JPH0599532A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来装置より高い出湯温度が得られ、かつ効
率の高いヒートポンプ式給湯装置を得る。 【構成】 圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、絞り
装置、第３熱交換器を順次冷媒配管にて連通した複数個
の冷媒サイクルを形成する。貯水部が連通した第１、第
２の貯湯タンクを設ける。それぞれ直列に接続された複
数個の第１熱交換器に第１貯湯タンク内の水を循環させ
る第１循環回路と、それぞれ直列に接続された複数個の
第２熱交換器に第２貯湯タンクの水を循環させる第２循
環回路とを設ける。そして各循環回路を構成する第１、
第２熱交換器に供給される水の流れる順序が各冷媒サイ
クル毎に同順となる様に構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はヒートポンプを応用し
た給湯装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来のヒートポンプ式給湯装置で
ある。図中１は冷媒サイクルで、圧縮機２、給湯用熱交
換器３、絞り装置４、熱源用熱交換器５、及びこれらを
連通する冷媒配管６にて構成されている。７は、貯湯タ
ンクで、天部で大気に連通している開放形である。８は
水位計である。９は貯湯タンク７と給湯用熱交換器３と
の循環回路で、貯湯タンク７の下部とポンプ12を連通す
る配管11、ポンプ12と給湯用熱交換器３の水入口とを連
通する配管14、及び給湯用熱交換器３の水出口と貯湯タ
ンク７の上部を連通する配管15とで成っている。16は給
水配管で、その途中には電動弁10が設けられており、配
管11の途中に接続されている。17は給湯配管で、その途
中に蛇口24が設けられ、貯湯タンク７の下部とポンプ19
を連通する往管18とポンプ19と貯湯タンク７の上部を連
通する戻管20により構成されている。23はコントローラ
で水位計８と貯湯タンク７底部近辺の水温を検出するセ
ンサー21と配管15の水温を検出するセンサー22の信号と
を受け、電動弁10の弁開度、ポンプ12及び圧縮機２の発
停を制御する。

【０００３】次いで動作を説明する。動作前、圧縮機２
ポンプ12は停止、電動弁10は閉止状態になっている。蛇
口24が開かれ温水が消費されると、貯湯タンク７の水位
が低下する。この水位の低下は水位計８で検出され、こ
の検出信号によって、電動弁10が開き、圧縮機２とポン
プ12が始動する。この時、電動弁10の弁開度はセンサー
22の検出温度が所定の設定温度の範囲内、例えば55〜60
℃に保たれるよう調節される。このようにして、設定温
度範囲の温水が貯湯タンク７に供給され、温水の水位が
上限に達すると水位計８がこれを検出し、この信号がコ
ントローラ23に入力されると電動弁10が閉じ、ポンプ1
2、圧縮機２が停止する。次に、自然放熱で貯湯タンク
７内の温水の温度が低下し、設定温度、例えば50℃にな
ると、これをセンサー21が検出し、この信号により、圧
縮機２とポンプ12が始動され、温水温度を上昇させる。
温度が所定の温度例えば55℃に達するとセンサー21がこ
れを検出し、圧縮機２とポンプ12が停止する。以下、こ
の動作が繰返される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来のヒートポン
プ式給湯装置には次の欠点があった。 風呂へのさし湯などでは60℃以上の給湯が望まれる
が、この要求に応えられない。 給湯水温度が高い時、消費電力当りの加熱量（以下
効率という）が低下する。この原因は次の通りである。 給湯用熱交換器３に於ける冷媒の状態で区分する
と、流れの上流から過熱ガス域、凝縮域、過冷却域の順
になるが、熱伝達上は、凝縮域が支配的であり、冷媒サ
イクルの高圧側圧力は、熱交換器２での凝縮温度の飽和
圧力になる。また、この冷媒を熱交換する給湯水の温度
は、凝縮温度よりも低くなる。凝縮温度は、冷媒や冷凍
機油等の制約上、例えばフロン22を冷媒として用いる場
合、60〜65℃が上限である。従って、給湯用熱交換器３
の出口水温度の上限は60℃前後を越えられない。従っ
て、貯湯タンク７の上部は最高で、60℃前後になるが底
部は、これよりも低い温度になっている。これが往管18
から蛇口24へと導かれるが、この間に熱ロスが生じ、更
に、温度が下がり、蛇口24からは60℃を下回る温水しか
得られない。

【０００５】 このような装置では、圧縮機２の入力
が大きな比率を占めており、冷媒サイクルの効率が装置
の効率を左右する。冷媒サイクルの効率は、圧縮機１へ
の入力当りの加熱能力によって求められるが、その特性
上、高圧と低圧の圧力比が大きくなると、効率は低下す
る。従って、給湯水温度が高くなるにつれ、高圧側圧力
が高くなるので、効率が低下する。以上のように、従来
のヒートポンプ式給湯装置では60℃以上の給湯が得られ
ない。また、温水温度が高い時の効率が悪いと言う問題
があった。

【０００６】この発明は上記のような問題を解決する為
になされたもので、従来の装置よりも高温の給湯と高い
効率を得んとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明によるヒートポ
ンプ式給湯装置は、第１、第２の熱交換器を有する冷媒
サイクルを複数個備えると共に、貯水部が連通している
第１、第２の貯湯タンクを備え、かつ、複数個の第１給
湯用熱交換器を直列に接続した第１貯湯タンクとの第１
循環回路と、複数個の第２熱交換器を直列に接続した第
２貯湯タンクとの第２循環回路とを設けたものである。
また、第１循環回路を介して第１貯湯タンクに流入する
水温を検出する第１の水温検出センサーと、このセンサ
ーの温度検出信号により、第１循環回路の循環水量を調
節する手段とを設ける。また、第２熱交換器に流入する
水温を検出する第２の水温検出センサーと、このセンサ
ーの温度検出信号により冷媒サイクルの運転台数を選定
するコントローラとを設ける。

【０００８】また、第１貯湯タンクの水温を検出する第
３の水温検出センサーと、このセンサーの温度検出信号
により、第１循環回路の循環ポンプの駆動と停止を選択
するコントローラとを設ける。そして、第２熱交換器の
給湯水流入側配管に給水管を接続すると共に、この給水
管に電動弁を設け、かつ、第２熱交換器の給湯水出口温
度を検出する第４の水温検出センサーを設け、この水温
検出センサーの温度検出信号に基き、上記電動弁の弁開
度を制御するコントローラを設ける。

【０００９】

【作用】この発明によるヒートポンプ式給湯装置では上
記の第２循環回路で加温した温水を第２貯湯タンクに導
き、これを第１循環回路にて、更に加温する。また、第
１貯湯タンクに流入する温水温度が所定の温度範囲とな
るように第１循環回路の循環水量を調節することにより
第１貯湯タンクの温水温度を所定の高い温度に保つこと
ができる。また、第２熱交換器に流入する水温に応じ、
冷媒サイクルの運転台数を選定する。また、第１貯湯タ
ンクの水温に応じ、第１循環回路の循環ポンプの発停を
制御するようにしたので第１貯湯タンクの温水温度の過
上昇を防止することができる。また、第２熱交換器から
流出する水温が所定の温度範囲に入るように電動弁の開
度を調節して給水の流入量を制御する。

【００１０】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図１により説明
する。尚、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示
す。図１において、30は第１の冷媒サイクルで、圧縮機
31、第１熱交換器32、第２熱交換器33、絞り装置34、第
３熱交換器35が冷媒配管36にて順次連通されている。40
は、第２の冷媒サイクルで、圧縮機41、第１熱交換器4
2、第２熱交換器43、絞り装置44、第３熱交換器45が冷
媒配管46にて順次連通されている。尚、圧縮機31、41は
各々従来の装置の圧縮機２の1/2 の容量になっている。
また、第２熱交換器33及び43それぞれの熱交換能力も、
従来の装置の給湯用熱交換器３の熱交換能力の概略1/2
になっている。

【００１１】50は第１貯湯タンク、51は第２貯湯タンク
で、その底部に連通管52が接続されている。第１、第２
の貯湯タンク50、51は共に天部が大気に連通している開
放形タンクになっている。給湯配管17は第１貯湯タンク
50に接続されている。60は第１貯湯タンク50と第１熱交
換器32、42との間で貯湯水を循環させる第１循環回路
で、第１貯湯タンク50の下部とポンプ61とを連通する配
管62、ポンプ61と第１熱交換器32を連通する配管63、第
１熱交換器32と第１熱交換器42とを連通する配管64、第
１熱交換器42と第１貯湯タンク50の上部を連通する配管
65とで構成されている。70は第２貯湯タンク51と第２熱
交換器33、43との間で貯湯水を循環させる第２循環回路
で、その途中に給水配管16が接続された配管11、ポンプ
12、ポンプ12と第２熱交換器33を連通する配管71、第２
熱交換器33と第２熱交換器43を連通する配管72及び第２
熱交換器43と第２貯湯タンク51の上部とを連通する配管
73とで構成されている。80は第１貯湯タンク50の下部の
水温を検出する第３の水温検出サンセーで、81は配管65
を流れる温水温度を検出する第１の水温検出センサーで
ある。また、82は、ポンプ61に供給する電源の周波数を
可変するインバータである。

【００１２】更に、90はコントローラで、水位計８、第
２の水温検出サンセー21、第４の水温検出センサー22の
信号により電動弁の弁開度と圧縮機31、41及びポンプ12
の発停を制御する。また、第３の水温検出センサー80の
信号により、上記の圧縮機31、41及びポンプ12の運転時
において、ポンプ61の駆動と停止を選択すると共に、第
１の水温検出センサー81の信号に応じ、インバータ82の
出力周波数を指令する仕様になっている。

【００１３】次いで作用を説明する。動作前、圧縮機3
1、41、ポンプ12、61は停止、電動弁10は閉止状態にな
っている。蛇口24が開かれ温水が消費されると、第１貯
湯タンク50の水位が下がり、同時に連通管52から第２貯
湯タンク51の温水が第１貯湯タンク50へ流入するので、
貯湯タンク51の水位も低下する。この水位の低下は水位
計８で検出され、この検出信号によって、電動弁10が開
き、圧縮機31、41とポンプ12が始動する。更に、この時
第３の水温検出センサー80の検出温度が所定の温度、例
えば70℃以下であれば、インバータ82よりポンプ61に電
源が供給され、ポンプ61も始動する。

【００１４】この運転を更に詳述する。まず第２循環回
路70では、電動弁10の弁開度は第４の水温検出センサー
22の検出温度が55〜60℃の範囲内に保たれるよう調節さ
れる。この時、温水は第２熱交換器33と第２熱交換器43
とで、２段階に加熱される。一方、第１循環回路60で
は、第１の水温検出センサー81の検出温度が所定の設定
温度範囲、例えば75〜80℃に保たれるようポンプ61の回
転数が調節される。この時、温水は第１熱交換器32と第
１熱交換器42とにより２段階に加温される。このように
して設定温度範囲の温水が第１貯湯タンク50に供給さ
れ、温水の水位が上限に達すると水位計８がこれを検出
し、この信号がコントローラ90に入力されると電動弁10
が閉じ、圧縮機31、41、ポンプ12、61が停止する。

【００１５】次に自然放熱で第２貯湯タンク51内の温水
温度が48℃にまで低下すると、これを第２の水温検出セ
ンサー21が検出し、この信号により圧縮機31、41とポン
プ12が始動され、第３の水温検出センサー80の検出温度
が70℃以下であればポンプ61も駆動され、第１及び第２
貯湯タンク50、51の温水温度が上昇される。第２の水温
検出センサー21の検出温度が52℃になると圧縮機41が停
止する。さらに加温されて第２の水温検出センサー21の
検出温度が55℃になると、圧縮機31、ポンプ12、61が停
止される。この間、電動弁10は常に閉止し、第１の水温
検出センサー81の検出温度が75〜80℃に保たれるようポ
ンプ61の回転数が制御される。尚、第２の水温検出セン
サー21の検出温度が55℃に達する前に第３の水温検出セ
ンサー80の検出温度が所定の設定温度、例えば75℃に達
した場合は、ポンプ61が停止し、第１貯湯タンク50内の
温水の過熱を防止する。以下、この動作が繰返される。

【００１６】冷媒側の作用について説明すると、第１熱
交換器32、42では、第１の水温検出センサー81の検出温
度が75〜80℃になるように温水の流量が調節され、か
つ、第２熱交換器33、43は、それぞれの冷媒サイクルの
凝縮作用に必要な熱交換能力を有している。従って、第
１熱交換器32、42では冷媒は凝縮せず、第２熱交換器3
3、43にて凝縮する。この様子をモリエル線図に示すと
第２図の様になる。第２図において、ａは第１冷媒サイ
クルであり、ｂは第２冷媒サイクルである。また（イ）
は圧縮機31、41の吸入、（ロ）（ハ）は圧縮機31、41の
吐出、（ニ）（ホ）は第１熱交換器32、42の出口、
（ヘ）（ト）は第２熱交換器33、43の出口、（チ）
（リ）は絞り装置34、44の出口である。

【００１７】実施例２．なお、上記実施例では、自然放
熱による温水温度の低下を回復させる運転時は所定温度
の52℃に達すると、圧縮機41を停止し、さらに、55℃に
達すると、圧縮機31も停止させたが、この順序を逆にし
ても良い。また、冷媒サイクルを２個としたが、これを
３個あるいは４個としても良い。

【００１８】

【発明の効果】以上のように、この発明では、水位が低
下し、市水が補給される時は給水と第２貯湯タンク51内
の温水との混合水を凝縮作用を行う第２熱交換器にて段
階的に加温し、この時、同時に第１熱交換器では過熱ガ
スで第１貯湯タンク50の温水を加温すると共に、自然放
熱による温度低下を回復する運転時は、一つの冷媒サイ
クルにて加温するようにしたので、次の効果が得られ
る。 （１）市水が補給される時の運転においては、第２冷媒
サイクル40の凝縮温度は従来の装置とほぼ同じである
が、第１冷媒サイクル30の凝縮温度は従来の装置よりも
低くなる。従って、第１と第２の冷媒サイクルを合せた
効率は従来の装置よりも良くなる。また、貯湯を高温と
低温の２個のタンクに分け、高温のタンクから利用側に
給湯するようにしたので、自然放熱で温水温度が低下し
た時に加熱運転を行う低温側の第２貯水タンク51内の水
温が従来の装置の貯水タンク７の温水温度より低くなる
ので、その分、装置全体としての加熱効率が向上する。 （２）第１貯湯タンク50に注水する温水の温度が所定の
範囲の値になるように流量を調節するようにしたので、
第１貯水タンク50の温水温度を高く保て、利用側に安定
して高い温度の湯を提供できる。

【００１９】（３）第２の水温検出センサー21にて第２
熱交換器33に流入する水温を検出し、この温度検出信号
により冷媒サイクルの運転台数を選定するコントローラ
を設けたので、例えば、所定温度以上になれば、第２冷
媒サイクル40の圧縮機41を停止することができ、凝縮圧
力の異常上昇が防止される。 （４）第３の水温検出センサー80の温度検出信号により
第１循環回路60の循環ポンプ61の発停をコントローラ90
にて制御するので、第１貯湯タンク50の過剰昇温が防止
され、例えば、断熱材の材質変化等が生じない。 （５）給水が行われる場合、第４の水温検出センサー22
にて第２熱交換器から流出する水温を検出し、この温度
が所定内に入るように電動弁10の開度を調節し、給水の
流入量を制御するので、第２貯湯タンク51に貯える温水
温度が所定温度にまで、上昇され、温度成層が形成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるヒートポンプ式給湯
装置の構成図である。

【図２】図１に示すヒートポンプ式給湯装置の冷媒サイ
クルのモリエル線図である。

【図３】従来のヒートポンプ式給湯装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

30 冷媒サイクル 31 圧縮機 32 第１熱交換器 33 第２熱交換器 34 絞り装置 35 第３熱交換器 40 冷媒サイクル 41 圧縮機 42 第１熱交換器 43 第２熱交換器 44 絞り装置 45 第３熱交換器 50 第１の貯湯タンク 51 第２の貯湯タンク 60 第１循環回路 70 第２循環回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、
   絞り装置、第３熱交換器を順次冷媒配管にて連通した複
   数個の冷媒サイクルと、貯水部が連通している第１、第
   ２の貯湯タンクと、それぞれ直列に接続された上記複数
   個の第１熱交換器に上記第１貯湯タンク内に水を循環さ
   せる第１循環回路、及びそれぞれ直列に接続された上記
   複数個の第２熱交換器に上記第２貯湯タンクの水を循環
   させる第２循環回路とを備え、かつ、上記各循環回路を
   構成する第１、第２熱交換器に供給される水の流れる順
   序が上記第１循環回路と第２循環回路とにおいて冷媒サ
   イクル毎に同順である事を特徴とするヒートポンプ式給
   湯装置。
2. 【請求項２】 第１循環回路を介して第１貯湯タンクに
   流入する水温を検出する第１の水温検出センサーと、こ
   のセンサーの温度検出信号により、第１循環回路の循環
   水量を調節する手段とを備えた請求項第１項記載のヒー
   トポンプ式給湯装置。
3. 【請求項３】 第２熱交換器に流入する水温を検出する
   第２の水温検出センサーと、このセンサーの温度検出信
   号により冷媒サイクルの運転台数を選定するコントロー
   ラとを備えたことを特徴とする請求項第１項記載のヒー
   トポンプ式給湯装置。
4. 【請求項４】 第１貯湯タンクの水温を検出する第３の
   水温検出センサーと、このセンサーの温度検出信号によ
   り、第１循環回路の循環ポンプの駆動と停止を選択する
   コントローラとを設けたことを特徴とする請求項第１項
   記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 【請求項５】 第２熱交換器の給湯水流入側配管に給水
   管を接続すると共にこの給水管に電動弁を設け、かつ第
   ２熱交換器の給湯水出口温度を検出する第４の水温検出
   センサーを設け、この水温検出センサーの温度検出信号
   に基き、上記電動弁の弁開度を制御するコントローラを
   備えたことを特徴とする請求項第１項記載のヒートポン
   プ式給湯装置。