(57)【要約】【課題】ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を抑え、最適なＣＯＰを確保しつつ、湯量不足の解消を図ることを目的とする。【解決手段】貯湯タンク２と、給水管３と、貯湯タンク２の下部と上部を連通し沸き上げポンプ５を介してタンク下部の水を流通させる沸き上げ配管４と、沸き上げ配管４の途中に配設して沸き上げポンプ５で供給される水をヒートポンプサイクルを利用して加熱する加熱手段と、貯湯タンク２の上部から挿入しタンク内の所定高さの湯を任意に取り出し可能な流出口１０を有する出湯管６と、貯湯タンク２の高さ方向の各部温度を検出する残湯温度検出器１１とを備え、出湯指示がなされたとき、設定温度と前記残湯温度検出器１１で検出される温度から取り出し可能な流出口１０を選定し出湯するようにしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通して前記貯湯タンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の混合層から湯を取り出す流出口を有する出湯管とを備えた貯湯式温水器。
【請求項２】
貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通してタンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の所定高さの湯を任意に取り出し可能な流出口を有する出湯管と、前記貯湯タンクに貯えられる湯温を検出する残湯温度検出器とを備え、前記出湯管は前記残湯温度検出器で検出される温度に応じて流出口から湯を取り出す貯湯式温水器。
【請求項３】
流出口の位置は、貯湯タンクの高さ方向に調整可能である請求項１または２記載の貯湯式温水器。
【請求項４】
出湯管は、外筒と内筒を備え、前記外筒または内筒は回動自在に構成され、前記外筒および内筒の周囲には所定の回動位置で互いに連通可能な流出口を異なる高さ位置に設け、前記外筒または内筒が回動することにより所定の高さ位置で外筒と内筒の流出口が連通する請求項３記載の貯湯式温水器。
【請求項５】
外筒または内筒を回動する手段としてパルス駆動式モータを用いた請求項４記載の貯湯式温水器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して湯を沸かし、貯湯タンク上部より積層状態で貯湯していくヒートポンプ式給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の貯湯式温水器に関し、ヒートポンプサイクルを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を給湯機本体の貯湯タンク上部より蓄え、貯湯タンク下部より加熱源であるヒートポンプ本体に戻し、貯湯タンク又はヒートポンプ本体に戻す液体の温度が貯湯温度より低い予め設定された所定温度になると、ヒートポンプ本体の加熱動作を停止し、使用湯量に基づいて貯湯タンクの沸き上げ湯量を変化させ、一方、貯湯タンクの残湯量が所定量以下になると、ヒートポンプ本体の加熱動作を開始するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５６２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、加熱源としてヒートポンプサイクルを用いるものにおいては、温水を熱交換して加熱する冷媒−水熱交換器への給水温度が高くなると冷媒−水熱交換器での冷媒と温水との温度差が減少して加熱能力が低下する。
【０００４】
特に冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した貯湯式温水器にあっては、ヒートポンプの高圧側圧力が高いため給水温度が高くなるとヒートポンプの運転効率（ＣＯＰ）の低下度合いが顕著になり、最適なＣＯＰでの運転を行うために特許文献１に開示されているような、使用湯量に基づいて沸き上げ湯量を変化させるという制御が必要となってくる。
【０００５】
ここで、一般的にＣＯＰを上げるためには、沸き上げ温度を下げること、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を下げること、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の運転停止回数を減少することが重要となる。
【０００６】
しかし、これらの要因は、いずれも湯量不足を生じてしまう不都合があり、単純に採用することはできない。
【０００７】
そこで本発明は、使用過程で発生する貯湯タンク内の中温水を要求出湯温度に応じて優先的に出湯することで、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を抑えつつ、貯湯式温水器の特徴である豊富な貯湯量を効果的に使用することで、最適なＣＯＰを確保しつつ、湯量不足の解消を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するため本発明の貯湯式温水器は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通して前記貯湯タンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の混合層から湯を取り出す流出口を有する出湯管とを備えたものである。
【０００９】
また、本発明の貯湯式温水器は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通してタンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の所定高さの湯を任意に取り出し可能な流出口を有する出湯管と、前記貯湯タンクに貯えられる湯温を検出する残湯温度検出器とを備え、前記流出口は前記残湯温度検出器で検出される温度に応じて選定される湯を取り込むものである。
【００１０】
これによって、出湯管は貯湯タンク内の任意の温度の湯が取り出せるので、最適なＣＯＰを確保し、湯量不足の解消を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、貯湯タンク内の中途半端な温水を要求出湯温度に応じて優先的に使用することができるため、ヒートポンプサイクルを利用した加熱手段に供給する貯湯タンク下部の水温を可能な限り下げた状態で保持することが可能となり、ヒートポンプサイクルを加熱源として加熱動作を行う場合に、冷媒−水熱交換器への流入水温を下げることができ、最適なＣＯＰでの運転が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通して前記貯湯タンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の混合層から湯を取り出す流出口を有する出湯管とを備えたものである。
【００１３】
これによって、貯湯タンク内の中途半端な温水を優先的に使用することができ、給水管より供給される水と入れ替えることで、上部に蓄えられる高温水と下部に蓄えられる低温水の中間部に混合層として蓄えられる中温水を極力少なくすることができ、ヒートポンプサイクルを利用した加熱手段に低温水を継続して供給することが可能となり、実使用状態におけるＣＯＰを最適な状態に維持することができるとともに、貯湯タンク内における温水の貯湯形態として混合層のない積層状態での貯湯を確保することができる。
【００１４】
第２の発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部を連通してタンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク内の所定高さの湯を任意に取り出し可能な流出口を有する出湯管と、前記貯湯タンクに貯えられる湯温を検出する残湯温度検出器とを備え、前記出湯管は前記残湯温度検出器で検出される温度に応じて選定される湯を流出口から取り出すものである。
【００１５】
これによって、貯湯タンク内の中途半端な温水を優先的に使用することができ、給水管より供給される水と入れ替えることで、上部に蓄えられる高温水と下部に蓄えられる低温水の中間部に混合層として蓄えられる中温水を極力少なくすることができ、ヒートポンプサイクルを利用した加熱手段に低温水を継続して供給することが可能となり、実使用状態におけるＣＯＰを最適な状態に維持することができるとともに、貯湯タンク内における温水の貯湯形態として混合層のない積層状態での貯湯を確保することができる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明と第２の発明との貯湯式温水器において、流出口の位置を貯湯タンクの高さ方向に調整可能であるとしたものである。これによって、流出口の高さ位置を変更し、任意の温度の湯を取り出すことが可能となる。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明の貯湯式温水器において、外筒と内筒を備え、前記外筒または内筒は回動自在に構成され、前記外筒および内筒の周囲には所定の回動位置で互いに連通可能な流出口を異なる高さ位置に設け、前記外筒または内筒が回動することにより所定の高さ位置で外筒と内筒の流出口が連通するものである。
【００１８】
これによって、貯湯タンク内に挿入した出湯管を回動自在な２重管とし、その円周方向に内管と外管が連通する流出口を設けた構成としているため、高さ方向の任意の箇所に複数の流出口を設けることが可能となり、貯湯タンク内の任意の位置から容易に所望の温水を取り出すことができるとともに、回動動作により任意の流出口を選定できるため応答性がよく、構成も比較的簡単にできる。
【００１９】
外筒または内筒を回動する手段としてパルス駆動式モータを用いる。これによって、出湯管の外筒と内筒の流出口が連通しない回動位置を基本に所定条件のパルスを出力することで所定の流出口を連通することができるため、制御性がよく、精度の高い出湯制御が簡単な構成で実現できる。
【００２０】
また、本発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部に設けた給水管と、前記貯湯タンクの下部と上部を連通してタンク下部の水を流通させる沸き上げ配管と、前記沸き上げ配管に配設した沸き上げポンプと、前記沸き上げ配管の途中に配設して沸き上げポンプで供給される水をヒートポンプサイクルを利用して加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクの上部から挿入しタンク内の所定高さの湯を任意に取り出し可能な流出口を有する出湯管と、前記貯湯タンクの高さ方向の各部温度を検出する残湯温度検出器とを備え、出湯指示がなされたとき、設定温度と前記残湯温度検出器で検出される温度から取り出し可能な流出口を選定し出湯するようにしてもよい。
【００２１】
これによれば、要求出湯温度に応じて設定温度と残湯温度検出器で検出される温度から貯湯タンク内の所定高さの湯を任意に取り出すことが可能となるため、貯湯タンク内の中途半端な温水を優先的に使用することができ、給水管より供給される水と入れ替えることで、上部に蓄えられる高温水の層と下部に蓄えられる低温水の層の中間部に混合層として蓄えられる中温水を極力少なくすることができ、ヒートポンプサイクルを利用した加熱手段に低温水を継続して供給することが可能となり、実使用状態におけるＣＯＰを最適な状態に維持することができるとともに、貯湯タンク内における温水の貯湯形態として混合層のない積層状態での貯湯を確保することができる。
【００２２】
また、出湯管は外筒と内筒を備え、前記外筒または内筒は回動自在に構成され、かつ、前記外筒および内筒は所定の回動位置で互いに連通しない箇所を設けたものである。これによって、貯湯タンク内に挿入した出湯管を回動自在な２重管とし、その円周方向適所に内管と外管が連通しない箇所を設けた構成としているため、出湯停止状態において、貯湯タンク内の温水を出湯管に流出させない構造を確保することができ、出湯管の下流側で洩れ等が発生しても確実に閉止させることができるとともに、閉止位置を初期位置と設定することで回動制御を容易に行うことができる。
【００２３】
そして、外筒または内筒を回動する手段としてパルス駆動式モータを用い、出湯停止状態では外筒と内筒の流出口が連通しない回動位置に制御し、出湯指示がなされたときは設定温度と残湯温度検出器で検出される温度から決定されるパルス条件を出力し、前記パルス駆動式モータにより所定の流出口を連通することで、所望の湯温の出湯を行うようにした。それによれば、出湯管の外筒と内筒の流出口が連通しない回動位置を基本に所定条件のパルスを出力することで所定の流出口を連通することができるため、制御性がよく、精度の高い出湯制御が簡単な構成で実現できる。
【００２４】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態による貯湯式温水器の構成図である。図２（ａ）は同貯湯式温水器の出湯管の断面図、図２（ｂ）は同貯湯式温水器の出湯管の分解斜視図である。
【００２６】
本実施の形態による二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した貯湯式温水器は、貯湯ユニット１と、加熱手段であるヒートポンプユニット５０とから構成されている。
【００２７】
貯湯ユニット１は、温水を貯留する貯湯タンク２と、この貯湯タンク２の下部より低温の一般水道水を供給する給水管３と、貯湯タンク２の下部と上部を連通して貯湯タンク２下部の低温水をヒートポンプユニット５０に導き、このヒートポンプユニット５０で加熱した温水を貯湯タンク２に戻すための沸き上げ配管４と、この沸き上げ配管４の途中に配設された沸き上げポンプ５を備えている。
【００２８】
出湯管６は貯湯タンク２の上部から挿入された回動自在な二重管構造であり、貯湯タンク２内の所定高さの湯を任意に取り出せるようになっている。この出湯管６は、パルス駆動式モータ７により回動する有底状の内筒８と、貯湯タンク２に一体的に取り付けられた外筒９より為り、内筒８と外筒９の円周方向には、所定の回動位置で互いに連通する流出口１０を異なる高さ位置に備えている。
【００２９】
さらに、出湯停止状態では内筒８と外筒９の流出口１０が一組も連通しない出湯管６が閉止状態となる所定の回動位置になるように制御してあり、この出湯管６の閉止位置を初期位置として設定することで回動制御を容易に行えるようにしている。また、回動動作であるので応答性も良く構造も簡単である。
【００３０】
図１と図２では、４つの流出口１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを、内筒８と外筒９の上部と下部との間で、異なる高さ位置に設けたものを示している。すなわち、内筒８の流出口１０Ａと外筒９の流出口１０Ａが所定の回動位置で連通し、他の１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄについてもそれぞれ異なる所定の回動位置で互いに連通するようになっている。
【００３１】
また、貯湯タンク２には、異なる高さ位置の湯温を検出する残湯温度検出器１１を設けている。図１では、４つの残湯温度検出器１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを、貯湯タンク２の上部と下部との間で、異なる高さ位置に設けたものを示している。本実施の形態では、第一の残湯温度検出器１１Ａは、第一の流出口１０Ａと第二の流出口１０Ｂとの間に設け、第二の残湯温度検出器１１Ｂは、第二の流出口１０Ｂと第三の流出口１０Ｃとの間に設け、第三の残湯温度検出器１１Ｃは、第三の流出口１０Ｃと第四の流出口１０Ｄとの間に設け、第四の残湯温度検出口１１Ｄは、第四の流出口１０Ｄよりも低い位置に設けている。
【００３２】
温度センサＭは貯湯タンク２下部の湯温を検出し、沸き上げ運転の停止、あるいは、沸き上げ運転を行うかどうかの判定に使用している。
【００３３】
混合弁１２は電動式で、出湯管６より供給される湯と、給水管３より供給される低温の一般水道水を設定温度に応じて内蔵されている弁体（図示せず）の開度比率を制御することで所望の温度の混合水を得る構成としてある。また、給湯管１３には、混合弁１２で混合された混合水の温度を検出する混合サーミスタ１４、給湯管１３に接続されたカラン１５が取り付けられている。
【００３４】
ヒートポンプユニット５０は、冷媒を加熱する圧縮機５１と、加熱された冷媒を熱交換させて貯湯タンク２から導かれた低温水を温める給湯用熱交換器５２と、冷媒を減圧膨張させる膨張弁５３と、大気熱より熱を回収し、冷媒を気化蒸発させる大気熱交換器５４を環状に接続し、ヒートポンプサイクルを構成している。
【００３５】
次に、以上のような構成にて、貯湯タンクの沸き上げ運転について説明する。
【００３６】
沸き上げポンプ５を運転することにより、貯湯タンク２の下部から沸き上げ配管４を介して流出する低温水は、給湯用熱交換器５２を流通し、再び貯湯タンク２の上部から流入する。
【００３７】
一方、ヒートポンプユニット５０も運転を行う。圧縮機５１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器５２で放熱し、膨張弁５３で減圧膨張した後、大気熱交換器５４で熱回収された大気熱により気化蒸発させられ、再び圧縮機５１に流入して１サイクルの運転となる。従って、給湯用熱交換器５２では、冷媒加熱回路を流れる冷媒の熱が、沸き上げ配管４を流れる低温水に伝導し、加熱された低温水は温水となり貯湯タンク２に蓄えられる。
【００３８】
このとき、温水は貯湯タンク２の上部から流入させ、低温水を貯湯タンク２の下部から流出させるため、貯湯タンク２内では、上層部に温水が蓄えられ、この温水層が徐々に厚くなる。そして、貯湯タンク２の下部側に設けた温度センサＭによって貯湯タンク２内に十分な温水が蓄積された状態を検知し、沸き上げ運転を終了する。
【００３９】
このように、ヒートポンプ給湯機は、大気熱を回収し、さらに圧縮機で高温に加熱した冷媒を熱交換させることにより効率的に高温の湯を沸き上げるとともに、安価な深夜電力を利用してランニングコストでメリットを出そうというものであり、通常は、夜間時間帯での沸き上げを一日に一回行う。
【００４０】
しかしながら、貯湯タンク２内の残湯量が所定量以下になると、昼間電力を利用して湯を沸き上げることも可能である。
【００４１】
沸き上げ運転終了時の貯湯タンク２の湯温は、温度センサＭより上の上層部が最も高く、下部は低温水が貯められるので温度が最も低く、温度センサＭ近傍の高温の湯と低温水の境界には僅かな範囲で高温の湯と低温水が混ざり合った中途半端な温度の温水の混合層を形成する。ここで、混合層とは、貯湯タンク２内の高温層（例えば９０度）と低温層（例えば２０度）の間に形成される温度勾配を持つ温度層である。
【００４２】
もし、沸き上げ運転終了後に全くお湯を使用しなかったり、湯の使用量が少なかった場合には、貯湯タンク２表面からの自然放熱等により湯温が低下し、混合層もさらに拡大する。
【００４３】
この混合層の中途半端な温度の中温水は水道水よりも温度が高いために、再びヒートポンプユニッツトで沸き上げを行おうとすると、給湯用熱交換器５２での熱交換効率が低下し、結果としてＣＯＰ（運転効率）が低下し、ランニングコストが低下する。中温水の温度が温度センサＭにより所定の温度以上を検出された場合には、ＣＯＰが１以下となることを防ぐために沸き上げ運転を行わないように制御している。
【００４４】
次に給湯動作について説明する。まず、カラン１５が開けられ出湯指示が出されると、流出口１０Ａから１０Ｄのどの流出口を連通させるかを決定するために、例えば使用者が設定する給湯設定温度と貯湯タンク２に設けられた残湯温度検出器１１の１１Ａと、１１Ｂと、１１Ｃと、１１Ｄの検出温度を比較する。
【００４５】
そして、給湯設定温度以上で、かつ給湯設定温度との温度差が最小となるように、湯温を検出した残湯温度検出器１１直上の流出口１０より湯を取り出すようにパルス条件を出力し、パルス駆動式モータ７により流出口１０が閉塞された初期位置から内筒８を回動させ、外筒９と流出口１０を互いに連通させる。
【００４６】
一例として、給湯動作中において、残湯温度検出器１１Ａと１１Ｂと１１Ｃと１１Ｄが同じ温度を検出した場合には、最も中温水のある混合層に近い下方にある流出口１０Ｄより湯を取り出し、混合弁１２で設定温度になるように一般水道水と混合し、給湯管１３を介してカラン１５から出湯する。
【００４７】
また、出湯と同時に貯湯タンク２の下部には給水管３を介して低温水が供給され、貯湯タンク２の上層部には高温の湯が貯留され、下部には低温水が貯留されるようになっている。
【００４８】
もし、カラン１５からの出湯中に残湯温度検出器１１Ｄが給湯設定温度よりも予め設定された温度だけ低い温度を検出すると、湯を一つ上の流出口１０Ｃから取り出すように、パルス駆動式モータ７が内筒８を回動させるようになっている。
【００４９】
同様に、残湯温度検出器１１Ｃが給湯設定温度よりも予め設定された温度だけ低い温度を検出すると、湯を一つ上の流出口１０Ｂから取り出すように、パルス駆動式モータ７が内筒８を回動させるようになっている。
【００５０】
このように、出湯指示が出た場合には、貯湯タンク２内の湯温の低い下部の混合層の湯を優先的に出湯することにより、中温水と給水管３より供給される低温水を入れ替え、貯湯タンク２下部には温度の低い水道水が確実に貯留されるようにしている。
【００５１】
従って、最適なＣＯＰでの運転が可能となるように、できるだけ低温の水道水を沸かしランニングコストでメリットが出せるようにしている。さらに、積層状態での貯湯を確保することにより、貯湯タンク２内の高温の湯の割合を増加させ、お湯をたっぷりと使いたいというユ−ザーの期待に応えるとともに、小さな貯湯タンクでも効率よくお湯を貯溜することにより、機器本体が小型化できるようにしている。
【００５２】
次にカラン１５が閉じられ給湯動作が終了すると、パルス駆動式モータ７を回動し、内筒８と外筒９の流出口１０が互いに一組も連通しない初期位置に戻るように制御される。このことにより、カラン１５の閉止機能が損なわれる等、出湯管６の下流側で漏れが発生したとしても、出湯停止状態において出湯管６には貯湯タンク２内の湯が流出しないので、高温の湯の漏れによる事故や、湯切れを防止することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では回転動力としてパルス駆動式モータ７を用いて、内筒８をパルス駆動式モータ７により回動する構成としたがそれ以外の回転動力であってもよい。また、外筒９を回動させる構成としても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の貯湯式温水器は、特に冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した貯湯式温水器に有用であり、その他ヒータやガスを熱源とする貯湯式温水器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態による貯湯式温水器の構成図
【図２】（ａ）同貯湯式温水器の出湯管の断面図（ｂ）同貯湯式温水器の出湯管の分解斜視図
【符号の説明】
【００５６】
２  貯湯タンク
３  給水管
４  沸き上げ配管
５  沸き上げポンプ
６  出湯管
７  パルス駆動式モータ
１０  流出口
１１  残湯温度検出器
５０  ヒートポンプユニット
【図１】
2006057916.tif 000003
【図２】
2006057916.tif 000004