JP3912363B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、給湯熱交換器、および風呂熱交換器を備えたヒートポンプ装置に関する。

従来より、冷凍サイクルを用いたヒートポンプ式給湯機が提案されており、例えば図４に示すように、圧縮機１、給湯熱交換器２、減圧手段３、空気熱交換器４等から構成される冷凍サイクルを利用して、貯湯タンク１６内に温水を貯留し、これを給湯、暖房（風呂加熱）するものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２２２３９５号公報

しかし、上記従来技術は、暖房を行った給湯水が貯湯タンクへと戻る回路と給湯水がヒートポンプユニットから貯湯タンクへと戻る回路を、水路切替弁によって切り替えるため、暖房運転（あるいは風呂加熱運転）を行っているときに、ヒートポンプユニットによる給湯水の加熱運転を行うことができないため、暖房運転中に貯湯タンクの給湯水の温度が下がって給湯ができない（湯切れ）場合があった。

そこで、本発明は、前記従来の課題を解決するもので、風呂加熱運転（あるいは暖房運転）を行っているときでも、ヒートポンプユニットによる給湯水の加熱運転を行うことができる湯切れの心配がないヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ装置は、浴槽水加熱回路は逆止手段を備えるとともに給湯水下部回路と接続されていることを特徴とする。

これによって、風呂加熱を行った給湯水とヒートポンプユニットで加熱した給湯水を同時に給湯水下部回路より貯湯タンクに戻すことが可能となる。

本発明のヒートポンプ装置は、風呂加熱運転（あるいは暖房運転）を行っているときでも、ヒートポンプユニットによる給湯水の加熱運転を行うことができる湯切れの心配がないヒートポンプ装置とすることができる。

本発明による第１の実施の形態によるヒートポンプ装置は、圧縮機と給湯熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を冷媒回路で環状に接続したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの給湯水を前記給湯熱交換器へ搬送する給湯水ポンプと、前記給湯熱交換器で加熱された給湯水を貯湯タンクの上部へ戻す給湯水上部回路と、前記給湯熱交換器で加熱された給湯水を貯湯タンクの下部へと戻す給湯水下部回路と、前記給湯水上部回路と前記給湯水下部回路を切り替える水路切替手段と、前記給湯熱交換器から出湯する湯の温度を検出する温度検知手段と、前記貯湯タンクの給湯水と浴槽水が熱交換する風呂熱交換器と、前記貯湯タンクの給湯水を風呂熱交換器へ搬送する浴槽水加熱ポンプと、湯水の逆流を防止する逆止手段と、前記貯湯タンクと前記風呂熱交換器と前記浴槽水加熱ポン
プと前記逆止手段とを接続する浴槽水加熱回路とを備え、前記水路切替手段を動作させることによって、前記給湯熱交換器で生成された湯を、前記温度検知手段で検出される温度が所定温度以上になるまでは、前記給湯水下部回路を通じて前記貯湯タンクの下部に戻し、所定温度以上になると、前記給湯水上部回路を通じて前記貯湯タンクの上部に戻すとともに、前記浴槽水加熱回路の前記逆止手段より下流側を前記給湯水下部回路に接続することにより、風呂加熱を行った給湯水とヒートポンプユニットから加熱された給湯水を同時に給湯水下部回路より貯湯タンクに戻す回路であることから、風呂加熱運転を行っているときであっても、給湯水の加熱運転を行うことが可能となり、湯切れの心配がないヒートポンプ装置とすることができる。

本発明による第２の実施の形態によるヒートポンプ装置は、浴槽水循環ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたものであるとすることにより、風呂熱交換器で浴槽水を加熱する給湯水の流量を可変制御することが可能となることから、浴槽へ戻る浴槽水の温度、および、貯湯タンクへ戻る給湯水の温度を制御できる、使い勝手がよく運転効率の高いヒートポンプ装置とすることができる。

本発明による第３の実施の形態によるヒートポンプ装置は、浴槽水循環ポンプの出力に応じて給湯水ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたものとすることにより、運転制御手段によって浴槽水を加熱する給湯水の流量に応じて、給湯水ポンプの出力を補正し、給湯水ポンプの流量変動を抑制する制御を行うことが可能となり、運転効率の高いヒートポンプ装置とすることができる。

本発明による第４の実施の形態は、給湯熱交換器の出口の温度を検知する温度検知手段を備え、温度検知手段と検知温度と浴槽水循環ポンプの出力に応じて給湯水ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたものとすることにより、運転制御手段によって浴槽水を加熱する給湯水の流量と給湯水温度に応じて、水路切替手段の作動制御と、給湯水ポンプの出力を補正し、給湯水ポンプの流量変動を抑制する制御を行うことが可能となり、運転効率の高いヒートポンプ装置とすることができる。

本発明による第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるヒートポンプ装置において、冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するものとすることにより、二酸化炭素を冷媒として用いることで、ヒートポンプ装置を高温で利用することができ、貯湯機能や沸上機能を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のおけるヒートポンプ装置の構成図を示すものである。図１において、圧縮機１、給湯熱交換器２、減圧手段３、空気熱交換器４を冷媒回路５で順に環状に接続してヒートポンプユニット６を構成している。一方、貯湯タンク７には給湯水が貯留されており、給湯水回路９は貯湯タンク７、給湯水ポンプ８、給湯熱交換器２、水路切替手段１２を順に接続する。給湯熱交換器２を流出した給湯水を貯湯タンク７の上部へ戻す場合は、水路切替手段１２と貯湯タンク７の上部を接続する給湯水上部回路１０を介し、給湯水を貯湯タンク７の下部へ戻す場合は、水路切替手段１２と貯湯タンク７の下部を接続する給湯水下部回路１１を経由させる。従って、水路切替手段１２の動作を制御することにより、ヒートポンプユニット６から流出する給湯水を貯湯タンク７の上部、あるいは下部のどちらか一方に戻す位置を選択切替することができる。さらに、貯湯タンク７には、風呂熱交換器１５、浴槽水加熱ポンプ１６、逆止手段２３を順に接続する浴槽水加熱回路１７が設けられており、浴槽水加熱手段１７の下流端は給湯水下部回路
１１に接続されている。風呂熱交換器１５の他方の回路には浴槽２２が接続され、浴槽水を搬送する浴槽水ポンプ１８、浴槽２２、浴槽水ポンプ１８、風呂熱交換器１５を順に接続する浴槽水回路１９を含めて貯湯ユニット２０が構成されている。

以下に、本実施例によるヒートポンプ装置の動作、作用を説明する。ヒートポンプユニット６で貯湯タンク７に貯留された給湯水を加熱する運転は、以下のような動作となる。貯湯タンク７の給湯水は、給湯水ポンプ８によって給湯熱交換器１２へ搬送され、ヒートポンプユニット６のヒートポンプサイクル動作によって加熱される。貯湯タンク７の貯留されている給湯水をより高温化するために、給湯熱交換器１２で加熱された給湯水の温度が所定の温度以上になるまでは給湯水を給湯水下部回路１１より貯湯タンク７へ戻し、所定温度以上になった場合は水路切替手段１２を作動させて給湯水を給湯水上部回路１０より貯湯タンク７へ戻す。給湯水ポンプ８は給湯熱交換器１２で加熱された給湯水の温度が予め決定した温度になる様に、給湯水回路９の流量を制御する。

一方、浴槽２２の浴槽水を加熱する場合は、以下のような動作となる。ヒートポンプユニット６によって貯湯タンク７に貯留された高温の給湯水を、浴槽水加熱ポンプ１６によって風呂熱交換器１５へ搬送し、浴槽水ポンプ１８より搬送された浴槽水を加熱する。風呂熱交換器１５で浴槽水を加熱して温度が下がった給湯水は、浴槽水加熱回路１７の逆止手段２３、給湯水下部回路１１を経由して貯湯タンク７へ戻る。

浴槽水の加熱運転を行っていないときに、給湯水の加熱運転を行う場合において、給湯熱交換器１２で加熱された給湯水の温度が所定の温度以上になるまでは給湯水を給湯水下部回路１１より貯湯タンク７へ戻すが、給湯水が浴槽水加熱回路１７へ流入するが逆止手段２３を設けているため、給湯水が浴槽水加熱回路１７を逆流して貯湯タンク７の上部より戻ることを防ぐことができる。また、給湯水の加熱運転を行っていないときに、浴槽水の加熱運転を行う場合において、風呂熱交換器１５で浴槽水を加熱した給湯水を給湯水下部回路１１より貯湯タンク７へ戻すが、水路切替手段１２を設けているため、給湯水が給湯水下部回路１１を逆流して貯湯タンク７の上部より戻ることを防ぐことができる。さらに、浴槽水の加熱運転を行っている場合に、給湯熱交換器１２で加熱された給湯水の温度が所定の温度以上になるまでは給湯水を給湯水下部回路１１より貯湯タンク７へ戻す運転も可能である。従って、浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行うことができ、浴槽水の加熱運転を行っても、湯切れの心配のないヒートポンプ装置とすることができる。

本実施の形態においては、貯湯タンク７の給湯水で加熱する対象を浴槽水としたが、従来例で示した暖房用循環水とすることも可能であり、この場合でも暖房運転を行っても、湯切れの心配のないヒートポンプ装置とすることができる。

図２において、運転制御手段２４は浴槽水加熱ポンプ１６の出力を制御して、風呂熱交換器１５に流入する給湯水流量を可変させるものである。給湯水流量を可変することによって、浴槽水を加熱する熱量、および浴槽２２へ戻る浴槽水の温度が制御することが可能になるため、使用者の使い勝手に応じた浴槽水の加熱運転を行うことができる。さらに、貯湯タンク７へ戻す給湯水の温度をより低い温度とする制御を行うことができるため、給湯熱交換器２出口の冷媒エンタルピの上昇せず、また貯湯タンク７の対流が発生しにくいため効率の高いヒートポンプ装置とすることができる。

図３は、給湯水ポンプ８を駆動している場合に、浴槽水加熱ポンプ１６の出力を変化させた場合（出力０％〜１００％）の流量特性を示す図である。浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行っているときに、給湯熱交換器１２で加熱された給湯水を給湯水下部回路１１より貯湯タンク７へ戻している場合は、給湯水下部回路１１の給湯水の流れに
浴槽水加熱回路１７から浴槽水を加熱した給湯水が合流し給湯水下部回路１１の圧力損失が増加する。このため、給湯水ポンプ８の出力を一定とした場合では、浴槽水加熱ポンプ１６の出力に応じて、給湯水ポンプ８で搬送される給湯水の流量が変動する（Ａ−ｂ−ｃ）。給湯水ポンプ８の給湯水の流量が変動すると給湯熱交換器２で加熱される給湯水の温度とヒートポンプサイクルが不安定となり、ヒートポンプ装置の耐久性を低下させる。そこで、浴槽水加熱ポンプ１６の出力を変化させた場合（Ａ−Ｂ−Ｃ）でも給湯水ポンプ８が搬送する給湯水の流量を一定となるように、浴槽水加熱ポンプ１６の出力に対応するように給湯水ポンプ８の出力を（（Ａ）−（Ｂ）−（Ｃ））の如く補正する。運転制御手段２４によって浴槽水加熱ポンプ１６の出力制御に併せて、給湯水ポンプ８の出力制御補正を行わせることによって、浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行っているときであっても、給湯熱交換器２で加熱される給湯水の温度とヒートポンプサイクルを安定させることができる。

尚、浴槽水加熱ポンプ１６の出力がＯＮ−ＯＦＦのみの制御である場合は、運転制御手段２４によって浴槽水加熱ポンプ１６のＯＮ出力に併せて、給湯水ポンプ８の出力補正を行わせる。従って、浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行っているときであっても、給湯熱交換器２で加熱される給湯水の温度とヒートポンプサイクルを安定させることができる。

また、浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行っているときに、給湯熱交換器１２で加熱された給湯水を給湯水上部回路１０より貯湯タンク７へ戻している場合は、給湯水上部回路１０の給湯水の流れと浴槽水加熱回路２３から浴槽水を加熱した給湯水は無関係となるため、浴槽水加熱ポンプ１６の出力に応じて、給湯水ポンプ８で搬送される給湯水の流量が変動しなくなる。すなわち、運転制御手段２４によって浴槽水加熱ポンプ１６の出力制御に併せて行っていた、給湯水ポンプ８の出力制御補正が不要となり、この補正を解除する必要がある。温度検知手段２５によって給湯水温度を検知して、水路切替手段１２の回路切替動作を行うと同時に、この動作を解除する制御を運転制御手段２４が行うことにより、浴槽水の加熱運転と給湯水の加熱運転を同時に行っているときであっても、給湯熱交換器２で加熱される給湯水の温度とヒートポンプサイクルを安定させることができる。

給湯熱交換器２の給湯水回路９で高温の給湯水を得るためには、冷凍サイクルは、冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。また、二酸化炭素を冷媒として用いることで、ヒートポンプ装置を高温で利用することができ、貯湯タンク７を用いて、加熱した給湯水を高温の湯として貯湯する場合は、貯湯タンクに貯湯可能な熱量を向上することができる。

尚、浴槽水加熱回路１７を給湯水下部回路１１と合流させずに、直接貯湯タンク７に接続することで給湯水の加熱運転と、浴槽水の加熱運転を同時に行うことが出来る。しかしながら、同時運転時には、貯湯タンク７に対して給湯水が２方向より戻されることになり、貯湯タンク７内部が撹拌される。従って、貯湯タンク７下部の温度の低い給湯水が貯湯タンク７上部の温度の高い給湯水と混合され、貯湯タンク７の貯湯熱量が低下してしまう。

また、図２の構成において、単独で浴槽水の加熱運転を行う場合、給湯水下部回路１１に流入した給湯水の一部は、ヒートポンプユニット６の給湯水回路９へ逆流する。逆流する給湯水の温度が高い場合は、給湯熱交換器２が加熱されるため、ヒートポンプサイクルを起動した場合、給湯熱交換器２から出湯される給湯水の温度上昇の立ち上がりが早くすることが可能となる。

尚、上記実施例では、給湯熱交換器２の利用側配管には、水を流通させる場合で説明したが、給湯タンク等を設けてこの水をヒートポンプ装置に搬送する形態としても良い。また給湯回路内に、水のほかに、例えば、冷媒、又はオイルなどの熱媒体を流通させてもよい。

また、上記実施例では、給湯熱交換器２は給湯用として説明したが、加熱保温が必要な、例えば、温水プール、暖房用貯湯タンク、又は床暖房などの暖房機器のような、保温用装置若しくは設備、加熱用装置若しくは設備、又は暖房用装置若しくは設備に用いてもよい。

本発明にかかるヒートポンプ装置は、湯切れの防止に繋がり、浴槽水の加熱運転の他、暖房、または、廃熱源利用ヒートポンプ装置等の用途にも利用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図 同実施の形態１における運転制御手段を設けたときのヒートポンプ装置の構成図 同実施の形態１における給湯水ポンプの流量特性を示す図 従来のヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 給湯熱交換器
３ 減圧手段
４ 空気熱交換器
５ 送風手段
６ ヒートポンプユニット
７ 貯湯タンク
８ 給湯水ポンプ
１０ 給湯水上部回路
１１ 給湯水下部回路
１２ 水路切替手段
１５ 風呂熱交換器
１６ 浴槽水加熱ポンプ
１７ 浴槽水加熱回路
２３ 逆止手段
２４ 運転制御手段
２５ 温度検知手段

Claims (5)

1. 圧縮機と給湯熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を冷媒回路で環状に接続したヒートポンプユニットと、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの給湯水を前記給湯熱交換器へ搬送する給湯水ポンプと、前記給湯熱交換器で加熱された給湯水を貯湯タンクの上部へ戻す給湯水上部回路と、前記給湯熱交換器で加熱された給湯水を貯湯タンクの下部へと戻す給湯水下部回路と、前記給湯水上部回路と前記給湯水下部回路を切り替える水路切替手段と、前記給湯熱交換器から出湯する湯の温度を検出する温度検知手段と、前記貯湯タンクの給湯水と浴槽水が熱交換する風呂熱交換器と、前記貯湯タンクの給湯水を風呂熱交換器へ搬送する浴槽水加熱ポンプと、湯水の逆流を防止する逆止手段と、前記貯湯タンクと前記風呂熱交換器と前記浴槽水加熱ポンプと前記逆止手段とを接続する浴槽水加熱回路とを備え、前記水路切替手段を動作させることによって、前記給湯熱交換器で生成された湯を、前記温度検知手段で検出される温度が所定温度以上になるまでは、前記給湯水下部回路を通じて前記貯湯タンクの下部に戻し、所定温度以上になると、前記給湯水上部回路を通じて前記貯湯タンクの上部に戻すとともに、前記浴槽水加熱回路の前記逆止手段より下流側を前記給湯水下部回路に接続することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 浴槽水循環ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたことを特徴とする特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
3. 浴槽水循環ポンプの出力に応じて給湯水ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたことを特徴とする特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ装置。
4. 給湯熱交換器の出口の温度を検知する温度検知手段を備え、前記温度検知手段と検知温度と浴槽水循環ポンプの出力に応じて給湯水ポンプの出力を制御する運転制御手段を備えたことを特徴とする特徴とする請求項３記載のヒートポンプ装置。
5. 冷媒として二酸化炭素を用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

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