(57)【要約】【課題】熱交換効率がよく小型で発電機能も有するスターリングエンジンを利用した給湯装置を提供すること。【解決手段】本発明の給湯装置は、温水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を加熱する加熱源とを備え、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を前記加熱源で加熱して温水とし、前記温水を前記貯湯タンクの上部から戻す給湯装置であって、前記加熱源として、スターリングエンジンを用い、前記スターリングエンジンは、シリンダ内を往復移動するディスプレーサピストンと、前記シリンダの一端側を加熱する加熱器と、前記シリンダの他端側を冷却する冷却器と、前記ディスプレーサピストンの移動によって発電を行う発電機とを有することを特徴とする。【選択図】        図１
2009174835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を加熱する加熱源とを備え、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を前記加熱源で加熱して温水とし、前記温水を前記貯湯タンクの上部から戻す給湯装置であって、前記加熱源として、スターリングエンジンを用い、前記スターリングエンジンは、シリンダ内を往復移動するディスプレーサピストンと、前記シリンダの一端側を加熱する加熱器と、前記シリンダの他端側を冷却する冷却器と、前記ディスプレーサピストンの移動によって発電を行う発電機とを有することを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器用の冷却水として吸熱した後に、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱して前記温水とすることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
【請求項３】
前記加熱源とは別に、副熱源を設け、前記貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記副熱源で加熱して前記温水とすることを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。
【請求項４】
前記副熱源は、水道水を開閉する暖房タンク注水弁と、前記暖房タンク注水弁から補給された水を貯める補給水タンクと、補給水タンクの注水を適正な状態に保つ満水電極及び減水電極と、暖房経路の水を加熱する暖房熱交換器と、暖房水を循環する循環ポンプと、前記暖房熱交換器の出口に設けられた暖房熱交換サーミスタと、前記暖房熱交換器で加熱された高温暖房水行き管と前記補給水タンクから前記循環ポンプから吐出される低温暖房水を接続するバイパス接続管に設けられた逆止弁と、暖房戻り接続管と前記高温暖房往き管とを接続する接続管とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の給湯装置。
【請求項５】
前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、前記貯湯タンクの下部から水を取り出す配管の接続を、前記冷却器に導く給水管と前記給湯熱交換器に導く給水管に切り替える切替弁を設けたことを特徴とする請求項３に記載の給湯装置。
【請求項６】
前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器へ導く給湯配管と前記貯湯タンクへ導く給水管とに切替える切替弁とを備え、前記給湯熱交換器に導く水を、前記貯湯タンクの下部から取り出した後に、前記冷却器用の冷却水として吸熱し、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱した前記温水とすることを特徴とする請求項３に記載の給湯装置。
【請求項７】
前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器に導く給水管と、前記給湯熱交換器に導く給湯配管とに分岐して供給することを特徴とする請求項３に記載の給湯装置。
【請求項８】
前記副熱源で加熱した前記熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器を備え、前記給湯熱交換器と前記風呂熱交換器とを並列に設けたことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の給湯装置。
【請求項９】
前記貯湯タンクの上部から取り出した前記温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器を備え、前記暖房熱交換器で放熱した後の水を前記貯湯タンクの下部から戻し、
前記暖房熱交換器の利用側媒体を、前記給湯熱交換器及び前記風呂熱交換器の熱源側媒体としたことを特徴とする請求項８に記載の給湯装置。
【請求項１０】
筐体内の一側方に前記貯湯タンクを、
前記筐体内の他側方の後方下部に前記加熱源を、
前記筐体内の他側方の上部に前記副熱源を、
前記筐体内の他側方の前方下部に前記給湯熱交換器、前記風呂熱交換器、及び前記暖房熱交換器を、
それぞれ配置し、前記加熱源で発生するガスを導く排ガス風路を前記副熱源に隣接して配置したことを特徴とする請求項９に記載の給湯装置。
【請求項１１】
筐体内の一側方に配置して温水を貯湯する貯湯タンクと、
前記筐体内の他側方の後方下部に配置して前記貯湯タンクの水を加熱する加熱源と、
前記筐体内の他側方の上部に配置して、前記貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を加熱して温水とする副熱源と、
前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、
前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記副熱源で加熱した前記熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器と、
前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記貯湯タンクの上部から取り出した前記温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器と、
前記副熱源に隣接して配置して、前記加熱源で発生するガスを導く排ガス風路と、
を備え、
前記筐体内の下方に、給湯配管、風呂配管、ガス配管、給水配管、暖房往き配管、及び暖房戻り配管のそれぞれの接続部を配置し、
前記加熱源として、スターリングエンジン発電機、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、又はガスエンジン式常用発電機を用いたことを特徴とする給湯装置。
【請求項１２】
それぞれの前記接続部をカバーする配管カバーと、前記副熱源の外装と、前記筐体を支える複数の脚部とを備え、前記配管カバーと前記外装を構成する前板とを前記筐体に対して着脱自在に取り付け、前記接続部から前記脚部の底部までの空間に、それぞれの前記配管を配設することを特徴とする請求項１１に記載の給湯装置。
【請求項１３】
前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器用の冷却水として吸熱した後に、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱して温水とし、吸熱時に発生した酸性水を中和タンクで中和し、前記筐体の下部に導いたことを特徴とする請求項１２に記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンを用いて発電を行える給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年燃料電池を用いた家庭用発電装置が提案されている。
例えば、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムとして、燃料電池ユニットと、貯湯ユニットで構成されたものが提案されている。燃料電池ユニットは、ガスによる燃料供給を受け、水素の製造を行う燃料処理器を備えている。そして、燃料処理器から供給される水素と、空気に含まれる酸素によって電気と熱を発生させる。発電された電気は、インバーターにより交流に変換されて家庭用電源として利用され、発生した熱は、熱交換器により貯湯タンクのお湯を沸かし、給湯として利用できる。 
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この種の燃料電池コージェネレーションシステムは、装置が大型であるだけでなく、立ち上げ運転に長時間を要するなど、家庭用として普及するには多くの課題を有している。
【０００４】
そこで、本発明は、熱交換効率がよく小型で発電機能も有するスターリングエンジンを利用した給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明の給湯装置は、温水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を加熱する加熱源とを備え、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を前記加熱源で加熱して温水とし、前記温水を前記貯湯タンクの上部から戻す給湯装置であって、前記加熱源として、スターリングエンジンを用い、前記スターリングエンジンは、シリンダ内を往復移動するディスプレーサピストンと、前記シリンダの一端側を加熱する加熱器と、前記シリンダの他端側を冷却する冷却器と、前記ディスプレーサピストンの移動によって発電を行う発電機とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の給湯装置において、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器用の冷却水として吸熱した後に、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱して前記温水とすることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の給湯装置において、前記加熱源とは別に、副熱源を設け、前記貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記副熱源で加熱して前記温水とすることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の給湯装置において、前記副熱源は、水道水を開閉する暖房タンク注水弁と、前記暖房タンク注水弁から補給された水を貯める補給水タンクと、補給水タンクの注水を適正な状態に保つ満水電極及び減水電極と、暖房経路の水を加熱する暖房熱交換器と、暖房水を循環する循環ポンプと、前記暖房熱交換器の出口に設けられた暖房熱交換サーミスタと、前記暖房熱交換器で加熱された高温暖房水行き管と前記補給水タンクから前記循環ポンプから吐出される低温暖房水を接続するバイパス接続管に設けられた逆止弁と、暖房戻り接続管と前記高温暖房往き管とを接続する接続管とを備えたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項３に記載の給湯装置において、前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、前記貯湯タンクの下部から水を取り出す配管の接続を、前記冷却器に導く給水管と前記給湯熱交換器に導く給水管に切り替える切替弁を設けたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項３に記載の給湯装置において、前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器へ導く給湯配管と前記貯湯タンクへ導く給水管とに切替える切替弁とを備え、前記給湯熱交換器に導く水を、前記貯湯タンクの下部から取り出した後に、前記冷却器用の冷却水として吸熱し、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱した前記温水とすることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項３に記載の給湯装置において、前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器に導く給水管と、前記給湯熱交換器に導く給湯配管とに分岐して供給することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項５から請求項７のいずれかに記載の給湯装置において、前記副熱源で加熱した前記熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器を備え、前記給湯熱交換器と前記風呂熱交換器とを並列に設けたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載の給湯装置において、前記貯湯タンクの上部から取り出した前記温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器を備え、前記暖房熱交換器で放熱した後の水を前記貯湯タンクの下部から戻し、前記暖房熱交換器の利用側媒体を、前記給湯熱交換器及び前記風呂熱交換器の熱源側媒体としたことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項９に記載の給湯装置において、筐体内の一側方に前記貯湯タンクを、前記筐体内の他側方の後方下部に前記加熱源を、前記筐体内の他側方の上部に前記副熱源を、前記筐体内の他側方の前方下部に前記給湯熱交換器、前記風呂熱交換器、及び前記暖房熱交換器を、それぞれ配置し、前記加熱源で発生するガスを導く排ガス風路を前記副熱源に隣接して配置したことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明の給湯装置は、筐体内の一側方に配置して温水を貯湯する貯湯タンクと、前記筐体内の他側方の後方下部に配置して前記貯湯タンクの水を加熱する加熱源と、前記筐体内の他側方の上部に配置して、前記貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を加熱して温水とする副熱源と、前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記副熱源で加熱した熱源側媒体と前記貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記副熱源で加熱した前記熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器と、前記筐体内の他側方の前方下部に配置して、前記貯湯タンクの上部から取り出した前記温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器と、前記副熱源に隣接して配置して、前記加熱源で発生するガスを導く排ガス風路と、を備え、前記筐体内の下方に、給湯配管、風呂配管、ガス配管、給水配管、暖房往き配管、及び暖房戻り配管のそれぞれの接続部を配置し、前記加熱源として、スターリングエンジン発電機、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、又はガスエンジン式常用発電機を用いたことを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１１に記載の給湯装置において、それぞれの前記接続部をカバーする配管カバーと、前記副熱源の外装と、前記筐体を支える複数の脚部とを備え、前記配管カバーと前記外装を構成する前板とを前記筐体に対して着脱自在に取り付け、前記接続部から前記脚部の底部までの空間に、それぞれの前記配管を配設することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載の給湯装置において、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を、前記冷却器用の冷却水として吸熱した後に、前記加熱器で発生する排ガスによって加熱して温水とし、吸熱時に発生した酸性水を中和タンクで中和し、前記筐体の下部に導いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、熱交換器を耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による給湯装置は、加熱源として、スターリングエンジンを用い、スターリングエンジンは、シリンダ内を往復移動するディスプレーサピストンと、シリンダの一端側を加熱する加熱器と、シリンダの他端側を冷却する冷却器と、ディスプレーサピストンの移動によって発電を行う発電機とを有するものである。本実施の形態によれば、加熱源としてスターリングエンジンを用いることで小型で高効率な発電及び給湯を実現することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による給湯装置において、貯湯タンクの下部から取り出した水を、冷却器用の冷却水として吸熱した後に、加熱器で発生する排ガスによって加熱して温水とするものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンを用いるにあたって、冷却器用の冷却水として吸熱した後に、排ガスによって更に加熱することで、小型のスターリングエンジンであっても、給湯温度を十分に高めることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による給湯装置において、加熱源とは別に、副熱源を設け、貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、貯湯タンクの下部から取り出した水を、副熱源で加熱して温水とするものである。本実施の形態によれば、副熱源を利用することでスターリングエンジンを小型化でき、小型のスターリングエンジンによって長時間の継続した運転を実現できる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯装置において、副熱源は、水道水を開閉する暖房タンク注水弁と、暖房タンク注水弁から補給された水を貯める補給水タンクと、補給水タンクの注水を適正な状態に保つ満水電極及び減水電極と、暖房経路の水を加熱する暖房熱交換器と、暖房水を循環する循環ポンプと、暖房熱交換器の出口に設けられた暖房熱交換サーミスタと、暖房熱交換器で加熱された高温暖房水行き管と補給水タンクから循環ポンプから吐出される低温暖房水を接続するバイパス接続管に設けられた逆止弁と、暖房戻り接続管と高温暖房往き管とを接続する接続管とを備えたものである。本実施の形態によれば、副熱源としてコンパクトな暖房専用機を配置することにより、システム全体をコンパクト化できると共に、暖房のみ使用時には、単独で使用することもできる。
本発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯装置において、副熱源で加熱した熱源側媒体と貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、貯湯タンクの下部から水を取り出す配管の接続を、冷却器に導く給水管と給湯熱交換器に導く給水管に切り替える切替弁を設けたものである。本実施の形態によれば、貯湯タンク内の温水が少なくなった場合でも、給湯を継続して行うことができる。
本発明の第６の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯装置において、副熱源で加熱した熱源側媒体と貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、給湯熱交換器へ導く給湯配管と貯湯タンクへ導く給水管とに切替える切替弁とを備え、給湯熱交換器に導く水を、貯湯タンクの下部から取り出した後に、冷却器用の冷却水として吸熱し、加熱器で発生する排ガスによって加熱した温水とするものである。本実施の形態によれば、貯湯タンク内の温水が少なくなった場合でも、発電と同時に給湯を継続することができる。冷却器で加熱された温水が気液熱交換器で再加熱され、その温水を更に給湯熱交換器で加熱するので、高温のお湯を多く供給するのに有利となる。
本発明の第７の実施の形態は、第３の実施の形態による給湯装置において、副熱源で加熱した熱源側媒体と貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器を備え、貯湯タンクの下部から取り出した水を、冷却器に導く給水管と、給湯熱交換器に導く給湯配管とに分岐して供給するものである。本実施の形態によれば、発電しながら貯湯タンク内の温水が少なくなった場合でも、発電と同時に湯切れ対策用給湯を行うことができ、別々に単独でも行うことができる。
本発明の第８の実施の形態は、第５から第７の実施の形態による給湯装置において、副熱源で加熱した熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器を備え、給湯熱交換器と風呂熱交換器とを並列に設けたものである。本実施の形態によれば、給湯とともに風呂の追い炊きにも対応することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第８の実施の形態による給湯装置において、貯湯タンクの上部から取り出した温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器を備え、暖房熱交換器で放熱した後の水を貯湯タンクの下部から戻し、暖房熱交換器の利用側媒体を、給湯熱交換器及び風呂熱交換器の熱源側媒体としたものである。言い換えれば、貯湯タンクのお湯が高温で一杯に貯えられてしまうと、発電時にできるお湯を貯えることができなくなり、結果として発電ができなくなるが、本実施例によれば、貯湯タンクのお湯が暖房に供され、タンクのお湯が消費されるので、発電を継続して行うことができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第９の実施の形態による給湯装置において、筐体内の一側方に貯湯タンクを、筐体内の他側方の後方下部に加熱源を、筐体内の他側方の上部に副熱源を、筐体内の他側方の前方下部に給湯熱交換器、風呂熱交換器、及び暖房熱交換器を、それぞれ配置し、加熱源で発生するガスを導く排ガス風路を副熱源に隣接して配置したものである。本実施の形態によれば、貯湯タンク、加熱源、副加熱源などの各構成部材をつなぐ配管距離を短くできるとともに、高温となる副熱源と排ガス風路を近接させ、上部に配置することで、安全な排気を行え、他の構成部材への影響も少なくして、小型の筐体を実現することができる。
本発明の第１１の実施の形態による給湯装置は、筐体内の一側方に配置して温水を貯湯する貯湯タンクと、筐体内の他側方の後方下部に配置して貯湯タンクの水を加熱する加熱源と、筐体内の他側方の上部に配置して、貯湯タンク内の温水が所定量を下回った場合に、貯湯タンクの下部から取り出した水を加熱して温水とする副熱源と、筐体内の他側方の前方下部に配置して、副熱源で加熱した熱源側媒体と貯湯タンクの下部から取り出した水との熱交換を行う給湯熱交換器と、筐体内の他側方の前方下部に配置して、副熱源で加熱した熱源側媒体と浴槽内の水との熱交換を行う風呂熱交換器と、筐体内の他側方の前方下部に配置して、貯湯タンクの上部から取り出した温水を熱源側媒体とする暖房熱交換器と、副熱源に隣接して配置して、加熱源で発生するガスを導く排ガス風路と、を備え、筐体内の下方に、給湯配管、風呂配管、ガス配管、給水配管、暖房往き配管、及び暖房戻り配管のそれぞれの接続部を配置し、加熱源として、スターリングエンジン発電機、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、又はガスエンジン式常用発電機を用いたものである。本実施の形態によれば、加熱源として発電と給湯のできる燃料電池やガスエンジン式常用発電機を組込み一体化したコンパクトな、コージェネシステムを供給することができ、且つ、現場での施工のために必要な工事は、各配管接続と電気供給の工事だけであり、従来の発電ユニットと排熱給湯ユニットに区分されたシステムに比べれば、大幅に現場での工事を短縮することができる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１１の実施の形態による給湯装置において、それぞれの接続部をカバーする配管カバーと、副熱源の外装と、筐体を支える複数の脚部とを備え、配管カバーと外装を構成する前板とを筐体に対して着脱自在に取り付け、接続部から脚部の底部までの空間に、それぞれの配管を配設するものである。本実施の形態によれば、配管接続が筐体下部に集約してなされ、脚部間隙を利用して配管を収納できるのでコンパクトな配管接続となる。また、配管接続終了後は、配管カバーで配管接続部がカバーされ外観もすっきりとできる。一方、副熱源の外装である前板を外せば、筐体８０の外装をはずすことなく、副熱源のサービスメンテナンスを行うことができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１２の実施の形態による給湯装置において、貯湯タンクの下部から取り出した水を、冷却器用の冷却水として吸熱した後に、加熱器で発生する排ガスによって加熱して温水とし、吸熱時に発生した酸性水を中和タンクで中和し、筐体の下部に導いたものである。本実施の形態によれば、潜熱を回収した後、中和された水を排出するので、排水の下流側でも安全性を確保することができ、筐体内から出される排水を一箇所に纏めてドレン受けで纏めて排水することができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１から図３は各実施例による給湯装置の配管図、図４は本実施例に用いるスターリングエンジンの側断面概略図、図５は同スターリングエンジンの一部破断斜視図、図６は本実施例の給湯装置の正面図、図７は同装置の側面図、図８は同装置の上面図、図９は本実施例の給湯装置の外観正面図、図１０は同装置の外観側面図、図１１は同装置の外観下面図、図１２は同装置の配管カバー内部を示す外観正面図、図１３は同装置の副熱源の配管図である。
図１に示すように、本実施例の給湯装置は、温水を貯留する貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０の水を加熱す加熱源２０とを備え、加熱源２０として、スターリングエンジンを用いている。加熱源２０は、加熱器２１と冷却器２２と発電機２３を有し、加熱器２１にはガス燃焼による排ガスを導出する排ガス風路３０が設けられている。また、この排ガス風路３０には、気液熱交換器３１が設けられている。
貯湯タンクの下部から水を取り出す配管４１には循環ポンプ５１が設けられ、配管４１は切替弁５２に接続されている。給水管４２は、切替弁５２と冷却器２２とを接続している。冷却器２２の出口から気液熱交換器３１までは配管４３によって接続されている。また、気液熱交換器３１の液側出口と貯湯タンク１０の上部とは配管４４で接続されている。また、気液熱交換器３１から出た温水は、温度が高い時は切替弁５９で配管４４に接続され、温度が低い時は切替弁５９で切替えられ、配管１１を介して貯湯タンク１０の下部に接続される。
本実施例の給湯装置は、加熱源２０とは別に、副熱源６０を設けている。副熱源６０としては、ガスを加熱源とするガス暖房専用機が適している。
【０００９】
給湯熱交換器７１は、副熱源６０で加熱した熱源側媒体と貯湯タンク１０の下部から取り出した水との間で熱交換を行う。給水管４５は、切替弁５２と給湯熱交換器７１とを接続している。また、給湯熱交換器７１の二次側出口と貯湯タンク１０の上部とは配管４６で接続されている。配管４６の途中には、分岐した給湯配管４７を備えている。給湯配管４７は、給湯混合弁５３と水量制御弁５４とを備え、蛇口５５に接続されている。
風呂熱交換器７２は、副熱源６０で加熱した熱源側媒体と浴槽５６内の水との熱交換を行う。風呂熱交換器７２の二次側配管は、浴槽循環配管４８に接続されている。浴槽循環配管４８は、浴槽５６内の水を給水し、風呂熱交換器７２で加熱した温水を浴槽５６に戻す。浴槽循環配管４８は循環ポンプ５７を備えている。
暖房熱交換器７３は、貯湯タンク１０の上部から取り出した温水を熱源側媒体とし、放熱後の水を貯湯タンク１０の下部から戻す。暖房配管４９は、貯湯タンク１０の上部と暖房熱交換器７３とを接続するとともに、暖房熱交換器７３と貯湯タンク１０の下部とを接続する。暖房配管４９は循環ポンプ５８を備えている。
暖房熱交換器７３の利用側媒体は、給湯熱交換器７１及び風呂熱交換器７２の熱源側媒体としている。
従って、暖房熱交換器７３の利用側配管、給湯熱交換器７１の一次側配管、及び風呂熱交換器７１の一次側配管は、循環配管６１で接続され、また、循環配管６１は副熱源６０と接続され、熱源側媒体が循環する。給湯熱交換器７１と風呂熱交換器７２とは並列に設けている。
【００１０】
次に本実施例による給湯装置の運転方法について説明する。
通常運転時には、給湯タンク１０への給湯運転は、スターリングエンジンで構成された加熱源２０を運転することで行う。従って、給湯運転時には、加熱源２０から発電することができ、必要に応じて蓄電を行うこともできる。
給湯運転は、配管４１と給水管４２とを三方弁５２によって接続する。給水管４２から冷却器２２に導かれた水は加熱され温水となる。冷却器２２から導出された温水は、気液熱交換器３１で更に高温に加熱され、配管４４を通って貯湯タンク１０に戻る。
貯湯タンク１０内では、上部から順に温水が積層され貯湯タンク１０内の底部に温水が蓄積されるまで加熱源２０の運転は継続される。
一方、貯湯タンク１０内の温水は、暖房配管４９によって暖房熱交換器７３に導かれ、放熱後の低温水は、貯湯タンク１０の下部に戻される。このように、貯湯タンク１０内に蓄積された温水は、暖房熱交換器７３で放熱することで利用される。
暖房熱交換器７３で放出された熱は、給湯熱交換器７１又は風呂熱交換器７２で、温水の生成に利用される。
貯湯タンク１０内の温水が所定温度あるいは所定量以下となった場合には、循環ポンプ５８の運転を停止して、副熱源６０の運転を行うことで、給湯熱交換器７１又は風呂熱交換器７２での温水の生成を継続する。
【００１１】
図２は他の実施例による給湯装置の配管図である。
図２において、図１と同じ構成のところには、同じ番号を付与している。図２で、気液熱交換器３１を出た温水は、給湯配管８３を経由して切替弁８２に導かれる。高温のお湯を貯湯タンク１０に蓄える時には、切替弁８２を給湯配管８４に繋ぐように切替えて切替弁５９を経由して給湯配管４４を通り、貯湯タンク１０へ導く。一方、切替弁８２を給湯熱交換器７１に導くように切替えれば、貯湯タンク１０が湯切れした時などに、発電しながら副熱源６０の熱を、給湯熱交換器７１を介して、高温のお湯を供給することができる。図１の給湯装置の配管図では、切替弁５２で、発電するか、又は、給湯熱交換器７１を介して貯湯タンク１０の温水が少なくなった時に湯切れ対策給湯をするかを切替えるので、発電と湯切れ対策給湯運転を同時にすることはできなかったが、このシステムでは同時運転ができる。
【００１２】
図３は更に他の実施例による給湯装置の配管図である。
図３において、図１と同じ構成のところには、同じ番号を付与している。貯湯タンクの下部から水を取り出す配管８６には循環ポンプ５１が設けられ、気液熱交換器３１を介して貯湯タンク１０へお湯が供給される。一方、貯湯タンク１０の下部から循環ポンプ８８、給湯配管８７を経由してお湯を給湯熱交換器７１へ導けば、例えば、貯湯タンク１０のお湯が少なくなった場合にでも、発電と湯切れ対策用給湯の同時運転ができる。また、各々別々に発電と貯湯タンク１０のお湯が少なくなった場合の湯切れ対策用給湯を行うこともできる。
【００１３】
次に図１から図３に示す実施例に用いる加熱源２０に適したスターリングエンジンの構成について図４及び図５を用いて説明する。
図において、金属ヒータ１０１内にディスプレーサピストン１０２が配置され、ディスプレーサピストン１０２の下方にはパワーピストン１０３が配置されている。パワーピストン１０３の外周には、パワーピストン１０３とともに往復動作するインナーヨーク１０４が配置されている。インナーヨーク１０４は、円筒状に構成され、その外周には磁石１０５が配置される。
インナーヨーク１０４の外周部には、円筒状のアウターヨーク１０６がインナーヨーク１０４と所定のギャップを持って配置される。アウターヨーク１０６の内周側にはコイル１０７が、磁石１０５と対向するように配置されている。磁石１０５を有するインナーヨーク１０４と、コイル１０７を有するアウターヨーク１０６によって発電機が構成される。
金属ヒータ１０１には、ヒータ１０９、再生器１００、及び冷却器１１１を備えている。ヒータ１０９は金属ヒータ１０１の一端側に配置し、冷却器１１１は金属ヒータ１０１の他端側に配置し、再生器１００はヒータ１０９と冷却器１１１との間に配置している。再生器１００と冷却器１１１は、ともに円筒状に構成されており、金属ヒータ１０１の他端側から挿入固定される。
ロッド１１２の一端側は大径ロッド１１２ａ、ロッド１１２の他端側は小径ロッド１１２ｂで構成され、大径ロッド１１２ａはディスプレーサピストン１０２に固定され、小径ロッド１１２ｂは板バネ１１３に連結されている。
【００１４】
容器１１４は筒状部材で構成され、パワーピストン１０３、インナーヨーク１０４、アウターヨーク１０５を内部に収容する。
容器１１４には、パワーピストン１０３の一端側の外周面が摺動する第１の軸受部１１５と、パワーピストン１０３の他端側の内周面が摺動する第２の軸受部１１６とを有している。第１の軸受部１１５は、パワーピストン１０３が摺動する第１の円筒部１１５ａと、第１の円筒部１１５ａの一端に形成した第１のフランジ部１１５ｂとで構成され、第２の軸受部１１６は、パワーピストン１０３が摺動する円筒部１１６ａと、円筒部１１６ａの一端に形成したフランジ部１１６ｂとで構成される。第１の円筒部１１５ａの内周面に対向するヘッド部１０３ａの外周面には、ピストンリング１３１を設けている。本実施例によれば、リニア軸受もしくは滑り軸受１３２によって、パワーピストン１０３で発生する摺動損失を低減する。さらに、リニア軸受もしくは滑り軸受１３２が持つ径方向の隙間によって、パワーピストン１０３の稼働中に発生する横ぶれにも、パワーピストン１０３に配置したピストンリング１３１が追従することにより、金属ヒータ１０１とパワーピストン１０３との間にできる空間の気密性を保つことができる。
第２の軸受部１１６は、第２のフランジ部１１６ｂの外周面と容器１１４の他端側の内周面で位置決め固定される。アウターヨーク１０６は容器１１４の内周面で位置決め固定される。
容器１１４の一端側には金属ヒータ１０１が配置され、金属ヒータ１０１と容器１１４とは連結部材１１７を介して締結する。連結部材１１７は、リング状の連結板１１７ａと、金属ヒータ１０１側から挿入されるボルト１１７ｂから構成される。
容器１１４の他端側には封止部材１１８が配置される。
【００１５】
パワーピストン１０３は、ヘッド部１０３ａとスカート部１０３ｂで構成し、ヘッド部１０３ａの外周面をピストンリングの１３１のシール面とし、スカート部１０３ｂの内周面を第２の軸受部１１６との摺動面としている。なお、スカート部１０３ｂの外周面にインナーヨーク１０４は位置決め固定される。ヘッド部１０３ａの中心には第１の貫通孔１０３ｃを形成している。第１の貫通孔１０３ｃの内周面には軸受部１０３ｄを形成する。スカート部１０３ｂの内周面には第２の滑り軸受１０３ｅを設けている。
板バネ１１３は、第２の軸受部１１６と封止部材１１８との間に配置される。
ディスプレーサピストン１０２と板バネ１１３とを連結するロッド１１２は、大径ロッド１１２ａを第１の貫通孔１０３ｃに配置し、小径ロッド１１２ｂを第２の貫通孔１１６ｃに配置している。
【００１６】
滑り軸受１３２の軸方向の長さを長くとることで、パワーピストン１０３の摺動面を形成する第２の軸受部１１６を容器１１４に有するとともにアウターヨーク１０６を容器１１４の内周部に設けることで、パワーピストン１０３がアウターヨーク１０６に対して、傾き及び芯ずれ状態で組み付けられることを抑制し、パワーピストン１０３とアウターヨーク１０６との隙間寸法を精度良く組み立てることができる。そのため、パワーピストン１０３が傾きや芯ずれによって発生する機械損失（摺動損失）を低減することができる。
さらに、パワーピストン１０３を支持するようにアウターヨーク１０６内周面内に第２の軸受部１１６を形成することで、可動部内周面を有効に軸受部として形成することができるため、スターリングエンジンをコンパクトに構成できる。
スターリングエンジンを構成する部材を、金属ヒータ１０１と容器１１４とにそれぞれ配置するとともに、金属ヒータ１０１と容器１１４とを締結することで、特にディスプレーサピストン１０２とパワーピストン１０３との位置調整を精度良く行うことができる。
また、アウターヨーク１０６を、容器１１４の内周面で位置決め固定するため、インナーヨーク１０４とアウターヨーク１０６との組み立て誤差を少なくすることができる。
【００１７】
上記構成において、ヒータ１０９での加熱によって、封入されている気体が膨張して、差圧を受けることで、ディスプレーサピストン１０２を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン１０２の下方への移動によって、ディスプレーサピストン１０２とパワーピストン１０３との間の空間にあるガスが圧縮されてパワーピストン１０３を下方へ移動させる。パワーピストン１０３の下方への移動によって、気体はディスプレーサピストン１０
２の上部から、ヒータ１０９、再生器１００、及び冷却器１１１を通過してディスプレーサピストン１０２の下部に移動する。そしてディスプレーサピストン１０２の上方への移動によって、ディスプレーサピストン１０２とパワーピストン１０３との間の空間が低圧になることで、パワーピストン１０３は上方へ移動する。ディスプレーサピストン１０２の下部に移動した気体は、パワーピストン１０３の上方への移動によって、冷却器１１１、再生器１００、及びヒータ１０９を通過して、ディスプレーサピストン１０２の上部に移動する。
このように、ヒータ１０９での加熱と冷却器１１１での冷却によって、気体は膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン１０２の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン１０２を移動させるとともに、パワーピストン１０３を移動させる。そして、パワーピストン１０３の移動によって発電を行うことができる。
図５に示すように、ディスプレーサピストン１０２の摺動面にピストンリング１３２を配置することで、組み付けを簡便にすることができる。
【００１８】
次に、本実施例による給湯装置の構成を図６から図８を用いて説明する。
図６に示すように、筐体８０内の一側方に貯湯タンク１０を、筐体８０内の他側方の後方下部に加熱源２０を、筐体８０内の他側方の上部前面に副熱源６０を、筐体８０内の他側方の前方下部に給湯熱交換器７１、風呂熱交換器７２、及び暖房熱交換器７３をそれぞれ配置している。循環ポンプ５８は、筐体８０内の下部に配置してあるので、タンク１０の圧力が循環ポンプ５８にかかり、その圧力で循環ポンプ５８内の空気が抜けやすくなり、循環ポンプ５８が非自給ポンプであっても安定して循環させることができる。循環ポンプ５７は、風呂用循環ポンプで風呂回路の循環に使用されるもので、自吸式ポンプであり、空気が噛んでも自吸することができるので、筐体８０の下部に配置しなくても循環させることができる。
加熱源２０で発生するガスを導く排ガス風路３０は、副熱源６０に隣接して配置している。加熱源２０で発生するガスを導く排ガス風路３０の表面は断熱材で保温され、気液熱交換器３１で潜熱回収が効率的に行えるよう、加熱源２０で発生する排気ガス温度が低下しないようにされている。副熱源と排ガス風路を近接させ、筐体８０の上部に配置することで、安全な排気を行え、他の構成部材への影響も少なくして、小型の筐体を実現することができる。
【００１９】
また、図７に示すように、気液熱交換器３１の下部には、潜熱回収され酸性水となった水を中和する中和タンクが配置され、中和された水は筐体８０の下部に導かれる。気液熱交換器３１で潜熱回収され高温となったお湯は貯湯タンク１０に導かれ、気液熱交換器３１で潜熱回収された後の排気ガスは、吹き出し口６２から排出される。
【００２０】
次に、本実施例による給湯装置の構成を図９から図１２を用いて説明する。
図９において、筐体８０の下部には、第１の配管カバー６３と第２の配管カバー６４が着脱自在に配置され、その下には脚６５が設けられている。脚６５は高さが１５０ｍｍくらいあり配管スペースとして使用できる。吹き出し口６１は副熱源６０の吹き出し口であり、吹き出し口６２は、加熱源２０の排気ガスの吹き出し口である。副熱源６０の前板部９４はビスで固定されている。このビスをはずせば、筐体８０の前面カバーをはずさなくても副熱源６０の前板部９４をはずすことによって、副熱源６０のメンテナンスができる。
【００２１】
また、図９及び図１０に示すように、第１の配管カバー６３は筐体８０の前面下部に配置されている。
また、図１１に示すように、筐体８０の下面には、脚部６５が配置されている。脚部６５に設けられた穴を介して、例えばコンクリートでつくられた土台の上に筐体８０をボルトなどで固定することができる。
また、図１２に示すように、第１の配管カバー６３と第２の配管カバー６４をはずすと、各配管を接続することができる。第１の配管カバー６３と第２の配管カバー６４をはずすと、そこには、排水栓６６、給湯管６７、給水管６８、風呂往き管６９、風呂戻り管７５、ガス管７６、暖房往き管７７、暖房戻り管９７が配置されているので、各配管工事が一箇所で行える利点があり、従来のように発電ユニットと排熱貯湯ユニットと別々のユニットを接続するための配管接続工事を必要としないので、複数箇所への接続が不要である。
【００２２】
次に、本実施例による給湯装置の構成を図１３を用いて説明する。
図１３は副熱源６０の配管図で、水道から分岐された水は、手動で補給する場合は補給水バルブ８２を開閉して暖房用補給水を供給する。自動補水の場合は暖房タンク注水弁８３を介して減水電極８７と満水電極８６とからなる補給水タンク９５で暖房水が蓄えられる。オーバーフロー下水は、オーバーフロー管９０を介して、筐体８０の下部に導かれ排水される。補給水タンク９５の水は熱交換器８４の出口に設けられた暖房熱交サーミスタ８５で温度検出され、制御されたお湯が循環ポンプ８８によって、高温暖房往き管９２を介して高温暖房に使用される。一方、低温暖房往き管９６は高温暖房往き管９２と逆止弁８９を介して接続されている。低温暖房往き管９６から出た温水は、床暖房などに使用される。高温暖房往き管９２と暖房戻り菅９１は、バイパス管９３で接続されている。床暖房や高温暖房に利用された温水は、暖房戻り管９１に戻される。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の給湯装置は、家庭用コージェネレーションシステムの他、病院その他の施設用のコージェネレーションシステムとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例による給湯装置の配管図
【図２】本発明の他の実施例による給湯装置の配管図
【図３】本発明の更に他の実施例による給湯装置の配管図
【図４】本実施例に用いるスターリングエンジンの側断面概略図
【図５】同スターリングエンジンの一部破断斜視図
【図６】本実施例の給湯装置の正面図
【図７】同装置の側面図
【図８】同装置の上面図
【図９】同装置の外観正面図
【図１０】同装置の外観側面図
【図１１】同装置の外観下面図
【図１２】同装置の配管カバー内部を示す外観正面図
【図１３】同装置の副熱源の配管図
【符号の説明】
【００２５】
１０    貯湯タンク
２０    加熱源（スターリングエンジン）
２１    加熱器
２２    冷却器
２３    発電機
３０    排ガス風路
３１    気液熱交換器
６０    副熱源
７１    給湯熱交換器
７２    風呂熱交換器
７３    暖房熱交換器
８０    筐体
【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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【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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