JP5803828B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関する。

上層側の湯と下層側の水とを積層状態で貯留可能な貯湯タンク内に貯留した低温水を底部から流出させ、この低温水をヒートポンプ式加熱源等の加熱手段にて沸き上げて貯湯タンクの上部に戻す沸き上げ運転を行うことにより、貯湯タンク内に湯を貯える貯湯式給湯機において、被加熱物（例えば、浴槽に貯留された浴槽水）を加熱するための熱交換器を備え、貯湯タンクから取り出した湯を熱源水として上記熱交換器を経由させて貯湯タンクに戻す加熱動作を行うことにより、例えばふろの追焚きや保温を可能とする技術が知られている。従来、この種の貯湯式給湯機には、１つの循環ポンプを用いて、貯湯タンク内の水の沸き上げ運転と、被加熱物の加熱動作とを同時に実施可能としているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２２６６９５号公報

しかしながら、一般的に貯湯式給湯機を設置する場合は、昼間時間帯の料金が割高の電気料金契約を結ぶことが多いため、従来の貯湯式給湯機においては、昼間時間帯に被加熱物の加熱動作を行う際に、貯湯タンク内の水の沸き上げ運転を同時に行うと、昼間時間帯の割高の電気を使用することによって電気料金が高くなるおそれがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、昼間時間帯に被加熱物の加熱動作を行う際に、貯湯タンク内の水の沸き上げ運転を行うことなく昼間時間帯の電力消費を抑制し、かつ、その後の沸き上げ運転における加熱手段の効率を高く維持することができる貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯機は、水を加熱して湯を生成可能な加熱手段と、上層側の湯と下層側の水とを積層状態で貯留可能な貯湯タンクと、被加熱物を熱源水と熱交換することにより加熱する熱交換器と、貯湯タンクの上部領域に設けられた第一上部口および第二上部口と、貯湯タンクの下部領域に設けられた第一下部口および第二下部口と、第一下部口と加熱手段の入水口とを接続する流路と、加熱手段の出湯口と第一上部口とを接続する流路とを有する沸き上げ回路と、沸き上げ回路における第一下部口と加熱手段の入水口とを接続する流路の途中に設置された第一流路切替手段と、加熱手段の出湯口と第一上部口とを接続する流路の途中に設けられた熱源側流路接続部と、熱源側流路接続部と熱交換器の熱源水の入口とを接続する流路と、熱交換器の熱源水の出口と第一流路切替手段とを接続する流路とを有する熱源側流路と、熱源側流路における熱源側流路接続部と熱交換器の熱源水の入口とを接続する流路の途中に設置された第二流路切替手段と、第二上部口と第二流路切替手段とを接続する上部取り出し流路と、沸き上げ回路における加熱手段の出湯口と熱源側流路接続部との間に設置された第三流路切替手段と、第三流路切替手段と第二下部口とを接続する下部戻し流路と、沸き上げ回路における第一流路切替手段と加熱手段の入水口との間に設置され、湯水を循環させる熱源循環ポンプと、一端が沸き上げ回路における熱源循環ポンプと加熱手段の入水口との間に接続され、他端が第三流路切替手段に接続されたバイパス流路と、を備え、第一流路切替手段は、第一下部口と加熱手段の入水口とが沸き上げ回路を介して連通する第一流路形態と、熱源側流路と加熱手段の入水口とが沸き上げ回路を介して連通する第二流路形態とを選択可能であり、第二流路切替手段は、上部取り出し流路と熱交換器の熱源水の入口とが熱源側流路を介して連通する第一流路形態と、熱源側流路接続部と熱交換器の熱源水の入口とが熱源側流路を介して連通する第二流路形態とを選択可能であり、第三流路切替手段は、加熱手段の出湯口と第一上部口とが沸き上げ回路を介して連通する第一流路形態と、バイパス流路と第一上部口とが沸き上げ回路を介して連通する第二流路形態と、バイパス流路と下部戻し流路とを連通する第三流路形態とを選択可能なものである。

本発明によれば、昼間時間帯に被加熱物の加熱動作を行う際に、貯湯タンク内の水の沸き上げ運転を行うことなく昼間時間帯の電力消費を抑制し、かつ、その後の沸き上げ運転における加熱手段の効率を高く維持することが可能となる。

本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機における沸き上げ運転時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機における熱源水再循環運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機における熱源水上部戻し運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機における熱源水下部戻し運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機の他の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の貯湯式給湯機１００は、貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプサイクルを利用するように構成されたヒートポンプユニット６０とを備えている。貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプユニット６０とは、ヒートポンプ入口配管４１とヒートポンプ出口配管４２と図示しない電気配線とを介して接続されている。また、貯湯タンクユニット１には、制御部７０（制御手段）が内蔵されている。貯湯タンクユニット１およびヒートポンプユニット６０が備える各種の弁類、ポンプ類等の作動は、これらと電気的に接続された制御部７０により制御される。制御部７０は、例えば浴室や台所に設置されるリモコン装置等のユーザーインターフェース装置と相互に通信可能に接続される。以下、貯湯式給湯機１００の各構成要素について説明する。

ヒートポンプユニット６０は、貯湯タンクユニット１から導かれた水を加熱する（沸き上げる）ための加熱手段として機能するものである。ヒートポンプユニット６０は、圧縮機６１、沸き上げ用熱交換器６２、膨張弁６３および空気熱交換器６４を作動媒体循環配管６５にて環状に接続し、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を構成している。沸き上げ用熱交換器６２は、ヒートポンプサイクルを構成する作動媒体循環配管６５を流れる作動媒体と貯湯タンクユニット１から導かれた水との間で熱交換を行うためのものである。ヒートポンプ出口温度センサ６６は、沸き上げ用熱交換器６２で加熱されて生成された高温水の温度を検出する温度センサであり、ヒートポンプ出口配管４２に設けられている。ヒートポンプユニット６０で高温水を得るためには、ヒートポンプサイクルは、作動媒体（冷媒）として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。

貯湯タンクユニット１には、以下の各種部品や配管などが内蔵されている。貯湯タンク１０は、湯水を貯留するためのものである。貯湯タンク１０の下部に設けられた給水口１４には、水道等の外部の水源からの水を供給するための給水配管２が減圧弁（図示省略）を介して接続されている。貯湯タンク１０の上部に設けられた第一上部口１５には、第二のタンク上部配管４４が接続されている。貯湯タンク１０内に貯留した湯を給湯機外部へ供給するための給湯配管３は、第２のタンク上部配管４４から分岐して設けられている。給湯配管３は、例えば蛇口、シャワー、浴槽５０等の給湯先へ供給される湯が通る配管である。給湯先で湯が使用される際には、貯湯タンク１０内に貯えられた湯が、第一上部口１５から取り出され、給湯配管３を通って、給湯先へ送られる。給湯配管３には、給湯配管３を流れる高温水の温度を検出する給湯温度センサ５４と、給湯配管３を流れる高温水の流量を検出する給湯流量センサ５５とが設置されている。また、貯湯タンクユニット１内には、貯湯タンク１０から給湯配管３へ導出された高温水と、給水配管２から分岐した給水分岐管（図示省略）から供給される低温水とを混合することによって給湯温度を調節するための混合弁（図示省略）が更に設けられていても良い。その場合、浴槽５０へ給湯するための湯張り用混合弁と、シャワーや蛇口等へ給湯するための一般給湯用混合弁とが設けられていても良い。

ヒートポンプユニット６０を用いて加熱されて生成された湯（高温水）が第一上部口１５から貯湯タンク１０内に流入し、給水配管２からの低温水が給水口１４から貯湯タンク１０内に流入することにより、貯湯タンク１０内には、上層側が高温で下層側が低温となるように温度成層が形成されて湯水を貯留可能になっている。貯湯タンク１０の表面には、貯湯タンク１０内の湯水の温度分布を検出するため、複数の貯湯温度センサ１１，１２が互いに異なる高さ位置に取り付けられている。図示の構成では、２個の貯湯温度センサ１１，１２を設けているが、３個以上としてもよい。これらの貯湯温度センサ１１，１２は、それぞれ、貯湯タンク１０内の所定の高さ位置での湯水の温度を検出する。制御部７０は、これらの貯湯温度センサ１１，１２により取得された貯湯タンク１０内の高さ方向の温度分布に基づいて、貯湯タンク１０内の貯湯量（蓄熱量）を算出することができ、その貯湯量に基づいて、ヒートポンプユニット６０による貯湯タンク１０内の湯水の沸き上げ運転の開始および停止などが制御される。

また、貯湯タンクユニット１内には、熱源循環ポンプ２１および利用側熱交換器２２が内蔵されている。熱源循環ポンプ２１は、各種配管に湯水を循環させるためのポンプである。利用側熱交換器２２は、貯湯タンク１０あるいはヒートポンプユニット６０から供給される湯を熱源水とし、この熱源水と熱交換することにより被加熱物を加熱するための熱交換器である。浴槽水循環回路５１は、浴槽５０から導出した湯水（浴槽水）を、利用側熱交換器２２を経由させて、浴槽５０に戻すように配設されている。浴槽水循環回路５１の途中には、浴槽水を循環させるための二次側循環ポンプ５２と、浴槽５０から出た浴槽水の温度を検知する浴槽出口側温度センサ５３（浴槽温度検知手段）とが設置されている。このように、本実施形態では、利用側熱交換器２２の二次側の構成として、浴槽５０内の浴槽水を循環させる浴槽水循環回路５１を備え、利用側熱交換器２２にて浴槽水を加熱するものを例に説明するが、本発明における利用側熱交換器は、浴槽水以外の被加熱物（例えば、暖房用循環水など）を加熱するものであってもよい。

次に、貯湯タンクユニット１が備える弁類および配管類について説明する。貯湯タンクユニット１は、第一の三方弁３１（第一の流路切替手段）と、第二の三方弁３２（第二の流路切替手段）と、四方弁３３（第三の流路切替手段）とを有している。第一の三方弁３１および第二の三方弁３２は、それぞれ、湯水が流入する２つの入口（ａポート、ｂポート）と、湯水が流出する１つの出口（ｃポート）とを有する流路切替手段であり、ａポートもしくはｂポートのどちらかから湯水が流入するように湯水の経路を切り替え可能に構成されている。四方弁３３は、湯水が流入する２つの入口（ｂポート、ｃポート）と、湯水が流出する２つの出口（ａポート、ｄポート）とを有する流路切替手段であり、３つの経路、すなわち、ｂ−ａ経路、ｂ−ｄ経路、ｃ−ｄ経路の間で流路形態を切り替え可能に構成されている。

また、貯湯タンクユニット１は、タンク下部配管４０、第一のタンク上部配管４３、第二のタンク上部配管４４、下部戻し配管４５、利用側熱交換器一次側入口配管４６、利用側熱交換器一次側出口配管４７、バイパス配管４８および上部戻し配管４９を有している。

タンク下部配管４０は、貯湯タンク１０の下部に設けられた第一下部口１６と、第一の三方弁３１のａポートとを接続する流路である。ヒートポンプ入口配管４１は、第一の三方弁３１のｃポートとヒートポンプユニット６０の入口側（入水口）とを接続する流路である。ヒートポンプ出口配管４２は、ヒートポンプユニット６０の出口側（出湯口）と、四方弁３３のｃポートとを接続する流路である。第一のタンク上部配管４３（上部取り出し流路）は、貯湯タンク１０の上部領域（中間より上側の領域）に設けられた第二上部口１８と、第二の三方弁３２のａポートとを接続する流路である。第二のタンク上部配管４４は、貯湯タンク１０の第一上部口１５と、第二の三方弁３２のｂポートとを接続する流路である。下部戻し配管４５（下部戻し流路）は、四方弁３３のａポートと貯湯タンク１０の下部領域（中間より下側の領域）に設けられた第二下部口１７とを接続する流路である。利用側熱交換器一次側入口配管４６（熱源側流路）は、第二の三方弁３２のｃポートと、利用側熱交換器２２の一次側入口とを接続する流路である。利用側熱交換器一次側出口配管４７（熱源側流路）は、利用側熱交換器２２の一次側出口と、第一の三方弁３１のｂポートとを接続する流路である。バイパス配管４８（バイパス流路）は、熱源循環ポンプ２１の下流側のヒートポンプ入口配管４１から分岐して延び、四方弁３３のｂポートに接続される流路である。上部戻し配管４９は、第二のタンク上部配管４４の途中に設けられた熱源側流路接続部３４から分岐して延び、四方弁３３のｄポートに接続される流路である。また、第二のタンク上部配管４４の熱源側流路接続部３４から第二の三方弁３２のｂポートまでの部分は、熱源側流路の一部を構成している。

本実施形態では、貯湯タンク１０は、円筒状に形成された胴部と、略椀状に形成された頂部と、略椀状に形成された底部とを有しており、第一上部口１５および第二上部口１８は貯湯タンク１０の頂部領域に設けられ、第一下部口１６、第二下部口１７および給水口１４は底部領域に設けられている。また、第一上部口１５は、第二上部口１８より高い位置に設けられており、第二下部口１７は、第一下部口１６より高い位置に設けられている。

本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２乃至図５に示す運転状態に応じて、上記第二の三方弁３２を制御して、次の第一および第二の２つの流路形態の間を切り替えて使用するようになっている。より具体的には、上記第二の三方弁３２により選択可能な「第一流路形態」とは、第一のタンク上部配管４３を利用側熱交換器一次側入口配管４６に連通させる流路形態（ａ−ｃ経路）である。「第二流路形態」とは、第二のタンク上部配管４４を利用側熱交換器一次側入口配管４６に連通させる流路形態（ｂ−ｃ経路）である。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２乃至図５に示す運転状態に応じて上記第一の三方弁３１を制御して、次の第一および第二の２つの流路形態の間を切り替えて使用するようになっている。より具体的には、上記第一の三方弁３１により選択可能な「第一流路形態」とは、タンク下部配管４０をヒートポンプ入口配管４１に連通させる流路形態（ａ−ｃ経路）である。「第二流路形態」とは、利用側熱交換器一次側出口配管４７をヒートポンプ入口配管４１に連通させる流路形態（ｂ−ｃ経路）である。

更に、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２乃至図５に示す運転状態に応じて上記四方弁３３を制御して、次の第一、第二、第三の３つの流路形態の間を切り替えて使用するようになっている。より具体的には、四方弁３３により選択可能な「第一流路形態」とは、ヒートポンプ出口配管４２を上部戻し配管４９に連通させる流路形態（ｃ−ｄ経路）である。「第二流路形態」とは、バイパス配管４８を上部戻し配管４９に連通させる流路形態（ｂ−ｄ経路）である。「第三流路形態」とは、バイパス配管４８を下部戻し配管４５に連通させる流路形態（ｂ−ａ経路）である。

図２は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機１００における沸き上げ運転時の回路構成図である。沸き上げ運転（貯湯運転）とは、ヒートポンプユニット６０を利用して貯湯タンク１０内の水を沸き上げて湯とすることにより貯湯タンク１０内の貯湯量（蓄熱量）を増加させる運転である。この沸き上げ運転時には、第一の三方弁３１は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートが閉状態となるように（すなわち、第一の三方弁３１の上記第一流路形態が選択されるように）制御される。これにより、タンク下部配管４０とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、利用側熱交換器一次側出口配管４７側を閉として利用側熱交換器２２からの流路が遮断される。また、沸き上げ運転時には、四方弁３３は、ｃポートとｄポートとが連通し、ａポートとｂポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３３の上記第一流路形態が選択されるように）制御される。これにより、ヒートポンプ出口配管４２と上部戻し配管４９とが連通するとともに、下部戻し配管４５側を閉として貯湯タンク１０の第二下部口１７への流路が遮断される。

沸き上げ運転は、上記のように第一の三方弁３１および四方弁３３が制御されることにより、タンク下部配管４０、ヒートポンプ入口配管４１、ヒートポンプ出口配管４２、上部戻し配管４９および第二のタンク上部配管４４によって沸き上げ回路が形成された状態で、熱源循環ポンプ２１およびヒートポンプユニット６０を稼動させることにより実行される。その結果、貯湯タンク１０の第一下部口１６から流出する低温水は、タンク下部配管４０、第一の三方弁３１、熱源循環ポンプ２１およびヒートポンプ入口配管４１を経由してヒートポンプユニット６０に導かれ、沸き上げ用熱交換器６２において加熱された後、高温水となってヒートポンプ出口配管４２、四方弁３３、上部戻し配管４９および第二のタンク上部配管４４を経由して、貯湯タンク１０の第一上部口１５から貯湯タンク１０内に流入し貯えられる。このような沸き上げ運転が実行されることで、貯湯タンク１０の内部では、上層部から高温水が貯えられていき、この高温水層が徐々に厚くなっていき、貯湯温度センサにより把握される貯湯タンク１０内の貯湯量（蓄熱量）が所定量を超えると、沸き上げ運転が停止される。

図３は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機１００における熱源水再循環運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。熱源水再循環運転とは、ヒートポンプユニット６０で加熱されてヒートポンプユニット６０の出湯口から取り出した湯を熱源水として利用側熱交換器２２に送って浴槽水と熱交換し、熱交換後の熱源水をヒートポンプユニット６０の入水口に流入させ、ヒートポンプユニット６０で再加熱して再循環させることにより、浴槽水の加熱を実施する運転である。この熱源水再循環運転時には、第二の三方弁３２は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、第二の三方弁３２の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、第二のタンク上部配管４４と利用側熱交換器一次側入口配管４６とが連通するとともに、第一のタンク上部配管４３側を閉として貯湯タンク１０の第二上部口１８からの流路が遮断される。また、第一の三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、第一の三方弁３１の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器一次側出口配管４７とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０側を閉として貯湯タンク１０の第一下部口１６からの流路が遮断される。更に、四方弁３３は、ｃポートとｄポートとが連通し、ａポートとｂポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３３の上記第一流路形態が選択されるように）制御される。これにより、ヒートポンプ出口配管４２と上部戻し配管４９とが連通するとともに、下部戻し配管４５側を閉として貯湯タンク１０の第二下部口１７への流路が遮断される。

熱源水再循環運転は、上記のように第一の三方弁３１、第二の三方弁３２および四方弁３３が制御された状態で、熱源循環ポンプ２１およびヒートポンプユニット６０を稼動させることにより実行される。その結果、利用側熱交換器２２の一次側を循環する回路側では、ヒートポンプユニット６０の沸き上げ用熱交換器６２において加熱された高温の熱源水が、ヒートポンプ出口配管４２、四方弁３３、上部戻し配管４９、第二のタンク上部配管４４、第二の三方弁３２、利用側熱交換器一次側入口配管４６を経由して利用側熱交換器２２に導かれ、浴槽水と熱交換され中温水（浴槽水と熱交換して温度が低下した水）となる。この中温水となった熱源水は、利用側熱交換器一次側出口配管４７、第一の三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１を経由してヒートポンプユニット６０に導かれ、再加熱されて再循環する。一方、浴槽５０側の経路では、二次側循環ポンプ５２を運転することで、浴槽５０に張られた湯水が浴槽水循環回路５１内を循環する。その結果、利用側熱交換器２２の一次側を流れる熱源水の熱が、利用側熱交換器２２の二次側を流れる浴槽水に伝達し、浴槽５０内に張られた湯水が温められる。

沸き上げ運転においては、ヒートポンプユニット６０への入水温度が高いほどヒートポンプユニット６０の効率が低下する。熱源水再循環運転では、貯湯タンク１０の下部領域に中温水を流入させないため、貯湯タンク１０の下部領域に貯留された低温水の温度を上昇させることがない。このため、沸き上げ運転の際にヒートポンプユニット６０への入水温度を低く維持することが可能となり、ヒートポンプユニット６０の運転効率を高く維持することができる。また、熱源水再循環運転では、貯湯タンク１０の上部領域にも中温水を流入させないため、貯湯タンク１０の上部領域に貯留された湯の温度の低下を防止することができる。しかしながら、熱源水再循環運転時には、ヒートポンプユニット６０への入水温度が高くなるため、熱源水再循環運転自体の効率は低くなる。

図４は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機１００における熱源水上部戻し運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。熱源水上部戻し運転とは、貯湯タンク１０の第二上部口１８から取り出した湯を熱源水として利用側熱交換器２２に送って浴槽水と熱交換し、熱交換後の熱源水を第一上部口１５から貯湯タンク１０に流入させて、浴槽水の加熱を実施する運転である。この熱源水上部戻し運転時には、第二の三方弁３２は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートが閉状態となるように（すなわち、第二の三方弁３２の上記第一流路形態が選択されるように）制御される。これにより、第一のタンク上部配管４３と利用側熱交換器一次側入口配管４６とが連通するとともに、第二のタンク上部配管４４側を閉として貯湯タンク１０の第一上部口１５からの流路が遮断される。また、第一の三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、第一の三方弁３１の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器一次側出口配管４７とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０側を閉として貯湯タンク１０の第一下部口１６からの流路が遮断される。更に、四方弁３３は、ｂポートとｄポートとが連通し、ａポートとｃポートが閉状態となるように（すなわち、四方弁３３の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、バイパス配管４８と上部戻し配管４９とが連通するとともに、ヒートポンプ出口配管４２側を閉として沸き上げ用熱交換器６２からの流路が遮断される。

熱源水上部戻し運転は、上記のように第一の三方弁３１、第二の三方弁３２および四方弁３３が制御された状態で、熱源循環ポンプ２１を稼動させることにより実行される。その結果、貯湯タンク１０の第二上部口１８から流出する熱源水は、第一のタンク上部配管４３、第二の三方弁３２、利用側熱交換器一次側入口配管４６を経由して利用側熱交換器２２に導かれ、浴槽水と熱交換され中温水（浴槽水と熱交換して温度が低下した水）となる。この中温水となった熱源水は、利用側熱交換器一次側出口配管４７、第一の三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、バイパス配管４８、四方弁３３、上部戻し配管４９、第二のタンク上部配管４４を経由して第一上部口１５から貯湯タンク１０に流入する。一方、浴槽５０側の経路の運転は、前述と同様である。

熱源水上部戻し運転では、貯湯タンク１０の下部領域に中温水を流入させないため、貯湯タンク１０の下部領域に貯留された低温水の温度を上昇させることがなく、沸き上げ運転の際にヒートポンプユニット６０への入水温度を低く維持することが可能となり、沸き上げ運転の効率を高く維持することができる。また、熱源水上部戻し運転では、利用側熱交換器２２から戻る中温水は、第一上部口１５から貯湯タンク１０に流入し、貯湯タンク１０の上部領域に貯留された湯に混合する。利用側熱交換器２２から戻る中温水は、給水配管２から供給される低温水よりは温度が十分に高く、熱量を有している。熱源水上部戻し運転を実施した場合には、利用側熱交換器２２から戻る中温水が貯湯タンク１０の上部領域に貯留された湯に混合し、その混合された湯を給湯配管３から給湯先へ給湯可能となる。このため、利用側熱交換器２２から戻る中温水が持つ熱量を給湯先への給湯に再利用することが可能となるので、エネルギー使用効率を向上することができる。しかしながら、熱源水上部戻し運転では、貯湯タンク１０の上部領域に貯留された湯の温度を低下させることとなるため、利用側熱交換器２２の一次側を流れる熱源水の温度を低下させ、利用側熱交換器２２の二次側を流れる浴槽水に熱を伝達する能力の低下を引き起こしてしまう。

本実施形態の貯湯式給湯機１００では、貯湯タンク１０の第一上部口１５が、熱源水上部戻し運転での熱源水や沸き上げ運転での高温水を貯湯タンク１０に流入させる流入口としての用途と、給湯先に供給される湯を取り出す流出口としての用途とに兼用されるので、貯湯タンク１０に設ける湯水の出入り口の数を減らすことができ、構造の簡素化が図れる。

図５は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機１００における熱源水下部戻し運転による浴槽加熱動作時の回路構成図である。熱源水下部戻し運転とは、貯湯タンク１０の第一上部口１５から取り出した湯を熱源水として利用側熱交換器２２に送って浴槽水と熱交換し、熱交換後の熱源水を第二下部口１７から貯湯タンク１０に流入させて、浴槽水の加熱を実施する運転である。この熱源水下部戻し運転時には、第二の三方弁３２は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、第二の三方弁３２の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、第二のタンク上部配管４４と利用側熱交換器一次側入口配管４６とが連通するとともに、第一のタンク上部配管４３側を閉として貯湯タンク１０の第二上部口１８からの流路が遮断される。また、第一の三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、第一の三方弁３１の上記第二流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器一次側出口配管４７とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０側を閉として貯湯タンク１０の第一下部口１６からの流路が遮断される。更に、四方弁３３は、ａポートとｂポートとが連通し、ｃポートとｄポートが閉状態となるように（すなわち、四方弁３３の上記第三流路形態が選択されるように）制御される。これにより、バイパス配管４８と下部戻し配管４５とが連通するとともに、ヒートポンプ出口配管４２側を閉として沸き上げ用熱交換器６２からの流路が遮断される。

熱源水下部戻し運転は、上記のように第一の三方弁３１、第二の三方弁３２および四方弁３３が制御された状態で、熱源循環ポンプ２１を稼動させることにより実行される。その結果、貯湯タンク１０の第一上部口１５から流出する熱源水は、第二のタンク上部配管４４、第二の三方弁３２、利用側熱交換器一次側入口配管４６を経由して利用側熱交換器２２に導かれ、浴槽水と熱交換され中温水（浴槽水と熱交換して温度が低下した水）となる。この中温水となった熱源水は、利用側熱交換器一次側出口配管４７、第一の三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、バイパス配管４８、四方弁３３、下部戻し配管４５を経由して第二下部口１７から貯湯タンク１０に流入する。一方、浴槽５０側の経路の運転は、前述と同様である。

熱源水下部戻し運転では、貯湯タンク１０の下部領域に中温水を流入させるため、熱源水上部戻し運転を行った後と比べると、沸き上げ運転の際にヒートポンプユニット６０への入水温度が高くなり運転効率が低くなる。しかしながら、熱源水下部戻し運転では、貯湯タンク１０の上部領域に貯留された湯の温度を低下させることはないため、利用側熱交換器２２の一次側を流れる熱源水の温度を維持し、加熱能力の低下を引き起こすことなく利用側熱交換器２２の二次側を流れる浴槽水に熱を伝達することが可能となる。

以上説明したように、実施の形態１の貯湯式給湯機１００によれば、熱源水上部戻し運転による浴槽加熱動作を可能としており、昼間時間帯に浴槽加熱動作（被加熱物の加熱動作）を行う際に、貯湯タンク１０内の水の沸き上げ運転を行う必要がないので、料金が割高な昼間時間帯の電力消費を抑制することができ、かつ、その後に行う沸き上げ運転時のヒートポンプユニット６０の運転効率を高く維持することができる。

また、浴槽加熱動作を行う際に、熱源水再循環運転、熱源水上部戻し運転、熱源水下部戻し運転の中から最適な運転を選択することが可能なため、浴槽水の加熱能力を確保し、湯切れを出来る限り防ぎ、運転効率を高く維持し、ユーザーの使い勝手を向上することができる。

例えば、浴槽水の加熱能力を最優先すべき場合には、熱源水下部戻し運転を選択する。熱源水下部戻し運転では、貯湯タンク１０内の高温水を利用するため高い加熱能力を確保することができる。また、湯切れの心配がある場合には、熱源水再循環運転を選択する。熱源水再循環運転では、貯湯タンク１０内の貯湯量（蓄熱量）を減少させないため、湯切れの心配を減らすことができる。また、運転効率を高く維持したい場合には、熱源水再循環運転、または、熱源水上部戻し運転を選択する。熱源水再循環運転では、貯湯タンク１０内に中温水が生成されないため、ヒートポンプユニット６０での沸き上げ運転の際にヒートポンプへの入水温度を低く維持することが可能となり運転効率を高く維持することができる。また、熱源水上部戻し運転では、貯湯タンク１０の下部に中温水を流入させないため、ヒートポンプユニット６０での沸き上げ運転の際にヒートポンプへの入水温度を低く維持することが可能となり運転効率を高く維持することができる。つまり、湯切れの心配がない場合には、熱源水上部戻し運転を選択することによって、運転効率を高く維持するとともに、昼間時間帯に被加熱物の加熱動作を行う際に、貯湯タンク内の水の沸き上げ運転を行なわずユーザーの使い勝手を向上することができる。

また、１つの熱源循環ポンプ２１で、沸き上げ運転、熱源水再循環運転、熱源水上部戻し運転、熱源水下部戻し運転を実施することを可能としているため、機器の小型化やコスト低減を図ることができる。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、貯湯タンク１０の第一上部口１５が第二上部口１８より高い位置にあることにより、以下のような利点がある。熱源水上部戻し運転時に第二のタンク上部配管４４を通って第一上部口１５から貯湯タンク１０内に流入した湯水が、貯湯タンク１０内で十分に攪拌される前に熱源水上部戻し運転で第二上部口１８から第一のタンク上部配管４３へ流出する現象（ショートサイクル）が生ずることを確実に防止することができる。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、熱源水下部戻し運転時の貯湯タンク１０からの湯水の流出口（第一上部口１５）が、熱源水上部戻し運転時の貯湯タンク１０からの湯水の流出口（第二上部口１８）より高い位置にあるので、熱源水上部戻し運転時に、第二上部口１８近傍の貯湯温度の値が所定温度を下回ったら、熱源水下部戻し運転に切り替えるようにしてもよい。このようにすれば、熱源水下部戻し運転で貯湯タンク１０内の湯を最大限に利用できるため、浴槽加熱動作に使用できる湯量をできるだけ多くすることが可能となる。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、貯湯タンク１０の第一下部口１６が第二下部口１７より低い位置にあることにより、熱源水下部戻し運転で貯湯タンク１０に湯水を戻す位置よりも、沸き上げ運転で貯湯タンク１０から湯水を取り出す位置の方が下方となるため、沸き上げ運転で貯湯タンク１０から湯水を取り出す際に、熱源水下部戻し運転で貯湯タンク１０に戻す中温水の影響が少なくなり、ヒートポンプユニット６０での沸き上げ運転の際にヒートポンプへの入水温度を低く維持することが可能となり、運転効率を高く維持することが可能となる。

また、給湯配管３を介して給湯が行われている場合に、熱源水上部戻し運転を実施すると、熱源水上部戻し運転によって、第二のタンク上部配管４４を流れる中温水（浴槽５０の水と熱交換して温度が低下した水）が、給湯配管３に流入して給湯温度への影響を与える可能性がある。従って、給湯配管３を介して給湯が行われている場合には、熱源水上部戻し運転を行うよりも、熱源水下部戻し運転を行う方が、給湯温度への影響が少なくなる。そこで、給湯配管３を介して給湯が行われていることが、例えば給湯配管３に設けた給湯流量センサ５５等の信号により検知された場合には、熱源水下部戻し運転を実施するようにしてもよい。このようにすれば、より安定した給湯温度での給湯を行うことが可能となる。

また、給湯配管３を循環回路とは別に単独で貯湯タンク１０に接続してもよい。すなわち、図６に示すように、給湯配管３に代えて給湯配管４を設け、貯湯タンク１０の上部領域に設けた第三上部口１９に給湯配管４の一端を接続するように構成してもよい。図６に示す構成で、給湯配管４を介して給湯が行われている場合には、熱源水上部戻し運転を実施するようにしてもよい。このようにすれば、熱源水上部戻し運転によって、貯湯タンク１０の第一上部口１５から貯湯タンク１０に流入する中温水を、第三上部口１９から給湯配管４に引き込むことによる給湯温度への影響が無くなるため、より安定した給湯温度での給湯を行うことが可能となる。このような構成は、直列に接続した複数の貯湯タンクを１つの貯湯タンクとして用いる場合に、特にその効果を発揮する。複数の貯湯タンクを直列接続した場合には、貯湯タンク側の流路の圧力損失が増大するので、出湯と循環の圧力バランスが崩れ易くなるので、給湯配管４を単独で配置する図６のような構成の方が、安定した性能を発揮可能である。

また、上述した実施の形態１においては、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よい。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、貯湯タンク１０に熱源水を流入させるための戻し口を３個以上設ける必要がなく、貯湯タンク１０に形成する湯水の出入り口の数を減らすことができるので、製造コストを低減することができる。

１ 貯湯タンクユニット、２ 給水配管、３，４ 給湯配管、
１０ 貯湯タンク、１４ 給水口、１１，１２ 貯湯温度センサ
１５ 第一上部口、１６ 第一下部口、１７ 第二下部口、１８ 第二上部口、
２１ 熱源循環ポンプ、２２ 利用側熱交換器、３１ 第一の三方弁、
３２ 第二の三方弁、３３ 四方弁、３４ 熱源側流路接続部、４０ タンク下部配管、
４１ ヒートポンプ入口配管、４２ ヒートポンプ出口配管、４３ タンク上部配管、
４４ タンク上部配管、４５ 下部戻し配管、４６ 利用側熱交換器一次側入口配管、
４７ 利用側熱交換器一次側出口配管、４８ バイパス配管、４９ 上部戻し配管、
５０ 浴槽、５１ 浴槽水循環回路、５２ 二次側循環ポンプ、
５３ 浴槽出口側温度センサ、５４ 給湯温度センサ、５５ 給湯流量センサ、
６０ ヒートポンプユニット、６１ 圧縮機、６２ 沸き上げ用熱交換器、
６３ 膨張弁、６４ 空気熱交換器、６５ 作動媒体循環配管、
６６ ヒートポンプ出口温度センサ、７０ 制御部、１００ 貯湯式給湯機

Claims (8)

1. 水を加熱して湯を生成可能な加熱手段と、
   上層側の湯と下層側の水とを積層状態で貯留可能な貯湯タンクと、
   被加熱物を熱源水と熱交換することにより加熱する熱交換器と、
   前記貯湯タンクの上部領域に設けられた第一上部口および第二上部口と、
   前記貯湯タンクの下部領域に設けられた第一下部口および第二下部口と、
   前記第一下部口と前記加熱手段の入水口とを接続する流路と、前記加熱手段の出湯口と前記第一上部口とを接続する流路とを有する沸き上げ回路と、
   前記沸き上げ回路における前記第一下部口と前記加熱手段の入水口とを接続する流路の途中に設置された第一流路切替手段と、
   前記加熱手段の出湯口と前記第一上部口とを接続する流路の途中に設けられた熱源側流路接続部と、
   前記熱源側流路接続部と前記熱交換器の前記熱源水の入口とを接続する流路と、前記熱交換器の前記熱源水の出口と前記第一流路切替手段とを接続する流路とを有する熱源側流路と、
   前記熱源側流路における前記熱源側流路接続部と前記熱交換器の前記熱源水の入口とを接続する流路の途中に設置された第二流路切替手段と、
   前記第二上部口と前記第二流路切替手段とを接続する上部取り出し流路と、
   前記沸き上げ回路における前記加熱手段の出湯口と前記熱源側流路接続部との間に設置された第三流路切替手段と、
   前記第三流路切替手段と前記第二下部口とを接続する下部戻し流路と、
   前記沸き上げ回路における前記第一流路切替手段と前記加熱手段の入水口との間に設置され、湯水を循環させる熱源循環ポンプと、
   一端が前記沸き上げ回路における前記熱源循環ポンプと前記加熱手段の入水口との間に接続され、他端が前記第三流路切替手段に接続されたバイパス流路と、
   を備え、
   前記第一流路切替手段は、前記第一下部口と前記加熱手段の入水口とが前記沸き上げ回路を介して連通する第一流路形態と、前記熱源側流路と前記加熱手段の入水口とが前記沸き上げ回路を介して連通する第二流路形態とを選択可能であり、
   前記第二流路切替手段は、前記上部取り出し流路と前記熱交換器の前記熱源水の入口とが前記熱源側流路を介して連通する第一流路形態と、前記熱源側流路接続部と前記熱交換器の前記熱源水の入口とが前記熱源側流路を介して連通する第二流路形態とを選択可能であり、
   前記第三流路切替手段は、前記加熱手段の出湯口と前記第一上部口とが前記沸き上げ回路を介して連通する第一流路形態と、前記バイパス流路と前記第一上部口とが前記沸き上げ回路を介して連通する第二流路形態と、前記バイパス流路と前記下部戻し流路とを連通する第三流路形態とを選択可能である貯湯式給湯機。
2. 前記貯湯タンク内の水を前記加熱手段により加熱して生成された湯を前記貯湯タンク内に戻して貯える沸き上げ運転を実施する際に、前記第一流路切替手段を前記第一流路形態とし、前記第三流路切替手段を前記第一流路形態とした状態で前記加熱手段および前記熱源循環ポンプを稼動させるように制御する沸き上げ運転制御手段を備える請求項１記載の貯湯式給湯機。
3. 前記加熱手段で加熱されて生成した湯を前記熱源水として前記熱交換器に送り、前記熱交換器を通過した前記熱源水を前記加熱手段に送って再循環させる熱源水再循環運転を実施する際に、前記第一流路切替手段を前記第二流路形態とし、前記第二流路切替手段を前記第二流路形態とし、前記第三流路切替手段を前記第一流路形態とした状態で前記加熱手段および前記熱源循環ポンプを稼動させるように制御する熱源水再循環運転制御手段を備える請求項１または２記載の貯湯式給湯機。
4. 前記貯湯タンクの上部領域から取り出された湯を前記熱源水として前記熱交換器に送り、前記熱交換器を通過した前記熱源水を前記貯湯タンクの上部領域に流入させる熱源水上部戻し運転を実施する際に、前記第一流路切替手段を前記第二流路形態とし、前記第二流路切替手段を前記第一流路形態とし、前記第三流路切替手段を前記第二流路形態とした状態で前記熱源循環ポンプを稼動させるように制御する熱源水上部戻し運転制御手段を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
5. 前記貯湯タンクの上部領域から取り出された湯を前記熱源水として前記熱交換器に送り、前記熱交換器を通過した前記熱源水を前記貯湯タンクの下部領域に流入させる熱源水下部戻し運転を実施する際に、前記第一流路切替手段を前記第二流路形態とし、前記第二流路切替手段を前記第二流路形態とし、前記第三流路切替手段を前記第三流路形態とした状態で前記熱源循環ポンプを稼動させるように制御する熱源水下部戻し運転制御手段を備える請求項１乃至４の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
6. 前記第一上部口が前記第二上部口より高い位置にある請求項１乃至５の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
7. 前記第一下部口が前記第二下部口より低い位置にある請求項１乃至６の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
8. 前記沸き上げ回路における前記第三流路切替手段と前記貯湯タンクの前記第一上部口との間、または、前記貯湯タンクの上部領域に設けられた第三上部口に一端が接続され、給湯先へ湯を送る給湯配管を備え、
   前記貯湯タンクの上部領域から取り出された湯を前記熱源水として前記熱交換器に送り、前記熱交換器を通過した前記熱源水を前記貯湯タンクの下部領域に流入させる熱源水下部戻し運転を実施可能であり、
   前記給湯配管を介して給湯が行われている場合には、前記熱源水下部戻し運転を実施することにより前記被加熱物を加熱する請求項１乃至７の何れか１項記載の貯湯式給湯機。

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