JP2005233514A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体加熱用流路から加熱手段、貯湯タンクの順に圧送するように蓄熱用流体を供給させることで、エアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】蓄熱用流体を貯える貯湯タンク１０と、この蓄熱用流体を加熱するヒートポンプユニット２０と、このヒートポンプユニット２０に導く往き側回路２２と、ヒートポンプユニット２０により加熱された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の上部に戻す戻り側回路２３とを備える貯湯式給湯装置において、往き側回路２２に、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填させるときに、往き側回路２２より蓄熱用流体を供給して、ヒートポンプユニット２０側に圧送させた後に貯湯タンク１０側に充填する蓄熱用流体供給手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱用流体を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段とを備える貯湯式給湯装置に関するものであり、特に、加熱手段、循環回路、および貯湯タンクへの蓄熱用流体の充填に関する。

従来、この種の貯湯式給湯装置として、例えば、特許文献１に示すような給湯システムが知られている。この貯湯式給湯装置では、図５に示すように、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク１００と、この貯湯タンク１００内の最下部の蓄熱用流体を貯湯タンク１００内の最上部に送る流体加熱用流路１１０と、この流体加熱用流路１１０に設けられ、流体加熱用流路１１０を流れる蓄熱用流体を加熱する加熱手段１２０と、貯湯タンク１００内の蓄熱用流体が流通する第１流通部１３０ａと給湯用水が流通する第２流通部１３０ｂとを隣接して設け、かつ蓄熱用流体と給湯用水とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行なう給湯用熱交換器１３０と、貯湯タンク１００の上部から加熱された蓄熱用流体を取り出し、第１流通部１３０ａを通過させた後、貯湯タンク１００の下部に戻すための循環通路１４０と、この循環通路１４０に蓄熱用流体を循環させるポンプ手段１５０と、循環通路１４０を介して第１流通部１３０ａを流通する蓄熱用流体の流量を制御する流量制御手段１６０とを備えている。

そして、対向流の給湯用熱交換器１３０を使用して第１流通部１３０ａに流れる蓄熱用流体の流量を制御することにより、第１流通部１３０ａを通過した後の蓄熱用流体の湯温を加熱前の給湯用水の温度近傍まで低減できる。これにより、蓄熱用流体と給湯用水との熱交換時における熱ロスを極力小さくすることが可能となり効率の良い給湯システムを実現できるようにしている。

また、この構成によれば、貯湯タンク１００内に大きな圧力をかけることなく蓄熱用流体の貯えができることにより、貯湯タンク１００の上部に大気と開口する空気孔１００ａが設けられた大気開放型の貯湯タンク１００が形成できるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１５３４５８号公報

しかしながら、特許文献１のような大気開放型の貯湯タンク１００と加熱手段１２０とを組み合わせて、空の貯湯タンク１００内に蓄熱用流体を充填するときに、一般的には、貯湯タンク１００の下方より蓄熱用流体を供給して貯湯タンク１００内に充填させる方法がある。この方法では、貯湯タンク１００内が満水となっていても加熱手段１２０および流体加熱用流路１１０に構成される配管経路内に空気が滞留するエアーロック現象が発生することがある。特に、貯湯タンク１００よりも加熱手段１２０が上方に設置されると上述したエアーロック現象が流体加熱用流路１１０に顕著に発生することがある。これにより、蓄熱用流体が加熱手段１２０に流通されなくなる問題がある。

そのため、流体加熱用流路１１０の配管経路を、その経路内の空気が貯湯タンク１００の空気孔１００ａに向けて空気抜きができるように形成するとか、または配管経路の途中で空気が溜まってしまう閉鎖箇所には、その箇所の空気を外部に排出するための空気抜き弁などを設けることで経路内に空気が滞留しない構造で対応している。従って、流体加熱用流路１１０の配管経路を設計施工するには、専門的な技術力を有する技術者による設計施工が必要となり、装置施工のための施工コストが割高となる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、流体加熱用流路から加熱手段、貯湯タンクの順に圧送するように蓄熱用流体を供給させることで、エアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる貯湯式給湯装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項８に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、この貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段（２０）と、この貯湯タンク（１０）内の下部から蓄熱用流体を取り出して加熱手段（２０）に導く往き側回路（２２）と、加熱手段（２０）により加熱された蓄熱用流体を貯湯タンク（１０）内の上部に戻す戻り側回路（２３）とを備える貯湯式給湯装置において、往き側回路（２２）もしくは戻り側回路（２３）には、貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填させるときに、往き側回路（２２）もしくは戻り側回路（２３）のいずれか一方より蓄熱用流体を供給して、加熱手段（２０）側に圧送させた後に貯湯タンク（１０）側に充填するように構成されたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、例えば、水道圧または圧送手段などで蓄熱用流体を加熱手段（２０）側から圧送させることで、加熱手段（２０）側の配管経路内の空気が貯湯タンク（１０）側に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

請求項２に記載の発明では、往き側回路（２２）もしくは戻り側回路（２３）のいずれか一方に蓄熱用流体を供給する蓄熱用流体供給手段（６１、６２）が設けられ、この蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填させるときに、蓄熱用流体を前記加熱手段（２０）側に供給するように構成されたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、具体的には、蓄熱用流体を前記加熱手段（２０）側に供給するように構成されたことにより、蓄熱用流体が加熱手段（２０）側の配管経路内の空気を送り出すように貯湯タンク（１０）内に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる。

請求項３に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、蓄熱用流体を供給する供給回路（６１）と流れ方向を切り換える切換弁（６２）とから構成されていることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、より具体的には、切換弁（６２）により容易に切り換えることができる。

請求項４に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（６１、６２）には、供給回路（６１）の上流端が給水源に接続されるとともに、供給回路（６１）に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段（６０）が設けられていることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、供給回路（６１）が給水源に接続されることにより、水道圧で充填時に加熱手段（２０）側に圧送させることが容易にできる。これにより、蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

請求項５に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、供給回路（６１）に、蓄熱用流体を貯蔵する貯蔵容器（６０ａ）と、貯蔵容器（６０ａ）内の蓄熱用流体を外部に圧送する圧送手段（２４ａ）とが設けられていることにより、上述の請求項４では水道圧で圧送させたが、例えば、ポンプなどの圧送手段（２４ａ）でも充填時に加熱手段（２０）側に圧送させることが容易にできる。

請求項６に記載の発明では、往き側回路（２２）には、貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を吸い込んで加熱手段（２０）に圧送する圧送手段（２４）が設けられ、蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、圧送手段（２４）の上流側近傍に設けられたことを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、上述の請求項５では蓄熱用流体供給手段（６１、６２）に圧送手段（２４ａ）を設けたが、加熱手段（２０）で加熱するときに用いられる圧送手段（２４）を蓄熱用流体の充填時に使用させても良い。これによれば、充填時のみに使用される圧送手段（２４ａ）が不要となる。

請求項７に記載の発明では、貯湯タンク（１０）は、大気圧もしくは極低圧（例えば、１０ｋＰａ）となるように構成されていることを特徴としている。請求項７に記載の発明によれば、従来の高圧（例えば、１７０ｋＰａ）タンクのような耐圧設計が不要となるため、貯湯タンク自体を樹脂により成形することができる。この場合、一般的に用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程、溶接工程が不要となって、従来よりも製造コストを低く抑えることができる。さらに、高圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなくタンク形状の設計自由度を高くできる。

請求項８に記載の発明では、加熱手段（２０）は、冷媒の高圧側圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱することを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、二酸化炭素などの冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ方式の加熱手段（２０）においては、沸き上げ温度が約９０〜９５℃程度と高くなるため、蓄熱用流体側からの気泡の発生度が高いため、例えば、加熱手段（２０）内で気泡などが貯湯タンク（１０）側に送り込みやすいようにすることで好適である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による貯湯式給湯装置を図１に基づいて説明する。図１は本発明を適用させた貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。本実施形態の貯湯式給湯装置は、一般家庭用として使用されるものであり、図１に示すように、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク１０と、この貯湯タンク１０内の最下部の蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の最上部に送る流体加熱用流路２１と、この流体加熱用流路２１を流れる蓄熱用流体を加熱する加熱手段であるヒートポンプユニット２０と、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が流通する第１流通部３０ａと給湯用水が流通する第２流通部３０ｂとを隣接して設け、かつ蓄熱用流体と給湯用水とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行なう給湯用熱交換器３０と、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａ側に流通させた後、貯湯タンク１０内の下部に戻すための循環回路１１と、給湯用熱交換器３０の第２流通部３０ｂの上流側に接続される給水用配管３１と、第２流通部３０ｂの下流側に接続される給湯用配管３２、３３と、本給湯システムの作動を制御する制御装置（給湯制御部４１、熱源制御部４２）などから構成されている。

本実施形態の貯湯タンク１０は、空気孔１０ａを通じて大気に開放され、貯湯タンク１０内部が大気圧に保たれている。この貯湯タンク１０は、例えば、樹脂材料で形成され直方体形状に設けられている。また、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体に蓄えられた熱が貯湯タンク１０の壁面より大気中へ放出されることを低減するために、貯湯タンク１０の外周をグラスウールやウレタン等の断熱材で覆っても良い。また、使用される蓄熱用流体は主成分が水であり、防腐剤、凍結防止剤、ＬＬＣ等が必要に応じて添加されている蓄熱用流体である。なお、これらの他に高比熱を有する蓄熱材料をマイクロカプセルなどの手法にて封入し、それを水に分散混合させるか、またはスリラー化させて流動可能な蓄熱材を用いても良い。

また、貯湯タンク１０の外壁面には、蓄熱用流体の貯湯量、もしくは貯湯温度を検出するための水温センサである複数（本例では７つ）の貯湯サーミスタ５５が縦方向（貯湯タンク１０の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１０内に満たされた蓄熱用流体の各水位レベルでの温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようになっている。

従って、給湯制御部４１は複数の貯湯サーミスタ５５からの温度情報に基づいて、貯湯タンク１０内上方の沸き上げられた湯温と貯湯タンク１０内下方の沸き上げられる前の低温の蓄熱用流体との境界位置を検出できるとともに、各水位レベルでの蓄熱用流体の湯温を検出できる。なお、複数の貯湯サーミスタ５５のうち、最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５は高温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出する機能を有している。

蓄熱用流体を加熱するヒートポンプユニット２０は、例えば、二酸化炭酸を冷媒として使用することにより、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。このヒートポンプサイクルは、周知のように圧縮機２５、加熱用熱交換器２６、膨張弁２７、蒸発器２８、およびアキュムレータ２９等の冷凍サイクル機能部品より構成されている。因みに、圧縮機２５は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、アキュムレータ２９より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。

加熱用熱交換器２６は、高圧冷媒と蓄熱用流体とを熱交換するもので、例えば、冷媒が流れる一次側流路である冷媒通路２６ａと蓄熱用流体が流れる二次側流路である蓄熱用流体通路２６ｂとが二重管構造に設けられ、かつ冷媒の流れ方向と蓄熱用流体の流れ方向とが対向するように構成された対向流式の熱交換器である。膨張弁２７は、加熱用熱交換器２６から流出する冷媒を減圧して蒸発器２８に供給する。蒸発器２８は、膨張弁２７で減圧された冷媒を大気との熱交換によって蒸発させる。アキュムレータ２９は、蒸発器２８より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみ圧縮機２５に吸引させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。

そして、加熱用熱交換器２６の蓄熱用流体通路２６ｂ側は、上述した流体加熱用流路２１を介して貯湯タンク１０に接続されている。本実施形態の流体加熱用流路２１は、貯湯タンク１０内の下部１０ｂから蓄熱用流体を取り出して加熱用熱交換器２６に導く往き側回路２２と、加熱用熱交換器２６により加熱された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の上部１０ｃに戻す戻り側回路２３と、加熱用熱交換器２６の入口側に圧送手段である循環ポンプ２４とから構成されている。

この循環ポンプ２４は、貯湯タンク１０内の下部１０ｂから蓄熱用流体を取り出して加熱用熱交換器２６、および加熱用熱交換器２６により加熱された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の上部１０ｃに戻すための電動ポンプである。また、沸き上げ運転のときは、後述する熱源制御部４２により貯湯タンク１０の最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５で検出される貯湯温度に基づいて、蓄熱用流体の沸き上げ温度を一定になるように回転数が制御される。これにより、加熱用熱交換器２６で熱交換された高温の蓄熱用流体が貯湯タンク１０内に送り込まれる。そして、貯湯タンク１０内の上部側から下部側へ向かって順次蓄熱用流体に蓄熱されていくようになっている。

また、往き側回路２２には、流れ方向を切り換える切換弁６２が設けられている。この切換弁６２は、後述する熱源制御部４２により、通常は加熱用熱交換器２６の蓄熱用流体通路２６ｂ側と貯湯タンク１０の下部１０ｂとが連通するように制御され、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときは蓄熱用流体通路２６ｂ側と供給回路６１とが連通するように制御される。また、供給回路６１の上流端が図示しない仕切弁を介して給水源に接続されるとともに、さらに、供給回路６１の途中には、蓄熱剤供給手段６０が設けられている。

蓄熱剤供給手段６０は、上述した防腐剤、凍結防止剤、ＬＬＣ等の蓄熱剤を水道水に供給する供給装置であり、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときは、切換弁６２を蓄熱用流体通路２６ｂ側に流れ方向を切り換え、蓄熱剤供給手段６０を開口させると、所定量の蓄熱剤が供給回路６１内の水道水に供給される。

これにより、蓄熱用流体は供給回路６１から切換弁６２を介して往き側回路２２に供給され、蓄熱用流体通路２６ｂ側へ圧送されて戻り回路２３から貯湯タンク１０内に充填される。ここで、上述した切換弁６２および供給回路６１は請求項で称する蓄熱用流体供給手段である。なお、本実施形態では、蓄熱剤供給手段６０により水道水に所定量の蓄熱剤を供給することで蓄熱用流体を清々したが、蓄熱剤を添加せずに水道水のみであっても良い。ただし、水道水のみのときは冬季における蓄熱用流体の凍結による不具合が起きないようにする必要がある。

また、ヒートポンプユニット２０は後述する熱源制御部４２からの制御信号により作動するとともに、作動状態を熱源制御部４２に出力するようになっている。また、これらの動力源として交流電力を用い、主に料金設定の最も安い深夜時間帯における深夜電力を用いて、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を沸き上げる蓄熱運転を行なっているが、昼間時間帯においても蓄熱用流体の湯温が低下してくると沸き上げ運転を行なうよう制御される。因みに、超臨界ヒートポンプサイクルによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５〜９０℃）の蓄熱用流体を内部に貯えることができる。

次に、循環回路１１は、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させ、給湯用熱交換器３０により熱交換された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻すための循環回路であり、高温取り出し管１２、中温取り出し管１３、往き管１４、戻し管１５、流量比調節手段である高中温混合弁１６、および第１循環ポンプ１７とから構成されている。

高温取り出し管１２は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄに上流端が接続されている。中温取り出し管１３は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体よりも湯温の低い中温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄと下方部１０ｅとの間に上流端１０ｆが接続されている。

往き管１４は上流端が後述する高中温混合弁１６の出口側に接続され、下流端が給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａの上流端に接続されている。戻し管１５は上流端が第１流通部３０ａの上流端に接続され、下流端が貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに接続されている。なお、往き管１４には、給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させる蓄熱用流体の湯温を検出する熱交換前水温センサである熱交換前サーミスタ５４が設けられ、往き管１４内の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。

次に、高中温混合弁１６は、高温取り出し管１２と中温取り出し管１３との下流側合流部位に設けられ、給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させる蓄熱用流体の湯温を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、高温取り出し管１２から取り出した高温の蓄熱用流体と中温取り出し管１３から取り出した中温の蓄熱用流体との混合比を調節するようにしている。

そして、この高中温混合弁１６は、後述する給湯制御部４１に電気的に接続されており、上記、貯湯サーミスタ５５および熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の温度情報に基づいて制御される。因みに、本実施形態では、貯湯サーミスタ５５（中温取り出し配管１３の近傍）により検出された蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）未満のときに、高温取り出し配管１２から取り出される高温の蓄熱用流体を第１流通部３０ａに流通するように制御される。

一方、貯湯サーミスタ５５（中温取り出し配管１３の近傍）により検出された蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）以上のときに中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体、もしくは中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体と高温取り出し配管１２から取り出される高温の蓄熱用流体との両方から混合させて第１流通部３０ａに流通するように制御される。

さらに、高中温混合弁１６は、熱交換前サーミスタ５４により検出された第１流通部３０ａに流通する蓄熱用流体の湯温を所定温度以上となるように温度調節することで第２流通部３０ｂを流れる給湯用水を所定温度（例えば、設定温度＋５℃程度）以下とならないようにしている。これにより、高温の蓄熱用流体よりも所定温度（例えば、３０℃）近傍の中温の蓄熱用流体をより多く第１流通部３０ａに流通するようにしている。また、高中温混合弁１６は熱交換前サーミスタ５４により検出された熱交換前の蓄熱用流体の湯温に基づいてフィードバック制御を行なうようにしている。

第１循環ポンプ１７は戻し管１５の中途に配置されており、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０に流通させるポンプである。そして、後述する熱交換後サーミスタ５２により検出された給湯用熱交換器３０の第２流通部３０ｂより熱交換された給湯用水の湯温に基づいて回転数が制御されるように後述する給湯制御部４１に電気的に接続されている。なお、循環回路１１および流体加熱用流路２１には排水栓１８が設けられており、必要に応じて貯湯タンク１０内および循環回路１１内の蓄熱用流体を手動により排水することができるようにしている。

次に、給湯用熱交換器３０は、循環回路１１に接続されて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が流れる第１流通部３０ａと、給水用配管３１および給湯用配管３２に接続された第２流通部３０ｂとを有して、貯湯タンク１０の外部に上下方向に配置されている。そして、第１流通部３０ａの下流端が貯湯タンク１０の下方部１０ｄと連通するように戻し管１５に接続され、第１流通部３０ａの上流端が往き管１４に接続されている。

一方、第２流通部３０ｂは、その上流端が給水用配管３１に接続され、下流端が給湯用配管３２に接続されている。従って、給湯用熱交換器３０は、図１に矢印で示すように、第１流通部３０ａを上から下へ向かって流れる蓄熱用流体の流れ方向と、第２流通部３０ｂを下から上へ向かって流れる給湯用水の流れ方向とが対向する対向流式の熱交換器である。

また、給水用配管３１の上流は水道配管に接続されて水道水が第２流通部３０ｂに導水されるようにしている。なお、給水用配管３１には給水サーミスタ５１が設けられており、水道水の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。また、給湯用配管３２には、第２流通部３０ｂにて熱交換された給湯用水の流量を調節する流量調節弁３４と、給湯用配管３２の下流端と給水用配管３１の合流部位において給湯温度調節手段である給湯用混合弁３５が設けられている。そして、この給湯用混合弁３５の出口側に給湯用配管３３が接続されている。

給湯用配管３３は台所、浴室などの図示しない給湯水栓に通ずる給湯配管である。そして、その中途に給湯サーミスタ５３および流量カウンタ５８が設けられ、給湯サーミスタ５３は給湯用配管３３内の温度情報を、流量カウンタ５８は給湯用配管３３内の流量情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。なお、給湯用配管３２には、給湯用熱交換器３０により熱交換された蓄熱用流体の湯温を検出する熱交換後サーミスタ５２が設けられ、給湯用配管３３内の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。

流量調節弁３４は、第２流通部３０ｂを流通する流量を調節する弁であり、第２流通部３０ｂを流通する流量が所定流量以下となるように後述する給湯制御部４１により制御される。つまり、給水される水道圧および給湯経路の圧力損失のばらつきにより流量が過大とならないように熱交換後サーミスタ５２により検出される給湯用水の湯温に基づいて制御される。

次に、給湯用混合弁３５は、給湯用配管３３に出湯させる給湯用水の湯温を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、第２流通部３０ｂで熱交換された給湯用水と水道水との混合比を調節して設定温度に調節するように制御される。そして、給湯用混合弁３５は、後述する給湯制御部４１に電気的に接続されており、上記、給水サーミスタ５１、熱交換後サーミスタ５２、および給湯サーミスタ５３により検出される給湯用水の温度情報に基づいて制御される。

因みに、給湯用混合弁３５に流通される第２流通部３０ｂで熱交換された給湯用水の湯温は、例えば、設定温度＋５℃程度となるようにしている。つまり、循環回路１１を循環する流量とその熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の湯温を制御させている。なお、給湯用混合弁３５は、給湯サーミスタ５３により検出される給湯用水の湯温に基づいてフィードバック制御を行なうようにしている。

次に、給湯制御部４１は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各サーミスタ５１〜５５からの温度情報、流量カウンタ５８からの流量情報および図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの操作信号等に基づいて、第１循環ポンプ１７、高中温混合弁１６、流量調節弁３４、給湯用混合弁３５などの循環回路１１および給湯用配管３２、３３内のアクチュエータ類を制御するように構成されている。

また、熱源制御部４２は、給湯制御部４１と同じように、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、図示しない各種サーミスタからの温度情報などに基づいてヒートポンプユニット２０内のアクチュエータ類を制御する。この熱源制御部４２では、加熱用熱交換器２６で加熱された蓄熱用流体の湯温を一定温度に保つために、加熱後の蓄熱用流体温度を検出する貯湯サーミスタ（最上部）５５の検出温度に基づいて循環ポンプ２４の回転数制御を行っている。

さらに、熱源制御部４２により、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を沸き上げ運転のときは、蓄熱用流体通路２６ｂ側と貯湯タンク１０の下部１０ｂとが連通する流れ方向に設定されており、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときに、切換弁６２の流れ方向を蓄熱用流体通路２６ｂ側と供給回路６１とが連通する側に切り換えるように制御される。

次に、本装置の施工後における貯湯タンク１０内への蓄熱用流体の充填方法について説明する。まず、供給回路６１の上流端に設けられた仕切弁（図示せず）を開弁する。そして、切換弁６２を蓄熱用流体通路２６ｂ側と供給回路６１とが連通する流れ方向に切り換える。そして、蓄熱用流体が往き側回路２２から蓄熱用流体通路２６ｂ、戻り側回路２３、貯湯タンク１０の上部１０ｄの順に圧送されて貯湯タンク１０内に充填されるものである。

なお、供給回路６１から往き側回路２２に供給される蓄熱用流体は、蓄熱剤供給手段６０により蓄熱剤が供給回路６１に供給されているため水道水が蓄熱用流体に生成されている。これにより、蓄熱用流体が往き側回路２２からヒートポンプユニット２０側を経由した後に貯湯タンク１０内に送り込まれるため、この間の空気が蓄熱用流体により貯湯タンク１０側に送り込まれ空気孔１０ａから外部に排出される。

そして、蓄熱剤供給手段６０は貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が満タンになるまで蓄熱剤を供給し、満タンを検出したら切換弁６２を蓄熱用流体通路２６ｂ側と貯湯タンク１０の下部１０ｂとが連通する流れ方向に切り換えるとともに、蓄熱剤供給手段６０からの蓄熱剤の供給を停止させる。これにより、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体が充填される。

そして、ヒートポンプユニット２０内の各ヒートポンプサイクル部品および循環ポンプ２４を作動させて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体の沸き上げ運転を実行する。これにより、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が往き側回路２２から蓄熱用流体通路２６ｂに導入されて高圧冷媒と熱交換され、熱交換された高温の蓄熱用流体が戻り側回路２３から貯湯タンク１０内に戻されて高温（例えば、８５℃）の蓄熱用流体が貯えられる。

そして、貯湯タンク１０内に貯えられた高温の蓄熱用流体を熱源として、この蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０の第ｌ流通部３０ａに流通させて、第ｌ流通部３０ａに流通する給湯用水とを熱交換させ、熱交換された給湯用水と水道水とを混合させて台所、洗面所、浴槽などの給湯対象個所に給湯できるものである。因みに、使用者が給湯用配管３３の末端にある給湯水栓（図示しない）を開くと、流量カウンタ５８により流量情報が給湯制御部４１に出力されると、まず、第１循環ポンプ１７が作動する。この第１循環ポンプ１７が作動すると、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通される。これにより、給湯用熱交換器３０の第２流通部３０ｂを流れる給湯用水が蓄熱用流体の熱エネルギーを受けて加熱される。

ここで、給湯制御部４１は、熱交換後サーミスタ５２により検出される給湯用水の湯温が所定温度（例えば、設定温度＋５℃程度）になるように第１循環ポンプ１７の駆動状態（回転数）を制御する。そして、熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の湯温が所定温度以上となるように高中温混合弁１６により制御されている。具体的には、貯湯サーミスタ５５により検出された貯湯タンク１０内の蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）未満のときに、高温取り出し配管１２から取り出される所定温度以上の高温の蓄熱用流体を第１流通部３０ａに流通するように制御される。

一方、貯湯サーミスタ５５により検出された貯湯タンク１０内の蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）以上のときは、中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体、もしくは中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体と高温取り出し配管１２から取り出される高温の蓄熱用流体との両方から混合させて所定温度以上の湯温の蓄熱用流体を第１流通部３０ａに流通するように制御される。

これにより、中温の蓄熱用流体が第１流通部３０ａに多く流通されることで貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低温（例えば、給水温度＋５℃程度）の蓄熱用流体が戻されることになる。なお、このときに中温の蓄熱用流体の流通が少ないときは、上記低温の蓄熱用流体よりも高めの温度となって貯湯タンク１０内に戻されるが、貯湯タンク１０内に戻された蓄熱用流体は、時間経過とともに、その蓄熱用流体の比重差により上方に高温、下方に低温および上方と下方との間に中間層（中温）が形成される。

一方、給湯用混合弁３５ａでは、第２流通部３０ｂで熱交換された所定温度（設定温度＋５℃程度）の給湯用水と、給水用配管３１から給水される水とが混合されて設定温度に調節された給湯用水が給湯用配管３３から出湯される。この給湯により、給湯用熱交換器３０から戻り管１５を介して貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低温（例えば、給水温度＋５℃程度）の蓄熱用流体が戻されることになる。

従って、給湯用配管３３から給湯用水を出湯することにより貯湯タンク１０内に戻された蓄熱用流体が時間経過後に蓄熱用流体の比重差により上方に高温、下方に低温、その上方と下方との間に中温の温度層に区分されて貯えられる。つまり、給湯用水を出湯させる毎に沸き上げられた高温の湯温と沸き上げられる前の低温の湯温との境界位置が順次上方に移動して貯湯タンク１０内の貯湯量が減少していく。

そして、深夜時間帯に達したときに、ヒートポンプユニット２０内の各ヒートポンプサイクル部品および加圧循環ポンプ２４を作動させて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体の沸き上げ運転を実行して高温（例えば、８５℃）の蓄熱用流体を貯えるようにしている。なお、本実施形態では、往き側回路２２より蓄熱用流体を供給するように構成したが、これに限らず、図２に示すように、戻り側回路２３の途中に切換弁６２、供給回路６１、および蓄熱剤供給手段６０を設けても良い。

この場合の切換弁６２は通常は加熱用熱交換器２６の蓄熱用流体通路２６ｂ側と貯湯タンク１０の上部１０ｃとが連通するように制御され、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときは蓄熱用流体通路２６ｂ側と供給回路６１とが連通するように制御される。

これにより、蓄熱用流体が戻り側回路２３からヒートポンプユニット２０側を経由した後に貯湯タンク１０内に送り込まれるため、この間の空気が蓄熱用流体により貯湯タンク１０側に送り込まれ空気孔１０ａから外部に排出される。なお、本実施形態では、大気圧に開放するように構成したが、これに限らず、極低圧（例えば、１０ｋＰａ）となるように構成しても良い。

以上の第１実施形態の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填させるときに、往き側回路２２もしくは戻り側回路２３より蓄熱用流体を供給して、ヒートポンプユニット２０側に圧送させた後に貯湯タンク１０側に充填するように構成されたことにより、例えば、水道圧などで蓄熱用流体をヒートポンプユニット２０側から圧送させることで、往き側回路２２、ヒートポンプユニット２０、および戻り回路２３内の空気が貯湯タンク１０側に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

また、具体的には、蓄熱用流体を供給する供給回路６１と流れ方向を切り換える切換弁６２とから構成されていることにより、蓄熱用流体がヒートポンプユニット２０側の空気を送り出すように貯湯タンク１０内に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる。

また、供給回路６１の上流端が給水源に接続されるとともに、供給回路６１に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段６０が設けられていることにより、水道圧で充填時にヒートポンプユニット２０側に圧送させることが容易にできる。これにより、蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

また、貯湯タンク１０は、大気圧もしくは極低圧となるように構成したことにより、従来の高圧（例えば、１７０ｋＰａ）タンクのような耐圧設計が不要となるため、貯湯タンク自体を樹脂により成形することができる。この場合、一般的に用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程、溶接工程が不要となって、従来よりも製造コストを低く抑えることができる。さらに、高圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなくタンク形状の設計自由度を高くできる。

ヒートポンプユニット２０は、冷媒の高圧側圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱することにより、二酸化炭素などの冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ方式のヒートポンプユニット２０においては、沸き上げ温度が約９０〜９５℃程度と高くなるため、蓄熱用流体側からの気泡の発生度が高いため、例えば、ヒートポンプユニット内で気泡などが貯湯タンク１０側に送り込みやすいようにすることで好適である。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、蓄熱剤を蓄熱剤供給手段６０により供給回路６１を流通する水道水に供給させて貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填させたが、これに限らず、蓄熱剤が流動性蓄熱剤のときは、流動性蓄熱剤を収容する貯蔵容器６０ａを供給回路６１の上流端に接続し、この貯蔵容器６０ａ内の流動性蓄熱剤を蓄熱用流体として、往き側回路２２もしくは戻り側回路２３のいずれか一方から供給しても良い。

ただし、本実施形態では、図３に示すように、貯蔵容器６０ａから流動性蓄熱剤を圧送するための圧送手段である圧送ポンプ２４ａが供給回路６１に設けられている。そして、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときは、第１実施形態と同じように切換弁６２を蓄熱用流体通路２６ｂ側と供給回路６１とが連通する流れ方向に切り換え、圧送ポンプ２４ａを作動させることで往き側回路２２からヒートポンプユニット２０側に圧送させた後に貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填することができる。これにより、第１実施形態と同様の効果を奏するものである。

なお、本実施形態では、貯蔵容器６０ａから流動性蓄熱剤を貯湯タンク１０内に圧送する圧送ポンプ２４ａを配設させたが、これに限らず、図４に示すように、ヒートポンプユニット２０に設けられた循環ポンプ２４を切換弁６２の近傍、つまり切換弁６２の下流側に設けて、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときにもこの循環ポンプ２４を作動させるようにしても良い。これによれば、充填時のみに使用される上述した圧送手段２４ａが不要することができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、貯湯タンク１０は、必ずしも樹脂材料を使用する必要はなく、金属材料で成形しても良い。また、貯湯タンク１０の形状は、直方体形状でなくても、例えば円筒形状でも良い。また、貯湯タンク１０を大気開放形に形成したが、密閉タイプ構造の貯湯タンクでも良い。ただしこの場合には、減圧弁、圧力逃がし弁などのタンクを保護するための部品が必要となる。

また、以上の実施形態では、冷媒に二酸化炭素を用いたヒートポンプユニット２０を熱源装置として説明したが、これに限らず、フロン、代替フロンなどの冷媒を用いる一般的なヒートポンプサイクルでも良い。

本発明の第１実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の変形例における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の変形例における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 従来技術における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０…貯湯タンク
２０…ヒートポンプユニット（加熱手段）
２２…往き側回路
２３…戻り側回路
２４…循環ポンプ（圧送手段）
６０…蓄熱剤供給手段
６０ａ…貯蔵容器
６１…供給回路（蓄熱用流体供給手段）
６２…切換弁

Claims (8)

1. 蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段（２０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内の下部から蓄熱用流体を取り出して前記加熱手段（２０）に導く往き側回路（２２）と、
   前記加熱手段（２０）により加熱された蓄熱用流体を前記貯湯タンク（１０）内の上部に戻す戻り側回路（２３）とを備える貯湯式給湯装置において、
   前記往き側回路（２２）もしくは前記戻り側回路（２３）には、前記貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填させるときに、前記往き側回路（２２）もしくは前記戻り側回路（２３）のいずれか一方より蓄熱用流体を供給して、前記加熱手段（２０）側に圧送させた後に前記貯湯タンク（１０）側に充填するように構成されたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記往き側回路（２２）もしくは前記戻り側回路（２３）のいずれか一方に蓄熱用流体を供給する蓄熱用流体供給手段（６１、６２）が設けられ、
   前記蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、前記貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填させるときに、蓄熱用流体を前記加熱手段（２０）側に供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、蓄熱用流体を供給する供給回路（６１）と流れ方向を切り換える切換弁（６２）とから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記蓄熱用流体供給手段（６１、６２）には、前記供給回路（６１）の上流端が給水源に接続されるとともに、前記供給回路（６１）に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段（６０）が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、前記供給回路（６１）に、蓄熱用流体を貯蔵する貯蔵容器（６０ａ）と、前記貯蔵容器（６０ａ）内の蓄熱用流体を外部に圧送する圧送手段（２４ａ）とが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の貯湯式給湯装置。
6. 前記往き側回路（２２）には、前記貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を吸い込んで前記加熱手段（２０）に圧送する圧送手段（２４）が設けられ、前記蓄熱用流体供給手段（６１、６２）は、前記圧送手段（２４）の上流側近傍に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
7. 前記貯湯タンク（１０）は、大気圧もしくは極低圧となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置
8. 前記加熱手段（２０）は、冷媒の高圧側圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。

Images