JP5797616B2 - 給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、負圧などの影響による流量センサの誤検知を防止することができる給湯機に関する。

給湯機は、各種端末（例えば、一般給湯端末や高温端末）に湯水を供給する装置である。給湯機は、貯湯タンク下部よりヒートポンプに水を引き込み、水を加熱して高温水として貯湯タンクに戻して満蓄になる様に沸き上げを行う。

従来、給湯機の貯湯タンクにおいて、水道直結経路の流量センサは給湯熱交換器の下流側に設置されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、給水管は、上流端が給水源に接続され、下流端が給湯熱交換器の二次側の給水の入口に接続されている。給湯管は、上流端が給湯熱交換器５０の二次側の給湯の出口に接続され、下流端が各種の一般給湯端末に接続されている。また、給湯管には、流量センサが設けられている。

特開２０１２−１０７８４３号公報

特許文献１のようなタンクに貯留された熱媒体を給湯用熱交換器に導入して給水を加熱する方式の給湯機では、給水源から給湯端末にかけての経路に配置される給湯用熱交換器内が負圧となる状態が発生すると、沸点が下がり内部の水が沸騰してしまい、沸騰によって発生した蒸気の流れを流量センサが水の流れであると誤検知するおそれがある。

例えば、給湯熱交換器が給湯端末よりも高い場所に位置するような状態で給湯機が配置されると、給湯中に給水が停止した場合などに給湯用熱交換器内が負圧となる状態が発生しやすい。特に、業務用の給湯機は、ビルの屋上に設置される場合があって給湯熱交換器と給湯端末との高低差が大きくなりがちであり、階下給湯する際にも安定的な流量検知が望まれていた。

本発明は、タンクに貯留された熱媒体を給湯用熱交換器に導入して給水を加熱する方式の給湯機において、給湯用熱交換器の内部が負圧となる状態が発生した場合でも、流量センサの誤検知を防止することができる給湯機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の給湯機は、熱媒体を貯留するタンク（例えば、貯湯タンク１０）と、タンクに貯留された熱媒体を加熱する加熱手段（例えば、ヒートポンプユニット３）と、タンクに貯留された熱媒体を取り出してタンクに戻す給湯用加熱回路（例えば、給湯用加熱回路４０）と、給湯用加熱回路に設けられ、給水を熱媒体と熱交換させて加熱し給湯とする給湯用熱交換器（例えば、給湯熱交換器５０）と、給湯用熱交換器に給水を供給する給水経路（例えば、給水管２１）と、給湯用熱交換器で加熱された給湯を給湯端末に供給する給湯経路（例えば、給湯管２２）と、給水経路から分岐して、給水を熱媒体としてタンクに導入する熱媒体導入経路と、タンクに貯留された熱媒体を他の給湯端末に供給する高温給湯経路とを備え、給水経路上で、かつ、前記分岐の下流側に第１の流量センサ（例えば、第１の流量センサ２３）が設けられているとともに、熱媒体導入経路に第２の流量センサ（例えば、第２の流量センサ８４）が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、階下給湯中に給水が停止した場合でも、負圧などの影響による流量センサの誤検知を防止することができる。

本発明の実施形態に係る給湯機の全体構成を示す模式図である。 比較例の給湯機の全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る給湯機において、給湯停止弁を設けた場合の模式図である。 業務用給湯機のリモートコントローラの外観図である。 業務用給湯機のリモートコントローラにおける、オプションメニューの一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る給湯機の全体構成を示す模式図である。給湯機１は、貯湯ユニット２、ヒートポンプユニット３（加熱手段）を含んで構成されている。

貯湯ユニット２は、貯湯タンク１０、一般給湯経路２０、高温給湯経路３０、給湯用加熱回路４０、給湯熱交換器５０、加熱経路６０、熱媒体導入経路８０、逃し弁９１を有する逃し経路９０（排水経路）、コントローラ１００などで構成されている。

主要経路、回路の概要を説明すると、一般給湯経路２０は、給水管２１（給水経路）、給湯熱交換器５０、給湯管２２（給湯経路）を介して一般給湯端末Ａの経路である。高温給湯経路３０は、貯湯タンク１０の上部から高温給湯管３５の経路である。給湯用加熱回路４０は、貯湯タンク１０の上部から配管４１、給湯熱交換器５０、配管４２、給湯循環ポンプ４４、配管４３を経由して貯湯タンク１０の下部への経路である。加熱経路６０は、ヒートポンプ戻り管５、三方弁である加熱経路解放弁８、配管６１を介して、貯湯タンク１０の上部への経路である。熱媒体導入経路８０は、給水管２１の途中から配管８１，８２，８５を介して貯湯タンク１０の下部への経路である。逃し経路９０は、貯湯タンク１０の上部から逃し弁９１、配管９２、三方弁９５への経路である。なお、加熱経路解放弁８の一端に接続されている配管６３は、配管９２に接続されている。貯湯タンク１０の下部は、配管９６を介して、三方弁９５の一端に接続されている。

三方弁９５に接続される配管９２側は常時開放されている。三方弁９５に接続される配管９６側は、断水時、地震などの非常時に手動で開放され、いざという時には、貯湯タンク１０の中の水を利用することができる。

加熱経路解放弁８は、後記する沸き上げモードで循環異常になった場合などにおいて、解放（具体的には、配管６３側を解放）して排水を行う際に使用される解放弁である。

ヒートポンプユニット３は、内部構成の詳細を図示していないが、例えば、冷媒（例えば、二酸化炭素（ＣＯ₂））を圧縮して高温・高圧にするコンプレッサと、コンプレッサからの冷媒を凝縮させるとともに貯湯タンク１０からの水を熱交換することによって加熱するコンデンサ（水冷媒熱交換器３ｃ）と、コンデンサからの冷媒を膨張させる膨張弁と、大気中の熱を吸熱して膨張した冷媒を蒸発させるエバポレータと、を備えて構成されている。

また、ヒートポンプユニット３は、その熱媒体入口がヒートポンプ往き管４、三方弁７、配管８６，８５を介して貯湯タンク１０の下部と接続され、熱媒体出口がヒートポンプ戻り管５，６１を有する加熱経路６０を介して貯湯タンク１０の上部に接続されている。三方弁７の一端には配管６（バイパス経路）が接続され、配管６の他端は、ヒートポンプ戻り管５に接続されている。

ヒートポンプユニット３側には、貯湯タンク１０内の熱媒体を循環させる循環ポンプ３ａ、循環流量センサ３ｂ、水冷媒熱交換器３ｃが設けられている。

コントローラ１００によって、貯湯ユニット２の外部に位置するヒートポンプ往き管４およびヒートポンプ戻り管５が凍結するおそれがあると判断されたときには、三方弁７を切り換えるとともにヒートポンプユニット３および循環ポンプ３ａを作動させて、ヒートポンプユニット３で温められた熱媒体をヒートポンプ戻り管５、配管６、ヒートポンプ往き管４を流れるように循環させる。これにより、貯湯ユニット２の外側の外気に曝されている配管の凍結を防止できるようになっている。

貯湯タンク１０は、熱媒体として湯水を溜める密閉式のタンクであり、縦長の円筒形状を呈している。また、貯湯タンク１０は、保温性能向上のため、その周囲が発泡スチロールなどの断熱材などで覆われている。

また、貯湯タンク１０には、異なる高さ位置での熱媒体（湯水）の温度を検知する複数のタンク温度センサ１１〜１６が設けられている。具体的には、貯湯タンク１０には、上部から下部にかけて６つのタンク温度センサ１１〜１６が設けられている。これにより、コントローラ１００によって、貯湯タンク１０内の湯水の温度分布を把握できるようになっている。

一般給湯経路２０は、一般給湯端末Ａに湯を供給する流路であり、給水管２１（給水経路）と給湯管２２（給湯経路）とで構成されている。給水管２１は、上流端が給水源に接続され、下流端が給湯熱交換器５０の二次側の給水の入口５１ａに接続されている。また、給水管２１には、上流側から順に、フィルタ２７、逆止弁２１ｂ、流量センサ２３（第１の流量センサ）が設けられている。

なお、給水管２１が接続される給水源としては、水道に限定されるものではなく、井戸水（地下水）、温泉、河川などを挙げることができる。給水源としては、水道を使用したときの給水の種類は水道水であり、地下水を使用したときの給水の種類は井戸水（地下水）であり、温泉を使用したときの給水の種類は温泉水（温度の低いもの）であり、河川を使用したときの給水の種類は河川水である。特に、本実施形態に係る給湯機１は、硬度成分の少ない水道水（軟水）のみに適用されるものではなく、硬度成分を多く含む水道水や井戸水（高硬度水）にも適用することが可能なものである。すなわち、本実施形態に係る給湯機１は、軟水であるか高硬度水であるかにかかわらず、幅広い種類の給水に対応することができる。また、ブラインなどにも対応することができる。

給湯管２２は、上流端が給湯熱交換器５０の二次側の給湯の出口５１ｂに接続され、下流端が各種の一般給湯端末Ａに接続されている。また、給湯管２２には、アキュムレータ２４が設けられている。なお、アキュムレータ２４は、蛇口などから出湯したときに、湯をさましてから（湯の温度を下げてから）出湯させるバッファとしての機能を有している。

流量センサ２３は、給水管２１を流れる水の流量（一般給湯端末Ａに供給される湯の流量）を検出するものであり、検出される流量に合わせて後記する給湯循環ポンプ４４のモータの回転速度を調整する。例えば、給湯温度が４０℃に設定されているのであれば、４０℃になるように給湯循環ポンプ４４の回転速度を調整して給湯する。

また、給水管２１には、給湯熱交換器５０の上流側に給水温度センサ２５が設けられ、給湯管２２には、給湯温度センサ２６が設けられている。給水温度センサ２５は、給湯熱交換器５０に導入される前の給水の温度を検知するものである。給湯温度センサ２６は、給湯熱交換器５０から放出される給湯の温度を検知するものである。

給水管２１には、フィルタ２７の上流側に給水水抜き栓９７が設けられている。また、給湯管２２には、アキュムレータ２４の下流側に給湯水抜き栓９８が設けられている。また、高温給湯管３５の下流側には、高温給湯水抜き栓３８が設けられている。

給湯用加熱回路４０は、前記したように、貯湯タンク１０に貯留された熱媒体（湯水）を取り出して貯湯タンク１０に戻すものであり、配管４１，４２，４３と、給湯循環ポンプ４４とで構成されている。

配管４１は、貯湯タンク１０内の熱媒体（湯水）を給湯熱交換器５０に供給する流路であり、上流端が貯湯タンク１０の上部に接続され、下流端が給湯熱交換器５０の一次側の入口５１ｃに接続されている。配管４２は、上流端が給湯熱交換器５０の一次側の出口５１ｄに接続され、下流端が給湯循環ポンプ４４の入口に接続されている。

配管４３は、上流端が給湯循環ポンプ４４の出口（吐出口）に接続され、下流端が貯湯タンク１０の下部に接続されている。なお、給湯熱交換器戻り管４３には、給湯循環ポンプ４４の逆流を防止するための逆止弁４３ｂが設けられている。

給湯循環ポンプ４４は、コントローラ１００により駆動されることによって、貯湯タンク１０内の上部から熱媒体（湯水、高温水）を取り出し、貯湯タンク１０の下部に戻すようにして循環させるようになっている。

また、給湯循環ポンプ４４は、コントローラ１００によって図示しないモータの回転速度が制御されることにより、給湯熱交換器５０における二次側の給水への熱伝達率を変化させて、一般給湯モード時の給湯温度などを調整するようになっている。換言すると、本実施形態では、給湯熱交換器５０によって熱交換された後の給湯（湯）について、給水と混合させて所望の給湯温度（湯）にするような混合弁を備えることはせず、貯湯タンク１０から出た湯の全量は、貯湯タンク１０に戻すようになっている。

配管４３には、給湯循環ポンプ４４の気体（エア）を抜くためのポンプエア抜き栓４３ａ、逆止弁４３ｂが設けられている。また、給湯循環ポンプ４４には、給湯循環ポンプ４４内の液体（熱媒体、湯水）を外部に抜き取るためのポンプ水抜き栓（図示せず）が設けられている。

ポンプエア抜き栓４３ａは、例えば手動で開閉するものであり、貯湯タンク１０内が満水でない状態から注水する場合や、給湯循環ポンプ４４内の空気（エア）を水ともに外部に抜き取ることができるようになっている。

給湯熱交換器５０は、給水管２１から供給される水を、貯湯タンク１０の上部から取り出した熱媒体（湯水）と熱交換させて、水を加熱するようになっている。生成された給湯は、給湯管２２を介して一般給湯に使用される。

このように、本実施形態では、給湯用加熱回路４０が閉回路によって構成されているので、一般給湯端末Ａに貯湯タンク１０内の湯水を放出しないようになっている。言い換えると、一般給湯の際に貯湯タンク１０内の湯水（熱媒体）を、二次側の給水を加熱するための熱媒体としてのみ利用するようになっている。

熱媒体導入経路８０は、給水管２１の途中から分岐され、配管８１、流量センサ８４（第２の流量センサ）、配管８２，８５を経由して貯湯タンク１０に熱媒体である水を供給するように構成されている。配管８１には、減圧弁８３が設けられている。配管８２には、逆止弁８２ｂが設けられている。流量センサ８４は、高温給湯で使用される流量を検出するのに用いられる。すなわち、貯湯タンク１０内には、熱媒体導入経路８０を介して、減圧弁８３で設定された水圧がかかっており、高温給湯が始まると、貯湯タンク１０の湯の減少分は、自動的に熱媒体導入経路８０を介して水が補充される。

次に、図１を用いて、本実施形態の給湯機１における主要な運転モードである沸き上げモード、一般給湯モード、高温給湯モードについて説明する。

＜沸き上げモード＞
沸き上げモードの場合には、貯湯タンク１０内の熱媒体（水）を配管８５，８６、ヒートポンプユニット３によって沸き上げる。すなわち、貯湯タンク１０の下部からヒートポンプ往き管４を介して熱媒体（水）をヒートポンプユニット３に送り、ヒートポンプユニット３によって温められた熱媒体（湯）を、ヒートポンプ戻り管５を含む加熱経路６０を介して貯湯タンク１０の上部に戻すことで、貯湯タンク１０内には、例えば、下部に低温水、中間部に中温水、上部に高温水が層状に貯留される。

＜一般給湯モード＞
一般給湯モードの場合には、流量センサ２３によって一般給湯経路２０内の流れが検知されることによって運転が開始される。コントローラ１００の制御によって、一般給湯端末Ａ（蛇口など）が開動作されると、流量センサ２３によって一般給湯経路２０の流れが検知され、リモコンの操作部に設定された給湯温度の湯が一般給湯端末Ａから供給されるように、給湯循環ポンプ４４が駆動される。

詳述すると、給水温度センサ２５で検知された給水温度と流量センサ２３で検知された流量に基づいて、給湯温度センサ２６で検知される温度が目標温度となるように給湯循環ポンプ４４のモータの回転速度を調整する。このとき、給湯熱交換器５０の一次側を流れる熱媒体によって、二次側の給水が熱交換によって加熱される。そして、一般給湯端末Ａが閉動作されたことが流量センサ２３で検知されることにより、給湯循環ポンプ４４が停止する。

なお、給湯温度センサ２６での目標温度は、湯が給湯温度センサ２６から一般給湯端末Ａに到達するまでの間の温度低下等を考慮して、設定温度よりも高く設定される。ただし、このような制御に限定されるものではなく、目標温度が設定温度と同じであってもよい。

＜高温給湯モード＞
高温給湯モードの場合には、流量センサ８４によって高温給湯経路３０内の流れが検知される。

ところで、沸き上げモードでは、貯湯タンク１０内の水の温度が上昇することで、水の体積膨張で貯湯タンク１０内の圧力が上昇する。貯湯タンク１０の上部に設けられた逃し弁９１は、貯湯タンク１０の圧力が耐圧を考慮して定められた圧力になったとき（貯湯タンク１０の耐圧を超えないように予め設定された値のとき）に逃し弁９１が自動的に開弁する。これにより、貯湯タンク１０内の熱媒体（体積膨張分の湯水）は、逃し経路９０を経由して、三方弁９５を介して外部に排出されることになる。

次に、本実施形態に係る給湯機の作用および効果について説明する。
まず、本実施形態に係る給湯機１の説明の前に、比較例としての給湯機１ａについて説明する。図２は、比較例の給湯機の全体構成を示す模式図である。図１との相違点は、給湯管２２に流量センサ２３ａが設けられている点が異なる。

例えば、給湯機１ａを屋上に設置し、階下給湯中に給水が停止した場合に、給湯管２２などには、高低差により負圧が生じる。負圧が生じるため、給湯熱交換器５０内の水の飽和温度（沸点）が低下する。ここで、水の圧力（絶対圧）と飽和温度の関係を（表１）に示す。

例えば、給湯熱交換器５０よりも約７ｍ下方に一般給湯端末Ａを設置した場合、給湯熱交換器５０内に生じる圧力は約３０［ｋＰａ］となる。水の圧力が約３０［ｋＰａ］となるとすると、水の飽和温度（沸点）は約６９［℃］になる。このため、貯湯タンク１０からの熱媒体の温度（例えば、７０℃〜９０℃）が水の飽和温度（例えば、約６９［℃］）より高い場合、給湯熱交換器５０の水は飽和温度に達して沸騰する。このように、給湯熱交換器５０内の配管および給湯管２２の中の水が沸騰することが生じる。沸騰すると、流量センサ２３ａでの流量が正確に検出できなくなる。

沸騰が発生すると蒸気が流量計を通過するため、水が流れていないのに、水が流れているように検出し、条件によっては数分この現象が続く場合がある。水が流れていると検出すると、給湯用加熱回路４０の給湯循環ポンプ４４も連動して駆動するので、誤動作が発生することになる。

これに対し、本実施形態に係る給湯機１は、図１に示すように、流量センサ２３（第１の流量センサ）は、給水管２１側に設置しており、流量の誤検出を防止している。また、高温給湯に流量を計測する流量センサ８４（第２の流量センサ）も、給水管２１側に設置しており、流量の誤検出を防止している。

図３は、本発明の実施形態に係る給湯機において、給湯停止弁を設けた場合の模式図である。図３は、図１と比較して、一般給湯経路２０の給湯管２２の下流側に給湯停止弁９６（給湯停止弁１）、および、高温給湯経路３０の高温給湯管３５の下流側に給湯停止弁３６（給湯停止弁２）を設けている。給湯停止弁９６および給湯停止弁３６は、それぞれの給湯経路で湯切れをした際には、給湯を停止することができる。

例えば、コントローラ１００は、一般給湯経路２０の測定温度が、設定温度から２℃低下した場合に湯切れとして判定し、給湯停止弁９６を遮断するとよい。また、コントローラ１００は、高温給湯経路３０の湯の温度が５０℃以下になった場合に湯切れとして判定し、給湯停止弁３６を遮断するとよい。これにより、湯切れの場合において、早期の給湯を停止することができる。

図４は、業務用給湯機のリモートコントローラの外観図である。図４には、リモートコントローラであるシステム制御リモコン７０を示す。主要な機能を説明すると、沸き増し設定７１は、定量沸き増しの、１００％、７５％、５０％、２５％、なし、から選択設定することができる。給湯温度７２は、一般給湯の際の給湯温度を設定できる。沸き上げ時間７３は、夜間沸き上げなど、全量沸き上げの時刻を設定できる。沸き上げ温度７４は、６５℃、７０℃、７５℃、８０℃、８５℃、９０℃、自動から選択設定ができる。ピークカット７５は、ピークカットの時間を設定できる。設定した時間帯に加熱能力を落とすことで通常運転と比較して消費電力を低減することができる。決定／アラーム音停止７６は、設定状態を決定ボタンであるとともに、湯切れ時に鳴るアラーム音を押下することにより消すこことができる。休止設定７７は、定休日などには沸き上げ運転を休止することができる。日数休止のほか曜日休止や期間休止などの設定ができる。時刻設定７８は、時計の時刻合わせを行うことができる。オプションメニュー７９は、給湯量表示、現在流量表示などが利用できる。

図５は、業務用給湯機のリモートコントローラにおける、オプションメニューの一例を示す説明図である。図５（ａ）の左図は、設定温度給湯量を選択した場合であり、決定されると、図５（ａ）の右図に示すように一般給湯経路２０の現在の流量が示される。図５（ｂ）の左図は、高温給湯量を選択した場合であり、決定されると、図５（ｂ）の右図に示すように高温給湯経路３０の現在の流量が示される。

図５に示すように、第１の流量センサ２３および第２の流量センサ８４による流量の表示をリモートコントローラから選択可能とすることができる。なお、本実施形態では、第１の流量センサ２３および第２の流量センサ８４による流量の表示をリモートコントローラから選択可能とするオプションメニューとしているが、これに限定されるものではない。第１の流量センサ２３および第２の流量センサ８４による流量を選択せずに、同時に２つのセンサの流量を表示してもよい。

本実施形態の図１では、給湯熱交換器５０の上流側である、給水経路２１に第１の流量センサ２３が設けられているので、流量センサによる流量を安定的に検知することができる。また、第２の流量センサ８４も、給湯熱交換器５０の上流側に設けられているので、流量センサによる流量を安定的に検知することができる。

本実施形態の給湯機は、業務用の給湯機、家庭用の給湯機のいずれにも適用することができる。業務用の給湯機は、飲食店用、宿泊業用、医療・保健衛生用、福祉・介護施設用、給食センター用、ゴルフ場・スポーツ施設用、事務所用などにおいて使用されている給湯機であり、例えば、高温給湯経路３０が飲食店の食洗機に接続されている。家庭用の給湯機は、高温給湯経路３０の代わりに、貯湯タンク１０の湯と水道水を混ぜて、設定した温度の湯を作る混合弁がある給湯経路があり、浴槽などに接続されている。いずれの給湯機においても、本実施形態の一般給湯経路２０は、適用することができる。また、高温給湯経路３０がない、すなわち、貯湯タンク１０からの出湯がない給湯機においても、本実施形態の一般給湯経路２０は、適用することができる。

１ 給湯機
２ 貯湯ユニット
３ ヒートポンプユニット（加熱手段）
３ａ 循環ポンプ
３ｂ 循環流量センサ
３ｃ 水冷媒熱交換器
４ ヒートポンプ往き管
５ ヒートポンプ戻り管
６ 配管（バイパス経路）
７ 三方弁
８ 加熱経路解放弁
１０ 貯湯タンク
２０ 一般給湯経路
２１ 給水管（給水経路）
２２ 給湯管（給湯経路）
２３ 流量センサ（第１の流量センサ）
３０ 高温給湯経路
４０ 給湯用加熱回路
５０ 給湯熱交換器（給湯用熱交換器）
６０ 加熱経路
８０ 熱媒体導入経路
８４ 流量センサ（第２の流量センサ）
９０ 逃し経路（排水経路）
９１ 逃し弁
１００ コントローラ
Ａ 一般給湯端末

Claims (4)

1. 熱媒体を貯留するタンクと、
   前記タンクに貯留された前記熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記タンクに貯留された前記熱媒体を取り出して前記タンクに戻す給湯用加熱回路と、
   前記給湯用加熱回路に設けられ、給水を前記熱媒体と熱交換させて加熱し給湯とする給湯用熱交換器と、
   前記給湯用熱交換器に前記給水を供給する給水経路と、
   前記給湯用熱交換器で加熱された前記給湯を給湯端末に供給する給湯経路と、
   前記給水経路から分岐して、前記給水を前記熱媒体として前記タンクに導入する熱媒体導入経路と、
   前記タンクに貯留された前記熱媒体を他の給湯端末に供給する高温給湯経路とを備え、
   前記給水経路上で、かつ、前記分岐の下流側に第１の流量センサが設けられているとともに、前記熱媒体導入経路に第２の流量センサが設けられている
   ことを特徴とする給湯機。
2. 前記第１の流量センサおよび前記第２の流量センサによる流量の表示をリモートコントローラから選択可能とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
3. 前記給湯経路に給湯停止弁が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯機。
4. 前記高温給湯経路に給湯停止弁が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の給湯機。

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