(57)【要約】【課題】貯湯タンク内の中間温度の湯水を給湯に有効に利用できる貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】湯水を貯湯する貯湯タンク２と、この貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段３と、貯湯タンク２の上部に接続された出湯管７と、貯湯タンク２の下部に接続された給水管８と、この給水管８から分岐された給水バイパス管２３と、出湯管７からの湯水と給水バイパス管２３からの湯水とを混合する第１混合弁２２と、貯湯タンク２の中間部に接続された中間出湯管２７と、給水バイパス管２３途中に設けられ給水バイパス管２３を流れる湯水に中間出湯管２７からの湯水を混合する第２混合弁２９と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段３２と、給湯設定温度の湯水を供給すべく第１混合弁２２および第２混合弁２９の混合比率を調整する制御部３３とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湯水を貯湯する貯湯タンクと、この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接続された出湯管と、前記貯湯タンクの下部に接続された給水管と、この給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第１の混合弁と、前記貯湯タンクの中間部に接続された中間出湯管と、前記給水バイパス管途中に設けられ前記給水バイパス管を流れる湯水に中間出湯管からの湯水を混合する第２の混合弁と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段と、給湯設定温度の湯水を供給すべく前記第１混合弁および第２混合弁の混合比率を調整する制御部とを備えたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２の混合弁の出口温度が給湯設定温度よりも所定温度低い温度となるように前記第２の混合弁の混合比率を調整すると共に、前記第１の混合弁の出口温度が給湯設定温度となるように前記第１の混合弁の混合比率を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記貯湯タンクの中間部の湯温が給湯設定温度よりも一定温度以上高い場合は、前記第２の混合弁の出口温度が給湯設定温度になるように第２の混合弁の混合比率を調整し、前記貯湯タンクの中間部の湯温が給湯設定温度よりも一定温度以上低い場合は、前記第２の混合弁の前記中間出湯管側を全開にすると共に前記第１の混合弁の出口温度が給湯設定温度となるように前記第１の混合弁の混合比率を調整するようにしたことを特徴とする請求項２記載の貯湯式給湯装置。
【請求項４】
前記加熱手段を二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ回路として超臨界ヒートポンプサイクルを構成すると共に、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ回路とをヒーポン循環回路にて湯水が循環可能に接続し、前記貯湯タンク下部からの湯水を前記ヒートポンプ回路で加熱して前記貯湯タンク上部へ戻すよう構成したことを特徴とする請求項１〜３記載の貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は貯湯式給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりこの種のものにおいては、図９に示すようなものがあった。
ここで、１０１はヒートポンプ回路、１０２は貯湯タンクで、この貯湯タンク１０２下部から取り出した５〜２５℃程度の低温水をヒートポンプ回路１０１で７０〜９０℃程度に加熱して貯湯タンク１０２の上部から積層貯湯していくものである。
【０００３】
前記貯湯タンク１０２には、その下端に給水管１０３が接続され、また上端には出湯管１０４が接続されているものである。１０５は電動ミキシング弁で、出湯管１０４からの高温水と給水管１０３からの低温水をリモコン（図示せず）等で設定された任意の給湯設定温度に混合して給湯栓１０６から出湯するものである。
【０００４】
１０７は暖房あるいは風呂の追焚き／保温の熱源としての熱交換器で、出湯管１０４から分岐した熱交往き管１０８および給水管１０３に合流する熱交戻り管１０９により貯湯タンク１０２と循環可能に接続されており、貯湯タンク１０２内の高温水を熱交換器１０７に流入させて暖房回路あるいは風呂の追焚き／保温回路等の２次側回路（図示せず）の温水を加熱するものである。
【０００５】
そして、貯湯タンク１０２の上部から取り出された高温水は、前記熱交換器１０７で熱交換されて温度低下し、３０〜５０℃程度の中間温度の湯水（以下、中間水とする）となって貯湯タンク１０２の下部から貯湯タンク１０２内に戻るものである。
【０００６】
なお、このような従来の貯湯式給湯装置にかかる公知の刊行物を本願出願人は発見することができないが、貯湯タンク内に貯湯された高温水を熱源として暖房を行うものとして例えば特許文献１が挙げられる。
【０００７】
【特許文献１】
特許２６６３６３７号（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のものでは、熱交換器１０７での熱交換により３０〜５０℃程度の中間水が貯湯タンク１０２に貯まっていくが、この中間水は暖房あるいは追焚きの熱源として利用するには温度が低いため適さず、しかも湯切れするまで給湯を行わないと容量当たりの保有熱量が少ない中間水がいつまでも貯湯タンク１０２内に残留し、貯湯タンク１０２の保有熱量を減らしてしまい貯湯タンク容量の有効利用ができず、さらに貯湯タンク１０２内の水の沸き上げを行う場合、中間水をヒートポンプ回路１０１で再加熱するには温度が高いため効率が悪く、ヒートポンプ式給湯装置のＣＯＰ（エネルギー消費効率）を低下させてしまうという課題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために、請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、この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接続された出湯管と、前記貯湯タンクの下部に接続された給水管と、この給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第１の混合弁と、前記貯湯タンクの中間部に接続された中間出湯管と、前記給水バイパス管途中に設けられ前記給水バイパス管を流れる湯水に中間出湯管からの湯水を混合する第２の混合弁と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段と、給湯設定温度の湯水を供給すべく前記第１混合弁および第２混合弁の混合比率を調整する制御部とを備えたものとした。
【００１０】
これにより、貯湯タンクの中間部の中間温度の湯水を中間出湯管から出湯し、第２混合弁および第１混合弁で給湯設定温度に適宜混合して優先的に消費するすることができる。
【００１１】
また、請求項２では、前記制御部は、前記第２の混合弁の出口温度が給湯設定温度よりも所定温度低い温度となるように前記第２の混合弁の混合比率を調整すると共に、前記第１の混合弁の出口温度が給湯設定温度となるように前記第１の混合弁の混合比率を調整するようにした。
【００１２】
これにより、中間温度の湯水は給湯時に中間出湯管から優先的に給湯されることとなり、中間温度の湯水で足りない熱量分を高温水を混合することで補うようにしているため、貯湯タンク上部の高温水の消費を抑えて湯切れしにくくなる。
【００１３】
また、請求項３では、前記制御部は、前記貯湯タンクの中間部の湯温が給湯設定温度よりも一定温度以上高い場合は、前記第２の混合弁の出口温度が給湯設定温度になるように第２の混合弁の混合比率を調整し、前記貯湯タンクの中間部の湯温が給湯設定温度よりも一定温度以上低い場合は、前記第２の混合弁の前記中間出湯管側を全開にすると共に前記第１の混合弁の出口温度が給湯設定温度となるように前記第１の混合弁の混合比率を調整するようにした。
【００１４】
これにより、貯湯タンクの中間部に貯まった湯水の温度に応じて第１混合弁および第２混合弁を適切に制御して、中間温度の中間水を優先的に使用しながら給湯設定温度の湯水を給湯することができ、中間温度の湯水で足りない熱量分を高温水を混合することで補うようにしているため、貯湯タンク上部の高温水の消費を抑えて湯切れしにくくなる。
【００１５】
また、請求項４では、前記加熱手段を二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ回路として超臨界ヒートポンプサイクルを構成すると共に、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ回路とをヒーポン循環回路にて湯水が循環可能に接続し、前記貯湯タンク下部からの湯水を前記ヒートポンプ回路で加熱して前記貯湯タンク上部へ戻すよう構成した。
【００１６】
これにより、貯湯タンクの沸き上げを行う際に、沸き上げ効率の悪い中間温度の湯水が無くなっているかあるいは少なくなっているため、ヒートポンプ回路のＣＯＰを低下させることが無く、しかも高温水の消費を抑えているので沸き上げ時間が短縮され、貯湯式給湯装置としての効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づいて説明する。なお、図中の貯湯タンク内にハッチングした斜線は低温水、二重斜線は中間水、三重斜線は高温水を示し、矢印は湯水の流れ方向を示すものである。
【００１８】
この貯湯式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段たるヒートポンプユニット、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５は給湯栓４の近傍に設けられたリモコン、６は浴槽である。
【００１９】
前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管７と、下端に給水管８とが接続され、さらに、下部にヒーポン循環回路９を構成するヒーポン往き管９ａと、上部にヒーポン戻り管９ｂとが接続され、前記ヒーポン往き管９ａから取り出した貯湯タンク２内の湯水をヒートポンプユニット３によって沸き上げて、ヒーポン戻り管９ｂから貯湯タンク２内に戻して貯湯され、給水管８からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管７から押し出されて給湯されるものである。
【００２０】
前記ヒートポンプユニット３は、圧縮機１０と凝縮器としての冷媒−水熱交換器１１と電子膨張弁１２と強制空冷式の蒸発器１３とで構成された加熱手段としてのヒートポンプ回路１４と、貯湯タンク２内の湯水を前記ヒーポン循環回路９を介して冷媒−水熱交換器１１に循環させるヒーポン循環ポンプ１５と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１６とを備えており、ヒートポンプ回路１４内には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を構成しているものである。なお、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なものである。
【００２１】
ここで、前記冷媒−水熱交換器１１は冷媒と被加熱水たる貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することができ、被加熱水の冷媒−水熱交換器１１入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記電子膨張弁１２または圧縮機１０を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器１１の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）が３．０以上のとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。
【００２２】
１７は前記浴槽６の湯水を加熱するための熱交換器で、その一次側には貯湯タンク２上部に接続された熱交往き管１８ａと貯湯タンク２下部に接続された熱交戻り管１８ｂとが接続されて熱交循環回路１８を構成し、熱交戻り管１８ｂ途中に設けられた熱交循環ポンプ２１の作動により貯湯タンク２から取り出した高温水を熱交換器１７に循環させ、熱交換により温度低下した中間水を再び貯湯タンク２内に戻すものである。
【００２３】
前記熱交換器１７の二次側には、浴槽６の湯水を循環可能にふろ往き管２０ａとふろ戻り管２０ｂより構成されるふろ循環回路２０が接続され、ふろ戻り管２０ｂ途中に設けられたふろ循環ポンプ２１の作動により浴槽６内の湯水が熱交換器１７に循環されて、一次側の高温水により加熱されて浴槽６内の湯水の保温あるいは追焚きが行われるものである。
【００２４】
次に、２２は出湯管７に設けられた第１混合弁で、給水管８から分岐された給水バイパス管２３からの湯水と出湯管７からの湯水とを前記リモコン５で設定される任意の給湯設定温度になるように混合比率を調整するものである。そして、この第１混合弁２２の下流には給湯温度センサ２４および給湯流量センサ２５を備えた給湯管２６が設けられ、給湯栓４と連通されているものである。
【００２５】
２７は貯湯タンク２の中間部に接続された中間出湯管で、貯湯タンク２の中央付近に貯められた中間水を出湯するものである。ここで中間水とは前記熱交換器１７の熱源として用いられて温度低下した湯水や、湯と水の温度境界層が崩れて中間温度となった湯水を意味する。また貯湯タンク２の中間出湯管２７が接続された近傍には中間位置での貯湯タンク２内部の温水温度を検出する中間温度センサ２８が設けられている。
【００２６】
２９は給水バイパス管２３途中に設けられ、この給水バイパス管２３を流れる湯水に中間出湯管２７からの湯水を混合させる第２混合弁である。この第２混合弁２９の下流には第２混合弁２９での混合温度を検出する混合温度センサ３０が設けられている。
【００２７】
次に、３１は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この貯湯温度センサ３１が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。
【００２８】
前記リモコン５には、給湯設定温度を３５℃〜６０℃の範囲で任意に設定可能な給湯温度設定スイッチ３２が設けられ、給湯温度設定手段を構成しているものである。
【００２９】
３３は貯湯タンクユニット１内の各センサ類の入力を受けて各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有した給湯制御部で、この給湯制御部３３に前記リモコン５が無線または有線により接続され、ユーザーが任意の給湯設定温度を設定できるようにし、設定された給湯設定温度の湯水を供給すべく前記第１混合弁２２および第２混合弁２９の混合比率を調整するものである。
【００３０】
なお、３４は貯湯タンク２の過圧を逃す過圧逃し弁、３５は給水の温度を検出する給水温度センサ、３６は給水の圧力を減圧する減圧弁である。
【００３１】
次に、この一実施形態の作動を説明する。
まず、図２に示す沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ３１が貯湯タンク２内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部３３はヒーポン制御部１６に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部１６は圧縮機１０を起動した後にヒーポン循環ポンプ１５を駆動開始し、貯湯タンク２下部に接続されたヒーポン往き管９ａから取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器１１で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、貯湯タンク２上部に接続されたヒーポン往き管９ｂから貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ３１が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部３３はヒーポン制御部１６に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部１６は圧縮機１０を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１５も停止して沸き上げ動作を終了するものである。
【００３２】
次に、給湯運転について説明すると、給湯栓４を開くと、給水管８からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。そしてこのとき、貯湯タンク２内の湯水と給水バイパス管２３からの水とが第１混合弁２２あるいは第２混合弁２９によって任意の給湯設定温度に混合されて給湯管２６から給湯されるものである。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、下部に低温水が貯められているが、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ものである。
【００３３】
ここで、第１混合弁２２と第２混合弁２９の両方あるいはどちらかを使うかの使い分けは、中間温度センサ２８の検出温度に基づき給湯制御部３３によって行われ、図７に示したフローチャートに基づいて説明すると、中間温度センサ２８の検出温度を給湯設定温度より一定温度（例えば５℃）高い温度と比較し（ステップ１、以下Ｓ１と略す）、高い場合はＳ２へ進み図３に示すように、第２混合弁２９で中間出湯管２７からの湯水と給水バイパス管２３からの水とを設定温度に混合して給湯するもので、第１混合弁２２ではその下流の給湯温度センサ２４が設定温度を検出するため結果的に弁の出湯管７側を全閉するようにしている。そして、給湯栓４が閉じられれば給湯は終了する。
【００３４】
次に、沸き上げ量が少なかったり給湯で高温水を消費した場合で給湯栓４を開いたとき、Ｓ１で中間温度センサ２８の検出温度を給湯設定温度より一定温度高い温度とを比較して低い場合は、Ｓ３で中間温度センサ２８の検出温度を給湯設定温度より一定温度（例えば５℃）低い温度と比較し、低い場合はＳ４へ進み図４に示すように、第２混合弁２９の下流の混合温度センサ３０が給湯設定温度以下を検出するため弁の中間出湯管２７側を全開にし、第１混合弁２２で出湯管７からの湯水を混合して給湯設定温度の湯を給湯するようにしている。そして、給湯栓４が閉じられれば給湯は終了する。
【００３５】
また、給湯栓４を開いたとき、中間温度センサ２８の検出温度が給湯設定温度より一定温度高い温度未満で給湯設定温度より一定温度低い温度以上のときは（Ｓ５）、図５に示すように第２混合弁２９で中間出湯管２７からの湯水と給水バイパス管２３からの水とを給湯設定温度より所定温度（例えば５℃）低い温度になるよう混合し、この混合された湯水に出湯管７からの湯水を混合して給湯設定温度の湯を給湯するように第１混合弁２２が制御されるものである。そして、給湯栓４が閉じられれば給湯は終了する。
【００３６】
このように、給湯を行う際に貯湯タンク２内の中間部に貯められている湯水の温度に応じて第１混合弁２２および第２混合弁２９が制御されるため、貯湯タンク２内に高温水と低温水の混じり合った中間温度の混合層ができたとしても、給湯設定温度に応じてこの中間温度の湯水を優先的に給湯に用いて上部に貯められた高温水の消費をできるだけ少なくすることができる。
【００３７】
そして、中間温度の湯水を優先的に給湯に使用することができることで、高温水の消費を抑えて湯切れしにくくなると共に、貯湯タンク２の沸き上げを行う際に、沸き上げ効率の悪い中間温度の湯水が無くなっているあるいは少なくなっているため、ヒートポンプ回路１４のＣＯＰを低下させることが無く、しかも高温水の消費を抑えているので沸き上げ時間が短縮され、貯湯式給湯装置としての効率を向上させることができるものである。
【００３８】
次に、ふろの追焚きあるいは保温動作について説明すると、図６に示すように、熱交循環ポンプ１９およびふろ循環ポンプ２１を駆動して、貯湯タンク２上部から取り出した７０〜９０℃程度の高温水を熱交換器１７の一次側へ循環させると共に、浴槽６内の湯水を熱交換器１７の二次側へ循環させて浴槽水の加熱を行い、追焚きあるいは保温を行う。そして、熱交換により３０〜５０℃程度まで温度低下した一次側の湯水は熱交戻り管１８ｂを介して貯湯タンク２の下部へ戻されるものである。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、中間部に中間水、下部に低温水が貯められることとなるが、その温度差が２０℃程度あれば比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、中間の中間水が中間部に、比重の重い低温水が下部に位置することとなり互いに混じり合うことがないものである。
【００３９】
このようにふろの追焚きあるいは保温によって中間温度の湯水が多量に発生しても、この中間温度の湯水は給湯時に中間出湯管２７から優先的に給湯されることとなり、中間温度の湯水で足りない熱量分を高温水を混合することで補うようにしているため、高温水の消費を抑えて湯切れしにくくなると共に、貯湯タンク２の沸き上げを行う際に、沸き上げ効率の悪い中間温度の湯水が無くなっているかあるいは少なくなっているため、ヒートポンプ回路１４のＣＯＰを低下させることが無く、しかも高温水の消費を抑えているので沸き上げ時間が短縮され、貯湯式給湯装置としての効率を向上させることができるという効果がいっそう顕著となるものである。
【００４０】
本発明はこの一実施形態に限定されるものではなく、例えば図７に示すように、貯湯タンク２内に熱交換器３７を配置し、この熱交換器３７に浴槽６の湯水を循環させることでふろの追焚きあるいは保温を行うようにしたものでもよく、また、前記図１および図７のものにおいて、ふろ循環回路２０の代わりに床暖房パネルや温水式コンベクタ、温水式ラジエータなどの暖房用の温水が循環する暖房循環回路を構成しても良く、貯湯タンク２内の高温水の熱を熱交換して利用するものであれば何でも良いものである。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、中間温度の湯水は給湯時に中間出湯管から優先的に給湯されることとなり、中間温度の湯水で足りない熱量分を高温水を混合することで補うようにしているため、高温水の消費を抑えて湯切れしにくくなるという優れた効果を有するものである。
【００４２】
また、貯湯タンクの沸き上げを行う際に、沸き上げ効率の悪い中間温度の湯水が無くなっているかあるいは少なくなっているため、ヒートポンプ回路のＣＯＰを低下させることが無く、しかも高温水の消費を抑えているので沸き上げ時間が短縮され、貯湯式給湯装置としての効率を向上させることができるという優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の貯湯式給湯装置の概略構成図。
【図２】同一実施形態の沸き上げ運転の作動を説明する図。
【図３】同一実施形態の給湯運転の作動を説明する図。
【図４】同一実施形態の給湯運転の作動を説明する図。
【図５】同一実施形態の給湯運転の作動を説明する図。
【図６】同一実施形態の追焚き／保温運転の作動を説明する図。
【図７】同一実施形態の第１混合弁および第２混合弁の制御を説明するフローチャート。
【図８】本発明の他の一実施形態の概略構成図。
【図９】従来の貯湯式給湯装置の概略構成図。
【符号の説明】
２  貯湯タンク
３  加熱手段（ヒートポンプユニット）
７  出湯管
８  給水管
９  ヒーポン循環回路
１４  ヒートポンプ回路
２２  第１混合弁
２３  給水バイパス管
２７  中間出湯管
２９  第２混合弁
３２  給湯温度設定手段
３３  給湯制御部（制御部）
【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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【図９】
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