JP6302725B2 - ヒートポンプ式給湯機、および、ヒートポンプユニット - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機、および、ヒートポンプユニットに関する。

外気が低温かつ高湿の状態であると、ヒートポンプ式給湯機で用いられるヒートポンプユニットの空気熱交換器に霜が付着し、熱交換性能が低下する問題があり、除霜運転が必要となる。しかしながら、除霜運転中は基本的に湯を沸き上げないので除霜運転時間を短くし、早めに通常運転に戻すことが必要とされる。

特許文献１には、除霜運転時に減圧装置の弁解度を全開にし、貯湯タンクから水冷媒熱交換器に水を供給する水循環装置を停止させることで、水冷媒熱交換器での熱交換を小さくし、圧縮機から吐出された高温冷媒の熱エネルギーを空気熱交換器での除霜に使用することで除霜を早める除霜運転方法が記載されている。

また、特許文献２には、除霜運転を開始する前に水循環装置を停止させ水冷媒熱交換器内の水の温度を上昇させる除霜準備運転を行うことで、除霜運転時に水冷媒熱交換器での熱交換を小さくし、高温冷媒が水冷媒熱交換器で放出する熱エネルギーを少なくする除霜運転方法が記載されている。

特開２００１−８２８０２ 特開２００８−１２１９２３

特許文献１の除霜運転方法は、水冷媒熱交換器内での熱交換は少なくなるが、滞留している水に熱を奪われるため、圧縮機からの熱をすべて空気熱交換器に供給することはできない。

また、特許文献２の除霜運転方法は、圧縮機からの熱を空気熱交換器に供給することはできるが、ヒートポンプで沸き上げた湯を除霜運転に使用しているため、余計にヒートポンプユニットを稼動させていることになり、エネルギーが無駄に使用されている。

そこで、本発明では、除霜運転時のエネルギーのロスを抑制し、除霜運転時間を短くしたヒートポンプ式給湯機及びヒートポンプユニットを提供することにある。

上記目的は、貯湯タンクとヒートポンプユニットを備えたヒートポンプ式給湯機であって、前記ヒートポンプユニットは、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒と、水循環経路を介して前記貯湯タンクから供給される水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、前記水冷媒熱交換器で熱交換を行った後の冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置から流出した冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器とを備え、前記空気熱交換器の除霜運転の開始前、もしくは開始後に前記水冷媒熱交換器内から水を排出する水排出手段を備えることにより達成される。

本発明によれば除霜運転時のエネルギーのロスを抑制し、除霜運転時間を短くすることができるヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

実施例１に係わるヒートポンプ式給湯機の概略図である。 実施例２に係わるヒートポンプ式給湯機の概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は実施例１のヒートポンプ式給湯機１００の要部構成を示す概略図である。

ここに示すように、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンク３とヒートポンプユニット１１０で構成されている。

ヒートポンプユニット１１０は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２１と、圧縮機２１から吐出される高温高圧の冷媒と貯湯タンク３から供給される水との熱交換を行う水冷媒熱交換器２２と、水冷媒熱交換器２２で水との熱交換を行った冷媒を減圧させるための減圧装置２３と、減圧装置２３から流出した低温低圧の冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器２４と、空気熱交換器２４に空気を送風する送風ファン２５と、ヒートポンプユニット１１０を動作させるための制御手段（図示せず）で構成されている。

また、ヒートポンプユニット１１０は、水冷媒熱交換２２を通過する水循環経路１１で貯湯タンク３と接続されており、水循環経路１１の水冷媒熱交換器出口の出湯配管経路には水を循環させるための水循環装置１が備えられている。図示はしないが、貯湯タンク３に貯湯された高温水を利用して、適温な水が浴槽や蛇口などに供給される。

通常の沸き上げ運転時のヒートポンプサイクルの動作は周知のものであるので、詳細な説明は省略するが、出湯配管経路に備えられている三方弁２は貯湯タンク３上部に水を流入させる向きに動作している。

図示しない制御装置が空気熱交換器２４の除霜運転が必要であると判断すると、除霜運転を開始する。除霜運転時のヒートポンプサイクルの動作は圧縮機２１の回転数を通常運転よりも高回転にして冷媒流量を増加させ、減圧装置２３の弁解度を全開にして減圧装置２３での減圧を最小にし、送風ファン２５を停止させる。

また、除霜運転の開始前または開始後に水循環経路１１内の水排出手段の一例である水循環経路遮断バルブ４ａを閉め、水循環装置１の運転を継続させる。水排出手段に水循環装置１を使用することで、水冷媒熱交換器２２内から水を排出することができる。この動作を行うタイミングは空気熱交換器２４出口に取り付けられている空気熱交換器出口温度センサ（図示せず）によって空気熱交換器出口の冷媒温度がある一定の温度よりも低いことを検知して行われる除霜運転の開始前がより最適である。

なお、除霜運転開始前に水を排出するタイミングとしては、空気熱交換器における空気との熱交換が行われなくなる送風ファン停止前がより最適であり、除霜運転開始後に水を排出するタイミングとしては水冷媒熱交換器で沸き上げられる水の温度が目標出湯温度を下回った時が最適である。

この場合、水循環装置１によって排出された水は中温水となっている。ここで中温水とは通常沸き上げ運転時に貯湯タンク３から水冷媒熱交換器２２に供給される低温水よりも高い温度であり、沸き上げ後の高温水よりも低い温度の水と定義する。貯湯タンク３内の温度分布は上部が高温であり、下部にいくにしたがって低温となる。したがって、水循環装置１によって排出された中温水を貯湯タンク３の上部に流入させると沸き上げた高温水が冷めてしまうことになり、逆に下部に流入させると水循環装置１によって排出された中温水が貯湯タンク３内下部の低温水によって冷やされてしまうことになる。

そのため、水循環装置１を用いて排出した中温水が除霜時水循環経路１２を通って貯湯タンク３中間部へ流入させるように三方弁２を操作する。中間部とは貯湯タンク３の半分の位置周辺と定義する。このようにすれば貯湯タンク３内の高温水を冷ますことなく、また水循環装置１によって排出された中温水を冷ますことなく貯湯タンクに戻すことができる。水冷媒熱交換器２２から中温水が排出されれば、水冷媒熱交換器水側出口の温度は低下する。そのため水冷媒熱交換器２２から水が排出されたことは出湯配管に取り付けられている温度センサ（図示せず）により判断する。排出終了後、水循環装置１の運転を停止する。

このように水冷媒熱交換器２２内の水を空にしてから、或いは、減少させてから除霜運転を行うことで、圧縮機２１から吐出した高温の冷媒は水冷媒熱交換器２２で水との熱交換を行うことなく、空気と熱交換を行うことになるので、水と熱交換を行う場合と比較して、温度低下が小さい。したがって、冷媒は高温の状態を維持したまま空気熱交換器２４に流入するため、除霜運転を短時間で行うことができる。

なお、水循環装置１によって水冷媒熱交換器２２から水が排出される際、水冷媒熱交換器２２および水循環経路１１の配管内が負圧になるようであれば、水循環経路１１に負圧防止弁を設ける。

図２は実施例２のヒートポンプ式給湯機１０１の要部構成を示す概略図である。実施例１と同等の構成については、詳細な説明は省略する。

図２に示すように、実施例２では、貯湯タンク３と水冷媒熱交換器２２を接続する水循環経路１１の途中に貯湯タンク３を迂回して水冷媒熱交換器２２の上流側と下流側を接続するバイパス経路１３を設けている。このバイパス経路１３は、貯湯タンク３周辺に配置されており、その周りを断熱されているものである。

除霜運転の開始前または開始後に水循環経路１１内の水排出手段の一例である水循環経路遮断バルブ４ａおよび４ｂを閉め、水循環装置１の運転を継続させる。そうすることで貯湯タンク３との接続を遮断でき、かつ水排出手段に水循環装置１を使用することで、水冷媒熱交換器２２内から水を排出することができる。この動作を行うタイミングは空気熱交換器２４出口に取り付けられている空気熱交換器出口温度センサ（図示せず）によって空気熱交換器出口の冷媒温度がある一定の温度よりも低いことを検知して行われる除霜運転の開始前がより最適である。

また、排出された水が水貯湯タンク３上部に流入する向きからバイパス経路１３へ流入するように三方弁２を操作する。そのため水循環装置１によって水冷媒熱交換器２２内から排出された水はバイパス経路１３に滞留する。水冷媒熱交換器２２から中温水が排出されれば、水冷媒熱交換器２２水側出口の温度は低下する。そのため水冷媒熱交換器２２から水が排出されたことは出湯配管に取り付けられている温度センサ（図示せず）により判断する。排出終了後、水循環装置１の運転を停止する。水循環装置１によって排出された水は中温水となっており、通常運転に移行する際、水冷媒熱交換器２２に供給される水は貯湯タンク３から供給されるのではなく、バイパス経路１３に滞留した中温水を先に供給する。このようにすることで、除霜運転が終了し、通常運転を行う際、貯湯タンク３からの低温水を使用するよりも早く高温の湯を沸き上げることができる。

このように除霜運転を行うことで、圧縮機２１から吐出した高温の冷媒は水冷媒熱交換器２２で水との熱交換を行うことなく、空気と熱交換を行うことになるので、水と熱交換を行う場合と比較して、温度低下が小さい。したがって、冷媒は高温の状態を維持したまま空気熱交換器２４に流入するため、除霜運転を短時間で行うことができる。

なお、水循環装置１によって水冷媒熱交換器２２から水が排出される際、水冷媒熱交換器２２および水循環経路１１の配管内が負圧になるようであれば、水循環経路１１に負圧防止弁を設ける。

１：水循環装置
２：三方弁
３：貯湯タンク
４ａ、４ｂ：水循環経路遮断バルブ
１１：水循環経路
１２：除霜時水循環経路
１３：バイパス経路
２１：圧縮機
２２：水冷媒熱交換器
２３：減圧装置
２４：空気熱交換器
２５：送風ファン

Claims (4)

1. 貯湯タンクとヒートポンプユニットを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
   前記ヒートポンプユニットは、
   冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒と、水循環経路を介して前記貯湯タンクから供給される水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、
   前記水冷媒熱交換器で熱交換を行った後の冷媒を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置から流出した冷媒と空気との熱交換を行う空気熱交換器とを備え、
   前記空気熱交換器の除霜運転の開始前、もしくは開始後に前記水冷媒熱交換器内から水を排出する水排出手段を備えたヒートポンプ式給湯機。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記除霜運転時に前記水冷媒熱交換器から排出した水を、前記貯湯タンクの高温側と低温側の間の中間部に流入させること特徴とするヒートポンプ式給湯機。
3. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機において、
   前記貯湯タンクと前記水冷媒熱交換器が接続されている前記水循環経路の途中に前記貯湯タンクを迂回して前記水冷媒熱交換器の上流側と下流側を接続するバイパス経路を設け、
   前記除霜運転時に、前記水冷媒熱交換器から排出された水を前記バイパス経路に滞留させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
4. 前記ヒートポンプユニットのヒートポンプサイクルは二酸化炭素を冷媒とし、前記圧縮機より吐出される冷媒の吐出圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルであることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯機。