JP2008096044A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気熱交換器の除霜に使用した湯水が凍結しない貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】入水管９と出湯管１０が接続され湯水を貯湯する貯湯タンク２を内蔵する貯湯タンクユニット１と、圧縮機１４と膨脹弁１５と空気熱交換器１６と水冷媒熱交換器４を備え貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段３と、貯湯タンク２と水冷媒熱交換器４とを湯水が循環可能に接続する循環回路５と、該循環回路５途中に設けられ湯水を循環させる循環ポンプ８とを備えた貯湯式給湯装置に於いて、貯湯タンク２内の湯水が流通され空気熱交換器１６を加熱可能に配置された加熱部２８を途中に有し、一端が大気開放され他端が貯湯タンク２と連通した除霜経路２７を設け、加熱部２８を流通した湯水は除霜経路２７の大気開放された一端から排水することで、加熱部２８を流通して除霜に使用した湯水は確実に加熱部２８内から排水され凍結を防止できるものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ヒートポンプ給湯機で貯湯タンク内の湯水を空気熱交換器の除霜の熱源とした貯湯式給湯装置に関するものである。

従来の貯湯式給湯装置は貯湯タンク下部から取り出した湯水をヒートポンプユニットの水冷媒熱交換器で加熱し、貯湯タンク上部から積層貯湯していくもので、貯湯タンクから水冷媒熱交換器に湯水を供給する供給管に、この供給管を流れる湯水の熱を放熱する放熱部が接続され、ヒートポンプサイクルユニット内の空気熱交換器に前記放熱部が隣接して配置された構成のものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

この従来の貯湯式給湯装置では空気熱交換器に霜が発生する低外気温時に、その霜を取り除くために前記貯湯タンク内の湯水を供給管に流通させ、前記放熱部が湯水の熱を空気熱交換器に放熱することで、空気熱交換器を加熱し着霜を防ぐものであった。
特開２００２−３２７９６６号公報

ところでこの従来のものは低外気温時には、熱エネルギーを取り出すために空気熱交換器の温度は外気温度以上に低くなり、空気熱交換器に隣接して配置される放熱部が冷えて、空気熱交換器の除霜等に使用する残留水が放熱部内で凍結するおそれがあるという問題点を有するものであった。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクを内蔵する貯湯タンクユニットと、圧縮機と膨脹弁と空気熱交換器と水冷媒熱交換器を備え前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクと前記水冷媒熱交換器とを湯水が循環可能に接続する循環回路と、該循環回路途中に設けられ湯水を循環させる循環ポンプとを備えた貯湯式給湯装置に於いて、前記貯湯タンク内の湯水が流通され前記空気熱交換器を加熱可能に配置された加熱部を途中に有し、一端が大気開放され他端が前記貯湯タンクと連通した除霜経路を設け、前記加熱部を流通した湯水は前記除霜経路の大気開放された一端から排水するものとした。

又請求項２では、前記加熱部から前記除霜経路の大気開放されていない他端の間に、除霜時は前記貯湯タンク内の湯水を流通させ、除霜時以外には前記貯湯タンクの湯水の流通を遮断し、前記加熱部までの除霜経路内に残留する湯水を排水する排水路と接続する流路切替手段を設けるものとした。

又請求項３では、前記加熱部は前記空気熱交換器と一体に構成するものとした。

又請求項４では、前記加熱部は前記空気熱交換器の風上に配置されるものとした。

又請求項５では、前記加熱部は下り傾斜のついた蛇行形状の管であるものとした。

この発明の請求項１によれば、空気熱交換器を除霜経路内の加熱部を流通する湯水の熱で加熱することで、空気熱交換器の除霜ができ、空気熱交換器の除霜の際に加熱部を流通した湯水は、大気開放された除霜経路の一端から排水することで、加熱部の凍結を防止することができるものである。

又請求項２によれば、除霜時以外は流路切替手段により排水路と接続することで、流路切替手段から加熱部までの除霜経路内に残留する湯水を排水して、流路切替手段から加熱部までの除霜経路内を空にすることができ、流路切替手段から加熱部までの除霜経路の凍結を防止することができると共に、前記流路切替手段は除霜時以外には、貯湯タンクからの湯水の流通を遮断し排水路と接続しており、常時貯湯タンクからの湯水が除霜経路に供給される必要がなくなることで、貯湯タンクからの湯水の無駄な流出を防ぐことができるものである。

又請求項３によれば、加熱部は空気熱交換器と一体に構成することで、空気熱交換器を直接加熱することができるものである。

又請求項４によれば、加熱部は前記空気熱交換器の風上に配置されることで、風の流れから加熱部が有する熱が空気熱交換器に伝わり、空気熱交換器を加熱することができるものである。

又請求項５によれば、加熱部は下り傾斜のついた蛇行形状の管にすることで、加熱部を流通する湯水の排水を容易にすることができるものである。

次にこの発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図１、図２に基づき説明する。
この貯湯式給湯装置は、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ある。
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２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は前記ヒートポンプユニット３の凝縮器としての水冷媒熱交換器、５はヒーポン循環回路で、前記貯湯タンク２の下部と水冷媒熱交換器４とを結び貯湯タンク２内の湯水を水冷媒熱交換器４に供給するヒーポン往き管６と、水冷媒熱交換器４と貯湯タンク２上部とを結び水冷媒熱交換器４で熱交換された温水を貯湯タンク２上部に戻すヒーポン戻り管７とから構成され、８は前記ヒーポン循環回路５に設けられて貯湯タンク２の湯水を循環させる循環ポンプである。

９は貯湯タンク２の下端に接続され前記貯湯タンク２に水を給水する入水管、１０は前記貯湯タンク２の上端に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管、１１は前記入水管９から分岐された給水管、１２は前記出湯管１０からの出湯と給水管１１からの給水を混合して設定温度の湯を供給する給湯混合弁、１３は台所や洗面所等に設けられた給湯栓である。

前記ヒートポンプユニット３は、凝縮器としての前記水冷媒熱交換器４と回転数可変の圧縮機１４と電子膨張弁１５と強制空冷式の蒸発器としての空気熱交換器１６で構成されたヒートポンプ回路１７と、空気熱交換器１６に送風する室外ファン１８とそれらの駆動を制御するヒーポン制御部１９と、ヒートポンプ回路１７の水冷媒熱交換器４と電子膨脹弁１５とをバイパスする冷媒バイパス管２０と、この冷媒バイパス管２０に設けた冷媒バイパス弁２１を備えており、ヒートポンプ回路１７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。

２２は電動四方弁で、貯湯タンク２側面のほぼ中間に接続し貯湯タンク２内の中温水を取り出す中温水取り出し管２３と、ヒーポン往き管６とヒーポン戻り管７をバイパスする温水バイパス管２４と、ヒーポン往き管６同士を接続している。ここで、前記貯湯タンク２の下部と水冷媒熱交換器４とを結ぶヒーポン往き管６は、貯湯タンク２下部と電動四方弁２２とを接続するヒーポン往き管６ａと、電動四方弁２２と水冷媒熱交換器４とを接続するヒーポン往き管６ｂとから構成されるものである。

２５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２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅとし、この貯湯温度センサ２５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。

２６は貯湯タンクユニット１内の各種センサ（図示しない）の入力を受けて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り、前記複数の貯湯温度センサ２５ａ〜２５ｅの出力が入力され、これらの検出温度を基に貯湯タンク２内の残熱量が足りているかも判断する。

２７は貯湯タンク２からの湯水を流通し空気熱交換器１６を加熱する加熱部２８を途中に有する除霜経路で、その一端は大気開放され他端はヒーポン循環回路５を介して貯湯タンク２と連通している。本実施形態でこの除霜経路２７は、ヒートポンプユニット３内のヒーポン往き管６ｂ途中に接続するよう設けられている。なお、除霜経路２７は排水しやすいように適宜傾斜がつけられているものである。

２９はヒーポン往き管６ｂと除霜経路２７との接続部から加熱部２８までの除霜経路２７間に配置された流路切替手段としての電動三方弁で、除霜時は除霜経路２７同士を連通状態にし、貯湯タンク２内からヒーポン循環回路５を介して湯水を流通させ、除霜時以外電動三方弁２９は貯湯タンク２からヒーポン循環回路５を介した湯水が流入してくる側の弁を閉じ、加熱部２８側の除霜経路２７と、電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内に残留する湯水を排水する排水路３０とを連通状態とすることで、貯湯タンク２からの湯水の流通を遮断し、電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内に残留する湯水を排水するものである。

３１は前記空気熱交換器１６の風上側に設けられた外気温センサで外気温度を検知するもので、３２は空気熱交換器１６入口の冷媒温度を検知する入口冷媒温度センサで、３３は空気熱交換器１６出口の冷媒温度を検知する出口冷媒温度センサであり、外気温センサ３１、入口冷媒温度センサ３２、出口冷媒温度センサ３３はサーミスタセンサ等から成るものである。

ここで図２（ａ）は空気熱交換器１６の正面図を示し、空気熱交換器１６が、冷媒を流通させる冷媒流路３４と、貯湯タンク２からの湯水を流通させる加熱部２８と、複数の伝熱用フィン３５とで構成され、冷媒流路３４と加熱部２８がその長手方向に複数の伝熱用フィン３５を貫通させる構造であり、紙面奥側に冷媒流路３４、紙面手前側に加熱部２８を配置しているものである。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示し、加熱部２８が伝熱用フィン３５を介して冷媒流路３４と一体に構成しており、且つ加熱部２８が冷媒流路３４より風上側に配置されているものである。この加熱部２８は除霜経路２７の大気開放された一端から加熱部２８内の湯水が排水されやすいよう下り傾斜のついた蛇行形状の管としたものである。

次に図面に示す一実施形態の作動について説明する。給湯栓１３が開かれると、入水管９から貯湯タンク２内に給水されると同時に出湯管１０から高温水が出湯される。このとき、貯湯タンク２の底部には低温の給水が高温水と入れ替わりで貯められる。そして、この出湯管１０からの高温水は給湯混合弁１２に流入し、給湯制御部２６によって給湯混合弁１２の混合比率が調整されて給水管１１からの給水と混合されて、給湯設定温度の湯が給湯栓１３から給湯される。そして、給湯栓１３の閉止によって給湯が終了するものである。

次に、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ２５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２６はヒーポン制御部１９に対して沸き上げ開始命令を発する。命令を受けたヒーポン制御部１９は圧縮機１４を起動した後に循環ポンプ８を駆動開始し、貯湯タンク２下部に接続されたヒーポン往き管６から取り出した低温水を水冷媒熱交換器４で高温に加熱し、貯湯タンク２上部に接続されたヒーポン戻り管７から貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から高温水を順次積層貯湯していく。貯湯温度センサ２５等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２６はヒーポン制御部１９に対して沸き上げ停止命令を発し、ヒーポン制御部１９は圧縮機１４を停止すると共に循環ポンプ８も停止して沸き上げ動作を終了するものである。

外気温の低い時にはこの貯湯運転中に徐々に空気熱交換器１６に霜が発生し、空気熱交換器１６を覆うことで空気熱交換器１６の熱効率が低下するため、空気熱交換器１６を一時的に加熱して霜を取り除く除霜運転が必要になる。ここで図３に本実施形態に係る制御によって行われる除霜運転のフローチャートを示し、図４にこの除霜運転時のシステム図を示し、図５にこの除霜運転完了後のシステム図を示す。

図３のフローチャートに示すように本実施形態の貯湯式給湯装置は、貯湯運転を開始し、ステップ１（以下Ｓ１と略す）で貯湯運転を行っている最中に除霜要求があるかないかの判断を行い、除霜要求があればＹＥＳでＳ２に進み、除霜要求がなければＮＯでそのまま貯湯運転を継続する。ここでＳ１は、例えば出口冷媒温度センサ３３で検出した空気熱交換器１６の出口冷媒温度が所定の温度以下で除霜要求があると判断するものである。

除霜要求があるとＳ２で貯湯運転を一時停止し、Ｓ３で循環ポンプ８を停止すると共に冷媒バイパス弁２１を開弁し、圧縮機１４から吐出されるホットガスを冷媒バイパス管２０を介して空気熱交換器１６に供給して、この熱により空気熱交換器１６を加熱する。

それと同時にＳ４で電動四方弁２２をヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂとの連通から、温水バイパス管２４とヒーポン往き管６ｂとの連通に切り替え、電動三方弁２９は排水路３０側の弁を閉じ除霜経路２７同士を連通することで、貯湯タンク２内の高温水をヒーポン循環回路５を介して除霜経路２７に供給し、加熱部２８を流通する高温水の熱により空気熱交換器１６は加熱され、加熱部２８で使用した高温水は大気開放された除霜経路２７の一端から排水される。

この時、貯湯タンク２からの高温水は、ヒーポン戻り管７から水冷媒熱交換器４を介して除霜経路２７に供給される経路と、ヒーポン戻り管７から温水バイパス管２４に入りヒーポン往き管６ｂを介して除霜経路２７に供給される経路との両経路から、加熱部２８に供給される。これによりこの両経路に高温水を流通させることで両経路の凍結防止ができるものである。

このように、本実施形態では高温冷媒による除霜運転と、高温水による除霜運転を併用することで、空気熱交換器１６を除霜するための高い除霜能力を得ることができるものである。

そして、Ｓ５で除霜が完了したかどうか判断を行い、除霜が完了すればＹＥＳでＳ６に進んで図５に示すように、冷媒バイパス弁２１を閉弁し、電動三方弁２９は貯湯タンク２からヒーポン循環回路５を介した湯水が流入してくる側の弁を閉じ、加熱部２８側の除霜経路２７と排水路３０とを連通状態とすると共に、Ｓ７で電動四方弁２２はヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂを連通して、通常の貯湯運転を再開するものである。ここでＳ５は、例えば出口冷媒温度センサ３３で検出した空気熱交換器１６の出口冷媒温度が所定の温度以上で除霜完了の判断をするものである。

また、Ｓ６で電動三方弁２９は加熱部２８側の除霜経路２７と排水路３０を連通状態とすることで加熱部２８の両端が大気開放されるので、加熱部２８内の湯水と、電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内の湯水を排水し、加熱部２８内と電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内に残留する湯水を空にすることができ、除霜経路２７の凍結を防止することができるものである。

また、電動三方弁２９はヒーポン往き管６ｂと除霜経路２７との接続部から加熱部２８までの除霜経路２７間で、且つ前記接続部近傍に配置されることで、凍結を防止できる除霜経路２７の範囲が広がり、さらに除霜経路２７内で高さ位置が下方であるところ配置すると排水されやすくなりさらに良い。

なお、本発明の上記の一実施形態に限定されるものではなく、本実施形態では高温冷媒による除霜運転と、高温水による除霜運転を併用した除霜運転を行っているが、高温冷媒による除霜運転は所定時間で止めて、高温水による除霜運転は除霜完了まで行うという方法をとることでも、確実に除霜ができるものであり、この方法に伴い圧縮機１４の稼働時間が少なくなり、圧縮機１４稼働に伴う騒音や振動を減らすことができるものであり、圧縮機１４の寿命を延ばすことができるものである。

また、高温冷媒による除霜運転は全く行わず、高温水による除霜運転だけを除霜完了まで行うという方法をとることで、圧縮機１４の稼働時の騒音や振動が全くない状態で除霜運転ができ、圧縮機１４の寿命をさらに延ばすことができるものである。

また、高温冷媒による除霜運転と高温水による除霜運転のうち、高温水による除霜運転において、貯湯タンク２内から供給される湯水は高温水だけでなく、中温水や低温水でも良く、中温水を供給する場合は電動四方弁２２を中温水取り出し管２３とヒーポン往き管６ｂを連通状態とすることで、除霜経路２７へ中温水を供給でき、低温水を供給する場合は電動四方弁２２をヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂを連通状態とすることで、除霜経路２７へ低温水を供給でき、中温水や低温水を供給した場合でも除霜の効果が得られるものである。

次に、図６〜図７に示す他の実施形態について説明するが、この実施形態は先に説明した一実施形態と同じ構成についての説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。先の一実施形態は貯湯運転時に除霜要求があった場合、貯湯運転を一時的に停止して、除霜運転を行っていたが、この実施形態では貯湯運転時に除霜要求があった場合でも、貯湯運転を一時的に停止することなく同時に除霜運転ができるようにしたものである。ここで、図６に他の実施形態に係る制御によって行われる除霜運転のフローチャートを示し、図７にこの除霜運転時のシステム図を示す。

図６のフローチャートに示すように、他の実施形態の貯湯式給湯装置では、貯湯運転を開始し、Ｓ８で貯湯運転を行っている最中に除霜要求があるかないかの判断を行い、除霜要求があればＹＥＳでＳ９に進み、除霜要求がなければＮＯでそのまま貯湯運転を継続する。ここでＳ８は、例えば入口冷媒温度センサ３２で検出した空気熱交換器１６の入口冷媒温度と、出口冷媒温度センサ３３で検出した空気熱交換器１６の出口冷媒温度との温度差から、空気熱交換器１６に霜が付着しているかどうかの判断をし、その温度差が所定値以下で除霜要求があると判断するものである。

除霜要求があると貯湯運転を継続したまま除霜運転に入り、Ｓ９で電動四方弁２２をヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂの連通から、中温水取り出し管２３とヒーポン往き管６ｂとの連通に切り替え、電動三方弁２９は排水路３０側の弁を閉じ除霜経路２７同士を連通することで、貯湯タンク２内の中温水をヒーポン循環回路５を介して除霜経路２７に供給し、加熱部２８を流通する中温水の熱により空気熱交換器１６は加熱され、加熱部２８で使用した中温水は大気開放された除霜経路２７の一端から排水される。

この時、中温水取り出し管２３から取り出された貯湯タンク２内の中温水は、中温水取り出し管２３からヒーポン往き管６ｂを介して除霜経路２７に供給されると共に、水冷媒熱交換器４側にも供給され、貯湯運転を止めることなく除霜運転と貯湯運転が同時に行え、深夜の割安な時間の間に貯湯運転を完了することができ、ランニングコストの低下につながる。

さらに沸き上げの際にＣＯＰの低下をもたらす中温水を除霜運転に有効に使用し、使用後は排水することで、貯湯タンク２内の中温水の量を減らすことができ、ヒートポンプでの加熱時のＣＯＰを向上させることができるものである。

そして、Ｓ１０で除霜が完了したかどうか判断を行い、除霜が完了すればＹＥＳでＳ１１に進み、電動三方弁２９は貯湯タンク２からヒーポン循環回路５を介した湯水が流入してくる側の弁を閉じ、加熱部２８側の除霜経路２７と排水路３０とを連通状態とすると共に、Ｓ１２で電動四方弁２２はヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂを連通して、通常の貯湯運転に戻すものである。ここでＳ１０は、例えば入口冷媒温度センサ３２で検出した空気熱交換器１６の入口冷媒温度と、出口冷媒温度センサ３３で検出した空気熱交換器１６の出口冷媒温度との温度差から、空気熱交換器１６に付着している霜を除霜できたかどうかを判断し、その温度差が所定値以上で除霜が完了したことを判断するものである。

また、先に説明した一実施形態と同じく、Ｓ１１で電動三方弁２９は加熱部２８側の除霜経路２７と排水路３０を連通状態とすることで加熱部２８の両端が大気開放されるので、加熱部２８内の湯水と、電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内の湯水を排水し、加熱部２８内と電動三方弁２９から加熱部２８までの除霜経路２７内に残留する湯水を空にすることができ、除霜経路２７の凍結を防止することができるものである。

なお、本発明の上記の他の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態では中温水による除霜運転を行ったが、貯湯タンク２内から供給される湯水は中温水だけでなく、低温水でも良く、低温水を供給する場合は電動四方弁２２をヒーポン往き管６ａとヒーポン往き管６ｂとを連通状態とすることで、除霜経路２７へ低温水を供給でき、低温水を供給した場合でも除霜の効果が得られるものである。

この発明の一実施形態の概略構成図。 （ａ）同一実施形態の空気熱交換器を示す概略正面図。 （ｂ）（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。 同一実施形態のフローチャート。 同一実施形態の除霜運転の作動を説明する図。 同一実施形態の除霜運転完了後の作動を説明する図。 この発明の他の実施形態のフローチャート。 同他の実施形態の除霜運転の作動を説明する図。

符号の説明

１ 貯湯タンクユニット
２ 貯湯タンク
３ 加熱手段（ヒートポンプユニット）
４ 水冷媒熱交換器
５ ヒーポン循環回路
８ 循環ポンプ
９ 入水管
１０ 出湯管
１４ 圧縮機
１５ 膨脹弁
１６ 空気熱交換器
２７ 除霜経路
２８ 加熱部
２９ 流路切替手段（電動三方弁）
３０ 排水路

Claims (5)

1. 入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクを内蔵する貯湯タンクユニットと、圧縮機と膨脹弁と空気熱交換器と水冷媒熱交換器を備え前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクと前記水冷媒熱交換器とを湯水が循環可能に接続する循環回路と、該循環回路途中に設けられ湯水を循環させる循環ポンプとを備えた貯湯式給湯装置に於いて、前記貯湯タンク内の湯水が流通され前記空気熱交換器を加熱可能に配置された加熱部を途中に有し、一端が大気開放され他端が前記貯湯タンクと連通した除霜経路を設け、前記加熱部を流通した湯水は前記除霜経路の大気開放された一端から排水するようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 前記加熱部から前記除霜経路の大気開放されていない他端の間に、除霜時は前記貯湯タンク内の湯水を流通させ、除霜時以外には前記貯湯タンクの湯水の流通を遮断し、前記加熱部までの除霜経路内に残留する湯水を排水する排水路と接続する流路切替手段を設けることを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記加熱部は前記空気熱交換器と一体に構成していることを特徴とする請求項１または２記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記加熱部は前記空気熱交換器の風上に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記加熱部は下り傾斜のついた蛇行形状の管であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。

Images