(57)【要約】【課題】放熱装置内の液体を円滑に排出することができる熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムの提供を目的とする。【解決手段】密閉型の貯留タンク１０を備え、貯留タンク１０を含む熱エネルギー回収流路２０に、ラジエター（放熱装置）２９、循環ポンプ２５が設けられている。貯留タンク１０に対して並列的にバイパス流路２３が設けられている。貯留タンク１０の底部に排出弁８２が設けられており、ラジエター２９の熱交換器６側に空気導入弁８５が設けられている。排出モードにおいてはラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートが開かれると共に、貯留タンクに連通する他の流路が閉鎖される。排出弁８２と空気導入弁８５とを開放すると、貯留タンク１０側が負圧となり、ラジエター２９内の液体が吸引されて貯留タンク１０に流れ込む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱発生源が発生する熱を熱交換器を介して液体に移動させ、当該液体を貯留タンクに貯留する熱回収装置であって、前記熱交換器に至る液体の温度を低下させる放熱装置を備えた熱回収装置において、貯留タンクの下部側と前記熱交換器と貯留タンクの上部側とが順に環状に配管結合された熱エネルギー回収流路と、少なくとも貯留タンクを迂回するバイパス流路と、熱エネルギー回収流路及び／又はバイパス流路に設けられた電気的に開閉される弁又は弁群と、放熱装置の熱交換器側から空気を導入させる空気導入弁と、貯留タンクの下部と連通する排出弁と、電気的に開閉される弁又は弁群を制御する制御装置を有し、制御装置は運転モードとして暖機運転モードと、熱回収モードと、排出モードを備え、暖機運転モードにおいては、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して液体を主として熱交換器とバイパス流路を通過する環状流路に流し、熱回収モードにおいては、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して液体を主として熱交換器と貯留タンクを通過する環状流路に流し、排出モードにおいては電気的に開閉される弁又は弁群を制御して放熱装置とバイパス流路と貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖することを特徴とする熱回収装置。
【請求項２】
熱発生源が発生する熱を熱交換器を介して液体に移動させ、当該液体を貯留タンクに貯留する熱回収装置であって、前記熱交換器に至る液体の温度を低下させる放熱装置を備えた熱回収装置において、貯留タンクの下部側と前記熱交換器と貯留タンクの上部側とが順に環状に配管結合された熱エネルギー回収流路と、少なくとも貯留タンクを迂回するバイパス流路と、熱エネルギー回収流路及び／又はバイパス流路に設けられた電気的に開閉される弁又は弁群と、放熱装置の熱交換器側から空気を導入させる空気導入弁と、貯留タンクの下部と連通する排出弁と、貯留タンクに連通する流路の圧力を検知する圧力検知手段と、電気的に開閉される弁又は弁群を制御する制御装置を有し、制御装置は運転モードとして排出モードを備え、圧力検知手段が負圧を検知した事を条件として排出モードとなり、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して放熱装置とバイパス流路と貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖することを特徴とする熱回収装置。
【請求項３】
貯留タンクの下部側と放熱装置とを接続するか、あるいはバイパス流路と放熱装置とを接続するかを選択的に切り替える流路切替弁を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱回収装置。
【請求項４】
空気導入弁と熱交換器との間の経路を遮断する閉止弁を備え、排出モードの際には前記閉止弁が自動的に遮断されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱回収装置。
【請求項５】
放熱装置が貯留タンクの下方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱回収装置。
【請求項６】
放熱装置は、放熱用熱交換器と当該放熱用熱交換器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記送風機は、放熱用熱交換器と貯留タンクとの間であって前記貯留タンクを放熱装置側に投影して形成される投影領域内に設置され、且つ送風方向が貯留タンク側に向くように設置されており、さらに熱回収装置の設置面と放熱装置との間に気体が流通可能な空間が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の熱回収装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の熱回収装置を備え、熱発生源が燃料電池であることを特徴とするコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、下記特許文献１に開示されているように、燃料電池等の発電装置において発生した排熱が持つ熱エネルギーを湯水等の液体を介して回収し、貯留タンクに貯留可能なコージェネレーションシステムがある。かかる構成のコージェネレーションシステムは、発電装置を冷却することにより加熱された液体を有効利用できるため、エネルギー効率が高い。
【特許文献１】特開２００１−３２５９８２号公報
【０００３】
特許文献１に開示されたコージェネレーションシステムは、燃料電池が発生する熱によって水を昇温し、できた湯をタンクに貯留するものである。特許文献１に開示された発明では、湯を貯留する貯留タンクは、大気開放型のタンクである。
【０００４】
また特許文献１に開示されたコージェネレーションシステムでは、燃料電池側の熱交換器に湯水を供給する流路にラジエターが設けられている。
即ち燃料電池を発熱源とするコージェネレーションシステムでは、燃料電池が発生する排熱によって水を加熱し、加熱された水を貯留タンクに貯留するが、貯留タンクに高温の湯が満たされた状態となってしまうと排熱の行き場が無くなり、燃料電池を運転することができなくなってしまう。
一方、排熱を有効利用できず、燃料電池が発生する電気だけを利用する場合であってもエネルギー効率が高い場合があり、排熱を有効利用できない場合であっても燃料電池を運転したいという要求がある。
【０００５】
そこでかかる場合にも発電装置を作動させることができるように、燃料電池側に供給する湯水を冷却する流路にラジエターが設けられているのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、冬季にコージェネレーションシステムの運転を停止する場合には、凍結による破損を防止するために、システム内に残留する水を排水する必要がある。
しかしながら、上記した様なコージェネレーションシステムはラジエター部分の水を排出することが困難であるという問題がある。
即ちラジエターは、細い管によって流路が構成されており、さらに流路が入り組んでいる。そのため単に排水栓を開放しただけでは内部の水を排出しきることができない。
一方、ラジエターを構成する細管は、熱交換効率を上げるために肉厚の薄い管が採用されている。そのためラジエターは他の構成部材に比べて機械的強度が低く、内部に水が残留し、これが凍結して膨張すると、高い確率で壊れてしまう。
【０００７】
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、放熱装置内の液体を円滑に排出することができる熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記した課題を解決するために検討を重ね、貯留タンクの排出圧を利用して放熱装置内の液体を排出することを考えた。
即ち特許文献１に開示されたコージェネレーションシステムでは、貯留タンクは大気開放型のタンクが採用されていたが、これに代わって密閉型のタンクを使用し、貯留タンク内の負圧によって放熱装置内の液体を吸い出すことを考えた。
図１８は、第一試作の熱回収装置の作動原理図である。なお第一試作の熱回収装置は、後記する様に期待した効果を発揮しなかった。
第一試作の熱回収装置１００は、密閉型の貯留タンク１０を備え、貯留タンク１０を含む環状の熱エネルギー回収流路２０に、弁１０１、ラジエター（放熱装置）２９、循環
ポンプ２５、熱交換器６が設けられている。より具体的には、貯留タンク１０の下部に設けられた底部接続部１２が弁１０１を介してラジエター２９に接続され、さらにラジエター（放熱装置）２９の排出口が循環ポンプ２５及び熱交換器６を介して貯留タンク１０の上部に設けられた頂部接続部１１に接続されている。
なお、熱交換器６は、燃料電池（熱発生源）５が排出する熱を熱エネルギー回収流路２０を流れる液体に移動するものである。
また図１８に示す熱回収装置は、液体を温度層に分けて貯留タンク１０に貯留することを意図している。
【０００９】
第一試作の熱回収装置１００では、貯留タンク１０の底部接続部１２に排出弁８２が設けられている。また弁１０１とラジエター２９との間を分岐し、当該分岐流路８３に空気導入弁８５が設けられている。
【００１０】
第一試作の熱回収装置１００では、ラジエター２９内の液体を排出する際には、弁１０１を閉じて貯留タンク１０の下部とラジエター２９との間の流路を遮断し、空気導入弁８５と排出弁８２を開く。
発明者らの予測では、貯留タンク１０の液体が排出され、貯留タンク１０内が負圧状態となり、ラジエター２９内の液体が、矢印の方向に吸い上げられ貯留タンク１０に回収され、さらに排出弁８２から排出されると考えた。
しかしながら、第一試作の熱回収装置１００は、期待した効果を発揮せず、ラジエター２９内に液体が残ってしまうものであった。
この原因は、第一試作の熱回収装置１００では、負圧となる貯留タンク１０とラジエター２９との間に、熱交換器６と循環ポンプ２５が介在されるためであり、ラジエター２９と貯留タンク１０との間の圧力損失が大きいためであると予想された。
【００１１】
また上記した特許文献１に開示されたコージェネレーションシステムは、ラジエター２９内の液体を排出することが困難であるという問題点の他に、運転初期に発電効率が低いという問題があった。また運転初期に加熱された循環水は、貯留するのに適さないという問題があった。
【００１２】
即ち燃料電池が定常運転している際には相当の発熱があり、燃料電池を効率的に運転するためにはこの発熱を奪って燃料電池を冷却する必要がある。しかしながら運転初期の段階では、機器全体の温度が低いため、通常温度の冷却水を熱交換器に通すと燃料電池が過冷却状態となり、動作が不安定となる。
また液体を温度層に分けて貯留タンクに貯留する場合、低温の液体が貯留タンクに戻ると適切な層構成を乱す。そのため液体を温度層に分けて貯留タンクに貯留する場合、低温の液体が貯留タンクに戻ることは好ましくない。
【００１３】
そこで本発明者らは、貯留タンク１０を迂回するバイパス流路を設け、運転初期の段階では、貯留タンク１０をバイパスし、循環ポンプ・熱交換器・バイパス流路・ラジエターで構成される環状流路に液体を循環させることとした。
【００１４】
そして本発明者らは、前述した貯留タンク内の負圧によって放熱装置内の液体を排出するという基本思想を、バイパス流路を備えた熱回収装置に適用すれば優れた相乗効果が発現されることに気がついた。
【００１５】
即ち放熱装置内の液体をバイパス流路側から吸引して貯留タンク内に回収する構成を思いついた。
【００１６】
上記した着想に基づいて完成された請求項１に記載の発明は、熱発生源が発生する熱を熱交換器を介して液体に移動させ、当該液体を貯留タンクに貯留する熱回収装置であって、前記熱交換器に至る液体の温度を低下させる放熱装置を備えた熱回収装置において、貯留タンクの下部側と前記熱交換器と貯留タンクの上部側とが順に環状に配管結合された熱エネルギー回収流路と、少なくとも貯留タンクを迂回するバイパス流路と、熱エネルギー回収流路及び／又はバイパス流路に設けられた電気的に開閉される弁又は弁群と、放熱装置の熱交換器側から空気を導入させる空気導入弁と、貯留タンクの下部と連通する排出弁と、電気的に開閉される弁又は弁群を制御する制御装置を有し、制御装置は運転モードとして暖機運転モードと、熱回収モードと、排出モードを備え、暖機運転モードにおいては、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して液体を主として熱交換器とバイパス流路を通過する環状流路に流し、熱回収モードにおいては、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して液体を主として熱交換器と貯留タンクを通過する環状流路に流し、排出モードにおいては電気的に開閉される弁又は弁群を制御して放熱装置とバイパス流路と貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖することを特徴とする熱回収装置である。
【００１７】
本発明の熱回収装置は、運転モードとして３種のモードを持つ。
そして暖機運転モードの場合は、主として熱交換器とバイパス流路を通過する環状流路に水等の液体が流される。なお「主として」とは、必ずしも全ての液体がバイパス流路を通過しなくてもよいことを明記したものである。例えば液体を分流して一部をバイパス流路に流し、残りを貯留タンクを通る流路に流してもよい。また暖機運転モードの場合は、液体を冷却する必要はないから、液体は、必ずしも放熱装置を通過する必要はない。もちろん暖機運転モードの際に液体が放熱装置を通過するものであってもよい。
また熱回収モードにおいては、液体を主として熱交換器と貯留タンクを通過する環状流路に流す。熱回収モードの場合においても、液体を冷却する必要はないから、液体は、必ずしも放熱装置を通過する必要はない。
そして排出モードにおいては電気的に開閉される弁又は弁群を制御して放熱装置とバイパス流路と貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖する。
この状態で空気導入弁と排出弁を開く。その結果、貯留タンク内の液体が排出弁から排出され、貯留タンクからバイパス流路及び放熱装置に至る間が負圧となる。そのため空気導入弁から空気が導入される。ここで空気導入弁は、放熱装置の熱交換器側から空気を導入するから、放熱装置内の液体は、空気導入弁から導入される大気圧に押され、バイパス流路を経て貯留タンクに回収される。そして排出弁から外部に排出される。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、熱発生源が発生する熱を熱交換器を介して液体に移動させ、当該液体を貯留タンクに貯留する熱回収装置であって、前記熱交換器に至る液体の温度を低下させる放熱装置を備えた熱回収装置において、貯留タンクの下部側と前記熱交換器と貯留タンクの上部側とが順に環状に配管結合された熱エネルギー回収流路と、少なくとも貯留タンクを迂回するバイパス流路と、熱エネルギー回収流路及び／又はバイパス流路に設けられた電気的に開閉される弁又は弁群と、放熱装置の熱交換器側から空気を導入させる空気導入弁と、貯留タンクの下部と連通する排出弁と、貯留タンクに連通する流路の圧力を検知する圧力検知手段と、電気的に開閉される弁又は弁群を制御する制御装置を有し、制御装置は運転モードとして排出モードを備え、圧力検知手段が負圧を検知した事を条件として排出モードとなり、電気的に開閉される弁又は弁群を制御して放熱装置とバイパス流路と貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖することを特徴とする熱回収装置である。
【００１９】
本発明の熱回収装置では、貯留タンクに連通する流路の圧力を検知する圧力検知手段を備える。そして圧力検知手段が負圧を検知した事を条件として排出モードとなる。ここで圧力検知手段が負圧を検知する場合とは、排出弁が開放された場合である。即ち排出弁が開放されると、貯留タンク内の液体が排出され、貯留タンクが負圧状態となる。
本発明の熱回収装置では、圧力検知手段が負圧を検知した事を条件として排出モードとなり、放熱装置・バイパス流路・貯留タンクの上部側を通過する一連のルートを開くと共にバイパス流路及びバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路が閉鎖される。
そして空気導入弁が開かれると空気導入弁から空気が導入され、放熱装置内の液体は、空気導入弁から導入される大気圧に押され、バイパス流路を経て貯留タンクに回収される。そして排出弁から外部に排出される。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、貯留タンクの下部側と放熱装置とを接続するか、あるいはバイパス流路と放熱装置とを接続するかを選択的に切り替える流路切替弁を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱回収装置である。
【００２１】
本発明は、「弁又は弁群」の一例を示すものである。本発明の熱回収装置では、貯留タンクの下部側と放熱装置とを接続するか、あるいはバイパス流路と放熱装置とを接続するかを選択的に切り替える流路切替弁を備えているので、流路の切り替えを円滑に行うことができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、空気導入弁と熱交換器との間の経路を遮断する閉止弁を備え、排出モードの際には前記閉止弁が自動的に遮断されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱回収装置である。
【００２３】
本発明の熱回収装置では、空気導入弁と熱交換器との間の経路を遮断する閉止弁を備え、排出モードの際には前記閉止弁が自動的に遮断される。その結果、空気導入弁から供給される空気はその全量が放熱装置側に流れ、放熱装置内の液体をバイパス流路側に押す。そのため放熱装置内の液体が効率よく貯留タンク側に回収される。
【００２４】
請求項５に記載の発明は、放熱装置が貯留タンクの下方に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱回収装置である。
【００２５】
本発明は、放熱装置の位置を特定したものである。
放熱装置を設けた設計の熱回収装置では、放熱装置の設置環境によって放熱装置の冷却能力にバラツキが発生する。そのため、放熱装置が安定した冷却能力を発揮するためには、放熱装置は、熱回収装置の設置場所等が異なっても、配置環境のバラツキが少ない位置に設置されることが望ましい。
本発明の熱回収装置は、放熱装置が貯留タンクの下方に配されている。そのため熱回収装置の設置場所や設置条件等によらず、放熱装置の設置環境が殆ど変動しない。従って、本発明の熱回収装置は、放熱装置の冷却能力が安定している。
【００２６】
また、請求項６に記載の発明は、放熱装置は、放熱用熱交換器と当該放熱用熱交換器に対して送風可能な送風機とを備えており、前記送風機は、放熱用熱交換器と貯留タンクとの間にあって前記貯留タンクを放熱装置側に投影して形成される投影領域内に設置され、且つ送風方向が貯留タンク側に向くように設置されており、さらに熱回収装置の設置面と放熱装置との間に気体が流通可能な空間が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の熱回収装置である。
【００２７】
本発明の熱回収装置が備える放熱装置は、送風機を備えた構成とされている。そのため、本発明の熱回収装置は、風雨にさらされる場所に設置されたとしても、送風機に雨水等が直接かからないような構造であることが望ましい。本発明の熱回収装置では、貯留タンクの下方に放熱装置を配すると共に、貯留タンクを放熱装置側に投影して形成される投影領域内に送風機を配した構成とされているため、熱回収装置の上方から雨水等が侵入してきても送風機に降りかかるのを防止することができる。
また本発明の熱回収装置では、送風機は、送風方向が貯留タンク側に向くように設置されている。
かかる構成によれば、放熱装置において放熱することによって発生した暖かい空気を貯留タンク側に向けて送風することができる。そのため、上記した構成によれば、放熱装置において発生した暖かい空気によって貯留タンクを保温することができる。従って、本発明の熱回収装置は、放熱装置において発生した熱エネルギーを貯留タンクの保温に転用することができ、放熱に伴う熱回収装置のエネルギー効率の低下を抑制することができる。  また本発明の熱回収装置は、熱回収装置では、設置面と放熱装置との間に気体が流通可能な空間が形成されている。
そのため貯留タンクの下方に放熱装置を配した場合であっても、空気の流れを確保することができる。従って、上記した構成によれば、放熱装置において液体を十分放熱させることができる。
【００２８】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の熱回収装置を備え、熱発生源が燃料電池であることを特徴とするコージェネレーションシステムである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、暖機運転を短時間で終了することができ、且つ放熱装置内の液体の排出を円滑に行うことができる熱回収装置、並びに、当該熱回収装置を備えたコージェネレーションシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
実施形態の説明は、先に本発明の基本構成と基本的な動作について簡単に説明し、続いてより実用的な構成例について説明することとする。
図１は、本発明の第一実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
図１に示す熱回収装置８６は、バイパス流路２３を備えている点で図１８に示す第一試作の熱回収装置１００と異なる。
重複する構成を含めて再度説明すると、熱回収装置８６は、密閉型の貯留タンク１０を備え、貯留タンク１０を含む環状の熱エネルギー回収流路２０に、加熱側三方弁２８、ラジエター（放熱装置）２９、循環ポンプ２５、熱交換器６が設けられている。即ち貯留タンク１０の下部に設けられた底部接続部１２が加熱側三方弁２８を介してラジエター２９に接続され、さらにラジエター（放熱装置）２９の排出口が循環ポンプ２５及び熱交換器６を介して貯留タンク１０の上部に設けられた頂部接続部１１に接続されている。
【００３１】
また熱回収装置８６は、貯留タンク１０に対して並列的にバイパス流路２３が設けられている。バイパス流路２３は、「ラジエター２９と貯留タンク１０の下部間」と「熱交換器６と貯留タンク１０の上部間」とを繋ぐ流路である。
バイパス流路２３の、「ラジエター２９と貯留タンク１０の下部間」との分岐部には前記した加熱側三方弁２８がある。加熱側三方弁２８は自動弁である。
加熱側三方弁２８を構成する３つのポートのうちの２つは熱エネルギー回収流路２０の貯留タンク１０の下部からラジエター２９に至る流路に接続されており、残りのポートにはバイパス流路２３を構成する配管が接続されている。即ち、バイパス流路２３は、加熱側三方弁２８を介して熱エネルギー回収流路２０の加熱往き側流路２１に接続されている。
【００３２】
また熱エネルギー回収流路２０には他に２個の電磁弁８８，８９が設けられている。一つは、ラジエター２９の熱交換器６側であって、ラジエター２９と循環ポンプ２５との間に設けられた往き側回路遮断用電磁弁８８である。もう一つは、熱交換器６とバイパス流路２３の分岐点９０との間に設けられた戻り側回路遮断用電磁弁８９である。即ち戻り側回路遮断用電磁弁８９は、熱交換器６と貯留タンク１０の上部の間に設けられたバイパス流路２３の分岐点９０と、熱交換器６との間に介在されている。
本実施形態では、熱エネルギー回収流路２０に２個の電磁弁８８，８９を設けたが、往き側回路遮断用電磁弁８８については、電磁弁に代わって手動弁を採用してもよい。
【００３３】
熱回収装置８６についても貯留タンク１０の底部接続部１２に排出弁８２が設けられている。
一方、空気導入弁８５の位置は、前記した第一試作とは異なり、ラジエター２９の熱交換器６側に設けられている。
即ちラジエター２９と往き側回路遮断用電磁弁８８との間を分岐し、当該分岐流路８３に空気導入弁８５が設けられている。
本実施形態では、排出弁８２と空気導入弁８５は手動弁であるが、電磁弁等の自動弁であってもよい。
【００３４】
図中、９２は給水口であり、貯留タンク１０の底部接続部１２に接続されている。また給水口９２には上水源の配管（水道配管等）が接続されている（図示せず）。一方、図１のＡエリアには、負荷側の配管系統が設けられている（図示せず）。即ち貯留タンク１０の頂部接続部１１には負荷側電磁弁９３が設けられている。
そして負荷側電磁弁９３を開くと、給水口９２に接続された上水の圧力に押されて貯留タンク１０内の湯が頂部接続部１１から排出され、負荷側電磁弁９３から排出される。負荷側電磁弁９３から排出された湯は、図示しない給湯回路等に供給され、所望の用途に供される。
【００３５】
本実施形態の熱回収装置８６は、制御装置６０を備え、各電磁弁８８，８９，９３及び加熱側三方弁２８が制御装置６０によって開閉制御される。
また本実施形態では、制御装置６０は動作モードとして暖機運転モードと、熱回収モード及び排出モードを備える。なお、排出モード以外の場合は、排出弁８２と空気導入弁８５は手動で閉じられている。
【００３６】
図２は、図１に示すコージェネレーションシステムが暖機運転モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
暖機運転モードは、燃料電池の運転初期の段階で実行される運転モードであり、貯留タンク１０を迂回した流路に液体を流す運転モードである。
即ち暖機運転モードにおいては、循環ポンプ２５、熱交換器６、分岐点９０、バイパス流路２３、ラジエター２９によって構成される環状流路に液体を流す。即ち往き側回路遮断用電磁弁８８及び戻り側回路遮断用電磁弁８９を開き、加熱側三方弁２８は、バイパス流路２３とラジエター２９が連通する状態とする。
【００３７】
この状態で循環ポンプ２５を起動し、バイパス流路２３を経由した流路に液体を流し、当該液体を燃料電池側の熱交換器６に流通させる。
熱交換器６を流れる液体は、直前に熱交換器６を出た液体であるから、過度に低温ではない。そのため燃料電池の各部が過度に吸熱されず、早期に暖機運転を終了させることができる。また循環する湯水は早期に昇温する。
【００３８】
図３は、図１に示すコージェネレーションシステムが熱回収モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
熱回収モードは、暖機運転に続く運転モードである。熱回収モードは、定常的な運転モードであると言える。
熱回収モードでは、バイパス流路２３を閉止し、貯留タンク１０を経由する流路に液体を流す。即ち往き側回路遮断用電磁弁８８及び戻り側回路遮断用電磁弁８９を開き、加熱側三方弁２８は、貯留タンク１０の底部接続部１２とラジエター２９が連通する状態とする。
この状態で循環ポンプ２５を起動し、熱交換器６で昇温された液体を貯留タンク１０の上部からタンク内に導入する。
また貯留タンク１０の底部接続部１２から低温の液体（水）が押し出され、ラジエター２９を経て熱交換器６に至る。
【００３９】
以上説明した暖機運転モード及び熱回収モードは、日常的な運転の際に使用される運転モードであるが、以下に説明する排出モードは、冬季に運転を停止する際等に実施される運転モードであり、機器内の液体を排出する際に限って実行されるものである。
図４は、図１に示すコージェネレーションシステムが排出モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【００４０】
排出モードにおいては制御装置６０の指令によって、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートが開かれると共に、バイパス流路２３や貯留タンク１０間に連通する他の流路が閉鎖される。
本実施形態に即して説明すると、加熱側三方弁２８を、バイパス流路２３とラジエター２９間が連通し、貯留タンク１０との間が遮断される状態とし、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートを開く。
【００４１】
一方、貯留タンク１０やバイパス流路２３に繋がる他の流路に設けられた弁を閉じる。即ち戻り側回路遮断用電磁弁８９を閉じ、熱交換器６側からバイパス流路２３や貯留タンク１０に繋がるルートを遮断する。また負荷側電磁弁９３を閉じ図示しない給湯回路等からバイパス流路２３や貯留タンク１０に繋がるルートを遮断する。
なお貯留タンク１０の底部接続部１２とバイパス流路２３との間は、前記した加熱側三方弁２８によって閉鎖されている。
排出モードにおいては、往き側回路遮断用電磁弁８８についても閉塞され、ラジエター２９と循環ポンプ２５間が閉じられる。
【００４２】
そしてこの状態で、排出弁８２と空気導入弁８５とを手動開放する。
その結果、貯留タンク１０内の液体が排出弁８２から排出され、貯留タンク１０からバイパス流路２３及びラジエター２９に至る間が負圧となる。一方、貯留タンク１０からバイパス流路２３は、ラジエター２９とのみ連通し、他の機器や配管からの空気や液体の導入は無い。そのためラジエター２９を経由してのみ貯留タンク１０側に空気が導入されることとなる。
また空気導入弁８５は、ラジエター２９の熱交換器６側（循環ポンプ２５側）にあり、且つラジエター２９の熱交換器６側（循環ポンプ２５側）の電磁弁８８は閉鎖されているから、空気導入弁８５から系内に導入された空気は、その全量がラジエター２９に導入される。その結果、ラジエター２９内の液体（水）は、空気導入弁８５から供給される大気圧に押され、バイパス流路２３側に流れる。この水は、バイパス流路２３を経て貯留タンク１０に流れ込み、最終的に排出弁８２から外部に排出される。
【００４３】
本実施形態では、ラジエター２９の排水をバイパス流路２３を介して行う。バイパス流路２３は、弁や循環ポンプ等の流路抵抗となる部材が少ないので、ラジエター２９から貯留タンク１０に至る排水流路は流路抵抗が低い。
そのためラジエター２９内の水は円滑に排出される。
【００４４】
排出モードは、日常的に使用する運転モードではないので、排出モードで運転する場合には、何らかの手動操作によって動作モードを切り替えることとなる。例えばリモコンの所定のスイッチを押すことによって排出モードに切り替えることとなる。
【００４５】
しかしながら、何らかの状態を検知して自動的に排出モードに切り替えてもよい。
例えば貯留タンク１０の圧力が急激に低下した場合や、貯留タンク１０の水位が急激に低下した場合に自動的に排出モードに切り替える。
【００４６】
図５は、本発明の第二実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
本実施形態の熱回収装置９５は、貯留タンク１０の圧力を検知する圧力検知部材９６を持つ。他の構成は先の実施形態と同一であるので同一の番号を付すことによって重複した説明を省略する。
本実施形態の熱回収装置９５は、貯留タンク１０の圧力を検知する圧力検知部材９６を持ち、常時貯留タンク１０内の圧力を検知している。
そして貯留タンク１０の圧力が低下すると、排出モードに切り替わり、制御装置６０の指令によって、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートが開かれると共に、バイパス流路２３やバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路が閉鎖される。
【００４７】
貯留タンク１０の水位を監視する場合も同様であり、貯留タンク１０の水位が急激に低下すると、排出モードに切り替わり、制御装置６０の指令によって、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートが開かれると共に、バイパス流路２３やバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路が閉鎖される。
【００４８】
貯留タンク１０の圧力が急激に低下する場合や、水位が急激に低下する場合は、実質的に排出弁８２を開いた場合に限られるから、貯留タンク１０の圧力や水位を監視することによって排出弁８２の開閉を検知することができる。
【００４９】
また上記した実施形態では、バイパス流路２３と貯留タンク１０とを切り替えるために三方弁２８を使用したが、二方弁の組み合わせによっても同様の作用を発揮させることができる。
さらに弁の位置についても変形例が考えられる。例えば図６に示すようにバイパス流路２３に電磁弁９７を設け、さらに分岐点９０と、頂部接続部１１との間にもう一つの電磁弁９８を設けても同様の作用が期待できる。
図６は、本発明の第三実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
【００５０】
また先の実施形態では、ラジエター２９を熱エネルギー回収流路２０に直列に挿入したが、燃料電池が定常的に運転され、熱交換器６に流入する湯水の温度が高温でない場合には、熱エネルギー回収流路２０を循環する湯水を冷却する必要はなく、ラジエター２９を通過させる必要はない。そのためラジエター２９を熱エネルギー回収流路２０の本流に対して並列的に配し、切り替え弁等によってラジエター２９を通過する流路とラジエター２９をバイパスする流路とを切り替えてもよい。図６に示すコージェネレーションシステム及び熱回収装置９４では、ラジエター２９を迂回するバイパス流路７８を設け、三方弁９９によってラジエター２９を通過する流路と、バイパス流路７８とを切り替える。
【００５１】
次に、本発明を応用したより実用的な設計のコージェネレーションシステムについて説明する。
図７は、本発明の第四実施形態の熱回収装置の作動原理図である。
図７において、１は本実施形態のコージェネレーションシステムである。コージェネレーションシステム１は、大別して発電装置２と熱回収装置３とを組み合わせて構成されており、これらによってコージェネレーション系Ｓが構成されている。
【００５２】
発電装置２は、燃料電池５と、燃料電池５を冷却し、発電の際に発生した排熱を回収するための熱交換器６とを備えている。即ち、発電装置２は、発電手段としての機能と、湯水（液体）を加熱するための熱発生源としての機能とを兼ね備えている。発電装置２は、コージェネレーション系Ｓの外部に設けられた電力負荷Ｅに対して電力を供給するための電力供給手段として機能する。
【００５３】
一方、熱回収装置３は、湯水を貯留するための貯留タンク１０を中心として構成されており、貯留タンク１０の頂部に設けられた頂部接続部１１、並びに、底部に設けられた底部接続部１２に対して加熱系統Ｈ（熱エネルギー回収系統）、給湯系統Ｍおよび給水系統Ｃを構成する配管を接続した構成とされている。また加熱系統Ｈの一部に暖房系統Ｄが構成されている。
【００５４】
貯留タンク１０は、高さ方向、即ち内部に貯留される湯水の水位上昇方向に複数（本実施形態では４つ）の温度センサ１３ａ〜１３ｄを取り付けた構成とされている。温度センサ１３ａ〜１３ｄは、それぞれ貯留タンク１０内の湯水の温度を検知するための温度検知手段として機能すると共に、貯留タンク１０内に所定温度あるいは温度範囲の湯水の残留量を検知するための残量検知手段としての役割も果たす。
【００５５】
さらに具体的には、本実施形態のコージェネレーションシステム１では、貯留タンク１０の底部から取り出された湯水が加熱系統Ｈを通過する間に加熱され、貯留タンク１０の頂部側にゆっくりと戻される構成とされている。ここで、一般的にタンク内に液体を貯留する場合、その液体の温度差が所定の閾値（湯水では約１０℃程度）以上であると、液体が温度毎に層状に分かれる。そのため、加熱系統Ｈを通過して加熱された湯水が貯留タンク１０内の湯水の温度に対して前記閾温度以上高温に加熱され、貯留タンク１０内の湯水を掻き乱さない程度にゆっくりと戻されると、貯留タンク１０内に貯留されている湯水が温度毎に層状に分かれる。従って、貯留タンク１０に設置された温度センサ１３ａ〜１３ｄの検知温度を調べることにより、貯留タンク１０内に所望の温度範囲に加熱された湯水がどれだけ貯留されているかを検知することができる。
【００５６】
加熱系統Ｈは、熱エネルギー回収流路２０により構成される系統であり、貯留タンク１０の底部から取り出された湯水を加熱して貯留タンク１０の頂部側に戻すものである。さらに具体的に説明すると、加熱系統Ｈは、熱エネルギー回収流路２０により主要部が構成される系統である。熱エネルギー回収流路２０は、貯留タンク１０の底部接続部１２と燃料電池５内の熱交換器６とを繋ぐ加熱往き側流路２１と、頂部接続部１１と熱交換器６とを繋ぐ加熱戻り側流路２２とを有する。また、熱エネルギー回収流路２０は、加熱往き側流路２１および加熱戻り側流路２２の中間部分において貯留タンク１０をバイパスするバイパス流路２３を有する。
【００５７】
さらに加熱系統Ｈの一部に並列流路７があり、その一方に暖房用熱交換器８が設けられている。
【００５８】
加熱往き側流路２１は、貯留タンク１０の底部側から排出される湯水を燃料電池５の熱交換器６に供給する流路であり、中途に湯水を循環させるための循環ポンプ２５と、湯水の温度を検知するための温度センサ２６と、往き側回路遮断用手動弁４５と、ラジエター２９とを有する。ラジエター２９は、加熱往き側流路２１を流れる湯水の放熱を促進し、温度を低下させるものである。ラジエター２９は、放熱器２９ａと送風機２９ｂとを備えたものであり、後述するように貯留タンク１０の下方に配置されている。
往き側回路遮断用手動弁４５は、ラジエター２９と循環ポンプ２５との間に設けられており、両者の流路を開閉するものである。
【００５９】
加熱往き側流路２１は、上記したラジエター２９よりも湯水の流れ方向上流側に加熱側三方弁２８が設けられている。加熱側三方弁２８を構成する３つのポートのうちの２つは加熱往き側流路２１を構成する配管に接続されており、残りのポートにはバイパス流路２３を構成する配管が接続されている。即ち、バイパス流路２３は、加熱側三方弁２８を介して加熱往き側流路２１に接続されている。
【００６０】
加熱戻り側流路２２は、熱交換器６を通過した湯水を貯留タンク１０の頂部側に戻す流路である。加熱戻り側流路２２の中途には、並列流路７があり、並列流路７と貯留タンク１０の間にバイパス流路２３が接続されている。
【００６１】
並列流路７は、熱交換器６の下流側を分岐したものであり、一方の流路に暖房用熱交換器８が設けられている。他方の流路は、暖房用熱交換器８をバイパスするものである。
並列流路７のバイパス流路２３の合流点には暖房切り替え用三方弁９が設けられている。暖房切り替え用三方弁９は、並列流路７の一方を選択して流路を開くものであり、暖房用熱交換器８が設けられた流路を開くことによって暖房運転を可能とし、暖房用熱交換器８が設けられていない側の流路を開くことによって暖房運転を停止することができる。
また更に本実施形態で採用する暖房切り替え用三方弁９は、並列流路７の双方と、バイパス流路２３との流通を閉鎖することもできる。
【００６２】
給湯系統Ｍは、貯留タンク１０の頂部接続部１１に接続された給湯流路３０と、この給湯流路３０の中途に設けられた給湯装置３１とによって主要部が構成される系統である。給湯流路３０は、貯留タンク１０から給湯装置３１を経てカラン３４に至る一連の流路を形成している。給湯流路３０は、貯留タンク１０から給湯装置３１に至る流路の中途に貯留タンク１０側に向けて湯水が逆流するのを阻止すべく、逆止弁５２を有する。また、逆止弁５２よりも下流側には、流量調整弁１５が設けられている。
そして流量調整弁１５の下流側にもう一つの流量調整弁１６を介して後述する給水系統Ｃの給湯用給水流路５１が接続されている。
また給湯用給水流路５１との接続部３２よりも更に下流側には、入口側温度センサ３３が設けられている。
【００６３】
給湯用給水流路５１との接続部３２からさらに下流側には、給湯用給水流路５１の本流部５３から分岐された支流部５５が接続されている。
【００６４】
入口側温度センサ３３は、後述する給湯用給水流路５１の支流部５５と給湯流路３０との接続部分よりも下流側であって、給湯装置３１よりも上流側の位置に設置されている。そのため、入口側温度センサ３３は、貯留タンク１０から排出された湯水と、給湯用給水流路５１の本流部５３や支流部５５を介して供給される湯水とが混合された後の湯水の温度を検知できる。給湯流路３０は、給湯装置３１よりも下流側の部位に、給湯用給水流路５１から分岐された給湯バイパス流路３５が接続されている。
給湯バイパス流路３５は、コージェネレーション系Ｓの外部から供給される水を直接的に給湯装置３１の下流側に送り込む、即ち給湯流路３０をショートカットするための流路であり、中途にバイパス弁３６を有する。また、給湯流路３０は、給湯装置３１よりも下流側に比例弁３７、出口側温度センサ３８と流水検知センサ４０とを有する。
なお給湯バイパス流路３５には、給湯流路３０側から給水源側に向けて湯水が逆流するのを防止するための逆止弁１７が設けられている。
【００６５】
給湯装置３１は、従来公知の給湯器と同様にガスや灯油等の燃料を燃焼するためのバーナー４１と熱交換器４３とを内蔵しており、燃料の燃焼により発生した熱エネルギーを利用して湯水を加熱するものである。給湯装置３１は、燃料電池５よりも湯水の加熱能力が高い。給湯装置３１は、貯留タンク１０から排出される湯水の温度が低い等のような特別な場合に限って燃焼動作を行い、給湯流路３０内を流れる湯水を加熱するものであり、補助的な熱源として機能する。給湯装置３１は、流水検知センサ４０により通水が検知されることを作動条件の一つとしている。
【００６６】
給水系統Ｃは、給水口４６からコージェネレーション系Ｓの外部から湯水を供給するためのものであり、貯留タンク１０に対して湯水を供給するための貯留用給水流路５０と、給湯用給水流路５１と、前記した給湯バイパス流路３５を備えている。貯留用給水流路５０は、貯留タンク１０の底部側に設けられた底部接続部１２に接続された配管により構成されている。これにより、コージェネレーションシステム１は、外部から供給される低温の湯水を貯留タンク１０の底部側から導入可能な構成とされている。
なお給水口４６の下流側には減圧弁１８が設けられており、給水口４６から供給された水は所定の圧力に減圧されてコージェネレーション系Ｓに導入される。
また給水系統Ｃには安全弁１９が設けられており、コージェネレーション系Ｓ内の水圧が過度に上昇することが防止されている。
【００６７】
給湯用給水流路５１の中途には、給湯流路３０に合流する湯水の温度を検知するための入水温度センサ５６と、給湯流路３０側から給水源側に向けて湯水が逆流するのを防止するための逆止弁５７とが設けられている。給湯用給水流路５１は、逆止弁５７よりも下流側において本流部５３から支流部５５が分岐された構成とされている。支流部５５は、接続部３２よりも給湯流路３０の湯水の流れ方向下流側の位置に接続された流路であり、中途に支流弁５８が設けられた構成とされている。支流弁５８は、非通電時に開いた状態となる弁であり、停電状態になって流量調整弁１６を開くことができなくなった際に、貯留タンク１０内の湯水がそのまま排出され、いわゆる高温出湯が起こるのを防止するために設けられたものである。
【００６８】
次に排水用機器について説明する。
本実施形態では、排水用機器は、排出弁８２と、空気導入弁８５とによって構成されている。
即ち本実施形態の熱回収装置１では、貯留タンク１０の底部接続部１２に排出弁８２が設けられている。またラジエター２９と往き側回路遮断用手動弁４５との間を分岐し、当該分岐流路８３に空気導入弁８５が設けられている。
【００６９】
コージェネレーションシステム１は、制御装置６０によって動作が制御されている。制御装置６０は、従来公知のコージェネレーションシステムが備えているものと同様に例えばＣＰＵや所定の制御プログラムが内蔵されたメモリなどを備えた構成とされている。制御装置６０は、コージェネレーション系Ｓの各部に設けられたセンサ類の検知信号や、メモリに記憶されているデータ等に基づいてコージェネレーション系Ｓの各部に設けられた弁や燃料電池５、給湯装置３１等の動作を制御し、コージェネレーションシステム１の総合エネルギー効率の最適化を図る構成とされている。
【００７０】
続いて、コージェネレーションシステム１を構成する熱回収装置３の装置構造について、ラジエター２９の構成および設置構造を中心に説明する。熱回収装置３は、図８に示すように略直方体であり、各構成部材を大別して３つの領域に配置した構造となっている。さらに具体的には、熱回収装置３は、熱源設置領域Ｐ１、タンク配置領域Ｐ２および配管等設置領域Ｐ３とに大別される各領域に、各構成部材を配置した構造となっている。
【００７１】
熱源設置領域Ｐ１は、図８に示すように熱回収装置３の正面上方側に設けられた領域であり、上記した給湯装置３１が設置されている。タンク配置領域Ｐ２は、熱回収装置３の背面側に設けられた領域であり、貯留タンク１０や、ラジエター２９が配置されている。配管等設置領域Ｐ３は、熱源設置領域Ｐ１の下方に設けられた空間である。熱源設置領域Ｐ１やタンク配置領域Ｐ２に設置されたものを除く機器類や配管は、配管等設置領域Ｐ３に収容されている。
【００７２】
本実施形態の熱回収装置３は、タンク配置領域Ｐ２に設置されている貯留タンク１０やラジエター２９の設置構造に特徴を有する。さらに具体的に説明すると、図９〜図１１に示すように、タンク配置領域Ｐ２には、貯留タンク１０とラジエター２９とが配置されている。ラジエター２９は、熱回収装置３の底面（設置面）と貯留タンク１０の底面との間に配されている。
【００７３】
ラジエター２９は、放熱器２９ａと送風機２９ｂとによって構成されている。放熱器２９ａは、図１２に示すように、いわゆるフィンアンドチューブ型の熱交換器によって構成されている。さらに具体的には、放熱器２９ａは、天面側と底面側との間で風が通過可能な本体箱６４の内部に多数のフィン６５を所定の間隔で並べ、これを横切るように受熱管６６を取り付けて構成されたものである。放熱器２９ａは、受熱管６６に繋がる接続部６７，６８を有し、これに加熱往き側流路２１を構成する配管が接続される。即ち、放熱器２９ａは、加熱往き側流路２１の中途に接続されている。放熱器２９ａは、フィン６５に取り付けられた受熱管６６内を流れる湯水とフィン６５の間を通過する空気とを熱交換させ、これにより受熱管６６内を流れる湯水を冷却することができる。
【００７４】
放熱器２９ａの天面側には、図８〜図１２に示すように、２台の送風機２９ｂ，２９ｂが取り付けられている。また、図１２（ａ）に示すように、放熱器２９ａの天面側は、送風機２９ｂ，２９ｂの取り付け位置以外の部分が閉塞板８０によって閉塞されている。即ち、放熱器２９ａの天面側に形成された開口部分は、図１２（ａ）にハッチングで示す部分に形成された開口２９ｃだけである。一方、放熱器２９ａの底面側は、図１２（ｂ）のように本体箱６４の開口６４ａ、即ち空気の導入口となる部分全体が通風可能なように開いている。そのため、放熱器２９ａは、開口２９ｃ，２９ｃをあわせた開口領域の大きさが、導入口となる開口６４ａの領域よりも小さい。
【００７５】
ラジエター２９は、送風機２９ｂ，２９ｂ側、即ち放熱器２９ａの天面側が貯留タンク１０の底面と対向するように設置される。送風機２９ｂ，２９ｂは、図１０にハッチングで示すように、このようにラジエター２９を設置して貯留タンク１０をラジエター２９側に投影して形成される領域Ｘ内に存在するように設置される。即ち、送風機２９ｂ，２９ｂは、共に貯留タンク１０の頂部側から観察した際に、貯留タンク１０に隠れる位置に設置される。そのため、熱回収装置３の天面側から雨等が侵入してきても、雨等は送風機２９ｂ，２９ｂに直接降りかからない。
【００７６】
ラジエター２９は、図９〜図１１に示すように、接続部６７，６８が熱回収装置３の背面側に向く姿勢とされ、タンク配置領域Ｐ２の底面側に設けられた底上げ部材７０の上に配置されている。そのため、熱回収装置３をメンテナンス時に開放可能な扉やパネルを背面側に設けた構成としておけば、扉やパネル等の開放側に存在する接続部６７，６８と、これに繋がる配管との接続を解くだけで、ラジエター２９を取り外してメンテナンスや交換を行うことができる。なお、熱回収装置３は、扉やパネル等が必ずしも背面側に設けられている必要はなく、側面等に設けられていたとしてもよい。かかる構成とする場合についても、接続部６７，６８がこの扉やパネル等の開放側に向くようにラジエター２９を配置することにより、ラジエター２９を容易に取り外してメンテナンスや交換を行うことができる。
【００７７】
底上げ部材７０は、図１０に示すように脚部７１と座面部７２とを有する。底上げ部材７０は、脚部７１を下方に向けて設置することにより、座面部７２の下方に空気が出入り可能な空間（空気通路７３）を形成することができる。座面部７２は、中央に放熱器２９ａの本体箱６４の底面に形成された開口にあわせて形成された通風部７５を有する。通風部７５は、網状部材７６が張られており、網状部材７６を通じて空気通路７３と連通している。
【００７８】
放熱器２９ａは、本体箱６４の底面に設けられた開口６４ａと底上げ部材７０に設けられた通風部７５とを位置合わせして設置される。そのため、放熱器２９ａは、熱回収装置３の底面や設置面から浮いた状態で設置されている。これにより、放熱器２９ａに対して空気が流れる空間を確保することができると共に、ラジエター２９が熱回収装置３の設置面に溜まった雨水等で濡れるのを防止することができる。
【００７９】
送風機２９ｂ，２９ｂは、放熱器２９ａの天面側に一体化されている。送風機２９ｂ，２９ｂは、図１１（ｂ）に示すように、貯留タンク１０の底部に設けられた底部接続部１２が干渉しないように間隔ｙの空間３９を隔てて設置されている。これにより、ラジエター２９と貯留タンク１０との間に設けるべき間隔が最小限に抑制されている。
【００８０】
送風機２９ｂ，２９ｂは、図１０や図１１に矢印で示すように、それぞれ放熱器２９ａ側から空気を吸い、貯留タンク１０側に向けて排出できるように設置されている。そのため、ラジエター２９において、放熱器２９ａの底面側に形成された開口６４ａは、ラジエター２９に空気を取り込むための導入口として機能し、放熱器２９ａの天面側に取り付けられた２つの送風機２９ｂ，２９ｂの開口２９ｃ，２９ｃがラジエター２９から空気を排出するための排出口として機能する。
【００８１】
ラジエター２９は、送風機２９ｂ，２９ｂを作動させると、底上げ部材７０によって形成された空気通路７３から空気が吸い上げられ、本体箱６４の底面側（図９〜１１において下側）の開口６４ａから放熱器２９ａに流入し、接続部６７，６８のいずれか一方から受熱管６６に流入した湯水と熱交換する。これにより、受熱管６６内を流れる湯水が冷却されると共に、放熱器２９ａに流入した空気が加熱されて暖まる。放熱器２９ａにおいて冷却された湯水は、前記接続部６７，６８の他方側から排出され、燃料電池５側に送り込まれる。一方、放熱器２９ａにおいて暖められた空気は、本体箱６４の天面側に吸い上げられて集まり、送風機２９ｂ，２９ｂから貯留タンク１０の底面に向けて排出される。
【００８２】
貯留タンク１０の底面側に排出された空気は、図１１に矢印で示すように貯留タンク１０の底面や周面に沿って貯留タンク１０の頂部側に流れる。そのため、ラジエター２９の送風機２９ｂ，２９ｂを作動させると、放熱器２９ａにおいて受熱管６６内を流れる湯水と熱交換して暖まった空気によって貯留タンク１０が包まれたような状態になる。そのため、送風機２９ｂを作動させると、放熱器２９ａにおいて暖められた空気によって貯留タンク１０における放熱を阻止することができる。
【００８３】
続いて、本実施形態のコージェネレーションシステム１の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。コージェネレーションシステム１は、暖機運転モード、熱回収モード、給湯モード及び排出モードを含む動作モード群から動作モードを選択して動作することができる。なお暖機運転モード、熱回収モードは自動的に切り替わる構成としてもよい。
コージェネレーションシステム１は、熱回収モードと給湯モードとを単独で実施することも、組み合わせて実施することも可能である。以下、コージェネレーションシステム１の動作について、各動作モード毎に説明する。
なお、排出モード以外の場合は、排出弁８２と空気導入弁８５は閉じられている。さらに排出モード以外の場合は、往き側回路遮断用手動弁４５が開放されている。
【００８４】
（暖機運転モード）
暖機運転モードは、前記した様にコージェネレーションシステム１の運転初期の段階で実行される運転モードであり、貯留タンク１０を迂回した流路に湯水を循環させる運転モードである。
【００８５】
コージェネレーションシステム１が暖機運転モードで動作する場合、制御装置６０は、熱エネルギー回収流路２０の加熱側三方弁２８を動作させて加熱往き側流路２１の上流側（貯留タンク１０側）を閉じ、バイパス流路２３と加熱往き側流路２１の下流側（発電装置２側）を導通させる。
これにより、熱交換器６、バイパス流路２３、ラジエター２９、循環ポンプ２５によって構成される図１３にハッチングで示すような湯水の循環系統が形成される。
【００８６】
上記した循環系統が形成された状態で循環ポンプ２５を作動させると、図１３に矢印で示すように、熱交換器６を出た湯水がそのまま熱交換器６に戻り、循環する湯水が早期に昇温する。
【００８７】
（熱回収モード）
熱回収モードは、循環ポンプ２５を作動させて熱エネルギー回収流路２０内に水流を発生させ、燃料電池５の動作に伴って発生する排熱（熱エネルギー）を回収して湯水を加熱し、この湯水を貯留タンク１０に貯留する動作モードである。コージェネレーションシステム１が熱回収モードで動作する場合、制御装置６０は、熱エネルギー回収流路２０の加熱側三方弁２８をバイパス流路２３に対して閉じ、加熱往き側流路２１の上流側（貯留タンク１０側）および下流側（発電装置２側）に開いた状態に調整する。これにより、加熱往き側流路２１、加熱戻り側流路２２、熱交換器６および貯留タンク１０により、図１４にハッチングで示すような湯水の循環系統が形成される。
【００８８】
上記した循環系統が形成された状態で循環ポンプ２５を作動させると、図１４に矢印で示すように、貯留タンク１０の底部側に貯留されている低温の湯水が、底部接続部１２から吸い出され、燃料電池５に供給される。これにより、燃料電池５側に低温の湯水が供給されて燃料電池５が冷却されると共に、燃料電池５の作動に伴って発生した熱エネルギーが、燃料電池５内に設けれられた熱交換器６において熱エネルギー回収流路２０内を流れる湯水に吸収され、湯水が加熱される。燃料電池５を通過することにより加熱された湯水は、加熱戻り側流路２２を介して頂部接続部１１から貯留タンク１０内に戻される。これにより、貯留タンク１０内の湯水が徐々に加熱される。
【００８９】
（給湯モード）
給湯モードは、上記した熱回収モードによって貯留タンク１０内に貯留された高温の湯水を利用して給湯を行う動作モードである。コージェネレーションシステム１が給湯モードで動作する場合、制御装置６０は、給湯流路３０の二つの流量調整弁１５、１６の開度を調節すると共に、熱エネルギー回収流路２０の加熱側三方弁２８を閉止した状態とする。また、この時、制御装置６０は、支流弁５８に通電し、支流弁５８を閉じた状態にする。
【００９０】
この状態で給水系統Ｃを介して外部から低温の湯水を導入すると、図１５にハッチングや矢印で示すように、外部の給水源から供給された低温の湯水の一部が貯留用給水流路５０を介して底部接続部１２から貯留タンク１０内に流入する。これにより、貯留タンク１０の頂部側に貯留されている高温の湯水が、頂部接続部１１を介して貯留タンク１０から排出される。ここで、給湯モードでは加熱側三方弁２８が閉止されているため、貯留タンク１０から排出された湯水は給湯流路３０に流れ込む。
【００９１】
一方、外部の給水源から供給された低温の湯水の残部は、給湯用給水流路５１の本流部５３を介して給湯流路３０に導入される。給湯用給水流路５１を介して導入された湯水は、給湯流路３０内において貯留タンク１０から排出された湯水と混合される。
【００９２】
制御装置６０は、給湯流路３０と給湯用給水流路５１との接続部位よりも湯水の流れ方向下流側に設置された入口側温度センサ３３により検知される給湯流路３０内を流れる湯水の温度を確認する。ここで、入口側温度センサ３３によって検知される湯水の温度が、カラン３４から排出すべき湯水の温度（給湯設定温度）と同等である場合、制御装置６０は、給湯装置３１を起動させない。これにより、湯水は給湯装置３１を素通りし、そのままカラン３４から排出される。
【００９３】
一方、入口側温度センサ３３によって検知される湯水の温度がカラン３４から排出すべき温度よりも低い場合、制御装置６０は、給湯装置３１を起動して湯水を加熱する。また、制御装置６０は、必要に応じて給湯バイパス流路３５のバイパス弁３６を開き、給湯装置３１から排出される湯水の温度調整等を行う。
【００９４】
（排出モード）
次に排出モードにおける動作について説明する。機器内の水を排水する場合には、予め往き側回路遮断用手動弁４５を閉じる。そして排出モードに切り替えた後に、排出弁８２と空気導入弁８５とを開く。
コージェネレーションシステム１が排出モードで動作する場合、制御装置６０は、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートを開き、バイパス流路２３やバイパス流路・貯留タンク間に連通する他の流路を閉鎖する。
本実施形態に即して説明すると、加熱側三方弁２８を、バイパス流路２３とラジエター２９間が連通し、貯留タンク１０との間が遮断される状態とし、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートを開く。
【００９５】
一方、貯留タンク１０やバイパス流路２３に繋がる他の流路に設けられた弁を閉じる。即ち並列流路７の末端に設けられた暖房切り替え用三方弁９を全閉状態とし、並列流路７の双方と、バイパス流路２３との流通を閉鎖する。
【００９６】
その結果、熱交換器６側からバイパス流路２３や貯留タンク１０に繋がるルートが遮断される。また給湯系統Ｍの流量調整弁１５を全閉状態とし、給湯系統Ｍとバイパス流路２３や貯留タンク１０を繋ぐルートを遮断する。
また貯留タンク１０の底部接続部１２とバイパス流路２３との間は、前記した加熱側三方弁２８によって閉鎖されている。
排出モードを実行するのに先立って前記した様に往き側回路遮断用手動弁４５が閉じられているので、ラジエター２９と循環ポンプ２５間も閉じられる。
【００９７】
この状態で排出弁８２と空気導入弁８５とを手動開放すると、図１６にハッチングや矢印で示すように、ラジエター２９内の水が吸引され、貯留タンク１０に回収される。
即ちこの状態で排出弁８２と空気導入弁８５とを手動開放すると、貯留タンク１０内の液体が排出弁８２から排出され、貯留タンク１０からバイパス流路２３及びラジエター２９に至る間が負圧となる。一方、貯留タンク１０からバイパス流路２３は、ラジエター２９とのみ連通し、他の機器や配管からの空気や液体の導入は無い。そのためラジエター２９を経由してのみ貯留タンク１０側に空気が導入されることとなる。
また空気導入弁８５は、ラジエター２９の熱交換器６側（循環ポンプ２５側）にあり、且つラジエター２９と熱交換器６側（循環ポンプ２５側）の往き側回路遮断用手動弁４５は閉鎖されているから、空気導入弁８５から系内に導入された空気は、その全量がラジエター２９に導入される。その結果、ラジエター２９内の液体は、空気導入弁８５から供給される大気圧に押され、バイパス流路２３側に流れる。この液体は、バイパス流路２３を経て貯留タンク１０に流れ込み、最終的に排出弁８２から外部に排出される。
【００９８】
また本実施形態の様な配管系統を有するコージェネレーションシステムでも、何らかの状態を検知して自動的に排出モードに切り替える構成を採用することができる。
例えば貯留タンク１０の圧力が急激に低下した場合や、貯留タンク１０の水位が急激に低下した場合に自動的に排出モードに切り替える。
【００９９】
図１７は、本発明の第五実施形態の熱回収装置の作動原理図である。
本実施形態の熱回収装置６１は、貯留タンク１０の圧力を検知する圧力検知部材９６を持つ。他の構成は先の実施形態と同一であるので同一の番号を付すことによって重複した説明を省略する。
本実施形態の熱回収装置６１は、貯留タンク１０の圧力を検知する圧力検知部材９６を持ち、常時貯留タンク１０内の圧力を検知している。
そして貯留タンク１０の圧力が低下すると、排出モードに切り替わり、制御装置６０の指令によって、ラジエター２９からバイパス流路２３を経由して貯留タンク１０の頂部接続部１１に至る一連のルートが開かれると共に、バイパス流路２３や貯留タンク間に連通する他の流路が閉鎖される。
【０１００】
圧力検知部材９６は、単に排出モードの切り替え用に設けてもよいが、他の用途にも兼用することができる。例えば圧力検知部材９６の圧力変動によって配管系統の異常を検知する構成を採用することができる。
例えば本実施形態の熱回収装置６１では、加熱系統Ｈの一部に暖房系統Ｄを持ち、暖房系統Ｄに暖房用熱交換器８が設けられている。
本実施形態の熱回収装置６１では、暖房用熱交換器８が破損すると加熱系統Ｈの圧力が変動する。そこで圧力検知部材９６で加熱系統Ｈの圧力変動を監視し、加熱系統Ｈに所定の圧力変動が生じると、暖房用熱交換器８が破損したものと予想し、所定の警報等を発する構成とすることができる。
【０１０１】
本実施形態のコージェネレーションシステム１において、制御装置６０は、燃料電池５が作動（発電）する際に発生する熱エネルギーを有効利用すべく、燃料電池５の動作にあわせて熱回収装置３を上記した熱回収モードで動作させて熱エネルギーを湯水を介して貯留タンク１０に貯留させる。しかし、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合、即ち貯留タンク１０が所定温度以上に加熱された高温の湯水で満杯である場合は、循環ポンプ２５を作動させて湯水を循環させても、燃料電池５において発生した熱エネルギー（排熱）を回収できないばかりか、燃料電池５を作動に適した温度条件下で作動させることができなくなる。
【０１０２】
一方、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界にあることを条件として燃料電池５を停止させることとすると、コージェネレーションシステム１のエネルギー効率が低下したり、電気エネルギーの使用上の不都合が発生する場合がある。さらに詳細に説明すると、燃料電池５は、発電を一旦停止させると、次に発電を開始させるために所定の作動温度まで昇温させるのに熱エネルギーを必要とする。また、燃料電池５は、所定の作動温度に到達するまで発電できない。そのため、エネルギー効率等を考慮すると、燃料電池５は、起動時に所定の作動温度まで昇温させるのに要するエネルギー等を勘案して停止させることが望ましい。従って、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界にある場合、制御装置６０は、ラジエター２９を作動させる。これにより、熱エネルギー回収流路２０を流れる湯水が冷却され、燃料電池５の作動を継続させることができる。
【０１０３】
また、ラジエター２９を作動させると、ラジエター２９における熱交換により暖められた空気が貯留タンク１０に吹き付けられ、貯留タンク１０の底面や外周面に沿って頂部側に流れる。これにより、貯留タンク１０は、暖められた空気によって包まれた状態になる。そのため、ラジエター２９を作動させることにより、貯留タンク１０における放熱を阻止することができる。
【０１０４】
ここで、貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合、貯留タンク１０内には所定温度以上に加熱された湯水が大量に存在している。また、本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の頂部側から高温の湯水が貯留されると共に、貯留タンク１０の頂部側から湯水を取り出して給湯に使用する構成とされている。従って、貯留タンク１０内の湯水の保温効率や、貯留タンク１０内の湯水の使用形態を勘案すると、熱回収装置３は、貯留タンク１０の頂部側まで保温可能な構成であることが望ましい。
【０１０５】
本実施形態の熱回収装置３は、かかる知見に基づき、送風機２９ｂを作動させることによって貯留タンク１０の底部側から頂部側に向けて空気流を発生させることができる構成とされている。さらに、ラジエター２９は、放熱器２９ａの本体箱６４の天面側が送風機２９ｂ，２９ｂの取り付け位置以外の部位を閉塞板８０で閉塞した構成とされているため、送風機２９ｂから吹き出される空気の勢いが強い。そのため、熱回収装置３は、送風機２９ｂ，２９ｂを作動させることにより、貯留タンク１０の底面側から天面側にわたって暖められた空気で覆い、保温することができる。
【０１０６】
貯留タンク１０が熱エネルギーの貯留限界に達している場合は、貯留タンク１０内は所定温度以上に加熱された湯水でほぼ満杯状態になっているが、貯留タンク１０の底部側に貯留されている高温の湯水が使用されるまでには相当の期間を要するものと考えられる。貯留タンク１０の底部側に溜まっている湯水が放熱して冷めると、その分だけ熱エネルギー効率が低下することとなる。本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の底部側からラジエター２９における放熱により暖められた空気が吹き付けられるため、貯留タンク１０の底部側が優先的に保温される。従って、本実施形態の熱回収装置３では、貯留タンク１０の底部側まで高温の湯水が貯留されている場合であっても、この湯水を十分保温することができる。
【０１０７】
上記したコージェネレーションシステム１は、加熱された湯水をカラン３４から排出する給湯動作を行うものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば給湯流路３０を介して排出される湯水を風呂への落とし込みに使用したり、暖房端末等の負荷端末に供給する構成としたり、給湯流路３０に加えて別途風呂への落とし込み用の落とし込み流路や負荷端末に湯水等の液体を送る流路を設けた構成としてもよい。
【０１０８】
コージェネレーションシステム１は、本発明を具体化した一例にすぎず、上記した実施形態に限定されるものではない。さらに具体的には、コージェネレーションシステム１では、発電装置２は燃料電池５により発電するものであったが、発電装置２にはガスエンジン等を利用した発電装置を採用できる。また、給湯装置３１は、ガスや灯油を燃焼して湯水を加熱するものであったが、電気エネルギーを利用した温水器等、公知の湯水加熱装置を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
【図２】図１に示すコージェネレーションシステムが暖機運転モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図３】図１に示すコージェネレーションシステムが熱回収モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図４】図１に示すコージェネレーションシステムが排出モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図５】本発明の第二実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
【図６】本発明の第三実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
【図７】本発明の第四実施形態であるコージェネレーションシステムおよび熱回収装置の作動原理図である。
【図８】本発明の一実施形態である熱回収装置を正面側から観察した状態を示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態である熱回収装置を背面側から観察した状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態である熱回収装置を構成する貯留タンクとラジエターとの組み立て構造を示す分解斜視図である。
【図１１】（ａ）は本発明の一実施形態である熱回収装置の背面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱回収装置のタンク配置領域内の構造を示す側面図である。
【図１２】（ａ）は本発明の一実施形態である熱回収装置において採用されているラジエターの天面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図１３】図７に示すコージェネレーションシステムが暖機運転モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図１４】図７に示すコージェネレーションシステムが熱回収モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図１５】図７に示すコージェネレーションシステムが給湯モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図１６】図７に示すコージェネレーションシステムが排出モードで動作する際の作動状態を示す作動原理図である。
【図１７】本発明の第五実施形態のコージェネレーションシステム及び熱回収装置の作動原理図である。
【図１８】第一試作の熱回収装置の作動原理図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  コージェネレーションシステム
２  発電装置
３，６１，８６，９４，９５  熱回収装置
５  燃料電池（熱発生源）
１０  貯留タンク
２０  熱エネルギー回収流路
２３  バイパス流路
２５  循環ポンプ
２８  加熱側三方弁
２９  ラジエター（放熱装置）
２９ａ  放熱器
２９ｂ  送風機
３９  空間
６０  制御装置
６４ａ  開口（導入口）
７０  底上げ部材
７３  空気通路
８２  排出弁
８３  当該分岐流路
８５  空気導入弁
９６  圧力検知部材
Ｓ  コージェネレーション系
Ｈ  加熱系統（熱エネルギー回収系統）
【図１】
2007303719.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007303719.tif 000017
【図１６】
2007303719.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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