JP5517873B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機，水−冷媒熱交換器，膨張弁，蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を利用して、水−冷媒熱交換器にて沸上げた水を貯湯タンクに蓄えるようにしたヒートポンプ給湯機に関するものである。

深夜電力等を利用してヒートポンプサイクルを駆動し、低温水を加熱して所望の温度の湯を貯湯タンクに貯える沸き上げ機能を備えたヒートポンプ給湯機が知られている。このようなヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクル内に設けた水−冷媒熱交換器と貯湯タンクを配管にて接続し、接続した配管内を貯湯タンク内の水を循環させ、水−冷媒熱交換器において貯湯タンク内の水とヒートポンプサイクルの冷媒で熱交換を行い沸き上げを行っている。このような沸き上げを行うヒートポンプ給湯機では、水配管内のごみ詰まりや水道水内に含まれる硬度成分（例えば炭酸カルシウム）がスケールとして析出し配管内に付着したスケールが詰まったり、あるいは、配管内の空気抜き不足や蒸発による気泡の発生による配管内の空気たまりによる循環不良などにより沸き上げのための水の循環ができなくなり、機器異常により運転が停止する問題がある。この問題に対応するために、水配管内に流量センサやフロースイッチ等の流量変化を検知するものを設けて詰まりなどを検出して異常を通知する方法（例えば特許文献１参照）や、配管内の水を循環させるための循環ポンプの入力電流などのポンプ特性を用いて詰まりなどを検出して異常を通知する方法（例えば特許文献２参照）が提案されている。また、断水状態の検出として、水冷媒熱交換器から流出する冷媒の温度を検出し、この温度が所定の温度以上の場合は循環水の循環流量を増加させ、増加後の冷媒温度より断水状態と判断する方法（例えば特許文献３参照）が提案されている。

特開２００４−１１６９４２号公報 特開２００９−１４５００７号公報 特開２０１０−１２７５７４号公報

しかし、循環流量の低下や水が流れていないことを検出した場合に、それを解決するための具体的な手法は示されておらず、また、特許文献３には、循環ポンプの回転数を変更（増加）し、エアを除去する方法が示されているが、循環流量低下時に循環ポンプ流量を変化させ、急に循環が開始されると、サイクルのバランスが崩れ、エアによる循環異常を回避することはできても、他のサイクル異常を誘発させる可能性がある。これにより誘発されたサイクル異常が危険要因を含んでいるような場合は、異常発生とともにシステムダウンとなり、それ以降給湯機の運転ができないという状況になることも考えられる。循環流量の低下または水が循環しない原因にはいくつかの要因が考えられるが、スケールによる配管詰まりやごみによる詰まりなどは使用者またはサービスマンなどの人による作業が必要であり、自動的に除去することは難しい。しかし、循環低下のもっとも大きな要因である配管内または水−冷媒熱交換器内のエア溜まりは、制御または簡単なエア抜き機構で除去が可能である。沸き上げ運転中（ヒートポンプサイクル運転中）にエアによる循環流量の低下または循環水が流れない要因を適切に除去することにより、使用者に迷惑をかけずに給湯機を運転することができる。

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送り出す往き配管と、前記水−冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに水を戻す戻り配管からなる循環路と前記循環路に水を循環するための循環ポンプを備え、前記循環路の水の循環流量が低下しているまたは循環していないことを検出する制御機構を有するヒートポンプ給湯機において、循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止し、停止後、循環ポンプの循環流量を増加したエア抜きのための水循環運転を実施することを特徴とする。

或いは、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送り出す往き配管と、前記水−冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに水を戻す戻り配管からなる循環路と前記循環路に水を循環するための循環ポンプと、前記循環路のエア抜き手段を備え、前記循環路の水の循環流量が低下しているまたは循環していないことを検出する制御機構を有するヒートポンプ給湯機において、循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止し、停止後、エア抜き手段により循環路内のエア除去運転を実施することを特徴とする。

本発明によれば、水循環流路内に溜まったまたは滞留したエアによる異常発生を抑制し、使用者に迷惑をかけることなく運転を継続することができるとともに、エアを排出するためにほかのサイクル異常などの警報を発報することもない。これにより、信頼性の向上を図ったヒートポンプ給湯機を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係るヒートポンプ給湯機の系統構成図である。 本発明の第２の実施例に係るヒートポンプ給湯機の系統構成図である。 本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯機の運転時の制御フロー図である。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送り出す往き配管と、前記水−冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに水を戻す戻り配管からなる循環路と前記循環路に水を循環するための循環ポンプを備え、前記循環路の水の循環流量が低下しているまたは循環していないことを検出する制御機構を有する。

そして、循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止することとしている。循環流量の低下または循環水流れず（流れていないこと）は、流量センサや、冷媒の温度センサなどで検出ができる。

これらの検出手段，制御手段により循環流量の低下または循環水流れずを検出した場合、まず、サイクルの運転を停止することを特徴としている。貯湯式のヒートポンプ給湯機は特に夜間の時間帯を利用して貯湯タンク内にお湯をためるもので、一時的に運転を停止しても使用者に迷惑をかけるものではない。

サイクルの運転を停止した後、循環流量を制御している循環ポンプの流量を増加させ（たとえば最大流量）循環流路としては水の循環によりエアが貯湯タンク内、またはエア抜き弁などから除去できる流路状態で水の循環を行い、エア抜き運転を実施するものである。

循環ポンプの運転によるエア抜き運転のほか、あらかじめ流路内にエア抜きのための自動エア抜きバルブ（排水バルブ）や、ほかのエア抜き自動制御手段を備えているものは、その運転を行ってもよい。ここで、サイクルの運転を停止し、これらの運転を行うのは、ヒートポンプサイクル運転中に循環水系統の制御を変更することによるサイクルのバランスが崩れることをなくすためである。

ヒートポンプサイクルは、外気環境のほか、入水温度，出湯温度，循環流量も加わったさまざまな要因が絡んでバランスをとった運転を行っている。たとえば循環水量が低下し、水が流れない状態では、水冷媒熱交換器の温度が上昇し、それを回避するために冷媒循環量を低下させる、圧縮機吐出圧力を低下させる、など、さまざまな制御が加わり、サイクル運転を継続しようとする。

ここで、サイクル運転中に急激に循環水が流れ、水冷媒熱交換器の温度が低下すると、冷媒サイクルも状態が大きく変化し、圧縮機吐出圧力の急上昇や、吐出温度の急上昇などを招き、サイクル異常を発生させる可能性がある。このため、サイクルを一度停止し、異常要因の除去を行うことにより、他の異常を招くことなく、確実に異常要因を取り除くことができる。

サイクル運転停止後、エア除去のための運転を行い、その後、再び、ヒートポンプサイクルを再起動し、沸き上げ運転を行う。異常要因であるエアが除去できていれば、この後は、問題なく沸き上げ運転を実施することができる。異常発生要因が取り除かれていない場合は、再度水循環低下または循環水流れずを検出することになる。

この場合は、サイクル停止，エア抜き運転，再起動をあらかじめ設定された回数繰り返し、異常が除去できない場合、循環流量低下の異常を発報する。循環流量低下は、エア溜まりのほか、スケールによる詰まりなどでも発生し、この要因は除去できないため、異常発報を行い、使用者またはサービスマンに点検を実施してもらうよう促す。

また、ヒートポンプ給湯機において、冷媒に二酸化炭素を使用したヒートポンプ給湯機の場合は、約９０℃の高温沸き上げが可能であり、沸き上げ中の蒸発による気泡の発生が多くなる。このため、配管内への気泡溜まりの発生確率が高くなり、本発明は特に有効となる。

次に、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の第１の実施例について以下に説明する。

図１に第１の実施例に係るヒートポンプ給湯機の系統構成図を示す。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、水−冷媒熱交換器を含む冷媒サイクルを箱体内部に搭載したヒートポンプユニット１と、貯湯タンクを含めた給湯サイクルを箱体内部に搭載した貯湯ユニット２で構成され、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２をヒートポンプ式給湯機の施工現場にて接続配管３を使用して接続する構造となっている。

ヒートポンプの冷媒サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４から吐出される高温・高圧の冷媒が、貯湯タンクより導いた水と熱交換する水−冷媒熱交換器５と、水−冷媒熱交換器５より流出された冷媒が減圧される減圧弁６と、減圧弁６により減圧された低温・低圧の冷媒が、空気と熱交換する蒸発器７を冷媒配管を介して環状に接続される構成となっている。蒸発器７には、ファン８により外気が通風される構造となっている。

水サイクルは必要量の湯を貯える貯湯タンク９と、貯湯タンク９の底部の水が導かれる循環ポンプ１０と、循環ポンプ１０から吐出された水が冷媒と熱交換する水−冷媒熱交換器５が循環配管により環状に接続される構成となっており、水−冷媒熱交換器５より吐出された水は貯湯タンク９の頂部に戻される構造となっている。また貯湯タンク９の底部には給水配管１１を介して、図示していない水道などの給水源が接続され、頂部は使用場所に給湯する給湯配管１２が接続されている。

圧縮機４には、圧縮機温度を測定するために圧縮機温度センサ１３が設けられている。水−冷媒熱交換器５の前後に設けてある水サイクル内の配管には、水−冷媒熱交換器５に流入する水の温度を計測する水−冷媒熱交換器入口水温度センサ１４と、水−冷媒熱交換器５から流出する水の温度を計測する水−冷媒熱交換器出口水温度センサ１５が設けられている。

図１に示す水サイクルにおいては、循環ポンプ１０を高速回転（たとえば最大流量）で水循環を実施することにより、接続配管３，循環ポンプ１０，水−冷媒熱交換器５内に滞留したエアを流速により貯湯タンク側に押し出すことにより配管内のエアを除去することができる。

図２に本実施形態に関係する第２の実施例としての系統図を示す。図２によれば、水サイクル（循環流路）内に水の循環水排出バルブ１６を備えたものである。循環水排出バルブ１６を排水側に切り替えることにより、給水圧力により水が排水され、配管内に溜まったエアを同時に除去することができる。

ヒートポンプ給湯機に多く用いられる循環ポンプは非自給式ポンプであり、循環ポンプ内にエアが滞留した場合、循環ポンプの運転ではエアが排出されない。このような場合、配管中の排水バルブを開放すること（排水すること）で、給水圧力で循環ポンプ内のエアの排出を行うことができる。

この排水バルブは、図２では、水−冷媒熱交換器の後流に設置しているが、接続配管中に設置されていれば同様の効果を得ることができる。また、貯湯タンク側で給水圧力の加わる配管を切り替えれる構造の場合は、給水圧力が加わった接続配管から水が給水されるので、それによりエアが排除される位置に取り付けることにより適切にエアが排除される。

図１，図２はエア除去の方法としての代表的な実施例を示したものであり、他の手段により配管中、循環ポンプ内、水−冷媒熱交換器内のエアの除去ができるものであれば、方法は問うものではない。

このような系統におけるヒートポンプ給湯機において、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の制御フローを図３に示す。ヒートポンプ給湯機の運転を開始した（Ｓ１）後、循環流量が適切に流れているか監視を行う。この循環流量の低下または水が流れない状態の検出は流量センサを用いる方法でもよいし、循環ポンプの入力を検出する方法でもよいし、冷媒配管の温度を検出する方法でもよいし、そのほかの方法であってもかまわない。このように循環流量の低下または水が流れていない状況を監視する制御手段を備えている。

運転開始後、制御手段により循環流量の低下が確認された場合（Ｓ２）、サイクルの運転を停止する（Ｓ５）。サイクル停止後、エア抜き運転を実施する（Ｓ６）。このエア抜き運転は、循環ポンプの強制運転であってもよいし、排水バルブの開放によるものであってもよいし、他の方法であってもよい。エア抜き運転終了（Ｓ７）後、再度運転の開始を行う（Ｓ１）。

このように、循環流量の低下または、水が流れていない状態を検出した場合、サイクルを停止することにより、確実にエア抜き運転を行うことができ、また、サイクル運転中に外乱となる動作を行わないことにより、循環流量低下とは関係のないサイクル異常を発生させる心配がない。

循環流量低下または、水が流れない原因としては、エア溜まりだけではなく、配管内のスケール詰まり、フィルターのごみ詰まりなど他の要因も考えられる。このため、循環流量低下の検出後、エア抜きの実施回数を制御手段により記憶する。循環流量低下を検出した場合、エア抜きの実施回数を確認し、あらかじめ設定した回数未満の場合、エア抜き運転を行う（Ｓ３）。

ここで、あらかじめ設定した回数以上であった場合は、エア溜まりによる循環流量低下ではなく、詰まりが想定されるため、システムを停止し、異常を発報する。これはリモコンにコードやメーセージを表示し、使用者やサービスマンに点検をしてもらうよう促す。

循環流量の低下の主要因は据え付け時のエア抜き不足や沸き上げ運転中の気泡発生によるエア溜まりによる部分が大きいため、本実施形態の制御を行うことによりエア溜まりによる異常発生を確実に回避することができ、使用者に迷惑をかけることもなく、信頼性を向上させることができる。

１ ヒートポンプユニット
２ 貯湯ユニット
３ 接続配管
４ 圧縮機
５ 水−冷媒熱交換器
６ 減圧弁
７ 蒸発器
８ ファン
９ 貯湯タンク
１０ 循環ポンプ
１１ 給水配管
１２ 給湯配管
１３ 圧縮機温度センサ
１４ 水−冷媒熱交換器入口水温度センサ
１５ 水−冷媒熱交換器出口水温度センサ
１６ 循環水排出バルブ

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送り出す往き配管と、前記水−冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに水を戻す戻り配管からなる循環路と前記循環路に水を循環するための循環ポンプを備え、前記循環路の水の循環流量が低下しているまたは循環していないことを検出する制御機構を有するヒートポンプ給湯機において、
   循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止し、停止後、循環ポンプの循環流量を増加したエア抜きのための水循環運転を実施することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止し、停止後、循環ポンプの循環流量を増加したエア抜きのための水循環運転を実施し、エア抜き循環運転終了後、ヒートポンプサイクルの運転を再起動することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. エア抜きのための水循環運転を実施し、エア抜き運転終了後、ヒートポンプサイクルの運転を再起動することをあらかじめ設定された回数繰り返し、前記設定回数実施後、循環流量の低下または水が循環していないことを検出した場合、異常停止することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される高温，高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、前記水−冷媒熱交換器から膨張弁を介して流入される低温，低圧の冷媒を空気と熱交換させて前記圧縮機に戻す蒸発器と、給水源に連通された貯湯タンクと、前記貯湯タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送り出す往き配管と、前記水−冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに水を戻す戻り配管からなる循環路と前記循環路に水を循環するための循環ポンプと、前記循環路のエア抜き手段を備え、前記循環路の水の循環流量が低下しているまたは循環していないことを検出する制御機構を有するヒートポンプ給湯機において、
   循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運転を停止し、停止後、エア抜き手段により循環路内のエア除去運転を実施することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
5. 循環流量が低下または循環していないことを検出した場合、ヒートポンプサイクルの運
   転を停止し、停止後、エア抜き手段により循環路内のエア除去運転を実施し、エア除去運
   転実施後、ヒートポンプサイクルの運転を再起動することを特徴とする請求項４に記載の
   ヒートポンプ給湯機。
6. 循環路内のエア除去運転を実施し、エア除去運転終了後、ヒートポンプサイクルの運転を再起動することをあらかじめ設定された回数繰り返し、前記設定回数実施後、循環流量の低下または水が循環していないことを検出した場合、異常停止することを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、
   使用する冷媒が二酸化炭素であり、冷凍サイクルが超臨界サイクルであることを特徴とするヒートポンプ給湯機。

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