JP5200748B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

この発明は、熱効率のよい給湯装置に関する。

米国では給湯器の熱効率を評価する基準値として、ＥＦ値（Energy Facter）が使用されている。このＥＦ値は、ＭＡＸ燃焼時の燃焼効率とＭＩＮ燃焼時の燃焼効率との平均値で規定されており、米環境保護庁(ＥＰＡ)が推進する省エネルギープログラムＥｎｅｒｇｙ Ｓｔａｒの取得基準が、ＥＦ値≧０．８２となっている。

ところで、ＭＩＮ燃焼時の熱効率については、複数本の燃焼管のうち、１本の燃焼管のみを小燃焼させた状態（以下、１本小燃焼状態という。）で測定しているが、１本小燃焼状態では、熱交換器における着火していない燃焼管に対応する部分については、給気燃焼ファンによって缶体内に供給される空気によって逆に冷却されるので、熱効率が悪く、ＥＦ値を上げるためには、ＭＩＮ燃焼時の燃焼効率を上げる必要がある。

特開平０５−２０３２６２号公報 特開平１０−０３８３７８号公報

ＭＩＮ燃焼時の燃焼効率を上げるには、熱交換器における着火していない燃焼管に対応する部分がなるべく冷却されないように、即ち、その部分の冷却効率が低くなるように、缶体温度を下げることが考えられるが、「缶体内部の結露」の観点から、缶体温度には下限値が設定されており、その下限値を下回る温度まで下げることができない。

特に、缶体結露温度は、通常、最も結露の発生し易い状態、即ち、全ての燃焼管を小燃焼させた状態（以下、全本小燃焼状態という。）で確認し、その時の温度を缶体温度の下限値としているので、ＭＩＮ燃焼時の燃焼効率を測定する、結露の発生しにくい１本小燃焼状態では、実際の結露温度よりも高い缶体温度で運転することになる。

そこで、この発明の課題は、缶体内部に結露を発生させることなく、給湯装置の熱効率をさらに上げることにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、入口側が入水路に接続されると共に、出口側が出湯路に接続された熱交換器と、前記熱交換器を加熱する、加熱能力を複数段にわたって切換可能なバーナーと、前記熱交換器をバイパスするように、前記入水路と前記出湯路とを接続するバイパス路と、前記バイパス路に設けられた、バイパス流量を調整するバイパス弁と、入水温度を検出する入水温度センサと、前記熱交換器から送出される温水の温度を缶体温度として検出する缶体温度センサと、出湯温度を検出する出湯温度センサと、前記バーナーの加熱能力及び前記バイパス弁の開度を調整する制御手段とを備え、前記制御手段は、給湯設定温度が、予め設定されている制御切換温度を上回ると、前記バイパス弁を全閉にして、前記缶体温度センサによって検出される缶体温度が給湯設定温度になるように、前記バーナーの加熱能力を調整し、給湯設定温度が制御切換温度以下になると、給湯設定温度と前記入水温度センサによって検出される入水温度とに基づいて、前記熱交換器を通過する缶体側流量と前記バイパス路を通過するバイパス側流量とが所定の流量比になる場合の缶体目標温度を求め、前記缶体目標温度が、予め設定されている缶体温度の下限値を上回っている場合は、前記缶体温度センサによって検出される缶体温度が缶体目標温度になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記出湯温度センサによって検出される出湯温度が給湯設定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整し、缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、缶体温度がその下限値になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記出湯温度センサによって検出される出湯温度が給湯設定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整するようになっており、前記缶体温度の下限値が、前記バーナーの各加熱能力段数における缶体結露温度を考慮して、前記バーナーの加熱能力段数毎に設定されていることを特徴とする給湯装置を提供するものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の給湯装置において、前記バーナーの加熱能力段数が予め定められた小能力側の加熱能力段数に切り替わり、しかも、缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、前記制御手段が、缶体温度がその下限値になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記バイパス弁を強制的に全閉にする小能力運転モードに切り替わるようになっていることを特徴としている。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明の給湯装置において、出湯開始後、所定時間が経過するまでは、小能力運転モードに切り替えないようにしたことを特徴としている。

また、請求項４に係る発明は、請求項２または３に係る発明の給湯装置において、小能力運転モードに切り替わると、前記バイパス弁を絞り始めるが、所定時間内は、予め定められている流量応答性の悪い最小開度以下に閉弁しないようになっていることを特徴としている。

以上のように、請求項１に係る発明の給湯装置は、缶体温度の下限値を、バーナーの各加熱能力段数における缶体結露温度を考慮して、バーナーの加熱能力段数毎に設定しているので、最も結露の発生し易い全本小燃焼状態で確認した缶体結露温度を、バーナーの全ての加熱能力段数に対して一律に缶体温度の下限値として設定している従来の給湯装置に比べて、結露の発生しにくい加熱能力段数の低い状態で運転する場合の缶体温度をより低くすることができる。このため、加熱能力段数の低い状態で運転する場合、熱交換器における着火していない燃焼管に対応する部分の冷却効率を抑えることができ、加熱能力段数の低い状態で運転する場合の熱効率を高めることができる。

特に、加熱能力段数が小さい小燃焼状態では出湯量も少なく、バイパス側の通水量が僅かにあるだけでも、缶体温度を十分に下げることができないので、請求項２に係る発明のように、バーナーの加熱能力段数が予め定められた小能力側の加熱能力段数に切り替わり、しかも、缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、缶体温度がその下限値になるように、バーナーの加熱能力を調整すると共に、バイパス弁を強制的に全閉にする小能力運転モードに切り替わるようにしておくと、缶体温度をその下限値まで確実に下げることができる。

また、請求項３に係る発明の給湯装置は、出湯開始後、所定時間が経過するまでは、小能力運転モードに切り替えないようになっているので、出湯温度が不安定になりやすい出湯開始直後は、応答性の良いバイパス弁の開閉制御によって、出湯温度の変動を抑えることができる。

また、請求項４に係る発明の給湯装置は、小能力運転モードに切り替わると、バイパス弁を絞り始めるが、所定時間内は、予め定められている流量応答性の悪い最小開度以下に閉弁しないようになっているので、バイパス弁を絞ることによって、出湯温度が乱れた場合であっても、バイパス弁の開度を調整することにより即座に修正することができる。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。図１はこの発明に係る給湯器の概略構成を示している。同図に示すように、この給湯器１は、入水金具１１を介して給水引込管に接続される入水管１２と、この入水管１２から供給される水道水を加熱することによって温水を生成する熱交換器１３と、この熱交換器１３によって生成された温水を送出する出湯管１４と、熱交換器１３をバイパスするように、入水管１２と出湯管１４とを接続するバイパス管１５とを備えており、出湯管１４におけるバイパス管１５の接続部の下流側には、給湯設定温度の温水を出湯するために出湯量を調整する水量調節弁１６と出湯金具１７とが設置されていると共に、バイパス管１５には、バイパス量を調整する、ステッピングモータによって開閉駆動されるバイパス水量調整弁１８が設置されている。なお、バイパス水量調整弁１８のステッピングモータは、０ステップから２５５０ステップまで駆動することで、バイパス水量調整弁１８を全開、全閉させるようになっている。

入水管１２におけるバイパス管１５の接続部の上流側には、入水温度を検出するサーミスタからなる入水温度センサ２１と、入水量（出湯量）を検出する羽根車方式の流量センサ２２とが設置されており、出湯管１４におけるバイパス管１５の接続部の上流側には、熱交換器１３から送出される温水の温度を缶体温度として検出するサーミスタからなる缶体温度センサ２３が設置されていると共に、出湯管１４における水量調節弁１６と出湯金具１７との間には、出湯温度を検出するサーミスタからなる出湯温度センサ２４が設置されている。

前記熱交換器１３は、缶体４１内の上部に設置されており、缶体４１内における熱交換器１３の下方には、熱交換器１３を加熱するガスバーナー３１が設置されていると共に、缶体４１の底部には、ガスバーナー３１に供給されるガスを適正な空燃比で燃焼させるために、ガスバーナー３１に燃焼用の空気を供給する燃焼ファン４２が設置されている。

前記ガスバーナー３１にガスを供給するガス配管３２には、ガス配管３２を開閉する元電磁弁３３、ガスの供給量を調整するガス比例弁３４、ガスバーナー３１の加熱能力を調整するために、燃焼管３１ａの燃焼本数（加熱能力段数）を切り換えるための能力切換ガス電磁弁３５、３６、３７がそれぞれ設置されており、ガスバーナー３１は点火プラグ３８によって着火されるようになっている。

この給湯器１は、加熱能力を、１）能力切換ガス電磁弁３６だけが開くことで、燃焼管３１ａを１本だけ燃焼させる１本燃焼状態（以下、「能切１段」と呼ぶ。）、２）能力切換ガス電磁弁３５だけが開くことで、燃焼管３１ａを２本だけ燃焼させる２本燃焼状態（以下、「能切２段」と呼ぶ。）、３）能力切換ガス電磁弁３５、３６が開くことで、３本の燃焼管３１ａを燃焼させる３本燃焼状態（以下、「能切３段」と呼ぶ。）、４）能力切換ガス電磁弁３６、３７が開くことで、６本の燃焼管３１ａを燃焼させる６本燃焼状態（以下、「能切４段」と呼ぶ。）、５）能力切換ガス電磁弁３５、３６、３７が全て開くことで、８本の燃焼管３１ａを全て燃焼させる全本燃焼状態（以下、「能切５段」と呼ぶ。）の５段階に切り換えることができるようになっており、それぞれの加熱能力段数において、ガス比例弁３４により、燃焼管３１ａへのガス供給量が調整されるようになっている。

また、この給湯器１には、シリアルインターフェースを介して、操作リモコン５２に搭載されたコントローラ５２ａとの間で通信可能なメインコントローラ５１が搭載されており、このメインコントローラ５１が、入水温度センサ２１、缶体温度センサ２３、出湯温度センサ２４によって検出される入水温度、缶体温度、出湯温度や、流量センサ２２によって検出される入水量（出湯量）等に基づいて、能力切換ガス電磁弁３５、３６、３７やガス比例弁３４の開閉動作を制御することにより、操作リモコン５２によって設定された給湯設定温度の温水が出湯されるように、ガスバーナー３１の加熱能力を調整するようになっている。

以下、この給湯器１のメインコントローラ５１が行う給湯制御について説明する。まず、操作リモコン５２によって設定された給湯設定温度が、予め設定されている制御切換温度（例えば、６０℃）を上回っている場合は、バイパス水量調整弁１８を強制的に全閉とし、缶体温度センサ２３によって検出される缶体温度が給湯設定温度になるように、ガスバーナー３１の燃焼制御を行う。

一方、操作リモコン５２によって設定された給湯設定温度が、制御切換温度（例えば、６０℃）以下の場合は、給湯設定温度と入水温度センサ２１によって検出される入水温度とに基づいて、熱交換器１３を通過する缶体側流量とバイパス管１５を通過するバイパス側流量とが所定の流量比（例えば、１０：１０）になる場合の缶体目標温度を求め、この缶体目標温度が、予め設定されている缶体温度の下限値を上回っている場合は、缶体温度センサ２３によって検出される缶体温度が缶体目標温度になるように、また、缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、缶体温度がその下限値になるように、ガスバーナー３１の燃焼制御を行うと共に、出湯温度センサ２４によって検出される出湯温度が給湯設定温度になるように、バイパス水量調整弁１８の開閉制御を行い、バイパス側流量を調整するようになっている。

図２及び図３のグラフは、この給湯器１の「缶体結露温度とインプットの関係」及び「缶体温度と熱効率の関係」を示している。それぞれの加熱能力段数において、小燃焼状態（ガス比例弁３４が最小開度でガスを供給している状態）のときに最も結露が発生しやすく、図２のグラフから分かるように、缶体結露温度は、「全本小燃焼状態」が５０℃程度で最も高く、「６本小燃焼」→「３本小燃焼」→「２本小燃焼」→「１本小燃焼」といった具合に、加熱能力段数が小さくなるに従って、低くなっていく。

また、図３のグラフから分かるように、缶体温度を低くするほうが熱効率が良くなるので、この給湯器１では、従来の給湯器のように、最も結露の発生し易い「全本小燃焼状態」で確認した缶体結露温度を、バーナーの全ての加熱能力段数に対して一律に缶体温度の下限値として設定するのではなく、ガスバーナー３１の各加熱能力段数における缶体結露温度を考慮して、ガスバーナー３１の加熱能力段数毎に設定している。具体的には、熱効率をある程度高くすることができる「能切１段」及び「能切２段」については、「２本小燃焼」の缶体結露温度付近である３７℃に、熱効率をそれ程高くすることができない「能切３段」、「能切４段」及び「能切５段」については、「全本小燃焼状態」の缶体結露温度付近である５０℃に設定している。

特に、缶体温度の下限値が３７℃に設定されている「能切１段」及び「能切２段」では、缶体側流量が５ｌ／ｍｉｎ以下と少ないので、出湯量の減少側への流量変化も少なく、出湯温度がオーバーシュートするおそれが少ないと考えられる。そこで、この給湯器１では、「能切１段」及び「能切２段」で給湯を行う場合であって、缶体温度の下限値（３７℃）を缶体目標温度としてガスバーナーの燃焼制御を行うときは、バイパス水量調整弁１８を強制的に全閉とする小能力運転モードに切り替わるようになっている。

ただし、出湯開始直後は、缶体温度の影響を受けて出湯温度が安定しないので、出湯開始後、所定の遅延時間（例えば、３０秒）が経過するまでは、小能力運転モードに切り替えずに、バイパス水量調整弁１８の開閉制御を行うことで、可能な限り出湯温度の変動を抑えるようになっている。

また、小能力運転モードに切り替わると、バイパス水量調整弁１８を絞り始めるが、所定時間（例えば、１０秒）内は、予め定められている最小開度（例えば、１９００ステップの開度）以下に閉弁しないようになっており、所定時間（例えば、１０秒）経過後に全閉まで閉弁するようになっている。バイパス水量調整弁１８を絞り始めると、出湯温度が乱れるおそれがあるため、そのような場合は、バイパス水量調整弁１８の開度を調整することにより即座に修正することができるように、ステッピングモータのステップ数の変化に対する流量変化の応答性のよい領域（１９００ステップ以下の領域）で待機させるためである。

以上のように、この給湯器１は、缶体温度の下限値を、ガスバーナー３１の各加熱能力段数における缶体結露温度を考慮して、ガスバーナー３１の加熱能力段数毎に設定しているので、最も結露の発生し易い全本小燃焼状態で確認した缶体結露温度を、バーナーの全ての加熱能力段数に対して一律に缶体温度の下限値として設定している従来の給湯器に比べて、結露の発生しにくい加熱能力段数の低い状態で運転する場合の缶体温度をより低くすることができる。このため、加熱能力段数の低い状態で運転する場合、熱交換器１３における着火していない燃焼管３１ａに対応する部分の冷却効率を抑えることができ、加熱能力段数の低い状態で運転する場合の熱効率を高めることができる。

特に、出湯量が少なく、バイパス側の通水量が僅かにあるだけでも、缶体温度を十分に下げることができない「能切１段」及び「能切２段」で給湯を行う場合であって、缶体温度の下限値（３７℃）を缶体目標温度としてガスバーナー３１の燃焼制御を行うときは、バイパス水量調整弁１８を強制的に全閉にする小能力運転モードに切り換えるようになっているので、缶体温度をその下限値まで確実に下げることができる。

なお、上述した実施形態では、熱効率をある程度高くすることができる「能切１段」及び「能切２段」について、「全本小燃焼状態」の缶体結露温度である５０℃より低い３７℃に設定しているが、これに限定されるものではなく、加熱能力段数毎にそれぞれの缶体結露温度を考慮して異なる下限値を設定することも可能である。

また、上述した実施形態では、加熱能力段数によって小能力運転モードに切り替えているが、これに限定されるものではなく、缶体側流量によって小能力運転モードに切り替えることも可能である。

この発明に係る給湯器の一実施形態を示す概略構成図である。 同上の給湯器の「缶体結露温度とインプットの関係」を示すグラフである。 同上の給湯器の「缶体温度と熱効率の関係」を示すグラフである。

符号の説明

１ 給湯器（給湯装置）
１１ 入水金具
１２ 入水管（入水路）
１３ 熱交換器
１４ 出湯管（出湯路）
１５ バイパス管（バイパス路）
１６ 水量調節弁
１７ 出湯金具
１８ バイパス水量調整弁（バイパス弁）
２１ 入水温度センサ
２２ 流量センサ
２３ 缶体温度センサ
２４ 出湯温度センサ
３１ ガスバーナー（バーナー）
３１ａ 燃焼管
３２ ガス配管
３３ 元電磁弁
３４ ガス比例弁
３５、３６、３７ 能力切換ガス電磁弁
３８ 点火プラグ
４１ 缶体
４２ 燃焼ファン
５１ メインコントローラ（制御手段）
５２ 操作リモコン
５２ａ コントローラ

Claims (4)

1. 入口側が入水路に接続されると共に、出口側が出湯路に接続された熱交換器と、
   前記熱交換器を加熱する、加熱能力を複数段にわたって切換可能なバーナーと、
   前記熱交換器をバイパスするように、前記入水路と前記出湯路とを接続するバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられた、バイパス流量を調整するバイパス弁と、
   入水温度を検出する入水温度センサと、
   前記熱交換器から送出される温水の温度を缶体温度として検出する缶体温度センサと、
   出湯温度を検出する出湯温度センサと、
   前記バーナーの加熱能力及び前記バイパス弁の開度を調整する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   給湯設定温度が、予め設定されている制御切換温度を上回ると、前記バイパス弁を全閉にして、前記缶体温度センサによって検出される缶体温度が給湯設定温度になるように、前記バーナーの加熱能力を調整し、
   給湯設定温度が制御切換温度以下になると、給湯設定温度と前記入水温度センサによって検出される入水温度とに基づいて、前記熱交換器を通過する缶体側流量と前記バイパス路を通過するバイパス側流量とが所定の流量比になる場合の缶体目標温度を求め、
   前記缶体目標温度が、予め設定されている缶体温度の下限値を上回っている場合は、前記缶体温度センサによって検出される缶体温度が缶体目標温度になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記出湯温度センサによって検出される出湯温度が給湯設定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整し、
   缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、缶体温度がその下限値になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記出湯温度センサによって検出される出湯温度が給湯設定温度になるように、前記バイパス弁の開度を調整するようになっており、
   前記缶体温度の下限値が、前記バーナーの各加熱能力段数における缶体結露温度を考慮して、前記バーナーの加熱能力段数毎に設定されていることを特徴とする給湯装置。
2. 前記バーナーの加熱能力段数が予め定められた小能力側の加熱能力段数に切り替わり、しかも、缶体目標温度が缶体温度の下限値以下の場合は、前記制御手段が、缶体温度がその下限値になるように、前記バーナーの加熱能力を調整すると共に、前記バイパス弁を強制的に全閉にする小能力運転モードに切り替わるようになっている請求項１に記載の給湯装置。
3. 出湯開始後、所定時間が経過するまでは、小能力運転モードに切り替えないようにした請求項２に記載の給湯装置。
4. 小能力運転モードに切り替わると、前記バイパス弁を絞り始めるが、所定時間内は、予め定められている流量応答性の悪い最小開度以下に閉弁しないようになっている請求項２または３に記載の給湯装置。

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