特許 6647940 空気抜き機構、及び給湯装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6647940

(24)【登録日】2020年1月17日

(45)【発行日】2020年2月14日

(54)【発明の名称】空気抜き機構、及び給湯装置

(51)【国際特許分類】

   F24H 1/18 20060101AFI20200203BHJP

   F24H 4/02 20060101ALN20200203BHJP

【ＦＩ】

   F24H1/18 H

   !F24H4/02 G

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-65273(P2016-65273)

(22)【出願日】2016年3月29日

(65)【公開番号】特開2017-180903(P2017-180903A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2018年8月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088720

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 眞一

(72)【発明者】

【氏名】山崎 吉照

【審査官】 豊島 ひろみ

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１０７１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０６０５０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１３−１６７３９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｈ １／００ − ４／０６

Ｂ０１Ｄ １９／００ − １９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源機に接続されて流れる湯水の流れ方向を逆向きに切換可能な循環配管の途中に設けられ、この循環配管内を流れる湯水中に含まれている空気を大気中に抜く空気抜き機構であって、
前記空気抜き機構は、前記循環配管から上向きに配管されて湯水が上向きに流れる二本の上昇用配管と、二本の前記上昇用配管の何れか一方を上昇した湯水が前記循環配管に戻るように下向きに流れる前記循環配管から上向きに配管される一本の下降用配管と、前記下降用配管の上部に位置する空気抜き弁とを有し、前記循環配管の流れ方向の切換えに係らず前記下降用配管内の流路方向が一定であることを特徴とする空気抜き機構。

【請求項2】

冷水を沸き上げる熱源機と、
前記熱源機で沸き上げられた温水を貯える貯湯タンクと、
前記熱源機と前記貯湯タンクとを接続して流れる湯水の流れ方向を逆向きに切換可能な循環配管と、
前記循環配管の途中に設けられ、この循環配管内を流れる湯水中に含まれている空気を大気中に抜く空気抜き機構と、
を備え、
前記空気抜き機構は、前記循環配管から上向きに配管されて湯水が上向きに流れる二本の上昇用配管と、二本の前記上昇用配管の何れか一方を上昇した湯水が前記循環配管に戻るように下向きに流れる前記循環配管から上向きに配管される一本の下降用配管と、前記下降用配管の上部に位置する空気抜き弁とを有し、前記循環配管の流れ方向の切換えに係らず前記下降用配管内の流路方向が一定であることを特徴とする給湯装置。

【請求項3】

前記下降用配管の少なくとも上部側の管径が、前記上昇用配管の管径より大きいことを特徴とする請求項２記載の給湯装置。

【請求項4】

前記空気抜き機構は、前記熱源機で沸き上げられた温水を前記貯湯タンク内に送る貯湯運転時に温水が前記下降用配管内を流れ、前記貯湯タンク内に貯湯された温水を前記熱源機に送る除霜運転時に温水が前記下降用配管内を流れるように温水の流れ方向を規制する複数の逆止弁を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の給湯装置。

【請求項5】

前記空気抜き機構は、前記熱源機を収容する熱源機筐体内と、前記貯湯タンクを収容するタンク筐体内とのいずれか一方に収容されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の給湯装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、空気抜き機構、及び給湯装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、冷水を沸き上げる熱源機と、沸き上げられた温水を貯える貯湯タンクとを組み合わせた給湯装置が知られている。

【0003】

このような給湯装置として例えばヒートポンプ給湯機があり、冷水を沸き上げる過程で水中に溶けている空気（主として酸素）が気泡となって分離され、貯湯タンクの上部に貯まる現象が発生する。貯湯タンクの上部に貯まった空気は、貯湯タンクの上部に設けられている圧力逃がし弁から排出されたり、温水の使用時に温水と共に温水使用側に排出されたりする。しかし、気泡となった空気の排出が十分に行われず、空気が貯湯タンクの上部や配管の途中に貯まる場合がある。

【0004】

このようなヒートポンプ給湯機では、冷水を沸き上げて温水にするとともにその温水を貯湯タンク内に貯える貯湯運転時に、ヒートポンプ式熱源機の熱交換器（蒸発器）の表面に霜が付着する場合があり、霜が付着した場合にはその霜を除霜する除霜運転を行っている。この除霜運転時には、ヒートポンプ式熱源機の冷媒の流れ方向を貯湯運転時とは逆向きに切換え、高温の冷媒を霜が付着した熱交換器に流すことにより付着した霜を除霜している。

【0005】

貯湯タンクの上部や配管の途中に空気が貯まっていると、除霜運転時に貯湯タンク内の温水をヒートポンプ式熱源機に送る場合、その空気が温水を送るポンプ内に滞留してエア噛みを生じ易い。このようなエア噛みが生じると、湯水（温水、冷水）を流すことができなくなり、除霜運転が不調になって霜が付着した熱交換器の凍結破裂や損傷が発生したり、沸上げ不良が発生したりする。

【0006】

そこで、貯湯タンクの上部や配管の途中に貯まった空気を抜くための空気抜き機構が種々提案されており、その一例として下記特許文献に記載されたものが提案されている。

【0007】

下記特許文献の図９に記載された空気抜き機構は、ヒートポンプ式熱源機と貯湯タンクとを接続する配管の途中に中央部が上方に立ち上った鳥居型配管が設けられ、この鳥居型配管の高所位置に空気抜弁が設けられている。鳥居型配管を湯水が流れる場合、湯水から分離された空気は、湯水と共に空気抜弁の下方を通過する際に空気抜弁から大気中に放出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１０−１０７１６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１の図９に記載された空気抜き機構では、湯水から分離され空気が空気抜弁から大気中に放出されるタイミングは、空気が湯水と共に空気抜弁の下方を通過する僅かの時間であり、空気抜弁からの空気抜きが十分に行われ難い。

【0010】

本発明の実施形態の目的は、熱源機に接続された循環配管の途中に設けられ、循環配管内を流れる湯水中に含まれている空気抜きを確実に行うことができる空気抜き機構、及びこの空気抜き装置を用いた給湯装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

実施形態の空気抜き機構は、熱源機に接続されて流れる湯水の流れ方向を逆向きに切換可能な循環配管の途中に設けられ、この循環配管内を流れる湯水中に含まれている空気を大気中に抜く空気抜き機構であって、循環配管から上向きに配管されて湯水が上向きに流れる二本の上昇用配管と、二本の上昇用配管の何れか一方を上昇した湯水が循環配管に戻るように下向きに流れる循環配管から上向きに配管される一本の下降用配管と、下降用配管の上部に位置する空気抜き弁とを有し、循環配管の流れ方向の切換えに係らず下降用配管内の流路方向が一定である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態のヒートポンプ給湯機のシステム構成図である。

【図2】一実施形態の空気抜き機構を示す模式図である。

【図3】一実施形態の貯湯運転時の湯水の流れと冷媒の流れとを説明する説明図である。

【図4】一実施形態の除霜運転時の冷媒の流れと湯水の流れとを説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は給湯装置であるヒートポンプ給湯機１を示しており、このヒートポンプ給湯機１は、冷媒を用いて冷水を沸き上げるヒートポンプ式熱源機２と、ヒートポンプ式熱源機２で沸き上げられた温水を貯える貯湯タンク３と、ヒートポンプ式熱源機２と貯湯タンク３とを接続する循環配管４ａ、４ｂとを備えている。

【0014】

ヒートポンプ式熱源機２は、循環配管４ａ、４ｂに接続されて湯水（冷水、温水）が流れる熱源機内配管５と、熱源機内配管５に湯水を流すポンプ６と、熱源機内配管５を流れる湯水の温度を検出する温度センサ７ａ、７ｂと、熱源機内配管５を流れる湯水の流れ方向を切換える三方弁８ａ、８ｂと、冷媒を圧縮する圧縮機９と、圧縮された冷媒の流れ方向を切換える四方弁１０と、冷媒と熱源機内配管５を流れる湯水との間で熱交換を行う冷媒−水熱交換器１１と、冷媒と外気との間で熱交換を行う熱源側熱交換器１２と、熱交換により低温となった冷媒を膨張させる膨張弁１３とを有している。循環配管４ａと熱源機内配管５とは熱源機入口部１４で接続され、熱源機内配管５と循環配管４ｂとは熱源機出口部１５で接続されている。

【0015】

貯湯タンク３は、上部に沸き上げられた高温の温水が貯えられ、下部に低温の冷水が貯えられる構造である。貯湯タンク３の上部には、循環配管４ｂと、温水を使用する場所（例えば、台所、洗面所、湯船等）に給湯する給湯用配管１６とが接続されている。貯湯タンク３の下部には、循環配管４ａと、水道水を貯湯タンク３内に供給する水道水配管１７とが接続されている。

【0016】

循環配管４ａ、４ｂの途中には、循環配管４ａ、４ｂを流れる湯水から空気を分離してその空気を大気中に放出する空気抜き機構１８ａ、１８ｂが設けられている。

【0017】

二つの空気抜き機構１８ａ、１８ｂは同じ構造であり、循環配管４ｂに設けられている空気抜き機構１８ｂを図２に基づいて説明する。この空気抜き機構１８ｂは、循環配管４ｂから上向きに配管されて湯水が上向きに流れる上昇用配管１９ａ、１９ｂと、循環配管４ｂから上向きに配管されて上昇用配管１９ａ、１９ｂ内を上昇した湯水が循環配管４ｂに戻るように下向きに流れる下降用配管２０を有し、これらの上昇用配管１９ａ、１９ｂと下降用配管２０とはそれらの上部において連通されている。下降用配管２０の上部には、空気抜き機構１８ｂ内を流れる湯水中に含まれている空気を湯水から分離して貯める空気貯まり部２１が設けられ、空気貯まり部２１の上部には空気貯まり部２１に貯まった空気を大気中に放出する空気抜き弁２２が設けられている。空気貯まり部２１には、この空気貯まり部２１と空気抜き弁２２との間を開閉するバルブ２３が設けられている。

【0018】

下降用配管２０の上部側の管径“ａ”と上昇用配管１９ａ、１９ｂの管径“ｂ”とは異なり、管径“ａ”が管径“ｂ”より大きく形成されている。なお、この実施形態では、下降用配管２０の上部側の管径を大きくして下部側の管径を小さくした場合を例に挙げて説明しているが、下降用配管２０の全体に渡ってその管径を“ａ”としてもよい。

【0019】

空気抜き機構１８ｂには、この空気抜き機構１８ｂを流れる湯水の流れ方向を規制する複数の逆止弁２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄが設けられている。これらの逆止弁２４ａ〜２４ｄは、ヒートポンプ式熱源機２で沸き上げられた温水を貯湯タンク３内に貯える貯湯運転時に、温水が実線の矢印で示すように上昇用配管１９ａ内と下降用配管２０内とを流れるように規制している。さらに、これらの逆止弁２４ａ〜２４ｄは、貯湯タンク３内に貯湯された温水をヒートポンプ式熱源機２に送る除霜運転時に、温水が破線で示すように上昇用配管１９ｂ内と下降用配管２０内とを流れるように規制している。

【0020】

貯湯タンク３は図示しないタンク筐体内に収容されており、空気抜き機構１８ａ、１８ｂはこのタンク筐体内に収容されている。なお、ヒートポンプ式熱源機２を熱源機筐体（図示せず）内に収容した場合、その熱源機筐体内に空気抜き機構１８ａ、１８ｂを収容してもよい。

【0021】

このような構成において、ヒートポンプ給湯機１を貯湯運転し、貯湯タンク３内の冷水をヒートポンプ式熱源機２により沸き上げ、沸き上げられた温水を貯湯タンク３内に貯える場合の湯水の流れと、冷媒の流れとを図３に基づいて説明する。

【0022】

貯湯運転時にはポンプ６が駆動され、ポンプ６が駆動されることにより貯湯タンク３内の下部に貯まっている冷水が循環配管４ａ内を矢印で示すように流れ、熱源機入口部１４からヒートポンプ式熱源機２内に流入する。ヒートポンプ式熱源機２内に流入した冷水は、熱源機内配管５を矢印で示すように流れ、冷媒−水熱交換器１１内を通過する。そして、冷水が冷媒−水熱交換器１１内を通過する過程において、後述するように冷媒−水熱交換器１１内を流れる高温の冷媒により加温され、沸き上げられて温水になる。沸き上げられた温水は、熱源機内配管５内を矢印で示すように流れ、熱源機出口部１５から循環配管４ｂ内に流出する。熱源機出口部１５から循環配管４ｂ内に流出した温水は、循環配管４ｂ内を矢印で示すように流れ、貯湯タンク３の上部から貯湯タンク３内に流入し、貯湯タンク３内に貯えられる。

【0023】

この貯湯運転時には、圧縮機９で圧縮された高温・高圧の冷媒が矢印で示すように冷媒−水熱交換器１１に向けて流れるように四方弁１０が切換えられており、高温の冷媒が冷媒−水熱交換器１１内を流れる。これにより、上述したように冷媒−水熱交換器１１内を流れる高温の冷媒と冷水との間で熱交換され、冷水が沸き上げられて温水になる。冷媒−水熱交換器１１内で熱交換（放熱）されて温度が下がった冷媒は、膨張弁１３で膨張し、その後、熱源側熱交換器１２で気化され、圧縮機９に戻る。この気化時に熱源側熱交換器１２において周囲の外気中から熱を奪うことにより、熱源側熱交換器１２が冷却されてその表面に霜が付着する場合がある。

【0024】

熱源側熱交換器１２の表面に霜が付着した場合には、その霜を取り除くための除霜運転を行う。この除霜運転時の冷媒の流れと湯水の流れとを図４に基づいて説明する。

【0025】

除霜運転時には、四方弁１０が切換えられ、圧縮機９で圧縮された冷媒が矢印で示すように貯湯運転時とは逆向きに流れる。そして、圧縮機９で圧縮された高温・高圧の冷媒が熱源側熱交換器１２内を流れることにより、熱源側熱交換器１２で熱交換（放熱）され、この熱交換により熱源側熱交換器１２の表面に付着している霜が除霜される。熱源側熱交換器１２で熱交換されることにより温度が下がった冷媒は、矢印で示すように流れ、膨張弁１３で膨張した後に冷媒−水熱交換器１１内で気化され、圧縮機９に戻る。

【0026】

さらに、除霜運転時には、ポンプ６が貯湯運転時とは逆向きに回転し、貯湯タンク３の上部に貯えられている温水が、循環配管４ｂと熱源機内配管５と循環配管４ａ内とを矢印で示すように流れる。そして、温水が冷媒−水熱交換器１１内を流れることにより、この冷媒−水熱交換器１１内を流れる冷媒（膨張弁１３で膨張した冷媒）が温水の熱により気化される。

【0027】

つぎに、貯湯運転時には、冷媒−水熱交換器１１内において加温されて沸き上げられた温水が、図２の実線で示す矢印方向に空気抜き機構１８ｂ内を流れる。また、除霜運転時には、貯湯タンク３内の温水が、図２の破線で示す矢印方向に空気抜き機構１８ｂ内を流れる。

【0028】

貯湯運転時と除霜運転時とのいずれの場合にも、温水が下降用配管２０内を下向きに流れ、温水が下降用配管２０内を流れている間に、温水に含まれている空気が温水から分離されるとともに、温水から分離された空気は下降用配管２０の上部に位置している空気貯まり部２１に貯まる。空気貯まり部２１に貯まった空気は、バルブ２３が開かれた場合に空気抜き弁２２から大気中に放出される。

【0029】

ここで、空気抜き機構１８ｂ内を流れる温水の経路として温水が下向きに流れる下降用配管２０があり、この下降用配管２０の上部に空気貯まり部２１が設けられている。空気抜き機構１８ｂ内を流れる温水が空気貯まり部２１の下方に位置する時間が長くなる程、温水からの空気の分離が促進され、分離された空気がより多く空気貯まり部２１に貯まるようになり、空気抜き機構１８ｂによる温水からの空気抜きを促進することができる。

【0030】

さらに、下降用配管２０の上部側の管径“ａ”が、上昇用配管１９ａ、１９ｂの管径“ｂ”より大きく形成されているため、上昇用配管１９ａ、１９ｂ内を上昇した湯水が下降用配管２０内を下降する場合の流速がゆっくりとなり、下降用配管２０内を下降する温水が空気貯まり部２１の下方に位置する時間がより一層長くなる。これにより、温水から分離されて空気貯まり部２１に貯まる空気の量が多くなり、空気抜き機構１８ｂによる温水からの空気の分離がより一層促進され、空気抜き機構１８ｂによる温水からの空気抜きをより一層促進することができる。

【0031】

また、空気抜き機構１８ｂの上昇用配管１９ａ、１９ｂと下降用配管２０とには複数の逆止弁２４ａ〜２４ｄが設けられている。これらの逆止弁２４ａ〜２４ｄが設けられていることにより、貯湯運転時と除霜運転時とのいずの場合にも、空気抜き機構１８ｂ内を流れる温水の流れ方向が必ず下降用配管２０内を下向きに流れるように規制することができ、空気抜き機構１８ｂによる温水からの空気抜きを確実に行うことができる。

【0032】

なお、空気抜き機構１８ａは、貯湯運転時には貯湯タンク３内の下部に貯まっている冷水が流れ、除霜運転時には冷媒−水熱交換器１１での放熱により温度が下がった温水が流れるが、図２において説明した場合と同様に、この空気抜き機構１８ａによって冷水又は温度が下がった温水からの空気抜きを促進することができる。

【0033】

そして、これらの空気抜き機構１８ａ、１８ｂにより貯湯タンク３内や循環配管４ａ、４ｂ内に空気が貯まることを防止することができ、ポンプ６が駆動されて湯水が流れる場合において湯水中の空気がポンプ８内に滞留するエア噛みを防止することができる。このようにしてポンプ８のエア噛みが防止されることにより、除霜運転が不調になって霜が付着した熱源側熱交換器１２の凍結パンクが発生したり、温水の沸上げ不良が発生したりすることを防止することができる。

【0034】

空気抜き機構１８ａ、１８ｂは、既存のヒートポンプ給湯機１に後付けすることができる構造である。このため、ポンプのエア噛みが生じている既存のヒートポンプ給湯機１において、空気抜き機構１８ａ、１８ｂを後付けすることによりポンプのエア噛みを改善することができる。

【0035】

また、空気抜き機構１８ａ、１８ｂは、タンク筐体内又は熱源機筐体内に収容することができ、空気抜き機構１８ａ、１８ｂをタンク筐体内や熱源機筐体内に収容することにより、空気抜き機構１８ａ、１８ｂの設置場所の制約を無くすことができる。

【0036】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0037】

１…ヒートポンプ給湯機、２…ヒートポンプ式熱源機（熱源機）３…貯湯タンク、４ａ、４ｂ…循環配管、１８ａ、１８ｂ…空気抜き機構、１９ａ、１９ｂ…上昇用配管、２０…下降用配管、２１…空気貯まり部、２２…空気抜き弁、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…逆止弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】