JP4055695B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、風呂加熱機能を有したヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、第１熱交換器と第２熱交換器を並列に備え、それぞれ別々にヒートポンプ加熱することにより貯湯運転と風呂加熱運転を行っていた。また、第２熱交換器と浴槽の間の浴槽水回路に貯湯槽の湯を供給する注湯配管を設けると共に第２熱交換器に電磁弁を備えたバイパス回路を設け、貯湯槽から浴槽に湯張りする場合に電磁弁を開くことにより、浴槽熱交換器の抵抗を受けずに給湯するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

図２は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置を示すものである。図２に示すように、圧縮機１、この圧縮機１から吐出された冷媒と貯湯槽２の水とを熱交換させて湯にする第１熱交換器３、圧縮機１から供給される冷媒と浴槽４の湯とを熱交換させて湯温を調節する第２熱交換器５、これらの熱交換器を並列に配置し、このそれぞれの熱交換器を切換える第１開閉弁６と第２開閉弁７、この熱交換器からの冷媒を減圧する減圧手段８、この減圧手段８からの冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器９を順次冷媒配管で接続した冷媒回路１０と、貯湯槽２からの水を第１熱交換器３へ送る貯湯槽用循環ポンプ１１、第１熱交換器３を順次配管で接続した貯湯槽水回路１２と、浴槽４からの湯を第２熱交換器５へ送る浴槽用循環ポンプ１３、第２熱交換器５を順次配管で接続した浴槽水回路１４と、貯湯槽２の湯を浴槽４に供給するために浴槽水回路１４と貯湯槽２を接続する給湯配管１５と、第２熱交換器５に電磁弁１６を備えたバイパス回路１７と、浴槽水路１４に設けた浴槽の水位を検出する水位検知手段１８と、浴槽水路１４に設けた浴槽の湯温を検出する風呂温度検知手段１９とを備えていた。

すなわち貯湯運転と風呂加熱運転を個別の熱交換器と開閉弁を用いて別々に行っていた。この風呂加熱運転は風呂温度検知手段１９により浴槽４の湯温が低下を検知すると、電磁弁１６を閉じて浴槽用循環ポンプ１３運転すると共に、第１開閉弁６を閉じて第２開閉弁７を開いて圧縮機１を運転して、浴槽４の湯温が使用者の希望した温度まで上昇させる。

また、貯湯槽２湯を浴槽４に湯張りする場合に電磁１６弁を開くことにより、浴槽熱交換器５の抵抗を受けずに給湯するようにし、水位検知手段１８により使用者の希望した水位まで湯張りするようにしていた。さらに、使用者が浴槽４の湯を使用することによる水位の低下が起こると水位検知手段１８が検知し上記の湯張り時と同様に貯湯槽２の湯を補給するようにしていた。
特開２００２−１３８０６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、第１熱交換器と第２熱交換器を並列に構成し、それぞれの熱交換器を切換えるのに開閉弁を備えているので、構成部品が多くなりコスト高の要因となっていた。

また、浴槽の保温運転時は浴槽の水位低下に備えて水位検知手段により浴槽水位を定期的にチェックするが、浴槽加熱運転中は浴槽用循環ポンプが作動中であり、そのため水位検知手段から正確な水位信号が得られなくなる。したがって浴槽加熱運転が長時間必要な場合は浴槽加熱運転を中断して水位チェックをする必要がでてくる。浴槽加熱中断は、その都度圧縮機を停止することになり、圧縮機の寿命低下になるばかりでなく、冷媒サイクルの起動と安定に時間を要するため浴槽加熱に必要以上の時間を要する課題を有していた。

また、第１熱交換器と第２熱交換器を直列に構成することにより、開閉弁のない低コストな構成が実現できるが、貯湯運転中に浴槽への湯張りや浴槽用ポンプを運転すると浴槽熱交換器から冷媒回路に吸熱が起こり冷媒が異常高圧に到ってしまったり、逆に風呂加熱しない状態でも浴槽ポンプを運転すると浴槽温度が上昇してしまう可能性があった。これは電磁弁１６を開いても浴槽熱交換器を閉じていないので浴槽熱交換器に温水が流れ込み同様の状態になる課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、使い勝手がよく信頼性の高いヒートポンプ給湯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給湯装置は、圧縮機と第１の放熱器と第２の放熱器と減圧手段と吸熱器とを順次直列に接続し閉回路を構成する冷媒循環回路と、貯湯槽と、前記第１の放熱器と前記貯湯槽の水との熱交換を行う第１熱交換器と、前記第２の放熱器と浴槽の水との熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記浴槽間に設けた循環回路と、前記循環回路に設けた風呂温度検知手段と、前記循環回路に設けた風呂循環用ポンプと、前記第２熱交換器への浴槽水の流れを略閉止しバイパスするバイパス回路とを備え、前記風呂温度検知手段により浴槽の温度を検出するときには、前記浴槽水の流れを前記バイパス回路側に設定し、前記風呂循環用ポンプを運転させる構成としたことを特徴とするものである。

これによって、それぞれの熱交換器への水の流れを切換えれば熱交換器の加熱が切換えられるので、特別に冷媒回路を切換えるための開閉装置が不要となる。また、第２熱交換器への浴槽水の流れを略閉止するバイパス回路を作動させておけば、第１熱交換器による貯湯槽の水の加熱する貯湯運転中に浴槽水の循環があっても第２熱交換器に浴槽水が流れ込まないので影響を受けることなく貯湯運転ができる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、信頼性の高い運転ができる。

第１の発明は、圧縮機と第１の放熱器と第２の放熱器と減圧手段と吸熱器とを順次直列に接続し閉回路を構成する冷媒循環回路と、貯湯槽と、前記第１の放熱器と前記貯湯槽の水との熱交換を行う第１熱交換器と、前記第２の放熱器と浴槽の水との熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記浴槽間に設けた循環回路と、前記循環回路に設けた風呂温度検知手段と、前記循環回路に設けた風呂循環用ポンプと、前記第２熱交換器への浴槽水の流れを略閉止しバイパスするバイパス回路とを備え、前記風呂温度検知手段により浴槽の温度を検出するときには、前記浴槽水の流れを前記バイパス回路側に設定し、前記風呂循環用ポンプを運転させる構成としたことを特徴とするもので、それぞれの熱交換器への水の流れを切換えれば熱交換器の加熱が切換えられるので、特別に冷媒回路を切換えるための開閉装置が不要となる。また、第２熱交換器への浴槽水の流れを略閉止するバ
イパス回路を備えているので、第１熱交換器による貯湯槽の水の加熱する貯湯運転中に浴槽水の循環があっても第２熱交換器に浴槽水が流れ込むことなく、安定して貯湯運転ができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第２熱交換器と浴槽との間の循環水路に貯湯槽からの温水を流入させる注湯管を設け、前記注湯管から温水を流入させる場合は、前記の温水の流れをバイパス回路側に設定するようにしたことで、浴槽への給湯（湯張り）による温水が第２熱交換器に流れ込むことがないので、第２熱交換器が給湯の熱を吸熱して冷媒が異常高圧になるのを防止できる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明において、貯湯運転に優先して風呂加熱運転をすることにより、使用者が使いたいときに風呂加熱ができるので、使い勝手がよい。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明において、風呂加熱運転を中断または停止する場合に貯湯運転に切換えることにより、圧縮機の発停回数が減少し、機器寿命を伸ばすことができる。また、圧縮機が停止しないので風呂加熱運転が再開した場合に冷媒回路の温度や圧力の起動による遅れがなく、加熱が直ちに再開できる。

第５の発明は、特に、第１〜３の発明において、貯湯槽の残湯量が少ない場合には風呂加熱運転に優先して貯湯運転することにより、貯湯槽の湯切れを防止できる。

第６の発明は、特に、第１〜５の発明において、風呂加熱運転を行なう場合は、貯湯槽内に未沸上分を残すことにより、貯湯状態に係わらず、風呂加熱運転が停止や中断した場合に貯湯運転に切換えることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６の発明の冷媒循環回路を、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それぞれの熱交換器の流水を加熱することにより、熱交換器の放熱器を流れる冷媒は、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放熱器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。

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の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。図１において、冷媒循環回路２０は、圧縮機２１と第１の放熱器２２と第２の放熱器２３と減圧手段２４と吸熱器２５とを順次直列に閉回路に接続されている。この冷媒循環回路２０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冷媒循環回路を使用している。そして圧縮機２１は、内蔵する電動モーター（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、第１熱交換器２６は、第１の放熱器２２の冷媒と貯湯槽２７からの流水との熱交換を行うように構成されている。

なお、第１熱交換器２６は、第１の放熱器２２の冷媒の流れ方向と流水の流れ方向を対向流とし、冷媒と水の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と流水との伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。

第２熱交換器２８は、第２の放熱器２３の冷媒と浴槽２９からの流水との熱交換を行うように構成されている。第２熱交換器２８においても、第２の放熱器２３の冷媒の流れ方向と流水の流れ方向を対向流としている。

貯湯槽２７は、底部に給水管３０が接続され、給湯時に水道水が貯湯槽２７底部に流入するように構成されている。また、貯湯槽２７上部には貯湯槽２７から出湯される湯を混合手段３１に通水する出口管３２が接続されている。

さらに、貯湯槽２７底部には貯湯槽２７の水を第１熱交換器２６に通水するための入水管３３が接続されており、この入水管３３には、貯湯槽２７の水を第１熱交換器２６に送るための貯湯槽用循環ポンプ３４が備えられており、第１熱交換器２６により加熱される水は、出口管３５を経て貯湯槽２７上部に戻る循環回路が構成されている。

すなわち貯湯運転は、所定能力で所定の沸上温度になるように圧縮機２１と減圧手段２４と貯湯用循環ポンプ３４を駆動制御し、第１熱交換器２６で所定の沸上温度に加熱された流水は、貯湯槽２７の上部に循環され貯留する。貯湯槽２７内は、水と上部から流入される温水とに温度差があれば、その比重差によって混ざり合うことなく層状のまま上部から下部方向に沸き上がる。したがって入水管３３から第１熱交換器２６に流入する水温は、貯湯槽２７全体が沸きあがるまで、ほぼ低温のまま安定している。

混合手段３１は給水管３０から分岐した水配管３６からの水と出口管３２からの湯を混合して給湯管３７に出湯するもので、モーター（図示せず）駆動により混合割合を任意に調整し、使用者の設定温度に混合温度を制御する。

第２熱交換器２８と浴槽２９の間には往き管３８と戻り管３９により循環回路が構成され、戻り管２９に設けた浴槽用循環ポンプ４０を運転することにより浴槽水を第２熱交換器２８に循環運転する。

往き管３８と戻り管３９の間には第２熱交換器２８への流水をバイパスするバイパス回路４１を設け、このバイパス回路４１と往き管３８の分岐部に第２熱交換器２８とバイパス回路とに流水を切換える三方弁４２を設けている。したがって三方弁４２をバイパス回路４１側にすると第２熱交換器２８への流水を閉止することができる。

給湯管３７と往き管３８の間に注湯管４３を設け、この注湯管４３に設けた注湯弁４４を開放することにより、貯湯槽２７の湯を浴槽２９に給湯することができる。すなわち浴槽２９への自動湯張り運転や湯の補給運転が可能となる。

戻り管３９には風呂温度検知手段４５と水位検知手段４６とを設け、浴槽２９への湯張り運転や、保温運転を行う際に使用者が設定した湯温や水位を保つように浴槽温度と浴槽水位を検出する。

貯湯槽２７の側壁には貯湯槽２７の残湯量を検出する複数の残湯検知手段４７、４８、４９を設けており、例えば検出温度が５０℃以上であれば残湯があると判定し、４５℃以下であれば残湯なしと判定する。また各残湯検知手段４７，４８，４９は貯湯槽２７への取付高さを変えることによって残湯量を判断している。例えば最も低い位置に取り付けられた残湯検知手段４７が残湯ありと判定した場合は残湯量は多いと判断できるし、最も高い位置に取り付けられた残湯検知手段４９が残湯なしと判定した場合は湯切れ直前だと判断できる。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。貯湯運転は、気温と第１熱交換器２６への入水温度に応じて所定の加熱能力が出るように圧縮機２１の回転数と減圧手段２４の開度と蒸発器２５のファン（図示せず）の回転数を設定して冷媒循環回路２０を運転する。また同時に貯湯槽用循環ポンプ３４を起動して貯湯槽２７底部の水を第１熱交換器２６に通水して加熱された湯を出口管３５から貯湯槽２７上部に戻して沸上げる。

このとき三方弁４２をバイパス回路４１に設定する。これにより、湯張りのために往き管３８に温水が流入したり、浴槽温度の検出するために浴槽用循環ポンプ４０を運転しても流水が第２熱交換器２８を流れることがはない。したがって、風呂側の動作に影響されることなく貯湯の単独運転が可能となる。

貯湯運転における目標となる沸上温度を予め設定し、第１熱交換器２６からの出湯温度が、この設定温度と近づくように貯湯槽用循環ポンプ３４の流量制御を行う。なお、この沸上温度は給湯負荷に連動させて外気温度が低い冬場の場合は高く、外気温度が高い夏場の場合は低くなるように設定してもよい。このことにより、貯湯槽２７からの放熱ロスが少なできる。

貯湯運転は主として、電力料金の安い深夜に行なう。ただし、給湯負荷に応じて深夜以外の時間帯でも行なうようにしている。例えば貯湯槽２７の残湯量が少なくなれば貯湯運転を行い湯切れをしないようにする。

貯湯運転の終了判定は、第１熱交換器２６への入水管３３からの入水温度が例えば６０℃に達したら貯湯槽２７内に湯が満たされたと判断して、圧縮機２１と減圧手段２４と蒸発器２５のファンと貯湯槽用循環ポンプ３４を停止して、終了する。

浴槽２９への湯張りや風呂保温運転は、使用者が風呂の自動運転を任意に開始を設定して始まる。自動運転が開始されるとまず浴槽２９への湯張りを行い、湯張り完了後は風呂保温運転に切替わる。風呂保温運転は手動で停止するか、タイマーで停止させる。タイマーで停止する場合は例えば自動運転開始から４時間経過後に自動終了する。

湯張り運転は、三方弁４２をバイパス回路側に設定して、注湯弁４４を開放して開始される。貯湯槽２７からの湯は、混合手段３１により使用者が予め設定した浴槽温度に制御されて浴槽２９に給湯される。このとき往き管３８と戻り管３９の両者から浴槽２９に給湯され、戻り管２９からの給湯はバイパス回路を経て行なわれるので、第２熱交換器２８の圧力損失の影響を受けず大流量での湯張りが可能となる。また、貯湯運転中であっても、第２熱交換器２８に温水が流れ込まないので冷媒循環回路２０の冷媒圧力に影響することなく運転できる。

湯張り運転中は、定期的に注湯弁４４を閉止して、水位検知手段４６により浴槽２９の水位をチェックする。検出水位が使用者が設定した水位に達した時点で注湯弁４４を閉止して湯張り運転を終了する。

風呂保温運転は、浴槽温度と水位を定期的（例えば５分間隔）にチェックし、浴槽温度が設定した浴槽温度より所定温度（例えば２Ｋ）低下した場合に風呂加熱運転を行い、浴槽温度を設定値に上昇させる。また、浴槽水位が設定した水位より所定値（例えば２ｃｍ）低下した場合は設定水位まで湯張りと同様に浴槽２９に給湯する。

浴槽温度の検出は、三方弁４２をバイパス回路側に設定して、浴槽用循環ポンプ４０を運転しながら風呂温度検知手段４５の検出温度を読み取る。一方、浴槽水位検出は、浴槽
用循環ポンプ４０を停止して、流れの影響がなくなってから、水位検知手段４６の検出水位を読み取る。

風呂加熱運転は、気温と浴槽温度に応じて所定の加熱能力が出るように圧縮機２１の回転数と減圧手段２４の開度と蒸発器２５のファン（図示せず）の回転数を設定して冷媒循環回路２０を運転する。また同時に三方弁４２を第２熱交換器２８側に流れを設定すると共に浴槽用循環ポンプ４０を運転して浴槽２９の水を第２熱交換器２８に循環して加熱する。

貯湯運転中に風呂加熱運転の条件となった場合は、貯湯運転に優先して風呂加熱運転を行う。具体的には風呂加熱運転条件が成立したら、貯湯槽用循環ポンプ３４を停止して貯湯運転を停止すると同時に、三方弁４２を第２熱交換器２８側に流れを設定すると共に浴槽用循環ポンプ４０を起動して風呂加熱運転を開始する。そして圧縮機２１の回転数と減圧手段２４の開度と蒸発器２５のファン（図示せず）の回転数を風呂加熱運転に設定変更する。風呂加熱運転が終了したら貯湯運転を再開する。これにより使用者に風呂加熱を待たせることないので、使い勝手がよい。

ただし、貯湯槽２７の残湯検知手段４９が残湯なしと判定して残湯量が少ないと判断された場合は、貯湯運転を優先して風呂加熱運転条件が成立しても風呂加熱に移行しないようにしている。また、風呂加熱運転中であっても貯湯運転を優先して貯湯運転に切換える。このとき貯湯運転により残湯量検知手段４９が残湯ありと判定されるまで貯湯量が増加した場合に風呂加熱運転が成立していれば、通常に貯湯運転に優先して風呂加熱運転を行う。

風呂加熱運転中に浴槽２９の水位チェックをする場合は、浴槽用循環ポンプ４０を停止して風呂加熱運転を中断し、同時に貯湯槽用循環ポンプ３４を起動して貯湯運転を開始する。この浴槽用循環ポンプ４０を停止している間に水位検知手段４６によって浴槽水位をチェックする。水位に変化がなければ、貯湯槽用循環ポンプ３４を停止して貯湯運転を停止すると同時に、浴槽用循環ポンプ４０を起動して風呂加熱運転を再開する。この風呂加熱運転の中断に連動して貯湯運転を行なうことにより、圧縮機２１を停止することなく連続して加熱運転が継続できるので、風呂加熱運転の中断と再開が早く安定にできる。

なお、本実施の形態では、風呂加熱運転と貯湯運転とを同時に切換えているが、切換え時に同時運転してもよい。

使用者により風呂の自動運転が設定され、且つ通常の貯湯運転が行なわれた場合は、この貯湯運転終了を、残湯量検知手段４７が残湯ありと判定（例えば５０℃に達した）した時点としている。すなわち、貯湯槽２７の残湯量検知手段４７の設置位置より下部に未沸上分を残すように沸上を終了する。
これにより、上記で説明したような風呂加熱運転の中断時における貯湯運転が発生する場合に、この未沸上分を沸かすことができるので、無理のない貯湯運転ができる。

なお、本実施の形態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。

また、本実施の形態では冷媒循環回路の放熱器を、第１の放熱器と第２の放熱器を直列に配置したが、これを一体として構成してもよい。一体に構成した場合は、１つの放熱器に２つの水路を有する熱交換器の構成となり、構成部品が少なくできる。

さらに、第１の放熱器と第２の放熱器を並列に構成して、本実施の形態における風呂加熱運転と貯湯運転をおこなっても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、使い勝手がよく、冷媒循環回路の信頼性が高い運転が可能となるので、ヒートポンプによる暖房、冷房、乾燥等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

２０ 冷媒循環回路
２１ 圧縮機
２２ 第１の放熱器
２３ 第２の放熱器
２４ 減圧手段
２５ 吸熱器
２６ 第１熱交換器
２７ 貯湯槽
２８ 第２熱交換器
２９ 浴槽
４１ バイパス回路
４３ 注湯管

Claims (7)

1. 圧縮機と第１の放熱器と第２の放熱器と減圧手段と吸熱器とを順次直列に接続し閉回路を構成する冷媒循環回路と、貯湯槽と、前記第１の放熱器と前記貯湯槽の水との熱交換を行う第１熱交換器と、前記第２の放熱器と浴槽の水との熱交換を行う第２熱交換器と、前記第２熱交換器と前記浴槽間に設けた循環回路と、前記循環回路に設けた風呂温度検知手段と、前記循環回路に設けた風呂循環用ポンプと、前記第２熱交換器への浴槽水の流れを略閉止しバイパスするバイパス回路とを備え、前記風呂温度検知手段により浴槽の温度を検出するときには、前記浴槽水の流れを前記バイパス回路側に設定し、前記風呂循環用ポンプを運転させる構成としたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 第２熱交換器と浴槽との間の循環水路に貯湯槽からの温水を流入させる注湯管を設け、前記注湯管から温水を流入させる場合は、前記温水の流れをバイパス回路側に設定するようにした請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 貯湯運転に優先して風呂加熱運転をする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 風呂加熱運転を中断または停止する場合に貯湯運転に切換える請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 貯湯槽の残湯量が少ない場合には風呂加熱運転に優先して貯湯運転する請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 風呂加熱運転を行なう場合は、貯湯槽内に未沸上分を残す請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 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１〜６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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