JP2004233010A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】成績係数（ＣＯＰ）を向上し、ランニングコストを低減することが可能なヒートポンプ式給湯機を提供する。
【解決手段】第１圧縮機１１と、第１水熱交換器１２と、第１減圧機構１６と、第１熱源側熱交換器１７とを順次接続して構成した第１冷媒回路１０と、第２圧縮機２１と、第２水熱交換器２２と、第２減圧機構２６と、第２熱源側熱交換器２７とを順次接続して構成した第２冷媒回路２０とを備える。低温水を上記第１水熱交換器１２で加熱して中温水とした後、この中温水を第２水熱交換器２２でさらに加熱して高温水を出湯する。中温水を高温水に加熱する第２水熱交換器２２におけるＣＯＰは比較的低いものの、低温水を中温水に加熱する第１水熱交換器１２におけるＣＯＰは極めて高く、そのため、ヒートポンプ全体としてのＣＯＰが向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプ式給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱源としてヒートポンプ式の冷媒回路を利用する給湯機が知られている。ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ式給湯機は、ＣＯＰが約３程度と高いため、ガスや電気ヒータを熱源とする給湯機と異なり、省エネルギー運転が可能である。
【０００３】
しかし、いわゆるガス瞬間湯沸かし器のように利用時に即座に出湯するためには、熱源として大容量のヒートポンプが必要となる。例えば、冬季のシャワー用に給湯を行う場合、仮に水温７℃の水から毎分１２リットルの４２℃の温水を生成しようとすると、熱源ヒートポンプには約３０ｋＷの能力が必要となる。そのため、熱源として、１０馬力相当のヒートポンプを用意しなければならない。
【０００４】
しかし、大容量のヒートポンプ式給湯機では、室外機が大きくなるため、給湯機の大型化を招く。室外機が大きいと、一般住宅への設置が著しく困難となる。また、必要電気容量も３０Ａを大幅に超えることになり、一般住宅に設置するためには受電設備の変更が必要となる。
【０００５】
そこで、特許文献１及び２に開示されているように、装置内に貯湯タンクを設け、深夜電力を利用して貯湯タンクに予め温水を貯めておき、給湯時に当該温水を供給するヒートポンプ式給湯機が提案されている。このように貯湯タンクから温水を供給することにより、高温の温水を即座に供給することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４９６６８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１１０１８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のヒートポンプ式給湯機においては、瞬間湯沸し型においても、また貯湯タンク型においても、さらに省エネルギー化を進め、ランニングコストを低減することが望まれている。
【０００８】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、成績係数（ＣＯＰ）を向上し、ランニングコストを低減することが可能なヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のヒートポンプ式給湯機は、第１圧縮機１１と、第１水熱交換器１２と、第１減圧機構１６と、第１熱源側熱交換器１７とを順次接続して構成した第１冷媒回路１０と、第２圧縮機２１と、第２水熱交換器２２と、第２減圧機構２６と、第２熱源側熱交換器２７とを順次接続して構成した第２冷媒回路２０とを備え、低温水を上記第１水熱交換器１２で加熱して中温水とした後、この中温水を第２水熱交換器２２でさらに加熱して高温水を出湯する給湯回路３０を有することを特徴としている。
【００１０】
請求項１のヒートポンプ式給湯機では、中温水を高温水に加熱する第２水熱交換器２２におけるＣＯＰは比較的低いものの、低温水を中温水に加熱する第１水熱交換器１２におけるＣＯＰは極めて高く、そのため、ヒートポンプ全体としてのＣＯＰは従来よりも向上する。
【００１１】
請求項２のヒートポンプ式給湯機は、上記第２水熱交換器２２の出口側冷媒を、低温水と熱交換させる過冷却用熱交換器２９を有することを特徴としている。
【００１２】
上記請求項２のヒートポンプ式給湯機では、第２水熱交換器２２の出口側で凝縮冷媒に対して、充分な過冷却を付与することが可能となり、このため、第２水熱交換器２２におけるＣＯＰが向上する。
【００１３】
請求項３のヒートポンプ式給湯機は、上記高温水を貯湯する貯湯タンク１を有することを特徴としている。
【００１４】
上記請求項３のヒートポンプ式給湯機では、例えば、このヒートポンプ式給湯機を瞬間湯沸し器型に使用した場合において、給湯利用開始時や大量給湯時に、貯湯タンク１内の高温水を使用できるので、湯不足等の不都合を解消できる。
【００１５】
請求項４のヒートポンプ式給湯機は、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を上記第１冷媒回路１０及び／又は第２冷媒回路２０に回収すべく構成したことを特徴としている。
【００１６】
上記請求項４のヒートポンプ式給湯機では、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を上記第１冷媒回路１０及び／又は第２冷媒回路２０に回収するので、エネルギー効率を向上できる。
【００１７】
請求項５のヒートポンプ式給湯機は、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を給湯回路３０に回収すべく構成したことを特徴としている。
【００１８】
上記請求項５のヒートポンプ式給湯機では、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を給湯回路３０に回収するので、エネルギー効率を向上できる。
【００１９】
請求項６のヒートポンプ式給湯機は、上記いずれかの冷媒回路１０、２０が故障したときには、低温水の供給量を減じた状態で、残りの冷媒回路２０、１０を運転することを特徴としている。
【００２０】
請求項６のヒートポンプ式給湯機では、冷媒回路１０、２０の故障時においても、緊急措置により、残りの冷媒回路での高温水の供給が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、この発明のヒートポンプ式給湯機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのヒートポンプ式給湯機の簡略図を示す。このヒートポンプ式給湯機は、第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０と、給湯回路３０とを備えている。このヒートポンプ式給湯機は、いわゆるセミ瞬間湯沸し器であり、温水を即座に供給することが可能である。
【００２２】
上記第１冷媒回路１０及び第２冷媒回路２０は、いずれも上記圧縮式の冷媒回路である。第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とは、互いに独立した冷媒回路であって、両冷媒回路１０、２０の冷媒の種類は特に限定されるものではなく、例えば、ＨＦＣ系、ＨＣ系の冷媒、あるいはＣＯ_２冷媒等を使用することができる。
【００２３】
第１冷媒回路１０は、第１圧縮機１１、第１水熱交換器１２、第１レシーバ１３、第１フィルタ１４、第１キャピラリーチューブ１５、第１膨張弁（減圧機構）１６、第１室外熱交換器１７、及び第１アキュームレータ１８が順に接続されることによって構成されている。第１冷媒回路１０には、第１電磁弁４１、及び第１キャピラリーチューブ４２を有する第１除霜回路４３が設けられている。第１除霜回路４３の一端は、第１圧縮機１１の吐出側配管に接続され、その他端は第１室外熱交換器１７の入口側配管に接続されている。
【００２４】
また、第２冷媒回路２０は、上記第１冷媒回路１０と略同じ構成のものであって、第２圧縮機２１、第２水熱交換器２２、第２レシーバ２３、第２フィルタ２４、第２キャピラリーチューブ２５、第２膨張弁（減圧機構）２６、第２室外熱交換器２７、及び第２アキュームレータ２８が順に接続されることによって構成されている。第２冷媒回路２０には、第２電磁弁４４、及び第２キャピラリーチューブ４５を有する第２除霜回路４６が設けられている。第２除霜回路４６の一端は、第２圧縮機２１の吐出側配管に接続され、その他端は第２室外熱交換器２７の入口側配管に接続されている。
【００２５】
上記水熱交換器１２、２２は、２重管構造のものであって、内側を冷媒が通過し、外側を湯水が通過する構成のものであり、両者の流れは互いに逆方向（対向流）となる。上記室外熱交換器１７、２７は、熱源側熱交換器となるものであって、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ型熱交換器によって構成されている。ただし、水熱交換器１２、２２、及び室外熱交換器１７、２７の形式や種類は、特に限定されるものではない。
【００２６】
給湯回路３０の上流端は上水道に接続され、下流端は給水栓３１に接続されている。給湯回路３０には、水道水が流通する。給湯回路３０は、第１水熱交換器１２と第２水熱交換器２２とが順に直列的に接続されて成る主回路３２と、これら両水熱交換器１２、２２をバイパスするバイパス回路３３とを備えている。主回路３２の下流端と、バイパス回路３３の下流端とは、混合弁３４に接続されている。また、上記主回路３２の上流側（第１水熱交換器１２の入口側）には、ポンプ３５が介設されており、また主回路３２の下流側（第２水熱交換器２２の出口側）には、サーミスタ３６が取付けられている。さらに、混合弁３４の下流側にはサーミスタ３７が取付けられている。混合弁３４は、主回路３２からの高温の温水とバイパス回路３３からの低温の水道水との混合割合を調整する機能を有するもので、この実施形態においては、混合割合はサーミスタ３７の検出温度が所定温度になるように自動的に調整される。
【００２７】
次に、上記ヒートポンプ式給湯機の作動状態について説明する。まず、給水栓３１が開放されると、第１及び第２冷媒回路１０、２０の第１圧縮機１１及び第２圧縮機２２が駆動されると共に、給湯回路３０のポンプ３５が駆動される。第１冷媒回路１０の第１圧縮機１１が駆動されると第１圧縮機１１から吐出された冷媒は、第１水熱交換器１２において凝縮し、第１水熱交換器１２に供給される約５℃の水道水（低温水）を３２．５℃程度の中温水（中温湯）とする。そして、凝縮した冷媒は、第１レシーバ１３を通過し、キャピラリーチューブ１５及び膨張弁１６で減圧され、第１室外熱交換器１７で蒸発した後、第１アキュームレータ１８を経て、第１圧縮機１１に吸入される。そして、上記第１圧縮機１１に吸入された冷媒は、再び吐出され、上記循環動作を繰返す。
【００２８】
第２冷媒回路２０の第２圧縮機２１が駆動されると第２圧縮機２１から吐出された冷媒は、第２水熱交換器２２において凝縮し、第２水熱交換器２２に供給される約３２．５℃の中温水を６０℃程度の高温水（高温湯）とする。そして、凝縮した冷媒は、第２レシーバ２３を通過し、キャピラリーチューブ２５及び膨張弁２６で減圧され、第２室外熱交換器２７で蒸発した後、第２アキュームレータ２８を経て、第２圧縮機２１に吸入される。そして、上記第２圧縮機２１に吸入された冷媒は、再び吐出され、上記循環動作を繰返す。上記第２水熱交換器２２から供給される高温水は、混合弁３４において、水道水と混合され、適温に調整された温水が給水栓３１から利用者に供給される。なお、上記中温水及び高温水の各温度は、ポンプ３５の流量に依存し、流量が大であると低温に、流量が小であると高温になる。
【００２９】
上記第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とのモリエル線図を図２に示している。また、第１冷媒回路１０における給湯温度とＣＯＰとの関係を図３に、第２冷媒回路２０における給湯温度とＣＯＰとの関係を図４に示している。図３及び図４は、シミュレーションによってＣＯＰを評価したものである。第１冷媒回路１０においては、給水温度を５℃、給湯温度を３２．５℃、流量４リットル／分とし、外気に関しては、乾球温度を２℃、湿球温度を１℃とし、また室外熱交換器１７での風量を５０ｍ^３／分とした。また、冷媒としてはＲ４１０ａを用いた。この結果、図３に示すように、ＣＯＰ＝６．３０という極めて高い値が得られた。
【００３０】
第２冷媒回路２０においては、給水温度を３２．５℃、給湯温度を６０℃、流量４リットル／分とし、外気に関しては、乾球温度を２℃、湿球温度を１℃とし、また室外熱交換器１７での風量を５０ｍ^３／分とした。また、冷媒としてはＲ４１０ａを用いた。この結果、図４に示すように、ＣＯＰ＝３．００となる。そして、上記第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０との平均的なＣＯＰは、両者の平均値として４．６５となる。
【００３１】
これに対して、単一の水熱交換器で水道水を６０℃にまで加熱する場合の給湯温度とＣＯＰとのシミュレーション関係を図５に示している。この場合、ヒートポンプ式給湯機を２台並列に使用し、給水温度を５℃、給湯温度を６０℃、１台当たりの流量２リットル／分とし、外気に関しては、乾球温度を２℃、湿球温度を１℃とし、また各室外熱交換器での風量を５０ｍ^３／分とした。また、冷媒としてはＲ４１０ａを用いた。この結果、図５に示すように、ＣＯＰ＝３．７４となる。
【００３２】
以上のように、並列に配置した水熱交換器で水道水を６０℃にまで加熱する従来の場合には、ＣＯＰが３．７４であるのに対し、水熱交換器１２、２２を直列に配置した２段加熱方式を採用したこの実施形態のヒートポンプ式給湯機においては、ＣＯＰが４．６５と大幅に改善される。この結果、省エネルギー化によるランニングコストの低減効果が得られる。しかも冷媒回路を第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とに分割構成すると共に、水熱交換器１２、２２を直列に配置して２段加熱方式を採用してＣＯＰを大幅に改善しているので、各冷媒回路１０、２０の容量が比較的小さく抑えられ、装置全体をコンパクトに構成できる。また、冷媒回路を第１冷媒回路１０と第２冷媒回路２０とに分割構成したことにより、沸き上げ温度に拘らず、高いＣＯＰを実現できる利点がある。さらに、容量の大きい１台の高ＣＯＰヒートポンプを開発するよりも、普及クラスのヒートポンプを利用できるので、コストパフォーマンスに優れている。
【００３３】
次に、第２実施形態〜第５実施形態について説明するが、以下の実施形態において各実施形態と同一機能部分については、同一の符号で示し、その説明を省略する。以下の各実施形態においても上記第１実施形態と略同一の作用、効果が得られる。
【００３４】
（第２実施形態）
図６に第２実施形態を示しているが、この実施形態においては、貯湯タンク１を使用している。すなわち、主回路３２の上流側（ポンプ３５よりもさらに上流側）を貯湯タンク１の底部を経由させ、また主回路３２の下流側（第２水熱交換器２２の出口側でさらにサーミスタ３６の取付部よりも下流側）を貯湯タンク１の頂部を経由させている。この実施形態においては、第２水熱交換器２２からの高温水を貯湯タンク１内に貯湯し得るようにしている。この実施形態によれば、給湯利用開始時や大量給湯時に、貯湯タンク内の高温水を使用できるので、湯不足等の不都合を解消でき、使用快適性を確保できる。なお、図６において、２は浴槽を示している。
【００３５】
（第３実施形態）
図７に第３実施形態を示しているが、この実施形態においては、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を第１冷媒回路１０及び第２冷媒回路２０に回収するようにしている。すなわち、風呂やシャワー等からの湯排出口３に廃熱回収用熱交換器４を設け、その回収熱を第１冷媒回路１０の第１室外熱交換器１７の出口、及び第２冷媒回路２０の第２室外熱交換器２７の出口に付与している。この実施形態によれば、排出湯の熱量を有効に利用できるので、エネルギー効率を向上でき、ランニングコストを低減できる。この場合、第２冷媒回路２０のＣＯＰが第１冷媒回路１０よりも悪いので、第２冷媒回路２０に対して優先的に回収熱を付与するのが好ましい。なお、回収熱の付与位置は、室外熱交換器１７、２７の出口側に限らず、その入口側を含め、適宜選択できる。図７において、５は廃熱回収用のポンプである。また、この実施形態においては、第２水熱交換器２２の出口側に切換弁７を設け、第２水熱交換器２２から送出される湯水を、貯湯タンク１頂部側と低部側とに切換えられるようにしている。これは、給湯開始直後の段階において、充分に加熱されていない低温水が貯湯タンク１の頂部、及び給水栓３１に供給されるのを防止するためである。
【００３６】
（第４実施形態）
図８に第４実施形態を示しているが、この実施形態においては、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を給湯回路３０に回収するようにしている。すなわち、風呂やシャワー等からの湯排出口３に廃熱回収用熱交換器４を設け、その回収熱を給湯回路３０のバイパス回路３３に付与している。この実施形態によれば、排出湯の熱量を有効に利用できるので、エネルギー効率を向上でき、ランニングコストを低減できる。
【００３７】
上記第３実施形態及び第４実施形態では、湯排出口３に廃熱回収用熱交換器４を設け、熱媒を介して、廃熱回収を行うようにしているが、図９に示すように、風呂、シャワー等からの排出湯をタンク６に貯留し、排出湯を直接利用して廃熱回収した後、外部に放出するようにしてもよい。
【００３８】
（第５実施形態）
図１０に第５実施形態を示しているが、この実施形態においては、第２水熱交換器２２の出口側の凝縮冷媒に対して、過冷却を付与するようにしている。すなわち、給湯回路３０におけるバイパス回路３３の途中に過冷却用熱交換器２９を設け、第２水熱交換器２２からの凝縮冷媒を過冷却用熱交換器２９を通過させた後、第２室外熱交換器２７へ送るようにしている。この実施形態によれば、第２水熱交換器の出口側で凝縮冷媒に対して、充分な過冷却を付与することが可能となり、このため、第２水熱交換器におけるＣＯＰが向上し、この結果、省エネルギー化によるランニングコストの低減効果が得られる。
【００３９】
（第６実施形態）
上記第１実施形態〜第５実施形態において、第１冷媒回路１０又は第２冷媒回路２０のいずれか一方が、故障したような場合には、残りの第２冷媒回路２０又は第１冷媒回路１０を駆動することによって、供給された低温水を高温水にまで一気に加熱する方式を採用する。この場合、ポンプ３５の供給水量は通常運転時よりも減少（１／２程度に減少）させる。この結果、冷媒回路１０、２０の故障時においても、緊急措置により、残りの冷媒回路２０、１０での高温水の供給が可能となり、使用上の快適性低下を防止できる。
【００４０】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記各実施形態においては、低温用と高温用とに２台の冷媒回路を設けているが、加熱温度域を３段階以上に分割し、それに応じた台数の冷媒回路を用いてもよい。また、冷媒としてＲ４１０ａを使用しているが、ＨＦＣ、プロパンのような自然冷媒等の何種類かのうちから任意に選択してもよい。この場合、第２冷媒回路２０においては、沸き上げ温度の高い冷媒を使用するのが好ましい。例えば、炭酸ガス冷媒は、ＣＯＰに関しては、ＨＦＣ冷媒よりも低いが、沸き上げ温度に関しては、ＨＦＣ冷媒よりも高くなる。従って、この点を考慮すると、第１冷媒回路１０においては、Ｒ４１０ａを使用し、第２冷媒回路２０においては、炭酸ガスを使用するようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１のヒートポンプ式給湯機では、中温水を高温水に加熱する第２水熱交換器におけるＣＯＰは比較的低いものの、低温水を中温水に加熱する第１水熱交換器におけるＣＯＰは極めて高く、そのため、ヒートポンプ全体としてのＣＯＰが従来よりも向上し、この結果、省エネルギー化によるランニングコストの低減効果が得られる。
【００４２】
上記請求項２のヒートポンプ式給湯機では、第２水熱交換器の出口側で凝縮冷媒に対して、充分な過冷却を付与することが可能となり、このため、第２水熱交換器におけるＣＯＰが向上し、この結果、省エネルギー化によるランニングコストの低減効果が得られる。
【００４３】
上記請求項３のヒートポンプ式給湯機では、例えば、このヒートポンプ式給湯機を瞬間湯沸し器型に使用した場合において、給湯利用開始時や大量給湯時に、貯湯タンク内の高温水を使用できるので、湯不足等の不都合を解消でき、使用快適性を確保できる。
【００４４】
上記請求項４のヒートポンプ式給湯機では、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を上記第１冷媒回路及び／又は第２冷媒回路に回収するので、エネルギー効率を向上でき、ランニングコストを低減できる。
【００４５】
上記請求項５のヒートポンプ式給湯機では、風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を給湯回路に回収するので、エネルギー効率を向上でき、ランニングコストを低減できる。
【００４６】
請求項６のヒートポンプ式給湯機では、冷媒回路の故障時においても、緊急措置により、残りの冷媒回路での高温水の供給が可能となり、使用上の快適性低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のヒートポンプ式給湯機の第１実施形態を示す全体回路図である。
【図２】上記ヒートポンプ式給湯機の作動状態を示すモリエル線図である。
【図３】上記ヒートポンプ式給湯機の第１冷媒回路における給湯温度とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【図４】上記ヒートポンプ式給湯機の第２冷媒回路における給湯温度とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【図５】従来のヒートポンプ式給湯機の給湯温度とＣＯＰとの関係を示すグラフである。
【図６】この発明のヒートポンプ式給湯機の第２実施形態を示す全体回路図である。
【図７】この発明のヒートポンプ式給湯機の第３実施形態を示す全体回路図である。
【図８】この発明のヒートポンプ式給湯機の第４実施形態を示す全体回路図である。
【図９】風呂、シャワー等からの排出湯の熱量回収方式の変更例を示す概略図である。
【図１０】この発明のヒートポンプ式給湯機の第５実施形態を示す全体回路図である。
【符号の説明】
１ 貯湯タンク
１０ 第１冷媒回路
１１ 第１圧縮機
１２ 第１水熱交換器
１６ 第１減圧機構
１７ 第１熱源側熱交換器
２０ 第２冷媒回路
２１ 第２圧縮機
２２ 第２水熱交換器
２６ 第２減圧機構
２７ 第２熱源側熱交換器
２９ 過冷却用熱交換器
３０ 給湯回路

Claims (6)

1. 第１圧縮機（１１）と、第１水熱交換器（１２）と、第１減圧機構（１６）と、第１熱源側熱交換器（１７）とを順次接続して構成した第１冷媒回路（１０）と、第２圧縮機（２１）と、第２水熱交換器（２２）と、第２減圧機構（２６）と、第２熱源側熱交換器（２７）とを順次接続して構成した第２冷媒回路（２０）とを備え、低温水を上記第１水熱交換器（１２）で加熱して中温水とした後、この中温水を第２水熱交換器（２２）でさらに加熱して高温水を出湯する給湯回路（３０）を有することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 上記第２水熱交換器（２２）の出口側冷媒を、低温水と熱交換させる過冷却用熱交換器（２９）を有することを特徴とする請求項１のヒートポンプ式給湯機。
3. 上記高温水を貯湯する貯湯タンク（１）を有することを特徴とする請求項１又は請求項２のヒートポンプ式給湯機。
4. 風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を上記第１冷媒回路（１０）及び／又は第２冷媒回路（２０）に回収すべく構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのヒートポンプ式給湯機。
5. 風呂、シャワー等からの排出湯の熱量を給湯回路（３０）に回収すべく構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかのヒートポンプ式給湯機。
6. 上記いずれかの冷媒回路（１０）（２０）が故障したときには、低温水の供給量を減じた状態で、残りの冷媒回路（２０）（１０）を運転することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかのヒートポンプ式給湯機。

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