JP2005308344A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の熱で低温の給水を昇温させることで、消費電力を低減し、全体の効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１と、減圧装置５と、蒸発器６と、前記冷媒と被熱交換液とを熱交換する冷媒対水用熱交換器２とを備え、前記冷媒を、前記圧縮機１が発する熱および／または前記圧縮機１が有する熱にて加熱する構成としたもので、給湯負荷及び消費電力を低減することができ、また圧縮機１の信頼性を高めることができる。さらに、給水温度を適正な温度範囲に調整することができ、給湯機の運転効率を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯用のタンクを備えるヒートポンプ給湯機に関するものである。

現在、給湯機としてはガスや電気ヒータを用いて水を加熱する方式のものが大勢的であるが、近年のエネルギー利用効率化の要望の観点からヒートポンプを利用した給湯機も徐々に一般世帯に普及していっている。

図５に従来のヒートポンプ給湯機の構成図を示す。ヒートポンプ給湯機の場合、圧縮機１で高温・高圧に加熱された冷媒は冷媒対水用熱交換器２で循環ポンプ３にて貯湯タンク４から送られてきた水と熱交換される。この結果、水は加熱されて湯になり、同時に冷媒温度は低下する。温度の下がった冷媒は減圧装置５を通じることにより低温・低圧の二相流に変化し、蒸発器６へ送られる。前記蒸発器６では送風ファン７によって強制的に大気から熱を奪うことにより内部の冷媒は蒸発し、気化する。気化した冷媒は再び圧縮機１に吸い込まれ、高温・高圧に加熱されることにより再び水を加熱していく。

ここで、さらに高効率化を推し進めていくために、冷却システムから排出される排熱を有効利用する検討も進められており、特許文献１では圧縮機からの排熱を蓄熱剤にて蓄熱し、冷媒の追加加熱に利用することで、効率向上を図ろうとしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−２９６６０４号公報

しかしながら、圧縮機からの排熱という高温排熱を蓄熱するには、現在市販されている蓄熱剤の熱保持能力ではまだ不充分であり、熱ロスが大きくなることが予想される。また、高温冷媒の追加加熱に利用しようとしているため、蓄熱剤と冷媒との温度差が小さく、実際に再利用される熱量はあまり多くならないことも考えられる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の熱で低温の給水を昇温させることで、消費電力を低減し、全体の効率を向上させ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、冷媒を圧縮する圧縮機と、減圧装置と、蒸発器と、前記冷媒と被熱交換液とを熱交換する冷媒対水用熱交換器とを備え、前記冷媒を、前記圧縮機が発する熱および／または前記圧縮機が有する熱にて加熱する構成としたもので、給湯負荷及び消費電力を低減することができ、また圧縮機の信頼性を高めることができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機の熱で低温の給水を昇温させることで、消費電力を低減し、全体の効率を向上させることができる。

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、減圧装置と、蒸発器と、前記冷媒と被熱交換液とを熱交換する冷媒対水用熱交換器とを備え、前記冷媒を、前記圧縮機が発する熱および／または前記圧縮機が有する熱にて加熱する構成としたもので、給湯負荷及び消費電力
を低減することができ、また圧縮機の信頼性を高めることができる。

第２の発明は、圧縮機が有する熱を放熱する放熱手段を備え、前記放熱手段が発する熱と被熱交換液とが熱交換する空気対水用熱交換器を設けたもので、給湯負荷及び消費電力を低減することができ、また圧縮機の信頼性を高めることができる。

第３の発明は、圧縮機の表面温度を検知する圧縮機温度検知手段と、前記圧縮機温度検知手段によって放熱手段の運転を制御する制御手段とを有するもので、給水温度を適正な温度範囲に調整することができ、給湯機の運転効率を高めることができる。

第４の発明は、圧縮機に略接触するように配設された補助熱交換器を備え、前記補助熱交換器が有する熱と被熱交換液とが熱交換する構成としたもので、ファン等を用いることなく給水を加熱することができ、給湯負荷及び消費電力を低減することができ、また圧縮機の信頼性を高めることができる。

第５の発明は、被熱交換液を貯湯する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクと冷媒対水用熱交換器を接続する配管途中に設置した流路切替手段と、前記冷媒対水用熱交換器に流入する水温を検知する水温検知手段と、前記水温検知手段の出力に基づいて前記流路切替手段の動作を制御する制御手段とを有するもので、圧縮機の表面温度と給水温度の両方ともそれぞれ適正な温度範囲に調整することができ、給湯機の運転効率を高め、また圧縮機の信頼性を高めることができる。

第６の発明は、冷媒に二酸化炭素を使用することにより、高温高効率の貯湯運転と地球環境保全を実現することができる。

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は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図、図２は本発明の実施の形態１における給水加熱時のフローチャートである。また、本発明のヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、従来広く用いられているＲ２２等のフロン系冷媒でも良いが、オゾン層保全及び地球温暖化防止等の環境保護的側面から近年盛んに研究されている自然冷媒である二酸化炭素冷媒の方が、より大きな効果を得ることが可能である。以下では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、その他の冷媒であってもよいものである（以下各実施の形態においても同様）。

ヒートポンプ給湯機は、圧縮機１、冷媒対水用熱交換器２、減圧装置５、蒸発器６からなる冷媒循環回路Ａと、前記冷媒対水用熱交換器２、循環ポンプ３、貯湯タンク４、流路切替手段８、空気対水用熱交換器９を接続した給湯回路Ｂからなり、前記圧縮機１、冷媒対水用熱交換器２、減圧装置５、蒸発器６、送風ファン７、流路切替手段８、空気対水用熱交換器９及び放熱ファン１０等はヒートポンプユニット内に収容されている。また、前記循環ポンプ３、貯湯タンク４、制御手段１１等はタンクユニット内に収容されている。

水温検知手段１２は冷媒対水用熱交換器２の水側入口に設置されており、貯湯タンク４から供給された給水温度を検出する。湯温検知手段１３は冷媒対水用熱交換器２の水側出口に設置されており、ヒートポンプ給湯機で加熱された出湯温度を検出する。圧縮機温度検知手段１４は、圧縮機１の表面温度が検知できる位置に設置されており、運転中の圧縮機１表面温度を検出する。制御手段１１は室内に設置されているコントローラー（図示せず）で設定された温度と前記湯温検知手段１３で検知している温度が等しくなるように圧
縮機１、循環ポンプ３、減圧装置５、送風ファン７等を制御する。

放熱ファン１０は圧縮機温度検知手段１４が所定以上の値を検知したとき、運転を行い、圧縮機１表面温度の過度の上昇を防止する。流路切替手段８は水温検知手段１２が所定以下の値を検知したとき、貯湯タンク４から送られてきた給水を昇温するため、水を空気対水用熱交換器９に送るよう流路を切り替える。空気対水用熱交換器９は、放熱手段である放熱ファン１０によって、圧縮機１から送られてきた排熱と給水を熱交換し、冷媒対水用熱交換器２に送る水を昇温する。

上記のヒートポンプ給湯機では、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、前記冷媒対水用熱交換器２に流入し、ここで水道から貯湯タンク１を通じて前記循環ポンプ３から送られてきた水を加熱する。二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記冷媒対水用熱交換器２内で緩やかに低下し、前記減圧装置５で減圧され、前記蒸発器６に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１へ戻る。一方、前記冷媒対水用熱交換器２で加熱された湯は、前記貯湯タンク４の上部に流入し、この貯湯タンク４で貯湯され、この貯湯タンク４に貯湯された湯は必要に応じて利用部へ供給される。

ここで、圧縮機温度検知手段１４が所定温度以上の値（例えば９０℃）を検出したとき、圧縮機１表面温度を低減させるために制御手段１１によって放熱ファン１０が適切な回転数にて運転を行う。また水温検知手段１２が所定温度未満の値（例えば２０℃）を検出したとき、給水温度を昇温させるために、制御手段１１によって流路切替手段８は給水を空気対水用熱交換器９に送るように流路を制御し、圧縮機１からの排熱にて水を昇温し、冷媒対水用熱交換器２に送る。

水温検知手段１２が所定温度以上の値（例えば２５℃）を検知すると、これ以上の給水温度の上昇はヒートポンプの運転効率を悪化させる恐れがあるため、制御手段１１によって流路切替手段８は再び流路を制御し、貯湯タンク４からの給水を直接冷媒対水用熱交換器２に送る。圧縮機温度検知手段１４が所定温度未満の値（例えば７０℃）を検出すると、給水の昇温に寄与せず、放熱も必要がないレベルまで低下しているため、制御手段１１によって放熱ファン１０は停止し、通常の給湯運転を行う。

上述のような制御を行うことにより、圧縮機１の排熱を利用して給水温度を最も効率の良い温度に制御させることが可能となり、また圧縮機１の表面温度も適正な温度に保つことが可能となり、効率が良く信頼性の高いヒートポンプ運転を行うことができる。

なお、本実施の形態では圧縮機１の表面温度を圧縮機１の表面にて検知しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、吐出管等の圧縮機１と同様の温度変化を行う部分で検知しても何ら問題がない。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

（実施の形態２）
図３は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、図４は本発明の実施の形態２における給水加熱時のフローチャートである。

ヒートポンプ給湯機の構造については、空気対水用熱交換器９の代わりに圧縮機１表面に略接触するように配設されている補助熱交換器１５が設置され、放熱ファン１０が撤去されている他は実施の形態１と同一である。

ヒートポンプ給湯機の動作について説明する。まず、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、前記冷媒対水用熱交換器２に流入し、ここで水道から貯湯タンク４を通じて循環ポンプ３から送られてきた水を加熱する。二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記冷媒対水用熱交換器２内で緩やかに低下し、前記減圧装置５で減圧され、前記蒸発器６に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１へ戻る。一方、前記冷媒対水用熱交換器２で加熱された湯は、前記貯湯タンク４の上部に流入し、この貯湯タンク４で貯湯され、この貯湯タンク４に貯湯された湯は必要に応じて利用部へ供給される。

ここで、圧縮機温度検知手段１４が所定温度以上の値（例えば９０℃）を検出し、かつ水温検知手段１２が所定温度未満の値（例えば２０℃）を検出したとき、給水温度を昇温させるために、制御手段１１によって流路切替手段８は給水を補助熱交換器１５に送るように流路を制御し、圧縮機１表面の熱を利用して水を昇温し、冷媒対水用熱交換器２に送る。水温検知手段１２が所定温度以上の値（例えば２５℃）を検知すると、これ以上の給水温度の上昇はヒートポンプの運転効率を悪化させる恐れがあるため、制御手段１１によって流路切替手段８は再び流路を制御し、貯湯タンク４からの給水を直接冷媒対水用熱交換器２に送る。圧縮機温度検知手段１４が所定温度未満の値（例えば７０℃）を検出すると、給水の昇温に寄与せず、放熱も必要がないレベルまで低下しているため、通常の給湯運転を継続する。

上述のような制御を行うことにより、放熱ファン等を使用することなく、圧縮機１の排熱を利用して給水温度を最も効率の良い温度に制御させることが可能となり、また圧縮機１の表面温度も適正な温度に保つことが可能となり、効率が良く信頼性の高いヒートポンプ運転を行うことができる。

なお、本実施の形態では、圧縮機１の表面温度を圧縮機１の表面にて検知しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、吐出管等の圧縮機１と同様の温度変化を行う部分で検知しても何ら問題がない。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、圧縮機の排熱を被加熱流体の昇温に利用すると同時に圧縮機の温度上昇抑制も可能となるので、高温部品冷却のための用途にも適用できる。

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 同給水加熱時のフローチャート 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 同給水加熱時のフローチャート 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 冷媒対水用熱交換器
４ 貯湯タンク
５ 減圧装置
６ 蒸発器
８ 流路切替手段
９ 空気対水用熱交換器
１０ 放熱ファン（放熱手段）
１１ 制御手段
１２ 水温検知手段
１４ 圧縮機温度検知手段
１５ 補助熱交換器

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、減圧装置と、蒸発器と、前記冷媒と被熱交換液とを熱交換する冷媒対水用熱交換器とを備え、前記冷媒を、前記圧縮機が発する熱および／または前記圧縮機が有する熱にて加熱する構成としたヒートポンプ給湯機。
2. 圧縮機が有する熱を放熱する放熱手段を備え、前記放熱手段が発する熱と被熱交換液とが熱交換する空気対水用熱交換器を設けた請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 圧縮機の表面温度を検知する圧縮機温度検知手段と、前記圧縮機温度検知手段によって放熱手段の運転を制御する制御手段とを有する請求項２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 圧縮機に略接触するように配設された補助熱交換器を備え、前記補助熱交換器が有する熱と被熱交換液とが熱交換する構成とした請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
5. 被熱交換液を貯湯する貯湯タンクを備え、前記貯湯タンクと冷媒対水用熱交換器を接続する配管途中に設置した流路切替手段と、前記冷媒対水用熱交換器に流入する水温を検知する水温検知手段と、前記水温検知手段の出力に基づいて前記流路切替手段の動作を制御する制御手段とを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 冷媒が二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

Images