JPH0599536A - 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
装置及び第３熱交換器を順次連通した複数個の冷媒サイ
クルを形成する。給湯用循環ポンプの吐出側と吸入側と
を連通して閉回路を形成する第３循環回路を設ける。上
部に第３循環回路と連通する第３配管が接続された密閉
式タンクと、この密閉式タンクの頂部よりも底部が上に
ある開放式タンクを設ける。複数個の第１熱交換器と密
閉式タンクとの間を温水が循環する第１の循環回路、及
び開放式タンクと複数個の第２熱交換器との間を温水が
循環する第２の循環回路を設ける。そして密閉式タンク
の下部と開放式タンクの下部とを連通する第１配管と、
第３の循環回路と開放式タンクの下部とを連通する第２
配管とを設ける。

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
間で給湯水を循環させる循環回路で、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，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は市水の給水配管で、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
が、ポンプ19は常時運転され、貯湯タンク７の温水が給
湯配管17内を循環し、蛇口24が開かれた時に、すぐ温水
が出るようになっている。まず、電力料金の割引きがな
い時間帯（以下昼間時間帯）において、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。
水位が（ハ）まで低下すると水位計８による検出信号に
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（ロ）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12，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、設定温度が例えば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】電力料金が割引かれる時間帯（以下深夜時
間帯）においては、水位が（イ）以下、あるいは（ロ）
以下のいずれであっても水位が（イ）に達するまで、上
記の55〜60℃に加温しつつの給水運転が行われる。そし
て、水位が（イ）に達してからの休止中に自然放熱でセ
ンサー21の検出温度が50℃にまで低下すると昼間帯と同
様に55℃までの加温が行われる。以上のようにして、で
きるだけ深夜時間帯の電力を利用して温水の加温を行い
ランニングコストの低減を図るようになっている。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。 （１）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。 （２）給湯水温度が高い時、消費電力当りの加熱量（以
下効率）が低下する。

【０００５】この原因は次の通りである。 （１）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、この冷媒と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。

【０００６】また、貯湯タンク７の底部の温水は温度が
低いが、ポンプ19によって常に循環しているため、貯湯
タンク７の上部の温度の高い温水と混合してしまい、高
い温度の温水が有効に利用されない。これを防ぐために
図４の如く循環をやめて、重力式にすると、蛇口24を開
いた時に、自然放熱で冷めたくなった水、いわゆる死水
が出るという問題が生じる。 （２）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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】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。更にせっかく作った高い温度の温水が有効に利用
されないという問題もあった。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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明におけるヒート
ポンプ式給湯装置は、圧縮機，第１熱交換器，第２熱交
換器，絞り装置及び第３熱交換器を順次連通した複数個
の冷媒サイクルと密閉式タンクとこの密閉式タンクの頂
部よりも底部が上にある開放式タンクと上記複数個の第
１熱交換器と上記密閉式タンクとの間を温水が循環する
第１循環回路と上記開放式タンクと上記複数個の第２熱
交換器との間を温水が循環する第２循環回路と上記密閉
タンクの下部と開放タンクの下部とを連通する第１配管
と、給湯用循環ポンプの吐出側から利用側出湯口部を経
由し、上記給湯用循環ポンプの吸入側に連通して閉回路
を形成する第３循環回路と、上記第３循環回路と上記開
放タンクの下部を連通する第２配管と、上記第３循環回
路と上記密閉タンクの上部を連通する第３配管と、上記
第３循環回路の温水温度検出器、及び上記温水温度検出
器の検出温度が所定値以下になれば上記第３循環回路の
温水を上記開放式タンクに流入させる手段とを設けたも
のである。

【０００９】また、第１循環回路を構成する第１熱交換
機の出口水温度を検出する水温検出センサーと、第１循
環回路に設けた循環ポンプの流量を制御する流量制御手
段、及び上記水温検出センサーの温度検出信号に基づき
上記循環ポンプの流量を制御するコントローラとを設け
る。

【００１０】また、密閉式タンク内の温水温度を検出す
る水温検出センサーと、このセンサーの水温検出信号に
基づき第１循環回路に設けた循環ポンプの運転を制御す
るコントローラとを設ける。

【００１１】

【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開放式タンクの温水を密閉
式タンクに導き、これを第１循環回路にて、更に加温す
ると共に、もっとも高い温度の温水を利用側に供給し、
かつ給湯回路の温水温度が低下したら、開放タンクに戻
すようにする。

【００１２】また、第１循環回路において第１熱交換器
の出口水温が所定温度以上となるよう循環ポンプの流量
を制御するので密閉式タンクには安定して所定温度以上
の温水を貯えることができ、安定した高温の給湯を行な
うことができる。また、密閉式タンク内の温水温度に基
づいて、第１循環回路に設けた循環ポンプの運転を制御
するので密閉式タンク内の温水温度の異常上昇を防止す
ることができる。

【００１３】

【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42、
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33，43の熱交換能力も、各々従来の装
置の第２熱交換器３の熱交換能力の概略1/2 になってい
る。

【００１４】50は密閉式タンク、51は開放式タンクで、
その底部に接続された第１配管52にて上記密閉式タンク
に連通されている。また密閉式タンク50の頂部よりも、
開放式タンク51の底部が上方にあるように据付けられて
いる。給湯配管17は密閉式タンク50の頂部に接続されて
いる。60は密閉式タンク50と第１熱交換器32，42とを連
通する第１の循環回路で、密閉式タンク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と密閉式タンク50の上
部を連通する配管65とで構成されている。70は開放式タ
ンク51と第２熱交換器33，43とを連通する第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と開放式タンク51の上部とを連通する配管73
とで構成されている。

【００１５】80は密閉式タンク50の内部の水温を検出す
るセンサーで81は配管65を流れる温水温度を検出するセ
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。更に、90はコントロー
ラで、水位計８，センサー21，センサー22の信号により
電動弁10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、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、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。100 は第３循環回路で、給湯用循環ポンプ19と、そ
の吐出側と吸入側を閉ループ状に接続する配管101 とで
成っている。配管101 の途中には利用側出湯口として蛇
口24が設けられている。102 は配管101 の途中と、開放
タンク51の下部を接続する配管で、103 は配管101 の途
中と密閉タンク50の上部とを連通する第３配管である。

【００１６】尚、配管102 ，103 は、いずれも給湯用循
環ポンプ19の吐出側と蛇口24までの間に接続され、かつ
第２配管102の方が給湯用循環ポンプ19の吐出側に位置
している。104 は配管101 に取付けられた電動弁で、第
２配管102 と第３配管103 の接続部の中間位置に設けら
れている。105 は第２配管102 途中に設けられた逆止弁
で、開放式タンク51から第３循環回路100 の方への流れ
を阻止する。106 はポンプ19に吸入される温水の温度を
検出するセンサーで、検出温度が40℃以下であれば電動
弁104 を閉じ、45℃にまで上昇すれば電動弁104 を開
く。

【００１７】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。また、給湯用循環ポンプ19は運転しており、
電動弁104 は通常、開になっている。従って、温水が消
費されない時は、第３循環回路100 を同じ、温水が循環
している。この間に自然放熱にて温水の温度が低下し、
センサー106 の検出温度が40℃になると電動弁104 が閉
じる。この事により、給湯用循環ポンプ19から吐出され
た温水は第２配管102 を経由して、開放タンク51へと送
られる。同時に、密閉タンク50内の高温水が第３配管10
3 を通って第３循環回路100 に供給される。この結果、
第３循環回路100 内の温水温度が上昇し、45℃になると
センサー106がこれを検出して、電動弁104 を開き、元
の循環回路に戻る。この様に、この装置では、貯湯タン
ク内の温水をかき交ぜないので、槽内の温度成層が保た
れると共に、第３循環回路100 の温水温度は常に40℃以
上に保たれるので、いわゆる死水が出る事がない。

【００１８】昼間時間帯において蛇口24が開かれ温水が
消費されると、密閉式タンク50の温水が第３配管103 か
ら流出し、同時に第１配管52から開放式タンク51の温水
が密閉式タンク50へ流入するので、開放式タンク51の水
位が低下する。この水位が（ハ）まで低下すると水位計
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
のセンサー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。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、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
囲の温水が開放式タンク51に供給され、温水の水位が
（ロ）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3
1，41，ポンプ12，61が停止する。

【００１９】次に、深夜時間帯の場合を説明する。深夜
時間帯になった時の水位が（イ）以下あるいは（ロ）以
下のいずれであっても、水位が（イ）に達するまで、上
述の第１，第２冷媒サイクル30，40により加温しながら
の給水運転が行なわれる。時間帯に関係なく自然放熱で
開放式タンク51内の温水温度が48℃にまで低下すると、
これをセンサー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、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、密閉式及び開放式タ
ンク50，51の温水温度が上昇される。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、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、センサー21の検出
温度が55℃に達する前にセンサー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、密閉式タンク50内の温水の過熱を防止する。この自
然放熱による温水温度の低下を回復させる運転は、従来
の装置の場合の約1/2 の加熱能力になるが、少なくとも
開放式タンク５１の温水温度が４８℃以上、利用側に供
給される密閉式タンク50内の温水温度は、これ以上であ
る為、実用上の支障はない。

【００２０】以下、この動作が繰返される。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、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、第２熱交換器33，43ではセンサー22の検出温
度が55〜60℃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。

【００２１】実施例２．なお、上記の実施例では、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。

【００２２】

【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。 （１）第１循環回路の循環水の流れにおいて、最下流に
位置する第１熱交換器を有する冷媒サイクル以外の冷媒
サイクルについては、その凝縮温度は従来の装置より低
くなる。従って、複数の冷媒サイクルを合わせた効率は
従来の装置よりも良くなる。 （２）第２熱交換器33, 43にて加温された温水を配管52
で密閉式タンク50に導き、これを過熱冷媒ガスと熱交換
する第１熱交換器32，42にて更に加温するようにしたの
で、従来の装置より、高効率で高い温度の給湯水が得ら
れる。

【００２３】（３）密閉式タンク50に流入する温水の温
度が所定温度以上に保つように、流量を調節するように
すると共に、もっとも高温度の温水が存在している上部
より利用側に温水を供給するようにしたので、有効に安
定して高温の給湯を行なえる。 （４）通常は、第３循環回路100 内の温水を循環させ、
自然放熱で温水温度が低下した時は、この冷めた温水を
開放タンク51に戻すと共に、第３循環回路100 には密閉
タンク50の上部の温水を供給するようにしたので、貯湯
タンク内の温度の異なる温水をかき交ぜて、供給温水温
度を低下させてしまう事と、蛇口24から死水が出る事が
同時に防止される。 （５）密閉式タンク50の温水温度をセンサー80で検出
し、この検出温度によって、ポンプ61の運転と停止を選
定するようにしたので、密閉式タンク50の温水温度の異
常上昇が防止され、この事により、密閉式タンク50の温
度の異常上昇によるトラブル等が防がれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す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動作を示
す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。

【図４】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 密閉式タンク 51 開放式タンク 52 第１配管 60 第１循環回路 70 第２循環回路 100 第３循環回路 102 第２配管 103 第３配管 104 第３循環回路の温水を開放式タンクに流入させる
手段 106 温水温度検出器

Claims (3)

【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，
   絞り装置及び第３熱交換器を順次連通した複数個の冷媒
   サイクル、密閉式タンク、この密閉式タンクの頂部より
   も底部が上にある開放式タンク、上記複数個の第１熱交
   換器と上記密閉式タンクとの間を温水が循環する第１循
   環回路、 上記開放式タンクと上記複数個の第２熱交換器との間を
   温水が循環する第２循環回路、 上記密閉タンクの下部と開放式タンクの下部とを連通す
   る第１配管、 給湯用循環ポンプの吐出側から利用側出湯口部を経由
   し、上記給湯用循環ポンプの吸入側に連通して閉回路を
   形成する第３循環回路、 上記第３循環回路と上記開放タンクの下部を連通する第
   ２配管、 上記第３循環回路と上記密閉タンクの上部を連通する第
   ３配管、 上記第３循環回路の温水温度検出器、及び上記温水温度
   検出器の検出温度が所定値以下になれば上記第３循環回
   路の温水を上記開放式タンクに流入させる手段、とを備
   えた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循環回路を構成する第１熱交換器の
   出口水温度を検出する水温検出センサーと、第１循環回
   路に設けた循環ポンプの流量を制御する流量制御手段、
   及び上記水温検出センサーの温度検出信号に基づき上記
   循環ポンプの流量を制御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。
3. 【請求項３】 密閉式タンク内の温水温度を検出する水
   温検出センサーと、このセンサーの水温検出信号に基づ
   き第１循環回路に設けた循環ポンプの運転を制御するコ
   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。