JP2003240340A

JP2003240340A - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP2003240340A
Application number: JP2002033650A
Authority: JP
Inventors: Keijiro Kunimoto; 啓次郎國本; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Ryuta Kondo; 龍太近藤; Satoshi Matsumoto; 松本　　聡; Satoshi Imabayashi; 敏今林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: JP3815341B2

Abstract

(57)【要約】【課題】施工性が良く、高効率で大幅な能力変更が可
能な瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】冷媒流路ａ８と水流路９で熱交換する熱
交換器１０の、水流路９に直接水道水を通水し、この水
路から出湯される湯を使う瞬間湯沸し型であって、熱交
換器１０を含めたヒートポンプサイクル７を複数のユニ
ット１９、２０に分割して配置する構成としたので、施
工性が良く、高効率で大幅な能力変更が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、瞬間湯沸し型のヒ
ートポンプ給湯装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】瞬間湯沸し型給湯装置としては、ガスや
石油の燃焼を用いた給湯機が従来より使用されてきた。
これらは温度立上りが早く、大能力が出せる特徴がある
反面、排ガスによる大気汚染や、直接燃焼させることへ
の不安感、燃焼音など避けられない課題を抱えていた。
これに対し、大型の貯湯タンクに湯を貯えて給湯するヒ
ートポンプ給湯器があり、こちらは燃焼による給湯機の
問題を解消し、しかもヒートポンプにより熱効率がよい
ものであった。しかし、貯湯タンクが大きく、重量や設
置スペースなど施工上に問題があった。また、集合住宅
における配管スペース、いわゆるパイプシャフトへの設
置を考えた場合に、貯湯タンクが納まらないという問題
もあった。

【０００３】こうした大型の貯湯タンクの問題を解消す
る瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置として特開昭６
３−２３３２５４号公報に記載されているような給湯装
置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図５
に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機
２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続されたヒー
トポンプサイクル７と、放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交
換を行う水流路９を備えた熱交換器１０と、この水流路
９に水道水を供給する給水管１１と、前記水流路９とシ
ャワーや蛇口等の給湯端末１２とを接続する給湯回路１
３と、給湯回路１３に設け水流を検出する流量スイッチ
１４を備えていた。そして、これら要素をひとつのユニ
ット１５に構成して、流量スイッチ１４の信号に応じて
圧縮機２の運転を制御することで、瞬間湯沸し型の給湯
を実現していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、瞬間湯沸し型
のヒートポンプ給湯装置において給湯に必要な熱量を大
気から吸熱しようとすると、必要となる風量が大きくな
るために、ユニット１５を送風への影響が少ない場所に
設置することが重要な問題となってくる。ましてパイプ
シャフトに設置するのは、送風路を確保するのが難しい
ために困難であった。

【０００５】また、瞬間湯沸し型における給湯負荷は、
例えば冬場のシャワーと風呂の湯張りの同時使用といっ
た大能力から、夏場の食器洗いなどの微小能力までの幅
広い給湯能力をカバーする必用があったが、従来のよう
に単一の圧縮機２の回転数を変えるだけでは、こうした
大幅な能力変更は困難であった。そのためシャワー温度
が低下したり、食器洗いで熱い湯がでたりするなどの不
都合がでる可能性があった。

【０００６】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、施工性が良く、高効率で大幅な能力変更が可能な瞬
間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【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、本発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒流
路ａと水流路で熱交換する熱交換器の、水流路に直接水
道水を通水し、この水路から出湯される湯を使う瞬間湯
沸し型であって、熱交換器を含めたヒートポンプサイク
ルを複数のユニットに分割して配置したものである。

【０００８】上記発明によれば、ヒートポンプサイクル
を分割して配置するので、例えば吸熱器だけを屋外に設
置して、他の構成要素を屋内に設置したり、熱交換器だ
けを給湯配管の経路上に配置したり、またひとつの熱交
換器に対して複数のヒートポンプサイクルにより構成
し、それぞれのヒートポンプサイクルを分割して別々に
配置しすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明のヒートポ
ンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮
機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポン
プサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う
水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給
する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯
端末へと通水するように接続する出湯管とを備え、前記
熱交換器を含めたヒートポンプサイクルを複数のユニッ
トに分割して配置したものである。

【００１０】請求項１によれば、大気から吸熱が必用な
吸熱器と、給湯配管に直結される熱交換器とを分離して
配置することにより、それぞれに最適な配置が可能にな
り、施工性が向上する。また、熱交換器や圧縮機を屋内
やパイプシャフトに設置できるので、外気による放熱ロ
スが低減されると共に、メンテナンス性もよくなる。請
求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項
１に記載のヒートポンプサイクルから吸熱器を分離して
配置するものである。

【００１１】この構成によれば、大気からの吸熱がとな
る吸熱器をヒートポンプサイクルから分離し室外機とし
て配置することで、室外機の重量や大きさが小さくで
き、施工性が大幅に向上する。また、温度が上がる圧縮
機や熱交換器のユニットをひとつにまとめることで、断
熱が容易で放熱ロスが低減し、高効率な運転が可能にな
る。

【００１２】請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１に記載のヒートポンプサイクルから吸
熱器と圧縮機を分離して配置するものである。

【００１３】この構成によれば、騒音や振動の発生しや
すい吸熱器と圧縮機を別のユニットに分離して室外機と
して、屋外に設置することによって、屋内の低騒音化が
実現できる。

【００１４】請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１に記載のヒートポンプサイクルから熱
交換器を分離して配置するものである。

【００１５】この構成によれば、給水管、出湯管、そし
て給湯端末へと続く給湯経路上に熱交換器を配置する際
に、熱交換器が他のユニットの設置条件の制約を受けな
いので、パイプシャフト、壁面、床下などへ自由に配置
することがで、施工性がよい。

【００１６】請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１に記載のヒートポンプサイクルを複数
備えたものである。

【００１７】この構成によって、複数のヒートポンプサ
イクルをそれぞれ分離して配置することで、重量が分散
し、運搬や施工が容易になる。また、構成する台数によ
って最大給湯能力が変えられるので、家族人数の違いな
どで異なる必要給湯能力を台数によって簡単に調整でき
る。

【００１８】請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項５に記載の記載内容において、給湯負荷
に応じてヒートポンプサイクルの運転台数を変更するも
のである。

【００１９】この構成によれば、給湯負荷が大幅に変る
ような使い方をする場合に、１台のヒートポンプサイク
ルでは制御幅に限界があり、満足な給湯制御ができない
が、この発明の複数のヒートポンプサイクルの運転台数
を制御する方法であれば給湯負荷に応じて台数を変える
ことにより、大幅な給湯負荷の変化に対応できる。

【００２０】請求項７に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポ
ンプサイクルが、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨
界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇
圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱する
構成である。

【００２１】そして、熱交換器の冷媒流路ａを流れる冷
媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱
交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下して
も凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒
流路ａと水流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の
湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

【００２２】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。なお、従来例および各実施例におい
て、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号
を付与し、詳細な説明を省略する。

【００２３】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
けるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１にお
いて、７はヒートポンプサイクルで、圧縮機２、放熱器
３、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に
接続されている。このヒートポンプサイクル７は、例え
ば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷
媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使
用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ
（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界
圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器３の冷
媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器で
ある。この水流路９に水道水を直接供給する給水管１１
と、水流路９から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１
７等より成る給湯端末１２の通水させるための出湯管１
３が接続されている。吸熱器５は送風機１８が設けら
れ、この送風により大気熱を効率よく吸熱するように構
成している。そして、この吸熱器５と送風機１８を第１
のユニット１９として屋外に配置している。また、圧縮
機２、熱交換器１０、減圧手段４を第２のユニット２０
として屋内に配置した。第１のユニット１９と第２のユ
ニット２０は冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２により接
続されている。

【００２４】給水管１１には、出湯管１３の流量を検出
する流量検知手段２３と、熱交換器１０への給水温度を
検出する水温検知手段２４が設けられている。そして出
湯管１３には出湯温度を検出する湯温検知手段２５が設
けられている。２６は給湯の目標温度を設定する設定手
段で、使用者が任意に温度を設定する。

【００２５】２７は制御手段で、流量検知手段２３によ
り流量を検知すると、湯温検知手段２５と設定手段２６
とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差か
らフィードバック制御量を算定し、水温検知手段２４と
設定手段２６と流量検知手段２３の各値から給湯負荷を
算定し、フィードバック制御量と給湯負荷を加算し、こ
の加算値に基づいて圧縮機２の回転数を制御する。

【００２６】また、制御手段２７は、水温検知手段２４
と設定手段２６との検出値に応じて減圧手段４、送風機
１８をそれぞれ制御し、最も効率の良くなるヒートポン
プサイクルで運転する。

【００２７】熱交換器１０は、冷媒流路ａ８の流れ方向
と水流路９の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動
が容易になるように密着して構成している。この構成に
より冷媒流路ａ８と水流路９の伝熱が均一化し、熱交換
効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。

【００２８】以上の構成において、その動作、作用につ
いて説明する。図１に示す実施例において、蛇口１７が
開かれると給水管１３から水道水が流れ込み始める。こ
れを流量検知手段２３が検知し制御手段２７に信号が送
られ、圧縮機２の運転が開始される。そして、圧縮機２
から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器ａ８へ流入
し、水流路９を流れる水を加熱する。そして、加熱され
た水は出湯管１３を経て給湯端末１２から出湯する。一
方、放熱器８で冷却された冷媒は減圧手段４で減圧され
て、冷媒流路ｃ２２を経て吸熱器５に流入し、ここで大
気熱を吸熱して蒸発ガス化し、冷媒流路ｂ２１を経て圧
縮機２に戻る。

【００２９】給湯中の制御手段２７では、出湯温度と目
標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いてフィード
バック制御量を算定する。ここでの制御定数である比例
ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性
を両立するための最適な値を予め設定しておく必要があ
る。なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御で
もファジーやニューロ制御でもよい。そして、一方では
目標温度と給水温度との差に、流量検知手段２３の検知
する流量を乗じて給湯負荷を算定する。これは、いわゆ
るフィードフォワードの制御量である。そして、フィー
ドバック制御量と給湯負荷を加算して、この加算値を用
いて圧縮機２の回転数制御を行っている。このフィード
バック制御を加味することによって、出湯温度を目標温
度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ
制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度を
より目標温度にあわせることができる。また、比例制御
要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い
場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。一
方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時にお
ける所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の
安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変
した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるの
で、この点はフィードバック制御より応答性がよくしか
も安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフ
ィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞ
れの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制
御が可能になる。

【００３０】以上のように実施例１は、熱交換器１０を
含むヒートポンプサイクル７から吸熱器５を第１のユニ
ット１９として分割して屋外に配置し、他を第２のユニ
ット２０として屋内に配置できるように構成したので、
それぞれのユニットに最適な配置が可能になり、施工性
が向上する。例えば、第２のユニットを屋内やパイプシ
ャフトに設置できるので、圧縮機２や熱交換器１０の外
気による放熱ロスが低減されると共に、給湯配管や電源
などのメンテナンス性もよくなる。一方第２のユニット
１９である室外機の重量や大きさが小さくでき、施工性
が大幅に向上する。また、温度が上がる圧縮機２や熱交
換器１０をひとつにまとめることで、断熱が容易で放熱
ロスが低減し、高効率な運転が可能になる。

【００３１】なお実施例１ではヒートポンプサイクル
を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポン
プサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒ
ートポンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実
施例でも同様である。

【００３２】また、実施例１では第２のユニットをパイ
プシャフトに配置するように説明したが、軒下の壁面に
配置したり、床下などに配置してもよい。

【００３３】（実施例２）図２は本発明の実施例２にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図２において、実施例１の構成と異な
るところは、第１のユニット３０に送風機１８を含む吸
熱器５と圧縮機２を納めて室外機として屋外に配置し、
第２のユニット３１には、その他の構成要素を納めて屋
内に配置した点にある。そして第１のユニット３０と第
２のユニット３１を冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２に
よって接続し、実施例１と同様に運転制御する。

【００３４】以上の構成で、騒音や振動の発生しやすい
送風機１８を含む吸熱器５と圧縮機２を第１のユニット
にまとめ室外機として、屋外に設置するようにしたの
で、給湯配管が振動することもなく、屋内の低騒音化が
実現できる。

【００３５】（実施例３）図３は本発明の実施例３にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図３において、実施例１の構成と異な
るところは、第１のユニット３２に送風機１８を含む吸
熱器５と、圧縮機２と、減圧手段４と、制御手段２７と
を納めて室外機として屋外に配置し、第２のユニット３
３には、給水管１１と出湯管１３に接続した熱交換器１
０を納めて屋内に配置した点にある。すなわち、ヒート
ポンプサイクル７から熱交換器１０を分離して配置する
ものである。そして第１のユニット３２と第２のユニッ
ト３３を冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２によって接続
し、実施例１と同様に運転制御する。

【００３６】以上の構成によれば、第２のユニット３３
の主たる構成部品は熱交換器１１だけなので、大きさ重
量共に小さくでき、運搬や施工がしやすくなる。また給
水管１１、出湯管１３、そして給湯端末１２へと続く給
湯経路上に熱交換器１１を配置する際に、第２のユニッ
ト３３が第１のユニット３２の設置条件の制約を受けな
いので、パイプシャフト、壁面、床下などへ自由に配置
することができる。

【００３７】なお実施例３では、制御手段２７を第１の
ユニット側に設けたが、第２のユニット側に設けてもよ
い。

【００３８】（実施例４）図４は本発明の実施例４にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異な
るところは、ヒートポンプサイクルを２台備えた点にあ
り、ひとつめのヒートポンプサイクルを構成する第１の
ユニットＡ３４に、送風機Ａ３５を含む吸熱器Ａ３６
と、圧縮機Ａ３７と、減圧手段Ａ３８と、駆動手段Ａ３
９とを納めて室外機Ａとして屋外に配置し、ふたつめの
ヒートポンプサイクルを構成する第１のユニットＢ４０
に、送風機Ｂ４１を含む吸熱器Ｂ４２と、圧縮機Ｂ４３
と、減圧手段Ｂ４４と、駆動手段Ｂ４５とを納めて室外
機Ｂとして同様に屋外に配置する。そして、第２のユニ
ット４６には、給水管１１と出湯管１３に接続した熱交
換器４７を納めて屋内に配置している。

【００３９】熱交換器４７は、水流路９の上流側と下流
側で放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９のふたつの放熱器を有
し、それぞれが水流路９の流水を加熱する。そして第１
のユニットＡ３４と第２のユニット４６の放熱器Ａ４８
とを冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２によって接続し、
第１のユニットＢ３４と第２のユニット４６の放熱器Ｂ
４９とを冷媒流路ｄ５０と冷媒流路ｅ５１によって接続
し、制御手段５２により算定される給湯負荷に応じて、
駆動手段Ａ３９と駆動手段Ｂ４５に運転指示を出力し給
湯制御する。この際の給湯負荷に応じて、第１のユニッ
トＢ４０を停止させたり、圧縮機Ａ３７と圧縮機Ｂ４３
の回転数制御することで目標温度の給湯を実現する。

【００４０】以上の構成で、ヒートポンプサイクルをふ
たつ分離して配置することで、重量が分散し、運搬や施
工が容易になる。また、構成するヒートポンプの台数を
増減することによって最大給湯能力が変えられるので、
家族人数の違いなどで異なる必要給湯能力を台数によっ
て簡単に調整できる。

【００４１】また、給湯負荷が大幅に変るような使い方
をする場合に、１台のヒートポンプサイクルでは制御幅
に限界があり、満足な給湯制御ができないが、この実施
例４のようにふたつのヒートポンプサイクルの運転台数
および圧縮機の回転数を制御する方法であれば給湯負荷
に応じて大幅な給湯能力の変更が可能である。

【００４２】さらに給湯負荷が少ない場合に１台のヒー
トポンプサイクルを停止できるので、低負荷時において
も高効率運転が可能となる。

【００４３】なお実施例４では熱交換器４６の放熱器Ａ
４８と放熱器Ｂ４９を水流路９に対して上流側と下流側
に直列に配置したが、水流路９に対して並列に配置して
構成してもよい。この場合は、それぞれの放熱器に対す
る水流路９の入口水温を共に水道水温度で同一にするこ
とができるので、熱交換効率を向上できる。また、この
ように並列に配置する放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９に対
して水流路９も並列に分流させて、それぞれ対向するよ
うに配置することにより、放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９
それぞれの加熱量を独立して制御することもできる。こ
の場合、熱交換器を複数並列に設ける構成でもよい。さ
らに、この並列の水流路の合流する混合割合を制御する
ことで給湯温度制御することも可能になる。

【００４４】また実施例４では、ふたつのヒートポンプ
サイクルに分割して構成したが、さらに分割数を増やす
ことによって、大能力でかつ大幅な給湯能力可変を実現
することもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、施工性
が良く、高効率で大幅な能力変更が可能な瞬間湯沸し型
のヒートポンプ給湯装置を提供すすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図２】本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図３】本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図４】本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図５】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

【符号の説明】

１冷媒流路２、３７、４３圧縮機３、４８、４９放熱器４、３８、４４減圧手段５、３６、４２吸熱器７ヒートポンプサイクル８冷媒流路ａ９水流路１０、４７熱交換器１１給水管１２給湯端末１３出湯管１６シャワー１７蛇口１９、３０、３２、３４、４０第１のユニット２０、３１、３３、４６第２のユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤龍太大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松本聡大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者今林敏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、
放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサ
イクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流
路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する
給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末
へと通水するように接続する出湯管とを備え、前記熱交
換器を含めたヒートポンプサイクルを複数のユニットに
分割して配置したヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】ヒートポンプサイクルから吸熱器を分離
して配置した請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】ヒートポンプサイクルから吸熱器と圧縮
機を分離して配置した請求項１に記載のヒートポンプ給
湯装置。
【請求項４】ヒートポンプサイクルから熱交換器を分
離して配置した請求項１に記載のヒートポンプ給湯装
置。
【請求項５】ヒートポンプサイクルを複数備えた請求
項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】給湯負荷に応じてヒートポンプサイクル
の運転台数を変更する請求項５に記載のヒートポンプ給
湯装置。
【請求項７】ヒートポンプサイクルは、冷媒の圧力が
臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであ
り、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器
の水流路の流水を加熱する請求項１〜６のいずれか１項
に記載の給湯装置。