JP2005241206A

JP2005241206A - ヒートポンプ給湯装置

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Publication number: JP2005241206A
Application number: JP2004054086A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Takatani; 隆幸高谷; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Keijiro Kunimoto; 啓次郎國本; Masahiro Ohama; 昌宏尾浜; Kazuhiko Marumoto; 一彦丸本; Nobuhiko Fujiwara; 宣彦藤原; Tatsumura Mo; 立群毛; Seiichi Yasuki; 誠一安木; Tetsuei Kuramoto; 哲英倉本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP3856003B2

Abstract

【課題】貯湯タンクと併用運転時、ヒートポンプ回路が最大加熱量制御を行うため、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止する。
【解決手段】圧縮機１０１、給湯用熱交換器１０２、膨張弁１０４、及び蒸発器１０５を配管で接続したヒートポンプサイクル１００とヒートポンプサイクル１００を用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンク１２０を備え、ヒートポンプサイクル１００の加熱量が最大になるように制御する最大加熱量制御手段１６３を備えているので、貯湯タンクと併用運転時、ヒートポンプ回路が最大加熱量制御を行うため、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来から、種々のヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が提案されている。この装置において、運転を開始した直後のように水熱交換器からの湯の温度が低い場合を除いて、水熱交換器で焚き上げた湯を直接使用端末に供給する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

図４は特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の冷媒回路等を示す全体構成図である。図４に示すように、ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１と、冷媒を凝縮させる凝縮器３と、レシーバー４と、減圧装置５と、蒸発器６と、アキュームレータ７と、バイパス弁８を冷媒配管で接続して構成され、その中に冷媒が封入されている。そして、蒸発器６は、凝縮器３で液状に変化した冷媒を蒸発させ、送風機９により通風される外気から熱を吸収するようになっている。

一方、水循環回路２２は、給湯タンク１３、循環弁１４、循環ポンプ１５、水加熱器１１、三方弁１２を水配管で接続して構成されている。

また、ヒートポンプ給湯機への水の供給回路は、水道などに接続された給水管１６、この給水管１６に設けられた給水弁１７、給湯タンク１３に接続された給水管１９、水加熱器１１に接続された給水管１９Ａ、入口側が給水管１６に接続されると共に出口側が給水管１９、１９Ａに接続された三方弁１８を備えて構成されている。

また、使用端末２８への給湯回路は、水加熱器１１、三方弁１２、給湯管２０、流量計２１を通って給湯される経路と、給湯タンク１３、給湯管２０、流量計２１を通って給湯される経路との２つの経路で構成されている。すなわち、給湯管２０は分岐されて水加熱器１１及び給湯タンク１３に接続されている。また、三方弁１２、１８は、給湯タンク１３からの給湯と水加熱器１１からの給湯とを切換える弁を構成している。

上述した給湯タンク１３、給湯管２０、流量計２１を通って給湯される経路は、ヒートポンプ回路１０の運転を開始した直後において、水加熱器１１からの湯の温度が充分に上がりきらないときに、給湯タンク１３に貯蔵されている高温の湯を補助的に供給する過渡的な経路である。そして、ヒートポンプ回路１０、給湯タンク１３を含めた水循環回路２２及びその他の機器等が一つの箱体２３の中に組込まれている。

使用端末２８にはキッチン等の蛇口２４、浴室の蛇口２５、浴室のシャワー２６、浴槽２７等があり、給湯管２０及び給水管１６に接続されている。蛇口２４、２５、シャワー２６は、湯と水を混合するミキシングバルブを内蔵している。

また、制御装置３０には、給湯管２０の流量を検出する流量計２１の流動センサー２１Ｓ、水加熱器１１の出口側の温度を検出する温度センサー１１Ｓ、給湯タンク１３の上部の温度を検出する温度センサー１３Ｓ、蒸発器６の温度を検出する温度センサー６Ｓ、外気の温度を検出する温度センサー３１が接続され、各センサーからそれぞれの信号が制御装置３０に入力される。制御装置３０は、それらの信号に応じて関連する機器へ制御信号が発信され、ヒートポンプ給湯機の運転状態を制御する。
特開２００３−３１４８９２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプ回路の運転を開始する時の過渡期だけ給湯タンク内に貯蔵している高温の湯を使用して補助的に使用端末に湯を供給しているので、圧縮機、凝縮器、蒸発器などのヒートポンプ回路を構成する仕様が冬場などの最大負荷に対応できる容量が必要となり、圧縮機、凝縮器、蒸発器などのヒートポンプ回路を構成する仕様が大型化になるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプサイクルを利用した給湯装置であって、圧縮機、凝縮器、蒸発器などのヒートポンプ回路を構成する仕様を小型化するとともに、湯切れを防止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装置は、ヒートポンプサイクルの加熱量が最大になるように制御する最大加熱量制御手段を備えている。

これによって、冬場など負荷が大きい場合、ヒートポンプサイクルの加熱量が最大になるように制御するとともに、タンク内に貯蔵している高温の湯と混合して供給している。このように、タンク内に貯蔵している高温の残湯を最大限に確保しつつ、高負荷にも対応可能であるので、ヒートポンプ回路を構成する仕様を小型化にするとともに、湯切れを防止できる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、凝縮器、蒸発器などのヒートポンプ回路を構成する仕様を小型化するとともに、湯切れを防止することができる。

第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルと前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプサイクルの加熱量が最大になるように制御する最大加熱量制御手段を備えている。従って、貯湯タンクと併用運転時、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯装置に風呂用熱交換器を備えた。従って、風呂の追い焚きができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明において、前記ヒートポンプサイクルの加熱量より給湯負荷または風呂注湯負荷の方が大きい場合、前記最大加熱量制御手段に切り換えられる。従って、貯湯タンクから使用する高温の湯量を最小限にでき、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明において、前記貯湯タンクの残湯量により前記最大加熱量制御手段に切り換えられる。従って、貯湯タンクと併用運転時、貯湯タンクの残湯量が少なくなった場合、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明において、前記最大加熱量制御手段は、前記給湯用熱交換器に流れる給湯流量を増加させる。従って、ヒートポンプサイクルの吐出圧力を低下させることができ、同じ運転周波数の場合冷媒循環量が増加し、加熱量を増加させることができるとともに、運転効率も向上する。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明において、前記最大加熱量制御手段は、前記給湯用熱交換器出口温度の目標値を給湯設定温度または風呂注湯設定温度より低い温度に制御する。従って、安易な方法で、ヒートポンプサイクルの吐出圧力を低下させることができ、同じ運転周波数の場合冷媒循環量が増加し、加熱量を増加させることができるとともに、運転効率も向上する。

第７の本発明は、特に、第１〜６のいずれか一つの発明において、ヒートポンプサイクルを複数備えている。従って、出湯流量に応じてヒートポンプサイクルの運転台数を切り換え、幅広い能力において効率の良い運転が可能となる。

第８の本発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明において、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転している。従って、高温の湯を生成することができ、また高温の湯を貯湯できるので貯湯タンクを小型化できる。

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、本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の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の全体構成図である。図２は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の熱交換器出口温度と加熱能力の関係を示した図である。図３は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の最大加熱量制御のフローチャートである。

図１において、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の冷凍回路について説明する。ヒートポンプサイクル１００は、圧縮機１０１、給湯用熱交換器１０２、風呂用熱交換器１０３、膨張弁１０４、及び蒸発器１０５を順に配管で接続して構成されている。また、ヒートポンプサイクル１００は、給湯用熱交換器１０２をバイパスするバイパス回路１０６を備え、このバイパス回路１０６には制御弁１０７を設けている。さらにヒートポンプサイクル１００に対応する蒸発器１０５に送風するためのファン１０８を設けている。

本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の出湯回路について説明する。給湯用熱交換器１０２の水用配管１０２Ａの流入側は、流量調整弁１１１、減圧弁１１２、及び逆止弁１１３を介して水道管等の水供給配管１１４に接続されている。水用配管１０２Ａの流出側は、逆止弁１１５、第一混合弁１１６、及び第二混合弁１１７を介してキッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口１１８に接続されている。この出湯回路には、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口１１８の流量を検出する流量センサー１１９を備えている。又、水用配管１０２Ａの流出側には、水温を検出する給湯用熱交出口温度センサー１０２Ｂを備えている。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の貯湯回路について説明する。貯湯タンク１２０の底部配管１２２は、逆止弁１２１、減圧弁１１２、及び流量調整弁１１１を介して水道管等の水供給配管１１４に接続されている。この底部配管１２２は、循環ポンプ１２３を介して水用配管１０２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク１２０の上部循環用配管１２４は、制御弁１２５を介して水用配管１０２Ａの流出側と接続されている。なお、本発明の実施例による貯湯タンク１２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

一方、貯湯タンク１２０の上部出湯用配管１３１は、第一混合弁１１６に接続されている。また、貯湯タンク１２０の底部配管１２２から分岐させた出水用配管１３２は、逆止弁１３３を介して第二混合弁１１７に接続されている。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の風呂加熱回路について説明する。風呂用熱交換器１０３の水用配管１０３Ａは、循環ポンプ１４１を備えた浴槽用循環配管１４２と接続されている。この浴槽用循環配管１４２は、水用配管１０３Ａをバイパスするバイパス配管１４３と、水用配管１０３Ａとバイパス配管１４３とを切り換える三方弁１４４とを備えている。

なお、浴槽１４０への注湯は、第一混合弁１１６の下流側配管に接続した注湯用配管１５１を用いて行うことができる。この注湯用配管１５１は、浴槽用循環配管１４２に接続している。注湯用配管１５１には、注湯弁１５２および、風呂への注湯量を検出するための流量センサー１５３が設けられている。

リモコン１６１は、蛇口１１８からの出湯温度の指示や、浴槽１４０の沸き上げ温度及び沸き上げ開始などを指示し、このリモコン１６１からの指示に基づいてヒートポンプサイクル１００とを制御手段１６２にて制御する。なお各種のセンサーの検出値はこの制御手段１６２に入力されると共に、圧縮機１０１、膨張弁１０４、ファン１０８の制御に関しては、この制御手段１６２から出力された結果により制御される。また、最大加熱量制御手段１６３も制御手段１６２の中に含まれている。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の給湯運転動作について説明する。蛇口１１８の開放を流量センサー１１９にて検知すると、ヒートポンプサイクル１００が運転を開始する。

圧縮機１０１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１０２で放熱し、風呂用熱交換器１０３を通り、膨張弁１０４で減圧された後、蒸発器１０５にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１０１に吸入される。このとき、制御弁１０７は閉状態で、バイパス回路１０６には冷媒は流れない。

水供給配管１１４から供給される水は、流量調整弁１１１、減圧弁１１２、及び逆止弁１１３を順に通り、分岐して、給湯用熱交換器１０２の水用配管１０２Ａに導かれる。水用配管１０２Ａで加熱された温水は、逆止弁１１５、第一混合弁１１６、及び第二混合弁１１７を順に通り蛇口１１８に導かれる。

なお、ヒートポンプサイクル１００で能力制御を行っても、給湯用熱交換器１２からの水温が設定温度よりも高い場合には、出水用配管１３２から第二混合弁１１７に冷水を導入し、第二混合弁１１７での出口温度が設定温度となるように制御する。

また、給湯負荷がヒートポンプサイクル１００の加熱量より大きい場合、貯湯タンク１２０から第一混合弁１１６に温水を導入し、第一混合弁１１６での出口温度が設定温度となるように制御する。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の風呂注湯運転動作について説明する。リモコン１６１にて、風呂注湯の指示により、ヒートポンプサイクル１００が運転を開始する。

水供給配管１１４から供給される水は、流量調整弁１１１、減圧弁１１２、及び逆止弁１１３を順に通り、分岐して、給湯用熱交換器１０２の水用配管１０２Ａに導かれる。水用配管１０２Ａで加熱された温水は、逆止弁１１５、第一混合弁１１６、注湯弁１５２、及び注湯用配管１５１を順に通り浴槽１４０に導かれる。

なお、風呂注湯負荷がヒートポンプサイクル１００の加熱量より大きい場合、貯湯タンク１２０から第一混合弁１１６に温水を導入し、第一混合弁１１６での出口温度が設定温度となるように制御する。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の熱交換器出口温度と加熱能力の関係を図２で説明する。図２は、外気温、入水温度等をある条件に設定した場合の給湯用熱交換器出口温度と加熱能力の一例を示しており、運転周波数と熱交換流量をパラメータとして、熱交換器出口温度と加熱能力の関係を示し、熱交換器出口温度を横軸に、加熱能力を縦軸にとっている。図２において、熱交換器出口温度と加熱能力の関係は、３つの領域に区別される。１つ目は、機器（水冷媒熱交換器の圧力損失等）の特性により、熱交換流量が制約されることによる加熱能力の上限である。２つ目は、圧縮機の運転周波数の上限による加熱能力の上限である。３つ目は、ヒートポンプサイクルの圧力の上限または、圧縮機の電流値の上限による加熱能力の上限である。

図２より、最大加熱能力となる熱交換器出口温度Ｔｃがあり、最大加熱量制御は、例えばこの熱交換器出口温度Ｔｃを目標値として運転を行う。この熱交換器出口温度Ｔｃは、外気温度、入水温度等によりことなるので、予め実験等により決定しておく必要があり、例えば、（表１）に示す様に、設定されている。また、簡略化して、外気温度を除き例えば、（表２）に示す様に、設定しても良い。

次に、本発明の第１の形態におけるヒートポンプ給湯装置の最大加熱量制御に関して図３のフローチャートで説明する。この最大加熱量制御は、給湯負荷または、注湯負荷が、ヒートポンプサイクルの加熱量以上の場合、リモコンからの設定温度を給湯用熱交換器出口（水側）の制御目標値にするのではなく、最大加熱能力となる給湯用熱交換器出口温度Ｔｃを制御目標値として運転する制御である。

まず、給湯運転の場合、蛇口１１８の開放を流量センサー１１９にて検知すると、圧縮機１０１がスタートする。また、貯湯運転の場合、貯湯タンク１２０に取り付けた温度センサー（図示せず）から検出された温度により、例えば、予め設定しておいた温度より低い場合、圧縮機１０１がスタートする。また、風呂加熱運転および風呂注湯運転の場合、リモコン１６１からの指示に基づいて、圧縮機１０１がスタートする（ステップ１）。

次に、給湯運転または、風呂注湯運転であるか判断される（ステップ２）。給湯運転または、風呂注湯運転である場合、給湯負荷または、注湯負荷を、例えば、（数１）に示す様に計算し、所定値すなわちヒートポンプサイクルの加熱量（例えば、８ｋＷ）以上であるか判断される（ステップ３）。言い換えれば、ヒートポンプ回路と貯湯タンクと併用運転であるかどうかか判断される。

次に、給湯負荷または、注湯負荷が所定値以上の場合、給湯用熱交換器１０２出口の制御目標値（熱交出口温度センサー１０２Ｂの温度）が、例えば、（表１）または（表２）に示す様に設定される（ステップ４）。すなわち、ヒートポンプサイクルの吐出圧力を低下させることができ、同じ運転周波数の場合冷媒循環量が増加し、加熱量を増加させることができるとともに、運転効率も向上する。ヒートポンプサイクルが最大加熱量で運転される。また、第一混合弁１１６が、給湯用熱交換器１０２を流れる流量を増加させるように制御しても良い。

なお、給湯用熱交換器１０２出口の制御目標値（熱交出口温度センサー１０２Ｂの温度）を、（表１）または（表２）ではなく、リモコン１６１の設定値より低い値（例えば、リモコン１６１の設定値が４２℃の場合、４０℃）に設定しても良い。この場合、ヒートポンプサイクルが加熱する加熱量は最大加熱量より若干低下するが、給湯負荷がヒートポンプサイクルの加熱量より小さくなった時、ヒートポンプサイクルと給湯タンクの併用運転から、ヒートポンプサイクルの給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する運転に切り換えるため、給湯用熱交換器１０２出口の制御目標値が（表１）または（表２）に比べ、リモコン１６１の設定値に近いため、短時間で設定温度のお湯を供給できる利点がある。

ステップ２で、給湯運転または、風呂注湯運転でない場合、すなわち貯湯運転または、風呂加熱運転の場合であり、貯湯運転または、風呂加熱運転の場合は、最大加熱量制御は行わない。また、ステップ３で、給湯負荷または、注湯負荷が所定値未満の場合、給湯用熱交換器１０２出口の制御目標値は、リモコン１６１の設定値に設定される。従って、ヒートポンプ回路と貯湯タンクと併用運転を行わず、ヒートポンプ回路から直接、給湯運転または、風呂注湯運転を行う。

以上のように本実施例のヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクと併用運転時、ヒートポンプ回路が最大加熱量制御を行うため、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができる。

なお、本実施の形態では、給湯時の制御で説明したが、風呂への注湯時の制御も同様である。

また、本実施の形態では、給湯負荷または、注湯負荷がヒートポンプサイクルの加熱量より大きい場合について説明したが、貯湯タンクの残湯量またはこの両者の組み合わせを満足した場合、最大加熱量制御に移行してもよい。

また、本実施の形態では冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。

また、本実施の形態では、ヒートポンプサイクル１００を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。

また、ヒートポンプサイクル１００の風呂用熱交換器１０３を、例えば床暖房や温風機器などの暖房用熱交換器として利用することもできる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクと併用運転時、ヒートポンプ回路が最大加熱量制御を行うため、貯湯タンクの残湯量を最大限に確保でき、湯切れを防止することができるので、温水を用いた暖房等の安全性改善の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の全体構成図本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の熱交換器出口温度と加熱能力の関係を示す図本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の最大加熱量制御のフローチャート従来のヒートポンプ給湯装置の全体構成図

符号の説明

１０ヒートポンプサイクル
１１圧縮機
１２給湯用熱交換器
１３風呂用熱交換器
１４膨張弁
１５蒸発器
２０貯湯タンク
１６３最大加熱量制御手段

Claims

圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクと、前記ヒートポンプサイクルの加熱量が最大になるように制御する最大加熱量制御手段とを備えていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
ヒートポンプサイクルに風呂用熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
ヒートポンプサイクルの加熱量より給湯負荷または風呂注湯負荷の方が大きい場合、最大加熱量制御手段に切り換えられることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
貯湯タンクの残湯量により最大加熱量制御手段に切り換えられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
最大加熱量制御手段は、給湯用熱交換器に流れる給湯流量を増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
最大加熱量制御手段は、給湯用熱交換器の出口温度の目標値を給湯設定温度または風呂注湯設定温度より低い温度に制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
ヒートポンプサイクルを複数備えた請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。