JP5919939B2 - 貯湯暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は貯湯暖房装置に関し、特に貯湯タンクの満蓄時に、湯水循環回路を流れる高温の湯水を、貯湯タンクへ戻さずに温水暖房回路の膨張タンクへ供給可能にしたものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。この燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう発電ユニットと、この発電ユニットから排出される排気ガスとの間で熱交換された後の湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯暖房ユニットとを備え、貯湯暖房装置として活用されるのが一般的である。

上記の発電ユニットは、一般に、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタック、この燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスと貯湯タンクの湯水との間で熱交換する熱交換器、前記改質器に供給する純水を貯留する貯留タンク等を備えている。

また、貯湯暖房ユニットは、上記の貯湯タンクに加えて、発電ユニットと貯湯タンクとの間に湯水を循環させる湯水循環回路、貯湯タンク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給湯回路、暖房水を床暖房パネル等に供給する温水暖房回路、風呂のお湯の追い焚きをする風呂給湯追焚回路、温水暖房回路の暖房水や風呂給湯追焚回路のお湯を加熱する熱利用循環回路等を備えている。

ところで、上記の発電ユニットでは、燃料電池セルスタックからの排気ガス中より水を回収して再使用する、所謂水自立運転が行われている。通常は、貯湯タンク内の湯水を湯水循環回路に循環させ、発電ユニットの熱交換器にて湯水と排気ガスとの間で熱交換を行い、排気ガスに含まれる水蒸気を冷却して凝縮水を回収している。

しかし、貯湯タンクから湯水循環回路を介して熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯タンクの蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯タンクが満蓄状態（高温の湯水で満タンの状態）となり、湯水循環回路を循環する湯水が熱交換器における露点以上の温度に達する。すると、熱交換器で発生する凝縮水の量が減少して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する場合がある。

このような場合、特許文献１の燃料電池システムでは、湯水循環回路に設けられたラジエータを作動することによって、熱交換器へ供給される湯水の温度を低下させて凝縮水を回収する。ラジエータが設置されていない場合、湯水循環回路の戻り側配管の湯水を排水用開閉弁が設置された排水通路を介して直接外部に排水し、新たに貯湯タンクに低温の上水を供給することで、湯水循環回路を循環する湯水の温度を低下させる。

特開２０１０−２７７９７３号公報

しかし、特許文献１のラジエータを設置しない構造では、湯水循環回路から外部に高温の湯水を排水する為の専用の排水通路や排水用開閉弁が必要となり、コスト高となってしまう。また、熱交換器で加熱された湯水を貯湯タンクの上部に戻す前に、戻り側配管から外部に排水する構造上、湯水の排水に伴い供給される上水の給水圧により、貯湯タンクの上部からも高温の湯水が戻り側配管を介して外部に排水されてしまう虞があり、貯湯タンク内の湯水の貯留状態が安定しない。このため、上水源から低温の上水を貯湯タンクの下部に供給しても、湯水循環回路の往き側配管に円滑に流れずに、貯湯タンク内で高温側の湯水と混じり合ってしまい、温い湯水が湯水循環回路に供給されて凝縮水回収の効率が低下してしまう。

一方、ラジエータが設置されている場合、一般的にラジエータは複雑な構造で高価なものであり、製作コストの低減及び装置の小型化を図る上では不利となるので、ラジエータには性能を抑制した小型なものが望ましいが、そうすると、夏場等の外気温度が高い場合、小型のラジエータでは十分な量の凝縮水を回収できなくなる虞がある。

さらに、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、発電ユニット（又は貯湯暖房ユニット）内に湯水循環通路内の湯水を循環させる循環ポンプが設けられるが、湯水循環回路は閉回路に構成されるので、運転初期時のエア抜き運転を行う場合、循環ポンプまで水を呼び込み、循環ポンプを駆動することで湯水循環回路のエア抜きする必要があるので、エア抜きに時間が掛かるという問題がある。

本発明の目的は、専用の排水通路や排水用開閉弁を必要とせずに湯水循環回路を流れる湯水の温度を低下可能な貯湯暖房装置を提供すること、及び、エア抜き運転時に、循環ポンプを作動させずに湯水循環回路のエア抜きが可能な貯湯暖房装置を提供すること、等である。

請求項１の貯湯暖房装置は、貯湯タンクと、この貯湯タンクの湯水を加熱する為の外部熱源と、前記外部熱源と前記貯湯タンクとの間に湯水を循環させる湯水循環回路と、少なくとも前記貯湯タンクの蓄熱を介して加熱される暖房水を貯留可能な膨張タンクを有する温水暖房回路とを備えた貯湯暖房装置において、前記膨張タンクに下流端が接続され且つ前記膨張タンクに前記暖房水を供給する為の補給通路と、この補給通路に設けられた開閉弁と、この開閉弁の開閉状態を切り換える制御手段とを備え、前記補給通路の上流端が前記湯水循環回路の戻り側通路に分岐接続され、前記湯水循環回路を流れる湯水を前記補給通路を介して前記膨張タンクに供給可能に構成され、前記制御手段は、前記湯水循環回路の往き側通路の湯水の温度が所定の温度以上になった場合に、前記開閉弁を開放状態にすることを特徴としている。

請求項２の貯湯暖房装置は、請求項１の発明において、前記湯水循環回路の戻り側通路において、前記補給通路が分岐する分岐部より下流側に逆止弁が設けられたことを特徴としている。

請求項３の貯湯暖房装置は、請求項１又は２の発明において、前記制御手段は、エア抜き運転時に、前記開閉弁を開放状態にすることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、補給通路の上流端が湯水循環回路の戻り側通路に分岐接続され、湯水循環回路を流れる湯水を補給通路を介して膨張タンクに供給可能に構成したので、湯水循環回路の戻り側配管を流れる高温の湯水を排水したい場合、又は、膨張タンクへ暖房水を補給したい場合、開閉弁を開弁状態にすることで、補給通路を介して高温の湯水を温水暖房回路の膨張タンクへ排水又は供給することができ、故に、従来からある暖房水補給用の補給通路や開閉弁を、湯水循環回路からの湯水の排水の為に共有化することで、新たに専用の排水通路や排水用開閉弁を設置する必要がなくなり、コストを低減できる。
制御手段は、湯水循環回路の往き側通路の湯水の温度が所定の温度以上になった場合に、開閉弁を開放状態にするので、貯湯タンクが満蓄状態になった場合に、湯水循環回路内の高温の湯水を、補給通路を介して膨張タンクに排水できる。このため、新たに低温の上水を貯湯タンクを介して湯水循環回路に導入可能となり、湯水循環回路に高価で大型なラジエータを設ける必要がなくなり、製作コストや運転コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、湯水循環回路の戻り側通路において、補給通路が分岐する分岐部より下流側に逆止弁を設けたので、貯湯タンク内の上部高温側の湯水は補給通路へ流れず、貯湯タンク内の湯水が動かず安定状態を維持し、故に、貯湯タンクの下部を介して低温の上水を湯水循環回路の往き側通路に確実に供給でき、湯水循環回路を流れる湯水の温度を大幅に低下できる。

請求項３の発明によれば、制御手段は、エア抜き運転時に、開閉弁を開放状態にするので、上水源の給水圧で湯水循環回路のエア抜きが可能となり、エア抜き運転の時間短縮を図ることができる。

本発明の実施例１に係る貯湯暖房装置の貯湯暖房ユニットの概略構成図である。 発電ユニットの概略構成図である。 排熱排出運転時における貯湯暖房装置の貯湯暖房ユニットの概略構成図である。 湯水排出運転時における貯湯暖房装置の貯湯暖房ユニットの概略構成図である。

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、本発明の貯湯暖房装置１の全体構成について説明する。
図１，図２に示すように、貯湯暖房装置１は、発電を行なう発電ユニット２と、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンク４１と湯水を循環させる為の湯水循環回路４５とを有する貯湯暖房ユニット３とから構成された燃料電池コージェネレーションシステムである。

図２に示すように、発電ユニット２は、貯湯タンク４１の湯水を加熱する為の貯湯暖房ユニット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。発電ユニット２には、外装ケース１３に設置された外気温度を検出可能な外気温度センサ１４を含む複数の温度センサが設置されているが、詳細な説明は省略する。

カソード空気用送風装置５は、フィルタ５ａを介して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、バッファタンク１５ａと流量センサ１５ｂと逆止弁１５ｃが設置された空気通路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電磁弁６ａとガスガバナ６ｂを通して燃料昇圧ブロワ６ｃに取り込み、この昇圧された燃料ガスを、バッファタンク１６ａと流量センサ１６ｂと脱硫器１６ｃとが設置されたガス通路１６と逆止弁１８ａが設置された共通通路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、フィルタ７ａを介して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、流量センサ１７ａと電磁弁１７ｂと逆止弁１７ｃとが設置された改質空気通路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。

蒸発器２２は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器２３に供給するものである。蒸発器２２には、燃料ガス昇圧用送風装置６によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（都市ガスやＬＰＧ等）と、燃料改質空気用送風装置７によって取り込まれた燃料改質用の空気とが、共通通路１８を介して供給され、水処理装置１１から純水通路３５を介して純水が供給される。蒸発器２２は、供給された純水から水蒸気を生成する。

燃料改質器２３は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器２２から混合通路２５を介して供給される燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを、改質燃料ガス供給路２６を介して燃料電池セルスタック２１の燃料極側に供給する。

燃料電池セルスタック２１は、複数の燃料電池セルを並べて構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固体電解質と燃料極と酸素極から夫々形成されている。燃料電池セルスタック２１の燃料極（アノード）側には、燃料改質器２３から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック２１の酸素極（カソード）側には、カソード空気用送風装置５から空気通路１５と排気ガスにより加熱される熱交換器２７とを介して空気が供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

オフガス燃焼室２４は、燃料電池セルスタック２１の発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタック２１の燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室２４では、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを公知の燃焼触媒を用いて燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスで燃料改質器２３や熱交換器９を加熱してから、排気ガス排出通路８を介して外部に排出する。

熱交換器９は、排気ガス排出通路８の途中部に設けられ、湯水循環回路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、水処理装置１１について説明する。
図２に示すように、水処理装置１１は、処理タンク３１と、純水タンク３２と、純水ポンプ３３等を備え、熱交換器９にて凝縮された凝縮水を、回収通路３４を介して回収し、処理タンク３１により不純物を取り除いた水を、純水通路３５を介して発電モジュール４の蒸発器２２に供給するものである。

処理タンク３１は、熱交換器９から回収した凝縮水の不純物を取り除く為のものである。処理タンク３１には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。処理タンク３１の上部に回収通路３４が接続される。処理タンク３１の上部には、オーバーフロー用の排水通路３７ａが接続されている。この排水通路３７ａには、中和器３８が設置されている。

純水タンク３２は、処理タンク３１により処理された水を一時的に貯留する為のものである。純水タンク３２の上部には、処理タンク３１の下部と接続するタンク連結通路３６が接続されている。タンク連結通路３６の途中部や純水タンク３２の上部には、オーバーフロー用の排水通路３７ｂ，３７ｃが夫々接続されている。

純水タンク３２には、純水タンク３２内に貯留された純水の液面を３段階（上位レベルＬ１、中位レベルＬ２、下位レベルＬ３）に応じて検出可能な水位スイッチ３９が設けられている。この水位スイッチ３９で検出される純水の液面に応じて、純水回収運転モード（排熱回収運転・排熱排出運転・湯水排出運転）が切り換えられる。

純水タンク３２の下端部には、純水通路３５が接続され、この純水通路３５の途中部に純水ポンプ３３、流量センサ３５ａ、逆止弁３５ｂが順に設置されている。純水ポンプ３３は、純水タンク３２内の浄化された水を発電モジュール４の蒸発器２２へ供給する為のものである。純水ポンプ３３の駆動により、純水通路３５を通って純水が蒸発器２２に供給される。

次に、貯湯暖房ユニット３について説明する。
図１に示すように、貯湯暖房ユニット３は、給湯、床暖房パネルへの熱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、湯水循環回路４５、給水回路４６、給湯回路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や風呂出湯通路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。

貯湯タンク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。貯湯タンク４１内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサ６１ａ〜６１ｄにより検出される。

補助熱源機４２は、バーナー４２ａや熱交換器４２ｂ等を内蔵した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、熱利用循環回路５０の一部となる熱交換通路部４３ａと、温水暖房回路４８の一部となる熱交換通路部４３ｂとを有している。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を流れる風呂のお湯を加熱するものであり、熱利用循環回路５０の一部となる熱交換通路部４４ａと、風呂給湯追焚回路４９の一部となる内部空間４４ｂとを有している。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、湯水循環回路４５について説明する。
図１，図２に示すように、湯水循環回路４５は、外部熱源である発電ユニット２の熱交換器９と貯湯タンク４１との間に湯水を循環させる閉回路であり、上流往き側通路４５ａ、下流往き側通路４５ｂ、上流戻り側通路４５ｃ、下流戻り側通路４５ｄを有し、貯湯タンク４１の下部に上流往き側通路４５ａの上流端が接続され、貯湯タンク４１の上部に下流戻り側通路４５ｄの下流端が接続されている。

上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとの間から上流戻り側通路４５ｃと下流戻り側通路４５ｄとの間に接続する第１バイパス通路５１が分岐され、この分岐部には、上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとの接続又は下流往き側通路４５ｂと第１バイパス通路５１との接続を択一的に選択可能な貯湯切換弁６２が設置されている。下流往き側通路４５ｂ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。下流往き側通路４５ｂの発電ユニット２側には、排熱回収循環ポンプ６４（図２参照）が設置されている。

下流往き側通路４５ｂと上流戻り側通路４５ｃ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。湯水循環回路４５の下流戻り側通路４５ｄには、後述する補給通路９５が分岐する分岐部４５ｅより下流側に、貯湯タンク４１側への流れを許容する逆止弁６５が設けられている。

湯水循環回路４５を循環する湯水の温度は、ラジエータ入口側の循環湯水温度センサ６６ａ、ラジエータ出口側の循環湯水温度センサ６６ｂ、熱交換器入口側の循環湯水温度センサ６６ｃ、熱交換器出口側の循環湯水温度センサ６６ｄ、上流戻り側通路４５ｃの循環湯水温度センサ６６ｅにより検出される。尚、貯湯暖房ユニット３には、タンク湯水温度センサ６１ａ〜６１ｄや循環湯水温度センサ６６ａ〜６６ｅ以外にも種々の温度センサが設置されているが、詳細な説明は省略する。

通常の排熱回収運転では、図１に示すように、貯湯切換弁６２は上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとを接続するように切り換えられ、貯湯タンク４１から排熱回収循環ポンプ６４を介して湯水が、上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂを通り、熱交換器９の熱交換通路部９ａに送られ加熱され、加熱された湯水は、上流戻り側通路４５ｃと下流戻り側通路４５ｄを通って貯湯タンク４１に戻される。

次に、給水回路４６について説明する。
給水回路４６は、上水源から低温の上水を貯湯タンク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、上水源に上流給水通路４６ａの上流端が接続され、貯湯タンク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。

給水回路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。この第２バイパス通路５２により、低温の上水を熱利用循環回路５０に供給することができ、また逆に、熱利用循環回路５０から湯水を貯湯タンク４１に戻すことができる。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、給湯回路４７について説明する。
給湯回路４７は、貯湯タンク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給湯通路４７ａ、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる下流給湯通路４７ｂを有し、上流給湯通路４７ａの上流端が貯湯タンク４１の上部に接続され、下流給湯通路４７ｂの下流端に給湯栓７３が接続されている。上流給湯通路４７ａと下流給湯通路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。

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を介さずに下流給湯通路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、下流給湯通路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。

下流給湯通路４７ｂには、流量センサ４７ｃが設置され、流量センサ４７ｃの下流側であって下流給湯通路４７ｂの途中部から風呂給湯追焚回路４９へ接続する風呂出湯通路５５が分岐され、この分岐部には出湯水比例弁７５が設置されている。風呂出湯通路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ている。

次に、温水暖房回路４８について説明する。
温水暖房回路４８は、床暖房パネルや浴室乾燥機等に供給される暖房水を循環させる回路であり、膨張タンク８０、暖房往き側共通通路４８ａ、暖房往き側高温通路４８ｂ、暖房往き側低温通路４８ｃ、暖房戻り側通路４８ｄを有している。

膨張タンク８０は、貯湯タンク４１の蓄熱を介して加熱される暖房水を貯留可能なものであり、加熱による暖房水の体積膨張分を許容可能なものである。膨張タンク８０には、暖房水の液面の下限レベルＬと上限レベルＨを検出可能な１対の水位センサ８０ａ，８０ｂが夫々設置され、水位センサ８０ａが暖房水の不足を検出した場合、開閉弁９６を開弁状態とすることで、膨張タンク８０に補給通路９５を介して高温の湯水を暖房水として補充可能である。さらに、膨張タンク８０には、排水通路８１が接続され、この排水通路８１から排水される暖房水は、ホッパー８１ａを介して排水桝６９に排水される。

暖房往き側共通通路４８ａには、暖房循環ポンプ８２が設置されている。暖房往き側高温通路４８ｂには、第１熱交換器４３の熱交換通路部４３ｂが介装されている。暖房往き側高温通路４８ｂから暖房往き側低温通路４８ｃに接続する第５バイパス通路５７が分岐され、この第５バイパス通路５７には、逆止弁５７ａが設置されている。暖房往き側低温通路４８ｃには流量制御弁８３が設置されている。尚、暖房往き側高温通路４８ｂは、浴室乾燥機等に高温の暖房水を供給するものであり、暖房往き側低温通路４８ｃは、床暖房パネル等に低温の暖房水を供給するものである。

膨張タンク８０から暖房循環ポンプ８２を介して暖房水が、暖房往き側共通通路４８ａと暖房往き側高温通路４８ｂとを通り、熱交換通路部４３ｂに送られ加熱され、加熱された暖房水は、暖房往き側高温通路４８ｂから浴室乾燥機等に送り出される一方、暖房往き側低温通路４８ｃからは、暖房水が加熱されることなく床暖房パネル等に送り出される。送り出された暖房水は、暖房戻り側通路４８ｄを通って膨張タンク８０に戻される。

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の内部空間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。

風呂から風呂循環ポンプ８５を介してお湯が、風呂戻り側通路４９ｂを通り、内部空間４４ｂに送られ加熱され、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、給湯回路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、熱利用循環回路５０について説明する。
熱利用循環回路５０は、貯湯タンク４１の高温の湯水を循環させて温水暖房回路４８や風呂給湯追焚回路４９との間で熱交換を行う閉回路であり、湯水供給通路５０ａ、補助熱源往き側通路５０ｂ、熱交換往き側通路５０ｃ、湯水戻り側通路５０ｄを有し、湯水供給通路５０ａの上流端が貯湯タンク４１の上部に接続されている。

湯水供給通路５０ａの下流端と補助熱源往き側通路５０ｂの上流端と湯水戻り側通路５０ｄの下流端との合流部には三方弁８６が設置され、この三方弁８６は、湯水供給通路５０ａと補助熱源往き側通路５０ｂとの間の接続・遮断及び補助熱源往き側通路５０ｂと湯水戻り側通路５０ｄとの間を接続・遮断を択一的に切換可能なものである。湯水供給通路５０ａには逆止弁５０ｅが設置され、補助熱源往き側通路５０ｂには熱利用循環ポンプ８７と流量センサ８８が設置されている。補助熱源往き側通路５０ｂには、安全弁８９ａが設置された排水通路８９が接続されている。

補助熱源往き側通路５０ｂと熱交換往き側通路５０ｃとの間に、補助熱源機４２の熱交換器４２ｂが接続されている。熱交換往き側通路５０ｃの下流側部分の１対の分岐通路と湯水戻り側通路５０ｄの上流側部分の１対の分岐通路との間に、第１，第２熱交換器４３，４４の熱交換通路部４３ａ，４４ａが夫々接続されている。湯水戻り側通路５０ｄの１対の分岐通路に暖房熱交出口電磁弁９１と風呂熱交出口電磁弁９２が夫々設置されている。湯水戻り側通路５０ｄには流量センサ９３が設置されている。

熱交換往き側通路５０ｃから給湯回路４７に接続する出湯通路５８が分岐され、出湯通路５８には、タンク水比例弁９４が設置されている。この出湯通路５８によって、貯湯タンク４１内で温度が低下した湯水や、給水回路４６から第２バイパス通路５２を介して導入された低温の上水を補助熱源機４２で加熱し、高温の湯水として給湯回路４７に供給することができる。

貯湯タンク４１から熱利用循環ポンプ８７を介して高温の湯水が、湯水供給通路５０ａから補助熱源往き側通路５０ｂを通り、補助熱源機４２の熱交換器４２ｂに送られ必要に応じて再加熱され、補助熱源機４２を通った湯水は、熱交換往き側通路５０ｃを通って第１，第２熱交換器４３，４４に送られ、この第１，第２熱交換器４３，４４で熱交換された湯水は、湯水戻り側通路５０ｄと第２バイパス通路５２と下流給水通路４６ｃとを通って貯湯タンク４１の下部に戻される。
尚、貯湯暖房ユニット３には、複数の水抜き栓が設置されているが、詳細な説明は省略する。

次に、湯水循環回路４５と温水暖房回路４８とを接続する本願特有の補給通路９５について説明する。
図１に示すように、補給通路９５は、暖房水を膨張タンク８０に供給する為のものであり、上流端が湯水循環回路４５の下流戻り側通路４５ｄに分岐接続され、下流端が温水暖房回路４８の膨張タンク８０の上端部に接続されて構成されている。この補給通路９５には、制御ユニット９７により制御される開閉弁（暖房補給水電磁弁）９６が設置されている。つまり、湯水循環回路４５を流れる湯水を、必要に応じて膨張タンク８０に供給することができる。

この補給通路９５を設ける構成によれば、湯水循環回路４５の下流戻り側通路４５ｄを流れる高温の湯水を排水したい場合、又は、膨張タンク８０へ暖房水を補給したい場合、開閉弁９６を開弁状態にすることで、補給通路９５を介して高温の湯水を温水暖房回路４８の膨張タンク８０へ確実に排水又は供給することができ、故に、従来からある暖房水補給用の補給通路９５や開閉弁９６を、湯水循環回路４５からの湯水の排水の為に共有化することで、新たに専用の排水通路や排水用開閉弁を設置する必要がなくなり、コストを低減できる。

さらに、湯水循環回路４５の下流戻り側通路４５ｄにおいて、補給通路９５が分岐する分岐部４５ｅより下流側に逆止弁６５を設けたので、貯湯タンク４１内の上部高温側の湯水は補給通路９５へ流れず、貯湯タンク４１内の湯水が動かず安定状態を維持し、故に、貯湯タンク４１の下部を介して低温の上水を湯水循環回路４５の上流往き側通路４５ａに確実に供給でき、湯水循環回路９５を流れる湯水の温度を大幅に低下できる。

次に、制御ユニット９７について説明する。
貯湯暖房装置１は、制御ユニット９７（制御手段に相当する）によって制御されている。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と貯湯暖房ユニット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、本発明の貯湯暖房装置１の作用及び効果について説明する。
この貯湯暖房装置１は、発電ユニット２の純水タンク３２内の純水の貯留状態と、貯湯タンク４１内の湯水の貯湯状態等に応じて、図１に示す通常の排熱回収運転と、図３に示す排熱排出運転と、図４に示す湯水排出運転の３つの純水回収運転モードを有する。

図１に示すように、通常の排熱回収運転においては、制御ユニット９７は、貯湯切換弁６２を貯湯タンク４１側に設定し、開閉弁９６を閉弁状態に制御する。排熱回収循環ポンプ６４の駆動により、貯湯タンク４１の下端部から上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとを経て熱交換通路部９ａに流入した湯水は、オフガス燃焼室２４から排出された排気ガスと熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が上流戻り側通路４５ｃと下流戻り側通路４５ｄを通って貯湯タンク４１に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯タンク４１に高温の湯水が貯留される。

一方、発電ユニット２においては、熱交換器９で排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路３４を介して処理タンク３１に送られ、処理タンク３１内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を純水タンク３２に送り一時的に貯留する。その後、この純水タンク３２に貯留された水は、純水ポンプ３３によって発電モジュール４の蒸発器２２に送られ、改質用の水として再利用される。

しかし、貯湯タンク４１から上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとを介して熱交換器９へ流れる湯水の温度は、貯湯タンク４１の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯タンク４１が満蓄状態となり、湯水循環回路４５を循環する湯水が熱交換器９における露点近傍の温度に達する。すると、排気ガスの温度低下が小さくなり、熱交換器９で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。

この場合、貯湯タンク４１の複数のタンク湯水温度センサ６１ａ〜６１ｄが満蓄状態を検知し、又は、上流往き側通路４５ａの湯水の温度が循環湯水温度センサ６６ａにより所定の温度以上（例えば８０℃度以上）であることを検知し、純水タンク３２の水位スイッチ３９が低下した水の液面（中位レベルＬ２）を検知した場合に、これら検知信号に基づいて運転モードを、以下に説明する排熱排出運転に切り換える。尚、満畜状態とは、貯湯タンク４１内が、例えば８０℃度の高温の湯水で満たされた状態である。

図３に示すように、排熱排出運転においては、制御ユニット９７は、貯湯切換弁６２をバイパス側に設定し、開閉弁９６を閉弁状態にし、ラジエータ６３を起動すると共に排熱回収循環ポンプ６４の回転数を増大する。これにより、下流往き側通路４５ｂと上流戻り側通路４５ｃと第１バイパス通路５１とからなる閉回路が構成され、排熱回収循環ポンプ６４の駆動により、下流往き側通路４５ｂを流れてラジエータ６３で冷却され熱交換通路部９ａに流入した湯水は、オフガス燃焼室２４から排出された排気ガスと熱交換し、この湯水を暖め、加熱された湯水が上流戻り側通路４５ｃを通って第１バイパス通路５１を流れ、再びラジエータ６３で冷却され、この運転を繰り返すことで、湯水を強制的に冷却しながら、排気ガス中の水蒸気から凝縮水を回収する。

しかし、上記のように強制的に湯水を冷却しながら純水を回収する排熱排出運転を実行し且つ一定時間経過しても、夏場等の外気温度が高く、ラジエータ６３を作動させても、下流往き側通路４５ｂを流れる湯水を効率的に冷却できず、純水タンク３２の水位の回復が見込まれない場合がある。この場合は、純水回収運転モードを、排熱排出運転から以下に説明する湯水排出運転に切り換える。

図４に示すように、湯水排出運転においては、制御ユニット９７は、貯湯切換弁６２を貯湯タンク４１側に設定し、開閉弁９６を開弁状態にし、外気温度に応じてラジエータ６３の停止・駆動を選択する。上記のように貯湯タンク４１内（又は上流往き側通路４５ａ内）の湯水の温度が所定の設定温度以上（８０度以上）且つ純水タンク３２内の水が所定の設定水位（中位レベルＬ２）に低下時には、開閉弁９６を介して貯湯タンク４１への湯水の循環を膨張タンク８０への排水に切り換え、給水回路４６から低温の上水を貯湯タンク４１へ導入する。

次に、貯湯タンク４１の下部と上流往き側通路４５ａと下流往き側通路部４５ｂとを経て熱交換通路部９ａに流入した低温の上水は、オフガス燃焼室２４から排出された排気ガスに含まれる水蒸気と熱交換し、この上水を暖め、加熱された上水が上流戻り側通路４５ｃと下流戻り側通路４５ｄと補給通路９５とを通って膨張タンク８０に排出され、膨張タンク８０が満杯の場合は、排水通路８１を介して外部に排水される。

一方、発電ユニット２においては、低温の上水が導入されることで、熱交換器９の冷却能力が増すので、排熱排出運転の場合と比較して多めの凝縮水が発生し、この凝縮水を、回収通路３４を介して処理タンク３１に送られ、処理タンク３１内で処理した後に純水タンク３２に貯留する。

このように、満蓄状態となった貯湯タンク４１内の湯水に代えて低温の上水を熱交換に利用する事で、水蒸気との間の熱交換を促進し、十分な量の凝縮水を回収することができ、改質用の水不足による発電運転停止を回避することができる。その後、純水タンク３２の水位が設定水位以上（上位レベルＬ１）に回復した場合、上水源からの上水の導入を停止して、通常の排熱回収運転に切り換えても良い。

このように、貯湯タンク４１が満蓄状態になった場合や湯水循環回路４５の往き側通路（上流往き側通路４５ａ）の湯水の温度が所定の温度以上になった場合に、つまり、通常の排熱回収運転によって凝縮水を十分に回収できなくなった場合、開閉弁９６を開放状態にするので、貯湯タンク４１内の上部高温側の湯水を排水せずに維持したまま、湯水循環回路４５内の高温の湯水を、補給通路９５を介して膨張タンク８０に排水することができる。このため、新たに低温の上水を湯水循環回路４５に導入可能となるので、湯水循環回路４５に高価で大型なラジエータ６３を設ける必要がなくなり、製作コストや運転コストを低減することができる。

また、貯湯タンク４１が満蓄状態となっても、新たに低温の上水を貯湯タンク４１の下部を介して湯水循環回路４５に導入可能となるので、排気ガスから十分な量の凝縮水を回収することができる。さらに、純水回収運転モードにおいて、排熱排出運転を省略して、排熱回収運転から直接湯水排出運転に切り換える場合は、ラジエータ６３を省略することもできる。

次に、実施例１の貯湯暖房装置１を部分的に変更した実施例２について説明する。尚、実施例１では、純水回収運転に関して説明したが、実施例２では、エア抜き運転に関して説明する。

本実施例では、補給通路９５を使用して湯水循環回路４５のエア抜きについて説明し、貯湯タンク４１、給湯回路４７、風呂給湯追焚回路４９、熱利用循環回路５０等のエア抜きについての説明は省略する。また、エア抜き運転時に上水源から供給される水の流れは、実施例１の図４に示すものと略同様の流れとなるので、図４に基づいて説明する。

先ず、制御ユニット９７により、運転初期又はタンク排水後のエア抜き運転時に、開閉弁９６を開放状態に設定する。この状態で、上水源から低温の上水が給水回路４６に供給されると、給水圧によって貯湯タンク４１の下部を経て湯水循環回路４５の上流往き側通路４５ａと下流往き側通路４５ｂとを通り熱交換通路部９ａに流入し、上流戻り側通路４５ｃと下流戻り側通路４５ｄを流れる。下流戻り側通路４５ｄの貯湯タンク４１側には逆止弁６５が設けられているので、貯湯タンク４１の上部から下流戻り側通路４５ｄに水は流入しないので、下流戻り側通路４５ｄを流れる水は、他のエア抜き用の水に干渉されずに補給通路９５を通って膨張タンク８０に流れるので、湯水循環回路４５のエア抜きを迅速に行うことができる。

さらに、膨張タンク８０に流入した水は、暖房循環ポンプ８２の駆動によって膨張タンク８０から暖房往き側共通通路４８ａや暖房戻り側通路４８ｄを流れるので、温水暖房回路４８のエア抜きも行うことができる。膨張タンク８０が満杯状態となると、水は排水通路８１を介して外部に排水される。つまり、湯水循環回路４５と共に温水暖房回路４８のエア抜きも同時に行うことができる。

このように、制御ユニット９７は、エア抜き運転時に、開閉弁９６を開放状態にするので、湯水循環回路４５の排熱回収循環ポンプ６４を駆動せずとも、上水源の給水圧で湯水循環回路４５のエア抜きが可能となり、エア抜き運転の時間短縮を図ることができる。

次に、前記実施例１，２を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例２において、外部熱源として、燃料電池式の発電ユニット２について説明したが、これに限定する必要はなく、ヒートポンプ式加熱装置、ガスエンジン等を採用しても良いし、これら以外にも種々の公知なものを採用可能である。

［２］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、前記実施例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 貯湯暖房装置
２ 発電ユニット
３ 貯湯暖房ユニット
４１ 貯湯タンク
４５ 湯水循環回路
４８ 温水暖房回路
８０ 膨張タンク
９５ 補給通路
９６ 開閉弁
９７ 制御ユニット（制御手段）

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、この貯湯タンクの湯水を加熱する為の外部熱源と、前記外部熱源と前記貯湯タンクとの間に湯水を循環させる湯水循環回路と、少なくとも前記貯湯タンクの蓄熱を介して加熱される暖房水を貯留可能な膨張タンクを有する温水暖房回路とを備えた貯湯暖房装置において、
   前記膨張タンクに下流端が接続され且つ前記膨張タンクに前記暖房水を供給する為の補給通路と、この補給通路に設けられた開閉弁と、この開閉弁の開閉状態を切り換える制御手段とを備え、
   前記補給通路の上流端が前記湯水循環回路の戻り側通路に分岐接続され、前記湯水循環回路を流れる湯水を前記補給通路を介して前記膨張タンクに供給可能に構成され、
   前記制御手段は、前記湯水循環回路の往き側通路の湯水の温度が所定の温度以上になった場合に、前記開閉弁を開放状態にすることを特徴とする貯湯暖房装置。
2. 前記湯水循環回路の戻り側通路において、前記補給通路が分岐する分岐部より下流側に逆止弁が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の貯湯暖房装置。
3. 前記制御手段は、エア抜き運転時に、前記開閉弁を開放状態にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯暖房装置。