KR101465571B1 - 히트 펌프 급탕기 - Google Patents

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히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 스케일의 석출의 판정이 가능한 히트 펌프 급탕기를 제공한다.
적어도, 압축기(1), 액냉매 열교환기(2)의 냉매측 전열관(2a), 감압 장치(4), 및 공기 열교환기(5)가 냉매 배관에 의해 접속되어서 구성되는 히트 펌프 냉매 회로와, 적어도, 펌프(15) 및 상기 액냉매 열교환기(2)의 액측 전열관(2b)이 액배관에 의해 접속되어서 구성되는 피가열 액체 회로와, 상기 액냉매 열교환기(2)의 출구측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제1 온도 센서(20)와, 상기 히트 펌프 냉매 회로 및/또는 상기 피가열 액체 회로를 제어해서 액체 가열 운전을 행하는 운전 제어 수단(52)을 구비하는 히트 펌프 급탕기에 있어서, 상기 제1 온도 센서(20)로 온도를 검출하는 피가열 액체보다 상류측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제2 온도 센서(24)를 구비한다.

Description

히트 펌프 급탕기{HEAT PUMP HOT-WATER SUPPLY DEVICE}
본 발명은 히트 펌프 급탕기에 관한 것이며, 특히 스케일 부착의 검출 및 방지에 관한 것이다.
히트 펌프 급탕기는, 야간의 할인 전기 요금을 이용해서 히트 펌프 및 펌프를 운전하여, 상온수(常溫水)(피가열 액체)를 가열해서 고온수(고온의 피가열 액체)로 하여 저액(貯液) 탱크에 저장해서, 주간(晝間)의 탕수(湯水) 사용 시에 수도꼭지를 열었을 때, 저액 탱크 내의 고온수에 상온수를 섞어서 적온수(適溫水)로 하여 급탕하는 저탕(貯湯)식 히트 펌프 급탕기가 일반적이다.
또, 히트 펌프 급탕기의 히트 펌프 운전에 의한 물의 비등 온도는, 통상의 저탕 운전(액체 가열 운전)에서는 약 65℃((사)니혼레도코쵸코교카이 규격(JRA4050 : 2007R) 표준 비등 온도 : 65℃), 동기(冬期) 저온 시의 저탕 운전(액체 가열 운전)에서는 약 85℃∼90℃의 고온(고온 비등)이 일반적이다. 또한, 직접 급탕 운전 시에는 세면이나 입욕 시의 적온이라고 하는 약 42℃가 일반적이다.
히트 펌프 급탕기에 사용하는 수돗물은, 칼슘이나 마그네슘 등의 경도(硬度) 성분을 함유하고 있기 때문에, 장기간 사용하는 동안에 수돗물 중으로부터 석출된 칼슘이나 마그네슘 등의 경도 성분이 수배관(水配管)의 내벽면에 스케일로서 석출되어, 수순환(水循環)을 저해해서 히트 펌프 급탕기의 가열 성능을 저하시킬 우려가 있다.
경도 성분의 용해도는 수온이 높을수록 저하되어 스케일이 석출되기 쉬워진다. 이 때문에, 특히, 동기 저온 시의 고온 저탕 운전 등의 고온 비등 운전에 의해, 히트 펌프 급탕기의 수냉매(水冷媒) 열교환기의 고온부(출탕부(出湯部)) 부근에 스케일이 부착된다.
스케일은, 수관 내면에 경도 성분의 핵이 부착되면 성장이 진행되어 퇴적되며, 히트 펌프 급탕기의 가열 능력의 저하가 발생한다. 또한, 스케일의 성장·퇴적이 진행되면, 수배관을 폐색시켜 히트 펌프 급탕기의 운전을 할 수 없어진다.
수냉매 열교환기의 수회로(水回路)에 있어서의 스케일 석출에 대한 해결 수단으로서, 일본국 특개2009-30959호 공보(특허문헌 1)에는, 수질 조정 유닛을 사용해서 수돗물에 함유되는 경도 성분을 미리 제거하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 수질을 측정해어 스케일 석출의 우려를 판정하여, 히트 펌프 급탕기의 운전을 제어하는 것이 개시되어 있다.
또한, 스케일 석출의 검출 방법으로서, 일본국 특개2009-250461호 공보(특허문헌 2)에는, 수순환 펌프의 출력을 검출하는 검출 수단을 구비하며, 스케일 석출에 의해 수배관의 압력 손실이 증가한 것을 검출함으로써 스케일 석출로 판단하여, 히트 펌프 급탕기의 운전을 제어하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본국 특개2009-250575호 공보(특허문헌 3)에는, 설치 지역을 판단하여, 고경도 지역으로 판단되는 지역에 히트 펌프 급탕기의 설치가 행해진 경우에는, 스케일 석출의 우려가 있는 것으로 하여, 히트 펌프 급탕기의 운전을 변경하는 것이 나타나 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특개2009-30959호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2009-250461호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특개2009-250575호 공보
히트 펌프 급탕기는 저탕 운전(액체 가열 운전)을 행해서, 저액 탱크에 탕수(고온의 피가열 액체)로 하여 저장해서, 가정 내의 급탕에 사용한다는 설비의 특성상, 특히 급탕 열수요가 많은 동기(冬期) 등에서는, 온수 끊김을 방지하기 위해서 고온 비등 운전을 행하는 경우가 많다.
수돗물의 수질은 각 지역에서 상이하고, 또한 계절마다 변동이 있기 때문에, 경도 성분이 높은 지역·계절에서 고온 비등 운전을 행하면 스케일의 석출이 발생하여, 가열 능력의 저하나 수배관 폐색에 따른 운전 정지가 발생할 우려가 있다.
또, 스케일이 석출되게 되면, 스케일을 제거하기 위해서 대규모인 설비를 사용한 클리닝을 실시할 필요가 있다. 또한, 석출이 진행되어 유로(流路)가 폐색된 경우에는, 히트 펌프 유닛을 교환하지 않을 수 없는 상황이 된다.
특허문헌 1에 개시된 종래 기술은, 수돗물에 함유되는 경도 성분을 제거하기 위한 수질 조정 유닛을 구비하여, 비등하는 탕수의 경도를 조정하는 것이다. 스케일 석출의 방지로서는 유효하지만, 수질 조정 유닛을 내장하기 때문에, 히트 펌프 급탕기가 복잡하고 고가가 되며, 또한 수질 조정 유닛의 메인터넌스도 필요해진다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 스케일 석출의 검출 기술로서는, 수돗물의 성분을 도전율, 광학적 측정 등의 측정 수단에 의해 측정하는 것이며, 히트 펌프 급탕기가 복잡하고 고가가 되는 것이다.
특허문헌 2에서 개시된 종래 기술은, 수순환 펌프의 출력을 비교하여, 예를 들면 전일보다 출력이 늘어나 있을 경우에는, 스케일이 석출된 것에 따른 수배관의 압력 손실의 증대로 판정하여, 비등 운전을 변경해서 히트 펌프 급탕기의 연명을 도모하는 것이다. 그러나, 압력 손실에 따른 순환 펌프의 출력의 변화는 미소하여, 그 변화를 검출하기 위해서는 정밀도가 높은 검출기가 필요해진다.
특허문헌 3에 기재된 종래 기술은, 설치하는 지역에 따라 수돗물의 경도를 판정하여, 고경도 지역에서는 스케일 석출을 억제하는 운전을 행하는 것이다. 그러나, 물의 경도는 지역 또는 계절에 따라 다양하게 변화되기 때문에 충분한 대응은 어렵다.
따라서, 스케일의 석출을 억제한 히트 펌프 급탕기의 운전을 행하기 위해서는, 우선 저가이고 확실하게 스케일의 석출을 검출하기 위한 검출 기구가 필요하며, 그 검출 결과에 의거해서 스케일의 석출을 억제하는 운전 제어를 행하고, 또한 메인터넌스 콜 등에 의해 사용자에게 정보를 발신하는 히트 펌프 급탕기가 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은 스케일의 석출의 판정이 가능한 히트 펌프 급탕기를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1에 따른 히트 펌프 급탕기는, 적어도, 압축기, 액냉매 열교환기의 냉매측 전열관(傳熱管), 감압 장치, 및 공기 열교환기가 냉매 배관에 의해 접속되어서 구성되는 히트 펌프 냉매 회로와, 적어도, 펌프 및 상기 액냉매 열교환기의 액측 전열관이 액배관에 의해 접속되어서 구성되는 피가열 액체 회로와, 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제1 온도 센서와, 상기 히트 펌프 냉매 회로 및/또는 상기 피가열 액체 회로를 제어해서 액체 가열 운전을 행하는 운전 제어 수단을 구비하는 히트 펌프 급탕기에 있어서, 상기 제1 온도 센서로 온도를 검출하는 피가열 액체보다 상류측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제2 온도 센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 2에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 제2 온도 센서는, 상기 액냉매 열교환기의 상기 액측 전열관에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 3에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 액냉매 열교환기는, 고온측 액냉매 열교환기와 저온측 액냉매 열교환기를 갖고, 상기 제2 온도 센서는, 상기 고온측 액냉매 열교환기의 액측 전열관과 상기 저온측 액냉매 열교환기의 액측 전열관을 접속하는 액배관에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 4에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 제2 온도 센서는, 관의 표면에 고정되며, 상기 관의 온도로부터 피가열 액체의 온도를 검출하는 온도 센서인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 5에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 제2 온도 센서는, 피가열 액체의 관의 유로 내에 온도 검출부가 설치되며, 피가열 액체의 온도를 직접 검출하는 온도 센서인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 6에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 운전 제어 수단은, 상기 제1 온도 센서가 검출하는 온도와, 상기 제2 온도 센서가 검출하는 온도의 차에 의해, 스케일의 석출을 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 7에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 액냉매 열교환기의 입구측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제3 온도 센서를 더 구비하고, 상기 운전 제어 수단은, 상기 제1 온도 센서가 검출하는 온도 및 상기 제3 온도 센서가 검출하는 온도로부터 산출된 온도와, 상기 제2 온도 센서가 검출하는 온도의 차에 의해, 스케일의 석출을 판정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 8에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 운전 제어 수단은, 스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우에는, 상기 히트 펌프 냉매 회로 및/또는 상기 피가열 액체 회로의 운전을 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 9에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 운전의 변경은, 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 운전으로 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 10에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 운전의 변경은, 상기 온도차에 대한 문턱값을 복수 구비하며, 그 문턱값에 따라서 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 11에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 액냉매 열교환기로 가열된 피가열 액체를 저장하는 저액 탱크를 구비하고, 상기 운전 제어 수단은, 야간 시간에 액체 가열 운전을 행하여 상기 저액 탱크에 고온의 피가열 액체를 저장함과 함께, 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 운전으로 변경되었을 경우에는, 강제적으로 주간 시간의 비등 운전을 실행하는 운전으로 변경하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 12에 따른 히트 펌프 급탕기는, 사용자에게 상기 히트 펌프 급탕기의 운전 상태를 통지하는 통지 수단을 구비하며, 상기 운전 제어 수단은, 스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우에는, 상기 통지 수단에 의해 스케일의 석출을 통지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 13에 따른 히트 펌프 급탕기는, 사용자에게 상기 히트 펌프 급탕기의 운전 상태를 통지하는 통지 수단을 구비하고, 상기 운전 제어 수단은, 스케일이 석출된 것으로 판정하는 상기 온도차에 대한 문턱값을 복수 구비하고, 그 문턱값에 따라서 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하고, 스케일의 석출이 진행되었을 경우에는, 상기 통지 수단에 의해 스케일의 석출을 통지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 14에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 스케일의 석출의 판정이 가능한 히트 펌프 급탕기를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 구성 모식도.
도 2는 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 운전 동작의 플로차트.
도 3은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 시에 있어서의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수측(水側) 전열관에 설치된 온도 센서가 검출하는 온도와 출탕 온도의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정을 설명하는 그래프.
도 7은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정과 운전 제어의 변경을 설명하는 플로차트.
도 8은 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 구성 모식도.
도 9는 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프.
도 10은 제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정을 설명하는 그래프.
도 11은 제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정과 운전 제어의 변경을 설명하는 플로차트.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하 「실시형태」라고 함)에 대해서, 적정 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또, 각 도면에 있어서, 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 중복된 설명을 생략한다.
≪제1 실시형태≫
도 1은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 구성 모식도이다.
히트 펌프 급탕기는, 히트 펌프 냉매 회로의 구성 부품 및 피가열 액체 회로의 한쪽의 구성 부품을 수납한 히트 펌프 유닛(30)과, 피가열 액체 회로의 다른 쪽의 구성 부품 및 급액(給液) 회로의 구성 부품을 수납한 저액 유닛(40)과, 저액 유닛(40)을 제어하는 운전 제어 수단(51)과, 히트 펌프 유닛(30)을 제어하는 운전 제어 수단(52)과, 사용자에의 인터페이스로서의 리모컨(50)을 구비해서 구성되어 있다. 또, 리모컨(50)과, 운전 제어 수단(51)과, 운전 제어 수단(52)은 통신 가능하게 접속되어 있다.
이하, 히트 펌프 냉매 회로, 피가열 액체 회로, 및 급액 회로의 구성에 대해서 설명한다.
<히트 펌프 냉매 회로>
히트 펌프 냉매 회로는 압축기(1)와, 수냉매 열교환기(2)의 냉매측 전열관(2a)과, 감압 장치(4)와, 공기 열교환기(5)를 구비해서 구성되며, 냉매가 순환하도록, 각각 냉매 배관을 통해서 순차 고리 형상으로 접속되어 있다. 또, 본 실시형태에서의 냉매로서는, 탄산 가스(CO2) 냉매가 봉입되어 있고, 또한 본 실시형태에서의 피가열 액체(액)로서는, 물(음용 수돗물)이 사용되고 있는 것으로 하여 이하 설명한다.
압축기(1)는, 공기 열교환기(5)로부터의 냉매를 압축함과 함께, 압축한 고온의 가스 냉매(고온 냉매)를 수냉매 열교환기(2)의 냉매측 전열관(2a)에 송출하고 있다.
압축기(1)는, PWM(Pulse Width Modulation) 제어, 전압 제어(예를 들면 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어) 및 이들을 조합시킨 제어에 의해, 저속(예를 들면 700회전/분)에서부터 고속(예를 들면 6000회전/분)까지 회전 속도 제어가 가능하도록 되어 있다.
또, 운전 제어 수단(52)은, 히트 펌프 유닛(30)의 가열 능력이 일정해지도록 운전 제어를 행하기 위해, 외기 온도가 높은 하기(夏期)에서는 압축기(1)의 회전 속도를 저속으로 운전하고, 외기 온도가 낮은 동기에서는 압축기(1)의 회전 속도를 고속으로 운전하는 등, 외기 온도의 상황이나, 입수 온도, 출탕 온도에 따라서 압축기(1)의 회전 속도를 제어한다.
수냉매 열교환기(2)는, 압축기(1)로부터 토출되는 고온 냉매를 유통시키는 냉매측 전열관(2a)과, 후술하는 물을 유통시키는 수측 전열관(2b)을 구비해서 구성되며, 냉매측 전열관(2a)과 수측 전열관(2b) 사이에서 열교환하도록 밀착해서 설치된다.
감압 장치(4)는, 수냉매 열교환기(2)의 냉매측 전열관(2a)과 공기 열교환기(5) 사이에 배치되는 냉매 배관의 도중에 설치되어 있으며, 일반적으로 전동 팽창 밸브가 사용되고 있다.
감압 장치(4)는, 수냉매 열교환기(2)를 거쳐서 보내 오는 중온 고압 냉매를 감압하여, 증발하기 쉬운 저압 냉매로 해서 공기 열교환기(5)에 송출하고 있다.
또한, 감압 장치(4)는, 조리개 개도(開度)가 조절 가능하게 되어 있어, 이 조리개 개도를 변경해서 히트 펌프 냉매 회로 내의 냉매 순환량을 조절하는 동작이나, 동기 저온 시에 히트 펌프 운전해서 공기 열교환기(5)에 착상(着霜)했을 경우에, 조리개 개도를 전개(全開)로 하여 중온 냉매를 공기 열교환기(5)에 다량으로 보내서 서리를 녹이는 제상(除霜) 장치로서도 동작한다.
공기 열교환기(5)는, 송풍 팬(6)의 회전에 의해 외기를 취입한 공기와, 공기 열교환기(5) 내를 유통하는 냉매의 열교환을 행해서, 외기로부터 열을 받아들이는 것이다. 그리고, 냉매는 공기 열교환기(5)로부터 압축기(1)에 보내진다.
<피가열 액체 회로>
피가열 액체 회로는, 야간의 할인 전기 요금을 이용해서 정기적으로 온수(고온수)를 저액 탱크(10)에 저장하는 「저탕 운전(액체 가열 운전)」, 및 잔탕량(殘湯量)이 규정값 이하가 되었을 경우에만 운전하는 「탱크 비등 운전(액체 가열 운전)」에 의해, 저액 탱크(10)에 고온수를 저장하기 위한 액 회로이다.
피가열 액체 회로는 저액 탱크(10)와, 펌프(15)와, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)을 구비해서 구성되며, 각각 수배관을 통해서 순차 고리 형상으로 접속되어 있다.
펌프(15)는, 피가열 액체 회로 내의 물을 보내는 펌프이며, 구체적으로는, 저액 탱크(10)의 저부에 접속된 수배관을 통해서 저액 탱크(10) 내의 물을 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)에 입수(入水)한다.
수냉매 열교환기(2)는, 전술한 냉매측 전열관(2a)과, 펌프(15)로부터 토출되는 저온수를 유통시키는 수측 전열관(2b)을 구비해서 구성되며, 냉매측 전열관(2a)과 수측 전열관(2b) 사이에서 열교환하도록 밀착해서 설치된다.
즉, 펌프(15)로부터 토출되는 저온수는, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)에 유입되고, 규정 온도로 가열되어 저액 탱크(10)의 상부로부터 저탕된다.
예를 들면, 동기 저온 시의 고온 저탕 운전이고 규정 온도 90℃일 경우, 펌프(15)로부터 토출되는 약 10℃의 저온수를 수냉매 열교환기(2)로 약 90℃까지 가열해서 출탕한다. 이 때문에, 가열원이 되는 압축기(1)로부터 토출되는 냉매의 온도는 100℃ 이상으로 되는 경우도 있다.
<급액 회로>
급액 회로는, 탕수 사용 시에 행하는 「급탕 운전」에 의해, 수도꼭지(14) 등으로부터 탕수를 공급하기 위한 액 회로이다.
급액 회로는, 급수 금구(金具)(7)와, 감압 밸브(8)와, 유량 센서(9)와, 저액 탱크(10)와, 탕수 혼합 밸브(12)와, 급탕 금구(13)가 수배관을 통해서 순차 직렬로 접속되 구성되어 있다.
또한, 유량 센서(9)와 저액 탱크(10) 사이에 배치되는 수배관은 도중에서 분기하여 탕수 혼합 밸브(12)와 접속되어 있다.
급수 금구(7)는 수도 등의 급수원과 접속되며, 급탕 금구(13)는 수도꼭지(14)에 접속되어 있다. 또, 도 1에는, 급탕 금구(13)에 수도꼭지(14)만이 접속되어 있지만, 세면 수도꼭지(도시 생략)나 욕조 온수 채움 회로(도시 생략) 등의 사용 단말에 접속되어 있어도 된다.
<운전 제어 수단>
다음으로, 히트 펌프 급탕기의 운전 제어 수단(51, 52)에 대해서 설명한다.
저액 유닛(40)을 제어하는 운전 제어 수단(51)은, 탕수 혼합 밸브(12)를 제어해서 수도꼭지(14)로부터 토출되는 탕수의 급탕 온도를 조정하여 급탕 운전을 제어한다.
또한, 운전 제어 수단(51)은, 급탕 사용량을 검출하는 유량 센서(9) 및/또는 저탕 온도나 저탕량을 검지하기 위한 복수의 탱크 온도 센서(10a, 10b, 10c, 10d)로부터 저액 탱크(10)의 저탕량을 검출하여, 저액 탱크(10)의 비등 타이밍이나 비등 온도를 제어한다.
또, 운전 제어 수단(51)은, 급탕 사용량을 검출하는 유량 센서(9)로부터 1일의 급탕 부하를 판정하여, 에너지 절감 최적 운전이 되도록 비등 온도나 비등 양, 비등 시간을 제어하는 학습 제어 기능을 구비하고 있어도 된다.
히트 펌프 유닛(30)을 제어하는 운전 제어 수단(52)은, 압축기(1)나 송풍 팬(6)의 회전 속도 제어를 행함과 함께, 감압 장치(4)의 조리개 개도를 제어함으로써, 히트 펌프 냉매 회로의 운전을 제어한다. 또한, 운전 제어 수단(52)은, 히트 펌프 냉매 회로의 운전 제어와 함께, 히트 펌프 유닛(30)의 가열 능력, 입수 온도(히트 펌프 유닛(30)에 공급되는 저온수의 온도)에 의거해서, 설정된 출탕 온도(히트 펌프 유닛(30)에서 가열된 고온수의 온도)가 되도록 펌프(15)의 회전 속도 제어를 행하여 저탕 운전(액체 가열 운전)을 제어한다.
또한, 운전 제어 수단(52)은, 동기 저온 시에는 고온 저탕의 규정 온도(예를 들면 90℃)로 저탕함과 함께 주위 온도나 급수 온도가 낮아 가열 부하가 크기 때문에, 압축기(1)를 고회전 속도(예를 들면 3000∼4000회전/분)로 하고, 하기나 중간기에는 가열 부하가 가벼우므로 통상 저탕의 규정 온도(약 65℃)이고 비교적 저회전 속도(예를 들면 1000∼2000회전/분)로 하는 등의 최적 운전 제어 수단(도시 생략)을 갖고 있다.
히트 펌프 유닛(30)은, 압축기(1)로부터 토출된 냉매의 압력을 검출하는 토출 압력 센서(도시 생략), 압축기(1)로부터 토출된 냉매의 온도를 검출하는 토출 온도 센서(22), 외기 온도를 검출하는 외기 온도 센서(23), 출탕 온도를 검출하는 출탕 온도 센서(20), 입수 온도를 검출하는 입수 온도 센서(21), 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b) 내의 물(피가열 액체)의 온도를 검출하는 수관 온도 센서(24) 등의 센서를 구비하며, 각 검출 신호는 운전 제어 수단(52)에 입력되도록 구성되어 있다.
사용자에의 인터페이스로서의 리모컨(50)은, 급탕 온도의 설정이나 에러의 표시, 운전 모드의 변경 등이 가능하게 되어 있다.
<히트 펌프 급탕기의 운전 동작>
다음으로, 제1 실시형태의 히트 펌프 급탕기의 운전 동작에 대해서 도 1을 참조하면서 도 2를 사용하여 설명한다.
도 2는, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 야간의 저탕 운전에서부터 익일의 급탕 운전, 학습 제어에 이르는 1일의 운전 동작의 플로차트이다.
운전 제어 수단(51)은, 매일의 급탕 사용량을 기억 학습해서 익일의 급탕 사용량을 추정하여, 야간의 저탕 온도 및 저탕량을 결정함과 함께, 상기 저탕량이 야간 전기 할인 요금이 적용되는 규정 시간(예를 들면 23시∼7시) 내에 비등하도록 저탕 운전 개시 시각을 설정하는 학습 제어 수단을 갖고 있다.
저탕 운전 개시 시각이 되면, 히트 펌프 급탕기의 운전 제어 수단(51, 52)은 저탕 운전을 개시(스텝 S61)한다.
즉, 운전 제어 수단(52)은 압축기(1), 감압 장치(4), 송풍 팬(6)을 시동시켜 히트 펌프 운전을 개시함과 함께, 펌프(15)를 제어하여, 저액 탱크(10) 저부로부터 순환되는 탱크 저탕수를 수냉매 열교환기(2)로 고온 냉매와 열교환해서 규정 온도의 고온수로 하여, 저액 탱크(10) 상부로부터 되돌리는 저탕 운전을 행한다.
다음으로, 운전 제어 수단(51)은 복수의 탱크 온도 센서(10a, 10b, 10c, 10d)로부터의 검출 신호에 의거하여 저액 탱크(10)의 저탕량 판정을 행한다(스텝 S62). 저탕 온도 및 저탕량이 규정값에 도달하지 않은 동안에는 저탕 운전을 계속하고, 규정값에 도달하면, 운전 제어 수단(52)은 히트 펌프 운전을 정지하여 저탕 운전을 종료한다(스텝 S63).
사용자가, 수도꼭지(14)를 열어 탕수 사용이 개시되면(스텝 S64), 운전 제어 수단(51)은, 급탕 온도가 적온(일반적으로는 약 42℃)이 되도록 탕수 혼합 밸브(12)로부터의 급수량을 조정하여, 급수 금구(7), 감압 밸브(8), 유량 센서(9), 저액 탱크(10), 탕수 혼합 밸브(12), 급탕 금구(13), 수도꼭지(14)의 급액 회로에 의해 적온수를 공급하는 급탕 운전을 개시한다(스텝 S65). 또, 급탕 운전 시에는, 수도 등의 급수원으로부터의 수압으로 급탕을 행한다.
다음으로 수도꼭지(14)를 닫아서 탕수 사용이 종료되면(스텝 S66), 급탕은 정지되고 탕수 혼합 밸브(12)는 소정의 위치로 설정되어 급탕 운전은 정지한다(스텝 S67).
또한, 운전 제어 수단(51)은, 급탕 운전 중(스텝 S65) 및 급탕 운전 정지(스텝 S67) 후에, 탱크 온도 센서(10a, 10b, 10c, 10d)에 의해 저액 탱크(10) 내의 저탕 온도 및 저탕량을 검지하여, 탱크 잔탕량의 판정을 행한다(스텝 S68).
통상은 규정량 이상 잔탕되어 있어 탱크 비등 운전은 행하지 않지만, 급탕 사용량이 학습 제어에 의한 추정량보다 많고, 탱크 잔탕량이 규정값 미만이 된 경우에는 탱크 비등 운전을 행하고(스텝 S69), 저탕량 판정에 있어서(스텝 S70), 저탕 온도 및 저탕량이 규정값에 도달하고나서 탱크 비등 운전을 종료한다(스텝 S71).
사용자에 의한 1일의 탕수 사용이 종료될 때까지 스텝 S64에서부터 스텝 S71이 반복되고(스텝 S72에서 No), 1일의 탕수 사용이 종료되면(스텝 S72에서 Yes), 운전 제어 수단(51)은 학습 제어 수단(도시 생략)을 기능시킨다. 즉, 운전 제어 수단(51)은 복수의 탱크 온도 센서(10a, 10b, 10c, 10d)로부터의 검출 신호에 의거하여, 탱크 잔탕 온도 및 잔탕량을 검지해서 1일마다의 탕수 사용량을 산출하여, 익일 사용량의 추정 산출을 행하고, 그것에 적합한 저탕 온도 및 저탕량, 저탕 운전 개시 시각 등의 저탕 운전 조건의 설정을 행한다(스텝 S73).
또, 학습 제어 수단이 행하는 익일의 탕수 사용량의 추정 산출은, 일반적으로 과거 7일간 정도의 외기 온도나 탕수 사용량 등을 기초로 해서, 야간의 저탕 운전만으로 충분히 사용할 수 있도록 익일의 탕수 사용량이 추정 산출된다.
또한, 탕수 사용 종료는, 일반적으로 야간 전기 할인 요금 시간대(23시∼7시)가 시작되는 23시로 하고 있다.
이에 따라, 히트 펌프 급탕기의 야간의 저탕 운전에서부터 급탕 사용 종료까지의 1일의 운전 동작이 종료된다.
또, 스텝 S73에서 설정된 저탕 운전 조건에 의거하여 저탕 운전 개시 시각이 되면, 저탕 운전 조건에 따라서 익일의 급탕 사용을 위한 저탕 운전을 개시한다(스텝 S61).
<스케일의 석출>
여기에서, 스케일의 석출에 대하여 설명한다.
히트 펌프 급탕기에 있어서, 피가열 액체로서는 일반적으로 음용 수돗물이 사용된다. 음용 수돗물에는, 칼슘이나 마그네슘 등의 경도 성분이 함유되어 있다.
경도 성분은, 수온이 높아질수록 용해도가 저하된다. 음용 수돗물은 수냉매 열교환기(2)로 가열되며 포화를 초과한 경도 성분은 수중에 석출된다. 석출된 경도 성분의 일부는 가열된 물과 함께 저액 탱크(10)에 유입되어 저액 탱크(10)의 저부에 퇴적된다. 또, 저액 탱크(10)에 유입된 경도 성분은 탱크 배수 시에 경도 성분도 배출된다.
또한, 석출된 경도 성분의 일부는, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)의 내벽에 석출되어, 스케일로서 수측 전열관(2b)의 내벽에 점차 퇴적된다.
특히, 동기 고온(예를 들면 90℃) 저탕 운전 시에는, 압축기(1)로부터 토출되는 냉매 온도가 100℃ 이상에 도달하기도 하여, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)의 출탕측 고온부에 있어서는, 수중(水中)의 경도 성분의 용해도가 극단적으로 저하되어 수측 전열관(2b)의 내벽에 석출된다. 내벽에 석출된 스케일에 의해, 수측 전열관(2b) 내의 수순환을 방해하여 가열 성능이 저하된다. 스케일의 석출이 더 진행되면, 물의 흐름이 저해되어 수순환이 되지 않아, 비등 운전을 할 수 없는 상황이 되는 경우가 있다.
이 때문에, 스케일의 석출을 판정하여, 스케일이 석출되어 있을 경우에는 적절한 운전 제어를 행할 필요가 있다.
히트 펌프 급탕기가 설치되는 장소의 수질(경도 성분의 경도)은, 지역에 따라 크게 상이하며, 동일 지역에서도 수질이 상이한 경우가 있다. 또한, 계절에 따라서도 경도가 변화하는 경우도 있어, 스케일의 발생을 예측하는 것은 곤란하다.
또, 히트 펌프 급탕기를 설치할 때마다 물의 성분의 분석을 행하여, 경도를 조사함으로써 스케일의 발생을 예측하는 방법도 생각할 수 있지만, 작업과 비용을 요할 뿐만 아니라, 계절에 따라 변화된 경우에는 경도를 정확하게 판단할 수는 없다.
<스케일 석출 판정>
다음으로, 도 1을 참조하면서, 도 3 내지 도 6을 사용하여 스케일 석출 판정 에 대해서 설명한다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
또, 세로 축은 냉매 및 물(피가열 액체)의 온도를 나타낸다. 가로 축은 수냉매 열교환기(2)의 길이 방향을 나타내며, 길이 0%의 위치가 물의 입구이고, 길이 100%의 위치가 물의 출구이다.
물은, 길이 0%의 위치에서는 입수 온도이지만, 대향류(對向流)에서 흐르는 냉매와의 열교환이 행해져, 열교환기 길이 100% 위치, 즉 출구부에서 출탕 온도가 된다.
히트 펌프 급탕기의 운전 제어 수단(52)은, 펌프(15)의 유량을 조정하거나, 압축기(1)의 회전 속도를 변경하여 순환 냉매량을 조정하거나, 감압 장치(4)의 개도를 조정하거나 함으로써, 출탕 온도가 규정 온도가 되도록 운전 제어가 행해진다.
도 4는, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 시에 있어서의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
경도 성분은 수온이 높아질수록 용해도가 감소되어 석출되기 쉬워지기 때문에, 물이 고온이 되는 영역에서부터 스케일의 석출이 개시된다.
고온부에 스케일이 석출되어 왔을 경우, 수측 전열관(2b)의 벽면에 스케일이 석출됨으로써, 스케일이 석출되지 않은 정상 시와 비교해서, 수냉매 열교환기(2)의 열전달 성능이 고온부에서 저하된다. 그 때문에, 고온부의 물과 냉매의 온도 상승의 구배(도 4가 나타내는 그래프의 기울기)가 작아진다.
여기에서, 출탕 온도는, 전술한 바와 같이 출탕 온도가 규정 온도가 되도록 운전 제어되기 때문에, 스케일이 석출되지 않은 정상 시와 스케일 석출 시에 관계없이 일정해진다.
즉, 스케일 석출 시에 있어서, 운전 제어 수단(52)은, 고온부 부근의 열전달성능이 저하된 만큼, 펌프(15)를 제어해서 물의 유량을 적게 하거나, 압축기(1)의 회전 속도나 감압 장치(4)의 개도를 제어해서, 냉매 순환량을 증가시키거나 함으로써, 출탕 온도를 규정 온도에 맞추는 제어가 행해진다.
이렇게, 스케일 석출 시에 있어서, 스케일이 석출된 고온부에 있어서는, 전열 성능이 저하되어, 물과 냉매의 온도 변화의 상승의 구배(도 4에 나타내는 그래프의 기울기)는 작아지지만, 스케일이 석출되지 않은 영역에서는, 출탕 온도가 규정 온도가 되도록 물의 유량을 적게 하는, 및/또는 냉매 순환량을 늘림으로써, 물과 냉매의 온도 변화의 상승의 구배(도 4에 나타내는 그래프의 기울기)가 커진다.
또, 스케일이 석출되지 않은 정상 시와 스케일 석출 시의 출탕 온도는 일정하지만, 수냉매 열교환기(2)의 성능이 저하되었기 때문에, 가열 능력이 저하되는, 소비 전력이 증가하는 등 냉동 사이클의 효율은 저하되게 된다. 이 때문에, 수냉매 열교환기(2)의 성능 저하를 추정하여, 스케일의 석출을 판정하는 방법도 생각할 수 있다. 그러나, 냉동 사이클의 운전 조건은 외기 온도, 습도, 입수 온도 등의 다양한 환경 조건에 따라 변화되기 때문에, 냉동 사이클의 운전 상태로부터, 수냉매 열교환기(2)의 성능 저하를 추정하여, 스케일의 석출을 판정하는 것은 극히 곤란하다.
여기에서, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)의 도중의 물의 온도를 검출하는 수관 온도 센서(24)를 구비하고 있다.
도 5는, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수측 전열관에 설치된 온도 센서가 검출하는 온도와 출탕 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 히트 펌프 급탕기의 운전 시간이 경과하면, 즉 수측 전열관(2b)의 벽면에 스케일이 석출되면, 수관 온도 센서(24)가 검출하는 온도는 상승하여 출탕 온도에 근접해 간다. 이것은, 수관 온도 센서(24)를 부착한 위치보다 하류측(수관 온도 센서(24)의 부착 위치∼수측 전열관(2b)의 출구)에 있어서는 스케일의 석출에 의해 열전달 성능이 저하되어, 수관 온도 센서(24)를 부착한 위치보다 상류측(수측 전열관(2b)의 입구∼수관 온도 센서(24)의 부착 위치)에 있어서 열교환이 보다 더 행해지게 되기 때문이다.
도 6은, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정을 설명하는 그래프이다.
전술한 바와 같이, 출탕 온도는, 스케일이 석출되어 있지 않은 정상 시에도 스케일 석출 시에도 규정 온도로 되기 때문에 변화하지 않는다. 한편, 도 5를 사용해서 설명한 바와 같이, 수관 온도 센서(24)의 검출값은 스케일의 석출과 함께 상승하여 출탕 온도와의 온도차가 작아져 간다.
따라서, 수냉매 열교환기(2)의 출탕 온도를 검출하고 있는 부분(출탕 온도 센서(20))보다 상류측의 열교환 도중의 위치에 수관 온도 센서(24)를 부착하여, 그 온도를 검출함으로써 스케일의 석출을 판정할 수 있고, 또한 그 온도 레벨에 따라 스케일 석출의 진행 상태도 예측할 수 있다.
또, 수관 온도 센서(24)는, 수냉매 열교환기(2)의 수측 전열관(2b)의 표면에 고정되어 배관 온도로부터 물 온도를 검출하는 온도 센서여도 되고, 수측 전열관(2b) 안에 온도 검출부가 부착되어 직접 물의 온도를 검출하는 온도 센서여도 된다.
단, 수측 전열관(2b) 표면의 온도를 검출하는 경우에는, 냉매측 전열관(2a)의 냉매 온도의 영향을 받지 않는 구조로 하는 것이 바람직하다.
또, 수측 전열관(2b) 내에 온도 검출부를 설치한 경우에는, 직접 물의 온도를 검출할 수 있기 때문에, 보다 정밀도 높은 판정을 할 수 있다.
또한, 스케일은 고온이 되는 수측 전열관(2b)의 출구 근방에서부터 석출이 개시되기 때문에, 수관 온도 센서(24)는 수측 전열관(2b)의 출구측에 가까운 부위에 설치하는 편이 바람직하며, 출탕 온도에 대해서, 정상 시에 2℃∼10℃ 온도가 낮은 위치에 부착하는 것이 바람직하다. 그다지 온도차가 없을 경우에는 오판정이 생길 가능성이 있고, 온도차가 지나치게 큰 경우에는 소량의 스케일의 석출로는 온도 변화가 적어 판정할 수 없게 되기 때문이다.
예를 들면, 출탕 온도가 90℃일 때에 정상 시의 수관 온도 센서(24)의 검출 온도를 85℃로 하여 설명한다. 스케일이 석출되지 않은 상태(정상 시)에서는 85℃였던 것이, 스케일의 석출과 함께 수관 온도 센서(24)의 검출 온도가 상승한다.
여기에서, 예를 들면 설정값을 87℃로 하여, 수관 온도 센서(24)의 검출 온도가 87℃가 되면 스케일 석출로 판정하고, 운전 제어의 변경을 행하여 스케일 석출의 진행을 방지한다.
또한, 스케일 석출의 판정은 출탕 온도와의 온도차로서 판단해도 되며, 초기값을 5℃(90℃∼85℃)로 하고, 스케일 판정의 설정값을 3℃(90℃∼87℃)로 해도 된다.
<스케일 석출 판정과 운전 제어의 변경>
또, 스케일의 석출을 판정하는 설정값은 1개여도 되고 복수여도 된다. 복수의 설정값을 마련한 경우에는 단계적으로 운전 제어의 변경을 할 수도 있다.
도 7은, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정과 운전 제어의 변경을 설명하는 플로차트이다.
도 7에서는 출탕 온도와 수관 온도 센서(24)의 검출 온도의 온도차에 대해서 3개의 설정값이 마련되어 있다.
운전 제어 수단(52)은 히트 펌프 유닛(30)을 제어하여 비등 운전을 행한다(스텝 S101). 또, 비등 운전 개시 직후에는, 수냉매 열교환기(2) 내의 물의 온도가 안정되어 있지 않기 때문에, 사이클이 안정 상태가 되면 스텝 S102로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 출탕 온도 센서(20)로부터 출탕 온도 및 수관 온도 센서(24)의 검출 온도를 취득하여, 출탕 온도와 수관 온도 센서(24)의 검출 온도의 차분값(온도차)을 연산한다(스텝 S102).
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S102에서 구한 온도차가 제1 설정값 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S103). 온도차가 제1 설정값 이상일 경우에는(스텝 S103에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 없음 또는 미량인 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도의 상한을 90℃로 해서(스텝 S104), 비등 운전을 계속한다.
한편, 온도차가 제1 설정값 미만일 경우에는(스텝 S103에서 No), 스케일의 석출이 개시된 것으로 판정하여 스텝 S105로 진행된다.
즉, 히트 펌프 급탕기가 설치되어 있는 장소의 수질에는 경도 성분이 많으며, 고온의 비등(90℃)을 행한 것에 의해, 스케일이 석출된 것으로 판정한다.
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S102에서 구한 온도차가 제2 설정값 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S105). 또, 제2 설정값은 제1 설정값보다 작은 값이다. 온도차가 제2 설정값 이상일 경우에는(스텝 S105에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 작은 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도의 상한을 80℃로 해서(스텝 S106), 비등 운전을 계속한다.
이후의 운전에서는 출탕 온도의 상한을 80℃로 한다. 경도 성분은 고온이 될수록 포화량이 감소하기 때문에, 탕수에 석출이 시작된다. 비등 온도를 저하시킴으로써 스케일의 석출량을 저감할 수 있다.
한편, 온도차가 제2 설정값 미만일 경우에는(스텝 S105에서 No), 스텝 S107로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S102에서 구한 온도차가 제3 설정값 이상인지의 여부를 판정한다(스텝 S107). 또, 제3 설정값은 제2 설정값보다 작은 값이다. 온도차가 제3 설정값 이상일 경우에는(스텝 S107에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출은 중간 정도로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도를 75℃로 해서 주간 비등 운전을 허가하고, 그 취지를 리모컨(50)에 표시해서(스텝 S108), 비등 운전을 계속한다.
즉, 출탕 온도의 상한을 80℃로 해도 스케일의 석출이 진행되고 있는 것으로 판단하여, 이후의 운전에서는 출탕 온도의 상한을 75℃로 한다. 상한을 더 저감해서 스케일의 석출을 방지하여, 히트 펌프 급탕기의 운전을 계속 행한다.
또한, 비등 온도를 저하시킨 것에 의해, 저액 탱크(10)에 저장된 열량도 감소하기 때문에, 주간 사용 중에 온수 끊김이 발생할 가능성이 있다. 히트 펌프 급탕기는 운전 모드를 다양하게 갖고 있는 것이 있다. 경제성을 고려하여 심야 시간대(예를 들면 11시∼7시)에만 운전을 허가하고 있는 운전 모드로 설정되어 있을 경우, 심야 시간대의 저탕량으로는 1일의 급탕 부하를 충족할 수 없을 경우가 있다. 이러한 상황을 고려해서, 주간 시간대에서의 운전을 강제적으로 허가하여, 온수 끊김을 방지해 유저의 급탕 수요의 요구에 대응할 수 있다. 이 경우에는, 리모컨(50)에 주간 운전을 허가한 것을 표시해도 된다.
한편, 온도차가 제3 설정값 미만일 경우에는(스텝 S107에서 No), 스텝 S109로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 큰 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도를 65℃로 해서 주간 비등 운전을 허가하고, 그 취지를 리모컨(50)에 메인터넌스 콜을 표시해서(스텝 S109), 비등 운전을 계속한다.
즉, 출탕 온도를 65℃로 한다. 이 경우에는, 더 이상의 출탕 온도를 저하시킬 수 없고, 스케일의 석출이 진행되었을 경우에 수측 전열관(2b)의 폐색의 가능성도 있기 때문에, 리모컨(50)에 메인터넌스 콜을 표시하여, 사용자에게 메인터넌스를 요구한다.
단, 히트 펌프 급탕기는, 아직 운전 가능한 상태이기 때문에, 사용자의 사정에 따라 점검이나 메인터넌스를 행할 수 있다. 또한, 긴급한 히트 펌프 급탕기의 운전 정지에 의해 급탕을 사용할 수 없다는 상황을 회피할 수 있다.
또, 스케일은, 산이나 알칼리 또는 복합된 세정제와 같은 것으로 제거하는 것도 가능하지만, 세정은 대공사이고, 또한 스케일이 현저하게 석출, 퇴적되어 있을 경우에는 완전한 제거가 곤란해질 경우도 있다. 이 때문에, 좀더 이른 콜을 행함으로써, 메인터넌스 받을 때까지 히트 펌프 급탕기의 운전을 계속할 수 있다.
이렇게, 스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우, 스케일의 석출을 억제하는 운전으로 전환하여 석출의 억제를 행함과 함께, 스케일의 석출이 더 진행되었을 경우에는, 좀더 이른 메인터넌스 콜을 행함으로써, 사용자에게 긴급한 히트 펌프 급탕기의 운전 정지와 같은 불편을 끼치지 않고 보수를 행할 수 있다.
또, 도 7에서는, 비등 온도를 저감시키는 운전 제어의 변경을 행했지만, 스케일의 석출을 억제하는 운전으로서는, 운전 시간의 단축이나, 운전 시의 사이클의 냉매 순환량의 변경, 펌프(15)의 유량의 변경 등, 스케일의 석출에 영향이 있는 운전 상태를 변경하는 것에 의해서도 효과는 있으며, 또한 다양한 운전 변경을 조합시킴으로써 석출을 억제해도 된다. 또한, 탕수를 순환시켜서, 석출된 스케일을 다시 용해시키는 등의 스케일 제거를 위한 운전 제어를 실시시켜도 된다.
≪제2 실시형태≫
다음으로, 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기에 대하여 도 8 및 도 9를 사용해서 설명한다.
도 8은 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 구성 모식도이다.
제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기(도 8 참조)는, 제1 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기(도 1 참조)의 수냉매 열교환기(2) 대신에, 저온측 수냉매 열교환기(2A)와, 고온측 수냉매 열교환기(2B)와, 냉매 접속 배관(3a)과, 수접속 배관(3b)을 구비하고 있다.
압축기(1)로부터 토출된 냉매는, 고온측 수냉매 열교환기(2B)의 냉매측 전열관(2Ba)에 유입되어 수측 전열관(2Bb)과 열교환을 행하고, 냉매 접속 배관(3a)을 통해서, 저온측 수냉매 열교환기(2A)의 냉매측 전열관(2Aa)에 유입되어 수측 전열관(2Ab)과 열교환을 행해서 감압 장치(4)에 유입된다.
한편, 펌프(15)로부터 토출된 저온수는, 저온측 수냉매 열교환기(2A)의 수측 전열관(2Ab)에 유입되어, 어느 정도의 온도까지 상승하여, 수접속 배관(3b)을 통해서, 고온측 수냉매 열교환기(2B)의 수측 전열관(2Bb)에 유입되어, 규정 온도로 가열되어서 저액 탱크(10)의 상부로부터 저탕된다.
이렇게 수냉매 열교환기를 2단 구성으로 함으로써, 고온측 수냉매 열교환기(2B)의 수측 전열관(2Bb)의 내경을 크게 하여, 스케일의 석출에 대해서 강화할 수 있다. 또한, 스케일이 석출되는 고온측의 수측 전열관(2Bb)을 분리 가능한 구조로 함으로써, 스케일 석출 시의 메인터넌스가 용이해진다.
또한, 수관 온도 센서(24)는 수접속 배관(3b)에 설치되어 있다. 이에 따라, 수관 온도 센서(24)가 수접속 배관(3b)의 표면에 고정되어, 배관 온도로부터 물 온도를 검출하는 온도 센서일 경우에도, 정밀하게 온도를 검출할 수 있다.
도 9는, 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 저온측 수냉매 열교환기(2A)와 고온측 수냉매 열교환기(2B)를 접속하는 냉매 접속 배관(3a)과 수접속 배관(3b)은, 열교환을 행하지 않기 때문에, 온도의 평탄부가 형성된다. 이 평탄부(즉, 수접속 배관(3b))에 수관 온도 센서(24)를 설치함으로써, 설치 위치의 어긋남에 따른 온도의 오차의 영향을 받기 어려워져, 보다 정밀하게 검출하는 것이 가능해진다.
≪제3 실시형태≫
다음으로, 제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기에 대하여 도 10 및 도 11을 사용해서 설명한다.
제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기와, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 차이점은, 스케일의 석출 판정의 방법이 상이하다.
제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기는, 수냉매 열교환기(2)의 입수측의 수온을 검출하는 입수 온도 센서(21)와, 수냉매 열교환기(2)의 출탕측의 수온(탕온(湯溫))을 검출하는 출탕 온도 센서(20)와, 수냉매 열교환기(2)의 수관의 도중에 설치된 수관 온도 센서(24)를 검출해서 스케일의 석출의 판정을 행한다.
도 10은, 제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정을 설명하는 그래프이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 수냉매 열교환기(2) 내의 물의 온도 구배가 리니어인 것으로 하면, 입수 온도와 출탕 온도와 수관 온도 센서(24)의 부착 위치로부터, 수관 온도 센서(24)의 스케일이 석출되어 있지 않은 정상 시의 온도를 산출할 수 있다.
이 산출된 온도와 수관 온도 센서(24)에서 검출된 검출 온도의 차이로부터, 스케일의 석출을 판정할 수 있다. 즉, 산출된 온도와 수관 온도 센서(24)에서 검출된 검출 온도의 온도차가 커질수록, 스케일이 석출되어 있는 것으로 판정할 수 있다.
도 11은, 제3 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기의 스케일 석출 판정과 운전 제어의 변경을 설명하는 플로차트이다.
운전 제어 수단(52)은 히트 펌프 유닛(30)을 제어하여 비등 운전을 행한다(스텝 S201). 또, 비등 운전 개시 직후에는, 수냉매 열교환기(2) 내의 물의 온도가 안정되어 있지 않기 때문에, 사이클이 안정 상태가 되면 스텝 S202로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 출탕 온도 센서(20)로부터 출탕 온도 및 입수 온도 센서(21)로부터 입수 온도를 취득하여, 수관 온도 센서(24)의 부착 위치의 스케일이 석출되지 않은 정상 시의 물 온도를 산출한다. 그리고, 운전 제어 수단(52)은, 수관 온도 센서(24)의 검출 온도를 취득하여, 산출된 정상 시의 온도와 수관 온도 센서(24)의 검출 온도의 차분값(온도차)을 연산한다(스텝 S202).
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S202에서 구한 온도차가 제4 설정값 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S203). 온도차가 제4 설정값 이하일 경우에는(스텝 S203에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 없음 또는 미량인 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도의 상한을 90℃로 해서(스텝 S204), 비등 운전을 계속한다.
한편, 온도차가 제4 설정값보다 클 경우에는(스텝 S203에서 No), 스케일의 석출이 개시된 것으로 판정하여 스텝 S205로 진행된다.
즉, 히트 펌프 급탕기가 설치되어 있는 장소의 수질에는 경도 성분이 많으며, 고온의 비등(90℃)을 행한 것에 의해, 스케일이 석출된 것으로 판정한다.
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S202에서 구한 온도차가 제5 설정값 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S205). 또, 제5 설정값은 제4 설정값보다 큰 값이다. 온도차가 제5 설정값 이하일 경우에는(스텝 S205에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 작은 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도의 상한을 80℃로 해서(스텝 S206), 비등 운전을 계속한다.
이후의 운전에서는 출탕 온도의 상한을 80℃로 한다. 경도 성분은 고온이 될수록 포화량이 감소하기 때문에, 탕수에 석출이 시작된다. 비등하는 온도를 저하시킴으로써 스케일의 석출량을 저감할 수 있다.
한편, 온도차가 제5 설정값보다 클 경우에는(스텝 S205에서 No), 스텝 S207로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 스텝 S202에서 구한 온도차가 제6 설정값 이하인지의 여부를 판정한다(스텝 S207). 또, 제6 설정값은 제5 설정값보다 큰 값이다. 온도차가 제6 설정값 이하일 경우에는(스텝 S207에서 Yes), 운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 중간 정도로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도를 75℃로 해서 주간 비등 운전을 허가하고, 그 취지를 리모컨(50)에 표시해서(스텝 S208), 비등 운전을 계속한다.
즉, 출탕 온도의 상한을 80℃로 해도 스케일의 석출이 진행되고 있는 것으로 판단하여, 이후의 운전에서는 출탕 온도의 상한을 75℃로 한다. 상한을 더 저감해서 스케일의 석출을 방지하여, 히트 펌프 급탕기의 운전 계속을 행한다.
또한, 비등 온도를 저하시킨 것에 의해, 저액 탱크(10)에 저장된 열량도 감소하기 때문에, 주간 사용 중에 온수 끊김이 발생할 가능성이 있다. 히트 펌프 급탕기는 운전 모드를 다양하게 가지고 있는 것이 있다. 경제성을 고려하여 심야 시간대(예를 들면 11시∼7시)만 운전을 허가하고 있는 운전 모드로 설정되어 있을 경우, 심야 시간대의 저탕량으로는 1일의 급탕 부하를 충족할 수 없는 경우가 있다. 이러한 상황을 고려해서, 주간 시간대에서의 운전을 강제적으로 허가하여, 온수 끊김을 방지해서, 유저의 급탕 수요의 요구에 대응할 수 있다. 이 경우에는, 리모컨(50)에 주간 운전을 허가한 것을 표시해도 된다.
한편, 온도차가 제6 설정값보다 클 경우에는(스텝 S207에서 No), 스텝 S209로 진행된다.
운전 제어 수단(52)은, 스케일의 석출이 큰 것으로 하여, 비등 온도, 즉 출탕 온도의 규정 온도를 65℃로 해서 주간 비등 운전을 허가하고, 그 취지를 리모컨(50)에 메인터넌스 콜을 표시해서(스텝 S209), 비등 운전을 계속한다.
즉, 출탕 온도를 65℃로 한다. 이 경우에는, 더 이상의 출탕 온도를 저하시킬 수 없고, 스케일의 석출이 진행되었을 경우에 수측 전열관(2Bb)의 폐색의 가능성도 있기 때문에, 리모컨(50)에 메인터넌스 콜을 표시하여, 사용자에게 메인터넌스를 요구한다.
단, 히트 펌프 급탕기는, 아직 운전 가능한 상태이기 때문에, 사용자의 사정에 따라 점검이나 메인터넌스를 행할 수 있다. 또한, 긴급한 히트 펌프 급탕기의 운전 정지에 의해 급탕을 사용할 수 없다는 상황을 회피할 수 있다.
이렇게, 스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우, 스케일의 석출을 억제하는 운전으로 전환하여, 석출의 억제를 행함과 함께, 스케일의 석출이 더 진행되었을 경우에는, 좀더 이른 메인터넌스 콜을 행함으로써, 사용자에게 긴급한 히트 펌프 급탕기의 운전 정지와 같은 불편을 끼치는 않고 보수를 행할 수 있다.
또한, 입수 온도도 사용해서 스케일의 석출 판정을 행하기 때문에, 입수 온도가 크게 변화되었을 경우에도 적절하게 스케일 석출 판정을 행할 수 있다.
또, 본 실시형태에 따른 히트 펌프 급탕기는, 상기 실시형태의 구성에 한정되는 것이 아니며, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시형태의 구성에 있어서는, 저액 탱크(10)의 저부에 접속된 액배관을 통해서 저액 탱크(10) 내의 물을 수냉매 열교환기(2)에 송출하는 구성으로 했지만, 저액 탱크(10) 이외의 임의의 급수원으로부터 물(피가열 액체)을 수냉매 열교환기(2)에 송출하는 구성으로 해도 된다. 예를 들면, 감압 밸브(8)로 감압된 물을 수냉매 열교환기(2)에 송출하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상기 실시형태의 구성에 있어서는, 수냉매 열교환기(2)로 가열된 물을 저액 탱크(10)의 상부에 접속된 배관으로부터 저액 탱크(10) 내에 저탕하는 구성으로 했지만, 저액 탱크(10)를 경유하지 않고, 수냉매 열교환기(2)로부터의 출탕을 급탕 금구(13)로부터 급탕하는 구성으로 해도 된다.
또한, 펌프(15)의 위치는, 수냉매 열교환기(2)의 상류측에 한정되는 것이 아니며, 수냉매 열교환기(2)의 하류측이어도 된다.
또한, 이산화탄소를 냉매로 했을 경우, 초(超)임계 사이클이 되어, 약 90℃까지의 고온 비등이 가능하며, 스케일의 석출 리스크가 있음과 함께, 초임계 사이클 때문에, 수냉매 열교환기의 물과 냉매의 열교환에 의한 온도가 리니어로 추이하는 경향이 되기 때문에 특히 유효하지만, 냉매로서는, HFC계 냉매여도, HC계 냉매여도 마찬가지이며, 온도의 검출에 의해, 스케일의 석출을 판정할 수 있다.
1 - 압축기
2 - 수냉매 열교환기(액냉매 열교환기)
2a, 2Aa, 2Ba - 냉매측 전열관
2b, 2Ab, 2Bb - 수측 전열관
2A - 저온측 수냉매 열교환기(액냉매 열교환기)
2B - 고온측 수냉매 열교환기(액냉매 열교환기)
3a - 냉매 접속 배관
3b - 물 접속 배관(액배관)
4 - 감압 장치
5 - 공기 열교환기
6 - 송풍 팬
7 - 급수 금구
8 - 감압 밸브
9 - 유량 센서
10 - 저액 탱크
10a, 10b, 10c, 10d - 탱크 온도 센서
12 - 탕수 혼합 밸브
13 - 급탕 금구
14 - 수도꼭지
15 - 펌프
20 - 출탕 온도 센서(제1 온도 센서)
21 - 입수 온도 센서(제3 온도 센서)
22 - 토출 온도 센서
23 - 외기 온도 센서
24 - 수관 온도 센서(제2 온도 센서)
30 - 히트 펌프 유닛
40 - 저액 유닛
50 - 리모컨(통지 수단)
51, 52 - 운전 제어 수단

Claims (14)

  1. 적어도, 압축기, 액냉매 열교환기의 냉매측 전열관(傳熱管), 감압 장치, 및 공기 열교환기가 냉매 배관에 의해 접속되어서 구성되는 히트 펌프 냉매 회로와,
    적어도, 펌프 및 상기 액냉매 열교환기의 액측 전열관이 액배관에 의해 접속되어서 구성되는 피가열 액체 회로와,
    상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제1 온도 센서와,
    상기 히트 펌프 냉매 회로 및/또는 상기 피가열 액체 회로를 제어해서 액체 가열 운전을 행하는 운전 제어 수단을 구비하는 히트 펌프 급탕기(給湯機)에 있어서,
    상기 액냉매 열교환기는, 고온측 액냉매 열교환기와 저온측 액냉매 열교환기를 갖고,
    상기 고온측 액냉매 열교환기의 액측 전열관과 상기 저온측 액냉매 열교환기의 액측 전열관을 접속하는 액배관인 접속 액배관에, 상기 제1 온도 센서로 온도를 검출하는 피가열 액체보다 상류측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제2 온도 센서를 구비하고,
    상기 운전 제어 수단은, 상기 제1 온도 센서가 검출하는 온도와 상기 제2 온도 센서가 검출하는 온도의 차이에 의해 스케일의 석출을 판정하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도 센서는, 상기 접속 액배관인 관의 표면에 고정되며, 상기 관의 온도로부터 피가열 액체의 온도를 검출하는 온도 센서인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도 센서는, 상기 접속 액배관인 관의 피가열 액체 유로 내에 온도 검출부가 설치되며, 피가열 액체의 온도를 직접 검출하는 온도 센서인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액냉매 열교환기의 입구측의 피가열 액체의 온도를 검출하는 제3 온도 센서를 더 구비하고,
    상기 운전 제어 수단은,
    상기 제1 온도 센서가 검출하는 온도 및 상기 제3 온도 센서가 검출하는 온도로부터 산출된 온도와, 상기 제2 온도 센서가 검출하는 온도의 차에 의해, 스케일의 석출을 판정하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 운전 제어 수단은,
    스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우에는, 상기 히트 펌프 냉매 회로 및/또는 상기 피가열 액체 회로의 운전을 변경하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운전의 변경은,
    상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 운전으로 변경하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 운전의 변경은,
    상기 온도차에 대한 문턱값을 복수 구비하며, 그 문턱값에 따라서 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 액냉매 열교환기로 가열된 피가열 액체를 저장하는 저액(貯液) 탱크를 구비하고,
    상기 운전 제어 수단은,
    야간 시간에 액체 가열 운전을 행하여 상기 저액 탱크에 고온의 피가열 액체를 저장함과 함께,
    상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하는 운전으로 변경되었을 경우에는, 강제적으로 주간 시간의 비등 운전을 실행하는 운전으로 변경하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  12. 제1항에 있어서,
    사용자에게 상기 히트 펌프 급탕기의 운전 상태를 통지하는 통지 수단을 구비하며,
    상기 운전 제어 수단은,
    스케일이 석출된 것으로 판정되었을 경우에는, 상기 통지 수단에 의해 스케일의 석출을 통지하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  13. 제1항에 있어서,
    사용자에게 상기 히트 펌프 급탕기의 운전 상태를 통지하는 통지 수단을 구비하고,
    상기 운전 제어 수단은,
    스케일이 석출된 것으로 판정하는 상기 온도차에 대한 문턱값을 복수 구비하고, 그 문턱값에 따라서 상기 액냉매 열교환기의 출구측의 피가열 액체의 온도의 규정값을 저온화하고,
    스케일의 석출이 진행되었을 경우에는, 상기 통지 수단에 의해 스케일의 석출을 통지하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕기.
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