JP3749194B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の凝縮熱を利用したヒートポンプ式給湯機或いは通電制御型電気温水器等の貯湯式給湯機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ヒートポンプ式給湯機或いは通電制御型電気温水器等の給湯機で行なわれている学習機能においては、貯湯槽から供給される湯の量、すなわち使用量に応じて貯湯槽に蓄えておく最小の湯量である最低貯湯量を変更することにより、昼間の追加沸き上げ量を調整し、使用量が多い場合には、追加の沸き上げを行い、すなわち沸き上げ量を増やし、貯湯量を増やして貯湯槽の湯が無くならないようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、湯の使用量が少なく、貯湯量が過剰な場合に対応することができず、必要な量以上に沸き上げるため、貯湯槽から供給されるまでの放熱等のロスが多くなり、湯の供給効率が大幅に低下する。このような供給効率の低下を少なくするために、使用量に応じて沸き上げる湯の温度を変更し、使用量が少ないときには湯の温度を低くし、貯湯する湯の熱量を小さくして対応していたが、変更幅が小さく、依然として使用量が少ないときには供給効率が大幅に低下するという問題が発生する。
【0004】
そこで本発明は、貯湯式給湯機において湯の供給効率を向上できるようにすることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このため第1の発明は、循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、前記貯湯槽内の貯湯量が減少した際の沸き増しを開始する最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量の関係を表す複数のモードを格納する記憶手段と、第1所定量以上の貯湯量が所定期間あった場合には前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が少なくなるように前記モードを変更して変更後のモードに基づいて沸き増し運転を制御すると共に、同じく貯湯量が前記第1所定量より少ない第2所定量を下回った際に前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が多くなるように前記モードを変更して変更後のモードに基づいて沸き増し運転を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0006】
第2の発明は、循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、第1所定量以上の貯湯量が所定期間あった場合には前記貯湯槽内の貯湯量が減少した際の沸き増しを開始する最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量が少なくなるように沸き増し運転を制御すると共に深夜時間帯の貯湯運転を最大沸上量が減少するように制御し、同じく貯湯量が前記第1所定量より少ない第2所定量を下回った際に前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が多くなるように沸き増し運転を制御する共に深夜時間帯の貯湯運転を最大沸上量が増加するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0007】
第3の発明は、循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、前記貯湯槽内の貯湯量の減少した際の沸き増し開始持の最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量の関係を表す複数のモードを格納する記憶手段と、前記貯湯槽からの過去複数日の平均出湯量及び過去複数日の最大連続出湯量とに基づいて決定された前記モードに基づいて沸き増し運転を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態を説明する。図1は本発明が適用される貯湯式給湯機としてのヒートポンプ給湯機の回路説明図で、このヒートポンプ給湯機は圧縮機にて圧縮された冷媒と水とを加熱用熱交換器により熱交換させる冷媒回路と、循環ポンプにより水を貯湯槽と前記加熱用熱交換器との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを主要構成としている。
【0013】
前記冷媒回路は、冷媒を吸入圧縮し高温高圧にする圧縮機1、冷媒と水とを熱交換させる加熱用の冷媒対水熱交換器2、電動式の膨張弁3、外気と冷媒との熱交換を行う室外側熱交換器としての蒸発器4、アキュムレータ5等を有している。
【0014】
前記給湯回路は、お湯を貯湯する貯湯槽10、この貯湯槽10に水道水を供給する逆止弁付き水道減圧弁11、貯湯槽10からお湯を取出す出湯管12、水道減圧弁の出口側から出湯管12に接続された混合弁13に至るバイパス管14、出湯管12から分岐して浴槽30ヘ至るお湯張り管15、お湯張り管15に接続された電磁弁16、混合弁13より上流側の出湯管12に接続される圧力逃がし弁17、貯湯槽10の下端部に接続されて該貯湯槽10から前記冷媒対水熱交換器2に水を供給するための循環ポンプ18、流量調整手段としての流量調整弁19を有している。
【0015】
なお、9は制御基板で、本ヒートポンプ給湯機を制御する制御手段としてマイクロコンピュータ(以下「マイコン」という)20等が搭載される。7は台所で操作される台所リモコン(リモートコントローラ)、8は風呂場で操作されるふろリモコン(リモートコントローラ)である。尚、これら台所リモコン7、ふろリモコン8には時刻表示装置等が設けられている。
【0016】
次に図2の制御ブロック図に基づいて説明する。前記マイコン20は、本ヒートポンプ給湯機の給湯に係る動作を統括制御するCPU(セントラル・プロセッシング・ユニット)21、各種データを記憶する記憶装置としてのRAM(ランダム・アクセス・メモリ)22、給湯動作に係るプログラムを格納するROM(リ−ド・オンリー・メモリ)23から構成されている。RAM22には図3に示したテーブルのような、沸き上げ(沸き増し)制御のモード毎に、貯湯槽10内の例えば深夜電力を使用して深夜に沸き上げるときの最大貯湯量である最大沸上量、沸き増しを開始する最低貯湯量及び沸き増しを停止する貯湯量である沸き増し終了の貯湯量がモード1からモード7まで格納され、また、これらのモードを貯湯量の変化に基づいて変更するプログラムがROM23に格納されている。そして、CPU21は前記RAM22に記憶されたデータに基づき、前記ROM23に格納されたプログラムに従い、本ヒートポンプ給湯機の給湯に係る動作を統括制御する。そして、通常は貯湯槽10内の容量全てを所定の温度に沸き上げるように、マイコン20は給湯機を制御する。
【0017】
なお、消費者は電力会社と時間帯別電灯契約を結んで、前述したように、料金の安い深夜時間帯で最大沸上量まで沸き上げ、昼間の時間帯は基本的に深夜に貯湯した湯を使用して、最低貯湯量を切ったときに所定の量を沸き増しするものである。
【0018】
また、台所リモコンCPU7aがマイコン20に信号線にて接続され、台所リモコンCPU7aには浴槽30への給湯時にお湯張りの量を設定するための沸き上げ量設定スイッチ7b及び上記モードを切り替えるためのモード切替スイッチ7cが接続されている。
【0019】
そして、前記貯湯槽10の容量が例えば370リットルであり、貯湯槽10には、湯温検出センサTS1、TS2、TS3、TS4、TS5、TS6及びTS7が貯湯槽10の下部から上部まで上下間隔を存して設けられ、本給湯機がその沸き上げ前の温度が55℃までのため、前記各センサの検出湯温が55℃以上の場合には貯湯槽10内の上端からその位置までは貯湯されており残湯ありと判断する。このとき、検出センサTS1の配置箇所は残湯量が350リットル、TS2が同じく300リットル、TS3が250リットル、TS4が200リットル、TS5が150リットル、TS6が100リットル、TS7が50リットルの位置である。
【0020】
ここで、外気温度検出センサ24による外気温度(例えば25℃)、ヒートポンプの能力(例えば5.0kW)、沸き上げ温度(例えば75℃)、給水温度検出センサ25による逆止弁付き水道減圧弁11を介して貯湯槽10に供給する水道水の給水温度(例えば20℃)、湯温検出センサTS3の検出温度(例えば63℃)、湯温検出センサTS1及びTS2の検出温度(例えば50℃)等のデータは、前記マイコン20のRAM22に格納され、これらのデータに基づいてマイコン20が貯湯槽10内の貯湯量を判断する。
【0021】
即ち、初めに7個の湯温検出センサの中から沸き上げ湯温55℃を2個の検出センサ間に含む検出センサの組み合わせをマイコン20が探索し、55℃より高い温度を検出している検出センサの検出温度をThi、その残湯量をLhiとし、低い温度を検出している検出センサの検出温度をTlo、その残湯量をLloとして、55℃に到達している前記貯湯槽10内の貯湯量(残湯量)Lzを、Lz=(Thi−55)/(Thi−Tlo)×(Llo−Lhi)+Lhiからマイコン20が算出する。
【0022】
従って、前述の場合であれば、55℃に到達している残湯量Lzは(63−55)/(63−50)×(300−250)+250から約286リットルであると、マイコン20は判断する。
【0023】
次に循環流量(1分間当りの沸き上げ量)を、ヒートポンプによる1分間当りの加熱量を沸き上げ温度から水温を引いた温度で割り算して算出するが、具体的には循環流量=(ヒートポンプ能力P×860(Kcal)/60(分間)/(沸き上げ温度Tp−(外気温度Tt×0.8+3))からマイコン20が算出する。即ち、所定能力が一定に出る給水温度(冷媒対水熱交換器2に入る水温)は、外気温度値を用いて、各種性能試験で得られた換算式より算出している。
【0024】
従って、循環流量は、(5×860/60/(75−(25×0.8+3)から約1.38リットル/分と、マイコン20は判断する。即ち、ヒートポンプの特性上(特に冷媒がCO2の場合)、沸き上げ温度を固定で、給水温度(冷媒対水熱交換器2に入る水温)が上昇すると圧縮機1の周波数を一定に保っていても徐々に加熱能力が低下し、また水温の上昇と能力の低下のカーブは完全にはリニアにはならないため、本給湯機で圧縮機1の保護も含め、入口水温に合わせて圧縮機1の周波数を段階的に下げる動作を行い、結果的に入口水温が変動しても同じ外気温度条件なら略一定の循環流量を維持する運転を行なうように制御することとなる。
【0025】
以上のようにマイコン20により、貯湯槽10内の貯湯量が判断されると共に、沸き上げ時(沸き増し時)の循環量が算出される。
【0026】
以下、ヒートポンプ給湯機からの給湯時の制御について説明する。先ず、図4の(a)に示したような貯湯槽10内の貯湯状態(ハッチングされた部分が全体の容量の内の適正温度の貯湯量を表し、本来は適正温度は上層となるが便宜上下層で表して説明する。)から給湯され、湯が使用された時には、貯湯槽10に水が一杯になるように逆止弁付き水道減圧弁11から水が給水される。湯が使用され適正温度の貯湯量が次第に少なくなり、(b)に示した貯湯状態になる。さらに、給湯され適正温度の貯湯量が少なくなり、(c)に示したように沸き増しを開始する最低貯湯量(例えば、図3に示すように、モード4の場合においては150リットル)より少なくなり、検出センサTS5の検出温度が貯湯状態と判断する温度である55℃より低下すると、マイコン20は貯湯量が検出センサTS5の位置より少なくなったと判断し、ヒートポンプ給湯機に沸き増し運転を開始させる。
【0027】
従って、圧縮機1が運転を開始し、圧縮機1で圧縮されて高温になった冷媒が冷媒対水熱交換器2に供給される。そして、循環ポンプ18が起動されて貯湯槽10の底部の水が冷媒対水熱交換器2に給水されて、冷媒と水との熱交換が開始される。これにより、冷媒は熱を失って凝縮し、また水は冷媒の凝縮熱により温度が上昇して、流量調整弁19を介して湯となって貯湯槽10に戻る。
【0028】
このとき、冷媒対水熱交換器2内の湯が、貯湯槽10の上部の入口に流量調整弁19を介して流入するように循環ポンプ18で貯湯槽10の底部の水が供給される。これにより貯湯槽10内の上層は湯で下層は水となり、時間の経過と共にお湯の層と水の層とが混じることなく、湯の層が増え水の層が少なくなる。そして、例えば、沸き上げ制御のモードがモード7の運転状態では、最終的に貯湯槽10全体が適正温度の湯で満たされるが、例えばモード4の場合には、図4の(c)に示したように貯湯量が設定された沸き増し終了の量である200リットルまで上昇し、検出センサTS5の検出温度が55℃以上になると、CPU21が動作しマイコン20が圧縮機1及び循環ポンプ14へ停止信号を出力し、沸き増し運転が終了する。
【0029】
上記のように、沸き増し運転時には図3に示した沸き上げ制御のモードに従い、沸き増し運転が制御されるが、以下沸き上げ制御のモードを変更するときの制御について、図5のフローチャートに基づいて説明する。
【0030】
まず、沸き上げ制御のモード(運転モード)が手動で行うか自動で行うかが判断され、手動の場合には、前記沸き上げ量設定スイッチ7bの操作に基づいて、沸き上げ制御のモードがモード1乃至3までの間にて設定される。即ち、沸き上げ量を、例えば「多い」、「中間」、「少ない」場合の3段階に分け、多い場合にはモード3、中間の場合にはモード2、少ない場合にはモード1が設定され、その後沸き上げ運転時には設定されたモードに従ってヒートポンプ給湯機の運転が制御される。
【0031】
沸き上げ制御のモードが自動の場合には、例えばヒートポンプ給湯機への電源投入時に標準モードである沸き上げ制御のモード3が自動的に設定される。このため、貯湯槽10からの給湯により適正温度の貯湯量が減少し、検出センサTS6の検出温度が55℃より低くなり、適正温度の貯湯量が100リットルより少なくなったとマイコン20が判断する(判断A)。この判断に伴い、マイコン20に設けられた図示しないタイマーが動作を開始する。そして、その後、適正温度の貯湯量が50リットル以下にならず、即ち検出センサTS7が55℃以上の温度を検出し続けた場合には、沸き上げ制御のモード3がタイマーに予め設定されている所定時間(例えば3日間)維持される。
【0032】
尚、前記所定時間(例えば3日間)が経過する前に適正温度の貯湯量が減少し、検出センサTS7の検出温度が55℃より低くなった場合には、適正温度の貯湯量が50リットルより少なくなったとマイコン20が判断し(判断B)、沸き上げ制御のモードを1ランク上のモード、即ち、モード番号の大きいモードであるモード4へ移行する。このため、沸き増し開始の最低貯湯量が100リットルから150リットルへ増加し、かつ沸き増し運転の終了貯湯量が150リットルから200リットルに増加する。
【0033】
また、前記モード3の状態において、検出センサTS6の検出温度に基づいて貯湯槽10に100リットル以上の適正温度の貯湯量があるとマイコン20が判断した(判断C)場合には、マイコン20内のタイマーが動作する。そして、100リットル以上の貯湯量が予め設定されていた所定期間(例えば3日間)維持された場合には、タイマーがカウントアップしてその所定期間経過後に、マイコン20が動作し、1ランク下のモード、即ち、モード番号が小さいモードであるモード2へ移行する。この結果、最大沸上量が370リットルから300リットルへ減少する。
【0034】
各沸き上げ制御のモードにおいて、上記モード3と同様の判断が行われ、例えばモード5においては、100リットル以上の貯湯量が所定期間維持された場合には、タイマーがカウントアップし、マイコン20が動作し、1ランク下のモード、即ち、モード番号が小さいモードであるモード4へ移行する。この結果、沸き増し開始の最低貯湯量が200リットルから150リットルへ減少し、かつ沸き増し運転の終了貯湯量が250リットルから200リットルに減少する。同様に、モード4からモード7においては、100リットル以上の貯湯量が所定期間維持された場合には、タイマーがカウントアップし、マイコン20が動作し、1ランク下のモード、即ち、モード番号が小さいモードであるモードへ移行する。この結果、沸き増し開始の最低貯湯量と沸き増し運転の終了貯湯量との双方が50リットルずつ減少する。
【0035】
この結果、給湯量が多いとき、即ち使用負荷が多いときにはモード番号を大きい方へ移行させ、負荷に適切に対応することができることは勿論、給湯量が少なく使用負荷が少ないときには、モード番号を小さい方へ移行させ、深夜の最大沸上量を減少させ、また、沸き増し開始の最低貯湯量と沸き増し運転の終了貯湯量との双方を減少させることにより、1つの貯湯槽10の容量で使用負荷に対応した幅広い運転、即ち、貯湯量或いは沸き増し量の制御ができ、放熱よる熱ロスを極力少なくし、ヒートポンプ給湯機の運転効率、即ち湯の供給効率を向上することができる。
【0036】
以下、本発明の第2の実施の形態について説明する。尚、上記の第1の実施の形態と同様の構成については同様の図を使用し、その詳細な説明は省略する。
【0037】
この実施の形態に係るヒートポンプ給湯機において、図1に示したように出湯管12と給湯先との間には、それぞれ第1の流量計31及び第2の流量計32が接続されている。
【0038】
また、流量カウンタ33が第1の流量計31と第2の流量計32との合計流量をカウントし、合計流量がRAM22に随時格納される。また、RAM22には図6に示したような、沸き上げ制御のモードを決定するためのテーブルである各モード毎の過去3日間の平均使用量及び最大の連続使用量が格納され、ROM23には上記各流量を算出するためのプログラム、算出した各流量及び前記テーブルに基づいてモードを決定するプログラムが設定されている。
【0039】
以下、沸き上げ制御のモードを決定するときの制御について、図7のフローチャートに基づいて説明する。まず、上記第1の実施の形態と同様に、沸き上げ制御のモード(運転モード)決定が手動で行うか自動で行うかが判断され、手動の場合には、前記沸き上げ量設定スイッチ7bの操作に基づいて、沸き上げ制御のモードがモード1、モード2或いはモード3に設定され、沸き上げ運転時には設定されたモードに従ってヒートポンプ給湯機の運転が制御される。
【0040】
自動の場合には、深夜電力を利用した沸き上げ運転に入る前にマイコン20にて、例えば過去3日間の平均使用量(給湯量)が算出される。即ち、過去3日間に第1の流量計31及び第2の流量計32の計測値に基づいて流量カウンタ33が合計流量をカウントし、合計流量を日数である3で除算し、過去3日間の平均使用量(給湯量)を求め、この平均使用量から図6に示したテーブルに基づいて平均使用量に対するモードを決定する。例えば平均使用量が300リットルの場合にはモード2と決定される。更に、同じく過去3日間の最大連続使用量から図6に示したテーブルに基づいて最大連続使用量に対するモードを決定する。例えば最大連続使用量が240リットルの場合にはモード4と決定される。そして、平均使用量に基づいて決定されたモードと最大連続使用量に基づいて決定されたモードとがマイコン20により比較され、大きいほうのモードが深夜の沸き上げ運転を含む次の日の沸き上げ制御のモードとして最終決定される。
【0041】
即ち、上記のように平均使用量に基づいて決定されたモードがモード2であり、最大連続使用量に基づいて決定されたモードがモード4の場合には、モード番号の大きいモード4、即ち最大沸上量が大きくかつ沸き増し開始の最低貯湯量が少なく、沸き増し終了時の貯湯量が多いほうのモードが深夜の沸き上げ運転を含む次の日の沸き上げ制御のモードとして最終決定される。
【0042】
このように平均使用量に基づくモードと最大連続使用量に基づくモードとのうち番号が大きいモードを実施の沸き上げ運転の制御に使用することにより、平均使用量は少ないが最大連続使用量が多い場合、或いは最大連続使用量は少ないが平均使用量が多い場合などにも適切に対応することができ、湯の供給効率を向上することができる。
【0043】
尚、外気温度10℃以下のとき、除霜による沸き上げ動作の停止等による沸き上げ能力低下を考慮するため、以下のような運転時間の補正を行う。この補正値は、実験に基づき導き出したものである。沸き上げ運転時間への加算時間として、(−0.045×外気温度+0.45)×(240−残湯量)の式に基づきマイコン20が算出する。この外気温度は、外気温度検出センサ24により検出するものである。
【0044】
以上本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。
【0045】
【発明の効果】
以上のように本発明は、貯湯式給湯機において貯湯槽からの放熱によるロスを極力少なくすることができ、この結果、湯の供給効率を向上することができる。また、平均使用量及び連続使用量に基づいてモードを変更することにより、平均使用量は少ないが連続使用量が多い場合、或いは連続使用量は少ないが平均使用量が多い場合などにも適切に対応することができ、湯の供給効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ヒートポンプ給湯機の回路説明図である。
【図2】制御ブロック図である。
【図3】各モード毎の最大沸上量、沸き増し開始時の最低貯湯量及び沸き増し終了時の貯湯量のテーブルを示す図である。
【図4】沸き増し運転時の貯湯量の変化を説明する図である。
【図5】フローチャートを示す図である。
【図6】各モード毎の平均使用量及び連続使用量のテーブルを示す図である。
【図7】第2の実施形態のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
1 圧縮機
2 冷媒対水熱交換器(加熱用熱交換器)
10 貯湯槽
20 マイコン
22 RAM
23 ROM
Claims (3)
- 循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、前記貯湯槽内の貯湯量が減少した際の沸き増しを開始する最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量の関係を表す複数のモードを格納する記憶手段と、第1所定量以上の貯湯量が所定期間あった場合には前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が少なくなるように前記モードを変更して変更後のモードに基づいて沸き増し運転を制御すると共に、同じく貯湯量が前記第1所定量より少ない第2所定量を下回った際に前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が多くなるように前記モードを変更して変更後のモードに基づいて沸き増し運転を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする貯湯式給湯機。
- 循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、第1所定量以上の貯湯量が所定期間あった場合には前記貯湯槽内の貯湯量が減少した際の沸き増しを開始する最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量が少なくなるように沸き増し運転を制御すると共に深夜時間帯の貯湯運転を最大沸上量が減少するように制御し、同じく貯湯量が前記第1所定量より少ない第2所定量を下回った際に前記最低貯湯量及び前記終了貯湯量が多くなるように沸き増し運転を制御する共に深夜時間帯の貯湯運転を最大沸上量が増加するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする貯湯式給湯機。
- 循環ポンプにより水を貯湯槽と加熱用熱源との間を循環させると共に前記貯湯槽から出湯可能とする給湯回路とを備えた貯湯式給湯機において、前記貯湯槽内の貯湯量の減少した際の沸き増し開始持の最低貯湯量及び沸き増しを終了する際の終了貯湯量の関係を表す複数のモードを格納する記憶手段と、前記貯湯槽からの過去複数日の平均出湯量及び過去複数日の最大連続出湯量とに基づいて決定された前記モードに基づいて沸き増し運転を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする貯湯式給湯機。
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