JP5904723B2 - 熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、集熱装置と放熱装置とシスターンタンクとを経由する循環経路に液体の熱媒体を循環させて熱交換する熱交換システムに関する。

集熱装置と放熱装置とシスターンタンクとを経由する循環経路に水など液体の熱媒体を循環させ、集熱装置で熱媒体が受熱した熱を放熱装置で放熱させることで暖房を行ったり、貯湯タンク内の水を加熱したりする熱交換システムがある。このような熱交換システムでは、大気開放されたシスターンタンクで循環経路内に混入した空気を抜くと共に、シスターンタンクに所定量の熱媒体を蓄えることでシスターンタンクから熱媒体が多少蒸発しても大丈夫なようにしている。

しかし、蒸発により僅かずつではあるが熱媒体が減少するので、たとえば、１年に１回程度は熱媒体を補給したり、もしくはシスターンの容量を大きくする必要があった。この補給の手間を解消すべく、自動車用ラジエータのような構造を採用して、熱媒体の蒸発を防止する暖房装置の水回路が提案されている（特許文献１参照。）。この装置では、自動車用ラジエータの圧力蓋と同様な圧力蓋を上部に有する空気分離用容器を熱媒体の循環経路に設け、その圧力蓋の出側に大気開放の補助タンクを接続している。循環経路側の内圧が変動して熱媒体の過不足が生じると、熱媒体が圧力蓋の弁を通じて補助タンクと空気分離用容器との間で排出・吸引されるようになっている。

実開昭５８−１８１０５号公報

自動車用ラジエータの圧力蓋のような構造を採用する場合、熱媒体の循環経路全体が加圧系になってしまう。このため、熱媒体の循環経路を構成する配管に耐圧性が要求され、たとえば、樹脂製の配管の使用が困難になるなどの問題がある。また、圧力蓋や補助タンクを設けるため、構造が複雑になってしまう。

本発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、加圧系にすることなくシスターンタンクからの蒸発による熱媒体の減少を防ぐことのできる熱交換システムを提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。

［１］集熱装置と、
放熱装置と、
液体の熱媒体を溜めるタンクであって開口により大気開放されたシスターンタンクと、
前記集熱装置と放熱装置とシスターンタンクとを経由する熱媒体の循環経路と、
前記循環経路内で熱媒体を循環させる循環ポンプと、
前記シスターンタンク内の熱媒体を冷却する冷却部と、
前記集熱装置を前記循環経路から切り離す切り替え部と、
前記循環ポンプを駆動して循環する熱媒体が前記集熱装置で受熱した熱を前記放熱装置で放熱させる集熱運転を制御すると共に、前記集熱運転の終了後に、前記集熱装置を前記循環経路から切り離した状態で前記シスターンタンク内の熱媒体を冷却する冷却運転を前記冷却部に行わせる制御部と、
を有する
ことを特徴とする熱交換システム。

上記発明では、循環する熱媒体が集熱装置で受熱した熱を放熱装置で放熱させる集熱運転の終了後、大気開放されたシスターンタンク内の熱媒体を冷却部で冷却する。集熱運転の終了後、熱媒体の温度が下がると、熱媒体の体積収縮に伴ってシスターンタンク内に外気が入るが、温度がゆっくり低下すると熱媒体の蒸発が継続してシスターンタンク内の空気は湿度１００％のまま温度低下する。温度が十分低下した後、次回の集熱運転を始めると、熱媒体が体積膨張し、シスターンタンク内にあった湿度１００％の空気は外へ追い出され、その分、熱媒体が減少する。これに対し、集熱運転終了後に冷却運転を行うと、熱媒体の蒸発量が減少するので、熱媒体の体積収縮に伴ってシスターンタンク内に入ってきた外気の湿度は飽和に達しない。したがって、次回の集熱運転が始まったときにシスターンタンク内から追い出される空気の湿度は、冷却運転しない場合に比べて低くなり、その分だけ、熱媒体の減少を少なく抑えることができる。

［２］出湯に供される湯を蓄えると共に給水路から水が補給される貯湯タンクを備え、
前記集熱装置は、太陽熱を集熱し、
前記放熱装置は、前記貯湯タンク内の水と熱交換する熱交換器である
ことを特徴とする［１］に記載の熱交換システム。

上記発明では、熱交換システムは、太陽熱を利用して貯湯タンク内の水を加熱する貯湯システムである。

［３］前記切り替え部は、前記循環経路を、前記集熱装置と前記放熱装置と前記シスターンタンクとを経由する第１循環経路と、前記集熱装置を迂回して前記放熱装置と前記シスターンタンクとを経由する第２循環経路とに切り替え、
前記冷却部による前記冷却運転は、前記熱交換器周囲の水温が前記シスターンタンク内の熱媒体の温度より低い状態で、前記循環経路を前記第２循環経路に切り替えて前記循環ポンプを作動させることである
ことを特徴とする［２］に記載の熱交換システム。

上記発明では、シスターンタンク内の熱媒体の熱を貯湯タンク内の湯水に移動させることで、熱媒体の冷却が行われる。すなわち、第１循環経路のままで熱媒体を循環させると、たとえば、夜間の冷えた集熱装置での放熱が進み、貯湯タンク内の湯水まで温度低下してしまうが、熱媒体の循環経路を、集熱装置を迂回しかつシスターンタンクと熱交換器とを経由する第２循環経路に切り替えて冷却運転を行うので、上記の問題が発生しないばかりか、熱媒体の熱を貯湯タンク内の湯水の昇温に利用することができる。

［４］前記制御部は、１日の前記集熱運転の終了後に前記冷却運転を行う
ことを特徴とする［２］または［３］に記載の熱交換システム。

上記発明では、１日の集熱運転の終了後は、熱媒体は熱いが、その熱媒体の熱をその後の集熱運転で利用することはない。よって、冷却運転の実行時期として適切である。

本発明に係る熱交換システムによれば、加圧系にすることなくシスターンタンクからの蒸発による熱媒体の減少を防ぐことができる。

本発明の熱交換システム（貯湯システム）を含む給湯システムの構成を示す説明図である。 補助熱源機としての給湯器の概略構成を示す説明図である。 集熱運転の概略動作を示す説明図である。 給湯運転の概略動作を示す説明図である。 ソーラー追い焚き運転の概略動作を示す説明図である。 風呂熱回収運転の概略動作を示す説明図である。 貯湯出湯禁止中の運転状態を示す説明図である。 冷却運転の概略動作を示す説明図である。 冷却運転の動作を示す流れ図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の熱交換システムとしての貯湯システムを含む給湯システム１０の構成を示している。給湯システム１０は、貯湯システム１１と、補助熱源機としての給湯器１２とを有する。

貯湯システム１１は、太陽光を利用して加熱した湯を蓄える貯湯タンク１４を備えており、該貯湯タンク１４からの湯水に給水を混合したものを給湯器１２の入水口へ供給する。補助熱源機である給湯器１２は、貯湯システム１１から供給される水を必要に応じて設定温度に加熱して給湯配管１３へ出湯する機能を果たす。貯湯システム１１は、太陽光を利用して加熱した湯を優先的に利用することで給湯器１２による加熱（これを以下、「追い加熱」とする。）を少なく抑えて、省エネルギでの給湯を可能にする。

貯湯システム１１の詳細構成を説明する。貯湯タンク１４は、中空略円柱状のタンクであり、底部と天井部のそれぞれに配管接続口が設けてある。底部の配管接続口には給水管１５の終端が接続されている。天井部の配管接続口には接続配管１６の一端が接続され、この接続配管１６の他端は給湯器１２の入水口に接続されている。

接続配管１６の途中には、貯湯タンク１４からの湯と給水とを混合する混合弁１７が設けてある。ここでは、混合弁１７は、第１バルブ１７ａと第２バルブ１７ｂの２つで構成される。第１バルブ１７ａは接続配管１６に介挿されている。第２バルブ１７ｂは、給水管１５の途中から分岐して第１バルブ１７ａの給湯器１２側で接続配管１６に合流する分岐給水管１５ａの途中に介挿されている。第１バルブ１７ａと第２バルブ１７ｂは開度（通水量）をそれぞれ０％から１００％まで調整可能な水量調整弁である。第１バルブ１７ａと第２バルブ１７ｂの開度により、貯湯タンク１４からの湯と給水との混合比が調整される。

貯湯タンク１４は、たとえば、容量１００リットルを有し、底から２０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第１温度センサ４１が、底から４０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第２温度センサ４２が、底から６０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第３温度センサ４３が、底から８０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第４温度センサ４４がそれぞれ設けてある。

また、貯湯タンク１４の天井部の配管接続口の近傍の接続配管１６には、貯湯タンク１４から出てくる湯水の温度を検出するタンク出湯温度センサ４６が設けてある。給水管１５の途中には給水温度を検出する給水温度センサ４７が設けてある。さらに混合弁１７の出側（給湯器１２側）の接続配管１６には、水量センサ４８が、さらにその下流側（給湯器１２側）には、混合弁１７で混合後の湯水の温度を検出する混合温度センサ４９が設けてある。

貯湯タンク１４内の下部には、熱媒体循環経路２２の一部をなす熱交換用配管１８が挿通されている。熱媒体循環経路２２は、この熱交換用配管１８と、シスターン１９と、水-水熱交換器２０と、太陽熱の集熱装置２１とを経由して熱媒体（ここでは、水）を循環させる経路である。

詳細には、熱媒体循環経路２２は、熱交換用配管１８の出側からシスターン１９の入り側へ至る第１熱媒配管２２ａと、シスターン１９の出側から水-水熱交換器２０の入り側に至る第２熱媒配管２２ｂと、水-水熱交換器２０の出側から集熱装置２１の入り側に至る第３熱媒配管２２ｃと、集熱装置２１の出側から熱交換用配管１８の入り側へ至る第４熱媒配管２２ｄとからなる。図中、集熱装置２１は、貯湯システム１１の構成要素であるが、外付け機器としてもよい。

シスターン１９は、熱媒体循環経路２２を循環する熱媒体を蓄えるためのタンクである。また、シスターン１９は大気圧に開放されたタンクであり、熱媒体循環経路２２に混入した空気を抜くと共に、熱媒体の膨張・収縮による体積変動を吸収する。熱媒体の流出口はシスターン１９の底部にあり、熱交換用配管１８からの熱媒体の流入口は、流出口よりある程度上方に設けてある。大気開放用の開口１９ｂは、シスターン１９の上部（想定する最高水位より上）に設けてあり、この大気開放用の開口１９ｂの外側には下方へ延びて終端が開放されたチューブ１９ｃが接続されている。また、シスターン１９は内部の水位を検出する水位センサ１９ａを備えている。本例の水位センサ１９ａは低水位検出用電極、高水位検出用電極および共通電極で構成される。

水-水熱交換器２０は２つの管路を所定の長さに渡って密に接触させたものであり、高温側の管路から低温側の管路へ熱を移動させる役割を果たす。熱媒体循環経路２２は、水-水熱交換器２０の一方の管路（図中は内側管路２０ａ）の入り側および出側に接続されている。

水-水熱交換器２０（内側管路２０ａ）の出側から集熱装置２１の入り側に至る第３熱媒配管２２ｃの途中には、循環ポンプ２４が設けてある。循環ポンプ２４は、第３熱媒配管２２ｃ内の熱媒体を集熱装置２１側へ送出する。この循環ポンプ２４の下流側の第３熱媒配管２２ｃには、切替弁２５が介挿されている。切替弁２５の第１接続口２５ａには、循環ポンプ２４側からの第３熱媒配管２２ｃが接続され、切替弁２５の第２接続口２５ｂには集熱装置２１側へ至る第３熱媒配管２２ｃが接続されている。切替弁２５の第３接続口２５ｃには連結管２６の一端が接続されており、連結管２６の他端は、集熱装置２１から熱交換用配管１８の入り側へ至る第４熱媒配管２２ｄの途中に合流して接続されている。

切替弁２５は、第１接続口２５ａと第２接続口２５ｂとを連通させ第３接続口２５ｃを閉鎖した第１状態と、第１接続口２５ａと第３接続口２５ｃとを連通させ第２接続口２５ｂを閉鎖した第２状態とに切り替わる。

貯湯タンク１４など貯湯システム１１の本体は地上に設置され、集熱装置２１は貯湯システム１１の本体より上方の屋根上などに設置される。第３熱媒配管２２ｃのうち貯湯システム１１の本体側との接続部２７ａから集熱装置２１へ向かう部分の連絡配管および集熱装置２１から貯湯システム１１の本体側との接続部２７ｂへ戻る部分の連絡配管には架橋ポリエチレン管を使用している。架橋ポリエチレン管の耐熱温度は、水圧、設定耐用年数によるが、９０℃〜９５℃である。

集熱装置２１には、集熱装置２１内の湯水の温度を検出する高温センサ５１が設けてある。また、連結管２６の合流接続箇所より熱交換用配管１８側の第４熱媒配管２２ｄの途中には、その箇所を通る熱媒体の温度を検出する熱媒温度センサ５２が設けてある。

給湯器１２は、入水口から供給される湯水を設定温度に加熱して給湯配管１３へ出湯するほか、入水口から供給される水を風呂の設定温度に加熱して浴槽３へ注湯する湯張り機能および、浴槽３内の湯水を追い焚きする追い焚き機能を備えている。

追い焚き時に湯水を循環させる追い焚き循環経路は、浴槽３から湯水を給湯器１２へ取り込むための風呂戻り管３２と、給湯器１２内の熱交換器を通る配管と、熱交換器を経て昇温された湯水を浴槽３へ送り出す風呂往き管３１などで構成される。風呂往き管３１は、途中で水-水熱交換器２０の他方の管路（図中、外側管路２０ｂ）を経由して浴槽３へ至る。

給湯器１２と水-水熱交換器２０との間には、浴槽３から取り込んだ湯水の温度を検出するための風呂温度センサ５３が設けてある。

このほか、タンク出湯温度センサ４６と混合弁１７（第１バルブ１７ａ）との間の接続配管１６には、接続配管１６の閉鎖・開通を切り替える出湯禁止電磁弁５４が設けてある。また、出湯禁止電磁弁５４とタンク出湯温度センサ４６との間で接続配管１６から分岐した２つの分岐配管が設けてあり、その一方の先端には排水電磁弁５５が、他方の分岐配管の先端には圧力逃がし弁５６が設けてある。また、給水管１５には、水フィルタ、減圧弁、逆止弁などが介挿されている。

貯湯システム１１は、当該貯湯システム１１の動作を統括制御する制御ユニット６０を備えている。制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、該ＣＰＵが実行するプログラムや固定データなどが記憶されたフラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵがプログラムを実行する際に各種情報を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、各種の信号を入出力するＩ／Ｆ部などを主要部とする回路で構成されている。制御ユニット６０には、貯湯システム１１の各種センサからの検出信号が入力されている。また制御ユニット６０から各弁、循環ポンプ２４などの制御対象へ制御信号が出力される。

貯湯システム１１の制御ユニット６０は給湯器１２の制御基盤７０との間で必要な情報の授受を行う。ここでは、制御ユニット６０は、給湯器１２側で設定されている設定温度の情報や、給湯器１２が追い焚き動作中か否かを示す情報、給湯器１２の時計部の時刻情報などを給湯器１２から取得する。また、燃焼禁止・許可を指示する信号、バーナ７３を燃焼させずに風呂循環ポンプ８５（図２参照）を駆動させる信号（風呂ポンプ駆動信号）を制御ユニット６０から給湯器１２の制御基盤７０へ送信する。

図２は、給湯器１２の概略構成を示している。給湯器１２は、入り側に入水管７１が出側に給湯配管１３がそれぞれ接続された給湯用水管７２ａと、出側に風呂往き管３１が入り側に風呂戻り管３２がそれぞれ接続された追い焚き用水管７２ｂとを備えた一缶二水路型の熱交換器７２を備えている。入水管７１の始端は貯湯システム１１側からの接続配管１６が接続される入水口となっている。

熱交換器７２は下方に配置されたバーナ７３からの熱を受熱するための多数のフィン７２ｃを備えている。バーナ７３にはガス供給管７４が接続されている。ガス供給管７４の途中には、ガスの供給／遮断を切り替えるガス弁７５や供給ガス量を調整する比例弁７６などが設けてある。

給湯配管１３と風呂戻り管３２とは、連結管７７によって接続されており、該連結管７７の途中には、連結管７７の閉鎖／開通を切り替える注湯電磁弁７８が設けてある。また、連結管７７の接続箇所より上流側の給湯配管１３の途中には、閉鎖状態から全開状態まで開度を調整可能な水量サーボ７９が出湯水量を調整するために設けてある。水量サーボ７９の下流側には、出湯温度を検出する出湯温度センサ８０が設けてある。

さらに、入水管７１から分岐し、水量サーボ７９より給湯用水管７２ａ側の所定箇所で給湯配管１３に合流・接続されたバイパス管８１を備え、このバイパス管８１の途中に、閉鎖から全開まで開度を調整可能なバイパス調整弁８２を備えている。バイパス管８１の分岐箇所より上流側の入水管７１には、入水管７１内の水の流量を検出する流量センサ８３および入水温度を検知する入水温度センサ８４が設けてある。なお演算で入水温度を推定するようにした器具にあっては入水温度センサ８４を設けない場合もある。

風呂戻り管３２の途中には、浴槽３内の水を、追い焚き循環経路（風呂戻り管３２、追い焚き用水管７２ｂ、風呂往き管３１）を通じて循環させるための風呂循環ポンプ８５が設けてある。風呂戻り管３２に設けた流水スイッチ８６は、風呂循環ポンプ８５を作動させたとき、追い焚き循環経路に実際に水が循環しているか否かを検出する。

このほか、風呂往き管３１および風呂戻り管３２には、それぞれ管内の温度を検出する風呂往き温度センサ８７、風呂戻り温度センサ８８が設けてある。

制御基盤７０は、ＣＰＵと、該ＣＰＵが実行するプログラムや固定データなどが記憶されたフラッシュＲＯＭと、ＣＰＵがプログラムを実行する際に各種情報を一時記憶するＲＡＭなどを主要部とする回路で構成されている。制御基盤７０には、給湯器１２が有する各種センサ、弁、風呂循環ポンプ８５などが接続されている。

さらに、制御基盤７０には、配線を介して操作パネル(リモコン)８９が接続されている。操作パネル８９は、給湯の設定温度や風呂の設定温度の指定、湯張り動作や追い焚き動作の開始・終了指示、電源のオン／オフなど各種の操作をユーザから受けるスイッチ類、および動作状態や設定温度などを表示する表示部などで構成される。また、操作パネル８９は時間を計時する時計部８９ａを備えている。時計部８９ａが計時する時刻は、操作パネル８９の表示部に表示される。また、時計部８９ａが計時する時刻情報は貯湯システム１１の制御ユニット６０へ通知される。

給湯器１２の制御基盤７０は、給湯配管１３から出湯する給湯動作では、操作パネル８９でユーザが設定した給湯設定温度の湯が出湯されるようにバーナ７３の燃焼量やバイパス調整弁８２の開度などを制御する。

浴槽３へ注湯する湯張り動作では、制御基盤７０は、バーナ７３を燃焼させた状態で注湯電磁弁７８および水量サーボ７９を開くことにより、熱交換器７２の給湯用水管７２ａを通じて加熱した湯を、給湯配管１３から連結管７７へ送り出し、風呂戻り管３２および風呂往き管３１の双方を通じて浴槽３へ流し込む。この際、制御基盤７０は、操作パネル８９でユーザが設定した風呂設定温度の湯が注湯されるようにバーナ７３の燃焼量やバイパス調整弁８２の開度などを制御する。さらに浴槽３内の水位が設定水位に達すると注湯動作を停止して、追い焚き動作を行う。

追い焚き動作では、注湯電磁弁７８を閉鎖し、風呂循環ポンプ８５を作動させた状態でバーナ７３を燃焼させる。これにより浴槽３内の湯水が風呂戻り管３２を通じて給湯器１２内に取り込まれて加熱され、過熱後の湯水が風呂往き管３１を通じて浴槽３へ送り出される。

給湯器１２のバーナ７３は所定の最低加熱量（最低号数）以下では燃焼させることができない。そのため、給湯器１２の制御基盤７０は、設定温度の湯を出すために必要な加熱量が最低加熱量より少ない場合は、バーナ７３を燃焼オフしたままの状態に制御する。必要な加熱量は、設定温度と入水温度センサ８４で検出される入水温度との温度差、流量センサ８３で検出される流量、熱効率などに基づいて算出する。

次に、貯湯システム１１の各種動作について説明する。

＜集熱運転＞
図３は、貯湯システム１１が行う集熱運転の概略動作を示している。集熱運転は集熱装置２１で太陽光から得た熱を利用して貯湯タンク１４内の水を加熱する動作である。集熱運転は、集熱装置２１の高温センサ５１の検出温度が貯湯タンク１４内の水温より一定温度以上高いなどの運転条件を満たす場合に行われる。

貯湯タンク１４は、底部の配管接続口に接続された給水管１５から給水の供給を受けて、通常は満水の状態にある。集熱運転時、制御ユニット６０は、切替弁２５を第１接続口２５ａと第２接続口２５ｂとが連通し第３接続口２５ｃを閉鎖した第１状態（集熱側）に設定した上で、循環ポンプ２４を駆動する。

図３では、集熱運転において熱媒体（水）が循環する経路を太線で示してある。また各部において熱媒体が流れる方向を矢印で示してある。詳細には、シスターン１９内の熱媒体は、循環ポンプ２４の作用により、第３熱媒配管２２ｃ等を通じて集熱装置２１に向かって流れ、集熱装置２１を通る際に加熱されて昇温し、第４熱媒配管２２ｄから貯湯タンク１４内の熱交換用配管１８を経てシスターン１９へ戻るように循環する。熱交換用配管１８を通る熱媒体より貯湯タンク１４内の水温が低い場合、熱交換用配管１８にて熱媒体の熱が貯湯タンク１４内の水へ移動して貯湯タンク１４内の水が加熱される。

熱交換用配管１８は貯湯タンク１４の下部にあり、また、貯湯タンク１４の底部から給水が供給され、貯湯タンク１４の天井部から接続配管１６へ湯水が流出するので、貯湯タンク１４内の水温は底部が低く天井部ほど高い温度勾配になっている。

本実施の形態では、１日の集熱運転の終了後に、後述する冷却運転を行うようになっている。

＜給湯運転＞
図４は、給湯運転の概略動作を示している。図４では、給湯運転において湯水が流れる経路を太線で示してある。また各部において湯水が流れる方向を矢印で示してある。給湯運転では、貯湯タンク１４からの湯水と分岐給水管１５ａからの給水とが混合弁１７で混合されて給湯器１２の入水口(入水管７１)へ供給される。給湯器１２は設定温度で出湯されるように、供給された水を必要に応じて加熱して給湯配管１３へ出湯する。

＜ソーラー追い焚き運転＞
図５は、ソーラー追い焚き運転の概略動作を示している。ソーラー追い焚き運転は集熱装置２１で太陽光から得た熱を利用して浴槽３内の湯水を補助的に追い焚きする動作である。

ソーラー追い焚き運転では、制御ユニット６０は、切替弁２５を第１接続口２５ａと第２接続口２５ｂとが連通し第３接続口２５ｃを閉鎖した第１状態に設定した上で、循環ポンプ２４を駆動する。すなわち、集熱運転と同じように熱媒体を循環させ、熱媒体を集熱装置２１で加熱する。さらに、ソーラー追い焚き運転では、制御ユニット６０は、給湯器１２に対して燃焼（加熱動作）を停止させた状態で風呂循環ポンプ８５を駆動するように指示する。

図５では、ソーラー追い焚き運転において熱媒体（水）が循環する経路を太線で示してある。また、浴槽水の循環経路を太破線で示してある。さらに、各部において熱媒体が流れる方向および浴槽水の流れる方向をそれぞれ矢印で示してある。ソーラー追い焚き運転は、熱媒体循環経路２２を循環する熱媒体の温度が浴槽水の温度より高いことなどが運転条件となっており、水-水熱交換器２０において、内側管路２０ａを通る熱媒体から外側管路２０ｂを通る浴槽水へ熱が移動することで、浴槽水が加熱される。

＜風呂熱回収運転＞
図６は、風呂熱回収運転の概略動作を示している。風呂熱回収運転は、風呂の残り湯の熱を利用して貯湯タンク１４内の湯水を加熱する動作である。

風呂熱回収運転では、制御ユニット６０は、切替弁２５を第１接続口２５ａと第３接続口２５ｃとが連通し第２接続口２５ｂを閉鎖する第２状態に設定した上で、循環ポンプ２４を駆動する。これにより、集熱装置２１を通らずに、水-水熱交換器２０と貯湯タンク１４とを通って熱媒体が循環する。また、給湯器１２に対して燃焼（加熱動作）を停止させた状態で風呂循環ポンプ８５を駆動するように指示する。これにより、浴槽水が、水-水熱交換器２０の外側管路２０ｂを含む追い焚き循環経路を循環する。

図６では、風呂熱回収運転において熱媒体（水）が循環する経路と浴槽水の循環経路を太線で示してある。また、浴槽水の循環経路を太破線で示してある。さらに各部において熱媒体が流れる方向および浴槽水の流れる方向をそれぞれ矢印で示してある。風呂熱回収運転は貯湯タンク１４内の水温（第１温度センサ４１）が浴槽３の水温より低いことなどが運転条件となっており、水-水熱交換器２０において、外側管路２０ｂを通る浴槽水から内側管路２０ａを通る浴槽水へ熱が移動し、この熱が熱交換用配管１８にて貯湯タンク１４内の水へ移動することで、貯湯タンク１４内の水が加熱される。これにより、家庭内の排熱を回収でき、翌日が雨天等で太陽熱の集熱が思わしくない状況が発生しても給湯器１２の消費エネルギー使用量が軽減される。

風呂熱回収運転は、たとえば、風呂の風呂リモコンの運転（電源）スイッチがオフされたとき、あるいは、設定された時刻（たとえば、夜の１０時）になったとき又は専用の風呂熱回収運転ボタンが押されたとき、などに行われる。風呂熱回収運転では、その開始時にまず、風呂循環ポンプ８５を一時的に作動させ、浴槽水があるか否かを確認する。そして、浴槽水があり、かつ、浴槽水の温度が第１温度センサ４１の検出温度より所定温度（たとえば、１５℃）以上高い場合に風呂熱回収運転を行い、差が１０℃以下もしくは１時間を越えると運転を停止するようになっている。時間的制限は、風呂循環ポンプ８５の耐久性を考慮したものである。

＜貯湯出湯禁止運転＞
貯湯タンク１４内の湯水が１００時間以上停留すると、レジオネラ菌の繁殖による問題があり、その対策のため、殺菌を行う。貯湯出湯禁止運転では、貯湯タンク１４からの出湯を禁止し、貯湯タンク１４内の水を６０度以上にした状態を１５分以上継続させることで殺菌を行う。

図７は、貯湯出湯禁止中の運転状態を示している。９８時間以内に貯湯タンク１４内の湯の大半（ここでは、１００リットル中の９３リットル）が使用されなかった場合、貯湯出湯禁止運転に入る。貯湯出湯禁止運転では、制御ユニット６０は、出湯禁止電磁弁５４を閉じる。これにより、分岐給水管１５ａからの給水のみが接続配管１６を通じて給湯器１２の入水口へ供給される。

貯湯出湯禁止運転に入ってから１００時間以内に、集熱運転（太陽熱）により貯湯タンク１４内の湯水全体（第１温度センサ４１、第２温度センサ４２、第３温度センサ４３、第４温度センサ４４のすべての検出温度）が６０度以上の状態で１５分以上継続（殺菌完了）したか否かを監視し、殺菌完了したら、出湯禁止電磁弁５４を開いて、貯湯出湯禁止運転を終了する。

１００時間以内に殺菌完了しなかった場合は、排水電磁弁５５を開き、タンク下部から給水される新鮮な水により貯湯タンク１４内の湯水をすべて排水し、新しい水を貯湯タンク１４に充填した後、出湯禁止電磁弁５４を開いて貯湯出湯禁止運転を終了する。

＜冷却運転＞
図８は、冷却運転の概略動作を示している。冷却運転は、集熱運転の終了後に、シスターン１９内の熱媒体を冷却する動作である。冷却運転では、制御ユニット６０は、切替弁２５を第１接続口２５ａと第３接続口２５ｃとが連通し第２接続口２５ｂを閉鎖する第２状態に設定した上で、循環ポンプ２４を駆動する。

図８では、冷却運転において熱媒体（水）が循環する経路を太線で示してある。また各部において熱媒体が流れる方向を矢印で示してある。制御ユニット６０は、集熱運転の終了後、貯湯タンク１４内の熱交換用配管１８周辺の水温（第１温度センサ４１の検出温度）がシスターン１９内の熱媒体の温度より一定温度以上低いなどの所定条件が成立したとき冷却運転を開始する。この冷却運転では、循環する熱媒体の熱が熱交換用配管１８にて貯湯タンク１４内の水へ移動して、シスターン１９内の熱媒体が冷却される。本例では、１日に集熱運転の終了後に冷却運転を行う。

冷却運転を行わない場合、集熱運転後のシスターン１９内の熱媒体は高温になっており、シスターン１９内での熱媒体の蒸発は盛んで、シスターン１９内の水蒸気圧は１００％（湿度１００％、飽和水蒸気）の状態にある。夜間に、ゆっくりと熱媒体の温度が低下すると、熱媒体の体積が徐々に減少して大気開放用の開口１９ｂから外気がシスターン１９内に徐々に入ってくるが、シスターン１９内での熱媒体の蒸発も続くため、水蒸気圧１００％の状態が維持されながら、温度低下する。

翌朝太陽が出ると、集熱装置２１内の熱媒体は急に温度上昇して体積膨張する。これにより、シスターン１９内の水位が上昇し、シスターン１９内にある湿度１００％の空気が大気開放用の開口１９ｂから外へ追い出される。

これに対し、集熱運転の終了後に冷却運転を行うと、該冷却により熱媒体の体積が縮小し、冷たい空気が大気開放用の開口１９ｂからシスターン１９内に急に入ってくる。このため、湿度が、たとえば５０％程度まで急に低下するが、冷却された熱媒体は蒸発量が少ないので、一晩たっても、シスターン１９内の湿度は飽和しない。そして、翌朝太陽が出ると、集熱装置２１内の熱媒体は急に温度上昇して体積膨張するが、シスターン１９内の熱媒体はまだ冷たいままなので蒸発量は増えない。そのため、体積膨張によってシスターン１９内の水位が上昇すると、シスターン１９内にある飽和していない空気が大気開放用の開口１９ｂから外へ追い出される。

このように、冷却運転を実施しない場合には、翌朝、湿度１００％の空気が出て行くのに対し、冷却運転を実施すると、実施しない場合に比べて低湿度の空気が出て行くので、それに伴う熱媒体の減少量を少なく抑えることができる。

図９は、冷却運転に係わる動作の流れを示している。貯湯システム１１の電源がＯＮされると、制御ユニット６０は、給湯器１２の制御基盤７０と通信して、給湯器１２側の時計部８９ａの時刻情報を入手する。時刻が設定されていない場合は（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、時刻設定を待つ。

時刻が設定されている場合は、その取得した時刻が２０時以降（２０時から２４時までの間）であるか否かを調べ（ステップＳ１０２）、２０時以降でなければ（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、ステップＳ１０１に戻り、２２時以降になるのを待つ。

２２時以降であれば（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、集熱運転中か否かを調べ（ステップＳ１０３）、集熱運転中であれば（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に戻る。なお、時刻設定が正し場合は１９時以降に集熱運転が開始しないように制御されている。

集熱運転中でなければ（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、１日の集熱運転は終了したと判断する。そして、前回の冷却運転から５時間が経過したか否かを調べ（ステップＳ１０４）、未経過ならば（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、ステップＳ１０１へ戻る。

前回の冷却運転から５時間以上経過している場合は（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、貯湯タンク１４内の熱交換用配管１８の周囲の水温を検出する第１温度センサ４１の検出温度（タンクＴＨ１温度）が３５℃以下か否かを調べる（ステップＳ１０５）。

３５℃以下ならば（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、冷却運転を開始する（ステップＳ１０７）。詳細には、循環ポンプ２４を駆動し、切替弁２５を第１接続口２５ａと第３接続口２５ｃとを連通させ第２接続口２５ｂを閉鎖した第２状態（熱回収側）に切り替える。

第１温度センサ４１の検出温度が３５℃を超える場合は（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、時刻が２２時になる前は（ステップＳ１０６；Ｎｏ）、ステップＳ１０５に戻って３５℃以下になるのを待ち、時刻が２２時以降になると（ステップＳ１０６；Ｙｅｓ）、強制的に冷却運転を開始する（ステップＳ１０７）。

冷却運転の開始後、１分が経過した時点で（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、熱媒温度センサ５２の検出温度が、第１温度センサ４１の検出温度＋１０℃以下か否かを判断する（ステップＳ１０９）。すなわち、本例の貯湯システム１１はシスターン１９内に温度センサを具備してないので、循環ポンプ２４を作動させて熱媒体を循環させ、シスターン１９の流出口から熱交換用配管１８の入り側へ至る循環経路の途中に設けた熱媒温度センサ５２によって熱媒体の温度を検出してシスターン１９内の熱媒体の温度を取得する。

熱媒温度センサ５２の検出温度が、第１温度センサ４１の検出温度＋１０℃以下であれば（ステップＳ１０９；Ｙｅｓ）、循環ポンプ２４を停止し（ステップＳ１１１）、冷却運転を終了させてステップＳ１０１へ戻る。

すなわち、ステップＳ１０７での冷却運転の開始は、熱媒温度センサ５２で熱媒体の温度を検出するためのものであり、開始１分後に熱媒温度センサ５２によって検出されるシスターン１９内の熱媒体の温度が第１温度センサ４１の検出温度より１０℃以上高いことが、冷却運転の実質的な開始条件となっている。なお、放熱効率を考慮して、第１温度センサ４１の検出温度＋１０℃≧熱媒体の温度、としたが、少なくとも、第１温度センサ４１の検出温度＞熱媒体の温度、との条件を満たせば冷却運転を開始してもよい。

熱媒温度センサ５２の検出温度が、第１温度センサ４１の検出温度＋１０℃を超える場合は（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、冷却運転開始から９分経過したか否かを調べる（ステップＳ１１０）。９分経過していれば（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、循環ポンプ２４を停止して（ステップＳ１１１）、冷却運転を終了させてステップＳ１０１へ戻る。９分経過前であれば（ステップＳ１１０；Ｎｏ）、ステップＳ１０９に戻る。すなわち、冷却運転は、（１）運転開始から９分経過、もしくは（２）熱媒温度センサ５２の検出温度が第１温度センサ４１の検出温度＋１０℃以下、の少なくとも一方が成立するまで継続され、いずれか一方の成立により終了する。

このように、１日の集熱運転終了後に定期的な冷却運転を行うことで、前述したように、翌朝までシスターン１９内の空気の湿度を低く抑えることができ、翌朝に生じる、シスターン１９内の空気の大気開放用の開口１９ｂから流出による熱媒体の減少を、少なくすることができる。また、自動車用ラジエータ構造の圧力蓋を採用する場合と異なり、熱媒体の循環系を加圧系にする必要がない、そのため、たとえば、架橋ポリエチレン管を配管に使用することができる。

また、冷却運転において、切替弁２５を第２状態に切り替えて熱媒体を循環させるので、熱媒体を冷却する際にその熱を貯湯タンク１４内の湯の加熱に利用することができる。すなわち、切替弁２５を第１状態にしたまま熱媒体を循環させて冷却運転を行うと、熱媒体は集熱装置２１とシスターン１９と熱交換用配管１８とを経由して循環する。そのため、たとえば、夜間の冷えた集熱装置２１で放熱が行われると貯湯タンク内の湯水まで温度低下してしまう。しかし、本実施の形態では、集熱装置２１を迂回しシスターン１９と熱交換用配管１８とを経由する循環経路に切り替えて冷却運転を行うので、上記の問題が発生しないばかりか、熱媒体の熱を貯湯タンク１４内の湯水の昇温に利用することができる。

また、切替弁２５の第２状態への切り替えは、風呂熱回収運転にも利用されるため、冷却運転専用に循環経路の切替部を設ける場合に比べて、システムを効率的に構成して運用することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に示したものに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

実施の形態では、１日の集熱運転の終了後に冷却運転を行うようにしたが、集熱運転の終了後であれば、１日の集熱運転終了後に限定されるものではない。

また、実施の形態では、切替弁２５を第２状態に切り替えて熱媒体を循環させることで、熱媒体の冷却を行ったが、冷却方法はこれに限定されるものではない。ファンなど専用の冷却部を設けてもよい。また、夜間の冷えた集熱装置２１は放熱器として作用する。そこで、貯湯タンク１４側の熱交換用配管１８を迂回しシスターン１９と集熱装置２１とを経由して熱媒体が循環するように熱媒体循環経路２２を切り替えるように構成し、この状態で循環ポンプ２４を駆動してシスターン１９内の熱媒体の冷却運転を行ってもよい。この場合、熱媒体の熱は、貯湯タンク１４の加熱に利用されずに集熱装置２１で放出されるが、たとえば、貯湯タンク１４内の水温が高い場合にも、熱媒体の冷却を確実に行うことができる。

また、実施の形態では、集熱装置２１は太陽熱を集熱し、熱媒体の熱で貯湯タンク１４内の水を昇温する貯湯システム１１を例に説明したが、集熱装置は太陽熱を利用するものに限定されない。たとえば、発電機の排熱を利用するようなものであってもよい。また放熱装置は暖房装置なでもかなわない。また実施の形態では、ソーラー追い焚き運転や風呂熱回収運転等のために水-水熱交換器２０を設けたが、水-水熱交換器２０を具備しない構成でもよい。

このほか、熱媒体は水に限定されず、蒸発する液体であれば本発明が適用される。

給湯器１２は、最低加熱量以下の加熱動作はできないので、最低加熱量の加熱を行った場合に出湯温度が設定温度を超える場合はバーナ７３を燃焼させないようにしたが、例えば、浴槽への湯張り時には燃焼させないようにするが、シャワーや給湯使用時には燃焼させるようにしても良い。なぜならば、浴槽には「どぼん」と入る人がいる（熱い湯をよけるのに時間がかかる）のに対し、シャワーや給湯使用時にはシャワーをよけたり、手をどかせば熱い湯をよけることができるからである。さらにシャワーを浴びる温度は例えば４５度以下と考えられるので、浴槽への湯張り時には所定温度以下の給湯使用時には燃焼させないようにするが、所定温度以上の給湯使用時には燃焼させるようにしても良い。

３…浴槽
１０…給湯システム
１１…貯湯システム
１２…給湯器
１３…給湯配管
１４…貯湯タンク
１５…給水管
１５ａ…分岐給水管
１６…接続配管
１７…混合弁
１７ａ…第１バルブ
１７ｂ…第２バルブ
１８…熱交換用配管
１９…シスターン
１９ａ…水位センサ
１９ｂ…大気開放用の開口
１９ｃ…チューブ
２０…水-水熱交換器
２０ａ…内側管路
２０ｂ…外側管路
２１…集熱装置
２２…熱媒体循環経路
２２ａ…第１熱媒配管
２２ｂ…第２熱媒配管
２２ｃ…第３熱媒配管
２２ｄ…第４熱媒配管
２４…循環ポンプ
２５…切替弁
２５ａ…第１接続口
２５ｂ…第２接続口
２５ｃ…第３接続口
２６…連結管
２７ａ…本体側との接続部（往き）
２７ｂ…本体側との接続部（戻り）
３１…風呂往き管
３２…風呂戻り管
４１…第１温度センサ
４２…第２温度センサ
４３…第３温度センサ
４４…第４温度センサ
４６…タンク出湯温度センサ
４７…給水温度センサ
４８…水量センサ
４９…混合温度センサ
５１…高温センサ
５２…熱媒温度センサ
５３…風呂温度センサ
５４…出湯禁止電磁弁
５５…排水電磁弁
５６…圧力逃がし弁
６０…制御ユニット
６０…測定用チャート
７０…制御基盤
７１…入水管
７２…熱交換器
７２ａ…給湯用水管
７２ｂ…追い炊き用水管
７２ｃ…フィン
７３…バーナ
７４…ガス供給管
７７…連結管
７８…注湯電磁弁
７９…水量サーボ
８１…バイパス管
８２…バイパス調整弁
８３…流量センサ
８４…入水温度センサ
８５…風呂循環ポンプ
８６…流水スイッチ
８７…風呂往き温度センサ
８８…風呂戻り温度センサ
８９…操作パネル
８９ａ…時計部

Claims (4)

1. 集熱装置と、
   放熱装置と、
   液体の熱媒体を溜めるタンクであって開口により大気開放されたシスターンタンクと、
   前記集熱装置と放熱装置とシスターンタンクとを経由する熱媒体の循環経路と、
   前記循環経路内で熱媒体を循環させる循環ポンプと、
   前記シスターンタンク内の熱媒体を冷却する冷却部と、
   前記集熱装置を前記循環経路から切り離す切り替え部と、
   前記循環ポンプを駆動して循環する熱媒体が前記集熱装置で受熱した熱を前記放熱装置で放熱させる集熱運転を制御すると共に、前記集熱運転の終了後に、前記集熱装置を前記循環経路から切り離した状態で前記シスターンタンク内の熱媒体を冷却する冷却運転を前記冷却部に行わせる制御部と、
   を有する
   ことを特徴とする熱交換システム。
2. 出湯に供される湯を蓄えると共に給水路から水が補給される貯湯タンクを備え、
   前記集熱装置は、太陽熱を集熱し、
   前記放熱装置は、前記貯湯タンク内の水と熱交換する熱交換器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記切り替え部は、前記循環経路を、前記集熱装置と前記放熱装置と前記シスターンタンクとを経由する第１循環経路と、前記集熱装置を迂回して前記放熱装置と前記シスターンタンクとを経由する第２循環経路とに切り替え、
   前記冷却部による前記冷却運転は、前記熱交換器周囲の水温が前記シスターンタンク内の熱媒体の温度より低い状態で、前記循環経路を前記第２循環経路に切り替えて前記循環ポンプを作動させることである
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記制御部は、１日の前記集熱運転の終了後に前記冷却運転を行う
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換システム。

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