JP2005133973A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクの下部から取り出した水を冷媒対水熱交換器で加熱して貯湯タンクの上部に戻す積層沸き上げ式のヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができるヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】冷媒対水熱交換器の水側配管入口温度、即ち入水温度センサーの検出温度が所定温度未満の場合はヒートポンプユニットを運転し、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合は前記ヒートポンプユニットの運転を停止して補助加熱装置を所定時間だけ運転することにより、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ給湯機としては、図３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。図３に示すように、このヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニット５は、圧縮機１、給湯熱交換器２、電動膨張弁３、室外熱交換器４が順次閉回路となるように接続されている。また、貯湯タンク６、循環ポンプ８、給湯熱交換器２が順次閉回路となるように接続されている。貯湯タンク６の下部から取り出した冷水を循環ポンプ８により給湯熱交換器２に搬送し、ヒートポンプユニット５により加熱されて高温の湯となり貯湯タンク６の上部に戻される。循環ポンプ８の循環流量は、出湯温度センサー１０の検出温度が目標出湯温度になるよう調節される。貯湯タンク６内では上部に高温の湯（以下、高温層と称する）、下部に低温の水（以下、低温層と称する）、中間部には高温の湯と低温の水とが混合した中間温度の混合層が存在する。給湯運転時間の経過と共に、貯湯タンク６内では高温層部分が増大、低温層が減少し、やがて低温層がなくなると混合層の水が給湯熱交換器２に流入するようになり、入水温度センサー９の検出温度が上昇する。

ヒートポンプ給湯機では、入水温度が上昇するほど運転効率が低下することがわかっている。例えば、運転条件が外気温度１６℃、入水温度１７℃、沸き上げ温度６５℃の場合、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニットのＣＯＰ（運転効率の指標）はほぼ３であり、電気ヒータの３倍の効率をもつ。しかし、ヒートポンプサイクルの特性として、入水温度の上昇とともにＣＯＰは低下し、入水温度が６０℃になるとＣＯＰはほぼ１となり、電気ヒータと同等になることがわかっている。従って、給湯運転中に入水温度センサー９の検出温度が所定温度になった場合にヒートポンプユニット５の運転を停止する。

このため、給湯運転終了時点では、貯湯タンク下部に混合層、その上部に高温層が存在し、貯湯タンク６内の温度分布は不均一である。ここで、給湯運転時に設定温度よりも若干高めの温度で沸き上げておき、給湯運転終了後に循環ポンプ８を運転して貯湯タンク６内の高温層と混合層とを更に混合して均一な設定温度の湯を蓄えることができる。
特開２００３−１４８８０９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、給湯運転時の沸き上げ温度を設定値よりも若干高めにして運転するため、ヒートポンプサイクルのＣＯＰが低下するという課題を有していた。これはヒートポンプサイクルの特性であり、沸き上げ温度が上昇すると圧縮機の吐出圧力及び消費電力も増大し、結果としてＣＯＰが低下する。また、圧縮機の吐出圧力が上昇すると、圧縮機摺動部分にかかる負荷が増大し、圧縮機の信頼性を損なう可能性があるという課題をも有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができるだけでなく、圧縮機の信頼性をも高めたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、給湯回路と入水温度センサーと補助加熱装置とを備えたタンクユニットとからなり、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度未満の場合は前記ヒートポンプユニットを運転し、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合は前記ヒートポンプユニットの運転を停止して前記補助加熱装置を所定時間だけ運転するものである。

これによって、入水温度が低い場合にはヒートポンプユニットによる高効率な給湯運転を行い、入水温度が上昇した場合には効率が低下するとともに圧縮機の信頼性を損なう可能性があるヒートポンプユニットを停止して、補助加熱装置で沸き上げを行うことになるので、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができるだけでなく、圧縮機の信頼性をも高めることができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができる。

第１の発明は、圧縮機と冷媒対水熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と熱交換器を環状に接続した冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、貯湯タンクと循環ポンプと冷媒対水熱交換器の水側配管を環状に接続した給湯回路と前記冷媒対水熱交換器の水側入口温度を検出する入水温度センサーと補助加熱装置と前記貯湯タンク内の水温を検出する貯湯タンク温度センサーと開閉弁を介した給水配管と給水温度センサーと開閉弁を介した排水配管とを備えたタンクユニットとを有し、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を前記冷媒対水熱交換器で加熱して前記貯湯タンクの上部に戻すヒートポンプ給湯機において、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度未満の場合は前記ヒートポンプユニットを運転し、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合は前記ヒートポンプユニットの運転を停止して前記補助加熱装置を所定時間だけ運転するヒートポンプ給湯機とすることにより、入水温度が低い場合にはヒートポンプユニットによる高効率な給湯運転を行い、入水温度が上昇した場合には効率が低下するとともに圧縮機の信頼性を損なう可能性があるヒートポンプユニットを停止して、補助加熱装置で沸き上げを行うことになるので、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができるだけでなく、圧縮機の信頼性をも高めることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機の貯湯タンク温度センサーを、貯湯タンクの壁面に高さ方向に所定の間隔で設置した複数の壁面温度センサーとし、最下部の壁面温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合に補助加熱装置の運転を停止することにより、貯湯タンク内全体を確実に高温層まで沸き上げると共に、複数の壁面温度センサーにより貯湯タンク内の温度分布を把握することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明のヒートポンプ給湯機の補助加熱装置を、貯湯タンク内部の底部近傍に設置した電気ヒータとしたことにより、ヒートポンプが苦手とする高入水温領域、即ち貯湯タンク内の混合層の水を高温まで容易に沸き上げることができ、貯湯タンク内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機の補助加熱装置を太陽熱利用温水器とし、ヒートポンプユニットの運転を停止してから一旦貯湯タンク下方の水を所定量だけ排水した後、前記太陽熱利用温水器で加熱した温水を前記貯湯タンク内に導入することにより、補助加熱装置の熱源を自然エネルギーで賄えるため、更なる省エネルギー運転が可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機の貯湯タンク温度センサーを、貯湯タンクの壁面に高さ方向に所定の間隔で設置した複数の壁面温度センサーとし、所定数以上の前記壁面温度センサーが沸き上げ温度と給水温度との略中間温度帯を検出した場合、前記貯湯タンク内の水を入れ替えることにより、入水温度が低くヒートポンプユニットのＣＯＰが高い給湯運転を行うことができ、混合層の中温水を低いＣＯＰで長時間かけて高温層まで沸き上げるよりも結果的に高効率な運転が可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプユニットの冷媒回路を、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ことにより、臨界圧力以上に昇圧された冷媒で冷媒対水熱交換器の水側配管内の水を加熱することで、冷媒対水熱交換器の冷媒側配管内の冷媒は、臨界圧力以上に加圧されているので冷媒対水熱交換器の水側配管内の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。従って、冷媒対水熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯（約９０度）が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第７の発明は、特に、第５の発明のヒートポンプ給湯機の冷媒を二酸化炭素としたもので、二酸化炭素冷媒は比較的安価でかつ安定であるため製品コストを抑えるとともに信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の構成図である。図１において、ヒートポンプユニット１５は、圧縮機１１、冷媒対水熱交換器の冷媒側配管１２、電動膨張弁１３、室外熱交換器１４を順次閉接続した冷媒回路から構成されている。また、タンクユニット２５は、貯湯タンク１６、循環ポンプ１７、冷媒対水熱交換器の水側配管１８を環状に接続した給湯回路と冷媒対水熱交換器の水側入口温度を検出する入水温度センサー１９と補助加熱装置２０と貯湯タンク１６内の水温を検出する貯湯タンク温度センサー２１と開閉弁を介した給水配管２２と給水温度センサー２３と開閉弁を介した排水配管２４とから構成されている。また、貯湯タンク温度センサー２１は、貯湯タンク１６の壁面高さ方向に所定の間隔で設置された複数の壁面温センサー２１ａ〜２１ｅからなり、各壁面温度センサー２１ａ〜２１ｅの温度より貯湯タンク１６内の温度分布を検出することができる。補助加熱装置２０は電気ヒータとし、貯湯タンク１６内部の底部近傍に設置されている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。給湯運転時、貯湯タンク１６の下部から取り出された水は、循環ポンプ１７により冷媒対水熱交換器の水側配管１８に搬送され、冷媒対水熱交換器の冷媒側配管１２内の冷媒と熱交換して高温の湯に加熱され、貯湯タンク１６の上部に戻される。いわゆる積層沸き上げ式のヒートポンプである。貯湯タンク１６内では上部に高温層、下部に低温層、両者の間に高温層の湯と低温層の水とが混合して中間温度となった混合層が存在し、給湯運転時間の経過と共に高温層領域の割合が増大する。そして更に運転を続けると、低温層領域がなくなり混合層の水が冷媒対水熱交換器の水側配管１８に搬送されるため、入水温度が上昇する。入水温度が上昇するとヒートポンプユニット１５のＣＯＰが低下すると共に圧縮機１１の吐出圧力も増大し、圧縮機１１の信頼性を損なう可能性が生じる。そこで、入水温度センサー１９の検出温度が所定温度未満の場合はヒートポンプユニット１５を運転し、入水温度センサー１９の検出温度が所定温度以上になった場合はヒートポンプユニット１５の運転を停止して補助加熱装置２０である電気ヒータに所定時間だけ通電して貯湯タンク１６下部の混合層を高温まで沸き上げる。

以上のように、本実施の形態においては、入水温度に応じてヒートポンプユニット１５と補助加熱装置２０の運転を切り替えることにより、貯湯タンク１６内の水を高温、均一かつ高効率で沸き上げることができる。また、圧縮機１１の吐出圧力上昇を防止できるので、圧縮機１１の信頼性を向上させることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態のヒートポンプ給湯機の構成図である。図２において、補助加熱装置を太陽熱利用温水器２６と温水循環ポンプ２７としている。入水温度が所定値以上になってヒートポンプユニット１５の運転を停止してから、一旦貯湯タンク１６下方の水を所定量だけ排水配管２４から排出した後、太陽熱利用温水器２６で加熱した温水を温水循環ポンプ２７により貯湯タンク１６内に導入する。補助加熱装置の熱源を自然エネルギー（太陽熱）で賄えるため、更なる省エネルギー運転が可能となる。

また、本実施の形態の補助加熱装置の熱源としては、燃料電池や燃焼装置の廃熱を利用してもよく、ここに述べたものに限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、比較的小型の家庭向けから、大型貯湯槽を有する集合住宅や工場向けなどへの適用も可能である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の構成図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 冷媒対水熱交換器の冷媒側配管
１３ 電動膨張弁
１４ 室外熱交換器
１５ ヒートポンプユニット
１６ 貯湯タンク
１７ 循環ポンプ
１８ 冷媒対水熱交換器の水側配管
１９ 入水温度センサー
２０ 補助加熱装置
２１ 貯湯タンク温度センサー
２１ａ〜２１ｅ 壁面温度センサー
２２ 給水配管
２３ 給水温度センサー
２４ 排水配管
２５ タンクユニット
２６ 太陽熱利用温水器
２７ 温水循環ポンプ

Claims (7)

1. 圧縮機と冷媒対水熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と熱交換器を環状に接続した冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、貯湯タンクと循環ポンプと冷媒対水熱交換器の水側配管を環状に接続した給湯回路と前記冷媒対水熱交換器の水側入口温度を検出する入水温度センサーと補助加熱装置と前記貯湯タンク内の水温を検出する貯湯タンク温度センサーと開閉弁を介した給水配管と給水温度センサーと開閉弁を介した排水配管とを備えたタンクユニットとを有し、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を前記冷媒対水熱交換器で加熱して前記貯湯タンクの上部に戻すヒートポンプ給湯機において、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度未満の場合は前記ヒートポンプユニットを運転し、前記入水温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合は前記ヒートポンプユニットの運転を停止して前記補助加熱装置を所定時間だけ運転するヒートポンプ給湯機。
2. 貯湯タンク温度センサーは、貯湯タンクの壁面に高さ方向に所定の間隔で設置した複数の壁面温度センサーからなり、最下部の壁面温度センサーの検出温度が所定温度以上になった場合に補助加熱装置の運転を停止する請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 補助加熱装置は、貯湯タンク内部の底部近傍に設置した電気ヒータである請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 補助加熱装置は太陽熱利用温水器であり、ヒートポンプユニットの運転を停止してから一旦貯湯タンク下方の水を所定量だけ排水した後、前記太陽熱利用温水器で加熱した温水を前記貯湯タンク内に導入する請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 貯湯タンク温度センサーは、貯湯タンクの壁面に高さ方向に所定の間隔で設置した複数の壁面温度センサーからなり、所定数以上の前記壁面温度センサーが沸き上げ温度と給水温度との略中間温度帯を検出した場合、前記貯湯タンク内の水を入れ替える請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 冷媒回路は、高圧側の冷媒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ガスクーラの水または空気を加熱する請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項６記載のヒートポンプ給湯機。

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