JP4069908B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱した湯水を貯湯槽に蓄えて給湯を行う貯湯式給湯装置に関するものである。

従来のこの種の貯湯式給湯装置としては、例えば、特開２００３−２７９１３６号公報に記載されているようなものがあった。図７は、前記公報に記載された従来の貯湯式給湯装置を示すものである。

図７に示すように、この給湯装置は貯湯槽１とヒートポンプ熱源２を備え、貯湯槽１の下部から沸上往き管３でヒートポンプ熱源２と接続し、ヒートポンプ熱源２から貯湯槽１上部へ沸上戻し管４で接続している。

そしてこの沸上戻し管４の途中から貯湯槽１の下部へとバイパス管５によりバイパスしている。バイパス管５の分岐部には三方弁６が設けられて、ヒートポンプ熱源２から貯湯槽１への戻りを沸上戻し管４によって貯湯槽１上部に戻すか、バイパス管５によって貯湯槽１の下部に戻すかを任意に選択できる構成となっている。

三方弁６は、貯湯槽１からの出湯温度を検知する出湯温度センサー８の検知結果と、貯湯槽１の上部に設けた貯湯温度センサー９ａの検知結果に基づいて、流路を沸上戻し管４側かバイパス管５側へ切り換える。

切り換えについて詳細を述べると、まず出湯温度センサー８により検知される出湯温度と貯湯温度センサー９ａにより検知される貯湯槽１上部の湯水温度の検知結果が比較される。もし、出湯温度が貯湯槽１上部の湯水温度よりも低い場合は、三方弁６をバイパス管５側へ切り換える。逆に、出湯温度が貯湯槽１上部の湯水温度よりも高い場合は、三方弁６を沸上戻し管４側へ切り換える。

その結果、貯湯槽１の上部の温度以上に加熱された高温の湯水のみを貯湯槽１の上部に供給するため、貯湯槽１内の高温層の湯水の温度を低下させることがない。
特開２００３−２７９１３６号公報

しかしながら上記発明では、出湯温度が貯湯槽１上部の湯水温度よりも高くならない限り、ヒートポンプ熱源２により加熱された高温の湯水は貯湯槽下部に戻されてしまう。

そのため、貯湯槽下部のまだ沸き上がっていない低湯水と混ざり、低湯水による温度層の温度が上昇し、ヒートポンプ熱源での加熱効率が低下する。

また、低湯水による低温層の温度上昇により、実質の貯湯運転に遅れが生じるため、給湯負荷が多く連続した場合などに湯切れが生じるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、ヒートポンプ熱源の加熱効率の低下を防止するとともに、湯切れの可能性を低下させる貯湯式ヒートポンプ給湯装置の提供を目的とする。

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、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の温度を検知する貯湯温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とするものである。

また、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記加熱手段の入口側に設けられた入水温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とするものである。

また、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の体積を検知す
る状態検知手段と、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記状態検知手段の検知体積が所定値以上ならば、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記状態検知手段の検知体積が所定値より小さければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とする。

これによって、貯湯槽下部の低温層の湯水の温度が上昇することなく、ヒートポンプ熱源での加熱効率の低下を抑え、湯切れの発生を抑えることができる。

本発明の貯湯式給湯装置は、貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の状態に応じて加熱された湯水を貯湯槽の高温層側または低温層側へ送ることにより、貯湯槽下部の低温層の湯水の温度が上昇することなく、ヒートポンプ熱源での加熱効率の低下を抑え、湯切れの発生を抑えることができる。

第１の発明は、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の温度を検知する貯湯温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とするものである。それにより、貯湯槽下部の低温層の湯水の温度が上昇することなく、ヒートポンプ熱源での加熱効率の低下を抑え、湯切れの発生を抑えることができる。

また、低温層の湯水の状態として貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の温度を検知することにより、貯湯槽下部の低温水の過昇により生じるヒートポンプ熱源の加熱効率の低下を防止するとともに、実質の貯湯運転開始を早めて湯切れの可能性を低下させることができる。

また、貯湯温度センサーの検知温度が所定値以上となったとき、流路切換手段は加熱手段により加熱された湯水を高温層側へ送ることにより、できるだけ三方弁の切り替えタイミングを早くすることで、貯湯槽下部の低温水の過昇により生じるヒートポンプ熱源の加熱効率の低下を防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の状態検知手段を貯湯槽側壁面の下部に設けられた温度センサーとすることで、貯湯槽内の低温層の湯水の温度を検知することができる。

第３の発明は、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記加熱手段の入口側に設けられた入水温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送る
よう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とするもので、加熱手段に流入する直前の低温層の湯水の温度を検知することができる。

第４の発明は、低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の体積を検知する状態検知手段と、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記状態検知手段の検知体積が所定値以上ならば、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記状態検知手段の検知体積が所定値より小さければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とするもので、状態検知手段が、低温層の湯水の状態として貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の体積を検知することにより、実質の貯湯運転開始を早めて湯切れの可能性を低下させることができる。

また、状態検知手段の検知体積が所定値以上となったとき、流路切換手段は加熱手段により加熱された湯水を高温層側へ送ることにより、できるだけ三方弁の切り替えタイミングを早くすることで、貯湯槽下部の低温水の過昇により生じるヒートポンプ熱源の加熱効率の低下を防止することができる。

第５の発明は、特に、第４の発明の状態検知手段が所定温度以下を検知した前記温度センサーの個数により低温層の湯水の体積を検知するもので、貯湯槽内の低温層の湯水体積を測定できる。

なお、貯湯槽側壁面に垂直方向に複数設けた温度センサーのうちの一定個数以上が、所定温度以下を検知したときに、貯湯槽内の低温層の体積が所定値以上であると判断し、加熱手段により加熱された湯水を高温層側へ送る。

第６の発明は、給湯端末に湯水を注湯する注湯管に設けた弁の開閉状態を検知する開閉検知手段を備えた上で、特に第７の発明の状態検知手段が開閉検知手段の検知結果により低温層の湯水の体積を検知するもので、貯湯槽内の低温層の湯水の体積の減少を事前に予測する形で体積を把握することができるため、湯切れの可能性を低下させることができる。

なお、開閉検知手段が開状態を検知したとき、状態検知手段は、貯湯槽内の低温層の体積が所定値以上であると判断し、加熱手段により加熱された湯水を高温層側へ送る。

第７の発明は、貯湯槽へ流入する湯水の流量を検知する第１流量検知手段と、前記貯湯槽から流出する湯水の流量を検知する第２流量検知手段とを備えた上で、特に第７の発明の状態検知手段が第１流量検知手段の検知流量と第２流量検知手段の検知流量とに基づいて、低温層の湯水の体積を検知するもので、貯湯槽内の低温層の湯水の体積の減少を事前に予測する形で体積を把握することができるため、湯切れの可能性を低下させることができる。

なお、第１流量検知手段の検知流量に対して第２流量検知手段の検知流量が多いとき、状態検知手段は、貯湯槽内の低温層の体積が所定値以下であると判断し、加熱手段により加熱された湯水を高温層側へ送る。

第８の発明は、特に、第１から第７の発明のヒートポンプ熱源の冷媒回路を高圧が臨界圧力以上となる超臨界冷媒回路とし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱
することにより、冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水を加熱することによって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、水を冷媒で加熱する熱交換器全域で冷媒側の流路と水側の流路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。

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。

（実施の形態１）
実施の形態１は、ヒートポンプ熱源の沸き上げにより加熱された湯水の状態であるヒートポンプ熱源の沸き上げ温度と、貯湯槽に貯えられた高温層の湯水の状態である貯湯槽下部の湯水の温度に基づいて、三方弁の切り換えを行うものである。それによれば、貯湯槽下部の低温層の湯水の温度を上昇することがなく、ヒートポンプ熱源での加熱効率の低下を抑えることができる。

図１は本発明の実施の形態における貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成図である。

まず、基本的な構成について説明する。装置の概要としては、低温の湯水と高温の湯水とが層を成した状態で貯えられている貯湯槽２１と、その湯水を加熱するヒートポンプ熱源２２を備え、ヒートポンプ熱源２２によって貯湯槽２１の水を加熱して沸き上げて貯湯しておき、給湯に利用する。なお、貯湯槽の容量や季節により変動はあるが、貯湯槽２１の低温層の温水は２０℃以下であり、高温層の温水は６５℃から９０℃程度とされる。

まず、沸き上げに関する構成として、貯湯槽２１の下部から沸上往き管２３でヒートポンプ熱源２２と接続し、ヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１上部へ沸上戻し管２４で接続している。そして、この沸上戻し管２４の途中から貯湯槽２１の下部へとバイパス管２５によりバイパスしている。なお、沸上往き管２３が接続されている貯湯槽２１の下部とは、貯湯槽２１の低温層の湯水が取得できる位置であればよい。

バイパス管２５の分岐部には三方弁２６を設けて、ヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１への戻りを沸上戻し管２４によって貯湯槽２１上部に戻すか、バイパス管２５によって貯湯槽１の下部に戻すかを任意に選択できる構成となっている。なお、沸上戻し管２４が接続されている貯湯槽２１上部とは、湯水が貯湯槽２１の高温層側へ戻る程度の位置であればよく、また、貯湯槽１の下部とは、湯水が貯湯槽２１の低温層側へ戻る程度の位置であればよい。

貯湯槽２１からヒートポンプ熱源２２に湯水を送り貯湯槽２１に戻すために、沸上往き管２３の途中に出力を任意に変化させることができる循環ポンプ２７を設けている。また、ヒートポンプ熱源２２において加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー２８を沸上往き管２３のヒートポンプ熱源２２入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー２９を沸上戻し管２４におけるヒートポンプ熱源２２出口近傍に設けている。また貯湯槽２１の温度分布を把握するため、外側壁面に垂直方向等間隔に５点の貯湯温度センサー３０を備えている。

出湯温度センサー２９と貯湯温度センサー３０は制御手段４７に接続されており、制御手段４７は、出湯温度センサー２９と貯湯温度センサー３０の検知温度を把握することができる。また、制御手段４７は、出湯温度センサー２９と貯湯温度センサー３０の検知結果に基づいて、三方弁２６の切り換えの制御を行う。

給湯に関する構成としては、貯湯槽２１の底部に給水源から給水を行う給水管３１が接続され、その途中に給水圧力を一定以下に保ち、貯湯槽２１からの逆流を防止するための
減圧逆止弁３２が設けられている。また、給水温度を検知するため給水温度センサー３３を備えている。

貯湯槽２１上部には貯湯された高湯水を出湯し給湯に利用するための給湯管３４が接続され、その途中には給水管３１からの給水バイパス管３５が接続されている。また、給湯管３４からの高湯水と給水バイパス管３５からの低湯水を任意の比率で混合可能な給湯混合弁３６が設けられている。

給湯混合弁３６の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー３７と給湯流量を検知する給湯流量センサー３８が設けられ、その先に給湯端末３９が接続されている。

また、給湯管３４の途中から分岐して、浴槽４０へ注湯する注湯管４１が設けられており、給湯管３４と同様に、給湯管３４からの高湯水と給水バイパス管３５からの低温の湯水を混合して注湯できるように注湯混合弁４２が設けられ、その下流には注湯温度センサー４３と注湯流量センサー４４が設けられている。

また、注湯管４１は注湯電磁弁４５を備え、それを任意に開閉させて自動で浴槽４０に注湯を行う。また、給湯管３４の貯湯槽２１近くを分岐して貯湯槽２１内部の圧力が所定値以上になると開になる圧力逃がし弁４６を備えている。

圧力逃がし弁４６は、貯湯槽２１を一定圧力に保つために設けられたものである。減圧逆止弁３２によって給水圧力を一定以下に保つとともに、貯湯槽２１内の圧力が加熱による体積膨張などの要因により設計圧力以上に上昇したとき、圧力逃がし弁４６から外部に圧力を逃がしてやることによって、貯湯槽２１を一定圧力に保つ。

また、貯湯槽２１の高湯水を用いた給湯に関して、給湯端末３９が給湯のために開けられると、貯湯槽２１内の湯水が給湯管３４から出湯されるとともに、給水管３１から貯湯槽２１に給水される。給湯温度に関して、給水バイパス管３５により給水を分岐し、貯湯槽２１からの高湯水と給水からの低湯水を給湯混合弁３６において混合比を変えて混合することで、給湯温度を変化させて給湯端末３９に給湯する。この時の混合比は給湯温度センサー３７で検知される給湯温度に応じて制御され、所定の給湯温度に保たれる。貯湯槽２１内の高湯水と水を混ぜて温度を低下させることによって給湯を行うので、これによって貯湯槽２１内の高湯水温度を給湯温度である４０℃から５０℃程度よりも大幅に高く、６５℃から９０℃程度として、貯湯槽２１の蓄熱密度を大きくすることが可能になる。

以上のように構成された貯湯式ヒートポンプ給湯装置において、以下にその動作、作用について説明する。

以下、図１に基づいて説明する。貯湯槽２１の下部にある低温層の湯水をヒートポンプ熱源２２により加熱し、貯湯槽２１に戻す貯湯運転において、ヒートポンプ熱源２２の停止時に、三方弁２６をバイパス管２５側に切り換えておく。そして、ヒートポンプ熱源２２を立ち上げ、循環ポンプ２７を駆動し、貯湯槽２１からの低湯水を加熱する。

出湯温度センサー２９によりヒートポンプ熱源２２で加熱された水の温度を検知し、循環ポンプ２７の出力を変えることで、ヒートポンプ熱源２２からの出湯温度を制御して目標の温度となるように加熱を行う。

出湯温度センサー２９により検知される出湯温度と、貯湯槽２１の外側面の貯湯温度センサー３０ｅにより把握される検知温度は、制御手段４７に出力される。そして、制御手
段４７は、出湯温度と貯湯槽２１下部の湯水の温度に基づいて三方弁２６の沸上戻し管２４側への切り換えタイミングを決定し、制御する。

なお、貯湯温度センサー３０ｅは、図１のように貯湯槽１下部に取り付けられているが、貯湯槽１内部に形成される高温と低温の層のうち、低温層の湯水の温度を測れる程度の位置であればよい。

出湯温度センサー２９で検知した温度が所定温度よりも高い場合は、貯湯温度センサー３０ｅにより検知された低温層の温度に関わらず、制御手段４７は三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える。

また、出湯温度センサー２９で検知した温度が所定温度よりも低い場合は、貯湯温度センサー３０ｅにより貯湯槽１の下部の低湯層の湯水の温度を検知し、その検知温度が予め設定された所定温度よりも低ければ、制御手段４７は三方弁２６をバイパス管２５側とし、その検知温度が予め設定された所定温度よりも高ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える。

制御手段４７の処理手順は、図２に示すフローで表される。なお、図２中において出湯温度センサー２９の検知温度をＸ、貯湯温度センサー３０ｅの検知温度をＹとする。

まず、出湯温度センサー２９と貯湯温度センサー３０ｅの出力を受ける（ステップＳ２０１）。

次に、出湯温度センサー２９の検知温度が予め設定された第１の所定温度と比較する（ステップＳ２０２）。

その結果、出湯温度センサー２９の検知温度の方が第１の所定温度よりも高ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ２０３）。

また、第１の所定温度の方が出湯温度センサー２９の検知温度よりも高ければ、貯湯温度センサー３０ｅの検知温度と予め設定された第２の所定温度とを比較する（ステップＳ２０４）。

その結果、貯湯温度センサー３０ｅの検知温度の方が第２の所定温度よりも高ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ２０５）。

また、第２の所定温度の方が貯湯温度センサー３０ｅの検知温度よりも高ければ、三方弁２６をバイパス管２５側に切り換える（ステップＳ２０６）。

なお、上記図２の処理において、貯湯温度センサー３０ｅの代わりに入水温度センサー２８を用いて、貯湯槽１内の低温層の温度を検知してもよい。

なお、上記第２の所定温度は４５℃以下が好ましい。低湯層の湯水温度が４５℃を超えると、ヒートポンプ熱源２２での加熱効率の低下が顕著となるからである。

このように、実施の形態１によれば、貯湯槽２１下部の低湯水層の温度を上昇させることなく、ヒートポンプ熱源２２での加熱効率の低下を抑えることができる。また、加熱効率の低下により発生する可能性がある湯切れの問題を解消することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１は、貯湯槽の下部にある低温層の湯水の温度を検知し、低湯層の湯水の温度を上昇させないように三方弁を制御していた。これに対して、実施の形態２は、貯湯槽の下部にある低温層の湯水の体積に着目し、貯湯槽の低温層の湯水の体積に基づいて三方弁を制御する。それによれば、三方弁を沸上戻し管側に切り換えるタイミングを早め、湯切れの可能性を低減できる。

以下、図１に基づいて説明する。制御手段４７は、貯湯温度センサー３０により検知される温度が所定温度以下の部位には低温の湯水があるとする。そして、貯湯温度センサー３０ｃから３０ｅまでが４５℃以下を検知している時には、貯湯槽２１内の低温層の体積が半分以上になったと判断する。逆に、貯湯温度センサー３０ｄと３０ｅしか４５℃以下を検知していない場合には、貯湯槽２１の低温層の体積が半分以下になったと判断する。

なお、出湯温度センサー２９で検知した温度が所定温度、例えば９０℃よりも高い場合は、貯湯槽１の低温層の体積に関わらず、制御手段４７は三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える。

制御手段４７の処理手順は、図３に示すフローで表される。なお、図３中において出湯温度センサー２９の検知温度をＸ、貯湯温度センサー３０ｃの検知温度をＹｃ、貯湯温度センサー３０ｄの検知温度をＹｄ、貯湯温度センサー３０ｅの検知温度をＹｅとする。

まず、出湯温度センサー２９と貯湯温度センサー３０ｃ〜３０ｅの出力を受ける（ステップＳ３０１）。

次に、出湯温度センサー２９の検知温度が予め設定された第１の所定温度と比較する（ステップＳ３０２）。

その結果、出湯温度センサー２９の検知温度の方が第１の所定温度よりも高ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ３０３）。

また、第１の所定温度の方が出湯温度センサー２９の検知温度よりも高ければ、貯湯温度センサー３０ｃから３０ｅのそれぞれの検知温度と予め設定された第２の所定温度とを比較する（ステップＳ３０４）。

その結果、貯湯温度センサー３０ｃから３０ｅの検知温度の方が第２の所定温度よりも低ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ３０５）。

また、上記ステップＳ３０５に該当しなければ、三方弁２６をバイパス管２５側に切り換える（ステップＳ３０６）。

このように、ヒートポンプ熱源の沸き上げ温度と、貯湯槽に貯えられた低湯水の体積に基づいて、三方弁２６の切り換えを行うことにより、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換えるタイミングを早め、湯切れの可能性を低減できる。

なお、低温層の体積が貯湯槽の半分以上であると制御手段４７が判断したとき、三方弁２６を切り換える第１の所定温度を９０℃よりも低い温度とすることで、貯湯槽２１上部の温度を高く保つよりも、三方弁２６を切り換えるタイミングを早めて、実質の貯湯が行われるのを早くすることができる。

例えば、低温層の体積が貯湯槽の半分以上であるとき、貯湯温度センサー３０に検知された温度が９０℃から２０℃低い７０℃をなったとき、三方弁２６を沸上戻し管２４側に
切り換える。

なお、本実施の形態では、低温層の体積が貯湯槽の容量の半分以下であるか否かで三方弁２６を切り換えたが、例えば低温層の体積が例えば貯湯槽１の容積の７割になるか否かで判断してもよい。そのとき、ステップＳ３０４で貯湯温度センサー３０ｂから３０ｅのそれぞれの検知温度と予め設定された第２の所定温度とを比較すればよい。

三方弁２６を切り換えるべき貯湯槽の容量に占める低温層の体積の割合は、設計思想や貯湯槽１の容量、設置場所の気候などにより適宜設定されるべきである。ただし、高温層の湯水の体積が２０リットルを下回れば湯切れの可能性が極めて高くなるため、三方弁２６を切り換えるべき貯湯槽の容量に占める低温層の体積の割合は、５割から８割前後が最適である。

以上のように、実施の形態２よれば、三方弁を沸上戻し管側に切り換えるタイミングを早め、湯切れの可能性を低減できる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、ヒートポンプ熱源の沸き上げにより加熱された湯水の状態であるヒートポンプ熱源の沸き上げ温度と、貯湯槽に貯えられた低温層の湯水の体積という湯水の状態に基づいて、三方弁の切り換えを行うものであった。これに対して、実施の形態２は、貯湯槽の状態としてヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１へ戻される流量と、ヒートポンプ熱源の沸き上げ状態として貯湯槽２１からの出湯流量に基づいて、貯湯槽に貯えられた低温層の湯水の体積を判断する点が相違している。

具体的には、貯湯槽２１への流入湯量と比べて流出湯量の方が多いときには、低温層の湯水の体積が増加し、高温層の湯水の体積が減少して湯切れが発生すると予想できることから、湯切れの発生を防止するために、低温層の湯水の体積が増加していると判断して、三方弁を沸上戻し管側へ切り換える。

これによれば、貯湯槽からの出湯流量がヒートポンプ熱源の沸き上げ流量よりも多い場合には沸き上げ温度にかかわらず、貯湯槽上部に戻り、実質の貯湯運転開始を早めて湯切れの可能性を低下させることができる。

以下、図３に基づいて説明する。なお、図１と同様の構成には同番号を付し、説明を省略する。図１との相違点は、給湯流量センサー４８と制御手段４９である。

給湯流量センサー４８は、注湯管４１へ分岐するまでの給湯管３４の途中に設けられており、貯湯槽２１から給湯管３４や注湯管４１へ向けて出湯される湯水の流量を検知するものである。また、制御手段４９は、給湯流量センサー４８により検知される流量と循環ポンプ２７の出力により求められる貯湯槽２１へ戻される流量とに基づいて、三方弁２６の切り換えの制御を行う。

なお、循環ポンプ２７の出力と流量とは比例関係にあることから、循環ポンプ２７の出力から流量を求めることができる。また、貯湯槽１へ流入する湯水の流量を測定するために、流量センサーを注湯管４１へ分岐するまでの給湯管３４の途中に配置したり、沸上戻し管２４の途中に配置してもよい。

もし、ヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１へ戻される流量よりも貯湯槽２１から出湯される流量の方が多いとき、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換え、貯湯槽２１上部側に湯水を注ぐ。逆に、ヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１へ戻される流量よりも貯湯
槽２１から出湯される流量の方が少ないとき、三方弁２６をバイパス管２５側とする。

制御手段４９の処理手順は、図５に示すフローで表される。なお、図５中において循環ポンプ２７の出力から求められる流量をＸ、給湯流量センサー４８の検知流量をＹとする。

まず、循環ポンプ２７の出力と給湯流量センサー４８の出力を受ける（ステップＳ５０１）。

次に、循環ポンプ２７の出力から求められる流量と給湯流量センサー４８の検知流量を比較する（ステップＳ５０２）。

その結果、給湯流量センサー４８の検知流量の方が多ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ５０３）。

また、ステップＳ５０３の条件を満たさなければ、実施の形態１、２で述べたように、図１中の温度センサー２９、３０の検知温度に基づき、三方弁の切り替え制御を行う（ステップＳ５０４）。

例えば、給水温度が２０℃で、貯湯槽２１の上部の高湯水温度が８０℃で、給湯負荷が４０℃、９Ｌ／ｍｉｎで、ヒートポンプ熱源２２の流量が１．５Ｌ／ｍｉｎである場合、貯湯槽２１からの出湯は３Ｌ／ｍｉｎとなりヒートポンプ熱源２２の流量を大きく上回るため、三方弁２６をすぐさまに貯湯槽２１上部側に切り換える。

上記処理によれば、沸上戻し管２４からの水の温度が貯湯槽２１上部の高湯水の温度より低い場合でも、すぐさま給湯のために貯湯槽２１から出湯される。貯湯槽２１から出湯される湯水が使用者の希望する給湯温度よりも低くならない限り、給湯混合弁３６での給水バイパス管３５から混合する低湯水の比率を下げて給湯温度を保つことができるので、湯切れの可能性を軽減することができる。

また、沸上戻し管２４からの水の温度が貯湯槽２１上部の高湯水の温度より低い場合でも、すぐさま給湯のために貯湯槽２１から出湯されるため、給湯終了後に貯湯槽２１上部の高湯水の温度が低下するということはなく、常時高温の給湯要求に応じることができる。

なお、大量の湯水を必要とする浴槽４０への自動湯張り運転において、本実施の形態を適用できる。

浴槽４０への湯張りを自動で行うとき、注湯電磁弁４５を開けて自動で注湯管４１によって浴槽４０への注湯を行う。注湯混合弁４２での混合制御は給湯混合弁３６と同様に注湯温度センサー４３に基づいて行い、所定の温度の注湯を行う。

このように浴槽４０などの給湯端末への給湯や自動注湯が行われ、貯湯槽２１から高湯水が出湯されている時に、沸上戻し管２４から貯湯槽２１上部へ戻される流量より貯湯槽２１から給湯のために出湯される流量が多い場合には、沸上戻し管２４から貯湯槽２１上部へ戻された水はすぐに給湯に使用されることになる。沸上戻し管２４からの水の温度が貯湯槽２１上部の高湯水の温度より低い場合でもすぐさま給湯のために貯湯槽２１から出湯される。

例えば、浴槽４０への注湯は注湯電磁弁４５を開いて１５Ｌ／ｍｉｎ程度の大流量で行
うため、浴槽４０への注湯負荷がヒートポンプ熱源２２での加熱能力を大きく上回る。このような場合は必然的にヒートポンプ熱源２２から貯湯槽２１上部へ戻す流量より、貯湯槽２１から注湯管４１へ出湯される流量が大きく上回り、注湯は注湯電磁弁４５を開けている間、持続するため、注湯電磁弁４５を開けるとともに三方弁２６を貯湯槽２１上部側に切り換える。

これによって、貯湯槽２１から出湯される湯温が、使用者の希望する給湯温度よりも低くならない限り、給湯混合弁３６での給水バイパス管３５から混合する低湯水の比率を下げて給湯温度を保つことができる。

なお、注湯管４１から浴槽４０への管経路の抵抗がゴミつまりなどによって大きく上昇し、注湯流量が十分確保できない場合には注湯流量センサー４３によって検知して、このような注湯電磁弁４５の開閉に基づいた三方弁３６の切り換え制御を行わないようにしてもよい。これによって、注湯による貯湯槽２１内の高湯水の出湯量を少なくすることができ、湯切れの可能性を低減することができる。

また、注湯による湯切れを積極的に低減させるために、注湯電磁弁４５を開けると同時に、ヒートポンプ熱源２２による沸き上げ運転を開始し、それと同時に三方弁２６を貯湯槽２１上部側に切り換えてもよい。

その場合、制御手段４９の処理手順は、図６に示すフローで表される。なお、図６中において循環ポンプ２７の出力から求められる流量をＸ、給湯流量センサー４８の検知流量をＹとする。

まず、循環ポンプ２７の出力と給湯流量センサー４８の出力を受ける（ステップＳ６０１）。

次に、注湯電磁弁４５の開閉状態を調べる（ステップＳ６０２）。

その結果、開状態であれば、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ６０３）。

もし、閉状態であれば、循環ポンプ２７の出力から求められる流量と給湯流量センサー４８の検知流量を比較する（ステップＳ６０４）。

その結果、給湯流量センサー４８により検知される流量の方が多ければ、三方弁２６を沸上戻し管２４側に切り換える（ステップＳ６０５）。

また、ステップＳ６０５の条件を満たさなければ、実施の形態１、２で述べたように、図１中の温度センサー２９、３０の検知温度に基づき、三方弁の切り替え制御を行う（ステップＳ６０６）。

なお、ステップＳ６０２の処理は、ステップＳ６０１の前や、ステップＳ６０４やステップＳ６０６の後に行われてもよい。

また、注湯電磁弁４５以外で、給湯を行う管に設けられる弁の開閉状態に基づいて、上記図６中の処理を行っても良い。

上記したような一連の処理によって、給湯負荷において大部分を占める浴槽への注湯負荷による貯湯槽２１の高湯水の出湯量を低減させる。また、貯湯槽２１の体積を小さくす
ることができ、コンパクトで設置性の良い貯湯式ヒートポンプ給湯装置とすることもできる。

また、給湯流量センサー４８は必ずしも図４に示される場所に設置される必要はない。例えば、貯湯槽２１からの出湯流量を直接検知する給湯流量センサー４８の代わりに、給湯流量センサー３８と給湯混合弁３６や注湯流量センサー４４と注湯混合弁４２を用いてもよい。その場合、制御手段４９は給湯流量センサー４８の代わりに給湯流量センサー３８と給湯混合弁３６、又は注湯流量センサー４４と注湯混合弁４２により、検知される流量と混合比により貯湯槽２１からの出湯流量から推定できる貯湯槽２１からの出湯流量により、三方弁２６を切り換え制御する。

なお、貯湯運転において、ヒートポンプ熱源２２は入力エネルギーと大気から集めた熱によって加熱を行うため、入力エネルギー以上の熱量の加熱を行うことができる効率の良い熱源であり、それによって、省エネルギーでランニングコストを抑えることができる。

また、各実施の形態に述べた発明は、貯湯槽１が小型化であるときに一段と効果が得られる。貯湯槽が約８０リットル〜１５０リットルのような小型貯湯槽では、大量の湯水を貯えることができず、湯切れの可能性が高い。また、貯湯槽内の低温層の湯水の体積も小さくなるため、バイパス管を通して送られる湯水の影響を受けやすく、ヒートポンプ熱源の加熱効率の低下を招く。各実施例に述べたような三方弁の制御を行えば、小型貯湯槽を実装する上で不可避な上記問題を解決することができる。

また、各実施の形態のヒートポンプ熱源２２において、使用する冷媒を二酸化炭素とし、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱することにより、冷媒が圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水を加熱することによって熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。そのため、水を冷媒で加熱する熱交換器全域で冷媒側の流路と水側の流路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、三方弁２６を切り換えるための貯湯槽の状態とヒートポンプ熱源の沸き上げ状態や優先事項などはヒートポンプ熱源２２の加熱性能や貯湯槽２１の容量によるところや設計思想によるところが大きいため、それぞれの条件に合わせたものとすればよい。本発明はかかる上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形又は修正が可能である。

以上、説明した各実施の形態の効果をまとめれば以下の通りである。

（１）貯湯槽２１下部の低湯水層の温度を上昇させることなく、ヒートポンプ熱源２２での加熱効率の低下を抑えることができる。

（２）三方弁を沸上戻し管側に切り換えるタイミングを早め、湯切れの可能性を低減できる。

（３）給湯終了後に貯湯槽上部の高湯水の温度が低下するということはなく、常時高温の給湯要求に応じることができる。

以上のように、本発明にかかる貯湯式ヒートポンプ給湯装置は、熱源により加熱した高湯水を高密度に貯湯して給湯に利用するとともに、熱源への供給する水の温度を低く保つことができる。このような構成は実施の形態で挙げたヒートポンプ熱源との組み合わせによる貯湯式給湯装置以外にも、例えば、貯湯槽の低湯水を利用して燃料電池を効率よく冷
却し、燃料電池を熱源とし、その廃熱を給湯のために貯湯しておき、効率の良い発電と廃熱を利用した給湯を両立させる家庭用コジェネレーションシステムに応用することができる。

本発明の実施の形態１における貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態１の処理フロー図 本発明の実施の形態２の処理フロー図 本発明の実施の形態３における貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態３の処理フロー図 本発明の実施の形態３の処理フロー図 従来の貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

２１ 貯湯槽
２２ ヒートポンプ熱源
２６ 三方弁
２９ 出湯温度センサー
３０ 貯湯温度センサー
４０ 浴槽
４１ 注湯管
４５ 注湯電磁弁
４７ 制御手段
４８ 給湯流量センター
４９ 制御手段

Claims (8)

1. 低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の温度を検知する貯湯温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記貯湯温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 貯湯温度センサーは、貯湯槽側壁面の下部に設けられた温度センサーである請求項１記載の貯湯式給湯装置。
3. 低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記加熱手段の入口側に設けられた入水温度センサーと、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より高ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記入水温度センサーの検知温度が所定温度より低ければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
4. 低温層と高温層の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側または低温層側へ送る流路切換手段と、前記貯湯槽に貯えられる低温層の湯水の体積を検知する状態検知手段と、前記加熱手段により加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサーとを備え、前記出湯温度センサーの検知温度が所定温度より低い場合、前記状態検知手段の検知体積が所定値以上ならば、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の高温層側へ
   送るよう前記流路切換手段を切り換え、前記状態検知手段の検知体積が所定値より小さければ、前記加熱手段により加熱された湯水を前記貯湯槽の低温層側へ送るよう前記流路切換手段を切り換える構成としたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
5. 貯湯槽側壁面に垂直方向に複数設けた温度センサーを設け、状態検知手段は、所定温度以下を検知した前記温度センサーの個数により低温層の湯水の体積を検知する請求項４記載の貯湯式給湯装置。
6. 給湯端末に湯水を注湯する注湯管に設けた弁の開閉状態を検知する開閉検知手段を備え、状態検知手段は、前記開閉検知手段の検知結果により低温層の湯水の体積を検知する請求項４記載の貯湯式給湯装置。
7. 貯湯槽へ流入する湯水の流量を検知する第１流量検知手段と、前記貯湯槽から流出する湯水の流量を検知する第２流量検知手段とを備え、状態検知手段は、前記第１流量検知手段の検知流量と第２流量検知手段の検知流量とに基づいて、低温層の湯水の体積を検知する請求項４記載の貯湯式給湯装置。
8. 加熱手段は、圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒回路を有し、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により貯湯槽に貯えられた湯水を加熱する請求項１〜７のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。

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