JPS5938544A - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は深夜電力利用温水器とヒートポンプを組み合わ
せた給湯機に関するものである。

深夜電力利用温水器は昭和３９年に深夜の電力負荷増成
を目的として制度化された深夜電力料金制度の適用をう
けており、その電気料金は一般の家庭用の電気料金よシ
も割安になっている。こうした維持費の安さや、更に安
全・衛生的であるなどの特長から安定した市場を確保し
てきた。しかしながら、この電気料金の割引も２〜６年
毎に行なわれる電気料金の値上げのたひに割引率が圧縮
される傾向にあり、灯油・ガスなどの他熱源給湯機との
維持費比較においては割高なものとなってきている。

一方、ヒートポンプは空調機として広く使用されている
が、これを給湯機の熱源として深夜電力で使用した場合
、維持費の面から見ればかなυ有利なことは明らかであ
る。

しかし、給湯機の熱源としてヒートポンプを単独で使用
した場合の問題点としては。

（１）能力が外気温に左右されるため、安定した湯温・
湯量の確保ができない。

（２）凝縮器側の温度は冷媒の種類によシ異なるものの
大差はなく、熱交換して得られる湯温の上限は５０〜５
５℃程度である。このため約８５℃で貯湯する深夜電力
利用温水器に比し貯湯効率が悪い。

などがあシ、性能面の問題から商品化されなかった。

本発明によるものは深夜電力利用温水器とヒートポンプ
を組合せ、深夜時間帯に運転することによシ、深夜電力
利用温水器の優れた特長を活かしながら、維持費の改善
をした給湯機の提供を目的としたものであシ、以下実施
例により詳細に説明する。

第１図は本発明による貯湯式給湯機の一例を示す構造図
で、１は貯湯タンク、２は貯湯タンク１の下部に設けた
発熱体、３はヒートポンプ装置であり、４は圧縮機、５
は水冷式凝縮器。

６は膨張弁、７は蒸発器である。８は吸込管。

９は吐出管で、水冷式凝縮器５に循環ポンプ１０を介し
て接続し、吸込管８．吐出管９は貯湯タンク１の下部側
面にそれぞれ接続されている。１１は同じく貯湯タンク
１の下部側面に接続された給水管、１２は貯湯タンク１
の上部に接続された給湯管、１３は給湯管１２の先端に
設けられた出湯栓である。

次に作用を説明する。ヒートポンプ装置３による沸上げ
では循環ポンプ１０の作動で貯湯タンク１の下部から吸
込管８を経由して水冷式凝縮器５に送られた水はヒート
ポンプ装置３の働きで昇温されて、吐出管９を経て貯湯
タンク１に戻る。このサイクルを繰シ返しながら貯湯タ
ンク１内全体の水を沸上げる。発熱体２による沸上げに
おいても９発熱体２が貯湯タンク１の底部に設けられて
おシ、貯湯タンク１内全体の水を沸上げるものである。

こうして沸上げられた湯は、出湯栓１３を開くことによ
って水源水が給水管１１から貯湯タンク１の底部に入り
。

同量の湯が押上げられて給湯管１２．出湯栓１３を経て
使用に供されるものである。

第２図は本発明による制御ブロック図の一例を示すもの
で、以下図にょシ説明する。第２図の制御ブロック図に
おいて、１４はｉ湯タンク１の下部温度を検出するだめ
の下部温度センサー、１５は貯湯タンク１に貯える翌日
の使用湯量を予め設定するだめの湯量設定装置、１６は
前記下部温度センサー１４で検出した貯湯タンク１内の
下部温度と湯量設定装置１５で設定された設定値とから
貯湯タンク１内に貯えておくべき熱量を算出する所要熱
量演算器である。

１７は貯湯タンク１内の残湯量を検出するだめの残湯量
センサー、１８は同じく貯湯タンク１内の上部温度を検
出するだめの上部温度センサー、１９は前記各々のセン
サー１４．１７゜１８によってそれぞれ検出した下部温
度、残湯量、上部温度から貯湯タンク１内の残湯熱量を
算出するための残湯熱量演算器である。

２０は前記各演算器１６．１９によってそれぞれ算出し
た所要熱量と残湯熱量及び下部温度センサー１４で検出
した下部温度から沸上げるべき湯温を算出する湯温演算
器、２１は外気温度を検出するだめの外気温度センサー
、２２は外気温度と湯温と運転効率に関するヒートポン
プ装置３の特性データを入力しである記憶装置、２３は
前記各温度センサーで検出した温度と各演算器で求めた
算出値と記憶装置２２のデータをもとに発熱体２とヒー
トポンプ装置３の運転時間を設定する運転時間設定装置
であシ、２４は前記運転時間設定装置２３による時間設
定にもとづいて発熱体２とヒートポンプ装置３を運転す
るための制御装置である。

次に上記の構成について算式と図によって具体的に説明
する。貯湯タンク１に貯える翌日の使用湯量をＶｔ（１
）　（湯温ＴｌＣ０））とし、これを湯量設定装置１５
にインプットし、深夜電力通電時間帯突入直後の下部温
度センサー１４の検出値ＩＴｈ（ｏ）、　残湯ｉセフ１
−１７の検出値ｔ　Ｖ２（１）　を上部温度センサー１
８の検出値をＴｈ（ａ）とすると、まず所要熱量演算器
１６は深夜電力の通電時間終了時刻までに貯湯タンク１
内に貯えておくべき熱量Ｋｔ Ｋｌ＝　（ＴＩ−Ｔ２）　ｘＶｔ　　（Ｗ）を算出する
。

ここで、下部温度センサー１４による検出値Ｔｈ（０）
は貯湯タンク１内の下部温度を測定しているが、出湯栓
１３を開けて湯を使用した分だけ貯湯タンク１の下部に
は給水管１１から水が流入してきているので、給水水温
とほぼ等しい値を示す。従って給水管１１の途中等で給
水水温を直接検出してもよい。なお、給水水温は季節的
には変動はあるが、−日単位ではほぼ同じ温度を示す。

また残湯熱量演算器１９は貯湯タンク１内に残湯として
使い残されている熱量ｋ Ｋ２　　＝　（Ｔ３−Ｔ２）　ＸＶ２　　（ＩＪ）を算
出する。ここで、上部温度センサー１８による検出値Ｔ
３（０）は貯湯タンク１内の上部温度を測定しているが
、残湯がある場合には残湯温度となり、残湯がなければ
給水水温とほぼ等しい値となる。

そして湯温演算器２０は前記演算器１６，１９で求めだ
に１．　Ｋ２と下部温度Ｔ２を基に溝上げるべき湯温Ｔ
４ を算出するものである。ここでｖ（１）は貯湯タンク１
の内容積である。

次に記憶装置２２と運転時間設定装置２３と制御装置２
４の働きを第３図の運転時間設定装置詳細ブロック図と
、第４図の加熱領域置換図と、第５図の加熱特性図によ
シ具体的に説明する。

第４図は縦軸には貯湯タンク１の高さ方向を意図した容
量、横軸には同じく貯湯タンク１の高さ方向に対応する
温度を示す加熱領域置換図である。今、前述の如く貯湯
タンク１の全容量’ｔｖ（１）トＬ　＋　下部８度Ｔ２
！ｒ　１０（０）　を上部温度Ｔ３を６ｏ（Ｏ）、湯温
演算器２０で算出した溝上げ温度Ｔ４を７０仲）とし、
ヒートポンプ装置３による溝上げ上限温度Ｔ５を５Ｏ（
Ｏ）と仮定すると９図中Ａ部は残湯熱量を表わし、Ｂ部
はヒートポンプ装置３による溝上げ分、０部、Ｄ部は発
熱体２による溝上げ分としてモデル化できる。

以上の第４図のモデルに対し、記憶装置２２と運転時間
設定装置２３がどのように作動するかを第６図によシ説
明する。ここでは、ヒートポンプ装置３の圧縮機、送風
機、循環ポンプの全ての電気入力に対して、貯湯タンク
１に得られる熱量の比、すなわち総合効率（η）が１よ
シ大きい時のみヒートポンプ装置３の運転を行なうこと
を原則とする。

まず、深夜電力通電時間帯突入直後の外気温度センサー
２１と下部温度センサー１４で検出した外気温度と下部
温度Ｔ２をヒートポンプ装置３の特性データを記憶して
いる記憶装置２２に入力して、総合効率へが銭〉１で溝
上げることのできるヒートポンプ溝上げ温度Ｍ　Ｔ２Ｃ
を演算器ム２５で求め（第４図ではＴ５＝５０（０）と
仮定）、更に下部温度Ｔ２をヒートポンプ溝上げ温度Ｔ
５に溝上げる時のヒートポンプ平均能力”？’ｒを演算
器Ｂ２６で求める。次に演算器０２７は貯湯タンク１の
下部層（Ｖ　−Ｖ２）　（ｚ）をヒートポンプ溝上げ温
度Ｔ５に溝上げる（第４図中Ｂ部分）だめのヒートポン
プ溝上げ時間Ｈ１を求めるもので で求まる。

演算器Ｄ２８は下部層が上部温度Ｔ３と同一になる（第
４図中Ｃ部分）までの下部層発熱体溝上げ時間Ｈ２を求
めるものであシ、今７発熱体容量Ｗｅ→とすると で求まる（　１）Ｇ、１１＝　８６０　Ｋｊ）。

また演算器１２９は貯湯タンク１の全容量Ｖ＜１）を対
象に湯温演算器２０で求めた溝上シ温度Ｔ４にまで溝上
げる（第４図中り部分）ために要する上下層発熱体溝上
げ時間Ｈ３を求めるものでで求まる。

それぞれの所要通電時間が求まると次に時間配分装置３
０によシ運転時間の配分を行なう。

それぞれ求めたＨｌ、　’ｋｂ　、　Ｈａの合計時間が
深夜電力通電時間の８時間以内に入る時には時間配分は
行なわず、深夜電力通電開始と同時にヒートポンプ装置
３を運転し、下部温度センサー１４の検出値がヒートポ
ンプ溝上げ温ｉ　（Ｔｓ＝５０℃）に達した時にヒート
ポンプ装置３の運転を停止し１発熱体２に通電を開始す
る。上部温度センサー１８の検出値が湯温演算器２０で
求めた溝上シ温度（Ｔ４＝７０℃）に達した時１発熱体
２をＯＦＦするよう制御装置２４が作動する。第５図ｏ
ｈ　−ｂ−ｃ−ｄノ曲線は（Ｈｔ−１−Ｈ２＋Ｈａ）　
＝　ｓ（時間）の時のグラフであシ、ａ−ｂ間は第４図
Ｂ部分を対象としたヒートポンプ装置３による加熱を示
す。またｂ−ｃ間は第４図Ｃ部分を対象とし、た発熱体
２による加熱を示す。

さらにｃ−ｄ間は第４図り部分を対象とした同じく発熱
体２による加熱を示している。ここでｂ−ｃ間、ｃ　−
ｄ間の勾配力、違うのは溝上げ対象となる湯量が異なる
ためである。

一方外気温度が低くヒートポンプ平均能力Ｑ（Ｗ／ｈｒ
）が低い場合には（Ｈ１＋　Ｈ２＋　Ｈａ）　＞　８と
なる。この場合にはヒートポンプ装置３でヒートポンプ
溝上げ温度（Ｔｓ＝５ｏ℃）まで溝上げると第５図ａ−
ｆ間に示す通り、８時間の深夜通電時間内に溝上り温度
（Ｔ４＝　７０　’Ｏ）に達することは不可能となる。

このためヒートポンプ運転中に発熱体２にも通電を行な
うことが必要となる。この時間設定を行なうのが時間配
分装置３０で、ヒートポンプ装置３と発熱体２を同時に
運転すべき同時運転時間Ｈ４を次の通り求める。

第４図中Ｃ，Ｄ部分を発熱体２によって溝上げるだめの
時間（Ｈ２＋Ｈ３）は固定値であり、ヒートポンプ溝上
げ温度（Ｔｓ＝５０℃）に溝上げるために用意できる時
間は（８−Ｈ２−）ｂ）時間となるので Ｑ　ｘ　　（８−Ｈ２−Ｈａ）　　＋ＷＸ８６０ＸＨ４
＝　（Ｔ５−Ｔ２）　Ｘ　（Ｖ−Ｖ２）から同時運転時
間Ｈ４は求まる。この場合の運転は第５図のａ　−ｅ−
ｂ　−ｃ−ｄの曲線に示す通電で、ａ−ｂ間はヒートポ
ンプ装置３の運転。

ｅ−ｂ間はヒートポンプ装置３と発熱体２の同時運転、
ｂ−ｃ−ｄ間は発熱体２を運転するよう制御装置２４が
作動するものである。

なお以上説明ではヒートポンプ装置３によって溝上げが
開始されているが、前提条件として総合効率（η）が１
以上の時のみ運転するよう構成しており、外気温度が低
く着霜などで総合効率が１以下の場合には最初から発熱
体２に通電するよう構成されている。

以上のように本発明によるものは、使用湯量の入力を行
なう一方、残湯熱量を算出して必要熱量のみ溝上げるよ
う構成するとともに、ヒートポンプは外気温度、湯温を
検出して効率の良い時のみ運転を行ない、しかも発熱体
との並行運転も必要に応じて行なえるよう構成したので
、毎日の残湯量が少なくなるので放熱ロスが減少し、し
かも維持費の安いヒートポンプの運転率が増えるので維
持費が安くなるという効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による貯湯式給湯機の一例を示す構造図
、第２図は本発明による制御ブロック図、第５図は同じ
く運転時間設定装置詳細ブロック図、第４図は本発明の
具体例を示す加熱領域置換図、第５図は同じく加熱特性
図である１は貯湯タンク、２は発熱体、３はヒートポン
プ装置、１４は下部温度センサー、１５は湯量設定装置
、１６は所要熱量演算器、１７は残湯量センサー、１８
は上部温度センサー、１９は残湯熱量演算器、２０は湯
温演算器、２１は外気温度センサー、２２は記憶装置、
２３は運転時間設定装置、２４は制御装置である。 代理人　葛　野　信　−（外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱源として発熱体とヒートポンプを備えた貯湯式給湯機
   において、貯湯タンクの下部温度を検出するだめの下部
   温度検出手段と、貯湯タンクに貯える使用湯量を予め設
   定するための湯量設定手段と、前記下部温度検出手段で
   検出した下部温度と湯量設定手段で設定された設定値と
   から貯湯タンクに貯えておくべき熱量を算出する所要熱
   量算出手段と、貯湯タンク内の残湯量を検出するだめの
   残湯量検出手段と、貯湯タンクの上部温度を検出するだ
   めの上部温度検出手段と、前記各検出手段で検出した下
   部温度と残湯量及び上部温度から残湯熱量を算出するた
   めの残湯熱量算出手段と、前記各算出手段で求めた所要
   熱量と残湯熱量及び前記下部温度検出手段によって検出
   した下部温度からビーげるべき湯温を算出する湯温算出
   手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、外気
   温度と湯温と運転効率に関するヒートポンプの特性デー
   タを入力した記憶装置と、前記各温度検出手段で検出し
   た検出値と各算出手段で求めた算出値と記憶装置のデー
   タをもとに発熱体とヒートポンプの運転時間を設定する
   運転時間設定手段と、前記運転時間設定手段による時間
   設定にもとづいて発熱体とヒートポンプを運転するだめ
   の制御手段と、を備えてなる貯湯式給湯機。