JP6382743B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプサイクルにより水を加熱するヒートポンプ給湯機に係り、特に凍結防止対策を施すヒートポンプ給湯機に関する。

従来、この種のヒートポンプ給湯機においては、給湯熱交換器や水配管の破裂防止のための対策を施している。

例えば特許文献１のヒートポンプ式給湯装置では、給湯熱交換器や水配管の破裂防止のため、低温時にヒートポンプユニットの運転や循環ポンプを動作させて、凍結防止を図っている。

特許文献２のヒートポンプ式給湯装置には、「圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、蒸発器を冷媒配管で接続して構成したヒートポンプユニットと、前記給湯用熱交換器で加熱した水を貯留する貯湯タンクと、前記ヒートポンプユニットと前記貯湯タンクを接続する水配管に設けられ、温度によって開閉する開閉弁とを備え、前記水配管内の水が低温になった時に前記開閉弁が開成し、前記水配管内の水が外部に排出されるようにしたもので、停電時でも、前記水配管内の水が低温になると、水配管内の水が外部に排出されるので、貯湯タンク、水道より水が給湯熱交換器及び水配管内に連続的に供給されて、凍結を確実に防止するので、給湯熱交換器及び水配管の破損を防止することができる。」と記載されている。

特開２００３−２１４７００号公報 特開２００８−３０９３９１号公報

特許文献１のヒートポンプ給湯機では、ヒートポンプユニットの運転や循環ポンプを動作させるなど、これらの駆動電源を必要とし、従って電源断時には凍結の可能性なしとできない。

特許文献２のヒートポンプ給湯機では、温度によって開閉する開閉弁とすることで低温時における給湯熱交換器や水配管の破裂防止のための対策とするともに、温度によって開閉する開閉弁として低温で変形する形状記憶合金を用いることで電気的駆動部分を備えず、停電時でも開閉弁による温度対策を可能にしている。

特許文献２のヒートポンプ給湯機における形状記憶合金を用いる手法では、低温時破裂防止対策と停電時対策とが１つの弁で同時に達成可能であり、１つの対策案として有効である。

これに対し、比較的大型、大容量のヒートポンプ給湯機設備では、より高いシステム信頼度確保のために積極的に電磁弁などの電力駆動型の弁を使用することがある。係る電気駆動型の弁の採用により、大容量化ばかりでなく、遠方からの監視制御などが可能になる。

以上のことから本発明においては、電気駆動型の弁を採用しながら低温時破裂防止対策と停電時対策とを可能にするヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、圧縮機と、給湯熱交換器と、膨張弁と、蒸発器を冷媒配管で接続して構成された冷媒配管系と、貯湯タンクと、循環ポンプと、給湯熱交換器を、出湯配管で接続して構成された出湯配管系とを含み、出湯配管系には電源を利用した凍結防止対策が施されたヒートポンプ給湯機であって、出湯配管の一部から、停電時に開放する電磁弁である第１の排水弁と外気温度が低いときに開放される第２の排水弁を直列に接続した排水配管を分岐して設置する。

電気駆動型の弁を採用しながら低温時破裂防止対策と停電時対策とを可能にするヒートポンプ給湯機を提供することができる。

本発明にかかるヒートポンプ給湯機の全体構成を示す図。 ２つの直列排水弁１０、１１の停電排水制御による開閉制御状態を説明するための図。 ２つの直列排水弁１０、１１による作用を説明するための図。

以下本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係るヒートポンプ給湯機の全体構成を示している。

図１において、ヒートポンプ給湯機１００は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク２で構成されている。このうち、ヒートポンプユニット１は、冷媒配管系と出湯配管系で構成されており、冷媒配管系と出湯配管系の間に設けられた給湯熱交換器７において冷媒と水の間での熱交換を行う。

ヒートポンプユニット１の冷媒配管系は、圧縮機６と、給湯熱交換器７と、膨張弁８と、プロペラファン９により冷却される蒸発器５を、冷媒配管３で接続して構成されたものであり、ヒートポンプユニット１の出湯配管系は、貯湯タンク２と、循環ポンプ１４と、給湯熱交換器７を、出湯配管４で接続して構成されたものである。

上記構成により、蒸発器５において空気中の熱を冷媒が吸収し、圧縮機（コンプレッサ）６で圧縮されてさらに高温になり、給湯熱交換器７における熱交換によって高温の冷媒が熱を伝えて、水を設定温度に沸かす。設定温度に沸かされた水は、貯湯タンク２に貯湯される。なお給湯熱交換器７において熱を放出した冷媒は再度蒸発器５に送られ、再び熱を吸収しにいく。この場合に、冷媒配管系に収納する冷媒は二酸化炭素を用い、超臨界サイクルの冷凍サイクルを有するヒートポンプユニットとされるのがよい。

なお貯湯タンク２には給水配管１３から給水が供給され、沸かされたお湯が貯湯タンク２から供給される。このため、貯湯タンク２内は供給された給水により加圧状態にある。

本発明では、出湯配管４の一部に設けた排水配管１２に、排水弁として２種類の電力駆動型の弁（以下単に電磁弁という）を直列に配置している。第１の排水弁１０は停電対応の電磁弁であり、通常は閉状態にあり停電時に開放する。第２の排水弁１１は外気温度対応の電磁弁であり、外気温度が所定の設定外気温度以下になると開放し、外気温度が所定の設定外気温度以上の状態では閉状態となる。なお外気温度対応の電磁弁１１は、自己保持型の電磁弁であり、弁駆動用電源の有無にかかわらず、そのときの開閉状態を維持するようにされている。つまり、外気温度が高く電磁弁１１が閉じている状態では電源断されても閉状態を維持し、外気温度が低く電磁弁１１が開放している状態では電源断されても開放状態を維持しつづける。

図２は、２つの直列排水弁１０、１１の停電排水制御による開閉制御状態を説明するための図である。図２の説明の前提として、図１の設備では、低温時にヒートポンプユニットの運転や循環ポンプを動作させて、凍結防止を図る手段を採用している。これらの手段は電源を必要とし、従って電源断時には凍結防止手段を喪失するというものである。

図２に示す本発明の実施例では、上記前提のもとに、最初のブロックＢ１では２つの電磁弁１０、１１に電源供給がされていること（電源がオン）を判断する。以降の処理は電源オンを通常の状態として実行される。

ブロックＢ２では、電源オンをもって、停電対応の電磁弁１０を閉状態とし、次に外気温が所定の設定温度（たとえば図２の事例では零度）以下か、以上かを判別する。所定の設定温度以上であるとき、凍結の恐れがないことからブロックＢ４において外気温度対応の電磁弁１１を閉状態とする。所定の設定温度以下であるとき、凍結の恐れがあることからブロックＢ５において外気温度対応の電磁弁１１を開放状態とする。

さらにブロックＢ６において電源オフを判断する。ここまでの判断状態では、外気温が凍結可能性のある温度以下に低下しているが、電源は生きており従って既存の凍結防止策（低温時にヒートポンプユニットの運転や循環ポンプを動作）が実行されている。このため、ブロックＢ６において電源オンを判断するケースでは、既存の凍結防止策にゆだねればよく、停電対応の電磁弁１０の操作を必要としない。このため、無駄な排水を行わずとも好い。

然るに、ブロックＢ６において電源オフを判断するときには、外気温が凍結可能性のある温度以下に低下しているが、電源は死んでおり従って既存の凍結防止策（低温時にヒートポンプユニットの運転や循環ポンプを動作）が実行できないでいる。このため、ブロックＢ６において電源オフを判断するケースでは、ブロックＢ７において停電対応の電磁弁１０を強制的に開放状態とする。

これにより、停電時でも、出湯配管４内の水が排水配管１２を経由して外部に排出されるので、貯湯タンク２、水道より水が給湯熱交換器７及び出湯配管４内に連続的に供給されて、凍結を確実に防止するので、給湯熱交換器７及び出湯配管４の破損を防止することができる。

図３は、２つの直列排水弁１０、１１による作用を説明するための図である。図３においては、横軸に４組の態様を示し、縦軸に上から外気温度、排水弁１０、１１の開閉状態、排水の可否を表示している。

図３で左側の２組の態様Ａ、Ｂは、外気温度が設定温度以上の事例、右側の２組の態様Ｃ、Ｄは外気温度が設定温度以下の事例を示している。さらに態様Ａ、Ｃは通電状態、態様Ｂ、Ｄは電源断状態を表している。

これによれば、左側の２組の態様Ａ、Ｂ（外気温度が設定温度以上の事例）では、外気温度対応の第２の排水弁１１が閉じており、停電対応の第１の排水弁１０の開閉に関わらず排水配管からの排水は行われない。この外気温度が設定温度以上の事例での対応は、排水配管の運用として正しいものである。

右側の２組の態様Ｃ、Ｄ（外気温度が設定温度以下の事例）が本発明で解決したい運用である。まず外気温度が設定温度以下で、かつ電源正常の態様Ｄでは、外気温度対応の第２の排水弁１１が開放されているが、停電対応の第１の排水弁１０は電源確保状態のため閉状態にある。このため、排水配管からの排水は行われないが、既存の対応により凍結防止対策が有効に機能しているので実質的には凍結防止対策が行われている。既存の凍結防止策として、低温時のヒートポンプユニットの運転や、循環ポンプの動作や、あるいはヒータによる加熱などを含め、これらは電源通電状態において正常に確保され実行されている。

この状態で、電源断が生じると既存の凍結防止策として、低温時のヒートポンプユニットの運転や、循環ポンプの動作や、あるいはヒータによる加熱による凍結防止は期待できない状態となる。然るに本発明では図２の考え方に基づき停電対応の第１の排水弁１０が開放されるので、外気温度対応の第２の排水弁１１の開放と相俟って排水配管からの排水が実施できる。

これにより、停電時でも、出湯配管４内の水が排水配管１２を経由して外部に排出されるので、貯湯タンク２、水道より水が給湯熱交換器７及び出湯配管４内に連続的に供給されて、凍結を確実に防止するので、給湯熱交換器７及び出湯配管４の破損を防止することができる。

なお本発明を実現するにあたり、さらに以下の運用、構成とすることが可能である。まず、停電対応の第１の排水弁１０を外気温度対応の第２の排水弁１１の上流側に配置した排水配管１２とすることが考えられる。この場合には、閉状態の停電対応の第１の排水弁１０より下方側が大気開放状態にあり水が残っていないので、排水配管１２上の凍結予防を図るべき区間（排水配管の分岐点から第１の排水弁１０までの区間）を最小化できる。

また、外気温度対応の第２の排水弁１１を停電対応の第１の排水弁１０の上流側に配置した排水配管１２とすることが考えられる。この場合には、閉状態の停電対応の第１の排水弁１０より下方側が大気開放状態にあり水が残っていないので、排水配管１２上の凍結予防を図るべき区間（排水配管の分岐点から第１の排水弁１０までの区間）が長くなることにはなるが、保温材で覆うなどの凍結防止対策での対応が可能である。

出湯配管４は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク２間のいずれかに設ければよい。さらに２つの排水弁１０、１１はヒートポンプユニット１の筐体内に組み入れられてもよく、また貯湯タンク２に至る外部配管上に設けられてもよい。

また上記実施例では、外気温度対応の第２の排水弁１１を電磁弁で構成する事例について説明したが、これは手動の止水栓（手動弁）としてもよい。寒気が増す季節に先立ち、外気温度対応の第２の排水弁１１を開放状態としておくことで本発明と同等の効果を得ることができる。

また図１の配管構成によれば、貯湯タンク２と給湯熱交換器７と排水配管１２は、排水配管１２からの排水が行われている状態において、逆止弁的な要素を介在させずに接続されている。これにより排水配管１２に水が流入する経路は、貯湯タンク２から給湯熱交換器７を介さずに排水配管１２に至る経路（図１の上側の経路）と、貯湯タンク２から給湯熱交換器７を介して排水配管１２に至る経路（図１の下側の経路）の２経路が形成されたことになる。このことは、停電、低温時の凍結防止領域をヒートポンプユニット１の出湯配管系全域にできることを意味しており、凍結可能性が残る盲点領域を生じないことである。

上記２系統からの排水を有効にするためには、２つの排水弁１０、１１の設置場所、あるいは排水配管１２の設置場所は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク２間の往き配管と戻り配管の圧力損失が均等になる位置が理想的である。逆に言うとこれらの設置位置は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク２間の往き配管と戻り配管の圧力損失が極力均等になる観点から選択するのがよい。

１：ヒートポンプユニット
２：貯湯タンク
３：冷媒配管
４：出湯配管
５：蒸発器
６：圧縮機
７：給湯熱交換器
８：膨張弁
９：プロペラファン
１０：停電対応の電磁弁
１１：外気温度対応の電磁弁
１２：排水配管
１３：給水配管
１４：循環ポンプ
１００：ヒートポンプ給湯機

Claims (9)

1. 圧縮機と、給湯熱交換器と、膨張弁と、蒸発器を冷媒配管で接続して構成された冷媒配管系と、貯湯タンクと、循環ポンプと、給湯熱交換器を、出湯配管で接続して構成された出湯配管系とを含み、前記出湯配管系には電源を利用した凍結防止対策が施されたヒートポンプ給湯機であって、
   前記出湯配管の一部から、停電時に開放する電磁弁である第１の排水弁と外気温度が低いときに開放される第２の排水弁を直列に接続した排水配管を分岐して設置するとともに、
   前記排水配管からの排水が行われている状態において、前記排水配管に水が流入する経路は、前記貯湯タンクから前記給湯熱交換器を介さずに前記排水配管に至る経路と、前記貯湯タンクから前記給湯熱交換器を介して前記排水配管に至る経路が形成されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   外気温度が低いときに開放される前記第２の排水弁は、停電時における開閉位置を保持する自己保持型の電磁弁とされることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 請求項１に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   外気温度が低いときに開放される前記第２の排水弁は、凍結の恐れがある低温状態で開放運用される手動弁とされることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
4. 請求項１に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記排水配管からの排水が行われている状態において、前記排水配管に水が流入する２つの経路が前記排水配管に分岐する位置は、各径路での圧力損失が均等になる観点から決定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   停電対応の前記第１の排水弁を外気温度対応の前記第２の排水弁の上流側に配置した排水配管とすることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   停電対応の前記第１の排水弁を外気温度対応の前記第２の排水弁の下流側に配置した排水配管とすることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記冷媒配管系と、前記出湯配管系の前記給湯熱交換器と前記循環ポンプによりヒートポンプユニットを構成し、該ヒートポンプユニット内に前記排水配管の前記第１の排水弁と前記第２の排水弁を収納することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記冷媒配管系と、前記出湯配管系の前記給湯熱交換器と前記循環ポンプによりヒートポンプユニットを構成し、該ヒートポンプユニットと前記貯湯タンク間を結ぶ前記出湯配管系部分から分岐して、前記排水配管の前記第１の排水弁と前記第２の排水弁を設置することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記冷媒配管系に収納する冷媒は二酸化炭素を用い、超臨界サイクルの冷凍サイクルを有するヒートポンプユニットとされることを特徴とするヒートポンプ給湯機。

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