(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯タンクと、
湯水加熱用の熱交換器を有する外部熱源機と、
前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続する湯水循環路に設けられ、かつこの湯水循環路を利用して前記貯湯タンク内の湯水を前記熱交換器に送り込んで加熱させてから前記貯湯タンクに戻す沸き上げ運転を可能とする循環ポンプと、
この循環ポンプの回転数を変更することにより前記熱交換器による湯水加熱温度を制御することが可能な制御手段と、
を備えている、貯湯式給湯装置であって、
前記制御手段は、
前記沸き上げ運転を行なう場合において、前記貯湯タンク内の湯水を目標沸き上げ温度まで一度で沸き上げるとした場合に、前記循環ポンプの回転数またはこれに対応するパラメータが所定値以下になること、および前記目標沸き上げ温度が所定温度以上であることの特定条件に該当するか否かを予め判断し、前記特定条件に該当すると判断した場合には、前記特定条件に該当しなくなるように前記循環ポンプの回転数を高くした上で、前記貯湯タンク内の湯水の全量を前記目標沸き上げ温度よりも低い温度に沸き上げる予備的沸き上げ運転を実行させ、かつその後に前記貯湯タンク内の湯水を前記目標沸き上げ温度に沸き上げる動作を実行させる制御を行なうように構成されていることを特徴とする、貯湯式給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置であって、
前記特定条件における前記所定値は、前記循環ポンプの回転数を対象とする値であって、前記湯水循環路における湯水の流速が０．２ｍ／secとなる前記循環ポンプの回転数、またはこれ以上の回転数とされており、
前記特定条件における前記所定温度は、６０℃、またはこれ以下の温度とされている、貯湯式給湯装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の貯湯式給湯装置であって、
前記制御手段は、
前記貯湯タンク内の一部の湯水のみを前記目標沸き上げ温度に沸き上げる場合には、前記予備的沸き上げ運転時における仮の目標沸き上げ温度として、給湯設定温度よりも高い温度を設定するように構成されている、貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯装置などの貯湯式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンク内の湯水が所定の湯水循環路を介してヒートポンプの湯水加熱用の熱交換器（凝縮熱交換器）に送り込まれて加熱されてから貯湯タンク内に再度戻される沸き上げ運転を可能とされている。一般的に、このような沸き上げ運転時においては、一般的には、ヒートポンプの出力が一定とされた上で、湯水循環路に設けられている循環ポンプの回転数を制御することによって、湯水が所望の温度に加熱されるように制御される。
このようなタイプのヒートポンプ給湯装置は、近年においては、装置全体の小型化や低コスト化などを図る観点から、ヒートポンプの小型化が図られ、その出力が小さくされる傾向が強い。
【０００３】
しかしながら、ヒートポンプの出力を小さくした場合には、次に述べるような不具合がある。
すなわち、ヒートポンプによる湯水加熱時の温度上昇幅を、たとえば５０〜６５℃程度まで大きくする場合には、循環ポンプの回転数を低くし、ヒートポンプの熱交換器に送り込まれる湯水の流量を相当絞る必要がある。ところが、このようにすると、湯水循環路を流れる高温湯水の流速がかなりの低速になることに起因し、ヒートポンプの熱交換器に孔食が発生し易くなる。したがって、このようなことを適切に防止することが望まれる。
【０００４】
なお、特許文献１には、貯湯タンク内の湯水の沸き上げ運転を行なう場合に、貯湯タンク内の湯水の全量をヒートポンプとの間で複数回にわたって循環させることにより、湯水温度を複数段階で上昇させていく手段が記載されている。ところが、このような手段によれば、循環ポンプの回転数を余り低くする必要性はなくなるものの、沸き上げ運転を単に複数回で実行するだけでは、孔食防止を的確に図ることができない場合がある。特許文献１には、孔食防止を図るための具体的な手法については言及がない。さらに、特許文献１においては、貯湯タンク内の湯水の全量を複数回にわたって沸き上げるため、貯湯タンク内の一部の湯水のみを所望温度に沸き上げるようなことには好適に対処できず、湯水を必要量以上に多く沸き上げる無駄が生じる不利もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２９５２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、ヒートポンプなどの外部熱源機の湯水加熱用の熱交換器に孔食が発生し易くなることを適切に防止することが可能な貯湯式給湯装置を提供することを、その課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００８】
本発明により提供される貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、湯水加熱用の熱交換器を有する外部熱源機と、前記熱交換器と前記貯湯タンクとを接続する湯水循環路に設けられ、
かつこの湯水循環路を利用して前記貯湯タンク内の湯水を前記熱交換器に送り込んで加熱させてから前記貯湯タンクに戻す沸き上げ運転を可能とする循環ポンプと、この循環ポンプの回転数を変更することにより前記熱交換器による湯水加熱温度を制御することが可能な制御手段と、を備えている、貯湯式給湯装置であって、前記制御手段は、前記沸き上げ運転を行なう場合において、前記貯湯タンク内の湯水を目標沸き上げ温度まで一度で沸き上げるとした場合に、前記循環ポンプの回転数またはこれに対応するパラメータが所定値以下になること、および前記目標沸き上げ温度が所定温度以上であることの特定条件に該当するか否かを予め判断し、前記特定条件に該当すると判断した場合には、前記特定条件に該当しなくなるように前記循環ポンプの回転数を高くした上で、前記貯湯タンク内の湯水の全量を前記目標沸き上げ温度よりも低い温度に沸き上げる予備的沸き上げ運転を実行させ、かつその後に前記貯湯タンク内の湯水を前記目標沸き上げ温度に沸き上げる動作を実行させる制御を行なうように構成されていることを特徴としている。
ここで、前記「パラメータ」としては、たとえば前記湯水循環路における湯水の流量あるいは流速などが該当する。
【０００９】
前記した本発明の構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、貯湯タンク内の湯水を目標沸き上げ温度に沸き上げる場合において、循環ポンプの回転数またはこれに対応するパラメータが所定値以下であって、目標沸き上げ温度が所定温度以上の高温である特定条件に該当する場合には、このような状態が回避されるようにして予備的沸き上げ運転がなされ、その後に目標沸き上げ温度への沸き上げが行なわれる。したがって、外部熱源機の熱交換器と貯湯タンクとを接続する湯水循環路に高温湯水がかなりの低速で流れることを回避し、前記熱交換器に孔食が生じ易くなることを適切に防止することができる。このような孔食防止効果は、湯水循環路における高温湯水の流速を考慮することなく単に沸き上げ運転を複数回に分けて実行するだけの特許文献１に記載された手段によっては得られない効果である。
さらに、本発明によれば、予備的沸き上げ運転後に行なわれる最終の沸き上げ時には、必要な湯水量のみを沸き上げればよく、必ずしも貯湯タンク内の湯水の全量を沸き上げる必要はない。したがって、効率が良く、沸き上げた湯水に多くの無駄を生じないようにすることもできる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記特定条件における前記所定値は、前記循環ポンプの回転数を対象とする値であって、前記湯水循環路における湯水の流速が０．２ｍ／secとなる前記循環ポンプの回転数、またはこれ以上の回転数とされており、前記特定条件における前記所定温度は、６０℃、またはこれ以下の温度とされている。
【００１１】
このような構成によれば、次のような効果が得られる。
たとえばヒートポンプなどの外部熱源機の湯水加熱用の熱交換器は、一般的に、内部を流通する湯水の流速が０．２ｍ／sec以下、かつ６０℃以上であると、孔食を生じ易くなることが判明している。これに対し、前記構成よれば、孔食を生じ易くなる前記の条件に該当することが適切に回避され、孔食防止効果をより高めることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記制御手段は、前記貯湯タンク内の一部の湯水のみを前記目標沸き上げ温度に沸き上げる場合には、前記予備的沸き上げ運転時における仮の目標沸き上げ温度として、給湯設定温度よりも高い温度を設定するように構成されている。
【００１３】
このような構成によれば、貯湯タンク内の湯水の沸き上げ運転後において、目標沸き上げ温度に沸き上げられている一部の湯水が給湯に消費された場合であっても、貯湯タンク内には給湯設定温度よりも高温の湯水が残留することとなる。したがって、その後に給湯の必要がさらに生じた場合であっても、貯湯タンク内の残留湯水を給湯に用いることができる。前記残留湯水をさらに加熱するといった必要はないため、エネルギ効率をよくする
ことができる。
【００１４】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る貯湯式給湯装置の一例を示す概略説明図である。
【図２】図１のヒートポンプにおいて実行される動作制御の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
図１に示す貯湯式給湯装置ＷＨは、ヒートポンプ給湯装置であり、ヒートポンプＨと、貯湯タンクユニットＵとを備えている。
【００１８】
ヒートポンプＨは、従来既知のものと同様な冷凍サイクル１を備えたものである。冷凍サイクル１は、たとえばＣＯ2 などの冷媒の循環流通経路上に、外気（大気）から熱を吸収するための蒸発熱交換器１０、圧縮機１１、湯水加熱用の熱交換器１２（凝縮熱交換器）、および膨張弁１３が設けられた構成である。
【００１９】
貯湯タンクユニットＵは、貯湯タンク２、ヒートポンプＨの熱交換器１２と貯湯タンク２とを接続する湯水循環路３を構成する往き戻りの配管部３ａ，３ｂ、往き側の配管部３ｂに設けられた循環ポンプＰ、リモコン４０が接続された主制御部４、および補助熱源機８を備えている。
【００２０】
貯湯タンク２への外部からの湯水補充は、貯湯タンク２の下部に接続された下部配管５０を介して行なわれる。この下部配管５０の末端は、給水管９０が接続される入水口５０ａであり、給水管９０から送られてくるたとえば水道水が貯湯タンク２内に流入する。循環ポンプＰは、回転速度（回転数）が可変であり、この循環ポンプＰの駆動により、貯湯タンク２内の下部領域に存在する湯水が湯水循環路３の往き側の配管部３ｂを通過してヒートポンプＨの熱交換器１２に送り込まれて加熱され、かつその後に戻り側の配管部３ａを通過して貯湯タンク２内の上部に戻される沸き上げ運転が可能である。この沸き上げ運転に際し、循環ポンプＰの回転速度を変更することにより、湯水の沸き上げ温度を制御可能である。ヒートポンプＨを利用して加熱された湯水は、貯湯タンク２内の上側から下側に向けて順次貯留されていく。貯湯タンク２には、内部の湯水温度を検出するための複数の温度センサＳａが上下高さ方向に適当な間隔を隔てて設けられており、貯湯タンク２内における湯水の温度分布や、これに基づく蓄熱量などを判断することが可能となっている。往き側の配管部３ｂには、ヒートポンプＨへの入水温度Ｔａ（熱交換器１２への入水温度）を検出するための温度センサＳｂが設けられている。
【００２１】
貯湯タンク２からの出湯は、この貯湯タンク２の上部に接続された上部配管５１を介して行なわれる。この上部配管５１の末端の出湯口５１ａや、上部配管５１に分岐接続された配管５２の出湯口５２ａには、たとえば給湯栓９１や浴槽９２が配管接続されており、これらへの給湯が可能とされている。図示説明は省略するが、上部配管５１に温水暖房端末への給湯を可能とする配管を分岐接続するといったことも可能である。補助熱源機８は、上部配管５１を介して出湯する湯水温度が給湯設定温度Ｔｃ（リモコン４０を用いてユーザが設定する給湯温度、あるいは主制御部４が各種の条件に応じて設定する給湯温度）に満たない場合にその湯水を加熱するためのものである。この補助熱源機８は、燃料ガスを燃焼させるバーナ８０と、このバーナ８０によって発生された燃焼ガスを利用して湯水
加熱を行なうための熱交換器８１とを有する燃焼方式の熱源機である。上部配管５１には、過流出防止弁Ｖ１や、下部配管５０に分岐接続された分岐配管５３から上部配管５１への湯水混入量を制御するための混合弁Ｖ２なども設けられている。
【００２２】
主制御部４は、ヒートポンプＨに設けられた補助制御部４Ａと協働することにより貯湯式給湯装置ＷＨの各部の動作制御や、各種のデータ処理制御を実行するものであり、本発明でいう制御手段の一例に相当する。この主制御部４は、熱需要に応じて貯湯タンク２内の湯水を目標沸き上げ温度Ｔｔまで沸き上げる場合、後述するような制御を実行するように構成されている。
【００２３】
次に、貯湯式給湯装置ＷＨの作用、ならびに主制御部４によって実行される動作処理手順の一例について、図２に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
【００２４】
貯湯タンク２内の湯水の沸き上げ運転を行なう場合には、これに先立ち、プリ湯水循環動作が実行される（Ｓ１）。このプリ湯水循環動作は、循環ポンプＰを所定時間駆動させることにより、その後に沸き上げ運転を正常に実行し得るか否かを確認するためのものであるが、この動作を実行することにより、ヒートポンプＨへの入水温度Ｔａなどのデータが収集される。主制御部４は、前記したプリ湯水循環動作に伴い、ヒートポンプＨへの入水温度Ｔａに加え、目標沸き上げ温度Ｔｔ（最終の沸き上げ目標温度）、ヒートポンプＨの出力、および外気温などの条件に基づき、貯湯タンク２内の湯水を目標沸き上げ温度Ｔｔまで一度に沸き上げるのに必要な循環ポンプＰの回転数Ｎａを求める（Ｓ２）。
【００２５】
次いで、主制御部４は、特定条件として、次のａ，ｂの双方（ａかつｂ）に該当するか否かを判断する（Ｓ３）。
特定条件：
ａ．循環ポンプＰの回転数Ｎａ≦所定回転数Ｎ１
ｂ．目標沸き上げ温度Ｔｔ≧所定温度Ｔｂ
ここで、所定回転数Ｎ１は、たとえば湯水循環路３における湯水の流速が０．２ｍ／secとなる循環ポンプＰの回転数、またはこれ以上の回転数（たとえば、流速が０．２ｍ／secとなる回転数に適度な余裕を加えた回転数）である。湯水の流速は、循環ポンプＰの容量や、湯水循環路３の内径などによって異なってくるため、これらを考慮して循環ポンプＰの回転数Ｎ１が決定される。
所定温度Ｔｂは、たとえば６０℃、またはこれ以下の温度（種々の誤差を考慮し、６０℃よりも適度に低い温度、たとえば５７〜５９℃のいずれかなど）である。
【００２６】
主制御部４は、前記特定条件に該当しないと判断した場合には、通常の沸き上げ動作、すなわち貯湯タンク２内の湯水をヒートポンプＨによって目標沸き上げ温度Ｔｔまで一度に沸き上げる動作を実行する（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ８）。沸き上げ量が、予測される需要熱量に見合った量になると、その沸き上げ動作を完了する（Ｓ９：ＹＥＳ，エンド）。前記特定条件に該当しない場合には、湯水循環路３を流れる湯水の流速が、０．２ｍ／sec以下、かつその湯水温度が６０℃以上の状態にはならないため、通常の沸き上げ動作を行なったとしても、熱交換器１２が孔食を生じ易くなる虞はない。
【００２７】
一方、前記特定条件に該当すると判断された場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、換言すると、熱交換器１２に孔食が生じ易くなると判断された場合には、目標沸き上げ温度Ｔｔに沸き上げられるべき湯水が、貯湯タンク２内の湯水の全量である「全量沸き上げ」か、あるいは一部である「一部沸き上げ」であるかに応じて、次に述べるように、異なる制御が行なわれる。
【００２８】
「全量沸き上げ」の場合には、次の制御がなされる。
循環ポンプＰの回転数が、前記特定条件における所定回転数Ｎ１よりも高い回転数Ｎｂとされた上で、貯湯タンク２内の湯水の沸き上げ（予備的沸き上げ）が開始される（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ７）。回転数Ｎｂは、たとえば湯水循環路３の湯水の流速が、０．４ｍ／sec程度となる循環ポンプＰの回転数である。ただし、これ以外の回転数とすることが可能である。さらには、回転数Ｎｂは固定値ではなく、様々な条件に応じて適宜変化させてもよい。
【００２９】
その後、貯湯タンク２内の全量の湯水の予備的沸き上げが終了し、ヒートポンプＨへの入水温度Ｔａが上昇すると、主制御部４は、先に述べたステップ２の処理、すなわち循環ポンプＰの回転数Ｎａを求める処理を再度実行する（Ｓ６：ＹＥＳ，Ｓ２）。これは、前記した予備的沸き上げにおいては、循環ポンプＰが本来の回転数よりも高められた状態で駆動されているため、予備的沸き上げのみでは、貯湯タンク２内の湯水を目標沸き上げ温度Ｔｔまで沸き上げることは困難であり、再度の沸き上げ動作が必要であること、およびこの再度の沸き上げ時においても、熱交換器１２の孔食を防止する必要があることによる。前記した予備的沸き上げが実行された結果、前記特定条件に該当しなくなると、その後は沸き上げ温度を目標沸き上げ温度Ｔｔとする通常の沸き上げ動作が実行され、貯湯タンク２内の湯水の全量が沸き上げられる（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ８，Ｓ９）。
【００３０】
なお、前記とは異なり、ステップＳ３の判断において、未だに前記特定条件に該当すると判断される場合には、予備的沸き上げ動作が繰り返され、前記特定条件に該当しなくなった段階で、最終の沸き上げ動作が実行される（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４：ＮＯ，Ｓ７，Ｓ６：ＹＥＳ，Ｓ２，Ｓ３：ＮＯ，Ｓ８，Ｓ９）。ただし、通常の貯湯運転では、殆どの場合には、予備的沸き上げ動作の回数は１回で済むと考えられる。
【００３１】
前記した一連の動作制御によれば、湯水の沸き上げに際し、湯水循環路３を流通する高温湯水の流速が０．２ｍ／sec以下の低速になることが適切に回避されているため、高温湯水の流速低下に起因する熱交換器１２の孔食発生現象を適切に防止または抑制することが可能である。
【００３２】
「一部沸き上げ」の場合には、次の制御がなされる。
まず、循環ポンプＰの回転数が前記特定条件における所定回転数Ｎ１よりも高くされた状態で、予備的沸き上げが行なわれる点は、「全量沸き上げ」の場合と同様である。ただし、主制御部４は、予備的沸き上げを実行する場合には、給湯設定温度よりも高い温度を仮目標沸き上げ温度Ｔｔ'として設定し、循環ポンプＰの回転数は、仮目標沸き上げ温度Ｔｔ'での沸き上げが可能な回転数とする（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ５）。これ以外の基本的な制御は、「全量沸き上げ」の場合と同様であり、予備的沸き上げが行なわれた結果、前記特定条件に該当しなくなった段階で、最終的な沸き上げ動作が実行される（Ｓ６：ＹＥＳ，Ｓ２，Ｓ３：ＮＯ，Ｓ８，Ｓ９：ＹＥＳ，エンド）。ただし、この場合には、貯湯タンク２の一部の湯水のみが目標沸き上げ温度Ｔｔに沸き上げられる。
【００３３】
このような一連の動作制御においても、先に述べた「全量沸き上げ」の場合と同様に、高温湯水の流速低下に起因する熱交換器１２の孔食発生現象を適切に防止または抑制することが可能である。また、前記した沸き上げが完了した後には、貯湯タンク２内の一部の湯水は目標沸き上げ温度Ｔｔに沸き上げられ、かつそれ以外の湯水は給湯設定温度よりも高い温度に沸き上げられた状態にある。このため、前記一部の湯水が消費尽くされた後に、さらなる熱需要があったとしても、これに対応させて給湯設定温度での給湯動作を適切に行なうことが可能である。その際、たとえば補助熱源機８を利用して湯水加熱を行なう必要はないため、エネルギ効率がよい。
【００３４】
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る貯湯式給湯装置の各
部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。
【００３５】
上述の実施形態においては、湯水循環路における湯水の流速が所定の流速以下になるか否かの判断手法として、循環ポンプの回転数が所定回転数Ｎ１以下であるかを判断するようにしている。ただし、本発明はこれに限定されず、循環ポンプの回転数以外のパラメータを用いてもよい。このパラメータとして、たとえば湯水循環路における湯水の流量、あるいは流速などを用いることができることは、既に述べたとおりである。
【００３６】
上述の実施形態においては、図２のステップＳ５の「一部沸き上げ」を前提とする予備的沸き上げが行なわれる場合に、給湯設定温度よりも高い温度の仮目標沸き上げ温度Ｔｔ’が設定されているが、やはりこれに限定されず、ステップＳ７の「全量沸き上げ」の場合と同様に、仮目標沸き上げ温度Ｔｔ’を設定することなく、単に循環ポンプＰの回転数を所定回転数Ｎ１よりも高くして予備的沸き上げが行なわれるようにしてもよい。また、これとは反対に、ステップＳ７の「全量沸き上げ」の場合において、給湯設定温度よりも高い温度の仮目標沸き上げ温度Ｔｔ’を設定するようにしてもよい。
【００３７】
外部熱源機は、ヒートポンプに限定されない。たとえば、コージェネレーションシステムの湯水加熱用の熱交換器に対し、貯湯タンクの湯水を送り込むようにし、循環ポンプの回転数制御によって沸き上げ温度を制御するような場合にも、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
ＷＨ  貯湯式給湯装置
Ｈ  ヒートポンプ（外部熱源機）
Ｕ  貯湯タンクユニット
Ｐ  循環ポンプ
１２  熱交換器（凝縮熱交換器：湯水加熱用の熱交換器）
２  貯湯タンク
３  湯水循環路
４  主制御部（制御手段）
【図１】
0006604167.tif 000002
【図２】
0006604167.tif 000003