JP2012026690A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯槽の湯を利用する構成において、中温水が発生することによる利用可能湯量の減少と、沸き上げ時の効率低下とを抑えた給湯装置を提供すること。
【解決手段】貯湯槽１の上部に接続された第１の出湯管３、貯湯槽１の下部に接続された給水管５、貯湯槽１の上下方向において第１の出湯管３が接続された位置と給水管５が接続された位置との間に接続された第２の出湯管４、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１、熱利用出湯配管２１に接続された熱交換器２０、熱交換器２０と貯湯槽１に接続された熱利用戻り管２２を備え、熱利用戻り管２２は、貯湯槽１の上下方向において、第２の出湯管４の貯湯槽１の接続位置よりも高い位置で、貯湯槽１に接続されていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ方式の加熱手段で加熱した水を貯湯槽へ貯湯して利用する貯湯式給湯装置に関するものである。

この種の給湯装置は、加熱手段によって貯湯槽の底部から供給される水を高温に加熱し、断熱材で被覆された貯湯槽の上部へ貯留する一連のサイクルを繰り返すことにより、貯湯槽の全体または一部に高温の湯を蓄える。使用者が湯を使用する給湯時には、加熱されていない水と混合することで所定温度にして給湯端末で使用する。

ここで用いるヒートポンプ式加熱手段の運転効率は、外気温と沸き上げ温度と加熱手段に供給される水の温度である入水温度とに依存し、外気温が高い場合や沸き上げ温度が低い場合、入水温度が低い場合に運転効率が向上する。外気温は季節や稼動時刻によって変動し、それに加えて入水温度は貯湯槽の温度状態によっても変動する。

特に、風呂追い焚きやラジエター等の貯湯槽内の熱を利用する端末を使用する場合は、熱利用端末内の湯と貯湯槽の湯を熱交換器によって熱交換した後の湯を貯湯槽下部へ戻す構成となっている。本来は、貯湯槽の底部には給水温度と同程度の温度の水が存在しているが、熱利用端末の利用が発生する場合は、熱交換器からの湯が下部の低い水と混合されるため、給水温度よりも高い中間的な温度となった中温水が貯湯槽の下部に生じる。その中温水が、沸き上げの際に加熱手段へ供給されるため、入水の温度が上昇することになり効率は著しく低下する。

従来、熱利用端末によって生じる中温水を取り除くために、貯湯槽の上下方向の中間的な位置に第２の出湯口を設け、中間位置に存在する湯を優先的に使用する構成としていた（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。図１０に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の湯水を加熱する加熱手段２と、貯湯槽１の上部に接続された第１の出湯管３と、貯湯槽１の中間部分に接続された第２の出湯管４と、貯湯槽１の第１の出湯管３からの湯と第２の出湯管４からの湯を混合させる第１の混合弁６と、第２の出湯管４が接続された位置での貯湯槽１内の湯温を検知する湯温検知手段１２と、給湯温度を設定する給湯温度設定手段３０を設け、湯温検知手段１２により検知された湯温が給湯温度設定手段３０で設定された給湯設定温度以上であれば第２の出湯管４から出湯し、給湯設定温度未満であれば第１の出湯管３から出湯するように、第１の混合弁６の流路を切り換える。

また、熱利用端末２３と、貯湯槽１の熱と熱利用端末２３内の熱を交換する熱交換器２０と、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１と、熱交換器２０と貯湯槽１の下部に接続された熱利用戻り管２２と、貯湯槽１から熱交換器２０へ湯を搬送するためのポンプ２５と、熱利用端末２３での利用熱温度を検知する熱利用温度検知手段２４と、熱利用端末２３での利用温度を設定する熱利用温度設定手段３１を設け、熱利用端末２３による熱の利用が発生する場合は、熱利用温度検知手段２４の検知する温度と熱利用温度設定手段３１で設定された温度に従ってポンプ２５を制御して流量を制御する。熱利用戻り管２２から戻る中温水は、貯湯槽１の下部から入水され、湯の利用に従って上昇し、第２の出湯管４から出湯して利用される。

特開２００３−２４０３４２号公報

しかしながら、熱利用戻り管２２の貯湯槽１との接続位置が、第２の出湯管４の接続位置よりも低い場合は、熱利用端末２３の利用によって生じる中温水を十分に取り除くことができず、効率の悪化を防ぐことができない。

ここで、図１１を用いて、この作用を詳しく説明する。まず、図１１は従来の構成における貯湯槽１内の熱利用戻り管からの湯による温度変化と、給湯が発生した場合の温度変化について説明したものであり、横軸に温度、縦軸に貯湯槽１の高さをとって温度分布を示す。図１１ａの５１は初期温度分布であり、その状態から貯湯槽１の底部に熱利用戻り管２２からの湯が流入した場合、図１１ｂの５２に示すように、貯湯槽１の底部にある温度の低い湯の温度Ｔ１が一様にＴ２まで上昇して中温水が生じる。

その後、シャワー等の給湯が発生すると、図１１ｃの５３に示すように、第２の出湯管４より下の部分が押し上げられ、貯湯槽１の下部には、出湯量に相当する量の水が流入し温度はＴ１に戻る。しかし、最下部は低温であるが、それ以上の５４で示す部分の中温水は使い切れずに残ったままになる。

その後、貯湯槽１の底部から順番に加熱手段２へ湯を循環して夜間の沸き上げが行われるため、加熱手段２へＴ２まで上昇した中温水が送られ効率が低下する。そのため、熱利用戻り管２２からの湯の戻りによる温度分布変化を鑑みると、熱利用戻り２２の接続位置が第２の出湯管４の下より低い位置にある場合では、効率の低下を十分に防止することはできないことがわかる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽の湯を利用する構成において、中温水が発生することによる利用可能湯量の減少と、沸き上げ時の効率低下とを抑えて、使用性と省エネルギー性に優れた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、貯湯槽と、前記貯湯槽の上部に接続された第１の出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１の出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２の出湯管と、前記貯湯槽の上部に接続された熱利用出湯管と、前記熱利用出湯配管に接続された熱交換器と、前記熱交換器と前記貯湯槽に接続された熱利用戻り管とを備え、前記熱利用戻り管は、前記貯湯槽の上下方向において、前記第２の出湯管の前記貯湯槽の接続位置よりも高い位置で、前記貯湯槽に接続されていることを特徴とするものである。

これによって、熱利用端末で湯の使用がある場合、熱交換器から貯湯槽に戻る湯により発生した中温水を、第２の出湯管を通じて有効に利用することができる。

本発明によれば、貯湯槽の湯を利用する構成において、中温水が発生することによる利用可能湯量の減少と、沸き上げ時の効率低下とを抑えて、使用性と省エネルギー性に優れた給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図 同給湯が発生する場合の制御ブロック図 同給湯が発生する場合の制御のフローチャート 同貯湯槽内の温度分布の変化を示す図 同熱利用端末での熱利用が発生する場合の制御ブロック図 同熱利用端末での熱利用が発生する場合の制御のフローチャート （ａ）同熱利用端末での熱利用が発生する前の温度分布を示す図（ｂ）同熱利用端末での熱利用が発生した直後の温度分布を示す図（ｃ）同熱利用端末での熱利用が発生した後、給湯が発生した後の温度分布を示す図 同撹拌防止部材の一例を示す図 本発明の実施の形態２における給湯装置の構成図 従来の給湯装置の構成図 （ａ）従来の給湯装置において熱利用端末での熱利用が発生する前の温度分布を示す図（ｂ）従来の給湯装置において熱利用端末での熱利用が発生した直後の温度分布を示す図（ｃ）従来の給湯装置において熱利用端末での熱利用が発生した後に給湯が発生した後の温度分布を示す図

第１の発明は、貯湯槽と、前記貯湯槽の上部に接続された第１の出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１の出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２の出湯管と、前記貯湯槽の上部に接続された熱利用出湯管と、前記熱利用出湯配管に接続された熱交換器と、前記熱交換器と前記貯湯槽に接続された熱利用戻り管とを備え、前記熱利用戻り管は、前記貯湯槽の上下方向において、前記第２の出湯管の前記貯湯槽の接続位置よりも高い位置で、前記貯湯槽に接続されていることを特徴とする貯湯式給湯装置で、熱交換器から貯湯槽に戻る湯により発生した中温水を第２の出湯管を通じて有効に利用することにより、貯湯された湯の熱量を最大限有効に利用し、かつ沸き上げ効率の低下を防ぐことができるので、良好な使い勝手と高い省エネルギー性とを実現できるという効果がある。

第２の発明は、前記貯湯槽の底部に接続された入水配管と、前記入水配管に接続された加熱手段と、前記加熱手段と前記貯湯装置上部に接続された加熱配管とを備え、前記熱利用戻り管が前記加熱配管と接続していることを特徴とするもので、前記貯湯槽に新たに戻り口を設ける必要がないため、前記貯湯槽の耐圧性能の低下を防ぐことができるという効果がある。

第３の発明は、前記熱利用戻り管が、前記貯湯槽内の湯の撹拌を防止する拡散部材を備えていることを特徴とするもので、前記貯湯槽内の温度成層を崩すことを防止する効果がある。

第４の発明は、加熱手段にヒートポンプ装置を用いることにより、より省エネルギー効果の高い給湯装置を実現することができる。

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装置の構成を示す図である。

図１において、給湯装置は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２であ
るヒートポンプ装置と、貯湯槽１の上部に接続された第１の出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管５と、第１の出湯管３と給水管５とが接続された位置の間、すなわち、高さ方向において貯湯槽１の胴部略中央部に接続された第２の出湯管４と、給水管５から分岐された給水分岐管１０と、第１の出湯管３と第２の出湯管４とが入口側に接続された第１の混合弁６と、この第１の混合弁６の出口側に接続された出湯管合流管８と給水分岐管１０とが入口側に接続された第２の混合弁７と、この第２の混合弁７の出口側に接続された混合水管９とを備えている。

さらに、この混合水管９に接続された給湯口１１と、第２の出湯管４を流れる湯温を検知する中温検知手段１２と、出湯管合流管８を流れる湯温を検知する合流温検知手段１３と、混合水管９を流れる湯温を検知する給湯温度検知手段１４と、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１と、熱利用出湯管２１に接続された熱交換器２０と、貯湯槽１上部と貯湯槽１と第２の出湯管４とが接続された位置の間に接続された熱利用戻り管２２と、熱交換器２０に接続された熱利用端末２３と、熱利用戻り管２２に流れる湯量を調整するポンプ２５と、熱利用端末２３に流れる湯温を検知する熱利用温度検知手段２４とを備えている。

さらに、給湯口１１の給湯温度を設定する給湯温度設定手段３０と、熱利用端末２３の熱利用温度を設定する熱利用温度設定手段３１と、中温検知手段１２と合流温検知手段１３と給湯温度検知手段１４の出力ならびに給湯温度設定手段３０の設定に基づいて第１の混合弁６と第２の混合弁７とを制御し、熱利用温度設定手段３１と熱利用温度検知手段２４の出力、ならびに熱利用温度設定手段３１の設定に基づいてポンプ２５を制御する制御手段３２をと有する制御装置３３とを備えている。

図２は制御のブロック図を示し、中温検知手段１２と、合流温検知手段１３、および給湯温度検知手段１４の出力と給湯温度設定手段３０の設定に基づいて、第１の混合弁６と第２の混合弁７の制御を行う制御手段３２からなる。

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。

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、貯湯槽１の水がヒートポンプ装置２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が貯湯槽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。

沸き上げ後の給湯利用の際には、第１の出湯管３と第２の出湯管４を通じて出湯される貯湯槽１の湯を第１の混合弁６によって混合された出湯管合流管８内の湯と、給水分岐管１０からの給水を第２の混合弁７によって給湯設定温度に混合されて給湯口１１へ供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管５を通じて貯湯槽１下部から流入する。

ここで、この給湯利用時の動作と熱利用端末利用時の動作を図３〜図７を用いて詳細に説明する。給湯温度は給湯温度設定手段３０で給湯設定温度として設定され、ｔｓを給湯口１１の給湯設定温度とし、ｔｓ２を例えば＋５℃といった給湯設定温度から所定温度高い温度とし、ｔｍを中温検知手段１２で検知した温度とする。また、ｔｅを熱利用温度検知手段２４で検出する温度とし、ｔｓ３を熱利用設定温度手段で設定される温度とする。

図３は、給湯が発生した場合の制御のフローチャートである。給湯が開始されると、ｔｍとｔｓ２の大小関係を判断し（ステップ１）、ｔｍがｔｓ２よりも高い場合は、第２の出湯管４からのみ出湯するように、第１の混合弁６を第２の出湯管４側に全開にする（ステップ２）。

ｔｍがｔｓ以下である場合は、合流温検知手段１３で検知する湯温に基づいて、合流温検知手段１３がｔｓ２になるように第１の混合弁６の開度を調整する（ステップ３）。その後、給湯温度検知手段１４からの出力がｔｓになるように、第２の混合弁７によって出湯管合流管８の湯と給水分岐管１０の水を混合する（ステップ４）。設定温度ｔｓに調整された湯は、混合水管９を通じて給湯口１１から給湯される。

図４は、貯湯槽１内の温度分布の変化を示した図である。横軸に温度、縦軸に貯湯槽１の高さを示し、４５の温度分布は、中間的な温度帯である中温層の上端が第２の出湯管４の貯湯槽１との接続位置にある場合、つまり、中温層の給湯利用が開始される直前の様子である。第１の出湯管３と第２の出湯管４の両方から出湯される間、中温層は縮小しながら貯湯槽１の上方へ移動する。

両方から出湯したときの出湯管合流管８での湯温がｔｓ以下になると、第２の出湯管４からの出湯は停止し、中温層はそのまま貯湯槽１の上方へ移動する。この結果、中温層の大きさは当初は１５ｆであったものが１５ｇまで縮小する。４６は、中温層１５ｇが第２の出湯管４の接続位置を通過した時点の温度分布である。

図５は、熱利用端末２３での熱利用があった場合の制御のブロック図を示し、熱利用温度検知手段２４の出力と、熱利用温度設定手段３１の設定に基づいて、ポンプ２５の制御を行う制御手段３２からなる。

図６は、熱利用端末２３での熱利用があった場合の制御のフローチャートである。熱利用端末での利用が開始されると、熱利用温度検知手段２４で熱利用端末の温度ｔｅを検知し、ｔｅと熱利用端末設定温度ｔｓ３との比較を行う（ステップ５）。ｔｅがｔｓ３よりも低い場合は、ポンプの駆動を開始し（ステップ６）、高い場合は、ポンプの駆動を停止する（ステップ７）。

図７は、貯湯槽１内の熱利用戻り管からの湯による温度変化と、給湯が発生した場合の温度変化について説明したものであり、横軸に温度、縦軸に貯湯槽１高さをとって温度分布を示す。Ｔ１は給水温度であり、Ｔ３は貯湯槽１上部の温度、Ｔ２は熱利用戻り管２２からの湯の流入により生じた中温水の温度である。

図７（ａ）の６１は初期の温度分布であり、その状態から貯湯槽１の上部に熱利用戻り管２２からの湯が流入した場合、図７（ｂ）の６２に示すような温度分布となる。Ｔ２は、熱利用戻り管２２から流入する温度とＴ３によって変化するが、必ず、貯湯槽１の熱利用戻り管２２が接続されている位置より下の湯が中温水となる。

その後、給湯が発生した場合、第２の出湯管４が熱利用戻り管よりも下の位置に接続されているため、熱利用戻り管２２により生じた中温水が、優先的に利用され、熱利用戻り管２２による温度分布変化の影響を取り除くことができる。

また、熱利用戻り管２２は貯湯槽１の上部に接続されており、貯湯槽１下部の温度が給水温度Ｔ１に保たれているため、沸き上げ時に加熱装置に中温水が循環して効率が低下することは無くなる。

また、図８は、熱利用戻り管が貯湯槽１と接続する部分に設置されている撹拌防止部材の一例を示す図である。熱利用戻り管からの流速が高い場合、貯湯槽１内に形成されている温度成層が湯の流入によって撹拌され、熱利用戻り管の周囲の湯との混合により中温水が多くなる恐れがある。

図８に示すように、熱利用戻り管の貯湯槽１内の出口付近にバッフル板を設置し、流速を落として撹拌を防止する構成にすることによって、より高い効果を得ることができる。尚、撹拌防止部材は、この例の限りでなく、熱利用戻り管の開口部の形状や面積を変更したものであってもよい。

このように、本発明の第一の実施の形態によれば、熱利用戻り管２２の貯湯槽１との接続位置を第２の出湯管４の貯湯槽１との接続位置よりも高い位置にする構成により、熱利用戻り管２２によって生じる中温水の影響を取り除き、沸き上げ時の効率低下を防ぐことができるので、良好な使い勝手と高い省エネルギー性とを実現できる。

さらに、ヒートポンプ装置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。

（実施の形態２）
図９は、本発明の第２の実施の形態における給湯装置の構成を示す図である。第１の実施の形態における熱利用戻り管２２が、加熱手段２の出口側と貯湯槽１とに接続される沸き上げ管１６の途中に、接続される構成としている。

制御手段３２による制御は第一の実施の形態における制御と同一であり、沸き上げ管１６を通して貯湯槽１に熱利用戻り管２２内の湯を流入させても中温水の影響による効率低下を防ぐ効果は同等である。加えて、貯湯槽１の頂部に新たに接続口を設ける必要がないため、強度を保つ効果がある。

このように、本発明の第二の実施の形態によれば、貯湯槽１の強度を落とすことなく、熱利用戻り管２２による効率低下を防ぐことができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、貯湯槽内の湯の熱を利用する場合において熱利用端末利用による効率の低下を減少させるので、前記したような家庭用の給湯装置に適用できるほか、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。

１ 貯湯槽
２ 加熱手段（ヒートポンプ装置）
３ 第１の出湯管
４ 第２の出湯管
５ 給水管
６ 第１の混合弁
７ 第２の混合弁
８ 出湯管合流管
９ 混合水管
１０ 給水分岐管
１１ 給湯口
１２ 中温検知手段
１３ 合流温検知手段
１４ 給湯温度検知手段
１６ 沸き上げ管
２０ 熱交換器
２１ 熱利用出湯管
２２ 熱利用戻り管
２３ 熱利用端末
２４ 熱利用温度検知手段
２５ ポンプ
３０ 給湯温度設定手段
３１ 熱利用温度設定手段
３２ 制御手段
３３ 制御装置

Claims (4)

1. 貯湯槽と、前記貯湯槽の上部に接続された第１の出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１の出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２の出湯管と、前記貯湯槽の上部に接続された熱利用出湯管と、前記熱利用出湯配管に接続された熱交換器と、前記熱交換器と前記貯湯槽に接続された熱利用戻り管とを備え、前記熱利用戻り管は、前記貯湯槽の上下方向において、前記第２の出湯管の前記貯湯槽の接続位置よりも高い位置で、前記貯湯槽に接続されていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記貯湯槽の底部に接続された入水配管と、前記入水配管に接続された加熱手段と、前記加熱手段と前記貯湯装置上部に接続された加熱配管とを備え、前記熱利用戻り管が前記加熱配管と接続していることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記熱利用戻り管が、前記貯湯槽内の湯の撹拌を防止する拡散部材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯式給湯装置。
4. 加熱手段をヒートポンプ装置としたことを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。

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