JP2008096064A - 給湯用ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】給湯用ヒートポンプシステムにおいて、貯湯タンクの圧力が低くても、高温での貯湯を可能とする。
【解決手段】給湯用ヒートポンプシステムは、給湯配管６の経路内に、蒸気圧縮サイクルの熱交換器５を備え、給湯側入口配管９は、給水を減圧して直結され、給湯側出口配管１０は、流量調整弁１３ａを介して貯湯タンク２に連結される。貯湯タンク２の圧力が低くても、給湯側入口配管９が給水に直結されることにより、給湯配管６内の圧力が高くなり、沸点温度が高くなるので、加熱温度を高くすることができる。また、循環ポンプを用いずに給水の圧力により貯湯タンク２に貯湯をすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気圧縮サイクルによる冷媒との熱交換により水を加熱、給湯する給湯用ヒートポンプシステムに関する。

従来より、蒸気圧縮サイクルによる冷媒との熱交換を行なうヒートポンプにより水を沸かし、貯湯タンクに溜めた湯をカランや食器洗い洗浄機等の出湯端末に供給する給湯装置が知られている。図４に、従来の給湯用ヒートポンプシステムを示す。このシステムにおける貯湯タンク１０２には、タンクの下部及び上部に接続された給湯循環用の配管１０６（以下、給湯配管という）が設けられ、給湯配管１０６の途中にヒートポンプ１０１が設けられている。ヒートポンプ１０１の内部には、熱交換器１０５が設けられ、冷媒と水との熱交換が行われる。このような給湯装置では、市水である温度１５℃程度の水が、給水配管１０９を通じて貯湯タンク１０２の下部より供給され、この低温水を貯湯タンク１０２の下部より給湯配管１０６に取り出し、ヒートポンプ１０１で沸かして温度８０℃〜９０℃の高温水とし、貯湯タンク１０２に上部より入れられる。そして、通常ヒートポンプ１０１の出力は、冷媒の熱搬送量に依存するため、ヒートポンプ１０１の出湯温度を維持するために、給湯配管１０６の経路にある給湯ポンプ１２２によって循環流量を制御している。

家庭用途や小規模の業務用途の給湯設備においては、法規上の制約からタンク圧力を、通常の水道圧力である３００〜７００ｋＰａから２００ｋＰａ未満となるように、減圧弁を配していることが多く、貯湯タンク内の圧力及び給湯配管内の圧力も、ほぼその範囲内となる。出湯温度は、給湯配管内の圧力と関係があり、ここでは、ヒートポンプ内部の給湯配管内の圧力を、大気圧（１０１．３ｋＰａ）とする。図５に温度と飽和水蒸気圧との関係を示す。大気庄における水の沸点は１００℃であるが、仮にヒートポンプ出口の温度を９０℃になるように熱交換を行うためには、冷媒の温度は１００℃以上が必要となり、冷媒の温度を１００℃以上にすると、熱交換器内の給湯配管内では局部的に１００℃を越える部分が生じてしまうことになる。１００℃以上の部分が生じると、水が沸騰して気体となり、気体が熱交換器と給湯配管内の水との熱交換を妨げることとなる。１００℃以上の部分を生じさせないようにするためには熱交換面積を大きくせざるを得ないため、熱交換器を大きくしなければならず製造コストが上昇する。一方、給湯配管内の圧力を２００ｋＰａ程度に高めると、約１２０℃までは沸騰しないので、出湯温度を高めることができる。

貯湯タンクは、２００ｋＰａのような高圧に耐えられるように、円柱状のカプセルのような形状が一般的となっている。従って、設置場所の幅と奥行きの寸法が、同一でなければならず、狭い軒下などには設置し難い。設置幅の寸法が狭い貯湯タンクとするため、半径の小さい円筒状のタンクを複数組み合わせた貯湯タンクも用いられているが、コストが高くなる。

また、貯湯タンクに高圧タンクを用いずに、大気開放型のタンクを用いて、タンクの形状を任意に設定することができる給湯システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に示されるような給湯用ヒートポンプシステムにおいては、ヒートポンプ内部の給湯配管内の圧力が、大気圧であるので出湯温度を高くし難い。

このように従来の技術においては、ヒートポンプの出湯温度を高めるために、貯湯タンクを高圧に耐えられるようにしなければならない。
特開平８−１８９７０４号公報

本発明は、上記問題を解消するものであり、貯湯タンクの圧力が低くても、高温での貯湯を行なうことができる給湯用ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、蒸気圧縮サイクルによる冷媒との熱交換により水を加熱、給湯する給湯用ヒートポンプシステムにおいて、 貯湯タンクに給湯する給湯配管の経路内に、前記蒸気圧縮サイクルの熱交換器を配置すると共に、給湯側入口配管に給水を所定圧力以下に減圧して直結し、前記熱交換器の給湯側出口配管を減圧用の調整弁を介して貯湯タンクに連結して成り、前記給湯側出口配管を通る水温を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出温度に応じて前記調整弁を調整する制御部とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の給湯用ヒートポンプシステムにおいて、前記給湯側出口配管であって前記調整弁よりも上流側に流量調整用のポンプを備え、前記制御部は、前記温度検出手段による検出温度に応じて前記ポンプ及び調整弁を調整するものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の給湯用ヒートポンプシステムにおいて、前記給湯側出口配管であって前記調整弁よりも上流側に配置した流量調整用のポンプと、前記調整弁と前記ポンプの間と前記給湯側入口配管とを繋ぐバイパス管路と、前記バイパス管路を通る流量を検出する流量検出手段と、を備え、前記制御部は、前記流量検出手段による検出流量に応じて前記調整弁を調整するものである。

請求項１の発明によれば、熱交換器の給湯側入口配管を給水に直結するので、給湯配管内の圧力が高くなり、加熱温度を高くすることができ、また、給水の圧力により貯湯タンクに貯湯をすることができる。

請求項２の発明によれば、検出温度に応じてポンプ及び調整弁を調整するので、出湯温度の調整を精度良く行なうことができる。

請求項３の発明によれば、バイパス管路内の流量に応じて調整弁を調整するので、給湯配管内の圧力が維持され、給湯ポンプの流量が変動しても、出湯温度の調整を精度良く行なうことができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムについて図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。給湯用ヒートポンプシステムは、給水を加熱するヒートポンプ１と、加熱された湯を貯湯する貯湯タンク２と、貯湯タンク２に繋がり湯を出湯する配管経路と、システム全体を制御する制御部３を備えている。給湯用ヒートポンプシステムは、蒸気圧縮熱サイクルを利用して、冷媒を圧縮して凝縮させ、冷媒を液化させて放熱を行なわせ、熱交換器を介して給水と熱交換を行ない、給水を加熱する。

本実施形態に係るヒートポンプ１は、冷媒としての二酸化炭素ガスを循環する冷媒配管４と、冷媒と給水との熱交換を行なう熱交換器５と、貯湯タンク２へ給湯する給湯配管６を備え、この給湯配管６の経路内に熱交換器５は配置されている。冷媒配管４には、冷媒を圧縮する圧縮機７が配設され、冷媒配管４は、熱交換器５の内部を通っている。給湯配管６は、熱交換器５の内部を通っており、熱交換器５の下流側において温度センサ８を備えている。また、給湯配管６は、入り口側において給湯側入口配管９と接続され、出口側で給湯側出口配管１０と接続されている。給湯側入口配管９は、図示していない水道に直接接続されており、配管中に減圧弁１１と逆止弁１２を有している。給湯側出口配管１０は、貯湯タンク２に繋がっており、配管中に流量調整弁１３ａを有している。

貯湯タンク２は、下部において湯を出湯する出湯ポンプ１４と接続されている。出湯ポンプ１４は、高温出湯配管１５に接続され、高温出湯配管１５は、圧力センサ１６を有しており、高温湯を使用する食洗機１７等に繋がっている。また、高温出湯配管１５から分岐した配管は、混合栓１８を介して給水管１９と接続され、混合出湯配管２０となり、中温湯を使用するカラン２１に繋がっている。制御部３は、温度センサ８や圧力センサ１６等の検出信号に応じて、システム全体を制御している。

上記のように構成された本実施形態の給湯用ヒートポンプシステムの動作を次に説明する。圧縮機７は、冷媒としての二酸化炭素ガスを圧縮して熱交換器５へ送る。冷媒は圧縮されて、熱交換器５において凝縮して液体になり熱を発する。冷媒は、熱交換器５を介して給湯配管６内の給水と熱交換を行う。熱交換を終えた冷媒は、再び周囲の熱を吸収して気体となり、圧縮機７へ戻る。図示していない水道からの給水は、減圧弁１１で所定の圧力に減圧されて、給湯配管６へ送られ、熱交換器５を介して冷媒との熱交換によって加熱され、水道の圧力によって貯湯タンク２へ送湯される。制御部３は、温度センサ８の検出した湯温に応じて、流量調整弁１３ａによって給湯配管６内の流量を調整し、ヒートポンプ１の出湯温度を制御する。

制御部３は、常に出湯ポンプ１４に低速回転を行なわせるか、又は、出湯ポンプ１４の後段にアキュムレータを配して蓄圧することにより、高温出湯配管１５内の圧力を一定に保っている。湯使用端末において湯が使用されると、制御部３は、高温出湯配管１５内の圧力低下を圧力センサ１６によって検知し、出湯ポンプ１４を高速回転させ、貯湯タンク２の湯を出湯する。高温湯を使用する食洗機１７には、高温出湯配管１５から出湯され、中温湯を使用するカラン２１には、高温出湯配管１５の高温湯と給水管１９の給水とが混合弁１８において混合されて、混合出湯配管２０より出湯される。

このように、給湯側入口配管９が水道に直結されているので、給湯配管６内の圧力を水道の元圧まで高くすることができ、内圧を高くすることにより、水の沸点温度を高くすることができる。水の沸点温度が高くなると、湯が沸騰して気体になり難くなるので給湯配管６内の温度を上げることができ、高温での出湯が可能となる。また、制御部３は、温度センサ８の検出した湯温に応じて、湯温が設定温度より高ければ流量調整弁１３ａによって給湯配管６内の流量を増やして湯温を下げ、湯温が設定温度より低ければ流量調整弁１３ａによって給湯配管６内の流量を少なくして湯温を上げることにより湯温を制御するので、給湯配管６内の圧力を保持したまま出湯温度を制御することができる。また、水道の圧力により貯湯タンク２へ送湯するので、送湯のためのポンプを必要としない。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムについて図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムは、上記第１の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムに加えて、給湯ポンプ２２を備えている。給湯ポンプ２２は、給湯配管６の熱交換器５の下流に配せられている。また、給湯側出口配管１０には、流量調整弁１３ａに代えて圧力調整弁１３ｂが配せられている。

制御部３は、温度センサ８の検出した湯温に応じて、圧力調整弁１３ｂと、給湯ポンプ２２とによって、給湯配管６内の流量を調整して、出湯温度を制御する。圧力調整弁１３ｂの開度調整は、常時行なわず、給湯用ヒートポンプシステムの設置場所の配管の長さや、ヒートポンプとタンクの位置関係等によって決定し、一度条件設定をすると再調整を行なう必要は少ない。例えば、工場出荷時において、配管経路の圧力損失が最小の場合に、給湯ポンプ２２による温度制御が成立するように開度を設定しておく。そして、給湯用ヒートポンプシステムの運転時に、例えば、給湯ポンプ２２の流量が制御範囲の下限であり、出湯温度が設定温度以下のままであるときに、出湯温度が設定温度になるように弁の開度を下げるようにする。圧力調整弁１３ｂの開度調整は、給湯ポンプ２２による流量制御と矛盾しないように段階的かつ一定時間のインターバルをもって行うのが望ましい。例えば、出湯温度が設定温度以下の状態が、１分間継続した場合に、弁の開度を１％絞る等である。このように、出湯温度に応じて圧力調整弁１３ｂと給湯ポンプ２２を調整するので、出湯温度の制御を精度良く行なうことができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムについて図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムは、上記第１の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムに加えて、バイパス配管２３と、給湯ポンプ２２とを備えている。バイパス配管２３は、給湯側入口配管９における逆止弁１２の下流の箇所と、給湯側出口配管１０における流量調整弁１３ａの上流の箇所とを繋いでおり、途中に流量計２４を有している。給湯ポンプ２２は、給湯配管６の途中で熱交換器５の下流に配せられている。

制御部３は、流量計２４の検出した流量が０になるように流量調整弁１３ａを調整する。例えば流量調整弁１３ａが全閉のとき、バイパス配管２３の水は矢印Ａ方向に流れる。制御部３は、流量が０になるように流量調整弁１３ａを開く。反対に水が矢印Ｂ方向に流れているときは流量調整弁１３ａを閉じていき、流量を０にする。これにより、給湯ポンプ２２の流量が変動しても、給湯配管６内の圧力が一定に維持され、また、給湯ポンプ２２の流量と、貯湯タンク２への出湯量が同一となるため、出湯温度を一定に制御することができる。また、バイパス配管２３の入口と出口の温度を温度センサにより検出し、その温度差が最大になるように流量調整弁１３ａを調整してもよく、また、温度センサと流量計２４とを併用して流量調整弁１３ａを調整してもよい。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、種々の変形が可能である。例えば、流量計２４に代えて、バイパス配管２３の入口側と出口側とに圧力計を配し、圧力差が０になるように制御してもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムの構成図、（ｂ）は同給湯用ヒートポンプシステムの湯温制御の構成図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムの構成図、（ｂ）は同給湯用ヒートポンプシステムの湯温制御の構成図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る給湯用ヒートポンプシステムの構成図、（ｂ）は同給湯用ヒートポンプシステムの湯温制御の構成図。 従来の給湯用ヒートポンプシステムの構成図。 温度と飽和水蒸気圧との関係を示す図。

符号の説明

１ ヒートポンプ（蒸気圧縮サイクル）
２ 貯湯タンク
３ 制御部
５ 熱交換器
６ 給湯配管
８ 温度センサ（温度検出手段）
９ 給湯側入口配管
１０ 給湯側出口配管
１３ａ 流量調整弁（調整弁）
１３ｂ 圧力調整弁（調整弁）
２２ 給湯ポンプ（ポンプ）
２３ バイパス配管
２４ 流量計

Claims (3)

1. 蒸気圧縮サイクルによる冷媒との熱交換により水を加熱、給湯する給湯用ヒートポンプシステムにおいて、
   貯湯タンクに給湯する給湯配管の経路内に、前記蒸気圧縮サイクルの熱交換器を配置すると共に、給湯側入口配管に給水を所定圧力以下に減圧して直結し、
   前記熱交換器の給湯側出口配管を減圧用の調整弁を介して貯湯タンクに連結して成り、
   前記給湯側出口配管を通る水温を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段による検出温度に応じて前記調整弁を調整する制御部とを備えたことを特徴とする給湯用ヒートポンプシステム。
2. 前記給湯側出口配管であって前記調整弁よりも上流側に流量調整用のポンプを備え、
   前記制御部は、前記温度検出手段による検出温度に応じて前記ポンプ及び調整弁を調整することを特徴とする請求項１に記載の給湯用ヒートポンプシステム。
3. 前記給湯側出口配管であって前記調整弁よりも上流側に配置した流量調整用のポンプと、
   前記調整弁と前記ポンプの間と前記給湯側入口配管とを繋ぐバイパス管路と、
   前記バイパス管路を通る流量を検出する流量検出手段と、を備え、
   前記制御部は、前記流量検出手段による検出流量に応じて前記調整弁を調整することを特徴とする請求項１に記載の給湯用ヒートポンプシステム。
   

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