JP2006002960A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯だけでなく、風呂加熱運転も可能なヒートポンプ装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機１１と給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａと風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａと膨張弁１４と室外熱交換器１５とを環状に接続したヒートポンプ回路と、給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａ内を流れる冷媒で給湯熱交換器の水側配管１２ｂ内を流れる貯湯タンク１６の水を加熱する貯湯回路と、風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａ内を流れる冷媒で風呂熱交換器の水側配管１３ｂ内を流れる浴槽１８の水を加熱する第１風呂加熱回路と、風呂追焚熱交換器の１次側配管２０ａ内を流れる貯湯タンク１６の温水で風呂追焚熱交換器の２次側配管２０ｂ内を流れる浴槽１８の水を加熱する第２風呂加熱回路とを備えたことにより、大能力から小能力まで様々な風呂加熱運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯運転だけでなく風呂加熱運転もできる多機能なヒートポンプ装置に関するものである。

従来、給湯運転だけでなく風呂加熱運転もできる多機能なヒートポンプ給湯機として図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は、圧縮機１０１、放熱器１０２の冷媒用伝熱管１０２ａ、放熱用伝熱管１０２ａ出口冷媒と圧縮機１０１吸入冷媒とを熱交換させる内部熱交換器１０３、膨張弁１０４、蒸発器１０５、アキュムレータ１０６とを環状に接続して、この順に自然冷媒である二酸化炭素が流れる冷媒回路を形成している。また、貯湯タンク１０７、貯湯タンク１０７底部の水を放熱器１０２の貯湯用伝熱管１０２ｂを介して貯湯タンク１０７上部に循環させる貯湯用ポンプ１０８、貯湯用伝熱管１０２ｂの水量を調整する流量調整弁１０９を環状に接続して、給湯回路を形成している。また、給湯回路には、貯湯タンク１０７上部の湯と水道水とを混合して所定温度に制御する給湯混合弁１１０、カランやシャワーなどの取水器１１４を制御する給湯制御弁１１１、風呂の湯張りを制御する湯張制御弁１１２、風呂の追い焚きを行う際に浴槽１１５の湯を放熱器１０２の追焚用伝熱管１０２ｃを介して循環させる追焚用ポンプ１１３等を備えている。

このため、高効率ヒートポンプサイクルを用いた貯湯タンク１０７への貯湯運転、高効率ヒートポンプサイクルを用いた風呂加熱運転、貯湯タンク１０７内の湯を浴槽１１５へ注湯する注湯運転が可能となる。
特開２００２−１０６９６３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプサイクル単独で風呂加熱運転を行う場合、圧縮機が起動してから所定の風呂加熱性能が得られるまでに時間を要するという課題を有していた。また、貯湯タンクの湯を浴槽に注湯すれば速やかな加熱運転が可能となるが、この場合、浴槽の水位が上昇してしまい、浴槽から溢れ出た湯が無駄になってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高効率なヒートポンプサイクルによる風呂加熱運転だけでなく、浴槽の水位を変えることなく貯湯タンク内の湯を利用した大能力な風呂加熱運転ができるヒートポンプ装置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装置は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と風呂熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路と、前記給湯熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で給湯熱交換器の水側配管内を流れる貯湯タンクの水を加熱する貯湯回路と、前記貯湯タンクの温水で浴槽の水を加熱する風呂追焚熱交換器と、前記風呂熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で風呂熱交換器の水側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第１風呂加熱回路と、前記風呂追焚熱交換器の１次側配管内を流れる前記貯湯タンクの温水で前記風呂追焚熱交換器の２次側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第２風呂加熱回路とを備えたものである。

これにより、高効率なヒートポンプサイクルによる風呂加熱運転だけでなく、浴槽の水位を変えることなく貯湯タンク内の湯を利用した大能力な風呂加熱運転ができる。

浴槽の水位を変えることなく、ヒートポンプサイクルによる高効率な風呂加熱運転や貯湯タンク内の湯を利用した大能力な風呂加熱運転が可能となり、風呂加熱運転の省エネ、応答性向上、節水を図ることができる。

第１の発明は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と風呂熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路と、前記給湯熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で給湯熱交換器の水側配管内を流れる貯湯タンクの水を加熱する貯湯回路と、前記貯湯タンクの温水で浴槽の水を加熱する風呂追焚熱交換器と、前記風呂熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で風呂熱交換器の水側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第１風呂加熱回路と、前記風呂追焚熱交換器の１次側配管内を流れる前記貯湯タンクの温水で前記風呂追焚熱交換器の２次側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第２風呂加熱回路とを備えたことにより、浴槽の水位を変えることなく、ヒートポンプサイクルによる高効率な風呂加熱運転や貯湯タンク内の湯を利用した大能力な風呂加熱運転が可能となり、風呂加熱運転の省エネ、応答性向上、節水を図ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ装置の風呂熱交換器の水側配管と風呂追焚熱交換器の２次側配管とを並列に接続したものであり、ヒートポンプサイクルを利用した第１風呂加熱回路の単独運転、貯湯タンク内の湯を利用した第２風呂加熱回路の単独運転、及び第１風呂加熱回路と第２風呂加熱回路の同時運転が可能となり、状況に応じた様々な風呂加熱運転を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１または第２のいずれかの発明のヒートポンプ装置の風呂熱交換器の水側配管と風呂追焚熱交換器の２次側配管とを流れる水流量を制御する風呂流量制御装置を備えたものであり、第１風呂加熱回路と第２風呂加熱回路の運転効率向上を図ることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明のヒートポンプ装置の風呂流量制御装置を、貯湯タンク蓄熱量と浴槽の水を設定浴槽温度まで加熱するのに必要な必要風呂加熱熱量とに応じて水流量を制御するもので、状況に応じた風呂加熱運転を行うことができる。

第５の発明は、特に、第４の発明のヒートポンプ装置の貯湯タンク蓄熱量を、貯湯タンク壁面に設置した複数個の温度センサーで検出するもので、蓄熱量を比較的低コストで精度良く検出できる。

第６の発明は、特に、第４または第５のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の必要風呂加熱熱量を、現在の浴槽温度と設定浴槽温度との温度差と、浴槽内水位センサーとで検出するもので、必要風呂加熱熱量を比較的低コストで精度良く検出できる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の風呂流量制御装置を、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量以上の場合には第１風呂加熱回路と第２風呂加熱回路とで風呂加熱運転を行うようにしたもので、大能力な風呂加熱運転で速やかに風呂を沸かすことができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の風呂流量制御装置を、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量未満の場合には第１風呂加熱回路を使用せずに第２風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行うようにしたもので、風呂加熱運転の速やかな起動が可能となる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の風呂流量制御装置を、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量未満の場合には第２風呂加熱回路を使用せずに第１風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行うようにしたもので、貯湯タンクの蓄熱量が少ない場合でもヒートポンプサイクルを利用した高効率な風呂加熱運転ができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第９のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置のヒートポンプ回路に、給湯熱交換器の冷媒側配管をバイパスさせる給湯熱交換器バイパスを備えたもので、第１風呂加熱回路の運転起動を速やかに行うことができる。

第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置のヒートポンプ回路に、風呂熱交換器の冷媒側配管をバイパスさせる風呂熱交換器バイパスを備えたもので、貯湯回路の運転起動を速やかに行うことができる。

第１２の発明は、特に、第１〜１１のいずれか１つの発明のヒートポンプ装置の冷媒回路を、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、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱することにより、前記給湯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、前記給湯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、前記給湯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、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第１３の発明は、特に、第１２の発明のヒートポンプ装置において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、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装置の構成図である。図１において、圧縮機１１と給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａと風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａと膨張弁１４と室外熱交換器１５とを環状に接続してヒートポンプ回路を形成している。また、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ装置は、給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａ内を流れる冷媒で給湯熱交換器の水側配管１２ｂ内を流れる貯湯タンク１６の水を加熱する貯湯回路と、貯湯タンク１６の温水で浴槽１８の水を加熱する風呂追焚熱交換器２０と、風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａ内を流れる冷媒で風呂熱交換器の水側配管１３ｂ内を流れる浴槽１８の水を加熱する第１風呂加熱回路と、風呂追焚熱交換器の１次側配管２０ａ内を流れる貯湯タンク１６の温水で風呂追焚熱交換器の２次側配管２０ｂ内を流れる浴槽１８の水を加熱する第２風呂加熱回路とを備えている。貯湯回路は、貯湯タンク１６と積層ポンプ１７と給湯熱交換器の水側配管１２ｂとを環状に接続して形成している。第１風呂加熱回路は、浴槽１８と風呂ポンプ１９と流量調整弁２３と風呂熱交換器の水側配管１３ｂとを環状に接続して形成している。第２風呂加熱回路は、浴槽１８と風呂ポンプ１９と流量調整弁２３と風呂追焚熱交換器の２次側配管２０ｂとを環状に接続して形成している。

風呂熱交換器の水側配管１３ｂと風呂追焚熱交換器の２次側配管２０ｂとは並列に接続されており、両者を流れる水流量の配分は、貯湯タンク１６蓄熱量と浴槽１８の水を設定浴槽温度まで加熱するのに必要な必要風呂加熱熱量とに応じて風呂流量制御装置２２により制御される。貯湯タンク１６蓄熱量は、貯湯タンク１６壁面に設置した複数個の温度センサー（残湯量センサー）２４ａ〜２４ｃで検出し、必要風呂加熱熱量は、現在の浴槽温度と設定浴槽温度との温度差と、浴槽内水位センサー（図示していない）で検出した浴槽１８の保持水量とから検出している。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。風呂加熱運転モードとしては、第１風呂加熱回路（ヒートポンプサイクルによる高効率な運転）単独運転，第２風呂加熱回路（貯湯タンク１６の温水を利用した応答性が早い運転）単独運転，第１風呂加熱回路と第２風呂回路の同時運転（大能力運転）の３種類が可能であり、これらの風呂加熱運転モードは、貯湯タンク１６の蓄熱量と必要風呂加熱熱量とに応じて風呂流量制御装置２２で切り替えられる。

まず、貯湯タンク１６の蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量以上の場合には、第１風呂加熱回路と第２風呂加熱回路とで風呂加熱運転を行う。即ち、必要風呂加熱熱量が大きい場合（例えば、風呂を低温の水から沸き上げる場合）には、ヒートポンプサイクルによる高効率な第１風呂加熱回路と貯湯タンク１６の温水を利用した応答性が早い第２風呂加熱回路により大能力な風呂加熱運転で速やかに風呂を沸かすことができる。

次に、貯湯タンク１６の蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量未満の場合には、第１風呂加熱回路を使用せずに第２風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行う。即ち、必要風呂加熱熱量が小さい場合（例えば、風呂を４０℃から４２℃に沸き上げる場合や保温の場合）には、応答性が早い第２風呂加熱回路により速やかに風呂を設定温度に加熱することができる。

更に、貯湯タンク１６の蓄熱量が所定熱量未満の場合には、第２風呂加熱回路を使用せずに第１風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行う。即ち、万一、貯湯タンク１６に温水が無い場合でも、ヒートポンプサイクルによる高効率な第１風呂加熱回路により風呂加熱運転を行うことができる。

以上のように、本実施の形態１においては、貯湯タンク１６の蓄熱量や必要風呂加熱熱量に応じて、高効率なヒートポンプサイクルによる風呂加熱運転や浴槽１８の水位を変えることなく貯湯タンク１６内の湯を利用した大能力な風呂加熱運転が可能となり、風呂加熱運転の省エネ、応答性向上、節水を図ることができる。

（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装置の構成図である。図２において、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ装置と同様の構成部分については共通の符号を用い、詳細な説明を省略する。

図２において、ヒートポンプ回路は、給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａをバイパスさせる給湯熱交換器バイパス２６と、風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａをバイパスさせる風呂熱交換器バイパス２７を備えたものである。

以上のように構成されたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。まず、第１風呂加熱回路による運転（ヒートポンプサイクルによる風呂加熱運転）を起動する際には、給湯熱交換器バイパス２６を開く。これにより、圧縮機１１から吐出した高温高圧冷媒が給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａを通らないため、冷媒は給湯熱交換器１２に吸熱されることなく高温高圧状態を保持したまま風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａで風呂熱交換器の水側配管１３ｂ内の水と熱交換して浴槽１８の水を加熱する。従って、浴槽１８の加熱能力応答性を向上させることができる。

また、貯湯回路による運転（ヒートポンプサイクルによる貯湯タンク１６内の水加熱運転）を起動する際には、風呂熱交換器バイパス２７を開く。これにより、給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａにおいて給湯熱交換器の水側配管１２ｂ内の水と熱交換した後の冷媒は風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａを通らないため、冷媒は風呂熱交換器１３に吸熱されることなく、風呂熱交換器１３の圧力損失による圧力低下も防止できる。従って、貯湯タンク１６の加熱能力応答性を向上させることができる。

以上のように、本実施の形態２においては、給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａや風呂熱交換器の冷媒側配管１３ａをバイパスさせることにより、冷媒の熱量が給湯熱交換器１２や風呂熱交換器１３に無駄に吸熱されることを防止して、風呂加熱運転や貯湯タンク加熱運転の応答性を向上させることができる。

尚、実施の形態１および実施の形態２では、ヒートポンプサイクルを、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が、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、給湯運転だけでなく風呂加熱運転等多機能なヒートポンプサイクルに対しての適用が有効である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ装置の構成図 従来のヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 給湯熱交換器
１２ａ 給湯熱交換器の冷媒側配管
１２ｂ 給湯熱交換器の水側配管
１３ 風呂熱交換器
１３ａ 風呂熱交換器の冷媒側配管
１３ｂ 風呂熱交換器の水側配管
１４ 膨張弁
１５ 室外熱交換器
１６ 貯湯タンク
１７ 積層ポンプ
１８ 浴槽
１９ 風呂ポンプ
２０ 風呂追焚熱交換器
２０ａ 風呂追焚熱交換器の１次側配管
２０ｂ 風呂追焚熱交換器の２次側配管
２１ 風呂追焚ポンプ
２２ 風呂流量制御装置
２３ 流量調整弁
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 残湯量センサー
２５ 浴槽温度センサー
２６ 給湯熱交換器バイパス
２７ 風呂熱交換器バイパス

Claims (13)

1. 圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と風呂熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続したヒートポンプ回路と、前記給湯熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で給湯熱交換器の水側配管内を流れる貯湯タンクの水を加熱する貯湯回路と、前記貯湯タンクの温水で浴槽の水を加熱する風呂追焚熱交換器と、前記風呂熱交換器の冷媒側配管内を流れる冷媒で風呂熱交換器の水側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第１風呂加熱回路と、前記風呂追焚熱交換器の１次側配管内を流れる前記貯湯タンクの温水で前記風呂追焚熱交換器の２次側配管内を流れる前記浴槽の水を加熱する第２風呂加熱回路とを有するヒートポンプ装置。
2. 風呂熱交換器の水側配管と風呂追焚熱交換器の２次側配管とを並列に接続した請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 風呂熱交換器の水側配管と風呂追焚熱交換器の２次側配管とを流れる水流量を制御する風呂流量制御装置を備えた請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
4. 風呂流量制御装置は、貯湯タンク蓄熱量と、浴槽の水を設定浴槽温度まで加熱するのに必要な必要風呂加熱熱量とに応じて、風呂熱交換器の水側配管と風呂追焚熱交換器の２次側配管とを流れる水流量を制御する請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 貯湯タンク蓄熱量を、前記貯湯タンク壁面に設置した複数個の温度センサーで検出する請求項４に記載のヒートポンプ装置。
6. 必要風呂加熱熱量を、現在の浴槽温度と設定浴槽温度との温度差と、浴槽内水位センサーとで検出する請求項４または５に記載のヒートポンプ装置。
7. 風呂流量制御装置は、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量以上の場合には第１風呂加熱回路と第２風呂加熱回路とで風呂加熱運転を行う請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
8. 風呂流量制御装置は、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量以上でかつ必要風呂加熱熱量が所定熱量未満の場合には第１風呂加熱回路を使用せずに第２風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行う請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
9. 風呂流量制御装置は、貯湯タンクの蓄熱量が所定熱量未満の場合には第２風呂加熱回路を使用せずに第１風呂加熱回路だけで風呂加熱運転を行う請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
10. ヒートポンプ回路は、給湯熱交換器の冷媒側配管をバイパスさせる給湯熱交換器バイパスを備えた請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
11. ヒートポンプ回路は、風呂熱交換器の冷媒側配管をバイパスさせる風呂熱交換器バイパスを備えた請求項１〜１０のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
12. ヒートポンプ回路は、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給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
13. 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１２に記載のヒートポンプ装置。

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