WO2015182005A1 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Abstract

　貯湯タンク８の湯水と給湯水とを熱交換させるための給湯用熱交換器５２と、貯湯タンク８の上部から給湯用熱交換器５２を経由して貯湯タンク８の下部へ導く給湯熱源管路４６と、給湯水を給湯用熱交換器５２を経由して給湯端末へ導く給水管路９と、給湯熱源管路４６の湯水を循環させる給湯熱源ポンプ４８と、制御部３６と、を備える。制御部３６は、給湯運転が開始されたときに、開始直後の給湯期間（給湯開始期間）は熱源側流量Ｆｌが最大となるように給湯熱源ポンプ４８の出力を制御し、給湯開始期間の経過後は熱源側流量Ｆｌが給湯側流量Ｆｋと同量となるように給湯熱源ポンプ４８の出力を制御する。

Description

貯湯式給湯機

　本発明は、貯湯タンクに貯留された湯を熱源として給水を加熱して給湯する貯湯式給湯機に関する。

　従来、例えば特許文献１には、貯湯タンク内に貯留された流体を加熱し、この流体をポンプで循環させて熱交換器に送ることにより水を加熱する給湯機が開示されている。また、この給湯機では、熱交換器へ流入する給湯側の湯の流量に応じてポンプの駆動力が制御される。これにより、熱源側の流体の循環流量が増減されるので、給湯側の水は所望の温度を有する湯に加熱される。

日本特開平５-９９５０７号公報

　ところで、給湯運転が行われていない期間においては、熱源側の配管及び熱交換器の内部に残留している湯の熱容量が低下していることがある。このような状態で給湯運転が開始されると、給湯温度が目標温度に到達するまでに時間を要してしまうという問題がある。特に、上記特許文献１の給湯機のように、熱交換器へ流入する給湯側の湯の流量に応じてポンプの駆動力が制御される装置では、給湯湯量に応じてポンプの駆動力が決まるため、給湯運転が開始されたときの給湯湯量が少量の場合等にはこの問題が顕著に現れる。

　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、貯湯タンクに貯留された湯を熱源として給水を加熱して給湯する貯湯式給湯機において、給湯運転が開始されてから目標とする給湯温度に到達するまでの時間を短縮することのできる貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

　本発明に係る貯湯式給湯機は、湯水を貯留させる貯湯タンクと、貯湯タンクに貯留される湯水を加熱する加熱手段と、貯湯タンクの上部から供給される湯水と給湯水とを熱交換させるための給湯用熱交換器と、給湯水を給湯用熱交換器を経由して給湯端末へ導く給水管路と、貯湯タンクの上部から給湯用熱交換器を経由して貯湯タンクの下部へ導く給湯熱源管路と、給湯熱源管路の湯水を循環させる給湯熱源ポンプと、給水管路を流れる湯水の流量である給湯側流量を検知する給湯流量センサと、給湯端末への給湯が行われる給湯運転において給湯熱源ポンプの出力を制御する制御部と、を備え、制御部は、給湯側流量に基づいて、給湯熱源管路を流れる湯水の流量である熱源側流量の目標流量を設定する設定手段を備え、給湯運転が開始されたときに、開始直後の給湯開始期間は熱源側流量が目標流量よりも大流量となるように給湯熱源ポンプの出力を制御し、給湯開始期間の経過後は熱源側流量が目標流量となるように給湯熱源ポンプの出力を制御するように構成されたものである。

　本発明の貯湯式給湯機によれば、給湯運転が開始されてから目標とする給湯温度に到達するまでの時間を短縮することのできる貯湯式給湯機を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の沸き上げ運転時の回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の給湯運転時の回路構成図である。 給湯熱源ポンプのＰＷＭ入力値に対する熱源側流量の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１の給湯温度変動抑制制御のフローチャートである。

　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯機の構成図である。貯湯式給湯機３５は、タンクユニット３３と、ヒートポンプサイクルを利用するＨＰユニット７と、運転動作指令及び設定値の変更操作を行うためのリモコン４４とを備えている。ＨＰユニット７とタンクユニット３３とは、ＨＰ往き配管１４とＨＰ戻り配管１５と図示しない電気配線とを介して接続されている。タンクユニット３３には、制御部３６が内蔵されている。タンクユニット３３およびＨＰユニット７が備える各種弁類、ポンプ類等の作動は、これらと電気的に接続された制御部３６により制御される。制御部３６とリモコン４４とは、相互通信が可能に接続されている。リモコン４４には、図示を省略するが、貯湯式給湯機３５の状態等の情報を表示する表示部、使用者が操作するスイッチ等の操作部、スピーカ及びマイク等が搭載されている。

　ＨＰユニット７は、タンクユニット３３が備える貯湯タンク８から導かれた低温水を加熱するための加熱手段として機能する。ＨＰユニット７は、圧縮機１、水冷媒熱交換器３、膨張弁４、空気熱交換器６を冷媒配管５にて環状に接続し、ヒートポンプサイクルを構成している。水冷媒熱交換器３は、冷媒配管５を流れる冷媒とタンクユニット３３から導かれた低温水との間で熱交換を行うためのものである。

　タンクユニット３３には、以下の配管及び各種部品が内蔵されている。貯湯タンク８は、湯水を貯留するためのものである。水道等の水源から供給される給水は、第１給水配管９ａを通じてタンクユニット３３内へ導入される。貯湯タンク８の下部に設けられた水導入口８ａは、第３給水配管９ｃを介して第１給水配管９ａに接続されている。第３給水配管９ｃの途中には減圧弁３１が設けられている。第１給水配管９ａから第３給水配管９ｃへ導入される給水は、減圧弁３１で規定の圧力に調圧された上で貯湯タンク８内に流入する。

　貯湯タンク８の下部に設けられた水導出口８ｂには、水導出口配管１０の一端が接続されている。水導出口８ｂの他端は、熱源ポンプ１２の吸込側に接続されている。熱源ポンプ１２の吐出側は、ＨＰ往き配管１４を介してＨＰユニット７の入口側と接続されている。また、タンクユニット３３には、三方弁１８が内蔵されている。三方弁１８は、湯水が流入するａポートと、湯水が流出するｂ、ｃポートとを有する流路切替手段である。三方弁１８のａポートは、ＨＰ戻り配管１５を介してＨＰユニット７の出口側と接続されている。三方弁１８のｂポートは、送湯配管１３を介して貯湯タンク８上部に設けられた温水導入口８ｄと接続されている。三方弁１８のｃポートは、バイパス配管１６を介して貯湯タンク８の中央部から下部の間に設けられた温水導入口８ｃと接続されている。

　貯湯タンク８には、ＨＰユニット７を用いて加熱された高温湯がＨＰ戻り配管１５及び送湯配管１３を通じて温水導入口８ｄから流入するとともに、低温水が第３給水配管９ｃを通じて水導入口８ａから流入する。これにより、貯湯タンク８には上下部で温度差が生じるように湯水が貯留される。貯湯タンク８の表面には、複数の貯湯温度センサが高さを変えて取り付けられている。より詳しくは、貯湯タンク８の表面の上部には貯湯温度センサ４２が取り付けられ、貯湯タンク８の表面の下部には貯湯温度センサ４３が取り付けられている。貯湯タンク８内の残湯量は、これら貯湯温度センサ４２，４３で貯湯タンク８内の湯水の温度分布を検出することにより把握される。制御部３６は、検出された残湯量に基づいて、ＨＰユニット７による貯湯タンク８内の湯水の沸上運転の開始、停止などを制御する。

　タンクユニット３３には、給湯用熱交換器５２が内蔵されている。給湯用熱交換器５２の２次側入口は、第２給水配管９ｂを介して第１給水配管９ａに接続されている。給湯用熱交換器５２の２次側出口は、給湯配管２１を介して給湯栓３４に接続されている。以下の説明では、水源の給水を第１給水配管９ａ、第２給水配管９ｂ、給湯用熱交換器５２及び給湯配管２１を介して給湯栓３４へと導く管路を給水管路９と称し、また、給水管路９を流れる給水を給湯水と称することとする。また、第２給水配管９ｂの途中には、給水管路９を流れる給湯水の流量である熱源側流量を検知するための給湯流量センサ４９が配置されている。

　また、給湯用熱交換器５２の１次側入口は、熱源導入配管４６ａを介して、貯湯タンク８の上部に設けられた温水導出口８ｅに接続されている。また、給湯用熱交換器５２の１次側出口は、熱源導出配管４６ｂを介して、貯湯タンク８の下部に設けられた温水導入口８ｆに接続されている。以下の説明では、温水導出口８ｅから導出された貯湯タンク８内の湯水を熱源導入配管４６ａ、給湯用熱交換器５２及び熱源導出配管４６ｂを介して温水導入口８ｆから再び貯湯タンク８内へ戻す管路を給湯熱源管路４６と称することとする。また、熱源導出配管４６ｂの途中には、給湯熱源管路４６の湯水を循環させるための給湯熱源ポンプ４８が配置されている。さらに、熱源導出配管４６ｂの途中には、給湯熱源管路４６を流れる湯水の流量である熱源側流量を検知するための給湯熱源流量センサ５０が配置されている。給湯栓３４から出湯された高温湯は給湯端末である蛇口などの混合水栓５１に供給され、低温の水道水と混合された上で使用者に利用される。

　次に、本実施の形態に係る貯湯式給湯機の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の沸き上げ運転時の回路構成図である。尚、ここでいう沸き上げ運転とは、ＨＰユニット７を利用して沸き上げた湯を貯湯タンク８内に貯える運転のことである。この沸き上げ運転時には、三方弁１８は、ａポートとｂポートとが連通しｃポートが閉状態となるように制御される。これにより、ＨＰ戻り配管１５と送湯配管１３とが連通するとともに、バイパス配管１６側を閉として貯湯タンク８の温水導入口８ｃへの流路が遮断される。

　沸き上げ運転は、上記のように三方弁１８が制御された状態で、熱源ポンプ１２とＨＰユニット７の運転を開始することにより実行される。その結果、貯湯タンク８の水導出口８ｂから流出する低温水は、水導出口配管１０、熱源ポンプ１２およびＨＰ往き配管１４を経由してＨＰユニット７に導かれ、水冷媒熱交換器３において加熱されて高温湯となった後、ＨＰ戻り配管１５、三方弁１８および送湯配管１３を経由して、貯湯タンク８の温水導入口８ｄから当該貯湯タンク８内に流入し貯えられる。このような沸き上げ運転が実行されることで、貯湯タンク８の内部では、上層部から高温水が貯えられていき、この高温水層が徐々に厚くなる。

　また、本実施の形態に係る貯湯式給湯機では、貯湯タンク８内に貯留されている高温水の熱源を用いて、水源から供給される給水を加熱する給湯運転が行われる。図３は、本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の給湯運転時の回路構成図である。給湯運転は、蛇口などが開かれたことを受けて、給湯熱源ポンプ４８の運転を開始することにより実行される。その結果、貯湯タンク８の上部に貯留されている高温湯は、温水導出口８ｅから熱源導入配管４６ａを経由して給湯用熱交換器５２の一次側に導入される。この際、第２給水配管９ｂを流れる低温水は給湯用熱交換器５２の二次側に導入される。導入された低温水は給湯用熱交換器５２において一次側の高温湯との熱交換によって加熱され高温湯となる。高温湯となった後の給水は、給湯配管２１を経由して給湯栓３４へ供給される。このような給湯運転が実行されることで、蛇口などの混合水栓５１から連続して湯が出湯される。

　なお、本実施の形態に係る貯湯式給湯機において給湯運転が開始されると、制御部３６は、給湯流量センサ４９により検知される給湯側流量（すなわち給湯用熱交換器５２の二次側流量）に基づいて、給湯熱源ポンプ４８の回転数を調整するためのパルス幅変調（以下、ＰＷＭ）入力値を演算する。より詳しくは、制御部３６は、給湯温度が目標給湯温度となるための熱源側流量の目標流量を設定する。ここでは、給湯流量センサ４９により検知される給湯側流量が熱源側流量の目標流量とされる。そして、制御部３６は、給湯熱源流量センサ５０により検知される熱源側流量が目標流量となるためのＰＷＭ入力値を演算し、給湯熱源ポンプ４８の回転数を調整する。なお、上記熱源側流量の目標流量の設定は、給湯側流量に基づいて熱源側流量の目標流量を設定する設定手段の具体例を示している。

　次に、本実施の形態に係る貯湯式給湯機の特徴的動作について説明する。本実施の形態に係る貯湯式給湯機は、給湯運転時の給湯熱源ポンプ４８の制御に特徴を有している。以下、具体例を交えながら本実施の形態に係る貯湯式給湯機の給湯運転における給湯熱源ポンプ４８の制御について詳細に説明する。図４は、給湯熱源ポンプのＰＷＭ入力値に対する熱源側流量の関係を示す図である。制御部３６には、図４に示すような給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ入力値に対する熱源側流量Ｆｌの特性が予め記憶されている。使用者により混合水栓５１が操作されて給湯運転が開始されると、給湯流量センサ４９により現在の給湯側流量Ｆｋが検出される。そして、熱源側流量Ｆｌが検出された給湯側流量ＦｋとなるようなＰＷＭ入力値が図４に示す関係から特定される。制御部３６は特定されたＰＷＭ入力値を用いて給湯熱源ポンプ４８を動作させる。例えば、給湯運転における給湯流量センサ４９の検出値、すなわち給湯側流量Ｆｋが５Ｌ／ｍｉｎであれば、給湯熱源ポンプ４８は熱源側流量Ｙ＝５Ｌ／ｍｉｎとなる給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ値Ｘ＝５０％の入力で給湯熱源ポンプ４８を駆動させる。

　尚、上述した例では、給湯側流量Ｆｋと同量を熱源側流量Ｆｌの目標流量としてＰＷＭ入力値を算出したが、給湯用熱交換器５２における熱交換率を考慮して、熱源側流量Ｆｌの目標流量を給湯側流量Ｆｋよりも大流量に設定してもよい。つまり、例えば、給湯運転時の給湯側流量Ｆｋが５Ｌ／ｍｉｎであれば、給湯熱源ポンプ４８は熱源側流量Ｙ＝７Ｌ／ｍｉｎとなる給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ値Ｘ＝７０％の入力で給湯熱源ポンプ４８を駆動させてもよい。

　上述した制御によれば、給湯運転において、熱源側流量Ｆｌが検出された給湯側流量Ｆｋ以上となるように給湯熱源ポンプ４８の回転数が制御されるので、給湯側流量Ｆｋが変化した場合であっても、目標給湯温度を維持することができる。

　ここで、本実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯運転が行われていない期間に給湯熱源管路４６及び給湯用熱交換器５２の熱容量が低下していることがある。このような状態で給湯運転が開始されると、給湯温度が目標温度に到達するまでに時間を要してしまうという問題がある。そこで、給湯運転の開始から目標給湯温度に到達するまでの時間を短縮させるための対策として、例えば給湯運転における熱源側流量Ｆｌを給湯側流量Ｆｋよりも大きく設定することが考えられる。但し、熱源側流量Ｆｌを給湯側流量Ｆｋよりも大きくし過ぎると、無駄な中温水が貯湯タンク８に生成されてしまい、沸き上げ効率が悪化してしまう。

　そこで、本実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯運転が開始された直後の給湯開始期間（例えば、５秒間）は熱源側流量Ｆｌが給湯側流量Ｆｋよりも大きくなるように給湯熱源ポンプ４８を制御し、運転開始期間の経過後は熱源側流量Ｆｌが給湯側流量Ｆｋと同流量となるように給湯熱源ポンプ４８を制御することとする。また、給湯運転中に給湯側流量Ｆｋが変動した場合は、給湯側流量変動量ΔＦｋに応じて熱源側流量ΔＦｌを変化させるように給湯熱源ポンプの回転数を変動させる。例えば、給湯運転中に給湯側流量Ｆｋが５Ｌ／ｍｉｎから３Ｌ／ｍｉｎに変動した場合は、熱源側流量Ｆｌがその変動量ΔＦｋ＝２Ｌ／ｍｉｎと同じ流量分、すなわちΔＦｌ＝２Ｌ／ｍｉｎ分だけ減少するようにＰＷＭ値Ｘの入力を５０％から３０％へ減少させる。また、給湯運転中に給湯側流量Ｆｋが５Ｌ／ｍｉｎから８Ｌ／ｍｉｎに変動した場合は、熱源側流量Ｆｌがその変動量ΔＦｋ＝３Ｌ／ｍｉｎと同じ流量分、すなわちΔＦｌ＝３Ｌ／ｍｉｎ分増加するように、ＰＷＭ値Ｘの入力を５０％から８０％へ増加させる。

　このように、本実施の形態の貯湯式給湯機によれば、給湯運転が開始された直後の給湯開始期間は熱源側流量Ｆｌを給湯側流量Ｆｋよりも大きくして目標給湯温度に到達するまでの時間を有効に短縮することができる。また、給湯開始期間の経過後は熱源側流量Ｆｌが給湯側流量Ｆｋと同流量になるように給湯熱源ポンプ４８の回転数が制御されるので、無駄な中温水が残らず再沸き上げ時に効率の悪化を防ぐことができ、給湯温度の低下を招くことなく目標給湯温度の湯を出湯することが可能となる。

　次に、フローチャートを参照して本発明の実施の形態の貯湯式給湯機における給湯運転の具体的処理について詳細に説明する。図５は、本発明の実施の形態１において制御部３６により実行されるルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、給湯流量センサ４９が流量を検出したか否かが判定される（ステップＳ１）。その結果、給湯流量センサ４９未だ流量を検知していない場合には、本ステップが繰り返し実行される。

　一方、給湯流量センサ４９流量を検知した場合には、給湯運転が開始されたと判断されて、次のステップに移行し、給湯熱源ポンプ４８の回転数が最大回転数に制御される（ステップＳ２）。ここでは、具体的には、ＰＷＭ入力値Ｘが１００％（つまり最大出力）に制御されて熱源側流量Ｆｌが最大流量にされる。

　次に、給湯開始期間が経過したか否かが判定される（ステップＳ３）。給湯開始期間は、給湯運転が開始されてから予め定められた時間（例えば５秒）が経過するまでの期間である。その結果、未だ給湯開始期間が経過していないと判定された場合には、上記ステップＳ２に戻って給湯熱源ポンプ４８の制御が再度実行される。一方、上記ステップＳ３において給湯開始期間が経過したと判定された場合には、目標とする給湯温度の給湯運転が可能と判断されて、次のステップに移行し、給湯流量センサ４９を用いて現在の給湯側流量が検出される（ステップＳ４）。次に、給湯熱源ポンプ４８の回転数が補正される（ステップＳ５）。ここでは、具体的には、給湯側流量Ｆｋ＝熱源側流量Ｆｌとなるように給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ入力値Ｘが補正される。

　以上説明したように、本実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯運転の開始時に熱源側流量が最大となるように給湯熱源ポンプ４８の回転数が制御される。これにより、目標とする給湯温度に到達するまでの期間を有効に短縮することができる。また、本実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯運転の開始後、給湯開始期間が経過した場合に、給湯側流量Ｆｋ＝熱源側流量Ｆｌとなるように給湯熱源ポンプ４８の回転数が補正される。これにより、無駄な中温水が生成されることを抑制することができるので、沸き上げ効率の悪化を防ぐことが可能となる。

　以上、本発明の貯湯式給湯機について実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、本発明は上記の形態に限定されるものではない。すなわち、上述した実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯運転開始後の給湯開始期間に、熱源側流量が最大となるように給湯熱源ポンプ４８の回転数を最大回転数に制御することとした。しかしながら、給湯開始期間における給湯熱源ポンプ４８の回転数は最大回転数に限らず、少なくとも通常の給湯熱源ポンプ４８の制御における回転数よりも大きい回転数であればよい。

　また、上述した実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯開始期間として予め定められた期間を用いることとしたが、給湯温度を検出するセンサを備えることとし、当該検出された給湯温度が目標とする給湯温度に達するまでの期間を給湯開始期間としてもよい。

　また、上述した実施の形態の貯湯式給湯機では、給湯開始期間の経過後、給湯側流量Ｆｋ＝熱源側流量Ｆｌとなるように給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ値Ｘを補正することとしたが、給湯用熱交換器５２の熱交換率等を考慮して、例えば給湯側流量Ｆｋ＋２Ｌ／ｍｉｎ＝熱源側流量Ｆｌとなるように給湯熱源ポンプ４８のＰＷＭ入力値Ｘを補正することとしてもよい。

１　圧縮機、３　水冷媒熱交換器、４　膨張弁、５　冷媒循環配管、６　空気熱交換器、７　ＨＰユニット（加熱手段）、８　貯湯タンク、８ａ　水導入口、８ｂ　水導出口、８ｃ　温水導入口、８ｄ　温水導入口、８ｅ　温水導出口、８ｆ　温水導入口、９　給水管路、９ａ　第１給水配管、９ｂ　第２給水配管、９ｃ　第３給水配管、１０　水導出口配管、１２　熱源ポンプ、１３　送湯配管、１４　ＨＰ往き配管、１５　ＨＰ戻り配管、１６　バイパス配管、２１　給湯配管、３１　減圧弁、３３　タンクユニット、３４　給湯栓、３５　貯湯式給湯機、３６　制御部、４２，４３　貯湯温度センサ、４４　リモコン装置、４６　給湯熱源管路、４６ａ　熱源導入配管、４６ｂ　熱源導出配管、４８　給湯熱源ポンプ、４９　給湯流量センサ、５０　給湯熱源流量センサ、５１　混合水栓、５２　給湯用熱交換器

Claims (3)

1. 　湯水を貯留させる貯湯タンクと、
   　前記貯湯タンクに貯留される湯水を加熱する加熱手段と、
   　前記貯湯タンクの上部から供給される湯水と給湯水とを熱交換させるための給湯用熱交換器と、
   　前記給湯水を前記給湯用熱交換器を経由して給湯端末へ導く給水管路と、
   　前記貯湯タンクの上部から前記給湯用熱交換器を経由して前記貯湯タンクの下部へ導く給湯熱源管路と、
   　前記給湯熱源管路の湯水を循環させる給湯熱源ポンプと、
   　前記給水管路を流れる湯水の流量である給湯側流量を検知する給湯流量センサと、
   　前記給湯端末への給湯が行われる給湯運転において前記給湯熱源ポンプの出力を制御する制御部と、を備え、
   　前記制御部は、
   　前記給湯側流量に基づいて、前記給湯熱源管路を流れる湯水の流量である熱源側流量の目標流量を設定する設定手段を備え、
   　前記給湯運転が開始されたときに、開始直後の給湯開始期間は前記熱源側流量が前記目標流量よりも大流量となるように前記給湯熱源ポンプの出力を制御し、前記給湯開始期間の経過後は前記熱源側流量が前記目標流量となるように前記給湯熱源ポンプの出力を制御するように構成されて成る貯湯式給湯機。
2. 　前記制御部は、前記給湯運転が開始されたときに、前記給湯開始期間は前記給湯熱源ポンプの出力を最大出力に制御するように構成されて成る請求項１に記載の貯湯式給湯機。
3. 　前記設定手段は、前記目標流量を前記熱源側流量と同量に設定するように構成されて成る請求項１又は請求項２に記載の貯湯式給湯機。

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