JPH068446Y2 - 貯湯式電気温水器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、貯湯式電気温水器にかかり、とくに深夜電力
を用いるものに関する。

従来の貯湯式電気温水器は、低料金の深夜電力時間帯の
深夜電力を利用する深夜電力専用型が普及している。

この深夜電力専用型の使用実態調査によれば、日常の使
用湯量は貯湯容量よりかなり低く、例えば85℃沸上げの
ものでは冬期で７割程度、夏期で５割程度となってい
る。

これは、貯湯式電気温水器の通電加熱の可能な時間が深
夜電力時間帯に限られ、日常以外の来客等による給湯需
要量の増加にも対処する必要から貯湯容量が日常の適量
より大きめのものが選ばれるためである。

その結果、従来の貯湯式電気温水器においては、日常の
必要以上の貯湯容量を備え、このような大きな貯湯容量
であることにともなって、大きな設置スペースを要する
とともに、大きな放熱ロスを有するものとなっている。

この考案は、このような事情に基づいてなされたもの
で、日常以外の給湯需要に対する最大給湯能力を確保す
るとともに、深夜電力を効率的に利用し、さらに貯湯容
量を低減させることによって設置スペースのコンパクト
化と放熱ロスの低減とを図ることを目的とするものであ
る。

本考案は、この目的を達成するために、貯湯式電気温水
器に、深夜電力時間帯にのみ通電可能とした深夜電力ヒ
ーターと前記深夜電力時間帯以外に通電可能の昼間電力
ヒーターとを設け、これらの２種類の電気ヒータを適切
に制御する制御処理回路を設けたものである。

本考案の１実施例を示す第１図において、１は貯湯タン
クであり、その中に深夜電力ヒーター２のほかに昼間電
力ヒーター３が設けられる。タンク１の外壁には最低位
置に給水温センサー４が、ヒーター３より少しく上の位
置に湯温センサー５が、それより更に或る程度上の位置
に昼間電力オフ用温度センサー６が接着される。深夜電
力ヒーター２は深夜電力交流２００Ｖ端子１３から漏電
ブレーカ７→パワーリレー８を経て給電され、昼間電力
ヒーター３は昼間電力交流１００Ｖ端子14からパワーリ
レー９を経て給電される。パワーリレー８，９の作動を
制御する制御処理回路１１は端子１４から給電される操
作電源１０から操作電力を与えられ、温度センサー４，
５，６の各出力を受信し、且つ設定部１２の出力を受入
れる。

貯湯タンク１の頂上出口から高温湯が給出されると、そ
れに自動的に応動して同量の冷水がタンク１の下底入口
から給入される。上記給出高温湯は上記給入冷水と同じ
温度の水と混合されて常に略一定の温度例えば４５℃の
湯として使用される。今タンク内高温湯の使用量を
Ｖ_h、その湯温Ｔ_h、混合冷水の使用量をＶ_c、その水温
をＴ_c、冷水混合後の湯の使用量をＶ_u、その湯温をＴ_u
とすれば次の関係式が成立つ。

Ｖ_h（Ｔ_h−Ｔ_u）＝Ｖ_c（Ｔ_u−Ｔ_c） (1) ここでＶ_u＝Ｖ_h＋Ｖ_cであるから、上式は次のようにな
る。

Ｖ_h（Ｔ_h−Ｔ_c）＝Ｖ_u（Ｔ_u−Ｔ_c） (2) この式において、Ｖ_hをタンク１の全容量Ｖ_tに取れば、
それに対応するＶ_uはこのＶ_hに冷水を加えて適温Ｔ_uと
した湯量であり、これはＴ_hを加減することにより可変
にできる。このＶ_uの所望値は第１図において設定部１
２に入力される。冷水温Ｔ_cは季節に応じて変化し、そ
の値は給水温センサー４により検出される。かくして
(2)式においてＶ_hとＴ_uを不変とし、Ｖ_uとＴ_cを可変と
してそれに対応するＴ_hを求めると、 本考案は制御処理回路１１の中に上記(3)式に従ってタ
ンク内湯温Ｔ_hの設定値を算出する機構及びこの値が所
定の高温例えば８５℃以下か乃至はそれを超過するかを
自動判定する機構を設け、若しそれが以下の場合には深
夜電力ヒーター２のみを使用してタンク１内の水を上記
算出されたＴ_hの設定値にまで加熱し、また若し上記超
過する場合には、深夜電力ヒーター２の適当な使用の後
に昼間電力時間帯に昼間電力ヒーター３を適当に使用し
てその加熱により上記深夜電力ヒーター２による加熱の
不足分を補充するようにするものである。

数値例を示すと、タンク１の容量Ｖ_tは２８０であ
り、これは従来の主流である３７０に比べて省スペー
スと放熱ロス減が図れる。冷水混合後の使用湯適温Ｔ_u
は前記の４５℃であり、設定部12に入力されるこの適温
の湯使用量Ｖ_uの設定値は７４０、６００、４６０
と選択できる。給水温度Ｔ_cは概ね５〜３５℃程度で
ある。するとタンク１内の沸上げ湯温Ｔ_hの(3)式は次の
ようになる。

この式のＶ_uとＴ_cに実際の数値を当てはめて計算した結
果のＴ_hが所定の高温８５℃以下である場合には深夜電
力ヒーター２のみを使用し、その加熱によるタンク内湯
温が上記計算による湯温Ｔ_hに達したときその加熱は停
止される。第１図においてパワーリレー８は制御処理回
路１１の制御を受けて深夜電力時間帯内の適当な時点で
閉路し、温度センサー５が上記Ｔ_hの算出値に達したこ
とを感知したとき開路する。

上記(4)式によるＴ_hの算出値が所定の８５℃を超過する
場合には、タンク１の容量Ｖ_tを仮想的に或る程度増加
して考え、例えばこれを３７０として(4)式と同様の
計算を再び行う。即ち この３７０の出処は、前記(2)式においてＴ_cの最低温
度５℃、Ｖ_uの最大容量７４０を適用し、Ｔ_h＝８５
℃、Ｔ_u＝４５℃を代入してＶ_hを算出した結果である。
本考案の一実施例においては、上記(5)式によるＴ_hの算
出値は深夜電力時間帯にヒーター２の加熱による沸上り
湯温の設定値であると共にまた昼間加熱時間帯にヒータ
ー３の加熱による沸上り湯温の設定値である。第１図に
おいて、制御処理回路１１内に昼間電力時間帯の始発時
点でパワーリレー９の閉路を準備する素子が設けられ、
この閉路は温度センサー５が高温から給水温への移行を
感知するとき実際に行われ、センサー５が(5)式による
高温Ｔ_hを感知するときリレー９は開路される。なおタ
ンク１の下底入口から冷水が給入されるときタンク内の
上部高温湯と下部冷水とは殆んど混合することなく、ま
たヒーター３の通電により下部冷水が加熱される際にも
この冷水の温度が上部湯の温度に達するまでは両者湯水
の混合は殆どないと見なしてよい。

最も基礎的な考え方によれば、上記(5)式中の３７０
と(4)式中の２８０との差９０を一挙に冷水温Ｔ_cか
ら高湯温Ｔ_hにまで加熱するものとし、そのため温度セ
ンサー５を下から９０のレベル位置に設置し、これが
Ｔ_cを感知したときヒーター３の給電を開始しその後Ｔ_h
を感知したとき該給電を終了するようにする方式が考え
られる。しかしこの方式では、実際に昼間電力ヒーター
３の電力容量は余り大きく取ることができないので、必
要な水の温度上昇を得るために長時間を要し、且つその
通電が開始するまでの時間も長くなるので、所要の通電
時間が終るのは夕方近くになり、その頃になると風呂な
ど長時間続く湯の需要があり、この需要期間に入るとセ
ンサー５の作動だけでは通電を終了させることができな
くなる欠点がある。

この欠点をなくするため、温度センサー５の設置位置を
もつと低いレベル例えば下から３０の位置に選定す
る。それにより昼間電力ヒーター３の通電は早期に開始
され、且つ早期に一応終了する。なお前記の方式ではヒ
ーター３の通電は一旦終了すれば再び開始することはな
いものとしたが、この実施例では前記の全９０を３０
づつに分割したので複数回通電開始と停止を繰返すも
のとする。

実例に徴するに、大人４人と子供３人の冬期給湯パター
ンの１例は第２図Ａに示す通りである。同図において、
横軸のｔは午前から深夜に至るまでの時刻を示し、縦軸
のＶ_uは前記の適温４５℃での使用湯量を示す。ＳＭは
洗面、ＳＪは炊事、ＦＲは風呂の各需要を表わす。なお
夏期も風呂がシャワーに代るのでなければ、時刻が少し
変わるだけで使用湯量は略同じである。同図で全湯使用
量Ｖ_uは７０２となるので、Ｖ_uの設定値を前記の通り
７４０としておけば充分である。これに対してタンク
内湯温Ｔ_hが８５℃に達するような冷水温Ｔ_cは(2)式に
おいてＶ_h＝２８０と置いてＴ_c＝20.65℃となる。即
ち水温がこの温度以上の場合は昼間電力ヒーター３を使
用せず、この温度以下の場合は深夜電力時間帯の終了時
にパワーリレー９を作動可能の状態にする。

第２図Ａにおいて、表示の湯量は冷水混合後の４５℃の
湯量であり、この場合(5)式の湯量Ｖ_uの最大値を７４０
として冷水温の変化に応じてタンク内湯温Ｔ_hを変化
させるのであるから、表示の湯量をタンク内高温湯量に
換算すると半分になる。そこで深夜電力時間帯にタンク
内全湯量２８０を(5)式による最高温度Ｔ_hまで上昇さ
せた状態で昼間電力時間帯に入り、７時に４２の洗面
湯を使用するとタンク内の湯水境界線は下から漸次上昇
して２１の線に達するが、未だセンサー５の30の線
には至らないので、ヒーター３は通電しない。次に８時
に炊事用の湯を使用し始めその湯量が３０×２−４２
＝１８に達するとセンサー５は冷水温を感知するの
でヒーター３は通電を開始する。これにより水の加熱が
始まるが、それに関わらず湯水境界線は上昇を続けて図
示の８４の点で停止し、このときタンク内の冷水は下
から （４２＋８４）／２＝６３の位置にある。その後ヒー
ター３の通電は続き、それは最初から６３の水を(5)
式の温度Ｔ_cからＴ_hにまで加熱したときセンサー５がＴ
_hを感知することにより停止する。このヒーター３の通
電状態は第２図Ｂに示す通りであり、即ち８時にＯＮと
なり、１１時半頃OFFとなる。なお、それまで冷水の給
入と同時にそれと等量の６３の高温湯がタンク頂上か
ら給出されたことになる。次に１２時半頃炊事用の湯７
２が使用されると、タンク内の湯水境界線は再び下か
ら上昇して３６のレベルまで来るので、それが３０
の線を通過するときセンサー５の冷水感知によりヒータ
ー３の通電が開始し、それは第２図Ｂに示すように１４
時半頃にセンサー５の高温感知により停止する。

次に１８時に炊事用湯８４の使用が始まり、タンク内
の湯水境界線は再び下から上昇して４２のレベルまで
達するので途中でヒーター３の通電が第２図Ｂに示すよ
うに開始するが、冷水の温度上昇には時間が掛かるの
で、それが設定温度の(5)式によるＴ_hに達しないうちに
１９時に風呂用湯の使用が始まる。その湯量は３００
にも達し、それと換算等量のタンク内高温湯と同量１５
０の冷水が給入されるので、これをＴ_h設定値にまで
加熱するには長時間を要し、且つこの加熱はもはや不要
であり、これを停止させねばならない。そのために第１
図において、タンク１の下から１２０程度の位置に昼
間電力オフ用温度センサー６が取付けられ、この昼間電
力オフ用温度センサー６により昼間電力ヒーター３の作
動が制限される。このセンサー６は上記４２の冷水に
加わる１５０の冷水給入に途中で感応して制御処理回
路１１内にあるリレー９の作動回路を遮断し、それによ
りヒーター３の通電を終了させる。この昼間電力オフ用
センサー６による昼間電力ヒーター３の通電の終了は、
前記のように深夜電力時間帯の直前の時刻に生じるもの
と考えられるので、その大量の冷水についての加熱を、
電力容量が相対的に小さく、電力コストの高い昼間電力
ヒーター３で直ちには行なわせず、電力容量が大きく、
電力コストの安い深夜電力ヒーター２のみで安価に行な
わせるためである。この時点までに、第２図Ａ，Ｂを参
照してヒーター３の前２回のON-OFF作動により４２＋８
４＋７２＝１９８の適温使用湯をタンク内高温湯に換
算した９９の冷水がＴ_hに設定値にまで深夜電力時間
帯後の昼間に加熱されたことになり、この湯量は前記の
９０を僅かに超過しているので満足できるものであ
る。唯ヒーター３の１８時以後約１時間の通電は結局無
駄に近いが、この程度の消費は簡単な装置でヒーター３
の通電及び遮断を適当に行うために止むを得ないと考え
られる。

上記の数値例は湯量Ｖ_uの設定値を７４０とした場合
であるが、これを６００とした場合にも同様の処理を
することができる。即ち(4)式においてＶ_u＝６００とし
て可変Ｔ_cに対してＴ_hの値を計算し、その算出値が最高
８５℃以下のときはこの値を設定値として深夜電力ヒー
ター２だけを使用して昼間電力ヒーター３を使用しな
い。上記算出値が８５℃を超過するときは(5)式に準ず
る計算をあらためて行う。即ち(2)式においてＶ_u＝６０
０，Ｔ_u＝４５として最も厳しい条件のＴ_c＝５℃，Ｔ_h
＝８５℃に対するＶ_hを求めるとその値は３００となる
ので、(5)式における３７０の代りに３００を入れた式
に従って可変Ｔ_cに対するＴ_hの値を計算し、これを設定
値としてヒーター２及びヒーター３の通電を前記と同様
にして制御する。なお、深夜電力ヒーター２のみを使用
する場合の最低Ｔ_cの値は(4)式においてＶ_u＝６００，
Ｔ_h＝８５とすれば１０となる。即ち給水温Ｔ_cが１０℃
以上ならヒーター２のみ、１０℃以下ならヒーター３も
使用することになる。次に湯量Ｖ_uの設定値を４６０
とすれば、(4)式のＶ_uを４６０としてＴ_hを計算すれば
よく、この場合にはＴ_c＝０℃としてもＴ_hの値は約７４
℃で最高湯温８５℃以下であるから、ヒーター２のみの
使用で足りる。第３図は以上述べた３種のＶ_u設定値の
各個について可変Ｔ_cに対するＴ_h設定値の関係を示す。
ＡはＶ_u設定値が７４０、Ｂは６００、Ｃは４６０
の場合を夫々示す。線ＡではＴ_c＝約２０℃以上は(4)
式による計算であり、約２０℃以下では(5)式による計
算である。線Ｂでは１０℃を境にしてその左右が同様に
異なる計算式による。

以上述べた実施例は第３図に示すように給水温Ｔ_cが漸
次低下するとき或る点で湯温Ｔ_hの設定値を急に低下さ
せ、且つこのことが深夜と昼間の加熱についての共通に
行われるものであるが、本考案の他の実施例は深夜の加
熱については上記の急に低下させることの代りに湯温Ｔ
_hの設定値を同じ最高値のまま保持させ、昼間に残りの
必要な加熱を行うようにするものである。例えば前記
(4)式においてＶ_u＝７４０の場合、給水温Ｔ_cが漸次
低下して約２０℃に達すると湯温Ｔ_hは８５℃に達する
が、その後Ｔ_cが更に低下してもＴ_hは８５℃を維持する
ようにする。昼間の加熱については、(2)式においてＴ_u
＝４５℃，Ｖ_u＝７４０，Ｔ_h＝８５℃として仮想タン
ク容量Ｖ_hを可変Ｔ_cから計算し、この算出容量値Ｖ_hと
実際のタンク容量２８０との差の給水を最高湯温８５
℃まで加熱すればよいわけである。しかし加熱給水量を
可変にするためにはセンサー５を上下移動可能にするか
又は複数個設ける必要があり、これは実際上困難である
ので、この加熱給水量を可変にする代りにこれを最大一
定値に固定して湯温Ｔ_hの設定値を可変にする方式が望
ましい。即ち(2)式において左辺のＴ_hを８５℃に固定し
Ｖ_hを上記可変加熱給水量とする代りに、これを給水温
Ｔ_cの予想される最低温に対するＶ_hの値（Ｔ_h＝８５
℃）に固定し、実際のＶ_hの値に対してＴ_hを可変にして
両者の場合について上記左辺が等しくなるようにＴ_hの
値を選定すればよい。この実施例では深夜電力の利用を
最大限にする代りにタンクの高温による放熱ロスの点を
多少犠牲にするに対して、前記最初の実施例ではタンク
内湯温をなるべく低くして放熱ロスを最小限にする代り
に深夜電力利用の点は多少犠牲にする傾向にある。

本考案によれば、日常の給湯需要量に対しては主に深夜
電力時間帯に深夜電力ヒータが作動し、日常以外の給湯
需要量の増大する場合に対しては深夜電力時間帯での深
夜電力ヒータの作動のほかに深夜電力時間帯以外に昼間
電力ヒータが作動することによって補充され、最大給湯
能力が確保される。

そして、この種の電気温水器において、前記昼間電力ヒ
ーターでの大量の冷水に対する加熱の必要が生じるのは
深夜電力時間帯の直前であることが多いものである。

そのため、この考案においては、前記したように湯温セ
ンサーより上の位置に昼間電力オフ用温度センサーを設
置し、この昼間電力オフ用温度センサーからの信号によ
り昼間電力ヒーターへの通電を終了させるので、昼間電
力ヒーターでの昼間電力による大量の冷水に対する加熱
を防止することができ、その加熱を深夜電力時間帯に深
夜電力ヒーターで深夜電力により加熱することとしても
実用上の支障を生じない。

したがって、この考案によれば、貯湯容量が低減され、
設置スペースのコンパクト化と放熱ロスの低減ができ、
とくに深夜電力を一層有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による装置の概要構成図、第２図Ａ，Ｂ
は湯の使用状況及び昼間電力ヒーターの作動を示す線
図、第３図は貯湯タンクの所要温度特性を示す線図であ
る。 １：貯湯タンク、２：深夜電力ヒーター ３：昼間電力ヒーター、４：給水温センサー ５：湯温センサー、６：昼間電力オフ用センサー ７：漏電ブレーカ、８，９：パワーリレー １０：操作電源、１１：制御処理回路 １２：設定部、１３：深夜電力端子 １４：昼間電力端子

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】貯湯タンクに、深夜電力時間帯にのみ通電
   可能とした深夜電力ヒーターと前記深夜電力時間帯以外
   にも通電可能の昼間電力ヒーターと湯温センサーとを設
   け、 制御処理回路内に、貯湯タンク内湯温の設定値を給水温
   度と給水混合後の湯使用量とから所定の関係式に従って
   算出する機構及びこの算出された湯温設定値が所定の高
   温以下かそれを超過するかを自動判別する機構を設け、 前記貯湯タンク内湯温の設定値が所定の高温以下の場合
   には、深夜電力時間帯において深夜電力ヒーターのみを
   使用して貯湯タンク内の水をこの算出された湯温設定値
   にまで加熱し、 前記貯湯タンク内湯温の設定値が所定の高温を超過する
   場合には、深夜電力時間帯においては深夜電力ヒータを
   使用して貯湯タンク内の水を所定の高温にまで加熱し、
   さらに深夜電力時間帯以外においても昼間電力ヒーター
   を使用して深夜電力ヒーターによる加熱の不足分を補充
   する貯湯式電気温水器において、 前記貯湯タンク内で前記湯温センサーより上の位置に昼
   間電力オフ用温度センサーを設置し、この昼間電力オフ
   用温度センサーからの信号により昼間電力ヒーターへの
   通電を終了させることを特徴とする貯湯式電気温水器。