JP2017194248A - 蓄熱給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの付着を充分に抑制する蓄熱給湯機を提供する。【解決手段】蓄熱給湯機は、蓄熱用熱媒体を送水する第１の送水部と、第１の送水部によって送水された蓄熱用熱媒体を加熱する供給熱交換器と、蓄熱用熱媒体を貯留する蓄熱槽とが第１の配管により接続された第１の循環回路と、蓄熱槽に貯留された蓄熱用熱媒体を送水する第２の送水部と、蓄熱槽と、第２の送水部によって送水された蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱媒体を加熱する給湯ユニットとが第２の配管により接続された第２の循環回路と、を備え、給湯ユニットは、加熱媒体を加熱する主熱交換器と、第２の循環回路において主熱交換器の上流側に設けられ、主熱交換器において蓄熱用熱媒体と熱交換された加熱媒体を加熱する副熱交換器と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱槽に蓄えられた熱を用いて給湯する蓄熱給湯機に関する。

従来、熱源装置から供給された温熱を、熱媒体を介して蓄熱槽に蓄え、蓄熱槽に蓄えられた温熱を用いて給湯する給湯機が知られている。このような給湯機は、水を使用しているため、スケールが析出するという課題を有している。給湯機に使用される水は、例えば塩素、カルシウム及びマグネシウム等を含有しており、水温が例えば６５℃以上といった高温になるほど、スケールが析出され易くなる。析出されたスケールが配管等に付着すると、水の循環が阻害され、ひいては配管が閉塞される虞がある。

水が熱交換器によって加熱される場合、水は、熱交換器の内部の流路を通過するうちに徐々に加熱される。このため、スケールの析出は、熱交換器から流出した後に発生し易い。熱交換器の出口側に析出され得るスケールを抑制することを目的として、特許文献１には、第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、燃料電池から排出される排出ガスを用いて水を加温する給湯用熱交換器が開示されている。第１熱交換器は、排出ガスの流れの上流側に配置され、また、水の流れの下流側に配置される。第２熱交換器は、排出ガスの流れの下流側に配置され、また、水の流れの上流側に配置される。従って、水は、第２熱交換器において加温された後、第１熱交換器において更に加温される。これにより、第１熱交換器の水側流路には、高温の水が流れる。ここで、第１熱交換器の水側流路の総断面積は、第２熱交換器の水側流路の総断面積に比べて小さい。このため、第１熱交換器の水側流路に流れる水の速度は、第２熱交換器の水側流路に流れる水の速度よりも速い。これにより、特許文献１は、第１熱交換器の水側流路にスケールが付着することを抑制しようとするものである。

特開２０１２−１１７７２３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された給湯用熱交換器は、排出ガスを使用しているため、水を加熱する温度を制御することができない。このため、第１熱交換器の水側流路には、常に高温の水が流れる。このように、常に高温の水が流れているため、スケールが付着し易い。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スケールの付着を充分に抑制する蓄熱給湯機を提供するものである。

本発明に係る蓄熱給湯機は、蓄熱用熱媒体を送水する第１の送水部と、第１の送水部によって送水された蓄熱用熱媒体を加熱する供給熱交換器と、蓄熱用熱媒体を貯留する蓄熱槽とが第１の配管により接続された第１の循環回路と、蓄熱槽に貯留された蓄熱用熱媒体を送水する第２の送水部と、蓄熱槽と、第２の送水部によって送水された蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱媒体を加熱する給湯ユニットとが第２の配管により接続された第２の循環回路と、を備え、給湯ユニットは、加熱媒体を加熱する主熱交換器と、第２の循環回路において主熱交換器の上流側に設けられ、主熱交換器において蓄熱用熱媒体と熱交換された加熱媒体を加熱する副熱交換器と、を有する。

本発明によれば、蓄熱給湯機は、蓄熱槽が接続された第１の循環回路及び第２の循環回路を備えている。このため、蓄熱槽に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度を制御することができ、給湯ユニットに流れる加熱媒体の温度も制御することができる。よって、スケールの付着を充分に抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る蓄熱給湯機１を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における加熱媒体の温度とスケールの付着量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る蓄熱給湯機１００を示す回路図である。 本発明の実施の形態３に係る蓄熱給湯機２００を示す回路図である。

実施の形態１．
以下、本発明に係る蓄熱給湯機の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る蓄熱給湯機１を示す回路図である。この図１に基づいて、蓄熱給湯機１について説明する。図１に示すように、蓄熱給湯機１は、ヒートポンプ装置２０と、第１の循環回路３と、第２の循環回路４と、水配管５と、温度検出部６と、流量検出部７と、制御部１０とを備えている。

（ヒートポンプ装置２０）
ヒートポンプ装置２０は、圧縮機２１、供給熱交換器２２、膨張部２３及び熱源熱交換器２４がヒートポンプ配管により接続され、熱交換用熱媒体が流れるヒートポンプ循環回路２と、外気送風機２５とを有する。圧縮機２１は、熱交換用熱媒体を圧縮するものであり、熱交換用熱媒体を気相の状態で圧送して高温高圧化する。供給熱交換器２２は、熱交換用熱媒体と、第１の循環回路３に流れる蓄熱用熱媒体とを熱交換して、蓄熱用熱媒体を加熱するものである。供給熱交換器２２において、熱交換用熱媒体と蓄熱用熱媒体とはそれぞれ個別の流路を通過し、熱交換用熱媒体と蓄熱用熱媒体とは混合しない。

膨張部２３は、熱交換用熱媒体を減圧して膨張するものであり、高圧の液相の状態の熱交換用熱媒体を、気液混合相の状態にして低温低圧化する。熱源熱交換器２４は、室外空気と熱交換用熱媒体とを熱交換するものである。外気送風機２５は、熱源熱交換器２４の近傍に設けられており、室外空気を熱源熱交換器２４に送風するものである。熱交換用熱媒体は、使用される温度又は圧力の範囲内で気液二相化する例えば炭化水素系の冷媒又は二酸化炭素冷媒である。

ヒートポンプ装置２０は、ヒートポンプ循環回路２に流れる熱交換用熱媒体の凝縮と気化とを利用して、室外空気から吸収した熱を、蓄熱用熱媒体に放出する。なお、ヒートポンプ装置２０は、圧縮機２１の圧縮に要する動力と比較して、熱交換用熱媒体を介して室外空気と蓄熱用熱媒体との間で効率良く熱を移動させる。

（第１の循環回路３）
第１の循環回路３は、第１の送水部３１、供給熱交換器２２及び蓄熱槽３２が第１の配管３０により接続され、蓄熱用熱媒体が流れるものである。第１の送水部３１は、例えば供給熱交換器２２と蓄熱槽３２との間の第１復路３０ｂに設けられたポンプであり、第１の循環回路３において、蓄熱用熱媒体を送水するものである。供給熱交換器２２は、第１の送水部３１によって送水された蓄熱用熱媒体を加熱する。蓄熱槽３２は、外部に対し密閉された容器であり、所定の量の蓄熱用熱媒体が内部に常時収容されている。蓄熱槽３２は、内部の上方が高温領域であり、例えば内部の上方に滞留する蓄熱用熱媒体の温度は９０℃である。一方、蓄熱槽３２は、内部の下方が低温領域であり、例えば内部の下方に滞留する蓄熱用熱媒体の温度は３５℃である。蓄熱槽３２において、高温領域から低温領域にかけて徐々に蓄熱用熱媒体の温度が低下するものであり、高温領域と低温領域とは明確に区画されるものではない。このように、蓄熱槽３２は、高温の蓄熱用熱媒体を著了することによって、蓄熱しており、蓄熱量は、高温の蓄熱用熱媒体と低温の蓄熱用熱媒体との割合で決定される。

そして、蓄熱槽３２の上部と供給熱交換器２２の下流側とが第１の配管３０の第１往路３０ａによって接続され、蓄熱槽３２の下部と第１の送水部３１の上流側とが第１の配管３０の第１復路３０ｂによって接続されている。蓄熱槽３２は、供給熱交換器２２の下流側の第１往路３０ａから蓄熱用熱媒体が流入することに応じて、蓄熱槽３２の下流側の第１復路３０ｂに蓄熱用熱媒体を押し出して排出する。蓄熱用熱媒体は、例えば水にグリセリンが混入されることによって低温でも液体の状態を保つような凝固点が低い不凍液である。なお、供給熱交換器２２において、ヒートポンプ循環回路２に流れる熱交換用熱媒体の流れと第１の循環回路３に流れる蓄熱用熱媒体の流れとは、対向している。

（第２の循環回路４）
第２の循環回路４は、第２の送水部４１、蓄熱槽３２及び給湯ユニット４２が第２の配管４０により接続され、蓄熱用熱媒体が流れるものである。第２の送水部４１は、例えば蓄熱槽３２と給湯ユニット４２との間の第２復路４０ｂに設けられたポンプであり、蓄熱槽３２に貯留された蓄熱用熱媒体を送水するものである。ここで、蓄熱槽３２の上部と給湯ユニット４２の上流側とが第２の配管４０の第２往路４０ａによって接続され、蓄熱槽３２の下部と第１の送水部３１の下流側とが第２の配管４０の第２復路４０ｂによって接続されている。給湯ユニット４２は、蓄熱槽３２の下流側の第２往路４０ａから蓄熱用熱媒体が流入し、蓄熱槽３２の下流側の第２復路４０ｂに蓄熱用熱媒体を排出するものである。

（給湯ユニット４２）
給湯ユニット４２は、第２の送水部４１によって送水された蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱媒体を加熱するものであり、主熱交換器４３と副熱交換器４４とを有している。主熱交換器４３は、第２の循環回路４において第２の送水部４１の上流側に設けられ、加熱媒体を加熱するものである。主熱交換器４３は、例えば高性能なプレート式の熱交換器である。副熱交換器４４は、第２の循環回路４において主熱交換器４３の上流側に設けられ、主熱交換器４３において蓄熱用熱媒体と熱交換された加熱媒体を更に加熱するものである。副熱交換器４４は、例えばコイルインタンク式の熱交換器である。

（水配管５）
水配管５は、加熱媒体が流れるものであり、給水源５１と給湯部５４とを接続する給水路５２及び給湯路５３を有する。給水源５１は、加熱媒体の供給元であり、給湯部５４は、加熱媒体の給湯先である。給水路５２は、給水源５１と給湯ユニット４２の主熱交換器４３とを接続するものである。給湯路５３は、給湯ユニット４２の副熱交換器４４と給湯部５４とを接続するものである。加熱媒体は、例えば水道の水であり、給水源５１から水配管５の給水路５２を通って、給湯ユニット４２に流入し、給湯ユニット４２から流出した後、水配管５の給湯路５３を通って、給湯部５４に至る。このように、給湯ユニット４２において、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体の流れと水配管５に流れる加熱媒体の流れとは、対向している。

（温度検出部６及び流量検出部７）
温度検出部６は、蓄熱槽３２に取り付けられており、蓄熱槽３２に貯留する蓄熱用熱媒体の温度を検出するものである。流量検出部７は、水配管５の給湯路５３に取り付けられており、給湯ユニット４２の副熱交換器４４から流出した加熱媒体の流量を検出するものである。

（制御部１０）
制御部１０は、利用者が設定する給湯設定温度、温度検出部６の検出結果及び流量検出部７の検出結果等に基づいて、圧縮機２１、膨張部２３、外気送風機２５、第１の送水部３１及び第２の送水部４１といった制御対象を制御するものである。

図２は、本発明の実施の形態１における加熱媒体の温度とスケールの付着量との関係を示すグラフである。図２において、横軸を加熱媒体の温度（℃）、縦軸をスケールの付着量（ｍｍ）とする。次に、水配管５の内部に付着するスケールについて説明する。水配管５の内部には、使用する水のような加熱媒体の水質に起因するスケールと呼ばれる異物が発生し、水配管５の内面に堆積する。スケールは、水配管５の内部で剥離及び再付着され、水配管５の流路を閉塞する虞がある。ここで、加熱媒体の温度が高温になるほど、スケールが析出され易くなる。

図２に示すように、加熱媒体の温度が５０℃までは、スケールは析出しない。加熱媒体の温度が５０℃を超えると、スケールの付着量が徐々に増加する。なお、この図２は、欧州のように硬度が高い硬水の場合を例示しており、日本のように硬度が低い軟水の場合、スケールが発生し得る加熱媒体の温度は、硬度が高い水の場合よりも高い。即ち、硬水の方が、軟水よりも、低温でスケールの析出が発生する。

（ヒートポンプ循環回路２における熱交換用熱媒体の流れ）
次に、ヒートポンプ循環回路２における熱交換用熱媒体の流れについて説明する。ヒートポンプ循環回路２において、圧縮機２１に吸入された熱交換用熱媒体は、圧縮機２１によって圧縮されて高温高圧のガス状態で吐出される。圧縮機２１から吐出された高温高圧のガス状態の冷媒は、供給熱交換器２２に流入し、供給熱交換器２２において、第１の循環回路３に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて凝縮液化する。このとき、蓄熱用熱媒体が加熱される。凝縮された液状態の冷媒は、膨張部２３に流入し、膨張部２３において膨張及び減圧されて気液二相状態となる。そして、気液二相状態の冷媒は、熱源熱交換器２４に流入し、熱源熱交換器２４において、外気送風機２５によって送風された室外空気と熱交換されて蒸発ガス化する。蒸発したガス状態の冷媒は、圧縮機２１に吸入される。

（第１の循環回路３における蓄熱用熱媒体の流れ）
次に、第１の循環回路３における蓄熱用熱媒体の流れについて説明する。第１の循環回路３において、第１の送水部３１によって送水された蓄熱用熱媒体は、供給熱交換器２２に流入し、供給熱交換器２２において、ヒートポンプ循環回路２に流れる熱交換用熱媒体と熱交換されて加熱される。加熱された蓄熱用熱媒体は、第１の配管３０の第１往路３０ａを通って、蓄熱槽３２の上部から蓄熱槽３２の内部に流入し、蓄熱槽３２に貯留される。これにより、蓄熱槽３２の内部の上方には、高温の蓄熱用熱媒体が蓄えられる。そして、蓄熱槽３２の下部から第１の配管３０の第１復路３０ｂに流出した蓄熱用熱媒体は、再び第１の送水部３１に戻る。このように、蓄熱用熱媒体は、第１の循環回路３を循環している。

（第２の循環回路４における蓄熱用熱媒体の流れ）
次に、第２の循環回路４における蓄熱用熱媒体の流れについて説明する。第２の循環回路４において、第２の送水部４１によって送水された蓄熱用熱媒体は、第２の配管４０の第２復路４０ｂを通って、蓄熱槽３２の下部から蓄熱槽３２の内部に流入し、蓄熱槽３２に貯留される。蓄熱槽３２の内部の上方に蓄えられた高温の蓄熱用熱媒体は、蓄熱槽３２の上部から第２の配管４０の第２往路４０ａに流出する。流出した蓄熱用熱媒体は、第２の配管４０の第２往路４０ａを通って、給湯ユニット４２の副熱交換器４４に流入し、副熱交換器４４において、水配管５に流れる加熱媒体と熱交換されて冷却される。このとき、加熱媒体が加熱される。その後、冷却された蓄熱用熱媒体は、給湯ユニット４２の主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において、水配管５に流れる加熱媒体と熱交換されて更に冷却される。このとき、加熱媒体が加熱される。冷却された蓄熱用熱媒体は、再び第２の送水部４１に戻る。このように、蓄熱用熱媒体は、第２の循環回路４を循環している。

（水配管５における加熱媒体の流れ）
次に、水配管５における加熱媒体の流れについて説明する。給水源５１から給水された加熱媒体は、給水路５２を通って、給湯ユニット４２の主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて加熱される。その後、加熱された加熱媒体は、給湯ユニット４２の副熱交換器４４に流入し、副熱交換器４４において、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて更に加熱される。加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って、給湯部５４に至る。

（蓄熱運転）
次に、蓄熱運転について説明する。蓄熱運転は、蓄熱槽３２に高温の蓄熱用熱媒体が蓄えられる運転であり、蓄熱用熱媒体が第１の循環回路３に流れることによって行われる。供給熱交換器２２によって加熱された蓄熱用熱媒体が、蓄熱槽３２の上部に流入し、蓄熱槽３２に貯留される。これにより、蓄熱槽３２の内部の上方には、高温の蓄熱用熱媒体が蓄えられる。そして、蓄熱槽３２の下部から第１の配管３０の第１復路３０ｂに流出した蓄熱用熱媒体は、再び第１の送水部３１に戻る。

ここで、蓄熱槽３２に蓄えられた蓄熱用熱媒体の温度が低下したときに行われる蓄熱運転について説明する。制御部１０は、蓄熱槽３２に取り付けられた温度検出部６によって検出された蓄熱用熱媒体の温度が、所定の温度閾値以下となった場合、蓄熱槽３２に蓄えられた蓄熱量が減少したと判断する。この場合、制御部１０は、ヒートポンプ装置２０を駆動する。これにより、ヒートポンプ循環回路２において、圧縮機２１によって圧縮されて高温となった熱交換用熱媒体が供給熱交換器２２に流入する。

また、制御部１０は、第１の送水部３１を駆動する。これにより、第１の循環回路３において、第１の送水部３１によって送水された蓄熱用熱媒体が供給熱交換器２２に流入し、供給熱交換器２２において熱交換用熱媒体と熱交換されて加熱される。この場合、制御部１０は、ヒートポンプ装置２０によって供給熱交換器２２に流入する熱交換用熱媒体の温度及び流量を制御することによって、蓄熱用熱媒体の加熱温度を制御する。また、制御部１０は、第１の送水部３１によって循環する蓄熱用熱媒体の流量を制御することによって、蓄熱用熱媒体の加熱温度を制御する。

供給熱交換器２２において加熱された蓄熱用熱媒体は、第１の配管３０の第１往路３０ａを通って蓄熱槽３２の上部に流入し、蓄熱槽３２に貯留される。これにより、蓄熱槽３２の内部の上方には、高温の蓄熱用熱媒体が蓄えられる。蓄熱槽３２の内部の上方に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度は、給湯部５４が必要とする設定給湯温度よりも若干高い温度、例えば９０℃である。その後、蓄熱槽３２の下部から第１の配管３０の第１復路３０ｂに流出した蓄熱用熱媒体は、再び第１の送水部３１に戻る。なお、蓄熱槽３２の下部から流出する蓄熱用熱媒体の温度は、例えば３５℃である。

（給湯運転）
次に、給湯運転について説明する。給湯運転は、給水源５１から給水された低温の加熱媒体が加熱されて給湯部５４に送られる運転である。制御部１０は、水配管５の給湯路５３に取り付けられた流量検出部７によって給湯路５３に加熱媒体が流れたことが検出された場合、給湯運転を開始すると判断する。この場合、制御部１０は、第２の送水部４１を駆動する。これにより、第２の循環回路４において、蓄熱槽３２の上部から、高温例えば９０℃の蓄熱用熱媒体が、第２の配管４０の第２往路４０ａを通って副熱交換器４４に流入し、その後、主熱交換器４３に流入する。

給湯設定温度は、例えば約４５℃〜８０℃の間に設定されるものであり、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と給水路５２を通る加熱媒体とにおいて、それぞれの温度と流量との比熱によって、種々の温度パターンが得られる。従って、第２の送水部４１の回転周波数が制御されることによって、給水路５２を通る加熱媒体の温度が給湯設定温度になるように制御される。

ここで、給水路５２から給水される加熱媒体の温度が例えば２０℃であり、設定給湯温度が例えば４５℃の場合について説明する。一般家庭では、通常約４５℃以下の比較的低温の給湯が必要とされる。給水源５１から給水された低温例えば２０℃の加熱媒体は、水配管５の給湯路５３を通って、主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換される。そして、加熱媒体は、副熱交換器４４に流入し、副熱交換器４４において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換される。加熱媒体の温度は、主熱交換器４３及び副熱交換器４４において、２０℃から４５℃に上昇する。４５℃まで加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って給湯部５４に給湯される。

次に、給水路５２から給水される加熱媒体の温度が例えば２０℃であり、設定給湯温度が例えば８０℃の場合について説明する。一般家庭でも、頻度は低いものの、例えば食洗機には約８０℃の比較的高温の給湯が必要とされる場合がある。給水源５１から給水された低温例えば２０℃の加熱媒体は、水配管５の給湯路５３を通って、主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換される。このとき、主熱交換器４３に流れる蓄熱用熱媒体の温度は例えば４５℃以下に設定されているため、加熱媒体の温度は、約４５℃まで上昇する。

そして、加熱媒体は、副熱交換器４４に流入し、副熱交換器４４において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて、温度が８０℃まで上昇する。８０℃まで加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って給湯部５４に給湯される。ここで、副熱交換器４４は、最大熱交換時又は最大温度給湯時においても、副熱交換器４４から流出して主熱交換器４３に流れる蓄熱用熱媒体の温度を、４５℃以下に低下させる能力を有している。これにより、主熱交換器４３に流れる蓄熱用熱媒体の温度は４５℃以下に低下する。ここで、４５℃とは、図２に示すようにスケールが析出し始める加熱媒体の温度であり、約５０℃から若干低い温度である。

設定給湯温度が４５℃の場合及び８０℃の場合のいずれも、蓄熱用熱媒体は、主熱交換器４３から流出した後、低温例えば３５℃まで温度が低下する。給湯部５４への給湯が続けられると、蓄熱槽３２に貯留される高温の蓄熱用熱媒体が徐々に減少する。即ち、蓄熱槽３２において、内部の下方の低温領域が徐々に増加し、内部の上方の高温領域が徐々に減少する。仮に、蓄熱槽３２の全てが低温領域となった場合、給湯設定温度例えば８０℃の給湯は行われない。そこで、蓄熱槽３２の低温領域が増加した場合、前述の蓄熱運転が行われる。

本実施の形態１によれば、蓄熱給湯機１は、蓄熱槽３２が接続された第１の循環回路３及び第２の循環回路４を備えている。このため、蓄熱槽３２に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度を制御することができ、給湯ユニット４２に流れる加熱媒体の温度も制御することができる。よって、スケールの付着を充分に抑制することができる。例えば、第１の送水部３１及び第２の送水部４１を制御して、蓄熱用熱媒体の流量を調整することによって、給湯ユニットにおいて熱交換されて加熱される加熱媒体の温度は、例えば４５℃以下に抑えられる。一般家庭で通常必要とされる約４５℃以下の設定給湯温度の場合、水配管５に流れる加熱媒体の温度は、４５℃以下である。これは、図２に示すようにスケールが析出し始める加熱媒体の温度５０℃よりも小さい。このため、スケールが付着することを抑制することができる。

また、副熱交換器４４は、最大熱交換時又は最大温度給湯時においても、副熱交換器４４から流出して主熱交換器４３に流れる蓄熱用熱媒体の温度を、４５℃以下に低下させる能力を有している。このため、８０℃といった高い設定給湯温度であっても、主熱交換器４３で加熱される加熱媒体の温度は、副熱交換器４４によって４５℃まで抑えられる。従って、主熱交換器４３において加熱媒体が流れる流路にスケールが付着することを抑制することができる。ここで、８０℃といった高温の給湯は使用頻度が低い。このため、副熱交換器４４にスケールが付着し難い。よって、副熱交換器４４を小型化及び長寿命化することができる。

更に、副熱交換器４４は、コイルインタンク式の熱交換器である。コイルインタンク式の熱交換器は、スケール閉塞耐性が高い。このため、副熱交換器４４は、スケールが付着し難い。また、仮に副熱交換器４４にスケールが付着したとしても、副熱交換器４４と主熱交換器４３とは別体であるため、副熱交換器４４のみを洗浄又は交換することができる。従って、メンテナンス性が高い。

熱交換用熱媒体を圧縮する圧縮機２１、熱交換用熱媒体と熱交換して蓄熱用熱媒体を加熱する供給熱交換器２２、膨張部２３及び熱源熱交換器２４がヒートポンプ配管により接続されたヒートポンプ循環回路２を更に備える。これにより、供給熱交換器２２において、蓄熱用熱媒体を加熱することができる。また、給湯ユニット４２において、蓄熱用熱媒体の流れと加熱媒体の流れとは、対向している。これにより、給湯ユニット４２における熱交換効率が向上する。

また、加熱媒体は、蓄熱用熱媒体と熱交換されることによって加熱される。即ち、加熱媒体は、水配管５に流れるだけに過ぎず、第１の循環回路３及び第２の循環回路４には流れない。従って、蓄熱槽３２及び供給熱交換器２２には、加熱媒体に含まれるスケールの基となる成分が流れないため、スケールの析出が抑制される。また、水配管５には、低温で繁殖し易い雑菌等が混入しないため、給湯の衛生性を維持することができる。これにより、殺菌作業が不要であるため、一時的な高温運転も不要である。このため、ヒートポンプ装置２０を不用意に運転する必要がない。従って、電力の消費を削減することができ、省エネルギに資する。以上より、小型化、長寿命化及び高スケール閉塞耐性化された信頼性が高い蓄熱給湯器が実現される。

従来、第１熱交換器及び第２熱交換器を有し、燃料電池から流出する排出ガスを用いて水を加温する給湯用熱交換器が知られている。従来の給湯用熱交換器は、第１熱交換器の水側流路に、常に高温の水が流れるため、第１熱交換器に常にスケールが析出する。このため、スケール付着による閉塞リスクが高くなり、給湯用熱交換器が大型化、高コスト化及び圧力損失の増加に伴う省エネ性の悪化の虞がある。

これに対し、本実施の形態１は、蓄熱槽３２が接続された第１の循環回路３及び第２の循環回路４を備えている。このため、スケール付着の抑制と雑菌繁殖の抑制とを同時に達成することができる。なお、副熱交換器４４は、コイルインタンク式の熱交換器に限らず、配管径を太くしてスケール閉塞耐性が強化された二重管式の熱交換器、コルゲート式の熱交換器又はシェルアンドチューブ式の熱交換器としてもよい。なお、本実施の形態１では、加熱媒体が硬水であっても、温度が４５℃以下に抑えられるため、スケールの付着を抑制することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る蓄熱給湯機１００を示す回路図である。本実施の形態２は、蓄熱給湯機１００において、副熱交換器１４４がプレート式の熱交換器である点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図３に示すように、給湯ユニット１４２が主熱交換器４３と副熱交換器１４４とを有している。副熱交換器１４４は、小型及び高性能なプレート式の熱交換器であり、プレートには、プレートを振動させる振動体１４５が設けられている。プレートは複数設けられ、複数のプレートが一方向に並べて配置されている。振動体１４５は、複数のプレートのうち、配置方向の一端のプレートにおいて、プレートの外縁から離れた位置に固着されている。振動体１４５は、圧電素子である振動子を有しており、高周波導線（図示せず）、高周波電源（図示せず）及び電源（図示せず）に接続されている。

次に、スケール生成抑制運転について説明する。スケール生成抑制運転は、副熱交換器１４４にスケールが生成される可能性がある場合に、スケールが生成されることを抑制する運転である。制御部１０は、水配管５の給湯路５３に取り付けられた流量検出部７によって給湯路５３に、高温例えば５５℃以上の温度の加熱媒体が流れたことが検出された場合、スケール生成抑制運転を開始すると判断する。

この場合、制御部１０は、電圧を振動体１４５に印加するように電源を制御し、高周波電圧を高周波導線を介して振動体１４５に印加するように高周波電源を制御する。これにより、振動体１４５は、例えば超音波振動である振動周波数２０ｋＨｚで振動する。振動体１４５は、副熱交換器１４４のプレートに取り付けられているため、副熱交換器１４４において、プレートの配置方向に振幅する振動が生じる。この振動によって、副熱交換器１４４のプレート面に面した加熱媒体には、キャビテーションの泡が生じる。なお、副熱交換器１４４のプレート面に面した加熱媒体は、給水路５２を通って主熱交換器４３において蓄熱用熱媒体と熱交換されて副熱交換器１４４に流入したものである。キャビテーションの泡は、時間経過に伴って崩壊する。泡崩壊時の物理的な衝撃は、プレート面に付着するスケールといった異物を除去し、また、プレート面に付着する微生物を不活性化する。

本実施の形態２によれば、副熱交換器１４４は、プレート式の熱交換器であり、プレートには、プレートを振動させる振動体１４５が設けられている。このため、振動体１４５が振動して発生した泡が崩壊したときの衝撃によって、プレート面に付着するスケールといった異物を除去し、また、プレート面に付着する微生物を不活性化する。このため、副熱交換器１４４が小型化及び高性能化されても、スケールの蓄積を抑制することができる。また、副熱交換器１４４は、最大熱交換時又は最大温度給湯時においても、副熱交換器１４４から流出して主熱交換器４３に流れる蓄熱用熱媒体の温度を、４５℃以下に低下させる能力を有している。このため、主熱交換器４３にスケールが付着することを抑制することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る蓄熱給湯機２００を示す回路図である。本実施の形態３は、蓄熱給湯機２００において、給湯ユニット２４２が副熱交換器４４の代わりに加熱部２４４を有している点で、実施の形態１と相違する。本実施の形態３では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

（給湯ユニット２４２）
図４に示すように、給湯ユニット２４２は、主熱交換器４３と加熱部２４４とを有している。主熱交換器４３は、第２の循環回路４において蓄熱槽３２の上流側に設けられ、蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱媒体を加熱するものであり、実施の形態１の主熱交換器４３と同様である。加熱部２４４は、主熱交換器４３において蓄熱用熱媒体と熱交換された加熱媒体を更に加熱するものであり、水配管５の給湯路５３に接続されている。加熱部２４４は、加熱媒体の内部に投げ込んで直接加熱する投げ込み式の電気ヒータである。加熱部２４４は、電源（図示せず）に接続されている。

（水配管５）
水配管５は、加熱媒体が流れるものであり、給水源５１と給湯部５４とを接続する給水路５２及び給湯路５３を有する。給水源５１は、加熱媒体の供給元であり、給湯部５４は、加熱媒体の給湯先である。給水路５２は、給水源５１と給湯ユニット２４２の主熱交換器４３とを接続するものである。給湯路５３は、給湯ユニット２４２の加熱部２４４と給湯部５４とを接続するものである。加熱媒体は、例えば水道の水であり、給水源５１から水配管５の給水路５２を通って、給湯ユニット２４２に流入し、給湯ユニット２４２から流出した後、水配管５の給湯路５３を通って、給湯部５４に至る。このように、給湯ユニット２４２において、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体の流れと水配管５に流れる加熱媒体の流れとは、対向している。

（第２の循環回路４における蓄熱用熱媒体の流れ）
次に、第２の循環回路４における蓄熱用熱媒体の流れについて説明する。なお、ヒートポンプ循環回路２における熱交換用熱媒体の流れ及び第１の循環回路３における蓄熱用熱媒体の流れは、実施の形態１と同様である。第２の循環回路４において、第２の送水部４１によって送水された蓄熱用熱媒体は、第２の配管４０の第２復路４０ｂを通って、蓄熱槽３２の下部から蓄熱槽３２の内部に流入し、蓄熱槽３２に貯留される。蓄熱槽３２の内部の上方に蓄えられた高温の蓄熱用熱媒体は、蓄熱槽３２の上部から第２の配管４０の第２往路４０ａに流出する。流出した蓄熱用熱媒体は、第２の配管４０の第２往路４０ａを通って、給湯ユニット２４２の主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において、水配管５に流れる加熱媒体と熱交換されて冷却される。このとき、加熱媒体が加熱される。冷却された蓄熱用熱媒体は、再び第２の送水部４１に戻る。このように、蓄熱用熱媒体は、第２の循環回路４を循環している。

（水配管５における加熱媒体の流れ）
次に、水配管５における加熱媒体の流れについて説明する。給水源５１から給水された加熱媒体は、給水路５２を通って、給湯ユニット２４２の主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において、第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて加熱される。その後、加熱された加熱媒体は、給湯ユニット２４２の加熱部２４４に流入し、加熱部２４４において更に加熱される。加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って、給湯部５４に至る。

（蓄熱運転）
次に、蓄熱運転について説明する。蓄熱運転において、蓄熱槽３２に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度は、スケールが析出し易い温度例えば５５℃以下である点で、実施の形態１と相違し、そのほかについては実施の形態１と同様である。

（給湯運転）
次に、給湯運転について説明する。先ず、給水路５２から給水される加熱媒体の温度が例えば２０℃であり、設定給湯温度が例えば４５℃の場合について説明する。給水源５１から給水された低温例えば２０℃の加熱媒体は、水配管５の給湯路５３を通って、主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて、温度が２０℃から４５℃まで上昇する。４５℃まで加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って給湯部５４に給湯される。

次に、給水路５２から給水される加熱媒体の温度が例えば２０℃であり、設定給湯温度が５５℃以上の温度、例えば８０℃の場合について説明する。制御部１０は、設定給湯温度が、８０℃といった蓄熱槽３２に蓄えられた蓄熱用熱媒体の温度よりも高い温度である場合、電圧を加熱部２４４に印加するように電源を制御する。給水源５１から給水された低温例えば２０℃の加熱媒体は、水配管５の給湯路５３を通って、主熱交換器４３に流入し、主熱交換器４３において第２の循環回路４に流れる蓄熱用熱媒体と熱交換されて、温度が２０℃から４５℃まで上昇する。そして、加熱媒体は、加熱部２４４に流入し、加熱部２４４によって加熱されて、温度が８０℃まで上昇する。８０℃まで加熱された加熱媒体は、給湯路５３を通って給湯部５４に給湯される。

本実施の形態３によれば、蓄熱槽３２に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度を、スケールが析出し難い温度に抑えることができる。このため、蓄熱用熱媒体を加熱するための例えばヒートポンプ装置２０の負荷といった動力を抑えることができる。また、蓄熱槽３２に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度が低い場合、蓄熱槽３２からの放熱の影響が低い。このため、蓄熱槽３２に施す断熱のレベルを下げることができる。

また、蓄熱槽３２に蓄えられる蓄熱用熱媒体の温度が低い場合、加熱媒体が加熱される温度も低い。このため、主熱交換器４３において加熱媒体が流れる流路にスケールが付着することを抑制することができる。また、加熱媒体は、蓄熱用熱媒体と熱交換されることによって加熱される。即ち、加熱媒体は、水配管５に流れるだけに過ぎず、第１の循環回路３及び第２の循環回路４には流れない。従って、蓄熱槽３２及び供給熱交換器２２には、加熱媒体に含まれるスケールの基となる成分が流れないため、スケールの析出が抑制される。また、水配管５には、低温で繁殖し易い雑菌等が混入しないため、給湯の衛生性を維持することができる。これにより、殺菌作業が不要であるため、一時的な高温運転も不要である。このため、ヒートポンプ装置２０を不用意に運転する必要がなく、また、加熱部２４４を不用意に運転する必要もない。従って、電力の消費を削減することができ、省エネルギに資する。

なお、加熱部２４４が電気ヒータである場合について例示したが、これに限らず、加熱部２４４が可燃性媒体による燃焼器であってもよい。

また、実施の形態１〜３において、蓄熱用熱媒体を不凍液としたが、水としてもよい。この場合、水の温度を管理して、凍結しないようにすることが必要とされる。また、蓄熱槽３２に、蓄熱用熱媒体と共に潜熱蓄熱体が収容されてもよい。潜熱蓄熱体は、潜熱蓄熱材が内部に密閉収容された容器であり、例えば中空状の球形容器又は中空状の平板状容器である。潜熱蓄熱材は、蓄熱用熱媒体の使用温度範囲内で凝固及び融解するものであり、例えばパラフィン又は酢酸ナトリウム水和物である。潜熱蓄熱体が収容された蓄熱槽３２は、所定の蓄熱量を保持したまま、蓄熱容積を抑制することができる。このため、蓄熱槽３２を小型化するか又は同じ蓄熱容積のまま蓄熱量を増加させることができる。なお、実施の形態１〜３は、蓄熱給湯機２００について例示しているが、蓄熱給湯空調機としてもよい。

１ 蓄熱給湯機、２ ヒートポンプ循環回路、３ 第１の循環回路、４ 第２の循環回路、５ 水配管、６ 温度検出部、７ 流量検出部、１０ 制御部、２０ ヒートポンプ装置、２１ 圧縮機、２２ 供給熱交換器、２３ 膨張部、２４ 熱源熱交換器、２５ 外気送風機、３０ 第１の配管、３０ａ 第１往路、３０ｂ 第１復路、３１ 第１の送水部、３２ 蓄熱槽、４０ 第２の配管、４０ａ 第２往路、４０ｂ 第２復路、４１ 第２の送水部、４２ 給湯ユニット、４３ 主熱交換器、４４ 副熱交換器、５１ 給水源、５２ 給水路、５３ 給湯路、５４ 給湯部、１００ 蓄熱給湯機、１４２ 給湯ユニット、１４４ 副熱交換器、１４５ 振動体、２００ 蓄熱給湯機、２４２ 給湯ユニット、２４４ 加熱部。

Claims (11)

1. 蓄熱用熱媒体を送水する第１の送水部と、前記第１の送水部によって送水された前記蓄熱用熱媒体を加熱する供給熱交換器と、前記蓄熱用熱媒体を貯留する蓄熱槽とが第１の配管により接続された第１の循環回路と、
   前記蓄熱槽に貯留された前記蓄熱用熱媒体を送水する第２の送水部と、前記蓄熱槽と、前記第２の送水部によって送水された前記蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱媒体を加熱する給湯ユニットとが第２の配管により接続された第２の循環回路と、を備え、
   前記給湯ユニットは、
   前記加熱媒体を加熱する主熱交換器と、
   前記第２の循環回路において前記主熱交換器の上流側に設けられ、前記主熱交換器において前記蓄熱用熱媒体と熱交換された前記加熱媒体を加熱する副熱交換器と、
   を有する蓄熱給湯機。
2. 前記副熱交換器は、
   コイルインタンク式の熱交換器である
   請求項１記載の蓄熱給湯機。
3. 前記副熱交換器は、
   プレート式の熱交換器であり、
   プレートには、前記プレートを振動させる振動体が設けられている
   請求項１記載の蓄熱給湯機。
4. 前記副熱交換器は、
   前記主熱交換器に流れる前記蓄熱用熱媒体の温度を４５℃以下に低下させる能力を有する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱給湯機。
5. 蓄熱用熱媒体を送水する第１の送水部と、前記第１の送水部によって送水された前記蓄熱用熱媒体を加熱する供給熱交換器と、前記蓄熱用熱媒体を貯留する蓄熱槽とが第１の配管により接続された第１の循環回路と、
   前記蓄熱槽に貯留された前記蓄熱用熱媒体を送水する第２の送水部と、前記蓄熱槽と、加熱媒体を加熱する給湯ユニットとが第２の配管により接続された第２の循環回路と、を備え、
   前記給湯ユニットは、
   前記第２の送水部によって送水された前記蓄熱用熱媒体と熱交換して前記加熱媒体を加熱する主熱交換器と、
   前記主熱交換器において前記蓄熱用熱媒体と熱交換された前記加熱媒体を加熱する加熱部と、
   を有する蓄熱給湯機。
6. 前記加熱部は、電気ヒータである
   請求項５記載の蓄熱給湯機。
7. 前記加熱部は、燃焼器である
   請求項５記載の蓄熱給湯機。
8. 熱交換用熱媒体を圧縮する圧縮機、前記熱交換用熱媒体と熱交換して前記蓄熱用熱媒体を加熱する前記供給熱交換器、膨張部及び熱源熱交換器がヒートポンプ配管により接続されたヒートポンプ循環回路を更に備える
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄熱給湯機。
9. 前記給湯ユニットにおいて、前記蓄熱用熱媒体の流れと前記加熱媒体の流れとは、対向している
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の蓄熱給湯機。
10. 前記蓄熱用熱媒体の温度は、５５℃以下である
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の蓄熱給湯機。
11. 前記加熱媒体は、硬水である
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蓄熱給湯機。

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