JP2006057865A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプの高い運転効率を維持しつつ、立ち上がり性能の改善、またシステムの小型化を図った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】少なくとも圧縮機１、水−冷媒熱交換器２、減圧弁３、空気−冷媒熱交換器４を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器２、貯湯タンク６、循環ポンプ９を接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水をガス燃焼により加熱するための水加熱器１６を設けたことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えてガス燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、ヒートポンプ式の高い運転効率を維持しつつ、給湯機の立ち上がり性能の改善やシステムの小型化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルと貯湯タンクや水回路を具備したヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機としては、冷凍サイクルを具備したヒートポンプユニットとタンク回路を具備したタンクユニットから構成されたヒートポンプ給湯機がある。

従来の分離型ヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器などで構成した冷凍サイクルを具備したヒートポンプユニットと、貯湯タンク、循環ポンプなどで構成されたタンク回路を具備したタンクユニットより構成され、冷凍サイクルで湯を生成して貯湯タンクに貯湯し、その貯湯を蛇口や浴槽に給湯するものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３４６４４７号公報

しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯機は、効率が良くランニングコスト（電気代）が安いという反面、運転開始時の立ち上がりがあまり早くなく、また、ヒートポンプユニットの加熱能力を大きくするためには冷凍サイクル部分を大きくするか、または貯湯タンクを大きくして蓄熱量を大きくする必要があり、ユニットが大きくなり狭いところには設置し難いという課題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決すものであり、ヒートポンプの高い運転効率を維持しつつ、立ち上がり性能の改善、またシステムの小型化を図ったヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯機は、少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水をガス燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えてガス燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、ヒートポンプ式の高い運転効率を維持しつつ、給湯機の立ち上がり性能の改善やシステムの小型化を図ることができる。

また、少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水を石油燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えて石油燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、ヒートポンプ式の高い運転効率を維持しつつ、給湯機の立ち上がり性能の改善やシステムの小型化を図ることができる。

本発明によれば、ヒートポンプの高い運転効率を維持しつつ、立ち上がり性能の改善、またシステムの小型化を図ったヒートポンプ給湯機を提供できる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水をガス燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えてガス燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、ヒートポンプ式の高い運転効率を維持しつつ、給湯機の立ち上がり性能の改善やシステムの小型化を図ることができる。

第２の発明は、少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水を石油燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えて石油燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、ヒートポンプ式の高い運転効率を維持しつつ、給湯機の立ち上がり性能の改善やシステムの小型化を図ることができる。

第３の発明は、給湯の運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転と燃焼式沸き上げ運転を行い、所定時間後に、ヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることを特徴とするもので、運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転に加えて、燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり性能の改善や、しいてはシステムの小型化を図ることができる。また、所定時間ｔａ後にヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることによって高い運転効率を実現できる。また、運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転に加えてガス燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり性能の改善や、しいてはシステムの小型化を図ることができる。

第４の発明は、給湯の運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転と燃焼式沸き上げ運転を行い、給湯熱交換器の水側出口温度、圧縮機の吐出温度、圧縮機の吐出圧力の少なくとも１つが所定値以上のとき、ヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えて、燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯開始時の給湯機の立ち上がり性能の改善や、しいてはシステムの小型化を図ることができる。また、給湯熱交換器の水側出口温度、または圧縮機の吐出温度、または圧縮機の吐出圧力が、所定値以上の安定領域では、ヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることによって高い運転効率を実現できる。

第５の発明は、貯湯タンクの残湯量が第１の所定量以下になるとヒートポンプ式沸き上げ運転を行い、更に残湯量が前記第１の所定量より少ない第２の所定量以下になると、ヒートポンプ式と燃焼式を併用して沸き上げ運転を行うことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転に、燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり性能の改善や、しいてはシステムの小型化を図ることができる。

第６の発明は、夜間蓄熱運転時には、ヒートポンプ式沸き上げ運転を行うことを特徴とするもので、ヒートポンプ式沸き上げ運転によって、高い運転効率で夜間蓄熱運転を行なうことができ、ランニングコストの低減を図ることができる。

第７の発明は、冷媒回路と水回路とを、一つのユニット内に収納することを特徴とするもので、一つのユニット内に収納することによって、分離型にするより更にシステムの小型化を図ることができる。

第８の発明は、冷媒としてＣＯ２を使用するもので、従来のＲ４１０Ａなどのフロンに対して温暖化係数を低減でき、地球環境に優しいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

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、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、本発明による第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機を示す外観図、図２はそのヒートポンプ式給湯機の回路構成図である。

図１に示すように、実施の形態のヒートポンプ給湯機は、前記冷凍サイクルを具備したヒートポンプユニット２７と、前記貯湯タンク６などを具備したタンクユニット２８の２つのユニットに分割された構成になっている。

図１、図２に示す第１の実施の形態の分離型ヒートポンプ給湯機は、圧縮機１、給湯用水−冷媒熱交換器２、減圧弁３、空気−冷媒熱交換器４を環状に接続した冷媒回路に冷媒を充填して構成された冷凍サイクルを有している。また、給湯用水−冷媒熱交換器２の水出口側にガス燃焼式水加熱器１６が設けられている。

また、貯湯タンク６、第１混合弁７−ａ、第２混合弁７−ｂ、電磁弁８、給湯用循環ポンプ９、貯湯用三方弁１１、圧力逃し弁１２、排水弁１３などを配管で接続して構成されたタンク／水回路を具備している。

なお、給湯用水−冷媒熱交換器２は凝縮器として、空気−冷媒熱交換器４は蒸発器として機能する。

上記ヒートポンプ給湯機の動作は、次のとおりである。

まず、貯湯タンク６に貯湯する場合には、冷凍サイクルおよび給湯用循環ポンプ９を運転して貯湯を開始する。冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒は給湯用水−冷媒熱交換器２で放熱して凝縮した冷媒は、減圧弁３に流入して膨張し、空気−冷媒熱交換器４で送風機５にて送られた空気と熱交換して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。そして、給湯用水−冷媒熱交換器２で水を加熱して湯を生成し、この湯を貯湯用三方弁１１を介して貯湯タンク６に貯湯する。

次に、貯湯タンク６の湯を出湯する場合には、冷凍サイクルおよび給湯用循環ポンプ９を停止し、混合弁７−ａを介して、貯湯タンク６の湯を蛇口１４から出湯する。この場合、給水は貯湯タンク６の下部より水圧で流入し、湯を貯湯タンク６の上部から押し出すことになる。

貯湯タンク６の湯を風呂１５に注湯する場合も同様に、冷凍サイクルおよび給湯用循環ポンプ９を停止し、混合弁７−ｂ、電磁弁８を介して、貯湯タンク６の湯を風呂１５から出湯する。

ここで、給湯負荷が大きい場合、即ち、湯の使用量が多く貯湯タンクの残湯量Ｌが少なくなった場合には、ヒートポンプ式沸き上げ運転に加えてガス燃焼式の水加熱器を運転する。

本実施の形態によれば、ヒートポンプ式沸き上げ運転にガス燃焼式運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり時間の短縮や沸き上げ能力をアップすることができ、湯切れ防止を図ることができる。また、沸き上げ能力をアップすることにより、システムの小型化を図ることもできる。

（実施の形態２）
本発明による第２の実施の形態のヒートポンプ式給湯機は、第１の実施の形態のガス燃焼式水加熱器１６を石油燃焼式水加熱器に変更したものであり、構成と動作は第１の実施の形態と同様であるので図および説明を省略する。

本実施の形態によれば、ヒートポンプ式沸き上げ運転に石油燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり時間の短縮や沸き上げ能力をアップすることができ、湯切れ防止を図ることができる。また沸き上げ能力をアップすることにより、システムの小型化を図ることもできる。

（実施の形態３）
図３は、本発明による第３の実施の形態のヒートポンプ給湯機の回路構成図、図４はその制御ブロック図である。

図３に示すように、本発明による第３の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第１、２の実施の形態と同様の構成であり、変更部分である制御についてのみ説明する。

貯湯運転開始からの時間ｔを検出する時間検出手段１７と、所定値ｔａと時間ｔとを比較する比較手段１８と、その比較結果により運転を判断して制御信号を出す制御手段１９が設けられている。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機の動作について、以下に説明する。

まず、貯湯タンク６に貯湯する場合には、冷凍サイクル、燃焼式水加熱器１６および給湯用循環ポンプ９を運転して貯湯を開始する。冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒は給湯用水−冷媒熱交換器２で放熱して凝縮した冷媒は、減圧弁３に流入して膨張し、空気−冷媒熱交換器４で送風機５にて送られた空気と熱交換して蒸発してガス冷媒となる。このガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。そして、給湯用水−冷媒熱交換器２で水を加熱して湯を生成し、更に燃焼式水加熱器１６で昇温し、この湯を貯湯用三方弁１１を介して貯湯タンク６に貯湯する。

ここで、貯湯運転開始、即ち沸き上げ開始からの時間ｔをカウントする時間検出手段１７と、比較手段１８で所定値ｔａと時間ｔとを比較してｔ＞ｔａになった時に制御手段１９から燃焼式沸き上げ運転ＯＦＦの信号を出してヒートポンプ式沸き上げ運転のみにする。

なお、貯湯タンク６の湯を出湯する場合は、第１、２の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態によれば、貯湯運転開始からある一定時間はヒートポンプ式の沸き上げ運転に燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり時間の短縮や沸き上げ能力のアップを図ることができ、湯切れ防止を図ることができる。また、沸き上げ能力をアップすることにより、システムの小型化を図ることもできる。

（実施の形態４）
図５は、本発明による第４の実施の形態のヒートポンプ給湯機の回路構成図、図６はその制御ブロック図である。

図５に示すように、本発明による第４の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第１、２
の実施の形態とほぼ同様の構成であり、変更部分である制御についてのみ説明する。

給湯用水―冷媒熱交換器４の水出口側の温度を検出する温度検出手段２０と、所定値Ｔａと温度Ｔを比較する比較手段２１と、その比較結果により運転を判断して制御信号を出す制御手段２２が設けられている。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機の動作について、以下に説明する。

まず、貯湯タンク６に貯湯する場合には、冷凍サイクル、燃焼式水加熱器および給湯用循環ポンプ９を運転して貯湯を開始する。冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒は給湯用水−冷媒熱交換器２で放熱して凝縮した冷媒は、減圧弁３に流入して膨張し、空気−冷媒熱交換器４で送風機５にて送られた空気と熱交換して蒸発してガス冷媒となる。このガス冷媒は、圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。そして、給湯用水−冷媒熱交換器２で水を加熱して湯を生成し、更に燃焼式水加熱器１６で昇温し、この湯を貯湯用三方弁１１を介して貯湯タンク６に貯湯する。

ここで、給湯用水―冷媒熱交換器４の水出口側に設けられた温度検出手段２０で給湯用水―冷媒熱交換器４の水出口側の温度Ｔを検出して、比較検出手段２１で所定値Ｔａと検出温度Ｔを比較して、Ｔ＞Ｔａの時に制御手段２２から燃焼式沸き上げ運転ＯＦＦの信号を出してヒートポンプ式沸き上げ運転のみにする。

なお、貯湯タンク６の湯を出湯する場合は、第１ないし３の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態によれば、貯湯運転開始後、ヒートポンプ立ち上がるまでの間に、ヒートポンプ式沸き上げ運転に燃焼式沸き上げ運転を加えることによって給湯機の立ち上がり時間の短縮や沸き上げ能力のアップを図ることができ、湯切れ防止を図ることができる。また、沸き上げ能力をアップすることにより、システムの小型化を図ることもできる。

なお、ここでは給湯用水−冷媒熱交換器４の出口温度の場合で説明したが、その他、圧縮機１の吐出温度や圧力などを用いても良い。

（実施の形態５）
図７は、本発明による第５の実施の形態のヒートポンプ給湯機の回路構成図、図８はその制御ブロック図である。

図７に示すように、本発明による第５の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第１、２の実施の形態とほぼ同様の構成であり、変更部分である制御についてのみ説明する。
タンクユニットの貯湯タンク６の残湯量Ｌを検出する残湯量検出手段２３、２４、２５と、所定値Ｌａと残湯量Ｌを比較する比較手段２６と、その比較結果により運転を判断して制御信号を出す制御手段２７が設けられている。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機の動作について、以下に説明する。

まず、貯湯タンク６に貯湯する場合には、残湯検出手段２３、２４、２５により貯湯タンク６の残湯量Ｌを検出し、残湯量がＬ＜Ｌａの時には、冷凍サイクル、燃焼式水加熱器および給湯用循環ポンプ９を運転してヒートポンプ式沸き上げ運転と燃焼式沸き上げ運転により貯湯を開始する。冷凍サイクルでは、圧縮機１で圧縮された冷媒は給湯用水−冷媒熱交換器２で放熱して凝縮した冷媒は、減圧弁３に流入して膨張し、空気−冷媒熱交換器４で送風機５にて送られた空気と熱交換して蒸発してガス冷媒となる。このガス冷媒は、
圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。そして、給湯用水−冷媒熱交換器２で水を加熱して湯を生成し、更に燃焼式水加熱器１６で昇温され、この湯を貯湯用三方弁１１を介して貯湯タンク６に貯湯する。

ここで、残湯検出手段２３、２４、２５により貯湯タンク６の残湯量Ｌを検出し、残湯量がＬ＞Ｌａになった時には、燃焼式水加熱器をＯＦＦしてヒートポンプ式沸き上げ運転のみにする。

なお、貯湯タンク６の湯を出湯する場合は、第１ないし４の実施の形態と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態によれば、残湯量Ｌが少ない場合にヒートポンプ式沸き上げ運転に燃焼式沸き上げ運転を加えることによって、給湯機の立ち上がり時間の短縮や沸き上げ能力のアップを図ることができ、湯切れ防止を図ることができる。また、しいてはシステムの小型化を図ることもできる。

（実施の形態６）
図９は、本発明による第６の実施の形態のヒートポンプ給湯機の回路構成図、図１０はその制御ブロック図である。

図９に示すように、本発明による第６の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第１ないし５の実施の形態とほぼ同様の構成であり、変更部分である制御についてのみ説明する。

一般的に深夜電力としては、午後１１時から翌日の午前７時までの時間帯を指し、昼間電力より安い電気代が設定されている。この時間帯の電力を利用して貯湯運転を行う時には、時間検出手段１７により時間ｔを検出し、比較手段１８によりｔ＞２３の場合にはヒートポンプ式沸き上げ方式により貯湯運転を行い、最長ｔ＝７で貯湯停止を行うものである。

本実施の形態によれば、夜間貯湯運転にヒートポンプ式沸き上げ運転を行うことよって、効率の高い運転を行うことができ、ランニングコスト（電気代）を低減できる。

（実施の形態７）
図１１は、本発明による第７の実施の形態のヒートポンプ給湯機の外観図である。

図１１に示すように、本発明による第７の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のヒートポンプユニットとタンクユニットからなる分離型ヒートポンプ給湯機を、冷凍サイクルと貯湯タンク等を一つのユニットに収納したものである。本実施の形態によれば、一体型にすることによって、システムの小型化をさらに図ることができる。また、部品点数削減によるコスト低減、また、ユニット間の接続配管工事が省けるなどの省施工が図れる。

（実施の形態８）
本発明による第８の実施の形態のヒートポンプ給湯機は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の分離型または一体型ヒートポンプ給湯機において、冷凍サイクル中にＣＯ２を充填したものである。（図示せず）。

本実施の形態によれば、従来のＲ４１０Ａなどのフロンに対して温暖化係数を低減でき、地球環境に優しいヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

本発明の第1の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の外観図 図１に示すヒートポンプ給湯機の回路構成図 本発明の第２の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の回路構成図 図３に示すヒートポンプ給湯機の制御フローチャート 本発明の第４の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の回路構成図 図５に示すヒートポンプ給湯機の制御フローチャート 本発明の第５の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の回路構成図 図７に示すヒートポンプ給湯機のフローチャート 本発明の第６の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の回路構成図 図９に示すヒートポンプ給湯機のフローチャート 本発明の第７の実施形態を示すヒートポンプ給湯機の外観図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 水−冷媒熱交換器
３ 減圧弁
４ 空気−冷媒熱交換器
５ 送風機
６ 貯湯タンク
７ 混合弁
８ 電磁弁
９ 給湯用循環ポンプ

Claims (8)

1. 少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水をガス燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 少なくとも圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧弁、空気−冷媒熱交換器を環状に接続した冷媒回路と、少なくとも水−冷媒熱交換器、貯湯タンク、循環ポンプを接続して構成された水回路とを備え、前記水回路内を循環する水を石油燃焼により加熱するための水加熱器を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 給湯の運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転と燃焼式沸き上げ運転を行い、所定時間後に、ヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 給湯の運転開始時にヒートポンプ式沸き上げ運転と燃焼式沸き上げ運転を行い、給湯熱交換器の水側出口温度、圧縮機の吐出温度、圧縮機の吐出圧力の少なくとも１つが所定値以上のとき、ヒートポンプ式沸き上げ運転のみに切り替えることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
5. 貯湯タンクの残湯量が第１の所定量以下になるとヒートポンプ式沸き上げ運転を行い、更に残湯量が前記第１の所定量より少ない第２の所定量以下になると、ヒートポンプ式と燃焼式を併用して沸き上げ運転を行う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機
6. 夜間蓄熱運転時には、ヒートポンプ式沸き上げ運転を行う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式給湯機
7. 冷媒回路と水回路とを、一つのユニット内に収納することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 冷媒としてＣＯ２を使用する請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

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