JP3956925B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱手段で加熱した温水を貯湯槽上部から貯える貯湯式と給湯端末へダイレクトに出湯する瞬間式の兼用の給湯装置に関するものである。

従来、この種の給湯装置は、貯湯槽を備え、ヒートポンプで加熱された温水を貯湯槽に貯えておく貯湯式のヒートポンプ給湯装置と、使用時に低温水を瞬間式に中温に加熱して給湯端末からダイレクトに出湯する瞬間加熱式のヒートポンプ給湯装置がある。

貯湯式のヒートポンプ給湯装置では、深夜のうちに水を加熱し、その温水を貯湯槽に貯湯する。そして、使用者が給湯端末の蛇口を開くと、貯湯槽に貯えられた温水が蛇口から供給される。使用者が蛇口を閉じると貯湯槽からの出湯が停止される。

前記の貯湯式のヒートポンプ給湯装置においては、貯湯槽は家庭で１日に使用される給湯負荷の湯量を確保するため３００〜５００リットルの容量が必要とされる。そのため装置を設置するための広い設置スペースが必要となる。

そこで、貯湯槽を有さない瞬間加熱式のヒートポンプ給湯装置が提案されている（例えば、特許文献参照）。

この瞬間加熱式のヒートポンプ給湯装置では、使用時にヒートポンプを動作させて瞬間的に低温水を中温（３５〜５０℃）に加熱し、温水を蛇口から出湯する。このような瞬間加熱式のヒートポンプ装置では、蛇口から出湯する中温水で加熱するためヒートポンプの圧縮比が少なく運転効率が高い。そして、貯湯槽が不要であるため、小型化および省スペース化が可能である。また、貯湯時の放熱ロスがなく、必要な湯量だけ加熱するので無駄がない。
特開平１０−３１１５９７号公報

しかしながら、前記の瞬間加熱式のヒートポンプ給湯装置においては、使用者が蛇口を開けるとヒートポンプを運転し、蛇口を閉じるとヒートポンプを停止する。すなわち、使用者と連動して任意のタイミングでヒートポンプの運転および停止がおこなわれる。このような任意のタイミングでのヒートポンプの運転において、運転開始時にはヒートポンプ
の立ち上げが遅いため、使用者の要求する湯温に達するのに時間がかかる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽の小型化をはかり、かつ出湯温度の安定化をはかる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、本発明の給湯装置は、加熱手段と、加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯する貯湯槽と、加熱手段に水を供給する給水管と、加熱手段に水を循環供給する循環ポンプと、加熱手段、貯湯槽、給水管を経て再度加熱手段に戻る貯湯回路と、加熱手段、貯湯槽をバイパスするバイパス管、給水管を経て再度加熱手段に戻るバイパス回路と、加熱手段で加熱した温水を給湯端末手段にダイレクトに供給するダイレクト出湯回路と、貯湯回路とバイパス回路を切替える流路切替手段と、加熱手段から流れてきた水あるいはバイパス管から流れてきた水と貯湯槽上部から流れてきた水を混合する混合手段と、加熱手段と流路切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、ダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転開始時は、前記加熱手段から流れてきた水と前記貯湯槽の湯とを混合させるように、前記混合手段を動作させるとともに、前記加熱手段がダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転から貯湯回路による貯湯運転に切替った時、前記加熱手段で加熱した温水をダイレクト出湯回路からバイパス回路に流すように、前記流路切替手段を動作させることを特徴とするものである。これによって、加熱手段で加熱した中温の温水のダイレクト出湯中に出湯が停止して、高温水を貯湯する貯湯運転に切り替わった時、貯湯槽をバイパスするパイパス回路に中温水を流し、バイパス回路から再度加熱手段に導き高温に加熱して貯湯槽上部に貯え、貯湯槽内の高温湯の温度低下を防止して貯湯槽の小型化をはかるとともに、加熱手段の立ち上げ時は加熱手段から流れてきた水と貯湯槽の湯を所定温度に混合して出湯温度の安定化をはかる。

以上のように、本発明によれば、貯湯槽の小型化と出湯温度の安定化をはかった給湯装置を提供することができる。

第１の発明の給湯装置は、加熱手段と、加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯する貯湯槽と、加熱手段に水を供給する給水管と、加熱手段に水を循環供給する循環ポンプと、加熱手段、貯湯槽、給水管を経て再度加熱手段に戻る貯湯回路と、加熱手段、貯湯槽をバイパスするバイパス管、給水管を経て再度加熱手段に戻るバイパス回路と、加熱手段で加熱した温水を給湯端末手段にダイレクトに供給するダイレクト出湯回路と、貯湯回路とバイパス回路を切替える流路切替手段と、加熱手段から流れてきた水あるいはバイパス管から流れてきた水と貯湯槽上部から流れてきた水を混合する混合手段と、加熱手段と流路切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、ダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転開始時は、前記加熱手段から流れてきた水と前記貯湯槽の湯とを混合させるように、前記混合手段を動作させるとともに、前記加熱手段がダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転から貯湯回路による貯湯運転に切替った時、前記加熱手段で加熱した温水をダイレクト出湯回路からバイパス回路に流すように、前記流路切替手段を動作させることを特徴とするものである。

この発明によれば、貯湯槽に低温水が流入するのを防止して貯湯槽の小型化と出湯温度の安定化をはかる。

また、この発明によれば、加熱手段で加熱した中温の温水のダイレクト出湯運転中に出湯が停止して、高温水を貯湯する貯湯運転に切り替わった時、貯湯槽をバイパスするパイパス回路に中温水を流し、バイパス回路から再度加熱手段に導き高温に加熱して貯湯槽上
部に貯え、貯湯槽内の高温湯の温度低下を防止して貯湯槽の小型化と出湯温度の安定化をはかる。

第２の発明は、特に、制御手段を加熱手段が貯湯運転開始時は加熱手段で加熱した温水をバイパス回路に流し、その後、貯湯回路に切替えるように流路切替手段を制御したものである。

この発明によれば、運転開始時に加熱手段で加熱された温水を所定温度に達していない間はバイパス管を経由して再度加熱手段に流入する。そして、所定温度に達した高温水を貯湯槽上部から貯える。そのため、貯湯槽上部から高温水が流入して貯湯槽内の湯温低下を防止し、貯湯槽の小型化と出湯温度の安定化をはかる。

第３の発明は、制御手段を加熱手段が運転停止時、バイパス管を流れる水と貯湯槽上部の湯が混合して給湯端末手段から出湯するように流路切替手段を制御したものである。

この発明によれば、加熱手段を停止して出湯する場合、バイパス管を流れる水と貯湯槽の高温湯と混合するように流路切替手段を切替へ、貯湯槽の高温湯を使用者の要求する湯温まで低下して出湯するため、出湯温度の安定化がはかれる。

第４の発明は、混合手段を加熱手段が運転停止中は加熱手段あるいはバイパス管と給湯端末手段が連通して、貯湯槽上部と給湯端末手段が連通しないようにしたものである。

この発明によれば、運転停止中に貯湯槽内の高温湯が自然循環で上昇して混合手段を通り、バイパス管、あるいは加熱手段などで冷却する自然循環による放熱ロスを防止して、貯湯槽の小型化をはかる。

第５の発明は、加熱手段の運転停止中に水循環経路内のうち少なくとも１つが凍結する温度に低下した時、少なくとも循環ポンプを運転してバイパス回路を水が循環するようにした凍結防止制御手段を備えたものである。

この発明によれば、水経路が凍結する温度に達した時にバイパス回路で水を循環して凍結を防止して機器の信頼性を確保する。

第６の発明は、加熱手段として圧縮機を備えたヒートポンプとしたものである。

この発明によれば、ヒートポンプを利用するため、省エネルギー、大能力で水を加熱できる。

第７の発明は、特にヒートポンプを冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとして、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により温水を加熱する構成である。

この発明によれば、熱交換器の放熱器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第８の発明は、第１〜５の発明の加熱手段として燃料電池の排熱とすることにより、省エネルギー化を実現する。

以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例における給湯装置の構成図を示すものである。図２は同給湯装置の作動を表すフローチャートである。図１において、実線矢印はダイレクト出湯運転時の水の流れ方向を表し、破線矢印はバイパス回路による運転時の水の流れ方向を表し、一点鎖線矢印は貯湯回路による運転の水の流れ方向を表す。５は加熱手段としてのヒートポンプであり、例えば圧縮機１、放熱器２、減圧手段３、吸熱器４が接続されたヒートポンプ回路を構成する。そして、ヒートポンプ回路５は、例えば炭酸ガス（ＣＯ2）を冷
媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。

また、６は水熱交換器であり、放熱器２と熱交換を行う。７は貯湯槽であり、水熱交換器６で加熱された湯を上部から貯湯する。８は流量可変型循環ポンプであり、給水管９の水を水熱交換器６に通水する。１０は湯温センサーであり、水熱交換器６の出口水温を検出する。１１は湯温制御手段であり、湯温センサー１０の検出信号から水熱交換器６出口の水温が所定温度となるように循環ポンプの流量を制御する。１２はバイパス管であり、水熱交換器６の出口と給水管９を接続して貯湯槽７をバイパスする。１３は貯湯回路であり、加熱手段、貯湯槽、給水管を経て再度加熱手段に戻る回路を構成する。１４はバイパス回路であり、加熱手段、バイパス管、給水管を経て再度加熱手段に戻る回路を構成する。１５はダイレクト出湯回路であり、加熱手段で加熱した温水を給湯端末手段１６にダイレクトに供給する。１７は流路切替手段であり、貯湯回路１３とバイパス回路１４を切替える。１８は混合手段であり、水熱交換器６から流れてきた水あるいはバイパス管から流れてきた水と貯湯槽上部７から流れてきた湯と混合して所定温度に制御して給湯端末手段１６に流す。そして、貯湯運転時は加熱手段で加熱した湯を貯湯槽上部に流す。１９は出湯検出手段であり、給湯端末手段１６から出湯されたことを検出する。例えば、給湯端末へ通水する流量を検出する、あるいは貯湯回路、バイパス回路、ダイレクト出湯回路１２などの水圧を検出する。２０は制御手段であり、貯湯運転、ダイレクト出湯運転、運転開始、運転停止などの運転モードに基づき加熱手段と流路切替手段１７の流路を制御する。２１は能力制御手段であり、制御手段２０の指令に基づき圧縮機１の駆動周波数、あるいは吸熱器に大気を送風する送風機（図示せず）の回転数を可変して加熱能力を制御する。

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、作用について説明する。最初に、ヒートポンプで加熱した温水をダイレクトに給湯端末手段に導く出湯運転について述べる。蛇口が開かれると出湯検出手段１９が出湯を検出してヒートポンプ５が運転を開始する。そして、圧縮機１から吐出する高温高圧冷媒が放熱器２へ流入し、ここで循環ポンプ８を介して給水管９から水熱交換器６に流れてきた水を加熱する。その際、水熱交換器６の出口温度が所定温度となるようにヒートポンプ５の能力を制御する。そして、所定温度に加熱された水は流路切替手段１７、混合手段１８を通りダイレクト出湯回路１５で給湯端末手段１６から出湯する。その際、運転開始直後は水熱交換器６出口の湯温が低いため、貯湯槽７の湯と混合し混合手段１８で所定温度にミキシングされて給湯端末手段１６へ通水される。そして、時間経過とともに水熱交換器６の出口湯温が次第に上昇して所定温度に達する。その間、水熱交換器６出口の温水温度が上昇するにつれて貯湯槽７上部からの出湯量は次第に減少する。一方、放熱器２で放熱した冷媒は減圧手段３で減圧されて吸熱器４に流入し、大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機１に戻る。よって、運転立ち上げ時に安定した湯温で出湯する。

次に、ダイレクトに給湯端末手段に導く出湯運転から出湯を停止して貯湯運転に切替わ
る場合について述べる。出湯運転中に使用者が給湯端末手段１６の蛇口を閉じると出湯が停止したことを出湯検出手段１９が検出する。そして、制御手段２０は貯湯槽７の水を沸き上げる貯湯運転モードの指令が発信されている場合に、ヒートポンプ５の運転を継続する。そして、水熱交換器６から出た水をバイパス管１２に流すように流路切替手段１７が切替わり、バイパイ回路１４で水が循環する。その際、湯温センサー１０の検出信号から水熱交換器６出口の水温が所定温度となるように循環ポンプ８の流量を制御する。そして、水熱交換器６から流出する水温が所定温度に上昇すると、貯湯槽７上部に流れるように流路切替手段１７が切替わり貯湯回路１３で貯湯運転する。従って、出湯運転中の中間温度の温水が貯湯槽７上部に流れることがないため、貯湯槽７内の湯温が低下することもなく、蓄熱量が確保でき、貯湯槽の小型化と安定した出湯温度が得られる。

次に、貯湯槽内に高温湯を蓄熱する貯湯運転の開始時について述べる。図３に動作のフローチャートを表す。図１の破線矢印方向に表す如く、貯湯運転開始時はヒートポンプ５で加熱した温水をバイパス管１２に流すように流路切替手段１７を制御する。そして、時間経過とともに水熱交換器６の出口湯温が次第に上昇して所定温度に達すると貯湯槽７上部に水が流れるように流路切替手段１７を切替え貯湯運転をおこなう。従って、低温水が貯湯槽上部に流れることがないため、貯湯槽内の湯温が低下することもなく、蓄熱量が確保でき、貯湯槽の小型化と安定した出湯温度が得られる。

次に、加熱手段を停止して出湯する場合について述べる。図４に水の流れ方向を表し、実線矢印はバイパス管１２を流れる低温水の流れ方向を表し、破線矢印は貯湯槽７の上部から流れる高温水の流れ方向を表す。２２は出湯温度センサーであり、ヒートポンプ５で加熱された湯と貯湯槽７から流出する湯をミキシングした水温を検出する。２３は出湯温度制御手段であり、出湯温度センサーの検出信号から混合手段１８の出口湯温が所定温度となるように混合手段の開度を制御する。そして、使用者が蛇口を開けると出湯する。その際に、給水管９からバイパス管１２に流れてきた水と貯湯槽７の高温湯と混合できるように流路切替手段１７を制御する。そして、混合手段１８がバイパス管１２からきた低温水と貯湯槽７上部の高温湯を混合して、混合した湯温を出湯温度センサー２２で検出して、混合した湯温が所定温度となるようにバイパス管１２から流れる低温水の流量と貯湯槽７上部から流れる高温湯の流量を調整して所定温度となるようにする。よって、ヒートポンプ５を停止して所定温度で端末から出湯する場合に、貯湯槽の高温湯を使用者の要求する湯温まで低下して出湯するため、出湯温度の安定化がはかれる。

次に、運転停止中について述べる。この場合には混合手段１８をヒートポンプ５が運転停止中は水熱交換器６あるいはバイパス管１２と給湯端末手段１６が連通して、貯湯槽７上部と給湯端末手段１６が連通しないようにする。そのため、運転停止中に貯湯槽内の高温湯が自然循環で上昇して混合手段を通り、バイパス管、あるいは加熱手段などで冷却する自然循環による放熱ロスを防止して、貯湯槽の小型化をはかる。

次に、冬季厳寒期の運転停止中について述べる。図５において、２４は凍結検出温度センサー、２５は凍結防止制御手段であり、図６にフローチャートを表す。ヒートポンプ５の運転停止中に水循環経路内の水温が低下する。そして、水温が凍結する温度に低下した時、凍結防止制御手段２５が循環ポンプ８を間欠運転あるいは連続運転してバイパス回路１４の水を循環する。そして、所定温度に上がったら循環ポンプ８を停止する。この繰り返しにより、水循環経路の凍結を防止する。よって、水循環経路内の水が凍結して配管が破損することもなく、機器の信頼性が向上する。この場合、循環ポンプと加熱手段を運転して水循環経路内の水温を上昇することにより、凍結防止運転の入る間隔が長くなり、かつ機器の信頼性が一層向上する。

また、ヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ
サイクルとして、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により温水を加熱する構成とするため、水熱交換器６の放熱器を流れる冷媒は、圧縮機１で臨界圧力以上に加圧されているので、水熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって水熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

また、図７に示す如く、加熱手段として燃料電池装置２６の排熱を用いて水を加熱して貯湯する、あるいはダイレクト出湯することにより省エネルギー化を実現する。その際も、燃料電池の立ち上げスピードに関係なく、貯湯槽内の湯温を下げることなく貯湯するため、貯湯槽の小型化と安定した出湯温度が得られる。

また、図８に示す如く、流路切替手段１７を混合手段１８と給湯端末手段１６の間に設けても同様の効果がある。また、この構成では、貯湯運転時に水熱交換器６で加熱した水循環回路内の高温湯とバイパス管１２の低温水と混合して給湯端末手段１６に流すことができるため、貯湯運転からダイレクト出湯運転に切替わっても、高温水で出湯することもない。

また、図９に示す如く、バイパス回路１２を貯湯槽７下部と接続して、貯湯槽７から水熱交換器６に通水する構成でも同様の効果がある。この場合には、水熱交換器６に流入する温度が略一定のため湯温制御安定性が容易であり、またヒートポンプサイクルの動作点が安定するため信頼性が向上するといった効果がある。但し、この構成では、貯湯槽下部に高温湯が貯湯されていると、下部の貯湯温度が低下する場合がある。

また、図１０に示す如く、流量可変型循環ポンプ（ＤＣポンプ）８の代わりに流量制御手段２７とＡＣ電源用循環ポンプ２８を用いて流量制御しても同様の効果がある。

また、ヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

以上のように本発明に係る給湯装置は、貯湯槽の小型化と出湯温度の安定化を図ることが出来るものであり、その熱源として、ヒータはもちろんのこと、ヒートポンプサイクルや、燃料電池の排熱でも実施できるものであり、産業上の利用性がある。

本発明の実施例１における給湯装置の構成図 本発明の実施例１における給湯装置の作動のフローチャート 本発明の実施例２における給湯装置の作動のフローチャート 本発明の実施例３における給湯装置の構成図 本発明の実施例４における給湯装置の構成図 本発明の実施例４における給湯装置の作動のフローチャート 本発明の実施例５における給湯装置の構成図 本発明の実施例６における給湯装置の構成図 本発明の実施例７における給湯装置の構成図 本発明の実施例８における給湯装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 減圧手段
４ 吸熱器
５ ヒートポンプ
６ 水熱交換器
７ 貯湯槽
８ 流量可変型循環ポンプ
９ 給水管
１０ 湯温センサー
１１ 湯温制御手段
１２ バイパス管
１３ 貯湯回路
１４ バイパス回路
１５ ダイレクト出湯回路
１６ 給湯端末手段
１７ 流路切替手段
１８ 混合手段
１９ 出湯検出手段
２０ 制御手段
２１ 能力制御手段
２２ 出湯温度センサー
２３ 出湯温度制御手段
２４ 凍結検出温度センサー
２５ 凍結防止制御手段
２６ 燃料電池装置
２７ 流量制御手段
２８ 循環ポンプ

Claims (8)

1. 加熱手段と、加熱手段で加熱した温水を上部から貯湯する貯湯槽と、加熱手段に水を供給する給水管と、加熱手段に水を循環供給する循環ポンプと、加熱手段、貯湯槽、給水管を経て再度加熱手段に戻る貯湯回路と、加熱手段、貯湯槽をバイパスするバイパス管、給水管を経て再度加熱手段に戻るバイパス回路と、加熱手段で加熱した温水を給湯端末手段にダイレクトに供給するダイレクト出湯回路と、貯湯回路とバイパス回路を切替える流路切替手段と、加熱手段から流れてきた水あるいはバイパス管から流れてきた水と貯湯槽上部から流れてきた水を混合する混合手段と、加熱手段と流路切替手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、ダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転開始時は、前記加熱手段から流れてきた水と前記貯湯槽の湯とを混合させるように、前記混合手段を動作させるとともに、前記加熱手段がダイレクト出湯回路によるダイレクト出湯運転から貯湯回路による貯湯運転に切替った時、前記加熱手段で加熱した温水をダイレクト出湯回路からバイパス回路に流すように、前記流路切替手段を動作させることを特徴とする給湯装置。
2. 制御手段は、加熱手段が貯湯運転開始時は加熱手段で加熱した温水をバイパス回路に流し、その後、貯湯回路に切替えるように流路切替手段を制御したことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
3. 制御手段は、加熱手段が運転停止時、バイパス管を流れる水と貯湯槽上部の湯が混合して給湯端末手段へ出湯するように流路切替手段を制御したことを特徴とする請求項１または２記載の給湯装置。
4. 混合手段は、加熱手段が運転停止中は加熱手段あるいはバイパス管と給湯端末手段が連通して、貯湯槽上部と給湯端末手段が連通しないようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯装置。
5. 加熱手段の運転停止中に水循環経路内の水温が低下した時、少なくとも循環ポンプを運転してバイパス回路を水が循環するようにした凍結防止制御手段を備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯装置。
6. 加熱手段は圧縮機を備えたヒートポンプとした請求項１〜５のいずれか１項に記載の給湯装置。
7. ヒートポンプは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により温水を加熱する請求項６記載の給湯装置。
8. 加熱手段は燃料電池の排熱とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の給湯装置。

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