JP2007198691A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転で沸き上げ運転が中止されることで、給湯の沸き上げが出来なくなることを防止したヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】湯水を貯湯する貯湯タンク２と、圧縮機１３、前記貯湯タンク２と連通され水を加熱する冷媒−水熱交換器１４、蒸発器を構成する空気熱交換器１７を接続したヒートポンプ回路１８で、前記空気熱交換器１７の送風ファン１６による送風の風上側に放熱器２１を備え、この放熱器２１に冷媒−水熱交換器１４で加熱される前の給水を通すように往き管２３を流出管１１に接続すると共に、戻り管２４を往き管２３より冷媒−水熱交換器１４側の流出管１１に接続したことで、除霜をしながら効率良く沸き上げ運転が可能で、極めて使用勝手が良いものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ヒートポンプを利用した貯湯式の給湯装置の除霜制御に関するものである。

従来よりこの種のものでは、冬期等で外気温度が低下すると、空気熱交換器の結露水が凍結するので、凍結危険状態では圧縮機の吐出側四方弁を切替て、空気熱交換器に加熱冷媒を流すと共に、冷媒−水熱交換器へも継続して加熱冷媒を流して給湯が継続されるようにするものであった。（例えば、特許文献１参照。）
特許３２８９３７３号公報

ところでこの従来のものでは、熱源側であるヒートポンプ回路の経路を切替て行うので、加熱能力が大幅に低下し、特に冬期では頻繁に除霜運転が行われて、お湯が沸き上がらずに給湯そのものが出来なくなると言う不具合を有するものであった。

この発明はこの点に着目し上記問題点を解決する為、特に請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機、前記貯湯タンクと連通され水を加熱する冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器を接続したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク内の湯水を該貯湯タンク底部に接続した流出管及び貯湯タンク上部に接続した流入管から成るヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路にはヒーポン循環ポンプが備えられ、更に前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、貯湯タンク上部に接続された出湯管とを備えたものに於いて、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に放熱器を備え、この放熱器に冷媒−水熱交換器で加熱される前の給水を通すように往き管を流出管に接続すると共に、戻り管を往き管より冷媒−水熱交換器側の流出管に接続したものである。

又請求項２では、前記放熱器は空気熱交換器と同一フィンで一体に形成したものである。

又請求項３では、前記往き管と流出管との接続部分には、三方バイパス弁が備えられ、少なくとも給水温センサの検知する流出管を流通する給水温度が、外気温センサの検知する外気温度より高いことを条件に、三方バイパス弁が往き管側に切替られるようにしたものである。

この発明の請求項１によれば、冷媒−水熱交換器で加熱される前の貯湯タンク底部の給水を利用して、空気熱交換器の除霜を行うことが出来、除霜後で温度低下した給水を冷媒−水熱交換器で加熱して貯湯タンクに貯湯する沸き上げ運転を行え、除霜をしながら効率良く沸き上げ運転が可能で、極めて使用勝手が良いものである。

又請求項２によれば、放熱器を空気熱交換器と一体としたことで、放熱器の熱を無駄なく確実に空気熱交換器に伝えることが出来、効率が良く除霜時間が短縮され使用勝手が良いものである。

又請求項３によれば、確実に除霜出来る時のみ除霜運転されるので、誤動作がなく効率良く除霜運転され、常に安心して使用出来るものである。

次にこの発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
このヒートポンプ式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５はこの給湯栓４の近傍に設けられた給湯リモコン、６は浴槽、７は浴室に設けられた風呂リモコンである。

前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管８と、下端に給水管９とが接続され、更に下部にヒーポン循環回路１０を構成する流出管１１と、上部にヒーポン循環回路１０を構成する流入管１２とが接続され、前記ヒートポンプユニット３によって流出管１１から取り出した貯湯タンク２内の湯水を沸き上げて流入管１２から貯湯タンク２内に戻して貯湯され、給水管９からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管８から押し出されて給湯されるものである。

前記ヒートポンプユニット３は、圧縮機１３と凝縮器としての冷媒−水熱交換器１４と減圧器としての電子膨張弁１５と送風ファン１６の送風空気から熱を奪う蒸発器を構成する空気熱交換器１７で形成されたヒートポンプ回路１８と、貯湯タンク２内の湯水を前記流出管１１及び流入管１２を介して冷媒−水熱交換器１４に循環させるヒーポン循環ポンプ１９と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部２０とを備えており、ヒートポンプ回路１８内には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。なお、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。

更に空気熱交換器１７の送風ファン１６による送風の風上側には、フィンを同一として空気熱交換器１７と一体に構成された放熱器２１が備えられ、この放熱器２１には前記流出管１１のヒーポン循環ポンプ１９と冷媒−水熱交換器１４との間に、三方バイパス弁２２を介して接続された往き管２３から貯湯タンク２底部の給水が供給され、この給水の流通で空気熱交換器１７の除霜をおこなった後、温度低下した給水を戻り管２４を介して流出管１１の三方バイパス弁２２と冷媒−水熱交換器１４との間に戻すようにしたものである。

前記放熱器２１への給水の流通による除霜は、ヒートポンプユニット３の外枠に備えられた外気温センサ２５が所定温度以下を検知し、更に流出管１１に取り付けられた給水温センサ２６による給水温度の検知温度が前記した外気温センサ２５の検知温度より高いことを条件として、三方バイパス弁２２を冷媒−水熱交換器１４側連通から往き管２３側の連通に切替られ、ヒーポン循環ポンプ１９の駆動により貯湯タンク２底部の給水を、往き管２３を介して放熱器２１に流して、この放熱で空気熱交換器１７の除霜を行うもので、放熱で温度低下した給水は戻り管２４から流出管１１に戻り冷媒−水熱交換器１４で加熱されて沸き上げ運転を継続するものである。

ここで、前記冷媒−水熱交換器１４は冷媒と被加熱水たる貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時に於いて冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することが出来、被加熱水の冷媒−水熱交換器１４入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記電子膨張弁１５又は圧縮機１３を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器１４の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）がとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。

２７は前記浴槽６の湯水を加熱するためのステンレス製の蛇管よりなる風呂用熱交換器で、貯湯タンク２のほぼ中間部に備えられ上部の高温水領域を残すようにしているもので、又この風呂用熱交換器２７には風呂往き管２８および風呂循環ポンプ２９を備えた風呂戻り管３０が接続されて浴槽６の湯水が循環可能にされ、浴槽６内の湯水が貯湯タンク２内の高温水により加熱されて保温あるいは追焚きが行われるものである。なお、３１は風呂戻り管３０を循環する浴槽６の湯水の温度を検出する風呂温度センサである。

３２は貯湯タンク２側壁で上記風呂用熱交換器２７と対向する中間位置に接続された中間取り出し管で、前記風呂熱交換器２７で風呂側と熱交換して温度低下した中温水や湯と水の境界層付近で温度低下あるいは温度上昇した中温水などの貯湯タンク２の中間位置に貯められている湯水を貯湯タンク２から出湯するものである。

３３は前記出湯管８途中で前記中間取り出し管３２の下流に設けられた電動ミキシング弁より構成された中間混合弁、３４はこの中間混合弁３３下流の中間給湯管３５に設けた中間温度センサで、貯湯タンク２中間位置付近の中温水と貯湯タンク２上端に接続された出湯管８からの高温水とを給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した給湯設定温度より所定温度高い混合目標温度になるように混合比率が制御されるものである。

３６は中間混合弁３３からの湯水と給水管９から分岐された給水バイパス管３７からの低温水を混合する電動ミキシング弁より構成された給湯混合弁であり、その下流の給湯管３８に設けた給湯温度センサ３９で検出した湯温が給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した給湯設定温度になるように混合比率を制御するものである。

４０は中間給湯管３５から分岐された分岐中間給湯管４１からの湯水と給水管９から分岐された分岐給水バイパス管４２からの低温水とを混合する電動ミキシング弁より構成された風呂混合弁であり、その下流側の風呂戻り管３０に連通された湯張り管４３に設けた湯張り温度センサ４４で検出した湯温が給湯リモコン５や風呂リモコン７でユーザーが設定した風呂設定温度になるように混合比率を制御するものである。

そして、前記湯張り管４３には、浴槽６への湯張りの開始／停止を行う湯張り弁４５と、浴槽６への湯張り量をカウントする風呂流量カウンタ４６が設けられているものである。

４７は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、４７ｅと呼び、この貯湯温度センサ４７が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。

前記給湯リモコン５および風呂リモコン７には、給湯設定温度を設定する給湯温度設定スイッチ４８、及び風呂設定温度を設定する風呂温度設定スイッチ４９がそれぞれ設けられていると共に、浴槽６へ風呂設定温度の湯を風呂リモコン７の湯張り量設定スイッチ（図示せず）で設定された湯張り量だけ湯張りし所定時間保温させる風呂自動スイッチ５０がそれぞれ設けられ、更に風呂リモコン７には約６０℃の高温の湯を差し湯させる高温差し湯スイッチ５１が設けられているものである。

５２は貯湯タンクユニット１内の各センサの入力を受け各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有し制御部を構成する給湯制御部である。この給湯制御部５２に前記給湯リモコン５が無線または有線により接続されユーザーが任意の給湯設定温度及び風呂設定温度を設定できるようにしているものである。

前記給湯制御部５２は、中間温度センサ３４で検出する温度が給湯設定温度あるいは風呂設定温度のうち高い方の設定温度より所定温度高い混合目標温度になるよう中間混合弁３３の弁開度をフィードバック制御するようにしているものであると共に、給湯温度センサ３９の検出する温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁３６の弁開度をフィードバック制御するようにしているもので、更に湯張り温度センサ４４の検出する温度が風呂設定温度になるように風呂混合弁４０の弁開度をフィードバック制御するようにしているものである。

そして、前記制御部５２は中間混合弁３３の制御応答速度を給湯混合弁３６の制御応答速度よりも遅くなるように設定されているもので、中間混合弁３３からの湯水の温度変化に給湯混合弁３６のフィードバック制御の制御応答速度が勝り給湯温度のオーバーシュートまたはアンダーシュートを大幅に低減できるものである。

５３は貯湯タンク２の過圧を逃す過圧逃し弁、５４は給水の圧力を減圧する減圧弁、５５は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタ、５６は浴槽６の湯水が逆流するのを防止する二重に設けられた逆止弁、５７は給水の温度を検出する給水温度センサである。

次にこの一実施形態の作動を説明する。
先ず沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ４７が貯湯タンク２内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部５２はヒーポン制御部２０に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部２０は圧縮機１３を起動した後にヒーポン循環ポンプ１９を駆動開始し、貯湯タンク２下部に接続された流出管１１から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器１４で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、貯湯タンク２上部に接続された流入管１２から貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ４７が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部５２はヒーポン制御部２０に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部２０は圧縮機１３を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１９も停止して沸き上げ動作を終了するものである。

次に給湯運転について説明すると、給湯栓４を開くと、給水管９からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。そして貯湯タンク２の中間部に貯められた高温水が中間取り出し管３２を介して中間混合弁３３へ押し出される。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、下部に低温水が貯められることとなるが、その温度差により比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、比重の重い低温水が下部に位置するので、互いに混じり合うことはないものである。

ここで、給湯制御部５２は中間取り出し管３２からの湯水と出湯管８からの湯水を混合して中間混合弁３３にて給湯リモコン５又は風呂リモコン７で設定された給湯設定温度より一定温度以上高い混合目標温度となるように中間混合弁３３を適当な比率に調整する。なお、ここでは、中間取り出し管３２から流入する湯が高温で給湯設定温度より高いため、中間混合弁３３の出湯管８側を閉じることとなる。

そして、中間混合弁３３から流出した混合目標温度の湯は中間給湯管３５を介して給湯混合弁３６へ流入し、給水バイパス管３７からの低温水と混合され、給湯制御部５２が給湯混合弁３６の混合比率を調整し給湯設定温度の湯が給湯栓４から給湯される。そして、給湯栓４の閉止によって給湯が終了するものである。

次に上記の沸き上げ運転中に、外気温度が氷点下以下に低下しこれを外気温センサ２５が検知し、且つこの外気温度より給水温センサ２６が検知する給水温度が高いことを条件で、ヒーポン制御部２０によって除霜運転が開始されるもので、流出管１１の三方バイパス弁２２が冷媒−水熱交換器１４側連通から往き管２３側連通に切替られ、ヒーポン循環ポンプ１９の駆動で貯湯タンク２底部の給水が、往き管２３を介して放熱器２１に流れ、この放熱器２１では空気熱交換器１７とフィンを同一としているので、空気熱交換器１７への熱伝達がスムーズで該空気熱交換器１７に付着する結露が、効率良く除霜されるものである。

そして、放熱器２１で放熱し空気熱交換器１７の除霜で温度低下した給水は、戻り管２４を通り流出管１１に戻り冷媒−水熱交換器１４で加熱されて沸き上げられ、流入管１２から貯湯タンク２上部に戻され、沸き上げ運転が継続されるものであり、従来のように除霜の度に沸き上げ運転が停止されることがなく、除霜運転をしながら沸き上げ運転が行え、効率が良いと共に極めて使用勝手が良いものである。

又除霜運転の終了は、一定時間の除霜運転で終了させたり、空気熱交換器１７の温度を検知して終了させるものであり、この時三方バイパス弁２２は元の冷媒−水熱交換器１４側の連通に戻されるものである。

この発明の一実施形態を示すヒートポンプ式給湯装置の概略構成図。 同要部電気回路のブロック図。 同要部フローチャート。

符号の説明

２ 貯湯タンク
８ 出湯管
９ 給水管
１０ ヒートポンプ循環回路
１１ 流出管
１２ 流入管
１３ 圧縮機
１４ 冷媒−水熱交換器
１５ 減圧器（電子膨張弁）
１６ 送風ファン
１７ 空気熱交換器（蒸発器）
１８ ヒートポンプ回路
１９ ヒートポンプ循環ポンプ
２１ 放熱器
２２ 三方バイパス弁
２３ 往き管
２４ 戻り管
２５ 外気温センサ
２６ 給水温セイサ

Claims (3)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、圧縮機、前記貯湯タンクと連通され水を加熱する冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器を接続したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク内の湯水を該貯湯タンク底部に接続した流出管及び貯湯タンク上部に接続した流入管から成るヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路にはヒーポン循環ポンプが備えられ、更に前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、貯湯タンク上部に接続された出湯管とを備えたものに於いて、前記空気熱交換器の送風ファンによる送風の風上側に放熱器を備え、この放熱器に冷媒−水熱交換器で加熱される前の給水を通すように往き管を流出管に接続すると共に、戻り管を往き管より冷媒−水熱交換器側の流出管に接続した事を特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記放熱器は空気熱交換器と同一フィンで一体に形成した事を特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記往き管と流出管との接続部分には、三方バイパス弁が備えられ、少なくとも給水温センサの検知する流出管を流通する給水温度が、外気温センサの検知する外気温度より高いことを条件に、三方バイパス弁が往き管側に切替られる事を特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。

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