JP5971149B2

JP5971149B2 - 給湯機

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Publication number: JP5971149B2
Application number: JP2013029222A
Authority: JP
Inventors: 稲葉　好次; 好次稲葉; 宮下　章志; 章志宮下; 正樹豊島; 一樹池田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: EP2957839A4; EP2957839A1; EP2957839B1; JP2014156992A; WO2014125678A1

Description

本発明は、水道水、井戸水等の低温水を加熱する熱交換器を備えた給湯機に関する。

従来技術として、大気中の熱を利用して低温水を加熱するヒートポンプ式の給湯機が知られている。従来技術の給湯機は、大気中から熱を取込んだ冷媒と、低温水との間で熱交換を行う水加熱用熱交換器を備えている。水加熱用熱交換器には、低温水を流通させつつ加熱するための配管が設けられている。ここで、低温水として、カルシウム等の硬度成分が多く含まれる水を使用した場合には、低温水が水加熱用熱交換器内で加熱されるときに、水中のカルシウム成分が炭酸カルシウム等のスケール（固形析出物）となって配管内に析出し易くなる。

スケールが配管内に析出すると、冷媒の熱が配管内を流れる水に伝達し難くなり、加熱性能が低下する虞れがある。また、スケールが配管内に堆積すると、配管の流路抵抗が大きくなるので、低温水を水加熱用熱交換器に送り込むポンプ等の消費電力が増加したり、配管を流れる水量が減少して給湯性能が低下する場合がある。このため、例えば特許文献１に記載された従来技術では、孔壁の付着物を除去するときに、洗浄液を脈動させながら孔内に注入し、洗浄液の流れによって付着物を除去するようにしている。

特開２００４-１７６４７７号公報

上述した従来技術では、洗浄液の圧力を常に正圧及び負圧に変動させることにより、孔内の付着物を吸引して排出する。しかしながら、この方法を給湯機に適用した場合、即ち、水加熱用熱交換器の配管内を流れる湯水の流量を常に変動させる構成とした場合には、当該熱交換器から流出する高温水の出湯温度を制御するのが困難となり、エラーの発生等により給湯機の運転が停止するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、循環回路を流れる湯水の流量を適度に変化させることにより、スケール等のような異物の付着を抑制しつつ、加熱運転を安定的に実行することが可能な給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る給湯機は、湯水を加熱する加熱装置と、加熱装置に設けられた湯水の流路を含んで構成され、加熱装置に湯水を循環させることが可能な循環回路と、循環回路を用いて加熱装置に湯水を循環させる循環装置と、加熱装置と循環装置とを制御する機能を有し、循環装置により循環回路に湯水を循環させつつ、当該湯水を加熱装置により加熱する加熱運転を実行する制御装置と、を備え、制御装置は、加熱運転を実行するときに、循環装置を制御することにより、循環回路を流れる湯水の循環流量を予め設定された定常流量に保持する定常動作と、循環流量を定常流量に対して一時的に増加及び減少させる脈動動作とを実行し、かつ、脈動動作中における循環流量の最大値と最小値との流量差を循環回路内への異物の付着が抑制可能な基準値以上に保持する構成としている。

本発明によれば、加熱運転時には、加熱装置の流路を含む循環回路に必要最小限の湯水を循環させつつ、その循環流量に十分な大きさの脈動を生じさせることができる。従って、加熱運転を安定的に実行しつつ、湯水が循環回路内で滞留するのを防止し、湯水中の異物が循環回路内に付着するのを抑制することができる。

本発明の実施の形態１による貯湯式の給湯機を示す構成図である。本発明の実施の形態１において、スケール抑制制御により実現される湯水の循環流量の変化を示す特性線図である。沸き上げ運転の進行時に定常流量の設定値を増加させた状態を示す特性線図である。本発明の実施の形態２において、加熱運転の目標加熱温度がスケール発生温度未満である場合の循環流量の制御を示す特性線図である。加熱運転の目標加熱温度がスケール発生温度以上である場合の循環流量の制御を示す特性線図である。本発明の実施の形態３において、制御装置により実行される制御の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態４による貯湯式の給湯機を示す構成図である。本発明の実施の形態５による貯湯式の給湯機を示す構成図である。本発明の実施の形態１乃至５における変形例を示す構成図である。

実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。なお、本実施の形態では、ヒートポンプを用いる貯湯式の給湯機を例に挙げて述べる。また、本明細書で使用する各図においては、共通する要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。まず、図１は、本発明の実施の形態１による貯湯式の給湯機を示す構成図である。この図に示すように、給湯機は、湯水を加熱する加熱装置としてのヒートポンプユニット１と、タンクユニット１０とを備えている。ヒートポンプユニット１は、圧縮機２、水加熱用熱交換器３、膨張弁４、蒸発器５を冷媒配管６により環状に接続したもので、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を構成している。

水加熱用熱交換器３は、冷媒配管６に接続されて冷媒が流通する１次側流路と、後述の貯湯タンク１１から低温水が流入する２次側流路３Ａとを備えている。そして、水加熱用熱交換器３は、高温の冷媒と低温水との間で熱交換することにより、２次側流路３Ａを流れる低温水を加熱して高温水を生成し、この高温水をタンクユニット１０側に戻すように構成されている。なお、ヒートポンプユニット１により高温水を生成するためには、冷媒として二酸化炭素を使用し、臨界圧を超える圧力でヒートポンプサイクルを運転することが好ましい。

次に、タンクユニット１０について説明する。タンクユニット１０には、貯湯タンク１１、循環ポンプ１２、四方弁１３及び給湯混合弁１４が搭載されている。貯湯タンク１１は、ヒートポンプユニット１により加熱した温水を貯留するもので、密閉型のタンクにより構成されている。貯湯タンク１１は、当該タンクの上部に配置された温水出入口１１Ａと、貯湯タンク１１の下部に配置された水流入口１１Ｂ、水流出口１１Ｃ及び水戻り口１１Ｄとを備えている。

貯湯タンク１１には、ヒートポンプユニット１により加熱された高温水が温水出入口１１Ａから流入し、低温水が水流入口１１Ｂから流入する。これにより、貯湯タンク１１の内部には、上部側に高温水が滞留し、下部側に低温水が滞留する温度成層が形成される。なお、本明細書において、「湯水」とは湯または水を意味し、「高温水」とは、貯湯タンク１１の上部に滞留する温水またはこれと等温の温水を意味している。また、「低温水」とは、貯湯タンク１１の下部に滞留する水もしくはこれと等温の水、または後述の給水配管２０から供給される水道水、井戸水等を意味し、高温水よりも低い温度を有している。

循環ポンプ１２は、後述の循環回路を用いて貯湯タンク１１内の湯水を水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａに循環させるもので、電動ポンプ等により構成されている。循環ポンプ１２は、本実施の形態における循環装置の具体例を示している。また、四方弁１３は、例えば４個のポートを有する電磁弁により構成され、後述のように、給湯機の運転形態に応じて湯水の流路を切換えるものである。給湯混合弁１４は、例えば２個の流入ポートと１個の流出ポートとを有する電磁駆動式の三方弁等により構成され、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク１１の何れかにより供給される高温水と、水道水等の低温水とを混合して所望温度の温水を生成するものである。

また、タンクユニット１０には、給水配管２０、給湯配管２２、ヒートポンプ往き配管２３、ヒートポンプ戻り配管２４、タンク上部戻り配管２５及びバイパス配管２６等が搭載されている。給水配管２０は、貯湯タンク１１の水流入口１１Ｂ及び給湯混合弁１４の一方の流入ポートにそれぞれ接続され、これらの接続部に外部から水道水、井戸水等の低温水を供給するものである。給水配管２０には、低温水の供給圧を一定に保持する減圧弁２１が設けられている。給湯配管２２は、ヒートポンプユニット１及び貯湯タンク１１から給湯混合弁１４の他方の流入ポートに高温水を供給するものである。

ヒートポンプ往き配管２３は、貯湯タンク１１の水流出口１１Ｃと水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａの流入口とを接続し、貯湯タンク１１の下部から流出した低温水を水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａに流入させるものである。ヒートポンプ往き配管２３の途中には、前記循環ポンプ１２が設けられている。一方、ヒートポンプ戻り配管２４は、前記２次側流路３Ａの流出口と四方弁１３の１個のポートとを接続し、水加熱用熱交換器３から流出した高温水をタンクユニット１０に戻すものである。

四方弁１３の他のポートには、タンク上部戻り配管２５及びバイパス配管２６の一端側がそれぞれ個別に接続されている。タンク上部戻り配管２５の他端側は、給湯配管２２と合流して貯湯タンク１１の温水出入口１１Ａに接続されている。バイパス配管２６の他端側は、貯湯タンク１１の水戻り口１１Ｄに接続されている。また、四方弁１３の残りのポートには、他のバイパス配管２７が接続されており、このバイパス配管２７は、循環ポンプ１２の下流側でヒートポンプ往き配管２３に接続されている。また、貯湯タンク１１は、タンク内の圧力が過大となった場合に当該圧力を外部に逃がすための逃がし弁２８を備えている。

給湯栓２９は、給湯機による給湯対象の一例を示すもので、給湯混合弁１４の流出ポートに接続されている。本発明の給湯対象は、給湯栓２９に限定されるものではなく、シャワー、浴槽、温水循環型の暖房機等であってもよい。また、タンクユニット１０には、上記の機器及び配管以外にも、浴槽水を追焚きするための熱交換器、弁類、配管等が搭載されているが、これらは本実施の形態の内容と関係しないので、図示及び説明を省略する。

なお、実施の形態１では、ヒートポンプユニット１に湯水を循環させるための循環回路を、四方弁１３、ヒートポンプ往き配管２３、ヒートポンプ戻り配管２４、タンク上部戻り配管２５及び水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａにより構成している。

次に、給湯機の制御系統について説明する。タンクユニット１０には、給湯機の作動状態を制御する制御装置３０が搭載されている。制御装置３０は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶回路と、記憶回路に記憶されたプログラムに基いて所定の演算処理を実行する演算処理装置（ＣＰＵ）と、演算処理装置に対して外部の信号を入出力する入出力ポートとを備えている。制御装置３０の入力側には、給湯機の作動状態を検出する各種のセンサが接続されている。このセンサには、例えば貯湯タンク１１内の温度分布を検出して貯湯量を算出するためのタンク温度センサ、給湯栓２９に供給される温水の流量を検出する給湯流量センサ、給湯温度を検出する給湯温度センサ、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａを流れる湯水の流量を検出する循環流量センサ等が含まれている。なお、循環流量センサは、例えばヒートポンプ往き配管２３、ヒートポンプ戻り配管２４等に設けられる。

一方、制御装置３０の出力側には、ヒートポンプユニット１の圧縮機２、循環ポンプ１２、四方弁１３及び給湯混合弁１４を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、制御装置３０は、給湯機に備えられたリモコン３１と通信可能に構成されている。リモコン３１は、給湯機のユーザ等により操作されるもので、給湯機の運転形態を切換えたり、目標加熱温度、給湯温度等の設定等を行うものである。制御装置３０は、リモコン３１等により実行された操作及び設定の内容と、各センサの出力とに基いて各アクチュエータを駆動することにより、給湯機の作動状態を制御し、給湯機の運転形態を切換える。運転形態の具体例としては、沸き上げ運転、凍結防止運転及び給湯運転等が挙げられる。以下、これらの運転形態について説明する。

（沸き上げ運転）
沸き上げ運転は、ヒートポンプユニット１により貯湯タンク１１に貯留する湯水を加熱する（沸き上げる）ものである。沸き上げ運転は、循環ポンプ１２により水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａに湯水を循環させつつ、当該湯水をヒートポンプユニット１により加熱するもので、加熱運転の一例を構成している。具体的に述べると、制御装置３０は、例えば貯湯タンク１１内の湯量が許容限度を超えて減少したり、貯湯タンク１１内の湯温が許容限度を超えて低下したときに、沸き上げ運転を実行する。沸き上げ運転では、四方弁１３によりヒートポンプ戻り配管２４とタンク上部戻り配管２５とを連通した状態で、ヒートポンプユニット１及び循環ポンプ１２を作動させる。

これにより、貯湯タンク１１の下部に滞留する低温水は、水流出口１１Ｃからヒートポンプ往き配管２３に流出し、循環ポンプ１２を経由して水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａに流入する。この低温水は、水加熱用熱交換器３内で高温の冷媒と熱交換することにより加熱されて高温水となり、２次側流路３Ａからヒートポンプ戻り配管２４に流出する。ヒートポンプ戻り配管２４に流出した高温水は、四方弁１３及びタンク上部戻り配管２５を経由して貯湯タンク１１の温水出入口１１Ａに流入し、貯湯タンク１１の上部に貯湯される。そして、制御装置３０は、貯湯タンク１１に十分な量の高温水が貯湯された時点で、沸き上げ運転を終了する。

また、制御装置３０は、沸き上げ運転を実行するときに、例えばリモコン３１により設定された給湯温度、貯湯タンク１１の温度情報、外気温度等に基いて目標加熱温度を設定する。目標加熱温度は、加熱される湯水の温度が到達すべき目標の温度である。そして、制御装置３０は、ヒートポンプユニット１及び循環ポンプ１２を駆動しつつ、圧縮機２の出力等を調整することにより、水加熱用熱交換器３から流出する高温水の温度が目標加熱温度と一致するように温度制御を実行する。

（凍結防止運転）
凍結防止運転は、寒冷地、夜間等の低温環境において、ヒートポンプ往き配管２３及びヒートポンプ戻り配管２４等に滞留した水の凍結を防止するものである。制御装置３０は、例えば外気温度センサ等の出力に基いて凍結の恐れがあると判定した場合に、凍結防止運転を実行する。凍結防止運転では、四方弁１３によりヒートポンプ戻り配管２４とバイパス配管２６とを連通した状態で、循環ポンプ１２を作動させる。これにより、貯湯タンク１１の下部に滞留する低温水は、水流出口１１Ｃからヒートポンプ往き配管２３に流出し、循環ポンプ１２、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａ、ヒートポンプ戻り配管２４、四方弁１３及びバイパス配管２６を順次経由して貯湯タンク１１の水戻り口１１Ｄに戻される。従って、ヒートポンプ往き配管２３及びヒートポンプ戻り配管２４の内部で水を常に流動させ、凍結を防止することができる。

（給湯運転）
給湯運転は、給湯使用者により給湯栓２９が開かれた場合に実行される。給湯運転では、リモコン３１等により設定された給湯温度に応じて給湯混合弁１４を制御し、貯湯タンク１１から給湯配管２２に供給される高温水と、給水配管２０に供給される低温水とを給湯混合弁１４により適切な流量比で混合することにより、所望温度の温水を生成する。この温水は、給湯混合弁１４から給湯栓２９に供給される。このとき、貯湯タンク１１の下部には、給水配管２０から低温水が補充される。

（スケール抑制制御）
沸き上げ運転等のような加熱運転を行う場合には、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａを湯水が循環するときに、当該湯水に含まれるカルシウム等の硬度成分が高熱によりスケールとなって析出し、２次側流路３Ａ内にスケールが付着する傾向がある。また、前記循環回路のうち２次側流路３Ａ以外の部分でも、例えば温水が滞留するような場合には、スケールが析出し易い傾向がある。これらの傾向は、給水配管２０から供給される水の硬度が高い場合に顕著となる。

このため、制御装置３０は、加熱運転を実行するときに、２次側流路３Ａを含む循環回路を循環する湯水の循環流量を脈動させることにより、循環回路内へのスケールの析出及び付着を抑制するスケール抑制制御を実行する。なお、本実施の形態では、２次側流路３Ａにおけるスケールの付着抑制を主要な目的としているが、本発明は、循環回路全体におけるスケールの付着抑制を目的としてもよいものである。また、スケールは、本実施の形態における異物の一例を示すもので、他の異物については後述する。

スケール抑制制御では、制御装置３０から循環ポンプ１２に出力する制御信号に基いて、例えば循環ポンプ１２の回転数を変化させる。これにより、循環ポンプ１２の吐出流量、即ち、２次側流路３Ａを循環する湯水の循環流量を減少及び増加させ、後述の図２に示すように、循環流量の波形に脈動を生じさせることができる。なお、本実施の形態では、加熱運転として沸き上げ運転を例示したが、本発明の加熱運転には、実施の形態５で説明する追焚き運転等も含まれる。

図２は、本発明の実施の形態１において、スケール抑制制御により実現される湯水の循環流量の変化を示す特性線図である。この図は循環流量の波形の一例を示すもので、本発明を限定するものではない。図２に示すように、スケール抑制制御では、加熱運転を実行するときに、湯水の循環流量を予め設定された定常流量Ａに保持する定常動作と、前記循環流量を定常流量Ａに対して一時的かつ急激に減少及び増加させる脈動動作とを実行する。そして、脈動動作中には、循環流量の最大値である最大流量Ａ_Ｈと、循環流量の最小値である最小流量Ａ_Ｌとの流量差ΔＡ（＝Ａ_Ｈ−Ａ_Ｌ）を予め設定された基準値Ｓ以上に保持する。

ここで、スケールの付着を抑制する効果は、脈動動作中の流量差ΔＡ、即ち、循環流量の変動幅が大きいほど高くなる傾向がある。このため、基準値Ｓは、例えばスケールの付着抑制効果が得られる流量差の最小値として設定されている。また、最小流量Ａ_Ｌは、例えばヒートポンプユニット１の加熱機能を維持するために必要な最小の流量として設定され、最大流量Ａ_Ｈは、最小流量Ａ_Ｌに対して基準値Ｓ以上の流量差ΔＡを確保することが可能な流量として設定される。これらの最小流量Ａ_Ｌと最大流量Ａ_Ｈを実現するのに必要な循環ポンプ１２の回転数及び当該回転数の継続時間は、実測等により予め設定され、制御装置３０に記憶されている。また、制御装置３０には、後述の周期ｔ０及び継続時間ｔ１を含む脈動動作の動作パターンも予め記憶されている。

上記スケール抑制制御によれば、加熱運転時には、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａに必要最小限の湯水を循環させつつ、その循環流量に十分な大きさの脈動を生じさせることができる。これにより、２次側流路３Ａ内の水流に乱れを発生させたり、水流の流速を周期的に変化させることができる。従って、湯水が２次側流路３Ａ内で滞留するのを防止し、スケールが２次側流路３Ａ内に付着するのを抑制することができる。しかも、循環流量の脈動は循環回路の各部に波及するので、スケールの付着抑制効果は、２次側流路３Ａに限らず、循環回路の各部で発揮することができる。これにより、スケールの析出による配管内径の狭小化を抑制し、給湯機の耐久性や寿命を向上させることができる。また、スケール抑制制御では、湯水の循環流量を脈動させつつも、循環流量を常に最小流量Ａ_Ｌ以上に保持するので、ヒートポンプユニット１により湯水を安定的に加熱し、加熱運転を円滑に実行することができる。

一方、循環流量を最小流量Ａ_Ｌ以上に保持しても、脈動動作が頻繁に行われると、加熱運転に悪影響が生じる可能性がある。このため、本実施の形態では、定常動作の合間に脈動動作を周期的に実行する。そして、脈動動作の継続時間ｔ１は、例えば脈動動作の周期ｔ０の少なくとも半分以下、好ましくは、周期ｔ０の１／３〜１／１５程度に設定する。この設定によれば、加熱運転中には、定常動作を十分な時間長（＝ｔ０−ｔ１）にわたって継続することができる。これにより、脈動動作を周期的に実行しても、周期ｔ０の全体にわたって循環流量を平均した時間平均値を定常流量Ａに近づけることができる。従って、通常の加熱運転時（スケール抑制制御の非実行時）と同様に、循環する湯水を安定的に加熱することができる。しかも、一時的に急激な脈動動作を生じさせることで、スケールの付着抑制効果をより高めることができる。

また、脈動動作では、定常流量Ａを基準として、例えば循環流量を急峻なエッジ状（楔形状）に減少させる流量減少動作と、循環流量を同じく急峻なエッジ状に増加させる流量増加動作とを連続的に実行する。なお、本発明では、増加動作を先に実行してから減少動作を実行する構成としてもよいが、減少動作を先に実行してから増加動作を実行する構成としたほうが好ましい。これは、最大流量時から流量が下がるときは、循環ポンプを減速または停止して循環ポンプと管路の流路抵抗で流量が間接的に減少するのに対し、最小流量時から流量を増加させるときは、循環ポンプの能力で直接的に変化させることができるためである。この制御によれば、循環流量に対して短時間で大きな流量差ΔＡを発生させつつ、定常動作の実行時間を十分に確保することができる。なお、図２に示すスケール抑制制御の一例では、脈動動作の周期ｔ０を３０秒程度に設定し、脈動動作の継続時間ｔ１を５秒から１０秒程度に設定する場合を例示した。しかし、本発明は、これらの具体値に限定されるものではなく、脈動動作の周期ｔ０及び継続時間ｔ１は、設計上の必要性等に応じて任意の値に設定してよいものである。

また、加熱運転として沸き上げ運転を実行している場合には、貯湯タンク１１内の貯湯量が増加するにつれて、貯湯タンク１１の下部から水加熱用熱交換器３に供給される湯水の温度が上昇する。このとき、制御装置３０は、水加熱用熱交換器３から流出する高温水の温度を予め設定された目標加熱温度（沸き上げ目標温度）に保持するために、図３に示すように、湯水の循環流量を前述の定常流量Ａよりも大きな定常流量Ａ′に増加させる（Ａ′＞Ａ）。図３は、沸き上げ運転の進行時に定常流量の設定値を増加させた状態を示す特性線図である。

このように、定常流量を増加させると、前述の流量増加動作により循環流量を定常流量から増加させるときの流量比（Ａ_Ｈ／Ａ′）が沸き上げ運転の初期の流量比（Ａ_Ｈ／Ａ）と比較して小さくなる。このとき、例えばスケール抑制制御として流量増加動作のみを実行する構成としていた場合には、循環流量の変動幅が減少するので、スケールの付着抑制効果を十分に得ることができない。これに対し、本実施の形態では、定常流量Ａを変更した場合でも、循環流量の変動幅である流量差ΔＡを要求された一定値に保持することができる。即ち、例えば沸き上げ運転の初期から終了までの期間中に、所望の流量差ΔＡを周期的に発生し続けることができる。従って、沸き上げ運転の進行状態に関係なく、スケールの付着抑制効果を安定的に発揮することができる。

実施の形態２．
次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、加熱運転を実行するときに設定される湯水の目標加熱温度に基いて、当該加熱運転中に前記脈動動作を実行するか否かを切換えることを特徴としている。具体的に述べると、制御装置３０は、沸き上げ運転等のような加熱運転の実行時において、前述の目標加熱温度が予め設定されたスケール発生温度未満の場合には、図４に示すように、加熱運転中に脈動動作を実行せずに定常動作のみを実行する。図４は、本発明の実施の形態２において、加熱運転の目標加熱温度がスケール発生温度未満である場合の循環流量の制御を示す特性線図である。

ここで、スケール発生温度とは、例えばスケールが発生し易くなる水温の最低値として設定される。即ち、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａを流れる湯水の温度がスケール発生温度未満の場合には、スケール抑制制御により脈動動作を実行しなくても、スケールが析出及び付着し難いと考えられるので、加熱運転中に脈動動作を実行しない。そして、循環ポンプ１２の出力を定常流量Ａが実現される状態に保持する。

一方、図５は、加熱運転の目標加熱温度がスケール発生温度以上である場合の循環流量の制御を示す特性線図である。この場合には、実施の形態１で述べたように、スケールが析出し易いので、スケール抑制制御により定常動作と脈動動作とを交互に繰返す。なお、図４は、目標加熱温度が６５℃に設定された場合を例示し、図５は、目標加熱温度が７０℃に設定された場合を例示している。この場合、スケール発生温度は、６５℃よりも高く、かつ、７０℃未満の温度に設定されている。また、図４及び図５では、実施の形態１と異なる脈動動作の周期ｔ０及び継続時間ｔ１を例示している。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、スケールが付着し難い低水温時において、脈動動作を行わずに加熱運転を実行することができる。これにより、高水温時におけるスケールの付着抑制効果は維持しつつ、低水温時の余分な脈動動作を回避することができ、循環ポンプ１２に加わる負荷を軽減することができる。

実施の形態３．
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、給湯機のユーザ等によりスケール抑制制御の制御内容を変更可能としたことを特徴としている。スケール抑制制御の制御内容は、制御装置３０に予め記憶されているが、給湯機の設置環境によっては、この制御内容を変更した方がよい場合がある。変更可能な制御内容の例としては、スケール抑制制御（脈動動作）を実行するか否かの選択、周期ｔ０の時間長、最大流量Ａ_Ｈ及び最小流量Ａ_Ｌの流量値等が挙げられる。本実施の形態では、リモコン３１等の操作手段を操作することにより、これらの制御内容を所望の設定に変更する設定操作を行うことができる。

具体例を挙げると、給湯機が屋内（特に、寝室の近傍等）に設置されている場合には、循環ポンプ１２の作動音が居住者に聞こえ易い。この場合、ユーザは、循環ポンプ１２の作動音を抑制するために、就寝時にスケール抑制制御を停止する設定操作を実行したり、スケール抑制制御の初期設定に対して、脈動動作の周期ｔ０を長くするか、または、最大流量Ａ_Ｈ及び最小流量Ａ_Ｌを小さくする等の設定操作を行うことができる。これらの設定操作は、スケール抑制制御による脈動動作の実行状態を、スケールが析出し易くなるように変更するものである。

但し、上記のようにスケールが析出し易くなる設定操作が行われた場合には、スケールの付着抑制効果が低下するので、加熱運転の目標加熱温度を通常時の目標加熱温度と比較して低下させるのが好ましい。具体的に述べると、制御装置３０は、ユーザによりスケール抑制制御が停止された場合に、例えば通常時に７５℃に設定されている目標加熱温度を６５℃に低下させ、この状態で加熱運転を実行する。また、脈動動作の周期ｔ０を長くしたり、最大流量Ａ_Ｈ及び最小流量Ａ_Ｌを小さくする設定が行われた場合には、目標加熱温度を７０℃に低下させ、この状態で加熱運転及びスケール抑制制御を実行する。なお、「通常時」とは、スケールの付着抑制効果を低下させる設定操作の非実行時に相当している。

一方、例えば騒音が比較的大きい場所に給湯機が設置されている場合には、循環ポンプ１２の作動音が居住者に聞こえ難くなる。このような場所としては、幹線道路の近傍、夜間操業する工場の近傍等が挙げられる。この場合、ユーザは、例えばスケール抑制制御の初期設定に対して、脈動動作の周期ｔ０を短くしたり、最大流量Ａ_Ｈ及び最小流量Ａ_Ｌを大きくする等の設定操作を行うことができる。

但し、このような設定操作が行われた場合には、循環流量の変動が大きくなって給湯機の温度制御に悪影響を与える可能性が生じる。このため、制御装置３０は、周期ｔ０の下限値、最大流量Ａ_Ｈの上限値及び最小流量Ａ_Ｌの下限値等を備えており、これらの値の設定範囲を制限するように構成されている。また、制御装置３０は、ユーザがスケールの付着抑制効果を高くする設定を実行した場合に、通常時の目標加熱温度（例えば、７５℃）に基いて加熱運転を実行しつつ、スケール抑制制御を実行する。

図６は、本発明の実施の形態３において、制御装置により実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、給湯機の作動中に繰返し実行されるものとする。図６に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、ユーザによりスケール抑制制御の制御内容を変更する設定操作が行われたか否かを判定する。この判定が成立した場合には、ステップＳ１０２に移行し、ユーザにより行われた設定操作がスケールの付着抑制効果を低下させるものであるか否かを判定する。そして、ステップＳ１０２の判定が成立した場合には、ステップＳ１０３に移行し、目標加熱温度を通常時の値よりも低く設定する。また、ステップＳ１０２の判定が不成立の場合には、ステップＳ１０４に移行し、目標加熱温度を通常時の値に保持する。

上述したように、本実施の形態によれば、ユーザは、給湯機の設置環境、使用環境等に応じてスケール抑制制御の制御内容を適切に変更することができる。従って、実施の形態１の効果に加えて、ユーザの利便性を向上させることができる。また、ユーザがスケールの付着抑制効果を低下させる設定操作を実行した場合には、制御装置３０により加熱運転の目標加熱温度を通常よりも低下させることができ、ユーザの設定操作に対応してスケールの析出し易さを調整することができる。

実施の形態４．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態１と同様の構成及び制御に加えて、湯水の水質を考慮することを特徴としている。図７は、本発明の実施の形態４による貯湯式の給湯機を示す構成図である。この図に示すように、本実施の形態による給湯機は、水加熱用熱交換器３の２次側流路３Ａを流れる湯水の水質を測定する水質測定装置４０を備えている。水質測定装置４０は、例えば湯水のｐＨ、硬度等を水質として測定するもので、ｐＨ計、硬度計等により構成され、ヒートポンプ往き配管２３の途中に設けられている。

制御装置３０は、水質測定装置４０の出力に基いてスケールの析出し易さ（析出傾向）を判定し、析出傾向が大きいとの判定結果を得た場合には、当該判定結果が得られない場合と比較して加熱運転の目標加熱温度を低下させる構成としてもよい。具体例を挙げると、水質測定装置４０の出力に基いて湯水のカルシウム硬度が第１の判定値以上であると判定した場合には、スケールの析出傾向が極端に大きいと判断する。この場合には、例えば通常時に７５℃に設定されている目標加熱温度を６５℃に低下させると共に、スケール抑制制御を停止した状態で加熱運転を実行する。なお、第１の判定値は、例えば１５０ｍｇ／Ｌ程度に設定される。

また、湯水のカルシウム硬度が前記第１の判定値よりは低いものの、第２の判定値以上であると判定した場合には、スケールの析出傾向がある程度大きいと判断する。この場合には、例えば目標加熱温度を７０℃に低下させ、この状態で加熱運転及びスケール抑制制御を実行する。なお、第２の判定値は、第１の判定値よりも小さな値に設定されるもので、例えば１００ｍｇ／Ｌ程度に設定される。また、スケールの析出傾向は、水質測定装置４０の出力と、インターネット等のネットワークを経由して得られた水質情報とに基いて判定する構成としてもよい。

一方、スケール抑制制御を実行する場合には、スケールの析出傾向が小さいほど、即ち、スケールが析出し難いほど、脈動動作の周期ｔ０を長くするか、または、前記最大流量Ａ_Ｈを小さくする構成としてもよい。これにより、スケールが２次側流路３Ａ内に析出し難いほど、循環ポンプ１２を軽い負荷で作動させることができる。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、加熱運転の目標加熱温度とスケール抑制制御の制御内容のうち少なくとも一方を湯水の水質に応じて適切に調整することができ、スケールの付着を抑制しつつ、循環ポンプ１２の負荷を軽減することができる。

実施の形態５．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態は、前記実施の形態４と同様の構成及び制御において、給湯機により加熱運転として追焚き運転を実行することを特徴としている。図８は、本発明の実施の形態５による貯湯式の給湯機を示す構成図である。この図に示すように、本実施の形態による給湯機は、浴槽５０に貯留された浴槽水を加熱するために、追焚き用熱交換器５１、加熱側流入配管５２、加熱側流出配管５３、浴槽循環配管５４、浴槽循環ポンプ５５、風呂混合弁５６、風呂給湯配管５７等を備えている。

追焚き用熱交換器５１は、本実施の形態の加熱装置を構成するもので、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク１１の何れかにより供給される高温水が流通する１次側配管５１Ａと、浴槽水が流通する２次側配管５１Ｂとを備えている。そして、追焚き用熱交換器５１は、この高温水と浴槽水との間で熱交換することにより、浴槽水を加熱（追焚き）するものである。また、加熱側流入配管５２は、１次側配管５１Ａの流入口とタンク上部戻り配管２５とを接続し、加熱側流出配管５３は、１次側配管５１Ａの流出口とヒートポンプ往き配管２３とを接続している。ここで、加熱側流出配管５３とヒートポンプ往き配管２３との接続部は、循環ポンプ１２及び水質測定装置４０よりも上流側（貯湯タンク１１側）に配置されている。

一方、浴槽循環配管５４は、浴槽５０と追焚き用熱交換器５１との間に浴槽水を循環させるもので、浴槽循環配管５４の両端側は、それぞれ浴槽５０に接続されている。浴槽循環配管５４の中間部には、追焚き用熱交換器５１の２次側配管５１Ｂと、浴槽循環ポンプ５５とが設けられている。浴槽循環ポンプ５５は、浴槽循環配管５４を介して浴槽５０と追焚き用熱交換器５１との間に浴槽水を循環させるものである。なお、本実施の形態では、追焚き用熱交換器５１の２次側配管５１Ｂ及び浴槽循環配管５４が循環回路の具体例を構成し、浴槽循環ポンプ５５が循環装置の具体例を構成している。

風呂混合弁５６は、給湯混合弁１４と同様の三方弁等により構成され、風呂混合弁５６の２個の流入ポートは、それぞれ給水配管２０及び給湯配管２２に対して給湯混合弁１４と並列に接続されている。また、風呂混合弁５６の流出ポートは、風呂給湯配管５７を介して浴槽循環配管５４に接続されている。そして、風呂混合弁５６は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク１１の何れかにより供給される高温水と、水道水等の低温水とを混合して所望温度の温水を生成し、この温水を浴槽循環配管５４に供給するものである。また、浴槽循環ポンプ５５と風呂混合弁５６とは、制御装置３０により制御される。

次に、本実施の形態の給湯機により加熱運転として実行される２種類の追焚き運転について説明する。追焚き運転は、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク１１の何れかにより追焚き用熱交換器５１の１次側配管５１Ａに供給される高温水を利用して、２次側配管５１Ｂを循環する浴槽水を加熱（追焚き）するものである。以下の説明では、追焚き運転のうち貯湯タンク１１の高温水を利用するものを貯湯追焚き運転と称し、ヒートポンプユニット１により得られる高温水を利用するものを直接追焚き運転と称する。

（貯湯追焚き運転）
制御装置３０は、貯湯追焚き運転を実行するときに、四方弁１３によりバイパス配管２６，２７を相互に連通すると共にヒートポンプ戻り配管２４及びタンク上部戻り配管２５の端部を閉塞する。そして、循環ポンプ１２及び浴槽循環ポンプ５５を作動させる。これにより、貯湯タンク１１の温水出入口１１Ａから高温水が流出する。この高温水は、タンク上部戻り配管２５の一部と加熱側流入配管５２とを経由して追焚き用熱交換器５１の１次側配管５１Ａに流入し、追焚き用熱交換器５１内で浴槽水を加熱することにより温度が低下する。そして、１次側配管５１Ａから流出した温水は、加熱側流出配管５３、ヒートポンプ往き配管２３の一部、循環ポンプ１２、バイパス配管２７、四方弁１３及びバイパス配管２６を順次経由して貯湯タンク１１の水戻り口１１Ｄに戻される。一方、浴槽５０内の浴槽水は、浴槽循環配管５４を介して追焚き用熱交換器５１の２次側配管５１Ｂに流入し、追焚き用熱交換器５１により加熱された後に、浴槽循環配管５４を介して浴槽５０に戻される。

（直接追焚き運転）
また、直接追焚き運転を実行するときには、四方弁１３によりヒートポンプ戻り配管２４とタンク上部戻り配管２５とを連通すると共にバイパス配管２６，２７の端部を閉塞する。そして、ヒートポンプユニット１、循環ポンプ１２及び浴槽循環ポンプ５５を作動させる。これにより、水加熱用熱交換器３で加熱された高温水は、ヒートポンプ戻り配管２４、四方弁１３、タンク上部戻り配管２５、加熱側流入配管５２、追焚き用熱交換器５１、ヒートポンプ往き配管２３及び循環ポンプ１２を順次経由して水加熱用熱交換器３に戻される。この高温水は、貯湯追焚き運転の場合と同様に浴槽循環配管５４を循環する浴槽水を加熱する。

制御装置３０は、上記２種類の追焚き運転を実行するときに、浴槽循環ポンプ５５の回転数（即ち、吐出流量）を変化させ、２次側流路５１Ｂを循環する湯水の循環流量を増加及び減少させる。これにより、制御装置３０は、前述したスケール抑制制御の場合と同様に、定常動作と脈動動作とを実行し、２次側流路５１Ｂを流れる湯水の循環流量に脈動を生じさせる。この制御によれば、浴槽水中の硬度成分がスケールとなって循環回路（特に、２次側流路５１Ｂ）内に析出するのを抑制することができる。また、例えば浴槽水に混入した垢、髪の毛、皮脂等の異物が循環回路内に付着するのを抑制することができる。従って、貯湯追焚き運転と直接追焚き運転の何れにおいても、スケールの付着を抑制しつつ、浴槽水を安定的に加熱することができる。

なお、前記実施の形態１乃至５では、沸き上げ運転、貯湯追焚き運転及び直接追焚き運転において、循環流量の脈動動作を実行するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばヒートポンプユニット１により加熱した高温水を給湯混合弁１４から給湯栓２９に直接供給する給湯運転においても、ヒートポンプユニット１を循環する湯水の循環流量を脈動させる構成としてもよい。また、実施の形態１乃至４では、スケールの付着抑制を目的として循環流量を脈動させたが、実施の形態５の場合と同様に、湯水中のゴミ等が循環回路に付着するのを抑制するために循環流量を脈動させる構成としてもよい。

また、実施の形態１乃至５では、循環ポンプ１２及び浴槽循環ポンプ５５の回転数を制御することにより脈動動作を行う場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図９に示す変形例のように、例えば循環ポンプ１２（または、浴槽循環ポンプ５５）の吐出側に流量制御弁７０を設け、制御装置３０は、流量制御弁７０の開度を変化させることにより、循環流量の脈動を発生させる構成としてもよい。これにより、ポンプの吐出流量を一定に保持し、ポンプの負荷を軽減することができる。また、流量制御弁７０を用いることにより、ポンプの回転数を変化させる場合と比較して循環流量を正確に制御することができる。

また、実施の形態１では、脈動動作を周期ｔ０毎に規則的に実行する場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、脈動動作を不規則に実行する構成としてもよい。また、脈動動作では、減少動作と増加動作とを交互に行う構成としたが、例えば減少動作と増加動作の何れか一方の動作を１回または複数回実行した後に、他方の動作を１回または複数回実行する構成としてもよい。

また、実施の形態１乃至５では、それぞれ個別の構成を例示したが、本発明は、個々の実施の形態で示した構成に限定されるものではなく、実施の形態１乃至５の構成のうち組合わせが可能な複数の構成を組み合わせてシステムを実現してもよい。

また、前記実施の形態１乃至４では、加熱装置としてヒートポンプユニット１を用いる場合を例示したが、本発明はこれに限らず、ヒートポンプユニット１以外の各種の加熱装置を用いてもよい。また、本発明は、貯湯タンク１１を備えていない給湯機にも適用されるものである。

１ヒートポンプユニット（加熱装置），２圧縮機，３水加熱用熱交換器，３Ａ２次側流路（流路、循環回路），１０タンクユニット，１１貯湯タンク，１２循環ポンプ（循環装置），１３四方弁（循環回路），１４給湯混合弁，２０給水配管，２２給湯配管，２３ヒートポンプ往き配管（循環回路），２４ヒートポンプ戻り配管（循環回路），２５タンク上部戻り配管（循環回路），２６，２７バイパス配管，２９給湯栓，３０制御装置，３１リモコン（操作手段），４０水質測定装置，５０浴槽，５１追焚き用熱交換器（加熱装置），５１Ｂ２次側配管（流路、循環回路），５４浴槽循環配管（循環回路），５５浴槽循環ポンプ（循環装置），５６風呂混合弁，５７風呂給湯配管，７０流量制御弁

Claims

湯水を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置に設けられた湯水の流路を含んで構成され、前記加熱装置に湯水を循環させることが可能な循環回路と、
前記循環回路を用いて前記加熱装置に湯水を循環させる循環装置と、
前記加熱装置と前記循環装置とを制御する機能を有し、前記循環装置により前記循環回路に湯水を循環させつつ、当該湯水を前記加熱装置により加熱する加熱運転を実行する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記加熱運転を実行するときに、前記循環装置を制御することにより、前記循環回路を流れる湯水の循環流量を予め設定された定常流量に保持する定常動作と、前記循環流量を前記定常流量に対して一時的に増加及び減少させる脈動動作とを実行し、かつ、前記脈動動作中における前記循環流量の最大値と最小値との流量差を前記循環回路内への異物の付着が抑制可能な基準値以上に保持する構成とした給湯機。
前記制御装置は、前記定常動作の合間に前記脈動動作を周期的に実行し、かつ、前記脈動動作の継続時間を当該脈動動作の周期の少なくとも半分以下に設定する構成としてなる請求項１に記載の給湯機。
前記制御装置は、前記加熱運転を実行するときに、加熱される湯水の温度が到達すべき目標加熱温度を設定し、当該目標加熱温度に基いて前記脈動動作を実行するか否かを切換える構成としてなる請求項１または２に記載の給湯機。
前記脈動動作の実行状態を変更する設定操作を行うことが可能な操作手段を備え、
前記制御装置は、前記異物であるスケールが前記循環回路内に析出し易くなる設定操作が行われた場合に、前記加熱運転により加熱される湯水の目標加熱温度を前記設定操作の非実行時と比較して低下させる構成としてなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の給湯機。
前記加熱装置の流路を流れる湯水の水質を測定する水質測定装置を備え、
前記制御装置は、前記水質測定装置の出力に基いて前記異物であるスケールが前記循環回路内に析出し易いとの判定結果を得た場合に、前記加熱運転により加熱される湯水の目標加熱温度を前記判定結果が得られない場合と比較して低下させる構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の給湯機。
前記加熱装置の流路を流れる湯水の水質を測定する水質測定装置を備え、
前記制御装置は、前記異物であるスケールの析出し易さを前記水質測定装置の出力に基いて判定し、前記スケールが前記循環回路内に析出し難いほど、前記定常動作の合間に周期的に実行する前記脈動動作の周期を長くするか、または、前記循環流量の最大値を小さくする構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の給湯機。
前記加熱装置は、浴槽に貯留された湯水である浴槽水を加熱するものとし、
前記制御装置は、前記加熱運転中に前記脈動動作を実行することにより、前記浴槽水に混入した前記異物が前記加熱装置の流路に付着するのを抑制する構成としてなる請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の給湯機。
前記循環装置は、湯水を吸込んで吐出するポンプと、前記ポンプの吐出側で湯水の循環流量を調整する流量制御弁と、を備え、
前記制御装置は、前記流量制御弁の開度を変化させることにより、前記脈動動作を実行する構成としてなる請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の給湯機。