JP2011094922A

JP2011094922A - ヒートポンプ式給湯装置

Info

Publication number: JP2011094922A
Application number: JP2009251103A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sato; 全秋佐藤
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】ヒートポンプ往路管と給水管との接続をなくして、凍結防止運転時に貯湯タンクの下部への冷水の流入をなくし、かつ回路を簡素化し、機能部品や配管の凍結を防止することができるとともに、貯湯タンク内の湯温の低下がなく、安価なヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】本ヒートポンプ式給湯装置は、水熱交換器にて水を加熱するヒートポンプユニットと、貯湯タンクを備えた貯湯タンクユニットと、ヒートポンプユニットから貯湯タンクの上部に湯を送る湯水往路及び貯湯タンクの底部からヒートポンプユニットに湯水を送る湯水復路とからなる湯水循環路とを備え、湯水復路に設けられる循環ポンプと、湯水往路と湯水復路とを連通させる第１の切換え位置と、貯湯タンクを介さずに湯水往路と湯水復路とを連通させる第２の切換え位置を持つ流路切換え装置とを備え、湯水循環路の水温または外気温度が所定値以下になった場合、流路切り替え装置を第２の切換え位置とするとともに、循環ポンプを運転する。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式給湯装置に係り、特に配管などの凍結を防止するための凍結防止バイパス回路を設けたヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ式給湯装置は、湯水を貯湯する貯湯タンク等を収納する貯湯タンクユニットと、貯湯タンクに湯水を供給する加熱手段としてのヒートポンプユニットを配管接続し、この配管に設けた循環ポンプにより、ヒートポンプユニットで生成した湯水を貯湯タンクに供給し、あるいは湯タンクの湯水をヒートポンプユニットに戻すように循環する。

従来のヒートポンプ式給湯装置は、冬期等の低外気温時には、機能部品や配管が凍結するため、種々の凍結防止の方策がなされている。

例えば、貯湯タンクの下部と水熱交換器とを接続するヒートポンプ往路管と、水熱交換器と貯湯タンクの上部とを接続するヒートポンプ復路管と、貯湯タンクの下部と水道を接続する給水管と、ヒートポンプ往路管に循環ポンプを備え、貯湯タンクとヒートポンプ往路管と水熱交換器とヒートポンプ復路管を連通してヒートポンプ循環回路を形成し、ヒートポンプ復路管に三方弁を設け、この三方弁と給水管をバイパス管にて接続することで凍結防止バイパス回路を形成し、三方弁にてヒートポンプ循環回路と、凍結防止バイパス回路と、ヒートポンプ循環回路と凍結防止バイパス回路を同時に連通する回路を切り換え可能としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−７４７３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のヒートポンプ式給湯装置は、バイパス管が給水管に接続されているため、凍結防止運転時に貯湯タンクの下部に冷水が流入し、貯湯タンク内の湯温の低下が生じる。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、凍結防止運転時に貯湯タンクの下部への冷水の流入をなくし、かつ回路を簡素化し、機能部品や配管の凍結を防止することができるとともに、貯湯タンク内の湯温の低下がなく、安価なヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、水熱交換器にて水を加熱するヒートポンプユニットと、貯湯タンクを備えた貯湯タンクユニットと、前記ヒートポンプユニットから前記貯湯タンクの上部に湯を送る湯水往路及び前記貯湯タンクの底部から前記ヒートポンプユニットに湯水を送る湯水復路とからなる湯水循環路とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記湯水復路に設けられる循環ポンプと、前記湯水往路と前記湯水復路とを連通させる第１の切換え位置と、前記貯湯タンクを介さずに前記湯水往路と前記湯水復路とを連通させる第２の切換え位置を持つ流路切換え装置とを備え、前記湯水循環路の水温または外気温度が所定値以下になった場合、前記流路切り替え装置を第２の切換え位置とするとともに、前記循環ポンプを運転することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置によれば、機能部品や配管の凍結を防止することができるとともに、貯湯タンク内の湯温の低下がなく、安価なヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の構成を示す概念図。本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の運転制御を行うためのフローチャート図。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置１は、貯湯ユニット２と、ヒートポンプユニット５を備える。

貯湯ユニット２は湯を貯える貯湯タンク２１と、この貯湯タンク２１とヒートポンプユニット５間に、湯を循環させる湯水循環路２２を備える。

湯水循環路２２は、湯水往路（管）２２ｇと湯水復路（管）２２ｂからなる。

湯水往路２２ｇには、途中に流路切換装置としての三方弁２３が設けられ、一端がヒートポンプユニット５に設けた給湯用熱交換器（水側）５１の出口に接続され、他端が貯湯タンク２１の上部に接続されている。

湯水復路２２ｂには、循環ポンプ２４が設けられ、一端が給湯用熱交換器（水側）５１の入口に接続され、他端が貯湯タンク２１の底部に接続されている。

また、湯水復路２２ｂの循環ポンプ２４の入口側分岐部２２ｂ_２と三方弁２３とは、バイパス管２５により接続されている。

三方弁２３は第１の切換位置と第２の切換位置を持ち、第１の切換位置では、給湯用熱交換器出口側近傍部２２ｇ_１と貯湯タンク２１の上部に連通する湯水往路２２とが三方弁２３を介して連通する。従って、三方弁２３の第１の切換位置では、循環ポンプ２４、湯水復路２２ｂの給湯用熱交換器入口側近傍部２２ｂ１、給湯用熱交換器５１、湯水往路２２ｇの給湯用熱交換器出口側近傍２２ｇ１、三方弁２３、湯水往路２２ｇ、貯湯タンク２１、湯水復路２２ｂが連通する湯水循環路２２が形成される。一方、第２の切換位置では、給湯用熱交換器５１の出口側近傍部２２ｇ_１とバイパス管２５とが三方弁２３を介して連通する。従って、三方弁２３が第２の切換位置では、給湯用熱交換器（水側）５１、出口側近傍部２２ｇ_１、三方弁２３、バイパス管２５、循環ポンプ２４、入口側近傍部２２ｂ_１、給湯用熱交換器（水側）５１を連通する凍結防止バイパス回路２６が形成される。

この凍結防止バイパス回路２６は、貯湯タンク２１および後述の給水管２８とは直接連通せず、また、三方弁２３とバイパス管２５を設けることで形成されるので構造が簡素化される。

また、貯湯タンク２１に上部は、給湯配管２７が設けられ、給水管２８から水が供給される第１のミキシングバルブ（キッチン用）２９、キッチン用給湯管３０を介して給湯栓（図示せず）などに給湯し、また、給水管２８から水が供給される第２のミキシングバルブ（バス用）３１、電磁弁３２、バス用給湯管３３を介して浴槽３４に給湯する。

さらに、バス用給湯管３３から分岐する第１の追焚き用給湯管３５ａが設けられ、この第１の追焚き用給湯管３５ａは、焚き第１の追焚き用ポンプ３７、追焚き用熱交換器３６の第１流路３６ａを介して浴槽３４に接続される。

一方、給湯配管２７から分岐して第２の追焚き用給湯管３５ｂが設けられ、追焚き用熱交換器３６の第２流路３６ｂ、第２の追焚き用循環ポンプ３８を介して湯水往路２２ｇに接続される。従って、循環ポンプ２４の停止時、第２の追焚き用ポンプ３８の運転により、給湯配管２７を介して貯湯タンク２１から第２の追焚き用給湯管３５ｂを介して追焚き用熱交換器３６に供給される高温の湯は、第１の追焚き用ポンプ３７の運転により追焚き用熱交換器３６を循環する低温の浴槽３４の湯と熱交換し、この浴槽３４の湯は、加熱され、追焚きされる。

なお、給湯配管２７は逃がし弁Ｖ_１を介して排水管３９に、第２のミキシングバルブ（バス用）３１および電磁弁３２は逆止弁Ｖ_２を介して排水管４０に連通されている。

ヒートポンプユニット５は、圧縮機５２、給湯用熱交換器（冷媒側）５１、冷媒流量を調整する膨張弁５３、送風機５４ａを備える空気熱交換器５４を順次配管接続してなる。

従って、圧縮機５２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、給湯用熱交換器（冷媒側）５１から給湯用熱交換器（水側）５１側へ放熱しながら凝縮され、冷媒から放熱された熱により湯水循環路２２の水を加熱する。

凝縮されて給湯用熱交換器（冷媒側）５１から流出した冷媒は膨張弁５３で減圧され、空気熱交換器５４に流入して外気と熱交換して、外気から吸熱し、蒸発ガス化される。さらに、空気熱交換器５４から流出した低圧ガス冷媒は圧縮機５２に吸い込まれる。

また、湯水往路２２ｇの給湯用熱交換器（水側）５１の出口側近傍部２２ｇ_１および湯水復路２２ｂの給湯用熱交換器（水側）５１の入口側近傍部２２ｂ_１は、外部に露出しており、冬期などには低温に曝される。

給湯用熱交換器５１の入口側には、入口側近傍部２２ｂ_１内を流れる、あるいは停滞する水の温度を検知する入口側水温センサーＳ_１が設けられ、給湯用熱交換器５１の出口側には出口側水温センサーＳ_２が設けられている。

さらに、ヒートポンプユニット５には、外気温度を検知する外気温度センサーＳ_３が設けられている。

なお、ヒートポンプ式給湯装置１にはコントローラ（図示せず）が設けられ、コントローラは制御回路用ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、入力手段から指令信号を受信して、予め記憶されたプログラムに基づき、被制御構成部品を制御する。

入口側水温センサーＳ_１、出口側水温センサーＳ_２および外気温度センサーＳ_３は、コントローラに接続され、このコントローラは、両水温センサーＳ_１、Ｓ_２、外気温度センサーＳ_３からの温度情報（信号）に基づき、循環ポンプ２４、三方弁２３の切換えを行う。

なお、図１中、Ｖ_２ないしＶ_９は逆止弁、Ｖ_１０は開閉弁である。

次に、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の運転制御を、図２に示す制御フロー図に沿って説明する。

図１に示す三方弁２３は、第１の切換位置にあり、湯水往路２２ｇ、三方弁２３を介して、貯湯ユニット２と給湯用熱交換器（水側）５１とがそれぞれ連通されている。

ヒートポンプ式給湯装置１の焚き上げ運転中、循環ポンプ２４の運転により、貯湯タンク２１の底部に接続された湯水復路２２ｂから、比較的低温の湯水が入口側近傍部２２ｂ_１を通り、給湯用熱交換器（水側）５１に流入する。

一方、ヒートポンプユニット５も運転され、圧縮機５２から吐出された高温高圧のガス冷媒は、給湯用熱交換器（冷媒側）５１を流れている。

そこで、給湯用熱交換器（水側）５１に流入した湯水は、給湯用熱交換器（冷媒側）５１と熱交換して、高温の湯水に加熱される。

高温になった湯水は、三方弁２３は、第１の切換位置にあり、出口側近傍部２２ｇ_１を含む湯水往路２２ｇ、三方弁２３を介して、貯湯タンク２１に給湯される。

このようにして、貯湯ユニット２に所定量貯湯され、あるいは貯湯が所定温度に加熱されると、焚き上げ運転は終了する。

冬期など外気温度が所定温度より低く、機能部品や配管、特に、入口側近傍部２２ｂ_１および出口側近傍部２２ｇ_１が低温になる。

そこで、凍結防止運転が行われる。

コントローラは入口側水温センサーＳ_１、出口側水温センサーＳ_２および外気温度センサーＳ_３が検知してＲＯＭに記憶した温度情報（信号）を読込む（Ｓ１）。

外気温度Ｔ_ａが所定温度（閾値）Ｔ_ａｓより大きいか否か判断する（Ｓ２）。

外気温度Ｔ_ａが所定温度Ｔ_ａｓより大きい場合（Ｓ２のＹｅｓ）、給湯用熱交換器（水側）５１の入口側温度Ｔ_ｉが、所定温度（閾値）Ｔ_ｉｓより大きいか否か判断する（Ｓ３）。

入口側温度Ｔ_ｉが、所定温度Ｔ_ｉｓより大きい場合（Ｓ３のＹｅｓ）、給湯用熱交換器（水側）５１の出口側温度Ｔ_ｏが、所定温度（閾値）Ｔ_ｏｓより大きいか否か判断する（Ｓ４）。

出口側温度Ｔ_ｏが、所定温度（閾値）Ｔ_ｏｓより大きい場合（Ｓ４のＹｅｓ）、凍結防止運転中か否か判断する（Ｓ５）。このような温度条件下では、機能部品や入口側近傍部２２ｂ_１および出口側近傍部２２ｇ_１に凍結が生じないので、後述するステップ１０の凍結防止運転が行われていない場合（Ｓ５のＮｏ）はステップＳ１０に進み、凍結防止運転が実行中であれば（Ｓ５のＹｅｓ）ステップ６に進む。ステップ６において後述するステップＳ１３のヒートポンプユニット運転が実行中か否かが判断され、ヒートポンプユニット運転中であれば、ヒートポンプユニット５、凍結防止運転をそれぞれ停止させ（Ｓ７、Ｓ８）、凍結防止運転時間ｔをリセット（Ｓ９）した後、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、沸き上げ運転の要求の有無が判断され、沸き上げ運転の要求がなければ（Ｓ１０のＮｏ）ステップＳ１に戻り、以下のステップを繰り返す。

ステップＳ２〜Ｓ４において、各温度Ｔ_ａ〜Ｔ_osが各所定温度（閾値）Ｔ_ａｓ〜Ｔ_ｏｓより大きくない場合（Ｓ２〜Ｓ４のＮｏ）、三方弁２３を第２の切換位置にして、凍結防止バイパス回路２６を形成し、循環ポンプ２４と給湯用熱交換器（水側）５１とを連通し、循環ポンプ２４を運転する（Ｓ１１）。

このステップＳ１１では、循環ポンプ２４により付勢された湯水は、凍結防止バイパス回路２６を循環し、湯水が流れることで、入口側近傍部２２ｂ_１および出口側近傍部２２ｇ_１は凍結しにくくなる。

この湯水の循環時、凍結防止バイパス回路２６は、貯湯タンク２１および後述の給水管２８とは直接連通していないので、貯湯タンク２１の湯温を低下させることはない。

循環ポンプ２４の運転時間ｔを凍結防止運転時間として計時し（Ｓ１２）、所定時間（閾値）ｔ_ｓを経過したか否か判断する（Ｓ１３）。

運転時間ｔが所定時間ｔ_ｓを経過した場合（Ｓ１３のＹｅｓ）、入口側近傍部２２ｂ_１および出口側近傍部２２ｇ_１などが凍結し易い状態にあるため、ヒートポンプユニット５を運転する（Ｓ１４）。このとき、ヒートポンプユニット５の圧縮機５２は通常の沸上げ運転時よりも小さな回転数で運転される。

ヒートポンプユニット５が運転されると、凍結防止バイパス回路２６内を循環する湯水は、給湯用熱交換器（冷媒側）５１と熱交換して、加熱される。

従って、高温の湯水が凍結防止バイパス回路２６内を循環することになり、入口側近傍部２２ｂ_１、出口側近傍部２２ｇ_１をはじめ、三方弁２３、循環ポンプ２４の凍結が確実に防止される。

ステップＳ１３において、運転時間ｔが所定時間ｔ_ｓを経過していない場合（Ｓ１３のＮｏ）、ステップＳ１に戻り、以下のステップを繰り返す。

ヒートポンプ式給湯装置１の沸き上げ運転の要求があった場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、凍結防止運転制御が終了する。その後、通常の沸き上げ運転制御が行われ、給湯用熱交換器（冷媒側）５１で高温に加熱された湯水は、出口側近傍部２２ｇ_１を含む湯水往路２２ｇ、三方弁２３を介して、貯湯ユニット２に給湯される。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置によれば、ヒートポンプ往路管と給水管との接続をなくして、凍結防止運転時に貯湯タンクの下部への冷水の流入をなくし、かつ回路を簡素化し、機能部品や配管の凍結を防止することができるとともに、貯湯タンク内の湯温の低下がなく、安価なヒートポンプ式給湯装置が実現される。

１…ヒートポンプ式給湯装置、２…貯湯ユニット、２１…貯湯タンク、２２…湯水循環路、２２ｇ…湯水往路、２２ｇ_１…出口側近傍部、２２ｂ…湯水復路、２２ｂ_１…入口側近傍部、２２ｂ_２…分岐部、２３…三方弁、２４…循環ポンプ、２５…バイパス管、２６…凍結防止バイパス回路、２７…給湯配管、２８…給水管、２９…第１のミキシングバルブ（キッチン用）、３０…キッチン用給湯管、３１…第２のミキシングバルブ（バス用）、３２…電磁弁、３３…バス用給湯管、３４…浴槽、３５…第１の追焚き用給湯管、３６…追焚き用熱交換器、３７…第１の追焚き用ポンプ、３８…第２の追焚き用ポンプ、３９…排水管、４０…排水管、５…ヒートポンプユニット、５１…給湯用熱交換器（水側／冷媒側）、５２…圧縮機、５３…膨張弁、５４…空気熱交換器、５４ａ…送風機、Ｓ_１…入口側水温センサー、Ｓ_２…出口側水温センサー、Ｓ_３…外気温度センサー、Ｖ_１…逃がし弁、Ｖ_２ないしＶ_９…逆止弁、Ｖ_１０…開閉弁。

Claims

水熱交換器にて水を加熱するヒートポンプユニットと、
貯湯タンクを備えた貯湯タンクユニットと、
前記ヒートポンプユニットから前記貯湯タンクの上部に湯を送る湯水往路及び前記貯湯タンクの底部から前記ヒートポンプユニットに湯水を送る湯水復路とからなる湯水循環路とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、
前記湯水復路に設けられる循環ポンプと、
前記湯水往路と前記湯水復路とを連通させる第１の切換え位置と、前記貯湯タンクを介さずに前記湯水往路と前記湯水復路とを連通させる第２の切換え位置を持つ流路切換え装置とを備え、
前記湯水循環路の水温または外気温度が所定値以下になった場合、前記流路切り替え装置を第２の切換え位置とするとともに、前記循環ポンプを運転することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記流路切り替え装置を第２の切換え位置にした後、所定時間経過後も水温または外気温度が所定値以下の場合は、前記ヒートポンプユニットを運転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装置。