JP5556555B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、沸き上げた湯と給水とを混合して所定温度の湯を作り、給湯に利用する給湯装置に関する。

従来、この種の給湯装置は、例えば図７のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。図７に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２と、貯湯槽１の上部に接続された第１の出湯管３と、貯湯槽１の中間部分に接続された第２の出湯管４と、給水を供給する給水管６と、この給水管６から分岐された給水分岐管７とを備えている。

さらに、前記第１の出湯管３からの水と第２の出湯管４からの水とを混合する第１の混合弁５と、前記第１の混合弁５の出口に接続された混合水管８と、前記混合水管８内の水温を検知する混合水温検知手段９と、前記混合水管８からの水と給水分岐管７からの水とを混合する第２の混合弁１０と、前記第２の混合弁１０の出口に接続された給湯管１１と、前記給湯管１１内の水温を検知する給湯温度検知手段１２と、前記給湯管１１への水温が予め設定された給湯設定温度になるように前記給湯温度検知手段１２の出力に基づいて前記第２の混合弁１０を制御するとともに、前記混合水管８を流れる水温が前記給湯設定温度よりも一定温度高い水温になるように前記混合水温検知手段９の出力に基づいて前記第１の混合弁５を制御する混合弁制御手段１３とを設けている。

特開２００５−２３３６１０号公報

しかしながら、３系統の異なる温度の水を混合して予め設定された温度の水を得る場合に、第１の混合弁５と第２の混合弁１０を用い、前段に設けられた第１の混合弁５の出口水温をこの設定温度に対して一定温度高く制御する前記従来の構成では、第１の混合弁５と第２の混合弁１０が同時に温度制御を行おうとすることで、動作が互いに干渉し合って各混合弁５、１０の出口で温度の揺らぎを生じやすく、設定温度に調整するのが難しい。

特に、給湯開始時や設定温度の変更時にはこの現象が顕著となり、給湯温のオーバーシュートやアンダーシュートが生じて、突然高温の湯が給湯されたりすることで、不快な温度揺らぎを与え、使用性を低下させるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、３系統以上の流路からの異なる温度の水を複数の混合弁を用いて混合し、所定の温度の水を得る際に、設定温度への制御性を向上させた給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、湯を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に給水する給水管と、前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から出湯する第１の出湯管と、前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から、前記第１の出湯管から出湯される湯水の温度以下の湯水が出湯する第２の出湯管と、前記第１の出湯管を流れる湯水と前記第２の出湯管を流れる湯水とを混合する中間混合弁と、前記中間混合弁から流出した湯水が流れる混合水管と、前記給水管から分岐して、水が流れる給水分岐管と、前記混合水管を流れる湯水と前記給水分岐管を流れる水とを混合する給湯混合弁と、前記給湯混合弁から流出した湯水が給湯端末へと流れる給湯管と、前記給湯端末から給湯される湯水の設定温度を設定する給湯温度設定手段と、前記中間混合弁と前記給湯混合弁との動作を制御する混合弁制御手段と、を備え、前記混合弁制御手段は、前記給湯管を流れる湯水の温度が前記設定温度となるように、前記給湯混合弁の開度を変更するとともに、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度以上となるように、前記中間混合弁の開度を変更し、前記混合弁制御手段は、前記中間混合弁の開度を、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度よりも高くなる所定開度に変更した後に、前記中間混合弁の開度を固定する区間を設けることを特徴とするものである。

本発明によれば、３系統以上の流路からの異なる温度の水を複数の混合弁を用いて混合し、所定の温度の水を得る際に、設定温度への制御性を向上させた給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図 同混合弁制御のブロック図 同中間混合弁動作のフローチャート 同給湯利用時の混合弁出口温度の変化を示した図 同第２の出湯管の有無による貯湯槽内の温度分布の変化を示した図 本発明の実施の形態２における給湯装置の構成図 従来の給湯装置の構成図

第１の発明は、湯を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽に給水する給水管と、前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から出湯する第１の出湯管と、前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から、前記第１の出湯管から出湯される湯水の温度以下の湯水が出湯する第２の出湯管と、前記第１の出湯管を流れる湯水と前記第２の出湯管を流れる湯水とを混合する中間混合弁と、前記中間混合弁から流出した湯水が流れる混合水管と、前記給水管から分岐して、水が流れる給水分岐管と、前記混合水管を流れる湯水と前記給水分岐管を流れる水とを混合する給湯混合弁と、前記給湯混合弁から流出した湯水が給湯端末へと流れる給湯管と、前記給湯端末から給湯される湯水の設定温度を設定する給湯温度設定手段と、前記中間混合弁と前記給湯混合弁との動作を制御する混合弁制御手段と、を備え、前記混合弁制御手段は、前記給湯管を流れる湯水の温度が前記設定温度となるように、前記給湯混合弁の開度
を変更するとともに、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度以上となるように、前記中間混合弁の開度を変更し、前記混合弁制御手段は、前記中間混合弁の開度を、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度よりも高くなる所定開度に変更した後に、前記中間混合弁の開度を固定する区間を設けることを特徴とする給湯装置で、設定温度への制御のために常に動作する流路最下流側の混合弁に対して、流路最下流側の混合弁より上流側に設けられた混合弁は、段階的に切り換えて動作頻度を少なくすることで、流路最下流側の混合弁との動作との干渉が解消され、流路最下流側の混合弁による設定温度への追随性が向上し、給湯温度の制御性が高まって給湯水温の揺らぎが小さくなるため、使用性の高い給湯性能を実現できる給湯装置を提供できる。また、少なくとも１個以上の貯湯槽を設け、前記貯湯槽の少なくとも２個所に接続された複数の出湯管と給水管から分岐された給水分岐管とで、３系統以上の流路を構成することを特徴とするもので、温度分布を有する貯湯槽から複数の温度域の水を利用して、例えば、貯湯槽内の温度成層を適切に保つことができ、効率的な給湯に寄与する。また、流路の一つを給水とすることで、貯湯槽内の水温との差を最大限確保することができるので、給湯温度の制御範囲を大きく確保し、所望の温度の給湯をしやすくする。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記所定開度は、前記第１の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量が、前記第２の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量よりも大きい第１所定開度と、前記第１の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量が、前記第２の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量よりも小さい第２所定開度と、を含むことを特徴とするものである。これにより、中間混合弁と給湯混合弁の動作が干渉し合うことがきわめて少なく、設定温度に対して安定した給湯温度の制御が可能となる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記混合弁制御手段は、前記第２の出湯管から出湯される湯水の温度が前記設定温度未満の場合に、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度以上となるように、前記中間混合弁の開度を段階的に変更することを特徴とするものである。これにより、中間混合弁と給湯混合弁の動作が干渉し合うことがきわめて少なく、設定温度に対して安定した給湯温度の制御が可能となる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明において、前記混合弁制御手段は、前記第１の出湯管の前記貯湯槽への接続位置近傍の前記貯湯槽の表面温度と、前記第２の出湯管の前記貯湯槽への接続位置近傍の前記貯湯槽の表面温度と、に基づいて、前記中間混合弁を動作させることを特徴とするもので、設定された前記流路最下流側の混合弁より上流側に設けられた混合弁の開度に応じて、前記混合弁からの出口水温を給湯前に計算し、予め前記混合弁を所定の開度に制御しておくことができるので、所定の給湯温度への制御が迅速となる効果がある。

なお、少なくとも１個以上の貯湯槽を設け、前記貯湯槽の少なくとも３個所に接続された複数の出湯管にて、３系統以上の流路を構成すると、温度分布を有する貯湯槽から複数の温度域の水を利用してたとえば貯湯槽内の温度成層を適切に保つことができ、効率的な給湯に寄与する。また、すべての系統を貯湯槽から出湯するので、貯湯槽の温度分布をより最適な状態に制御することが可能となり、貯湯槽内の湯を最後まで有効に利用することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第一の実施の形態における給湯装置の構成を示す図である。図１において、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２と、貯湯槽１の上部に接続され
た第１の出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管６と、第１の出湯管３と給水管６とが接続された位置の間、すなわち、貯湯槽１の胴部に接続された第２の出湯管４と、第１の出湯管３と第２の出湯管４とが入口側に接続された中間混合弁５と、給水管６から分岐された給水分岐管７と、中間混合弁５の出口側に接続された混合水管８と、この混合水管８と給水分岐管７とが入口側に接続された給湯混合弁１０と、この給湯混合弁１０の出口側に接続された給湯管１１と、この給湯管１１内の水温を検知する給湯温度検知手段１２と、第１の出湯管３が貯湯槽１に接続された位置近傍の貯湯槽１の表面温度を検知する第１の貯湯温検知手段１４と、第２の出湯管４が貯湯槽１に接続された位置近傍の貯湯槽１の表面温度を検知する第２の貯湯温検知手段１５と、中間混合弁５と給湯混合弁１０とを制御する混合弁制御手段１３とが設けられている。

図２は、混合弁制御手段１３のブロック図を示し、第１の貯湯温検知手段１４と貯湯温検知手段１５の出力に基づいて中間混合弁５を制御する中間混合弁制御手段１６と、給湯温度検知手段１２の出力と給湯温度設定手段１７とで設定された設定温度に基づいて、給湯混合弁１０を制御する給湯混合弁制御手段１８とからなる。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、運転を開始すると、貯湯槽１の水が加熱手段２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が貯湯槽１に戻される。これによって貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。

沸き上げ後の給湯利用の際には、第１の出湯管３と第２の出湯管４を通じて出湯される貯湯槽１の湯と給水分岐管７からの給水を、中間混合弁５および給湯混合弁１０によって設定温度に混合されて給湯される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管６を通じて貯湯槽１下部から流入する。

ここで、この給湯利用時の動作を図３〜図５を用いて説明する。

図３は中間混合弁５の制御のフローチャートである。ｔｓは給湯温度設定手段１７で設定された設定温度である。ｔｔ１とｔｔ２はそれぞれ第１の貯湯温検知手段１４と第２の貯湯温検知手段１５で検知された温度である。中間混合弁５は、設定温度と２つの検知温度に基づいて制御される。

ｔｔ２が設定温度ｔｓ以上の場合は（ステップ１）、第２の出湯管４からのみ中間混合弁５に湯を流入させるために、第２の出湯管４側を全開に制御する（ステップ２）。ステップ１でｔｔ２が設定温度ｔｓ未満の場合、ｔｔ２に０．７を乗じた値とｔｔ１に０．３を乗じた値との和が設定温度ｔｓ以上かどうかを比較し（ステップ３）、それが成立していれば、第２の出湯管４から中間混合弁５への流入が７０％の流量比となる開度に制御する（ステップ４）。

このとき、第１の出湯管３からの流入比は３０％である。ステップ３が成立していない場合は、さらにｔｔ２に０．３を乗じた値とｔｔ１に０．７を乗じた値との和が設定温度ｔｓ以上かどうかを比較し（ステップ５）、それが成立していれば、第２の出湯管４から中間混合弁５への流入が７０％の流量比となる開度に制御する（ステップ６）。ステップ５を満足しない場合は中間混合弁５に流入する湯は第１の出湯管３からのみとするため、第１の出湯管３側を全開にする（ステップ７）。

以上の動作は、運転中繰り返し行われ、中間混合弁５はｔｔ１とｔｔ２の値に応じて段階的に開度を切り換えられる。

図４は、中間混合弁５と給湯混合弁１０の出口水温ｔｍ、ｔｓおよび第１の出湯管３と第２の出湯管４の接続位置近傍の貯湯槽１の壁表面温度ｔｔ１、ｔｔ２（それぞれ第１の出湯管３と第２の出湯管４に流れる水温とみなされる）について給湯に伴う時間的な変化を示した図である。

給湯されることによって、貯湯槽１に流入する給水と貯えられている湯との間には、水の熱伝導と熱対流に起因するそれらの中間の温度の水（中温水）が存在し、時間の経過によりそれが拡大するが、この中温水をできるだけ少なくして温度成層を保つことが有効に湯を使用するために重要である。したがって、第２の出湯管４を通じて、中温水を貯湯槽１の中間部から優先的に給湯に利用する。

図中に示した（ａ）は貯湯槽１内に湯が十分に残っていて、第２の出湯管４が接続された位置で給湯の設定温度ｔｓ以上の湯が得られる区間である。この場合、中間混合弁５は第２の出湯管４からの入口を全開にして貯湯槽１中間部の湯をそのまま通過させる。給湯混合弁１０は給湯温度検知手段１２の出力に応じて低温（ｔｓｕｐ）の給水を混合することで設定温度ｔｓの湯をつくる。

第２の出湯管４からの水温ｔｔ２が次第に低下し、設定温度ｔｓを下回ると中間混合弁５の開度を変更し、第１の出湯管３からの湯を３割混合して、中間混合弁５の出口水温ｔｍを上昇させる。第２の出湯管４と第１の出湯管３との混合比を７：３にする（ｂ）の区間である。

さらに、第２の出湯管４からの水温ｔｔ２が低下すると、第１の出湯管３からの湯を７割に切り換えるように中間混合弁５の開度を制御する。（ｃ）の区間である。この混合比でｔｓを下回るようになると、以降、貯湯槽１内に供給できる湯がなくなるまで、（ｄ）に示すように、中間混合弁５を通過させる湯を第１の出湯管３からだけとする。

以上のように、給湯混合弁１０は設定温度ｔｓに水温を制御するため、常時開度を調整しているが、中間混合弁５はｔｔ１とｔｔ２の組み合わせに応じて３回だけ開度を切り換える。したがって、中間混合弁５と給湯混合弁１０の動作が干渉し合うことがきわめて少なく、設定温度にｔｓに対して安定した給湯温度の制御が可能となる。

図５は、補足として貯湯槽１内の温度分布の第２の出湯管４の有無による違いを説明したものである。上の段は第２の出湯管４がない場合に、貯湯槽１内の温度分布が給湯によってどのように変化するかを示し、下の段は第２の出湯管４がある場合である。

第２の出湯管４がない場合は、時間の経過に伴い中温水が拡大し、給湯に利用できない温度の湯が増加するのに対し、第２の出湯管４によると下段に示したように中温水が優先的に利用され、貯湯槽１内に高温の湯が多く残るため、貯湯槽１の容量を有効に利用できる。

このように、本発明の第１の実施の形態によれば、貯湯槽１内の湯を有効に利用するために、貯湯槽１の中間部分から中温水を優先的に利用する構成において、複数の流路からの水を混合して所定の温度の水を生成する場合に、設定温度への制御性に優れ、使用性の高い給湯装置を提供することができるものである。

（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態における給湯装置の構成を示す図である。第１の実施の形態の構成に第２の貯湯槽１９を加え、第２の出湯管４を、この第２の貯湯槽１９の
頂部に設けている。さらに、第３の出湯管２０を第２の貯湯槽１９の底部に設け、第１の出湯管３、第２の出湯管４、第３の出湯管２０の流路からの水を中間混合弁５と給湯混合弁１０によって設定温度の水を生成する構成である。

動作と主な効果は第１の実施の形態で説明したものと同様である。異なる効果としては第１の実施の形態での給湯混合弁１０が、給水を利用して設定温度を生成する場合に比べて、第３の出湯管２０からの水温が高くなっている場合に、制御性を損ねる場合があるが、貯湯槽１９内の水を最後まで利用することができるため、貯湯槽１、１９に貯えられた湯をより有効に利用することができる。また、第２の出湯管４を短くできるため、配管からの放熱を抑えることができる効果もある。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、複数の混合弁による給湯温度制御において設定温度への制御性が向上するので、前記したような家庭用の給湯装置に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた給湯温度制御性を提供できる。

１ 貯湯槽
２ 加熱手段
３ 第１の出湯管
４ 第２の出湯管
５ 中間混合弁
６ 給水管
７ 給水分岐管
８ 混合水管
１０ 給湯混合弁
１１ 給湯管
１２ 給湯温度検知手段
１３ 混合弁制御手段
１４ 第１の貯湯温検知手段
１５ 第２の貯湯温検知手段
１９ 第２の貯湯槽
２０ 第３の出湯管

Claims (4)

1. 湯を貯える貯湯槽と、
   前記貯湯槽に給水する給水管と、
   前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から出湯する第１の出湯管と、
   前記貯湯槽に接続され、前記貯湯槽から、前記第１の出湯管から出湯される湯水の温度以下の湯水が出湯する第２の出湯管と、
   前記第１の出湯管を流れる湯水と前記第２の出湯管を流れる湯水とを混合する中間混合弁と、
   前記中間混合弁から流出した湯水が流れる混合水管と、
   前記給水管から分岐して、水が流れる給水分岐管と、
   前記混合水管を流れる湯水と前記給水分岐管を流れる水とを混合する給湯混合弁と、
   前記給湯混合弁から流出した湯水が給湯端末へと流れる給湯管と、
   前記給湯端末から給湯される湯水の設定温度を設定する給湯温度設定手段と、
   前記中間混合弁と前記給湯混合弁との動作を制御する混合弁制御手段と、を備え、
   前記混合弁制御手段は、前記給湯管を流れる湯水の温度が前記設定温度となるように、前記給湯混合弁の開度を変更するとともに、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度以上となるように、前記中間混合弁の開度を変更し、
   前記混合弁制御手段は、前記中間混合弁の開度を、前記第１の出湯管からの流入量が増大して前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度よりも高くなる所定開度に変更した後に、前記中間混合弁の開度を固定する区間を設けることを特徴とする給湯装置。
2. 前記所定開度は、
   前記第１の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量が、前記第２の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量よりも大きい第１所定開度と、
   前記第１の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量が、前記第２の出湯管から前記中間混合弁への湯水の流入量よりも小さい第２所定開度と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記混合弁制御手段は、前記第２の出湯管から出湯される湯水の温度が前記設定温度未満の場合に、前記混合水管を流れる湯水の温度が前記設定温度以上となるように、前記中間
   混合弁の開度を段階的に変更することを特徴とする請求項１または２に記載の給湯装置。
4. 前記混合弁制御手段は、前記第１の出湯管の前記貯湯槽への接続位置近傍の前記貯湯槽の表面温度と、前記第２の出湯管の前記貯湯槽への接続位置近傍の前記貯湯槽の表面温度と、に基づいて、前記中間混合弁を動作させることを特徴とする請求項２または３に記載の給湯装置。
   

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