JP2005134062A - ヒートポンプ式給湯装置及び分岐ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな給湯能力を有しながらも、省エネルギー化を図った高効率運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】 貯湯タンク１内の温湯が減少したときに、タンク底部側の未加熱水を加熱してタンク頂部側へと返流する追い炊き運転を行うヒートポンプ式給湯装置において、貯湯タンク１に複数台のヒートポンプ式の給湯ユニット２・２を接続し、追い炊き運転を行う給湯ユニット２・２を給湯負荷に応じて選択するユニット制御手段４を設けた。各給湯ユニット２・２に対して、追い炊き運転を開始する優先順位が定められ、ユニット制御手段４は、給湯負荷に応じて、追い炊き運転を行う給湯ユニット２・２を優先順位に従って選択する。所定期間毎に、給湯ユニット２・２の優先順位を変更する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯装置と、このヒートポンプ式給湯装置に使用するのに好適な分岐ユニットに関するものである。

ヒートポンプ式給湯装置において、深夜電力を利用して貯湯タンク内の水を沸き上げ、これを昼間等において使用することは公知である。このような給湯装置を、業務用に用いようとすると、使用湯量が多いことから、大容量の貯湯タンクが必要となる。そこで、例えば特許文献１においては、複数の貯湯タンクを直列に接続して大きな容量を確保している。しかしながら、複数の貯湯タンクを用いる場合には、それに応じた大きな設置スペースが必要となり、使用可能な場所が制限される。このような制約を解消しようとすれば、貯湯タンクの数をできるだけ少なく抑えると共に、大きな能力を有するヒートポンプを採用することが考えられる。すなわち、深夜電力を利用した沸き上げ量は減少するものの、昼間等の給湯利用時に、給湯要求がある分だけ追い炊き運転を行うような方策を採用するのである。
特開２００１−２６３８０９号

しかしながら、昼間等の給湯利用時における給湯負荷は一定ではなく、むしろ大きく変化するものである。このような状況下において、大きな能力のヒートポンプを使用すると、エネルギー効率が低下してしまうという問題が生じる。すなわち、大きな能力のヒートポンプにおける高効率点は、やはり能力の大きな点に存するので、これを小さい能力で使用すると効率が低下するのである。例えば、飲食店においては、昼食時には大きな給湯能力が要求される反面、それ以外の閑散時には小さな給湯能力でよい。こような場合に、昼食時に合わせた能力を有するヒートポンプを使用すると、それ以外の閑散時、深夜沸き上げ時においては、長時間にわたって低効率運転を行うことが余儀なくされる。

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、大きな給湯能力を有しながらも、省エネルギー化を図った高効率運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。また、制御構成が簡素で、使用寿命を向上し得るヒートポンプ式給湯装置を提供することもこの発明の目的である。さらに、上記のようなヒートポンプ式給湯装置を構成する際に、好適に使用し得る分岐ユニットを提供することも目的としている。

そこで請求項１のヒートポンプ式給湯装置は、貯湯タンク１を有し、この貯湯タンク１内の温湯が減少したときに、タンク底部側の未加熱水を加熱してタンク頂部側へと返流する追い炊き運転を行うヒートポンプ式給湯装置において、上記貯湯タンク１に複数台のヒートポンプ式の給湯ユニット２・２を接続し、追い炊き運転を行う給湯ユニット２・２を給湯負荷に応じて選択するユニット制御手段４を設けたことを特徴としている。

請求項１のヒートポンプ式給湯装置では、給湯負荷が生じ、貯湯タンク１内の温湯が減少すると、追い炊き運転が開始される。この追い炊き運転に際しては、ユニット制御手段４によって、運転を開始すべき給湯ユニット２・２が選択される。給湯ユニット２・２の選択は、給湯負荷に応じて行われるので、運転を開始すべき給湯ユニット２・２の台数もユニット制御手段４において定められる。ここにおいて、給湯負荷とは、実際の給湯負荷、例えば単位時間当たりの給湯量を意味することがあるし、また予想される給湯負荷を意味する場合もある。例えば、１２時から１５時の間の給湯負荷は高、１８時から２１時の給湯負荷は中、それ以外の時間帯は低と予め定めておき、その時間帯になれば給湯負荷が変化したものとして、ユニット制御手段４によって、運転を開始すべき給湯ユニット２・２の台数を変化させるのである。

請求項２のヒートポンプ式給湯装置は、上記各給湯ユニット２・２に対して、追い炊き運転を開始する優先順位が定められ、上記ユニット制御手段４は、給湯負荷に応じて、追い炊き運転を行う給湯ユニット２・２を優先順位に従って選択することを特徴としている。

請求項２のヒートポンプ式給湯装置では、各給湯ユニット２・２に対して優先順位を定めておき、追い炊き運転を行う給湯ユニット２・２を優先順位に従って選択する制御を行うので、制御構成が簡素になり、また安定した制御が行える。

請求項３のヒートポンプ式給湯装置は、上記ユニット制御手段４は、所定期間毎に、上記給湯ユニット２・２の優先順位を変更することを特徴としている。

上記請求項２のような制御を行った場合、最も優先順位が高い給湯ユニット２・２は、使用頻度が最も高くなる。従って、各給湯ユニット２・２間に稼動時間の差が生じる。そこで上記請求項３においては、所定期間毎に、給湯ユニット２・２の優先順位を変更するようにしている。この結果、使用頻度の高い給湯ユニット２・２が順に移っていき、各給湯ユニット２・２間の積算稼動時間が平均化する。ここにおいて、所定期間とは、例えば、装置の運転、停止にかかわらず１０００時間、あるいは４０日とするというように時間あるいは暦に従って定めることができる。あるいは、最も優先順位が高い給湯ユニット２・２の運転時間、最も優先順位が高い給湯ユニット２・２の発停回数等種々の指数を期間とすることもできる。

請求項４のヒートポンプ式給湯装置用の分岐ユニットは、貯湯タンク１の底部側に接続される水入口２１と、貯湯タンク１の頂部側に接続される温湯出口２２と、複数の給湯ユニット２・２にそれぞれ接続されると共に、上記水入口２１に接続される複数の水出口２３・２３と、複数の給湯ユニット２・２にそれぞれ接続されると共に、上記温湯出口２２に接続される複数の温湯入口２４・２４とを備え、上記水入口２１から分岐して各水出口２３・２３へと向かう分岐水流路２５・２５には、それぞれ循環ポンプ２６・２６を介設し、上記各温湯入口２３・２３に接続された分岐温湯流路２７・２７は合流させて上記温湯出口２２に接続し、上記各分岐温湯流路２７・２７には、上記温湯出口２２への連通状態と遮断状態を切換る切換手段２９・２９を介設したことを特徴としている。

上記請求項４の分岐ユニット３では、上記請求項１〜請求項３のヒートポンプ式給湯装置において使用するのに好適である。すなわち、市販されている貯湯タンク１に対して、分岐ユニット３を接続し、分岐ユニット３に対して、市販されている複数台の給湯ユニット２・２を接続することで、請求項１〜請求項３のヒートポンプ式給湯装置の基本構成部を構成可能である。また、各給湯ユニット２・２の貯湯タンク１に対する配管接続構成の簡素化、作業容易化に寄与できる。

請求項５のヒートポンプ式給湯装置用の分岐ユニットは、上記各分岐温湯流路２７・２７における切換手段２９・２９の前位には、温湯入口２４・２４側への逆流を防止するためのチェック弁２８・２８が介設されていることを特徴としている。

上記請求項５の分岐ユニットでは、分岐ユニット３の動作信頼性を確保できる。

請求項１のヒートポンプ式給湯装置においては、１台の大能力給湯ユニットを、給湯負荷に応じて、大能力で使用したり、小能力で使用するのではなく、複数台の給湯ユニットを用い、給湯負荷に応じて、給湯ユニットの運転台数を変化させるようにしている。そのため、大能力給湯ユニットを小能力で使用する場合のような低効率運転を回避できる。従って、所望の給湯能力を有しながらも、省エネルギー化を図った高効率運転を行うことが可能となる。また、給湯ユニットは、貯湯タンクに比較して、設置スペースがすくなくてよいのに加えて、積層配置する等の省スペース化が行い易いので、複数の貯湯タンクを並設する場合のように大きなスペースは要さず、設置場所の制約が大幅に緩和される。

請求項２のヒートポンプ式給湯装置によれば、追い炊き運転を行う給湯ユニットを優先順位に従って選択する制御を行うので、制御構成が簡素になり、また安定した制御が行えるので、装置の信頼性が向上する。

請求項３のヒートポンプ式給湯装置によれば、各給湯ユニット間の積算稼動時間が平均化するので、装置全体として見た場合に、その使用寿命を向上することができる。

請求項４の分岐ユニットによれば、上記請求項１〜請求項３のヒートポンプ式給湯装置において使用するのに好適であり、装置基本構成部をコンパクト、かつ安価に構成できることになる。また、各給湯ユニットの貯湯タンクに対する配管接続構成の簡素化、作業容易化に起因するコンパクト化、低コスト化が行える。

請求項５の分岐ユニットによれば、分岐ユニットの動作信頼性を確保できる。

次に、この発明のヒートポンプ式給湯装置と分岐ユニットと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装置の簡略図を示し、このヒートポンプ式給湯装置は、１本の貯湯タンク１と、３台の給湯ユニット（熱源ユニット）２Ａ、２Ｂ、２Ｃとを備えたもので、貯湯タンク１の水（低温湯）をヒートポンプ式の給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃにて加熱するものである。各給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃは分岐ユニット３を介して貯湯タンク１に接続されており、各給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃの作動は、ユニット制御手段４によって制御される。そして、貯湯タンク１に貯湯された温湯が、例えば飲食店の調理場等（図示省略）に供給されるようになっている。なお、以下の記載において、給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃの全体は、符号２で指すことがある。

貯湯タンク１には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に出湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク１に市水が供給され、出湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク１には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、頂部側（周壁の上部）に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが配管１２、１３を介して上記分岐ユニット３に接続サされている。さらに、貯湯タンク１に上部側には、残湯量検出手段（サーミスタ）１４が取付けられ、その出力がユニット制御手段４に入力されている。

次に、分岐ユニット３について、図２に基づいて説明する。分岐ユニット３は、その貯湯タンク１側の構成として、貯湯タンク１の底部側に設けた取水口１０に接続した配管１３に接続される水入口２１と、貯湯タンク１の頂部側に設けた湯入口１１に接続した配管１２に接続される温湯出口２２とを有している。また、給湯ユニット２側の構成として、３台の給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃにそれぞれ接続される３個の水出口２３・２３と、３台の給湯ユニット２Ａ、２Ｂ、２Ｃにそれぞれ接続される温湯入口２４・２４とを備えている。上記水入口２１から分岐して各水出口２３・２３へと向かう分岐水流路２５・２５には、それぞれ循環ポンプ２６・２６を介設している。また、上記各温湯入口２４・２４に接続された分岐温湯流路２７・２７には、各温湯入口２４・２４側から順に、チェック弁２８・２８と三方切換弁２９・２９とが介設されている。上記チェック弁２８・２８は、各温湯入口２４・２４側への逆流を防止するためのものである。上記三方切換弁２９・２９は、各温湯入口２４・２４の上記温湯出口２２への連通状態と遮断状態を切換る切換手段となるものである。そして、上記各三方切換弁２９・２９の後位において、各分岐温湯流路２７・２７を合流させて上記温湯出口２２に接続している。この温湯出口２２は、配管１２によって貯湯タンク１の湯入口１１に接続されている。なお、上記した通り、三方切換弁２９・２９の１次側は、各温湯入口２４・２４に、また一方の２次側は、上記温湯出口２２に接続しているが、三方切換弁２９・２９の他方の２次側は、合流させて連通路３０を介して貯湯タンク１の底部に接続している。これは、三方切換弁２９・２９の切換時のショックを軽減するための構成である。

次に、給湯ユニット２について説明する。上記した通り、この実施形態のヒートポンプ式給湯装置は、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット３Ｃという３台の給湯ユニット（ヒートポンプユニット）２を備えているが、これらは全て同一構成であるため、第１給湯ユニット２Ａを詳細に図示して、他の給湯ユニット２Ｂ、２Ｃの詳細な図示は省略している。以下の説明は、全ての給湯ユニット２に共通するものである。給湯ユニット２は、冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機３１と、水熱交換器３２と、電動膨張弁（減圧機構）３３と、空気熱交換器（蒸発器）３４とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機３１の吐出管３５を水熱交換器３２に接続し、水熱交換器３２と電動膨張弁３３とを冷媒通路３６にて接続し、電動膨張弁３３と空気熱交換器３４とを冷媒通路３７にて接続し、空気熱交換器３４と圧縮機３１とをアキュームレータ３８が介設された冷媒通路３９にて接続している。また、上記分岐ユニット３の各水出口２３・２３と各温湯入口２４・２４とを結ぶ循環路４０・４０の途中が上記水熱交換器３２を、熱交換可能に通過している。

そして、上記給湯ユニット２においては、圧縮機３１を駆動すると、吐出された冷媒が水熱交換器３２で凝縮し、電動膨張弁３３で減圧され、空気熱交換器３４で蒸発して圧縮機３１へと返流される。このとき、上記水熱交換器３２において、循環路４０・４０を流れる水が加熱される。

次に、第１給湯ユニット２Ａを例にして、給湯運転時の作動状態について説明する。まず、分岐ユニット３においては、循環ポンプ２６を作動すると共に、三方切換弁２９は、切換位置に位置し、温湯入口２４が温湯出口に連通した状態となっている。また、給湯ユニット２Ａにおいては、圧縮機３１を駆動する。ポンプ作動により、貯湯タンク１の底部の水が、取出口１０から配管１３、分岐ユニット３の水入口２１、分岐水流路２５、循環ポンプ２６、水出口２３をそれぞれ通って、循環路４０に至る。この循環路４０において、水熱交換器３２によって加熱され、温湯となる。この温湯は、循環路４０から、温湯入口２４、分岐温湯流路２７、チェック弁２８、三方切換弁２９をそれぞれ通って、湯出口２２から、配管１２を経由して、貯湯タンク１の湯入口１１へと返流される。このような動作を継続して行うことで、貯湯タンク１内の水を沸き上げていく。

この実施形態のヒートポンプ式給湯装置においては、電力の安価な深夜に貯湯タンク１に温湯を貯湯しておき、昼間にこれを使用する。また、昼間の使用時に、残湯量検出手段１４で検出された残湯量が所定量以下になったときに、追い炊き運転を行って、湯切れを防止するようにしている。このような運転を行うときに、上記ユニット制御手段４によって、優先順位に従い、運転する給湯ユニット２を選択するのである。

上記ユニット制御手段４は、上記のように、上記給湯ユニット２と上記分流ユニット３の動作を制御するものであるが、いま、ユニット制御手段４において、優先順位が、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット２Ｃの順になっている場合の装置作動状態について説明する。図３に示すように、０時から開始される深夜時間帯においては、深夜電力を利用した沸き上げ運転が、第１給湯ユニットＡによって開始される。１台だけを運転するのは、深夜における低騒音化を考慮したためである。次に９時から１２時に至る間の給湯負荷が小と想定される時間帯は、追い炊き運転用に、第１給湯ユニット２Ａだけが準備されている。すなわち、この時間帯において、残湯量検出手段１４の検出結果により、追い炊き要求があった場合には、第１給湯ユニット２Ａだけを運転する。そして、１２時から１５時に至る間の給湯負荷が高と想定される時間帯は、追い炊き運転用に、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット２Ｃの全てが準備されている。すなわち、この時間帯において、残湯量検出手段１４の検出結果により、追い炊き要求があった場合には、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット２Ｃの全てを同時に運転する。また、１５時から１８時に至る間の給湯負荷が小と想定される時間帯において、追い炊き要求があった場合には、第１給湯ユニット２Ａだけを運転する。１８時から２１時に至る間の給湯負荷が中と想定される時間帯は、追い炊き運転用に、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂの２台が準備されている。すなわち、この時間帯において、残湯量検出手段１４の検出結果により、追い炊き要求があった場合には、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂの２台を同時に運転する。また、２１時から２４時に至る間の給湯負荷が小と想定される時間帯において、追い炊き要求があった場合には、第１給湯ユニット２Ａだけを運転する。

上記ユニット制御手段４において、優先順位が、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット２Ｃの順になっているが、この優先順位は、所定期間、例えば１０００時間毎に変更する。１０００時間が経過すれば、優先順位を、第２給湯ユニット２Ｂ、第３給湯ユニット２Ｃ、第１給湯ユニット２Ａの順にし、さらに１０００時間が経過すれば、優先順位を、第３給湯ユニット２Ｃ、第１給湯ユニット２Ａ、第２給湯ユニット２Ｂの順にする。また、いずかの給湯ユニット２に故障が発生した場合には、上記組み合わせを適宜変更する。

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、冷媒としては、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）、クロロジフルオロメタン（Ｒ−２２）、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１３４ａ）のような冷媒であっても、二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等の超臨界で使用する冷媒であってもよいが、高温の温湯を得るという観点からは、超臨界で使用する冷媒が好ましい。なお、冷媒が超臨界で使用する冷媒であれば、水熱交換器３２は、圧縮機３１にて圧縮された高温・高圧の超臨界冷媒を冷却する機能を有するガス冷却器となる。また上記においては、単一の貯湯タンク１を用いた例を示しているが、機能的に単一の貯湯タンクとして取扱えるのものであれば、例えば、複数の貯湯タンクを直列接続した構成のものであってもよい。

この発明のヒートポンプ式給湯装置の実施形態を示す簡略ブロック図である。 上記ヒートポンプ式給湯装置の回路図である。 上記ヒートポンプ式給湯装置の運転制御方法を示すタイムチャート図である。

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ 給湯ユニット
３ 分岐ユニット
２１ 水入口
２２ 温湯出口
２３ 水出口
２４ 温湯入口
２５ 分岐水流路
２６ 循環ポンプ
２７ 分岐温湯流路
２８ チェック弁
２９ 三方切換弁

Claims (5)

1. 貯湯タンク（１）を有し、この貯湯タンク（１）内の温湯が減少したときに、タンク底部側の未加熱水を加熱してタンク頂部側へと返流する追い炊き運転を行うヒートポンプ式給湯装置において、上記貯湯タンク（１）に複数台のヒートポンプ式の給湯ユニット（２・２）を接続し、追い炊き運転を行う給湯ユニット（２・２）を給湯負荷に応じて選択するユニット制御手段（４）を設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 上記各給湯ユニット（２・２）に対して、追い炊き運転を開始する優先順位が定められ、上記ユニット制御手段（４）は、給湯負荷に応じて、追い炊き運転を行う給湯ユニット（２・２）を優先順位に従って選択することを特徴とする請求項１のヒートポンプ式給湯装置。
3. 上記ユニット制御手段は、所定期間毎に、上記給湯ユニット（２・２）の優先順位を変更することを特徴とする請求項２のヒートポンプ式給湯装置。
4. 貯湯タンク（１）の底部側に接続される水入口（２１）と、貯湯タンク（１）の頂部側に接続される温湯出口（２２）と、複数の給湯ユニット（２・２）にそれぞれ接続されると共に、上記水入口（２１）に接続される複数の水出口（２３・２３）と、複数の給湯ユニット（２・２）にそれぞれ接続されると共に、上記温湯出口（２２）に接続される複数の温湯入口（２４・２４）とを備え、上記水入口（２１）から分岐して各水出口（２３・２３）へと向かう分岐水流路（２５・２５）には、それぞれ循環ポンプ（２６・２６）を介設し、上記各温湯入口（２３・２３）に接続された分岐温湯流路（２７・２７）は合流させて上記温湯出口（２２）に接続し、上記各分岐温湯流路（２７・２７）には、上記温湯出口（２２）への連通状態と遮断状態を切換る切換手段（２９・２９）を介設したことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置用の分岐ユニット。
5. 上記各分岐温湯流路（２７・２７）における切換手段（２９・２９）の前位には、温湯入口（２４・２４）側への逆流を防止するためのチェック弁（２８・２８）が介設されていることを特徴とする請求項４の分岐ユニット。