JP3663942B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明はヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のヒートポンプ給湯装置は、図８に示すように圧縮機１、凝縮器２、減圧器３、蒸発器４が順次閉回路に接続された冷媒流路５からなるヒートポンプユニット６と、貯湯タンク７、循環ポンプ８、前記凝縮器２、ヒータ９が接続された水流路１０からなる給湯ユニット１１からなっていた。
【０００３】
上記構成のヒートポンプ給湯装置では、圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は凝縮器２に流入し、ここで循環ポンプ８から送られてきた水を凝縮熱で加熱し貯湯タンク７に貯えるもので、外気温度が低い場合はヒータ９を兼用して高温の沸き上げを行っていた。一方凝縮器２で凝縮液化した冷媒は減圧装置３で減圧され蒸発器４に流入し、ファン１２で集められた大気熱を吸熱して蒸発ガス化し再び圧縮機１に戻るサイクルで運転されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のヒートポンプ給湯装置は、エネルギー効率という点では他の給湯装置に比べ優れているが、電気温水器と同様、風呂給湯やシャワー給湯に対応するため図８に示すように沸き上げたお湯をいったん貯湯する３００リットルから４６０リットル程度の大きな貯湯タンク７を有しており、そのため設置スペースが他の給湯機よりその分大きくなり、設置できる場所が限定される。また湯切れ防止のために高出力のヒータ９を有しており、１００V電源が使用できず特別に２００Ｖの電源工事が必要となる。さらに外気温度が低い冬季等は大気からの吸熱効率が低下し、ヒートポンプ給湯機の特長である効率面での効果を十分に引き出せないという課題を有していた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が閉回路で接続された冷媒流路に、凝縮器には冷媒流路と熱交換を行う水流路が設けられ、その水流路の入口側には給水管、出口側には給湯管が接続されたヒートポンプユニットと、給水管と出湯管が接続された熱交換部と、熱交換部を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部等を設けた燃焼ユニットと、給湯管と出湯管を一つの流路に接続混合する混合部と、ヒートポンプユニットと燃焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部とを有し、前記給湯制御部は給湯開始時には前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットを同時運転し、その後ヒートポンプユニット単独で運転を行うものである。
【０００６】
上記手段によれば、風呂給湯やシャワー給湯等の大流量を必要とする給湯用途に対しては、ヒートポンプユニット運転による給湯に加えて、不足分は同時に燃焼ユニット運転による給湯が行なわれるため、給湯管と出湯管を接続する混合部で所望のお湯を十分に供給することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が接続され閉回路で構成された冷媒流路で凝縮器には冷媒流路と熱交換を行う水流路が設けられ、水流路に給水管と給湯管が接続されたヒートポンプユニットと、給水管と出湯管が接続された熱交換部と、熱交換部を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部等を設けた燃焼ユニットと、給湯管と出湯管を接続する混合部と、ヒートポンプユニットと燃焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部とを有し、前記給湯制御部は給湯開始時には前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットを同時運転し、その後ヒートポンプユニット単独で運転を行うようにしたものである。
【０００８】
そして、台所、風呂、シャワー等の給湯用途に対して使用するお湯の温度や流量が異なるが、ヒートポンプユニットの給湯管と燃焼ユニットの出湯管とが混合部で接続混合され、給湯制御部が給湯時は常にヒートポンプユニットを運転し、給湯能力に対する不足分は燃焼ユニットによる運転で行うようにしているため、例えば風呂給湯の場合は、ヒートポンプユニットの給湯運転に加えて不足分のお湯を燃焼ユニット運転を行うことによって、大流量出湯を行うことができる。従って、給湯エネルギーを例えばすべての給湯モードをガス給湯機単独で使用した場合と比較すると、ヒートポンプユニットのエネルギー効率が高い分省エネ効果を得ることができる。また貯湯タンクやヒータを必要としないため貯湯タンクがない分コンパクト化が図れ設置が簡単となり、工事性も大幅に向上することができる。
【０００９】
また、制御器の給湯制御部は、給湯開始時は燃焼ユニットを運転し、運転中の燃焼ユニットを流れる水量値から燃焼ユニットの運転選択を行うようにしたものである。
【００１０】
そして、給湯用途が給湯開始時にどの程度要求されるか分からないため、給湯開始時には大流量出湯にただちに対応できる燃焼ユニットを運転し、運転中の燃焼ユニットを流れる水量値で予め設定した流量設定値と比較して、燃焼ユニットの継続又は停止するようにしたものである。従って、それぞれのユニットが単独運転が可能となるため、燃焼ユニット側の能力は広い範囲がいらなくなり、燃焼ユニットのための制御仕様が簡単で済み、能力切換や異常音の発生対策等それに伴う各種課題も減少して信頼性も向上できる。また水量値の判定から各ユニットを切り換えるだけの制御でよいため給湯制御部が簡単化できる。
【００１１】
さらに燃焼ユニットから生じる廃熱をヒートポンプユニットの蒸発器で吸熱させて給湯を行うものである。
【００１２】
そして、燃焼ユニットの燃焼効率は通常８０％程度で、残り２０％のエネルギーを排気部から大気へ放出しているのが現状で、この排気熱を吸熱させるために蒸発器を排気部近辺に設けることによって、大気熱以上の高温環境で常にヒートポンプユニットの運転が可能となり、季節に関係なく年間安定してヒートポンプ運転による省エネ効果を得ることができる。また、廃熱の有効利用による高効率化に加えて、燃焼ユニット側からみると、高温の排気ガスが蒸発器で吸熱されるため、低温化されて放出され安全面での向上が図れる。
【００１３】
また燃焼ユニットの排気部に蒸発器を配設したものである。
【００１４】
そして、蒸発器をさらに高温雰囲気中に設けたため、蒸発器がよりコンパクト化でき、一方、逆に蒸発器の大きさを変えない場合はヒートポンプユニットの能力を大きくすることができる。
【００１５】
さらに燃焼ユニットの熱交換部を蒸発器と共用したするものである。
【００１６】
そして、燃焼ユニットの熱交換部をヒートポンプユニットの蒸発器と共用したため、冷媒配管以外の蒸発器を構成するフィンの部品が不要となり、例えば燃焼ユニットとヒートポンプユニットを一つのケース内に収納するようなことも可能となり、より装置のコンパクト化が実現できる。
【００１７】
また制御器の給湯制御部は、給湯開始時は燃焼ユニットを運転し、蒸発器出口の冷媒流路の温度で燃焼ユニットの加熱能力を可変するものである。
【００１８】
そして、ヒートポンプユニット側の冷媒回路設計は、通常システムに組込む前に予め使用する圧縮機、凝縮器、蒸発器、減圧器のサイクルが環境条件に対して支障なく動作するように冷媒封入量の仕様が決められるが、燃焼廃熱環境による蒸発器の温度最適化を得るよう蒸発器出口の温度が常に設定値以下にする加熱能力制御を行うため、ヒートポンプユニットの高効率運転が可能になると共に、蒸発器を直接加熱してもヒートポンプユニットの異常運転が防止できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の系統図である。図１においてヒートポンプユニット１３は、圧縮機１４、凝縮器１５、減圧器１６、蒸発器１７と蒸発器１７に大気を通過させて大気熱を集めるファン１８から構成され、上記サイクルで予め所定の性能が得られるように決められた冷媒量が封入された冷媒流路１９で接続される。凝縮器１５には冷媒の流れと対向する水流路２０が設けられており、入口側を給水管２１、出口側を給湯管２２に接続されている。また凝縮器１５の入口側の給水管２１には水量を検出する流量センサー２３Aと閉止機能を有し水量を制御する水制御弁２４Aが設けられ、給湯管２２には給湯温度を検出する給湯サーミスタ２５を有している。一方、燃焼ユニット２６は燃焼部２７、熱交換部２８、排気部２９で構成され、熱交換部２８の入口側は上流で分岐された給水管２１と、出口側は出湯管３０と接続されている。燃焼ユニット２６の給水管２１には水量を検出する流量センサー２３Bと水制御弁２４Bと入水温を検出する入水サーミスタ３１が取付けられ、出湯管３０には出湯温度を検出する出湯サーミスタ３２が設けられている。また燃焼部２７には燃料をオン、オフする元電磁弁や供給量を比例制御する比例弁等を有したガスブロック３３と燃焼空気を供給する燃焼ファン３４が接続されている。そして燃焼ユニット２６の出湯管３０とヒートポンプユニット１３の給湯管２２は、混合部３５で連通され給湯配管３６により給湯栓３７と接続されている。また各ユニットは商用電源３８から電力を供給され、各種センサーの信号を取込み各種アクチュエータへの信号や操作出力を出力して燃焼ユニット２６とヒートポンプユニット１３の運転動作を制御する制御器３９を有し、この制御器３９にはユニットを流れる水量値から運転選択を行う給湯制御部４０を有している。さらに端末側にはヒートポンプ給湯装置本体のリモコン４１が設けられ、電源スイッチ４２、表示部４３、温度設定スイッチ４４を有している。
【００２１】
次に動作について説明する。電源スイッチ４２を入れると、オフ時に給水管２１を閉止している水制御弁２４A、２４Bが全開開度状態になる。次に給湯栓３７が開栓されると市水が給水管２１よりそれぞれのユニットへ供給される。それぞれ個々の動作について説明する。先ずヒートポンプユニット１３による運転は、流量センサー２３Aで予め設定されている最低動作流量以上の水量値が検出されると、先ずファン１８が駆動し次に圧縮機１４が起動され、温度設定スイッチ４４の温度になるよう給湯サーミスタ２５の検出値と比較して凝縮器１５に流す水量を水制御弁２４Aで制御し、給湯管２２より混合部３５へ送る。インバータ駆動の場合は圧縮機１４の回転数が可変できるため、それに伴い冷媒循環量が可変しそれに対応して減圧器１６も自動制御されるが通常電源の場合は、予め冷凍サイクルの各値は決められているので減圧器１６はキャピラリーチューブで固定されるか、蒸発器１７出口温度に対応して機械的に動作する温度式膨張弁が使用される。
【００２２】
次に燃焼ユニット２６の運転をガス給湯機の例で示す。流量センサー２３Bで最低動作流量の水量値が検出されると、燃焼ファン３４が始動し、点火状態に入りガスブロック３３の元電磁弁、比例弁が開かれ燃焼部２７で着火し燃焼を開始する。そして熱交換部２８で給水管２１から供給される水を多数のフィンを有したパイプ内に通して熱交換を行い、設定温度のお湯を出湯管３０より混合部３５へ送る。その結果同時運転の場合は、両ユニットからお湯が作られ給湯管２２と出湯管３０を通して混合部３５で混合され、一つに連通されて給湯配管３６を通り給湯栓３７より供給される。その時、温度設定に対する制御器３９の制御は、温度設定スイッチ４４の温度が最終の給湯栓３７で得られるよう、温度設定値と出湯サーミスタ３２の検出値を比較して入水サーミスタ３１との温度差と水量値から所定の燃焼量になるようにガスブロック３３を制御し、それに伴い燃焼状態を維持するために燃焼ファン３４の回転数が制御される。また燃焼後の高温の排気ガスは排気部２９よりユニット外へ放出される。一方、両ユニット運転に対する制御は、図２の運転動作状態の関係で示されるように、給湯開始時には前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットを同時運転し、その後ヒートポンプユニット単独で運転を行う制御が示されており、ヒートポンプユニット運転を優先して常に給湯運転するようにしている。通常ヒートポンプユニット１３の運転から得られる湯量は少なく、大流量を要求された場合は燃焼ユニット２６からの供給が中心となるが、逆に小流量の場合はヒートポンプユニット１３単独で給湯する方が効率的である。これらの単独または同時運転の制御は給湯制御部４０で予め設定した流量設定値と各流量センサー２３A、２３Bの検知水量の合計値との比較を行うことにより判定する。
【００２３】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャートである。
【００２４】
実施例１と異なる点は、制御器３９の給湯制御部４０が給湯開始時は燃焼ユニット２６を運転し、燃焼ユニット２６の流量センサー２３Bの水量値を取込んで流量設定値と比較し、設定値以上であれば引続き燃焼ユニット１３運転を継続し、設定値以下の時は水制御弁２４Bを閉止し、燃焼ユニット１３の運転を停止動作になるよう制御し、ヒートポンプユニット２６の運転に切替えていくもので、運転中の燃焼ユニットを流れる水量値から燃焼ユニットの運転選択を行うようにしたものである。
【００２５】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３のヒートポンプ給湯装置の系統図である。なお実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００２６】
実施例１と異なる点は、蒸発器４５を燃焼ユニット２６の廃熱が吸熱できるように配設したことである。図４は実施例１の蒸発器１７と並列にもう一つの蒸発器４５を設けた場合を示すが、大気熱を吸熱する蒸発器１７はなくてもよい。図４では凝縮器１５下流側で電磁弁４６、４７を介して冷媒流路１９を分岐し、新しく設けた冷媒流路４８に減圧器４９と蒸発器４５を設け、その出口側に蒸発サーミスタ５０を取り付けている。この蒸発サーミスタ５０は廃熱を吸熱する蒸発器４５内の冷媒ガスの過熱度を最適化するために設けられている。さらに圧縮機１４入口側のそれぞれの冷媒流路１９、４８に逆止弁５１、５２を設けている。
【００２７】
次に動作を説明する。図４のように二つの蒸発器１７、４５を有する場合の冷媒流路１９、４８の選択は、例えば図示していないが二つの蒸発器１７、４５の雰囲気温度や出口温度の比較で行うことができ、より多く吸熱できる流路が選択される。通常、燃焼ユニット２６が運転されている場合や停止後は、電磁弁４６は閉止され電磁弁４７が開けられ蒸発器４５側の冷媒流路４８が使用され、この蒸発器４５で燃焼ユニット２６の燃焼量の約２０％弱が吸熱され利用される。
【００２８】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４のヒートポンプ給湯装置の系統図である。
【００２９】
実施例３と異なる点は、蒸発器４５を燃焼ユニット２６の排気部２９に設けたところである。設置場所は排気部２９壁面、内部いずれでもよい。これにより廃熱が蒸発器４５とより安定して熱交換される。
【００３０】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５のヒートポンプ給湯装置の系統図である。
【００３１】
実施例３と異なる点は、蒸発器４５を燃焼ユニット２６の熱交換部２８に設けたところである。熱交換部２８の伝熱面積を増やしたフィンを共用し、その一部の銅管パイプを冷媒流路４８と接続して蒸発器４５として使用している。
【００３２】
（実施例６）
図７は本発明の実施例６のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャートである。
【００３３】
実施例１と異なる点は、蒸発器４５出口温度を蒸発サーミスタ５０で検出して、その値が設定上限値以下となるようにガスブロック３３を構成する比例弁等や燃焼ファン３４を制御して燃焼ユニット２６の過熱能力を可変するところである。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ハード面では設置条件を決定していた貯湯タンクが不要となり、大幅なコンパクト化が図れ従来設置できなかった住宅でもヒートポンプ給湯機が利用可能になる。また２００V電源工事が必要なヒータ設置も必要としないため、電源工事やタンク設置における工事性も大幅に簡略化することができる。一方、ソフト面では大流量から小流量まで問題なく給湯できるとともに、エネルギー効率が高いヒートポンプユニットを優先して作動させるため大きな省エネ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１のヒートポンプ給湯装置の系統図
【図２】 同ヒートポンプ給湯装置の運転動作状態図
【図３】 本発明の実施例２のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図４】 本発明の実施例３のヒートポンプ給湯装置の系統図
【図５】 本発明の実施例４のヒートポンプ給湯装置の系統図
【図６】 本発明の実施例５のヒートポンプ給湯装置の系統図
【図７】 本発明の実施例６のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図８】 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
１３ ヒートポンプユニット
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 減圧器
１７、４５ 蒸発器
１９ 冷媒流路
２０ 水流路
２１ 給水管
２２ 給湯管
２６ 燃焼ユニット
２７ 燃焼部
２８ 熱交換部
２９ 排気部
３０ 出湯管
３５ 混合部
４０ 給湯制御部

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が閉回路で接続された冷媒流路に、前記凝縮器には前記冷媒流路と熱交換を行う水流路が設けられ、前記水流路の入口側には給水管、出口側には給湯管が接続されたヒートポンプユニットと、給水管と出湯管が接続された熱交換部と、前記熱交換部を加熱する燃焼部と、燃焼後の排気を導出する排気部を設けた燃焼ユニットと、給湯管と出湯管を一つの流路に接続混合する混合部と、ヒートポンプユニットと燃焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部とを有し、前記給湯制御部は給湯開始時には前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットを同時運転し、その後ヒートポンプユニット単独で運転を行うヒートポンプ給湯装置。
2. 燃焼ユニットから生じる廃熱をヒートポンプユニットの蒸発器で吸熱して給湯を行う請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 燃焼ユニットの排気部に蒸発器を配設した請求項２記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 燃焼ユニットの熱交換部を蒸発器と共用した請求項２記載のヒートポンプ給湯装置。

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