JP7227090B2

JP7227090B2 - 貯湯式給湯機

Info

Publication number: JP7227090B2
Application number: JP2019121685A
Authority: JP
Inventors: 晃寛大平; 基阿部; 芳芙美玉木
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: JP2021008966A

Description

この発明は、ヒートポンプ式の加熱手段を有した貯湯式給湯機に関するものである。

従来よりこの種の貯湯式給湯機では、貯湯タンクと加熱手段とを備え、貯湯タンク下部から加熱手段に送る加熱往き管と、加熱手段から貯湯タンクに送る加熱戻り管とで貯湯タンクと加熱手段とを連結して加熱循環回路を構成し、前記加熱循環回路中に設けた循環ポンプで貯湯タンクと加熱手段内の湯を循環させて、貯湯タンク内の水を加熱する沸き上げ運転で沸き上げた湯を貯湯タンクに貯湯していき、順次貯湯タンク内の高温水と給水とをミキシングしながら、設定温度の給湯を行い経済的な給湯を実現するものであった。

また、加熱戻り管から分岐した加熱バイパス管は給水管に接続され、加熱バイパス管を通るバイパス循環経路が、給水管の給水経路と一部を共用している貯湯式給湯機があった（例えば、特許文献１）。

また、このようなヒートポンプ式の加熱手段で貯湯タンク内の水を沸き上げている貯湯式給湯機では、加熱手段に霜が付着してしまい、沸き上げ運転に支障がでてしまう場合があり、加熱手段に着霜しているときは、循環ポンプの駆動を停止させ、加熱手段内に高温水を滞留させておくことで、霜を溶かす除霜運転を行う必要があった。

特開２００７－１３９２５８号公報

ところで、特許文献１のように加熱戻り管から分岐した加熱バイパス管は給水管に接続され、加熱バイパス管を通るバイパス循環経路が、給水管の給水経路と一部を共用しているような貯湯式給湯機で、循環ポンプの駆動を停止する除霜運転中に給湯を行う場合は、循環ポンプを停止していても給湯時の給水の流れに加熱バイパス管内の水が引っ張られて、加熱循環回路内の湯が循環してしまい、霜を溶かすために必要な高温水を加熱手段内に滞留させて置くことができず、除霜運転の時間が長くなってしまうという課題があった。

本発明によれば、温水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器とがこの順番で接続され、前記貯湯タンク内の湯を加熱するヒートポンプ式の加熱手段と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、前記給水管から分岐して、前記出湯管と合流される給水バイパス管と給湯運転要求時に前記出湯管の高温水と前記給水バイパス管の給水を混ぜ合わせて給湯先に給湯水を送出させる給湯管と、前記温水を前記貯湯タンク下部から前記加熱手段に送る加熱往き管と、前記加熱往き管の途中に設けた循環ポンプと、前記加熱手段で加熱した温水を前記貯湯タンクの上部に送る加熱戻り管と、前記加熱戻り管から分岐し、前記給水管と合流して前記温水を前記貯湯タンクの下部に送る加熱バイパス管と、前記貯湯タンクと前記加熱往き管と前記加熱手段と前記加熱戻り管とで構成された加熱循環回路と、前記加熱戻り管から前記加熱バイパス管への分岐点に前記温水の流れを切り替える切替弁と、前記切替弁の制御を行う切替制御手段を有した制御装置とを備えた貯湯式給湯装置に於いて、前記制御装置には、前記加熱手段に着霜したことを検出する着霜判定手段と、前記着霜判定手段が着霜判定ありと判定した場合、前記加熱手段についた霜を除霜する除霜運転を開始させる除霜運転制御手段とを備え、前記除霜運転制御手段は、前記圧縮機を駆動し、前記膨張弁の開度を全開にし、圧縮機から水冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器の順に冷媒を循環させ、前記循環ポンプの駆動を停止させるようにし、前記切替弁制御手段は、前記除霜運転が行われると、前記切替弁を前記加熱バイパス管側に温水が流れないように閉止するようにした。

また、前記切替弁制御手段は、前記除霜運転中に給湯運転が同時に行われる場合に、前記切替弁を前記加熱バイパス管側に温水が流れないように閉止するようにした。

また、前記切替制御手段は、前記切替弁を、前記加熱バイパス管側にし、前記貯湯タンクの下部の前記給水管に連通するように切り替える第１の状態と、前記加熱バイパス管側を閉じて、前記貯湯タンク上部側にするように切り替える第２の状態、及び前記加熱バイパス管側と前記貯湯タンク上部側を閉止する第３の状態に切り替えることができるようにした。

この発明によれば、前記除霜運転が行われる場合、前記切替弁制御手段は前記切替弁を前記加熱バイパス管側に温水が流れないように閉止するようにしたことで、給湯運転により生じる給水の流れで、前記加熱バイパス管を介して前記加熱循環回路内の湯水が循環してしまうのを防止することができると共に、加熱手段の霜を融解させる熱が循環してしまい放熱してしまうことを防いでいるので、除霜運転の時間を短縮することができる。

この発明の一実施形態を示す概略構成図。この発明の第１の実施形態を示すフローチャート。この発明の第２の実施形態を示すフローチャート。

次にこの発明の一実形態のヒートポンプ式給湯機を図面に基づいて説明する。
１は貯湯タンクユニットで内方には、湯水を貯湯する貯湯タンク２と、該貯湯タンク２の上部に接続された出湯管３と、貯湯タンク２の下部に接続された給水管４と、出湯管３からの高温水と給水管４から分岐された給湯バイパス管５からの低温水とをミキシングする給湯ミキシング弁６と、該給湯ミキシング弁６の下流に接続された給湯管７に設けられた給湯温度センサ８及び給湯フローセンサ９とが備えられている。

１０はヒートポンプユニットで、圧縮機１１と凝縮器としての水冷媒熱交換器１２と電子式の膨張弁１３と室外ファン１４を有し空気と熱交換する蒸発器としての空気熱交換器１５で構成されたヒートポンプ式の加熱手段１６と、前記貯湯タンク２内の湯水を加熱往き管１７及び加熱戻り管１８から成る加熱循環回路１９を介して加熱手段１６に循環させる循環ポンプ２０と、それらの駆動を制御するヒートポンプ制御部２１とを備えており、加熱手段１６には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。また、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能になっている。

ここで、前記水冷媒熱交換器１２は冷媒と被加熱水たる貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することができ、被加熱水の水冷媒熱交換器１２入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記膨張弁１３または圧縮機１１を制御することで、被加熱水の水冷媒熱交換器１２の入口温度が５～２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）がとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。

また、加熱戻り管１８途中には切替弁２２が備えられ、凍結防止時には切替弁２２を貯湯タンク２下部の給水管４に接続した加熱バイパス管２３側の連通するように切り替えることで、貯湯タンク２内下部を利用した短絡回路の循環として凍結を防止するものである。この切替弁２２は前記加熱戻り管１８から加熱バイパス管２３への分岐点に配置されている。

また、加熱手段１６の加熱初期に十分に加熱されていない温水を循環させる場合、貯湯タンク２上部に湯水を戻さず、加熱バイパス管２３を介して貯湯タンク２下部に湯水を戻しており、十分に加熱された湯水を循環させる場合、切替弁２２を貯湯タンク２上部側に切り替える。

２４はマイコン等から成る制御装置で、加熱制御部２１を制御して加熱循環回路１９による貯湯タンク２の沸き上げや沸き増し等、給湯の温度制御、風呂の湯張りや追い焚き、保温等の制御を行う。

また、制御装置２４には、切替弁２２の開度を制御する切替弁制御手段２５を備えており、具体的に切替弁制御手段２５は、切替弁２２を加熱バイパス管２３側にし、貯湯タンク２下部の給水管４に連通するように切り替える第１の状態と、切換弁２２を貯湯タンク２の上部側に連通させる第２の状態と、切替弁２２を加熱バイパス管２３側にも貯湯タンク２の上部側にも水が流れないように閉止させる第３の状態とに切り替えている。

そして、２６は空気熱交換器１５の出口付近に設けた温度センサで着霜判定温度以下を検出すると加熱手段１６に霜が付着していると判定する着霜判定手段であり、２７は着霜してしまった加熱手段１６の霜を溶かすために行う除霜運転を制御する除霜運転制御手段である。

更にリモコン２８には、給湯設定温度を設定する温度設定スイッチ２９、風呂への湯張りを指示する湯張りスイッチ３０、湯張り量を設定する３１を有し、更にドットマトリクス型の蛍光表示管よりなる表示部３２と、この表示部３３を制御すると共に制御装置２５との通信を行うマイコンで構成されたリモコン制御部３３が備えられている。

また、前記加熱循環回路１９の水冷媒熱交換器１２の入水側には入水温度センサ３４が備えられ入水温度を検知するものであり、出口側には出口温度センサ３５が備えられて、加熱後の湯水温度を検知するものであり、貯湯タンク２に備えられた該貯湯タンク２内の貯湯温度を検知する複数の貯湯温度センサ３６のうち、出口温度センサ３５と最上部の貯湯温度センサ３６のどちらかが沸き上げ目標温度を継続して検知することで沸き上げ運転を終了させるものである。

３７は貯湯タンク２頂部に連通し、貯湯タンク２や加熱循環回路１９内のエアが抜ける逃がし弁、３８は給水管４に備えられた減圧弁である。

また、３９は湯張り管４０を浴槽と連通させて、浴槽に湯を供給させる湯張り弁、４１は風呂に供給される風呂温度を検出する風呂温度センサ、４２は湯張り管４０を通過した流量を検出する風呂フローセンサである

次に、沸き上げ運転について説明する。
貯湯熱量の低下や深夜の時間帯の沸き上げ要求があると、切換弁制御手段２５は切替弁２２を貯湯タンク２の上部側に連通させる第２の状態にし、制御装置２４は、貯湯タンク２と加熱手段１６を繋ぐ配管の途中にある循環ポンプ２０を駆動して、貯湯タンク２内下部から水をくみ上げ、加熱手段１６で温めて貯湯タンク２上部に戻す動作を続ける事により徐々に貯湯タンク２内の水が高温水へと沸き上げる。

次に、給湯動作ついて説明する。
給湯栓が開かれると給水管４から給水され、貯湯タンク２下部に流入すると共に給水バイパス管５を通り、貯湯タンク２上部から押し出された高温水と給水バイパス管５の給水が給湯ミキシング弁６で混ぜ合わされ、給湯設定温度と給湯温度センサ８で検出された温度が同じなるように調整された湯水が給湯栓から給湯される。

また、湯張り動作について説明する。
リモコン２８の湯張りスイッチ３０が押されると制御装置２４は湯張り弁３９を開弁し、給水管４から給水を供給し、貯湯タンク２下部に流入すると共に給水バイパス管５を通り、貯湯タンク２上部から押し出された高温水と給水バイパス管５の給水が給湯ミキシング弁６で混ぜ合わされ、風呂設定温度と風呂温度センサ４１で検出された温度が同じになるように調整された湯水が浴槽に流入されることで湯張りが開始される。そして、風呂フローセンサ４２で流れた流量を検出して、流れた流量の合計積算値が湯張り設定量分流れたら制御装置２４が湯張り弁３９を閉状態にすることで湯張りを完了する。

また、除霜運転について説明する。
沸き上げ運転中に着霜判定手段２７で加熱手段１６に着霜していると判定した場合、切換弁制御手段２５は加熱バイパス管２３側にし、貯湯タンク２下部の給水管４に連通するように切り替える第１の状態とし、圧縮機１１の出力を増加させ、膨張弁１３の開度を全開にし、室外ファン１４と循環ポンプ２０を停止させ、空気熱交換器１５へ高温の冷媒を流入することで着霜を融解させ、加熱手段１６の除霜運転を開始する。そして図示していない空気熱交換器１５の出口付近に設けた温度センサで所定温度以上を検出することで除霜運転を終了する。そして再び沸き上げ運転を再開する。

この除霜運転では、除霜運転により圧縮機１１の出力を増加させることで水冷媒熱交換器１２付近の温度と加熱戻り管１８内の温度とで温度差が生じ、その温度差で水冷媒熱交換器１２付近の湯が配管内を上昇する対流が起きる。この対流で加熱手段１６よりも高い位置にある貯湯タンク２の上部を介して加熱循環回路１９内で湯が循環してしまうのを切替弁２２を第１の状態に切り替えることで、水冷媒熱交換器１２付近の湯が配管内を上昇する対流を防止するようにしている。

次に沸き上げ運転中に着霜判定手段２７が着霜ありと判定し、沸き上げ運転を除霜運転に切り替えるときの第１の実施形態の動作を図２のフローチャートに基づいて詳しく説明する。
沸き上げ運転中に、加熱手段１６に着霜したことを着霜判定手段２７で判定すると（Ｓ１がＹｅｓ）、制御装置２４は沸き上げ運転を除霜運転に切り替える（Ｓ２）。

そして、除霜運転制御手段３７は、循環ポンプ２０の駆動停止させ、空気熱交換器１５へ高温の冷媒を滞留させることで、霜を融解させる除霜運転を開始する（Ｓ３）。

このとき、除霜運転開始直後、切替制御手段２５は切替弁２２の位置を第３の状態に切り替え（Ｓ４）、加熱バイパス管２３側にも貯湯タンク２の上部側にも水が流れないように閉止させる。

そして、除霜運転が完了すると（Ｓ５がＹｅｓ）、切替制御手段２５は切替弁２２の位置を第２の状態に切り替え（Ｓ６）、沸き上げ運転を再開する（Ｓ７）。

このように、除霜運転が行われる場合、切替弁制御手段２５は切替弁２２を加熱バイパス管２３側にも貯湯タンク２の上部側にも水が流れないように閉止させる第３の状態にすることで、もし除霜運転中に給湯運転が行われても、給湯運転により生じる給水の流れで、加熱バイパス管２３を介して加熱循環回路１９内の湯水が循環して、霜を融解させる熱が放熱してしまうことを防止することができる。

また、加熱バイパス管２３を介して加熱循環回路１９内の湯水が循環して、霜を融解させる熱が放熱してしまうことを防止することができるので、熱を加熱手段１６の霜を融解させるためだけに利用することで、除霜運転の時間を短縮することができると共に、貯湯タンク２内の貯湯熱量の低下により沸き上げ運転要求がされている場合は、除霜運転が長引くことで湯切れの可能性が高まるが、沸き上げ運転中断から沸き上げ運転再開までの時間を短くすることで湯切れを防止することができる。

また、第１の実施形態とは異なる方法の第２の実施形態の動作を図３のフローチャートに基づいて詳しく説明する。
沸き上げ運転中に、加熱手段１６に着霜したことを着霜判定手段３６で判定すると（Ｓ８がＹｅｓ）、制御装置２４は沸き上げ運転を除霜運転に切り替える（Ｓ９）。

そして、切換弁制御手段２５は加熱バイパス管２３側にし、貯湯タンク２下部の給水管４に連通するように切り替える第１の状態にし、除霜運転制御手段３７は、循環ポンプ２０の駆動停止させ、空気熱交換器１５へ高温の冷媒を滞留させておくことで、着霜を融解させる除霜運転を開始する（Ｓ１０）。

そして、除霜運転開始後すぐ給湯運転中かどうかを確認し（Ｓ１１）、給湯運転を行っている場合（Ｓ１１がＹｅｓ）、切替弁制御手段２５は切換弁２２の位置を第３の状態に切り替え（Ｓ１２）、除霜運転が完了したかを確認し（Ｓ１４）、除霜運転が完了していない場合は（Ｓ１４がＮｏ）、Ｓ１１に戻る。そして、除霜運転が完了しなければ、給湯運転の有無にかかわらず、切換弁２２の位置を第３の状態にして保持する。

また、除霜運転開始後すぐ給湯運転中かどうかを確認し（Ｓ１１）、給湯運転を行っていない場合（Ｓ１１がＮｏ）、切替弁制御手段２５は現在の切換弁２２の位置を保持し（Ｓ１３）除霜運転が完了したかを確認し（Ｓ１４）、除霜運転が完了していない場合は（Ｓ１４がＮｏ）、Ｓ１１に戻る。そして、除霜運転と給湯運転が同時に行われれば（Ｓ１１がＹｅｓ）、切替弁制御手段２５は切換弁２２の位置を第３の状態に切り替え（Ｓ１２）、除霜運転と給湯運転が同時に行われなければ（Ｓ１１がＮｏ）、切替弁制御手段２５は現在の切換弁２２の位置を保持し続ける（Ｓ１３）。

そして、除霜運転が完了すると（Ｓ１４がＹｅｓ）、切替制御手段２５は切替弁２２の位置を第２の状態に切り替え（Ｓ１５）、沸き上げ運転を再開する（Ｓ１６）。

このように、除霜運転と給湯運転が同時に行われる場合、切替弁制御手段２５は切替弁２２を加熱バイパス管２３側にも貯湯タンク２の上部側にも水が流れないように閉止させる第３の状態とすることで、給湯運転により生じる給水の流れで、加熱バイパス管２３を介して加熱循環回路１９内の湯が循環して、霜を融解させる熱が放熱してしまうことを防止することができる。

なお、本発明は実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で改変する事を妨げるものではなく、例えば、実施形態では給湯運転とあるが、風呂の湯張り動作も給水管４から給水している場合、本発明の要件を満たすものである。

また、本発明の実施形態では、除霜運転を完了すると、沸き上げ運転を再開するにあたり切替弁２２を貯湯タンク２の上部側に連通させる第２の状態にしているが、加熱循環回路１９内に溜まった非加熱水が貯湯タンク２の上部側に流入されるのを防ぐために、除霜運転が完了したあと、切替弁２２を加熱バイパス管２３側にし、貯湯タンク２下部の給水管４に連通するように切り替える第１の状態にしてから切替弁２２を第２の状態に切り替えても良い。

また、本発明の第２の実施形態では、加熱戻り管１８から分岐した加熱バイパス管２３は給水管４に接続され、加熱バイパス管２３を通るバイパス循環経路が、給水管４の給水経路と一部を共用しているものにおいて、除霜運転時に給水圧により加熱循環回路１９内の湯が循環するのを防ぐため、切替弁２２を加熱バイパス管２３側にも貯湯タンク２の上部側にも水が流れないように閉止させる第３の状態にしているが、切替弁２２を貯湯タンク２の上部側に連通させる第２の状態にして、加熱バイパス管２３側を閉止することもできる。

また、本発明の実施形態には追い焚き回路を有していないが、追い焚き回路があっても同様の効果を発揮することができる。

２貯湯タンク
３出湯管
４給水管
５給湯バイパス管
６給湯ミキシング弁
７給湯管
１６加熱手段
１９加熱循環回路
２０循環ポンプ
２２切替弁
２３加熱バイパス管
２４制御装置
２５切替弁制御手段
２６着霜判定手段
２７除霜運転制御手段

Claims

温水を貯湯する貯湯タンクと、
圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器とがこの順番で接続され、前記貯湯タンク内の湯を加熱するヒートポンプ式の加熱手段と、
前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、
前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、
前記給水管から分岐して、前記出湯管と合流される給水バイパス管と
給湯運転要求時に前記出湯管の高温水と前記給水バイパス管の給水を混ぜ合わせて給湯先に給湯水を送出させる給湯管と、
前記温水を前記貯湯タンク下部から前記加熱手段に送る加熱往き管と、
前記加熱往き管の途中に設けた循環ポンプと、
前記加熱手段で加熱した温水を前記貯湯タンクの上部に送る加熱戻り管と、
前記加熱戻り管から分岐し、前記給水管と合流して前記温水を前記貯湯タンクの下部に送る加熱バイパス管と、
前記貯湯タンクと前記加熱往き管と前記加熱手段と前記加熱戻り管とで構成された加熱循環回路と、
前記加熱戻り管から前記加熱バイパス管への分岐点に前記温水の流れを切り替える切替弁と、
前記切替弁の制御を行う切替制御手段を有した制御装置とを備えた貯湯式給湯装置に於いて、
前記制御装置には、前記加熱手段に着霜したことを検出する着霜判定手段と、前記着霜判定手段が着霜判定ありと判定した場合、前記加熱手段についた霜を除霜する除霜運転を開始させる除霜運転制御手段とを備え、
前記除霜運転制御手段は、前記圧縮機を駆動し、前記膨張弁の開度を全開にし、圧縮機から水冷媒熱交換器、膨張弁、空気熱交換器の順に冷媒を循環させ、前記循環ポンプの駆動を停止させるようにし、
前記切替弁制御手段は、前記除霜運転が行われると、前記切替弁を前記加熱バイパス管側に温水が流れないように閉止するようにしたことを特徴とする貯湯式給湯機。
前記切替弁制御手段は、前記除霜運転中に給湯運転が同時に行われる場合に、前記切替弁を前記加熱バイパス管側に温水が流れないように閉止するようにしたことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯機。
前記切替制御手段は、前記切替弁を、前記加熱バイパス管側にし、前記貯湯タンクの下部の前記給水管に連通するように切り替える第１の状態と、前記加熱バイパス管側を閉じて、前記貯湯タンク上部側にするように切り替える第２の状態、及び前記加熱バイパス管側と前記貯湯タンク上部側を閉止する第３の状態に切り替えることができるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の貯湯式給湯機。