JP2012207807A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】中間混合弁５の待機開度の無用な変更を防止する。
【解決手段】第１給湯流量センサ１５で検出する給湯流量と第２給湯流量センサ１７で検出する給湯流量とを合算した合計流量が所定流量以上となると、中間給湯温度センサ１３で検出する混合温度が中間設定温度になるように中間混合弁５の弁体を移動させるフィードバック制御を行い、合計流量が所定流量未満となると、中間混合弁５をそのままの開度で給湯待機させるようにし、第１給湯混合弁８または第２給湯混合弁１１のいずれか一方の弁開度が水側に所定開度以上開いている場合は、当該混合弁８または１１からの給湯流量を合算しないようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、貯湯タンクの上部からの湯と中間部からの湯とを中間混合弁で混合して給湯するヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来より、この種のヒートポンプ式給湯機においては、ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク下部に給水する給水管と、貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、給水管から分岐された給水バイパス管と、上部出湯管からの湯水と中間出湯管からの湯水とを中間設定温度に混合する中間混合弁と、この中間混合弁からの湯水を給湯する中間給湯管と、この中間給湯管を流れる湯水の温度を検出する中間給湯温度センサと、中間給湯管からの湯水と給水バイパス管からの湯水とを混合する給湯混合弁と、この給湯混合弁からの湯水を給湯する給湯管と、この給湯管からの給湯流量を検出する給湯流量センサと、中間給湯管からの湯水と給水バイパス管からの湯水とを混合する風呂混合弁と、この風呂混合弁からの湯水を浴槽へ湯張りする湯張り管と、この湯張り管からの風呂流量を検出する風呂流量センサとを備え、出湯時に中間混合弁からの出湯温度が中間設定温度となるように中間混合弁の弁開度をフィードバック制御を行うようにしたものがあった（特許文献１）。

特開２００４−３４０４６１号公報

ところが、この従来のものにおいて、風呂混合弁を介した浴槽への注水があると、中間混合弁からの出湯がない状態で中間混合弁の開度がフィードバック制御されるため、中間混合弁の湯側が全開状態となり、出湯終了時の中間混合弁の弁開度のままで次の出湯まで待機するようにした場合、次の出湯時に中間混合弁からの出湯温度が中間設定温度より大幅にオーバーシュートし、給湯混合弁または風呂混合弁からの給湯温度または湯張り温度もオーバーシュートしてしまう可能性があった。

本発明は上記課題を解決するため、ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク下部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、前記貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記上部出湯管からの湯水と前記中間出湯管からの湯水とを中間設定温度に混合する中間混合弁と、この中間混合弁からの湯水を給湯する中間給湯管と、この中間給湯管を流れる湯水の温度を検出する中間給湯温度センサと、前記中間給湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第１給湯混合弁と、この第１給湯混合弁からの湯水を給湯する第１給湯管と、この第１給湯管からの給湯流量を検出する第１給湯流量センサと、前記中間給湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第２給湯混合弁と、この第２給湯混合弁からの湯水を給湯する第２給湯管と、この第２給湯管からの給湯流量を検出する第２給湯流量センサと、作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１給湯流量センサで検出する給湯流量と前記第２給湯流量センサで検出する給湯流量とを合算した合計流量が所定流量以上となると、前記中間給湯温度センサで検出する混合温度が前記中間設定温度になるように前記中間混合弁の弁体を移動させるフィードバック制御を行い、前記合計流量が前記所定流量未満となると、前記中間混合弁をそのままの開度で待機させるようにし、前記第１給湯混合弁または前記第２給湯混合弁のいずれか一方の弁開度が水側に所定開度以上開いている場合は、当該混合弁からの給湯流量を合算しないようにした。

本発明によれば、浴槽への注水等の第１または第２の給湯混合弁が水側に所定開度以上開く場合は、その給湯混合弁からの給湯流量を中間混合弁のフィードバック制御の開始判定に用いないので、注水等があっても中間混合弁が適切な弁開度を保ち、また、一方の給湯混合弁から注水等が行われている最中に他方の給湯混合弁から所定流量以上の出湯があれば、中間混合弁は適切な弁開度となるようにフィードバック制御され、他方の給湯混合弁での出湯終了後は中間混合弁はそのまま適切な弁開度のまま待機するので、次の出湯時に中間混合弁からの出湯温度がオーバーシュートしてしまうことがなく、最終的な給湯温度の温度ムラを良好に抑制することができる。

本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機の概略構成図 中間混合弁の作動を説明する状態遷移図

次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機を図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に市水を給水する給水管、３は貯湯タンク１上部から出湯する上部出湯管、４は貯湯タンク１中間部から出湯させて出湯管３へ合流させるための中間出湯管、５は上部出湯管３からの湯と中間出湯管４からの湯水を中間設定温度になるように混合する中間混合弁、６は中間混合弁５からの湯水を供給する中間給湯管、７は給水管２から分岐された給水バイパス管、８は中間給湯管６からの湯水と給水バイパス管７からの水とを給湯設定温度（第１給湯設定温度に相当）になるように混合する給湯混合弁（第１給湯混合弁に相当）、９は第１給湯混合弁５で混合された湯が流通する給湯管（第１給湯管に相当）、１０は給湯管９からの湯を給湯する給湯栓、１１は中間給湯管６からの湯水と給水バイパス管７からの水とを風呂設定温度（第２給湯設定温度に相当）になるように混合する第２給湯混合弁としての風呂混合弁、１２は風呂混合弁１１で混合された湯が流通する湯張り管（第２給湯管に相当）である。なお、中間設定温度は給湯設定温度と風呂設定温度の何れか一方よりも一定温度もしくは一定温度以上高い温度である。

１３は中間給湯管６途中に設けられ混合温度を検出する中間給湯温度センサ、１４は給湯管９途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、１５は給湯管９途中に設けられ給湯流量を検出する給湯流量センサ（第１給湯流量センサに相当）、１６は湯張り管１２途中に設けられ湯張り温度を検出する湯張り温度センサ、１７は湯張り管１２途中に設けられ風呂流量を検出する風呂流量センサ（第２給湯流量センサに相当）、１８は給水管２に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１９は貯湯タンク１内の過圧を逃がす過圧逃がし弁、２０は中間出湯管４に設けられ中間混合弁５側から貯湯タンク１中間部への湯水の逆流を阻止する逆止弁である。

２１は浴槽、２２は貯湯タンク１内の上部に設けられ貯湯タンク１内の湯の熱で浴槽水を加熱するための風呂熱交換器、２３は浴槽１６と風呂熱交換器１８とを浴槽水が循環可能に接続する風呂循環回路、２４は風呂循環回路２３途中に設けられ浴槽水を循環させる風呂循環ポンプ、２５は風呂循環回路２４に接続された湯張り管１２途中に設けられ湯張り管１２を開閉する湯張り開閉弁、２６は風呂循環回路２３途中に設けられ浴槽２１から風呂熱交換器２２へ流れる浴槽水の温度を検出する風呂温度センサである。ここで、風呂熱交換器２２はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。

２７は貯湯タンク１の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機２８と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２９と、冷媒の圧力を減圧する減圧器３０と、液冷媒を蒸発させる蒸発器３１とを備え、蒸発器３１で吸熱した冷媒を圧縮機２８で圧縮して冷媒水熱交換器２９を介して水を加熱するようにしている。このヒートポンプ式加熱手段２７には冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられ、高圧側が超臨界状態となることにより水を９０℃の高温まで加熱することができるものである。

３２は貯湯タンク１の下部と冷媒水熱交換器２９の水側と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、３３は加熱循環回路３２途中に設けられた加熱循環ポンプ、３４は冷媒水熱交換器２９へ流入する水の温度を検出する入水温度センサ、３５は冷媒水熱交換器２９で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサである。

３６は貯湯タンク１の側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサで、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出するためのものであり、上から３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆとし、最上部の貯湯温度センサ３６ａは上部出湯管３から出湯する湯水の温度を検出する上部貯湯温度センサとして機能し、中間出湯管４の接続高さよりわずかに下方に位置する貯湯温度センサ３６ｄは中間出湯管４から出湯する湯水の温度を検出する中間貯湯温度センサとして機能するものである。

３７はリモコンで、給湯機に関する各種の情報（給湯設定温度、風呂設定温度、残湯量、給湯機の作動状態等）を表示する表示部３８と、給湯設定温度および風呂設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３９と、浴槽２１へ一定量の湯張りを指示する湯張りスイッチ４０と、浴槽２１への差し水を指示する差し水スイッチ４１とを備えている。

４２は中間給湯温度センサ１３、給湯温度センサ１４、給湯流量センサ１５、湯張り温度センサ１６、風呂流量センサ１７、風呂温度センサ２６、入水温度センサ３４、沸き上げ温度センサ３５、貯湯温度センサ３６ａ〜３６ｆの検出値が入力され、中間混合弁５、給湯混合弁８、風呂混合弁１１、風呂循環ポンプ２４、湯張り開閉弁２５、圧縮機２８、減圧器３０、加熱循環ポンプ３３の作動を制御すると共に、リモコン３７と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段４２は、予め給湯機の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。

制御手段４２は、給湯流量センサ１５が最低作動水量以上を検出すると、給湯温度センサ１４が検出する給湯温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁８の弁開度をフィードバック制御すると共に、風呂流量センサ１７が最低作動水量以上を検出すると、湯張り温度センサ１６が検出する湯張り温度が風呂設定温度になるように風呂混合弁１１の弁開度をフィードバック制御するようにしている。

４３は制御手段４２内に設けられた中間混合弁フィードバック制御手段で、給湯流量センサ１５で検出する給湯流量と風呂流量センサ１７で検出する風呂流量とを合算した合計流量が所定流量以上の状態が所定の短時間継続すると、中間給湯温度センサ１３が検出する温度が中間設定温度になるように中間混合弁５の弁開度をフィードバック制御し、合計流量が所定流量未満となると、その時点での中間混合弁５の弁開度を学習開度として記憶すると共に、中間混合弁５の弁開度を学習開度で固定するようにしているもので、合計流量を算出するにあたり、給湯混合弁８あるいは風呂混合弁１１が水側に所定開度以上開いているときは、その流量を合算しないようにしている。

＜沸き上げ動作＞
電力料金単価の安価な所定時間帯の開始時刻になると、制御手段４２はそれまでの給湯負荷量に見合う湯量を沸き上げ開始するべく、圧縮機２８と減圧器３０と加熱循環ポンプ３３を駆動開始して貯湯タンク１下部から取り出した湯水を冷媒水熱交換器２９で沸き上げ設定温度まで加熱して貯湯タンク１上部へ戻し、貯湯タンク１上部から沸き上げ設定温度の湯を積層状に貯湯し、最下部の貯湯温度センサ３６ｆが所定の沸き上げ終了判定温度を検出すると、沸き上げ運転を終了する。

＜沸き増し動作＞
次に、多量に給湯されるなどして貯湯タンク１内の貯湯量が少なくなって湯切れの可能性がある場合は、制御手段４２は、圧縮機２８と減圧器３０と加熱循環ポンプ３３を駆動開始して貯湯タンク１下部から取り出した湯水を冷媒水熱交換器２９で沸き上げ設定温度まで加熱して貯湯タンク１上部へ戻し、それまで貯湯されていた湯の上部に沸き上げ設定温度の湯を積層状に貯湯し、一定時間の沸き増し動作を行うと沸き増し動作を終了する。

＜給湯動作＞
給湯動作について説明すると、給湯栓１０が開かれると、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から上部出湯管３および中間出湯管４を介して高温の湯が出湯し、中間混合弁５で混合されて中間給湯管６を流れ、給湯混合弁８で給水バイパス管７からの水と混合されて給湯管９を通過する。

そして、給湯流量センサ１５が最低作動水量以上を検出すると、制御手段４２は、給湯温度センサ１２が検出する温度が給湯設定温度と一致するように給湯混合弁８の弁開度をフィードバック制御して、給湯設定温度の給湯を行う。

このとき、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、給湯開始当初は中間混合弁５を学習開度のまま固定し（図２のＳ１）、給湯流量センサ１５で検出する給湯流量と風呂流量センサ１７で検出する風呂流量を合算した合計流量が所定流量以上の状態を所定の短時間継続すると、ここでは湯張り開閉弁２５が閉止状態のままなので給湯流量単独で所定流量以上の状態を所定の短時間継続すると、中間給湯温度センサ１３が検出する温度が中間設定温度になるように中間混合弁５の弁開度をフィードバック制御する状態へ遷移する（Ｓ２）。

そして、給湯栓１０が閉じられる等によって合計流量が所定流量未満となると、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、中間給湯温度センサ１３が検出する温度が中間設定温度とほぼ一致していることを条件に、その時点での中間混合弁５の弁開度を学習開度として記憶し（Ｓ３）、中間混合弁５の弁開度をこの学習開度で固定する状態へ遷移する（Ｓ１）。

さらに、給湯流量センサ１５が最低作動水量未満を検出すると、制御手段４２は、給湯混合弁８の弁開度のフィードバック制御を停止して給湯停止するようにしている。

＜湯張り動作＞
次に、湯張り動作について説明する。リモコン３７の湯張りスイッチ４０が操作されると、制御手段４２は、湯張り開閉弁２５を開弁し、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から上部出湯管３および中間出湯管４を介して高温の湯が出湯し、中間混合弁５で混合されて中間給湯管６を流れ、風呂混合弁１１で給水バイパス管７からの水と混合されて湯張り管１２を通過する。

そして、風呂流量センサ１７が最低作動水量以上を検出すると、制御手段４２は、湯張り温度センサ１６が検出する温度が風呂設定温度と一致するように風呂混合弁１１の弁開度をフィードバック制御して、風呂設定温度の湯張りを行う。

このとき、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、給湯開始当初は中間混合弁５を学習開度のまま固定し（図２のＳ１）、給湯流量センサ１５で検出する給湯流量と風呂流量センサ１７で検出する風呂流量を合算した合計流量が所定流量以上の状態を所定の短時間継続すると、ここでは風呂流量単独で所定流量以上の状態を所定の短時間継続すると、中間給湯温度センサ１３が検出する温度が中間設定温度になるように中間混合弁５の弁開度をフィードバック制御する状態へ遷移する（Ｓ２）。

そして、制御手段４２は、風呂流量センサ１７で検出する風呂流量の積算値が湯張り設定湯量となると、湯張り開閉弁２５を閉弁し、このとき合計流量が所定流量未満となると、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、中間給湯温度センサ１３が検出する温度が中間設定温度とほぼ一致していることを条件に、その時点での中間混合弁５の弁開度を学習開度として記憶し（Ｓ３）、中間混合弁５の弁開度をこの学習開度で固定する状態へ遷移する（Ｓ１）。

さらに、湯張り開閉弁２５の閉弁によって風呂流量センサ１７が最低作動水量未満を検出すると、制御手段４２は、風呂混合弁１１の弁開度のフィードバック制御を停止して湯張りを停止するようにしている。

＜差し水動作＞
次に、差し水動作について説明する。リモコン３７の差し水スイッチ４１が操作されると、制御手段４２は、風呂混合弁１１の弁開度を水側全開位置に移動させ、湯張り開閉弁２５を開弁し、給水バイパス管７からの水が風呂混合弁１１を通過して湯張り管１２と風呂循環回路２３を介して浴槽２１へ差し水される。

このとき、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、風呂流量センサ１７で合計流量以上を検出するが、風呂混合弁１１が水側に全開状態となっているため、中間混合弁５を学習開度のまま固定し（Ｓ１）、フィードバック制御を行わないようにして、中間混合弁５の開度を差し水動作開始前のままを保持するようにしている。

そして、制御手段４２は、風呂流量センサ１７で検出する風呂流量の積算値が一定値となると、湯張り開閉弁２５を閉弁し、差し水動作を終了する。

このようにして、差し水単独時には、中間混合弁５がフィードバック制御されないため、中間混合弁５の待機時のための学習開度が狂うことがなく、差し水前の適正な学習開度のまま保持され、次の出湯時に中間混合弁からの出湯温度が中間設定温度より大幅にオーバーシュートし、給湯混合弁または風呂混合弁からの給湯温度または湯張り温度もオーバーシュートしてしまうことがないものである。

＜同時出湯＞
次に、差し水動作と給湯動作が同時に実行された場合について説明する。給湯中に差し水が開始される、または差し水中に給湯が開始された場合は、中間混合弁フィードバック制御手段４３は、差し水によって風呂流量センサ１７で検出される風呂流量を合計流量に合算せずに、給湯流量センサ１５で検出される給湯流量のみを合計流量とし、これが所定流量以上となれば中間混合弁５をフィードバック制御するので、給湯温度を安定させることができると共に、中温水の使用量を可能な限り多くすることができ、さらに、給湯停止時の中間混合弁５の学習開度を適切な開度とすることができ、次の出湯時に中間混合弁からの出湯温度がオーバーシュートしてしまうことがなく、最終的な給湯温度または湯張り温度の温度ムラを良好に抑制することができる。

なお、ここでは、風呂混合弁１１が水側に所定開度以上開いている状況の説明を行ったが、風呂混合弁１１が４０℃前後の湯張りを行っていて水側に所定開度以上開いていない状態で、給湯設定温度が低温に設定される等して給湯混合弁８が水側に所定開度以上開いた状態で給湯（給水）を行っている状況においては、風呂流量センサ１７で検出する風呂流量のみに基づいて中間混合弁５をフィードバック制御するか否かを判別することで、上記の差し水動作と給湯動作が同時に実行された場合と同様に、湯張り温度を安定させることができると共に、中温水の使用量を可能な限り多くすることができ、さらに、湯張り停止時の中間混合弁５の学習開度を適切な開度とすることができ、次の出湯時に中間混合弁からの出湯温度がオーバーシュートしてしまうことがなく、最終的な給湯温度または湯張り温度の温度ムラを良好に抑制することができる。

１ 貯湯タンク
２ 給水管
３ 上部出湯管
４ 中間出湯管
５ 中間混合弁
６ 中間給湯管
７ 給水バイパス管
８ 給湯混合弁（第１給湯混合弁）
９ 給湯管（第１給湯管）
１１ 風呂混合弁（第２給湯混合弁）
１２ 湯張り管（第２給湯管）
１３ 中間給湯温度センサ
１５ 給湯流量センサ（第１給湯流量センサ）
１７ 風呂流量センサ（第２給湯流量センサ）
２７ ヒートポンプ式加熱手段
４２ 制御手段

Claims (1)

1. ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク下部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、前記貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記上部出湯管からの湯水と前記中間出湯管からの湯水とを中間設定温度に混合する中間混合弁と、この中間混合弁からの湯水を給湯する中間給湯管と、この中間給湯管を流れる湯水の温度を検出する中間給湯温度センサと、前記中間給湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第１給湯混合弁と、この第１給湯混合弁からの湯水を給湯する第１給湯管と、この第１給湯管からの給湯流量を検出する第１給湯流量センサと、前記中間給湯管からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する第２給湯混合弁と、この第２給湯混合弁からの湯水を給湯する第２給湯管と、この第２給湯管からの給湯流量を検出する第２給湯流量センサと、作動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１給湯流量センサで検出する給湯流量と前記第２給湯流量センサで検出する給湯流量とを合算した合計流量が所定流量以上となると、前記中間給湯温度センサで検出する混合温度が前記中間設定温度になるように前記中間混合弁の弁体を移動させるフィードバック制御を行い、前記合計流量が前記所定流量未満となると、前記中間混合弁をそのままの開度で待機させるようにし、前記第１給湯混合弁または前記第２給湯混合弁のいずれか一方の弁開度が水側に所定開度以上開いている場合は、当該混合弁からの給湯流量を合算しないようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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