JP2006234273A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内に蓄える湯を十分に加熱して蓄熱温度を均一にすることができ、タンク内にレジオネラ菌が繁殖するのを抑えた安全性の高いヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】水を湯に沸き上げる冷凍サイクル１０と、冷凍サイクル１０に水を供給するための給水配管２５と、冷凍サイクル１０で沸き上げられた湯を蓄えるタンク４０とを備え、沸き上げられた湯をタンク４０の底部からタンク４０内へ流入させて蓄えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものであり、特に開放式のタンクを用いるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から供給される冷媒と水とを熱交換させて湯にする加熱用熱交換器とこの加熱用熱交換器からの冷媒を減圧する減圧器とこの減圧器からの冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器とを順次冷媒配管で接続した冷媒回路及び、前記加熱用熱交換器からの湯を貯留する貯湯槽と前記貯湯槽からの水を前記加熱用熱交換器へ送る循環ポンプと前記加熱用熱交換器とを順次温水配管で接続した給湯回路を備えたヒートポンプ式給湯機において、前記貯湯槽の側面に前記加熱用熱交換器を設けると共に前記加熱用熱交換器から前記貯湯槽へ湯を送る温水配管を前記貯湯槽の側壁の近傍に設けることを特徴とするヒートポンプ給湯機がある（例えば、特許文献１参照）。

また、圧縮機、蒸発器、凝縮器を備えたヒートポンプ装置と貯湯槽とを構成要素とし、前記貯湯槽は、開放型とし、その内部に液面計と温度センサとを設け、前記凝縮器は、二重管式熱交換器とし、前記貯湯槽内部に前記凝縮器である二重管式熱交換器を設け、前記二重管式熱交換器の一方の口に給水弁を介して市水と接続し、他方の口に温度調整弁を設け、前記温度調整弁の口は、前記貯湯槽内に開放され、前記温度センサにより圧縮機の発停を行い、前記液面の高さにより、前記圧縮機と、前記給水弁の開閉を行なうことを特徴とするヒートポンプ給湯機がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２４１７６２号公報（第２頁、第１図） 特開昭６３−３０６３５４号公報（第１頁〜第３頁、第１図）

上記文献１記載のヒートポンプ給湯機は、貯湯槽に密閉式タンクを使用しており、タンクの下部から給水して、タンクの上部から出湯する構造となっている。したがって、タンク内は常に満水状態となっている。また、タンクに高温水を蓄える際は、タンク内の低温水を循環ポンプで加熱用熱交換器に送り、この加熱用熱交換器で沸き上げられた高温水をタンク上部からタンク内に蓄えるようになっている。

しかしながら、タンク内に蓄えられる高温水の温度は外気より高く、タンク全体が蓄熱している間、タンク上部から熱が外気へ逃げるため、タンク上部に蓄えられている高温水の温度よりタンク下部に蓄えられている高温水の温度の方が低くなってしまう。また、高温水と低温水の境界層では、水温による密度差のために、高温水と低温水とが対流で混ざることはないが、熱伝導によって高温層から低温層へと熱が伝わり、境界層で温度勾配が生じてしまい、タンクに蓄えられている高温水全体の温度が均一にならないという問題があった。

また、上記文献２記載のヒートポンプ給湯機は、貯湯層に開放型タンクを使用しているので、タンク内が常に満水状態となっているわけではない。また、このヒートポンプ給湯機は、タンク内に設けた凝縮器で低温水が沸き上げられて高温水を蓄えるようになっている。

しかしながら、タンク上部から熱が外気へ逃げるため、凝縮器より下側に蓄えられている水の温度は凝縮器より上側に蓄えられている水の温度より低くなってしまう。したがって、タンクに蓄えられている水全体の温度が均一にならないという問題があった。すなわち、凝縮器より下側は加熱することができないため、沸き上げ設定温度より温度が低くなってしまっていた。また、開放型タンクを使用しているので、外気からタンク内に入ったレジオネラ菌が繁殖してしまうという問題もあった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたもので、タンク内に蓄える高温水を十分に加熱して蓄熱温度を均一にすることができ、タンク内にレジオネラ菌が繁殖するのを抑えた安全性の高いヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。また、開放型タンクを使用することで、必要耐圧強度が下がり、タンクの材料に樹脂材料等を用い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。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、水を湯に沸き上げる冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルに水を供給するための給水配管と、前記冷凍サイクルで沸き上げられた湯を蓄えるタンクとを備え、前記湯を前記タンクの底部から流入させることを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、水を湯に沸き上げる冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルに水を供給するための給水配管と、前記冷凍サイクルで沸き上げられた湯を蓄えるタンクとを備え、前記湯を前記タンクの底部から流入させるので、タンク内に蓄えられる湯の温度を均一かつ高温に維持することができる。また、冷凍サイクルを高効率で運転できるので、タンク内に細菌が繁殖するのを防止して安全性を高めることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機１の全体構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ給湯機１は、圧縮機１１と、放熱器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４とを冷媒配管１５で順次環状に接続した冷凍サイクル１０と、流量調整弁２１と、放熱器１１と、タンク４０の底部とを給水配管２５で順次接続した蓄熱回路２０と、タンク４０の底部と、ポンプ３１と、給湯負荷利用検知手段３２とを給湯配管３５で順次接続した給湯負荷回路３０と、タンク４０とを少なくとも備えている。

冷凍サイクル１０は、一般にヒートポンプサイクルと称されており、冷媒を循環させて水を湯に沸き上げる機能を有している。圧縮機１１は、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒とするものである。放熱器１２は、一般に熱交換器と称されており、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒と給湯用の水との熱交換を行い水の温度を上昇（沸き上げ）させるものである。膨張弁１３は、沸き上げを行った後の冷媒を減圧し低温低圧の冷媒にするものである。蒸発器１４は、一般に室外熱交換器と称されており、冷媒に空気から吸熱させるものである。冷媒配管１５は、冷媒を冷凍サイクル１０内で循環させるものである。

冷媒には、冷凍サイクル１０における高圧側が臨界圧力以上の超臨界状態となる二酸化炭素（ＣＯ２）や、高圧側が臨界圧力以下でも臨界圧力付近で動作するＲ４１０Ａ、Ｒ３２等を用いるとよい。なお、冷凍サイクル１０には、図示省略の冷凍サイクル１０を制御する冷凍サイクル制御手段やアキュムレータ等を備えるとよい。

蓄熱回路２０は、水を冷凍サイクル１０の放熱器１２に供給し、放熱器１２で沸き上げられた湯をタンク４０に供給するようになっている。流量調整弁２１は、冷凍サイクル１０に供給する水の流量を調整するものである。給水配管２５は、冷凍サイクル１０に水を供給し、冷凍サイクル１０で沸き上げられた湯をタンク４０に流入させるものである。なお、この給水配管２５は、タンク４０の底部に接続されているので、冷凍サイクル１０で沸き上げられた湯はタンク４０の底部から蓄えられるようになっている。

また、蓄熱回路２０には、冷凍サイクル１０で沸き上げられた湯の温度を検知するための沸き上げ温度検知手段４２を備えている。なお、流量調整弁２１を、沸き上げ温度検知手段や水位計４１（水位検知手段）、温度分布検知手段４３等の検知情報に基づいて全体を制御する図示省略の制御手段で制御するとよい。

給湯負荷回路３０は、ヒートポンプ給湯機１を使用するユーザの指示に基づいてタンク４０に蓄えられている湯を蛇口やシャワー等の給湯負荷に出湯するようになっている。ポンプ３１は、給湯負荷に湯を供給するためのものである。給湯負荷利用検知手段３２は、給湯負荷が利用されたのを検知するためのものである。例えば、蛇口が開放された時に流れる流量を検知するための流量計や蛇口が開放された時の圧力変動を検知するための圧力計等であればよい。給湯配管３５は、タンク４０の底部と給湯負荷とを接続し、タンク４０に蓄えられている湯を給湯負荷から出湯させるものである。

タンク４０は、開放式であり、冷凍サイクル１０で沸き上げられた湯を蓄えるためのものである。また、タンク４０は、給水配管２５及び給湯配管３５と底部で接続されおり、水位計４１とタンク温度分布検知手段４３とを備えている。水位計４１は、タンク４０内の水位を検知するためのものである。タンク温度分布検知手段４３は、タンク４０内の温度分布を検知するためのものである。なお、ここでは、タンク温度分布検知手段４３が３つ備えられている場合を例に示すが、これに限定するものではない。

次に、蓄熱運転動作について説明する。蓄熱運転とは、冷凍サイクル１０と蓄熱回路２０とを動作させることで、設定された所定温度の湯をタンク４０に蓄えて、タンク４０全体を所定温度（目標蓄熱温度）の状態にすることである。なお、蓄熱運転開始／終了の判定や蓄熱されるときの湯温及び湯量の算出は、沸き上げ温度検知手段４２やタンク温度分布検知手段４３、水位計４１の検知情報に基づいて図示省略の制御手段が行なうことが望ましい。

圧縮機１１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、放熱器１２で放熱しながら温度低下する。このとき高圧側圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また高圧が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。

給湯加熱を行い放熱器１２から流出した高圧低温の冷媒は膨張弁１３で減圧される。その後、低圧低温となった冷媒は、蒸発器１４に流入し、そこで外気から吸熱し、蒸発ガス化される。蒸発器１４から流出した低圧のガス冷媒は、圧縮機１１に流入する。このように、冷媒が冷媒配管１５を循環して冷凍サイクル１０を形成している。冷凍サイクル１０に備えられている図示省略の制御手段は、冷凍サイクル１０の所定能力を適正な効率で発揮、維持できるように、圧縮機１１の周波数や膨張弁１３の開度を制御するようになっている。

このとき、蓄熱回路２０では、放熱器１２で冷媒から放熱された熱が放熱器１２に供給される水に与えられる。すなわち、放熱器１２は、流量調整弁２１を通り放熱器１２の入水側から供給される水と熱交換（沸き上げ）するようになっている。沸き上げられた湯の温度は、沸き上げ温度検知手段４２で検知されて、その検知温度が設定された所定の沸き上げ温度となるように流量調整弁２１を制御する。この沸き上げられた湯は、タンク４０の底部から流入し、タンク４０内に所定量蓄えられる。こうして、一連の蓄熱運転動作が終了する。

図２は、ヒートポンプ給湯機１の蓄熱運転動作の流れを示すフローチャートである。図２に基づいて、蓄熱運転動作の詳細な流れを説明する。
蓄熱運転は、ヒートポンプ給湯機１を使用するユーザにより給湯負荷（蛇口やシャワー等）が利用された場合や、図示省略のリモコン等の操作部に設けられているタイマで設定された所定時間が経過した場合、タイマで設定された所定の時刻となった場合を契機として動作を開始するようになっている。なお、ここでは、ユーザにより給湯負荷が利用された場合を例に示す。

ユーザにより給湯負荷が利用されると、給湯配管３５の圧力が下がったり、ヘッド差により流量が発生したりするので、給湯負荷利用検知手段３２で給湯負荷利用が検知されるようになっている。給湯負荷利用検知手段３２で給湯負荷の利用が検知されると、ポンプ３１を運転し、給湯負荷側へ必要な流量を確保する。給湯負荷が利用されると、タンク４０内の湯は消費され、タンク４０内の水位が低下する。これを水位計７が検知しており、所定水位以下であることを検知したことを契機に、蓄熱運転を行う。

まず、ヒートポンプ給湯機１が蓄熱運転を開始すると、水位計４１の検知水位及びタンク温度分布検知手段４３ａ〜４３ｃの検知温度に基づいて、目標沸き上げ温度を算出する（ステップＳ１０１）。この目標沸き上げ温度は、タンク４０内残湯量及びタンク４０内温度分布から、タンク４０を設定された所定の温度の湯で満水状態とするのに必要なものとして算出される。なお、目標沸き上げ温度の算出は、図示省略の制御手段が行なうことが望ましい。

通常、タンク４０内に蓄えられる湯の温度は、外気へ放熱し、時間の経過に伴って低下してしまう。したがって、目標沸き上げ温度は、タンク４０内に蓄えられている湯の温度よりも高く設定することが望ましい。そうすれば、タンク４０底部から流入する沸き上げられたばかりの湯と、タンク４０内に蓄えらている湯とが、密度差による対流で混合し、タンク４０内の湯全体の温度が均一となる。

次に、冷凍サイクル１０を運転させて蓄熱運転を行い、タンク４０内に蓄える湯の温度が目標沸き上げ温度及び目標水位となるよう調整される（ステップＳ１０２）。水位計４１は、タンク４０内の水位が目標水位であることを検知すると、沸き上げが完了し（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、蓄熱運転が終了する。一方、沸き上げが完了していないとき（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、所定の水位になるまで沸き上げを継続する（ステップＳ１０３；Ｎｏ）。

所定の水位に到達すると（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、再度目標沸き上げ温度を算出する。このとき、タンク温度分布検知手段４３ａに対応した所定水位が貯湯される毎に、タンク温度分布検知手段４３ａで検知される湯温と、水位計７で検知される残湯量から、タンク４０が満水状態となったときの目標蓄熱温度となるのに必要な沸上げ温度を再度算出する。算出の結果、変更があれば、沸き上げ温度検知手段４２で検知される沸上げ温度の目標値を変更して運転するとよい。

一般に、冷凍サイクル１０に供給される水の温度が高くなると冷凍サイクル１０の効率が低下することがわかっている。従来の密閉式タンクを備えたヒートポンプ給湯機のように、タンク下部からヒートポンプへ水を供給し、タンク上部へ沸き上げられた湯を戻す場合、タンク内部に水と湯との混合層が発生してしまい、タンク全量を沸き上げようとすると、ヒートポンプに供給される水の温度が上昇してしまう。すなわち、タンク全量を沸き上げるためには、ヒートポンプに一定の低温水の水が供給されることが好ましいが、水と湯との混合水（例えば、ぬるま湯や設定温度まで達していない高温水等）が供給されてしまい、ヒートポンプの沸き上げ効率が低下してしまう。

これに対して、ヒートポンプ給湯機１では、給水配管２５をタンク４０に経由させずに、直接冷凍サイクル１０に接続している。したがって、冷凍サイクル１０の運転動作中に供給される水の温度は常に低温で一定となり、効率よい蓄熱運転ができるようになっている。また、沸き上げられた湯は、タンク４０の底部からタンク４０内に流入するようになっているので、タンク４０内に生じる対流により、タンク４０内に蓄えられる湯の全量を均一かつ高温に沸き上げることが可能となっている。

また、タンク４０は、開放型タンクであるために、外気から細菌（例えば、レジオネラ菌）がタンク４０内に入り込む可能性がある。しかしながら、タンク４０内の湯の全量を高温かつ均一に沸き上げることができるので、菌が繁殖しやすい温度帯の湯を排除することが可能であり、菌の繁殖を防ぐことができる。また、開放型タンクは、耐圧強度を下げることが可能であり、材料の選択の幅を広げることができる。そうすると、タンク４０の形状の自由度を高くすることにもなり、例えば、薄型のタンクや小型のタンク等にすることが可能となっている。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機１ａの全体構成を示す概略構成図である。図１と共通する部分については同じ符号を付し説明を省略する。電磁弁５０は、ポンプ３１の出口側と放熱器１２の入水側を接続する位置に配置されており、流路切替手段としての機能を果たす。すなわち、電磁弁５０は、タンク４０に蓄えらている湯を再度沸き上げる場合に、その湯を冷凍サイクル１０に循環させる機能を有している。

給湯負荷が発生し、タンク４０の水位が低下すると冷凍サイクル１０が運転され、タンク４０内に設定された所定温度の湯を所定水位蓄えるようになっている。しかしながら、給湯負荷の発生が無くても、放熱によるタンク４０の温度低下で、タンク４０の蓄熱量が低下してしまう。そこで、タンク温度分布検知手段４３で検知された水温が所定温度以下となった場合は、冷凍サイクル１０を再度運転し、電磁弁５０でタンク４０の湯を循環させて所定温度まで沸き上げることが可能となっている。なお、図示省略のリモコン等の操作部に設けられているタイマで設定された所定時間が経過した場合、タイマで設定された所定の時刻となった場合等も同様の動作を行えるようになっている。

ヒートポンプ給湯機１ａは、タンク４０内の湯の温度が低下した場合、その湯を循環させて再度冷凍サイクル１０を運転するので、タンク４０内に蓄えられる湯の全量を均一かつ高温に沸き上げることができる。また、タンク４０内に蓄えられる湯の全量を均一かつ高温に維持することができるので、細菌（レジオネラ菌）が繁殖しやすい温度帯の湯が排除することが可能であり、細菌の繁殖を防ぐことができる。また、また、開放型タンクは、耐圧強度を下げることが可能であり、材料の選択の幅を広げることができる。そうすると、タンク４０の形状の自由度を高くすることにもなり、例えば、薄型のタンクや小型のタンク等にすることが可能となっている。

実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の概略構成図である。 ヒートポンプ給湯機の蓄熱運転動作の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機の概略構成図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ給湯機、１ａ ヒートポンプ給湯機、１０ 冷凍サイクル、１１ 圧縮機、１２ 放熱器、１３ 膨張弁、１４ 蒸発器、２０ 蓄熱回路、２１ 流量調整弁、２５ 給水配管、３０ 給湯負荷回路、３１ ポンプ、３２ 給湯負荷利用検知手段、３５ 給湯配管、４０ タンク、４１ 水位計、４２ 沸き上げ温度検知手段、４３ａ タンク温度分布検知手段、４３ｂ タンク温度分布検知手段、４３ｃ タンク温度分布検知手段、５０ 電磁弁。

Claims (5)

1. 水を湯に沸き上げる冷凍サイクルと、
   前記冷凍サイクルに水を供給するための給水配管と、
   前記冷凍サイクルで沸き上げられた湯を蓄えるタンクとを備え、
   前記湯を前記タンクの底部から流入させる
   ことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記湯を前記タンクの底面から流入させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記タンク内の温度分布を検知するためのタンク温度分布検知手段と、
   前記タンク内の水位を検知するための水位検知手段とを備え、
   それらの検知結果に基づいて目標沸き上げ温度を算出する制御手段を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 沸き上げられた湯の温度を検知するための沸き上げ温度検知手段と、
   前記冷凍サイクルに供給する水の流量を調整する流量調整手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記沸き上げ温度手段の検知結果が前記目標沸き上げ温度となるように前記流量調整手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記タンクに蓄えられている湯の流路を切り替える流路切替手段を備え、
   前記湯が所定の温度以上であることを前記タンク温度分布検知手段が検知したとき、
   前記流路切替手段は、
   前記湯を前記冷凍サイクルに戻すように前記流路を切り替える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
   

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