JP4016870B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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】
従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献１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２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、放熱器である熱交換器３、減圧手段４、吸熱器５が接続された冷媒循環回路６と、熱交換器３の冷媒流路７と熱交換を行う熱交換器３内の水流路８と、この水流路８に水道水を供給する給水管９と、前記水流路８とシャワーや蛇口等の給湯端末１０とを接続する給湯回路１１と、給湯回路１１に設け給湯温度を検知する温度センサ１２と、圧縮機２の回転数を制御するインバータ１３を備え、圧縮機２を温度センサ１２の検知温度と設定温度との差に応じてインバータ１３の出力周波数を変換するようにしていた。すなわち従来の給湯装置では設定温度に対して給湯温度が低い場合は圧縮機２の回転数を上げ、給湯温度が高い場合は回転数を下げるように制御するようにして給湯負荷にあわせて加熱能力を変化させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２２３７６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例の給湯装置の構成では、ヒートポンプを熱源として用いているため給湯運転開始からしばらくの間、動作冷媒や圧縮機２や熱交換器３などの冷媒循環回路６全体のもつ熱量が上昇するまで時間がかかり、安定するまで給湯に必要とされる能力で加熱することができない。そのため、給湯端末で必要とされる温度もしくは流量が得られない。また、給湯運転を継続することによって、十分な加熱能力が得られるように冷媒循環回路６全体の持つ熱量が上昇し、安定しても、給湯運転を一度停止するとその熱量が徐々に周囲に放熱されて無駄になってしまうといった課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯運転開始直後から十分な給湯能力を得られるようにするとともに、給湯運転によって上昇した冷媒循環回路全体の持つ熱量を給湯運転終了後も有効に利用する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、圧縮機と放熱器である熱交換器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒回路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される冷媒回路側水回路の少なくとも一箇所に熱量を供給するように設け、蓄熱温度を給湯温度より高温にした水を貯留する貯留タンクである蓄熱手段と、前記蓄熱手段に貯留された温水と前記熱交換器からの水とを任意の混合比で混合する混合手段と、給湯を検知する給湯検知手段と、前記熱交換器出口の温度を検地する沸上温度検知手段と、運転状態を制御する制御手段とを備え、前記沸上温度検知手段の検知温度が高いほど、前記混合手段における前記蓄熱手段からの温水混合比が少なくなるように、前記制御手段により前記混合手段を制御するとともに、前記給湯検知手段によって給湯の終了を検知した後、前記冷媒循環回路によって前記蓄熱手段への蓄熱運転を行うものである。
【０００７】
上記発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。また、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、冷媒循環回路の持つ熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器である熱交換器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒回路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される冷媒回路側水回路の少なくとも一箇所に熱量を供給するように設け、蓄熱温度を給湯温度より高温にした水を貯留する貯留タンクである蓄熱手段と、前記蓄熱手段に貯留された温水と前記熱交換器からの水とを任意の混合比で混合する混合手段と、給湯を検知する給湯検知手段と、前記熱交換器出口の温度を検地する沸上温度検知手段と、運転状態を制御する制御手段とを備え、前記沸上温度検知手段の検知温度が高いほど、前記混合手段における前記蓄熱手段からの温水混合比が少なくなるように、前記制御手段により前記混合手段を制御するとともに、前記給湯検知手段によって給湯の終了を検知した後、前記冷媒循環回路によって前記蓄熱手段への蓄熱運転を行うものである。
【０００９】
また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【００１０】
この発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。そして、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、蓄熱手段の蓄熱量不足を低減させることができるとともに、給湯運転によって上昇した冷媒循環回路の熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。
【００１１】
また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【００１２】
また、この発明によれば、蓄熱手段の湯温を給湯温度より高くすることにより、蓄熱密度を上げることで蓄熱サイズを小さくするもので、設置スペースや重量を少なくすることができる。
【００１３】
また、この発明によれば、給湯に使用する水を蓄熱手段として用いることにより、流通時は水を外部に排出すれば軽量にでき、必要となれば水道等から容易に補充できる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも毒性などもなく安全である。
【００１４】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、特に、請求項１に記載の蓄熱手段に蓄熱量検知手段を設け、蓄熱量に応じて蓄熱運転時の能力を制御するものである。
【００１５】
この発明によれば、蓄熱量検知手段によって把握される蓄熱手段の蓄熱量に応じて、蓄熱量が多く、余裕がある場合には能力を低下させることによって、冷媒循環回路の運転効率を良くするとともに、蓄熱運転時間を長くすることによって、その間、冷媒循環回路の持つ熱量が放熱することを防止でき、給湯運転開始時における冷媒循環回路の立ち上げを早くすることができ、蓄熱手段の利用を最小限にすることができる。また、蓄熱量が少ない場合には、蓄熱運転の能力を増加させて蓄熱量不足を防止することができるため、装置として必要となる蓄熱手段の蓄熱量を少なくして蓄熱手段を小型化することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１または２に記載の熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する循環水路と、外力により循環水路に循環水流を生じさせその流量を調節できる水流手段とを備え、水流手段を駆動して熱交換器の水流路に通水し冷媒循環回路を運転して蓄熱手段の蓄熱温度を所定温度に保つものである。
【００１７】
この発明によれば、水流手段により強制的に水流を生じさせるので流量を多くして保温時の加熱量を大きくでき、蓄熱手段が冷えたときでも短時間で所定温度に戻すことができる。また、流量調節も可能なので保温加熱時の温度制御性が良く、循環水路の熱が熱交換器を暖めるので冷媒循環回路の立ち上がりも早い。さらに、循環水路の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率が良く、また保温時に冷媒循環回路が駆動するので、冷媒循環回路自体の立ち上がりも一層早くなる。
【００１８】
請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路とし、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ものである。
【００１９】
この発明によれば、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒は、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。
【００２０】
【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。
【００２１】
（実施例）
図１は本発明の実施例におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図ある。図１において、冷媒配管２１により圧縮機２２、放熱器として機能する熱交換器２３、減圧手段２４、吸熱器２５が閉回路に接続されて冷媒循環回路２６が構成されている。この冷媒循環回路２６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２２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を超える圧力まで圧縮して吐出する。
【００２２】
また、熱交換器２３には冷媒が流れる冷媒流路２７と水が流れる水流路２８を備えており、冷媒と水が熱交換可能になっている。この水流路２８に水道を直結して水道水を直接供給する給水管２９と、水流路２８から出湯される湯を給湯端末３１へ通水させるための給湯回路３２が接続されている。熱交換器２３は、冷媒流路２７の流れ方向と水流路２８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２７と水流路２８の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。
【００２３】
また、高温の出湯も可能になる。そして給水管２９と熱交換器２３内の水流路２８と給湯回路３２とで構成される冷媒回路側水回路３３において熱交換器２３と並行に蓄熱手段として給湯温度より高温の水を貯留する貯留タンク３４を備えている。給湯に使用する水を貯留タンク３４に溜めて用いることにより、流通、設置時は水を抜けば軽量にできる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも安全なものとなる。貯留タンク３４は断熱手段３５で覆われており、貯留タンク３４の底部に給水管２９から給水分岐管３０によって給水し、貯留タンク３４の上部からの配管が冷媒回路側水回路３３における熱交換器２３の下流に混合手段３６によって熱交換器２３からの水と任意の混合比で混合されるように接続している。また貯留タンク３４内の水を底部から取出し熱交換器２３の水流路２８に流して貯留タンク３４上部に戻すための循環水路３７を設け、循環水路３７における熱交換器２３の水流路２８の下流に水流手段として流量を調節できる循環ポンプ３８を備えている。
【００２４】
このような水路の切り替えに関して、循環水路３７の貯留タンク３４への戻り部分（バイパス管路）に循環水路閉止弁３９を設けて、循環水路３７を利用しない場合には循環水路閉止弁３９を閉止して給水管２９からの水が熱交換器２３内の水流路２８を通ってバイパス管路から貯留タンク３４上部に流れ込むのを防止する。また、給水分岐管３０に短絡防止弁４０を設けて、循環水路３７利用時は短絡防止弁４０を閉止して循環ポンプ３８の駆動によって水が給水分岐管３０を通って短絡して流れないようにする。
【００２５】
このように構成されたヒートポンプ給湯装置の運転状態を制御するために制御手段４６を備えている。装置の運転状態を把握するために給水管２９に水温度を検知する給水温度検知手段４１、冷媒回路側水回路３３における熱交換器２３の出口に水温度を検知する沸上温度検知手段４２、混合手段３６の下流側に水温度を検知する給湯温度検知手段４３と給湯検知手段として水流量を検知する給湯流量検知手段４４、貯留タンク３４に蓄熱量検知手段としての蓄熱温度検知手段４５を設けて制御手段にこれらの検知結果を送るように接続し、これらの検知手段の検知結果に基づいて、圧縮機２２を駆動するインバータ４７、減圧手段２４、混合手段３６、循環ポンプ３８が制御手段によって制御するように接続している。そして給湯の目標温度を使用者が任意に設定する給湯温度設定手段４８が設けられその温度が制御手段４６に伝えられるよう接続している。
【００２６】
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、給湯端末３１が開かれると給水管２９から水道水が流れ込み始める。このときの流量を給湯流量検知手段４４が検知し制御手段４６に信号が送られ、給水温度検知手段４１が検知する給水温度と給湯設定温度から必要となる加熱能力に応じた運転周波数で圧縮機２２の運転が開始される。圧縮機２２から吐出され熱交換器２３へ流入する高温高圧の冷媒ガスによって水流路２８を流れる水を加熱する。
【００２７】
一方、熱交換器２３で冷却された冷媒は減圧手段２４で減圧されて吸熱器２５に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２２に戻る。
【００２８】
このとき冷媒循環回路２６が冷え切った状態の場合、圧縮機２２が運転されても冷媒循環回路２６全体の持つ熱量が定常状態に達していないため、水流路２８からは給水温度に近い水が出てしまうので、貯留タンク３４からの水を混合して昇温して給湯する。このとき短絡防止弁４０を開いて貯留タンク３４の下部に給水することで貯留タンク３４上部の水を押し出している。制御手段４６によって給湯温度検知手段４３の温度が給湯端末で必要とされる給湯設定温度となるように混合手段３６の混合割合を調節する。貯留タンク３４に貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。また、蓄熱密度を大きくすることで必要となる貯留タンク３４を小さくすることにもなる。
【００２９】
そして、冷媒回路側水回路３３からの水の温度が上昇してくると貯留タンク３４側からの混合比率を少なくするよう混合手段３６を調節して給湯温度が給湯設定温度になるように制御を行う。これによって冷媒循環回路２６の運転開始直後から必要となる給湯温度での給湯を行うことができる。そして冷媒回路側水回路３３からの水が給湯設定温度まで上昇すると混合手段３６の混合割合は冷媒回路側水回路３３からの水のみとなり、冷媒循環回路２６の加熱のみで給湯を行う。ヒートポンプサイクルによって加熱を行う場合は沸上温度を高くすると運転効率が悪くなるが、必要となる給湯温度までしか加熱を行わないので効率の良い給湯運転とすることができる。
【００３０】
そして、給湯端末３１を閉じて給湯を停止すると、給湯流量検知手段４４によって給湯の停止を検知して、循環ポンプ３８を駆動させて貯留タンク３４に蓄熱を行う蓄熱運転へと切り替える。切り替え直後は圧縮機２２の運転周波数をそのままにして、給水温度検知手段４１によって検知される給水温度と圧縮機の運転周波数から貯留タンク３４への目標蓄熱温度となるような循環ポンプ３８の出力で運転して冷媒循環回路２６の状態をできるだけ変化させずに素早く沸上温度が目標蓄熱温度になるようにする。その後、沸上温度検知手段４２によって検知される沸上温度と目標蓄熱温度の偏差が無くなるように循環ポンプ３８や冷媒循環回路２６の運転を制御する。このようにして給湯運転で上昇した冷媒循環回路２６の熱量を保ったまま素早く給湯運転から蓄熱運転へと切り替える。貯留タンク３４から循環ポンプ３８によって水を循環させて蓄熱することによって、給湯運転時と同じ熱交換器２３の水流路２８で加熱することが可能であり、また、循環ポンプ３８の出力を任意に変えることができるので蓄熱運転の蓄熱温度と能力を圧縮機２２の運転周波数と合わせて制御することで可能な範囲で自在に変更して状況に合わせた蓄熱運転を行うことができる。
【００３１】
蓄熱運転は貯留タンク３４の底部からの低温水を循環水路３７を流して熱交換器２３を流して加熱し、貯留タンク３４上部へと戻すことで行い、給湯運転時の蓄熱利用は貯留タンク３４の底部から給水して押し上げて上部から混合手段へと蓄熱された高温水を供給するので、貯留タンク３４内は上部の蓄熱温度の水と下部の給水温度の水が温度境界層を形成する。よって、貯留タンク３４の上部、中部、下部に設けた蓄熱温度検知手段４５によってそれぞれの場所の温度を検知することによって蓄熱量を推定することができる。
【００３２】
給湯運転から蓄熱運転へと切り替えた後の蓄熱運転は蓄熱温度検知手段４５によって推定される蓄熱量に応じてその能力を変化させる。中部と下部に設けた蓄熱温度検知手段４５の温度が所定の値以下の場合は中部の位置まで給水温度と同じ温度の水があり蓄熱量が少ないと判断する。このときは加熱能力を大きくするように圧縮機２２の運転周波数と循環ポンプ３８の出力を制御して目標蓄熱温度を保って運転して短時間で蓄熱することで貯留タンク３４の蓄熱量不足を防止する。そして、蓄熱運転を行って蓄熱量が増加したりして中部の蓄熱温度検知手段４５の温度が所定の値以上になると蓄熱量に余裕があると判断して、目標蓄熱温度を保って加熱能力をできる限り小さくするように制御して蓄熱運転を行うようにする。
【００３３】
加熱能力をできる限り小さくすることで冷媒循環回路２６の熱交換器２３と吸熱器２５での熱交換に余裕ができるため冷媒循環回路２６を効率よく運転することができる。また、時間をかけて蓄熱運転を行うことで次の給湯運転のための待機運転とすることができ、給湯運転時の立ち上がりが早くなる。そして、貯留タンク３４の下部に設けられた蓄熱温度検知手段４５によって検知される温度が所定の値以上になると貯留タンク３４の蓄熱量が十分であると判断して蓄熱運転を停止する。
【００３４】
このようにして、貯留タンク３４の蓄熱量に応じて蓄熱運転時の加熱能力を変化させて蓄熱量不足を防止するとともに、蓄熱量に余裕がある場合の蓄熱運転を待機運転とすることによって給湯運転立ち上げ時に必要となる蓄熱量が少なくてすむので貯留タンク３４を小さくすることができる。また、装置の起動と停止の回数を低減させることができるので装置の耐久を改善することができる。
【００３５】
実施例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。なお、本実施例におけるそれぞれの発明の効果は単独でも効果があるものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。また、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、冷媒循環回路の持つ熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
２２ 圧縮機
２３ 熱交換器
２６ 冷媒循環回路
２７ 冷媒流路
２８ 水流路
２９ 給水管
３１ 給湯端末
３２ 給湯回路
３３ 冷媒回路側水回路
３４ 貯留タンク（蓄熱手段）
３７ 循環水路
３８ 循環ポンプ（水流手段）
４４ 給湯流量検知手段（給湯検知手段）
【発明の属する技術分野】
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】
従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献１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２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、放熱器である熱交換器３、減圧手段４、吸熱器５が接続された冷媒循環回路６と、熱交換器３の冷媒流路７と熱交換を行う熱交換器３内の水流路８と、この水流路８に水道水を供給する給水管９と、前記水流路８とシャワーや蛇口等の給湯端末１０とを接続する給湯回路１１と、給湯回路１１に設け給湯温度を検知する温度センサ１２と、圧縮機２の回転数を制御するインバータ１３を備え、圧縮機２を温度センサ１２の検知温度と設定温度との差に応じてインバータ１３の出力周波数を変換するようにしていた。すなわち従来の給湯装置では設定温度に対して給湯温度が低い場合は圧縮機２の回転数を上げ、給湯温度が高い場合は回転数を下げるように制御するようにして給湯負荷にあわせて加熱能力を変化させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２２３７６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例の給湯装置の構成では、ヒートポンプを熱源として用いているため給湯運転開始からしばらくの間、動作冷媒や圧縮機２や熱交換器３などの冷媒循環回路６全体のもつ熱量が上昇するまで時間がかかり、安定するまで給湯に必要とされる能力で加熱することができない。そのため、給湯端末で必要とされる温度もしくは流量が得られない。また、給湯運転を継続することによって、十分な加熱能力が得られるように冷媒循環回路６全体の持つ熱量が上昇し、安定しても、給湯運転を一度停止するとその熱量が徐々に周囲に放熱されて無駄になってしまうといった課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯運転開始直後から十分な給湯能力を得られるようにするとともに、給湯運転によって上昇した冷媒循環回路全体の持つ熱量を給湯運転終了後も有効に利用する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、圧縮機と放熱器である熱交換器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒回路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される冷媒回路側水回路の少なくとも一箇所に熱量を供給するように設け、蓄熱温度を給湯温度より高温にした水を貯留する貯留タンクである蓄熱手段と、前記蓄熱手段に貯留された温水と前記熱交換器からの水とを任意の混合比で混合する混合手段と、給湯を検知する給湯検知手段と、前記熱交換器出口の温度を検地する沸上温度検知手段と、運転状態を制御する制御手段とを備え、前記沸上温度検知手段の検知温度が高いほど、前記混合手段における前記蓄熱手段からの温水混合比が少なくなるように、前記制御手段により前記混合手段を制御するとともに、前記給湯検知手段によって給湯の終了を検知した後、前記冷媒循環回路によって前記蓄熱手段への蓄熱運転を行うものである。
【０００７】
上記発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。また、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、冷媒循環回路の持つ熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器である熱交換器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒回路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される冷媒回路側水回路の少なくとも一箇所に熱量を供給するように設け、蓄熱温度を給湯温度より高温にした水を貯留する貯留タンクである蓄熱手段と、前記蓄熱手段に貯留された温水と前記熱交換器からの水とを任意の混合比で混合する混合手段と、給湯を検知する給湯検知手段と、前記熱交換器出口の温度を検地する沸上温度検知手段と、運転状態を制御する制御手段とを備え、前記沸上温度検知手段の検知温度が高いほど、前記混合手段における前記蓄熱手段からの温水混合比が少なくなるように、前記制御手段により前記混合手段を制御するとともに、前記給湯検知手段によって給湯の終了を検知した後、前記冷媒循環回路によって前記蓄熱手段への蓄熱運転を行うものである。
【０００９】
また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【００１０】
この発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。そして、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、蓄熱手段の蓄熱量不足を低減させることができるとともに、給湯運転によって上昇した冷媒循環回路の熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。
【００１１】
また、貯留タンクに貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。
【００１２】
また、この発明によれば、蓄熱手段の湯温を給湯温度より高くすることにより、蓄熱密度を上げることで蓄熱サイズを小さくするもので、設置スペースや重量を少なくすることができる。
【００１３】
また、この発明によれば、給湯に使用する水を蓄熱手段として用いることにより、流通時は水を外部に排出すれば軽量にでき、必要となれば水道等から容易に補充できる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも毒性などもなく安全である。
【００１４】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、特に、請求項１に記載の蓄熱手段に蓄熱量検知手段を設け、蓄熱量に応じて蓄熱運転時の能力を制御するものである。
【００１５】
この発明によれば、蓄熱量検知手段によって把握される蓄熱手段の蓄熱量に応じて、蓄熱量が多く、余裕がある場合には能力を低下させることによって、冷媒循環回路の運転効率を良くするとともに、蓄熱運転時間を長くすることによって、その間、冷媒循環回路の持つ熱量が放熱することを防止でき、給湯運転開始時における冷媒循環回路の立ち上げを早くすることができ、蓄熱手段の利用を最小限にすることができる。また、蓄熱量が少ない場合には、蓄熱運転の能力を増加させて蓄熱量不足を防止することができるため、装置として必要となる蓄熱手段の蓄熱量を少なくして蓄熱手段を小型化することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１または２に記載の熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する循環水路と、外力により循環水路に循環水流を生じさせその流量を調節できる水流手段とを備え、水流手段を駆動して熱交換器の水流路に通水し冷媒循環回路を運転して蓄熱手段の蓄熱温度を所定温度に保つものである。
【００１７】
この発明によれば、水流手段により強制的に水流を生じさせるので流量を多くして保温時の加熱量を大きくでき、蓄熱手段が冷えたときでも短時間で所定温度に戻すことができる。また、流量調節も可能なので保温加熱時の温度制御性が良く、循環水路の熱が熱交換器を暖めるので冷媒循環回路の立ち上がりも早い。さらに、循環水路の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率が良く、また保温時に冷媒循環回路が駆動するので、冷媒循環回路自体の立ち上がりも一層早くなる。
【００１８】
請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路とし、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ものである。
【００１９】
この発明によれば、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒は、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。
【００２０】
【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。
【００２１】
（実施例）
図１は本発明の実施例におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図ある。図１において、冷媒配管２１により圧縮機２２、放熱器として機能する熱交換器２３、減圧手段２４、吸熱器２５が閉回路に接続されて冷媒循環回路２６が構成されている。この冷媒循環回路２６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２２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を超える圧力まで圧縮して吐出する。
【００２２】
また、熱交換器２３には冷媒が流れる冷媒流路２７と水が流れる水流路２８を備えており、冷媒と水が熱交換可能になっている。この水流路２８に水道を直結して水道水を直接供給する給水管２９と、水流路２８から出湯される湯を給湯端末３１へ通水させるための給湯回路３２が接続されている。熱交換器２３は、冷媒流路２７の流れ方向と水流路２８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２７と水流路２８の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。
【００２３】
また、高温の出湯も可能になる。そして給水管２９と熱交換器２３内の水流路２８と給湯回路３２とで構成される冷媒回路側水回路３３において熱交換器２３と並行に蓄熱手段として給湯温度より高温の水を貯留する貯留タンク３４を備えている。給湯に使用する水を貯留タンク３４に溜めて用いることにより、流通、設置時は水を抜けば軽量にできる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも安全なものとなる。貯留タンク３４は断熱手段３５で覆われており、貯留タンク３４の底部に給水管２９から給水分岐管３０によって給水し、貯留タンク３４の上部からの配管が冷媒回路側水回路３３における熱交換器２３の下流に混合手段３６によって熱交換器２３からの水と任意の混合比で混合されるように接続している。また貯留タンク３４内の水を底部から取出し熱交換器２３の水流路２８に流して貯留タンク３４上部に戻すための循環水路３７を設け、循環水路３７における熱交換器２３の水流路２８の下流に水流手段として流量を調節できる循環ポンプ３８を備えている。
【００２４】
このような水路の切り替えに関して、循環水路３７の貯留タンク３４への戻り部分（バイパス管路）に循環水路閉止弁３９を設けて、循環水路３７を利用しない場合には循環水路閉止弁３９を閉止して給水管２９からの水が熱交換器２３内の水流路２８を通ってバイパス管路から貯留タンク３４上部に流れ込むのを防止する。また、給水分岐管３０に短絡防止弁４０を設けて、循環水路３７利用時は短絡防止弁４０を閉止して循環ポンプ３８の駆動によって水が給水分岐管３０を通って短絡して流れないようにする。
【００２５】
このように構成されたヒートポンプ給湯装置の運転状態を制御するために制御手段４６を備えている。装置の運転状態を把握するために給水管２９に水温度を検知する給水温度検知手段４１、冷媒回路側水回路３３における熱交換器２３の出口に水温度を検知する沸上温度検知手段４２、混合手段３６の下流側に水温度を検知する給湯温度検知手段４３と給湯検知手段として水流量を検知する給湯流量検知手段４４、貯留タンク３４に蓄熱量検知手段としての蓄熱温度検知手段４５を設けて制御手段にこれらの検知結果を送るように接続し、これらの検知手段の検知結果に基づいて、圧縮機２２を駆動するインバータ４７、減圧手段２４、混合手段３６、循環ポンプ３８が制御手段によって制御するように接続している。そして給湯の目標温度を使用者が任意に設定する給湯温度設定手段４８が設けられその温度が制御手段４６に伝えられるよう接続している。
【００２６】
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、給湯端末３１が開かれると給水管２９から水道水が流れ込み始める。このときの流量を給湯流量検知手段４４が検知し制御手段４６に信号が送られ、給水温度検知手段４１が検知する給水温度と給湯設定温度から必要となる加熱能力に応じた運転周波数で圧縮機２２の運転が開始される。圧縮機２２から吐出され熱交換器２３へ流入する高温高圧の冷媒ガスによって水流路２８を流れる水を加熱する。
【００２７】
一方、熱交換器２３で冷却された冷媒は減圧手段２４で減圧されて吸熱器２５に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２２に戻る。
【００２８】
このとき冷媒循環回路２６が冷え切った状態の場合、圧縮機２２が運転されても冷媒循環回路２６全体の持つ熱量が定常状態に達していないため、水流路２８からは給水温度に近い水が出てしまうので、貯留タンク３４からの水を混合して昇温して給湯する。このとき短絡防止弁４０を開いて貯留タンク３４の下部に給水することで貯留タンク３４上部の水を押し出している。制御手段４６によって給湯温度検知手段４３の温度が給湯端末で必要とされる給湯設定温度となるように混合手段３６の混合割合を調節する。貯留タンク３４に貯留されている水の温度が給湯設定温度よりも高いため、冷媒回路側水回路の水に混合することで容易に給湯温度を上昇させて給湯能力を上昇させることができる。また、蓄熱密度を大きくすることで必要となる貯留タンク３４を小さくすることにもなる。
【００２９】
そして、冷媒回路側水回路３３からの水の温度が上昇してくると貯留タンク３４側からの混合比率を少なくするよう混合手段３６を調節して給湯温度が給湯設定温度になるように制御を行う。これによって冷媒循環回路２６の運転開始直後から必要となる給湯温度での給湯を行うことができる。そして冷媒回路側水回路３３からの水が給湯設定温度まで上昇すると混合手段３６の混合割合は冷媒回路側水回路３３からの水のみとなり、冷媒循環回路２６の加熱のみで給湯を行う。ヒートポンプサイクルによって加熱を行う場合は沸上温度を高くすると運転効率が悪くなるが、必要となる給湯温度までしか加熱を行わないので効率の良い給湯運転とすることができる。
【００３０】
そして、給湯端末３１を閉じて給湯を停止すると、給湯流量検知手段４４によって給湯の停止を検知して、循環ポンプ３８を駆動させて貯留タンク３４に蓄熱を行う蓄熱運転へと切り替える。切り替え直後は圧縮機２２の運転周波数をそのままにして、給水温度検知手段４１によって検知される給水温度と圧縮機の運転周波数から貯留タンク３４への目標蓄熱温度となるような循環ポンプ３８の出力で運転して冷媒循環回路２６の状態をできるだけ変化させずに素早く沸上温度が目標蓄熱温度になるようにする。その後、沸上温度検知手段４２によって検知される沸上温度と目標蓄熱温度の偏差が無くなるように循環ポンプ３８や冷媒循環回路２６の運転を制御する。このようにして給湯運転で上昇した冷媒循環回路２６の熱量を保ったまま素早く給湯運転から蓄熱運転へと切り替える。貯留タンク３４から循環ポンプ３８によって水を循環させて蓄熱することによって、給湯運転時と同じ熱交換器２３の水流路２８で加熱することが可能であり、また、循環ポンプ３８の出力を任意に変えることができるので蓄熱運転の蓄熱温度と能力を圧縮機２２の運転周波数と合わせて制御することで可能な範囲で自在に変更して状況に合わせた蓄熱運転を行うことができる。
【００３１】
蓄熱運転は貯留タンク３４の底部からの低温水を循環水路３７を流して熱交換器２３を流して加熱し、貯留タンク３４上部へと戻すことで行い、給湯運転時の蓄熱利用は貯留タンク３４の底部から給水して押し上げて上部から混合手段へと蓄熱された高温水を供給するので、貯留タンク３４内は上部の蓄熱温度の水と下部の給水温度の水が温度境界層を形成する。よって、貯留タンク３４の上部、中部、下部に設けた蓄熱温度検知手段４５によってそれぞれの場所の温度を検知することによって蓄熱量を推定することができる。
【００３２】
給湯運転から蓄熱運転へと切り替えた後の蓄熱運転は蓄熱温度検知手段４５によって推定される蓄熱量に応じてその能力を変化させる。中部と下部に設けた蓄熱温度検知手段４５の温度が所定の値以下の場合は中部の位置まで給水温度と同じ温度の水があり蓄熱量が少ないと判断する。このときは加熱能力を大きくするように圧縮機２２の運転周波数と循環ポンプ３８の出力を制御して目標蓄熱温度を保って運転して短時間で蓄熱することで貯留タンク３４の蓄熱量不足を防止する。そして、蓄熱運転を行って蓄熱量が増加したりして中部の蓄熱温度検知手段４５の温度が所定の値以上になると蓄熱量に余裕があると判断して、目標蓄熱温度を保って加熱能力をできる限り小さくするように制御して蓄熱運転を行うようにする。
【００３３】
加熱能力をできる限り小さくすることで冷媒循環回路２６の熱交換器２３と吸熱器２５での熱交換に余裕ができるため冷媒循環回路２６を効率よく運転することができる。また、時間をかけて蓄熱運転を行うことで次の給湯運転のための待機運転とすることができ、給湯運転時の立ち上がりが早くなる。そして、貯留タンク３４の下部に設けられた蓄熱温度検知手段４５によって検知される温度が所定の値以上になると貯留タンク３４の蓄熱量が十分であると判断して蓄熱運転を停止する。
【００３４】
このようにして、貯留タンク３４の蓄熱量に応じて蓄熱運転時の加熱能力を変化させて蓄熱量不足を防止するとともに、蓄熱量に余裕がある場合の蓄熱運転を待機運転とすることによって給湯運転立ち上げ時に必要となる蓄熱量が少なくてすむので貯留タンク３４を小さくすることができる。また、装置の起動と停止の回数を低減させることができるので装置の耐久を改善することができる。
【００３５】
実施例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。なお、本実施例におけるそれぞれの発明の効果は単独でも効果があるものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に蓄熱手段の持つ熱量を加えて給湯を行うことができるので、給湯運転開始直後に冷媒循環回路による加熱量が不足していても不足分を補うことができる。また、給湯の終了を検知した後に冷媒循環回路によって蓄熱手段に蓄熱する蓄熱運転を行うことで、冷媒循環回路の持つ熱量を有効に利用して次の給湯運転開始時の加熱量不足に備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
２２ 圧縮機
２３ 熱交換器
２６ 冷媒循環回路
２７ 冷媒流路
２８ 水流路
２９ 給水管
３１ 給湯端末
３２ 給湯回路
３３ 冷媒回路側水回路
３４ 貯留タンク（蓄熱手段）
３７ 循環水路
３８ 循環ポンプ（水流手段）
４４ 給湯流量検知手段（給湯検知手段）
Claims (4)
- 圧縮機と放熱器である熱交換器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒回路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される冷媒回路側水回路の少なくとも一箇所に熱量を供給するように設け、蓄熱温度を給湯温度より高温にした水を貯留する貯留タンクである蓄熱手段と、前記蓄熱手段に貯留された温水と前記熱交換器からの水とを任意の混合比で混合する混合手段と、給湯を検知する給湯検知手段と、前記熱交換器出口の温度を検地する沸上温度検知手段と、運転状態を制御する制御手段とを備え、前記沸上温度検知手段の検知温度が高いほど、前記混合手段における前記蓄熱手段からの温水混合比が少なくなるように、前記制御手段により前記混合手段を制御するとともに、前記給湯検知手段によって給湯の終了を検知した後、前記冷媒循環回路によって前記蓄熱手段への蓄熱運転を行うヒートポンプ給湯装置。
- 蓄熱手段に蓄熱量検知手段を設け、蓄熱量に応じて蓄熱運転時の能力を制御する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
- 熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する循環水路と、外力により循環水路に循環水流を生じさせ、その流量を調節できる水流手段とを備え、水流手段を駆動して熱交換器の水流路に通水し冷媒循環回路を運転して蓄熱手段への蓄熱運転を行う請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
- 冷媒循環回路は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路であり、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１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
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