JP2004020014A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯用の高温の湯を上部から貯える貯湯タンク内の熱量をさらに有効利用することが可能な給湯装置を提供すること。
【解決手段】貯湯タンク１内には螺旋形状の蛇管により構成された熱交換器３１が配設され、浴槽４内の浴水を貯湯タンク１内の高温の湯との熱交換により加温するときには、浴水は熱交換器３１内を上部から下部に向かって流通するようになっている。これにより、貯湯タンク１内において熱交換器３１の最上部３１ａより下方側を対流域とし、高温の湯の熱量を有効利用することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯装置に関し、特に、給湯用の高温の湯を貯湯タンク内に上部から貯える給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内部に給湯用の高温の湯を上部から貯える貯湯タンクと、貯湯タンクの外部に設けられ、貯湯タンク内の下部の水を貯湯タンク内の上部に送る前に加熱して高温の湯とするための加熱手段であるヒートポンプ装置とを備える給湯装置が知られている。
【０００３】
また、貯湯タンク内にほぼ均一に加熱した高温の湯を貯留し、貯湯タンク内に設けた熱交換器内に浴槽内の浴水を循環して加温し、浴槽内の浴水の保温や追い焚きする電気温水器等の給湯装置が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記従来技術の前者の給湯装置の貯湯タンク内に熱交換器を設け、この熱交換器内に浴槽内の浴水を循環して加温し、浴槽内の浴水の保温や追い焚きを行なった。すると、貯湯タンク内の貯湯量が少ない場合には、貯湯タンク内の湯温の低下が速いため、ヒートポンプ装置の駆動と停止とを繰り返して適宜熱量を供給する必要があり、ランニングコスト上昇等の可能性があるという問題に直面した。
【０００５】
そこで、本発明者らは鋭意検討を行い、上記問題の原因の１つとして、貯湯タンク内に貯留されている高温の湯の熱量が、以下のように熱交換器により充分利用されていない場合があることが明らかになった。
【０００６】
貯湯タンク内に設けられた熱交換器に浴槽内の浴水を流通するときに、熱交換器内において進入した直後の浴水の温度が最も低い。浴水が熱交換器の下部に最初に進入した場合には、この部位において熱交換が活発に行なわれ、上部での熱交換は少ない。このようなときには、貯湯タンク内の高温の湯は、熱交換器上部周辺よりも下部周辺において冷却される。
【０００７】
そうすると、貯湯タンク内では、熱交換器下部周辺より下方側において対流が発生し、熱交換器下方部周辺には冷却されていない高温の湯が供給されることで、熱交換器に進入してくる浴槽の湯を加温し続ける。上記対流域の高温の湯が冷却され、熱交換することが困難になったときには、ヒートポンプ装置を駆動し、貯湯タンクの上部に高温の湯を供給することで熱量を追加する。
【０００８】
ところが、このときには、熱交換器上部周辺の高温の湯の熱量は充分に利用されていない。本発明者らは、この熱量を有効利用することにより、ヒートポンプ装置の駆動インターバルを延長させる余地があることを見出した。
【０００９】
本発明は、上記点を鑑みてなされたものであって、貯湯タンク内の熱量をさらに有効利用することが可能な給湯装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
内部に給湯用の高温の湯を上部から貯える貯湯タンク（１）と、
貯湯タンク（１）の外部に設けられ、貯湯タンク（１）内の下部の水を貯湯タンク（１）内の上部に送る前に加熱して高温の湯とする加熱手段（２）と、
貯湯タンク（１）内に設けられ、貯湯タンク（１）の外部から供給される水を内部に流通し、貯湯タンク（１）内に貯えられた高温の湯によって加温する熱交換器（３１）とを備える給湯装置であって、
熱交換器（３１）内では、外部から供給される水が、上部より下部に向かって流通することを特徴としている。
【００１１】
これによると、外部からの供給水を熱交換器（３１）の上部に進入させ下部に送ることができる。したがって、貯湯タンク（１）内の高温の湯は、熱交換器（３１）上部周辺の方が下部周辺よりも冷却され、熱交換器（３１）上部周辺より下方側を対流域とすることができる。このようにして、貯湯タンク（１）内の熱量をさらに有効利用することが可能である。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、加熱手段（２）は、貯湯タンク（１）内の熱交換器（３１）最下部（３１ｂ）の高温の湯の温度が所定値以下となったときに、加熱を行なうように作動されることを特徴としている。
【００１３】
これによると、熱交換器（３１）の最下部（３１ｂ）において熱量が利用できなくなった場合に、加熱手段（２）により熱量を供給することが可能である。したがって、外部からの供給水を確実に加温することが可能である。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、熱交換器（３１）は、貯湯タンク（１）の上端より離設され、貯湯タンク（１）内には、熱交換器（３１）最上部（３１ａ）より上方に所定容積の空間（１ａ）が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
これによると、貯湯タンク（１）内の熱交換器（３１）の最上部（３１ａ）より上方の空間（１ａ）に貯留された高温の湯が冷却されることを防止できる。したがって、急な給湯が必要になった場合であっても出湯することが可能である。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明では、熱交換器（３１）から延びる２本の配管（３２、３３）を浴槽（４）に接続し、熱交換器（３１）に、浴槽（４）内の湯を循環させるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
これによると、浴槽（４）内の湯を保温したり追い焚きしたりすることが可能である。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、加熱手段（２）は、ヒートポンプ装置（２）であることを特徴としている。
【００１９】
一般的にヒートポンプ装置は、駆動開始した後、加熱を開始するまでに若干の時間を要する。したがって、本発明により、貯湯タンク（１）内の熱量をさらに有効利用して、ヒートポンプ装置（２）の駆動インターバルを延長させることができる効果は大きい。
【００２０】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本実施形態の給湯装置の概略構成を示す模式図である。
【００２３】
１は耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）の貯湯タンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、給湯用の高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。貯湯タンク１は縦長形状であり、その底面には導入口１１が設けられ、この導入口１１には貯湯タンク１内に水道水を導入する給水経路である導入管１２が接続されている。
【００２４】
一方、貯湯タンク１の最上部には導出口１３が設けられ、導出口１３には貯湯タンク１内の高温の湯を導出するための給湯経路である導出管１４が接続されている。導出管１４には、図示しない水道水の給水配管との合流点に、図示しない混合弁が配置され、混合弁は開口面積比（導出管１４に連通する湯側の開度と給水配管に連通する水側の開度の比率）を調節することにより、下流側にあるカラン、シャワー、風呂等に高温の湯と水とを適宜混合して給湯するようになっている。
【００２５】
貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の水を吸入するための吸入口１８が設けられ、貯湯タンク１の上部には、貯湯タンク１内に湯を吐出する吐出口１９が設けられている。吸入口１８と吐出口１９とは循環回路２０で接続されており、循環回路２０の一部はヒートポンプ装置２内に配置されている。
【００２６】
循環回路２０のヒートポンプ装置２内に配置された部分には、図示しない熱交換器が設けられており、吸入口１８から吸入した貯湯タンク１内の下部の水を高温冷媒との熱交換により加熱し、吐出口１９から貯湯タンク１内に戻すことにより貯湯タンク１内の水を沸き上げることができるようになっている。ヒートポンプ装置２は、本実施形態における加熱手段である。
【００２７】
ヒートポンプ装置２により、貯湯タンク１内の水の沸き上げが行なわれると、吐出口１９から貯湯タンク１内に流入する高温の湯は、貯湯タンク１内の上部から順次貯えられるようになっている。すなわち、貯湯タンク１は所謂積層式の貯湯タンクである。
【００２８】
一方、浴槽４には、浴槽４内の浴水を循環する循環回路３０が接続している。循環回路３０は、貯湯タンク１内の上部に配設された熱交換器３１と、この熱交換器３１の上下両端と、浴槽４とを接続する２本の配管３２、３３とからなっている。熱交換器３１は、本例では、螺旋形状の蛇管により構成されている。循環回路３０の上流側の配管３２には、循環ポンプ３４が配設され、循環ポンプ３４が作動すると、浴槽４内の浴水が熱交換器３１内を上部より下部に向かって流れ、貯湯タンク１内の高温の湯と熱交換して加温されるようになっている。
【００２９】
貯湯タンク１の外壁面には、複数のサーミスタが縦方向に間隔をあけて配置され、貯湯タンク１内の温度情報を図示しない制御装置に出力するようになっている。複数のサーミスタのうち、サーミスタ６は、熱交換器３１の最下部３１ｂと同じ高さに配置されている。なお、サーミスタ６以外のサーミスタは図示を省略している。
【００３０】
また、図示しない制御装置は、サーミスタ６からの温度情報や図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの信号等に基づいて、ヒートポンプ装置２、循環ポンプ３４等を制御するように構成されている。
【００３１】
次に、上記構成に基づき給湯装置の概略作動について説明する。
【００３２】
給湯装置に電力供給されているときには、図示しない制御装置は、貯湯タンク１に設けられた各サーミスタからの温度情報や、図示しない操作盤により設定された情報等に基づいて、例えば深夜時間帯等にヒートポンプ装置２を作動させ、貯湯タンク１内の水を加熱して高温の湯（例えば、７０℃の湯）として、所定量を貯湯タンク１の上部から貯える。
【００３３】
図１では、貯湯タンク１内の破線より上方側に高温の湯を貯留し、破線の下方側に水を貯留している状態を図示している。このような状態のときに、カラン等が開かれると、導入管１２から貯湯タンク１内に水道水が供給されるとともに、導出管１４を介して貯湯タンク１内から高温の湯が導出され、図示しない混合弁において適宜水と混合された後、給湯が行なわれる。
【００３４】
図１に示すように、貯湯タンク１内の上部に高温の湯を貯留しているときに、浴槽４内の浴水を保温もしくは追い焚きする場合には、図示しない制御装置は、循環ポンプ３４を作動させ、循環回路３０内に浴水を循環する。浴槽４から配管３２を流れた浴水は、熱交換器３１内において上部から下部に向かって流通し、貯湯タンク１内の高温の湯と熱交換して加温された後、配管３３を流れて浴槽４内に戻る。
【００３５】
熱交換器３１内の浴水は、熱交換器３１内への流入時が最も低温であり、その後熱交換器３１内を下降していくにつれて加温され温度上昇していく。したがって、貯湯タンク１内の高温の湯は、熱交換器３１の最上部３１ａにおいて最も冷却される。図１に示すように、冷却された高温の湯は貯湯タンク１内を下降し、これに対応して下方側の高温の湯が上昇し、対流が形成される。
【００３６】
このとき、熱交換器３１の上端部３１ａより下方側（図１に示す一点鎖線より下方側）、かつ図１に示す前述の破線の上方側の範囲が対流域となる。上記対流の形成により、熱交換器３１の最上部３１ａには、対流域内の最も熱い湯が供給される。したがって、循環回路３０内を循環する浴水を効率的に加温することができる。
【００３７】
熱交換器３１において熱交換が継続され前記対流域の熱量が減少し、サーミスタ６の検出温度が所定値（本例では５０℃）以下となった場合には、図示しない制御装置は、ヒートポンプ装置２を作動し吐出口１９から貯湯タンク１内の上部に高温の湯を追加して対流域の熱量を増加させる。
【００３８】
ここで、熱交換器３１の最下部３１ｂと同じ高さに設けたサーミスタ６の温度情報に基づきヒートポンプ装置２の作動を再開させている。これは、熱交換器３１の最下部３１ｂにおいて、貯湯タンク１内の湯の温度が５０℃以下になると、この部位で熱交換器３１内部を流通する浴水と熱交換することが難しくなるためである。したがって、上述のようにサーミスタ６の温度情報に基づきヒートポンプ装置２の作動を再開させれば、熱交換器３１の全域において浴水を確実に加温することができる。
【００３９】
なお、熱交換器３１により貯湯タンク１内の高温の湯と浴水との熱交換が行なわれ対流域内の熱量が利用された場合でも、熱交換器３１の最上部３１ａより上方（図中一点鎖線より上方）の貯湯タンク１内の空間１ａに貯留された高温の湯は冷却され難い。したがって、対流域の高温の湯の温度が低下しているときにカラン等が開かれ、急な給湯が必要になった場合であっても、導出管１４を介しての給湯に対応することが可能である。ちなみに、本例では、空間１ａの容積は５０Ｌとなっている。
【００４０】
上述の構成および作動によれば、熱交換器３１に浴水を流通して加温するときに、貯湯タンク１内の熱交換器３１の最上部３１ａより下方側の熱量を満遍なく有効利用することが可能である。これにより、熱交換器３１において熱交換が継続され対流域の熱量が減少してきたときに、ヒートポンプ装置２の作動再開を遅延することができる。
【００４１】
一般的にヒートポンプ装置は、作動開始した後、加熱を開始するまでに若干の時間を要する。したがって、ヒートポンプ装置２の作動のインターバルを延長させることができる効果は大きい。
【００４２】
図２（ａ）は、本発明者らが行なった本実施形態の給湯装置の貯湯タンク１内の温度測定結果である。本発明者らは、まず、貯湯タンク１の上部に複数のサーミスタを増設し、貯湯タンク１内に７０℃の高温の湯を上部から１００Ｌ（熱交換器３１の最下部３１ｂの位置まで）貯留した。そして次に、循環回路３０に１０Ｌ／ｍｉｎの流量で浴水を循環し、貯湯タンク１の上部から２０Ｌ、４０Ｌ、５０Ｌ、６０Ｌ、８０Ｌおよび１００Ｌの各貯留位置における温度を測定した。このときの外気温は１０℃である。
【００４３】
図２（ｂ）は、本発明者らが行なった本実施形態の給湯装置の循環回路３０に、浴水を逆方向に循環したときの貯湯タンク１内の温度測定結果である。他の測定条件は、図２（ａ）を測定した場合と同様である。
【００４４】
本発明者らは、図２（ａ）、図２（ｂ）を比較して明らかなように、図２（ａ）の方が、５０Ｌから１００Ｌの範囲の温度にばらつきが少なく、対流域の熱量が満遍なく熱交換されていることを確認している。また、このとき、４０Ｌより上方の範囲では、熱交換の影響が少ないことも確認している。
【００４５】
また、図２（ａ）では、１００Ｌの位置の温度が５０℃に達するのに２４分を要するのに対し、図２（ｂ）では、５０℃に達するのに２０分しか要していない。このように、熱交換器３１内を上部より下部に向かって浴水を流通することで、ヒートポンプ装置２の作動再開のタイミングを遅延可能であることも確認している。
【００４６】
（他の実施形態）
上記一実施形態では、熱交換器３１は、螺旋形状の蛇管であったが、他の構成の熱交換器であってもかまわない。
【００４７】
また、上記一実施形態では、貯湯タンク１の外部に設けられた加熱手段は、ヒートポンプ装置２であったが、例えば電熱装置等の他の加熱手段であってもよい。
【００４８】
また、上記一実施形態では、熱交換器３１内に貯湯タンク１の外部から供給される水は、浴槽４内の浴水であったが、これ以外の流体を熱交換器３１内に流通し、貯湯タンク１内に貯留した高温の湯により加温するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における給湯装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明者らが行なった貯湯タンク１内の温度測定結果であり、（ａ）は、本実施形態の給湯装置の結果、（ｂ）は、熱交換器３１に逆方向に浴水を循環したときの結果である。
【符号の説明】
１　貯湯タンク
１ａ　空間
２　ヒートポンプ装置（加熱手段）
４　浴槽
６　サーミスタ
３０　循環回路
３１　熱交換器
３１ａ　最上部
３１ｂ　最下部
３２、３３　配管

Claims (5)

1. 内部に給湯用の高温の湯を上部から貯える貯湯タンク（１）と、
   前記貯湯タンク（１）の外部に設けられ、前記貯湯タンク（１）内の下部の水を前記貯湯タンク（１）内の上部に送る前に加熱して前記高温の湯とする加熱手段（２）と、
   前記貯湯タンク（１）内に設けられ、前記貯湯タンク（１）の外部から供給される水を内部に流通し、前記貯湯タンク（１）内に貯えられた前記高温の湯によって加温する熱交換器（３１）とを備える給湯装置であって、
   前記熱交換器（３１）内では、前記外部から供給される水が、上部より下部に向かって流通することを特徴とする給湯装置。
2. 前記加熱手段（２）は、前記貯湯タンク（１）内の前記熱交換器（３１）最下部（３１ｂ）の前記高温の湯の温度が所定値以下となったときに、加熱を行なうように作動されることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記熱交換器（３１）は、前記貯湯タンク（１）の上端より離設され、前記貯湯タンク（１）内には、前記熱交換器（３１）最上部（３１ａ）より上方に所定容積の空間（１ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯装置。
4. 前記熱交換器（３１）から延びる２本の配管（３２、３３）を浴槽（４）に接続し、前記熱交換器（３１）に、前記浴槽（４）内の浴水を循環させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の給湯装置。
5. 前記加熱手段（２）は、ヒートポンプ装置（２）であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の給湯装置。

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