JP4449779B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯用のタンクを備えるヒートポンプ給湯機に関するものである。

現在、給湯機としてはガスや電気ヒータを用いて水を加熱する方式のものが大勢的であるが、近年のエネルギー利用高効率化の要望の観点からヒートポンプを利用した給湯機も徐々に一般世帯に普及していっている。

図３に従来のヒートポンプ給湯機の構成図を示す。ヒートポンプ給湯機の場合、圧縮機１で高温・高圧に加熱された冷媒は高温冷媒対水用熱交換器２で循環ポンプ７にて貯湯タンク８から送られてきた水と熱交換される。この結果、水は加熱されて湯になり、同時に冷媒温度は低下する。湯は再び貯湯タンク８に戻され、利用されるまで貯湯タンク８に貯留される。温度の下がった冷媒は減圧装置３を通じることにより低温・低圧の二相流に変化し、冷媒対空気用熱交換器５へ送られる。前記冷媒対空気用熱交換器５では送風ファン１１によって強制的に大気から熱を奪うことにより内部の冷媒は蒸発し、気化する。気化した冷媒は再び圧縮機１に吸い込まれ、高温・高圧に加熱されることにより再び水を加熱していく。

この運転を繰り返していくにつれ、貯湯タンク８内は充分に加熱された湯で満たされていく。貯湯タンク８内の湯はコントローラー（図示せず）にて設定された温度で出湯するために混合弁（図示せず）で水道水と混ぜられ、所定の温度で各部の蛇口等で利用される。

通常条件においては、ヒートポンプ給湯機はガス式及び電気式給湯機を上回る成績係数で湯を沸き上げることが可能であり、省エネの見地からも非常に注目を集めているが、被加熱流体の温度が上昇するにつれ成績係数が悪化する傾向にあり、この点の改善が今後の課題となっている。この点を改善するため、床暖房機能等を有する多機能タイプと呼ばれる方式のものについては、他の方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２１１９８６号公報

しかしながら、通常の給湯専用タイプと呼ばれるものについても、被加熱流体温度上昇に伴う成績係数の悪化は大きな課題となっており、年間を通じた成績係数の向上を行う際のネックになっていた。また、成績係数を追求するために沸き上げ完了温度を低く設定すると、貯湯タンク下部に給湯に利用できない流体を貯めることになり、タンク容積が充分活用されていなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱流体の温度上昇による成績係数の悪化を防止し、加熱運転時の圧縮機の吐出圧力上昇を抑えることで冷却システムの負荷を低減した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機は、圧縮機、前記圧縮機により圧縮された熱媒体と被加熱流体とを熱交換する高温冷媒対水用熱交換器、前記高温冷媒対水用熱交換器の下流側の熱媒体を減圧する減圧装置、前記減圧装置の下流側の熱媒体と空気とを熱交換する冷媒対空気用熱交換器を順次接続してなるヒートポンプユニットと、前記高温冷媒対水用熱交換器に接続され、前記被加熱流体を有する温水ユニットとを備え、前記被加熱流体と前記減圧装置の下流側の冷媒と熱交換する低温冷媒対水用熱交換器と、前記低温冷媒対水用熱交換器の被加熱流体の流路出口側に水温検知手段とを設けるとともに、前記冷媒対空気用熱交換器における冷媒の蒸発温度が所定値より低い場合には、前記被加熱流体は前記低温冷媒対水用熱交換器と熱交換し、前記水温検知手段の検知温度が所定値より高いときには、加熱運転を停止する構成としたものである。

これにより、冷媒対空気用熱交換器に着霜が発生する領域まで蒸発温度が低下したときには、大気からではなく、被加熱流体から熱交換することで、成績係数の悪化を防止することができる。また、圧縮機の吐出圧力の上昇を防止することができる。

本発明によれば、被加熱流体の温度上昇による成績係数の悪化を防止し、加熱運転時の圧縮機の吐出圧力上昇を抑えることで冷却システムの負荷を低減したヒートポンプ給湯機を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、前記圧縮機により圧縮された熱媒体と被加熱流体とを熱交換する高温冷媒対水用熱交換器、前記高温冷媒対水用熱交換器の下流側の熱媒体を減圧する減圧装置、前記減圧装置の下流側の熱媒体と空気とを熱交換する冷媒対空気用熱交換器を順次接続してなるヒートポンプユニットと、前記高温冷媒対水用熱交換器に接続され、前記被加熱流体を有する温水ユニットとを備え、前記被加熱流体と前記減圧装置の下流側の冷媒と熱交換する低温冷媒対水用熱交換器と、前記低温冷媒対水用熱交換器の被加熱流体の流路出口側に水温検知手段とを設けるとともに、前記冷媒対空気用熱交換器における冷媒の蒸発温度が所定値より低い場合には、前記被加熱流体は前記低温冷媒対水用熱交換器と熱交換し、前記水温検知手段の検知温度が所定値より高いときには、加熱運転を停止する構成としたもので、冷媒対空気用熱交換器に着霜が発生する領域まで蒸発温度が低下したときには、大気からではなく、被加熱流体から熱交換することで、成績係数の悪化を防止することができる。

また、圧縮機の吐出圧力の上昇を防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機において、温水ユニットに加熱後の流体を貯湯する貯湯手段を備え、低温冷媒対水用熱交換器にて冷媒と熱交換後の被加熱流体は、高温冷媒対水用熱交換器にて加熱後、前記貯湯手段の上部から流入させる構成としたもので、貯湯手段である貯湯タンクの上部に確実に高温水を確保することができ、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明のヒートポンプ給湯機の冷媒に二酸化炭素を使用することにより、高温高効率の貯湯運転と地球環境保全を実現することができる。

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、本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は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。また、本発明のヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、従来広く用いられているＲ２２等のフロン系冷媒でも良いが、オゾン層保全及び地球温暖化防止等の環境保護的側面から近年盛んに研究されている自然冷媒である二酸化炭素冷媒の方が、より大きな効果を得ることが可能である。以下では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、その他の冷媒であってもよいものである。

ヒートポンプ給湯機は、圧縮機１、高温冷媒対水用熱交換器２、減圧装置３、低温冷媒対水用熱交換器４、冷媒対空気用熱交換器５、電磁弁６ａ、６ｂからなる冷媒循環回路Ａと、前記高温冷媒対水用熱交換器２、低温冷媒対水用熱交換器４、循環ポンプ７、貯湯タンク８、三方弁９、逆止弁１０を接続した給湯回路Ｂからなり、前記圧縮機１、冷媒対水
用熱交換器２、減圧装置３、低温冷媒対水用熱交換器４、冷媒対空気用熱交換器５、電磁弁６ａ、６ｂ、送風ファン１１等はヒートポンプユニット内に収容されている。また、前記循環ポンプ７、貯湯タンク８、三方弁９、逆止弁１０、制御手段（図示せず）等は温水ユニット内に収容されている。

入水温検知手段１２は三方弁９の入口に設置されており、貯湯タンク８から供給された入水温度を検出する。出水温検知手段１３は低温冷媒対水用熱交換器４の水側出口に設置されており、ヒートポンプ給湯機で冷却された出水温度を検出する。出湯温検知手段１４は高温冷媒対水用熱交換器２の水側出口に設置されており、ヒートポンプ給湯機で加熱された出湯温度を検出する。制御手段は室内に設置されているコントローラー（図示せず）で設定された温度と前記出湯温検知手段１４で検知している温度が等しくなるように圧縮機１の運転周波数、減圧装置３の開度、循環ポンプ７の回転数、送風ファン１１の回転数等を制御する。

上記のヒートポンプ給湯機の動作を説明する。運転を開始後、貯湯タンク８下部から供給される水の水温を検知するために一定時間循環ポンプ７を運転する。ここで、入水温検知手段１２が所定温度よりも低い温度（例えば２５℃）を検知した場合、三方弁９が水を直接高温冷媒対水用熱交換器２に送る経路に切り替え、前記循環ポンプ７を通じて水を高温冷媒対水用熱交換器２に送り、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒が流入する前記高温冷媒対水用熱交換器２と熱交換されることで水を加熱する。所定の温度に加熱された湯は貯湯タンク８の上部に戻され貯留される。

二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記高温冷媒対水用熱交換器２内で緩やかに低下し、前記減圧装置３で減圧される。貯湯タンク８内の水は直接高温冷媒対水用熱交換器２に送られているため、電磁弁６ａは閉、電磁弁６ｂは開となり、冷媒は冷媒対空気用熱交換器５に送られる。冷媒対空気用熱交換器５では、冷媒は送風ファン１１によって強制的に大気から熱を奪われることにより蒸発ガス化し、前記圧縮機１へ戻る。

上記の運転を繰り返すと貯湯タンク８内の低温の水は高温の湯に置きかえられていき、入水温検知手段１２の検知する温度が徐々に上昇していく。この過程で入水温検知手段１２が所定温度よりも高い温度（例えば２５℃）を検知した場合、三方弁９が切り替わり、水は低温冷媒対水用熱交換器４に送られる。このとき同時に電磁弁６ａは開、電磁弁６ｂは閉となり、減圧装置３で減圧された低温冷媒が低温冷媒対水用熱交換器４に送られる。ここで水と冷媒が熱交換され、水温は低下した状態で高温冷媒対水用熱交換器２に送られ、高温・高圧の過熱ガス冷媒と熱交換されることで所定温度まで水を加熱し、貯湯タンク８上部に戻され貯留される。

さらに上記の運転を繰り返すと入水温検知手段１２の検知する温度も上昇し、低温冷媒対水用熱交換器４での冷却が追いつかなくなり出水温検知手段１３の検知する温度も上昇するようになる。ここで、出水温検知手段１３が所定の温度（例えば２５℃）を検知した場合、貯湯タンク８内は湯で満たされたと判断し、圧縮機１を停止させ、加熱運転を終了する。

今まで述べてきたような運転を行うことにより、高温冷媒対水用熱交換器２に供給される水温は一定温度以下に抑えることができ、成績係数の悪化と圧縮機の吐出圧力上昇を抑えることができる。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。ヒートポンプ給湯機の構造は冷媒対空気用熱交換器５の出口に蒸発温検知手段１５を追加し、高温冷媒対水用熱交換器２の水側入口に流量調整弁１６を追加した以外は実施の形態１と同様である。

上記のヒートポンプ給湯機の動作を説明する。三方弁９は水を直接高温冷媒対水用熱交換器２に送る経路に切り替え、流量調整弁１６はすべての水を高温冷媒対水用熱交換器２に送るように調整し、循環ポンプ７を通じて水は高温冷媒対水用熱交換器２に送られる。高温冷媒対水用熱交換器２では、圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒と水が熱交換され、加熱される。所定の温度に加熱された湯は貯湯タンク８上部に戻され貯留される。

二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記高温冷媒対水用熱交換器２内で緩やかに低下し、前記減圧装置３で減圧される。貯湯タンク８内の水は直接高温冷媒対水用熱交換器２に送られているため、電磁弁６ａは閉、電磁弁６ｂは開となり、冷媒は冷媒対空気用熱交換器５に送られる。冷媒対空気用熱交換器５では、冷媒は送風ファン１１によって強制的に大気から熱を奪われることにより蒸発ガス化し、前記圧縮機１へ戻る。

ここで、外気温の低下や出湯温度の変更等が生じると、冷媒対空気用熱交換器５での蒸発温度が低下し、所定の温度（例えば−３℃）を下回る状態で運転を行うことがある。蒸発温度が低い状態で長時間運転を行うと、冷媒対空気用熱交換器５に着霜するため、熱交換性能の低下及び除霜運転が必要となり成績係数の悪化につながる。

このため、冷媒対空気用熱交換器５の出口に取り付けている蒸発温検知手段１５が所定の温度（例えば−３℃）を検知した場合、三方弁９を低温冷媒対水用熱交換器４に送る経路に切り替え、同時に電磁弁６ａは開、電磁弁６ｂは閉とし、冷媒対空気用熱交換器５を使用せず、低温冷媒対水用熱交換器４を利用して冷媒を蒸発ガス化する。水の出口温度は下がりすぎると凍結の恐れがあるため、出水温検知手段１３が所定の温度（例えば３℃）を下回らないように制御手段によって循環ポンプ７の循環量を調整する。

また、熱交換された水は高温冷媒対水用熱交換器２に送られ、高温冷媒と熱交換されることで加熱されるが、水の循環量が多いときには流量調整弁１６にて余剰分を貯湯タンク８下部に戻すことにより、出湯温検知手段１４が所定の温度（例えば９０℃）を保つことを可能にする。

今まで述べてきたような運転を行うことにより、低外気温でも除霜運転が不必要となり、また成績係数の悪化を抑えることができる。

なお、本実施の形態では冷媒蒸発温度を冷媒対空気熱交換器出口で検知しているが、支障が無ければ入口側で検知してもよい。なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、冷却システムの低温側排熱を用いて、高温側の負荷を低減することができるため、水冷式空調装置等にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の構成図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

１ 圧縮機
２ 高温冷媒対水用熱交換器
３ 減圧装置
４ 低温冷媒対水用熱交換器
５ 冷媒対空気用熱交換器
８ 貯湯タンク
１３ 出水温検知手段

Claims (3)

1. 圧縮機、前記圧縮機により圧縮された熱媒体と被加熱流体とを熱交換する高温冷媒対水用熱交換器、前記高温冷媒対水用熱交換器の下流側の熱媒体を減圧する減圧装置、前記減圧装置の下流側の熱媒体と空気とを熱交換する冷媒対空気用熱交換器を順次接続してなるヒートポンプユニットと、前記高温冷媒対水用熱交換器に接続され、前記被加熱流体を有する温水ユニットとを備え、前記被加熱流体と前記減圧装置の下流側の冷媒と熱交換する低温冷媒対水用熱交換器と、前記低温冷媒対水用熱交換器の被加熱流体の流路出口側に水温検知手段とを設けるとともに、前記冷媒対空気用熱交換器における冷媒の蒸発温度が所定値より低い場合には、前記被加熱流体は前記低温冷媒対水用熱交換器と熱交換し、前記水温検知手段の検知温度が所定値より高いときには、加熱運転を停止する構成としたヒートポンプ給湯機。
2. 温水ユニットに加熱後の流体を貯湯する貯湯手段を備え、低温冷媒対水用熱交換器にて冷媒と熱交換後の被加熱流体は、高温冷媒対水用熱交換器にて加熱後、前記貯湯手段の上部から流入させる構成とした請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。

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