JP4104261B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱式の給湯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特開平５−９９５０７号公報に開示された蓄熱式給湯装置がある。この給湯装置は、図１３に示すように、蓄熱用流体を貯留するタンク１００と、このタンク１００の外部に設けられた熱交換器１１０を備え、タンク１００内の蓄熱用流体をヒータ１２０で加熱し、その加熱された蓄熱用流体をポンプ１３０で熱交換器１１０に循環させ、蓄熱用流体に蓄熱された熱エネルギーで熱交換器１１０を流通する給湯用水を加熱するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の給湯装置では、熱交換器１１０で放熱した蓄熱用流体の温度と熱交換器１１０で加熱される前の給湯用水（未加熱の給湯用水）の温度との温度差ΔＴが大きくなる。この温度差ΔＴに相当する熱量は、熱交換に使われることなく捨てられる熱量であるため、効率の悪い給湯システムであった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、熱交換能力に優れ、且つ効率の良い給湯装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
蓄熱用流体が流通する第１の配管と給湯用水が流通する第２の配管とを隣接して設け、且つ蓄熱用流体と給湯用水とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行う対向流式熱交換器と、第２の配管と接続され、給湯用水を端末へと導く給湯管と、タンクの上部から加熱された蓄熱用流体を取り出し、第１の配管を通過させた後、タンクの下部に戻すための循環通路と、この循環通路に蓄熱用流体を循環させるポンプ手段と、循環通路を介して第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を制御する流量制御手段とを備えている。
この構成では、対向流式熱交換器を使用し、且つ第１の配管を流れる蓄熱用流体の流量を制御することにより、第１の配管を通過した後の蓄熱用流体の温度を加熱前の給湯用水の温度近傍まで低減できる。これにより、蓄熱用流体と給湯用水との熱交換時における熱ロスを極力小さくすることが可能となり、効率の良い給湯システムを実現できる。
【０００５】
また、タンク内の下部から蓄熱用流体を取り出して加熱手段へ供給し、加熱手段で加熱された蓄熱用流体をタンク内の上部へ戻す流体加熱用通路を備えている。
タンク内の上部から蓄熱用流体を取り出して対向流式熱交換器の第１の配管へ流し、熱交換後の蓄熱用流体をタンク内の下部へ戻しているため、給湯用水との熱交換によって温度低下した蓄熱用流体をタンク内の下部から取り出して加熱手段で加熱し、タンク内の上部へ戻すことで効率的に蓄熱用流体に蓄熱することができる。
また、流量制御手段は、第２の配管に流入する給湯用水の温度を検出する第１の温度検出手段と、第２の配管を通過する給湯用水の流量を検出する流量検出手段とを備え、前記給湯管から出湯される給湯用水の目標温度、第１の温度検出手段によって検出される給湯用水の温度、及び流量検出手段によって検出される給湯用水の流量に基づいて、熱交換後の蓄熱用流体の温度と第２の配管に流入する給湯用水の温度との温度差が所定範囲となるように、第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を調節する。
この構成では、給湯用水の温度及び流量に応じて第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を調節することにより、給湯用水を目標温度まで加熱するために必要十分な流量の蓄熱用流体を第１の配管に流通させることができる。その結果、蓄熱用流体が第１の配管から流出するときには、この蓄熱用流体の温度を加熱前の給湯用水の温度近傍まで確実に低下させることができる。
そして、第１の配管を流通する前記蓄熱用流体と熱交換し、第２の配管から流出した給湯用水と未加熱の給湯用水とを混合する混合手段を備え、目標温度は、実際に給湯される温度よりも所定温度高い温度に設定され、この目標温度まで加熱された給湯用水を混合手段によって未加熱の給湯用水と混合することにより、給湯用水の温度を給湯すべき温度まで低下させる。流量制御手段の流量制御によって、直接、給湯用水の温度を調節すると、温度変化の応答性が遅いため、温度制御の精度が低下する場合がある。しかし、本手段に記載したように、混合手段を用いると、給湯用水の温度を実際に給湯される温度に精度よく調節できる。
【０００６】
（請求項２の手段）
加熱手段は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により蓄熱用流体を加熱する。
超臨界ヒートポンプサイクルにおいては、蓄熱用流体を目標温度（例えば６５〜９０度）まで加熱する場合、加熱前の給湯用水の温度が低いほど、高圧圧力が低くなることでサイクル効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が向上する。従って、加熱前の給湯用水の温度近傍まで低減された蓄熱用流体を超臨界ヒートポンプサイクルにて加熱することにより、サイクル効率が向上し、省動力運転を行うことができる。
【０００８】
（請求項３の手段）
流量制御手段は、第２の配管から流出する給湯用水の温度を検出する第２の温度検出手段を備え、この第２の温度検出手段によって検出される給湯用水の温度が目標温度となるように、第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を補正する。
これにより、給湯用水の温度を目標温度に精度良く調節することができる。
【００１０】
（請求項４の手段）
目標温度は、通常使用される給湯水温度よりも高い一定温度に設定される。実際の設定給湯温度に関わらず、目標温度を一定温度にすることにより、混合手段による冷温水混合を精度良く行うことができる。
【００１１】
（請求項５の手段）
熱交換器がタンク内に配置されている。
この構成によれば、加熱された蓄熱用流体と給湯用水とをタンクの内部で熱交換できるので、放熱による熱損失が少なく、給湯能力を向上できる。
さらに、熱交換器で加熱された湯に熱交換器で加熱される前の水を混合して給湯用水の温度調節を行う給湯温度調節手段を具備している。この場合、循環通路を流れる流体流量を変更する必要がなく、流体流量を一定に保つことができるので、熱交換器で加熱された湯の温度変動を小さくできる。これにより、設定温度に対して給湯用水の温度制御を精度良く行うことができる。
【００１２】
（請求項６の手段）
循環通路及びポンプ手段は、タンク内に設けられている。この場合、加熱された蓄熱用流体がタンクの外部へ取り出されることがないため、熱交換器だけをタンク内に配置した場合より更に熱損失を少なくできる。
【００１３】
（請求項７の手段）
タンク内に貯留されている蓄熱用流体の温度がタンク内の上下方向で異なる場合（例えばタンク内の上部側では流体温度が高く、下部側では流体温度が低くなっている場合）は、熱交換器を断熱材で覆うことにより、熱交換器を流れる高温流体の熱がタンク内の低温流体へ放出されることを防止できる。
【００１４】
（請求項８の手段）
ポンプ手段は、給湯用配管を流れる給湯用水のエネルギーを受けて回転する第１の羽根車と、循環通路に設けられ、第１の羽根車の回転が伝達されて回転する第２の羽根車とを備え、この第２の羽根車の回転によって循環通路に蓄熱用流体を循環させることを特徴とする。この構成によれば、給水圧のエネルギーだけで潤滑通路に蓄熱用流体を流すことができるので、ポンプ手段として一般的な電動ポンプを用いた場合の駆動電力が不要となる。
【００１５】
（請求項９の手段）
大気開放型のタンクを使用することにより、有圧タンクのような耐圧設計が不要となるため、タンク自体を樹脂によって成形することができる。この場合、通常タンク材料として用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程や溶接工程が不要となり、従来より製作コストを低く抑えることができる。
また、有圧タンクを使用する構成に必要となる減圧弁、圧力逃がし弁、負圧作動弁、缶体保護弁等の部品が不要となる。更に、有圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなく、タンク形状の設計自由度を高くできる。
【００１８】
（請求項１０の手段）
請求項５に記載した給湯温度調節手段は、給湯用配管の熱交換器下流に設けられた混合弁と、熱交換器の上流で給湯用配管から分岐して混合弁に接続された分岐配管と、混合弁より下流の給湯用水温度を検出する水温センサとを有し、この水温センサの検出温度に基づいて混合弁での湯と水との混合割合を調節することができる。この構成によれば、混合弁で湯と水との混合割合を調節することで給湯用水の温度を制御できるので、設定温度に対する温度制御が容易である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は給湯装置の構成を示す模式図である。
本実施例の給湯装置１は、一般家庭用として使用されるもので、蓄熱用流体Ｗを貯留するタンク２、このタンク２内の蓄熱用流体Ｗを加熱する加熱手段（後述する）、タンク２内の蓄熱用流体Ｗを汲み上げる電動ポンプ３、この電動ポンプ３により汲み上げられた蓄熱用流体Ｗと給湯用配管（給水管４と給湯管５）に給水された給湯用水とを熱交換させる給湯用熱交換器６、及び本給湯システムの作動を制御する制御装置（ポンプ制御部７とサイクル制御部８）等より構成されている。
【００２０】
ａ）タンク２は、空気孔２ａを通じて大気に開放され、タンク２内部が大気圧に保たれている。このタンク２は、例えば樹脂材料で形成され、直方体形状に設けられている。また、タンク２内の蓄熱用流体Ｗに蓄えられた熱がタンク２の壁面より大気中へ放出されることを低減するために、タンク２の外周をグラスウールやウレタン等の断熱材で覆っても良い。
蓄熱用流体Ｗは、主成分が水であり、防腐剤、凍結防止剤、ＬＬＣ等が必要に応じて添加されている。
【００２１】
ｂ）加熱手段は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用することにより、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルＣを使用している。
このヒートポンプサイクルＣは、圧縮機９、蓄熱用熱交換器１０、膨張弁１１、蒸発器１２、アキュムレータ１３等の機能部品より構成されている。
圧縮機９は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、アキュムレータ１３より吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。
【００２２】
蓄熱用熱交換器１０は、冷媒と蓄熱用流体Ｗとを熱交換するもので、例えば冷媒が流れる冷媒通路１０ａと蓄熱用流体Ｗが流れる蓄熱用流体通路１０ｂとが二重管構造に設けられ、且つ冷媒の流れ方向と蓄熱用流体Ｗの流れ方向とが対向するように構成された対向流式の蓄熱用熱交換器１０である。
膨張弁１１は、蓄熱用熱交換器１０から流出する冷媒を減圧して蒸発器１２に供給する。
蒸発器１２は、膨張弁１１で減圧された冷媒を大気との熱交換によって蒸発させる。
アキュムレータ１３は、蒸発器１２より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみ圧縮機９に吸引させるとともに、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。
【００２３】
蓄熱用熱交換器１０の蓄熱用流体通路１０ｂは、流入管１４と流出管１５を介してタンク２に接続され、流入管１４に設けられた電動ポンプ１６が作動することでタンク２内の蓄熱用流体Ｗが循環する。但し、流入管１４の上流端はタンク２内の底部に開口し、流出管１５の下流端はタンク２内の上部に開口している。これにより、蓄熱用熱交換器１０で冷媒との熱交換により加熱された蓄熱用流体Ｗが流出管１５を通じてタンク２内の上部へ送り込まれるため、タンク２内の上部側から下部側へ向かって順次蓄熱用流体Ｗに蓄熱されていく。なお、タンク２内の蓄熱用流体Ｗは、家庭の給湯使用量に応じた蓄熱量を確保できれば良いため、必ずしもタンク２内の蓄熱用流体全体が高温に維持されている必要はない。
【００２４】
従って、給湯使用量が少ない家庭では、例えばタンク２内の半分程度の蓄熱用流体Ｗに蓄熱されていれば良い。この場合、タンク２内では、図１に示すように、蓄熱用流体Ｗの温度による比重差によって、タンク２内の上部側から下部側へ向かって温度の高い蓄熱用流体Ｗ１、中間温度の蓄熱用流体Ｗ２、温度の低い蓄熱用流体Ｗ３に自然に分離され、中間温度の蓄熱用流体Ｗ２は、温度の高い蓄熱用流体Ｗ１と温度の低い蓄熱用流体Ｗ３との間を断熱する役割も果たしており、その厚みは蓄熱用流体全体に比べれば僅かである。
【００２５】
ｃ）電動ポンプ３は、例えばタンク２の上部に設置されて、吸入管１７を介してタンク２に接続され、吐出管１８を介して給湯用熱交換器６に接続されている。なお、吸入管１７は、その上流端（吸込口）がタンク２内の上部（温度の高い蓄熱用流体Ｗ１）に開口している。従って、電動ポンプ３が作動すると、温度の高い蓄熱用流体Ｗ１を汲み上げて給湯用熱交換器６へ圧送することができる。
【００２６】
ｄ）給湯用熱交換器６は、電動ポンプ３によって汲み上げられた蓄熱用流体Ｗが流れる一次側通路６ａと、給湯用配管（給水管４と給湯管５）に接続された二次側通路６ｂとを有し、例えば図２に示すように、一次側通路６ａを形成する外側管６Ａの内部に二次側通路６ｂを形成する内側管６Ｂが挿通する二重管構造である。
ここで、外側管６Ａは、熱ロスを低く抑えるために樹脂材を使用し、内側管６Ｂは熱伝導率の高い銅材を使用することが望ましい。また、内側管６Ｂは、外側管６Ａと同様に円筒管でも良いが、例えば図２に示すように、その壁面に径方向の凹凸形状を設けても良い。この場合、一次側通路６ａと二次側通路６ｂとの伝熱面積が増加して、蓄熱用流体Ｗと給湯用水との熱交換効率を向上できる。
【００２７】
この給湯用熱交換器６は、図１に示すように、タンク２の内部で上下方向に配置されて、一次側通路６ａの上端が吐出管１８を介して電動ポンプ３に接続され、一次側通路６ａの下端（流出口）がタンク２内の底部に開口している。また、二次側通路６ｂは、その下端がタンク２内の低部で給水管４に接続され、上端がタンク２の上部へ突出して給湯管５に接続されている。従って、給湯用熱交換器６は、図１に矢印で示すように、一次側通路６ａを上から下へ向かって流れる蓄熱用流体Ｗの流れ方向と二次側通路６ｂを下から上へ向かって流れる給湯用水の流れ方向とが対向する対向流式として構成されている。なお、給水管４と給湯管５は、給湯用配管の一部である。
【００２８】
ｅ）制御装置は、電動ポンプ３の作動を制御するポンプ制御部７を有し、このポンプ制御部７に「水流」の有無を検出する給湯水検出センサ１９及び給湯用水の温度を検出する水温センサ２０の検出信号が入力され、給湯水検出センサ１９の検出結果に基づいて電動ポンプ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、水温センサ２０の検出結果に基づいて電動ポンプ３の回転数制御を行う。なお、給湯水検出センサ１９は、給水管４または給湯管５に設けられ、水温センサ２０は、給湯管５に設けられている。
【００２９】
また、制御装置は、ヒートポンプサイクルＣの圧縮機９に内蔵されている電動モータ、及び流入管１４に設けられている電動ポンプ１６を制御するサイクル制御部８を有している。このサイクル制御部８は、蓄熱用熱交換器１０で加熱された蓄熱用流体Ｗの温度を一定温度に保つために、加熱後の蓄熱用流体温度を検出する蓄熱温度センサ２１の検出温度に基づいて電動ポンプ１６の回転数制御を行っている。
【００３０】
次に、本実施例の作動を説明する。
タンク２内の蓄熱用流体Ｗは、例えば深夜電力を利用してヒートポンプサイクルＣと電動ポンプ１６を作動させることにより、必要量だけ加熱されて蓄熱される。その後、使用者が給湯栓（図示しない）を開いて給湯用配管（給湯管５）に水流が生じると、給湯水検出センサ１９によって「水流」が検出され、ポンプ制御部７より出力される制御信号（ＯＮ信号）を受けて電動ポンプ３が起動する。この電動ポンプ３が作動すると、タンク２内の上部から高温の蓄熱用流体Ｗが汲み上げられ、給湯用熱交換器６の一次側通路６ａに蓄熱用流体Ｗの流れが生じる。これにより、給湯用熱交換器６の二次側通路６ｂを流れる給湯用水が蓄熱用流体Ｗの熱エネルギーを受けて加熱される。
【００３１】
ここで、ポンプ制御部７は、水温センサ２０によって検出される湯の温度が所望の給湯温度（使用者によって設定される給湯温度）になるように電動ポンプ３の駆動状態（回転数）を制御する。即ち、水温センサ２０によって検出される湯の温度が所望の給湯温度より低い時は、電動ポンプ３の回転数を大きくして一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの循環量を増加させる。これにより、一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗと二次側通路６ｂを流れる給湯用水との熱交換量が増加するため、湯の温度が上昇する。また、水温センサ２０によって検出される湯の温度が所望の給湯温度より高い時は、電動ポンプ３の回転数を小さくして一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの循環量を減少させる。これにより、一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗと二次側通路６ｂを流れる給湯用水との熱交換量が減少するため、湯の温度が低下する。
【００３２】
（第１実施例の効果）
本実施例の給湯装置１は、給湯用熱交換器６をタンク２内に配置しているので、蓄熱用流体Ｗと給湯用水との熱交換をタンク２の内部で行うことができる。この結果、大気への放熱による熱損失が少なくなるため、その分、給湯能力を向上できる。また、給湯用熱交換器６をタンク２の外部に配置した場合と比較して省スペースが可能となる。
【００３３】
本実施例では、大気開放型のタンク２を使用しているので、有圧タンク（密閉型タンク）のような耐圧設計が不要となるため、タンク２を樹脂によって成形することができる。この場合、通常タンク材料として用いられるステンレス鋼加工に必要なプレス工程や溶接工程が不要となり、従来より製作コストを低く抑えることができる。また、有圧タンクを使用する構成に必要となる減圧弁、圧力逃がし弁、負圧作動弁、缶体保護弁等の部品が不要となる。更に、有圧タンクのように、耐圧上から円筒形状とする必要がなく、タンク形状の設計自由度を高くできる効果がある。
【００３４】
給湯用熱交換器６の内側管６Ｂを凹凸形状とすることにより、蓄熱用流体Ｗが流れる一次側通路６ａと給湯用水が流れる二次側通路６ｂとの熱交換面積を大きく取ることができる。このため、内側管６Ｂを丸管で構成した場合より熱交換能力が向上し、給湯用熱交換器６の全長を短くすることが可能である。
蓄熱用流体Ｗの加熱手段としてヒートポンプサイクルＣを用いているので、ガス式や灯油式の加熱手段と比較してランニングコスト（主に電気代）が格段に安価である。
なお、加熱された蓄熱用流体Ｗは、給湯用だけでなく、床暖房用、室内空調用としても使用できる。また、蓄熱用流体Ｗを風呂のお湯として使用することもできる。この場合、蓄熱用流体Ｗを熱ロス無しで使用できるので、全体の蓄熱量を有効に活用することができる。
【００３５】
（第２実施例）
本実施例は、給湯用熱交換器６に蓄熱用流体Ｗを循環させる手段としてタービンを用いた一例である。
タービンは、図３に示すように、給湯用水の流れを受けて回転する第１の羽根車２２と、この第１の羽根車２２の回転が伝達されて回転する第２の羽根車２３より構成される。
【００３６】
第１の羽根車２２は、給湯管５に設けられた収納室２４に収納され、給湯管５に水流が生じると、その流量に応じた回転数で回転することができる。
第２の羽根車２３は、吸入管１７と吐出管１８との間に設けられた収納室２５に収納され、自身の回転により汲み上げた蓄熱用流体Ｗを一次側通路６ａへ圧送することができる。
第１の羽根車２２と第２の羽根車２３は、それぞれに埋設された磁石（図示しない）の吸引力によって連動することができる。この構成では、第１の羽根車２２と第２の羽根車２３とをシャフト等によって連結する必要がないので、収納室２４と収納室２５とを完全に隔離することができ、給湯用水と蓄熱用流体Ｗとが混合することは起こり得ない。
【００３７】
本実施例の構成によれば、給湯管５に生じる水流のエネルギーだけで蓄熱用流体Ｗを一次側通路６ａに循環させることができるので、第１実施例に示した電動ポンプ３を使用する必要がなく、電動ポンプ３を駆動するための電力が不要となる。
また、予め給湯用水流量と各羽根車２２、２３の回転数と一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの流量とが目的の給湯温度となるように配管圧損を付ける設計をすれば、第１実施例に示した給湯水検出センサ１９、水温センサ２０、及びポンプ制御部７が不要となるため、安価なシステムを提供できる。
【００３８】
（第３実施例）
本実施例は、図４に示すように、一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの流量を電動式流量制御弁２６によって制御する一例である。
電動式流量制御弁２６は、電動ポンプ３の前後どちらかに設置され、ポンプ制御部７からの指令を受けて蓄熱用流体流量を可変する。
この構成によれば、電動式流量制御弁２６によって蓄熱用流体流量を可変するので、電動ポンプ３の回転数を一定にできる。第１実施例のように電動ポンプ３の回転数を変更する場合は、交流であればインバータ等の速度可変回路が必要であるが、電動ポンプ３の回転数を一定にすることで速度可変回路が不要となる。
なお、本実施例の構成（電動式流量制御弁２６）は、第２実施例に示したタービンを使用するシステムにも適用できる。
【００３９】
（第４実施例）
本実施例は、図５に示すように、一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの流量を温度検知式流量制御弁２７によって制御する一例である。
温度検知式流量制御弁２７は、不活性ガスが封入されたガス封入部２７ａを有し、このガス封入部２７ａの内部圧力に応じて弁開度を可変する構造であり、そのガス封入部２７ａは、給湯用熱交換器６で加熱された給湯用水の温度を感知できる位置に設置されている。
この温度検知式流量制御弁２７は、例えば給湯温度が低くなると、ガス封入部２７ａの内部圧力が低下することで弁開度が大きくなり、蓄熱用流体流量を増やして給湯温度を上げようとする。また、給湯温度が高くなると、ガス封入部２７ａの内部圧力が上昇することで弁開度が小さくなり、蓄熱用流体流量を減らして給湯温度を下げようとする。
【００４０】
本実施例の構成によれば、温度検知式流量制御弁２７が機械的に給湯温度を所望の設定温度に維持しようと働くため、第３実施例の場合と同様に、電動ポンプ３の回転数を一定にでき、インバータ等の速度可変回路が不要となる。
また、温度検知式流量制御弁２７は、ガス封入部２７ａの内部圧力に応じて弁開度を可変する構造であるため、給湯用水の温度を検出する水温センサ２０が不要である。
なお、本実施例の構成（温度検知式流量制御弁２７）は、第２実施例に示したタービンを使用するシステムにも適用できる。
【００４１】
（第５実施例）
本実施例は、給湯用熱交換器６で加熱された湯に給湯用熱交換器６で加熱される前の水を混合して給湯用水の温度調節を行う一例である。具体的には、図６に示すように、給水管４に分岐接続された分岐配管２８を有し、この分岐配管２８の下流端を給湯管５に設けられた混合弁２９に接続して構成される。
混合弁２９は、分岐配管２８より流入する水の量を可変し、水温センサ２０で検出される給湯用水の温度が設定された給湯温度になるように、ポンプ制御部７からの指令を受けて水量を調節している。
【００４２】
この構成によれば、混合弁２９によって給湯用水の温度を調節できるので、給湯用熱交換器６で加熱された湯に多少の温度変動があっても、設定温度に対して給湯用水の温度制御をより精度良く行うことができる。
なお、本実施例の構成は、第２実施例に示したタービンを使用するシステムにも適用できる。
【００４３】
（第６実施例）
本実施例は、図７に示すように、加熱手段であるヒートポンプサイクルＣの蓄熱用熱交換器１０をタンク２内に配置した一例である。また、蓄熱用熱交換器１０の移動に伴って、電動ポンプ１６を流出管１５に設けている。この電動ポンプ１６は、第１実施例と同様に、蓄熱温度センサ２１で検出される蓄熱用流体温度が一定となるように、サイクル制御部８によって回転数制御される。
【００４４】
この構成によれば、蓄熱用熱交換器１０をタンク２内に配置するため、タンク２の外部に構成されるヒートポンプサイクルＣの必要体積を減らしてコンパクトにできる。また、蓄熱用熱交換器１０から大気中への熱ロスが無くなるため、蓄熱能力が向上する。
本実施例の構成は、第２実施例に示したタービンを使用するシステムにも適用できる。
【００４５】
（第７実施例）
本実施例は、図８に示すように、給湯用熱交換器６に蓄熱用流体Ｗを循環させるポンプ機能と、蓄熱用熱交換器１０に蓄熱用流体Ｗを循環させるポンプ機能を１つの電動ポンプ３０で行う一例である。なお、ヒートポンプサイクルＣは、第６実施例と同様に、蓄熱用熱交換器１０をタンク２内に配置した構成である。
この場合、１つの電動ポンプ３０で蓄熱動作と給湯動作を行うため、蓄熱動作を行う場合と給湯動作を行う場合とで、蓄熱用流体Ｗの循環通路を切り替える必要が生じる。そこで、図８に示すように、電動ポンプ３０の前後にそれぞれ三方弁３１、３２を配置し、制御装置５０（ポンプ制御部、サイクル制御部）の指令によって各三方弁３１、３２の通路方向を切り替えている。
【００４６】
ここで、各三方弁３１、３２の通路方向を切り替えた場合の蓄熱用流体Ｗの流れを説明する。
ａ）蓄熱時
タンク２内下部（低温蓄熱用流体Ｗ３）→蓄熱用熱交換器１０の蓄熱用流体通路１０ｂ→第１流出管１５ａ→三方弁３１→共通配管３３→電動ポンプ３０→共通配管３４→三方弁３２→第２流出管１５ｂ→タンク２内上部（高温蓄熱用流体Ｗ１）へと蓄熱用流体Ｗが流れる。
【００４７】
ｂ）給湯時
タンク２内上部（高温蓄熱用流体Ｗ１）→吸入管１７→三方弁３１→共通配管３３→電動ポンプ３０→共通配管３４→三方弁３２→吐出管１８→給湯用熱交換器６の一次側通路６ａ→タンク２内下部（低温蓄熱用流体Ｗ３）へと蓄熱用流体Ｗが流れる。
本実施例の構成によれば、蓄熱動作と給湯動作を１つの電動ポンプ３０で行うことができるため、電動ポンプを２個使用する場合と比較してコストダウンを図ることができる。
【００４８】
（第８実施例）
本実施例は、第７実施例と同様に、給湯用熱交換器６に蓄熱用流体Ｗを循環させるポンプ機能と、蓄熱用熱交換器１０に蓄熱用流体Ｗを循環させるポンプ機能を１つの電動ポンプ３０で行うもので、図９に示すように、ヒートポンプサイクルＣの蓄熱用熱交換器１０をタンク２の外部に配置した構成（第１実施例と同じ）である。この場合も、第７実施例と同じ作用及び効果を得ることができる。
【００４９】
（第９実施例）
本実施例は、図１０に示すように、電動ポンプ３をタンク２内に配置した一例である。この場合、加熱された蓄熱用流体Ｗがタンク２の外部へ取り出されることがないため、給湯用熱交換器６だけをタンク２内に配置した場合より更に熱損失を少なくできる効果がある。
なお、本実施例では、給湯用熱交換器６の一次側通路６ａに蓄熱用流体Ｗを循環させる手段として電動ポンプ３を使用しているが、第２実施例で説明したタービンを使用する場合でも、同様にタービン（第１の羽根車２２と第２の羽根車２３）をタンク２内に配置しても良い。
【００５０】
（第１０実施例）
本実施例は、図１１に示すように、給湯用熱交換器６をタンク２の外部に配置した給湯システムの一例である。
本実施例の給湯装置１は、蓄熱用流体Ｗを貯留するタンク２、蓄熱用流体Ｗを加熱する加熱手段（後述する）、タンク２内の蓄熱用流体Ｗを汲み上げる電動ポンプ３、この電動ポンプ３により汲み上げられた蓄熱用流体Ｗと給湯用水とを熱交換させる給湯用熱交換器６、給湯用熱交換器６で加熱された給湯用水と加熱される前の給湯用水とを混合させる混合弁２９、及び給湯装置１の作動を制御する制御装置（下述する）等より構成される。
【００５１】
タンク２は、空気孔２ａを通じて大気に開放され、タンク２の内部が大気圧に保たれている。
加熱手段は、第１実施例と同じく、例えば炭酸ガスを冷媒として使用する超臨界ヒートポンプサイクルＣであり、第１実施例と同様に、流入管１４と流出管１５を介してタンク２に接続されている。なお、本発明の流体加熱用通路は、タンク２内の底部から電動ポンプ１６の作動によって蓄熱用流体ＷをヒートポンプサイクルＣに供給する流入管１４と、ヒートポンプサイクルＣで加熱された蓄熱用流体Ｗをタンク２内の上部に戻す流出管１５とで構成される。
【００５２】
電動ポンプ３は、吸入管１７を通じてタンク２内の上部から蓄熱用流体Ｗを汲み上げて、給湯用熱交換器６へ圧送し、給湯用熱交換器６で給湯用水と熱交換された蓄熱用流体Ｗをタンク２内の下部へ戻している。なお、本実施例では電動ポンプ３を給湯用熱交換器６の上流側（圧送する側）に設置しているが、給湯用熱交換器６の下流側（吸込み側）に設置しても良い。
【００５３】
給湯用熱交換器６は、図２に示したように、外側管６Ａ（第１の配管）と内側管６Ｂ（第２の配管）から成る二重管構造に設けられ、内側管６Ｂと外側管６Ａの間に形成される環状の一次側通路６ａを蓄熱用流体Ｗが流通し、内側管６Ｂの内部に形成される二次側通路６ｂを給湯用水が流通する。但し、一次側通路６ａを流れる蓄熱用流体Ｗの流れ方向と二次側通路６ｂを流れる給湯用水の流れ方向とが互いに反対方向となる対向流式として構成されている。
給湯用水が流通する給湯用配管は、第５実施例と同様に、給湯管５に混合弁２９が設けられ、この混合弁２９に給水管４から分岐接続された分岐配管２８の下流端が接続されている。
【００５４】
制御装置は、電動ポンプ３の作動を制御するポンプ制御部７と、ヒートポンプサイクルＣの作動を制御するサイクル制御部８を有している。
ポンプ制御部７では、給水管４に設けられた第１の温度センサ５１と流量センサ５４、給湯管５に設けられた第２の温度センサ５２と第３の温度センサ５３よりそれぞれ信号を入力し、これらの信号を基に、予めインプットされたプログラムに沿って所定の演算を行い、その演算結果に従って電動ポンプ３の回転数を制御している。
【００５５】
なお、第１の温度センサ５１は、給水管４に供給される給湯用水（未加熱の給湯用水）の温度Ｔ2iを検出し、第２の温度センサ５２は、給湯用熱交換器６を通って加熱された給湯用水の温度Ｔ2oを検出し、第３の温度センサ５３は、未加熱の給湯用水と加熱された給湯用水とを混合弁２９で混合して得られる給湯用水の温度Ｔ2 を検出する。また、流量センサ５４は、給水管４に供給される給湯用水の流量を検出する。
サイクル制御部８では、加熱後の蓄熱用流体Ｗの温度を検出する蓄熱温度センサ２１の検出温度に基づいて電動ポンプ１６の回転数制御を行っている。
【００５６】
次に、本システムの作動を説明する。
給湯装置１の設定温度は、３５〜５０℃（通常の使用温度）の範囲で１℃刻みに設定可能であり、給湯用熱交換器６から流出する給湯水温度は５０℃を目標温度とされる。なお、設定温度は５０℃以上にも設定可能であるが、その場合は、設定温度＋αの温度を目標温度とするか、もしくは設定温度そのものを目標温度とする。また、通常の使用温度において、目標温度を設定温度＋αの温度（変動値）とすることも可能である。
【００５７】
一定の給湯水温度を得るためには、第１の温度センサ５１で検出される給水温度、流量センサ５４で検出される給水流量、蓄熱温度センサ２１で検出される蓄熱用流体Ｗの温度をパラメータとする関係式から蓄熱用流体Ｗの流量を算出する。この場合、給水温度が低くなるほど、給水流量が増加するほど、また蓄熱用流体Ｗの温度が低くなるほど、蓄熱用流体Ｗの流量が増加するように、蓄熱用流体Ｗの流量が計算される。このようにして得られた流量の蓄熱用流体Ｗから給湯用水へ熱が十分に移動することにより、熱交換後の蓄熱用流体Ｗの温度Ｔ1oを給湯用水の温度Ｔ2i近傍まで低下させることが可能である（例えば温度差ΔＴが５℃以内）。
もちろん、前提として、給湯用熱交換器６は、蓄熱用流体Ｗから給湯用水へ熱を十分に移動させることができるだけの熱交換能力を有する必要があり、そのために、蓄熱用流体Ｗの流れ方向と給湯用水の流れ方向とが対向する対向流式熱交換器として構成されている。
【００５８】
上記の制御は、ある流量及び温度を有する給湯用水を目標温度まで加熱するための必要な蓄熱用流体Ｗの流量及び温度を考慮して求めるものであり、所謂フィードフォワード制御である。
このため、実際に演算した蓄熱用流体Ｗの流量では、目標温度に対して給湯用水の加熱温度が高過ぎたり、低過ぎたりする場合が生じる。このため、第２の温度センサ５２によって実際に加熱された給湯用水の温度Ｔ2oを検出し、その温度が目標温度となるように、蓄熱用流体Ｗの流量を補正しても良い。
【００５９】
また、目標温度を通常使用される給湯水温度より所定温度高い温度に設定することにより、給湯用水の温度を実際の給湯温度に精度良く調節することができる。即ち、ポンプ制御部７（流量制御手段）の流量制御によって、直接、給湯用水の温度を調節すると、温度変化の応答性が遅いため、温度制御の精度が低下する場合がある。しかし、本実施例のように、混合弁２９を用いて給湯用熱交換器６で加熱された温水と加熱される前の冷水とを混合させると、給湯用水の温度を実際に給湯される温度に精度よく調節できる。この場合、実際に使用される給湯用水の温度Ｔ2 を第３の温度センサ５３で検出しながら、目標温度まで加熱された給湯用水と未加熱の給湯用水とを混合弁２９で混合することにより、給湯用水の温度を給湯すべき温度まで低下させることができる。
また、目標温度を通常使用される給湯水温度より高い一定温度にすることで、冷温水の混合を安定して精度良く行うことができる。
【００６０】
本給湯システムでは、蓄熱用流体Ｗの加熱手段として超臨界ヒートポンプサイクルＣを使用しているが、この超臨界ヒートポンプサイクルＣでは、蓄熱用流体Ｗの温度によって高圧圧力（圧縮機９の吐出圧力）が決まるため、蓄熱用流体Ｗの温度が低下するほど、高圧圧力が低下してサイクル効率の良い領域で運転することができる。従って、上述の流量制御によってタンク２内の下部に溜められる蓄熱用流体Ｗの温度を給湯用水の温度近傍まで低下させ、その蓄熱用流体Ｗをタンク２内の下部から導入してヒートポンプサイクルＣにより加熱し、タンク２内の上部に戻すことにより、ヒートポンプサイクルＣのサイクル効率が向上し、省動力運転を行うことが可能になる。
【００６１】
なお、給水温度は、第１の温度センサ５１によって直接給水管４の水温を検出しても良いし、水温に関連する他のパラメータから水温を推定することにより、間接的に求めても良い。例えば、外気温度と水温とは関連性があるため、外気温度から水温を推定しても良いし、一年間における平均水温の変化を記憶し、カレンダー機能を有するタイマにより給水温度と見做すべき水温を演算しても良い。
また、蓄熱用流体Ｗの温度は、ヒートポンプサイクルＣ側において、所定の目標温度となるように蓄熱用流体Ｗを加熱しているので、ヒートポンプサイクルＣ側から蓄熱用流体Ｗの温度を得ることが可能である。
【００６２】
蓄熱用流体Ｗの温度として、予め一年を通じて目標温度が設定されていれば、その設定目標温度を蓄熱用流体Ｗの温度として利用すれば良い。
流量センサ５４は、給水管４と分岐配管２８との分岐点の上流側、もしくは混合弁２９の下流側に設置して、全体の給湯流量を検出しても良い。この場合、温度センサ５１、５２、５３の値より、給湯用熱交換器６と分岐配管２８の流量を各々熱量計算により推定することができる。
【００６３】
（変形例）
各実施例に示すタンク２は、必ずしも樹脂材料を使用する必要はなく、金属材料で成形しても良い。また、タンク２の形状は、直方体形状でなくても、例えば円筒形状でも良い。
第１実施例で説明した給湯用熱交換器６は、一次側通路６ａの内側に二次側通路６ｂを設けているが、その逆に一次側通路６ａの外側に二次側通路６ｂを設けても良い。また、上述した内側管６Ｂ及び外側管６Ａに使用される材料は一例であり、例えば内側管６Ｂは熱伝導率の高いアルミニウムを使用することができ、外側管６Ａは金属製でも良い。更に、給湯用熱交換器６の外周面を断熱材３５で覆っても良い（図２参照）。
【００６４】
また、各実施例に示す給湯用熱交換器６は、内側管６Ｂと外側管６Ａから成る二重管構造に限定されるものではなく、例えば図１２に示すような多穴管構造でも良い。これは、複数の一次側通路６ａが形成された一次側プレート３６と、同様に複数の二次側通路６ｂが形成された二次側プレート３７とを接着剤等で貼り合わせて構成される。各プレート３６、３７は、熱伝導率の高い銅、アルミニウム等を使用することができ、貼り合わせた２枚のプレート３６、３７の周囲を断熱材３８で覆っても良い。
各実施例に示した電動ポンプ３及びタービンをタンク２内に配置しても良い。この場合、加熱された蓄熱用流体Ｗがタンク２の外部へ取り出されることがないため、給湯用熱交換器６だけをタンク２内に配置した場合より更に熱ロスを少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給湯装置の構成を示す全体図である（第１実施例）。
【図２】給湯用熱交換器を構成する外側管と内側管の断面図である。
【図３】給湯装置の構成を示す全体図である（第２実施例）。
【図４】蓄熱用流体の流量制御機構を示す構成図である（第３実施例）。
【図５】蓄熱用流体の流量制御機構を示す構成図である（第４実施例）。
【図６】給湯装置の構成を示す全体図である（第５実施例）。
【図７】給湯装置の構成を示す全体図である（第６実施例）。
【図８】給湯装置の構成を示す全体図である（第７実施例）。
【図９】給湯装置の構成を示す全体図である（第８実施例）。
【図１０】給湯装置の構成を示す全体図である（第９実施例）。
【図１１】給湯装置の構成を示す全体図である（第１０実施例）。
【図１２】給湯用熱交換器の断面図である（変形例）。
【図１３】従来の給湯装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 給湯装置
２ タンク
３ 電動ポンプ（ポンプ手段）
４ 給水管（給湯用配管）
５ 給湯管（給湯用配管）
６ 給湯用熱交換器（対向流式熱交換器）
６Ａ 外側管（第１の配管）
６Ｂ 内側管（第２の配管）
７ ポンプ制御部（流量制御手段）
１４ 流入管（流体加熱用通路）
１５ 流出管（流体加熱用通路）
１７ 吸入管（循環通路）
１８ 吐出管（循環通路）
２０ 水温センサ（給湯温度調節手段）
２２ 第１の羽根車（ポンプ手段）
２３ 第２の羽根車（ポンプ手段）
２６ 電動式流量制御弁（流量制御弁）
２７ 温度検知式流量制御弁（流量制御弁）
２８ 分岐配管（給湯温度調節手段）
２９ 混合弁（給湯温度調節手段）
３５ 断熱材
５１ 第１の温度センサ（第１の温度検出手段）
５２ 第２の温度センサ（第２の温度検出手段）
５４ 流量センサ（流量検出手段）
Ｃ ヒートポンプサイクル（加熱手段）
Ｗ 蓄熱用流体

Claims (10)

1. 蓄熱用流体を貯留するタンクと、
   このタンク内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段と、
   前記蓄熱用流体が流通する第１の配管と給湯用水が流通する第２の配管とを隣接して設け、且つ前記蓄熱用流体と給湯用水とが対向流となるように構成され、両者間で熱交換を行う対向流式熱交換器と、
   前記第２の配管と接続され、給湯用水を端末へと導く給湯管と、
   前記タンク内の上部から加熱された前記蓄熱用流体を取り出し、前記第１の配管を通過させた後、前記タンク内の下部に戻すための循環通路と、
   この循環通路に前記蓄熱用流体を循環させるポンプ手段と、
   前記循環通路を介して前記第１の配管を流通する前記蓄熱用流体の流量を制御する流量制御手段と、
   前記タンク内の下部から前記蓄熱用流体を取り出して前記加熱手段へ供給し、前記加熱手段で加熱された蓄熱用流体を前記タンク内の上部へ戻す流体加熱用通路と、
   前記第１の配管を流通する前記蓄熱用流体と熱交換し、前記第２の配管から流出した給湯用水と未加熱の給湯用水とを混合する混合手段とを備え、
   前記流量制御手段は、
   前記第２の配管に流入する給湯用水の温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記第２の配管を通過する給湯用水の流量を検出する流量検出手段とを備え、
   前記給湯管から出湯される給湯用水の目標温度、前記第１の温度検出手段によって検出される給湯用水の温度、及び前記流量検出手段によって検出される給湯用水の流量に基づいて、熱交換後の前記蓄熱用流体の温度と前記第２の配管に流入する給湯用水の温度との温度差が所定範囲となるように、前記第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を調節し、
   前記目標温度は、実際に給湯される温度よりも所定温度高い温度に設定され、この目標温度まで加熱された給湯用水を前記混合手段によって未加熱の給湯用水と混合することにより、給湯用水の温度を給湯すべき温度まで低下することを特徴とする給湯装置。
2. 前記加熱手段は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により前記蓄熱用流体を加熱することを特徴とする請求項１に記載した給湯装置。
3. 前記流量制御手段は、前記第２の配管から流出する給湯用水の温度を検出する第２の温度検出手段を備え、
   この第２の温度検出手段によって検出される給湯用水の温度が前記目標温度となるように、前記第１の配管を流通する蓄熱用流体の流量を補正することを特徴とする請求項１に記載した給湯装置。
4. 前記目標温度は、通常使用される給湯水温度よりも高い一定温度に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載した給湯装置。
5. 前記熱交換器で加熱された湯に前記熱交換器で加熱される前の水を混合して給湯用水の温度調節を行う給湯温度調節手段を備え、
   前記熱交換器が前記タンク内に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載した給湯装置。
6. 前記循環通路及びポンプ手段は、前記タンク内に設けられていることを特徴とする請求項５に記載した給湯装置。
7. 前記熱交換器は、断熱材で覆われていることを特徴とする請求項５または６に記載した給湯装置。
8. 前記ポンプ手段は、給湯用配管を流れる給湯用水のエネルギーを受けて回転する第１の羽根車と、前記循環通路に設けられ、前記第１の羽根車の回転が伝達されて回転する第２の羽根車とを備え、この第２の羽根車の回転によって前記循環通路に蓄熱用流体を循環させることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載した給湯装置。
9. 前記タンクは、大気圧に開放されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載した給湯装置。
10. 前記給湯温度調節手段は、
    給湯用配管の前記熱交換器下流に設けられた混合弁と、
    前記熱交換器の上流で前記給湯用配管から分岐して前記混合弁に接続された分岐配管と、
    前記混合弁より下流の給湯用水温度を検出する水温センサとを有し、
    この水温センサの検出温度に基づいて前記混合弁での湯と水との混合割合を調節することを特徴とする請求項５に記載した給湯装置。

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