JP2013108704A

JP2013108704A - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP2013108704A
Application number: JP2011255684A
Authority: JP
Inventors: Takashi Magara; 隆志眞柄; Shingo Yamazaki; 真吾山崎
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: JP5694905B2

Abstract

【課題】災害等で断水状態の時に貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定するヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】停電復帰した時に断水状態であれば、貯湯タンク２内の湯水を沸き上げる沸き上げ動作を開始して、所定時間経過したら沸き上げ動作を終了させ、貯湯タンク２の上下方向に設置された貯湯温度センサ４３で検知された温度を比較し、最高温度を検知した貯湯温度センサ４３が設置された箇所まで湯水が残存すると判断して、リモコン４８の表示部４９に残存量を表示するので、停電かつ断水状態の時に生活用水として貯湯タンク２内の湯水を取り出しても、停電復帰時に貯湯タンク２内に残存する湯水の量を知ることができるため使い勝手が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、貯湯タンク内の湯水を冷媒回路で加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来、この種のものにおいて、地震等の災害が発生した時に貯湯タンク内に貯湯された湯水を任意の沸き上げ目標温度に設定可能とし、停電復帰時に断水状態であっても、設定した温度まで湯水を沸き上げて貯湯タンクから取り出すことを可能にしたものがあった。（例えば、特許文献１）

特開２００９−１６２４１５号公報

しかし、この従来のものでは、各貯湯温度センサで検知された温度の湯水が貯湯タンク内に残存していると判断するが、残存する湯水の熱が貯湯タンクの表面を伝熱することで、実際には湯水が残存しない箇所であっても貯湯タンクの表面温度が上昇し、貯湯温度センサが伝熱した温度を検知して湯水が存在すると判断するため、停電復帰時に断水状態が続いていると、貯湯タンク内に残存する湯水の量が分からない問題があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を配管で接続した冷媒回路と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路と、該ヒーポン循環回路に設置され前記貯湯タンク内の湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、前記貯湯タンクの上下方向に複数設置され貯湯された湯水の温度を検知する貯湯温度センサと、該貯湯温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒーポン循環ポンプを駆動させ湯水を加熱する沸き上げ動作を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記制御部は、停電復帰時に断水状態であれば前記沸き上げ動作を開始し、所定時間経過後に前記貯湯温度センサで検知された温度を比較して、前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定するものである。

また、請求項２では、前記制御部は、前記沸き上げ動作後に前記貯湯温度センサで検知された温度を比較して、最高温度を検知した前記貯湯温度センサの近傍に湯水が残存するものである。

また、請求項３では、前記制御部は、前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定する動作を所定時間経過後に再度行うものである。

また、請求項４では、前記貯湯温度センサで検知された温度を報知するリモコンを備え、該リモコンで推定された前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を報知するものである。

この発明の請求項１によれば、停電復帰時に断水状態であれば沸き上げ動作を開始し、所定時間経過後に貯湯温度センサで検知された温度を比較して、貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定するので、貯湯タンク内に残存する湯水が沸き上げられることで、残存しない箇所に設置された貯湯温度センサとの温度差が顕著になるため、断水状態であっても貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定することができる。

また、請求項２によれば、沸き上げ動作後に貯湯温度センサで検知された温度を比較して、最高温度を検知した貯湯温度センサが設置された箇所の近傍に湯水が残存すると推定するので、残存する湯水が沸き上げられて湯水が残存しない部分よりも高温になることから、最高温度を検知した貯湯温度センサの近傍に湯水が残存することを推定することができる。

また、請求項３によれば、沸き上げ動作を行って貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定する動作を所定時間経過後に再度行うので、沸き上げ動作から長時間経過して貯湯タンク内に残存する湯水の温度が低下し、残存しない箇所との境界が不明確になっても、再度沸き上げ動作を行うので残存量を推定することができる。

また、請求項４によれば、貯湯タンク内に貯湯された湯水の温度や貯湯量を報知するリモコンで貯湯タンク内に残存する湯水の量の推定結果を報知するので、使用者がリモコンを確認することで実際に使用可能な湯水の量や温度を知ることができ、使い勝手が向上する。

本発明の一実施形態を示す概略構成図同発明の制御ブロック図同発明の停電復帰後の動作を示すフローチャート同発明の湯水の残存量を推定する動作を示すフローチャート同発明の沸き上げ動作時の貯湯温度センサの温度変化を説明する図

次に、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。
１は最大で３７０Ｌの湯水が貯湯可能な貯湯タンク２等を収納した貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱可能なヒートポンプユニットである。

前記ヒートポンプユニット３は、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機４と、高温高圧の冷媒と熱交換によって湯水を加熱する冷媒水熱交換器５と、冷媒を減圧する電動式の膨張弁６と、空気熱で冷媒を蒸発させる空気熱交換器７とを配管で環状に接続した冷媒回路８と、空気熱交換器７に周囲の空気を送り込む送風ファン９とを備えており、冷媒回路８内には冷媒として二酸化炭素が使用され超臨界ヒートポンプサイクルを構成している。

ここで、冷媒水熱交換器５は冷媒と被加熱水である貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率よく高温まで被加熱水を加熱することができ、冷媒水熱交換器５に流入する冷媒の入口温度と流出する出口温度の温度差が一定になるように膨張弁６または圧縮機４を制御して、冷媒水熱交換器５に流入する被加熱水の温度を５〜２０℃の低温にすることで効率よく加熱することができ、ＣＯＰが向上する。

１０は圧縮機４から吐出し冷媒水熱交換器５に流入する冷媒の温度を検出する水熱交入口センサ、１１は冷媒水熱交換器５で放熱した冷媒の温度を検出する水熱交出口センサ、１２は膨張弁６で減圧され空気熱交換器７に流入する冷媒の温度を検出する空熱交入口センサ、１３は空気熱交換器７で蒸発した冷媒の温度を検出する空熱交出口センサ、１４は空気熱交換器７の上部に設置され周囲の気温を検出する外気温センサである。

１５は貯湯タンク２下部と冷媒水熱交換器５とを配管で接続するヒーポン往き管、１６は冷媒水熱交換器５と貯湯タンク２上部とを配管で接続するヒーポン戻り管、１７はヒーポン往き管１５の途中に設置され配管内の湯水を循環させるヒーポン循環ポンプであり、該ヒーポン循環ポンプ１７を駆動することで貯湯タンク２下部にある湯水をヒーポン往き管１５から冷媒水熱交換器５に流入して加熱し、ヒーポン戻り管１６から貯湯タンク２に流入することで高温水を貯湯するヒーポン循環回路１８を形成している。

１９はヒーポン往き管１５に設置され冷媒水熱交換器５に流入する湯水の温度を検出する往き管温度センサ、２０はヒーポン戻り管１６に設置され冷媒水熱交換器５で加熱された湯水の温度を検出する戻り管温度センサであり、往き管温度センサ１９及び戻り管温度センサ２０で検出された湯水の温度に基づいて圧縮機４の出力やヒーポン循環ポンプ１７の回転数を制御し、設定された目標沸き上げ温度まで沸き上げる沸き上げ動作を行う。

２１は貯湯タンク２に市水を流入する給水管、２２は貯湯タンク２上部にある高温水を出湯する出湯管、２３は給水管２１から分岐した給水バイパス管、２４は出湯管２２と給水バイパス管２３内を流動する湯水を所定の比率で混合して設定された給湯温度に調節する給湯混合弁、２５は出湯管２２と給水バイパス管２３内を流動する湯水を所定の比率で混合して設定された風呂温度に調節する風呂混合弁である。

２６は給湯混合弁２４で所定の比率で混合された湯水が流動する給湯管、２７は洗面所等に設置され給湯混合弁２４で給湯温度に調節された湯水を開栓することで出湯可能な給湯栓、２８は給湯管２６内を流動する湯水の流量を検知する給湯流量センサ、２９は給湯管２６内を流動する湯水の温度を検知する給湯温度センサである。

３０は貯湯タンク２内の高温水と熱交換して浴槽３１内に貯められた浴槽水を加熱する風呂熱交換器、３２は浴槽水を風呂熱交換器３０に送る風呂戻り管、３３は風呂熱交換器３０で加熱された浴槽水を浴槽３１内に戻す風呂往き管、３４は風呂往き管３３と風呂熱交換器３０と風呂戻り管３２とで形成された風呂循環回路、３５は風呂循環回路３４内の浴槽水を流動させる風呂循環ポンプである。

３６は浴槽３１内にある浴槽水の水位を検知する水位センサ、３７は風呂熱交換器３０で加熱された浴槽水の温度を検知する風呂温度センサであり、風呂往き管３３途中にそれぞれ設置されている。

３８は風呂混合弁２５で混合された湯水を風呂戻り管３２に搬送する湯張り管であり、配管途中には、風呂混合弁２５で混合された湯水の温度を検知する湯張り温度センサ３９と、電動弁を開閉して浴槽３１への湯張り開始及び停止を行う湯張り電磁弁４０と、配管内を流動する湯水の流量から浴槽３１への湯張り量を検知する湯張り流量センサ４１と、浴槽３１の湯水が逆流するのを防止する逆止弁４２とが設置されている。

４３は貯湯タンク２の上下方向に複数配置された貯湯温度センサで、この実施形態では貯湯温度センサ４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅの５つが設置されているものであり、この貯湯温度センサ４３が検出する温度情報によって貯湯タンク２内の残熱量と、貯湯タンク２内の上下方向の温度分布が確認できる。

なお、この実施形態において貯湯タンク２の最大貯湯量は３７０Ｌであり、複数の貯湯温度センサ４３は貯湯タンク２に対し、ａが３４０Ｌ、ｂが２６０Ｌ、ｃが１８０Ｌ、ｄが１００Ｌ、ｅが３０Ｌの湯水が貯湯される箇所にそれぞれ設置されている。

４４は貯湯タンク２上部に連通し加熱した湯水の体積膨張による圧力上昇を防止する逃し弁、４５は市水からの圧力を一定に減圧する減圧弁、４６は給水管２１内を流動する市水の温度を検出する給水温度センサ、４７は給水管２１に設置され栓を備えた給水栓である。

４８は台所等に設置されたリモコンであり、給湯設定温度や風呂設定温度を表示して報知する表示部４９と、通常の沸き上げ動作を行う通常モードと地震等の災害時に所定の動作を行う災害モードとを選択可能なモード選択スイッチ５０と、給湯設定温度や風呂の湯張り完了等を音声で報知するスピーカ５１とが備えられている。

５２は貯湯タンクユニット１内に設置された各センサの入力を受け、各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを内蔵した制御部であり、貯湯温度センサ４３で検知された貯湯タンク２の上下方向で検知された各温度を比較する温度比較手段５３と、停電時にリチウム電池で作動し経過時間をカウントする計時手段５４と、前記温度比較手段５３で比較した結果から貯湯タンク２内に残存する湯水の量を推定する残存量推定手段５５とが備えられている。

５６はヒートポンプユニット３内に設置された各センサで検知された値に基づいて、各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを内蔵したヒーポン制御部であり、制御部５２と相互に通信して圧縮機２の駆動やヒーポン循環ポンプ１７の回転数を制御する。

５７は貯湯タンク２の底部に接続され配管途中に排水栓５８を設置した排水管であり、地震等の災害が発生して断水状態になった場合は、給水栓４７を閉栓して逃し弁４４を開放し、排水栓５８を開栓することで貯湯タンク２内に残存する湯水が取り出せる。

次に、本発明の一実施形態の作動について説明する。
まず、通常時での沸き上げ動作について説明すると、各地の時間帯別契約電力における電力単価が安価な２３時以降等の深夜時間帯に達したら、制御部５２は、貯湯タンク２内の湯水をヒートポンプユニット３で加熱する沸き上げ動作を開始する。

制御部５２は、過去一週間における平均使用湯量や貯湯温度センサ４３での検知温度に基づいて、貯湯タンク２内に貯湯する湯水の沸き上げ目標温度や湯量を判定し、沸き上げ完了時刻に目標温度の湯水が所定量沸き上がるために沸き上げ動作を開始する沸き上げ開始時刻を算出してヒーポン制御部５６にそれらの情報を送信する。

そして、沸き上げ開始時刻に達したと判断したら、ヒーポン制御部５６は、圧縮機４及びヒーポン循環ポンプ１７を駆動させることで、貯湯タンク２下部にある低温水がヒーポン往き管１５を介して冷媒水熱交換器５で加熱され、ヒーポン戻り管１６を介して貯湯タンク２上部に沸き上げ目標温度の高温水が流入して、貯湯タンク２の上部から高温水が順次積層するように貯湯していく。

そして、ヒーポン制御部５６は、貯湯温度センサ４３で検知された温度から目標沸き上げ温度の湯水が所定の湯量まで貯湯したと判断したら、圧縮機４とヒーポン循環ポンプ１７を停止して沸き上げ動作を終了する。

次に、この一実施形態の停電復帰後の作動について図３のフローチャートを用いて説明する。ここでは、地震等の災害で停電かつ断水状態になり、この停電かつ断水状態の期間に貯湯タンク２内の湯水を生活用水として取り出し、数日後、電力が復旧した時を想定している。
まず、制御部５２は、リモコン４８のモード選択スイッチ５０で災害モードが選択されているか判断し（Ｓ１０１）、災害モードが選択されていれば、リモコン４８の表示部４９に給水栓４７を開放したかを問うメッセージと「はい」、「いいえ」が選択可能な画面を表示し（Ｓ１０２）、「はい」が選択されれば次のステップに進む。

Ｓ１０２で「はい」が選択されれば、制御部５２は、湯張り管３８に設置された湯張り電磁弁４０を開放して（Ｓ１０３）、湯張り流量センサ４１で湯水の流量が検知されたか判断する（Ｓ１０４）。湯張り流量センサ４１で流量が検知されたら、湯張り管３８を流動する湯水がなく給水圧がかかっていないことから断水状態だと判断して、リモコン４８の表示部４９に断水状態である旨を表示し（Ｓ１０５）、流量が検知されたら給水圧がかかっており断水状態が解消されていると判断して、リモコン４８の表示部４９に通常の沸き上げ動作を行う旨を表示して災害モードを終了する（Ｓ１０６）。

Ｓ１０５で断水状態である旨を表示したら、制御部５２は、給水栓４７を閉止したか問うメッセージと「はい」、「いいえ」が選択可能な画面を表示部４９に表示させ（Ｓ１０７）、「はい」が選択されていれば湯水の残存量を検知するモードに移行する。

次に、断水状態が確認された後に行う湯水の残存量の検知について図４のフローチャートを用いて説明する。
まず、ヒーポン制御部５６は、圧縮機４及びヒーポン循環ポンプ１７を駆動させて貯湯タンク２内の湯水を加熱する沸き上げ動作を開始する（Ｓ２０１）。そして、戻り管温度センサ２０で検知された湯水の温度や水熱交出口センサ１１で検知された冷媒温度等により、制御部５２は、貯湯タンク２内に残存量があるか判断して（Ｓ２０２）、戻り管温度センサ２０での検知温度が所定値以上であり、水熱交出口センサ１１での検知温度が所定値以下であれば、ヒーポン循環回路１８を湯水が循環しており残存量があると判断して沸き上げ動作を継続し、戻り管温度センサ２０での検知温度が所定値より低く、水熱交出口センサでの検知温度が所定値以上であれば、ヒーポン循環回路１８を流動する湯水がなく残存量がないと判断して、圧縮機４及びヒーポン循環ポンプ１７を停止して沸き上げ動作を終了させ、リモコン４８の表示部４９に残存量が０Ｌであることを表示して災害モードを終了する（Ｓ２０３）。

Ｓ２０２で貯湯タンク２内に残存量があると判断したら、計時手段５４は、沸き上げ動作を開始してから２０分経過したか判断し（Ｓ２０４）、２０分経過していれば、ヒーポン制御部５６により圧縮機４及びヒーポン循環ポンプ１７を停止させて沸き上げ動作を終了させ、貯湯温度センサ４３で検知されたａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの各温度を温度比較手段５３が比較する（Ｓ２０５）。

Ｓ２０５で貯湯温度センサ４３の各温度を比較したら、温度比較手段５３は、貯湯温度センサ４３のａからｅの中で最高温度を検知した箇所を判断する。その後、残存量推定手段５５は、最高温度を検知した貯湯温度センサ４３が設置された箇所まで湯水が残存すると判断して、その貯湯温度センサ４３が設置された箇所に相当する湯水の残存量をリモコン４８の表示部４９に表示する（Ｓ２０６）。

Ｓ２０６で残存量を表示したら、計時手段５４は、沸き上げ動作終了時から経過した時間のカウントを開始して（Ｓ２０７）、沸き上げ動作終了時から２４時間経過したか判断し（Ｓ２０８）、２４時間経過していると判断したら、再度Ｓ１０２でリモコン４８の表示部４９に給水栓４７を開放したか問うメッセージと「はい」、「いいえ」が選択可能な画面を表示する。

なお、この実施例では断水状態の判断を湯張り管３８に設置された湯張り流量センサ４１によって行っているが、例えば、給水管２１に管内の圧力検知が可能な給水圧センサを設置して、給水圧を検知することで断水状態を判断するものであってもよい。

また、Ｓ２０６でリモコン４８の表示部４９に貯湯タンク２内に残存する湯水の量を表示しているが、これに限らず、リモコン４８のスピーカ５１から音声で残存量を案内してもよく、使用者に貯湯タンク２内に残存する湯水の量が伝わればよいものである。

ここで、沸き上げ動作中に各貯湯温度センサ４３で検知される温度変化について詳述する。
貯湯タンク２内に約１８０Ｌの湯水が存在する状態で沸き上げ動作を行うと、図５で示すように、貯湯温度センサ４３ｃで検知された温度が貯湯温度センサ４３ｄで検知された温度よりも一定値以上高い状態を保ちながら上昇し続ける。これは、沸き上げ動作により貯湯タンク２内の湯水が加熱されて残存する湯水の最上面の温度が最も高くなることから、最上面の近傍にある貯湯温度センサ４３ｃで検知された温度が最も高い温度を検知し、更に、貯湯温度センサ４３ｄは残存する湯水の最上面から貯湯タンク２を伝熱した温度を検知するため、貯湯温度センサ４３ｃよりも低い温度で常に一定差を保ちながら上昇する。

このように、貯湯タンク２内に残存する湯水の最上面が沸き上げ動作で最も高温となることから、確実に湯水の残存量を推定することができる。

以上のように、断水状態の中で停電復帰した時、沸き上げ動作を行って貯湯タンク２内の湯水を加熱し、各貯湯温度センサ４３で検知された温度を比較して湯水の残存量を推定するので、停電かつ断水状態の時に生活用水として貯湯タンク２から湯水を抜き取っても、停電復帰した時に貯湯タンク２内に残っている湯水の残存量をリモコン４８で知ることができるので、残存量を気にしながら貯湯タンク２内の湯水を抜き取ることができ使い勝手が向上する。

１貯湯タンクユニット
２貯湯タンク
３ヒートポンプユニット
４圧縮機
５冷媒水熱交換器
６膨張弁
７空気熱交換器
８冷媒回路
１８ヒーポン循環回路
４３貯湯温度センサ
４８リモコン
４９表示部
５２制御部

Claims

圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を配管で接続した冷媒回路と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該貯湯タンクと前記冷媒水熱交換器とを配管で環状に接続したヒーポン循環回路と、該ヒーポン循環回路に設置され前記貯湯タンク内の湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、前記貯湯タンクの上下方向に複数設置され貯湯された湯水の温度を検知する貯湯温度センサと、該貯湯温度センサで検知された温度に基づいて前記ヒーポン循環ポンプを駆動させ湯水を加熱する沸き上げ動作を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記制御部は、停電復帰時に断水状態であれば前記沸き上げ動作を開始し、所定時間経過後に前記貯湯温度センサで検知された温度を比較して、前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記制御部は、前記沸き上げ動作後に前記貯湯温度センサで検知された温度を比較して、最高温度を検知した前記貯湯温度センサの近傍に湯水が残存することを推定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記制御部は、前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を推定する動作を所定時間経過後に再度行うことを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯温度センサで検知された温度を報知するリモコンを備え、該リモコンで推定された前記貯湯タンク内に残存する湯水の量を報知することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。