JP2006343011A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯式温水器の貯湯熱を効率よく利用して間接的にも直接的にも温水式暖房や浴槽水の追い炊きや保温を行う給湯装置を提供する。
【解決手段】貯湯槽２の温度検知手段３６により貯湯槽２内に高温水が所定量以上あると検出されると、貯湯槽２の上部出湯口１３近傍の上部出湯口近傍口１３ａより高温水を取り出し、上部温水開閉手段１７へ開きその高温水がバイパス管２１へ１次側温水循環管路１８内を高温水で循環させ熱交換器２０で放熱し、戻し口２２から貯湯槽２内に戻される。一方、貯湯槽２内に高温水が所定量以下であると検出されると、水熱交換器６で過熱された湯を直接熱交換器２０へ供給し、放熱させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、給湯装置に関するものである。

従来、この種の給湯装置は、貯湯槽に貯められた温水を使用し放熱手段に温水を循環することにより暖房に利用しできるものである（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ式多機能給湯器を示すものである。図７に示すように、加熱手段７１１と加熱手段７１１で加熱した温水を上部から貯湯する貯湯槽７１２と貯湯槽７１２上部の温水を熱源とする放熱手段７１３と、バイパス回路７１４、温度調節弁からなる温調手段７１５を備え、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放熱手段７１３へ流す温水温度を制御、あるいは負荷に対応した温水温度に制御する。
特開２００３−２４７７５３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、加熱手段により、貯湯槽に貯湯の熱を放熱手段に流した後貯湯槽に戻しているので長時間使用された場合、貯湯槽に中温水を多く発生させることになり、中温水をヒートポンプ回路で沸き上げると温度が高いため効率が悪くなり、エネルギー効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）を低下させ、深夜電力使用時間帯で沸き上げができないという課題を有していた。

本発明は、貯湯槽内に貯められた高温水は、風呂の追い炊き、保温や暖房端末に熱量を利用するため、給湯としての利用量を最小限にすることを目的としている。

特に貯湯槽内の温水が給湯使用する所定量以下になっても放熱手段に高温水を直接循環でき、給湯と暖房を両立して行うことにより、お湯切れの発生を抑制することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、貯湯槽と、貯湯槽内の湯水を加熱する加熱手段と、貯湯槽下部の湯水を加熱手段を介して貯湯槽の上部へ戻す沸き上げ回路と、貯湯槽上部の湯水を熱交換器を介して貯湯槽部の下部へ戻す放熱１次側回路と、熱交換器と放熱手段とを備える放熱２次側回路と、加熱手段で加熱された湯水を貯湯槽側、または放熱１次側回路側へ切り替える上流切り替え手段と、貯湯槽の上部と放熱１次側回路上の熱交換器の上流側とを接続するバイパス管と、バイパス管の流量を調整する上部温水開閉手段を備えるものである。

これにより、加熱手段により作られた温水を貯湯槽と放熱１次側回路と温水の流れを分配もしくは切り替えできるので、貯湯槽の温水を全く使用せず暖房できることや貯湯槽の温水の残湯量に関係なく給湯と暖房の両立ができる。

本発明の給湯装置は、貯湯槽に温水がない状態であっても、加熱手段で加熱された湯を直接暖房端末に供給して循環することができる。

第１の発明は、貯湯槽と、貯湯槽内の湯水を加熱する加熱手段と、貯湯槽下部の湯水を加熱手段を介して貯湯槽の上部へ戻す沸き上げ回路と、貯湯槽上部の湯水を熱交換器を介して貯湯槽部の下部へ戻す放熱１次側回路と、熱交換器と放熱手段とを備える放熱２次側回路と、加熱手段で加熱された湯水を貯湯槽側、または放熱１次側回路側へ切り替える上流切り替え手段と、貯湯槽の上部と放熱１次側回路上の熱交換器の上流側とを接続するバイパス管と、バイパス管の流量を調整する上部温水開閉手段を備える給湯装置である。

これによって、貯湯槽内温水の熱容量により、加熱手段から直接的に放熱１次側回路へ温水を循環させるか、あるいは切り替え手段により貯湯槽内の温水を上部温水開閉手段へ開きバイパス管へ介して間接的に１次側回路へ循環することができ、貯湯槽の温水を全く使用せず暖房できることや貯湯槽の温水の残湯量に関係なく給湯と暖房の両立ができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、放熱手段への放熱は、貯湯槽の熱容量が所定量以上のときは、貯湯槽の湯水を上部温水開閉手段によりバイパス管を経由して熱交換器を介して放熱が行われ、貯湯槽の熱容量が所定量未満のときは、上流切り替え手段を放熱１次側回路側へ切り替え、加熱手段で加熱された湯水を熱交換器に流すことにより放熱を行うものである。

これによって、貯湯槽内温水の熱容量により、加熱手段から直接的に放熱１次側回路へ温水を循環させるか、あるいは切り替え手段により貯湯槽内の温水を温水開閉手段を開きバイパス管を介して間接的に１次側回路へ温水を循環することができ、貯湯槽の温水を全く使用せず暖房できることや貯湯槽の温水の残湯量に関係なく給湯と暖房の両立ができる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、加熱手段で加熱された湯水を熱交換器に流し、熱交換器の出口側の湯水温度に応じて、下部開閉手段と下流切り替え手段で熱交換器の出口側の湯水を貯湯槽へ流入するか、加熱手段へ流すかを制御するものである。

これによって、放熱手段への熱交換に使われた中温水の温度によっては貯湯槽内に流すか、加熱手段へ流すか判断し、加熱手段へ低い温度の温水を流水させ加熱能力と加熱効率を向上することができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明において、貯湯槽には複数の温度検知手段を備え、温度検知手段の検知温度により貯湯槽の熱量を算出するものである。

これによって、貯湯槽内の温水状態が検知できるので、水熱交換器で生成された湯を直接暖房手段へ流すのか、貯湯槽に蓄えられている湯を暖房手段へ流すのかを判断可能としている。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明において、上流切り替え手段は、混合弁とするものである。

これによって、混合弁では、貯湯槽への沸き上げと放熱手段への熱交換器の加熱負荷を分配して同時に行うことができるので、給湯運転と暖房運転を同時に行うことができ、湯切れの発生を低減できる。

第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明において、加熱手段を冷媒の圧力が超臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により湯水循環手段による流水を加熱するように構成している。そして、超臨
界ヒートポンプサイクルは、湯水循環手段の流水を高温（例えば９０℃程度）に加熱する場合、加熱前の流水温度が低いほど、圧力が低くなることでエネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が向上する。したがって、１次側の貯湯槽に温度成層を形成し、低温部の水を超臨界ヒートポンプで加熱することにより、エネルギー消費効率が向上し、省動力運転を行うことができる。また、加熱手段で加熱された湯水を直接的に熱交換器へ循環させるので、貯湯槽への沸き上げ温度より低い温度で放熱手段へ温水を流入できることや中間温度の残湯も優先的に給湯により出湯してしまえば、貯湯槽内下部に低温の水道水が流入し、超臨界ヒートサイクルで加熱するのは、貯湯槽内の低温部の水だけとなるので、より効率が向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
次に、本発明の第１の実施形態を図１〜図５に基づき説明する。図１〜図４は、本発明の実施の形態における給湯装置の図を示すものである。

図１において、本実施例は一般家庭用の給湯装置で主に深夜電力を利用して給湯の湯を貯留するものである。給湯装置は、大きくヒートポンプサイクルで構成される加熱手段１と、貯湯槽２から構成され、貯湯槽２の上部に蛇口などに湯を供給する上部出湯口１３と、貯湯槽２下部の湯水を加熱手段１を介して貯湯槽２の上部へ戻す沸き上げ回路３と、貯湯槽２上部の湯水を熱交換器２０へ介して貯湯槽２下部へ湯水を戻す放熱１次側回路１８と、熱交換器２０と放熱手段４とを備える放熱２次側回路１９と、加熱手段１で加熱された湯水を前記貯湯槽側２、あるいは加熱手段１で加熱された湯水を貯湯槽２側かまたは放熱１次側回路１８側へ切り替える上流切り替え手段１２と、貯湯槽２の上部と放熱１次側回路１８上の熱交換器２０の上流側とを接続する上部温水開閉手段１７と、貯湯槽２の上部と熱交換器２０の上流側を接続しているバイパス管２１と、貯湯槽２下部には貯湯槽２下部から加熱手段１への流量制御を可能にする下部温水開閉装置２５を備える構成である。

なお、放熱２次側回路１９を流れる湯水は放熱手段４により放熱されるが、その放熱を利用して床暖房や浴室乾燥、また風呂追い炊き等に利用できる。

熱交換器２０での熱交換に関しては、加熱手段１から直接的に放熱１次側回路１８へ温水を循環させるか、あるいは貯湯槽２内の温水を上部温水開閉手段１７へ開きバイパス管２１を介して間接的に１次側回路１８へ循環することが可能であり、これらの切換えは貯湯槽２内の湯水の熱容量により決まる。

したがって、放熱手段４で放熱を行うときは、貯湯槽２の熱容量が所定量以上のときは、貯湯槽２の湯水を上部温水開閉手段５によりバイパス管２１へ経由して熱交換器２０を介して温水を循環させて放熱が行われ、貯湯槽２の熱容量が所定量未満のときは、上流切り替え手段１２を放熱１次側回路１８側へ切り替え、暖房端末４で直接加熱された湯水を熱交換器２０に流すことにより温水を循環させて放熱を行うものである。

また、加熱手段１で加熱された湯水を熱交換器２０に流入し、熱交換器２０の出口側の湯水温度に応じて下部温水開閉装置２５と下流切り替え手段２４とで以って、熱交換器２０の出口側の湯水を貯湯槽２へ流入するか、加熱手段１の水熱交換器６へ流入するかを制御する。熱交換器２０の出口側を流れる湯水は温度センサ４２で検出し、所定温度よりも高温を検知したとき、下流切り替え手段２４から直接的に加熱手段１の水熱交換器６へ流入するように流路を切り替えるとともに、貯湯槽２下部の水が流入しないように下部温水
開閉装置２５を閉じる。また、温度センサ４２が所定温度よりも低温を検知したときは、下流切り替え手段２４を貯湯槽２へ流入するように流路を切り替えるとともに、下部温水開閉装置２５を開けておく。

貯湯槽２には複数の温度検知手段３６ａ〜３６ｅを備え、温度検知手段３６の検知温度により貯湯槽の熱量を算出するものである。
上流切り替え手段１２は、混合弁とするものである。

ヒートポンプサイクルで構成される加熱手段１は、圧縮機５と凝縮器としての冷媒と水を熱交換する水熱交換器６と減圧器７と蒸発器８で構成されたヒートポンプ回路９とそれらを駆動するヒートポンプ制御装置１１とから構成されている。ヒートポンプ回路９内に使用されている冷媒は、フロンと比べオゾン層を破壊しにくい二酸化炭素を用いているので、電気式ヒーターを使用することなく前記貯湯槽２内下部の水を約９０℃に沸き上げることができる。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、蛇口等から出湯を行う場合は、給水管１４から供給される水道水と中温出湯口３３から得られる貯湯槽２内の中温水とを混合弁３４で混合した上で、その混合された湯水と上部出湯口１３から得られる高温水と混合弁２９で混合して出湯する。

次に、貯湯槽２に対して給湯を行う場合は、温水循環ポンプ１０により、貯湯槽２下部にある水を水熱交換器６へ介して加熱し、その加熱された湯水を貯湯槽２内上部に貯めていく。貯湯槽２内の温度は検知する残湯サーミスタ３６で検知され、貯湯槽２下部が高温水(例えば約９０℃程度)となるまで沸き上げる。

次に、暖房運転について説明する。暖房運転においては、図２に示すように、貯湯槽２の温度検知手段３６ａ〜３６ｅにより、貯湯槽２内に高温水が所定量以上あると判断すると、暖房１次ポンプ２３を動作させながら、貯湯槽２の上部出湯口１３近傍の上部出湯口近傍口１３ａより高温水を取り出し、上部温水開閉手段１７を開き、その高温水をバイパス管２１から１次側温水循環管路１８を介して熱交換器２０へ流し、熱交換器２０で放熱した中温水になって湯水を貯湯槽２下部にある戻し口２２から貯湯槽２内に戻される。

一方、熱交換器２０により加熱された熱交換器２０の２次側を流れる温水は、暖房２次ポンプ２６を作動させることにより暖房端末４に２次側温水循環管路２７内を循環させることにより、暖房端末４を暖めるものである。このように、暖房を行うことにより貯湯槽２に中温水が発生するが、風呂の湯はり等で貯湯槽２の中間出湯部３３から優先的に中温水を取り出すことにより中温水が低減し、貯湯槽２の下部に低温の水道水を流入させる。この状態で加熱手段１を運転すると入水温度が低くなり、エネルギー消費効率が向上し加熱能力も向上するようにしている。

また図３において、貯湯槽２の温度検知手段３６ａ〜３６ｅにより、貯湯槽２内の高温水が所定量以下であると判断すると、まず上部温水開閉手段１７と下部温水開閉装置２５を閉止し、上流切り替え手段１２は、放熱１次側回路側１８へ切り替えられ、下流切り替え手段２４は、加熱手段１側へ切り替えられる。沸き上げポンプ１０を動作させることにより、加熱手段１で暖房端末４に必要な温水を作り、１次側温水循環管路１８内を温水で循環させ熱交換器２０で放熱した後に低温水になって加熱手段１内の水熱交換器６に戻される。一方、熱交換器２０により加熱された熱交換器２０の２次側を流れる温水は、暖房２次ポンプ２６を作動させることにより暖房端末４に２次側温水循環管路２７内を循環させることにより、暖房端末４を暖めるものである。

このように、給湯に必要な熱量に対し、暖房に必要な熱量は低いので、低い湯水（例えば約５５℃）を暖房端末４へ湯水を循環し放熱することにより、加熱手段１へは、さらに低い湯水を入水できるのでエネルギー効率の高く加熱能力も十分得られる。また、貯湯槽２に中温水が発生しないので、貯湯槽２への沸き上げを行う時には、加熱手段１を運転すると入水温度が低くなり、エネルギー消費効率が向上し加熱能力も向上するようにしている。

なお、図３においては、特に上流切り替え手段１２を混合弁とすると給湯に必要な沸き上げと暖房に必要な熱量を同時に得ることができる。その図を図４に示す。図４において、貯湯槽２の温度検知手段３６ａ〜３６ｅにより、貯湯槽２内の高温水が所定量以下であると判断すると、まず上部温水開閉手段１７を閉止させ、上流切り替え手段１２は、貯湯槽２と放熱１次側回路側１８へ湯水を分配する。下流切り替え手段２４は、暖房１次側ポンプ２３を動作させ、貯湯槽２側へ切り替えられ湯水を貯湯槽２へ戻す。下部温水開閉装置２５を開き、貯湯槽２から低温水を沸き上げポンプ１０を動作させることにより、１次側温水循環管路１８内を温水で循環させ熱交換器２０で放熱した後に低温水になって加熱手段１内の水熱交換器６に戻される。

一方、熱交換器２０により加熱された熱交換器２０の２次側を流れる温水は、暖房２次ポンプ２６を作動させることにより暖房端末４に２次側温水循環管路２７内を循環させることにより、暖房端末４を暖めるものである。このように貯湯槽２に残湯が少なくても、上流切り替え手段１２を混合弁とすることにより、給湯に必要な沸き上げと暖房に必要な熱量を同時に得ることができる。

なお、混合弁以外に三方弁を使用して同様の効果が得られるように回路を構成することもできる。たとえば図５に示すように回路を構成しても給湯に必要な沸き上げと暖房に必要な熱量を同時に得ることができる。下流切り替え手段２４を貯湯槽２へ流入するように流路を切り替えるとともに、下部温水開閉装置２５を開けておくことにより、給湯運転では、貯湯槽２下部の水が温水循環ポンプ１０により水熱交換器６へ供給されて加熱される。そして、加熱された湯水は沸き上げ回路３を通り上流切り替え手段１２により、貯湯槽２の上部へ流れるように流路を切り替えられる。このようにして、貯湯槽２内に湯水が蓄えられる。

また、上記給湯運転を行うとともに暖房運転も行う。暖房運転は、上部出湯口近傍口１３ａより貯湯槽２内上部にある高温水を取り出し、上部温水開閉手段１７を開き、その高温水をバイパス管２１から１次側温水循環管路１８を介して熱交換器２０へ流し、熱交換器２０で放熱した中温水になって湯水を貯湯槽２下部にある戻し口２２から貯湯槽２内に戻される。このように、図５のような構成を行うことにより、給湯運運転と暖房運転とを同時に行うこともできる。

なお、本実施の形態では説明した図１から図５のような給湯装置以外にも、図６に示すような回路構成であっても同様の効果を得ることができる。図６の構成においては、出湯を行う場合は、給水管４１から供給される水道水と中温出湯口４２から得られる貯湯槽２内の中温水とを混合弁４３で混合した上で、その混合された湯水と上部出湯口１３から得られる高温水と混合弁４４で混合して出湯する。その他、給湯運転、暖房運転については図１から図５とともに上記説明した制御方法を用いることができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、貯湯槽の残湯量に大小にかかわらず、間接的にも直接的にも暖房端末があたためられる。また、直接加熱手段で作られた暖房に必要
な湯水を使用でき、ヒートポンプ回路の入水温度を低い温度に抑えられるので、低い温度の湯水を高温のお湯に加熱することになり、効率の良い運転が長時間可能となり、貯湯槽内の高温水を間接的に利用し浴槽水の追い炊きや室内の空間温水暖房等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 従来の給湯装置の構成図

符号の説明

１ 加熱手段
２ 貯湯槽
４ 放熱手段
５ 圧縮機
６ 水熱交換器
７ 減圧器
８ 蒸発器
９ ヒートポンプ回路
１１ ヒートポンプ制御装置
１２ 上流切り替え手段
１７ 上部温水開閉手段
１８ 放熱１次側回路
１９ 放熱２次側回路
２０ 熱交換器
２１ バイパス管
３６ 温度検知手段

Claims (6)

1. 貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯槽下部の湯水を前記加熱手段を介して前記貯湯槽の上部へ戻す沸き上げ回路と、前記貯湯槽上部の湯水を熱交換器を介して前記貯湯槽部の下部へ戻す放熱１次側回路と、前記熱交換器と放熱手段とを備える放熱２次側回路と、前記加熱手段で加熱された湯水を前記貯湯槽側、または前記放熱１次側回路側へ切り替える上流切り替え手段と、前記貯湯槽の上部と前記放熱１次側回路上の前記熱交換器の上流側とを接続するバイパス管と、前記バイパス管の流量を調整する上部温水開閉手段を備える給湯装置。
2. 放熱手段への放熱は、貯湯槽の熱容量が所定量以上のときは、前記貯湯槽の湯水を上部温水開閉手段によりバイパス管を経由して熱交換器を介して放熱が行われ、前記貯湯槽の熱容量が所定量未満のときは、前記上流切り替え手段を放熱１次側回路側へ切り替え、加熱手段で加熱された湯水を前記熱交換器に流すことにより放熱を行う請求項１記載の給湯装置。
3. 加熱手段で加熱された湯水を熱交換器に流し、前記熱交換器の出口側の湯水温度に応じて、下部開閉手段と下流切り替え手段で前記熱交換器の出口側の湯水を貯湯槽へ流入するか、加熱手段へ流すかを制御する請求２項記載の給湯装置。
4. 貯湯槽には複数の温度検知手段を備え、前記温度検知手段の検知温度により前記貯湯槽の熱量を算出する請求項２または３記載の給湯装置。
5. 上流切り替え手段は、混合弁である請求項１から４のいずれか１項に記載の給湯装置。
6. 加熱手段は、圧縮機を有するヒートポンプである請求項１から５のいずれか１項に記載の給湯装置。

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