JP2005164237A - 多機能給湯機 - Google Patents

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、しかも給湯も合理的に行うようにした多機能給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】加熱手段１１で加熱した温水を貯湯槽１６の上部から貯湯するとともに、この上部の温水を熱源とする放熱手段２１を配置したものにあって、この放熱手段２１で放熱に供した後の温水を貯湯槽中間部に戻すようにした。そして、給湯は貯湯槽中間部に存在する温水を優先的に使用し、必要に応じて貯湯槽１６上部の高温水を出湯調整弁４５でミキシングして使用する。出湯調整弁４５は、貯湯槽中間部の温水温度を検出する温度検出手段４６の検出結果にもとづき調整される。
【選択図】図１１

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ヒートポンプ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、特許文献１に記載されたものがあった。図１４は前記特許文献１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、加えて、合理的な給湯を可能としたものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の多機能給湯機は、加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯するようにした貯湯槽と、前記貯湯槽上部の温水を熱源とする放熱手段と、前記放熱手段で放熱に供した後の温水を貯湯槽中間部に戻す回路と、前記貯湯槽上部の温水をとり出す出湯管と、貯湯槽中間部の温水をとり出す中間温度出湯管とを具備したものである。

したがって、放熱手段から貯湯槽中間部に戻した中温水を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ことで、貯湯槽上部の高温湯を給湯に利用する湯量を少なくできる。

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あり、加えて合理的な給湯も可能な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り、しかも、給湯時の中温水活用が合理的にでき、放熱手段での放熱作用を可及的に安定化できる。

本発明の実施の形態は、加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯するようにした貯湯槽と、前記貯湯槽上部の温水を熱源とする放熱手段と、前記放熱手段で放熱に供した後の温水を貯湯槽中間部に戻す回路と、前記貯湯槽上部の温水をとり出す出湯管と、貯湯槽中間部の温水をとり出す中間温度出湯管とを具備したものである。

したがって、放熱手段による放熱が確実となり、また貯湯槽中間部の中温水を給湯に有効に活用できるものである。

貯湯槽上部の温水を放熱手段の熱源とする具体例として、放熱手段貯湯槽の温水を循環させる循環路に放熱手段の循環路を循環する熱媒体を加熱するための熱交換器を接続し、貯湯槽上部の温水を前記熱交換器に供給するとともに、この熱交換器からの温水の戻し回路を貯湯槽中間部に戻すようにする。

中間温度出湯管は出湯調整弁を介して出湯管に接続し、好ましくは、この中間温度出湯管を流れる温水温度を温度検出手段で検出し、この検出結果にもとづいて制御手段が出湯調整弁を動作し、出湯管を介しての高温水と中間温度出湯管を介しての中温水との混合比率を調整するのが望ましい。

加熱手段はヒートポンプとし、その冷媒として二酸化炭素とすることによって高温高効率化と地球環境保全を実現できる。

以下、本発明の参考実施例および実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例と同じ構成、同じ動作をするものについては同一符号を付し、説明は従来例のものを援用する。

（参考実施例１）
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、本参考実施例では、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。

（参考実施例２）
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。

（参考実施例３）
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。

（参考実施例４）
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。

（参考実施例５）
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。

したがって、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。

（参考実施例６）
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。

（参考実施例７）
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。

（実施例１）
図１１は本発明の実施例１を示す多機能給湯機を示し、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。

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、しかも合理的な給湯も行う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。

本発明の参考実施例１の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例１の他の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例１の他の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例１の他の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例２の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例２の他の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例３の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例４の多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例５を示す多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例５を示す他の多機能給湯機の構成図 本発明の実施例１を示す多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例６を示す多機能給湯機の構成図 本発明の参考実施例７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
１６ｂ 出湯管
２１ 放熱手段
３０ 熱交換器
４３ 中間温度出湯管
４５ 出湯調整弁
４６ 温度検出手段

Claims (6)

1. 加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯するようにした貯湯槽と、前記貯湯槽上部の温水を熱源とする放熱手段と、前記放熱手段で放熱に供した後の温水を貯湯槽中間部に戻す回路と、前記貯湯槽上部の温水をとり出す出湯管と、貯湯槽中間部の温水をとり出す中間温度出湯管とを具備した多機能給湯機。
2. 貯湯槽の温水を循環させる循環路に放熱手段の循環路を循環する熱媒体を加熱するための熱交換器を接続し、貯湯槽上部の温水を前記熱交換器に供給するとともに、この熱交換器からの温水の戻し回路を貯湯槽中間部に戻すようにした請求項１記載の多機能給湯機。
3. 出湯調整弁を介して出湯管に中間温度出湯管を接続した請求項１または２記載の多機能給湯機。
4. 中間温度出湯管を流れる温水温度を温度検出手段で検出し、この検出結果にもとづいて制御手段が出湯調整弁を動作し、出湯管を介しての高温水と中間温度出湯管を介しての中温水との混合比率を調整するようにした請求項３記載の多機能給湯機。
5. 加熱手段を圧縮機を備えたヒートポンプとした請求項１〜４のいずれか１項に記載の多機能給湯機。
6. ヒートポンプに封入する冷媒を二酸化炭素とした請求項５記載の多機能給湯機。

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