JP2008196795A

JP2008196795A - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP2008196795A
Application number: JP2007033196A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Takatani; 隆幸高谷; Takashi Sawada; 敬澤田; Masahito Megata; 雅人目片
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-14
Also published as: JP4935402B2

Abstract

【課題】貯湯タンクからの水温が高い場合でも、給湯用熱交換器に流入する水温を低下させ、圧縮機の耐久性を確保する。
【解決手段】圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、膨張弁２３、及び蒸発器２４を配管で環状に接続したヒートポンプサイクル２０とヒートポンプサイクル２０を用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンク３１とを備え、貯湯タンク３１、循環ポンプ３６、蓄熱器３７、給湯用熱交換器２２を配管で接続し、貯湯タンク３１からの水温が高い場合でも、蓄熱器３７で蓄熱し、給湯用熱交換器２２に流入する水温を低下させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来から、種々のヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が提案されおり、その一例を図３に基づいて説明する。

図３は従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。

図３に示すように、従来のヒートポンプ給湯機は圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４を配管で環状に接続した冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、給湯用熱交換器２、補助加熱器７を配管で管状に接続した給湯回路からなる。

圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガスは給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ６により送られてきた給湯水を加熱する。そして、凝縮液化した冷媒は絞り装置３で減圧され、蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機１に戻り、再び高温高圧の過熱ガスとなる。

一方、給湯用熱交換器２で加熱された湯は貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器８が検知し、圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、補助加熱器７の単独運転に切り換える（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。

従って、沸き上げ運転完了近くになると、給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、圧縮機１の吐出圧力が上昇して、圧縮機１の耐久性が悪くなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯用熱交換器に流入する水温をある温度以上に上昇することを抑え、圧縮機の耐久性を確保したヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルと前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクとを備え、前記貯湯タンク、循環ポンプ、蓄熱器、給湯用熱交換器を配管で環状に接続したものである。

貯湯タンクからの水（ぬるま湯）の温度が高い場合、ヒートポンプサイクルの給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のヒートポンプ給湯装置は蓄熱器で貯湯タンクから出た湯の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器に流入する水温の上昇を抑制できるので、ヒートポンプサイクルの給湯用熱交換器の出口温度も上昇が抑えられるため、高圧も非常に上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転でき、圧縮機の耐久性も確保できる。

第１の本願発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルとヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクとを備え、貯湯タンク、循環ポンプ、蓄熱器、給湯用熱交換器を配管で接続している。

貯湯タンクからの水（ぬるま湯）の温度が高い場合、ヒートポンプサイクルの給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、上記構成により本発明のヒートポンプ給湯装置は蓄熱器で貯湯タンクから出た湯の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器に流入する水温の上昇を抑制できるので、ヒートポンプサイクルの給湯用熱交換器の出口温度も上昇が抑えられるため、高圧も非常に上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転でき、圧縮機の耐久性も確保できる。

第２の本願発明は、熱回収運転時、前記蓄熱器の水側出口の温度を検出する蓄熱器出口温度検出手段を設け、前記蓄熱器出口温度検出手段で検出された温度に応じて、前記蓄熱器の出口側と給湯端末をつなぐ混合弁を制御するものである。

この構成により、給湯が必要な場合、蓄熱器を放熱器として作用でき、蓄熱した熱を回収できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第３の本願発明は、前記蓄熱器として潜熱蓄熱剤を充填するものである。

この構成により、沸き終い運転時に貯湯タンクから出た湯は、潜熱蓄熱剤からなる蓄熱器に放熱するため、給湯用熱交換器に流入する水温の上昇を抑制でき、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。また、蓄熱器に蓄熱した熱を回収できるため更に、効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第４の本願発明は、蓄熱器には、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填している。

この構成により、沸き終い運転時に貯湯タンクから出た湯は、潜熱蓄熱剤からなる蓄熱器に放熱するため、給湯用熱交換器に流入する水温の上昇を抑制でき、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。また、蓄熱器に融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填して回収できる熱量を増加しているので更にまた、効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第５の本願発明は、蓄熱器では、蓄熱運転時、融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤へ水が流れる構成としたものである。

この構成により、沸き終い運転時に貯湯タンクから出た湯は、融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤を通り、蓄熱器に放熱するため、給湯用熱交換器に流入する水温の上昇を抑制でき、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。また、蓄熱器に融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填して回収できる熱量を増加しているので更に効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第６の本願発明は、前記蓄熱器では、熱回収運転時、融点の低い潜熱蓄熱剤から融点の高い潜熱蓄熱剤へ水が流れる構成としたものである。

この構成により、給湯が必要な場合、融点の低い潜熱蓄熱剤から融点の高い潜熱蓄熱剤を通り、蓄熱器から吸熱するために、蓄熱器から高温のお湯として回収できるので、効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第７の本願発明は、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する構成としたものである。

この構成により、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。

図に示すように、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプサイクル２０は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、膨張弁２３、及び蒸発器２４を順に配管で環状に接続して構成されている。また、蒸発器２４に送風するためのファン２５を設けている。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の給湯回路について説明する。

図に示すように、貯湯タンク３１の第一底部配管３２は、減圧弁３３を介して水道管等の水供給配管３４に接続されている。また、貯湯タンク３１の第二底部配管３５は、循環ポンプ３６、蓄熱器３７を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流入側と接続されている。

なお、蓄熱器３７は、高融点潜熱蓄熱剤３８と低融点潜熱蓄熱剤３９と水用配管３７Ａから構成されるとともに、水用配管３７Ａの入口に蓄熱器出口温度検出手段３７Ｂを設けている。また、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側には出湯温度検出手段２２Ｂを設置している。

また、貯湯タンク３１の第一上部配管４０は、三方弁４１を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流出側と接続されている。また、貯湯タンク３１の第三底部配管４２は、三方弁４１に接続されている。

貯湯タンク３１の第二上部配管４３は、第１の混合弁４４、第２の混合弁４５を介し給湯端末である、キッチン又は洗面所等の蛇口や風呂端末（図示せず）に接続されている。

また、第一底部配管３２は、配管４６を介して蓄熱器３７の水用配管３７Ａと、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの間に接続されているとともに、配管４８を介し第２の混合弁４５に接続されている。

また、循環ポンプ３６出口の配管は、配管４７を介し第１の混合弁４４に接続されている。

さらに、コントローラ４９には、蓄熱器出口温度検出手段３７Ｂで検出した蓄熱器出口温度が入力され、コントローラ４９に設けられた開度設定手段５０により第１の混合弁４４が制御される。

なお、本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

次に、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。

まず、使用者が給湯端末である蛇口（図示せず）を開くと第１の混合弁４４、第２の混合弁４５が制御され出湯される。貯湯タンク３１の残湯量が少なくなると、圧縮機２１が起動し、ヒートポンプサイクル２０が運転を開始し、圧縮機２１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２２で放熱し、膨張弁２３で減圧された後、蒸発器２４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２１に吸入され、再び圧縮される。ファン２５は、圧縮機２１の運転状態に応じた回転数に設定される。

循環ポンプ３６により貯湯タンク３１からの水は、貯湯タンク３１の第二底部配管３５、蓄熱器３７の水用配管３７Ａを通り、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａに導かれ、高温の湯に加熱され、三方弁４１を介して貯湯タンク３１に流入する。

三方弁４１において、貯湯タンク３１の第一上部配管４０に接続するか、貯湯タンク３１の第三底部配管４２に接続するかの判断は、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側に設置している出湯温度検出手段２２Ｂが検知した温度によって行う。

沸き終いに近づき、貯湯タンク３１からの水が高入水温領域になると、蓄熱器３７で蓄熱されるため蓄熱器３７の水用配管３７Ａの出口の水温はそれ程上昇することなく運転を継続できる。

蓄熱器３７には、高融点潜熱蓄熱剤３８と低融点潜熱蓄熱剤３９が充填されており、例えば、高融点潜熱蓄熱剤３８の融点が５０℃、低融点潜熱蓄熱剤３９の融点が３０℃で、高融点潜熱蓄熱剤３８から低融点潜熱蓄熱剤３９へ水が流れているので、貯湯タンク３１からの水温が５０℃になっても、蓄熱器３７の水用配管３７Ａの出口の水温は、３０℃程度を維持できる。

したがって、ヒートポンプサイクルを効率よく、安全に運転できる。さらに運転を継続し、貯湯タンク３１の湯量が一杯になると圧縮機２１と循環ポンプ３６を停止し、貯湯運転を終了する。

図２は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の第１の混合弁４４の制御フローチャートである。

図に示すように、まず、使用者が給湯端末である蛇口を開く（ステップ１）と、蓄熱器３７からの熱回収運転を行う。水道管等の水供給配管３４からの水は、減圧弁３３、配管４６を介して蓄熱器３７の水用配管３７Ａ、配管４７を通り、第１の混合弁４４に至る。

この時、蓄熱器３７の水用配管３７Ａの入口に設けた蓄熱器出口温度検出手段３７Ｂで蓄熱器出口温度が検出される（ステップ２）。

蓄熱器出口温度が所定温度（例えば、４０℃）以上か判断され（ステップ３）、所定温度以上の場合、第１の混合弁４４は開状態に制御され（ステップ４）、第２の混合弁４５で、配管４８からの水と混合され、設定温度の湯を供給する。

ステップ３で、蓄熱器出口温度が所定温度未満の場合、蓄熱器３７からの熱回収は完了したと判断し、貯湯タンク３１からの湯を使用する回路に切り替わる。すなわち、第１の混合弁４４は、配管４７側を全閉する様に制御する（ステップ５）。

以上のように本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンク３１からの水（ぬるま湯）の温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器２２の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器２２および蒸発器２４の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯装置では、蓄熱器３７で貯湯タンク３１から出た湯の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器２２に流入する水温の上昇を抑制できるので、高圧も非常に上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

従って、貯湯タンク３１からの水（ぬるま湯）の温度が高くなっても高圧が上昇することなく連続運転ができるので、貯湯タンク３１の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯タンク３１の容量を有効に利用できる効果がある。

また、蓄熱器３７に蓄熱した熱量を回収する場合、給湯用として水道管等の水供給配管３４からの水を暖めて利用することにより、より効率の高い運転ができる効果がある。

また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。

また、本実施の形態では、蓄熱器に、融点の異なる２種類の潜熱蓄熱剤を充填した場合で説明したが、融点の異なる３種類以上の潜熱蓄熱剤を充填してもよい。

また、本実施の形態では、ヒートポンプサイクル２０を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することが可能となるので、温水を貯湯し、その温水を利用した暖房等の用途にも適用できる。

本発明の第１の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図同ヒートポンプ給湯装置の第１の混合弁制御のフローチャート従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

２０ヒートポンプサイクル
２１圧縮機
２２給湯用熱交換器
２３膨張弁
２４蒸発器
３１貯湯タンク
３６循環ポンプ
３７蓄熱器
３７Ｂ蓄熱器出口温度検出手段
３８高融点潜熱蓄熱剤
３９低融点潜熱蓄熱剤
４４第１の混合弁（混合弁）

Claims

圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルと前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクとを備え、前記貯湯タンク、循環ポンプ、蓄熱器、給湯用熱交換器を配管で環状に接続したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
前記蓄熱器の水側出口の温度を検出する蓄熱器出口温度検出手段を設け、熱回収運転時、前記蓄熱器出口温度検出手段で検出された温度に応じて、前記蓄熱器の出口側と給湯端末をつなぐ混合弁を制御す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装置。
前記蓄熱器には、潜熱蓄熱剤が充填されてい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装置。
前記蓄熱器には、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤が充填されてい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装置。
前記蓄熱器では、蓄熱運転時、融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤へ水が流れることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記蓄熱器では、熱回収運転時、融点の低い潜熱蓄熱剤から融点の高い潜熱蓄熱剤へ水が流れることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。