JPWO2016132540A1

JPWO2016132540A1 - 熱交換装置およびヒートポンプ式給湯器

Info

Publication number: JPWO2016132540A1
Application number: JP2017500249A
Authority: JP
Inventors: 伸英坂本; 一普宮; 禎司齊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2035-02-20
Also published as: EP3260794B1; JP6513177B2; EP3260794A1; EP3260794A4; WO2016132540A1

Abstract

水と冷媒とで熱交換する熱交換器内のスケール付着を効率的に抑制する。水と冷媒とで熱交換する第２の熱交換器５と、第２の熱交換器５に流入する水の水用配管１３に配置され、水用配管１３を流通する水に脈動を発生させる脈動発生部と、脈動発生部を制御する制御部１６と、を備え、制御部１６は、許容最大流速に基づいた目標流量比で脈動発生部を制御する。

Description

本発明は、給湯器などの冷熱機器における熱交換装置および熱交換装置を用いたヒートポンプ式給湯器に関する。

浴室や台所でお湯を供給する給湯器としてＣＯ_２冷媒を使用したヒートポンプ式給湯器が存在する。ヒートポンプ式給湯器は、省エネや地球温暖化の面で非常に有効とされている。ヒートポンプ式給湯器は、大気から熱を吸収し、その何倍かのエネルギーでお湯を作ることができる。そのため、ヒートポンプ式給湯器は、運転に使用される電気エネルギーよりも多くのエネルギーを利用することができる。
ヒートポンプ式給湯器の熱交換器伝熱面では、冷媒と水との熱交換が行われる。しかし、水が流通する熱交換器伝熱面にスケールなどの付着物が存在すると、熱交換面積の低下や熱交換器の閉塞といった現象を生じる。

これらの問題を解決するため、薬液を使用せずに熱交換器の伝熱面に付着したスケールを水による脈動で除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１６０９８号公報

特許文献１に開示された技術のように、脈動時の流量比を大きくすればスケール抑制効果は大きくなるが、出湯温度の過度な低下や流速増大による潰食が発生し、ポンプが故障し易くなることが課題であった。
一方、出湯温度を目標値に調整する制御を行っている場合には、脈動中の温度変動が大きくなる点、入水温度が高い場合などのスケール抑制が不要なときも脈動運転をしてしまう点、水質に関係なく一定の流量比を維持してしまう点などが課題であった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、水と冷媒とで熱交換する熱交換器内のスケール付着を効率的に抑制する熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換装置は、水と冷媒とで熱交換する熱交換器と、前記熱交換器に流入する水の流路に配置され、前記流路を流通する水に脈動を発生させる脈動発生部と、前記脈動発生部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記熱交換器の流路の平均流量および配管径から定まる許容最大流速に基づいた目標流量比で前記脈動発生部を制御するものである。

本発明に係る熱交換装置によれば、目標流量比で水を脈動させるので、水と冷媒とで熱交換する熱交換器内のスケール付着を効率的に抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯器の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る熱交換器周辺の脈動発生部の概略を示す図である。本発明の実施の形態１に係る流量比と流速の関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る出湯温度とスケール付着量との関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る時刻と出湯温度との関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る流量比と出湯温度との関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る他の例の熱交換器周辺の脈動発生部の概略を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。
さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に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に係るヒートポンプ式給湯器１の構成を示す断面図である。
図１に示すように、ヒートポンプ式給湯器１は、空気と冷媒とで熱交換する第１の熱交換器２と、第１の熱交換器２に送風する送風機３と、冷媒を圧縮する圧縮機４と、水と冷媒とで熱交換する第２の熱交換器５と、膨張弁６と、高低圧熱交換器７と、冷媒用配管８と、を備える。これらにより、冷媒が循環する冷媒回路が構成される。
また、ヒートポンプ式給湯器１は、ポンプ９と、脈動用ポンプ１０と、水用配管１３と、を備える。これらにより、水をお湯に温める水回路が構成される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る第２の熱交換器５周辺の脈動発生部の概略を示す図である。
図２に示すように、水用配管１３は、２つの水用配管１３ａ、１３ｂに分岐される。一方の水用配管１３ａには、ポンプ９と、ポンプ９の下流側の流量調整弁１２ａと、を有する。他方の水用配管１３ｂには、脈動用ポンプ１０と、脈動用ポンプ１０の下流側の逆止弁１１と、逆止弁１１の下流側の流量調整弁１２ｂと、を有する。また、水用配管１３ａ、１３ｂが合流する位置に流量センサ１４を有する。一方、水用配管１３ａ、１３ｂの分岐前の位置に入水温度センサ１５を有する。ポンプ９と脈動用ポンプ１０と逆止弁１１と流量調整弁１２ａ、１２ｂと水用配管１３ａ、１３ｂが脈動発生部を構成する。
ヒートポンプ式給湯器１は、制御部１６を備える。制御部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポートなどを備えたマイコンを有している。制御部１６は、流量センサ１４および入水温度センサ１５と電気的に接続され、各センサの検知結果を受信する。また、制御部１６は、ポンプ９と、脈動用ポンプ１０と、流量調整弁１２ａ、１２ｂと電気的に接続され、これらを制御する。

次に、このように構成されたヒートポンプ式給湯器１の動作について説明する。
圧縮機４が圧縮した冷媒が第２の熱交換器５に流入すると、第２の熱交換器５にて冷媒から水にエネルギーが与えられ、水が昇温する。第２の熱交換器５を流出した冷媒は、膨張弁６で膨張し、高低圧熱交換器７にて熱交換した後に第１の熱交換器２に流入して大気からの熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、第１の熱交換器２を流出した後にガス状態となり、再度圧縮機４に送られる。これらの動作が繰り返されることで水用配管１３の水の昇温が行われる。

ここで、スケール成分（炭酸カルシウム：ＣａＣＯ_３）の析出原理について説明する。水に溶解していた炭酸カルシウムが水の昇温によりに炭酸ガスが抜け、炭酸カルシウムの溶解度が低下する。析出した炭酸カルシウムが第２の熱交換器５に付着して析出する。そのため、水からお湯を作り出すヒートポンプ式給湯器１では炭酸カルシウムが析出し易い。

実施の形態１のスケール抑制動作について説明する。
第２の熱交換器５で熱交換が行われると、伝熱面に気泡が発生する。気泡と伝熱面の微小な隙間では炭酸カルシウムイオン濃度が大きくなり、スケールが析出し易くなる。そこで、水の脈動を発生させ、流量変化時に生じるせん断応力により気泡を剥離させ、伝熱面に付着したスケール核の剥離を促進させる。

実施の形態１では、脈動用ポンプ１０で水の脈動を発生させることで、第２の熱交換器５のスケール付着を抑制する。制御部１６は、ポンプ９で一定流量を流し、脈動用ポンプ１０では開閉（オンオフ）を繰り返すことで、第２の熱交換器５に水脈動を発生させる。また、制御部１６は、ポンプ９および脈動用ポンプ１０の流量を流量調整弁１２ａ、１２ｂで調整することで、目標の脈動を発生させる。

このように制御部１６は、脈動用ポンプ１０は開閉させ、流量調整弁１２ｂにより脈動の流量を調整する。なお、脈動用ポンプ１０は開閉させるのではなく、回転数を変えても構わない。従来技術である特開２０１４−１６０９８号公報では、流量比は少なくとも２以上、好ましくは５以上がよく、脈動は少なくとも１０秒以内に１回、好ましくは５秒に１回がよいとされている。

しかし、水脈動により第２の熱交換器５、水用配管１３で水流速が大きくなり、配管内で潰食が発生することが考えられる。そのため、制御部１６は、脈動用ポンプ１０および流量調整弁１２ｂにより水流量を調整することで、潰食が発生する流速以下に抑える。潰食発生の基準値としては、１．５ｍ／ｓ以下の流速とする。

図３は、本発明の実施の形態１に係る流量比と流速の関係を示す図である。図３には、ヒートポンプ式給湯器１の水流量および水用配管径（第２の熱交換器５の流路の平均流量および配管径）から算出された水用配管１３内の流速および第２の熱交換器５内の流速（許容最大流速）を示している。
流量比３では、第２の熱交換器５内の流速（許容最大流速）が１．５ｍ／ｓ以下となり潰食が発生しない。水用配管１３では、１．５ｍ／ｓ以上となり潰食が発生することになるため、水用配管１３の材質をステンレス配管とし、潰食が発生しないようにする。このように、実施の形態１では、第２の熱交換器５内で潰食を発生させずに脈動を大きくする値として、流量比を３と設定する。流量比３は、限定された値ではなく、ほかの値でもよい。

図４は、本発明の実施の形態１に係る出湯温度とスケール付着量との関係を示す図である。図４には、流量比１と流量比３とで脈動させた場合のスケール付着抑制効果を示す。図４に示す試験結果では、脈動ありとなしとのガスクーラを用意し、３００時間運転させた場合のスケール付着量を比較した。出湯温度７７℃、流量比３のスケール付着量は流量比１に比べて約１／２倍の結果となった。
以上のことから、脈動あり（流量比３）と、脈動なしとで出湯温度が同じ場合は、スケール付着効果は１／２に削減できる。流量比が大きくなると抑制効果はより大きくなる。しかし、上記のように、実施の形態１では、第２の熱交換器５内で潰食を発生させずに脈動を大きくするため、流量比を３と設定する。

図５は、本発明の実施の形態１に係る時刻と出湯温度との関係を示す図である。
第２の熱交換器５の出湯温度は、水の脈動により上下する。図５では、流量比４、脈動サイクル２０秒で流した場合の出湯温度の変化である。出湯温度は、約±２.５℃変化している。そのため、制御部１６は、脈動させている時の出湯温度ｔとして、ある時間帯△Ｔ秒間の平均値として平均出湯温度を取得し、平均出湯温度と目標出湯温度との差および変化量に応じて、ポンプ９、脈動用ポンプ１０、および流量調整弁１２ａ、１２ｂの開度を調整して出湯温度を調節する制御を行う。制御部１６は、平均出湯温度の算出期間としてのある時間帯△Ｔ秒は、脈動周期の１倍以上４倍以下の範囲として定め、目標出湯温度に対してヒートポンプ式給湯器１を運転させる。

さらに制御部１６が実施するスケール抑制運転は、平均出湯温度が７５℃を超えるとスケール付着が発生し易くなるため、スケール付着が発生し難い平均出湯温度が７５℃以下となるように運転を行う。この７５℃以下の値は限定された値ではなく、ほかの値でもよい。

図６は、本発明の実施の形態１に係る流量比と出湯温度との関係を示す図である。図６に示すように、流量比および脈動間隔（脈動サイクル）に応じて出湯温度が低下する。流量比を１から５に変化させた場合には、出湯温度が低下していく。また、脈動間隔が小さくなることで、出湯温度が低下していく。
脈動制御により出湯温度が低下するため、貯湯タンク内温度が下がりすぎないよう６０℃以上が好ましい。つまり、制御部１６は、目標出湯温度を、貯湯タンク内温度が下がりすぎない６０℃以上、スケール付着が発生し難い７５℃以下に設定する。

実施の形態１では、上記のように制御部１６は、脈動させている時の出湯温度ｔとして、ある時間帯△Ｔ秒間の平均値として平均出湯温度を取得し、平均出湯温度と目標出湯温度との差および変化量に応じて、ポンプ９、脈動用ポンプ１０、および流量調整弁１２ａ、１２ｂの開度を調整し、出湯温度を調節するために目標流量比および目標脈動間隔となるように制御を行う。このため、図６に示す出湯温度との関係から、制御部１６が実施する脈動制御は、目標流量比および目標脈動間隔として、流量比３および脈動間隔１５秒に設定される。なお、流量比３および脈動間隔１５秒の値は限定された値ではなく、ほかの値でもよい。

このように、実施の形態１のヒートポンプ式給湯器１では、制御部１６が目標出湯温度に対して脈動を発生させるかどうか決定するため、脈動用ポンプ１０の発停回数を軽減することができる。脈動用ポンプ１０の発停回数が軽減されることにより、脈動用ポンプ１０の負荷軽減となり、脈動用ポンプ１０の故障を抑制することができる。

また、制御部１６は、入水温度センサ１５が検知する入水温度が４０℃以下のときに脈動を発生させ、４０℃を上回る場合ときには脈動運転を行わない。入水温度が４０℃を上回る場合は出湯温度との関係上、脈動制御の流量比３および脈動間隔１５秒に設定できないからである。この入水温度が４０℃以下の値は限定された値ではなく、ほかの値でもよい。

以上のように実施の形態１では、制御部１６は、脈動制御の流量比３および脈動間隔１５秒に設定する。これにより、水の脈動発生による出湯温度の過度な低下や流速増大による水用配管１３内で潰食が発生することや、脈動運転により脈動用ポンプ１０が開閉を繰返し故障し易くなることを抑えることができる。

なお、図１では、ポンプ９および脈動用ポンプ１０のポンプ２台で脈動運転をすることを示しているが、脈動用ポンプを並列に複数台設置することでポンプが故障した場合でも他の脈動用ポンプにより脈動運転が可能である。
また、ポンプ９および脈動用ポンプ１０の下流に流量調整弁１２ａ、１２ｂを設け、流量調整弁１２ａ、１２ｂで流量を調整するとした。しかし、流量調整弁１２ａ、１２ｂを設けず、ポンプ９および脈動用ポンプ１０のみで流量を調整してもよい。
図７は、本発明の実施の形態１に係る他の例の熱交換器周辺の脈動発生部の概略を示す図である。図７に示すように、ヒートポンプ式給湯器１は、複数の第２の熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅに分岐して流入する水用配管１３に上記と同様な脈動発生部を設けてもよい。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。
スケール付着抑制運転で脈動用ポンプ１０が開閉を繰り返した場合には、ポンプ１０や流量調整弁１２ｂが故障することが想定される。脈動運転中にポンプ９および流量調整弁１２ａまたは脈動用ポンプ１０および流量調整弁１２ｂが故障した場合は、流量比３の運転ができない。
そのため、制御部１６は、出湯温度制御ができないことや、流量比３の運転ができないことを検知し、一方のポンプの故障を検知すると、故障しているポンプを停止させ、片方のポンプのみで応急運転させる。

制御部１６は、応急運転中では脈動運転は行わずに一定流量の通常の運転を行い、故障したポンプまたは流量調整弁のメンテナンス異常を表示し、交換または修理を促す。制御部１６は、故障したポンプが復旧すると脈動を発生させる制御に戻す。

このように実施の形態２では、ポンプまたは流量調整弁といった水回路部品が故障した場合でも安定的にお湯を作り続けることができる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３について説明する。
制御部１６は、入水温度センサ１５からの第２の熱交換器５の入水温度と、実施の形態１で述べたように取得した平均出湯温度と、の差および変化量を比較することで、第２の熱交換器５のスケール付着状態をモニタリングし、スケール付着量に応じて流量比を変更させる。
例えば、制御部１６は、第２の熱交換器５の入水温度と平均出湯温度と流量とから給湯加熱能力を求め、加熱能力と温水入出温度および冷媒入出温度に基づきガスクーラの熱伝導率を算出する。スケール付着が進行してきた場合は熱伝導率が低下していく。熱伝導率の低下からスケール付着度合いをモニタリングして目標流量比を変更させる。
制御部１６が実施する目標流量比の変更は、例えば、よりスケール付着を抑制するように流量比を例えば流量比４などに上昇させる制御を行う。

また、制御部１６は、スケール付着度合いをモニタリングするガスクーラ熱伝達率がある値以下になった場合は、ガスクーラ内のスケール付着が進行し、閉塞状態に近づいていることを示しているため、ガスクーラ内を薬品洗浄することを促してもよい。

実施の形態４．
次に、実施の形態４について説明する。
ヒートポンプ式給湯器１を設置する場所の水質（カルシウム硬度、Ｍアルカリ度、ｐＨ）を製品にインプットして制御部１６に記憶させ、制御部１６は、その水質から得られる過飽和度に応じて流量比を変更させる。過飽和度は、炭酸カルシウムＣａＣＯ_３の水に対する溶解度が飽和状態を基準とした値である。過飽和度１以上の場合は水に対して炭酸カルシウムが析出し易くなる。

現行の水質範囲に対して過飽和度が２倍の水質に対しては、流量比３の脈動を発生させることで現行水質範囲と同様のスケール付着進行と考えられる。ここでは、スケール付着速度と過飽和度は比例関係にあるとして考慮する。制御部１６は、水質から得られる過飽和度が２倍以上の水質に関しては流量比３以上に設定し、過飽和度が２倍以下の水質では流量比３以下と設定する。

このように実施の形態４では、ヒートポンプ式給湯器１を設置する現地の水質によって最適な脈動制御を行うことができる。

以上の実施の形態１〜４によると、制御部１６は、ヒートポンプ式給湯器１の第２の熱交換器５の水流量および水用配管径から定まる第２の熱交換器５内の許容最大流速である１．５ｍ／ｓに基づいた目標流量比である流量比３で水を脈動させる。これによれば、目標流量比で水を脈動させるので、水と冷媒とで熱交換する第２の熱交換器５内のスケール付着を効率的に抑制することができる。

制御部１６は、一方のポンプ９を一定流量で運転し、他方の脈動用ポンプ１０を開閉運転し、流量調整弁１２ａ、１２ｂを２つのポンプ９、１０から合流した水を流量比３とするように制御する。これによれば、２つのポンプ９、１０から合流した水を目標流量比で水を脈動させることができる。なお、制御部１６は、一方のポンプ９を一定流量で運転し、他方の脈動用ポンプ１０を開閉運転し、２つのポンプ９、１０から合流した水を流量比３とするように制御してもよい。

制御部１６は、平均出湯温度を取得し、平均出湯温度および目標出湯温度に応じた目標流量比および目標脈動間隔で２つのポンプ９、１０および流量調整弁１２ａ、１２ｂを制御する。これによれば、流量比が大きくなると出湯温度が低下し、脈動間隔が小さくなると出湯温度が低下するため、平均出湯温度および目標出湯温度に応じた目標流量比および目標脈動間隔を設定し、出湯温度を考慮して水を最適に脈動させることができる。

制御部１６は、平均出湯温度の算出期間を脈動発生部によって発生させた脈動周期の１倍以上４倍以下の範囲として平均出湯温度を算出する。これによれば、精度の良い平均出湯温度を算出することができる。

制御部１６は、目標出湯温度を６０℃以上７５℃以下に設定する。これによれば、脈動制御により出湯温度が低下しても、貯湯タンク内温度が下がりすぎないようにできる。また、出湯温度が高すぎず、スケール付着が発生し難い。

制御部１６は、例えば４０℃の入水温度に応じた目標流量比で２つのポンプ９、１０および流量調整弁１２ａ、１２ｂを制御する。これによれば、入水温度に応じて脈動制御を実施するか否かを切り分けることができる。

制御部１６は、分岐した流路の一方のポンプの故障を検知すると、他方の分岐した流路の他方のポンプで応急運転させる。これによれば、ポンプまたは流量調整弁といった水回路部品が故障した場合でも安定的にお湯を作り続けることができる。

制御部１６は、入水温度および平均出湯温度に応じた目標流量比で２つのポンプ９、１０および流量調整弁１２ａ、１２ｂを制御する。これによれば、第２の熱交換器５のスケール付着状態をモニタリングすることができ、スケール付着量に応じて目標流量比を変更させることができる。

制御部１６は、水用配管１３を流通する水の水質を記憶し、水質から得られる過飽和度に応じた目標流量比で２つのポンプ９、１０および流量調整弁１２ａ、１２ｂを制御する。これによれば、ヒートポンプ式給湯器１を設置する現地の水質によって最適な脈動制御を行うことができる。

なお、本発明の実施の形態１〜４を組み合わせてもよいし、他の部分に適用してもよい。

１ヒートポンプ式給湯器、２第１の熱交換器、３送風機、４圧縮機、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ第２の熱交換器、６膨張弁、７高低圧熱交換器、８冷媒用配管、９ポンプ、１０脈動用ポンプ、１１逆止弁、１２ａ流量調整弁、１２ｂ流量調整弁、１３水用配管、１３ａ水用配管、１３ｂ水用配管、１４流量センサ、１５入水温度センサ、１６制御部。

Claims

水と冷媒とで熱交換する熱交換器と、
前記熱交換器に流入する水の流路に配置され、前記流路を流通する水に脈動を発生させる脈動発生部と、
前記脈動発生部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記熱交換器の流路の平均流量および配管径から定まる許容最大流速に基づいた目標流量比で前記脈動発生部を制御する熱交換装置。
前記脈動発生部は、前記流路を分岐させた複数の流路にそれぞれ配置される複数のポンプを有し、
前記制御部は、一方の前記ポンプを一定流量で運転し、他方の前記ポンプをオンオフ運転し、複数の前記ポンプから合流した水を前記目標流量比とするように制御する請求項１に記載の熱交換装置。
前記脈動発生部は、前記流路を分岐させた複数の流路にそれぞれ配置される複数のポンプと、複数の前記ポンプよりも下流側の水の流路に配置された流量調整弁と、を有し、
前記制御部は、一方の前記ポンプを一定流量で運転し、他方の前記ポンプをオンオフ運転し、前記流量調整弁を複数の前記ポンプから合流した水を前記目標流量比とするように制御する請求項１に記載の熱交換装置。
前記制御部は、平均出湯温度を取得し、前記平均出湯温度および目標出湯温度に応じた前記目標流量比および目標脈動間隔で前記脈動発生部を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記制御部は、前記平均出湯温度の算出期間を前記脈動発生部によって発生させた脈動周期の１倍以上４倍以下の範囲として前記平均出湯温度を算出する請求項４に記載の熱交換装置。
前記制御部は、前記目標出湯温度を６０℃以上７５℃以下に設定する請求項４または５に記載の熱交換装置。
入水温度を検知する入水温度センサを備え、
前記制御部は、前記入水温度に応じた前記目標流量比で前記脈動発生部を制御する請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記制御部は、一方の前記ポンプの故障を検知すると、他方の前記ポンプで運転させる請求項２〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
入水温度を検知する入水温度センサを備え、
前記制御部は、平均出湯温度を取得し、前記入水温度および前記平均出湯温度に応じた前記目標流量比で前記脈動発生部を制御する請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記制御部は、前記流路を流通する水の水質を記憶し、前記水質から得られる過飽和度に応じた前記目標流量比で前記脈動発生部を制御する請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いたヒートポンプ式給湯器。