JP2008261559A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮機の耐久性を確保できるヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】圧縮機21、給湯用熱交換器22、第1の開閉弁23、蓄熱器24、膨張弁25、蒸発器26からなるヒートポンプサイクル20と、給湯用熱交換器22と第1の開閉弁23の間と蓄熱器24と膨張弁25の間とを接続する第1のバイパス回路28と、蓄熱器24と膨張弁25の間と蒸発器26と圧縮機21の間とを接続し第3の開閉弁31を有する第2のバイパス回路30と、ヒートポンプサイクル20で加熱された液体を蓄える貯湯タンク41内の液体を給湯用熱交換器22に送る循環ポンプ46を備え、第3の開閉弁31の開成時に第2のバイパス回路30の第3の開閉弁31の下流側と蓄熱器24で熱交換を行う。
【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ヒートポンプ給湯装置が提案されおり、図3に示すものがある(例えば、特許文献1参照)。
図3は、前記特許文献1に記載された従来のヒートポンプ給湯装置の構成図である。
図3において、従来のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機1、給湯用熱交換器2、絞り装置3、蒸発器4からなる冷媒循環回路10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を接続した給湯回路11からなり、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から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ものである。
特開昭60−164157号公報
しかしながら、前記従来のヒートポンプ給湯装置の構成では、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が高い時でも、圧縮機の耐久性を確保することが出来る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、第1の開閉弁、蓄熱器、第1の絞り装置、及び蒸発器を配管で順に接続して構成されたヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器と前記第1の開閉弁の間と前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間とを接続すると共に第2の開閉弁を有する第1のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間と前記蒸発器と前記圧縮機の間とを接続すると共に第2の絞り装置を有する第2のバイパス回路と、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の液体を前記給湯用熱交換器に送る循環ポンプとを備え、前記第2の絞り装置の開成時に前記第2のバイパス回路の前記第2の絞り装置の下流側と前記蓄熱器とで熱交換を行うもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口の冷媒温度も上昇し、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、本発明のように蓄熱器で給湯用熱交換器を出た冷媒の熱を蓄熱して、蓄熱器を出た冷媒の温度を給湯用熱交換器を出た冷媒の温度より下げることにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は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。
本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯用熱交換器に流入する水温が高い時でも圧縮機の耐久性を確保できる。
第1の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、第1の開閉弁、蓄熱器、第1の絞り装置、及び蒸発器を配管で順に接続して構成されたヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器と前記第1の開閉弁の間と前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間とを接続すると共に第2の開閉弁を有する第1のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間と前記蒸発器と前記圧縮機の間とを接続すると共に第2の絞り装置を有する第2のバイパス回路と、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の液体を前記給湯用熱交換器に送る循環ポンプとを備え、前記第2の絞り装置の開成時に前記第2のバイパス回路の前記第2の絞り装置の下流側と前記蓄熱器とで熱交換を行うもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口の冷媒温度も上昇し、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、本発明のように蓄熱器で給湯用熱交換器を出た冷媒の熱を蓄熱して、蓄熱器を出た冷媒の温度を給湯用熱交換器を出た冷媒の温度より下げることにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は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。
第2の発明は、特に、第1の発明の給湯用熱交換器の水側の入口温度を検出する入水温度検出手段と、蓄熱器と第1の絞り装置の間の配管の温度を検出する蓄熱器出口温度検出手段と、第2のバイパス回路で前記蓄熱器出口の配管温度を検出するバイパス配管温度検出手段を設け、前記入水温度検出手段、前記蓄熱器出口温度検出手段及び前記バイパス配管温度検出手段のそれぞれで検出された温度に応じて、第1の開閉弁と、第2の開閉弁と、第2の絞り装置を制御するもので、蓄熱器に蓄熱された熱量の熱回収運転を行うので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
第3の発明は、特に、第1又は第2の発明の蓄熱器に潜熱蓄熱剤を充填したもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口の冷媒温度も上昇するが、この高温の冷媒が、潜熱蓄熱剤からなる蓄熱器に放熱するため、蓄熱器出口の冷媒の温度上昇を抑制でき、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
第4の発明は、特に、第3の発明の蓄熱器に、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填したもので、蓄熱量を増加させることができ、潜熱蓄熱剤からなる蓄熱器を小型化したヒートポンプ給湯機を実現できる。
第5の発明は、特に、第4の発明の蓄熱器は、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冷媒が流れるようにしたもので、入水温度が高い場合に、給湯用熱交換器を出た高温の冷媒は、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、蓄熱器出口温度は融点の低い潜熱蓄熱剤の融点とほぼ同じ温度を維持できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
第6の発明は、特に、第4又は第5の発明の第2のバイパス回路内は、融点の低い潜熱蓄熱剤から融点の高い潜熱蓄熱剤へ冷媒が流れるもので、熱回収運転時、融点の低い潜熱蓄熱剤の方から熱を回収するので、顕熱域の熱を回収し、常に潜熱域を維持できるので、蓄熱器出口温度が上昇することなく、効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。また、熱回収運転を並行して行っているので、蓄熱器をさらに小型化できる。
第7の発明は、特に、第1〜6のいずれか一つの発明のヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側で臨界圧を越える状態で運転するようにしたもので、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、図2は、同ヒートポンプ給湯装置の開閉弁制御のフローチャートである。
図1において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の冷凍回路について説明する。
ヒートポンプサイクル20は、圧縮機21、給湯用熱交換器22、第1の開閉弁23、蓄熱器24、第1の絞り装置である膨張弁25、及び蒸発器26を配管12で順に接続して構成されている。また、蒸発器26に送風するためのファン27を設けている。さらに、給湯用熱交換器22と第1の開閉弁23の間の配管12から分岐して、蓄熱器24と膨張弁25との間の配管12に接続する第1のバイパス回路28が設けられている。
そして、第1のバイパス回路28の途中には、第2の開閉弁29が直列に設けられている。さらに、蓄熱器24と膨張弁25の間の配管12から分岐して、蒸発器26と圧縮機21との間の配管12に接続する第2のバイパス回路30が設けられている。そして、第2のバイパス回路30の途中には、第2の絞り装置である第3の開閉弁31と、キャピラリー32が直列に設けられ、キャピラリー32の下流側の配管12と蓄熱器24とで熱交換するようにしている。また、第2のバイパス回路30において、蓄熱器24と熱交換した後の配管温度を検出するバイパス配管温度検出手段30Aを設置している。
蓄熱器24は、高融点潜熱蓄熱剤24Aと低融点潜熱蓄熱剤24Bが充填されており、例えば、高融点潜熱蓄熱剤24Aの融点が40℃、低融点潜熱蓄熱剤24Bの融点が30℃である。また、蓄熱器24と膨張弁25の間の配管には、蓄熱器出口温度検出手段24Cを設置している。
本実施の形態におけ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ようにしている。
次に、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の給湯回路15について説明する。
貯湯タンク41の第一底部配管42は、減圧弁43を介して水道管等の水供給配管44に接続されている。また、貯湯タンク41の第二底部配管45は、循環ポンプ46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。また、給湯用熱交換器22の水用配管22Aの入口側には入水温度検出手段22Bを、出口側には出湯温度検
出手段22Cを設置している。また、貯湯タンク41の第一上部配管47は、三方弁48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41の第三底部配管49は、三方弁48に接続されている。また、貯湯タンク41の第二上部配管50は、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。
コントローラ60には、入水温度検出手段22Bで検出した入水温度と、蓄熱器出口温度検出手段24Cで検出した蓄熱器出口温度と、バイパス配管温度検出手段30Aで検出したバイパス配管温度とが入力とされ、開閉弁制御手段61により、第1の開閉弁23、第2の開閉弁29、第3の開閉弁31が開閉動作される。
次に、本実施の形態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、使用者が蛇口を開くと第二上部配管50から出湯される。貯湯タンク41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が運転を開始する。
ヒートポンプサイクル20の運転モードとして、4つのモードがあり、まず、起動運転モードとして、蓄熱器24の熱回収を行う場合について説明する。この時、第1の開閉弁23を閉動作、第2の開閉弁29を開動作、第3の開閉弁31を開動作している。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、第2の開閉弁29を通る。そこで、一部の冷媒は、膨張弁25で減圧された後、蒸発器26にて吸熱し、ガス状態で圧縮機21に吸入される。残りの冷媒は、第3の開閉弁31、キャピラリー32を通り、蓄熱器24の熱で蒸発され、蒸発器26を通った冷媒と合流し、圧縮機21に吸入される。ファン27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46により、貯湯タンク41からの水は、貯湯タンク41の第二底部配管45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48を介し、貯湯タンク41に流入する。三方弁48において、貯湯タンク41の第一上部配管47に接続するか、貯湯タンク41の第三底部配管49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22Cの温度によって行う。
次に、ヒートポンプサイクル20の運転モードとして、蓄熱/熱回収をともなわない通常運転モードについて説明する。この時、第1の開閉弁23を閉動作、第2の開閉弁29を開動作、第3の開閉弁31を閉動作している。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、第2の開閉弁29を通り膨張弁25で減圧された後、蒸発器26にて吸熱し、ガス状態で圧縮機21に吸入される。ファン27は、圧縮機21の運転状態に応じた回転数に設定される。
次に、ヒートポンプサイクル20の運転モードとして、蓄熱器24に蓄熱する蓄熱運転モードについて説明する。この時、第1の開閉弁23を開動作、第2の開閉弁29を閉動作、第3の開閉弁31を閉動作している。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、蓄熱器24を通り膨張弁25で減圧された後、蒸発器26にて吸熱し、ガス状態で圧縮機21に吸入される。ファン27は、圧縮機21の運転状態に応じた回転数に設定される。
次に、ヒートポンプサイクル20の運転モードとして、蓄熱器24に蓄熱しながら、同時に熱回収する同時運転モードについて説明する。この時、第1の開閉弁23を開動作、第2の開閉弁29を閉動作、第3の開閉弁31を開動作している。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、蓄熱器24を通る。そこで、一部の冷媒は、膨
張弁25で減圧された後、蒸発器26にて吸熱し、ガス状態で圧縮機21に吸入される。残りの冷媒は、第3の開閉弁31、キャピラリー32を通り、蓄熱器24の熱で蒸発され、蒸発器26を通った冷媒と合流し、圧縮機21に吸入される。ファン27は、圧縮機21の運転状態に応じた回転数に設定される。
次に、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の開閉弁の動作について図2のフローチャートを用いて説明する。
まず、使用者が、蛇口を開くと第二上部配管50から出湯され、貯湯タンク41の残湯量が少なくなると、第1の開閉弁23を閉動作、第2の開閉弁29を開動作、第3の開閉弁31を開動作するとともに、圧縮機21が起動し、ヒートポンプサイクル20が運転を開始する(ステップ1)。
次に、入水温度検出手段22Bで入水温度を、蓄熱器出口温度検出手段24Cで蓄熱器出口温度を、バイパス配管温度検出手段30Aでバイパス配管温度を検出する(ステップ2)。次に、入水温度が所定温度(例えば、35℃)以下か判断される(ステップ3)。入水温度が35℃以下の場合、バイパス配管温度が所定温度(例えば、20℃)以下か判断され(ステップ4)、バイパス配管温度が20℃以上の場合、蓄熱器24にまだ蓄熱されていると判断し、起動運転モードとして、第1の開閉弁23を閉動作、第2の開閉弁29を開動作、第3の開閉弁31を開動作を継続する(ステップ5)。
ステップ4でバイパス配管温度が20℃より低い場合、蓄熱器24の熱が回収されたと判断し、通常運転モードに移行し、第1の開閉弁23を閉動作、第2の開閉弁29を開動作、第3の開閉弁31を閉動作させる(ステップ6)。
次に、ステップ3で、入水温度が35℃より高い場合、蓄熱器出口温度が所定温度(例えば、30℃)以下か判断され(ステップ7)、蓄熱器出口温度が30℃以下の場合、蓄熱運転モードに移行し、第1の開閉弁23を開動作、第2の開閉弁29を閉動作、第3の開閉弁31を閉動作させる(ステップ8)。ステップ7で、蓄熱器出口温度が30℃より高い場合、同時運転モードに移行し、第1の開閉弁23を開動作、第2の開閉弁29を閉動作、第3の開閉弁31を開動作させる(ステップ7)。
従って、入水温度が高くなると、蓄熱運転モードとして、蓄熱器24に蓄熱することにより、蓄熱器24を出た冷媒の温度を給湯用熱交換器22を出た冷媒の温度より下げることにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器26の入口の乾き度も減少して蒸発器26の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は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。また、蓄熱器24の出口温度も監視しており、所定温度より高い場合は、同時運転モードとして、熱回収運転も同時に行っており、蓄熱器24の出口温度は所定温度より高くならないので、高圧は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。
さらに、蒸発器26に流入する一部の冷媒を蓄熱器24で蒸発させるため、蒸発能力が上昇し、効率の良い運転が実現できる。さらに、熱回収運転を同時に行なうため、蓄熱器24に貯める熱量を制限できるので、蓄熱器24の小型化ができる。また、圧縮機21の起動時には、起動運転モードとして、蓄熱器24の熱量を回収する運転を行うため、さらに効率の良い運転が実現できる。
以上のように本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、入水温度が高い場合、従来のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器22の出口の冷媒温度も上昇し、給湯用熱交換器22および蒸発器26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、本実施の形態のように蓄熱器24で給湯用熱交換器22を出た冷媒の熱を蓄熱して、蓄熱器24を出た冷媒の温度を給湯用熱交換器22を出た冷媒の温度より下げることにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器26の入口の乾き度も減少して蒸発器26の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は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。
また、蓄熱器24の出口温度も監視しており、所定温度より高い場合は、同時運転モードとして、熱回収運転も同時に行っており、蓄熱器24の出口温度は所定温度より高くならないので、高圧は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。さらに、蒸発器26に流入する一部の冷媒を蓄熱器24で蒸発させるため、蒸発能力が上昇し、効率の良い運転が実現できる。さらに、熱回収運転を同時に行なうため、蓄熱器24に貯める熱量を制限できるので、蓄熱器24の小型化ができる。また、圧縮機21の起動時には、起動運転モードとして、蓄熱器24の熱量を回収する運転を行うため、さらに効率の良い運転が実現できる。
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24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、一つの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例に説明したが、2つ以上のヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ給湯装置でもよい。
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開閉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 第1の開閉弁
24 蓄熱器
24A 高融点潜熱蓄熱剤(潜熱蓄熱剤)
24B 底融点潜熱蓄熱剤(潜熱蓄熱剤)
25 膨張弁(第1の絞り装置)
26 蒸発器
28 第1のバイパス回路
30 第2のバイパス回路
31 第3の開閉弁(第2の絞り装置)
41 貯湯タンク
46 循環ポンプ

Claims (7)

  1. 圧縮機、給湯用熱交換器、第1の開閉弁、蓄熱器、第1の絞り装置、及び蒸発器を配管で順に接続して構成されたヒートポンプサイクルと、前記給湯用熱交換器と前記第1の開閉弁の間と前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間とを接続すると共に第2の開閉弁を有する第1のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第1の絞り装置の間と前記蒸発器と前記圧縮機の間とを接続すると共に第2の絞り装置を有する第2のバイパス回路と、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の液体を前記給湯用熱交換器に送る循環ポンプとを備え、前記第2の絞り装置の開成時に前記第2のバイパス回路の前記第2の絞り装置の下流側と前記蓄熱器とで熱交換を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
  2. 給湯用熱交換器の水側の入口温度を検出する入水温度検出手段と、蓄熱器と第1の絞り装置の間の配管の温度を検出する蓄熱器出口温度検出手段と、第2のバイパス回路で前記蓄熱器出口の配管温度を検出するバイパス配管温度検出手段を設け、前記入水温度検出手段、前記蓄熱器出口温度検出手段及び前記バイパス配管温度検出手段のそれぞれで検出された温度に応じて、第1の開閉弁と、第2の開閉弁と、第2の絞り装置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。
  3. 蓄熱器に潜熱蓄熱剤を充填したことを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートポンプ給湯装置。
  4. 蓄熱器に、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填したことを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプ給湯装置。
  5. 蓄熱器は、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冷媒が流れるようにした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。
  6. 第2のバイパス回路内は、融点の低い潜熱蓄熱剤から融点の高い潜熱蓄熱剤へ冷媒が流れることを特徴とする請求項4又は5に記載のヒートポンプ給湯装置。
  7. ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側で臨界圧を越える状態で運転するようにした請求項1〜6のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯装置。
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