JP4679548B2

JP4679548B2 - 貯湯式給湯機

Info

Publication number: JP4679548B2
Application number: JP2007136803A
Authority: JP
Inventors: 史郎風間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008292036A

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関するものである。

ヒートポンプやヒータ等の熱源機で水を加熱して得た湯を貯湯タンクに貯留し、この貯湯タンクから給湯管路を介して所望箇所に給湯する貯湯式給湯機では、通常、１日のうちの所定の時間帯においてのみ水を沸き上げて湯にし、貯湯タンクに貯留された湯を残りの時間帯で消費するようにしている。貯湯式給湯機のランニングコストを抑えるために、消費しきれなかった残り湯は次回の沸上げ時に再び所定温度の湯に沸き上げられて、再利用される。

貯湯式給湯機のうちでヒートポンプを熱源機として用いたものでは、ヒートポンプにより加熱される水の温度が高いと当該貯湯式給湯機での成績係数（ＣＯＰ）が低下するので、残り湯の沸上げ時の成績係数の低下を防止するために貯湯タンク内の残り湯を攪拌してその温度を略均一化してから沸き上げる、という工夫もなされている。特許文献１には、貯湯タンク内に設けた攪拌手段により残り湯を攪拌してその温度を略均一化するヒートポンプ給湯機が記載されている。また、特許文献２には、一端が貯湯タンクの底面に接続され他端が貯湯タンクの天面に接続された攪拌流路に残り湯を流すことで当該残り湯を攪拌してその温度を略均一化するヒートポンプ給湯機が記載されている。

特開２００３−２５４６０９号公報特開２００３−２８７２７８号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたヒートポンプ給湯機におけるように貯湯タンク内の残り湯を攪拌してその温度を略均一化してから沸き上げるように貯湯式給湯機を構成すると、残り湯全体の温度が比較的低温側で略均一化された後に当該残り湯を沸き上げることになるので、所定量の湯が沸き上がるまでの間はいわゆる「湯切れ」の状態となって所望温度の給湯をユーザが受けられなくなることがある。また、湯の消費量が少なく貯湯タンク上部に高温の残り湯が比較的多量にある場合には、残り湯を攪拌しても当該残り湯の温度が比較的高温側で略均一化されてしまう結果として、攪拌しなかったときと比べて成績係数が低下してしまうこともある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ヒートポンプサイクルの成績係数が良好で、かつ湯切れを確実に防止できる貯湯式給湯機を得ることを目的とする。

上記の目的を達成する本発明の貯湯式給湯機は、ヒートポンプ熱源機で水を加熱して得た湯を貯湯タンクに貯留し、該貯湯タンク内の湯を給湯管路を介して所定の給湯先に送る貯湯式給湯機であって、貯湯タンクの下部に設けられた取水口と貯湯タンクの上部側に設けられた給水口とを結ぶ循環管路と、循環管路の途中に設けられて貯湯タンク内の湯を循環管路に循環させる循環装置と、循環装置の動作を制御する制御装置とを備え、給水口は、貯湯タンクの頂部側から一定容量の湯が貯留される位置に設けられていることを特徴とするものである。

本発明の貯湯式給湯機では、沸き上げる前に上記の循環管路に貯湯タンク内の湯を循環させ、貯湯タンク内の湯を撹拌することで、少なくとも循環管路での給水口の周辺および当該給水口の下方の湯の温度を比較的低温側で略均一化させることができるので、ヒートポンプ熱源機の沸き上げ効率を向上させることができる。また、循環装置を動作させているときでも上記一定容量の湯を確保して給湯に使用することができる。すなわち、上記一定容量の湯の量を適宜選定することにより、湯切れを防止することができる。したがって本発明によれば、ヒートポンプサイクルの成績係数（ＣＯＰ）が良好で、かつ湯切れを確実に防止できる貯湯式給湯機を得ることができる。

以下、本発明の貯湯式給湯機の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。

図１は、貯湯式給湯機の一例を示す概略図である。同図に示す貯湯式給湯機４０は、二酸化炭素等の自然冷媒を用いたヒートポンプ（図示せず）を有するヒートポンプユニット（ヒートポンプ熱源機）１０と、ヒートポンプユニット１０で得た湯が貯留される貯湯タンク１１等が収容された貯湯タンクユニット３０とを備えている。図１においては、上記のヒートポンプのうちの熱交換器１のみが示されている。

上記の貯湯タンクユニット３０内には、一端が水道等の水源に接続された給水管路１３が配設されており、当該給水管路１３の他端は貯湯タンク１１の下部に接続されている。貯湯式給湯機４０の設置後に、貯湯タンク１１が満水になるまで当該貯湯タンク１１内に給水管路１３を介して水が注入される。また、貯湯式給湯機４０の稼働時においては、消費された湯と同量の水が給水管路１３を介して貯湯タンク１１に供給されて、当該貯湯タンク１１が満水状態に常時保たれる。給水管路１３の途中には図示を省略した減圧弁が設けられており、水源から供給された水は所定の水圧に減圧された後に貯湯タンク１１に供給される。

貯湯タンク１１の下部には取水口１１ａが、また上部側には給水口１１ｂが設けられており、上記の取水口１１ａと給水口１１ｂとは循環管路１５により結ばれている。循環管路１５は、取水口１１ａから熱交換器１を経て給水口１１ｂに達しており、その途中のヒートポンプユニット１０内には、循環ポンプ等の循環装置１７が設けられている。図示の例では、貯湯タンク１１の下端に取水口１１ａが設けられており、給水口１１ｂは、例えば、湯切れ防止のための最低貯湯量（この実施例では５０リットル）等の一定容量の湯が貯湯タンク１１の頂部側に貯留される位置に設けられている。

貯湯タンク１１内の湯を所望の給湯先に供給するために、貯湯タンク１１の頂部には給湯管路１９の一端が接続されている。当該給湯管路１９の他端は所望の給湯先に設けられた給湯栓４５に接続されている。

貯湯タンクユニット３０内には、ヒートポンプユニット１０内のヒートポンプの動作や循環装置１５の動作等を制御する制御装置２１も配設されている。この制御装置２１は、制御部２１ａと記憶部２１ｂとを有しており、ヒートポンプユニット１０や循環装置１７に有線または無線により接続されて、貯湯式給湯機４０内の情報と記憶部２１ｂに格納されている情報とに基づいて当該ヒートポンプユニット１０や循環装置１７の動作を制御する。なお、記憶部２１ｂには、例えばヒートポンプユニット１０による水の沸上げ温度についての情報や、水の沸上げ運転を開始する時刻についての情報や、ヒートポンプサイクルは行わずに循環装置１７のみを動作させるときの条件についての情報等が格納される。

上記の温度情報を得るために、貯湯タンク１１内には互いに異なる取付け高さをもって複数の温度センサ２３ａ〜２３ｅが、また循環管路１５における循環装置１７の上流側には温度センサ２５ａが、そして給水口１１ｂの上流側には温度センサ２５ｂがそれぞれ配置されて、制御装置２１と有線または無線により接続されている。上記の温度センサ２３ａは貯湯タンク１１内の頂部に位置しており、温度センサ２３ｂは給水口１１ｂの取付け高さよりも僅かに高い所に位置している。また、温度センサ２３ｃは給水口１１ｂの取付け高さよりも所定の高さだけ低い所に位置しており、温度センサ２３ｄは温度センサ２３ｃの下方に位置しており、温度センサ２３ｅは取水口１１ａの近傍に位置している。

貯湯タンクユニット３０の外には、有線または無線により制御装置２１に接続された遠隔操作部３５が配置されている。この遠隔操作部３５は、制御装置２１に対する入力装置として機能するものであり、ユーザにより入力された情報を制御部２１に伝える。例えば、ヒートポンプユニット１０による水の沸上げ温度を指定する情報や、水の沸上げ運転の開始時刻を指定する情報や、貯湯式給湯機４０の起動を指示する指令等が遠隔操作部３５から入力される。図１には１つの遠隔操作部３５のみが示されているが、複数の遠隔操作部３５を設けることもできる。なお、遠隔操作部３５から制御装置２１に入力された情報は、必要に応じて記憶部２１ｂに格納される。

上述の構成を有する貯湯式給湯機４０は、ユーザにより指定された水の沸上げ開始時刻になると、沸上げ運転を開始する。光熱費を抑えるために、沸上げ運転の開始時刻は一般に深夜電力時間帯（一般に２３時から翌朝７時）に設定される。制御装置２１は時計機能を有しており、ユーザは遠隔操作部３５により沸上げ運転の開始時刻を指定することができる。

貯湯タンク１１内に残り湯がないときの沸上げ運転時には、制御装置２１によりヒートポンプユニット１０によるヒートポンプサイクルおよび循環装置１７が起動されて、貯湯タンク１１内の水が取水口１１ａから循環管路１５に流入し、熱交換器１による外気との熱交換によって湯に沸き上げられて、給水口１１ｂから貯湯タンク１１内に少量ずつ戻される。このとき、湯の比重の方が水の比重よりも小さいことから、給水口１１ｂから貯湯タンク１１に戻された湯は貯湯タンク１１内の頂部側に流動し、貯湯タンク１１内の水または相対的に低温の湯は貯湯タンク１１の底部側に流動する。

制御装置２１は、ユーザにより指定された沸上げ温度（例えば９０℃）の湯が給水口１１ｂから貯湯タンク１１内に戻されるように、各温度センサ２５ａ，２５ｂの検知結果と記憶部２１ｂに格納されている沸上げ温度についての情報とを基にヒートポンプユニット１０の動作を制御する。また、各温度センサ２３ｅ，２５ａの検知結果が所定の温度、すなわちユーザにより指定された沸上げ温度に対応する温度（例えば６０℃）になると、貯湯タンク１１内の湯の全量が沸き上がったものと判断して、沸上げ運転を終了させる。

上述のようにして沸き上げられて貯湯タンク１１に貯留された湯は、ユーザにより給水栓４５からの給湯に使用され、このときの湯の使用量に相当する量の水が給水管路１３を介して貯湯タンク１１に供給される。そのため、沸き上げる前の段階の貯湯タンク１１内には、頂部付近が略沸上げ温度で取水口付近が略未加熱の水の温度という温度分布が形成される。

このような温度分布が形成されている状態で沸き上げる場合、貯湯式給湯機４０は当該沸き上げに先だって貯湯タンク内の湯（水）を攪拌する。すなわち、ヒートポンプユニット１０によるヒートポンプサイクルは行わずに循環装置１７のみを動作させる攪拌運転を行って貯湯タンク１１内の湯（水）を攪拌する。その後、沸上げ運転を行う。攪拌運転は、例えばユーザが指定した沸上げ運転の開始時刻よりも一定時間前（例えば２時間前）に開始される。

上記の攪拌運転時には、制御装置２１により循環装置１７のみが起動されて、貯湯タンク１１内の湯が取水口１１ａから循環管路１５に流入し、熱交換器１による外気との熱交換が行われないまま給水口１１ｂから貯湯タンク１１内に少量ずつ戻される。このとき、取水口１１ａ付近の湯の温度の方が給水口１１ｂ付近の湯の温度よりも低いことから、給水口１１ｂから貯湯タンク１１に戻された湯は貯湯タンク１１内の頂部側には殆ど流動せずに、貯湯タンク１１の底部側に流動する。その結果、貯湯タンク１１を側面視したときの給水口１１ｂの上端の高さ位置付近を境として、上側には攪拌運転時に実質的に循環しなかった高温の残り湯層が形成され、下側には略均一化された低温の残り湯層が形成される。

図２は、攪拌運転を行う前の段階での貯湯タンク１１内の温度分布の一例を示す概略図である。同図に示す例では、温度センサ２３ａによる検知温度が沸上げ温度である９０℃、温度センサ２３ｂによる検知温度が７０℃、温度センサ２３ｃによる検知温度が５０℃、温度センサ２３ｄによる検知温度が３０℃、温度センサ２３ｅによる検知温度が未加熱の水の温度である５℃となっている。また、貯湯タンク１１を側面視したときの温度センサ２３ｂよりも上方の領域Ｒ_１に貯留されている残り湯の容積は５０リットル、温度センサ２３ｂと温度センサ２３ｄとの間の領域Ｒ_２に貯留されている残り湯の容積は２００リットル、温度センサ２３ｄよりも下方の領域Ｒ_３に貯留されている残り湯の容積は１２０リットルである。

図３は、攪拌運転により貯湯タンク１１内に形成される高温の残り湯層と低温の残り湯層それぞれの一例を示す概略図である。同図に示す例は、貯湯タンク１１内の残り湯に図２に示す温度分布が形成されているときに攪拌運転を行ったときのものである。前述のように、攪拌運転時に給水口１１ｂから貯湯タンク１１に戻された残り湯は、貯湯タンク１１内の頂部側には殆ど流動せずに貯湯タンク１１の底部側に流動する。その結果として、貯湯タンク１１を側面視したときの給水口１１ｂの高さ位置付近を境として、上側には攪拌運転時に実質的に循環しなかった７０〜９０℃程度の高温の残り湯層Ｓ_１が形成され、下側には略均一化された温度（３７℃程度）の低温の残り湯層Ｓ_２が形成される。図３中の白抜きの矢印は、攪拌運転時に給水口１１ｂから貯湯タンク１１に戻された残り湯の流動方向を概略的に示している。

なお、攪拌運転によって給水口１１ｂの高さ位置付近の上方に所望容積の高温の残り湯層を形成するという観点からは、攪拌運転時に給水口１１ｂから貯湯タンク１１に戻される残り湯の流速を低めに設定することが好ましい。例えば、ヒートポンプユニット１０と循環装置１７とを動作させる沸上げ運転時における循環管路１５での流速よりも、循環装置１７を単独で動作させる攪拌運転時における循環管路１５での流速の方が遅くなるように循環装置１７の動作を制御すると、給水口１１ｂの高さ位置付近の上方に所望容量の高温の残り湯層を確実に確保できる。

制御装置２１は、攪拌運転の開始から予め定められた時間が経過すると攪拌運転を終了して、沸上げ運転を開始する。攪拌運転の継続時間は、貯湯タンク１１内に略均一な温度の低温の残り湯層が確保できるように、攪拌運転時の循環装置１７の運転条件や循環管路１５の管径等を考慮して例えば貯湯式給湯機４０のメーカにより予め設定され、記憶部２１ｂに格納される。各温度センサ２３ｃ，２３ｄ，２３ｅによる検知結果が所定の温度差（例えば±１℃）以内になったときに攪拌運転を終了するように貯湯式給湯機４０を構成することも可能である。上記の温度差も例えば貯湯式給湯機４０のメーカにより予め設定され、記憶部２１ｂに格納される。

貯湯タンク１１内に残り湯があったときは、攪拌運転時および沸上げ運転時のいずれにおいても、貯湯タンク１１の頂部側に高温の湯が貯留された状態となるので、ユーザは給湯栓４５からの給湯を受けることができる。図３に示した例におけるような高温の残り湯層Ｓ_１の容量は、給水口１１ｂの取付け高さを適宜選定することにより容易に調節することができる。したがって、当該容量が予め設定された追加沸上げ時の湯量または湯切れ防止用の最低貯湯量となるように給水口１１ｂの取付け高さを選定することにより、貯湯式給湯機４０での湯切れを確実に防止できる。

例えば図３に示した例におけるような低温（３７℃程度）の残り湯層Ｓ_２（図３参照）を形成し、その後に当該低温の残り湯層Ｓ_２を対象に沸上げ運転を行うと、成績係数（ＣＯＰ）は１．４１程度となる。一方、図２に示した残り湯全体を特許文献１に記載されたヒートポンプ給湯機におけるように攪拌してその温度を略均一化し、その後に沸上げ運転を行うと、沸上げ運転の対象となる残り湯の温度が４３℃程度となることから、成績係数は１．２２程度となる。これらの成績係数の比は１．４１／１．２２程度であるので、貯湯式給湯機４０では成績係数が１６％程度改善されることになる。参考のため、ヒートポンプユニットを備えた貯湯式給湯機で沸上げ運転の対象とする水または湯の温度（水温）と成績係数（ＣＯＰ）との関係の一例を図４に示す。

上述のように、循環管路１５を用いて攪拌運転を行った後に沸き上げを行う貯湯式給湯機４０では、沸き上げる際の成績係数が良好であり、かつ湯切れを確実に防止することができる。なお、本発明の貯湯式給湯機は、前述のように、上記形態の貯湯式給湯機４０に限定されるものではない。

例えば、貯湯タンク内に高温の残り湯が多量にあるときには攪拌運転を行うことによるメリットが期待できないので、制御装置に攪拌運転を行うか否かを判定する判定機能を付加し、当該判定機能により攪拌運転を行わないと判定されたときには攪拌運転を行わないように貯湯式給湯機を構成してもよい。具体的には、図１に示した各温度センサ２３ａ〜２３ｅの検知温度がいずれも所定の条件値（例えば７０℃）を超えるときには、上記の判定機能により攪拌運転を行わないと判定されるように貯湯式給湯機を構成してもよい。同様に、図１に示した給水口１１ｂよりも下方にある少なくとも１つの温度センサの検知温度が所定の条件値を超えるときには、上記の判定機能により攪拌運転を行わないと判定されるように貯湯式給湯機を構成してもよい。温度センサの検知温度に関する上記の条件値は、例えば貯湯式給湯機のメーカにより予め制御装置の記憶部に格納される。

また、攪拌運転で使用する循環管路と沸上げ運転で使用する循環管路とを別個に設けることもできる。これらの循環管路を別個に設ける場合には、１つの循環装置によって各循環管路に水または湯を循環させることも可能であるし、個々の循環管路に１つずつ配置した循環装置によって各循環管路に水または湯を循環させることも可能である。個々の循環管路に１つずつ循環装置を配置したときには、各循環装置の動作を制御装置が個別に制御する。

攪拌運転で使用する循環管路と沸上げ運転で使用する循環管路とを別個に設ける場合には、貯湯タンクに設けられて攪拌運転用の循環管路の一端が接続される給水口の流路断面積を、沸上げ運転用の循環管路の一端が接続される給水口の流路断面積よりも十分に大きくしてもよい。各給水口の流路断面積の大小関係をこのように選定すると、攪拌運転時と沸上げ運転時とで循環装置の動作条件を一定にしても、攪拌運転時に貯湯タンクに戻される残り湯の流速を沸上げ運転時に貯湯タンクに供給される湯の流速よりも遅くすることが容易になるので、図３に示したような高温の残り湯層Ｓ_１の容量を制御し易くなる。本発明の貯湯式給湯機については、上述したもの以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

本発明の貯湯式給湯機の一例を示す概略図である。図１に示した貯湯式給湯機が攪拌運転を行う前の段階での貯湯タンク内の温度分布の一例を示す概略図である。図１に示した貯湯式給湯機が攪拌運転を行うことにより貯湯タンク内に形成される高温の残り湯層と低温の残り湯層それぞれの一例を示す概略図である。ヒートポンプユニットを備えた貯湯式給湯機で沸上げ運転の対象とする水または湯の温度（水温）と成績係数（ＣＯＰ）との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１熱交換器
１０ヒートポンプユニット（ヒートポンプ熱源機）
１１貯湯タンク
１１ａ取水口
１１ｂ給水口
１３給水管路
１５循環管路
１７循環装置
１９給湯管路
２１制御装置
２１ａ制御部
２１ｂ記憶部
２３ａ〜２３ｅ温度センサ
２５ａ，２５ｂ温度センサ
３０貯湯タンクユニット
４０貯湯式給湯機
４５給湯栓

Claims

熱交換器を有するヒートポンプ熱源機で水を加熱して得た湯を貯湯タンクに貯留し、該貯湯タンク内の湯を給湯管路を介して所定の給湯先に送る貯湯式給湯機であって、
前記貯湯タンクの下部に設けられた取水口と前記貯湯タンクの上部側に設けられた給水口とを前記熱交換器を経て結ぶ循環管路と、
前記循環管路の途中に設けられて前記貯湯タンク内の湯を前記循環管路に循環させる循環装置と、
前記循環装置の動作と前記ヒートポンプ熱源機の動作とを個別に制御する制御装置と、
を備え、
前記給水口は、前記貯湯タンクの頂部側から一定容量の湯が貯留される位置に設けられており、
前記制御装置は、前記循環装置と前記ヒートポンプ熱源機とを動作させる沸き上げ運転時の前記循環管路での流速よりも前記循環装置を単独で動作させる撹拌運転時の前記循環管路での流速の方が遅くなるように、前記循環装置の動作を制御する
ことを特徴とする貯湯式給湯機。
前記ヒートポンプ熱源機は、ヒートポンプサイクルの冷媒に自然冷媒を用いていることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯機。
前記一定容量とは、予め設定された追加沸上げ時の湯量であ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機。
前記一定容量とは、予め設定された湯切れ防止用の湯量であ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機。
前記給水口よりも前記貯湯タンク内での下方に配置された温度センサと、該温度センサによる検知温度の条件値が格納された記憶部とを更に備え、
前記制御装置は、前記温度センサの検知温度と前記条件値とを比較して前記循環装置を動作させるか否かを判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の貯湯式給湯機。
互いに異なる取付け高さをもって前記貯湯タンク内に配置された複数の温度センサと、該複数の温度センサの各々による検知温度の条件値が格納された記憶部とを更に備え、
前記制御装置は、前記複数の温度センサの各々による検知温度と前記条件値とを比較して前記循環装置を動作させるか否かを判定する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の貯湯式給湯機。