JP4848971B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来から、種々のヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が提案されおり、その一例を図３に基づいて説明する。

図３は従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。

図３に示すように、従来のヒートポンプ給湯機は圧縮機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、給湯用熱交換器２、補助加熱器７を接続した給湯回路からなる。

圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガスは給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ６により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絞り装置３で減圧され、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、圧縮機１に戻り、再び高温高圧の過熱ガスとなる。

一方、給湯用熱交換器２で加熱された湯は貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、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８が検知し、圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、補助加熱器７の単独運転に切り換える（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１６４１５７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、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、給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、圧縮機１の吐出圧力が上昇して、圧縮機１の耐久性が悪くなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯用熱交換器に流入する水温が高い時でも圧縮機の耐久性を確保した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、給湯用熱交換器、第１の膨張弁、蓄熱器、第１の開閉弁、第２の膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記第１の膨張弁、前記蓄熱器、及び前記第１の開閉弁をバイパスするとともに第２の開閉弁を設けた第１のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第１の開閉弁の間の配管と前記圧縮機と前記蒸発器の間の配管を接続するとともに第３の開閉弁を設けた第２のバイパス回路を設けたヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクを備えたことを特徴とする。

蓄熱器を有するもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように蓄熱器で冷媒の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯用熱交換器に流入する水温が高い時でも圧縮機の耐久性を確保できる。

第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、第１の膨張弁、蓄熱器、第１の開閉弁、第２の膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記第１の膨張弁、前記蓄熱器、及び前記第１の開閉弁をバイパスするとともに第２の開閉弁を設けた第１のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第１の開閉弁の間の配管と前記圧縮機と前記蒸発器の間の配管を接続するとともに第３の開閉弁を設けた第２のバイパス回路を設けたヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクを備えている。

この構成により、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように蓄熱器で冷媒の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯装置において、前記給湯用熱交換器の水側入口の温度を検出する入水温度検出手段と、前記蓄熱器の温度を検出する蓄熱器温度検出手段を設け、前記入水温度検出器で検出された前記給湯用熱交換器の水側入口の温度と、前記蓄熱器温度検出手段で検出された前記蓄熱器の温度に応じて、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁および前記第３の開閉弁の開閉を制御している。

この構成により、蓄熱器を吸熱器および放熱器として作用でき、蓄熱器を放熱器として作用する場合、吸熱した熱を回収できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第３の発明は、特に、第２の発明のヒートポンプ給湯装置において、前記第１の開閉弁が閉、前記第２の開閉弁が開および前記第３の開閉弁が開の状態の場合、前記蒸発器の能力を下げている。

この構成により、ファンの入力すなわちヒートポンプサイクルへの入力を低減できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明のヒートポンプ給湯装置において、前記蓄熱器には、潜熱蓄熱剤が充填している。

この構成により、沸き終い運転時に潜熱蓄熱剤からなる蓄熱器に放熱するため、蓄熱器の出口温度の上昇も緩やかになり、さらには高圧の上昇も緩やかにできるため、ヒートポンプサイクル運転時に、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

さらに、蓄熱器に蓄熱した熱を回収できるため、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第５の発明は、特に、第２または第３の発明のヒートポンプ給湯装置において、前記蓄熱器には、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤が充填している。

この構成により、蓄熱器に融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填して回収できる熱量を増加しているので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第６の発明は、特に、第５の発明のヒートポンプ給湯装置において、前記蓄熱器は、融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤へ冷媒が流れている。

この構成により、沸き終い運転時に融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤へ冷媒が流れる蓄熱器に放熱するため、蓄熱器の出口温度の上昇も更に緩やかになり、さらには高圧の上昇も更に緩やかにできるため、ヒートポンプサイクル運転時に、より一層効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

さらに蓄熱器に融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤を充填して回収できる熱量を増加しているので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

第７の発明は、特に、第２〜６のいずれか一つの発明において、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転している。

この構成により、給湯水の高温化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なる。

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、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の冷凍回路構成図である。

図に示すように、ヒートポンプサイクル２０は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、第１の膨張弁２３、蓄熱器２５、第１の開閉弁２８、第２の膨張弁２９、及び蒸発器３０を順に配管で環状に接続して構成されている。なお、蒸発器３０に送風するためのファン３１を設けている。

また、第１の膨張弁２３、蓄熱器２５、及び第１の開閉弁２８をバイパスする第１のバイパス回路３２が設けてあり、第１のバイパス回路３２には第２の開閉弁３３を設けている。

また、蓄熱器２５と第１の開閉弁２８の間の配管と、圧縮機２１と蒸発器３０の間の配管を接続した第２のバイパス回路３４が設けてあり、第２のバイパス回路３４には第３の開閉弁３５を設けている。

また、第１の膨張弁２３と並列に第４の開閉弁２４を設けている。

なお、蓄熱器２５は、高融点潜熱蓄熱剤２６と低融点潜熱蓄熱剤２７から構成されるとともに、蓄熱器温度検出手段２５Ａを設けている。

コントローラ３６には、後述する入水温度検出手段２２Ｂで検出した出湯温度と蓄熱器温度検出手段２５Ａで検出した蓄熱器温度が入力され、開閉弁設定手段３７により出力され、第１の開閉弁２８と第２の開閉弁３３と第３の開閉弁３５と第４の開閉弁２４の開閉が設定される。

なお、本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

次に、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給湯回路について説明する。

貯湯タンク４１の第一底部配管４２は、減圧弁４３を介して水道管等の水供給配管４４に接続され、貯湯タンク４１へは所定の圧力に減圧された状態で第一底部配管４２から水が供給される。

また、貯湯タンク４１の第二底部配管４５は、循環ポンプ４６を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流入側と接続されている。また、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの入口側には入水温度検出手段２２Ｂを設置し、出口側には出湯温度検出手段２２Ｃを設置している。

また、貯湯タンク４１の第一上部配管４７は、三方弁４８を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流出側と接続されている。また、貯湯タンク４１の第三底部配管４９は、三方弁４８に接続されている。

また、貯湯タンク４１の第二上部配管５０は、キッチン、又は洗面所等の蛇口や風呂端末（図示せず）に接続されている。

次に、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貯湯運転動作について図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、使用者が蛇口を開くと第二上部配管５０から出湯され、貯湯タンク４１の残湯量が少なくなると、圧縮機２１が起動し、ヒートポンプサイクル２０が運転を開始する（ステップ１）。

次に、入水温度検出手段２２Ｂで入水温度を検出し、蓄熱器温度検出手段２５Ａで蓄熱器温度を検出する（ステップ２）。

次に、入水温度が所定温度以上になっているか、すなわち高入水温領域になっているか判断される（ステップ３）。

高入水温領域になっていると判断した場合、蓄熱器２５に蓄熱するために、第１の開閉弁２８は開、第２の開閉弁３３は閉、第３の開閉弁３５は閉、第４の開閉弁２４は開に設定される（ステップ４）。

なお、第１の膨張弁２３は全開、第２の膨張弁２９は開（予め決定された制御に基づく開度）に設定される。

圧縮機２１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２２で放熱し、第１の膨張弁２３、第４の開閉弁２４を通り、蓄熱器２５で蓄熱され、第１の開閉弁２８を通り、第２の膨張弁２９で減圧された後、蒸発器３０にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２１に吸入される。なお、ファン３１は、圧縮機２１の運転状態に応じた回転数に設定される。

循環ポンプ４６により貯湯タンク４１からの水は、貯湯タンク４１の第二底部配管４５を通り、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａに導かれ、高温の湯に加熱され、三方弁４８を介し、貯湯タンク４１に流入する。

三方弁４８において、貯湯タンク４１の第一上部配管４７に接続するか、貯湯タンク４１の第三底部配管４９に接続するかの判断は、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側に設置している出湯温度検出手段２２Ｃの温度によって行う。

貯湯タンク４１の湯量が一杯になると圧縮機２１と循環ポンプ４６を停止し、貯湯運転を終了する。したがって、高入水温領域になっている場合でも、蓄熱器２５で蓄熱されるため蓄熱器２５の出口の冷媒温度はそれ程上昇することなく圧縮機２１の運転を継続できる。

蓄熱器２５には、高融点潜熱蓄熱剤２６と低融点潜熱蓄熱剤２７が充填されており、例えば、高融点潜熱蓄熱剤２６の融点が５０℃、低融点潜熱蓄熱剤２７の融点が３０℃で、高融点潜熱蓄熱剤２６から低融点潜熱蓄熱剤２７へ冷媒が流れている場合、入水温度が５０℃になっても、蓄熱器２５の出口の冷媒温度は、３０℃程度を維持できる。

ステップ３で入水温度が所定温度未満であると判断した場合、すなわち高入水温領域でないと判断した場合、蓄熱器２５の温度が所定温度以上になっているか、すなわち蓄熱器２５に蓄熱されているか判断される（ステップ５）。

所定温度以上の場合、蓄熱されているか判断され、放熱される。そこで、第１の開閉弁２８は閉、第２の開閉弁３３は開、第３の開閉弁３５は開、第４の開閉弁２４は閉に設定される（ステップ６）。なお、第１の膨張弁２３は開（予め決定された制御に基づく開度）、第２の膨張弁２９は開（予め決定された制御に基づく開度）に設定される。

圧縮機２１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２２で放熱し、一方の冷媒は第２の開閉弁３３、第１のバイパス回路３２を通り、第２の膨張弁２９で減圧された後、蒸発器３０にて吸熱され、もう一方の冷媒は第１の膨張弁２３で減圧された後、蓄熱器２５にて吸熱され、第２のバイパス回路３４を通り、蒸発器３０を流れた冷媒と合流し、ガス状態で圧縮機２１に吸入される。

蓄熱器２５も蒸発器として作用しているため、ファン３１は、通常の回転数より低い回転数に設定される。

循環ポンプ４６により貯湯タンク４１からの水は、貯湯タンク４１の第二底部配管４５を通り、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａに導かれ、高温の湯に加熱され、三方弁４８を介し、貯湯タンク４１に流入する。

三方弁４８において、貯湯タンク４１の第一上部配管４７に接続するか、貯湯タンク４１の第三底部配管４９に接続するかの判断は、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側に設置している出湯温度検出手段２２Ｃの温度によって行う。

貯湯タンク４１の湯量が一杯になると圧縮機２１と循環ポンプ４６を停止し、貯湯運転を終了する。

ステップ５で蓄熱器２５の温度が所定温度未満と判断した場合、蓄熱器２５に熱量が残っていない場合、第１の開閉弁２８は閉、第２の開閉弁３３は開、第３の開閉弁３５は閉、第４の開閉弁２４は閉に設定される（ステップ７）。

なお、第１の膨張弁２３は全閉、第２の膨張弁２９は開（予め決定された制御に基づく開度）に設定される。

圧縮機２１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２２で放熱し、第２の開閉弁３３、第１のバイパス回路３２を通り、第２の膨張弁２９で減圧された後、蒸発器３０にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２１に吸入される。なお、ファン３１は、圧縮機２１の運転状態に応じた回転数に設定される。

循環ポンプ４６により貯湯タンク４１からの水は、貯湯タンク４１の第二底部配管４５を通り、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａに導かれ、高温の湯に加熱され、三方弁４８を介し、貯湯タンク４１に流入する。

三方弁４８において、貯湯タンク４１の第一上部配管４７に接続するか、貯湯タンク４１の第三底部配管４９に接続するかの判断は、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側に設置している出湯温度検出手段２２Ｃの温度によって行う。

貯湯タンク４１の湯量が一杯になると圧縮機２１と循環ポンプ４６を停止し、貯湯運転を終了する。

沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯タンク４１内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯タンク４１の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯タンク４１下部より循環ポンプ４６を経て、給湯用熱交換器２２に流入する水温は高くなってくる。

この場合、給湯用熱交換器２２の出口の冷媒温度も上昇するが、蓄熱器２５で蓄熱されるため蓄熱器２５の出口の冷媒温度はそれ程上昇することなく圧縮機２１の運転を継続できる。

蓄熱器２５には、高融点潜熱蓄熱剤２６と低融点潜熱蓄熱剤２７が充填されており、例えば、高融点潜熱蓄熱剤２６の融点が５０℃、低融点潜熱蓄熱剤２７の融点が３０℃で、高融点潜熱蓄熱剤２６から低融点潜熱蓄熱剤２７へ冷媒が流れている場合、入水温度が５０℃になっても、蓄熱器２５の出口の冷媒温度は、３０℃程度を維持できる。

以上のように本実施の形態のヒートポンプ給湯装置は、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の２２出口温度も上昇し、給湯用熱交換器２２および蒸発器３０の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にある。

しかし、本発明のように蓄熱器２５で冷媒の熱を蓄熱して、給湯用熱交換器２２を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してそのその密度が増加し、また、蒸発器３０入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。

従って、入水温度が高くなっても高圧が上昇することなく圧縮機２１の連続運転ができるので、貯湯タンク４１の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯タンク４１の容量を有効に利用できる効果がある。

また、蓄熱器２５に蓄熱した熱量を回収する場合、蓄熱器２５を蒸発器３０と並列に動作させ、もうひとつの蒸発器として回収するので、蒸発能力が大きくなり、より効率の高い運転ができる効果がある。

また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。

また、本実施の形態では、蓄熱器に、融点の異なる２種類の潜熱蓄熱剤を充填した場合で説明したが、融点の異なる３種類以上の潜熱蓄熱剤を充填してもよい。

さらに、本実施の形態では、ヒートポンプサイクル２０を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。

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を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することが可能となるので、温水を貯湯し、その温水を利用した暖房等の用途にも適用できる。

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回路構成図 同ヒートポンプ給湯装置の開閉弁制御のフローチャート 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

２０ ヒートポンプサイクル
２１ 圧縮機
２２ 給湯用熱交換器
２３ 第１の膨張弁
２５ 蓄熱器
２８ 第１の開閉弁
２９ 第２の膨張弁
３０ 蒸発器
３２ 第１のバイパス回路
３３ 第２の開閉弁
３４ 第２のバイパス回路
３５ 第３の開閉弁
４１ 貯湯タンク

Claims (7)

1. 圧縮機、給湯用熱交換器、第１の膨張弁、蓄熱器、第１の開閉弁、第２の膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続し、前記第１の膨張弁、前記蓄熱器、及び前記第１の開閉弁をバイパスするとともに第２の開閉弁を設けた第１のバイパス回路と、前記蓄熱器と前記第１の開閉弁の間の配管と前記圧縮機と前記蒸発器の間の配管を接続するとともに第３の開閉弁を設けた第２のバイパス回路を設けたヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンク備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記給湯用熱交換器の水側入口の温度を検出する入水温度検出手段と、前記蓄熱器の温度を検出する蓄熱器温度検出手段を設け、前記入水温度検出器で検出された前記給湯用熱交換器の水側入口の温度と、前記蓄熱器温度検出手段で検出された前記蓄熱器の温度応じて、前記第１の開閉弁、前記第２の開閉弁および前記第３の開閉弁の開閉を制御す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装置。
3. 前記第１の開閉弁が閉、前記第２の開閉弁が開および前記第３の開閉弁が開の状態の場合、前記蒸発器の能力を下げることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記蓄熱器には、潜熱蓄熱剤が充填されていることを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記蓄熱器には、融点の異なる複数の潜熱蓄熱剤が充填されていることを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記蓄熱器は、融点の高い潜熱蓄熱剤から融点の低い潜熱蓄熱剤へ冷媒が流れることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 前記ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する請求項２〜６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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