JP5556476B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関するもので、特に、貯湯式給湯機の膨張水処理構成に関するものである。

従来の電気温水器などの貯湯式給湯機の例として、図４に示すようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。図４は、前記特許文献１に記載された従来の貯湯式給湯機の構成図である。

図４において、従来の貯湯式給湯機においては、加熱手段１０７で水を加熱して温水にする過程において、熱膨張のために水の体積が増大する（以下、もとの水の体積より増えた分の水を膨張水と称する）。

同貯湯式給湯機は、貯湯タンク１０１の上部に接続され、貯湯タンク１０１内の圧力が予め定められた値以上になると弁が開放される圧力逃がし弁１０５によって、貯湯タンク１０１内上部の湯を膨張水として貯湯タンク１０１の外部に排出するようになっており、貯湯タンク１０１の破損を防止している。

また、液体（水）に対する気体（空気）の溶解度は、高温になるほど小さくなるため、貯湯タンク１０１内の水を高温の湯に加熱した場合、水中に溶けきれなくなった空気（以下、この空気をタンク内空気と称する）が、貯湯タンク１０１内の上部に溜まる。タンク内空気が多量に滞留すると、湯を使用する際に、湯と貯湯タンク１０１内空気とが混合して排出されたるため、蛇口（図示せず）から湯が飛散してユーザーの不快感を招くことがあるが、貯湯タンク１０１内空気は、膨張水と一緒に圧力逃がし弁１０５から排出されるので、この問題も解消できる（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の貯湯式給湯機の例として、図５に示すようなものがあった（例えば、特許文献２参照）。図５は、前記特許文献２に記載された従来の貯湯式給湯機の構成図である。

従来の貯湯式給湯機は、図５に示すように、貯湯タンク２０１の上部に設けた空気溜め部２０２、第１逆止弁２０７、第２逆止弁２０８、熱交換部２０３、ポンプ２０４を備えたバイパス路２０５と、バイパス路２０５の途中に配置した圧力逃がし弁２０６とにより、貯湯タンク２０１の上部、および下部から圧力逃がし弁２０６を介して膨張水を排出する経路を備えている。これにより、膨張水をバイパス路２０５、圧力逃がし弁２０６を介して低温の水として、貯湯タンク２０１の外部に排出することで熱損失の低減を図ると共に、タンク内空気を空気溜め部２０２、圧力逃がし弁２０６を介して貯湯タンク２０１の外部に排出している。

特許第２９１７７９６号公報 特許第４２７４２７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の貯湯式給湯機のように膨張水を貯湯
タンク１０１の外部へ排出すると、わざわざ加熱した湯を捨てることになり無駄であるという課題があった。

例えば、貯湯タンク１０１の容量が４６０Ｌであって、５℃の水を９０℃まで加熱する場合、水の熱膨張率変化から単純計算すると４６０Ｌの水は、約４７８Ｌの湯となり、約９０℃、約１８Ｌの湯が利用されずに圧力逃がし弁１０５から貯湯タンク１０１の外部に排出されることになる。

また、上記特許文献２に記載されたような他の従来の貯湯式給湯機の構成では、膨張水を、貯湯タンク２０１の底部から低温の水として排出するために熱損失を低減できるが、配管経路が複雑な上に、第１逆止弁２０７または第２逆止弁２０８が弁漏もれを起こした場合には、膨張水が高温の湯として排出されるため熱損失低減効果が無くなるだけでなく、バイパス路２０５を介した自然対流により貯湯タンク２０１の湯と水が混合して水の温度が上昇し、ヒートポンプユニット（図示していない）で貯湯タンク２０１内の水を沸き上げる際の運転効率が低下するという課題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高温の膨張水が貯湯タンク外に排出されることを防止して、熱損失が少ない高効率で信頼性の高い貯湯式給湯機を提供することにある。

上記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式給湯機は、加熱手段により貯湯タンク内の水を加熱して前記貯湯タンク内に貯湯する貯湯運転モードを有する貯湯式給湯機であって、前記貯湯タンクの上部から高温の湯および／または空気を取り出す高温配管、前記高温配管の途中に設けた開閉手段、を有する高温排出経路と、前記貯湯タンクの下部から低温の水を取り出す低温配管、前記低温配管の途中に設けた逆止弁、を有する低温排出経路と、前記高温排出経路と前記低温排出経路とが互いに接続された合流部と、一端が前記合流部に接続されるとともに他端が外部に開放され、途中に圧力逃がし弁が設けられた膨張水排出経路と、を備え、前記貯湯タンクの上部に溜まった空気は、前記貯湯運転中に前記開閉手段が所定時間開くことで、前記高温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出され、前記逆止弁は、前記開閉手段が開いている場合に前記貯湯タンクの下部の水が前記低温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出されないように、差圧が調節されていることを特徴とするもので、前記貯湯運転モードにおいて前記開閉手段が閉の場合は前記貯湯タンク内で発生する膨張水を低温の水として前記貯湯タンクの外部に排出すると共に、前記開閉手段が開の場合にはタンク内空気を貯湯タンクの外部に排出することができる。

本発明によれば、貯湯タンク内で発生する膨張水を低温の水として貯湯タンクの外部に排出するため、熱損失が低減でき、エネルギー効率の高い貯湯式給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の構成図 同貯湯式給湯機の開閉弁の制御フローチャート 本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の構成図 従来の貯湯式給湯機の構成図 従来の他の貯湯式給湯機の構成図

第１の発明は、加熱手段により貯湯タンク内の水を加熱して前記貯湯タンク内に貯湯する貯湯運転モードを有する貯湯式給湯機であって、前記貯湯タンクの上部から高温の湯および／または空気を取り出す高温配管、前記高温配管の途中に設けた開閉手段、を有する高温排出経路と、前記貯湯タンクの下部から低温の水を取り出す低温配管、前記低温配管の途中に設けた逆止弁、を有する低温排出経路と、前記高温排出経路と前記低温排出経路とが互いに接続された合流部と、一端が前記合流部に接続されるとともに他端が外部に開放され、途中に圧力逃がし弁が設けられた膨張水排出経路と、を備え、前記貯湯タンクの上部に溜まった空気は、前記貯湯運転中に前記開閉手段が所定時間開くことで、前記高温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出され、前記逆止弁は、前記開閉手段が開いている場合に前記貯湯タンクの下部の水が前記低温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出されないように、差圧が調節されていることを特徴とする貯湯式給湯機で、前記貯湯運転モードにおいて前記開閉手段が閉の場合は前記貯湯タンク内で発生する膨張水を低温の水として前記貯湯タンクの外部に排出すると共に、前記開閉手段が開の場合にはタンク内空気を貯湯タンクの外部に排出することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記合流部を、貯湯タンクの最上部よりも上方に配置したもので、タンク内空気を確実に貯湯タンクの外部に排出することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の加熱手段をヒートポンプユニットとするもので、高効率な沸き上げ運転が可能となり、更にエネルギー効率が向上する。

第４の発明は、特に、第３の発明のヒートポンプユニットの冷媒に二酸化炭素を使用するもので、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することで製品コストを抑えると共に信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における貯湯式給湯機の構成図、図２は、同貯湯式給湯機の開閉弁の制御フローチャートである。

図１において、本実施の形態は、加熱手段としてヒートポンプユニット１を用いており、そのヒートポンプユニット１の冷媒回路内には、二酸化炭素が封入されている。貯湯運転モード時には、貯湯タンク３の底部の水が沸き上げポンプ１７によりヒートポンプユニット１に搬送され、冷媒（二酸化炭素）と熱交換して高温の湯に加熱された後に、沸き上げ三方弁１８を経由して貯湯タンク３の上部に戻されることで貯湯タンク３内に湯が蓄えられる。２は、貯湯タンク３を収納する貯湯タンクユニットである。

貯湯タンク３の上部から高温の湯または空気を取り出す高温配管４と、高温配管４の途中に設けた開閉手段としての開閉弁５とから高温排出経路６が構成されている。また、貯湯タンク３の下部から低温の水を取り出す低温配管７からなる低温排出経路８が構成されている。低温配管７は、減圧弁１４を介して給水配管１３に接続されている。

高温排出経路６の下流側端末と低温排出経路８の下流側端末とは合流部１１で接続されており、合流部１１には、膨張水排出管１０が連通されている。膨張水排出管１０の途中には圧力逃がし弁９が設けられており、貯湯タンク３内の圧力が所定圧力（例えば、３２
０ｋＰａ）以上になった場合に、高温排出経路６または低温排出経路８、膨張水排出管１０を介して、膨張水またはタンク内空気が貯湯タンク３の外部に排出される。

また、低温排出経路８の途中には、逆流防止手段としての逆止弁１２が設けられており、合流部１１から貯湯タンク３の底部の方向に水が逆流することを防止している。また、逆止弁１２は、貯湯タンク３の底部から合流部１１に向かう方向であっても、逆止弁１２の前後差圧が所定差圧以上にならないと水が流れないようになっている。具体的には、貯湯運転モードにおいて、開閉弁５を開いて貯湯タンク３上部のタンク内空気と膨張水とを排出する際に、低温排出経路８から低温の膨張水が排出されることがないように、逆止弁１２の差圧が調節されている。

なお、低温排出経路８の一部は、貯湯タンク３に給水を行う給水配管１３の一部と共有する構成とすることで、配管構成の簡素化による低コスト化を図っているが、給水配管１３とは別に低温排出経路８専用の配管構成としても良い。

１６は、入口側に高温配管４と、低温配管７が接続され、出口側に給湯配管１５が接続された混合弁である。給湯配管１５の端末には、図示しない蛇口などの給湯端末が接続されている。

以上のように構成された本実施の形態における貯湯式給湯機について、以下、図２のフローチャートを用いてその動作、作用を説明する。

ヒートポンプユニット１が沸き上げ運転を開始して貯湯運転モードとなった場合、Ｓｔｅｐ１からＳｔｅｐ２に移行して開閉弁５を開くと共に、Ｓｔｅｐ３では、開閉弁５を開いている時間の計測を開始する。貯湯タンク３内の水が加熱されるために体積が膨張しようとするが、貯湯タンク３自身の容積はほとんど変化しないため、貯湯タンク３内の圧力が上昇する。

沸き上げ運転継続と共に貯湯タンク３内の圧力は上昇し続けるが、圧力が圧力逃がし弁９の設定圧力（例えば、３２０ｋＰａ）以上になると、貯湯タンク３上部に溜まったタンク内空気と若干量の湯とが高温排出経路６、圧力逃がし弁９、膨張水排出管１０を介して膨張水として貯湯タンク３の外部に排出される。低温排出経路８の途中には逆止弁１２が設置されている。逆止弁１２は、逆方向（図１では、貯湯タンク３の上部から下部に流れる方向）には流れないようになっており、順方向の流れに対しても一定以上の差圧が働かなければ流れない構造になっている。通常、その差圧は、逆止弁１２を支持するバネ（図示せず）のバネ定数で調整している。

逆止弁１２は、貯湯運転モードにおいて開閉弁５が開いている場合に、低温排出経路８から膨張水が排出されないように差圧が調節されている。また、合流部１１を貯湯タンク３の最上部よりも上方に配置すれば、タンク内空気を確実に貯湯タンク３の外部に排出することができる。

Ｓｔｅｐ４において開閉弁５を開いている時間が所定時間を経過すると、Ｓｔｅｐ５に移行して開閉弁５を閉じる。開閉弁５を閉じた以降も沸き上げ運転を継続すると、膨張水は、貯湯タンク３の底部から低温排出経路８、逆止弁１２、圧力逃がし弁９、膨張水排出管１０を介して、低温の水として貯湯タンク３の外部に排出される。この時、膨張水が高温の湯として排出されることがないため熱損失低減が図れて運転効率が向上するのである。

開閉弁５を閉じたまま貯湯運転モードを継続すると、タンク内空気が貯湯タンク３の上
部に溜まり始めるため、開閉弁５を閉じている時間が、所定時間を経過した場合にＳｔｅｐ７、Ｓｔｅｐ１を経由してＳｔｅｐ２で開閉弁５を開いてタンク内空気を排出するという動作を繰り返すのである。

上記一連の動作において、万一、逆止弁１２と開閉弁５とに弁漏れが発生した場合、高温排出経路６、低温排出経路８を介して貯湯タンク３に自然対流が発生してヒートポンプユニット１の運転効率低下を招く可能性がある。逆止弁１２の弁漏れが自然回復することは難しいが、開閉弁５は、何度か開閉動作を繰り返しているうちに異物が除去されて漏れが回復することが期待できる点で、システムの信頼性向上に寄与している。

尚、開閉弁５を開いている時間、開閉弁５を閉じている時間の設定は、沸き上げ温度や給水温度に応じて変化させてもよい。例えば、水に対する空気の溶解度の特性より、給水温度が低く沸き上げ温度が高い場合にタンク内空気の発生量が増大する傾向があるため、沸き上げ温度が高い場合に開閉弁５を開く時間を長く設定すればタンク内空気を確実に排出することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における貯湯式給湯機の構成図である。図３において、上記実施の形態１と同一部分には同一符号を付与して説明を省略する。

本発明の第２の実施の形態が、上記第１の実施の形態と異なる点は、高温排出経路６の途中に設置している開閉弁５に対して、負圧破壊手段としての逆止弁１２を並列接続していることである。

本実施の形態によれば、何らかの原因で、貯湯タンク３内の圧力が、貯湯タンク３外の圧力よりも低くなった場合、すなわち貯湯タンク３内が負圧になった場合、貯湯タンク３外部から圧力逃がし弁９、逆止弁１２を介して速やかに空気を貯湯タンク３内部に導入することができ、貯湯タンク３の負圧破壊を防止することができ、信頼性の向上を図ることができる。

なお、上記実施の形態１、２では、加熱源として、ヒートポンプユニット１を用いて説明したが、燃焼機や電気ヒータを加熱源としても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる貯湯式給湯機は、膨張水を貯湯タンクの底部から水として排出することにより熱損失を低減して省エネを図ることができるものであり、膨張水の発生を伴う機器全般に適用できる。

１ ヒートポンプユニット（加熱手段）
２ 貯湯タンクユニット
３ 貯湯タンク
４ 高温配管
５ 開閉弁（開閉手段）
６ 高温排出経路
７ 低温配管
８ 低温排出経路
９ 圧力逃がし弁
１０ 膨張水排出管
１１ 合流部
１２ 逆止弁（逆流防止手段）
１３ 給水配管
１４ 減圧弁
１５ 給湯配管
１６ 混合弁
１７ 沸き上げポンプ
１８ 沸き上げ三方弁
１９ 逆止弁（負圧破壊手段）

Claims (4)

1. 加熱手段により貯湯タンク内の水を加熱して前記貯湯タンク内に貯湯する貯湯運転モードを有する貯湯式給湯機であって、
   前記貯湯タンクの上部から高温の湯および／または空気を取り出す高温配管、前記高温配管の途中に設けた開閉手段、を有する高温排出経路と、
   前記貯湯タンクの下部から低温の水を取り出す低温配管、前記低温配管の途中に設けた逆止弁、を有する低温排出経路と、
   前記高温排出経路と前記低温排出経路とが互いに接続された合流部と、
   一端が前記合流部に接続されるとともに他端が外部に開放され、途中に圧力逃がし弁が設けられた膨張水排出経路と、を備え、
   前記貯湯タンクの上部に溜まった空気は、前記貯湯運転中に前記開閉手段が所定時間開くことで、前記高温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出され、
   前記逆止弁は、前記開閉手段が開いている場合に前記貯湯タンクの下部の水が前記低温排出経路及び前記膨張水排出経路を介して外部に排出されないように、差圧が調節されていることを特徴とする貯湯式給湯機。
2. 前記合流部を、前記貯湯タンクの最上部よりも上方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯機。
3. 前記加熱手段をヒートポンプユニットとす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。
4. 前記ヒートポンプユニットの冷媒に二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項３に記載の貯湯式給湯機。