KR100563179B1 - 히트 펌프 급탕 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 저탕조에 있어서의 열손실을 저감시키는 것이다.

급수를 가열하는 히트 펌프(1)와, 히트 펌프(1)로 가열된 온수를 저류하는 저탕조(21)와, 히트 펌프(1)의 급탕구와 저탕조(21)의 정상부를 연통하는 제1 급탕관과, 저탕조의 정상부와 급탕구를 연통하는 제2 급탕관과, 급수원과 저탕조의 바닥부를 연통하는 급수관과, 저탕조(21)의 바닥부의 물을 히트 펌프(1)에 급수하는 급수 펌프(23)와, 저탕조(21)의 설정 온도 이상의 온수량을 검지하고, 그 검출치가 설정량 미만인 경우 히트 펌프(1)와 급수 펌프(23)를 가동시켜 온수량이 설정량 이상이 되도록 조정하는 온수량 조정 수단을 구비함으로써, 저탕조(21)에 있어서의 열손실을 저감시킬 수 있다.

저탕조, 히트 펌프, 급탕구, 급탕관, 급수관, 급수 펌프, 온수량 조정 수단

Description

히트 펌프 급탕 장치{HEAT PUMP HOT WATER SUPPLY DEVICE}

도1은 본 발명을 적용하여 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치의 일예를 도시하는 구성도.

도2는 도1의 물 - 냉매 열교환기의 일예를 도시하는 개략도.

도3은 도1의 욕조 열교환기의 일예로, 도3의 (a)는 측면으로부터 본 단면도, (b)는 정면으로부터 본 단면도.

도4는 본 실시 형태에 관한 급탕 장치의 설치시의 운전 동작을 나타내는 흐름도.

도5는 본 실시 형태에 관한 급탕 장치의 급탕시의 동작을 나타내는 흐름도.

도6은 본 실시 형태에 관한 급탕 장치의 욕조 자동 운전에 있어서의 온수 채움 동작을 나타내는 흐름도.

도7은 본 실시 형태에 관한 급탕 장치의 욕조 자동 운전에 있어서의 목욕물 다시 데움 동작을 나타내는 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 히트 펌프 냉매 회로

3 : 급탕 회로

5 : 운전 제어 수단

15 : 물 - 냉매 열교환기

21 : 저탕 탱크

23 : 탱크 순환 펌프

41 : 급수구

57 : 급탕구

75 : 욕조 열교환기

본 발명은 히트 펌프 급탕 장치에 관한 것으로, 특히 히트 펌프로 가열된 온수를 저장하는 저탕조를 구비한 것에 관한 것이다.

종래의 히트 펌프 급탕 장치로서는, 전력이 저렴한 야간에 히트 펌프를 가동시켜 가열된 급수를 저탕조에 가득 채워 저장해 둠으로써, 낮에 사용하는 온수를 조달하도록 되어 있다.

또한, 히트 펌프로 급수를 가열하는 경우, 외기 온도가 변화하면 히트 펌프의 운전 효율이 변화하여, 저탕조 내의 온수 온도가 변화하는 경우가 있다. 그래서, 외기 온도에 따라서 히트 펌프의 압축 능력을 조정하여, 외기 온도의 변화에 대해 온수 온도를 안정화시키는 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).

또한, 온수의 사용량은 일반적으로 외기 온도 등에 의해 변화한다. 그로 인해, 소정량의 온수를 축적해 두는 저탕(貯湯) 방식에 따르면, 예를 들어 사용량이 비교적 적은 여름철에는 온수량이 지나치게 많아지는 한편, 사용량이 많은 겨울철에는 온수량 부족이 된다. 종래의 저탕 방식에 따르면, 일단 온수 고갈을 일으키면 다시 소정량의 온수를 끓여 올리기까지 많은 시간이 필요하게 된다. 그래서, 온수 고갈을 방지하기 위해, 저탕조를 대용량화(예를 들어, 300 내지 450 L)하는 동시에, 가능한 한 고온(예를 들어, 90 ℃)으로 저류하여, 대량의 물로 묽게 하여 사용하는 것이 행해지고 있다.

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 제2001-255004호 공보

그러나, 저탕조를 대형화하면 그에 수반하여 설치 공간이 증대되고, 또한 설치 바닥면의 강도가 필요해진다. 그로 인해, 아파트나 맨션의 베란다 등 좁은 공간에 있어서는 설치가 곤란하고, 또한 장치의 반송에 많은 노동력과 비용이 든다고 하는 문제가 있다.

그래서, 히트 펌프와 저탕조를 병용하여 급탕 개시 직후는 저탕조에 저장된 온수를 이용하여 급탕하고, 그러는 동안 히트 펌프를 가동시켜 히트 펌프의 가열 능력이 안정된 시점에서, 저탕조로부터의 급탕을 정지하여 히트 펌프에 의한 직접 급탕으로 절환하는 방법을 생각할 수 있다. 이에 따르면, 저탕조에 저장하는 온수량을 대폭 저감시킬 수 있어 저탕조를 소형화할 수 있다고 하는 이점이 있다.

그러나, 이와 같이 소형화된 저탕조를 탑재한 급탕 장치에 있어서도 주위보다 높은 온도의 온수를 소정량 저장하기 때문에, 저탕조의 벽면으로부터 발산되는 열의 손실은 피할 수 없다. 그로 인해, 외기 온도에 따라서는 열손실이 증가되어, 결과적으로 에너지 손실을 초래하기 때문에 저탕조에 있어서의 열손실을 개선해야 할 여지가 있다.

본 발명은 저탕조에 있어서의 열손실을 저감시키는 것을 과제로 한다.

본 발명의 히트 펌프 급탕 장치는 급수를 가열하는 히트 펌프와, 히트 펌프로 가열된 온수를 저류하는 저탕조와, 히트 펌프의 온수 출구와 저탕조의 정상부를 연통하는 제1 급탕관과, 저탕조의 정상부와 급탕구를 연통하는 제2 급탕관과, 급수원과 저탕조의 바닥부를 연통하는 급수관과, 저탕조의 바닥부로부터 히트 펌프로 급수하는 급수 펌프와, 저탕조의 설정 온도 이상의 온수량을 검지하고, 그 검출치가 설정량 미만인 경우 히트 펌프와 급수 펌프를 가동시켜 온수량이 설정량 이상이 되도록 조정하는 온수량 조정 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 예를 들어 외기 온도 등에 따라서 저탕조 내의 온수량(저탕량)을 적량으로 설정함으로써, 지나친 저탕에 의한 열손실을 저감시킬 수 있다. 즉, 외기 온도가 높은 여름철은 온수의 사용량이 적고 저탕조 내의 온도 저하도 느리기 때문에, 저탕량을 적게 설정할 수 있다. 반대로, 외기 온도가 낮은 겨울철은 온수의 사용량이 많고 저탕조 내의 온도 저하가 빠르기 때문에, 저탕량을 많게 설정한다.

이 경우에 있어서, 제1 및 제2 급탕관을 연통시키는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 히트 펌프가 안정 동작한 후에는 히트 펌프로부터 직접 급탕이 가능해지므 로, 저탕조를 소형화해도 온수 고갈을 일으키는 일이 없다. 또한, 저탕조의 온수량을 적게 하는 대신 온수 온도를 저하시킬 수도 있으므로, 히트 펌프에 의한 가열 효율이 향상된다.

구체적으로는, 급수를 가열하는 히트 펌프와, 히트 펌프로 가열된 온수를 저류하는 저탕조와, 히트 펌프의 온수 출구와 저탕조의 정상부를 연통하는 제1 급탕관과, 제1 급탕관과 급탕구를 연통하는 제2 급탕관과, 급수원과 저탕조의 바닥부를 연통하는 급수관과, 저탕조의 바닥부로부터 히트 펌프로 급수하는 급수 펌프와, 저탕조의 설정 온도 이상의 온수량을 검지하고, 그 검출치가 설정량 미만인 경우 히트 펌프와 급수 펌프를 가동시켜 온수량이 설정량 이상이 되도록 조정하는 온수량 조정 수단과, 급탕구의 개방을 검지하여 히트 펌프를 기동시키고 히트 펌프의 가열 능력이 안정된 후에 히트 펌프에 급수를 개시하는 제어 수단을 구비하도록 한다.

또한, 온수량 조정 수단은 외기 온도와 급수 온도 중 적어도 한 쪽의 온도를 검지하고, 그 검출 온도를 기초로 하여 설정량을 가변으로 설정하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 검출 온도에 대해 최적의 온수량을 미리 정해 둠으로써, 검출 온도에 따라서 적절하게 온수량을 변경하여 최적의 온수량의 상태를 유지할 수 있다. 또 수돗물 등의 급수 온도는, 일반적으로 외기 온도와 비교하여 변동이 작고 신뢰성이 높기 때문에 보다 바람직하다.

또한, 저탕조는 그 높이 방향으로 복수의 온도 센서를 부착하고, 온도 센서가 직접 또는 간접적으로 검지한 검출 온도를 기초로 하여 설정 온도 이상의 온수량을 검지하도록 한다. 즉, 저탕조 내에는 온수와 냉수가 상하로 각각 층을 형성 하고 가득 채워져 저장되어 있으므로, 온수량의 변화에 수반하여 수량도 변화하도록 되어 있다. 그로 인해, 높이 방향의 복수 부위에서 온도를 검지함으로써, 설정 온도 이상의 온수량을 검지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 기초로 하여 설명한다. 도1은 본 발명을 적용하여 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 히트 펌프 급탕 장치는 히트 펌프 냉매 회로(1)와, 급탕 회로(3)와, 운전 제어 수단(5)을 구비하여 구성된다. 히트 펌프 냉매 회로(1)는, 2개의 냉매 회로로 이루어지는 2사이클 방식이 채용되고, 압축기(7a), 가스 쿨러(9a), 감압 장치(11a), 증발기(13a)를 차례로 직렬 접속한 제1 폐쇄 회로와, 압축기(7b), 가스 쿨러(9b), 감압 장치(11b), 증발기(13b)를 차례로 직접 접속한 제2 폐쇄 회로로 이루어지고, 각 회로에는 냉매가 봉입되어 있다.

압축기(7a, 7b)는 용량 제어가 가능해, 다량의 급탕을 행하는 경우에는 큰 용량으로 운전된다. 여기서, 압축기(7a, 7b)는 PWM 제어, 전압 제어(예를 들어, PAM 제어) 및 이들의 조합 제어에 의해 저속(예를 들어, 2000회전/분)으로부터 고속(예를 들어, 8000회전/분)까지 회전수가 제어 가능하게 되어 있다. 물 - 냉매 열교환기(15)는 냉매측 전열관과 급수측 전열관으로 이루어지고, 상기한 가스 쿨러(9a, 9b)는 각각 냉매측 전열관(9a, 9b)으로서 기능하고, 이 냉매측 전열관(9a, 9b)과 급수측 전열관(9c, 9d) 사이에서 열교환이 행해진다. 증발기(13a, 13b)는 공기와 냉매의 열교환을 행하는 공기 - 냉매 열교환기로 구성되어 있다.

서리 제거용 전자 밸브(17a, 17b)는, 전자 코일과 전자 코일 통전 중에만 개 방하는 개폐 밸브를 구비하여 구성되고, 압축기(7a, 7b)의 출구측과 증발기(13a, 13b)의 입구측을 바이패스하여 배치되고, 증발기(13a, 13b)가 서리 부착시에 개폐 밸브를 개방하여 압축기(7a, 7b)로부터 토출되는 고온 고압의 냉매 가스를 증발기(13a, 13b)로 유도하여 서리를 녹이도록 되어 있다.

급탕 회로(3)는 저탕 회로와, 직접 급탕 회로와, 탱크 급탕 회로와, 탱크 다시 데움 회로와, 목욕물 채움 회로와, 목욕물 다시 데움 회로로 구성된다. 저탕 회로 및 탱크 다시 데움 회로는, 저탕 탱크(21), 배관(25), 탱크 순환 펌프(23), 배관(27, 29), 급수측 전열관(9c 및 9d), 배관(31), 열교환측 유량 조정 밸브(33), 배관(35), 탱크측 유량 조정 밸브(37), 배관(39)을 차례로 접속하여 이루어지는 폐쇄 회로로 구성되고, 배관(25, 39)은 저탕 탱크(21)의 바닥부와 정상부에 각각 접속되어 있다. 즉, 탱크 순환 펌프(23)에 의해 강제적으로 저탕 탱크(21)의 바닥부로부터 발출된 물은 물 - 냉매 열교환기(15)로 유도되어 열교환되고 가열된 후, 다시 저탕 탱크(21)의 정상부로부터 공급되도록 되어 있다.

직접 급탕 회로는, 급수구(41)가 감압 밸브(43)를 구비한 배관(47)을 거쳐서 물 비례 밸브(45)에 접속되고, 계속해서 배관(49), 급수 역지 밸브(51), 배관(29), 급수측 전열관(9c 및 9d), 배관(31), 열교환측 유량 조정 밸브(33), 배관(35, 53, 55), 급탕구(57)의 순으로 직렬 접속되어 구성된다. 이에 의해, 급수구로부터 유입된 급수가 물 - 냉매 열교환기(15)로 유도되어 열교환되고 가열된 후에, 급탕구로부터 급탕되도록 되어 있다.

탱크 급탕 회로는 급수구(41)가 감압 밸브(43)를 구비한 배관(47)을 거쳐서 물 비례 밸브(45)에 접속되고, 계속해서 배관(49), 저탕 탱크(21), 배관(39), 탱크측 유량 조정 밸브(37), 배관(53, 55), 급탕구(57)의 순으로 직렬 접속되어 구성된다. 즉, 저탕 탱크(21) 내에는 온수가 가득히 채워져 있으므로, 소정의 수압을 갖는 급수가 저탕 탱크(21)의 바닥부로부터 저탕 탱크(21) 내로 도입되면, 저탕 탱크(21) 내의 압력 상승에 수반하여 저탕 탱크(21)의 정상부로부터 온수가 배출되고 급탕구(57)로부터 급탕되도록 되어 있다. 본 회로에 있어서, 저탕 탱크(21)로부터 급탕할 때에 사용되는 배관(39)은, 저탕 회로에 있어서 저탕 탱크(21)에 저탕할 때에도 공통적으로 사용되지만, 예를 들어 배관(39)을 2개로 분리시켜 배관끼리 연통시키도록 해도 좋다.

목욕물 채움 회로는 급수구(41)가 감압 밸브(43)를 구비한 배관(47)을 거쳐서 물 비례 밸브(45)에 접속되고, 계속해서 배관(49), 급수 역지 밸브(51), 배관(29), 급수측 전열관(9c 및 9d), 배관(31), 열교환측 유량 조정 밸브(33), 배관(35, 53), 온수 주입 전자 밸브(56), 배관(58), 목욕물 양 센서(59), 배관(61), 목욕물 급탕 부재(63), 욕조(65)의 순으로 직렬 접속되어 구성된다. 이에 의해, 급수구로부터 유입된 급수가 물 - 냉매 열교환기(15)로 유도되어 열교환되고 가열된 후에, 욕조 내로 급탕되도록 되어 있다. 또한, 목욕물 채움시에는 목욕물 채움 회로에 의한 직접 급탕과 함께, 저탕 탱크(21)의 저탕량이 미리 설정된 최소 저탕량 미만이 되지 않는 범위에서, 저탕 탱크(21)에 의한 급탕을 행할 수 있다.

목욕물 다시 데움 회로는 욕조(65)의 물 접속구가 목욕물 출탕 부재(67)를 구비한 배관(69)을 거쳐서 목욕물 순환 펌프(71)에 접속되고, 계속해서 배관(73), 목욕물 전열관(77), 배관(81, 61), 목욕 급탕 부재(63), 욕조(65)의 순으로 직렬 접속되어 구성된다. 즉, 목욕물 다시 데움 회로는 목욕물 순환 펌프(71)가 욕조(65) 내의 온수를 강제적으로 발출한 후, 목욕물 열교환기(75)를 거쳐서 다시 욕조(65) 내로 복귀하도록 되어 있다. 또, 목욕물 열교환기(75)는 물 - 냉매 열교환기(15)에 의해 가열된 온수의 일부를 온수 전열관(79)으로 유도하여, 목욕물 전열관(77) 사이에서 열교환하도록 되어 있다.

목욕물 열교환기(75)에 있어서의 온수 전열관(79)의 급수구는, 물 - 냉매 열교환기(15)의 급탕구와 배관(31, 35, 83)을 거쳐서 접속되고, 배관(83)은 물 개폐 밸브(85)를 구비하고 있다. 물 개폐 밸브(85)는 목욕물을 다시 데울 때 이외에는 폐쇄됨으로써, 물 - 냉매 열교환기(15)로부터 목욕물 열교환기(75)로의 열의 누설을 방지하도록 하고 있다. 또한, 배관(81)과 배관(73)을 걸쳐 이루어지는 배관(87)에는, 목욕물 역지 밸브(89)가 설치되고, 목욕물 급탕시에 목욕물 순환 펌프(71)에 출수를 공급하도록 되어 있다. 또한, 저탕 탱크(21)의 급수측의 배관(39)을 분기시켜 이루어지는 배관(91)은, 릴리프 밸브(93)를 설치함으로써 저탕 탱크(21) 내의 온수압이 소정 이상으로 상승한 경우에 작동하여 압력 보호를 행하도록 되어 있다.

저탕 탱크(21)는 원통형으로 세로로 길게 형성된 소용량의 탱크로 구성되고, 종래의 저탕 방식에 있어서의 저탕 탱크와 비교하여 1/3 내지 1/5 정도의 소용량의 것이다. 이 저탕 탱크(21) 내에는, 물과 온수가 비중 차에 의해 상하로 분리되어 저장되어 있다. 즉, 탱크의 하층에는 급수된 물이 저장되고, 상층에는 하층의 물 을 가열하여 이루어지는 온수가 저장되어 있다. 저탕 탱크(21) 내에는 높이 방향으로 복수의 온도 검지 서미스터 등이 부착되고, 저탕 탱크(21) 내의 온도 분포를 직접 또는 간접적으로 검지하여 설정 온도 이상의 저탕량을 검출하도록 되어 있다. 여기서, 온도 검지 서미스터는 저탕 탱크(21) 내에 배치하여 직접적으로 온도를 검지하도록 해도 좋지만, 조립성 및 서비스성의 점에서 측벽의 외측에 배치하여 간접적으로 온도를 검지하도록 해도 좋다.

운전 제어 수단(5)은 각부의 온도 상태를 검출하는 온도 센서, 압축기(7a, 7b)의 토출 압력을 검지하는 압력 센서, 욕조(65) 내의 수위를 검출하는 수위 센서 등으로부터 검출 신호를 수취하고, 이들 신호를 기초로 하여 각 기기를 제어하고 있다. 예를 들어, 싱크대 리모콘(101) 및 욕조 리모콘(103)의 조작 설정에 의해 히트 펌프 냉매 회로(1)의 운전 정지 및 압축기(7a, 7b)의 회전수 제어 등을 행하는 동시에, 탱크 순환 펌프(23) 및 목욕물 순환 펌프(71) 등의 운전 정지, 물 비례 밸브(45), 열교환측 유량 조정 밸브(33), 탱크측 유량 조정 밸브(37), 온수 주입 전자 밸브(56), 물 개폐 밸브(85) 등을 주지의 방법으로 제어함으로써, 탱크 저탕 운전, 직접 급탕 운전, 탱크 급탕 운전, 탱크 다시 데움 운전, 목욕물 채움 운전, 목욕물 다시 데움 운전을 각각 절환 제어하고 있다. 또 운전 제어 수단(5)은, 히트 펌프 냉매 회로(1)의 운전 개시 직후에는 가열 시작 시간을 빠르게 하기 위해, 압축기(7a, 7b)의 회전수를 소정의 고속 회전수로 운전 제어하도록 되어 있다.

또한, 운전 제어 수단(5)은 탱크 급탕 운전 후에는 탱크 저탕 운전을 행하고, 저탕 탱크(21) 내의 저탕량을 설정량 이상으로 저장한 후 운전을 정지하도록 매회 저탕 운전 기능을 구비하고 있다. 즉, 상술한 방법에 의해 저탕 탱크(21) 내에 있어서의 설정 온도 이상의 저탕량을 검출하여, 그 저탕량이 설정량 미만인 경우 히트 펌프 냉매 회로(1)와 탱크 순환 펌프(23)를 가동시켜 저탕 탱크(21)의 바닥부로부터 발출한 물을 열교환한 후 정상부로 복귀시킴으로써, 저탕량을 설정량 이상으로 조정하도록 하고 있다.

이 경우에 있어서, 저탕량의 설정량은 외기 온도와 급수 온도 중 적어도 한 쪽의 온도를 검지하고, 그 검출 온도를 기초로 하여 가변으로 설정하도록 한다. 예를 들어, 외기 온도가 높은 여름철은 저탕량을 줄이고, 외기 온도가 낮은 겨울철은 저탕량을 늘리도록 한다. 즉, 외기 온도 등의 검출치를 미리 기억된 함수 등으로 연산 처리함으로써 최적의 온수량이 설정되고, 그 결과 저탕 탱크(21) 내에는 사용 조건에 대해 과부족이 없는 필요 최소한의 온수량이 저장된다. 또한, 온수의 설정량은 상기의 방법 대신에, 예를 들어 여름은 50 L, 봄, 가을은 70 L, 겨울은 100 L로 하는 바와 같이 계절에 따라서 몇 단계로 제어하도록 해도 좋다. 또, 필요 온수량을 기억 및 학습하여 제어해도 좋다.

도2는, 본 실시 형태에 있어서의 물 - 냉매 열교환기(15)의 일예를 도시하는 개략도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 물 - 냉매 열교환기(15)는 목욕물 열교환기(75)를 분리한 급탕 전용의 열교환기로, 2개의 냉매 전열관(9a, 9b)과 2개의 급수 전열관(2c, 2d)으로 이루어지고, 냉매 전열관(9a, 9b)과 급수 전열관(9e, 9f)을 번갈아 접촉시켜 원통형으로 감아 올린 구조로 되어 있다. 또, 도시하지 않지만 본 실시 형태에 있어서는 원통형의 저탕 탱크(21)의 외주벽에, 물 - 냉매 열교환기 (15)를 권취하거나 또는 동심원 형상으로 배치해도 좋다. 이에 따르면, 저탕 탱크(21)로부터의 방열을 억제하여 열손실을 저감시킬 수 있다. 또, 본 실시 형태의 급수 전열관은 내부 압력 손실을 적게 하기 위해 2개로 분기시키고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도3은 본 실시 형태에 있어서의 목욕물 열교환기(75)의 일예를 도시한 개략도로, 도3의 (a)는 측면으로부터 본 단면도를 도시하고, 도3의 (b)는 정면으로부터 본 단면도를 도시한다. 도면에 도시한 바와 같이, 목욕물 열교환기(75)는 구리관으로 이루어지는 온수 전열관(79)의 내부에 공중 단면이 다른 형상인 목욕물 전열관(77)을 삽입한 2중관 구조를 갖고, 온수 전열관(79)의 양단부측을 교축하여 목욕물 전열관(77)의 양단부에 형성되는 직경이 작은 관(77a, 77b)을 외주측으로부터 각각 기밀하게 접합하여 형성된다. 물 - 냉매 열교환기(15)에 의해 가열된 온수는, 온수 전열관(79)의 일단부의 측벽을 뚫어 설치시켜 형성되는 온수 배관(79a)을 거쳐서 내부로 유도되고, 온수 배관(79)과 목욕물 전열관(77)과의 간극의 공간을 통해 타단부의 측벽에 형성되는 온수 배관(79b)을 거쳐서 외부로 유출되는 한편, 목욕물은 일단부의 직경이 작은 관(77a)을 거쳐서 목욕물 전열관(77) 내로 유도되고, 타단부의 직경이 작은 관(77b)을 거쳐서 외부로 유출되도록 되어 있다. 또, 목욕물 전열관(77)은 온수와의 접촉 면적을 크게 취하기 위해, 단면 원주를 요철 형상, 별 형상, 또는 다엽관(多葉管) 등으로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여 2중관 구조를 취함으로써, 목욕물 전열관(77)은 전체 외주에서 전열되어 콤팩트하고 전열성이 좋은 목욕물 열교환기(75)를 얻을 수 있다.

즉, 종래의 목욕물 다시 데움용 열교환기는 히트 펌프의 냉매 전열관과 목욕물 전열관으로 열교환을 행하기 위해, 만일 내측관이 파손된 경우 고압 냉매가 물 회로에 침입하여 세면 급탕수나 싱크대 급탕수를 오염시킬 우려가 있다. 이로 인해, 2중관 구조는 채용되지 않고, 냉매관과 물 배관을 각각 독립시킨 배관 구조로 할 필요가 있었다. 이에 대해, 본 실시 형태에 따르면 목욕물 열교환기(20)를 물 - 냉매 열교환기(15)로부터 분리하여 가열 순환수와 열교환하는 구조로 하고 있으므로, 2중관 구조를 취할 수 있다.

이상과 같은 구성에 의해, 본 실시 형태의 히트 펌프 급탕 장치는 급탕이 개시되면, 우선 탱크 저탕 운전에 의해 설정량의 온수가 저류된 저탕 탱크(21)로부터 급탕을 행하고, 이와 동시에 히트 펌프를 가동시켜 히트 펌프 냉매 회로(1)의 가열 능력이 안정된 시점에서, 직접 급탕 운전으로 절환하여 물 - 냉매 열교환기(15)에서 끓인 물을 직접 급탕구로부터 급탕하도록 제어하는 것이다. 또한, 필요하면 욕조(65)의 온수를 2중관 구조의 목욕물 열교환기(75)로 다시 데우도록 하고 있다.

다음에, 본 실시 형태의 히트 펌프 급탕 장치의 동작에 대해 설명한다. 처음에, 본 장치의 설치시에 있어서의 운전 동작을 도4의 흐름도를 이용하여 설명한다.

우선, 스텝 S101에서 히트 펌프 급탕 장치를 제조 장소로부터 운반하여 사용되는 설치 장소에 설치한다. 그리고, 스텝 S102에서 급수구(41)의 급수 부재가 수도 등의 급수원에 접속되어, 릴리프 밸브(93)를 개방으로 한 후 마개가 개방되면 급수원으로부터 급수가 개시되고, 물은 감압 밸브(43)에 의해 일정 압력으로 감압 조정된 후 저탕 탱크(21) 및 물 - 냉매 열교환기(15) 및 각 배관 내로 유입된다. 또한, 이와 동시에 급탕 장치의 물 사이클 내의 공기가 릴리프 밸브로부터 대기 중으로 추출된다. 이 경우에 있어서, 히트 펌프 급탕 장치의 설치시의 각 기기는 다음의 초기 상태로 설정되어 있다. 즉, 물 비례 밸브(45)는 저탕 탱크(21)측이 개방, 급탕구(57)측이 폐쇄, 열교환측 유량 조정 밸브(33), 탱크측 유량 조정 밸브(37), 물 개폐 밸브(85)는 모두 개방, 온수 주입 전자 밸브(56)는 폐쇄 상태로 되어 있다.

급탕 장치의 물 사이클 내가 모두 물로 채워져, 릴리프 밸브(93)로부터 물이 유출되기 시작하면, 스텝 S103에서 급수가 완료된 것이라 판정되어 릴리프 밸브(93)가 폐쇄된다. 계속해서, 스텝 S104에서는 장치의 전원 스위치가 투입되고, 운전 제어 수단(5)의 제어에 의해 히트 펌프 냉매 회로(1) 및 급탕 회로(3)의 운전이 개시되어 탱크 저탕 운전이 행해진다. 즉, 히트 펌프 냉매 회로(1)에 있어서는 압축기(7a, 7b)의 운전이 개시되어 압축기(7a, 7b) 내의 가스형 냉매가 압축 가열되고, 고온 고압의 냉매가 되어 물 - 냉매 열교환기(15)로 이송된다. 이에 의해, 물 - 냉매 열교환기(15)에서는 냉매측 전열관(9a, 9b) 내를 흐르는 고온 냉매와 급수측 전열관(9c, 9d) 내를 흐르는 급수가 열교환되어, 냉매는 방열되고 물은 가열된다. 방열된 냉매는 감압 장치(11a, 11b)에서 감압되고, 계속해서 증발기(13a, 13b)에서 팽창 증발하여 가스 상태가 되어 다시 압축기(7a, 7b)로 복귀한다.

한편, 탱크 순환 펌프(23)의 운전이 개시되면, 저탕 탱크(21)의 바닥부로부터 강제적으로 발출된 물은 탱크 순환 펌프(23), 물 - 냉매 열교환기(15), 열교환 측 유량 조정 밸브(33), 탱크측 유량 조정 밸브(37)를 차례로 경유하여 저탕 탱크(21)의 정상부로 복귀된다. 이에 의해, 물 - 냉매 열교환기(15)에 의해 가열된 온수가 저탕 탱크(21)의 상부로 점차 저탕되고, 저탕 탱크(21)의 높이 방향에 복수 부착된 온도 검지 서미스터(110) 중, 저탕 탱크(21)가 높은 위치에 부착된 것으로부터 차례로 설정 온도 이상의 온도를 검지하여 저탕량을 검지한다.

스텝 S105에 있어서, 저탕량이 설정량에 도달하여 저탕 완료라 판정되면, 스텝 S106으로 진행하여 운전을 정지한다. 또한, 저탕량은 온도 검지 서미스터(110)로 검지한 고온수의 탱크 높이 위치를 알면, 저탕 탱크의 내경 치수에 의해 용이하게 판정할 수 있다. 또, 저탕량의 검출 방법은 온도 검지 서미스터(11O)에 한정되지 않고, 예를 들어 저탕 회로 중에 유량 센서 등을 설치하여 유량을 직접 측정해도 좋다. 또한, 온도 검지 서미스터의 설치수를 증가시켜 계절 외에 낮, 밤의 시간대도 포함하여 저탕량을 상세하게 설정해도 좋다.

다음에, 급탕시의 동작을 도5의 흐름도를 이용하여 설명한다. 스텝 S111에서 급탕구(41)의 수도꼭지가 개방되어 온수가 급탕되면, 스텝 S112와 S113으로 진행하여 직접 급탕 운전 및 탱크 급탕 운전이 동시에 개시된다. 즉, 직접 급탕 운전에서는 운전 제어 수단(5)에 의해 압축기(7a, 7b)를 기동시켜 히트 펌프 회로(1)의 운전을 개시시키는 동시에, 직접 급탕 회로에 물을 흐르게 하여 열교환하도록 한다. 한편, 탱크 급탕 운전에서는 탱크 급탕 회로에 물을 흐르게 하여 저탕 탱크(21) 내의 온수를 급탕하도록 한다.

여기서, 히트 펌프 냉매 회로(1)는 압축기(7a, 7b)에서 압축된 고온 냉매를 물 - 냉매 열교환기(15)로 송입하여, 시간의 경과와 함께 급수 배관(9c, 9d)을 흐르는 물의 가열 능력이 증가되지만, 운전 개시시에는 물 - 냉매 열교환기(15)로 송입되어 오는 냉매가 충분한 고온 고압에 이르지 않고, 또한 물 - 냉매 열교환기(15) 전체가 식어 있으므로 물을 가열하는 가열 능력이 충분하지 않다.

그래서, 운전 개시 직후의 소정 시간(약 1 내지 2분 정도)은 저탕 탱크(21)로부터 온수를 공급하는 탱크 급탕 운전을 행하고, 스텝 S114에 있어서 운전 제어 수단(5)이 히트 펌프 냉매 회로(1)의 가열 능력이 안정되었는지 여부를 검지하여, 탱크 급탕 운전의 계속 또는 정지를 판정한다. 여기서 운전 정지 판정이 된 경우, 스텝 S115로 진행하여 탱크 급탕 운전이 정지되어 직접 급탕 운전으로만 절환된다. 히트 펌프 냉매 회로(1)의 가열 능력을 판정하는 방법으로서는, 스텝 S116에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 물 - 냉매 열교환기(15) 내의 급수측 전열관(9c, 9d)으로부터 유출되는 온수의 온도를 검지하는 온도 검지 서미스터(112) 또는 전열관으로부터 유출되는 온수의 유량을 검지하는 유량 센서(114) 등에 의해 검지된 검출치가 소정치 이상인지 여부를 판정하여, 소정 이상이면 가열 능력이 안정된 것이라 판단하도록 한다.

이와 같이, 운전 개시시는 저탕 탱크(21)로부터 과도적으로 급탕하고, 그 후에는 물 - 냉매 열교환기(15)에 의해 가열된 온수를 직접 급탕하는 2계통의 급탕 방식을 채용하고 있으므로, 운전 개시시의 가열 지연이 해소되는 동시에, 저탕 탱크(21)의 용량을 매우 작게 할 수 있다. 또, 운전 제어 수단(5)은 저탕 탱크(21)의 온수 잔류량이 소정치 이하가 되었을 때에는, 탱크 급탕 운전을 정지시키고 직 접 급탕 운전으로만 운전하도록 되어 있다.

급탕이 종료되어 급탕구(57)의 수도꼭지가 폐쇄되면, 급탕 직후에 탱크 급탕 운전과 직접 급탕 운전이 행해지고 있는 경우에는, 스텝 S115 및 스텝 S117에 의해 탱크 급탕 운전과 직접 급탕 운전의 양방을 정지하고, 탱크 급탕 운전이 정지되어 직접 급탕 운전뿐이면 스텝 S117에서 직접 급탕 운전을 정지한다.

다음에, 운전 제어 수단(5)은 탱크 급탕 운전과 직접 급탕 운전을 정지시킨 후, 스텝 S118에 있어서 탱크 저탕 운전을 개시한다. 즉, 저탕 탱크(21)에 복수 배치되는 온도 검지 서미스터(110)에 의해 설정 온도 이상의 저탕량을 검지하여 스텝 S119에서 저탕량을 판정한다. 여기서, 저탕량이 설정량 이상인 경우 스텝 S120으로 진행하여 운전을 종료한다. 한편, 설정량 미만인 경우 히트 펌프 냉매 회로(1) 외에 탱크 순환 펌프(23)를 가동시켜, 저탕량이 설정량 이상이 되도록 유량 조정한다. 또, 급탕이 정지된 후라도 매우 단시간 사용으로 인해, 저탕 탱크(21) 내의 온수 온도 및 온수량이 미리 설정된 값과 거의 동등한 경우에는, 저탕 완료 상태라 판정하여 탱크 저탕 운전을 행하지 않도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 운전 제어 수단(5)은 어떠한 운전에 있어서도 그 운전이 종료된 후, 외기 온도나 급수 온도 등에 따라서 설정된 설정량의 저탕량에 도달할 때까지, 탱크 저탕 운전을 행하는 매회 온수 운전의 기능을 구비하고 있다. 그로 인해, 저탕 탱크(21) 내에는 항상 설정 온도 및 설정량의 온수가 저장되어 운전 개시시의 온수 온도 저하를 해소하는 동시에, 지나친 저탕에 의한 열손실이 저감된다. 또한, 필요 이상으로 고온의 온수를 저류시켜 둘 필요가 없으므로, 히트 펌프의 에너지 효율이 향상된다.

또한, 히트 펌프 운전의 가열 능력이 고온 안정 상태에 도달하기까지의 시간은, 통상 약 5 내지 6분 걸리기 때문에, 그 때까지의 동안 저탕 탱크(21) 내의 온수량으로 전부를 조달할 필요가 있다. 그러나, 본 실시 형태에 따르면 2개의 히트 펌프 냉매 회로(1)를 병설시킨 2사이클 방식을 채용하고 있기 때문에 가열 능력이 배로 증가되고, 또한 압축기의 회전수를 통상보다 고속 회전으로 운전 제어함으로써, 운전 개시 직후부터 고온 안정 상태에 도달하기까지의 소정 시간을 약 1 내지 2분으로 단축할 수 있다. 이에 의해, 히트 펌프 방식에 의한 직접 급탕이 실현 가능해져, 저탕 탱크(21)를 한층 소형화할 수 있다.

다음에, 목욕물 자동 운전에 있어서의 온수 채움 동작을 도6의 흐름도를 이용하여 설명한다. 또, 도5와 동일한 조작에 대해서는 설명을 간략화한다. 우선, 스텝 S121에서, 목욕물 자동 버튼을 누르면 타이머(121)가 시간 측정을 개시한다. 계속해서 스텝 S123에서 세트 시간이 온 것을 판정하면, 스텝 S124와 S125로 진행하여 목욕물 급탕 운전과 탱크 급탕 운전이 동시에 행해진다. 목욕물 급탕 운전은, 상술한 직접 급탕 운전에 의해 욕조 내에 급탕한다. 즉, 히트 펌프 운전 개시 직후 1 내지 2분간은 목욕물 급탕 운전과 탱크 급탕 운전을 동시에 행하고, 그러는 동안 온도 검지 서미스터(112) 및 유량 센서(114)에 의해 목욕물 급탕량 및 급탕 온도가 검지된다. 그리고, 스텝 S127에서 탱크 급탕 운전의 정지가 판정되어 스텝 S129에서 탱크 급탕 운전이 정지되면, 목욕물 급탕 운전만의 운전이 된다. 목욕물 급탕 운전 중에는, 목욕물 급탕 온도와 욕조 내 온수량이 연속적 또는 정기적으로 검지되어, 운전 제어 수단(5)에 의해 이하의 제어가 행해진다.

우선, 히트 펌프 냉매 회로(1)는 스텝 S131에서 압축기(7a, 7b)의 회전수 및 급수 유량을 제어하고, 계속해서 스텝 S133에서 목욕물 급탕 온도가 설정 온도의 범위 내인지 여부를 판정한다. 그리고, 설정 온도의 범위 내에 있는 경우에는 스텝 S135로 진행하고, 범위 밖인 경우는 범위 내가 되도록 스텝 S131의 제어를 반복한다. 계속해서, 스텝 S135에서는 욕조(65) 내의 온수 온도 및 온수량을 각각 온도 검지 서미스터(126) 및 수위 센서(127)로 검지하여, 그 검출치를 기초로 하여 판정한다. 온수 온도 및 온수량이 설정량에 도달한 경우에는, 스텝 S137로 진행하여 목욕물 급탕 운전이 정지되고, 설정량에 채워지지 않은 경우에는 급탕이 계속된다.

다음에, 목욕물 자동 운전에 있어서의 목욕물 다시 데움 동작을 도7의 흐름도를 이용하여 설명한다. 우선, 스텝 S141에서 목욕물 자동 버튼을 누르면 욕조(65) 내의 온수 온도 및 온수량을 온도 검지 서미스터(126) 및 수위 센서(127)로 검지하고, 계속해서 스텝 S143에서 검지된 온수 온도 및 온수량이 각각 설정치의 범위 내인지 여부를 판정한다. 그리고, 이들의 검출치가 설정치의 범위 내에 있는 경우에는, 스텝 S153으로 진행하여 목욕물 다시 데움 운전을 생략하고, 범위 밖인 경우는 스텝 S145로 진행하여 목욕물 다시 데움 운전을 개시한다.

목욕물 다시 데움 운전 중에는, 목욕물 급탕 온도와 욕조 내 온수량이 연속적 또는 정기적으로 검지되고, 이들의 검출치를 기초로 하여 스텝 S147에 있어서 압축기(7a, 7b)의 회전수 및 급수 유량이 제어된다. 그리고, 도6과 마찬가지로 스 텝 S149 및 S151에서 목욕물 급탕 온도, 욕조(65) 내의 온수 온도 및 온수량을 판정하고, 설정치의 범위 내이면 스텝 S153으로 진행하여 목욕물 다시 데움 운전을 정지한다.

이상 설명한 바와 같이, 저탕 탱크(21)의 저탕량을 외기 온도나 급수 온도 등의 외적 조건에 따라서 적절하게 가변으로 설정함으로써 저탕량이 저감되고, 또한 저탕 온도가 저하한다. 그 결과, 저탕 탱크로부터의 방열 손실을 저감하여, 에너지 절약을 도모할 수 있다.

또한, 급탕 회로를 탱크 급탕 및 직접 급탕의 2계통 설치함으로써, 단독 회로 및 2회로 동시 운전의 합계 3 가지의 급탕 회로를 갖고, 이에 의해 급탕기 이용의 다양화를 도모할 수 있다. 즉, 통상은 직접 급탕 운전만의 에너지 절약 운전을 행하고, 겨울철이나 샤워 사용 등으로 급탕 사용량이 많은 경우에는 직접 급탕 회로와 탱크 급탕 회로를 동시에 사용하여 대응할 수 있다. 그로 인해, 소용량의 저탕 탱크로 큰 기능을 가질 수 있다.

또한, 직접 급탕을 행하기 위해서는, 히트 펌프 전체를 대용량화해야만 해 많은 문제점을 갖고 있지만, 본 실시 형태에서는 냉매 회로를 병설시키고 있으므로 종래 부품을 그대로 이용할 수 있고, 또한 만일 1대가 고장나도 나머지 회로에서 급탕을 보충할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 히트 펌프 운전 개시 직후에 저탕 탱크의 온수를 사용하는 직접 급탕 방식에 있어서 많은 효과를 갖지만, 저탕 탱크에 저장하는 온수로 모든 급탕분을 조달하는 종래의 탱크 저탕 방식에 있어서도 동일한 효과를 얻 을 수 있는 것은 물론이다.

본 발명에 따르면, 저탕조에 있어서의 열손실을 저감시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 급수를 가열하는 히트 펌프와, 상기 히트 펌프로 가열된 온수를 저류하는 저탕조와, 상기 히트 펌프의 온수 출구와 상기 저탕조의 정상부를 연통하는 제1 급탕관과, 상기 저탕조의 정상부와 급탕구를 연통하는 제2 급탕관과, 급수원과 상기 저탕조의 바닥부를 연통하는 급수관과, 상기 저탕조의 바닥부로부터 상기 히트 펌프에 급수하는 급수 펌프와, 상기 저탕조의 설정 온도 이상의 온수량을 검지하고, 그 검출치가 설정량 미만인 경우 상기 히트 펌프와 상기 급수 펌프를 가동시켜 상기 온수량이 설정량 이상이 되도록 조정하는 온수량 조정 수단을 구비하여 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 급탕관을 연통시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕 장치.
3. 급수를 가열하는 히트 펌프와, 상기 히트 펌프로 가열된 온수를 저류하는 저탕조와, 상기 히트 펌프의 온수 출구와 상기 저탕조의 정상부를 연통하는 제1 급탕관과, 상기 제1 급탕관과 급탕구를 연통하는 제2 급탕관과, 급수원과 상기 저탕조의 바닥부를 연통하는 급수관과, 상기 저탕조의 바닥부로부터 상기 히트 펌프에 급수하는 급수 펌프와, 상기 저탕조의 설정 온도 이상의 온수량을 검지하고, 그 검출치가 설정량 미만인 경우 상기 히트 펌프와 상기 급수 펌프를 가동시켜 상기 온수 량이 설정량 이상이 되도록 조정하는 온수량 조정 수단과, 상기 급탕구의 개방을 검지하고 상기 히트 펌프를 기동시켜 상기 히트 펌프의 가열 능력이 안정된 후에 상기 히트 펌프에 급수를 개시하는 제어 수단을 구비하여 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온수량 조정 수단은 외기 온도와 급수 온도 중 적어도 한 쪽의 온도를 검지하고, 그 검출 온도를 기초로 하여 상기 설정량을 가변으로 설정하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프 급탕 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저탕조는 상기 저탕조의 높이 방향으로 복수의 온도 센서를 부착하고, 상기 온도 센서가 검지한 검출 온도를 기초로 하여 상기 설정 온도 이상의 온수량을 검지하여 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트 펌프는 복수 병렬로 설치되어 이루어지는 히트 펌프 급탕 장치.

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