JP5434955B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents
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Description
メインタンクユニットとサブタンクユニットを接続するときは、メインタンクユニットの補助配管を切り離し、貯湯タンクA上部とサブ貯湯タンクC底部を接続し、貯湯タンクB底部とサブ貯湯タンクD上部を接続することで、貯湯タンクを直列に接続する。貯湯タンクをモジュール化することで、必要最低限の種類のタンクで多くのユーザに対応するシステムとなる。
以下、本発明の実施の形態1に係わるヒートポンプ給湯機について、図に基づいて説明する。図1は、本実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機の全体構成を示す概略図である。
ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット100と、メインタンクユニット200と、サブタンクユニット300とを備えている。この図では、例えば1台のサブタンクユニット300を有する構成を示している。
ヒートポンプユニット100内には、圧縮機1、水と冷媒とを熱交換する水冷媒熱交換器2、膨張弁3、蒸発器4を順次環状に接続し、冷媒を循環させて冷媒側回路を構成する冷凍サイクルと、蒸発器4に外気を送風するファン5とが搭載されている。水冷媒熱交換器2は、例えば水流入口2bと水流出口2aを通る水流路と、冷凍サイクルの冷媒流路の一部を構成する冷媒流路が隣接し、冷媒と水との熱交換が可能な構成である。
また、高温水流出口25aの後流に別のサブタンクユニットが接続されている場合、混合弁11aでは市水を混合することなく高温水のまま高温水流出口25aに流れる。
次に、蒸発器4においてファン5で送風される空気によって蒸発し、ガス化した状態で圧縮機1に戻り、冷凍サイクルを循環する。ここでは、ヒートポンプユニット100の基本的な構成のみを記載しているが、機能を付加するための要素部品、例えば水冷媒熱交換器2の出口冷媒と、圧縮機1吸入の冷媒を熱交換する高低圧熱交換器等を付加し、高効率を図ることもできる。つまり、図1記載の構成に限定されるわけではなく、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機に搭載する冷凍サイクルの構成は、幅広く対応できるものである。
タンクの湯を沸上げる沸上げ運転モードの動作について説明する。まず、図2は本実施の形態に係わり、メインタンクユニット200を有し、サブタンクユニットを備えていないメインタンクユニット200単独の構成のヒートポンプ給湯機における沸上げ運転モードの動作を示す説明図である。
図中、太線で示した接続配管は、この沸き上げ運転モードで冷媒又は水又は温水が流れる配管を示している。また、矢印は冷媒又は水又は温水の流れ方向を示している。メインタンクユニット200において、流路切替弁10aを高温水流入口23aとタンク7a上部が接続するように動作して配管8d、8eを開とする。また、サブタンクユニット300に接続する市水流出口24aとサブタンク接続口26aは閉状態(黒塗り表示)とする。次に、ヒートポンプユニット100及び水循環ポンプ6を運転し、タンク7a底部から低温水配管22a、給水流出口22を通して低温水をヒートポンプユニット100へ供給する。メインタンクユニット200の給水流出口22から供給された低温水は、ヒートポンプユニット100の水冷媒熱交換器2で高温に加熱され、メインタンクユニット200の高温水流入口23aへ戻される。高温水流入口23aに戻された高温水は高温水流入配管8d、流路切替弁10a、配管8eを通り、タンク7a上部に流入し、タンク7a上部から高温水が貯留する。
即ち、メインタンク7aから最も離れて接続されているサブタンク7cの上部から高温水が蓄熱され、次にサブタンク7c、7b同士がタンク接続口29c、26bを介して配管8j、8hで接続されているので、サブタンクユニット300aのサブタンク7bの上部から蓄熱され、最後にタンク7b、7a同士がタンク接続口29b、26aを介して配管8j、8hで接続されているので、メインタンクユニット200のメインタンク7aの上部から蓄熱される。
以下、通常給湯運転モードの運転動作について説明する。図5は、本実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機としてメインタンクユニット単独の給湯運転モード(通常給湯運転モード)の動作を示す説明図である。図中、図1と同一符号は同一、又は相当部分を示し、白抜き矢印は外部からヒートポンプ給湯機への水の流入方向、又はヒートポンプ給湯機から外部への温水の流出方向を示す。流路切替弁10aは沸上げ運転モード終了時に、タンク上部7aと混合弁11aを接続するように動作しており、この状態を維持している。
また、タンク7aには温水が蓄熱されている。詳しく図示していないが、高温水流出口25aの後流には給湯部40として利用者が使用する開閉栓があり、利用者が開閉栓を開くと給湯が開始される。利用者が開閉栓を開くと、水源からの市水が、市水流入口21aを通してメインタンクユニット200に流入し、減圧弁9により減圧されて配管8aを通り、タンク7a底部よりタンク7aに流入する。
中温水給湯運転モードの運転動作について説明する。
ヒートポンプ給湯機を設置する場合、利用者の使用環境や状況に応じて必要蓄熱量が決定される。この必要蓄熱量と温水を蓄えるタンクの容量とで、蓄熱温度が決定される。タンク内の温水がすべて蓄熱温度の時、蓄熱量が最大となるが、給湯部で利用者が温水を使用すると、その使用した分だけ市水がタンクに供給される。このため、タンク全体では高温側と低温側の温度分布が生じる。このとき、蓄熱温度近傍の温度の高い高温水はタンクの上部に存在し、市水温度近傍の温度の低い低温水はタンクの下部に存在するのであるが、その境界付近では蓄熱温度よりも低く、市水温度よりも高い中間の温度の水が存在することになり、これを中温水と称する。例えば一般家庭用のヒートポンプ給湯機の場合、蓄熱温度を90℃程度として、ヒートポンプユニット100の冷凍サイクルの冷媒に二酸化炭素を使用するとする。蓄熱温度90℃程度の温水が高温水、市水温度5℃程度の水が低温水、高温水(例えば90℃)と低温水(例えば5℃)の間の境界層に存在する例えば40〜50℃程度の温水が中温水となる。ヒートポンプユニット100の冷凍サイクルにおいて、例えば冷媒として二酸化炭素を使用した場合、水冷媒熱交換器2に低温水よりも高い中温水が流入すると、水冷媒熱交換器2の冷媒出口温度が高くなって冷凍サイクルのCOPが低下すると考えられる。このため、本実施の形態では中温水を積極的に利用する中温水給湯運転モードを備え、高温水と低温水の間の境界層を低減すれば、冷凍サイクルのCOPの低下を防止できる。
メインタンク7a内の中温水が給湯に使用されてしまった後にも給湯要求がある場合には、図6で示したように、流路切替弁10a、10bを切り替えて、サブタンク7b内の高温水を給湯するように動作すればよい。
利用者によって給湯要求がされた場合、給湯温度がメインタンク7aの上部に貯留している中温水よりも低いかどうかを比較する(STEP1)。給湯温度が中温水よりも高いまたは同じ場合には、STEP4で通常給湯運転モードを行う。一方、給湯温度が中温水よりも低い場合には、STEP2でメインタンク7aの上部に中温水があるかどうかを判断する。これは例えばメインタンク7aの上方側面に設置したタンク温度センサ30によって検出する。メインタンク7aの上部に中温水がない場合には、STEP4で通常給湯運転モードを行う。STEP2の判断で、メインタンク7aの上部に中温水がある場合には中温水給湯運転モードを例えば所定の時間行う(STEP3)。STEP3で中温水をある所定量使った後、給湯要求が継続している場合には、まだ中温水があるかどうか判断するSTEP2に戻る。
最初にメインタンク7a内の中温水を使用することで、前述したようにメインタンク7a内に貯留する境界層が低減される。このため、ヒートポンプ沸き上げ運転を行ったときに、中温水が水冷媒熱交換器2に流入するのを防止でき、加熱効率を向上できる。
以下、追焚き蓄熱運転モードの運転動作について説明する。図9は本実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機のメインタンクユニット200と1台のサブタンクユニット300を接続した場合の追焚き蓄熱運転モードの動作を示す説明図である。このヒートポンプ給湯機で追焚き蓄熱運転の運転動作について説明する。本実施の形態では、メインタンク7aに貯留されている温熱によって浴槽水を追焚きする。このため、メインタンクユニット200のメインタンク7aに浴槽水の追焚きに必要な熱量が不足している場合には、追焚き蓄熱運転を実施する。メインタンクユニット200の流路切替弁10aを高温水流入口23aとタンク7a上部を接続するように動作する。この沸上げ動作は、図2に示したメインタンクユニット200単独の沸上げ運転モードと同じため、ここでは省略する。なお、浴槽水の追焚きに必要な熱量がメインタンク7aに不足しているかどうかは、例えばメインタンク7aの側面に設けた1つ又は複数の温度検出手段、ここではタンク温度センサ30の計測値によって判断できる。例えば、タンク温度センサ30によって、タンク7aの下部の温度を検出するか、又はタンク7aから水冷媒熱交換器2へ流出する水の温度を検出することで、タンク7a内の蓄熱量を判断できる。
通常、浴槽水の追焚きは、例えば15℃〜30℃程度の浴槽水を40℃程度に昇温すればよいので、その分の熱量をメインタンク7aに蓄熱しておけばよい。
この追焚き蓄熱運転モードを例えば浴槽への湯はり後に行うことで、湯はり後に常に浴槽の追焚き要求に対応することができ、利用者に快適なヒートポンプ給湯機を提供できる。
以下、浴槽追焚き運転モードの運転動作について説明する。利用者からの浴槽追焚き指示または、浴槽自動保温運転中に浴槽水の温度が予め設定されている浴槽水設定温度を下回った場合に浴槽追焚き運転を実施する。図10でメインタンクユニット200単独の構成のヒートポンプ給湯機で浴槽追焚き運転する場合について説明する。浴槽追焚き送水ポンプ14を動作し、浴槽(図示せず)内の浴槽水を浴槽水流入口27を通して追焚き熱交換器12へ導入する。次に又はこれと同時に、浴槽追焚き循環ポンプ13を動作させて、タンク7a上部の高温水を浴槽追焚き熱交換器12へ導入し、浴槽水を加熱する。浴槽水に熱を伝えて冷却された水はタンク7a底部へ流入する。加熱された浴槽水は、浴槽水流出口28を通り、浴槽へ送水される。浴槽追焚き運転は、浴槽水の温度が利用者の設定した温度となるまで継続し、所望の温度に達すると、浴槽追焚き循環ポンプ13を停止し、さらに浴槽追焚き送水ポンプ14を停止することで、浴槽追焚き運転が終了する。
このように、メインタンクユニット200単独やサブタンクユニット300を複数台接続しても、浴槽追焚き熱交換器12、浴槽追焚き循環ポンプ13、浴槽追焚き送水ポンプ14を備え、浴槽水及びメインタンク7a内の温水を循環させることで、メインタンク7a内の温熱を使って浴槽追焚きが可能となる。
即ち、このようにメインタンクユニット200及びサブタンクユニット300を構成することで、複数のサブタンクユニット300を接続しても、沸上げ運転、給湯運転、浴槽追焚き運転、追焚き蓄熱運転が可能となる。即ち、浴槽追焚き等、家庭用のヒートポンプ給湯機の基本機能を備え、中温水の有効利用を可能とし、貯湯タンクをモジュール化して、容易にタンク容量を増設できる。
また、本実施の形態では、1つのユニット内では1つの流路切替弁10で3流路を切り替えているが、流路構成によっては、2つ以上の複数の流路切替弁によって3流路を切り替えるように構成してもよい。
以下、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2の機器構成は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。また、ヒートポンプユニット100の動作も同様であるため省略する。ここでは例えば2台のサブタンクユニット300a、300bを備えた構成のヒートポンプ給湯機について説明するが、1台のサブタンクユニット300の構成でも同様である。
第2の給湯運転モードの運転動作について図に基づいて説明する。図12は本実施の形態に係わるヒートポンプ給湯機の第2の給湯運転モードの運転動作を示す説明図である。
図中、実施の形態1と同一符号は同一、または相当部分を示す。メインタンクユニット200の流路切替弁10aをタンク7a上部と混合弁11aを接続するように動作する。また、サブタンクユニット300a、300bの流路切替弁10b、10cを高温水流入口23b、23cと混合弁11b、11cを接続するように動作する。
そして、最終端に位置するサブタンクユニット300cへ供給された市水は市水流入口21cから流入し、配管8i、配管8cを通り混合弁11cへ流入する。
そして、配管8e、流路切替弁10b、配管8f、混合弁11b、配管8gを通り、高温水流出口25bから隣接するサブタンクユニット300へ流入する。
なお、図14及び図15は冷媒がCO2の場合について説明したが、他の超臨界で動作する冷媒の場合にも同様であり、給水温度が高くなるとCOPが低下する現象を示すので、そのCOPが急低下する付近の温度よりも給水温度を低く保ってCOPの低減を防ぐことができる。また、高圧が臨界点以下の圧力で動作する冷媒、例えば410Aなどの場合にも、給水温度が高くなって冷媒出口温度が高くなるとCOPの低減を招くことになり、同様のことが言える。
前記メインタンクユニット200は、前記メインタンク7aを備えると共に、前記水冷媒熱交換器2によって加熱された温水を前記メインタンク7aに供給する高温水流入配管8d、8eと、前記高温水流入配管8dから流入する温水を前記サブタンク7bに供給する高温水流出口25aと、外部水源から供給される市水を前記メインタンク7aの底部に供給する市水流入口21と、前記市水流入口21から前記メインタンク7aの底部に供給して蓄えられた水を前記水冷媒熱交換器2に供給する低温水配管22aと、前記メインタンク7aの上部を前記サブタンク7bの下部に接続するサブタンク接続口26aと、を有し、
前記市水流入口21から前記メインタンク7aの底部に供給されて蓄えられた水を前記低温水配管22aを通って前記水冷媒熱交換器2に供給し、前記水冷媒熱交換器2で加熱された温水を前記メインタンクユニット200の前記高温水流入配管8d及び前記高温水流出口25aを通り、前記サブタンク7bに蓄え、前記サブタンク7bの下部から前記メインタンクユニット200の前記サブタンク接続口26aを通って前記メインタンク7aに蓄えるように水側回路を構成し、前記サブタンク7bを高温側、前記メインタンク7aを低温側となるように蓄熱することで、1つのユニット内での熱ロスを低減できる構成で、必要に応じて給湯容量を拡大できるヒートポンプ給湯機を提供できる効果がある。
前記サブタンク7bを有すると共に、前記メインタンクユニット200の前記市水流出口24aから供給される市水を前記サブタンク7bから流出する温水に混合して外部の給湯部40側に供給するサブユニット混合弁11bと、を有するサブタンクユニット300を備え、
前記サブタンク7bに蓄えられている温水を前記サブユニット混合弁11bに流入させ、前記サブユニット混合弁11bで前記メインタンクユニット200の前記市水流出口24aから供給された市水と混合して設定されている給湯温度の温水として前記外部の給湯部40側に供給すると共に、前記メインタンクユニット200に蓄えられている温水を前記サブタンク接続口26aを通って前記サブタンク7bに供給するように水側回路を構成し、前記サブタンク7bを高温側、前記メインタンク7aを低温側となるように蓄熱した水を前記高温側から供給することにより、1つのユニット内での熱ロスを低減できる構成で、必要に応じて給湯容量を拡大できるヒートポンプ給湯機を提供できる効果がある。
前記サブタンク7bを有すると共に、前記メインタンクユニット200の前記市水流出口24aから供給される市水を前記サブタンク7bから流出する温水または前記メインタンクユニット200の前記高温水流出口25aから流入する温水に混合して外部の給湯部40側に給湯するサブユニット混合弁11bと、を有するサブタンクユニット300を備え、
前記メインタンク7aに蓄えられている給湯温度以上の温水を前記高温水流出口25aを通って直接前記サブユニット混合弁11bに流入させ、前記サブユニット混合弁11bで前記メインタンクユニット200の前記市水流出口24aを通って供給された市水と混合して設定されている給湯温度の温水として前記外部の給湯部40側に供給し、前記メインタンク7aに蓄えられていた給湯温度以上の温水を供給した後、前記サブタンク7bに蓄えられている温水を供給するように水側回路を構成し、前記サブタンク7bを高温側、前記メインタンク7aを低温側となるように蓄熱した水を前記低温側から供給することにより、1つのユニット内での熱ロスを低減できる構成で、必要に応じて給湯容量を拡大でき、中温水を有効に利用して、効率よく給湯することができるヒートポンプ給湯機を提供できる効果がある。
温水を蓄えるメインタンク7aと、前記水冷媒熱交換器2の水流出口2aに接続され温水を流入する高温水流入口23aと、温水をサブタンク7b側に流出する高温水流出口25aと、水源から導入する市水を前記メインタンク7aの底部に流入する市水流入口21aと、前記市水流入口21aから流入する市水を前記サブタンク7b側へ流出する市水流出口24aと、前記高温水流出口25aの上流側に設けられ、前記市水流入口24aから流入する市水を温水に混合可能な混合弁11aと、前記高温水流入口23aと前記メインタンク7aの上部と前記混合弁11aに接続されてその3流路の開閉を切り替え可能な流路切替弁10aと、一端が前記水冷媒熱交換器2の水流入口2bに接続され他端が前記メインタンク7aの下部に接続される低温水配管22aと、前記メインタンク7aの上部と前記サブタンク7bとを接続する前記サブタンク接続口26aと、を有するメインタンクユニット200、
温水を蓄える前記サブタンク7bと、前記メインタンクユニット200の前記高温水流出口25aに接続され温水を流入するサブユニット高温水流入口23bと、温水を給湯部40側に流出するサブユニット高温水流出口25bと、前記メインタンクユニット200の前記市水流出口24aに接続され市水を流入するサブユニット市水流入口21bと、前記サブユニット市水流入口21bから流入する市水を前記サブタンク7bとは別の下流側サブタンク側へ流出するサブユニット市水流出口24bと、前記サブユニット高温水流出口25bの上流側に設けられ、前記サブユニット市水流入口21bから流入する市水を温水に混合可能なサブユニット混合弁11bと、前記サブユニット高温水流入口23bと前記サブタンク7bの上部と前記サブユニット混合弁11bに接続されてその3流路の開閉を切り替え可能なサブユニット流路切替弁10bと、前記サブタンク7bの上部と前記下流側サブタンクとを接続するサブユニット用サブタンク接続口26bと、前記メインタンクユニット200の前記サブタンク接続口26aと前記サブタンク7bの下部とを接続するサブユニット用メイン側タンク接続口29bと、を有するサブタンクユニット300、 及び前記メインタンク7aと前記水冷媒熱交換器2間で前記メインタンク7a内の水を循環させる水循環ポンプ6、を備えたことにより、1つのユニット内での熱ロスを低減できる構成で、貯湯タンクをモジュール化し、必要に応じて給湯容量を拡大できる。また、中温水を有効に利用して、効率よく給湯することが可能となるヒートポンプ給湯機を提供できる効果がある。
また、市水の配管は、メインタンクユニット200では配管8aでメインタンク7a底部に市水を導入し、配管8bで市水を直接外部へ流出可能に構成し、配管8cで市水を混合弁11aに導いている。また、サブタンクユニット300では配管8iで市水流入配管8bと接続されると共に市水を外部へ流出可能に構成し、配管8cで市水を混合弁11aに導いている。ここで同様の市水の流路が得られるなら、他の配管構成でもよい。
前記水冷媒熱交換器2で加熱された温水を貯留するメインタンク7aと、前記加熱された温水を直接外部へ流出または前記メインタンク7aに貯留した温水を外部へ流出可能に構成された高温水配管8d、8e、8f、8gと、を有するメインタンクユニット200と、
前記高温水配管8gからの高温水を貯留すると共に前記メインタンク7aの上部と接続されるサブタンク7bと、前記メインタンクユニット200からの温水を直接外部へ流出または前記サブタンク7bに貯留した温水を外部に流出可能に構成されたサブタンクユニット高温水配管8d、8e、8f、8gと、を有するサブタンクユニット300を備え、
前記メインタンクユニット200は、前記メインタンク7a底部に市水を導入すると共に市水を直接外部へ流出可能に構成された市水流入配管8a、8bを有し、
前記サブタンクユニット300は、前記市水流入配管8bと接続されると共に市水を外部へ流出可能に構成されたサブユニット市水流入管8iと、前記サブユニット市水流入配管8iで供給される市水と前記サブユニット高温水配管8fで供給される温水とを混合して給湯部40側に供給するサブユニット混合弁11bを有することにより、1つのユニット内での熱ロスを低減できる構成で、貯湯タンクをモジュール化し、必要に応じて給湯容量を拡大できる。また、中温水を有効に利用して、効率よく給湯することが可能となるヒートポンプ給湯機を提供できる効果がある。
Claims (4)
- 圧縮機と、水冷媒熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、を順次接続して冷媒を循環させるヒートポンプユニットと、
前記水冷媒熱交換器で加熱された温水を貯留するメインタンクと、前記加熱された温水を直接外部へ流出または前記メインタンクに貯留した温水を外部へ流出可能に構成された高温水配管と、を有するメインタンクユニットと、
前記高温水配管からの温水を貯留すると共に前記メインタンクの上部と接続されるサブタンクと、前記メインタンクユニットからの温水を直接外部へ流出または前記サブタンクに貯留した温水を外部に流出可能に構成されたサブユニット高温水配管と、を有するサブタンクユニットを備え、
前記メインタンクユニットは、前記メインタンクの底部に市水を導入すると共に市水を直接外部へ流出可能に構成された市水流入配管を有し、
前記サブタンクユニットは、前記市水流入配管と接続されると共に市水を外部へ流出可能に構成されたサブユニット市水流入配管と、前記サブユニット市水流入配管で供給される市水と前記サブユニット高温水配管で供給される温水とを混合して給湯部側に供給するサブユニット混合弁を有することを特徴とするヒートポンプ給湯機。 - 浴槽から輸送された浴槽水と前記メインタンクの上部から輸送された温水とを熱交換する浴槽追焚き熱交換器と、前記浴槽と前記浴槽追焚き熱交換器間で前記浴槽水を循環させる浴槽追焚き送水ポンプと、前記メインタンクと前記浴槽追焚き熱交換器間で前記メインタンクの温水を循環させる浴槽追焚き循環ポンプと、を備えたことを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ給湯機。
- 利用者が要求したとき、または前記浴槽水の温度が予め設定されている浴槽水設定温度より低くなったときに、前記浴槽追焚き送水ポンプと前記浴槽追焚き循環ポンプを動作させ、前記メインタンクの温水と前記浴槽水とを熱交換して前記浴槽水の温度を上昇させる浴槽追焚き運転を行うことを特徴とする請求項2記載のヒートポンプ給湯機。
- 前記メインタンクの蓄熱量が前記浴槽追焚き運転に必要な熱量よりも少なくなったときに、前記ヒートポンプユニットと前記メインタンクに貯留された温水を前記水冷媒熱交換器に送水する水循環ポンプを作動させ、前記メインタンクの水と前記ヒートポンプユニットの冷媒とを熱交換して前記メインタンクに前記浴槽追焚き運転に必要な熱量を蓄熱する追焚き蓄熱運転を行うことを特徴とする請求項2または請求項3記載のヒートポンプ給湯機。
Priority Applications (1)
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