JP2010243054A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転からの復帰過程において、放熱器への入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができるヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】圧縮機１、放熱器２、減圧手段３、蒸発器４を順に接続したヒートポンプサイクル５と、前記放熱器２にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンク１１と、前記被加熱流体を前記放熱器２を介して前記貯湯タンク１１へ還流させる循環ポンプ１２と、制御手段１５とを備え、前記蒸発器４の着霜を除去するための除霜運転から、前記循環ポンプ１２、前記圧縮機１を運転させて前記放熱器２にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンク１１へ貯湯する貯湯運転への変更時に、前記循環ポンプ１２の出力は、前記放熱器２での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて沸き上げた温水を貯湯して用いるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機は、図６に示すような構造を有していた。

図６において、１は圧縮機、２は放熱器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらはこの順で環状に構成され、ヒートポンプサイクル５を形成している。

また、３１は貯湯タンク、３２は循環ポンプ、３３は三方弁であり、貯湯タンク３１の下部から循環ポンプ３２、放熱器２、三方弁３３を経て貯湯タンク３１の上部または下部へ還流する貯湯回路３６を構成している。また、３４は給湯混合弁、３５は沸き上げ温度センサであり、給湯混合弁３４は供給水配管と貯湯タンク３１からの給湯配管の混合部に設けられ、沸き上げ温度センサ３５は放熱器２の水側出口配管上に配管の外側から接触するように備えられている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下にその動作を説明する。
沸き上げ運転中は、圧縮機１はヒートポンプサイクル５内に冷媒を循環させ、循環ポンプ３２は貯湯回路３６内に水を循環させ、沸き上げられた温水温度が十分に高い場合には、沸きあげた温水を貯湯タンク３１の上部に還流して貯湯する。

ヒートポンプサイクル５においては、冷媒は、圧縮機１において高温高圧にされた後に放熱器２に供給され、水と熱交換を行って放熱した後に膨張弁３で減圧されて低温低圧となり、蒸発器４において大気より受熱して再び圧縮機１に供給される。

一方、外気温度が低く、蒸発器４に霜が付着した場合には、これを除去すべく、沸き上げ運転から除霜運転へと切り換えを行う。除霜運転を開始すると、循環ポンプ３２を停止させ、また、膨張弁３における減圧量を少なくして、０℃以上の冷媒を蒸発器４に供給して、付着した霜を融解させて除去する。

付着した霜が十分に除去できたら、再び温水を沸き上げるべく除霜運転から沸き上げ運転へと切り換える。このとき、放熱器２出口における沸き上げ温度（加熱温度）によって、貯湯タンク３１上部と下部のいずれかに連通する流路を、三方弁３３により選択して貯湯タンク３１に還流する。三方弁３３は、目標加熱温度に対して沸き上げ温度が一定温度差以上低い中温水を生成している間は、貯湯タンク３１下部に還流する流路を選択し、目標加熱温度（目標沸き上げ温度）に対して沸き上げ温度が一定温度差以内になると、貯湯タンク３１上部に還流する流路を選択するように切り換える。

上記のように三方弁３３を動作することにより、中温水を貯湯タンク３１下部への還流することによる上部の温水温度の低下を抑制して、沸き上げ完了時点において貯湯タンク３１内に蓄熱される熱量がより大きくなるように作用している（例えば、特許文献１参照）。

ところが、中温水を貯湯タンク３１下部へ還流すると、貯湯タンク３１下部の冷水温度が上昇するため、放熱器２へ供給される入水温度が上昇し、ヒートポンプサイクル５による沸き上げ運転時のエネルギー効率が低下してしまう。とりわけ、除霜運転を繰り返し行
ったときには、供給水温度は大きく上昇してしまう。

したがって、沸き上げ運転におけるエネルギー効率向上の観点から考えれば、上記のようにして生成した中温水を多量に貯湯タンク３１の下部に還流することは良策ではなく、沸き上げ温度をより早く目標加熱温度に近づけ、貯湯タンク３１下部に還流される中温水の量を抑制するのが合理的である。

特開２００２−１６２１０８号公報

従来のヒートポンプ給湯機における三方弁３３などの流路切り換え手段は、除霜運転からの復帰過程において生成する中温水を多量に貯湯タンク３１下部に還流していたため、除霜運転を行うたびに入水温度が上昇し、ヒートポンプサイクル５による沸き上げ運転時のエネルギー効率が大きく低下するという問題点を有していた。

また、上記特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機は、除霜運転からの復帰過程において、循環ポンプを遅延して所定の出力にするか、あるいは停止または小出力にするものである。発明そのものの目的は生成される中温水を多量に貯湯タンク１１上部に還流することによる貯湯温度の低下を抑止することであるが、中温水の生成量を抑制する目的は共通であり、上記の課題に対しても有効である。

しかしながら、目標加熱温度により生成する中温水の量は異なり、目標加熱温度によっては中温水の生成量が増大してしまい、入水温度が上昇し、ヒートポンプサイクル５による沸き上げ運転時のエネルギー効率が大きく低下するという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するものであり、除霜運転からの復帰過程において、放熱器への入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができるヒートポンプ給湯機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、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンクと、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させる循環ポンプと、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するための除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させて前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時に、前記循環ポンプの出力は、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定することを特徴とするもので、除霜運転から沸き上げ運転へと切り換えるとき、目標加熱温度によって異なる出力で循環ポンプを運転することによって、除霜運転からの復帰過程において、貯湯タンクの略下部へ還流する中温水の量を抑制することができるので、貯湯タンクの略下部の冷水の温度を低く維持し、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができるという効果を得ることができる。

本発明によれば、除霜運転からの復帰過程において、放熱器への入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができるヒートポンプ給湯機を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 同三方弁の選択する流路と循環ポンプの出力を決定するフローチャート 同目標加熱温度Ｔｗ２に対する流路切り換え温度Ｔａと循環ポンプ切り換え温度Ｔｂの対応図 同目標加熱温度Ｔｗ２に対する循環ポンプの出力Ｐｂの対応図 本発明の実施の形態２における目標加熱温度Ｔｗ２に対する流路切り換え温度Ｔａとの対応図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンクと、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させる循環ポンプと、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するための除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させて前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時に、前記循環ポンプの出力は、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定することを特徴とするもので、除霜運転から貯湯運転への変更時に、ヒートポンプの定常運転状態において高圧側の圧力・温度が高いときには、循環ポンプを小さな出力で運転して、放熱器を流通する水の流量を低減し、高圧側の圧力・温度を早期に定常運転状態の圧力・温度へと到達させ、除霜運転からの復帰過程において生成する中温水の沸き上げ量を低減し、これが還流されることによる貯湯タンク略下部の冷水温度の上昇を抑制し、除霜運転回数が増加しても、入水温度を低く維持して、高いエネルギー効率で運転することができる。

第２の発明は、放熱器と貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路とを備え、前記流路切り換え手段が前記上側流路と連通するまでは、前記循環ポンプの出力は、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定することを特徴とするもので、除霜運転からの復帰過程において生成する中温水の沸き上げ量を低減し、また、流路切り換え手段が循環ポンプを所定の出力で運転している間に前記上側流路を選択することによって、中温水が還流されることによる貯湯タンク略下部の冷水温度の上昇を抑制し、除霜運転回数が増加しても、入水温度を低く維持して、高いエネルギー効率で運転することができる。

第３の発明は、放熱器と貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路とを備え、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、前記目標加熱温度と、前記流路切り換え手段が前記上側流路と連通するときの前記放熱器での被加熱流体の加熱温度との偏差が大きくなることを特徴とするもので、目標加熱温度が高いときには、沸き上げ温度が目標加熱温度に対して偏差が大きくとも前記上側流路を選択することによって、除霜運転からの復帰過程において生成する比較的高温の中温水の沸き上げ量を低減し、これが還流されることによる貯湯タンク略下部冷水温度の上昇を抑制し、除霜運転回数が増加しても、入水温度を低く維持して、高いエネルギー効率で運転することができる。

第４の発明は、貯湯運転時、ヒートポンプサイクルの高圧側が超臨界圧力で運転することを特徴とするもので、冷媒を超臨界状態にして出湯温度９０℃に到達するような高温で
の沸き上げ運転時に生成する中温水を貯湯タンク上部に還流して沸き上げ運転時の入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができる。

第５の発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とするもので、冷媒の発火や爆発の危険性なく、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機について、図面を参照しながら述べる。なお、この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）
まず、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成について述べる。図１において、１３は流路切り換え手段である三方弁、１４は循環ポンプ制御手段、１５は三方弁制御手段、１６は沸き上げ温度センサである。

次に、上記のように構成されたヒートポンプ給湯機の動作および作用について述べる。

沸き上げ温度と目標加熱温度の偏差が一定温度差以内になったときの動作および作用は従来のヒートポンプ給湯機に同じであるので詳細な説明は省略し、ここでは、除霜運転から沸き上げ運転を再開するときの動作および作用について説明する。

除霜運転中は、循環ポンプ１２を停止させ、また、膨張弁３を十分に開いて、０℃以上の冷媒を蒸発器４に供給して、付着した霜を融解させて除去する。除霜運転の終了が判断されると、膨張弁３を絞ってヒートポンプが沸き上げ運転を再開すると同時に、循環ポンプ１２も運転を再開する。この沸き上げ運転再開直後の除霜運転からの復帰過程においては、放熱器２を出た温水の温度は目標加熱温度Ｔｗ２に対して十分に高くなく、三方弁１３は貯湯タンク１１下部に連通する流路を選択している。

また、循環ポンプ制御手段１４は、予め定められ、定常運転状態における出力よりも小さい固定の出力で循環ポンプ１２を運転する。沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度（加熱温度）が、予め定められた三方弁１３の流路切り換え温度より高くなると、三方弁制御手段１５は三方弁１３を切り換えて、貯湯タンク１１上部に連通する流路を選択し、沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度が予め定められた三方弁１３の循環ポンプ切り換え温度より高くなると、循環ポンプ制御手段１４は循環ポンプ１２の出力を沸き上げ温度によってフィードバック制御によって決定するように切り換える。

この三方弁１３が選択する流路を決定する三方弁制御手段１５と、循環ポンプ１２の出力を循環ポンプ制御手段１４のフローチャートを図２に示す。また、各目標加熱温度Ｔｗ２に対する流路切り換え温度Ｔａと循環ポンプ切り換え温度Ｔｂの対応表を図３に、循環ポンプ１２の出力Ｐｂの対応表を図４に示す。

図２に示すように、蒸発器４への着霜が確認されると三方弁１３は貯湯タンク１１下部に連通する流路を選択するように切り換えられ、循環ポンプ１２の運転は停止され、除霜運転が開始される。その後、蒸発器に付着した霜が除去されたことを確認すると、除霜運転は終了され、ヒートポンプが沸き上げ運転を再開する。

このとき、循環ポンプ１２は定常運転状態における出力よりも小さい固定出力で運転されるが、このときの出力は目標加熱温度Ｔｗ２に対応して図４に示す循環ポンプ１２の出力Ｐｂの対応表に基づいて決定される。例えば、目標加熱温度が６５℃であれば、循環ポ
ンプ制御手段１４は循環ポンプ１２の出力が２０％になるように制御して運転する。

その後、沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度が図３に示す流路切り換え温度Ｔａ（目標加熱温度が６５℃であるときは２５℃）に到達したか否かを判断し、沸き上げ温度が流路切り換え温度Ｔａに到達していれば、三方弁制御手段１５は三方弁１３を貯湯タンク１１上部に連通する流路に切り換える。

さらに、沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度が図３に示す循環ポンプ換え温度Ｔｂ（目標加熱温度が６５℃であるときは５０℃）に到達したか否かを判断し、沸き上げ温度が流路切り換え温度Ｔｂに到達していれば、循環ポンプ制御手段１４は沸き上げ温度センサ１６によって検知される沸き上げ温度を被制御変数として循環ポンプの出力Ｐｂをフィードバック制御により決定する。

上記のように循環ポンプ１２および三方弁１３を制御して動作させることによって、沸き上げ温度が低い中温水の生成量を抑制するとともに、早期に三方弁１３が流路を切り換えて貯湯タンク１１上部に還流し、除霜運転を行うたびに上昇していた貯湯タンク１１下部の冷水温度を低く維持し、放熱器２に供給される入水温度の上昇を抑制することができる。

このようにすることによって、ヒートポンプによる沸き上げ運転時のエネルギー効率を高くして、消費電力量を低減することができる。

本実施の形態によれば、上記の構成により、除霜運転終了直後の沸き上げ運転再開時に、沸き上げ温度が予め定められた循環ポンプ切り換え温度Ｔｂに到達するまでは、予め定められた出力で運転し、かつ予め定められた出力は目標加熱温度Ｔｗ２が高いほど小さい循環ポンプ１２と、沸き上げ温度が予め定められた流路切り換え温度Ｔａになると貯湯タンク１１の下部から上部に連通するように流路を切り換える三方弁１３を備え、循環ポンプ切り換え温度Ｔｂを流路切り換え温度Ｔａよりも高くし、除霜運転からの復帰過程において生成する中温水の生成量を抑制するとともに、貯湯タンク１１下部に還流される中温水の量を抑制することによって、沸き上げ運転時に高いエネルギー効率を実現できるという効果を奏する。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の構成は、実施の形態１と同一であり、その説明は省略する。本実施の形態における循環ポンプ１２と三方弁１３は、それぞれ循環ポンプ制御手段１４と三方弁制御手段１５によって、図５に示すようなフローチャートに従って、制御され動作する。

この三方弁１３が選択する流路を決定する三方弁制御手段１５と、循環ポンプ１２の出力を循環ポンプ制御手段１４のフローチャートを図２に示す。また、各目標加熱温度Ｔｗ２に対する流路切り換え温度Ｔａと循環ポンプ切り換え温度Ｔｂの対応表を図３に、循環ポンプの出力Ｐｂの対応表を図４に示す。

図２に示すように、蒸発器４への着霜が確認されると三方弁１３は貯湯タンク１１下部に連通する流路を選択するように切り換えられ、循環ポンプ１２の運転は停止され、除霜運転が開始される。その後、蒸発器に付着した霜が除去されたことを確認すると、除霜運転は終了され、ヒートポンプが沸き上げ運転を再開する。

このとき、循環ポンプ１２は定常運転状態における出力よりも小さい固定出力で運転されるが、このときの出力は目標加熱温度Ｔｗ２に対応して図４に示す循環ポンプ１２の出
力Ｐｂの対応表に基づいて決定される。

例えば、目標加熱温度が６５℃であれば、循環ポンプ制御手段１４は循環ポンプ１２の出力を２０％になるように制御して運転する。その後、沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度（加熱温度）が、図３に示す流路切り換え温度Ｔａ（目標加熱温度が６５℃であるときは２５℃）に到達したか否かを判断し、沸き上げ温度が流路切り換え温度Ｔａに到達していれば、三方弁制御手段１５は三方弁１３を貯湯タンク１１上部に連通する流路に切り換える。

さらに、沸き上げ温度センサ１６によって検知された沸き上げ温度が、図３に示す循環ポンプ換え温度Ｔｂに到達したか否かを判断し、沸き上げ温度が流路切り換え温度Ｔｂに到達していれば、循環ポンプ制御手段１４は循環ポンプ１２を沸き上げ温度センサ１６によって検知される沸き上げ温度を被制御変数として循環ポンプの出力Ｐｂをフィードバック制御により決定する。

上記のように循環ポンプ１２および三方弁１３を制御して動作させることによって、沸き上げ温度が低い中温水の生成量を抑制するとともに、早期に三方弁１３が流路を切り換えて貯湯タンク１１上部に還流し、特に、高温沸き上げ運転時（例えば８５℃沸き上げ運転時）において、除霜運転を行うたびに上昇していた貯湯タンク１１下部の冷水温度を低く維持し、放熱器２に供給される入水温度の上昇を抑制することができる。

このようにすることによって、ヒートポンプによる沸き上げ運転時のエネルギー効率を高くして、消費電力量を低減することができる。

本実施の形態によれば、上記の構成により、除霜運転終了直後の沸き上げ運転再開時に、沸き上げ温度が予め定められた循環ポンプ切り換え温度Ｔｂに到達するまでは循環ポンプ１２を予め定められた出力で運転し、予め定められた出力を目標加熱温度Ｔｗ２が高いほど小さくする循環ポンプ１２と、沸き上げ温度が予め定められた流路切り換え温度Ｔａになると貯湯タンク１１の下部から上部に連通するように流路を切り換える三方弁１３を備え、目標加熱温度Ｔｗ２が高いほど目標加熱温度Ｔｗ２と流路切り換え温度Ｔａの偏差が大きくなるようにし、除霜運転からの復帰過程において生成する中温水の生成量を抑制するとともに、特に、高温沸き上げ運転時における貯湯タンク１１下部に還流される中温水の量を抑制することによって、沸き上げ運転時に高いエネルギー効率を実現できるという効果を奏する。

本発明の貯湯式ヒートポンプ給湯機は、除霜運転終了直後の沸き上げ運転再開時において、目標加熱温度によって異なる出力で運転する循環ポンプ制御手段を備え、除霜運転からの復帰過程で生成し、目標加熱温度に到達しない中温水の沸き上げ量を目標加熱温度に対応して適切に抑制することによって、除霜運転のたびに放熱器に供給される供給水の温度が上昇するのを抑制して、高いエネルギー効率で沸き上げ運転を行うことを可能にするという効果を有するので、ヒートポンプ給湯機の省エネルギー化に対して有用である。

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ ヒートポンプサイクル
１１ 貯湯タンク
１２ 循環ポンプ
１３ 三方弁
１５ 三方弁制御手段
１６ 沸き上げ温度センサ
１７ 貯湯回路
２１ ヒートポンプユニット
２２ 貯湯ユニット

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンクと、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させる循環ポンプと、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するための除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させて前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時に、前記循環ポンプの出力は、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 放熱器と貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路とを備え、前記流路切り換え手段が前記上側流路と連通するまでは、前記循環ポンプの出力は、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、小さくなるように設定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機。
3. 放熱器と貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路とを備え、前記放熱器での予め設定された被加熱流体の目標加熱温度が高いほど、前記目標加熱温度と、前記流路切り換え手段が前記上側流路と連通するときの前記放熱器での被加熱流体の加熱温度との偏差が大きくな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機。
4. 貯湯運転時、ヒートポンプサイクルの高圧側が超臨界圧力で運転することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. ヒートポンプサイクルの冷媒として、二酸化炭素を用い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機。

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