JP3815341B2

JP3815341B2 - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP3815341B2
Application number: JP2002033650A
Authority: JP
Inventors: 啓次郎國本; 竹司渡辺; 龍太近藤; 松本　　聡; 敏今林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: JP2003240340A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、瞬間湯沸し型の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】
瞬間湯沸し型給湯装置としては、ガスや石油の燃焼を用いた給湯機が従来より使用され
てきた。これらは温度立上りが早く、大能力が出せる特徴がある反面、排ガスによる大気汚染や、直接燃焼させることへの不安感、燃焼音など避けられない課題を抱えていた。これに対し、大型の貯湯タンクに湯を貯えて給湯するヒートポンプ給湯器があり、こちらは燃焼による給湯機の問題を解消し、しかもヒートポンプにより熱効率がよいものであった。しかし、貯湯タンクが大きく、重量や設置スペースなど施工上に問題があった。また、集合住宅における配管スペース、いわゆるパイプシャフトへの設置を考えた場合に、貯湯タンクが納まらないという問題もあった。
【０００３】
こうした大型の貯湯タンクの問題を解消する瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置として特開昭６３−２３３２５４号公報に記載されているような給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図５に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続されたヒートポンプサイクル７と、放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器１０と、この水流路９に水道水を供給する給水管１１と、前記水流路９とシャワーや蛇口等の給湯端末１２とを接続する給湯回路１３と、給湯回路１３に設け水流を検出する流量スイッチ１４を備えていた。そして、これら要素をひとつのユニット１５に構成して、流量スイッチ１４の信号に応じて圧縮機２の運転を制御することで、瞬間湯沸し型の給湯を実現していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置において、瞬間湯沸し型における給湯負荷は、例えば冬場のシャワーと風呂の湯張りの同時使用といった大能力から、夏場の食器洗いなどの微小能力までの幅広い給湯能力をカバーする必用があったが、従来のように単一の圧縮機２の回転数を変えるだけでは、こうした大幅な能力変更は困難であった。そのためシャワー温度が低下したり、食器洗いで熱い湯がでたりするなどの不都合がでる可能性があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高効率で大幅な能力変更が可能な瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、本発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒流路ａと水流路で熱交換する熱交換器の、水流路に直接水道水を通水し、この水路から出湯される湯を使う瞬間湯沸し型であって、第１圧縮機及び第２圧縮機の回転数を給湯負荷に応じて制御するものである。
【０００７】
上記発明によれば、構成する台数によって最大給湯能力が変えられるので、家族人数の違いなどで異なる必要給湯能力を台数によって簡単に調整できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のヒートポンプ給湯装置は、第１圧縮機と第１放熱器とを備える第１ヒートポンプサイクルと、第２圧縮機と第２放熱器とを備える第２ヒートポンプサイクルと、第１放熱器及び第２放熱器に水道水を供給する給水管と、第１放熱器及び第２放熱器により加熱された水道水を直接給湯端末へ接続する出湯管と、第１圧縮機及び第２圧縮機の回転数を給湯負荷に応じて制御する制御手段とを備え、給湯負荷が所定量よりも少ない場合に制御手段は第１圧縮機または第２圧縮機のどちらか一方の回転数を制御するとともに他方の回転を停止し、第１放熱器または第２放熱器のどちらか一方によって加熱された湯水を直接給湯端末へ通水し、給湯負荷が前記所定量以上である場合に制御手段は第１圧縮機及び第２圧縮機の回転数を制御し、第１放熱器及び第２放熱器によって加熱された湯水を直接給湯端末へ通水するものである。
【０００９】
また、第１放熱器と第２放熱器とを有する熱交換器を備え、給水管からの水道水を前記熱交換器で加熱するものである。
【００１０】
これによれば、構成する台数によって最大給湯能力が変えられるので、家族人数の違いなどで異なる必要給湯能力を台数によって簡単に調整できる。
【００１１】
また、給水管からの水道水が流れる熱交換器内の水流路を並列に分流して設け、並列に分流された一方の水流路側に第１放熱器を、他方の水流路側に第２放熱器を配置し、第１放熱器及び第２放熱器からの湯水混合割合を制御して給湯温度を調整するものである。
【００１２】
この構成によれば、それぞれの放熱器に対する水流路の入口水温を共に水道水温度で同一にすることができるので、熱交換効率を向上できる。
【００１３】
また、第１ヒートポンプサイクル及び第２ヒートポンプサイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱する構成である。
【００１４】
そして、熱交換器の冷媒流路ａを流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒流路ａと水流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００１５】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【００１６】
（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式給湯装置の構成図である。図１において、７はヒートポンプサイクルで、圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に接続されている。このヒートポンプサイクル７は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器である。この水流路９に水道水を直接供給する給水管１１と、水流路９から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１７等より成る給湯端末１２の通水させるための出湯管１３が接続されている。吸熱器５は送風機１８が設けられ、この送風により大気熱を効率よく吸熱するように構成している。そして、この吸熱器５と送風機１８を第１のユニット１９として屋外に配置している。また、圧縮機２、熱交換器１０、減圧手段４を第２のユニット２０として屋内に配置した。第１のユニット１９と第２のユニット２０は冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２により接続されている。
【００１７】
給水管１１には、出湯管１３の流量を検出する流量検知手段２３と、熱交換器１０への給水温度を検出する水温検知手段２４が設けられている。そして出湯管１３には出湯温度を検出する湯温検知手段２５が設けられている。２６は給湯の目標温度を設定する設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。
【００１８】
２７は制御手段で、流量検知手段２３により流量を検知すると、湯温検知手段２５と設定手段２６とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差からフィードバック制御量を算定し、水温検知手段２４と設定手段２６と流量検知手段２３の各値から給湯負荷を
算定し、フィードバック制御量と給湯負荷を加算し、この加算値に基づいて圧縮機２の回転数を制御する。
【００１９】
また、制御手段２７は、水温検知手段２４と設定手段２６との検出値に応じて減圧手段４、送風機１８をそれぞれ制御し、最も効率の良くなるヒートポンプサイクルで運転する。
【００２０】
熱交換器１０は、冷媒流路ａ８の流れ方向と水流路９の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路ａ８と水流路９の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【００２１】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図１に示す実施例において、蛇口１７が開かれると給水管１３から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段２３が検知し制御手段２７に信号が送られ、圧縮機２の運転が開始される。そして、圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器ａ８へ流入し、水流路９を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は出湯管１３を経て給湯端末１２から出湯する。一方、放熱器８で冷却された冷媒は減圧手段４で減圧されて、冷媒流路ｃ２２を経て吸熱器５に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、冷媒流路ｂ２１を経て圧縮機２に戻る。
【００２２】
給湯中の制御手段２７では、出湯温度と目標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いてフィードバック制御量を算定する。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適な値を予め設定しておく必要がある。なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ制御でもよい。そして、一方では目標温度と給水温度との差に、流量検知手段２３の検知する流量を乗じて給湯負荷を算定する。これは、いわゆるフィードフォワードの制御量である。そして、フィードバック制御量と給湯負荷を加算して、この加算値を用いて圧縮機２の回転数制御を行っている。このフィードバック制御を加味することによって、出湯温度を目標温度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度をより目標温度にあわせることができる。また、比例制御要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。一方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、この点はフィードバック制御より応答性がよくしかも安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞれの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。
【００２３】
以上のように実施例１は、熱交換器１０を含むヒートポンプサイクル７から吸熱器５を第１のユニット１９として分割して屋外に配置し、他を第２のユニット２０として屋内に配置できるように構成したので、それぞれのユニットに最適な配置が可能になり、施工性が向上する。例えば、第２のユニットを屋内やパイプシャフトに設置できるので、圧縮機２や熱交換器１０の外気による放熱ロスが低減されると共に、給湯配管や電源などのメンテナンス性もよくなる。一方第２のユニット１９である室外機の重量や大きさが小さくでき、施工性が大幅に向上する。また、温度が上がる圧縮機２や熱交換器１０をひとつにまとめることで、断熱が容易で放熱ロスが低減し、高効率な運転が可能になる。
【００２４】
なお実施例１ではヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実施例でも同様である。
【００２５】
また、実施例１では第２のユニットをパイプシャフトに配置するように説明したが、軒下の壁面に配置したり、床下などに配置してもよい。
【００２６】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図２において、実施例１の構成と異なるところは、第１のユニット３０に送風機１８を含む吸熱器５と圧縮機２を納めて室外機として屋外に配置し、第２のユニット３１には、その他の構成要素を納めて屋内に配置した点にある。そして第１のユニット３０と第２のユニット３１を冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２によって接続し、実施例１と同様に運転制御する。
【００２７】
以上の構成で、騒音や振動の発生しやすい送風機１８を含む吸熱器５と圧縮機２を第１のユニットにまとめ室外機として、屋外に設置するようにしたので、給湯配管が振動することもなく、屋内の低騒音化が実現できる。
【００２８】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図３において、実施例１の構成と異なるところは、第１のユニット３２に送風機１８を含む吸熱器５と、圧縮機２と、減圧手段４と、制御手段２７とを納めて室外機として屋外に配置し、第２のユニット３３には、給水管１１と出湯管１３に接続した熱交換器１０を納めて屋内に配置した点にある。すなわち、ヒートポンプサイクル７から熱交換器１０を分離して配置するものである。そして第１のユニット３２と第２のユニット３３を冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２によって接続し、実施例１と同様に運転制御する。
【００２９】
以上の構成によれば、第２のユニット３３の主たる構成部品は熱交換器１１だけなので、大きさ重量共に小さくでき、運搬や施工がしやすくなる。また給水管１１、出湯管１３、そして給湯端末１２へと続く給湯経路上に熱交換器１１を配置する際に、第２のユニット３３が第１のユニット３２の設置条件の制約を受けないので、パイプシャフト、壁面、床下などへ自由に配置することができる。
【００３０】
なお実施例３では、制御手段２７を第１のユニット側に設けたが、第２のユニット側に設けてもよい。
【００３１】
（実施例４）
図４は本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異なるところは、ヒートポンプサイクルを２台備えた点にあり、ひとつめのヒートポンプサイクルを構成する第１のユニットＡ３４に、送風機Ａ３５を含む吸熱器Ａ３６と、圧縮機Ａ３７と、減圧手段Ａ３８と、駆動手段Ａ３９とを納めて室外機Ａとして屋外に配置し、ふたつめのヒートポンプサイクルを構成する第１のユニットＢ４０に、送風機Ｂ４１を含む吸熱器Ｂ４２と、圧縮機Ｂ４３と、減圧手段Ｂ４４と、駆動手段Ｂ４５とを納めて室外機Ｂとして同様に屋外に配置する。そして、第２のユニット４６には、給水管１１と出湯管１３に接続した熱交換器４７を納めて屋内に配置している。
【００３２】
熱交換器４７は、水流路９の上流側と下流側で放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９のふたつの放熱器を有し、それぞれが水流路９の流水を加熱する。そして第１のユニットＡ３４と第２のユニット４６の放熱器Ａ４８とを冷媒流路ｂ２１と冷媒流路ｃ２２によって接続し、第１のユニットＢ３４と第２のユニット４６の放熱器Ｂ４９とを冷媒流路ｄ５０と冷媒流路ｅ５１によって接続し、制御手段５２により算定される給湯負荷に応じて、駆動手段Ａ
３９と駆動手段Ｂ４５に運転指示を出力し給湯制御する。この際の給湯負荷に応じて、第１のユニットＢ４０を停止させたり、圧縮機Ａ３７と圧縮機Ｂ４３の回転数制御することで目標温度の給湯を実現する。
【００３３】
以上の構成で、ヒートポンプサイクルをふたつ分離して配置することで、重量が分散し、運搬や施工が容易になる。また、構成するヒートポンプの台数を増減することによって最大給湯能力が変えられるので、家族人数の違いなどで異なる必要給湯能力を台数によって簡単に調整できる。
【００３４】
また、給湯負荷が大幅に変るような使い方をする場合に、１台のヒートポンプサイクルでは制御幅に限界があり、満足な給湯制御ができないが、この実施例４のようにふたつのヒートポンプサイクルの運転台数および圧縮機の回転数を制御する方法であれば給湯負荷に応じて大幅な給湯能力の変更が可能である。
【００３５】
さらに給湯負荷が少ない場合に１台のヒートポンプサイクルを停止できるので、低負荷時においても高効率運転が可能となる。
【００３６】
なお実施例４では熱交換器４６の放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９を水流路９に対して上流側と下流側に直列に配置したが、水流路９に対して並列に配置して構成してもよい。この場合は、それぞれの放熱器に対する水流路９の入口水温を共に水道水温度で同一にすることができるので、熱交換効率を向上できる。また、このように並列に配置する放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９に対して水流路９も並列に分流させて、それぞれ対向するように配置することにより、放熱器Ａ４８と放熱器Ｂ４９それぞれの加熱量を独立して制御することもできる。この場合、熱交換器を複数並列に設ける構成でもよい。さらに、この並列の水流路の合流する混合割合を制御することで給湯温度制御することも可能になる。
【００３７】
また実施例４では、ふたつのヒートポンプサイクルに分割して構成したが、さらに分割数を増やすことによって、大能力でかつ大幅な給湯能力可変を実現することもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高効率で大幅な能力変更が可能な瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供すすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図３】本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図４】本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図５】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
１冷媒流路
２、３７、４３圧縮機
３、４８、４９放熱器
４、３８、４４減圧手段
５、３６、４２吸熱器
７ヒートポンプサイクル
８冷媒流路ａ
９水流路
１０、４７熱交換器
１１給水管
１２給湯端末
１３出湯管
１６シャワー
１７蛇口
１９、３０、３２、３４、４０第１のユニット
２０、３１、３３、４６第２のユニット

Claims

第１圧縮機と第１放熱器とを備える第１ヒートポンプサイクルと、第２圧縮機と第２放熱器とを備える第２ヒートポンプサイクルと、前記第１放熱器及び第２放熱器に水道水を供給する給水管と、前記第１放熱器及び第２放熱器により加熱された水道水を直接給湯端末へ接続する出湯管と、前記第１圧縮機及び第２圧縮機の回転数を給湯負荷に応じて制御する制御手段とを備え、給湯負荷が所定量よりも少ない場合に前記制御手段は前記第１圧縮機または第２圧縮機のどちらか一方の回転数を制御するとともに他方の回転を停止して、前記第１放熱器または前記第２放熱器のどちらか一方によって加熱された湯水を直接前記給湯端末へ通水し、給湯負荷が前記所定量以上である場合に前記制御手段は前記第１圧縮機及び第２圧縮機の回転数を制御して、前記第１放熱器及び前記第２放熱器によって加熱された湯水を直接前記給湯端末へ通水するヒートポンプ給湯装置。
第１放熱器と第２放熱器とを有する熱交換器を備え、給水管からの水道水を前記熱交換器で加熱する請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
給水管からの水道水が流れる熱交換器内の水流路を並列に分流して設け、前記並列に分流された一方の水流路側に第１放熱器を、他方の水流路側に第２放熱器を配置し、前記第１放熱器及び前記第２放熱器からの湯水混合割合を制御して給湯温度を調整する請求項１または２記載のヒートポンプ給湯装置。
第１ヒートポンプサイクル及び第２ヒートポンプサイクルは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱する請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。