JP2006162101A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置性、施工性、使い勝手に優れたヒートポンプ給湯装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機と水冷媒熱交換器と減圧装置と蒸発器とが冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、給水口とバイパス弁と給水逆止弁と水冷媒熱交換器と加熱された温湯を第一流量調整弁を介して出湯する出湯口とが水管路で接続された給湯回路と、給水回路と、前記給湯回路から分岐した分岐配管と第二流量調整弁を介して接続された貯湯タンクと貯湯タンクからの水を水冷媒熱交換器へ送る循環ポンプとが水管路で接続された貯湯タンク追焚き回路とを備え、直接出湯機能とタンク出湯機能と同時出湯機能とを持ち、運転制御手段により三つの機能の切換えを行う給湯装置において、水の加熱を行う熱源ユニットと、貯湯ユニットとを水配管、低電圧制御配線で接続したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置により、設置性、施工性、使い勝手に優れた瞬間湯沸かし形ヒートポンプ給湯装置を提供することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水冷媒熱交換器で加熱した温湯を直接、出湯端末に供給することが可能なヒートポンプ給湯装置に関する。

一般に、ヒートポンプ給湯装置は、電力が安価な夜間に加熱装置を稼働させ、温湯を貯湯タンクに満杯にして蓄えておくことにより、日中に使う分を賄うようにしている。また、一般的に水を加熱する熱源ユニットの加熱能力と加熱された温湯を蓄える貯湯タンク容量が１対１の組合せで使用されており、貯湯容量毎にヒートポンプ冷媒回路の加熱能力が設定されている。即ち、このような給湯装置において、小さな貯湯容量に対しヒートポンプ加熱能力が大きい場合、必要以上の大能力で短時間に沸き上げてしまうため、効率の悪い運転を余儀なくされ、その反対に大きな貯湯容量に対しヒートポンプ加熱能力が小さい場合、所定時間に貯湯タンク内の全量を沸き上げることができない。

そこで、貯湯タンクの貯湯容量設定手段の設定に基づき、ヒートポンプ冷媒回路の加熱能力を設定する能力設定手段を備え、熱源ユニットと組合せる貯湯ユニットの貯湯容量に適合した所定の加熱能力を設定して、ヒートポンプ冷媒回路を運転するものが提案されている（特許文献１参照）。

これによれば、一つの仕様のヒートポンプ熱源ユニットに対して貯湯容量の異なる貯湯ユニットを組合せても、効率を落さずに運転できると共に必要湯量を確保できる。

特開２００３−２４７７４８号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１の給湯装置は、設置性、施工性、および使用者の使い勝手については、なんら考慮がされていない。ここで、設置性については、貯湯式であるため、大容量の貯湯タンクを必要とし、広い設置面積や充分な床面強度を必要とし、集合住宅のような狭い場所や強度の不十分な場所に据付けることが困難である。また、施工性については、床面強度を強化するための基礎工事が必要になる。

更に、使用者の使い勝手については、例えば外気温度が低い冬場に温湯の使用量が増加すると、湯量不足になり、貯湯タンクの湯を使いきってしまい、一旦湯切れを起こすと再び所定量の温湯を沸き上げるまでに多くの時間が必要となる。また、周囲温度より高い温度の大量の温湯を長時間貯蔵しておくため、貯湯タンクの大きな表面から熱が発散してエネルギの無駄使いになり、それによって温度が下がる分を夜間に余裕をもって温めておく必要がある。

本発明は、設置性、施工性、使い勝手に優れたヒートポンプ給湯装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、供給された非加熱水をヒートポンプサイクルで加熱する加熱手段と、その加熱手段を制御する制御回路とを有する加熱ユニットと、温度センサを備えた貯湯タンク及び給水管と接続する非加熱水導出口と、前記加熱手段で加熱された非加熱水と前記貯湯タンク内の湯水とを用いて前記制御回路の指令に基づいた温度の湯水を供給する給湯回路とを有する貯湯ユニットとを備え、前記加熱ユニットと前記貯湯ユニットとを非加熱水配管、加熱水配管、制御配線で接続した。

このような構成によれば、加熱ユニットは加熱に必要な構成を集約することができ、またヒートポンプサイクルを駆動する駆動電源のような電気配線も集約できて設置性、施工性に優れている。また、給水や非加熱水の導出及び加熱ユニットで加熱された湯水の導入及び湯水の給湯等、水周りを集約した貯湯ユニットは、水配管の集中した場所の近傍に設ければその施工性が更に増し、所謂弱電と呼ばれるセンサや電磁弁などの電気品の配線構成により引き回し易い制御配線で加熱ユニットと接続するだけなので設置性や施工性に優れている。

上記構成に加えて、前記加熱ユニットは加熱手段に非加熱水を供給する非加熱水ポンプを備え、前記制御回路は前記給湯回路からの出湯が無いときに前記非加熱水ポンプを駆動して前記貯湯タンク内の湯水を加熱する構成としても良い。

さらに上記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、圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、それぞれ冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、給水口と、給水された水を分配するバイパス弁と、給水逆止弁と、分配された水を加熱する前記水冷媒熱交換器と、加熱された温湯を第一流量調整弁を介して出湯する出湯口とが水管路で接続された給湯回路と、前記給水口と、前記バイパス弁と、前記給湯回路の前記第一流量調整弁と前記出湯口との間に分配された残りの水を合流させる流路とが水管路で接続された給水回路と、前記給湯回路から分岐した分岐配管と、第二流量調整弁を介して接続された貯湯タンクと、前記給湯回路のバイパス弁と給水逆止弁との間に前記貯湯タンクの下部から温湯を合流させる流路と、前記給湯回路の給水逆止弁と並列に接続された循環ポンプと、前記給湯回路の水冷媒熱交換器とが水管路で接続された貯湯タンク追焚き回路と、制御回路と、風呂リモコンと、台所リモコンと、各センサとを備え、前記の各リモコンの操作・設定並びに各センサの検出値により、前記制御回路が前記ヒートポンプ冷媒回路、給湯回路、給水回路、貯湯タンク追焚き回路の部品を運転制御する運転制御手段とから構成され、ヒートポンプ冷媒回路が徐々に温まっていく過程で、第１流量調整弁、および第２流量調整弁の開度を調整しながら、タンク出湯から同時出湯に切換え、更にヒートポンプ冷媒回路が充分に温まると、同時出湯から直接出湯に切換える制御手段を備えるヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプ冷媒回路と、給湯回路の給水逆止弁と水冷媒熱交換器と、貯湯タンク追焚き回路の循環ポンプと、運転制御手段の制御回路と各センサとから構成された熱源ユニットと、前記運転制御手段の指令に基づいて直接出湯とタンク出湯と同時出湯とを切換える給湯回路と、給水回路と、貯湯タンク追焚き回路と、前記運転制御手段の各センサとから構成された貯湯ユニットとを、給水側接続配管、給湯側接続配管、低電圧制御配線で接続したことを特徴とする。

上記構成によれば、ヒートポンプ冷媒回路が温まった後は、水冷媒熱交換器で直接温められた湯とタンク湯との混合出湯から、直接出湯のみに切換わるので、貯湯タンクに蓄える温湯の使用量が少なく、貯湯タンク容量を小さく、軽量にすることができるため、熱源ユニットと分離した貯湯ユニットを狭い場所や通常の強度を有する場所に設置することが可能になる。この場合、貯湯ユニットは、熱源ユニットの制御回路と低電圧制御配線で接続されるため、貯湯ユニット側に専用の電源を確保する必要が無くなる。

また、本発明の目的を達成するために、上記の構成に加えて、貯湯ユニットの貯湯容量を設定する貯湯容量設定手段と、連続的に供給される温湯の最大負荷を記憶する連続最大負荷記憶手段と、必要とする直接出湯能力を算出する直接出湯能力演算手段とから、熱源ユニットのヒートポンプ加熱能力を所定の値に設定するヒートポンプ加熱能力設定手段を有し、圧縮機運転台数、圧縮機回転数を制御するようにしてもよい。

上記構成によれば、貯湯ユニットの貯湯容量を、使用者が使用者のライフスタイルや人数構成、設置面積等に応じて選択可能になると共に、ヒートポンプ冷媒回路はインバータ制御により回転数を制御可能な圧縮機を複数台備えるため、ヒートポンプ加熱能力設定手段により、貯湯容量に応じてヒートポンプ加熱能力を所定の値に設定し、必要なときに必要な量の温湯を、湯切れ無く供給することができる。

また、循環ポンプの水循環量を貯湯タンク内の温度の二層分布を乱さない所定の循環量に制御する循環ポンプ制御手段を有するため、使用者宅の状況により熱源ユニット、貯湯ユニット、および接続配管の設置状況が異なり、水配管の圧力損失がばらついた場合においても、水循環量を最適に制御できるため、ヒートポンプ効率を高く維持することができる。

またさらに、外気温、もしくは貯湯タンク追焚き回路の水管路に滞留した水の温度が第一の所定温度より低下した場合に、前記貯湯タンク追焚き回路の水を循環させ、第一の所定温度より低い第二の所定温度より低下した場合に、ヒートポンプ冷媒回路を運転し、前記貯湯タンク追焚き回路の水を循環させることにより、水管路内の水の凍結防止を行う構成をついかしてもよい。

更に、ヒートポンプ給湯装置の熱源ユニットの加熱能力を１０−１５ｋＷ、かつ貯湯ユニットの貯湯容量を２０−２００Ｌ程度にすることにより、ヒートポンプ冷媒回路の圧縮機を１台にでき、低消費電力で直接出湯能力、通常使用時の連続出湯能力を確保し、貯湯タンク沸上げ時間も短くすることが可能になり、より小形・軽量・低コストで設置性、施工性および使用者の使い勝手に優れた給湯装置を提供できる。

また、ヒートポンプ冷媒回路に使用する冷媒を二酸化炭素にすると、超臨界状態における冷媒の特性が高温の給湯加熱や加熱媒体になる温湯の加熱に好適なものにすることができる。

本発明によれば、湯切れを解消し、かつ、設置性、施工性、および使用者の使い勝手を向上させることができる。熱源部と貯湯部を分割し、設置性、施工性、および使用者の使い勝手を高めたヒートポンプ給湯装置に関する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の部品構成図である。図に示すように、ヒートポンプ給湯装置の部品構成は、ヒートポンプ冷媒回路１と、給湯回路３と、運転制御手段５とを備えて構成される。また、設置形態的には、熱源ユニットＡと貯湯ユニットＢとから構成され、給水側接続配管９１と、給湯側接続配管９３と、低電圧制御配線９５とにより互いに接続されている。また、熱源ユニットＡは、各リモコンおよび電源（図示せず）と接続され、貯湯ユニットＢは、給水および出湯配管と接続されている。

ヒートポンプ冷媒回路１は、二つの冷媒回路からなる２サイクル方式が採用され、圧縮機１１ａ、水冷媒熱交換器１４、減圧装置１７ａ、蒸発器２２ａを順次接続した第一の閉回路と、圧縮機１１ｂ、水冷媒熱交換器１４、減圧装置１７ｂ、蒸発器２２ｂを順次接続した第二の閉回路とからなり、各回路には冷媒が封入されている。圧縮機１１ａ、１１ｂは容量制御が可能で、多量の給湯を行なう場合には大きな容量で運転される。ここで、圧縮機１１ａ、１１ｂはＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組合せ制御により、低速（例えば１０００回転／分）から高速（例えば８０００回転／分）まで回転数が制御自在になっている。水冷媒熱交換器１４は冷媒側伝熱管と給水側伝熱管とからなり、この冷媒側伝熱管と給水側伝熱管との間で熱交換が行なわれる。蒸発器２２ａ、２２ｂは空気と冷媒との熱交換を行なう空気冷媒熱交換器で構成されている。

給湯回路３は、直接出湯回路と、タンク出湯回路と、貯湯タンク追焚き回路とから構成される。直接出湯回路は、貯湯ユニットＢに設けられた給水口が、減圧弁と給水を検知する給水水量センサ（共に図示せず）を備えた配管３１を介してバイパス弁３３、配管３５、配管３８、給水側接続配管９１を介して、熱源ユニットＡに順次接続される。更に、配管４２、給水逆止弁４７、配管４９、水冷媒熱交換器の給水側伝熱管５１、５２、給湯配管５４、給湯側接続配管９３を介して、再び、貯湯ユニットＢの配管５６、配管５８、出湯流量調整弁６０、配管６２、配管６４を、水配管を介して順次接続されて構成される。ここで、バイパス弁３３は、直接出湯回路の水管路に給水するばかりでなく、出湯する温湯の温度調節のために分岐配管３６を経て出湯配管６４に水を分配することが可能な比例弁である。また、給水逆止弁４７は、一方向にのみ水を流し、逆流を防止するものである。

上記構成において、出湯端末の蛇口が開けられると、水道圧により給水口から流入した水が、バイパス弁３３、分岐配管３６、出湯配管６４の経路で流れるとき、給水水量センサが給水を検知し、運転制御手段５により、出湯流量調整弁６０が開き、ヒートポンプ冷媒回路１の運転が開始されると共に、水道圧により水が水冷媒熱交換器１４に導かれて熱交換され、加熱された温湯が直接、出湯できるようになっている。なお、出湯量は、出湯流量調整弁６０の開度を調整することにより、調整自在になっている。

タンク出湯回路は、貯湯ユニットＢに設けられた給水口が、減圧弁と給水を検知する給水水量センサ（共に図示せず）を備えた配管３１を介して
バイパス弁３３に接続され、配管３５、配管４０を介して、貯湯タンク７５に順次接続され、更にタンク上部の配管７２をタンク流量調整弁７０を介して、前記直接出湯回路に水配管を介して順次接続されて構成されている。上記構成において、直接出湯回路と同様に給水が検知されると、運転制御手段５により、出湯流量調整弁６０と、タンク流量調整弁７０が開き、ヒートポンプ冷媒回路１の運転が開始されると共に、水道圧により水が配管４０を介して貯湯タンク７５に導かれ、貯湯タンク７５の下から上に水を押し上げることにより、上部に貯まった温湯を出湯できるようになっている。また、出湯量は、出湯流量調整弁６０、およびタンク流量調整弁７０の開度を調整することにより、調整自在になっている。

貯湯タンク追焚き回路は、貯湯ユニットＢの貯湯タンク７５、配管４０、配管３８と、給水側接続配管９１により熱源ユニットＡに接続される。更に配管４２、循環ポンプ４５、配管４９、水冷媒熱交換器の給水側伝熱管５１、５２、給湯配管５４と、給湯側接続配管９３により、再び、貯湯ユニットＢの配管５６に接続され、タンク流量調整弁７０を介して配管７２により、貯湯タンク７５に順次接続されて構成されている。上記構成において、運転制御手段５により、ヒートポンプ冷媒回路１の運転が行われ、水冷媒熱交換器１４の温度が充分に温まった後、タンク流量調整弁７０が開き、循環ポンプ４５が運転されると、貯湯タンク７５の下部の低温水が水配管を経由して水冷媒熱交換器１４に導かれ、再度加熱された後、再び、充分に温まった温湯として貯湯タンク７５の上部に蓄えられる。ここで、貯湯タンク７５は円筒状で縦長に形成された小容量のタンクで構成されており、従来貯湯方式の貯湯タンクに比べ１／１０〜１／２程度の小さな貯湯タンクであり、直接出湯回路の水冷媒熱交換器１４で加熱される温湯の温度が低い場合に、直接出湯回路からの温湯に混ぜることができる、高温の温湯を蓄えるものである。

運転制御手段５は、制御回路１０１が熱源ユニットＡの内部にあり、風呂リモコン１０３、台所リモコン１０４の操作設定と各センサの検出値により、ヒートポンプ冷媒回路１の運転・停止並びに圧縮機１１ａ、１１ｂの回転数制御を行なうと共に、循環ポンプ４５の運転・停止、バイパス弁３３、出湯流量調整弁６０、タンク流量調整弁７０を制御することにより、直接出湯運転、タンク出湯運転、同時出湯運転、貯湯タンク追焚き運転を行なうものである。なお、各センサには、各部の温度状態を検出する温度センサ、圧力を検知する圧力センサ、水量を検知する水量センサ等がある。

ここで、給水水量センサが検知する流量が所定の値未満の場合には、タンク出湯運転のみが行われ、所定値以上の場合には上記通り、タンク出湯運転から同時出湯運転を経て直接出湯運転のみに切り換わる。また、圧縮機１１ａ、１１ｂの回転数を制御し、運転開始直後には加熱立上げ時間を早めるため所定の高速回転数で運転するよう制御される。また、出湯端末における給湯使用後は、貯湯タンク追焚き運転を行ってから運転停止する機能を有している。

次に、本発明を実施するヒートポンプ給湯装置の運転動作の概要を、図１により説明する。出湯端末の蛇口が開けられたり、図示していないが、浴槽の湯はりが行われると、運転制御手段５は、上記の通り給水を検知し、圧縮機１１ａ、１１ｂを起動させヒートポンプ冷媒回路３の運転を開始し、給水口、バイパス弁３３、給水逆止弁４７、水冷媒熱交換器１４、出湯流量調整弁６０、出湯配管６４の直接出湯回路により、直接出湯運転を行なうと同時に、給水口、バイパス弁３３、貯湯タンク７５、タンク流量調整弁７０、分岐配管７２、出湯流量調整弁６０、出湯配管６４のタンク出湯回路によりタンク出湯運転を行なう。この際、タンク流量調整弁７０と出湯流量調整弁６０の弁の開度を調整することにより、徐々にタンク出湯量を減らし直接出湯量を増加させる。

ここで、ヒートポンプ冷媒回路１は、圧縮機１１ａ、１１ｂで圧縮された高温冷媒を水冷媒熱交換器１４に送り込み、給水配管４９から流入する水を加熱して給湯配管５４へ流出する。運転立ち上り時、運転制御手段５は高温安定状態に達するまでの所定の時間、圧縮機の回転数を通常より高速回転に制御し、給湯運転の立上時間を約２〜３分程度に短縮する。そして、運転開始直後の所定の時間、貯湯タンクから温湯を供給するタンク出湯運転を行なった後は、運転制御手段５が動作して、タンク出湯運転を停止して、直接出湯運転のみに切換える。なお、運転制御手段５は、貯湯タンク７５の残湯量が所定の値以下になったときには、タンク出湯運転を停止し、直接出湯運転のみに切り換える。このとき、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力は、約２５〜３０ｋＷ程度であり、２サイクル方式により実現している。また、ヒートポンプによる加熱方式のため、加熱能力が２５〜３０ｋＷ程度であっても、必要とする消費電力は５〜６ｋＷ程度で済むものである。

更に、温水使用が終了して出湯端末の蛇口が閉じられると、湯水使用直後でタンク出湯運転と直接出湯運転が行われている場合は両方を停止し、直接出湯運転のみであれば直接出湯運転を停止する。更に運転制御手段５は、貯湯タンク追焚き運転を開始し、温度センサ等によって貯湯完了を検知し貯湯完了を判定した後に運転を終了する。以上のように、運転制御手段５には、あらゆる運転において目的とする運転を終了した後に、必ず貯湯完了するまで貯湯タンク追焚き運転を行なうようになっている。

上記の構成、制御においては、給湯運転の立上時には、貯湯タンクに蓄えた温湯を出湯し、ヒートポンプ給湯装置の特徴である立上げ時のヒートポンプ能力不足を補い、一旦、ヒートポンプ冷媒回路が温まった後は、給水口から給水され、水冷媒熱交換器により加熱された温湯を直接出湯すると共に、給湯動作が終了後、必ず貯湯タンク追焚きを行い、次の出湯動作に備えるため、貯湯容量は各使用者のライフスタイルや設置可能な面積に応じた、必要最小限の大きさにすることができる。このため、貯湯ユニットは小型・軽量化され、集合住宅のパイプスペースやメータボックス、あるいは室内のデッドスペース等に設置することが可能になり、床面の強度も特に強化する必要が無くなる。更に、熱源ユニットとの接続が水配管２本と低電圧の制御配線のみで行えるため、施工が至って簡単である。つまり、主要な電気回路を、それも電力を必要とする機器および電源回路を一箇所に纏めることで電気工事にかかる負担を減らすことができる。また、設置個所を選んで、例えば出湯の即答性を高めることを目的として湯水の利用個所に近い場所にタンクユニットを配しても、制御配線と水配管だけで熱源ユニットと接続するようにしているので設置にかかる負担が非常に少なくて済む。

上記の説明通り、各使用者は希望により、貯湯容量の大きさに応じた貯湯ユニットを選ぶことができる。ここで、貯湯容量５０Ｌと１００Ｌを選択した場合の二つのケースを考える。貯湯式の場合、貯湯容量満杯の温湯を所定時間の間に最も効率良く沸き上げることが重要であるが、直接出湯機能を持つ場合、時刻の制約を受けず、いつでも湯切れの無い給湯を、最も効率良く実現することが重要である。一般に、貯湯タンク内の貯湯温度は衛生面から６０℃以上に制御され、直接出湯する温湯の温度は３８℃から４５℃程度であり、ヒートポンプ冷媒回路の効率と貯湯時の放熱ロスを考えた場合、極力、直接出湯を行った方が効率が良くなる。

ここで、図２において、運転制御手段５は、使用者の連続して発生する給湯負荷の最も大きいものを記憶する手段１２５を備え、貯湯タンクで補える負荷分担量１２１を差し引き、直接出湯で賄う必要のある能力１２７を算出し、その能力を能力設定手段１２９により最大能力に設定し、回転数制御手段１３０によりヒートポンプ冷媒回路の圧縮機の運転回転数を制御できるようにするものである。なお、連続最大負荷記憶手段１２５の初期値は、浴槽の湯はりとシャワーで使用する温湯の量を想定し、通常期で１７℃の水３００Ｌを４２℃に加熱するのに要する熱量、約８７００Ｗを１５分で行う３５ｋＷとする。例えば、貯湯温６５℃で貯湯容量５０Ｌの場合は、１７℃の水４６Ｌと混ぜて４２℃の温湯９６Ｌを補充できるので、直接出湯能力は４２℃の温湯２０４Ｌを１５分で供給できる２４ｋＷ程度にする必要がある。同様に、貯湯容量１００Ｌの場合は、１７℃の水９２Ｌと混ぜて４２℃の温湯１９２Ｌを補充できるので、直接出湯能力は４２℃の温湯１０８Ｌを１５分で供給できる１３ｋＷ程度に決まる。このように、同じ給湯負荷の場合、貯湯容量が小さいと最大能力は高めに設定されるが、上記通り、ヒートポンプ冷媒回路が２サイクルで構成され、圧縮機の運転台数、回転数が制御自在になっているため、最大能力の大小に拘わらず、運転制御することが可能である。また、実際の運転により、最大負荷が変化した場合には、新しい負荷に更新されるが、学習効果により、ヒートポンプ効率に最適な最大能力、および圧縮機の回転数が設定されるようになっている。

次に、循環ポンプ４５の水循環量の制御に関して、図３により説明する。上記通り、貯湯タンク追焚き運転は出湯が行われる毎に行われるので、その回数も多く全体の効率に与える影響も大きい。貯湯タンク追焚き運転時のヒートポンプ効率は、貯湯タンク下部の低温水を水冷媒熱交換器で再加熱する場合は、高く維持される。しかしながら、貯湯タンク内の温湯と低温水の二層分布を確保する境界層（湯・水混合層）が乱されると、貯湯タンク下部の低温水の温度が上昇し、水冷媒熱交換器に進入する水温が上昇してしまい、ヒートポンプ効率は極端に低下する。従って貯湯タンク内の二層分布を確保しつつ追焚き運転を行うことは非常に重要で、特に貯湯タンクが小形になってくると、重要度が高くなる。貯湯タンク内の二層分布を確保するためには、境界層を極力、攪拌しないように、循環ポンプの動作を制御して、水循環量を正確に制御する必要がある。

しかしながら、実際の据付状態においては、熱源ユニットと貯湯ユニット間の接続配管長さ、曲げ数の違い等により水配管内の圧力損失は変化し、必ずしも貯湯タンク内の二層分布確保に好適な運転を行うことができない。例えば、交流ポンプでは、図３に示すように、据付状態における圧力負荷がＰ１のとき、実線で示す５０Ｈｚ、６０Ｈｚの水循環特性カーブの交点に相当する水循環量Ｖ50、Ｖ60の一定の循環量でいきなり循環が開始されるため、特に小形の貯湯タンクでは境界層が攪拌され乱され、水冷媒熱交換器に進入する水温が上昇するため、効率低下を余儀なくされる。

そこで、本発明では、運転制御手段５の循環ポンプ回転数制御手段により、循環開始時に圧力負荷がＰ１のとき、破線ａで示す特性で運転を開始し、境界層を乱さずに循環開始できる水循環量Ｖ１に制御し、その後、ヒートポンプ効率が最大となる所定の水循環量に合せるべく徐々に循環量を変化させるトルク制御を行い、破線ｂで示す特性の運転による最大設定循環量ＶＮまでの範囲内でトルクを調整し、水循環量を所定の循環量に制御することができる。このため、据付状態により水配管の圧力損失が変化した場合でも、循環ポンプ制御手段により所定の循環量に制御でき、貯湯タンク内の境界層を乱さない、理想的な温湯の循環が可能になりタンク追焚き時の効率を高く維持できるため、ヒートポンプ給湯装置の総合効率を高くすることができる。この制御を実現する方法として、ＤＣ駆動ポンプを使う方法や、インバータ制御ポンプを使う方法、ＡＣポンプのまま、タンク流量調整弁７０の開度で循環量を調整する方法等がある。

次に、本発明においては、貯湯ユニットの小形・軽量化により設置場所に様々な場所を選択することが可能になると共に、設置場所によっては、給湯回路全体の水配管の引回し部分が多くなるため、水配管の凍結防止を効率良く行うことが重要である。図１において、熱源ユニットＡは外気から熱を汲み上げる必要があるため、一般に室外に設置される。一方、貯湯ユニットＢは、使用者の希望により設置場所が選択されるが、バルコニー等のスペースが狭い集合住宅等では、室内の洗面所近くのパイプスペースや、玄関近くのメータボックス内に設置される場合が多く、戸建て住宅においては室外に設置される場合が多い。また、水配管の凍結に関しては、地域差が大きい。

このように据付状況や据付地域によって対応が異なる水配管の凍結防止手段を効率的に講じるため、外気温度センサ（図示せず）と給水温度センサ（図示せず）の検出する温度の論理和が運転制御手段５に定める第一の所定温度より低くなった場合は、タンク流量調整弁７０を開き、循環ポンプ４５を運転することにより、貯湯タンク追焚き回路内の水配管の水を循環し凍結防止を図るものである。なお、この場合、タンク流量調整弁７０の開度を調整し、循環ポンプ４５の循環水量を調整することにより、小形の貯湯タンクであっても、境界層の攪拌を最小限に抑えることができる。

更に、前記外気温度センサと、前記給水温度センサの検出する温度の論理和が運転制御手段５に定める第二の所定温度より低くなった場合には、ヒートポンプ冷媒回路を運転しながら貯湯タンク追焚き回路内の水配管の水を循環し凍結防止を図るものである。この場合も、タンク流量調整弁７０の開度を調整し、循環ポンプ４５の循環水量を調整することにより、貯湯タンク内の境界層の攪拌を最小限に抑えることができる。以上の構成、制御により、据付状況や据付地域によって異なる水配管の凍結防止手段を効率的に講じることができる。

次に、特に少人数の給湯に好適な給湯装置について説明する。核家族化、少子化等の社会的変化や、単身赴任等の労働環境の変化に伴い、少人数向け給湯装置の必要性が叫ばれている。特に単身赴任世帯を中心に、火を使わず安全で、小形で低消費電力のヒートポンプ給湯装置が必要になってきている。本発明の給湯装置においては、直接出湯機能を備え、貯湯ユニットを集合住宅のパイプスペースやメータボックス等、手狭で特別な強度を要しない場所にも据付可能であり、広く使用されつつある。ところで、ヒートポンプ給湯装置のような電気式給湯や冷暖房、調理等をすべて電気で行う全電化住宅においては、ランニングコスト面から契約電気容量を１０ｋＶＡ以下で賄うことが理想とされている。

本発明のヒートポンプ給湯装置においては、直接出湯能力を確保するため、ヒートポンプ冷媒回路を２サイクル設け、出力３０ｋＷ程度を想定しているが、成績係数（ＣＯＰ）が５．０の場合でも消費電力容量６ｋＶＡを要し、普及の妨げになっている。そこで、単身赴任世帯や少人数の世帯における給湯装置として、圧縮機１台で直接出湯能力を確保することができるヒートポンプ給湯装置が脚光を浴びつつある。即ち、ヒートポンプ冷媒回路の給湯加熱能力が１０−１５ｋＷ程度で、貯湯ユニットの貯湯容量が２０−２００Ｌ程度で、使用者のライフスタイルに合わせて選択可能な給湯装置が単身赴任世帯や少人数の世帯に好適である。

本発明のヒートポンプ給湯装置に関して説明する。図４は、各種ヒートポンプ給湯装置の直接出湯能力、３０分連続出湯能力、２０分連続出湯能力、貯湯タンク沸上げ時間を示す。直接出湯能力は、貯湯タンクに貯湯せず、水冷媒熱交換器で加熱した温湯を直接出湯した場合の能力を表わし、一般に貯湯式では小さく、瞬間湯沸かし形では大きい。３０分連続出湯能力は、水冷媒熱交換器で加熱し直接出湯した温湯と、３０分で使い切るつもりで貯湯タンクに蓄えた温湯をタンク出湯した場合の合計の出湯能力を表わし、貯湯容量が大きいほど大きい。２０分連続出湯能力も同様の定義であり、貯湯容量が大きいほどより大きい。一方、貯湯タンク沸上げ時間は、貯湯タンク満杯の水を所定温度の温湯に沸き上げるまでの時間を表わし、貯湯容量が大きく、給湯加熱能力が小さいほど、沸上げに時間を要し、一般に貯湯式では沸き上げに要する時間が長くなる。

図４の直接出湯能力は、外気温１６℃の中間期に、１７℃の水を４２℃に加熱するときの１分当りの出湯量を示し、出力４．５ｋＷ、貯湯容量３００Ｌの貯湯式では３Ｌ未満、出力１０ｋＷの瞬間湯沸かし形では約６Ｌ、出力１５ｋＷの瞬間湯沸かし形では約９Ｌと、瞬間湯沸かし形では出湯端末１栓使用において支障の無い流量を確保できる。逆に、貯湯式の場合、万一、湯切れを起こした場合、毎分３Ｌ未満の出湯しかできなくなり、致命的欠陥となる。この欠陥を防止するため、貯湯式では、必要以上に大量の貯湯を長時間行っている。

また、図４の３０分連続出湯能力、２０分連続出湯能力は、この時間で貯湯タンク内の６５℃の温湯をすべて使いきる計算をしており、貯湯式が最も優れているが、３０分連続出湯能力については、出力１５ｋＷ、貯湯容量２００Ｌの瞬間湯沸かし形と貯湯容量３００Ｌの貯湯式で同程度の能力を有している。ここで、単身赴任世帯や少人数の世帯では、家族数が少なく、複数の出湯端末を同時に開く確率も低いため、２０分連続出湯能力で１０Ｌ／分を確保できれば問題無いと考えられ、出力１０ｋＷ、貯湯容量５０Ｌの瞬間湯沸かし形でも支障無い。

更に、図４の貯湯タンク沸上げ時間については、タンク満杯の１７℃の水を各出力で６５℃まで沸き上げるのに要する時間を示すが、出力１０ｋＷ、貯湯容量２００Ｌの瞬間湯沸かし形で１時間を越えるが、他の瞬間湯沸かし形においてはすべて１時間以内である。これに対し、貯湯式では、沸上げに４時間近くかかり、万一、湯切れを起こした場合、４時間近くもの間、温湯の使用ができなくなり致命的欠陥となる。

以上のように、給湯加熱能力が１０−１５ｋＷ程度で、貯湯ユニットの貯湯容量が２０−２００Ｌ程度の瞬間湯沸かし形ヒートポンプ給湯装置においては、単身赴任世帯や少人数の世帯に好適で、省エネルギや光熱費の節約に関心のある家庭にも適した、小形・軽量な給湯装置を提供できる。特に、帰宅時間が遅く、夜の１０時以降に、浴槽の湯はり等に大量の温湯を使う単身赴任世帯等では、時間帯別電力契約の夜間料金を活用することにより、貯湯式と同様に安いランニングコストが得られる。

次に、図１のヒートポンプ冷媒回路１に使用する冷媒を二酸化炭素とした場合、冷媒である二酸化炭素ガスは、圧縮機１１ａ、１１ｂにより圧縮され、圧力および温度が、二酸化炭素の臨界圧力、臨界温度以上の超臨界状態になる。この高温の冷媒と被加熱流体の水と対交流で熱交換させる場合、水冷媒熱交換器１４の冷媒伝熱管の冷媒入口から冷媒出口の間と、給水伝熱管の給水入口から給水出口の間において、加熱流体の冷媒と被加熱流体の水との温度差が各部分でほぼ均一となり、非常に効率の良い加熱が行われることは広く知られている。このように、被加熱流体の加熱に好適な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、本発明はより大きな効果を得ることができる。

本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す部品構成図。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す機能構成図。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す水循環量特性図。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す出湯能力特性図。

符号の説明

１…ヒートポンプ冷媒回路
３…給湯回路
５…運転制御手段
１４…水冷媒熱交換器
３３…バイパス弁
４５…循環ポンプ
４７…給水逆止弁
６０…出湯流量調整弁
７０…タンク流量調整弁
７５…貯湯タンク
Ａ…熱源ユニット
Ｂ…貯湯ユニット

Claims (8)

1. 供給された非加熱水をヒートポンプサイクルで加熱する加熱手段と、その加熱手段を制御する制御回路とを有する加熱ユニットと、温度センサを備えた貯湯タンク及び給水管と接続する非加熱水導出口と、前記加熱手段で加熱された非加熱水と前記貯湯タンク内の湯水とを用いて前記制御回路の指令に基づいた温度の湯水を供給する給湯回路とを有する貯湯ユニットとを備え、前記加熱ユニットと前記貯湯ユニットとを非加熱水配管、加熱水配管、制御配線で接続したヒートポンプ給湯装置。
2. 請求項１において、前記加熱ユニットは加熱手段に非加熱水を供給する非加熱水ポンプを備え、前記制御回路は前記給湯回路からの出湯が無いときに前記非加熱水ポンプを駆動して前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ給湯装置。
3. 圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、それぞれ冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、
   給水口と、給水された水を分配するバイパス弁と、給水逆止弁と、分配された水を加熱する前記水冷媒熱交換器と、加熱された温湯を第一流量調整弁を介して出湯する出湯口とが水管路で接続された給湯回路と、
   前記給水口と、前記バイパス弁と、前記給湯回路の前記第一流量調整弁と前記出湯口との間に分配された残りの水を合流させる流路とが水管路で接続された給水回路と、
   前記給湯回路から分岐した分岐配管と、第二流量調整弁を介して接続された貯湯タンクと、前記給湯回路のバイパス弁と給水逆止弁との間に前記貯湯タンクの下部から温湯を合流させる流路と、前記給湯回路の給水逆止弁と並列に接続された循環ポンプと、前記給湯回路の水冷媒熱交換器とが水管路で接続された貯湯タンク追焚き回路と、
   制御回路と、風呂リモコンと台所リモコンと接続して、各センサとを備え、前記の各リモコンの操作・設定並びに各センサの検出値により、前記制御回路が前記ヒートポンプ冷媒回路、給湯回路、給水回路、貯湯タンク追焚き回路の部品を運転制御する運転制御手段により構成され、
   出湯端末を開いている間、前記給湯回路の給水口から入った水が前記ヒートポンプ冷媒回路の水冷媒熱交換器により加熱され、前記出湯口から供給される直接出湯機能と、
   出湯端末を開いている間、前記貯湯タンクに貯湯された温湯を前記出湯口から供給するタンク出湯機能と、
   直接出湯とタンク出湯の二つの出湯を合せて、前記出湯口から供給する同時出湯機能とを備えたヒートポンプ給湯装置において、
   前記ヒートポンプ冷媒回路と、前記給湯回路の給水逆止弁と水冷媒熱交換器と、前記貯湯タンク追焚き回路の循環ポンプと、前記運転制御手段の制御回路と各センサとから構成された熱源ユニットと、
   前記運転制御手段の指令に基づいて、直接出湯とタンク出湯と同時出湯とを切換える前記給湯回路と、前記給水回路と、前記貯湯タンク追焚き回路と、前記運転制御手段の各センサとから構成された貯湯ユニットとを、
   給水側接続配管、給湯側接続配管、低電圧制御配線で接続したヒートポンプ給湯装置。
4. 貯湯ユニットの貯湯容量を設定する貯湯容量設定手段と、
   連続的に供給される温湯の最大負荷を記憶する連続最大負荷記憶手段と、
   必要とする直接出湯能力を算出する直接出湯能力演算手段とから、
   熱源ユニットのヒートポンプ加熱能力を所定の値に設定するヒートポンプ加熱能力設定手段を有し、圧縮機運転台数、圧縮機回転数を制御する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 貯湯ユニットと熱源ユニットとを接続する水配管の圧力損失に拘わらず、循環ポンプの水循環量を貯湯タンク内の温度の二層分布を乱さない所定の循環量に制御する循環ポンプ制御手段を有する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 外気温、もしくは貯湯タンク追焚き回路の水管路に滞留した水の温度が第一の所定温度より低下した場合に、前記貯湯タンク追焚き回路の水を循環させ、第一の所定温度より低い第二の所定温度より低下した場合に、ヒートポンプ冷媒回路を運転し、前記貯湯タンク追焚き回路の水を循環させ、水管路内の水の凍結防止を行う請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 前記ヒートポンプ給湯装置の熱源ユニットの加熱能力が１０−１５ｋＷで、かつ貯湯ユニットの貯湯容量が２０−２００Ｌである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。
8. 前記ヒートポンプ冷媒回路に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１〜５に記載のヒートポンプ給湯装置。
   

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