WO2012164600A1 - 給湯システム - Google Patents

Abstract

　制御基板の大きさをコンパクトにするとともに、貯湯タンク内の温度等を的確に検出して貯湯量等の検出できる給湯システムを得る。　湯を貯めるための貯湯タンク７と、貯湯タンク７の高さ方向に取り付けられ、それぞれ取り付けられた位置における温度を検出する複数の温度センサ８ａ～８ｆと貯湯タンク７の湯を加熱する親機側給湯装置１、子機側給湯装置４と、各給湯装置を制御する制御手段を搭載する親機側制御基板３、子機側制御基板６とを備え、複数の温度センサ８ａ～８ｆが送る信号を、親機側制御基板３、子機側制御基板６に分散して入力させ、各制御基板間を伝送線１１で通信接続する。

Description

給湯システム

　この発明は、水を加熱して貯湯タンクに貯湯し、貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成した給湯システムに関する。

　従来のヒートポンプ給湯機装置では貯湯タンクの貯湯量を把握するために、複数の貯湯タンクを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互にして連通し、各貯湯タンク内には内部の水温を計測するサーミスタ等の温度センサ（事例では６個）を設け、各温度センサと設定温度との比較から貯湯量を判断していた（例えば、特許文献１参照）。

特許第４１３９８２６号（第９頁、第１図）

　特許文献１の給湯装置においては、貯湯タンクを複数個に分割し、各貯湯タンク内に温度センサを設けている。また、給湯装置とは別に設けた制御手段により、給湯装置の運転制御を行っている。各貯湯タンク内に設けられた温度センサ（事例では６個）からの出力は、給湯装置が有する基板を経由して制御手段に入力される。したがって、温度センサーが６個あるので、６個の入力に対する受け入れおよび制御手段への出力（１個以上）を出すことができる基板（７個以上の入出力）が必要となる。このため、基板の寸法が大きくなる。また、製造コストが増え、給湯装置の制御ボックスが大きくなり、場合によっては給湯装置自体の寸法も大きくなる可能性がある。また、各貯湯タンク内の温度センサの入力を給湯装置に経由する配線の他に、給湯装置から制御手段への配線する工事も必要であった。

　このため、この発明は、基板の大きさをコンパクトにするとともに、貯湯タンク内の温度等を的確に検出して貯湯量等の検出できる給湯システムを得るようにしたものである。

　この発明に係る給湯システムは、湯を貯めるための貯湯タンクと、貯湯タンクの高さ方向に取り付けられ、それぞれ取り付けられた位置における温度を検出する複数の温度センサと貯湯タンクの湯水を加熱する複数の給湯装置と、各給湯装置を制御する制御手段及び温度センサからの信号を入力するための入力ポートを有する制御基板とを備え、複数の温度センサが送る信号を、複数の制御基板に分散して入力させ、各制御基板間を通信接続する。

　この発明に係る給湯システムによれば、温度センサからの信号を、複数の制御基板に分散して入力させるようにし、各制御基板を通信可能に接続するようにしたので、各制御基板の信号のポート数を少なくすることができる。このため、各制御基板をコンパクトな基板で構成することができ、またコストも低減することができる。例えば貯湯タンクには、例えば４～６個の温度センサを取り付けるが、２つの制御基板を有する場合には、２～３つの信号を入力できるように、例えば入力ポート数が３つの制御基板で構成することができる。

この発明の実施の形態１における給湯システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２における給湯システムの構成を示す図である。

実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１における給湯装置と貯湯タンクとを有する給湯システムの構成を示す図である。実施の形態１における給湯システムにおいては、図１に示すように、２台の給湯装置で、水の加熱等、給湯に係る処理を行う。２台の給湯装置について、本実施の形態では、一方を親機側給湯装置１とし、他方を子機側給湯装置４とし、親機側給湯装置１が主として給湯に係る運転を行うものとする。ここで、特に限定するものではないが、本実施の形態の親機側給湯装置１及び子機側給湯装置４は、圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を配管接続して冷媒を循環させるヒートポンプ回路（冷媒回路）を構成する。そして、凝縮器において冷媒を放熱させて熱交換により水を加熱する。

　図１において、親機側給湯装置１は、親機側制御ボックス２内に親機側制御基板３を備えている。また、子機側給湯装置４は、子機側制御ボックス５内に子機側制御基板６を備えている。親機側制御基板３は、親機側給湯装置１を構成する各機器の制御を行うコンピュータ等の制御手段を有する基板である。同様に、子機側制御基板６は、子機側給湯装置４を構成する各機器の制御を行う基板である。親機側制御基板３は、制御を行うために貯湯タンク７に設けた、例えばサーミスタ等の温度センサ８ａ～８ｆの検出に係る温度をデータとして利用する。親機側制御基板３、子機側制御基板６と温度センサ８ａ～８ｆの接続については後述する。

　貯湯タンク７は、親機側給湯装置１、子機側給湯装置４の加熱に係る湯を貯めておくタンクである。例えば、貯湯タンク７には給水配管（図示せず）、出湯配管（図示せず）等が接続されており、給水管により貯湯タンク７下部から給水し、出湯管により給湯負荷に対する出湯がなされる。ここで、本実施の形態の貯湯タンク７は密閉型とする。

　また、密閉型の貯湯タンク７内に、貯湯タンク７内の上部から下部にかけて（高さ方向）温度センサ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ及び８ｆをそれぞれ配置している。温度センサ８ａ～８ｆは、貯湯タンク７内における貯湯量等を検出するための温度検出手段である。例えば、温度センサ８ｂと温度センサ８ｃとで所定以上の温度差があると判断すると、温度センサ８ｂと温度センサ８ｃとの間の位置に水面があるものと判断することができる。温度センサ８ａ～８ｆは温度により電気抵抗が変化し、検出に係る温度により、例えば４～２０ｍＡの直流の信号として出力する。

　ここで、実施の形態１では、親機側給湯装置１が主となって貯湯タンク７内の湯の温度等に基づいて制御を行うことから、制御を行うために必要となる位置の温度センサ８の温度に係る信号が優先的に親機側制御基板３に入力されるようにする。基本的には最上部及び最下部の位置が必要となる。また、１つの基板に結線して信号を入力する数としては、２～３が適切である。そこで、本実施の形態では、温度センサ８ａ、８ｂ及び８ｆが検出した温度に係る信号を親機側給湯装置１が有する親機側制御基板３に入力させるために９ａ，９ｂ，９ｃの連絡線で接続する。そして、貯湯タンク７内の温度センサ８ｃ、８ｄ及び８ｅが検出した温度に係る信号について、子機側給湯装置４が有する子機側制御基板６に入力させるために１０ａ，１０ｂ，１０ｃの連絡線で接続する。そして、例えば親機側制御基板３が温度センサ８ａ～８ｆの検出に係る温度のデータを得ることができるように、親機側給湯装置１の親機側制御基板３と子機側給湯装置４の子機側制御基板６との間で通信するための伝送線１１を連結する。

　例えば、福祉施設、病院、ホテル、寮、研修センター、ゴルフ場などに、業務用として利用する給湯システムがある。１台の給湯装置の容量として２０ＨＰ程度（加熱能力４０ｋＷ程度）を考えると、複数台の給湯装置により構成する給湯システムの割合は業務用の給湯システム全体の約７０％程度に及ぶ。

　ここで、貯湯タンク内の貯湯量を正確に把握するためには、貯湯タンク内の高さ方向に、温度検出手段となる温度センサを４～６個以上設置することが望ましい。ただ、例えば１台の給湯装置に、６個の温度センサからの信号を入力するような制御基板を設けるものとすると、制御基板が大きくなり、コストアップの要因等となる。

　そこで、本実施の形態の給湯システムは、上述したように、複数台の給湯装置を用いてシステムを構成する割合が多いことから、（危険分散も考慮して）１台の給湯装置について、例えば貯湯タンク内の３つの温度センサから連絡線を介して信号を入力可能な制御基板にするものである。そして、（危険分散も考慮して）複数の給湯装置に分散して信号が入力されるようにし、さらに各給湯装置の制御基板間を伝送線で接続して通信を行うことができるようにするものである。

　また、制御を行うために必要となる位置の温度センサ８の温度に係る信号を優先的に親機側制御基板３に入力されるようにすることで、制御基板間で通信が行えなくても、親機側制御基板３に入力される信号だけで貯湯量等を判断できるようにするものである。

　次に動作について説明する。密閉型の貯湯タンク７内は貯湯タンク７の下部の給水配管（図示せず）からの給水を一気に昇温させて設定温度にする一過式昇温を行い、貯湯タンク７の上部の出湯配管（図示せず）から、例えば風呂等の給湯負荷（図示せず）に給湯する。このとき、給湯に使用された分だけ貯湯タンク７内に給水される。このため、貯湯タンク７内の水については、高温部と低温部ができ、温度成層が形成される。

　また、貯湯タンク７の下部から親機側給湯装置１、子機側給湯装置４の給水入口部（図示せず）に給水し、親機側給湯装置１、子機側給湯装置４の給水出口部（図示せず）から昇温された湯が貯湯タンク７の上部（図示せず）に貯湯される。

　以上より、貯湯タンク７内に貯まった湯は上部から下部にかけて温度勾配が生じ、上部より下部の方が温度が低く、また、温度成層が形成される。そして、貯湯タンク７内の高さ方向において、上部から下部に向けて温度センサ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ及び８ｆを設けているため、温度センサ８ａ～８ｆの検出に係る温度と設定温度（例えば５５℃）との比較に基づいて貯湯量（例えば設定温度に維持された湯量）を判定する。

　ここで、図１に示すように、例えば、温度センサ８ｆの設置位置に対応する貯湯量が１００％であるとしたとき、温度センサ８ａの設置位置に対応する貯湯量（残湯）の割合（以下、貯湯量とする）が１０％（Ｖ８ａ）であるとする。また、温度センサ８ｂの設置位置に対応する貯湯量（残湯）が３０％（Ｖ８ｂ）であるとする。同様に、温度センサ８ｃの設置位置に対応する貯湯量（残湯）の割合が５０％（Ｖ８ｃ）であるとし、温度センサ８ｄの設置位置に対応する貯湯量（残湯）が６０％（Ｖ８ｄ）であるとする。さらに、温度センサ８ｅの設置位置に対応する貯湯量（残湯）が８０％（Ｖ８ｅ）であるとする。

　そして、温度センサ８ａで検出した温度をＴ８ａとし、温度センサ８ｂで検出した温度をＴ８ｂとする。温度センサ８ｃで検出した温度をＴ８ｃとし、温度センサ８ｄで検出した温度をＴ８ｄとする。さらに、温度センサ８ｅで検出した温度をＴ８ｅとし、温度センサ８ｆで検出した温度をＴ８ｆとする。

　次に、本実施の形態において、親機側制御基板３が行う貯湯タンク７の貯湯量（残湯）と平均貯湯温度の演算方法について説明する。各温度センサ８ａ～８ｆの検出に係る温度の中で、設定温度Ｔｅ（例えば５５℃）以上のものを選定する。そして、選定した中で、最も低い位置にある温度センサ８の検出に係る温度を代表温度とする。例えば温度Ｔ８ａ、温度Ｔ８ｂ、温度Ｔ８ｃ及び温度Ｔ８ｄが設定温度５５℃以上であるとすると、温度Ｔ８ｄを代表温度として選定する。

　そして、代表温度をＴ８_n とし、代表温度Ｔ８_n の検出に係る温度センサ８における貯湯量をＶ８_n とする。また、代表温度Ｔ８_n の検出に係る温度センサ８よりも１段階低い位置に設置された温度センサ８の検出に係る温度をＴ８_n+1 とし、設置位置に対応する貯湯量をＶ８_n+1 とすると、貯湯量は次式（１）となる。また、平均貯湯温度は、温度センサ８ａと代表温度Ｔ８_n の検出に係る温度センサ８との間の位置にある温度センサの平均貯湯温度とする。
　現在の貯湯量＝Ｖ８_n ＋（Ｔ８_n －Ｔｅ）×（Ｖ８_n+1 －Ｖ８_n ）
　　　　　　／（Ｔ８_n －Ｔ８_n+1 ）　　　　　　　　　　　　　　　…（１）

　例えば、代表温度Ｔ８ｄが６０℃のとき、Ｔ８ｄに対応する貯湯量Ｖ８ｄは６０％となる。そして、Ｔ８_n+1 はＴ８ｅが３０℃とすると、Ｔ８ｅに対応する貯湯量Ｖ８ｅは８０％のため、（２）式で表される。また、平均貯湯温度は（３）式で表される。
　現在の貯湯量＝Ｖ８ｄ＋（Ｔ８ｄ－５５）×（Ｖ８ｅ－Ｖ８ｄ）／（Ｔ８ｄ－Ｔ８ｅ）
　　　　　＝６０％＋（６０℃－５５℃）×（８０％－６０％）／（６０℃－３０℃）
　　　　　＝約６３％　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
　平均貯湯温度＝（Ｔ８ａ＋Ｔ８ｂ＋Ｔ８ｃ＋Ｔ８ｄ）／４　　　　　　　　…（３）

　そして、親機側制御基板３においては、現在の貯湯量が目標の貯湯量に達しているかどうかに基づいて運転制御する。例として、昼間は目標貯湯量５０％、夜間は目標貯湯量１００％、および渇水防止として１０％として、条件により目標の貯湯量を定め、運転制御する。

　以上のように、実施の形態１の給湯システムによれば、温度センサ８ａ～８ｆからの信号を、親機側制御基板３と子機側制御基板６とにそれぞれ分散して連絡線９ａ～９ｃ、連絡線１０ａ～１０ｃにより信号が入力されるようにし、また、親機側制御基板３と子機側制御基板６とを伝送線１１で接続して通信可能にしたので、各制御基板の信号のポート数を少なくすることができる。このため、各制御基板をコンパクトな基板で構成することができ、またコストも低減することができる。

　また、親機側制御基板３と子機側制御基板６との間の通信が万一不具合が生じた場合でも、親機側制御基板３に温度に係る信号を送る温度センサ８として、最上部にある温度センサ８ａ、最下部にある温度センサ８ｂ等の信号が入力されるようにし、制御を行うために必要となる位置の温度に係る信号を優先的に親機側制御基板３に入力されるようにしたので、例えば、夜間の目標貯湯量１００％と、渇水防止の１０％が判断できるようにしておけば、貯湯量の満水確保ならびに、渇水による不具合を防止できるなど、必要な制御を行うことができる。また、例えばどちらかの給湯装置に不具合があった場合も、それぞれの位置に対応した貯湯量を判断するので、給湯システム全体がダウンすることを防ぐことができる。また、給湯装置以外の制御手段を設けることなしに給湯運転の制御を行うことができるので、据付工事の簡素化が可能となり、コスト低減にもなる。

　実施の形態２．
　図２はこの発明の実施の形態２における給湯装置と貯湯タンクとを有する給湯システムの構成を示す図である。図２において、貯湯タンク１２は開放型の貯湯タンクである。

　実施の形態１では密閉型の貯湯タンク７について説明したが、大気と連通した開放型の貯湯タンク１２と給湯装置とを組み合わせて給湯システムを構成する場合もある。この場合、開放型の貯湯タンク１２の貯湯量を、水位センサ（圧力センサ）１３により測定する。水位センサ１３についても、０～５０ｋＰａの間で検出した圧力（水圧）に基づき、４～２０ｍＡの直流の信号として出力する。このため、実施の形態における温度センサ８とポートを用いることができる。水位センサ１３と、親機側給湯装置１の親機側制御基板３とを連絡線１４にて連結するが、開放型の貯湯タンク１２と連結する場合でも、密閉型の貯湯タンク７の温度センサのポートと同じポートにすることにより、密閉型、開放型に関係なく、貯湯タンクに対して、同じ親機側制御基板３にて対応が可能となる。

　１　親機側給湯装置、２　親機側制御ボックス、３　親機側制御基板、４　子機側給湯装置、５　子機側制御ボックス、６　子機側制御基板、７，１２　貯湯タンク、８ａ～８ｆ　温度センサ、９ａ～９ｃ，１０ａ～１０ｃ，１４　連絡線、１１　伝送線、１３　水位センサ。

Claims (4)

1. 　湯を貯めるための貯湯タンクと、
   　前記貯湯タンクの高さ方向に取り付けられ、それぞれ取り付けられた位置における温度を検出する複数の温度センサと
   　前記貯湯タンクの湯水を加熱する複数の給湯装置と、
   　各給湯装置を制御する制御手段を搭載する制御基板とを備え、
   　前記複数の温度センサが送る信号を、複数の制御基板に分散して入力させ、
   各制御基板間を通信接続することを特徴とする給湯システム。
2. 　最上部の位置に取り付けられた前記温度センサ及び最下部の位置に取り付けられた前記温度センサからの信号が、同じ制御基板に入力されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
3. 　１つの制御基板の前記温度センサからの信号の入力ポート数を３つとし、信号入力数を２つ又は３つとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯システム。
4. 　前記制御基板が有する、前記温度センサからの信号の入力ポートが、貯湯タンクに取り付けられる水位センサからの信号を入力可能であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の給湯システム。

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