JP5069490B2 - 大気開放型蓄熱装置 - Google Patents
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Description
従来の蓄熱装置では、貯湯槽として密閉型のものを用い、給水圧を利用することによって貯湯槽に貯留された温水を貯湯槽から給湯路に取り出して給湯するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
また、従来の蓄熱装置として、貯湯槽として密閉型のものを用い、貯湯槽に貯留された温水を貯湯槽から取り出して放熱用熱交換器を通過させて貯湯槽に戻す形態で循環させることにより、貯湯槽に貯留された熱を風呂の追焚きや暖房に用いるものもある(例えば、特許文献2、3参照。)。
また、大気開放型の貯槽には、給水圧を減圧することなく上水を供給でき、しかも、貯槽内が過圧となってもその圧力の一部を開口により開放することができるので、減圧逆止弁や過圧逃がし弁を貯槽に設けなくてもよいことになる。
また、蓄熱材として水を用いると、その水の比重差を利用することにより温度成層を形成する状態で貯留することができる。前記循環手段は、放熱用熱交換器を通過して低温となった蓄熱材を貯槽の下部に戻すので、温度成層を極力乱さないようにしながら、蓄熱材を循環させることができ、貯槽による蓄熱を効率よく行うことができる。
前記給湯手段が、貯槽の上部に貯留する温水を給湯路に取り出して給湯するので、貯槽に貯留される熱を給湯に用いることができる。そして、給水手段は、給湯路に取り出した温水量に応じた量の上水を貯槽に供給するので、貯槽における蓄熱材の貯留量を適正量に保つことができる。しかも、上水は貯槽の下部に接続された給水路にて貯槽に供給されるので、貯槽に形成される温度成層を極力乱すことなく、上水を貯槽に供給することができる。
本発明にかかる大気開放型蓄熱装置の第4特徴構成は、前記上部貯槽に、機器排熱により加熱された高温の湯水を供給する排熱往き路が接続されている点にある。
前記密閉槽では、蓄熱材の昇温により蓄熱材に溶存していた空気が蓄熱材から解離して密閉槽の上部に溜まり、密閉槽における蓄熱材の貯留量が低下する虞がある。そこで、密閉槽の最上部に空気抜き弁を備えて、その空気を密閉槽から排出することにより、密閉槽における蓄熱材の貯留量を適正量に保つことができる。
〔第1実施形態〕
この大気開放型蓄熱装置は、図1に示すように、蓄熱材1を貯留してその貯留した蓄熱材1の上面より高い位置に大気に通じる開口2を有する貯槽3と、貯槽3の上部から取り出した蓄熱材1を貯槽3の外部に設置された放熱用熱交換器4にて放熱させて貯槽3の下部に戻す形態で蓄熱材1を循環させる循環手段5と、この大気開放型蓄熱装置の運転を制御する制御手段としての制御装置Hとが備えられている。
そして、平面視において上部貯槽7の断面積が下部貯槽6の断面積よりも小さくなるように構成されている。このようにして、貯槽3が貯留した蓄熱材1と大気との界面部分の面積を界面部分以外の部分の断面積よりも小さくするように構成されている。ちなみに、上部貯槽7の断面積を一定とするものに限らず、上部貯槽7において、上記界面部分である上側を幅狭とし且つその界面部分以外の部分である下側を幅広とすることにより、貯槽3が貯留した蓄熱材1と大気との界面部分の面積を界面部分以外の部分の断面積よりも小さくすることもできる。
前記下部貯槽6には、その下部に貯槽3に貯留されている蓄熱材1を排出するための蓄熱材排出路15が接続され、その蓄熱材排出路15には蓄熱材排出弁16が設けられている。
そして、循環路8には、蓄熱材1の循環方向において上流側から、放熱用熱交換器4、放熱用熱交換器4を通過した蓄熱材1の温度を検出する蓄熱材温度センサ10、循環ポンプ9、蓄熱材循環用逆止弁11が設けられている。
また、給水路17においてバイパス路18との合流箇所には、放熱用熱交換器4にて加熱された給水路17からの温水とバイパス路18からの水とを混合して給湯路21に供給するとともに、給水路17からの温水とバイパス路18からの水との混合比を調整自在なミキシングバルブ22が設けられている。
前記給湯路21は、例えば、給湯栓等に接続されており、その上流側から、給湯路21を通流する湯水の温度を検出する給湯温度センサ23、設定量以上の水量を検出するフロースイッチ24が設けられている。
前記蓄熱材排出路15には、貯槽3の下部の水をコジェネレーション機器等に戻す排熱戻り路26が分岐接続されている。そして、排熱戻り路26にて戻す水の温度が設定温度以上であると、その水をコジェネレーション機器等に戻さずに排水路27にて排水するためのサーモバルブ28が設けられている。このようにして、排熱戻り路26にてコジェネレーション機器等に戻す水の温度を設定温度未満に保つようにしている。
前記制御装置Hは、下限水位スイッチ13にて蓄熱材1の水位が下限水位以下であることを検出すると、蓄熱材供給用断続弁30を開弁させて、給水路17、バイパス路18、蓄熱材供給路29、循環路8を通して、貯槽3の下部に蓄熱材1としての水を供給する。そして、制御装置Hは、上限水位スイッチ12にて蓄熱材1の水位が上限水位となったことを検出すると、蓄熱材供給用断続弁30を閉弁させて、貯槽3への蓄熱材1の供給を停止する。
このようにして、制御装置Hは、下限水位スイッチ13にて蓄熱材1の水位が下限水位以下であることを検出するたびに、貯槽3への蓄熱材1の供給を行い、貯槽3における蓄熱材1の貯留量を適正量に保つようにしている。
前記制御装置Hは、給湯栓等が開かれてフロースイッチ24にて設定量以上の水量を検出すると、循環ポンプ9を作動させて貯槽3の上部から蓄熱材1を取り出して放熱用熱交換器4を通過させて貯槽3の下部に戻す形態で蓄熱材1を循環させる。前記放熱用熱交換器4では、循環路8を通流する蓄熱材1にて給水路17を通流する水を加熱する。前記制御装置Hは、放熱用熱交換器4にて加熱された給水路17を通流する温水にバイパス路18からの水をミキシングバルブ22にて混合させるとともに、給湯温度センサ23の検出情報に基づいて、給湯路21にて給湯する湯水の温度が給湯設定温度となるように、給水路17からの温水とバイパス路18からの水との混合比をミキシングバルブ22にて調整する。そして、制御装置Hは、給湯栓等が閉じられてフロースイッチ24にて設定量以上の水量を検出しなくなると、循環ポンプ9を作動停止させて蓄熱材1の循環を停止させる。
このようにして、制御装置Hは、フロースイッチ24にて設定量以上の水量を検出するたびに、貯槽3に貯留されている熱を用いて、給湯設定温度の湯水を給湯路21にて給湯するようにしている。ちなみに、給湯設定温度については、人為操作式の操作部により変更設定自在に構成されている。
この第2実施形態は、上記第1実施形態において貯槽3に貯留されている熱を用いて給湯するための構成についての別実施形態である。以下、図2に基づいて、第2実施形態における大気開放型蓄熱装置について説明する。上記第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
前記蓄熱材供給運転について説明する。
前記制御装置Hは、下限水位スイッチ13にて蓄熱材1の水位が下限水位以下であることを検出すると、蓄熱材供給用断続弁30を開弁させて、給水路17を通して、貯槽3の下部に蓄熱材1としての水を供給する。そして、制御装置Hは、上限水位スイッチ12にて蓄熱材1の水位が上限水位となったことを検出すると、蓄熱材供給用断続弁30を閉弁させて、貯槽3への蓄熱材1の供給を停止する。
前記制御装置Hは、給湯栓等が開かれてフロースイッチ24にて設定量以上の水量を検出すると、給湯用ポンプ34を作動させて貯槽3の上部に貯留する蓄熱材1を給湯路21に取り出す。このとき、制御装置Hは、圧力センサ35による検出圧力が設定圧力(例えば、0.3Ma)となるように、給湯用ポンプ34の回転速度を制御する。そして、制御装置Hは、給湯路21に取り出した温水に混合用給水路36からの水をミキシングバルブ22にて混合させるとともに、給湯温度センサ23の検出情報に基づいて、給湯路21にて給湯する湯水の温度が給湯設定温度となるように、給水路17からの温水とバイパス路18からの水との混合比をミキシングバルブ22にて調整する。前記制御装置Hは、給湯栓等が閉じられてフロースイッチ24にて設定量以上の水量を検出しなくなると、給湯用ポンプ34を作動停止させて貯槽3から給湯路21への蓄熱材1の取り出しを停止させて給湯を停止する。
ここでは、本願発明の参考として、第1実施形態及び第2実施形態における大気開放型蓄熱装置を適用可能な形態の大気開放型蓄熱装置について説明する。この参考形態における大気開放型蓄熱装置は、図3に示すように、蓄熱水(蓄熱材に相当する)A1としての水を貯留する蓄熱槽(貯槽に相当する)101と、その蓄熱槽101から取り出した蓄熱水A1を循環路102にて循環させて蓄熱槽101に戻す蓄熱水循環手段(循環手段に相当する)103とを設けている。循環路102には、蓄熱水A1を放熱させる放熱用熱交換器106が設けられている。
蓄熱用循環手段149は、蓄熱用循環路150、蓄熱用循環ポンプ151、排熱回収熱交換器105に通流させる蓄熱水A1の流量を調整自在な蓄熱用調整弁152から構成されている。
冷却水循環路107には、熱源機104から排熱回収熱交換器105に供給する冷却水A2の温度を検出する冷却水往き温度センサ109、熱源機104から排熱回収熱交換器105に供給する冷却水A2の流量を検出する冷却水流量センサ110、及び、排熱回収熱交換器105から熱源機104に戻す冷却水A2の温度を検出する冷却水戻り温度センサ111が設けられている。
蓄熱槽101から循環路102に取り出した蓄熱水A1を循環路102から分岐して放熱用熱交換器106に通流させるバイパス路113が設けられている。このバイパス路113には、蓄熱水A1を通流させるか否か及びその流量を調整可能なバイパス路調整弁118が設けられている。
また、給水路119からの給湯用の給水A3を給湯用熱交換器121をバイパスして給湯路120に供給する給湯用バイパス路136が設けられ、その給湯用バイパス路136を通流する給水A3の流量を調整自在なバイパス流量調整弁137が設けられている。
このようにして、給湯用熱交換器121にて加熱された給湯用の給水A3と給湯用バイパス路26からの給湯用の給水A3とを混合させて給湯路120にて給湯するように構成されている。
浴槽122と追焚き用熱交換器123との間で浴槽水A4を循環する浴槽水循環路138が設けられている。この浴槽水循環路138には、浴槽122から追焚き用熱交換器123に供給する浴槽水A4の温度を検出する浴槽水温度センサ139、及び、浴槽水循環ポンプ140が設けられている。
暖房用放熱器124は、給湯用熱交換器121及び追焚き用熱交換器123と並列状態で設けられている。つまり、循環路102において給湯用熱交換器121及び追焚き用熱交換器123が設けられた部分とは並列状態で暖房用通流路141が設けられ、この暖房用通流路141に暖房用放熱器124が設けられている。暖房用通流路141は、バイパス路113の途中部分から分岐して循環路102に合流するように設けられ、バイパス路113の一部を兼用している。
暖房用通流路141には、蓄熱水A1の通流方向の上流側から、暖房用放熱器124に供給する蓄熱水A1の温度を検出する暖房往き温度センサ142、暖房用放熱器124に蓄熱水A1を供給するか否かを調整自在な熱動弁143、及び、蓄熱水A1の逆流を防止する暖房用逆止弁144が設けられている。
以下、各運転における動作について説明する。
制御装置148は、熱源機4を作動させ且つ冷却水循環ポンプ108を作動させて、排熱回収熱交換器105に冷却水A2を通流させるとともに、蓄熱用循環ポンプ151を作動させて排熱回収熱交換器105に蓄熱水A1を通流させるように構成されている。制御装置148は、蓄熱槽101の上部に戻す蓄熱水A1の温度が蓄熱設定温度(例えば60℃)になるように、蓄熱用調整弁152の開度を調整して排熱回収熱交換器105に通流する蓄熱水A1の流量を調整するように構成されている。
このようにして、蓄熱槽101の下部から取り出された蓄熱水A1が排熱回収熱交換器105にて加熱されて蓄熱槽101の上部に戻されて蓄熱槽101に蓄熱する。
制御装置148が、蓄熱水循環手段103を全通流状態に切り換えるとともに、出口温度センサ133の検出温度が給湯設定温度+αになるように、蓄熱水流量センサ129の検出流量に基づいて第2蓄熱水流量調整弁130の開度を調整する給湯温度用蓄熱水流量制御を行うように構成されている。また、制御装置148は、給湯量センサ134の検出流量が要求されている給湯量となり且つ給湯温度センサ135の検出温度が給湯設定温度になるように、給湯流量調整弁132及びバイパス流量調整弁137の開度を調整する給湯制御を行うように構成されている。
追焚き運転では、制御装置148が、浴槽水循環ポンプ140を作動させることにより、浴槽122から追焚き用熱交換器123に浴槽水A4を供給させて追焚き用熱交換器123にて浴槽水A4を加熱して、その加熱された浴槽水A4を浴槽122に戻すように構成されている。そして、追焚き運転は、追焚き用熱交換器23にて蓄熱水A1を放熱させる動作が給湯運転と異なるだけであるので、詳細な説明は省略する。
制御装置148は、浴槽水温度センサ139の検出温度が追焚き用設定温度になるまで追焚き運転を継続し、浴槽水温度センサ139の検出温度が追焚き用設定温度以上になると追焚き運転を終了するように構成されている。
制御装置148は、給湯運転と追焚き運転とを同時に行う給湯・追焚き同時運転を実行可能に構成されている。
この給湯・追焚き同時運転では、制御装置148が、上述の給湯運転と上述の追焚き運転とを同時に行う。
制御装置148が、第2蓄熱水流量調整弁130を閉弁する状態で蓄熱水循環手段103を全通流状態に切り換えるように構成されている。このときには、第2蓄熱水流量調整弁130を閉弁しているので、蓄熱水A1は、循環路102からバイパス路113に通流したのち暖房用通流路141に通流して暖房用放熱器124に通流する。
(1)上記第1及び第2実施形態では、貯槽3を下部貯槽6と上部貯槽7とから構成しているが、貯槽3をどのように構成するかは適宜変更が可能である。
このように、貯槽3を貯槽ユニット39にて構成する場合、設置する槽38の数は適宜変更が可能である。そして、複数の槽38の配置についても、例えば、複数の槽38を上下方向に並べる状態で設置することも可能であり、複数の槽38をどのように配置するかは適宜変更が可能である。また、図4では、槽38同士を連通管40にて連通しているが、各槽38の上部及び下部に連通用開口を設けてその連通用開口同士を溶接等により接着して、各槽38の上部同士及び下部同士を蓄熱材1を通流自在に連通接続することもできる。
この場合には、膨張タンク44に低温の蓄熱材1を貯留しておき、密閉槽43に貯留された高温の蓄熱材を外部に取り出すと、膨張タンク44から密閉槽43に連通路45を通して密閉槽43から取り出された蓄熱材1に応じた量の蓄熱材1を供給することができる。このようにして、膨張タンク44をリザーバータンクとして用いることができる。
そして、膨張タンク44には低温の蓄熱材1を貯留しておくだけでよく、蓄熱材1の蒸発及び放熱を抑制することができるので、大気に通じる開口2を備えたものに限らず、上部全体を開放したものでもよいことになる。また、密閉槽43では、蓄熱材1の昇温により蓄熱材1に溶存していた空気が蓄熱材1から解離して密閉槽43の上部に溜まるが、密閉槽43の最上部に備えた空気抜き弁42により、その空気を密閉槽43から排出することができ、密閉槽43における蓄熱材1の貯留量を適正量に保つことができる。そして、空気抜き弁42の空気排出路46を膨張タンク44に接続している。したがって、空気抜き弁42にて水を含む空気を空気排出路46に排出しても、その空気に含まれた水を膨張タンク44に戻すことができるので、その水が漏れることを防止することができる。
また、図8に示すように、図6における流量調整弁48に代えて、オリフィス又は手動式開閉弁等の圧力調整機構50を設け、給湯路21においてポンプバイパス路47との合流箇所よりも下流側に出口圧力を一定に保つ整圧弁51を設けることもできる。
2 開口
3 貯槽
4 放熱用熱交換器
5 循環手段
17 給水路
21 給湯路
32 給湯手段
33 給水手段
38 槽
39 貯槽ユニット
42 空気抜き弁
43 密閉槽
44 大気開放型の膨張タンク
45 連通路
104 熱源機
105 排熱回収熱交換器
149 蓄熱用循環手段
H 制御手段(制御装置)
Claims (8)
- 蓄熱材を貯留してその貯留した前記蓄熱材の上面より高い位置に大気に通じる開口を有する貯槽と、前記貯槽の上部から取り出した前記蓄熱材を前記貯槽の外部に設置された放熱用熱交換器にて放熱させて前記貯槽の下部に戻す形態で前記蓄熱材を循環させる循環手段とが備えられ、
前記貯槽が、前記大気に通じる開口を備えた上部貯槽と、その下部に連通接続される下部貯槽とから成り、前記上部貯槽の断面積が、前記下部貯槽の断面積よりも小さくなるように構成されている大気開放型蓄熱装置。 - 前記貯槽の下部に戻す前記蓄熱材が設定温度範囲となるように制御する制御手段が備えられている請求項1に記載の大気開放型蓄熱装置。
- 蓄熱材を貯留してその貯留した前記蓄熱材の上面より高い位置に大気に通じる開口を有する貯槽を備えるとともに、前記蓄熱材として水を用い、前記貯槽の上部に貯留する温水を前記貯槽から給湯路に取り出して給湯する給湯手段と、前記給湯路に取り出した温水量に応じた量の上水を前記貯槽の下部に接続された給水路にて前記貯槽に供給する給水手段とが備えられ、
前記貯槽が、前記大気に通じる開口を備えた上部貯槽と、その下部に連通接続される下部貯槽とから成り、前記上部貯槽の断面積が、前記下部貯槽の断面積よりも小さくなるように構成されている大気開放型蓄熱装置。 - 前記上部貯槽に、機器排熱により加熱された高温の湯水を供給する排熱往き路が接続されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の大気開放型蓄熱装置。
- 前記貯槽が、金属薄板又は合成樹脂にて形成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の大気開放型蓄熱装置。
- 前記貯槽が、複数の槽を少なくとも上部同士及び下部同士において前記蓄熱材を流通自在に連通接続した貯槽ユニットにて構成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の大気開放型蓄熱装置。
- 前記貯槽が、上部を密閉し且つその最上部に空気抜き弁を備えた密閉槽と、上部が開放され且つ前記密閉槽の最上部よりも高い位置に前記蓄熱材と大気との界面を形成させる大気開放型の膨張タンクと、前記蓄熱材を流通自在に前記密閉槽の下部と前記膨張タンクとを連通する連通路とを備えて構成されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の大気開放型蓄熱装置。
- 前記貯槽の下部から取り出した前記蓄熱材を前記貯槽の外部に設置された排熱回収熱交換器にて熱源機の排熱により加熱して前記貯槽の上部に戻す形態で前記蓄熱材を循環させる蓄熱用循環手段が備えられている請求項1〜7のいずれか1項に記載の大気開放型蓄熱装置。
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