JP6147541B2

JP6147541B2 - 熱源装置

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Publication number: JP6147541B2
Application number: JP2013075120A
Authority: JP
Inventors: 翼内山; 誠寺内
Original assignee: 株式会社ガスター
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014199164A

Description

本発明は、貯湯槽と、貯湯槽から出湯される湯をさらに加熱する機能を有する補助熱源装置とを備えた熱源装置に関するものである。

貯湯槽を備えた熱源装置が用いられており（例えば、特許文献１参照）、図３には、開発中の熱源装置が模式的なシステム構成図により示されている。同図において、貯湯槽２と出湯通路９とを備えた主熱源装置としてのタンクユニット４が、熱回収用通路３を介して燃料電池（ＦＣ）１と熱的に接続されている。燃料電池１は、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等により形成されており、水の電気分解の逆反応で、都市ガス等の燃料から取り出された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する発電装置である。

熱回収用通路３は、燃料電池１と貯湯槽２との間で液体（ここでは湯水）を図の矢印Ａおよび矢印Ａ’に示されるように循環させる通路であり、熱回収用通路３には、熱回収用通路３内に液体を循環させる図示されていないポンプが介設されている。そして、該ポンプの駆動により、貯湯槽２内の水を図の矢印Ａ’に示すように熱回収用通路３を通して燃料電池１に導入して冷却水とし、この水を燃料電池１の発電時に生じる廃熱によって加熱した後、図の矢印Ａに示すように熱回収用通路３を通し、例えば６０℃といった温度の湯として貯湯槽２に蓄積する。なお、熱回収用通路３には、三方弁６を介してバイパス通路７が設けられ、燃料電池１側から貯湯槽２側へ流れる液体を、必要に応じて貯湯槽２を通さずに燃料電池１に戻すことができるように形成されている。

貯湯槽２には、貯湯槽２内または貯湯槽２の外側壁に、貯湯槽２内の湯水の温度を検出する貯湯槽内湯水温検出手段５が、貯湯槽２の上下方向に互いに間隔を介して複数（図３では５個）設けられている。なお、最上位に設けられている貯湯槽内湯水温検出手段５ａは、貯湯槽２の上端よりも予め定められた設定長さだけ下側の位置、つまり、例えば貯湯槽２の上端まで湯が満たされた場合よりも２０リットル少ない湯量の湯が貯湯槽２内に導入された場合の湯面の位置に設けられている。

貯湯槽２の上部側に接続されている出湯通路９は、貯湯槽２で形成された湯を出湯する（送水する）通路と成しており、出湯通路９には、出湯通路９を通る湯の温度を検出する貯湯槽出湯水温検出手段１１と、出湯通路９を通して送水される湯の量を可変する貯湯槽出湯量調節器としてのタンク湯水混合器１２と、出湯通路９を通しての湯の送水の有無を弁の開閉により切り替える貯湯槽出側湯水電磁弁としてのパイロット方式のタンク側電磁弁１３とが介設されている。なお、同図には図示されていないが、貯湯槽２を備えた熱源装置には、貯湯槽２内の圧力が許容圧力を超えたときに該圧力を外部に逃がすための過圧逃がし弁が適宜の位置（例えば出湯通路９に接続された圧力逃がし用の通路等）に設けられている。

また、この熱源装置への給水通路８は給水通路８ａと給水通路８ｂとに分岐され、一方側の給水通路８（８ａ）が貯湯槽２の下部側に接続されて、他方側の給水通路８（８ｂ）は、合流部１０で出湯通路９に合流するように形成されている。給水通路８ｂには、給水通路８ｂから合流部１０側へ流れる水の量を（例えば弁開度により）可変するための給水量調節器としての水混合器１４が介設されている。

合流部１０には、補助熱源装置としての給湯器１６の湯水導入側が、湯水導入通路１５を介して接続されており、湯水導入通路１５には、合流部１０から給湯器１６側に向けて流れる湯水の温度を検出する合流部出側温度検出手段としての混合サーミスタ２８（２８ａ，２８ｂ）が介設されている。給湯器１６は、通水する水を加熱する給湯熱交換器１７を備え、図の矢印Ｂに示されるように貯湯槽２から出湯通路９を通して送水される（タンクユニット４から送水される）湯水を、図の矢印Ｂ”に示されるように、湯水導入通路１５を介して給湯器１６に導入して給湯熱交換器１７で加熱する追い加熱の機能を有している。

この追い加熱機能により加熱された湯は、通路１８と給湯通路１９とを順に通って一つ以上の給湯先に給湯される。なお、同図には図示されていないが、給湯通路１９の先端側には給湯栓が設けられており、この給湯栓を開くことにより、貯湯槽２に蓄えられていた湯水が給水圧を受けて前記のように出湯通路９を通り、前記の如く、給水通路８ｂからの水と混合されたり、給湯器１６により追い加熱されたりして給湯される。

給湯器１６には、例えば図５に示されるように、給湯器１６に導入される湯水を給湯熱交換器１７に導入する熱交入側通路５０と、給湯熱交換器１７を通った湯水を導出する熱交出側通５１と、熱交出側通路５１と熱交入側通路５０とをバイパス接続して湯水を熱交入側通路５０から給湯熱交換器１７に通さずに熱交出側通路５１に導くバイパス通路５２とが設けられており、熱交出側通路５１には通路１８と給湯通路１９とが接続されている。

また、給湯器１６には、バイパス通路５２側と給湯熱交換器１７側への水の流量比（流量割合）を制御する（湯水を熱交入側通路５０から給湯熱交換器１７側に通す割合とバイパス通路５２に通す割合とを調節する）流量比調節手段５３が設けられている。この流量比調節手段５３は、流水通路の閉止機能を持たない手段であり、したがって、給湯熱交換器１７側とバイパス通路５２側に通される水量の一方が０になることはなく、その流水量の割合は異なっていても必ず両方に通される。

また、周知の如く、給湯器１６には、給湯熱交換器１７を例えば燃料ガスの燃焼熱により加熱する給湯バーナや給湯バーナへの空気の給排気を行う燃焼ファン等の適宜の構成要素（図示せず）が設けられ、その構成要素を制御することにより前記追い加熱機能の動作が行われるものである。

なお、図３の図中、符号２５は入水温度サーミスタ、符号２６は燃料電池１から貯湯槽２へ導入される湯水温検出用のＦＣ高温サーミスタ、符号２７は貯湯槽２から燃料電池１側へ導出される湯水温検出用のＦＣ低温サーミスタをそれぞれ示し、符号２９は給水流量センサ、符号３０は給湯器１６から浴槽３１への注湯通路、符号３２は暖房装置と給湯器１６とを接続する暖房用通路、符号４２は通路１８と給湯通路１９を通して給湯される給湯流量を検出する流量検出手段をそれぞれ示している。

図４には、図３に示したシステム構成における配管および構成要素の一部を省略または破線で示したシステム構成図が示されており、図４に示されるように、前記通路１８には分岐継手２０を介して接続通路２１の一端側が接続され、接続通路２１の他端側は、熱回収用通路３において湯水を燃料電池１側から貯湯槽２側に通す通路の途中部に接続されている。また、熱回収用通路３において湯水を貯湯槽２側から燃料電池１側に通す通路の途中部と前記出湯通路９の先端側とを接続する接続通路２２が設けられ、接続通路２２には、湯水を循環させる循環ポンプ２３と、水電磁弁２４とが介設されている。

そして、通路１８、接続通路２１、熱回収用通路３のうちの通路３ａ、３ｂ（接続通路２１との接続部および接続通路２２との接続部よりも貯湯槽２側の領域の一部）と、バイパス通路７、接続通路２２、湯水導入通路１５を有して、同図の矢印Ｃに示されるように湯水を循環させる湯水循環通路４０が形成されている。水電磁弁２４は、循環ポンプ２３の駆動による湯水循環通路４０への水の循環の有無を弁の開閉により切り替える電磁弁であり、水電磁弁２４を開いた状態で循環ポンプ２３を駆動させて湯水循環通路４０を循環する湯水を、給湯器１６が給湯熱交換器１７により加熱する循環湯水加熱機能を有している。この循環湯水加熱機能の動作も給湯器１６の前記構成要素を制御することにより行われ、このとき、流量検出手段４２は湯水循環流量も検出する。

なお、図３、図４において、加熱により温められた湯水が主に通る通路部分にはドットを記しており、湯水循環通路４０においては温められた湯水の温度が湯水循環通路４０内を通るときに徐々に冷めていくが、湯水循環通路４０のうち給湯器１６の湯水導出側の通路１８からバイパス通路７の入口までの領域にドットを記している。

また、図３、図４に示す熱源装置には、図示されていない制御装置が設けられており、制御装置には、タンク湯水混合器１２を制御して出湯通路９から合流部１０側に流れる湯の流量を制御すると共に、水混合器１４を制御して給水通路８ｂから合流部１０側に流れる水の流量を制御し、合流部１０で適宜の温度の混合湯水が形成されるようにするミキシング流量制御手段が設けられている。

このミキシング流量制御手段は、給湯停止時にはタンク側電磁弁１３を閉じて出湯通路９から合流部１０側に流れる湯水（貯湯槽２からの出湯湯水）の流量がゼロとなる状態にする。また、給湯通路１９の先端側に設けられている給湯栓が開かれて、給水流量センサ２９がオン流量を検知すると、ミキシング流量制御手段は、タンク電磁弁１３を開き、タンク湯水混合器１２の制御により、図３の矢印Ｂに示されるように出湯通路９から合流部１０側に流れる湯の流量を調節すると共に、水混合器１４の制御により、図３の矢印Ｂ’に示されるように給水通路８ｂから合流部１０側に流れる水の流量を調節し、合流部１０で形成される混合湯水の温度が混合設定温度になるようにする。

なお、貯湯槽２内には、例えば図６の模式図に示されるような湯や水の温度層Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃが形成されるものであり、貯湯槽２の上部側の層（高温層）Ｗａには燃料電池１の発電時に生じる廃熱によって加熱された高温Ｔａ（例えば６０℃）の湯が貯湯され、貯湯槽２の下部側の層（低温層）Ｗｃには貯湯槽２内に給水される給水温度と同じ温度Ｔｃ（例えば１５℃）の水が貯水されており、その間に、温度Ｔａから温度Ｔｃまでの急な温度勾配を持つ層（温度中間層）Ｗｂがある。したがって、層Ｗａの湯が無くなると湯の代わりに冷たい水が出湯通路９から送水されることがあるが、説明の都合上、特に断らない限り、出湯通路９からは湯が出湯されて前記合流部１０に合流されるという表現を用いる。

また、例えば図６に示されるように、貯湯槽２内の湯水において、例えば層Ｗａと層Ｗｂとの境界が貯湯槽内湯水温検出手段５ａの配設領域よりも下にあり、貯湯槽内湯水温検出手段５ａの検出温度が給湯設定温度より例えば２℃高く設定される閾値より高い温度のときには、貯湯槽２から出湯される湯の温度は例えば６０℃といったほぼ一定の値である。そこで、前記ミキシング流量制御手段は、例えば予め与えられている制御データに基づき、混合設定温度の混合湯水を形成するために、タンク湯水混合器１２と水混合器１４を制御して、出湯通路９から合流部１０側に流れる湯の流量と給水通路８ｂから合流部１０側に流れる水の流量とを調節するミキシング流量フィードフォワード制御を行う。

その後、混合サーミスタ２８（２８ａ，２８ｂ）の検出温度と混合設定温度との差に基づいて、混合サーミスタ２８（２８ａ，２８ｂ）の検出温度が混合設定温度になるように、タンク湯水混合器１２と水混合器１４を制御して出湯通路９から合流部１０側に流れる湯の流量と給水通路８ｂから合流部１０側に流れる水の流量とを調節するミキシング流量フィードバック制御を行うことにより、合流部１０で形成される混合湯水の温度調節を行う。なお、ミキシング流量フィードフォワード制御を行わずにミキシング流量フィードバック制御のみを行うようにしてもよい。

そして、このようなキシング流量制御手段による制御によって、合流部１０で形成される混合湯水の温度が混合設定温度（例えば給湯設定温度と同じ温度）またはその近傍温度とされると、その混合湯水は、図３の矢印Ｂ”に示されるように、合流部１０から湯水導入通路１５を通して給湯器１６に導入されるが、このとき、給湯器１６において給湯熱交換器１７による加熱は行われずに、通路１８と給湯通路１９を通して給湯先に給湯される、いわゆる非追い加熱給湯が行われる。

なお、図５に示したように、給湯器１６には、バイパス通路５２と流量比調節手段５３とが設けられており、前記のように、給湯器１６による追い加熱動作を行わずに給湯する非追い加熱給湯時には、流量比調節手段５３の制御によって例えば給湯熱交換器１７側に流れる流量とバイパス通路５２側に流れる流量との流量比を適宜の値として給湯器１６に導入される混合湯水を熱交入側通路５０から給湯熱交換器１７とバイパス通路５２の両方に通し、熱交出側通路５１と通路１８、給湯通路１９を介して給湯する。

一方、貯湯槽内湯水温検出手段５ａの検出温度が前記閾値以下であり、ミキシング流量制御手段による流量制御のみでは、給湯設定温度と同等の温度に設定される混合設定温度の湯を給湯することができない場合には、その混合湯水を給湯器１６の前記追い加熱機能の動作によって給湯熱交換器１７により加熱する、または、タンク電磁弁１３を閉じて水のみを給湯器１６に供給して追い加熱動作を行う。そして、追い加熱動作により給湯設定温度となった湯は、通路１８と給湯通路１９を通して給湯先に給湯される。

なお、従来は、タンクユニット４と給湯器１６とが隣接配置されたタイプ（一体型）の熱源装置が用いられていたが、開発中の熱源装置は、タンクユニット４と給湯器１６と燃料電池１とをそれぞれ個別に配置し、互いに配管により接続する個別配置型の熱源装置も可能とするものである。このようにすると、例えば複数種あるタンクユニット４のうち、利用者が必要な容量の貯湯槽２を備えたタンクユニット４を選択し、そのタンクユニット４と、複数種ある給湯器１６のうち選択された給湯器１６と、複数種ある燃料電池１のうち選択された燃料電池１とを組み合わせるといったことができ、バリエーションを増やすことができる。

また、前記のような個別配置型の熱源装置は、既設の給湯器１６にタンクユニット４等を接続して熱源装置を形成することもできるといったメリットもある。この場合、例えば給湯器１６は建物の北側に配置されてタンクユニット４は建物の東側や西側に配置されるといったように、タンクユニット４と給湯器１６とが離れて配置されることも想定されるが、そのような場合には、冬場等に、湯水導入通路１５および接続通路２１内の水が、給湯停止中に凍結することを防止するため等に、水電磁弁２４を開いて循環ポンプ２３を駆動させ、図４の矢印Ｃに示したように、湯水循環通路４０に湯水を循環させながら給湯熱交換器１７により加熱する前記循環湯水加熱機能の動作が適宜行われるような構成が必要となると考えられる。

特許第４３５９３３９号公報特開平１−２２２１１７号公報特許第３０５０９０５号公報

ところで、熱源装置の設置後に初めて非追い加熱給湯を行うときや、前回の給湯停止時から例えば８分３０秒経過したというように、長い間時間が経過したときに非追い加熱給湯を行うとき等、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで行われて、給湯熱交換器１７が冷えている状態で非追い加熱給湯が行われると、湯が給湯熱交換器１７やバイパス通路５２を通るときに熱を奪われ、特に給湯熱交換器１７は容量が大きい分だけ通る湯が冷えるため、給湯設定温度に対応する（例えば給湯設定温度と同じ）混合設定温度の混合湯水を給湯器１６に導入しても、給湯設定温度よりも低い温度の湯が給湯されてしまうといった問題があった。

また、気温に応じて給湯等の設定温度を可変する構成が、例えば特許文献２、３等に提案されているが、給湯熱交換器１７の温度は外気温に対応するものではなく、例えば外気温が同じでも、給湯器１６の配設領域で風が吹いていて、その風が給湯熱交換器１７に当たるかどうか、といったことで大きく異なるものであるから、給湯器１６の配設領域の外気温から給湯熱交換器１７の温度を判断しても必ずしも正確な判断が行えるとは限らない。

さらに、前記非追い加熱給湯は、タンクユニット４側で形成される湯水を給湯器１６側で加熱しないで給湯するものであり、給湯器１６に導入して給湯器１６を通して給湯する湯水の温度はタンクユニット４側の制御によって制御されるが、例えば給湯器１６は建物の北側に配置されてタンクユニット４は建物の東側や西側に配置されるといったような場合等、両者の配設領域の外気温が大きく異なることがある。例えば図７の特性線ｃに示されているタンクユニット４が配設されている場所の外気温度（外気温サーミスタを設けて測定した測定値）と、図７の特性線ｂに示されている給湯器１６が配設されている場所の外気温度（実温度）とを比較すると両者の温度は大きく異なる。したがって、タンクユニット４の外気温に基づいて混合湯水温を制御すると適切な制御を行うことができない。

また、たとえ給湯器１６が配設されている場所の外気温を検出できたとしても、給湯器１６が配設されている場所で風が吹いているかどうかをタンクユニット４側の制御装置が判断することはできないため、風により給湯熱交換器１７が冷やされているかどうかを判断することもできない。したがって、例えば給湯器１６が配設されている場所で風が吹いているかどうか等によって非追い加熱給湯による給湯温度に影響が生じ、給湯温度の安定化を図ることができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、貯湯槽の湯を追い加熱せず給湯する非追い加熱給湯が、給湯のコールドスタート時に行われても、安定した給湯温度の湯を給湯することができる熱源装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、次の構成をもって課題を解決する手段としている。すなわち、第１の発明は、貯湯槽を備えて該貯湯槽からの湯を出湯通路を通して送水する機能を有する主熱源装置と、該主熱源装置から送水される湯水を導入して給湯熱交換器で加熱する追い加熱動作の機能を有する補助熱源装置とを備え、該補助熱源装置の湯水導入側には前記出湯通路と給水通路とが合流する合流部が接続され、前記補助熱源装置は、該補助熱源装置に導入される湯水を前記給湯熱交換器を通して該給湯熱交換器の出側に接続される給湯通路から導出する構成と成し、前記出湯通路から前記合流部側に流れる湯の流量と前記給水通路から前記合流部側に流れる水の流量を制御して前記合流部で混合湯水を形成するミキシング流量制御手段と、該ミキシング流量制御手段により形成する混合湯水の設定温度を給湯の設定温度に対応させて設定する混合設定温度設定手段と、前記合流部から前記補助熱源装置に向けて流れる湯水の温度を検出する合流部出側温度検出手段と、前記補助熱源装置の前記給湯熱交換器の出側の温度を検出する給湯熱交換器出側温度検出手段とを有し、前記補助熱源装置に導入される前記混合湯水を該補助熱源装置による前記追い加熱動作を行わずに前記給湯通路に導出して給湯する非追い加熱給湯が予め定められる給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで開始されるときに前記給湯熱交換器出側温度検出手段と前記合流部出側温度検出手段の少なくとも一方の検出温度が予め定められる基準温度以下の時には、前記混合設定温度設定手段が前記混合湯水の設定温度を給湯流量に基づいて設定される設定期間が経過するまで前記給湯設定温度対応の混合設定温度よりも予め定められる下駄上げ温度高い混合設定温度に設定する構成を有しており、前記補助熱源装置には、前記給湯熱交換器に湯水を導入する熱交入側通路と、前記給湯熱交換器を通った湯水を導出する熱交出側通路と、該熱交出側通路と前記熱交入側通路とをバイパス接続して湯水を前記熱交入側通路から前記給湯熱交換器に通さずに前記熱交出側通路に導くバイパス通路と、該バイパス通路側と前記給湯熱交換器側への水の流量比を制御する流水通路の閉止機能を持たない流量比調節手段とが設けられて、前記熱交出側通路に前記給湯通路が接続されており、前記非追い加熱給湯時には前記補助熱源装置に導入される混合湯水を前記熱交入側通路から前記給湯熱交換器側と前記バイパス通路とに通して給湯する構成と成して、前記流量比調節手段が前記非追い加熱給湯時に前記給湯熱交換器側への流量比を前記バイパス通路側への流量比よりも大きく制御する構成をもって課題を解決するための手段としている。

さらに、第２の発明は、前記第１の構成に加え、熱源装置の設置後に初めて非追い加熱給湯を行うときと、前回の給湯停止時からの時間が予め定められている設定基準時間以上経過したときに非追い加熱給湯を行うときと、熱源装置の運転のオンオフを操作する操作部の操作によって運転オフにされた後に再び運転オンにされてから初めて非追い加熱給湯を行うときとを、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングとしたことを特徴とする。

本発明によれば、貯湯槽からの湯と給水通路からの水の合流部で形成する混合湯水の湯と水の流量をミキシング流量制御手段により制御し、混合設定温度設定手段により給湯の設定温度に対応させて設定される混合設定温度の混合湯水を形成し、補助熱源装置に導入するが、補助熱源装置に導入される混合湯水を該補助熱源装置による追い加熱動作を行わずに給湯通路に導出して給湯する非追い加熱給湯が予め定められる給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで行われる時には、以下に述べる特有の制御を行うことにより、非追い加熱給湯時の給湯温度の安定化を図ることができる。

つまり、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで行われる時には、合流部と補助熱源装置との間に介設されている湯水導入通路が冷えていたり、例えば補助熱源装置の配設領域で吹いている風が給湯熱交換器に当たって給湯熱交換器が冷やされていたりする状態で非追い加熱給湯が行われることがあり、このときに給湯設定温度の混合湯水を非加熱の給湯熱交換器に通されると、湯の熱が湯水導入通路や給湯熱交換器に奪われて湯温が低くなる。そうすると、補助熱源装置に給湯設定温度と同じ温度の湯水を導入しても、補助熱源装置を通して給湯される湯を給湯設定温度で給湯することができなくなるが、本発明では、湯水導入通路や給湯熱交換器が冷やされているときには、混合設定温度を高めに設定することで、給湯温度の低下を防ぐことができる。

すなわち、給湯熱交換器が冷えていると給湯熱交換器出側温度検出手段により検出される検出温度（給湯熱交換器の出側の温度）が予め定められる基準温度以下となり、また、湯水導入通路が冷えていると給湯開始時に合流部出側温度検出手段により検出される検出温度が前記基準温度以下になるので、本発明では、給湯熱交換器出側温度検出手段と合流部出側温度検出手段の検出温度の少なくとも一方が基準温度以下のときには、給湯開始から予め定められる設定期間が経過するまで、混合湯設定温度が給湯設定温度対応の設定温度よりも予め定められる下駄上げ温度高い混合設定温度に設定される。このように混合設定温度を下駄上げすることにより、本発明は、給湯設定温度対応の設定温度の混合湯水を補助熱源装置に導入する場合のように、例えば給湯設定温度よりも許容範囲を超えて低い温度の湯が給湯されてしまうといったことを防ぐことができる。

また、本発明は、補助熱源装置に、導入された湯水を給湯熱交換器に通さずに給湯通路側に導くバイパス通路を設けて、非追い加熱給湯時には補助熱源装置に導入される混合湯水を前記熱交入側通路から前記給湯熱交換器側と前記バイパス通路側の両方に通して給湯する構成とするので、以下の効果を奏することができる。

つまり、非追い加熱給湯時に給湯熱交換器が冷えていると、前記の如く、給湯熱交換器側に通した湯の熱は給湯熱交換器に奪われて湯温が低くなるものの、本発明では給湯設定温度対応の設定温度よりも下駄上げ温度高い混合設定温度の混合湯水を補助熱源装置に導入するので、給湯設定温度対応の設定温度の混合湯水を補助熱源装置に導入する場合よりも高い温度の湯が給湯熱交換器側から出湯され、さらに、バイパス通路を通して給湯される湯はバイパス通路によって奪われる熱が給湯熱交換器側に比べて小さいために、バイパス通路側からは高めの湯が出湯される。そして、これらの給湯熱交換器側から出る湯とバイパス通路側から出る湯が合わされて給湯されることにより、例えば給湯設定温度よりも許容範囲を超えて低い温度の湯の給湯を防ぐことができ、給湯温度の安定化を図ることができる。

また、このように、補助熱源装置にバイパス通路を設けることに加え、本発明では、前記流量比調節手段が、非追い加熱給湯時に、給湯熱交換器側への（水の）流量比をバイパス通路側への（水の）流量比よりも大きく制御することにより、給湯温度が給湯設定温度になるまでの時間を短くでき（比率によっては、急速に給湯設定温度に近い温度にまで上昇させた給湯ができ）、給湯温度の安定化をより一層図ることができる。

さらに、本発明において、熱源装置の設置後に初めて非追い加熱給湯を行うときと、前回の給湯停止時からの時間が予め定められている設定基準時間以上経過したときに非追い加熱給湯を行うときと、熱源装置の運転のオンオフを操作する操作部の操作によって運転オフにされた後に再び運転オンにされてから初めて非追い加熱給湯を行うときとを、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングとすることにより、これらのタイミングにおける給湯温度の安定化を適切に図ることができ、使い勝手の良好な熱源装置を提供できる。

本発明に係る熱源装置の一実施例の制御構成を示すブロック図である。実施例の熱源装置による混合設定温度の設定特性および給湯温度特性を説明するためのタイムチャートである。実施例および開発中の熱源装置のシステム構成例を説明するための説明図である。図３に示す熱源装置に設けられている湯水循環通路と貯湯槽の出湯通路とを説明するために、図３の一部構成を簡略化して示すシステム構成図である。熱源装置に適用されている給湯器のシステム構成例を模式的に示す説明図である。貯湯槽内の温度層の分布例を模式的に示す説明図である。タンクユニットが配設されている場所の外気温度の例と給湯器が配設されている場所の外気温度の例を模式的に示すグラフである。熱源装置による非追い加熱給湯のコールドスタート時の温度特性例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、本実施例の説明において、これまでの説明の例と同一構成要素には同一符号を付し、その重複説明は省略または簡略化する。

図１には、本発明に係る熱源装置の一実施例のシステム構成が模式的に示されている。本実施例は、図３に示した熱源装置と同様のシステム構成を有し、さらに、図１に示されるように、タンクユニット６０内の制御装置３３に、ミキシング流量制御手段３５、混合設定温度設定手段３６、メモリ部３７、設定期間設定手段３９を設けている。また、制御装置３３には給湯器１６の制御装置４６とリモコン装置４３とが信号接続されている。リモコン装置４３には給湯設定温度設定操作手段４５が設けられ、給湯器１６には、制御装置４６内に給湯燃焼制御手段４７が設けられている。なお、リモコン装置４３は、屋内において、リビングや、浴室、台所、洗面所等の適宜の場所に設置されている。

また、給湯器１６の熱交出側通路５１には、図５に示されるように、給湯熱交換器１７の出側の温度（給湯熱交換器１７から導出される湯水温）を検出する給湯熱交換器出側温度検出手段３８が設けられており、給湯熱交換器１７側に流れる流量とバイパス通路５２側に流れる流量との流量比は４：１に設定されている。

給湯設定温度設定操作手段４５は、利用者等により給湯設定温度を設定するための操作手段であり、例えばリモコン装置４３の表面側に設けられている操作ボタン等により形成されている。この給湯設定温度設定操作手段４５により設定された給湯設定温度の値は、制御装置３３の混合設定温度設定手段３６と給湯器１６の燃焼制御手段４７とに加えられる。

混合設定温度設定手段３６は、混合湯水の設定温度（混合設定温度）を設定するものであり、貯湯槽内湯水温検出手段５ａの検出温度が前記閾値よりも高く、非追い加熱給湯が可能なときには、通常は、給湯設定温度設定操作手段４５によって設定された給湯設定温度に対応する温度（例えば給湯設定温度と同じ値）に設定するが、本実施例では、以下に述べる特徴的な構成を有している。

つまり、図２（ａ）の特性線ａには、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度（図では熱交出温度）が示されているが、混合設定温度設定手段３６は、前記非追い加熱給湯が予め定められる給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで行われた時には、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度と混合サーミスタ２８の検出温度を取り込む。なお、特性線ｅは、給湯設定温度（例えば４２℃）を示し、給湯器１６が配設されている場所の外気温度（実温度）の例やタンクユニット４が配設されている場所の外気温度（外気温サーミスタを設けて測定した測定値）の例は、それぞれ図７の特性線ｂ、ｃに示したようになり、例えば給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度は、これらの特性線ｂ、ｃの間になることがある。

そして、例えば図２（ａ）の特性線ａに示されるように、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度が予め定められる基準温度以下の時や混合サーミスタ２８の検出温度が前記基準温度以下のときには、図２（ｂ）の特性線ｍに示されるように、混合湯水の設定温度（混合設定温度）を、給湯開始から予め定められる設定期間が経過するまで、給湯設定温度（Ｔｑｓ）対応の混合設定温度よりも予め定められる下駄上げ温度高い混合設定温度に設定する。

なお、予め定められる給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングとは、例えば熱源装置の設置後に初めて非追い加熱給湯を行うときと、前回の給湯停止時からの時間が予め定められている設定基準時間以上経過したときに非追い加熱給湯を行うときと、熱源装置の運転のオンオフを操作する操作部の操作によって運転オフにされた後に再び運転オンにされてから（リモコン装置４３を一度OFFして再度ＯＮしてから）初めて非追い加熱給湯を行うときとであり、このような条件はメモリ部３７に格納されている。

また、混合設定温度設定手段３６による混合設定温度の設定制御に必要な、前記基準温度と前記下駄上げ温度も、それぞれメモリ部３７に格納されている。これらの各値は特に限定されるものではないが、一例を挙げると、基準温度は例えば１８℃、下駄上げ温度は例えば５℃に設定されている。

設定期間設定手段３９は、前記設定期間を例えば湯水導入通路１５と給湯熱交換器１７の両方を水が通る期間に対応させて設定するものである。湯水導入通路１５と給湯熱交換器１７の両方を水が通る期間は、水の流量（つまり、給湯流量）により異なるため、例えばメモリ部３７に、給湯熱交換器１７の管路内容量と、流量比調節手段５３により調節される給湯熱交換器１７側に流れる水とバイパス通路５２側に流れる水の流量比と、湯水導入通路１５の管路内容量とを格納しておき、これらの値と、給湯開始時に流量検出手段４２により検出される流量とに基づいて設定期間設定手段３９が設定期間を設定する。

一例を挙げると、例えば湯水導入通路１５の外径が１６ｍｍで長さが４ｍであり、給湯熱交換器１７の容量が０．５リットルの場合には、給湯流量が３リットル／分の場合に、設定期間は以下のようにして設定される。

つまり、本実施例において、給湯熱交換器１７側に流れる流量とバイパス通路５２側に流れる流量との流量比は、給水流量センサ２９がオンされると流量比調節手段５３により１：１から４：１に調節されるので、給湯熱交換器１７内の０．５リットルの水をパージするためには０．６２５リットル（０．６２５＝０．５÷０．８）の水を流せばよい。そのため、約３リットル／分の流量の水が給湯熱交換器１７内を通る期間は約１２．５秒である。また、湯水導入通路１５の内径が１６．２ｍｍで長さが４ｍの場合には、３リットル／分の流量の水が湯水導入通路１５内を通る期間は約１６秒であるため、３リットル／分の流量の水が湯水導入通路１５と給湯熱交換器１７の両方を通る期間は約２８．５秒（給湯使用ＯＮから２８．５秒後）となる。

以上のように、混合設定温度設定手段３６によって、通常は混合設定温度が給湯設定温度対応の混合設定温度に設定され、非追い加熱給湯がコールドスタートの条件を満たすときには、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度と混合サーミスタ２８の検出温度とに基づいて、前記のように設定期間中には給湯設定温度対応の混合設定温度に下駄上げ温度を加えるようにする混合設定温度の設定が行われ、設定された混合設定温度の値（設定情報）を、ミキシング流量制御手段３５に加える。

ミキシング流量制御手段３５は、合流部１０側に出湯通路９から流れる湯の流量と給水通路８ｂから合流部１０側に流れる水の流量を制御し、混合設定温度設定手段３６により設定される設定混合温度の混合湯水が合流部１０で形成されるようにするものであり、タンク側電磁弁１３の開閉制御とタンク湯水混合器１２および水混合器１４の制御による湯流量と水流量との制御によって、合流部１０で形成される混合湯水の温度が混合設定温度となるように制御する。

そうすると、非追い加熱給湯がコールドスタートの条件を満たすときに行われたときには、図２（ｂ）の特性線ｍに示すような、下駄上げされた混合設定温度（例えば４７℃）の設定が行われ、その温度の混合湯水が形成されて給湯器１６に導入され、図２（ａ）の特性線ｄに示されるように、給湯使用開始（給湯使用オン）から湯水導入通路１５内の水（例えば１０℃）が流れ出るまでの期間Ｌ（例えば１６秒）の経過後に給湯器１６に導入される（特性線ｄは給湯温度（図では出湯温度）を示す）。

期間Ｌ（例えば１６秒）中には、例えば前回出湯した残り湯が給湯熱交換器１７にあり、この残り湯の温度が流れ込む湯水導入通路１５内の水温（例えば１０℃）より高い場合には、期間Ｌ（例えば１６秒）の最初のうち（例えば１２．５秒）給湯熱交換器１７の暖かい湯（例えば１５℃）が混ざるので、例えば図２（ａ）の特性線ａに示されるように、湯水導入通路１５内の水温（例えば１０℃）より若干高めの湯水が出る。一方、残り湯の温度が流れ込む湯水導入通路１５内の水温（例えば１０℃）より低い場合には、湯水導入通路１５内の水温（例えば１０℃）より若干低めの湯水が出る。給湯熱交換器１７内の残水が出終わった後には、流れ込んだ湯水導入通路１５内の水がそのまま（例えば１０℃）給湯される。

次に、例えば給湯使用開始から１６秒から２８．５秒の間は、混合設定温度（例えば４７℃）の湯が導入され給湯器１６内で分流される。バイパス通路５２側に流れる湯はすぐに給湯熱交換器１７の出側に合流するが、分流されて給湯熱交換器１７側に流れ込む湯は先ほどまで湯水導入通路１５内の水が流れ込んでいたので、この水が出るまで水が出終わるまでの期間（例えば１２．５秒）は、流量比調節手段５３で流量比は４：１に調節された（１０℃の比率４と４７℃の比率１とした）温度の湯水（例えば１７．４℃＝１０℃×０．８＋４７℃×０．２）が給湯使用ＯＮ（開始）から勘定し始めて２８．５秒後まで給湯される。

ところで、給湯熱交換器１７は例えば重さ3000gの銅製の保有水量300ccの顕熱熱交換器（銅比熱0.379J／g・K）と、重さ1200gのステンレス製の保有水量200ccの潜熱熱交換器（ステンレス比熱0.59J／g・K）とで構成されているために、冷え切った給湯熱交換器１７に混合設定温度（例えば４７℃）の湯が導入されても熱が奪われ、給湯温度が給湯設定温度までなかなか上昇しない。しかし、給湯設定温度を下駄上げしているからこそ、冷えた給湯熱交換器１７に対して熱を与える余裕ができ、もって、短時間で給湯温度が給湯設定温度に近い温度にまで上昇し、その後、安定して給湯設定温度の湯が給湯される。

なお、比較の為に、流量比調節手段５３により４：１に調節せずに１：１のままで、かつ、下駄上げしない場合（その他の条件は同一場合）の温度特性を図８の特性線ａと特性線ｄに示す（特性線ｅは給湯設定温度）。同図から明らかなように、混合設定温度（例えば４２℃）の湯が給湯器１６に導入されているにもかかわらず、最初のうちは給湯熱交換器１７内の前回出湯した残り湯（例えば１５℃）が混ざり（例えば２８．５℃＝１５℃×０．５＋４２℃×０．５）、次に先ほどまで給湯熱交換器１７に流れ込んでいた湯水導入通路１５内の水が出てくるので、この水が出るまで水が出終わるまでの期間（例えば２０秒）は、流量比調節手段５３で流量比は１：１に調節され（１０℃の比率１と４２℃の比率１）た温度の湯水（例えば２６℃＝１０℃×０．５＋４２℃×０．５）が給湯される。したがって、この間（例えば給湯使用ＯＮから１６秒から３５秒）は、例えばシャワーを浴びようとしても少しだけ温かいかいだけで、捨てるしかできない湯水が給湯される。換言すれば、捨てる湯水に熱を与えていることになる。

なお、本実施例において、貯湯槽内湯水温検出手段５ａの検出温度が前記閾値未満のときには、前記のように、合流部１０で形成される混合湯水または、給水通路８ｂからの水が給湯器１６により追い加熱動作され、燃焼制御手段４７の制御によって給湯設定温度の湯が形成されて給湯される。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。例えば、前記下駄上げ温度は一つの値とは限らず、例えば給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度と給湯開始時の混合サーミスタ２８の検出温度に対応させて、これらの検出温度の少なくとも一方が基準温度よりも低ければ低いほど下駄上げ温度を連続的または段階的に高くするようにしてもよい。

例えば前記基準温度を２５℃とし、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度と給湯開始時の混合サーミスタ２８の検出温度の少なくとも一方が２５℃以下で１８℃以上の時には下駄上げ温度を３℃とし、給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度と給湯開始時の混合サーミスタ２８の検出温度の少なくとも一方が１８℃未満の時には下駄上げ温度を５℃にしてもよい。

また、給湯開始時に流量検出手段４２により検出される流量とに基づいて設定期間設定手段３９が設定期間を設定していたが、単純に積算流量の湯を流す間、下駄上げ温度高めの湯を流すようにしてもよい。例えば給湯熱交換器出側温度検出手段３８の検出温度が低い時には、混合湯水の設定温度下駄上げ温度を５℃で積算流量３リットルの湯を流した後に下駄上げ温度を３℃で積算流量３リットルの湯を流す。このようにすると、急速に設定温度近くにまで温度が上昇し、なおかつ、設定温度近くになると上昇スピードが減速するので、温度上昇がスムーズとなると共に、設定期間を積算流量の湯が流れた期間とすれば出湯途中で蛇口開度を変えられても再計算の必要性がなくなる。

また、本発明の熱源装置の詳細なシステム構成は適宜設定されるものであり、貯湯槽２と出湯通路９と、該出湯通路９と給水通路８ｂとが合流する合流部１０とを備え、ミキシング流量制御手段によって出湯通路９と給水通路８ｂとから合流部１０側に流れる湯水や水の流量を制御して設定混合温度の混合湯水が合流部１０で形成されるようにし、かつ、合流部１０を通った混合湯水を必要に応じて給湯器１６等の補助熱源装置で追い加熱する構成を有していればよい。したがって、給湯器１６は、給湯熱交換器１７を例えば石油燃焼式のバーナ装置により加熱するタイプの給湯器としてもよいし、電気ヒータにより加熱するタイプの給湯器としてもよい。

さらに、前記実施例では、給湯器１６はバイパス通路５２と流量比調節手段５３を有して、非追い加熱給湯時には、給湯器１６に導入される混合湯水を給湯熱交換器１７側に多く通して給湯通路１８側に導出するようにしたが、参考例として、バイパス通路５２や流量比調節手段５３を有していない給湯器１６を設けて熱源装置を形成し、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで行われたときに給湯熱交換器１７が冷えていた場合には、混合設定温度を給湯設定温度対応の温度より下駄上げ温度高い温度とすることによって、混合設定温度を給湯設定温度対応の温度より下駄上げ温度高い温度としないよりは、給湯設定温度より低い湯が出湯されることを防ぐことができる。

さらに、前記実施例では、貯湯槽２は燃料電池１に熱的に接続されていたが、燃料電池１の代わりに、太陽熱の集熱機やヒートポンプ等を接続してもよい。

本発明の熱源装置は、貯湯槽の湯水を非加熱状態で補助熱源装置に導入して給湯する際に、補助熱源装置の給湯熱交換器が冷えていても、その冷えに起因した給湯温度の低下を防ぐことができるので、使い勝手が良好であり、例えば家庭用の熱源装置として利用できる。

１燃料電池
２貯湯槽
３熱回収用通路
４タンクユニット
５貯湯槽内湯水温検出手段
６三方弁
７バイパス通路
８，８ａ，８ｂ給水通路
９出湯通路
１０合流部
１１貯湯槽出湯水温検出手段
１２タンク湯水混合器
１３タンク電磁弁
１４水混合器
１５湯水導入通路
１６給湯器
１７給湯熱交換器
２３循環ポンプ
２４電磁弁
２６ＦＣ高温サーミスタ
２７ＦＣ低温サーミスタ
２８混合サーミスタ
３３制御装置
３５ミキシング流量制御手段
３６混合設定温度設定手段
３７メモリ部
３８給湯熱交換器出側温度検出手段
３９設定期間設定手段
４０湯水循環通路
４２流量検出手段
４５給湯設定温度設定操作手段
４７燃焼制御手段
５０熱交入側通路
５１熱交出側通
５２バイパス通路
５３流量比調節手段

Claims

貯湯槽を備えて該貯湯槽からの湯を出湯通路を通して送水する機能を有する主熱源装置と、該主熱源装置から送水される湯水を導入して給湯熱交換器で加熱する追い加熱動作の機能を有する補助熱源装置とを備え、該補助熱源装置の湯水導入側には前記出湯通路と給水通路とが合流する合流部が接続され、前記補助熱源装置は、該補助熱源装置に導入される湯水を前記給湯熱交換器を通して該給湯熱交換器の出側に接続される給湯通路から導出する構成と成し、前記出湯通路から前記合流部側に流れる湯の流量と前記給水通路から前記合流部側に流れる水の流量を制御して前記合流部で混合湯水を形成するミキシング流量制御手段と、該ミキシング流量制御手段により形成する混合湯水の設定温度を給湯の設定温度に対応させて設定する混合設定温度設定手段と、前記合流部から前記補助熱源装置に向けて流れる湯水の温度を検出する合流部出側温度検出手段と、前記補助熱源装置の前記給湯熱交換器の出側の温度を検出する給湯熱交換器出側温度検出手段とを有し、前記補助熱源装置に導入される前記混合湯水を該補助熱源装置による前記追い加熱動作を行わずに前記給湯通路に導出して給湯する非追い加熱給湯が予め定められる給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングで開始されるときに前記給湯熱交換器出側温度検出手段と前記合流部出側温度検出手段の少なくとも一方の検出温度が予め定められる基準温度以下の時には、前記混合設定温度設定手段が前記混合湯水の設定温度を給湯流量に基づいて設定される設定期間が経過するまで前記給湯設定温度対応の混合設定温度よりも予め定められる下駄上げ温度高い混合設定温度に設定する構成を有しており、前記補助熱源装置には、前記給湯熱交換器に湯水を導入する熱交入側通路と、前記給湯熱交換器を通った湯水を導出する熱交出側通路と、該熱交出側通路と前記熱交入側通路とをバイパス接続して湯水を前記熱交入側通路から前記給湯熱交換器に通さずに前記熱交出側通路に導くバイパス通路と、該バイパス通路側と前記給湯熱交換器側への水の流量比を制御する流水通路の閉止機能を持たない流量比調節手段とが設けられて、前記熱交出側通路に前記給湯通路が接続されており、前記非追い加熱給湯時には前記補助熱源装置に導入される混合湯水を前記熱交入側通路から前記給湯熱交換器側と前記バイパス通路とに通して給湯する構成と成して、前記流量比調節手段が前記非追い加熱給湯時に前記給湯熱交換器側への流量比を前記バイパス通路側への流量比よりも大きく制御することを特徴とする熱源装置。
熱源装置の設置後に初めて非追い加熱給湯を行うときと、前回の給湯停止時からの時間が予め定められている設定基準時間以上経過したときに非追い加熱給湯を行うときと、熱源装置の運転のオンオフを操作する操作部の操作によって運転オフにされた後に再び運転オンにされてから初めて非追い加熱給湯を行うときとを、非追い加熱給湯が給湯のコールドスタート条件を満たすタイミングとしたことを特徴とする請求項１記載の熱源装置。