JP2012013288A - 給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】精度よく二次側出口温度を目標温度と一致させることができる給湯機を提供することを課題とする。
【解決手段】高温水と低温水が熱交換器１３で熱交換する電気給湯機１であって、制御装置２４は、設定温度に応じて決定される目標温度と二次側出口温度を一致させるのに必要な高温水の一次側必要流量が、循環ポンプ１１の回転速度の変化に対する高温水の流量の変化が大きい第１領域に入っているとき、熱交換器１３をバイパスするバイパス管２８に低温水の一部を流通させる。熱交換器１３の低温水の流通量が減少して高温水からの伝熱量が減少するため、制御装置２４は、伝熱量の減少を補うように高温水の流量を増加させて第１領域以外の第２領域に入れる。第２領域は、循環ポンプ１１の回転速度の制御で二次側出口温度を精度よく調節できる領域であり、制御装置２４は、二次側出口温度を目標温度と精度よく一致させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプで循環する熱媒体が被熱交換媒体と熱交換する給湯機に関する。

貯湯タンクに蓄えられる高温水を熱媒体として、被熱交換媒体となる低温水を加熱し、低温水が加熱されて生成される湯水を利用者に給湯する給湯機能付の給湯機（電気給湯機）は広く知られている。このような電気給湯機は、低温水と高温水が熱交換して低温水を加熱する給湯熱交換器を有し、高温水は、ポンプによって給湯熱交換器の高温管を流通するように構成されている。

このように構成される電気給湯機に関し、例えば特許文献１には、利用者に給湯される湯水の温度（給湯熱交換器の二次側出口温度）が所定の給湯温度となるように、循環ポンプ（給湯循環ポンプ）の回転速度を制御して給湯熱交換器の一次側循環量（高温水の流量）を制御する電気給湯機が開示されている。

特開平２００７−８５５８２号公報

しかしながら、循環ポンプには、軸受、電動モータの機械部、などの機械的抵抗を発生する機構部分があるため、所定の回転速度以下の低速回転領域では機械的抵抗の影響が大きく、循環ポンプの回転速度の変化に対してポンプ出力が大きく変化する。したがって、循環ポンプの回転速度の制御でポンプ出力を精度よく調節することが困難になる。
給湯熱交換器の一次側循環量はポンプ出力の変化に応じて変化することから、ポンプ出力を精度よく調節できない低速回転領域では、給湯熱交換器の一次側循環量を精度よく調節することができない。そこで、給湯熱交換器の一次側循環量を精度よく調節するためには、所定の回転速度以上の領域で循環ポンプを運転することが好ましい。そのため、給湯熱交換器の一次側循環量が所定の流量より多くなることが好ましい。

特許文献１には、給湯量が少ないときや給湯温度の設定値（設定温度）が低いときなど、一次側循環量が少ないときに一次側循環量を制御する技術に関して記載されていない。したがって、一次側循環量が少ないときに給湯量や設定温度が変化すると、一次側循環量を精度よく調節することができず、ひいては、二次側出口温度を、設定温度に応じて決定される目標温度と精度よく一致させることができないという点に関して改善の余地がある。

そこで、本発明は、常に精度よく二次側出口温度を目標温度と一致させることができる給湯機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、熱媒体が流通する一次側管路と、前記熱媒体と熱交換する被熱交換媒体が流通する二次側管路と、前記一次側管路および前記二次側管路に接続されて、前記熱媒体と前記被熱交換媒体が熱交換する熱交換器と、前記熱媒体を前記一次側管路に流通させるポンプと、前記熱交換器をバイパスするように前記二次側管路に備わるバイパス管と、前記熱交換器を流通する前記被熱交換媒体の流量と前記バイパス管を流通する前記被熱交換媒体の流量の流量比率を調節する流量調節機構と、を備え、前記ポンプの回転速度の変化に応じて変化する前記熱媒体の流量で前記被熱交換媒体の温度を調節して、当該被熱交換媒体の温度を目標温度と一致させる給湯機とする。そして、前記流量調節機構は、前記被熱交換媒体の温度を前記目標温度と一致させるのに必要な前記熱媒体の流量である一次側必要流量が所定の閾値より少ないときは前記バイパス管に前記被熱交換媒体を流通させ、前記一次側必要流量が前記閾値以上のときは、前記バイパス管を遮断することを特徴とする。

本発明によると、常に精度よく二次側出口温度を目標温度と一致させることができる給湯機を提供できる。

本実施形態に係る電気給湯機の構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、ポンプ特性の一例を示すグラフである。 給湯手順を示すフローチャートである。 混合弁が閉弁している場合に二次側流量が変化したときの制御手順を示すフローチャートである。 混合弁が開弁している場合に循環ポンプの回転速度が上限に達したときの制御手順を示すフローチャートである。 （ａ）は、低温管とバイパス管の分岐点に混合弁が備わる状態を示す図、（ｂ）は、開閉弁と定流量弁がバイパス管に備わる状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る電気給湯機１は、被熱交換媒体である低温水と、熱媒体となる高温水が熱交換する給湯機であって、低温水を加熱する一次側１０と、低温水が加熱されて生成される湯水を利用者に給湯する二次側２０とを含んで構成される。

一次側１０は、モータで駆動して高温水を送出するポンプ（循環ポンプ１１）、高温水が蓄えられる貯湯タンク１２、および高温水と低温水が熱交換するように構成される熱交換器１３を含んで構成され、循環ポンプ１１、貯湯タンク１２、熱交換器１３は、高温水が流通する高温管１４（一次側管路）で接続される。そして、一次側入口温度センサ１３ａで熱交換器１３に取り込まれる高温水の温度を計測可能に構成される。以下、一次側入口温度センサ１３ａが計測する高温水の温度を一次側入口温度と称する。

なお、一次側１０の高温管１４を流通する高温水は、例えば図示しない加熱装置（ヒートポンプユニット、ボイラなど）で加熱されて貯湯タンク１２に蓄えられる。

二次側２０は、低温水を供給する水道などの給水源２１と熱交換器１３が低温管２５（二次側管路）で接続されて低温水が熱交換器１３に取り込まれ、熱交換器１３で高温水と低温水が熱交換して低温水が加熱されるように構成される。さらに、熱交換器１３と蛇口２２が給湯管２６（二次側管路）で接続され、熱交換器１３で低温水が加熱されて生成される湯水は、利用者が蛇口２２の給湯栓を開いたときに利用者に給湯されるように構成される。

また、給水源２１から熱交換器１３に取り込まれる低温水の温度は二次側入口温度センサ１３ｂで計測され、熱交換器１３で加熱された湯水の温度は二次側出口温度センサ２６ａで計測されるように構成される。さらに、給湯管２６を流通する湯水の流量を計測する二次側流量センサ２７が備わっている。以下、二次側入口温度センサ１３ｂが計測する低温水の温度を二次側入口温度、二次側出口温度センサ２６ａが計測する湯水の温度を二次側出口温度と称する。

また、電気給湯機１には、蛇口２２から利用者に給湯される湯水の温度（以下、給湯温度と称する）を設定する温度設定装置２３と、温度設定装置２３で設定された設定温度が給湯温度になるように電気給湯機１を制御する制御装置２４が備わっている。

そして、本実施形態に係る電気給湯機１の二次側２０には、熱交換器１３をバイパスして低温管２５と給湯管２６を接続するバイパス管２８が備わっている。バイパス管２８は分岐点２５ａで低温管２５と分岐し、混合弁２９を介して給湯管２６と接続される。混合弁２９は、給水源２１から供給されてバイパス管２８を流通する低温水の流量（バイパス流量）を調節し、熱交換器１３を流通する低温水の流量とバイパス流量の流量比率を調節する流量調節機構である。例えば、混合弁２９が全開のときに給水源２１から供給される低温水のα％がバイパス管２８を流通するように構成される場合、混合弁２９の開度がβ％であれば、バイパス管２８には、給水源２１から供給される低温水の（α×β／１００）％が流通することになる。また、混合弁２９の開度が０％、すなわち混合弁２９が閉弁したとき、バイパス管２８が遮断される。
なお、混合弁２９の開度は、制御装置２４によって制御される。

このように構成される電気給湯機１の二次側出口温度は一次側１０における高温水の循環量によって調節され、制御装置２４は、利用者が蛇口２２の給湯栓を開いたとき、二次側入口温度、二次側出口温度、二次側流量センサ２７で計測される湯水の流量（以下、二次側流量と称する）、一次側入口温度等に基づいて設定温度が給湯温度になるように電気給湯機１を制御する。
以下、一次側１０における高温水の循環量を一次側循環量と称する。
例えば、制御装置２４は、二次側出口温度と設定温度の偏差がフィードバックされるフィードバック制御によって循環ポンプ１１の回転速度を制御し、二次側出口温度と設定温度の偏差がゼロになるように一次側循環量を調節する。このとき、制御装置２４は、循環ポンプ１１の回転速度を調節して一次側循環量を調節する。

循環ポンプ１１の特性（ポンプ特性）は、図２の（ａ）に一例を示すように、回転速度とポンプ出力（本実施形態の場合は一次側循環量に相当）の関係を示す特性曲線として示され、回転速度の上昇にともなってポンプ出力が上昇し高温水の循環量が上昇する。
二次側出口温度は、一次側入口温度および高温水の循環量によって決定されることから、図１に示す制御装置２４は、二次側出口温度が設定温度より低い場合、二次側出口温度が設定温度になるように、つまり、二次側出口温度と設定温度の偏差がゼロになるように、二次側出口温度と一次側入口温度に基づいて高温水の循環量を設定し、さらに、一次側循環量が設定した循環量になるように循環ポンプ１１の回転速度を決定する。

具体的に、制御装置２４は、設定温度と二次側入口温度の偏差が大きいほど、循環ポンプ１１を高い回転速度で運転して一次側循環量を増やし、設定温度と二次側入口温度の偏差が小さいほど、循環ポンプ１１を低い回転速度で運転して一次側循環量を減らす。また、二次側流量センサ２７で計測される湯水の流量（二次側流量）が多いほど循環ポンプ１１を高い回転速度で運転して一次側循環量を増やし、二次側流量が少ないほど、循環ポンプ１１を低い回転速度で運転して一次側循環量を減らす。さらに、制御装置２４は、一次側入口温度が低いほど循環ポンプ１１を高い回転速度で運転して一次側循環量を増やし、一次側入口温度が高いほど循環ポンプ１１を低い回転速度で運転して一次側循環量を減らす。

このように、制御装置２４は、設定温度、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側流量に基づいて一次側循環量を決定し、さらに、決定した一次側循環量を得るように循環ポンプ１１の回転速度を決定する。
制御装置２４が設定温度、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側流量に基づいて決定する一次側循環量を一次側必要流量と称する。

しかしながら、循環ポンプ１１のポンプ出力（一次側循環量）は、例えば図２の（ａ）に示すように、回転速度の変化に応じてポンプ出力（一次側循環量）が大きく変化する領域（第１領域）と、それ以外の領域（第２領域）を有することが多い。この場合、第１領域は循環ポンプ１１の回転速度の変化に対する一次側循環量の変化が大きいため、循環ポンプ１１の回転速度の制御によって一次側循環量を精度よく調節することが困難である。
一方、第２領域は循環ポンプ１１の回転速度の変化に対する一次側循環量の変化が第１領域に比べて小さく、循環ポンプ１１の回転速度の制御によって一次側循環量を精度よく調節可能である。したがって、循環ポンプ１１の回転速度を制御して一次側循環量を精度よく調節するためには、一次側必要流量が第２領域に入っていることが好ましい。

そこで、本実施形態における制御装置２４は、決定した一次側必要流量が、図２の（ａ）に示す第２領域に入るように構成する。この構成によって、制御装置２４は、循環ポンプ１１の回転速度を制御して一次側循環量を精度よく調節できる。

なお、第１領域と第２領域の境界となる点を「変曲点Ｐ」、変曲点Ｐにおける一次側循環量を境界循環量Ｌ１と称する。境界循環量Ｌ１は、循環ポンプ１１（図１参照）の構成等によって決定される特性値である。循環ポンプ１１のポンプ特性が、図２の（ａ）に示すように回転速度の上昇にともなって一次側循環量の増加率が減少する特性の場合、例えば、回転速度の増加率に対する一次側循環量の増加率が所定の値（例えば「１」）になる一次側循環量を変曲点Ｐとする構成が考えられるが、変曲点Ｐとなる境界循環量Ｌ１は、循環ポンプ１１の性能、電気給湯機１に要求される仕様等に基づいて適宜設定すればよい。

例えば、循環ポンプ１１の定格の最大回転速度が６０００ｒｐｍの場合、変曲点Ｐを２０００ｒｐｍの付近（２０００〜１５００ｒｐｍ）とすることが考えられる。つまり、最大回転速度（６０００ｒｐｍ）の１／３〜１／４程度の回転速度を変曲点Ｐとする構成が考えられる。

また、例えば、図２の（ｂ）に示すように、回転速度の変化にともなって一次側循環量が略直線的に大きく変化する領域を有するポンプ特性の循環ポンプ１１の場合は、一次側循環量が直線的に変化する領域を第１領域、その他の領域を第２領域とし、その境界点を「変曲点Ｐ」とすればよい。

このように、本実施形態においては、循環ポンプ１１の回転速度の変化に対して一次側循環量が大きく変化する領域を第１領域とし、その他の領域を第２領域とする。そして、第１領域と第２領域の境界となる変曲点Ｐ（境界循環量Ｌ１）は、循環ポンプ１１の特性値として適宜設定される。

本実施形態に係る制御装置２４は、設定温度、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側循環量に基づいて決定する一次側必要流量が境界循環量Ｌ１以下であって第１領域に入っているとき、混合弁２９を開弁してバイパス管２８に低温水を流通させる。熱交換器１３を流通する低温水の流量が減少して高温水から低温水に伝熱される熱量（伝熱量）が減少する。そして、制御装置２４は、減少した伝熱量を補うために循環ポンプ１１の回転速度を上昇して一次側循環量を増加し、一次側循環量が境界循環量Ｌ１以上になると第２領域に入る。このように増加された一次側循環量を新たな一次側必要流量とすることによって、一次側必要流量を第２領域に入れることができる。

なお、制御装置２４は、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１以上の場合、混合弁２９を開弁せず、バイパス管２８を遮断してバイパス管２８に低温水を流通させない。
つまり制御装置２４は、境界循環量Ｌ１を所定の閾値として、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より少ないときに混合弁２９を開弁し、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１以上のときに混合弁２９を閉弁する。

利用者が蛇口２２の給湯栓の開度を変更して二次側流量が変化した場合や利用者が温度設定装置２３を操作して設定温度が変更した場合、制御装置２４は設定温度に応じた目標温度を決定するとともに第２領域の範囲内で一次側循環量を調節し、二次側出口温度を、決定した目標温度と一致させることができる。第２領域は、循環ポンプ１１の回転速度の変化に対する一次側循環量の変化が小さい領域であり、循環ポンプ１１の回転速度の制御によって一次側循環量を精度よく調節できる。したがって、利用者が蛇口２２の給湯栓の開度を変更した場合や設定温度を変更した場合であっても、二次側出口温度を、変更された設定温度に応じて決定される目標温度と精度よく一致させることができ、設定温度を給湯温度とする湯水を利用者に安定して給湯できる。
なお、制御装置２４が決定する目標温度は、利用者によって設定される設定温度と等しい温度としてもよいし、湯水が蛇口２２まで流通するときの温度低下を考慮して、設定温度より高い温度としてもよい。

図３を参照し、制御装置２４が電気給湯機１を制御して利用者に湯水を給湯する手順を説明する（以下、適宜図１、図２参照）。利用者に湯水を給湯する手順を、以下、給湯手順と称する。
蛇口２２の給湯栓が閉じた状態のときに利用者が当該給湯栓を開くと、給水源２１の水圧によって、低温管２５、熱交換器１３、給湯管２６の順に低温水が流通して蛇口２２から吐出される。そこで制御装置２４は、二次側流量センサ２７が計測する二次側流量の増加を検出することによって蛇口２２の給湯栓が開いたことを検知し、さらに、目標温度が、給水源２１から供給される低温水の温度（二次側入口温度）より高い場合、循環ポンプ１１を運転して熱交換器１３で低温水を加熱する。

すなわち、二次側流量が「０」から増加しない間、制御装置２４は蛇口２２の給湯栓が閉じていると判定し（ステップＳ１→Ｎｏ）、混合弁２９を閉弁して（ステップＳ２）バイパス管２８を遮断する。一方、二次側流量が「０」から増加した場合、制御装置２４は蛇口２２の給湯栓が開いたと判定し（ステップＳ１→Ｙｅｓ）、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側流量、目標温度に基づいて、二次側出口温度を目標温度と一致させるために必要な高温水の循環量（一次側必要流量）を決定する（ステップＳ３）。

一次側必要流量は、例えば次式（１）で決定することができる。

一次側必要流量＝（目標温度−二次側入口温度）×二次側流量
／（一次側入口温度−一次側出口予測温度） ・・・（１）

例えば、二次側入口温度が１０℃、目標温度が４０℃、一次側入口温度が８０℃、一次側出口予測温度が１２℃、二次側流量が５Ｌ／ｍｉｎであるとき、一次側必要流量は、
（４０−１０）×５／（８０−１２）＝２．２［Ｌ／ｍｉｎ］
と決定できる。
なお、一次側出口予測温度は、熱交換器１３で熱交換した後の高温水の温度（一次側出口温度）の予測値である。一次側出口温度は、二次側入口温度より所定温度高い温度になると予測され、この所定温度は熱交換器１３の構成等によって決定される特性値である。本実施形態においては所定温度を２℃とし、一次側出口予測温度を二次側入口温度（１０℃）より２℃高い１２℃としている。
なお、熱交換器１３の一次側出口温度を計測する図示しない温度センサを備え、当該温度センサが計測する一次側出口温度を利用して一次側必要流量を算出する構成であってもよい。

制御装置２４は、決定した一次側必要流量と変曲点Ｐとなる境界循環量Ｌ１を比較する（ステップＳ４）。そして、制御装置２４は、決定した一次側必要流量が境界循環量Ｌ１以上であれば（ステップＳ４→Ｙｅｓ）、決定した一次側必要流量に基づいて循環ポンプ１１の回転速度を決定し（ステップＳ５）、循環ポンプ１１を決定した回転速度で運転する（ステップＳ６）。

例えば、循環ポンプ１１の境界循環量Ｌ１が２Ｌ／ｍｉｎの場合、決定した一次側必要流量が２．２Ｌ／ｍｉｎであれば、制御装置２４は２．２Ｌ／ｍｉｎの一次側必要流量を得るための循環ポンプ１１の回転速度を、図２の（ａ）、（ｂ）に示すポンプ特性を参照して決定し（ステップＳ５）、決定した回転速度で循環ポンプ１１を運転する（ステップＳ６）。
制御装置２４は、給湯栓が開いている間は（ステップＳ７→Ｎｏ）、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側流量および設定温度を常時監視し、利用者が蛇口２２の給湯栓の開度を変更して二次側流量が変化した場合や、利用者が温度設定装置２３を操作して設定温度が変更された場合、二次側出口温度が、変更された設定温度に応じて決定される目標温度と一致するように一次側必要流量と循環ポンプ１１の回転速度を再度決定して循環ポンプ１１を運転する。つまり、循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ８）。

そして、制御装置２４は給湯栓が閉じられたら（ステップＳ７→Ｙｅｓ）、混合弁２９を閉弁して（ステップＳ２）給湯手順を終了する。制御装置２４は、二次側流量が「０」になったときに給湯栓が閉じられたと判定する。

一方、決定した一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より小さいとき（ステップＳ４→Ｎｏ）、制御装置２４は、混合弁２９の開度を設定する（ステップＳ９）。
例えば、二次側入口温度が２０℃、目標温度が４０℃、一次側入口温度が８０℃、一次側出口予測温度が２２℃、二次側流量が５Ｌ／ｍｉｎであるとき、一次側必要流量は、式（１）によって以下のように決定される。
（４０−２０）×５／（８０−２２）＝１．７［Ｌ／ｍｉｎ］
この場合、一次側必要流量（１．７Ｌ／ｍｉｎ）は境界循環量Ｌ１（２Ｌ／ｍｉｎ）より小さく図２の（ａ）、（ｂ）に示す第１領域に入る。このとき、制御装置２４は、蛇口２２の給湯栓が開かれた直後の目標温度、一次側入口温度、二次側入口温度に基づいて混合弁９の開度を設定する。

例えば、目標温度と一次側入口温度の温度差と、混合弁２９の開度と、の関係を示すマップが予め設定されて制御装置２４の図示しない記憶部に記憶される構成とすれば、制御装置２４は、温度設定装置２３で設定される設定温度に応じて決定する目標温度と一次側入口温度センサ１３ａが計測する一次側入口温度の温度差に基づいて当該マップを参照し、混合弁２９の開度を設定できる。

例えば、目標温度と一次側入口温度の温度差が４０℃の場合に混合弁２９の開度を５０％と設定し、目標温度と一次側入口温度の温度差が１５℃の場合に混合弁２９の開度を１０％と設定する構成のとき、目標温度と一次側入口温度の温度差が４０℃であれば、制御装置２４は混合弁２９の開度を５０％に設定する。また、目標温度と一次側入口温度の温度差が１５℃であれば、制御装置２４は混合弁２９の開度を１０％に設定する。

さらに、二次側入口温度に応じて混合弁２９の開度が補正される構成としてもよい。すなわち、二次側入口温度が高いときは、バイパス管２８を流通する低温水の量を増やして熱交換器１３に取り込まれる低温水を減らし、熱交換器１３で高温水から低温水に伝熱される伝熱量を低下させる。例えば、二次側入口温度が２０℃の場合、混合弁２９の開度を５％開ける方向に補正する構成とすると、二次側入口温度が２０℃で目標温度と一次側入口温度の温度差が４０℃のとき、制御装置２４は、混合弁２９の開度を５５％（５０％＋５％）に設定する。

なお、混合弁２９の開度は、例えば、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１を２０〜３０％程度超えるように設定されることが考えられる。一次側必要流量が境界循環量Ｌ１を大きく超えるように構成すると、循環ポンプ１１の回転速度を高く維持するためのエネルギー消費量が増えて効率が低下する。また、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１を超える量が少ないと、一次側必要流量が小さくなったときに一次側循環量が第１領域に入り、一次側循環量を精度よく調節することが困難になる。以上のことを鑑み、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１を好適に超えるように混合弁２９の開度を設定すればよい。前記した２０〜３０％は一例であり、循環ポンプ１１の性能、電気給湯機１に要求される仕様等に基づいた値を適宜設定することができる。

制御装置２４は、混合弁２９の開度を設定したら（ステップＳ９）、設定した開度になるように混合弁２９を開弁し（ステップＳ１０）、さらに、二次側出口温度が目標温度と一致するように、すなわち、二次側出口温度と目標温度の偏差がゼロになるように、循環ポンプ１１の回転速度を制御して（ステップＳ１１）、循環ポンプ１１を運転する。この構成によって、制御装置２４は、一次側循環量が第２領域に入った状態で循環ポンプ１１の回転速度を制御することができる。

そして、制御装置２４は、給湯栓が閉じるまでステップＳ１１を実行して循環ポンプ１１の回転速度を制御し（ステップＳ１２→Ｎｏ）、給湯栓が閉じたら（ステップＳ１２→Ｙｅｓ）混合弁２９を閉弁して（ステップＳ２）バイパス管２８を遮断し、給湯手順を終了する。

このように、本実施形態に係る電気給湯機１（図１参照）は、給湯手順において一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より小さく第１領域に入っているとき、混合弁２９（図１参照）が開弁して給湯管２６（図１参照）を流通する湯水にバイパス管２８（図１参照）を介して低温水が混合される。したがって、熱交換器１３（図１参照）に取り込まれる低温水量が減少し、熱交換器１３で高温水から低温水に伝熱される伝熱量が減少する。
そこで、制御装置２４（図１参照）は、熱交換器１３で高温水から低温水に伝熱される伝熱量の減少分を補うために循環ポンプ１１（図１参照）の回転速度を上昇させて一次側循環量を多くする。
つまり電気給湯機１は、一次側必要流量が第１領域に入っているとき、混合弁２９が閉弁して給湯管２６を流通する湯水に低温水が混合されない場合に比べて一次側循環量が多くなり、一次側循環量が図２の（ａ）、（ｂ）に示す第２領域に入る状態になる。
一方、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より大きく第２領域に入っているときに、電気給湯機１は混合弁２９が閉弁し、バイパス管２８（図１参照）が遮断される。

そして、二次側流量が変化した場合や設定温度が変更された場合、制御装置２４（図１参照）は、循環ポンプ１１（図１参照）の回転速度を調節することで一次側循環量を精度よく調節することができ、二次側出口温度を、変更された設定温度に応じて決定される目標温度と精度よく一致させることができる。この構成によって、設定温度を給湯温度とする湯水を蛇口２２から利用者に安定して給湯することができる。

なお、一次側循環量は循環ポンプ１１（図１参照）の回転速度に応じて決定される値であることから、制御装置２４（図１参照）は、ステップＳ３で一次側必要流量を決定するとともに決定した一次側必要流量に対応する循環ポンプ１１の回転速度を決定し、決定した循環ポンプ１１の回転速度に応じて混合弁２９（図１参照）の開弁および閉弁を設定する構成としてもよい。具体的に、制御装置２４は、決定した循環ポンプ１１の回転速度が予め決定されている所定回転速度より低いときに混合弁２９を開弁し、決定した循環ポンプ１１の回転速度が予め決定されている所定回転速度以上のときに混合弁２９を閉弁する構成としてもよい。
この場合、一次側循環量が境界循環量Ｌ１となる循環ポンプ１１の回転速度を所定回転速度とすることで、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より小さいときに混合弁２９を開弁する場合と同等の効果を得ることができる。

次に、混合弁２９（図１参照）が閉弁した状態で循環ポンプ１１（図１参照）が運転されているときに利用者が蛇口２２の給湯栓の開度を変更して二次側流量が変化した場合の制御手順について説明する（以下、適宜図１、図２参照）。この制御手順は、図３に示すステップＳ８で制御装置２４が実行するものである。

図４に示すように、混合弁２９が閉弁した状態のときに制御装置２４が循環ポンプ１１を運転中に二次側流量が変化しなければ（ステップＳ２０→Ｎｏ）、制御装置２４は、混合弁２９を開弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御するが（ステップＳ２６）、二次側流量が変化した場合（ステップＳ２０→Ｙｅｓ）、制御装置２４は、一次側入口温度、二次側入口温度、二次側流量、目標温度に基づいて一次側必要流量を決定する（ステップＳ２１）。そして、制御装置２４は、決定した一次側必要流量が従前（例えば、図３のステップＳ３）に決定した一次側必要流量より減少しない場合（ステップＳ２２→Ｎｏ）、混合弁２９を開弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ２６）。

一方、一次側必要流量が従前に決定した一次側必要流量より減少した場合（ステップＳ２２→Ｙｅｓ）、制御装置２４は一次側必要流量と境界循環量Ｌ１を比較し（ステップＳ２３）、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１以上のときは（ステップＳ２３→Ｙｅｓ）、混合弁２９を開弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ２６）。
また、一次側必要流量が境界循環量Ｌ１より小さいとき（ステップＳ２３→Ｎｏ）、制御装置２４は、図３のステップＳ９と同じ手順で混合弁２９の開度を設定し（ステップＳ２４）、混合弁２９を設定した開度まで徐々に開弁する（ステップＳ２５）。そして、制御装置２４は、混合弁２９が開弁した状態で循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ２６）。

制御装置２４が、二次側出口温度を二次側出口温度センサ２６ａで計測して目標温度と二次側出口温度の偏差を算出するとともに当該偏差がゼロに収束するように循環ポンプ１１の回転速度を変更する一連のサイクルを「循環ポンプの制御周期」とする場合、制御装置２４は、循環ポンプの制御周期の数倍から数十倍の時間で混合弁２９を開弁する構成が好適である。

混合弁２９が急速に開弁すると、熱交換器１３を流通する低温水の流量が急減して高温水から低温水に伝熱される伝熱量が急速に減少する。さらに、給湯管２６に低温水が一気に流れ込む。したがって、二次側出口温度が急速に低下し、制御装置２４は循環ポンプ１１の回転速度を急速に上昇させるように制御する。この結果、循環ポンプ１１の回転速度にオーバシュートやハンチングなどの現象が発生し制御上好ましくない状態になる。また、利用者に供給される湯水の給湯温度が不安定になる。

そこで、制御装置２４は循環ポンプの制御周期より充分に長い時間で混合弁２９を開弁し、循環ポンプ１１の回転速度を安定して制御する。例えば、循環ポンプの制御周期が１秒で、設定された混合弁２９の開度が５０％の場合、制御装置２４は１０秒で混合弁２９を開弁するように構成する。なお、前記した１０秒は一例であり、混合弁２９を開弁する時間は、電気給湯機１の構成等に応じて適宜設定すればよい設計値である。

混合弁２９が閉弁した状態で循環ポンプ１１が運転されている場合に二次側流量が変化したとき、制御装置２４は図４に示す制御手順を実行して、必要に応じて混合弁２９を開弁し、一次側循環量を図２の（ａ）、（ｂ）に示す第２領域に入れることができる。そして、その後は、循環ポンプ１１の回転速度の制御によって一次側循環量を精度よく調節できる。したがって、利用者が蛇口２２の給湯栓の開度を変更した場合や設定温度を変更した場合であっても、二次側出口温度を、設定温度に応じて決定される目標温度と精度よく一致させることができ、設定温度を給湯温度とする湯水を利用者に安定して給湯できる。

また、制御装置２４は混合弁２９を開弁するとき、循環ポンプ１１の制御周期より充分に長い時間で開弁する。この構成によって、制御装置２４は、循環ポンプ１１の回転速度を安定して制御できる。

なお、混合弁２９が閉弁した状態で制御装置２４が循環ポンプ１１を運転している場合に設定温度が変更されたときも、図４に示す制御手順のステップＳ２１以降を実行することによって、必要に応じて混合弁２９を開弁できる。

次に、混合弁２９が開弁した状態の場合に循環ポンプ１１の回転速度が上限に達し、一次側循環量が上限に達したときの制御手順について説明する（以下、適宜図１、図２参照）。この制御手順は、図３に示すステップＳ１１で循環ポンプ１１の回転速度が上限に達した場合に制御装置２４が実行する。

図５に示すように、混合弁２９が開弁した状態で二次側流量が変化しなければ（ステップＳ３０→Ｎｏ）、制御装置２４は、混合弁２９を閉弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御するが（ステップＳ３５）、二次側流量が変化した場合（ステップＳ３０→Ｙｅｓ）、制御装置２４は目標温度と二次側出口温度を比較する（ステップＳ３１）。
そして、二次側出口温度が目標温度以上の場合（ステップＳ３１→Ｎｏ）、制御装置２４は、混合弁２９を閉弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ３５）。

一方、二次側出口温度が目標温度より低い場合（ステップＳ３１→Ｙｅｓ）、循環ポンプ１１の回転速度が上限に達しておらず循環ポンプ１１の出力上限でなければ（ステップＳ３２→Ｎｏ）、制御装置２４は混合弁２９を閉弁することなく循環ポンプ１１の回転速度を制御するが（ステップＳ３５）、循環ポンプ１１の回転測度が上限に達して循環ポンプ１１の出力上限のとき（ステップＳ３２→Ｙｅｓ）、制御装置２４は、混合弁２９を徐々に閉弁する（ステップＳ３３）。このとき、制御装置２４は、図４のステップＳ２５で混合弁２９を徐々に開弁するときと同様に、循環ポンプの制御周期の数倍から数十倍の時間をかけて混合弁２９を閉弁し、二次側出口温度が急速に上昇することを回避する。

そして、制御装置２４は混合弁２９を閉弁した後（ステップＳ３３）、混合弁２９を閉弁に固定した状態で（ステップＳ３４）、循環ポンプ１１の回転速度を制御する（ステップＳ３５）。

二次側出口温度が目標温度より低い場合、制御装置２４は、循環ポンプ１１の回転速度を上昇してポンプ出力を上昇し、一次側循環量を増加するように循環ポンプ１１の回転速度を制御する。しかしながら、循環ポンプ１１の回転測度が上限のとき制御装置２４は循環ポンプ１１の回転速度をさらに上昇することができず、二次側出口温度を上昇できない。
このような場合、本実施形態に係る制御装置２４は、混合弁２９を閉弁して給湯管２６における湯水と低温水の混合を中止する。給湯管２６を流通する湯水の温度が低温水の温度で低下することが抑制されて二次側出口温度が上昇する。そして、循環ポンプ１１の回転速度を上昇することなく二次側出口温度を目標温度まで上昇させることができる。

このとき、制御装置２４は、混合弁２９を徐々に閉弁することによって二次側出口温度が急速に上昇することを回避し、循環ポンプ１１の回転速度にオーバシュートやハンチングなどの現象が発生することを防いでいる。

このように、混合弁２９が開弁した状態で循環ポンプ１１の回転速度が上限に達した場合、混合弁２９を閉弁して循環ポンプ１１の回転速度を制御することで二次側出口温度を目標温度と精度よく一致させることができ、設定温度を給湯温度とする湯水を利用者に安定して給湯できる。

以上のように、本実施形態に係る電気給湯機１（図１参照）は、給水源２１（図１参照）から供給される低温水を、熱交換器１３（図１参照）をバイパスして流通させるバイパス管２８（図１参照）と混合弁２９（図１参照）を備え、制御装置２４（図１参照）は、二次側出口温度を目標温度と一致させるために必要な一次側必要流量が図２の（ａ）、（ｂ）に示す第２領域に入るように電気給湯機１を制御することを特徴とする。この構成によって制御装置２４は、循環ポンプ１１（図１参照）の回転速度の制御で一次側循環量を精度よく調節することができ、ひいては、二次側出口温度を精度よく調節できる。
したがって、蛇口２２の給湯栓の開度が変化した場合や設定温度が変更された場合に、制御装置２４は二次側出口温度を目標温度と精度よく一致させることができ、設定温度を給湯温度とする湯水を利用者に安定して給湯できるという優れた効果を奏する。

なお、本実施形態は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、図１に示すように、バイパス管２８と給湯管２６の合流点に混合弁２９が備わる構成に限定されず、図６の（ａ）に示すように、低温管２５とバイパス管２８の分岐点に混合弁２９が備わる構成であってもよい。この構成であっても、図１に示す電気給湯機１と同様の効果を奏する。

また、図６の（ｂ）に示すように、混合弁２９（図１参照）を備えず、バイパス管２８を開閉する開閉弁２８ａと、バイパス管２８を流通する低温水のバイパス流量を一定にするための弁機構となる定流量弁２８ｂ（オリフィスなど）を備える構成とすることも可能である。この構成の場合、開閉弁２８ａが開弁すると、定流量弁２８ｂで設定される流量で低温水がバイパス管２８を流通し、熱交換器１３（図１参照）を流通する低温水の流量とバイパス管２８を流通する低温水のバイパス流量の流量比率が決定される。また、開閉弁２８ａが閉弁するとバイパス管２８が遮断されて、給水源２１（図１参照）から供給される低温水の全てが熱交換器１３を流通する。このように、開閉弁２８ａと定流量弁２８ｂとが、熱交換器１３（図１参照）を流通する低温水の流量とバイパス管２８を流通する低温水のバイパス流量の流量比率を調節する流量調節機構になる。

図６の（ｂ）に示すように開閉弁２８ａを備える構成の場合、制御装置２４（図１参照）は、図３のステップＳ２で混合弁２９（図１参照）の替わりに開閉弁２８ａを閉弁してバイパス管２８を遮断し、ステップＳ１０で開閉弁２８ａを開弁することで、混合弁２９を備える場合と同等に電気給湯機１を制御できる。
また、開閉弁２８ａが閉弁した状態で二次側流量が変化した場合、制御装置２４は、図４のステップＳ２５で混合弁２９の替わりに開閉弁２８ａを開弁する。開閉弁２８ａは急速に開弁するが、定流量弁２８ｂが備わることによってバイパス管２８（図１参照）を流通する低温水の流量が一気に増えることが抑制され、熱交換器１３（図１参照）を流通する低温水の流量が一気に減少することが抑制される。したがって、二次側出口温度が急速に低下することが回避される。このように、制御装置２４は、開閉弁２８ａを開弁することによって混合弁２９を備える場合と同等に電気給湯機１を制御できる。

また、開閉弁２８ａが開弁した状態で循環ポンプ１１の回転速度が上限に達した場合、制御装置２４（図１参照）は、図５のステップＳ３３で混合弁２９（図１参照）の替わりに開閉弁２８ａを閉弁してバイパス管２８を遮断する。開閉弁２８ａは急速に閉弁するが、定流量弁２８ｂが備わることによって、開閉弁２８ａの閉弁後しばらくの間、バイパス管２８の低温水が給湯管２６を流通する湯水に混合し、二次側出口温度が急速に上昇することが回避される。したがって制御装置２４は、開閉弁２８ａを閉弁することによって混合弁２９を備える場合と同等に電気給湯機１を制御できる。

このように、混合弁２９（図１参照）を備えず、図６の（ｂ）に示すように、バイパス管２８を開閉する開閉弁２８ａと定流量弁２８ｂを備える構成としても、図１に示す電気給湯機１と同等の効果を奏する。

なお、本実施形態は、図１に示すように貯湯タンク１２に蓄えられる高温水を循環ポンプ１１で循環する構成としたが、ＣＯ_２などの冷媒を循環ポンプ１１で循環させる電気給湯機に本発明を適用することもできる。
また、貯湯タンク１２を備えず、図示しない冷凍装置等で加熱される高温水や冷媒を直接循環ポンプ１１で循環する電気給湯機に本発明を適用することもできる。
また、高温水（熱媒体）で低温水（被熱交換媒体）を加熱する電気給湯機（給湯機）に限定されず、冷媒（熱媒体）で被熱交換媒体を冷却する給湯機にも本発明を適用できる。

以上のように本発明によると、被熱交換媒体である低温水の温度を、設定温度に応じて決定される目標温度と一致させるのに必要な熱媒体の流量（一次側循環量）である一次側必要流量が、所定の閾値（境界循環量Ｌ１）より少ない領域（第１領域）にある場合、熱交換器１３をバイパスして被熱交換媒体の一部を流通することができる。したがって、熱交換器１３における低温水の流量が減少して熱交換器１３で熱媒体から低温水に伝熱される伝熱量が減少し、伝熱量の減少分を補うために一次側必要流量を増加できる。そして、一次側必要流量を第１領域以外の第２領域に入れることができる。第２領域は、循環ポンプ１１の回転速度の変化に応じて熱媒体の流量が小さく変化する領域であり、循環ポンプ１１の回転速度を制御することによって熱媒体の流量を精度よく調節できる。したがって、二次側出口温度である低温水の温度を循環ポンプ１１の回転速度の制御で精度よく調節することができ、二次側出口温度を精度よく目標温度と一致させることができる。

１ 電気給湯機（給湯機）
１０ 一次側
１１ 循環ポンプ（ポンプ）
１３ 熱交換器
１４ 高温管（一次側管路）
２０ 二次側
２４ 制御装置
２５ 低温管（二次側管路）
２６ 給湯管（二次側管路）
２８ バイパス管
２８ａ 開閉弁（流量調節機構）
２８ｂ 定流量弁（流量調節機構）
２９ 混合弁（流量調節機構）
Ｌ１ 境界循環量（閾値）

Claims (5)

1. 熱媒体が流通する一次側管路と、
   前記熱媒体と熱交換する被熱交換媒体が流通する二次側管路と、
   前記一次側管路および前記二次側管路に接続されて、前記熱媒体と前記被熱交換媒体が熱交換する熱交換器と、
   前記熱媒体を前記一次側管路に流通させるポンプと、
   前記熱交換器をバイパスするように前記二次側管路に備わるバイパス管と、
   前記熱交換器を流通する前記被熱交換媒体の流量と前記バイパス管を流通する前記被熱交換媒体の流量の流量比率を調節する流量調節機構と、を備え、
   前記ポンプの回転速度の変化に応じて変化する前記熱媒体の流量で前記被熱交換媒体の温度を調節して、当該被熱交換媒体の温度を目標温度と一致させる給湯機であって、
   前記流量調節機構は、
   前記被熱交換媒体の温度を前記目標温度と一致させるのに必要な前記熱媒体の流量である一次側必要流量が所定の閾値より少ないときは前記バイパス管に前記被熱交換媒体を流通させ、
   前記一次側必要流量が前記閾値以上のときは、前記バイパス管を遮断することを特徴とする給湯機。
2. 前記流量調節機構は混合弁を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
3. 前記流量調節機構は、前記バイパス管を開閉する開閉弁と、前記バイパス管を流通する前記被熱交換媒体の流量を一定に維持する弁機構を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
4. 前記一次側必要流量が前記閾値より少ないとき、前記バイパス管を流通する前記被熱交換媒体の流量を、前記目標温度および前記一次側管路を流通する前記熱媒体の温度に基づいて設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の給湯機。
5. 熱媒体が流通する一次側管路と、
   前記熱媒体と熱交換する被熱交換媒体が流通する二次側管路と、
   前記一次側管路および前記二次側管路に接続されて、前記熱媒体と前記被熱交換媒体が熱交換する熱交換器と、
   前記熱媒体を前記一次側管路に流通させるポンプと、
   前記熱交換器をバイパスするように前記二次側管路に備わるバイパス管と、
   前記熱交換器を流通する前記被熱交換媒体の流量と前記バイパス管を流通する前記被熱交換媒体の流量の流量比率を調節する流量調節機構と、を備え、
   前記ポンプの回転速度の変化に応じて変化する前記熱媒体の流量で前記被熱交換媒体の温度を調節して、当該被熱交換媒体の温度を目標温度と一致させる給湯機であって、
   前記流量調節機構は、
   前記ポンプの回転速度が所定回転速度より低いときに前記バイパス管に前記被熱交換媒体を流通させ、
   前記ポンプの回転速度が前記所定回転速度以上のときに前記バイパス管を遮断することを特徴とする給湯機。

Images