置構造について説明する。

図１において、１は本実施形態のコージェネレーションシステムである。コージェネレーションシステム１は、大別して発電装置２と熱回収装置３とを組み合わせて構成されており、これらによってコージェネレーション系Ｓが構成されている。

発電装置２は、燃料電池５と、燃料電池５を冷却し、発電の際に発生した排熱を回収するための熱交換器６とを備えている。すなわち、発電装置２は、発電手段としての機能と、湯水（液体）を加熱するための熱エネルギー発生手段としての機能とを兼ね備えている。発電装置２は、コージェネレーション系Ｓの外部に設けられた電力負荷Ｅに対して電力を供給するための電力供給手段として機能する。

一方、熱回収装置３は、湯水を貯留するための貯留タンク１０（貯留手段）を中心として構成されており、貯留タンク１０の頂部に設けられた頂部接続部１１、並びに、底部に設けられた底部接続部１２に対して加熱系統Ｈ（熱エネルギー回収系統）、給湯系統Ｍおよび給水系統Ｃを構成する配管を接続した構成とされている。

貯留タンク１０は、高さ方向、すなわち内部に貯留される湯水の水位上昇方向に複数（本実施形態では４つ）の温度センサ１３ａ〜１３ｄを取り付けた構成とされている。温度センサ１３ａ〜１３ｄは、それぞれ貯留タンク１０内の湯水の温度を検知するための温度検知手段として機能すると共に、貯留タンク１０内に所定温度あるいは温度範囲の湯水の残留量を検知するための残量検知手段としての役割も果たす。

さらに具体的には、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、貯留タンク１０の底部から取り出された湯水が加熱系統Ｈを通過する間に加熱され、貯留タンク１０の頂部側にゆっくりと戻される構成とされている。ここで、一般的にタンク内に液体を貯留する場合、その液体の温度差が所定の閾値（湯水では約１０℃程度）以上であると、液体が温度毎に層状に分かれる。そのため、加熱系統Ｈを通過して加熱された湯水が貯留タンク１０内の湯水の温度に対して前記閾温度以上高温に加熱され、貯留タンク１０内の湯水を掻き乱さない程度にゆっくりと戻されると、貯留タンク１０内に貯留されている湯水が温度毎に層状に分かれる。従って、貯留タンク１０に設置された温度センサ１３ａ〜１３ｄの検知温度を調べることにより、貯留タンク１０内に所望の温度範囲に加熱された湯水がどれだけ貯留されているかを検知することができる。

加熱系統Ｈは、加熱流路２０により構成される系統であり、貯留タンク１０の底部から取り出された湯水を加熱して貯留タンク１０の頂部側に戻すものである。さらに具体的に説明すると、加熱系統Ｈは、加熱流路２０により主要部が構成される系統である。加熱流路２０は、貯留タンク１０の底部接続部１２と燃料電池５内の熱交換器６とを繋ぐ加熱往き側流路２１と、頂部接続部１１と熱交換器６とを繋ぐ加熱戻り側流路２２とを有する。また、加熱流路２０は、加熱往き側流路２１および加熱戻り側流路２２の中間部分において両流路をバイパスするバイパス流路２３を有する。

加熱往き側流路２１は、貯留タンク１０の底部側から排出される湯水を燃料電池５の熱交換器６に供給する流路であり、中途に湯水を循環させるための循環ポンプ２５と、湯水の温度を検知するための温度センサ２６と、放熱手段２９とを有する。放熱手段２９は、加熱往き側流路２１を流れる湯水の放熱を促進し、温度を低下させるものである。放熱手段２９は、放熱器２９ａと送風機２９ｂとを備えたものであり、後述するように貯留タンク１０の下方に配置されている。

加熱往き側流路２１は、上記した放熱手段２９よりも湯水の流れ方向上流側に加熱側三方弁２８が設けられている。加熱側三方弁２８を構成する３つのポートのうちの２つは加熱往き側流路２１を構成する配管に接続されており、残りのポートにはバイパス流路２３を構成する配管が接続されている。すなわち、バイパス流路２３は、加熱側三方弁２８を介して加熱往き側流路２１に接続されている。

加熱戻り側流路２２は、熱交換器６を通過した湯水を貯留タンク１０の頂部側に戻す流路である。加熱戻り側流路２２の中途には、バイパス流路２３が接続されている。

給湯系統Ｍは、貯留タンク１０の頂部接続部１１に接続された給湯流路３０と、この給湯流路３０の中途に設けられた給湯装置３１とによって主要部が構成される系統である。給湯流路３０は、貯留タンク１０から給湯装置３１を経てカラン３４に至る一連の流路を形成している。給湯流路３０は、貯留タンク１０から給湯装置３１に至る流路の中途に貯留タンク１０側に向けて湯水が逆流するのを阻止すべく、逆止弁５２を有する。また、逆止弁５２よりも下流側には、給湯側三方弁３２と、入口側温度センサ３３とが設けられている。

給湯側三方弁３２は、３つのポートのうちの２つが給湯流路３０を構成する配管に接続されており、残りのポートが後述する給水系統Ｃの給湯用給水流路５１に接続されている。また、給湯側三方弁３２の下流側には、給湯用給水流路５１の本流部５３から分岐された支流部５５が接続されている。

入口側温度センサ３３は、後述する給湯用給水流路５１の支流部５５と給湯流路３０との接続部分よりも下流側であって、給湯装置３１よりも上流側の位置に設置されている。そのため、入口側温度センサ３３は、貯留タンク１０から排出された湯水と、給湯用給水流路５１の本流部５３や支流部５５を介して供給される湯水とが混合された後の湯水の温度を検知できる。給湯流路３０は、給湯装置３１よりも上流側の部位と下流側の部位とをバイパスする給湯バイパス流路３５を有する。給湯バイパス流路３５は、給湯流路３０内を流れる湯水を給湯装置３１を通過させずに下流側に送り込む、すなわち給湯流路３０をショートカットするための流路であり、中途にバイパス弁３６を有する。また、給湯流路３０は、給湯装置３１よりも下流側に比例弁３７、出口側温度センサ３８と流水検知センサ４０とを有する。

給湯装置３１は、従来公知の給湯器と同様にガスや灯油等の燃料を燃焼するためのバーナー４１と熱交換器４３とを内蔵しており、燃料の燃焼により発生した熱エネルギーを利用して湯水を加熱するものである。給湯装置３１は、燃料電池５よりも湯水の加熱能力が高い。給湯装置３１は、貯留タンク１０から排出される湯水の温度が低い等のような特別な場合に限って燃焼動作を行い、給湯流路３０内を流れる湯水を加熱するものであり、補助的な熱源として機能する。給湯装置３１は、流水検知センサ４０により通水が検知されることを作動条件の一つとしている。

給水系統Ｃは、コージェネレーション系Ｓの外部から湯水を供給するためのものであり、貯留タンク１０に対して湯水を供給するための貯留用給水流路５０と、給湯用給水流路５１とを備えている。貯留用給水流路５０は、貯留タンク１０の底部側に設けられた底部接続部１２に接続された配管により構成されている。これにより、コージェネレーションシステム１は、外部から供給される低温の湯水を貯留タンク１０の底部側から導入可能な構成とされている。

給湯用給水流路５１の中途には、給湯流路３０に合流する湯水の温度を検知するための入水温度センサ５６と、給湯流路３０側から給水源側に向けて湯水が逆流するのを防止するための逆止弁５７とが設けられている。給湯用給水流路５１は、逆止弁５７よりも下流側において本流部５３から支流部５５が分岐された構成とされている。支流部５５は、給湯側三方弁３２よりも給湯流路３０の湯水の流れ方向下流側の位置に接続された流路であり、中途に支流弁５８が設けられた構成とされている。支流弁５８は、非通電時に開いた状態となる弁であり、停電状態になって給湯側三方弁３２を開くことができなくなった際に、貯留タンク１０内の湯水がそのまま排出され、いわゆる高温出湯が起こるのを防止するために設けられたものである。

コージェネレーションシステム１は、制御手段６０によって動作が制御されている。制御手段６０は、従来公知のコージェネレーションシステムが備えているものと同様に例えばＣＰＵや所定の制御プログラムが内蔵されたメモリなどを備えた構成とされている。制御手段６０は、コージェネレーション系Ｓの各部に設けられたセンサ類の検知信号や、メモリに記憶されているデータ等に基づいてコージェネレーション系Ｓの各部に設けられた弁や燃料電池５、給湯装置３１等の動作を制御し、コージェネレーションシステム１の総合エネルギー効率の最適化を図る構成とされている。

続いて、コージェネレーションシステム１を構成する熱回収装置３の装置構造について、本実施形態の特徴的構成である放熱手段２９の構成および設置構造を中心に説明する。熱回収装置３は、図２に示すように略直方体であり、各構成部材を大別して３つの領域に配置した構造となっている。さらに具体的には、熱回収装置３は、熱源設置領域Ｐ１、タンク配置領域Ｐ２および配管等設置領域Ｐ３とに大別される各領域に、各構成部材を配置した構造となっている。

熱源設置領域Ｐ１は、図２に示すように熱回収装置３の正面上方側に設けられた領域であり、上記した給湯装置３１が設置されている。タンク配置領域Ｐ２は、熱回収装置３の背面側に設けられた領域であり、貯留タンク１０や、放熱手段２９が配置されている。配管等設置領域Ｐ３は、熱源設置領域Ｐ１の下方に設けられた空間である。熱源設置領域Ｐ１やタンク配置領域Ｐ２に設置されたものを除く機器類や配管は、配管等設置領域Ｐ３に収容されている。

本実施形態の熱回収装置３は、タンク配置領域Ｐ２に設置されている貯留タンク１０や放熱手段２９の設置構造に特徴を有する。さらに具体的に説明すると、図３〜図５に示すように、タンク配置領域Ｐ２には、貯留タンク１０と放熱手段２９とが配置されている。放熱手段２９は、熱回収装置３の底面（設置面）と貯留タンク１０の底面との間に配されている。

放熱手段２９は、放熱器２９ａと送風機２９ｂとによって構成されている。放熱器２９ａは、図６に示すように、いわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器によって構成されている。さらに具体的には、放熱器２９は、天面側と底面側との間で風が通過可能な本体箱６４の内部に多数のフィン６５を所定の間隔で並べ、これ横切るように受熱管６６を取り付けて構成されたものである。放熱器２９ａは、受熱管６６に繋がる接続部６７，６８を有し、これに加熱往き側流路２１を構成する配管が接続される。すなわち、放熱器２９ａは、加熱往き側流路２１の中途に接続されている。放熱器２９ａは、フィン６５に取り付けられた受熱管６６内を流れる湯水とフィン６５の間を通過する空気とを熱交換させ、これにより受熱管６６内を流れる湯水を冷却することができる。

放熱器２９ａの天面側には、図２〜図６に示すように、２台の送風機２９ｂ，２９ｂが取り付けられている。また、図６（ａ）に示すように、放熱器２９ａの天面側は、送風機２９ｂ，２９ｂの取り付け位置以外の部分が閉塞板８０によって閉塞されている。すなわち、放熱器２９ａの天面側に形成された開口部分は、図６（ａ）にハッチングで示す部分に形成された開口２９ｃだけである。一方、放熱器２９ａの底面側は、図６（ｂ）のように本体箱６４の開口６４ａ、すなわち空気の導入口となる部分全体が通風可能なように開いている。そのため、放熱器２９ａは、開口２９ｃ，２９ｃをあわせた開口領域の大きさが、導入口となる開口６４ａの領域よりも小さい。

放熱手段２９は、送風機２９ｂ，２９ｂ側、すなわち放熱器２９ａの天面側が貯留タンク１０の底面と対向するように設置される。送風機２９ｂ，２９ｂは、図４にハッチングで示すように、このように放熱手段２９を設置して貯留タンク１０を放熱手段２９側に投影して形成される領域Ｘ内に存在するように設置される。すなわち、送風機２９ｂ，２９ｂは、共に貯留タンク１０の頂部側から観察した際に、貯留タンク１０に隠れる位置に設置される。そのため、熱回収装置３の天面側から雨等が侵入してきても、雨等は送風機２９ｂ，２９ｂに直接降りかからない。

放熱手段２９は、図３〜図５に示すように、接続部６７，６８が熱回収装置３の背面側に向く姿勢とされ、タンク配置領域Ｐ２の底面側に設けられた底上げ部材７０の上に配置されている。そのため、熱回収装置３をメンテナンス時に開放可能な扉やパネルを背面側に設けた構成としておけば、扉やパネル等の開放側に存在する接続部６７，６８と、これに繋がる配管との接続を解くだけで、放熱手段２９を取り外してメンテナンスや交換を行うことができる。なお、熱回収装置３は、扉やパネル等が必ずしも背面側に設けられている必要はなく、側面等に設けられていたとしてもよい。かかる構成とする場合についても、接続部６７，６８がこの扉やパネル等の開放側に向くように放熱手段２９を配置することにより、放熱手段２９を容易に取り外してメンテナンスや交換を行うことができる。

底上げ部材７０は、図４に示すように脚部７１と座面部７２とを有する。底上げ部材７０は、脚部７１を下方に向けて設置することにより、座面部７２の下方に空気が出入り可能な空間（空気通路７３）を形成することができる。座面部７２は、中央に放熱器２９ａの本体箱６４の底面に形成された開口にあわせて形成された通風部７５を有する。通風部７５は、網状部材７６が張られており、網状部材７６を通じて空気通路７３と連通している。

放熱器２９ａは、本体箱６４の底面に設けられた開口６４ａと底上げ部材７０に設けられた通風部７５とを位置合わせして設置される。そのため、放熱器２９ａは、熱回収装置３の底面や設置面から浮いた状態で設置されている。これにより、放熱器２９ａに対して空気が流れる空間を確保することができると共に、放熱手段２９が熱回収装置３の設置面に溜まった雨水等で濡れるのを防止することができる。

送風機２９ｂ，２９ｂは、放熱器２９ａの天面側に一体化されている。送風機２９ｂ，２９ｂは、図５（ｂ）に示すように、貯留タンク１０の底部に設けられた底部接続部１２が干渉しないように間隔ｙの空間３９を隔てて設置されている。これにより、放熱手段２９と貯留タンク１０との間に設けるべき間隔が最小限に抑制されている。

送風機２９ｂ，２９ｂは、図４や図５に矢印で示すように、それぞれ放熱器２９ａ側から空気を吸い、貯留タンク１０側に向けて排出できるように設置されている。そのため、放熱手段２９において、放熱器２９ａの底面側に形成された開口６４ａは、空気を放熱手段２９に空気を取り込むための導入口として機能し、放熱器２９ａの天面側に取り付けられた２つの送風機２９ｂ，２９ｂの開口２９ｃ，２９ｃが放熱手段２９から空気を排出するための排出口として機能する。

放熱手段２９は、送風機２９ｂ，２９ｂを作動させると、底上げ部材７０によって形成された空気通路７３から空気が吸い上げられ、本体箱６４の底面側（図３〜５において下側）の開口６４ａから放熱器２９ａに流入し、接続部６７，６８のいずれか一方から受熱管６６に流入した湯水と熱交換する。これにより、受熱管６６内を流れる湯水が冷却されると共に、放熱器２９ａに流入した空気が加熱されて暖まる。放熱器２９ａにおいて冷却された湯水は、前記接続部６７，６８の他方側から排出され、燃料電池５側に送り込まれる。一方、放熱器２９ａにおいて暖められた空気は、本体箱６４の天面側に吸い上げられて集まり、送風機２９ｂ，２９ｂから貯留タンク１０の底面に向けて排出される。

貯留タンク１０の底面側に排出された空気は、図５に矢印で示すように貯留タンク１０の底面や周面に沿って貯留タンク１０の頂部側に流れる。そのため、放熱手段２９の送風機２９ｂ，２９ｂを作動させると、放熱器２９ａにおいて受熱管６６内を流れる湯水と熱交換して暖まった空気によって貯留タンク１０が包まれたような状態になる。そのため、送風機２９ｂを作動させると、放熱器２９ａにおいて暖められた空気によって貯留タンク１０における放熱を阻止することができる。

続いて、本実施形態のコージェネレーションシステム１の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。コージェネレーションシステム１は、貯留モード、給湯モードを含む動作モード群から動作モードを選択して動作することができる。コージェネレーションシステム１は、貯留モードと給湯モードとを単独で実施することも、組み合わせて実施することも可能である。以下、コージェネレーションシステム１の動作について、各動作モード毎に説明する。

（貯留モード）
貯留モードは、循環ポンプ２５を作動させて加熱流路２０内に水流を発生させ、燃料電池５の動作に伴って発生する排熱（熱エネルギー）を回収して湯水を加熱し、この湯水を貯留タンク１０に貯留する動作モードである。コージェネレーションシステム１が貯留モードで動作する場合、制御手段６０は、加熱流路２０の加熱側三方弁２８をバイパス流路２３に対して閉じ、加熱往き側流路２１の上流側（貯留タンク１０側）および下流側（発電装置２側）に開いた状態に調整する。これにより、加熱往き側流路２１、加熱戻り側流路２２、熱交換器６および貯留タンク１０により、図７にハッチングで示すような湯水の循環系統が形成される。

上記した循環系統が形成された状態で循環ポンプ２５を作動させると、図７に矢印で示すように、貯留タンク１０の底部側に貯留されている低温の湯水が、底部接続部１２から吸い出され、燃料電池５に供給される。これにより、燃料電池５側に低温の湯水が供給されて燃料電池５が冷却されると共に、燃料電池５の作動に伴って発生した熱エネルギーが、燃料電池５内に設けれられた熱交換器６において加熱流路２０内を流れる湯水に吸収され、湯水が加熱される。燃料電池５を通過することにより加熱された湯水は、加熱戻り側流路２２を介して頂部接続部１１から貯留タンク１０内に戻される。これにより、貯留タンク１０内の湯水が徐々に加熱される。

（給湯モード）
給湯モードは、上記した貯留モードによって貯留タンク１０内に貯留された高温の湯水を利用して給湯を行う動作モードである。コージェネレーションシステム１が給湯モードで動作する場合、制御手段６０は、給湯流路３０の給湯側三方弁３２を３ポートとも開いた状態とすると共に、加熱流路２０の加熱側三方弁２８を閉止した状態とする。また、この時、制御手段６０は、支流弁５８に通電し、支流弁５８を閉じた状態にする。

この状態で給水系統Ｃを介して外部から低温の湯水を導入すると、図８にハッチングや矢印で示すように、外部の給水源から供給された低温の湯水の一部が貯留用給水流路５０を介して底部接続部１２から貯留タンク１０内に流入する。これにより、貯留タンク１０の頂部側に貯留されている高温の湯水が、頂部接続部１１を介して貯留タンク１０から排出される。ここで、給湯モードでは加熱側三方弁２８が閉止されているため、貯留タンク１０から排出された湯水は給湯流路３０に流れ込む。

一方、外部の給水源から供給された低温の湯水の残部は、給湯用給水流路５１の本流部５３を介して給湯流路３０に導入される。給湯用給水流路５１を介して導入された湯水は、給湯流路３０内において貯留タンク１０から排出された湯水と混合される。

制御手段６０は、給湯流路３０と給湯用給水流路５１との接続部位よりも湯水の流れ方向下流側に設置された入口側温度センサ３３により検知される給湯流路３０内を流れる湯水の温度を確認する。ここで、入口側温度センサ３３によって検知される湯水の温度が、カラン３４から排出すべき湯水の温度（給湯設定温度）と同等である場合、制御手段６０は、給湯装置３１を起動させない。これにより、湯水は給湯装置３１を素通りし、そのままカラン３４から排出される。

一方、入口側温度センサ３３によって検知される湯水の温度がカラン３４から排出すべき温度よりも低い場合、制御手段６０は、給湯装置３１を起動して湯水を加熱する。また、制御手段６０は、必要に応じて給湯バイパス流路３５のバイパス弁３６を開き、給湯装置３１から排出される湯水の温度調整等を行う。

ここで、本実施形態のコージェネレーションシステム１において、制御手段６０は、燃料電池５が作動（発電）する際に発生する熱エネルギーを有効利用すべく、燃料電池５の動作にあわせて熱回収装置３を上記した貯留モードで動作させて熱エネルギーを湯水を介して貯留タンク１０に貯留させる。しかし、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合、すなわち貯留タンク１０が所定温度以上に加熱された高温の湯水で満杯である場合は、循環ポンプ２５を作動させて湯水を循環させても、燃料電池５において発生した熱エネルギー（排熱）を回収できないばかりか、燃料電池５を作動に適した温度条件下で作動させることができなくなる。

一方、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界にあることを条件として燃料電池５を停止させることとすると、コージェネレーションシステム１のエネルギー効率が低下したり、電気エネルギーの使用上の不都合が発生する場合がある。さらに詳細に説明すると、燃料電池５は、発電を一旦停止させると、次に発電を開始させるために所定の作動温度まで昇温させるのに熱エネルギーを必要とする。また、燃料電池５は、所定の作動温度に到達するまで発電できない。そのため、エネルギー効率等を考慮すると、燃料電池５は、起動時に所定の作動温度まで昇温させるのに要するエネルギー等を勘案して停止させることが望ましい。従って、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界にある場合、制御手段６０は、放熱手段２９を作動させる。これにより、加熱流路２０を流れる湯水が冷却され、燃料電池５の作動を継続させることができる。

また、放熱手段２９を作動させると、放熱手段２９における熱交換により暖められた空気が貯留タンク１０に吹き付けられ、貯留タンク１０の底面や外周面に沿って頂部側に流れる。これにより、貯留タンク１０は、暖められた空気によって包まれた状態になる。そのため、放熱手段２９を作動させることにより、貯留タンク１０における放熱を阻止することができる。

ここで、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合、貯留タンク１０内には所定温度以上に加熱された湯水が大量に存在している。また、本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の頂部側から高温の湯水が貯留されると共に、貯留タンク１０の頂部側から湯水を取り出して給湯に使用する構成とされている。従って、貯留タンク１０内の湯水の保温効率や、貯留タンク１０内の湯水の使用形態を勘案すると、熱回収装置３は、貯留タンク１０の頂部側まで保温可能な構成であることが望ましい。

本実施形態の熱回収装置３は、かかる知見に基づき、送風機２９ｂを作動させることによって貯留タンク１０の底部側から頂部側に向けて空気流を発生させることができる構成とされている。さらに、放熱手段２９は、放熱器２９ａの本体箱６４の天面側が送風機２９ｂ，２９ｂの取り付け位置以外の部位を閉塞板８０で閉塞した構成とされているため、送風機２９ｂから吹き出される空気の勢いが強い。そのため、熱回収装置３は、送風機２９ｂ，２９ｂを作動させることにより、貯留タンク１０の底面側から天面側にわたって暖められた空気で覆い、保温することができる。

貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合は、貯留タンク１０内は所定温度以上に加熱された湯水でほぼ満杯状態になっているが、貯留タンク１０の底部側に貯留されている高温の湯水が使用されるまでには相当の期間を要するものと考えられる。貯留タンク１０の底部側に溜まっている湯水が放熱して冷めると、その分だけ熱エネルギー効率が低下することとなる。本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の底部側から放熱手段２９における放熱により暖められた空気が吹き付けられるため、貯留タンク１０の底部側が優先的に保温される。従って、本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の底部側まで高温の湯水が貯留されている場合であっても、この湯水を十分保温することができる。

上記したコージェネレーションシステム１は、加熱された湯水をカラン３４から排出する給湯動作を行うものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば給湯流路３０を介して排出される湯水を風呂への落とし込みに使用したり、暖房端末等の負荷端末に供給する構成としたり、給湯流路３０に加えて別途風呂への落とし込み用の落とし込み流路や負荷端末に湯水等の液体を送る流路を設けた構成としてもよい。

コージェネレーションシステム１は、本発明を具体化した一例にすぎず、上記した実施形態に限定されるものではない。さらに具体的には、コージェネレーションシステム１では、発電装置２は燃料電池５により発電するものであったが、発電装置２にはガスエンジン等を利用した発電装置を採用できる。また、給湯装置３１は、ガスや灯油を燃焼して湯水を加熱するものであったが、電気エネルギーを利用した温水器等、公知の湯水加熱装置を採用することができる。

本発明の一実施形態であるコージェネレーションシステムおよび熱回収装置の作動原理図である。 本発明の一実施形態である熱回収装置を正面側から観察した状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態である熱回収装置を背面側から観察した状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態である熱回収装置を構成する貯留タンクと放熱手段との組み立て構造を示す分解斜視図である。 （ａ）は本発明の一実施形態である熱回収装置の背面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱回収装置のタンク配置領域内の構造を示す側面図である。 （ａ）は本発明の一実施形態である熱回収装置において採用されている放熱手段の天面図であり、（ｂ）は底面図である。 図１に示すコージェネレーションシステムが貯留モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。 図１に示すコージェネレーションシステムが給湯モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。

符号の説明

１ コージェネレーションシステム
２ 発電装置
３ 熱回収装置
５ 燃料電池（熱エネルギー発生装置）
１０ 貯留タンク（貯留手段）
２０ 加熱流路
２９ 放熱手段
２９ａ 放熱器
２９ｂ 送風機
２９ｃ 開口（排出口）
３９ 空間
６４ａ 開口（導入口）
７０ 底上げ部材
７３ 空気通路
Ｓ コージェネレーション系
Ｈ 加熱系統（熱エネルギー回収系統）
Ｘ 領域

Claims (10)

1. 作動に伴って熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを回収する熱回収装置であって、
   熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを液体を介して回収する熱エネルギー回収系統と、
   当該熱エネルギー回収系統を流れる液体、あるいは、当該液体との熱交換により加熱された液体を貯留する貯留手段と、
   前記エネルギー回収系統を流れる液体が持つ熱エネルギーを放出させることが可能な放熱手段とを有し、
   当該放熱手段は、放熱器と当該放熱器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記貯留手段の下方に配置されており、
   前記送風機は、前記貯留手段を放熱手段側に投影して形成される投影領域内に設置されていることを特徴とする熱回収装置。
2. 送風機は、送風方向が貯留手段側に向くように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱回収装置。
3. 作動に伴って熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを回収する熱回収装置であって、
   熱エネルギー発生装置において発生した熱エネルギーを液体を介して回収する熱エネルギー回収系統と、
   当該熱エネルギー回収系統を流れる液体、あるいは、当該液体との熱交換により加熱された液体を貯留する貯留手段と、
   前記エネルギー回収系統を流れる液体が持つ熱エネルギーを放出させることが可能な放熱手段とを有し、
   当該放熱手段は、放熱器と当該放熱器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記貯留手段の下方に配置されており、
   前記送風機は、送風方向が貯留手段側に向くように設置されていることを特徴とする熱回収装置。
4. 熱回収装置の設置面と放熱手段との間に気体が流通可能な空間が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱回収装置。
5. 送風機が、放熱器と貯留手段との間に配されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱回収装置。
6. 貯留手段が、底面に配管を接続するための接続部を有し、
   放熱器と貯留手段の底面との間に複数の送風機が並べて配されており、
   当該複数の送風機の間に、前記接続部及び／または当該接続部に繋がる配管を配置可能な空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱回収装置。
7. 貯留手段に貯留されている液体を貯留手段の頂部側から取り出して熱回収装置の外部の熱負荷に供給するための給液系統を有し、
   熱エネルギー回収系統が、貯留手段の底部側から取り出された液体を加熱し、貯留手段の頂部側に戻して貯留可能なものであり、
   送風機が、送風方向が貯留手段の底部側から頂部側に向くように設置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱回収装置。
8. 貯留手段が、所定の貯留限界まで熱エネルギーを貯留可能なものであり、
   貯留手段に貯留されている熱エネルギーが、貯留手段の貯留限界に達していることを条件として送風機が作動することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱回収装置。
9. 放熱手段は、空気の導入口と排出口とを有し、当該排出口の開口面積が、導入口の開口面積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱回収装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の熱回収装置を備えていることを特徴とするコージェネションシステム。

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