JP6191010B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機として、湯水が貯留される貯湯タンクと、貯湯タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットを備え、冬季には、ヒートポンプユニットへと湯水を供給する配管の凍結予防運転を行うものがある。凍結予防運転では、貯湯タンク下部の水を配管に供給して、配管を流れた水を貯湯タンクの下部に戻すように循環させる構成としている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯機を示すものである。図３に示すように、このヒートポンプ給湯機は、湯を貯える貯湯タンク２と、貯湯タンクの下部から入水管路（循環水路）７を介して送られた水を加熱する加熱手段（４、５）と、入水管路上に配設され貯湯タンクの下部の水を加熱手段に圧送する循環ポンプ６と加熱手段４の出口の湯水の温度を検出する出湯温度検出手段１６と、加熱手段４で加熱された水を貯湯タンク２に戻す出湯管路（循環水路）７と、出湯管路７からの湯水が貯湯タンク２の上部へ戻る上部接続管路８と、出湯管路７からの湯水が貯湯タンク２の下部へ戻る下部接続管路９と、上部接続管路８と下部接続管路９のいずれかを切り替える切替手段１０と、を設けている。

そして、冬季には、加熱手段（４，５）や入水管路７、出湯管路７の凍結を予防するために、循環ポンプ６を駆動し、切替手段１０の流路を下部接続管路９側にした状態で、凍結予防運転を行う。

また、凍結予防運転を行っていると貯湯タンク２の下部の水の温度が下がり、凍結予防の効果が得られなくなってしまう場合がある。従来の構成では、このような場合、ヒートポンプユニットを動作させて、加熱手段４による水の加熱を行いつつ、水を循環させて凍結予防運転を行っている。

特開２００４−２５７５８３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、加熱手段の異常等により、水の加熱を行うことができなくなったときには、水を循環させても凍結予防の効果がなくなり、配管の内部の水が凍結してしまう場合があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱手段に異常が生じた場合等であっても、配管内部の水の凍結予防が可能なヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱した湯を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から前記放熱器に水を搬送する循環ポンプと、前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの上部へと流れる上側流路と、前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの下部へと流れる下側流路と、前記上側流路又は前記下側流路との流路の切り替えを行う流路切替手段と、複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、前記複数の運転モードは、前記流路切替手段を前記下側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルと前記循環ポンプとを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの下部に搬送させる第１凍結防止運転モードと、前記流路切替手段を前記上側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを停止させ、かつ、前記循環ポンプを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの上部に搬送させる第２凍結防止運転モードと、を含み、前記第２凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量は、前記第１凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量よりも多いことを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、ヒートポンプサイクルの異常により、放熱器において水の加熱動作ができないときでも、貯湯タンクの上部にお湯が残っていれば、第２凍結防止運転モードに切り替えることで、凍結予防を行うことができる。

すなわち、第２凍結防止運転モードにより、貯湯タンクの積層状態を崩してやることで、貯湯タンク下部の水にも熱量を持たすことができ、ヒートポンプサイクルや上部流路や下部流路の配管が凍結することを防止することができる。

本発明によれば、ヒートポンプサイクルに異常等が生じても、凍結予防運転を行うことが可能なヒートポンプ給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 同ヒートポンプ給湯機においてヒートポンプサイクルの異常時に凍結予防を行った場合における沸き上げ回路を流れる配管内の湯水の温度挙動を示すグラフ 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱した湯を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から前記放熱器に水を搬送する循環ポンプと、前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの上部へと流れる上側流路と、前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの下部へと流れる下側流路と、前記上側流路又は前記下側流路との流路の切り替えを行う流路切替手段と、複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、前記複数の運転モードは、前記流路切替手段を前記下側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルと前記循環ポンプとを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの下部に搬送させる第１凍結防止運転モードと、前記流路切替手段を前記上側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを停止させ、かつ、前記循環ポンプを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの上部に搬送させる第２凍結防止運転モードと、を含み、前記第２凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量は、前記第１凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量よりも多いことを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、ヒートポンプサイクルの異常で沸き上げ動作ができないときでも、貯湯タンク上部にお湯が残っておれば、第２凍結防止運転モードに切り替えることで、凍結予防を行うことができる。すなわち、貯湯タンクの積層状態を崩してやることで、貯湯タンク下部の水にも熱量を持たすことができ、ヒートポンプサイクルや上部流路や下部流路の配管が凍結することを防止することができる。

また、これにより、ヒートポンプサイクルの異常などが生じた場合でも、貯湯タンクの積層状態を迅速に崩すことができ、ヒートポンプサイクルや上部流路や下部流路を構成する配管の凍結を予防することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記放熱器へ流入する湯水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記放熱器から流出する湯水の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、を備え、前記複数の運転モードは、前記流路切替手段を前記下側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを停止させ、かつ、前記循環ポンプを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの下部に搬送させる第３凍結防止運転モードを含み、前記制御手段は、前記第２凍結防止運転モード中において、前記入水温度検出手段および／または前記出湯温度検出手段の検出温度が所定値よりも高くなった場合に、前記流路切替手段を前記下側流路に切り替えて、前記第３凍結防止運転モードへと移行させることを特徴とするものである。

これにより、貯湯タンク下部の水の温度が、凍結予防の効果を得るに十分な温度になった場合で、さらに凍結予防運転を継続させる必要がある場合には、第２凍結防止運転モードから第１凍結防止運転モードに切り替えることにより、貯湯タンク上部の湯温を必要以上に下げないようしつつ、凍結予防運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が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におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。図１において、給湯装置の熱源であるヒートポンプユニット２４は、圧縮機２０、放熱器２１、減圧手段２２および大気熱を吸熱する蒸発器２３を冷媒配管で環状に接続して構成したヒートポンプサイクルを有している。そして、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を冷媒とする。

貯湯タンク内の湯水を沸き上げるための沸き上げ回路は、貯湯タンク２５の下部、循環ポンプ２６、熱源往き側配管３０、放熱器２１、熱源戻り側配管３１、流路切替手段２９、上側流路２７または下側流路２８、貯湯タンク２５の下部または上部、を水配管で環状に接続することによって構成されている。上側流路２７の下流側の端部は、貯湯タンク２５の上部に接続され、下側流路２８の下流側の端部は、貯湯タンク２５の下部に接続されている。貯湯タンク２５に湯を貯留する沸き上げ動作において、熱源往き側配管３０に配設された循環ポンプ２６によって、貯湯タンク２５の下部から圧送された水は、放熱器２１において高温の冷媒により加熱されて貯湯タンク２５の上から貯留される。これにより、貯湯タンク２５の内部には上方の湯水ほど温度が高い温度成層が形成される。

また、放熱器２１の湯側出口に接続された熱源戻り側配管３１には、放熱器２１にて加熱された湯水の温度を検出する出湯温度検出手段３３が設けられ、ヒートポンプユニット２４には、外気温度を測定する外気温度検出手段３５が設けられている。なお、外気温度検出手段３５は、ヒートポンプユニットを構成する蒸発器２３に配設され、かつ、蒸発器２３に流入する気流に対して最も風上に配設されていることが好ましい。

さらに、貯湯タンク２５の下側から熱源往き側配管３０を経由して放熱器２１に流入する湯水の温度を検出する入水温度検出手段３２と、各温度検出手段などの情報を元に流路切替手段２９等のコントロールを行う制御手段３４が設けられている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下にその動作、作用を説明する。

図１のヒートポンプ給湯機において、冬季、外気温度が低くなると、沸き上げ回路内部の凍結を予防するための凍結予防運転を行う。

外気温度検出手段３５が所定値（例えば、３℃以下）を検出し、入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３が所定値（例えば、４℃以下）を検出すると、凍結予防モード１（第３凍結防止運転モード）が起動する。凍結予防モード１において、制御手段３４は、循環ポンプ２６を駆動して、貯湯タンク２５の下部の水を沸き上げ回路内に循環させる。貯湯タンク２５の下部の水は、熱源戻り側配管３１から放熱器２１を経由して熱源戻り側配管３１を通り、流路切替手段２９で下側流路２８側に流れ、貯湯タンク２５下部に水を戻る。このとき、熱源往き側配管３０に流れる水の温度を検出する入水温度検出手段３２または熱源戻り側配管３１に流れる水の温度を検出する出湯温度検出手段３３が６℃以上を検出すると、凍結予防モード１が終了するが、凍結予防モード１が起動して５分経過しても入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３が所定値（例えば、６℃以上）にならなければ、凍結予防モード２（第２凍結防止運転モード）が起動する。この凍結予防モード２では、ヒートポンプサイクルを起動し、放熱器２１の温度を上昇させ、下側流路２８を経由し、貯湯タンク２５の下部に戻すことで、貯湯タンク２５下部の水温が上昇し、入水温度検出手段３２の検出する温度が所定値（例えば、６℃以上）になったときに、凍結予防モード２を終了させる。

ヒートポンプサイクルの異常時で、熱源が沸き上げを行えないときは、凍結予防モード１が起動して５分経過しても入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３が所定値（６℃以上）にならなければ、凍結予防モード３（第２凍結防止運転モード）が起動する。凍結予防モード３では、流路切替手段２９を上側流路側に固定し、貯湯タンク２５の下部の水を、上側流路２７を経由して貯湯タンク２５の上部に戻す。これにより、貯湯タンク２５上部にたまっている高温のお湯に、６℃未満のつめたい水が混ぜられることになるので、貯湯タンク２５内部に対流現象が発生する。よって、貯湯タンク２５内部の積層状態の温度分布が崩れだし、貯湯タンク２５内部のお湯の温度がほぼ均一になる。これにより、貯湯タンク２５下部の水温が上昇する。その結果、入水温度検出手段３２が所定値（例えば、６℃以上）を検出することで、凍結予防モード３が終了する。

以上のように、この凍結予防モード３を備えることで、ヒートポンプサイクルの異常により、熱源が沸き上げができない場合でも、熱源往き側配管３０や熱源戻り側配管３１の凍結が防止できる。よって、特に故障の連絡を受けてサービスマンがすぐに駆けつけられないときや、使用者がヒートポンプ給湯機の故障に気づかずに放置しておいた場合でも、ヒートポンプサイクルや熱源往き側配管３０や熱源戻り側配管３１が凍結して水漏れを起こすなどの故障を予防でき、使用者や修理者の使用性を向上することが可能となる。

また、凍結予防モード３における循環ポンプ２６による水の搬送量が通常の凍結予防モード１と同じ量（毎分１Ｌ／ｍｉｎ程度）であると、貯湯タンク２５上部に水が注入され、貯湯タンク２５の積層が崩れだすのに１時間近く時間がかかり、この間に配管内部の湯水が凍結する場合がある。そのため、凍結予防モード３における循環ポンプ２６の駆動回転数を高くするにより水の搬送流量を２Ｌ／ｍｉｎになるように、すなわち、制御手段３４が、凍結予防モード１及び凍結予防モード２における水の搬送流量よりも凍結予防モード３における水の搬送流量が大きくなるように、循環ポンプ２６を動作させる。これにより、貯湯タンク２５の積層を３０分程度で崩壊させることができる。以上の構成により、貯湯タンク２５内部の積層を崩すスピードを早めることが可能となり、貯湯タンク２５下部の早急に上昇することができ、ヒートポンプサイクルの異常時等であっても、ヒートポンプサイクルを起動させることなく、沸き上げ回路における凍結の発生を低減することができる。

また、ヒートポンプサイクルの異常時で、凍結予防モード３が起動した後、入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３が所定値（例えば、６℃以上）を検知すると、制御手段３４は、流路切替手段２９を下側流路側に切り替える、すなわち、凍結予防モード１に運転を切り替えるように構成している。これにより、入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３で検知する沸き上げ回路の配管内の湯水の温度は、凍結予防運転中には、図２に示すような挙動を繰り返すようになる。

すなわち、ヒートポンプに異常が発生している状態で、凍結予防運転を行う場合には、まず凍結予防モード１が実行される。凍結予防モード１を実行中に入水温度検出手段３２または出湯温度検出手段３３が所定値を下回ると、流路切替手段（三方弁）２９が上側流路２７に流路を切り替えて、凍結予防モード３が開始される。これにより、貯湯タンク２５内の温度成層が崩壊し、所定時間（例えば、３０分程度）経過後、沸き上げ回路の配管内部を流れる湯水の温度が上昇する。沸き上げ回路内の湯水の温度が所定値以上になると、凍結予防モード３が凍結予防モード１に切り替わる、すなわち、流路切替手段２９が下側流路２８に流路を切り替える。このような動作及び現象が繰り返されることにより、ヒートポンプサイクルの異常時において、凍結予防運転を行った場合の、沸き上げ回路の配管内部の湯水の温度は、図２に示すような挙動を示すことになる。

このように、凍結予防モード１と凍結予防モード３とを併用することで、必要以上に貯湯タンク２５上部のお湯の温度を下げすぎることなく、凍結予防運転することができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、ヒートポンプサイクルに異常が発生した場合でも、凍結予防を行うことができるので、業務用、家庭用の給湯装置として適用することができる。

２０ 圧縮機
２１ 放熱器
２２ 減圧手段
２３ 蒸発器
２４ ヒートポンプユニット
２５ 貯湯タンク
２６ 循環ポンプ
２７ 上側流路
２８ 下側流路
２９ 流路切替手段
３０ 熱源往き側配管
３１ 熱源戻り側配管
３２ 入水温度検出手段
３３ 出湯温度検出手段
３４ 制御手段
３５ 外気温度検出手段

Claims (2)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、
   前記放熱器にて加熱した湯を貯える貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下部から前記放熱器に水を搬送する循環ポンプと、
   前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの上部へと流れる上側流路と、
   前記放熱器から流出した湯水が前記貯湯タンクの下部へと流れる下側流路と、
   前記上側流路又は前記下側流路との流路の切り替えを行う流路切替手段と、
   複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、
   前記複数の運転モードは、
   前記流路切替手段を前記下側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルと前記循環ポンプとを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの下部に搬送させる第１凍結防止運転モードと、
   前記流路切替手段を前記上側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを停止させ、かつ、前記循環ポンプを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの上部に搬送させる第２凍結防止運転モードと、
   を含み、
   前記第２凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量は、前記第１凍結防止運転モードにおける前記循環ポンプによる水の搬送流量よりも多いことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記放熱器へ流入する湯水の入水温度を検出する入水温度検出手段と、
   前記放熱器から流出する湯水の出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、を備え、
   前記複数の運転モードは、
   前記流路切替手段を前記下側流路に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを停止させ、かつ、前記循環ポンプを動作させて、前記貯湯タンクの下部の水を、前記放熱器を介して、前記貯湯タンクの下部に搬送させる第３凍結防止運転モードを含み、
   前記制御手段は、前記第２凍結防止運転モード中において、前記入水温度検出手段および／または前記出湯温度検出手段の検出温度が所定値よりも高くなった場合に、前記流路切替手段を前記下側流路に切り替えて、前記第３凍結防止運転モードへと移行させることを特徴とする前記請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。

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