JP2001082803A

JP2001082803A - ヒートポンプ式給湯器

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Publication number: JP2001082803A
Application number: JP25589599A
Authority: JP
Inventors: Hisasuke Sakakibara; 久介榊原; Masahiko Ito; 正彦伊藤; Kenichi Fujiwara; 健一藤原; Tomoaki Kobayakawa; 智明小早川; Kazutoshi Kusakari; 和俊草刈; Michiyuki Saikawa; 路之斉川
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: JP3393601B2

Abstract

(57)【要約】【課題】貯湯槽２からの放熱による熱ロスを低減でき
るヒートポンプ式給湯器１を提供すること。【解決手段】ヒートポンプ式給湯器１は、給湯用水の
加熱手段として、臨界温度の低いＣＯ₂を冷媒とするヒ
ートポンプサイクルＣを使用している。給湯器１の作動
を制御する制御装置には、例えば月単位の時間を計数で
きるカレンダー時計が内蔵され、このカレンダー時計に
よって判断される季節ごとに予め目標貯湯温度が設定さ
れている。この目標貯湯温度は、年間を通じて温水使用
量を比較すると、夏場より冬場の方が多くなるため、夏
季は低く（例えば６５℃）、冬季は高く（例えば９０
℃）設定されている。この制御装置は、給湯用水の温度
が予め設定されている目標貯湯温度となるように、ウォ
ータポンプ４の吐出流量、及びヒートポンプサイクルＣ
の運転状態（膨張弁８の弁開度）を制御している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＯ₂を冷媒とす
るヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ式給湯器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、Ｒ２２冷媒を使用するヒート
ポンプ式給湯器が公知である。この給湯器では、貯湯槽
に蓄えられた液体を直接給湯用として使用する場合、衛
生面上から液体の温度（貯湯温度）を６０℃以上に保つ
必要がある。また、Ｒ２２冷媒を使用し、補助加熱手段
を持たないヒートポンプ式給湯器では、冷媒の特性上、
貯湯温度の上限が約６５℃であったため、給湯負荷に係
わらず、貯湯温度は一定（６５℃）に保たれている。従
って、液体を蓄える貯湯槽の容量は、温水使用量が増加
する冬季に対応できるように設計する必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、冬季に比べ
て給湯負荷が減少する夏季では、加熱されて貯湯槽に蓄
えられた液体のうち、給湯用として使用されない高温の
液体が増加するため、放熱による熱ロスが増大し、且つ
不要なタンク容量を備えていることとなって不経済であ
る。なお、給湯負荷とは、必要な温水を得るために要す
るエネルギー量のことであり、例えば、同一の温水温度
及び温水量を得るためには、供給水温が低いほど、必要
エネルギー量は増大する。本発明は、上記事情に基づい
て成されたもので、その目的は、貯湯槽からの放熱によ
る熱ロスを低減できるヒートポンプ式給湯器を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）ＣＯ
₂を冷媒とするヒートポンプサイクルを用いて給湯用の
液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯槽に蓄えるヒ
ートポンプ式給湯器であって、液体を加熱する際に掛か
る給湯負荷に応じて、貯湯槽に蓄えられる液体の貯湯温
度を可変する貯湯温度可変手段を備えていることを特徴
とする。この構成によれば、ＣＯ₂を冷媒とするヒート
ポンプサイクルを使用することにより、貯湯温度を従来
の６５℃を越える９０℃以上にすることができる。この
場合、例えば給湯負荷が増加する冬季において、貯湯温
度を高く制御することにより、従来より貯湯槽を小型化
できる。但し、給湯負荷が減少する夏季においても冬季
と同じ貯湯温度で使用すると、貯湯温度が高い分、放熱
による熱ロスも大きくなってしまう。そこで、給湯負荷
に応じて貯湯温度を変更すれば、放熱による熱ロスを低
減することが可能となる。

【０００５】（請求項２の手段）貯湯温度可変手段は、
季節によって貯湯温度を可変し、夏季の場合は冬季より
貯湯温度を低くすることを特徴とする。即ち、夏季の方
が冬季に比べて給湯負荷が減少するため、これに合わせ
て貯湯温度を低く設定することで、放熱による熱ロスを
低減できる。また、ヒートポンプサイクルでは、貯湯温
度を高くする程、サイクル効率が低下する（図５参照）
ため、夏季に貯湯温度を低くすることは、サイクル効率
の良い領域でヒートポンプサイクルを運転できるため、
夏季に冬季と同じ貯湯温度で使用した場合と比較して、
消費電力の低減を図ることができる。

【０００６】更に、ヒートポンプサイクルでは、夏季に
おいても冬季と同じ高い貯湯温度で使用すると、外気温
度や水道水温度が高くなるため、圧縮機から吐出される
冷媒の圧力が過度に上昇する。特に、ＣＯ₂を冷媒とし
て使用した場合、Ｒ２２等のフロンを使用した場合と比
較して、サイクル内の冷媒圧力が約１０倍程度高圧にな
るため、ヒートポンプサイクルを構成する各機器への影
響がより大きくなる。これに対し、夏季には冬季より貯
湯温度を低くすることで、過度の圧力上昇を防止でき
る。

【０００７】（請求項３の手段）貯湯温度可変手段は、
外気温度によって貯湯温度を可変し、外気温度が高い
程、貯湯温度を低くすることを特徴とする。この場合、
外気温度が高い時の方が低い時に比べて給湯負荷が減少
するため、貯湯温度を低く設定することで、放熱による
熱ロスを低減できる。また、請求項２の手段に記載した
場合と同様に、外気温度が高い程、貯湯温度を低くする
ことで、サイクル効率の良い領域でヒートポンプサイク
ルを運転できるため、外気温度が低い時と同じ貯湯温度
で使用した場合と比較して、消費電力の低減を図ること
ができる。更には、外気温度が高い程、貯湯温度を低く
することで、サイクル内の過度の圧力上昇を防止でき
る。

【０００８】（請求項４の手段）貯湯温度可変手段は、
ヒートポンプ式給湯器に供給される液体の温度によって
貯湯温度を可変し、液体の温度が高い程、貯湯温度を低
くすることを特徴とする。この場合、外気温度が高くな
る夏季の方が冬季よりヒートポンプ式給湯器に供給され
る液体の温度が高くなる、つまり給湯負荷が低くなるた
め、その液体の温度が高い程、貯湯温度を低くすれば、
放熱による熱ロスを低減できる。また、請求項２の手段
に記載した場合と同様に、液体の温度が高い程、貯湯温
度を低くすることで、消費電力の低減を図ることがで
き、更に、サイクル内の過度の圧力上昇を防止できる。

【０００９】（請求項５の手段）貯湯温度可変手段は、
最近において略毎日連続して使用した場合の実績によっ
て貯湯温度を可変し、実績負荷が高いほど、貯湯温度を
高くすることを特徴とする。この場合、最近（例えば１
〜２週間前）の実績負荷を学習制御することにより、ユ
ーザーの使用状況に合った貯湯温度を設定することが可
能である。なお、実績負荷とは、使用した温水量×（貯
湯温度−供給水の温度）で表すことができる。

【００１０】（請求項６の手段）貯湯温度可変手段は、
過去の同一季節の実績に基づいて貯湯温度を可変するこ
とを特徴とする。この場合、過去の同一季節で使用した
時の貯湯温度を学習制御することにより、季節毎にユー
ザーの使用状況に合った貯湯温度を設定することが可能
である。

【００１１】（請求項７の手段）貯湯温度可変手段は、
６０〜１００℃の範囲で貯湯温度を可変することを特徴
とする。貯湯槽に蓄えられた液体を直接給湯用として使
用する場合、衛生面から貯湯温度を６０℃以上に保つ必
要があるため、貯湯温度を可変する場合も６０℃以上に
おいて行う。

【００１２】（請求項８の手段）貯湯温度可変手段は、
ヒートポンプサイクルの高圧圧力、及びヒートポンプサ
イクルと貯湯槽との間で液体を循環させるウォータポン
プの吐出流量を制御することで貯湯温度を変更すること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１はヒートポンプ式給湯器１の全体
構成図である。本実施例のヒートポンプ式給湯器（以
下、給湯器１と呼ぶ）は、給湯用の液体（以下、給湯用
水と呼ぶ）を貯留する貯湯槽２、給湯用水の加熱手段で
あるヒートポンプサイクルＣ、貯湯槽２とヒートポンプ
サイクルＣとを接続する流水配管３、この流水配管３に
給湯用水を循環させるウォータポンプ４、及び給湯器１
の作動を制御する制御装置５（図２参照）等より構成さ
れる。

【００１４】ヒートポンプサイクルＣは、圧縮機６、給
湯用熱交換器７、膨張弁８、室外熱交換器９、アキュム
レータ１０を順次冷媒配管１１により接続して構成さ
れ、冷媒として臨界温度の低いＣＯ₂を使用している。
圧縮機６は、内蔵する電動モータ（図示しない）によっ
て駆動され、アキュムレータ１０より吸引した冷媒を、
一般的使用条件において臨界圧力以上まで圧縮して吐出
する。

【００１５】給湯用熱交換器７は、圧縮機６より吐出さ
れた高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、
冷媒が流れる冷媒通路７ａと、給湯用水が流れる給湯用
水通路７ｂとを有し、冷媒の流れ方向と給湯用水の流れ
方向とが対向するように構成されている。なお、冷媒通
路７ａに流入する冷媒（ＣＯ₂）は、圧縮機６で臨界圧
力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器７で放熱
しても凝縮することはない。

【００１６】膨張弁８は、給湯用熱交換器７から流出す
る冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧装置で、制御装置
５によって弁開度が電気的に制御される。室外熱交換器
９は、膨張弁８で減圧された冷媒をファン１２によって
送風される外気との熱交換によって蒸発させる。アキュ
ムレータ１０は、室外熱交換器９で蒸発した冷媒を気液
分離して液冷媒を貯留し、気相冷媒のみを圧縮機６に吸
引させ、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。

【００１７】流水配管３は、給湯用熱交換器７の給湯用
水通路７ｂに接続される冷水管３ａと温水管３ｂとで構
成され、冷水管３ａの上流端が貯湯槽２の底面に接続さ
れ、温水管３ｂの下流端が貯湯槽２の上面に接続されて
いる。ウォータポンプ４は、冷水管３ａ（温水管３ｂで
も良い）に設けられ、通電されて回転することにより、
貯湯槽２内の給湯用水を流水配管３に流通させる。な
お、給湯用水の流通方向は、図１に矢印で示すように、
貯湯槽２内の下部→冷水管３ａ→給湯用熱交換器７の給
湯用水通路７ｂ→温水管３ｂ→貯湯槽２内の上部へと流
れる。また、貯湯槽２の底面には、貯湯槽２内に給水す
るための給水配管１３が接続され、貯湯槽２の上面に
は、貯湯槽２内に蓄えられた給湯用水（温水）を使用者
に供給するための給湯配管１４が接続されている。

【００１８】制御装置５は、図２に示すように、給湯器
１の運転を開始する給湯スイッチ１５のＯＮ信号を受け
て起動し、圧縮機６（電動モータ）、膨張弁８、ファン
１２、及びウォータポンプ４を通電制御して、貯湯槽２
内に蓄えられる給湯用水の温度（貯湯温度）を所定の温
度範囲（例えば６０〜１００℃）にコントロールしてい
る。

【００１９】但し、制御装置５には、例えば月単位の時
間を計数できるカレンダー時計が内蔵され、このカレン
ダー時計によって判断される季節ごとに予め目標貯湯温
度が設定されている。この目標貯湯温度は、年間を通じ
て温水使用量を比較すると、夏場より冬場の方が多くな
るため、例えば図３に示すように、夏季は低く（例えば
６５℃）、冬季は高く（例えば９０℃）設定されてい
る。なお、個々のユーザーの使用状況に合わせて、使用
する湯量及び給湯温度を学習制御しても良い。例えば、
過去の同一季節の使用実績から、目標貯湯温度を設定ま
たは補正するように学習制御しても良い。あるいは最近
において略毎日連続して使用した場合の実績によって貯
湯温度を可変しても良い。

【００２０】次に、本実施例の作動を説明する。制御装
置５を通じて給湯器１の運転を開始すると、ウォータポ
ンプ４の作動によって流水配管３に給湯用水の流れが生
じ、圧縮機６の作動によってヒートポンプサイクルＣを
冷媒が循環する。これにより、給湯用熱交換器７では、
給湯用水通路７ｂを流れる給湯用水と冷媒通路７ａを流
れる高温冷媒との間で熱交換が行われる。冷媒との熱交
換によって加熱された給湯用水は、温水管３ｂを流れて
貯湯槽２内の上部へ還流する。

【００２１】一方、給湯用水に放熱した冷媒は、膨張弁
８で減圧されて室外熱交換器９に流入し、室外熱交換器
９で外気から吸熱して蒸発した後、アキュムレータ１０
で気液分離され、ガス冷媒のみ圧縮機６に吸引される。
ここで、制御装置５は、給湯用水の温度が予め設定され
ている目標貯湯温度となるように、ウォータポンプ４の
吐出流量、及びヒートポンプサイクルＣの運転状態（膨
張弁８の弁開度）を制御している。なお、膨張弁８は、
圧縮機６の吐出圧力（高圧圧力）が、上記の目標貯湯温
度を得るために必要な冷媒温度に対応する圧力となるよ
うに、弁開度が制御される。

【００２２】（実施例の効果）本実施例の給湯器１は、
給湯用水の加熱手段として、ＣＯ₂を冷媒とするヒート
ポンプサイクルＣを使用しているので、貯湯槽２内の貯
湯温度を９０℃以上にすることができる。これにより、
給湯用水の衛生面上から必要な最低温度６０℃より高い
温度範囲で目標貯湯温度を変更することが可能となる。

【００２３】そこで、年間を通じて最も温水使用量が増
加する冬季の目標貯湯温度を従来より高く（従来の給湯
器では約６５℃が上限）設定することにより、貯湯槽２
の小型化を図ることができる。但し、温水使用量が減少
する夏季においても冬季と同じ目標貯湯温度を設定する
と、貯湯温度が高い分、放熱による熱ロスも大きくなっ
てしまう。そこで、温水使用量が少なくなる夏季の目標
貯湯温度を冬季に比べて低く設定すれば、その分、貯湯
槽２からの放熱による熱ロスを低減することができ、経
済的である。

【００２４】また、ヒートポンプサイクルＣでは、必要
とする貯湯温度によって高圧圧力（圧縮機６の吐出圧
力）が決定されるため、図４のモリエル線図に示すよう
に、目標貯湯温度が高くなる程、高圧圧力が高くなり、
圧縮機６の吸入側と吐出側との圧力差が大きくなる。従
って、貯湯温度が高くなる程、サイクル効率（ＣＯＰ）
が低下する（図５参照）ため、夏季の目標貯湯温度を低
く設定すれば、サイクル効率の良い領域でヒートポンプ
サイクルＣを運転することができる。その結果、夏季に
冬季と同じ貯湯温度で使用した場合と比較して、消費電
力の低減を図ることができる。

【００２５】更に、ヒートポンプサイクルＣでは、夏季
においても冬季と同じ高い目標貯湯温度を設定した場
合、外気温度や水道水温度が高くなることで、圧縮機６
の吐出冷媒圧力が過度に上昇する。特に、ＣＯ₂を冷媒
として使用した場合、Ｒ２２等のフロンを使用した場合
と比較して、サイクル内の冷媒圧力が約１０倍程度高圧
になるため、ヒートポンプサイクルＣを構成する各機器
への影響がより大きくなる。これに対し、夏季の目標貯
湯温度を冬季より低く設定することで、過度の圧力上昇
を防止できるため、冷媒配管１１等の耐圧性を低く設計
でき、製造コストの上昇を抑えることが可能である。

【００２６】（その他の実施例）上記の実施例におい
て、外気温度の影響を加味するために、予め設定されて
いる目標貯湯温度をその時の外気温度に応じて補正して
も良い。具体的には、外気温度がその季節における平均
外気温度より高ければ、目標貯湯温度を低く補正し、外
気温度がその季節における平均外気温度より低ければ、
目標貯湯温度を高く補正する。

【００２７】また、予め目標貯湯温度を設定することな
く、供給される水道水の温度から目標貯湯温度を設定し
ても良い。つまり、水道水の温度は、季節ごとの温度変
化と相関性を有しているため、水道水の温度に応じて目
標貯湯温度を設定しても上記の実施例と同様の効果を得
ることができる。更には、その時の外気温度に応じて目
標貯湯温度を変更しても良い。例えば、外気温度が高い
時は、目標貯湯温度を低く設定し、外気温度が低い時
は、目標貯湯温度を高く設定する。

【００２８】上記の実施例において、貯湯槽２内に貯留
されている給湯用水（温水）は、そのまま飲料水や風呂
湯等に使用しても良いが、貯湯槽２内の給湯用水を飲料
水や風呂水を加熱するための熱媒体として使用しても良
い。また、貯湯槽２内の給湯用水は、給湯用だけでな
く、床暖房用、室内空調用として使用することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプ式給湯器の全体構成図である。

【図２】制御装置のブロック図である。

【図３】季節ごとの目標貯湯温度の変化を示すグラフで
ある。

【図４】ヒートポンプサイクルのモリエル線図である。

【図５】サイクル効率と貯湯温度との関係を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ヒートポンプ式給湯器２貯湯槽４ウォータポンプ５制御装置（貯湯温度可変手段）Ｃヒートポンプサイクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榊原久介愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者伊藤正彦愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者藤原健一愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者小早川智明神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号東京電力株式会社内 (72)発明者草刈和俊神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号東京電力株式会社内 (72)発明者斉川路之神奈川県横須賀市長坂２−６−１財団法人電力中央研究所横須賀研究所内Ｆターム(参考） 3L054 BG08 BH05 3L073 AA07 AA13 AA14 AB09 AC01 AD03 AE04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＯ₂を冷媒とするヒートポンプサイクル
を用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を
貯湯槽に蓄えるヒートポンプ式給湯器であって、前記液体を加熱する際に掛かる給湯負荷に応じて、前記
貯湯槽に蓄えられる液体の貯湯温度を可変する貯湯温度
可変手段を備えていることを特徴とするヒートポンプ式
給湯器。
【請求項２】前記貯湯温度可変手段は、季節によって貯
湯温度を可変し、夏季の場合は冬季より貯湯温度を低く
することを特徴とする請求項１に記載したヒートポンプ
式給湯器。
【請求項３】前記貯湯温度可変手段は、外気温度によっ
て貯湯温度を可変し、外気温度が高い程、貯湯温度を低
くすることを特徴とする請求項１に記載したヒートポン
プ式給湯器。
【請求項４】前記貯湯温度可変手段は、前記ヒートポン
プ式給湯器に供給される液体の温度によって貯湯温度を
可変し、前記液体の温度が高い程、貯湯温度を低くする
ことを特徴とする請求項１に記載したヒートポンプ式給
湯器。
【請求項５】前記貯湯温度可変手段は、最近において略
毎日連続して使用した場合の実績によって貯湯温度を可
変し、実績負荷が高いほど、貯湯温度を高くすることを
特徴とする請求項１に記載したヒートポンプ式給湯器。
【請求項６】前記貯湯温度可変手段は、過去の同一季節
の実績に基づいて貯湯温度を可変することを特徴とする
請求項１に記載したヒートポンプ式給湯器。
【請求項７】前記貯湯温度可変手段は、６０〜１００℃
の範囲で貯湯温度を可変することを特徴とする請求項１
〜６に記載したヒートポンプ式給湯器。
【請求項８】前記貯湯温度可変手段は、前記ヒートポン
プサイクルの高圧圧力、及び前記ヒートポンプサイクル
と前記貯湯槽との間で液体を循環させるウォータポンプ
の流量を制御することで前記貯湯温度を可変することを
特徴とする請求項１〜７に記載したヒートポンプ式給湯
器。