JP3968653B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプ熱源により貯湯槽の上部より沸き上げ、かつ沸き上げ湯量、水温を制御できる貯湯式給湯器と、風呂追焚、暖房などの負荷端末を接続したヒートポンプシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
貯湯タンクと、圧縮機と、該圧縮機からの冷媒が循環する冷媒用伝熱管と、貯湯タンクからの水が循環する貯湯用伝熱管と、湯船の湯が循環する追焚用伝熱管とにより形成された放熱器と、膨張弁と、該膨張弁からの冷媒と機外空気とを熱交換させる蒸発器とによりヒートポンプ給湯機を構成し、圧縮機からの冷媒が冷媒用伝熱管を介して循環することにより、貯湯タンクから貯湯用伝熱管に循環してきた水を加熱し、当該加熱された水を貯湯タンクに戻すことにより貯湯すると共に、追焚用伝熱管を介して湯船の湯を循環させて冷媒で加熱することにより風呂の追焚を行うようにしている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１０６９６３号公報（段落００２０−００２７、００５３−００５９、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヒートポンプシステムは、追焚回路が冷媒との熱交換においてのみしか稼動できず、貯湯式給湯器での深夜電力時間帯以外の時間帯で追焚負荷が発生したときに追焚できず、また、ヒートポンプがデフロスト運転に入った時にも追焚不能の状態に陥るという問題があった。さらに、給湯と追焚と冷媒との熱交換器が同一であるため、給湯のみ、追焚のみ、給湯追焚同時の３パターンの運転があり、特にCO2冷媒によるヒートポンプの場合、熱交換器への流入水温が低くないと効率向上が図れないため、追焚からの高い水温が熱交換器に流入すると効率が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、効率の高いヒートポンプシステム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】
この発明に係るヒートポンプシステムは、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、前記放熱循環回路のポンプを停止、前記主流量調整手段を開とし、前記貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明に係る実施の形態１を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図２は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図、図３はCO2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【０００８】
図１において、ヒートポンプ５０は、圧縮機５１、加熱熱交換器５２、絞り部５３及び吸熱熱交換器５４が順次接続されている。加熱循環回路６２は、貯湯タンク６０の底部、加熱ポンプ６１、ヒートポンプ５０の加熱熱交換器５２及び貯湯タンク６０の上部が順次接続されている。また、加熱循環回路６２には、ヒートポンプ５０にて加熱される温度を検知する沸き上げ水温センサー８４、貯湯タンク６０から加熱ポンプ６１に入水する入水温センサー８５が設けられている。
負荷循環回路７０は、放熱熱交換器６７、負荷ポンプ７１及び負荷端末７２が順次接続されている。負荷端末７２は風呂の保温追焚機能、床暖房機能、放射空調機、強制対流空調機、風呂乾燥機、熱駆動冷凍機、熱駆動空調機、熱駆動除湿機、熱駆動加湿機等である。また、負荷循環回路７０の負荷端末７２には、負荷の温度を検出する負荷温度センサー８３が設けられている。
【０００９】
放熱循環回路６３は、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４、負荷端末に接続された熱交換器６７、加熱ポンプ６５、主流量調整手段である流量調整弁６６及び貯湯タンク６０のあらかじめ定められた位置の戻し部６８が順次配管６９により接続されている。また、放熱循環回路６３には、貯湯タンク６０内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーａ８１ａ、貯湯タンク６０の戻し部６８近傍の配管６９内の水温を検知する放熱戻し水温センサー８０が設けられている。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａまたは放熱戻し水温センサー８０で検出された水温に基づいて、水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁６６を制御する制御手段１０１が設けられている。
【００１０】
放熱循環回路６３には、負荷循環回路７０の他に、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４近傍の配管６９の分岐部９８ａから分岐して給湯に使う出湯管９１が設けられ、出湯管９１には市水からの給水管９０が混合弁９２を介して接続される。
【００１１】
次に動作について図１〜３により説明する。上記構成のヒートポンプシステムにおいて、まず、貯湯タンク６０内に給水管９０より市水が流入し、貯湯タンク６０内、加熱循環回路６２内、放熱循環回路6３内は冷たい水で満たされる。この状態で、ヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を稼動させ、沸き上げ水温センサー８４の検出温度があらかじめ定められたの水温になるようにヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を調整すると貯湯タンク６０の上部より湧き上がってくる。貯湯タンク６０内に湯が満たされ、いわゆる満蓄状態になると入水温センサー８５の検出温度が上昇してあらかじめ定められたの温度になったところでヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を停止する。
【００１２】
この沸き上げ動作は通常、深夜電力時間帯や貯湯タンク６０内の貯湯量を検出してあらかじめ定められたの貯湯量より少ないときに実施する。一方、負荷端末７２の動作指示があったとき、負荷ポンプ７１が稼動して負荷循環回路７０内を熱媒体が循環し、放熱熱交換器６７で吸熱し負荷温度センサー８３の検出温度があらかじめ定められた温度になるまで送水される。これと同時に、放熱循環回路６３は放熱ポンプ６５が稼動し貯湯タンク６０の上部６４より湯を取り出し、放熱熱交換器６７で放熱し、放熱ポンプ６５、流量調整弁６６を通過し、戻し部６８より貯湯タンク６０内に戻る。
【００１３】
ここで、放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻った場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図２により説明する。図において、実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布であり、実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。ここで貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置の場合は、図に示すように放熱循環回路６３からの戻り水が温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻るので４０℃近傍の中温水が生成される。
【００１４】
一方、例えば、CO2を冷媒に使用したヒートポンプサイクルの冬場における冷媒−水熱交換器（図１で言えば加熱熱交換器５２に相当）への入口水温とCOPの関係を図３により説明すると、冷媒−水熱交換器入口水温が８℃のときのCOPを１００％とすると入口水温が４５℃になるとCOPが約６０％と大幅に低下してしまう。
従って、上述のように負荷端末７２が動作している状態で温度境界層より下で放熱循環回路６３からの水が戻り、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されたときは、これが沸き上げ時に加熱熱交換器５２に入水するとCOPを大幅に低下させてしまうことになる。
【００１５】
本実施の形態では、貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置の場合でも、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されないようにし、COPを大幅に低下させないように制御手段１０１で制御するものであり、次に説明する。
放熱循環回路６３からの戻り水の温度は、放熱循環回路６３の流量調整弁６６によって流量を変化させて任意の温度にすることが可能であるので、制御手段１０１により、放熱戻し水温センサー８０の検出温度があらかじめ定められた温度（低温）になるように、流量調整弁６６により戻り水の流量を変化させ、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されないように制御する。
なお、制御手段１０１により、放熱戻し水温センサー８０の検出温度（低温）が、戻し部６８での貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度と略同一になるように流量調整弁６６により戻り水の流量を制御してもよい。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度があらかじめ定められた温度（低温）になるように、流量調整弁６６により戻り水の流量を制御してもよい。
なお、貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置にするのは、負荷が大きく戻り温度が低い場合である。
【００１６】
以上のように、貯湯タンク６０及びこの貯湯タンク６０の水を加熱するヒートポンプ５０が接続された加熱循環回路６２と、貯湯タンク６０上部の放熱循環回路取り出し部６４、負荷端末７２に接続された放熱熱交換器６７、放熱ポンプ６５、流量調整弁６６及び貯湯タンク６０のあらかじめ定められた位置の戻し部６８が順次配管６９により接続された放熱循環回路６３と、この放熱循環回路６３の貯湯タンク６０の戻し部６８近傍の配管６９内の水温または貯湯タンク６０内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁６６を制御する制御手段１０１とを備えたので、貯湯タンク６０内に中温水を生成することがなく、貯湯タンク内６０の温度成層を壊すことなく、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００１７】
また、放熱循環回路６３の貯湯タンク６０の戻し部近傍の配管６９内の水温を検出する放熱戻し水温センサー８０と、貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーａ８１ａと、放熱戻し水温センサー８０により検出された水温が貯湯タンク水温センサーａ８１ａにより検出された水温とが略同一になるように制御する制御手段１０１と、を備えたので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００１８】
実施の形態２．
実施の形態１では、貯湯タンクの戻し部が温度境界層より下の位置の場合を示したが、本実施の形態は、貯湯タンクの戻し部を温度境界層より上にしたものである。構成は実施の形態１の図１で戻し部が異なるだけで他は同じなので、構成及び基本的な動作の説明を省略する。図４は実施の形態２を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【００１９】
放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻った場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図４により説明する。図において実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布である。実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。
ここで、実施の形態１の図２のように温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻してしまうと４０℃近傍の中温水が生成されてしまいＣＯＰが低下してしまう。
【００２０】
ここで、例えば、３７０Ｌの貯湯タンク６０で９０℃沸き上げとすると、一般的な家庭の給湯負荷から勘案して、貯湯タンクの半分程度を毎日使用する場合、温度境界層は貯湯タンクの中心部１８５Ｌ付近にできるのが上限で、そこより下の位置で、温度境界層が上下することになる。温度境界層より上の位置では９０℃の湯が存在し、温度境界層より下の位置で市水温度で水が存在することになる。
【００２１】
本実施の形態では、貯湯タンク６０の水の沸き上げ後で、負荷端末７２を使用開始前に貯湯タンク６０内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク６０の戻し部６８を配設したものである。例えば、上述のように３７０Ｌの貯湯タンク６０を使用し、温度境界層は貯湯タンクの中心部１８５Ｌ付近にできるのが上限のとき、放熱循環回路６３の戻し部６８を、例えば、貯湯タンク６０の上から１００Ｌの位置に配置する。
【００２２】
このような構成において、制御手段１０１により、図４に示す温度境界層より上の位置で、高温部の水温がそのまま給湯に使える温度、例えば５０℃以上になるように、流量調整弁６６で流量を調整し、放熱戻し水温センサー８０の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー８１ａがあらかじめ定められた水温になるように制御する。
【００２３】
以上のように、貯湯タンク６０の水の沸き上げ後で、負荷端末７２を使用開始前に貯湯タンク６０内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク６０の戻し部６８を配設し、放熱戻し水温センサー８０の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー８１ａがあらかじめ定められた水温になるように制御したので、温度境界層より上部の高温部はそのまま給湯可能であり、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００２４】
実施の形態３．
図５はこの発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図６は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図５において、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４と、放熱循環回路６３の配管６９と出湯管９１の分岐部９８の間に開閉弁A９３を配設し、出湯管９１に出湯水温センサー８６が取り付けられている。開閉弁A９３は開閉手段であっても、流量調整手段であってもよい。
また、開閉弁A９３の代わりに、分岐部９８に流量を任意に分配できる三方弁、または、切り替えの開閉手段を設けてもよい。
【００２５】
次に動作を図５、６により説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり、説明を省略する。放熱時は開閉弁Ａ９３が開の状態であり貯湯タンク６０から放熱循環回路６３へ循環する。出湯時には開閉弁Ａ９３が閉の状態で放熱循環回路６３の流量調整弁６６を開の状態で、放熱ポンプ６５は停止とすると、戻し部６８からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路６３を逆流して、放熱循環回路取り出し部６４より出湯管９１に流入し出湯される。
【００２６】
放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻り、負荷端末７２の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図６により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線が出湯動作させ貯湯タンク内より放熱循環回路６３を逆流させた水温分布である。
この状態で、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度が出湯可能な、たとえば５０℃以上であれば、放熱循環回路６３を逆流させると、開閉弁A９３が閉となっているので、取り出し位置（戻し部６８）より下の位置にある湯が入水され、出湯管９１より給湯される。このとき出湯管９１に設けられた出湯水温センサー８６の検出温度が所望の水温になるように混合弁９２の開度を調整してやればよい。また、タンク内の中温水の水温が低下して給湯不能な水温になった場合、開閉弁A９３を開き、貯湯タンク６０上部の高温水を出湯させるようにする。
【００２７】
なお、５０℃以上の湯はそのまま出湯できるので、貯湯タンク６０上部の８０℃の湯より先に温度の低い部分を先に給湯すると、貯湯タンク６０下部より低い温度の市水が入水され、貯湯タンク６０下部を低い水温の水で満たすことができる。
【００２８】
このように、制御手段１０１は、放熱循環回路６３の放熱ポンプ６５を停止、流量調整弁６６を開とし、貯湯タンク水温センサー８１ａの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁A９３をを閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁A９３を開とする。
また、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御する。
【００２９】
このようにして、仮に５０℃前後の中温水が生成されてしまったとしても放熱循環回路６３を逆流させて出湯させるので温度境界層より下部の低温部は水温が低い。
【００３０】
以上のように、放熱循環回路６３の放熱循環回路取り出し部６４近傍の配管６９から分岐して設けられた出湯管９１と、この出湯管９１及び配管６９の分岐部９８と放熱循環回路取り出し部６４の間に設けられた開閉弁Ａ９３または流量調整手段と、を備え、制御手段１０１は、放熱循環回路６３のポンプを停止、流量調整弁６６を開とし、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を開とするので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００３１】
また、出湯管９１に設けられ吸水管からの給水を混合する混合弁９２または給水と出湯の両方の流量調節が可能な流量調整手段と、この混合弁９２または流量調整手段の下流の出湯管９１の水温を検出する出湯水温センサー８６と、を備え、制御手段１０１は、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められた水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御するので、所望の出湯温度にすることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図７はこの発明に係る実施の形態４を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図８は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図７において、貯湯タンク６０の戻し部６８より上部に設けたバイパス管取り出し部９６より開閉弁B９５を介してバイパス管９４を放熱循環回路６３と並列に配設する。バイパス管９４の戻り側は、出湯管９１のバイパス管戻し分岐部９９に接続される。また、貯湯タンク６０上部の放熱循環回路取り出し部６４近傍の放熱循環回路６３の配管６９の分岐部９８と出湯管９１のバイパス管戻し分岐部９９の間に開閉弁９３が設けられる。なお、開閉Ａ弁９３は流量調整手段でもよい。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａは戻し部６８の位置、貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂはバイパス管９４のバイパス管取り出し部９６付近に配設する。
【００３３】
次に動作について図７、８により説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり説明を省略する。放熱時は貯湯タンク６０から循環回路６３へ湯が循環する。出湯時において、放熱が行われない場合には、開閉弁Ａ９３を開き、流量調整弁６６を開くと、貯湯タンク６０の上部からと戻し部６８からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路６３を逆流して、タンク内上部湯と混合して出湯管９１から出湯される。しかし、負荷端末７２の動作と出湯が同じ時に起こる可能性があり、このときは、負荷端末の放熱と出湯を交互にやってもよいが、本実施の形態はこれを同時に行うものである。
【００３４】
すなわち、出湯時と放熱が同時に行われる場合には、開閉弁Ａ９３を閉、流量調整弁６６を開とし、放熱ポンプ６５を作動させ貯湯タンク６０から湯を放熱循環回路６３へ循環させ放熱を行う。同時に、バイパス管９４の開閉弁ｂ９５を開とすると、貯湯タンク６０のバイパス管取り出し部９６からタンク内の湯が吸い込まれ、バイパス管９４を通り出湯管９１から出湯される。
なお、中温水が貯湯タンク６０内広範囲に存在し、貯湯タンクの水温センサー８１ｂの検出温度が出湯可能な水温である場合にもこのようにバイパス管９４を使用する。
【００３５】
次に、放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻り、負荷端末７２の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線、1点鎖線が出湯動作させ貯湯タンク内よりバイパス管９３に流入させた水温分布である。
バイパス管９３に流入させるとバイパス管取り出し部９６より下の位置にある湯が入水され出湯管９１より給湯される。このとき水温センサー８１ｂの水温がそのまま出湯できるときは、放熱循環回路６３の逆流分のみを出湯させてやればよいし、できないときは、開閉弁Ａ９３を開き、貯湯タンク上部の湯と混合して出湯させる。そして、出湯管９１に配置された出湯水温センサー８４の検出温度が所望の水温になるように混合弁の開度を調整してやればよい。
【００３６】
このように、制御手段１０１は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉、放熱循環回路６３のポンプを作動、流量調整弁６６を開とするとともに、バイパス管９４近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには開閉弁Ａ９３または流量調節手段を開とする。
また、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御する。
【００３７】
以上のように、放熱循環回路６３の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管９１と、この出湯管９１から分岐し、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を介して貯湯タンクの放熱回路の戻し部９６より上方に接続されたバイパス管９４と、出湯管９１と取り出し部近傍６４の配管６９の分岐部９８及びバイパス管９４と出湯管９１の分岐部の間に設けられた開閉弁Ａ９３または流量調整手段と、貯湯タンク６０内のバイパス管９４の接続部近傍の温度を検知するバイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂと、を備え、制御手段１０１は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉、放熱循環回路６３のポンプを作動、流量調整弁６６を開とするとともに、バイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を開とするので、貯湯タンク６０の高さ方向に多く中温水が存在するときに、放熱、出湯を効率よく行うことができる。
また、放熱しながら中温水を出湯させることができる。
【００３８】
実施の形態５．
図９はこの発明に係る実施の形態５を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。図において実施の形態１の図１及び羽実施の形態３の図５と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
貯湯タンクの戻し部６８を貯湯タンク６０の上部に設け、この戻し部６８から貯湯タンク６０内部に延設され、戻し口９７ａを有する貯湯タンク内戻し配管９７を設けている。貯湯タンク内戻し配管９７は熱伝導性のよい材質、例えば、銅等を使用する。
【００３９】
次に動作について説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり説明を主略する。放熱時は貯湯タンク６０から循環回路６３へ湯が循環する。貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換して、戻し口９７ａより貯湯タンク６０内に戻る。放熱戻し水温センサー８０の検出温度が低い場合、そのまま貯湯タンク水温センサー８１ａの位置に戻すと、多量の中温水、およそ４０℃前後を生成してしまう。
本実施の形態では、戻し口９７ａまでの貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換することにより中温水の温度を上げ、たとえば５０℃以上でそのまま出湯可能な湯を生成できる。
【００４０】
以上のように、貯湯タンクの戻し部を貯湯タンクの上部に設け、この戻し部から貯湯タンク内部に延設された貯湯内戻し配管を備えたので、貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換して、中温水の水温をそのまま出湯できる水温まで上昇させることができる。
【００４１】
なお、実施の形態１〜５において、ヒートポンプの冷媒はＣＯ2として、冷媒−水熱交換器の入水温度を低く保つようにし、高いＣＯＰ運転をするようにすることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、前記放熱循環回路のポンプを停止、前記主流量調整手段を開とし、前記貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、を備えたので、簡単な構成で、効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図２】 貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図３】 ＣＯ2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【図４】 実施の形態２を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図５】 この発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図６】 この発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態４を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図８】 この発明に係る実施の形態４を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態５を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ ヒートポンプ、５１ 圧縮機、５２ 加熱熱交換器、５３ 絞り部、５４吸熱熱交換器、６０ 貯湯タンク、６１ 加熱ポンプ、６２ 加熱循環回路、６３ 放熱循環回路、６４ 放熱循環回路取り出し部、６５ 放熱ポンプ、６６流量調整弁、６７ 放熱熱交換器、６８ 放熱循環回路戻し部、６９ 配管、７０ 負荷循環回路、７１ 負荷ポンプ、７２ 負荷端末、８０ 放熱戻し水温センサ、８１ａ 貯湯タンク水温センサーａ、８１ｂ 貯湯タンク水温センサーｂ、８３ 負荷温度センサー、８４ 沸き上げ温度センサー、８５ 入水温度センサー、９０ 給水管、９１ 出湯管、９２ 混合弁、９３ 開閉弁A、９４ バイパス管、９５ 開閉弁B、９６ バイパス管取り出し部、９７ 貯湯タンク内戻し配管、９８ 分岐部、９９ バイパス管戻し分岐部、１０１ 制御手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプ熱源により貯湯槽の上部より沸き上げ、かつ沸き上げ湯量、水温を制御できる貯湯式給湯器と、風呂追焚、暖房などの負荷端末を接続したヒートポンプシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
貯湯タンクと、圧縮機と、該圧縮機からの冷媒が循環する冷媒用伝熱管と、貯湯タンクからの水が循環する貯湯用伝熱管と、湯船の湯が循環する追焚用伝熱管とにより形成された放熱器と、膨張弁と、該膨張弁からの冷媒と機外空気とを熱交換させる蒸発器とによりヒートポンプ給湯機を構成し、圧縮機からの冷媒が冷媒用伝熱管を介して循環することにより、貯湯タンクから貯湯用伝熱管に循環してきた水を加熱し、当該加熱された水を貯湯タンクに戻すことにより貯湯すると共に、追焚用伝熱管を介して湯船の湯を循環させて冷媒で加熱することにより風呂の追焚を行うようにしている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１０６９６３号公報（段落００２０−００２７、００５３−００５９、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヒートポンプシステムは、追焚回路が冷媒との熱交換においてのみしか稼動できず、貯湯式給湯器での深夜電力時間帯以外の時間帯で追焚負荷が発生したときに追焚できず、また、ヒートポンプがデフロスト運転に入った時にも追焚不能の状態に陥るという問題があった。さらに、給湯と追焚と冷媒との熱交換器が同一であるため、給湯のみ、追焚のみ、給湯追焚同時の３パターンの運転があり、特にCO2冷媒によるヒートポンプの場合、熱交換器への流入水温が低くないと効率向上が図れないため、追焚からの高い水温が熱交換器に流入すると効率が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、効率の高いヒートポンプシステム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】
この発明に係るヒートポンプシステムは、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、前記放熱循環回路のポンプを停止、前記主流量調整手段を開とし、前記貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明に係る実施の形態１を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図２は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図、図３はCO2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【０００８】
図１において、ヒートポンプ５０は、圧縮機５１、加熱熱交換器５２、絞り部５３及び吸熱熱交換器５４が順次接続されている。加熱循環回路６２は、貯湯タンク６０の底部、加熱ポンプ６１、ヒートポンプ５０の加熱熱交換器５２及び貯湯タンク６０の上部が順次接続されている。また、加熱循環回路６２には、ヒートポンプ５０にて加熱される温度を検知する沸き上げ水温センサー８４、貯湯タンク６０から加熱ポンプ６１に入水する入水温センサー８５が設けられている。
負荷循環回路７０は、放熱熱交換器６７、負荷ポンプ７１及び負荷端末７２が順次接続されている。負荷端末７２は風呂の保温追焚機能、床暖房機能、放射空調機、強制対流空調機、風呂乾燥機、熱駆動冷凍機、熱駆動空調機、熱駆動除湿機、熱駆動加湿機等である。また、負荷循環回路７０の負荷端末７２には、負荷の温度を検出する負荷温度センサー８３が設けられている。
【０００９】
放熱循環回路６３は、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４、負荷端末に接続された熱交換器６７、加熱ポンプ６５、主流量調整手段である流量調整弁６６及び貯湯タンク６０のあらかじめ定められた位置の戻し部６８が順次配管６９により接続されている。また、放熱循環回路６３には、貯湯タンク６０内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーａ８１ａ、貯湯タンク６０の戻し部６８近傍の配管６９内の水温を検知する放熱戻し水温センサー８０が設けられている。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａまたは放熱戻し水温センサー８０で検出された水温に基づいて、水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁６６を制御する制御手段１０１が設けられている。
【００１０】
放熱循環回路６３には、負荷循環回路７０の他に、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４近傍の配管６９の分岐部９８ａから分岐して給湯に使う出湯管９１が設けられ、出湯管９１には市水からの給水管９０が混合弁９２を介して接続される。
【００１１】
次に動作について図１〜３により説明する。上記構成のヒートポンプシステムにおいて、まず、貯湯タンク６０内に給水管９０より市水が流入し、貯湯タンク６０内、加熱循環回路６２内、放熱循環回路6３内は冷たい水で満たされる。この状態で、ヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を稼動させ、沸き上げ水温センサー８４の検出温度があらかじめ定められたの水温になるようにヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を調整すると貯湯タンク６０の上部より湧き上がってくる。貯湯タンク６０内に湯が満たされ、いわゆる満蓄状態になると入水温センサー８５の検出温度が上昇してあらかじめ定められたの温度になったところでヒートポンプ５０と加熱ポンプ６１を停止する。
【００１２】
この沸き上げ動作は通常、深夜電力時間帯や貯湯タンク６０内の貯湯量を検出してあらかじめ定められたの貯湯量より少ないときに実施する。一方、負荷端末７２の動作指示があったとき、負荷ポンプ７１が稼動して負荷循環回路７０内を熱媒体が循環し、放熱熱交換器６７で吸熱し負荷温度センサー８３の検出温度があらかじめ定められた温度になるまで送水される。これと同時に、放熱循環回路６３は放熱ポンプ６５が稼動し貯湯タンク６０の上部６４より湯を取り出し、放熱熱交換器６７で放熱し、放熱ポンプ６５、流量調整弁６６を通過し、戻し部６８より貯湯タンク６０内に戻る。
【００１３】
ここで、放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻った場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図２により説明する。図において、実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布であり、実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。ここで貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置の場合は、図に示すように放熱循環回路６３からの戻り水が温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻るので４０℃近傍の中温水が生成される。
【００１４】
一方、例えば、CO2を冷媒に使用したヒートポンプサイクルの冬場における冷媒−水熱交換器（図１で言えば加熱熱交換器５２に相当）への入口水温とCOPの関係を図３により説明すると、冷媒−水熱交換器入口水温が８℃のときのCOPを１００％とすると入口水温が４５℃になるとCOPが約６０％と大幅に低下してしまう。
従って、上述のように負荷端末７２が動作している状態で温度境界層より下で放熱循環回路６３からの水が戻り、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されたときは、これが沸き上げ時に加熱熱交換器５２に入水するとCOPを大幅に低下させてしまうことになる。
【００１５】
本実施の形態では、貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置の場合でも、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されないようにし、COPを大幅に低下させないように制御手段１０１で制御するものであり、次に説明する。
放熱循環回路６３からの戻り水の温度は、放熱循環回路６３の流量調整弁６６によって流量を変化させて任意の温度にすることが可能であるので、制御手段１０１により、放熱戻し水温センサー８０の検出温度があらかじめ定められた温度（低温）になるように、流量調整弁６６により戻り水の流量を変化させ、貯湯タンク６０の低温部に４０℃前後の中温水が生成されないように制御する。
なお、制御手段１０１により、放熱戻し水温センサー８０の検出温度（低温）が、戻し部６８での貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度と略同一になるように流量調整弁６６により戻り水の流量を制御してもよい。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度があらかじめ定められた温度（低温）になるように、流量調整弁６６により戻り水の流量を制御してもよい。
なお、貯湯タンク６０の戻し部６８が温度境界層より下の位置にするのは、負荷が大きく戻り温度が低い場合である。
【００１６】
以上のように、貯湯タンク６０及びこの貯湯タンク６０の水を加熱するヒートポンプ５０が接続された加熱循環回路６２と、貯湯タンク６０上部の放熱循環回路取り出し部６４、負荷端末７２に接続された放熱熱交換器６７、放熱ポンプ６５、流量調整弁６６及び貯湯タンク６０のあらかじめ定められた位置の戻し部６８が順次配管６９により接続された放熱循環回路６３と、この放熱循環回路６３の貯湯タンク６０の戻し部６８近傍の配管６９内の水温または貯湯タンク６０内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁６６を制御する制御手段１０１とを備えたので、貯湯タンク６０内に中温水を生成することがなく、貯湯タンク内６０の温度成層を壊すことなく、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００１７】
また、放熱循環回路６３の貯湯タンク６０の戻し部近傍の配管６９内の水温を検出する放熱戻し水温センサー８０と、貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーａ８１ａと、放熱戻し水温センサー８０により検出された水温が貯湯タンク水温センサーａ８１ａにより検出された水温とが略同一になるように制御する制御手段１０１と、を備えたので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００１８】
実施の形態２．
実施の形態１では、貯湯タンクの戻し部が温度境界層より下の位置の場合を示したが、本実施の形態は、貯湯タンクの戻し部を温度境界層より上にしたものである。構成は実施の形態１の図１で戻し部が異なるだけで他は同じなので、構成及び基本的な動作の説明を省略する。図４は実施の形態２を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【００１９】
放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻った場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図４により説明する。図において実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布である。実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。
ここで、実施の形態１の図２のように温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻してしまうと４０℃近傍の中温水が生成されてしまいＣＯＰが低下してしまう。
【００２０】
ここで、例えば、３７０Ｌの貯湯タンク６０で９０℃沸き上げとすると、一般的な家庭の給湯負荷から勘案して、貯湯タンクの半分程度を毎日使用する場合、温度境界層は貯湯タンクの中心部１８５Ｌ付近にできるのが上限で、そこより下の位置で、温度境界層が上下することになる。温度境界層より上の位置では９０℃の湯が存在し、温度境界層より下の位置で市水温度で水が存在することになる。
【００２１】
本実施の形態では、貯湯タンク６０の水の沸き上げ後で、負荷端末７２を使用開始前に貯湯タンク６０内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク６０の戻し部６８を配設したものである。例えば、上述のように３７０Ｌの貯湯タンク６０を使用し、温度境界層は貯湯タンクの中心部１８５Ｌ付近にできるのが上限のとき、放熱循環回路６３の戻し部６８を、例えば、貯湯タンク６０の上から１００Ｌの位置に配置する。
【００２２】
このような構成において、制御手段１０１により、図４に示す温度境界層より上の位置で、高温部の水温がそのまま給湯に使える温度、例えば５０℃以上になるように、流量調整弁６６で流量を調整し、放熱戻し水温センサー８０の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー８１ａがあらかじめ定められた水温になるように制御する。
【００２３】
以上のように、貯湯タンク６０の水の沸き上げ後で、負荷端末７２を使用開始前に貯湯タンク６０内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク６０の戻し部６８を配設し、放熱戻し水温センサー８０の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー８１ａがあらかじめ定められた水温になるように制御したので、温度境界層より上部の高温部はそのまま給湯可能であり、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００２４】
実施の形態３．
図５はこの発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図６は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図５において、貯湯タンク６０の上部の放熱循環回路取り出し部６４と、放熱循環回路６３の配管６９と出湯管９１の分岐部９８の間に開閉弁A９３を配設し、出湯管９１に出湯水温センサー８６が取り付けられている。開閉弁A９３は開閉手段であっても、流量調整手段であってもよい。
また、開閉弁A９３の代わりに、分岐部９８に流量を任意に分配できる三方弁、または、切り替えの開閉手段を設けてもよい。
【００２５】
次に動作を図５、６により説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり、説明を省略する。放熱時は開閉弁Ａ９３が開の状態であり貯湯タンク６０から放熱循環回路６３へ循環する。出湯時には開閉弁Ａ９３が閉の状態で放熱循環回路６３の流量調整弁６６を開の状態で、放熱ポンプ６５は停止とすると、戻し部６８からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路６３を逆流して、放熱循環回路取り出し部６４より出湯管９１に流入し出湯される。
【００２６】
放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻り、負荷端末７２の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図６により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線が出湯動作させ貯湯タンク内より放熱循環回路６３を逆流させた水温分布である。
この状態で、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度が出湯可能な、たとえば５０℃以上であれば、放熱循環回路６３を逆流させると、開閉弁A９３が閉となっているので、取り出し位置（戻し部６８）より下の位置にある湯が入水され、出湯管９１より給湯される。このとき出湯管９１に設けられた出湯水温センサー８６の検出温度が所望の水温になるように混合弁９２の開度を調整してやればよい。また、タンク内の中温水の水温が低下して給湯不能な水温になった場合、開閉弁A９３を開き、貯湯タンク６０上部の高温水を出湯させるようにする。
【００２７】
なお、５０℃以上の湯はそのまま出湯できるので、貯湯タンク６０上部の８０℃の湯より先に温度の低い部分を先に給湯すると、貯湯タンク６０下部より低い温度の市水が入水され、貯湯タンク６０下部を低い水温の水で満たすことができる。
【００２８】
このように、制御手段１０１は、放熱循環回路６３の放熱ポンプ６５を停止、流量調整弁６６を開とし、貯湯タンク水温センサー８１ａの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁A９３をを閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁A９３を開とする。
また、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御する。
【００２９】
このようにして、仮に５０℃前後の中温水が生成されてしまったとしても放熱循環回路６３を逆流させて出湯させるので温度境界層より下部の低温部は水温が低い。
【００３０】
以上のように、放熱循環回路６３の放熱循環回路取り出し部６４近傍の配管６９から分岐して設けられた出湯管９１と、この出湯管９１及び配管６９の分岐部９８と放熱循環回路取り出し部６４の間に設けられた開閉弁Ａ９３または流量調整手段と、を備え、制御手段１０１は、放熱循環回路６３のポンプを停止、流量調整弁６６を開とし、貯湯タンク水温センサーａ８１ａの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を開とするので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、ＣＯ2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【００３１】
また、出湯管９１に設けられ吸水管からの給水を混合する混合弁９２または給水と出湯の両方の流量調節が可能な流量調整手段と、この混合弁９２または流量調整手段の下流の出湯管９１の水温を検出する出湯水温センサー８６と、を備え、制御手段１０１は、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められた水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御するので、所望の出湯温度にすることができる。
【００３２】
実施の形態４．
図７はこの発明に係る実施の形態４を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図８は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態１の図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図７において、貯湯タンク６０の戻し部６８より上部に設けたバイパス管取り出し部９６より開閉弁B９５を介してバイパス管９４を放熱循環回路６３と並列に配設する。バイパス管９４の戻り側は、出湯管９１のバイパス管戻し分岐部９９に接続される。また、貯湯タンク６０上部の放熱循環回路取り出し部６４近傍の放熱循環回路６３の配管６９の分岐部９８と出湯管９１のバイパス管戻し分岐部９９の間に開閉弁９３が設けられる。なお、開閉Ａ弁９３は流量調整手段でもよい。
また、貯湯タンク水温センサーａ８１ａは戻し部６８の位置、貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂはバイパス管９４のバイパス管取り出し部９６付近に配設する。
【００３３】
次に動作について図７、８により説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり説明を省略する。放熱時は貯湯タンク６０から循環回路６３へ湯が循環する。出湯時において、放熱が行われない場合には、開閉弁Ａ９３を開き、流量調整弁６６を開くと、貯湯タンク６０の上部からと戻し部６８からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路６３を逆流して、タンク内上部湯と混合して出湯管９１から出湯される。しかし、負荷端末７２の動作と出湯が同じ時に起こる可能性があり、このときは、負荷端末の放熱と出湯を交互にやってもよいが、本実施の形態はこれを同時に行うものである。
【００３４】
すなわち、出湯時と放熱が同時に行われる場合には、開閉弁Ａ９３を閉、流量調整弁６６を開とし、放熱ポンプ６５を作動させ貯湯タンク６０から湯を放熱循環回路６３へ循環させ放熱を行う。同時に、バイパス管９４の開閉弁ｂ９５を開とすると、貯湯タンク６０のバイパス管取り出し部９６からタンク内の湯が吸い込まれ、バイパス管９４を通り出湯管９１から出湯される。
なお、中温水が貯湯タンク６０内広範囲に存在し、貯湯タンクの水温センサー８１ｂの検出温度が出湯可能な水温である場合にもこのようにバイパス管９４を使用する。
【００３５】
次に、放熱循環回路６３からの戻り水が戻し部６８から戻り、負荷端末７２の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク６０内の高さ方向の水温分布を図により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線、1点鎖線が出湯動作させ貯湯タンク内よりバイパス管９３に流入させた水温分布である。
バイパス管９３に流入させるとバイパス管取り出し部９６より下の位置にある湯が入水され出湯管９１より給湯される。このとき水温センサー８１ｂの水温がそのまま出湯できるときは、放熱循環回路６３の逆流分のみを出湯させてやればよいし、できないときは、開閉弁Ａ９３を開き、貯湯タンク上部の湯と混合して出湯させる。そして、出湯管９１に配置された出湯水温センサー８４の検出温度が所望の水温になるように混合弁の開度を調整してやればよい。
【００３６】
このように、制御手段１０１は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉、放熱循環回路６３のポンプを作動、流量調整弁６６を開とするとともに、バイパス管９４近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには開閉弁Ａ９３または流量調節手段を開とする。
また、出湯水温センサー８６により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁９２または流量調整手段を制御する。
【００３７】
以上のように、放熱循環回路６３の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管９１と、この出湯管９１から分岐し、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を介して貯湯タンクの放熱回路の戻し部９６より上方に接続されたバイパス管９４と、出湯管９１と取り出し部近傍６４の配管６９の分岐部９８及びバイパス管９４と出湯管９１の分岐部の間に設けられた開閉弁Ａ９３または流量調整手段と、貯湯タンク６０内のバイパス管９４の接続部近傍の温度を検知するバイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂと、を備え、制御手段１０１は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を閉、放熱循環回路６３のポンプを作動、流量調整弁６６を開とするとともに、バイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーｂ８１ｂの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁９５または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには、開閉弁Ａ９３または流量調整手段を開とするので、貯湯タンク６０の高さ方向に多く中温水が存在するときに、放熱、出湯を効率よく行うことができる。
また、放熱しながら中温水を出湯させることができる。
【００３８】
実施の形態５．
図９はこの発明に係る実施の形態５を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。図において実施の形態１の図１及び羽実施の形態３の図５と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
貯湯タンクの戻し部６８を貯湯タンク６０の上部に設け、この戻し部６８から貯湯タンク６０内部に延設され、戻し口９７ａを有する貯湯タンク内戻し配管９７を設けている。貯湯タンク内戻し配管９７は熱伝導性のよい材質、例えば、銅等を使用する。
【００３９】
次に動作について説明する。沸き上げ時は実施の形態１と同じであり説明を主略する。放熱時は貯湯タンク６０から循環回路６３へ湯が循環する。貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換して、戻し口９７ａより貯湯タンク６０内に戻る。放熱戻し水温センサー８０の検出温度が低い場合、そのまま貯湯タンク水温センサー８１ａの位置に戻すと、多量の中温水、およそ４０℃前後を生成してしまう。
本実施の形態では、戻し口９７ａまでの貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換することにより中温水の温度を上げ、たとえば５０℃以上でそのまま出湯可能な湯を生成できる。
【００４０】
以上のように、貯湯タンクの戻し部を貯湯タンクの上部に設け、この戻し部から貯湯タンク内部に延設された貯湯内戻し配管を備えたので、貯湯タンク内戻し配管９７により、周囲の湯と熱交換して、中温水の水温をそのまま出湯できる水温まで上昇させることができる。
【００４１】
なお、実施の形態１〜５において、ヒートポンプの冷媒はＣＯ2として、冷媒−水熱交換器の入水温度を低く保つようにし、高いＣＯＰ運転をするようにすることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、前記放熱循環回路のポンプを停止、前記主流量調整手段を開とし、前記貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、を備えたので、簡単な構成で、効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図２】 貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図３】 ＣＯ2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【図４】 実施の形態２を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図５】 この発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図６】 この発明に係る実施の形態３を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態４を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図８】 この発明に係る実施の形態４を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態５を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１ ヒートポンプ、５１ 圧縮機、５２ 加熱熱交換器、５３ 絞り部、５４吸熱熱交換器、６０ 貯湯タンク、６１ 加熱ポンプ、６２ 加熱循環回路、６３ 放熱循環回路、６４ 放熱循環回路取り出し部、６５ 放熱ポンプ、６６流量調整弁、６７ 放熱熱交換器、６８ 放熱循環回路戻し部、６９ 配管、７０ 負荷循環回路、７１ 負荷ポンプ、７２ 負荷端末、８０ 放熱戻し水温センサ、８１ａ 貯湯タンク水温センサーａ、８１ｂ 貯湯タンク水温センサーｂ、８３ 負荷温度センサー、８４ 沸き上げ温度センサー、８５ 入水温度センサー、９０ 給水管、９１ 出湯管、９２ 混合弁、９３ 開閉弁A、９４ バイパス管、９５ 開閉弁B、９６ バイパス管取り出し部、９７ 貯湯タンク内戻し配管、９８ 分岐部、９９ バイパス管戻し分岐部、１０１ 制御手段。
Claims (5)
- 貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、
前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、
前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、
前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、
この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、
前記放熱循環回路のポンプを停止、前記主流量調整手段を開とし、前記貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。 - 貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、
前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクの戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、
前記貯湯タンク内の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、
前記放熱循環回路の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管と、
この出湯管から分岐し、バイパス管用の開閉手段または流量調整手段を介して貯湯タンクの放熱回路の戻し部より上方に接続されたバイパス管と、
前記出湯管と前記取り出し部近傍の前記配管の分岐部及び前記バイパス管と前記出湯管の分岐部の間に設けられた開閉手段または流量調整手段と、
前記貯湯タンク内の前記バイパス管の接続部近傍の温度を検知するバイパス管近傍の貯湯タンク水温検出手段と、
放熱運転と出湯を同時に行うときは、前記開閉手段または前記流量調整手段を閉、前記放熱循環回路のポンプを作動、前記主流量調整手段を開とするとともに、前記バイパス管近傍の貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、前記バイパス管用の前記開閉手段または前記流量調整手段を開とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときには、前記開閉手段または前記流量調整手段を開とする制御手段と、
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。 - 前記出湯管に設けられ吸水管からの給水を混合する混合手段または前記給水と出湯の両方の流量調整が可能な流量調整手段と、
この混合手段または前記流量調整手段の下流の前記出湯管の水温を検出する出湯水温検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記出湯温度検出手段により検出された温度があらかじめ定められた水温になるように前記混合手段または前記流量調整手段を制御することを特長とする請求項１または２記載のヒートポンプシステム。 - 貯湯タンクの戻し部を前記貯湯タンクの上部に設け、この戻し部から前記貯湯タンク内部に延設された貯湯内戻し配管を備えたことを特長とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
- ヒートポンプの冷媒をＣＯ2としたことを特長とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
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