JP4140550B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源により貯湯槽の下部の水を沸き上げて貯湯槽の上部へ貯湯する複数のタンクを直列に接続したヒートポンプ給湯機に関するものである。

直列に接続した二つの貯湯タンクと、冷媒サイクル内の加熱熱交換器とを有し、冷媒サイクル内の加熱熱交換器を通ることによって、貯湯タンク内の水と、吸熱熱交換器によって外気よりエネルギーを得た冷媒との熱交換を行うヒートポンプ給湯機が知られている（例えば、特許文献１参照）

特開２００３−１６６７４９号公報（第１頁、図１）

上記のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク上部と給湯機における加熱用熱交換器とを給湯通路によって接続し、貯湯タンク上部の高温水は加熱用熱交換器において床暖房用のブライン、あるいは浴槽の湯などを過熱するシステムとしても用いられている。
加熱用熱交換器から高温水が中温水として貯湯タンクに戻った場合、貯湯タンクが１つのシステム、あるいは複数の貯湯タンクを並列に接続しているシステムにおいては、自然対流によって温度に応じた混合層部分に移動する。つまり、貯湯タンクの上部から下部に行くにつれて温度が低くなるため、中温水の温度が高い場合はいくらかは利用することが可能であるが、給湯温度と比較して低い場合などは用いることができず、中温水の利用量が減るに従って、全体としての効率が低くなる。

このことは、複数の貯湯タンクを直列に接続するシステムにおいても同様に言えることである。
しかし、とくにこのシステムにおいては、貯湯タンク間では熱の移動がないため、たとえば、直列に接続されていることから、第１貯湯タンク下部の温度が戻ってきた中温水よりも低い場合、第２貯湯タンク内の温度の方が高くなり、全体でみると温度に応じた混合層が形成されないことがある。そのため、中温水を十分に給湯に利用することができず、上記のシステムと比較して少ない量の中温水しか有効に用いられなくなる場合がある。

また、従来、ヒートポンプ給湯機は、吸熱熱交換器を蒸発器、加熱熱交換器を凝縮器として機能させることによって運転を行うことができ、加熱熱交換器を通る水の温度が低いとこの運転の効率がよくなる。そのため、加熱熱交換器によって加熱する水を温度の低い貯湯タンク下部からとる構造になっているため、複数の貯湯タンクを直列に有するシステムにおいては、運転の効率を減少させる場合もある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、貯湯タンク内に生じる中温水を有効に利用すること、運転の際の効率が低くならないようにすることができるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機、加熱熱交換器、絞り部、吸収熱交換器、及び吸熱熱交換器側送風ファンを含むヒートポンプサイクルを有するヒートポンプユニットと、給水温度検知手段を有し、直列に接続された少なくとも第１、第２の貯湯タンク、第１の貯湯タンク上部の高温水を用いた少なくとも１つの加熱用熱交換器、第２の貯湯タンク上部と前記第１の貯湯タンク上部の湯を混合するための中温水用混合弁及び該中温水用混合弁と給湯用混合弁とをつなぐ第１の給湯通路、湯を給湯対象機器へ供給するための第２の給湯通路を有する貯湯タンクユニットとから構成され、給湯の際、前記中温水用混合弁における混合の割合を、前記第２の貯湯タンク上部の温水温度に応じて制御するヒートポンプ給湯機であって、
設定温度と前記第２の貯湯タンクの上部温度とを比較し、前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも十分に高い場合は、前記中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部よりも、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率が多いように制御し、前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも低い場合であって、前記第２の貯湯タンクの上部温度が給水温度よりも十分に高い場合は、中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部よりも、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率が少ないように制御し、前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも低い場合であって、第２の貯湯タンクの上部温度が給水温度よりも低い場合は、中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部に対して、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率がほぼ零になるように制御するものである。

本発明に係るヒートポンプ給湯機では、給湯の際、第２の貯湯タンク内の中温水を給湯に利用することによって、ヒートポンプ給湯機の効率向上を図ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るシステム図である。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯機は、温水熱源をなすヒートポンプユニット１と、ヒートポンプユニット１によって加熱された高温水を貯湯する貯湯タンクユニット２とから構成される。

ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、冷媒の熱によって貯湯タンクユニットの水を加熱する加熱熱交換器１２、冷媒を減圧する絞り部１３、冷媒を外気によって過熱する吸熱熱交換器１４、その外気の流れを作り出す吸熱熱交換器側送風ファン１５から構成されている。なお、上述の使用冷媒は二酸化炭素（ＣＯ₂ ）である。

貯湯タンクユニット２は、少なくとも２つの貯湯タンク（本実施の形態では、第１、第２の貯湯タンク１０，２０）が直列に接続され、第１の貯湯タンク１０の上部には第１の温度センサ２６が、また第２の貯湯タンク２０の上部と下部には第２、第３の温度センサ２７，２８が設けられている。そして、第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の下部との間には、ヒートポンプユニット１の加熱熱交換器１２が接続されており、この加熱熱交換器１２と第２の貯湯タンク２０との間には、第１のポンプ３１が接続されている。また、第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の下部との間には、加熱用熱交換機１７（図には１台の場合が示してあるが、複数台の場合もある）が接続されており、この加熱用熱交換機１７と第２の貯湯タンク２０との間には、第２のポンプ３２が接続されている。

加熱用熱交換器１７に接続された例えば床暖房用ブラインのごとき接続された給湯対象機器３と加熱用熱交換器１７との間には、第３のポンプ３３が接続されている。そして、第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の上部とは、両者の湯を混合するための中温水用混合弁１８に接続されており、この中温水用混合弁１８は第１の給湯通路２１を介して給湯用混合弁１９に接続され、給湯用混合弁１９は第２の給湯通路２２を介して給湯対象機器３に接続されている。また、給湯用混合弁１９は、第２の給湯タンク２０の下部に接続されている。

そして、制御部２９には、第１〜第３の温度センサ２６，２７，２８の検出信号が入力され、また、送風ファン１５、中温水用混合弁１８、給湯用混合弁１９及び第１〜第３のポンプ３１，３２，３３には、制御信号が出力される。

温水を貯湯する際は、第２の貯湯タンク２０内の水を第１のポンプ３１によってヒートポンプユニット１内の加熱熱交換器１２に送り、ヒートポンプユニット１内の圧縮機１１によって加圧され温度が高くなった冷媒によって加熱し、加熱された水を第１の貯湯タンク１０の上部から貯めることによって行われ、第１の温度センサ２６によって検出される温度が高くなった時点でわき上げ終了となる。
加熱用熱交換器１７は第１の貯湯タンク１０の上部と第１の給水通路２３によって接続されており、第２のポンプ３２によって第１の貯湯タンク１０の上部からの高温水と給湯対象機器３との間で熱交換し、加熱・保温することが可能であり、加熱によって温度が下がり、中温水となった湯は第２の給水通路２４を通って第２の貯湯タンク２０に戻されるようになっている。

中温水用混合弁１８は、第１、第２の温度センサ２６、２７によって検出された第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の上部の温度に応じて、制御部２９によって、第１の貯湯タンク１０の上部からの高温水と、第２の貯湯タンク２０の上部からの温水の混合比率を可変できるものであり、給湯用混合弁１９は、第３の温度センサ２８によって検出された給水温度と、操作部３０によって設定された給湯温度と、第１の給湯通路２１を通る温水温度と、混合後の湯温に応じて制御部２９によって第１の給湯通路２１を通る温水と水との混合比率を可変できるものである。
そのため、加熱・保温動作後、第２の貯湯タンク２０には中温水が多くなっているが、中温水用混合弁１８によって、給湯の際、どんな設定温度においても、第２の貯湯タンク２０内の中温水を使用するが可能である。

次に、図２に示す制御動作のフローチャートを用いて本発明の作用を詳述する。まず、設定温度Ｔ、第１の温度センサ２６で検出した第１の貯湯タンク１０の上部温度Ｔ１、第２の温度センサ２７で検出した第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２、第３の温度センサ２８で検出した給水温度Ｔｗを制御部２９に入力する（ステップＳ−１）。ここで、説明の都合上、設定温度が４２℃、給水温度Ｔｗが１５℃の場合を例に説明する。
制御部２９は、設定温度Ｔ（例えば４２℃）と第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（例えば５５℃）を比較し（ステップＳ−２）、設定温度Ｔ（４２℃）よりも第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（５５℃）が十分に高い場合（Ｔ２＞Ｔ＋１０℃のとき）は、中温水用混合弁１８における第１の貯湯タンク１０上部と第２の貯湯タンク２０の上部との混合の割合を、第２の貯湯タンク２０の上部の温水の比率が多いように、例えば３対７に制御する（ステップＳ−３）。

また、設定温度Ｔ（４２℃）と第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（例えば３０℃）を比較し（ステップＳ−２）、設定温度Ｔ（４２℃）よりも第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（３０℃）が低い場合は、第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（３０℃）と給水温度Ｔｗ（１５℃）を比較し（ステップＳ−４）、給水温度Ｔｗ（１５℃）より第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（３０℃）が十分に高い場合（Ｔ２＞Ｔｗ＋１０℃のとき）は、第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の上部との混合の割合を、第２の貯湯タンク２０上部の比率が少ないように、例えば７対３に制御する（ステップＳ−５）。

さらに、設定温度Ｔ（４２℃）と第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（例えば、１５℃）を比較し（ステップＳ−２）、設定温度Ｔ（４２℃）よりも第２の貯湯タンク２０の上部の温度Ｔ２（１５℃）が低い場合は、第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（１５℃）と給水温度Ｔｗ（１５℃）を比較し（ステップＳ−４）、第２の貯湯タンク２０の上部温度Ｔ２（１５℃）が給水温度（１５℃）と殆ど差異がない場合は、中温水用混合弁１８における第１の貯湯タンク１０の上部と第２の貯湯タンク２０の上部との混合の割合を、第２の貯湯タンク２０の上部の比率がほぼ零になるように、例えば１０対０に制御する（ステップＳ−６）。これによってできた混合湯の温度を温度センサ２７で検知し（ステップＳ−７）、混合湯と給水温度と設定温度から、混合湯と給水との混合比を決定して給水用混合弁１９を制御し（ステップＳ−８）、給湯を行う（ステップＳ−９）。

こうして、あらゆる設定温度の場合において、中温水を有効利用することが可能となり、高い温度のままヒートポンプユニット１で沸きあげることが減少し、ヒートポンプ給湯機全体の効率も向上する。

実施の形態１においては、給湯の際、第１の貯湯タンク２０内の中温水を給湯に利用することによって、ヒートポンプ給湯機の効率向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係るシステム図である。 本発明の実施の形態１に係る制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ヒートポンプユニット、２ 貯湯タンクユニット、１０、２０ 第１、第２の貯湯タンク、１１ 圧縮機、１２ 加熱熱交換器、１３ 絞り部、１４ 吸熱熱交換器、１５ 吸熱熱交換器側送風ファン、１７ 加熱用熱交換器、１８ 中温水用混合弁、１９ 給湯用混合弁、２１ 第１の給湯通路、２２ 第２の給湯通路。

Claims (1)

1. 圧縮機、加熱熱交換器、絞り部、吸収熱交換器、及び吸熱熱交換器側送風ファンを含むヒートポンプサイクルを有するヒートポンプユニットと、
   給水温度検知手段を有し、直列に接続された少なくとも第１、第２の貯湯タンク、第１の貯湯タンク上部の高温水を用いた少なくとも１つの加熱用熱交換器、第２の貯湯タンク上部と前記第１の貯湯タンク上部の湯を混合するための中温水用混合弁及び該中温水用混合弁と給湯用混合弁とをつなぐ第１の給湯通路、湯を給湯対象機器へ供給するための第２の給湯通路を有する貯湯タンクユニットとから構成され、
   給湯の際、前記中温水用混合弁における混合の割合を、前記第２の貯湯タンク上部の温水温度に応じて制御するヒートポンプ給湯機であって、
   設定温度と前記第２の貯湯タンクの上部温度とを比較し、
   前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも十分に高い場合は、前記中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部よりも、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率が多いように制御し、
   前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも低い場合であって、前記第２の貯湯タンクの上部温度が給水温度よりも十分に高い場合は、前記中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部よりも、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率が少ないように制御し、
   前記第２の貯湯タンクの上部温度が設定温度よりも低い場合であって、前記第２の貯湯タンクの上部温度が給水温度よりも低い場合は、前記中温水用混合弁において、前記第１の貯湯タンク上部に対して、前記第２の貯湯タンク上部の温水比率がほぼ零になるように制御した、
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。

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