(57)【要約】【課題】貯湯槽内の温度分布を改善し、効率の高い運転を可能にする給湯機を提供する。【解決手段】貯湯槽１と、前記貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２と、前記加熱手段２に前記貯湯槽１内の湯水を前記貯湯槽１の下部から供給する第一の配管１１と、前記加熱手段２から加熱後の湯を前記貯湯槽１に戻す第二の配管１２と、前記貯湯槽１の下部に接続された給水管４と、前記貯湯槽１の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段１４と、前記給水管４または前記貯湯槽１の下部に設けた第二の温検知手段１５と、制御手段１６とを備え、前記第二の配管１２は、流路切換手段１３を介して、前記貯湯槽１の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記第一の貯湯温検知手段１４と前記第二の温検知手段１５との出力に基づいて、前記流路切換手段１３の動作を制御する構成とした給湯機。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段と、前記給水管または前記貯湯槽の下部に設けた第二の温検知手段と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記第一の貯湯温検知手段と前記第二の温検知手段との出力に基づいて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とする給湯機。
【請求項２】
第一の貯湯温検知手段の出力と第二の温検知手段の出力との差が所定値より小さい場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させ、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値以上の場合には、前記流路切換手段を前記第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させることを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
【請求項３】
加熱手段を、ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の給湯機。
【請求項４】
ヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とする請求項３に記載の給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸き上げた湯を貯湯槽に貯えて使用する給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の給湯機は、例えば図８のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載された従来の給湯機を示すものである。
【０００４】
図８に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２を設け、貯湯槽１の上部に接続された出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管４と、この給水管４から分岐された給水バイパス管５と、出湯管３からの湯と給水バイパス管５からの水とを混合する第１混合弁６と、貯湯タンク１の中間部に接続された中間出湯管７と、給水バイパス管５途中に設けられ給水バイパス管５を流れる水に中間出湯管７からの湯を混合する第２混合弁８と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段９と、給湯設定温度の湯を供給すべく第１混合弁６および第２混合弁８の混合比率を調整する制御部１０とを設けた構成としている。
【特許文献１】特開２００４−１９７９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、温度成層を形成して貯湯する方式の貯湯槽１内で時間経過に伴ってできる、湯と水の間の中間的な温度の水（以降、中温水と呼ぶ）を中間出湯管９から抜くことにより、沸き上げ時の効率に悪影響を与える中温水を有効に利用するのであるが、うまく効果を得ようとすると、中温水が中間出湯管９の位置に比較的多くあるときに給湯負荷が発生しないといけない。給湯負荷のパターンによっては、中間出湯管９と中温水との位置関係が適切ではなく、効率向上に寄与しない場合が多いという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯機は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段と、前記給水管または前記貯湯槽の下部に設けた第二の温検知手段と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記第一の貯湯温検知手段と前記第二の温検知手段との出力に基づいて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とするもので、貯湯槽内の湯の温度分布を考慮しつつ沸き上げ時に貯湯槽内の湯を適切に撹拌し、効率を悪化させる中温水を大幅に減少させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の高さ方向の略中間部に設けた第一の貯湯温検知手段と、前記給水管または前記貯湯槽の下部に設けた第二の温検知手段と、制御手段とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続されるとともに、前記第一の貯湯温検知手段と前記第二の温検知手段との出力に基づいて、前記流路切換手段の動作を制御することを特徴とするもので、沸き上げ時に効率低下の原因となる中温水を、沸き上げ運転開始当初に沸き上げた湯を利用して大幅に減少させることができるので、効率の高い運転状態を維持し、省エネルギー性が向上するという効果がある。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明において、第一の貯湯温検知手段の出力と第二の温検知手段の出力との差が所定値より小さい場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させ、前記第一の貯湯温検知手段の出力と前記第二の温検知手段の出力との差が所定値以上の場合には、前記流路切換手段を前記第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させることを特徴とするもので、中温水が第二の配管の中間部側にあるときに撹拌効果を得るようにし、貯湯槽内の湯温を無駄に下げる動作を排除することで、沸き上げ時の効率に悪影響を与える中温水をきわめて効果的に解消できる。
【００１１】
第３の発明は、特に第１または第２の発明の加熱手段にヒートポンプサイクルを用いた構成とすることにより、使用湯量の多いときだけ高温の沸き上げ温度として、できるだけ低い沸き上げ温度を適用できる結果、高効率の特性を最大限に引き出せる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第３の発明のヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とするもので、沸き上げ温度を高温にできるので、利用できる熱量の増大と湯切れ防止性を向上することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
（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給湯機の構成を示す図である。
【００１５】
図１において、本発明の給湯機は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、このヒートポンプユニット２に加熱前の水を送出する前記貯湯槽１の下部に接続された第一の配管１１と、前記ヒートポンプユニット２から加熱後の水を前記貯湯槽１に戻し、前記貯湯槽１の上部と前記貯湯槽１の高さ方向の中央付近に接続された第二の配管１２と、前記第二の配管１２の分岐部に設けられた流路切換手段としての三方弁１３と、前記貯湯槽１の中間部の水温を検知する第一の貯湯温検知手段１４と、前記貯湯槽１の下部の水温を検知する第二の貯湯温検知手段１５と、前記貯湯槽１の下部に接続された給水管４と、前記第一の貯湯温検知手段１４および前記第二の貯湯検知手段１５の出力に基づいて、前記三方弁１３の制御を行う流路切換制御手段１６とから構成されている。
【００１６】
以上のように構成された給湯機について、以下その動作、作用を説明する。
【００１７】
基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、運転
を開始すると、沸き上げ用循環ポンプ１７によりヒートポンプ往き口１８から第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が第二の配管１２を通じて三方弁１３の流路に応じ、第一のヒートポンプ戻り口１９または第二のヒートポンプ戻り口２０から貯湯槽１に戻される。これによって貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。
【００１８】
沸き上げ後の給湯利用の際には、給湯口２１から貯湯槽１の高温の湯が送られ、この湯が給水管４からの給水と混合弁２２により混合され、設定温度に調節されて給湯栓２３から供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管４を通じて貯湯槽１下部の給水口２４から流入する。
【００１９】
図２に動作のフローチャートを示す。
【００２０】
図２において、沸き上げ運転が開始されると（ステップ１）、流路切換制御手段１６は、第一の貯湯温検知手段１４による貯湯槽１中間の温度と第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度の差が予め設定された一定値Ｔｄｉｆ（例えば５℃）と比較する（ステップ２）。この温度差が５℃より小さい場合には、流路が貯湯槽１の上部と連通するように三方弁１３を制御する（ステップ３）。ステップ４では貯湯槽１下部の第二の貯湯温検知手段１５の検知温度が沸き上げ終了設定温に達するまで、ステップ２に戻る。ここで第一の貯湯温検知手段１４の検知温度が第二の貯湯温検知手段１５よりＴｄｉｆ以上の場合には、流路が貯湯槽１の中間部と連通するように三方弁１３を切り換える（ステップ５）。その後、貯湯槽１下部の温度が終了設定温を上回ったら（ステップ４）、沸き上げを終了する（ステップ６）。なお、ヒートポンプユニットによる沸き上げ温度は、必要に応じて沸き上げ運転中に変更される。
【００２１】
図３〜図７を用いてこの動作による貯湯槽１内の温度分布の変化を説明する。各図とも、それぞれの段階に分けて、（ａ）〜（ｃ）とし、貯湯槽１の高さ方向（縦軸）に対応する温度（横軸）を表す。
【００２２】
図３は、貯湯槽１の湯を使用した後、貯湯槽１上部に残湯のある、通常よく出現する場合である。図３（ａ）の２５は、深夜の沸き上げに入る前の貯湯槽１内の温度分布であり、前日沸き上げた湯が貯湯槽１の壁を通して放熱し、温度低下して一部残っている。その下には給湯によって給水管５から流入した低温水と貯湯槽１内の湯との熱交換によって広がった中温水の層が温度勾配を持って存在する。さらに貯湯槽１下部には、ほぼ給水と同温度の水がある。貯湯槽１中間の温度と貯湯槽１下部の温度にはほとんど差はないので、流路は貯湯槽１上部に向くように制御され、ヒートポンプユニット２で沸き上げられた高温の湯２６は、２７のように上から全体を押し下げながら貯まっていく。
【００２３】
図３（ｂ）の２８は、中温水の層の最下部が第一の貯湯温検知手段１４の位置に達した後、第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度と５℃差がつき、第二の配管１２の流路が貯湯槽１上部から中間部に切り換えられてしばらく後の温度分布である。流路が切り換えられると、高温の湯２６が貯湯槽１の中間位置から流入し、浮力の作用でこの位置から上の部分が撹拌され、貯湯槽１の中間部より上に貯えられていた湯はそのおよそ平均的な温度で一様な分布となる。
【００２４】
この時点で温度勾配を持つ中温水の層は解消する。その後、この貯湯槽１の上半分の温度は流入する高温の湯によって次第に上昇しつつ、同時に水の循環によって押し下げられるとともに上部の湯と下部の水との熱交換により、２９、３０に示すごとく、中温水の層が徐々に成長する。ただし、当初の中温水の層と比較すれば格段に小さい。
【００２５】
その後、図３（ｃ）に示すように貯湯槽１中間部から上の湯は流入する高温の湯に撹拌されつつ温度が上昇し、さらに、３１のように下部の湯を押し下げながら最終的には全体としてヒートポンプユニット２による沸き上げ温度に近い湯が貯湯槽１下部まで小さい中温水層を維持したまま満たされていく。３２のように第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度が沸き上げ終了温度に達したら沸き上げ運転を終了する。したがって、第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に送る水の温度を低いまま保つことができ、効率のよい運転が可能になる。また、貯湯槽１全体を高温の湯で満たし、十分な熱量の湯を貯えることができる。
【００２６】
次に図４は、深夜の沸き上げ前に残湯が比較的多くあり、第二の配管１２の貯湯槽１中間への接続位置に中温水の層がはじめからかかっている場合である。図４（ａ）は、その温度分布で、中間と下部の貯湯温の差は５℃以上あり、沸き上げ運転を開始すると、図４（ｂ）のように沸き上げた湯３４は最初から貯湯槽１の中間位置に流入する。３５は、沸き上げ開始少し後の温度分布で、高温の湯３４の流入位置から上の湯は撹拌されて一様になり中温水がなくなる。流入位置より下の部分は、中温水がそのまま残る。
【００２７】
その後、貯湯槽１の上半分の温度は流入する高温の湯によって次第に上昇しつつ、水の循環によって押し下げられ、３６、３７に示すように推移する。第二の配管１２の貯湯槽１中間への接続位置より下にあった中温水の層は残るが、上半分はいったん解消されて少なくなる。
【００２８】
その後、図４（ｃ）のように貯湯槽１中間部から上の湯は流入する高温の湯に撹拌されつつ温度が上昇し、３８のように下部の湯を押し下げながら最終的には全体としてヒートポンプユニット２による沸き上げ温度に近い湯が貯湯槽１下部まで満たされていく。３９のように第二の貯湯温検知手段１５による貯湯槽１下部の温度が沸き上げ終了温度に達したら沸き上げ運転を終了する。したがって、図３で説明した残湯の少ない場合よりも不利となるが、解消できる中温水は少なからずあるので、この場合でも効率のよい運転が可能になる。
【００２９】
図５は、残湯が多く、第二の配管１２の貯湯槽１中間への接続位置よりも下に中温水の層がある場合である。図５（ａ）は深夜沸き上げ開始前の温度分布である。沸き上げた湯は貯湯槽１の中間と下部の温度差が５℃以上なので、三方弁１３の制御により、図５（ｂ）のように中間位置から流入するが、浮力で上昇するので中温水を解消する効果はない。
【００３０】
しかし、４２、４３のように中間位置より上の湯温を上昇させながら貯湯が進行し、図５（ｃ）の４５、４６に示すような温度分布の推移を示す。ヒートポンプユニット２による中温水の加熱は避けられないが、貯湯熱量は確保できる。
【００３１】
ここで、この場合の特有の効果について従来行われてきた方式との比較で説明する。図６は、一般的な沸き上げ運転方法である貯湯槽１上部から順に貯湯していく場合の温度分布の変化を示している。図６（ａ）は深夜沸き上げ前の温度分布で、この状態からヒートポンプユニット２で沸き上げた高温の湯４６を貯湯槽１の上部に送る。図６（ｂ）において、高温の湯が温度低下した残湯の上に貯まっていき、運転開始当初の温度分布はほぼそのままの状態を保って４７、４８のように押し下げられていく。
【００３２】
このとき、残湯の温度が第二の貯湯温検知手段１５の沸き上げ終了設定温よりも高い場合を想定すると、中温水の層が貯湯槽１からヒートポンプユニット２へ出て行く途中で沸き上げが終了する。図６（ｂ）の４８の状態である。これでは貯湯槽１に貯えられる湯の熱量が設計時点で想定されるより大幅に小さく、湯切れの可能性が高くなる。
【００３３】
逆に、残湯の温度が沸き上げ終了設定温よりも低いと、４９のように中温水が沸き上げられた後、５０の温度分布になって沸き上げが終了するまで、かなり温度の高い残湯がすべてヒートポンプユニット２に送られ、きわめて効率の悪い条件で沸き上げ運転がなされる割合が多くなる。
【００３４】
図５で説明したように本発明の実施の形態の場合は、図６の従来方式での不具合は起こらず、湯切れにつながる恐れのある貯湯熱量不足や、極端に非効率な運転を有効に回避できるという特有の効果がある。
【００３５】
このような残湯の多い状態は、通常使用として想定されている範囲においては生じる頻度は少ないが、貯湯熱量に対して極端に給湯負荷が小さい家庭に設置された場合には日常的に起こり得るし、ふだんは普通に使う家庭でも不在で使用しない日があると同じような状態となるので、多大な不便を与えることなく、あわせて高い省エネルギー性を提供できる。
【００３６】
さらに、貯湯槽１内が水で満たされた状態から沸き上げた場合について、図７を用いて説明する。図７（ａ）の５２は沸き上げ開始前の温度分布で、ほぼ給水温に近い水で満たされている。貯湯槽１中間位置と下部との温度に差はないので、ヒートポンプユニット２で沸き上げた湯５２は貯湯槽１上部から流入し、高温の湯が水を押し下げながら貯湯槽１に貯まっていき、５３のような温度分布になる。中温水の下端が第二の配管１２の貯湯槽１中間側の高さである第一の貯湯温検知手段１４の位置を過ぎ、第二の貯湯温検知手段１５との温度差が５℃以上になると、流路切換制御手段１６が三方弁１３を切り換えて、貯湯槽１の中間位置に沸き上げた湯５２を流入させる。
【００３７】
図７（ａ）は、流路切り換え後の温度分布の変化で、５４に示すように中温水はほぼ解消し、貯湯槽１のおよそ上半分は中温水の撹拌によってヒートポンプユニット２による沸き上げ温度よりも若干低い一様な分布となる。その後、５５のように、流入する高温の湯の作用で貯湯槽１上半分の湯温は上昇しながら下部の低温水を押し下げていく。図７（ｃ）は、沸き上げ終了までの温度分布の推移を示しており、５６、５７のように、湯と水の熱伝導による熱移動によって次第に中温水を増やしながら貯湯されていく。最終的に貯湯槽１下部の温度が終了設定温に達し、５７の状態で沸き上げが終了する。
【００３８】
この場合においても従来の方式と比較して、省エネルギー性と湯切れのしにくさという点で優位である。すなわち、中間位置まで湯が貯まった時点でそれまでにできた中温水の層をいったん解消するので、中温水はそれ以降に成長する分だけになってヒートポンプユニット２への中温水の量が低減されること、さらに、流路を切り換えて以降、それまでに貯湯槽１の缶体を通して放熱し、温度低下した分の熱量を再度補えることという作用があるからである。
【００３９】
このように、本発明の実施の形態によれば、中温水の層をできる限り解消することによって、第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に流入する水温を給水と同程度に保つ割合を大幅に向上させることができるので、沸き上げ時に高効率の運転が可能となり、省エネルギー性に優れた給湯機を実現できる。
【００４０】
また、図示しないが、第二の貯湯温検知手段１５の代わりに、給水温を検知するように給水管４に給水温検知手段を設けても同様の効果が得られる。
【００４１】
なお、ヒートポンプユニット２の冷凍サイクルは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。二酸化炭素を冷媒として用いることで沸き上げ温度を高温にできるので、貯湯槽１内の湯温を自在に制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる給湯機は、効率が高い状態での運転の割合を高めることができるので、前記したような家庭用の給湯機の貯湯槽に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた省エネルギー性を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１における給湯機の構成図
【図２】同動作のフローチャート
【図３】同貯湯槽内温度分布の変化図
【図４】同貯湯槽内温度分布の変化図
【図５】同貯湯槽内温度分布の変化図
【図６】従来の沸き上げ方式における貯湯内温度分布の変化図
【図７】本発明の実施の形態１における貯湯槽内温度分布の変化図
【図８】従来の給湯機の構成図
【符号の説明】
【００４４】
１  貯湯槽
２  加熱手段（ヒートポンプユニット）
４  給水管
１１  第一の配管
１２  第二の配管
１３  流路切換手段（三方弁）
１４  第一の貯湯温検知手段
１５  第二の貯湯温検知手段
１６  流路切換制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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