JP2009287855A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ヒートポンプ給湯装置において、貯湯タンク内の高温水と低温水との接触を防止し、中温水の低減を図り、タンク沸上げ時の高いエネルギー効率を維持する。
【解決手段】
ヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯装置であって、貯湯タンク内の湯をヒートポンプにより加熱して貯湯タンクに貯湯する第１貯湯経路と、給水を貯湯タンクを介さずにヒートポンプにより加熱して貯湯タンクに貯湯する第２貯湯経路とを備える。貯湯タンク内の高温水と低温水との接触を防止し、中温水を低減することができるので、ヒートポンプ給湯装置のタンク沸上げ時の高いエネルギー効率を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯装置に関する。

ヒートポンプ給湯装置の貯湯タンクを大別すると密閉型と開放型とがある。従来の密閉型貯湯タンク式のヒートポンプ給湯装置の例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のヒートポンプ給湯装置は、密閉型貯湯タンクと、貯湯タンクの上部に接続された出湯管と、貯湯タンクの下部に接続された入水管と、入水管に設けられた入水圧を減圧する減圧弁と、出湯管からの高温水と入水管から分岐した低温水とを混合するミキシング弁と、ミキシング弁の下流に接続された給湯管とを備えている。また、貯湯タンクと加熱手段（ヒートポンプ）とを接続し、湯水を貯湯タンク下部から取り出し、貯湯タンク上部に戻す循環回路を備えている。

給湯栓を開くと入水管からの圧により貯湯タンク上部の高温水が出湯管に押し出され、ミキシング弁にて所定の温度となるように低温水と混合され、給湯管を介して給湯される。また、貯湯タンク内の湯水を加熱する場合には、循環回路を介して、貯湯タンク下部から取り出された湯水が加熱手段により加熱され、貯湯タンク上部に戻される。これにより高温の湯が貯湯タンク内に貯湯される。

従来の開放型貯湯タンク式のヒートポンプ給湯装置の例が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載のヒートポンプ給湯装置は、貯湯缶体内に給水圧がかからず大気開放状態としており、貯湯缶体の形状を扁平状にして設置スペースを取らず、小さな隙間に容易に設置することができる。このヒートポンプ給湯装置は、貯湯缶体上部に大気開放室を形成した貯湯缶体と、貯湯缶体に水を供給するとともに給水電磁弁を備えた給水管と、貯湯缶体上部に連通した給湯管と、水の流れを検知するフロースイッチと、給湯を加圧するポンプと、貯湯缶体内の水位を検知する水位検知手段とを備えている。また、貯湯缶体下部とヒートポンプユニットと貯湯缶体上部とを接続する加熱循環回路を備えている。

蛇口を開くことにより、水の流れをフロースイッチが検知し、給湯加圧ポンプが駆動して、貯湯缶体内の湯水を給湯する。このとき、貯湯量が下がったことを水位検知手段が検知すると、給水電磁弁を開き、給水管から貯湯缶体底部へ給水圧で補給がされる。これにより、貯湯缶体内の湯水の水位が常に一定に保持される。また、貯湯缶体内の温水の加熱貯湯は、貯湯缶体下部の冷水をヒートポンプユニットで加熱して貯湯缶体上部に戻すことにより行われる。

特開２００３−２９４３１６号公報 特開２００６−２２６５５３号公報

特許文献１に記載の密閉型貯湯タンク式のヒートポンプ給湯装置では、入水圧により貯湯タンク上部から出湯された分、貯湯タンク下部から入水される。したがって、高温水と低温水とが接触し、水の熱伝導により温度成層が形成されて、中温水が生じる。給湯では、貯湯タンクに貯えた高温水に低温水を混合して使用するため、給湯設定温度より温度が低い貯湯タンク内の湯は使用することができないため、有限の容積の貯湯タンク内の湯を有効に使用できない。また、ヒートポンプで水を加熱する際、入水温度の上昇に伴い、ヒートポンプの消費電力に対する加熱能力の割合であるＣＯＰ（いわゆるエネルギー効率）が急激に低下する。したがって、貯湯タンク内の湯水を沸き戻す場合、中温水が多いことによりエネルギー効率が低下してしまう。

また、特許文献２に記載の開放型貯湯タンク式のヒートポンプ給湯装置では、給湯が行われると、貯湯量が下がったことを水位検知手段が検知し、給水電磁弁を開き、貯湯缶体底部へ給水圧で補給がなされ、貯湯缶体内の湯量が常に一定に保持される。つまり、特許文献１に記載の密閉型貯湯タンク式と同様に、高温水と低温水とが接触し、水の熱伝導により温度成層が形成され、中温水が生じる。したがって、特許文献２に記載の開放型貯湯タンク式のヒートポンプ給湯装置においても、特許文献１に記載の密閉型貯湯タンク式と同じ課題を有する。

本発明は、ヒートポンプ給湯装置において、貯湯タンク内の中温水の低減を図り、ヒートポンプで水を加熱する際に高いエネルギー効率を維持することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯装置であって、貯湯タンク内の湯をヒートポンプにより加熱して貯湯タンクに貯湯する第１貯湯経路と、給水を貯湯タンクを介さずにヒートポンプにより加熱して貯湯タンクに貯湯する第２貯湯経路とを備える。

本発明によれば、貯湯タンク内の高温水と低温水との接触を防止し、中温水を低減することができるので、ヒートポンプ給湯装置のタンク沸上げ時の高いエネルギー効率を維持することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るヒートポンプ給湯システムの実施例を説明する。

本発明に係るヒートポンプ給湯システムについて説明する。図１は、本発明に係るヒートポンプ給湯装置の系統図である。ヒートポンプ給湯装置１００は、大別してヒートポンプ冷媒経路２００，貯湯経路２０１（タンク沸戻経路２０２および直接貯湯経路２０３），給湯経路２０４（第１給湯経路２０５，第２給湯経路２０６），風呂湯張経路２０７，風呂追焚加熱経路２０８，風呂追焚吸熱経路２０９を備える。図示しないが、ヒートポンプ給湯装置１００は運転制御手段を備え、後述する各種運転制御はこの運転制御手段により行われる。

各経路の構成を以下に説明する。ヒートポンプ冷媒経路は、ヒートポンプユニット１４から構成され、給湯のために供給された水（給水）を熱交換により加熱するものである。具体的には、図示しないが、冷媒を圧縮して高温の冷媒とする圧縮機、この圧縮機で圧縮され高温となった冷媒と給湯のために供給された水（給水）とが熱交換する水冷媒熱交換器、この水冷媒熱交換器を出た冷媒を減圧する膨張弁、膨張弁を出た低温圧の冷媒を蒸発させる蒸発器を、冷媒管路で接続して構成されている。圧縮機は、インバータ制御により容量制御が可能であり、低速（例えば１０００rpm）から高速（例えば６０００rpm）まで回転速度が可変である。蒸発器は空気冷媒熱交換器であり、室外ファンにより室外の大量の空気と減圧された冷媒とを熱交換させる。ヒートポンプ冷媒経路の冷媒として例えば二酸化炭素を用いることにより、高温の湯を供給することができる。

次に第１の貯湯経路であるタンク沸戻経路２０２について図２を用いて説明する。図２はタンク沸戻経路２０２を示す図であり、タンク沸戻経路２０２を太線で示している。尚、第２の貯湯経路である直接貯湯経路２０３については後述する。

タンク沸戻経路２０２は、貯湯タンク１下部の水をヒートポンプユニット１４で加熱して、貯湯タンク１上部に戻す経路である。タンク沸戻経路２０２は、貯湯タンク１下部の沸戻取出口３，貯湯タンク１内の水をヒートポンプユニット１４で加熱する際に開く開閉電磁開閉弁１０，貯湯タンク１下部への逆流を防止する逆止弁１１，貯湯タンク１下部の水をヒートポンプユニット１４に送り貯湯タンク１上部に戻すタンク循環ポンプ１２，ヒートポンプユニット１４への水流量を計測する流量センサ１３，ヒートポンプユニット１４，貯湯タンク１内の伸縮ホース４ａ、および貯湯上部口５を備える。

貯湯タンク１内の貯湯上部口５はフロート２に固定されている。貯湯タンク１内にある湯の水面の上下と共に伸縮ホース４ａが伸縮してフロート２が上下に移動するので、フロート２は常に貯湯タンク１内にある湯の上部に位置する。フロート２には熱伝導率の低い断熱材料を用い、高温水から空気層への放熱を低減する。９は大気開放管であり、水位の移動により空気が流出入し、常に貯湯タンク内を大気圧に保つ。また、虫や塵埃を防ぐために、大気開放管９の開口部はメッシュ構造とする。

貯湯タンク１側面の水位センサ５０および温度センサ５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅは、貯湯量および貯湯熱量を検出する。また、貯湯タンク１内のフロート２下部に設けられた温度センサ５２は貯湯上部の温度を検出する。

第２の貯湯経路である直接貯湯経路２０３について図３を用いて説明する。図３は直接貯湯経路２０３を示す図であり、直接貯湯経路２０３を太線で示している。直接貯湯経路２０３は、貯湯タンク１下部を介さず、給水を直接ヒートポンプユニット１４で加熱し、貯湯タンク１上部に貯湯する経路である。直接貯湯経路２０３は、装置外部の上水道と接続される給水金具１５，取り込んだ上水を適正な水圧に調整する減圧弁１６，給水をヒートポンプ１４で加熱する際に開きヒートポンプユニット１４に流れる水を適正な流量に調整する全閉可能な流量調整弁１７，流量センサ１３，ヒートポンプユニット１４，伸縮ホース４ａ、および貯湯タンク貯湯上部口５を備える。

タンク沸戻経路２０２でのタンク貯湯運転では、貯湯タンク１下部にあった水を加熱してタンク上部に戻すので、温度による水密度変化の影響を除けば、水位はほぼ一定である。一方、直接貯湯経路２０３でのタンク貯湯運転では、新たに加熱した水をタンク上部に追加するので、水位は増加する。水位センサ５０により、水位を検知することにより、給湯負荷に見合った適切な量の湯を変更可能に貯湯することができる。

給湯経路２０４は、貯湯タンク１の温度により２通りある。貯湯タンク１下部の温度センサ５１ｅが給湯設定温度以上の場合は、後述の第１給湯経路２０５（貯湯タンク下部の湯のみを使用）を用い、給湯設定温度より低い場合は後述の第２給湯経路２０６（貯湯タンク上部および下部の両方の湯を使用）を用いる。ここで、水の温度による密度差から貯湯部の下方ほど温度が低くなり、また、後述の風呂追焚により温度の低くなった湯が下部に戻されるため貯湯部の下方ほど温度が低くなる。第１給湯経路２０５および第２給湯経路２０６を用いてできるだけ貯湯タンク１の下部の湯を使うのは、温度が低い湯を優先して使うことにより利用価値が高い質の高いエネルギーである高温湯を後の使用として残すためである。

第１給湯経路２０５について図４を用いて説明する。図４は第１給湯経路２０５を示す図であり、第１給湯経路２０５を太線で示している。第１給湯経路２０５は、貯湯タンク１の下部給湯取出口７側を全開として上部給湯取出口６側を全閉とした第１給湯混合弁２０，貯湯タンク１内の水を吸い上げるための給湯加圧ポンプ２１，貯湯タンク１への逆流を防止する逆止弁２２，給湯設定温度となるように給水を混合する第２給湯混合弁２３，水の流れを検知する給湯フロースイッチ２４，装置外部の給湯端末と接続される給湯金具２５とを備える。給湯端末が開かれることによる水の流れを給湯フロースイッチ２４が検知すると、給湯加圧ポンプ２１が駆動して、貯湯タンク１下部の湯が給湯に用いられる。第２給湯混合弁２３は、下流の温度センサ５５が給湯設定温度となるように、上流の２つの温度センサ５３，５４に基づいて、混合比率を調節する。

第２給湯経路２０６について図５を用いて説明する。図５は第２給湯経路２０６を示す図であり、第２給湯経路２０６を太線で示している。第２給湯経路２０６は、貯湯タンク１の上部給湯取出口６，下部給湯取出口７，設定給湯温度となるように上部給湯取出口６および下部給湯取出口７からの湯水を混合する第１給湯混合弁２０，給湯加圧ポンプ２１，逆止弁２２，第２給湯混合弁２３，給湯フロースイッチ２４，給湯端末と接続される給湯金具２５を備える。給湯端末が開かれることによる水の流れを給湯フロースイッチ２４が検知すると、給湯加圧ポンプ２１が駆動して、貯湯タンク１上部および下部の湯を給湯に用いる。第１給湯混合弁２０は、下流の温度センサ５４が給湯設定温度となるように、上流の２つの温度センサ５１ｅ，５２に基づいて、混合比率を調整する。

風呂湯張経路２０７は、図１の給湯経路の逆止弁２２の下流の分岐部２２ａで分岐し、湯張混合弁３０，湯張流量センサ３１，湯張電磁弁３２，風呂水の逆流を防止する逆止弁３３，浴槽３８の水の有無を判定するフロースイッチ３４，風呂循環ポンプ３５，風呂水位センサ３６，風呂入出湯金具３７ａ，フロースイッチ３４近傍の分岐部３４ａの反対側の配管である風呂追焚熱交換器４０，風呂入出湯金具３７ｂを備える。したがって、風呂湯張りは、２つの入出湯金具３７ａ，３７ｂを介して行われる。

湯張混合弁３０は、給湯経路で説明した第２給湯混合弁２３と同様に動作し、分岐部２３ａからの給水を混合する。また、風呂湯張りは、給湯経路での説明と同様に、貯湯タンク１下部の温度により、貯湯タンク１下部のみの湯（第１給湯経路２０５）または貯湯タンク１上部および下部の湯（第２給湯経路２０６）が用いられる。

風呂追焚加熱経路２０８は、浴槽３８内の湯水を再加熱するための経路である。風呂追焚加熱経路２０８は、貯湯タンク１内の上部の追焚取出口８ａ，伸縮ホース４ｃ，風呂追焚熱交換器４０，風呂追焚ポンプ４１，貯湯タンク１下部の追焚戻口８ｂを備える。風呂追焚ポンプ４１は、貯湯タンク１上部の高温の湯を追焚取出口８ａを介して風呂追焚熱交換器４０に導き、風呂追焚熱交換器４０で浴槽３８からの湯水を加熱し温度の低くなった湯を貯湯タンク１下部の追焚戻口８ｂに戻す。

風呂追焚吸熱経路２０９は、浴槽３８内の湯水を加温する経路である。風呂追焚加熱経路２０９は、浴槽３８内の湯水を取り出す入出湯金具３７ａ，水位センサ３６，風呂循環ポンプ３５，フロースイッチ３４，風呂追焚熱交換器４０，浴槽３８内へ湯水を戻す入出湯金具３７ｂを備える。風呂循環ポンプ３５は、浴槽３８内の湯水を入出湯金具３７ａを通して風呂追焚熱交換器４０に導き、風呂追焚熱交換器４０で加温された湯水を入出湯金具３７ｂを通して浴槽３８内へ戻す。温度センサ５７は、浴槽３８内の湯水の温度を検知する。

このような構成のヒートポンプ給湯装置の動作について、以下に説明する。給湯金具２５と接続されている装置外部の給湯端末が開かれると、水の流れをフロースイッチ２４が検知し、給湯加圧ポンプ２１が駆動して貯湯タンク１内の湯水が供給される。給湯経路２０４は、前述のように給湯設定温度と貯湯タンク１の下部温度センサ５１ｅの温度との関係により、第１給湯経路２０５または第２給湯経路２０６に切り替えられる。

給湯により貯湯タンク１内の湯が使用され貯湯量が所定以下になった場合であって、貯湯タンク１内の湯水の温度が所定温度以下の場合、タンク沸戻経路２０２により貯湯タンク１内の湯水を沸き戻す貯湯運転を行う。すなわち、貯湯タンク１下部の水をヒートポンプユニット１４で加熱して、貯湯タンク１上部に戻し、高温貯湯を行う。

次に、所定の貯湯量を得るために直接貯湯経路２０３により貯湯タンク１に高温湯を追加する貯湯運転を行う。すなわち、給水金具１５と接続される上水道の上水を、貯湯タンク１を介さずに、直接、ヒートポンプユニット１４で加熱して、その後、貯湯タンク１の上部に高温湯を追加する。所定の貯湯量は、給湯負荷に合わせて設定される。

一方、給湯により貯湯タンク１内の湯が使用され貯湯量が所定以下になった場合であって、貯湯タンク１内の湯水の温度が所定温度以上の場合、タンク沸戻経路２０２による貯湯運転は行わずに、所定の貯湯量を得るために貯湯経路２０３による貯湯運転を行う。

本実施例によれば、給水金具１５と接続される上水道の上水を、貯湯タンク１を介さずに、直接、ヒートポンプユニット１４で加熱して、その後、貯湯タンク１の上部に高温湯として追加するので、貯湯タンク１内の高温水と低温水との接触を防止し、中温水の低減を図ることができる。したがって、ヒートポンプ給湯装置のタンク沸上げ時の高いエネルギー効率を維持することができる。

本発明の第２の実施例を図６を用いて説明する。本実施例のヒートポンプ給湯装置１００′は、実施例１に記載のフロート２に代えてピストン６０を備えるとともに、図１の給湯加圧ポンプ２１を無くしたことを特徴とする。実施例１に記載のヒートポンプ給湯装置１００と同等の部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

ピストン６０は、例えば、ゲージ圧１７０ｋＰａ相当の重量を有し、貯湯タンク内の湯水には、常に１７０ｋＰａの圧力が作用する。したがって、給湯金具２５と接続されている装置外部の給湯端末が開かれると、貯湯タンク１内の湯水にかかる圧力により、貯湯タンク１内の湯水を供給する。本実施例によれば、第１実施例の効果に加えて、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置の一実施例の系統図。 タンク沸戻経路を説明する図。 直接貯湯経路を説明する図。 第１給湯経路を説明する図。 第２給湯経路を説明する図。 本発明に係る他のヒートポンプ給湯装置の一実施例の系統図。

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ フロート
３ 沸戻取出口
４ａ，４ｂ，４ｃ 伸縮ホース
５ 貯湯上部口
６ 上部給湯取出口
７ 下部給湯取出口
９ 大気開放管
１０ 電磁開閉弁
１２ タンク循環ポンプ
１７ 全閉可能な流量調整弁
２０，２３ 給湯混合弁
２１ 給湯加圧ポンプ
６０ ピストン
１００，１００′ ヒートポンプ給湯装置

Claims (7)

1. ヒートポンプと、前記ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記貯湯タンク内の湯を前記ヒートポンプにより加熱して前記貯湯タンクに貯湯する第１貯湯経路と、給水を前記貯湯タンクを介さずに前記ヒートポンプにより加熱して前記貯湯タンクに貯湯する第２貯湯経路とを備えたヒートポンプ給湯装置。
2. 請求項１において、前記貯湯タンク内の湯が給湯された後の前記貯湯タンク内の湯の温度が所定値未満の場合、前記第１貯湯経路及び前記第２貯湯経路により前記貯湯タンクに貯湯し、
   前記貯湯タンク内の湯が給湯された後の前記貯湯タンク内の湯の温度が所定値以上の場合、前記第２貯湯経路のみにより前記貯湯タンクに貯湯するヒートポンプ給湯装置。
3. 請求項１又は２において、前記貯湯タンク内の湯の温度が所定値以上の場合は前記貯湯タンクの低温部の湯と給水とを混合して給湯し、前記貯湯タンク内の湯の温度が所定値未満の場合は前記低温部の湯と前記低温部よりも高温である高温部の湯とを混合して給湯するヒートポンプ給湯装置。
4. 請求項３において、前記貯湯タンク外へ前記低温部の湯を取り出す第１給湯取出口と、前記第１給湯取出口よりも上方に前記高温部の湯を取り出す第２給湯取出口とを、前記貯湯タンクに備えたヒートポンプ給湯装置。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記貯湯タンクを大気開放状態とし、前記貯湯タンク内の貯湯部と空気層との間に断熱材を備えたヒートポンプ給湯装置。
6. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記貯湯タンクを大気開放状態とし、前記貯湯タンク内の貯湯部と空気層との間にピストンを備え、前記ピストンは貯湯部を加圧する重量を備えるヒートポンプ給湯装置。
7. 請求項１乃至６の何れかにおいて、前記第１貯湯経路又は前記第２貯湯経路により加熱された湯が常に前記貯湯タンクの上部から貯湯されるヒートポンプ給湯装置。

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