JP2010096364A - 電気温水器 - Google Patents

Abstract

【課題】地中に埋設しても２階以上の階において温水を快適に使用することが可能な電気温水器を提供すること。
【解決手段】最大貯湯容量が７５０〜１２５０Ｌの範囲内である蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクを覆う断熱材と、前記蓄熱タンク内の温水を電力を利用して加熱する熱源部と、前記熱源部により加熱された温水を熱源として給湯用の水を加熱する熱交換管とを有し、前記蓄熱タンクは、厚さ１.０〜２.５ｍｍのステンレス鋼で形成され、かつその内部空間が外気と連通している構成とする。本発明の電気温水器は、省スペースかつ低ランニングコストを実現することができるため、一戸建て住宅用の電気温水器として有用である。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱式の電気温水器に関し、特に一戸建て住宅の敷地内の地中に配置可能な電気温水器に関する。

近年、調理や暖房、給湯、融雪などの家庭で使用するエネルギーのすべてを電気のみでまかなうオール電化の普及が急速に進んでいる。オール電化を実現する機器としては、ＩＨクッキングヒーター（調理）、電気ボイラー（暖房）、電気温水器（給湯）、電気融雪システム（融雪）などがよく知られている。

従来、一般家庭で使用される電気温水器は、密閉型（先止式）の貯湯式電気温水器（タンク容量：３００〜６００Ｌ程度）が使用されてきた（例えば、特許文献１参照）。このような密閉型の電気温水器は、規制によりタンク内圧力の上限が定められているが、近年の規制緩和により、タンク内圧力は２００ｋＰａまで認められるようになった。このことから、一戸建て住宅の１階に貯湯タンクを設置した場合に２階でもシャワーを快適に使用することができる高圧力型の電気温水器が近年製造・販売されている。
特開２００２−１０６９６７号公報

しかしながら、従来の密閉型の貯湯式電気温水器には、重量（本体重量およびタンク容量の水の重量）およびサイズが大きいため、設置場所および床の耐荷重を確保する点から設置スペースが大きいという問題があった。

従来の密閉型の貯湯式電気温水器は、耐圧性を確保するために厚い鋼板を用いて貯湯タンクを形成しているため、貯湯タンクの重量が大きく、また３００〜６００Ｌの貯湯容量を確保するため、貯湯タンクのサイズが大きい。現在の住宅事情を鑑みると、このように重量およびサイズが大きい貯湯タンクは、敷地内（屋内や庭など）に設置するのが困難である場合が多い。

設置スペースの問題を解消する一つの手段として、貯湯タンクを地中に配置することが考えられる。しかし、この場合、特に２階以上の階においてシャワーを快適に使用しうるようにするためには、タンク内圧力をさらに高めなければならなくなり、法令の遵守および費用対効果を考慮すると現実的ではない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、地中に配置しても２階以上の階において温水を快適に使用することが可能な電気温水器を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究を行った結果、タンクを開放型とし、かつ熱交換により給湯用の水を加熱する方式を採用することで上記課題を解決しうることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の蓄熱式電気温水器に関する。
［１］最大貯湯容量が７５０〜１２５０Ｌの範囲内である蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクを覆う断熱材と、前記蓄熱タンク内の温水を電力を利用して加熱する熱源部と、前記蓄熱タンク内に配置され、前記熱源部により加熱された温水を熱源として管内を流れる給湯用の水を加熱する熱交換管と、を有し、前記蓄熱タンクは、厚さ１.０〜２.５ｍｍのステンレス鋼で形成され、かつその内部空間が外気と連通している、電気温水器。
［２］前記蓄熱タンクは、２２.５〜３７.５Ｌの容量の膨張水用空間をその内部に有する、［１］に記載の電気温水器。
［３］前記熱交換管は、前記蓄熱タンク内の上半分の空間および下半分の空間の両方を通過する、［１］または［２］に記載の電気温水器。
［４］一戸建て住宅の敷地内の地中に配置された、［１］〜［３］のいずれかに記載の電気温水器。

本発明の電気温水器は、上水道の水圧を利用して温水を提供できるため、蓄熱タンクを地中に埋設した場合であっても２階以上の階において温水を快適に使用することができる。本発明の電気温水器は、地中に蓄熱タンクを設置することが可能であるため、従来の密閉型の電気温水器に比べて省スペース化を実現することができる。

本発明の蓄熱式の電気温水器は、蓄熱タンク、断熱材、熱源部および熱交換管を有し、蓄熱タンクを開放型でかつステンレス鋼製とすることを主たる特徴とする。

蓄熱タンクは、蓄熱体である水（温水）を内部に保持する容器である。蓄熱タンクの最大貯湯容量は、７５０〜１２５０Ｌの範囲内であることが好ましい。後述する熱源部に深夜電力を１日１回５時間通電することで、一般的な家庭が温水を終日使用しうる熱エネルギー（３００００〜５００００ｋｃａｌ程度）を所定の温度（例えば、５０℃）以上の温水に蓄積しうるからである。例えば、５０℃の温水７５０〜１２５０Ｌを９０℃まで加熱することで３００００〜５００００ｋｃａｌの熱エネルギーを蓄積することができる。蓄熱タンクの最大貯湯容量が７５０Ｌ未満の場合は、水（温水）の蓄熱可能量が不足し、水（温水）に１日分の熱エネルギーを蓄熱することができない。また、蓄熱タンクの最大貯湯容量が１２５０Ｌを超える場合は、サイズが大きくなりすぎて一般的な一戸建て住宅の敷地内に設置するのが困難となる可能性がある。蓄熱タンクの形状は、特に限定されず、設置場所などに応じて適宜設定すればよい。

前述の通り、蓄熱タンクは、開放型でかつステンレス鋼製であることを特徴とする。蓄熱タンクを開放型、すなわち内部空間と外気とを連通させる構成とすることにより、タンク内外の圧力差が生じなくなるため、タンクを構成するステンレス鋼の厚さを１.０〜２.５ｍｍ程度まで薄くすることができる。結果として、蓄熱タンクを大幅に軽量化することができる。このように蓄熱タンクを開放型とすると、タンク内から排出された水蒸気が蓄熱タンクの錆の原因となりうるため、本発明の蓄熱式電気温水器は、蓄熱タンクをステンレス鋼製としている。ステンレス鋼は、耐食性に優れかつ高強度であるため、蓄熱タンクを形成する素材として優れている。ステンレス鋼の種類は、当業者に公知のものを適宜選択することが可能である。例えば、本発明の電気温水器を地中に埋設する場合は、耐食性および耐応力腐食割れ性に優れるＳＵＳ４４４が特に好ましい。

また、蓄熱タンクは、貯湯用空間（７５０〜１２５０Ｌ）とは別に、外気と連通する膨張水用空間を有することが好ましい。膨張水用空間は、後述する熱源部による加熱により生じた膨張水を吸収するための空間である。蓄熱タンク内の水が膨張すると、膨張水の体積分だけこの空間内の空気が外部に排出されるため、蓄熱タンクに負荷をかけることなく膨張水をタンク内に保持することができる。膨張水用空間の容量は、蓄熱タンクの最大貯湯容量の３％程度であればよい。具体的には、蓄熱タンクの最大貯湯容量が７５０〜１２５０Ｌの範囲内である場合は、膨張水用空間の容量は２２.５〜３７.５Ｌ程度であればよい。膨張水用空間を蓄熱タンク内に設けるには、蓄熱タンクの最大貯湯容量を蓄熱タンクの全容量の９７％程度に設定したり、蓄熱タンクの上部（外気と連通している部分）に膨張水用空間のための突起部（図１および図３の１２０参照）を設けたりすればよい。

蓄熱タンクを覆う断熱材は、蓄熱タンク内外の熱伝導を抑制し、蓄熱タンク内の温水に蓄積された熱エネルギーの損失を防ぐための部材である。断熱材は、当業者に公知のものから適宜選択することが可能であり、例えば難燃性ポリスチレンフォームや難燃性ポリウレタンフォームなどである。断熱材の厚さは、特に限定されず、断熱材の種類や周囲の環境に応じて適宜設定すればよい。

熱源部は、蓄熱タンク内に配置されており、蓄熱タンク内の水（温水）を電力を利用して加熱するヒーターである。熱源部の配置位置は、蓄熱タンク内の水（温水）を加熱することができれば特に限定されないが、温度が低い水（温水）は蓄熱タンク内の下部に位置するため、通常は蓄熱タンク内の下部である。熱源部の消費電力は、特に限定されないが、８〜１３ｋＷ程度が好ましい。深夜電力を１日１回５時間通電することで、一般的な家庭が温水を終日使用しうる熱エネルギー（３００００〜５００００ｋｃａｌ程度）を蓄熱体（７５０〜１２５０Ｌの水）に蓄積しうるからである。熱源部は、当業者に公知のものから適宜選択することが可能であり、例えばシーズヒーターなどである。

熱交換管は、蓄熱タンク内に配置されており、蓄熱タンク内の温水を熱源として、管内を流れる給湯用の水を加熱する。通常、熱交換管は、一方が給水管（上水道）に接続されており、他方が給湯管に接続されている。この場合、給湯用の水（温水）は、上水道の水圧により管内を流れる。加熱された温水は、上水道の水圧により給湯管内を流れ、所定の設備（蛇口やシャワーヘッドなど）へ供給される。通常、上水道の水圧は２００ｋＰａよりも高いため、蓄熱タンクが地中に埋設されていてもユーザーは２階以上の階において温水を快適に使用することができる。

熱交換管の配置位置は、蓄熱タンク内の温水を熱源として管内の水を加熱することができれば特に限定されない。例えば、蓄熱タンク内の上部（温水の温度が最も高い）に熱交換管を配置してもよい。また、蓄熱タンク内の上部（上半分の空間）だけでなく、下部（下半分の空間）にも熱交換管を配置してもよい（実施の形態参照）。このように蓄熱タンク内全体に熱交換管を配置することで、管内の水を短時間で高温に加熱することができる。熱交換管の配置形状は、蓄熱タンク内の温水を熱源として管内の水を加熱することができれば特に限定されず、例えば蛇行状や渦巻き状などであればよい。

熱交換管は、その配置態様に応じて当業者に公知のものから適宜選択することが可能である。例えば、熱交換管の内径は、１５〜２０ｍｍ程度が好ましい。また、熱交換管の長さ（蓄熱タンク内の温水（蓄熱体）と接触する部分の長さ）は、特に限定されないが、１０〜２５ｍ程度である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。本実施の形態は、本発明の電気温水器を一戸建て住宅用の地中埋設型の電気温水器に適用した例である。

図１〜図３は、本発明の一実施の形態に係る電気温水器の構成を示す図である。図１は正面図、図２は図１のＡ−Ａ線の断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線の断面図である。

図１〜図３に示されるように、本発明の電気温水器１００は、蓄熱タンク１１０、通気管１３０、断熱材１４０、熱源部１５０、熱交換管１６０を有する。電気温水器１００は、上記構成要素の他にも、電源部、過昇温防止装置、空焚き防止装置、漏電防止装置などを有していることが好ましいが、説明の便宜上ここでは省略する。

蓄熱タンク１１０は、最大貯湯容量が１０００Ｌの容器（縦１０００ｍｍ×横１０００ｍｍ×深さ１０００ｍｍ）であり、厚さ１.５ｍｍのステンレス鋼板（例えば、ＳＵＳ４４４）により形成されている。蓄熱タンク１１０は、貯湯用空間（１０００Ｌ）とは別に３０Ｌの膨張水用空間１２０（蓄熱タンク１１０の上部に膨らんだ部分）を有する。

通気管１３０は、蓄熱タンク１１０内の膨張水用空間１２０と外気とを連通している管である。通気管１３０の外気側の開放口は、住居の排水管に接続されていることが好ましい。例えば、通気管１３０は内径２０ｍｍの耐熱ポリ塩化ビニル管（ＨＴ管）である。

断熱材１４０は、蓄熱タンク１１０を覆い、蓄熱タンク１１０内の温水に蓄積された熱エネルギーの損失を防ぐ。例えば、断熱材は、厚さ５０ｍｍの難燃性ポリスチレンフォームである。

熱源部１５０は、蓄熱タンク１１０上部の点検用蓋１７０に取り付けられ、蓄熱タンク１１０内の下部に配置されたヒーターである。例えば、熱源部１５０は、消費電力が１１ｋＷのシーズヒーターである。

熱交換管１６０は、蓄熱タンク１１０内に配置されており、蓄熱タンク１１０内の温水を熱源として管内を流れる給湯用の水（被加熱体）を加熱する。図１に示されるように、熱交換管１６０は、一方が給水管２００に接続されており、他方が給湯管２１０に接続されている。例えば、熱交換管１６０は、内径２０ｍｍの銅管またはステンレス管である。

図２および図３に示されるように、蓄熱タンク１１０内には、蛇行状に曲げられた熱交換管１６０（図２参照）が、蓄熱タンク１１０内に３段に配置されている（図３参照）。本実施の形態では、蓄熱タンク１１０（膨張水用空間１２０を除く）の上面と上段の熱交換管１６０との間隔が８０ｍｍ、上段の熱交換管１６０と中段の熱交換管１６０との間隔が２５０ｍｍ、中段の熱交換管１６０と下段の熱交換管１６０との間隔が２５０ｍｍである。各層の蛇行状の熱交換管１６０は、支持金具１８０’により蓄熱タンク１１０内に固定された支持部材１８０により支持されている。また、各層の蛇行状の熱交換管１６０、給水管２００および給湯管２１０は、蓄熱タンク１１０の底面に垂直な熱交換管１６０’により接続されている。熱交換管１６０の長さ（蓄熱タンク１１０内の温水（蓄熱体）と接触する部分の長さ）は、例えば１５ｍ程度である。

給水管２００は、熱交換管１６０内で加熱される給湯用の水（被加熱体）を熱交換管１６０に供給する管である。通常、給水管２００は、上水道の配水管に接続されている。給湯管２１０は、熱交換管１６０内で加熱された温水を所定の設備（蛇口やシャワーヘッドなど）に供給する管である。例えば、給水管２００および給湯管２１０は内径２０ｍｍの銅管またはステンレス管である。図１に示されるように、給湯管２１０には温度制御のための三方弁２２０を配置し、給水管２００からのバイパス流路を設けることが好ましい。このようにすることで、熱交換管１６０内で加熱された温水の温度が高すぎた場合に、バイパス流路を介して低温の水を取り込ませることで給湯管２１０内の温水の温度を低下させることができる。

給水管２００から供給された給湯用の水は、蓄熱タンク１１０の底面に垂直な熱交換管１６０’を通り、蓄熱タンク１１０下部に配置された蛇行状の熱交換管１６０内に到達する（図３の矢印参照）。以後、この水道水は、周囲の温水（蓄熱体）から熱エネルギーを受け取りながら蛇行状の熱交換管１６０内を移動し、徐々に上部に移動して最終的に給湯管２１０に到達する（図２、図３の矢印参照）。このように、熱交換管１６０を蓄熱タンク１１０内の上部だけでなく中部または下部も通過するように配置することで、熱交換管１６０内を流れる水を短時間で高温に加熱することができる。

以下、上述のように構成された電気温水器１００の動作の一例を説明する。ここでは、蓄熱タンク１１０の貯湯用空間（１０００Ｌ）に蓄熱体である温水（約５０℃）が満たされているものとし、深夜電力（５時間）を利用して給湯用の熱エネルギーを温水に蓄積するものとする。

まず、夜間に、熱源部１５０は、深夜電力を利用して蓄熱タンク１１０内の温水（約５０℃）を９０℃程度まで加熱する。これにより、一般的な家庭が温水を終日使用しうる熱エネルギー（４００００ｋｃａｌ程度）を温水に蓄積することができる。この加熱により蓄熱タンク１１０内の温水が膨張するが、蓄熱タンク１１０内に膨張水用空間１２０が設けられているため、膨張水が溢れることはない。また、蓄熱タンク１１０内は通気管１３０を通じて外気に連通しているため、蓄熱タンク１１０内の圧力は常に大気圧と同じ圧力である。以後、蓄熱式電気温水器１００はユーザーが温水を使用するまで待機状態となるが、蓄熱タンク１１０を覆う断熱材１４０により、温水に蓄積された熱エネルギーの損失は最小限度に抑えられる。

ユーザーが温水を使用しようとすると、給湯用の水が上水道の水圧により給水管２００から熱交換管１６０内に供給される。給湯用の水は、熱交換管１６０内において蓄熱タンク１１０内の温水を熱源として加熱される。加熱された温水は、上水道の水圧により給湯管２１０を通して所定の設備（蛇口やシャワーヘッドなど）に供給され、ユーザーに利用される。蓄熱タンク１１０内の温水は、一日の使用により５０℃程度まで低下する。

以後、夜間の深夜電力を利用した蓄熱を毎日繰り返すことで、ユーザーは一日中給湯を利用することができる。

なお、蓄熱タンク内の水（温水）が蒸発して減少した場合は、タンク給水管１９０を用いて適宜給水することができる（図１参照）。また、蓄熱タンク１１０または熱交換管１６０に穴があいた場合などは、点検用蓋１７０を開けて点検口から蓄熱タンク１１０内に入り、内部から蓄熱タンク１１０または熱交換管１６０を補修することができる（図１参照）。さらに、熱源部１５０は、点検用蓋１７０から取り外すことができるため、壊れたときには交換可能である。

以上のように、本発明の電気温水器は、蓄熱タンクを開放型でかつステンレス鋼製としているため、軽量化および防錆を両立することができる。また、本発明の電気温水器は、蓄熱式（熱交換式）としているため、上水道の水圧を利用して温水を提供することができる。したがって、本発明の電気温水器は、地中に蓄熱タンクを設置することが可能であり、従来の密閉型の電気温水器に比べて省スペース化を実現することができる。さらに、本発明の蓄熱式電気温水器は、深夜電力にも対応することが可能であるため、一戸建て住宅の給湯を低ランニングコストにて実現することができる。

本発明の電気温水器を地中に設置する方法は特に限定されず、例えば、地中にコンクリート壁により囲まれた空間（地下室）を形成して、本発明の電気温水器をその空間（地下室）内に配置してもよいし、本発明の電気温水器を地中に直接埋設してもよい。

本発明の電気温水器は、省スペースかつ低ランニングコストを実現することができるため、一戸建て住宅用の電気温水器として有用である。

本発明の一実施の形態に係る電気温水器の構成を示す正面図 図１のＡ−Ａ線における断面を示す図 図１のＢ−Ｂ線における断面を示す図

符号の説明

１００ 電気温水器
１１０ 蓄熱タンク
１２０ 膨張水用空間
１３０ 通気管
１４０ 断熱材
１５０ 熱源部
１６０ 熱交換管
１７０ 点検用蓋
１８０ 支持部材
１８０’ 支持金具
１９０ タンク給水管
２００ 給水管
２１０ 給湯管
２２０ 三方弁

Claims (4)

1. 最大貯湯容量が７５０〜１２５０Ｌの範囲内である蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクを覆う断熱材と、
   前記蓄熱タンク内の温水を電力を利用して加熱する熱源部と、
   前記蓄熱タンク内に配置され、前記熱源部により加熱された温水を熱源として管内を流れる給湯用の水を加熱する熱交換管と、を有し、
   前記蓄熱タンクは、厚さ１.０〜２.５ｍｍのステンレス鋼で形成され、かつその内部空間が外気と連通している、電気温水器。
2. 前記蓄熱タンクは、２２.５〜３７.５Ｌの容量の膨張水用空間をその内部に有する、請求項１に記載の電気温水器。
3. 前記熱交換管は、前記蓄熱タンク内の上半分の空間および下半分の空間の両方を通過する、請求項１に記載の電気温水器。
4. 一戸建て住宅の敷地内の地中に配置された、請求項１に記載の電気温水器。

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