JP2005147583A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風呂追いだき時に外部熱交換器で熱交換され、貯湯タンクに戻される湯の温度を低くでき、しかも省スペース化が実現できるヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機１１によって高圧側では臨界圧を越える状態で運転するヒートポンプ回路１０と、貯湯タンク２２の下部の水を放熱器１２で加熱した後に貯湯タンク２２の上部に戻す貯湯回路と、貯湯タンク２２の温水を外部熱交換器２３で熱交換し、冷却された温水を貯湯タンク２２に戻す一次側送水回路と、浴槽３１内の水を外部熱交換器２３で熱交換し、加熱された温水を浴槽３１内に戻す二次側送水回路とを備える。外部熱交換器２３はプレート式熱交換器４１で構成されており、外部熱交換器２３に導入する温水を貯湯タンク２の上部の水導出口２２１から導出させ、外部熱交換器２３で冷却された温水を貯湯タンク２２の下部の水導出口２２４からヒートポンプ回路１０に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続し、冷媒として二酸化炭素を用い、圧縮機によって高圧側では臨界圧を越える状態で運転するヒートポンプサイクルを利用したヒートポンプ給湯装置に関する。

従来から、ヒートポンプサイクルを利用した給湯装置は種々提案されており、例えば、ヒートポンプサイクルを利用した熱交換器で加熱した温水を貯湯タンクに貯留し、この貯留した温水と浴槽保温のための保温回路を流通する温水とを熱交換する外部熱交換器を有する給湯装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−２６３８１２号公報（請求項１および図１）

しかし、従来のヒートポンプ給湯装置においては、貯湯タンクの底部の水を湯沸かし用送水ポンプで熱交換器へ送水し、熱交換器で熱交換を行った後、加熱された湯を貯湯タンクの上部に戻す湯沸かし運転を行う際に、貯湯タンクの底部の温度が例えば５０℃程度のいわゆる中温水の場合には、ヒートポンプサイクルの蒸発器において外気から熱を吸熱しにくくなり、いわゆるＣＯＰ（冷却能力と圧縮機の出力比）が低下するといった背景の中で、風呂追いだきを実施するために貯湯タンクの上部から高温の湯をくみ出して外部熱交換器で熱交換した後、冷却された湯を貯湯タンクの底部に戻す際に、外部熱交換器の能力が低く、十分熱交換されないで中温の湯がタンク底部に戻され、湯沸かし運転時のヒートポンプ回路のＣＯＰが低くなることがあった。特に、二酸化炭素冷媒の場合は圧縮機の運転によって高圧側の圧力が機器の運転に支障を及ぼす程度まで上昇してしまうこともあった。
また、このような状況を避けるために、熱交換能力の高い大きな外部熱交換器を用意する必要があった。

本発明はこのような課題を解決するもので、風呂追いだき時に外部熱交換器で熱交換され貯湯タンクに戻される湯の温度を低くすることができ、しかも省スペース化が実現できるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
また、外部熱交換器を小型軽量にするとともに、外部熱交換器の設置作業を簡単にしたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器とを有し、冷媒として二酸化炭素を用い、前記圧縮機によって高圧側では臨界圧を越える状態で運転するヒートポンプ回路と、貯湯タンクの下部の水を前記放熱器で加熱した後に前記貯湯タンクの上部に戻す貯湯回路と、前記貯湯タンクの温水を外部熱交換器に導入して前記外部熱交換器で冷却された温水を前記貯湯タンクに戻す一次側送水回路と、浴槽内の水を前記外部熱交換器に導入して前記外部熱交換器で加熱された温水を前記浴槽内に戻す二次側送水回路とを備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記外部熱交換器としてプレート式熱交換器を用い、前記外部熱交換器に導入する温水を前記貯湯タンクの上部から導出させ、前記外部熱交換器で冷却された温水を前記貯湯タンクの下部から導入することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記プレート式熱交換器を、前記一次側送水回路の送水方向を上部から下部に流し、前記二次側送水回路の送水方向を下部から上部に流すように配置したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記二次側送水回路中に送水ポンプを設け、前記送水ポンプを前記プレート式熱交換器の上流側に配設したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１、２または３に記載のヒートポンプ給湯装置において、前記貯湯タンクの側面に熱交受けを設け、前記プレート式熱交換器を前記熱交受けに取り付けることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置において、前記プレート式熱交換器の表面に上下方向を示す表示部を設け、前記プレート式熱交換器を断熱材で覆い、前記断熱材に扉又は開口を設け、前記扉又は前記開口を前記表示部の位置に対応させたことを特徴とする。

本発明によれば、貯湯タンク内に相当量の熱量が蓄積された状態で風呂追いだきを行った場合でも、貯湯タンクの下部を低温状態に保つことができるので、放熱器に導入される温水温度を低い状態とすることができ、ヒートポンプ回路を高いＣＯＰで運転させることができる。
また、外部熱交換器が小型化でき、設置スペースの省スペース化が可能となる。
また、一次側送水回路の高温水を上部から供給して二次側送水回路の低温水を下部から供給することにより、プレート式熱交換器の上部を、より高温の状態として熱交換効率を高めることができ、一方下部をより低温の状態として、貯湯タンクに戻す温水をより低温にすることができる。
また、送水ポンプをプレート式熱交換器の上流側に配設したことで、浴槽からの異物がプレート式熱交換器に詰まることを少なくすることができる。
また、熱交換器の設置作業を簡単にするとともに、プレート式熱交換器の上下方向を間違うことなく設置することができるので、タンクユニットの組立性を高めることができる。

本発明の第１のまたはだい２実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、貯湯タンクとして積層式貯湯タンクを用い、風呂追いだき用の外部熱交換器としてプレート式熱交換器を用い、外部熱交換器に導入する温水を貯湯タンクの上部から導出させ、外部熱交換器で冷却された温水を貯湯タンクの下部から導入するものである。本実施の形態によれば、貯湯タンクとして積層式貯湯タンクを用いるとともに、熱交換量の高いプレート式熱交換器を用い、このプレート式熱交換器で十分熱交換をし、冷却された温水を貯湯タンクの下部に戻すことで、貯湯タンク内に相当量の熱量が蓄積された状態でも、貯湯タンクの下部を低温状態に保つことができる。従って、ヒートポンプ回路の放熱器に導入される温水温度を低い状態とすることができ、ヒートポンプ回路を高いＣＯＰ（効率）で運転させることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、プレート式熱交換器を、一次側送水回路の送水方向を上部から下部に流し、二次側送水回路の送水方向を下部から上部に流すように配置したものである。本実施の形態によれば、一次側送水回路の高温水を上部から供給して二次側送水回路の低温水を下部から供給するとともに、熱は上方に伝わりやすいため、プレート式熱交換器の上部を、より高温の状態として熱交換量を高めることができ、一方下部をより低温の状態として、貯湯タンクに戻す温水をより低温にすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、二次側送水回路中に送水ポンプを設け、送水ポンプをプレート式熱交換器の上流側に配設したものである。本実施の形態によれば、送水ポンプをプレート式熱交換器の上流側に配設したことで、浴槽からの異物がプレート式熱交換器に詰まることを少なくすることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１、２または第３の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、貯湯タンクの側面に熱交受けを設け、プレート式熱交換器を熱交受けに取り付けたものである。実施の形態によれば、貯湯タンクの外周にできるデッドスペースを利用してプレート式熱交換器を取り付けることができるので、省スペース化がはかれると共にタンクユニットの組立性を高めることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるヒートポンプ給湯装置において、プレート式熱交換器の表面に上下方向を示す表示部を設け、プレート式熱交換器を断熱材で覆い、断熱材に扉又は開口を設け、扉又は前記開口を表示部の位置に対応させたものである。本実施の形態によれば、ヒートポンプ給湯装置の製造時にプレート式熱交換器を設置する際に、プレート式熱交換器の上下方向を間違うことなく設置することができる。

以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例における回路構成図である。本実施例によるヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ回路１０とタンクユニット２０とを備えている。ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３、及び蒸発器１４を順に配管で接続して構成され、ハウジング内に収められている。ヒートポンプ回路１０は自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。
タンクユニット２０は、ハウジング２１内に貯湯タンク２２および風呂追いだき用の外部熱交換器２３を内蔵している。貯湯タンク２２としては上部に高温水が下部に低温水が温度層ごとに分離して蓄えられる積層式貯湯タンクが使用され、外部熱交換器２３としては、複数の伝熱プレートを積層したプレート式熱交換器を縦置きで使用する。外部熱交換器２３は水流が対向して流れる水−水熱交換器で、上部に給水口２３１および排水口２３３が、下部に排水口２３２および給水口２３４が設けられており、上部の給水口２３１から供給された水は下部の排水口２３２から排水され、下部の給水口２３４から供給された水は上部の排水口２３３から排水される。
貯湯タンク２２には、上部に水導出口２２１および水導入口２２３が、下部に水導入口２２２および水導出口２２４が設けられている。

外部熱交換器２３の上部の給水口２３１には、貯湯タンク２２の上部の水導出口２２１から配管２４を通って温水が供給され、外部熱交換器２３で熱交換後、下部の排水口２３２から排水される。排水された水はタンク温水利用送水ポンプ２５により配管２６を通って貯湯タンク２２の下部の水導入口２２２から貯湯タンク２２内に送水される。配管２４、外部熱交換器２３、タンク温水利用送水ポンプ２５および配管２６により外部熱交換器２３の一次側送水回路が形成される。
一方、外部熱交換器２３の下部の給水口２３４には、浴槽３１からの湯水が送水ポンプ３２により配管３３を通って供給され、外部熱交換器２３で熱交換されて加温された温水となる。その後、上部の排水口２３３から排水された温水は配管３４を通って浴槽３１に戻される。配管３３、送水ポンプ３２、外部熱交換器２３および配管３４により外部熱交換器２３の二次側送水回路が形成される。
また、貯湯タンク２２の下部の水導出口２２４からの水は、湯沸かし用送水ポンプ１６により配管１７を通ってヒートポンプ回路１０の放熱器１２に供給され、放熱器１２で加熱された後、配管１８を通って貯湯タンク２２の上部の水導入口２２３から貯湯タンク２２内に戻される。湯沸かし用送水ポンプ１６、配管１７、放熱器１２および配管１８により貯湯回路を構成する。給水弁２７は、貯湯タンク２２内の高温水が給湯用として用いられた場合（給湯回路は図示せず）、開放されて貯湯タンク２２の水導出口２２４から市水を給水する。

図２は、外部熱交換器２３として使用するプレート式熱交換器の概念図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図３は、本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるタンクユニットの断面図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。プレート式熱交換器４１は、複数の伝熱プレート４２を箔状の銅ろう材と交互に積層し、高温の真空炉内でろう付けにより溶融接合して構成する。プレート式熱交換器４１の背面にはねじ穴４４を有する取付金具４３が取り付けられ、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、貯湯タンクの外周にできるデッドスペースにスポット溶接で取り付けた板金の熱交受け４５にねじ止めなどにより取り付ける。したがって、貯湯タンク２２とプレート式熱交換器４１とを連結する配管２４、２６を短くすることができ、タンクユニット２０を小型に構成することができる。また、プレート式熱交換器４１のタンクユニット２０への取り付けも容易にできる。

図４（ａ）は、本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるプレート式熱交換器を断熱材で覆ったときの正面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の状態から扉を開いたときの正面図である。外部熱交換器２３として使用するプレート式熱交換器４１は、図１で説明したように縦置きで使用するが、使用時の上下方向は水の導入、導出の関係から厳密に設定され、上下逆にすると、熱交換能力が大きく低下する。そこで、図４（ｂ）に示すように、プレート式熱交換器４１の前面に上下方向を指示する文字や記号４７が記載される。ところで、プレート式熱交換器４１は熱交換量を低下させないために、全体を通常断熱材４６で覆われて使用される。
プレート式熱交換器４１を断熱材４６で覆うと、文字や記号４７が断熱材４６で隠されてしまう。そこで、図４（ａ）のように、断熱材４６の文字や記号４７に対応する位置に切込みを入れて扉４８を形成する。扉を開くと、図４（ｂ）のように、プレート式熱交換器４１の前面に記載されている文字や記号４７を確認することができるので、プレート式熱交換器４１を熱交受け４５に取り付ける際に上下位置を確認することができる。

図５は、図４の扉４８の代わりに窓４９などの開口を形成した例である。窓４９を形成した場合は、その部分だけ断熱材４６がないが、窓４９の大きさは文字や記号４７を確認できる程度の大きさでよいので、プレート式熱交換器４１の断熱効果に影響を及ぼすことはない。

つぎに、動作を説明する。図１において、貯湯運転信号により、ヒートポンプ回路１０が運転され、冷媒は圧縮機１１で圧縮され高温高圧となり、放熱器１２で冷却され、膨張弁１３により減圧され、蒸発器１４により大気から吸熱して蒸発し、圧縮機１１に戻る。一方、貯湯タンク２２の下部の水導出口２２４から湯沸かし用送水ポンプ１６により放熱器１２に水が供給され、供給された水は、放熱器１２で加熱される。そして、加熱され高温となった温水は貯湯タンク２２の上部の水導入口２２３から流入する。従って高温水は、貯湯タンク２２の上部から順次貯湯される。
風呂追いだきを実施する場合、タンクユニット２０の一次側送水回路においては、貯湯タンク２２内の上部高温水を、給水口２３１から出水し、配管２４を介して外部熱交換器２３、すなわち、プレート式熱交換器４１を通って配管２６を介して水導入口２２２から貯湯タンク２２内の下部に流入される。この結果、給湯用としての利用量が少なく、貯湯タンク２２の底部に市水がほとんど供給されず、貯湯タンク２２内に相当量の熱量が蓄積された状態で風呂追いだきを実施した場合でも、熱交換能力の高いプレート式熱交換器によって十分に熱交換を行うことができるため、貯湯タンク２２の下部を低温状態に保つことができる上、貯湯タンク２２内に蓄積された全熱量が比較的少ない場合でも、低温（例えば１０℃）の浴槽水を追いだきして入浴できる湯温に加熱することも可能である。また、熱交換能力が高いため、一定能力の熱交換器を小型で実現することが可能で、省スペース化が実現できる。なお、この循環動作はタンク温水利用送水ポンプ２５により行われる。
二次側送水回路においては、浴槽３１からの水が配管３３を介してプレート式熱交換器４１に下部の給水口２３４から供給され、プレート式熱交換器４１を通って上部の排水口２３３から配管３４を通って浴槽３１に循環送水される。この循環動作は送水ポンプ３２により行われる。

このように、一次側送水回路の高温水を上部から供給して二次側送水回路の低温水を下部から供給すると、熱は上方に伝わりやすいため、プレート式熱交換器４１の上部を、より高温の状態として熱交換量を高めることができる。また、プレート式熱交換器４１の下部を、より低温の状態として貯湯タンク２２に戻す温水をより低温にすることができる。
前述したように、貯湯タンク２２の下部に貯水された水は、ヒートポンプ回路１０の放熱器１２に供給されて熱交換される。

本実施例のようにヒートポンプ回路１０の放熱器１２に供給される水の温度を低下させることで、ヒートポンプ回路を高いＣＯＰで運転させることができる。
なお、本実施例によれば、浴槽３１の水を送水する送水ポンプ３２をプレート式熱交換器４１の上流側に配設している。したがって、浴槽３１の水に混入している髪の毛などの異物がプレート式熱交換器４１に詰まることを少なくすることができる。

本発明によるヒートポンプ給湯装置は、一般家庭における浴室の浴槽に給湯する風呂追いだき機能つきの給湯機として有用であり、風呂追いだき機能に加えて、又は浴槽の風呂追いだき機能に変えて床暖房などの暖房機能を備えた給湯機として利用することができる。

本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例における回路構成図 （ａ）は本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるプレート式熱交換器の正面図、（ｂ）は本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるプレート式熱交換器の側面図 （ａ）は本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるタンクユニットの断面平面図、（ｂ）は本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるタンクユニットの断面側面図 （ａ）は本発明によるヒートポンプ給湯装置の実施例におけるプレート式熱交換器を断熱材で覆ったときの正面図、（ｂ）は（ａ）の状態から扉を開いたときの正面図 本発明によるヒートポンプ給湯装置のプレート式熱交換器を断熱材で覆ったときの他の実施例を示す正面図

符号の説明

１０ ヒートポンプ回路
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
２２ 貯湯タンク
２３ 外部熱交換器
２４、２６ 配管（一次側送水回路）
３１ 浴槽
３２ 送水ポンプ
３３、３４ 配管（二次側送水回路）
４１ プレート式熱交換器
４５ 熱交受け
４６ 断熱材
４８ 扉
４９ 窓（開口）

Claims (5)

1. 圧縮機と放熱器とを有し、冷媒として二酸化炭素を用い、前記圧縮機によって高圧側では臨界圧を越える状態で運転するヒートポンプ回路と、貯湯タンクの下部の水を前記放熱器で加熱した後に前記貯湯タンクの上部に戻す貯湯回路と、前記貯湯タンクの温水を外部熱交換器に導入して前記外部熱交換器で冷却された温水を前記貯湯タンクに戻す一次側送水回路と、浴槽内の水を前記外部熱交換器に導入して前記外部熱交換器で加熱された温水を前記浴槽内に戻す二次側送水回路とを備えたヒートポンプ給湯装置であって、前記外部熱交換器としてプレート式熱交換器を用い、前記外部熱交換器に導入する温水を前記貯湯タンクの上部から導出させ、前記外部熱交換器で冷却された温水を前記貯湯タンクの下部から導入することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記プレート式熱交換器を、前記一次側送水回路の送水方向を上部から下部に流し、前記二次側送水回路の送水方向を下部から上部に流すように配置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. 前記二次側送水回路中に送水ポンプを設け、前記送水ポンプを前記プレート式熱交換器の上流側に配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記貯湯タンクの側面に熱交受けを設け、前記プレート式熱交換器を前記熱交受けに取り付けることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記プレート式熱交換器の表面に上下方向を示す表示部を設け、前記プレート式熱交換器を断熱材で覆い、前記断熱材に扉又は開口を設け、前記扉又は前記開口を前記表示部の位置に対応させたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
   

Images