JP2014231944A - ヒートポンプ式給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】デフロスト運転における水熱交換器内の水の凍結を防止すると共に、より高い出湯温度を実現できるヒートポンプ式給湯器を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式給湯器１は、空気熱交換器１１および水熱交換器１２を備えた冷媒回路１０と、水熱交換器１４で冷媒から吸熱して温水とした後、この温水を負荷に供給する水回路２０とで構成されている。このうち水回路２０には、水熱交換器１４で温められた温水を溜める貯湯タンク２８と、水熱交換器１４の上流側と前記貯湯タンク２８の下流側とを結ぶ第１の流路に、下流側の水を上流側に送出する第２のポンプ２２が設けられ、かつ貯湯タンク２８には、タンク内の温水を温めるヒータ２９が組み込まれている。【選択図】 図１

Description

この発明は、ヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯器に関するものである。

ヒートポンプ式給湯器は、圧縮機により送出される冷媒が空気熱交換器および水熱交換器を備えた閉回路を循環して気液の状態変化を繰り返す冷媒回路と、ポンプにより送出された水が水熱交換器で冷媒から吸熱して温水となる水回路とを備えたものである。そして、凝縮器として機能する水熱交換器で水回路を流れる水が加熱されて温水となり、この温水を給湯用として負荷に供給している。

このようなヒートポンプ式給湯器においては、水熱交換器で水を加熱して温水とする運転の継続により、蒸発器として機能する空気熱交換器に着霜して熱交換効率が低下する。このため、必要に応じて冷媒回路における冷媒の循環方向を逆転させ、着霜した空気熱交換器を凝縮器として機能させることで除霜するデフロスト運転が行われる。

特開２０１０−１８１１０４号公報

上述の従来のヒートポンプ式給湯器においては、冷媒と熱交換を行う熱伝達物質に水を使用しているので、冷媒側の温度が極端に低くなる場合には、水熱交換器内の水が凍結する恐れがあった。また出湯温度が７０℃前後と低く、ユーザからは、より高い出湯温度が望まれていた。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、デフロスト運転における水熱交換器内の水の凍結を防止すると共に、より高い出湯温度を実現できるヒートポンプ式給湯器を提供することを目的とする。

この発明にかかるヒートポンプ式給湯器は、圧縮機により冷媒が空気熱交換器および水熱交換器を備えた閉回路を循環し、かつ四方弁を用いて冷媒の循環方向を切り替えることで気液の状態変化を繰り返す冷媒回路と、第１のポンプにより送出された水が前記水熱交換器で冷媒から吸熱して温水とされた後、負荷に供給される水回路とで構成されたヒートポンプ式給湯器であって、水回路には、水熱交換器で温められた温水を溜める貯湯タンクと、水熱交換器の上流側と貯湯タンクの下流側とを結ぶ第１の流路に、下流側の水を上流側に送出する第２のポンプが設けられ、かつ貯湯タンクには、タンク内の温水を温めるヒータが組み込まれていることを特徴とする。

この発明にかかるヒートポンプ式給湯器は、通常運転時とデフロスト運転時において水回路の流れを変え、デフロスト運転時において貯湯タンクに溜めるお湯を水回路内で循環させることにより、水熱交換器の凍結を防いでいる。また貯湯タンクにヒータを組み込み、水熱交換器からの温水を貯湯タンク内で暖め直すことで出湯温度の回復をはかり、負荷に供給する温水の温度低下を防いでいる。更に、ヒータを活用することで、通常運転時の出湯温度を上げることもできる。

この発明の実施の形態にかかるヒートポンプ式給湯器の構成を示す図である。 図１に示すヒートポンプ式給湯器の制御系の構成を示すブロック図である。 運転モードを判定する際の流れを示すフローチャートである。 通常運転時の冷媒と水の流れを示す図である。 通常運転における制御の流れを示すフローチャートである。 デフロスト運転の凍結防止モードにおける冷媒と水の流れを示す図である。 デフロスト運転の水温低下防止モードにおける冷媒と水の流れを示す図である。 デフロスト運転における制御の流れを示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態にかかるヒートポンプ式給湯器について、図面を参照して説明する。図１に、本実施の形態にかかるヒートポンプ式給湯器（以下、単に「給湯器」という）の構成を示す。給湯器１は、冷媒回路１０と水回路２０とで構成されている。

このうち冷媒回路１０は、空気熱交換器１１、圧縮機１２、四方弁１３、水熱交換器１４および電子膨張弁１５で構成されている。冷媒回路１０は、圧縮機１２により送出される冷媒が空気熱交換器１１および水熱交換器１４を循環して気液の状態変化を繰り返すものである。冷媒回路１０は、圧縮機１２の吐出側に設けられた四方弁１３を操作することにより、冷媒の循環方向を切り替えて、２つの熱交換器を凝縮器または蒸発器として機能させる。

一方、水回路２０は、水主回路ポンプ２１、水副回路ポンプ２２、逆止弁２３および２４、流量調整弁２５および２６、水副回路用電磁弁２７、貯湯タンク２８およびヒータ２９を備えている。水回路２０は、水主回路ポンプ２１の働きにより、水入口３１から給水された水が、冷媒回路１０に設けられた水熱交換器１４で冷媒から吸熱して温水とされ、この温水を貯蔵タンク２８に溜め、必要に応じて水出口３２から負荷に供給している。

図２に、ヒートポンプ式給湯器１の動作を制御する制御系２の基本的な構成を示す。制御部３は、冷媒回路１０内および水回路２０内に設置された各種センサ（５１〜５５）で測定した温度や水位等に基づいて、冷媒回路１０内の圧縮機１２、水回路２０内のポンプ２１、２２およびヒータ２９の動作を制御する。

冷媒回路１０には、給湯器１周辺の外気温を測定する外気温センサ５１が設置され、また制御部３からの制御信号に基づいて圧縮機１２の回転数を制御するインバータ部１６が設置されている。

一方、水回路２０には、水熱交換器１４の外郭の温度を測定する水温センサ５２、貯湯タンク２８内の水温を測定する水温センサ５３、貯湯タンク２８内の水位を測定する水位センサ５４、および水熱交換器１４を流れる水量を測定する流量センサ５５が設けられている。

本実施の形態にかかる給湯器１では、従来の給湯器の構成に加えて、水回路２０に、水熱交換器１４の上流側と貯湯タンク２８の下流側とを結ぶ流路を形成し、その流路に水副回路ポンプ２２を配置している。本実施の形態では、弁２５〜２７の開閉動作およびポンプ２１、２２の運転動作によって閉回路を形成し、貯湯タンク２８に溜めた温水を閉回路内で循環させることにより、水熱交換器１４の凍結を防いでいる。

更に、本実施の形態にかかる給湯器１では、貯湯タンク２８にヒータ２９を組み込んでおり、貯湯タンク２８に溜めた温水をヒータ２９で加熱することにより、水熱交換器１４によって冷却された温水の温度を回復して、給湯用温水の水温低下を防止している。

以下、本実施の形態にかかる給湯器１の動作を説明する。最初に、図３のフローチャートを参照して、給湯器１の運転モードの判定について説明する。制御部３は、図２に示す各種センサ５１〜５５の測定値に基づいてデフロスト運転の必要があるか否かを判定し（ステップＳ１１）、デフロスト運転の必要がないと判定した場合は通常運転を行い（ステップＳ１２）、デフロスト運転の必要があると判定した場合はデフロスト運転を行う（ステップＳ１３）。

次に、図４および図５を参照して、通常運転における給湯器の制御について説明する。図４に、通常運転の際の冷媒と水の流れを示す。また図５に、通常運転における制御の流れを示す。図４において、細い矢印で冷媒回路１０における冷媒の流れを示し、太い矢印で水回路における水の流れを示している。

冷媒回路１０については、四方弁１３を図４に示す状態とし、圧縮機１２によって圧縮された冷媒が水熱交換器１４を加熱し、その後、電子膨張弁１５および空気熱交換器１１を通って圧縮機１２に戻る冷媒サイクルを形成している。

一方、水回路２０については、水入口３１から入った水が水熱交換器１４により加温され、貯湯タンク２８に溜まる。ヒータ２９を動作させて温水の温度を更に上昇させ、水出口３２より負荷に給湯する。このとき、水回路２０は水主回路ポンプ２１を動作させ、流量調整弁２５および２６を開けた状態とする。一方、水副回路ポンプ２２は動作させず、水副回路用電磁弁２７は閉じた状態とする。

図５のフローチャートに示すように、給湯器１の使用に先立ち、ユーザによって出湯温度が設定される（ステップＳ２１）。制御部３は、水熱交換器１４の外郭に設置された水温センサ５２で測定した水温データを取得すると共に（ステップＳ２２）、流量センサ５５で測定した値から流水量を算出する（ステップＳ２３）。

制御部３は、取得した水温および流水量のデータに基づいて必要な加熱量を算出し（ステップＳ２４）、目標となる出湯温度になるまでヒータ２９を加熱する（ステップＳ２５、Ｓ２６）。

上述したように、通常運転においては、貯湯タンク２８に埋め込まれたヒータ２９を用いて温水を加熱することにより、ヒートポンプのみでの運転で得られる出湯温度よりさらに高温の温水を負荷に供給することができる。

次に、図６、図７および図８を参照して、デフロスト運転における給湯器の制御について説明する。図６に、デフロスト運転のうち凍結防止モードにおける冷媒と水の流れを示し、図７に、水温低下防止モードにおける冷媒と水の流れを示す。また図８に、デフロスト運転における給湯器の制御の流れを示す。図４と同様に、図６および図７において、細い矢印で冷媒回路１０における冷媒の流れを示し、太い矢印で水回路における水の流れを示している。

図３における運転モードの判定において、デフロスト運転が必要と判定された場合で、かつ水回路２０に凍結の恐れがある場合は、水回路２０を図６に示すように構成し、水熱交換器１４の温度低下による凍結を防止する。

図６に示す凍結防止モードでの運転において、冷媒回路１０については、四方弁１３を図に示す状態とし、圧縮機１２によって圧縮された冷媒が空気熱交換器１１を加熱して除霜を行う。その後、電子膨張弁１５および水熱交換器１４を通って圧縮機１２に戻る冷媒サイクルを形成している。

水回路２０については、水入口３１から入った水は、動作している水主回路ポンプ２１および水副回路電磁弁２７を介して、水出口３２から加温されることなく負荷に供給される。一方、流量調整弁２５および２６を閉じた状態とし、あらかじめ貯湯タンク２８に溜めた温水をヒータ２９で加温し、水副回路ポンプ２２を作動させ、水熱交換器１４を介して、再び貯湯タンク２８に温水が戻る閉回路を形成する。

一方、デフロスト運転時でも凍結の恐れのない場合は、水回路２０を図７に示すように構成している。すなわち、水熱交換器１４で温度が低下した水を、ヒータ２９で加熱しタンク２８に溜めた温水と混合して、通常の運転時と同じ温度の温水を水出口３２から負荷に供給する。

図７に示す水温低下防止モードでの運転においては、四方弁１３を図に示す状態とし、冷媒回路１０は、圧縮機１２によって圧縮された冷媒が空気熱交換器１１を加熱し除霜を行う。その後、電子膨張弁１５および水熱交換器１４を通って圧縮機１２に戻る冷媒サイクルを形成している。

水回路２０においては、水入口３１から入った水が水熱交換器１４により冷却され、貯湯タンク２８に貯まる。ヒータ２９を動作することで水温を上昇させて水出口３２より負荷に給湯する。このとき水回路２０は、水主回路ポンプ３１を動作させ、流量調整弁２５および２６を開けた状態とする。また水副回路ポンプ２２は動作させず、水副回路用電磁弁２７も閉じた状態とする。

次に、図８のフローチャートを参照して、デフロスト運転時における給湯器の制御について説明する。給湯器の使用に先立ち、ユーザによって出湯温度が設定される（ステップＳ３１）。

次に、制御部３は、外気温センサ５１で測定した気温データ、水温センサ５２で測定した水熱交換器１４の外郭の水温データおよび流量センサ５５で測定した流量データに基づいて、水熱交換器１４において凍結の恐れがあるは否かを判定する（ステップＳ３３）。

ステップＳ３３において、水熱交換器１４に凍結の恐れがあると判定した場合は（Ｙｅｓ）、図６に示した凍結防止モードでの運転を選択する。一方、ステップＳ３３において、凍結の恐れがないと判定した場合は（Ｎｏ）、図７に示した水温低下防止モードでの運転を選択する。

デフロスト運転が終了した後は、通常運転に切り替わり、前述したステップＳ２３〜Ｓ２６に示す手順で運転が行われる。

上述した制御により、デフロスト運転時においても、水熱交換器１４によって冷やされた温水をヒータ２９で再び加熱することで水温を回復し、通常運転（ヒータによる加熱なし）時と同等な水温の温水を負荷に供給することができる。

以上説明したように、この発明にかかる給湯器では、水回路における水の流れを通常運転時とデフロスト運転時で変えることによって、水熱交換器の凍結を防ぐことができるばかりでなく、デフロスト運転時において、タンクに貯めたお湯を水回路内で循環させることができる。また水熱交換器からの温水を、タンク内に設置されたヒータで暖め直すことで出湯温度の回復をはかり、負荷に供給する温水の温度低下を防ぐことができる。

なお、上述の実施の形態では、貯湯タンク内にヒータを１つ組み込んだ場合について説明したが、複数のヒータを組み込み、必要とする加熱量に応じて駆動するヒータの数を変えるようにしてもよい。このようにすれば、給湯器の省エネ運転を実現できる。

１ 給湯器
２ 制御系
３ 制御部
１０ 冷媒回路
１１ 空気熱交換器
１２ 圧縮機
１３ 四方弁
１４ 水熱交換器
１５ 電子膨張弁
１６ インバータ部
２０ 水回路
２１ 水主回路ポンプ
２２ 水副回路ポンプ
２３、２４ 逆止弁
２５、２６ 流量調整弁
２７ 水副回路用電磁弁
２８ 貯湯タンク
２９ ヒータ
３１ 水入口
３２ 水出口
５１ 外気温センサ
５２、５３ 水温センサ
５４ 水位センサ
５５ 流量センサ

Claims (4)

1. 圧縮機により冷媒が空気熱交換器および水熱交換器を備えた閉回路を循環し、かつ四方弁を用いて冷媒の循環方向を切り替えることで気液の状態変化を繰り返す冷媒回路と、
   第１のポンプにより送出された水が前記水熱交換器で冷媒から吸熱して温水とされた後、負荷に供給される水回路とで構成されたヒートポンプ式給湯器であって、
   前記水回路には、前記水熱交換器で温められた温水を溜める貯湯タンクと、前記水熱交換器の上流側と前記貯湯タンクの下流側とを結ぶ第１の流路に、下流側の水を上流側に送出する第２のポンプが設けられ、
   かつ前記貯湯タンクには、タンク内の温水を温めるヒータが組み込まれていることを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
2. デフロスト運転における第１のモードでは、前記貯湯タンクにおいてヒータで加熱した温水を第２のポンプで前記水熱交換器に送出して、前記貯湯タンクと前記水熱交換器を含む閉回路内で温水を循環させ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器。
3. デフロスト運転における第２のモードでは、前記第１のポンプを用いて水入口から送出された水を前記水熱交換器において温水に変え、更に前記貯湯タンク内のヒータで加熱した後、水出口から負荷に供給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器。
4. 前記水回路には、前記第１の流路の上流側と下流側を結ぶ第２の流路が形成され、
   前記第２の流路、および前記第１の流路と第２の流路とを結ぶ２つの流路のそれぞれに流量を調整する弁が設けられていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯器。

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