JP4550077B2 - 熱源機 - Google Patents

Description

本発明は、暖房機能と給湯機能とを有する熱源機に関する。

従来、給湯運転の際に燃焼させるバーナの加熱により熱発電を行う熱発電素子を備えた熱源機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱源機は、バーナにより加熱される熱交換器と、この熱交換器を介して給湯用水を給湯端末に送る給湯用水管とからなる給湯回路を備えている。熱発電素子は、その高温側がバーナにより加熱され、その低温側が給湯回路の一部を構成する給湯用水管により冷却されるようになっている。熱発電素子は、周知のようにＮ型半導体とＰ型半導体との間に閉回路が形成され、高温側と低温側とに温度差を付与することにより起電力が得られる。熱発電素子から得られる電力は熱源機が備える電気部品（例えば、制御装置や送風機等）に供給してもよく、また、バッテリ等に蓄電してもよい。

ところで、この種の熱源機において給湯回路の他に、暖房端末に接続されて暖房用水が循環する暖房回路を備えるものでは、例えば、給湯回路の熱交換器を加熱するための給湯用バーナを備える給湯用燃焼部と、暖房回路に介設される熱交換器を加熱するための暖房用バーナを備える暖房用燃焼部とが設けられているものがある。給湯運転と暖房運転とが各々単独で行われるときには、何れか一方のバーナのみが燃焼運転されるが、給湯運転と暖房運転との何れが行われた場合であっても熱発電素子による発電が行えるように、給湯用燃焼部と暖房用燃焼部との夫々に熱発電素子を設ける必要がある。熱発電素子は比較的高価であるため、このように複数の熱発電素子を設けた場合には熱源機を安価に構成することができない。

また、他の熱源機として、暖房用水を暖房用バーナにより加熱して循環ポンプにより暖房回路に循環させ、給湯回路に流れる給湯用水を暖房用水により加熱する液々熱交換器を設けて単一のバーナで給湯運転と暖房運転とを行えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。このような熱源機に熱発電素子を設けた場合には、給湯運転と暖房運転との何れの運転が行われても発電を行うことができるが、給湯運転のみを行う場合には、液々熱交換器による給湯用水の加熱のために暖房回路の循環ポンプを作動させなければならず、発電を行っているにもかかわらず消費電力が大となって好ましくない。
特開平１１−５５９７５号公報（図６、図１０） 特開２００６−１１２７８５号公報（図１）

本発明は、以上の点に鑑み、給湯運転と暖房運転とのうち何れか一方のみが運転されていれば熱発電素子により良好な発電を行うことができる熱源機を提供することを課題としている。

かかる課題を解決するために、本発明は、加熱手段と、該加熱手段により高温側が加熱される熱発電素子とを備える熱源機であって、暖房端末に接続されて前記加熱手段により加熱された暖房用水が循環する暖房回路と、前記加熱手段により加熱された給湯用水を給湯端末に送る給湯回路とを設け、前記暖房回路と前記給湯回路とに、暖房回路の一部を構成する暖房用水路と給湯回路の一部を構成する給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接して前記熱発電素子の低温側を冷却する素子冷却部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、暖房回路の暖房用水と給湯回路の給湯用水とが前記加熱手段により加熱され、その際に熱発電素子による発電が行える。そして、熱発電素子は、暖房用水路と給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接する素子冷却部によって、暖房用水と給湯用水との両方により低温側が十分に冷却されるので、極めて高い冷却効果が得られ、高温側と低温側との間に著しい温度差を付与することができるので、効率よく発電することができる。そして、暖房運転のみを行っている際には、給湯用水の水流が停止するが、循環する暖房用水によって暖房用水路による熱発電素子の冷却が確実に行える。給湯運転のみを行っている際には、暖房用水の水流が停止していても、暖房用水路内に生じている給湯用水の水流により熱発電素子の冷却が確実に行える。

また、素子冷却部では、暖房用水路と給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接しているので、一方の水管が水流の停止した状態で加熱されても、水流のある他方の水管により冷却されて温度上昇が抑制され、例えば、暖房運転のみを行っているときの給湯用水路内の給湯用水の沸騰が防止できる。また、従来の液々熱交換器を用いたものとは異なり、給湯運転のみを行っているときに暖房回路に設けられている循環ポンプの駆動が不要であるので、無駄な電力消費が防止できる。

また、本発明においては、前記素子冷却部における前記暖房用水路の保有水量が、該素子冷却部における前記給湯用水路の保有水量より大とされていることが好ましい。

これによれば、暖房回路から戻ってきた水温が高い場合（４０℃〜６０℃）でも、素子冷却部の暖房用水路による冷却効果を高めることができる。そしてまた、特に、給湯運転を行った直後に熱発電素子に蓄熱された余熱を暖房用水路内の暖房用水に多く逃がすことができるので、熱発電素子の余熱による給湯用水路内の給湯用水の温度上昇を抑えることができる。これによれば、例えば、給湯運転直後に再度給湯運転を行っても、給湯端末から過剰に高い温度の湯が供給される事態を回避することができる。

また、本発明における一態様としては、前記加熱手段は、バーナと、該バーナの排気流動方向に延びる燃焼室とを備え、該燃焼室は、前記熱発電素子の低温側を該燃焼室の外側に向け高温側をバーナに臨ませて熱発電素子を保持する素子保持部と、該素子保持部の下流側に配設され、該燃焼室の内部に臨んで吸熱する吸熱フィンとを備え、前記暖房回路と前記給湯回路とは、前記暖房用水路と前記給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接し且つ前記吸熱フィンを介して加熱される熱交換部を備えることが好ましい。

これによれば、素子冷却部だけでなくバーナから加熱を受ける熱交換部においても暖房用水路と給湯用水路とが互いに密着しているので、暖房用水路と給湯用水路との間での熱伝達経路を形成することができる。これにより、一方の水管内の水流が停止していても、他方の水流の形成されている水管に熱を逃がすことができるので、例えば、暖房運転のみを行っても、熱交換部における給湯用水路が過剰に加熱されることが防止され、給湯用水路内の給湯用水の沸騰を防止することができる。

更に、前記吸熱フィンは、前記素子保持部の下流側に隣接して配設することが好ましい。これによれば、素子冷却部と熱交換部とが隣接し、素子冷却部から熱交換部にわたって暖房用水路と給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接した状態で設けられるので、加熱手段の構造を簡単としてコンパクトに構成することができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の熱源機の概略構成を示す説明図、図２は吸熱フィンの形状を示す部分的説明図、図３は加熱手段の素子冷却部及び熱交換部の一部を拡大して示す説明図、図４は素子冷却部の他の例を示す説明図、図５は加熱手段の素子冷却部及び熱交換部の構成の他の例を示す説明図である。

本実施形態の熱源機１は、図１に示すように、暖房用水（水或いは不凍液等）が循環する暖房回路２と、給湯用水（水道水等）が流通する給湯回路３とを備えると共に、暖房用水と給湯用水とを加熱する加熱手段４を備えている。

暖房回路２は、加熱手段４と暖房端末５との間で暖房用水を循環させ、加熱手段４により加熱された暖房用水を暖房端末５に送る往き側暖房用水管６と、暖房端末５を通過した暖房用水を加熱手段４に戻す戻り側暖房用水管７とを備えている。

戻り側暖房用水管７には、膨張タンク８と、膨張タンク８の下流側のポンプ９とが介設され、ポンプ９の作動で暖房回路２の暖房用水が循環される。そして、往き側暖房用水管６には、膨張タンク８の上流側の戻り側暖房用水管７と接続するバイパス管１０が設けられている。

給湯回路３は、その上流端が図示しない水道管等に接続されて給湯用水（水道水等）が加熱手段４に向かって流動する上流側給湯用水管１２と、下流端に出湯カラン等の給湯端末１３が接続されて加熱手段４により加熱された給湯用水（湯）が給湯端末１３に向かって流動する下流側給湯用水管１４とを備えている。

加熱手段４は、バーナ１５と、該バーナ１５を収容してその下方に延びる筒状の燃焼室１６と、該燃焼室１６の下端に接続された排気ダクト１７とを備えている。バーナ１５は図示しないガス供給管から供給するガス燃料を燃焼させてその火炎を側壁に形成する。バーナ１５の燃焼による排気ガスは燃焼室１６の内部を下方に流動して排気ダクト１７へ向かう。

加熱手段４は、熱発電素子１８を備えている。熱発電素子１８は、燃焼室１６の上端側を貫通して形成された素子保持部１９によって、バーナ１５の火炎に高温側２０が対向し、低温側２１が燃焼室１６の外側に露出するように保持されている。熱発電素子１８は、高温側２０と低温側２１とに温度差を付与することにより起電力が得られるものであり、熱発電素子１８から得られた電力を送るリード線２２は蓄電池２３に接続されている。なお、熱発電素子１８から得られた電力は、蓄電池２３に充電する以外に、図示しない制御装置や他の電気部品を駆動するために用いることもできる。

更に、燃焼室１６の内面側には、素子保持部１９の下方に隣接して吸熱フィン２４が設けられ、燃焼室１６の内部には、バーナ１５からの排気ガスを燃焼室１６の中央位置から吸熱フィン２４に沿って案内する案内部材２５が設けられている。

吸熱フィン２４は、図２に示すように、燃焼室１６の内面に沿って金属製（アルミニウムやステンレス等）の薄板を波型に形成したものであり、バーナ１５側から遠くなるに従って排気ガスへの接触面積を次第に大きくしている。なお、吸熱フィン２４は、熱伝導率の高い材質であればよく、ここで挙げたもの以外に鋳物等によって形成してもよい。

熱発電素子１８の低温側２１には、図３に示すように、暖房回路２の一部を構成する暖房用水管２６（暖房用水路）と給湯回路３の一部を構成する給湯用水管２７（給湯用水路）とによって形成された素子冷却部２８が設けられている。素子冷却部２８は、暖房用水管２６と給湯用水管２７とが交互に配設されて互いに熱伝達可能に密着して形成されている。熱発電素子１８は、高温側２０がバーナ１５の火炎により高温に加熱され、低温側２１が暖房用水管２６と給湯用水管２７とに流れる暖房用水と給湯用水とにより高温側２０よりも低い温度に冷却される。これによって、熱発電素子１８の高温側２０と低温側２１とに確実に温度差が生じるので効率よく発電することができる。

また、熱発電素子１８の下方に隣接する吸熱フィン２４に対応する燃焼室１６の外面には、素子冷却部２８から連続する暖房用水管２６（暖房用水路）と給湯用水管２７（給湯用水路）とが交互に配設されて互いに熱伝達可能に密着して巻回した熱交換部２９が設けられている。これにより、燃焼室１６の排気ガスからの熱が吸熱フィン２４を介して暖房用水管２６と給湯用水管２７とに回収され暖房用水管２６と給湯用水管２７とに流れる暖房用水と給湯用水とが加熱される。このように、素子冷却部２８と熱交換部２９とが互いに隣接して設けられていることにより、加熱手段４がコンパクトに構成される。

以上のように構成された本実施形態の熱源機１において、暖房運転を行ったときには、図１を参照して、暖房回路２の暖房用水が暖房端末５と加熱手段４との間でポンプ９によって循環され、加熱手段４では、熱発電素子１８による発電と同時に熱交換部２９を介して暖房用水が加熱される。同じように、給湯運転を行ったときには、給湯回路３の給湯用水が加熱手段４により熱交換部２９で加熱されて給湯端末１３から給湯でき、同時に加熱手段４によって熱発電素子１８の発電が行われる。

そして、暖房運転を単独で行った場合には、暖房回路２の暖房用水が循環して給湯回路３の給湯用水の流動が停止された状態となる。このとき、図３を参照して、素子冷却部２８の暖房用水管２６における暖房用水が流動して熱発電素子１８の低温側２１を冷却することができ、熱発電素子１８による発電を確実に行うことができる。しかも、熱交換部２９においては、暖房用水管２６と給湯用水管２７とが密着していることにより、同時に加熱される給湯用水管２７の熱が暖房用水管２６に吸熱され、給湯用水の流動が停止していても、給湯用水管２７内での給湯用水の沸騰を防止することができる。更に、往き側暖房用水管６と膨張タンク８の上流側の戻り側暖房用水管７との間には、バイパス管１０が設けられており、万一暖房回路２側の通水が突然停止してもバイパス管１０を介して一定の水が流れるので、熱交換部２９や熱発電素子１８の冷却が停止することなく過加熱を防止することができる。

また、給湯運転を単独で行った場合には、給湯回路３の給湯用水が流動して暖房回路２の暖房用水の循環が停止された状態となる。このとき、素子冷却部２８の給湯用水管２７における給湯用水が流動して熱発電素子１８の低温側２１を冷却することができ、熱発電素子１８による発電を確実に行うことができる。しかも、熱交換部２９においては、暖房用水管２６と給湯用水管２７とが密着していることにより、同時に加熱される暖房用水管２６の熱が給湯用水管２７に吸熱され、暖房用水の流動が停止していても、暖房用水管２６内での暖房用水の沸騰を防止することができる。

また、上述した実施形態においては、素子冷却部２８の暖房用水管２６と給湯用水管２７とが同一の内径とされているものについて説明したが、それ以外に、図４に示すように、暖房用水管２６の内径を給湯用水管２７の内径より大としてもよい。こうすることにより、素子冷却部２８においては、暖房回路２の保有水量が給湯回路３の保有水量より大となり、素子冷却部２８の暖房用水管２６による冷却効果を高めることができる。これによって、暖房運転が停止されたことにより暖房用水管２６の暖房用水の流動が停止しても、熱発電素子１８の低温側の冷却効果を得ることができ、しかも、給湯用水管２７から暖房用水管２６への吸熱作用も向上させることができるので、給湯用水管２７の過剰な温度上昇を抑えることができる。また、給湯運転を行った直後に熱発電素子１８に蓄熱された余熱を暖房用水管２６の暖房用水に吸熱させることができ、熱発電素子１８の余熱による給湯用水管２７の給湯用水の温度上昇を抑えることができる。これによって、例えば、給湯運転直後に再度給湯運転を行っても、給湯端末１３から過剰に高い温度の湯が供給されることが防止できる。

また、上述した実施形態の素子冷却部２８及び熱交換部２９においては、暖房用水路を暖房用水管２６により構成し、給湯用水路を給湯用水管２７によって構成したものを示したが、それ以外に、素子冷却部２８及び熱交換部２９における暖房用水路と給湯用水路との何れか一方を燃焼室１６と一体に形成してもよい。即ち、図５に示すように、燃焼室１６の外側に、螺旋波状の金属板によるジャケット３０を一体に設け、該ジャケット３０の内側に形成された流路空間を暖房用水路３１とし、更に、該ジャケット３０の谷部に給湯用水管３２を密着保持させてもよい。これによれば、給湯用水管３２の外周面がジャケット３０の谷部外面に覆われて一層効率のよい熱伝達経路を形成することができる。

また、上述した実施形態のバーナ１５は火炎を側壁に形成するものであり、具体的には、円筒形の周壁を備えて周壁外面に火炎を形成するものや、対向する矩形状の側壁外面に火炎を形成するものが挙げられる。この場合には、バーナ１５の形状に合わせて燃焼室１６の形状も円筒形状や角筒形状に形成されることは言うまでもない。また、このような形状のバーナ１５に替えて、図示しないが、底壁に平坦な火炎を形成するバーナや一方側壁においてのみ火炎を形成するバーナを採用しても良い。

更に、上述した実施形態の熱交換部２９は、暖房用水管２６と給湯用水管２７とが吸熱フィン２４の外周に位置するものを示したが、本発明における熱交換部の形状はこれに限るものではない。例えば、図示しないが、互いに密着させた暖房用水管と給湯用水管とを複数のフィンに貫通させて熱交換部を構成し、燃焼室の排気流路を横切るようにして燃焼室に設けることもできる。更にこの場合には、一方側壁に火炎を形成して火力の異なる少なくとも３つのバーナを一体的に連設して大中小の加熱量が選択的に得られるようにし、最も弱い火力を有するバーナに熱発電素子の高温側を対向させるように構成してもよい。この場合にも、燃焼室の形状は、バーナの形状と排気流路の形状とに応じて設計させるものであり、上述したように、密着する暖房用水管と給湯用水管とが複数のフィンに貫通して形成された熱交換部を、燃焼室の排気流路を横切るようにして設けることができる。

本発明の一実施形態の熱源機の概略構成を示す説明図。 吸熱フィンの形状を示す部分的説明図。 加熱手段の素子冷却部及び熱交換部の一部を拡大して示す説明図。 素子冷却部の他の例を示す説明図。 加熱手段の素子冷却部及び熱交換部の構成の他の例を示す説明図。

符号の説明

１…熱源機、２…暖房回路、３…給湯回路、４…加熱手段、５…暖房端末、１３…給湯端末、１５…バーナ、１６…燃焼室、１８…熱発電素子、１９…素子保持部、２４…吸熱フィン、２６…暖房用水管（暖房用水路）、２７…給湯用水管（給湯用水路）、２８…素子冷却部、２９…熱交換部。

Claims (4)

1. 加熱手段と、該加熱手段により高温側が加熱される熱発電素子とを備える熱源機であって、
   暖房端末に接続されて前記加熱手段により加熱された暖房用水が循環する暖房回路と、前記加熱手段により加熱された給湯用水を給湯端末に送る給湯回路とを設け、
   前記暖房回路と前記給湯回路とに、暖房回路の一部を構成する暖房用水路と給湯回路の一部を構成する給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接して前記熱発電素子の低温側を冷却する素子冷却部を設けたことを特徴とする熱源機。
2. 前記素子冷却部における前記暖房用水路の保有水量は、該素子冷却部における前記給湯用水路の保有水量より大とされていることを特徴とする請求項１記載の熱源機。
3. 前記加熱手段は、バーナと、該バーナの排気流動方向に延びる燃焼室とを備え、
   該燃焼室は、前記熱発電素子の低温側を該燃焼室の外側に向け高温側をバーナに臨ませて熱発電素子を保持する素子保持部と、該素子保持部の下流側に配設され、該燃焼室の内部に臨んで吸熱する吸熱フィンとを備え、
   前記暖房回路と前記給湯回路とは、前記暖房用水路と前記給湯用水路とが互いに熱伝達可能に接し且つ前記吸熱フィンを介して加熱される熱交換部を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の熱源機。
4. 前記吸熱フィンは、前記素子保持部の下流側に隣接して配設されており、素子冷却部と熱交換部とが隣接して設けられることを特徴とする請求項３記載の熱源機。

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