JP3539504B2

JP3539504B2 - 電気温水器

Info

Publication number: JP3539504B2
Application number: JP21449693A
Authority: JP
Inventors: 陽一杉林; 敬司山本
Original assignee: Shikoku Research Institute Inc; Shikoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Shikoku Research Institute Inc; Shikoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1993-08-30
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: JPH0763417A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電気ヒータで沸かした湯を貯湯タンク内に貯める電気温水器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気温水器には、貯湯タンクに湯を蓄えるとき、湯として利用価値のある高温水の層と、利用価値の低い低温水の層とを形成するものがある。このような電気温水器に、外部加熱方式のものがある。外部加熱方式の電気温水器は、貯湯タンクとは別に設けた加熱管で湯を沸かす。
【０００３】
この電気温水器の一例を図６に示す。この電気温水器は、沸かした湯を貯える貯湯タンク１と、上部に流出口５０Ａを具備すると共に湯を沸かす加熱管５０と、貯湯タンク１の上部と加熱管５０の流出口５０Ａとを連結する上部管２と、貯湯タンク１の下部と加熱管５０の下部とを連結する下部管３とを備える。また、加熱管５０は、図７に示すように、流出口５０Ａに温度流量制御弁としてワックス弁５１を備え、湯を沸かす電気ヒータ５２を下部に備える。
【０００４】
加熱管５０のワックス弁５１は、図８（ａ）に示すように、先端に伸縮部５１Ａを持つ温度検出部５１Ｂと、スプリング５１Ｃにより付勢されて全閉状態にある弁部５１Ｄとを備える。そして、温度検出部５１Ｂが検出した湯温が設定温度になると、図８（ｂ）に示すように、スプリング５１Ｃの付勢力に対して伸縮部５１Ａが延び、弁部５１Ｄが全開状態になる。
【０００５】
このような電気温水器では、ワックス弁５１が全閉状態になっているときに、電気ヒータ５２が加熱管５０の水を沸かす。湯温がワックス弁５１の設定温度に達すると、ワックス弁５１がこの湯温を検出して全開状態になる。これにより、加熱管５０内の湯は、自然対流により貯湯タンク１に移動する。つまり、沸いた湯は、矢印Ａに示すように、上部管２を通り貯湯タンク１の上部に流れ込む。貯湯タンク１は、この湯を上部に貯える。同時に、貯湯タンク１の下部の水は、矢印Ｂに示すように、下部管３を通り加熱管５０内に流れ込む。これにより、加熱管５０内の湯温が下がり、ワックス弁５１が全閉状態になり、再び先の動作を繰り返す。
【０００６】
このように、貯湯タンク１内には、高温水１０１の層と低温水１０２の層とが成形され、利用者は、高温水１０１を使用する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、貯湯タンク１に高温水１０１の層と低温水１０２の層とを形成する電気温水器には、次のような問題点があることが判明した。
【０００８】
貯湯タンク１内部に高温水１０１の層を形成した後、時間が経過すると、熱が高温水１０１から低温水１０２へ移動する。これにより、高温水１０１の層と低温水１０２の層との境界に、温度が高温から低温に変わる温度傾斜層が発生する。この温度傾斜層は、時間の経過と共に増加する。温度傾斜層は、高温水から低温水まで含み、かつ、湯としての価値がある高温水の量は、低温水の温度で変化する。この結果、湯を沸かすときに、湯の過不足が温度傾斜層により発生する。
【０００９】
この発明の目的は、このような欠点を除き、必要な湯を過不足なく沸かすことを可能にする電気温水器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するため、第１の発明は、沸かした湯を貯める貯湯タンクと、内部に備える電気ヒータで沸かした湯が所定温度になると開状態になる弁部により湯を流す温度流量制御弁を、上部の流出口に具備する加熱管と、貯湯タンク下部と加熱管下部とを連結する下部管と、加熱管の流出口と貯湯タンク上部とを連結する上部管とを備える電気温水器において、貯湯タンク上部から下部までに離間して取り付けられ、湯温を検出する複数の温度センサと、互いに隣接する温度センサの検出温度が所定温度より高いときに、検出温度の平均値から温度センサ間の湯の残湯熱量を算出し、隣接する両方の温度センサの検出温度が所定温度より低いときに温度センサ間の湯の残湯熱量をゼロとし、隣接する温度センサの中で下側の温度センサだけが所定温度より低いときに、沸かした湯の境界を所定の演算式で算出すると共に境界と上側の温度センサとの間の湯の残湯熱量を算出し、各残湯熱量の和から湯の全残湯熱量を算出し、過去に使用された湯量に基づいて必要熱量を算出し、全残湯熱量と必要熱量とから電気ヒータに通電する通電時間を算出する第１制御部と、第１制御部が算出した通電時間だけ電気ヒータに通電する第２制御部とを有する。
【００１１】
第２の発明は、沸かした湯を貯める貯湯タンクと、内部に備える電気ヒータで沸かした湯が所定温度になると開状態になる弁部により湯を流す温度流量制御弁を、上部の流出口に具備する加熱管と、貯湯タンク下部と加熱管下部とを連結する下部管と、加熱管の流出口と貯湯タンク上部とを連結する上部管とを備える電気温水器において、貯湯タンク上部から下部にまで離間して取り付けられ、湯温を検出する複数の温度センサと、互いに隣接する温度センサの検出温度が所定温度より高いときに、検出温度の平均値から温度センサ間の湯の残湯熱量を算出し、隣接する両方の温度センサの検出温度が所定温度より低いときに温度センサ間の湯の残湯熱量をゼロとし、隣接する温度センサの中で下側の温度センサだけが所定温度より低いときに、沸かした湯の境界を所定の演算式で算出すると共に境界と上側の温度センサとの間の湯の残湯熱量を算出し、各残湯熱量の和から湯の全残湯熱量を算出し、あらかじめ設定された湯量から必要熱量を算出し、全残湯熱量と必要熱量とから電気ヒータに通電する通電時間を算出する第１制御部と、第１制御部が算出した通電時間だけ電気ヒータに通電する第２制御部とを有する。
【００１２】
【作用】
第１の発明により、第１制御部は、隣接する温度センサ間の平均値から、このセンサ間に在る、貯湯タンク内の湯の残湯熱量を算出する。
【００１３】
温度センサ間の湯の残湯熱量を算出する際に、上側の温度センサの温度が所定温度より高く、下側の温度センサの温度が所定温度より低いとき、第１制御部は、所定の演算式で湯の低温水と高温水との境界を算出する。そして、この算出した境目から上側の温度センサまでの間の湯の残湯熱量を算出する。
【００１４】
同時に、第１制御部は、過去に使用された湯量を記憶しておく。そして、この記憶した過去の湯量から必要な熱量を設定する。この後、第１制御部は、設定された必要熱量と、算出した各残湯熱量とから、電気ヒータの通電時間を算出する。第２制御部は、この通電時間だけ電気ヒータに電力を供給する。
【００１５】
第２の発明により、第１制御部は、隣接する温度センサ間の平均値から、このセンサ間に在る、貯湯タンク内の湯の残湯熱量を算出する。
【００１６】
温度センサ間の湯の残湯熱量を算出する際に、上側の温度センサの温度が所定温度より高く、下側の温度センサの温度が所定温度より低いとき、第１制御部は、所定の演算式で湯の低温水の層と高温水の層との境界を算出する。そして、この算出した境目から上側の温度センサまでの間の湯の残湯熱量を算出する。
【００１７】
この後、第１制御部は、あらかじめ設定された湯量と、算出した各残湯熱量とから、電気ヒータの通電時間を算出する。第２制御部は、この通電時間だけ電気ヒータに電力を供給する。
【００１８】
【実施例】
次に、この発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【００１９】
［実施例１］
図１は、この発明の実施例１を示す概略図である。この電気温水器は、貯湯タンク１、上部管２、下部管３、入力部２０、第１制御部としての制御部２１、第２制御部としての電力制御部２２および加熱管５０を備える。この電気温水器は、たとえば沸き上げ温度が８５［℃］の高温水を貯える。
【００２０】
この電気温水器の貯湯タンク１、上部管２、下部管３、および加熱管５０は、図６の電気温水器と同じものなので、説明を省略する。
【００２１】
温度センサ１１〜１９は、サーミスタやＩＣ温度センサであり、貯湯タンク１の外側に、かつ、貯湯タンク１の上下方向に沿って離間して取り付けられている。この取り付けに際して、隣接する温度センサ間の貯湯タンク１の部分の容量、つまりタンク部分２０１〜２０８の容量がそれぞれ等しくなるように、温度センサ１１〜１９が配置されている。タンク部分２０１〜２０８の容量は、それぞれＶ［リットル］である。
【００２２】
温度センサ１１は、貯湯タンク１の上部の湯温を検出して制御部２１に送る。温度センサ１２は、タンク部分２０１とタンク部分２０２との境界付近の湯温を検出して制御部２１に送る。同様にして、各温度センサ１３〜１８は、それぞれの境界付近の湯温を検出して制御部２１に送る。温度センサ１９は、貯湯タンク１の下部の湯温を検出して制御部２１に送る。
【００２３】
入力部２０は、各種の設定がされるものである。この設定として、湯を沸かす際の自動または手動の切り替え、手動のときに沸かす湯量などがある。
【００２４】
制御部２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、所定量の湯を沸かすための制御をする。制御部２１は、自動または手動の切り替えに係る入力が入力部２０に加えられると、この入力に応じた制御をする。
【００２５】
自動で湯を沸かすとき、制御部２１は、図２に示すように、温度センサ１１〜１９が検出した湯温Ｔ1〜Ｔ9［℃］を読み取る（ステップＳ１）。読み込んだ湯温Ｔ1〜Ｔ9［℃］から、各タンク部分２０１〜２０８の残湯熱量Ｑｉ（ｉ＝１〜８）［kcal］をそれぞれ算出する（ステップＳ２）。なお、残湯熱量Ｑ１［kcal］がタンク部分２０１の熱量である。
【００２６】
制御部２１は、次の式を用いて残湯熱量を算出する。隣接する温度センサの中で、上側の温度センサが検出した湯温をＴｘ［℃］とし、下側の温度センサが検出した湯温をＴｙ［℃］とすると、上からｉ番目のタンク部分の残湯熱量Ｑｉ［kcal］は、

の式で示される。ここで、湯温Ｔｘ［℃］およびＴｙ［℃］が所定温度たとえば４５［℃］より低いとき、
Ｑｉ＝０（２）
とする。（２）式では、４５［℃］より低い温度の湯を、利用価値の低い湯としている。
【００２７】
湯温Ｔｘ［℃］が４５［℃］より大きく、湯温Ｔｙが４５［℃］より低いとき、

とする。
【００２８】
所定の演算式である（３）式は、次のようにして導かれる。図４に示すように、下側の温度センサの検出する温度Ｔｙだけが４５［℃］より低いとき、４５［℃］の境界が上下の温度センサ間に在る。また、温度Ｔｘ［℃］を検出する上側の温度センサと、温度Ｔｙ［℃］を検出する下側の温度センサとの間の容量は、Ｖ［リットル］である。したがって、温度Ｔｘ［℃］から温度４５［℃］までの間の湯量が温度に比例するとすれば、この間の湯量は、

で示される。この結果、隣接する温度センサ間の残湯熱量Ｑｉ［kcal］は、温度Ｔｘ［℃］と温度４５［℃］の平均値を、（４）式に掛けたものとなる。つまり、（３）式になる。
【００２９】
このようにステップＳ２で算出した残湯熱量Ｑ１〜Ｑ８［kcal］の和を算出して、制御部２１は、貯湯タンク１全体の、温度４５［℃］より高い湯の全残湯熱量Ｑ［kcal］を算出する（ステップＳ３）。
【００３０】
制御部２１は、過去の使用熱量、たとえば過去７日間の使用熱量ｑｊ（ｊ＝１〜７）［kcal］を記憶する。このとき、制御部２１は、それぞれの使用熱量を、

の式で算出する。ここで、Ｗは電気ヒータ５２の電気容量である。また、前日の全残湯熱量および当日の全残湯熱量は、（１）〜（４）式を用いて算出された値である。そして、算出した使用熱量ｑ１〜ｑ７［kcal］から、

を算出し、１日の平均熱量ｑ［kcal］を算出する（ステップＳ４）。
【００３１】
ステップＳ４で算出した１日の平均熱量ｑ［kcal］と、当日の全残湯熱量とから、制御部２１は、湯を沸かすために必要な熱量Ｑａ［kcal］を次の式で算出する（ステップＳ５）。
【００３２】
Ｑａ＝ｑ−（当日の全残湯熱量）（７）
制御部２１は、ステップＳ５で算出した必要熱量Ｑａ［kcal］から、次の式で通電時間Ｈ１［ｈ］を算出する（ステップＳ６）。
【００３３】

ここで、ηは電気ヒータ５２の効率である。
【００３４】
これにより、制御部２１は、自動で湯を沸かすための通電時間Ｈ１［ｈ］を算出する。
【００３５】
手動で湯を沸かすとき、制御部２１は、図３に示す制御をする。この制御の中で、ステップＳ１１〜ステップＳ１３までの処理は、図２のステップＳ１〜ステップＳ３までの処理と同じである。ステップＳ１３で全残湯熱量Ｑ［kcal］を算出した後、制御部２１は、入力部２０に加えられた設定湯量Ｖｉ［リットル］から、沸き上げ温度が８５［℃］に相当する設定熱量Ｑｂ［kcal］を、
Ｑｂ＝８５Ｖｉ（９）
の式で算出する（ステップＳ１４）。さらに、この設定熱量Ｑｂ［kcal］から、
Ｑｃ＝Ｑｂ−（当日の残湯熱量）（１０）
の式で必要熱量Ｑｃ［kcal］を算出する（ステップＳ１５）。制御部２１は、この必要熱量Ｑｃ［kcal］から、次の式で通電時間Ｈ２［ｈ］を算出する（ステップＳ１６）。
【００３６】

これにより、制御部２１は、手動で湯を沸かすための通電時間Ｈ２［ｈ］を算出する。
【００３７】
電力制御部２２は、制御部２１が算出した通電時間Ｈ１［ｈ］またはＨ２［ｈ］だけ、電気ヒータ５２に電力を供給する。
【００３８】
以上が実施例１の詳細な構成である。
【００３９】
次に、実施例１の動作について説明する。
【００４０】
入力部２０に自動の設定がされた場合、制御部２１は、図２の処理をする。このとき、時間の経過で、たとえば図５に示すような温度傾斜層１１０（斜線の部分）が発生する。ここでは、温度センサ１４と温度センサ１５との間に、温度傾斜層１１０の４５［℃］の境界１１１が存在する。
【００４１】
制御部２１は、温度センサ１１〜１９の温度を読み取る。このとき、温度センサ１４の検出温度Ｔｘ［℃］が４５［℃］より高く、温度センサ１５の検出温度Ｔｙ［℃］が４５［℃］より低くなるので、制御部２１は、（３）式を用いる。この（３）式により、制御部２１は、境界１１１から温度センサ１４の部分までの残湯熱量Ｑ４［kcal］を算出する。また、式（１）を用いて、温度センサ１１〜１２の残湯熱量Ｑ１［kcal］、温度センサ１２〜１３の残湯熱量Ｑ２［kcal］および温度センサ１３〜１４の残湯熱量Ｑ３［kcal］を算出する。さらに、温度センサ１６〜１９の検出温度が、４５［℃］より低いので、Ｑ５〜Ｑ８をゼロにする。
【００４２】
制御部２１は、このようにして算出した残湯熱量Ｑ１〜Ｑ８に基づいて、通電時間Ｈ１［ｈ］を算出する。電力制御部２２は、制御部２１が算出した通電時間Ｈ１［ｈ］だけ、電気ヒータ５２に電力を供給する。
【００４３】
これにより、温度傾斜層１１０が貯湯タンク１内に発生しても、この温度傾斜層１１０中の、湯として利用価値のある部分、つまり４５［℃］の境界１１１から温度センサ１１までの部分の残湯熱量を算出するので、過不足なく湯を自動で沸かすことができる。
【００４４】
入力部２０に手動の設定がされた場合、制御部２１は、図３の処理をする。この場合、図５に示すような温度傾斜層１１０（斜線の部分）が発生しても、制御部２１は、この温度傾斜層１１０中の、湯として利用価値のある部分の残湯熱量を自動のときと同様に算出する。この算出した残湯熱量と設定湯量Ｖｉ［リットル］とに基づいて通電時間Ｈ２［ｈ］を算出し、この通電時間Ｈ２［ｈ］だけ電気ヒータ５２に電力を供給する。これにより、設定された量の湯を過不足なく沸かすことができる。
【００４５】
［実施例２］
実施例２では、図１の電気温水器の中で、制御部２１が次の制御をする。実施例２の制御部２１は、実施例１と同じように、貯湯タンク１内の、温度４５［℃］より高い湯の全残湯熱量Ｑ［kcal］を算出して、図２のステップＳ３の処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ３の後、実施例２の制御部２１は、過去の７日間の使用熱量をｑｊ（ｊ＝１〜７）［kcal］を記憶する。このとき、実施例２の制御部２１は、その日の沸き上げ終了時の熱量（電気ヒータ５２への通電終了前の熱量）ｑ_aと、沸き上げ直前の熱量（電気ヒータ５２への通電開始前の熱量）ｑ_bとから、
ｑｊ＝ｑ_a−ｑ_b （１２）
の式を用いて、それぞれの日の使用熱量を算出する。そして、算出した使用熱量ｑ１〜ｑ７［kcal］から、

を算出し、ステップＳ４の１日の平均熱量ｑ［kcal］を算出する。
【００４７】
ステップＳ４の後の処理は、実施例１と同様である。また、手動の場合の制御は、実施例１と同様である。
【００４８】
このような処理をする実施例２の制御部２１を用いることにより、実施例１と同じように、過不足なく湯を沸かすことができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上、説明したように、第１の発明により、次のような効果が発生する。貯湯タンク内に貯えられた高温水と低温水との間に、たとえば時間の経過で熱の移動が発生し、高温から低温に温度が変化する温度傾斜層が発生する。このとき、第１の発明は、この温度傾斜層から、所定温度の境界を求め、この境界と上側の温度センサとの間の残湯熱量を算出する。この後、湯としての利用価値のある、境界から貯湯タンク上部までの全残湯熱量を算出し、この全残湯熱量と、過去に使用された湯量から算出された湯量とから、電気ヒータに対する通電時間を算出する。
【００５０】
これにより、第１の発明は、湯の過不足を発生することなく、設定された湯を自動的に沸かすことを可能にする。
【００５１】
第２の発明は、温度傾斜層の中の利用価値のある湯の残湯熱量を算出する。そして、この残湯熱量と、あらかじめ設定された湯量とから、電気ヒータに対する通電時間を算出する。
【００５２】
これにより、第２の発明は、必要な湯量を手動で、過不足なく沸かすことを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１を示す概略図である。
【図２】制御部の自動での制御手順を示すフローチャートである。
【図３】制御部の手動での制御手順を示すフローチャートである。
【図４】湯温の検出を説明するための図である。
【図５】貯湯タンク内の湯の状態を示す図である。
【図６】従来の電気温水器の一例を示す概略図である。
【図７】加熱管の一例を示す断面図である。
【図８】ワックス弁の一例を示す図である。
【符号の説明】
１貯湯タンク
１１〜１９温度センサ
２１制御部
２２電力制御部
５２電気ヒータ

Claims

沸かした湯を貯める貯湯タンクと、内部に備える電気ヒータで沸かした湯が所定温度になると開状態になる弁部により湯を流す温度流量制御弁を、上部の流出口に具備する加熱管と、前記貯湯タンク下部と前記加熱管下部とを連結する下部管と、前記加熱管の流出口と前記貯湯タンク上部とを連結する上部管とを備える電気温水器において、
前記貯湯タンク上部から下部までに離間して取り付けられ、湯温を検出する複数の温度センサと、
互いに隣接する前記温度センサの検出温度が所定温度より高いときに、検出温度の平均値から前記温度センサ間の湯の残湯熱量を算出し、前記隣接する両方の温度センサの検出温度が所定温度より低いときに前記温度センサ間の湯の残湯熱量をゼロとし、前記隣接する温度センサの中で下側の温度センサだけが所定温度より低いときに、沸かした湯の境界を所定の演算式で算出すると共に前記境界と上側の温度センサとの間の湯の残湯熱量を算出し、前記各残湯熱量の和から湯の全残湯熱量を算出し、過去に使用された湯量に基づいて必要熱量を算出し、前記全残湯熱量と前記必要熱量とから前記電気ヒータに通電する通電時間を算出する第１制御部と、
前記第１制御部が算出した通電時間だけ前記電気ヒータに通電する第２制御部とを有することを特徴とする電気温水器。
沸かした湯を貯める貯湯タンクと、内部に備える電気ヒータで沸かした湯が所定温度になると開状態になる弁部により湯を流す温度流量制御弁を、上部の流出口に具備する加熱管と、前記貯湯タンク下部と前記加熱管下部とを連結する下部管と、前記加熱管の流出口と前記貯湯タンク上部とを連結する上部管とを備える電気温水器において、
前記貯湯タンク上部から下部にまで離間して取り付けられ、湯温を検出する複数の温度センサと、
互いに隣接する前記温度センサの検出温度が所定温度より高いときに、検出温度の平均値から前記温度センサ間の湯の残湯熱量を算出し、前記隣接する両方の温度センサの検出温度が所定温度より低いときに前記温度センサ間の湯の残湯熱量をゼロとし、前記隣接する温度センサの中で下側の温度センサだけが所定温度より低いときに、沸かした湯の境界を所定の演算式で算出すると共に前記境界と上側の温度センサとの間の湯の残湯熱量を算出し、前記各残湯熱量の和から湯の全残湯熱量を算出し、あらかじめ設定された湯量から必要熱量を算出し、前記全残湯熱量と前記必要熱量とから前記電気ヒータに通電する通電時間を算出する第１制御部と、
前記第１制御部が算出した通電時間だけ前記電気ヒータに通電する第２制御部とを有することを特徴とする電気温水器。
前記温度流量制御弁は、ワックス弁であることを特徴とする請求項１または２記載の電気温水器。