(57)【要約】【課題】  貯湯タンクとミキシングバルブと補助熱源を有する給湯システムにおいて、大きなアンダーシュートの発生を回避することができるとともに、貯湯タンクに湯が長期に滞留するのを回避する。【解決手段】  排熱回収給湯システムは、排熱源１１と、熱交換器１２と、貯湯タンク２０と、貯湯タンク２０からの湯と給水路５０の水とを混合するミキシングバルブ３０と、ガス給湯器４０（補助熱源）とを備えている。貯湯タンク２０の頂端から所定距離下方の位置に、タンク温度センサ８６が設けられ、さらにその下方に他のタンク温度センサ８７が設けられている。制御手段７０は、タンク温度センサ８６を用いて貯湯タンク２０内の中間遷移層Ｗｂを残すように出湯温度制御を行ない、アンダーシュートを回避する。三方弁９０の切り替え制御により、熱交換器１２からの湯を貯湯タンク２０の側部に供給して中間遷移層Ｗｂを希釈することができる。タンク温度センサ８７の検出温度が閾値まで上昇した時には、三方弁９０を切り替えて熱交換器１２の湯を貯湯タンク２０の頂部に供給する。【選択図】  図１
2006010115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）熱発生源と、
（ｂ）上記熱発生源からの熱を受ける熱交換器と、
（ｃ）貯湯タンクと、
（ｄ）上記貯湯タンクの底部から熱交換器を経て貯湯タンクへと水を循環させる循環路と、
（ｅ）下流端が上記貯湯タンクの底部に接続された給水路と、
（ｆ）上流端が上記貯湯タンクの頂部に接続された給湯路と、
（ｇ）上記給湯路の中途部に設けられ、上記貯湯タンクからの湯と上記給水路の水とを混合するミキシングバルブと、
（ｈ）上記給湯路において上記ミキシングバルブの下流側に設けられた補助熱源と、
（ｉ）上記ミキシングバルブと補助熱源を制御することにより、上記給湯路の下流端から設定温度の湯を出湯させる制御手段と、
を備えた給湯システムにおいて、
上記循環路は上記熱交換器から貯湯タンクの頂部へ向かう第１分岐路とこれより下方の貯湯タンクの側部へ向かう第２分岐路に分岐され、これら第１,第２の分岐路の交差部に切替弁手段が設けられ、
上記貯湯タンク内には熱交換器からの高温の湯からなる高温層と給水温度の水からなる低温層と温度勾配を有する中間遷移層とが貯えられるようになっており、
上記制御手段は、中間遷移層の湯を貯湯タンクに残すようにして上記ミキシングバルブと補助熱源を制御して、出湯温度を設定温度に維持し、
さらに制御手段は、上記切替弁手段を、通常時には上記熱交換器からの湯を第１分岐路を介して貯湯タンクの頂部にのみ供給する第１の状態にし、必要に応じて、上記熱交換器からの湯の少なくとも一部を上記第２分岐路に供給する第２の状態にすることを特徴とする給湯システム。
【請求項２】
（ａ）熱発生源と、
（ｂ）上記熱発生源からの熱を受ける熱交換器と、
（ｃ）貯湯タンクと、
（ｄ）上記貯湯タンクの底部から熱交換器を経て貯湯タンクへと水を循環させる循環路と、
（ｅ）下流端が上記貯湯タンクの底部に接続された給水路と、
（ｆ）上流端が上記貯湯タンクの頂部に接続された給湯路と、
（ｇ）上記給湯路の中途部に設けられ、上記貯湯タンクからの湯と上記給水路の水とを混合するミキシングバルブと、
（ｈ）上記給湯路において上記ミキシングバルブの下流側に設けられた補助熱源と、
（ｉ）上記ミキシングバルブと補助熱源を制御することにより、上記給湯路の下流端から設定温度の湯を出湯させる制御手段と、
を備えた給湯システムにおいて、
上記貯湯タンクの頂端から所定距離下方の位置に、貯湯タンク内の湯温を測定するタンク温度センサが設けられ、上記循環路は上記熱交換器から貯湯タンクの頂部へ向かう第１分岐路とこれより下方の貯湯タンクの側部へ向かう第２分岐路に分岐され、これら第１,第２の分岐路の交差部に切替弁手段が設けられ、
上記制御手段は、
（ア）上記タンク温度センサの検出温度が閾値より上回っている状況では、補助熱源を停止したままミキシングバルブを制御することにより、ミキシングバルブからの混合湯の温度を設定温度に維持し、
（イ）上記検出温度が低下して閾値に達した時には、最小限の熱量を供給するように補助熱源の作動を開始するとともに、この最小限の熱量供給に対応して貯湯タンクからの湯の割合を減じるようにミキシングバルブを制御することにより、出湯温度を設定温度に維持し、
（ウ）上記ミキシングバルブによる貯湯タンクからの湯の割合を、上記補助熱源の作動開始時に減じた値から、徐々に減じて実質的にゼロにし、上記ミキシングバルブからの混合湯の温度の低下を補助熱源の供給熱量の増大により補償して、出湯温度を設定温度に維持し、
（エ）上記切替弁手段を、通常時には上記熱交換器からの湯を第１分岐路を介して貯湯タンクの頂部にのみ供給する第１の状態にし、上記ミキシングバルブで貯湯タンクからの湯の割合を実質的にゼロにした後では、上記熱交換器からの湯の少なくとも一部を上記第２分岐路に供給する第２の状態にすることを特徴とする給湯システム。
【請求項３】
上記の貯湯タンクからの湯の割合を徐々に減じる制御は、混合湯の温度を管理してこの混合湯の温度を時間の経過にしたがって徐々に下げるミキシングバルブの制御であることを特徴とする請求項２に記載の給湯システム。
【請求項４】
上記制御手段は、上記ミキシングバルブによる貯湯タンクの湯の割合を補助熱源の作動開始時点で減じた後、混合湯の温度を一定に維持するようにミキシングバルブを制御し、この混合湯の温度が上記タンク温度センサの検出温度と一致した時から、混合湯の温度を徐々に下げるようにミキシングバルブを制御することを特徴とする請求項３に記載の給湯システム。
【請求項５】
上記給湯路において上記ミキシングバルブの上流側に電磁開閉弁が設けられ、上記制御手段は、上記ミキシングバルブが貯湯タンクからの湯の割合を実質的にゼロにした時に、上記電磁開閉弁を閉じることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の給湯システム。
【請求項６】
上記切替弁手段が三方弁であり、上記第２の状態が上記熱交換器からの湯を上記第２分岐路のみに供給する状態であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の給湯システム。
【請求項７】
上記切替弁手段が他のミキシングバルブであり、上記第２の状態が上記熱交換器からの湯を第１,第２の分岐路の両方に供給する状態であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の給湯システム。
【請求項８】
上記貯湯タンクには、上記タンク温度センサの下方において貯湯タンク内の湯の温度を測定する他のタンク温度センサを備え、当該他の温度センサでの検出温度が上記閾値より低い他の閾値を上回ったときに、上記制御手段は上記切替弁手段を上記第２の状態から上記第１の状態に復帰させることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の給湯システム。
【請求項９】
上記熱発生源が排熱源であり、上記補助熱源がガス給湯器であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池，ガスエンジン，ソーラー等の排熱源（熱発生源）で生じる熱を給湯用の熱エネルギーとして利用する給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭や小規模事業所等のためのコジェネレーションシステムとして排熱回収給湯システムが開発されている。このシステムは、燃料電池，ガスエンジン，ソーラー等の小型発電機で電力を発生させるとともに、この発電機で発生した排熱を回収して給湯に供給するため、エネルギーを有効利用することができるものであり、普及が期待されている。
【０００３】
特許文献１に示すように、排熱源と、熱交換器と、貯湯タンクと、ミキシングバルブと、補助熱源と、これらミキシングバルブと補助熱源を制御する制御手段とを備えている排熱回収給湯システムは公知である。また、特許文献１と同じ構成要素を備えているが、ミキシングバルブと補助熱源の配置が異なる給湯システムも公知である。以下、この後者の給湯システムについて詳述する。
【０００４】
上記公知の給湯システムは、排熱源（熱発生源）からの熱を熱交換器が受け、貯湯タンクの底部からの水をこの熱交換器で加熱し、貯湯タンクの頂部へと供給するようになっている。貯湯タンクの底部には給水路の下流端が接続され、貯湯タンクに給水圧力を付与している。貯湯タンクの頂部には給湯路の上流端が接続されており、給湯路の下流端に設けられた給湯栓をあけると、貯湯タンクの湯が出湯されるようになっている。上記給湯路の中途部には、貯湯タンクからの湯と上記給水路の水とを混合するミキシングバルブと、その下流側のガス給湯器（補助熱源）が設けられている。制御手段は、ミキシングバルブとガス給湯器を制御して設定温度の湯を出湯させるようになっている。
【０００５】
上記公知の給湯システムの作用を説明する。上記貯湯タンク内では殆ど対流がなく、同一温度の湯が層をなし、頂部から底部に向かって低くなる温度勾配をなしている。より詳しくは、図５に示すように、大別して上側の高温層Ｗａと中間の遷移層Ｗｂと下側の低温層Ｗｃとを有している。高温層Ｗａは、熱交換器からの湯温がほぼ一定のため、一定の温度Ｔａ（例えば６０℃）に維持されている。また、低温層Ｗｃの温度Ｔｃは給水温度（例えば１５°Ｃ）と同じである。中間遷移層Ｗｂは、温度ＴａからＴｃまでの急な温度勾配を有している。
【０００６】
上記制御手段は排熱の有効活用を図るため、基本的にはミキシングバルブを制御してその混合温度を設定温度にし、ガス給湯器を停止させておく。ミキシングバルブの制御だけでは出湯温度を設定温度にできない状況では、ガス給湯器の燃焼を実行して出湯温度を設定温度に維持する。以下、詳述する。
【０００７】
貯湯タンクの頂部に高温層Ｗａの湯がある時には、図６に示すように、貯湯タンクからミキシングバルブに供給される湯の温度Ｔｉｎ（以下、入側温度と称す。）は、高温Ｔａとなっている。この時、ミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯と給水路からの水とが混合され、ミキシングバルブから出る混合湯の温度Ｔｍｉｘ（以下、出側温度ないしは混合温度と称す）が設定温度Ｔｓに維持される。上述したように、高温層Ｗａはほぼ一定の温度Ｔａであり、給水温度Ｔｃも安定しているので、貯湯タンクからの湯の割合は、ほぼ一定に維持される。図６における時点ｔ１’以前の期間参照。
【０００８】
なお、ここで用いられるミキシングバルブにおいて、タンク側開度と給水側の開度は一方が増大する時には他方が減少するようになっており、タンク側開度は上記貯湯タンクからの湯の割合と一対一の対応関係にある。タンク側開度が全開のときには、給水側開度が全閉となり、貯湯タンク側の湯の割合が１００％で、給水側の水の割合が０％となる。また、タンク側開度が全閉のときには給水側開度が全開となり、貯湯タンク側の湯の割合が０％で給水側の水の割合が１００％となる。後述する本発明の実施形態で用いられるミキシングバルブも同様である。
【０００９】
貯湯タンクに高温層Ｗａの湯がなくなった時（時点ｔ１’）から、中間遷移層Ｗｂの湯がミキシングバルブに供給される。したがって、入側温度Ｔｉｎは低下を開始し、これに応じてミキシングバルブは混合温度Ｔｍｉｘを設定温度Ｔｓに維持するためにタンク側開度を増大させる。図６における時点ｔ１’〜ｔ２’の期間参照．
【００１０】
上記入側温度Ｔｉｎが低下して、閾値（例えば設定温度Ｔｓより所定温度分例えば２℃だけ高い温度）に達した時点ｔ２’で、ミキシングバルブのタンク側開度を急速に減じ、これと同時にガス給湯器を点火して燃焼を開始する。ガス給湯器は、安定した燃焼を確保するため最小限の供給熱量以上でしか燃焼を継続できないが、この最小限の燃焼を実行する。ミキシングバルブのタンク側開度は、上記ガス給湯器での最小限の供給熱量を考慮して、決定される。すなわち、最小限の供給熱量をＱｍｉｎとしたとき、混合温度Ｔｍｉｘが次式を満足するように開度が決定される。
Ｔｍｉｘ＝Ｔｓ−Ｑｍｉｎ／Ｆ  …（１）
ただし、Ｆは給湯器を流れる流量である。
したがって、上記点火時点Ｔ２’で、混合温度Ｔｍｉｘは設定温度Ｔｉｎより温度差ΔＴ＝Ｑｍｉｎ／Ｆだけ低下する。この温度差ΔＴはガス給湯器の最小限の燃焼により得られる温度上昇分に相当する。
【００１１】
上記点火時点ｔ２’以降、ミキシングバルブの開度制御により混合温度Ｔｍｉｘは設定温度Ｔｓより温度差ΔＴだけ低い温度に維持される。このようにガス給湯器に入る湯の温度すなわち混合温度Ｔｍｉｘが安定しているので、ガス給湯器の燃焼による出湯温度制御を安定して行なうことができる。
【００１２】
上記のように、点火時点ｔ２’以降では、ガス給湯器が上記最小限の熱量で燃焼を実行している状態で、ミキシングバルブは、上記式（１）で求められる混合温度Ｔｍｉｘを維持するように制御される。式（１）の混合温度Ｔｍｉｘは給湯栓を操作したり設定温度Ｔｓを変えないかぎり一定であるから、上述したように入側温度Ｔｉｎが低下している状況ではミキシングバルブのタンク側開度が増大していく。図６の時点ｔ２’〜ｔ３’の期間参照。
【００１３】
さらに出湯を続けると、上記式（１）を満足するためにミキシングバルブのタンク側開度が増大し続け、時点ｔ３’で全開に達し、それ以降は、ミキシングバルブのタンク側開度が全開に維持される。入側温度Ｔｉｎは、貯湯タンク内の中間遷移層Ｗｂの温度勾配に応じて急激に低下するが、上記のようにミキシングバルブのタンク側開度が全開になると、この温度低下が緩和されることなく、そのまま混合温度Ｔｍｉｘとなって現れる。そのため、ガス給湯器では最小限の供給熱量から、供給熱量を急激に増大させて入側温度Ｔｉｎの急激な温度低下を補償し、出湯温度を設定温度Ｔｓに維持しようとする。さらに出湯を続けると、入側温度Ｔｉｎは給水温度Ｔｃと一致し、ほぼ一定となる。この状況ではミキシングバルブのタンク側開度が全開のまま維持され、ガス給湯器の供給熱量もほぼ一定となる。
【特許文献１】特開２００２−３６４９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記公知の給湯システムでは、ミキシングバルブのタンク側開度が全開となっった時点ｔ３’から混合温度Ｔｍｉｘすなわちガス給湯器に入る湯の温度が急速に低下するため、ガス給湯器がこれに対応して供給熱量を増大させても間に合わず、大きなアンダーシュートが生じる欠点があった。図６のｔ３’以降の出湯温度参照。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
（ａ）熱発生源と、
（ｂ）上記熱発生源からの熱を受ける熱交換器と、
（ｃ）貯湯タンクと、
（ｄ）上記貯湯タンクの底部から熱交換器を経て貯湯タンクへと水を循環させる循環路と、
（ｅ）下流端が上記貯湯タンクの底部に接続された給水路と、
（ｆ）上流端が上記貯湯タンクの頂部に接続された給湯路と、
（ｇ）上記給湯路の中途部に設けられ、上記貯湯タンクからの湯と上記給水路の水とを混合するミキシングバルブと、
（ｈ）上記給湯路において上記ミキシングバルブの下流側に設けられた補助熱源と、
（ｉ）上記ミキシングバルブと補助熱源を制御することにより、上記給湯路の下流端から設定温度の湯を出湯させる制御手段と、
を備えた給湯システムにおいて、
上記循環路は上記熱交換器から貯湯タンクの頂部へ向かう第１分岐路とこれより下方の貯湯タンクの側部へ向かう第２分岐路に分岐され、これら第１,第２の分岐路の交差部に切替弁手段が設けられ、
上記貯湯タンク内には熱交換器からの高温の湯からなる高温層と給水温度の水からなる低温層と温度勾配を有する中間遷移層とが貯えられるようになっており、
上記制御手段は、中間遷移層の湯を貯湯タンクに残すようにして上記ミキシングバルブと補助熱源を制御して、出湯温度を設定温度に維持し、
さらに制御手段は、上記切替弁手段を、通常時には上記熱交換器からの湯を第１分岐路を介して貯湯タンクの頂部にのみ供給する第１の状態にし、必要に応じて、上記熱交換器からの湯の少なくとも一部を上記第２分岐路に供給する第２の状態にすることを特徴とする。
【００１６】
上記構成では、中間遷移層の湯がミキシングバルブに供給されずに貯湯タンクに残るように制御することにより、ミキシングバルブからの混合湯の急激な低下を防ぎ、出湯温度のアンダーシュートを回避することができる。
上記制御において熱交換器からの高温の湯が貯湯タンクの頂部に補充されると、上記中間遷移層は下方に移動する。再出湯時にはこの高温の湯だけミキシングバルブへ供給され、中間遷移層が残ることになる。この繰り返しにより中間遷移層の湯が貯湯タンクに長期にわたって滞留する可能性がある。そこで、切替弁手段を作動させて熱交換器からの高温の湯を第２分岐路を介して貯湯タンクの側部に供給し、貯湯タンク内で対流を起こさせる。これにより、比較的狭い中間遷移層が広い領域に拡散して希釈され、長期にわたって貯湯タンク内に滞留するのを回避することができる。
【００１７】
（ａ）熱発生源と、
（ｂ）上記熱発生源からの熱を受ける熱交換器と、
（ｃ）貯湯タンクと、
（ｄ）上記貯湯タンクの底部から熱交換器を経て貯湯タンクへと水を循環させる循環路と、
（ｅ）下流端が上記貯湯タンクの底部に接続された給水路と、
（ｆ）上流端が上記貯湯タンクの頂部に接続された給湯路と、
（ｇ）上記給湯路の中途部に設けられ、上記貯湯タンクからの湯と上記給水路の水とを混合するミキシングバルブと、
（ｈ）上記給湯路において上記ミキシングバルブの下流側に設けられた補助熱源と、
（ｉ）上記ミキシングバルブと補助熱源を制御することにより、上記給湯路の下流端から設定温度の湯を出湯させる制御手段と、
を備えた給湯システムにおいて、
上記貯湯タンクの頂端から所定距離下方の位置に、貯湯タンク内の湯温を測定するタンク温度センサが設けられ、上記循環路は上記熱交換器から貯湯タンクの頂部へ向かう第１分岐路とこれより下方の貯湯タンクの側部へ向かう第２分岐路に分岐され、これら第１,第２の分岐路の交差部に切替弁手段が設けられ、
上記制御手段は、
（ア）上記タンク温度センサの検出温度が閾値より上回っている状況では、補助熱源を停止したままミキシングバルブを制御することにより、ミキシングバルブからの混合湯の温度を設定温度に維持し、
（イ）上記検出温度が低下して閾値に達した時には、最小限の熱量を供給するように補助熱源の作動を開始するとともに、この最小限の熱量供給に対応して貯湯タンクからの湯の割合を減じるようにミキシングバルブを制御することにより、出湯温度を設定温度に維持し、
（ウ）上記ミキシングバルブによる貯湯タンクからの湯の割合を、上記補助熱源の作動開始時に減じた値から、徐々に減じて実質的にゼロにし、上記ミキシングバルブからの混合湯の温度の低下を補助熱源の供給熱量の増大により補償して、出湯温度を設定温度に維持し、
（エ）上記切替弁手段を、通常時には上記熱交換器からの湯を第１分岐路を介して貯湯タンクの頂部にのみ供給する第１の状態にし、上記ミキシングバルブで貯湯タンクからの湯の割合を実質的にゼロにした後では、上記熱交換器からの湯の少なくとも一部を上記第２分岐路に供給する第２の状態にすることを特徴とする。
【００１８】
上記構成では、補助熱源の作動開始後に、混合バルブによる貯湯タンクからの湯の割合を徐々に減じ、ミキシングバルブからの湯の温度を徐々に給水温度に近づけ，補助熱源での供給熱量は徐々に増大して、ミキシングバルブからの湯の温度の低下を補償することにより、出湯温度を設定温度に維持する。このようにすれば、公知の給湯システムのようにミキシングバルブが貯湯タンクからの湯の割合を１００％にした後に生じる混合湯の温度の急激な低下が生じず、出湯温度に大きなアンダーシュートが生じるのを回避することができる。
上記の制御では、中間遷移層の湯がミキシングバルブに供給されずに貯湯タンクに残る。熱交換器からの高温の湯が貯湯タンクの頂部に補充されると、この中間遷移層は下方に移動する。再出湯時にはこの高温の湯だけミキシングバルブへ供給され、中間遷移層が残ることになる。この繰り返しにより中間遷移層の湯が貯湯タンクに長期にわたって滞留する可能性がある。そこで、上記のようにミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯の割合を実質的にゼロにした後では、切替弁手段を作動させて熱交換器からの高温の湯を第２分岐路を介して貯湯タンクの側部に供給し、貯湯タンク内で対流を起こさせる。これにより、比較的狭い中間遷移層が広い領域に拡散して希釈され、長期にわたって貯湯タンク内に滞留するのを回避することができる。
【００１９】
好ましくは、上記の貯湯タンクからの湯の割合を徐々に減じる制御は、混合湯の温度を管理してこの混合湯の温度を時間の経過にしたがって徐々に下げるミキシングバルブの制御である。これにより、出湯量の影響を受けずに混合湯の温度すなわち補助熱源に供給される湯の温度を管理できるため、補助熱源による供給熱量の安定した制御を確保でき、ひいては出湯温度をより一層安定化することができる。
好ましくは、上記制御手段は、上記ミキシングバルブによる貯湯タンクの湯の割合を補助熱源の作動開始時点で減じた後、混合湯の温度を一定に維持するようにミキシングバルブを制御し、この混合湯の温度が上記タンク温度センサの検出温度と一致した時から、混合湯の温度を徐々に下げるようにミキシングバルブを制御する。これにより、補助熱源の作動開始直後における補助熱源の安定した制御を確保でき、出湯温度をより一層安定させることができる。
好ましくは、上記給湯路において上記ミキシングバルブの上流側に電磁開閉弁が設けられ、上記制御手段は、上記ミキシングバルブが貯湯タンクからの湯の割合を実質的にゼロにした時に、上記電磁開閉弁を閉じる。これにより、貯湯タンクから補助熱源への湯の供給を確実に遮断することができる。
【００２０】
一つの態様では、上記切替弁手段が三方弁であり、上記第２の状態が上記熱交換器からの湯を上記第２分岐路のみに供給する状態である。この場合には、上記希釈効果を最大限発揮することができ、しかも構造が簡単である。
他の態様では、上記切替弁手段が他のミキシングバルブであり、上記第２の状態が上記熱交換器からの湯を第１,第２の分岐路の両方に供給する状態である。この場合には、上記希釈効果を得るとともに、貯湯タンクの湯をミキシングバルブへ供給可能な状態に早く達することができ、熱交換器からの熱エネルギーを有効に活用できる。
【００２１】
好ましくは、上記貯湯タンクには、上記タンク温度センサの下方において貯湯タンク内の湯の温度を測定する他のタンク温度センサを備え、当該他の温度センサでの検出温度が上記閾値より低い他の閾値を上回ったときに、上記制御手段は上記切替弁手段を上記第２の状態から上記第１の状態に復帰させる。これにより、滞留層の希釈が十分に行なわれたことを検知でき、熱交換器からの湯の貯湯タンクの頂部への供給に切り替えて、熱交換器からの熱エネルギーを有効に活用できる。
好ましくは、上記熱発生源が排熱源であり、上記補助熱源がガス給湯器である。これにより、熱エネルギーを有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、貯湯タンクからの湯と給水路の水とを混合するミキシングバルブとその下流側の補助熱源を有する給湯システムにおいて、出湯温度に大きなアンダーシュートが発生するのを回避することができる。しかも、貯湯タンク内で滞留層が長期にわたって残るのを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の第１実施形態について図１,図２を参照しながら説明する。図１に示すように、給湯システムは、燃料電池等の発電機１０と、貯湯タンク２０と、ミキシングバルブ３０とガス給湯器４０（補助熱源）とを主たる構成要素として備えている。
【００２４】
上記発電機１０は、ハウジング１０ａ内に、排熱源１１（熱発生源）と、熱交換器１２と、熱媒体循環路１３と、２台のポンプ１４，１５とを備えてユニット化されている。熱媒体循環路１３は排熱源１１と熱交換器１２とを通っており、この熱媒体循環路１３に設けられたポンプ１４の駆動により熱媒体（例えば水）が排熱源１１と熱交換器１２との間を循環するようになっている。
【００２５】
上記貯湯タンク２０の底壁２０ａ（底端）と頂壁２０ｂ（頂端）との間には、水循環路２５が接続されている。この水循環路２５は上記熱交換器１２を通っており、この水循環路２５に設けられた上記ポンプ１５の駆動により、貯湯タンク２０の底端２０ａの水が熱交換器１２を通り、この過程で熱交換器１２を流れる熱媒体からの熱を受けて湯となり、貯湯タンク２０の頂端２０ｂに供給されるようになっている。なお、本明細書で貯湯タンク２０の底部とは底壁２０ａまたはその近傍部を言い、頂部とは頂壁２０ｂまたはその近傍部を言う。
【００２６】
前述したように上記貯湯タンク２０内では殆ど対流がなく、上側の高温層Ｗａと中間の遷移層Ｗｂと下側の低温層Ｗｃとを有している。高温層Ｗａは、熱交換器１２からの湯温がほぼ一定のため、一定の温度Ｔａ（例えば６０℃）に維持されている。また、低温層Ｗｃの温度Ｔｃは給水温度（例えば１５°Ｃ）と同じである。中間遷移層Ｗｂは、温度ＴａからＴｃまでの急な温度勾配を有している。
【００２７】
上記貯湯タンク２０の底壁２０ａには給水路５０の下流端が接続され、常時給水圧力が加わるようになっている。また、貯湯タンク２０の頂壁２０ｂには給湯路６０の上流端が接続されており、この給湯路６０の下流端には給湯栓６１が設けられている。この給湯栓６１を開くと、貯湯タンク２０に貯えられていた湯が上記給水圧力を受けて給湯栓６１から出湯するようになっている。
【００２８】
上記給湯路６０には上流側から下流側に向かって順に上記ミキシングバルブ３０と給湯器４０が設けられている。ミキシングバルブ３０は、貯湯タンク２０から給湯路６０を経た湯と、給水路５０の分岐部５１からの水との混合割合を調節するものである。給湯路６０においてミキシングバルブ３０の上流側には電磁開閉弁３５が設けられている。
【００２９】
上記ガス給湯器４０は、ガス燃焼部４１と、その上に位置する熱交換器４２を有しており、熱交換器４２を上記給湯路６０が通っており、給湯路６０の湯または水が熱交換器４２を通過する際にガス燃焼部４１での燃焼熱を受けるようになっている。
【００３０】
給湯システムは、さらに制御ユニット７０（制御手段）と種々のセンサを有している。詳述すると、ミキシングバルブ３０の上流側で電磁開閉弁３５の下流側には、貯湯タンク２０からミキシングバルブ３０に入る湯の温度を検出する入側温度センサ８１が設けられている。また、ミキシングバルブ３０の上流側に位置する給水路５０の分岐部５１には、給水温度を検出する給水温度センサ８２が設けられている。
【００３１】
給湯路６０においてミキシングバルブ３０の下流側でガス給湯器４０の上流側には、ミキシングバルブ３０で混合された湯の温度を検出する混合温度センサ８３が設けられている。給湯路６０にはガス給湯器４０の熱交換器４２の下流側に位置する出湯温度センサ８４が設けられている。さらに、給湯路６０には、ミキシングバルブ３０とガス給湯器４０との間において、流量を検出するためのフローセンサ８５が設けられている。
【００３２】
上述の構成は、公知の給湯システムとほぼ等しい。本実施形態では、新規に貯湯タンク２０の頂部の側壁にタンク温度センサ８６を設けている。このタンク温度センサ８６は、貯湯タンク２０の頂壁２０ｂから所定距離Ｄだけ下方に位置する貯湯タンク２０内の湯の温度を検出するものである。この距離Ｄは、センサ８６の設置位置と頂壁２０ｂとの間で例えば１０リットル程度の湯が貯えられるように設定する。このタンク温度センサ８６よりさらに所定距離下方における貯湯タンク２０の側壁には、他のタンク温度センサ８７が設けられている。
【００３３】
上記循環路２５は、熱交換器１２から貯湯タンク２０に向かって２股に分岐しており、第１分岐路２５ａが前述したように貯湯タンク２０の頂端２０ｂに接続され、第２分岐路２５ｂが貯湯タンク２０の側壁に中間高さの位置で接続されている。この第２分岐路２５ｂの接続位置は、第１分岐路２５ａの接続位置および底端２０ａから上下方向に十分離れていればよい。好ましくは、上記タンク温度センサ８６より所定距離下方で、貯湯タンク２０の中央より高い位置にあり、上記タンク温度センサ８７とほぼ同じ高さにある。
【００３４】
上記第１,第２の分岐路２５ａ，２５ｂの交差部に電磁三方弁９０が設けられている。この三方弁９０は、熱交換器１２からの湯を第１分岐路２５ａのみに供給する第１の状態と、第２分岐路２５ｂにのみ供給する第２の状態とに切り替え可能である。
【００３５】
上記制御ユニット７０は、上記センサ８１〜８６の検出情報に基づいて、給湯栓６１からの出湯温度がユーザーによる設定温度になるように、ミキシングバルブ３０と、開閉弁３５と、ガス給湯器４０の制御を行なう。以下、詳述する。
【００３６】
ミキシングバルブ３０は、出湯停止時にタンク側開度を全閉で給水側を全開にし、この状態で待機している。給湯栓６１を開けると、フローセンサ８５でこれを検出し、制御ユニット７０は、この検出信号に応答してタンク温度センサ８６での検出温度Ｔｄが閾値以上か未満かを判断する。なお、閾値は設定温度より所定温度分例えば２℃高い温度に設定されている。この閾値は通常、中間遷移層Ｗｂの温度範囲内にある。
【００３７】
制御ユニット７０は、検出温度Ｔｄが閾値以上であると判断したときには、第1の制御ルーチンを実行する。この場合、タンク温度センサ８６は貯湯タンク２０の頂壁２０ｂより距離Ｄだけ下方に位置しているので、頂壁２０ｂでの湯の温度は、閾値以上である。通常は貯湯タンク２０の頂部に高温層Ｗａの湯が蓄えられている。検出温度が高温層Ｗａの湯の温度Ｔａである場合を例にとり、第1制御ルーチンについて図３を参照しながら説明する。
【００３８】
ガス給湯器３０は停止状態を維持される。ミキシングバルブ３０は、貯湯タンク２０からの湯と給水路５０からの水を混合して、混合温度Ｔｍｉｘが設定温度Ｔｓになるように制御を行なう。詳述すると、入側温度センサ８１で検出される貯湯タンク２０の湯の温度Ｔｉｎと、給水温度センサ８２で検出される給水温度Ｔｃと、フローセンサ８５で検出される流量と，設定温度Ｔｓに基づき、フィードフォワード制御を行なうとともに、混合温度センサ８３で検出される混合温度Ｔｍｉｘと設定温度Ｔｓに基づいてフィードバック制御を行なう。したがって、ミキシングバルブ３０により設定温度Ｔｓとなった混合湯はガス給湯器３０で加熱されずに給湯栓６１から出湯される。なお、高温層Ｗａの湯温Ｔａはほぼ一定であるから、設定温度Ｔｓが変化せず出湯量も変化しない限り、ミキシングバルブ３０での混合割合はほぼ一定である。図３の時点ｔ１以前の期間参照。
【００３９】
貯湯タンク２０の湯が消費され続けると、やがて中間遷移層Ｗｂがタンク温度センサ８６に達するため、このタンク温度センサ８６による検出温度Ｔｄが低下し始める。ただし、タンク温度センサ８６は貯湯タンク２０の頂端２０ｂより所定距離Ｄ下方に位置しているので、貯湯タンク２０から出る湯の温度すなわちミキシングバルブ３０に入る湯の温度Ｔｉｎ（入側温度）はまだ高温Ｔａを維持されている。
【００４０】
上記タンク温度センサ８６の検出温度Ｔｄがさらに低下して閾値に達した時点ｔ１で、ガス給湯器４０を点火して最小限の供給熱量Ｑｍｉｎを湯に供給するとともに、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を急速に減じる。ミキシングバルブ３０のタンク側開度は、混合温度Ｔｍｉｘが前述した式（１）を満足するように決定される。したがって、上記点火時点ｔ１で、混合温度Ｔｍｉｘは設定温度Ｔｓより温度差ΔＴ＝Ｑｍｉｎ／Ｆだけ低下する。
【００４１】
点火時点ｔ１で急低下した混合温度Ｔｍｉｘは、そのまま、すなわち設定温度Ｔｓより温度差ΔＴだけ低い温度のまま一定に維持され、上記検出温度Ｔｄが混合温度Ｔｍｉｘに達するまで継続される。この時のミキシングバルブ３０の制御は、前述したと同様にフィードフォワード制御とフィードバック制御により実行される。なお、タンク温度センサ８６が頂壁２０ｂより所定距離Ｄだけ下方に位置しており、その検出温度Ｔｄが閾値に達してガス給湯器４０が点火した時点ｔ１では、まだ貯湯タンク２０に高温層Ｗａが残っており、入側温度Ｔｉｎはまだ高温Ｔａを維持しているので、混合温度Ｔｍｉｘを一定に維持する制御では、ミキシングバルブ３０の開度が微調整されるだけでほぼ一定に維持されることになる。このように混合温度Ｔｍｉｘが一定に維持されるので、ガス給湯器４０での点火直後の制御を安定して行なえる。図３における時点ｔ１〜ｔ２の期間参照。
【００４２】
検出温度Ｔｄが混合温度Ｔｍｉｘに達した時点ｔ２で、混合温度Ｔｍｉｘが時間の経過にしたがって徐々に減じるようにミキシングバルブ３０を制御する。これに伴い、ミキシングバルブ３０のタンク側開度は徐々に減少する。ガス給湯器４０では、混合温度センサ８３の検出温度Ｔｍｉｘと設定温度Ｔｓとフローセンサ８５での検出流量に基づくフィードフォワード制御と、出湯温度センサ８４の検出温度と設定温度Ｔｓに基づくフィードバック制御により、供給熱量を制御し、出湯温度を設定温度Ｔｓに維持する。この供給熱量は、上記混合温度Ｔｍｉｘの低下に伴い増大する。混合温度Ｔｍｉｘが徐々に低下するので、ガス給湯器４０による供給熱量の増大が良好に追随でき、大きなアンダーシュートが生じることはない。なお、混合温度Ｔｍｉｘの温度を時間経過にしたがって減少するようにしているので、流量の過多に影響されずに、ガス給湯器４０の安定した制御を行なうことができる。図３における時点ｔ２〜ｔ３の期間参照。
【００４３】
さらに出湯を続けると、時点ｔ３でミキシングバルブ３０のタンク側開度が実質的に全閉になる。これと同時に電磁開閉弁３５を閉じる。この時点ｔ３で、ミキシングバルブ３０の給水側の開度が全開となり、ミキシングバルブ３０からの混合温度Ｔｍｉｘは給水温度Ｔｃと一致する。この後、貯湯タンク２０の湯の供給が停止されたまま、ガス給湯器４０の供給熱量を給水路５０からの水に付与することにより、設定温度の出湯を維持する。
【００４４】
上記のように、ミキシングバルブ３０からの混合温度Ｔｍｉｘを徐々に低下させて給水温度Ｔｃにするため、公知の給湯システムのように混合温度Ｔｍｉｘの急激な低下が生じることはなく、その結果、ガス給湯器４０での供給熱量の増加が追い付かずに出湯温度にアンダーシュートが生じる現象は生じない。
【００４５】
給湯栓６１を締めることにより、出湯が停止されると、フローセンサ８５がこれを検出し、この検出信号に応答して、上記ガス給湯器４０の燃焼が停止される。図３における時点ｔ４参照。なお、この第１制御ルーチンにおいて、時点ｔ１〜時点ｔ３の期間で出湯停止になった時には、上記ガス給湯器４０の燃焼が停止され、ミキシングバルブ３０はタンク側開度が全閉で給水側開度が全開となるように制御される。また、時点ｔ１前に出湯停止になった時にはミキシングバルブ３０は、タンク側開度が全閉で給水側開度が全開となるように制御される。
【００４６】
出湯開始時に、タンク温度センサ８６による検出温度Ｔｄが閾値未満と判断したときには、制御ユニット７０は、第２の制御ルーチンを実行する。すなわち、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を全閉にし電磁弁３５を閉じたまま、貯湯タンク２０からの湯を使わずに給水路５０からの水をガス給湯器４０で加熱して、設定温度の出湯を維持する。
【００４７】
上記電磁開閉弁３５は、ミキシングバルブ３０のタンク側開度が全閉の時に閉じるが、混合湯温度センサ８３の故障時にも閉じて貯湯タンク２０からの湯の供給を停止し、高温の湯が給湯栓６１から供給されるのを禁じる。
【００４８】
上記制御ユニット７０は、上記出湯温度制御の他に三方弁９０の制御を行なう。通常時には三方弁９０は図１の状態（第１の状態）に維持されている。この状態では、熱交換器１２からの高温の湯は第１分岐路２５ａを介して貯湯タンク２０の頂部に供給される。そのため、高温の湯を有効活用し、ガス給湯器４０の使用機会を減じることができる。
【００４９】
前述したように、図３に示す第１の制御ルーチンが実行されて時点ｔ３に至った場合には、電磁弁３５の閉じ動作とほぼ同期して、上記三方弁９０を図２の状態（第２の状態）に切り替える。この状態では、熱交換器１２からの高温の湯が第２分岐路２５ｂを介して貯湯タンク２０の側部に供給される。前述したように貯湯タンク２０の頂部は中間遷移層Ｗｂとなっているので、第２分岐路２５ｂの接続位置では中間遷移層Ｗｂか低温層Ｗｃとなっている。そのため、第２分岐路２５ｂに供給された高温の湯は貯湯タンク２０内で上昇し、その過程で熱を奪われる。この対流により中間遷移層Ｗｂは、帯域を広げられ、貯湯タンク２０の底部から熱交換器１２を経た新鮮な水で希釈される。その結果、中間遷移層Ｗｂに属する湯が置換されずに長期にわたって貯湯タンク２０に滞留するのを回避できる。
【００５０】
上記三方弁９０の第２の状態は、下方のタンク温度センサ８７の検出温度が閾値に達するまで継続される。この閾値は給水温度より所定温度例えば５℃高い温度に設定されており、出湯制御時のタンク温度センサ８６に対する閾値より低い。そして、タンク温度センサ８７がこの閾値に達した時に、三方弁９０を第２の状態から第１の状態に切り替える。これにより、再び熱交換器１２からの高温の湯を第１分岐路２５ａを介して貯湯タンク２０の頂部に供給することができ、高温の湯を有効活用することができる。なお、この切り替え時に電磁開閉弁３５を開く。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。この実施形態では、第１実施形態の三方弁９０の代わりにミキシングバルブ９１が用いられる。ミキシングバルブ９１は第１の状態で熱交換器１２の湯を第１分岐路２５ａにのみ供給し、第２の状態で熱交換器１２の湯を第１分岐路２５ａと第２分岐路２５ｂの両方に供給する。この場合には、上記希釈効果を得るとともに、貯湯タンク２０の湯をミキシングバルブ３０へ供給可能な状態に早く達することができ、熱交換器１２からの熱エネルギーを有効に活用できる。
上記分岐路２５ａ，２５ｂへの分配割合は固定でもよいし、可変にしてもよい。可変の場合には、時間の経過やタンク温度センサ８７での検出温度の上昇に伴い、第１分岐路２５ａへの分配割合を増大させるようにしてもよい。他の制御は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５２】
本発明は上記実施形態に制約されず、種々の態様が可能である。出湯温度制御は、中間遷移層を残して出湯温度にアンダーシュートが生じない制御であれば、どのような制御でも採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態をなす排熱回収給湯システムの概略図であり、熱交換器からの湯を貯湯タンクの頂部に供給する状態を示す。
【図２】同システムの要部概略図であり、熱交換器の湯を貯湯タンクの側部に供給する状態を示す要部概略図である。
【図３】同システムでの出湯制御を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態を示す給湯システムの要部概略図である。
【図５】本発明および公知のシステムの貯湯タンクにおける温度勾配を示す図である。
【図６】従来の給湯システムにおける制御のタイムチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  発電機
１１  排熱源（熱発生源）
１２  熱交換器
２０  貯湯タンク
３０  ミキシングバルブ
４０  ガス給湯器（補助熱源）
５０  給水路
６０  給湯路
７０  制御ユニット（制御手段）
８６  タンク温度センサ
８７  他のタンク温度センサ
９０  三方弁（切替弁手段）
９１  他のミキシングバルブ（切替弁手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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