JP2005009859A - 多機能給湯機 - Google Patents

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Abstract

【課題】貯湯槽で貯湯した温水熱を放熱手段に有効に活用し、非常に安価な運転費で利便性の良い多機能給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】貯湯槽16の湯水を下部から上部へ循環させる給湯回路と、この給湯回路を循環する湯水を加熱して貯湯槽16の上部から温水を貯湯させるための加熱手段と、前記貯湯槽16の上部の温水を循環させる負荷側循環路と、熱交換器30を介して前記負荷側循環路の温水で流体が加熱される放熱側循環路と、この放熱側循環路に接続された放熱手段とを具備し、前記負荷側循環路に介在させた貯湯水ポンプ31の回転数を放熱側循環路に配置した温度検出手段33で制御するようにした。
【選択図】図7

Description

本発明は風呂追焚きあるいは暖房など多機能を備える給湯機に関するものである。
従来、この種の給湯装置としては、例えば、特開平11−83156号公報に示すものがあった。図14は前記公報に記載された従来の風呂追焚き機能を備えた給湯装置を示すものである。図14において、1は貯湯槽、2は沸上げヒータ、3は急速沸上げヒータ、4、5は温度検出手段、6は電磁開閉弁、7は給湯管、8は浴槽、9は循環ポンプ、10は熱交換手段であり、貯湯槽1の上部の湯と浴槽8の水を熱交換して風呂追焚きするものである。
特開平11−83156号公報
しかしながら、前記従来の構成では、放熱手段としての風呂追焚きの場合、風呂追焚き運転時に貯湯槽1の上部の湯が温度低下するため、放熱手段へ流入する温水温度が不安定となり、利便性も悪い。例えば、風呂追焚き回数を重ねる度に貯湯槽1上部の湯温と風呂追焚き循環水との温度差が少なくなって放熱量が小さくなる。また、加熱されて浴槽8にもどる温水温度も低くなる。さらに、貯湯槽1の上部の湯の利用温度に限界があって、有効に利用できない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽の湯を高効率で貯湯運転するとともに、貯湯温度の低下を防止して、放熱手段へ安定した温水温度を流し、放熱手段の利便性をはかるものである。
前記従来の課題を解決するために、貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を下部から上部へ循環させる給湯回路と、この給湯回路を循環する湯水を加熱して貯湯槽の上部から温水を貯湯させるための加熱手段と、前記貯湯槽の上部の温水を循環させる負荷側循環路と、熱交換器を介して前記負荷側循環路の温水で流体が加熱される放熱側循環路と、この放熱側循環路に接続された放熱手段とを具備し、前記負荷側循環路には流量制御手段を設けたものである。
これによって、安価な深夜電力を利用して貯湯した熱を放熱手段の目的に応じて活用できるもので、非常に安価な運転費で利便性の良い多機能給湯機となる。
本発明によれば、貯湯槽の湯を高効率で貯湯運転するとともに、貯湯温度の低下を防止して、放熱手段へ安定した流体を流し、しかも、放熱手段の利便性を高めることができるものである。
本発明の実施の形態は、貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を下部から上部へ循環させる給湯回路と、この給湯回路を循環する湯水を加熱して貯湯槽の上部から温水を貯湯させるための加熱手段と、前記貯湯槽の上部の温水を循環させる負荷側循環路と、熱交換器を介して前記負荷側循環路の温水で流体が加熱される放熱側循環路と、この放熱側循環路に接続された放熱手段とを具備し、前記負荷側循環路には流量制御手段を設けたもので、非常に安価な運転費で利便性の良い多機能給湯機を実現できる。しかも、熱交換器のところで、貯湯槽側の温水と放熱手段側の流体とが縁切りされているため、使用する流体の種類に限定を受けない。
そして、負荷側循環路の湯水循環量を流量制御手段で制御して放熱制御を行うことができる。
流量制御手段としては、負荷側循環路に介在させた貯湯水ポンプの回転制御で達成することができる。貯湯水ポンプの回転制御において、放熱側循環路を循環する流体の温度と関連して、或いは、放熱側循環路を循環する流体の温度と負荷側循環路を循環する湯水の温度との相互関連にもとづいて回転制御を行う。
負荷側循環路の循環温水と放熱側循環路の循環流体との熱交換器内での流動方向を逆に設定すれば、熱交換効率が向上する。
また、負荷側循環路の熱交換器よりも下流側を、貯湯槽中間部へ戻す回路と貯湯槽下部へ戻す回路に分岐し、貯湯槽の残湯温度に関連して前記両回路への循環戻り湯水の流動を制御するようにした。
加熱手段は、貯湯槽中間部の湯温が所定値以下となったときに駆動するようにした。
放熱側循環路の流体循環停止と同期して負荷側循環路を閉じれば、放熱ロスを抑制できるものである。
加熱手段は、二酸化炭素からなる冷媒を用いたヒートポンプが好ましい。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をするものについては同一符号を付し、一部説明を省略する。
(実施例1)
図1は本発明の第1の実施例における多機能給湯機の構成図を示す。
図1において、11は加熱手段であり、圧縮機12、放熱器13、減圧装置14、大気熱を吸熱する大気熱交換器15からなるヒートポンプサイクルを構成したヒートポンプ熱源である。そして、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を冷媒とする。16は貯湯槽であり、下部から給水管16aを通って給水し、上部の出湯管16bから端末へ出湯する。17は循環ポンプ、18は給湯熱交換器であり、放熱器13と熱交換関係を有して、放熱器13を流れる冷媒と給湯熱交換器18を流れる水を対向流で熱交換する構成である。そして、貯湯槽16の下部から循環ポンプ17、給湯熱交換器18、貯湯槽16の上部を順次接続する給湯回路を構成する。19は温度検出手段であり、ヒートポンプ熱源15で加熱する湯温を検出するため給湯熱交換器18の出口に設けられている。20は湯水制御手段であり、給湯熱交換器18の出口湯水が所定温度となるように循環ポンプ17の回転数を制御して給湯回路の循環流量を制御する。21は放熱手段となる、例えば床暖房機であり、貯湯槽16上部の温水が循環して暖房する。22は温水温度検出手段であり、放熱手段21へ流れる温水温度を検出する。23はバイパス回路であり、放熱手段21から流出する温水を貯湯槽16をバイパスして放熱手段21へ流入する温水回路に合流させる接続回路である。24は温度調整弁であり、貯湯槽16から流れてきた高温水と放熱手段から流出してきた中温水をミキシングする。25は制御手段であり、温水温度検出手段22の温度検出信号が設定温度となるよう温度調整弁24を制御する。26は放熱用ポンプであり、放熱手段へ温水を流す。
以上のように構成された多機能給湯機について、以下その動作、作用を説明する。図1において、ヒートポンプ熱源で大気熱を利用して給湯運転する場合について説明する。圧縮機12から吐出する臨界圧力以上の高温高圧の冷媒が放熱器13に流入し、ここで貯湯槽16下部から送られてきた水と給湯熱交換器18を介して熱交換する。そして、放熱器13に流入する高温冷媒と給湯熱交換器18から流出する水を対向流にして熱交換し、放熱器13に流入する高温冷媒で給湯熱交換器18の出口湯水が所定温度となるように循環ポンプ17の回転数を制御する。そして、所定温度の湯が貯湯槽16上部から流入し貯湯される。一方、放熱器13に流入した高温冷媒は放熱作用によって、温度を下げて放熱器13から流出して減圧装置14に流入し、減圧されて大気熱交換器15に流入する。そして、大気熱を吸熱して蒸発ガス化して圧縮機12へ戻る。このサイクルを繰り返しながら高温湯を貯湯槽16上部から貯湯槽16下部まで貯湯する。
次に、貯湯槽に貯湯された高温水を給湯利用する場合について説明する。給湯に利用する場合は、端末のカランが開放されると給水圧によって貯湯槽16下部から給水されながら上部の出湯管16bから出湯して利用する。そして、貯湯槽16内の高温湯は出湯される度に上部に移動する。
次に、貯湯槽に貯湯された高温水を放熱手段で利用する運転について説明する。放熱手段が運転開始されると放熱用ポンプ26が貯湯槽16上部の高温湯を放熱手段21側に流す。そして、放熱手段21から流出する中低温水がバイパス回路23を通り貯湯槽16側から流れ出る高温湯とミキシングする。その際に、温度調整弁24がバイパス回路23の流量と貯湯槽16側の高温水の流量を調整して放熱手段21へ流す温水温度を所定温度となるように制御する。そして、所定温度となった温水が放熱手段21に流れて暖房する。一方、放熱手段21から流出してバイパス回路23に流れない中低温水は貯湯槽16に戻る。よって、床暖房機に流れる温水温度を一定にするため快適暖房が得られる。勿論、放熱手段21へ流れる温水温度を好みの所定温度に設定変更して、設定温度の温水を放熱手段21へ流すことは容易である。
そして、放熱負荷が大きい場合には、放熱手段21から流出する温水温度は低温となるため、所定の温水温度にミキシングする際には貯湯槽16の高温水のミキシング流量割合が大きくなる。逆に、放熱負荷が少なくなった場合には、放熱手段から流出する温水温度は比較的高温であるため、所定の温水温度にミキシングする際には貯湯槽16の高温水のミキシング流量割合が少なくなる。従って、放熱負荷に応じて、貯湯槽16の高温水を利用できる。
そして、図1に示す如く、温度調整弁24でミキシングした後と放熱手段21の入口の間に放熱用ポンプ26を設けることにより、1台の循環ポンプで実現できる。
また、図2に示す如く、温度調整弁の代わりにバイパス回路23に流量調整弁27を設けてバイパス流量を調整し、所定温度にミキシングして放熱手段に送っても同様の効果がある。
また、図3に示す如く、循環回路にバイパス回路を使うことなく、貯湯槽16からの高温水と放熱手段21から流れてきた中低温水を熱交換する温調用熱交換器28を設けて、貯湯槽16から流出する高温水を放熱手段21から流れてきた中低温水で温度調整して、放熱手段21へ流れる温水温度を所定温度にする。この場合には、ヒートポンプで沸き上げる給湯熱交換器18出口の温度、即ち貯湯槽16に貯湯する温度と放熱負荷の変動が少ない場合には、設計的に勿論可能である。
また、図4に示す如く、放熱手段21に流入する温水の循環流量を可変する流量制御手段29を設けて、負荷が非常に大きい場合、例えば、暖房の立ち上げ時に高能力暖房したい場合には、放熱手段21へ循環する温水温度を所定温度に維持しながら流量制御手段となる放熱用ポンプ26の回転数を増加して循環回路の循環流量を大きくして放熱量を増加する。そして、負荷が小さい場合には、放熱用ポンプ26の回転数を低減して循環回路の循環流量を小さくして放熱量を少なくする。よって、温水温度を所定温度に維持しながら好みの能力を実現する。
また、加熱手段としてヒートポンプ熱源を利用するため高能力あるいは低消費電力量を実現する。
さらに、ヒートポンプ熱源に封入する冷媒を二酸化炭素とすることによって、貯湯槽に高温湯(およそ90℃)を貯湯する。そのため、貯湯槽の蓄熱量が増加して、放熱手段の放熱量、運転時間が増大する。また、地球環境保全にも貢献する。さらに、高温湯から中温湯まで沸き上げ温度の巾が大きくなって放熱手段の利便性が向上する。
また、本発明では、放熱手段21として、床暖房で説明したけれども、当然、乾燥機、温風暖房機など、放熱機能を有するものは含む。
(実施例2)
図5は本発明の実施例2の多機能給湯機の構成図である。図5において、30は熱交換器であり、貯湯槽16上部から貯湯槽16中間部あるいは下部に循環する貯湯槽16内の温水と放熱手段21を循環する循環水と熱交換する。31は貯湯水ポンプであり、貯湯槽16上部の温水を熱交換器30に循環して貯湯槽16中間部あるいは下部に戻す。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。貯湯槽上部から流出する高温水を熱交換器30に流して、放熱手段21から流出する循環回路の中低温水を加熱する。その際、温水温度検出手段22の温度検出信号が所定温度となるように温度調整弁24が温度調整し、所定温度の温水を放熱手段21に循環して放熱する。一方、熱交換器30で温度低下した貯湯槽水を貯湯槽の中間部あるいは下部に戻す。
また、貯湯水ポンプ31を用いないで、熱交換器30で放熱する際の温水密度差を利用して自然循環でおこなっても同様の効果が得られる。そして、貯湯水ポンプ31の消費電力は削減できる。
また、図6に示す如く、放熱手段として浴槽32の風呂加熱に利用する場合、熱交換器30を設けることによって、貯湯槽16の温水と浴槽32水を別回路に分離して利用できる。そして、好みの温度にした温水を浴槽に流入することがでるため、マイルドな風呂加熱、風呂追焚きができる。また、温度調整弁24を制御し、バイパス回路23の流量を制御することによって、高温高能力で風呂追焚きを実現する。
(実施例3)
図7は本発明の実施例3の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図7において、33は温度検出手段であり、放熱手段21に流入する温水温度を検出する。34は貯湯水流量制御手段であり、温度検出手段33の温度検出信号が所定温度の信号となるように貯湯水ポンプ31を制御する。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。貯湯槽16上部から流出する高温水を熱交換器30に流して、放熱手段21から流出する循環回路の中低温水を加熱する。そして、放熱手段21に流入する温水温度が所定温度となるように貯湯水の流量を制御する。例えば、放熱手段21に流入する温水温度が所定温度より低温の場合には、貯湯水の流量を増加し、逆に、放熱手段21に流入する温水温度が所定温度より高温の場合には、貯湯水の流量を減少する。従って、放熱手段の負荷あるいは温水温度に対応して貯湯湯を最適流量で利用するため、効果的に貯湯熱、貯湯湯量を利用する。
(実施例4)
図8は本発明の実施例4の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図8において、35は温度検出手段であり、貯湯槽の温水が熱交換器30から流出する温度を検出する。36は循環水温度検出手段であり、放熱手段21から流出して熱交換器30に流入する温水温度を検出する。37は貯湯水制御手段であり、温度検出手段35の検出信号が所定温度の信号となるように貯湯水ポンプ31を制御する。ここで所定温度とは、貯湯水温度検出手段36の温度検出信号による温水温度を基に、予め設定された温度差を上乗せした温度とする。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。貯湯槽16上部から流出する高温水を熱交換器30に流して、熱交換器30に流入する循環回路の中低温水が所定温度となるように加熱する。その際、熱交換器30から流出する貯湯水の温度を熱交換器30に流入する循環回路の低温水温度より所定温度(設定温度だけ高温)となるように貯湯水の流量を制御する。従って、貯湯水温と放熱手段を循環する水温の温度差を最小かつ最適温度差にすることができるため、貯湯熱の効果的利用を実現する。
(実施例5)
図9は本発明の実施例5の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図9において、38は切換え手段であり、貯湯槽上部から流出する温水を貯湯槽中間部に戻す回路A39と、貯湯槽上部から流出する温水を貯湯槽下部に戻す回路B40に切換える。41は残湯温度検出手段であり、貯湯槽16中間部に戻る位置近傍の貯湯槽内の残湯温度を検出する。42は制御手段であり、残湯温度検出手段41の温度信号を基に切換え手段38に指令する。そして、給湯、風呂追焚き、暖房などに使われる1日の総湯量に対して僅かの残湯となるように通常は貯湯槽容量を設定するため、ここで、貯湯槽中間部とは、風呂追き時、あるいは夕方の暖房時に貯湯槽下部から給水した低温水が貯水されている位置となる。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。最初に、貯湯槽16内に高温の湯量が多い場合について説明する。例えば、深夜時刻帯に沸き上げた貯湯槽16内の高温の湯量は朝方は満杯に近い。そして、朝方、放熱手段21として暖房などに利用する場合、貯湯槽16の高温湯を放熱手段に流入して暖房する。そして、放熱手段21から流出する中温水を回路40により貯湯槽16下部に戻す。従って、貯湯槽内の高温湯を維持するため、放熱手段へ安定した温水温度を流すことができる。そして、貯湯槽内の高温湯を長時間効果的に暖房熱源として利用する。
次に、貯湯槽内に高温の湯量が少ない場合について説明する。例えば、朝昼時間帯の給湯、また、風呂の湯張に使って貯湯槽内の高温湯量が少ない場合に、暖房、あるいは風呂追焚きに貯湯槽16内の高温湯を利用する時、貯湯槽16中間部近傍に低温水がある場合には、放熱手段21から流出する中温水を回路39により貯湯槽16中間部に戻す。そして、貯湯槽16内の高温湯と接している低温水は中間部から流入する中温水によって昇温する。そのため、高温湯の下部に中温水を貯湯することになり、給湯、あるいは中温水で利用する放熱手段に再利用することができる。従って、ヒートポンプで貯湯槽下部の低温水をヒートポンプで沸き上げるため、貯湯運転時の効率が良くなる。特に二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプは著しい効率低下と加熱能力低下を防止できる。よって、貯湯槽内の湯量、湯温に対応して効果的に使い分けする。
また、図10に示す如く、熱交換器30を介して貯湯槽16の湯と放熱手段21を循環する循環水を熱交換する場合も、同様の効果である。
(実施例6)
図11は本発明の実施例6の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図11において、43は中間温度出湯管であり、貯湯槽16中間部に戻した位置近傍の貯湯槽の中間接続口44と出湯管16bと接続する。45は出湯調整弁であり、中間温度出湯管43から出湯する貯湯水と貯湯槽16上部から出湯する貯湯水を制御する。46は温度検出手段であり、貯湯槽接続口近傍の貯湯温度を検出する。47は制御手段であり、温度検出手段46の検出信号を基に出湯調整弁45を制御する。例えば、中間温度出湯管43の湯温で給湯温度を満たす場合には、中間温度出湯管43から出湯する。そして、中間温度出湯管43の湯温が給湯温度を満たない場合には、貯湯槽16上部から出湯する、あるいは中間温度出湯管43の湯と貯湯槽16上部の高温湯をミキシングして出湯する。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。貯湯槽16の高温湯を上部から流出して放熱手段の熱源として利用した中温水の湯を貯湯槽16中間部に戻す。そして、放熱手段21による運転を継続する間、貯湯槽16の中間部で中温水の湯を貯湯する。そして、貯湯槽16の中間部の湯温で給湯温度を満たす場合には、中間温度出湯管43から出湯する。また、中間温度出湯管43の湯温が給湯温度を満たない場合には、貯湯槽16上部から出湯する、あるいは中間温度出湯管43の湯と貯湯槽16上部の高温湯をミキシングして出湯する。よって、放熱手段の熱源として利用した中温水を再度、貯湯槽中間部の中間温度出湯管から出湯して給湯に利用するようにして、貯湯槽上部からの高温出湯をできる限り少なくして、放熱に利用する。
(実施例7)
図12は本発明の実施例7の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図12において、48は追焚き温度検出手段であり、貯湯槽中間部に戻した位置より上部の貯湯槽内の残湯温度を検出する。49は運転制御手段であり、追焚き温度検出手段48の温度検出信号が所定の温度信号に低下した時、ヒートポンプ運転を開始する。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。貯湯槽の湯を出湯中、あるいは暖房など放熱手段を運転中に高温湯が少なくなって追焚き温度検出手段48の検出信号が所定温度に低下した時、ヒートポンプ運転を開始して貯湯槽上部から高温湯を貯湯する。よって、貯湯槽上部の高温湯量が増加するため、安定して放熱手段に湯を供給することができる。
(実施例8)
図13は本発明の実施例8の多機能ヒートポンプ機の構成図である。図13において、50は開閉弁であり、貯湯槽16の温水が流れる回路に設ける。51は開閉弁制御手段であり、放熱手段21の運転停止信号52を基に開閉弁50を閉じる。
以上の構成において、その動作、作用について説明する。放熱用ポンプ26など放熱手段21の運転停止信号52を検出して開閉弁50を閉じる。そのため、貯湯槽16、熱交換器30、貯湯槽16の温水回路において、回路内の温水が放熱して温度低下した場合でも、貯湯槽16内の高温湯と回路内の低温水の密度差によって貯湯槽16上部から回路内を下降する自然循環することがない。従って、貯湯槽上部の高温湯量を有効に利用できる。
なお、実施例1〜8で加熱手段をヒートポンプを例にとって説明したが、加熱手段として、電気ヒータ、燃料電池、エンジン等の廃熱を利用しても良い。
以上のように、本発明にかかる多機能給湯機は、貯湯槽の湯を高効率で貯湯運転するとともに、貯湯温度の低下を防止して、放熱手段へ安定した流体を流し、しかも、放熱手段の利便性を高めることができるものであり、一般家庭の複合機器として極めて有用である。
本発明の実施例1の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例1の他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例1の他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例1の他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例2の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例2の他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例3の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例4の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例5の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例5の他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例6の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例7の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例8の多機能給湯機の構成図 従来の多機能給湯装置の構成図
符号の説明
11 加熱手段
12 圧縮機
16 貯湯槽
21 放熱手段
23 バイパス回路
26 放熱用ポンプ
27 流量制御弁
29 流量制御手段
30 熱交換器
31 貯湯水ポンプ
33 温度検出手段
34 貯湯水流量制御手段
35 温度検出手段
36 循環水温度検出手段
38 切換え手段

Claims (10)

  1. 貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を下部から上部へ循環させる給湯回路と、この給湯回路を循環する湯水を加熱して貯湯槽の上部から温水を貯湯させるための加熱手段と、前記貯湯槽の上部の温水を循環させる負荷側循環路と、熱交換器を介して前記負荷側循環路の温水で流体が加熱される放熱側循環路と、この放熱側循環路に接続された放熱手段とを具備し、前記負荷側循環路には流量制御手段を設けた多機能給湯機。
  2. 負荷側循環路に介在させた貯湯水ポンプの回転制御により流量制御を行うようにした請求項1記載の多機能給湯機。
  3. 放熱側循環路を循環する流体の温度と関連して貯湯水ポンプの回転制御を行うようにした請求項2記載の多機能給湯機。
  4. 放熱側循環路を循環する流体の温度と負荷側循環路を循環する湯水の温度との相互関連にもとづいて貯湯水ポンプの回転制御を行うようにした請求項2記載の多機能給湯機。
  5. 負荷側循環路の循環温水と放熱側循環路の循環流体との熱交換器内での流動方向を逆に設定した請求項1記載の多機能給湯機。
  6. 負荷側循環路の熱交換器よりも下流側は、貯湯槽中間部へ戻す回路と貯湯槽下部へ戻す回路に分岐し、貯湯槽の残湯温度に関連して前記両回路への循環戻り湯水の流動を制御するようにした請求項1記載の多機能給湯機。
  7. 貯湯槽中間部の湯温が所定値以下となったとき、加熱手段を駆動するようにした請求項6記載の多機能給湯機。
  8. 放熱側循環路の流体循環停止と同期して負荷側循環路を閉じるようにした請求項1記載の多機能給湯機。
  9. 加熱手段を、冷媒を用いたヒートポンプとした請求項1記載の多機能給湯機。
  10. 冷媒を二酸化炭素とした請求項9記載の多機能給湯機。
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JP2007333253A (ja) * 2006-06-13 2007-12-27 Sharp Corp 暖房装置
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