JP4368846B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、給水管の凍結を防止することができる貯湯式給湯装置に関する。

貯湯式給湯装置は、貯湯タンクから取り出した低温水を加熱手段で加熱して高温水とし、この高温水を貯湯タンクに蓄積しておき、必要時に貯湯タンクから高温水を取り出し、水と混合して、所望の温度で給湯を行うものである。

従来の貯湯式給湯装置では、寒冷地や冬季などの低温環境の使用下において給水管が凍結するのを防止するため、凍結防止用のヒータが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２７１１０２号公報（図１）

しかしながら、従来のようにヒータのみで凍結防止を実現しようとすると、複数箇所にヒータを配置する必要があるため、月々の電気代が嵩んで経済性が損なわれるという問題があった。また、給水管は、貯湯タンクの下部を通る構造が一般的であり、この下部が最も給水管の温度が低く、最も凍結しやすくなるため、この部分に配置されるヒータが最も多くの電力を必要する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、電気代を削減するとともに給水管の凍結を防止することができる貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明は、貯湯タンクの下部に給水する給水管と、前記貯湯タンクから取り出した温水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクから取り出した前記温水を前記加熱手段に供給する流出管と、前記加熱手段で生成された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入管と、前記流入管から分岐して設けられ、前記流入管を通過する前記温水を前記貯湯タンクの下部に戻すバイパス管と、を備え、前記バイパス管は前記給水管に接続され、前記バイパス管を通るバイパス循環経路が、前記給水管の給水経路と一部を共用していることを特徴とする。

本発明によれば、バイパス循環経路の一部を給水管と共用させて、貯湯タンクから取り出した温水をバイパス管を介して給水管に流通させることで、給水管の凍結を防止することが可能になる。さらに、加熱手段によって生成された温水を給水管に流通させることで、給水管の凍結を確実に防止できる。その結果、給水管に用いるヒータを削減することが可能になる。

また、前記共用の部分において、前記バイパス循環経路の流通方向と、前記給水経路の流通方向とが同一方向とすることが好ましい。

これによれば、各流通方向を同じにすることで、仮に凍結予防運転が実行されていた場合に出湯したとしても、給水管から貯湯タンクへの給水が妨げられることがない。

例えば、前記バイパス循環経路は、前記流出管、バイパス管、給水管、貯湯タンク、流入管の順に接続されて構成されている。

これによれば、沸き上げ運転中には加熱された温水が給水管を通らないため、沸き上げ時の循環流量や循環温度が安定する。

本発明によれば、配管ヒータを削減して電気代を低減でき、しかも凍結を防止することができる。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の貯湯式給湯装置を示す全体構成図である。
図１に示すように、第１実施形態の貯湯式給湯装置１０Ａは、ヒートポンプユニット（加熱手段）１、貯湯タンクユニット２、給湯混合水栓３、リモコン４などを備えて構成されている。なお、本実施形態では、後記する貯湯タンク２１の下部から取り出される温水を低温水（低温度の水；例えば５〜２０℃程度）とし、ヒートポンプユニット１で加熱された温水を高温水（高温度の水；例えば７０〜９０℃程度）として説明している。

前記ヒートポンプユニット１は、圧縮機１１と、凝縮器としての冷媒−水熱交換器１２と、減圧器としての膨張弁１３と、強制空冷式の蒸発器１４と、で構成されたヒートポンプ回路１５と、このヒートポンプ回路１５を駆動制御するヒートポンプ制御部５とを備えている。なお、このヒートポンプ回路１５では、例えば、冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルが構成されている。また、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能になっている。

また、前記ヒートポンプユニット１では、冷媒−水熱交換器１２の一端に、後記する貯湯タンクユニット２から延びるヒートポンプ戻り管（流出管）２５が接続される。また、ヒートポンプ戻り管２５には、熱交換器入口温度センサ１７が設けられている。また、冷媒−水熱交換器１２の他端には、後記する貯湯タンクユニット２から延びるヒートポンプ往き管（流入管）２６が接続される。また、ヒートポンプ往き管２６には、熱交換器出口温度センサ１８が設けられている。

なお、前記冷媒−水熱交換器１２では、冷媒と被加熱水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、前記超臨界ヒートポンプサイクルによって熱交換時において冷媒が超臨界状態のまま凝縮されるため効率よく高温まで被加熱水を加熱することができる。また、冷媒−水熱交換器１２の入口側の熱交換器入口温度センサ１７の温度と、出口側の熱交換器出口温度センサ１８の温度との温度差が一定になるように前記した膨張弁１３または圧縮機１１を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器１２の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度である場合に、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）が３．０以上の高い効率で被加熱水を加熱することが可能になっている。

前記貯湯タンクユニット２は、上端に出湯管２３、下端に給水管２４がそれぞれ接続された貯湯タンク２１を備えている。なお、給水管２４は、水道管と接続されて、水道水が供給される（給水される）ようになっている。また、貯湯タンク２１には、上下方向に配置された複数個の温度センサからなる貯湯温度センサ２２が設けられている。この貯湯温度センサ２２は、貯湯タンク２１内の上下方向の温度分布を検知するものであり、貯湯タンク２１内にどれだけの熱量が残っているかを検知するものである。

また、前記貯湯タンク２１には、その下端に前記したヒートポンプ戻り管２５の端部が接続され、上端に前記したヒートポンプ往き管２６の端部が接続されている。また、ヒートポンプ戻り管２５には循環ポンプ２７が設けられ、この循環ポンプ２７の駆動力によって、貯湯タンク２１内の被加熱水（低温水）が、ヒートポンプ戻り管２５、冷媒−水熱交換器１２、ヒートポンプ往き管２６を介して貯湯タンク２１に戻るようにして循環する。

また、貯湯タンクユニット２には、バイパス管２８が設けられている。このバイパス管２８は、その一端がヒートポンプ往き管２６の途中に接続され、他端が給水管２４に接続されている。また、ヒートポンプ往き管２６には、バイパス管２８との分岐部にバイパス弁２９が設けられて、このバイパス弁２９の切り替え制御によって、ヒートポンプ往き管２６から貯湯タンク２１側またはバイパス管２８側にその流路が切り替えられる。なお、本実施形態では、循環ポンプ２７が貯湯タンクユニット２０側に設けられているが、これに限定されず、ヒートポンプユニット１０側に設けられていてもよい。

前記出湯管２３には、前記バイパス管２８から分岐された分岐管３０が、出湯管２３と給湯混合弁３１を介して接続されている。この給湯混合弁３１は、出湯管２３からの高温水と、分岐管３０からの水とを混合する弁であり、ユーザーが、後記するリモコン４で設定した給湯設定温度になるように混合比率を制御するものである。さらに、給湯混合弁３１の下流には給湯管３２が接続され、この給湯管３２に、給湯混合弁３１で混合された湯水の温度を検知する給湯温度センサ３３と、湯水の流量を検知する給湯流量センサ３４とが設けられている。

前記給湯混合水栓３は、給湯管３２からの湯水と、給水管２４からの水とをユーザーが設定した混合比率に制御するものである。この給湯混合水栓３としては、例えば、シングルレバー混合水栓のように１本のレバーで操作を行うものがあり、レバーを左右に操作して湯温を、上下に操作して吐水・止水の操作および水量の調節を行うことができ、キッチン用、浴室用、洗面用などとして用いることができる。

また、本実施形態では、前記給水管２４に、バイパス管２８との分岐部と分岐給水管３５の分岐部との間に、水道管からの給水圧を減圧するための減圧弁３６、給水管２４を通流する水の温度を検出する給水温度センサ３７などが設けられている。また、前記ヒートポンプ戻り管２５には、排水弁４５、貯湯タンク２１の圧力が所定の圧力を超えたときに開放する缶体保護弁４６などが設けられている。また、前記バイパス管２８には、排水弁４７が設けられている。これら排水弁４５，４７は、例えば非常時に開弁することで、貯湯タンク２１内に蓄積した湯水を利用できるようになっている。

また、本実施形態では、前記ヒートポンプ往き管２６の貯湯タンク２１とバイパス弁２９との間に配管ヒータＨ１が、前記分岐管３０に配管ヒータＨ２が、前記給湯管３２に配管ヒータＨ３がそれぞれ設けられている。これら配管ヒータＨ１〜Ｈ３は、電気式のものであり、これによりヒートポンプ往き管２６、分岐管３０および給湯管３２が凍結するのを防止できるようになっている。

また、前記貯湯タンクユニット２には、給湯制御部６が設けられている。この給湯制御部６は、各種センサからの情報などに基づいて、循環ポンプ２７の出力、バイパス弁２９の流路切り替え、給湯混合弁３１の混合比率、配管ヒータＨ１〜Ｈ３のオン、オフなどを制御する。

前記リモコン４は、例えばキッチンなどの給湯混合水栓４０が設けられた場所の近傍に設置され、運転停止を行う運転スイッチ５１、上昇・下降の２種類のボタンを備えて給湯温度の設定を行う給湯温度設定スイッチ５２、給湯設定温度や貯湯タンク２１内の残湯量などの表示を行う液晶表示パネルからなる表示部５３などを備えている。また、リモコン４は、前記した給湯制御部６と有線または無線により接続され、リモコン４で設定した情報が給湯制御部６に送られる。

次に、第１実施形態の貯湯式給湯装置１０Ａの動作について説明する。まず、貯湯式給湯装置１０Ａの沸き上げ運転について図２を参照して説明する。なお、図２では、沸き上げ時の流れを太線で図示している。
給湯制御部６は、深夜電力時間帯になって、貯湯温度センサ２２に基づいて貯湯タンク２１内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検知すると、ヒートポンプ制御部５に対して沸き上げ開始指令を発する。この指令を受けたヒートポンプ制御部５は、圧縮機１１を起動した後に循環ポンプ２７の駆動を開始する。このときのバイパス弁２９は、貯湯タンク２１側に切り替えられている。そして、貯湯タンク２１の下部から５〜２０℃程度の低温水が取り出され、この取り出された低温水がヒートポンプ戻り管２５を介して冷媒−水熱交換器１２に送られて７０〜９０℃程度の高温に加熱される。冷媒−水熱交換器１２からヒートポンプ往き管２６に送り出された高温水は、貯湯タンク２１の上部に戻される。ちなみに、貯湯タンク２１には、例えば、上部に高温水、下部に低温水が貯められることになるが、これはその温度差により比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、比重の重い低温水が下部に位置するので、互いに混じり合うことがない。そして、給湯制御部６では、貯湯温度センサ２２から得られる貯湯タンク２１の温度分布情報に基づいて必要な熱量が貯湯されたことを検知すると、ヒートポンプ制御部５に対して沸き上げ停止指令を発し、圧縮機１１を停止するとともに循環ポンプ２７を停止して、沸き上げ運転を終了する。

また、貯湯式給湯装置１０Ａの給湯運転時には、給湯混合水栓３が開弁されることにより、給水管２４からの給水圧により貯湯タンク２１内の高温水が出湯管２３に向けて押し出される。貯湯タンク２１から押し出された７０〜９０℃程度の高温水と、分岐管３０からの水とが給湯混合弁３１において、ユーザーがリモコン４で設定した給湯温度となるように混合されて給湯管３２を介して給湯される。なお、このとき分岐管３０には、給水管２４からバイパス管２８を通って水が供給される。また、給湯混合水栓３では、ユーザーのレバー操作などによって、給湯管３２からの湯水と、給水管２４から分岐した分岐給水管３５からの水との混合比率が制御される。

ところで、外気温度が氷点下近くまで下がる低温環境下での使用においては配管が凍結するおそれがあるため、従来の貯湯式給湯装置では、前記した配管ヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３に加えて、図３において二点鎖線で示すように、給水管２４に配管ヒータＨ１０、ヒートポンプ戻り管２５に配管ヒータＨ１１、排水弁４５に配管ヒータＨ１２などを設ける必要がある。このように、多数の配管ヒータＨ１〜Ｈ３、Ｈ１０〜Ｈ１２を設けると、電気代が嵩み、経済性が損なわれるという問題がある。

そこで、本実施形態では、給湯制御部６が、給水温度センサ３７からの温度情報に基づいて給水管２４が凍結するおそれがあると判断した場合には、バイパス弁２９をバイパス管２８側に切り替えて、まず、配管ヒータＨ１〜Ｈ３を加熱させる指令を発するとともに、循環ポンプ２７のみを駆動して貯湯タンク２１の下部から５〜２０℃程度の低温水を取り出す。この低温水は、ヒートポンプ戻り管２５、ヒートポンプユニット１、ヒートポンプ往き管２６の途中からバイパス管２８を通って、給水管２４の減圧弁３６の下流側に流入し、貯湯タンク２１の下部に戻るように循環する。このように低温水を循環させることにより給水管の凍結を防止することが可能になる。しかし、このように低温水を循環させても熱交換器入口温度センサ１７の検知温度が低下して、給水管２４が凍結するおそれがあると判断した場合には、ヒートポンプ制御部５は、圧縮機１１を起動する。これにより、貯湯タンク２１の下部から５〜２０℃程度の低温水が取り出され、この取り出された低温水が、ヒートポンプ戻り管２５を介して冷媒−水熱交換器１２に送られて７０〜９０℃程度の高温に加熱される。生成された高温水は、ヒートポンプ往き管２６の途中からバイパス管２８を通って、給水管２４の減圧弁３６の下流側に流入する。そして、給水管２４に流入した高温水は、給水管２４、貯湯タンク２１の下部、ヒートポンプ戻り管２５を通って、ヒートポンプユニット１に戻る。

このように、図３において太線で示すように、ヒートポンプ往き管２６、バイパス管２８、給水管２４、貯湯タンク２１、およびヒートポンプ戻り管２５によって構成されたバイパス循環経路が、給水時の給水管２４による給水経路と一部を共用しているので、ヒートポンプユニット１で生成された高温水を給水管２４に流通させることが可能になり、給水管２４の凍結が防止される。また、このときの高温水は、給水管２４だけではなく、ヒートポンプ戻り管２５やバイパス管２８を流通するので、ヒートポンプ戻り管２５やバイパス管２８の凍結を防止するための配管ヒータも不要にできる。したがって、配管ヒータＨ１０〜Ｈ１１（図３参照）の削減が可能になり、電気代を削減することが可能になる。特に、貯湯タンク２１の下部に位置する、凍結し易い給水管２４やヒートポンプ戻り管２５に高温水を流通させることができるので、より多くの電力が必要となる給水管２４やヒートポンプ戻り管２５の配管ヒータを削減でき、電気代をより多く削減することが可能になる。

また、第１実施形態では、バイパス循環経路と給水管の給水経路との共用の部分において、給水管２４の流通方向と、バイパス循環経路の流通方向とが同じに構成されているので、もし仮に凍結防止運転中に出湯が行われたときに給水管２４から貯湯タンク２１への給水によって、バイパス循環経路の流通が邪魔されにくい。また、沸き上げ運転中（図２参照）には、沸き上げ運転中の湯水が給水管２４を通らず、給水時の湯水と混ざらないため、沸き上げ運転時の循環流量や循環温度を安定化できる。

（参考例）
図４は参考例としての貯湯式給湯装置を示す全体構成図である。この貯湯式給湯装置１０Ｂは、バイパス管２８Ａ、ヒートポンプ戻り管２５Ａ、分岐管３０Ａを有している。その他の構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記バイパス管２８Ａは、その一端がヒートポンプ往き管２６の途中にバイパス弁２９を介して接続され、他端が貯湯タンク２１の下端に接続されている。前記ヒートポンプ戻り管２５Ａは、その一端が冷媒−水熱交換器１２と接続され、他端が給水管２４の途中と接続されている。前記分岐管３０Ａは、その一端が給水管２４と接続され、他端が給湯混合弁３１と接続されている。これにより、ヒートポンプ往き管２６、バイパス管２８Ａ、貯湯タンク２１、給水管２４、ヒートポンプ戻り管２５Ａが順に接続されて構成されている。

貯湯式給湯装置１０Ｂにおける沸き上げ運転では、給湯制御部６が、深夜電力時間帯になって、貯湯温度センサ２２に基づいて貯湯タンク２１内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検知すると、ヒートポンプ制御部５に対して沸き上げ開始指令を発する。この指令を受けたヒートポンプ制御部５は、圧縮機１１を起動した後に循環ポンプ２７の駆動を開始する。このときのバイパス弁２９は、貯湯タンク２１側に切り替えられている。そして、貯湯タンク２１の下部から取り出した５〜２０℃程度の低温水は、給水管２４およびヒートポンプ戻り管２５Ａを介して冷媒−水熱交換器１２に送られて７０〜９０℃程度に加熱される。ヒートポンプ往き管２６から送り出された高温水は、貯湯タンク２１の上部に戻される。そして、給湯制御部６では、貯湯温度センサ２２から得られる貯湯タンク２１の温度分布情報に基づいて必要な熱量が貯湯されたことを検知すると、ヒートポンプ制御部５に対して沸き上げ停止指令を発し、圧縮機１１を停止するとともに循環ポンプ２７を停止して、沸き上げ運転を終了する。

また、貯湯式給湯装置１０Ｂにおける給湯運転では、給湯混合水栓３が開弁されることにより、給水管２４からの給水圧により貯湯タンク２１内の高温水が出湯管２３に向けて押し出される。貯湯タンク２１から押し出された７０〜９０℃程度の高温水と、分岐管３０Ａからの水とが給湯混合弁３１において、ユーザーがリモコン４で設定した給湯温度となるように混合されて給湯管３２を介して給湯される。なお、このとき分岐管３０Ａには、給水管２４からの水が供給される。また、給湯混合水栓３では、ユーザーのレバー操作などによって、給湯管３２からの湯水と、分岐給水管３５からの水とで混合比率が制御される。

また、外気温度が氷点下近くまで下がる低温環境下での運転においては、給湯制御部６が、給水温度センサ３７からの温度情報に基づいて配管が凍結するおそれがあると判断した場合に、バイパス弁２９をバイパス管２８Ａ側に切り替える。そして、配管ヒータＨ１〜Ｈ３を加熱するように指令を発するとともに、循環ポンプ２７のみを駆動し、貯湯タンク２１の下部から５〜２０℃程度の低温水を取り出し、この低温水を、給水管２４、ヒートポンプ戻り管２５Ａ、ヒートポンプユニット１、ヒートポンプ往き管２６、バイパス管２８Ａを通って貯湯タンク２１の下部に戻るように循環させる。これにより、給水管２４の凍結を防止することが可能になる。なお、このように低温水を循環させても熱交換器入口温度センサ１７の温度が低下する場合には、圧縮機１１を起動して貯湯タンク２１の下部から取り出した５〜２０℃程度の低温水を給水管２４およびヒートポンプ戻り管２５Ａを介して冷媒−水熱交換器１２に送り、７０〜９０℃程度に加熱する。生成された高温水は、ヒートポンプ往き管２６およびバイパス管２８Ａを流通して、貯湯タンク２１の下部に流入する。

この貯湯式給湯装置１０Ｂにおいても、バイパス循環経路が、給水管２４による給水経路と一部を共用しているので、ヒートポンプユニット１で生成された高温水を給水管２４に流通させることが可能になり、給水管２４の凍結が防止される。また、ヒートポンプ戻り管２５Ａやバイパス管２８Ａの配管ヒータも不要にできる。したがって、配管ヒータの削減が可能になり、電気代の削減が可能になる。

なお、前記した実施形態では、給湯を利用した装置として給湯混合水栓３のみを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、湯張り機能や追い炊き機能などを備えた浴槽、床暖房、エアコンなどを追加した構成でもあってもよい。

また、ヒートポンプ往き管２６とバイパス管２８との接続部であるバイパス弁２９の位置を、貯湯タンク２１寄りに設けることで、凍結防止運転時に、高温水をヒートポンプ往き管２６の大部分に流通させることができるので、配管ヒータＨ１を削減することができ、電気代をさらに削減することが可能になる。

また、配管ヒータＨ１〜Ｈ３は電気式のものに限定されず、ヒートポンプ往き管２６、分岐管３０Ａ、給湯管３２の周囲に、ヒートポンプユニット１で生成した高温水を流通させる配管を設けて、この配管から発生する熱で、ヒートポンプ往き管２６、分岐管３０Ａ、給湯管３２の凍結を防止するようにしてもよい。これにより、貯湯タンクユニット２に設ける配管ヒータを不要にでき、さらなる電気代の削減を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、加熱手段としてヒートポンプユニット１を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスバーナー式の加熱手段であってもよい。

また、給水管２４の凍結判断において、給水温度センサ３７を用いたが、これに限定されるものではなく、外気温度を検知できるセンサをヒートポンプユニット１あるいは貯湯タンクユニット２に設けて、この外気温度に基づいて給水管２４の凍結判断を行ってもよい。

第１実施形態の貯湯式給湯装置を示す全体構成図である。 第１実施形態の貯湯式給湯装置の沸き上げ運転時の動作を示す説明図である。 第１実施形態の貯湯式給湯装置の凍結防止運転時の動作を示す説明図である。 参考例としての貯湯式給湯装置を示す全体構成図である。

符号の説明

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
１０Ａ 貯湯式給湯装置
２１ 貯湯タンク
２４ 給水管
２５ ヒートポンプ戻り管（流出管）
２６ ヒートポンプ往き管（流入管）
２８ バイパス管
２９ バイパス弁

Claims (3)

1. 貯湯タンクの下部に給水する給水管と、
   前記貯湯タンクから取り出した温水を加熱する加熱手段と、
   前記貯湯タンクから取り出した前記温水を前記加熱手段に供給する流出管と、
   前記加熱手段で生成された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す流入管と、
   前記流入管から分岐して設けられ、前記流入管を通過する前記温水を前記貯湯タンクの下部に戻すバイパス管と、
   を備え、
   前記バイパス管は前記給水管に接続され、前記バイパス管を通るバイパス循環経路が、前記給水管の給水経路と一部を共用していることを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記共用の部分において、前記バイパス循環経路の流通方向と、前記給水経路の流通方向とが同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記バイパス循環経路は、前記流入管、バイパス管、給水管、貯湯タンク、流出管の順に接続されて構成さ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。

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