JP4285379B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は貯湯式のヒートポンプ給湯装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図４に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。図４は従来のヒートポンプ給湯機のサイクル構成図である。図４において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。

そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。従って、沸き上げ運転完了近くになると、前記給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、前記圧縮機１の吐出圧力および吐出温度が上昇して、前記圧縮機１のモータの巻線温度の上昇など前記圧縮機１の耐久性が課題となる。

そのため、前記給湯用熱交換器に流入する水温が低い状態で運転を停止していたため、前記貯湯槽５の下部が低温の水の状態で運転を停止することになり、前記貯湯槽５の湯容量を有効に利用できず、そのため、貯湯熱量は減少していた。また、貯湯熱量を増加するため、ヒートポンプ運転を停止した後、補助加熱器１９の単独運転で貯湯熱量を増加する場合には、電気ヒータで加熱するため、消費電力が大きくなり、効率が悪くなっていた。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、圧縮機の異常温度上昇もなく、低消費電力量で貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用可能なヒートポンプ給湯機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、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒主回路と、前記給湯用熱交換器に接続して構成した給湯回路と、前記主絞り装置をバイパスする冷媒副回路と、制御装置とを備え、前記冷媒副回路は、高圧側から、開閉弁、冷媒貯留器、副絞り装置の順で直列に接続され、前記開閉弁が開放したとき、前記冷媒貯留器に超臨界の冷媒が流入する構成としたものである。

これによって、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなり、高圧が上昇した場合に、給湯用熱交換器出口の冷媒を蒸発器入口の低圧側にバイパスすることにより、高圧を低減し、安全に運転を続けることができ、貯湯熱量を増大することが可能となる。

本発明によれば、圧縮機の異常温度上昇もなく、低消費電力量で貯湯槽の下部まで高温
湯を貯湯し、貯湯槽の容量を有効に利用可能なヒートポンプ給湯機を提供できる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒主回路と、前記給湯用熱交換器に接続して構成した給湯回路と、前記主絞り装置をバイパスする冷媒副回路と、制御装置とを備え、前記冷媒副回路は、高圧側から、開閉弁、冷媒貯留器、副絞り装置の順で直列に接続され、前記開閉弁が開放したとき、前記冷媒貯留器に超臨界の冷媒が流入する構成としたもので、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、給湯用熱交換器出口の冷媒を蒸発器入口の低圧側にバイパスさせるため、圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる。

また、特に入水温度が高い場合に、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減できるので、安全にかつ高効率で給湯水をより高温に加熱することができ、貯湯熱量を増大できる効果がある。また、吐出ガス温度が上昇する傾向があるような運転を行う場合にも、安全に吐出ガス温度を低減して安全な運転を続けることができる。

また、開閉弁と副絞り装置との間に冷媒貯留器を設けたもので、副回路に副給湯用熱交換器を設けたので、入水温度が高くなり、高圧が上昇した場合に、給湯用熱交換器出口の冷媒を、冷媒貯留器に流し、そこにおける冷媒ホールド量を多くして、主回路に存在する冷媒量を減少することができ、高圧を低減し、安全に運転を続けることができ、貯湯熱量を増大することが可能となる。

第２の発明は、開閉弁は、予め設定した圧力以上になった場合に開放する圧力制御弁であるもので、入水温度が高くなり、高圧が上昇して、予め設定した圧力を越えた場合に、圧力制御弁が開放され、給湯用熱交換器出口の冷媒を冷媒貯留器に流し、そこにおける冷媒ホールド量を多くすることができ、主回路に存在する冷媒量を減少することができ、特に複雑な電気的な制御をする必要もなく、簡単な構成で高圧を低減し、安全に運転を続けることができ、貯湯熱量を増大することが可能となる。

また、圧力制御弁を用いたので、特に電気的な制御を必要とすることなく、簡単な構成で、吐出圧力や吐出温度を低減でき、安全にかつ高効率で運転できる効果がある。

第３の発明は、圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度検知手段を設け、前記吐出温度検知手段が検知した値が予め設定した値となるように、制御装置は、主絞り装置の動作を制御するもので、給湯用熱交換器の出湯温度が高い場合など、吐出ガス温度が上昇する傾向がある場合にも、吐出温度を確実に制御して、安全に運転を行うことができる。

第４の発明は、圧縮機の吸入ガス過熱度が予め設定した値となるように、制御装置は、主絞り装置の動作を制御するもので、給湯用熱交換器の出湯温度が高い場合など、吐出ガス温度が上昇する傾向がある場合にも、吸入ガス過熱度を設定値に制御して、吐出ガス温度を低く抑え、安全に運転を行うことができる。

第５の発明は、冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とするもので、高温給湯を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくすることができる。

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。

なお、各実施の形態において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（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、圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、主絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒主回路を形成し、蒸発器３４は外気を送風するためのファン３５を備えている。また、貯湯槽３６、循環ポンプ３７、給湯用熱交換器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は給湯用熱交換器３２に流入し、ここで循環ポンプ３７から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

さらに、給湯用熱交換器３２と主絞り装置３３の間の配管は分岐して、開閉弁３８、冷媒貯留器３９、副絞り装置４０を順に介して、主絞り装置３３と蒸発器３４との間の配管と接続する副回路を構成している。

また、給湯用熱交換器３２に流入する入水温度を検知する入水温度センサー４１を設けてあり、入水温度を検知し、予め設定してある温度と比較して、開閉弁３８の開閉を制御する制御装置４２を設置している。また、冷媒としては炭酸ガスが封入されている。

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、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機３１にもどる。

一方、循環ポンプ３７で送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽３６内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽３６の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽３６下部より循環ポンプ３７を経て、給湯用熱交換器３２に流入する水温は高くなってくる。

この場合、入水温度センサー４１で検知した入水温度が制御装置４２に予め設定してある温度よりも上昇した場合には、開閉弁３８を開放する方向に動作させる。こうすることにより、圧縮機３１より吐出した高温高圧の冷媒は、給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、その一部が開閉弁３８を通り冷媒貯留器３９に流入する。また、残りの冷媒は給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、主絞り装置３３、蒸発器３４を通り、ファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

冷媒貯留器３９に流入した冷媒は、比較的密度の高い超臨界の冷媒となっており、ここで超臨界の冷媒がホールドされながら、副絞り装置４０に流入し、ここで低圧まで減圧されて、蒸発器３４の入口で主絞り装置３３から出た冷媒と合流して蒸発器３４に流入する。

一方、循環ポンプ３７より送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で高温まで加熱され
、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。このように給湯用熱交換器３２に流入する給湯水温度が高くなる場合には、給湯用熱交換器３２の冷媒出口温度も高くなるため、圧縮機３１の吐出圧力が上昇して冷凍サイクルがバランスし、それに伴って吐出温度も上昇する。

本実施の形態では、このような場合に、開閉弁３８を開放する方向に動作させることにより、給湯用熱交換器３２を出た高圧の冷媒が開閉弁３８を通り、その状態のまま冷媒貯留器３９に流入し、そこにおける冷媒量を多く保有することができ、主回路に存在する冷媒量が減少して圧縮機の吐出圧力、吐出温度を低減することができる。

したがって、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽３６の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２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２において、実施の形態1で示した図１と同様の構成で同様の機能を有する部品につ
いては同一の番号を付してある。

本実施の形態においては、圧縮機３１の吐出圧力を検知する吐出吐出圧力センサー５１を設け、吐出圧力が予め設定した圧力以上になった場合に、開閉弁５２を開放する制御装置５３を設けている。

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、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機３１にもどる。

一方、循環ポンプ３７で送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽３６内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽３６の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽３６下部より循環ポンプ３７を経て、給湯用熱交換器３２に流入する水温は高くなり、給湯用熱交換器３２で冷媒が十分に放熱できなくなるので、圧縮機３１の吐出圧力は上昇してくる。

この場合、吐出圧力センサー５１で検知した吐出圧力が制御装置５３に予め設定してある圧力よりも上昇した場合には、開閉弁５２を開放する方向に動作させる。こうすることにより、圧縮機３１より吐出した高温高圧の冷媒は、給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、その一部が開閉弁５２を通り冷媒貯留器３９に流入する。また、残りの冷媒は給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、主絞り装置３３、蒸発器３４を通り、ファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

冷媒貯留器３９に流入した冷媒は、比較的密度の高い超臨界の冷媒となっており、ここで超臨界の冷媒がホールドされながら、副絞り装置４０に流入し、ここで低圧まで減圧されて、蒸発器３４の入口で主絞り装置３３から出た冷媒と合流して蒸発器３４に流入する
。

一方、循環ポンプ３７より送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で高温まで加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。
このように給湯用熱交換器３２に流入する給湯水温度が高くなる場合には、給湯用熱交換器３２の冷媒出口温度も高くなるため、圧縮機３１の吐出圧力が上昇して冷凍サイクルがバランスし、それに伴って吐出温度も上昇する。

本実施の形態では、このような場合に、開閉弁５２を開放する方向に動作させることにより、給湯用熱交換器３２を出た高圧の冷媒が開閉弁５２を通り、その状態のまま冷媒貯留器３９に流入し、そこにおける冷媒量を多く保有することができ、主回路に存在する冷媒量が減少して圧縮機３１の吐出圧力、吐出温度を低減することができる。

したがって、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽３６の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３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３において、実施の形態1および実施の形態２で示した図１および図２と同様の構成
で同様の機能を有する部品については同一の番号を付してある。

本実施の形態においては、給湯用熱交換器３２と主絞り装置６４の間の配管は分岐して、圧力制御弁６１、冷媒貯留器３９、副絞り装置４０を順に介して、主絞り装置６４と蒸発器３４との間の配管と接続する副回路を構成している。また、圧縮機３１の吐出ガス温度を検知する吐出温度センサー６２を設けてあり、吐出ガス温度を検知し、予め設定してある温度と比較して、主絞り装置６４を制御し、圧縮機３１の吐出ガス温度を設定値に制御する制御装置６３を設置している。

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、以下その動作、作用を説明する。

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、主絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機３１にもどる。

一方、循環ポンプ３７で送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽３６内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽３６の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽３６下部より循環ポンプ３７を経て、給湯用熱交換器３２に流入する水温は高くなり、給湯用熱交換器３２で冷媒が十分に放熱できなくなるので、圧縮機３１の吐出圧力は上昇してくる。

この場合、給湯用熱交換器３２の出口の圧力が、圧力制御弁６１で予め設定してある圧力よりも上昇した場合には、圧力制御弁６１が開放する。ここで、圧力制御弁６１は、機械的なバネの反発力により、弁が開閉される構造となっており、給湯用熱交換器３２の出口の圧力が、設定圧力よりも低い場合には、バネの力の方が大となり弁は閉じたままの状
態を保ち、給湯用熱交換器３２の出口の圧力が、設定圧力よりも高くなった場合には、冷媒圧力の方が大となり、弁は開放されるものであり、特に電気的に複雑な制御を必要とせず、簡単な構成で冷媒の圧力を制御することができる。

こうすることにより、圧縮機３１より吐出した高温高圧の冷媒は、給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、その一部が圧力制御弁６１を通り冷媒貯留器３９に流入する。また、残りの冷媒は給湯用熱交換器３２で給湯に寄与した後、主絞り装置３３、蒸発器３４を通り、ファン３５で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化する。

冷媒貯留器３９に流入した冷媒は、比較的密度の高い超臨界の冷媒となっており、ここで超臨界の冷媒がホールドされながら、副絞り装置４０に流入し、ここで低圧まで減圧されて、蒸発器３４の入口で主絞り装置３３から出た冷媒と合流して蒸発器３４に流入する。

一方、循環ポンプ３７より送られた給湯水は、給湯用熱交換器３２で高温まで加熱され、生成した湯は貯湯槽３６の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。このように給湯用熱交換器３２に流入する給湯水温度が高くなる場合には、給湯用熱交換器３２の冷媒出口温度も高くなるため、圧縮機３１の吐出圧力が上昇して冷凍サイクルがバランスし、それに伴って吐出温度も上昇する。

本実施の形態では、このような場合に、圧力制御弁６１により自動的に弁の開閉動作をさせることにより、給湯用熱交換器３２を出た高圧の冷媒が圧力制御弁６１を通り、その状態のまま冷媒貯留器３９に流入し、そこにおける冷媒量を多く保有することができ、主回路に存在する冷媒量が減少して圧縮機３１の吐出圧力、吐出温度を低減することができる。したがって、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽３６の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる効果がある。

また、ここにおいては、吐出温度センサー６２によって圧縮機３１の吐出ガス温度を検知し、制御装置６３によって、予め設定してある温度と比較して、主絞り装置６４を制御し、圧縮機３１の吐出ガス温度を設定値に制御している。これにより、圧力制御弁６１の開閉により主回路の冷媒量が変化してサイクル状態が変化しても、圧縮機３１の吐出温度を、常に、給湯温度に適した適正な吐出温度にすることができ、また、異常な温度変化を起こすこともなく、安全で高効率な運転が可能となる。なお、ここにおいては、主絞り装置６４は、圧縮機３１の吸入ガス過熱度が予め設定した温度になるように、圧縮機３１の吸入温度と蒸発器３４の二層領域の温度との比較、または、蒸発器３４の二層領域の圧力を検知し、制御装置６３にて対応する温度を算出し、圧縮機３１の吸入温度と比較する制御する方法でも同様な効果が得られ、これらも本発明に含まれる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができが可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機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 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態３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

３１ 圧縮機
３２ 給湯用熱交換器
３３ 主絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
３６ 貯湯槽
３７ 循環ポンプ
３８、５２ 開閉弁
３９ 冷媒貯留器
４０ 副絞り装置
４１ 入水温度センサー
４２、５３、６３ 制御装置
５１ 吐出圧力センサー
６１ 圧力制御弁
６２ 吐出温度センサー

Claims (5)

1. 少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、主絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒主回路と、前記給湯用熱交換器に接続して構成した給湯回路と、前記主絞り装置をバイパスする冷媒副回路と、制御装置とを備え、前記冷媒副回路は、高圧側から、開閉弁、冷媒貯留器、副絞り装置の順で直列に接続され、前記開閉弁が開放したとき、前記冷媒貯留器に超臨界の冷媒が流入する構成としたヒートポンプ給湯装置。
2. 開閉弁は、予め設定した圧力以上になった場合に開放する圧力制御弁である請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 圧縮機の吐出温度を検知する吐出温度検知手段を設け、前記吐出温度検知手段が検知した値が予め設定した値となるように、制御装置は、主絞り装置の動作を制御する請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 圧縮機の吸入ガス過熱度が予め設定した値となるように、制御装置は、主絞り装置の動作を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜４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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