JP2013130356A - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】沸き上げ温度を低下させることなく、低コストで長期に渡りスケール析出による配管詰まりを抑制することのできる貯湯式給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明の貯湯式給湯機は、上部側から湯を貯留し、下部側から水を貯留する貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０内の湯を給湯先へ供給する給湯配管８と、貯湯タンク１０内に水を供給する給水配管９と、水を加熱する加熱手段１と、貯湯タンク１０内の下部の水を加熱手段１に送り、加熱手段１により加熱された湯を貯湯タンク１０の上部に戻す貯湯回路と、貯湯タンク１０内の下部の水の温度が所定の温度範囲内となるように、貯湯タンク１０内の下部の水または給水配管９から供給される水を加温する加温手段（熱交換器１１３）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関する。

給湯機において、カルシウムを主成分とする水質硬度成分を多く含む水を沸き上げる場合、配管にスケールが析出して配管詰まりを発生させる。従来、スケールによる配管詰まりを防止するためには、水を沸き上げる温度を下げることでスケール析出を抑制することが有効とされ、スケールが析出し易い水質の地区においては沸き上げ温度を６５℃程度まで下げることが一部の給湯機で実験的に実施されている。

しかしながら、スケール析出は６０℃を超える温度から顕著に発生することから、６５℃ではスケールの析出による配管詰まりを防止するためには不十分である。また、沸き上げ温度を低下させると、沸き上げ前の水との温度差が小さくなることから、加熱手段の効率を著しく低下させ、適正な給湯能力を確保することが困難となる。

スケールによる配管詰まりを防止する方法として、特許文献１には、加熱手段の前段に水のろ過手段を有する部品を配置し、水の硬度成分を除去する技術が提案されている。また、特許文献２には、軟水化用の水質調整フィルタを追加することで、供給する水の硬度成分を低減する技術が提案されている。

一方、特許文献３には、所定の温度で相転移する潜熱蓄熱材を備えた蓄熱部を、貯湯タンクユニットからヒートポンプユニットへの給水管と、外部水道を貯湯タンクユニットに補給する給水管との双方に接するように配置する技術が開示されている。このシステムでは、貯湯タンクユニットからヒートポンプユニットへ送られる中間的な温度の水は、蓄熱部に備えられた潜熱蓄熱材により熱が奪われてさらに水温を低下させ、蓄熱部に取り込まれた熱は、外部から貯湯タンクユニットへ給水される際に放出されて、厳冬期等には０℃近くまで低下することもある外部水道の水温を上昇させる。

特開２０１０−１０１５３２号公報 特開２００９−３０９５９号公報 特開２０１１−７４１８号公報

特許文献１および２の技術は、何れも、ろ過手段や軟水化用フィルタの新たな追加が必要であり、その設置スペースの確保が難しい、コストが増加する、部品の寿命が短くメンテナンスを頻繁に必要とする、などの問題がある。また、特許文献３の技術は、スケール析出の抑制を目的としたものではなく、厳冬期等に長時間連続して暖房運転を行うことによって貯湯タンク内の水温が３５〜５５℃のような中間的な温度となった場合に、ヒートポンプユニットへ送られる水の水温を低下させることによってヒートポンプの効率低下を防止することを目的としたものである。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、沸き上げ温度を低下させることなく、低コストで長期に渡りスケール析出による配管詰まりを抑制することのできる貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯機は、上部側から湯を貯留し、下部側から水を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯を給湯先へ供給する給湯配管と、貯湯タンク内に水を供給する給水配管と、水を加熱する加熱手段と、貯湯タンク内の下部の水を加熱手段に送り、加熱手段により加熱された湯を貯湯タンクの上部に戻す貯湯回路と、貯湯タンク内の下部の水の温度が所定の温度範囲内となるように、貯湯タンク内の下部の水または給水配管から供給される水を加温する加温手段と、を備えたものである。

本発明によれば、沸き上げ温度を低下させることなく、低コストで長期に渡りスケール析出による配管詰まりを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態２の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態３の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態４の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態５の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態６の貯湯式給湯機を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機を示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１の貯湯式給湯機は、加熱手段１とタンクユニット２とを備えている。加熱手段１は、圧縮機３、放熱器４（凝縮器）、膨張弁５、および蒸発器６を順に冷媒配管７で接続して構成された冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を搭載している。この加熱手段１は、自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を超える状態で運転することが好ましい。

タンクユニット２は、貯湯タンク１０を内蔵している。貯湯タンク１０としては、上部側から湯（高温湯）を貯留し、下部側から水を貯留することにより、内部に温度成層を形成する積層式貯湯タンクが使用される。貯湯タンク１０は、図示しない断熱材により覆われ、断熱性が確保されている。貯湯タンク１０の上部には、給湯配管８に接続された温水導出口１０１と、沸き上げ戻り流路２１に接続された温水導入口１０３とが設けられている。給湯配管８は、例えば浴槽、シャワー、蛇口等の給湯先に接続されている。給湯配管８の途中には、上水道等の外部水源から供給される水を混合する混合弁（図示せず）が設置されている。貯湯タンク１０内に貯留された高温湯は、温水導出口１０１から流出して給湯配管８に送られ、上記混合弁にて必要に応じて水と混合されて温度調節された上で、上記給湯先へ供給される。沸き上げ戻り流路２１は、放熱器４に接続されている。

貯湯タンク１０の下部には、給水配管９に接続された水導入口１０２と、沸き上げ往き流路２０に接続された水導出口１０４とが設けられている。上水道等の外部水源から供給される水は、給水配管９を通って、水導入口１０２から貯湯タンク１０内に流入する。沸き上げ往き流路２０は、放熱器４に接続されている。沸き上げ往き流路２０の途中には、沸き上げ用送水ポンプ１１０が設置されている。本実施形態では、沸き上げ用送水ポンプ１１０、沸き上げ往き流路２０、放熱器４および沸き上げ戻り流路２１により貯湯回路を構成している。

貯湯タンク１０内に高温湯を貯える貯湯運転時には、貯湯タンク１０の下部の水導出口１０４から流出した水は、沸き上げ用送水ポンプ１１０により沸き上げ往き流路２０を通って加熱手段１の放熱器４に供給され、放熱器４で加熱されて高温湯となる。この高温湯は、沸き上げ戻り流路２１を通ってタンクユニット２に戻り、貯湯タンク１０の上部の温水導入口１０３から貯湯タンク１０内に流入する。加熱手段１では、冷媒は圧縮機３で圧縮され高温高圧となり、放熱器４で冷却され、膨張弁５により減圧され、蒸発器６により大気から吸熱して蒸発し、圧縮機３に戻る。このような貯湯運転により、貯湯タンク１０の上部側から高温湯が順次貯湯される。

給水配管９の途中には、熱交換器１１３が設置されている。熱交換器１１３としては、プレート式熱交換器を用いることが好ましい。貯湯タンク１０の上部の温水導出口１０１には、熱交換用配管１１９が更に接続されている。この熱交換用配管１１９は、熱交換器１１３および加温用ポンプ１１１を通って、貯湯タンク１０の下部付近に設けられた熱交換水導入口１０５に接続されている。

加熱手段１、沸き上げ用送水ポンプ１１０、加温用ポンプ１１１は、それぞれ、図示しない制御部に電気的に接続されている。制御部は、例えば浴室や台所等に設置されるリモコン装置等のユーザーインターフェース装置（図示せず）に入力される使用者からの指示内容と、各部の水温や冷媒温度を検出する温度センサや水の流量を検出する流量センサ等のセンサ類（図示せず）の検出値とに基づいて、加熱手段１、沸き上げ用送水ポンプ１１０、加温用ポンプ１１１の作動を制御する。

加温用ポンプ１１１を運転すると、貯湯タンク１０内の高温湯が熱交換用配管１１９を通って熱交換器１１３に送られ、給水配管９により供給される水と熱交換する。これにより、給水配管９により供給される水が、熱交換器１１３にて加温された後に貯湯タンク１０の下部に流入する。このため、貯湯タンク１０内の下部の水温を上昇させることができる。また、高温湯は熱交換器１１３にて放熱して中温水となり、この中温水が熱交換水導入口１０５から貯湯タンク１０の下部に流入する。この中温水の流入も、貯湯タンク１０内の下部の水温の上昇に寄与する。

制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温が、所定の温度範囲（本実施形態では、１０〜４０℃とする。）内に保たれるように、加温用ポンプ１１１を運転する加温動作を必要に応じて実行する。一般に、夏期においては給水配管９から供給される水の温度が２０℃前後まで上昇するので、このような加温動作は不要であるが、冬季においては加温動作が必要となる。制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温や、熱交換器１１３より上流側の給水配管９内の水温を温度センサ（図示せず）により検出し、それらの検出温度に基づいて、加温動作の実行の要否を判定する。

貯湯運転において、加熱手段１は、貯湯タンク１０内の下部から沸き上げ往き流路２０を通って放熱器４に供給される水を、所定の沸き上げ温度（例えば６５〜９０℃の範囲内の所定温度）にまで加熱して高温湯とし、この高温湯を沸き上げ戻り流路２１により貯湯タンク１０に戻す。水に含まれる硬度成分の主成分であるカルシウムは、水温が高いほど溶解度が低下し、水温が低いほど溶解度が大きくなる。このため、加熱手段１に供給される水の温度が低い（例えば１０℃未満）場合には、水に硬度成分が多く溶解している。この場合、硬度成分が多く溶解した水が放熱器４にて上記沸き上げ温度まで加熱され、硬度成分の溶解度が大きく低下した際に、硬度成分の析出量が多くなる。そのため、析出物であるスケールが放熱器４の出口側の配管内に付着し易く、スケールによる配管詰まりが起き易いという問題がある。

これに対し、本実施形態では、冬季においても、貯湯タンク１０内の下部の水温が１０〜４０℃に保たれるので、加熱手段１に供給される水の温度も１０〜４０℃に保たれる。このような温度範囲内の水であれば、硬度成分の溶解度は十分に小さいので、硬度成分の含有量は少ない。したがって、この場合には、貯湯タンク１０内の下部から供給された水が放熱器４にて上記沸き上げ温度まで加熱されて硬度成分の溶解度が低下した際にも、硬度成分の析出量は少ない。そのため、放熱器４の出口側の配管内にスケールが付着することが抑制され、スケールによる配管詰まりを確実に抑制することができる。また、ろ過手段や軟水化用フィルタ等の新たな追加が不要であり、コストを抑制することができる。また、ろ過手段や軟水化用フィルタ等が必要とするような頻繁な部品交換やメンテナンスが不要であり、スケールによる配管詰まりを長期に渡って抑制することができる。

加熱手段１による沸き上げ温度と、加熱手段１に流入する水の温度（沸き上げ前の水温）との差（以下、「沸き上げ温度差」と称する）が小さ過ぎると、沸き上げ効率（エネルギー効率）が低下する。これに対し、本実施形態では、貯湯タンク１０内の下部の水温が１０〜４０℃に保たれるので、沸き上げ温度差が小さくなり過ぎることはないので、沸き上げ効率（エネルギー効率）の低下を回避することができる。

また、本実施形態では、沸き上げ温度を６５℃以上とすることが好ましい。これにより、沸き上げ温度差を大きくすることができ、沸き上げ効率（エネルギー効率）を向上することができる。硬度成分を多く含む水質の場合、沸き上げ温度を高くするとスケールによる配管詰まりが起き易くなる傾向が一般的であるが、本実施形態では、前述したようにしてスケールの析出を抑制することができるので、配管詰まりを防止しつつ沸き上げ温度を高くすることが可能となる。

なお、加温動作により、給水配管９により供給される水を熱交換器１１３にて加温して貯湯タンク１０に流入させた際、硬度成分の溶解度の低下に伴って一部の硬度成分が析出し、貯湯タンク１０の下部にスケールが蓄積する場合があるが、その析出量は多くないので、通常は問題ない。

本実施形態では、貯湯タンク１０内の下部の水温を１０〜４０℃の範囲に保つようにしているが、この温度範囲は１０〜４０℃に限定されるものではない。この温度範囲の下限を１０℃以上としてもよく、その場合には加熱手段１（放熱器４）における硬度成分の析出をより確実に抑制することができる。また、この温度範囲の上限を４０℃以下としてもよく、その場合には沸き上げ温度差を大きくすることができ、沸き上げ効率（エネルギー効率）を更に向上することができる。

実施の形態２．
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図２は、本発明の実施の形態２の貯湯式給湯機を示す構成図である。

本実施の形態２の貯湯式給湯機は、貯湯タンク１０の下部の水導入口１０２と、熱交換器１１３との間の給水配管９の途中に、硬度成分を除去する除去手段としてのフィルタ１１４が設けられていること以外は実施の形態１と同様である。本実施形態では、給水配管９により供給される水を熱交換器１１３にて加温した際に、硬度成分の溶解度の低下に伴って一部の硬度成分が析出した場合、その析出した硬度成分をフィルタ１１４により除去することができる。このため、硬度成分が特に多い水質の場合であっても、貯湯タンク１０の下部にスケールが蓄積することを確実に防止することができる。フィルタ１１４は、取り外して定期的に洗浄再生ができるものであることが好ましい。

実施の形態３．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図３は、本発明の実施の形態３の貯湯式給湯機を示す構成図である。

図３に示すように、本実施の形態３の貯湯式給湯機では、実施の形態１における加温用ポンプ１１１および熱交換用配管１１９が省略されており、これらに代えて、沸き上げ戻り流路２１から熱交換用配管１２０が分岐し、この熱交換用配管１２０が、熱交換器１１３を経由して、貯湯タンク１０の下部付近に設けられた熱交換水導入口１０５に接続されている。沸き上げ戻り流路２１から熱交換用配管１２０が分岐する分岐部には、熱交換用配管１２０側に流れる高温湯の割合を制御可能な流路制御弁（図示せず）を設けてもよい。

本実施形態における加温動作では、加熱手段１および沸き上げ用送水ポンプ１１０を運転することにより、加熱手段１で高温湯を生成するとともにその高温湯の一部または全部を熱交換用配管１２０を介して熱交換器１１３へ送り、給水配管９から貯湯タンク１０に流入する水を熱交換器１１３にて加温することができる。制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温が１０〜４０℃に保たれるように、この加温動作を必要に応じて実行する。これにより、実施の形態１と同様に、スケールによる配管詰まりを確実に防止することができる。また、本実施形態では、沸き上げ用送水ポンプ１１０によって熱交換器１１３に高温湯を送ることができ、加温用ポンプ１１１が不要であるので、実施の形態１よりも更に低コスト化が図れる。また、本実施形態では、加温動作において貯湯タンク１０内の高温湯を使用しないので、貯湯タンク１０の貯湯量が低下することを回避することができる。なお、本実施形態では、貯湯タンク１０の下部の水導入口１０２と熱交換器１１３との間の給水配管９の途中に実施の形態２と同様のフィルタ１１４を設けてもよい。

実施の形態４．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図４は、本発明の実施の形態４の貯湯式給湯機を示す構成図である。

図４に示すように、本実施の形態４の貯湯式給湯機では、実施の形態１における加温用ポンプ１１１、熱交換器１１３および熱交換用配管１１９が省略されており、これらに代えて、貯湯タンク１０内の下部に加温ヒーター１１５が設置されている。この加温ヒーター１１５は、加温ヒーター電源１１６に接続されており、加温ヒーター制御ユニット１１７が加温ヒーター電源１１６を制御する。本実施形態において、制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温が１０〜４０℃に保たれるように、加温ヒーター１１５により貯湯タンク１０内の下部の水を加温する加温動作を必要に応じて実行する。これにより、実施の形態１と同様に、スケールによる配管詰まりを確実に防止することができる。また、本実施形態では、給水配管９から貯湯タンク１０への水の流入がないときにも貯湯タンク１０内の下部の水を加温することができるので、いつでも加温動作を実行することが可能となる。

実施の形態５．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態５について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図５は、本発明の実施の形態５の貯湯式給湯機を示す構成図である。

図５に示すように、本実施の形態５の貯湯式給湯機では、熱交換器１１３に給水配管９に代えて加温配管１１８が接続されている。加温配管１１８は、貯湯タンク１０内の下部を通って熱交換器１１３に戻る循環回路を形成している。加温配管１１８の途中には、加温用ポンプ１１２が設置されている。制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温が、１０〜４０℃に保たれるように、加温用ポンプ１１１および加温用ポンプ１１２を運転する加温動作を必要に応じて実行する。この加温動作によれば、貯湯タンク１０内の高温湯が加温用ポンプ１１１により熱交換用配管１１９を通って熱交換器１１３に送られるとともに、加温用ポンプ１１２により加温配管１１８を循環する水が熱交換器１１３にて高温湯と熱交換して加温され、この加温された水が貯湯タンク１０内の下部に循環することにより、貯湯タンク１０内の下部の水を加温することができる。これにより、実施の形態１と同様に、スケールによる配管詰まりを確実に防止することができる。なお、本実施形態では、貯湯タンク１０内の下部の水が加温配管１１８に循環するようにしてもよい。また、加温配管１１８の循環回路を閉鎖系とする場合には、加温配管１１８内を水以外の流体（不凍液等）が循環するように構成してもよい。

実施の形態６．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態６について説明するが、上述した実施の形態５との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図６は、本発明の実施の形態６の貯湯式給湯機を示す構成図である。

図６に示すように、本実施の形態６の貯湯式給湯機では、実施の形態５の貯湯式給湯機と比較して、加温用ポンプ１１１および熱交換用配管１１９が省略されており、これらに代えて、沸き上げ戻り流路２１から熱交換用配管１２０が分岐し、この熱交換用配管１２０が、熱交換器１１３を経由して、貯湯タンク１０の下部付近に設けられた熱交換水導入口１０５に接続されている。熱交換用配管１２０の途中には、加温用ポンプ１２１が設置されている。制御部は、貯湯タンク１０内の下部の水温が、１０〜４０℃に保たれるように、加熱手段１、加温用ポンプ１２１および加温用ポンプ１１２を運転する加温動作を必要に応じて実行する。この加温動作によれば、加熱手段１で生成された高温湯が加温用ポンプ１２１により熱交換用配管１２０を通って熱交換器１１３に送られるとともに、加温用ポンプ１１２により加温配管１１８を循環する水が熱交換器１１３にて高温湯と熱交換して加温され、この加温された水が貯湯タンク１０内の下部に循環することにより、貯湯タンク１０内の下部の水を加温することができる。これにより、実施の形態１と同様に、スケールによる配管詰まりを確実に防止することができる。また、本実施形態では、加温動作において貯湯タンク１０内の高温湯を使用しないので、貯湯タンク１０の貯湯量が低下することを回避することができる。

１ 加熱手段
２ タンクユニット
３ 圧縮機
４ 放熱器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 冷媒配管
８ 給湯配管
９ 給水配管
１０ 貯湯タンク
２０ 沸き上げ往き流路
２１ 沸き上げ戻り流路
１０１ 温水導出口
１０２ 水導入口
１０３ 温水導入口
１０４ 水導出口
１０５ 熱交換水導入口
１１０ 沸き上げ用送水ポンプ
１１１，１１２，１２１ 加温用ポンプ
１１３ 熱交換器
１１４ フィルタ
１１５ 加温ヒーター
１１６ 加温ヒーター電源
１１７ 加温ヒーター制御ユニット
１１８ 加温配管
１１９，１２０ 熱交換用配管

Claims (9)

1. 上部側から湯を貯留し、下部側から水を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の湯を給湯先へ供給する給湯配管と、
   前記貯湯タンク内に水を供給する給水配管と、
   水を加熱する加熱手段と、
   前記貯湯タンク内の下部の水を前記加熱手段に送り、前記加熱手段により加熱された湯を前記貯湯タンクの上部に戻す貯湯回路と、
   前記貯湯タンク内の下部の水の温度が所定の温度範囲内となるように、前記貯湯タンク内の下部の水または前記給水配管から供給される水を加温する加温手段と、
   を備える貯湯式給湯機。
2. 前記所定の温度範囲は、１０〜４０℃以内の範囲である請求項１記載の貯湯式給湯機。
3. 前記加温手段は、前記貯湯タンク内から供給される湯によって前記給水配管から前記貯湯タンク内へ供給される水を加温するための熱交換器を有する請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
4. 前記加温手段は、前記加熱手段から供給される湯によって前記給水配管から前記貯湯タンク内へ供給される水を加温するための熱交換器を有する請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
5. 前記熱交換器を通過した水から硬度成分を除去する除去手段を備える請求項２または３記載の貯湯式給湯機。
6. 前記加温手段は、前記貯湯タンク内の下部に設置されたヒーターを有する請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
7. 前記加温手段は、前記貯湯タンク内から供給される湯によって前記貯湯タンク内の下部の水を加温するための熱交換器を有する請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
8. 前記加温手段は、前記加熱手段から供給される湯によって前記貯湯タンク内の下部の水を加温するための熱交換器を有する請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
9. 前記加熱手段から前記貯湯タンクに送られる湯の温度は６５℃以上である請求項１乃至８の何れか１項記載の貯湯式給湯機。

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