JP4720399B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。
従来、この種のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク上面の温水取り出し口から高温水を取り出し、循環ポンプにより暖房１次回路内を循環し、暖房用熱交換器を加熱し、暖房用熱交換器から熱交換された高温水は、中温水となり、貯湯タンクの下部側面の温水戻り口へ戻すようにした。
図３は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯機を示すものである。図３に示すように、ヒートポンプ給湯機は貯湯タンク３０１と冷媒水熱交換器３０２と蒸発器３０３と減圧器３０４とが接続された冷媒回路３０５から成る加熱装置３０６とから構成されており、貯湯タンク３０１下部から取り出された水を冷媒水熱交換器３０２により加熱し、加熱後は貯湯タンク３０１の上部へ戻すようにして、湯水を積層状に蓄えている。
また、暖房運転においては、貯湯タンク３０１の上部天面の温水取り出し口３０７から貯湯タンク３０１の側面部に設けられた温水戻り口３０８へ連結する暖房用循環管路３０９の途中に暖房用熱交換器３１０を設けて、暖房用熱交換器３１０により放熱手段３１１を加熱している。そして、放熱手段３１１は床暖房や浴槽乾燥、風呂の追い炊きとして利用される。
特開２００３−２４０３４２号公報
しかしながら、上記従来の構成では、貯湯タンク上部の高温水を取り出すために、貯湯タンクの天面に温水取り出し口を設けており、貯湯タンク上部に気泡が溜まりやすくなり、その気泡が暖房用循環路に流入する。その結果、暖房用循環ポンプが空回りし、高温水を上手く循環できなくなるという課題を有していた。
また、貯湯タンク下部の側面に設けられた温水戻り口を通して、暖房用熱交換器で放熱後の湯水を貯湯タンクへ戻しているため、貯湯タンク全体の熱容量を完全に使い切ることができず、暖房と給湯を同時に行うような場合では、お湯切れが生じやすくなるという課題を有していた。
本発明は、貯湯タンク内に貯められた高温水を、風呂の追い炊き、保温や暖房端末で使用したとしても、貯湯タンク内の高温水及び貯湯熱量を確保し、お湯切れの発生を抑制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、圧縮機と水冷媒熱交換器とを有する冷媒回路と、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記水冷媒熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器とを有する暖房２次回路と、前記貯湯タンクの側壁面に配設した前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段よりも上側に配置し、前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第２温度検出手段と、前記貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、給水管とを備え、前記貯湯タンク上部の湯水を前記暖房用熱交換器へ通水する温水取出口を前記貯湯タンクの上部側壁面に設けるとともに、前記暖房用熱交換器からの湯水を前記貯湯タンクへ戻す温水戻り口、前記貯湯タンク下部の湯水を前記水冷媒熱交換器へ通水する入水口を前記貯湯タンクの底面部に設け、出湯運転では、前記貯湯タンク中間部内の湯水と前記給水管の水道水と前記上部出湯口からの高温湯とを混合して出湯し、かつ、前記貯湯タンクの上部からの湯水が暖房用熱交換器で放熱しているときには、前記第１温度検出手段が所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行い、前記貯湯タンクの上部からの湯水が前記暖房用熱交換器で放熱しているとき以外は、前記第２温度検出手段が前記所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行うことを特徴とするものである。
このように、貯湯タンクの温水取出口を貯湯タンクの上部側壁面から設けると、貯湯タンク内の上部に気泡が発生したとしても気泡が流入しない位置に温水取出口があるため、暖房循環回路には気泡の流入しない循環温水となり、暖房用ポンプが空回りしないため、暖房熱交換器に十分に高温水を循環でき、熱交換が安定した運転を確実に実施できる。また、貯湯タンクの底面部に設けた温水戻り口から暖房熱交換器によって熱交換された中温水を戻すので、貯湯タンクの熱容量を最大限に利用できる。
本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク内の熱量を最大限に利用でき、給湯、暖房の使用時や同時使用時においてもお湯切れの発生を抑制できる。
第１の発明は、圧縮機と水冷媒熱交換器とを有する冷媒回路と、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記水冷媒熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器とを有する暖房２次回路と、前記貯湯タンクの側壁面に配設した前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段よりも上側に配置し、前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第２温度検出手段と、前記貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、給水管とを備え、前記貯湯タンク上部の湯水を前記暖房用熱交換器へ通水する温水取出口を前記貯湯タンクの上部側壁面に設けるとともに、前記暖房用熱交換器からの湯水を前記貯湯タンクへ戻す温水戻り口、前記貯湯タンク下部の湯水を前記水冷媒熱交換器へ通水する入水口を前記貯湯タンクの底面部に設け、出湯運転では、前記貯湯タンク中間部内の湯水と前記給水管の水道水と前記上部出湯口からの高温湯とを混合して出湯し、かつ、前記貯湯タンクの上部からの湯水が暖房用熱交換器で放熱しているときには、前記第１温度検出手段が所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行い、前記貯湯タンクの上部からの湯水が前記暖房用熱交換器で放熱しているとき以外は、前記第２温度検出手段が前記所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行うことを特徴とするものである。
これによれば、貯湯タンク内の上部に気泡が発生したとしてもすぐに温水取出口から出ていき、暖房用ポンプが空回りしないため、暖房熱交換器に十分に高温水を循環でき、安定した運転を確実に実施できる。また、貯湯タンクの熱容量も最大限に利用できる。
また、これによれば、給湯、暖房の使用時や同時使用時においても必ず給湯に使用する貯湯タンクの残湯量が確保される。また、暖房を使用していない時と比較して暖房使用時の時の方が残湯量を多く確保することにより、お湯切れの発生を防止しつつ、給湯使用時にできるだけ加熱手段を運転させないようにするので省エネ運転を行える。
第３の発明は、特に、第１から第２のいずれか１つの発明において、冷媒回路を循環する冷媒は二酸化炭素であることを特徴とすることにより、加熱手段を冷媒の圧力が超臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により湯水循環手段による流水を加熱するように構成している。そして、超臨界ヒートポンプサイクルは、湯水循環手段の流水を高温（例えば９０℃程度）に加熱する場合、加熱前の流水温度が低いほど、高圧圧力が低くなることでエネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が向上する。
したがって、貯湯タンクに温度成層を形成し、低温部の水を超臨界ヒートポンプで加熱することにより、エネルギー消費効率が向上し、省動力運転を行うことができる。
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。
（実施の形態）
次に、本発明の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の図を示すものである。
次に、本発明の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の図を示すものである。
図１のようなヒートポンプ給湯機は、一般家庭用のヒートポンプ給湯機であって、主に深夜電力を利用して給湯の湯を貯留するものである。ヒートポンプ給湯機は、加熱手段１と貯湯タンク２を備えており、加熱手段１は圧縮機３と水冷媒熱交換器４とを備えるヒートポンプサイクルで構成される。
また、貯湯タンク２の湯水を加熱する加熱回路５は、貯湯タンク２の底面部に設けられた入水口１８からの水を水冷媒熱交換器４に送ることによって加熱して貯湯タンク２の上部へ戻すように構成されている。そして、暖房１次回路６は、貯湯タンク２上部の側面壁部から暖房用熱交換器７を介して貯湯タンク２の下部へ戻すことにより構成され、暖房２次回路８は、放熱手段９と暖房用熱交換器７により構成されている。
次に、貯湯タンク２に蓄えられる湯水の利用形態として出湯運転と暖房運転について以下述べる。出湯運転では、貯湯タンク２の上部に設けた上部出湯口１０から高温の湯水を取り出し、そして第１混合弁１１で給水管１２から供給される水道水と混合することによって、温度調整された後に蛇口１３から出湯される。なお、出湯運転では、第２混合弁１７により、貯湯タンク２の中間部にある湯水と水道水を混合し、その後第１混合弁１１に貯湯タンク２の上部の湯水と混合する形態であってもよい。
また、暖房運転では、貯湯タンク２の上部に蓄えられた湯水を貯湯タンク２上部の側面壁部に設けた温水取出口１４から取り出し、取り出された湯水は暖房用熱交換器７へ通水される。暖房用熱交換器７にて放熱した湯水を、貯湯タンク２の底面部に設けられた温水戻り口１５から貯湯タンク２へ戻す。そして、暖房用熱交換器７にて放熱された熱量は熱交換されて、暖房２次回路８内を循環する液体と熱交換して、その液体は放熱手段９で放熱することにより暖房機能を果たす。
次に、沸き上げ運転について説明する。貯湯タンク２には、貯湯タンク２内の残湯量を検出するために、表面上下に複数の残湯センサ１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ）がほぼ均等となるように備え付けられている。そして、残湯センサ１９ｃが所定温度を検出すれば、貯湯タンク２内の残湯量が少なくなったと判断して、沸き上げ運転を行う。沸き上げ運転は、貯湯タンク２の底面部に設けられた入水口１８からの水を水冷媒熱交換器４に送ることによって加熱し、貯湯タンク２の上部へ戻すようにして行われる。
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。まず、貯湯タンク２の底面部へ減圧弁２０により減圧された水道水を給水管１２からタンク給水口２１へ供給され、タンク給水口２１の近傍に設けられた入水口１８から取り出された水を水冷媒熱交換器４によって高温水に加熱し、貯湯タンク２の上部へ戻して高温水を沸き上げる。
次に、図２に示すように暖房運転が行われると、貯湯タンク２上部の側壁面の温水取出口１４から高温水を取り出し、暖房１次回路６内を暖房用ポンプ２２により高温水が循環され、暖房熱交換器７で熱交換して中温水となった湯水は、温水戻り口１５から貯湯タンク２の下部へ戻る。
そして、上記暖房運転の過程で、残湯サーミスタ１９ｆが所定温度を検出することにより中温水が残湯サーミスタ１９ｆの位置まで発生したことを検出したとき、加熱手段１は沸き上げ運転を開始し、残湯サーミスタ１９ｆにおいて所定温度が検出されなくなるまで沸き上げ運転が続けられる。ここで、残湯サーミスタ１９ｃではなく、残湯サーミスタ１９ｃの位置よりも低い位置に備えられた残湯サーミスタ１９ｆの検出結果を用いることにより、加熱手段１による沸き上げ運転のタイミングを通常よりも早めて中温水の増加を抑制し、ひいては高温水の減少を防止している。また、温水戻り口１５と入水口１８とは、貯湯タンク２の底面部で近接して設けられているので、温水戻り口１５から出てくる中温水はすぐに入水口１８へ取り込まれ、中温水の増加を抑制している。
以上のように、温水取出口１４を貯湯タンク２上部の側壁面に設けることにより、貯湯タンク２の上部に貯まる気泡を取り出せ、暖房用ポンプ２２が空回りせず、暖房熱交換器７に十分な高温水が循環され、安定した運転が確実に得られる。また、暖房熱交換器７によって熱交換された中温水は、貯湯タンク２の底面部に設けられた温水戻り口１５へ戻ることにより、貯湯タンク２の熱容量を最大限に利用できる。
また、貯湯タンク２からの高湯水が暖房用熱交換器７で放熱している暖房運転を行っているとき以外では、残湯センサ１９ｃが所定温度を検出すれば沸き上げ運転を行うのに対して、暖房運転を行っているときは、残湯センサ１９ｆが所定温度を検出すれば沸き上げ運転を行うようにしているので、暖房運転時や暖房と沸き上げの同時運転時においても、必ず給湯に使用する貯湯タンクの残湯量を確保するように制御される（残湯センサ１９ａから残湯センサ１９ｆまでの湯量が確保される）ので、お湯切れを防止しつつ、給湯の使用時は、できるだけ加熱手段１を運転させないような省エネ運転が実現できる。
また、加熱手段１の冷媒回路を循環する冷媒は二酸化炭素であることを特徴とすることにより、加熱手段を冷媒の圧力が超臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により湯水循環手段による流水を加熱するように構成している。そして、超臨界ヒートポンプサイクルは、湯水循環手段の流水を高温（例えば９０℃程度）に加熱する場合、加熱前の流水温度が低いほど、高圧圧力が低くなることでエネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）が向上する。したがって、貯湯タンクに温度成層を形成し、低温部の水を超臨界ヒートポンプで加熱することにより、エネルギー消費効率が向上し、省動力運転を行うことができる。
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクの熱容量を有効的に利用できるので、暖房に限らず浴槽水の追い炊きや保温や室内の空間温水暖房等の用途にも適用できる。
１ 加熱手段
２ 貯湯タンク
３ 圧縮機
４ 水冷媒熱交換器
５ 加熱回路
６ 暖房１次回路
７ 暖房用熱交換器
８ 暖房２次回路
９ 放熱手段
１０ 上部出湯口
１１ 第１混合弁
１２ 給水管
１３ 蛇口
１４ 温水取出口
１５ 温水戻り口
１７ 第２混合弁
１８ 入水口
１９ 残湯センサ
２０ 減圧弁
２１ タンク給水口
２２ 暖房用ポンプ
２ 貯湯タンク
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１８ 入水口
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２１ タンク給水口
２２ 暖房用ポンプ
Claims (2)
- 圧縮機と水冷媒熱交換器とを有する冷媒回路と、貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部からの水を前記水冷媒熱交換器によって加熱して前記貯湯タンクの上部へ戻す加熱回路と、前記貯湯タンクの上部から暖房用熱交換器を介して前記貯湯タンクへ戻る暖房１次回路と、放熱手段と前記暖房用熱交換器とを有する暖房２次回路と、前記貯湯タンクの側壁面に配設した前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段よりも上側に配置し、前記貯湯タンク内の湯水温度を検出する第２温度検出手段と、前記貯湯タンクの上部に設けた上部出湯口と、給水管とを備え、前記貯湯タンク上部の湯水を前記暖房用熱交換器へ通水する温水取出口を前記貯湯タンクの上部側壁面に設けるとともに、前記暖房用熱交換器からの湯水を前記貯湯タンクへ戻す温水戻り口、前記貯湯タンク下部の湯水を前記水冷媒熱交換器へ通水する入水口を前記貯湯タンクの底面部に設け、出湯運転では、前記貯湯タンク中間部内の湯水と前記給水管の水道水と前記上部出湯口からの高温湯とを混合して出湯し、かつ、前記貯湯タンクの上部からの湯水が暖房用熱交換器で放熱しているときには、前記第１温度検出手段が所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行い、前記貯湯タンクの上部からの湯水が前記暖房用熱交換器で放熱しているとき以外は、前記第２温度検出手段が前記所定温度を検出すれば、前記入水口から湯水を取り出して前記水冷媒熱交換器によって加熱を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
- 冷媒回路を循環する冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
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