JP2005331127A - Electric water heater - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力を熱に変換して湯を沸かす電気温水器に関するものである。 The present invention relates to an electric water heater that converts electric power into heat to boil hot water.
電気温水器は、風呂、洗面所、台所などで湯を利用できるように、深夜の安い電力を利用して湯を沸かし、沸かした湯を貯水タンクに貯めておくものである。電気温水器の貯水タンクには常時は水が満たされているが、貯水タンクの点検後や電気温水器を設置した直後などは、貯水タンクの中には水が無い。水が無い状態で電気温水器のヒーターを通電すると、いわゆる空焚きとなる。空焚きをすると電気温水器のヒーターなどを損傷する可能性があり、空焚きはしてはならない。空焚きをしないように、ヒーターの位置まで貯水タンクに水が有ることを検知する水検知センサを電気温水器は有しており、水が有る場合だけヒーターに通電するようにしている、 Electric water heaters are used to boil hot water using cheap electricity at midnight and store the boiled water in a water storage tank so that hot water can be used in baths, washrooms, kitchens, and the like. The water tank of the electric water heater is always filled with water, but there is no water in the water tank after checking the water tank or immediately after installing the electric water heater. When the heater of the electric water heater is energized in the absence of water, it becomes so-called emptying. Doing so may damage the heaters of the electric water heater and so on. The electric water heater has a water detection sensor that detects that there is water in the water storage tank up to the position of the heater so that it does not air, and only energizes the heater when there is water.
水検知センサは、水の電気抵抗が空気と比較して非常に小さいことを利用して、水の存在を検出するものである。水検知センサでは、ヒーターよりも上の位置に貯水タンクの内部に電極を取り付け、この電極と貯水タンクの間に、電極の電位の方が貯水タンクよりも高くなるように抵抗を介して直流の電圧を印加する。この抵抗の大きさは、水の抵抗よりも明確な差が出る程度以上に大きくしておく。電極と貯水タンクの間に水が無ければ、電極と貯水タンクの間に電流が流れずに、電極と貯水タンクの間の電圧はほぼ印加電圧になる。水が存在する場合は、電極と貯水タンクの間に電流が流れ、電極と貯水タンクの間の電圧はゼロに近くなる。つまり、水検知センサは、電極と貯水タンクの間の電圧が所定値よりも小さい場合に、水が存在すると判断する。(例えば、特許文献1〜4を参照。)
The water detection sensor detects the presence of water by utilizing the fact that the electrical resistance of water is very small compared to air. In the water detection sensor, an electrode is attached to the inside of the water storage tank at a position above the heater, and a direct current is passed through a resistor between this electrode and the water storage tank so that the potential of the electrode is higher than that of the water storage tank. Apply voltage. The magnitude of this resistance is set to a value larger than that of which there is a clear difference from the resistance of water. If there is no water between the electrode and the water tank, no current flows between the electrode and the water tank, and the voltage between the electrode and the water tank is almost the applied voltage. When water is present, current flows between the electrode and the water tank, and the voltage between the electrode and the water tank is close to zero. That is, the water detection sensor determines that water is present when the voltage between the electrode and the water storage tank is smaller than a predetermined value. (For example, see
従来の電気温水器の水検知センサは以上のように構成しているので、電極と貯水タンクの間に不純物が付着して不純物が水を含む場合は、電極が水に浸かっていないのに、電極の位置に水があると誤判断することになる。誤判断する可能性を低減する対策が必要である。 Since the water detection sensor of the conventional electric water heater is configured as described above, if the impurity adheres between the electrode and the water storage tank and the impurity contains water, the electrode is not immersed in water. It is misjudged that there is water at the electrode position. Measures are required to reduce the possibility of misjudgment.
この発明に係る電気温水器は、貯水タンクと、電力を熱に変換する発熱部と該発熱部とは電気的に絶縁されて前記発熱部を覆う導電性の保護部とを有する、前記貯水タンクとは電気的に絶縁されて前記貯水タンクの内部に取り付けられた電熱体と、前記貯水タンクとは電気的に絶縁されて前記貯水タンクの内部の前記電熱体よりも上の位置に取り付けられた電極と、該電極と前記保護部との間に前記保護部の電位が低くなるように直流電圧を印加する直流電源を有し、前記電極と前記保護部との間の電気抵抗の変化により前記電極の位置まで水が存在することを検知する水検知手段とを備えたものである。 The electric water heater according to the present invention includes a water storage tank, a heat generating part that converts electric power into heat, and a conductive protection part that is electrically insulated from the heat generating part and covers the heat generating part. Is electrically insulated and attached to the inside of the water tank, and the water tank is electrically insulated and attached to a position above the electric body inside the water tank. An electrode, and a DC power source that applies a DC voltage between the electrode and the protection unit so that a potential of the protection unit is low, and the electrical resistance between the electrode and the protection unit changes due to a change in electrical resistance. Water detection means for detecting the presence of water up to the position of the electrode.
この発明に係る電気温水器は、貯水タンクと、電力を熱に変換する発熱部と該発熱部とは電気的に絶縁されて前記発熱部を覆う導電性の保護部とを有する、前記貯水タンクとは電気的に絶縁されて前記貯水タンクの内部に取り付けられた電熱体と、前記貯水タンクとは電気的に絶縁されて前記貯水タンクの内部の前記電熱体よりも上の位置に取り付けられた電極と、該電極と前記保護部との間に前記保護部の電位が低くなるように直流電圧を印加する直流電源を有し、前記電極と前記保護部との間の電気抵抗の変化により前記電極の位置まで水が存在することを検知する水検知手段とを設けるものとしたので、電極に不純物が付くことにより誤判断する可能性を低減できるという効果が有る。 The electric water heater according to the present invention includes a water storage tank, a heat generating part that converts electric power into heat, and a conductive protection part that is electrically insulated from the heat generating part and covers the heat generating part. Is electrically insulated and attached to the inside of the water tank, and the water tank is electrically insulated and attached to a position above the electric body inside the water tank. An electrode, and a DC power source that applies a DC voltage between the electrode and the protection unit so that a potential of the protection unit is low, and the electrical resistance between the electrode and the protection unit changes due to a change in electrical resistance. Since water detection means for detecting the presence of water up to the position of the electrode is provided, there is an effect of reducing the possibility of erroneous determination due to impurities attached to the electrode.
実施の形態1.
この実施の形態1での電気温水器の構成を説明する概念図を、図1に示す。水の流れに関係する電気温水器の構成要素に関して、まず説明する。電気温水器は、ステンレスなどの耐腐食性に優れた金属製の貯水タンク1と、貯水タンク1の下部に接続される給水配管2と、給水配管2と水道配管との間に有る減圧弁3と、貯水タンク1の上部に接続される給湯配管4と、給湯配管4の途中にある逃し弁5とから構成される。
なお、図1に示すのは、加圧型の貯水タンク1を使用する電気温水器である。加圧型の貯水タンク1では、貯水タンク1を密閉して内部に水圧を加え、この水圧により給湯する。これに対して、貯水タンク1を密閉しない開放型の貯水タンク1を使用する電気温水器も有る。開放型の貯水タンク1を使用する電気温水器では、台所、風呂、洗面所などの給湯箇所よりも高い位置に貯水タンク1を配置し、水頭差により給湯する。この明細書では、加圧型の貯水タンク1を使用する電気温水器で説明するが、開放型の貯水タンク1を使用する場合にも適用できる。
The conceptual diagram explaining the structure of the electric water heater in this
FIG. 1 shows an electric water heater that uses a pressurized
貯水タンク1は、沸かした湯を溜めるタンクである。貯水タンク1の容量は、1日に使用する湯量に必要十分な大きさとする。そのため、大家族向け、標準家族向け、小家族向け、単身者用など想定する電気温水器の使用条件で、貯水タンク1の容量は異なる。2004年に市販されているものでは、最大で550リットル程度である。溜めている湯が冷めないように貯水タンク1の外側をグラスウールなどの断熱材で覆い、断熱材の外側は適切な表面部材で覆う。
水は温度が高くなると比重が小さくなるので、貯水タンク1の内部では湯が上側にあり、水が下側に有る。そのため、給水配管2は貯水タンク1の下部に接続し、給湯配管4は貯水タンク1の上部に接続する。なお、図において、湯を薄い梨子地状で表現し、水を濃い梨子地状で表現することにする。
The
Since the specific gravity of water decreases as the temperature rises, the hot water is on the upper side and the water is on the lower side in the
給湯配管4の先には、図示していないが給湯箇所の蛇口がある。給湯箇所の蛇口を開くと、貯水タンク1内が加圧されているので、湯が出てくる。貯水タンク1から給湯配管4に湯が出ると、同じ量の水が給水配管2により貯水タンク1に注入される。
給湯箇所の蛇口は、給湯配管4からの湯をそのまま出すものも有れば、湯と水道水を混合して出すものも有る。
Although not shown, there is a faucet at a hot water supply point at the tip of the hot
Some of the faucets at the hot water supply place take out the hot water from the hot
減圧弁3は、水道の水圧を減圧して貯水タンク1の内部の水圧を適切な値にするための弁である。水道の水圧は場所により異なるが、150キロパスカル(≒1.48気圧)以上であることが厚生労働省令で定められており、普通の場所では2気圧程度は有る。これに対して、貯水タンク1の内部の水圧は、高圧力型で150キロパスカル程度であり、標準圧力型で85キロパスカル程度である。貯水タンク1の内部の水圧が高いほうが早く大量の湯を使用できる。しかし、水圧を高くするためには貯水タンク1のステンレス材をより厚くすることなどが必要であり、コストの増加をもたらし、電気温水器の価格が高くなる。使いやすさとコストのトレードオフで、貯水タンク1の内部の水圧は決められる。
逃し弁5は、貯水タンク1の内部の圧力が所定値よりも高くなった場合に、沸き上げにより体積膨張した水と水蒸気、水温の上昇により気体となった溶存空気などを、貯水タンク1と給湯配管4から逃すための弁である。逃し弁5により、貯水タンク1の内部の圧力を所定の範囲に保つことができる。
The
When the internal pressure of the
次に、電気温水器の他の構成要素に関して説明する。貯水タンク1の内部には、異なる高さで2個のヒーター6が金属フランジ7により取り付けられる。金属フランジ7と貯水タンク1との間には絶縁体製のパッキン8を挟む。上側の金属フランジ7よりも上の位置に、PEEK,PPS,PESなどの耐熱性を有する樹脂製の筐体9を、貯水タンク1に取り付ける。筐体9には、チタン、金、白金などの耐腐食性に優れた金属製の電極10が挿入されており、貯水タンク1の内部に電極10が取り付けられることになる。電極10は、直径約1mmで貯水タンク1の内部に出る長さが約20mmである。さらに、電気温水器は、電極10の位置まで水が存在することを検出する水検知手段である水検知センサ11と、水検知センサ11の出力により、ヒーター6の通電を制御する制御回路12も有する。
Next, other components of the electric water heater will be described. Inside the
下側のヒーター6が通常使用するヒーターであり、上側のヒーター6が沸き増し時に使用するヒーターである。沸き増しとは、例えば、貯水タンク1の湯の残量が所定量(例えば75リットル)以下になる場合に、深夜電力時間帯でなくても上側のヒーター6を通電して、上側のヒーター6よりも上部の貯水タンク1の容量(例えば150リットル)の湯を沸かすことである。深夜電力時間帯でだけ電気を使用する契約の場合は、沸き増しはできない。また、沸き増しをしないように設定することもできる。貯水タンク1の容量を大幅に越える大量の湯を使用する日に対応するために、貯水タンク1全体が所定の温度の湯で満たされるように沸き増しできるような機種も有る。
上側のヒーター6の位置は、沸き増しする湯の量が適切な量になる位置とする。沸き増しは通常の電気料金の時間帯に行われるので、沸き増しする湯の量が適切な量よりも多いと、使用しない湯を沸かすことになり給湯コストが高くなる。沸き増しする湯の量が適切な量よりも少ないと、湯の使用量に沸き増しが追いつかずに湯切れになる可能性が高くなる。
The
The position of the
ヒーター6は、交流200Vが印加される発熱部であるニクロム線6Aを保護部である銅製のU字管6Bで覆ったものである。ヒーター6への通電を表現するスイッチ6Cが、交流電源6Dとニクロム線6Aとの間に有る。ニクロム線6Aと銅製のU字管6Bの間には、絶縁体として酸化マグネシウムなどを充填する。銅製のU字管6Bは、錆を防止するためにニッケルなどをメッキする。ヒーター6は上から見るとU字型の形状であり、横から見ると2本の水平な線を斜めの線で結んだように見える。金属フランジ7から水平に延びたヒーター6は、貯水タンク1の内部で斜め下に所定の長さだけ下がり、再び所定の長さだけ水平に延びる。ヒーター6を途中で斜めにする理由は、貯水タンク1の直径よりもヒーター6の長さを長くするためである。ヒーター6を長くすると、ヒーター6の水と接触する表面積が増えて、水を効率よく沸かすことができる。
The
ヒーター6の出力は、電気温水器を使用する場所での冬季の平均水温から所定の温度(例えば、約90℃)まで貯水タンク1の容量の水を23時から7時までの8時間で加熱するのに必要十分な大きさとする。実際には使い残しの湯があるので、所定の温度まで加熱できた時点でヒーターの通電を終了する。沸き上げの湯温は、所定の範囲(例えば、約90℃〜約70℃)の間で設定することができる。これは、湯の使用量が少ない家庭などで沸き上げの湯温を低く設定することにより、ムダに湯を沸かさずに省エネを実現するためである。
金属フランジ7にろう付けなどによりヒーター6を固定する。異種の金属を接合すると腐食しやすいので、腐食を防止するために金属フランジ7はニッケルメッキなどを施した銅製とする。
The output of the
The
水検知手段である水検知センサ11は、電極10の位置まで水が存在することを検出するものである。高圧力型の電気温水器は水検知センサ11の装着が法令で義務付けられているが、標準圧力型の電気温水器では法令で義務づけられていない。水検知センサ11が装着されていない標準圧力型の電気温水器では、貯水タンク1が満水かどうかを使用者が判断して、電気温水器の電源を入れる。
水検知センサ11では、所定の大きさE0(例えば5ボルト)の直流電源11Aと、スイッチ11Bと、大きさR1(例えば200kΩ〜300kΩ程度)の抵抗11Cと、大きさR2(この実施の形態1では、R1と同じ)の抵抗11Dとを直列につなげ、抵抗11Dの片側の電位が高い方の端子を電極10に接続し、電位が低い方の端子を金属フランジ7に接続している。なお、金属フランジ7の電位を低くする理由は、詳細は後で説明するが、金属フランジ7及びヒーター6を保護するためである。
ここで、スイッチ11Bは、水検知センサ11による水の有無のチェックを実行するかどうかを表現するスイッチである。常時はスイッチ11Bが切であり、水位チェックを実行する場合に入りとなる。
The
In the
Here, the
水検知センサ11は、電極10と金属フランジ7の間の電圧VCを所定の閾値Vtと比較する比較器11Eを有し、比較器11Eの出力が水検知センサ11の出力になる。VCがVtよりも小さい場合を水が有るとし、そうでない場合を水が無いとする。
制御回路12は、ヒーター6の通電開始時と通電中の所定の周期(例えば3分または5分)で、水検知センサ11により電極10の位置まで水が存在するかどうかをチェックし、水が存在する場合だけ、ヒーター6を通電するものである。通電中も水の有無をチェックする理由は、貯水タンク1や配管が破損などして貯水タンク1の内部の水が急激に減少した場合に、ヒーター6への通電を停止するためである。
The
The
次に、動作について説明する。電気温水器を設置後に最初に使用する場合か、長期間使用しない後で再び使用する場合には、以下の手順を行う。
まず、貯水タンク1の内部には水が無いので、給水配管2により貯水タンク1の内部に水を入れる。逃し弁5または給湯箇所の蛇口のどちらかが開いていれば、貯水タンク1の内部にあった空気は供給される水により貯水タンク1の外へ排出され、貯水タンク1の水位はしだいに上昇する。標準の手順は機種により異なるが、例えば、以下のようにする。逃し弁5を閉じて、給湯箇所の中で1個の蛇口だけを開けておく。貯水タンク1が満水になり、給湯配管4と給湯箇所までの配管内の空気が抜けると、給湯箇所の中で開けておいた蛇口から水が出るようになるので、蛇口を閉じる。
Next, the operation will be described. If the electric water heater is used for the first time after installation, or if it is not used for a long time and then used again, the following procedure is performed.
First, since there is no water inside the
次に、電気温水器の電源を入れて、電気温水器の時計の時刻を合わせる。沸き上げ湯温など必要な設定が有れば、設定する。使用者がここまでしておくと、以降は電気温水器が自動で動作する。通常は電気温水器設置後、動作を確認するため、試験運転が実施される。試験運転内容は以下のとおりである。制御回路12が水検知センサ11により水の有無をチェックし、水検知センサ11が電極10の位置まで水が有ることを検出すると、現在のタンク上部の水温と設定水温とを比較参照し、設定水温に対して所定の温度差がある場合に、上側のヒーター6に通電が開始され、上側のヒーター6よりも上部の水を設定温度にまで加熱し、沸き上げが完了すると、通電を停止する。このように、設置後の動作確認を兼ねてタンク上部の水を沸き上げ、設置当日から温水器を使用することができる。深夜時間電力帯になると、タンク全体の水を設定温度に沸き上げるため、下側のヒーター6に通電が開始され、深夜時間電力帯内で沸き上げを完了する。
Next, turn on the electric water heater and set the time of the electric water heater clock. Set any necessary settings such as boiling water temperature. If the user has done so far, the electric water heater will automatically operate thereafter. Usually, after the electric water heater is installed, a test operation is performed to confirm the operation. The details of the test operation are as follows. When the
何らかの要因で貯水タンク1の内部から空気を排出できずに、電極10の位置には水が無い場合は、電極10の位置まで水が有ることを水検知センサ11が検出しないので、制御回路12はエラーが発生したとして、処理を中断し、台所や浴室に設置されたリモコンの表示により、給水が完了していないことを使用者に知らせる。このエラーは給水が完了するまで表示されるので、空気を逃す処置を実施して給水を完了させてはじめて試験運転を完了できる。貯水タンク1の内部から空気を排出できない場合としては、すべての蛇口及び逃し弁5を閉じたまま給水を開始する場合などが考えられる。
When air cannot be discharged from the inside of the
電極10の位置まで水が有ることを水検知センサ11が検出する方法について説明する。その原理は、電極10の位置まで水が有る場合の電極10と金属フランジ7の間の等価抵抗値が、水が無い場合よりも格段に小さくなるようにして、この等価抵抗の値が小さくなったことを検出するものである。この実施の形態1では、この等価抵抗の値が小さくなったことは、電極10と金属フランジ7の間の電圧VCを所定の閾値Vtと比較することにより検出する。
A method in which the
水検知センサ11の電気的な等価回路を図2に示す。この等価回路の元となる、貯水タンク1の内部で電流が流れる経路を説明する図を、図3に示す。この等価回路は、ステンレス製の貯水タンク1と水を所定の大きさの抵抗に置換え、貯水タンク1の内部の水位を複数のスイッチで表現するものである。ヒーター6の表面と金属フランジ7はともに導電率が非常に高い銅製なので、その電気抵抗は無視し、ヒーター6の表面と金属フランジ7とは同じ電位とする。
図3では、貯水タンク1の上部を拡大して表示する。直流電源11Aにより電極10と金属フランジ7の間に電圧が印加されており、貯水タンク1の内部が水で満たされている場合の、電流が流れる経路を太いグレーの線で示す。図3に示すXが、貯水タンク1を通る経路である。この経路上の貯水タンク1の部分を、濃いグレーにしている。図3に示すYが、水だけを通る経路である。
An electrical equivalent circuit of the
In FIG. 3, the upper part of the
図2の等価回路での端子の意味を説明する。端子11Fは、電極10に対応する。端子11Gは、ヒーター6の表面及び金属フランジ7に対応する。貯水タンク1は、電極10に至近の部分が端子11Hになり、金属フランジ7に至近の部分が端子11Jになる。
端子11Hと端子11Jの間には、主にステンレス製の貯水タンク1に対応する大きさRS(数Ω〜数十Ω程度)の抵抗11Kが有る。端子11Fと端子11Hの間には、水に対応する大きさRW1(数百Ω〜数kΩ程度)の抵抗11Lと、スイッチ11Mとが有る。スイッチ11Mは、電極10の位置まで貯水タンク1内に水が有る場合に入りになり、そうでない場合は切である。端子11Gと端子11Jの間には、水に対応する大きさRW2(数百Ω〜数kΩ程度)の抵抗11Nと、スイッチ11Pとが有る。スイッチ11Pは、上側のヒーター6の位置まで貯水タンク1内に水が有る場合に入りになり、そうでない場合は切である。
The meaning of the terminals in the equivalent circuit of FIG. 2 will be described. The terminal 11F corresponds to the
Between the terminal 11H and the terminal 11J, there is a resistor 11K having a size RS (several Ω to several tens Ω) mainly corresponding to the stainless
電極10とヒーター6の表面及び金属フランジ7との間が水で満たされた場合に、図3に示すように、電極10とヒーター6との間では貯水タンク1を通る経路Xと、水だけの経路Yとが並列に形成される。図3の経路Xが貯水タンク1を間に挟んで両側に水の部分があることから分かるように、図2の等価回路では、抵抗11Kと抵抗11Lと抵抗11Nが直列になる。抵抗11Kの大きさRSは、並列に経路Yがあることも考慮しての値とする。なお、ステンレスの方が水よりも格段に電気を流しやすいので、RSはステンレス製の貯水タンク1の抵抗値にほぼ等しくなる。
When the space between the
貯水タンク1内に電極10の位置まで水が有る場合は、スイッチ11Mとスイッチ11Pはともに入りになる。つまり、端子11Fと端子11Gの間には、直列に接続された大きさRSの抵抗11KとRW1の抵抗11Lと大きさRW2の抵抗11Nと、大きさR2の抵抗11Dとが並列に接続される。端子11Fと端子11Gとの間の等価抵抗の大きさをRTとすると、RTは以下となる。
RT=(R2×(RS+RW1+RW2))/(R2+RS+RW1+RW2) (式1)
この状態でスイッチ11Bを入りにすると、大きさR1の抵抗11Cに流れる電流Iは、以下の式で計算できる。
I=E0/(R1+RT) (式2)
オームの法則から、電圧VCは以下の式で計算できる。
VC=RT×I=E0×(RT/(R1+RT)) (式3)
When there is water in the
RT = (R2 × (RS + RW1 + RW2)) / (R2 + RS + RW1 + RW2) (Formula 1)
When the switch 11B is turned on in this state, the current I flowing through the resistor 11C having the size R1 can be calculated by the following equation.
I = E0 / (R1 + RT) (Formula 2)
From Ohm's law, the voltage VC can be calculated by the following equation.
VC = RT × I = E0 × (RT / (R1 + RT)) (Formula 3)
貯水タンク1内に電極10の位置までは水が無い場合は、少なくともスイッチ11Mは切である。また、R2=R1であり、E0=5ボルトであるとする。よって、IとVCは以下で計算できる。
I=E0/(R1+R2) (式4)
VC=R2×I=E0×(R2/(R1+R2))=2.5ボルト (式5)
ここで、RS+RW1+RW2の大きさに関して、(RS+RW1+RW2) /R2=0.01であるとすると、(式1)からRTは以下となる。
RT=(0.01/1.01)×R2=0.0099×R2 (式6)
(式6)とR2=R1を(式3)に代入すると、以下となる。
VC=E0×(0.0099/1.0099)=0.0045ボルト (式7)
When there is no water in the
I = E0 / (R1 + R2) (Formula 4)
VC = R2 × I = E0 × (R2 / (R1 + R2)) = 2.5 volts (Formula 5)
Here, regarding (RS + RW1 + RW2) /R2=0.01 regarding the magnitude of RS + RW1 + RW2, RT is as follows from (Equation 1).
RT = (0.01 / 1.01) × R2 = 0.0099 × R2 (Formula 6)
Substituting (Equation 6) and R2 = R1 into (Equation 3) gives the following.
VC = E0 × (0.0099 / 1.0099) = 0.0045 volts (Formula 7)
貯水タンク1内に電極10の位置までは水が無い場合の(式5)と比較して、VCが約55分の1になることが分かる。水の電気抵抗がより大きく、(RS+RW1+RW2) /R2=0.1の場合には、同様にして、RTとVCは以下となる。なお、この場合には、R1=200kΩとすると、RW1≒RW2≒10kΩとなる。これは、通常の水道水よりもかなり抵抗が大きいことを意味する。通常の水道水であれば、(RS+RW1+RW2) /R2<0.1と考えてよい。
RT=(0.1/1.1)×R2=0.0909×R2 (式8)
VC=E0×(0.0909/1.0909)=0.417ボルト (式9)
It can be seen that VC is about 1/55 compared to (Equation 5) when there is no water up to the position of the
RT = (0.1 / 1.1) × R2 = 0.0909 × R2 (Formula 8)
VC = E0 × (0.0909 / 1.0909) = 0.417 volts (Formula 9)
(式7)と(式9)から、Vtを2.5ボルトよりも十分な余裕を持って小さい値、例えば1.5ボルトなどにしておくと、VCをVtと比較すると、貯水タンク1内に電極10の位置までは水が有るかどうかを判断できる。これは、E0は5ボルトから4ボルトに低下したとしても水が無い場合のVCは2ボルトであり、1.5ボルトであるVtよりも大きく、水が無いことを正しく判断できる。水が有る場合のVCは、水の抵抗がかなり大きい(式9)でも約0.4ボルトと、1.5ボルトよりも明らかに小さくなる。
From (Equation 7) and (Equation 9), if Vt is set to a small value with a sufficient margin than 2.5 volts, for example, 1.5 volts, when VC is compared with Vt, Whether or not there is water up to the position of the
このように、E0、R1、R2、Vtを適切に設定しておけば、VCとVtを比較することにより、電極10まで水が有るかどうかを正しく水検知センサ11が判断できる。なお、電極10の位置まで水が存在して金属フランジ7及び銅製のU字管6Bとの間の電気抵抗が変化したことを検出できるものならば、図1以外の回路構成でもよい。
Thus, if E0, R1, R2, and Vt are set appropriately, the
さて、この発明に係る電気温水器の水検知センサ11が、不純物が付着して誤判断する可能性を低減できることについて説明する。ここで、不純物が付着するなどして、図2の等価回路上のスイッチが常時入りになることを不良導通と呼ぶこととする。
図2の等価回路において、水が存在することを表現するスイッチは、スイッチ11Mとスイッチ11Pと2個有る。ここで、スイッチ11Mが不良導通することは、電極10に不純物が付着して貯水タンク1の間が不良導通することである。また、スイッチ11Pが不良導通することは、金属フランジ7と貯水タンク1の間の境界部に不純物が付着して不良導通することである。これに対して、貯水タンク1と電極10の間の電圧を閾値と比較する従来の水検知センサ11では、スイッチ11Mに相当するものが1個だけで有る。
Now, it will be described that the
In the equivalent circuit of FIG. 2, there are two switches 11M and 11P that represent the presence of water. Here, the defective conduction of the switch 11M means that impurities adhere to the
スイッチ11Mとスイッチ11Pが不良導通した場合の動作を説明する。スイッチ11Mとスイッチ11Pが不良導通した場合の動作を説明する図を、図4〜図6に示す。スイッチ11Mだけが不良導通した場合が図4で、スイッチ11Pだけが不良導通した場合が図5で、スイッチ11Mとスイッチ11Pが不良導通した場合が図6である。
図4では、上側の金属フランジ7及び銅製のU字管6Bの中で最も低い位置にある銅製のU字管6Bの最下部まで水が来た場合を示す。この状態で、水検知センサ11は電極10の位置まで水が有ると誤判断する。なお、図に示すAが電極10に付着した不純物である。この場合には、下側の夜間に使用するヒーター6は完全に水中に没しているので、下側のヒーター6を空焚きすることにはならない。
仮に、上側のヒーター6に通電された場合でも、上側のヒーター6の一部が水に接する状態であり、従来の水検知センサで発生するようなヒーター6が水に接していない状態ではないので、発生した熱量が水へと移動するため、過度な温度上昇には至らない。また、図4の状態で上側のヒーター6を通電する可能性として、満水状態の貯水タンク1が破損して、貯水タンク1の内部の水が漏れて水位が低下した場合が挙げられる。その場合には、エラーを出して電気温水器の動作を停止させるように構成すればよく、これによりヒーター6の空焚きを防止できる。
An operation when the switch 11M and the switch 11P are defectively connected will be described. FIGS. 4 to 6 are diagrams for explaining the operation when the switch 11M and the switch 11P are defectively connected. FIG. 4 shows the case where only the switch 11M is defectively connected, FIG. 5 shows the case where only the switch 11P is defectively connected, and FIG. 6 shows the case where the switch 11M and the switch 11P are badly connected.
In FIG. 4, the case where water has come to the lowest part of the upper U-shaped metal flange 7 and the U-shaped pipe 6B made of copper at the lowest position is shown. In this state, the
Even if the
図5(a)に電極10の位置まで水が来た場合を、図5(b)に水位が電極10よりも低い場合を、それぞれ示す。なお、図に示すBが金属フランジ7に付着した不純物である。スイッチ11Pが不良導通していても、図5(a)では水検知センサ11は正常に電極10の位置まで水が有ることを判断し、図5(b)では正常に電極10の位置には水が無いことを判断する。
図6では貯水タンク1の内部に水が全く無い場合でも、水検知センサ11が電極10の位置まで水が有ると誤判断する。
以上のように、この発明に係る電気温水器の水検知センサ11は、スイッチ11Mとスイッチ11Pの両方が不良導通した場合だけ、ヒーター6の空焚きにつながる誤判断をする可能性が有る。しかしながら、スイッチ11Mとスイッチ11Pの両方が不良導通する可能性は、従来の水検知センサ11でスイッチ11Mが不良導通する場合よりも格段に小さくなる。即ち、この発明に係る電気温水器の水検知センサ11が誤判断する可能性は、従来のものに比し非常に小さいものになる。
FIG. 5A shows a case where water has reached the position of the
In FIG. 6, even when there is no water inside the
As described above, the
水に電気を流すと水が電気分解されることになり、陽極では酸素が発生し、陰極では水素が発生する。水素と酸素が余り発生しないように、抵抗11Cの大きさR1は十分大きくする。R1が200kΩ以上であれば、仮に貯水タンク1から気体が排出されない状況にあり、30年以上にわたって連続使用されても、貯水タンク1の電極10よりも上部の容量の半分未満しか水素と酸素が蓄積されない。スイッチ11Bを設けて、必要な時だけ通電するようにするのも、水の電気分解量を抑えることになる。
陽極の材料が水素よりもイオン化傾向が大きい場合には、陽極で酸素が発生する換わりに、陽極が溶融する。陽極が溶融しないようにするために、陽極の材料は水素よりもイオン化傾向が小さくかつ耐腐食性が高いチタン、金、白金などとする。これらの金属は高価なので、表面から所定の厚さだけをこれらの金属でメッキするようにしてもよい。
When electricity is passed through water, the water is electrolyzed, oxygen is generated at the anode, and hydrogen is generated at the cathode. The size R1 of the resistor 11C is sufficiently increased so that not much hydrogen and oxygen are generated. If R1 is 200 kΩ or more, there is a situation in which gas is not discharged from the
When the anode material has a higher ionization tendency than hydrogen, the anode melts instead of generating oxygen at the anode. In order to prevent the anode from melting, the anode is made of titanium, gold, platinum, etc., which has a lower ionization tendency and higher corrosion resistance than hydrogen. Since these metals are expensive, only a predetermined thickness from the surface may be plated with these metals.
上側のヒーター6を陰極として使用するので、電極10を1個だけ使用するだけでよいという効果が有る。また、陰極は溶融することがないので、ヒーター6を陰極として使用することにより、ヒーター6が貯水タンク1または電極10に対して陽極となり、ヒーター6が溶融して損壊する可能性が少なくなる。ここでは、上側のヒーター6だけを陰極としたが、2個のヒーター6を両方とも陰極とすれば、ヒーター6を溶融から保護することができる。ヒーター6が1個だけの場合も、ヒーター6を溶融から保護できる。
ヒーター6が貯水タンク1に対して陽極になるのは、静電気がヒーター6に蓄積された場合などに発生する。標準的な寿命よりも極端に寿命が短いヒーター6が存在しており、ヒーター6が貯水タンク1または電極10に対して陽極になり溶融することは、確証は無いが、ヒーター6の寿命を縮める要因の一つと考えられる。
Since the
The
抵抗11Dの大きさは、水が無い場合の電圧VCが十分大きくなるように、R1以上か、R1より小さくてもR1の数10%以上はあるようにする。R2をR1よりも十分大きくした方が、水が無い場合の電圧VCが直流電源の電圧E0に近くなり、閾値Vtをより広い範囲で取れるという効果が有る。R2は無限大でもよい。ただし、R2を有限の値とした方が、スイッチ11Bを入りにした時に電流が流れ、断線などが発生したことを検出できるという効果が有る。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
The size of the resistor 11D is set so that the voltage VC in the absence of water is sufficiently large, so that the resistance 11D is equal to or greater than R1, or even if it is smaller than R1, several tens of percent of R1. Making R2 sufficiently larger than R1 has an effect that the voltage VC in the absence of water becomes closer to the voltage E0 of the DC power supply, and the threshold value Vt can be taken in a wider range. R2 may be infinite. However, when R2 is a finite value, there is an effect that it is possible to detect that a current flows when the switch 11B is turned on, and that a disconnection or the like has occurred.
The above also applies to other embodiments.
実施の形態2.
この実施の形態2は、2個の金属フランジ7の両方を水検知センサ11の陰極とするように実施の形態1を変更した場合である。この実施の形態2での電気温水器の構成を説明する概念図を、図7に示す。実施の形態1の場合である図1と相違する点は、下側のヒーター6の金属フランジ7も大きさR2の抵抗11Dの電位が低い方の端子に接続されている点である。図2の等価回路も図1の場合と同じで、スイッチ11Pが入りになる条件が、下側のU字管6Bの最下部が水と接するようになることである点だけが相違する。
The second embodiment is a case where the first embodiment is changed so that both of the two metal flanges 7 are the cathodes of the
この実施の形態2によれば、2個のヒーター6が両方とも貯水タンク1または電極10に対して陽極になることがないので、両方のヒーター6を溶融から保護することができるという効果が有る。
ヒーター6が3個以上の場合も、すべてのヒーター6を水検知センサ11の陰極として使用すれば、すべてのヒーター6を溶融から保護できる。
According to the second embodiment, since both of the two
Even when there are three or
実施の形態3.
この実施の形態3は、筐体9を上側の金属フランジ7に取り付けるように、実施の形態2を変更した場合である。この実施の形態3での電気温水器の構成を説明する概念図を、図8に示す。実施の形態2の場合である図7と相違する点は、筐体9を貯水タンク1ではなく上側の金属フランジ7に取り付けている点である。電極10は、実施の形態2の場合と同様に、上側のヒーター6よりも上の位置である。
The third embodiment is a case where the second embodiment is changed so that the housing 9 is attached to the upper metal flange 7. The conceptual diagram explaining the structure of the electric water heater in this
この実施の形態3でも、2個のヒーター6が両方とも貯水タンク1または電極10に対して陽極になることがないので、両方のヒーター6を溶融から保護することができるという効果がある。
Also in this third embodiment, since both the two
1 :貯水タンク
2 :給水配管
3 :減圧弁
4 :給湯配管
5 :逃し弁
6 :ヒーター(電熱体)
6A:ニクロム線(発熱部)
6B:U字管(保護部)
6C:スイッチ
6D:交流電源
7 :金属フランジ
8 :パッキン
9 :筐体
10 :電極
11 :水検知センサ(水検知手段)
11A:直流電源
11B:スイッチ
11C:抵抗
11D:抵抗
11E:比較器
11F:端子
11G:端子
11H:端子
11J:端子
11K:抵抗
11L:抵抗
11M:スイッチ
11N:抵抗
11P:スイッチ
12 :制御回路
1: Water storage tank 2: Water supply pipe 3: Pressure reducing valve 4: Hot water supply pipe 5: Relief valve 6: Heater (electric heating element)
6A: Nichrome wire (heat generating part)
6B: U-shaped tube (protection part)
6C: Switch 6D: AC power supply 7: Metal flange 8: Packing 9: Housing 10: Electrode 11: Water detection sensor (water detection means)
11A: DC power supply 11B: switch 11C: resistor 11D: resistor 11E: comparator 11F: terminal 11G: terminal 11H: terminal 11J: terminal 11K: resistor 11L: resistor 11M: switch 11N: resistor 11P: switch 12: control circuit
Claims (4)
The electric water heater according to any one of claims 1 to 3, wherein a portion having a predetermined thickness from a surface of the electrode in contact with water is made of metal having a smaller ionization tendency than hydrogen.
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