JP2006017377A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯負荷に応じて、適切な冷凍サイクルにて、高効率で信頼性の高い運転を行うことのできるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機１と、熱媒体と被熱交換液が熱交換される冷媒対水用熱交換器２と、減圧装置５と、複数の蒸発器６と、制御手段１０とを備え、前記複数の蒸発器６のうち、少なくとも１つ以上の蒸発器６の入口および／または出口に電磁弁（８、９）を設けた構成としたもので、給湯負荷に応じて冷凍サイクル内を循環する冷媒量と蒸発器６での放熱能力を調整することができるので、給湯機の運転効率を高めることができる。また、高入水温時の圧縮機１の吐出圧力上昇を抑えることができるので、信頼性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。湯は再び貯湯タンク４に戻され、利用されるまでタンクに貯められる。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。

この運転を繰り返していくにつれ、貯湯タンク内は充分に加熱された湯で満たされていくため、冷媒対水用熱交換器に流入する水温が徐々に上昇する。水温が上昇すると冷媒対水用熱交換器での熱交換量が小さくなり給湯能力も小さくなるが、消費電力はそれほど変化しないため、成績係数が悪化する。同時に必要冷媒量も少なくなるが、ヒートポンプを形成するサイクルは閉回路であるため、本来必要ではない冷媒が圧縮機の吐出圧力を上昇に導き、圧縮機の仕様範囲を越える等の問題が生じることもある。

上記の問題点を解決するため、冷凍サイクル中に冷媒を貯留することのできるアキュームレータを設置し、冷媒量の調整を行っているものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−９０６５１号公報

しかしながら、アキュームレータを設置するには、そのためのスペースが別途必要になるため、製品としては大型化することが予想される。また、現状の製品寸法を変えないようにするには、熱交換器、ファン等を小型化する必要があり、性能に悪影響を及ぼすことも予想される。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、必要な給湯能力に従い、冷媒量と蒸発器の吸熱能力を調整することができ、冷凍サイクルの信頼性を高め、全体の効率を向上させることができる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、圧縮機と、熱媒体と被熱交換液が熱交換される冷媒対水用熱交換器と、減圧装置と、複数の蒸発器と、制御手段とを備え、前記複数の蒸発器のうち、少なくとも１つ以上の蒸発器の入口および／または出口に電磁弁を設けた構成としたもので、給湯能力に従って冷媒量と蒸発器の吸熱能力を調整することができ、また冷凍サイクルの信頼性を高め、全体の効率を向上させることができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、必要な給湯能力に従い、冷媒量と蒸発器の吸熱能力を調整することができ、冷凍サイクルの信頼性を高め、全体の効率を向上させることができる。

第１の発明は、圧縮機と、熱媒体と被熱交換液が熱交換される冷媒対水用熱交換器と、減圧装置と、複数の蒸発器と、制御手段とを備え、前記複数の蒸発器のうち、少なくとも１つ以上の蒸発器の入口および／または出口に電磁弁を設けた構成としたもので、給湯負荷に応じて冷凍サイクル内を循環する冷媒量と蒸発器での放熱能力を調整することができるので、給湯機の運転効率を高めることができる。また、高入水温時の圧縮機の吐出圧力上昇を抑えることができるので、信頼性を高めることができる。また、蒸発器の出口のみに電磁弁を設ける構造とすれば、電磁弁の数を削減することでコストダウンを図ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の制御手段は、圧縮機のインバータ周波数に基づいて、電磁弁の開閉動作を制御するもので、圧縮機のインバータ周波数がある一定の値を超えて運転を行う際には電磁弁を開け、ある一定の値を下回って運転を行う際には電磁弁を閉じる構成とすることにより、圧縮機負荷に対して適切な冷媒量調整と蒸発器の吸熱能力を調整することができる。

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を設け、制御手段は、前記水温検知手段の検知温度に基づいて、電磁弁の開閉動作を制御するもので、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が所定の温度未満であることを検知した際には電磁弁を開け、所定の温度以上であることを検知した際には電磁弁を閉じる構成としたことにより、高温の水を加熱する際の圧縮機の吐出圧力上昇を抑え、冷凍サイクルの信頼性を高めることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明のいずれか１つのヒートポンプ給湯機の熱媒体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における電磁弁制御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、入口用電磁弁８、出口用電磁弁９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、入口用電磁弁８及び出口用電磁弁９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１０等はタンクユニット内に収容されている。

水温検知手段１１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から供給された入水温度を検出する。湯温検知手段１２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。圧縮機周波数検知手段１３は圧縮機１に供給されている電源を通じて運転周波数を検出する。制御手段１０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１２で検知している温度が等しくなるように圧縮機１の運転周波数、循環ポンプ３の回転数、減圧装置５の開度、送風ファン７の回転数等を制御する。

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、圧縮機周波数検知手段１３が所定以上の値（例えば５０Ｈｚ）を検出したとき、大きな給湯能力が必要であることが推測されるため、水の加熱に必要な最適冷媒量は増え、蒸発器６で多くの吸熱能力が必要となる。このため、制御手段１０からの指令により入口電磁弁８及び出口電磁弁９を共に開き、蒸発器６の吸熱能力を最大限に引き出して高給湯能力で高効率なヒートポンプ運転を行う。圧縮機周波数検知手段１３が所定未満の値（例えば５０Ｈｚ）を検出したとき、それほど大きな給湯能力が必要ではないと推測されるため、水の加熱に必要な最適冷媒量は減少し、蒸発器での吸熱能力も減少させることが望ましい。このため、制御手段１０からの指令により入口電磁弁８及び出口電磁弁９を共に閉め、蒸発器６での吸熱能力をダウンさせると共に蒸発器６内に一定量の冷媒量を封入した状態で高効率なヒートポンプ運転を行う。

上述のような制御を行うことにより、給湯能力に応じて蒸発器６での吸熱能力とサイクル内の冷媒量を調整することができるため、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、本実施例では蒸発器の入口出口を開閉するのに電磁弁を使用しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、膨張弁、流量調整弁等、制御手段の指令に従って冷媒の流路を制御できるものであれば何ら問題はない。

なお、本実施例では蒸発器が２基の場合について記載しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、３基以上であっても何ら問題はない。

なお、本実施例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における電磁弁制御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、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、水温検知手段１１が所定未満の値（例えば４０℃）を検出したとき、昇温幅が大きく高給湯能力が必要であることが推測されるため、水の加熱に必要な最適冷媒量は増え、蒸発器６で多くの吸熱能力が必要となる。このため、制御手段１０からの指令により入口電磁弁８及び出口電磁弁９を共に開き、蒸発器６の吸熱能力を最大限に引き出して高給湯能力で高効率なヒートポンプ運転を行う。水温検知手段１１が所定以上の値（例えば４０℃）を検出したとき、昇温幅が小さくそれほど大きな給湯能力が必要ではないと推測される。また冷媒対水用熱交換器２の冷媒出口温度が上昇し、圧縮機１吐出圧力が上昇することにより、圧縮機１の使用圧力範囲を越える可能性も生じる。このため、サイクル内の冷媒量を減少させ、蒸発器６での吸熱能力も減少させることが望ましい。したがって、制御手段１０からの指令により入口電磁弁８及び出口電磁弁９を共に閉め、蒸発器６での吸熱能力をダウンさせると共に蒸発器６内に一定量の冷媒量を封入した状態で高効率なヒートポンプ運転を行う。

上述のような制御を行うことにより、入水温度に応じて蒸発器での吸熱能力とサイクル内の冷媒量を調整することができるため、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、本実施例では蒸発器の入口出口を開閉するのに電磁弁を使用しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、膨張弁、流量調整弁等、制御手段の指令に従って冷媒の流路を制御できるものであれば何ら問題はない。

なお、本実施例では蒸発器が２基の場合について記載しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、３基以上であっても何ら問題はない。

なお、本実施例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、必要能力に従い、冷媒量調整と蒸発器の吸熱量調整を行うことが可能となるため、冷蔵庫、エアコン等にも適用できる。

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 同電磁弁制御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 同電磁弁制御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 冷媒対水熱交換器
５ 減圧装置
６ 蒸発器
８ 入口用電磁弁
９ 出口用電磁弁
１０ 制御手段

Claims (4)

1. 圧縮機と、熱媒体と被熱交換液が熱交換される冷媒対水用熱交換器と、減圧装置と、複数の蒸発器と、制御手段とを備え、前記複数の蒸発器のうち、少なくとも１つ以上の蒸発器の入口および／または出口に電磁弁を設けた構成としたヒートポンプ給湯機。
2. 制御手段は、圧縮機のインバータ周波数に基づいて、電磁弁の開閉動作を制御する請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 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を設け、制御手段は、前記水温検知手段の検知温度に基づいて、電磁弁の開閉動作を制御する請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 熱媒体が二酸化炭素であ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機。

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