JP6183589B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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Description

本発明はヒートポンプ給湯装置に関し、特に補助熱源機の潜熱回収時に発生する凝縮水を利用してヒートポンプ式熱源機の蒸発熱交換器の能力向上や除霜を行うものに関する。
従来から、冷媒を利用した熱交換式のヒートポンプ給湯装置が一般に広く普及している。この種のヒートポンプ給湯装置は、冷媒により湯水を加熱するヒートポンプ式熱源機、加熱された湯水を貯留する貯湯タンク、ヒートポンプ式熱源機と貯湯タンクとの間に湯水を循環する加熱循環回路等を備え、夜間割引の安価な電力を利用して、貯湯タンク内の湯水を加熱循環回路に循環させてヒートポンプ式熱源機で加熱して、加熱された湯水を貯湯タンク内に戻して貯留しておき、蛇口や風呂等の所望の給湯先に給湯するものである。
上記のヒートポンプ式熱源機においては、例えば、特許文献1に示すように、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、蒸発熱交換器が冷媒配管を介して接続されることで構成され、冷媒回路に封入された冷媒を利用して給湯加熱運転が行われる。この給湯加熱運転では、圧縮機と蒸発熱交換器用の送風ファンとが夫々駆動され、給湯用熱交換器により冷媒回路を流れる冷媒と加熱循環回路を流れる湯水との間で熱交換が行われて湯水が加熱される。
ところで、湯水が加熱されると湯水の体積が増加し、貯湯タンクから湯水が溢れることで膨張水が発生する。この膨張水は、一般的に貯湯タンクから逃し弁を介して外部へ排水されるが、特許文献1では、膨張水を逃し弁に連結されたドレンホースを介して、ヒートポンプ式熱源機の蒸発熱交換器に散水することで、膨張水が気化するときの気化熱によって、蒸発熱交換器の周囲の気温が低下し、ヒートポンプ式熱源機の熱交換効率を向上する技術が開示されている。
また、従来のヒートポンプ式熱源機において、蒸発熱交換器で冷媒が外気から吸熱する構造上、寒冷地や冬場等では、蒸発熱交換器の表面に大気中の水蒸気が付着して凍結することで霜が発生する場合がある。蒸発熱交換器に霜が付着すると、蒸発熱交換器における吸熱効率が著しく低下してしまい、結果的にヒートポンプ式熱源機の熱交換効率が低下してしまうという問題がある。
特開2009−243825号公報
上述したように、特許文献1では、従来では外部に排水されていた膨張水を利用してヒートポンプ式熱源機の熱交換効率の向上を図っている。しかし、ヒートポンプ給湯装置には、潜熱回収型の補助熱源機を備えたものがあり、潜熱を回収する際に発生する凝縮水は、中和器を通って中和された後に排水配管を介して外部へ排水され、有効に活用されずに無駄になっている。この凝縮水の発生量は、膨張水の発生量と比較して多量であるので、凝縮水を有効に活用することが望ましい。
また、従来のヒートポンプ式熱源機の除霜運転では、圧縮機の熱を利用して高温の冷媒を蒸発熱交換器に流すことで除霜を行っていたが、この除霜方法では、除霜時間が長くなってしまうので、省エネ性に欠けるという問題がある。特許文献1の高温の膨張水を蒸発熱交換器に散水することで除霜可能ではあるが、膨張水の発生は少量である上、膨張水の発生を制御することは難しいので、膨張水の除霜への使用は困難である。
本発明の目的は、ヒートポンプ給湯装置において、潜熱回収型補助熱源機で発生する凝縮水を利用することで、ヒートポンプ式熱源機の熱交換効率の向上を図ったもの、除霜運転時間の短縮化を図ったもの、等を提供することである。
請求項1のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と湯水加熱用熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒回路で接続したヒートポンプ式熱源機と、前記湯水加熱用熱交換器で加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクに貯留された湯水の温度が低い場合に加熱する燃焼式の補助熱源機であって潜熱回収用熱交換器を有する補助熱源機とを備えたヒートポンプ給湯装置において、前記潜熱回収用熱交換器で発生した凝縮水を貯留する為の貯留タンクと、前記蒸発熱交換器内の伝熱管の冷媒流れ方向上流側の伝熱管部分の近傍部に組み込まれた凝縮水用配管とを備え、前記貯留タンクの凝縮水を送給通路を介して前記凝縮水用配管に送給し、この凝縮水用配管に送給された凝縮水と前記蒸発熱交換器とで熱交換可能となるように構成したことを特徴としている。
請求項2のヒートポンプ給湯装置は、請求項1の発明において、前記蒸発熱交換器の下側にドレンパンを設け、前記ドレンパンを介して熱交換後の凝縮水を外部に排出するように構成したことを特徴としている。
請求項3のヒートポンプ給湯装置は、請求項1又は2の発明において、前記ヒートポンプ式熱源機における除霜運転時に前記貯留タンクからの送給が行われることを特徴としている。
請求項1の発明によれば、潜熱回収用熱交換器で発生した凝縮水を貯留する為の貯留タンクを備え、貯留タンクの凝縮水を蒸発熱交換器内の伝熱管の冷媒流れ方向上流側の伝熱管部分の近傍部に組み込んだ凝縮水用配管に送給通路を介して送給し、この凝縮水用配管に送給された凝縮水と蒸発熱交換器とで熱交換可能となるように構成したので、凝縮水用配管に送給された凝縮水と蒸発熱交換器との間で熱交換することで、蒸発熱交換器内を流れる冷媒の吸熱を促進し、ヒートポンプ式熱源機の熱交換効率の向上を容易に実現することができる。従って、従来では排水されていた潜熱回収時に発生する凝縮水を有効に活用して、ヒートポンプ給湯装置の運転効率を向上することができる。
請求項2の発明によれば、蒸発熱交換器の下側にドレンパンを設け、ドレンパンを介して熱交換後の凝縮水を外部に排出するように構成したので、補助熱源機で発生した凝縮水を排水する為の配管と蒸発熱交換器で発生した凝縮水を排水する為の配管とを一体化することで、施工コストを低減することができる。
請求項3の発明によれば、ヒートポンプ式熱源機における除霜運転時に貯留タンクから凝縮水の送給が行われるので、貯留された凝縮水を除霜運転開始時に除霜に使用することで、除霜運転時間の短縮化を容易に且つ確実に実現することができ、ヒートポンプ給湯装置の省エネルギー化を図ることができる。
本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。 補助熱源機の概略図である。 外気熱吸収用熱交換器の概略図である 部分変更形態に係る外気熱吸収用熱交換器の概略図である。 部分変更形態に係る外気熱吸収用熱交換器の概略図である。 部分変更形態に係る外気熱吸収用熱交換器の概略図である。
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
先ず、本発明のヒートポンプ給湯装置1の全体構成について説明する。
図1に示すように、ヒートポンプ給湯装置1は、湯水を貯留する貯湯タンク5を備えた貯湯タンクユニット2、貯湯タンク5の湯水の加熱を行うヒートポンプユニット3、ヒートポンプ給湯装置1を制御する制御ユニット4、貯湯タンクユニット2とヒートポンプユニット3との間に湯水を循環させる循環用配管8、貯湯タンク5に貯留された湯水の温度が低い場合に加熱する燃焼式の補助熱源機10等から構成されている。
図1に示すように、貯湯タンクユニット2は、縦長筒状の外周面を有する貯湯タンク5、各種の配管6,7,8、湯水循環ポンプ11、開閉弁12、混合弁13、主制御ユニット16、外装ケース17等を備えている。貯湯タンク5は、ヒートポンプユニット3で加熱された高温の湯水(例えば、80〜90℃)を貯留するものである。
貯湯タンク5には、複数の温度センサ5a〜5dが高さ方向所定間隔おきの位置に配置され、温度センサ5a〜5dの温度検出信号が主制御ユニット16に供給される。外装ケース17は、薄鋼板製の箱状に形成され、貯湯タンク5、各種の配管6,7,8、湯水循環ポンプ11、開閉弁12、混合弁13、各種の温度センサ15a〜15d、主制御ユニット16等を収容している。
給水配管6は、上水源から低温の上水を貯湯タンク5に供給するものであり、上流端が上水源に接続され、下流端が貯湯タンク5の下部に接続されている。給水配管6には、貯湯タンク5へ水道水を供給する為の開閉弁12が設けられており、通常は開閉弁12が開弁されていて、水道水を貯湯タンク5内に供給するようになっている。
出湯配管7は、貯湯タンク5内に貯湯された湯水を給湯栓17等の所望の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる上流出湯通路7a、水と高温の湯水が混合された混合湯水が流れる下流出湯通路7bを有し、下流出湯通路7bの下流端が給湯栓17に接続されている。上流出湯通路7aと下流出湯通路7bとの間には混合弁13が設置され、この混合弁13に給水配管6から分岐したバイパス配管14が接続されている。混合弁13は、出湯温度が指令温度になるように水と高温の湯水の混合比を制御するものである。
循環加熱回路8は、ヒートポンプ式熱源機20と貯湯タンク5との間に湯水を循環させる閉回路であり、往き側通路8a、戻り側通路8bを有し、往き側通路8aの上流端が貯湯タンク5の下部に接続され、戻り側通路8bの下流端が貯湯タンク5の上部に接続されている。往き側通路8aには、湯水循環ポンプ11が設置されている。戻り側通路8bから戻された高温の湯水を貯湯タンク5内に貯留し、給湯時には貯湯タンク5内の高温の湯水を出湯配管7に供給することができる。
次に、補助熱源機10について説明する。
図1,図2に示すように、補助熱源機10が、出湯配管7の下流出湯通路7bの途中部分に設けられている。この補助熱源機10は、燃焼用空気を供給する為の送風ファン10a、燃料ガスを燃焼させるバーナーユニット10b、燃焼ガスの主として顕熱を回収する顕熱回収用熱交換器10c、顕熱回収後の燃焼排気ガスの主として潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器10d等を備え、燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う公知のガス給湯器で構成されている。
補助熱源機10は、貯湯タンク5内の湯水温度が設定温度以下の場合等の特別な場合に限り、主制御ユニット16から指令が送信されて燃焼作動され、下流出湯通路7bを流れる湯水を再加熱するものである。補助熱源機10に供給された湯水は、潜熱回収用熱交換器10dにおいて燃焼排気ガスの潜熱により加熱された後、顕熱回収用熱交換器10cに供給され、その顕熱回収用熱交換器10cにより加熱された後、出湯される。
潜熱回収用熱交換器10dの直下には、潜熱回収により発生した凝縮水(ドレン)を受けるトレイ10eが設けられ、このトレイ10eで回収された凝縮水は、ドレン管10fを通って中和器31(貯留タンクに相当する)に送られる。この中和器31は、ドレン管10fにより供給される酸性の凝縮水を中和し貯留する為のものであり、箱形の容器、この容器内に収容されたアルカリ性の中和剤等を有する。中和器31の排出口には、後述する送給通路32の上流端が接続されている。
次に、ヒートポンプユニット3について説明する。
図1に示すように、ヒートポンプユニット3は、圧縮機21と、凝縮器としての給湯用熱交換器22と、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁23と、蒸発熱交換器としての外気熱吸収用熱交換器24とを冷媒回路25を介して接続して構成されたヒートポンプ式熱源機20を備え、冷媒回路25に収容された冷媒を利用して給湯加熱運転を行う。
ヒートポンプユニット3は、さらに、送風モータ27aで駆動される蒸発熱交換器用の送風ファン27と、主制御ユニット16に接続され且つヒートポンプユニット3を制御する補助制御ユニット28と、これらを収納する外装ケース29等を備えている。
圧縮機21は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる公知の密閉型圧縮機である。
給湯用熱交換器22(湯水加熱用熱交換器に相当する)は、循環用配管8に設置された熱交換器通路部22aと冷媒回路25の一部となる内部通路22bとを有する二重管で構成されている。給湯用熱交換器22において、内部通路22bを流れる冷媒と循環用配管8の往き側通路8aから熱交換器通路部22aに供給される湯水との間で熱交換され、湯水は加熱され冷媒は冷却され液化する。
膨張弁23(膨張手段に相当する)は、液相状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させるものである。膨張弁23は、絞り量が可変な制御弁からなる。
外気熱吸収用熱交換器24(蒸発熱交換器に相当する)は、冷媒回路25に含まれる蒸発器通路部24aを有している。この蒸発器通路部24aは、伝熱管24bと複数のフィン24cからなり(図3参照)、この外気熱吸収用熱交換器24において、蒸発器通路部24aを流れる冷媒と外気との間で熱交換され、冷媒は外気から吸熱して気化する。
ヒートポンプユニット3の給湯加熱運転時において、圧縮機21により高圧に圧縮された加熱状態の冷媒は、給湯用熱交換器22に送られ、湯水循環ポンプ11の駆動により貯湯タンク5の下端部から往き側配管8aを経て熱交換器通路部22aに流入した水と熱交換してその水を暖め、温度が低下した冷媒は膨張弁23に送られ、加熱された湯水が戻り側配管8bを通って貯湯タンクユニット2の貯湯タンク5に貯留され、ヒートポンプユニット3を経由する加熱動作を繰り返すことで貯湯タンク5に高温の湯水が貯留される。
次に、制御ユニット4について説明する。
図1に示すように、ヒートポンプ給湯装置1は、主制御ユニット16と補助制御ユニット28からなる制御ユニット4によって制御される。各種の温度センサ等の検出信号が制御ユニット4に送信され、この制御ユニット4により、貯湯タンクユニット2とヒートポンプユニット3の動作、各種のポンプの作動・停止、各種の弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転(加熱循環運転、給湯運転、除霜運転等)を実行する。
主制御ユニット16は、ユーザーが操作可能な操作リモコン19との間でデータ通信可能であり、操作リモコン19のスイッチ操作により目標給湯温度が設定されると、その目標給湯温度データが操作リモコン19から主制御ユニット16に送信される。補助制御ユニット28は、主制御ユニット16との間でデータ通信可能であり、主制御ユニット16からの指令に従ってヒートポンプユニット3の各種機器(圧縮機21、膨張弁23、送風モータ27a等)の駆動制御を行う。
次に、本発明に係る中和器31に貯留された凝縮水を外気熱吸収用熱交換器24に散水する散水構造について説明する。
図1〜図3に示すように、ヒートポンプ給湯装置1は、中和器31(貯留タンク)の凝縮水を外気熱吸収用熱交換器24に送給通路32を介して送給し、外気熱吸収用熱交換器24と熱交換可能となるように構成されている。外気熱吸収用熱交換器24は、上述の伝熱管24bと複数のフィン24cに加えてドレン噴射部35とドレンパン36を有している。
図1に示すように、送給通路32の上流端は、貯留タンクユニット2側の中和器31に接続され、送給通路32の下流端は、ヒートポンプユニット3側のドレン噴射部35に接続されている。この送給通路32における貯留タンクユニット2側の途中部分に送給ポンプ33が設置されている。この送給ポンプ33は、主制御ユニット16からの指令に従って駆動制御され、中和器31に貯留された凝縮水を送給可能である。
図3に示すように、ドレン噴射部35は、所定の間隔を空けて形成された複数の噴出孔を備え、外気熱吸収用熱交換器24の上側に設けられている。このドレン噴射部35は、送給ポンプ33の駆動に伴い中和器31から送給される凝縮水を外気熱吸収用熱交換器24の上側から複数のフィン24cの外表面に均等に散水することができる。
図3に示すように、ドレンパン36は、外気熱吸収用熱交換器24の下側に設けられ、熱交換後の凝縮水を受容可能である。ドレンパン36には、外部に連なる排水配管37が接続され、この排水配管37を介してドレンパン36に溜まった凝縮水(中和器31から送給された凝縮水と外気熱吸収用熱交換器24で発生した凝縮水を含む)を外部に排水可能である。
次に、本発明のヒートポンプ給湯装置1の作用及び効果について説明する。
補助熱源機10の稼動に伴い、中和器31には潜熱回収用熱交換器10dの潜熱回収により発生した凝縮水がドレン管10fを通って徐々に貯留される。ここで、例えば、外気熱吸収用熱交換器24の着霜を検知した場合、給湯用熱交換器22での熱交換を停止すると共に除霜運転を開始するが、先ずは、予備的な除霜として、送給ポンプ33を駆動して送給通路32を介して外気熱吸収用熱交換器24に凝縮水を送給し、凝縮水をドレン噴射部35によって複数のフィン24cの外表面に散水する。
そして、複数のフィン24cの外表面に散水された凝縮水によって霜をある程度溶融させた後に、圧縮機21を駆動し、圧縮機21による熱を利用した除霜方法で、高温の冷媒を外気熱吸収用熱交換器24に流して除霜を行う。このように、除霜運転開始時に凝縮水を霜に直接掛けて溶融できるので、圧縮機21による熱を利用した除霜方法のみの場合と比較して除霜時間を短縮できる。尚、凝縮水の温度は、発生時には30〜40℃程度であるが、貯留された状態では徐々に低下してしまう。しかし、中和器31が器具内に設置されている構造上、凝縮水は外気温度と同程度以上の温度を維持するので、除霜に利用することができる。
また、通常の給湯加熱運転において、送給ポンプ33を駆動して送給通路32を介して外気熱吸収用熱交換器24に凝縮水を送給し、凝縮水をドレン噴射部35によって複数のフィン24cの外表面に散水することも可能である。この場合、凝縮水を冷媒の吸熱に利用することで、外気より吸熱する場合と比較してより効率良く吸熱することができ、ヒートポンプ式熱源機20の熱交換効率が向上する。熱交換後の凝縮水は、ドレンパン36に流入し、排水配管37を介して外部に排水される。
以上説明したように、潜熱回収用熱交換器10dで発生した凝縮水を貯留する為の中和器31を備え、中和器31の中和後の凝縮水を外気熱吸収用熱交換器24に送給通路32を介して送給し、外気熱吸収用熱交換器24と熱交換可能となるように構成したので、外気熱吸収用熱交換器24へ送給された凝縮水と外気熱吸収用熱交換器24との間で熱交換することで、外気熱吸収用熱交換器24内を流れる冷媒の吸熱を促進し、ヒートポンプ式熱源機20の熱交換効率の向上を容易に実現することができる。従って、従来では排水されていた潜熱回収時に発生する凝縮水を有効に活用して、ヒートポンプ給湯装置1の運転効率を向上することができる。
また、外気熱吸収用熱交換器24の下側にドレンパン36を設け、ドレンパン36を介して熱交換後の凝縮水を外部に排出するように構成したので、補助熱源機10で発生した凝縮水を排水する為の配管と外気熱吸収用熱交換器24で発生した凝縮水を排水する為の配管とを一体化することで、施工コストを低減することができる。
さらに、ヒートポンプ式熱源機20における除霜運転時に中和器31から凝縮水の送給が行われるので、貯留された凝縮水を除霜運転開始時に除霜に使用することで、除霜運転時間の短縮化を容易に且つ確実に実現することができ、ヒートポンプ給湯装置1の省エネルギー化を図ることができる。
次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
[1]図4に示すように、前記実施例のドレン噴射部35を省略して、送給通路32の下流端をドレンパン36に直接接続した構造であっても良い。この構造によれば、中和器31から排水配管37の排水能力を上回る量の凝縮水をドレンパン36に送給すると、ドレンパン36に凝縮水を一時的に貯留することができ、この貯留された凝縮水に外気熱吸収用熱交換器24の下部を接触させることで除霜を行うと共に、通常の給湯加熱運転時ではヒートポンプ式熱源機20の熱交換効率の向上を図れる。
[2]図5に示すように、前記実施例の外気熱吸収用熱交換器24の下端部分に設置された伝熱管24bに代えて凝縮水を流す為の凝縮水用配管40を、蒸発熱交換器内の伝熱管24bの冷媒流れ方向上流側の伝熱管部分の近傍部に設置し、この凝縮水用配管40に送給通路32の下流端を接続した構造であっても良い。この構造によれば、凝縮水を凝縮水用配管40に流すことで、外気熱吸収用熱交換器24の下部と凝縮水との間で熱交換を行うことで除霜を行うと共に、通常の給湯加熱運転時ではヒートポンプ式熱源機20の熱交換効率の向上を図れる。
[3]前記実施例において、貯湯タンクユニット2とヒートポンプユニット3とは別体に構成しているが、特にこの構造に限定する必要はなく、貯湯タンクユニット2とヒートポンプユニット3とを一体的に構成したものであっても良い。
[4]図6に示すように、凝縮水を一時的に貯留可能な貯水タンク38を外気熱吸収用熱交換器24の上側に設置し、送給通路32Aの上流端を貯水タンク38に接続し、送給通路32Aの下流端をドレン噴射部35に接続し、送給通路32Aに開閉弁39を設けた構造であっても良い。即ち、前記実施例では、中和器31が貯留タンクに相当するものとしているが、この変更形態では、貯水タンク38が貯留タンクに相当するものである。貯水タンク38には、前記実施例の中和器31から延びる配管41が接続され、中和器31から凝縮水が供給される。
この構造によれば、開閉弁39が閉止状態から開放状態に切り換わると、貯水タンク38の凝縮水が送給通路32Aを介してドレン噴射部35に一気に流れ込み、凝縮水を外気熱吸収用熱交換器24の複数のフィン24cの外表面に散水することができる。尚、貯湯タンクユニット2とヒートポンプユニット3とが一体型の場合は、中和器31を貯水タンク31の上側に設置することで、中和器31から貯水タンク38に凝縮水を送給する為のポンプを省略することができる。
[5]前記実施例において、中和器31が貯留タンクに相当するものとしているが、この構造に限定する必要はなく、送給通路32における中和器31と送給ポンプ33との間の配管部分に凝縮水を貯留可能な貯留タンクを別途設置した構造であって良い。
[6]その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
1 ヒートポンプ給湯装置
5 貯湯タンク
10 補助熱源機
10d 潜熱回収用熱交換器
20 ヒートポンプ式熱源機
21 圧縮機
22 給湯用熱交換器
23 膨張弁
24 外気熱吸収用熱交換器
25 冷媒回路
31 中和器
32 送給通路
36 ドレンパン
40 凝縮水用配管

Claims (3)

  1. 圧縮機と湯水加熱用熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒回路で接続したヒートポンプ式熱源機と、前記湯水加熱用熱交換器で加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、この貯湯タンクに貯留された湯水の温度が低い場合に加熱する燃焼式の補助熱源機であって潜熱回収用熱交換器を有する補助熱源機とを備えたヒートポンプ給湯装置において、
    前記潜熱回収用熱交換器で発生した凝縮水を貯留する為の貯留タンクと、
    前記蒸発熱交換器内の伝熱管の冷媒流れ方向上流側の伝熱管部分の近傍部に組み込まれた凝縮水用配管とを備え、
    前記貯留タンクの凝縮水を送給通路を介して前記凝縮水用配管に送給し、この凝縮水用配管に送給された凝縮水と前記蒸発熱交換器とで熱交換可能となるように構成したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
  2. 前記蒸発熱交換器の下側にドレンパンを設け、
    前記ドレンパンを介して熱交換後の凝縮水を外部に排出するように構成した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. 前記ヒートポンプ式熱源機における除霜運転時に前記貯留タンクから前記凝縮水の送給が行われ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。
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