JP2021085597A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプの構成の簡易化を図りながらも、蒸発熱交換器への着霜が生じた際の除霜運転を適切に行なうことが可能なヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ給湯装置ＷＨは、貯湯タンク２と凝縮熱交換器１２とを接続する第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂどうしをバイパス接続する第３の湯水流路３Ｃを備え、かつ凝縮熱交換器１２から第２の湯水流路３Ｂに流出した湯水を第３の湯水流路３Ｃを介して第１の湯水流路３Ａおよび凝縮熱交換器１２に戻して循環させながら凝縮熱交換器１２による湯水加熱が可能なバイパス湯水循環路Ｂを切替え設定可能であり、制御手段４，４Ａは、除霜運転を開始させる前に、バイパス湯水循環路Ｂを設定し、このバイパス湯水循環路Ｂの湯水加熱を実行させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関する。

本出願人は、ヒートポンプ給湯装置の一例として、特許文献１に記載のものを先に提案しており、これを図４に示す。
図４に示す従来のヒートポンプ給湯装置ＷＨｅにおいては、ヒートポンプ装置Ｈｅと、貯湯タンク２を有する貯湯タンクユニットＵｅとが組み合わされている。ヒートポンプ装置Ｈｅは、外気からの吸熱が可能な蒸発熱交換器１０、圧縮機１１、湯水加熱用の凝縮熱交換器１２、および膨張弁１３を有するヒートポンプ１（冷凍サイクル）を備えており、凝縮熱交換器１２は、貯湯タンク２と第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂを介して接続されている。貯湯タンク２の湯水は、第１の湯水流路３Ａを介して凝縮熱交換器１２に送り込まれて加熱されてから第２の湯水流路３Ｂを介して貯湯タンク２に戻され、貯湯される。

一方、冬季などにおいては、蒸発熱交換器１０に着霜を生じる場合があり、この場合には、除霜運転が開始される。除霜運転は、ヒートポンプ装置Ｈｅに具備されている除霜用バイパス路１８のバルブＶ４が開状態とされ、圧縮機１１によって昇温が図られた冷媒が除霜用バイパス路１８を介して蒸発熱交換器１０に送り込まれることにより行なわれる。蒸発熱交換器１０に着霜を生じると、ヒートポンプ１の出力や効率が低下するが、除霜運転が実行されることによってそのような不具合は解消される。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように改善すべき課題がある。

すなわち、前記従来技術においては、ヒートポンプ装置Ｈｅに、除霜用バイパス路１８が具備されているが、ヒートポンプ装置Ｈｅの構成をできる限り簡易にするなどの種々の事情により、この除霜用バイパス路１８を無くしたい要望がある。
ここで、除霜用バイパス路１８を無くした場合に、蒸発熱交換器１０についての除霜動作を行なうには、圧縮機１１において上昇した冷媒を、高温状態のまま凝縮熱交換器１２および膨張弁１３を通過させて蒸発熱交換器１０に到達させる必要がある。その一方、除霜運転中においては、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂに凍結を生じる虞がある。
このため、除霜運転中に、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの凍結防止を図るべく凝縮熱交換器１２を利用した湯水加熱がなされると、蒸発熱交換器１０に到達する冷媒の温度が低下することとなり、除霜を適切に行なうことができなくなる。その結果、除霜を完了する迄の所要時間が長くなる不具合を生じる。

特開２０１７−４４４４６号公報 特開２０１９−１５８２８５号公報 特開２０１０−２５４９４号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、ヒートポンプの構成の簡易化を図りながらも、蒸発熱交換器への着霜が生じた際の除霜運転を適切に行なうことが可能なヒートポンプ給湯装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供されるヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクと、冷媒用の圧縮機、湯水加熱用の凝縮熱交換器、膨張弁、および蒸発熱交換器を有するヒートポンプと、前記貯湯タンクを前記凝縮熱交換器に接続し、かつ前記貯湯タンクから前記凝縮熱交換器への湯水供給、および前記凝縮熱交換器によって加熱された湯水の前記貯湯タンクへの戻しを可能とする第１および第２の湯水流路と、前記蒸発熱交換器への着霜が生じた場合に、前記ヒートポンプに除霜運転を実行させる制御を行なう制御手段と、を備えている、ヒートポンプ給湯装置であって、前記第１および第２の湯水流路どうしをバイパス接続する第３の湯水流路を備え、かつ前記凝縮熱交換器から前記第２の湯水流路に流出した湯水を前記第３の湯水流路を介して前記第１の湯水流路および前記凝縮熱交換器に戻して循環させながら前記凝縮熱交換器による湯水加熱が可能なバイパス湯水循環路を切替え設定可能とされており、前記制御手段は、前記除霜運転を開始させる前に、前記バイパス湯水循環路を設定し、このバイパス湯水循環路の湯水加熱を実行させるように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、ヒートポンプの蒸発熱交換器への着霜が生じ、除霜運転が開始される前には、バイパス湯水循環路において湯水を循環させながら凝縮熱交換器によって加熱し、前記湯水の温度を上昇させておくことができる。したがって、その後にヒートポンプにおいて、除霜運転が行なわれる際に、第１および第２の湯水流路の湯水が凍結する虞をなくし、または少なくすることが可能となる。その結果、除霜運転中に、凍結防止を目的として、凝縮熱交換器を利用した湯水加熱を行なう必要がなくなる。除霜運転中に、凝縮熱交換器を利用した湯水加熱が行なわれると、凝縮熱交換器において冷媒の温度が低下し、蒸発熱交換器の除霜が困難化するが、本発明によれば、そのようなことを適切に回避し、蒸発熱交換器の除霜を効率よく、かつ迅速に完了させることが可能となる。
本発明によれば、前記従来技術とは異なり、ヒートポンプに除霜用バイパス路を設ける必要はなく、ヒートポンプの簡素化を図ることが可能である。

本発明において、好ましくは、前記バイパス湯水循環路の湯水加熱は、前記蒸発熱交換器への着霜が生じた時点において、前記第１の湯水流路から前記凝縮熱交換器への入水温度が所定の第１の温度よりも低い場合に行なわれ、そうでない場合には行なわれないように構成されている。

このような構成によれば、凝縮熱交換器への入水温度が所定の第１の温度よりも低く、第１の湯水流路や第２の湯水流路に凍結を生じる虞がある場合には、バイパス湯水循環路の湯水加熱が行なわれて前記凍結の予防措置が的確に図られる一方、そうでない場合には、バイパス湯水循環路の湯水加熱が無駄に行なわれないようにして省エネを図り、また除霜運転を早期に開始することもできる。

本発明において、好ましくは、前記バイパス湯水循環路の湯水加熱は、この湯水加熱が開始された後において、前記第１の湯水流路から前記凝縮熱交換器への入水温度が所定の第２の温度まで上昇した時点で終了し、その後に前記除霜運転が開始されるように構成されている。

このような構成によれば、バイパス湯水循環路の湯水加熱の終了時期を、凝縮熱交換器の入水温度に基づいて適正に制御し、バイパス湯水循環路の湯水を過剰に加熱したり、あるいは加熱が不足するなどの事態が発生することを適切に防止することが可能となる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す説明図である。 図１のヒートポンプ給湯装置において実行される動作制御の一例を示すフローチャートである。 図１のヒートポンプ給湯装置において実行される動作制御の他の例を示すフローチャートである。 従来技術の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
理解の容易のため、図４に示した従来技術と同一部位については、従来技術と同一の符号を適宜付すこととする。

図１に示すヒートポンプ給湯装置ＷＨは、ヒートポンプ装置Ｈと、貯湯タンクユニットＵとを備えている。
このヒートポンプ給湯装置ＷＨは、図４に示した従来のものと比較すると、ヒートポンプ装置Ｈに除霜用バイパス路１８が設けられておらず、その代わりに、貯湯タンクユニットＵには、後述する第３の湯水流路３Ｃが設けられている点において、そのハード構成に相違がある。また、動作制御においても相違がある。

貯湯タンクユニットＵは、貯湯タンク２、およびリモコン４０が接続された主制御部４を備えている。貯湯タンク２は、ヒートポンプ装置Ｈによって加熱された湯水を貯留させておくためのものである。貯湯タンク２の下部には、水道管などの給水管３１が接続される下部配管３２が接続されており、給水管３１から供給される水が貯湯タンク２内にその下部から入水可能である。貯湯タンク２の上部には、三方弁Ｖ１を有する上部配管３３が接続され、かつこの上部配管３３には、給湯栓９に配管接続される出湯管３５、および下部配管３２からの分岐配管３６が混合弁Ｖ２を介して接続されている。このことにより、給湯栓９を開いた際には、貯湯タンク２への給水圧によって出湯が行なわれ、貯湯タンク２から出湯した湯水と分岐配管３６からの水とが混合して温度調整された湯水が、給湯栓９に供給される。

ヒートポンプ装置Ｈは、ヒートポンプ１（冷凍サイクル）、補助制御部４Ａを備えている。ヒートポンプ１は、たとえばＣＯ₂ などの冷媒の循環流通経路上に、外気（大気）から熱を吸収するための蒸発熱交換器１０、圧縮機１１、湯水加熱が可能な凝縮熱交換器１２、および膨張弁１３が設けられた構成である。蒸発熱交換器１０には、ファン１０ａが付属して設けられているが、このファン１０ａは、ヒートポンプ装置Ｈの筐体１９内に流入した外気を蒸発熱交換器１０に作用させるものである。

凝縮熱交換器１２は、ポンプＰの駆動により貯湯タンク２の下部から第１の湯水流路３Ａを介して供給されてくる湯水を加熱可能である。また、給水管３１から第１の湯水流路３Ａを介して供給されてくる水も加熱可能である。加熱された湯水については、第２の湯水流路３Ｂを介して貯湯タンク２内に送り込み、貯留させることが可能である。

貯湯タンクユニットＵに設けられた第３の湯水流路３Ｃは、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの途中箇所どうしをバイパス接続するバイパス路としての湯水流路であり、第２の湯水流路３Ｂ（または第１の湯水流路３Ａ）に対して、バルブＶ３（三方弁）を介し
て接続されている。バルブＶ３の切替えにより、バイパス湯水循環路Ｂを設定可能である。このバイパス湯水循環路Ｂは、図１の矢印Ｎ１〜Ｎ４で示す経路で湯水を循環可能とする湯水流路であって、凝縮熱交換器１２から第２の湯水流路３Ｂに流れた湯水が、貯湯タンク２に供給されることなく、第３の湯水流路３Ｃに流れ込んで第１の湯水流路３Ａおよび凝縮熱交換器１２に戻される湯水循環路である。このバイパス湯水循環路Ｂの設定時においては、湯水を前記した一定の経路で循環させながら凝縮熱交換器１２を利用して加熱することが可能である。
勿論、前記したバイパス湯水循環路Ｂが解除された通常状態においては、凝縮熱交換器１２から第２の湯水流路３Ｂに流れた湯水は、第３の湯水流路３Ｃに流れ込むことなく、貯湯タンク２に向けて流れる。

主制御部４および補助制御部４Ａは、本発明でいう制御手段の一例に相当し、マイクロコンピュータなどを用いて構成されている。主制御部４は、貯湯タンクユニットＵの各部の動作制御を行なう。補助制御部４Ａは、主制御部４との間でデータ通信を実行し、かつ主制御部４からの指示などにしたがってヒートポンプ装置Ｈの各部の動作制御を実行する。ヒートポンプ装置Ｈにおいて実行される動作制御としては、蒸発熱交換器１０への着霜の有無の判断処理、および除霜運転の動作制御などがあり、これらの点については後述する。
ヒートポンプ装置Ｈには、外気温度を検出するための外気温度センサＳａ、蒸発熱交換器１０の冷媒出口側温度を検出するための冷媒出口側温度センサＳｂ、および凝縮熱交換器１２への入水温度を検出するための入水温度センサＳｃも設けられている。

次に、前記したヒートポンプ給湯装置ＷＨにおいて実行される動作処理手順の例について、図２に示すフローチャートを参照しつつ説明し、合わせてその作用も説明する。

まず、ヒートポンプ装置Ｈの運転時においては、主制御部４および補助制御部４Ａの少なくとも一方において、蒸発熱交換器１０に着霜が発生しているか否が常時または周期的に判断されている（Ｓ１）。この判断手法としては、たとえば外気温度センサＳａで検出される外気温度と、冷媒出口側温度センサＳｂで検出される蒸発熱交換器１０の冷媒出口側温度との温度差を検出し、かつこの温度差が所定の閾値以上になった場合に、着霜が生じていると判断する手法が用いられる。この手法は、蒸発熱交換器１０に着霜がなく、熱交換効率が高い場合には、外気温度と冷媒出口側温度との温度差は小さいのに対し、着霜が生じて蒸発熱交換器１０の効率が低下すると、前記温度差は大きくなる原理に基づく。勿論、前記以外の手法により着霜の有無を判断してもかまわない。

前記した判断において、蒸発熱交換器１０に着霜が生じたと判断された場合、入水温度センサＳｃで検出される凝縮熱交換器１２への入水温度Ｔ１が、所定の第１の温度Ｔh1未満であるか否が判断される（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。この判断は、後で実行される除霜運転時に、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂにおいて凍結の虞があるか否かの判断に相当する。入水温度Ｔ１が第１の温度Ｔh1以上であって、凍結の虞がない場合には、その後除霜運転が直ちに開始される（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ７）。
除霜運転は、ヒートポンプ１の圧縮機１１を動作させて冷媒を循環させるが、膨張弁１３の開度を通常時よりも大きくし、蒸発熱交換器１０に送り込まれる冷媒の温度を高くする運転である。

これに対し、前記とは異なり、凝縮熱交換器１２への入水温度Ｔ１が第１の温度Ｔh1未満である場合には、除霜運転は直ちには開始されず、バルブＶ３の切替えにより、前記したバイパス湯水循環路Ｂが設定される（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４）。この場合、ポンプＰは運転オン状態であり、このことによりバイパス湯水循環路Ｂの湯水は、このバイパス湯水循環路Ｂを循環しながら凝縮熱交換器１２によって加熱され、昇温していく。その後、入水
温度Ｔ１が、所定の第２の温度Ｔh2まで上昇すると、その時点でポンプＰの運転は停止されるとともに、バルブＶ３の切り替えにより、前記したバイパス湯水循環路Ｂの設定状態が解除される（Ｓ５：ＹＥＳ，Ｓ６）。その後、ヒートポンプ装置Ｈにおいては、蒸発熱交換器１０の除霜運転が行なわれる（Ｓ７）。ステップＳ６におけるポンプＰの運転オフは、ステップＳ７における除霜運転の開始時以降になされてもよい。

前記した一連の動作処理によれば、入水温度Ｔ１が低く、除霜運転中に第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの湯水が凍結する虞がある場合には、除霜運転が開始される前に、凍結を生じない第２の温度Ｔh2まで加熱されるため、除霜運転中に、湯水の凍結を防止すべく凝縮熱交換器１２を利用して第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの湯水を加熱する必要はない。凝縮熱交換器１２を利用して前記湯水を加熱したのでは、凝縮熱交換器１２において冷媒の温度が不当に低下し、除霜が困難化するが、本実施形態によれば、そのような不具合を回避することが可能である。したがって、除霜運転を効率よく、かつ迅速に終了させることができる。

一方、蒸発熱交換器１０への着霜が生じた場合において、入水温度Ｔ１が高く、凍結を生じる虞がない場合には、除霜運転が直ちに開始されており、除霜運転前に第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの湯水が加熱されることは回避されているため、エネルギ消費の無駄をなくすこともできる。
本実施形態のヒートポンプ給湯装置ＷＨにおいては、ヒートポンプ装置Ｈに、図４の従来技術における除霜用バイパス路１８が設けられていないため、ヒートポンプ装置Ｈの簡素化を図ることができる。

ヒートポンプ給湯装置ＷＨにおいては、図３に示すような動作制御が可能な構成とすることもできる。

すなわち、リモコン４０、主制御部４、または補助制御部４Ａの少なくとも１つにおいては、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの一部を構成する外部接続配管３９（図１を参照）の長さをスイッチ操作により入力可能とされている。この入力の仕方は、たとえば、「短」「中」「長」でもよいし、実際の長さの数値を入力してもよい。このような入力がなされると、主制御部４および／または補助制御部４Ａにおいては、前記入力がなされた外部接続配管３９の長さＬに応じて、第２の温度Ｔh2を設定する（Ｓ２１：ＹＥＳ，Ｓ２２）。外部接続配管３９の長さＬが長いほど、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂの湯水は凍結し易くなるため、外部接続配管３９の長さＬが長い場合には、長さＬが短い場合よりも第２の温度Ｔh2は高くされる。

また、フローチャートは省略するが、第１および第２の湯水流路３Ａ，３Ｂは、外気温が低いほど凍結し易くなる。したがって、外気温が低いほど、第２の温度Ｔh2を高くする制御を、主制御部４および／または補助制御部４Ａに実行させるように構成することもできる。
第２の温度Ｔh2と同様に、第１の温度Ｔh1についても、種々の条件に応じて、スイッチ操作や、主制御部４および／または補助制御部４Ａの制御により、適宜変更できるように構成することもできる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るヒートポンプ給湯装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

ＷＨ 給湯装置
Ｂ バイパス湯水循環路
１ ヒートポンプ
１０ 蒸発熱交換器
１１ 圧縮機
１２ 凝縮熱交換器
１３ 膨張弁
２ 貯湯タンク
３Ａ〜３Ｃ 第１ないし第３の湯水流路
４ 主制御部（制御手段）
４Ａ 補助制御部（制御手段）

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、
   冷媒用の圧縮機、湯水加熱用の凝縮熱交換器、膨張弁、および蒸発熱交換器を有するヒートポンプと、
   前記貯湯タンクを前記凝縮熱交換器に接続し、かつ前記貯湯タンクから前記凝縮熱交換器への湯水供給、および前記凝縮熱交換器によって加熱された湯水の前記貯湯タンクへの戻しを可能とする第１および第２の湯水流路と、
   前記蒸発熱交換器への着霜が生じた場合に、前記ヒートポンプに除霜運転を実行させる制御を行なう制御手段と、
   を備えている、ヒートポンプ給湯装置であって、
   前記第１および第２の湯水流路どうしをバイパス接続する第３の湯水流路を備え、かつ前記凝縮熱交換器から前記第２の湯水流路に流出した湯水を前記第３の湯水流路を介して前記第１の湯水流路および前記凝縮熱交換器に戻して循環させながら前記凝縮熱交換器による湯水加熱が可能なバイパス湯水循環路を切替え設定可能とされており、
   前記制御手段は、前記除霜運転を開始させる前に、前記バイパス湯水循環路を設定し、このバイパス湯水循環路の湯水加熱を実行させるように構成されていることを特徴とする、ヒートポンプ給湯装置。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置であって、
   前記バイパス湯水循環路の湯水加熱は、前記蒸発熱交換器への着霜が生じた時点において、前記第１の湯水流路から前記凝縮熱交換器への入水温度が所定の第１の温度よりも低い場合に行なわれ、そうでない場合には行なわれないように構成されている、ヒートポンプ給湯装置。
3. 請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置であって、
   前記バイパス湯水循環路の湯水加熱は、この湯水加熱が開始された後において、前記第１の湯水流路から前記凝縮熱交換器への入水温度が所定の第２の温度まで上昇した時点で終了し、その後に前記除霜運転が開始されるように構成されている、ヒートポンプ給湯装置。

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