JP2007155154A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクには、経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、断熱材への外傷による熱伝導率の上昇を検知する手段を備えていないので、従って、利用者は不具合（電力量の上昇、湯として利用可能な量の低下）を改善できないまま、継続して使用していた。
【解決手段】貯湯タンク１と、貯湯タンク１を被覆する真空断熱材３と、貯湯タンク１の水を加熱する加熱手段６を備えた貯湯式給湯装置において、貯湯タンク１の真空断熱材３の異常判断を行なう異常判断手段７を備えることによって、真空断熱材３の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは施工、運搬時に生じた真空断熱材３の異常による断熱性能の低下を検知することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱手段で加熱した水を貯湯タンクへ貯湯し、給湯、風呂湯張りと保温、暖房、乾燥などに利用する給湯装置に関するものである。

従来のこの種の貯湯タンクは、加熱手段によって加熱された高温の湯を貯えた貯湯タンクから雰囲気への放熱熱量を抑えるために、断熱材が被覆されている。例えば図９では、貯湯タンク１と外装ケース４との間に、シート状の断熱材２と真空断熱材３を被覆しており、加熱手段（図示せず）によって、高温となるまで加熱された湯水が貯湯タンク１内で保温される。

断熱材２には、断熱性能の高い（熱伝導率が低い）断熱材を利用している。そのため、貯湯タンク１の放熱熱量が低減し、貯湯タンク１の熱容量を比較的長い時間保持することができる。また、貯湯タンク１の放熱熱量の低減に伴い、加熱・保温などに必要な電力量が低減する。

また、真空断熱材３は、芯材と、芯材を覆うガスバリア性のあるラミネートフィルムからなる外袋材とから構成され、芯材のある外袋材の内部圧力は１〜２００Ｐａとなるように減圧された後に密閉封止されるものである。外袋材であるラミネートフィルムは、金属箔、あるいは、金属蒸着層を有するラミネートフィルム等を用い、芯材には、多孔体をシート状に加工したもの、発泡体、粉体、繊維体などを用いる。柔軟性、圧縮性、施工性、断熱性の観点から、シート状の断熱材２の芯材にはグラスウール、グラスファイバー、ポリウレタン、ポリエチレン等の材料を用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２２６９６５号公報

しかし、上記真空断熱材３においては、外袋材の経年劣化により外袋材内部へガス・水分が浸入し、内部圧力の上昇とともに熱伝導率が上昇して断熱性能が低下する。また、施工、運搬時に何らかの異常が原因で外袋材へ外傷が生じ、その外傷部分から内部へのガス浸入等が発生した場合、初期の内部圧力から圧力が上昇し断熱性能が低下する。また、シート状の断熱材２も同様に経年による断熱材への水分浸入、熱応力等により、柔軟性が低下して固化し、断熱性能が低下する。

断熱性能が低下した状態で貯湯式給湯装置を利用し続けると、貯湯タンク１に蓄えられた湯水からの放熱熱量が増加し、貯湯タンク１の熱容量が保持できなくなるため、水を加熱するために必要な電力量が上昇するとともに、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減少する。特に、湯の利用量が多い場合は、貯湯タンク１の残湯量が無くなり、給湯ができない湯切れ状態になってしまう。

そこで、本発明は、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた何らかの異常を判断する異常判断手段を具備するものであり、断熱材の断熱性能の低下を判断することができる貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。さらに、性能低下を検知し、その性能低下を報知するとともに、断熱材の性能が低下しても湯切れの心配がない貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、貯湯タンクを被覆する断熱材と、貯湯タンクの水を加熱する加熱手段を備えた貯湯式給湯装置において、断熱材の異常判断を行なう異常判断手段を備えるものである。

これによって、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常による断熱性能の低下を検知することができる。

本発明の貯湯式給湯装置は、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常による断熱性能の低下を検知することができる。

第１の発明は、貯湯タンクと、貯湯タンクを被覆する断熱材と、貯湯タンクの水を加熱する加熱手段を備えた貯湯式給湯装置において、断熱材の異常判断を行なう異常判断手段を備えたものであり、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常を検知することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、貯湯タンクの表面温度を検知する温度センサーを備え、異常判断手段は、所定時間内における温度センサーの検知する降下温度差が所定の値を超えた場合に、断熱材の異常を判断するものであり、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた何らかの異常を検知することができる。また、貯湯タンクの残湯量を検知するために、貯湯タンクの表面温度を検知する温度センサーを備えているときには、この温度センサーの検知温度を併用することにより、安価で異常判断手段を具備することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、異常判断手段が断熱材の異常を判断したことを報知する通知手段を備えたものであり、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常を検知したときは、利用者、あるいは、管理者へ断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常を報知することができる。従って、この異常判断手段からの情報を基に、利用者、あるいは、管理者は、断熱材の性能向上のための断熱材の交換などが行なえるため、利用者は不具合（電力量の上昇、湯として利用可能な量の低下）を改善して使用することができる。

第４の発明は、特に第３の発明において、異常判断手段が断熱材の異常を判断した場合に、加熱手段の加熱能力を増加するもので、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた何らかの異常を検知したときは、断熱性能の低下に伴って貯湯タンクからの放熱熱量が増加しても、貯湯タンクの熱容量が保持できるように加熱能力を増加させることができる。断熱性能が低下した貯湯タンクを利用し続けると、貯湯タンクからの放熱熱量が増加して貯湯タンクの熱容量が保持できなくなるため、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減り、給湯ができない状態（湯切れ）になるが、貯湯タンクの熱容量が保持できるように加熱能力を増加させるため、断熱材の性能が低下しても、湯切れのない貯湯式給湯装置とすることができる。

第５の発明は、特に第３または第４の発明において、異常判断手段が断熱材の異常を判断した場合に、加熱手段が加熱する水の温度を上昇させるようにしたもので、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは、施工、運搬時に生じた何らかの異常を検知したときは、断熱性能の低下に伴って貯湯タンクからの放熱熱量が増加しても、貯湯タンクの熱容量が保持できるように加熱で加熱する水の温度を上昇させることができる。断熱性能が低下した貯湯タンクを利用し続けると、貯湯タンクからの放熱熱量が増加して貯湯タン
クの熱容量が保持できなくなるため、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減り、給湯ができない状態（湯切れ）になるが、貯湯タンクの熱容量が保持できるように加熱する水の温度を上昇させるため、断熱材の性能が低下しても、湯切れのない貯湯式給湯装置とすることができる。

第６の発明は、第１から第５の発明のいずれか１つの発明の貯湯式給湯装置において、断熱材は真空断熱材である貯湯式給湯装置とすることにより、給湯装置の小型化、または、貯湯タンクの大容量化を図ることができる。また、芯材を覆う外袋内部空間の圧力に大きく依存する真空断熱材の経年のガス・水分の浸入による内部圧力の上昇がもたらす断熱性能の低下割合は、シート状の断熱材の経年による断熱性能の低下割合よりも大きいが、異常判断手段により、利用者への不具合（電力量の上昇、湯として利用可能な量の低下）を最小限に止めることができる。

第７の発明は、第１から第６の発明のいずれか１つの発明において、加熱手段として二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するものとすることにより、貯湯式給湯装置を高温で利用することができ、貯湯タンクの熱容量の増大と、湯切れ防止性をさらに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１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における貯湯式給湯装置の構成図を示すものである。

図１において、貯湯タンク１の下部から水ポンプ１３によって取り出された水は、循環水回路１２の途中に配置された加熱手段６によって高温に加熱される。そして、その後、加熱手段６によって加熱された湯水は貯湯タンク１の上部へ注がれる。このとき、貯湯タンク１の内部では、上部に高温の湯水、下部では低温の水が積層状態に蓄えられている。なお、加熱手段６はヒーター、あるいはヒートポンプとすることで水を加熱することができる。

貯湯タンク１は、その全体を真空断熱材３によって被覆されている。なお、図２のように、貯湯タンク１の断熱材として、真空断熱材３とシート状の断熱材２で構成してもよい。特に貯湯タンク１の天部や底部には配管が接続されているので、柔軟性に欠ける真空断熱材３では隙間なく貯湯タンク１に巻きつけることができない。また、シート状の断熱材２の代わりに発泡スチロール等の成型された断熱材を用いてもよい。

貯湯タンク１の上部に蓄えられた高温の湯水は、適宜給湯配管１１より利用端末（カラン、シャワー、浴槽、暖房機器など）へ供給され、それと同時に貯湯タンク１内の下部からは給水配管１０を通じて水道水が供給される。

ここで、真空断熱材３を用いることにより、以下の効果を得ることができる。外装ケース内部を真空（１〜２００Ｐａ）とする真空断熱材の熱伝導率は、外装ケース内部が大気圧でグラスウール、グラスファイバー、ポリウレタン、ポリエチレン等の材料を用いるシート状の断熱材の熱伝導率と比較して１／１０〜１／１００である。従って、真空断熱材を用いた貯湯タンク１と、シート状の断熱材を用いた貯湯タンク１において、貯湯タンク１からの放熱熱量を同じとしたとき、シート状の断熱材の必要な厚さは、真空断熱材３の厚さの１０〜１００倍となる。

また、真空断熱材の厚さを薄くすることができるので、機器のコンパクト化を図ることができる。あるいは、同一の機器サイズとした場合は、貯湯タンク１を大きくすることができ、貯湯タンク１の残湯量が減り難くなるため、給湯ができない湯切れ状態を回避することができる。

また、真空断熱材においては、外装ケース材の経年劣化により外装ケース材内部へガス・水分が浸入し、内部圧力の上昇とともに熱伝導率が上昇して断熱性能が低下する。また、施工、運搬時に何らかの異常が原因で外装ケース材へ外傷が生じ、その外傷部分から内部へのガス浸入等が発生した場合、初期の内部圧力から圧力が上昇し断熱性能が低下する。

また、貯湯タンク１の側面には垂直方向に略均等に温度センサー８、９が設置されており、貯湯タンク１の残湯量の把握や後述する真空断熱材３の異常を判断する際に用いる。真空断熱材３の異常判断を行う際には、温度センサー８、９による検知温度が異常判断手段７へ伝えられる。

以下に、本実施例による貯湯式給湯装置の動作、作用を説明する。

真空断熱材においては、外装ケース材の経年劣化により外装ケース材内部へガス・水分が浸入し、内部圧力の上昇とともに熱伝導率が上昇して断熱性能が低下する。また、施工、運搬時に何らかの異常が原因で外装ケース材へ外傷が生じ、その外傷部分から内部へのガス浸入等が発生した場合、初期の内部圧力から圧力が上昇し断熱性能が低下してしまう。また、シート状の断熱材も同様に経年による断熱材への水分浸入、熱応力等により、柔軟性が低下して固化し、断熱性能が低下する。断熱性能が低下した貯湯タンクを利用し続けると、貯湯タンクからの放熱熱量が増加して貯湯タンクの熱容量が保持できなくなる。その結果、給湯などに必要な電力量が上昇し、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減り、湯の利用量が多い場合、貯湯タンクの残湯量が無くなり給湯ができない湯切れ状態となる。

そこで、図１において、異常判断手段７は、貯湯タンク１の表面温度を検知する温度センサー８および温度センサー９により、まず温度センサー８、９の検知温度を異常判断手段７へ伝送する。

次に、所定時間内における温度センサー８、９の検知温度温降下量を算出する。これは、何らかの原因で真空断熱材３の断熱性能が低下し、貯湯タンク１から外部への放熱熱量が増加するため、所定時間内の貯湯タンク１の水の温度降下量が大きくなるという現象を検知するためである。

所定時間内における温度降下量の算出については、図３を用いて説明を行う。図３は、温度センサー８、９の検知温度の時間変化を示すものである。ここで、Ｔ０は、貯湯タンク１の沸き上げ運転完了した時点の温度センサー８、９の検知温度であり、Ｔ１は、断熱材の性能低下などの異常がない通常時の場合の所定時間Ｍ２経過後の検知温度であり、Ｔ３は断熱性能が低下して放熱熱量が増加したときの所定時間Ｍ２経過後の検知温度である。

まず、所定時間Ｍ２経過後の温度センサー８の検知した温度Ｔ３とＴ０との差ｄＴ３（＝Ｔ０−Ｔ３）を算出する。次に、異常判定を行なうため、ｄＴ３と予め設定した温度差ｄＴ２との値を比較する。もし、ｄＴ３がｄＴ２よりも大きい（温度降下量が大きい）とき、異常判断手段７は、真空断熱材３の断熱性能が低下したと判断することができる。

なお、上記ｄＴ２は、予め測定している温度降下量ｄＴ１（＝Ｔ０−Ｔ１）を基準に、製品のバラツキ、劣化に対する許容値を考慮して決定される。

なお、本実施の形態において、温度差ｄＴ２、ｄＴ３によって性能低下の判断を行なうこととしたが、基準となる温度Ｔ０から決定される所定時間Ｍ２経過後の温度Ｔ２を設定し、Ｔ２＞Ｔ３となった場合、異常判断手段７は、真空断熱材３の断熱性能が低下したと判断してもよい。

また、検知温度がＴ０からＴ２となる時間を計測し、計測した時間Ｍ３が、所定の時間Ｍ２より短い場合は、放熱熱量が大きいと判断することができるため、異常判断手段７は、真空断熱材３の断熱性能が低下したと判断してもよい。特に、上記説明したような真空断熱材３に対して異常判断手段７を備えると、真空断熱材の性能低下を検知し、利用者への迅速な通知、あるいは、後述するように加熱手段６の加熱能力を増加させるので、電力量の上昇と、湯として利用可能な量の低下が１０〜１００倍程度悪化することを未然に防ぐことができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態のおける貯湯式給湯装置の構成図を示すものである。

図４において、通知手段１４は、異常判断手段７が真空断熱材３の断熱性能の低下を検知したときに、利用者へ異常を通知するものである。その他図１と同様の番号を付した構成については、実施の形態１と同様であり説明を省略する。

以下に、本実施例による貯湯式給湯装置の動作、作用を説明する。

真空断熱材３の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは施工、運搬時に生じた真空断熱材３の何らかの異常を異常判断手段７が検知したときは、利用者あるいは管理者へそのことを通知手段１４によって通知する。従って、この通知手段１４からの情報を基に、利用者あるいは管理者は、真空断熱材３の性能向上のために真空断熱材３の交換などが行なえるため、利用者は不具合（電力量の上昇、湯として利用可能な量の低下）を改善して使用することができる。

また、貯湯式給湯装置において、台所、あるいは風呂などに操作リモコンを備えていれば、この操作リモコンを用いて通知手段１４の情報を表示、報知することにより、より迅速に利用者へ情報を伝達することができる。また、操作リモコンを利用して通知することで、新たに別の通知手段を設ける必要が無いため、コストアップすることなく、断熱性能の低下を報知することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態のおける貯湯式給湯装置の構成図を示すものである。

図５において、図１と同様の番号を付した構成については、実施の形態１または実施の形態２と同様であり、説明を省略する。

以下に、本実施例による貯湯式給湯装置の動作、作用を説明する。

図５において、異常判断手段７は、真空断熱材３の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常を検知した場合は、加熱手段６の加熱
能力を増加させる機能を備えるものである。断熱性能が低下した貯湯タンク１を利用し続けると、貯湯タンク１からの放熱熱量が増加して貯湯タンク１の水の温度が低下し、真空断熱材３が通常の状態のときに比べ、貯湯タンク１の湯量は急速に減少していくため、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減り、湯の利用量が多い場合、貯湯タンクの残湯量が無くなり給湯ができない湯切れ状態となる。そこで、貯湯タンク１に供給できる湯量が、通常の状態に比べて、増えるように加熱手段６の加熱能力を増加させる。従って、貯湯タンク１からの放熱熱量が増加して貯湯タンク１の水の温度が低下し、真空断熱材３が通常の状態のときに比べ、貯湯タンク１の急速に減少していく湯量を、加熱熱量の増加で補うことができる。なお、加熱手段６の加熱能力を増加させるためには、加熱手段６がヒーターの場合であれば消費電力値を増加させることによって達成される。また、後述するように加熱手段６がヒートポンプ回路であれば、圧縮機の回転数を増加させることによって達成される。

以上のように本実施の形態によれば、断熱性能が低下した場合は、加熱手段６の加熱能力を増加させることにより、湯の利用量が多い場合であっても、貯湯タンク１に供給される高温の水の量が増え、貯湯タンク１の残湯量が減り難くなるため、給湯ができない湯切れ状態を回避することができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態のおける貯湯式給湯装置の構成図を示すものである。

図６において、図１と同様の番号を付した構成については、実施の形態１から３と同様であり、説明を省略する。

以下に、本実施例による貯湯式給湯装置の動作、作用を説明する。

図６において、異常判断手段７は、断熱材の経年劣化による断熱性能の低下、あるいは施工、運搬時に生じた断熱材の何らかの異常を検知した場合は、加熱手段６によって加熱される水の温度を上昇させる機能を備えるものである。断熱性能が低下した貯湯タンク１を利用し続けると、貯湯タンク１からの放熱熱量が増加して貯湯タンク１の水の温度が低下し、真空断熱材３が通常の状態のときに比べて、利用者が湯として給湯、風呂、暖房などへ利用できる量が減り、湯の利用量が多い場合、貯湯タンク１の残湯量が無くなり給湯ができない状態（湯切れ）になる。

そこで、断熱性能の低下が検地された場合は、加熱手段６によって加熱される水の温度を高く設定変更される。そして、加熱手段６の出口側に配置した温度センサ１５による検知温度に応じて水ポンプ１３を制御し、検知温度が所定温度よりも低ければ水ポンプ１３の回転数を低下させ、逆に検知温度が所定温度よりも高温であれば水ポンプ１３の回転数を増加させる。

以上のように本実施の形態によれば、高温の水を貯湯タンク１に貯湯して、湯の利用量が多い場合であっても、貯湯タンク１の熱容量が増え、貯湯タンクの残湯量が減り難くなるため、給湯ができない湯切れ状態を回避することができる。

なお、上記実施の形態１から４で、加熱手段として図７に示したようなヒートポンプを用い、圧縮機１６、放熱熱交換器１７、膨張弁１８、吸熱熱交換器１９を順に冷媒配管２０で環状に接続するものであってもよい。貯湯タンク１の水は、放熱熱交換器１７で高温に加熱された後、再び、貯湯タンク１の上部へ戻される。冷凍サイクルは、冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。二酸化炭素を冷媒とし
て用いることで、貯湯式給湯装置を高温で利用することができ、貯湯タンク１の熱容量の増大と、湯切れ防止性をさらに向上することができる。

また、図８は図７に示したヒートポンプ、および、タンクを、同一の外装体内に備えて一体とする具体的構成であり、吸熱熱交換器１９に空気を搬送する送風ファン２１を備えるとともに、貯湯タンク１には真空断熱材３を用いている。また、貯湯タンク１の前方にはメンテナンス性を考慮して配線や配管類が配置されている。また、圧縮機１６、放熱熱交換器１７は送風ファン２１の下側に設置されている。

真空断熱材３の熱伝導率は、グラスウール、グラスファイバー、ポリウレタン、ポリエチレン等の熱伝導率と比較して１／１０〜１／１００である。従って、真空断熱材を用いた貯湯タンク１と、シート状の断熱材を用いた貯湯タンク１において、貯湯タンク１からの放熱熱量を同じとしたとき、シート状の断熱材の必要な厚さは、真空断熱材３の厚さの１０〜１００倍となる。

以上のように、図８のようなヒートポンプと貯湯タンクを一体構成とした機器においては、外装体内にすべての構成を一体として収納しなければならないので、各構成を配置するスペースが非常に限られる。そこで、貯湯タンクに厚さが薄い真空断熱材を巻きつけることで、スペースの有効活用が図られ、ひいては機器のコンパクト化を実現できる。また、同一の機器サイズとした場合は、貯湯タンクを大きくすることができ、貯湯タンクの残湯量が減り難くなるため、給湯ができない湯切れ状態を回避することができる。

本発明にかかる貯湯式給湯装置は、貯湯タンクの断熱材の断熱性能低下に伴う消費電力量の上昇、湯として利用可能な量の低下などの不具合の防止に繋がり、給湯、風呂への他、暖房、または、廃熱源利用貯湯式給湯装置等の用途にも利用できる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態１における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態１における貯湯タンクの温度変化図 同実施の形態２における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態３における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態４における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態１から４における貯湯式給湯装置の構成図 同実施の形態１から４における貯湯式給湯装置の構成図 従来の貯湯式給湯装置の構成図

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ シート状の断熱材
３ 真空断熱材
６ 加熱手段
７ 異常判断手段
８ 温度センサー
９ 温度センサー
１４ 通知手段
１６ 圧縮機
１７ 放熱熱交換器
１８ 膨張弁
１９ 吸熱熱交換器

Claims (7)

1. 貯湯タンクと、前記貯湯タンクを被覆する断熱材と、前記貯湯タンクの水を加熱する加熱手段を備えた貯湯式給湯装置において、前記断熱材の異常判断を行なう異常判断手段を備えたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 貯湯タンクの表面温度を検知する温度センサーを備え、異常判断手段は、所定時間内における前記温度センサーの検知する降下温度差が所定の値を超えた場合に、断熱材の異常を判断することを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
3. 異常判断手段が断熱材の異常を判断したことを報知する通知手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の貯湯式給湯装置。
4. 異常判断手段が断熱材の異常を判断した場合に、加熱手段の加熱能力を増加させることを特徴とする請求項３記載の貯湯式給湯装置。
5. 異常判断手段が断熱材の異常を判断した場合に、加熱手段が加熱する水の温度を上昇させることを特徴とする請求項３または４記載の貯湯式給湯装置。
6. 断熱材は真空断熱材であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
7. 加熱手段として二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。