JP2916655B2

JP2916655B2 - 給湯用ヒートポンプ

Info

Publication number: JP2916655B2
Application number: JP27118892A
Authority: JP
Inventors: 正実緒方; 幸敏浦田; 忠宏知野; 保石川; 基司吉原
Original assignee: NISHODO KUCHOKI KK
Current assignee: NISHODO KUCHOKI KK
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 1999-07-05
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JPH0694303A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は給湯用ヒートポンプに係
り、詳しくは貯湯槽に温水を貯めた後、その温水を給湯
する運転方法だけでなく、必要時には、たとえ貯湯槽に
温水がなくとも、直ちに給湯可能な給湯用ヒートポンプ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の給湯用ヒートポンプは、循環運転
型と呼ばれるものがほとんどで、これは、貯湯槽全体に
温水を貯め、それではじめて給湯可能となる運転方法で
ある。具体的に説明すると、給湯用ヒートポンプは、一
般的に、貯湯槽とヒートポンプとからなり、貯湯槽内の
水を、配管を通じて、ヒートポンプ側へ送り込み、凝縮
器で加温した後、別の配管を通じて貯湯槽へ戻すように
構成されているが、循環運転は、この循環を繰り返すこ
とで、貯湯槽全体の水を徐々に昇温させるものである。

【０００３】その場合、装置としては、貯湯槽と凝縮器
とを連結する配管に比較的太いものが使用されているこ
とが特徴で、貯湯槽内の水はこの配管を流れ、通常、ヒ
ートポンプを一回通過する度に、５℃ずつ上昇する。そ
して、これが長時間繰り返されて、例えば５０℃等の予
め設定した温度に到達するようになっている。設定温度
到達は、槽の下部に取り付けたセンサーにより検知可能
で、設定温度を検知すると、ヒートポンプが停止するよ
うになっている。一般に、このような循環運転による給
湯用ヒートポンプは、一晩（１０時間前後）で設定温度
まで沸き上がる様に設計されており、経済的な夜間電力
等によってヒートポンプを運転し、日中、沸き上がった
湯を利用するといった使い方が便利とされる。

【０００４】ところで、リゾートマンション等に、この
ような循環運転型の給湯用ヒートポンプが設置されてい
ることがあるが、リゾートマンションの場合、湯の利用
が不定期的であり、何日もヒートポンプの運転停止が続
くと、その間に、前回沸かした湯が放熱していることも
ある。そのようなときには、ヒートポンプを運転して
も、その日の浴槽等への給湯は、到底間に合わず、実用
性に乏しいという問題があった。

【０００５】一方、給湯用ヒートポンプには、以上の循
環運転型とは別に、貫流運転型とよばれるものが知られ
ている（特開平２−１９５１３０号公報、特開平３−１
５８５６４号公報等参照）。

【０００６】この場合は、貯湯槽からヒートポンプへ向
かう下部配管に、前記循環運転の場合に比して、略１０
分の１の細径のものが使用され、しかもその配管に制水
弁が介設されていることが特徴で、ヒートポンプに供給
する水の流量をごく小量に制御し、これによって、一度
の循環で、冷媒の飽和温度、場合によっては飽和温度以
上の湯を取り出すことを可能となしている。即ち、この
場合は、時間当たり大量の湯を供給することはできない
が、いわば、瞬間湯沸器同様に、時間を待たずに適性温
度の湯を得ることは可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
に夫々特徴ある二つの運転方式であるが、従来の給湯用
ヒートポンプにおいて、循環運転と貫流運転の双方が可
能なものはなかった。本発明は、かかる実状に鑑みて、
一つの給湯用ヒートポンプで、循環運転も貫流運転も可
能な構成とすることにより、前記したリゾートマンショ
ンにおける問題を解決すると共に、さらに貯湯槽全体に
湯を沸き上げる場合であっても、従来に比し、より効率
的に沸き上げ可能とすることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的に適合す
る本発明の特徴は、ヒートポンプと貯湯槽とを、貯湯槽
下部よりヒートポンプの凝縮器へ至る下部配管、及び、
凝縮器から貯湯槽へ至る上部配管により連結し、下部配
管に介設したポンプにより、貯湯槽内の水を前記凝縮器
へ繰り返し循環させて、貯湯槽内の水を徐々に昇温させ
る給湯用ヒートポンプにおいて、前記下部配管に主電磁
弁を介設し、該主電磁弁と並列に補助配管を接続すると
共に、該補助配管に、前記ヒートポンプにおける凝縮器
の出口側水温、または、圧縮機の出口側冷媒圧力にもと
づいて開閉する制水弁を介設したことである。

【０００９】また、請求項２に記載した発明は、貯湯槽
内の水全量を、より効率的に加熱することを目的とし
て、下部配管に、貯湯槽流出の水の温度を検知する温度
センサを介設すると共に、主電磁弁を前記温度センサの
検出値が所定値以下のとき閉鎖し、所定値以上のとき開
放する如く、制御可能ならしめたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明によれば、主電磁弁を開放することによ
り、従来同様の循環運転ができ、主電磁弁を閉鎖するこ
とにより、貫流運転ができる。貫流運転について特に説
明すると、主電磁弁の閉鎖により、貯湯槽からヒートポ
ンプへ向かう水は、補助配管を流れ、制水弁によりその
流量が制限される。そしてこの流量制限によりヒートポ
ンプにおける冷媒の高圧圧力が上昇して、例えば、冷媒
飽和温度近くの温水を、直ちに得ることができる。な
お、その際の温水の温度は、制水弁の開閉作動により維
持されるが、これを詳しく説明すると、制水弁が前記凝
縮器の出口側水温に応じて開閉するもの、即ち、温度制
水弁であった場合には、凝縮器の出口水温が低下すれ
ば、制水弁が閉鎖方向に作動して、供給水量を減らし、
これにより、水温上昇をはかり、一方、凝縮器の出口水
温が上昇すれば、開放方向に作動して、供給水量を増や
し、水温降下をはかることになる。

【００１１】また、周知のように、凝縮器出口の水温
は、冷媒の圧力相当の飽和温度に近い値をとるものであ
り、このため、上記制水弁が、圧縮機の出口側冷媒圧力
に応じて開閉するものである場合、即ち、圧力制水弁の
場合も同様の作用が奏され、凝縮器の出口水温が低下す
れば圧力制水弁は閉鎖し、供給水量を減らして圧力上昇
をはかり、これにより水温上昇をはかる一方、出口水温
が上昇すれば、開放して供給水量を増やし、冷媒の圧力
降下をはかって水温を降下させる。

【００１２】次に、請求項２記載の装置では、貯湯槽全
体を所定温度に沸き上げる場合について説明する。ま
ず、主電磁弁の開放所定温度を、例えば、目標加熱温度
よりもやや低い中間温度とする。そして、給湯負荷への
給湯を行わずに上記貫流運転を続ける。すると、槽内
は、上部から下部へ、次第に高温水が多く占めるように
なる。このとき、高温水の下方は、直ちに低温水ではな
く、その間には、両者の中間温度を示す境界層が存在し
ており、この境界層部分も次第に降下する。そして、こ
の境界層部分が槽内の下部配管接続部分まで下がってく
ると、中間温度の水が下部配管を流れ出る。

【００１３】この中間温度の水に対しては、これまでの
貫流運転では、もはや高温になりすぎるが、ここで、下
部配管に設置した温度センサがこの中間温度を検知する
ので、これに連動して主電磁弁が開き、これにより、凝
縮器へ流れる流量が増加して、今までの貫流運転は循環
運転にきりかわる。この結果、下部配管接続部以下の温
水は僅かずつ温度上昇し、最終的には、貯湯槽全体が所
期の温度に沸き上がることになる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづき説明
する。図１は、本発明に係る給湯用ヒートポンプの配管
図で、ヒートポンプ（１）と貯湯槽（１０）よりなる。
ヒートポンプ（１）は、圧縮機（２）、凝縮器（３）、
液ガス熱交換器（４）、冷媒膨張弁（５）、蒸発器
（６）を順次冷媒配管により接続して構成される。な
お、圧縮機（２）吸入側には、アキュームレータ（７）
が配され、また、蒸発器（６）には、ファン（８）が付
設されている。

【００１５】一方、貯湯槽（１０）は、水道水等を槽本
体（１０）に供給するための給水配管（１１）と、槽本
体（１０）内の湯を負荷側へ供給するための給湯配管
（１２）とを、槽（１０）上部に備える他、槽（１０）
内に、給水配管（１１）による給水と加熱後の温水とが
混ざらないように、仕切り板（１３）が立設され、さら
に槽（１０）内下部には、沸き上がりを検知する温度セ
ンサ（１４）が配置された構造となっている。なお、温
度センサ（１４）の検知温度は、ヒートポンプ（１）側
の制御盤（１５）に伝えられ、ヒートポンプの動作が制
御されるようになっている。また、前記給水配管（１
１）には、その先端に貯湯槽（１０）内の水位を常に一
定に保つためのボールタップ（１６）が固定され、一
方、前記給湯配管（１２）には、負荷への給湯を行うた
めの水ポンプ（１７）が介設されている。

【００１６】以上のヒートポンプ（１）と、貯湯槽（１
０）とは、上下二本の配管（１８）（１９）により連結
されている。まず、上部配管（１８）は、凝縮器（３）
一端から貯湯槽（１０）の中間部へと接続されていて、
凝縮器（３）によって加熱された温水を貯湯槽（１０）
へ戻す配管となっている。一方、下部の配管（１９）
は、貯湯槽（１０）下部から凝縮器（３）他端へと接続
されており、貯湯槽（１０）出口近傍に介設した水ポン
プ（２０）により、貯湯槽（１０）内の水を凝縮器
（３）へ送出可能となっている。

【００１７】そして、この下部配管（１９）に、本発明
の特徴として、温度センサ（２１）及び主電磁弁（２
２）が介設され、さらに主電磁弁（２２）と並列に、下
部配管の略１０分の１の太さの補助配管（２３）が接続
され、この補助配管（２３）に圧力制水弁（２４）が介
設されている。なお、主電磁弁（２２）と温度センサ
（２１）とは、電気的に接続されていて、温度センサ
（２１）が所定温度（例えば、後述するように４５℃）
を検知すると、それまで閉鎖していた主電磁弁（２２）
が開放するようになっている。また、補助配管（２３）
における圧力制水弁（２４）は、圧縮機（２）出口側の
冷媒圧力を検知して、その圧力により開度を変更可能な
もので、圧縮機（２）出口側とは、細管（キャピラリチ
ューブ）（２５）を介して接続されている。

【００１８】次に、以上の構成の給湯用ヒートポンプに
おけるヒートポンプ（１）側の作動を説明すると、圧縮
機（２）により吐出された高温高圧の冷媒ガスはまず、
凝縮器（３）へ流される。凝縮器（３）へは、貯湯槽
（１０）の下部より通水がなされており、前記冷媒ガス
は、この通水された水によって冷やされ、凝縮液化す
る。そして、液ガス熱交換器（４）、膨張弁（５）を経
て減圧膨張し、蒸発器（６）を流れて、屋外外気と熱交
換し、空気を冷却して、冷媒ガス自身は加熱される。な
お、前記膨張弁（５）は、蒸発器（６）出口でのガス温
度と圧力とにもとづいて開閉作動するもので、蒸発器
（６）出口での冷媒は適正な加熱ガスとなっている。さ
らに次は、この低圧ガスが、液ガス熱交換器（４）によ
り、凝縮器（３）からの冷媒液と熱交換する。これによ
り、冷媒液の過冷却度が大きくなる一方、低圧ガスは更
に過熱度が上昇する。そして、この低圧ガスがアキュー
ムレータ（７）を通り圧縮機（２）へ吸入されて、一連
のサイクルが終了し、さらに新たなサイクルが繰り返さ
れる。

【００１９】続いて、貯湯槽（１０）側の作用について
説明する。なお、ここでは、長期間ヒートポンプを運転
しなかった場合、あるいは、初めてヒートポンプを運転
する場合の給湯運転を想定する。即ち、貯湯槽（１０）
内部の水温は低く、略外気温度に近い場合である（例え
ば７℃）。いま、出湯温度の目標値を約６０℃とし、主
電磁弁（２２）の開閉設定温度を４５℃とする。即ち、
温度センサ（２１）の検出値が４５℃以下であれば、主
電磁弁（２２）は閉じ、４５℃以上になれば開くように
設定する。

【００２０】以上の設定において、下部配管（１９）に
設けた水ポンプ（２０）とヒートポンプ（１）の運転を
開始すると、温度センサ（２１）は当初、４５℃以下を
検知するので、主電磁弁（２２）が閉鎖状態を保ち、補
助配管（２３）のみを水が流れることになる。これは、
貫流運転の状態で、以降、この貫流運転が温度センサ
（２１）が４５℃を検知するまで続く。

【００２１】この貫流運転時、前記圧力制水弁（２４）
は、圧縮機（２）出口側での冷媒の高圧圧力値にもとづ
いて開閉作動する。具体的には、貯湯槽（１０）から通
水される略外気温度の水を、凝縮器（３）により６０℃
まで加熱するに足るだけの高圧圧力が、圧力制水弁（２
４）に基準圧力として設定されている。そして、圧力制
水弁（２４）が、細管（２５）を介して圧縮機（２）出
口側の冷媒の高圧圧力を検知し、それが、基準値以下で
あると、閉鎖方向に作動する。その結果、水流量が減
り、高圧圧力の圧力上昇がはかられる。一方、基準圧力
以上になっていれば開方向に作動する。これにより、水
が多く流れて、圧力が減少することになる。そして、こ
うした凝縮器（３）への水の流量制御により、凝縮器
（３）から貯湯槽（１０）へは、６０℃程度の高温水が
送り込まれることになる。

【００２２】ところで、貯湯槽（１０）の内部へこの６
０℃程度の湯が流入しても、その流量は僅かなため、槽
（１０）内部の水温は、当初、全体的に低く（７℃）、
温度差に起因する比重量差により高温水は槽（１０）上
部へ、低温水は下部へと分離される。このため、高温水
が給湯配管（１４）接続位置まで貯った時点で、水ポン
プ（１７）を駆動すれば、直ちに負荷側へ６０℃の湯を
供給することができる。即ち、図示する程度に給湯配管
（１２）を貯湯槽（１０）の上部に取り付けてさえおけ
ば、槽（１０）全体が沸き上がるのを待たずに、沸き上
がった順に湯の使用ができることになる。

【００２３】一方、この時点で湯を使用しない場合は、
以下のようにして、貯湯槽（１０）全体を約６０℃の湯
に沸き上げることも可能である。即ち、当面は、貫流運
転をそのまま続行することにする。これにより、貯湯槽
（１０）内部の低温水は、次第に槽上部から６０℃の高
温水におき代わる。

【００２４】その際、高温水と低温水との間には、比較
的薄いながらも、両者の中間温度を示す境界相が存在し
ているが、高温水の降下と共に、この境界層も下降す
る。そして、境界層が下部配管（１９）接続位置まで下
降して、境界層のなかの４５℃の湯が下部配管（１９）
へ流れ出ると、温度センサ（１２）がこれを検知し、こ
れに呼応して、主電磁弁（２４）が開く。この結果、水
の流れは、主電磁弁（２２）側へと移り、運転方式が循
環運転へと切りかわる。なお、この場合、補助配管（２
３）側にも小量の水が流れることになるが、補助配管
（２３）の抵抗が極めて大きいため、その流量は極めて
僅かであり、全体的な流れに影響はない。

【００２５】かくして、循環運転が始まると、前記４５
℃の湯は、主電磁弁（２２）を介して凝縮器（３）を流
れ、循環運転特有の加熱作用により、凝縮器（３）出口
からは約５０℃の湯が流れ出る。そして、この約５０℃
の湯が再び主電磁弁（２２）を介して凝縮器（３）を流
れると、約５５℃に加熱され、さらに次の循環では、約
６０℃になる。この頃には、貯湯槽（１０）内部の下部
配管（１９）接続部より少し上に取り付けた前記温度セ
ンサ（１４）が、約６０℃を検出するので、制御盤（１
５）は、その検知信号により、ヒートポンプ（１）を停
止させる。そして、この結果、貯湯槽（１０）全体の湯
温が所期の６０℃にほぼ保持されることになる。

【００２６】以上、本発明装置において、直ちに湯を得
る場合と、貯湯槽全体を沸き上げる場合とについて説明
したが、さらに、上記装置は、簡単な改良により様々な
使い方ができ、例えば、温度センサ（２１）の検出温度
に関係なく主電磁弁（２２）を開閉させる回路を付設す
る等すれば、従来同様、循環運転による貯湯槽（１０）
全体の加熱も可能であり、使用者の要望に応じて、種々
の給湯運転が選択できるようになる。

【００２７】以下、圧力式制水弁（２４）の設定圧力を
２１（Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）とし、ヒートポンプ（１）への
給水温度を７℃とした場合の貫流運転と、ヒートポンプ
（１）への給水温度が５６℃の場合の循環運転について
給水、出湯温度の変化、給水流量等を比較した結果を表
１に示す。以下余白

【００２８】

【表１】

【００２９】何れの場合も、ヒートポンプ（１）を一回
通過するだけで、出湯温度は、６０℃程度まで上昇して
いるが、循環運転の場合は、この表のように、一回の通
過で、５ｄｅｇ℃昇温するもので、この昇温が繰り返さ
れてはじめて、給湯負荷へ給湯可能となるものである。
従って、循環運転における給湯待ち時間は、貯湯槽（１
０）が大きくなるほど長くなる。これに対して、貫流運
転における給湯待ち時間は、貯湯槽（１０）の大きさに
関係ない。換言すれば、同一エネルギー量の貯湯の場
合、貫流運転の方が、より貯湯槽（１０）の容量を小さ
くできることになる。

【００３０】さらに、この表で、もう一点注目すべき
は、水温と冷媒の凝縮圧力との関係である。同じ出湯温
度を得るのに、冷媒の凝縮圧力とその圧力に対応する相
当飽和温度に違いがあり、貫流運転では循環運転に対
し、相当飽和温度が約６ｄｅｇ℃低くなっている。つま
り、許容される冷媒高圧圧力に対して、貫流運転の方
が、高い出湯温度を得ることができる。このことは、貫
流運転の方が経済的な運転であることを意味する。本発
明は、このように効率的な給湯ができる貫流運転を実行
できるものであり、この表からも、本発明給湯用ヒート
ポンプの優れた点が理解される。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ヒート
ポンプと貯湯槽とを、貯湯槽下部よりヒートポンプの凝
縮器へ至る下部配管、及び、凝縮器から貯湯槽へ至る上
部配管により連結し、下部配管に介設したポンプによ
り、貯湯槽内の水を前記凝縮器へ繰り返し循環させて、
貯湯槽内の水を徐々に昇温させる給湯用ヒートポンプに
おいて、前記下部配管に主電磁弁を介設し、該主電磁弁
と並列に補助配管を接続すると共に、該補助配管に、前
記ヒートポンプにおける凝縮器の出口側水温、または、
圧縮機の出口側冷媒圧力にもとづいて開閉する制水弁を
介設した給湯用ヒートポンプであるから、いわゆる循環
運転も貫流運転も、ともに運転可能で、夜間電力等によ
り循環運転をして、貯湯層全体を所定温度に沸かし上
げ、その湯を日中使用するといった使い方は勿論、貯湯
層に湯がない場合、あるいはあっても湯の温度が低すぎ
る場合等は、貫流運転により適性温度の湯をすぐに使用
することができ、リゾートマンションのように、給湯用
ヒートポンプを不定期的に使用する場所では、とりわけ
便利なものとなる。

【００３２】また、請求項２に記載した発明は、上記装
置の下部配管に、貯湯槽流出の水の温度を検知する温度
センサを介設すると共に、主電磁弁を前記温度センサの
検出値が所定値以下のとき閉鎖し、所定値以上のとき開
放する如く、制御可能ならしめたものであるから、貫流
運転を主体として、貯湯層全体を所定温度の湯に沸き上
げることができ、貫流運転特有の効率的な加熱が享受で
きて、これまでのような循環運転だけで沸き上げる場合
に比し、同一の冷媒の許容高圧に対して高温度の湯を得
ることができ、高質な給湯が可能となり、同一エネルギ
量の貯湯を行う場合であれば、貯湯槽の大きさを小さく
できる効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る給湯用ヒートポンプの配管構成図
である。

【符号の説明】

（１）ヒートポンプ（３）凝縮器（１０）貯湯槽（１８）上部配管（１９）下部配管（２０）水ポンプ（２１）温度センサ（２２）主電磁弁（２３）補助配管（２４）制水弁

フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−248945（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F24H 1/00 611

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒートポンプと貯湯槽とを、貯湯槽下部
よりヒートポンプの凝縮器へ至る下部配管、及び、凝縮
器から貯湯槽へ至る上部配管により連結し、下部配管に
介設したポンプにより、貯湯槽内の水を前記凝縮器へ繰
り返し循環させて、貯湯槽内の水を徐々に昇温させる給
湯用ヒートポンプにおいて、前記下部配管に主電磁弁を
介設し、該主電磁弁と並列に補助配管を接続すると共
に、該補助配管に、前記ヒートポンプにおける凝縮器の
出口側水温、または、圧縮機の出口側冷媒圧力にもとづ
いて開閉する制水弁を介設したことを特徴とする給湯用
ヒートポンプ。
【請求項２】下部配管に、貯湯槽流出の水の温度を検
知する温度センサを介設すると共に、主電磁弁を前記温
度センサの検出値が所定値以下のとき閉鎖し、所定値以
上のとき開放する如く、制御可能ならしめたことを特徴
とする請求項１記載の給湯用ヒートポンプ。