JP5373697B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、加熱された湯を貯留する貯湯タンクの下流側に、瞬間加熱式の燃焼給湯器を直列に接続した給湯システムに関する。

従来、ヒートポンプにより加熱された湯を貯留する貯湯タンクの下流側に、瞬間加熱式の燃焼給湯器を直列に接続した給湯システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ヒートポンプは、エネルギー効率が非常に高い反面、単位時間当たりの加熱能力が低いので、突発的な給湯に対応することができない。そこで、貯湯タンクの湯切れ時に運転する燃焼給湯器を補助熱源として直列に接続している。

貯湯タンクと燃焼給湯器とを直列に接続することによって、貯湯タンクの湯切れが生じたときに燃焼給湯器を作動させることで所望の温度での給湯を行うことができ、湯切れを回避するために大容量の貯湯タンクを設ける必要がないので、貯湯タンクの小型化も可能となる。

特開２００４−１２５２２６号公報（図１及び図２）

しかし、上記従来の給湯システムのように、貯湯タンクと燃焼給湯器とを直列に接続する構成では、貯湯タンクから燃焼給湯器を経由して出湯管の終端に至る湯の流通経路が比較的長く、また、その流通経路には燃焼給湯器の熱交換器等が存在する。

そのため、当該流通経路における圧力損失が大きくなって十分な給湯流量が得られない。そればかりか、燃焼給湯器の燃焼が停止状態で貯湯タンクから出湯した湯は、燃焼給湯器付近の温度が低い場合に燃焼給湯器を通過する際の放熱により湯の温度が著しく低下する不都合がある。

そこで、燃焼給湯器を迂回して燃焼給湯器の上流側と下流側で出湯管を連通するバイパス管と、このバイパス管を開閉するバイパス弁を設け、貯湯タンクからの湯をバイパス管を経由してカラン等の出湯栓に供給することが考えられる。

これによれば、貯湯タンクの湯が十分に高いとき、バイパス弁を開弁し貯湯タンクからの湯をバイパス管に流通させることで、燃焼給湯器を流通することによる湯の圧力損失や放熱を低減することができる。

しかし、バイパス弁を開弁して貯湯タンクからの湯をカラン等の出湯栓から出湯させるとき、バイパス管の始端が接続された出湯管においては、貯湯タンクからの湯の全てがバイパス管に流入するわけではなく、一部の湯が燃焼給湯器側の流通経路に入り込む。

このため、比較的高温の湯を貯湯タンクからバイパス管を介してカラン等の出湯栓に供給しようとしても、燃焼給湯器側の流通経路に入り込む一部の湯が放熱による熱の損失となり、熱効率が低下するおそれがある。

上記の点に鑑み、本発明は、貯湯タンクからバイパス管を介してカラン等の出湯栓に供給するときの熱効率の低下を防止することができる給湯システムを提供することを目的とする。

本発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水の温度を検出する貯湯温度センサと、前記貯湯タンクの湯水を加熱するヒートポンプと、前記貯湯タンクの湯水を導出して終端に出湯栓が接続される出湯管と、前記貯湯タンクに給水する給水管と、前記出湯管の途中に設けられ、前記出湯管を流通する湯水をバーナにより加熱する燃焼給湯器と、前記出湯管を前記燃焼給湯器の上流側と下流側とで連通させる出湯バイパス管と、前記出湯バイパス管を開閉するバイパス弁と、前記貯湯温度センサにより検出される温度に応じて前記バイパス弁を開閉させる制御手段とを備える給湯システムにおいて、前記出湯バイパス管よりも前記燃焼給湯器側となる前記出湯管に、前記貯湯タンクから該燃焼給湯器への湯水の流通を遮断する止水弁を設け、前記制御手段は、前記バイパス弁の開弁時に前記止水弁を閉弁させ、前記バイパス弁の閉弁時に前記止水弁を開弁させ、前記燃焼給湯器の下流側と前記バイパス管の終端との間の前記出湯管から分岐して浴槽に接続された湯張り管を備えることを特徴とする。

本発明によれば、前記制御手段を設けたことにより、貯湯温度センサにより検出される前記貯湯タンクの湯水の温度が所定温度以上であるとき、前記バイパス弁を開弁させるので、貯湯タンクの湯水を燃焼給湯器を迂回して出湯栓から供給することができ、燃焼給湯器を通過することによる湯水の圧力損失及び放熱を防止することができる。

そして更に、前記制御手段は、前記バイパス弁の開弁時に前記止水弁を閉弁させるので、貯湯タンクの湯が燃焼給湯器側の流通経路に入り込むことを確実に防止でき、貯湯タンクからの給湯時の熱効率の低下を防止することができる。
更に、前記燃焼給湯器の下流側と前記バイパス管の終端との間の前記出湯管から分岐して浴槽に接続された湯張り管を備えるときであっても、貯湯温度センサにより検出される温度が所定温度未満であるときバイパス弁を閉弁させて止水弁を開弁させることで、湯張り管及び出湯管の終端から温度差のない湯水を得ることができる。

また、本発明においては、さらに、前記湯張り管を開閉する湯張り弁を備えるとき、前記止水弁として、湯張り完了時に湯張り弁を閉弁させるに先立って湯張り管へ向かう水圧を低下させるべく絞り動作を行うことにより前記燃焼給湯器に供給される湯水の流量を調節可能とする絞り弁を用いることが好ましい。

絞り弁は、湯張り弁を閉弁して湯張り運転を終了するときに絞り動作させることで、湯張り管へ向かう水圧を低下させてから湯張り弁を閉弁させる。こうすることで、湯張り弁の閉弁に伴う衝撃音等の発生を防止することができる。そして、当該絞り弁を前記止水弁として全閉動作させることにより、部品点数（弁の数量）を増加させることなく貯湯タンクから燃焼給湯器側の流通経路への湯水の流通を遮断することができる。

本発明の一実施形態における給湯システムの構成図。 図１に示した給湯システムの作動を示すフローチャート。

本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。本実施形態の給湯システムは、ヒートポンプユニット１が接続されたタンクユニット２に、更に瞬間加熱式の燃焼給湯器３を直列に接続することにより構成されている。

ヒートポンプユニット１は、圧縮機４、水熱交換器（凝縮器）５、膨張弁（減圧器）６、及び空気熱交換器（蒸発器）７を、冷媒循環路８により接続してなるヒートポンプ９を備えている。水熱交換器５は、後述する貯湯タンク１０の上部及び下部に接続されたタンク循環路１１と接続され、冷媒循環路８の冷媒（例えばＣＯ₂）とタンク循環路１１の湯水とを熱交換させることによって、タンク循環路１１の湯水を加熱する。

タンク循環路１１には、貯湯タンク１０に貯められた湯水をタンク循環路１１に循環させるための循環ポンプ１２と、水熱交換器５から貯湯タンク１０に向かう湯水の温度を検出するサーミスタ１３と、貯湯タンク１０から水熱交換器５に向かう湯水の温度を検出するサーミスタ１４とが設けられている。

また、ヒートポンプユニット１は、マイクロコンピュータ等により構成されたヒートポンプコントローラ１５を備え、ヒートポンプコントローラ１５から出力される制御信号によって、ヒートポンプ９及び循環ポンプ１２の作動が制御される。

ヒートポンプコントローラ１５は、後述するタンクコントローラ１６と通信可能に接続され、タンクコントローラ１６から加熱指示信号を受信したときに、タンク循環路１１に設けられているサーミスタ１３，１４の検出温度に基づいて、循環ポンプ１２とヒートポンプ９を作動させ、貯湯タンク１０の湯水を所定の沸き上げ設定温度（例えば９０℃）に沸き上げる。

タンクユニット２は、湯水が充填された貯湯タンク１０と、マイクロコンピュータ等により構成されたタンクコントローラ１６とを備えている。貯湯タンク１０の上部には出湯管１７が接続されている。出湯管１７は、その始端が貯湯タンク１０に接続されて終端が図示しないカラン等の出湯栓に接続される。貯湯タンク１０の下部には給水管１８が接続されている。給水管１８は始端が水道に接続され、下流側が２つに分岐して一方の終端が貯湯タンク１０に接続されると共に、他方の終端が出湯管１７の途中に接続されている。

出湯管１７は給水管１８との接続箇所Ｘの下流からタンクユニット２の外部に延びて燃焼給湯器３の後述する給湯器回路１９を経た後、再びタンクユニット２の内部に延びるが、その途中には、燃焼給湯器３の給湯器回路１９の入口側と出口側とで連通させる出湯バイパス管２０が接続されている。

出湯バイパス管２０にはバイパス弁２１が設けられており、バイパス弁２１が閉弁されているとき、貯湯タンク１０からの湯水は燃焼給湯器３の給湯器回路１９を流れ、バイパス弁２１が開弁されているとき、貯湯タンク１０からの湯水は出湯バイパス管２０を流れてカラン等の出湯栓へ向かう。

タンクユニット２における出湯管１７と給水管１８との接続箇所Ｘの上流側には、出湯サーミスタ２２が設けられている。給水管１８には、その通水流量を検出する水量センサ２３と、逆止弁付きの減圧弁２４とが設けられている。出湯管１７との接続箇所Ｘに向かって延びる給水管１８には、入水サーミスタ２５が設けられている。

また、タンクユニット２には、貯湯タンク１０から出湯管１７に供給される湯水の流量を変更する湯量可変弁２６と、給水管１８から出湯管１７に供給される水の流量を変更する水量可変弁２７とが設けられている。

更に、給水管１８に設けられた出湯管１７と給水管１８との接続箇所Ｘと出湯バイパス管２０の上流端との間には混合サーミスタ２８が設けられ、出湯バイパス管２０の下流端と出湯管１７との接続箇所Ｙの下流側にはカラン等の出湯栓へ向かう湯水の温度を検出する給湯出口サーミスタ２９が設けられている。

貯湯タンク１０の上部位置には、貯湯タンク１０に貯められた湯水の温度を検出する貯湯サーミスタ３０（本発明の貯湯温度センサに相当する）が設けられている。

タンクコントローラ１６は、貯湯サーミスタ３０、出湯サーミスタ２２、入水サーミスタ２５、混合サーミスタ２８、給湯出口サーミスタ２９、及びタンク循環路１１のサーミスタ１４により検出された温度と、水量センサ２３により検出された給水管１８の通水流量とに基づいて、湯量可変弁２６、水量可変弁２７、及びバイパス弁２１の作動を制御する。

また、タンクコントローラ１６には、使用者の操作に応じて、希望する給湯温度（出湯管１７の出口から供給される湯の温度）を設定するための温度スイッチ等の複数の操作スイッチ（図示しない）を備えたリモコン３１が接続されている。

ここで、貯湯タンク１０内部に充填された湯水の状態を説明すれば、出湯管１７は貯湯タンク１０の上部に接続され、給水管１８は貯湯タンク１０の下部に接続されているため、貯湯タンク１０の湯水が給湯使用されると、出湯管１７から湯が導出されて貯湯タンク１０の湯が減少したぶん、貯湯タンク１０の下部の給水管１８から水が供給される。それに応じて、貯湯タンク１０内では、上部に高温の湯の層ができると共に下部に水の層ができる。

そして、貯湯タンク１０の上部の湯の層が減少して、水の層が貯湯タンク１０の上部に来ると、貯湯サーミスタ３０の検出温度がリモコン３１により設定された設定温度（目標給湯温度）以下となり、こうなった場合に湯切れ状態となる。貯湯タンク１０が湯切れ状態であるか否かの判断は、貯湯サーミスタ３０の検出温度が目標給湯温度付近に設定された湯切れ判定温度（本発明における所定温度に相当する）以下であるときに、貯湯タンク１０が湯切れ状態であると判断すればよい。

タンクコントローラ１６は、貯湯サーミスタ３０の検出温度が目標給湯温度よりも高いとき（湯切れが生じていない状態）に、水量センサ２３により所定の下限流量以上の通水が検出されると、バイパス弁２１を開弁し、混合サーミスタ２８又は給湯出口サーミスタ２９の検出温度が目標温度となるように、湯量可変弁２６と水量可変弁２７の開度を調節して湯と水とを混合する混合温調制御を実行する。

一方、貯湯サーミスタ３０の検出温度が目標給湯温度以下であるとき（湯切れが生じている状態）に、水量センサ２３により下限水量以上の通水が検出されると、タンクコントローラ１６は、バイパス弁２１を閉弁する。これにより、貯湯タンク１０の湯水は燃焼給湯器３の給湯器回路１９を流れ、燃焼給湯器３による加熱運転が行われる。

燃焼給湯器３は、瞬間加熱式として周知の構成のものを採用することができる。即ち、燃焼給湯器３は、出湯管１７に接続された給湯器回路１９（本発明においては、出湯管１７の一部を構成する）と、マイクロコンピュータ等により構成された給湯器コントローラ３２とを備えている。給湯器コントローラ３２は、タンクコントローラ１６と通信可能に接続されており、本実施形態においては、給湯器コントローラ３２とタンクコントローラ１６とにより、本発明の制御手段が構成されている。

給湯器回路１９には、熱交換器３３と、熱交換器３３を加熱するバーナ３４と、熱交換器３３をバイパスする給湯バイパス管３５とが設けられており、給湯器回路１９における給湯バイパス管３５の接続箇所Ｚの下流側には、給湯器回路１９から分岐して浴槽（図示しない）へ延びる湯張り管３６が接続されている。

また、給湯器回路１９には、熱交換器３３への湯水の流量と給湯バイパス管３５への湯水の流量との分配比を変更するバイパスサーボ３７と、燃焼給湯器３に供給される湯水の流量を調節する絞り弁である水量サーボ３８（本発明の止水弁に相当する）とが設けられている。

更に、給湯器回路１９には、熱交換器３３及び給湯バイパス管３５に供給される湯水の流量を検出する給湯器流量センサ３９と、給湯バイパス管３５の下流側に流れる湯の温度を検出する給湯器サーミスタ４０とが設けられている。

また、湯張り管３６には、湯張り管３６の通水流量を検出する湯張り流量センサ４１と、湯張り管３６を開閉する湯張り弁４２とが設けられている。

そして、給湯器コントローラ３２には、給湯器サーミスタ４０による温度検出信号と、給湯器流量センサ３９による通水流量の検出信号と、湯張り流量センサ４１による通水流量の検出信号とが入力される。また、給湯器コントローラ３２から出力される制御信号によって、バイパスサーボ３７、水量サーボ３８、バーナ３４、及び湯張り弁４２の各作動が制御される。

給湯器コントローラ３２は、タンクコントローラ１６から加熱許可を指示する信号を受信したときに加熱許可状態となる。そして、給湯器流量センサ３９により所定の下限流量以上の通水が検出されているときに、給湯器サーミスタ４０の検出温度が目標給湯温度となるように、バーナ３４の燃焼量を制御する加熱温調制御を実行する。また、タンクコントローラ１６から加熱禁止を指示する信号を受信したときに加熱禁止状態となり、加熱温調制御の実行が禁止される。

更に、給湯器コントローラ３２は、浴槽（図示しない）に所定量の湯を供給する湯張り運転を行なうときには、湯張り弁４２を開弁して、湯張り流量センサ４１により検出される浴槽への湯の供給量を累積する。

そして、浴槽への湯の供給量の累積値が前記所定量に達したときに、湯張り弁４２を閉弁して湯張り運転を終了する。湯張り弁４２を閉弁するときには、給湯器コントローラ３２は、水量サーボ３８を絞り動作させ、これによって給湯器回路１９から湯張り管３６へ向かう水圧を低下させてから湯張り弁４２を閉弁させる。こうすることで、湯張り弁４２の閉弁に伴う衝撃音等の発生を防止している。

また、水量サーボ３８は上記のような絞り動作だけでなく、全閉させることができ、これによって給湯器回路１９における湯水の流通を遮断する止水弁としての機能も備えている。これにより、水量サーボ３８の他に止水弁が不要となり部品点数（弁の数）の増加を防止することができる。

ここで、本発明の制御手段であるタンクコントローラ１６及び給湯器コントローラ３２による本発明の要旨に係る作動について図２のフローチャートを参照して説明する。

図２のＳＴＥＰ１でタンクユニット２の電源がＯＮされるとＳＴＥＰ２に進み、タンクコントローラ１６は、湯量可変弁２６を全閉にすると共に、水量可変弁２７を全開にする。そして、タンクコントローラ１６は、続くＳＴＥＰ３でバイパス弁２１を開弁する。

次のＳＴＥＰ４で、タンクコントローラ１６は、水量センサ２３により下限流量以上の通水が検出される通水状態となるのを待つ。本実施形態では、水量センサ２３の検出水量が２．７リットル／分以上のとき通水状態であると判断している。そして、通水状態となったときにＳＴＥＰ４からＳＴＥＰ５に進む。

ＳＴＥＰ５で、タンクコントローラ１６は、貯湯サーミスタ３０の検出温度が設定温度（目標給湯温度）以下であることにより貯湯タンク１０が湯切れ状態であるか否かを判断する。そして、湯切れ状態であるときはＳＴＥＰ１１に分岐し、湯切れ状態でないときにはＳＴＥＰ６に進む。

ＳＴＥＰ６〜ＳＴＥＰ９は、前述した混合温調制御を実行するときの処理である。

ＳＴＥＰ６で、タンクコントローラ１６はバイパス弁２１を開弁させる。次いで、ＳＴＥＰ７で給湯器コントローラ３２に対して水量サーボ３８の全閉を指示する信号を送信し、更にＳＴＥＰ８で給湯器コントローラ３２に対して加熱を禁止する信号を送信する。これにより、給湯器コントローラ３２は水量サーボ３８を全閉として給湯器回路１９における湯水の流通の遮断し、バーナ３４の燃焼運転を行わない加熱停止状態となる。

続くＳＴＥＰ９で、タンクコントローラ１６は、湯量可変弁２６と水量可変弁２７の開度を調整して、基本的には出湯管１７の終端（カラン等の給湯栓）からの湯の温度が目標給湯温度になるように制御する（混合温調制御）。

そして、タンクコントローラ１６は、ＳＴＥＰ１０で、水量センサ２３の検出水量が下限流量未満（好ましくは、下限流量よりも低い値に設定された水量）となる止水状態になったか否かを判断し、止水した場合にはＳＴＥＰ２へ戻り、止水していない場合にはＳＴＥＰ５へ戻る。なお、本実施形態では、水量センサ２３の検出水量が２．０リットル／分未満のとき止水状態であると判断している。

ＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１４は、前述した加熱温調制御を実行するときの処理である。

ＳＴＥＰ１１で、タンクコントローラ１６は、バイパス弁２１を閉弁させる。次いで、ＳＴＥＰ１２で、タンクコントローラ１６は、給湯器コントローラ３２に対して水量サーボ３８の開放を指示する信号を送信し、更にＳＴＥＰ１３で給湯器コントローラ３２に対して加熱を許可する信号を送信する。これにより、給湯器コントローラ３２は水量サーボ３８を開放させ、加熱許可状態となる。これにより、貯湯タンク１０から導出された湯水は、全て燃焼給湯器３の給湯器回路１９を流通する状態となる。

そして、ＳＴＥＰ１４において、給湯器コントローラ３２は、給湯器サーミスタ４０の検出温度が目標給湯温度となるように、バーナ３４の燃焼量が制御される（加熱温調制御）。

その後、ＳＴＥＰ１０へ進み、止水状態になるまで、ＳＴＥＰ６〜ＳＴＥＰ９の処理、または、ＳＴＥＰ１１〜ＳＴＥＰ１４の処理を繰り返す。

以上のように、本実施形態によれば、貯湯タンク１０が湯切れしていないとき、タンクユニット２のバイパス弁２１が開弁すると共に燃焼給湯器３の水量サーボ３８も全閉となるので、貯湯タンク１０の湯が給湯器回路１９に入り込むことを確実に防止でき、貯湯タンク１０からの給湯時の熱効率の低下を防止することができる。

なお、本実施形態においては、水量サーボ３８に止水弁としての機能を持たせることにより部品点数を削減しコスト増加を防止することができる構成を示したが、それ以外には、図示しないが、給湯器回路１９における水量サーボ３８の上流側等に他の止水弁を設け、この止水弁をバイパス弁２１の開弁時に閉弁させることによっても、同様の効果を得ることができる。

３…燃焼給湯器、９…ヒートポンプ、１０…貯湯タンク、１６…タンクコントローラ（制御手段）、１７…出湯管、１８…給水管、２０…出湯バイパス管、２１…バイパス弁、３０…貯湯サーミスタ（貯湯温度センサ）、３２…給湯器コントローラ（制御手段）、３４…バーナ、３８…水量サーボ（止水弁）。

Claims (2)

1. 貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの湯水の温度を検出する貯湯温度センサと、
   前記貯湯タンクの湯水を加熱するヒートポンプと、
   前記貯湯タンクの湯水を導出して終端に出湯栓が接続される出湯管と、
   前記貯湯タンクに給水する給水管と、
   前記出湯管の途中に設けられ、前記出湯管を流通する湯水をバーナにより加熱する燃焼給湯器と、
   前記出湯管を前記燃焼給湯器の上流側と下流側とで連通させる出湯バイパス管と、
   前記出湯バイパス管を開閉するバイパス弁と、
   前記貯湯温度センサにより検出される温度が所定温度以上であるとき前記バイパス弁を開弁させ所定温度未満であるとき前記バイパス弁を閉弁させる制御手段とを備える給湯システムにおいて、
   前記出湯バイパス管よりも前記燃焼給湯器側となる前記出湯管に、前記貯湯タンクから該燃焼給湯器への湯水の流通を遮断する止水弁を設け、
   前記制御手段は、前記バイパス弁の開弁時に前記止水弁を閉弁させ、前記バイパス弁の閉弁時に前記止水弁を開弁させ、
   前記燃焼給湯器の下流側と前記バイパス管の終端との間の前記出湯管から分岐して浴槽に接続された湯張り管を備えることを特徴とする給湯システム。
2. 請求項１記載の給湯システムにおいて、
   さらに、前記湯張り管を開閉する湯張り弁を備え、
   前記止水弁は、湯張り完了時に湯張り弁を閉弁させるに先立って湯張り管へ向かう水圧を低下させるべく絞り動作を行うことにより前記燃焼給湯器に供給される湯水の流量を調節可能とする絞り弁であることを特徴とする給湯システム。

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