JP4404002B2 - 貯湯式給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して湯を沸かし、貯湯タンク上部より積層状態で貯湯していくヒートポンプ式給湯機に関し、特に冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した場合に有効なものである。

従来、この種の貯湯式給湯器に関し、ヒートポンプサイクルを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を給湯機本体の貯湯タンク上部より蓄え、貯湯タンク下部より加熱源であるヒートポンプ本体に戻し、貯湯タンク又はヒートポンプ本体に戻す液体の温度が貯湯温度より低い予め設定された所定温度になると、ヒートポンプ本体の加熱動作を停止し、使用湯量に基づいて貯湯タンクの沸上げ湯量を変化させ、一方、貯湯タンクの残湯量が所定量以下になると、ヒートポンプ本体の加熱動作を開始するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５６２５４号公報

しかしながら、加熱源としてヒートポンプサイクルを用いるものにおいては、温水を熱交換して加熱する冷媒−水熱交換器への入水温度が高くなっていくと、冷媒−水熱交換器での冷媒と温水との温度差が減少して加熱能力が低下する。一般的に加熱過程では、タンク上部の湯と下部の水の境界面にぬるい湯の層、いわゆる混合層ができる。この混合層を加熱する場合が、入水温度が高くなって、加熱能力が低下する場合で、沸上げが完了する直前に、この様な現象になる。特に冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した貯湯式給湯器にあっては、ヒートポンプの高圧側圧力が高いため入水温度が高くなるとヒートポンプの運転効率（ＣＯＰ）の低下度合いが顕著になりやすい。

また、貯湯式温水器の一般的な使用形態として、季節によって使用湯量が異なり、外気温度が高い夏場は使用湯量が少なく、外気温度が低い冬場は使用湯量が多くなる傾向にある。この季節によって異なる使用湯量に対して同一の沸き上げ条件で制御すると、夏場を基準にすると冬場で湯量不足が発生し、冬場を基準にすると夏場で湯量余りが発生する。

ここで、一般的にＣＯＰを上げるためには、沸上げ温度を下げること、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を下げること、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の運転停止回数を減少することが重要となる。

しかしこれらの要因は、いずれも湯量不足を生じてしまう不都合があり、単純に採用することはできない。

そこで本発明は、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を抑えつつ、必要最小限の貯湯量を確保するとともに、季節に応じて沸き上げ条件を変更することで、最適なＣＯＰを確保しつつ湯量不足の解消を図った最適な沸き上げ動作を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するため本発明は、沸き上げ動作の停止条件として、積層貯湯判定手段が貯湯タンク内の湯水が積層状態で貯湯されていると判断し、入水温検出器が定められた第１の所定温度を検出し、かつ残湯量検出器が定められた第２の所定温度を検出した場合の、３つのアンド条件を満足したときに、加熱手段による加熱動作を停止するようにし、前記入水温度と比較する第１の所定温度と前記残湯量検出器で検出する温度と比較する第２の所定温度を外気温度に基づき設定するようにしたものである。

これによって、ヒートポンプサイクルを利用した加熱手段に供給される水温を可能な限り下げた状態で加熱動作を行うことができ、特にヒートポンプサイクルを加熱源として利用する場合に、冷媒−水熱交換器への流入水温を下げることができ、最適なＣＯＰでの運転が可能になる。また貯湯タンク内に積層状態でお湯が蓄えられている場合は加熱動作を行わないように制限しているため、圧縮機の運転停止回数を減少することができ、効率的な沸き上げ運転を確保することができる。

本発明の貯湯式給湯器は、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒−水熱交換器への流入水温を抑えつつ、必要最小限の貯湯量を確保するとともに、季節に応じて沸き上げ条件を変更することで、最適なＣＯＰを確保しつつ湯量不足の解消を図った最適な沸き上げ動作を提供することができる。

第１の発明は、貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、加熱手段に供給される水温を検出する入水温検出器と、貯湯タンク下部における水温を検出する残湯量検出器と、貯湯タンク内の湯水が積層状態で貯湯されているかを判定する積層貯湯判定手段と、外気温度を検出する外気温検出器と、積層貯湯判定手段が貯湯タンク内の湯水が積層状態で貯湯されていると判断し、入水温検出器が第１の所定温度を検出し、かつ残湯量検出器が第２の所定温度を検出したときに、加熱手段による加熱動作を停止する制御手段とを備え、第１の所定温度及び第２の所定温度は外気温検出器の検出温度に基づいて定められる温度である。

それによって、最適なＣＯＰを確保しつつ湯量不足の解消を図ることができる。また、外気温に応じた最適な条件で、加熱動作を継続しないように制限しているため、圧縮機の運転停止回数を減少することができ、夜間時間帯の全量沸上げ運転を極力抑えるため、無駄な貯湯量を保持することがなく、放熱によるロスも減少することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、外気温検出器の検出温度に基づいて定められる第１の所定温度及び第２の所定温度は、検出される外気温度が低くなると高くなるように設定したものである。

それによって、季節毎に必要最小限の貯湯量を確保することができ、すべての季節で常に最適なＣＯＰでの運転が可能となる。また、夜間時間帯の全量沸上げ運転を極力抑えるため、無駄な貯湯量を保持することがなく、放熱によるロスも減少することができ、かつ、湯量が足りないと判断したときは、追加沸上げ運転あるいは湯切れ沸上げ運転により昼間時間帯に運転することで必要最小限の湯量を確保して湯量不足の解消を図ることができる。

以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例による貯湯式給湯器の構成図である。

貯湯タンクユニット１は、貯湯タンク２、給湯管３、給水管４、沸上げ配管５、沸上げポンプ６、残湯量検出器７ａ〜７ｅ、制御手段８、積層貯湯手段９から構成され、貯湯タンク２の上部には給湯管３を、貯湯タンク２の下部には給水管４を有している。

貯湯タンク２の下部と上部とは、沸上げ配管５によって連通され、貯湯タンク２下部の水は、沸上げポンプ６によって加熱手段１０に導かれ、その熱交換器１１によって加熱されて湯となり、貯湯タンク２上部に導かれる。給湯管３から給湯されると、それに伴い給水管４から貯湯タンク２内に水が給水され、貯湯タンク２内では、比重差から湯が上部、水が下部に分離し、湯が押し下げられる形で層をなして蓄積される。

貯湯タンク２には、貯湯タンク２下部から上部の水温を検出する複数の残湯量検出器７ａ〜７ｄが設けられており、制御手段８にその検出信号が入るようになっている。制御手段８の中にある積層貯湯判定手段９は、残湯量検出器７ｂ〜７eの検出信号のうち、予め定めた検出信号により、貯湯タンク２が積層状態であるかどうか判定する。

例えば、沸上げ温度が６５度の場合で、残湯量検出器７ｂ〜７eの温度すべての信号が６０度以上を検出すれば積層状態と判定可能であるが、７ｂの信号のみが６０度以上検出しても、積層状態であると判断できる。これは、湯温が高いほど比重が小さくなるという性質を利用し７ｂより上は、６０度以上と判断しているからである。

なお、本実施例では積層状態で貯湯されているか否かを判定する温度は、沸き上げ温度に関係なく一定値として説明したが、沸き上げ温度に応じて変更してもよく、残湯検出器７ｂ〜７ｅに対応させて比較温度を個々に設定しても同様の効果を得られるものである。

また、残湯量検出器７ｅまたは７ｄが４５度を下回り、所定残湯量以下になったと判断される場合は、湯切れ沸上げ運転を行う。そして、湯切れ沸上げ運転を行った後、残湯量検出器７ｅまたは７ｄが例えば６０度以上になると運転を停止する。なお、沸上げ判定温度を４５度とし、沸上げ停止温度を６０度とすることでチャタリングを防止している。

熱交換器１１は、圧縮機１２、蒸発器１３、及び膨張弁１４とともに配管によって接続されてヒートポンプサイクルを構成している。このヒートポンプサイクルは、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。このようなヒートポンプサイクルを用いることで、９０度に近い高温水を貯湯することができるとともに、レジオネラ菌などを考慮した６５度程度の温水の貯湯は高いＣＯＰで行うことができる。

熱交換器１１に至るまでの沸上げ配管５には入水温検出器１５ａが設けられ、熱交換器１１の出口側の沸上げ配管５には出湯温検出器１５ｂが設けられている。また、本実施例による貯湯式給湯器は、外気温度を検出する外気温検出器１５ｃを備えている。

上記構成において、全量沸上げ運転時には、貯湯ユニット１の制御手段８の信号を、加熱手段１０の制御手段１６が受けて、沸上げポンプ６及び圧縮機１２を運転させる。

例えば、沸上げ温度が６５度の場合は、出湯温検出器１５ｂの温度が６５度になるように沸上げポンプ６を制御手段８が適切な流量に調節して制御する。また、出湯温度の制御は、制御手段１６により、圧縮機１２の回転数や膨張弁１４の開度などのヒートポンプサイクルでの制御によって行うこともできる。

上記動作により貯湯タンク２には、上部から順に６５度の湯が貯留され、積層貯湯判定手段９で前記例のように積層状態と判断され、かつ、残湯量検出器７ａの信号と、入水温検出器１５ａの信号が、外気温検出器１５ｃで測定される気温によって決まる一定値以上になったとき、沸上げポンプ６及び圧縮機１２を停止し、全量沸上げ運転を終了する。

また、上記沸き上げ動作において、残湯量検出器７ａの信号と、入水温検出器１５ａの信号とを比較する各比較値は、外気温検出器１５ｃで検出される外気温度によって決定され、外気温度が低下すると各比較値を上げるように設定が変更される。つまり、外気温度が低下する冬場においては使用湯量が増加するため多くの湯量を確保する必要があり、この場合、加熱動作の停止条件である前記各比較値を高めに設定することで加熱動作期間を引き延ばすことができ、貯湯タンク２内により多くの高温湯を貯湯することができる。反対に、外気温度が上昇する夏場においては使用湯量が減少するため、残湯量を抑制するためには少な目の湯量を確保しておく必要があり、この場合、加熱動作の停止条件である前記各比較値を低めに設定することで加熱動作期間を短縮することができ、貯湯タンク２内に適量の高温湯を貯湯することができる。

さらに、外気温度によって沸き上げ温度そのものを変更することで、より季節に対応した湯量をヒートポンプサイクルの効率的な運転で確保することができる。つまり、外気温度が上昇する夏場においては、沸き上げ温度を低下させ加熱手段１０に供給される入水温度を抑えることでヒートポンプサイクルの効率的な運転を確保し、併せて加熱動作の停止条件である積層貯湯判定手段９の比較値を低く設定することで加熱動作期間を短縮し、より効率的な運転を行わせることができる。また、外気温度が低下する冬場においては、沸き上げ温度を高く設定することで高温の湯を確保しつつ、併せて加熱動作の停止条件である積層貯湯判定手段９の比較値を高く設定することで加熱動作期間を引き延ばし、より多くの湯量を確保することができる。この沸上げ停止動作の詳細については、図２のフローを用いて説明する。

また、本実施例による貯湯式給湯器では、第１の所定時間帯と第２の所定時間帯とを設定している。第１の所定時間帯は、例えば２３時から７時までの深夜時間帯で、加熱手段１０を動作させて全量沸上げ運転を行う時間を含む時間帯であり、ピークシフト時間帯を含んでいる。ピークシフト時間帯は、全量沸上げ運転を待機させている時間帯である。第２の所定時間帯は、例えば７時から２３時までの昼間時間帯で、全量沸上げ運転を行わない時間帯である。この第２の所定時間帯では、湯量が足りないと判断された場合に追加沸上げ運転を行う。この追加沸き上げ運転モードは、使用湯量が不足することが判っているときに予め所定の湯量を確保するための沸き上げ動作である。具体的には第２の所定時間帯に所定の条件下で残湯検出器７ａが所定温度以下を検出すると、沸き上げ動作を行い、残湯検出器７aの検出温度が所定温度以上となると、追加沸き上げ運転を停止する。

また、ピークシフト時間帯と第２の所定時間帯では、前述した湯切れ沸上げ運転を行う。

まず、第１の所定時間かどうか判断する（ステップ１）。第１の所定時間であれば、ピークシフト時間帯であるかどうか判断する（ステップ２）。ピークシフト時間帯以外であれば、全量沸上げ運転を開始する（ステップ３）。

そして、外気温検出器１５ｃで検出された外気温度に基づいて、残湯量検出器７ａの信号と、入水温検出器１５ａの信号とを比較する各比較値及び沸き上げ温度が設定され（ステップ４）、この各比較値と沸き上げ温度に基づいて沸き上げ動作が制御される。これにより、季節に応じて沸き上げ条件を変更することが可能になり、使用形態に即した最適な湯量確保とヒートポンプサイクルの効率的な運転を行うことができる。

ステップ３の全量沸き上げ運転により加熱動作が進むと、まず、前述したように、残湯量検出器７ｂの信号により、積層貯湯判定手段９が、積層状態で貯湯されているかどうかを判断する（ステップ５）。このステップ５の積層状態の判断を沸き上げ温度に応じて変更するようにしておくと、外気温度に基づいて設定される沸き上げ温度に連動して積層状態の判断基準も変化することになる。そして、ステップ５で積層状態で貯湯されていると判定した場合、入水温度が外気温検出器１５ｃで測定される気温によって決まる比較値Ｔ１以上かどうか判断する（ステップ６）。入水温度が比較値Ｔ１以上の時、残湯量検出器７ａの温度が、外気温検出器１５ｃで測定される気温によって決まる比較値Ｔ２以上かどうか判断する（ステップ７）。残湯量検出器７ａの温度が比較値Ｔ２以上の時、全量沸上げ運転を終了する（ステップ８）。

ここで、一実施例として、比較値Ｔ１、比較値Ｔ２を実際の値を入れた場合で、動作をもう少し詳細に説明する。例えば、外気温度が１８度以上であれば、Ｔ１は３２度以上として、Ｔ２は４４度以上となるように設定する。また、外気温度が１８度よりも低い場合であれば、Ｔ１は３５度以上として、Ｔ２は４８度以上となるように設定する。

上記条件で、例えば外気温度が高い季節では、お湯の使用量が少なくて済むので、貯湯タンク２へは、お湯を多く蓄えなくても、湯切れする心配が無くなる。そのため、残湯検出器７ａの温度Ｔ２を低く設定し、入水温度検出器の温度Ｔ１も比較的低く抑える事ができ、ＣＯＰの高い運転が可能となる。

また、外気温度が低い季節は、お湯の使用量が増えるため、貯湯タンク２へは、お湯を多く蓄える必要があり、残湯検出器７ａの温度Ｔ２、入水温度検出器の温度Ｔ１両方とも、少し高めに設定する事になる。なお、外気温度の設定を２つ以上に細分化し、季節に応じた最適な運転を実現する事も可能である。

また、Ｔ１、Ｔ２のＡＮＤ条件で沸き上げを完了する。これは、入水温度Ｔ１だけで沸上げを停止すると、必要とする湯量が確保できなくなるという問題が生じるからである。また、残湯検出器７ａの温度Ｔ２の温度だけで停止すると、ＣＯＰが低下する前から沸上げを停止する事になり、効率よく多くのお湯を確保する機会を逃す。

さらに、本発明で積層状態を判断条件に入れている。これは、入水温度Ｔ１と残湯検出器７ａの温度Ｔ２だけでの判断だけで沸上げ停止を判断すると、例えば貯湯タンクが、全量沸上げ後、数日使用されずに自然放熱して、タンク内湯温が一律４５度になった場合、Ｔ１、Ｔ２いずれの条件にも合致してしまい、全量沸上げ運転がなされずに停止するからである。

以上のように、沸き上げ運転の終了条件として、積層状態で貯湯されていること、入水温度が比較値Ｔ１以上であること、残湯量検出器７ａの温度が比較値Ｔ２以上であること、の３つのＡＮＤ条件が成立したとき沸き上げを完了するようにすることで、最適なＣＯＰを確保しつつ湯量不足の解消を図ることができる。

また、外気温度に基づいて停止条件の比較値を設定することで、季節に対応してヒートポンプサイクルの効率的な運転と湯量の有効確保を両立させた沸き上げ動作を提供することができ、使い勝手の向上が図れるものである。

本発明の貯湯式給湯器は、特に冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプサイクルを利用した貯湯式給湯器に有用である。

本発明の一実施例による貯湯式給湯器の構成図 同貯湯式給湯器の制御フロー図

符号の説明

２ 貯湯タンク
３ 出湯管
４ 給水管
５ 沸上げ配管
６ 沸上げポンプ
７ａ〜７ｅ 残湯量検出器
８ 制御手段
９ 積層貯湯判定手段
１０ 加熱手段
１５ａ 入水温検出器
１５ｃ 外気温検出器

Claims (2)

1. 貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に供給される水温を検出する入水温検出器と、前記貯湯タンク下部における水温を検出する残湯量検出器と、前記貯湯タンク内の湯水が積層状態で貯湯されているかを判定する積層貯湯判定手段と、外気温度を検出する外気温検出器と、前記積層貯湯判定手段が貯湯タンク内の湯水が積層状態で貯湯されていると判断し、前記入水温検出器が第１の所定温度を検出し、かつ前記残湯量検出器が第２の所定温度を検出したときに、前記加熱手段による加熱動作を停止する制御手段とを備え、前記第１の所定温度及び前記第２の所定温度は前記外気温検出器の検出温度に基づいて定められる温度である貯湯式給湯器。
2. 外気温検出器の検出温度に基づいて定められる第１の所定温度及び第２の所定温度は、検出される外気温度が低くなると高くなるように設定した請求項１記載の貯湯式給湯器。
   

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