JP2012154598A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】浴槽水を追焚きする場合に、ヒートポンプユニットから熱源水を追焚き熱交換器に送る方式と、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る方式との双方が実行可能であるとともに、製造コストのアップを抑制することのできるヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】本発明のヒートポンプ給湯機は、浴槽水を追焚きするための追焚き熱交換器９と、ヒートポンプユニット１８からの熱源水を追焚き熱交換器９に循環させる第１追焚き回路と、貯湯タンク６から供給される熱源水を第１追焚き回路と共用のポンプ１２の作動により追焚き熱交換器９に循環させる第２追焚き回路と、第１追焚き回路と第２追焚き回路とが共用する流路に設けられた水温センサ１３と、第１追焚き回路による追焚き動作と第２追焚き回路による追焚き動作との切り替えを水温センサ１３の検出温度に基づいて制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関する。

空気の熱を吸熱して水を加熱するヒートポンプユニットと、このヒートポンプユニットにより沸き上げられた高温水を貯留する貯湯タンクとを備えた貯湯式のヒートポンプ給湯機において、浴槽水を追焚きするための追焚き熱交換器を更に備えたものが広く用いられている。従来のヒートポンプ給湯機のシステム構成では、ヒートポンプユニットは貯湯タンクを沸き上げる専用とし、追焚き時には貯湯タンクに貯えられた高温水を追焚き熱交換器に送るようにしているものが大半である。しかしながら、この構成の場合、追焚きを行うと、給湯に利用可能な貯湯量が減少するので、湯切れ（貯湯タンク内の高温水の枯渇）が発生するおそれがある。

特許文献１には、貯湯タンクの中間部に湯の取り出し口を設け、この取り出し口から取り出した中温水と、貯湯タンク上部から取り出した高温水とを混合弁により混合して追焚き熱交換器に送ることにより、追焚きによる貯湯タンク内の高温水の減少を抑制する技術が開示されている。

また、特許文献２には、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る方法と、ヒートポンプユニットで加熱された高温水を追焚き熱交換器に送る方法とを、単独あるいは併用動作する技術が開示されている。

特開２００８−２０１０３号公報 特開２００５−６１６６２号公報

特許文献１の構成の場合、貯湯タンクの中間部に比較的低温な中温水が必ずしも存在する訳ではないので、有効性には疑問がある。また、中温水の配管や、中温水を混合するための混合弁、温度センサなどを追加する必要があり、コストアップを招く。

特許文献２の構成の場合、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送るポンプや配管と、ヒートポンプユニットで加熱された高温水を追焚き熱交換器に送るポンプや配管とを別々に設ける必要があり、コストアップを招く。また、追焚き熱交換器の構造が複雑化することも、コストアップを招く。

ヒートポンプユニットで加熱された高温水を追焚き熱交換器に送ることによって浴槽水を追焚きする方式では、貯湯タンク内の高温水の消費はないが、浴槽内の温度を目標温度に到達させるまでに時間がかかるので、急速に追焚きしたい場合には適さない。このため、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る回路を省略することは好ましくない。しかしながら、ヒートポンプユニットから熱源水を追焚き熱交換器に送る方式と、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る方式との双方の追焚きを実行可能とするには、循環ポンプや配管の追加設置が必要となり、大幅なコストアップを招く。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、浴槽水を追焚きする場合に、ヒートポンプユニットから熱源水を追焚き熱交換器に送る方式と、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る方式との双方が実行可能であるとともに、製造コストのアップを抑制することの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。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、空気の熱を吸熱して水を加熱するヒートポンプユニットと、ヒートポンプユニットにより沸き上げられた高温水を貯留する貯湯タンクと、浴槽水を追焚きするための追焚き熱交換器と、ヒートポンプユニットから供給される熱源水をポンプの作動により追焚き熱交換器に循環させる第１追焚き回路と、貯湯タンクから供給される熱源水を第１追焚き回路と共用のポンプの作動により追焚き熱交換器に循環させる第２追焚き回路と、第１追焚き回路と第２追焚き回路とが共用する流路に設けられた水温センサと、第１追焚き回路による追焚き動作と第２追焚き回路による追焚き動作との切り替えを水温センサの検出温度に基づいて制御する制御手段と、を備えたものである。

本発明によれば、浴槽水を追焚きする場合に、ヒートポンプユニットから熱源水を追焚き熱交換器に送る方式と、貯湯タンク内の高温水を追焚き熱交換器に送る方式との双方が実行可能であるとともに、製造コストのアップを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。 ヒートポンプユニットの回路構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１乃至図４は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ給湯機を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１８と、タンクユニットと、ヒートポンプユニット１８の運転を制御するヒートポンプユニット制御部５０と、タンクユニットの運転を制御するタンクユニット制御部５１とを備えている。タンクユニットには、貯湯タンク６、追焚き熱交換器９等のほか、後述する待機回路７、貯湯用循環回路８、追焚き加熱用回路１０およびヒートポンプ追焚き回路１１を切り替えるための四方弁１４および三方弁１５が設けられている。ヒートポンプユニット制御部５０とタンクユニット制御部５１とは、相互に通信可能になっている。また、タンクユニット制御部５１には、使用者からの指示を受け付けるための操作部６０が通信可能に接続されている。操作部６０は、例えば、浴室、台所などに設置される。使用者は、浴槽９０の湯張り温度や追焚き（保温を含む。以下同じ。）、シャワー、流し台などの水栓への給湯温度などに関する指示を操作部６０に入力することができる。

水道等の水源から給水配管１９を通って供給される低温水は、減圧弁２０で所定圧力に調圧された上で、貯湯タンク６の下部に流入する。貯湯タンク６内には、低温水が下層となり、ヒートポンプユニット１８で沸き上げられた高温水が上層となって貯留される。

貯湯タンク６の下部と三方弁１５との間は、配管２１により接続されている。追焚き熱交換器９の熱源水の出口と、三方弁１５との間は、配管２３により接続されている。三方弁１５には、配管２２の一端が更に接続されている。配管２２の他端には、分岐部３１が形成されている。追焚き熱交換器９を出た熱源水の流路は、配管２３，２２を経て、分岐部３１において、貯湯タンク６に繋がる配管２６と、ヒートポンプユニット１８への往き配管とに分岐する。配管２２の途中には、水を循環させるための循環ポンプ１２が設けられている。循環ポンプ１２の出口と、分岐部３１との間には、水温センサ１３が設置されている。

貯湯タンク６の上部と四方弁１４との間は、配管２４により接続されている。この配管２４からは配管３３が分岐している。この配管３３は、追焚き熱交換器９の熱源水の入口に接続されている。貯湯タンク６の下部と四方弁１４との間は、配管２５により接続されている。分岐部３１と四方弁１４との間は、配管２６により接続されている。四方弁１４には、更に、配管３２を介してヒートポンプユニット１８からの戻り配管が接続されている。

タンクユニットには、更に、湯張り混合弁２７および給湯混合弁２８が設けられている。湯張り混合弁２７および給湯混合弁２８には、貯湯タンク６の上部に繋がる配管２９と、給水配管１９とが接続されている。浴槽９０に湯張りをする場合には、貯湯タンク６の上部から配管２９を通って取り出された高温水と、給水配管１９から供給される低温水とが湯張り混合弁２７で混合されて温度調節された温水が、浴槽循環回路１７の配管を通って浴槽９０に送られる。シャワー、流し台などの水栓に給湯する場合には、貯湯タンク６の上部から配管２９を通って取り出された高温水と、給水配管１９から供給される低温水とが給湯混合弁２８で混合されて温度調節された温水が、配管３０を通って当該水栓に送られる。

図５は、ヒートポンプユニット１８の回路構成を示す図である。図５に示すように、ヒートポンプユニット１８は、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３、および空気熱交換器４を含む冷媒回路５を有している。ヒートポンプユニット１８の作動時、圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒は、水冷媒熱交換器２で水回路の水に熱を受け渡す。これにより、水が加熱される。水冷媒熱交換器２を出た低温中圧の冷媒は、膨張弁３を通り、低温低圧の冷媒となる。この低温低圧の冷媒は、空気熱交換器４で空気（大気）の熱を吸熱して蒸発し、再び圧縮機１に戻る。

図１は、同図中の太線で示す待機回路７が動作する状態を示している。待機回路７が動作する状態では、貯湯タンク６の下部から取り出された水が、配管２１、三方弁１５、配管２２、および分岐部３１を通って、ヒートポンプユニット１８に送られる。そして、ヒートポンプユニット１８からタンクユニットに戻った水は、配管３２、四方弁１４、および配管２５を通って、貯湯タンク６の下部に流入する。本実施形態のヒートポンプ給湯機では、貯湯タンク６の沸き上げ動作の準備段階などにおいて、この待機回路７が動作する状態とされる。

貯湯タンク６の沸き上げ時には、図２に示すように、同図中の太線で示す貯湯用循環回路８が動作する状態とされる。この状態では、貯湯タンク６の下部から取り出された水が、配管２１、三方弁１５、配管２２、および分岐部３１を通って、ヒートポンプユニット１８に送られる。この水は、水冷媒熱交換器２で、冷媒の高熱を受け取って所定温度（例えば９０℃）の高温水となってタンクユニットに戻り、配管３２、四方弁１４、および配管２４を通って、貯湯タンク６の上部に流入する。このような沸き上げ動作により、貯湯タンク６内に高温水が貯められていく。

浴槽９０内の湯水（浴槽水）を追焚きする際には、浴槽ポンプ１６により、浴槽９０から追焚き熱交換器９を通って再び浴槽９０に戻る浴槽循環回路１７内で浴槽水を循環させる。また、追焚き熱交換器９には、浴槽水を加熱するための熱源水を循環させる。本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１８で加熱された水を熱源水として追焚き熱交換器９に循環させるヒートポンプ追焚き回路１１（第１追焚き回路）と、貯湯タンク６内の高温水を熱源水として追焚き熱交換器９に循環させる追焚き加熱用回路１０（第２追焚き回路）とを有しており、これらを切り替え可能になっている。

図３は、同図中の太線で示す追焚き加熱用回路１０が動作する状態を示している。この状態では、貯湯タンク６の上部から取り出された高温水（熱源水）が配管２４および配管３３を通って追焚き熱交換器９に送られる。そして、追焚き熱交換器９で浴槽水に熱を与えて温度低下した熱源水は、配管２３、三方弁１５、配管２２、分岐部３１、配管２６、四方弁１４、および配管２５を通って、貯湯タンク６の下部に流入する。

図４は、同図中の太線で示すヒートポンプ追焚き回路１１が動作する状態を示している。ヒートポンプ追焚き回路１１を動作させる場合、タンクユニット制御部５１は、所定温度の熱源水を生成するようにヒートポンプユニット制御部５０へ指示し、ヒートポンプユニット制御部５０はその指示に基づいてヒートポンプユニット１８の各部を制御する。ヒートポンプユニット１８で加熱された熱源水は、タンクユニットに送られ、更に配管３２、四方弁１４、配管２４、および配管３３を通って追焚き熱交換器９に送られる。そして、追焚き熱交換器９で浴槽水に熱を与えて温度低下した熱源水は、配管２３、三方弁１５、配管２２、および分岐部３１を通って、ヒートポンプユニット１８に戻り、再度加熱されて再び循環する。

ヒートポンプ追焚き回路１１によって追焚きを行う場合には、貯湯タンク６に貯えられた高温水を使用しないで済む。このため、追焚きをヒートポンプ追焚き回路１１によって行うことにより、貯湯タンク６内の高温水の使用量を削減することができ、湯切れを確実に防止することができる。また、毎日の貯湯タンク６の蓄熱量を削減することができるので、ヒートポンプ給湯機の年間給湯効率（ＡＰＦ）の向上を図ることができる。

しかしながら、ヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きは、追焚き加熱用回路１０による追焚きに比べ、時間がかかる。これは、ヒートポンプユニット１８の加熱能力に限界があることが一因である。また、ヒートポンプユニット１８とタンクユニットとを接続している外部配管の長さが長い場合など、施工状態によって、熱源水の循環流量に変動があることも一因である。追焚き加熱用回路１０の場合には、これらの制約がなく、高温の熱源水を追焚き熱交換器９に高流量で供給することが可能である。したがって、浴槽９０を短時間で加熱したい場合には、ヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きではなく、追焚き加熱用回路１０による追焚きを行うことが望ましい。

そこで、本実施形態では、使用者が通常追焚きと急速追焚きとを選択可能としている。使用者は、操作部６０にて、通常追焚きか急速追焚きかを選択することができる。通常追焚きが選択されている場合には、ヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きが行われる。急速追焚きが選択されている場合には、追焚き加熱用回路１０による追焚きが行われる。

本実施形態によれば、通常追焚きをヒートポンプ追焚き回路１１によって行うことにより、貯湯タンク６内の高温水の使用量を削減することができ、湯切れの防止や年間給湯効率の向上が図れる。且つ、浴槽９０を短時間で加熱したい場合には、追焚き加熱用回路１０による急速追焚きを行うことができるので、その要請に応えることができる。また、図３および図４に示すように、追焚き加熱用回路１０とヒートポンプ追焚き回路１１とは、循環ポンプ１２を共用している。このため、循環ポンプの数を減らすことができ、コストダウンが図れる。また、配管構成も大幅な追加回路がなく、この面でもコストダウンの効果がある。

更に、本実施形態では、図２に示すように、循環ポンプ１２は、貯湯タンク６の下部から取り出された水がヒートポンプユニット１８に送られる経路上にあるので、貯湯用循環回路８もこの循環ポンプ１２を共用することができる。このように、本実施形態では、貯湯用循環回路８、追焚き加熱用回路１０、ヒートポンプ追焚き回路１１の三者で循環ポンプ１２を共用することができるので、更なるコストダウンが図れる。

追焚き加熱用回路１０とヒートポンプ追焚き回路１１とで循環ポンプ１２を共用する場合には、流路の切り替えを行わなくてはならないので、四方弁１４や三方弁１５のような切替弁が必要となる。このような切替弁は、流れる水の温度が急変するヒートショックが生ずると、耐久性の低下を招き易い。ヒートポンプ追焚き回路１１による通常追焚きの場合には、このヒートショックが生ずるおそれはない。ヒートポンプユニット１８の作動を開始した後、ヒートポンプユニット１８の出口水温の立ち上がり（上昇速度）は緩やかであるので、四方弁１４や三方弁１５を流れる水の温度も徐々に上昇するからである。これに対し、追焚き加熱用回路１０による追焚きの場合には、貯湯タンク６から取り出された高温水が熱源水として循環するので、追焚き開始後、四方弁１４や三方弁１５を流れる水の温度が急上昇する。このため、ヒートショックを生ずるおそれがある。

上記の事項に鑑み、本実施形態では、急速追焚き時における四方弁１４や三方弁１５のヒートショックを防止するため、次のような制御を行う。すなわち、急速追焚きが選択されている場合であっても、追焚き開始時はヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きを行うようにし、四方弁１４や三方弁１５を流れる熱源水の温度がある程度上昇した時点で、追焚き加熱用回路１０による追焚きに切り替える制御を行う。急速追焚きが選択されている場合の追焚き開始時、タンクユニット制御部５１は、ヒートポンプユニット１８を作動させる指示をヒートポンプユニット制御部５０に送り、ヒートポンプ追焚き回路１１を動作させて追焚きを行う。前述したように、ヒートポンプユニット１８の作動が開始した後、ヒートポンプユニット１８から出る熱源水の温度の立ち上がりは緩やかであるので、四方弁１４や三方弁１５を流れる熱源水の温度も徐々に上昇する。この間、タンクユニット制御部５１は、水温センサ１３で検出される熱源水の温度を監視する。そして、水温センサ１３の検出温度が所定温度αまで上昇したとき、四方弁１４を切り替えることにより、ヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きから追焚き加熱用回路１０による追焚きに切り替える。上記所定温度αは、ヒートポンプ追焚き回路１１による追焚きから追焚き加熱用回路１０による追焚きに切り替えたときの、四方弁１４および三方弁１５を流れる熱源水の温度変化が、ヒートショックを生じないような範囲となるように、予め設定される温度である。以上のような制御によれば、急速追焚きを行う場合であっても、四方弁１４や三方弁１５を流れる水の温度の急変を防止することができるので、四方弁１４や三方弁１５のヒートショックを確実に回避し、これらの耐久性を向上することができる。

本実施形態では、水温センサ１３は、追焚き熱交換器９を出た熱源水の温度を検出可能な位置にある。また、図２に示すように、水温センサ１３は、貯湯タンク６の下部から取り出された水がヒートポンプユニット１８に送られる経路上にも位置する。このため、貯湯タンク６の沸き上げ時（貯湯用循環回路８の動作時）には、水温センサ１３の検出温度をヒートポンプユニット１８への入水温度として用いることができる。このように、水温センサ１３は、ヒートポンプユニット１８への入水温度を検出するセンサとして兼用可能なものであり、上述した追焚き回路切り替え制御のために新たに追加するものではないので、コストアップを回避することができる。

ヒートポンプ追焚き回路１１と追焚き加熱用回路１０との切り替えを行う場合には、ヒートポンプユニット１８への入水温度が様々に変化し、予測が困難となる。そして、この入水温度や外気温度の状態によっては、ヒートポンプユニット１８の過渡特性において、冷媒回路５内が高圧になったり、冷媒温度が高温になったり、あるいは水冷媒熱交換器２の出口温度が高温または低温になるなどにより、エラーを検出してヒートポンプユニット１８を保護停止する機能が働くおそれがある。このようなエラー検出による保護停止を防止するために、ヒートポンプ追焚き回路１１と追焚き加熱用回路１０との切り替えを行う前に、水温センサ１３の検出温度に基づき、エラー検出が回避されるようにヒートポンプユニット１８を制御するようにしてもよい。水温センサ１３の位置は、ヒートポンプユニット１８の入口より十分に上流側にあるので、ヒートポンプユニット１８への入水温度を事前に知ることができる。このため、水温センサ１３の検出温度に応じてヒートポンプユニット１８の圧縮機１，膨張弁３等の制御を開始すれば、冷媒回路５の圧力温度状態や水冷媒熱交換器２出口温度の温度状態等の急激な変動（高温出湯異常、冷媒回路５の高圧異常等）を事前に緩和させることができ、エラー検出を確実に回避することができる。例えば、ヒートポンプ追焚き回路１１から追焚き加熱用回路１０に切り替えた後に、水冷媒熱交換器２内に滞留した水が余熱により一時的に高温になることを防止するため、次のように制御してもよい。ヒートポンプ追焚き回路１１から追焚き加熱用回路１０に切り替える場合、水温センサ１３の検出温度が所定温度β（＜α）まで上昇したときに圧縮機１の運転を停止し、その後、水温センサ１３の検出温度が所定温度αまで上昇したときにヒートポンプ追焚き回路１１から追焚き加熱用回路１０に切り替える。このように、圧縮機１の運転を事前に停止することにより、水冷媒熱交換器２の温度を低下させてから、水冷媒熱交換器２内の水の流れを停止させることができる。このため、水冷媒熱交換器２内に滞留した水が高温になることを確実に防止することができ、エラー検出による保護停止を回避することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明では、水温センサ１３の位置は図示の位置に限定されるものではなく、ヒートポンプ追焚き回路１１と追焚き加熱用回路１０とが共用する流路の何れかの箇所に水温センサ１３が設けられていればよい。

１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 空気熱交換器
５ 冷媒回路
６ 貯湯タンク
７ 待機回路
８ 貯湯用循環回路
９ 追焚き熱交換器
１０ 追焚き加熱用回路
１１ ヒートポンプ追焚き回路
１２ 循環ポンプ
１３ 水温センサ
１４ 四方弁
１５ 三方弁
１６ 浴槽ポンプ
１７ 浴槽循環回路
１８ ヒートポンプユニット
１９ 給水配管
２０ 減圧弁
２１〜２６，２９，３０，３２，３３ 配管
２７ 湯張り混合弁
２８ 給湯混合弁
３１ 分岐部
５０ ヒートポンプユニット制御部
５１ タンクユニット制御部
６０ 操作部
９０ 浴槽

Claims (7)

1. 空気の熱を吸熱して水を加熱するヒートポンプユニットと、
   前記ヒートポンプユニットにより沸き上げられた高温水を貯留する貯湯タンクと、
   浴槽水を追焚きするための追焚き熱交換器と、
   前記ヒートポンプユニットから供給される熱源水をポンプの作動により前記追焚き熱交換器に循環させる第１追焚き回路と、
   前記貯湯タンクから供給される熱源水を前記第１追焚き回路と共用の前記ポンプの作動により前記追焚き熱交換器に循環させる第２追焚き回路と、
   前記第１追焚き回路と前記第２追焚き回路とが共用する流路に設けられた水温センサと、
   前記第１追焚き回路による追焚き動作と前記第２追焚き回路による追焚き動作との切り替えを前記水温センサの検出温度に基づいて制御する制御手段と、
   を備えるヒートポンプ給湯機。
2. 前記制御手段は、前記検出温度が所定温度まで上昇したときに、前記第１追焚き回路による追焚き動作から前記第２追焚き回路による追焚き動作へ切り替える請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記制御手段は、前記第１追焚き回路による追焚き動作と前記第２追焚き回路による追焚き動作とを切り替える前に、前記検出温度に基づいて、前記ヒートポンプユニットの作動を制御する請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記水温センサは、前記追焚き熱交換器の熱源水の出口と、該出口から出た熱源水の流路が前記貯湯タンクに繋がる流路と前記ヒートポンプユニットに繋がる流路とに分かれる分岐部と、の間にある請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記水温センサは、前記貯湯タンクの下部から取り出された水が前記ヒートポンプユニットに送られる経路上にある請求項１乃至４の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記ポンプは、前記貯湯タンクの下部から取り出された水が前記ヒートポンプユニットに送られる経路上にある請求項１乃至５の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記貯湯タンクの下部から取り出された水を前記第１追焚き回路および前記第２追焚き回路と共用の前記ポンプの作動により前記ヒートポンプユニットに送り、前記ヒートポンプユニットで沸き上げられた高温水を前記貯湯タンクの上部に戻す貯湯用循環回路を備える請求項１乃至６の何れか１項記載のヒートポンプ給湯機。

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