JP5151528B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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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、図３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。
図３は前記公報に記載された従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。図３において、圧縮機１、蓄熱装置２、蓄熱用伝熱管３、絞り装置４、蒸発器５からなる冷媒循環回路と、蓄熱装置２、給水管１１、出湯用伝熱管１２、流量制御弁１３、混合弁１４、バイパス管１５、給湯管１６を接続した給湯回路からなる。
蓄熱を行う場合、圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガスは蓄熱装置２に流入し、蓄熱用伝熱管３を流れるときに蓄熱装置２の蓄熱材（図示せず）と熱交換を行って冷却され、凝縮する。蓄熱用伝熱管３を出た冷媒は絞り装置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に戻る。
蓄熱運転を終了する場合、圧縮機１の吐出側に高圧遮断用圧力スイッチ６を設け、冷媒回路の高圧圧力が所定値に達したときに圧縮機１の運転を停止するようにしている。この高圧圧力が所定値は、蓄熱材の温度が潜熱域での蓄熱終了直後の温度に達したときの冷媒の高圧圧力である。
給湯を行う場合、水道水の一方は、給水管１１を通り、出湯用伝熱管１２へ導入され、蓄熱装置２の蓄熱材と熱交換を行い、水道水は加熱される。加熱された水道水は、流量制御弁１３を通り、混合弁１４に流入する。また、水道水の他方は、給水管１１、バイパス管１５を通り、混合弁１４に流入する。この混合弁１４で所望温度に混合され、給湯管１６から給湯するものである。
特開２００４−１０１０３１号公報
しかしながら、前記従来の構成では、蓄熱運転が終了した時、蓄熱装置には常に最大蓄熱量を蓄熱した状態となり、例えば、この蓄熱装置に蓄熱できる５０％の蓄熱量を蓄熱したいという要望にこたえられないという課題を有していた。また、蓄熱運転完了から給湯負荷が発生するまで長時間経過した場合、この蓄熱装置に蓄熱できる１００％の蓄熱量を蓄熱しているため大気に放熱するロスも多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、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を適正量に制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる省エネ性に優れ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、絞り装置、及び蒸発器から形成される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液体を循環させ蓄熱する蓄熱ユニットとを備え、前記蓄熱ユニット、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器で循環路を形成し、前記給湯用熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記蒸発器の吸い込み温度を検出する外気温度検出手段とを有し、前記入水温度検出手段と前記出湯温度検出手段と前記外気温度検出手段との検出値に基づいて、前記ヒートポンプサイクルから前記蓄熱ユニットに与えられる熱量を推定することを特徴とするもので、ヒートポンプサイクルから蓄熱ユニットに与えた熱量を推定することで、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。
本発明によれば、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を適正量に制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できるヒートポンプ給湯装置を提供できる。
第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、絞り装置、及び蒸発器から形成される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液体を循環させ蓄熱する蓄熱ユニットとを備え、前記蓄熱ユニット、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器で循環路を形成し、前記給湯用熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記蒸発器の吸い込み温度を検出する外気温度検出手段とを有し、前記入水温度検出手段と前記出湯温度検出手段と前記外気温度検出手段との検出値に基づいて、前記ヒートポンプサイクルから前記蓄熱ユニットに与えられる熱量を推定することを特徴とするもので、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。

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、蓄熱ユニットへの給水温度を検出する給水温度検出手段と、前記蓄熱ユニットの給湯温度を検出する給湯温度検出手段と、給湯流量を検出する流量検出手段とを有し、前記給水温度検出手段と前記給湯温度検出手段と前記流量検出手段との検出値に基づいて、前記蓄熱ユニットの放熱量を算出することを特徴とするもので、水道水を温め給湯などに使用した熱量、すなわち、放熱量を算出することで、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量と関連させて、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。
第３の発明は、特に、第１または第２の発明のヒートポンプ給湯装置において、蓄熱ユニットの温度を検出する蓄熱ユニット温度検出手段と、前記蓄熱ユニットの雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出手段とを有し、前記蓄熱ユニット温度検出手段と前記雰囲気温度検出手段との検出値に基づいて、前記蓄熱ユニットからの熱ロスを算出することを特徴とするもので、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量と放熱量と関連させて、蓄熱ユニットに蓄えられている残蓄熱量をさらに精度良く算出し、把握しているので、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯装置において、蓄熱ユニットは、潜熱蓄熱材と液体循環路とから構成されることを特徴とするもので、単位体積あたりの蓄熱量が、水より多い潜熱蓄熱材を採用しているので、同じ熱量を蓄熱する場合、小型化が可能となる。
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯装置において、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回路構成図である。図１において、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について説明する。
ヒートポンプサイクル２０は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、絞り装置である膨張弁２３、及び蒸発器２４を配管で接続している。また、蒸発器２４に送風するためのファン２５を設けている。また、蒸発器２４の吸い込み温度を検出する外気温度検出手段２４Ａを設置している。本実施の形態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、高圧側では臨界圧力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。
蓄熱ユニット３１は、潜熱蓄熱材３２と液体循環路３３から成っている。また、蓄熱ユニット３１の蓄熱ユニット温度検出手段３１Ａ、雰囲気温度検出手段３１Ｂを設置している。また、蓄熱ユニット３１の第一底部配管３４は、減圧弁３５を介して水道管等の水供給配管３６に接続されている。また、第一底部配管３４には給水温度検出手段３４Ａを設置している。また、蓄熱ユニット３１の第二底部配管３７は、循環ポンプ３８を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流入側と接続し、蓄熱ユニット３１の第一上部配管３９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、出口側には出湯温度検出手段２２Ｃを設置している。また、蓄熱ユニット３１の第二上部配管４０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。また、第二上部配管４０には、給湯温度検出手段４０Ａと流量検出手段４１を設置している。
コントローラ５０は、蓄熱量推定手段５１、放熱量算出手段５２、放熱ロス算出手段５３から成り、残蓄熱量算出手段５４で残蓄熱量を算出する。
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蓄熱運転動作について説明する。
まず、使用者が蛇口を開くと第二上部配管４０から出湯される。蓄熱ユニット３１の残蓄熱量が少なくなると、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。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、膨張弁２３で減圧された後、蒸発器２４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２１に吸入される。ファン２５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３８により蓄熱ユニット３１からの水は、蓄熱ユニット３１の第二底部配管３７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、蓄熱ユニット３１に流入する。
図２は、本発明の第１の形態におけるヒートポンプ給湯装置の残蓄熱量算出のフローチャートである。
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残蓄熱量算出方法について図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、電源がＯＮされると（ステップ１）、圧縮機２１がＯＮか判断する（ステップ２）。圧縮機２１がＯＮの場合、入水温度検出手段２２Ｂ、出湯温度検出手段２２Ｃ、外気温度検出手段２４Ａで、それぞれＴｗｉ、Ｔｗｏ、Ｔｏｕｔを検出する（ステップ３）。次に、蓄熱量推定手段５１で流量の推定を外気温度Ｔｏｕｔの１次関数で推定し、（数１）で表す様に蓄熱量を推定する（ステップ４）。
Figure 0005151528
次に、蛇口が開か判断する（ステップ５）。蛇口が開の場合、給湯温度検出手段４０Ａ、流量検出手段４１、給水温度検出手段３４Ａで、それぞれＴｗｈ、Ｑ、Ｔｗｌを検出する（ステップ６）。次に、放熱量算出手段５２で（数２）で表す様に放熱量を算出する（ステップ７）。
Figure 0005151528
次に、蓄熱ユニット温度検出手段３１Ａ、雰囲気温度検出手段３１Ｂで、それぞれＴ１、Ｔ２を検出し、放熱ロス算出手段５３で（数３）で表す様に放熱ロスを算出する（ステップ８）。なお、ステップ２で圧縮機２１がＯＦＦの場合、ステップ５で蛇口が閉の場合もステップ８で放熱ロスを算出する。
Figure 0005151528
次に、残蓄熱量算出手段５４で（数４）で表す様に残蓄熱量を算出する（ステップ９）。
Figure 0005151528
従って、ヒートポンプサイクルから蓄熱ユニットに与えられた熱量を流量検出手段を設置しない安易な方法で推定し、精度よく、蓄熱ユニットの残蓄熱量を把握しているので、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。
以上のように本実施の形態のヒートポンプ給湯装置は、精度よく、蓄熱ユニットの残蓄熱量を把握しているので、学習制御等により給湯負荷が少ないと予測される場合、蓄熱ユニットに蓄熱する蓄熱量を少なく制御でき、蓄熱ユニットからの放熱ロスを低減できる。
また、（数１）で流量の推定を外気温度の１次関数で説明したが、２次関数以上もしくはその他の関数を用いてもよい。また、（数１）で蓄熱量を推定するにあたり、流量と温
度差の積という形で説明したが、入水温度、出湯温度、外気温度の３つの関数が入っておれば式の形は問わない。
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、潜熱蓄熱剤については、特に説明していないが、１種類の潜熱蓄熱剤、または融点の異なる２種類以上の潜熱蓄熱剤を充填してもよい。
また、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、容易に蓄熱ユニット蓄熱することが可能となるので、その蓄熱熱量を利用した暖房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回路構成図 同ヒートポンプ給湯装置の残蓄熱量算出のフローチャート 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
２２Ｂ 入水温度検出手段
２２Ｃ 出湯温度検出手段
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
３１ 蓄熱ユニット
３８ 循環ポンプ
５１ 蓄熱量推定手段

Claims (5)

  1. 圧縮機、給湯用熱交換器、絞り装置、及び蒸発器から形成される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液体を循環させ蓄熱する蓄熱ユニットとを備え、前記蓄熱ユニット、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器で循環路を形成し、前記給湯用熱交換器への入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記給湯用熱交換器からの出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記蒸発器の吸い込み温度を検出する外気温度検出手段とを有し、前記入水温度検出手段と前記出湯温度検出手段と前記外気温度検出手段との検出値に基づいて、前記ヒートポンプサイクルから前記蓄熱ユニットに与えられる熱量を推定することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
  2. 蓄熱ユニットへの給水温度を検出する給水温度検出手段と、前記蓄熱ユニットの給湯温度を検出する給湯温度検出手段と、給湯流量を検出する流量検出手段とを有し、前記給水温度検出手段と前記給湯温度検出手段と前記流量検出手段との検出値に基づいて、前記蓄熱ユニットの放熱量を算出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. 蓄熱ユニットの温度を検出する蓄熱ユニット温度検出手段と、前記蓄熱ユニットの雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出手段とを有し、前記蓄熱ユニット温度検出手段と前記雰囲気温度検出手段との検出値に基づいて、前記蓄熱ユニットからの熱ロスを算出す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装置。
  4. 蓄熱ユニットは、潜熱蓄熱材と液体循環路とから構成され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。
  5. ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧力を越える状態で運転する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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