(57)【要約】【課題】給湯温度を正確かつ微細に制御可能で快適に使用できる貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】貯湯タンク２上部に接続された出湯管７からの湯と給水バイパス管２５からの水とを給湯設定温度になるよう混合する混合弁２６と、給湯設定温度を設定するリモートコントローラ５とを備えた貯湯式給湯装置において、混合弁２６は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネ３４とこれに対抗するバイアスバネ３５の合力によって可動弁体３６を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部３７と、弁機構部３７へ与える荷重を変更するステッピングモータ３８と、給湯設定温度に応じてステッピングモータ３８を駆動して弁機構部３８への予荷重を変更して混合湯の温度を変更するＦＦ制御部３９と、給湯温度と給湯設定温度の差に応じてステッピングモータ３８を駆動して弁機構部３７への荷重を補正するＦＢ制御部４０とで構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンクの下部に給水する給水管と、前記貯湯タンクの上部から出湯する出湯管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯と前記給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるよう混合する混合弁と、前記給湯設定温度を設定するリモートコントローラとを備えた貯湯式給湯装置において、前記混合弁は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するためのステッピングモータと、前記給湯設定温度に応じて前記ステッピングモータを駆動して予め前記弁機構部へ与える予荷重を変更して前記弁機構部から出湯する混合湯の温度を変更させるＦＦ制御部と、前記混合弁の下流に設けられた給湯温度センサで検出する給湯温度と前記給湯設定温度の差に応じて前記ステッピングモータを駆動して前記弁機構部へ与える予荷重を微調整するＦＢ制御部とで構成したことを特徴とする貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式電気温水器や貯湯式ヒートポンプ給湯機等の貯湯式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の貯湯式給湯装置においては、特許文献１に示すように、貯湯タンクからの湯水と給水バイパス管からの給水とを混合弁で混合して給湯設定温度に調整して給湯しているものであった。この混合弁は、コック式の弁体をモータで回転させることで湯水の混合比率を変更するもので、混合湯の温度を給湯温度センサで検出して給湯設定温度と一致するようにフィードバック制御によってモータで弁体を回転させて微調整を行っているものであった。
【特許文献１】特開２００２−４８４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この従来のものでは、給湯温度センサで給湯温度を検出してから給湯温度が給湯設定温度に一致するように湯と水の混合比を調整するものであるため、制御遅れが必ず発生する。制御遅れを小さくしようとするとハンチングが生じ、給湯温度が大幅にオーバーシュートしたりアンダーシュートしてしまう。そこで、本発明は給湯温度を正確かつ微細に温調制御が可能で快適に使用できる貯湯式給湯装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記課題を解決するために、湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンクの下部に給水する給水管と、前記貯湯タンクの上部から出湯する出湯管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯と前記給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるよう混合する混合弁と、前記給湯設定温度を設定するリモートコントローラとを備えた貯湯式給湯装置において、前記混合弁は、混合湯の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネとこの形状記憶合金バネに対抗するバイアスバネの合力によって可動弁体を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部と、この弁機構部へ与える荷重を変更するためのステッピングモータと、前記給湯設定温度に応じて前記ステッピングモータを駆動して予め前記弁機構部へ与える予荷重を変更して前記弁機構部から出湯する混合湯の温度を変更させるＦＦ制御部と、前記混合弁の下流に設けられた給湯温度センサで検出する給湯温度と前記給湯設定温度の差に応じて前記ステッピングモータを駆動して前記弁機構部へ与える予荷重を微調整するＦＢ制御部とで構成したものとした。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、形状記憶合金バネの熱容量が小さいと共に熱伝導性が高いので給湯温度の追随性が良く、再出湯時の給湯温度のオーバーシュート、アンダーシュートが激減すると共に、停電時でも給湯設定温度での給湯が可能である。さらに、貯湯タンク内の温度境界層部分が出湯されて出湯温度が刻々と変化するような状況であっても、ステッピングモータで弁機構部へ与える荷重を微調整するため制御性が良好で正確かつ微細な温調制御が可能であると共に、微細な荷重調整を繰り返し行っても弁位置をほぼ正確にコントロールできポテンショメータのような摺動部がないため信頼性と耐久性が高く混合弁が長寿命となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、本発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づいて説明する。この貯湯式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプユニット等の加熱手段、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５は給湯設定温度を設定したりふろ運転を指示したりするためのリモートコントローラ、６は浴槽である。
【０００７】
前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管７と、下端に給水管８とが接続され、さらに、前記加熱手段３と循環可能に接続する往き管９が下部に、戻り管１０が上部に接続されている。また、往き管９の途中には貯湯タンク２内の湯水を加熱手段３へ循環させる積層ポンプ１１が設けられ、給水管８途中には給水圧を所定圧力まで減圧する減圧弁１２が設けられ、出湯管７途中には貯湯タンク２内の過圧を逃がす逃し弁１３が設けられている。
【０００８】
そして、前記積層ポンプ１１によって往き管９から取り出した貯湯タンク２内下部の湯水を前記加熱手段３で沸き上げ、戻り管１０から貯湯タンク２内上部に戻して貯湯される。そして給湯栓４が開かれると、給水管８からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管７から押し出されて給湯されるものである。
【０００９】
前記加熱手段３は、冷媒を圧縮する圧縮機１４とガスクーラとしての水−冷媒熱交換器１５と減圧手段としての電子膨張弁１６と強制空冷式の蒸発器１７で構成されたヒートポンプ回路１８と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１９とを備えており、ヒートポンプ回路１８内には冷媒として二酸化炭素が用いられ、高圧側で臨界圧力を越える超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。これによって、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。
【００１０】
次に、２０は前記浴槽６の湯水を加熱するためのステンレス製の蛇管よりなるふろ熱交換器で、この熱交換器２０にはふろ往き管２１およびふろ循環ポンプ２２を有したふろ戻り管２３が接続されて浴槽６の湯水が循環可能にされ、浴槽６内の湯水が貯湯タンク２内の高温水により加熱されて保温あるいは追焚きが行われるものである。なお、２４はふろ戻り管２３を循環する浴槽水の温度を検出するふろ温度センサである。
【００１１】
そして、リモートコントローラ５からふろ運転の指令が出されるとふろ循環ポンプ２２が駆動され、ふろ温度センサ２４で所望の温度を検出するとふろ循環ポンプ２２が停止されて運転が完了する。この時、ふろ熱交換器２０の最上部より下方の湯水は浴槽水との熱交換で温度低下することとなる。
【００１２】
次に、２５は前記給水管８から分岐されて貯湯タンク２をバイパスする給水バイパス管、２６は前記出湯管７からの湯水と前記給水バイパス管２５からの水とを混合してその下流の給湯管２７へ給湯する混合弁、２８はこの混合弁２６の下流の給湯管２７に設けられた給湯温度センサ、２９は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタである。
【００１３】
次に、３０は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅと呼び、この貯湯温度センサ３０が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。
【００１４】
３１は日々の使用熱量や残熱量から深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ熱量とピークシフト時刻を演算して加熱手段３へ沸き上げ開始と停止の指示を行うと共に、昼間時間帯に前記貯湯温度センサ３０で検出する貯湯タンク２の残熱量が所定量を下回ると所定の沸き増し運転を開始させる貯湯制御部である。
【００１５】
３２は給湯温度がリモートコントローラ５で設定された給湯設定温度になるように混合弁２６を制御する給湯制御部である。
【００１６】
前記混合弁２６は、ケーシング３３と、混合後の湯水の温度に応じてバネ定数が変化する形状記憶合金バネ３４とこの形状記憶合金バネ３４に対抗する一定のバネ定数を有するバイアスバネ３５の合力によって可動弁体３６を移動させて湯水の混合比を調節する弁機構部３７とで構成されている。形状記憶合金バネ３４は、温度に応じて弾性係数が変化するニッケル・チタン合金などからなり、コイルスプリング状に形成されている。
【００１７】
そして、この混合弁２６は一端側からバイアスバネ３５、可動弁体３６、形状記憶合金バネ３４の順に配置され、可動弁体３６付近のバイアスバネ３５側から弁機構部３７内に導入された貯湯タンク２からの高温水と可動弁体３６付近の形状記憶合金バネ３４側から弁機構部３７内に導入された給水バイパス管２５からの給水とが混合され、混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ３４のバネ定数が変化することによってバネ力も変化し、可動弁体３６を挟んで対抗して設けられているバイアスバネ３５のバネ力と平衡することで、所定の弁開度位置で可動弁体３６が静止して所定の温度の湯を給湯するものである。
【００１８】
ここで出湯管７側の出湯温度が上がると混合後の湯温が上がり、それに伴って混合湯雰囲気内に配置されている形状記憶合金バネ３４のバネ定数が増大して形状記憶合金バネ３４が以前より伸びた状態でバイアスバネ３５と平衡し、可動弁体３６が湯側開度を減少し水側開度を増大した位置で静止するため、給水バイパス管２５側の弁開度が大きくなり、出湯管７側の弁開度が小さくなって形状記憶合金バネ３４の作用によって自動的に所定の温度に調整される。
【００１９】
また、混合弁２６外部のバイアスバネ３５側には、この弁機構部３７へ与える荷重を変更するためのステッピングモータ３８が設けられており、ステッピングモータ３８を一方向へ駆動することによって弁機構部３７への荷重を増してバイアスバネ３５および形状記憶合金バネ３４を圧縮し、ステッピングモータ３８を他方向へ駆動することで弁機構部３７への荷重を減らしてバイアスバネ３５および形状記憶合金バネ３４を伸張する。このように弁機構部３７へ与える荷重を変更することで形状記憶合金バネ３４とバイアスバネ３５が平衡する位置を大まかに調整し、給湯温度を変更可能としている。
【００２０】
前記給湯制御部３２には、前記リモートコントローラ５で設定される給湯設定温度に応じて前記ステッピングモータ３８を駆動して予め前記弁機構部３７へ与える予荷重を変更して前記弁機構部３７から出湯する混合湯の温度をフィードフォワード制御によって変更させるＦＦ制御部３９と、前記混合弁２６の下流に設けられた給湯温度センサ２８で検出する給湯温度と前記給湯設定温度の差に応じて前記ステッピングモータ３８を駆動して前記弁機構部３７へ与える荷重をフィードバック制御によって微調整するＦＢ制御部４０とが設けられている。
【００２１】
そして、給湯設定温度がリモートコントローラ５で設定されると、ＦＦ制御部３９によって給湯設定温度に応じた予荷重を弁機構部３７へ付加するようステッピングモータ３８が駆動される。そして給湯栓４が開かれて給湯が開始されると、貯湯タンク２からの高温水が出湯管７を介して混合弁２６へ流入すると同時に給水バイパス管２５からの給水も混合弁２６へ流入し、予め給湯設定温度に応じた予荷重が与えられた弁機構部３７は形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度が給湯設定温度で形状記憶合金バネ３４のバネ力とバイパスバネ３５のバネ力とが平衡し、可動弁体３６が静止して湯水の混合比率が決まる。
【００２２】
このとき、出湯管７には貯湯タンク２内の高温水が混合弁２６へ到達するまでの間に、出湯管７内部に残留する湯水が存在する。この残留水は貯湯タンク２内の温度に比べ同等か低くなるのが常であり、給湯開始初期に給湯温度をアンダーシュートさせてしまうと共に、残留水が出きった後に湯側の温度が急上昇するために給湯温度をオーバーシュートさせてしまう要因となっていたが、形状記憶合金バネ３４は弁機構部３７内部の温度自体で機械的に混合比率が調整されると同時に、形状記憶合金バネ３４の熱容量が小さいと共に熱伝導性が高いため迅速に混合比率が機械的に調整されるので、残留水が流入している間は湯側を大きく開き給湯設定温度に近づけ給湯温度のアンダーシュートを著しく軽減できると共に、残留水が出きって貯湯タンク２内の高温水が流入すると形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ３４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがない。
【００２３】
また、前回の給湯終了から時間が経過して出湯管７の残留水が給湯設定温度以下まで低下してしまっている場合は、給湯開始初期には給湯設定温度以下の出湯管７の残留水と給水バイパス管２５からの給水とが混合されるため形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度は給湯設定温度以下となり形状記憶合金バネ３４がバイアスバネ３５のバネ力により圧縮されて湯側の開度が広げられる。そのことによって出湯管７内の残留水が素早く排出され、貯湯タンク２内の高温水が混合弁２６内に流入するまでの時間を短縮できる。そして、貯湯タンク２内の高温水が混合弁２６内に流入すると形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ３４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがない。
【００２４】
ところで、この混合弁２６はケーシング３３と形状記憶合金バネ３４とバイアスバネ３５と可動弁体３６とが相互に作用して構成されているため、多数のパーツそれぞれのバラツキが積算して混合弁２６全体の性能のバラツキが出やすいものである。しかし、給湯が開始され混合後の給湯温度センサ２８で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれている場合は、ＦＢ制御部４０がこの温度偏差に応じてステッピングモータ３８を駆動して弁機構部３７へ与えている予荷重を微調整するようにしているため、混合弁２６自体のバラツキを制御で吸収することが可能となり、製品毎にバラツキのない一定の温度を給湯する貯湯式給湯装置とすることができる。
【００２５】
また、主に深夜電力で沸き上げた湯を貯めて昼間に給湯する貯湯式給湯装置であるため、混合弁２６の湯側に供給される湯の温度は経時的に変化する。特に、貯湯タンク２内の湯と水の温度境界層は時間が経つ連れて中間温度部分が増大し、貯湯タンク２内の上部の８０℃以上の温水と下部の１０℃程度の給水との間の温度境界層は深夜沸き上げ完了直後は薄く高さ方向の温度変化も急峻であっても、時間が経過するに従って熱伝導によって温度境界層が厚く高さ方向の温度変化が鈍っていくものである。
【００２６】
このような高さ方向に温度分布を持った貯湯タンク２内の温水を用いて給湯するため、混合弁２６の湯側の温度が刻々と変化する特性を有しており、温度境界層の湯を給湯に用いている状況では、混合後の給湯温度センサ２８で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれると、ＦＢ制御部４０がこの温度偏差に応じてステッピングモータ３８を駆動して弁機構部３７へ与えている予荷重を微調整するので、熱源の温度が刻々と変化しても給湯温度を一定に保つことが可能である。
【００２７】
このとき、熱源の温度変化が激しいと予荷重を頻繁に微調整する必要が出てくるが、予荷重を調整するためのモータをステッピングモータ３８で構成しているので、細かく微調整できると共に、ポテンショメータ付ＤＣモータのようにモータの回転角の検出のための抵抗やブラシの摺動部が不要なため確実で信頼性、耐久性の高い微細な調整が可能で、貯湯式給湯装置の製品寿命も長くなるものである。
【００２８】
この一実施形態のように貯湯タンク２の湯水を熱源としたふろ熱交換器２０を有したものは、貯湯タンク２内にさらに温度分布が発生するため熱源の温度変化がさらに激しく、本発明の混合弁２６を用いた効果がより顕著となるものである。
【００２９】
また、給湯量が多くなって貯湯タンク２内の残湯量が少なくなっていることを前記貯湯制御部３１が検出すると、前記貯湯制御部３１は加熱手段３を駆動して貯湯タンク２下部の低温水を加熱して貯湯タンク２上部へ積層して貯湯する沸き増し運転を行う。沸き増し運転が行われると、沸き増し運転によって貯湯タンク２上部に貯められた高温水が出湯されるため、それまで温度低下し続けていた出湯管７からの出湯温度が急激に上昇する。このように急激に温度上昇した場合にあっても本発明の混合弁２６によれば、形状記憶合金バネ３４の雰囲気温度が上昇するのでそれに同調してバネ定数が変化し、湯側の開度を狭めるように形状記憶合金バネ３４が迅速に伸張するため、給湯温度がオーバーシュートすることがないと共に、混合後の給湯温度センサ２８で検出する温度が給湯設定温度から一定以上ずれている場合は、ＦＢ制御部４０がこの温度偏差に応じてステッピングモータ３８を駆動して弁機構部３７へ与えている予荷重を微調整するようにしているため、給湯温度を一定に保つことが可能である。
【００３０】
さらに本発明の貯湯式給湯装置によると、停電時のステッピングモータ３８が駆動できない状況であっても、混合弁２６は主に形状記憶合金バネ３４によって湯水の混合比率を調節しているため、以前に設定した給湯設定温度の給湯を行うことができる。
【００３１】
なお、本発明はこの一実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で改変することを妨げるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態の貯湯式給湯装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３３】
２  貯湯タンク
５  リモートコントローラ
７  出湯管
８  給水管
２５  給水バイパス管
２６  混合弁
２８  給湯温度センサ
３４  形状記憶合金バネ
３５  バイアスバネ
３６  可動弁体
３７  弁機構部
３８  ステッピングモータ
３９  ＦＦ制御部
４０  ＦＢ制御部
【図１】
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