JP4123201B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱用流体を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の蓄熱用流体と被加熱流体とを熱交換する加熱用熱交換器とを備える貯湯式給湯装置に関するものであり、特に、一次側循環流路内に発生するのエアーロック現象の防止に関する。

発明者は、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の最下部の蓄熱用流体を貯湯タンクの上方部に送る流体加熱用流路と、この流体加熱用流路内に配設され、この流路内に流れる蓄熱用流体を加熱する加熱手段と、対向流式からなり貯湯タンク内の蓄熱用流体と給湯用水とが熱交換する給湯用熱交換器とを備え、上記流体加熱用流路には蓄熱用流体を供給する供給口を設けて、貯湯タンク内に蓄熱用流体を充填する施工作業のときに、その供給口より蓄熱用流体を供給して、加熱手段側に圧送させた後に貯湯タンク側に充填するように構成したことを特徴とする貯湯式給湯装置を出願している（特願２００４−０４３３１１号）。

しかしながら、上記装置によれば、加熱手段が配設される流体加熱用流路側には空気が滞留するエアーロック現象をなくすることができたが、その後の発明者の研究によると、特に、一次側循環流路内の空気を排出する前に、流体加熱用流路側から蓄熱用流体を貯湯タンク内に充填してしまうと、給湯用熱交換器を配設する一次側循環流路側にも空気が滞留するエアーロック現象が発生することを見出した。

この空気の滞留をなくすためには、一次側循環流路内の空気を貯湯タンクに形成された空気孔に向けて空気抜きが可能な循環流路を形成するとか、または循環流路の中途で空気が溜まってしまう閉塞箇所には、その箇所の空気を外部に排出するための空気抜き弁などを設けて空気が滞留させないように設計施工している。これらの設計施工は専門的な技術力を有する技術者が必要となることで装置施工のための施工コストが割高となる問題がある。また、空気抜きのための部品類が用いられると、さらに施工コストが増加してしまう。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、一次側循環流路から加熱用熱交換器、貯湯タンクの順に蓄熱用流体を充填するように構成することで、エアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる貯湯式給湯装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ヒートポンプサイクルからなる加熱手段（２０）によって加熱される蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、この貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体が流通する第１流通部（３０ａ、６０ａ）と被加熱流体が流通する第２流通部（３０ｂ、６０ｂ）とを隣接して設け、かつ蓄熱用流体と被加熱流体とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行なう加熱用熱交換器（３０、６０）と、
第１流通部（３０ａ、６０ａ）の下流端が貯湯タンク（１０）の下方部に連通するように構成され、かつ加熱手段（２０）で加熱された貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱流体のうち、高温の蓄熱流体および中温の蓄熱流体の少なくとも一方が第１流通部（３０ａ、６０ａ）側に流通するように構成された一次側循環流路（１１、１１ａ）とを備える貯湯式給湯装置において、
一次側循環流路（１１、１１ａ）には、上流端が給水源に接続された供給流路（８１）と、蓄熱用流体の流れ方向を切り換える切換弁（８２）とを有して蓄熱用流体を供給する蓄熱用流体供給手段（８１、８２）が設けられ、
貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填するときに、加熱用熱交換器（３０、６０）の上流部もしくは下流部のいずれか一方より蓄熱用流体を供給して、加熱用熱交換器（３０、６０）側に圧送させた後に、貯湯タンク（１０）側に充填するように構成されたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、一次側循環流路（１１、１１ａ）に蓄熱用流体を供給する蓄熱用流体供給手段（８１、８２）が設けられており、例えば、水道圧またはポンプなどの圧送手段で蓄熱用流体を加熱用熱交換器（３０、６０）側から圧送させることで、一次側循環流路（１１、１１ａ）内の空気が貯湯タンク（１０）側に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。さらに、切換弁（８２）により加熱用熱交換器（３０、６０）側に容易に切り換えることができ、水道圧を用いれば容易に配管内の空気を押し出すことができる。

請求項２に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（８１、８２）は、貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填するときに、蓄熱用流体を加熱用熱交換器（３０、６０）側に供給するように構成されたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、具体的には、蓄熱用流体を加熱用熱交換器（３０、６０）側に供給するように構成されたことにより、蓄熱用流体が加熱用熱交換器（３０、６０）側の配管経路内の空気を送り出すように貯湯タンク（１０）内に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる。

請求項３に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（８１、８２）には、供給流路（８１）に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段（８０）が設けられていることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、例えば、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液などの水溶性の蓄熱剤を用いれば、水道圧により容易に圧送できる。これにより、蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

請求項４に記載の発明では、蓄熱用流体供給手段（８１、８２）は、供給流路（８１）に、蓄熱用流体を貯蔵する貯蔵容器（８０ａ）と、この貯蔵容器（８０ａ）内の蓄熱用流体を外部に圧送する圧送手段（８４）とが設けられていることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、上述の請求項３では水道圧で圧送させたが、例えば、ポンプなどの圧送手段（８４）でも充填時に加熱手段（２０）側に圧送させることが容易にできる。

請求項５に記載の発明では、貯湯タンク（１０）は、大気圧もしくは極低圧となるように構成されていることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、従来の高圧（例えば、１７０ｋＰａ）タンクのような耐圧設計が不要となるため、貯湯タンク自体を樹脂により成形することができる。この場合、一般的に用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程、溶接工程が不要となって、従来よりも製造コストを低く抑えることができる。さらに、高圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなくタンク形状の設計自由度を高くできる。

請求項６に記載の発明では、加熱手段（２０）は、冷媒の高圧側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であり、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱することを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、二酸化炭素などの冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ方式の加熱手段（２０）においては、沸き上げ温度が約９０〜９５℃程度と高くなることで蓄熱用流体側からの気泡の発生度が高いため、まれに、加熱用熱交換器（３０、６０）内に気泡が溜まりエアーロック現象が発生したとしても、本発明によれば容易に気泡を貯湯タンク（１０）側に追い出すことができ、好適である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による貯湯式給湯装置を図１ないし図３に基づいて説明する。図１は本発明を適用させた貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図２は貯湯タンク１０内に畜熱用流体を充填するときの畜熱用流体の導水形態を示す形態図である。また、図３は本発明の第１実施形態の変形例における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。

本実施形態の貯湯式給湯装置は、一般家庭用として使用されるものであり、貯湯タンク１０内に貯えられた蓄熱用流体を熱源として、給湯用水と熱交換させて台所、洗面所、浴室などへの給湯機能の他に、浴槽へのお湯張りおよびお湯張りされた浴水を追い焚きする機能を有するものである。

まず、給湯機能は、図１に示すように、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク１０と、この貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段であるヒートポンプユニット２０と、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体と給湯用水とを熱交換する加熱用熱交換器である給湯用熱交換器３０と、給湯用配管３２、３３と、本給湯システムの作動を制御する制御装置（給湯制御部４１、熱源制御部４２）などから構成されている。

そして、浴槽へのお湯張りおよび追い焚き機能は、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体と浴水とを熱交換する加熱用熱交換器である追い焚き用熱交換器６０と、浴槽へのお湯張りのための給湯用配管３２ａ、３３ａとから構成している。本実施形態の貯湯タンク１０は、空気孔１０ａを通じて大気に開放され、貯湯タンク１０内部が大気圧に保たれている。この貯湯タンク１０は、例えば、樹脂材料で形成され直方体形状に設けられている。

また、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体に蓄えられた熱が貯湯タンク１０の壁面より大気中へ放出されることを低減するために、貯湯タンク１０の外周をグラスウールやウレタン等の断熱材で覆っても良い。なお、ここでは、貯湯タンク１０を大気圧に開放するように構成したが、これに限らず、極低圧（例えば、１０ｋＰａ）となるように構成しても良い。

また、使用される蓄熱用流体は主成分が水であり、防腐剤、凍結防止剤等が必要に応じて添加されている。また、これらの他に高比熱を有する蓄熱材料をマイクロカプセルなどの手法にて封入し、それを水に分散混合させるか、またはスリラー化させて流動可能な蓄熱材を用いても良い。本実施形態では、防腐剤、凍結防止剤などの蓄熱剤を添加せずに水道水のみを蓄熱用流体として充填している。ただし、水道水のみのときは、冬季における凍結による不具合のないように凍結防止運転などの処置を講ずる必要がある。

また、貯湯タンク１０の外壁面には、蓄熱用流体の貯湯量、もしくは貯湯温度を検出するための水温センサである複数（本例では７つ）の貯湯サーミスタ５５が縦方向（貯湯タンク１０の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１０内に満たされた蓄熱用流体の各水位レベルでの温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようになっている。

従って、給湯制御部４１は複数の貯湯サーミスタ５５からの温度情報に基づいて、貯湯タンク１０内上方の沸き上げられた湯温と貯湯タンク１０内下方の沸き上げられる前の低温の蓄熱用流体との境界位置を検出できるとともに、各水位レベルでの蓄熱用流体の湯温を検出できる。なお、複数の貯湯サーミスタ５５のうち、最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５は高温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出する機能を有している。

蓄熱用流体を加熱するヒートポンプユニット２０は、例えば、炭酸ガスを冷媒として使用することにより、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。このヒートポンプサイクルは、周知のように図示しない圧縮機、蓄熱用熱交換器、膨張弁、蒸発器、およびアキュムレータ等の冷凍サイクル機能部品より構成されている。因みに、圧縮機（図示しない）は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、アキュムレータより吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。

蓄熱用熱交換器（図示しない）は、冷媒と蓄熱用流体とを熱交換するもので、例えば、冷媒が流れる冷媒通路（図示しない）と蓄熱用流体が流れる蓄熱用流体通路（図示しない）とが二重管構造に設けられ、かつ冷媒の流れ方向と蓄熱用流体の流れ方向とが対向するように構成された対向流式の蓄熱用熱交換器（図示しない）である。膨張弁（図示しない）は、蓄熱用熱交換器から流出する冷媒を減圧して蒸発器（図示しない）に供給する。蒸発器（図示しない）は、膨張弁（図示しない）で減圧された冷媒を大気との熱交換によって蒸発させる。アキュムレータ（図示しない）は、蒸発器より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみ圧縮機に吸引させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。

また、蓄熱用熱交換器の蓄熱用流体通路（図示しない）は、流体加熱用流路２１を介して貯湯タンク１０に接続され、図示しない電動ポンプが作動することで、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が循環する。なお、流体加熱用流路２１の上流端が貯湯タンク１０の底部１０ｂに接続され、流体加熱用流路２１の下流端が貯湯タンク１０の上部１０ｃに接続されている。これにより、蓄熱用熱交換器（図示せず）で冷媒との熱交換により加熱された蓄熱用流体が貯湯タンク１０の上部１０ｃへ送り込まれるため、貯湯タンク１０内の上部側から下部側へ向かって順次蓄熱用流体に蓄熱されていく。

なお、ヒートポンプユニット２０は後述する熱源制御部４２からの制御信号により作動するとともに、作動状態を熱源制御部４２に出力するようになっている。また、これらの動力源として交流電力を用い、主に料金設定の最も安い深夜時間帯における深夜電力を用いて、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を沸き上げる蓄熱運転を行なっているが、昼間時間帯においても蓄熱用流体の湯温が低下してくると沸き上げ運転を行なうよう制御される。因みに、超臨界ヒートポンプサイクルによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５〜９０℃）の蓄熱用流体を内部に貯えることができる。

次に、一次側循環流路１１は、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を後述する給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させ、第２流通部３０ｂを流通する給湯用水と熱交換された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻すための熱源側の循環流路である。この一次側循環流路１１は、高温取り出し管１２、中温取り出し管１３、往き管１４、戻し管１５、流量比調節手段である高中温混合弁１６、および第１循環ポンプ１７とから構成されている。

高温取り出し管１２は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄに上流端が接続されている。中温取り出し管１３は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体よりも湯温の低い中温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄと下方部１０ｅとの間に上流端が接続されている。

往き管１４は上流端が後述する高中温混合弁１６の出口側に接続され、下流端が給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａの上流端に接続されている。戻し管１５は上流端が第１流通部３０ａの上流端に接続され、下流端が貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに接続されている。なお、往き管１４には、給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させる蓄熱用流体の湯温を検出する熱交換前水温センサである熱交換前サーミスタ５４が設けられ、往き管１４内の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。

次に、高中温混合弁１６は、高温取り出し管１２と中温取り出し管１３との下流側合流部位に設けられ、給湯用熱交換器３０の第１流通部３０ａに流通させる蓄熱用流体の湯温を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、高温取り出し管１２から取り出した高温の蓄熱用流体と中温取り出し管１３から取り出した中温の蓄熱用流体との混合比を調節するようにしている。

そして、この高中温混合弁１６は、後述する給湯制御部４１に電気的に接続されており、上記、貯湯サーミスタ５５および熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の温度情報に基づいて制御される。因みに、本実施形態では、貯湯サーミスタ５５（中温取り出し配管１３の近傍）により検出された蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）未満のときに、高温取り出し配管１２から取り出される高温の蓄熱用流体を第１流通部３０ａに流通するように制御される。

一方、貯湯サーミスタ５５（中温取り出し配管１３の近傍）により検出された蓄熱用流体の湯温が所定温度（例えば、３０℃）以上のときに中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体、もしくは中温取り出し配管１３から取り出される中温の蓄熱用流体と高温取り出し配管１２から取り出される高温の蓄熱用流体との両方から混合させて第１流通部３０ａに流通するように制御される。

さらに、高中温混合弁１６は、熱交換前サーミスタ５４により検出された第１流通部３０ａに流通する蓄熱用流体の湯温を所定温度以上となるように温度調節することで第２流通部３０ｂを流れる給湯用水を所定温度（例えば、設定温度＋５℃程度）以下とならないようにしている。これにより、高温の蓄熱用流体よりも所定温度（例えば、３０℃）近傍の中温の蓄熱用流体をより多く第１流通部３０ａに流通するようにしている。また、高中温混合弁１６は熱交換前サーミスタ５４により検出された熱交換前の蓄熱用流体の湯温に基づいてフィードバック制御を行なうようにしている。

第１循環ポンプ１７は戻し管１５の中途に配置されており、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０に流通させるポンプである。そして、後述する熱交換後サーミスタ５２により検出された給湯用熱交換器３０の第２流通部３０ｂより熱交換された給湯用水の湯温に基づいて回転数が制御されるように後述する給湯制御部４１に電気的に接続されている。

なお、戻り管１５に熱交換後の蓄熱用流体の湯温を検出する１次熱交換後サーミスタ５６を設けて、熱交換後の蓄熱用流体の湯温に基づいて、一次側循環流路１１を循環する流量を第１循環ポンプ１７により制御しても良い。つまり、貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻される湯温が所定温度以上とならないように第１循環ポンプ１７の回転数に規制値を設けることで、所定温度以下の湯温を貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻すことができる。また、一次側循環流路１１および流体加熱用流路２１には排水栓１８が設けられており、必要に応じて貯湯タンク１０内および一次側循環流路１１内の蓄熱用流体を手動により排水することができるようにしている。

次に、給湯用熱交換器３０は、一次側循環流路１１に接続されて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が流れる第１流通部３０ａと、給水用配管３１および給湯用配管３２に接続された第２流通部３０ｂとを有して、貯湯タンク１０の外部に上下方向に配置されている。そして、第１流通部３０ａの下流端が貯湯タンク１０の下方部１０ｅと連通するように戻し管１５に接続され、第１流通部３０ａの上流端が往き管１４に接続されている。

一方、第２流通部３０ｂは、その上流端が給水用配管３１に接続され、下流端が給湯用配管３２に接続されている。従って、給湯用熱交換器３０は、図１に矢印で示すように、第１流通部３０ａを上から下へ向かって流れる蓄熱用流体の流れ方向と、第２流通部３０ｂを下から上へ向かって流れる給湯用水の流れ方向とが対向する対向流式の熱交換器である。

また、給水用配管３１の上流は水道配管に接続されて水道水が第２流通部３０ｂに導水されるようにしている。なお、給水用配管３１には給水サーミスタ５１が設けられており、水道水の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。また、給湯用配管３２には、第２流通部３０ｂにて熱交換された給湯用水の流量を調節する流量調節弁３４と、給湯用配管３２の下流端と給水用配管３１の合流部位において給湯温度調節手段である給湯用混合弁３５が設けられている。そして、この給湯用混合弁３５の出口側に給湯用配管３３が接続されている。

給湯用配管３３は台所、洗面所、浴室などの図示しない給湯水栓に通ずる給湯配管である。そして、その中途に給湯サーミスタ５３および流量カウンタ５８が設けられ、給湯サーミスタ５３は給湯用配管３３内の温度情報を、流量カウンタ５８は給湯用配管３３内の流量情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。なお、給湯用配管３２には、給湯用熱交換器３０により熱交換された蓄熱用流体の湯温を検出する熱交換後サーミスタ５２が設けられ、給湯用配管３３内の温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。

流量調節弁３４は、第２流通部３０ｂを流通する流量を調節する弁であり、第２流通部３０ｂを流通する流量が所定流量以下となるように後述する給湯制御部４１により制御される。つまり、給水される水道圧および給湯経路の圧力損失のばらつきにより流量が過大とならないように熱交換後サーミスタ５２により検出される給湯用水の湯温に基づいて制御される。

給湯用混合弁３５は、給湯用配管３３に出湯させる給湯用水の湯温を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、内側管３０ｂで熱交換された給湯用水と水道水との混合比を調節して設定温度に調節するように制御される。そして、給湯用混合弁３５は、後述する給湯制御部４１に電気的に接続されており、上記、給水サーミスタ５１、熱交換後サーミスタ５２、および給湯サーミスタ５３により検出される給湯用水の温度情報に基づいて制御される。

因みに、給湯用混合弁３５に流通される第２流通部３０ｂで熱交換された給湯用水の湯温は、例えば、設定温度＋５℃程度となるようにしている。つまり、一次側循環流路１１を循環する流量とその熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の湯温を制御させている。なお、給湯用混合弁３５は、給湯サーミスタ５３により検出される給湯用水の湯温に基づいてフィードバック制御を行なうようにしている。

次に、浴水の追い焚き機能側の構成部品について説明する。一次側循環流路１１ａは、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を後述する加熱用熱交換器である追い焚き用熱交換器６０の第１流通部６０ａに流通させ、第２流通部６０ｂを流通する浴水と熱交換された蓄熱用流体を貯湯タンク１０の上方部１０ｄと下方部１０ｅとの間に戻すための循環流路である。この一次側循環流路１１ａは、上述した高温取り出し管１２、往き管１４ａ、戻し管１５ａおよび第２循環ポンプ１７ａとから構成されている。

往き管１４ａは上流端が高温取り出し管１２の中途に接続され、下流端が追い焚き用熱交換器６０の第１流通部６０ａの上流端に接続されている。戻し管１５ａは上流端が第１流通部６０ａの上流端に接続され、その下流端が貯湯タンク１０内の高さ方向に対して中央部１０ｆに接続されている。また、第２循環ポンプ１７ａは戻し管１５ａの中途に配置されており、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を追い焚き用熱交換器６０に流通させるポンプである。

そして、後述する追い焚きサーミスタ７１により検出された追い焚き温度に基づいて回転数が制御されるように後述する給湯制御部４１に電気的に接続されている。因みに、上記追い焚き温度が異常高温（例えば、６０℃）を超えないように第２循環ポンプ１７ａの回転数を制御して追い焚き用熱交換器６０に流通させる高温の蓄熱流体の流量を調整している。

次に、追い焚き用熱交換器６０は、上述した給湯用熱交換器３０と同様な構成となっており、一次側循環流路１１ａに接続されて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が流れる第１流通部６０ａと、浴水循環回路６１に接続された第２流通部３０ｂとを有して、貯湯タンク１０の外部に上下方向に配置されている。そして、第１流通部６０ａの下流端が貯湯タンク１０の中央部１０ｆに連通するように戻し管１５ａに接続され、第１流通部３０ａの上流端が往き管１４ａに接続されている。

一方、第２流通部３０ｂは、その上流端および下流端が浴水循環回路６１に接続されている。これにより、追い焚き用熱交換器６０は、給湯用熱交換器３０と同様に、図１に矢印で示すように、第１流通部６０ａを上から下へ向かって流れる蓄熱用流体の流れ方向と、第２流通部６０ｂを下から上へ向かって流れる浴水の流れ方向とが対向する対向流式の熱交換器である。

次に、浴水循環回路６１は、浴槽内の浴水を第２流通部６０ｂの上流端に導く往き管６２、第２流通部６０ｂで熱交換された浴水を浴槽内に導く戻り管６３およびバイパス管６４から構成されている。その往き管６２には、上流側から順に、水圧センサ６５、開閉弁６６、第３循環ポンプ６７、浴水温サーミスタ６８、流水スイッチ６９、および追い焚き三方弁７０が設けられている。また、戻り管６３には、下流側に追い焚きサーミスタ７１が設けられている。

水圧センサ６５は、浴槽内にお湯張りされた浴水の湯量、言い換えれば浴槽内の水位レベルを求めるための水圧を検出するセンサである。開閉弁６６は浴水循環回路６１を開閉する電磁弁であり、第３循環ポンプ６７は浴槽内の浴水を追い焚き用熱交換器６０に圧送する電動ポンプである。浴水温サーミスタ６８は、往き管６２を流通する浴水の湯温を検出する水温センサである。

流水スイッチ６９は、追い焚き三方弁７０側の方向に浴水および後述する給湯用水が流通しているか否かを検出するための流水センサである。追い焚き三方弁７０は、浴水を追い焚き用熱交換器６０に流通させるか、追い焚き用熱交換器６０を迂回するバイパス管６４のいずれか一方に流通方向を切り換えるための切換弁である。追い焚きサーミスタ７１は、戻り管６３を流通する浴水の湯温を検出する水温センサであり、浴槽内に戻される浴水温度である。

なお、水圧センサ６５、流水スイッチ６９、浴水温サーミスタ６８および追い焚きサーミスタ７１は、それぞれの容積情報、流水情報および温度情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにされ、開閉弁６６、第３循環ポンプ６７および追い焚き三方弁７０は後述する給湯制御部４１により制御される。また、お湯張り後に浴槽内の浴水の温度を検出するときは、追い焚き三方弁７０をバイパス管６４側に流れ方向を切り換えるとともに、第３循環ポンプ６７を作動させることで、浴槽内の浴水が往き管６２、バイパス管６４、戻り管６３、浴槽内の順に循環されて浴水温サーミスタ６８により浴水の湯温を検出するようにしている。

また、追い焚きするときは、追い焚き三方弁７０の流れ方向を追い焚き用熱交換器６０側に切り換えることで、浴槽内の浴水が往き管６２、追い焚き用熱交換器６０、戻り管６３、浴槽内の順に循環されて、浴水温サーミスタ６８により検出された浴水の湯温が所定温度になるまで循環させるように制御される。

次に、浴槽へのお湯張り機能における構成部品について説明する。このお湯張り機能は給湯用配管３２ａ、３３ａを介して給湯用水と水道水とを混合させて浴槽へ出湯するものであり、お湯張りを含めて差し湯およびたし湯することができるようにしている。具体的には、給湯用配管３２から分岐した給湯用配管３２ａ、３３ａを浴水循環回路６１に設けられた分岐点６２ａに接続している。

そして、給湯用配管３２ａの下流端と給水用配管３１の合流部位において給湯温度調節手段であるお湯張り用混合弁３５ａが設けられ、そのお湯張り用混合弁３５ａの出口側に給湯用配管３３ａが接続されている。そして、その給湯用配管３３ａには、上流側から順に、お湯張り用給湯サーミスタ５３ａ、お湯張り用開閉弁５７、お湯張り用流量カウンタ５８ａ、逆止弁５９が設けられている。

お湯張り用混合弁３５ａは、上述した給湯用混合弁３５と同じように、給湯用配管３３ａに出湯させる給湯用水の湯温を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、内側管３０ｂで熱交換された給湯用水と水道水との混合比を調節して設定温度に調節するように制御される。さらに、お湯張り用混合弁３ａは、後述する給湯制御部４１に電気的に接続されており、上述した給水サーミスタ５１、熱交換後サーミスタ５２、およびお湯張り用給湯サーミスタ５３ａにより検出される給湯用水の温度情報に基づいて制御される。

また、お湯張り用開閉弁５７は、後述する給湯制御部４１により制御され、給湯用配管３３ａに流れる混合湯を開閉する電磁弁である。お湯張り用流量カウンタ５８ａは給湯用配管３３ａ内に流れる混合湯流量を検出するものであり、このお湯張り用流量カウンタ５８ａにより検出された流量情報を後述する給湯制御部４１に出力するようにしている。そして、逆止弁５９は浴水循環回路６１内の浴水が給湯用配管３３ａ内に流通させないための弁である。

なお、お湯張り用開閉弁５７を開弁させて浴槽にお湯張り、差し湯、たし湯をするときは、開閉弁６６も開弁するように制御されるとともに、水圧センサ６５により検出された水位レベルが所定レベルに達したときに、お湯張り用開閉弁５７および開閉弁６６が閉弁されて設定流量の混合湯が浴槽内にお湯張りされることになる。また、差し湯、たし湯は、お湯張り用流量カウンタ５８ａにより検出された流量情報に基づいて所定の流量の混合湯が出湯されるように制御される。

次に、給湯制御部４１は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各サーミスタ５１〜５５、５３ａ、６８、７１からの温度情報、各流量カウンタ５８、５８ａからの流量情報および図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの操作信号等に基づいて、一次側循環流路１１、１１ａ内、浴水循環回路６１内、給湯用配管３２、３２ａ、３３、３３ａ内の各種アクチュエータ類を制御するように構成されている。

また、熱源制御部４２は、給湯制御部４１と同じように、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、図示しない各種サーミスタからの温度情報などに基づいてヒートポンプユニット２０内のアクチュエータ類を制御する。この熱源制御部４２では、蓄熱用熱交換器（図示しない）で加熱された蓄熱用流体の湯温を一定温度に保つために、加熱後の蓄熱用流体温度を検出する貯湯サーミスタ（最上部）５５の検出温度に基づいて電動ポンプ（図示しない）の回転数制御を行っている。

ここで、本発明の要部である本装置の施工後における貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填する充填作業を行なうときに必要となる構成部品について説明する。なお、本実施形態では、蓄熱用流体として水道水を用いることで、一次側循環流路１１、１１ａ内に水道水を導水するように構成している。具体的には、図１に示すように、蓄熱用流体を供給するための供給流路８１、流れ方向を切り換える切換弁８２から構成している。

そして、供給流路８１は給水用配管３１と一次側循環流路１１、１１ａの高温取り出し管１２とを繋ぐように設けられ、その上流側に逆止弁８３が設けられている。また、切換弁８２は、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０の上流部である高温取り出し管１２の上流側中途に設けられ、一方が供給流路８１の下流端に接続されている。

この切換弁８２は給湯制御部４１により、通常時には貯湯タンク１０と給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器３０が連通するように流れ方向が制御され、充填作業のときは供給流路８１と一次側循環流路１１、１１ａとが連通するように制御される。従って、言い換えれば、この切換弁８２は畜熱用流体の供給口である言える。

なお、本実施形態では、切換弁８２と供給流路８１とを請求項で称する蓄熱用流体供給手段と称する。ところで、高中温混合弁１６は通常時には、上述したように、高温取り出し管１２から取り出した高温の蓄熱用流体と中温取り出し管１３から取り出した中温の蓄熱用流体との混合比を調節する温度調節弁であるが、充填作業のときは、図示しない切換スイッチを操作すると、高温側１００％開度、または中温側１００％開度のいずれか一方側が１００％開口するように設定している。

次に、以上の構成による本装置の施工後における貯湯タンク１０内への蓄熱用流体の充填作業について図２に基づいて説明する。まず、図示しない試運転スイッチを操作すると、給湯制御部４１により切換弁８２が供給流路８１と一次側循環流路１１、１１ａとが連通する流れ方向に切り換えられる。そして、高中温混合弁１６を高温側が１００％開度となるように切換スイッチを操作すると、給水用配管３１から水道水が一次側循環流路１１、１１ａ内に導水される。

より具体的には、図２に示すように、給水用配管３１から水道水を図中に示す矢印ａ→矢印ｂ→矢印ｃ→追い焚き用熱交換器６０→矢印ｄ→貯湯タンク１０と、矢印ａ→矢印ｂ→矢印ｃ１→矢印ｃ２→給湯用熱交換器３０→矢印ｄ２→貯湯タンク１０との順に圧送して、貯湯タンク１０内に水道水を満タンに充填するようにしている。これにより、この間の流路内の空気が水道圧により圧送されることで貯湯タンク１０側に送り込まれ空気孔１０ａから外部に排出される。従って、一次側循環流路１１、１１ａ内の空気抜けが行なわれることになる。

なお、高中温混合弁１６が中温側１００％開度のときは、図中に示す矢印ｃ１が閉塞するので、給湯用熱交換器３０側には畜熱用流体が流通せず、追い焚き用熱交換器６０側のみに圧送される。そして、貯湯タンク１０内に満タンになるまで水道水を供給して、満タンを検出したら試運転スイッチを操作することで切換弁８２の流れ方向が通常時側に切り換えられて充填作業を終了する。その後、ヒートポンプユニット２０を作動させて、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体の沸き上げ運転を実行することにより、高温（例えば、８５℃）の蓄熱用流体が貯えられる。

そして、貯えられた高温の蓄熱用流体を熱源として、第１循環ポンプ１７および第２循環ポンプ１７ａを作動させて給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０に蓄熱用流体を循環させるときに、一次側循環流路１１、１１ａ内に空気が滞留するエアーロック現象の発生なく循環流路が形成できる。そして、給湯用熱交換器３０で熱交換された給湯用水と水道水とを混合させて台所、洗面所、浴槽などの給湯対象個所に給湯するとともに、追い焚き用熱交換器６０により浴水を追い焚きすることができる。

なお、本実施形態では、畜熱用流体を水道水のみとしたが、これに限らず、具体的に、図３に示すように、供給流路８１に蓄熱剤供給手段８０を設けて水道水に蓄熱剤を添加するように構成しても良い。この蓄熱剤供給手段６０は上述したように防腐剤、凍結防止剤等のうち、いずれか一つの畜熱剤が収容されており、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときに、供給流路８１を流れる水道水に所定量の蓄熱剤が供給するように構成したものである。これにより、容易に畜熱剤を水道水に供給できる。なお、防腐剤、凍結防止剤のほかに、例えば、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液などの水溶性の蓄熱剤を用いても良い。

以上の第１実施形態の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填させるときに、一次側循環流路１１、１１ａの給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０の上流部より蓄熱用流体を供給して、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側に圧送させた後に、貯湯タンク１０側に充填するように構成されたことにより、水道圧で蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側から圧送させることで、一次側循環流路１１、１１ａ内の空気が貯湯タンク１０側に送り込まれるので通常時における配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

また、具体的には、一次側循環流路１１、１１ａに、蓄熱用流体を供給する供給流路８１と流れ方向を切り換える切換弁６２とから構成したことにより、蓄熱用流体が給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側の空気を送り出すように貯湯タンク１０内に送り込まれるので配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ充填作業が容易にできる。

また、供給流路８１の上流端が給水源に接続されるとともに、供給流路８１に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段６０が設けられていることにより、充填作業のときに、例えば、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液などの水溶性の蓄熱剤を用いれば、水道圧で給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側に圧送させることが容易にできる。これにより、蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

また、貯湯タンク１０は、大気圧もしくは極低圧となるように構成したことにより、従来の高圧（例えば、１７０ｋＰａ）タンクのような耐圧設計が不要となるため、貯湯タンク自体を樹脂により成形することができる。この場合、一般的に用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程、溶接工程が不要となって、従来よりも製造コストを低く抑えることができる。さらに、高圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなくタンク形状の設計自由度を高くできる。

また、二酸化炭素などの冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ方式のヒートポンプユニット２０では、沸き上げ温度が約９０〜９５℃程度と高くなることで蓄熱用流体側からの気泡の発生度が高いため、まれに、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０内に気泡が溜まりエアーロック現象が発生したとしても、本実施形態によれば容易に気泡を貯湯タンク１０側に追い出すことができ、好適である。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０の上流部である高温取り出し管１２に蓄熱用流体供給手段である切換弁８２および供給流路８１および蓄熱剤供給手段６０を設けたが、これに限らず、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０の下流部である戻し管１５、１５ａに設けても良い。

具体的には、図４に示すように、供給流路８１は給水用配管３１と一次側循環流路１１、１１ａの戻し管１５、１５ａとを繋ぐように設けられている。また、切換弁８２は、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０の下流部である戻し管１５、１５ａの中途に設けられ、一方が供給流路８１の下流端に接続されている。そして、切換弁８２は給湯制御部４１により、通常時には貯湯タンク１０と給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器３０が連通するように流れ方向が制御され、充填作業のときは供給流路８１と一次側循環流路１１、１１ａとが連通するように制御される。

以上の構成によれば、貯湯タンク１０内に畜熱用流体を充填するときに、図４に示すように、給水用配管３１から水道水を図中に示す矢印ａ→矢印ｂ→給湯用熱交換器３０→矢印ｃ→矢印ｄ→貯湯タンク１０と、矢印ａ→矢印ｂ１→追い焚き用熱交換器６０→矢印ｄ→貯湯タンク１０との順に圧送して、貯湯タンク１０内に水道水を満タンに充填するようにしている。これにより、この間の流路内の空気が水道圧により圧送されることで貯湯タンク１０側に送り込まれ空気孔１０ａから外部に排出される。従って、一次側循環流路１１、１１ａ内の空気抜けが行なわれることになる。

これにより、水道圧で蓄熱用流体を給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側から圧送させることで、一次側循環流路１１、１１ａ内の空気が貯湯タンク１０側に送り込まれるので通常時における配管経路内のエアーロック現象の発生がなくかつ蓄熱用流体の充填作業が容易にできる。

（第３実施形態）
以上の実施形態では、供給流路８１の上流端を給水用配管３１に繋げるように構成したが、これに限らず、蓄熱剤が流動性蓄熱剤のときは、流動性蓄熱剤を収容する貯蔵容器８０ａを供給流路８１の上流端に接続し、この貯蔵容器８０ａ内の流動性蓄熱剤を蓄熱用流体として、一次側循環流路１１、１１ａ内に供給しても良い。

ただし、本実施形態では、図５に示すように、貯蔵容器８０ａから流動性蓄熱剤を圧送するための圧送手段である圧送ポンプ８４が供給流路８１に設けられている。そして、貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填するときは、以上の実施形態と同じように切換弁６２を給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０と供給流路８１とが連通する流れ方向に切り換え、圧送ポンプ８４を作動させることで、給湯用熱交換器３０および追い焚き用熱交換器６０側に圧送させた後に貯湯タンク１０内に蓄熱用流体を充填することができる。これにより、第１、第２実施形態と同様の効果を奏するものである。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、貯湯タンク１０は、必ずしも樹脂材料を使用する必要はなく、金属材料で成形しても良い。また、貯湯タンク１０の形状は、直方体形状でなくても、例えば円筒形状でも良い。また、貯湯タンク１０を大気開放形に形成したが、密閉タイプ構造の貯湯タンクでも良い。ただしこの場合には、減圧弁、圧力逃がし弁などのタンクを保護するための部品が必要となる。

また、以上の実施形態では、冷媒に二酸化炭素を用いたヒートポンプユニット２０を熱源装置として説明したが、これに限らず、フロン、代替フロンなどの冷媒を用いる一般的なヒートポンプサイクルでも良い。

本発明の第１実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における貯湯タンク１０内に畜熱用流体を充填するときの畜熱用流体の導水形態を示す形態図である。 本発明の第１実施形態の変形例における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態の変形例における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０…貯湯タンク
１１、１１ａ…一次側循環流路
２０…ヒートポンプユニット（加熱手段）
３０…給湯用熱交換器（加熱用熱交換器）
３０ａ、６０ａ…第１流通部
３０ｂ、６０ｂ…第２流通部
６０…追い焚き用熱交換器（加熱用熱交換器）
８０…蓄熱剤供給手段
８０ａ…貯蔵容器
８１…供給流路（蓄熱用流体供給手段）
８２…切換弁（蓄熱用流体供給手段）
８４…圧送ポンプ（圧送手段）

Claims (6)

1. ヒートポンプサイクルからなる加熱手段（２０）によって加熱される蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体が流通する第１流通部（３０ａ、６０ａ）と被加熱流体が流通する第２流通部（３０ｂ、６０ｂ）とを隣接して設け、かつ蓄熱用流体と被加熱流体とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行なう加熱用熱交換器（３０、６０）と、
   前記第１流通部（３０ａ、６０ａ）の下流端が前記貯湯タンク（１０）の下方部に連通するように構成され、かつ前記加熱手段（２０）で加熱された前記貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体および中温の蓄熱用流体の少なくとも一方が前記第１流通部（３０ａ、６０ａ）側に流通するように構成された一次側循環流路（１１、１１ａ）とを備える貯湯式給湯装置において、
   前記一次側循環流路（１１、１１ａ）には、上流端が給水源に接続された供給流路（８１）と、蓄熱用流体の流れ方向を切り換える切換弁（８２）とを有して蓄熱用流体を供給する蓄熱用流体供給手段（８１、８２）が設けられ、
   前記貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填するときに、前記加熱用熱交換器（３０、６０）の上流部もしくは下流部のいずれか一方より蓄熱用流体を供給して、前記加熱用熱交換器（３０、６０）側に圧送させた後に、前記貯湯タンク（１０）側に充填するように構成されたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記蓄熱用流体供給手段（８１、８２）は、前記貯湯タンク（１０）内に蓄熱用流体を充填するときに、蓄熱用流体を前記加熱用熱交換器（３０、６０）側に供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記蓄熱用流体供給手段（８１、８２）には、前記供給流路（８１）に蓄熱剤を供給する蓄熱剤供給手段（８０）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記蓄熱用流体供給手段（８１、８２）は、前記供給流路（８１）に、蓄熱用流体を貯蔵する貯蔵容器（８０ａ）と、前記貯蔵容器（８０ａ）内の蓄熱用流体を外部に圧送する圧送手段（８４）とが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記貯湯タンク（１０）は、大気圧もしくは極低圧となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
6. 前記加熱手段（２０）は、冷媒の高圧側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であり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。

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