JP4471784B2 - 電気湯沸し装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気ヒータを用いて瞬間的に湯を沸かし給湯可能な状態に保温する電気湯沸し装置に関するものである。

従来一般家庭などに設置され水から湯を瞬時に沸かす機器として瞬間湯沸し器が普及している。この瞬間湯沸し器は熱源として火力の大きいガスを用いているため瞬時に湯を沸かすことが可能である。一方、熱源として電気を考えた場合、火力が十分でないため瞬時に湯を沸かすことには向いていない。そこで、ヒートポンプや電気ヒータを組み合わせた循環路を貯湯槽に設けて温度制御し、溜置きしておいた湯を加熱して取り出すようにした給湯装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２１１３６０号公報

従来の電気湯沸し装置は、以上のように構成されているが、給湯開始から連続して高温度の湯を供給できず、また大型のため、例えば航空機に搭載して給湯サービスを行うことを考えた場合、設置スペースに制限があるので適さない。また、圧縮器や水循環ポンプなどの動力源があるため、構造が複雑となって保守管理を要するなどの問題があった。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、動力源を殆ど要せず、給湯開始から連続して高温度の湯を供給可能な電気湯沸し装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電気湯沸し装置は、長手方向に伸びる電気ヒータを挿入して取り付け、一端側の注水口に設けた注水管からの注入される水で満水にし、注入された水を前記電気ヒータにより加熱して得た湯を他端側の出湯口に設けられた出湯管から取り出す湯沸しタンクを備えた電気湯沸し装置において、出湯口付近に設けられ当該出湯口付近の温度を測定する出口湯温測定手段と、出湯口付近に設けられ湯沸しタンク内の満水状態の水位を検出する水位検出手段と、スタート時に電気ヒータに通電しない状態で湯沸しタンク内に注水を開始し、水位検出手段が水位を検出した際に注水を停止し、出口湯温測定手段が測定した温度が所定温度に達した時に注水を再開する水流量調節手段と、湯沸しタンク内に注水を開始して水位検出手段が水位を検出するまで電気ヒータへの通電を停止しておき、水位検出手段が水位を検出した際に電気ヒータへの通電を開始し、水流量調節手段が注水を再開した後も通電を継続するヒータ電源手段とを備えたものである。

この発明によれば、スタート時に、湯沸しタンクを満水にした時に電気ヒータの通電を開始し、その後、出湯口の湯温が所定温度に達した時に、電気ヒータを通電したまま注水を再開するようにしたので、その注水動作に伴って出湯口からは所望の温度の湯を得ることが可能となる。スタート時から所望の温度の出湯があるまでは、例えば１分程度の時間になるが、その後はガスによる瞬間湯沸し装置と同等な高温度の湯を連続して供給できる効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の各実施の形態に共通な電気湯沸し装置の外観構造を示す斜視図、図２は電気ヒータの構造を示す正面図である。
図において、１０は金属で形成された円筒状の湯沸しタンクで、その一端は開口部１１を形成し、他端は閉じられた面を有している。開口部１１側からＵ字状からなる複数本の電気ヒータ２０を湯沸しタンク１０内に挿入し、ヒータの根元側のフランジ２２を、パッキング１３を介して湯沸しタンク１０の開口側のフランジ１２に当接させ、ねじ（図示せず）により固定する。電気ヒータ２０への給電は端子２１に電源線を接続して行われる。湯沸しタンク１０の円筒体の一端に設けられた注水口には注水管１４が取り付けられている。また、円筒体の他端に設けられた出湯口には加熱された湯を取り出す出湯管１５の一端が取り付けられている。ここで、注水管１４と出湯管１５の上下位置関係は、注水管１４が円筒体の下部に位置し、出湯管１５が円筒体の上部に位置するように設定されている。このことにより、湯沸しタンク１０を水平に配置して使用する際、注水管１４から注入された水が下から円筒体内部に満たされ、満水になった状態を後述する水位検出手段４５により検出することができる。満水後、長手方向に延びた電気ヒータ２０により加熱され、温度が最も高い状態の湯が出湯管１５から取り出せるようになる。

１６は水道または貯水槽（図示せず）から引き込んだ給水管で、注水管１４と水流量調節手段１７を介して接続されている。この水流量調節手段１７は、水道または貯水槽から送り込まれる水を後述する動作で電気的に調節するもので、電磁弁や絞り機能を有する一般的に使用される構造を有している。
湯沸しタンク１０から取り出された湯は、出湯管１５により、その他端部が取り付けられた貯湯タンク３０内に流入し蓄えられる。なお、この例では、２基の湯沸しタンク１０が貯湯タンク３０の両側面側に配置されており、両方から同様に湯が供給されるようになっている。貯湯タンク３０は、例えば底面にヒータ（図示せず）が設けられており、蓄えられた湯を使用するまで保温している。貯湯タンク３０に蓄えられた湯は、必要に応じて貯湯タンク３０の底部側に取り付けられた給湯管３１を通して外部へ給湯されるようになっている。

図３はこの発明の各実施の形態に係る湯沸しタンクの動作構造を示す説明図、図４は電気湯沸し装置の制御系の構成を示すブロック図である。
図３において、注水管１４の内部には水流量カウント手段４１が設けられている。湯沸しタンク１０の円筒体の長手方向中間、すなわち注水口と出湯口の中間位置において、外壁面上部に第１の中位湯温測定手段４２が設けられ、円筒外壁面の高さ方向の中間部には第２の中位湯温測定手段４３が設けられ、各部の湯温を測定するようにしている。また、円筒体の出湯管１５の連結部、すなわち出湯口近辺の円筒外壁面には、その部分の湯温を測定する出口湯温測定手段４４が設けられ、円筒内壁面に水位検出手段４５が設けられている。なお、各湯温測定手段４２〜４４は、円筒体の内壁面側に設けるようにしてもよく、いずれの場合も一般的知られた構造の温度センサを用いている。水位検出手段４５も同様に一般的知られた構造の水位センサを用いている。
図４において、２４は電気ヒータ２０の通電制御を行うヒータ電源手段、４６は後述する警報手段である。４０はマイクロコンピュータで構成され、時計手段４７を備えた制御手段で、水流量カウント手段４１、各湯温測定手段４２〜４４、水位検出手段４５からの出力に基づいて水流量調節手段１７、ヒータ電源手段２４、警報手段４６の制御動作を受け持っている。

次に実施の形態１の動作について説明する。
最初、電気ヒータに通電しない状態で、水流量調節手段１７は、給水管１６を介して供給される水の湯沸しタンク１０内への注水を開始し、出湯口付近に設けられた水位検出手段４５が満水となったことの水位を検出すると注水を停止する。ヒータ電源手段２４は、湯沸しタンク１０内に注水を開始して水位検出手段４５が水位を検出するまでの間、電気ヒータ２０への通電を停止しているが、水位検出手段４５が水位を検出すると通電を開始する。出湯口付近には出口湯温測定手段４４が設けられており、これにより出湯口付近の温度の測定を開始する。やがて、湯沸しタンク１０内の水は加熱されて湯になるが、出口湯温測定手段４４で測定した温度が所定温度（例えば９０℃）に達すると、水流量調節手段１７は注水を再開し、注水する水量を制御する。注水が再開されると、湯沸しタンク１０内の湯は、注水水量に応じて出湯口から押し出され、出湯管１５を介して貯湯タンク３０に供給され、蓄えられる。

ここで、注水再開の基準として用いる上記出湯口の所定温度は想定した水温と電気ヒータ２０の定格電力に基づいて決めた温度である。ヒータのワット値に個体差が有る場合、次のようにして決めることができる。電気ヒータ２０への通電が開始されると、時計手段４７により、通電開始時から所定時間（例えば、３０秒）が計数される。この間に出湯口の温度は出口湯温測定手段４４で測定される。この所定時間に立ち上がった温度とから、温度の立ち上り速さを算出し、この温度の立ち上り速さに基づいて所定温度を決定する。

出口湯温測定手段４４で測定した温度が所定温度に達した時、水流量調節手段１７は注水を再開するが、この注水再開時に注水する水量の初期値は、電気ヒータ２０の定格電力に基づいて設定する。定格電力が大きければ水量を大きく選べるが、定格電力が小さければ水量も小さくなる。例として、電気ヒータの定格電力３ＫＷを使用した場合、水量は０．６リットル／分となった。
また、注水再開時に注水する水量の初期値は、時計手段４７で計数した所定時間に対する出口湯温測定手段４４で測定される温度の立ち上り速さを基に設定するようにしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、水流量調節手段１７で注水を再開するタイミングを、出口湯温測定手段４４により測定された温度が所定温度に達した時に行うが、湯沸しタンク１０が傾いている場合、例えば出湯口側が注水口側より上の位置となった状態では、出湯口の温度は高くても注水口側の温度は十分上がっていない場合がある。このような場合、注水が再開して出湯口から押し出される湯の温度は、直ぐに下がってしまう。このように湯沸しタンク１０が傾いても、出湯の温度が不安定とならないようにすることが必要となる。そのため、この実施の形態２では、複数の中位湯温測定手段４２，４３が、湯沸しタンク１０の注水口と出湯口の中間の異なる壁部位置に設けられており、それぞれの位置の温度を測定している。そして、出口湯温測定手段４４により測定された温度が所定温度に達した場合において、かつその出口湯温測定手段４４の温度と中位湯温測定手段４２，４３により測定された温度の差がある範囲に入る位小さくなっていたならば、水流量調節手段１７により、注水を再開するようにする。このようにして、湯沸しタンク１０が傾いた場合でも湯温が分るように中位湯温測定手段を用いて、出湯温度をほぼ一定にすることができる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、注水再開後の注水の流量制御について説明する。
注水再開後、電気ヒータ２０の加熱により生成され出湯口から取り出される湯の温度は、期待値としての所定温度（例えば、９０℃）の近辺で安定化させる必要がある。そのため、水流量調節手段１７は、注水の再開後には出口湯温測定手段４４で測定した温度と所定温度との差に基づいて流量を変化させればよい。すなわち、水流量調節手段１７は、所定温度に対して出口湯温測定手段４４で測定した温度が高い方に移行した場合には流量を増やし、一方、温度差が小さくなった場合にはその流量を保持し、また、測定温度が所定温度より下がった場合には流量を減少させ、湯温が上がるのを待つようにすればよい。

また、上記注水再開後の注水の流量制御において、注水を再開した直後では、湯沸しタンク１０内の湯温は変動しており、安定していない場合がある。その状態で流量を変化させると出湯の温度が安定しなくなる。そこで、注水の再開直後は所定時間経過するまでは流量を、例えば小さい値で一定に保つようにすることが必要である。
そのため、時計手段４７により、水流量調節手段１７が注水を再開した時点から所定時間（この時間は、上記ヒータ通電開始時から計数する所定時間とは異なる時間長とする）を計数し、その間、水流量調節手段１７は、流量を変動させず一定にし、所定時間経過後に流量を変化させる制御動作に入るようにしている。

実施の形態４．
この実施の形態４では、上記実施の形態３の動作に加えて行う注水の流量制御について説明する。
水流量調節手段１７で流量を変化させた時、出口湯温測定手段４４が測定する温度が安定するまでに１分程度の時間を要する。そのため、出口湯温測定手段４４は、注水の再開後に一定の時間ごとに温度を測定し、この一定の時間ごとに測定された温度により、水流量調節手段１７は、所定温度に対し出口湯温測定手段４４で測定した温度が高い方に移行した場合には流量を増やし、一方、測定温度が所定値より下がった場合には流量を抑えるように制御するよう動作する。このことにより、出湯する湯温の安定化を図ることができる。ここで、温度を測定する一定の時間を、流量の大きさに応じて変更するようにしてもよい。そうすれば、流量が多い時には短い時間間隔で温度を測定することで、出湯口の湯温の変動を抑えることができる。
また、出口湯温測定手段４４により一定の時間間隔で測定された温度が所定温度を超えた場合には、水流量調節手段１７は、直ちに流量の制御を行うようにする。所定温度を超えた場合には沸騰しそうになるので、直ちに流量を大にすれば沸騰を防止することができる。

実施の形態５．
湯沸しタンク１０への注水の水温や電気ヒータ２０への電圧が変化する場合が考えられる。そのような場合においても安定して目標とする温度の湯が得られることが必要である。電気湯沸し装置の場合、ヒータ容量に限界があるため、加熱能力がガスに比べ低く、注水された水が加熱されて出湯口から排出されるまでに１分程度の時間を要する。目標とする湯温（所定温度）と出口湯温測定手段４４で測定された温度に差が生じた場合、注水の流量を変化させて制御しても、その効果が現れるまでに１分程度の遅れを生じることになる。そのため、この実施の形態５では、上記実施の形態３で行う注水の流量制御の速度を改善することについて説明する。

湯沸しタンク１０の中間では流量変化により水温の変動が大きいが、この部分には複数の中位湯温測定手段４２，４３が設けられている。水流量調節手段では、注水の再開後に出口湯温測定手段４４で測定した温度と所定温度との差に基づいて流量を変化させるが、さらに注水再開の所定時間後に、出口湯温測定手段４４または中位湯温測定手段４２，４３でそれぞれの位置の温度を測定する。測定された温度の変化値を算出し、水流量調節手段１７では、この変化値に基づいて現流量における出湯口の安定状態の湯温を推定し、推定された湯温と所定温度との差に基づいて流量の変化の補正を行う。
以上のように、流量変化により水温の変動が大きい湯沸しタンク１０の中間の温度を測定することにより、流量変化の効果を短時間で検出し、出湯口の最終温度を想定でき、目標とする湯温と出口湯温測定手段４４で測定された温度との差に応じた流量変化の制御の妥当性を検出し、必要に応じて、さらに流量を変化させて制御を速め、正当な温度の出湯を生成できる。

実施の形態６．
航空機や小型の船舶に搭載した場合、使用中に湯沸しタンク１０が傾くことが多い。特に、注水口側が出湯口より上となるように傾くと、注水口側が空焚き状態になり、電気ヒータ２０の破損につながる。この実施の形態６はこの問題に対処する。
湯沸しタンク１０の注水口と出湯口の中間の異なる壁部位置には複数の中位湯温測定手段４２，４３が設けられおり、それぞれの位置の温度を測定しているが、湯沸しタンク１０が上記傾き状態になると、測定温度が通常時（水平時）よりも上昇する。そこで、ヒータ電源手段２４により、この中位湯温測定手段４２，４３の測定温度が出口湯温測定手段４４の測定温度よりも高くなった場合、その差に応じて電気ヒータ２０への通電を停止し、注水口側が空焚き状態になるのを防ぐ。また、湯沸しタンク１０の上記のような逆傾斜に対しては、複数の中位湯温測定手段４２，４３間の測定温度の差によっても検出可能であり、この温度差を用いても同様な制御が可能である。

実施の形態７．
注水中において、例えば水源として使用している貯水タンクの水が無くなりかけると水流量が異常に少なくなることがある。要求されている水流量を満していない場合、湯沸しタンク１０内の湯温が上昇して沸騰し、電気ヒータ２０の過熱による切断のおそれを生じる。この実施の形態７はこの問題に対処する。
注水管１４には水流量カウント手段４１が設けられており、水流量調節手段１７により湯沸しタンク１０に注水される水流量を計数している。貯水タンクの水が無くなりかけると注水される水流量が減少してくるが、これを水流量カウント手段４１で計数することで検出する。そして、計数された注水中の水流量が所定水流量以下となった場合に、ヒータ電源手段２４により、電気ヒータ２０への通電を停止し、湯沸しタンク１０内が沸騰に至るのを防止する。

実施の形態８．
実施の形態３では、時計手段４７により注水再開時から所定時間を計数し、水流量調節手段１７はその所定時間内では流量を一定にしておき、所定時間経過後に流量を変化させる制御を行うようにしていたが、この実施の形態８では、この時計手段４７を用いずに注水再開後の流量制御の開始タイミングを下記の方法で行うようにしている。
ここでは、注水再開後、出口湯温測定手段４４および複数の中位湯温測定手段４２，４３のいずれかにおける測定温度を常時検出するようにしておく。そして、その湯温測定手段の測定温度に変化が無くなった時に、その時点で流量制御を開始する。それまでの間は一定の流量としておく。
注水再開後の注水の流量制御において、注水を再開した直後では、湯沸しタンク１０内の湯温は変動しており安定していない。しかし、湯沸しタンク１０内の温度が安定した時点は、それらいずれか一個所の測定温度も温度差が無くなっているものとみなすことができる。したがって、出口湯温測定手段４４および複数の中位湯温測定手段４２，４３のいずれか一つの測定温度に変化がなくなったことを検出した時点で流量制御を開始すれば、出湯温度に影響を及ぼすことはない。

実施の形態９．
湯沸しタンク１０を長期間使用すると、特に電気ヒータ２０の周りにスケールが付着しやすい。スケール付着が多くなると放熱効果が低下し、電気ヒータ２０の被覆内が過熱しヒータ断線の要因となる。この実施の形態９はこの問題に対処する。
湯沸しタンク１０内の水を空にして再び注水して使用開始する際に、満水になるまでどれ位水が入ったかを水流量カウント手段４１により計数する。この計数は、水位検出手段４５が満水を検出するまで行われる。そして、スケール付着量が不適切な範囲に入る湯沸しタンク内の所定水量値を予め設定しておき、警報手段４６は、計数された水量がその所定水量値以下である場合には、音声または文字やランプの表示により警報を発して知らせる。このように、電気湯沸し装置を改めて使用する際に、湯沸しタンク１０が満水状態になるまでの水量を計数することで、電気ヒータ２０の断線を事前に防ぐことができる。

この発明の各実施の形態に共通な電気湯沸し装置の外観構造を示す斜視図である。 この発明の各実施の形態に係る電気湯沸し装置の電気ヒータの構造を示す正面図である。 この発明の各実施の形態に係る湯沸しタンクの動作構造を示す説明図である。 この発明の各実施の形態に係る電気湯沸し装置の制御系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 湯沸しタンク、１４ 注水管、１５ 出湯管、１７ 水流量調節手段、２０ 電気ヒータ、２４ ヒータ電源手段、３０ 貯湯タンク、３１ 給湯管、４０ 制御手段、４１ 水流量カウント手段、４２ 第１の中位湯温測定手段、４３ 第２の中位湯温測定手段、４４ 出口湯温測定手段、４５ 水位検出手段、４６ 警報手段、４７ 時計手段。

Claims (14)

1. 長手方向に伸びる電気ヒータを挿入して取り付け、一端側の注水口に設けた注水管からの注入される水で満水にし、注入された水を前記電気ヒータにより加熱して得た湯を他端側の出湯口に設けられた出湯管から取り出す湯沸しタンクを備えた電気湯沸し装置において、
   前記出湯口付近に設けられ当該出湯口付近の温度を測定する出口湯温測定手段と、
   前記出湯口付近に設けられ前記湯沸しタンク内の満水状態の水位を検出する水位検出手段と、
   スタート時に前記電気ヒータに通電しない状態で前記湯沸しタンク内に注水を開始し、前記水位検出手段が水位を検出した際に注水を停止し、前記出口湯温測定手段の測定温度が所定温度に達した時に注水を再開する水流量調節手段と、
   前記湯沸しタンク内に注水を開始して前記水位検出手段が水位を検出するまで前記電気ヒータへの通電を停止しておき、前記水位検出手段が水位を検出した際に前記電気ヒータへの通電を開始し、前記水流量調節手段が注水を再開した後も通電を継続するヒータ電源手段とを備えたことを特徴とする電気湯沸し装置。
2. 注水再開時に注水する水量の初期値は、電気ヒータの定格電力に基づいて設定されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
3. ヒータ通電開始時から所定時間を計数する時計手段を備え、
   注水再開時に注水する水量の初期値は、前記所定時間に対する出口湯温測定手段で測定される温度の立ち上り速さに基づいて設定されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
4. 湯沸しタンクの注水口と出湯口の中間の壁部位置に設けられ、その位置の温度を測定する中位湯温測定手段を備え、
   水流量調節手段は、出口湯温測定手段の測定温度が所定温度に達した場合に、当該所定温度と前記中位湯温測定手段の測定温度との差に基づいて注水を再開するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
5. 水流量調節手段は、注水の再開後に出口湯温測定手段で測定した温度と所定温度との差に基づいて流量を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
6. 水流量調節手段の注水再開時から所定時間を計数する時計手段を備え、
   水流量調節手段は、注水を再開した直後の前記所定時間内は流量を一定にし、前記所定時間経過後に流量を変化させるようにしたことを特徴とする請求項５記載の電気湯沸し装置。
7. 水流量調節手段は、注水の再開後に出口湯温測定手段が一定の時間間隔で測定した温度に基づいて流量を制御することを特徴とする請求項５記載の電気湯沸し装置。
8. 水流量調節手段は、出口湯温測定手段により一定の時間間隔で測定された温度が所定温度を超えた場合には、直ちに流量の制御を行うことを特徴とする請求項７記載の電気湯沸し装置。
9. 一定の時間が、流量の大きさに応じて変更されるようにしたことを特徴とする請求項７記載の電気湯沸し装置。
10. 湯沸しタンクの注水口と出湯口の中間の異なる壁部位置に設けられ、それぞれの位置の温度を測定する複数の中位湯温測定手段を備え、
    ヒータ電源手段は、前記複数の中位湯温測定手段の測定温度と出口湯温測定手段の測定温度との差または前記複数の中位湯温測定手段間の測定温度の差に応じて、電気ヒータへの通電を停止するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
11. 水流量調節手段により湯沸しタンクに注水される水流量を計数する水流量カウント手段を備え、
    ヒータ電源手段は、計数された注水中の水流量が所定水流量以下となった場合に電気ヒータへの通電を停止することを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
12. 湯沸しタンクの注水口と出湯口の中間の壁部位置に設けられ、その位置の温度を測定する中位湯温測定手段を備え、
    水流量調節手段は、注水再開直後は流量を一定にし、出口湯温測定手段および前記中位湯温測定手段の測定温度を常時監視し、当該測定温度に変化が無くなった時点で流量を変化させることを特徴とする請求項５記載の電気湯沸し装置。
13. 湯沸しタンク内への注水開始から水位検出手段が満水を検出する時までの水量を計数する水流量カウント手段と、
    計数された水量が所定水量以下の場合には音声または表示により警報を発する警報手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電気湯沸し装置。
14. 湯沸しタンクから出湯管を介して取り出された出湯を、使用されるまでの間貯めて保温する貯湯タンクを備えたことを特徴とする請求項１から請求項１３のうちのいずれか１項に記載の電気湯沸し装置。

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