JP4203048B2 - 給湯装置 - Google Patents
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Description
特許文献2には、潜熱熱交換器と顕熱熱交換器を有する熱交換装置が開示されている。熱交換装置を流れる水は、潜熱熱交換器と顕熱熱交換器の順に通過する。潜熱熱交換器を通過する水は、バーナーの燃焼ガスに含まれている水蒸気の凝縮潜熱を回収する。顕熱熱交換器は、バーナーの燃焼ガスによって加熱される。潜熱熱交換器を設けて潜熱を回収することによって、熱交換装置の効率が向上している。
特許文献2の熱交換装置を特許文献1の給湯装置の熱交換器に適用した場合、貯湯タンクから送り出された水が潜熱熱交換器を通過する。貯湯タンクから潜熱熱交換器に温水が送り出されると、潜熱熱交換器の効率が低くなってしまう。
本発明は、その問題を解決するためになされたものであり、潜熱熱交換器の効率が高い給湯装置を実現することを課題とする。
この給湯装置は、給湯装置に供給された水道水が、まず潜熱熱交換器を通過する。水道水は温度が低い。このため、潜熱熱交換器の効率を高くすることが可能になる。
この給湯装置によれば、送水ポンプが一巡する流路に水を循環させることによって、加熱手段が加熱した水を貯湯タンクに貯湯することができる。
ヒートポンプを用いることによって、高い効率で貯湯タンクに貯湯することができる。
(1)給湯装置は、ヒートポンプ、貯湯タンク、バーナー部、それらを接続する流路、流路に介装されたセンサや三方弁や流量調整弁、ポンプ、コントローラ、リモコンを備えている。
(2)ヒートポンプは、外気熱交換器、給湯熱交換器、圧縮機、減圧弁と、それらを一巡する流路を有している。外気熱交換器には、熱媒体が流入する。外気熱交換器を流れる熱媒体は、外気から吸熱する。外気熱交換器を流出した熱媒体は、圧縮機に圧縮されることによって温度が上昇する。給湯熱交換器には、熱媒体流路と水流路が設けられている。圧縮機で圧縮された熱媒体は、熱媒体流路に流入する。熱媒体流路を流れる熱媒体は、水流路を流れる水を加熱する。給湯熱交換器の熱媒体流路を流出した熱媒体は、減圧弁で膨張することによって温度が低下する。温度が低下した熱媒体は、外気熱交換器に戻り外気から吸熱する。
(3)バーナー部は、顕熱熱交換器、潜熱熱交換器、バーナーを備えている。コントローラは、センサ等から入力される信号に基づいて、ヒートポンプや三方弁や流量調整弁を制御する。リモコンはコントローラに接続されており、使用者が給湯要求温度等を設定するのに用いられる。
(4)貯湯タンクに貯湯するときには、ヒートポンプを動作させる。バーナーは燃焼させない。このときには、ポンプが動作することによって、貯湯タンクから潜熱熱交換器、給湯熱交換器を通過して貯湯タンクに戻るルートで水が循環する。給湯熱交換器を通過する水が熱媒体流路を通過する熱媒体によって加熱され、貯湯タンクに貯湯が行われる。
(5)貯湯タンクに貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも高い場合には、ヒートポンプを動作させる。バーナーは燃焼させない。この場合には、給湯装置に供給された水道水が、潜熱熱交換器を経由して貯湯タンクの下部に送り込まれる。貯湯タンクの下部に水が送り込まれると、貯湯タンクの上部から貯湯されていた水が送り出される。貯湯タンクから送り出された水は、顕熱熱交換器を通過してから給湯栓等に給湯される。また、給湯装置に供給された水道水は、給湯熱交換器の水流路を通過することによって温度が上昇してから、貯湯タンクから送り出される水に合流する。
(6)貯湯タンクに貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも低い場合には、ヒートポンプを動作させるとともに、バーナーを燃焼させる。給湯装置に供給された水道水は、潜熱熱交換器を通過することによって、燃焼ガスに含まれる水蒸気の凝縮潜熱を回収して温度が上昇する。潜熱熱交換器を通過して温度が上昇した水は、貯湯タンクの下部に送り込まれる。貯湯タンクの下部に水が送り込まれると、貯湯タンクの上部から水が送り出される。貯湯タンクから送り出された水は、顕熱熱交換器を通過する。顕熱熱交換器を通過した水は、バーナーの燃焼ガスによって加熱され、温度がさらに上昇する。顕熱熱交換器で加熱された水は、給湯栓等に給湯される。また、給湯装置に供給された水道水は、給湯熱交換器の水流路を通過することによって温度が上昇してから、貯湯タンクから送り出される水に合流する。
(7)貯湯タンクを殺菌するときには、ヒートポンプを動作させるとともに、バーナーを燃焼させる。この場合には、ポンプが動作することによって、給湯熱交換器から、顕熱熱交換器、貯湯タンク、潜熱熱交換器を通過して給湯熱交換器に戻るルートで水が循環する。循環する水は、顕熱熱交換器と潜熱熱交換器と給湯熱交換器を通過することによって高温になる。高温になった水によって、貯湯タンクが殺菌される。
(8)給湯装置が殺菌動作を実行しているときに給湯要求があった場合には、ヒートポンプを停止する。バーナーは動作を継続する。給湯装置に供給された水道水は、顕熱熱交換器を通過する。顕熱熱交換器を通過する水は、バーナーの燃焼ガスに加熱されて温度が上昇してから、給湯栓等に給湯される。
図1に示すように、給湯装置10は、ヒートポンプ12、貯湯部45、バーナー部50、それらを接続する流路、流路に介装されたセンサや三方弁や流量調整弁、コントローラ95、リモコン96を備えている。
ヒートポンプ12は、外気熱交換器20、送風機21、給湯熱交換器24、循環往路30、循環復路34、圧縮機32、減圧弁37、第1センサ33、第2センサ40、第3センサ41を有している。
外気熱交換器20は、内部を通過する熱媒体と外気との間で熱交換を行う。送風機21は、外気熱交換器20に隣接して設けられており、電動モータ23とファン22を有している。ファン22は、電動モータ23に駆動されて回転する。ファン22が回転すると、外気が外気熱交換器20に吹き付けられる。外気が吹き付けられることによって、外気熱交換器20の効率が向上する。熱媒体には、例えば代替フロン(ハイドロフルオロカーボン等)や、例えば二酸化炭素を用いることができる。
循環復路34は、給湯熱交換器24の熱媒体流路26の出口35と外気熱交換器20の入口36を接続している。減圧弁37と第2センサ40と第3センサ41は、循環復路34に介装されている。
圧縮機32は、外気熱交換器20を流出した熱媒体を圧縮して給湯熱交換器24に送り込む。第1センサ33は、外気熱交換器20を流出した熱媒体の温度を検出する。給湯熱交換器24は、熱媒体流路26を通過する熱媒体と水流路27を通過する水との間で熱交換を行う。水流路27を通過する水が、熱媒体流路26を通過する熱媒体によって加熱される。第2センサ40は、給湯熱交換器24を流出した熱媒体の温度を検出する。減圧弁37は、通過する熱媒体を減圧する。減圧弁37が熱媒体を減圧する程度は、その開度を調整することによって行われる。第3センサ41は、外気熱交換器20に流入する熱媒体の温度を検出する。
バーナー部50は、顕熱熱交換器52、潜熱熱交換器51、バーナー53、バーナーファン54を備えている。バーナー53は、ガスを燃焼する。バーナーファン54は、バーナー53に燃焼用の空気を送風する。
第2流路60は、逃がし弁62と潜熱熱交換器51の一方端63を接続している。第2流路60には、第1三方弁64が介装されている。逃がし弁62は、第2流路60内の圧力が所定値以上になったときに開き、第2流路60内の圧力を外部に開放する。第1三方弁64は、第2流路60同士を流通させる状態と、第2流路60の逃がし弁62側と第11流路94(後述する)を流通させる状態とを切り替える。
第3流路66は、潜熱熱交換器51の他方端67と貯湯タンク46の下端を接続している。第3流路66には、第5センサ68が介装されている。第5センサ68は、第3流路66を流れる水の温度を検出する。
第5流路75は、給湯熱交換器24の水流路27の出口74と、第7流路78(後述する)の途中を接続している。第5流路75には、第5センサ76と第2三方弁77が介装されている。第5センサ76は、第5流路75を流れる水の温度を検出する。
第6流路84の上流端85は、第2三方弁77に接続されている。第6流路84の下流側は、給湯栓や風呂と連通している。第6流路84には、第6センサ79が介装されている。第2三方弁77は、第5流路75同士を流通させる状態と、第5流路75の上流側と第6流路84を流通させる状態とを切り替える。第6センサ79は、第6流路84を流れる水の温度を検出する。
第7流路78は、貯湯タンク46の上端と第3三方弁82(後述する)を接続している。第7流路78には、第7センサ80が介装されている。第7センサ80は、第7流路78を流れる水の温度を検出する。
第9流路86は、顕熱熱交換器52の他端87と第6流路84の途中を接続している。第9流路86には、第8センサ88が介装されている。第8センサ88は、第9流路86を流れる水の温度を検出する。
第10流路90の一端92は、第6流路84の途中であって、第9流路86が接続されているのと同じ部位に接続されている。第10流路90の他端93は、第2流路60の途中であって、第4流路70が接続されているのと同じ部位に接続されている。第10流路90には、第2流量調整弁91が介装されている。第2流量調整弁91は、その開度を変化させることによって、第10流路90を流れる水の量を調整する。第11流路94は、第1三方弁64と第3三方弁82を接続している。
ヒートポンプ12の代わりに、他の加熱手段(例えば、燃料電池)を用いることもできる。
ヒートポンプ12の外気熱交換器20には、循環復路34から液体状の熱媒体が流入する。外気熱交換器20を流れる熱媒体は、外気から吸熱することによって蒸発し、液体状からガス状に相変化する。外気熱交換器20を流出した熱媒体は、循環往路30を流れ、圧縮機32によって圧縮される。圧縮機32に圧縮された熱媒体は、ガス状のまま温度が上昇する。温度が上昇した熱媒体は、給湯熱交換器24の熱媒体流路26に流入する。給湯熱交換器24の水流路27には、熱媒体流路26を流れる熱媒体よりも低温の水が流れている。熱媒体流路26を流れる熱媒体は、水流路27を流れる水と熱交換することによって冷却される。冷却された熱媒体は、ガス状から液体状に相変化する。水流路27を流れる水は、熱媒体流路26を流れる熱媒体に加熱されて温度が上昇する。
給湯熱交換器24の熱媒体流路26を流出した液体状の熱媒体は、循環復路34を流れる。循環復路34を流れる熱媒体は、減圧弁37で膨張することによって温度が低下する。温度が低下した液体状の熱媒体は、外気熱交換器20に流入する。
最初に、図1を用いて、貯湯タンク46に貯湯する動作について説明する。このときには、ヒートポンプ12を動作させる。バーナー53は燃焼させない。貯湯タンク46に水が貯められているとともに、第6流路84から給湯栓等に給湯していないものとする。第6流路84から給湯していないので、第1流路56には水道水が流入しない。図1で塗りつぶされている流路は、熱媒体や水が流通していることを示している。熱媒体や水の流通方向は、矢印で示している。
コントローラ95は、センサ47、68、76、80が検出した温度に基づいて、ヒートポンプ12やポンプ73の運転強さ、第1流量調整弁72の開度を調整する。コントローラ95がヒートポンプ12の運転強さを調整するにあたっては、センサ33、40、41の検出温度に基づいて、圧縮機32の圧縮率や減圧弁37の開度を調整する。
(1)貯湯タンクに貯湯している水の温度が給湯要求温度よりも高い場合。
図2に示すように、貯湯タンク46には45℃の水が貯湯されており、給湯要求温度は38℃であるとする。貯湯タンク46に45℃の水が貯湯されていることは、第4センサ47によって検出される。給湯要求温度は、使用者がリモコン96を操作することによって設定されている。
この場合には、ヒートポンプ12を動作させる。バーナー53は燃焼させない。第1流量調整弁72を開くとともに、ポンプ73を停止する。第1三方弁64は、第2流路60同士を流通させる状態にする。第2三方弁77は、第5流路75同士を連通させる状態にする。第3三方弁82は、第7流路78と第8流路81を連通させる状態にする。
第1流路56には水道水の水圧が加わっている。このため、第6流路84の下流側に設けられている給湯栓等が開けられると、第1流路56と、第2流路60と、潜熱熱交換器51と第3流路66を経て水が貯湯タンク46の下部に入り込む。第1流路56に水道水が供給されたことは、流量センサ59によって検出される。貯湯タンク46の下部に水が入り込むと、その上部から第7流路78に45℃の水が送り出される。
第7流路78を出た水は、第3三方弁82を通過してから、第8流路81と顕熱熱交換器52と第9流路86を流れる。一方、第1流路56から第2流路60に流入した水道水は、第10流路90にも流入する。第10流路90に流入した水は、第6流路84で第9流路86を流れてきた水と混合する。第10流路90を流れる水の量は、第2流量調整弁91によって調整されている。第2流量調整弁91が第10流路90を流れる水の量を調整するにあたっては、第6センサ79や第8センサ88の検出温度が利用される。第2流量調整弁91が、第9流路86を流れてきた水(42℃)に混合する第10流路90を流れてきた水(15℃)の量を調整することによって、第6流路84から給湯要求温度どおりの38℃の水が給湯栓等に給湯される。
既に説明したように、貯湯タンク46から送り出された水(45℃)に、ヒートポンプ12の給湯熱交換器24で加熱された水(28℃)が混合する。このため、給湯熱交換器24で加熱された水の分だけ、貯湯タンク46に貯湯されている水(湯)を節約することができる。
図3に示すように、貯湯タンク46には33℃の水が入っているとする。給湯要求温度は42℃であるとする。
この場合には、ヒートポンプ12を動作させる。バーナー53を燃焼させる。第1流量調整弁72を開くとともに、ポンプ73を停止する。第1三方弁64は、第2流路60同士を流通させる状態にする。第2三方弁77は、第5流路75同士を連通させる状態にする。第3三方弁82は、第7流路78と第8流路81を連通させる状態にする。第2流量調整弁91を閉じる。
給湯栓等が開かれると、第1流路56と第2流路60を流れた15℃の水(水道水)が潜熱熱交換器51に流入する。潜熱熱交換器51では、バーナー53で燃焼しているガスに含まれる水蒸気が、潜熱熱交換器51を通過する水に冷却されて凝縮することによって水になる。そのときに発生する潜熱(凝縮熱)を吸収することとバーナー53の燃焼ガスに加熱されることによって、温度が33℃に上昇した水が、潜熱熱交換器51から第3流路66に流入する。第3流路66を流れた水は、貯湯タンク46に入り込む。このため、貯湯タンク46内の水温が33℃になる。
第7流路78を出た水は、第8流路81を経て顕熱熱交換器52に流入する。顕熱熱交換器52に流入した水はバーナー53の燃焼ガスに加熱される。バーナー53の燃焼強さが調整されることによって、顕熱熱交換器52を通過した水は、給湯要求温度である42℃になる。バーナー53の燃焼強さの調整にあたっては、第6センサ79、第7センサ80、第8センサ88の検出温度が利用される。顕熱熱交換器52を通過した42℃の水は、第9流路86と第6流路84を流れて給湯栓等に給湯される。
ミニマム燃焼とは、バーナー53が最も弱く燃焼している状態である。バーナー53がミニマム燃焼すると、顕熱熱交換器52から流出する水の温度が給湯要求温度を超えてしまう事象は、貯湯タンク46に貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも僅かに低い場合に発生する。
図4に示すように、貯湯タンク46には38℃の水が入っており、給湯要求温度は42℃であるとする。流量調整弁や三方弁の状態は、第2流量調整弁91を開く以外、上述した(2)の場合と同様である。ヒートポンプ12は弱く運転する。貯湯タンク46から送り出された38℃の水に、給湯熱交換器24で加熱された21℃の水が混合することによって、顕熱熱交換器52には35℃の水が流入する。顕熱熱交換器52に流入する水の温度が35℃であり、給湯要求温度である42℃よりも低いので、バーナー53を動作させる必要がある。バーナー53を動作させると、顕熱熱交換器52を流出する水の温度が、給湯要求温度である42℃を超える。顕熱熱交換器52を流出した水は、第9流路86を流れて第6流路84に流入する。第6流路84には、第10流路90から第2流量調整弁91によって流量が調整された低温(15℃)の水が混合する。このようにして、第6流路84から給湯要求温度どおりの42℃の水が給湯栓等に給湯される。
既に説明したように、ヒートポンプ12を弱く運転することによって、貯湯タンク46から送り出された38℃の水に、給湯熱交換器24で加熱された21℃の水が混合する。給湯熱交換器24で加熱された水が貯湯タンク46から送り出された水に混合することによって、バーナー53で加熱されて顕熱熱交換器52から流出する水の温度が高くなる。顕熱熱交換器52から流出する水の温度が高くなると、第10流路90から第6流路84に流入する水量が多くなる。よって、貯湯タンク46から送り出される水を節約することができる。
ヒートポンプ12を強く運転することもできる。ヒートポンプ12を強く運転すると、給湯装置10のエネルギー効率は低下するが、貯湯タンク46から送り出される水をより節約することができる。
貯湯タンク46を殺菌するときには、ヒートポンプ12を動作させる。バーナー53を燃焼させる。第1流量調整弁72を開くとともに、ポンプ73を駆動する。第1三方弁64は、第2流路60同士を流通させる状態にする。第2三方弁77は、第5流路75の上流側と第6流路84を流通させる状態にする。第3三方弁82は、第7流路78と第8流路81を流通させる状態にする。第2流量調整弁91を閉じる。
ポンプ73を駆動すると、第4流路70から給湯熱交換器24に水が流入して加熱される。加熱されて温度上昇した水は、第5流路75から第2三方弁77を通過して第6流路84に流入する。第6流路84に流入した水は、第9流路86を経由してから顕熱熱交換器52を通過する。顕熱熱交換器52を通過する水は、バーナー53の燃焼ガスに加熱されて温度が上昇する。顕熱熱交換器52を通過して温度が上昇した水は、第8流路81と第3三方弁82と第7流路78を流れて貯湯タンク46の上部に入り込む。
この場合には、ヒートポンプ12の動作を停止する。バーナー53の燃焼は、継続する。第1流量調整弁72を閉じるとともに、ポンプ73を停止する。第1三方弁64は、第2流路60の逃がし弁62側と第11流路94を流通させる状態にする。第3三法弁82は、第8流路81と第11流路94を流通させる状態にする。第2流量調整弁91を閉じる。
給湯栓等を開くと、水道水が、第1流路56と、第2流路60と、第1三方弁64と、第11流路94を流れてから顕熱熱交換器52を通過する。顕熱熱交換器52を通過した水は、バーナー53の燃焼ガスに加熱されて給湯要求温度である38℃の水になる。顕熱熱交換器52を通過した水は、第9流路86と第6流路84を流れて給湯栓等に給湯される。
この給湯装置10によれば、殺菌動作中に給湯要求があっても、貯湯タンク46に入っている水を消費することなく、直ちに給湯を実行することができる。給湯要求が終了してから、殺菌動作を再開することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12:ヒートポンプ
20:外気熱交換器
21:送風機
22:ファン
23:電動モータ
24:給湯熱交換器
25:出口
26:熱媒体流路
27:水流路
30:循環往路
31:入口
32:圧縮機
33:第1センサ
35:出口
36:入口
34:循環復路
37:減圧弁
40:第2センサ
41:第3センサ
45:貯湯部
46:貯湯タンク
47:第4センサ
50:バーナー部
51:潜熱熱交換器
52:顕熱熱交換器
53:バーナー
54:バーナーファン
56:第1流路
57:一端
58:他端
59:流量センサ
60:第2流路
62:逃がし弁
63:一方端
64:第1三方弁
66:第3流路
67:他方端
68:第5センサ
70:第4流路
71:入口
72:第1流量調整弁
73:ポンプ
74:出口
75:第5流路
76:第5センサ
77:第2三方弁
78:第7流路
79:第6センサ
80:第7センサ
81:第8流路
82:第3三方弁
83:一端
84:第6流路
85:上流端
86:第9流路
87:他端
88:第8センサ
90:第10流路
91:第2流量調整弁
92:一端
93:他端
94:第11流路
95:コントローラ
96:リモコン
Claims (3)
- ガス燃焼式のバーナーと、
バーナーの燃焼ガスに含まれる水蒸気の凝縮潜熱で水を加熱する潜熱熱交換器と、
バーナーの燃焼熱で水を加熱する顕熱熱交換器と、
貯湯タンクと、
給湯装置に供給された水道水を、貯湯タンクを通過させないで潜熱熱交換器を通過させ、その後、貯湯タンクと顕熱熱交換器の順に通過させて給湯箇所に送り出す流路と、を備えている給湯装置。 - 水を加熱する加熱手段と、
バーナーの燃焼を停止して貯湯タンクに貯湯するときに、貯湯タンクと潜熱熱交換器と加熱手段を一巡するように形成される流路と、
その一巡する流路に介装されている送水ポンプと、を備えている請求項1の給湯装置。 - 加熱手段は、ヒートポンプであることを特徴とする請求項2の給湯装置。
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