JP2013210117A - 貯湯給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試運転時に循環加熱回路に自動的に確実に水張りすることのできる貯湯給湯装置を提供する。
【解決手段】貯湯槽41の下部から熱源機を経由して貯湯槽41の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路45と、循環加熱回路45に設けられた循環ポンプ64と、貯湯槽41の下部に接続された給水管46及び上部に接続された出湯管47a,47bと、出湯管47a,47bから分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管55に設けられた注湯電磁弁76とを備え、貯湯槽41と配管系に水張りを行う際には、注湯電磁弁76を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽41への水張りを行い、貯湯槽41への水張りが完了したことを検知してから、循環ポンプ駆動開始前に、注湯電磁弁76を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯給湯装置に関し、特に試運転時に循環加熱回路に自動的に確実に水張りできるようにした貯湯給湯装置に関する。

貯湯給湯装置は、一般に、貯湯槽と、貯湯槽の下部に接続された給水管及び上部に接続された出湯管と、この出湯管から分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管と、注湯配管に設けられた注湯電磁弁と、貯湯槽の下部から熱源機を経由して貯湯槽の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路と、この循環加熱回路に設けられた循環ポンプなどを有する。前記熱源機としては、燃料電池発電ユニットの排熱回収熱交換器やヒートポンプユニットが活用される。

貯湯給湯装置の設置後に試運転する際には、貯湯槽、出湯管や注湯配管等の配管系および循環加熱回路に水張りを行ってエア抜きしてから熱源機を作動させる。この水張り時、注湯電磁弁を開放状態に切換えた状態で、給水管から給水しながら貯湯槽と出湯管や注湯配管等の配管系に水張りし、その後、循環ポンプを駆動して循環加熱回路に水張りする。

特許文献１には、貯湯槽と配管系に水張りしてから、循環ポンプを駆動して循環加熱回路に自動的に水張りするヒートポンプ式給湯機が開示されている。

特許第４２９４６０５号公報

貯湯給湯装置において、機器の配置上の都合から循環ポンプが貯湯槽の底部よりも高い位置に配置されることも関係して、循環加熱回路に水張りする際に、循環加熱回路内のエア抜きが不十分のため、循環ポンプが空運転状態になって循環加熱回路に水が流れず、熱源機の冷却が十分に行われずに空焚き状態になって熱源機が損傷する虞がある。

特許文献１の給湯機では、貯湯槽や配管系に水張り後、循環加熱回路に水張りする際、図５、図６に基づいて以下に説明するように、循環加熱回路内にエアが残留する虞があるため、正常な試運転を行うことができるとは限らない。

図５、図６は貯湯給湯装置１００の貯湯槽１０５と配管系と循環加熱回路１０１に水張りする際の挙動を示すもので、図５に示すように給水管１０２から貯湯槽１０３内へ給水していくと、配管系と循環加熱回路１０１の往き側通路１０１ａ内へも給水されて水位が上昇していき、循環ポンプ１０５の位置まで水張り状態になる。しかし、循環加熱回路１０１の管路抵抗の影響もあるため循環加熱回路１０１の途中までしか水張りされない。

その後、図６に示すように、貯湯槽１０３が満水状態になって貯湯槽１０３の内部の全域に給水圧が作用したとき、貯湯槽１０３の上部に接続された戻り側通路１０１ｂにも給水圧が作用し、戻り側通路１０１ｂに水が流入して循環加熱回路１０１内にエアが閉じ込められた状態になって、そのエアが往き側通路１０１ａ側へ押し戻され、循環ポンプ１０５に水張りされない状態が発生することがある。この場合、循環ポンプ１０５を駆動しても空運転となり、循環加熱回路１０１に水が流れずに、熱源機１０４が空焚き状態になる。

そのため、従来では、貯湯給湯装置１００への水張りを完全自動化することは難しく、計器類を点検しながら手動操作により水張りを行っていた。
特に、循環ポンプ１０５を貯湯槽１０３側ではなく、燃料電池の発電ユニット側に設ける場合には、貯湯槽１０３から循環ポンプ１０５に延びる往き側通路１０１ａの通路長も長くなるため上記の問題が顕著になる。

本発明の目的は、試運転時に循環加熱回路に自動的に確実に水張りすることのできる貯湯給湯装置を提供することである。

請求項１の貯湯給湯装置は、貯湯槽と、この貯湯槽の下部から熱源機を経由して貯湯槽の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路と、この循環加熱回路に設けられた循環ポンプと、貯湯槽の下部に接続された給水管及び上部に接続された出湯管と、この出湯管から分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管と、この注湯配管に設けられた注湯電磁弁とを備えた貯湯給湯装置であって、この貯湯給湯装置に水張りを行う際には、前記注湯電磁弁を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽への水張りを行い、貯湯槽への水張りが完了したことを検知してから前記循環ポンプを駆動して循環加熱回路の水張りを行う貯湯給湯装置において、前記貯湯槽の水張り完了後、前記循環ポンプ駆動開始前に、前記注湯電磁弁を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けたことを特徴としている。

請求項２の貯湯給湯装置は、請求項1の発明において、前記制御手段は、前記循環ポンプ停止状態での前記注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプの所定時間の駆動とを複数回繰り返すことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、貯湯給湯装置に水張りを行う際には、注湯電磁弁を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽への水張りを行い、貯湯槽への水張りが完了したことを検知してから循環ポンプを駆動して循環加熱回路の水張りを行う貯湯給湯装置において、前記貯湯槽の水張り完了後、前記循環ポンプ駆動開始前に、前記注湯電磁弁を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けたため、注湯電磁弁を閉弁させると貯湯槽内の全体に給水圧が作用した状態になり、その後注湯電磁弁を開弁状態にすると、貯湯槽内の上部の水圧が低下し、貯湯槽の下部と上部の水圧の差圧が瞬間的に大きくなって、貯湯槽の下部側の水圧でもって循環加熱回路の往き側通路内のエアが戻り側通路の方へ押し戻され、循環ポンプが確実に水張り状態になる。その状態で循環ポンプを駆動させることで、循環加熱回路内のエアを貯湯槽へ抜いて循環加熱回路に確実に水張りすることができる。
前記制御手段により注湯電磁弁閉開制御を自動的に行うことができるため、循環加熱回路への水張りを自動的に行うことができる。

請求項２の発明によれば、前記制御手段は、前記循環ポンプ停止状態での前記注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプの所定時間の駆動とを複数回繰り返すため、循環加熱回路内に細かい気泡が残留しない状態まで完全にエア抜きして、循環加熱回路に完全に水張りすることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの貯湯給湯装置の構成図である。 前記燃料電池コージェネレーションシステムの発電ユニットの構成図である。 循環加熱回路水張り制御のフローチャートである。 循環加熱回路水張り制御に係るタイムチャートである。 従来技術に係る貯湯給湯装置の循環加熱回路への水張りの作動説明図である。 図５の貯湯給湯装置の循環加熱回路への水張りの作動説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、燃料電池コージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１，図２に示すように、この燃料電池コージェネレーションシステム１は、燃料電池発電ユニット２と、この燃料電池発電ユニット２を熱源機とする貯湯給湯装置３とで構成されている。

図２に示すように、発電ユニット２は、貯湯槽４１の湯水を加熱する為の貯湯給湯装置３の外部熱源であり、燃料電池発電モジュール４、カソード空気用送風装置５、燃料ガス昇圧用送風装置６、燃料改質空気用送風装置７、排気ガス排出通路８、熱交換器９、水処理装置１１、インバータ１２等から構成されている。

発電ユニット２は、上記の各種装置が外装ケース１３に一体的に収納されて構成され、燃料電池発電モジュール４にて発電された直流電力は、インバータ１２を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
カソード空気用送風装置５は、外部から空気を発電空気ブロワ５ｂに取り込み、この取り込まれた空気を空気通路１５を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。

燃料ガス昇圧用送風装置６は、図示外のガス供給源から燃料ガスを燃料昇圧ブロワ６ｃに取り込み、この昇圧された燃料ガスを、ガス通路１６と共通通路１８を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。
燃料改質空気用送風装置７は、外部から燃料改質用の空気を改質空気ブロワ７ｂに取り込み、この取り込まれた燃料改質用の空気を、改質空気通路１７と共通通路１８を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。

次に、燃料電池発電モジュール４について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電モジュール４（以下、発電モジュール４という）は、燃料電池セルスタック２１、蒸発器２２、燃料改質器２３、オフガス燃焼室２４、熱交換器２７等を備え、燃料改質器２３によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック２１で化学反応させることで発電を行うものである。

熱交換器９は、排気ガス排出通路８の途中部に設けられ、循環加熱回路４５の一部を構成する熱交換通路部９ａを備えている。この熱交換器９において、発電モジュール４から排出される排気ガスを、熱交換通路部９ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、貯湯給湯装置３について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯装置３は、貯湯と給湯と床暖房パネル等の温水暖房端末への温水の供給や風呂の追い焚き等の機能を有するものであり、貯湯タンク４１、補助熱源機４２、第１，第２熱交換器４３，４４、発電ユニット２側において循環ポンプ６４が介装された循環加熱回路４５、給水通路４６、出湯回路４７、温水暖房回路４８、風呂給湯追焚回路４９、熱利用循環回路５０、これら回路４５〜５０を相互に接続する複数のバイパス通路５１〜５４，５７、風呂注湯通路５５、出湯通路５８等を備え、これらは外装ケース５９内に一体的に収納されて構成されている。

貯湯槽４１は、高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を貯留可能な上下方向に細長い断熱性の密閉タンクであり、貯留された温水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯槽４１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数の貯湯水温度センサ６１ａ〜６１ｄにより検出される。補助熱源機４２は、公知のガス給湯器で構成され、熱利用循環回路５０の湯水の温度が不足する等の特別な場合に限り、湯水を再度加熱するものである。

第１熱交換器４３は、温水暖房回路４８を流れる暖房水を加熱するものであり、この第１熱交換器４３において、熱利用循環回路５０を流れる高温の湯水と温水暖房回路４８を流れる暖房水との間で熱交換され、暖房水は加熱され湯水は冷却される。

第２熱交換器４４は、風呂給湯追焚回路４９を流れる浴槽水を加熱するものであり、この第２熱交換器４４において、熱利用循環回路５０を流れる高温の湯水と風呂給湯追焚回路４９を流れる風呂のお湯との間で熱交換され、浴槽水は加熱され湯水は冷却される。

次に、循環加熱回路４５について説明する。
図１，図２に示すように、循環加熱回路４５は、外部熱源である発電ユニット２の熱交換器９と貯湯槽４１との間に湯水を循環させる閉回路であり、往き側通路４５ａ、戻り側通路４５ｂを有し、貯湯槽４１の下部に往き側通路４５ａの上流端が接続され、貯湯タンク４１の上部に戻り側通路４５ｂの下流端が接続されている。

往き側通路４５ａの途中部から戻り側通路４５ｂの途中部にバイパスする第１バイパス通路５１が分岐され、この分岐部には、貯湯切換弁６２が設置されている。往き側通路４５ａには、湯水を急速に冷却可能なラジエータ６３が設置されている。往き側通路４５ａの発電ユニット２側には、排熱回収用循環ポンプ６４（図２参照）が設置されている。往き側通路４５ａと戻り側通路４５ｂとの間に、発電ユニット２の熱交換器９の熱交換通路部９ａが接続されている。

次に、給水通路４６について説明する。
給水通路４６は、上水源から低温の上水を貯湯槽４１に供給するものであり、上流給水通路４６ａ、中間給水通路４６ｂ、下流給水通路４６ｃを有し、上流給水通路４６ａの上流端が上水源に接続され、貯湯槽４１の下部に下流給水通路４６ｃの下流端が接続されている。上流給水通路４６ａには減圧弁６７が設置され、中間給水通路４６ｂには逆止弁４６ｄが設置されている。中間給水通路４６ｂには、安全弁６８ａが設置された排水通路６８が接続され、この排水通路６８の下流端は、排水桝６９に延びている。

給水通路４６において、中間給水通路４６ｂと下流給水通路４６ｃとの間から熱利用循環回路５０に接続する第２バイパス通路５２が分岐され、この分岐部には、中間給水通路４６ｂと下流給水通路４６ｃとの接続又は中間給水通路４６ｂと第２バイパス通路５２との接続又は第２バイパス通路５２と下流給水通路４６ｃとの接続を選択可能な蓄熱切換弁７１が設置されている。下流給水通路４６ｃから外部に接続する排水通路７２が分岐している。

次に、出湯回路４７について説明する。
出湯回路４７は、貯湯槽４１内に貯湯された湯水を風呂等の所望の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる上流出湯通路４７ａ、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる中間出湯通路４７ｂおよび下流出湯通路４７ｃを有する。上流出湯通路４７ａの上流端が貯湯槽４１の上部に接続され、上流出湯通路４７ａの下流端に中間出湯通路４７ｂの上流端が接続され、中間出湯通路４７ｂの下流端に下流出湯通路４７ｃの上流端が接続され、下流出湯通路４７ｃの下流端に給湯栓７３が接続されている。上流出湯通路４７ａと中間出湯通路４７ｂとの間には混合弁７４が設置され、この混合弁７４に上流給水通路４６ａから分岐した第３バイパス通路５３が接続されている。混合弁７４は、出湯温度が指令温度になるように、水と高温の湯水の流量比が制御される。尚、上流出湯通路４７ａと中間出湯通路４７ｂとが「出湯配管」に相当する。

第３バイパス通路５３には、逆止弁５３ａが設置されている。第３バイパス通路５３から混合弁７４を介さずに下流出湯通路４７ｂへ直接接続する第４バイパス通路５４が分岐され、この第４バイパス通路５４には、高温回避電磁弁７８が設置されている。この第４バイパス通路５４によって、下流出湯通路４７ｂに上水源から低温の上水を直接供給することができる。

下流出湯通路４７ｂには、流量センサ４７ｄ及び出湯水比例弁７５が設置され、出湯水比例弁７５の下流側から風呂給湯追焚回路４９へ接続する風呂注湯通路５５が分岐されている。風呂注湯通路５５には、流量センサ５５ａ、注湯電磁弁７６、逆止弁５５ｂが順に一体的に設置され、逆止弁５５ｂには逆流防止手段５５ｃが接続されている。尚、風呂注湯通路５５が「注湯配管」に相当する。

次に、風呂給湯追焚回路４９について説明する。
風呂給湯追焚回路４９は、風呂のお湯を追い焚きする回路であり、風呂往き側通路４９ａ、風呂戻り側通路４９ｂを有している。風呂往き側通路４９ａと風呂戻り側通路４９ｂとの間には、第２熱交換器４４の内部通路４４ｂが接続され、風呂戻り側通路４９ｂには、風呂水流スイッチ８４や風呂循環ポンプ８５等が設置されている。

風呂内のお湯は風呂循環ポンプ８５により風呂戻り側通路４９ｂへ送られ、内部通路４４ｂに送られて加熱され、加熱されたお湯は、風呂往き側通路４９ａから風呂へ送り出される。必要に応じて、出湯回路４７から分岐した風呂出湯通路５５を介して、風呂戻り側通路４９ｂに湯水を補充することができる。

次に、制御ユニット９７について説明する。
燃料電池コージェネレーションシステム１は、制御ユニット９７（制御手段に相当する）によって制御される。各種の温度センサ、各種の流量センサ、水位スイッチ３９や水位センサ８０ａ，８０ｂの信号が制御ユニット９７に送信され、この制御ユニット９７により、発電ユニット２と貯湯注湯装置３の動作、各種弁部材の切り換え、各種ポンプの作動・停止、各種開閉弁の開閉状態の切り換え等を制御し、各種運転（排熱回収運転、追い焚き運転、暖房運転、給湯運転等）を実行する。

次に、この燃料電池コージェネレーションシステム１を設置後に試運転する際に、前記制御ユニット９７により自動的に行われる、循環加熱回路４５へ水張りする循環加熱回路水張り制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。尚、図中の符号Ｓｉ（ｉ=１，２，・・）は各ステップを示す。この循環加熱回路水張り制御の制御プログラムは、制御ユニット９７に予め格納されている。

この貯湯給湯装置３に水張りを行う際には、注湯電磁弁７６を開放した状態で、給水通路４６から貯湯槽４１に給水することで、風呂側へエア抜きしながら貯湯槽４１と循環加熱回路４５以外の配管系（回路や通路）への水張りを行い、貯湯槽４１への水張りが完了したことを検知後に前記循環ポンプ６４を駆動して循環加熱回路４５への水張りを行う。

図３のフローチャートにおいて、この制御が開始されると、最初にＳ１において、貯湯槽４１への水張りが自動的に行われる。この場合、注湯電磁弁７６が開弁され、蓄熱切換弁７１が貯湯槽４１へ給水する給水位置に保持され、貯湯切換弁６２が循環加熱回路４５の往き側通路４５ａを連通させる連通位置に保持され、循環ポンプ６４が停止状態に保持される。すると、貯湯槽４１と配管系に水張りされ、余剰の給水は貯湯槽４１から上流出湯通路４７ａと、下流出湯通路４７ｂと、風呂注湯通路５５を介して風呂へ排水される。

次に、Ｓ２において流量センサ５５ａの検出信号を読み込み、検出流量が定流量状態になった否か判定される（Ｓ３）。水張り実行中には貯湯槽４１や配管系からエア抜きされるため、流量センサ５５ａで検出される流量が安定せず定流量状態にならない。しかし、貯湯槽４１や配管系への水張りが完了すると、流量センサ５５ａで検出される流量が定流量状態になり、Ｓ３の判定がＹｅｓになると、Ｓ４へ移行する。

次に、Ｓ４において注湯電磁弁７６を所定時間ｔ１（例えば１０秒）の間閉弁状態にし、次に注湯電磁弁７６を開弁する（Ｓ５）。尚、Ｓ４とＳ５のステップが「注湯電磁弁閉開制御」に相当する。
次に、Ｓ６において注湯電磁弁７６の開弁後所定時間ｔ２（例えば、２秒）経過したか否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ６を繰り返し、その判定がＹｅｓになったらＳ７において循環ポンプ６４を駆動する。次に、Ｓ８において循環ポンプ６４を駆動開始してから所定時間ｔ３（例えば、３０秒）経過したか否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ８を繰り返し、その判定がＹｅｓになったときには、Ｓ９へ移行する。

次に、Ｓ９において流量センサ５５ａの検出流量を読み込んで検出流量が定流量状態になった否か判定される。循環加熱回路４５から貯湯槽４１に流入したエアが 貯湯槽４１からエア抜きされている状態では、検出流量が定流量状態にならないため、Ｓ９の判定がＮｏとなるため、その場合はＳ１０において、循環ポンプ６４を停止させてからＳ４へ戻ってＳ４以降を繰り返す。

循環加熱回路４５内のエアと貯湯槽４１内のエアが完全にエア抜きされると、Ｓ９の判定がＹｅｓとなるため、Ｓ９からＳ１１へ移行して、Ｓ１１において循環ポンプ６４を停止させる。次に、Ｓ１２において、循環加熱回路４５への水張りが完了したとして、この循環加熱回路水張り制御が終了する。

次に、以上説明した循環加熱回路水張り制御の作用、効果について図４のタイムチャートに基づいて説明する。貯湯槽４１及び配管系に水張りが完了した時点においては、循環加熱回路４５内にはエアが残留しており、貯湯槽４１内に給水圧が作用し、貯湯槽４１内の下部と上部の水圧の差圧（例えば１０ｋＰａ）が大きくなく、また、管路抵抗の影響もあるため、循環加熱回路４５の往き側通路４５ａと戻り側通路４５ｂへ水が流入し、循環加熱回路４５内の残留エアが循環ポンプ６４の所まで押し戻されることがあるため、循環ポンプ６４が水張り状態になっているとは限らない。循環ポンプ６４が水張りされない状態で、循環ポンプ６４を駆動しても空運転するだけで、エア抜きすることができない。

そこで、注湯電磁弁７６を所定時間ｔ１の間閉弁状態に保持して、貯湯槽４１内の全体に給水圧を作用させた状態で、注湯電磁弁７６を開弁すると、貯湯槽４１の上部の水圧が瞬間的に低下し、貯湯槽４１内の下部と上部の水圧の差圧が例えば２８ｋＰａ程度までパルス的に増大するため、往き側通路４５ａから戻り側通路４５ｂに流れる水流が発生し、循環ポンプ６４が水張りされた状態になる。

注湯電磁弁７６を開弁した時点から短い所定時間ｔ２経過し、循環ポンプ６４が水張りされた状態で、循環ポンプ６４を所定時間ｔ３の間駆動することで、循環加熱回路４５内の残留エアを貯湯槽４１へ確実に排出し、貯湯槽４１から上流出湯通路４７ａと、中間出湯通路４７ｂと、風呂注湯通路５５を介して風呂へエア抜きすることができる。

上記のような循環ポンプ６４停止状態でのＳ４とＳ５の注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプ６４の所定時間ｔ３の駆動とを行うことにより、循環加熱回路４５内のエアの大部分をエア抜きすることができる。しかし、循環加熱回路４５内に気泡状態のエアが残留している場合があるため、循環ポンプ６４停止状態でのＳ４とＳ５の注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプ６４の所定時間ｔ３の駆動とを、複数回繰り返し行うことにより、循環加熱回路４５から完全にエア抜きし、循環加熱回路４５に確実に水張りすることができる。

以上説明した貯湯槽４１と配管系への水張りと、循環加熱回路への水張りは、制御ユニット９７により自動的に且つ能率的に行うことができるため、貯湯給湯装置３の試運転にかかる所要時間とコストを大幅に低減することができる。そして、循環加熱回路４５に水が循環しない状態で、発電ユニット２を空焚き運転して発電ユニット２を故障させてしまう虞もない。
しかも、前記循環加熱回路水張り制御は、同様の構造の種々の貯湯給湯装置３に適用することができるため、汎用性に優れる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
（１）前記実施例では、燃料電池コージェネレーションシステム１の発電ユニット２ を熱源機とする貯湯給湯装置３を例にして説明したが、ヒートポンプやガスエンジンを熱源機とする貯湯給湯装置にも本発明を同様に適用することができる。
（２）その他、当業者であれば、前記実施例に適宜変更を付加した形態で本発明を実施可能である。

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 発電ユニット
３ 貯湯給湯装置
９ 熱交換器
４５ 循環加熱回路
４６ 給水通路
４７ 出湯回路
４７ａ 上流出湯通路
４７ｂ 中間出湯通路
５５ 風呂注湯通路
６４ 循環ポンプ
７６ 注湯電磁弁
９７ 制御ユニット

本発明は、貯湯給湯装置に関し、特に試運転時に循環加熱回路に自動的に確実に水張りできるようにした貯湯給湯装置に関する。

貯湯給湯装置は、一般に、貯湯槽と、貯湯槽の下部に接続された給水管及び上部に接続された出湯管と、この出湯管から分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管と、注湯配管に設けられた注湯電磁弁と、貯湯槽の下部から熱源機を経由して貯湯槽の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路と、この循環加熱回路に設けられた循環ポンプなどを有する。前記熱源機としては、燃料電池発電ユニットの排熱回収熱交換器やヒートポンプユニットが活用される。

貯湯給湯装置の設置後に試運転する際には、貯湯槽、出湯管や注湯配管等の配管系および循環加熱回路に水張りを行ってエア抜きしてから熱源機を作動させる。この水張り時、注湯電磁弁を開放状態に切換えた状態で、給水管から給水しながら貯湯槽と出湯管や注湯配管等の配管系に水張りし、その後、循環ポンプを駆動して循環加熱回路に水張りする。

特許文献１には、貯湯槽と配管系に水張りしてから、循環ポンプを駆動して循環加熱回路に自動的に水張りするヒートポンプ式給湯機が開示されている。

特許第４２９４６０５号公報

貯湯給湯装置において、機器の配置上の都合から循環ポンプが貯湯槽の底部よりも高い位置に配置されることも関係して、循環加熱回路に水張りする際に、循環加熱回路内のエア抜きが不十分のため、循環ポンプが空運転状態になって循環加熱回路に水が流れず、熱源機の冷却が十分に行われずに空焚き状態になって熱源機が損傷する虞がある。

特許文献１の給湯機では、貯湯槽や配管系に水張り後、循環加熱回路に水張りする際、図５、図６に基づいて以下に説明するように、循環加熱回路内にエアが残留する虞があるため、正常な試運転を行うことができるとは限らない。

図５、図６は貯湯給湯装置１００の貯湯槽１０３と配管系と循環加熱回路１０１に水張りする際の挙動を示すもので、図５に示すように給水管１０２から貯湯槽１０３内へ給水していくと、配管系と循環加熱回路１０１の往き側通路１０１ａ内へも給水されて水位が上昇していき、循環ポンプ１０５の位置まで水張り状態になる。しかし、循環加熱回路１０１の管路抵抗の影響もあるため循環加熱回路１０１の途中までしか水張りされない。

その後、図６に示すように、貯湯槽１０３が満水状態になって貯湯槽１０３の内部の全域に給水圧が作用したとき、貯湯槽１０３の上部に接続された戻り側通路１０１ｂにも給水圧が作用し、戻り側通路１０１ｂに水が流入して循環加熱回路１０１内にエアが閉じ込められた状態になって、そのエアが往き側通路１０１ａ側へ押し戻され、循環ポンプ１０５に水張りされない状態が発生することがある。この場合、循環ポンプ１０５を駆動しても空運転となり、循環加熱回路１０１に水が流れずに、熱源機１０４が空焚き状態になる。

そのため、従来では、貯湯給湯装置１００への水張りを完全自動化することは難しく、計器類を点検しながら手動操作により水張りを行っていた。
特に、循環ポンプ１０５を貯湯槽１０３側ではなく、燃料電池の発電ユニット側に設ける場合には、貯湯槽１０３から循環ポンプ１０５に延びる往き側通路１０１ａの通路長も長くなるため上記の問題が顕著になる。

本発明の目的は、試運転時に循環加熱回路に自動的に確実に水張りすることのできる貯湯給湯装置を提供することである。

請求項１の貯湯給湯装置は、貯湯槽と、この貯湯槽の下部から熱源機を経由して貯湯槽の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路と、この循環加熱回路に設けられた循環ポンプと、貯湯槽の下部に接続された給水管及び上部に接続された出湯管と、この出湯管から分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管と、この注湯配管に設けられた注湯電磁弁とを備えた貯湯給湯装置であって、この貯湯給湯装置に水張りを行う際には、前記注湯電磁弁を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽への水張りを行い、貯湯槽への水張りが完了したことを検知してから前記循環ポンプを駆動して循環加熱回路の水張りを行う貯湯給湯装置において、前記貯湯槽の水張り完了後、前記循環ポンプ駆動開始前に、前記注湯電磁弁を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けたことを特徴としている。

請求項２の貯湯給湯装置は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記循環ポンプ停止状態での前記注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプの所定時間の駆動とを複数回繰り返すことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、貯湯給湯装置に水張りを行う際には、注湯電磁弁を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽への水張りを行い、貯湯槽への水張りが完了したことを検知してから循環ポンプを駆動して循環加熱回路の水張りを行う貯湯給湯装置において、前記貯湯槽の水張り完了後、前記循環ポンプ駆動開始前に、前記注湯電磁弁を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けたため、注湯電磁弁を閉弁させると貯湯槽内の全体に給水圧が作用した状態になり、その後注湯電磁弁を開弁状態にすると、貯湯槽内の上部の水圧が低下し、貯湯槽の下部と上部の水圧の差圧が瞬間的に大きくなって、貯湯槽の下部側の水圧でもって循環加熱回路の往き側通路内のエアが戻り側通路の方へ押し戻され、循環ポンプが確実に水張り状態になる。その状態で循環ポンプを駆動させることで、循環加熱回路内のエアを貯湯槽へ抜いて循環加熱回路に確実に水張りすることができる。
前記制御手段により注湯電磁弁閉開制御を自動的に行うことができるため、循環加熱回路への水張りを自動的に行うことができる。

請求項２の発明によれば、前記制御手段は、前記循環ポンプ停止状態での前記注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプの所定時間の駆動とを複数回繰り返すため、循環加熱回路内に細かい気泡が残留しない状態まで完全にエア抜きして、循環加熱回路に完全に水張りすることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池コージェネレーションシステムの貯湯給湯装置の構成図である。 前記燃料電池コージェネレーションシステムの発電ユニットの構成図である。 循環加熱回路水張り制御のフローチャートである。 循環加熱回路水張り制御に係るタイムチャートである。 従来技術に係る貯湯給湯装置の循環加熱回路への水張りの作動説明図である。 図５の貯湯給湯装置の循環加熱回路への水張りの作動説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、燃料電池コージェネレーションシステム１の全体構成について説明する。
図１，図２に示すように、この燃料電池コージェネレーションシステム１は、燃料電池発電ユニット２と、この燃料電池発電ユニット２を熱源機とする貯湯給湯装置３とで構成されている。

図２に示すように、発電ユニット２は、貯湯槽４１の湯水を加熱する為の貯湯給湯装置３の外部熱源であり、燃料電池発電モジュール４、カソード空気用送風装置５、燃料ガス昇圧用送風装置６、燃料改質空気用送風装置７、排気ガス排出通路８、熱交換器９、水処理装置１１、インバータ１２等から構成されている。

発電ユニット２は、上記の各種装置が外装ケース１３に一体的に収納されて構成され、燃料電池発電モジュール４にて発電された直流電力は、インバータ１２を介して交流電力に変換されて外部に出力される。
カソード空気用送風装置５は、外部から空気を発電空気ブロワに取り込み、この取り込まれた空気を空気通路１５を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。

燃料ガス昇圧用送風装置６は、図示外のガス供給源から燃料ガスを燃料昇圧ブロワに取り込み、この昇圧された燃料ガスを、ガス通路１６と共通通路１８を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。
燃料改質空気用送風装置７は、外部から燃料改質用の空気を改質空気ブロワに取り込み、この取り込まれた燃料改質用の空気を、改質空気通路１７と共通通路１８を介して燃料電池発電モジュール４に供給する。

次に、燃料電池発電モジュール４について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電モジュール４（以下、発電モジュール４という）は、燃料電池セルスタック２１、蒸発器２２、燃料改質器２３、オフガス燃焼室２４、熱交換器２７等を備え、燃料改質器２３によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタック２１で化学反応させることで発電を行うものである。

熱交換器９は、排気ガス排出通路８の途中部に設けられ、循環加熱回路４５の一部を構成する熱交換通路部９ａを備えている。この熱交換器９において、発電モジュール４から排出される排気ガスを、熱交換通路部９ａを流れる湯水との間で熱交換させて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、貯湯給湯装置３について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯装置３は、貯湯と給湯と床暖房パネル等の温水暖房端末への温水の供給や風呂の追い焚き等の機能を有するものであり、貯湯タンク４１、補助熱源機４２、第１，第２熱交換器４３，４４、発電ユニット２側において循環ポンプ６４が介装された循環加熱回路４５、給水通路４６、出湯回路４７、温水暖房回路４８、風呂給湯追焚回路４９、熱利用循環回路５０、複数のバイパス通路５１〜５４，５７、風呂注湯通路５５、出湯通路５８等を備え、これらは外装ケース５９内に一体的に収納されて構成されている。

貯湯槽４１は、高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を貯留可能な上下方向に細長い断熱性の密閉タンクであり、貯留された温水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯槽４１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数の貯湯水温度センサ６１ａ〜６１ｄにより検出される。補助熱源機４２は、公知のガス給湯器で構成され、熱利用循環回路５０の湯水の温度が不足する等の特別な場合に限り、湯水を再度加熱するものである。

第１熱交換器４３は、温水暖房回路４８を流れる暖房水を加熱するものであり、この第１熱交換器４３において、熱利用循環回路５０を流れる高温の湯水と温水暖房回路４８を流れる暖房水との間で熱交換され、暖房水は加熱され湯水は冷却される。

第２熱交換器４４は、風呂給湯追焚回路４９を流れる浴槽水を加熱するものであり、この第２熱交換器４４において、熱利用循環回路５０を流れる高温の湯水と風呂給湯追焚回路４９を流れる風呂のお湯との間で熱交換され、浴槽水は加熱され湯水は冷却される。

次に、循環加熱回路４５について説明する。
図１，図２に示すように、循環加熱回路４５は、外部熱源である発電ユニット２の熱交換器９と貯湯槽４１との間に湯水を循環させる閉回路であり、往き側通路４５ａ、戻り側通路４５ｂを有し、貯湯槽４１の下部に往き側通路４５ａの上流端が接続され、貯湯タンク４１の上部に戻り側通路４５ｂの下流端が接続されている。

往き側通路４５ａの途中部から戻り側通路４５ｂの途中部にバイパスする第１バイパス通路５１が分岐され、この分岐部には、貯湯切換弁６２が設置されている。往き側通路４５ａには、湯水を急速に冷却可能なラジエータ６３が設置されている。往き側通路４５ａの発電ユニット２側には、排熱回収用循環ポンプ６４（図２参照）が設置されている。往き側通路４５ａと戻り側通路４５ｂとの間に、発電ユニット２の熱交換器９の熱交換通路部９ａが接続されている。

次に、給水通路４６について説明する。
給水通路４６は、上水源から低温の上水を貯湯槽４１に供給するものであり、上流給水通路４６ａ、中間給水通路４６ｂ、下流給水通路４６ｃを有し、上流給水通路４６ａの上流端が上水源に接続され、貯湯槽４１の下部に下流給水通路４６ｃの下流端が接続されている。上流給水通路４６ａには減圧弁６７が設置され、中間給水通路４６ｂには逆止弁４６ｄが設置されている。中間給水通路４６ｂには、安全弁６８ａが設置された排水通路６８が接続され、この排水通路６８の下流端は、排水桝６９に延びている。

給水通路４６において、中間給水通路４６ｂと下流給水通路４６ｃとの間から熱利用循環回路５０に接続する第２バイパス通路５２が分岐され、この分岐部には、中間給水通路４６ｂと下流給水通路４６ｃとの接続又は中間給水通路４６ｂと第２バイパス通路５２との接続又は第２バイパス通路５２と下流給水通路４６ｃとの接続を選択可能な蓄熱切換弁７１が設置されている。下流給水通路４６ｃから外部に接続する排水通路７２が分岐している。

次に、出湯回路４７について説明する。
出湯回路４７は、貯湯槽４１内に貯湯された湯水を風呂等の所望の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる上流出湯通路４７ａ、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる中間出湯通路４７ｂおよび下流出湯通路４７ｃを有する。上流出湯通路４７ａの上流端が貯湯槽４１の上部に接続され、上流出湯通路４７ａの下流端に中間出湯通路４７ｂの上流端が接続され、中間出湯通路４７ｂの下流端に下流出湯通路４７ｃの上流端が接続され、下流出湯通路４７ｃの下流端に給湯栓７３が接続されている。上流出湯通路４７ａと中間出湯通路４７ｂとの間には混合弁７４が設置され、この混合弁７４に上流給水通路４６ａから分岐した第３バイパス通路５３が接続されている。混合弁７４は、出湯温度が指令温度になるように、水と高温の湯水の流量比が制御される。尚、上流出湯通路４７ａと中間出湯通路４７ｂとが「出湯管」に相当する。

第３バイパス通路５３には、逆止弁５３ａが設置されている。第３バイパス通路５３から混合弁７４を介さずに中間出湯通路４７ｂへ直接接続する第４バイパス通路５４が分岐され、この第４バイパス通路５４には、高温回避電磁弁７８が設置されている。この第４バイパス通路５４によって、中間出湯通路４７ｂに上水源から低温の上水を直接供給することができる。

中間出湯通路４７ｂには、流量センサ４７ｄ及び出湯水比例弁７５が設置され、出湯水比例弁７５の下流側から風呂給湯追焚回路４９へ接続する風呂注湯通路５５が分岐されている。風呂注湯通路５５には、流量センサ５５ａ、注湯電磁弁７６、逆止弁５５ｂが順に一体的に設置され、逆止弁５５ｂには逆流防止手段５５ｃが接続されている。尚、風呂注湯通路５５が「注湯配管」に相当する。

次に、風呂給湯追焚回路４９について説明する。
風呂給湯追焚回路４９は、風呂のお湯を追い焚きする回路であり、風呂往き側通路４９ａ、風呂戻り側通路４９ｂを有している。風呂往き側通路４９ａと風呂戻り側通路４９ｂとの間には、第２熱交換器４４の内部通路４４ｂが接続され、風呂戻り側通路４９ｂには、風呂水流スイッチ８４や風呂循環ポンプ８５等が設置されている。

風呂内のお湯は風呂循環ポンプ８５により風呂戻り側通路４９ｂへ送られ、内部通路４４ｂに送られて熱交換通路部４４ａにより加熱され、加熱されたお湯は、風呂往き側通路４９ａから風呂へ送り出される。必要に応じて、出湯回路４７から分岐した風呂出湯通路５５を介して、風呂戻り側通路４９ｂに湯水を補充することができる。

次に、制御ユニット９７について説明する。
燃料電池コージェネレーションシステム１は、制御ユニット９７（制御手段に相当する）によって制御される。各種の温度センサ、各種の流量センサ、水処理装置１１の水位スイッチや膨張タンク８０の水位センサの信号が制御ユニット９７に送信され、この制御ユニット９７により、発電ユニット２と貯湯注湯装置３の動作、各種弁部材の切り換え、各種ポンプの作動・停止、各種開閉弁の開閉状態の切り換え等を制御し、各種運転（排熱回収運転、追い焚き運転、暖房運転、給湯運転等）を実行する。

次に、この燃料電池コージェネレーションシステム１を設置後に試運転する際に、前記制御ユニット９７により自動的に行われる、循環加熱回路４５へ水張りする循環加熱回路水張り制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。尚、図中の符号Ｓｉ（ｉ=１，２，・・）は各ステップを示す。この循環加熱回路水張り制御の制御プログラムは、制御ユニット９７に予め格納されている。

この貯湯給湯装置３に水張りを行う際には、注湯電磁弁７６を開放した状態で、給水通路４６から貯湯槽４１に給水することで、風呂側へエア抜きしながら貯湯槽４１と循環加熱回路４５以外の配管系（回路や通路）への水張りを行い、貯湯槽４１への水張りが完了したことを検知後に前記循環ポンプ６４を駆動して循環加熱回路４５への水張りを行う。

図３のフローチャートにおいて、この制御が開始されると、最初にＳ１において、貯湯槽４１への水張りが自動的に行われる。この場合、注湯電磁弁７６が開弁され、蓄熱切換弁７１が貯湯槽４１へ給水する給水位置に保持され、貯湯切換弁６２が循環加熱回路４５の往き側通路４５ａを連通させる連通位置に保持され、循環ポンプ６４が停止状態に保持される。すると、貯湯槽４１と配管系に水張りされ、余剰の給水は貯湯槽４１から上流出湯通路４７ａと、中間出湯通路４７ｂと、風呂注湯通路５５を介して風呂へ排水される。

次に、Ｓ２において流量センサ５５ａの検出信号を読み込み、検出流量が定流量状態になった否か判定される（Ｓ３）。水張り実行中には貯湯槽４１や配管系からエア抜きされるため、流量センサ５５ａで検出される流量が安定せず定流量状態にならない。しかし、貯湯槽４１や配管系への水張りが完了すると、流量センサ５５ａで検出される流量が定流量状態になり、Ｓ３の判定がＹｅｓになると、Ｓ４へ移行する。

次に、Ｓ４において注湯電磁弁７６を所定時間ｔ１（例えば１０秒）の間閉弁状態にし、次に注湯電磁弁７６を開弁する（Ｓ５）。尚、Ｓ４とＳ５のステップが「注湯電磁弁閉開制御」に相当する。
次に、Ｓ６において注湯電磁弁７６の開弁後所定時間ｔ２（例えば、２秒）経過したか否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ６を繰り返し、その判定がＹｅｓになったらＳ７において循環ポンプ６４を駆動する。次に、Ｓ８において循環ポンプ６４を駆動開始してから所定時間ｔ３（例えば、３０秒）経過したか否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ８を繰り返し、その判定がＹｅｓになったときには、Ｓ９へ移行する。

次に、Ｓ９において流量センサ５５ａの検出流量を読み込んで検出流量が定流量状態になった否か判定される。循環加熱回路４５から貯湯槽４１に流入したエアが貯湯槽４１からエア抜きされている状態では、検出流量が定流量状態にならないため、Ｓ９の判定がＮｏとなるため、その場合はＳ１０において、循環ポンプ６４を停止させてからＳ４へ戻ってＳ４以降を繰り返す。

循環加熱回路４５内のエアと貯湯槽４１内のエアが完全にエア抜きされると、Ｓ９の判定がＹｅｓとなるため、Ｓ９からＳ１１へ移行して、Ｓ１１において循環ポンプ６４を停止させる。次に、Ｓ１２において、循環加熱回路４５への水張りが完了したとして、この循環加熱回路水張り制御が終了する。

次に、以上説明した循環加熱回路水張り制御の作用、効果について図４のタイムチャートに基づいて説明する。貯湯槽４１及び配管系に水張りが完了した時点においては、循環加熱回路４５内にはエアが残留しており、貯湯槽４１内に給水圧が作用し、貯湯槽４１内の下部と上部の水圧の差圧（例えば１０ｋＰａ）が大きくなく、また、管路抵抗の影響もあるため、循環加熱回路４５の往き側通路４５ａと戻り側通路４５ｂへ水が流入し、循環加熱回路４５内の残留エアが循環ポンプ６４の所まで押し戻されることがあるため、循環ポンプ６４が水張り状態になっているとは限らない。循環ポンプ６４が水張りされない状態で、循環ポンプ６４を駆動しても空運転するだけで、エア抜きすることができない。

そこで、注湯電磁弁７６を所定時間ｔ１の間閉弁状態に保持して、貯湯槽４１内の全体に給水圧を作用させた状態で、注湯電磁弁７６を開弁すると、貯湯槽４１の上部の水圧が瞬間的に低下し、貯湯槽４１内の下部と上部の水圧の差圧が例えば２８ｋＰａ程度までパルス的に増大するため、往き側通路４５ａから戻り側通路４５ｂに流れる水流が発生し、循環ポンプ６４が水張りされた状態になる。

注湯電磁弁７６を開弁した時点から短い所定時間ｔ２経過し、循環ポンプ６４が水張りされた状態で、循環ポンプ６４を所定時間ｔ３の間駆動することで、循環加熱回路４５内の残留エアを貯湯槽４１へ確実に排出し、貯湯槽４１から上流出湯通路４７ａと、中間出湯通路４７ｂと、風呂注湯通路５５を介して風呂へエア抜きすることができる。

上記のような循環ポンプ６４停止状態でのＳ４とＳ５の注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプ６４の所定時間ｔ３の駆動とを行うことにより、循環加熱回路４５内のエアの大部分をエア抜きすることができる。しかし、循環加熱回路４５内に気泡状態のエアが残留している場合があるため、循環ポンプ６４停止状態でのＳ４とＳ５の注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプ６４の所定時間ｔ３の駆動とを、複数回繰り返し行うことにより、循環加熱回路４５から完全にエア抜きし、循環加熱回路４５に確実に水張りすることができる。

以上説明した貯湯槽４１と配管系への水張りと、循環加熱回路４５への水張りは、制御ユニット９７により自動的に且つ能率的に行うことができるため、貯湯給湯装置３の試運転にかかる所要時間とコストを大幅に低減することができる。そして、循環加熱回路４５に水が循環しない状態で、発電ユニット２を空焚き運転して発電ユニット２を故障させてしまう虞もない。
しかも、前記循環加熱回路水張り制御は、同様の構造の種々の貯湯給湯装置３に適用することができるため、汎用性に優れる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
（１）前記実施例では、燃料電池コージェネレーションシステム１の発電ユニット２を熱源機とする貯湯給湯装置３を例にして説明したが、ヒートポンプやガスエンジンを熱源機とする貯湯給湯装置にも本発明を同様に適用することができる。
（２）その他、当業者であれば、前記実施例に適宜変更を付加した形態で本発明を実施可能である。

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 発電ユニット
３ 貯湯給湯装置
９ 熱交換器
４５ 循環加熱回路
４６ 給水通路
４７ 出湯回路
４７ａ 上流出湯通路
４７ｂ 中間出湯通路
５５ 風呂注湯通路
６４ 循環ポンプ
７６ 注湯電磁弁
９７ 制御ユニット

Claims (2)

1. 貯湯槽と、この貯湯槽の下部から熱源機を経由して貯湯槽の上部へ水を循環させて加熱する循環加熱回路と、この循環加熱回路に設けられた循環ポンプと、貯湯槽の下部に接続された給水管及び上部に接続された出湯管と、この出湯管から分岐して浴槽へ湯水を供給するための注湯配管と、この注湯配管に設けられた注湯電磁弁とを備えた貯湯給湯装置であって、この貯湯給湯装置に水張りを行う際には、前記注湯電磁弁を開放してエア抜きを行いながら貯湯槽への水張りを行い、貯湯槽への水張りが完了したことを検知してから前記循環ポンプを駆動して循環加熱回路の水張りを行う貯湯給湯装置において、
   前記貯湯槽の水張り完了後、前記循環ポンプ駆動開始前に、前記注湯電磁弁を閉弁させてから開弁状態に戻す注湯電磁弁閉開制御を行う制御手段を設けたことを特徴とする貯湯給湯装置。
2. 前記制御手段は、前記循環ポンプ停止状態での前記注湯電磁弁閉開制御と、前記循環ポンプの所定時間の駆動とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯装置。