JP2000111154A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はヒートポンプ給湯装置に関するもの
で、ヒートポンプと燃焼のハイブリッド運転を行い、タ
ンクレスによる設置性向上と小流量から大流量まで高効
率給湯を実現する。 【解決手段】 ヒートポンプユニット１３からの給湯管
２２と燃焼ユニット２６からの出湯管３０を混合部３５
で接続し、その混合部３５から供給されるお湯はヒート
ポンプユニット運転を優先し不足分を燃焼ユニット運転
で補う運転制御を行う給湯制御部４３を備えた構成で、
貯湯タンクやヒータが不要となるため設置性の向上と工
事性の簡略化並びに省エネ給湯運転を行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明はヒートポンプ給湯装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種のヒートポンプ給湯装置は、
図８に示すように圧縮機１、凝縮器２、減圧器３、蒸発
器４が順次閉回路に接続された冷媒流路５からなるヒー
トポンプユニット６と、貯湯タンク７、循環ポンプ８、
前記凝縮器２、ヒータ９が接続された水流路１０からな
る給湯ユニット１１からなっていた。

【０００３】上記構成のヒートポンプ給湯装置では、圧
縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は凝縮器
２に流入し、ここで循環ポンプ８から送られてきた水を
凝縮熱で加熱し貯湯タンク７に貯えるもので、外気温度
が低い場合はヒータ９を兼用して高温の沸き上げを行っ
ていた。一方凝縮器２で凝縮液化した冷媒は減圧装置３
で減圧され蒸発器４に流入し、ファン１２で集められた
大気熱を吸熱して蒸発ガス化し再び圧縮機１に戻るサイ
クルで運転されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ヒートポンプ給湯装置は、エネルギー効率という点では
他の給湯装置に比べ優れているが、電気温水器と同様、
風呂給湯やシャワー給湯に対応するため図８に示すよう
に沸き上げたお湯をいったん貯湯する３００リットルか
ら４６０リットル程度の大きな貯湯タンク７を有してお
り、そのため設置スペースが他の給湯機よりその分大き
くなり、設置できる場所が限定される。また湯切れ防止
のために高出力のヒータ９を有しており、１００V電源
が使用できず特別に２００Ｖの電源工事が必要となる。
さらに外気温度が低い冬季等は大気からの吸熱効率が低
下し、ヒートポンプ給湯機の特長である効率面での効果
を十分に引き出せないという課題を有していた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が閉回路
で接続された冷媒流路に、凝縮器には冷媒流路と熱交換
を行う水流路が設けられ、その水流路の入口側には給水
管、出口側には給湯管が接続されたヒートポンプユニッ
トと、給水管と出湯管が接続された熱交換部と、熱交換
部を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部
等を設けた燃焼ユニットと、給湯管と出湯管を一つの流
路に接続混合する混合部と、ヒートポンプユニットと燃
焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部を有した制御器
を備えたもので、この給湯制御部は、給湯時はヒートポ
ンプユニットは常に運転し、給湯能力に対する不足分は
燃焼ユニット運転で補うようにしたものである。

【０００６】上記手段によれば、風呂給湯やシャワー給
湯等の大流量を必要とする給湯用途に対しては、ヒート
ポンプユニット運転による給湯に加えて、不足分は同時
に燃焼ユニット運転による給湯が行なわれるため、給湯
管と出湯管を接続する混合部で所望のお湯を十分に供給
することができ、一方、台所、洗面等の小流量用途時の
場合はヒートポンプユニット単独運転による給湯だけで
対応することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧
器、蒸発器が接続され閉回路で構成された冷媒流路で凝
縮器には冷媒流路と熱交換を行う水流路が設けられ、水
流路に給水管と給湯管が接続されたヒートポンプユニッ
トと、給水管と出湯管が接続された熱交換部と、熱交換
部を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部
等を設けた燃焼ユニットと、給湯管と出湯管を接続する
混合部と、ヒートポンプユニットと燃焼ユニットの運転
制御を行う給湯制御部を有した制御器を備え、給湯制御
部は給湯時ヒートポンプユニットを常時運転し、給湯能
力に対する不足分は燃焼ユニットによる運転で行うよう
にしたものである。

【０００８】そして、台所、風呂、シャワー等の給湯用
途に対して使用するお湯の温度や流量が異なるが、ヒー
トポンプユニットの給湯管と燃焼ユニットの出湯管とが
混合部で接続混合され、給湯制御部が給湯時は常にヒー
トポンプユニットを運転し、給湯能力に対する不足分は
燃焼ユニットによる運転で行うようにしているため、例
えば風呂給湯の場合は、ヒートポンプユニットの給湯運
転に加えて不足分のお湯を燃焼ユニット運転を行うこと
によって、大流量出湯を行うことができるし、一方、用
途として使用頻度が高い台所、洗濯、手洗い、洗顔等の
小流量を使用する場合は、ヒートポンプユニットだけの
単独運転で満足するお湯を供給することができる。従っ
て、給湯エネルギーを例えばすべての給湯モードをガス
給湯機単独で使用した場合と比較すると、ヒートポンプ
ユニットのエネルギー効率が高い分省エネ効果を得るこ
とができる。また貯湯タンクやヒータを必要としないた
め貯湯タンクがない分コンパクト化が図れ設置が簡単と
なり、工事性も大幅に向上することができる。

【０００９】また、制御器の給湯制御部は、給湯開始時
は燃焼ユニットを運転し、運転中の燃焼ユニットを流れ
る水量値から燃焼ユニットの運転選択を行うようにした
ものである。

【００１０】そして、給湯用途が給湯開始時にどの程度
要求されるか分からないため、給湯開始時には大流量出
湯にただちに対応できる燃焼ユニットを運転し、運転中
の燃焼ユニットを流れる水量値で予め設定した流量設定
値と比較して、燃焼ユニットの継続又は停止するように
したものである。従って、それぞれのユニットが単独運
転が可能となるため、燃焼ユニット側の能力は広い範囲
がいらなくなり、燃焼ユニットのための制御仕様が簡単
で済み、能力切換や異常音の発生対策等それに伴う各種
課題も減少して信頼性も向上できる。また水量値の判定
から各ユニットを切り換えるだけの制御でよいため給湯
制御部が簡単化できる。

【００１１】さらに燃焼ユニットから生じる廃熱をヒー
トポンプユニットの蒸発器で吸熱させて給湯を行うもの
である。

【００１２】そして、燃焼ユニットの燃焼効率は通常８
０％程度で、残り２０％のエネルギーを排気部から大気
へ放出しているのが現状で、この排気熱を吸熱させるた
めに蒸発器を排気部近辺に設けることによって、大気熱
以上の高温環境で常にヒートポンプユニットの運転が可
能となり、季節に関係なく年間安定してヒートポンプ運
転による省エネ効果を得ることができる。また、廃熱の
有効利用による高効率化に加えて、燃焼ユニット側から
みると、高温の排気ガスが蒸発器で吸熱されるため、低
温化されて放出され安全面での向上が図れる。

【００１３】また燃焼ユニットの排気部に蒸発器を配設
したものである。そして、蒸発器をさらに高温雰囲気中
に設けたため、蒸発器がよりコンパクト化でき、一方、
逆に蒸発器の大きさを変えない場合はヒートポンプユニ
ットの能力を大きくすることができる。

【００１４】さらに燃焼ユニットの熱交換部を蒸発器と
共用したするものである。そして、燃焼ユニットの熱交
換部をヒートポンプユニットの蒸発器と共用したため、
冷媒配管以外の蒸発器を構成するフィンの部品が不要と
なり、例えば燃焼ユニットとヒートポンプユニットを一
つのケース内に収納するようなことも可能となり、より
装置のコンパクト化が実現できる。

【００１５】また制御器の給湯制御部は、給湯開始時は
燃焼ユニットを運転し、蒸発器出口の冷媒流路の温度で
燃焼ユニットの加熱能力を可変するものである。

【００１６】そして、ヒートポンプユニット側の冷媒回
路設計は、通常システムに組込む前に予め使用する圧縮
機、凝縮器、蒸発器、減圧器のサイクルが環境条件に対
して支障なく動作するように冷媒封入量の仕様が決めら
れるが、燃焼廃熱環境による蒸発器の温度最適化を得る
よう蒸発器出口の温度が常に設定値以下にする加熱能力
制御を行うため、ヒートポンプユニットの高効率運転が
可能になると共に、蒸発器を直接加熱してもヒートポン
プユニットの異常運転が防止できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１８】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
けるヒートポンプ給湯装置の系統図である。図１におい
てヒートポンプユニット１３は、圧縮機１４、凝縮器１
５、減圧器１６、蒸発器１７と蒸発器１７に大気を通過
させて大気熱を集めるファン１８から構成され、上記サ
イクルで予め所定の性能が得られるように決められた冷
媒量が封入された冷媒流路１９で接続される。凝縮器１
５には冷媒の流れと対向する水流路２０が設けられてお
り、入口側を給水管２１、出口側を給湯管２２に接続さ
れている。また凝縮器１５の入口側の給水管２１には水
量を検出する流量センサー２３Aと閉止機能を有し水量
を制御する水制御弁２４Aが設けられ、給湯管２２には
給湯温度を検出する給湯サーミスタ２５を有している。
一方、燃焼ユニット２６は燃焼部２７、熱交換部２８、
排気部２９で構成され、熱交換部２８の入口側は上流で
分岐された給水管２１と、出口側は出湯管３０と接続さ
れている。燃焼ユニット２６の給水管２１には水量を検
出する流量センサー２３Bと水制御弁２４Bと入水温を検
出する入水サーミスタ３１が取付けられ、出湯管３０に
は出湯温度を検出する出湯サーミスタ３２が設けられて
いる。また燃焼部２７には燃料をオン、オフする元電磁
弁や供給量を比例制御する比例弁等を有したガスブロッ
ク３３と燃焼空気を供給する燃焼ファン３４が接続され
ている。そして燃焼ユニット２６の出湯管３０とヒート
ポンプユニット１３の給湯管２２は、混合部３５で連通
され給湯配管３６により給湯栓３７と接続されている。
また各ユニットは商用電源３８から電力を供給され、各
種センサーの信号を取込み各種アクチュエータへの信号
や操作出力を出力して燃焼ユニット２６とヒートポンプ
ユニット１３の運転動作を制御する制御器３９を有し、
この制御器３９にはユニットを流れる水量値から運転選
択を行う給湯制御部４０を有している。さらに端末側に
はヒートポンプ給湯装置本体のリモコン４１が設けら
れ、電源スイッチ４２、表示部４３、温度設定スイッチ
４４を有している。

【００１９】次に動作について説明する。電源スイッチ
４２を入れると、オフ時に給水管２１を閉止している水
制御弁２４A、２４Bが全開開度状態になる。次に給湯栓
３７が開栓されると市水が給水管２１よりそれぞれのユ
ニットへ供給される。それぞれ個々の動作について説明
する。先ずヒートポンプユニット１３による運転は、流
量センサー２３Aで予め設定されている最低動作流量以
上の水量値が検出されると、先ずファン１８が駆動し次
に圧縮機１４が起動され、温度設定スイッチ４４の温度
になるよう給湯サーミスタ２５の検出値と比較して凝縮
器１５に流す水量を水制御弁２４Aで制御し、給湯管２
２より混合部３５へ送る。インバータ駆動の場合は圧縮
機１４の回転数が可変できるため、それに伴い冷媒循環
量が可変しそれに対応して減圧器１６も自動制御される
が通常電源の場合は、予め冷凍サイクルの各値は決めら
れているので減圧器１６はキャピラリーチューブで固定
されるか、蒸発器１７出口温度に対応して機械的に動作
する温度式膨張弁が使用される。

【００２０】次に燃焼ユニット２６の運転をガス給湯機
の例で示す。流量センサー２３Bで最低動作流量の水量
値が検出されると、燃焼ファン３４が始動し、点火状態
に入りガスブロック３３の元電磁弁、比例弁が開かれ燃
焼部２７で着火し燃焼を開始する。そして熱交換部２８
で給水管２１から供給される水を多数のフィンを有した
パイプ内に通して熱交換を行い、設定温度のお湯を出湯
管３０より混合部３５へ送る。その結果同時運転の場合
は、両ユニットからお湯が作られ給湯管２２と出湯管３
０を通して混合部３５で混合され、一つに連通されて給
湯配管３６を通り給湯栓３７より供給される。その時、
温度設定に対する制御器３９の制御は、温度設定スイッ
チ４４の温度が最終の給湯栓３７で得られるよう、温度
設定値と出湯サーミスタ３２の検出値を比較して入水サ
ーミスタ３１との温度差と水量値から所定の燃焼量にな
るようにガスブロック３３を制御し、それに伴い燃焼状
態を維持するために燃焼ファン３４の回転数が制御され
る。また燃焼後の高温の排気ガスは排気部２９よりユニ
ット外へ放出される。一方、両ユニット運転に対する制
御は、図２の運転動作状態の関係で示されるように、ヒ
ートポンプユニット運転を優先して常に給湯運転するよ
うにしている。通常ヒートポンプユニット１３の運転か
ら得られる湯量は少なく、大流量を要求された場合は燃
焼ユニット２６からの供給が中心となるが、逆に小流量
の場合はヒートポンプユニット１３単独で給湯する方が
効率的である。これらの単独または同時運転の制御は給
湯制御部４０で予め設定した流量設定値と各流量センサ
ー２３A、２３Bの検知水量の合計値との比較を行うこと
により判定する。

【００２１】（実施例２）図３は本発明の実施例２のヒ
ートポンプ給湯装置の制御フローチャートである。

【００２２】実施例１と異なる点は、制御器３９の給湯
制御部４０が給湯開始時は燃焼ユニット２６を運転し、
燃焼ユニット２６の流量センサー２３Bの水量値を取込
んで流量設定値と比較し、設定値以上であれば引続き燃
焼ユニット１３運転を継続し、設定値以下の時は水制御
弁２４Bを閉止し、燃焼ユニット１３の運転を停止動作
になるよう制御し、ヒートポンプユニット２６の運転に
切替えていくもので、運転中の燃焼ユニットを流れる水
量値から燃焼ユニットの運転選択を行うようにしたもの
である。

【００２３】（実施例３）図４は本発明の実施例３のヒ
ートポンプ給湯装置の系統図である。なお実施例１と同
一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。

【００２４】実施例１と異なる点は、蒸発器４５を燃焼
ユニット２６の廃熱が吸熱できるように配設したことで
ある。図４は実施例１の蒸発器１７と並列にもう一つの
蒸発器４５を設けた場合を示すが、大気熱を吸熱する蒸
発器１７はなくてもよい。図４では凝縮器１５下流側で
電磁弁４６、４７を介して冷媒流路１９を分岐し、新し
く設けた冷媒流路４８に減圧器４９と蒸発器４５を設
け、その出口側に蒸発サーミスタ５０を取り付けてい
る。この蒸発サーミスタ５０は廃熱を吸熱する蒸発器４
５内の冷媒ガスの過熱度を最適化するために設けられて
いる。さらに圧縮機１４入口側のそれぞれの冷媒流路１
９、４８に逆止弁５１、５２を設けている。

【００２５】次に動作を説明する。図４のように二つの
蒸発器１７、４５を有する場合の冷媒流路１９、４８の
選択は、例えば図示していないが二つの蒸発器１７、４
５の雰囲気温度や出口温度の比較で行うことができ、よ
り多く吸熱できる流路が選択される。通常、燃焼ユニッ
ト２６が運転されている場合や停止後は、電磁弁４６は
閉止され電磁弁４７が開けられ蒸発器４５側の冷媒流路
４８が使用され、この蒸発器４５で燃焼ユニット２６の
燃焼量の約２０％弱が吸熱され利用される。

【００２６】（実施例４）図５は本発明の実施例４のヒ
ートポンプ給湯装置の系統図である。

【００２７】実施例３と異なる点は、蒸発器４５を燃焼
ユニット２６の排気部２９に設けたところである。設置
場所は排気部２９壁面、内部いずれでもよい。これによ
り廃熱が蒸発器４５とより安定して熱交換される。

【００２８】（実施例５）図６は本発明の実施例５のヒ
ートポンプ給湯装置の系統図である。

【００２９】実施例３と異なる点は、蒸発器４５を燃焼
ユニット２６の熱交換部２８に設けたところである。熱
交換部２８の伝熱面積を増やしたフィンを共用し、その
一部の銅管パイプを冷媒流路４８と接続して蒸発器４５
として使用している。

【００３０】（実施例６）図７は本発明の実施例６のヒ
ートポンプ給湯装置の制御フローチャートである。

【００３１】実施例１と異なる点は、蒸発器４５出口温
度を蒸発サーミスタ５０で検出して、その値が設定上限
値以下となるようにガスブロック３３を構成する比例弁
等や燃焼ファン３４を制御して燃焼ユニット２６の過熱
能力を可変するところである。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ヒートポ
ンプユニットと燃焼ユニットからの給湯管と出湯管を混
合部で接続し、その混合部から供給されるお湯はヒート
ポンプユニット運転を優先し、不足分を燃焼ユニット運
転で補う運転制御を行う給湯制御部を備えたため、ハー
ド面では設置条件を決定していた貯湯タンクが不要とな
り、大幅なコンパクト化が図れ従来設置できなかった住
宅でもヒートポンプ給湯機が利用可能になる。また２０
０V電源工事が必要なヒータ設置も必要としないため、
電源工事やタンク設置における工事性も大幅に簡略化す
ることができる。一方、ソフト面では大流量から小流量
まで問題なく給湯できるとともに、エネルギー効率が高
いヒートポンプユニットを優先して作動させるため大き
な省エネ効果を得ることができる。

【００３３】また、給湯制御部による制御を給湯開始時
は燃焼ユニットを運転し、運転中のユニットを流れる水
量値から次の運転選択を行うようにしたため、給湯開始
時の大流量出湯や即湯性に対応でき、かつ燃焼ユニット
側が広範囲の能力制御が不要となり、燃焼ユニット自体
の制御仕様が簡単化できる。その結果、能力切換や異常
音の発生対策等それに伴う各種課題も減少して信頼性を
向上できる。

【００３４】また、ヒートポンプユニットからの給湯を
燃焼ユニットから生じる廃熱を吸熱する蒸発器構成で行
うようにしたため、燃焼ユニットが大気へ放出している
エネルギーを有効に活用し、しかも大気熱以上の高温環
境で常にヒートポンプユニットの運転が可能となり、季
節に関係なく年間安定した省エネルギー効果を有するヒ
ートポンプ給湯を行うことができる。一方、燃焼ユニッ
ト側からの利点として排気部から放出される高温の排気
ガスが低温化されるために排気部の設置高さの問題が少
なくなり安全面での有利な効果を有する。

【００３５】また、蒸発器を燃焼ユニットの排気部に配
設したため、蒸発器と排気ガスとの熱伝達がより促進さ
れ易くなり、蒸発器の大きさを一層コンパクト化でき、
結果としてヒートポンプ給湯装置全体のサイズを小型化
できる。逆に蒸発器の大きさを変えないでヒートポンプ
ユニットの高出力化ができる。

【００３６】また、蒸発器を燃焼ユニットの熱交換部と
共用したため、熱伝達面での効果に加えて、部品削減効
果を有し、また大幅に小型化できるので両ユニットを一
体化し一つのケースに収納するようなことが可能とな
り、さらに設置限定がなくなりパイプシャフト設置も実
現できる。

【００３７】また、給湯制御部の制御を給湯開始時は燃
焼ユニットを運転し、蒸発器出口の温度で燃焼ユニット
の能力を可変するようにしたため、燃焼排気ガスで蒸発
器を高温度環境に配設していても冷媒の過熱度の制御が
でき、常に高効率でヒートポンプ給湯運転ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のヒートポンプ給湯装置の系
統図

【図２】同ヒートポンプ給湯装置の運転動作状態図

【図３】本発明の実施例２のヒートポンプ給湯装置の制
御フローチャート

【図４】本発明の実施例３のヒートポンプ給湯装置の系
統図

【図５】本発明の実施例４のヒートポンプ給湯装置の系
統図

【図６】本発明の実施例５のヒートポンプ給湯装置の系
統図

【図７】本発明の実施例６のヒートポンプ給湯装置の制
御フローチャート

【図８】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

【符号の説明】

１３ ヒートポンプユニット １４ 圧縮機 １５ 凝縮器 １６ 減圧器 １７、４５ 蒸発器 １９ 冷媒流路 ２０ 水流路 ２１ 給水管 ２２ 給湯管 ２６ 燃焼ユニット ２７ 燃焼部 ２８ 熱交換部 ２９ 排気部 ３０ 出湯管 ３５ 混合部 ４０ 給湯制御部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が接続さ
   れ、閉回路で構成された、冷媒流路で前記凝縮器には前
   記冷媒流路と熱交換を行う水流路と、前記水流路に給水
   管と給湯管が接続されたヒートポンプユニットと、前記
   給水管と出湯管が接続された熱交換部と、前記熱交換部
   を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部等
   を設けた燃焼ユニットと、前記給湯管と前記出湯管を接
   続する混合部と、前記ヒートポンプユニットと前記燃焼
   ユニットの運転制御を行う給湯制御部を有した制御器を
   備え、前記給湯制御部は、給湯時前記ヒートポンプユニ
   ットを常時運転し、給湯能力不足分は前記燃焼ユニット
   による運転を行うヒートポンプ給湯装置。
2. 【請求項２】制御器の給湯制御部は、給湯開始時は燃焼
   ユニットを運転し、運転中の燃焼ユニットを流れる水量
   値から燃焼ユニットの運転選択を行う請求項１記載のヒ
   ートポンプ給湯装置。
3. 【請求項３】燃焼ユニットから生じる廃熱をヒートポン
   プユニットの蒸発器で吸熱して給湯を行う請求項１記載
   のヒートポンプ給湯装置。
4. 【請求項４】燃焼ユニットの排気部に蒸発器を配設した
   請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 【請求項５】燃焼ユニットの熱交換部を蒸発器と共用し
   た請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 【請求項６】制御器の給湯制御部は、給湯開始時は燃焼
   ユニットを運転させ、ヒートポンプユニットの蒸発器出
   口の冷媒流路の温度で前記燃焼ユニットの加熱能力を可
   変する請求項３ないし５のいずれか１項記載のヒートポ
   ンプ給湯装置。