JP2010203667A - 給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯槽内の温度分布を改善し、効率の高い運転を可能にする給湯機を提供する。
【解決手段】貯湯槽１と、前記貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２と、前記加熱手段２に前記貯湯槽１内の湯水を前記貯湯槽１の下部から供給する第一の配管１１と、前記加熱手段２から加熱後の湯を前記貯湯槽１に戻す第二の配管１２と、制御手段とを備え、前記第二の配管１２は、流路切換手段１３を介して、前記貯湯槽１の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記貯湯槽１に略全量となるまで貯湯する全量沸き上げ工程と、部分的に湯を貯湯する部分沸き上げ工程とを有し、前記沸き上げ工程に応じて、前記流路切換手段１３の動作を制御することを特徴とする給湯機。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸き上げた湯を貯湯槽に貯えて使用する給湯機に関する。

従来、この種の給湯機は、例えば図５のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の給湯機を示すものである。

図５に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２を設け、貯湯槽１の上部に接続された出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管４と、この給水管４から分岐された給水バイパス管５と、出湯管３からの湯と給水バイパス管５からの水とを混合する第１混合弁６と、貯湯タンク１の中間部に接続された中間出湯管７と、給水バイパス管５途中に設けられ給水バイパス管５を流れる水に中間出湯管７からの湯を混合する第２混合弁８と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段９と、給湯設定温度の湯を供給すべく第１混合弁６および第２混合弁８の混合比率を調整する制御部１０とを設けた構成としている。
特開２００４−１９７９５８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、温度成層を形成して貯湯する方式の貯湯槽１内で時間経過に伴ってできる、湯と水の間の中間的な温度の水（以降、中温水と呼ぶ）を中間出湯管９から抜くことにより、沸き上げ時の効率に悪影響を与える中温水を有効に利用するのであるが、うまく効果を得ようとすると、中温水が中間出湯管９の位置に比較的多くあるときに給湯負荷が発生しないといけない。給湯負荷のパターンによっては、中間出湯管９と中温水との位置関係が適切ではなく、効率向上に寄与しない場合が多いという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機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、本発明の給湯機は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記貯湯槽に略全量となるまで貯湯する全量沸き上げ工程と、部分的に湯を貯湯する部分沸き上げ工程とを有し、前記沸き上げ工程に応じて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とするもので、貯湯槽内の湯の温度分布と沸き上げる目的を考慮しつつ沸き上げ時に貯湯槽内の湯を適切に撹拌し、効率を悪化させる中温水を大幅に減少させる。

本発明によれば、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機を提供できる。

第１の発明は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記貯湯槽に略全量となるまで貯湯する全量沸き上げ工程と、部分的に湯を貯湯する部分沸き上げ工程とを有し、前記沸き上げ工程に応じて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とする給湯機で、沸き上げ時に効率低下の原因となる中温水を、沸き上げ運転開始当初に沸き上げた湯を利用して大幅に減少させることができるので、効率の高い運転状態を維持し、省エネルギー性が向上するという効果がある。

第２の発明は、貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段と、前記給水管または前記貯湯槽の下部に設けた第二の温検知手段とを備え、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値より小さい場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させ、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値以上の場合には、前記流路切換手段を前記第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させることを特徴とするもので、中温水が第二の配管の中間部側にあるときに撹拌効果を得るようにし、貯湯槽内の湯温を無駄に下げる動作を排除することで、沸き上げ時の効率に悪影響を与える中温水をきわめて効果的に解消できる。

第３の発明は、部分沸き上げ工程運転中には、流路切換手段を第二の配管のうち貯湯槽の上部に接続された配管と連通させることを特徴とするもので、利用者が給湯利用中に貯湯槽内の湯が減少した際、湯切れを回避するためにおこなう部分沸き上げ工程で運転されている場合には、貯湯槽上部へ沸き上げた湯を貯えて、すぐに使える熱量を優先することで使い勝手を向上する。

第４の発明は、加熱手段を、ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とするもので、使用湯量の多いときだけ高温の沸き上げ温度として、できるだけ低い沸き上げ温度を適用できる結果、高効率の特性を最大限に引き出せる。

第５の発明は、ヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とするもので、沸き上げ温度を高温にできるので、利用できる熱量の増大と湯切れ防止性を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給湯機の構成を示す図である。

図１において、本発明の給湯機は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、このヒートポンプユニット２に加熱前の水を送出する前記貯湯槽１の下部に接続された第一の配管１１と、前記ヒートポンプユニット２から加熱後の水を前記貯湯槽１に戻す前記貯湯槽１の上部と中間部に接続された第二の配管１２と、前記第二の配管１２の分岐部に設けられた流路切換手段としての三方弁１３と、前記貯湯槽１の中間部の水温を検知する第一の貯湯温検知手段１４と、前記貯湯槽１の下部の水温を検知する第二の貯湯温検知手段１５と、前記貯湯槽１の下部に接続された給水管４とを備えている。

また、前記貯湯温検知手段１４および前記第二の貯湯検知手段１５の出力に基づいて前記三方弁１３の制御を行う第一の流路切換制御手段１６と、前記第一の貯湯温検知手段１４よりも上に設けられた第三の貯湯温検知手段１７と、この第三の貯湯温検知手段１７の出力に基づく湯切れ回避のための部分沸き上げ工程と、貯湯槽１の全量に貯湯する全量沸き上げ工程とを選択する沸き上げ湯量選択手段１８と、この沸き上げ湯量選択手段１８で選択されている沸き上げ工程に基づき、前記第一の流路切換制御手段１６に優先して前記三方弁１３の制御を行う第二の流路切換制御手段１９を有している。

なお、本実施の形態においては、第二の配管１２を貯湯槽１の高さ方向の中央部に接続しているが、中央部付近であればよい。また、第一の貯湯温検知手段１４についても同様である。

以上のように構成された給湯機について、以下その動作、作用を説明する。

基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、運転を開始すると、沸き上げ用循環ポンプ２０によりヒートポンプ往き口２１から第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が第二の配管１２を通じて三方弁１３の流路に応じ、第一のヒートポンプ戻り口２２または第二のヒートポンプ戻り口２３から貯湯槽１に戻される。これによって貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。主に深夜においてその日に使用する湯を貯えるための運転では、沸き上げ湯量選択手段１８は全量沸き上げ工程を選択し、制御装置（図示せず）は貯湯槽１が全量になるまで沸き上げる。

沸き上げ後の給湯利用の際には、給湯口２４から貯湯槽１の高温の湯が送られ、この湯が給水管４からの給水と混合弁２５により混合され、設定温度に調節されて給湯栓２６から供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管４を通じて貯湯槽１下部の給水口２７から流入する。

また、給湯中、貯湯槽１に湯が少なくなると、第三の貯湯温検知手段１７がこれを検知し、それに応じて沸き上げ湯量選択手段１８は部分沸き上げ工程を選択し、制御装置（図示せず）は、ヒートポンプユニット２を起動して湯切れしないように沸き増し運転を行う。

図２に動作のフローチャートを示す。

図２において、沸き上げ運転が開始されると（ステップ１）、第二の流路切換制御手段１９は、沸き上げ湯量選択手段１８で選択されている沸き上げ工程を参照し、それが湯切れを回避するためにおこなう部分沸き上げ工程であった場合（ステップ２）は、流路を貯湯槽１の上部と連通するように三方弁１３を制御する（ステップ３）。

以降、ヒートポンプユニット２で沸き上げた湯は、貯湯槽１の上部から貯えられていく。貯湯槽１の湯は上部に設けられた給湯口２４から供給されるので、給湯利用中に湯切れ防止のための部分沸き上げ工程による沸き増し運転が行われた場合には、このように高温の湯を貯湯槽１上部に貯え、湯切れを起こりにくくする。沸き増し運転時の沸き上げ終了条件は、第三の貯湯温検知手段１７が終了設定温に達すると（ステップ４）、沸き増し運転を終了する（ステップ５）。

ステップ２で、沸き上げ湯量選択手段１８で選択されている沸き上げ工程が部分沸き上げ工程でなかった場合、第一の流路切換制御手段１６は、第一の貯湯温検知手段１４によ
る貯湯槽１中間の温度と第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度の差があらかじめ設定された一定値Ｔｄｉｆ（例えば５℃）と比較する（ステップ６）。

この温度差が５℃より小さい場合は、流路を貯湯槽１の上部と連通するように三方弁１３を制御する（ステップ３）。

この運転は主に深夜の沸き上げ運転となり、貯湯槽１全体に湯を貯えるため、ステップ４では沸き上げ終了条件として貯湯槽１下部の第二の貯湯温検知手段１５の検知温度が沸き上げ終了設定温に達するまで、ステップ２に戻る。

ここで第一の貯湯温検知手段１４の検知温度が第二の貯湯温検知手段１５よりＴｄｉｆ以上の場合、流路が貯湯槽１中間部と連通するように三方弁１３を切り換える（ステップ７）。その後、貯湯槽１下部の温度が終了設定温を上回ったら（ステップ４）、沸き上げを終了する（ステップ５）。

図３〜図４を用いてこの動作による貯湯槽１内の温度分布の変化を説明する。各図とも、それぞれの段階に分けて、（ａ）〜（ｃ）とし、貯湯槽１の高さ方向（縦軸）に対応する温度（横軸）を表す。

図３は、給湯中に貯湯槽１内の湯が少なくなって、湯切れ防止のための沸き増し運転が起動した場合である。図３（ａ）２８のように、第三の貯湯温検知手段１７が沸き増し運転起動条件の温度を検知したときには使える湯は少ししか残っておらず、貯湯槽１の上部に速やかに湯を貯える必要がある。貯湯槽１の最上部には前日沸き上げた湯が貯湯槽１の壁を通して放熱し、温度低下して一部残っている。その下には給湯によって給水管５から流入した低温水と貯湯槽１内の湯との熱交換によって広がった中温水の層が温度勾配を持って存在する。

さらに貯湯槽１下部には、ほぼ給水と同温度の水がある。沸き増し運転が開始されると、給湯中の時間帯であるため、三方弁１３はヒートポンプユニット２で沸き上げた湯２９が貯湯槽１の上部と連通するよう流路を切り換える。温度分布は図３（ｂ）のように２８から３０へと推移し、第三の貯湯温検知手段１７が当面必要な湯量を供給できる程度にその設置位置の温度が上昇したことを検知して運転を停止する。中温水の層はそのまま押し下げられている。この状態から給湯されると、沸き上げてから時間のあまり経っていない高温の湯が使われ、熱量も多く放熱ロスの少ない効率のよい使い方となる。図３（ｃ）において３１は、給湯が終了した状態での温度分布である。

図４は、貯湯槽１の湯を使用した後、深夜の沸き上げ前に貯湯槽１上部に残湯のある、通常よく出現する場合である。図４（ａ）の３２は、図３（ｃ）の３１からしばらく経過した沸き上げに入る前の貯湯槽１内の温度分布である。沸き上げ湯量選択手段１８は全量沸き上げ工程を選択している。最初、貯湯槽１中間の温度と貯湯槽１下部の温度にはほとんど差はないので、流路は貯湯槽１上部と連通するように制御され、ヒートポンプユニット２で沸き上げられた高温の湯３３は、３４のように上から全体を押し下げながら貯まっていく。

図４（ｂ）の３５は、中温水の層の最下部が第一の貯湯温検知手段１４の位置に達した後、第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度と５℃差がつき、第二の配管１２の流路が貯湯槽１上部から中間部に切り換えられてしばらく後の温度分布である。流路が切り換えられると、高温の湯３３が貯湯槽１の中間位置から流入し、浮力の作用でこの位置から上の部分が撹拌され、貯湯槽１の中間部より上に貯えられていた湯はそのおよそ平均的な温度で一様な分布となる。

この時点で温度勾配を持つ中温水の層は解消する。その後、この貯湯槽１の上半分の温度は流入する高温の湯によって次第に上昇しつつ、同時に水の循環によって押し下げられるとともに上部の湯と下部の水との熱交換により、３６、３７に示すごとく、中温水の層が徐々に成長する。ただし、当初の中温水の層と比較すれば格段に小さい。

その後、図４（ｃ）に示すように貯湯槽１中間部から上の湯は流入する高温の湯に撹拌されつつ温度が上昇し、さらに、３８のように下部の湯を押し下げながら最終的には全体としてヒートポンプユニット２による沸き上げ温度に近い湯が貯湯槽１下部まで小さい中温水層を維持したまま満たされていく。

３９のように第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度が沸き上げ終了温度に達したら沸き上げ運転を終了する。したがって、第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に送る水の温度を低いまま保つことができ、効率のよい運転が可能になる。また、貯湯槽１全体を高温の湯で満たし、十分な熱量の湯を貯えることができる。

このように、本発明の実施の形態によれば、中温水の層をできる限り解消することによって、第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に流入する水温を給水と同程度に保つ割合を大幅に向上させることができるので、沸き上げ時に高効率の運転が可能となり、省エネルギー性に優れた給湯機を実現できる。このとき、湯切れを回避するためにおこなわれる沸き増し運転時には、その緊急性を考慮した運転を行い、使い勝手を損なわない。

また、図示しないが、第二の貯湯温検知手段１５の代わりに、給水温を検知するように給水管４に給水温検知手段を設けても同様の効果が得られる。

なお、ヒートポンプユニット２の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沸き上げ温度を高温にできるので、貯湯槽１内の湯温を自在に制御できる。

以上のように、本発明にかかる給湯機は、効率が高い状態での運転の割合を高めることができるので、前記したような家庭用の給湯機の貯湯槽に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた省エネルギー性を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯機の構成図 同動作のフローチャート 同貯湯槽内温度分布の変化を示した図 同貯湯槽内温度分布の変化を示した図 従来の給湯機の構成図

１ 貯湯槽
２ 加熱手段（ヒートポンプユニット）
１１ 第一の配管
１２ 第二の配管
１３ 流路切換手段（三方弁）
１４ 第一の貯湯温検知手段
１５ 第二の貯湯温検知手段
１６ 第一の流路切換制御手段
１７ 第三の貯湯温検知手段
１８ 沸き上げ湯量選択手段
１９ 第二の流路切換制御手段

Claims (5)

1. 貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記貯湯槽に略全量となるまで貯湯する全量沸き上げ工程と、部分的に湯を貯湯する部分沸き上げ工程とを有し、前記沸き上げ工程に応じて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とする給湯機。
2. 貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段と、前記給水管または前記貯湯槽の下部に設けた第二の温検知手段とを備え、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値より小さい場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させ、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値以上の場合には、前記流路切換手段を前記第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させることを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
3. 部分沸き上げ工程運転中には、流路切換手段を第二の配管のうち貯湯槽の上部に接続された配管と連通させることを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
4. 加熱手段を、ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯機。
5. ヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とする請求項４に記載の給湯機。

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