JP5267011B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、加熱手段で高温水を生成する貯湯式給湯機に関するものである。

図４は、従来の貯湯式給湯機の構成図である。図４において、従来の貯湯式給湯機は、加熱源であるヒートポンプユニット１０１と、湯水を貯える貯湯タンク１０３を有するタンクユニット１０２で構成されている（例えば、特許文献１参照）。

まず、ヒートポンプユニット１０１について説明する。ヒートポンプユニット１０１は、冷媒を圧縮し高温高圧冷媒にする圧縮機１０４、冷媒と水とが熱交換を行い高温水を生成する冷媒水熱交換器１０５、冷媒を減圧する減圧装置１０６、大気と冷媒とが熱交換を行い冷媒が大気から吸熱を行う蒸発器１０７を、順次冷媒配管１０８にて環状に接続して構成されるヒートポンプ回路を有している。冷媒には二酸化炭素が用いられ、圧縮機１０４で圧縮された後の冷媒は超臨界圧力を超える状態となり、図４に矢印で示すように冷媒配管内を循環している。

次に、タンクユニット１０２について説明する。タンクユニット１０２は、湯水を貯える貯湯タンク１０３を有し、貯湯タンク１０３の底部からヒートポンプユニット１０１内の冷媒水熱交換器１０５に低温水を搬送するための循環ポンプ１１０が設けられており、循環ポンプ１１０を駆動させることによって、貯湯タンク１０３の底部から冷媒水熱交換器１０５へ低温水が搬送される。このようにヒートポンプ式給湯機においては、貯湯タンク１０３の下部、循環ポンプ１１０、冷媒水熱交換器１０５、貯湯タンク１０３の上部を順次給湯配管で接続して構成される沸き上げ回路を有している。

また、冷媒水熱交換器１０５で生成された高温水は、水流路を切り替える三方弁１１１によって貯湯タンク１０３の上下へ送られる。冷媒水熱交換器１０５で生成される温水の温度が所定温度未満の場合には、三方弁１１１は貯湯タンク１０３の底部と連通する方向に切り替えられ、下部給湯配管１１２を経て貯湯タンク１０３の底部へ湯水が送られる。しかしながら、冷媒水熱交換器１０５で生成される温水の温度が所定温度以上の場合には、三方弁１１１は貯湯タンク１０３の上部と連通する方向に切り替えられ、上部給湯配管１１３を経て貯湯タンク１０３の上部へ湯水が送られる。

また、貯湯タンク１０３の下部に設けた給水口１１４には、給水源から水を供給するための給水配管１１５が接続され、貯湯タンク１０３の上部に設けた出湯口１１６には、給湯端末へ高温水を供給するための出湯配管１１７が接続されている。そして給水口１１４には給水源からの水圧が常時掛かっている状態となり、出湯配管１１７から高温水が出湯されるに伴って、給水口１１４から水が供給される構成となっている。

また、給水配管１１５から分岐した給水分岐配管１１８が設けられており、出湯配管１１７と給水分岐配管１１８とは混合手段である電動式混合弁１１９に接続され、使用者がリモコン１３０で設定した温度が給湯端末１２２へ出湯するように、電動式混合弁１１９にて湯水が混合され給湯端末１２２へ送られる構成になっている。そして電動式混合弁１１９の下流側には、温度検知手段であるサーミスタ１２０が配設されており、サーミスタ１２０で検知する温度が、使用者が設定した設定温度となるように電動式混合弁１１９の開度が変更される。また電動式混合弁１１９の下流側には、流量を検知する流量検知装置１２１が設けられており、給湯端末へ送られる湯水の流量を検出している。

一方、上述した構成のヒートポンプ式給湯機では、一般的に設置工事時にリモコンで試運転を行う前に、貯湯タンク内を水で満水にする必要がある（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００５−１８８７６３号公報 工事説明書（ヒートポンプ給湯機ＨＥ−ＫＵ３７ＢＱＳ他）、松下電器産業株式会社、２００８年

しかしながら、上述した従来の貯湯式給湯機の構成において、貯湯タンク内を水で満水にすることなく、リモコンを操作して試運転を継続した場合、ヒートポンプユニットと貯湯タンクとを結ぶ配管内の空気抜きを行うため、循環ポンプを駆動してしまうと、循環ポンプ内に空気が残ったまま循環ポンプを駆動してしまうことになり、無負荷状態で循環ポンプが駆動してしまう。その結果、負荷が掛かることなく循環ポンプが運転してしまい空運転状態となることで、循環ポンプの軸受けなどにダメージを与えてしまい、ひいては信頼性を損なってしまう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、空運転を抑制し循環ポンプの信頼性を損なうことの無い貯湯式給湯機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、本発明の貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンクの湯水を前記加熱手段へと搬送する循環ポンプとを備え、前記貯湯タンクの下方部、前記循環ポンプ、前記加熱手段、前記貯湯タンクの上方部を順次給湯配管で接続し、前記循環ポンプのデューティ比を一定に固定した時の前記循環ポンプの回転数が、所定値α以上の場合と所定値β以下（所定値β＜所定値α）の場合に、前記循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断し、前記循環ポンプの駆動を停止することにより、循環ポンプの空運転状態を避けることができ、循環ポンプの故障を抑制することができるので信頼性を損なうことがない。

本発明は、空運転を抑制し循環ポンプの信頼性を損なうことの無い貯湯式給湯機を提供することができる。

第１の発明の貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンクの湯水を前記加熱手段へと搬送する循環ポンプとを備え、前記貯湯タンクの下方部、前記循環ポンプ、前記加熱手段、前記貯湯タンクの上方部を順次給湯配管で接続し、前記循環ポンプのデューティ比を一定に固定した時の前記循環ポンプの回転数が、所定値α以上の場合と所定値β以下（所定値β＜所定値α）の場合に、前記循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断し、前記循環ポンプの駆動を停止することにより、循環ポンプの空運転状態を避けることができ、循環ポンプの故障を抑制することができるので信頼性を損なうことがない。

また、循環ポンプの回転数が所定値α以上の時は、循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断することにより、水が無いために循環ポンプの羽根車周辺には水の抵抗がなく回転数が上昇していると判断し、確実に空運転による循環ポンプの故障を抑制することができる。

また、循環ポンプの回転数が所定値β以下の時は、循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断することにより、羽根車の軸と、その軸受け間にも水が全く無い状態なので完全に空運転状態になり、回転数が上昇しないと判断し、確実に空運転による循環ポンプの故障を抑制することができる。

第２の発明の貯湯式給湯機は、特に第１の発明において、循環ポンプ内部に水が満たされているかどうかを判断するタイミングを、貯湯式給湯機の設置工事後の初めての運転時とすることにより、空運転状態となりやすいタイミングだけに限定して循環ポンプの空運転状態を判断することで、初めての運転以降の通常の運転時における誤動作・誤検知を防止することができる。

第３の発明の貯湯式給湯機は、特に第１の発明において、循環ポンプ内部に水が満たされているかどうかを判断するタイミングを、貯湯式給湯機の電源が一定期間以上「切」状態であった後の初めての運転時とすることにより、空運転状態となりやすいタイミングだけに限定して循環ポンプの空運転状態を判断することで、通常の運転時における誤動作・誤検知を防止することができる。

第４の発明に貯湯式給湯機は、特に第１〜第３の発明において、貯湯式給湯機を操作する操作部と、機器の各種情報を表示する表示部を有するリモコンを備え、循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断した後に、循環ポンプ内部に水が満たされていないことにより、設置工事者にエアー抜き等の作業が完了していないことを促し、サービス性を向上することができる。

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、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図である。なお、図４に示す従来のヒートポンプ式給湯機の構成と同じ部位については、図４と同じ番号を付して、その説明を省略する。なお、本実施の形態において加熱手段には、ヒートポンプを用いているが、これに限定されることはなく、電気ヒータ等の加熱手段であってもよい。

本実施の形態において、加熱手段であるヒートポンプユニット１０１は、冷媒水熱交換器１０５、圧縮機１０４、蒸発器１０７、減圧装置１０６を冷媒配管により順次環状に接続して構成されたヒートポンプサイクルを有しており、その内部を流れる冷媒には二酸化炭素を使用している。そのため、高圧側が臨界圧力を超えて水と熱交換を行うので、冷媒水熱交換器１０５では冷媒の温度が低下しても凝縮することがなく、水と冷媒との間で温度差を形成しやすくなり、熱交換効率を高くすることができる。

また、二酸化炭素は比較的安価でかつ安定した冷媒であるので、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

また、ヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機１０４で冷媒が高温高圧となるよう圧縮され、圧縮機１０４から吐出された冷媒が水冷媒熱交換器１０５で水に放熱し、減圧装置１０６で冷媒が減圧されたあと、蒸発器１０７では送風ファン（図示せず）によって空気が送られることで、冷媒と空気との間の熱交換が促され、その結果、空気から熱を吸収し、ガス状態で再び圧縮機１０４に吸入される。

また、圧縮機１０４の回転数制御および減圧装置１０６の開度制御は、圧縮機１０４の冷媒吐出側に設けた冷媒温度検出手段５０で検出される冷媒温度が、予め設定された温度を維持するように制御される。

また、貯湯タンク１０３内の湯水は、循環ポンプ１１０が駆動することで、冷媒水熱交換器１０５に流入し、冷媒と水とが熱交換を行い、再び貯湯タンク１０３に戻り、積層状態で貯湯タンク１０３の上部に高温の湯が貯えられる。

また、使用者が給湯機の制御・指示を行うリモコン１３０には、各種情報を表示する表示部および操作を行う操作部が設けられている。

また、循環ポンプ１１０の駆動は、マイコンおよび電子部品で構成される運転制御部（図示せず）からのＰＷＭ信号で制御されており、冷媒水熱交換器１０５の水側出口に設けられた出湯温度検出手段５１で検出される湯の温度が、外気温度を検出する外気温度検出手段５２によって算出された沸き上げ温度となるように駆動制御されている。

このように制御される循環ポンプ１１０は、正常な運転が行われていなければ、出湯温度検出手段５１、もしくは冷媒温度検出手段５０、もしくはヒートポンプサイクルに設けられた圧力スイッチ（図示せず）が異常を検出して、沸き上げ運転が停止するようになっている。そのため、通常時の運転においては、ヒートポンプサイクルの異常検知によって循環ポンプ１１０を停止する制御としている。

次に、循環ポンプ１１０の空運転防止制御について説明する。

まず、貯湯式給湯機の設置工事業者（以下、サービスマン）が、貯湯式給湯機を設置工事後、初めてリモコン１３０で貯湯式給湯機の運転を開始した時には、まず、加熱手段（ヒートポンプユニット）と貯湯タンクとを結ぶ配管内の空気抜き運転を行う。空気抜き運転では、強制的に循環ポンプ１１０を一定時間駆動させることによって、配管内の空気を抜いている。

しかしながら本発明では空気抜き運転を行う前に、循環ポンプ１１０に水が満たされているかどうかを判定する空運転防止制御を行っている。循環ポンプ１１０の運転特性を図２に示す。図２に示すように、循環ポンプ１１０には、水あり状態の循環ポンプ１１０の特性（Ａ）と、水無し状態、かつ軸と軸受け間が濡れているＷＥＴ状態の循環ポンプ１１０の特性（Ｂ）と、水無し状態、かつ軸と軸受け間が乾いているＤＲＹ状態の循環ポンプ１１０の特性（Ｃ）の３つの特性を持っている。

なお、特性（Ｂ）と特性（Ｃ）との差異は、循環ポンプの羽根車の軸と、その軸受け間が少しでも水で濡れているか、乾燥しているかの差異である。通常、循環ポンプの製造工程で、循環ポンプ内に水を入れて、正常に駆動するかどうかの検査を行うため、その時の水が残り、軸が濡れたままの状態になっているものがある。そのため、循環ポンプ１１０内に水が入っていなくても、軸のみが濡れている状態がある。

図２に示すように、内部が水で満たされている特性（Ａ）の循環ポンプ１１０のデューティ比を徐々に増加させていくと、図２に示すようにデューティ比の増加に伴い、回転数が増加するような特性を示す。それに対して、水なしＷＥＴ状態の特性（Ｂ）の循環ポンプは、デューティ比を徐々に増加させていくと、水あり状態（Ａ）に比べて回転数の増加量が多く、デューティ比がある一定以上になれば、ほぼ上限の回転数となる。また、水なしＤＲＹ状態の特性（Ｃ）の循環ポンプは、デューティ比を徐々に増加させていっても、軸と軸受けとが殆ど空回り状態となり、循環ポンプの羽根車の回転数が増加しない。

つまり、上記のような特性を有する循環ポンプを用いた場合、循環ポンプ１１０内に水があると、あるデューティ比以上では、水あり状態の特性（Ａ）の回転数のみが、ある回転数の範囲（所定値βと所定値αとの間）をとるようになる。

具体的には、循環ポンプの回転数に所定値αおよび所定値β（所定値β＜所定値α）を設け、あるデューティ比以上においては、水あり状態のときの回転数が所定値βと所定値αの間の値をとることになる。そのため本発明では、デューティ比を所定値γに固定して循環ポンプ１１０を駆動した時の回転数が、所定値αおよび所定値βとの大小関係で、循環ポンプ１１０内に水があるかどうかを判断するようにしている。図３は、所定値α、所定値β、所定値γと、循環ポンプ１１０の回転数とを比較した図である。

なお、本実施の形態では、所定値γをデューティ比６０％とし、循環ポンプ１１０の回転数を検出するようにしている。また、所定値αを５５００ｒｐｍ、所定値βを１０００ｒｐｍとしている。なお、本発明はこれらの数値に限定されることはなく、循環ポンプ１１０の特性に応じて、所定値α、所定値β、所定値γを変更することができ、一義的に決定されるものではない。また、所定値αおよび所定値βに設定する値には、所定値γにデューティ比を固定した時に、通常の循環ポンプ１１０の回転数では達成し得ない値を設定している。

そしてこのような循環ポンプ１１０において、ヒートポンプユニット１０１と貯湯タンク１０３とを結ぶ配管内の空気抜き運転を行う前に、まず循環ポンプ１１０のデューティ比を所定値γ（本実施の形態では６０％）に固定して運転を行う。

そして、所定値γにデューティ比を固定したままで３０秒間、循環ポンプ１１０を駆動し続ける。その結果、循環ポンプ１１０内に水があるかどうかに応じて循環ポンプ１１０の回転数が異なる。つまり、所定値γにデューティ比を固定した時に、循環ポンプ１１０の回転数が所定値α（本実施の形態では５５００ｒｐｍ）以上を検知すると、通常使用時よりも回転数が大幅に増加しているため循環ポンプ１１０内に水がないと判断し、循環ポンプ１１０の回転数が所定値β（本実施の形態では１０００ｒｐｍ）以下を検知すると、通常使用時よりも回転数が増加していないので循環ポンプ１１０内に水がないと判断し、循環ポンプ１１０の回転数が所定値βから所定値αの間であると検知すると、通常使用時の回転数であり循環ポンプ１１０内に水があると判断している。

水なしと判断されると、循環ポンプ１１０の運転を停止してリモコン１３０に設けた表示部に「貯湯タンク内の水を確認してください」等の文字情報を表示することで、サービスマンに再点検を促すことができる。

また、上述した説明では、試運転の時に循環ポンプ１１０内の水があるかどうかを判断する制御を行っているが、例えば、貯湯式給湯機の電源を一定期間切っている場合（例えば、３０分以上）や、サービスマンによって循環ポンプ１１０の部品を交換した時には、貯湯タンク内の湯水が抜かれている恐れがあるので、本実施の形態と同様の循環ポンプ１１０内に湯水があるかどうかを判断する制御を行うことで、貯湯式給湯機の信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態のように、循環ポンプ１１０内に水があるかどうかを確認する制御は、試運転時もしくは貯湯式給湯機の電源を長期間切っており貯湯タンク内の水が抜かれていると想定される時にのみ行っている。例えば、通常時の貯湯式給湯機において、本制御を行った場合、通信線などに結露等により発生する水や水滴などによって誤動作する可能性もあり、循環ポンプ１１０内に水があるにもかかわらず、循環ポンプ１１０内に水がないと判断してしまい、停止する恐れがある。そのため不必要に循環ポンプ１１０内の湯水のあるなしを判断する制御を行わずに、試運転や、貯湯タンク内の湯水が無いと想定される時にのみ本制御を行うことで使用性を向上させることができる。

以上のように、循環ポンプ１１０の回転数に応じて水があるかどうかを判断して、水が無い場合には、すぐに循環ポンプ１１０の駆動を停止するので、非常に信頼性の高い貯湯式給湯機を提供することができる。

以上のように、本発明に係る貯湯式給湯機は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機、さらには熱源に電気ヒータを用いる電気温水器にも適用できる。

本発明の実施の形態における貯湯式給湯機の構成図 同形態における循環ポンプの特性図 同形態における循環ポンプの特性図 従来の貯湯式給湯機の構成図

１０１ ヒートポンプユニット
１０２ タンクユニット
１０３ 貯湯タンク
１０４ 圧縮機
１０５ 冷媒水熱交換器
１０６ 減圧装置
１０７ 蒸発器
１０８ 冷媒配管
１１０ 循環ポンプ
１１１ 三方弁
１１２ 下部給湯配管
１１３ 上部給湯配管
１１４ 給水口
１１５ 給水配管
１１６ 出湯口
１１７ 出湯配管
１１８ 給水分岐配管
１１９ 電動式混合弁
１２０ サーミスタ
１２１ 流量検知装置
１２２ 給湯端末
１３０ リモコン

Claims (4)

1. 湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる加熱手段と、前記貯湯タンクの湯水を前記加熱手段へと搬送する循環ポンプとを備え、前記貯湯タンクの下方部、前記循環ポンプ、前記加熱手段、前記貯湯タンクの上方部を順次給湯配管で接続し、前記循環ポンプのデューティ比を一定に固定した時の前記循環ポンプの回転数が、所定値α以上の場合と所定値β以下（所定値β＜所定値α）の場合に、前記循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断し、前記循環ポンプの駆動を停止することを特徴とする貯湯式給湯機。
2. 前記循環ポンプ内部に水が満たされているかどうかを判断するタイミングを、貯湯式給湯機の設置工事後の初めての運転時とすることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯機。
3. 前記循環ポンプ内部に水が満たされているかどうかを判断するタイミングを、貯湯式給湯機の電源が一定期間以上「切」状態であった後の初めての運転時とすることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯機。
4. 貯湯式給湯機を操作する操作部と、機器の各種情報を表示する表示部を有するリモコンを備え、前記循環ポンプ内部に水が満たされていないと判断した後に、前記循環ポンプ内部に水が満たされていないことを前記表示部に表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯湯式給湯機。

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