JP5264408B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、他の設備で用いられて温度低下した湯水を再加熱することができるヒートポンプ給湯機に関するものである。

ヒートポンプユニットで沸上げた湯を貯湯タンクに一旦貯留し、該貯湯タンクから給湯管路を介して所望箇所に給湯するヒートポンプ給湯機では、貯湯タンク内に貯留した湯を熱源として用いて、浴槽などの外部負荷設備で用いられて温度低下した湯水を再加熱する機能を有するものがある。このようなヒートポンプ給湯機では、再加熱運転時に熱源として用いられて温度が低下した湯（中温湯）が貯湯タンクの下部に戻されて、該中温湯が貯湯タンクの下部に貯留した水に混ざることで貯湯タンク内に形成された温度成層が乱れ、再加熱運転後に行われる沸上運転時に貯湯タンクの下部から取り出される水の温度が上昇する結果、沸上運転時のヒートポンプユニットでの沸上効率が低下する。

再加熱運転後に行われる沸上運転での沸上効率を向上させるために、例えば特許文献１に記載されたヒートポンプ給湯装置（ヒートポンプ式給湯機）では、再加熱運転（追焚き運転）で生じた中温湯を貯湯タンクには戻さずにヒートポンプユニット（ヒートポンプ式加熱源）に戻して再び湯に沸上げ、この湯を外部熱交換器に直接供給して追焚きしている。

このようなヒートポンプ給湯機では、浴槽内の適温の浴水を保温する場合のように単位時間当たりの必要加熱量が少ない場合を想定してヒートポンプユニットの性能を設定すると、大きく温度低下した浴水を比較的短時間で追焚きしようとしたときに加熱能力不足となる。このため、ヒートポンプユニットの性能は、通常、大きく温度低下した浴水を比較的短時間で適温に追焚きする場合のように単位時間当たりの必要加熱量が多い場合を想定して設定される。

特開２００７−１１３８３６号公報

しかしながら、ヒートポンプユニットでの沸上効率は、低温水を湯に沸上げるときよりも中温湯を湯に沸上げるときの方が低い。このため、特許文献１に記載されたヒートポンプ給湯機では、単位時間当たりの必要加熱量が多い再加熱運転にも対応可能な能力をヒートポンプユニットに付与しようとすると、当該ヒートポンプユニット内の管路が複雑になったり、当該ヒートポンプユニットが大型になったりする。

また、ヒートポンプユニット内に設けられる熱交換器（加熱熱交換器）での流路は、一般に、当該加熱熱交換器の性能を向上させるためにその流路断面積が小さく、単位時間当たりの湯水の流量に制限があって、該制限を超えて湯水を流すと加熱熱交換器内が腐食して信頼性が著しく低下する。このため、単位時間当たりの必要加熱量が多い再加熱運転にも対応可能な能力をヒートポンプユニットに付与しようとすると、加熱熱交換器の再設計が必要となる。勿論、加熱熱交換器での湯水の流量を少なくして加熱能力を小さくすれば上記の腐食を防止することができるが、この場合には所望の能力をヒートポンプユニットに付与することができなくなる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、再加熱運転の際の単位時間当たりの必要加熱量の多少に拘わらず信頼性を損なうことなく対応可能なものを作製しやすいヒートポンプ給湯機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、水を湯に沸上げる加熱熱交換器を有するヒートポンプユニットと、沸上げられた湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクに貯留された湯を熱源として用いる負荷側熱交換器とを有し、外部負荷設備から負荷側熱交換器に供給された湯水を負荷側熱交換器で再加熱するヒートポンプ給湯機であって、負荷側熱交換器と循環ポンプと加熱熱交換器と貯湯タンクの上部とを順次接続して構成される循環管路と、貯湯タンクの下部に一端が接続された第１切替管路と、循環管路での負荷側熱交換器と循環ポンプとの間に設けられて第１切替管路の他端が接続され、負荷側熱交換器で熱源として用いられた後の湯を循環ポンプ側に流すか、貯湯タンクから第１切替管路に流入した低温水を循環ポンプ側に流すか切り替える第１切替弁と、貯湯タンクの下部に一端が接続された第２切替管路と、循環管路での循環ポンプの下流側に設けられて第２切替管路の他端が接続され、循環管路内の湯水を該循環管路での下流側に流すか第２切替管路に流すか切り替える第２切替弁とを備え、前記外部負荷設備から前記負荷側熱交換器に供給された湯水を再加熱するときの必要加熱量が所定量以上であるときには、前記第２切替弁を前記第２切替管路側に開弁させることを特徴とする。

本発明のヒートポンプ給湯機では、再加熱運転の際の単位時間当たりの必要加熱量の多少に応じて、再加熱運転で生じた中温湯を加熱熱交換器で再び湯に沸上げて貯湯タンクに戻すか、湯に沸き上げることなく中温湯のまま貯湯タンクに戻すかを適宜選択することが可能になるので、加熱熱交換器として汎用のものを通常の条件下で用いても所望の再加熱運転を行いやすい。したがって、本発明によれば、再加熱運転の際の単位時間当たりの必要加熱量の多少に拘わらず信頼性を損なうことなく対応可能なヒートポンプ給湯機を作製しやすくなる。

以下に、本発明にかかるヒートポンプ給湯機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この発明は、下記の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明にかかるヒートポンプ給湯機の一例を概略的に示す構成図である。同図に示すヒートポンプ給湯機１００は、浴槽や温水式床暖房装置等の外部負荷設備（図示せず）で用いられて温度低下した湯水を再加熱する機能を有するものであり、ヒートポンプユニット１０、貯湯タンクユニット４０、および制御装置５０を備えている。以下、ヒートポンプ給湯機１００の各構成要素について説明する。

上記のヒートポンプユニット１０は、圧縮機１と、加熱熱交換器２と、膨張弁３と、蒸発器４と、これらを環状に接続する循環配管５と、蒸発器４を冷却する送風ファン６とを有する冷凍サイクルシステムを備え、熱源機として機能する。ヒートポンプユニット１０の冷凍サイクルシステムでは、冷媒が圧縮機１で圧縮されて高温、高圧となった後に加熱熱交換器２で放熱し、膨張弁３で減圧され、蒸発器４で吸熱してガス状態となって圧縮機１に吸入される。冷媒の流れる方向を図１中に破線の矢印で示している。ヒートポンプユニット１０の動作は、制御装置５０により制御される。

加熱熱交換器２は、上記循環配管５を流れる冷媒を熱源として用いて、後述する循環管路２０の第５管路２０ｅを流れる水や中温湯を湯に沸上げるための熱交換器である。加熱熱交換器２により沸上げられた湯は、後述する循環管路２０の第１管路２０ａを流れる。

貯湯タンクユニット４０は、貯湯タンク１５、循環管路２０、負荷側熱交換器２５、負荷側循環管路３０を有している。

貯湯タンク１５は、下部に接続された給水管路（図示せず）から供給される水を貯留すると共に加熱熱交換器２で沸上げられた湯を貯留するものであり、常に満水状態に保たれる。ヒートポンプ給湯機１００の使用時には、貯湯タンク１５内に温度成層が形成される。貯湯タンク１５の上部には、給湯管路（図示せず）の一端が接続されており、給湯管路の他端に設けられた給湯栓（図示せず）をユーザが開くことにより、所定量の湯が貯湯タンク１５から供給される。

循環管路２０は、加熱熱交換器２と、貯湯タンク１５の上部と、負荷側熱交換器２５と、第１切替弁１１と、循環ポンプ１２と、第２切替弁１３とを環状に順次接続する管路である。循環管路２０は、加熱熱交換器２と貯湯タンク１５の上部とを接続する第１管路２０ａと、貯湯タンク１５の上部と負荷側熱交換器２５とを接続する第２管路２０ｂと、負荷側熱交換器２５と第１切替弁１１とを接続する第３管路２０ｃと、第１切替弁１１と第２切替弁１３とを接続する第４管路２０ｄと、第２切替弁１３と加熱熱交換器２とを接続する第５管路２０ｅとにより構成される。第１管路２０ａと第２管路２０ｂとは、貯湯タンク１５の上部にそれぞれ別個に設けられた接続口で当該貯湯タンク１５に接続されている。

第１切替弁１１は、循環管路２０での負荷側熱交換器２５と循環ポンプ１２との間に設けられた三方弁である。第１切替弁１１には、上流側に２つの流入口があり、下流側に１つの流出口がある。一方の流入口は第３管路２０ｃに接続され、他方の流入口は、貯湯タンク１５の下部に一端が接続された第１切替管路１６に接続され、流出口は第４管路２０ｄに接続されている。第１切替弁１１は、制御装置５０に接続されて該制御装置５０により動作制御され、制御装置５０から開度調整信号を受けて弁開度を調節して、負荷側熱交換器２５で熱源として用いられた後の湯（中温湯）を循環ポンプ１２側に流すか、貯湯タンク１５から第１切替管路１６に流入した低温水を循環ポンプ１２側に流すか切り替える。

循環ポンプ１２は、第４管路２０ｄの途中の経路に設けられており、該第４管路２０ｄを流れる湯水を昇圧させて貯湯タンクユニット４０内の湯水を循環させるためのものである。循環ポンプ１２は、制御装置５０に接続されており、制御装置５０により動作制御される。

第２切替弁１３は、循環管路２０での循環ポンプ１２と加熱熱交換器２との間に設けられた三方弁である。第２切替弁１３には、上流側に１つの流入口があり、下流側に２つの流出口がある。流入口は第４管路２０ｄに接続され、２つの流出口の一方は第５管路２０ｅに接続され、他方の流出口は、貯湯タンク１５の下部に一端が接続された第２切替管路１７に接続されている。第２切替弁１３は、制御装置５０に接続されて該制御装置５０により動作制御され、制御装置５０から開度調整信号を受けて弁開度を調節して、循環管路２０内の湯水を該循環管路２０での下流側（加熱熱交換器２側）に流すか第２切替管路１７に流すか切り替える。なお、第１切替管路１６と第２切替管路１７とは、それぞれ貯湯タンク１５の下部での互いに別個の接続口に接続されている。

負荷側熱交換器２５は、第２管路２０ｂを介して貯留タンク１５の上部から取り出した湯を熱源として用いて、後述する負荷側循環管路３０の往き管３０ａを流れる湯水を再加熱するための熱交換器である。負荷側熱交換器２５により再加熱されて生じた温湯は戻り管３０ｂを流れて外部負荷設備に戻され、負荷側熱交換器２５で熱源として用いられて温度が低下した湯（中温湯）は第３管路２０ｃに流入する。

負荷側循環管路３０は、浴槽等の外部負荷設備で使用されて温度低下した湯水を取水して当該外部負荷設備に戻す管路であり、往き管３０ａと戻り管３０ｂとを含んでいる。往き管３０ａは、外部負荷設備と負荷側熱交換器２５の下部とを繋ぎ、戻り管３０ｂは、負荷側熱交換器２５の上部と外部負荷設備とを繋ぐ。往き管３０ａの途中には負荷側循環ポンプ３１が設けられており、往き管３０ａ内の湯水を昇圧することにより、負荷側循環管路３０内の湯水を循環させる。負荷側循環ポンプ３１は、制御装置５０に接続されており、制御装置５０により動作制御される。

制御装置５０は、制御部５１と記憶部５２とを有する。制御部５１は、記憶部５２に格納された情報や、ユーザが設定し、操作部（図示せず）から伝えられた制御情報等を用いて、ヒートポンプユニット１０で水を湯に沸上げて該湯を貯湯タンク１５に貯留する沸上運転や、外部負荷設備で温度低下した湯水を貯留タンク１５の上部から取り出した湯を熱源として用いて再加熱する再加熱運転等を制御する。制御部５１は、圧縮機１、膨張弁３、第１切替弁１１、循環ポンプ１２、第２切替弁１３、負荷側循環ポンプ３１等に接続されている。

次に、図１に示したヒートポンプ給湯機１００での沸上運転の動作例について、図２を用いて説明する。図２は、図１に示したヒートポンプ給湯機での沸上運転時の動作例を示す概略図である。

沸上運転は、例えばユーザが制御装置５０の操作部（図示せず）から沸上運転開始指令を入力することにより、あるいは予め記憶部５２に記憶された沸上運転開始時刻になることにより開始される。沸上運転の開始時には、制御部５１が圧縮機１、膨張弁３、送風ファン６に運転開始信号を出力する。

次いで、制御部５１は、第１切替弁１１での流入口が第１切替管路１６側に開弁するように当該第１切替弁１１に開度調整信号を出力すると共に、第２切替弁１３での流出口が第５管路２０ｅ側に開弁するように当該第２切替弁１３に開度調整信号を出力し、さらには循環ポンプ１２に運転開始信号を出力する。これにより、貯湯タンク１５の下部から第１切替管路１６に低温水が引き抜かれて第４管路２０ｄに流入し、該低温水が第４管路２０ｄから第５管路２０ｅに流入する。第５管路２０ｅに流入した水は、加熱熱交換器２により湯に沸上げられて第１管路２０ａに流入し、該第１管路２０ａから貯湯タンク１５の上部に戻されて、貯湯タンク１５の上部に湯層を形成する。貯湯タンク１５内の湯は、第２管路２０ｂには流入しない。なお、図２においては、沸上運転で湯水が流れる方向を実線の矢印で示している。

沸上運転の開始から時間が経過するにつれて、貯湯タンク１５の上部に形成された湯層が貯湯タンク１５の下部の方向に拡大する。貯湯タンク１５には温度センサ（図示せず）が配置されており、該温度センサの検知温度が所定温度に達すると所定量の湯が蓄えられたと制御部５１が判断して、該制御部５１の制御の下に沸上運転が終了される。

次に、図１に示したヒートポンプ給湯機１００での再加熱運転の動作例について、図３および図４を用いて説明する。図３は、図１に示したヒートポンプ給湯機での再加熱運転時の動作例を示す概略図であり、図４は、図１に示したヒートポンプ給湯機での再加熱運転時の他の動作例を示す概略図である。

再加熱運転は、例えばユーザが制御装置５０の操作部（図示せず）から再加熱運転開始指令を入力することにより、あるいは予め記憶部５２に記憶された再加熱運転開始時刻になることにより開始される。沸上運転の開始時には、まず、負荷側循環管路３０の往き管３０ａに設けられている温度センサ（図示せず）の検知温度と、記憶部５２に格納されている情報、例えば外部負荷設備が浴槽であるときの追焚き温度情報とを用いて、負荷側熱交換器２５での単位時間当たりの必要加熱量を制御部５１が算出し、該必要加熱量が所定量（以下、「条件値」という）未満であるか否かを制御部５１判断する。上記の条件値は、加熱熱交換器２の加熱能力および該加熱熱交換器２で許容される湯水の流速などを考慮して、ヒートポンプ給湯機１００のメーカにより予め決定されて、記憶部５２に格納される。

上記単位時間当たりの必要加熱量が条件値未満である場合、例えば浴槽内の適温の浴水の保温などの場合、制御部５１は、循環ポンプ１２と負荷側循環ポンプ３１とに運転開始信号を出力する一方で、圧縮機１、膨張弁３、送風ファン６にも運転開始信号を出力する。また、第１切替弁１１での流入口が第３管路２０ｃ側に開弁するように当該第１切替弁１１に開度調整信号を出力すると共に、第２切替弁１３での流出口が第５管路２０ｅ側に開弁するように当該第２切替弁１３に開度調整信号を出力する。

図３中に実線の矢印で示すように、制御部５１による上述の制御の結果として、貯湯タンク１５に貯留されている湯が第２管路２０ｂに引き抜かれて負荷側熱交換器２５に送られ、該負荷側熱交換器２５で負荷側循環管路３０の往き管３０ａを流れる湯水を加温する熱源として用いられて中温湯となった後、第３管路２０ｃに流入する。そして、第３管路２０ｃに流入した中温湯は、第１切替弁１１から第４管路２０ｄに流入し、さらには第４管路２０ｄから第５管路２０ｅに流入して加熱熱交換器２により湯に沸上げられ、その後、加熱熱交換器２で沸上げられた湯が第１管路２０ａを経由して貯湯タンク１５の上部に戻される。なお、第１切替管路１６から循環管路２０への低温水の流入はない。また、第２切替弁１３から第２切替管路１７への中温水の流入もない。

一方、前述した単位時間当たりの必要加熱量が条件値以上である場合、例えば大きく温度低下した浴水を比較的短時間で追焚きしようとする場合、制御部５１は、循環ポンプ１２と負荷側循環ポンプ３１とに運転開始信号を出力する一方で、第１切替弁１１での流入口が第３管路２０ｃ側に開弁するように当該第１切替弁１１に開度調整信号を出力すると共に、第２切替弁１３での流出口が第２切替管路１７側に開弁するように当該第２切替弁１３に開度調整信号を出力する。

図４中に実線の矢印で示すように、制御部５１による上述の制御の結果として、貯湯タンク１５に貯留されている湯が第２管路２０ｂに引き抜かれて負荷側熱交換器２５に送られ、該負荷側熱交換器２５で負荷側循環管路３０の往き管３０ａを流れる湯水を加温する熱源として用いられて中温湯となった後、第３管路２０ｃに流入する。そして、第３管路２０ｃに流入した中温湯は、第１切替弁１１から第４管路２０ｄに流入し、第２切替弁１３から第２切替管路１７に流入して、貯湯タンク１５の下部に戻される。なお、第１切替管路１６から循環管路２０への低温水の流入はない。また、第２切替弁１３から第４管路２０ｅへの中温水の流入もない。加熱熱交換器２は駆動されない。

再加熱運転時に負荷側熱交換器２５で生じた中温湯の流路を当該再加熱運転での単位時間当たりの必要加熱量の多少に応じて上述のように変更するヒートポンプ給湯機１００では、上記の必要加熱量が多いときには加熱熱交換器２を駆動させないので、該加熱熱交換器２としては、再加熱運転時の単位時間当たりの必要加熱量が少ないときに対応可能なものを用いればよい。そして、再加熱運転時の単位時間当たりの必要加熱量が少ないときには、加熱熱交換器２で再び湯に沸上げて貯湯タンク１５に戻す単位時間当たりの湯量が比較的少なくて済むので、加熱熱交換器２として特段性能の高いものを用いる必要がない。現在汎用されている熱交換器を加熱熱交換器２として用いても、中温水の流量が制限値を超えて腐食を起こす程の過酷な条件下で当該加熱熱交換器２を駆動させることなく所望の再加熱運転を容易に行うことができる。

したがって、ヒートポンプ給湯機１００では、再加熱運転の際の単位時間当たりの必要加熱量の多少に拘わらず、信頼性を損なうことなく当該再加熱運転に対応することが可能である。ユーザにとっての利便性が高いものを、加熱熱交換器２の大型化や複雑化を図らなくても作製することができる。換言すれば、ユーザにとっての利便性が高く、小型で消費エネルギーが少なく、かつ長寿命のものを低コストで作製することができる。

また、単位時間当たりの必要加熱量が少ない再加熱運転を前述のようにして行うと、負荷側熱交換器２５での単位時間当たりの必要加熱量は少ないものの長時間に亘って再加熱運転しなければならない場合でも、貯湯タンク１５内の熱量の減少を抑えることができる。負荷側熱交換器２５から第３〜第５管路２０ｃ〜２０ｅを経て加熱熱交換器２に供給される中温湯の温度は、負荷側熱交換器２５で熱源として用いられた後の中温湯を一旦貯湯タンク１５に戻して貯湯タンク１５内の高温の湯と混ざった後で取り出して加熱熱交換器２に供給する場合に比べて低いので、加熱熱交換器２での沸上効率の低下も抑えられる。

以上、本発明のヒートポンプ給湯機について実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、本発明は上述の形態に限定されるものではない。本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクに貯留した湯を熱源として用いて再加熱運転をすることができ、かつ再加熱運転時に負荷側熱交換器で生じた中温湯を加熱熱交換器で湯に沸き上げてから貯湯タンクに戻すか、加熱熱交換器で湯に沸き上げることなく貯湯タンクに戻すかを適宜選択可能なものであれば基本的によく、その構成は適宜変更可能である。例えば、第２切替弁は、循環管路での加熱熱交換器の下流側に設けることもできる。

また、再加熱運転の仕方についても、適宜変更可能である。例えば、単位時間当たりの必要加熱量が条件値以上であっても貯湯タンク内の残湯量が少ないと判断されるときには、図３を用いて説明した仕方で再加熱運転を行ってもよい。また、単位時間当たりの必要加熱量の多少に拘わらず、必要に応じて第２切替弁１３での流出口を加熱熱交換器２側と第２切替管路１７（図１参照）側の両方に開弁させて、再加熱運転を行うことも可能である。本発明については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、外部負荷設備で用いられて温度低下した湯水を再加熱することができる家庭用または業務用のヒートポンプ給湯機として好適である。

本発明にかかるヒートポンプ給湯機の一例を概略的に示す構成図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機での沸上運転時の動作例を示す概略図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機での再加熱運転時の動作例を示す概略図である。 図１に示したヒートポンプ給湯機での再加熱運転時の他の動作例を示す概略図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 加熱熱交換器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ 循環配管
６ 送風ファン
１０ ヒートポンプユニット
１１ 第１切替弁
１２ 循環ポンプ
１３ 第２切替弁
１５ 貯湯タンク
１６ 第１切替管路
１７ 第２切替管路
２０ 循環管路
２０ａ 第１管路
２０ｂ 第２管路
２０ｃ 第３管路
２０ｄ 第４管路
２０ｅ 第５管路
２５ 負荷側熱交換器
３０ 負荷側循環管路
３０ａ 往き管
３０ｂ 戻り管
３１ 負荷側循環ポンプ
４０ 貯湯タンクユニット
５０ 制御装置
５１ 制御部
５２ 記憶部
１００ ヒートポンプ給湯機

Claims (3)

1. 水を湯に沸上げる加熱熱交換器を有するヒートポンプユニットと、前記沸上げられた湯を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに貯留された湯を熱源として用いる負荷側熱交換器とを有し、外部負荷設備から前記負荷側熱交換器に供給された湯水を前記負荷側熱交換器で再加熱するヒートポンプ給湯機であって、
   前記負荷側熱交換器と循環ポンプと前記加熱熱交換器と前記貯湯タンクの上部とを順次接続して構成される循環管路と、
   前記貯湯タンクの下部に一端が接続された第１切替管路と、
   前記循環管路での前記負荷側熱交換器と前記循環ポンプとの間に設けられて前記第１切替管路の他端が接続され、前記負荷側熱交換器で熱源として用いられた後の湯を前記循環ポンプ側に流すか、前記貯湯タンクから前記第１切替管路に流入した低温水を前記循環ポンプ側に流すか切り替える第１切替弁と、
   前記貯湯タンクの下部に一端が接続された第２切替管路と、
   前記循環管路での前記循環ポンプの下流側に設けられて前記第２切替管路の他端が接続され、前記循環管路内の湯水を該循環管路での下流側に流すか前記第２切替管路に流すか切り替える第２切替弁と、
   前記ヒートポンプ給湯器の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記外部負荷設備から前記負荷側熱交換器に供給された湯水を再加熱するときの必要加熱量が所定量以上であるかを判定し、前記必要加熱量が前記所定量以上であるときには、前記第２切替弁を前記第２切替管路側に開弁させることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記制御部は、前記必要加熱量が前記所定量未満であるときには、前記第２切替弁を前記循環管路での下流側に開弁させ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。
3. 前記外部負荷設備と前記負荷側熱交換器との間を繋ぐ往き管に設けられる温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記温度センサによる前記往き管を流れる湯水の検知温度と、前記外部負荷設備の再加熱する際の温度情報と、を用いて前記必要加熱量を算出し、前記必要加熱量と前記所定量との比較を行う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器。

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