JP7069452B2 - 給湯ユニットおよび給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源の熱を利用した給湯ユニットおよび給湯システムに関するものである。

従来より、例えば発電機等で発生する熱を有効に利用するコジェネレーションシステム等が提案されている。図４は、従来のコジェネレーションシステム１の全体構成を示す図である。図に示すように、コジェネレーションシステム１は、電気と熱を発生する発電装置１００と、湯水を貯える貯湯装置２００（貯湯タンク３０７）と、貯湯装置２００（貯湯タンク３０７）と発電装置１００との間で熱交換器６を介して湯水を循環させて発電装置１００の排熱を回収する熱回収循環回路７等を備える。

発電装置１００は、主に、燃料電池１１、水素生成装置２、空気供給装置３、冷却水循環回路４、冷却水ポンプ５、熱交換器６、熱回収循環回路７、熱回収循環ポンプ８、電力変換装置９、制御装置１０、冷却温度センサ１３、及び余剰電力消費ヒータ１４等を備えている。

燃料電池１１は、水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池１１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち燃料極（アノード）と空気極（カソード）を複数積層し構成される。アノード及びカソードは、例えば、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層から構成される。燃料電池１１としては、例えば、固体高分子形やリン酸形、固体酸化物形などが用いられる。

燃料電池１１のアノードには、還元剤ガス供給経路１５の下流端が接続されている。還元剤ガス供給経路１５の上流端は、水素生成装置２に接続されている。これにより、水素生成装置２で生成された水素を多く含む還元剤ガスがアノードに供給される。なお、水素生成装置２は、燃料電池１１の発電に必要な水素を多く含む還元剤ガスを、都市ガスなどの炭化水素系原料に水蒸気を添加し、改質反応させて生成する。

燃料電池１１のカソードには、酸化剤ガス供給経路１６の下流端が接続されている。酸化剤ガス供給経路１６の上流端は、空気供給装置３に接続されている。これにより、空気供給装置３からカソードに酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、主に空気が用いられる。空気供給装置３としては、例えば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。

冷却水循環回路４には、冷却水ポンプ５、冷却温度センサ１３、燃料電池１１、余剰電力消費ヒータ１４、および熱交換器６が接続されている。燃料電池１１には、冷却水ポンプ５を駆動させることで、冷却水循環回路４を通じて冷却水を供給する。これにより、燃料電池１１の発電により発生する熱が除去される。冷却水は、燃料電池１１で加熱されたあと、熱交換器６により湯水に熱を伝達して冷却され、再び燃料電池１１へと供給される。余剰電力消費ヒータ１４は、発電により余った電力を熱にして消費するものであり、配管内に挿入され直接的に冷却媒体を加熱してもよく、配管外に設置され間接的に冷却媒体を加熱してもよい。

熱回収循環回路７は、貯湯タンク３０７の下部から貯湯タンク３０７の上部へと接続されている。また熱回収循環回路７の途中には熱回収循環ポンプ８が接続され、熱回収循環回路７は、熱交換器６から貯湯タンク３０７までの熱回収往き管路７ａと貯湯タンク３０７から熱交換器６までの熱回収戻り管路７ｂとで形成される。熱回収循環回路７に設けられている熱回収温度センサ１９ａによって、発電装置１００で排熱を回収して貯湯タンク３０７へ貯えられる湯水の温度が検出される。また、熱回収循環回路７に設けられている熱回収温度センサ１９ｂによって、貯湯タンク３０７から流出して発電装置１００に供給される湯水の温度が検出される。熱回収温度センサ１９ａ、１９ｂの検出データは、制御装置１０に伝達され、記憶部に記憶される。なお、熱回収および貯湯タンク３０７における熱貯留の詳細については後述する。

電力変換装置９は、燃料電池１１で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に供給する。電力変換装置９の一方側は、直流電力経路１７を介して、燃料電池１１と接続されている。また、電力変換装置９の他方側は、交流電力経路１８を介して、家庭の電化製品などの電力負荷（不図示）、商用電源（不図示）に接続されている。また交流電力経路１８には、自動電源切替器（不図示）が接続されている。この自動電源切替器は、停電が発生すると、電力の供給先を商用電源から停電時専用の停電時専用コンセント（不図示）に自動で切り替える。

貯湯装置２００は、蓄熱された貯湯タンク３０７内の湯水を給湯、風呂、暖房等に利用することができる。貯湯装置２００は、給湯機能と風呂の追い焚き機能と暖房機能とを備えており、暖房端末５０（５０ａ～５０ｃ）と浴槽２７とを熱的に接続して形成されている。暖房端末５０（５０ａ～５０ｃ）に液体（例えば温水）を循環させる暖房回路２１は、貯湯装置２００の筐体内に設けられた管路８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９と、貯湯装置２００の外部に設けられた管路４０，４１，４４，４５，５９とを有している。

管路４０は管路９７に接続され、管路４１，４４は液体合流手段３５と管路５９と介して管路９５に接続され、管路４５は液体分岐手段３７を介して管路９０に接続されている。管路４０，４１には、暖房端末５０ａの内部通路５１が接続され、管路４４，４５には、暖房端末５０ｂ，５０ｃの内部通路５２がそれぞれ接続されている。暖房端末５０ｂ，５０ｃは例えば温水マット等の低温暖房端末である。暖房端末５０ａは予め定められる高温暖房設定温度（例えば８０℃）の液体が供給される浴室暖房機等の高温暖房端末である。暖房端末５０ａには熱動弁５３が設けられている。なお、液体分岐手段３７と液体合流手段３５には、必要に応じ、同図に示している以外の暖房端末を接続することができる。

暖房回路２１には、この暖房回路２１に液体を循環させる暖房循環ポンプ２６と、この暖房循環ポンプ２６の駆動により循環する液体を加熱する暖房用熱交換器２８（暖房潜熱熱交換器２８ａ，暖房顕熱熱交換器２８ｂ）が設けられている。暖房潜熱熱交換器２８ａの液体導入側には管路９５が、液体導出側には管路９４がそれぞれ接続されており、暖房顕熱熱交換器２８ｂの液体導入側には管路９１が、液体導出側には管路９２がそれぞれ接続されている。管路９２には、暖房高温温度センサ３３が設けられており、暖房顕熱熱交換器２８ｂから出る液体の温度を検出する。

また、管路９１は、暖房循環ポンプ２６の吐出側に、管路９０と共に接続されており、管路９１には、暖房顕熱熱交換器２８ｂに導入される液体の温度を検出する暖房低温温度センサ３６が設けられている。また、暖房循環ポンプ２６の吸入口側には管路９３が接続されており、管路９３と管路９４との間にはシスターン装置６０が介設されている。シスターン装置６０の上部には、補給水電磁弁６１が設けられ、この補給水電磁弁６１には、給水通路１０１ａから分岐された補給水通路５７が接続されている。補給水電磁弁６１が開弁状態に切替わると、補給水通路５７を介してシスターン装置６０に補給水が供給される。

暖房用熱交換器２８（暖房潜熱熱交換器２８ａ，暖房顕熱熱交換器２８ｂ）は、それぞれ、燃焼室２４内に設けられており、燃焼室２４には、暖房用熱交換器２８と共に、暖房用熱交換器２８を加熱するバーナ４６と、このバーナ４６の燃焼の給排気を行なう燃焼ファン４８とが設けられている。また、燃焼室２４と連通して燃焼室２５が設けられ、燃焼室２５内には、バーナ４７と、このバーナ４７により加熱される給湯用熱交換器２９（２９ａ，２９ｂ）とが設けられている。

バーナ４６，４７には、それぞれのバーナ４６，４７に燃料を供給するガス管３１，３２が接続されている。これらのガス管３１，３２は、ガス管３０から分岐形成されており、ガス管３０には、ガス開閉弁８０が介設されている。また、ガス管３１には、ガス比例弁８６とガス開閉弁８１，８２，８３，８４，８５がそれぞれ介設されている。これらの弁８０～８６はいずれも電磁弁により形成されており、ガス開閉弁８０～８５は、対応するバーナ４６，４７への燃料供給・停止を制御し、ガス比例弁８６は、バーナ４６，４７への供給燃料量を弁開度でもって制御する。なお、バーナ４６，４７の燃焼制御は、制御装置１０によって、適宜の制御方法により制御される。

給水系通路１０１は、上水源から低温の上水を貯湯タンク３０７に供給するものであり、給水通路１０１ａ、給水通路１０１ｂを有する。給水通路１０１ａは上水源と接続され、給水通路１０１ｂは給水通路１０１ａから分岐して貯湯タンク３０７の下部と接続されている。給水通路１０１ａには、流量センサ１０２、給水温度センサ１０３、減圧弁１０４、混合弁１０５が設けられ、給水通路１０１ｂには、逆止弁１０７が設けられている。

給湯系通路２０１は、貯湯タンク３０７に貯えられた湯水を給湯栓等の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる給湯通路２０１ａと、低温の上水と高温の湯水が混合した混合湯水が流れる給湯通路２０１ｂと、給湯栓等の給湯先に接続されている給湯通路２０１ｃと、からなる。給湯通路２０１ａには、給湯温度センサ２０２、混合弁２０３が設けられている。この混合弁２０３と、低温の上水が流れる給水通路１０１ａに設けられた混合弁１０５と、により低温の上水と高温の湯水の混合量が調整され、混合湯水として給湯通路２０１ｂを流れ、給湯用熱交換器２９ａに導入される。給湯通路２０１ｂには、給湯通路２０１ｂを流れる湯水の流れを検出する流量センサ７３と、湯水の温度を検出する混合湯水温度センサ７４が設けられている。また、給湯用熱交換器２９ｂの出口側には給湯通路２０１ｃが設けられており、湯水が給湯通路２０１ｃを流れて給湯栓等の給湯先に導かれる。給湯通路２０１ｃは、分岐通路７０と湯水経路切替弁５８を介して給湯通路２０１ｂと接続されている。また給湯通路２０１ｃには、分岐通路７０の分岐部よりも下流側に出湯温度センサ１１３が設けられ、給湯用熱交換器２９側に缶体温度センサ１１４が設けられている。

浴槽２７には、風呂往き管６３ａと風呂戻り管６３ｂを有する追い焚き循環回路６３が接続されており、この追い焚き循環回路６３は、熱交換手段（液―液熱交換器）としての風呂熱交換器６７を介して、暖房回路２１と熱的に接続されている。なお、暖房回路２１の風呂熱交換器６７を形成する管路８９には、風呂熱交換器６７の入口に追い焚き流量制御弁３８が設けられている。追い焚き循環回路６３には、浴槽湯水を循環させる風呂循環ポンプ６８が設けられ、風呂熱交換器６７は、この風呂循環ポンプ６８を駆動することによって追い焚き循環回路６３を循環する浴槽湯水を加熱する熱交換器と成る。

また、追い焚き循環回路６３には、風呂往き管６３ａへ流れる湯水の温度を検出する風呂往き温度センサ６４ａと、風呂戻り管６３ｂから流れてくる湯水の温度を検出する風呂戻り温度センサ６４ｂと、浴槽湯水の水位を検出する水位センサ６５と、追い焚き循環回路６３の水流を検知する風呂水流スイッチ６６とが介設されている。風呂循環ポンプ６８の吸入口側に、風呂戻り管６３ｂの一端側が接続され、風呂戻り管６３ｂの他端側が循環金具５６を介して浴槽２７に連通接続されている。風呂循環ポンプ６８の吐出口側には、風呂往き管６３ａの一端側が接続され、風呂往き管６３ａの他端側は循環金具５６を介して浴槽２７に連通接続されている。

また給湯通路２０１ｃには、分岐通路７０の形成部および出湯温度センサ１１３の配設部よりも下流側に、管路５４を介して出湯水ユニット５５が接続されている。出湯水ユニット５５には出湯通路２３の一端側が接続され、出湯通路２３の他端側は、風呂循環ポンプ６８に接続されている。出湯水ユニット５５には、湯張り電磁弁４２、逆止弁４３ａ，４３ｂ、湯張り水量センサ４９が設けられている。なお、給湯用熱交換器２９から給湯通路２０１ｃと管路５４、出湯水ユニット５５、出湯通路２３、風呂循環ポンプ６８、風呂熱交換器６７、風呂往き管６３ａを順に通って浴槽２７に至るまでの通路によって、湯張りや注水を行うための湯張り注水通路が構成される。

暖房端末５０の暖房運転を行うときには、バーナ４６によって暖房用熱交換器２８を加熱し、暖房循環ポンプ２６を駆動させる。これにより、暖房回路２１の液体が図４の矢印Ｎ～Ｔに示すように循環する。つまり、管路９５から暖房潜熱熱交換器２８ａに導入されて暖房潜熱熱交換器２８ａで加熱された液体は、シスターン装置６０を通り、管路９３を通って暖房循環ポンプ２６に導入される。

そして、液体分岐手段３７の熱動弁３９が開いている状態においては、液体は暖房循環ポンプ２６の吐出側から管路９０側と管路９１側とにそれぞれ流れ、管路９０側に流れた液体は、管路９０，４５を順に通って暖房端末５０ｂ，５０ｃに導入される。また、暖房循環ポンプ２６の吐出側から管路９１側に導入された液体は、管路９１を通って暖房顕熱熱交換器２８ｂに導入され、暖房顕熱熱交換器２８ｂよりさらに加熱されて高温（例えば８０℃程度）とされた後、管路９２に導入される。

この管路９２を通った液体は、暖房端末５０ａの熱動弁５３が開いている状態においては、管路９７側と管路８９側とにそれぞれ流れ、管路８９側（風呂熱交換器６７側）に流れた液体は、管路９６を通り、管路９５に戻る。また、管路９７側に流れた液体は、管路４０を通って暖房端末５０ａに導入される。そして、各暖房端末５０ａ～５０ｃに導入された液体は、対応する管路４１，４４と液体合流手段３５を通り、管路９５に戻る（以降、管路９５を「暖房戻り管路」と呼ぶ場合がある）。なお、熱動弁５３，３９が閉じている場合には、その熱動弁５３，３９に接続されている暖房端末５０側への液体の流れ（管路９０，４５を通しての暖房端末５０ｂ，５０ｃへの流れや管路９７，４０を通しての暖房端末５０ａへの流れ）は停止される。

また、例えばリモコン装置（不図示）からの浴槽湯水の追い焚き指令を受けると、風呂循環ポンプ６８を駆動させる。これにより、暖房回路２１内の液体が風呂熱交換器６７を介して循環するとともに、追い焚き循環回路６３内の浴槽湯水が図４の矢印Ｕに示すように循環する。この浴槽湯水と暖房回路２１を通る液体とを風呂熱交換器６７を介して熱交換することにより浴槽２７内の湯水の追い焚き動作が行われる。この追い焚き動作中には、暖房高温温度センサ３３の温度が設定温度（例えば８０℃）となるようにバーナ４６の燃焼を行いながら、図示しない風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となるまで、暖房回路２１内の液体と追い焚き循環回路６３内の浴槽湯水とをそれぞれ循環させる。なお、風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となったら、バーナ４６の燃焼を停止し、暖房循環ポンプ２６と風呂循環ポンプ６８は、予め定められたポストポンプ時間経過後に停止する。

さらに、浴槽２７への湯張り（自動湯張り動作）を行うときには、バーナ４７の燃焼によって給湯用熱交換器２９を通る水を加熱し、湯張り注水通路を通して湯を浴槽２７に注ぐ。そして、この自動湯張り後、例えば４時間といった保温動作時間中には、風呂温度センサの検出温度を監視し、この検出温度が予め設定される風呂設定温度より予め定められている許容範囲を超えて低下したときには、前記の追い焚き動作を例えば３分間行い、風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となるようにする保温モードの機能の動作が行われる。

制御装置１０は、上述したコジェネレーションシステム１を構成する各機器を制御する。制御装置１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される制御部、各制御動作を実行するためのプログラムや制御パラメータを格納した、メモリ等から構成される記憶部、タイマ等を備えている。そして、制御装置１０は、制御部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、コジェネレーションシステム１の各種動作を制御する。

次に、前述したコジェネレーションシステム１で使用される給湯システムについて詳細に説明する。図５は、一例として、従来の給湯システム３００を示す概略図である。なお、図５において、低温側配管３０９、高温側配管３１１は、図４における熱回収戻り管路７ｂ、熱回収往き管路７ａにそれぞれ対応する。また、図５において、給湯配管３１３、給水配管３１５は、それぞれ、図４における給湯通路２０１ａ、給水通路１０１ｂに対応する。また、図５における熱源３０５は図４における発電装置１００に対応する。給湯システム３００は、給湯ユニット３０３と熱源３０５とからなる。熱源３０５は、例えば発電機等であり、発電時に熱が発生する。

給湯ユニット３０３は貯湯タンク３０７がケース３１７内に配置される。貯湯タンク３０７の下部には、給水配管３１５が接続される。給水配管３１５へ水を送水すると（図中矢印Ｇ）、貯湯タンク３０７の下部から、貯湯タンク３０７の内部へ低温の水を給水可能である（図中矢印Ｈ）。

また、貯湯タンク３０７の下部には、低温側配管３０９が接続され、貯湯タンク３０７の上部には高温側配管３１１が接続される。低温側配管３０９と高温側配管３１１は熱源３０５で接続され、低温側配管３０９または高温側配管３１１に接続されたポンプによって、熱源３０５に水が循環する。すなわち、貯湯タンク３０７から低温側配管３０９を介して熱源３０５に低温の水が熱源３０５に送られ（図中矢印Ｉ）、熱源３０５において、水と熱源３０５との熱交換が行われて、配管内の水が昇温する。すなわち、低温側配管３０９内の水によって、熱源３０５を冷却することができる。熱源３０５で得られた高温の湯は、高温側配管３１１を介して貯湯タンク３０７に送られる（図中矢印Ｊ）。

このように、貯湯タンク３０７には、下方から低温の水が給水され、上部には高温の湯が戻るため、貯湯タンク３０７の内部には、上部には高温の湯が貯留し、下部には低温の水が貯留する。すなわち、貯湯タンク３０７の内部には、温度境界層が存在する。なお、貯湯タンク３０７には、所定の水位毎に、温度センサ２２ａ～２２ｅが配置され、貯湯タンク３０７内における湯温と境界層の位置を把握することができる。高温の湯を利用する際には、貯湯タンク３０７の上部に接続された給湯配管３１３から高温の湯を出湯し（図中矢印Ｋ）、混合器３２５を介して、外部へ給湯が可能である（図中矢印Ｌ）。この際、高温の湯の温度はタンク出口サーミスタ３２１で測温され、低温の水の温度は、給水サーミスタ３２９で測温される。これらを設定された温度となるように混合器３２５で混合する。なお、給湯温度は、混合サーミスタ３３１で測温される。

ここで、貯湯タンク３０７の内部に高温の湯を貯めるためには、熱源３０５との熱交換が必要である。しかし、熱源３０５の稼働状況によっては、効率良く湯をためることができない。例えば、多くの湯を利用する際に熱源３０５が稼働していないと、湯を使い切ることとなり、他の昇温装置が必要となる。また、熱源３０５が稼働し続けた際に、湯の利用がないと、熱源３０５へ低温の水が送られず、熱源３０５の冷却が不十分となり、他の冷却経路が必要となり、熱源３０５の熱を有効に利用することができなくなる。

このような熱源３０５の稼働と湯の利用のタイミングのずれを吸収して、効率良く熱源３０５の熱を利用するためには、貯湯タンク３０７の容量を大きくする必要がある。しかし、貯湯タンク３０７の大型化は、設置スペースやコストなどにより制約がある。これに対し、配管の容量を貯湯タンク３０７の容量として利用する方法がある。しかし、このように配管の容量を大きくすると、例えば給湯配管３１３内の湯が冷却されて温度が下がる。このため、出湯直後の給湯温度が安定しなくなる恐れがある。

たとえば、給湯初期の配管内の比較的低温の湯が流れる場合と、貯湯タンク３０７内の高温の湯が流れる場合とで、所定の温度の湯を得るための水と湯の混合比が異なる。したがって、給湯配管３１３内の湯の温度が安定するまでの間は、温度調整が間に合わず、温度変化が大きくなる。

このような配管内の湯の温度低下を避けるため、配管の外周に、他の熱源で加熱した湯を循環させる方法がある（例えば特許文献１）。

特開昭６０－２１６１４３号公報

しかし、特許文献１のように、別途の熱源を用いたのでは、熱源３０５の熱を有効に利用しているとはいえず、給湯システム自体も複雑化する。また、循環させる湯を貯めるシスターンが必要となるため、設備も大型化する。

本発明は、前述した観点に鑑みてなされたものであり、給湯初期から安定した温度調整が可能であり、簡易な構造でコンパクトな給湯ユニットおよび給湯システムを提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、湯を貯留可能な貯湯タンクと、前記貯湯タンクの上方に接続され、熱源からの高温の湯を前記貯湯タンクに戻す高温側配管と、前記貯湯タンクの下方に接続され、熱源へ低温の水を送る低温側配管と、前記貯湯タンクの上方に接続され、前記貯湯タンクの高温の湯を用いて給湯する給湯配管と、前記貯湯タンクの下方に接続され、前記貯湯タンクへ給水する給水配管と、を具備し、前記高温側配管と、前記給湯配管とが近接して、前記高温側配管内の湯と、前記給湯配管内の湯との熱交換が可能であることを特徴とする給湯ユニットである。

前記低温側配管と、前記給水配管とが近接して、前記低温側配管内の水と、前記給水配管内の水との熱交換が可能であってもよい。

前記貯湯タンクの周囲には、断熱材が配置され、前記断熱材の外周部の一部に切欠き部が形成され、前記高温側配管と前記給湯配管とが前記切欠き部に配置され、前記切欠き部を塞ぐ断熱片によって、前記高温側配管と前記給湯配管とが、互いに押圧されて近接してもよい。

前記高温側配管と前記給湯配管との少なくとも一部が２重管で構成されてもよい。

第１の発明によれば、高温側配管と給湯配管とが近接して、高温側配管内の湯と、給湯配管内の湯との熱交換が可能であるため、給湯配管内の湯も貯湯タンク内の湯として利用することができる。このため、貯湯タンクを大きくしたのと同様の効果を得ることができる。また、給湯配管内の湯の温度が下がることが抑制されるため、給湯初期から安定した温度で給湯を行うことができる。

また、さらに低温側配管と給水配管とが近接して、低温側配管内の水と、給水配管内の水との熱交換が可能であれば、低温側配管内の温度変動を抑えることができ、熱源を効率良く冷却することができる。

また、高温側配管と給湯配管とを断熱材の切欠き部に配置し、切欠き部を塞ぐ断熱片によって、高温側配管と給湯配管とを互いに押圧して近接することで、効率良く高温側配管と給湯配管との熱交換を行うことができる。

また、高温側配管と給湯配管との少なくとも一部を２重管で構成することで、効率良く高温側配管と給湯配管との熱交換を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明にかかる給湯ユニットと、熱源と、を具備し、前記貯湯タンクの湯を利用可能な給湯システムであって、前記低温側配管によって、前記貯湯タンク内の低温の水が前記熱源へ送られ、前記高温側配管によって、前記熱源からの高温の湯が前記貯湯タンクに戻されることを特徴とする給湯システムである。

前記熱源は、発電装置であり、前記給湯システムは、コジェネレーションシステムであってもよい。

第２の発明によれば、熱源の熱を有効に利用することが可能でありコンパクトな給湯システムを得ることができる。特に、熱源が発電装置であれば、効率良く熱を利用可能なコジェネレーションシステムを得ることができる。

本発明によれば、給湯初期から安定した温度調整が可能であり、簡易な構造でコンパクトな給湯ユニットおよび給湯システムを提供することができる。

給湯システム４００を示す概略図。 図１のＭ－Ｍ線断面概略図であって、（ａ）は断熱片３３５を取り外した状態を示す図、（ｂ）は断熱片３３５を取り付けた状態を示す図。 給湯システム４００ａを示す概略図。 従来のコジェネレーションシステム１の全体構成を示す図。 従来の給湯システム３００を示す概略図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態にかかる給湯システムについて説明する。図１は、給湯システム４００の構成を示す概略図である。給湯システム４００は、主に、給湯ユニット４０３と熱源３０５とからなる。熱源３０５は、例えば燃料電池などの発電装置であり、この場合には、給湯システム４００は、前述したコジェネレーションシステム１の一部となる。なお、給湯システム４００を利用したコジェネレーションシステムの構成については、図４と同様であるため、重複する説明を省略する。この場合、前述したのと同様に、図１において、低温側配管３０９、高温側配管３１１は、図４における熱回収戻り管路７ｂ、熱回収往き管路７ａにそれぞれ対応する。また、図１において、給湯配管３１３、給水配管３１５は、それぞれ、図４における給湯通路２０１ａ、給水通路１０１ｂに対応する。また、図１における熱源３０５は図４における発電装置１００に対応する。なお熱源３０５としては、エンジン発電機や太陽光温水器の受光部等であってもよい。すなわち、熱源３０５は、内部を循環する水と熱交換を行い、水を昇温させることができればいずれの装置であってもよい。

給湯ユニット４０３は貯湯タンク３０７がケース３１７内に配置される。なお、ケース３１７内であって、貯湯タンク３０７および配管等の周りには、図示を省略した断熱材が配置される。すなわち、各配管と貯湯タンク３０７との間には断熱材が配置される。これにより、貯湯タンク３０７と各配管との間の熱交換が抑制される。また、ケース３１７の外部に露出する各配管は、図示を省略した断熱材で覆われる。

貯湯タンク３０７の下方には、給水配管３１５が接続される。給水配管３１５へ水を送水すると（図中矢印Ａ）、貯湯タンク３０７の下部から、貯湯タンク３０７の内部へ低温の水を給水可能である（図中矢印Ｂ）。

また、貯湯タンク３０７の下方には、低温側配管３０９が接続される。低温側配管３０９は、熱源３０５へ低温の水を送る配管である（図中矢印Ｃ）。低温側配管３０９を流れる低温の水によって、熱源３０５を冷却することができる。

低温側配管３０９は、熱源３０５において高温側配管３１１と接続され、高温側配管３１１は貯湯タンク３０７の上方に接続される。高温側配管３１１は、熱源３０５からの高温の湯を貯湯タンク３０７に戻す配管である（図中矢印Ｄ）。すなわち、熱源３０５を冷却した後の高温の湯は、高温側配管３１１を流れて貯湯タンク３０７へ戻されて貯留可能である。なお、低温側配管３０９または高温側配管３１１には、ポンプが接続され、ポンプによって上述したように熱源３０５へ水を循環させることができる。このように、貯湯タンク３０７には、給水配管３１５によって下方から低温の水が給水され、上方には高温側配管３１１によって高温の湯が戻るため、貯湯タンク３０７の内部には、上部には高温の湯が貯留し、下部には低温の水が貯留する。

なお、貯湯タンク３０７は、たとえば、容量９０リットル程度を有し、底から１８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２２ａが、底から３６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２２ｂが、底から５４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２２ｃが、底から７２リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する湯切れ温度センサ２２ｄが、さらに貯湯タンク３０７内のほぼ最上部に、その箇所の水温を検出するタンク上部温度センサ２２ｅがそれぞれ設けてある。

前述したように、給水は貯湯タンク３０７の下部の給水配管３１５から供給され、熱源３０５で加熱された湯は貯湯タンク３０７の上部に戻されるので、貯湯タンク３０７内には下部が低温で上部が高温となるような温度勾配が形成される。そして排熱回収動作を続けることで上部に溜まる高温の湯量が次第に増加する。

貯湯タンク３０７内の高温の湯を利用する際には、貯湯タンク３０７の上部に接続された給湯配管３１３から高温の湯を出湯し（図中矢印Ｅ）、混合器３２５を介して、湯を利用可能である（図中矢印Ｆ）。この際、高温の湯の温度はタンク出口サーミスタ３２１で測温され、低温の水の温度は、給水サーミスタ３２９で測温される。これらを設定された温度となるようにフィードフォワード制御を用いて混合器３２５で混合する。なお、給湯温度は、混合サーミスタ３３１で測温されフィードバック制御される。

また、貯湯タンク３０７内の湯が使用されると、給水配管３１５から低温の水が貯湯タンク３０７の下方から補給される。なお、給水配管３１５へ流れる水量は流量センサ３２７で測定される。また、貯湯タンク３０７内の圧力が高くなりすぎると、過圧逃し弁３２３から湯を排出して圧力が上がりすぎることが防止される。

給湯ユニット４０３においては、高温側配管３１１と給湯配管３１３とが近接して配置される。図２（ａ）、図２（ｂ）は、図１のＭ－Ｍ線断面における、断熱材３３３の形態を示す概略図である。前述したように、ケース３１７内において、貯湯タンク３０７の周囲には断熱材３３３が配置される。断熱材３３３によって、貯湯タンク３０７および各配管が断熱される。

断熱材３３３の外周部の一部には、切欠き部３３７が形成される。切欠き部３３７は、高温側配管３１１と給湯配管３１３に沿って形成される。また、切欠き部３３７の形状に応じた形状の断熱片３３５が用いられる。断熱片３３５は、切欠き部３３７とほぼ同一の外形を有し、さらに、配管が配置される部位のみが凹状に切りかかれた形状である。

図２（ｂ）に示すように、切欠き部３３７に高温側配管３１１と給湯配管３１３とを配置して、切欠き部３３７を塞ぐように断熱片３３５を切欠き部３３７へ挿入すると、両配管が断熱片３３５の凹部に誘導されて押し込まれる。この時、シリコン系潤滑材を塗布するとより好ましい。シリコン系潤滑材は潤滑材の役目と共に、シリコングリスほどではないが伝熱材としての役割も兼ねる。このため、断熱片３３５を切欠き部３３７へ押し込むのみで、高温側配管３１１と給湯配管３１３とを互いに押圧して近接することができる。なお、給湯配管３１３と高温側配管３１１とを近接させて熱交換を行う方法は、図示した例には限られない。

前述したように、給湯を行っていない間においても、熱源３０５が利用されると、高温側配管３１１内には高温の湯が流れる。したがって、高温側配管３１１内の湯と、給湯配管３１３内の湯とを熱交換させることで、給湯配管３１３内の湯が、高温側配管３１１の湯により昇温する。この結果、給湯配管３１３内の湯の温度低下を抑制することができる。

特に、熱源３０５から戻る高温側配管３１１は、最も高温の湯が流れる部位である。このため、効率良く給湯配管３１３と熱交換を行うことができる。このように、給湯配管３１３と高温側配管３１１との熱交換によって、給湯配管３１３と高温側配管３１１の内部の湯温は近くなる。また、熱交換を行った後の高温側配管３１１内の湯は貯湯タンク３０７に貯留される。このため、給湯配管３１３と熱交換を行った後の高温側配管３１１内の湯温と貯湯タンク３０７内の湯温とは略同一となる。このため、給湯配管３１３内の湯温と貯湯タンク３０７内の湯温との差が小さくなり、給湯開始直後からの湯温変化が少なく、使用開始初期から安定した湯温で給湯を行うことができる。

また、熱源３０５の熱を利用して、給湯配管３１３内の湯を昇温することができる。このため、貯湯タンク３０７を大型化することなく、貯湯タンク３０７の容量を増やしたのと同様の効果を得ることができる。給湯配管３１３と高温側配管３１１は略垂直状に接触しており、最初に接触する下部側で給湯配管３１３内の湯は最高温度となる。高温となった湯は略垂直状管内を対流して上方に至り、タンク出口サーミスタ３２１にて熱交換の程度を把握すると共に、混合器３２５で混合する際のフィードフォワード制御データとして用いられる。なお、給湯配管３１３と高温側配管３１１の管径は、管内対流の抵抗とならないように十分に大きい径とすることが望ましく、例えば、外径φ１４、内径φ１０程度、又はそれ以上とすることが望ましい。

なお、本実施形態では、さらに低温側配管３０９と給水配管３１５とが近接する。例えば、図２（ｂ）に示すような構造で、低温側配管３０９と給水配管３１５とを近接させることができる。したがって、低温側配管３０９内の水と、給水配管３１５内の水との熱交換が可能である。

このようにすることで、熱源３０５へ流れる水の温度を低くすることができるため、熱源３０５の冷却能力を高めることができる。例えば、給湯が行われない状態で、熱源３０５が使用され続けると、貯湯タンク３０７内の高温湯と低温水の境界が下降する。したがって、境界付近や高温湯を吸い込み始めると熱源３０５の冷却能力が低下する。貯湯タンク３０７を大型化すれば、低温部の容量を大きくすることが可能であるが、前述したように、貯湯タンク３０７の大型化には制約がある。

これに対し、本実施形態では、低温側配管３０９と給水配管３１５とを近接させて、低温側配管３０９内の水と給水配管３１５内の水とを熱交換させることができる。このため、貯湯タンク３０７の容量を増やしたのと同様の効果を得ることができる。また、貯湯タンク３０７に補充される水の温度が上昇するため、貯湯タンク３０７内の温度低下を抑制することができる。なお、低温側配管３０９と給水配管３１５との熱交換は必ずしも必須ではない。

以上、本実施形態によれば、高温側配管３１１と給湯配管３１３を近接させて、高温側配管３１１内の湯と給湯配管３１３内の湯とを熱交換させることで、熱源３０５の熱を給湯配管３１３内の湯の昇温に利用することができる。このため、貯湯タンク３０７を大型化することなく、貯湯タンク３０７の容量を増やしたのと同様の効果を得ることができる。このため、給湯ユニット４０３をコンパクトにすることができる。

また、高温側配管３１１内の湯と給湯配管３１３内の湯とを熱交換させることで、給湯配管３１３内の湯温低下を抑制し、貯湯タンク３０７内の湯温と給湯配管３１３内の湯温の差を小さくすることができる。このため、給湯を開始してからの湯温変動が少なく、安定した温度の湯を利用することができる。

また、断熱材３３３に切欠き部３３７を形成し、切欠き部３３７に高温側配管３１１と給湯配管３１３とを配置して断熱片３３５で塞ぐことで、効率良く両者を近接させて熱交換させることができる。

また、低温側配管３０９と給水配管３１５とを近接させて、低温側配管３０９内の水と給水配管３１５内の水とを熱交換させることができる。このため、低温側配管３０９内の水温が給水配管３１５内の水で冷却されて、冷却能力の低下を抑制することができる。このように、貯湯タンク３０７を大型化することなく、貯湯タンク３０７の容量を増やしたのと同様の効果を得ることができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。図３は、第２の実施の形態にかかる給湯システム４００ａを示す概略図である。なお、以下の説明において、給湯システム４００と同一の機能を奏する構成については、図１と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

給湯システム４００ａは、給湯システム４００とほぼ同様の構成であるが、配管同士の近接状態が異なる。給湯システム４００ａでは、高温側配管３１１と給湯配管３１３との外面同士の接触ではなく、一部が２重管で構成される。図示した例では、給湯配管３１３の一部が、高温側配管３１１の内部に配置される。

同様に、給湯システム４００ａでは、低温側配管３０９と給水配管３１５との外面同士の接触ではなく、一部が２重管で構成される。図示した例では、給水配管３１５の一部が、低温側配管３０９の内部に配置される。

このように配管の一部を２重管として、各配管同士を配管の内外で近接させることで、効率良く両者の熱交換を行うことができる。なお、配管の一部を２重管とした場合でも、管内対流の抵抗とならないように十分に大きい管径とすることで、管内での対流を発生させ、下方の高温の湯を上方に対流させることができる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。このように、各配管同士の近接形態はいずれの形態でもよい。例えば、熱伝導部材を介して配管同士を接触させてもよく、配管同士の接触面積を増やすために、偏平管や一部が平坦な配管等を用いてもよい。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………コジェネレーションシステム
２………水素生成装置
３………空気供給装置
４………冷却水循環回路
５………冷却水ポンプ
６………熱交換器
７………熱回収循環回路
７ａ………熱回収往き管路
７ｂ………熱回収戻り管路
８………熱回収循環ポンプ
９………電力変換装置
１０………制御装置
１１………燃料電池
１３………冷却温度センサ
１４………余剰電力消費ヒータ
１５………還元剤ガス供給経路
１６………酸化剤ガス供給経路
１７………直流電力経路
１８………交流電力経路
１９ａ、１９ｂ………熱回収温度センサ
２１………暖房回路
２３………出湯通路
２４、２５………燃焼室
２６………暖房循環ポンプ
２７………浴槽
２８………暖房用熱交換器
２８ａ………暖房潜熱熱交換器
２８ｂ………暖房顕熱熱交換器
２９、２９ａ、２９ｂ………給湯用熱交換器
３０、３１、３２………ガス管
３３………暖房高温温度センサ
３５………液体合流手段
３６………暖房低温温度センサ
３７………液体分岐手段
３８………追い焚き流量制御弁
３９、５３………熱動弁
４０、４１、４４、４５、５４、５９、８９、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９………管路
４２………湯張り電磁弁
４３ａ、４３ｂ、１０７………逆止弁
４６、４７、４８………バーナ
４８………燃焼ファン
４９………湯張り水量センサ
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ………暖房端末
５１、５２………内部通路
５５………出湯水ユニット
５６………循環金具
５７………補給水通路
５８………湯水経路切替弁
６０………シスターン装置
６１………補給水電磁弁
６３………追い焚き循環回路
６３ａ………風呂往き管
６３ｂ………風呂戻り管
６４ａ………風呂往き温度センサ
６４ｂ………風呂戻り温度センサ
６５………水位センサ
６６………風呂水流スイッチ
６７………風呂熱交換器
６８………風呂循環ポンプ
７０………分岐通路
７３、１０２………流量センサ
７４………混合湯水温度センサ
８０、８１、８２、８３、８４、８５………ガス開閉弁
８６………ガス比例弁
１０１………給水系通路
１０１ａ、１０１ｂ………給水通路
１０３………給水温度センサ
１０４………減圧弁
１０５、２０３………混合弁
１１３………出湯温度センサ
１１４………缶体温度センサ
２００………貯湯装置
２０１………給湯系通路
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ………給湯通路
２０２………給湯温度センサ
３００、４００、４００ａ………給湯システム
３０３、４０３………給湯ユニット
３０５………熱源
３０７………貯湯タンク
３０９………低温側配管
３１１………高温側配管
３１３………給湯配管
３１５………給水配管
３１７………ケース
３２１………タンク出口サーミスタ
３２３………過圧逃し弁
３２５………混合器
３２７………流量センサ
３２９………給水サーミスタ
３３１………混合サーミスタ
３３３………断熱材
３３５………断熱片
３３７………切欠き部

Claims (6)

1. 湯を貯留可能な貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの上方に接続され、熱源からの高温の湯を前記貯湯タンクに戻す高温側配管と、
   前記貯湯タンクの下方に接続され、熱源へ低温の水を送る低温側配管と、
   前記貯湯タンクの上方に接続され、前記貯湯タンクの高温の湯を用いて給湯する給湯配管と、
   前記貯湯タンクの下方に接続され、前記貯湯タンクへ給水する給水配管と、
   を具備し、
   前記高温側配管と、前記給湯配管とが近接して、前記高温側配管内の湯と、前記給湯配管内の湯との熱交換が可能であることを特徴とする給湯ユニット。
2. 前記低温側配管と、前記給水配管とが近接して、前記低温側配管内の水と、前記給水配管内の水との熱交換が可能であることを特徴とする請求項１記載の給湯ユニット。
3. 前記貯湯タンクの周囲には、断熱材が配置され、前記断熱材の外周部の一部に切欠き部が形成され、前記高温側配管と前記給湯配管とが前記切欠き部に配置され、前記切欠き部を塞ぐ断熱片によって、前記高温側配管と前記給湯配管とが、互いに押圧されて近接することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯ユニット。
4. 前記高温側配管と前記給湯配管との少なくとも一部が２重管で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯ユニット。
5. 請求項１～請求項４のいずれかに記載の給湯ユニットと、熱源と、を具備し、前記貯湯タンクの湯を利用可能なことを特徴とする給湯システム。
6. 前記熱源は、発電装置であり、前記給湯システムは、コジェネレーションシステムであることを特徴とする請求項５に記載の給湯システム。

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