JP4867749B2 - 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ものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置として、図２に示されるようなものがある。（たとえば、特許文献１参照）。図２は、従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。

図２において、ヒートポンプ給湯装置は、圧縮機１と、給湯用熱交換器２と、絞り装置３と、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５と、循環ポンプ６と、前記給湯用熱交換器２と、三方弁７と、貯湯槽５の頂部の温水戻り口８を順次接続した給湯回路からなる。

運転を開始すると、循環ポンプ６が運転され、貯湯槽５から給湯用熱交換器２に流入する入水温度が計測され、室外気温、入水温度と目標給湯温度により、圧縮機１の運転周波数、絞り装置３の初期開度が決定され、圧縮機１が運転開始する。

圧縮機１より吐出された冷媒は、次第に高温高圧の過熱ガス冷媒となり、給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ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、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にもどる。

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、貯湯槽５の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入水温度センサー２０が検知し、圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止するものである。

さらに、室外気温が低く蒸発器４に霜が生成し、その霜を溶かす除霜運転を行う場合、循環ポンプ６、蒸発器４の送風ファン（図示せず）を停止し、給湯運転を停止し、絞り装置３を開き、高温高圧の冷媒を蒸発器４に流す。その場合、蒸発器４の送風ファンは停止しているため、蒸発器４から冷媒へ吸熱はされず、冷媒は、圧縮機１の電気入力、圧縮機１や給湯用熱交換器２から吸熱し、その熱により除霜する。そして、蒸発器４の出口温度が所定温度以上になったことを検出して除霜運転を終了し、給湯運転を再開する。
特開昭６１−１６５１５７号公報

しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯装置の構成では、除霜運転時の吸熱源が、圧縮機１の電気入力や圧縮機１・給湯用熱交換器２であるため、給湯温度が低い場合、除霜運転時間が長くなり、除霜運転時の電気入力が増加し、ヒートポンプ給湯装置のエネルギー効率が低下するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、除霜時間を短縮し、エネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる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、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、絞り開度を変えて流れる冷媒の流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続して構成した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記貯湯槽の底部に配された取水口、
循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、前記貯湯槽の頂部に配された温水戻り口を順次接続して構成した給湯回路を備え、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転時に、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を目標値より高くして一定時間給湯運転を行った後、前記絞り装置の開度を大きくして、前記蒸発器に高温高圧の冷媒を流通させるように制御する制御装置を設けたもので、除霜運転時間を短縮し、エネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、除霜運転時間を短縮し、エネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、絞り開度を変えて流れる冷媒の流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続して構成した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記貯湯槽の底部に配された取水口、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、前記貯湯槽の頂部に配された温水戻り口を順次接続して構成した給湯回路を備え、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転時に、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を目標値より高くして一定時間給湯運転を行った後、前記絞り装置の開度を大きくして、前記蒸発器に高温高圧の冷媒を流通させるように制御する制御装置を設けたもので、除霜運転時間を短縮し、エネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の除霜運転時に、給湯用熱交換器からの出湯温度を目標値より高くして一定時間給湯運転を行う場合に、圧縮機の吐出温度も高くするように制御するもので、さらに除霜運転時間を短縮することができ、よりエネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の除霜運転時、絞り装置の開度を大きくする場合、循環ポンプの流量を所定値以下かまたは前記循環ポンプを停止するもので、圧縮機、給湯用熱交換器の熱を除霜に利用できるため、除霜運転時間をさらに短縮し、よりエネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の冷媒として炭酸ガスを用いるもので、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が非常に少なくなる。

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、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、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、絞り装置３３、蒸発器３４を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して構成した冷媒循環回路３０と、蒸発器３４に外気を送風するためのファン３５と、貯湯槽４１、貯湯槽底部の取水口４２、循環ポンプ４３、給湯用熱交換器３２、三方弁４４、貯湯槽４１の頂部の温水戻り口４５を順次接続して構成した給湯回路４６と、三方弁４４と貯湯槽４１の底部を接続するバイパス回路４７とを備え、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４３から送
られてきた水を加熱するようになっている。

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５１と、給湯用熱交換器３２から流出するお湯の温度（以下「給湯温度」という）を検知する給湯温度センサー５２と、室外気温を検知する室外気温センサー５３と、圧縮機３１の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサー５４と、蒸発器３４の出口冷媒温度を検出する蒸発器出口温度センサー５５と、圧縮機３１の運転周波数や絞り装置３３の開度、ファン３５の回転数、循環ポンプ４３の回転数を制御する制御装置５６を設置している。

以上のように構成された本実施の形態における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。

通常の運転時では、ヒートポンプ給湯装置の運転を開始すると、循環ポンプ４３、ファン３５が運転され、入水温度センサー５１により貯湯槽４１から給湯用熱交換器３２に流入する入水温度が計測され、室外気温センサー５３により室外気温が計測され、吐出温度センサー５４により圧縮機３１の吐出冷媒温度が計測され、入水温度、室外気温と目標給湯温度（例えば７０℃）により、圧縮機３１の運転周波数、目標吐出温度、絞り装置３３の初期開度Ｐ１は、あらかじめ設定されたテーブルから選択、決定され、圧縮機３１の運転が開始される。

圧縮機３１より吐出された冷媒は、圧縮機３１の運転開始時は、低温低圧の冷媒であるが、圧縮機３１の回転数の上昇に伴い、次第に高温高圧の過熱ガス冷媒となる。そして、圧縮機３１の運転周波数が設定値に達した後、目標吐出温度（例えば９０℃）になるように絞り装置３３の開度を制御する。

高温高圧となった冷媒は、給湯用熱交換器３２に流入し、ここで循環ポンプ４３によって送られてきた水と熱交換し、目標給湯温度（７０℃）になるように循環ポンプ４３の流量を制御し、水を加熱する。そして、冷媒は、放熱して中温高圧となり、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４３で送られて来る給湯水は、給湯用熱交換器３２で加熱され、湯温度が、目標給湯温度（例えば、７０℃）より第一の所定値（例えば、１０deg）ほど低い温度（６０℃）より低い（例えば、５５℃）場合、温水は貯湯槽４１の底部に戻される。さらに、湯温度が、目標給湯温度（７０℃）より第一の所定値（１０deg）ほど低い温度（６０℃）より高くなると、三方弁４４は、給湯用熱交換器３２と貯湯槽４１の頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御され、湯は、貯湯槽４１の上部に流入し、貯湯槽４１内の上から次第に貯湯されて行き、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽４１内に湯が貯まって行く。

沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽４１下部より循環ポンプ４３を経て流入する水温は高くなり、入水温度が設定値以上になると、貯湯槽４１に湯が貯まったと判断し、圧縮機３１、循環ポンプ４３、ファン３５の運転を停止し、沸上を完了する。

次に、室外気温が低く蒸発器３４に霜が生成し、その霜を溶かす除霜運転を行う場合、目標給湯温度（例えば、７０℃）より第二の所定値（例えば、１０deg）ほど高い温度（８０℃）とし、さらに、圧縮機３１の吐出温度も、初期の目標吐出温度（例えば、９０℃）より高い温度（例えば、１００℃）とし、新しい目標給湯温度や目標吐出温度に達するまで、または、所定の運転時間（例えば３分間）運転される。

その後、循環ポンプ４３を、所定の流量（例えば０．１リッター／分）に低減し、ファン３５を停止し、絞り装置３３を開き、給湯用熱交換器３２での放熱をできるだけ防ぎ、高温高圧の冷媒を蒸発器３４に流し、蒸発器３４の温度を上昇させて除霜する。この時、三方弁４４は、給湯用熱交換器３２と貯湯槽４１の頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御されたままの状態で運転される。

除霜運転中は、蒸発器３４に高温の冷媒を流入させて除霜を行うため、冷媒は、蒸発器３４で凝縮し液冷媒となる。そして圧縮機３１に吸入され、圧縮機３１の電気入力や圧縮機３１の熱により、冷媒は、加熱され蒸発するため、圧縮機３１の吐出温度は、次第に低下する。そして、給湯用熱交換器３２には、圧縮機３１の吐出冷媒が流れ、給湯熱交換器３２からも吸熱し、蒸発器３４の除霜を行う。

蒸発器３４の霜が溶け、蒸発器３４の出口配管の冷媒温度が上昇し、蒸発器出口温度センサー５５の出力値が設定値（例えば５℃）以上となると、除霜運転は終了し、目標給湯温度は当初の値にもどり、循環ポンプ４３、ファン３５が運転され、入水温度、室外気温と目標給湯温度により、圧縮機３１の運転周波数と目標吐出温度、絞り装置３３の初期開度Ｐ１はあらかじめ設定されたテーブルから選択され、決定され、給湯運転が再開される。

この様に、除霜運転中は、吸熱源が、圧縮機３１の電気入力や圧縮機３１や給湯熱交換器３２であり、圧縮機３１の吐出温度や給湯温度を高くした運転を行うことで、除霜に使用できる熱を多く蓄熱できるため、除霜時間を短縮することができ、よりエネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

なお、除霜運転中、循環ポンプ４３の流量を所定の流量に低減したが、循環ポンプ４３を停止しても同様な効果を得ることができる。

さらに、除霜終了、目標給湯温度（例えば、７０℃）より第三の所定値（例えば、２０deg）ほど低い温度（５０℃）より低い（例えば４５℃）場合、温水は、貯湯槽４１の底部に戻される。そして、湯温度が目標給湯温度（７０℃）より第三の所定値（２０deg）ほど低い温度（５０℃）より高くなると三方弁４４は、給湯用熱交換器３２と貯湯槽４１の頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御され、湯は、貯湯槽４１の上部に流入する。

この時の湯温は、目標給湯温度（７０℃）より低いが、通常使用される温度（例えば４５℃）より高く利用可能なため、貯湯槽４１の上部に流入するように制御する。その結果、高温の湯が貯湯槽４１の底部に流入することをできるだけ短時間とし、貯湯槽４１底部の水温上昇を防止することができ、給湯熱交換器３２の放熱量の低下を防止できるため、エネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。

そして、除霜運転時に、圧縮機３１の吐出温度や給湯温度を高くした運転を行うことで、除霜運転終了時の圧縮機３１の温度や給湯用熱交換器３２の温度低下を小さくでき、高温の湯が貯湯槽４１の底部に流入することをできるだけ短時間とし、貯湯槽４１の底部の水温上昇を防止することができ、さらにエネルギー効率の高い給湯運転を行うことができる。
なお、三方弁４４の切り替えを、湯温度が目標給湯温度（例えば、７０℃）より第三の所定値（例えば２０deg）ほど低い温度（５０℃）で判断したが、除霜運転終了後、三方弁４４の切り替え判断をせず、三方弁４４は、給湯用熱交換器３２と貯湯槽４１の頂部の温水戻り口４５を連通させた状態で、給湯運転を開始すれば、高温の湯が貯湯槽４１底部に流入することを防止し、さらにエネルギー効率の高い給湯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装置は、エネルギー効率の高い給湯運転が可能となるため、高温の湯を利用した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 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

３０ 冷媒循環回路
３１ 圧縮機
３２ 給湯用熱交換器
３３ 絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
４１ 貯湯槽
４２ 取水口
４３ 循環ポンプ
４４ 三方弁
４５ 温水戻り口
４６ 給湯回路
４７ バイパス回路
５１ 入水温度センサー
５２ 給湯温度センサ
５３ 室外気温センサー
５４ 吐出温度センサー
５５ 蒸発器出口温度センサー
５６ 制御装置

Claims (4)

1. 少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、絞り開度を変えて流れる冷媒の流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続して構成した冷媒循環回路と、貯湯槽、前記貯湯槽の底部に配された取水口、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、前記貯湯槽の頂部に配された温水戻り口を順次接続して構成した給湯回路を備え、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転時に、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を目標値より高くして一定時間給湯運転を行った後、前記絞り装置の開度を大きくして、前記蒸発器に高温高圧の冷媒を流通させるように制御する制御装置を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 除霜運転時に、給湯用熱交換器からの出湯温度を目標値より高くして一定時間給湯運転を行う場合に、圧縮機の吐出温度も高くするように制御することを特徴する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 除霜運転時、絞り装置の開度を大きくする場合、循環ポンプの流量を所定値以下かまたは前記循環ポンプを停止することを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 冷媒として炭酸ガスを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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