JP4485406B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱手段により加熱された蓄熱用流体を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内に貯えられた蓄熱用流体と給湯用水とを熱交換する給湯用熱交換器とを備える貯湯式給湯装置に関するものであり、特に、給湯用熱交換器の第１の流通部に流通させる蓄熱用流体の１次側循環回路の流量制御に関する。

従来、この種の貯湯式給湯装置として、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の蓄熱用流体を加熱する超臨界式ヒートポンプサイクルからなる加熱手段と、貯えられた蓄熱用流体が流通する第１の流通部と給湯用水が流通する第２の流通部とを隣接して設け、か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給湯用熱交換器と、貯湯タンク内の蓄熱用流体をポンプ手段により第１の流通部に流通させて貯湯タンク内の下方部に戻すための１次側循環通路とを備える給湯装置が知られている。

さらに、第２の流通部に流入する給湯用水の温度を検出する第１温度検出手段と、第２の流通部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、給湯用水を加熱するときの目標温度、第１温度検出手段によって検出される給湯用水の温度、およ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、第１の流通部を流通する蓄熱用流体の流量を調節している。

そして、第２の流通部に流通する給湯用水の温度およびその流量に応じて第１の流通部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の流通部に流通させることができる。つまり、蓄熱用流体が第１の流通部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低下させることができるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１５３４５８号公報

しかしながら、上記特許文献１では、第２の流通部に流通する給湯用水の流量が所定値以上の高流量で給湯やお湯張りを行っているときは、貯湯タンク上方に貯えられた高温の蓄熱用流体と給湯用水との熱交換効率は良好であって第１の流通部から流出される蓄熱用流体の出口温度の低下を図ることができる。

ところが、第２の流通部に流通する給湯用水の流量が所定値以下の低流量で給湯やお湯張りを行うときには、第１の流通部に流通する蓄熱用流体の蓄熱熱量が大きいときには給湯用水で十分に低下できずに出口温度が上昇してしまう。その結果、貯湯タンク内には給水温度よりも高めの温度帯となる中温の蓄熱用流体が貯められることになる。

これにより、加熱手段として、例えば、上記特許文献１のような高温の蓄熱用流体に加熱する超臨界式ヒートポンプサイクルからなる加熱手段を用いると、加熱前の蓄熱用流体の湯温が高くなってくると高圧圧力が上昇することで運転効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が低下する問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、蓄熱用流体と給湯用水との熱交換能力に優れ、かつ加熱手段の運転効率の向上が図れる貯湯式給湯装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項７に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、この貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段（２０）と、貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱用流体が流通する第１の流通部（３０ａ）と給湯用水が流通する第２の流通部（３０ｂ）とを隣接して設け、か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給湯用熱交換器（３０）と、貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を第１の流通部（３０ａ）に流通させて、貯湯タンク（１０）内の下方部に戻すための１次側循環通路（１１）とを備える貯湯式給湯装置において、
１次側循環通路（１１）は、貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体と中温の蓄熱用流体との両方を第１の流通部（３０ａ）に流入するように構成され、かつ第２の流通部（３０ｂ）に給湯用水が流通されて加熱するときに、少なくとも給湯用熱交換器（３０）で加熱された給湯用水の温度とその流量とに基づいて、第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節する給湯制御手段（４０）を有することを特徴としている。

この発明によれば、第２の流通部（３０ｂ）側に流通される給湯用水の給湯出力に応じた蓄熱用流体の熱エネルギーを第１の流通部（３０ａ）に流入することができることで第１の流通部（３０ａ）から流出した蓄熱用流体の温度を加熱前の給湯用水の温度近傍に接近させることができる。

これにより、貯湯タンク（１０）内には温度の低い蓄熱用流体が戻されることで、加熱手段（２０）の沸き上げのときに運転効率の向上が図れる。さらに、蓄熱用流体と給湯用水との熱交換時における熱交換ロスを極力小さくすることが可能となり、熱交換効率の優れる給湯システムの実現ができる。

請求項２に記載の発明では、給湯制御手段（４０）は、第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の入口温度を検出する１次側入口温度検出手段（５４）と、第２の流通部（３０ｂ）に流入する給湯用水の給水温度を検出する給水温度検出手段（５１）と、第２の流通部（３０ｂ）を通過する給湯用水の流量を検出する２次側流量検出手段（３５ａ、３５ｂ）と、第２の流通部（３０ｂ）から流出する給湯用水の出口温度を検出する２次側出口温度検出手段（５２）とを備え、
所望する給湯温度、給湯用熱交換器（３０）により給湯用水を加熱するときの目標温度、１次側入口温度検出手段（５４）によって検出される蓄熱用流体の入口温度、給水温度検出手段（５１）によって検出される給湯用水の給水温度、２次側流量検出手段（３５ａ、３５ｂ）によって検出される給湯用水の流量、もしくは２次側出口温度検出手段（５２）によって検出される給湯用水の出口温度のいずれかに基づいて、第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節することを特徴としている。

この発明によれば、給湯用熱交換器（３０）で加熱された給湯用水の温度とその流量の他に、具体的には、第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の入口温度、所望する給湯温度、目標温度、もしくは第２の流通部（３０ｂ）に流入する給湯用水の給水温度のいずれかを用いて第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを制御することが容易にできる。従って、第２の流通部（３０ｂ）側に変動があっても、それに応じた精度の良い熱交換能力を発揮することができる。

請求項３に記載の発明では、１次側循環通路（１１）には、蓄熱用流体を循環させるポンプ手段（１７）が設けられ、給湯制御手段（４０）は、ポンプ手段（１７）の回転数を制御して第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の流量を調節することを特徴としている。この発明によれば、ポンプ手段（１７）で蓄熱用流体の流量を容易に迅速な対応で調節できる。

請求項４に記載の発明では、１次側循環通路（１１）には、蓄熱用流体を循環させるポンプ手段（１７）と蓄熱用流体の流量を調節できる流量調節弁（１９）とが設けられ、給湯制御手段（４０）は、ポンプ手段（１７）の回転数を一定に制御し、かつ流量調節弁（１９）を制御して第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の流量を調節することを特徴している。

この発明によれば、第２の流通部（３０ｂ）側に流通される給湯用水の流量の変動範囲において、極低流量のときには、ポンプ手段（１７）の回転数で制御できないことがあるが、ポンプ手段（１７）の他に流量調節弁（１９）を用いても良い。

請求項５に記載の発明では、１次側循環通路（１１）には、貯湯タンク（１０）から取り出された高温の蓄熱用流体に貯湯タンク（１０）から取り出された中温の蓄熱用流体とを混合して第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度調節をする１次側入口温度調節手段（１６）が設けられ、給湯制御手段（４０）は、第１の流通部（３０ａ）を流出する出口温度が第２の流通部（３０ｂ）に流入する給湯用水の給水温度の近傍に接近するように１次側入口温度調節手段（１６）を制御することを特徴としている。

この発明によれば、具体的に、１次側入口温度調節手段（１６）を用いて、第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の熱エネルギーを第２の流通部（３０ｂ）側に応じて容易に調節することが可能である。

請求項６に記載の発明では、第２の流通部（３０ｂ）の下流側には、給湯用熱交換器（３０）で熱交換された給湯用水に給湯用熱交換器（３０）で熱交換される前の給湯用水とを混合して給湯用水の温度調節をする給湯温度調節手段（３４ａ、３４ｂ）が設けられ、目標温度は、所望する給湯温度よりも所定温度高い温度に設定され、給湯温度調節手段（３４ａ、３４ｂ）は、給湯用熱交換器（３０）により目標温度に加熱された給湯用水に給湯用熱交換器（３０）で熱交換される前の給湯用水とを混合して所望する給湯温度に調節することを特徴としている。

この発明によれば、第２の流通部（３０ｂ）側の給湯用水の出口温度を第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度もしくは流量によって第２の流通部（３０ｂ）側の給湯用水の出口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。そこで、本発明では給湯温度調節手段（３４ａ、３４ｂ）を用いると、給湯用水の温度を所望する給湯温度に精度よく調節できる。

請求項７に記載の発明では、加熱手段（２０）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ことを特徴としている。

この発明によれば、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、加熱前の蓄熱用流体の温度が低いほど、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、運転効率が向上し省動力運転を行うことができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による貯湯式給湯装置を図１ないし図３に基づいて説明する。図１は本発明を適用させた貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図であり、図２は給湯制御手段である給湯制御部４０の制御処理を示すフローチャートである。

本実施形態の貯湯式給湯装置は、一般家庭用として給湯および浴槽へのお湯張りなどの給湯に使用されるものであり、図１に示すように、蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク１０、蓄熱用流体を加熱する加熱手段であるヒートポンプユニット２０、蓄熱用流体が流通する第１の流通部３０ａと給湯用水が流通する第２の流通部３０ｂとを隣接して設け、か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給湯用熱交換器３０、蓄熱用流体を第１の流通部３０ａに流通させて貯湯タンク１０内の下方部に戻すための１次側循環通路１１、本給湯システムの作動を制御する制御装置（給湯制御部４０、熱源制御部４３）などから構成されている。

本実施形態の貯湯タンク１０は、空気孔１０ａを通じて大気に開放され、貯湯タンク１０内部が大気圧に保たれている。この貯湯タンク１０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、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体に貯えられた熱が貯湯タンク１０の壁面より大気中へ放出されることを低減するために、貯湯タンク１０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。

また、使用される蓄熱用流体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。なお、これらの他に高比熱を有する蓄熱材料をマイクロカプセルなどの手法にて封入し、それを水に分散混合させるか、またはスリラー化させて流動可能な蓄熱材を用いても良い。

また、貯湯タンク１０の外壁面には、蓄熱用流体の貯湯量、もしくは貯湯温度を検出するための水温センサである複数（本例では７つ）の貯湯サーミスタ５５が縦方向（貯湯タンク１０の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１０内に満たされた蓄熱用流体の各水位レベルでの温度情報を後述する給湯制御手段である給湯制御部４０に出力するようになっている。

従って、給湯制御部４０は複数の貯湯サーミスタ５５からの温度情報に基づいて、貯湯タンク１０内上方の沸き上げられた湯温と貯湯タンク１０内下方の沸き上げられる前の低温の蓄熱用流体との境界位置を検出できるとともに、各水位レベルでの蓄熱用流体の湯温を検出できる。なお、複数の貯湯サーミスタ５５のうち、最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５は高温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出する機能を有している。

蓄熱用流体を加熱するヒートポンプユニット２０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を使用している。このヒートポンプサイクルは、周知のように図示しない圧縮機、加熱用熱交換器、膨張弁、蒸発器、およびアキュムレータ等の冷凍サイクル機能部品より構成されている。

因みに、圧縮機（図示しない）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。

加熱用熱交換器（図示しない）は、冷媒と蓄熱用流体とを熱交換するもので、例えば、冷媒が流れる冷媒通路（図示しない）と蓄熱用流体が流れる加熱用流体通路（図示しない）とが二重管構造に設けられ、かつ冷媒の流れ方向と蓄熱用流体の流れ方向とが対向するように構成された対向流式の加熱用熱交換器（図示しない）である。

膨張弁（図示しない）は、加熱用熱交換器から流出する冷媒を減圧して蒸発器（図示しない）に供給する。蒸発器（図示しない）は、膨張弁（図示しない）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（図示しない）は、蒸発器より流出する冷媒を気液分離して、気相冷媒のみ圧縮機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。

また、加熱用熱交換器の加熱用流体通路（図示しない）は、流体加熱用通路２１を介して貯湯タンク１０に接続され、図示しない電動ポンプが作動することで、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が循環する。

ここで、流体加熱用通路２１は貯湯タンク１０内の最下部の蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の最上部に送るための循環通路であり、具体的には、流体加熱用通路２１の上流端が貯湯タンク１０の底部１０ｂに接続され、流体加熱用通路２１の下流端が貯湯タンク１０の上部１０ｃに接続されている。

これにより、加熱用熱交換器（図示せず）で冷媒との熱交換により加熱された蓄熱用流体が貯湯タンク１０の上部１０ｃへ送り込まれるため、貯湯タンク１０内の上部側から下部側へ向かって順次蓄熱用流体に蓄熱されていく。なお、ヒートポンプユニット２０は後述する熱源制御部４３からの制御信号により作動するとともに、その作動状態を給湯制御部４０に出力するようになっている。

また、ヒートポンプユニット２０内のアクチュエータ類は、その動力源として交流電力を用い、主に料金設定の最も安い深夜時間帯における深夜電力を用いて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を加熱する沸き上げ運転を行っている。

なお、昼間時間帯においても蓄熱用流体の貯湯温度が低下してくると沸き上げ運転を行うよう制御される。因みに、超臨界ヒートポンプサイクルによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５〜９０℃）の蓄熱用流体を内部に貯えることができる。

次に、１次側循環通路１１は、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を後述する給湯用熱交換器３０の第１の流通部３０ａ側に流通させ、給湯用熱交換器３０で熱交換された蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻すための循環通路であり、高温取り出し管１２、中温取り出し管１３、往き管１４、戻し管１５、１次側入口温度調節手段である高中温混合弁１６、およびポンプ手段である循環ポンプ１７とから構成されている。

高温取り出し管１２は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄに上流端が接続されている。中温取り出し管１３は、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体よりも湯温の低い中温の蓄熱用流体を取り出すための配管であり、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄと下方部１０ｅとの間の中間部１０ｆに上流端が接続されている。

往き管１４はその上流端が後述する高中温混合弁１６の出口側に接続され、下流端が第１の流通部３０ａの上流端に接続されている。戻し管１５はその上流端が第１の流通部３０ａの下流端に接続され、戻し管１５の下流端が貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに接続されている。

なお、往き管１４には、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の入口温度を検出する１次側入口温度検出手段である熱交換前サーミスタ５４が設けられ、往き管１４内の温度情報を後述する給湯制御部４０に出力するようにしている。

高中温混合弁１６は、高温取り出し管１２と中温取り出し管１３との下流側合流部位に設けられ、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の入口温度を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、高温取り出し管１２から取り出した高温の蓄熱用流体と中温取り出し管１３から取り出した中温の蓄熱用流体との混合比を調節するようにしている。

そして、この高中温混合弁１６は、後述する給湯制御部４０に電気的に接続されており、上記、貯湯サーミスタ５５および熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の温度情報および給湯制御部４０で求められた１次側目標温度に基づいて制御される。

ここでは、貯湯タンク１０の最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５が高温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出し、中温取り出し配管１３の中間部１０ｆ近傍に設けられた貯湯サーミスタ５５が中温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出している。

そして、熱交換前サーミスタ５４により検出された蓄熱用流体の入口温度が１次側目標温度となるように高中温混合弁１６で温度制御している。ここで、この１次側目標温度は、給湯用熱交換器３０で熱交換される給湯用水の２次側目標温度に基づいて求められるものであって、この２次側目標温度よりも高めの目標温度となるようにしている。

具体的には、２次側目標温度を、例えば、設定温度＋５℃程度とすれば、１次側目標温度は設定温度＋５℃〜１０℃程度以下となるように求められる。そして、中間部１０ｆ近傍に設けられた貯湯サーミスタ５５が１次側目標温度より高いときには、高中温混合弁１６により、高温の蓄熱用流体よりも中温の蓄熱用流体を積極的に多く混合させるようにして温度調節するようにしている。

また、中間部１０ｆ近傍に設けられた貯湯サーミスタ５５が１次側目標温度より低いときには、高中温混合弁１６により、中温の蓄熱用流体よりも高温の蓄熱用流体を積極的に多く混合させるようにして温度調節するようにしている。

言い換えれば、給湯用熱交換器３０で熱交換される給湯用水の２次側目標温度に基づいて、１次側目標温度が２次側目標温度よりも高めになるように高中温混合弁１６により温度調節されるとともに、その１次側目標温度および中間部１０ｆ近傍の貯湯サーミスタ５５に基づいて中温の蓄熱用流体を出湯するようにしている。ここで、２次側目標温度を請求項で称する目標温度である。

そして、循環ポンプ１７は戻し管１５の中途に配置されており、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を第１の流通部３０ａに流通させるポンプである。そして、後述する２次側出口温度検出手段である熱交換後サーミスタ５２により検出された給湯用熱交換器３０で熱交換された給湯用水の出口温度に基づいて回転数が制御されるように後述する給湯制御部４０に電気的に接続されている。

言い換えれば、給湯用熱交換器３０で熱交換された給湯用水の熱交換後の温度である出口温度に基づいて、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の流量を循環ポンプ１７の回転数によって調節している。

なお、本実施形態では、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の流量を循環ポンプ１７の回転数で調節したが、これに限らず、戻り管１５に給湯用熱交換器３０で熱交換された熱交換後の蓄熱用流体の出口温度を検出する１次側熱交換後サーミスタ（図示せず）を設けて、熱交換後の蓄熱用流体の出口温度に基づいて１次側循環通路１１を循環する流量を循環ポンプ１７で制御しても良い。

これによれば、貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻される蓄熱用流体の出口温度が、所定温度以上とならないように循環ポンプ１７の回転数に規制値を設けることができる。従って、所定温度以下の蓄熱用流体を貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻すことができる。

なお、１次側循環通路１１および流体加熱用通路２１の下方部には、それぞれ排水栓１８が設けられており、必要に応じて貯湯タンク１０内および１次側循環通路１１内の蓄熱用流体を手動により排水することができる。

次に、給湯用熱交換器３０は、１次側循環通路１１に接続されて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が流れる第１の流通部３０ａと、給水用配管３１および給湯用配管３２に接続された第２の流通部３０ｂとを有して、貯湯タンク１０の外部に上下方向に配置されている。そして、第１の流通部３０ａの下流端が貯湯タンク１０の下方部１０ｅと連通するように戻し管１５に接続され、第１の流通部３０ａの上流端が往き管１４に接続されている。

一方、第２の流通部３０ｂは、その上流端が給水用配管３１に接続され、下流端が給湯用配管３２に接続されている。従って、給湯用熱交換器３０は、第１の流通部３０ａを上から下へ向かって流れる蓄熱用流体の流れ方向と、第２の流通部３０ｂ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の熱交換器である。

また、給水用配管３１の上流には水道配管に接続されて水道水が第２の流通部３０ｂに導水されるようにしている。そして、給水用配管３１には給水温度検出手段である給水サーミスタ５１が設けられており、給水用配管３１を流通する水道水の温度情報を後述する給湯制御部４０に出力するようにしている。

さらに、給湯用配管３２には、第２の流通部３０ｂにて熱交換された給湯用水の出口温度を検出する２次側出口温度検出手段である熱交換後サーミスタ５２が設けられ、給湯用配管３２内の温度情報を後述する給湯制御部４０に出力するようにしている。そして、給湯用配管３２の下流側は台所に通ずる給湯用配管３３ａと浴室に通ずる給湯用配管３３ｂとに分岐している。

そして、それぞれの給湯用配管３３ａ、３３ｂの末端には図示しない給湯水栓に接続され、給湯水栓を開弁することで台所への給湯、浴槽へのお湯張りなどが行える。また、それぞれの給湯用配管３３ａ、３３ｂの中途には、給湯温度調節手段である給湯用混合弁３４ａ、３４ｂ、給湯サーミスタ５３ａ、５３ｂおよび２次側流量検出手段である流量カウンタ３５ａ、３５ｂが設けられている。

給湯用混合弁３４ａ、３４ｂは、給湯用配管３３ａ、３３ｂに出湯させる給湯用水の給湯温度調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比を調節することで、第２の流通部３０ｂで熱交換された給湯用水と給水用配管３１からの水道水とを混合比を調節して所望する給湯温度である設定温度なるように温度調節する。

因みに、本実施形態では、第２の流通部３０ｂで熱交換された給湯用水の出口温度は、２次側目標温度である、例えば、設定温度＋５℃程度の給湯用水が流入される。そして、給湯用混合弁３４ａ、３４ｂは、後述する給湯制御部４０に電気的に接続されており、設定温度、上記給水サーミスタ５１、熱交換後サーミスタ５２、および給湯サーミスタ５３により検出される給湯用水の温度情報に基づいて制御される。

給湯サーミスタ５３ａ、５３ｂは給湯用配管３３ａ、３３ｂ内の温度情報を、流量カウンタ３５ａ、３５ｂは給湯用配管３３ａ、３３ｂ内の流量情報を後述する給湯制御部４０に出力する。なお、給湯用混合弁３４ａ、３４ｂは、給湯サーミスタ５３ａ、５３ｂにより検出される給湯用水の給湯温度に基づいてフィードバック制御を行うようにしている。

次に、給湯制御部４０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各サーミスタ５１〜５５からの温度情報、流量カウンタ３５ａ、３５ｂからの流量情報および操作盤である台所リモコン４１、風呂用リモコン４２に設けられた操作スイッチ、設定温度スイッチなどからの操作信号等に基づいて、循環ポンプ１７、高中温混合弁１６、給湯用混合弁３４ａ、３４ｂなどの１次側循環通路１１内および給湯用配管３３ａ、３３ｂ内のアクチュエータ類を制御するように構成されている。

また、ヒートポンプユニット２０には熱源制御部４３が設けられ、給湯制御部４０に電気的に接続されている。そして、熱源制御部４３は、給湯制御部４０と同じように、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各種サーミスタからの温度情報などに基づいてヒートポンプユニット２０内のアクチュエータ類を制御する。

また、熱源制御部４３では、加熱用熱交換器（図示しない）で加熱された蓄熱用流体の湯温を一定温度に保つために、最上部に設けられた貯湯サーミスタ５５から検出された貯湯温度に基づいて、電動ポンプ（図示しない）の回転数を制御させている。

なお、本実施形態では、１次側循環通路１１において、貯湯タンク１０内の上方部１０ｄと下方部１０ｅとの中間部１０ｆに中温取り出し管１３を一つ設けたが、これに限らず、複数の中温取り出し管１３を設けて、そのうちのいずれか一つを選択するための図示しない切換弁を設けても良い。

これによれば、貯湯タンク１０内に貯えられる蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体よりも積極的に中温の蓄熱用流体を取り出すことができる。これにより、貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻される蓄熱用流体の温度を低下させることができる。

次に、以上の構成による貯湯式給湯装置の作動について説明する。まず、図示しない電源スイッチがオンされると、料金設定の安い深夜時間帯に達すると、熱源制御部４３によりヒートポンプユニット２０内のヒートポンプサイクル部品（図示しない）と電動ポンプ（図示しない）などのアクチュエータ類を制御させて貯湯タンク１０内の蓄熱用流体を加熱して高温（例えば、８５℃）の蓄熱用流体が貯湯タンク１０内に貯えられる。

そして、貯えられた高温の蓄熱用流体を熱源として、給湯用熱交換器３０により熱交換された給湯用水と水道水とを混合させて台所、洗面所、浴槽などの給湯対象箇所に給湯するものである。

以下、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、使用者が給湯用配管３３ａ、３３ｂの末端にある給湯水栓（図示しない）を開弁することで、流量カウンタ３５ａ、３５ｂにより流量情報が給湯制御部４０に出力される。これにより、ステップ４１０にて、給湯指令を検知したか否かの判定を行い、所定値以上の流量が流通しておれば、給湯指令を検知したことで給湯制御の制御処理がスタートする。

そして、ステップ４２０にて、給湯制御部４０に入力される設定温度、各種サーミスタからの温度情報、および流量カウンタ３５ａ、３５ｂからの流量情報が読み込まれて記憶される。そして、ステップ４３０にて、入力した設定温度、流量情報が記憶された温度、流量情報に比べて変化しているか否かを判定する。

なお、ここでは、開始直後の最初のデータであるので設定温度、流量情報が変化したと判定されてステップ４４０に移行する。そして、ステップ４４０にて、循環ポンプ１７の指示回転数を算出する。具体的には、記憶された設定温度から２次側目標温度を求める。そして、その２次側目標温度および流量カウンタ３５ａ、３５ｂからの流量情報に基づいて必要給湯能力を求める。そして、設定温度もしくは２次側目標温度に基づいて１次側目標温度を求める。

そして、必要給湯能力、１次側目標温度に基づいて予め設定された１次側供給能力と指示回転数との関係の特性から循環ポンプ１７の指示回転数を算出する。そして、ステップ４５０にて、循環ポンプ１７を指示回転数で運転させる。

この循環ポンプ１７の作動により、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体が第１の流通部３０ａに流入されるが、ステップ４６０にて、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体が１次側目標温度となるように高中温混合弁１６で温度調節される。

これにより、第２の流通部３０ｂに流通する給湯用水が蓄熱用流体の熱エネルギーを受けて加熱される。そして、ステップ４７０にて、熱交換後サーミスタ５２により検出される給湯用水の出口温度が２次側目標温度（例えば、設定温度＋５℃程度）となるように、循環ポンプ１７の回転数をフィードバック制御する。

つまり、熱交換後サーミスタ５２により検出される出口温度が２次側目標温度より低いときは、循環ポンプ１７の回転数を大きくして１次側循環通路１１を循環する流量を増加させる。これにより、第１の流通部３０ａを流れる蓄熱用流体と第２の流通部３０ｂに流通する給湯用水との熱交換量が増加するため、給湯用水の出口温度が上昇する。

また、逆に、熱交換後サーミスタ５２により検出される出口温度が２次側目標温度より高いときは、循環ポンプ１７の回転数を小さくして１次側循環通路１１を循環する流量を減少させる。これにより、第１の流通部３０ａを流れる蓄熱用流体と第２の流通部３０ｂに流通する給湯用水との熱交換量が減少するため、給湯用水の出口温度が下降する。

なお、給湯水栓が開弁中に流量もしくは設定温度が変更されると、上述したステップ４３０にて、入力した設定温度、流量情報が記憶された温度、流量情報に比べて変化しているか否かを判定して、変化があればステップ４４０にて循環ポンプ１７の指示回転数を算出するようにしている。これにより、変化に応じた対応がリアルタイムに反映することができる。

一方、高中温混合弁１６では、熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の入口温度が１次側目標温度（例えば、設定温度＋５℃〜１０℃程度以下）となるようにフィードバック制御されている。つまり、熱交換前サーミスタ５４により検出される蓄熱用流体の入口温度が１次側目標温度よりも低いときは高温の蓄熱用流体を増加させて中温の蓄熱用流体と混合するように制御される。

また、逆に蓄熱用流体の入口温度が１次側目標温度よりも高いときは中温の蓄熱用流体を増加させて高温の蓄熱用流体と混合するように制御される。これにより、貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低温（例えば、給水温度＋５℃程度）の蓄熱用流体が戻されることになる。

なお、例えば、貯湯タンク１０内の蓄熱用流体がヒートポンプユニット２０で加熱された後など貯湯タンク１０内に高温の蓄熱用流体が多く中温の蓄熱用流体が少ないときは、上記低温の蓄熱用流体よりも高めの温度となって貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに戻されるが、貯湯タンク１０内に戻された蓄熱用流体は、時間の経過とともに、その蓄熱用流体の比重差により上方に高温、下方に低温および上方と下方との間に中間層（中温）が形成される。

他方、給湯用混合弁３４ａ、３４ｂａでは、第２の流通部３０ｂで熱交換された２次側目標温度（設定温度＋５℃程度）の給湯用水と、給水用配管３１から給水される水道水とが混合されて設定温度に温度調節される。これにより、所望する給湯温度の給湯用水が給湯水栓から給湯される。

ところで、本実施形態の制御方式では、当初から２次側の給湯熱量に基づいた１次側循環通路１１の循環流量を調節するようにしているため若干、給湯水栓を開弁してからの立ち上がり特性が低下する。これを解消するために循環ポンプ１７の初期回転数を高めに設定した後に、上述のように１次側循環通路１１を循環する流量を調節する方法がある。

しかし、この方法では、給湯用水が給湯用配管３３ａ、３３ｂから出湯される流量が高流量のときは熱交換ロスも少なく、かつ貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低い温度の状態で戻されることで良好であったが、流量が低流量の給湯や短時間の給湯では、１次側の供給熱量が過大となるため貯湯タンク１０内への戻り温度が上昇してしまう欠点があった。

以下、この方法と本発明との戻り温度の比較を行ったので図３に基づいて説明する。図３（ａ）は給湯水栓を開弁後、５秒程度高めの回転数で循環ポンプ１７を作動させて、その後、ステップ４７０の回転数をフィードバック制御させたときにおける循環ポンプ１７の回転数と蓄熱用流体の１次側出口温度との関係を示す特性図である。

図３（ｂ）は図２に示すフローチャートに従って循環ポンプ１７の回転数と蓄熱用流体の１次側出口温度との関係を示す特性図である。これによれば、図３（ａ）の方が給湯用熱交換器３０の１次側の熱交換ロスが大となるとともに、貯湯タンク１０内への戻り温度が上昇している。従って、本発明のように当初から２次側の給湯熱量に基づいた回転数で１次側の流量を調節することにより、貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低温の蓄熱用流体を戻すことができる。

以上の第１実施形態による貯湯式給湯装置によれば、１次側循環通路１１は、貯湯タンク１０内に貯えられた蓄熱用流体のうち、高温と中温との蓄熱用流体の両方を混合させて第１の流通部３０ａに流入するように構成されている。

これにより、中温の蓄熱用流体が使用されて貯湯タンク１０内の下方部１０ｅに低温の蓄熱用流体を戻すことができる。従って、ヒートポンプユニット２０の沸き上げのときに運転効率の向上が図れる。

また、第２の流通部３０ｂに給湯用水が流通されて加熱するときに、少なくとも給湯用熱交換器３０で加熱された給湯用水の温度とその流量とに基づいて、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節する給湯制御部４０を有している。

これによれば、第２の流通部３０ｂ側に流通される給湯用水の給湯出力に応じた蓄熱用流体の熱エネルギーを第１の流通部３０ａに流入することができることで第１の流通部３０ａから流出した蓄熱用流体の温度を加熱前の給湯用水の温度近傍に接近させることができる。

従って、貯湯タンク１０内には温度の低い蓄熱用流体が戻されることで、ヒートポンプユニット２０の沸き上げのときに運転効率の向上が図れる。しかも、蓄熱用流体と給湯用水との熱交換時における１次側の熱交換ロスを極力小さくすることが可能となり、熱交換効率の優れる給湯システムの実現ができる。

具体的には、設定温度、給湯用熱交換器３０により給湯用水を加熱するときの目標温度である２次側目標温度、熱交換前サーミスタ５４で検出する蓄熱用流体の入口温度、給水サーミスタ５１で検出する給水温度、流量カウンタ３５ａ、３５ｂで検出する２次側の流量、もしくは、熱交換前サーミスタ５２で検出する給湯用水の出口温度のいずれかに基づいて、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節するようにしている。

これによれば、給湯用熱交換器３０で加熱された給湯用水の温度とその流量の他に、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の入口温度、所望する給湯温度、目標温度、もしくは第２の流通部３０ｂに流入する給湯用水の給水温度のいずれかを用いて第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを制御することが容易にできる。従って、第２の流通部３０ｂ側に変動があっても、それに応じた精度の良い熱交換能力を発揮することができる。

また、循環ポンプ１７の回転数を制御して第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の流量を調節することにより、循環ポンプ１７で蓄熱用流体の流量を容易に迅速な対応で調節できる。

また、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の入口温度を調節するための高中温混合弁１６を設けて、第１の流通部３０ａを流出する出口温度が第２の流通部３０ｂに流入する給湯用水の給水温度の近傍に接近するように給湯制御部４０により高中温混合弁１６を制御することにより、第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の熱エネルギーを第２の流通部３０ｂ側に応じて容易に調節することが可能である。

また、第２の流通部３０ｂの下流側に給湯用混合弁３４ａ、３４ｂを設け、その給湯用混合弁３４ａ、３４ｂを給湯用熱交換器３０により２次側目標温度に加熱された給湯用水に給水用配管３１からの水道水とを混合して所望する給湯温度に調節する。

これによれば、第２の流通部３０ｂ側の給湯用水の出口温度を第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の温度もしくは流量によって第２の流通部３０ｂ側の給湯用水の出口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。そこで、本発明では給湯用混合弁３４ａ、３４ｂを用いると、給湯用水の温度を所望する給湯温度に精度よく調節できる。

また、ヒートポンプユニット２０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ことにより、 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、加熱前の蓄熱用流体の温度が低いほど、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、運転効率が向上し省動力運転を行うことができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では循環ポンプ１７により第１の流通部３０ａに流入する蓄熱用流体の流量を調節するようにしたが、これに限らず、図４に示すように、戻り管１５の中途に流量調節弁１９を設け、給湯制御部４０で流量調節弁１９の開度を制御して蓄熱用流体の流量を調節するようにしても良い。

これによれば、第２の流通部３０ｂ側に流通される給湯用水の流量の変動範囲において、極低流量のときには、循環ポンプ１７の回転数で制御できないことがあるが、循環ポンプ１７の他に流量調節弁１９を用いても良い。

（第３実施形態）
以上の実施形態では、貯湯タンク１０の外部に給湯用熱交換器３０を配置して１次側循環通路１１を構成したが、これに限らず、具体的には、図５に示すように、給湯用熱交換器３０を貯湯タンク１０内に収容するように構成しても良い。ただし、このときには、１次側循環通路１１の戻り管１５は、貯湯タンク１０内の下方部に配置される。なお、循環ポンプ１７は往き管１４に設けられている。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、冷媒に二酸化炭素を用いたヒートポンプユニット２０を加熱手段として説明したが、これに限らず、フロン、代替フロンなどの冷媒を用いる一般的なヒートポンプサイクルでも良い。

また、以上の実施形態では、貯湯タンク１０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、貯湯タンク１０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。また、貯湯タンク１０を大気開放形に形成したが、密閉タイプ構造の貯湯タンクでも良い。ただしこの場合には、減圧弁、圧力逃がし弁などのタンクを保護するための部品が必要となる。

本発明の第１実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における給湯制御部４０による制御処理を示すフローチャートである。 （ａ）は初期回転数を高めに設定したときの循環ポンプ１７の回転数と蓄熱用流体の１次側出口温度との関係を示す特性図、（ｂ）は第１実施形態における制御方式による循環ポンプ１７の回転数と蓄熱用流体の１次側出口温度との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における貯湯式給湯装置の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１０…貯湯タンク
１１…１次側循環通路
１６…高中温混合弁（１次側入口温度調節手段）
１７…循環ポンプ（ポンプ手段）
１９…流量調節弁
２０…ヒートポンプユニット（加熱手段）
３０…給湯用熱交換器
３０ａ…第１の流通部
３０ｂ…第２の流通部
３４ａ、３４ｂ…給湯用混合弁（給湯温度調節手段）
３５ａ、３５ｂ…流量カウンタ（２次側流量検出手段）
４０…給湯制御部（給湯制御手段）
５１…給水サーミスタ（給水温度検出手段）
５２…熱交換後サーミスタ（２次側出口温度検出手段）
５４…熱交換前サーミスタ（１次側入口温度検出手段）

Claims (7)

1. 蓄熱用流体を内部に貯える貯湯タンク（１０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を加熱する加熱手段（２０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱用流体が流通する第１の流通部（３０ａ）と給湯用水が流通する第２の流通部（３０ｂ）とを隣接して設け、か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給湯用熱交換器（３０）と、
   前記貯湯タンク（１０）内の蓄熱用流体を前記第１の流通部（３０ａ）に流通させて、前記貯湯タンク（１０）内の下方部に戻すための１次側循環通路（１１）とを備える貯湯式給湯装置において、
   前記１次側循環通路（１１）は、前記貯湯タンク（１０）内に貯えられた蓄熱用流体のうち、高温の蓄熱用流体と中温の蓄熱用流体との両方を前記第１の流通部（３０ａ）に流入するように構成され、
   かつ前記第２の流通部（３０ｂ）に給湯用水が流通されて加熱するときに、少なくとも前記給湯用熱交換器（３０）で加熱された給湯用水の温度とその流量とに基づいて、前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節する給湯制御手段（４０）を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記給湯制御手段（４０）は、
   前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の入口温度を検出する１次側入口温度検出手段（５４）と、
   前記第２の流通部（３０ｂ）に流入する給湯用水の給水温度を検出する給水温度検出手段（５１）と、
   前記第２の流通部（３０ｂ）を通過する給湯用水の流量を検出する２次側流量検出手段（３５ａ、３５ｂ）と、
   前記第２の流通部（３０ｂ）から流出する給湯用水の出口温度を検出する２次側出口温度検出手段（５２）とを備え、
   所望する給湯温度、前記給湯用熱交換器（３０）により給湯用水を加熱するときの目標温度、前記１次側入口温度検出手段（５４）によって検出される蓄熱用流体の入口温度、前記給水温度検出手段（５１）によって検出される給湯用水の給水温度、前記２次側流量検出手段（３５ａ、３５ｂ）によって検出される給湯用水の流量、もしくは前記２次側出口温度検出手段（５２）によって検出される給湯用水の出口温度のいずれかに基づいて、前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度とその流量とを調節することを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記１次側循環通路（１１）には、蓄熱用流体を循環させるポンプ手段（１７）が設けられ、
   前記給湯制御手段（４０）は、前記ポンプ手段（１７）の回転数を制御して前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の流量を調節することを特徴とする請求項１または請求項２記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記１次側循環通路（１１）には、蓄熱用流体を循環させるポンプ手段（１７）と蓄熱用流体の流量を調節できる流量調節弁（１９）とが設けられ、
   前記給湯制御手段（４０）は、前記ポンプ手段（１７）の回転数を一定に制御し、かつ前記流量調節弁（１９）を制御して前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の流量を調節することを特徴とする請求項１または請求項２記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記１次側循環通路（１１）には、前記貯湯タンク（１０）から取り出された高温の蓄熱用流体に前記貯湯タンク（１０）から取り出された中温の蓄熱用流体とを混合して前記第１の流通部（３０ａ）に流入する蓄熱用流体の温度調節をする１次側入口温度調節手段（１６）が設けられ、
   前記給湯制御手段（４０）は、前記第１の流通部（３０ａ）を流出する出口温度が前記第２の流通部（３０ｂ）に流入する給湯用水の給水温度の近傍に接近するように前記１次側入口温度調節手段（１６）を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
6. 前記第２の流通部（３０ｂ）の下流側には、前記給湯用熱交換器（３０）で熱交換された給湯用水に前記給湯用熱交換器（３０）で熱交換される前の給湯用水とを混合して給湯用水の温度調節をする給湯温度調節手段（３４ａ、３４ｂ）が設けられ、
   前記目標温度は、所望する給湯温度よりも所定温度高い温度に設定され、
   前記給湯温度調節手段（３４ａ、３４ｂ）は、前記給湯用熱交換器（３０）により前記目標温度に加熱された給湯用水に前記給湯用熱交換器（３０）で熱交換される前の給湯用水とを混合して所望する給湯温度に調節することを特徴とする請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
7. 前記加熱手段（２０）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ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。

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