JP6420736B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、給水管などの凍結の恐れがある場合に水抜きを行う不凍水抜き栓に対応した貯湯式給湯装置に関するものである。

従来より、この種の貯湯式給湯装置においては、湯水を貯湯する貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、貯湯タンク下部に給水する給水管と、貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、上部出湯管と中間出湯管のどちらから出湯するかを切り替える切替手段とを備え、貯湯タンク内に高温の湯が多く存在している場合の給湯時には、切替手段を中間出湯管側に切り替えた状態で中間出湯管からの出湯を先に用いて貯湯タンク上部の高温の湯を使わないようにしたものがあった。

そして、このような貯湯式給湯装置において、給水管などの凍結の恐れがある場合に、家屋内の湯管、水管の水抜きを行う不凍水抜き栓に対応するために、給湯管からの所定の湯抜けを給湯流量センサによって検出することで不凍水抜き栓が水抜き状態になったことを検知すると、切替手段を上部出湯管側に切り替えてサイフォン現象による湯抜けが上部出湯管から行われるようにし、上部出湯管から分岐して設けられている負圧作動弁の動作に伴う空気の流入によって早期にサイフォン現象を終了させるようにしたものが知られている（特許文献１）。

特許５１９８３４４号公報

ところが、この従来のものでは、ユーザーが給湯栓を完全に閉めきらずに無意識に微少な給湯が継続されたような場合、不凍水抜き栓は水抜き状態でないにも関わらず、不凍水抜き栓が水抜き状態であると検知して切替手段を上部出湯管側に切り替えることとなるため、貯湯タンク上部の湯が無為に流出してしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げ目標量まで沸き上げ目標温度に沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンク底部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、前記上部出湯管に分岐して設けられた負圧吸気弁と、前記貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、給湯先に連通した給湯管と、前記給湯管を流れる湯水の温度を検出する給湯温度センサと、前記給湯管を流れる湯水の流量を検出する給湯流量センサと、前記上部出湯管と前記中間出湯管と前記給湯管とが接続され、前記貯湯タンクの中間部の湯温が所定貯湯温度以上の場合に、前記中間出湯管側から前記給湯管に出湯するように連通状態を切り替える切替手段と、不凍水抜き栓の接続の有無を設定する設定手段と、外気温度を検出する外気温度センサと、前記設定手段の設定情報と前記外気温度センサ、前記給湯温度センサ、前記給湯流量センサの検出値とが入力され、前記加熱手段と前記切替手段を制御する制御手段と、前記設定手段にて前記不凍水抜き栓の接続有りが設定されている状態で、前記外気温度センサで外気温度が第１の所定温度以下であることを検出すると、前記制御手段は、前記切替手段を前記上部出湯管側が前記給湯管と連通する状態とする不凍水抜き栓対応制御を実行するようにした。

また、前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行中に、前記外気温度センサで外気温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度以上であることを検出すると、前記不凍水抜き栓対応制御の実行を解除して、前記切替手段を前記中間出湯管側が前記給湯管と連通する状態とするようにした。

また、前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行中に、前記外気温度センサで外気温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度以上であることを検出し、かつ、前記給湯温度センサおよび前記給湯流量センサの検出値に基づき所定給湯温度以上の湯が所定の積算流量以上流れたことを検知したら、前記給湯流量センサの検出値に基づいた給湯停止判断の後に、前記不凍水抜き栓対応制御の実行を解除して、前記切替手段を前記中間出湯管側が前記給湯管と連通する状態とするようにした。

また、前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行した場合は、前記加熱手段で沸き上げる前記沸き上げ目標温度を、前記不凍水抜き栓対応制御を実行していない場合に比べて高い温度とするようにした。

また、前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行した場合は、前記加熱手段で沸き上げる前記沸き上げ目標量を、前記不凍水抜き栓対応制御を実行していない場合に比べて増加するようにした。

本発明によれば、外気温度が低く不凍水抜き栓が作動させられるような状況下である場合に、切替手段が中間出湯管側を閉塞するので、不凍水抜き栓を水抜き状態とされても確実かつ早期にサイフォン現象を終了させることができ、貯湯タンク上部からの流出量を抑制することができると共に、無意識に微少な給湯が継続されたような場合に、これを不凍水抜き栓が水抜き状態であると検知しないため、切替手段は中間出湯管が連通した状態となって貯湯タンク上部の高温の湯を確保することができる。

本発明の一実施形態の概略システム図 同一実施形態の作動を説明するフローチャート 同一実施形態の作動を説明するフローチャート 別の一実施形態の作動を説明するフローチャート

次に、本発明の一実施形態の貯湯式給湯装置について図面に基づいて説明する。

１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に接続された給水管、３は貯湯タンク１頂部に接続された上部出湯管、４は貯湯タンク１中間部に接続された中間出湯管、５は上部出湯管３からの湯と中間出湯管からの湯の何れか一方から出湯するよう切り替える切替手段としての三方弁、６は給水管２から分岐した給水バイパス管、７は三方弁５からの湯と給水バイパス管６からの水とを混合し、その混合比を可変できる混合弁、８は混合弁７で混合された湯を給湯先の給湯端末（図示せず）に給湯するための給湯管、９は貯湯タンク１の下部と上部を湯水が循環可能に接続した加熱循環回路、１０は加熱循環回路９途中に設けられ、その回転数を可変できる加熱循環ポンプである。

１１は冷媒を圧縮吐出し回転数可変の圧縮機、１２は一次側に圧縮機１１からの冷媒が流通されると共に二次側に加熱循環回路９の水が流通し、高温高圧冷媒から放熱して水を加熱するための水冷媒熱交換器、１３は水冷媒熱交換器７からの冷媒を減圧膨張させる開度可変の減圧器、１４は減圧器１３で減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器、１５は蒸発器１４に大気熱を供給するための回転数可変の送風機であり、圧縮機１１、水冷媒熱交換器１２、減圧器１３、蒸発器１４で加熱手段１６を構成している。

１７は給水管２途中に設けられ市水を一定の給水圧に減圧する給水減圧弁、１８は上部出湯管３から分岐して設けられ貯湯タンク１内が負圧になった場合に開弁して貯湯タンク１内に空気を導入する負圧吸気弁、１９は給水減圧弁１７の一次側および給湯管８から分岐した位置に介在して凍結深度以下の地中に埋設され、給水を止水すると共に給水管２および給湯管８の水抜きを行うための不凍水抜き栓、１９ａは不凍水抜き栓１９の操作ハンドル、１９ｂは不凍水抜き栓１９の排水口、１９ｃは不凍水抜き栓１９の排湯口である。

２０は家屋に設置されている浴槽、２１は貯湯タンク１内の上部に配置された風呂熱交換器、２２は浴槽２０と風呂熱交換器２１とを浴槽水が循環可能に接続した風呂循環回路、２３は風呂循環回路２２に設けられて浴槽水を循環させる風呂循環ポンプである。

２４ａ〜ｅは貯湯タンク１の側面上下に複数設けられ貯湯タンク１内の貯湯温度を検出する貯湯温度センサ、２５は給湯管６途中に設けられ給湯流量を内部の羽根車の回転数により検出する給湯流量センサ、２６は給湯温度を検出する給湯温度センサ、２７は給水温度を検出する給水温度センサ、２８は加熱循環回路９途中に設けられ水冷媒熱交換器１２に流入する湯水の温度（入水温度）を検出する入水温度センサ、２９は加熱循環回路９途中に設けられ水冷媒熱交換器１２から貯湯タンク１に戻る湯水の温度（沸き上げ温度）を検出する沸き上げ温度センサ、３０は圧縮機１１から水冷媒熱交換器１２に流入する冷媒の温度（吐出温度）を検出する吐出温度センサ、３１は外気温を検出する外気温度センサである。

３２は所望の給湯温度（給湯設定温度）を設定する給湯温度設定スイッチ３２ａとその他の設定スイッチ３２ｂと給湯設定温度を表示する表示器３２ｃを有したリモートコントローラである。

３３は貯湯温度センサ２４ａ〜ｅ、給湯流量センサ２５、給湯温度センサ２６、給水温度センサ２７、入水温度センサ２８、沸き上げ温度センサ２９、吐出温度センサ３０、外気温度センサ３１の検出値が入力されると共にリモートコントローラ３２と通信可能に接続され、三方弁５、混合弁７、加熱循環ポンプ１０、圧縮機１１、減圧器１３、送風機１５、風呂循環ポンプ２３の作動を予め記憶されたプログラムに従って制御するマイクロコンピュータを有した制御手段で、不凍水抜き栓１９の排水作動に対応するために三方弁５を上部出湯管３側を連通し、中間出湯管４側を閉塞する不凍水抜き栓対応制御を実行可能としている。

そして、制御部３３には、リモートコントローラ３２の設定スイッチ３２ｂの特殊操作に応じて不凍水抜き栓１９の有無の設定を記憶する設定手段３３ａと、不凍水抜き栓対応制御を実行した実績を記憶する実績記憶手段３３ｂとが設けられている。

次に、この一実施形態の作動について説明する。

給湯端末が開かれて給湯が開始されると、貯湯温度センサ２４ａ〜ｅで検出した貯湯量が多く、貯湯タンク１の中間部付近より下に湯がある場合は、制御手段３３は、三方弁５を中間出湯管４側が連通し、上部出湯管３側を閉塞した状態として、貯湯タンク１の中間部から出湯し、混合弁７の開度を給湯温度センサ２６が検出する給湯温度が給湯設定温度になるように調整して給湯する。一方、貯湯タンク１内の貯湯量が少なくなり、貯湯タンク１の中間部付近に湯がなくなると、制御部２８は、三方弁５を中間出湯管４側を閉塞し、上部出湯管３側を連通した状態として、貯湯タンク１の上部から出湯する。

このように、三方弁５の通常制御時には、貯湯タンク１内の湯量が十分にあることを中間出湯管４の高さ付近の貯湯温度センサ２４ｃが所定貯湯温度以上を検出していることで検知している場合には、貯湯タンク１中間部から出湯し、湯量が十分にないことを貯湯温度センサ２４ｃが所定貯湯温度未満を検出することで検知している場合は、貯湯タンク１上部から出湯するため、貯湯タンク１中間部の温度低下した湯を貯湯タンク１上部の高温水よりも先に消費できるため、貯湯タンク１上部には熱い湯を熱いまま残し、貯湯タンク１下部には温度低下した湯ではなく給水管２からの冷たい給水を残すことができる。

そして、電力料金単価の安価な深夜時間帯となると、制御手段３３は、過去の一日単位の給湯量の学習値から翌日一日の給湯量を予測し、予測された給湯量に基づいて加熱手段１６で沸き上げる沸き上げ目標量を決定すると共に、給湯量の学習値から適切な沸き上げ目標温度を決定する。

次に、加熱手段１６の定格加熱能力を沸き上げ目標温度と最下部の貯湯温度センサ２４ｅで検出する貯湯タンク１底部の被加熱水の温度との温度差で除して加熱手段１６を通過させる被加熱水の目標循環量を算出し、予め記憶されている目標循環量と目標回転数との関係（式またはデータマップ）から、この目標循環量に応じた加熱循環ポンプ１０の目標回転数を設定し、圧縮機１１、減圧器１３、送風機１５の作動を開始して加熱手段１６を駆動すると共に加熱循環ポンプ１０を目標回転数で駆動して沸き上げ運転を開始する。

このとき、貯湯タンク１内には湯として翌日に用いることができる熱い湯と、冷たい給水が残っていて、中間温度の湯が極力出湯されて残っていないため、ヒートポンプ式の加熱手段１６で沸き上げる際にＣＯＰ（加熱効率）がよい状態で沸き上げ運転を行うことができる。

そして、沸き上げ目標量を沸き上げたことを検知すると、制御手段３３は、圧縮機１１、減圧器１３、送風機１５の作動を停止して加熱手段１６を停止すると共に加熱循環ポンプ１０を停止して沸き上げ運転を終了するようにしている。

一方、沸き上げ目標量を沸き上げる前に、貯湯タンク１最下部の貯湯温度センサ２４ｅが沸き上げ目標温度に基づいた所定温度以上に達したことを検出するか、現在時刻が深夜時間帯の終了時刻に達すると、制御手段３３は、圧縮機１１、減圧器１３、送風機１５の作動を停止して加熱手段１６を停止すると共に加熱循環ポンプ１０を停止して沸き上げ運転を一旦終了し、昼間時間帯に給湯によって貯湯タンク１内に沸き上げ可能な分の給水がされると、残りの沸き上げ目標量を沸き上げるように沸き上げ運転を行うようにしている。

このとき、制御手段３３は、貯湯タンク１内の貯湯量が中間出湯管４が取り付けられている位置よりも下まで沸き上げ運転を行うと、これを貯湯温度センサ２４ａ〜ｅによって検出し、三方弁５を中間出湯管４側を連通し、上部出湯管３側を閉塞する状態として、給湯開始と同時に貯湯タンク１の中間部から出湯できるようにする。

そして、本発明の特徴的作動を図２のフローチャートに基づいて説明する。

制御手段３３は、設定手段３３ａに設定されている不凍水抜き栓の有無の設定情報を読み込み、「有」設定がされている状態であると判別し（ステップＳ１でＹｅｓ）、外気温度センサ３１が屋内配管の凍結の恐れのある第１の所定温度（ここでは０℃）以下を検出すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、三方弁５を上部出湯管３が給湯管８と連通し、中間出湯管４側を閉塞する状態になるように切り替え（ステップＳ３）、不凍水抜き栓対応制御を実行する。

ここで、外気温度が高い場合は、不凍水抜き栓１９が水抜き状態とされることはないため、三方弁５は貯湯タンク１内の湯温の状態に応じた通常制御がなされるが、不凍水抜き栓１９の「有」設定がされていて外気温度が低い場合は、いつ不凍水抜き栓１９がユーザー等によって水抜き状態とされても良いように不凍水抜き栓対応制御が実行されるため、不凍水抜き栓１９の操作ハンドル１９ａがユーザーによって操作されて排水動作が開始されると、給水管２内の水と給湯管８内の湯がそれぞれ不凍水抜き栓１９の排水口１９ｂと排湯口１９ｃから排出され、貯湯タンク１の上部に連通された負圧吸気弁１８から貯湯タンク１内に空気が導入され、上部出湯管３側にはすぐに負圧吸気弁１８からの空気が導入され、サイフォン現象による貯湯タンク１内の湯の排水が停止され、貯湯タンク１からの湯の排水を最小限とすることができ、水資源のムダ、湯を加熱したエネルギのムダをなくすことができる。

そして、外気温度センサ３１が屋内配管の凍結の恐れのなくなる第２の所定温度（ここでは５℃）以上を検出すると（ステップＳ４）、制御手段３３は、給湯流量センサ２５の検出流量と給湯温度センサ２６の検出値に基づいて、給湯量が所定の積算流量（ここでは４３℃換算で２０Ｌ）以上に達したかどうかを監視する（ステップＳ５）。

ここで、不凍水抜き栓１９の操作ハンドル１９ａが操作されて給水が再開された状態で、給湯端末が開かれ給湯が開始されると、三方弁５は上部出湯管３側に連通して中間出湯管４側が閉塞された状態であるため、貯湯タンク１の上部から上部出湯管３を介して出湯がされることとなり、以前の不凍水抜き栓１９の排水動作に伴って上部出湯管３や貯湯タンク１の上部に溜まっていたエアが全て排出された後に給湯が行われることとなる。

このエアの流動によって給湯流量センサ２５の羽根車も回転し、給湯流量として検知することとなるが、制御手段３３は、給湯温度センサ２６で給湯とみなせる所定給湯温度以上を検出している際の給湯流量センサ２５で検出する積算流量が所定量以上となると、不凍水抜き栓１９が非排水状態での給湯が行われたと判断するようにしており、湯に比べて体積比熱の小さいエアの特性を利用して、エアの流れを給湯の流れと誤検知してしまうことを確実に防止できるようにしている。

すなわち、制御手段３３は、所定給湯温度以上の給湯量が所定の積算流量以上に達したことを検知すると（ステップＳ５でＹｅｓ）、エア抜きが完了して給湯が正常に行われたものと判断するようにしている。

そして、制御手段３３は、給湯流量センサ２５が給湯停止と見なせる流量以下の流量を検出することによる給湯流量センサ２５の検出値に基づいた給湯停止判断の後に（ステップＳ６でＹｅｓ）、給湯停止後に三方弁５を中間出湯管４側に切り替えるようにしている（ステップＳ７）。

このとき、給湯が停止された後に三方弁５を切り替えるようにしているため、給湯中の給湯温度の急激な変化を招くことがなく安心して給湯使用することができる。

一方、この一実施形態では、不凍水抜き栓１９の「有」設定がされていて外気温度が低い場合は、不凍水抜き栓対応制御を実行して三方弁５が上部出湯管３側を連通し中間出湯管４側を閉塞した状態となっているため、不凍水抜き栓１９が排水状態にされないままで給湯が行われると、貯湯タンク１の上部の湯が出湯され、貯湯タンク１内の比較的低温の湯が残り、より高温な湯が先に減ってしまい、貯湯タンク１内の湯を熱源とした風呂の追い焚き能力が低下してしまうという課題が生じる。

そのため、制御手段３３は、不凍水抜き栓対応制御を実行した場合は、沸き上げ目標温度や沸き上げ目標量を不凍水抜き栓対応制御を実行しない場合に比べて増加させるようにしており、これを図３に示したフローチャートに基づいて説明する。

制御手段３３は、実績記憶手段３３ｂの記憶内容を参照し、不凍水抜き栓対応制御を実行した実績がある場合は（ステップＳ１１でＹｅｓ）、沸き上げ目標温度を給湯量の学習値から決定される沸き上げ目標温度より高い温度に変更し（ステップＳ１２）、さらに、沸き上げ目標量を予測された給湯量に基づいて決定された沸き上げ目標量よりも所定量だけ増加させた値に変更する（ステップＳ１３）。

このステップＳ１２では、沸き上げ目標温度は通常、給湯量の学習値に応じて６５℃〜８５℃の間で学習値が多いほど高い温度に設定されるが、不凍水抜き栓対応制御の実績ありの場合、上限である８５℃に変更するようにしている。また、ステップＳ１３では、通常時に決定された沸き上げ目標量を２０％増しの値に変更するようにしている。

そして、現在時刻が一日の区切りとした所定時刻（ここでは深夜時間帯の開始時刻）に達すると（ステップＳ１４でＹｅｓ）、制御手段３３は実績記憶手段３３ｂに記憶している実績をクリアし（ステップＳ１５）、沸き上げ目標温度を変更前の値に戻すと共に（ステップＳ１６）、沸き上げ目標量を変更前の値に戻すようにしている（ステップＳ１７）。

このように、不凍水抜き栓対応制御を実行した実績がある場合は、沸き上げ目標温度や沸き上げ目標量を増加させるため、不凍水抜き栓１９に排水動作を行うせることなく給湯使用された場合であっても、貯湯タンク１内に高温の湯を確保できるため、風呂の追い焚き能力を確保できるものである。

なお、この実施形態では、不凍水抜き栓対応制御の実績ありの場合に、沸き上げ目標温度と沸き上げ目標量の両方を増加させるようにしたが、どちらか一方のみとしてもよい。

また、不凍水抜き栓対応制御の実績をクリアするタイミングを一日の区切り時刻の到来としたが、これに限られず、図４のステップＳ２１に示すように、所定期間（例えば３日間）連続して不凍水抜き栓対応制御を行わなかった場合に、不凍水抜き栓対応制御の実績をクリアするようにしてもよい。この場合、不凍水抜き栓対応制御が過去の近日中に行われていた場合には、今後の近日中に不凍水抜き栓対応制御が行われる可能性も高いため、予防的に沸き上げ目標温度や沸き上げ目標量を増加させて、風呂の追い焚き能力を確保することができるものである。

１ 貯湯タンク
２ 給水管
３ 上部出湯管
４ 中間出湯管
５ 三方弁（切替手段）
８ 給湯管
１６ 加熱手段
１８ 負圧吸気弁
１９ 不凍水抜き栓
２５ 給湯流量センサ
２６ 給湯温度センサ
３１ 外気温度センサ
３３ 制御手段
３３ａ 設定手段

Claims (5)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げ目標量まで沸き上げ目標温度に沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンク底部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する上部出湯管と、前記上部出湯管に分岐して設けられた負圧吸気弁と、前記貯湯タンク中間部から出湯する中間出湯管と、給湯先に連通した給湯管と、前記給湯管を流れる湯水の温度を検出する給湯温度センサと、前記給湯管を流れる湯水の流量を検出する給湯流量センサと、前記上部出湯管と前記中間出湯管と前記給湯管とが接続され、前記貯湯タンクの中間部の湯温が所定貯湯温度以上の場合に、前記中間出湯管側から前記給湯管に出湯するように連通状態を切り替える切替手段と、不凍水抜き栓の接続の有無を設定する設定手段と、外気温度を検出する外気温度センサと、
   前記設定手段の設定情報と前記外気温度センサ、前記給湯温度センサ、前記給湯流量センサの検出値とが入力され、前記加熱手段と前記切替手段を制御する制御手段と、
   前記設定手段にて前記不凍水抜き栓の接続有りが設定されている状態で、前記外気温度センサで外気温度が第１の所定温度以下であることを検出すると、前記制御手段は、前記切替手段を前記上部出湯管側が前記給湯管と連通する状態とする不凍水抜き栓対応制御を実行するようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行中に、前記外気温度センサで外気温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度以上であることを検出すると、前記不凍水抜き栓対応制御の実行を解除して、前記切替手段を前記中間出湯管側が前記給湯管と連通する状態とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行中に、前記外気温度センサで外気温度が前記第１の所定温度より高い第２の所定温度以上であることを検出し、かつ、前記給湯温度センサおよび前記給湯流量センサの検出値に基づき所定給湯温度以上の湯が所定の積算流量以上流れたことを検知したら、前記給湯流量センサの検出値に基づいた給湯停止判断の後に、前記不凍水抜き栓対応制御の実行を解除して、前記切替手段を前記中間出湯管側が前記給湯管と連通する状態とするようにしたことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行した場合は、前記加熱手段で沸き上げる前記沸き上げ目標温度を、前記不凍水抜き栓対応制御を実行していない場合に比べて高い温度とするようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記制御部は、前記不凍水抜き栓対応制御を実行した場合は、前記加熱手段で沸き上げる前記沸き上げ目標量を、前記不凍水抜き栓対応制御を実行していない場合に比べて増加するようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の貯湯式給湯装置。

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