JP4918466B2 - 貯湯タンク及び貯湯システム - Google Patents

Description

本発明は、給湯設備に温水を供給するための貯湯タンク、及びそのような貯湯タンクとヒートポンプとを組み合わせた貯湯システムに関する。

従来、貯湯タンクとヒートポンプとを組み合わせた貯湯システムとして、貯湯タンクの下部から抜き出した冷水をヒートポンプで加熱し、生成した温水を貯湯タンクの上部から貯湯タンク内に戻すにあたり、貯湯タンク内部の温水と冷水との境界を維持しながら貯湯していく所謂ピストンフロー方式を採用した給湯装置があった（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１の給湯装置は、ピストンフローを実行するに際し、貯湯タンク内の温水と冷水との境界部分に、上側に位置する温水よりも比重が大きく、且つ下側に位置する冷水よりも比重が小さくなるよう構成された邪魔板を浮遊させている。邪魔板をこのように比重設定したことにより、当該邪魔板は最終的に温水と冷水との境界部分に静止する。
ここで、例えば、貯湯タンク内に貯留される温水と冷水との割合が変化することにより両者の境界部分が移動すると、邪魔板には当該邪魔板と温水又は冷水との比重差に起因した駆動力が作用し、邪魔板は新たな境界部分まで移動することになる。その結果、上側の温水と下側の冷水との相互移動が防止され、熱の移動が妨げられる。

特開２００３−２６２３９７号公報（第００３５段落〜第００３８段落）

ところが、貯湯タンク内の温水と冷水との比重差は、実際にはそれほど大きいものではない。例えば、１０℃の冷水と８０℃の温水とを比較すると、１０℃の冷水の比重は約０．９９９７であり、８０℃の温水の比重は約０．９７１８である。この程度の比重差では、邪魔板に対して十分な駆動力を与えることはできない。
このため、例えば、邪魔板の姿勢が乱れたりすると、邪魔板は貯湯タンクの内壁に引っ掛かり、そのまま動けなくなる虞がある。また、邪魔板と貯湯タンクの内壁とが接触した場合も、両者間の摩擦力が邪魔板の浮力に打ち勝って邪魔板の上下移動が阻害される。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、温水領域と冷水領域との境界部分の変動に応じて移動する邪魔板に対して、大きな駆動力を付与可能な貯湯タンク及び貯湯システムを実現することを目的とする。

本発明に係る貯湯タンクの特徴構成は、温水が貯留される上方領域と冷水が導入される下方領域とを有する本体と、前記上方領域から前記下方領域に亘って前記本体の上下方向に設けられ、前記温水の温度未満で磁性を発現する感温性磁性部材と、前記冷水より小さい比重を有するとともに前記本体の内部に上下移動可能に設けられ、前記上方領域と前記下方領域とを仕切る邪魔板と、前記感温性磁性部材に対して磁力を付与可能に、前記邪魔板に固定された永久磁石とを備えた点にある。

本発明で使用する感温性磁性部材は、貯湯タンクの本体の上方領域に貯留される温水の温度未満で磁性を発現する。このような特性を有する感温性磁性部材を貯湯タンクに設けると、貯湯タンクの本体の上方領域を通る部位は温水によって温められるため磁性は示さないが、下方領域を通る部位は温水より温度が低い冷水によって冷却されるため磁性を発現する。一方、本体内部を上方領域と下方領域とに仕切る邪魔板には、感温性磁性部材に対して磁力を付与可能な状態で永久磁石が固定されている。
従って、貯湯タンク内の邪魔板には、感温性磁性部材のうち下方領域を通る部位に積極的に引き寄せられる磁力（下向きの磁力）が作用する。また、邪魔板は冷水より小さい比重を有するため、温水又は冷水の何れの中においても、邪魔板には浮力（上向きの浮力）が作用する。そうすると、邪魔板は、最終的には冷水と温水との境界領域において下向きの磁力と上向きの浮力とが釣り合って静止し、この状態が維持される。この静止状態を維持する力は、前記境界領域が移動した場合には新たな境界領域に邪魔板を移動させようとする駆動力となる。そして、この磁力と浮力との静止バランスを利用した駆動力は、従来の温水と冷水との比重差に起因して発生させた駆動力よりも十分に大きい。
従って、本構成の貯湯タンクでは、邪魔板に対して従来よりも大きな駆動力を働かせることができる。その結果、上方領域の温水と下方領域の冷水との相互移動、及びそれに伴う熱移動が確実に防止されるので、優れたエネルギー効率を達成することができる。

本発明に係る貯湯タンクにおいて、前記感温性磁性部材と前記永久磁石とを組として複数有し、夫々の組を上面視で前記本体の中心に対して均等な角度で配置することが好ましい。

本構成の貯湯タンクであれば、本体側の感温性磁性部材と邪魔板側の永久磁石との間において作用する磁力のバランスが全体として保たれるので、本体内部での邪魔板の姿勢が安定する。また、邪魔板は常に本体の中央寄りに維持しようとする力を受けているので、邪魔板が本体の内周壁に衝突する虞も少ない。

本発明に係る貯湯タンクにおいて、前記邪魔板の上下移動をガイドするガイド機構を設けることが好ましい。

本構成の貯湯タンクであれば、邪魔板が上下移動する際の姿勢がガイド機構によって適正に確保されるので、邪魔板によって温水が存在する上方領域と冷水が存在する下方領域とを確実に仕切ることができる。また、邪魔板の水平方向への移動はガイド機構によって規制されるので、邪魔板と本体の内周壁との衝突がより確実に防止される。

本発明に係る貯湯タンクにおいて、前記永久磁石は前記感温性磁性部材を非接触状態で挟み込み可能なＵ字型永久磁石であり、当該Ｕ字型永久磁石と前記感温性磁性部材とで前記ガイド機構を構成することが好ましい。

本構成の貯湯タンクであれば、邪魔板に固定する永久磁石の形状を、感温性磁性部材を非接触状態で挟み込み可能なＵ字型にするだけでガイド機構を構成することができる。このため、ガイド機構を別途設けた場合よりも構成が簡単になり、貯湯タンクの製造コストを抑えることができる。

本発明に係る貯湯タンクにおいて、前記本体の外部に前記永久磁石の磁力を検知する磁力検知手段を設けることが好ましい。

邪魔板に固定した永久磁石から放出される磁力線は、その一部が本体を透過して外部に漏洩する。そこで、本構成の貯湯タンクのように、本体の外部に永久磁石の磁力を検知する磁力検知手段を設けておけば、本体内部の邪魔板の位置を容易に確認することができる。また、本構成は、温度センサを本体の内部に挿入するものと比較して、メンテナンス等も容易である。

本発明に係る貯湯システムの特徴構成は、上記の何れか一つに記載の貯湯タンクと、前記貯湯タンクの前記本体の前記下方領域から抜き出した前記冷水を加熱し、生成した前記温水を前記上方領域に戻すヒートポンプとを備えた点にある。

本構成の貯湯システムは、上で説明した本発明の貯湯タンクを使用するものであるので、貯湯タンク内部における上方領域の温水と下方領域の冷水との相互移動、及びそれに伴う熱移動が確実に防止される。その結果、エネルギー効率に優れた貯湯システムを構築することができる。

本発明の貯湯タンク及び貯湯システムに関する実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明の貯湯タンク及び貯湯システムは、以下に説明する実施形態や図面に記載された構成に限定されず、それらと均等な構成も含む。

図１は、本発明の貯湯タンク１０を備えた本発明の貯湯システム１００の概略構成図である。図２は、貯湯タンク１０の横断面図である。この実施形態では、ヒートポンプ２０のサイクルから得られる熱によって温水を生成し、給湯の用に供している。

本発明の貯湯システム１００は、貯湯タンク１０の下部からポンプ９で抜き出した冷水をヒートポンプ２０で加熱し、生成した温水を貯湯タンク１０の上部から貯湯タンク１０内に戻すにあたり、貯湯タンク１０の内部の温水と冷水との境界を維持しながら貯湯していく所謂ピストンフロー方式を採用している。

ヒートポンプ２０は、凝縮器２１、膨張弁２２、蒸発器２３、及び圧縮機２４が、冷媒回路２５を介して環状に接続されている。この冷媒回路２５には、二酸化炭素やフロンガス等の冷媒が流通する。先ず、蒸発器２３から出た常温低圧のガス状態の冷媒が圧縮機２４に入ると、高温高圧のガスになる。この高温高圧のガスは凝縮器２１の内部で低温の冷水と熱交換される。このとき、高温高圧のガスは常温高圧の液体へと変化するとともに、冷水が温水に変化する。常温高圧の液体となった冷媒は、膨張弁２２を通過すると急激に減圧されて低温高圧の液体となる。その後、低温高圧の液体は蒸発器２３の内部で熱を受け取り、常温低圧のガスとなる。これを繰り返すことにより、ヒートポンプ２０のサイクルが形成される。

貯湯タンク１０は円筒形の本体１を有し、この本体１の内部には邪魔板２が上下移動可能に設けられている。ここで、邪魔板２は、本体１の内部を温水（例えば、８０〜９０℃）が貯留される上方領域１ａと冷水（例えば、１０〜２０℃）が導入される下方領域１ｂとに仕切る円盤状部材として構成される。本体１の上方領域１ａに貯留される温水は、例えば、家庭内の給湯口３０や風呂設備４０に供給される。一方、下方領域１ｂは上水道供給管５０が接続され、上方領域１ａから外部への温水供給によって減少した貯留体積分の冷水を適宜供給することができる。

本体１の上方領域１ａから下方領域１ｂに亘る内周壁には、感温性磁性部材３が設けられている。この感温性磁性部材３は、後に説明する永久磁石４に対向するように配置される。感温性磁性部材３は、本体１の上下方向に沿って設けられ、邪魔板２をガイドする。

また、感温性磁性部材３は、所定温度未満の低温状態では原子の磁気モーメントが略同一方向に整列しているため強磁性を示す。一方、所定温度以上の高温状態では原子の磁気モーメントが乱れるため磁性を示さない。すなわち、感温性磁性部材３は、温度によって磁化状態／非磁化状態が可逆的に転移する。ここで、磁化状態／非磁化状態の転移温度をキュリー温度と呼ぶ。このような性質を有する感温性磁性部材を構成する材料の例としては、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｎｉ−Ｃｕ系合金等が挙げられる。

本実施形態の感温性磁性部材３においては、キュリー温度は温水の温度である約８０℃に設定されている。このように設定された感温性磁性部材３を貯湯タンク１０に設けると、当該感温性磁性部材３のうち、貯湯タンク１０の本体１の上方領域１ａを通る部位は温水によって温められるため磁性は示さない。一方、下方領域１ｂを通る部位は温水より温度が低い冷水によって冷却されるため磁性を発現する。このような現象を利用して、次に説明する邪魔板２に対する駆動力が発生する。

本体１の内部を上方領域１ａと下方領域１ｂとに仕切る邪魔板２には、感温性磁性部材３に対して磁力を付与可能な永久磁石４が固定されている。永久磁石４は、図２に示すように、感温性磁性部材３を非接触状態で挟み込み可能なＵ字型の永久磁石４としている。本実施形態の貯湯タンク１０では、これらの本体１の側に設けられた感温性磁性部材３と邪魔板２の側に固定されたＵ字型の永久磁石４とによって、邪魔板２の上下移動をガイドするガイド機構５が構成される。

また、このガイド機構５は、貯湯タンク１０において複数箇所に設けられる。本実施形態では、図２に示すように、４ヶ所のガイド機構５が設けられている。
ここで、夫々のガイド機構５を、上面視で本体１の中心に対して均等な角度（本実施形態では９０度間隔）で配置することが好ましい。このようにガイド機構５を均等な角度で配置すれば、本体１の側の感温性磁性部材３と邪魔板２の側の永久磁石４との間において作用する磁力のバランスが全体として保たれる。その結果、本体１の内部での邪魔板２の姿勢が安定する。また、邪魔板２は常に本体１の中央寄りに維持しようとする力を受けるので、邪魔板２が本体１の内周壁に衝突する虞も少ない。

次に、上記構成を有する本実施形態の貯湯タンク１０において、邪魔板２に作用する駆動力について説明する。図３は、貯湯タンク１０中の邪魔板２に作用する駆動力を説明するための模式図である。

本体１の内部の邪魔板２には、感温性磁性部材３のうち本体１の下方領域１ｂを通る部位に積極的に引き寄せられる磁力（下向きの磁力：Ｆ１）が作用する。また、邪魔板２は冷水より小さい比重を有する。このため、邪魔板２には、温水又は冷水の何れの中においても浮力（上向きの浮力：Ｆ２）が作用する。そうすると、本体１の内部に邪魔板２を浮遊させると、当該邪魔板２は冷水と温水との境界領域Ａ１において、下向きの磁力Ｆ１と上向きの浮力Ｆ２とが最終的に釣り合って静止し、この静止状態が維持される（図３（ａ））。

次に、例えば、温水の貯留量が減少することにより、前記境界領域Ａ１が上方の新たな境界領域Ａ２に移動し始めると、冷水が邪魔板２の周囲を徐々に覆うことになる。このため、邪魔板２に作用する下向きの磁力Ｆ１は弱められ、結果的に上向きの浮力Ｆ２が優勢となって邪魔板２は上方に移動する（図３（ｂ））。

そして、温水の貯留量の変化が停止して新たな境界領域Ａ２が形成されると、邪魔板２はその新たな境界領域Ａ２において、下向きの磁力Ｆ１と上向きの浮力Ｆ２とが釣り合って再び静止し、この静止状態が維持される（図３（ｃ））。

一方、上記の課程とは逆に、温水の貯留量が増大することにより、境界領域Ａ１が下方に移動する場合においては、全体として下向きの駆動力が邪魔板２に作用し、邪魔板２は下方に移動する。その後、新たな境界領域Ａ２において、邪魔板２は下向きの磁力Ｆ１と上向きの浮力Ｆ２とが釣り合って再び静止し、この静止状態が維持される。

このように、邪魔板２の静止状態を維持する力は、邪魔板２を境界領域Ａ１から境界領域Ａ２に移動させる駆動力となる。また、この磁力と浮力との静止バランスを利用した駆動力は、従来の温水と冷水との比重差に起因して発生させた駆動力よりも十分に大きいものとなる。

従って、本実施形態の貯湯タンク１０及び貯湯システム１００では、温水と冷水との貯留比率が変化して上方領域１ａと下方領域１ｂとの間の境界領域が変動した場合において、邪魔板２に対して従来よりも大きな駆動力を働かせることができる。その結果、上方領域１ａの温水と下方領域１ｂの冷水との相互移動、及びそれに伴う熱移動が確実に防止されるので、優れたエネルギー効率を達成することができる。

ところで、邪魔板２に固定した永久磁石４から放出される磁力線は、その一部が本体１を透過して外部に漏洩する。そこで、本実施形態の貯湯タンク１０では、本体１の外部に永久磁石４の磁力を検知する磁力検知手段６を設けている。磁力検知手段６は、例えば、ガラスチューブ７の内部に水等の液体とともに磁粉８を封入して構成することができる。この磁粉８を封入したガラスチューブ７は、本体１の側方であって感温性磁性部材７の近傍に配置しておく。ただし、この場合、本体１は非磁性材料で構成する。
邪魔板２が本体１の内部を上下移動すると、ガラスチューブ７内の磁粉８も永久磁石４から放出される磁力線に追従して上下移動するため、本体１の内部における邪魔板２の高さ位置を知ることができる。

このように、本体１の外部に設けた磁力検知手段６であれば、本体１の内部の邪魔板２の位置を容易に確認することができる。また、温度センサを本体１の内部に挿入するものと比較して、メンテナンス等も容易である。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、ガイド機構５として、本体１の側に設けられた感温性磁性部材３と邪魔板２の側に固定されたＵ字型の永久磁石４とで構成されるものを採用したが、図４に示すように、邪魔板２の上下方向に複数の貫通孔１１を形成し、この貫通孔１１に本体１の上下に張ったワイヤ１２を通してガイド機構５を構成してもよい。この場合、永久磁石４は単純な形状の棒磁石を用いることができる。
この構成では、邪魔板２の水平方向の移動及び傾き動作はワイヤ１１によって拘束されるが、邪魔板２の上下移動は自在である。従って、邪魔板２が上下移動する際の姿勢がガイド機構５によって適正に確保され、邪魔板２によって温水が存在する上方領域１ａと冷水が存在する下方領域１ｂとを確実に仕切ることができる。また、邪魔板２と本体１の内周壁との衝突も確実に防止される。

（２）上記実施形態では、感温性磁性部材３を、邪魔板２をガイドするように本体１の内周壁の上下方向に沿って設けたが、本体１の内周壁全体に感温性磁性部材３をライニングしてもよい。この場合、永久磁石４を固定した邪魔板２が水平面内で回転しても、邪魔板２は常に本体１の中央部側に維持される。

本発明の貯湯タンクを備えた本発明の貯湯システムの概略構成図 貯湯タンクの横断面図 貯湯タンク中の邪魔板に作用する駆動力を説明するための模式図 別実施形態による貯湯タンクの要部を示す縦断面図

符号の説明

１ 本体
１ａ 上方領域
１ｂ 下方領域
２ 邪魔板
３ 感温性磁性部材
４ 永久磁石
５ ガイド機構
６ 磁力検知手段
１０ 貯湯タンク
２０ ヒートポンプ
１００ 貯湯システム

Claims (6)

1. 温水が貯留される上方領域と冷水が導入される下方領域とを有する本体と、
   前記上方領域から前記下方領域に亘って前記本体の上下方向に設けられ、前記温水の温度未満で磁性を発現する感温性磁性部材と、
   前記冷水より小さい比重を有するとともに前記本体の内部に上下移動可能に設けられ、前記上方領域と前記下方領域とを仕切る邪魔板と、
   前記感温性磁性部材に対して磁力を付与可能に、前記邪魔板に固定された永久磁石と
   を備えた貯湯タンク。
2. 前記感温性磁性部材と前記永久磁石とを組として複数有し、夫々の組を上面視で前記本体の中心に対して均等な角度で配置した請求項１に記載の貯湯タンク。
3. 前記邪魔板の上下移動をガイドするガイド機構を設けた請求項１又は２に記載の貯湯タンク。
4. 前記永久磁石は前記感温性磁性部材を非接触状態で挟み込み可能なＵ字型永久磁石であり、当該Ｕ字型永久磁石と前記感温性磁性部材とで前記ガイド機構を構成した請求項３に記載の貯湯タンク。
5. 前記本体の外部に前記永久磁石の磁力を検知する磁力検知手段を設けた請求項１〜４の何れか一項に記載の貯湯タンク。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの前記本体の前記下方領域から抜き出した前記冷水を加熱し、生成した前記温水を前記上方領域に戻すヒートポンプと
   を備えた貯湯システム。

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