JP6333744B2

JP6333744B2 - 貯湯タンク及びそれを用いた貯湯ユニット

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Publication number: JP6333744B2
Application number: JP2015011789A
Authority: JP
Inventors: 寿久斉藤; 裕介澤中; 正和寺嶋; 今井　文人; 文人今井; 由玉井; 俊彦岩本
Original assignee: 株式会社ガスター
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: JP2016136078A

Description

本発明は貯湯タンク及びそれを用いた貯湯ユニットに関し、貯湯タンクに貯蔵される水を用いた熱交換効率を向上させる場合に好適なものである。

従来、燃料電池等の発熱体に水を貯湯タンクから供給するとともに、その発熱体の熱で温められた水を貯湯タンクに回収するシステムとして例えば特許文献１が提案されている。この特許文献１のシステムでは、貯湯タンクから発熱体に冷水を供給する配管に三方弁が設けられるとともに、その三方弁から分岐して放熱器を通って配管に戻す経路が設けられている。この経路は、貯湯タンクにおいて蓄熱された湯水が満杯になった場合に用いられ、当該湯水が放熱器によって冷却される。

この特許文献１のシステムは、貯湯タンクを冷却するための放熱器や、その放熱器に対して貯湯タンクの温水を供給する経路を確保しなければならず、冷却水として貯蔵しなければならない必須エリアの断熱材を省略しているものの大型化する傾向にある。

この特許文献１のシステムの放熱器などを省略できる貯湯ユニットとして例えば特許文献２が本出願人により提案されている。この特許文献２の貯湯ユニットでは、貯湯タンクと隙間を隔ててその貯湯タンクを収納するケースが設けられおり、当該ケースの給気口から貯湯タンクとケースとの間を通ってケースの排気口に至る気流によって貯湯タンクが冷却される。

特開２０１３−２４９９７２号公報特願２０１３−２０９４９４号

ところが、上記特許文献２では、貯湯タンクの外表面が空気の流通により冷却されるため、当該貯湯タンクの内表面上で対流が起こり、冷えた水が中央に回り込み易い。冷えた水が中央に回り込むと、貯湯タンクに貯蔵される冷えた水と温かい水との境界層が厚くなったり、当該貯水の温度成層が崩れてしまう傾向がある。

そこで本発明は、貯水の境界層が厚くなる、あるいは、当該貯水の温度成層が崩れることを低減し得る貯湯タンク及びそれを用いた貯湯ユニットを提案することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明の貯湯ユニットは、貯湯タンクと、前記貯湯タンクにおける少なくとも一部の側壁の内表面と隙間を隔てて配置され、前記貯湯タンクの側壁側と中央側とを仕切る仕切板と、前記側壁の内表面と隙間を隔てて前記仕切板が配置される側壁部位の外表面上に配置される温度センサと、前記貯湯タンクの外表面と間隔をあけて前記貯湯タンクを囲む部材と、前記貯湯タンクと前記部材との間に介在する空気を前記部材の外側に送り出すファンと、前記温度センサ及び前記ファンに接続される制御器とを備え、前記制御器は、前記温度センサから得られる温度に基づいて前記ファンを制御し、前記貯湯タンクに貯蔵される温かい水と冷たい水との間にある境界層の高さを調整することを特徴とする。

本発明では、貯湯タンクの内表面上で対流が起こっても、当該内表面と隙間を隔てて配置される仕切板が、貯湯タンクの中央へ冷水が回り込むことを抑止する。このため、貯湯タンクの中央へ回り込む水量が低減され、貯湯タンクの中央側に貯蔵される貯水の温度成層が崩れることが阻止され、おおむね保持される。したがって、仕切板がないことにより貯湯タンクに貯蔵される貯水全体の温度成層が崩れる場合に比べると、当該温度成層が崩れることが低減される。
また、本発明では、貯湯タンクに貯蔵される温かい水と冷たい水との間にある境界層の高さが調整されるため、より一段と温度成層が崩れることが低減される。
こうして、温度成層を崩れることを低減し得る貯湯タンク及びそれを用いた貯湯ユニットが実現される。

本実施形態の給湯システムを示す図である。貯湯ユニットにおける調整機構を示す図である。貯湯タンク内を上部から下部に向かって見た様子を示す図である。仕切板の一部の様子を示す図である。境界層の移行の様子（１）を模式的に示す図である。境界層の移行の様子（２）を模式的に示す図である。境界層の移行の様子（３）を模式的に示す図である。境界層の移行の様子（４）を模式的に示す図である。第２実施形態における貯湯ユニットの一部を示す図である。第２実施形態における貯湯タンクを図４と同じ視点で示す図である。第３実施形態における貯湯タンクを図４と同じ視点で示す図である。第４実施形態における貯湯タンクを図４と同じ視点で示す図である。仕切板の形成手法の説明に供する図である。他の給湯システムを例示する図である。

以下、本発明における実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。

（１）第１実施形態
図１に示すように、本実施形態の給湯システム１は、発熱体１０、貯湯ユニット２０及び放熱器３０を主な構成要素として備える。

発熱体１０は、熱を発する源となるものであり、本実施形態では燃料電池とされる。この燃料電池としては、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)、固体高分子形燃料電池（PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell）、りん酸形燃料電池（PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC, Molten CＰＴbonate Fuel Cell）などがある。なお、燃料電池に代えて、発電用ガスタービンエンジン、発電用ガスエンジン又は発電用ディーゼルエンジンなどのエンジンが適用されても良く、太陽熱パネルなどが適用されても良い。

貯湯ユニット２０は、貯湯タンク４０及び熱源器５０を有する。貯湯タンク４０は、例えば７０リットルの貯蔵容量を有するタンクである。この貯湯タンク４０の下部と発熱体１０とは配管４１により連結され、貯湯タンク４０の上部と発熱体１０とは配管４２により連結され、当該配管４１の所定部位には循環ポンプ４３が設けられる。

循環ポンプ４３は、貯湯タンク４０に貯蔵される冷水をその貯湯タンク４０の下部から配管４１を介して発熱体１０に送り出し、当該発熱体１０が発する熱により温められる温水を、配管４２を介して貯湯タンク４０の上部に供給する。

また貯湯タンク４０の下部には給水管６１が接続され、当該貯湯タンク４０の上部には出湯管６２が接続されており、貯湯タンク４０内には給水管６１からの給水圧が与えられる。このため貯湯ユニット２０は、出湯管６２の下流側に接続される図示しない水栓が開かれた場合、貯湯タンク４０内の上部に貯蔵される温水を、給水管６１からの給水圧により出湯管６２から下流側へ送り出すことが可能である。

このように貯湯ユニット２０では、貯湯タンク４０の下部から発熱体１０を介して貯湯タンク４０の上部に戻る循環回路が形成され、その発熱体１０で温められた温水が貯湯タンク４０の上部から出湯管６２に送り出される場合には給水管６１から貯湯タンク４０の下部に冷水が供給される。

なお、本実施形態の貯湯ユニット２０には、貯湯タンク４０に貯蔵される貯水の温度成層を調整する調整機構が備えられているが、当該調整機構に関しては後述する。

熱源器５０は、燃焼ガスを燃焼させるバーナ５１Ａ，５１Ｂと、バーナ５１Ａ，５１Ｂへ供給すべき燃焼ガス量を調整するガス調整部５２と、バーナ５１Ａ，５１Ｂへ空気を送り込む燃焼ファン５３とを有する。また熱源器５０は、顕熱熱交換器５４Ａ，５４Ｂと、潜熱熱交換器５５Ａ，５５Ｂとを有する。

顕熱熱交換器５４Ａ，５４Ｂは、バーナ５１Ａ，５１Ｂの上方に設けられ、当該バーナ５１Ａ，５１Ｂで加熱された空気から顕熱を主に回収して熱媒体を加熱する。潜熱熱交換器５５Ａ，５５Ｂは、バーナ５１Ａ，５１Ｂから流れる空気の流路のうち顕熱熱交換器５４Ａ，５４Ｂよりも下流側に設けられ、当該顕熱熱交換器５４Ａ，５４Ｂでの加熱により生じる排気の潜熱を主に回収して熱媒体を加熱する。

これらバーナ５１Ａ、顕熱熱交換器５４Ａ及び潜熱熱交換器５５Ａは第１燃焼室５６Ａに収められ、バーナ５１Ｂ、顕熱熱交換器５４Ｂ及び潜熱熱交換器５５Ｂは第２燃焼室５６Ｂに収められる。これら第１燃焼室５６Ａの上部と第２燃焼室５６Ｂの上部とには排気筒５７が連通され、この排気筒５７の出口近傍の底部にはドレン回収口５８が設けられる。

潜熱熱交換器５５Ａ，５５Ｂの下方には、顕熱熱交換器５４Ａ，５４Ｂでの加熱により生じる排気の潜熱を回収することに起因して生じる凝縮水を受け止めて回収するための受け皿５９Ａ，５９Ｂが設けられる。これら受け皿５９Ａ，５９Ｂ及びドレン回収口５８から回収される凝縮水は案内管を通じて中和器６０に供給され、当該中和器６０にて中和され貯湯ユニット２０の外部に排出される。

このような熱源器５０では、顕熱熱交換器５４Ａ及び潜熱熱交換器５５Ａで温められる温水を外部に供給する給湯回路が形成される。すなわち、貯湯タンク４０の下部には給水管６１が接続される。また、貯湯タンク４０の上部には出湯管６２の一端が接続され、当該出湯管６２の他端は潜熱熱交換器５５Ａの入力口と接続される。この潜熱熱交換器５５Ａの出力口は顕熱熱交換器５４Ａの入力口と案内管を通じて連結され、当該顕熱熱交換器５４Ａの出力口は出湯管６３と接続される。

給水管６１の所定部位には、給水管６１内の水の水流を測定する水流センサ６４、及び、当該水の水量を調整する水量サーボ６５などが設けられる。また、出湯管６２の途中の所定部位と出湯管６３の途中の所定部位とは、顕熱熱交換器５４Ａ及び潜熱熱交換器５５Ａを迂回するためのバイパス管６６で連結される。このバイパス管６６と出湯管６２との接続部分には、出湯管６２から出湯管６３へ迂回させる水量を調整するバイパスサーボ６７が設けられる。

給水管６１から供給される水は、貯湯タンク４０、出湯管６２、潜熱熱交換器５５Ａ、顕熱熱交換器５４Ａ及び出湯管６３を順次通る給湯回路を経由して水栓などから流出される。

また熱源器５０では、顕熱熱交換器５４Ｂ及び潜熱熱交換器５５Ｂと外部の放熱器３０とを循環する循環回路が形成される。すなわち、放熱器３０の出力口には戻り配管７１の一端が接続され、当該戻り配管７１の他端は潜熱熱交換器５５Ｂの入力口と接続される。この潜熱熱交換器５５Ｂの出力口は顕熱熱交換器５４Ａの入力口と案内管を通じて連結され、当該顕熱熱交換器５４Ｂの出力口は往き配管７２を介して放熱器の入力口と接続される。戻り配管７１の所定部位には、循環回路を循環させるための循環ポンプ７３が設けられる。

循環ポンプ７３は、顕熱熱交換器５４Ｂ及び潜熱熱交換器５５Ｂで温められる熱媒体を往き配管７２を介して放熱器３０に送り出し、当該放熱器３０から出る熱媒体を戻り配管７１を介して潜熱熱交換器５５Ｂに戻す。なお、熱媒体は、本実施形態では水とされる。

次に、貯湯ユニット２０における貯湯タンク４０に貯蔵される貯水の温度成層を調整する調整機構に関して説明する。

図２に示すように、貯湯ユニット２０は、上述の構成に加えて、仕切板８１、温度センサ８２、断熱部材８３、ファン８４及び制御器８５を有する。なお、貯湯タンク４０、仕切板８１及び断熱部材８３については、便宜上、当該貯湯タンク４０の側壁４０Ａに沿った方向の断面を示している。断熱部材８３の特徴（特許文献１との差異）は、保温対象である貯湯タンク４０に直接断熱材を巻きつける内断熱という方法（建築物における内断熱工法、充填断熱工法）ではなく、外断熱という方法（建築物における外断熱工法、外張り断熱工法）である点にある。

仕切板８１は、図２及び図３に示すように、貯湯タンク４０の側壁側と中央側とを仕切るものであり、貯湯タンク４０における一部の側壁４０Ａの内表面と対向するように配置される。

この仕切板８１の厚さは貯湯タンク４０の側壁４０Ａの厚さよりも小さくされ、当該仕切板８１と貯湯タンク４０の側壁４０Ａとは同じ材質とされる。また、仕切板８１の形状は本実施形態では円筒状とされる。

このような仕切板８１は、貯湯タンク４０の側壁４０Ａの内表面と隙間Ｇを隔てて配置される離間部位ＰＴ１と、側壁４０Ａの内表面と当接して配置される複数の当接部位ＰＴ２とを有する。本実施形態の場合、離間部位ＰＴ１と側壁４０Ａとの隙間Ｇはどの位置でも同程度とされ、当該離間部位ＰＴ１において正対する位置間の距離Ｄよりも小さくされる。

また本実施形態の場合、離間部位ＰＴ１には複数の開口ＯＰが形成されており、当該開口ＯＰにおける面積の総和は離間部位ＰＴ１において貯湯タンク４０の側壁４０Ａと対向する面の表面積よりも小さくされる。また、本実施形態における離間部位ＰＴ１の各開口ＯＰに有していた領域の一部は当接部位ＰＴ２とされる。

例えば図４に示すように、貯湯タンク４０の側壁４０Ａと平行となる１対の切込部８１Ａと、その側壁４０Ａと直交し一対の切込部８１Ａの下端に繋がる切込部８１Ｂとが離間部位ＰＴ１に形成される。これら切込部８１Ａ及び８１Ｂに囲まれる領域が、貯湯タンク４０の側壁４０Ａ側に折り曲げられて、当該側壁４０Ａと直交する当接部位ＰＴ２、及び、側壁４０Ａと平行な連結部位ＰＴ３とが形成される。この連結部位ＰＴ３における貯湯タンク４０の側壁４０Ａと直交する方向の長さＬは、当該貯湯タンク４０の側壁４０Ａと仕切板８１の離間部位ＰＴ１との隙間Ｇ（図２）と一致する。

なお、図４は、仕切板８１の開口部分を、貯湯タンク４０の内壁上方から貯湯タンク４０の中央下方に向かって見た斜視図である。また、図２では、当接部位ＰＴ２が貯湯タンク４０の上部に２つ設けられ、中部に２つ設けられ、下部に２つ設けられているが、当該当接部位ＰＴ２の数は７つ以上であっても５つ以下であっても良い。また、貯湯タンク４０の上部、中部又は下部に設けられる２つの当接部位ＰＴ２が正対しているが、正対していなくても良い。さらに、貯湯タンク４０の上部、中部及び下部の当接部位ＰＴ２が直線上に配置されているが、当該直線上に配置されていなくても良い。要するに、貯湯タンク４０の上部から下部にわたって複数の当接部位ＰＴ２が設けられていれば良い。

温度センサ８２は、貯湯タンク４０に貯蔵される貯水の水温を測定するためのものであり、図２に示すように、仕切板８１の各当接部位ＰＴ２における側壁４０Ａの外面上にそれぞれ配置される。この温度センサ８２として、例えばサーミスタが適用される。

断熱部材８３は、貯湯タンク４０の外表面と間隔をあけて貯湯タンク４０を囲むものである。この断熱部材８３には配管４１、４２、６１、６２が挿通され、当該断熱部材８３と配管４１、４２、６１、６２との間は密閉される。また、断熱部材８３には、この断熱部材８３に気体を入れるための給気口ＯＰ１と、当該断熱部材８３内の気体を出すための排気口ＯＰ２とが形成される。

ファン８４は、貯湯タンク４０と断熱部材８３との間に介在する空気を断熱部材８３の外側に送り出すものであり、断熱部材８３の排気口ＯＰ２に設けられる。このファン８４と断熱部材８３との間は密閉される。なお、ファン８４の外表面側には、ファン８４の駆動に応じてファン８４の内外の通気路を開通し、当該ファン８４の停止に応じてファン８４の内外の通気路を遮断するシャッター８４Ａが設けられる。

給気口ＯＰ１から気体が流入された場合、その気体は断熱部材８３と貯湯タンク４０との間を流れることで貯湯タンク４０が冷却され、当該貯湯タンク４０との熱交換により温められた気体はファン８４を介して断熱部材８３の外側に送り出される。

制御器８５は、循環ポンプ４３、水流センサ６４、水量サーボ６５、複数の温度センサ８２及び図示しないリモートコントローラとケーブルを介して接続される。制御器８５は、リモートコントローラから発熱体１０の冷却を開始すべき命令を受けた場合には循環ポンプ４３を駆動し、当該リモートコントローラから発熱体１０の冷却を終了すべき命令を受けた場合には循環ポンプ４３を停止する。

また制御器８５は、水流センサ６４から出力される信号に基づいて、給水管６１内における水流の有無を検出する。ここで、給水管６１内における水流が検出される場合、このことは、出湯管６２の下流側に接続される図示しない水栓などが開かれ、貯湯タンク４０内の上部側に貯蔵される温水が出湯管６２から下流側へ送り出されていることを意味する。この場合、制御器８５は、給水管６１内における水流がなくなることを検出するまで水量サーボ６５を制御し、給水管６１内の水を貯湯タンク４０に供給する。

さらに制御器８５は、複数の温度センサ８２から出力される信号に基づいて、貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界に形成される境界層の位置を推定し、当該位置に対して設定される下限値と比較する。なお、境界層は、温水の温度よりも低く冷水の温度よりも高い温度となっている。本実施形態の場合、貯湯タンク４０における境界層の高さが境界層の位置として推定され、当該貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さが下限値として設定される。

ここで、境界層の高さが貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さを下回る場合、このことは、給湯で使用されるべき温水が発熱体１０の長期にわたる駆動などによって冷水を確保すべきエリアにまで達していることを意味する。すなわち、図５に示すように、貯湯タンク４０の上部側に貯蔵される温水の温水層Ｌ１０と、下部側に貯蔵される冷水の冷水層Ｌ２０と、これら層間の境界層Ｌ３０とのうち、当該温水層Ｌ１０が貯湯タンク４０の下部にまで推移し、発熱体１０に対する冷却水の水量が不足しつつある。なお、境界層の高さが貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さを下回るか否かは、貯湯タンク４０の下部に設けられる温度センサ８２が、仕切板８１と貯湯タンク４０との間の冷水層Ｌ２または温水層Ｌ１を検出した信号に基づいて推定される。

この場合、制御器８５は、複数の温度センサ８２から出力される信号に基づいて推定される境界層Ｌ３０の高さが貯湯タンク４０の高さ方向における所定位置に推移するまで、ファン８４を駆動する。これにより貯湯タンク４０は、給気口ＯＰ１から断熱部材８３の内部に流入してその断熱部材８３と貯湯タンク４０との間を通ってファン８４から断熱部材８３の外部に流出する気流によって冷却される。

すなわち、図６に示すように、断熱部材８３と貯湯タンク４０との間を通る気流によって貯湯タンク４０の外表面が冷却されると、仕切板８１と貯湯タンク４０との間には対流が生じる。対流が生じると、仕切板８１と貯湯タンク４０との間の温水層Ｌ１と冷水層Ｌ２との境界にある境界層Ｌ３は、貯湯タンク４０の内表面からの距離に応じて、貯湯タンク４０の上部から下部に移行するほど貯湯タンク４０の中央寄りになるように斜めに形成される。境界層Ｌ３の一部は仕切板８１の下端を回り込む際に貯湯タンク４０の下側で冷却されて冷水層Ｌ２となるので、境界層Ｌ３０に合流する境界層Ｌ３の量は少なく、かつ、仕切板８１の下端を回り込んだ境界層Ｌ３は、仕切板８１に沿って上昇するので冷水層Ｌ２０と混合することなく温度成層を壊すことがない。その後、図７に示すように、貯湯タンク４０における境界層Ｌ３，Ｌ３０は上部に推移する。やがて、図８に示すように、例えば貯湯タンク４０の中央部に設けられる温度センサ８２が冷水層Ｌ２を検出した場合など、境界層Ｌ３０の高さが所定位置になったと推定された場合、ファン８４が停止される。ファン８４が停止されると、図８に示す境界層Ｌ３は斜めの状態から、境界層Ｌ３０と同じように水平状態となり、図５に示す境界層Ｌ３０が上方に水平移動したような状態となる。

なお、仕切板８１の下端が、貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さよりも下側である場合、冷水を確保すべきエリアに仕切板８１の一部が存在することになる。この場合、仕切板８１の下端が貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さ以上であって、当該仕切板８１が冷水を確保すべきエリアに存在していない場合に比べて、境界層Ｌ３が仕切板８１の下端を回り込んで中央側へ流れ込み難くなる（より冷却が進む）。したがって、仕切板８１の下端が、貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さよりも下側である場合には、境界層Ｌ３０の厚みを増やさないで冷水層Ｌ２０の厚みを増やすことができる。換言すれば温水層Ｌ１を冷却して境界層Ｌ３を作り、その境界層Ｌ３をさらに冷却して冷水層Ｌ２を作ってから冷水層Ｌ２０に合流させるので、境界層Ｌ３０の厚みが増えることがない。

以上のとおり、本実施形態における貯湯ユニット２０では、貯湯タンク４０の側壁側と中央側とを仕切る仕切板８１が、当該貯湯タンク４０における少なくとも一部の側壁４０Ａの内表面と隙間Ｇを隔てて配置される。

このため、図６〜図８に示したように、仕切板８１と貯湯タンク４０との間における冷水は、当該貯湯タンク４０の中央に回り込むことなく速やかに下部へ移行する。すなわち、貯湯タンク４０の内表面上で対流が起こっても、貯湯タンク４０の中央への冷水の回り込みが抑止される。

このように貯湯ユニット２０は、貯湯タンク４０の外表面が冷却されても、仕切板８１によって貯湯タンク４０の中央へ回り込む冷水量を低減することができ、当該貯湯タンク４０の中央側の温度成層が崩れることを低減することができる。

なお、貯湯タンク４０の中央側の温度成層は、貯湯タンク４０の上部に貯蔵される、温水層Ｌ１と略同じ温度の温水層Ｌ１０と、貯湯タンク４０の下部に貯蔵される、冷水層Ｌ２と略同じ温度の冷水層Ｌ２０と、これら層間の、境界層Ｌ３と略同じ温度の境界層Ｌ３０とからなる。本願における仕切板８１がない場合には、この境界層Ｌ３０は、貯湯タンク４０の温水を蓄えておくエリア（温水層Ｌ１０）の外表面の冷却により貯湯タンク４０の中央に回り込む冷水量が多くなり、また厚くなるので、断熱材を巻いて該表面の冷却を防止しなければならない。また、境界層Ｌ３０の温度は、温水層Ｌ１０の温度と冷水層Ｌ２０の温度とのおおむね中間の温度となる。このため、境界層Ｌ３０の厚さが大きくなるほど発熱体１０の冷媒用又は水栓等の給湯用として用いられる貯湯タンク４０内の水量が低下する。

したがって、貯湯タンク４０の外表面の冷却により貯湯タンク４０の中央に回り込む冷水を抑止して貯湯タンク４０の中央側に貯蔵される貯水の温度成層が崩れることを断熱材の代わりに仕切板８１を用いて低減できることは、貯湯タンク４０に貯蔵される貯水を効率良く用いる観点では、特に有用となる。

また、本実施形態の制御器８５は、貯湯タンク４０に配置される温度センサ８５から得られる温度に基づいてファン８４を制御し、該貯湯タンク４０に貯蔵される温かい温水と冷たい冷水との間にある境界層Ｌ３０の高さを調整する。このため、より一段と温度成層が崩れることが低減される。

なお、図５〜図８は、温水層Ｌ１の温度を６０℃〜８０℃とし、冷水層Ｌ２の温度を１０℃として例示している。また、図５〜図８は、便宜上、仕切板８１における離間部位ＰＴ１及び当接部位ＰＴ２がない断面を示している。貯湯タンク４０の内表面の温水層Ｌ１と境界層Ｌ３との接点と、同じく境界層Ｌ３と冷水層Ｌ２との接点の２点間距離が、冷却時に温度層が斜めに形成されるために上下方向で長く貯湯タンクの側壁と接することで、境界層Ｌ３の体積の割合（＝Ｌ３／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ１０＋Ｌ２０＋Ｌ３０））に対して冷水層Ｌ２、冷水層Ｌ２０を構成する冷水を効率よく作ることができる。

ところで、上述したように、仕切板８１と貯湯タンク４０との間では仕切板８１側が冷水となる。このため、仕切板８１における離間部位ＰＴ１が対向する側壁部位の外面上に温度センサ８２が配置された場合、その温度センサ８２で測定される温度は、本来測定されるべき貯湯タンク４０の中央の温度に比べて異なった値となる。

これに対し、本実施形態の場合、図２に示したように、仕切板８１における当接部位ＰＴ２が対向する側壁部位の外面上に温度センサ８２が配置される。仕切板８１と貯湯タンク４０との間における冷水は、当該仕切板８１における当接部位ＰＴ２を避けるようにして下部へ移行するため、当該貯湯タンク４０内における当接部位ＰＴ２付近の水温は仕切板８１の中央側に貯蔵される水温と同程度となる。したがって、仕切板８１があっても、温度センサ８２に基づいて貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界層Ｌ３０の位置を推定する制御器８５の推定精度が劣化することを抑制することができる。

さらに、本実施形態の場合、当接部位ＰＴ２の上端には貯湯タンク４０の側壁４０Ａと直交する方向に平行な連結部位ＰＴ３が配置されているため、当該当接部位ＰＴ２の内側ではより一段と対流に起因する冷水の回り込みが低減されることになる。したがって、温度センサ８２の測定値を貯湯タンク４０の中央の温度に近づけることができる。

なお、本実施形態の場合、仕切板８１と貯湯タンク４０の側壁４０Ａとは同じ材質とされる。このため、仕切板８１と貯湯タンク４０の側壁４０Ａとが異なる材質である場合に比べて、仕切板８１の当接部位ＰＴ２が側壁４０Ａに溶接で固定された場合であっても、当該溶接部分の腐食を低減することができる。

（２）第２実施形態
次に、第２実施形態について図９及び図１０を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については特に説明する場合を除き同一の参照符号を付し、また重複する説明については省略する。

図９及び図１０に示すように、本実施形態の給湯システム１では、貯湯ユニット２０の貯湯タンク４０に配置される仕切板８１の配置態様が第１実施形態と異なる。

すなわち、第１実施形態では、円筒状の仕切板８１における離間部位ＰＴ１から切り出されて当接部位ＰＴ２が形成され、その当接部位ＰＴ２が貯湯タンク４０の側壁４０Ａに固定された。

これに対し本実施形態では、円筒状の仕切板８１の上端から下端にわたる外表面の一部分が当接部位ＰＴ２とされ、その当接部位ＰＴ２以外が離間部位ＰＴ１とされる。この当接部位ＰＴ２は、貯湯タンク４０の側壁４０Ａに寄せられて貯湯タンク４０の側壁４０Ａの内表面に固定される。すなわち、本実施形態における当接部位ＰＴ２は、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出されていない。

なお、本実施形態における仕切板８１は貯湯タンク４０の側壁４０Ａに寄せられているため、当該側壁４０Ａと仕切板８１の離間部位ＰＴ１との隙間Ｇは当接部位ＰＴ２から離れるほど大きくなっている。また、複数の温度センサ８２は、仕切板８１の当接部位ＰＴ２が対向される貯湯タンク４０の側壁部位の外表面上に、当該貯湯タンク４０の上部から下部にわたって間隔をあけて設けられる。

このようにして仕切板８１を貯湯タンク４０内に配置した貯湯ユニット２０であっても、上記第１実施形態の場合と同様に、貯湯タンク４０の中央へ回り込む水量が低減され、当該貯湯タンク４０に貯蔵される貯水の温度成層が崩れることが低減される。

また、上記第１実施形態の場合と同様に、仕切板８１における当接部位ＰＴ２が対向する貯湯タンク４０の側壁部位外面上に温度センサ８２が配置されるため、当該貯湯タンク４０内における当接部位ＰＴ２付近の水温は仕切板８１の中央側に貯蔵される水温と同程度となる。したがって、上記第１実施形態の場合と同様に、仕切板８１があっても、温度センサ８２に基づいて貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界層Ｌ３０の位置を推定する制御器８５の推定精度が劣化することを抑制することができる。

これに対し本実施形態の場合、上記第１実施形態の場合と異なり、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出すことがないため、その分だけ仕切板８１を簡易に得ることができる。

（３）第３実施形態
次に、第３実施形態について図１１を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一又は同等の構成要素については特に説明する場合を除き同一の参照符号を付し、また重複する説明については省略する。

図１１に示すように、本実施形態の給湯システム１では、貯湯ユニット２０の貯湯タンク４０に配置される仕切板８１の形状及び配置態様が第１実施形態と異なる。

これに対し本実施形態では、仕切板８１が楕円筒状とされる。また、この仕切板８１の楕円長軸方向の外表面における上端から下端にわたる一部分が当接部位ＰＴ２とされ、当接部位ＰＴ２以外が離間部位ＰＴ１とされる。これら当接部位ＰＴ２が貯湯タンク４０の側壁４０Ａに固定される。すなわち、本実施形態における当接部位ＰＴ２は、上記第２実施形態と同様に、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出されていない。

なお、本実施形態における仕切板８１は楕円筒状とされているため、貯湯タンク４０の側壁４０Ａと仕切板８１の離間部位ＰＴ１との隙間Ｇは当接部位ＰＴ２から離れるほど大きくなっている。また、複数の温度センサ８２は、上記第２実施形態と同様に、仕切板８１の当接部位ＰＴ２が対向される貯湯タンク４０の側壁部位の外表面上に、当該貯湯タンク４０の上部から下部にわたって間隔をあけて設けられる。

このようにして仕切板８１を貯湯タンク４０内に配置した貯湯ユニット２０であっても、上記実施形態の場合と同様に、貯湯タンク４０の中央へ回り込む水量が低減され、当該貯湯タンク４０に貯蔵される貯水の温度成層が崩れることが低減される。

また、上記実施形態の場合と同様に、仕切板８１における当接部位ＰＴ２が対向する貯湯タンク４０の側壁部位外面上に温度センサ８２が配置されているため、当該貯湯タンク４０内における当接部位ＰＴ２付近の水温は仕切板８１の中央側に貯蔵される水温と同程度となる。したがって、上記実施形態の場合と同様に、仕切板８１があっても、温度センサ８２に基づいて貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界層Ｌ３０の位置を推定する制御器８５の推定精度が劣化することを抑制することができる。

また、上記第２実施形態の場合と同様に、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出すことがないため、その分だけ仕切板８１を簡易に得ることができる。

（４）第４実施形態
次に、第４実施形態について図１２を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一又は同等の構成要素については特に説明する場合を除き同一の参照符号を付し、また重複する説明については省略する。

図１２に示すように、本実施形態の給湯システム１では、貯湯ユニット２０の貯湯タンク４０に配置される仕切板８１の形状及び配置態様が第１実施形態と異なる。

これに対し本実施形態では、貯湯タンク４０の側壁４０Ａに沿うような円弧状の仕切板８１が用いられる。この仕切板８１では、貯湯タンク４０の高さ方向に対応する方向の端部が円弧外側へ折り曲げられて突出部９１が形成される。この突出部９１の先端部位が当接部位ＰＴ２とされる。

また、この仕切板８１では、貯湯タンク４０の上部側に位置される一端から貯湯タンク４０の下部側に位置される下端までにわたって、円弧外側へ突出する断面矩形状の凸部９２が所定間隔ごとに形成される。これら凸部９２の先端部分が当接部位ＰＴ２とされる。

このような仕切板８１では、突出部９１と凸部９２との間、及び、貯湯タンク４０の周方向に沿って隣接する凸部９２間が離間部位ＰＴ１とされ、当該突出部９１及び凸部９２の当接部位ＰＴ２は、上記実施形態と同様に貯湯タンク４０の側壁４０Ａに固定される。なお、この当接部位ＰＴ２は、上記第２実施形態及び上記第３実施形態と同様に、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出されていない。

なお、本実施形態の仕切板８１の形成方法としては、例えば、図１３に示すように、貯湯タンク４０の側壁４０Ａの厚さよりも小さい厚さでなる１枚の弾性性を有する板材に対してプレス加工を施すことにより突出部９１及び凸部９２を形成する。また、このような仕切板８１を貯湯タンク４０に取り付ける取付方法としては、突出部９１及び凸部９２を形成した仕切板８１を湾曲させた状態で貯湯タンク４０内に挿入した後に、当該突出部９１及び凸部９２の先端部分を貯湯タンク４０の内壁面に溶接等により固定する。突出部９１及び凸部９２を形成した仕切板８１を湾曲させた状態で貯湯タンク４０内に挿入した場合、当該仕切板８１は弾性力により貯湯タンク４０の内壁面側に広がって突出部９１及び凸部９２の先端部分が貯湯タンク４０の内壁面に密着する。したがって、貯湯タンク４０の内壁面に対する突出部９１及び凸部９２の先端部分の位置ずれが生じ難く、当該先端部分を貯湯タンク４０の内壁面に簡易に固定することができる。

また、本実施形態では、仕切板８１が対向されていない貯湯タンク４０の側壁外面上に温度センサ８２が配置されるため、当該貯湯タンク４０内における当接部位ＰＴ２付近の水温は仕切板８１の中央側に貯蔵される水温と同程度となる。したがって、上記実施形態の場合と同様に、仕切板８１があっても、温度センサ８２に基づいて貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界層Ｌ３０の位置を推定する制御器８５の推定精度が劣化することを抑制することができる。

また、上記第２実施形態及び第３実施形態の場合と同様に、仕切板８１の離間部位ＰＴ１から切り出すことがないため、その分だけ仕切板８１を簡易に得ることができる。

（５）変形例
上記実施形態が例として説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。

上記実施形態では、境界層Ｌ３０の高さが貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さを下回ってから、貯湯タンク４０の高さ方向における所定位置に推移するまで駆動されるファン８４の送風量が一定とされた。しかしながら、ファン８４の送風量は可変とされても良い。例えば、貯湯タンク４０と仕切板８１との間の境界層Ｌ３における最も下側となる部位が仕切板８１の下端よりも高くなるまでのファン８４の送風量が、当該部位が仕切板８１の下端よりも高くなった以降のファン８４の送風量よりも小さくされると良い。このようにすれば、貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さよりも上方に仕切板８１の下端が位置している場合であっても、境界層Ｌ３が仕切板８１の下端を回り込んで中央側へ流れ込むことを抑制することができる。したがって、仕切板８１の下端が、貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さよりも下側である場合と同様に、境界層Ｌ３０の厚みを増やさないで冷水層Ｌ２０の厚みを増やすことができる。
すなわち、ファン８４の送風量を小さくすると、斜めに形成されている境界層Ｌ３の角度が浅くなる。第１実施形態のように、貯湯タンク４０の下端でさらに冷却することで仕切板８１の下端を回り込んで境界層Ｌ３０に合流する境界層Ｌ３の量を少なくするのではなく、境界層Ｌ３の傾きを浅くして、仕切板８１の下端を回り込む境界層Ｌ３の量を少なくしつつ、仕切板８１の下端を回り込む境界層Ｌ３が冷水層Ｌ２になった時点で送風量を増やすものである。これも上記実施形態と同様に温水層Ｌ１を冷却して境界層Ｌ３を作り、その境界層Ｌ３をさらに冷却して冷水層Ｌ２を作ってから冷水層Ｌ２０に合流させている。
なお、上記実施形態の貯湯タンク４０において確保されるべき冷水の高さよりも下回った位置にまで伸延されていた仕切版８１の構造において、変形例のファン８４の制御を組み合わせることで、冷却開始初期において境界層Ｌ３の傾きを浅くすることで、より仕切版８１下端を回り込む境界層Ｌ３の量を少なくするようにしても良い。

また上記実施形態では、温度センサ８２が、貯湯タンク４０の側壁４０Ａの内表面と隙間Ｇを隔てて対向される仕切板８１の離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上に配置された。しかしながら、仕切板８１の離間部位ＰＴ１が配置される側壁部位の外表面上に温度センサ８２を設け、制御器８５が、当該温度センサ８２から出力される信号に基づいて、離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上の温度を推定するようにしても良い。
このようにした場合、貯湯タンク４０の外周面上において温度センサ８２を配置すべき自由度を向上することができる。このため、貯湯タンク４０における側壁４０Ａの外周面上で温度センサ８２の配置制限があっても、当該温度センサ８２に基づいて貯湯タンク４０に貯蔵される温水と冷水との境界層Ｌ３０の位置を精度よく推定することができる。
なお、制御器８５の推定手法としては、例えば、仕切板８１の離間部位ＰＴ１が配置される側壁部位の外表面上の温度と、当該離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上の温度との相関を示す関係式を用いて、離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上の温度を得る手法がある。別例として、仕切板８１の離間部位ＰＴ１が配置される側壁部位の外表面上の温度と、当該離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上の温度との相関を示す表を参照し、離間部位ＰＴ１が配置されていない側壁部位の外表面上の温度を得る手法がある。

また上記第２実施形態〜第４実施形態では、仕切板８１の離間部位ＰＴ１に開口ＯＰが形成されなかったが、上記第１実施形態と同様に開口ＯＰが形成されていても良い。

上述の仕切板８１の形状及び配置態様並びに温度センサ８２の配置態様は、上記実施形態若しくは変形例に示された内容以外に限定されず、本発明の目的を達せできる範囲内において、適宜、省略、変更、周知技術の付加などできる。

また上記実施形態では、配管４２及び出湯管６２の２つの配管の一端が貯湯タンク４０の上部に接続され、配管４１及び給水管６１の２つの配管の一端が貯湯タンク４０の下部に接続された。しかしながら、例えば図１４に示すように、貯湯タンク４０の上部及び下部に一端が接続される配管は１つであっても良い。この図１４では、貯湯タンク４０の下部に一端が接続される給水管１０１は所定部位で２方向に分岐し、その分岐部の一方の端部は発熱体１０に接続されるとともに、当該分岐部の他方は貯湯ユニット２０外部の図示しない給水配管に接続される。同様に、貯湯タンク４０の上部に一端が接続される出湯管１０２は所定部位で２方向に分岐し、その分岐部の一方の端部は発熱体１０に接続されるとともに、当該分岐部の他方は潜熱熱交換器５５Ａの入力口に接続される。なお、図１に示した貯湯タンク４０の上部だけが出湯管１０２とされても良く、当該貯湯タンク４０の下部だけが給水管１０１とされても良い。

また上記実施形態では、貯湯タンク４０において仕切板８１が設けられてない側の一端部位の外表面側に何ら部材が設けられていなかったが、当該外表面側に断熱部材が設けられていても良い。

本発明は、家庭用又は業務用の給湯器を扱う分野などにおいて利用可能性がある。

１……給湯システム
１０……発熱器
２０……貯湯ユニット
３０……放熱器
４０……、貯湯タンク
５０……熱源器
７１……戻り配管
７２……往き配管
７３……循環ポンプ
８１……仕切板
８２……温度センサ
８３……断熱部材
８４……ファン
８５……制御器

Claims

貯湯タンクと、
前記貯湯タンクにおける少なくとも一部の側壁の内表面と隙間を隔てて配置され、前記貯湯タンクの側壁側と中央側とを仕切る仕切板と、
前記側壁の内表面と隙間を隔てて前記仕切板が配置される側壁部位の外表面上に配置される温度センサと、
前記貯湯タンクの外表面と間隔をあけて前記貯湯タンクを囲む部材と、
前記貯湯タンクと前記部材との間に介在する空気を前記部材の外側に送り出すファンと、
前記温度センサ及び前記ファンに接続される制御器と
を備え、
前記制御器は、前記温度センサから得られる温度に基づいて前記ファンを制御し、前記貯湯タンクに貯蔵される温かい水と冷たい水との間にある境界層の高さを調整する
ことを特徴とする貯湯ユニット。
前記制御器は、
前記貯湯タンクにおいて確保されるべき前記冷たい水の高さとして設定される値よりも、前記温度に基づいて予測される前記境界層の高さが低い場合、前記ファンを駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の貯湯ユニット。
前記制御器は、
前記温度に基づいて予測される前記境界層の高さに応じて、前記ファンの送風量を可変する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貯湯ユニット。
前記制御器は、
前記貯湯タンクと前記仕切板との間の前記境界層の最も下側となる部位が前記仕切板の下端よりも高くなるまでの前記ファンの送風量を、当該部位が前記仕切板の下端よりも高くなった以降の前記ファンの送風量よりも小さくする
ことを特徴とする請求項３に記載の貯湯ユニット。