JP5431175B2

JP5431175B2 - ヒートポンプ式給湯装置

Info

Publication number: JP5431175B2
Application number: JP2010001665A
Authority: JP
Inventors: 洋菊池; 誠本間; 正己大桃
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: JP2011141076A

Description

本発明は、ヒートポンプ式加熱手段で貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ貯湯式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ貯湯式給湯装置においては、特許文献１に示されるように、貯湯タンクの下部から取り出した水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げ目標温度に加熱して貯湯タンクの上部から戻すようにしたものがある。そして、給湯の際は、貯湯タンク下部からの給水により貯湯タンク上部または中間部から沸き上げられた湯が出湯されることで給湯を行い、貯湯タンク内には上部に高温の湯、下部に低温の水、それらの境界層に中間温度の中温水が位置する状態となる。

そして、この従来のものでは、電力料金単価の安価な深夜時間帯でのヒートポンプ式加熱手段での沸き上げ時には、貯湯タンク下部の低温の水のみを沸き上げ、貯湯タンク内の中温水を残して沸き上げ運転を終了するようにしてヒートポンプ式加熱手段の加熱効率の悪化を防止しているものであった。

特開２００５−４９０５４号公報

ところが、この従来のものでは、貯湯タンク内にフロ加熱用等の間接熱交換器を配設して、貯湯タンク内の熱をフロ加熱等に用いると、図５（Ａ）のように貯湯タンク内の間接熱交換器の上端と冷水層との間に５０℃程度の中温水が多量に生成される。そして、深夜時間帯となると、図５（Ｂ）のように冷水層のみを沸き上げて、生成された中温水は全て残して深夜沸き上げを行うため、翌日の深夜時間帯の開始時刻には、図５（Ｃ）のように間接熱交換器との熱交換によって新たに中温水が生成されると共に、前日の中温水がさらに温度低下した状態で残り、日ごとに中温水の量が増加してしまうこととなる。

このように、中温水の量が増加してしまうと、貯湯タンクの蓄熱可能量を減らしてしまい、湯切れの可能性が高くなってしまうと共に、残っている中温水の温度が沸き上げ可能な温度まで低下したとしてもヒートポンプ式加熱手段の加熱効率の悪化を招き、電力使用量を増加してしまうものであった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に給水するための給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯するための出湯管と、前記貯湯タンク下部に接続された取水管と、前記取水管から取り出した湯水を加熱して沸き上げるヒートポンプ式加熱手段と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンクの上部に戻す沸き上げ管と、前記沸き上げ管から分岐され前記貯湯タンクの中間部に接続された中間戻し管と、前記沸き上げ管と前記中間戻し管との分岐部に設けられ、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯水を前記沸き上げ管を介して前記貯湯タンクの上部に戻すか、前記中間戻し管を介して前記貯湯タンクの中間部に戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンクの側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサと、沸き上げ運転開始時に、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検出すると、前記切換手段を前記中間戻し管側に切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記中間戻し管から前記貯湯タンクの中間部に戻し、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の湯を前記所定の温度範囲よりも高い温度まで昇温し、前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが前記所定の温度範囲よりも高い所定温度を検出すると、前記切換手段を前記沸き上げ管の前記貯湯タンクの上部側へ切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部に戻すようにした制御手段とを備えたものとした。

また、前記制御手段は、沸き上げ運転開始時に、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが前記所定の温度範囲外の温度を検出すると、前記切換手段を前記沸き上げ管の前記貯湯タンクの上部側へ切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部に戻すようにした。

また、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部に外部流体と熱交換するための内熱交換器を設けたものとした。

また、前記貯湯タンク内の湯水と外部流体とを熱交換するための外熱交換器と、前記貯湯タンク上部から取り出した湯水を前記外熱交換器へ循環させ、前記貯湯タンクの下部または中間部へ戻す外部循環回路とを設けたものとした。

また、前記ヒートポンプ式加熱手段は、冷媒に二酸化炭素冷媒を用い、高圧側で超臨界となる超臨界ヒートポンプサイクルとした。

以上のように、本発明によれば、貯湯タンク内に残る再沸き上げ時の沸き上げ効率の悪い中温水をヒートポンプ式加熱手段で直接沸き上げることなく昇温して中温水の量を減少することができるので、貯湯タンクの蓄熱可能量の低下を抑制できて湯切れの可能性を低下することができると共に、中温水の再沸き上げによるヒートポンプ式加熱手段での加熱効率の悪化を招くことがなく、電力使用量を抑えて機器の効率を向上することができる。

本発明の一実施形態の概略構成図。同一実施形態の作動を説明するためのフローチャート図。同一実施形態の貯湯状態を説明するための図で、（Ａ）は沸き上げ運転の開始前、（Ｂ）は中間沸き上げの終了時、（Ｃ）は沸き上げ運転の終了時、（Ｄ）は翌日の沸き上げ運転の開始前の貯湯状態を示す。本発明の別の実施形態の概略構成図。従来のヒートポンプ式給湯装置の貯湯状態を説明するための図で、（Ａ）は沸き上げ運転の開始前、（Ｂ）は沸き上げ運転の終了時、（Ｃ）は翌日の沸き上げ運転の開始前の貯湯状態を示す。

次に、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に市水を給水する給水管、３は貯湯タンク１頂部から出湯する出湯管、４は給水管２から分岐された給水バイパス管、５は出湯管３からの湯と給水バイパス管４からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁、６は給湯混合弁５で混合された湯が流通する給湯管、７は給湯管６からの湯を給湯する給湯栓、８は給湯管６途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、９は給湯管６途中に設けられ給湯量を検出する給湯流量センサ、１０は給水管２に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１１は貯湯タンク１内の過圧を逃がす過圧逃がし弁である。

１２は浴槽、１３は貯湯タンク１内の上部に設けられ貯湯タンク１内の湯の熱で外部流体としての浴槽水を加熱するための内熱交換器、１４は浴槽１２と内熱交換器１３とを浴槽水が循環可能に接続するフロ循環回路、１５はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽水を循環させるフロ循環ポンプ、１６は給湯管６から分岐されフロ循環回路１４に接続された湯張り管、１７は湯張り管１６途中に設けられ湯張り管１６を開閉する湯張り開閉弁、１８はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽１２から内熱交換器１３へ流れる浴槽水の温度を検出するフロ温度センサである。ここで、内熱交換器１３はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。

１９は内熱交換器１３の下方の貯湯タンク１中間部から出湯させて出湯管３へ合流させるための中間出湯管、２０は中間出湯管１９と出湯管３との合流点に設けられて貯湯タンク１の上部からの湯と貯湯タンク１の中間部からの湯の何れか一方あるいは両方を混合して給湯混合弁５の湯側に流入させるための中間切替弁である。

２１は加熱手段としてのヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２３と、冷媒の圧力を減圧する減圧器２４と、液冷媒を蒸発させる蒸発器２５とを備え、蒸発器２５で吸熱した冷媒を圧縮機２２で圧縮して冷媒水熱交換器２３を介して水を加熱するようにしている。このヒートポンプ式加熱手段２１には冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられ、高圧側が超臨界状態となることにより水を９０℃の高温まで加熱することができるものである。

２６は貯湯タンク１の下部と冷媒水熱交換器２３の水側と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、２７は加熱循環回路２６途中に設けられた加熱循環ポンプ、２８は加熱循環回路２６の冷媒水熱交換器２３よりも下流側の沸き上げ管２９途中で分岐され貯湯タンク１の中間部とを接続する中間戻し管、３０は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯を沸き上げ管２９を介して貯湯タンク１上部へ戻すか中間戻し管２８を介して貯湯タンク１中間部へ戻すかを切り換える三方弁より成る切換手段である。ここで中間戻し管２８は貯湯タンク１の間接熱交換器１３の上端より下方の貯湯タンク１の側面に接続されており、間接熱交換器１３の下端付近に接続されているのが好ましい。

３１は冷媒水熱交換器２３へ流入する水の温度を検出する入水温度センサ、３２は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサ、３３は貯湯タンク１の側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサで、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出するためのものであり、上から３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆと呼ぶ。なお、これら貯湯温度センサ３３ａ〜ｆの内、３３ｂは内熱交換器１３の中間部付近かつ中間戻し管２８よりも上方の貯湯温度を検出する位置に設けられ、３３ｃは内熱交換器１３の下端より下方かつ中間戻し管２８よりも下方の貯湯温度を検出する位置に設けられているものである。

３４はリモコンで、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、フロ設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態等）を表示する表示部３５と、給湯設定温度およびフロ設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３６と、浴槽１２へ一定量の湯張りを指示する湯張りスイッチ３７と、浴槽水の追焚きを指示する追焚きスイッチ３８とを備えている。

３９は給湯温度センサ８、給湯流量センサ９、フロ温度センサ１８、入水温度センサ３１、沸き上げ温度センサ３２、貯湯温度センサ３３ａ〜ｆの検出値が入力され、フロ循環ポンプ１５、湯張り開閉弁１７、圧縮機２２、減圧器２４、加熱循環ポンプ２７、切換手段３０の作動を制御すると共に、リモコン３４と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段３９は、予め給湯装置の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。

次に、給湯動作について説明すると、給湯栓７が開かれると、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から出湯管３あるいは中間出湯管１９を介して高温の湯が出湯し、制御手段３９は給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３４の温度設定スイッチ３６で設定された給湯設定温度になるよう給湯混合弁５の開度を調整し、給湯栓７から給湯設定温度の湯が給湯され、給湯栓７が閉じられることで給湯動作が終了する。

このとき、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも高い場合は、中間切替弁２０は中間出湯管１９側を開いて出湯管３側を閉じるように切り替えられ、貯湯タンク１中間部の湯が貯湯タンク１上部の湯よりも優先して出湯される。また、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも低い場合は、中間切替弁２０は出湯管３側を開いて中間出湯管１９側を閉じるように切り替えられ、給湯設定温度の給湯を確実に行うようにしている。

この給湯時には、貯湯タンク１の底部へ流入した水は給水管２の断面積に比べて十分に大きな断面積を持つ貯湯タンク１内で十分に減速され、高温の湯の層をほとんど乱すことなく下方から水の層を形成する。そして、貯湯タンク１上部の高温の湯と貯湯タンク１下部の低温の水とが接する温度境界層Ｌが形成される。そして、給湯量が増加するにつれて貯湯タンク１上部の高温の湯の層が減少すると共に貯湯タンク１下部の水の層が増加し、温度境界層Ｌが上昇する。この温度境界層Ｌは所定の温度差があればそれぞれの温度に基づく比重の違いによって混じり合うことがないもので、時間の経過に伴う熱伝導によって温度境界層Ｌの厚みが増し徐々に温度勾配が緩くなっていくものである。

次に、湯張り動作について説明すると、リモコン３４の湯張りスイッチ３７が操作されると、制御手段３９は湯張り開閉弁１７を開いて給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３４の温度設定スイッチ３６で設定されたフロ設定温度になるように給湯混合弁５の開度を調整して適温の湯を湯張りし、給湯流量センサ９が所望の湯張り流量を積算すると湯張り開閉弁１７を閉じて湯張り動作を終了する。

そして、湯張り動作が終了してから予め定めた一定時間は、浴槽水の温度をフロ設定温度に保つ保温動作を行う。この保温動作について説明すると、制御手段３９は所定のインターバル時間毎にフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水をフロ循環回路１４に循環させてフロ温度センサ１８で浴槽水の温度を検出する。浴槽水の温度がフロ設定温度より低い場合はフロ循環ポンプの駆動を継続し、内熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了し、再度インターバル時間が経過すると同じ動作を繰り返す。そして、予め定めた一定時間が終了するとこの保温動作を終了する。

また、リモコン３４の追焚きスイッチ３８が操作されたときの追焚き動作について説明すると、浴槽水の温度をフロ設定温度＋一定温度（例えば２℃）まで追い焚きするように、制御手段３９はフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水を内熱交換器１３へ循環させ、内熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。そして、フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度＋一定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了して追焚き動作を終了する。

次に、沸き上げ動作について図１〜図３に基づいて説明すると、電力料金単価が安価な所定時間帯である深夜時間帯となると（ステップＳ１）、制御手段３９は、図３の（Ａ）のように中間戻し管２８の接続位置よりも上部の貯湯温度センサ３３ｂが所定の温度範囲（ここでは例えば３５〜６０℃）を検出している場合、貯湯タンク１の中間戻し管２８接続位置よりも上に中温水が存在すると判断してステップＳ２でＹｅｓとなり、切換手段３０を中間戻し管２８側に切り換え（ステップＳ３）、圧縮機２２と減圧器２４とを駆動制御してヒートポンプ式加熱手段２１と加熱循環ポンプ２７を駆動して、沸き上げ温度センサ３２で検出する温度が沸き上げ目標温度となるように沸き上げ動作を開始する（ステップＳ４）。

このように、貯湯タンク１中間部から貯湯タンク１内に戻された高温の湯は貯湯タンク１内に残湯として残った中温水の内、中間戻し管２８よりも高い位置に存在する中温水を昇温する。この際、ヒートポンプ式加熱手段２１には、貯湯タンク１下部の低温水が供給されているため、ヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率を良好に保てる。

そして、沸き上げ動作を開始してから、図３の（Ｂ）のように中間戻し管２８の上部の湯が昇温され、中間戻し管２８の接続位置よりも上部の貯湯温度センサ３３ｂが所定の温度範囲よりも高い所定温度（ここでは例えば７０℃）を検出するとステップＳ５でＹｅｓとなり、切換手段３０を貯湯タンク１の上部側へ切り換え（ステップＳ６）、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げ目標温度に沸き上げた湯を貯湯タンク１の上部から貯湯タンク１内へ戻すようにして沸き上げ動作を継続する。

次に、図３の（Ｃ）のように貯湯タンク１の最下部の貯湯温度センサ３３ｆがヒートポンプ式加熱手段２１で加熱できる上限温度（例えば５０℃）以上を検出するか、あるいは深夜時間帯の終了時刻となると、貯湯タンク１内の湯水の沸き上げが完了したと判断して（ステップＳ７でＹｅｓ）、圧縮機２２と減圧器２４とを駆動停止してヒートポンプ式加熱手段２１を停止すると共に加熱循環ポンプ２７も停止して、沸き上げ運転を終了する（ステップＳ８）。

このようにして、貯湯タンク１内に残る再沸き上げ時の沸き上げ効率の悪い中温水をヒートポンプ式加熱手段２１で直接沸き上げることなく昇温するので、沸き上げ運転の終了時の中温水の量を少なくすることができ、次の深夜時間帯の開始時刻には図３の（Ｄ）のように中温水の量を少なくでき、従来のように前日の中温水がさらに温度低下した状態で残ることがなく、日ごとに中温水の量が増加してしまうことを防止できる。

一方、前記ステップＳ２において、中間戻し管２８の接続位置よりも上部の貯湯温度センサ３３ｂが所定の温度範囲（ここでは例えば３５〜６０℃）よりも高い温度あるいは低い温度を検出している場合、ステップＳ２でＮｏとなり、切換手段３０を貯湯タンク１の上部側へ切り換え（ステップＳ９）、圧縮機２２と減圧器２４とを駆動制御してヒートポンプ式加熱手段２１と加熱循環ポンプ２７を駆動して、沸き上げ温度センサ３２で検出する温度が沸き上げ目標温度となるように沸き上げ動作を開始する（ステップＳ１０）。

このように、貯湯タンク１内の中間戻し管２８よりも上部に中温水が残っていない場合は、貯湯タンク１の下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げて、貯湯タンク１の上部から貯湯タンク１内に戻す通常の沸き上げ運転を行い、沸き上げを完了すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、圧縮機２２と減圧器２４とを駆動停止してヒートポンプ式加熱手段２１を停止すると共に加熱循環ポンプ２７も停止して、沸き上げ運転を終了する（ステップＳ８）。

このように、貯湯タンク１内に残る再沸き上げ時の沸き上げ効率の悪い中温水をヒートポンプ式加熱手段２１で直接沸き上げることなく昇温して中温水の量を減少することができるので、貯湯タンク１の蓄熱可能量の低下を抑制できて湯切れの可能性を低下することができると共に、中温水の再沸き上げによるヒートポンプ式加熱手段２１での加熱効率の悪化を招くことがなく、電力使用量を抑えて機器の効率を向上することができる。

なお、本発明は上記した一実施形態に限定されるものではなく、例えば図５に示すように、内熱交換器の代わりに外部流体を加熱するための外熱交換器４０を貯湯タンク１の外部に設け、貯湯タンク１の上部から取り出した湯水を外熱交換器４０へ循環させて外部流体を加熱し、温度低下した湯水を貯湯タンク１の下部あるいは中間部へ戻す外部循環回路４１を設けた構成でもよいものである。

１貯湯タンク
２給水管
３出湯管
１３内熱交換器
２１ヒートポンプ式加熱手段
２８中間戻し管
２９沸き上げ管
３０切換手段
３３貯湯温度センサ
３９制御手段
４０外熱交換器
４１外部循環回路

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に給水するための給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯するための出湯管と、前記貯湯タンク下部に接続された取水管と、前記取水管から取り出した湯水を加熱して沸き上げるヒートポンプ式加熱手段と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンクの上部に戻す沸き上げ管と、前記沸き上げ管から分岐され前記貯湯タンクの中間部に接続された中間戻し管と、前記沸き上げ管と前記中間戻し管との分岐部に設けられ、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯水を前記沸き上げ管を介して前記貯湯タンクの上部に戻すか、前記中間戻し管を介して前記貯湯タンクの中間部に戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンクの側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサと、沸き上げ運転開始時に、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検出すると、前記切換手段を前記中間戻し管側に切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記中間戻し管から前記貯湯タンクの中間部に戻し、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の湯を前記所定の温度範囲よりも高い温度まで昇温し、前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが前記所定の温度範囲よりも高い所定温度を検出すると、前記切換手段を前記沸き上げ管の前記貯湯タンクの上部側へ切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部に戻すようにした制御手段とを備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記制御手段は、沸き上げ運転開始時に、前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部の前記貯湯温度センサが前記所定の温度範囲外の温度を検出すると、前記切換手段を前記沸き上げ管の前記貯湯タンクの上部側へ切り換え、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部に戻すようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク内の前記中間戻し管よりも上部に外部流体と熱交換するための内熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク内の湯水と外部流体とを熱交換するための外熱交換器と、前記貯湯タンク上部から取り出した湯水を前記外熱交換器へ循環させ、前記貯湯タンクの下部または中間部へ戻す外部循環回路とを設けたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記ヒートポンプ式加熱手段は、冷媒に二酸化炭素冷媒を用い、高圧側で超臨界となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯装置。