給湯システム
【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ようにする。
【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が設けられている。制御手段７０は、タンク温度センサ８６の検出温度が閾値より上回っている状況では、ミキシングバルブ３０を制御することにより、出湯温度を設定温度に制御する。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ガス給湯器４０を点火するとともに、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３０を制御する。以後、ミキシングバルブ３０では、この割合を維持する。
【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が設けられている。制御手段７０は、タンク温度センサ８６の検出温度が閾値より上回っている状況では、ミキシングバルブ３０を制御することにより、出湯温度を設定温度に制御する。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ガス給湯器４０を点火するとともに、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３０を制御する。以後、ミキシングバルブ３０では、この割合を維持する。
【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３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。ミキシングバルブだけの制御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４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４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、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４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４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４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の頂部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を設け、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まま一定に維持し、貯湯タンクからの湯温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することを特徴とする。
【００１６】
上記構成では、タンク温度センサでの検出温度が低下して閾値に達した時には、最小限度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する。タンク温度センサは貯湯タンク頂端から所定距離下方に位置しているので、上記補助熱源の作動開始時にしばらくの間安定した高温の湯がミキシングバルブに供給される。そのため、ミキシングバルブにおいてタンクからの湯の割合を一定にしても補助熱源にはほぼ一定の温度の混合湯が供給され、補助熱源の作動開始時の出湯温度を安定して設定温度に維持できる。また、貯湯タンクからの湯が低下してもミキシングバルブでの混合割合を変えずに、補助熱源の増大により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％にした後に生じる補助熱源への混合湯の温度の急激な低下が生じず、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。
【００１７】
好ましくは、上記制御手段は、補助熱源の作動開始時のミキシングバルブによる混合割合を、貯湯タンクからの湯の温度ないしは混合湯の温度がほぼ給水温度に達するまで継続し、ほぼ給水温度に達した時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的に１００％になるようにミキシングバルブを制御する。これによれば、貯湯タンク内の水を給水路からの新鮮な水で効率良く置換することができる。
【００１８】
好ましくは、上記制御手段は、出湯停止時にミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロとなる状態にし、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時には、ミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合がゼロから徐々に増大するように制御するとともに、上記補助熱源を出湯開始時から作動させて出湯温度を設定温度にする。これによれば、貯湯タンクにおいてタンク温度センサより上に高温の湯があったとしても、ミキシングバルブから補助熱源への混合湯の温度変化を緩慢にすることができ、補助熱源での熱量供給による温度制御を安定して行なうことができる。
【００１９】
好ましくは、上記制御手段は、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロの状態を維持し出湯温度が設定温度で安定してから、貯湯タンクからの湯の割合をゼロから徐々に増大させる。これによれば、補助熱源での熱量供給による温度制御をより一層安定して行なうことができる。
【００２０】
好ましくは、上記制御手段は、ミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯の割合を徐々に増大させることにより上記混合湯の温度が上昇して目標混合温度に達した時には、この割合を維持し続ける。これにより、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。
【００２１】
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。
【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。
【００３３】
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と給湯器４０の制御を行なう。以下、詳述する。
【００３４】
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。
【００３５】
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。貯湯タンク２０の頂部に高温層Ｗａの湯が蓄えられていて、検出温度が高温層の湯の温度Ｔａである場合を例にとり、図２を参照しながら第1制御ルーチンについて説明する。
【００３６】
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２の時点ｔ１前の期間参照。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
上記ミキシングバルブ３０の開度は、点火時点ｔ１で急減させた開度のまま維持される。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、貯湯タンク２０内に高温層Ｗａの湯が残っているので、ミキシングバルブ３０の開度を一定に維持しても、混合温度Ｔｍｉｘは設定温度Ｔｓより温度差ΔＴだけ低い温度に一定に維持される。このようにガス給湯器４０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、点火直後の出湯温度の乱れを抑えることができ、安定して設定温度に維持できる。図２における時点ｔ１〜ｔ２の期間参照。
【００４０】
貯湯タンク２０の湯がさらに消費され続けると、やがて中間遷移層Ｗｂの湯が貯湯タンク２０から出てくる。この際、上記のようにミキシングバルブ３０ではタンク側開度が固定されているため、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）の低下は、混合温度Ｔｍｉｘの低下をもたらす。そのため、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、供給熱量が制御される。この供給熱量は、上記混合温度Ｔｍｉｘの低下に伴い増大する。時点ｔ２〜ｔ３の期間参照。
【００４１】
さらに出湯を続けると、貯湯タンク２０に貯えられている湯が無くなり、貯湯タンク２０から給水温度Ｔｃの水が出てくる。その結果、入側温度Ｔｉｎ,混合温度Ｔｍｉｘが給水温度Ｔｃまで低下する。制御ユニット７０は、センサ８１及び／又はセンサ８３から、この検出結果を受けた時点ｔ３で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を全開にする。これにより、貯湯タンク２０内の水を給水路５０からの新鮮な水で置換することができる。
【００４２】
上記のように、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を一定に維持して、貯湯タンク２０の湯の消費量を抑えているので、入側温度Ｔｉｎは緩やかに下降して給水温度Ｔｃに達する。しかも、ミキシングバルブ３０で混合温度Ｔｍｉｘを設定温度Ｔｓにするような制御を行なわないので、混合温度Ｔｍｉｘは入側温度Ｔｉｎに対応して緩やかに下降して給水温度Ｔｃに達する。その結果、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アンダーシュートが生じることもない。なお、時点ｔ３でミキシングバルブ３０のタンク側開度を一気に全開にしても、これにより混合温度Ｔｍｉｘが急変するわけではなく、アンダーシュートが生じることもない。
【００４３】
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、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。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も、同様に上記ガス給湯器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。
【００４４】
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制御ルーチンを実行する。この場合には、貯湯タンク２０の上部に高温Ｔａの湯が貯えられている可能性がある。例えば、貯湯タンク２０の湯を多量に消費した後で、排熱源１１から貯湯タンク２０の頂部に高温の湯が比較的少量供給された場合、タンク温度センサ８６での湯の温度が閾値に達しないことがあるからである。
【００４５】
以下、第２制御ルーチンについて詳述する。ミキシングバルブ３０ではタンク側開度が全閉となっている。この状態のまま、出湯開始と同時にガス給湯器４０が点火され、上述したと同様にして出湯温度が設定温度Ｔｓになるように供給熱量を制御する。出湯開始時には、ミキシングバルブ３０での混合割合は給水側１００％であるから、混合温度Ｔｍｉｘは給水温度Ｔｃであり、出湯温度を設定温度にするために多くの供給熱量を制御する。出湯温度センサ８４で検出される出湯温度が安定した時点で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を、時間の経過に伴って徐々に増大させるようにする。貯湯タンク２０に高温Ｔａの湯が貯えられている場合には、タンク側開度を増大させる過程で、混合温度Ｔｍｉｘが上昇するので、供給熱量は減少していく。そして、混合温度Ｔｍｉｘが目標混合温度（例えば給水温度Ｔｃより１０℃高い温度）に達した時点で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を固定する。さらに出湯が継続されると、貯湯タンク２０からの湯の温度Ｔｉｎが低下し始め、これに対応して混合温度Ｔｍｉｘも低下し始める。混合温度Ｔｍｉｘが目標混合温度より下がると、これを補うべくガス給湯器４０の供給熱量が増大する。その後、入側温度Ｔｉｎ,混合温度Ｔｍｉｘが給水温度Ｔｃに達した時点での制御は上記第１制御ルーチンと同様である。
【００４６】
上記の第２ルーチンにおいて、混合温度が目標混合温度に達しない場合には、上記ミキシング３０でのタンク側開度を増大させ続け、タンク側開度を全開,給水側開度を全閉にする。
【００４７】
なお、本実施形態で電磁開閉弁３５は混合湯温度センサ８３の故障時に閉じて貯湯タンク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】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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る。
【図２】同システムでの制御を示すタイムチャートである。
【図３】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４】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】
【００５０】
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
【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３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。ミキシングバルブだけの制御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４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４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、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４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４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４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の頂部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を設け、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まま一定に維持し、貯湯タンクからの湯温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することを特徴とする。
【００１６】
上記構成では、タンク温度センサでの検出温度が低下して閾値に達した時には、最小限度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する。タンク温度センサは貯湯タンク頂端から所定距離下方に位置しているので、上記補助熱源の作動開始時にしばらくの間安定した高温の湯がミキシングバルブに供給される。そのため、ミキシングバルブにおいてタンクからの湯の割合を一定にしても補助熱源にはほぼ一定の温度の混合湯が供給され、補助熱源の作動開始時の出湯温度を安定して設定温度に維持できる。また、貯湯タンクからの湯が低下してもミキシングバルブでの混合割合を変えずに、補助熱源の増大により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％にした後に生じる補助熱源への混合湯の温度の急激な低下が生じず、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。
【００１７】
好ましくは、上記制御手段は、補助熱源の作動開始時のミキシングバルブによる混合割合を、貯湯タンクからの湯の温度ないしは混合湯の温度がほぼ給水温度に達するまで継続し、ほぼ給水温度に達した時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的に１００％になるようにミキシングバルブを制御する。これによれば、貯湯タンク内の水を給水路からの新鮮な水で効率良く置換することができる。
【００１８】
好ましくは、上記制御手段は、出湯停止時にミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロとなる状態にし、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時には、ミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合がゼロから徐々に増大するように制御するとともに、上記補助熱源を出湯開始時から作動させて出湯温度を設定温度にする。これによれば、貯湯タンクにおいてタンク温度センサより上に高温の湯があったとしても、ミキシングバルブから補助熱源への混合湯の温度変化を緩慢にすることができ、補助熱源での熱量供給による温度制御を安定して行なうことができる。
【００１９】
好ましくは、上記制御手段は、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロの状態を維持し出湯温度が設定温度で安定してから、貯湯タンクからの湯の割合をゼロから徐々に増大させる。これによれば、補助熱源での熱量供給による温度制御をより一層安定して行なうことができる。
【００２０】
好ましくは、上記制御手段は、ミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯の割合を徐々に増大させることにより上記混合湯の温度が上昇して目標混合温度に達した時には、この割合を維持し続ける。これにより、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。
【００２１】
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。
【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。
【００３３】
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と給湯器４０の制御を行なう。以下、詳述する。
【００３４】
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。
【００３５】
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。貯湯タンク２０の頂部に高温層Ｗａの湯が蓄えられていて、検出温度が高温層の湯の温度Ｔａである場合を例にとり、図２を参照しながら第1制御ルーチンについて説明する。
【００３６】
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２の時点ｔ１前の期間参照。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
上記ミキシングバルブ３０の開度は、点火時点ｔ１で急減させた開度のまま維持される。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、貯湯タンク２０内に高温層Ｗａの湯が残っているので、ミキシングバルブ３０の開度を一定に維持しても、混合温度Ｔｍｉｘは設定温度Ｔｓより温度差ΔＴだけ低い温度に一定に維持される。このようにガス給湯器４０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、点火直後の出湯温度の乱れを抑えることができ、安定して設定温度に維持できる。図２における時点ｔ１〜ｔ２の期間参照。
【００４０】
貯湯タンク２０の湯がさらに消費され続けると、やがて中間遷移層Ｗｂの湯が貯湯タンク２０から出てくる。この際、上記のようにミキシングバルブ３０ではタンク側開度が固定されているため、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）の低下は、混合温度Ｔｍｉｘの低下をもたらす。そのため、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、供給熱量が制御される。この供給熱量は、上記混合温度Ｔｍｉｘの低下に伴い増大する。時点ｔ２〜ｔ３の期間参照。
【００４１】
さらに出湯を続けると、貯湯タンク２０に貯えられている湯が無くなり、貯湯タンク２０から給水温度Ｔｃの水が出てくる。その結果、入側温度Ｔｉｎ,混合温度Ｔｍｉｘが給水温度Ｔｃまで低下する。制御ユニット７０は、センサ８１及び／又はセンサ８３から、この検出結果を受けた時点ｔ３で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を全開にする。これにより、貯湯タンク２０内の水を給水路５０からの新鮮な水で置換することができる。
【００４２】
上記のように、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を一定に維持して、貯湯タンク２０の湯の消費量を抑えているので、入側温度Ｔｉｎは緩やかに下降して給水温度Ｔｃに達する。しかも、ミキシングバルブ３０で混合温度Ｔｍｉｘを設定温度Ｔｓにするような制御を行なわないので、混合温度Ｔｍｉｘは入側温度Ｔｉｎに対応して緩やかに下降して給水温度Ｔｃに達する。その結果、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アンダーシュートが生じることもない。なお、時点ｔ３でミキシングバルブ３０のタンク側開度を一気に全開にしても、これにより混合温度Ｔｍｉｘが急変するわけではなく、アンダーシュートが生じることもない。
【００４３】
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、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。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も、同様に上記ガス給湯器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。
【００４４】
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制御ルーチンを実行する。この場合には、貯湯タンク２０の上部に高温Ｔａの湯が貯えられている可能性がある。例えば、貯湯タンク２０の湯を多量に消費した後で、排熱源１１から貯湯タンク２０の頂部に高温の湯が比較的少量供給された場合、タンク温度センサ８６での湯の温度が閾値に達しないことがあるからである。
【００４５】
以下、第２制御ルーチンについて詳述する。ミキシングバルブ３０ではタンク側開度が全閉となっている。この状態のまま、出湯開始と同時にガス給湯器４０が点火され、上述したと同様にして出湯温度が設定温度Ｔｓになるように供給熱量を制御する。出湯開始時には、ミキシングバルブ３０での混合割合は給水側１００％であるから、混合温度Ｔｍｉｘは給水温度Ｔｃであり、出湯温度を設定温度にするために多くの供給熱量を制御する。出湯温度センサ８４で検出される出湯温度が安定した時点で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を、時間の経過に伴って徐々に増大させるようにする。貯湯タンク２０に高温Ｔａの湯が貯えられている場合には、タンク側開度を増大させる過程で、混合温度Ｔｍｉｘが上昇するので、供給熱量は減少していく。そして、混合温度Ｔｍｉｘが目標混合温度（例えば給水温度Ｔｃより１０℃高い温度）に達した時点で、ミキシングバルブ３０のタンク側開度を固定する。さらに出湯が継続されると、貯湯タンク２０からの湯の温度Ｔｉｎが低下し始め、これに対応して混合温度Ｔｍｉｘも低下し始める。混合温度Ｔｍｉｘが目標混合温度より下がると、これを補うべくガス給湯器４０の供給熱量が増大する。その後、入側温度Ｔｉｎ,混合温度Ｔｍｉｘが給水温度Ｔｃに達した時点での制御は上記第１制御ルーチンと同様である。
【００４６】
上記の第２ルーチンにおいて、混合温度が目標混合温度に達しない場合には、上記ミキシング３０でのタンク側開度を増大させ続け、タンク側開度を全開,給水側開度を全閉にする。
【００４７】
なお、本実施形態で電磁開閉弁３５は混合湯温度センサ８３の故障時に閉じて貯湯タンク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】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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る。
【図２】同システムでの制御を示すタイムチャートである。
【図３】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４】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】
【００５０】
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
【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の頂部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を設け、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まま一定に維持し、貯湯タンクからの湯温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することを特徴とする給湯システム。
【請求項２】
上記制御手段は、補助熱源の作動開始時のミキシングバルブによる混合割合を、貯湯タンクからの湯の温度ないしは混合湯の温度がほぼ給水温度に達するまで継続し、ほぼ給水温度に達した時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的に１００％にな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１に記載の給湯システム。
【請求項３】
上記制御手段は、出湯停止時にミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロとなる状態にし、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時には、ミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合がゼロから徐々に増大するように制御するとともに、上記補助熱源を出湯開始時から作動させて出湯温度を設定温度にすることを特徴とする請求項１または２に記載の給湯システム。
【請求項４】
上記制御手段は、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロの状態を維持し出湯温度が設定温度で安定してから、貯湯タンクからの湯の割合をゼロから徐々に増大させ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】
上記制御手段は、ミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯の割合を徐々に増大させることにより上記混合湯の温度が上昇して目標混合温度に達した時には、この割合を維持し続けることを特徴とする請求項３または４に記載の給湯システム。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の給湯システム。
【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の頂部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を設け、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まま一定に維持し、貯湯タンクからの湯温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することを特徴とする給湯システム。
【請求項２】
上記制御手段は、補助熱源の作動開始時のミキシングバルブによる混合割合を、貯湯タンクからの湯の温度ないしは混合湯の温度がほぼ給水温度に達するまで継続し、ほぼ給水温度に達した時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的に１００％にな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１に記載の給湯システム。
【請求項３】
上記制御手段は、出湯停止時にミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロとなる状態にし、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時には、ミキシングバルブを貯湯タンクからの湯の割合がゼロから徐々に増大するように制御するとともに、上記補助熱源を出湯開始時から作動させて出湯温度を設定温度にすることを特徴とする請求項１または２に記載の給湯システム。
【請求項４】
上記制御手段は、上記タンク温度センサの検出温度が上記閾値を下回っている状態で出湯が開始された時に、貯湯タンクからの湯の割合が実質的にゼロの状態を維持し出湯温度が設定温度で安定してから、貯湯タンクからの湯の割合をゼロから徐々に増大させ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】
上記制御手段は、ミキシングバルブにより貯湯タンクからの湯の割合を徐々に増大させることにより上記混合湯の温度が上昇して目標混合温度に達した時には、この割合を維持し続けることを特徴とする請求項３または４に記載の給湯システム。
【請求項６】
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１〜５のいずれかに記載の給湯システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１０１１４（Ｐ２００６−１０１１４Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８４５４３（Ｐ２００４−１８４５４３）
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００１２９２３１）株式会社ガスター (277)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００１２９２３１）株式会社ガスター (277)
【Ｆターム（参考）】
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