JP2011163692A - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】混合弁の最適な駆動制御を行い、出湯時に温度変動幅の小さい貯湯式給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明の貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンク３と、貯湯タンク内の湯水を高温に沸き上げる加熱手段１と、貯湯タンク３から高温湯を出湯する出湯管１７と、出湯管１７から供給される高温湯と水とを混合する混合手段１９と、混合手段１９から給湯端末２２へ供給される湯水の流量を検出する流量検出手段２１とを備え、加熱手段が動作中であって給湯端末への湯水の供給が停止中に、混合手段の混合比を段階的に水側にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源で沸き上げた高温湯を貯えるための貯湯タンクを有する貯湯式給湯機に関するものである。

従来の貯湯式給湯機の混合弁の制御は、混合弁の下流側に設けたサーミスタの温度情報を用いて、混合弁の駆動制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、混合弁の下流側のサーミスタで検出する温度が、設定温度となるように、混合弁の開度を制御するフィードバック制御を行っていた。

特開２００７−１３９３４５号公報

しかしながら、前記従来の貯湯式給湯機で用いられている混合弁の制御は、貯湯タンク内の湯水の圧力変動が無い状態においては有効であるが、貯湯タンク内に圧力変動がある状態においては混合弁での温度変動幅が大きくなってしまうという課題を有していた。

従来の貯湯式給湯機には高温湯を貯えるための貯湯タンクが備えられており、電気料金の安い夜間や、湯切れした時の沸き増し時には、加熱手段で高温湯を生成して貯湯タンク内に貯える運転を行っている。そして加熱手段での加熱中は、貯湯タンク内の湯温が上昇するため、圧力が上昇し、混合弁に供給される湯の圧力が、水の圧力よりも高くなってしまうため、同じ設定温度であっても、加熱手段停止中と加熱手段動作中の湯側開度が異なってしまうことが原因である。

図４は、従来の貯湯式給湯機の混合湯温の変動イメージ図である。図４に示すように、沸き上げ開始直後の出湯による湯温変動幅に比べて、沸き上げ開始からある程度時間が経過した後の出湯による湯温変動幅が大きくなってしまっている。そのため、使用者が給湯端末から湯を出そうとした時に、大きく高温側に変動してしまうと、使用者が設定した温度よりも大幅に高い温度が出てきてしまう可能性がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、混合弁の最適な駆動制御を行い、出湯時に温度変動幅の小さい貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を高温に沸き上げる加熱手段と、貯湯タンクから高温湯を出湯する出湯管と、出湯管から供給される高温湯と水とを混合する混合手段と、混合手段から給湯端末へ供給される湯水の流量を検出する流量検出手段とを備え、加熱手段が動作中であって給湯端末への湯水の供給が停止中に、混合手段の混合比を段階的に水側にすることにより、予め湯温変動を予測して段階的に水側にして所定の混合比に制御し、使用者が給湯端末から出湯したときの湯温変動の幅を小さくすることができ、使用者の使用感を損なうことがない。

本発明の貯湯式給湯機は、混合弁の最適な駆動制御を行い、出湯時に温度変動幅の小さい貯湯式給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機の構成図 同実施の形態１における混合比率と設定温度との関係図 同実施の形態１における温度偏差および出湯停止時間と混合弁制御速度との関係図 従来の混合手段の制御による温度変動幅の遷移図

第１の発明の貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を高温に沸き上げる加熱手段と、貯湯タンクから高温湯を出湯する出湯管と、出湯管から供給される高温湯と水とを混合する混合手段と、混合手段から給湯端末へ供給される湯水の流量を検出する流量検出手段とを備え、加熱手段が動作中であって給湯端末への湯水の供給が停止中に、混合手段の混合比を段階的に水側にすることにより、予め湯温変動を予測して段階的に水側にして所定の混合比に制御し、使用者が給湯端末から出湯したときの湯温変動の幅を小さくすることができ、使用者の使用感を損なうことがない。

第２の発明の貯湯式給湯機は、特に第１の発明において、加熱手段が動作中であって、給湯端末への湯水の供給が停止した後の所定時間経過毎に、混合手段の混合比を段階的に水側にすることにより、混合弁を常時動かすのではなく、所定量動作後、停止を行うので、出湯時の混合弁動作はほとんどが停止状態で安定した状態で出湯を行うことにより、安定した出湯を行うことにより、出湯変動幅を小さくすることができる。

第３の発明の貯湯式給湯機は、特に第１または第２の発明において、混合手段の開度は、停止時間および圧力上昇に応じて開度を求めることにより、時間経過時の圧力上昇の関係をあらかじめ求めておくことにより、停止時間に対して適正な混合弁開度を導くことができ、出湯変動幅をさらに小さくすることができる。

第４の発明の貯湯式給湯機は、特に第１から第３の発明において、貯湯タンクの温度が高いほど、混合手段の混合比を動作させる所定時間を短くすることにより、タンク内温度が高い場合は、圧力上昇も高いため、貯湯タンクの温度により所定時間の間隔を変化させることにより、圧力上昇に対して、適切な混合比率へと動作させることができ、出湯変動幅を小さくすることができる。

第５の発明の貯湯式給湯機は、特に第１から第４の発明において、混合手段の水側への移動は、所定開度までに制限して行うことにより、出湯時に水側全開で出湯して使用者に不快な思いをさせることを防止することができる。

第６の発明の貯湯式給湯機は、特に第１から第５の発明において、外気温度を検出する外気サーミスタを備え、混合手段の開度は、外気サーミスタで検出される外気温度に基づいて補正されることにより、外気温度が低ければ、給湯機から給湯端末まで至る配管での放熱による温度低下も大きく、外気温度が高ければ温度低下は小さいので、その温度低下分を外気温度により補正を行うことにより、出湯変動幅をさらに小さく抑えることができる。

第７の発明の貯湯式給湯機は、特に第１から第６の発明において、加熱手段が動作中であって、給湯端末からの出湯が無い状態が所定時間継続した後に、給湯端末から出湯した場合は、通常の給湯端末からの出湯時における混合手段の駆動速度よりも早い速度で、混
合手段の駆動を行うことにより、出湯変動幅をさらに小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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の構成図である。図１において、本発明の貯湯式給湯機は、加熱手段であるヒートポンプユニット１と、湯水を貯える貯湯タンク３を有するタンクユニット２で構成されている。まず、ヒートポンプユニット１について説明する。なお、本実施の形態では加熱手段としてヒートポンプを用いて説明するが、ヒートポンプに限定されることはなく、ヒートポンプに代えて電気ヒータを用いて湯水を加熱する構成であっても問題は無い。

本実施の形態の加熱手段であるヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮し高温高圧冷媒にする圧縮機４、冷媒と水とが熱交換を行い高温水を生成する冷媒水熱交換器５、冷媒を減圧する減圧装置６、大気と冷媒とが熱交換を行い冷媒が大気から吸熱を行う蒸発器７を、順次冷媒配管８にて環状に接続して構成されるヒートポンプ回路を有している。冷媒には二酸化炭素が用いられ、圧縮機４で圧縮された後の冷媒は超臨界圧力を超える状態となり、図１に矢印で示すように冷媒配管内を循環している。なお、冷媒は二酸化炭素に限定されることはなく、Ｒ４１０Ａ等のフロン系冷媒や、プロパン等の炭化水素系冷媒を用いたとしても問題はない。

次に、タンクユニット２について説明する。タンクユニット２は、湯水を貯える貯湯タンク３を有し、貯湯タンク３の壁面には複数の残湯温度検出手段であるサーミスタ５０ａ〜５０ｅまでが取り付けられており、それぞれのサーミスタが検出する温度に基づいて、貯湯タンク３内にどれくらいの湯があるかを検出している。基本的には、夜間時間帯（２３時〜翌７時）の電気料金が安い時間帯に貯湯タンク３内の湯が沸き上げられるが、サーミスタ５０ａ〜５０ｅによって検出される温度に基づいて、貯湯タンク３内の残湯が少なくなってきたと判断すると、昼間時間帯であったとしてもヒートポンプユニット１で沸き増しをして、貯湯タンク３内に高温湯が貯えることで、昼間時間帯の湯切れを防止している。

また、貯湯タンク３の底部からヒートポンプユニット１内の冷媒水熱交換器５に低温水を搬送するための循環ポンプ１０が設けられており、循環ポンプ１０を駆動させることによって、貯湯タンク３の底部から冷媒水熱交換器５へ低温水が搬送される。

また、冷媒水熱交換器５で生成された高温水は、水流路を切り替える三方弁１１によって貯湯タンク３の上下へ送られる。冷媒水熱交換器５で生成される温水の温度が所定温度未満の場合には、三方弁１１は貯湯タンク３の底部と連通する方向に切り替えられ、下部給湯配管１２を経て貯湯タンク３の底部へ湯水が送られる。しかしながら、冷媒水熱交換器５で生成される温水の温度が所定温度以上の場合には、三方弁１１は貯湯タンク３の上部と連通する方向に切り替えられ、上部給湯配管１３を経て貯湯タンク３の上部へ湯水が送られる。ヒートポンプユニット１内には、外気温度を測定するための外気サーミスタ４０が取り付けられている。

また、貯湯タンク３の下部に設けた給水口１４には、給水源から水を供給するための給水配管１５が接続され、貯湯タンク３の上部に設けた出湯口１６には、給湯端末へ高温水を供給するための出湯管１７が接続されている。そして給水口１４には給水源からの水圧が常時掛かっている状態となり、出湯管１７から高温水が出湯されるに伴って、給水口１４から水が供給される構成となっている。

また、給水配管１５から分岐した給水分岐配管１８が設けられており、出湯管１７と給水分岐配管１８とは混合手段である電動式混合弁１９に接続され、使用者がリモコン装置３０で設定した温度が給湯端末２２へ出湯するように、電動式混合弁１９にて湯水が混合され給湯端末２２へ送られる構成になっている。

そして電動式混合弁１９の下流側には、温度検知手段であるサーミスタ２０が配設されており、通常時の電動式混合弁１９の駆動は、サーミスタ２０で検知する温度が、使用者が設定した設定温度となるように電動式混合弁１９の開度が変更されるようなフィードバック制御が行われる。また電動式混合弁１９の下流側には、流量を検知する流量検出手段である流量検知装置２１が設けられており、給湯端末へ送られる湯水の流量を検出している。

また、給湯端末２２には、電動式混合弁１９から湯を供給する湯供給配管２８と、給水源から水を供給する水供給配管２９が接続されており、使用者が給湯端末２２にて実際に温度を見ながらさらに湯水を混合できる構成となっている。

次に、加熱手段（本実施の形態ではヒートポンプユニット１）が動作して貯湯タンク３内の湯水を加熱する際に、給湯端末２２から使用者が出湯するときの電動式混合弁１９の制御について説明する。

加熱手段が動作中は、循環ポンプ１０が駆動することにより、貯湯タンク３の底部にある低温水が冷媒水熱交換器５へ搬送されて、高温高圧の冷媒より熱を受け取り、高温水となって貯湯タンク３の上部より貯えられる。

しかしながら、加熱手段が動作中は、貯湯タンク３内には高温湯が徐々に貯えられており、貯湯タンク３内の温度が上昇すると同時に、貯湯タンク３内の圧力も上昇している。その結果、電動式混合弁１９に加わる湯圧は、給水源から給水分岐配管１８を経て供給される低温水の水圧に比べて高くなってしまう。

図２は、所定温度を出す時における加熱動作中と加熱動作停止中との電動式混合弁１９の開度の違いを図にしたものである。図２に示すように、例えば、設定温度を４０℃に設定した場合における電動式混合弁１９の湯側開度は、通常時（加熱動作停止中）は５０％であるのに対して、沸き上げ運転中（加熱動作中）は４０％の開度で４０℃の湯を得ることができる。つまり、沸き上げ運転中は、通常時に比べて湯側の開度を絞ることで、通常時と同じ温度の湯を得ることができることがわかる。

次に本実施の形態における電動式混合弁１９のフィードフォワード制御について説明する。

加熱動作が開始されると給湯端末２２からの出湯の有無にかかわらず、貯湯タンク３内の圧力は上昇が始まったと判断し、電動式混合弁１９の開度の制御を行う。例えば、図２に示すような特性の電動式混合弁１９を使用した場合には、通常時に設定温度４０℃として給湯端末２２から出湯させていた場合、電動式混合弁１９の湯側開度は５０％になっている。しかしながら、加熱動作が開始後に、給湯端末２２からの出湯の有無に関わらず、貯湯タンク３内の圧力が上昇していると予測して、電動式混合弁１９の開度を水側に駆動し、電動式混合弁１９の湯側開度を段階的に駆動させ４０％となる位置まで駆動を行う。

そして、その後給湯端末２２から使用者が出湯を開始すると、通常のフィードバック制御を行い、設定温度となるように電動式混合弁１９の開度を制御するが、加熱手段が動作
中であって、給湯が停止中にであったとしても、電動式混合弁１９の開度を水側に駆動させることで、通常５０％から加熱動作中に４０％相当の湯側開度となるが、給湯を開始したときには、適切な湯側開度へと移行させることができる。

また、給湯端末２２への湯水の供給が停止している場合において、所定時間経過毎に、前記混合手段の混合比を、段階的に水側にすることにより、混合弁を常時動かすのではなく、所定量動作後、停止を行うので、出湯時の混合弁動作はほとんどが停止状態で安定した状態で出湯を行うことにより、安定した出湯を行うことにより、出湯変動幅を小さくすることができる。

また、電動式混合弁１９の混合弁開度は、給湯端末２２への湯水の供給が停止している停止時間および貯湯タンク３内の圧力上昇に応じて、電動式混合弁１９の混合弁開度を求めてもよい。このように行うことで、湯水の供給が停止している停止時間中の加熱動作による貯湯タンク３内の圧力上昇の圧力値や、停止時間に対して適正な混合弁開度を導くことにより、適切な電動式混合弁１９の混合弁開度に段階的に駆動させることができ、出湯変動幅をさらに小さくすることができる。

また、貯湯タンク３の温度が高いほど、電動式混合弁１９の混合比を動作させる所定時間を短くしてもよい。これは貯湯タンク３内の温度が高い場合は、圧力上昇も高いため、貯湯タンク３の温度により所定時間の間隔を変化させることにより、圧力上昇に対して、電動式混合弁１９の混合比を適切な混合比率へと動作させることができ、出湯変動幅を小さくすることができる。

さらに、電動式混合弁１９の混合比の水側への移動は、ある混合比のポイントまでに規制を行って制限することで、出湯時に水側全開で使用者へ供給してしまうことを防止することができる。

また、電動式混合弁１９の混合弁開度は、外気サーミスタ４０で検出される外気温度に応じて補正してもよい。これは、外気温度が低ければ、給湯機から給湯端末２２までの給湯配管での放熱による温度低下が大きくなることが予測されるため、その温度低下分を外気温度により補正を行うことにより、出湯変動幅をさらに小さく抑えることができる。

また、加熱手段が動作中で、かつ、給湯端末２２からの出湯が所定時間無い状態が継続した後に、給湯端末２２から出湯した場合は、通常の給湯端末２２からの出湯時における電動式混合弁１９の駆動速度よりも早い速度で、電動式混合弁１９の駆動を行うようにしてもよい。

図３は、電動式混合弁１９の駆動速度を示した図である。図３に示すように、再出湯するまでの時間に応じて、電動式混合弁１９の駆動速度を変更し、さらに、電動式混合弁１９の下流側に設けているサーミスタ２０で検出する温度と、設定温度との間に差が生じている場合にも、その差が大きいほど駆動速度が大きくなるように変更している。

例えば、設定温度が４０℃で、サーミスタ２０で検出された温度が３５℃の時には、温度偏差は５℃となる。また、図３に示すＰＰＳとは、Ｐｕｌｓｅ／Ｓｅｃｏｎｄを表しており、１秒当たりの駆動速度を示している。図３に示すように、タンクユニット２内に設けている制御手段にて再出湯開始までの経過時間をタイマーカウントし、経過時間が１５分以上になると高速モードを選択し、さらに現在の温度偏差を算出することにより、複数ある段階から１つの段階を選択し、該当する駆動速度で電動式混合弁１９を制御する。

これは、図３に示すように、貯湯運転時、再出湯時までの経過時間が長いほど、貯湯タ
ンク９内の湯水の温度上昇は大きくなり、貯湯タンク９の内圧上昇は大きくなるためである。その結果、出湯管１７の圧力と給水分岐配管１８の圧力の圧力差が起こり、給湯端末２２からは熱い湯が出湯されやすくなるので、通常運転と比べて速い駆動速度で電動式混合弁を動作させる必要がある。

また、温度偏差が大きければ大きいほど、より速く設定温度とサーミスタ２０で検出される値との差を縮めなければならないので、温度偏差が小さいときに比べてより速い駆動速度で混合弁を動作させる必要がある。なお、図３に示す駆動速度は予め定められた実験値であり、状況に応じて変更することができる。

以上のように、経過時間と温度偏差によって混合弁の駆動速度を制御することにより、オーバーシュート現象またはアンダーシュート現象の温度変動を小さくし、より快適な温度制御を行うことができる。

本発明に係る貯湯式給湯機の加熱手段には、ヒートポンプサイクルや電気ヒータ等の様々な熱源を用いることができる。

１ ヒートポンプユニット
２ タンクユニット
３ 貯湯タンク
１１ 三方弁
１２ 下部給湯配管
１３ 上部給湯配管
１４ 給水口
１５ 給水配管
１６ 出湯口
１７ 出湯管
１８ 給水分岐配管
１９ 電動式混合弁
２０ サーミスタ
２１ 流量検知装置
２２ 給湯端末
３０ リモコン装置
４０ 外気サーミスタ
５０ａ〜５０ｅ サーミスタ（残湯温度検出手段）

Claims (7)

1. 湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を高温に沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンクから高温湯を出湯する出湯管と、前記出湯管から供給される高温湯と水とを混合する混合手段と、前記混合手段から給湯端末へ供給される湯水の流量を検出する流量検出手段とを備え、前記加熱手段が動作中であって給湯端末への湯水の供給が停止中に、前記混合手段の混合比を段階的に水側にすることを特徴とする貯湯式給湯機。
2. 前記加熱手段が動作中であって、給湯端末への湯水の供給が停止した後の所定時間経過毎に、前記混合手段の混合比を段階的に水側にすることを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯機。
3. 前記混合手段の開度は、停止時間および圧力上昇に応じて開度を求め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. 貯湯タンクの温度が高いほど、前記混合手段の混合比を動作させる所定時間を短くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の貯湯式給湯機。
5. 前記混合手段の水側への移動は、所定開度までに制限して行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の貯湯式給湯機。
6. 外気温度を検出する外気サーミスタを備え、前記混合手段の開度は、前記外気サーミスタで検出される外気温度に基づいて補正されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の貯湯式給湯機。
7. 前記加熱手段が動作中であって、給湯端末からの出湯が無い状態が所定時間継続した後に、前記給湯端末から出湯した場合は、通常の給湯端末からの出湯時における混合手段の駆動速度よりも早い速度で、前記混合手段の駆動を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の貯湯式給湯機。

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