JP3831738B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒熱により水を加熱して、湯を給湯タンクに貯溜可能としたヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来、給湯用熱交換器が冷媒熱により水を加熱して給湯タンクに湯を貯溜可能としたヒートポンプ式給湯装置が提案されている。この種のものでは、圧縮機、ヒートポンプ熱交換器、減圧装置を含むヒートポンプユニットと、冷媒対水熱交換器を含み、この冷媒対水熱交換器で加熱された湯を貯留可能とする給湯タンクを含む給湯ユニットとを備え、この給湯ユニットとヒートポンプユニット間を冷媒配管によって連結するのが一般的である（特許文献１参照）。
特開平１１−１９３９５８号公報

しかし、上述の構成において、給湯ユニットとヒートポンプユニット間を接続する冷媒配管が外部に露出した場合、上記冷媒が二酸化炭素を多く含有する冷媒のときに、フロン系冷媒に比べ冷媒圧力が高いため、ヒートポンプ式給湯装置の安全性が損なわれる恐れがある。

また、上記ヒートポンプ式給湯装置では、給湯用の冷媒対水熱交換器のほかに浴槽内の湯を追い焚き可能にした冷媒対水熱交換器を含む場合がある。しかし、この場合、給湯せずに風呂を追い焚きするだけでも、ヒートポンプユニットを運転しなければならないという問題がある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、高圧の冷媒配管が外部に露出することを防止して、安全性を向上させることができるヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、圧縮機（１６）、ヒートポンプ熱交換器（１８）、及び冷媒対水熱交換器（２７）を冷媒配管（１９）によりループ状に接続して構成され、かつ、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ冷媒回路（Ｘ）と、給湯タンク（２６）、循環ポンプ（３４）及び冷媒対水熱交換器（２７）を給湯用水配管（３６）によりループ状に接続して構成され、給湯タンク（２６）内の底部の水を冷媒対水熱交換器（２７）に循環させて加熱し、この冷媒対水熱交換器（２７）で加熱された湯を給湯タンク（２６）の天部（２６Ａ）に戻して貯溜可能とした給湯用水循環回路（Ｒ）と、上記貯湯タンク（２６）内の天部（２６Ａ）の湯を循環させて浴槽（１４）内の湯を追い焚きする水対水熱交換器（２８）とを備え、上記冷媒対水熱交換器（２７）を含むヒートポンプ冷媒回路（Ｘ）の構成部材はヒートポンプユニット（１１）に配置すると共に、上記冷媒対水熱交換器（２７）を除く給湯用水循環回路（Ｒ）の構成部品は給湯ユニット（１２）に配置し、かつ、上記ヒートポンプユニット（１１）と給湯ユニット（１２）とは、上記給湯用水循環回路（Ｒ）の一部を形成する一対の水配管（３６）で連結し、さらに、上記浴槽（１４）内の天部（２６Ａ）の湯と熱交換した後の水対水熱交換器（２８）からの湯は、上記給湯タンク（２６）の中間部（２６Ｃ）へ戻される構成としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置において、上記水対水熱交換器（２８）は、上記給湯ユニット（１２）に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明では、ヒートポンプ冷媒回路の冷媒として二酸化炭素を用いることにより、冷媒対水熱交換器で加熱される水の温度が高く、貯湯タンクに貯留される湯の温度を高温度に上昇させることができるのは勿論のこと、上記冷媒対水熱交換器を含むヒートポンプ冷媒回路の構成部材をヒートポンプユニットに配置すると共に、上記冷媒対水熱交換器を除く給湯用水循環回路の構成部品を給湯ユニットに配置し、上記ヒートポンプユニットと給湯ユニットとは、上記給湯用水循環回路の一部を形成する一対の水配管で連結した構成であるから、給湯ユニットとヒートポンプユニットとが、低圧の水配管によって連結されるため、高圧の冷媒配管は外部に露出せず、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ式給湯装置における安全性を向上させることができる。

また、給湯タンク内の天部の湯を水対水熱交換器に循環させることによって、この湯温で浴槽内の湯を追い焚きすることができるため、給湯せずに風呂を追い焚きする場合、ヒートポンプユニットを運転する必要がない。

本発明は、圧縮機、ヒートポンプ熱交換器、及び冷媒対水熱交換器を冷媒配管によりループ状に接続して構成され、かつ、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ冷媒回路と、給湯タンク、循環ポンプ及び冷媒対水熱交換器を給湯用水配管によりループ状に接続して構成され、給湯タンク内の底部の水を冷媒対水熱交換器に循環させて加熱し、この冷媒対水熱交換器で加熱された湯を給湯タンクの天部に戻して貯溜可能とした給湯用水循環回路と、上記貯湯タンク内の天部の湯を循環させて浴槽内の湯を追い焚きする水対水熱交換器とを備え、上記冷媒対水熱交換器を含むヒートポンプ冷媒回路の構成部材はヒートポンプユニットに配置すると共に、上記冷媒対水熱交換器を除く給湯用水循環回路の構成部品は給湯ユニットに配置し、かつ、上記ヒートポンプユニット（１１）と給湯ユニット（１２）とは、上記給湯用水循環回路（Ｒ）の一部を形成する一対の水配管（３６）で連結し、さらに、上記浴槽（１４）内の天部（２６Ａ）の湯と熱交換した後の水対水熱交換器（２８）からの湯は、上記給湯タンク（２６）の中間部（２６Ｃ）へ戻される構成としたものであり、以下に本発明の一実施例を記載する

以下、本発明の一実施例を、図１〜図４に基づき説明する。

図１は、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の一実施例を示し、給湯タンク内の水を加熱し、同タンク内に湯を貯溜するときの回路図である。

この図１に示すように、ヒートポンプ式給湯装置１０は、ヒートポンプユニット１１、給湯ユニット１２、蛇口１３、浴槽１４、並びに制御装置１５Ａ及び１５Ｂを有して構成される。

ヒートポンプユニット１１は、圧縮機１６、給湯用熱交換器（冷媒対水熱交換器）２７、ヒートポンプ熱交換器１８及びアキュムレータ１７が順次配設されて冷媒配管１９によりループ状に接続して成るヒートポンプ冷媒回路Ｘを内部に備えて構成されている。即ち、ヒートポンプユニット１１には、給湯用熱交換器２７を含むヒートポンプ冷媒回路の各構成部品が配置されている。圧縮機１６は、冷媒を圧縮する。また、上記給湯用熱交換器２７は、圧縮機１６から吐出された冷媒の熱により湯または水を加熱する。この一実施例において、冷媒として二酸化炭素を多量に含有する冷媒を使用している。即ち、上記ヒートポンプ冷媒回路Ｘは、二酸化炭素を冷媒として用いている。このように、二酸化炭素を冷媒とした場合には、通常、フロン系冷媒に比べ冷媒圧力が高くなる。

前記した給湯ユニット１２は、給湯タンク２６及び浴槽用熱交換器（水対水熱交換器）２８、並びに蛇口給湯ライン７１及び浴槽注湯ライン７２等を有して構成される。

上記給湯タンク２６は、給湯用熱交換器２７を用いて冷媒熱により加熱された湯を貯溜するものである。この給湯タンク２６と給湯用熱交換器２７とは、給湯用循環ポンプ３４、流量調整弁３５、第１切換電磁弁７３を備えた給湯用水配管３６によりループ状に連結されて、第１切換電磁弁７３の開操作時に、図１の太線に示すように、水が循環する給湯用水循環回路Ｎが構成される。そして、給湯タンク２６を含み、かつ、上記給湯用熱交換器２７を除く給湯用水循環回路Ｎの各構成部品は、上記給湯ユニットに配置されている。

冷媒に、二酸化炭素を用いた場合、上記のように、フロン系冷媒に比べ冷媒圧力が高くなり、給湯用熱交換器２７に貯溜される湯の温度は９０℃程度にまで上昇する。

ヒートポンプユニット１１と給湯ユニット１２間は、図に示すように、給湯用水循環回路Ｎの一部を形成する２本の（一対の）水配管としての上記給湯用水配管３６によりループ状に連結されるため、従来と比較した場合、高圧の冷媒配管（例えば冷媒配管１９）は外部に露出せず、ヒートポンプ式給湯装置の安全性を向上させることができる。

給湯タンク２６の底部２６Ｂには、減圧逆止弁３７を配設した第１水道水配管３８が接続されて、給湯タンク２６内へ常に水道水が供給可能とされる。したがって、給湯タンク２６内に常時水道水圧が作用する。

また、給湯タンク２６の天部２６Ａには、圧力逃し弁３９を備えた天部出湯配管４０が接続され、この給湯タンク２６の天部２６Ａと底部２６Ｂとのほぼ中間部２６Ｃには中間部出湯配管３３が接続され、これら出湯配管３３，４０の合流部には、例えば第１の混合弁としてのワックス弁等のミキシング弁１００が配置されている。

給湯用循環ポンプ３４の稼働により、給湯タンク２６の底部２６Ｂの水が給湯用熱交換器２７に送給されると、この給湯用熱交換器２７は、送給された水を、ヒートポンプユニット１１の圧縮機１６から吐出された冷媒ガスの熱によって加熱する。この加熱された湯または水は、第１切換電磁弁７３の開操作時に、流量調整弁３５により流量調整され、給湯タンク２６の天部２６Ａへ導かれ、給湯タンク２６内に上限約９０℃の湯が貯溜可能とされる。

上記圧力逃し弁３９は、湯または水が過剰に加熱されて、給湯タンク２６内の圧力が過大となった時に、この圧力を解放するものである。

上記浴槽用熱交換器２８は、給湯タンク２６内の湯を循環させて浴槽１４内の湯を追い焚きする水対水熱交換器であり、そして、この浴槽用熱交換器２８は、給湯タンク２６が収納された給湯ユニット１２に配置されている。上記給湯タンク２６内の湯は、天部２６Ａから導出された循環配管１０１中のポンプ１０２の駆動により汲み出される。この汲み出された湯は、循環配管１０１を経て、浴槽用熱交換器２８に導かれて、浴槽１４内の湯または水を加熱（追い焚き）した後に、第２切換電磁弁７４、及び戻り配管１０３を経て、給湯タンク２６の天部２６Ａと底部２６Ｂとの中間部２６Ｃに戻される。

つまり、浴槽用熱交換器２８は、給湯タンク２６内の湯を導く導入水配管７５と、浴槽１４内の湯または水を導く第１浴槽用水配管５１との接触によって、これらの導入水配管７５と第１浴槽用水配管５１内とをそれぞれ流れる湯または水を熱交換可能とするように構成されたものである。導入水配管７５と第１浴槽用水配管５１は、浴槽用熱交換器２８を構成する部分においては、偏平管形状に形成されて接触面積が増大される。

また、浴槽用熱交換器２８と浴槽１４とを連通する上記第１浴槽用水配管５１は、浴槽用循環ポンプ４６、フィルタ４７、水位センサ４８、サーミスタ４９及びフロースイッチ５０を備える。

この第１浴槽用水配管５１により、浴槽用熱交換器２８と浴槽１４との間で湯または水が循環する浴槽用水循環回路Ｐが構成される。

水位センサ４８は、第１浴槽用水配管５１を介して浴槽１４に連通していることから、この浴槽１４内の湯または水の水位を検出する。また、サーミスタ４９は、浴槽用水循環回路Ｐを湯または水が循環している時、その湯温を検知して、浴槽１４内の湯温を間接的に検出する。また、フロースイッチ５０は、浴槽用水循環回路Ｐを湯または水が循環していることを検出する。更に、フィルタ４７は、浴槽１４内に配設されたフィルタ（図示せず）とともに、湯を濾過する。

浴槽１４内に後述の如く注湯がなされて、この浴槽１４内に湯が張られ、この浴槽１４内の湯を追い焚きする時、循環ポンプ１０２及び浴槽用循環ポンプ４６が稼動される。すると、図４の太線に示すように、給湯タンク２６内の湯と、浴槽１４内の湯が、共に浴槽用熱交換器２８内へ流入し、ここで熱交換し、浴槽１４内の湯が、給湯タンク２６内の湯によって追い焚きされる。浴槽用熱交換器２８で仕事をした湯は、その熱交換により約５０℃に温度低下して、水配管１０３を経て、給湯タンク２６の中間部２６Ｃに流入する。

上記蛇口給湯ライン７１は、図２の太線Ｑに示すように、給湯配管５９、第２の混合弁としての混合制御弁５７及びフローセンサ５８を備えて構成される。給湯タンク２６には、第１水道水配管３８を介して水道水圧が作用していることから、蛇口１３を開くことにより、給湯タンク２６内の湯が蛇口１３へ供給可能とされる。

上記フローセンサ５８は、給湯配管５９内を流れる湯量を検出する。また、第２の混合弁としての混合制御弁５７は、図２の太線Ｒに示すように、第２水道水配管６２を介して第１水道水配管３８の減圧逆止弁３７下流側に接続される。

従って、混合制御弁５７の開度制御により、給湯配管５９からの湯と第２水道水配管６２からの水道水とが混合されて、蛇口１３から給湯される湯が約６０℃以下、例えば４２℃に調整される。

上記浴槽注湯ライン７２は、図３の太線Ｓに示すように、給湯配管５９におけるフローセンサ５８下流側と、第１浴槽用水配管５１における浴槽用循環ポンプ４６、フロースイッチ５０間とを第２浴槽用水配管６８により接続することにより構成され、給湯タンク２６内の湯を浴槽１４へ注湯可能とする。この第２浴槽用水配管６８には、給湯配管５９側からフローセンサ６４、注湯用電磁弁６５、リリーフ手段６６、逆止弁６７、電磁弁５４が順次配設されている。

ここで、フローセンサ６４は、第２浴槽用水配管６８内を流れる湯量を検出する。また、リリーフ手段６６及び逆止弁６７は、過剰に加熱された湯が第２浴槽用水配管６８内を流れたときに、その圧力を逃がすものである。電磁弁５４は、風呂への給湯時に開かれ、追い焚き時に閉じられる。

浴槽用循環ポンプ４６を停止させた状態で、注湯用電磁弁６５，５４を開操作すると、図３の太線Ｓに示すように、給湯タンク２６内の湯が、給湯配管５９の一部及び第２浴槽用水配管６８を流れて第１浴槽用水配管５１内に至り、この第１浴槽用水配管５１内でフロースイッチ５０、サーミスタ４９、水位センサ４８及びフィルタ４７を経て浴槽１４へ注湯される。

浴槽１４内に給湯タンク２６から適量の湯が注湯されたことが水位センサ４８により検出された段階で、注湯用電磁弁６５，５４が閉操作される。その後、浴槽１４内の湯温が適温以下に低下したことがサーミスタ４９により検知されたときに、上記のように、浴槽１４内の湯または水が加熱（追い焚き）され、浴槽１４内の湯が保温される。

このように、給湯タンク２６から浴槽１４へ適温の湯を適量注湯し、その後所定時間、浴槽１４内の湯を適温に加熱（追い焚き）して保温動作する運転を、浴槽自動運転と称する。

上述の一実施例においては、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ冷媒回路Ｘを備えたため、フロン系冷媒を用いた冷媒回路に比べて、給湯タンク２６に貯溜される湯の温度は９０℃程度にまで大幅に上昇する。これによれば、給湯タンク２６内の湯を循環させることによって、この湯温で浴槽１４内の湯を追い焚きすることができる。従って、給湯せずに風呂を追い焚きする場合、ヒートポンプユニット１１を運転する必要がなく、エネルギ効率を向上させることができる。

前記制御装置１５Ａは、ヒートポンプユニット１１に設置されて、圧縮機１６の運転（容量制御を含む）及び停止を制御する。また、前記制御装置１５Ｂは給湯ユニット１２に設置されて、給湯用循環ポンプ３４及び浴槽用循環ポンプ４６の稼働または停止、第１切換電磁弁７３、第２切換電磁弁７４、注湯用電磁弁６５及び５４の開閉、流量調整弁３５及び混合制御弁５７の開度等を制御する。この制御装置１５Ｂは、ヒートポンプユニット１１の制御装置１５Ａと通信線７８により接続されて、双方向の通信が可能とされるとともに、リモートコントローラ７９に有線または無線状態で接続される。

以上のように構成したことにより、上記一実施例によれば、例えば、次のような作用効果を奏する。

冷媒熱により水を加熱して給湯タンク２６に湯を貯溜可能とする給湯用熱交換器２７が、冷媒を圧縮する圧縮機１６を備えたヒートポンプユニット１１内に配置され、給湯タンク２６が給湯ユニット１２内に配置され、給湯用熱交換器２７により加熱された湯の熱によって、浴槽用熱交換器２８が浴槽１４内の湯または水を加熱して保温可能とするよう構成されたことから、高圧の冷媒が流れる冷媒配管１９がヒートポンプユニット１１内にのみ配設され、ヒートポンプユニット１１と給湯ユニット１２との間に配設されることがないので、これら高圧の冷媒配管が外部に露出することを防止でき、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ式給湯装置１０の安全性を向上させることができる。

浴槽用熱交換器２８は、給湯タンク２６内の湯を導く導入水配管７５と、浴槽１４内の湯または水を導く第１浴槽用水配管５１との、浴槽用熱交換器２８に対応する部分での接触により、両配管（導入水配管７５及び第１浴槽用水配管５１）内を流れる湯または水を熱交換可能とするよう構成されたことから、風呂の追い焚き時にヒートポンプユニット１１を稼働する必要がなく、エネルギ効率が向上する。また、両配管（導入水配管７５及び第１浴槽用水配管５１）の内、一方の配管がたとえ損傷しても、他方の配管がその影響を受けることがない。例えば、第１浴槽用水配管５１が破損しても、この第１浴槽用水配管５１内の、例えば汚染された湯または水が導入水配管７５内の湯または水に混入することがないため、この第１浴槽用水配管５１を経て給湯タンク２６内へ汚染された湯が流入しないので、給湯タンク２６内の湯または水を常に清浄に確保できる。

ヒートポンプユニット１１は、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ冷媒回路Ｘを備えたため、フロン系冷媒を用いた冷媒回路に比べて、給湯タンク２６に貯溜される湯の温度は９０℃程度にまで大幅に上昇する。これによれば、給湯タンク２６のほぼ中間部２６Ｃの湯温も、５０℃程度に維持されることが多い。そうであれば、蛇口１３での必要温度は４２〜４３℃程度が多いため、中間部２６Ｃの湯をそのまま使用することが可能である。

また、本実施例では、給湯タンク２６の天部２６Ａに天部出湯配管４０を接続すると共に、天部２６Ａと底部２６Ｂとのほぼ中間部２６Ｃに中間部出湯配管３３を接続し、これら各出湯配管３３，４０の合流部には、天部出湯配管４０からの高温の湯と中間部出湯配管３３からの中間温度の湯とを混合して自動調整する第１の混合弁としてのミキシング弁１００を設け、かつ、このミキシング弁１００よりも下流側の給湯配管５９に、この給湯配管５９からの湯と第２水道水配管６２からの水道水とを混合する第２の混合弁としての混合制御弁５７を設けた構成である。そのため、中間部２６Ｃの湯温が蛇口１３での必要温度近くに到達している場合、ミキシング弁１００を通じて中間部２６Ｃの湯をそのまま蛇口１３から取り出すことが可能になる。

上記ミキシング弁１００は、中間部２６Ｃの湯温が低い場合、天部２６Ａからの温度の高い湯を多く混ぜて給湯配管５９に送り出す。また、中間部２６Ｃの湯温が高い場合、天部２６Ａからの温度の高い湯をほとんど混ぜることなく、給湯配管５９に送り出す。このミキシング弁１００を経た湯の温度が、蛇口１３での湯温以上の場合、混合制御弁５７の開度制御により、給湯配管５９からの湯と第２水道水配管６２からの水道水とが混合されて、蛇口１３から給湯される湯の温度が、例えば４２℃に調整される。

これによれば、給湯タンク２６内の湯を、水道水などの市水で温度を下げることなく、そのまま蛇口１３に送り出すことが可能になるため、エネルギの無駄が省かれて、本給湯装置１０のエネルギ効率を向上させることができる。

ミキシング弁１００には、例えばワックス弁が使用され、コストダウンが図られる。一方、混合制御弁５７には、ステッピングモータ等を使用した電動弁が用いられ、混合精度が高く維持される。

以上、本発明を上記一実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置における一実施例を示し、給湯タンク内の水を加熱し、同タンク内に湯を貯溜するときの回路図である。 図１において、蛇口へ給湯するときの回路図である。 図１において、浴槽へ注湯するときの回路図である。 図１において、浴槽内の湯または水を加熱（追い焚き）して保温するときの回路図である。

符号の説明

Ｎ 給湯用水循環回路
Ｘ ヒートポンプ冷媒回路
１０ ヒートポンプ式給湯装置
１１ ヒートポンプユニット
１２ 給湯ユニット
１３ 蛇口
１４ 浴槽
１６ 圧縮機
１９ 冷媒配管
２６ 給湯タンク
２６Ａ 給湯タンクの天部
２６Ｂ 給湯タンクの底部
２６Ｃ 給湯タンクの中間部
２７ 給湯用熱交換器（冷媒対水熱交換器）
２８ 浴槽用熱交換器（水対水熱交換器）
３３ 中間部出湯配管
３６ 給湯用水配管（水配管）
４０ 天部出湯配管
５７ 混合制御弁（第２の混合弁）
５９ 給湯配管
１００ ミキシング弁（第１の混合弁）

Claims (2)

1. 圧縮機（１６）、ヒートポンプ熱交換器（１８）、及び冷媒対水熱交換器（２７）を冷媒配管（１９）によりループ状に接続して構成され、かつ、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ冷媒回路（Ｘ）と、
   給湯タンク（２６）、循環ポンプ（３４）及び冷媒対水熱交換器（２７）を給湯用水配管（３６）によりループ状に接続して構成され、給湯タンク（２６）内の底部の水を冷媒対水熱交換器（２７）に循環させて加熱し、この冷媒対水熱交換器（２７）で加熱された湯を給湯タンク（２６）の天部（２６Ａ）に戻して貯溜可能とした給湯用水循環回路（Ｒ）と、
   上記貯湯タンク（２６）内の天部（２６Ａ）の湯を循環させて浴槽（１４）内の湯を追い焚きする水対水熱交換器（２８）とを備え、
   上記冷媒対水熱交換器（２７）を含むヒートポンプ冷媒回路（Ｘ）の構成部材はヒートポンプユニット（１１）に配置すると共に、上記冷媒対水熱交換器（２７）を除く給湯用水循環回路（Ｒ）の構成部品は給湯ユニット（１２）に配置し、かつ、上記ヒートポンプユニット（１１）と給湯ユニット（１２）とは、上記給湯用水循環回路（Ｒ）の一部を形成する一対の水配管（３６）で連結し、さらに、上記浴槽（１４）内の天部（２６Ａ）の湯と熱交換した後の水対水熱交換器（２８）からの湯は、上記給湯タンク（２６）の中間部（２６Ｃ）へ戻される構成としたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 上記水対水熱交換器（２８）は、上記給湯ユニット（１２）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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