JP5256462B2

JP5256462B2 - 開放型貯湯タンクの保温装置

Info

Publication number: JP5256462B2
Application number: JP2008058080A
Authority: JP
Inventors: 尚希今任; 将人堀; 武望月; 大輔久保井; 圭一郎塩谷
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP2009216265A

Description

本発明は開放型貯湯タンクの保温装置に係り、特に保温加熱ユニットの冷凍サイクルの構造および制御方法を改良した開放型貯湯タンクの保温装置に関する。

従来、大量に湯を使用する業態に使用される給湯システムとして、多数のヒートポンプ式給湯装置を備えた熱源機と開放型タンクを並列に組み合わせ、熱源機で生成した湯を直接給湯栓から給湯する方式のものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のような開放型タンクを用いた給湯システムでは、開放型貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えるために湯温を常時６０℃以上に保つ必要がある。この保温のための熱源として、従来では電気ヒータが用いられているが、電気ヒータの効率は電気エネルギーを直接熱エネルギーに変換する方式であることからＣＯＰ１．０を超えることはない。

貯湯タンク保温の目的は、常に湯温を６０℃以上に保つことであることから、深夜電力のみならず昼間電力も消費するため、保温用熱源の消費電力の低減に改良の余地があった。
特開２００７−２０５６９８号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置の提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る開放型貯湯タンクの保温装置は、開放型の貯湯タンクと、給水を沸き上げて前記貯湯タンクに貯えるための給湯ユニットと、前記貯湯タンクに貯められた湯の温度を所定の温度に保つためのヒートポンプ式の保温加熱ユニットと、前記貯湯タンクと前記保温加熱ユニットとの間で湯を循環するための循環ポンプとを備えることを特徴とする。

本発明に係る開放型貯湯タンクの保温装置によれば、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の概念図である。

図１に示すように、本第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置１は、開放型の貯湯タンク２と、この貯湯タンク２に貯められた湯の温度を所定の温度に保つためのヒートポンプ式の保温加熱ユニットとしての加熱ユニット３と、貯湯タンク２と加熱ユニット３との間で湯を循環するため、湯循環路４に設けられた循環ポンプ５、保温装置１全体および加熱ユニット３を制御するコントローラ６を備え、貯湯タンク２には給湯用カラン７、浴槽８が給湯用２次側水配管９により給湯可能に連通され、また、コントローラ６と循環ポンプ５はポンプ駆動用信号線１０によって、通信可能に接続される。なお、循環ポンプは能力可変形であり、これにより、加熱ユニットの設置自由度が拡大する。

図２に示すように、加熱ユニット３は、インバータ回路を介して能力可変の圧縮機１１、四方弁１２、水熱交換器１３、減圧機構としての第１の電子制御弁１４、熱源側熱交換器１５を配管接続した冷凍サイクル１６を備え、作動冷媒として例えばＲ−４１０Ａ冷媒が用いられ、加熱ユニット３の運転時は、圧縮機１１で圧縮された高温、高圧のＲ−４１０Ａ冷媒が水熱交換器１３を流れる。Ｒ−４１０Ａ冷媒を用いることで、加熱前の水温が高い場合、ＣＯ_２ヒートポンプ給湯装置よりも高効率な運転が可能になる。

また、コントローラ６には、水熱交換器１３の入口に取り付けられ、水熱交換器１３に入る湯温を検知する入口湯温センサーＴｈ１が接続される。この入口湯温センサーＴｈ１は、貯湯タンク２に貯えられる湯の湯温を入口湯温で推定するため、別個に設ける沸き上げ、給湯用の加熱ユニットとは独立して運転が可能であり、貯湯タンク２に温度センサーの設置が困難な場合にも対応可能となる。

このコントローラ６は、制御回路用ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、入力手段（図示せず）から指令信号を受信し、さらに、入口湯温センサーＴｈ１が検知した温度の温度情報信号に基づいて、加熱ユニット３および循環ポンプ５を制御するためのプログラムが予め記憶されている。

次に本第１実施形態の開放型貯湯タンクの保温装置の保温運転について説明する。

図１に示すように、別個に設ける給湯用のヒートポンプ式、ガス式または石油式の給湯ユニット１００により沸き上げられた湯が貯湯タンク２に貯えられる。

給湯用カラン７あるいは浴槽８から給湯要求があると、給湯用カラン７から給湯され、あるいは浴槽８に給湯される。この給湯により、貯湯タンク２に貯えられた湯量が減少すると、再び給湯ユニット１００により沸き上げ運転が行われ、所定量の湯が貯えられる。

一方、給湯要求がないと、貯湯タンク２の湯は貯えられた状態を保つ。

この貯湯状態が保たれると、時間の経過とともに、湯温が低下する。そこで加熱ユニット３を作動させて、保温運転を行う。

保温運転について、図３に示す制御フロー図および図４に示す制御シーケンス図に従って具体的に説明する。

コントローラ６により、保温運転指令が発せられる（Ｓ１）。
保温運転指令が発せられると、循環ポンプ５の運転が開始される（Ｓ２）。
循環ポンプ５の運転が開始されると、貯湯タンク２に貯えられた湯は循環して、水熱交換器１３に入る。この水熱交換器１３に入る湯の湯温を検知する入口湯温センサーＴｈ１で検知して、貯湯タンク２に貯えられた湯の湯温とする（推定する）（Ｓ３）。
検出された貯湯タンク２の湯温に基づき、加熱ユニット３を運転するヒートポンプ運転か、ヒートポンプ運転をせず、循環ポンプ５のみをインターバル運転する湯循環運転（加熱ユニットｏｆｆ運転）か判断する（Ｓ４）。このインターバル運転（湯循環運転）により、貯湯タンク２内の湯温と湯循環路４内の湯温を略同一に保つことができる。

ヒートポンプ運転か湯循環運転するかの判断は、図５に示す運転判断基準によって行なわれる。例えば、入口水温が上限設定温度ｔ１よりも高い場合は、ヒートポンプ運転および湯循環運転を行わず、下限設定温度ｔ２よりも低い場合には、ヒートポンプ運転を行う。
ここで下限設定温度ｔ２は、レジオネラ菌等の繁殖を抑えるためには湯温を常時６０℃以上に保つ必要があり、６０℃に設定する。
ヒートポンプ運転と判断された場合には、圧縮機１１を運転する（Ｓ５）。
圧縮機１１が運転されると、貯湯タンク２に貯えられた湯は循環ポンプ５を介して、水熱交換器１３の湯入口から流入し、水熱交換器１３の冷媒側を流れる高圧、高温のＲ−４１０Ａ冷媒と熱交換して、加熱される。
入口湯温センサーＴｈ１で検知された温度と設定温度とが比較される（Ｓ６）。

図５に示す上限設定温度ｔ１を超えたら（はい）、湯循環運転が行われる（Ｓ７）。
湯循環運転は図４に示すように、インターバル運転が行われる（Ｓ８）。

このインターバル運転により、貯湯タンク２に貯えられる湯は、湯循環路４、循環ポンプ５を介して貯湯タンク２と水熱交換器１３を循環し、その湯温は入口湯温センサーＴｈ１で検知される（Ｓ３）。

Ｓ５において、水熱交換器１３により加熱された湯の入口湯温が、設定温度より低い（Ｓ６のいいえ）の場合は、圧縮機１１を継続し、引き続き湯を加熱し、上限設定温度ｔ１を超えるまでこれを繰り返す。

Ｓ６において、湯循環運転と判断された場合には、インターバル運転が行われる（Ｓ８）。

保温運転は、ユーザーの入力あるいは、コントローラ６のプログラムにより終了し、圧縮機１１および循環ポンプ５は停止する。

なお、図４に示すように、上記保温運転において、運転指令が発せられると、はじめに循環ポンプ５が作動して湯循環運転が行われ、この湯循環運転に遅れてヒートポンプ運転が開始され、ヒートポンプ運転の停止に遅れて、湯循環運転はインターバル運転を行い、再び、湯循環運転に遅れてヒートポンプ運転が再開され、運転停止指令が発せられると、ヒートポンプ運転が停止し、この停止に遅れて湯循環運転が停止する。

開放型貯湯タンク内でレジオネラ菌等の繁殖を抑えるためには湯温を常時６０℃以上に保つ必要があるが、貯湯タンク２に貯えられた湯の湯温が、下限設定温度ｔ２より低い場合には、ヒートポンプ運転により湯を加熱、循環させ、下限設定温度ｔ２よりも高くし、上限設定温度ｔ１を超えると、ヒートポンプ運転を止めて、下限設定温度ｔ２よりも高い間は循環ポンプ５のみを運転する湯循環運転を行って湯を循環させる。

このようなヒートポンプ運転と湯循環運転との切り替え運転により、電気ヒータを用いることなく、常時湯温が常時６０℃以上に保たれてレジオネラ菌等の繁殖を抑えることができる。

また、常に湯温を６０℃以上に保つ必要があるため、深夜電力のみならず昼間電力も必要であり、ヒートポンプ運転と湯循環運転との切り替え運転により、省エネルギー化が図られ、さらに、湯循環運転をインターバル運転にするので、一層の省エネルギー化が図られる。

本第１実施形態の開放型貯湯タンクの保温装置によれば、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置が実現される。

次に本発明の第２実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置について説明する。

本第２実施形態は、第１実施形態の冷凍サイクルにガスバイパス回路を設けたものである。

例えば、図６に示すように、第２実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いられる加熱ユニット３Ａの冷凍サイクル１６Ａは、圧縮機１１の吐出側に連通する吐出管２１と吸込側に連通する吸込管２２間に、第１のバイパスとしてのガスバイパス回路２３を設け、このガスバイパス回路２３に流量調整手段としての第２の電子制御弁２４を設け、さらに、吸込管２２と水熱交換器１３の冷媒出口側に第２のバイパスとしての液バイパス回路２６を設け、この液のバイパス回路２６に第３の電子制御弁２７を設ける。

コントローラ６には、水熱交換器１３の入口に取り付けられ、水熱交換器１３に入る湯温を検知する入口湯温センサーＴｈ１と、圧縮機１１の吐出管２１に取り付けられ、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度を検知する吐出温度センサーＴｈ２と、水熱交換器１３の出口に取り付けられ、水熱交換器１３から出る湯温を検知する出口湯温センサーＴｈ３と、外気温を検知する外気センサー（図示せず）とが接続される。

コントローラ６は、入口湯温センサーＴｈ１、吐出温度センサーＴｈ２、出口湯温センサーＴｈ３および外気温センサーが検知した温度の温度情報新号に基づいて、熱源機の容量（能力）を制御するためのプログラムが予め記憶されている。

なお、図６に示す加熱ユニット３において、第１のバイパス回路２３に流量調整手段としての第２の電子制御弁２４を設け、第２のバイパス回路２６に流量調整手段としての第３の電子制御弁２７を設ける例で説明したが、図７に示すように、第１のバイパス回路の第２の電子制御弁に替えて、流量調整手段としての第１のキャピラリチューブ２４ａおよび第２の電磁弁２４ｂ、第２のバイパス回路の第３の電子制御弁に替えて、流量調整手段としての第２のキャピラリチューブ２７ａおよび第３の電磁弁２７ｂを設けるようにしてもよい。

加熱ユニット３による加熱は、貯湯タンクに貯えられる湯を保温することが目的のため、ヒートポンプの最小能力を可能な限り小さくして保温運転を継続することが重要であるが、圧縮機の回転数による能力低下には限界がある。

そこで、本第２実施形態は、冷凍サイクル１６Ａの圧縮機１１の吐出管２１と吸込管２２間に、電子制御弁２４を備え冷媒バイパス量が変化可能なガスバイパス回路２３を設け、冷凍サイクル１６Ａ内を循環する冷媒量を低下させることで能力を低下させる。

本第２実施形態におけるガスバイパス回路の制御方法は、圧縮機１１の回転数と水熱交換器１３の出口の湯温によって制御を行う。なお、本第２実施形態では液バイパス回路２６は用いない（ＯＦＦ状態である）。

例えば、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧縮機の回転数が低く、水出口温度が高いような低負荷の場合にガスバイパス回路をＯＮにする。

図８（ａ）に示す圧縮機ゾーンが、図８（ｂ）に示すａゾーンにある場合は、図８（ａ）に示す出口水温ゾーンが、図８（ｃ）に示すｃゾーンか、ｄゾーンかによって、異なる制御がなされる。

圧縮機回転数が低回転数のａゾーンにあり、出口水温が低水温のｃゾーンにある場合には、湯を十分に加熱する高負荷運転が必要であり、ガスバイパス回路２３をＯＦＦにして、通常の冷凍サイクル運転を行い、水熱交換器１３で湯を加熱する。

圧縮機回転数が低回転数のがａゾーンにあり、出口水温が高水温のｄゾーンにある場合には、湯を十分に加熱する高負荷運転が必要でないため、圧縮機１１の回転数を低下させることなく、ガスバイパス回路２３をＯＮにして、加熱ユニット３の消費電力量を減らし、省エネルギー化を図る。

圧縮機回転数が高回転数のｂゾーンにある場合、出口水温が、低温水のｃゾーンおよび高水温のｄゾーンのいずれの場合も湯を十分に加熱する高負荷運転が必要であり、ガスバイパス回路２３をＯＦＦにして、通常の冷凍サイクル運転を行い、水熱交換器１３で湯を加熱する。

本第２実施形態におけるガスバイパス回路の制御方法によれば、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置が実現されることに加えて、ガスバイパス回路２３に冷媒ガスをバイパスさせることで、圧縮機の回転数を下限界近くに保ったまま、加熱ユニットの最小能力を可能な限り小さくして保温運転を継続することができる。

また、本発明の第３実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置について説明する。

本第３実施形態は、第２実施形態が冷凍サイクルのガスバイパス回路を用いるのに対して液バイパス回路を用いる。

例えば、図６に示す第３実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いられる加熱ユニット３の吸込管２２と水熱交換器１３の冷媒出口側の間に第２のバイパスとしての液バイパス回路２６を設け、この液のバイパス回路２６を用いる。

高温の湯を加熱ユニット３によって保温する場合、圧縮機１１からの吐出温度が高温になり圧縮機を保護するために圧縮機の運転を停止または回転数を下げる保護動作が働く場合がある。

このとき保護動作によって圧縮機が停止または回転数が下げられると貯湯タンク２を保温できなくなる可能性があるため、圧縮機１１の吐出温度を下げる必要がある。

液バイパス回路２６により圧縮機１１の吐出温度を下げることができる。

具体的制御方法としては、液バイパス回路２６に流量調整手段としての第３の電子制御弁２７を設け、水熱交換器１３出口の液冷媒を第３の電子制御弁２７で膨張、低温化させて圧縮機１１に吸込むようにバイパスすることで熱源側熱交換器１５に流れる冷媒量を減少させ吐出温度を低下させることが可能となる。

本第３実施形態における液バイパス回路の制御方法は、外気温と圧縮機１１からの冷媒吐出温度によって制御を行う。なお、本第３実施形態ではガスバイパス回路２３は用いない（ＯＦＦ状態である）。

図９（ａ）に示すように、外気温度が所定値より低く、かつ、図９（ｂ）に示すように、圧縮機１１の吐出温度が所定値より高い場合は、第３の電子制御弁２７を開放して、液バイパス回路２６に冷媒を流入させ、低温となった冷媒を圧縮機１１に吸込ませることと、熱源側熱交換器１５に流れる冷媒量を減少させることで、吐出温度を低下させることができる。これにより、圧縮機１１の保護動作が解除され、保護動作による加熱ユニット３の湯加熱能力の低下を防止できる。

本第３実施形態におけるガスバイパス回路の制御方法によれば、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置が実現されることに加えて、外気温度が所定値より低く、圧縮機の吐出温度が所定値より高い場合、圧縮機の保護動作が解除され、保護動作による加熱ユニットの湯加熱能力低下を防止できる。

また、本発明の第４実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置について説明する。

本第４実施形態は、第２実施形態の冷凍サイクルのガスバイパス回路に替えて、過冷却回路を設ける。

例えば、図１０に示すように、第４実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いられる加熱ユニット３Ｂに設けられる第１の電子制御弁１４と水熱交換器１３の冷媒出口との間と、液バイパス回路２６との間で熱交換する熱交換回路としての過冷却回路３０を設ける。

これにより、水熱交換器１３を出た冷媒を過冷却回路３０で過冷却することで、冷凍サイクルの高圧側圧力の抑制が可能となる。

本第４実施形態における加熱ユニット３Ｂによれば、貯湯タンク内でのレジオネラ菌等の雑菌の増殖・繁殖を抑えることができ、消費電力が少なく、経済的な開放型貯湯タンクの保温装置が実現されることに加えて、冷凍サイクルの高圧側圧力の抑制が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の概念図。本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いる冷凍サイクル図。本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の保温運転の制御フロー図。本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の保温運転の制御シーケンス図。本発明の第１実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の保温運転と湯温の関連図。本発明の第２実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いる冷凍サイクル図。本発明の第２実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いる冷凍サイクルの変形例を示す図。本発明の第２実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置のガスバイパス制御方法説明図で、（ａ）は圧縮機ゾーン、出口水温ゾーンとガスバイパス運転制御の関係、（ｂ）は回転数別ゾーン、（ｃ）は出口水温別ゾーンを示す。本発明の第３実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置の液バイパス制御方法説明図で、（ａ）は外気温別制御方法、（ｂ）は吐出温度別ゾーン制御方法を示す。本発明の第４実施形態に係る開放型貯湯タンクの保温装置に用いる冷凍サイクル図。

符号の説明

１…開放型貯湯タンクの保温装置、２…貯湯タンク、３…加熱ユニット、４…湯循環路、５…循環ポンプ、６…コントローラ、７…給湯用カラン、８…浴槽、９…給湯用２次側水配管、１０…ポンプ駆動用信号線、１１…圧縮機、１２…四方弁、１３…水熱交換器、１４…第１の電子制御弁、１５…熱源側熱交換器、１６…冷凍サイクル、Ｔｈ１…入口湯温センサー。

Claims

開放型の貯湯タンクと、給水を沸き上げて前記貯湯タンクに貯えるための給湯ユニットと、前記貯湯タンクに貯められた湯の温度を所定の温度に保つためのヒートポンプ式の保温加熱ユニットと、前記貯湯タンクと前記保温加熱ユニットとの間で湯を循環するための循環ポンプとを備えることを特徴とする開放型貯湯タンクの保温装置。
前記保温加熱ユニットは、この保温加熱ユニットに設けた圧縮機に連なる吐出管と吸込管とを流量調整手段を介して接続する第１のバイパス回路を備え、前記保温加熱ユニットに設けた水熱交換器出口の湯温が所定値より高く、かつ、前記圧縮機の回転数が所定値より低い場合は、前記第１のバイパス回路に冷媒を流入させることを特徴とする請求項１に記載の開放型貯湯タンクの保温装置。
前記保温加熱ユニットは、この保温加熱ユニットに設けた熱源側熱交換器の入口側と前記吸込管とを減圧手段を介して接続する第２のバイパス回路を備え、外気温度が所定値より低く、かつ、前記圧縮機の吐出温度が所定値より高い場合は、前記第２バイパス回路に冷媒を流入させることを特徴とする請求項１または２に記載の開放型貯湯タンクの保温装置。
前記保温加熱ユニットは、この保温加熱ユニットに設けた水熱交換器の冷媒出口側と前記第２のバイパス回路の入口側との間で熱交換させる熱交換回路を備えることを特徴とする請求項３に記載の開放型貯湯タンクの保温装置。
前記保温加熱ユニットは、作動冷媒にＲ−４１０Ａ冷媒を用いたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の開放型貯湯タンクの保温装置。