JP2002213821A

JP2002213821A - ヒートポンプ式給湯器

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Publication number: JP2002213821A
Application number: JP2001008115A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nomura; 哲野村; Hisasuke Sakakibara; 久介榊原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-31
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: JP4372361B2

Abstract

(57)【要約】【課題】貯湯タンク２内の温水を循環させることな
く、ヒートポンプユニット１ａ内の水回路の凍結を防止
する。【解決手段】三方弁１４を冷媒迂回路１１ａ側に切り
替え、ヒートポンプサイクルを低い能力で稼動させる凍
結防止運転を設定し、制御装置５は、通常のサイクル運
転を停止している状態において、水温センサ１６、１７
にて検出される水温が所定値より低くなった時に、凍結
防止運転を実行する。これにより、ヒートポンプサイク
ルを低い能力で稼動させることで水熱交換器７及び、冷
媒迂回路１１ａの途中に設けた水回路加熱器１３で水熱
交換器７から離れた部分の冷水配管３ａやウォータポン
プ４も暖められるため、ヒートポンプユニット１ａ内の
水回路の凍結を防止することができる。また、給湯用水
の循環は行なわないため、貯湯タンク２内の温水には影
響を与えない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、給湯用水の加熱手
段として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、寒冷地等で給湯器内の水回路が凍
結して破損することに対し、それを防止する方法とし
て、外気温の低い時には給湯器内での水循環を停止さ
せ、加熱装置だけを運転して水熱交換器及びその周辺の
水配管の凍結を防止するものがある。

【０００３】また、特開平１１−６３６６１号公報で
は、タンク内の水をウォータポンプで循環させて、水回
路の凍結を防止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の加
熱装置だけを運転する方法では、水熱交換器から離れた
部分の水配管やウォータポンプの凍結が防ぎきれないと
いう問題があり、前記公報のタンク内の水を循環する方
法では、タンク内に冷水が流れ込むことにより、タンク
内の温水温度が低下したり温度分布にムラができたりし
て、希望温度での出湯制御が困難になるというような問
題がある。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成さ
れたものであり、その目的は、タンク内の温水を循環さ
せることなく、給湯器内の水回路の凍結が防止できるヒ
ートポンプ式給湯器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では以下の技術的手段を採用する。

【０００７】請求項１記載の発明では、冷媒流路切替手
段（１４）を膨張弁（８）側へ切り替え、ヒートポンプ
サイクルの稼動と給湯用水の循環を行なう通常のサイク
ル運転と、冷媒流路切替手段（１４）を冷媒迂回路（１
１ａ）側に切り替え、ヒートポンプサイクルを稼動させ
る凍結防止運転とが設定されているヒートポンプ式給湯
器であって、制御手段（５）は、サイクル運転を停止し
ている状態において、水温検出手段（１６、１７）にて
検出される水温が所定値より低くなった時に、凍結防止
運転を実行することを特徴とする。

【０００８】これにより、ヒートポンプサイクルを稼動
させることで水熱交換器及び、冷媒迂回路の途中に設け
た水回路加熱器で水熱交換器から離れた部分の水配管や
ウォータポンプも暖められるため、給湯器内の水回路の
凍結を防止することができる。また、給湯用水の循環は
行なわないため、貯湯タンク内の温水には影響を与えな
い。

【０００９】請求項２記載の発明では、水流路切替手段
（２０）を貯湯タンク（２）側へ切り替え、ヒートポン
プサイクルの稼動と給湯用水の循環を行なう通常のサイ
クル運転と、水流路切替手段（２０）をバイパス通路
（１９）側に切り替え、ヒートポンプサイクルを稼動さ
せると共に、給湯用水を少ない流量で循環を行なう凍結
防止運転とが設定されているヒートポンプ式給湯器であ
って、制御手段（５）は、サイクル運転を停止している
状態において、水温検出手段（１６、１７）にて検出さ
れる水温が所定値より低くなった時に、凍結防止運転を
実行することを特徴とする。

【００１０】これにより、ヒートポンプサイクルを稼動
させると共に、給湯用水を少ない流量で循環させること
で、水熱交換器で暖められた温水がバイパス通路を通っ
て給湯器内の水回路を循環するため、その凍結を防止す
ることができる。また、給湯用水はバイパス通路を通っ
て循環されるため、貯湯タンク内の温水に影響を与えな
い。

【００１１】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明のヒートポンプ式給
湯器を図面に基づいて説明する。

【００１３】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式
図である。本実施形態でのヒートポンプ式給湯器１は、
給湯用水を貯留する貯湯タンク２、この貯湯タンク２に
接続される流水配管３、この流水配管３に給湯用水を流
通させるウォータポンプ４、給湯用水の加熱手段である
後述する超臨界ヒートポンプサイクルのヒートポンプユ
ニット１ａ、及びヒートポンプ式給湯器１の作動を制御
する制御装置５等より構成される。

【００１４】貯湯タンク２は、耐蝕性に優れた金属製
（例えばステンレス製）で断熱構造を有し、高温の給湯
用水を長時間に渡って保温することができる。貯湯タン
ク２に貯留される給湯用水は、使用時に冷水と混合して
温度調節した後、主にキッチンや風呂等で使用される
が、給湯用以外にも、例えば床暖房用や室内空調用等の
熱源として利用することもできる。

【００１５】流水配管３は、貯湯タンク２と後述の水熱
交換器７とを接続する冷水配管３aと温水配管３ｂとで
構成される。冷水配管３ａは、一端が貯湯タンク２の下
部に設けられた冷水出口２ａに接続され、他端が水熱交
換器７に設けられる水通路（図示しない）の入口に接続
されている。温水配管３ｂは、一端が前記水通路の出口
に接続され、他端が貯湯タンク２の上部に設けられた温
水入口２ｂに接続されている。

【００１６】ウォータポンプ４は、図１に矢印で示すよ
うに、貯湯タンク２内の給湯用水が冷水出口２aから冷
水配管３a→水通路→温水配管３ｂを流れて温水入口２
ｂから貯湯タンク２へ還流する様に水流を発生させる。
このウォータポンプ４は、内蔵するモータ（図示しな
い）の回転数に応じて流水量を調節することができる。

【００１７】超臨界ヒートポンプサイクルは、図１に示
すように、圧縮機６、水熱交換器７、膨張弁８、空気熱
交換器９、アキュームレータ１０、これらの機器を繋ぐ
冷媒配管（高圧配管１１と低圧配管１２）等によって構
成され、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（Ｃ
Ｏ₂）が封入されている。

【００１８】圧縮機６は、内蔵するモータ（図示しな
い）によって駆動され、吸引したガス冷媒を臨界圧力以
上まで圧縮して吐出する。圧縮機６の冷媒吐出量は、モ
ータの回転数に応じて可変する。

【００１９】水熱交換器７は、圧縮機６で加圧された高
温高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、前
述した水通路に隣接して冷媒通路（図示しない）が設け
られ、その冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と水通路を
流れる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。

【００２０】膨張弁８は、水熱交換器７と空気熱交換器
９との間に設けられ、水熱交換器７で冷却された冷媒を
減圧して空気熱交換器９に供給する。この膨張弁８は、
弁開度を電気的に調整可能な構成を有し、制御装置５に
より通電制御される。

【００２１】空気熱交換器９は、外気ファン１５による
送風を受けて、膨張弁８で減圧された冷媒を外気との熱
交換によって蒸発させる。

【００２２】アキュームレータ１０は、空気熱交換器９
で蒸発した冷媒を気液分離してサイクル中の余剰冷媒を
蓄えると共に、ガス冷媒のみ圧縮機６に吸引させる。

【００２３】次に、本発明の要部について説明する。

【００２４】水熱交換器７と膨張弁８との間の高圧配管
１１に冷媒迂回路１１ａを設けて、その冷媒迂回路１１
ａの先にウォータポンプ４の上流側で冷水配管３ａを暖
める水回路加熱部１３を設けた。

【００２５】この水回路加熱部１３は、図１の円内の斜
視図に示すように、真鍮管等で形成された冷水配管３ａ
の外周に銅のキャピラリーチューブ等による冷媒配管１
３ａを巻き付けて、接触面をろう付け等で接合して熱交
換容易とし、断熱材１３ｂで覆って外気との断熱を行な
っている。

【００２６】冷媒迂回路１１ａへの切り替えは、高圧配
管１１に設けた冷媒流路切替手段である三方弁１４で行
われ、迂回した冷媒は水回路加熱部１３で冷水配管３ａ
中の給湯用水を加熱した後、三方弁１４と膨張弁８との
間の高圧配管１１に戻される。尚、三方弁１４は制御装
置５により通電制御される。

【００２７】上記のヒートポンプ式給湯器１は、水熱交
換器７に流入する給湯用水の温度（給水温度）を検出す
る給水温度検出手段としてサーミスタ等の水温センサ１
６と、水熱交換器７より流出する給湯用水の温度（給湯
温度）を検出する給湯温度検出手段としてサーミスタ等
の水温センサ１７とを備えており、両センサ１６，１７
の検出信号は制御装置５に入力される。

【００２８】次に、通常のサイクル運転を説明する。

【００２９】冷媒は、圧縮機６で加圧されて高温高圧と
なり、水熱交換器７で給湯用水に放熱して冷却され、冷
媒迂回路１１ａを通ることなく、膨張弁８に供給され、
膨張弁８の開度に応じて減圧される。減圧された低温低
圧の冷媒は、空気熱交換器９（外気ファン：ＯＮ）で外
気より吸熱して蒸発し、アキュームレータ１０で気液分
離された後、ガス冷媒のみ圧縮機６に吸引されるサイク
ルを繰り返す。

【００３０】給湯用水は、ウォータポンプ４で加圧さ
れ、水熱交換器７で冷媒から吸熱して温水となり、貯湯
タンク２へ送られて貯められる。そして、貯湯タンク２
内が全て温水となって、冷水配管３ａ側からの給水温度
が高くなったことを水温センサ１６で検出したら、冷媒
及び給湯用水の循環を停止させる。

【００３１】次に、本発明に係わる上記サイクル運転停
止中のヒートポンプ式給湯器１内水回路の凍結防止運転
について説明する。図２は、制御装置５での処理手順を
示すフローチャート図である。

【００３２】ステップＳ１では、水温センサ１６，１７
の検出信号を一定サイクルで取り込み、前記水回路の水
温が凍結防止運転が必要な温度か否かを判定する。本実
施形態では、３℃以下を凍結防止運転必要温度としてお
り、３℃より高い場合はリターンして水温の判定のみを
続行し、３℃以下となった場合はステップＳ２に進んで
凍結防止運転を開始する。

【００３３】そのステップＳ２では、三方弁１４を冷媒
迂回路１１ａ側へ切り替えて、圧縮機６を通常４〜５千
回転に対して１千回転程度の低速で駆動させる。これに
より、前記水回路は水熱交換器７及び水回路加熱部１３
で暖められて凍結が防止される。

【００３４】ステップＳ３では、凍結防止運転中に前記
水回路の水温が充分上がったことを検出する。本実施形
態では、１０℃より高くなったところでステップＳ４に
進んで凍結防止運転を停止する。

【００３５】そのステップＳ４では、圧縮機６を停止さ
せ、三方弁１４を通常の冷媒迂回路１１ａを通さない側
へ切り替える。

【００３６】このように、ヒートポンプサイクルを低い
能力で稼動させることで水熱交換器７及び、冷媒迂回路
１１ａの先に設けた水回路加熱器１３で水熱交換器７か
ら離れた部分の冷水配管３ａやウォータポンプ４も暖め
られるため、ヒートポンプユニット１ａ内の水回路の凍
結を防止することができる。また、給湯用水の循環は行
なわないため、貯湯タンク２内の温水には影響を与えな
い。

【００３７】（第２実施形態）図３は、本発明の第２実
施形態におけるヒートポンプ式給湯器の構成を示す模式
図である。図１の第１実施形態と異なるのは、ヒートポ
ンプサイクルにおける高圧配管１１部に冷媒迂回路１１
ａが無い代わりに、水回路における流水配管３に、貯湯
タンク２をバイパスするバイパス通路１９を設けた。こ
のバイパス通路１９への切り替えは、温水配管３ｂに設
けた水流路切替手段である三方弁２０で行われ、三方弁
２０は制御装置５により通電制御される。

【００３８】通常のサイクル運転は、第１実施形態と同
じである。

【００３９】次に、本発明に係わる上記サイクル運転停
止中のヒートポンプ式給湯器１内水回路の凍結防止運転
について説明する。図４は、制御装置５での処理手順を
示すフローチャート図である。

【００４０】ステップＳ５では、水温センサ１６，１７
の検出信号を一定サイクルで取り込み、前記水回路の水
温が凍結防止運転が必要な温度か否かを判定する。本実
施形態では、３℃以下を凍結防止運転必要温度としてお
り、３℃より高い場合はリターンして水温の判定のみを
続行し、３℃以下となった場合はステップＳ６に進んで
凍結防止運転を開始する。

【００４１】そのステップＳ６では、三方弁２０をバイ
パス通路１９側へ切り替えて、ウォータポンプ４を低速
で駆動させると共に、圧縮機６を通常４〜５千回転に対
して１千回転程度の低速で駆動させる。

【００４２】ステップＳ７では、凍結防止運転中に前記
水回路の水温が充分上がったことを検出する。本実施形
態では、１０℃より高くなったところでステップＳ８に
進んで凍結防止運転を停止する。

【００４３】そのステップＳ８では、圧縮機６とウォー
タポンプ４を停止させ、三方弁２０を通常のバイパス通
路１９を通さない側へ切り替える。

【００４４】このように、ヒートポンプサイクルを低い
能力で稼動させると共に、給湯用水を少ない流量で循環
させることで、水熱交換器７で暖められた温水がバイパ
ス通路１９を通ってヒートポンプユニット１ａ内の水回
路を循環するため、その凍結を防止することができる。
また、給湯用水はバイパス通路１９を通って循環される
ため、貯湯タンク２内の温水に影響を与えない。

【００４５】（その他の実施形態）第１実施形態ではヒ
ートポンプサイクル側に冷媒迂回路１１ａを、また、第
２実施形態では水回路側にバイパス通路１９を設けてい
るが、勿論この両方を設ける構成としてもよい。

【００４６】また、上述の実施形態では、凍結防止運転
時の圧縮機６の回転数を所定の低速回転としたが、その
加熱による水回路の温度の上がり具合によって、圧縮機
６の回転数等で加熱度を加減する制御としてもよい。

【００４７】本発明はヒートポンプサイクルのみなら
ず、他の冷媒圧縮式冷凍サイクルに適用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態でのヒートポンプ式給湯
器の構成を示す模式図である。

【図２】制御装置の処理手順を示すフローチャート図で
ある。

【図３】本発明の第２実施形態でのヒートポンプ式給湯
器の構成を示す模式図である。

【図４】制御装置の処理手順を示すフローチャート図で
ある。

【符号の説明】

１ａヒートポンプユニット２貯湯タンク３流水配管４ウォータポンプ５制御装置（制御手段）６圧縮機７水熱交換器８膨張弁９空気熱交換器１０アキュームレータ１１高圧配管１１ａ冷媒迂回路１３水回路加熱器１４三方弁（冷媒流路切替手段）１６、１７水温センサ（水温検出手段）１９バイパス通路２０三方弁（水流路切替手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】給湯用水を貯留する貯湯タンク（２）
と、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプユニット（１
ａ）と、前記ヒートポンプユニット（１ａ）の作動を制御する制
御手段（５）とを備え、前記ヒートポンプユニット（１ａ）は、吸引した冷媒を加圧して吐出する圧縮機（６）と、前記
圧縮機（６）で加圧された冷媒と前記貯湯タンク（２）
から流水配管（３）を介して供給された給湯用水との熱
交換を行ない、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た水熱交換器（７）と、弁開
度を調節可能に設けられ、前記水熱交換器（７）より流
出した冷媒を減圧させる膨張弁（８）と、前記膨張弁
（８）で減圧された冷媒を外気と熱交換させる空気熱交
換器（９）と、前記空気熱交換器（９）と前記圧縮機
（６）との間に設けられ、余剰冷媒を蓄えると共にガス
冷媒を前記圧縮機（６）に吸引させるアキュームレータ
（１０）と、前記水熱交換器（７）と前記膨張弁（８）
との間の高圧配管（１１）に設けられ、冷媒流路を切り
替える冷媒流路切替手段（１４）と、前記冷媒流路切替
手段（１４）で切り替えられた冷媒が流通し、前記膨張
弁（８）の手前に冷媒を戻す冷媒迂回路（１１ａ）と、
前記冷媒迂回路（１１ａ）の途中に設けられ、前記貯湯
タンク（２）と前記水熱交換器（７）との間で給湯用水
を循環させるウォータポンプ（４）近傍の前記流水配管
（３）を冷媒にて加熱する水回路加熱器（１３）とを備
えるヒートポンプサイクルと、前記ウォータポンプ（４）近傍の前記流水配管（３）の
水温を検出する水温検出手段（１６、１７）とを備え、前記冷媒流路切替手段（１４）を前記膨張弁（８）側へ
切り替え、前記ヒートポンプサイクルの稼動と前記給湯
用水の循環を行なう通常のサイクル運転と、前記冷媒流路切替手段（１４）を前記冷媒迂回路（１１
ａ）側に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを稼動さ
せる凍結防止運転とが設定されているヒートポンプ式給
湯器であって、前記制御手段（５）は、前記サイクル運転を停止してい
る状態において、前記水温検出手段（１６、１７）にて
検出される水温が所定値より低くなった時に、前記凍結
防止運転を実行することを特徴とするヒートポンプ式給
湯器。
【請求項２】給湯用水を貯留する貯湯タンク（２）
と、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプユニット（１
ａ）と、前記ヒートポンプユニット（１ａ）の作動を制御する制
御手段（５）とを備え、前記ヒートポンプユニット（１ａ）は、吸引した冷媒を加圧して吐出する圧縮機（６）と、前記
圧縮機（６）で加圧された冷媒と前記貯湯タンク（２）
から流水配管（３）を介して供給された給湯用水との熱
交換を行ない、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た水熱交換器（７）と、弁開
度を調節可能に設けられ、前記水熱交換器（７）より流
出した冷媒を減圧させる膨張弁（８）と、前記膨張弁
（８）で減圧された冷媒を外気と熱交換させる空気熱交
換器（９）と、前記空気熱交換器（９）と前記圧縮機
（６）との間に設けられ、余剰冷媒を蓄えると共にガス
冷媒を前記圧縮機（６）に吸引させるアキュームレータ
（１０）とを備えるヒートポンプサイクルと、前記貯湯タンク（２）と前記水熱交換器（７）との間で
前記給湯用水を循環させる流水配管（３）と、前記流水
配管（３）中に設けられ、前記給湯用水を循環させるウ
ォータポンプ（４）と、前記貯湯タンク（２）をバイパ
スするバイパス通路（１９）と、前記給湯用水の流路を
前記貯湯タンク（２）側と前記バイパス通路（１９）側
とに切り替える水流路切替手段（２０）と、前記流水配
管（３）の水温を検出する水温検出手段（１６、１７）
とを有する水回路とを備え、前記水流路切替手段（２０）を前記貯湯タンク（２）側
へ切り替え、前記ヒートポンプサイクルの稼動と前記給
湯用水の循環を行なう通常のサイクル運転と、前記水流路切替手段（２０）を前記バイパス通路（１
９）側に切り替え、前記ヒートポンプサイクルを稼動さ
せると共に、前記給湯用水を少ない流量で循環を行なう
凍結防止運転とが設定されているヒートポンプ式給湯器
であって、前記制御手段（５）は、前記サイクル運転を停止してい
る状態において、前記水温検出手段（１６、１７）にて
検出される水温が所定値より低くなった時に、前記凍結
防止運転を実行することを特徴とするヒートポンプ式給
湯器。