JP4403983B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクの上部に設けた第１出湯管から取り出された湯水と、貯湯タンクの中央部付近に中温水を流出させるための第２の出湯管を備え、第１の出湯管から取り出された湯水と第２の出湯管から取り出された湯水とを混合し、その混合された湯水を給湯設定温度となるように給水管からの低温水を混合して給湯するようにしていた。

図４は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置を示すものである。図４に示すように、ヒートポンプ給湯装置は貯湯タンク１６、冷媒水熱交換器６と蒸発器８と減圧器７とが接続された冷媒回路９、貯湯タンク１６の底部から水道水を供給する給水管１７と、貯湯タンク１６の中部から得られる湯水と貯湯タンク１６の天部から得られる湯水とを混合する第１混合弁３４と、第１混合弁３４から流れる湯水と給水管１４を流れる水道水とを混合する第２混合弁２７と、第２混合弁２７から流れる湯水を出湯するための給湯混合水詮３から構成される。

また、貯湯タンク１６の上部から下部へ連結する管上に熱交換器２０を設けて、熱交換器２０により放熱手段４を加熱する。放熱手段４は、床暖房や浴槽乾燥や風呂の追い炊きに利用される。

そして、上記のように構成されたヒートポンプ給湯装置は、第１混合弁３４で貯湯タンク１６の中部と天部から得られる湯水を混合し、その混合された湯水と水道水とを第２混合弁２７で混合し、給湯混合水詮３から出湯する。
特開２００３−２４０３４２号公報（第１０頁、図４）

しかしながら、上記従来の構成では、給湯混合水詮３から出湯する温度を４０℃とすると貯湯タンク１６の中部から得られる中温水（例えば３０〜５０℃程度）は、第１混合弁３４から流れる湯水と給水管１４を流れる水道水（例えば５〜２０℃）とを第２混合弁２７を混合するため、第２混合弁２７の手前で湯水温度を４０℃以上にする必要があり、中温水の水量を多く活用できず、高温水（例えば７０〜９０℃程度）を優先的に活用し第１混合弁３４で混合した湯水を第２混合弁２７で水道水と混合し給湯混合水詮３から温度を４０℃とし出湯するものである。

又、放熱手段４を使用すればするほど貯湯タンク１６の中温水が増加し続け、中温水をヒートポンプ回路で沸き上げると温度が高いため効率が悪くなり、エネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）を低下させ、深夜電力使用時間帯で沸き上げができないという課題を有していた。

本発明は、貯湯タンク内に貯められた高温水は、風呂の追い炊きや暖房端末に熱量を使用するため、給湯としての利用量を最小限度にすることを目的とする。

特に中温水の湯量を優先的に利用することで貯湯タンク下部の低温水を流入し水道水により低い温度に保ち、その低温水をヒートポンプ回路で沸き上げることによりエネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）を高くできる給湯機を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、貯湯タンク内の中間温度の残湯量を検出する残湯センサと貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、貯湯タンクの中間部に設けた中部出湯口と、水道水を供給する給水管と、中部出湯口からの湯水と給水管からの水道水とを混合する第１の混合弁と、第１の混合弁を経由した湯と上部出湯口からの湯水とを混合する第２の混合弁と、端末から出湯する湯水の温度を設定する温度設定手段とを備え、前記第１の混合弁から流れ出る湯水温と前記温度設定手段により設定された設定温度との温度差が所定値以内であるとき、前記上部出湯口からの湯水と前記第１の混合弁から流れ出る湯水とを前記第２の混合弁で混合しないことを特徴とするものである。

これにより、貯湯タンクから取り出した高温水を熱交換して放熱手段に用い湯水を中温水とし貯湯タンクに戻り、中温水量が増加しても出湯時に優先的に中温水が使用されるため、貯湯タンク下部には低温の水道水が流入し、貯湯タンク内の湯水の沸き上げを行う時は、この貯湯タンク下部に貯められた低温水をヒートポンプ回路で沸き上げるので効率の良い運転状態で沸き上げを行うことができ、通常電力使用時間帯で早く沸き上げできることや深夜電力時間帯だけでも任意に設定した貯湯タンク温度に沸き上げが完了することができ、かつ、貯湯タンクの上部にある高温水を極力使用することなく貯えておくことができる。

本発明の給湯装置は、中温水量が増加しても出湯時に優先的に中温水を使用するため、ヒートポンプ回路による沸き上げ運転を効率良く行える。

第１の発明は、貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、貯湯タンク内の中間温度の残湯量を検出する残湯センサと貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、貯湯タンクの中間部に設けた中部出湯口と、水道水を供給する給水管と、中部出湯口からの湯水と給水管からの水道水とを混合する第１の混合弁と、第１の混合弁を経由した湯水と上部出湯口からの湯水とを混合する第２の混合弁と、端末から出湯する湯水の温度を設定する温度設定手段とを備え、前記第１の混合弁から流れ出る湯水温と前記温度設定手段により設定された設定温度との温度差が所定値以内であるとき、前記上部出湯口からの湯水と前記第１の混合弁から流れ出る湯水とを前記第２の混合弁で混合しないことにより、貯湯タンクの中間水を優先的に取り出すことができ、ヒートポンプ回路での沸き上げ効率が良くなり、通常電力使用時間帯で早く沸き上げできることや深夜電力時間帯だけでも任意に設定した貯湯タンク温度に沸き上げが完了することができる。また、中間水を優先的に使用する結果、貯湯タンク上部に貯えられる高温水の使用量が減少し、蓄熱量不足となる状況を緩和でき、高温出湯の要求に常時応えることが可能となる。

さらに、第１の混合弁から流れ出る湯水温と温度設定手段により設定された設定温度との温度差が所定値以内であるとき、上部出湯口からの湯と第１の混合弁から流れ出る湯水とを第２の混合弁により混合しないことで、貯湯タンクの上部にある高温水を極力使用することなく貯えておくことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、中部出湯口からの湯水温が温度設定手段により設定された設定温度以上のときに、中部出湯口からの湯と水道水とを第１の混合弁で混合することにより、水道水との混合比をできるだけ低くし、貯湯タンクの中間水を優先的に取り出しているので、上部出湯口からの最小限の高温水とを第２の混合弁に混合され、給湯混合水詮から設定温度に出湯することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、中部出湯口からの湯水温が温度設定手段により設定された設定温度以下のときに、第１の混合弁は中部出湯口からの湯水を水道水とを混合せずに、第２の混合弁で上部出湯口からの湯と混合させることにより、貯湯タンクの中間水を優先的に取り出しているので、上部出湯口からの最小限の高温水とを第２の混合弁に混合され、給湯混合水詮から設定温度に出湯することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明において、第２の混合弁の下流に位置する温度検知手段を有し、温度検知手段で検知した温度に応じて、少なくとも第１の混合弁または第２の混合弁のうちいずれか１つを制御することにより、確実に出湯温度に設定し、給湯混合水詮から設定温度に出湯することができる。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明において、貯湯タンク内の中間温度の残湯量を検出する残湯センサを有し、残湯センサで検知した温度に応じて、上部出湯口からの湯と第１の混合弁から流れ出る湯水とを第２の混合弁を制御し、混合させるようにすることにより、貯湯タンク内の中温水範囲を確実に検知でき、出湯できる。

第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明において、加熱手段を冷媒の圧力が超臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により湯水循環手段による流水を加熱するように構成している。そして、超臨界ヒートポンプサイクルは、湯水循環手段の流水を高温（例えば９０℃程度）に加熱する場合、加熱前の流水温度が低いほど、高圧圧力が低くなることでエネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が向上する。したがって、貯湯タンクに温度成層を形成し、低温部の水を超臨界ヒートポンプで加熱することにより、エネルギー消費効率が向上し、省動力運転を行うことができる。また、中間温度の残湯も優先的に給湯により出湯してしまえば、貯湯タンク内下部に低温の水道水が流入し、超臨界ヒートサイクルで加熱するのは、超湯タンク内の低温部の水だけとなるので、より効率が向上する。

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）
次に、本発明の第１の実施形態を図１〜図３に基づき説明する。

図１〜図３は、本発明の実施の形態における給湯装置の図を示すものである。

図１において、本実施例は一般家庭用の給湯装置で主に深夜電力を利用して給湯の湯を貯留するものである。給湯装置は、ヒートポンプサイクルで構成される加熱手段１と、貯湯タンク２と、貯湯タンク２上部に設けた上部出湯口１３と、貯湯タンク２の中央部に設けた中部出湯口３３と、貯湯タンク２下部へ水道水を供給する給水管１４と、給水管１４を流れる水道水を減圧する減圧弁４０と、減圧された水道水と貯湯タンク２の中央部に設けた中部出湯口３３から取り出す中温水とを混合する第１の混合弁３４と、第１の混合弁３４で混合された湯水と貯湯タンク２上部に設けた上部出湯口１３から取り出した湯水とを混合する第２の混合弁２９と、第２の混合弁２９下流に位置して混合した湯水の湯温を検知する温度検知手段４１と、湯水を出湯する給湯混合水詮３とにより構成されている。
なお、本実施の形態で言う「第２の混合弁２９の下流の位置」とは第２の混合弁２９を起点として第２の混合弁２９から流れる方向側を指す。逆に、「第２の混合弁２９の上流」とは第２の混合弁２９を起点として第２の混合弁２９へ向かって流れるくる方向側を指す。

また、貯湯タンク２内の中間温度の残湯量を検出するために、貯湯タンク２の表面には残湯センサが備え付けられている。残湯センサは例えば、貯湯タンク２の表面上下に複数個をほぼ均等に配置した温度検知手段３６により構成される。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、前記ヒートポンプサイクルで構成される加熱手段１は、圧縮機５と凝縮器としての冷媒と水を熱交換する水熱交換器６と減圧器７と蒸発器８で構成されたヒートポンプ回路９とそれらを駆動するヒートポンプ制御装置１１とを具備し、ヒートポンプ回路９内の冷媒を循環させる温水循環ポンプ１０は、加熱手段１の外部に設けられている。ヒートポンプ回路９内に使用されている冷媒にフロンと比べオゾン層を破壊しにくい二酸化炭素を用いているので、電気式ヒーターを使用することなく前記貯湯タンク２内下部の水を約９０℃に沸き上げ、前記温水循環ポンプ１０により、前記貯湯タンク２内上部に貯めて行き前記貯湯タンク２内の温度を検知する残湯サーミスタ３６で検知し前記貯湯タンク下部まで高温水(例えば約９０℃程度)を沸き上げる。

次に図２に示すように暖房は、貯湯タンク２の上部出湯口１３近傍の上部出湯口近傍口１３ａより高温水を取り出し、暖房１次ポンプ２３を動作し、１次側温水循環管路１８内を高温水で循環させ暖房用熱交換器２０を加熱した後に中温水になって貯湯タンク下部戻し口２２から貯湯タンク２内に戻され加熱された暖房用熱交換器２０の２次側には、暖房端末４に暖房２次ポンプ２６により２次側温水循環管路２５内から温水を循環させることにより、暖房端末４を暖めるものである。また、暖房により貯湯タンク２の中温水が多く発生し、この状態で加熱手段１を運転すると入水温度が高くエネルギー消費効率が低下し加熱能力も低下するため加熱手段１への入水温度（貯湯タンク９の下部）をエネルギー消費効率が良くなる低い温度まで動作させないようにしている。

次に図３に示すように給湯は、例えばリモコン等の給湯温度設定手段（図示せず）により給湯温度が設定され給湯混合水詮３を開くと給湯制御手段３７を介して出湯温度検知手段４１と前記貯湯タンク２内の温度を検知する残湯サーミスタ３６で高温水の残湯温度範囲を検知でき、第１の混合弁と第２の混合弁の混合比率を制御し湯水を設定温度に混合させ出湯するようにしている。

給湯設定温度が中部出湯口３３付近の湯水より高い４０℃以上の湯温に設定されたときは、貯湯タンク２内中間部の中温水（例えば３０〜５０℃程度）を優先的に使用し、給水管１４から減圧器４０によって減圧された水道水（例えば５〜２０℃程度）を最少水量に設定するように第１の混合弁３４で混合し、貯湯タンク２内の高温水を使用しないように第２の混合弁２９を制御し給湯混合水詮３から出湯することになり、貯湯タンク２内の中温水は減少し、貯湯タンク２内の下部に設けられた水道水取り入れ口１５から水道水が流入し低温水（例えば５〜２０℃）域を形成することとなり、加熱手段１を運転しても低温水を入水するためエネルギー消費効率（ＣＯＰ）が向上して水道水を沸き上げることができる。

また、給湯設定温度が、中部出湯口３３付近の湯水より低い４０℃以下の湯温に設定されたときは、貯湯タンク２内中間部の中温水（例えば３０〜５０℃程度）を優先的に使用し、給水管１４から減圧器４０によって減圧された水道水（例えば５〜２０℃程度）を第
１の混合弁３４で混合させず、熱容量が不足した場合は、貯湯タンク２内の高温水を最小水量に設定するように第２の混合弁２９を制御し給湯混合水詮３から出湯することになり、貯湯タンク２内の中温水は減少し、貯湯タンク２内の下部に設けられた水道水取り入れ口１５から水道水が流入し低温水（例えば５〜２０℃）域を形成することとなり、加熱手段１を運転しても低温水を入水するためエネルギー消費効率（ＣＯＰ）が向上して水道水を沸き上げることができる。

また、第１の混合弁から流れ出る湯水温と給湯設定温度との温度差が所定値以内であるときは、第１の混合弁３４から流れ出る湯水と貯湯タンク２上部に設けた上部出湯口１３から取り出した湯水とを第２の混合弁２９により混合することなく、給湯混合水詮３から出湯する。

例えば、給湯設定温度が４０℃で、第１の混合弁３４から流れ出る湯水温を検出する温度センサ４３が４１℃を検知したとき、給湯制御手段３７が給湯設定温度と温度センサ４３により検出値とにより演算を行い（温度差＝給湯設定温度―温度センサ４３検出値）、その温度差を求める。上記例では、４１℃―４０℃＝１℃となる。そして、温度差が所定値以内であれば、第２の混合弁２９にて上部出湯口１３から取り出した湯水と混合せずに給湯混合水詮３を通して出湯する。逆に、温度差が所定値を超えていれば、第１の混合弁３４から流れ出る湯水が給湯設定温度となるために、第２の混合弁２９にて上部出湯口１３から取り出した湯水と混合して給湯混合水詮３を通して出湯する。なお、所定温度は様々な状況を想定して設定することができるが、通常は１〜２℃の範囲であると考えられる。

なお、上記例において、所定温度を２℃とすれば温度差は１℃であるので、第２の混合弁２９にて上部出湯口１３から取り出した湯水と混合せずに給湯混合水詮３を通して出湯することになる。

このようにして、中温水を最大限使用することにより、貯湯タンク上部の高温水を使用せずに出湯を行うことができるので、熱容量（蓄熱量）の不足を回避し、かつ中温水を減少でき、貯湯タンク内の下部に設けられた水道水取り入れ口から水道水が流入し低温水域を形成することとなり、加熱手段を運転しても低温水を入水するためエネルギー消費効率（ＣＯＰ）が向上して水道水を沸き上げることができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、中間水温を有効的に利用でき、ヒートポンプ回路の入水温度を低い温度に抑えられるので、低い温度の湯水を高温のお湯に加熱することになり、効率の良い運転が可能となり、貯湯タンク内の高温水を間接的に利用し室内の空間温水暖房等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態における給湯装置の構成図 従来の給湯装置の構成図

１ 加熱手段
２ 貯湯タンク
１３ 上部出湯口
１４ 給水管
２９ 第２の混合弁
３３ 中部出湯口
３４ 第１の混合弁
３６ 温度検知手段

Claims (6)

1. 貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、前記貯湯タンクの中間部に設けた中部出湯口と、水道水を供給する給水管と、前記中部出湯口からの湯水と前記給水管からの水道水とを混合する第１の混合弁と、前記第１の混合弁を経由した湯水と前記上部出湯口からの湯水とを混合する第２の混合弁と、端末から出湯する湯水の温度を設定する温度設定手段とを備え、前記第１の混合弁から流れ出る湯水温と前記温度設定手段により設定された設定温度との温度差が所定値以内であるとき、前記上部出湯口からの湯水と前記第１の混合弁から流れ出る湯水とを前記第２の混合弁で混合しないことを特徴とする給湯装置。
2. 中部出湯口からの湯温が前記温度設定手段により設定された設定温度以上のときに、中部出湯口からの湯水と水道水とを第１の混合弁で混合する請求項１記載の給湯装置。
3. 中部出湯口からの湯水温が前記温度設定手段により設定された設定温度以下のときに、第１の混合弁は前記中部出湯口からの湯水を水道水とを混合せずに、第２の混合弁で上部出湯口からの湯と混合させる請求項１記載の給湯装置。
4. 第２の混合弁の下流に位置する温度検知手段を有し、前記温度検知手段で検知した温度に応じて、少なくとも第１の混合弁または第２の混合弁のうちいずれか１つを制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の給湯装置。
5. 貯湯タンク内の中間温度の残湯量を検出する残湯センサを備え、前記残湯センサは、前記貯湯タンク表面に設けられた複数の温度検知手段からなる請求項１から４のいずれか１項に記載の給湯装置。
6. 加熱手段は、冷媒の圧力が超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湯水循環手段による流水を加熱する請求項１から５のいずれか１項に記載の給湯装置。

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