JP2011149569A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浴槽水の加温に伴う中温水の増加による湯切れを防止する。
【解決手段】貯湯タンク１の湯水を加熱するためのヒートポンプ式加熱手段１９と、貯湯タンク１内の湯を熱源として浴槽水を加熱するためのフロ熱交換器１３と、貯湯タンク１下部の湯水の温度を検出する下部温度センサ２８ｅと、下部温度センサ２８ｅが検出する温度が所定の沸き上げ停止温度に達するとヒートポンプ式加熱手段１９による沸き上げ運転を停止する沸き上げ停止制御手段と、浴槽水の加温を行ったか否かを記憶する記憶手段３５と、を備え、沸き上げ停止制御手段３６は記憶手段３５の記憶内容に基づき、浴槽水の加温を行った場合は、浴槽水の加温を行わなかった場合よりも所定の沸き上げ停止温度を高く設定するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明はヒートポンプ式加熱手段で貯湯タンク内の湯水を循環加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ式給湯装置では、特許文献１に示されるように、貯湯タンクの下部から取り出した水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げ目標温度に加熱して貯湯タンクの上部から戻すようにしたものがある。そして、給湯の際は、貯湯タンク下部からの給水により貯湯タンク上部から沸き上げられた湯が出湯されることで給湯を行い、貯湯タンク内には上部に高温の湯、下部に低温の水、それらの境界層に中間温度の中温水が位置する状態となる。

そして、この従来のものでは、電力料金単価の安価な深夜時間帯でのヒートポンプ式加熱手段での沸き上げ時には、貯湯タンク下部の低温の水のみを沸き上げ、貯湯タンク内の中温水を残して沸き上げ運転を終了するようにしてヒートポンプ式加熱手段の加熱効率の悪化を防止しているものであった。

特開２００５−４９０５４号公報

ところが、この従来のものでは、貯湯タンク内にフロ熱交換器を配置して貯湯の熱を浴槽水の加温の熱源としたような場合、貯湯タンク内に多量の中温水が発生する場合があるが、この中温水を残して沸き上げ運転を終了することとなるため、貯湯タンクの蓄熱可能量を減らしてしまい、湯切れの可能性が高くなってしまうと共に、翌日には浴槽水の加熱能力が不足する事態となってしまうことがあった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を加熱するためのヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部に戻す加熱循環ポンプと、前記貯湯タンク内の湯を熱源として浴槽水を加熱するためのフロ熱交換器と、前記貯湯タンク下部の湯水の温度を検出する下部温度センサと、前記下部温度センサが検出する温度が所定の沸き上げ停止温度に達すると前記ヒートポンプ式加熱手段および前記加熱循環ポンプによる沸き上げ運転を停止する沸き上げ停止制御手段と、浴槽水の加温を行ったか否かを記憶する記憶手段と、を備え、前記沸き上げ停止制御手段は前記記憶手段の記憶内容に基づき、浴槽水の加温を行った場合は、浴槽水の加温を行わなかった場合よりも前記所定の沸き上げ停止温度を高く設定するようにした。

このように、本発明によれば、貯湯タンクの蓄熱可能量の低下を抑制することができると共に、浴槽水の加熱能力を確保することが可能となる。

本発明の一実施形態のシステム図。 同一実施形態の作動を説明するためのフローチャート図。

次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置を図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に市水を給水する給水管、３は貯湯タンク１頂部から出湯する出湯管、４は給水管２から分岐された給水バイパス管、５は出湯管３からの湯と給水バイパス管４からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁、６は給湯混合弁５で混合された湯が流通する給湯管、７は給湯管６からの湯を給湯する給湯栓、８は給湯管６途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、９は給湯管６途中に設けられ給湯量を検出する給湯流量センサ、１０は給水管２に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１１は貯湯タンク１内の過圧を逃がす過圧逃がし弁である。

１２は浴槽、１３は貯湯タンク１内の上部に設けられ貯湯タンク１内の湯の熱で外部流体としての浴槽水を加熱するためのフロ熱交換器、１４は浴槽１２とフロ熱交換器１３とを浴槽水が循環可能に接続するフロ循環回路、１５はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽水を循環させるフロ循環ポンプ、１６は給湯管６から分岐されフロ循環回路１４に接続された湯張り管、１７は湯張り管１６途中に設けられ湯張り管１６を開閉する湯張り開閉弁、１８はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽１２からフロ熱交換器１３へ流れる浴槽水の温度を検出するフロ温度センサである。ここで、フロ熱交換器１３はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。

１９は貯湯タンク１内の湯水を加熱するためのヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２１と、冷媒の圧力を減圧する減圧器２２と、液冷媒を蒸発させる蒸発器２３とを備え、蒸発器２３で吸熱した冷媒を圧縮機２０で圧縮して冷媒水熱交換器２１を介して水を加熱するようにしている。このヒートポンプ式加熱手段１９には冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられ、高圧側が超臨界状態となることにより水を９０℃の高温まで加熱することができるものである。

２４は貯湯タンク１の下部と冷媒水熱交換器２１の水側と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、２５は加熱循環回路２４途中に設けられた加熱循環ポンプである。

２６は冷媒水熱交換器２１へ流入する水の温度を検出する入水温度センサ、２７は冷媒水熱交換器２１で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサ、２８は貯湯タンク１の側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサで、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出するためのものであり、上から２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅと呼ぶ。なお、これら貯湯温度センサ２８ａ〜ｅの内、貯湯温度センサ２８ｂはフロ熱交換器１３の中間部付近の貯湯温度を検出する位置に設けられ、最下部の貯湯温度センサ２８ｅは貯湯タンク１下部の湯水の温度を検出する下部温度センサとして作動するものである。

２９はリモコンで、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、フロ設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態等）を表示する表示部３０と、給湯設定温度およびフロ設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３１と、浴槽１２へ一定量の湯張りを指示する湯張りスイッチ３２と、浴槽水の追焚きを指示する追焚きスイッチ３３とを備えている。

３４は給湯温度センサ８、給湯流量センサ９、フロ温度センサ１８、入水温度センサ２６、沸き上げ温度センサ２７、貯湯温度センサ２８ａ〜ｅの検出値が入力され、フロ循環ポンプ１５、湯張り開閉弁１７、圧縮機２０、減圧器２２、加熱循環ポンプ２５の作動を制御すると共に、リモコン２９と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段３４は、予め給湯装置の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。

そして、制御手段３４には、浴槽水の加温を行ったか否かを記憶する記憶手段３５と、沸き上げ運転中に下部温度センサ２８ｅが検出する温度が所定の沸き上げ停止温度に達するとヒートポンプ式加熱手段１９および加熱循環ポンプ２５による沸き上げ運転を停止すると共に、浴槽水の加温を行った場合は、浴槽水の加温を行わなかった場合よりも所定の沸き上げ停止温度を高く設定するようにした沸き上げ停止制御手段３６と、が設けられている。なお、前記記憶手段３５は深夜時間帯での沸き上げ動作が完了すると、その記憶内容がリセットされて浴槽水の加温を行っていない旨が記憶されるものである。

次に、給湯動作について説明すると、給湯栓７が開かれると、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から出湯管３介して高温の湯が出湯し、制御手段３４は給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン２９の温度設定スイッチ３１で設定された給湯設定温度になるよう給湯混合弁５の開度を調整し、給湯栓７から給湯設定温度の湯が給湯され、給湯栓７が閉じられることで給湯動作が終了する。

この給湯時には、貯湯タンク１の底部へ流入した水は給水管２の断面積に比べて十分に大きな断面積を持つ貯湯タンク１内で十分に減速され、高温の湯の層をほとんど乱すことなく下方から水の層を形成する。そして、貯湯タンク１上部の高温の湯と貯湯タンク１下部の低温の水とが接する温度境界層Ｌが形成される。そして、給湯量が増加するにつれて貯湯タンク１上部の高温の湯の層が減少すると共に貯湯タンク１下部の水の層が増加し、温度境界層Ｌが上昇する。この温度境界層Ｌは所定の温度差があればそれぞれの温度に基づく比重の違いによって混じり合うことがないもので、時間の経過に伴う熱伝導によって温度境界層Ｌの厚みが増し徐々に温度勾配が緩くなっていくものである。

次に、湯張り動作について説明すると、リモコン２９の湯張りスイッチ３２が操作されると、制御手段３４は湯張り開閉弁１７を開いて給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン２９の温度設定スイッチ３１で設定されたフロ設定温度になるように給湯混合弁５の開度を調整して適温の湯を湯張りし、給湯流量センサ９が所望の湯張り流量を積算すると湯張り開閉弁１７を閉じて湯張り動作を終了する。

そして、湯張り動作が終了してから予め定めた一定時間は、浴槽水の温度をフロ設定温度に保つ保温動作を行う。この保温動作について説明すると、制御手段３４は所定のインターバル時間毎にフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水をフロ循環回路１４に循環させてフロ温度センサ１８で浴槽水の温度を検出する。浴槽水の温度がフロ設定温度より低い場合はフロ循環ポンプ１５の駆動を継続し、フロ熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了し、再度インターバル時間が経過すると同じ動作を繰り返す。そして、予め定めた一定時間が終了するとこの保温動作を終了する。このように保温動作を行うと、貯湯タンク１内のフロ熱交換器１３の上端部から温度境界層Ｌまでの間の湯は浴槽水の加温の熱源として用いられるために温度低下する。ここで、この保温動作において、浴槽水をフロ熱交換器１３へ流通させて浴槽水を加温したら、記憶手段３５は浴槽水の加温を行った旨を記憶するようにしている。

また、リモコン２９の追焚きスイッチ３３が操作されたときの追焚き動作について説明すると、浴槽水の温度をフロ設定温度＋一定温度（例えば１℃）まで追い焚きするように、制御手段３４はフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水をフロ熱交換器１３へ循環させ、フロ熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。そして、フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度＋一定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了して追焚き動作を終了する。このように追焚き動作を行うと、貯湯タンク１内のフロ熱交換器１３の上端部から温度境界層Ｌまでの間の湯は浴槽水の加温の熱源として用いられるために温度低下する。ここで、この追い焚き動作において、浴槽水をフロ熱交換器１３へ流通させて浴槽水を加温したら、記憶手段３５は浴槽水の加温を行った旨を記憶するようにしている。

次に、沸き上げ動作について図２のフローチャート図に基づいて説明する。電力料金単価が安価な所定時間帯である深夜時間帯のピークシフト時刻になると（ステップＳ１）、沸き上げ停止制御手段３６は記憶手段３５に浴槽水の加温を行った旨の記憶があるかどうかをチェックする（ステップＳ２）。

記憶手段３５に浴槽水の加温を行った旨の記憶がある場合は（ステップＳ２でＹｅｓ））、沸き上げ停止制御手段３６は所定の沸き上げ停止温度を６０℃にセットし（ステップＳ３）、圧縮機２０と減圧器２２とを駆動制御してヒートポンプ式加熱手段１９と加熱循環ポンプ２５を駆動して、沸き上げ温度センサ２７で検出する温度が沸き上げ目標温度となるように沸き上げ動作を開始する（ステップＳ４）。

そして、下部温度センサ２８ｅが所定の沸き上げ停止温度（ここでは６０℃）を検出したら（ステップＳ５でＹｅｓ）、圧縮機２０と減圧器２２とを駆動停止してヒートポンプ式加熱手段１９を停止すると共に加熱循環ポンプ２５も停止して、沸き上げ運転を終了する（ステップＳ６）。

一方、記憶手段３５に浴槽水の加温を行った旨の記憶がない場合は（ステップＳ２でＮｏ）、沸き上げ停止制御手段３６は所定の沸き上げ停止温度を４０℃にセットし（ステップＳ７）、圧縮機２０と減圧器２２とを駆動制御してヒートポンプ式加熱手段１９と加熱循環ポンプ２５を駆動して、沸き上げ温度センサ２７で検出する温度が沸き上げ目標温度となるように沸き上げ動作を開始する（ステップＳ４）。

そして、下部温度センサ２８ｅが所定の沸き上げ停止温度（ここでは４０℃）を検出したら（ステップＳ５でＹｅｓ）、圧縮機２０と減圧器２２とを駆動停止してヒートポンプ式加熱手段１９を停止すると共に加熱循環ポンプ２５も停止して、沸き上げ運転を終了する（ステップＳ６）。

このように、浴槽水の加温を行った旨が記憶されている場合は、浴槽水の加温を行った旨が記憶されていない場合に比べて所定の沸き上げ停止温度を高く設定しているので、浴槽水の加温によって発生した貯湯タンク１内の中温水を多く沸き上げることができるため、貯湯タンク１の蓄熱可能量の低下を抑制することができると共に、浴槽水の加熱能力を確保することができる。さらには、浴槽水の加温を行っていない場合は、貯湯タンク１内の中温水の量が自然発生する温度境界層Ｌの厚さ分しか存在しないため、中温水が多量に存在する浴槽水の加温を行った場合に比べて所定の沸き上げ停止温度を低く設定しているので、ヒートポンプ式加熱手段１８の冷媒水熱交換器２１への入水温度が急激に上昇する前に沸き上げ停止できるため、ヒートポンプ式加熱手段１８が高圧異常等の異常状態に陥ることを防止できる。

なお、本発明は上記した一実施形態に限定されるものではなく、例えばフロ熱交換器１３を貯湯タンク１外に設けてもよいもので、その場合、貯湯タンク１の上部から取り出した湯水をフロ熱交換器へ循環させて浴槽水を加熱し、温度低下した湯水を貯湯タンク１の下部あるいは中間部へ戻す外部循環回路を設けた構成としてもよいものではあるが、フロ熱交換器１３を貯湯タンク１内に設けたものの方がより大きな効果を発揮できるため好ましいものである。

１ 貯湯タンク
１３ フロ熱交換器
１９ ヒートポンプ式加熱手段
２４ 加熱循環回路
２５ 加熱循環ポンプ
２８ｅ 下部温度センサ
３５ 記憶手段
３６ 沸き上げ停止制御手段

Claims (2)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を加熱するためのヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部に戻す加熱循環ポンプと、前記貯湯タンク内の湯を熱源として浴槽水を加熱するためのフロ熱交換器と、前記貯湯タンク下部の湯水の温度を検出する下部温度センサと、前記下部温度センサが検出する温度が所定の沸き上げ停止温度に達すると前記ヒートポンプ式加熱手段および前記加熱循環ポンプによる沸き上げ運転を停止する沸き上げ停止制御手段と、浴槽水の加温を行ったか否かを記憶する記憶手段と、を備え、前記沸き上げ停止制御手段は前記記憶手段の記憶内容に基づき、浴槽水の加温を行った場合は、浴槽水の加温を行わなかった場合よりも前記所定の沸き上げ停止温度を高く設定するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記フロ熱交換器は、前記貯湯タンク内の上部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。

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