JP2024057265A - 蓄熱槽 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱槽内の高温水の利用時に温度成層が崩れ難くなるように構成した蓄熱槽を提供すること。【解決手段】内部の高温水を上部から取り出して外部の熱交換器(4)で熱交換によって温度が下がった低温水を下部に戻す循環通路(5)が接続された蓄熱槽(10)において、湯水の貯留部分が長方形の底部(10a)を有する直方体形状に形成され、高温水の取り出し口(12)と低温水の戻り口(13)が、貯留部分の複数の側壁部のうち面積が大きい第１側壁部(10b)の対角線(L)上の位置に離隔して設けられ、第１側壁部(10b)と、この第１側壁部(10b)に対向する第２側壁部(10c)には、内部に向かって突出する複数の仕切り板(14,15)が異なる高さ位置に形成され、最も低い位置の仕切り板(14)が、第２側壁部(10c)に、戻り口(13)よりも高い位置に形成された。【選択図】図３

Description

本発明は、熱媒の熱を利用する設備機器の熱媒を貯留する蓄熱槽に関する。

従来から、蓄熱槽に蓄えられた熱を利用する例えば給湯暖房システムのような設備機器が広く知られている。蓄熱槽には熱媒として例えば湯水が貯留され、例えば機器の排熱を利用する外部熱源機によって蓄熱槽の湯水が加熱されて熱が蓄えられる。この蓄熱動作のとき、蓄熱槽の下部から低温水が外部熱源機に供給され、外部熱源機で加熱された高温水が蓄熱槽の上部に戻され、上側の高温水層と下側の低温水層からなる温度成層が形成されて高温水層が下方に拡大してゆく。

温度成層が形成された蓄熱槽内は、上側の温度が高いので自然対流が発生し難く、高温水と低温水が混合されない。それ故、蓄熱槽が高温水で満たされていなくても、蓄熱槽の上部から高温水を取り出して利用することが可能である。この蓄熱槽の高温水を利用するときには、取り出された高温水が暖房等に利用され、温度が下がった低温水が蓄熱槽の下部に戻されることにより、高温水層が上方に縮小してゆくと共に低温水層が上方に拡大してゆく。

しかし、蓄熱槽に戻された低温水によって蓄熱槽内の湯水が撹拌されて高温水と低温水が混合され、温度成層が崩れて蓄熱槽に蓄えられた熱を十分に利用することができなくなる虞がある。そのため、例えば特許文献１のように、蓄熱槽である開放式の湯水槽の上部から高温水を取り出し、湯水槽内に上下方向に延びるように設けられた給水導管を介して湯水槽の下部に低温水を供給し、給水導管には低温水の流速を低下させる流速減少部を設けた構成が知られている。

また、特許文献２には、蓄熱槽である扁平箱形の貯湯タンクにおいて、入水部と出湯部の間に複数の仕切り壁部によって湯水を蛇行させる蛇行流路が形成され、高温水と低温水が混ざり合わないように、入水部からの低温水によって高温水を蛇行流路に沿って出湯部側に押し出すことが記載されている。この貯湯タンクは、一部の仕切り壁部がヒータになっており、蛇行流路内で高温水が生成される。

実開昭５３－４４３５１号公報 特開２００７－２７１２２８号公報

特許文献２のように低温水によって高温水を押し出すためには、複数の仕切り壁部によって蛇行流路の流路断面積を小さくすることが好ましい。しかし、仕切り壁部が多いほど貯湯タンクの容量が減少すると共に重量が増加し、容量減少を補うためには貯湯タンクが大きくなってさらに重くなるので、設置性が低下する。また、高温水を押し出すために貯湯タンクが湯水で満たされた状態が維持されるが、湯水の熱膨張を吸収する膨張タンク等が貯湯タンクの外部に必要であり、設備機器が大きくなると共に製造コストが上昇するので好ましくない。

一方、特許文献１の湯水槽は、湯水槽内の高温水の利用時に高温水層の給水導管に接する部分が、給水導管を介して供給される低温の湯水によって冷却されて沈み込み、自然対流が生じて温度成層が崩れてしまう虞がある。

そこで、本発明は、蓄熱槽内の高温水の利用時に温度成層が崩れ難くなるように構成した蓄熱槽を提供することを目的としている。

請求項１の発明の蓄熱槽は、内部の高温水を上部から取り出して外部の熱交換器で熱交換によって温度が下がった低温水を下部に戻す循環通路が接続された蓄熱槽において、湯水の貯留部分が長方形の底部を有する直方体形状に形成され、前記高温水の取り出し口と前記低温水の戻り口が、前記貯留部分の複数の側壁部のうち面積が大きい第１側壁部の対角線上の位置に離隔して設けられ、前記第１側壁部と、この第１側壁部に対向する第２側壁部には、内部に向かって突出する複数の仕切り板が異なる高さ位置に形成され、最も低い位置の前記仕切り板は、前記第２側壁部に、前記戻り口よりも高い位置に形成されたことを特徴としている。

上記構成によれば、湯水の貯留部分が長方形の底部を有する直方体形状に形成された蓄熱槽は、内部の高温水が上部から取り出され、その熱が利用されて温度が下がった低温水が下部に戻される。この貯留部分の複数の側壁部のうちの面積が大きい第１側壁部の対角線上に、高温水の取り出し口と低温水の戻り口が離隔して形成され、戻された低温水が取り出し口に到達するまで時間がかかるようにしている。そして、第１側壁部と、この第１側壁部に対向する第２側壁部から、夫々蓄熱槽の内部に向かって突出する複数の仕切り板が形成されている。これら複数の仕切り板は高さ位置が異なっており、そのうちの最も低い位置の仕切り板が、第２側壁部から突出するように戻り口よも高い位置に形成されている。それ故、戻り口から蓄熱槽に流入する低温水は、進行方向にある第２側壁部に衝突して上方に向きを変え、最も低い位置の仕切り板によって第１側壁部に向かうようにさらに向きを変えて流動する。従って、流入した低温水の流動によって最も低い位置の仕切り板の上方の高温水と下方の低温水とが混合されることが、この最も低い位置の仕切り板によって防止され、蓄熱槽の高温水の利用時に温度成層を崩れ難くすることができる。

請求項２の発明の蓄熱槽は、請求項１の発明において、最も高い位置の前記仕切り板は、前記第１側壁部に、前記取り出し口よりも下方に設けられたことを特徴としている。
上記構成によれば、最も高い位置の仕切り板が高温水の取り出し口の下方で第１壁部から突出している。従って、最も低い位置の仕切り板の下側に流入した低温水がすぐに取り出し口に到達することが防止され、取り出される高温水の温度を長く維持して蓄えられた熱を十分に利用することができる。

請求項３の発明の蓄熱槽は、請求項１又は２の発明において、複数の前記仕切り板は、内部に突出した先端側部分が互いに重なり合う突出量を有するように夫々形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、第１側壁部に形成された仕切り板の先端側部分と第２側壁部に形成された仕切り板の先端側部分とが互いに重なり合う突出量を有する。それ故、低温水は、第１側壁部の仕切り板と第２側壁部の仕切り板の間を水平方向に進行してから、これらの仕切り板によって上下方向に仕切られた蓄熱槽内の区画を１段上がる。従って、低温水の流動方向が整えられて蓄熱槽内の高温水が低温水と混合され難くなり、蓄熱槽の高温水の利用時に温度成層を崩れ難くすることができる。

本発明の蓄熱槽によれば、蓄熱槽内の高温水の利用時に温度成層を崩れ難くすることができ、蓄えられた熱を十分に利用することができる。

本発明の実施例に係る蓄熱槽の熱を利用する設備機器の説明図である。 実施例に係る蓄熱槽の斜視図である。 図２の蓄熱槽の膨張室を含むIII-III線縦断面図である。 図３の蓄熱槽内の湯水の流動説明図である。 図３の蓄熱槽の取り出し口における湯水温度の変化を示すグラフである。 仕切り板が無い蓄熱槽の取り出し口における湯水温度の変化を示すグラフである。

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。

最初に、蓄熱槽１０に蓄熱した熱を利用する設備機器１について説明する。
図１に示すように、設備機器１は、開放式の蓄熱槽１０と、外部熱源機２と、この外部熱源機２で蓄熱槽１０の湯水を加熱して蓄熱槽１０に熱を蓄えるための蓄熱通路３と、蓄熱槽１０に蓄えられた熱を利用する熱交換器４を備えた循環通路５を有する。蓄熱槽１０には開閉弁を備えた給水管６が接続され、蓄熱槽１０に給水可能である。設備機器１は、蓄熱槽１０の熱を利用して熱交換器４で加熱した流体を暖房に利用する暖房装置、又は熱交換器４で上水を加熱して給湯する給湯装置である。

蓄熱通路３は、蓄熱槽１０の下部から低温水を矢印Ａ１のように外部熱源機２に供給し、この外部熱源機２によって加熱された高温水を矢印Ａ２のように蓄熱槽１０の上部に戻すことができるように、蓄熱槽１０に接続されている。外部熱源機２と蓄熱槽１０の間で湯水を循環させるためのポンプは、外部熱源機２に装備されているが、蓄熱通路３に装備されていてもよい。外部熱源機２は、例えば機器の排熱を利用するタイプのものであるが、例えば電力を利用して加熱するタイプのものであってもよい。

循環通路５は、矢印Ａ３のように蓄熱槽１０の上部から高温水を取り出して外部の熱交換器４に供給し、矢印Ａ４のように熱交換器４で熱交換されて温度が下がった低温水を蓄熱槽１０の下部に戻すことができるように、蓄熱槽１０に接続されている。熱交換器４と蓄熱槽１０の間で湯水を循環させるポンプは、熱交換器４に内蔵されていてもよく、循環通路５に装備されていてもよい。熱交換器４は、蓄熱槽１０に貯留された高温水の熱を利用して矢印Ａ５のように供給される流体を加熱し、矢印Ａ６のように加熱した流体を送り出す。

図２に示すように、蓄熱槽１０は、湯水の貯留部分が長方形の底部１０ａを有する直方体形状に形成され、湯水の熱膨張を吸収する膨張室１１が湯水の貯留部分から上方に突出するように設けられている。膨張室１１には、例えば２つの電極１１ａからなる水位センサが配設され、一定水位以上の湯水を排水する排水管が接続されるオーバーフロー口１１ｂ、給水管６が接続される給水口１１ｃ等が設けられている。

蓄熱槽１０の長方形の底部１０ａの４つの辺に対応する４つの側壁部のうち、面積が大きい２つの側壁部を第１，第２側壁部１０ｂ，１０ｃとし、残りの側壁部を第３，第４側壁部１０ｄ，１０ｅとする。第１側壁部１０ｂには、蓄熱槽１０に貯留された高温水を蓄熱槽１０の上部から取り出す取り出し口１２と、取り出された高温水が熱交換器４で熱交換されて温度が下がった低温水を蓄熱槽１０の下部に戻す戻り口１３が形成されている。

取り出し口１２と戻り口１３は、第１側壁部１０ｂの対角線Ｌ上に離隔して形成され、循環通路５がこれら取り出し口１２と戻り口１３に接続される。図示を省略するが、蓄熱通路３が接続される２つの接続口は、例えば第２側壁部１０ｃにその対角線上に離隔して形成されていてもよく、第２側壁部１０ｃ以外の側壁部に設けられていてもよい。

図３の蓄熱槽１０の縦断面図に示すように、蓄熱槽１０には、第１側壁部１０ｂ、第２側壁部１０ｃから夫々蓄熱槽１０の内部に向かって突出する複数の仕切り板１４，１５が異なる高さ位置に形成されている。仕切り板１４，１５は、第１、第２側壁部１０ｂ，１０ｃの幅方向にわたって水平姿勢の平板状に形成され、この幅方向における両端が第３、第４側壁部１０ｄ，１０ｅに夫々接続されている。

取り出し口１２と戻り口１３が形成された第１側壁部１０ｂに対向する第２側壁部１０ｃには、取り出し口１２よりも低く且つ戻り口１３よりも高い位置に、最も低い位置の仕切り板１４が形成されている。一方、第１側壁部１０ｂには、取り出し口１２よりも下方であって仕切り板１４よりも高い位置に、最も高い位置の仕切り板１５が形成されている。これら複数の仕切り板１４，１５は、第１側壁部１０ｂの仕切り板１５の先端側部分と第２側壁部１０ｃの仕切り板１４の先端側部分とが互いに重なり合う（オーバーラップする）突出量を有するように形成されている。

仕切り板１５の突出量（基端から先端までの長さ）は、仕切り板１４，１５が重なり合う領域の突出方向の長さＯＬと、第１側壁部１０ｂと仕切り板１４の先端との間の突出方向における隙間の長さＳＬの和である。同様に、仕切り板１４の突出量は、仕切り板１４，１５が重なり合う領域の突出方向の長さＯＬと、第２側壁部１０ｃと仕切り板１５の先端との間の突出方向における隙間の長さＳＬの和である。そして、重なり合う領域の突出方向の長さＯＬは、隙間の長さＳＬよりも大きい。尚、仕切り板１４，１５の隙間の長さＳＬが等しくなるように仕切り板１４，１５が形成されている。

蓄熱槽１０の湯水の貯留部分の内部は、複数の仕切り板１４，１５によって、高さ方向に並ぶ複数の区画（下段区画１６、中段区画１７、上段区画１８）に仕切られている。これら複数の区画は、仕切り板１４の先端と第１側壁部１０ｂの間の隙間及び仕切り板１５の先端と第２側壁部１０ｃの間の隙間を介して連通する。下段区画１６の高さｈ１は中段区画１７の高さｈ２よりも大きく、上段区画１８の高さｈ３は下段区画１６の高さｈ１よりも大きい。

蓄熱槽１０への蓄熱時には、蓄熱槽１０の下部の下段区画１６から低温水が外部熱源機２に供給され、高温水が蓄熱槽１０の上部の上段区画１８に戻される。このとき、一般的に、戻される高温水の流速を小さくして撹拌を抑制するので、上段区画１８に上側の高温水層と下側の低温水層からなる温度成層が形成される。そして、高温水層が下方に拡大してゆき、最終的に蓄熱槽１０の湯水の貯留部分が高温水で満たされて蓄熱が終了する。

蓄熱槽１０内の高温水の利用時には、蓄熱槽１０の上部の上段区画１８の取り出し口１２から高温水が取り出され、熱交換器４で熱交換されて温度が下がった低温水が蓄熱槽１０の下部に戻される。このとき図４に矢印で示すように、下段区画１６において、戻り口１３から流入する低温水は、底部１０ａに沿って第１、第２側壁部１０ｂ，１０ｃの幅方向にも広がりながら進行し、流速が低下する。そして、第２側壁部１０ｃに衝突して上方に向きを変え、最も低い位置の仕切り板１４によってこの仕切り板１４に沿って第１側壁部１０ｂに向かうように向きを変える。

取り出し口１２から高温水が取り出され、戻り口１３から低温水が流入するので、低温水流動によって押し出されるように高温水が流動する。そして、下段区画１６に流入した低温水が第１側壁部１０ｂと第２側壁部１０ｃの間を往復する際に、下段区画１６において高温水と低温水の混合が抑制される。

また、仕切り板１４と第１側壁部１０ｂの間の隙間から中段区画１７に流入する流速は、戻り口１３から流入する低温水の流速よりも遅くなっている。そして、下段区画１６よりも高さが小さい中段区画１７では、低温水と高温水とが混合されずに第１側壁部１０ｂ側から第２側壁部１０ｃ側に向かうように流動方向が整えられる。

中段区画１７が低温水でほぼ満たされると、上段区画１８に低温水が流入する。上段区画１８に流入する流速は遅くなっているので、上段区画１８における高温水と低温水の混合が抑制される。従って、上段区画１８を仕切り板でさらに仕切る必要がなく、複数の仕切り板の数を、仕切り板１４，１５の２つだけにすることができる。

こうして蓄熱槽１０は、仕切り板１４，１５によって戻り口１３から流入する低温水の流動方向を規制して、低温水と高温水との混合を抑制することができる。従って、蓄熱槽１０に蓄えられた熱を十分に利用することができる。

図５には複数の仕切り板１４，１５を備えた場合、図６には仕切り板１４，１５を備えていない場合について、蓄熱槽１０からの高温水の取り出し開始から所定時間経過するまで、取り出し口１２を通過する高温水の温度変化を示している。ここでは、例えば湯水の貯留量が１５Ｌの蓄熱槽１０の貯留部分に７５℃の高温水が満たされており、１５Ｌ／分の流量で高温水が取り出され４０℃の低温水が戻り口１３から流入する状態を３０秒継続させている。

仕切り板１４，１５を備えた場合には、開始から１７秒程度経過するまで高温水が低温水と混合されずに取り出されており、貯留量の半分が取り出された３０秒経過時でも７１℃以上の温度が維持されている。一方、仕切り板１４，１５を備えていない場合には、開始から５秒程度まで高温水が低温水と混合されずに取り出されているが、その後は徐々に温度が下がり、貯留量の容量の半分が取り出された３０秒経過時には６３℃まで温度が低下している。

このように、蓄熱槽１０の複数の仕切り板１４，１５によって、高温水と低温水の撹拌、混合が抑制され、蓄熱槽１０の熱を循環通路５の熱交換器４で十分に利用することができる。また、戻り口１３と取り出し口１２は、高さ方向だけでなく、第１側壁部１０ｂの幅方向にも離隔されており、戻り口１３から流入した低温水が取り出し口１２に到達するまでの流動距離が長くなって時間がかかるので、蓄熱槽１０の熱を十分利用することができる。

上記蓄熱槽１０の作用、効果について説明する。
湯水の貯留部分が長方形の底部１０ａを有する直方体形状に形成された蓄熱槽１０は、内部の高温水が上部から取り出され、その熱が利用されて温度が下がった低温水が下部に戻される。貯留部分の複数の側壁部のうちの面積が大きい第１側壁部１０ｂの対角線Ｌ上には、高温水の取り出し口１２と低温水の戻り口１３とが、戻された低温水が取り出し口１２に到達するまで時間がかかるように離隔して形成されている。

第１側壁部１０ｂと、この第１側壁部１０ｂに対向する第２側壁部１０ｃから、夫々蓄熱槽１０の内部に向かって突出する複数の仕切り板１４，１５が形成されている。これら複数の仕切り板１４，１５は高さ位置が異なっており、最も低い位置の仕切り板１４が、第２側壁部１０ｃから突出するように取り出し口１２よりも低く且つ戻り口１３よりも高い位置に形成されている。それ故、戻り口１３から蓄熱槽１０に流入する低温水は、進行方向にある第２側壁部１０ｃに衝突して上方に向きを変え、最も低い位置の仕切り板１４によって第１側壁部１０ｂに向かうようにさらに向きを変えて流動する。従って、最も低い位置の仕切り板１４よりも上方の高温水と流入した低温水との混合が防止され、蓄熱槽１０内の高温水の利用時に温度成層を崩れ難くすることができる。

第１側壁部１０ｂに形成された最も高い位置の仕切り板１５は、仕切り板１４よりも高い位置であって高温水の取り出し口１２の下方にある。この仕切り板１５によって、最も低い位置の仕切り板１４の下側に流入した低温水がすぐに取り出し口１２に到達することが妨げられ、取り出される高温水の温度を長く維持して蓄えられた熱を十分に利用することができる。

第１側壁部１０ｂに形成された仕切り板１５と第２側壁部１０ｃに形成された仕切り板１４は、互いに先端側部分が重なり合う突出量を有する。それ故、低温水が第１側壁部１０ｂの仕切り板１５と第２側壁部１０ｃの仕切り板１４の間を水平方向に進行してから、これらの仕切り板１４，１５によって上下方向に仕切られた蓄熱槽１０内の区画を１段上がる。従って、低温水の流動方向が整えられて蓄熱槽１０内の高温水が低温水と混合され難くなり、蓄熱槽１０の高温水の利用時に温度成層を崩れ難くすることができる。

中段区画１７に、異なる高さ位置の複数の仕切り板を第１側壁部１０ｂと第２側壁部１０ｃに交互に形成し、高温水の利用時に湯水を蛇行させるようにして、高さ方向に大きい蓄熱槽に対応させることも可能である。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ ：設備機器
２ ：外部熱源機
３ ：蓄熱通路
４ ：熱交換器
５ ：循環通路
６ ：給水管
１０ ：蓄熱槽
１０ａ ：底部
１０ｂ ：第１側壁部
１０ｃ ：第２側壁部
１１ ：膨張室
１２ ：取り出し口
１３ ：戻り口
１４，１５：仕切り板
１６ ：下段区画
１７ ：中段区画
１８ ：上段区画
Ｌ ：対角線

Claims (3)

1. 内部の高温水を上部から取り出して外部の熱交換器で熱交換によって温度が下がった低温水を下部に戻す循環通路が接続された蓄熱槽において、
   湯水の貯留部分が長方形の底部を有する直方体形状に形成され、
   前記高温水の取り出し口と前記低温水の戻り口が、前記貯留部分の複数の側壁部のうち面積が大きい第１側壁部の対角線上の位置に離隔して設けられ、
   前記第１側壁部と、この第１側壁部に対向する第２側壁部には、内部に向かって突出する複数の仕切り板が異なる高さ位置に形成され、
   最も低い位置の前記仕切り板は、前記第２側壁部に、前記戻り口よりも高い位置に形成されたことを特徴とする蓄熱槽。
2. 最も高い位置の前記仕切り板は、前記第１側壁部に、前記取り出し口よりも低い位置に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱槽。
3. 複数の前記仕切り板は、内部に突出した先端側部分が互いに重なり合う突出量を有するように夫々形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱槽。
   

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