JP2007292435A - 大気開放型蓄熱槽 - Google Patents

Abstract

【課題】形状選択において自由度が高く、貯槽を内蔵すべき装置の隙間形状に合わせた自由な形状選択が可能な蓄熱槽を得る。
【解決手段】蓄熱材ｈｓを貯留する貯槽１であって、貯留した前記蓄熱材ｈｓの上面より高い位置に大気に通じる開口を有するとともに、前記蓄熱材ｈｓと熱媒体ｈｒとの熱交換を行う熱交換器を当該蓄熱材ｈｓに浸漬して備え、前記貯槽１の蓄熱材接触部分が断熱材の一体成型品にて形成されている大気開放型蓄熱槽とし、熱媒体を温水供給、給湯に利用する。
【選択図】図５

Description

本発明は、熱を一時的に貯留する蓄熱槽に関するものであり、容量が比較的小さな家庭用、小規模業務用分野に適合し、ヒートポンプ給湯器の貯湯槽や小規模コジェネレーション機器の排熱回収蓄熱槽としての応用に好適なものである。

家庭用等の給湯分野における蓄熱槽は、水を蓄熱材とする貯湯槽であり、形式は密閉型で給水の圧力を利用して、蓄熱材でもある貯留温水を押し出して、給湯を行うものが殆どであった。暖房に用いる場合は、密閉型蓄熱槽に貯留された温水を循環使用するもの、あるいは、密閉型蓄熱槽内部もしくは外部に熱交換器を設置して、貯留温水と熱交換して利用するものが一般的である。特許文献１、特許文献２、特許文献３には、この種の密閉型貯湯槽の応用技術が示されている。

密閉型貯湯槽は、給水の圧力を利用して給湯を行うことができるため、ポンプが不要であり、蓄熱材である水の比重差を利用した温度成層蓄熱が行えるので貯槽容積の利用率が高く、さらには、安定して高温水を出湯することができる特長がある。

特開２００５−１９５１８５号公報 特開２００５−２１４５１７号公報 特開２００５−１３３９８４号公報

しかしながら、密閉型貯湯槽は、給水圧力を利用するため必然的に耐圧容器（上水道を利用する場合の必要耐圧性能は1．６５ＭＰａ）となり、耐食性（応力腐食割れを含む）をも考慮すると特殊ステンレス鋼（例えばＬＳＵＳ４４４）の球形もしくは円筒形形状とならざるを得なかった。従って、例えば貯湯槽外形に薄型が要求される場合には、細径とした缶体の複数設置等を行う必要があり、円筒形状間の隙間等を有効利用できなかったため、外形、質量が大きく、コストの高いものとならざるを得なかった。

また、密閉型貯湯槽を上水道に接続する場合、貯湯槽上流（成層型貯槽の場合には貯槽下部）に減圧逆止弁を、下流（成層型貯槽の場合、エア抜きも兼ねて貯槽上部）に過圧逃し弁を設置する必要がある。貯留水の上水道への逆流を防止すると共に、例えば２ＭＰａ未満に減圧し、さらに過圧となる場合には圧力を一部開放して、圧力容器としての規制に適合させるためである。

水は加熱すると体膨張を起こして圧力が上昇するので、膨張分は過圧逃し弁から排水として捨てられることになるが、捨てられる水は貯湯槽上部の最も温度の高い水であり、体積膨張相当分（例えば４％）の温水の熱が無駄に捨てられることになる。

なお、過圧逃し弁は、体積膨張相当水量を逃すだけであれば貯湯槽下部の低温部に設置することも理屈上は可能であるが、上水の加熱による溶存空気（溶存酸素、窒素）の解離（温度上昇による溶解度の減少）によって貯湯槽上部に空気だまりのできる不都合を回避するため、空気抜きを兼ねて、通常（空気抜き弁を設置しない場合）は上部に設置される。

更には、減圧弁で上水の圧力が減殺されるため、二階への給湯では水量が低下したり、シャワーの勢いが弱くなったりする不便も密閉型貯湯槽の短所として指摘されている。

従って、本願の目的は、上記のような様々な問題点を比較的簡単な構造で解決することが可能であり、特に、形状選択において自由度が高く、貯槽を内蔵すべき装置の隙間形状に合わせた自由な形状選択が可能な蓄熱槽を得ることにある。

〔構成１〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項１に記載したように、蓄熱材を貯留する貯槽であって、貯留した蓄熱材の上面より高い位置に大気に通じる開口を有するとともに、前記蓄熱材と熱媒体との熱交換を行う熱交換器を当該蓄熱材に浸漬して備え、前記熱交換器で前記蓄熱材から受熱した前記熱媒体を貯槽外に取り出して、温水若しくは給湯水として供給可能に構成されていることを特徴とする。
〔作用効果〕
本構成のごとく、大気開放して蓄熱槽を形成すれば、温水や給湯水を得るのに、貯槽は蓄熱材自体を貯留する強度のみを保有すれば良く、例えば家庭用等で用いる容量５００リットル未満程度の貯槽であれば、自体で断熱性を有する発泡性樹脂（例えば硬質な発泡ポリエチレン、発泡ポリスチレン、発泡ポリウレタン）等で形成することが可能である。この場合、貯槽の形状は比較的自由に選定することができ、円筒形や立方体形状の他、貯槽を内蔵すべき装置の隙間形状に合わせた自在な形状に、継ぎ目無く形成することができる。製法は発泡性樹脂の成型に一般的に用いられている成型法(射出成型、ブロー成型等)が使用できる。当然、金属製貯槽を使用し、その外面において断熱を行う構造を採用してもよい。

熱交換器は、銅やステンレス等の金属管をコイル状や蛇管に成型して利用することが簡便である。蓄熱材が水等の液体の顕熱を利用する場合には裸管でも良いが、パラフィン等の相変化を伴う潜熱蓄熱材である場合には固相での熱伝達率が小さいので、蓄熱材側にフィンを取付けて伝熱面積を増加させたプレートフィン熱交を選定することが有利である。

上水の供給を受けて温水もしくは給湯水として利用する場合には、上水道の圧力を減圧することなく熱交換器に通じることができるため、給水圧力に近い高給湯圧力が実現でき、家屋の二階、三階への給湯や高圧シャワーに有利である。

〔構成２〕
上記〔構成１〕において、請求項２に記載されているように、前記貯槽の蓄熱材接触部分が断熱材の一体成型品にて形成されているものとしておくと、任意の形状の貯槽を得、貯槽の外面に、鋼材等を配置して強度を補強したり、鋼板等で被覆して耐候性を向上させたりすることも可能である。また、内面を蓄熱材に対して耐食性、耐熱性、及び封液性のある材料とすること（自らの発泡倍率の低減、ライニング、コーティング、内張、塗装等を含む。）も必要に応じて選択することができる。

これまで説明してきた構成２の構造を採用すると、以下の利点を得ることができる。
１）蓄熱槽を樹脂等の低強度材料にて、安価に製造できる。
２）蓄熱槽を断熱材そのもので形成でき、断熱性に優れる。
３）比較的自由な形状に成型でき、外寸に対して貯留容積を大きくできる。
４）一体成型により蓄熱材の漏洩等を抑制できる。
５）熱交換器として、比較的安価なコイルやフィンチューブを利用できる。
６）熱媒体は管内を通すため、（管の耐圧内で）減圧の必要がない。

〔構成３〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項３に記載したように、〔構成２〕に記載した構成に加えて、断熱材で成型された貯槽の内面をシート状材料にて覆い、前記シート状材料に蓄熱材が接触する状態で前記蓄熱材の貯留を行うと共に、少なくとも前記熱交換器に接続する配管が、前記シート状材料の開口で前記蓄熱材の大気開放面を介して配管接続されていることを特徴とする。この構成において、熱交換器とは関係しない蓄熱槽に関連する配管や、運転制御等に関連する検出配線、或いは制御機器との配線を前記シート状材料の開口で前記蓄熱材の大気開放面を介して行うことも好ましい形態である。

〔作用効果〕
発泡性樹脂にて蓄熱槽を形成した場合、貯留する蓄熱材によっては発泡性樹脂を浸食する場合が発生する。例えば、蓄熱材として油脂状物質（溶剤を含む）を用いた場合である。そこで、蓄熱槽内面に、耐熱性・耐食性に優れたシート状材料（例えば、フッ素樹脂（テフロン（登録商標）等）、ナイロン樹脂等の耐熱性合成樹脂シート、ステンレス等の耐食性金属薄板・箔）の「袋」を挿入し、その内部に蓄熱材を充填する。

「袋」は、液状の蓄熱材を漏洩させることの無いように一体的に成型されたもの、もしくは溶接・溶着にて封液性良くに加工されたものであることが望ましいが、液面上部で蓄熱槽に固定、又は（骨組みを用いてあるいは自らの強度にて）自立・保形していればよく、蓄熱槽内面には必ずしも密着もしくは接着してある必要はない。

また、貯槽の上面全体を覆う蓋を設ける場合は、この蓋の部分にもシート状材料被覆を施すことも可能である。

熱媒体に蓄熱された熱を回収する熱交換器や、熱媒体温度を検知するサーミスタや蓄熱材液面を検知する液面計（水位計）等の制御機器は、シート状材料の「袋」に孔を開けることなく固定し、それらの配管・配線も「袋」に別途開口する必要のない経路を選定して配置し、かつ「袋」に孔を開けることなく固定すべきである。熱媒体の漏洩を避止する効果の信頼性を向上させることができるからである。具体的には、機器は蓄熱槽の液面上部の構造物もしくは「蓋」から懸垂し、蓄熱材液面を通して配管・配線を行う構造を取ればよい。

本構成により、蓄熱材の物性に応じた発泡樹脂製蓄熱槽を作成することが可能になると共に、蓄熱材の漏洩避止に関する信頼性を向上させることができる。

〔構成４〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項４に記載したように、〔構成1〕ないし〔構成３〕に記載した構成に加えて、貯槽の上面全体（槽の大気開放面（気液界面もしくは気固界面）の上面全体）を気密に覆う蓋を設けると共に、蓄熱材の大気開放面から当該開放面より下方の大気に通じる配管スペースを設け、当該配管スペースを通して、前記熱交換器に接続する配管が、当該配管スペースを通して配管接続されていることを特徴とする。
この構成において、当然、配管スペースを配線スペースとしても使用することが好ましい。

〔作用効果〕
上述のように大気開放型蓄熱槽への少なくとも配管（配線を含んでいてもよい）は、通常蓋に開口して行う必要が生じるが、開口と配管の隙間から熱損失を生じる可能性がある。また、蓋上部の取出し配管は、槽に比べて保温性能が低く熱容量も小さいのが通常であるため、静置時に放熱器となり、内部の熱媒体が冷やされて、温度の高い蓄熱槽内の熱媒体との間で自然循環が発生して、想定以上に放熱損失が生じる問題があった。

また、上述のシートを蓋内面に施工する場合にも、少なくとも配管（配線を含んでいてもよい）を通すために穿孔が必要となり、蒸気等を完全に封止することは困難であった。

本構成では、槽の大気開放面から、槽の下方に向かって配管スペースを設けることで、上記の問題を解決している。配管スペースは、型の工夫により発泡性樹脂等で一体的に成型することも可能である。更には、配管スペースを蓄熱材下方まで延長すれば、配管接続を全て槽下方で行うことが可能になり、能率良く、また美観良く配線、配管を行うことができる。

この構成では、少なくとも配管（配線を含んでいてもよい）の取り出しが下方になることにより、自然対流による放熱が抑制され、少なくとも配管と配管スペースとの間の隙間封止が精緻に行われなくても、高い断熱性能の期待できるメリットも生じる。

〔構成５〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項５に記載したように、〔構成1〕ないし〔構成４〕に記載した構成に加えて、熱交換器を流れる前記熱媒体の流れと蓄熱槽内の蓄熱材の流れとが、全体として対向流接触となるように熱交換器及び貯槽が配置若しくは配管接続されていることを特徴とする。

〔作用効果〕
蓄熱材が、温度上昇により比重が低下する液状物質（例えば水）である場合には、低温の熱媒体を蓄熱槽下部から抜き出してボイラ等で加熱の後蓄熱槽上部に戻すと、蓄熱槽内に上部から下部に向かう流れが形成されると共に上部が高温で下部が低温の温度成層が形成される。

また、比重の小さな潜熱蓄熱材と比重の大きな顕熱蓄熱材の組合せ（例えば、約７０℃に融点を持つパラフィンと水）において、上述の加熱（例えば８０℃）を行えば、昇温して蓄熱槽上部に戻された温水は上部のパラフィンを加熱して溶融させると共に、最上部に約８０℃の溶融パラフィン、その下層に８０℃から蓄熱材の初期温度（例えば２０℃）に至る傾斜した温度分布を持つ温水層、さらに下部に（冷）水層が形成されると共に、やはり、上部から下部に向かう流れが形成される。

このような温度成層を持つ蓄熱材中にコイル状熱交換器を設置し、コイル下部から上部に向かって熱媒体（例えば上水）を流せば、コイルを流れる熱媒体はマクロに見れば下部から上部に向かう流れとなり、全体として対向流的接触による熱交換が実現する。蓄熱材は上部が高温で、下部が低温であるため、対向流的流れにより、熱媒体（例えば上水）は、下部から上部に向かって温度が上昇し、加熱（熱回収）が実現する。蓄熱材は熱媒体によって冷却されるものの、上部が高温で下部が低温であるという温度分布は維持される。

ただし、蓄熱材が水の場合のように、初期には高温低温二層の成層が明瞭な場合にも、層の界面は不明瞭になり、傾斜的な温度分布に移行した後、その分布形状が維持される。このような作用により、温度分布が維持される結果、対向流接触的熱交換が実現し、効率的な熱回収が可能になる。

〔構成６〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項６に記載したように、〔構成1〕ないし〔構成５〕に記載した構成に加えて、コジェネレーション機器（熱電併供給機器）の排熱を水の顕熱として貯留するものであることを特徴とする。

〔作用効果〕
コジェネレーション機器を住宅に設置する場合、構成機器の設置スペースと質量の低減が重要である。本構成にて蓄熱槽を構成する場合、蓄熱槽の形状を、円筒形や立方体形状のみならず、例えば、発電機器の余剰スペースの形状に合わせた不定型な形状も容易に形成することが可能である。現在の家庭用コージェネ機器は発電ユニット（主要機器はエンジン、燃料電池等）と排熱回収ユニット（主要機器は蓄熱槽とバックアップボイラ）の二分割形式が多いが、蓄熱槽の形状を適当に選択することによって、コジェネレーション機器を比較的コンパクトかつ軽量な一体形状にまとめたり、排熱回収ユニットを薄型に構成したりすることも容易になり、設置性が向上する。

〔構成７〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項７に記載したように、〔構成1〕ないし〔構成５〕に記載した構成に加えて、コジェネレーション機器の排熱を、水と水より比重と蒸気圧が小さくかつ固相−液相間の相変化潜熱を利用する潜熱蓄熱材の組合せにて貯留するものであることを特徴とする。

〔作用効果〕
開放型蓄熱槽の蓄熱材として水を選択した場合、８０℃程度に加熱すると蒸発が著しくなって蓄熱槽から湯気が発生する。この場合、蒸発潜熱に相当する熱量と水量を損失するだけでなく、槽を出た水蒸気が機体や家屋の表面に凝縮して腐食やカビを誘発するという不都合を生じる場合がある。水面からの蒸発を抑制するために、水面に多数の小球や、蒸気圧の低い油状物質を浮かべる対策の成されることが多いが、ここでは油脂状物質に替えて、あるいはその特殊例として、例えば水を８０℃程度に加熱して蓄熱する場合には、７０℃程度に融点を持ち、かつ水より比重と蒸気圧が小さな物質を採用する。そのような物質の例として分子量を適当に選択したパラフィンを挙げることができるが、パラフィンは潜熱蓄熱材としてもよく用いられるものであり、水面に浮かべることで、水の蒸発を抑えると共に、パラフィンの凝固−融解に伴う相変化潜熱をも蓄熱に利用することができる。

本構成の場合、水の蒸発が盛んになる７０℃以上になるとパラフィンが溶解して水面に広がるため、蒸発を有効に抑制することができる。また、低温（常温）から液体である油脂状物質を採用した場合に比べて、蓄熱量が増大するという特長が付加される。

水と潜熱蓄熱材の比率は適宜選択すればよく、例えば、潜熱蓄熱材の割合を多くすれば蓄熱量を増大させることができるが、固相での熱伝達率が小さくなるので、熱交換器に必要な伝熱面積も同時に増大させる必要が生じる。

〔構成８〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項８に記載したように、〔構成６〕あるいは〔構成７〕に記載した構成に加えて、コジェネレーション機器の発電装置が燃料電池であり、水蒸気改質ガスの一部もしくは燃料電池における燃焼（酸化反応）排ガスを冷却して凝縮水を生成させると共に蓄熱槽に貯留して、当該凝縮水を蓄熱材の全部もしくは一部として用いることを特徴とする。

〔作用効果〕
炭化水素燃料を使用する燃料電池（ＰＡＦＣ，ＰＥＦＣ，小型ＳＯＦＣ等）においては、水蒸気改質を行う前に燃料は高度に脱硫されており、また、水蒸気改質反応や燃料電池における燃焼（酸化）反応条件に於いては窒素酸化物が殆ど生成されないため、水蒸気改質ガス（改質後の混合気体）や、燃焼排ガスを冷却して発生する凝縮水は、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分は勿論、硫酸、亜硫酸、硝酸もしくは亜硝酸等を殆ど含まず、純水に近い。

よって、凝縮水はそのままで、あるいは純水装置で処理された純水と混合して、もしくは軽度な処理を経て、水蒸気改質のプロセスに利用可能することにより、純水装置に使用されるイオン交換樹脂等の損耗を抑制することができる。凝縮水は、負荷変動に付随する水蒸気改質量の変動に対処するため、一般には一時貯留タンクに蓄えられる。

本構成は、上記凝縮水を貯留するタンクと蓄熱槽を兼用するものである。凝縮水は、排ガス等の冷却で生成されるが、その露点付近（例えば５５℃）の顕熱を有しており、これを蓄熱槽に導けば、その顕熱の回収・有効利用が可能になる。ＳＯＦＣに用いられる蓄熱槽では、上部が８０℃程度、下部が常温の温度分布が生じるため、凝縮水は蓄熱槽高さの中間位置に注入することで、この傾斜的温度分布が維持され、熱媒体（上水）との対向流的熱交換を効果的に行うことができる。

〔構成９〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項９に記載したように、〔構成８〕に記載した構成に加えて、貯槽上部の凝縮水（高温純水）の全部もしくは一部を、炭化水素燃料を用いる燃料電池の水蒸気改質用純水として利用することを特徴とする。

〔作用効果〕
蓄熱槽は断熱されているため、凝縮水の温度が低下しにくいのみならず、貯槽上部には、燃料電池の排熱を回収して温度の上昇した凝縮水が貯留されている。従って、温度の高い凝縮水を水蒸気改質のプロセス蒸気製造水として使用すれば、蒸気製造に要する熱量の一部が削減される。よって、蒸発器の容量（伝熱面積）を縮小することができ、コストダウンを図ることができる。なお、燃料電池が小型ＳＯＦＣのように、セルを自らの発熱で高温に維持する必要のある場合には、熱の消費を抑えて熱自立運転の達成を容易にする効果も付随する。

〔構成１０〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項１０に記載したように、〔構成８〕又は〔構成９〕に記載した構成に加えて、水蒸気改質ガスの一部もしくは燃料電池における燃焼（酸化反応）排ガスの冷却を、貯槽下部の蓄熱材との熱交換にて行い、温度の上昇した蓄熱材を貯槽上部に返して排熱回収を行うと共に、貯槽下部の蓄熱材は熱媒体と熱交換することによって低温を保持する構造を持つことを特徴とする。

〔作用効果〕
燃料電池燃焼排ガス等は２００℃程度の温度を持っているため、その冷却による凝縮水回収によって、燃焼排ガス等の潜熱と顕熱を回収できる。先に説明した構成では、冷却用に貯槽下部に貯留された蓄熱材を抜き出して利用し、その流量を制御することで温度一定に加熱し、貯槽上部に戻す循環によって、排ガス等からの熱と凝縮水の回収を行うことができる。一方、貯槽下部では、その部位に存する蓄熱材と、別途供給することができる低温の熱媒体と熱交換させることで、蓄熱材を低温を保持することができる。

この構成において、蓄熱材として水（凝縮水・純水）を使用し、熱媒体が別途系内に供給される給水を使用する場合は、以下の作用・効果を奏する。
即ち、燃料電池燃焼排ガス等は２００℃程度の温度を持っているため、その冷却による凝縮水回収によって、冷却水は燃焼排ガス等の潜熱と顕熱を得て加熱される。ここでは、冷却水として、貯槽下部に貯留された凝縮水を抜き出して利用し、その流量を制御することで温度一定（例えば、８０℃程度）に加熱し、貯槽上部に戻す循環によって、排ガス等からの熱と凝縮水の回収を行う。

回収された凝縮水は、上述のように５５℃程度の温度があり、蓄熱槽の中間位置に入れられるが、上記排熱回収による循環で、５５℃程度の温度槽は下降して貯槽下部の冷却水抜き出し口に至ると冷却水温度が上昇し、潜熱回収が不能になる。従ってそうなる前に凝縮水の冷却が必要になるが、ここでは冷却を給湯使用時の給水（例えば常温の上水）で行い、熱利用と冷却水の低温維持を同時達成する。従って、蓄熱槽に設置される熱交換器は、蓄熱槽の熱を回収するものであるが、貯湯槽下部に於いては、凝縮水を冷却する作用をも併せ持つものであるため、蓄熱槽下部においても、それに見合った伝熱面積を確保するように設計されなければならない。

〔構成１１〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項１１に記載したように、〔構成１０〕に記載した構成に加えて、給水（常温水（例えば上水））を、貯槽下部の蓄熱材（例えば水（凝縮水・純水））から上部の水へと順に熱交換し、更に他の熱源を用いて加熱・温調を行った後に給湯に用いることを特徴とする。

〔作用効果〕
給水は、貯槽下部の蓄熱材（例えば水）を冷却水として使用できるように冷却作用を行うが、その結果自らの温度は上昇する。この予熱された給水を貯槽上部に導いて、槽上部の高温の蓄熱材（例えば水）と熱交換を行えば、給湯や暖房に適する温度にまで昇温することが可能であり、給湯や暖房用の温水として使用できる。

しかしながら、実用的には、給湯や暖房に使用する温水の温度は、適切に温度調整されないと、給湯に於いてはシャワー温度が急変したり、暖房に於いては能力不足が起きたりする問題が生じる。蓄熱槽内の蓄熱材（たとえば水）の温度及びその分布は、常に変化するため、熱交換器だけで温度制御しようとすれば、給水流量を精密に制御する必要がある。

一方、給湯に於いては、その流量は使用目的に応じて自在に設定する必要があり、流量が温度制御のために規制されることは不都合である。そこで、蓄熱槽にて成り行きで加熱された給水を、ＰＩＤ制御が内蔵されたガス湯沸器等の制御性に優れた別熱源に導いて更に加熱・温調すれば、流量と温度をそれぞれ自在に設定することが可能になり、給湯の利便性が向上する。

一般のガス湯沸器であれば、３５℃程度までの給水温度に対して、いわゆるソーラー対応湯沸器であればそれ以上の温度の給水にも対応しても、例えば、４５℃の湯を能力限度内の流量で供給することが可能である。

設定温度より高い給水温度が供給された場合には、常温の給水とミキシングして設定温度まで低下させて出湯する機能がオプションで準備された機種もあり、本構成に用いる追焚き熱源を新たに開発する必要はない。また、蓄熱槽における熱交換を定格流量にて３５℃程度に抑えた設計をすることは、熱交換器の伝熱面積を小さくできることに繋がり、安価に熱交換器を製造できることになる。

〔構成１２〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項１２に記載したように、これまで説明した〔構成１〜１１〕に記載した構成に加えて、熱交換器を、貯槽上部に配設される上部熱交換器と、貯槽下部に設けられる下部熱交換器と、前記両熱交換器内に形成された両熱媒体流路を貯槽上下方向に短絡する短絡流路を形成する短絡配管とを組み合わせて構成することを特徴とする。

〔作用効果〕
このように、熱交換器を少なくとも２つに分割し、上部熱交換器と下部熱交換器とすることで、上部熱交換器においては、その近傍にある比較的高温の蓄熱材から受熱して、例えば、高温給湯を確実に行える。一方、下部熱交換器においては、その近傍にある比較的低温の蓄熱材への熱源温水からの授熱を、熱交換効率を高く保つことにより両者間の温度差によって確保することができ、熱の有効利用を図ることが可能となる。

さらに、この構成では所要の機能を果すことができる適正部位（上部及び下部）にのみ熱交換器を配設する構成となるため、各熱交換器は小型のものでよい。さらに、上部と下部で同一構造の熱交換器を２つ使用することとしておくと、更なるコストの低減を図ることができる。

〔構成１３〕
本構成による大気開放型蓄熱槽は、請求項１３に記載したように、これまで説明した〔構成１〜１２〕に記載した構成に加えて、蓄熱材が前記熱媒体に授熱する第１熱交換部を貯槽上部に設け、
前記授熱により温度低下した前記蓄熱材を前記貯槽上部から貯槽下側に導く蓄熱材下降路を形成する下降路形成部材を設けるとともに、前記下降路形成部材の下側に蓄熱材開放口を設け、
前記蓄熱材開放口から流出する蓄熱材に授熱する第２熱交換部を設けたことを特徴とする。
〔作用効果〕
この構成にあっては、槽内上部に第１熱交換部が設けられ、この部位で蓄熱材が第１熱交換部内を流れる熱媒体に授熱することにより、その温度は低下する。このようにして温度低下した蓄熱材は、蓄熱材下降路を介して、貯槽上部から貯槽下側に導かれる。この蓄熱材下降路の下側には蓄熱材開放口が設けられていることにより、この開放口からその周部に蓄熱材が開放され、当該開放部位において第２熱交換部により、蓄熱材は加熱される。この蓄熱材は温度上昇に伴って上昇流動を起こす。

結果、蓄熱材下降路の内側にあっては、低温となった蓄熱材の下降流が、外側では高温の蓄熱材の上昇流が形成でき、効率的に蓄熱槽内に蓄熱材の対流流動を実現でき、良好な熱利用を図ることができる。
以上より、本構成にて、排熱を有効利用して省エネルギーを図りながらも利便性を損なうことなく、高性能な給湯を実現することが可能になる。
〔構成１４〕
これまで説明してきた構成の大気開放型蓄熱槽〔構成１〜１３〕において、請求項１４に記載されているように、前記貯槽内に収納される前記蓄熱材に水平方向の循環流動を付与する循環流動付与手段を備えることが好ましい。
〔作用・効果〕
貯槽内部に熱交換器を備えた本願に係る大気開放型蓄熱槽にあっては、基本的に蓄熱材に流動がないため熱伝達が低く、大きな伝熱面積の熱交換器を必要とする。そこで、水平面内で循環する蓄熱材の流れ（渦）を形成させることで、蓄熱材と熱媒体との間の熱伝達の促進を図ることができる。この際、鉛直方向の流れは、蓄熱槽内に形成される温度成層を壊すため、できる範囲において抑える必要があるが、実質的に水平方向の流れとすることで、温度成層が崩れるのを抑制できる。この種の循環は、ポンプや小型のプロペラ型攪拌機を用いて、吸込みと吐出を同一平面内として、吐出を槽壁の接線方向、吸込みをそれと逆方向にすることで実現できる。
また、循環流形成を容易にするためには、貯槽を円形断面にするのが最良であるが、角を取った（アールを付けた）矩形断面とすることでも可能である。

〔構成１５〕
さらに、これまで説明してきた構成の大気開放型蓄熱槽〔構成１〜１４〕において、請求項１５に記載されているように、貯槽を、貯留した蓄熱材と大気との界面部分の面積が界面部分以外の部分の断面積よりも小さくなるように構成することが好ましい。

ここで、界面部分以外の部分とは、蓄熱材を主に貯留する蓄熱槽の主要部分を意味しており、例えば、図１１に示すように、貯槽を、互いに連通接続された上部貯槽と下部貯槽とで構成する場合に、その連通部分のような特異な部分は含まない。従って、この構成にあっては、蓄熱槽中における蓄熱材と大気との界面との面積が、蓄熱槽の主要部分の断面積より小さくなるように、界面の生じる部分を縮小する。このように気液の界面を小さくすることで、蓄熱材（例えば、水）の蒸発を抑えることができ、蒸発に伴う気化熱の損出と、冷部に結露して腐食を発生させるという二つの問題の発生を抑えることができる。

〔構成１６〕
さらに、これまで説明してきた構成の大気開放型蓄熱槽〔構成１〜１５〕において、請求項１６に記載されているように、貯槽を、複数の貯槽ユニットを少なくとも上部同士及び下部同士において前記蓄熱材を流通自在に連通接続して構成されていることが好ましい。

貯槽を製造するに際しては、槽の肉厚をできるだけ薄くすることが好ましいが、薄くすると大気圧力下でも、槽が変形（膨張）する。このような変形が直ちに貯槽の破壊を招くわけではないが、この貯槽を組み込んだ装置としての寸法精度を維持する上で不都合である。そこで、貯槽を構成するに、小型の貯槽ユニットを複数個連結して所定容量の貯槽を成すものとする。
このように小型化することにより強度が増し、変形が抑えられる。また貯槽ユニット同士の接続は、液面下で上部と下部が連通していれば、接着してもしなくてもよい。接着しない場合には、連通管で相互を接続すればよく、接着する場合には、連通口を相互に開けて、蓄熱材の漏れないように溶接等で接着すればよい。
このように構成すると、貯槽ユニットの金型を小型化してそのコストを抑えるとともに、機械的強度の増加を図ることができる。
この構成の場合、貯槽ユニット同士は水平方向に並べてもよいし、鉛直方向に積み上げても良い。小型の槽をユニットとして、その組み合わせにより、強度計算の必要なく、比較的自由な容量に蓄熱槽を構成することができる。

以上、説明を加えてきたように、本発明は蓄熱槽を大気開放型とすることにより以下の効果を発揮する。
１）蓄熱槽を発泡性樹脂等の低強度材料にて、安価に製造できる。
２）蓄熱槽を発泡性樹脂等の断熱材そのもので形成でき、断熱性に優れる。
３）比較的自由な形状に成型でき、外寸に対して貯留容積を大きくできる。
４）発泡性樹脂等の一体成型により蓄熱材の漏洩等を抑制できる。
５）槽内面を耐熱・耐食性のフィルムで覆うことで、信頼性を一層向上できる。
６）蓄熱材が水である場合、その蒸発損失（水と熱）を抑えることができる。
７）熱交換器として、比較的安価なコイルやフィンチューブを利用できる。
８）熱媒体は管内を通すため、（管の耐圧内で）減圧の必要がない。
９）補助熱源にて温度制御が確実にできる。
１０）コージェネ排熱等、特に凝縮水の顕熱をも有効に利用できる。
１１）燃料電池に用いた場合には、純水装置の負荷を軽減できる。
１２）純水装置の貯槽を省略できる。
１３）燃料電池蒸発器の伝熱面積を低減できる。
これらにより、本発明利用機器のコストダウン、省エネルギー及び省スペースが実現できる。

本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
〔構成１・２〕
図１は〔構成１・２〕の発明に係わる大気開放型蓄熱槽の概念図（斜視透視模式図）である。蓄熱槽１は発泡スチロール等の断熱性が良く液と蒸気の封止可能な発泡性樹脂にて有底円筒形状に一体的に成型されている。具体的には、一例として、ブタン等の炭化水素ガスを吸収させたポリスチレン樹脂を高温蒸気に当てて発泡させることにより、所定の有底円柱形状を得る成型法を採用している。そして、金型を切替える多段階成型手法を採用することにより、筒材内部１ｍ及び外面１ｏにあっては、スチロールの発泡度の高いものとされ断熱性を確保し、蓄熱材ｈｓ（具体的には水ｗ）が直接接触する内面１ｉにあっては、スチロールの発泡度を低下させ、蓄熱材ｈｓとの接触面積を低下させている。結果、内面1ｉでは、スチロールが蓄熱材ｈｓの影響を受け難く、蓄熱材ｈｓの洩れ等が発生し難い構造としている。
この蓄熱槽１の構成材料としては、発泡スチロールの他、発泡ポリウレタン、発泡ポリエチレン等を採用してもよい。

熱交換器２は、銅管を螺旋状に巻いたいわゆるコイルであり、水ｗ等の液体の蓄熱材ｈｓもしくはパラフィン等の低温時固体−高温時液体の潜熱蓄熱材（図示せず。）に浸漬して使用する。潜熱蓄熱材を用いるときには、銅管外面にフィンを取付け、伝熱面積を増やして熱伝達性能を補うことが可能である。

蓄熱槽外面１ｏは耐候性向上のため鋼板等で被覆し（図示せず。）、内面１ｉは蓄熱材ｈｓの熱と浸食に耐えるべく樹脂の発泡率を低下させる等の適当な処置を採ることも任意である。また、機械的強度を補うため、鋼材等で適宜補強することも自由である。
この熱交換器２には、蓄熱材ｈｓとの熱交換の対象となる熱媒体ｈｒが流れる内部流路が形成されており、例えば熱媒体ｈｒとして、常温の上水ｓｗが供給されて蓄熱材ｈｓから受熱し、予熱水ｈｗとして槽外に送り出される。

〔構成１・２〕
図２は〔構成１・２〕の発明に係わる発明の他の実施形態を示す概念図（斜視透視模式図）である。本構成では、蓄熱槽１を立方体形状にし、熱交換器２を蛇管状に形成している。これにより、蓄熱槽１の外形を「角形」とすることができ、「丸形」槽の外部を鋼板にて「角形」に被覆する場合に比べて、蓄熱量を増大させることが可能になる。
更には、「丸形」、「角形」に拘泥する必要はなく、蓄熱槽１を利用する装置全体の形状を考慮して、余剰空間等の活用を含めた自在な形状に成型することも可能である。

〔構成３〕
図３は〔構成３〕に係わる発明の実施形態を示す概念図（斜視透視模式図）である。
耐熱性、封液性に優れた樹脂シート（例えばフッ素樹脂シート）３を袋状に成型したもので、先述の蓄熱槽１の内面を覆っている。この樹脂シート３は，先に説明したシート状材料に該当し、上部に開口３ｏを有する袋状に形成されており、内部に蓄熱材ｈｓを収納して、蓄熱材ｈｓの大気開放面が形成される。本シート３は槽内面に化学的に一体として製膜してもよいし、適当な接着剤で接着してもよい。更には、厚めのシートの場合機械的に固定しても良いし、金属薄板（箔）等の保形成のあるシートの場合には、全く接合しなくてもよい。

〔構成５・６・７〕
図４は、本発明を熱源機であるコジェネレーション機器等の蓄熱槽として利用した場合（〔構成６〕の発明）の実施形態を示す概念図である。
蓄熱槽１に開口５を穿孔した蓋４をかぶせ、コージェネレーション機器５０である熱源機と結ぶ配管５１，５２を取付けたものである。蓄熱材ｈｓは水ｗであるが、蒸発を抑えるためと潜熱を利用するために、パラフィン層６を水面に浮かべている（〔構成７〕の発明）。

熱源機５０に向かう水ｗは蓄熱槽下部の低温層１Ｌから抜き出され、コージェネレーション機器５０を冷却することで熱を得て昇温され、蓄熱槽上部１Ｕに返される。水ｗの流量は制御され、層上部１Ｕに高温の一定温度（例えば８０℃）で返されるのが通常である。図４の場合、熱媒体ｈｒは上水ｓｗであり、熱交換器を成すコイル下部ＣＬから導入されて、上部ＣＵから取出され予熱水ｈｗとなり給湯に使用される。

蓄熱材ｈｓである水ｗは全体として蓄熱槽１の上部１Ｕから下部１Ｌへと下降して流れ、熱媒体ｈｒである上水ｓｗはコイル下部ＣＬから上部ＣＵへと旋回しながら上昇して流れ、両者は全体として対向流的に接触し、能率良く熱交換が成される（〔構成５〕の発明）。また、熱交換の結果、蓄熱槽１内の水ｗには、下方から上方に向かって温度が上昇する傾斜的な温度分布が形成・維持される。

上記の蓄熱槽１では、熱源機５０で加熱された蓄熱材は蓄熱槽上部にもどされ、熱交換器内を流れる熱媒体と熱交換を行い、冷却された蓄熱材が蓄熱槽下部から、熱源機５０に送られる。従って、蓄熱材は蓄熱槽ないで温度成層を成す。

〔構成４〕
図５は、上記の構成を更に改善し、蓄熱槽上方の全面を気密に覆う蓋４を取付けると共に、蓄熱槽１を断面ドーナツ状に形成して中心部に配線・配管スペース（配管スペースの一種）７を設け、全ての配管ｐｃを配線・配管スペース７を通じて、蓄熱槽の下に取出すことのできるように構成した蓄熱槽１（〔構成４〕の発明）の例を示す断面模式図である。図５（ａ）は上下方向の断面である縦断面図を示し、図５（ｂ）は水平方向の断面である横断面図を示している。当然、このスペース７を介して外部に設けられた制御機器と蓄熱槽内に設けられた各機器との配線を行うこともできる（図示省略）。

本図には、熱源温水の供給・排出を担う熱源機との接続配管５１、５２を示すとともに、給湯用コイル２だけでなく、暖房用コイル２´をも併設した例を示している。更に、追焚き用等のコイル（図示せず）を設けることも容易である。
蓄熱槽１の大気への開放は、配線・配管スペース７もしくはオーバーフロー管７０を通じて行われる。本構成の場合、配管取出し部の断熱・気密が不完全でも、蓄熱槽１の大気開放面ＡＳからの自然対流による放熱を抑止することができ、しかも蓄熱槽１と蓋４を配管ｐｃ（配線を行った場合は配線も含む）が貫通することがないため、封液性、気密性に関する信頼度が高い。
図示する例では、蓄熱槽１内の水ｗを適宜排水可能とすべく排水機構５５を設けている。この排水機構５５は、蓄熱槽１における熱の外部との授受に関しては、実質的な影響は少ない。

〔構成６〜１１〕
図６は、小型ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）に本発明の蓄熱槽１を適用した場合の実施形態を示す流れ図である。

小型ＳＯＦＣ１０は、セルスタック１１、予備改質器１２、蒸発器１３、インバーター１４、空気予熱器１５、排熱回収熱交換器１６、純水装置１７、純水貯槽１８及び蓄熱槽１等から構成される。また、ガス湯沸器２０が燃料電池故障時及び回収排熱の加温用に付随している。この純水装置１７は、上水ｓｗから純水を製造する装置である。

蓄熱槽１に貯留された蓄熱材ｈｓ（水ｗ）は、槽下部１Ｌから抜き出され、排熱回収熱交換器１６で燃料電池燃焼排ガスから排熱回収を行って加熱され、蓄熱槽１の上部１Ｕに戻される。この循環は、ポンプ１９´にて行われるが、蓄熱槽１に戻る温度が略８０℃一定となるように制御される。なお、蓄熱槽１は、上部に通気口５を設けると共に、水蒸気が通気口５から漏れ出さないように、パラフィン６にて水面を覆っている。
さらにオーバフロー管７０が設けられるとともに、図示する例では、蓄熱槽１内の水ｗを適宜排水可能とすべく排水機構５５を設けている。

上水ｓｗは熱交換器２の下部１Ｌから上部１Ｕに向けて流通させることにより、上部１Ｕが高温である蓄熱材ｈｓと対向流的に接触・熱交換して加熱される。この時、蓄熱槽下部１Ｕの蓄熱材ｈｓ（水ｗ）は、冷却されて低温に維持される結果、排熱回収や熱源機冷却に冷却水として使用できる（〔構成１０〕の発明）。予熱水ｈｗはガス湯沸器２０にて温度調節をされて、給湯に使用される（〔構成１１〕の発明）。

なお、本湯沸器２０は、ＰＩＤ制御にてガス量を調節すると共に自動ミキシングバルブ２３にて湯水混合を行い、温度センサ２４´で検知される出湯温度を設定温度となるように制御する。ただし、給湯器２０への入り水温が温度センサ２４にて設定温度より高いと検知された場合には、ミキシングバルブ２３´にて上水ｓｗと混合し、熱交換器２２をバイパスして設定温度の給湯を行うように構成されている。

図７には、先に図６を用いて説明した小型ＳＯＦＣとほぼ同様な構成において、蓄熱槽１内に更なる熱交換器であるコイルＣを設け、排熱回収及び回収された熱の蓄熱材ｈｓへの供給を独立の熱媒体回路で行う例である。従って、この熱媒体回路Ｒ１は、排熱回収熱交換器１６と蓄熱槽１内に設けられたコイルＣとの間をポンプ１９´を利用して熱媒体を循環させる構造としている。この構造を採用することで、排熱回収、回収された熱の蓄熱材への供給を熱授受の観点から独立に制御可能となる。換言すると、蓄熱槽１内の蓄熱材ｈｓ（水ｗ）の量の調整に関係なく行える。更には、給湯水と熱媒体回路Ｒ１を流れる熱媒体とは管壁で二重に隔てられているため、いずれかに腐食による微小な孔あきがあった場合にも、両者が混合することがなく、給湯水は衛生的に保たれる。

図８は、小型ＳＯＦＣに本発明の蓄熱槽１を適用した場合の他の実施形態を示す流れ図である。この例では、排熱回収熱交換器１６にて冷却され、生成した凝縮水（〔構成１０〕の発明）を蓄熱槽１の中程の位置に返して、純水装置１７で製造された純水と併せて蓄熱材ｈｓ（水ｗ）として使用している（〔構成８〕の発明）。これにより、純水の貯槽（図６、図７における１８）を省略するとともに、凝縮水の顕熱をも有効に回収できるようにしている。

蓄熱槽１に蓄えられた純水は、その下部が上水ｓｗで冷却された後、排熱回収熱交換器１６に送られて排熱回収に使用され、蓄熱槽上部１Ｕに高温水として蓄えられる。この時、燃料電池排ガスは冷却されて凝縮水を分離するため、上述のように、凝縮水を純水の一部として蓄熱槽１に蓄えて使用することとなる。

蓄熱槽上部１Ｕには温度の高い（例えば８０℃）純水が蓄えられるため、これを抜き出して蒸発器１３に供給（〔構成９〕の発明）すれば、純水の予熱に必要な分の伝熱面積が省略でき、コストダウンとコンパクト化に繋がる。
上水ｓｗの給湯利用、及び小型ＳＯＦＣの他の構成は、図６、図７に基づいて説明した例と同様である。

〔構成１２〕
図６から図８に示す例では、本願に係る大気開放型蓄熱槽１を小型ＳＯＦＣに適用する例を示したが、以下の図９、図１０に示す例は、複数の熱需要家１１０（給湯先）に対して、共有・単一若しくは複数のコジェネレーション機器１１１（例えば燃料電池）を共有敷地内に設け、共有のコジェネレーション機器１１１から発生する熱を利用し、例えば９０℃の熱源温水ＨＷを各熱需要家１１０を巡る形態で供給し、別途各熱需要家１１０に供給されている上水ｓｗを利用して給湯を行うことが可能なシステムに、本願に係る大気開放型蓄熱槽１を使用する例について説明する。無論、この構成の大気開放型蓄熱槽１を、図６〜８に示された小型ＳＯＦＣに適用することもできる。

図６から図８に示す例では、都市ガスｇ及び水（通常は上水ｓｗであり、この上水は常温で供給される）の供給を受けて、システムは電気ｅ及び湯ｈｗの供給が可能であったのに対して、図９及び図１０に示す例では、コジェネレーション機器１１１側で行われる電気ｅの供給に関しては記載を省略し、各熱需要家１１０において、水（上水ｓｗ）の供給を受けるとともに、コジェネレーション機器１１１側で発生された熱源温水ＨＷの供給を受け、給湯に加え、風呂の追い焚き及び暖房温水の再加熱を行うシステムとされている。

図９は、所謂「隣組コジェネシステム」に、本発明の蓄熱槽１を適用した場合の各熱需要家１１０（給湯先）の実施形態を示す流れ図である。
同図下側に本願に係る大気開放型蓄熱槽１を、上側に、熱源温水ＨＷの循環路１１２、給水路１１３、給湯路１１４、暖房温水回路１１５の入側１１５ｉ及び出側１１５ｏ、風呂追い焚き回路１１６の入側１１６ｉ及び出側１１６ｏを示している。

熱源温水ＨＷは、循環路１１２の上流側に設けられた共有の燃料電池設備であるコジェネレーション機器１１１から発生する排熱等により所定温度（例えば９０℃）の温水として得られ、熱源温水ＨＷが内部を循環する形態で、各需要家１１０に送られてくる。熱源温水ＨＷの循環路１１２には、この循環路１１２の上流側部位から熱源温水ＨＷを取り出してその供給を受ける供給部１１２ａと、この供給部１１２ａより循環路下流側部位に熱源温水ＨＷを戻す戻り部１１２ｂが設けられている。そして、供給部１１２ａと戻り部１１２ｂとの間の熱源温水流路ＲＨＷは、大気開放型蓄熱槽１内に設けられた熱交換器ＨＣ内を介する構成とされている。

この熱源温水用の熱交換は、図９に示すように、蓄熱槽上部１Ｕに配設される上部熱交換器ＨＣＵと、蓄熱槽下部１Ｌに設けられる下部熱交換器ＨＣＬと、両熱交換器ＨＣＵ，ＨＣＬ内に形成された両熱媒体流路を蓄熱槽上下方向に短絡する短絡流路を形成する短絡配管ＳＰとを組み合わせて構成されている。

そして、供給部１１２ａから供給される熱源温水ＨＷは上部熱交換器ＨＣＵ、短絡流路ＳＰ、下部熱交換器ＨＣＬの順に内部を流れ、戻り部１１２ｂに戻る構成とされている。

給水路１１３及び給湯路１１４は、給水部１１３ａから給湯部１１４ａに直接給水が供給されるバイパス路ｂｒと、給水部１１３ａから供給される上水ｓｗを蓄熱槽１内に導き、蓄熱槽１内に配設されている給湯タンクＴにおいて所定の温度に昇温し、所定温度の給湯温水を給湯部１１４ａに送る熱交換路ＲＳＷとを備えて構成されている。この構成を採用することにより、熱交換路ＲＳＷにあっては、蓄熱槽１内にある蓄熱材ｈｓ或いは熱源温水ＨＷから受熱して、上水ｓｗから給湯温水が生成され、所定温の温水を供給することができる。

熱源温水ＨＷの回路ＲＨＷと熱媒体である上水ｓｗの回路ＲＳＷとの間にもバイパス路ＢＲを設け、給湯温が充分でない場合は、熱源温水を給湯温水に直接混合することもできるように構成されている。

暖房温水回路１１５は、その入側１１５ｉにおいて暖房作動により温度低下した温水を受け入れ、その出側１１５ｏから蓄熱槽１で加熱された温水を暖房機器１１５ａ側に戻す。
この暖房用の温水の熱交換は、図９に示すように、蓄熱槽上部１Ｕに配設される少なくとも上部熱交換器ｈｃｕにより行われるように構成されている。この構成を採用することにより、蓄熱槽上部１Ｕにある蓄熱材ｈｓ或いは熱源温水ＨＷから熱の供給を受けて、暖房用の温水は適切に昇温されて暖房機器１１５ａに戻される。

追い焚き回路１１６は、その入側１１６ｉにおいて温度低下した風呂水を受け入れ、その出側１１６ｏから蓄熱槽１で加熱された風呂水を浴槽１１６ａに戻す。
この風呂水の熱交換は、図９に示すように、蓄熱槽上部１Ｕに配設される少なくとも上部熱交換器ｈｃｕ及び蓄熱槽下部１Ｌに設けられる下部熱交換器ｈｃｌと、両熱交換器ｈｃｕ、ｈｃｌ内に形成された両熱媒体流路を蓄熱槽上下方向に短絡する短絡流路を形成する短絡配管ｓｐとを組み合わせて構成されている。
この風呂水は、下部熱交換器ｈｃｌ、短絡流路ｓｐ、上部熱交換器ｈｃｕの順に内部をながれ、予熱された後、上部熱交換器ｈｃｕで充分に昇温されて風呂に戻される。

結果、熱源温水から受熱して効率的に各用途での熱利用を図ることができる。

〔構成１３〕
図１０も、所謂「隣組コジェネシステム」に、本発明の蓄熱槽１を適用した場合の各熱需要家１１０（給湯先）の実施形態を示す流れ図である。
同図下側に本願に係る大気開放型蓄熱槽１を、上側に、熱源温水ＨＷの循環路１１２、給水路１１３、給湯路１１４、暖房温水回路１１５の入側１１５ｉ及び出側１１５ｏ、風呂追い焚き回路１１６の入側１１６ｉ及び出側１１６ｏを示している。

熱源温水ＨＷの循環に関しては、先に図９で説明したと同様であるので、説明を省略する。

給水路１１３、給湯路１１４は、給水部１１３ａから給湯部１１４ａに直接給水が供給されるバイパス路ｂｒと、給水部１１３ａに供給される上水ｓｗを蓄熱槽１内に導き、蓄熱槽１内に配設されている下部熱交換器ｈｃｌ、短絡路ｓｐ、上部熱交換器ｈｃｕを経て所定の温度に昇温し、得られた温水を給湯部１１４ａに送る熱交換路ＲＳＷとを備えて構成されている。この構成を採用することにより、熱交換路ＲＳＷにあっては、蓄熱槽１内にある蓄熱材ｈｓ或いは熱源温水ＨＷから受熱して、上水ｓｗから温水が生成され、所定温の温水を供給することができる。

暖房温水回路１１５及び追い焚き回路１１６は、先に図９において説明したと同様であるため、説明を省略する。

さて、図１０からも判明するように、蓄熱材ｈｓが熱媒体に授熱する第１熱交換部ＨＣ１を蓄熱槽上部１Ｕに設け、授熱により温度低下した蓄熱材ｈｓを蓄熱槽上部１Ｕから蓄熱槽下側１Ｌに導く蓄熱材下降路を形成する下降路形成部材１１７が設けられている。この下降路形成部材１１７の上側端は、大きな断面積を有し、蓄熱材ｈｓが熱媒体に授熱する前記第１熱交換部ＨＣ１をその内部に形成するように構成されており、蓄熱材熱交換部下側端に蓄熱材開放口１１７ｂが設けられている。この蓄熱材開放口１１７ｂから流出する蓄熱材ｈｓに授熱する第２熱交換部ＨＣ２が設けられている。
結果、この構成にあっては、下降路形成部材１１７を設けることで、図１０に矢印で示すように、蓄熱槽１内に、中心側で下降流となり外径側で上昇流となる蓄熱材ｈｓが効率的に循環する循環対流を良好に形成でき、熱源温水ＨＷから受熱して効率的に各用途での熱利用を図ることができる。

〔構成１４・１５〕
図１１は、本願に係る大気開放型蓄熱槽を備え、コジェネレーション機器１５０（例えば燃料電池）からの排熱を給湯に利用可能に構成したものである。
これまで説明したように、この例にあっても大気開放型蓄熱槽は、蓄熱材ｈｓを貯留してその貯留した蓄熱材ｈｓの上面より高い位置に大気に通じる開口１４５を有する貯槽１４１と、貯槽１４１内に貯留された蓄熱材ｈｓと内部を流れる熱媒体との熱交換を行う熱交換器１４２とを備えて構成され、給水を加熱して給湯することが可能とされている。この例では熱交換器１４２はコイル熱交換器であり、貯槽内部に貯留された蓄熱材ｈｓを循環させるための循環流動付与手段Ｖが備えられている。

大気開放型蓄熱槽は、蓄熱材ｈｓとして水ｗを用いており、高温の温水を上部に且つ低温の水を下部に貯留させて温度成層を形成する状態で水ｗを貯留する。この蓄熱材ｈｓは、コジェネレーション機器１５０の冷却水としても使用され、コジェネレーション機器１５０から発生する排熱を利用可能に構成されている。貯槽１４１は、合成樹脂にて有底筒状に形成されている。合成樹脂としては、例えば、ポリプロピレン等を用いることができるが、銅イオンに対して変性劣化しにくい銅害防止グレードを用いることが好ましい。

前記貯槽１４１は、平面視が矩形状の下部貯槽１４１Ｌと上部に開口１４５が設けられて平面視が同じく矩形状の上部貯槽１４１Ｕとを連通する状態で備えて構成されている。具体的には、前記下部貯槽１４１Ｌの上部の一部（図において左側端）と上部貯槽１４１Ｕの下部の一部（図において右側端）とが連通され、内部に貯留される蓄熱材ｈｓが流通可能に構成されている。また、平面視において上部貯槽１４１Ｕの断面積を下部貯槽１４１Ｌの断面積よりも小さくすることによって、貯槽１４１に貯留した蓄熱材ｈｓと大気との界面部分の面積を界面部分以外の部分の断面積よりも小さくしている〔構成１５の発明〕。

前記上部貯槽１４１Ｕには、貯槽１４１における蓄熱材ｈｓの水位が上限水位以上であることを検出する上限水位スイッチＬＳＵ、蓄熱材ｈｓの水位が下限水位以下であることを検出する下限水位スイッチＬＳＬが設けられている。そして、上部貯槽１４１Ｕには、蓄熱材ｈｓの水位がオーバーフロー用水位になると、オーバーフローにより蓄熱材ｈｓを排出するオーバーフロー路１７０が接続されている。
また、下部貯槽１４１Ｌの下部には、貯槽１４１に貯留されている蓄熱材ｈｓを排出するための蓄熱材排出路１４５が接続され、その蓄熱材排出路１４５には蓄熱材排出弁１４６が設けられている。

前記循環流動付与手段Ｖは、下部貯槽１４１Ｌの上側部位において蓄熱材ｈｓを通流自在に連通する循環路Ｖａと、その循環路Ｖａを介して槽内１４１Ｌの蓄熱材ｈｓを循環させる循環ポンプＶｂを備えて構成されている。そして、槽への戻しは槽壁の接線に沿った接線方向に行うように、槽からの蓄熱材の取り出しは前記接線方向とは槽壁に沿って逆方向となるように、循環路Ｖａが形成されている。また、図１１に示すように、循環路Ｖａは、下部貯槽１４１Ｌの側部から取り出した蓄熱材ｈｓを、下部貯槽１４１Ｌの側部で、取り出し部とほぼ同じ高さ位置に戻すように構成されている。結果、循環ポンプＶｐの働きにより、この下部貯槽１４１Ｌ内で蓄熱材ｈｓを、ほぼ同一高さ位置で水平に循環流動させることができる〔構成１４の発明〕。

前記熱交換器１４２は、下部貯槽１４１Ｌ内に収納されるコイル熱交換器として構成されており、この熱交換器１４２には、給水路１４３から給水逆止弁ＯＶを介して上水を供給可能に構成されている。熱交換器１４２の下流側はミキシングバルブＭＸＶを介して給湯路１４４に接続される構成が採用されている。

前記給水路１４３には上水が供給され、給水路１４３には上水の給水圧が常時作用する。前記給水路１４３には、熱交換器１４２をバイパスする状態でバイパス路１４８が接続されている。給水路１４３において、バイパス路１４８の分岐箇所よりも上流側には、給水逆止弁ＯＶが設けられている。

また、熱交換器１４２下流側のバイパス路１４８との合流箇所には、熱交換器１４２にて得られた温水とバイパス路１４８からの水とを混合して給湯路１４４に供給するとともに、給水路１４３からの温水とバイパス路１４８からの水との混合比を調整自在なミキシングバルブＭＸＶが設けられている。

前記給湯路１４４は、例えば、給湯栓等に接続されており、その上流側から、給湯路１４４を通流する給湯水の温度を検出する給湯温度センサＴ１、設定量以上の水量を検出するフロースイッチＦＳが設けられている。

前記上部貯槽１４１Ｕには、排熱往き路１５１によりコジェネレーション機器１５０等の排熱により加熱された高温の温水が供給されるように構成されている。従って、この貯槽１４１では、コジェネレーション機器１５０等の排熱を蓄熱することができる。
前記蓄熱材排出路１４５には、貯槽１４１にて排熱が回収された水をコジェネレーション機器１５０等に戻す排熱戻り路１５２が分岐接続されている。排熱戻り路１５２にて戻す水の温度が設定温度以上である状態では、その温水を排水路１４９を介して、温度の低い給水を導入するためのサーモバルブＴＭＶが設けられている。尚、空冷熱交換器を用いて大気にて冷却することも可能である。このようにして、排熱戻り路１５２にてコジェネレーション機器１５０等に戻す水の温度を設定温度未満に保つことができ、貯槽１４１内の温度成層を良好に保つことができるようにしている。

前記バイパス路１４８には、貯槽１４１に蓄熱材ｈｓとしての水を供給する蓄熱材供給路１４８ａが分岐接続されている。そして、この蓄熱材供給路１４８ａには、その上流側から、蓄熱材ｈｓとしての水の供給を断続する蓄熱材供給用断続弁ＭＶ、蓄熱材供給用逆止弁ＯＶが設けられている。蓄熱材供給用断続弁ＭＶは、上部貯槽１４１Ｕに設けられた下限水位スイッチＬＳＬに従って働くように構成されており、貯槽１４１内の蓄熱材ｈｓの量が所定量を下回った状態で、給水を行うように構成されている。

以下、このシステムの運転に関して説明する。
このシステムの運転は、貯槽１４１内に貯留される蓄熱材ｈｓの量を適切に保つ蓄熱材供給運転と、給湯を適切に実行する給湯運転とに別れる。

蓄熱材供給運転
下限水位スイッチＬＳＬにて蓄熱材ｈｓの水位が下限水位以下であることを検出すると、蓄熱材供給用断続弁ＭＶを開弁させて、給水路１４３、バイパス路１４８、蓄熱材供給路１４８ａを通して、下部貯槽１４１Ｌに蓄熱材ｈｓとしての水を供給して蓄熱材供給運転を行う。
上限水位スイッチＬＳＵにて蓄熱材ｈｓの水位が上限水位となったことを検出すると、蓄熱材供給用断続弁ＭＶを閉弁させて、下部貯槽１４１Ｌへの蓄熱材ｈｓの供給を停止して蓄熱材供給運転を停止する。

給湯運転
給湯路１４４の下流側に設けられた給湯栓等が開かれてフロースイッチＦＳにて設定量以上の水量を検出すると、給水圧力を利用して、熱交換器１４２内を下部から上部に向かって上水を流し、温水を得る。前記熱交換器１４２では、下部貯槽１４１Ｌ内を下降する蓄熱材ｈｓと、コイル内を上昇する水とが対向流形態で熱交換し蓄熱材ｈｓにて温水を得ることとなる。さらにフロースイッチＦＳが設定量以上の水量を検出すると、循環流動付与手段Ｖを成す循環ポンプＶｐが作動され、槽内において蓄熱材ｈｓは螺旋を描きながら下降され、熱伝達が促進される。

また、給湯温度制御に関しては、熱交換器１４２にて加熱された温水にバイパス路１４８からの水をミシングバルブＭＸＶにて混合させるとともに、給湯温度センサＴ１の検出情報に基づいて給湯設定温度の温水を給湯路１４４にて給湯すべく、温水とバイパス路１４８からの水との混合比をミキングバルブＭＸＶにて調整する。
そして、給湯栓等が閉じられてフロースイッチＦＳにて設定量以上の水量を検出しなくなると、作動が停止される。

この給湯運転においては、下部貯槽１４１Ｌの下部に到る蓄熱材ｈｓが設定温度以下となるように、貯槽１４１とコージェネレーション機器１５０との間の蓄熱材ｈｓの循環流量を制御する。即ち、サーモバルブＴＭＶの検出温度が設定温度になるように、このバルブにより検出される検出温度が上昇した場合、コージェネレーション機器１５０側に戻る水を棄て、低温の上水が槽内に供給される。よって、前記設定温度は、貯槽１４１に形成される温度成層を乱すことがないような温度に設定されており、例えば、給水温度よりも５℃高い温度が設定されている。
〔別実施形態〕
（１）本願に係る貯槽の構成は、貯槽に使用される材料、強度との関係で適宜変更が可能である。
例えば、図１２に示すように、貯槽を、複数の貯槽ユニット１２１を少なくとも上部同士及び下部同士において蓄熱材ｈｓを流通自在に連通接続して構成することができる〔構成１６の発明〕。図１２では、第１槽１２１ａ、第２槽１２１ｂ、第３槽１２１ｃの３つの槽１２１を水平方向に並べる状態で配置し、水平方向に隣接するもの同士において上部同士及び下部同士を連通管１２０にて蓄熱材ｈｓを通流自在に連通接続している。この場合、少なくとも上部同士及び下部同士で連通していればよく、上部、下部以外の中間部、全面等に亘って連通接続する構成としてもよい。
この場合、設置する貯槽ユニットの数は適宜変更が可能である。そして、複数の貯槽ユニットを上下方向に並べる状態で設置することも可能であり、複数の貯槽ユニットをどのように配置して設けるかは適宜変更が可能である。
また、各貯槽ユニットの上部及び下部に連通用開口を設けてその連通用開口同士を溶接等により接着して、各貯槽ユニットの上部同士及び下部同士を蓄熱材ｈｓを通流自在に連通接続することもできる。
一方、第１槽１２１ａの上部には、上部貯槽１２１Ｕが設けられており、この上部貯槽１２１Ｕは、平面視における断面積が小さくするとともに、その上部に開口１２５が形成されている。この構成の場合、熱交換器１２２は、各貯槽ユニット内に設けてもよいし、その一部に設けてもよい。

また、図１３に示すように、貯槽を、上部を貯槽１３１の最上部に空気抜き弁１３０を備えた密閉槽１３１Ｃと、上部が開放され且つ密閉槽１３１Ｃよりも高い位置に蓄熱材ｈｓと大気との界面を形成させる大気開放型の膨張タンク１３１Ｏと、蓄熱材ｈｓを流通自在に密閉槽１３１Ｃの下部と膨張タンク１３１Ｏとを連通する連通路１３６とを備えて構成することができる。そして、空気抜き弁１３０の空気排出路１３３を膨張タンク１３１Ｏに接続している。したがって、空気抜き弁１３０にて水を含む空気を空気排出路１３３に排出しても、その空気に含まれた水を膨張タンク１３１Ｏに戻すことができるので、その水が漏れることを防止することができる。この場合、大気開放型の膨張タンク１３１Ｏは、低温水の膨張タンクとなる。また、大気開放は、開口１３５により確保される。この構成の場合、熱交換器１３２は、密閉槽１３１内に設けることとなり、コジェネレーション機器からの排熱往き及び排熱戻りは、密閉槽１３１のみを対象として、内部に温度成層が形成されるように、排熱往き路を密閉槽１３１の上部に接続し、排熱戻り路を密閉槽１３１の下部に接続することとなる。

形状選択において自由度が高く、貯槽を内蔵すべき装置の隙間形状に合わせた自由な形状選択が可能な蓄熱槽を得ることができた。

〔構成２〕の発明に係わる大気開放型蓄熱槽の斜視透視模式図 〔構成２〕の発明に係わる他の実施形態を示す斜視透視模式図 〔構成３〕の発明に係わる発明の実施形態を示す斜視透視模式図 本発明をコジェネレーション機器等の蓄熱槽として利用した場合（〔構成６〕の発明）の実施形態を示す斜視透視模式図 配線・配管を専用スペースを通じて下部に取出すことのできるように構成した蓄熱槽の例を示す中心部断面模式図 小型ＳＯＦＣに本発明の蓄熱槽を適用した場合の実施形態を示す流れ図 図６に示す小型ＳＯＦＣに本発明の蓄熱槽を適用した場合の別実施形態を示す流れ図 小型ＳＯＦＣに本発明の蓄熱槽を適用した場合の他の実施形態を示す流れ図 隣組コジェネシステムに本発明の蓄熱槽を適用した場合の実施形態を示す流れ図 隣組コジェネシステムに本発明の蓄熱槽を適用した場合の別実施形態を示す流れ図 循環流動付与手段を備えた実施形態を示す図 貯槽の別実施形態を示す図 密閉槽と、当該密閉槽に接続された膨張タンクからなる別実施形態を示す図

符号の説明

１ …蓄熱槽
２ …熱交換器（コイル）
３ …シート状材料
４ …蓋
５ …通気管
６ …潜熱蓄熱材（パラフィン）
７ …配線、配管スペース
１０ …小型ＳＯＣＦ本体
１１ …ＳＯＦＣセルスタック
１２ …（予備）改質器
１３ …蒸発器
１４ …インバーター（パワーコンディショナー）
１５ …空気予熱器
１６ …排熱回収熱交換器
１７ …純水装置
１８ …純水貯槽
１９ …ポンプ
２０ …ガス湯沸器
２１ …熱交換器
２２ …バーナ
２３ …ミキシングバルブ
２４ …温度センサ

Claims (16)

1. 蓄熱材を貯留する貯槽であって、貯留した前記蓄熱材の上面より高い位置に大気に通じる開口を有するとともに、前記蓄熱材と熱媒体との熱交換を行う熱交換器を当該蓄熱材に浸漬して備え、前記蓄熱材から受熱した前記熱媒体を貯槽外に取り出して、温水若しくは給湯水として供給可能に構成されている大気開放型蓄熱槽。
2. 前記貯槽の蓄熱材接触部分が断熱材の一体成形品にて形成されている請求項1記載の大気開放型蓄熱槽。
3. 前記断熱材で成型された貯槽の内面をシート状材料にて覆い、前記シート状材料に蓄熱材が接触する状態で前記蓄熱材の貯留を行うと共に、少なくとも前記熱交換器に接続する配管が、前記シート状材料の開口で前記蓄熱材の大気開放面を介して配管接続されている請求項２記載の大気開放型蓄熱槽。
4. 前記貯槽の上面全体を気密に覆う蓋を設けると共に、前記蓄熱材の大気開放面から当該大気開放面より下方の大気に通じる配管スペースを設け、前記熱交換器に接続する配管が、当該配管スペースを通して配管接続されている請求項１〜３の何れか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
5. 前記熱交換器を流れる前記熱媒体の流れと貯槽内の前記蓄熱材の流れとが、全体として対向流接触となるように前記熱交換器及び前記貯槽が配置若しくは配管接続されている請求項１〜４のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
6. コジェネレーション機器の排熱を水の顕熱として貯留する請求項１〜５のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
7. コジェネレーション機器の排熱を、水と水より比重と蒸気圧が小さくかつ固相−液相間の相変化潜熱を利用する潜熱蓄熱材の組合せにて貯留する請求項１〜５のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
8. 前記コジェネレーション機器の発電装置が燃料電池であり、水蒸気改質ガスの一部もしくは前記燃料電池における燃焼排ガスを冷却して凝縮水を生成させると共に前記貯槽に貯留して、生成された当該凝縮水を前記蓄熱材の全部もしくは一部として用いる請求項６又は７記載の大気開放型蓄熱槽。
9. 貯槽上部の凝縮水の全部もしくは一部を、炭化水素燃料を用いる前記燃料電池の水蒸気改質用純水として利用する請求項８記載の大気開放型蓄熱槽。
10. 前記水蒸気改質ガスの一部もしくは前記燃料電池における燃焼排ガスの冷却を、貯槽下部の前記蓄熱材との熱交換にて行い、温度の上昇した前記蓄熱材を貯槽上部に返して排熱回収を行うと共に、貯槽下部の前記蓄熱材は、低温の前記熱媒体と熱交換することによって低温を保持する請求項８又は９記載の大気開放型蓄熱槽。
11. 前記低温の熱媒体が給水であり、当該給水を、貯槽の下部の前記蓄熱材から上部の前記蓄熱材へと順に熱交換させ、更に他の熱源を用いて加熱又は温調若しくはそれらの両方を行った後に給湯に用いる請求項１０記載の大気開放型蓄熱槽。
12. 前記熱交換器を、貯槽上部に配設される上部熱交換器と、貯槽下部に設けられる下部熱交換器と、前記両熱交換器内に形成された両熱媒体流路を蓄熱槽上下方向に短絡する短絡流路を形成する短絡配管とを組み合わせて構成した請求項１〜１１のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
13. 前記蓄熱材が前記熱媒体に授熱する第１熱交換部を貯槽上部に設け、
    前記授熱により温度低下した前記蓄熱材を前記貯槽上部から貯槽下側に導く蓄熱材下降路を形成する下降路形成部材を設けるとともに、前記下降路形成部材の下側に蓄熱材開放口を設け、
    前記蓄熱材開放口から流出する蓄熱材に授熱する第２熱交換部を設けた請求項１〜１２のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
14. 前記貯槽内に収納される前記蓄熱材に水平方向の循環流動を付与する循環流動付与手段を備えた請求項１〜１３のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
15. 前記貯槽は、貯留した前記蓄熱材と大気との界面部分の面積が前記界面部分以外の部分の断面積よりも小さくなるように構成されている請求項１〜１４のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。
16. 前記貯槽は、複数の貯槽ユニットを少なくとも上部同士及び下部同士において前記蓄熱材を流通自在に連通接続して構成されている請求項１〜１５のいずれか一項記載の大気開放型蓄熱槽。

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