JP2010266135A

JP2010266135A - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP2010266135A
Application number: JP2009118319A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shirai; 健二白井; Naoto Yamamura; 直人山村; Takayuki Kondo; 貴幸近藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】タンクユニットとヒートポンプユニットとを接続する配管内の高温水を回収し、貯湯タンク内の保有熱量を向上させるヒートポンプ式給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプ回路と、湯水を貯える貯湯タンク９と、貯湯タンク９の底部、循環ポンプ１７、給湯用熱交換器３、貯湯タンク９の頂部を順次給湯配管により接続して構成される給湯回路と、給湯用熱交換器３から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段２２とを備え、ヒートポンプ回路で貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式給湯機であって、沸き上げ運転を終了する時には、圧縮機６を停止後も循環ポンプ１７の駆動を継続し、出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると循環ポンプ１７の駆動を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機の沸き上げ運転に関する。

従来の技術として、圧縮機の作動を停止した際に湯水通路を通過する湯水が沸騰を起こす虞が有る場合には、水圧調整弁の開度を小さくして一時的に給湯回路内の流路抵抗を増加させ、且つ、沸騰を起こす虞がなくなるまで循環ポンプの作動を継続するというものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１１５９０８号公報

しかしながら、上記のような従来の構成は、圧縮機運転を停止する際に、給湯用熱交換器からの出湯温度を検出し、検出した出湯温度が沸騰の虞がない温度になった際に、循環ポンプの駆動を停止するというものであり、給湯用熱交換器内や貯湯タンクとの接続回路内に高温水が残っていても、給湯用熱交換器の放熱によって湯水の沸騰の虞が無くなれば循環ポンプの駆動を停止してしまうので、配管内に残った高温水からは無駄に放熱することになってしまい、生成した高温水の熱量を無駄に放熱してしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、タンクユニットとヒートポンプユニットとを接続する配管内の高温水を回収し、貯湯タンク内の保有熱量を向上させるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とするものである。

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式給湯機は、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を順次冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、湯水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンクの底部、循環ポンプ、給湯用熱交換器、貯湯タンクの頂部を順次給湯配管により接続して構成される給湯回路と、給湯用熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段とを備え、ヒートポンプ回路で貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式給湯機であって、沸き上げ運転を終了する時には、圧縮機を停止後も循環ポンプの駆動を継続し、出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると循環ポンプの駆動を停止することにより、貯湯タンク内の温度低下を最小限に抑えながら配管内の熱回収を行うことができる。

本発明は、タンクユニットとヒートポンプユニットとを接続する配管内の高温水を回収し、貯湯タンク内の保有熱量を向上させるヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図同実施の形態１におけるフローチャート

第１の発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を順次冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの底部、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、前記貯湯タンクの頂部を順次給湯配管により接続して構成される給湯回路と、前記給湯用熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段とを備え、前記ヒートポンプ回路で前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式給湯機であって、沸き上げ運転を終了する時には、前記圧縮機を停止後も前記循環ポンプの駆動を継続し、前記出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると前記循環ポンプの駆動を停止することにより、貯湯タンク内の温度低下を最小限に抑えながら配管内の熱回収を行うことができる。

第２の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１の発明において、出湯温度検出手段は第１出湯温度検出手段と第２出湯温度検出手段で構成され、第１出湯温度検出手段をヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニット内に配設し、第２出湯温度検出手段を貯湯タンクを有するタンクユニット内に配設し、第２出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると循環ポンプの駆動を停止して沸き上げ運転を終了することにより、設置条件によって異なるヒートポンプユニットとタンクユニットとを接続する給湯配管の長さのばらつきによらず、最大限に配管内の温水を回収することができる。

第３の発明のヒートポンプ式給湯機は、特に第１または第２の発明において、所定温度は、沸き上げ設定温度よりも所定値だけ低い温度にすることにより、貯湯タンク内への沸き上げ温度に応じて柔軟に配管内の温水を回収することができ、特に、外気温度や季節に応じて沸き上げ温度を変更したり、貯湯タンク全量を沸き上げ内昼間の沸き上げ運転時に有効である。

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、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）
図１は、実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図を示したものである。図１において、本実施の形態のヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２で構成され、両者を給湯配管で接続して構成している。なお、図１に示す実践矢印は湯水の流れを示すものである。

次に、ヒートポンプユニット１の構成について説明する。ヒートポンプユニット１内にはヒートポンプ回路を有しており、ヒートポンプ回路で高温水を生成している。ヒートポンプ回路は、高温水を生成する給湯用熱交換器３と、冷媒を減圧する減圧装置４と、大気から冷媒に熱を供給する熱源用熱交換器５、高温高圧の冷媒に圧縮する圧縮機６を順次冷媒配管７で接続して構成されており、さらに熱源用熱交換器５に空気を送り空気と冷媒との熱交換を促進させる送風ファン８、外気温度を検出する外気温度検出手段であるサーミスタ２６を備えている。

また、冷媒には二酸化炭素を使用しており、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルなので、給湯用熱交換器３内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されており、給湯用熱交換器３の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器３の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

また、比較的安価で、かつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係
数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

また、圧縮機６の構成をアキュームレータの無い構成としており、アキュームレータがないためヒートポンプユニット本体の小型化、軽量化が可能となる。

次に、タンクユニット２の構成について説明する。タンクユニット２内には湯水を貯める貯湯タンク９を有しており、貯湯タンクの底部には給水源から低温水を供給する給水配管１０が接続されており、貯湯タンク内には給水圧が常時掛かっている状態となっている。さらに、貯湯タンク９の頂部には出湯管１１が接続しており、給水配管１０から分岐した給水分岐管１２と出湯管１１とを混合弁１３に接続し、混合弁１４の下流側に設けたサーミスタ１５が設定温度となるように混合弁１３の混合比率がフィードバック制御される。そして設定温度の湯水を給湯端末へ供給する。なお、混合弁１３の混合比率の設定温度は、台所や浴室に設けられたリモコン装置（図示せず）で設定可能であり、使用者の好みに応じて設定変更することができる。

また、貯湯タンク９の底部と給湯用熱交換器３の水入口側が給湯配管１６で接続されており、貯湯タンク９の底部と給湯用熱交換器３の間には循環ポンプ１７が介在している。また、給湯用熱交換器３の水出口側と貯湯タンク９の上部が給湯配管１８で接続されており、貯湯タンク９の上部と給湯用熱交換器３の間には三方弁１９が介在している。このように、貯湯タンク９の底部から給湯用熱交換器３を経由し貯湯タンク９の上部に至るまで給湯配管で環状に接続されており給湯回路を構成している。

また、三方弁１９のもう一つの出口側は貯湯タンク９の底部に戻されるように給湯配管２０が接続されており、三方弁１９から貯湯タンク９の底部へ戻るバイパス回路が形成されている。さらに、貯湯タンク９の側面には上下に渡って複数個のサーミスタ２７が取り付けられており、サーミスタ２７で検出する温度に基づいて貯湯タンク９内の湯量を算出している。

そして、ヒートポンプユニット１内の給湯用熱交換器３の出口には第１出湯温度検出手段であるサーミスタ２１が設けられており、またタンクユニット２内の三方弁１９の上流側には第２出湯温度検出手段であるサーミスタ２２が設けられている。また、ヒートポンプユニット１内の給湯用熱交換器３の入口には入水温度検出手段であるサーミスタ２３が設けられている。さらに、ヒートポンプユニット１およびタンクユニット２内にはマイクロコンピュータおよびその周辺回路で構成される制御装置２４、２５がそれぞれ設けられており、それぞれの制御装置で各ユニット内の機器が操作される。

以上のように構成されたヒートポンプ式給湯機において、以下、沸き上げ運転時の制御について説明する。

貯湯タンク９内に高温水を貯める沸き上げ運転は、貯湯タンク９内の高温水が湯切れになるか、深夜時間帯の所定の時刻になると沸き上げ運転が開始される。また、本実施の形態のヒートポンプ式給湯機では、給湯端末で使用された実際の湯量を学習し、それらの学習量を沸き上げ運転の沸き上げ温度に反映させる学習制御を行っている。そのため、使用者の実使用実態や、季節に応じて沸き上げ温度（給湯用熱交換器３から貯湯タンク９の上部へ戻す温度）を変更している。

また、ヒートポンプ式給湯機はそもそも貯湯タンク９に高温水を貯めて給湯に使用するものであるので、一番電気料金の安い時間帯に沸き上げている。一般的に、電力会社では深夜時間帯（２３時〜翌７時）に電気料金の安い時間帯が設定されており、本実施の形態
のヒートポンプ式給湯機もこの時間帯に沸き上げ運転を行うようにしている。

よって、本実施の形態のヒートポンプ式給湯機は、深夜時間帯になると現在の貯湯タンク内の湯量を検出し、実使用実態に応じた湯量や使用者がリモコン装置にて設定した湯量を沸き上げるには、あとどれくらいの湯量を沸き上げなければならないかの沸き上げ量を決定した上で、沸き上げ量を沸き上げるための沸き上げ時間を計算し、翌７時近くに沸き上げが完了するように、翌７時から沸き上げ時間を逆算して求め、沸き上げ運転を開始する沸き上げ開始時間を決定している。この沸き上げ開始時間が、前述した深夜時間帯の所定の時刻のことである。

沸き上げ運転が開始すると、循環ポンプ１７、送風ファン８が運転され、サーミスタ２３により貯湯タンク９から給湯用熱交換器３に流入する入水温度が計測される。そして、サーミスタ２６により室外気温が計測され、圧縮機６から吐出する冷媒の温度を検出するサーミスタ（図示せず）で吐出冷媒温度が計測され、入水温度、室外気温、吐出冷媒温度と出湯目標温度（沸き上げ温度）により、圧縮機６の運転周波数、減圧装置４の初期開度Ｐ１はあらかじめ設定されたテーブルから選択し決定され、圧縮機６の運転が開始される。

圧縮機６より吐出された冷媒は、圧縮機６の運転開始時は低温低圧の冷媒であるが、圧縮機６の回転数の増加に伴い、次第に高温高圧の過熱ガス冷媒となる。そして、高温高圧となった冷媒は給湯用熱交換器３に流入し、ここで循環ポンプ１７から送られてきた水と熱交換し加熱する。そして、冷媒は中温高圧となり、減圧装置４で減圧された後、熱源用熱交換器５に流入し、送風ファン８で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機６にもどる。

また、沸き上げ運転中は、給湯用熱交換器３から出湯する湯水の温度を検出するサーミスタ２１で検出する出湯温度や、給湯用熱交換器３へ入水する湯水の温度を検出するサーミスタ２３で検出する入水温度、外気温度を検出するサーミスタ２６で検出する外気温度、圧縮機６から吐出する冷媒の温度を検出するサーミスタ（図示せず）で検出する吐出冷媒温度等の諸条件に基づいて、圧縮機６の運転周波数や、減圧装置４の開度、送風ファン８の回転数、循環ポンプ１７の回転数を制御装置２４および制御装置２５で制御している。

本実施の形態では、給湯用熱交換器３から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段は、第１出湯温度検出手段であるサーミスタ２１と、第２出湯温度検出手段であるサーミスタ２２の２つのサーミスタを設けているが、通常の沸き上げ運転時には、ヒートポンプユニット１内に設けている第１出湯温度検出手段であるサーミスタ２１で検出する温度に基づいて、各機器を制御している。そしてサーミスタ２１で検出する温度が、設定されている沸き上げ温度となるように循環ポンプ１７の回転数が制御されている。

そして、循環ポンプ１７で送られた湯水は、給湯用熱交換器３で加熱され、サーミスタ２１で検出する温度が、沸き上げ温度（例えば、８０℃）よりも第１所定値（例えば、１０度）ほど低い温度を上回るか下回るかによって三方弁１９の方向を切り替えている。下回る場合には、三方弁１９をバイパス回路側に切り替えて、上昇しきっていない湯水を貯湯タンク９の底部に戻し、上回る場合には、三方弁１９を給湯回路側に切り替えて、貯湯タンク９の上部から貯めていく。

そして、サーミスタ２３で検出する温度が沸き上げ完了温度（例えば、６０度）を検出すると、貯湯タンク９内に高温水が満タンになったと判断し、沸き上げ運転を終了するか、もしくはサーミスタ２７で検出される温度に基づいて貯湯タンク９内の湯量を算出し、
予め設定されている量だけ沸き上げが完了すると、沸き上げ運転を終了する。

図２は、本実施の形態のヒートポンプ式給湯機の沸き上げ運転終了時の制御フローチャートである。サーミスタ２３やサーミスタ２７で検出される温度に基づいて、制御装置２４および制御装置２５は、各機器に対して沸き上げ運転終了の指示を送り、沸き上げ運転終了の指示が送信されると、第２出湯温度検出手段であるサーミスタ２２で検出する温度に基づいて、三方弁１９の流路を切り替える。

沸き上げ運転中は第１出湯温度検出手段であるサーミスタ２１に基づいて三方弁１９の切替を行い、沸き上げ運転終了近くになると、第２出湯温度検出手段であるサーミスタ２２に基づいて三方弁１９の切り替えを行うのは、ここの住宅の立地条件によってヒートポンプ式給湯機の設置条件が異なってくるからである。ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とは別体に構成されているので、場合によっては、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２との間に距離がある場合、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とがそれぞれ屋外と屋内に設置されている場合など、様々な状況が発生する。

そこで第２出湯温度検出手段を三方弁１９の直前で、かつ、タンクユニット２内に配設することで、沸き上げ運転終了近くなると、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを接続する給湯配管内の温水を、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを接続する給湯配管の長さのばらつきに左右されることなく最大限に回収できるようになる。

図２に示すよう、まずステップ１で沸き上げ運転終了の指示を受けて、圧縮機６の運転を停止する。この時、給湯用熱交換器３では未だ高温を維持しているので、圧縮機６の運転を停止してもある程度冷媒と水との間で熱交換が行われている。そのため、ステップ２では圧縮機６の運転は停止するものの、循環ポンプ１７の駆動は継続して行う。

ステップ３では、サーミスタ２２で検出する温度Ｔｗｏｕｔが、所定温度Ｔｗ０よりも低いかどうかを判断する。ＴｗｏｕｔがＴｗ０よりも高い場合は、三方弁１９は給湯回路側に流路を維持したままにし、ＴｗｏｕｔがＴｗ０よりも低くなった場合は、ステップ４へ進み、循環ポンプ１７の駆動を停止すると共に、三方弁１９を駆動してバイパス回路側に流路を切り替える。

なお、Ｔｗ０は、学習制御や使用者が設定した沸き上げレベルに応じて決定される沸き上げ温度よりも第２所定値（例えば、５度）低い温度に設定している。このように設定することで、沸き上げレベルが変更し、沸き上げ温度が変わった場合であっても、その沸き上げ温度に応じた沸き上げ運転を行うことができ、貯湯タンク９内の湯温低下を最小限に抑え、なおかつ、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを接続する給湯配管内に残った温水を回収することができる。なお、本実施の形態では第１所定値と第２所定値とを設けているが、第１所定値と第２所定値とを同じ数値として設定しても良い。

以上のように、沸き上げ運転終了間近になると、圧縮機６の運転をまず停止し、サーミスタ２２で検出される温度に基づいて循環ポンプ１７の駆動を制御することにより、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを接続する給湯配管に残っている温水を、貯湯タンク９に有効に回収できエネルギー効率を向上することができる。

特に、沸き上げレベルが低い場合や昼間沸き上げ運転の停止時のように入水温度が低い状態で沸き上げ運転を停止する場合は、さらにエネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

以上のように、本発明はエネルギー効率の高いヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

１ヒートポンプユニット
２タンクユニット
３給湯用熱交換器
６圧縮機
９貯湯タンク
１７循環ポンプ
２１第１出湯温度検出手段
２２第２出湯温度検出手段

Claims

圧縮機、給湯用熱交換器、減圧装置、熱源用熱交換器を順次冷媒配管により環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの底部、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、前記貯湯タンクの頂部を順次給湯配管により接続して構成される給湯回路と、前記給湯用熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段とを備え、前記ヒートポンプ回路で前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式給湯機であって、沸き上げ運転を終了する時には、前記圧縮機を停止後も前記循環ポンプの駆動を継続し、前記出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると前記循環ポンプの駆動を停止することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記出湯温度検出手段は第１出湯温度検出手段と第２出湯温度検出手段で構成され、第１出湯温度検出手段を前記ヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニット内に配設し、第２出湯温度検出手段を前記貯湯タンクを有するタンクユニット内に配設し、前記第２出湯温度検出手段で検出する温度が所定温度よりも低いことを検出すると前記循環ポンプの駆動を停止して沸き上げ運転を終了することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
前記所定温度は、沸き上げ設定温度よりも所定値だけ低い温度にす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式給湯機。