JP2009036486A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 タンク内の水位を常に最適な状態に維持することができて、給湯負荷への温水供給に支障を生じない信頼性にすぐれた給湯装置を提供する。
【解決手段】 開放型タンク５内の水位を圧力センサ５１によって無段階に細かく検出し、その検出水位Ｓｂ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎを制御する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、複数の熱源機を備えた給湯装置に関する。

圧縮機の吐出冷媒を水熱交換器、減圧器、室外熱交換器に通して圧縮機に戻し水熱交換器を凝縮器として機能させるヒートポンプ式冷凍サイクルを有し、その水熱交換器に水を循環させて温水を作りそれをタンクに貯えながら給湯負荷へ供給する給湯装置がある（例えば特許文献１）。
特開２００５―３０８２５０号公報

上記の給湯装置では、給湯負荷への温水供給に支障が生じないよう、常に十分な量の温水をタンクに常に貯えておく必要がある。

この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的は、タンク内の水位を常に最適な状態に維持することができて、給湯負荷への温水供給に支障を生じない信頼性にすぐれた給湯装置を提供することである。

請求項１に係る発明の給湯装置は、温水を作る複数の熱源機と、これら熱源機で作られた温水を貯えて給湯負荷へ供給するためのタンクと、このタンク内の水の圧力を検知する圧力センサと、この圧力センサの検知圧力に基づき上記タンク内の水位を検出する水位検出手段と、この水位検出手段の検出水位に応じて上記各熱源機の運転台数を制御する制御手段と、を備える。

この発明の給湯装置によれば、タンク内の水位を常に最適な状態に維持することができる。これにより、給湯負荷への温水供給に支障を生じることがなく、信頼性の向上が図れる。

［１］以下、この発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、複数台の熱源機１が給水側主配管２と給湯側主配管３との間に並列に接続されるとともに、その給水側主配管２および給湯側主配管３との間に密閉型タンク４が接続されている。給水側主配管２は、水源（図示しない）の水を密閉型タンク４および各熱源機１に供給するとともに、密閉型タンク４内の水（または温水）を各熱源機１に導く。給湯側主配管３は、各熱源機１から流出する温水を密閉型タンク４に供給するとともに、密閉型タンク４内の温水を開放型タンク５に供給する。開放型タンク５は、温水配管を介して給湯負荷に接続されている。

なお、開放型タンク５には内部の水位を検出する手段として後述の電極棒検出ユニット５０および圧力センサ５１が設けられ、その電極棒検出ユニット５０および圧力センサ５１が制御ユニット７に接続されている。

各熱源機１の具体的な構成を図２に示す。
すなわち、圧縮機１１から吐出される冷媒が四方弁１２を介して水熱交換器１３に流れ、その水熱交換器１３を経た冷媒が減圧器である膨張弁１４、室外熱交換器１５、および上記四方弁１２を通って圧縮機１１に吸込まれる。室外熱交換器１５に外気を供給するための室外ファン１６がその室外熱交換器１５の近傍に設けられている。これら圧縮機１１から室外ファン１６までの機器により、ヒートポンプ式冷凍サイクルが構成されている。
上記給水側主配管２から第１三方弁２２の第１流路の一端に第１配管２１が接続され、その第１三方弁２２の第１流路および第２流路のそれぞれ他端から上記水熱交換器１３の水入口にポンプ２４を介して第２配管２３が接続されている。さらに、水熱交換器１３の水出口から第２三方弁２６の第３流路および第４流路のそれぞれ一端に第３配管２５が接続され、その第３流路の他端から第１三方弁２２の第２流路の一端に第４配管２７が接続されている。また、第４配管２７の中途部から給湯側主配管３に第５配管２８が接続されるとともに、第２三方弁２６の第４流路の他端から上記第１配管２１に第６配管２９が接続されている。これら第１配管２１から第６配管２９までの部品により、水サイクルが構成されている。

なお、第１三方弁２２は選択的な開閉が可能な第１流路および第２流路を有し、第２三方弁２６は選択的な開閉が可能な第３流路および第４流路を有している。

水熱交換器１３に熱交換器温度センサ３１が取付けられ、第２配管２３における水熱交換器１３の水入口近傍に流入側温度センサ３２が取付けられ、第３配管２５における水熱交換器１３の水出口近傍に流出側温度センサ３３が取付けられている。熱交換器温度センサ３１は、水熱交換器１３の温度（凝縮温度）Ｔc（℃）を検知する。流入側温度センサ３２は、水熱交換器１３に流入する水（または温水）の温度Ｔwi（℃）を検知する。流出側温度センサ３３は、水熱交換器１３から流出する温水（または水）の温度Ｔwo（℃）を検知する。

圧縮機１１と四方弁１２との間の高圧側冷媒配管に吐出冷媒温度センサ４１および高圧スイッチ４２が取付けられ、室外熱交換器１５に熱交換器温度センサ４３が取付けられている。吐出冷媒温度センサ４１は、圧縮機１１の吐出冷媒温度Ｔdを検知する。高圧スイッチ４２は、圧縮機１１の吐出冷媒圧力（高圧側圧力）Ｐｄの異常上昇時に作動する。熱交換器温度センサ４３は、室外熱交換器１５の温度（蒸発温度）Ｔe（℃）を検知する。

このような給湯装置の各熱源機１の外観、開放型タンク５の内部の構成、制御ユニット７の配置などを図３に示す。
まず、開放型タンク５の上部に電極棒検出ユニット５０が設けられている。この電極棒検出ユニット５０は、開放型タンク５の深さ方向に沿って互いに長さが異なる複数の電極棒５０ａ,５０ｂ,…５０ｅを有し、これら電極棒５０ａ,５０ｂ,…５０ｅの相互間の液体を通した通電により開放型タンク５内の水位Ｓａ（％）を段階的に検出する。このうち、最短の電極棒５０ａが満水（１００％）検出用、最長の電極棒５０ｅが渇水（０％）検出用となっている。

また、開放型タンク５内の下部に、圧力センサ５１および温度センサ５２が取り付けられている。圧力センサ５１は、開放型タンク５内の水の圧力を検知する。温度センサ５２は、開放型タンク５内の水の温度を検知する。

さらに、開放型タンク５の側壁に渇水時給水用の緊急給水管９が連通され、その緊急給水管９に二方弁５３が設けられている。

そして、密閉型タンク４に制御ユニット７が取り付けられ、その制御ユニット７に各熱源機１、操作表示器８、電極棒検出ユニット５０、圧力センサ５１、温度センサ５２が配線接続されている。
制御ユニット７は、主要な機能として、次の（１）〜（４）の手段を有する。
（１）熱源機１の運転開始に際し、ヒートポンプ式冷凍サイクルの運転およびポンプ２４の運転を開始し、熱交換器温度センサ３１の検知温度Ｔcまたは流入側温度センサ３２の検知温度Ｔwiが設定値に達するまで、第２三方弁２６の第３流路を閉じて第４流路を開き、かつ第１三方弁２２の第１流路を開いて第２流路を閉じることにより、ポンプ２４、水熱交換器１３、第３配管２５、第２三方弁２６の第４流路、第６配管２９、第１配管２１、第１三方弁２２の第１流路を通して水が循環する初期循環回路を形成する第１制御手段。

（２）上記第１制御手段による初期循環回路の形成後、熱交換器温度センサ３１の検知温度Ｔcまたは流入側温度センサ３２の検知温度Ｔwiが設定値を超えると、第１三方弁２２の第１流路を開いて第２流路を閉じ、かつ第２三方弁２６の第３流路を開いて第４流路を閉じることにより、給水側主配管２の水を第１配管２１、第１三方弁２２の第１流路、第２配管２３、ポンプ２４を通して水熱交換器１３に送り、その水熱交換器１３から流出する温水を第３配管２５、第２三方弁２６の第３流路、第４配管２７、第５配管２８を通して給湯側主配管３に送る出湯回路を形成する第２制御手段。

（３）圧力センサ５１の検知圧力に基づき開放型タンク５内の水位Ｓｂ（％）を検出する水位検出手段。この検出は、電極棒検出ユニット５０の段階的な検出と異なり、無段階で細かい点に特徴を有している。この水位検出手段の検出水位を、以下、圧力センサ５１の検出水位という。

（４）上記圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）または上記電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎを制御する第３制御手段。

つぎに、作用について説明する。
（ａ）熱源機１の初期循環回路および出湯回路
熱源機１の運転開始に際し、ヒートポンプ式冷凍サイクルの運転およびポンプ２４の運転が開始され、図４に示す条件に基づき、熱交換器温度センサ３１の検知温度Ｔcが設定値Ｔcsに達するまで、または流入側温度センサ３２の検知温度Ｔwiが設定値Ｔwisに達するまで、第２三方弁２６の第３流路が閉じられて第４流路が開かれ、かつ第１三方弁２２の第１流路が開かれて第２流路が閉じられる。これにより、図２に矢印で示すように、ヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、圧縮機１１の吐出冷媒が四方弁１２、水熱交換器１３、膨張弁１４、室外熱交換器１５、四方弁１２を通って圧縮機１１に吸込まれる流れが生じて水熱交換器が凝縮器として機能する。水サイクルでは、水がポンプ２４、水熱交換器１３、第３配管２５、第２三方弁２６の第４流路、第６配管２９、第１配管２１、第１三方弁２２の第１流路を通って循環する初期循環回路が形成される。

この初期循環回路の形成後、図４に示す条件に基づき、熱交換器温度センサ３１の検知温度Ｔcが設定値Ｔcsを超えたとき、または流入側温度センサ３２の検知温度Ｔwiが設定値Ｔwisを超えたとき、第１三方弁２２の第１流路が開かれて第２流路が閉じられ、かつ第２三方弁２６の第３流路が開かれて第４流路が閉じられる。これにより、図４に矢印で示すように、給水側主配管２の水が第１配管２１、第１三方弁２２の第１流路、第２配管２３、ポンプ２４を通って水熱交換器１３に送られ、その水熱交換器１３から流出する温水が第３配管２５、第２三方弁２６の第３流路、第４配管２７、第５配管２８を通って給湯側主配管３に送られる出湯回路が形成される。

このように、運転開始時は、先ず初期循環回路を形成して水熱交換器１３を温め、水熱交換器１３が十分に温まってから給湯側主配管３への出湯を行うことにより、給湯側主配管３を流れる温水の不要な温度低下を回避することができて、十分に温度上昇した高温水が給湯側主配管３を介して密閉型タンク４および開放型タンク５に供給される。

とくに、複数台の熱源機１を備え、その各熱源機１の運転台数を変えることができるので、全体の給湯能力を増大できるとともに、その給湯能力を広範囲で調節することができ
（ｂ）停止中の熱源機１への温水の流入阻止
停止中の熱源機１では、第２三方弁２６の第３流路が閉じられて第４流路が開かれ、かつ第１三方弁２２の第１流路が開かれて第２流路が閉じられ、給湯回路が解除されて図２の初期循環回路が準備される。これにより、運転中の熱源機１で作られた給湯側主配管３内の温水が停止中の熱源機１の水サイクルに流入することがなくなり、運転中の熱源機１で作られた温水およびその熱エネルギを無駄なく密閉型タンク４および開放型タンク５に供給して貯えることができ、省エネルギ性および信頼性の向上が図れる。

（ｃ）水位検出および運転台数制御
開放型タンク５に対する水位検出および各熱源機１の運転台数制御について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。
開放型タンク５に圧力センサ５１が取り付けられていないとき（ステップ１０１のＹＥＳ）、あるいは圧力センサ５１に何らかの異常があるとき（ステップ１０１のＮＯ、ステップ１０２のＹＥＳ）、電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎが制御される（ステップ１０３）。すなわち、電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）と操作表示器８での設定水位Ｓｔ（％）とが比較され、検出水位Ｓａ（％）が設定水位Ｓｔ（％）に達していなければ各熱源機１の運転台数Ｎが増やされ、検出水位Ｓａ（％）が設定水位Ｓｔ（％）を超えていれば各熱源機１の運転台数Ｎが減らされ、検出水位Ｓａ（％）が設定水位Ｓｔ（％）とほぼ同じであればそのときの各熱源機１の運転台数Ｎが維持される。なお、圧力センサ５１の異常の有無は、圧力センサ５１の出力から判別することができる。また、圧力センサ５１に異常があれば、その旨の情報が操作表示器８で表示される。

圧力センサ５１が取り付けられていて（ステップ１０１のＮＯ）、その圧力センサ５１に異常がなく（ステップ１０２のＮＯ）、かつ後述する要補正フラグｆが“１”でないとき（ステップ１０４のＮＯ）、しかも電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）が“満水”で圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が“満水”でないとき（ステップ１０６のＹＥＳ）、各熱源機１の運転台数Ｎが減らされるとともに（ステップ１０７）、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）に誤差が存在するとの判断の下に、その誤差を補償するための補正値ΔＳｂ（％）が演算により決定される（ステップ１０８）。この決定に伴い、要補正フラグｆが“１”にセットされる（ステップ１０９）。この場合、各熱源機１の運転台数Ｎが減らされるので、開放型タンク５から温水が溢れ出てしまう不具合を未然に防ぐことができる。

要補正フラグｆが“１”のとき（ステップ１０４のＹＥＳ）、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）に補正値ΔＳｂ（％）が加えられる（ステップ１０５）。以後、補正値ΔＳｂ（％）を加えた値が新たな検出水位Ｓｂ（％）と見なされる。

電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）および圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が共に“満水”の場合も（ステップ１０６のＮＯ、ステップ１１０のＹＥＳ）、各熱源機１の運転台数Ｎが減らされる（ステップ１１１）。

電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）が“渇水”の場合は（ステップ１０６のＮＯ、ステップ１１０のＮＯ、ステップ１１２のＹＥＳ）、各熱源機１の運転台数Ｎが増やされるとともに、緊急給水管９の二方弁５３が開かれて開放型タンク５に対する緊急的な給水が行われる（ステップ１１３）。これにより、開放型タンク５の渇水を直ちに解消することができる。

電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）および圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が“満水”でなく“渇水”でもないとき（ステップ１０６のＮＯ、ステップ１１０のＮＯ、ステップ１１２のＮＯ）、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が温度センサ５２の検知温度に応じて補正され（ステップ１１４）、その補正後の検出水位Ｓｂ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎが制御される（ステップ１１５）。圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）には水温に応じた誤差が生じるため、このような温度補正を行っている。

実際の運転台数制御では、検出水位Ｓｂ（％）と設定水位Ｓｔ（％）との差ΔＳ（％）が求められ、その差ΔＳ（％）と図７の加熱能力設定条件とが照合される。

例えば、検出水位Ｓｂ（％）が設定水位Ｓｔ（％）より高くて、差ΔＳ（％）が＋１（％）〜＋５（％）の範囲では、加熱能力Ｐ＝５０（％）が選定される。検出水位Ｓｂ（％）が設定水位Ｓｔ（％）よりさらに高くて、差ΔＳ（％）が＋６（％）〜＋１０（％）の範囲では、加熱能力Ｐ＝３０（％）が選定される。仮に、各熱源機１の台数が１０台であれば、加熱能力Ｐ＝５０（％）は運転台数“５台”に相当し、加熱能力Ｐ＝３０（％）は運転台数“３台”に相当する。

検出水位Ｓｂ（％）が設定水位Ｓｔ（％）より低くて、差ΔＳ（％）が−１（％）〜−５（％）の範囲では、加熱能力Ｐ＝７０（％）が選定される。検出水位Ｓｂ（％）が設定水位Ｓｔ（％）よりさらに低くて、差ΔＳ（％）が−６（％）〜−１０（％）の範囲では、加熱能力Ｐ＝１００（％）が選定される。仮に、各熱源機１の台数が１０台であれば、加熱能力Ｐ＝７０（％）は運転台数“７台”に相当し、加熱能力Ｐ＝１００（％）は運転台数“１０台”に相当する。

なお、運転台数の制御に際しては、各熱源機１の起動順位が運転時間の短い順に逐次に変更設定される。これは、各熱源機１の運転時間を平均化し、ひいては各熱源機１の寿命を向上させるためである。

このように、開放型タンク５内の水位を圧力センサ５１によって無段階に細かく検出し、その検出水位Ｓｂ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎを制御することにより、開放型タンク５内の水位を常に最適な状態に維持することができる。よって、開放型タンク５から給湯負荷への温水供給に支障を生じることがなく、信頼性の向上が図れる。

圧力センサ５１に異常が生じた場合は、電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）に応じて各熱源機１の運転台数Ｎを制御するので、安全である。

電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）または圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が満水の場合は、各熱源機１の運転台数Ｎを減らすので、開放型タンク５から温水が溢れ出てしまう不具合を未然に防ぐことができる。とくに、電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）が満水であれば、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）が満水でなくても、各熱源機１の運転台数Ｎを減らすので、安全である。しかも、この場合、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）に誤差が存在するとの判断の下に、その誤差を補償するための補正値ΔＳｂを決定し、以後、その補正値ΔＳｂを検出水位Ｓｂ（％）に加えるので、圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）に応じた運転台数制御の信頼性が向上する。

電極棒検出ユニット５０の検出水位Ｓａ（％）が渇水の場合は、各熱源機１の運転台数Ｎを増やすとともに緊急給水管９を開いて給水するので、開放型タンク５の渇水を直ちに解消することができる。この点でも、開放型タンク５から給湯負荷への温水供給に支障を生じることがなく、信頼性はもちろん安全性の向上が図れる。

圧力センサ５１の検出水位Ｓｂ（％）を温度センサ５２の検知温度に応じて補正するようにしているので、この点でも運転台数制御の信頼性が大幅に向上する。

運転台数制御に際し、各熱源機１の起動順位を運転時間が短い順に逐次に変更設定するので、各熱源機１の運転時間が平均化されて、各熱源機１の寿命向上が図れる。

なお、上記実施形態では、開放型タンク５が１つの場合を例に説明したが、図８に示すように、開放型タンク５が複数の場合にも同様に実施できる。この場合、一方の開放型タンク５に電極棒検出ユニット５０、圧力センサ５１、温度センサ５２、および二方弁５３が設けられ、他方の開放型タンク５には電極棒検出ユニット５０および二方弁５３のみ設けられている。開放型タンク５が複数あることにより、給湯負荷の温水使用量が多い場合でも、その使用に十分に対処することができる。また、一方の開放型タンク５が清掃等で使用できない場合でも、他方の開放型タンク５に温水を貯えて給湯負荷への温水供給を続けることができる。

その他、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の構成を示す図。 一実施形態における熱源機の具体的な構成および初期循環回路を示す図 一実施形態における各熱源機の外観、開放型タンクの内部の構成、制御ユニットの配置などを示す図。 一実施形態における初期循環回路と出湯回路との切換条件を示す図。 一実施形態における熱源機の出湯回路を示す図。 一実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 一実施形態における加熱能力設定条件を示す図。 一実施形態の変形例の構成を示す図。

符号の説明

１…熱源機、２…給水側主配管、３…給湯側主配管、４…密閉型タンク、５…開放型タンク、７…制御ユニット、８…操作表示器、９…緊急給水管、１１…圧縮機、１３…水熱交換器、１４…膨張弁（減圧器）、１５…室外熱交換器、５１…圧力センサ、５２…温度センサ、５３…二方弁

Claims (8)

1. 温水を作る複数の熱源機と、
   前記各熱源機で作られた温水を貯えて給湯負荷へ供給するためのタンクと、
   前記タンク内の水の圧力を検知する圧力センサと、
   前記圧力センサの検知圧力に基づき前記タンク内の水位を検出する水位検出手段と、
   前記水位検出手段の検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする給湯装置。
2. 前記タンクの深さ方向に沿って互いに長さが異なる複数の電極棒を有しこれら電極棒の相互間の液体を通した通電により前記タンク内の水位を検出する電極棒検出ユニットをさらに備え、
   前記制御手段は、前記水位検出手段の検出水位または前記電極棒検出ユニットの検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記制御手段は、前記圧力センサが異常なしの場合に前記水位検出手段の検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御し、前記圧力センサが設けられていない場合または前記圧力センサが異常の場合に前記電極棒検出ユニットの検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。
4. 前記制御手段は、前記電極棒検出ユニットの検出水位が満水のときに前記各熱源機の運転台数を減らす、
   ことを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。
5. 前記制御手段は、前記電極棒検出ユニットの検出水位が満水で前記水位検出手段の検出水位が満水でない場合に前記各熱源機の運転台数を減らし、かつ前記水位検出手段の検出水位に対する補正値を決定し、以後、その補正値を前記水位検出手段の検出水位に加える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。
6. 前記タンクは、渇水時給水用の緊急給水管を付属して備え、
   前記制御手段は、前記電極棒検出ユニットの検出水位が渇水の場合に、前記各熱源機の運転台数を増やすとともに前記緊急給水管を開く、
   ことを特徴とする請求項２に記載の給湯装置。
7. 前記タンク内の水の温度を検知する温度センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記水位検出手段の検出水位を前記温度センサの検知温度に応じて補正し、補正後の検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
8. 前記制御手段は、前記水位検出手段の検出水位に応じて前記各熱源機の運転台数を制御し、かつその制御に際しての各熱源機の起動順位を運転時間が短い順に逐次に変更設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。

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