JP5446633B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部加熱機で生成した湯水を外部加熱機と貯湯タンクとの間に配設した給湯水回路を介して循環させるようにした貯湯式給湯装置に関する。

一般に給湯装置では、水道水や地下水等の水を加熱して湯を生成するが、水道水や地下水等の水は、通常、カルシウムやマグネシウムなどの硬度成分を含んでいる。この硬度成分を多く含む水を例えばヒートポンプ式給湯機におけるヒートポンプで加熱すると、高温となる加熱器の水流路出口部近傍にスケール（例えば炭酸カルシウム）が析出する。このスケールは給湯水回路に設けた循環ポンプによって、生成された湯と一緒に、加熱機から貯湯タンクとの間を循環することになる。

そして、貯湯式給湯装置における貯湯タンクとヒートポンプとの間を接続する給湯水回路は、貯湯タンクの下部から低温水を取り出してヒートポンプに送り、ヒートポンプで熱交換して沸き上げられた高温水を貯湯タンクの上部に戻すような循環回路を構成している。特にヒートポンプから貯湯タンクに至る湯水の戻り配管は、ヒートポンプの出口側の横引き配管と、この横引き配管の一端に接続され貯湯タンクの外郭に沿って略垂直に立ち上がって貯湯タンクの上部に接続された縦引き配管とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１２１６９２号公報（［００１３］段落、図１）

このような特許文献１の構成において、沸き上げ運転中は、循環ポンプが駆動し、湯水がヒートポンプと貯湯タンクとの間を、給湯水回路を介して常時流れているため、湯水を沸き上げる過程で発生したスケールは給湯水回路を循環し、給湯水回路を構成する配管の内部に堆積することはない。

しかし、沸き上げ運転が停止すると、循環ポンプが止まり、湯水が給湯水回路を流れなくなるから、スケールの流れも止まり自重で湯水中を降下する。この場合、特に湯水の戻り配管の縦引き配管内にあるスケールは横引き配管との接続部に次第に堆積して、ついには硬化する。その結果、戻り配管内の比較的狭い流路をさらに狭めることになり、湯水の流れを妨げるという問題があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、沸き上げ時に析出したスケールによって給湯水回路の配管が目詰まりを起こさないようにした貯湯式給湯装置を得ることを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を沸き上げる外部加熱機と、外部加熱機と貯湯タンクの下部とを連通する往き配管及び外部加熱機と貯湯タンクの上部とを連通する戻し配管とからなる給湯水回路と、給湯水回路に貯湯タンク内の湯水を循環させる循環ポンプとを備え、戻し配管は貯湯タンクの外郭に沿って略垂直に配設され上端部が該貯湯タンクの上部に接続された縦引き配管と、一端が外部加熱機に接続され他端が縦引き配管の下端部近傍に接続された横引き配管と、縦引き配管の下端部に設けられ、湯水の沸き上げ時に析出するスケールを捕集するスケールキャッチャーと、スケールキャッチャーが捕集したスケールの堆積状態を検知するスケール検知センサとを有し、外部加熱機は、スケール検知センサにより検知されたスケールの堆積状態が飽和に近づいた段階で動作を停止し、スケール検知センサは、外部加熱機の動作が停止した状態でスケールの堆積状態を再度検知し、スケールの堆積状態に差が無い場合に、外部加熱機は、沸き上げ温度を下げて動作を再開することを特徴とする。

本発明によれば、加熱機と貯湯タンクとの間に配設された給湯水回路の配管内にスケールが直接堆積するのを防止することができる。

実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成を示す概略構成図である。 実施の形態１に係る貯湯タンクと給湯水回路の配管を示す要部断面図である。 実施の形態２に係るスケールキャッチャーの要部断面図で、（a）は配管に対する結合状態を、（b）は同じく分離状態を示す図である。 実施の形態３に係るスケールキャッチャーの要部断面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯機５０の全体構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ式給湯機５０は、外部加熱機としてのヒートポンプユニット１と、ヒートポンプユニット１で生成された湯水を貯留する貯湯タンクユニット２とを備えている。

ヒートポンプユニット１内には、圧縮機３、水冷媒熱交換器４、膨張弁５及び蒸発器６を順次環状に接続し、冷媒が循環する冷凍サイクル１００が構成されている。また、ヒートポンプユニット１内には、蒸発器６に外気を送風するファン７が配設されている。

タンクユニット２内には、負荷側媒体である水を水冷媒熱交換器４に送水する循環ポンプ８と、循環ポンプ８により送水されて水冷媒熱交換器４で加熱された湯水を貯留する貯湯タンク９とが配置されている。そして、水冷媒熱交換器４と循環ポンプ８は、往き配管１０ａで接続され、水冷媒熱交換器４と貯湯タンク９上部は戻し配管１０ｂで接続され、循環ポンプ８と貯湯タンク９下部は、同じく往き配管１０ｃで接続されることによって給湯水回路２００が構成されている。

図２は、戻し配管１０ｂの構成を拡大して示す断面図である。貯湯タンク９の上部に一端が接続された戻し配管１０ｂは、貯湯タンク９近傍でその外郭に沿って下方に略垂直に延伸した縦引き配管１０ｂｂと、この縦引き配管１０ｂｂの他端の端部よりやや上部に一端が接続された横引き配管１０ｂａとからなる。

縦引き配管１０ｂｂの他端は閉塞され横引き配管１０ｂａとの接続部分から下方に、少なくとも縦引き配管１０ｂｂ内にあるスケールを捕集するスケールキャッチャー４０が形成される。なお、縦引き配管１０ｂｂと横引き配管１０ｂａとを接続する位置は、このスケールキャッチャー４０の容積が所定の大きさとなるように決定すればよい。

また、横引き配管１０ｂａの端部は、上方に円弧状に曲折され、縦引き配管１０ｂｂに接続している。

なお、循環ポンプ８は、必ずしもタンクユニット２に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１側に搭載してもよい。

また、図１において、３０は給水管であり、給水圧力を所定の圧力以下に減圧する減圧弁３１を経由して、貯湯タンク９内へ水を供給する。３４は給湯混合弁であり、貯湯タンク９上部に接続された混合給湯管３２から供給される湯と、給水管３０に接続された混合給水管３３から供給される水とを混合して適温にされた湯水を、給湯管３５を経て洗面所等へ送水している。

また、１１は制御装置であり、温度センサ（図示せず）などによる湯水の温度情報や、ヒートポンプ式給湯機５０使用者からリモコン装置（図示せず）などにより指示される運転指令情報に基づいて、圧縮機３の運転、膨張弁５の開度、ファン７の運転、循環ポンプ８の運転を制御する機能を有している。

また、１３はシステム制御装置であり、ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２の全体を制御する。

また、ヒートポンプユニット１に使用される冷媒としては、高温出湯ができる冷媒、例えば、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパンなどの冷媒が適しているが、特にこれらに限定されるものではない。

次に、このヒートポンプ式給湯機５０の運転動作について説明する。ここでは、沸き上げ運転について説明する。沸き上げ運転とは、冷凍サイクル１００と給湯水回路２００とを動作させ、貯湯タンク９の底部から循環ポンプ８で低温水を流出させて水冷媒熱交換器４に送水し、水冷媒熱交換器４で冷媒と熱交換することにより沸き上げて貯湯タンク９内に戻す動作である。

ヒートポンプユニット１の冷凍サイクル１００において、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水冷媒熱交換器４で給湯水回路２００側へ放熱（水を加熱）しながら温度低下する。このとき高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯水回路２００を流れる水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。給湯加熱をして水冷媒熱交換器４から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁５を通過する。

膨張弁５を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。膨張弁５を通過した冷媒は蒸発器６に流入し、そこで外気空気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器６を出た低圧冷媒は圧縮機３に吸入されて循環し冷凍サイクル１００を形成する。

一方、給湯水回路２００側では、貯湯タンク９内の水が、循環ポンプ８により貯湯タンク９の底部から導かれ、往き配管１０ｃ、１０ａを通過して水冷媒熱交換器４内に搬送される。そして、ここで冷媒と熱交換して加熱（沸き上げ）され高温水となり、戻し配管１０ｂを通過して貯湯タンク９上部から貯湯タンク９内に流入する。この沸き上げ動作は貯湯タンク９内が高温水で満たされるまで継続される。

ところで、水道水や地下水等に含まれてスケールの主な成分となる炭酸カルシウムの水への溶解度は、水温が高くなると小さくなる。このため、水温が上昇して飽和溶解度が低下すると、その溶解度差分の炭酸カルシウムが析出する。よって、沸き上げ動作時に、水冷媒熱交換器４の水入口の温度と水出口の温度との温度差が大きい場合に、スケールの析出量は増加する。

ヒートポンプ式給湯機５０の運転中は、水冷媒熱交換器４に常時湯水が流れているため溶解度差により析出したスケールは、給湯水回路２００に設けた循環ポンプ８によって、水冷媒熱交換器４から戻し配管１０ｂを経て貯湯タンク９内へ流入するが、戻し配管１０ｂを含めて給湯水回路２００の内部にスケールが堆積することはない。

ヒートポンプ式給湯機５０の運転が停止し、循環ポンプ８が止まると、給湯水回路２００の水の流れが停止するため、特に戻し配管１０ｂの縦引き配管１０ｂｂ内にあるスケールは下部へ、スケールの自重で徐々に下降する。

縦引き配管１０ｂｂ内を下降するスケールは横引き配管１０ｂａとの接続部を通過して縦引き配管１０ｂｂの最下端部に形成されたスケールキャッチャー４０に溜まる。

したがって、給湯水回路２００における戻し配管１０ｂにあるスケールは、スケールキャッチャー４０で捕集することができるとともに、次に沸き上げ運転が行われて給湯水回路２００を湯水が流れても、スケールキャッチャー４０に溜まったスケール１２が、再び舞い上がり給湯水回路２００の流路に入り込むことを防止できる。

また、沸き上げ運転時は、給湯水回路２００の流路は常に確保されており、流路の圧力損失の変化はなく、ポンプ入力も変化はない。

実施の形態１によれば、戻し配管１０ｂの縦引き配管の下端部にスケールキャッチャー４０を形成したことにより、沸き上げ時に析出され少なくとも戻し配管内に浮遊するスケールのかなりの部分を捕集することができ、スケール堆積による戻し配管１０ｂの詰まりを防止できる効果がある。

また、実施の形態１によれば、横引き配管１０ｂａの端部を円弧状に曲折して縦引き配管１０ｂｂと接続しているので、沸き上げ運転中の水が横引き配管１０ｂａから縦引き配管１０ｂｂへ円滑に流れることになるため、沸き上げ運転中にスケールキャッチャー４０に堆積したスケールが再び舞い上がり給湯水回路２００内に流入することを防ぐという効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、スケールキャッチャー４０が戻し配管と一体に形成されたものについて説明したが、スケールキャッチャー４０を戻し配管に対し着脱可能に設けることもできる。

図３は、実施の形態２に係るスケールキャッチャー４０の要部断面図である。図中同一符号は、同一又は相当部分を示す。図３（ａ）において、戻し配管１０ｂは縦引き配管１０ｂｂの下端をそのまま開放端とし、その端部周縁にフランジを形成している。スケールキャッチャー４０は戻し配管１０ｂと同径の円管状であり、一端が閉塞されるとともに他端周縁にフランジを形成している。４１はファスナーであり、戻し配管１０ｂのフランジにスケールキャッチャー４０のフランジを重ね合わせた状態で両フランジと係合されその接続部を固定している。

そして、スケールキャッチャー４０は図３（ａ）に示すように縦引き配管１０ｂｂの下端にファスナー４１で固定され、所定の時間が経過すると、図３（ｂ）に示すように、ファスナー４１を取り外すことにより、スケールキャッチャー４０を戻し配管１０ｂから取り外し、スケールキャッチャー４０の内部に堆積したスケール１２を取り除く。また、スケール１２が内部で固着し取り除けない場合には、スケールキャッチャー４０を新しいものと交換することもができる。また、スケールキャッチャー４０の取り外しが可能であるので、スケールキャッチャー４０を一時的に外してスケール１２の堆積状態を確認することもできる。

なお、実施の形態２では、スケールキャッチャー４０は、戻し配管１０ｂと同径の円管状としたが、戻し配管１０ｂと接続可能であれば、任意の形状であっても構わない。

実施の形態２によれば、スケールキャッチャー４０が戻し配管１０ｂに着脱可能となり、スケールキャッチャー４０の再利用や交換をすることができ、また、スケールキャッチャー４０内のスケール堆積状態も容易に確認できるので、戻し配管１０ｂのメンテナンス性を向上させることができるという効果がある。

実施の形態３．
実施の形態２では、スケールキャッチャー４０内のスケール堆積状況を目視にて確認するようにしていたが、センサを設けて自動的に検知するようにしている。

図４は、実施の形態３に係るスケールキャッチャー４０の断面図である。同一符号は、同一又は相当部分を示す。図４において、４２はスケールキャッチャー４０内部のスケール堆積状況を検知するセンサで、有底円筒状をしたスケールキャッチャーの開口端部に近い位置に配設されている。センサ４２は、ヒートポンプ式給湯機５０を制御するリモコン（図示せず）と電気的に接続され、検知信号を受けてそのリモコンで報知できるように構成する。

センサ４２は、例えば光の屈折率変化に基づき、スケール１２の堆積状態を検知し、その検知信号をヒートポンプ式給湯機５０の制御を行うリモコンへ出力する。そして、飽和に近づいた段階でヒートポンプユニット１を停止しリトライ動作を行い、その後、スケール１２の堆積状態を再度検知し、検知状況に差がない場合、スケールキャッチャー４０内部のスケール１２堆積量は飽和と判断し、沸き上げ温度を下げてヒートポンプユニット１の動作を再開させることも可能になる。

実施の形態３によれば、スケール堆積量が自動で検知できるので、戻し配管１０ｂのメンテナンス性がさらに向上するという効果がある。

１ ヒートポンプユニット
２ タンクユニット
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ ファン
８ 循環ポンプ
９ 貯湯タンク
１０ａ 往き配管
１０ｂ 戻し配管
１０ｂａ 横引き配管
１０ｂｂ 縦引き配管
１０ｃ 往き配管
１１ 制御装置
１２ スケール
１３ システム制御装置
３０ 給水管
３１ 減圧弁
３２ 混合給湯管
３３ 混合給水管
３４ 給湯混合弁
３５ 給湯管
４０ スケールキャッチャー
４１ ファスナー
４２ センサ
５０ ヒートポンプ式給湯機
１００ 冷凍サイクル
２００ 給湯水回路

Claims (4)

1. 貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる外部加熱機と、
   前記外部加熱機と前記貯湯タンクの下部とを連通する往き配管及び前記外部加熱機と前記貯湯タンクの上部とを連通する戻し配管とからなる給湯水回路と、
   前記給湯水回路に前記貯湯タンク内の湯水を循環させる循環ポンプとを備え、
   前記戻し配管は前記貯湯タンクの外郭に沿って略垂直に配設され上端部が該貯湯タンクの上部に接続された縦引き配管と、
   一端が前記外部加熱機に接続され他端が前記縦引き配管の下端部近傍に接続された横引き配管と、
   前記縦引き配管の下端部に設けられ、湯水の沸き上げ時に析出するスケールを捕集するスケールキャッチャーと、
   前記スケールキャッチャーが捕集した前記スケールの堆積状態を検知するスケール検知センサとを有し、
   前記外部加熱機は、前記スケール検知センサにより検知された前記スケールの堆積状態が飽和に近づいた段階で動作を停止し、
   前記スケール検知センサは、前記外部加熱機の動作が停止した状態で前記スケールの堆積状態を再度検知し、
   前記スケールの堆積状態に差が無い場合に、前記外部加熱機は、沸き上げ温度を下げて動作を再開することを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記横引き配管は、端部を円弧状に折曲して前記縦引き配管に接続したことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記縦引き配管の下端部を閉塞し、前記スケールキャッチャーを該縦引き配管と一体に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記縦引き配管の下端部を開口し、この開口端部に有底筒状の前記スケールキャッチャーを着脱自在に取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。

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