JP3915564B2

JP3915564B2 - 給湯装置

Info

Publication number: JP3915564B2
Application number: JP2002078473A
Authority: JP
Inventors: 輝彦平
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003279137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は給湯装置に関するもので、特に、温水を生成する加熱器として蒸気圧縮式冷凍機（ヒートエアポンプサイクル）を採用したものに適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば特開２０００−３４６４４７号公報に記載の給湯装置では、ヒートポンプ式の加熱器により水を加熱して加熱された水を貯湯タンクに保温貯蔵するとともに、出湯時には、貯湯タンクに蓄えられた温水を供給している。
【０００３】
ところで、加熱器と貯湯タンクとは配管で繋がれているが、配管内を水が流れるときに、水の熱が配管及び大気中に放熱されるので、通常、予め設計段階で配管を流れる際に発生する熱損失量（放熱量）を見込んで給湯装置を製造している。
【０００４】
しかし、熱損失量は、季節や配管長さ等の給湯装置が設置される環境によって大きく変化するので、一定量の熱損失量を予め設計段階で見込むといった手段では、例えば見込み量が実際の熱損失量より小さいときには給湯能力が不足し、逆に、見込み量が実際の熱損失量より大きいときには給湯装置の消費エネルギが増大してしまう。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、給湯装置を効率よく運転することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、加熱器（１０）と貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量を検出する放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）と、少なくとも放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）が検出した放熱量に基づいて、加熱器（１０）にて加熱されて貯湯タンク（２１）に流入する水の温度を制御する制御手段（１６）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、熱損失量を把握しながら水を加熱することができるので、給湯能力が不足する、又は給湯装置の消費エネルギが増大してしまうといったことを未然に防止しながら所定温度の温水を得ることができ。したがって、給湯装置が設置される環境や季節に大きく影響されることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、加熱器（１０）と貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量を検出する放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）と、少なくとも放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）が検出した放熱量、及び貯湯タンク（２１）を流出して加熱器（１０）に流入する水の温度に基づいて加熱器（１０）を停止させる制御手段（１６）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これにより、熱損失量を把握しながら水を加熱することができるので、給湯能力が不足する、又は給湯装置の消費エネルギが増大してしまうといったことを未然に防止しながら所定温度の温水を得ることができ。したがって、給湯装置が設置される環境に大きく影響されることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００１０】
なお、請求項３に記載の発明では、放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）は、加熱器（１０）にて加熱されて貯湯タンク（２１）に流入する水の温度と貯湯タンク（２１）内の上部に溜まった水の温度との差に基づいて放熱量を検出することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）は、所定間隔毎に放熱量を検出して放熱量を更新することを特徴とする。
【００１２】
これにより、熱損失量をより正確に把握することができるので、給湯装置が設置される環境や季節に大きく影響されることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、外気温温度、加熱器（１０）にて加熱されて貯湯タンク（２１）に流入する水の目標温度（Ｔ７ｔ）、及び目標とする給湯温度（Ｔｔ）のうち少なくとも１つに基づいて放熱量を補正することを特徴とする。
【００１４】
これにより、給湯装置をより一層効率よく運転することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、加熱器（１０）と貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量に相当するパラメータを設定するための設定手段（３０）と、少なくとも設定手段（３０）の設定値に基づいて、加熱器（１０）にて加熱されて貯湯タンク（２１）に流入する水の温度を制御する制御手段（１６）とを備えることを特徴とする。
【００１６】
これにより、給湯装置の製造原価上昇を抑制しつつ、季節や設置環境の影響を受けることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００１９】
なお、請求項８に記載の発明では、加熱器（１０）は、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプユニットであることを特徴とするものである。
【００２０】
これにより、加熱器（１０）によって効率良く水を沸き上げることができるとともに、この高温に沸き上げた水を効率よく貯湯タンク（２１）に貯めることができる。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明では、冷媒として、二酸化炭素を用いたことを特徴とするものである。
【００２２】
これにより、
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る給湯装置の模式図である。この給湯装置は、概略、給湯用の水を加熱する加熱器をなすヒートポンプユニット１０と、少なくとも、ヒートポンプユニット１０にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク２１を有する貯湯ユニット２０とからなるものである。
【００２４】
ここで、ヒートポンプユニット１０は、周知のごとく、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機であり、圧縮機１１、水と冷媒とを熱交換する水冷媒熱交換器１２、キャピラリーチューブや膨脹弁等の減圧器１３、冷媒を蒸発させて室外空気から吸熱する蒸発器１４、余剰冷媒を蓄えるとともに圧縮機１１に気相冷媒を供給するアキュムレータ等の気液分離器１５、及び蒸発器１４に外気を送風する送風機１４ａ等からなるものである。
【００２５】
なお、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いるとともに、高圧側の冷媒圧力、つまり水冷媒熱交換器１２内の圧力を冷媒の臨界圧力以上まで加圧して冷媒の吐出温度を９０℃以上まで上げている。
【００２６】
ヒートポンプユニット制御装置１６は、水冷媒熱交換器１２から流出する水の温度を検出する出水温度センサ１６ａ、水冷媒熱交換器１２に流入する水の温度を検出する入水温度センサ１６ｂ、及び貯湯ユニット制御装置２２からの信号に基づいて、圧縮機１１、送風機１４ａ及びポンプ１７を制御する。
【００２７】
なお、ポンプ１７は、貯湯タンク２１と水冷媒熱交換器１２とを繋ぐ水配管１８に設けられて、貯湯タンク２１と水冷媒熱交換器１２との間で水を循環させるものであり、このポンプ１７、圧縮機１１及び送風機１４ａは電動式のもである。
【００２８】
また、貯湯ユニット２０は、貯湯タンク２１に加えて、貯湯タンク２１の外表面に貼り付けられて貯湯タンク２１内の温水温度を検出する第１〜３タンク内温水温度センサ２２ａ〜２２ｃ、並びに第１〜３タンク内温水温度センサ２２ａ〜２２ｃの検出温度及びユーザが設定した給湯温度等に基づいて必要熱量、つまり目標とするタンク内温水温度（以下、目標温度Ｔｔと呼ぶ。）等を演算する貯湯ユニット制御装置２２等からなるものである。
【００２９】
なお、第１〜３タンク内温水温度センサ２２ａ〜２２ｃは、貯湯タンク２１上方側から第１タンク内温水温度センサ２２ａ、第２タンク内温水温度センサ２２ｂ、第３タンク内温水温度センサ２２ｃの順に設けられている。
【００３０】
次に、本実施形態に係る給湯装置の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００３１】
図２は給湯装置を設置した時から最初の一週間（起動回数換算で、５〜１５回程度）の間で実行される初期運転モードを示すフローチャートであり、図３は初期運転モードが終了し後に実行される通常運転モードを示すフローチャートである。以下、各モードについて述べる。
【００３２】
１．初期運転モード（図２参照）
水冷媒熱交換器１２から流出する水の目標温度（以下、沸き上げ目標温度と呼ぶ。）Ｔ７ｔを読み込み（Ｓ１００）、沸き上げ温度（出水温度センサ１６ａの検出温度）Ｔ７が沸き上げ目標温度となるようにポンプ１７、圧縮機１１及び送風機１４ａを制御する（Ｓ１００）。なお、この沸き上げ目標温度Ｔ７ｔは、工場出荷時に予め設定された温度である。
【００３３】
次に、貯湯タンク内温水温度（第１タンク内温水温度センサ２２ａの検出温度）Ｔ９ａの温度上昇率が所定値以下となったとき、又はヒートポンプユニット１０が起動してから所定時間（例えば、１時間）が経過するまで、つまり貯湯タンク内温水温度が安定するまで、沸き上げ温度及び貯湯タンク２１内の温水温度を検出し続ける（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）。
【００３４】
そして、貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａが安定したときに、沸き上げ温度Ｔ７と貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａとの温度差θを算出し、この温度差θを水配管１８で発生する熱損失量に関するパラメータとして、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置に記憶する（Ｓ１４０）。つまり、本実施形態では、Ｓ１００〜Ｓ１４０及び後述するＳ２００〜Ｓ２４０までが、「特許請求の範囲」に記載された放熱量検出手段に該当する。
【００３５】
なお、初期運転モード時においては、温度差θとして固定値を用いてもよい。
【００３６】
次に、給水温度（入水温度センサ１６ｂの検出温度）Ｔ８を検出するとともに、給水温度Ｔ８が貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａ−（温度差θ＋α）以上となるまでヒートポンプユニット１０を稼動し続ける（Ｓ１５０、Ｓ１６０）。なお、補正項αは、任意の０以上の数である。
【００３７】
２．通常運転モード（図３参照）
ユーザが設定した目標温度Ｔｔと温度差θとを和を沸き上げ目標温度Ｔ７ｔとして（Ｓ２００）、沸き上げ温度Ｔ７が沸き上げ目標温度となるようにポンプ１７、圧縮機１１及び送風機１４ａを制御する。
【００３８】
次に、貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａの温度上昇率が所定値以下となったとき、又はヒートポンプユニット１０が起動してから所定時間が経過するまで、つまり貯湯タンク内温水温度が安定するまで、沸き上げ温度及び貯湯タンク２１内の温水温度を検出し続ける（Ｓ２１０〜Ｓ２３０）。
【００３９】
そして、貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａが安定したときに、目標温度Ｔｔと貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａとの温度差θ１を算出し、この温度差θ１の絶対値が所定値を超えた場合には温度差θを補正し、その補正した温度差θをフラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置に更新記憶する（Ｓ２４０）。
【００４０】
具体的には、目標温度Ｔｔが貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａより大きい場合には、温度差θを小さくするように補正し、逆に、目標温度Ｔｔが貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａより小さい場合には、温度差θを大きくするように補正する。
【００４１】
次に、温度差θが更新された場合には更新された温度差θを用い、温度差θが更新されなかった場合には現状の温度差θを用いて沸き上げ目標温度Ｔ７ｔを更新し、沸き上げ温度Ｔ７が更新された沸き上げ目標温度となるようにポンプ１７、圧縮機１１及び送風機１４ａを制御する（Ｓ２５０）。
【００４２】
そして、給水温度Ｔ８を検出するとともに、給水温度Ｔ８が貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａ−（温度差θ＋α）以上となるまでヒートポンプユニット１０を稼動し続ける（Ｓ２６０、Ｓ２７０）。
【００４３】
以上に述べたように、本実施形態では、実測した温度差θを水配管１８で発生する熱損失量に関するパラメータとして、沸き上げ目標温度Ｔ７ｔを決定して水を加熱するので、熱損失量を正確に把握しながら目標温度Ｔｔの温水を得ることができる。
【００４４】
したがって、給湯能力が不足する、又は給湯装置の消費電力が増大してしまうといったことを未然に防止しながら目標温度Ｔｔの温水を得ることができるので、給湯装置が設置される環境に大きく影響されることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００４５】
また、ヒートポンプユニット１０の停止時においても、Ｓ２５０〜Ｓ２７０に示されるように、水配管１８での熱損失量を考慮してヒートポンプユニット１０を制御するので、更に給湯装置を効率よく運転することができる。
【００４６】
なお、温度差θの更新は、１回のヒートポンプ運転開始からヒートポンプ運転終了までの間は更新せず、次回運転時から更新してもよい。
【００４７】
また、温度差θを更新しながら給湯装置を運転するするので、季節の変化の影響を受けることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００４８】
また、給湯装置を設置した後、少なくとも１回は、温度差θを給湯装置自らが検出するので、仮に、貯湯タンク内温水温度Ｔ９ａが安定するまでヒートポンプユニット１０を連続稼動させることができなくても、給湯能力が不足する、又は給湯装置の消費電力が増大してしまうといった問題を最小限に止めることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
第１実施形態では、Ｓ２５０〜Ｓ２７０に示されるように、ヒートポンプユニット１０稼働時に温度差θを測定することにより温度差θを更新するものであり、温度差θの更新が行われない限り、沸き上げ目標温度Ｔ７ｔや外気温度が変化しても温度差θは一定値のままである。
【００５０】
そこで、本実施形態では、目標温度Ｔｔ基づいて温度差θを補正するようにして、給湯装置をより一層効率よく運転することができるようしたものである。
【００５１】
つまり、本実施形態は、θ＝θ１＋ｆ（Ｔｔ)として温度差θを補正するようしたものである。ここで、θ１は、Ｓ１５０〜Ｓ１７０又はＳ２５０〜Ｓ２７０にて決定された温度差θであり、ｄｆ（Ｔｔ）／ｄＴｔ≧０となるように設定されている。
【００５２】
なお、この例では、温度差θの補正項、つまりｆ（Ｔｔ）を目標温度Ｔｔに基づいて決定したが、目標温度Ｔｔ、外気温度Ｔａ及び沸き上げ目標温度Ｔ７のうち少なくとも１つに基づいて温度差θを補正してもよい。
【００５３】
つまり、例えばθ＝θ１＋ｆ（Ｔｔ，Ｔ７，Ｔａ)としたとき、∂ｆ（Ｔｔ，Ｔ７，Ｔａ)／∂Ｔａ≦０、∂ｆ（Ｔｔ，Ｔ７，Ｔａ)／∂Ｔ７≧０、∂ｆ（Ｔｔ，Ｔ７，Ｔａ)／∂Ｔｔ≧０等としてもよい。なお、沸き上げ目標温度Ｔ７をパラメータとするときは、収束判定を行う必要がある。
【００５４】
（第３実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、水配管１８のうち貯湯ユニット２０内の部分に出水温度センサ１６ａを設置したものである。
【００５５】
これにより、出水温度センサ１６ａは水配管１８での熱損失（放熱量）を含んだ水温を検出することとなるので、本実施形態では、初期運転モード及び上記実施形態におけるＳ２５０〜Ｓ２７０（温度差θの更新）を廃止して、給湯装置の制御を簡素なものとしながら、季節や設置環境の影響を受けることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００５６】
（第４実施形態）
第１、２実施形態では、水配管１８で発生する熱損失（放熱量）のパラメータをなす温度差θを給湯装置が自ら自動的に検出したが、本実施形態は、図５に示すように、水配管１８で発生する熱損失（放熱量）のパラメータをなす温度差θを、給湯装置を設置する設置業者又はユーザが直接入力することができる入力装置３０を設け、給湯装置が自ら温度差θを自動的に検出することなく、入力装置３０にて入力された値を温度差θとして給湯装置を制御するものである。
【００５７】
これにより、給湯装置の製造原価上昇を抑制しつつ、季節や設置環境の影響を受けることなく、給湯装置を効率よく運転することができる。
【００５８】
なお、入力装置３０は、ヒートポンプユニット制御装置１６又は貯湯ユニット制御装置２２の制御基板上に設けられたディップスイッチや給湯装置リモートコントロール装置等に設けられている。
【００５９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、第１〜３タンク内温水温度センサ２２ａ〜２２ｃを貯湯タンク２１外表面に設置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、貯湯タンク２１内に第１〜３タンク内温水温度センサ２２ａ〜２２ｃを設置してもよい。
【００６０】
また、上述の実施形態では、ヒートポンプユニット１０の冷媒を二酸化炭素としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフロンや炭化水素、窒素等を用いてもよい。但し、フロンを冷媒とした場合には、高圧側の圧力は冷媒の臨界圧力未満となる。
【００６１】
また、上述の実施形態では、加熱器としてヒートポンプユニットを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シーズヒータや燃焼器等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る給湯装置の制御フローを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る給湯装置の制御フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の第３実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る給湯装置の模式図である。
【符号の説明】
１０…ヒートポンプユニット、１１…圧縮機、１２…水冷媒熱交換器、
１３…減圧器、１４…蒸発器、１５…アキュムレータ、
１６…ヒートポンプユニット制御装置、１６ａ…出水温度センサ、
１６ｂ…入水温度センサ、１７…ポンプ、１８…水配管、
２０…貯湯ユニット、２１…貯湯タンク、２２…貯湯ユニット制御装置、
２２ａ〜２２ｃ…タンク内温水温度センサ。

Claims

給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、
前記加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、
前記加熱器（１０）と前記貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量を検出する放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）と、
少なくとも前記放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）が検出した放熱量に基づいて、前記加熱器（１０）にて加熱されて前記貯湯タンク（２１）に流入する水の温度を制御する制御手段（１６）とを備えることを特徴とする給湯装置。
給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、
前記加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、
前記加熱器（１０）と前記貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量を検出する放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）と、
少なくとも前記放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）が検出した放熱量、及び前記貯湯タンク（２１）を流出して前記加熱器（１０）に流入する水の温度に基づいて前記加熱器（１０）を停止させる制御手段（１６）とを備えることを特徴とする給湯装置。
前記放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）は、前記加熱器（１０）にて加熱されて前記貯湯タンク（２１）に流入する水の温度と前記貯湯タンク（２１）内の上部に溜まった水の温度との差に基づいて前記放熱量を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯装置。
前記放熱量検出手段（Ｓ１００〜Ｓ１４０、Ｓ２００〜Ｓ２４０）は、所定間隔毎に前記放熱量を検出して前記放熱量を更新することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の給湯装置。
外気温温度、前記加熱器（１０）にて加熱されて前記貯湯タンク（２１）に流入する水の目標温度（Ｔ７ｔ）、及び目標とする給湯温度（Ｔｔ）のうち少なくとも１つにに基づいて前記放熱量を補正することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の給湯装置。
給湯用の水を加熱する加熱器（１０）と、
前記加熱器（１０）にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンク（２１）と、
前記加熱器（１０）と前記貯湯タンク（２１）とを繋ぐ水配管（１８）内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量に相当するパラメータを設定するための設定手段（３０）と、
少なくとも前記設定手段（３０）の設定値に基づいて、前記加熱器（１０）にて加熱されて前記貯湯タンク（２１）に流入する水の温度を制御する制御手段（１６）とを備えることを特徴とする給湯装置。
前記加熱器（１０）は、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプユニットであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の給湯装置。
冷媒として、二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項７に記載の給湯装置。