JP3692813B2

JP3692813B2 - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP3692813B2
Application number: JP2351999A
Authority: JP
Inventors: 志郎竹下; 竹司渡辺; 吉継西山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2019-02-01
Also published as: JP2000220887A

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１３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、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１３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大きくなり、設置できる場所が限定される。例えばその貯湯タンク７がない状態で使用しようとした場合は、給湯できる流量が少なく風呂給湯等の大流量には対応できず、また給湯可能な状態に立ち上がるまでに数分の時間を要し、即湯という点で大きな課題を有している。さらに貯湯タンク７を有しても湯切れ防止のために高出力のヒータ９が必要で、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、給水管と給湯管を切替手段、循環ポンプを介して連通させたバイパス流路を有し、給湯開始時から一定時間は燃焼ユニットの運転を行うと同時に、凝縮器水流路内の給湯水をバイパス流路を通して循環させてヒートポンプユニットの暖気運転を行い、一定時間経過後の給湯時には常にヒートポンプユニットを運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニット運転で補うようにしたものである。
【０００６】
上記発明によれば、給湯開始時は通常の燃焼ユニットだけで給湯し、その間の一定時間だけ凝縮器水流路の給湯水は、循環ポンプにより給水管、水流路、給湯管、バイパス流路で形成される循環流路内を流れ、ヒートポンプユニット運転が支障なく動作するようにし、それに伴い圧縮機の温度は上昇する。その結果一定時間経過してヒートポンプユニット運転による給湯が開始された時には高温給湯を行うことができる。また給湯開始時の給湯用途が風呂給湯等の大流量を必要とする場合であれば、ヒートポンプユニット運転で作るお湯に加えて、給湯開始時から給湯を行っている燃焼ユニット運転は徐々に給湯能力を減らしていき、台所、洗面等の小流量用途時であれば、燃焼ユニット運転を停止し、給湯管と出湯管を接続する混合部で所望のお湯として供給する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、閉回路で構成される冷媒流路で圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が接続され、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、前記水流路に給水管と給湯管が接続されると共に、前記給水管と前記給湯管を連通し、循環ポンプと両端に切替手段を有したバイパス流路を設けたヒートポンプユニットと、前記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、燃焼後の排気を装置外へ導出する排気部等で構成される燃焼ユニットと、前記給湯管と前記出湯管を接続する混合部と、前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部とを有した制御器を備え、前記給湯制御部は給湯開始時から一定時間は燃焼ユニットの運転を行うと同時に、前記切替手段により前記給水管、前記給湯管を前記バイパス流路で連通し、前記バイパス流路中に設けた循環ポンプにより前記凝縮器の水流路を循環させてヒートポンプユニットの暖気運転を行い、一定時間経過後の給湯時には常に前記ヒートポンプユニットを運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニット運転で行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置としたものである。
【０００８】
そして、制御器の給湯制御部は、給湯開始時からの一定時間は燃焼ユニットの運転を行うと同時に、ヒートポンプユニット運転の立上りを速くするために凝縮器の水流路に接続した給水管と給湯管をバイパス流路で連通し、その両端を切替手段で本流側と分岐し循環ポンプで水を循環させてヒートポンプ回路の暖気運転を行い、圧縮機の温度を上昇させている。一定時間経過後は通常のヒートポンプ給湯へ移行し、給湯開始時に給湯を行っていた燃焼ユニットは、要求される能力からヒートポンプユニットで供給される能力を差し引いた能力へ徐々に絞り込まれ、ヒートポンプユニット単独運転で賄える小流量になった場合停止され、その間給湯管と出湯管を接続する混合部から所望されるお湯が供給され続ける。例えば風呂給湯の場合は、燃焼ユニットを中心として大流量出湯を行うことができるし、一方、用途として使用頻度が高い台所、洗濯、手荒い、洗顔等の小流量を使用する場合は、ヒートポンプユニットだけの単独運転でほぼ満足できる。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図ることができる。また大きな貯湯タンクやヒータを必要としないため、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、圧縮機に吐出温度を検出する温度検出手段を有し、制御器の給湯制御部は、温度検出手段より検出した温度が温度設定値になるまでバイパス流路により凝縮器の水流路を循環させ、温度設定値到達後の給湯時は常にヒートポンプユニットは運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニットによる運転で行うようにしたものである。
【００１０】
そして、温度検出手段の検出値と予め決められている設定温度との比較により暖気運転の開始、終了が行なわれるが、一度圧縮機が起動された後は圧縮機温度の立上りが速いため、その分ヒートポンプユニット運転による給湯時間が長くでき、また動作開始状態が安定化できる。
【００１１】
さらに、制御器の給湯制御部は、給湯運転停止時間より所定時間経過までに給湯運転が行われない場合、ヒートポンプユニットが一定時間の間欠暖気運転を行い、間欠暖気運転モード中に給湯開始の信号を検知した場合、暖気運転中は一定時間経過後に、暖気運転停止中は一定時間暖気運転を行ったのちにヒートポンプユニットを運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニットによる運転で行うようにしたものである。
【００１２】
そして給湯運転が行われてない状態でも、圧縮機の温度が下がらないよう一定時間ごとに暖気運転が行われるためヒートポンプユニット運転から給湯されるお湯を即湯化することができる。
【００１３】
また、圧縮機に吐出温度を検出する温度検出手段を有し、制御器の給湯制御部は、温度検出手段より検出した温度が温度設定値になるまでヒートポンプユニットの暖気運転を行うようにしたものである。
【００１４】
【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。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１から４までの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で接続されるが、圧縮機１４には表面温度を検出する温度検出手段２０としてサーミスタが取付けられ、凝縮器１５には冷媒の流れと対向する水流路２１が設けられており、入口側を給水管２２、出口側を給湯管２３に接続されると共に、給水管２２と給湯管２３を連通し循環ポンプ２４と給水管２２、給湯管２３との分岐動作を行う切替弁２５，２６とを有したバイパス流路２７を構成し、また凝縮器１５の入口側の給水管２２には水量を検出する流量センサー２８Aと閉止機能を有し水量を制御する水制御弁２９Aが設けられ、給湯管２３には給湯温度を検出する給湯サーミスタ３０を有している。一方、燃焼ユニット３１は燃焼部３２、熱交換部３３、排気部３４で構成され、熱交換部３３の入口側は上流で分岐された給水管２２と、出口側は出湯管３５と接続されている。燃焼ユニット３１の給水管２２には水量を検出する流量センサー２８Bと水制御弁２９Bと入水温を検出する入水サーミスタ３６が取付けられ、出湯管３５には出湯温度を検出する出湯サーミスタ３７が設けられている。また燃焼部３２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３８と燃焼空気を供給する燃焼ファン３９が接続されている。そして燃焼ユニット３１の出湯管３５とヒートポンプユニット１３の給湯管２３は、混合部４０で連通され給湯配管４１により給湯栓４２と接続されている。また各ユニットは商用電源４３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３１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４４を有し、この制御器４４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４５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４６が設けられ、電源スイッチ４７、表示部４８、温度設定スイッチ４９を有している。
【００１６】
次に動作について説明すると、電源スイッチ４７を入れると、オフ時に給水管２２を閉止している水制御弁２９A、２９Bが全開開度状態になる。次に給湯栓４２が開栓されると市水が給水管２２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と、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２８A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４９の温度になるよう給湯サーミスタ３０の検出値と比較して凝縮器１５に流す水量を水制御弁２９Aで制御し、給湯管２３より混合部４０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はキャピラビ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。次に燃焼ユニット３１運転はガス給湯機の例で示すと、流量センサー２８Bで最低動作流量の水量値が検出されると、燃焼ファン３９が始動し、点火状態に入りガスブロック３８の元電磁弁、比例弁が開かれ燃焼部３２で着火し燃焼を開始する。そして熱交換部３３で給水管２２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３５より混合部４０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２３と出湯管３５を通して混合部４０で混合され、一つに連通されて給湯配管４１を通り給湯栓４２より供給される。その時、温度設定に対する制御器４４の制御は、温度設定スイッチ４９の温度が最終の給湯栓４２で得られるよう、温度設定値と出湯サーミスタ３７の検出値を比較して入水サーミスタ３６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３８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３９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３４よりユニット外へ放出される。
【００１７】
一方、両ユニット運転に対する制御は、図２のフローチャートで示されるように、給湯開始からの一定時間は燃焼ユニット３１による給湯運転を行い、その間ヒートポンプユニット１３側は圧縮機１４の温度をある程度上昇させ給湯の立上りを速くするための暖気運転を開始する。その時の動作は、切替弁２５，２６をバイパス流路２７側と連通するように切替え循環ポンプ２４で凝縮器１５の水流路２１を動かすようにしてヒートポンプ運転を行うものである。その後の給湯運転は切替弁２５，２６を切替えて通常のヒートポンプユニット１３運転が開始され、各流量センサー２８A、２８Bの検知水量の合計値が流量設定値より多ければ、ヒートポンプユニット１３運転を最大出力で動作させ、不足分を燃焼ユニット３１運転で補う。逆に検知水量が流量設定値より少なければ燃焼ユニット３１は停止されヒートポンプユニット１３単独運転が行われる。
【００１８】
（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。
【００１９】
実施例１と異なる点は、制御器４４の給湯制御部４５が給湯開始時は燃焼ユニット３１を優先して運転し通常の給湯動作を行い、その間ヒートポンプユニット１３側は温度検出手段２０により圧縮機１４の温度を検出し、予め設定している温度設定値と比較し温度設定値なるまで暖気運転を行うようにしたものである。
【００２０】
（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フローチャートである。
【００２１】
実施例１と異なる点は、給湯運転停止から所定時間経過までに給湯運転が行われない場合、ヒートポンプユニット１３の暖気運転モードを実施し、一定時間でオン、オフする間欠運転を継続することである。また、その間欠運転中に給湯開始信号を読込んだ時は、暖気運転中であれば進行中の暖気運転が終了後、すでに給湯を開始している燃焼ユニット３１と並列に通常のヒートポンプユニット１３運転に入り、暖気運転停止中であれば次の暖気運転を完了した後通常のヒートポンプユニット３１運転が行われる。
【００２２】
（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フローチャートである。
【００２３】
実施例３と異なる点は、圧縮機１４の温度を検出する温度検出手段２０の検出値が、予め設定された温度設定値と比較され、検出値が温度設定値以上になったら暖気運転を停止し、また以下になったら暖気運転を行うことである。
【００２４】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５及び６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。
【００２５】
燃焼ユニット３１の出湯管３５が分岐され、流量遮断手段５０である電磁弁や水制御弁を介して圧縮機１４の周囲に巻き付いた加熱部５１である管路が設けられている。
【００２６】
次に動作を図７の制御フローチャートで説明する。
【００２７】
給湯栓４２が開けられると、燃焼ユニット３１が通常運転を開始し、設定された一定時間の給湯中に流路遮断手段５０が開放され、出湯された高温のお湯が圧縮機１４周囲を通り再度出湯管３５へ戻される。一定時間後には流量遮断手段５０が閉止されるが、その間に圧縮機１４が加熱され暖められるためヒートポンプユニット１３運転による即湯が可能となり、燃焼ユニット３１との同時給湯が開始される。
【００２８】
（実施例６）
図８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。
【００２９】
実施例５と異なる点は、流量遮断手段５０の開閉を圧縮機１４温度で行うもので、圧縮機１４の温度を検出する温度検出手段２０の検出値が、予め設定された温度設定値と比較され、検出値が温度設定値以上になったら流量遮断手段５０を閉止するものである。
【００３０】
（実施例７）
図９は本発明の実施例７のヒートポンプ給湯装置の要部断面図である。
【００３１】
実施例５の構成と異なる点は、圧縮機１４を加熱する加熱部５２をドーナツ状の部材で構成し圧縮機１４周囲を囲むようにしたものである。
【００３２】
（実施例８）
図１０は本発明の実施例８のヒートポンプ給湯装置の一実施例を示す系統図である。
【００３３】
実施例１または実施例５の構成と異なる点は、蒸発器５３を燃焼ユニット３１の廃熱（図中矢印大で示す）が吸熱できるように配設したことである。図１０は実施例１の蒸発器１７と並列にもう一つの廃熱吸熱の蒸発器５３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１０では凝縮器１５下流側で電磁弁５４、５５を介して冷媒流路１９を分岐し、新しく設けた冷媒流路５６に減圧器５７と廃熱吸熱の蒸発器５３を設け、その出口側に蒸発サーミスタ５８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５３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、５６に逆止弁５９、６０を設けている。
【００３４】
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。
【００３５】
次に動作を説明すると、図１０のように二つの蒸発器１７、５３を有する場合の冷媒流路１９、５６の選択は、例えば図示していないが二つの蒸発器１７、５６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３１が運転されている場合や停止後は、電磁弁５４は閉止され電磁弁５５が開けられ蒸発器５３側の冷媒流路５６が使用され、この蒸発器５３で燃焼ユニット３１の燃焼量の約２０％弱が吸熱され利用される。なお、図１０に示すように大気吸熱用の蒸発器１７と併用することで夏場等や日中の外気温度が高い場合に有効であり、さらに細かいエネルギー利用が可能となる。
【００３６】
（実施例９）
図１１は本発明の実施例９のヒートポンプ給湯装置の一実施例を示す系統図である。
【００３７】
実施例８と異なる点は、蒸発器５３を燃焼ユニット３１の排気部３４に設けたところである。設置場所は排気部３４壁面、内部いずれでもよい。これにより廃熱が蒸発器５３とより安定して熱交換される。
【００３８】
（実施例１０）
図１２は本発明の実施例１０のヒートポンプ給湯装置の一実施例を示す系統図である。
【００３９】
実施例８と異なる点は、蒸発器５３を燃焼ユニット３１の熱交換部３３に設けたところである。熱交換部３３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５６と接続して蒸発器５３として使用している。
【００４０】
【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の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という効果を有する。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。一方ソフト面ではヒートポンプ給湯の苦手機能であるお湯の供給までに時間を要する点と大流量に対応できない点を燃焼ユニット側で受け持ってもらうことによって、大流量から小流量まで問題なく給湯できるとともに、使用頻度が高い小流量用途で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できるため給湯全体から見ると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から４迄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制御フローチャート
【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制御フローチャート
【図５】本発明の実施例４のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図６】本発明の実施例５及び６のヒートポンプ給湯装置の系統図
【図７】同ヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図８】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９】本発明の実施例７のヒートポンプ給湯装置の要部断面図
【図１０】本発明の実施例８のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図１１】本発明の実施例９のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図１２】本発明の実施例１０のヒートポンプ給湯装置の制御フローチャート
【図１３】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蒸発器
１９冷媒流路
２０温度検出手段
２１水流路
２２給水管
２３給湯管
２４循環ポンプ
２５，２６切替手段
２７バイパス流路
３１燃焼ユニット
３２燃焼部
３３熱交換部
３４排気部
３５出湯管
４０混合部
４４制御器
４５給湯制御部
５０流路遮断手段
５１、５２加熱部
５３蒸発器

Claims

閉回路で構成される冷媒流路で圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器が接続され、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、前記水流路に給水管と給湯管が接続されると共に、前記給水管と前記給湯管を連通し、循環ポンプと両端に切替手段を有したバイパス流路を設けたヒートポンプユニットと、前記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、燃焼後の排気を装置外へ導出する排気部等で構成される燃焼ユニットと、前記給湯管と前記出湯管を接続する混合部と、前記ヒートポンプユニットと前記燃焼ユニットの運転制御を行う給湯制御部とを有した制御器を備え、前記給湯制御部は給湯開始時から一定時間は燃焼ユニットの運転を行うと同時に、前記切替手段により前記給水管、前記給湯管を前記バイパス流路で連通し、前記バイパス流路中に設けた循環ポンプにより前記凝縮器の水流路を循環させてヒートポンプユニットの暖気運転を行い、一定時間経過後の給湯時には常に前記ヒートポンプユニットを運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニット運転で行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
圧縮機に吐出温度を検出する温度検出手段を有し、制御器の給湯制御部は、前記温度検出手段より検出した温度が温度設定値になるまでバイパス流路により前記凝縮器の水流路を循環させ、温度設定値到達後の給湯時は常にヒートポンプユニットは運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニットによる運転で行うことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
制御器の給湯制御部は、給湯運転停止時間より所定時間経過までに給湯運転が行われない場合、ヒートポンプユニットが一定時間で間欠暖気運転を行い、前記間欠暖気運転モード中に給湯開始の信号を検知した場合、暖気運転中は一定時間経過後に、暖気運転停止中は一定時間暖気運転を行ったのちに前記ヒートポンプユニットを運転し、必要能力に対する不足分を燃焼ユニットによる運転で行うことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
圧縮機に吐出温度を検出する温度検出手段を有し、制御器の給湯制御部は、前記温度検出手段より検出した温度が温度設定値になるまでヒートポンプユニットの暖気運転を行う請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。