(57)【要約】【課題】給湯のために中温水を貯留しておき、給湯時にこの中温水を確実に出湯に利用して、貯湯熱量を有効に利用する貯湯式給湯装置の提供を目的とする。【解決手段】加熱源２１で加熱された高温水を貯湯する高温貯湯槽２２と、高温貯湯槽２２に蓄えられた高温水を循環させて放熱を行う放熱手段２７と、放熱手段２７での放熱によって温度が低下した中温水を戻して貯留する中温貯湯槽２３と、中温貯湯槽２３から高温貯湯槽２２へ連通する連通管２９とを備え、中温貯湯槽２３に中温水出湯管３４を設けた貯湯式給湯装置とすることにより、給湯のために中温水を貯留しておき、給湯時に確実に出湯して有効に利用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源と、前記加熱源で加熱された高温水を貯湯する高温貯湯槽と、前記高温貯湯槽に蓄えられた高温水を循環させて放熱を行う放熱手段と、前記放熱手段での放熱によって温度が低下した中温水を戻して貯留する中温貯湯槽と、前記中温貯湯槽から高温貯湯槽へ連通する連通管とを備え、前記中温貯湯槽に中温水出湯管を設けた貯湯式給湯装置。
【請求項２】
高温貯湯槽に高温水出湯管を設け、高温貯湯槽と中温貯湯槽からの出湯を混合する混合手段を備えた請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項３】
高温貯湯槽と中温貯湯槽を出湯に関して並列に接続した請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項４】
連通管の接続先を高温貯湯槽の下部とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項５】
連通管の接続元を中温貯湯槽の下部とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項６】
中温貯湯槽に加熱源で加熱された高温水を貯湯する請求項１〜５のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項７】
加熱源に対して、高温貯湯槽と中温貯湯槽をそれぞれ並列に接続して、高温貯湯槽と中温貯湯槽をそれぞれ別々に貯湯可能とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項８】
加熱源をヒートポンプとした請求項１〜７のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項９】
ヒートポンプの冷媒回路は、圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒回路であり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱する請求項８に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項１０】
加熱源を燃料電池とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風呂追焚きもしくは、暖房などの放熱手段機能を備える貯湯式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の貯湯式給湯装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図３は、特許文献１に記載された従来の風呂追焚き機能を備えた貯湯式給湯装置を示すものである。
【０００３】
この給湯装置は図４に示すように、貯湯槽１と、加熱源２と、放熱器３からなり、加熱源２によって加熱され蓄えられた貯湯槽１の高温水を温水循環回路４によって放熱器３に循環させ、浴槽水循環回路５によって浴槽６から放熱器３に循環される浴槽６の水を高温水の熱で加熱することによって風呂追焚き運転を行う。そして、放熱器３で放熱によって温度が低下した中温水は貯湯槽１の中間部の中間部戻し口７から戻される。また、中間部に中間部出湯管８が設けられ、貯湯槽１の中間部にある温水を出湯する。
【特許文献１】特開２００２−２４３２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、放熱後の中温水が貯湯槽１に戻された時に生じる流れで中温水が貯湯槽１内に広がり、高温水や水と混ざって貯湯槽１の温度分布が悪化する。その結果、貯湯槽１に戻された中温水の量以上の混合層が中間部戻し口７の近傍にできてしまう。また、この混合層は、風呂追焚き運転時の放熱器３と貯湯槽１との循環によって貯湯槽１内に生じる流れによって中間部戻し口７から貯湯槽１上部に向かって広がっていく。中間部出湯管８によって出湯できるのは中間部出湯管８の接続位置より下の温水であり、中温水戻り口の位置と中間部出湯管８の高さ方向の位置がほぼ同じであるので、中間部出湯管８より上部にある混合層は出湯されない。この混合層は温度が低下しているので、放熱器３での風呂水の加熱のための放熱に使用することができず、貯湯熱量を有効に利用することができず無駄になってしまうという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、給湯のために中温水を貯留しておき、給湯時にこの中温水を確実に出湯に利用して、貯湯熱量を有効に利用する貯湯式給湯装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式給湯装置は、放熱手段での放熱によって温度が低下した中温水を戻して貯留する中温貯湯槽を備え、中温貯湯槽に中温水出湯管を設けたものである。
【０００７】
これによって、給湯のために中温水を貯留しておき、給湯時に確実に出湯して有効に利用することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の貯湯式給湯装置は、放熱手段での放熱によって温度が低下した中温水を給湯に確実に利用することによって、貯湯熱量を有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、加熱源と、加熱源で加熱された高温水を貯湯する高温貯湯槽と、高温貯湯槽に蓄えられた高温水を循環させて放熱を行う放熱手段と、放熱手段での放熱によって温度が低下した中温水を戻して貯留する中温貯湯槽と、高温貯湯槽と中温貯湯槽を連通する連通管を備え、中温貯湯槽に中温水出湯管を設けたことにより、給湯のために中温水を貯留しておき、給湯に確実に利用することによって、貯湯熱量を有効に利用することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の高温貯湯槽に高温水出湯管を設け、高温貯湯槽と中温貯湯槽からの出湯を混合する混合手段を備えたことにより、任意の混合比で中温貯湯槽からの出湯に高温貯湯槽からの高温水を混ぜることで、中温貯湯槽からの出湯温度が必要とされる給湯温度より低い場合に、温度を上昇させて必要となる給湯温度での給湯を行うことができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第２の発明の高温貯湯槽と中温貯湯槽を出湯に関して並列に接続したことにより、高温貯湯槽と中温貯湯槽を直列に配列したときと比較して、高温貯湯槽内の湯と中温貯湯槽内の湯を別々に出湯することができるので、出湯時における、高温貯湯槽内の湯水と中温貯湯槽内の湯水の混合を防止することができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１の発明の連通管の接続先を高温貯湯槽の下部としたことにより、放熱時における中温貯湯槽から高温貯湯槽への流れが高温貯湯槽において温度の低くなる下部へ流れるため、放熱時に、高温貯湯槽に貯湯されている高温水の温度の低下を抑えることができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１の発明の連通管の接続元を中温貯湯槽の下部としたことにより、放熱時における中温貯湯槽から高温貯湯槽への流れが中温貯湯槽において温度の低い下部から流れ出すため、放熱時に、連通管から流れ出す熱量を抑えて、中温貯湯槽に有効に熱量を貯留することができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１の発明の中温貯湯槽に加熱源で加熱された高温水を貯湯することにより、蓄熱密度を増大させて、全体の蓄熱量を多くする、もしくは、全体の貯湯槽容量を小さくすることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１の発明の加熱源に対して、高温貯湯槽と中温貯湯槽をそれぞれ並列に接続して、高温貯湯槽と中温貯湯槽をそれぞれ別々に貯湯可能としたことにより、高温貯湯槽と中温貯湯槽を直列に配列したときと比較して、貯湯時における高温貯湯槽と中温貯湯槽の水または温水の混合を防止することができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第１の発明の加熱源をヒートポンプとしたことにより、大気熱を利用した加熱を行って、入力エネルギー以上の加熱エネルギーで貯湯を行う省エネルギーでランニングコストを抑えた装置とすることができる。
【００１７】
第９の発明は、特に、第８の発明のヒートポンプの冷媒回路を圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒回路とし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱することにより、冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水を加熱することによって熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって、水を冷媒で加熱する熱交換器全域で冷媒側の流路と水側の流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００１８】
第１０の発明は、特に第１の発明の加熱源を燃料電池としたことにより、発電時に生じる廃熱によって高温水を貯湯して放熱や給湯に使用することで、一次エネルギーの利用効率の高い装置とすることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
（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貯湯式給湯装置の構成図である。まず、基本的な構成について説明する。加熱源として大気熱を集熱して加熱するヒートポンプ熱源２１を備えている。ヒートポンプ熱源２１には、例えば、圧縮機２１ａ、蒸発器２１ｂ、膨張弁２１ｃ、熱交換器（水冷媒間）２１ｄを備えている。このヒートポンプ熱源２１は冷媒として二酸化炭素を使用している。ヒートポンプ熱源２１で加熱した高温水を貯湯する高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３を備え、それぞれの下部からの水をヒートポンプ熱源２１で加熱し、高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３それぞれの上部に戻すように、貯湯循環回路２４で接続している。ヒートポンプ熱源２１に対して高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３が並列となるように貯湯循環回路２４を構成しており、ヒートポンプ熱源２１内に設けた貯湯循環ポンプ２５の駆動によって循環を生じさせ、ヒートポンプ熱源２１の下流に設けた貯湯分配弁２６によって、任意の分配比率で高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３の貯湯を行うことができるようになっている。
【００２１】
そして、高温水を放熱手段としての風呂加熱熱交換器２７に供給するように、高温貯湯槽２２の上部、風呂加熱熱交換器２７、放熱循環ポンプ２８、中温貯湯槽２３の上部を順に接続し、高温貯湯槽２２の下部と中温貯湯槽２３の下部を連通管２９によって連通させて、放熱循環回路３０を形成している。また、浴槽３１の風呂水を風呂加熱熱交換器２７に循環させるよう、浴槽３１、風呂水循環ポンプ３２、風呂加熱熱交換器２７を順に接続して風呂水循環回路３３を形成している。放熱循環ポンプ２８の駆動によって高温貯湯槽２２から高温水を風呂加熱熱交換器２７に循環させ、風呂水循環ポンプ３２の駆動によって浴槽３１の風呂水を風呂加熱熱交換器２７に循環させて熱交換を行い、風呂水の加熱を行う。
【００２２】
風呂水の加熱を行い放熱して温度の低下した中温水を貯留する中温貯湯槽２３の上部に中温水出湯管３４を設けている。また、高温貯湯槽２２の上部にも高温水出湯管３５を設け、第１出湯混合弁３６によって中温水出湯管３４からの出湯と高温水出湯管３５からの出湯を混合可能に構成して、中温水出湯管３４からの出湯を高温水出湯管３５からの出湯により昇温可能になっている。また、水道水を給水する給水管３７が分岐されて、高温貯湯槽２２の下部、中温貯湯槽２３の下部にそれぞれ接続されている。また、第２出湯混合弁３８によって第１出湯混合弁３６で混合した後の湯と水道水を混合して給湯端末３９に給湯するように構成している。
【００２３】
以上のように構成された貯湯式給湯装置において、以下にその動作、作用について、まず、貯湯された高温水の持つ熱を用いた風呂水加熱運転について説明する。放熱循環ポンプ２８の駆動により高温貯湯槽２２に貯湯された高温水を風呂加熱熱交換器２７に供給すると同時に、風呂水循環ポンプ３２の駆動によって浴槽３１内の風呂水を風呂加熱熱交換器２７に供給して高温水と風呂水を熱交換することで、風呂水を加熱して浴槽３１に循環させて浴槽３１内の風呂水の温度を上昇させる。高温水は放熱により温度の低下した中温水となるが、この中温水を高温貯湯槽２２とは別に設けた中温水貯湯槽２３に戻すため、中温水により高温貯湯槽２２内の高温水の温度を低下させることなく一定のままで風呂加熱熱交換器での放熱を行うことができ、加熱能力を保った風呂水加熱運転を継続して行うことができる。
【００２４】
風呂水加熱運転時の循環について、高温水の取り出しを高温貯湯槽２２の上部とし、連通管２９の接続先を高温貯湯槽２２の下部としたことにより、中温貯湯槽２３から高温貯湯槽２２への循環流れが高温貯湯槽２２において温度の低い下部へ流れるため、高温貯湯槽２２に貯湯されている高温水の温度を循環流れによって低下させることなく高温水を高温貯湯槽２２上部から順に取り出して風呂水加熱に使用することができる。また、中温水を中温貯湯槽２３の上部に戻し、連通管を中温貯湯槽２３の下部に接続したことにより、中温貯湯槽２３から高温貯湯槽２２への流れが中温貯湯槽２３において温度の低い下部から流れ出すため、中温水によって中温貯湯槽２３が満たされるまで、中温水の温度を低下させることなく、中温貯湯槽２３に有効に中温水を貯留することができる。
【００２５】
そして、給湯時には中温水出湯管３４によって、中温貯湯槽２３の上部に設けた中温貯湯槽２３の上部の中温水から出湯していく。高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３を出湯に関して並列に接続したことにより、高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３の水または温水が混合することなく出湯することができ、中温水出湯管３４と放熱循環回路３０の中温水戻しの位置がどちらも中温貯湯槽２３の上部であるため、中温貯湯槽２３の上部から順に貯留されていく中温水を確実に中温水出湯管３４から給湯のために出湯する事が可能である。このとき、中温水出湯管３４からの出湯と給水管３７からの水道水を第２出湯混合弁３８によって混合して給湯端末３９で要求される温度の給湯を行う。もし、中温貯湯槽２３からの出湯温度が必要となる給湯温度より低い場合は高温貯湯槽２２の上部に設けた高温水出湯管３５からの出湯によって第１出湯混合弁において昇温を行う。このように、温度レベルが低くても問題のない給湯負荷に対して主に中温水、加熱能力が必要となる風呂水加熱の負荷に対して高温水といったように、負荷の種類に応じて必要な温度の温水を使用して、貯湯した熱を有効に利用することができる。
【００２６】
風呂水の加熱と給湯によって貯湯した熱を利用した後、次の日のために電気料金の廉価である深夜時間帯にヒートポンプ熱源２１によって貯湯槽の水を加熱して貯湯を行う。高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３をそれぞれ並列に接続して、高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３をそれぞれ別々に貯湯可能としたことにより、貯湯時の循環流れによって高温貯湯槽と中温貯湯槽の水または温水の混合を防止すると同時に、必要となる熱量に応じて、高温貯湯槽２２と中温貯湯槽２３の貯湯温度を違うものとしたり、高温貯湯槽２２だけ貯湯を行ったりすることできる。また、基本的に貯湯運転は深夜時間帯に行うが、昼間などの給湯装置使用時に、貯湯量が少なくなった場合には、その都度、追加で貯湯運転を行うことで、平均から大きく外れる負荷にも対応する。そのとき、風呂水加熱に必要な高温水が必要な場合には、高温貯湯槽２２に高温で貯湯を行い、給湯負荷が急に必要となる場合には、貯湯温度を低下させて中温貯湯槽２３に貯湯を行って、高温貯湯槽２２の貯湯温度を低下させることなく、ヒートポンプ熱源２１の加熱能力をできるだけ確保した貯湯運転を行う。また、冬場などの、必要となる負荷が多くなることがわかっている場合には中温貯湯槽２３の貯湯温度を高温貯湯槽２２の貯湯温度と同じ高温とすることで、蓄熱量を増大させて負荷に対応することもできる。
【００２７】
ヒートポンプ熱源２１で使用する冷媒を二酸化炭素とし、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱することにより、冷媒が圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水を加熱することによって熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって、水を冷媒で加熱する熱交換器全域で冷媒側の流路と水側の流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００２８】
貯湯運転において、ヒートポンプ熱源２１は入力エネルギーと大気から集めた熱によって加熱を行うため、入力エネルギー以上の熱量の加熱を行うことができる効率の良い熱源である。しかし、運転条件の影響を受け、ヒートポンプ熱源２１への入水温度が上昇すると、入力エネルギーと加熱能力との比であるＣＯＰが低下する。つまり、同じ熱量を加熱して沸き上げる場合、水から沸き上げる場合に比べて中温水から沸き上げる場合の方がＣＯＰが低下する。しかし、給湯時の出湯によって風呂水加熱運転によって生成される中温水の多くが利用されるので、中温水を沸き上げる量は少なく、効率のよい貯湯運転を行うことができる。
【００２９】
なお、構成はこの実施例に限ったものではなく同様の効果が得られるものであればよい。例えば、放熱手段としての風呂加熱熱交換器２７を高温貯湯槽２２の高温水を直接循環させる床暖房パネルとしても同様の効果が得られる。また、高温水貯湯槽２２と中温水貯留槽２３の２つの槽を持つので、２つの槽の位置関係を自由に設置することができ、設置場所によっては２つの槽を離して設置することで限られたスペースを有効に活用して設置することも可能である。
【００３０】
（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における貯湯式給湯装置の構成図である。基本的な構成は図１に示す実施例１と同じであり、基本的に同一符号は同一部材を示し、同一機能を有しているので、詳細な説明は省略し、異なる点を中心に説明する。
【００３１】
まず、基本的な構成において実施例１と異なる点について説明する。熱源として燃料電池４０の発電時の廃熱を利用する。燃料電池４０は、例えばスタック４０ａと、空気供給装置４０ｂと、燃料改質装置４０ｃと、インバータ４０ｄと、廃熱回収熱交換器４０ｅを備えている。
【００３２】
また、放熱手段として、暖房熱交換器４１を備え、温風によって室内の暖房を行う暖房用室内機４２に暖房熱交換器４１で加熱された不凍液を供給するように不凍液循環回路４３によって暖房熱交換器４１、暖房用室内機４２、不凍液循環ポンプ４４、暖房熱交換器４１と戻るように順に接続している。
【００３３】
次に、以上のように構成された貯湯式給湯装置において、以下にその動作、作用を異なる点を中心に説明する。まず、暖房運転について、不凍液循環ポンプ４４の駆動によって不凍液循環回路４３の不凍液を循環させて、高温水によって不凍液を加熱する。そして不凍液が暖房用室内機４２に送られ、そこで室内の空気と熱交換して温風として暖房運転を行う。
【００３４】
また、熱源として燃料電池４０の発電時に生じる廃熱を用いていて、廃熱により加熱された温水を高温貯湯槽２２または中温貯湯槽２３に貯湯する。このときの廃熱利用は燃料電池４０の側から見れば、冷水による冷却となる。このときの冷却は供給される水の温度が低いほど冷却効率がよく、温度が高くなると冷却自体が困難となる。給湯時の出湯によって暖房運転によって生成される中温水の多くが利用されるので、高温貯湯槽２２または中温貯湯槽２３への貯湯時に、燃料電池４０に冷却水として供給される中温水の量は少なく、効率のよい燃料電池４０の冷却と貯湯運転を同時に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明にかかる貯湯式給湯装置は、熱源により加熱した温水を貯湯しておき、使用する温度レベルに応じて有効に利用する事ができるので、貯めておいた熱を効率よく利用する事ができる。このような構成は実施の形態で挙げた家庭内での使用目的以外にも、例えば火力発電を行い、その廃熱を、給湯、暖房、温水プールなどさまざまなものに活用するような大規模なシステムにおいても、同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の構成図
【図３】従来のヒートポンプ装置の構成図
【符号の説明】
【００３７】
２１  ヒートポンプ熱源（加熱源）
２２  高温貯湯槽
２３  中温貯湯槽
２７  風呂加熱熱交換器（放熱手段）
２９  連通管
３４  中温水出湯管
３５  高温水出湯管
３６  第１出湯混合弁（混合手段）
４０  燃料電池（加熱源）
４１  暖房熱交換器（放熱手段）
【図１】
2005140393.tif 000003
【図２】
2005140393.tif 000004
【図３】
2005140393.tif 000005