JP2007315672A

JP2007315672A - 貯湯式給湯装置

Info

Publication number: JP2007315672A
Application number: JP2006145516A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Murayama; 成樹村山; Makoto Honma; 誠本間; Motoi Abe; 基阿部
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】給水の回り込みを防止した貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】第１混合弁２９は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネ４４と、この形状記憶合金バネ４４に対抗するバイアスバネ４５の合力によって可動弁体４６を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部４７と、この弁機構部４７へ与える荷重を変更するためのステッピングモータ４９とから構成され、前記形状記憶合金バネ４４は給湯停止時でも出湯及び給水温度で伸縮して可動弁体４６を移動させることで、給水の回り込みを防止した貯湯式給湯装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、貯湯式電気温水器や貯湯式ヒートポンプ給湯機等の貯湯式給湯装置に関するものである。

従来、この種の貯湯式給湯装置に於いては、特許文献１に示すように、貯湯タンクからの湯水と給水バイパス管からの給水とを混合弁で混合して給湯設定温度に調整して給湯しているものであった。この混合弁は、コック式の弁体をモータで回転させることで湯水の混合比率を変更するもので、混合湯の温度を給湯温度センサで検出して給湯設定温度と一致するようにフィードバック制御によってモータで弁体を回転させて微調整を行っているものであった。
特開２００２−４８４０６号公報

ところでこの従来のものでは、給湯温度センサで給湯温度を検出してから給湯温度が給湯設定温度に一致するように湯と水の混合比を調整するものであるため、制御遅れが必ず発生する。制御遅れを小さくしようとするとハンチングが生じ、給湯温度が大幅にオーバーシュートしたりアンダーシュートしてしまうものであった。

この発明は上記課題を解決するために、特にその構成を、湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンクの下部に給水する給水管と、前記貯湯タンクの上部から出湯する第１出湯管と、この第１出湯管から分岐した第２出湯管と、前記給水管から分岐された第１給水バイパス管、第２給水バイパス管と、前記第１出湯管からの湯と前記第１給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるよう混合する第１混合弁と、前記第２出湯管からの湯と前記第２給水バイパス管からの水とを混合する第２混合弁と、前記第１混合弁の給湯設定温度を設定するリモートコントローラとを備えた貯湯式給湯装置に於いて、前記第１混合弁は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するためのステッピングモータとから構成され、前記形状記憶合金バネは給湯停止時でも出湯及び給水温度で伸縮して可動弁体を移動させるものである。

この発明によれば、給湯停止時でも形状記憶合金バネは出湯や給水温度で、伸縮して可動弁体を移動させるで、第２混合弁による足し湯や高温差し湯によって、第１混合弁側からの給水の回り込みを給水口を自動的に閉塞することで、確実に防止することが出来、極めて使用勝手が良いものであり、更に再出湯時の給湯温度のオーバーシュート、アンダーシュートが緩やかとなり、設定温度の給湯までの時間が大幅に短縮され、良好な給湯を常に得ることが出来るものである。

次にこの発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づいて説明する。この貯湯式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプユニット等の加熱手段、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５は給湯設定温度を設定したりふろ運転を指示したりするためのリモートコントローラ、６は浴槽である。

前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に第１出湯管７と該第１出湯管７から分岐した第２出湯管８と、下端に給水管９とが接続され、更に前記加熱手段３と循環可能に接続する往き管１０が下部に、戻り管１１が上部に接続されている。又往き管１０の途中には貯湯タンク２内の湯水を加熱手段３へ循環させる積層ポンプ１２が設けられ、戻り管１１途中には沸き上げ開始時低温水を貯湯タンク２下部に戻したり、凍結防止にバイパス回路を形成するためのバイパス切替弁１３とバイパス路１４とが設けられ、更に給水管９途中には給水圧を所定圧力まで減圧する減圧弁１５が設けられ、第１出湯管７途中には貯湯タンク２内の過圧を逃がす逃し弁１６が設けられている。

そして、前記積層ポンプ１２によって往き管１０から取り出した貯湯タンク２内下部の湯水を前記加熱手段３で沸き上げ、戻り管１１から貯湯タンク２内上部に戻して貯湯される。そして給湯栓４が開かれると、給水管９からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が第１出湯管７から押し出されて給湯されるものである。

前記加熱手段３は、冷媒を圧縮する圧縮機１７とガスクーラとしての水−冷媒熱交換器１８と減圧手段としての電子膨張弁１９と強制空冷式の蒸発器２０で構成されたヒートポンプ回路２１と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部２２とを備えており、ヒートポンプ回路２１内には冷媒として二酸化炭素が用いられ、高圧側で臨界圧力を越える超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。これによって、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。

２３は前記浴槽６の湯水を加熱するためのステンレス製の蛇管よりなるふろ熱交換器で、この熱交換器２３にはふろ往き管２４及びふろ循環ポンプ２５を有したふろ戻り管２６が接続されて浴槽６の湯水が循環可能にされ、浴槽６内の湯水が貯湯タンク２内の高温水により加熱されて保温あるいは追焚きが行われるものである。なお、２７はふろ戻り管２６を循環する浴槽水の温度を検出するふろ温度センサである。

そして、リモートコントローラ５からふろ運転の指令が出されるとふろ循環ポンプ２５が駆動され、ふろ温度センサ２７で所望の温度を検出するとふろ循環ポンプ２５が停止されて運転が完了する。この時、ふろ熱交換器２３の最上部より下方の湯水は浴槽水との熱交換で温度低下することとなる。

２８は前記給水管９から分岐されて貯湯タンク２をバイパスする第１給水バイパス管、２９は前記第１出湯管７からの湯水と前記第１給水バイパス管２８からの水とを混合してその下流の第１給湯管３０へ給湯する第１混合弁、３１はこの第１混合弁２９の下流の第１給湯管３０に設けられた給湯温度センサ、３２は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタである。

３３は前記第１給水バイパス管２８から分岐された第２給水バイパス管、３４は前記第２出湯管８からの湯水とこの第２給水バイパス管３３からの水とを混合してその下流の第２給湯管３５へ給湯する第２混合弁であり、この第２混合弁３５は従来より公知のモーターと調節弁とで構成されており、ここではこの第２給湯管３５に電磁弁３６、第１逆止弁３７、湯張り流量センサ３８、第２逆止弁３９を備えて、ふろ戻り管２６に接続することにより湯張り回路を構成したものである。

４０は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅと呼び、この貯湯温度センサ４０が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。

４１は日々の使用熱量や残熱量から深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ熱量とピークシフト時刻を演算して加熱手段３へ沸き上げ開始と停止の指示を行うと共に、昼間時間帯に前記貯湯温度センサ４０で検出する貯湯タンク２の残熱量が所定量を下回ると所定の沸き増し運転を開始させる貯湯制御部である。

４２は給湯温度がリモートコントローラ５で設定された給湯設定温度になるように第１混合弁２９を制御する給湯制御部である。

前記第１混合弁２９は、ケーシング４３と、混合後の湯水の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネ４４とこの形状記憶合金バネ４４に対抗する一定のバネ定数を有するバイアスバネ４５の合力によって可動弁体４６を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部４７とで構成されている。形状記憶合金バネ４４は、温度に応じて弾性係数が変化するニッケル・チタン合金などからなり、コイルスプリング状に形成されている。

そして、この第１混合弁２９は一端側からバイアスバネ４５、可動弁体４６、形状記憶合金バネ４４の順に配置され、可動弁体４６付近のバイアスバネ４５側から弁機構部４７内に導入された貯湯タンク２からの高温水と可動弁体４６付近の形状記憶合金バネ４４側から弁機構部４７内に導入された第１給水バイパス管２８からの給水とが混合され、混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ４４のバネ定数が変化することによってバネ力も変化し、可動弁体４６を挟んで対抗して設けられているバイアスバネ４５のバネ力と平衡することで、所定の弁開度位置で可動弁体４６が静止して所定の温度の湯を給湯するものである。

ここで第１出湯管７側の出湯温度が上がると混合後の湯温が上がり、それに伴って混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ４４のバネ定数が増大して形状記憶合金バネ４４が以前より伸びた状態でバイアスバネ４５と平衡し、可動弁体４６が湯側開度を減少し水側開度を増大した位置で静止するため、第１給水バイパス管２８側の弁開度が大きくなり、第１出湯管７側の弁開度が小さくなって形状記憶合金バネ４４の作用によって自動的に所定の温度に調整される。

又逆に第１給水バイパス管２８側からの水の流通があると、これに伴って混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ４４のバネ定数が減少して形状記憶合金バネ４４が以前より収縮した状態でバイアスバネ４５と平衡し、可動弁体４６が湯側開度を増大し水側開度を減少した位置で静止することとなるが、水の流通が激しくなれば第１給水バイパス管２８の給水口４８が可動弁体４６で閉塞される。

又第１混合弁２９外部のバイアスバネ４５側には、この弁機構部４７へ与える荷重を変更するためのステッピングモータ４９が設けられており、ステッピングモータ４９を一方向へ駆動することによって弁機構部４７への荷重を増してバイアスバネ４５および形状記憶合金バネ４４を圧縮し、ステッピングモータ４９を他方向へ駆動することで弁機構部４７への荷重を減らしてバイアスバネ４５および形状記憶合金バネ４４を伸張する。このように弁機構部４７へ与える荷重を変更することで形状記憶合金バネ４４とバイアスバネ４５が平衡する位置を大まかに調整し、給湯温度を変更可能としている。

前記給湯制御部４２には、前記リモートコントローラ５で設定される給湯設定温度に応じて前記ステッピングモータ４９を駆動して予め前記弁機構部４７へ与える予荷重を変更して前記弁機構部４７から出湯する混合湯の温度をフィードフォワード制御によって変更させるＦＦ制御部５０と、前記第１混合弁２９の下流に設けられた給湯温度センサ３１で検出する給湯温度と前記給湯設定温度の差に応じて前記ステッピングモータ４９を駆動して前記弁機構部４７へ与える荷重をフィードバック制御によって微調整するＦＢ制御部５１とが設けられている。

そして、給湯設定温度がリモートコントローラ５で設定されると、ＦＦ制御部５０によって給湯設定温度に応じた予荷重を弁機構部４７へ付加するようステッピングモータ４９が駆動される。そして給湯栓４が開かれて給湯が開始されると、貯湯タンク２からの高温水が第１出湯管７を介して第１混合弁２９へ流入すると同時に第１給水バイパス管２８からの給水も第１混合弁２９へ流入し、予め給湯設定温度に応じた予荷重が与えられた弁機構部４７は形状記憶合金バネ４４の雰囲気温度が給湯設定温度で形状記憶合金バネ４４のバネ力とバイパスバネ４５のバネ力とが平衡し、可動弁体４７が静止して湯水の混合比率が決まる。

この時、第１出湯管７には貯湯タンク２内の高温水が第１混合弁２９へ到達するまでの間に、第１出湯管７内部に残留する湯水が存在する。この残留水は貯湯タンク２内の温度に比べ同等か低くなるのが常であり、給湯開始初期に給湯温度をアンダーシュートさせてしまうと共に、残留水が出きった後に湯側の温度が急上昇するために給湯温度をオーバーシュートさせてしまう要因となっていたが、形状記憶合金バネ４４は弁機構部４７内部の温度自体で機械的に混合比率が調整されると同時に、形状記憶合金バネ４４の熱容量が小さいと共に熱伝導性が高いため迅速に混合比率が機械的に調整されるので、残留水が流入している間は湯側を大きく開き給湯設定温度に近づけ給湯温度のアンダーシュートを著しく軽減できると共に、残留水が出きって貯湯タンク２内の高温水が流入すると形状記憶合金バネ４４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ４４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがない。

又前回の給湯終了から時間が経過して第１出湯管７の残留水が給湯設定温度以下まで低下してしまっている場合は、給湯開始初期には給湯設定温度以下の第１出湯管７の残留水と第１給水バイパス管２８からの給水とが混合されるため形状記憶合金バネ４４の雰囲気温度は給湯設定温度以下となり形状記憶合金バネ４４がバイアスバネ４５のバネ力により圧縮されて湯側の開度が広げられる。そのことによって第１出湯管７内の残留水が素早く排出され、貯湯タンク２内の高温水が第１混合弁２９内に流入するまでの時間を短縮できる。そして、貯湯タンク２内の高温水が第１混合弁２９内に流入すると形状記憶合金バネ４４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ４４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがない。

次に第２給湯管３５からふろ戻り管２６を介しての浴槽６への足し湯や高温差し湯の場合、第２混合弁３４で第２出湯管８からの湯水と、第２給水バイパス管３３からの水とを設定温度になるように混合して供給するもので、この時に第２出湯管８での湯水の流れによって、第１出湯管７側が負圧となって吸引されるようになり、図２に示すように第１混合弁２９の第１給水バイパス管２８からの水が第１出湯管７を通り第２出湯管８に回り込み、湯の供給が出来ないと言う現象が発生するが、この発明では、図３に示すように、形状記憶合金バネ４４に水が流れ込むことにより、形状記憶合金バネ４４は収縮して可動弁体４６を第１給水バイパス管２８側に移動させ、最終的には給水口４８を閉塞して、水の回り込み現象を防止するものである。

又浴槽６への足し湯や高温差し湯が終了すれば、可動弁体４６は形状記憶合金バネ４４の伸張で図２の状態に戻るものであり、従来のモーターのみの混合弁と比較すると、従来混合弁が給水口４８を完全に閉塞する為に、モーターのステップを０にするのに対して、形状記憶合金バネ３８方式は該形状記憶合金バネ３８の自然移動分を考慮してステッピングモータ４９の２０ステップ或いは８０ステップにして、ある程度、湯と水の混合状態側として置くことが出来るので、給湯設定温度の混合状態への到達時間が早く、給湯開始時のアンダーシュート及びオーバーシュートを抑制出来るものである。

従って、給湯停止時でも形状記憶合金バネ４４は出湯や給水温度で、伸縮して可動弁体４６を移動させるで、第２混合弁３４による浴槽６への足し湯や高温差し湯によって、第１混合弁２９側からの給水の回り込みを給水口４８を自動的に閉塞することで、確実に防止することが出来、極めて使用勝手が良いものであり、更に再出湯時の給湯温度のオーバーシュート、アンダーシュートが緩やかとなり、設定温度の給湯までの時間が大幅に短縮され、良好な給湯を常に得ることが出来るものである。

ところで、この第１混合弁２９はケーシング４３と形状記憶合金バネ４４とバイアスバネ４５と可動弁体４６とが相互に作用して構成されているため、多数のパーツそれぞれのバラツキが積算して第１混合弁２９全体の性能のバラツキが出やすいものである。しかし、給湯が開始され混合後の給湯温度センサ３１で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれている場合は、ＦＢ制御部５１がこの温度偏差に応じてステッピングモータ４９を駆動して弁機構部４７へ与えている予荷重を微調整するようにしているため、第１混合弁２９自体のバラツキを制御で吸収することが可能となり、製品毎にバラツキのない一定の温度を給湯する貯湯式給湯装置とすることができる。

又主に深夜電力で沸き上げた湯を貯めて昼間に給湯する貯湯式給湯装置であるため、第１混合弁２９の湯側に供給される湯の温度は経時的に変化する。特に、貯湯タンク２内の湯と水の温度境界層は時間が経つ連れて中間温度部分が増大し、貯湯タンク２内の上部の８０℃以上の温水と下部の１０℃程度の給水との間の温度境界層は深夜沸き上げ完了直後は薄く高さ方向の温度変化も急峻であっても、時間が経過するに従って熱伝導によって温度境界層が厚く高さ方向の温度変化が鈍っていくものである。

このような高さ方向に温度分布を持った貯湯タンク２内の温水を用いて給湯するため、第１混合弁２９の湯側の温度が刻々と変化する特性を有しており、温度境界層の湯を給湯に用いている状況では、混合後の給湯温度センサ３１で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれると、ＦＢ制御部５１がこの温度偏差に応じてステッピングモータ４９を駆動して弁機構部４７へ与えている予荷重を微調整するので、熱源の温度が刻々と変化しても給湯温度を一定に保つことが可能である。

この時、熱源の温度変化が激しいと予荷重を頻繁に微調整する必要が出てくるが、予荷重を調整するためのモータをステッピングモータ４９で構成しているので、細かく微調整できると共に、ポテンショメータ付ＤＣモータのようにモータの回転角の検出のための抵抗やブラシの摺動部が不要なため確実で信頼性、耐久性の高い微細な調整が可能で、貯湯式給湯装置の製品寿命も長くなるものである。

この一実施形態のように貯湯タンク２の湯水を熱源としたふろ熱交換器２３を有したものは、貯湯タンク２内にさらに温度分布が発生するため熱源の温度変化がさらに激しく、この発明の第１混合弁２９を用いた効果がより顕著となるものである。

更に、給湯量が多くなって貯湯タンク２内の残湯量が少なくなっていることを前記貯湯制御部４１が検出すると、前記貯湯制御部４１は加熱手段３を駆動して貯湯タンク２下部の低温水を加熱して貯湯タンク２上部へ積層して貯湯する沸き増し運転を行う。沸き増し運転が行われると、沸き増し運転によって貯湯タンク２上部に貯められた高温水が出湯されるため、それまで温度低下し続けていた第１出湯管７からの出湯温度が急激に上昇する。このように急激に温度上昇した場合にあっても本発明の第１混合弁２９によれば、形状記憶合金バネ４４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ４４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがないと共に、混合後の給湯温度センサ３１で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれている場合は、ＦＢ制御部５１がこの温度偏差に応じてステッピングモータ４９を駆動して弁機構部４７へ与えている予荷重を微調整するようにしているため、給湯温度を一定に保つことが可能である。

又この発明の貯湯式給湯装置によると、停電時のステッピングモータ４９が駆動できない状況であっても、第１混合弁２９は主に形状記憶合金バネ４４によって湯水の混合比率を調節しているため、以前に設定した給湯設定温度の給湯を行うことができる。

この発明の一実施形態の貯湯式給湯装置の概略構成図。同第１混合弁要部の通常状態を示す説明図。同第１混合弁要部の回り込み防止状態を示す説明図。同ふろ給湯中の再出湯状態を従来と本発明とで比較した特性図。同ステッピングモータの閉止位置を従来と本発明とで比較した特性図。

符号の説明

２貯湯タンク
５リモートコントローラ
７第１出湯管
８第２出湯管
９給水管
２８第１給水バイパス管
２９第１混合弁
３３第２給水バイパス管
３４第２混合弁
４４形状記憶合金バネ
４５バイアスバネ
４６可動弁体
４７弁機構部
４９ステッピングモータ

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンクの下部に給水する給水管と、前記貯湯タンクの上部から出湯する第１出湯管と、この第１出湯管から分岐した第２出湯管と、前記給水管から分岐された第１給水バイパス管、第２給水バイパス管と、前記第１出湯管からの湯と前記第１給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるよう混合する第１混合弁と、前記第２出湯管からの湯と前記第２給水バイパス管からの水とを混合する第２混合弁と、前記第１混合弁の給湯設定温度を設定するリモートコントローラとを備えた貯湯式給湯装置に於いて、前記第１混合弁は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するためのステッピングモータとから構成され、前記形状記憶合金バネは給湯停止時でも出湯及び給水温度で伸縮して可動弁体を移動させる事を特徴とする貯湯式給湯装置。