JP5589949B2 - 給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、給湯機に関する。

空気の熱を吸収して湯を沸かす、エネルギー効率に優れたヒートポンプ給湯機が広く用いられている。ヒートポンプ給湯機の水冷媒熱交換器では、水に含まれる硬度成分が炭酸カルシウムなどの固形物として配管の内面に析出して付着する。このような析出付着物は、スケールと呼ばれる。配管内のスケールの付着量が多くなると、配管が詰まり、運転に支障を来たす。

特許文献１には、水回路の流量変化、または圧力変化、あるいは水ポンプの出力変化などを検出することにより、配管詰まりを検知する手段を備えたヒートポンプ給湯機が開示されている。

特開２００４−１１６９４２号公報

配管詰まりによるヒートポンプユニットの運転停止を未然に防ぐためには、配管詰まりが検知されるような状態となる前に、配管の洗浄等の対策を行うことが必要となる。しかるに、特許文献１記載の技術では、詰まりが検知された段階で、配管がほぼ閉塞してしまう例も多く、その場合はヒートポンプユニットを交換しなければならない場合もある。このような問題を解決するためには、配管詰まりとなる時期を予測することが望まれる。しかしながら、スケールが堆積する速さは水の硬度などによって異なり、水の硬度は地域によっても異なる。このため、特許文献１記載の技術では、配管詰まりの時期を予測することは困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、沸き上げ回路の配管詰まりの時期を精度良く予測することのできる給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る給湯機は、加熱手段と該加熱手段に水を送るポンプとを有し、加熱手段により水を沸き上げて湯を生成する沸き上げ運転を実行可能な沸き上げ回路と、ポンプの回転数を検出する回転数検出手段と、沸き上げ運転中のポンプの回転数に関する複数の値を多変量解析の対象として一つの指標値を算出する指標値算出手段と、指標値と所定の閾値とに基づいて、沸き上げ回路の配管詰まりの時期を予測する詰まり時期予測手段と、を備え、複数の値は、一回の沸き上げ運転中のポンプの平均回転数と、一回の沸き上げ運転を複数の期間に分割したときの各期間のポンプの回転数変化量とを含むものである。

本発明によれば、沸き上げ回路の配管詰まりの時期を精度良く予測することができる。その予測結果を使用者に報知することにより、使用者は、配管詰まりによる運転停止が発生する前の適切な時期に、配管詰まりを解消するための配管洗浄サービスを受ける等の対策を取ることができる。このため、配管詰まりによる運転停止を未然に防止することができる。

本発明の実施の形態１の給湯機を示す構成図である。 沸き上げ運転中の沸き上げ用送水ポンプの回転数の変化を示す図である。 沸き上げ用送水ポンプの平均回転数と、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の回転数上昇率とを算出する方法を説明するための図である。 通算の沸き上げ時間と、沸き上げ用送水ポンプの平均回転数との関係を示す図である。 通算沸き上げ時間と、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の沸き上げ用送水ポンプの回転数上昇率との関係を示す図である。 通算沸き上げ時間と、沸き上げ運転毎に計算されるマハラノビスの距離との関係を示す図である。 配管詰まり時期を予測してリモコンに表示を行う制御動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の給湯機を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の給湯機は、水を沸き上げて湯を生成する加熱手段としてのヒートポンプユニット１と、貯湯タンクユニット２とを備えている。ヒートポンプユニット１と、貯湯タンクユニット２とは、沸き上げ往き配管１６、沸き上げ戻り配管１７、および電気配線（図示せず）を介して接続されている。ヒートポンプユニット１には、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、膨張弁５および蒸発器６を冷媒配管７で接続した冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）が設けられている。冷媒は、蒸発器６で空気の熱を吸熱し、圧縮機３で圧縮されて高温高圧となる。この高温高圧の冷媒が、水冷媒熱交換器４で水に熱を与え、水が沸き上げられて湯となる。

貯湯タンクユニット２には、湯水を貯留する貯湯タンク１０と、沸き上げ用送水ポンプ１５と、制御手段２０とが設けられている。貯湯タンク１０内には、上層側に湯（高温水）を貯め、下層側に水（低温水）を貯めることができる。貯湯タンク１０内は、湯と水とで常に満水状態に維持される。

貯湯タンク１０の上部に設けられた温水導出口１１には、給湯配管１９が接続されている。貯湯タンク１０の下部に設けられた水導入口１２には、水道等の水源からの水を供給する給水配管１８が接続されている。沸き上げ往き配管１６は、貯湯タンク１０の下部に設けられた水導出口１４に接続されている。この沸き上げ往き配管１６は、沸き上げ用送水ポンプ１５を経由してヒートポンプユニット１へ伸び、水冷媒熱交換器４の入水口に連通している。沸き上げ戻り配管１７は、水冷媒熱交換器４の出湯口と、貯湯タンク１０の上部に設けられた温水導入口１３との間を接続している。

沸き上げ運転時には、圧縮機３および沸き上げ用送水ポンプ１５が駆動され、貯湯タンク１０内の下部の水が沸き上げ往き配管１６を通ってヒートポンプユニット１の水冷媒熱交換器４に送られる。水冷媒熱交換器４で水が加熱されて生成した湯は、沸き上げ戻り配管１７を通って貯湯タンクユニット２に戻り、上部から貯湯タンク１０内に流入する。このような沸き上げ運転により、貯湯タンク１０内の上部から下部に向かって湯が順次貯められていく。給湯時には、貯湯タンク１０内の湯が給湯配管１９を通って混合弁（図示せず）に送られ、混合弁で水と混合して温度調節された上で、浴槽や蛇口等の給湯先（図示せず）へ供給される。

台所あるいは浴室には、ユーザーインターフェース装置としてのリモコン２１が設置されている。図示を省略するが、リモコン２１には、給湯温度などの情報を表示可能な表示部（報知手段）と、ボタンスイッチ等の操作部とが設けられている。沸き上げ戻り配管１７には、ヒートポンプユニット１により沸き上げられた湯の温度（以下、「沸き上げ温度」と称する）を検出する温度センサ２２が設けられている。ヒートポンプユニット１、沸き上げ用送水ポンプ１５、リモコン２１、および温度センサ２２は、それぞれ、制御手段２０と電気的に接続されている。

沸き上げ運転時、制御手段２０は、沸き上げ温度が所定の目標温度に保たれるように、沸き上げ用送水ポンプ１５により流量を制御する。沸き上げ用送水ポンプ１５には、沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数を検出するセンサ（回転数検出手段）が内蔵されている。沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数のデータ、および温度センサ２２により検出される沸き上げ温度のデータは、制御手段２０へ逐次送信される。

本実施形態の給湯機では、経年使用により、水冷媒熱交換器４内の湯水の流路や沸き上げ戻り配管１７内の流路の内面に、水に含まれる硬度成分が炭酸カルシウムなどの固形物として析出し、付着する。このような析出付着物は、スケールと呼ばれる。

図２のグラフは、沸き上げ運転中の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数の変化を示す図であり、横軸に沸き上げ開始からの経過時間、縦軸に沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数を示している。図２中のパターン１は、正常な場合（水冷媒熱交換器４内の湯水の流路や沸き上げ戻り配管１７内の流路にスケールが付着していない場合）を示している。正常な場合には、沸き上げ開始時に沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数がゼロから上昇し、沸き上げ温度が目標温度に到達した後は、沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数は、ほぼ一定の値に落ち着き、沸き上げ終了の前まで、大きな変化を示すことなくほぼ一定に保たれる。沸き上げ終了時には、沸き上げ用送水ポンプの回転数はゼロに低下する。本実施形態では、一日に約８時間の沸き上げ運転が行われるものとする。

水冷媒熱交換器４内の湯水の流路や沸き上げ戻り配管１７内の流路がスケールの付着によって狭くなった場合には、流路抵抗の増加により水の流量が低下する。この場合、制御手段２０は、水の流量を確保し、沸き上げ温度を一定に保つように沸き上げ用送水ポンプ１５を制御するので、沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数が上昇することとなる。図２中のパターン２は、水冷媒熱交換器４内の湯水の流路や沸き上げ戻り配管１７内の流路がスケールの付着によって狭くなった場合を示している。このパターン２に示すように、水冷媒熱交換器４内の湯水の流路や沸き上げ戻り配管１７内の流路が狭くなっている場合には、沸き上げ運転中の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数は、時間の経過とともに上昇していき、沸き上げ終了の前に最高となる。沸き上げ用送水ポンプ１５には、所定の最高回転数（許容回転数）が決められている。制御手段２０は、沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数がこの最高回転数以上となった場合には、配管詰まりエラーと判定し、沸き上げ用送水ポンプ１５を停止し、沸き上げ運転を中止する。

本実施形態では、配管詰まりが発生する時期を以下のようにして予測し、所定期間以内（例えば半年以内）に配管詰まりが発生すると予測された場合には、使用者に配管洗浄を促す旨のコメントをリモコン２１に表示する。

配管詰まりが発生する時期を予測する方法としては、まず、沸き上げ運転中の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数の履歴に基づいて、回転数に関する複数の値（以下、「選択項目」と称する）を算出し、それら選択項目を多変量解析の対象として、一つの指標としてのマハラノビスの距離を計算する。そして、そのマハラノビスの距離と、所定の閾値とに基づいて、配管詰まりが発生する時期を予測する。

マハラノビスの距離を計算するに当たり、基準空間（基準データ群）としては、スケールの付着のない状態、すなわち新品時の給湯機における沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数データを採用する。この基準データ群は、製品出荷時に予め制御手段２０に記憶されていてもよいし、あるいは、製品の使用開始後に沸き上げ運転が実行されるときに沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数を学習し、その学習したデータを制御手段２０に記憶してもよい。

本実施形態では、選択項目として、一回の沸き上げ運転中の沸き上げ用送水ポンプ１５の平均回転数と、一回の沸き上げ運転を複数の期間に分割したときの各期間の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数変化量（本実施形態では、回転数上昇率とする）とを算出する。図３は、本実施形態における選択項目を算出する方法を説明するための図である。図３に示すように、沸き上げ開始時に沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数が急上昇する期間と、沸き上げ終了時に沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数が急降下する期間とを除いた期間を一回の全沸き上げ時間とし、平均回転数を算出する。また、一回の全沸き上げ時間を、Ａ（一回の全沸き上げ時間の１／４から１／３程度の期間で沸き上げ開始直後からの期間）、Ｂ（Ａの期間の直後で、一回の全沸き上げ時間の１／２〜１／３程度の沸き上げ期間）、Ｃ（Ｂの期間の直後で、一回の全沸き上げ時間の１／４から１／３程度の沸き上げ最後の期間）の３つの期間に分割し、各期間について、期間始めの回転数に対する期間終わりの回転数の上昇率の値を回転数変化量として算出する。なお、本実施形態では３つの期間に分割しているが、期間を分割する数はこれに限定されるものではない。

本実施形態では、毎回の沸き上げ運転時に、上記のようにして、沸き上げ用送水ポンプ１５の平均回転数と、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の回転数上昇率とを算出する。図４は、毎回の沸き上げ時間を積算した通算の沸き上げ時間と、沸き上げ用送水ポンプ１５の平均回転数との関係を示す図である。図４に示すように、通算沸き上げ時間の増加に伴い、沸き上げ用送水ポンプ１５の平均回転数が増加する傾向がある。その増加の速さは、水の硬度に大きく依存し、高硬度水の場合には増加が速く、低硬度水の場合には増加が遅い。

図５は、通算沸き上げ時間と、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数上昇率との関係を示す図である。図５に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数上昇率は、何れも、通算沸き上げ時間の増加に伴って増加する傾向がある。

上記のようにして、沸き上げ運転毎に、沸き上げ用送水ポンプ１５の平均回転数と、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の回転数上昇率とを算出し、これらを項目選択として、マハラノビスの距離を計算する。図６は、通算沸き上げ時間と、沸き上げ運転毎に計算されるマハラノビスの距離との関係を示す図である。図６に示すように、通算沸き上げ時間が増加し、スケールの付着が進行するにつれて、マハラノビスの距離が増大する傾向となる。制御手段２０には、配管詰まりエラーが発生して沸き上げ用送水ポンプ１５が停止するような状態のときのマハラノビスの距離に相当する閾値（以下、「詰まり閾値」と称する）が予め記憶されている。図６に示すように、制御手段２０は、現在までのマハラノビスの距離の変化の履歴を将来に外挿し、マハラノビスの距離が詰まり閾値に到達するまでの残り時間を算出することにより、配管詰まりエラーが発生するまでの残り時間を予測することができる。

図７は、配管詰まり時期を予測してリモコン２１に表示を行う制御動作を示すフローチャートである。制御手段２０は、図７のフローチャートの制御を沸き上げ運転毎に実行する。ステップＳ１では、沸き上げ用送水ポンプ１５に内蔵された回転数センサにより検出された沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数のデータが日時のデータとともに制御手段２０に記憶される。この際、沸き上げ開始から沸き上げ終了まで、所定秒間隔で（例えば５秒に１回ずつ）、沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数を記憶する。

ステップＳ２では、ステップＳ１で取得された沸き上げ用送水ポンプ１５の回転数のデータに基づいて、平均回転数、および、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の回転数上昇率を算出する。

続いて、ステップＳ３では、その平均回転数、および、Ａ，Ｂ，Ｃの各期間の回転数上昇率を選択項目として、マハラノビスの距離を計算し、計算された値を記憶する。マハラノビスの距離の計算方法は公知であるので、説明は省略する。更に、ステップＳ３では、図６に示すようなグラフ上において、現在までのマハラノビスの距離の変化の履歴を将来に外挿することにより、マハラノビスの距離が詰まり閾値に到達するまでの残り時間を計算する。外挿の方法としては、例えば、現在までのマハラノビスの距離の変化の履歴を所定のモデル関数（例えば二次関数）に当てはめ、そのモデル関数の曲線を延長すればよい。

ステップＳ４では、配管詰まりエラーが発生する時期を予測する。本実施形態では、一日に８時間の沸き上げを行うとしているので、ステップＳ３で算出された残り時間を８で割った値が、配管詰まりエラーが発生するまでの残り日数となる。この残り日数を制御手段２０に記憶する。また、リモコン２１の表示部に例えば「配管詰まりまでの残り日数はＸ日です」等の表示をすることにより、残り日数を使用者に報知してもよい。

続いて、ステップＳ５では、ステップＳ４で算出された配管詰まりまでの残り日数が所定期間（本実施形態では、半年＝１８０日とする）以上であるか否かを判断する。その結果、配管詰まりまでの残り日数が半年未満である場合には、ステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、まず、配管詰まりまでの残り日数を今日の日付に加算することにより、配管詰まりの発生が予測される月日を計算する。次いで、リモコン２１の表示部に例えば「Ｘ月Ｙ日頃に配管が詰まる可能性が高まりました。早急に配管洗浄を依頼して下さい」等のコメントを表示する。これにより、使用者に配管洗浄サービスの利用を促すことができる。このコメントと共に、配管洗浄サービスの電話番号等の情報を表示してもよい。

以上説明した本実施形態の給湯機によれば、沸き上げ回路の配管詰まりの時期を精度良く予測することができる。その予測結果を使用者に報知することにより、使用者は、配管詰まりによる運転停止が発生する前の適切な時期に、配管詰まりを解消するための配管洗浄サービスを受ける等の対策を取ることができる。このため、配管詰まりによる運転停止を未然に防止することができる。

１ ヒートポンプユニット
２ 貯湯タンクユニット
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 冷媒配管
１０ 貯湯タンク
１１ 温水導出口
１２ 水導入口
１３ 温水導入口
１４ 水導出口
１５ 沸き上げ用送水ポンプ
１６ 沸き上げ往き配管
１７ 沸き上げ戻り配管
１８ 給水配管
１９ 給湯配管
２０ 制御手段
２１ リモコン
２２ 温度センサ

Claims (3)

1. 加熱手段と該加熱手段に水を送るポンプとを有し、前記加熱手段により水を沸き上げて湯を生成する沸き上げ運転を実行可能な沸き上げ回路と、
   前記ポンプの回転数を検出する回転数検出手段と、
   沸き上げ運転中の前記ポンプの回転数に関する複数の値を多変量解析の対象として一つの指標値を算出する指標値算出手段と、
   前記指標値と所定の閾値とに基づいて、前記沸き上げ回路の配管詰まりの時期を予測する詰まり時期予測手段と、
   を備え、
   前記複数の値は、一回の沸き上げ運転中の前記ポンプの平均回転数と、一回の沸き上げ運転を複数の期間に分割したときの各期間の前記ポンプの回転数変化量とを含む給湯機。
2. 前記詰まり時期予測手段による予測結果を使用者に報知する報知手段を備える請求項１記載の給湯機。
3. 前記指標値は、マハラノビスの距離である請求項１または２記載の給湯機。

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