JP2007240090A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストダウンとヒートポンプユニットのコンパクト化を行う。
【解決手段】圧縮機１３、冷媒−水熱交換器１４、蒸発器を構成する空気熱交換器１７と送風ファンとでヒートポンプ回路１９を形成し、冷媒−水熱交換器１４に給水を供給する流入管と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として給湯する流出管とで構成したものに於いて、前記蒸発器１７と圧縮機１３の間の冷媒配管を冷媒−水熱交換器１４と非接触で近接する位置に導いて、前記冷媒−水熱交換器１４より発する輻射熱を吸収する吸熱手段１８を設けたので、エネルギー効率を落とさずに効果的にコストダウンを行うことができ、設置スペースを特別に設けることもなくヒートポンプユニットのコンパクト化を行うことができるものである。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ヒートポンプを利用した給湯装置に関するものである。

従来より、冷媒圧縮機の吐出口より吐出された高圧側の冷媒と利用水とを熱交換して利用水を昇温させるための水−冷媒熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯装置が知られれている。そして、このヒートポンプ式給湯装置の熱源ユニットとして、二酸化炭素（ＣＯ2 ）を冷媒とし、冷媒圧縮機の吐出口より吐出される冷媒の高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。なお、そのヒートポンプサイクルは、冷媒圧縮機の吐出口より吐出された冷媒が、水−冷媒熱交換器、膨張弁、冷媒蒸発器、アキュムレータを経て冷媒圧縮機に戻されるように構成されている。そしてエネルギー消費効率を向上させるために、水−冷媒熱交換器の出口側と圧縮機入口側の冷媒を熱交換する内部熱交換器を設けることにより、圧縮機入口側の冷媒の冷媒温度を高くし、冷媒が液状態で圧縮機へ戻ることを防止している。（例えば、特許文献１参照）
特開２００３−１７６９５７号公報

ところでこの従来のものでは、内部熱交換器がコスト高を招くと共に、設置スペースもも必要であり、ヒートポンプユニットのコンパクト化の妨げになるものであった。

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、圧縮機、冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器と送風ファンとでヒートポンプ回路を形成し、冷媒−水熱交換器に給水を供給する流入管と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として給湯する流出管とで構成したものに於いて、前記空気熱交換器と圧縮機の間の冷媒配管を冷媒−水熱交換器と非接触で近接する位置に導いて、前記冷媒−水熱交換器より発する輻射熱を吸収する吸熱手段を設けたものである。

又請求項２では、前記冷媒−水熱交換器は温水配管と冷媒配管を円筒形に密接させて設け、前記吸熱手段は円筒形の冷媒−水熱交換器の内部空間に位置させたものである。

この発明の請求項１によれば、内部熱交換器に変え単純な構成である吸熱手段を設けたので、エネルギー消費効率を落とさずに効果的にコストダウンを行うことができるものである。

又請求項２によれば、吸熱手段は水−冷媒熱交換器内部に組み込むことで、設置スペースを特別に設けることもなくヒートポンプユニットのコンパクト化を行うことができるものである。

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とこの空気熱交換器１７と圧縮機１３の間の冷媒配管を冷媒−水熱交換器１４の内部に非接触で近接する位置に導いて、前記冷媒−水熱交換器１４より発する輻射熱を吸収する吸熱手段１８で形成されたヒートポンプ回路１９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２０と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部２１とを備えており、ヒートポンプ回路１９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。

前記冷媒−水熱交換器１４は、温水配管１４ａと冷媒配管１４ｂを密接させて円筒形に設けられ、前記吸熱手段１８は円筒形の冷媒−水熱交換器１４の内部空間１４ｃに、前記温水配管１４ａと冷媒配管１４ｂとは接触しないように配置され、高温の冷媒−水熱交換器１４から低温の吸熱手段１８への輻射熱によって吸熱手段１８内を通過する冷媒が加熱されるものであり、これによってヒートポンプ回路１９のＣＯＰ（エネルギー消費効率）を上昇させることができるものである。

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。

２２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２２には風呂往き管２３および風呂循環ポンプ２４を備えた風呂戻り管２５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、２６は風呂戻り管２５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。

２７は貯湯タンク２側壁で上記風呂用熱交換器２２と対向する中間位置に接続された中間取り出し管で、前記風呂用熱交換器２２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。

２８は前記出湯管８途中で前記中間取り出し管２７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、２９はこの中間混合弁２８下流の中間給湯管３０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。

３１は中間混合弁２８からの湯水と給水管９から分岐された給水バイパス管３２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３３に設けた給湯温度センサ３４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。

３５は中間給湯管３０から分岐された分岐中間給湯管３６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３７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２５に連通された湯張り管３８に設けた湯張り温度センサ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３８には、浴槽６への湯張りの開始／停止を行う湯張り弁４０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４１が設けられているものである。

４２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４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅと呼び、この貯湯温度センサ４２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４３、及び風呂設定温度を設定する風呂温度設定スイッチ４４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４５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４６が設けられているものである。

４７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４７に前記給湯リモコン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４７は、中間温度センサ２９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２８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３４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３１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３９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３５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４７は中間混合弁２８の制御応答速度を給湯混合弁３１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２８からの湯水の温度変化に給湯混合弁３１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。

４８は貯湯タンク２の過圧を逃す過圧逃し弁、４９は給水の圧力を減圧する減圧弁、５０は給湯する湯水の量をカウントする給湯流量カウンタ、５１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、５２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４２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４７はヒーポン制御部２１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２１は圧縮機１３を起動した後にヒーポン循環ポンプ２０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４２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４７はヒーポン制御部２１に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部２１は圧縮機１３を停止すると共にヒーポン循環ポンプ２０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２７を介して中間混合弁２８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４７は中間取り出し管２７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２８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２８を適当な比率に調整する。なお、ここでは、中間取り出し管２７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２８の出湯管８側を閉じることとなる。

そして、中間混合弁２８から流出した混合目標温度の湯は中間給湯管３０を介して給湯混合弁３１へ流入し、給水バイパス管３２からの低温水と混合され、給湯制御部４７が給湯混合弁３１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のヒートポンプ回路１９の作動について説明すれば、圧縮機１３から吐出された高温高圧の冷媒は、冷媒−水熱交換器１４にて給湯水を加熱すると共に、冷媒−水熱交換器１４の内部に位置する吸熱手段１８を輻射熱によって加熱することで、ヒートポンプ回路１９のＣＯＰを向上することができるものである。次に電子膨張弁１５にて減圧され、低温になり空気熱交換器１７にて空気より吸熱が行われ、次に吸熱手段１８によって冷媒−水熱交換器１４から吸熱後圧縮機１３に戻る、一連の循環を続けるものである。

このように、内部熱交換器に変え単純な構成である吸熱手段１８を設けたので、ＣＯＰを落とさずに効果的にコストダウンを行うことができるものである。
又、吸熱手段１８は水−冷媒熱交換器１４内に組み込むことで、設置スペースを特別に設けることもなくヒートポンプユニットのコンパクト化を行うことができるものである。

尚、この一実施形態では貯湯方式について説明したが、これに限定されることなく、例えば流出管１１を直接給水管に接続し、冷媒−水熱交換器１４で高温に加熱された温水を途中に給水とのミキシング弁を介して、直接給湯するにした瞬間方式のヒートポンプ式給湯装置でも同様な効果を得られ利用出来るものである。

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。 同要部の概略構成図。 同要部の断面図。

符号の説明

２ 貯湯タンク
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）
１７ 空気熱交換器（蒸発器）
１８ 吸熱手段
１９ ヒートポンプ回路

Claims (2)

1. 圧縮機、冷媒−水熱交換器、蒸発器を構成する空気熱交換器と送風ファンとでヒートポンプ回路を形成し、冷媒−水熱交換器に給水を供給する流入管と、該冷媒−水熱交換器で加熱された給水を給湯水として給湯する流出管とで構成したものに於いて、前記空気熱交換器と圧縮機の間の冷媒配管を冷媒−水熱交換器と非接触で近接する位置に導いて、前記冷媒−水熱交換器より発する輻射熱を吸収する吸熱手段を設けた事を特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記冷媒−水熱交換器は温水配管と冷媒配管を円筒形に密接させて設け、前記吸熱手段は円筒形の冷媒−水熱交換器の内部空間に位置させ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。

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