JP5838914B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

この発明は、貯湯式給湯機に関する。

従来、この種の給湯機の風呂熱回収は、給湯時、給水管から分岐されたバイパス管に設けられた熱回収器で浴槽水の廃熱と給水配管を流れる水との熱交換をすることにより、浴槽内の熱を回収して給水予熱に利用することが提案されている（特許文献１）。

特開２０１１−１２８４５号公報

しかしながら、熱回収器は、高効率で熱交換を行うために、その内部形状が伝熱面積を高めるための複雑な形状をしていることが多く、流路抵抗が大きくなるのが一般的である。そのため、上述した特許文献１の構成において、給水管から貯湯タンクを経由して給湯配管を流れる流路と、給水管に分岐されたバイパス管から熱回収器を経由して給湯配管に合流するまでの流路を比較すると、熱回収器を経由する流路の流路抵抗比が非常に高く、貯湯タンクを経由する流路に流れる温水流量が熱回収器を経由して流れる温水流量に対して非常に大きくなり、熱回収器で熱交換するために必要な流量が小さくなり、これにより浴槽水の廃熱回収効率が低下するという課題がある。

そのため、給湯配管とバイパス管の合流部には、配管流量比を制御するための混合弁などの流量調整機構を追加する必要があり、部品点数が多くなり製品コストが高くなるという課題があった。また、ユーザーの給湯の使用について、蛇口での出湯やシャワー出湯を想定した場合、１回の給湯にかかる時間は一般的に数十秒から数分単位であるため、高効率な風呂熱回収を実現するためには、給湯を検知してから迅速に高効率な風呂熱回収を実施する必要がある。このため、従来の技術では、バイパス回路の必要流量確保が困難となり、風呂熱回収能力向上が困難であった。

更に、給水管から分岐されたバイパス管に熱回収器を設けた構成の場合、上述したように熱回収器を経由する流路抵抗が大きくなるため、下流側の給湯端末から出湯する流量が低下してしまい、ユーザーが所望する必要流量を出湯することができなくなるという課題もあった。その上、バイパス管に熱回収器を設けることは製品として単純に部品点数が追加となるため、製品コストが上昇し、消費者に安いコストで高効率給湯機を提供することに対して大きな課題となっていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ヒートポンプ等を用いた貯湯式給湯機の機能である沸き上げや追焚き、給湯などの基本的な機能を満足するために使用する既存の部品構成を利用して、浴槽水の廃熱を高効率に回収することが可能な貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

この発明に係る貯湯式給湯機は、温水を貯留させる貯湯タンクと、所定の加熱手段を利用して貯湯タンク内の水を加熱して高温水とする沸き上げ用熱交換器と、貯湯タンク内の湯水と、浴槽内の浴槽水とを熱交換させる利用側熱交換器と、一端が貯湯タンクの下部に接続され、途中に沸き上げ用熱交換器が設置され、他端が貯湯タンクの上部に接続された沸き上げ水循環回路と、一端が貯湯タンクの上部に接続され、途中に利用側熱交換器が設置され、他端が沸き上げ水循環回路における貯湯タンクの下部と沸き上げ用熱交換器との間に接続された熱源側配管と、沸き上げ水循環回路と熱源側配管の他端との接続部に設置された第１流路切替手段と、浴槽から環状に構成された回路であって、途中に利用側熱交換器と風呂循環ポンプとが設置された浴槽水循環回路と、沸き上げ水循環回路における第１流路切替手段と沸き上げ用熱交換器との間に設置された循環ポンプと、一端が沸き上げ循環回路における循環ポンプの吐出側と沸き上げ水循環回路における沸き上げ用熱交換器との間に接続され、他端が沸き上げ水循環回路における沸き上げ用熱交換器と貯湯タンクの上部との間に接続されたバイパス配管と、沸き上げ水循環回路とバイパス配管の他端との接続部に設置された第２流路切替手段と、一端が貯湯タンクの下部に接続され、他端が熱源側配管における利用側熱交換器と貯湯タンクの上部との間に接続された低温水配管と、低温水配管の他端と熱源側配管との接続部に設置された第３流路切替手段と、一端が沸き上げ循環回路における貯湯タンクの上部と第２流路切替手段との間に接続され、他端が給湯端末へと接続された給湯配管と、貯湯タンクから低温水配管へ流出する低温水の温度を検知する低温水検知手段と、浴槽から浴槽水循環回路へ流出する浴槽水の温度を検知する浴槽水温度検知手段と、給湯配管の途中に設けられた流量検知手段と、を備え、第１，第２，第３流路切替手段を動作させて、貯湯タンクの下部から第３流路切替手段、利用側熱交換器、第１流路切替手段、循環ポンプおよび第２流路切替手段を順に介して給湯配管へと連通する流路を形成した状態において流量検知手段が所定流量以上の流量を検知した場合に風呂循環ポンプを駆動させ、低温水検知手段による検知温度が浴槽水温度検知手段による検知温度よりも低い場合に循環ポンプを駆動させる制御手段と、を備えるものである。

この発明によれば、ヒートポンプ等を用いた貯湯式給湯機の機能である沸き上げや追焚き、給湯などの基本的な機能を満足するために使用する既存の部品構成を利用して、浴槽水の廃熱を高効率に回収することが可能な貯湯式給湯機を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の待機状態での回路構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の沸き上げ単独運転時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の浴槽水追焚き運転の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の給湯時の浴槽水廃熱回収運転待機時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の給湯時の浴槽水廃熱回収運転時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の待機運転時の回路構成図である。 本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の構成図である。 本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の浴槽水廃熱回収運転とヒートポンプ配管の凍結予防運転の同時運転時の回路構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の構成図である。図１に示す貯湯式給湯機１００は、貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプサイクルを利用するように構成されたヒートポンプユニット６０とを備えている。２つのユニット１、６０は、ヒートポンプ入口配管４１とヒートポンプ出口配管４２とによって接続されている。また、貯湯タンクユニット１には、制御部７０が内蔵されている。貯湯タンクユニット１およびヒートポンプユニット６０が備える各種の弁類、ポンプ類等の作動は、これらと電気的に接続された制御部７０により制御される。以下、貯湯式給湯機１００の各構成要素について説明する。

ヒートポンプユニット６０は、貯湯タンクユニット１から導かれた低温水を加熱する（沸き上げる）ための加熱手段として機能するものである。ヒートポンプユニット６０は、圧縮機６１、沸き上げ用熱交換器６２、膨張弁６３、空気熱交換器６４を冷媒循環配管６５にて環状に接続し、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を構成している。沸き上げ用熱交換器６２は、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒循環配管６５を流れる冷媒と貯湯タンクユニット１から導かれた低温水との間で熱交換を行うためのものである。

また、ＨＰ出口側サーミスタ６６は、沸き上げ用熱交換器６２で加熱した高温水の温度を検知するための温度センサであり、ヒートポンプ出口配管４２に設けられている。また、外気温サーミスタ６７は、ヒートポンプユニット６０の周囲の外気温度を検知するための温度センサであり、外気に晒される部位に設けられている。尚、ヒートポンプユニット６０で高温水を得るためには、ヒートポンプサイクルは、冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。しかしながら、本発明において適用可能なヒートポンプサイクルは、上記超臨界ヒートポンプサイクルに限らず、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

一方、貯湯タンクユニット１には、以下の各種部品や配管などが内蔵されている。貯湯タンク１０は、湯水を貯留するためのものである。貯湯タンク１０の下部には、市水を供給するための給水配管２が接続されており、貯湯タンク１０の上部には、貯留した湯水を給湯機外部へ供給するための給湯配管３がタンク上部配管４３から分岐されて接続されている。

尚、貯湯タンク１０には、ヒートポンプユニット６０を用いて加熱された高温水がタンク上部から流入されるとともに、タンク下部配管４０を介して低温水をタンク下部から流出させることにより、タンク内の上部と下部で温度差が生じるように湯水が貯留される。

また、貯湯タンク１０には、取付高さを変えて貯湯タンク１０内の湯水の温度分布を検知するための残湯サーミスタ１１、１２が取り付けられている。これらの残湯サーミスタ１１、１２により取得された温度分布に基づいて、貯湯タンク１０内の残湯量が把握され、ヒートポンプユニット６０による貯湯タンク１０内の湯水の沸き上げ運転の開始および停止などが制御される。

また、貯湯タンクユニット１内には、循環ポンプ２１および利用側熱交換器２２が内蔵されている。循環ポンプ２１は、貯湯タンクユニット１内の後述する各種配管に湯水を循環させるためのポンプであり、ヒートポンプ入口配管４１の途中に設けられている。利用側熱交換器２２は、貯湯タンク１０やヒートポンプユニット６０から供給される高温水を利用して、２次側の加熱対象水（浴槽循環水や暖房用循環水など）を加熱するための熱交換器である。

尚、本実施形態では、利用側熱交換器２２の２次側の構成として、浴槽５０内の湯水を循環させる浴槽水循環回路５１を例に挙げて説明する。上記利用側熱交換器２２は、浴槽水循環回路５１の途中に設置されている。また、浴槽水循環回路５１の途中には、浴槽水を循環させるための２次側循環ポンプ５２と、浴槽５０から出た浴槽水の温度を検知するための浴槽入口側サーミスタ５３とが設置されている。

次に、貯湯タンクユニット１が備える弁類および配管類について説明する。貯湯タンクユニット１は、三方弁３１、四方弁３２および三方弁３３を有している。三方弁３１は、湯水が流入する２つの入口（ａポート、ｂポート）と、湯水が流出する１つの出口（ｃポート）とを有する流路切替手段であり、ａポートもしくはｂポートのどちらかから湯水が流入するように湯水の経路を切り替え可能に構成されている。

四方弁３２は、湯水が流入する２つの入口（ｂポート、ｃポート）と、湯水が流出する２つの出口（ａポート、ｄポート）とを有する流路切替手段であり、４つの経路、すなわち、ａ−ｂ経路、ａ−ｃ経路、ｃ−ｄ経路、ｂ−ｄ経路の間で流路形態を切り替え可能に構成されている。

三方弁３３は湯水が流入する２つの入口（ａポート、ｂポート）と、湯水が流出する１つの出口（ｃポート）とを有する流路切替手段であり、ａポートもしくはｂポートのどちらかから湯水が流入するように湯水の経路を切り替え可能に構成されている。

また、貯湯タンクユニット１は、タンク下部配管４０、上記ヒートポンプ入口配管４１、上記ヒートポンプ出口配管４２およびタンク上部配管４３により構成される沸き上げ循環回路、タンク戻し配管４４、利用側熱交換器１次側入口配管４５、利用側熱交換器１次側出口配管４６、バイパス配管４７、高温水配管４８および低温水配管４９を有している。

より具体的には、タンク下部配管４０は、貯湯タンク１０の第１下部と三方弁３１のａポートとを接続する流路である。ヒートポンプ入口配管４１は、三方弁３１のｃポートとヒートポンプユニット６０の入口側とを接続する流路であり、ヒートポンプ出口配管４２は、ヒートポンプユニット６０の出口側と四方弁３２のｃポートとを接続する流路である。

タンク上部配管４３は、四方弁３２のｄポートと貯湯タンク１０上部とを接続する流路であり、タンク戻し配管４４は、四方弁３２のａポートと貯湯タンク１０の中央部から下部の間に設けられた戻し口（第２下部）とを接続する流路である。

また、高温水配管４８は、貯湯タンク１０の上部と三方弁３３のａポートとを接続する流路であり、利用側熱交換器１次側入口配管４５は、三方弁３３のｃポートと利用側熱交換器２２の１次側入口とを接続する流路であり、利用側熱交換器１次側出口配管４６は、利用側熱交換器２２の１次側出口と三方弁３１のｂポートとを接続する流路であり、また、低温水配管４９は、貯湯タンク１０の下部と三方弁３３のｂポートとを接続する流路である。更に、バイパス配管４７は、ヒートポンプ入口配管４１における循環ポンプ２１の吐出側から分岐して四方弁３２のｂポートと接続される流路である。また、低温水配管４９の途中には、三方弁３３のｂポートから貯湯タンク１０の下部への湯水の逆流を防止するための逆止弁５５が設けられている。

更に貯湯タンクユニット１は、給水配管２、給湯配管３、給水分岐管４、給湯混合弁６および混合水給湯管５を有している。より具体的には、給水分岐管４は、給水配管２の途中から分岐して給湯混合弁６の水側配管を構成している。また、給湯配管３は、タンク上部配管４３から分岐して給湯混合弁６の湯側配管を構成している。尚、市水からの供給圧力は地域により異なるので、給水配管２の途中には貯湯タンクに印加する圧力を一定値以下に保持するための減圧弁７が接続されている。

給湯混合弁６は、給湯配管３から供給される高温水と給水分岐管４から流れる水の流量比を調整して、ユーザーが設定可能なリモコン（図示しない）にて設定された設定温度に調整する弁である。給湯混合弁６で温度調整された温水は、混合水給湯管５から、ユーザーが使用するシャワーやカラン等の蛇口８０に供給される。

給湯配管３の途中には、給湯サーミスタ１３が設けられている。また、混合水給湯管５には混合水サーミスタ９、混合水流量センサ８が備えられており、混合水は、混合弁６にて混合水サーミスタ９の温度に基づいてフィードバック制御が行われて設定温度に制御される。また、混合水流量センサ８の検出値により、給湯のあり、なしの判定を実施し、ありの場合には、混合水サーミスタ９の検出値に基づき温度制御を実施する。

本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２〜６に示す運転状態に応じて上記三方弁３１を制御して、次の第１および第２の２つの流路形態の間で、貯湯タンクユニット１内の湯水の流路を切り替えて使用するようになっている。

より具体的には、三方弁３１により選択可能な「第１流路形態」とは、貯湯タンク１０の第１下部と沸き上げ用熱交換器６２とがタンク下部配管４０およびヒートポンプ入口配管４１を介して連通する流路形態のことであり、「第２流路形態」とは、利用側熱交換器１次側出口配管４６と沸き上げ用熱交換器６２とがヒートポンプ入口配管４１を介して連通する流路形態のことである。

また、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２〜６に示す運転状態に応じて上記四方弁３２を制御して、次の第１〜第４の４つの流路形態の間で、貯湯タンクユニット１内の湯水の流路を切り替えて使用するようになっている。

より具体的には、四方弁３２により選択可能な「第１流路形態」とは、沸き上げ用熱交換器６２と貯湯タンク１０の上部とがヒートポンプ出口配管４２およびタンク上部配管４３を介して連通する流路形態のことであり、「第２流路形態」とは、沸き上げ用熱交換器６２とタンク戻し配管４４とがヒートポンプ出口配管４２を介して連通する流路形態であり、「第３流路形態」とは、バイパス配管４７と貯湯タンク１０下部とが、タンク戻し配管４４を介して連通する流路形態のことである。また、「第４流路形態」とは、バイパス配管４７と貯湯タンク１０の上部とが、タンク上部配管４３を介して連通する流路形態である。

更に、本実施形態の貯湯式給湯機１００では、以下の図２〜６に示す運転状態に応じて上記三方弁３３を制御して、次の第１および第２の２つの流路形態の間で、貯湯タンクユニット１内の湯水の流路を切り替えて使用するようになっている。

より具体的には、三方弁３３により選択可能な「第１流路形態」とは、貯湯タンク１０上部と利用側熱交換器２２とが高温水配管４８および利用側熱交換器１次側入口配管４５を介して連通する流路形態のことであり、「第２流路形態」とは、貯湯タンク１０下部と利用側熱交換器２２とが低温水配管４９と利用側熱交換器１次側入口配管４５を介して連通する流路形態のことである。

図２は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の待機状態での回路構成図である。尚、この待機状態とは、後述する沸き上げ運転や浴槽水追焚き運転などの何れの運転も行っていない状態のことである。

待機状態では、三方弁３１は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３１の上記第１流路形態が選択されるように）制御される。これにより、タンク下部配管４０とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、利用側熱交換器１次側出口配管４６側を閉として利用側熱交換器２２からの流路が遮断される。

また、待機状態では、四方弁３２は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートとｄポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、ヒートポンプ出口配管４２とタンク戻し配管４４とが連通するとともに、タンク上部配管４３側の流路が閉状態となる。尚、この待機状態では、循環ポンプ２１、ヒートポンプユニット６０および２次側循環ポンプ５２のいずれも停止状態である。

更に、三方弁３３は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３３の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、低温水配管４９と利用側熱交換器１次側入口配管４５とが連通するとともに、高温水配管４８側を閉として貯湯タンク１０上部からの流路が遮断される。

次に、図３は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の沸き上げ単独運転時の回路構成図である。尚、ここでいう沸き上げ単独運転とは、ヒートポンプユニット６０を利用して貯湯タンク１０内の水を沸き上げる沸き上げ運転が単独で行われるもののことである。

この沸き上げ単独運転時には、三方弁３１は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３１の上記第１流路形態が選択されるように）制御される。これにより、タンク下部配管４０とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、利用側熱交換器１次側出口配管４６側を閉として利用側熱交換器２２からの流路が遮断される。

また、沸き上げ単独運転時には、四方弁３２は、ｃポートとｄポートとが連通し、ａポートとｂポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第１流路形態が選択されるように）制御される。

これにより、ヒートポンプ出口配管４２とタンク上部配管４３とが連通するとともに、タンク戻し配管４４側を閉として貯湯タンク１０の第２下部への流路が遮断される。ここで三方弁３３の弁の位置は沸き上げには直接影響しないため詳細の説明は省略する。

沸き上げ単独運転は、上記のように三方弁３１および四方弁３２が制御された状態で、循環ポンプ２１とヒートポンプユニット６０の運転を開始することにより実行される。その結果、貯湯タンク１０の第１下部から流出する低温水は、タンク下部配管４０、三方弁３１、循環ポンプ２１およびヒートポンプ入口配管４１を経由してヒートポンプユニット６０に導かれ、沸き上げ用熱交換器６２において加熱された後、高温水となってヒートポンプ出口配管４２、四方弁３２およびタンク上部配管４３を経由して、貯湯タンク１０の上部から当該貯湯タンク１０内に流入し貯えられる。このような沸き上げ単独運転が実行されることで、貯湯タンク１０の内部では、上層部から高温水が貯えられていき、この高温水層が徐々に厚くなる。

図４は、貯湯タンク１０内の高温水を利用して浴槽水を加熱する浴槽水追焚き単独運転時（以下、「貯湯利用の浴槽水追焚き単独運転」と称する）の回路構成を示す図である。
先ず、図２に示す待機状態から、三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３１の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器１次側出口配管４６とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０側を閉状態として貯湯タンク１０下部からの流路が遮断される。

また、貯湯利用の浴槽水追焚き単独運転では、四方弁３２は、ｂポートとａポートとが連通し、ｃポートとｄポートが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第３流路形態が選択されるように）制御される。これにより、バイパス配管４７とタンク戻し配管４４とが連通するとともに、ヒートポンプ出口配管４２側とタンク上部配管４３側への連通が遮断される。

更に、貯湯利用の浴槽水追焚き単独運転では、三方弁３３は、ａポートとｃポートとが連通し、ｂポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３３の上記第１流路形態が選択されるように）制御される。これにより、高温水配管４８と利用側熱交換器１次側入口配管４５とが連通するとともに、低温水配管４９側を閉として貯湯タンク１０下部からの流路が遮断される。

貯湯利用の浴槽水追焚き単独運転は、上記のように三方弁３１，３３および四方弁３２が制御された状態で、循環ポンプ２１の運転を開始することにより実行される。その結果、貯湯タンク１０の上部から流出する高温水は、高温水配管４８、利用側熱交換器１次側入口配管４５を経由して利用側熱交換器２２に導かれ、利用側熱交換器２２で浴槽水との熱交換をし、熱交換後の温水は利用側熱交換器１次側出口配管４６、三方弁３１、循環ポンプ２１、ヒートポンプ入口配管４１、バイパス配管４７、四方弁３２、タンク戻し配管４４を経由して、貯湯タンク１０の中央部から下部の間に設けられた戻し口から貯湯タンク１０に戻される。

このとき、高温水は貯湯タンク１０の上部から流出させ、利用側熱交換器２２で熱を奪われた低温水は貯湯タンク１０の中央部から下部に設けられた戻し口から流入させるため、貯湯タンク１０内では、高温水層が徐々に薄くなる。尚、貯湯利用の浴槽水追焚き単独運転では、ヒートポンプユニット６０は運転を停止しておく。

一方、浴槽５０側の経路では、２次側循環ポンプ５２を運転することで、浴槽５０に張られた湯水が浴槽水循環回路５１内を循環する。その結果、利用側熱交換器２２の１次側を流れる高温水の熱が、利用側熱交換器２２の２次側を流れる湯水に伝達されて、浴槽５０内に張られた湯水が温められる。

図５は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の給湯動作中の浴槽水廃熱回収運転待機時の回路構成図である。先ず、図２に示す待機状態から、三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３１の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器１次側出口配管４６とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０を閉として貯湯タンク１０下部からの流路が遮断される。

また、浴槽水廃熱回収運転待機状態では、四方弁３２は、ｂポートとｄポートとが連通し、ａポートとｃポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第４流路形態が選択されるように）制御される。これにより、バイパス配管４７とタンク上部配管４３とが連通するとともに、ヒートポンプ出口配管４２側とタンク戻し配管４４の流路が閉状態となる。

更に、浴槽水廃熱回収運転待機状態では、三方弁３３は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３３の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、低温水配管４９と利用側熱交換器１次側入口配管４５とが連通するとともに、高温水配管４８側を閉として貯湯タンク１０上部からの流路が遮断される。

尚、この浴槽水廃熱回収運転待機状態では、循環ポンプ２１、ヒートポンプユニット６０および２次側循環ポンプ５２の何れも停止状態に制御される。ここで、上述したとおり、本実施の形態の貯湯式給湯機１００は、低温水配管４９の途中に逆止弁５５を備えている。このため、上述した図５に示す待機状態のとき、高温水と低温水の比重差による対流によって高温水が低温水配管４９内を逆流することを防ぐことができる。

図２に示す待機状態から図５に示す浴槽水廃熱回収運転待機状態への移行は、浴槽水の廃熱回収が実施可能な状況であることが条件にされる。具体的には、例えば、２次側循環ポンプ５２を所定時間運転した後に、浴槽の温水の有無を検出する水流検知センサ（図示しない）が浴槽水ありと検知した場合、図５の浴槽水廃熱回収運転待機状態へ移行する。

特に、２次側循環ポンプ５２を運転して、所定時間経過したときの浴槽入口サーミスタ５３の検出値が所定値（例えば３５℃）以上を検出したときや、浴槽入口サーミスタ５３の検出温度と下部残湯サーミスタ１２の温度とを比較して、温度差が所定値以上ある場合には、図５の浴槽水廃熱回収運転待機状態へ速やかに移行していることが好ましい。これにより、次回給湯動作が発生した場合に、迅速な廃熱回収を行うことが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の給湯動作中の浴槽水廃熱回収運転時の回路構成図である。ユーザーが蛇口やシャワー等を開状態にした場合、貯湯タンク１０上部に貯湯された高温水と給水配管２から供給される低温水とが給湯混合弁３１にて混合された後、混合水給湯管５を経由して蛇口８０から給湯される。この際、混合水サーミスタ９により検知された混合水の温度が予め設定された温度となるように、給湯混合弁３１の開度がフィードバック制御される。

また、上記給湯によって混合水流量センサ８の検出値が所定値（例えば２リットル毎分）以上となると、給湯ありと判断されて、浴槽水廃熱回収運転が開始される。具体的には、先ず、２次側循環ポンプ５２が駆動される。２次側循環ポンプ５２の駆動が開始されてから、浴槽入口サーミスタ５３に浴槽内の温水が到達するまでの時間の経過後（例えば３０ｓ）に、浴槽入口サーミスタ５３による検知温度と、貯湯タンク１０下部の温度を検知する下部残湯サーミスタ１２による検知温度とが比較される。その結果、浴槽入口サーミスタ５３の検知温度が高いと判定された場合に、循環ポンプ２１が駆動されて浴槽水の廃熱回収が実施される。

循環ポンプ２１が駆動されると、図６に示すように、貯湯タンク１０下部の低温水（例えば１０℃）は、低温水配管４９、三方弁３３、利用側熱交換器１次側入口配管４５を流れ、熱交換器２２において浴槽水（例えば４０℃）と熱交換を行い昇温される。昇温後の温水（例えば４０℃）は、利用側熱交換器１次側出口配管４６、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、循環ポンプ２１、バイパス配管４７、四方弁３２、タンク上部配管４３を経て給湯配管３へ供給される。

このとき、タンク上部配管４３を流れる浴槽水廃熱回収後の温水（４０℃）は、給湯配管３とタンク上部配管４３との合流部において貯湯タンク１０上部の高温水（例えば９０℃）と混合される。混合後の高温水は給湯混合弁６の湯側配管に供給され、給水分岐管４からの低温水と混合されて設定温度に調整された後に、混合水給湯管５を経て蛇口８０から出湯される。

尚、熱交換器２２の流路抵抗ならびに配管抵抗等によっては、タンク上部配管４３からの温水流量が低下する。このため、本実施の形態の貯湯式給湯機１００では、タンク上部配管４３からの浴槽水廃熱回収後の温水流量が少ない場合には、循環ポンプ２１の回転数を増加して温水流量を増加するよう回転数制御を実施する。浴槽水廃熱回収後の温水流量は、例えば、浴槽水廃熱回収運転時の給湯水の回路を構成する配管の途中に流量センサを設けることにより検知することができる。これにより、流路抵抗により、廃熱回収流量が低下する場合であっても、沸き上げに使用する循環ポンプ２１の駆動により、廃熱回収流量の増加が可能となり、短い給湯時間の中でも高効率な浴槽水廃熱回収の実現が可能となる。

また、浴槽水廃熱回収運転時における循環ポンプ２１の回転数は、給湯サーミスタ１３による検知温度に基づいて制御することとしてもよい。具体的には、例えば、給湯サーミスタ１３の検知温度が予め設定された温度より高い場合、タンク上部配管４３の通過流量（浴槽水廃熱回収流量）が少ないと判断し、循環ポンプ２１の運転回転数を上昇させる。これにより、熱交換器２２を通過する温水流量が増加し浴槽水の廃熱回収能力が向上するので、短い給湯時間の中でも高効率な浴槽水廃熱回収の実現が可能となる。

このように、循環ポンプ２１の駆動により浴槽水廃熱回収流量を増加することが可能となり、回収効率が向上することから、高効率な浴槽水の廃熱回収が可能となり、回収された熱を給湯に利用することで、省エネルギー化を実現することが可能となる。

尚、混合水流量センサ８の検出値が所定の小流量となると、給湯が停止されたと判断されて、浴槽水廃熱回収運転が停止される。但し、給湯動作が一端停止された場合であっても、短時間のうちに再度給湯が開始されることも十分に想定される。そこで、本実施の形態１の貯湯式給湯機１００では、給湯が停止されたと判断された場合に、所定の待機運転を行うこととする。

図７は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機１００の待機運転中の回路構成図である。この図に示すとおり、浴槽水廃熱回収運転から待機運転に移行する場合には、四方弁３２は、ｂポートとａポートが連通し、ｃポートとｄポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第３流路形態が選択されるように）制御される。そして、２次側循環ポンプ５２および循環ポンプ２１の駆動は所定時間維持される。

上記のように制御された待機運転中は、図７に示すように、貯湯タンク１０下部の低温水（例えば１０℃）は、低温水配管４９、三方弁３３、利用側熱交換器１次側入口配管４５を流れ、熱交換器２２において浴槽水（例えば４０℃）と熱交換を行い昇温される。昇温後の温水（例えば４０℃）は、利用側熱交換器１次側出口配管４６、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、循環ポンプ２１、バイパス配管４７、四方弁３２、タンク戻し配管４４を経て貯湯タンク１０の中央部から下部の間に設けられた戻し口（第２下部）へ再び戻される。このような待機運転によれば、給湯動作が所定時間内に再開された場合に、四方弁３２を、ｂポートとｄポートとが連通し、ａポートとｃポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第４流路形態が選択されるように）制御することで、浴槽水廃熱回収運転を速やかに再開することが可能となる。

次に、浴槽水廃熱回収運転の禁止条件について説明する。浴槽水の廃熱回収をする条件は、基本的にはユーザーが入浴をしていないこと、ならびに今後入浴をしないであろう条件であることが望まれる。風呂自動運転機能を有する給湯機においては、リモコン等で風呂時度運転を設定する機能を有しており、風呂自動運転が設定されている場合には、浴槽温度が設定された温度に保たれる機能を有している。

このとき、風呂自動運転が設定されているときには、浴槽水廃熱を実施すると浴槽水の温度が低下するため、ユーザーが入浴したときに不快に感じることは明白なため、浴槽水の廃熱回収運転を禁止する。これにより、ユーザーに不便をかける事態を有効に回避することができる。

また、風呂自動運転が設定されているいないにかかわらず、浴槽にユーザーが入浴をしていると判断したときには浴槽水の廃熱回収運転を禁止する。例えば浴槽水へのユーザーの入浴を検知する入浴検知手段を備え、ユーザーの入浴を検知すると、所定時間、浴槽水の廃熱回収運転（例えば１時間）を禁止する。入浴検知手段は赤外線センサなどの人体検出手段や、浴槽の水位を検知する水位センサを利用して入浴時の水位上昇値により入浴を検知する手段を利用してもよい。これにより、風呂自動運転が設定されていない場合のユーザーの入浴中に廃熱回収運転が行われる事態を有効に回避することができる。

以上説明したとおり、本実施の形態１の貯湯式給湯機１００によれば、ヒートポンプ給湯機の機能である沸き上げや追焚き、給湯などの機能を満足するために使用する部品構成を利用して、新たに熱交換器や混合弁などの部品を追加する必要がなく、従来ヒートポンプ給湯機の構成部品を利用して、浴槽水の廃熱を高効率に回収することが可能なヒートポンプ給湯機を提供することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ヒートポンプサイクルを、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としたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いてもよい。また、このことは、後述する実施の形態２についても同様である。

実施の形態２．
図８、図９は、本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機２００の構成図である。同図において、図１に示すシステム構成と同様の要素については詳細な説明を省略する。

図８に示す貯湯式給湯機２００では、図１に示すシステムの三方弁３３の位置に四方弁３４が取り付けられており、ｄポートが１つ追加されている。また、新たに追加した四方弁３４のｄポートとタンク上部配管４３における四方弁３２と給湯配管３との接続部との間には、第２バイパス配管５４が接続されている。

四方弁３４は、湯水が流入する３つの入口（ａ、ｂ、ｄポート）と、湯水が流出する１つの出口（ｃポート）とを有する流路切替手段であり、３つの経路、すなわち、ａ−ｃ経路、ｂ−ｃ経路、ｄ−ｃ経路の間で流路形態を切り替え可能に構成されている。

より具体的には、四方弁３４により選択可能な「第１流路形態」とは、貯湯タンク１０上部と利用側熱交換器２２とが高温水配管４８および利用側熱交換器１次側入口配管４５を介して連通する流路形態のことであり、「第２流路形態」とは、貯湯タンク１０下部と利用側熱交換器２２とが低温水配管４９と利用側熱交換器１次側入口配管４５を介して連通する流路形態のことであり、「第３の流路形態」とは、上部配管３と利用側熱交換器２２とが、第２バイパス配管５４、および利用側熱交換器１次側配管４５を介して連通する流路形態である。

本実施の形態２の貯湯式給湯機２００では、浴槽水から回収した廃熱を凍結予防運転に利用することに特徴がある。図９は本発明の実施の形態２における貯湯式給湯機の浴槽水廃熱回収運転とヒートポンプ配管の凍結予防運転の同時運転時の回路構成図である。この図に示すとおり、浴槽水廃熱回収運転と凍結予防運転との同時運転時には、三方弁３１は、ｂポートとｃポートとが連通し、ａポートが閉状態となるように（すなわち、三方弁３１の上記第２流路形態が選択されるように）制御される。これにより、利用側熱交換器１次側出口配管４６とヒートポンプ入口配管４１とが連通するとともに、タンク下部配管４０を閉として貯湯タンク１０下部からの流路が遮断される。

また、浴槽水廃熱回収運転と凍結予防運転との同時運転時には、四方弁３２は、ｃポートとｄポートとが連通し、ａポートとｂポートとが閉状態となるように（すなわち、四方弁３２の上記第１流路形態が選択されるように）制御される。これにより、ヒートポンプ出口配管４２とタンク上部配管４３とが連通するとともに、バイパス配管４７側とタンク戻し配管４４の流路が閉状態となる。

また、浴槽水廃熱回収運転と凍結予防運転との同時運転時には、四方弁３４は、ｃポートとｄポートとが連通し、ａポートとｂポートが閉状態となるように（すなわち、四方弁３４の上記第３流路形態が選択されるように）制御される。これにより、第２バイパス配管５４と利用側熱交換器１次側入口配管４５とが連通するとともに、高温水配管４８側と低温水配管４９側を閉として貯湯タンク１０上部からの流路が遮断される。

上記のように三方弁３１、四方弁３２および四方弁３４が制御された状態で、外気温度を検出可能な外気温サーミスタ６７がヒートポンプ配管の凍結の可能性がある温度以下であることを検出した場合に、浴槽水廃熱回収運転と凍結予防運転との同時運転時の開始条件が成立したと判断して、同時運転を開始する。具体的には、先ず、循環ポンプ２１が駆動され、その後に２次側循環ポンプ５２が駆動される。そして、浴槽入口サーミスタ５３に浴槽内の温水が到達するまでの時間が経過した後（例えば３０ｓ）において、浴槽入口サーミスタ５３の検出値が所定の温度以上の場合には、２次側循環ポンプ５２を所定の時間駆動して浴槽水の熱をヒートポンプ配管側の循環水に伝熱させることにより、浴槽水の廃熱を凍結予防に利用することが可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態２の貯湯式給湯機２００によれば、ヒートポンプ給湯機の機能である沸き上げや追焚き、給湯などの機能を満足するために使用する部品構成を利用して、新たに熱交換器や混合弁などの部品を追加する必要がなく、従来ヒートポンプ給湯機の構成部品を利用して、浴槽水の廃熱を高効率に回収することが可能なヒートポンプ給湯機を提供することができる。

１ 貯湯タンクユニット
３ 給湯配管
８ 混合水流量センサ（流量検知手段）
１０ 貯湯タンク
１２ 残湯サーミスタ（低温水検知手段）
１３ 給湯サーミスタ（給湯温度検知手段）
２１ 循環ポンプ
２２ 利用側熱交換器
３１ 三方弁（第１流路切替手段）
３２ 四方弁（第２流路切替手段）
３３ 三方弁（第３流路切替手段）
３４ 四方弁（第３流路切替手段）
４０ タンク下部配管（沸き上げ水循環回路）
４１ ヒートポンプ入口配管（沸き上げ水循環回路）
４２ ヒートポンプ出口配管（沸き上げ水循環回路）
４３ タンク上部配管（沸き上げ水循環回路）
４４ タンク戻し配管（戻し配管）
４５ 利用側熱交換器１次側入口配管（熱源側配管）
４６ 利用側熱交換器１次側出口配管（熱源側配管）
４７ バイパス配管
４９ 低温水配管
５０ 浴槽
５１ 浴槽水循環回路
５２ ２次側循環ポンプ（風呂循環ポンプ）
５３ 浴槽入口側サーミスタ（浴槽水温度検知手段）
５５ 逆止弁（逆流防止手段）
６０ ヒートポンプユニット（加熱手段）
６２ 沸き上げ用熱交換器
６７ 外気温サーミスタ（外気温検知手段）
７０ 制御部（制御手段、第２の制御手段、制限手段、第２の制限手段）
１００，２００ 貯湯式給湯機

Claims (7)

1. 温水を貯留させる貯湯タンクと、
   所定の加熱手段を利用して前記貯湯タンク内の水を加熱して高温水とする沸き上げ用熱交換器と、
   前記貯湯タンク内の湯水と、浴槽内の浴槽水とを熱交換させる利用側熱交換器と、
   一端が前記貯湯タンクの下部に接続され、途中に前記沸き上げ用熱交換器が設置され、他端が前記貯湯タンクの上部に接続された沸き上げ水循環回路と、
   一端が前記貯湯タンクの上部に接続され、途中に前記利用側熱交換器が設置され、他端が前記沸き上げ水循環回路における前記貯湯タンクの下部と前記沸き上げ用熱交換器との間に接続された熱源側配管と、
   前記沸き上げ水循環回路と前記熱源側配管の前記他端との接続部に設置された第１流路切替手段と、
   前記浴槽から環状に構成された回路であって、途中に前記利用側熱交換器と風呂循環ポンプとが設置された浴槽水循環回路と、
   前記沸き上げ水循環回路における前記第１流路切替手段と前記沸き上げ用熱交換器との間に設置された循環ポンプと、
   一端が前記沸き上げ循環回路における前記循環ポンプの吐出側と前記沸き上げ水循環回路における前記沸き上げ用熱交換器との間に接続され、他端が前記沸き上げ水循環回路における前記沸き上げ用熱交換器と前記貯湯タンクの上部との間に接続されたバイパス配管と、
   前記沸き上げ水循環回路と前記バイパス配管の前記他端との接続部に設置された第２流路切替手段と、
   一端が前記貯湯タンクの下部に接続され、他端が前記熱源側配管における前記利用側熱交換器と前記貯湯タンクの上部との間に接続された低温水配管と、
   前記低温水配管の前記他端と前記熱源側配管との接続部に設置された第３流路切替手段と、
   一端が前記沸き上げ循環回路における前記貯湯タンクの上部と前記第２流路切替手段との間に接続され、他端が給湯端末へと接続された給湯配管と、
   前記貯湯タンクから前記低温水配管へ流出する低温水の温度を検知する低温水検知手段と、
   前記浴槽から前記浴槽水循環回路へ流出する浴槽水の温度を検知する浴槽水温度検知手段と、
   前記給湯配管の途中に設けられた流量検知手段と、を備え、
   前記第１，第２，第３流路切替手段を動作させて、前記貯湯タンクの下部から前記第３流路切替手段、前記利用側熱交換器、前記第１流路切替手段、前記循環ポンプおよび前記第２流路切替手段を順に介して前記給湯配管へと連通する流路を形成した状態において前記流量検知手段が所定流量以上の流量を検知した場合に前記風呂循環ポンプを駆動させ、前記低温水検知手段による検知温度が前記浴槽水温度検知手段による検知温度よりも低い場合に前記循環ポンプを駆動させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする貯湯式給湯機。
2. 前記給湯配管を流れる湯水の温度を検知する給湯温度検知手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記給湯温度検知手段により検知された温度が所定温度となるように、前記循環ポンプの回転数を制御する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯機。
3. 前記浴槽内の浴槽水を設定温度に調整する自動保温機能を設定している時間帯は、前記制御手段による動作の実行を制限する制限手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯式給湯機。
4. 前記浴槽への使用者の入浴を検知する入浴検知手段を更に備え、前記入浴検知手段により使用者の入浴が検知された場合に、前記制御手段による動作の実行を制限する第２の制限手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
5. 一端が前記貯湯タンクの前記下部よりも鉛直上方側の位置に接続され、他端が前記第２流路切替手段に接続された戻し配管と、
   前記制御手段の動作中に前記流量検知手段により検知される流量が所定の小流量以下となった場合に、前記第２流路切替手段を動作させて、前記貯湯タンクの下部から前記第３流路切替手段、前記利用側熱交換器、前記第１流路切替手段、前記循環ポンプおよび前記第２流路切替手段を順に介して前記戻し配管へと連通する流路を形成するとともに、前記循環ポンプを駆動したまま前記風呂循環ポンプを停止して所定時間待機する待機手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
6. 一端が前記沸き上げ循環回路における前記第２流路切替手段と前記貯湯タンクの上部との間に接続され、他端が前記第３流路切替手段に接続された第２バイパス配管と、
   外気温度を検知する外気温検知手段と、
   前記外気温検知手段による検知温度が所定の外気温度よりも低い場合であって、前記浴槽水温度検知手段による検知温度が所定の浴槽水温度よりも高い場合に、前記第１，第２，第３流路手段を動作させて、前記利用側熱交換器、前記第１流路切替手段、前記循環ポンプ、前記沸き上げ用熱交換器、前記第２流路切替手段および第３流路切替手段を順に接続する循環回路を形成するとともに、前記循環ポンプおよび前記風呂循環ポンプを駆動する第２の制御手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
7. 前記低温水配管における前記第３流路切替手段から前記貯湯タンクの下部に向かって湯水が流通することを防止するための逆流防止手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の貯湯式給湯機。

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