JP2006003077A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンク内の湯水を使用することなく、循環路の凍結を確実に防止するこができるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】貯湯タンク１と、この貯湯タンク１の底部側に設けた取水口２と貯湯タンク１の頂部側に設けた給湯口３とを結ぶ循環路４とを有する。循環路４にポンプ５と熱交換路６とを介設し、熱交換路６をヒートポンプ式加熱源により加熱し、取水口２からの未加熱水を熱交換路６にて所定温度にまで沸上げ、所定温度の温湯を給湯口３に返流させる給湯運転を行う。取水口２と給湯口３とをバイパスするバイパス回路１７と、給湯運転可能状態とこのバイパス回路１７を通る水循環状態とに切換える切換手段１９とを備える。制御手段にて、給湯運転停止時に凍結防止の要否を判断して凍結防止運転を行う必要があるきに切換手段１９を作動させて水循環状態とすると共にポンプ５を駆動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

ヒートポンプ式給湯装置としては、貯湯タンクと、この貯湯タンクの底部側に設けた取水口と上記貯湯タンクの頂部側に設けた給湯口とを結ぶ循環路とを有し、循環路にポンプと熱交換路とを介設し、上記熱交換路をヒートポンプ式加熱源により加熱し、上記取水口からの未加熱水を上記熱交換路にて所定温度にまで沸上げ、所定温度の温湯を給湯口に返流させる給湯運転を行うように構成したものは従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１４１４１号公報

しかしながら、上記ヒートポンプ式給湯装置においては、冬場等の外気が低温である場合、上述の給湯運転を長時間停止すれば、循環路が凍結するおそれがあり、もし仮に凍結してしまえば、給湯運転の再起動が困難であった。そのため、循環路を凍結させない必要があり、従来では、貯湯タンク内の湯水を使用して循環路の凍結を防止する方法が採用されていた。しかし、貯湯タンク内の湯水を使用することは経済的に問題がある。また、循環路を加熱するために特別に加熱手段を設けることも考えられるが、この場合には、装置全体が大型化すると共に複雑化し、さらにコスト高となる。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、貯湯タンク内の湯水を使用することなく、循環路の凍結を確実に防止するこが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。

そこで請求項１のヒートポンプ式給湯装置は、貯湯タンク１と、この貯湯タンク１の底部側に設けた取水口２と上記貯湯タンク１の頂部側に設けた給湯口３とを結ぶ循環路４とを有し、循環路４にポンプと熱交換路６とを介設し、上記熱交換路６をヒートポンプ式加熱源により加熱し、上記取水口２からの未加熱水を上記熱交換路６にて所定温度にまで沸上げ、所定温度の温湯を給湯口３に返流させる給湯運転を行うように構成したヒートポンプ式給湯装置において、上記取水口２と給湯口３とをバイパスするバイパス回路１７と、給湯運転状態とこのバイパス回路１７を通る水循環状態とに切換える切換手段１９と、給湯運転停止時に凍結防止の要否を判断して凍結防止運転を行う必要があると判断したときに上記切換手段１９を作動させて水循環状態とすると共に上記ポンプ５を駆動する制御手段４２とを備えていることを特徴としている。

上記請求項１のヒートポンプ式給湯装置では、給湯運転停止時に凍結防止運転を行う必要があると判断したのときに、バイパス回路１７が開状態となってポンプ５が作動して、循環路４内を水が循環するので、この循環路４の凍結を防止することができる。また、この水循環状態では、貯湯タンク１の取水口２と給湯口３とをバイパスするバイパス回路１７を通るので、この貯湯タンク１の貯湯を使用しない。すなわち、貯湯タンク１内の貯湯を冷却することなく、凍結を防止することができ、多くの湯を必要とする冬場等において貯湯タンク１の貯湯を無駄なく使用できる。

また請求項２のヒートポンプ式給湯装置は、制御手段４２は、上記循環路４の温度が、予め設定された凍結防止判定温度よりも低いときに、凍結防止運転を行う必要があると判断することを特徴としている。

上記請求項２のヒートポンプ式給湯装置では、凍結防止運転の要否判定を循環路４の温度に基づいて行うようにしてあるので、その判定を確実に行うことができ、安定して凍結の防止を行うことができる。

さらに請求項３のヒートポンプ式給湯装置は、凍結防止判定温度よりさらに低く設定された解氷判定温度よりも、上記循環路４内の水の温度が低いときに、この循環路４内の水を加熱する他の加熱手段４５を設けたことを特徴としている。

上記請求項３のヒートポンプ式給湯装置では、循環路４内の水に循環では対応できない寒冷地等において、加熱手段４５にて循環路４内の水を加熱することができ、これによって、外気温度が極めて低下した状態においても循環路４の凍結を確実に防止することができる。

請求項４のヒートポンプ式給湯装置は、加熱手段４５が圧縮機２０から発生する熱であることを特徴としている。

請求項４のヒートポンプ式給湯装置では、このヒートポンプ式給湯装置が備えている圧縮機２０から発生する熱、例えば欠相運転時の発熱、あるいは冷媒寝込み防止用ヒータからの熱を使用することができ、そのため、装置全体を何等複雑な構造に改造する必要なく実施でき、製造コストの低減を図ることができる。

請求項５のヒートポンプ式給湯装置は、加熱手段４５が、上記熱交換路６のヒートポンプ熱源であることを特徴としている。

請求項５のヒートポンプ式給湯装置では、加熱するために他の構成を使用する必要がなく、安全に使用可能であると共に、低コストに実施可能である。

また請求項６のヒートポンプ式給湯装置は、加熱手段４５が、ヒータであることを特徴としている。

請求項６のヒートポンプ式給湯装置では、加熱手段４５としてヒータを使用するので、簡単かつ確実にしかもクリーンに循環路４内の水を加熱することできる。

上記請求項１のヒートポンプ式給湯装置では、給湯運転停止時の凍結防止運転の必要があると判断したときに、循環路内を水が循環するので、この循環路の凍結を防止することができる。また、この水循環状態では、貯湯タンクの取水口と給湯口とをバイパスするバイパス回路を通るので、貯湯タンクの湯水がこの循環路に流れ込まず、この貯湯タンクの貯湯を使用しない。すなわち、貯湯タンク内の貯湯を冷却することなく、凍結を防止することができ、多くの湯を必要とする冬場等において貯湯タンクの貯湯を無駄なく使用できる。さらに、別途加熱手段等を設ける必要がなく、装置全体が大型化することも複雑化することもなくしかもコスト高になることもない。

上記請求項２のヒートポンプ式給湯装置では、凍結防止運転の要否の判定を循環路の温度に基づいて行うようにしてあるので、その判定を確実に行うことができ、安定した凍結防止を行うことができる。

上記請求項３のヒートポンプ式給湯装置では、循環路内の水の循環では対応できない寒冷地等において、加熱手段にて循環路内の水を加熱することでき、これによって、外気温度が極めて低下した状態においても循環路の凍結を確実に防止することができる。

請求項４のヒートポンプ式給湯装置では、ヒートポンプ式給湯装置が備えている圧縮機からの熱源を使用することができ、そのため、装置全体を何等複雑な構造に改造する必要なく実施でき、製造コストの低減を図ることができる。

請求項５のヒートポンプ式給湯装置では、加熱するために他の構成を使用する必要がなく、安全に使用可能であると共に、低コストに実施可能である。

請求項６のヒートポンプ式給湯装置では、加熱手段としてヒータを使用するので、簡単かつ確実にしかもクリーンに循環路内の水を加熱することできる。

この発明のヒートポンプ式給湯装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、ヒートポンプ式給湯装置の水系統及び冷媒系統を示す回路図である。即ち、水系統は、貯湯タンク１と、この貯湯タンク１の底部側に設けた取水口２と貯湯タンク１の頂部側に設けた給湯口３とを結ぶ循環路４とを有する。そして、この循環路４には、ポンプ５と熱交換路６が設けられ、貯湯タンク１の取水口２とポンプ５とが取水管８にて連通連結され、ポンプ５と熱交換路６とが弁１０を有する配管１１で連通連結される。ここで、熱交換路６は、以下で述べる冷媒系統回路の凝縮器として機能する水熱交換器９の一部を構成するもので、凝縮冷媒と熱交換可能に設けられている。さらに、給湯口３には、台所等の蛇口（図示省略）に接続される配管１２が接続され、この配管１２と熱交換路６とは配管１３を介して接続される。従って、取水管８とポンプ５と熱交換路６と配管１３等にて上記循環路４が形成される。また、上記貯湯タンク１の底部側には、給水口１４が設けられ、この給水口１４には、給水圧を加えながら貯湯タンク１に市水を供給するための給水配管１５が接続されている。なお、この貯湯タンク１の下部には温度検知サーミスタ１６が付設されている。

また、取水口２と給湯口３とをバイパスするバイパス回路１７が設けられ、このバイパス回路１７と配管１３との接続部位には、３方弁１８が配設されている。即ち、この３方弁１８が、給湯運転状態とこのバイパス回路１７を通る水循環状態とに切換える切換手段１９となる。ここで、給湯運転状態とは、取水口２からの未加熱水を上記熱交換路６にて所定温度にまで沸上げ、所定温度の温湯を給湯口３に返流させる運転状態をいい、水循環状態とは、温湯を給湯口３に返流させることなく、バイパス回路１７を使用して循環路４内を温湯が循環する状態をいう。

次に、冷媒系統について説明すれば、これらは主として室外側に設けられたものであって、圧縮機２０と室外熱交換器２１と四路切換弁２２とを有している。四路切換弁２２の一方の１次ポートと圧縮機２０とが開閉弁２３の介設された吐出配管２４にて接続され、この四路切換弁２２の他方の１次ポートが吸込配管２５を介して圧縮機２０に接続されている。また、四路切換弁２２の一方の２次ポートは、室内熱交換器２６に第１ガス管２７にて接続され、この四路切換弁２２の他方の２次ポートは、室外熱交換器２１に第２ガス管２８にて接続される。さらに、室外熱交換器２１と室内熱交換器２６とは第１液管２９を介して接続される。この第１液管２９には、室外熱交換器２１と室内熱交換器２６の近傍においてそれぞれ電動膨張弁３０、３１が介設されている。

また、上記水熱交換器９の一端側には、上記吐出配管２４に連結される第３ガス管３２が接続され、この水熱交換器９の他端側には、上記第１液管２９に連結される第２液管３３が接続される。そして、この第２液管３３には電動膨張弁３４が介設されている。上記電動膨張弁３０、３１、３４の開閉を適宜制御することによって冷媒量の制御を行っている。また、この制御は、後述する制御手段４２にて行ってもマイクロコンピュータ等を用いた他の制御手段で行ってもよい。なお、圧縮機２０には温度検知サーミスタ３５が付設されている。

ところで、このヒートポンプ式給湯装置には、図２に示すように、循環路４の温度を検知する検知手段４０と、この検知手段４０にて検知された温度と予め設定された設定温度とを比較する比較手段４１と、この比較手段４１の結果に基づいて上記３方弁１８にて構成される切換手段１９を作動させると共に、上記ポンプ５を駆動する制御手段（給湯判定コントローラ）４２とを備える。なお、切換手段１９と制御手段４２としては、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有するマイクロコンピュータを用いて構成される。

検知手段４０は、具体的には、図１に示すように、取水管８の温度を検知する取水側の温度検知サーミスタ４３と、熱交換路６の出口側の配管１３の温度を検知する給湯側の温度検知サーミスタ４４とを備え、各サーミスタ４３、４４からのデータ（検知温度）が比較手段４１（図１においては図示省略している。）に入力される。この場合、温度検知サーミスタ４３にて検知された温度をＴo とし、温度検知サーミスタ４４にて検知された温度をＴi とする。即ち、比較手段４１では、予め設定された凍結防止判定温度とこれらのＴo 及びＴi の少なくとも１つと比較する。そして、制御手段４２では、この比較に従って凍結防止の要否に判定を行い上記切換手段１９及びポンプ５を作動（駆動）させる。ここで、凍結防止判定温度とは、任意に設定でき、循環路４を水が循環していないときに、この循環路４が凍結するおそれのある温度とする。また、比較手段４１は、予め設定される解氷判定温度と検知温度とを比較し、この結果を上記制御手段４２に入力するように設定される。ここで、解氷判定温度とは、上記凍結防止判定温度よりさらに低い温度であって、循環路４を水が循環していたとしてもこの循環路４が凍結するおそれのある温度である。そのため、この循環路４内の水を加熱する加熱手段４５がこの装置には設けられている。加熱手段４５としては、この場合、圧縮機２０から発生する熱、例えば、欠相運転時の発熱、あるいは冷媒寝込み防止用ヒータからの熱を利用する。

次に、上記のように構成された装置の定常の給湯運転状態について説明する。まず開閉弁２３を閉状態とすると共に、水熱交換器９を凝縮器として機能させると共に、室外熱交換器２１を蒸発器として機能させるように、四路切換弁２２を切換ておき、圧縮機２０を駆動する。これによって、冷媒が、圧縮機２０から水熱交換器９、室外熱交換器２１へと流通する。この場合、３方弁１８を作動させて、バイパス回路１７を閉状態とし、配管１３と給湯口３とを連通状態とすると共に、貯湯タンク１の取水口２を開状態として、ポンプ５を作動させる。そうすると、貯湯タンク１の底部の取水口２から貯溜水が流出し、これが取水管８を介して熱交換路６を流通する。このときこの水は凝縮器として機能している水熱交換器９において加熱され、配管１３を通って再び貯湯タンク１内の上部へ返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク１の上端側から下端側へと温湯が次第に貯溜され、給湯運転状態が続く。

ところで、この装置では、室内の冷暖房を行うこともできる。まず、暖房運転動作について説明すれば、第３ガス管３２と第２液管３３とをそれぞれ遮断状態すると共に、開閉弁２３を開状態とし、室内熱交換器２６を凝縮器として機能させ、室外熱交換器２１を蒸発器として機能させるように設定する。即ち、圧縮機２０を駆動すると、冷媒がこの圧縮機２０から室内熱交換器２６、室外熱交換器２１へと流通し、室外器熱交換器２１が蒸発器として機能すると共に、室内熱交換器２６が凝縮器として機能し、これによって、暖房運転を行うことができる。また、四路切換弁２２を切り換えて、室外器熱交換器２１を凝縮器として機能させると共に、室内熱交換器２６を蒸発器として機能させれば、冷房運転を行うことができる。

次に、この実施形態において特徴的な給湯運転停止時の動作について、図３に示すフローチャート図に従って説明する。給湯運転を停止したときに、バイパス弁（３方弁１８）の制御を開始し（ステップＳ１）、ステップＳ２において、循環路４内の水温Ｔi 、Ｔo を検知手段４０にて検知して判断手段４１にそのデータを入力する。次に、ステップＳ３においてこの検知したＴi 、Ｔo と凍結防止判定温度とを比較して、Ｔi 、Ｔo が凍結防止判定温度より低い場合は、ステップＳ４に移行してバイパス回路１７を開状態（３方弁バイパス）とすると共に、ポンプ５をＯＮ状態とする。これにより、循環路４に水を循環させ、凍結の防止を図る。また、凍結防止判定温度を超える場合は、ステップＳ５に移行して、ポンプ５をＯＦＦ状態とすると共に、３方弁１８を直通状態（バイパス回路１７の閉状態である給湯運転可能状態）とする。

次に、ステップＳ６に移行して、Ｔi 、Ｔo と解氷判定温度とを比較して、Ｔi 、Ｔo が解氷判定温度より低い場合は、ステップＳ７に移行して、加熱手段４５である予熱ヒータ（ここで、予熱ヒータとは、圧縮機２０からの熱源である）をＯＮ状態とし、これからの伝熱によりて循環路４の水を加熱する。また、Ｔi、Ｔo が解氷判定温度を超える場合は、ステップＳ８のように、予熱ヒータＯＦＦ状態とする。そしてこの後、ステップＳ１へと移行して、以後この制御を繰返す。

上述のような制御を繰り返すことにより、給湯運転停止時では、凍結防止判定温度を下回った場合には、循環路４を水が流れ、凍結を防止することができ、さらに、この循環では不充分で、この循環路４内の水が凍結する可能性のある解氷判定温度を下回った場合には、加熱手段４５にて循環路４内の水が加熱されることになる。そのため循環路４が凍結するのを確実に防止できる。また、凍結防止判定温度を上回っている場合、この循環路４に水が流れず、さらに凍結防止判定温度より低いものの、解氷判定温度を上回っている場合には、循環路４内の水は循環しているが、加熱手段４５による循環路４の水の加熱は行わない。即ち、無駄な電力が消費されることがなく、効率的である。

上記加熱手段４５としては、上記圧縮機２０から発生する熱（図３に示した冷媒寝込み防止用ヒータ、あるいは欠相運転時の発熱）に代えて、例えば電気ヒータを用いるこができる。なお、このヒータの具体的な配置部位としては、例えば、熱交換路６の出口側とすることができるが、勿論、循環路４内の水を加熱することができる部位ならどこでもよい。また、加熱手段４５として、ヒートポンプ式加熱源である熱交換路６の熱源（凝縮器として機能する水熱交換器９からの熱源）を利用してもよい。

ところで、加熱手段４５として、圧縮機２０からの熱を使用せずに、他のヒータや熱交換路６の熱源を使用する場合でも、給湯運転停止状態における動作は上述の図３のフローチャート図に示す場合と同様である。即ち、図３における予熱ヒータＯＮ又はＯＦＦに代えて、他の加熱手段であるヒータのＯＮ又はＯＦＦや熱交換路６が凝縮器として機能する状態又は機能しない状態とすればよい。従って、これらの場合も、確実に凍結を防止することができると共に、凍結防止判定温度を上回っている場合、循環路４に水が流れず、さらに、解氷判定温度を上回っている場合にはこれらの加熱手段４５によるて循環路４の水の加熱がない。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。すなわち本実施の形態では、凍結防止判断温度と比較する温度の検知部位として、循環路４の取水管８や配管１３としているが、この場合、各管８、１３自体の温度であっても、各管８、１３内の水の直接の温度であってもよい。さらに、この循環路４が配置される雰囲気内での温度であってもよい。つまり、給湯運転停止時に凍結防止の要否を判断するこができればよいのであって、この要否の判断基準となる検知温度の検知部位が限定されないということである。この場合、勿論、検知部位によって凍結防止判断温度及び解氷判定温度の設定温度が相違し、この検知部位に基づく判定温度とされる。

この発明の一実施の形態であるヒートポンプ式給湯装置の水系統及び冷媒系統回路図である。 ヒートポンプ式給湯装置の簡略ブロック図である。 給湯運転停止時における制御フローチャート図である。

符号の説明

１・・貯湯タンク、２・・取水口、３・・給湯口、４・・循環路、５・・ポンプ、６・・熱交換路、１７・・バイパス回路、１９・・切換手段、２０・・圧縮機、４２・・制御手段、４５・・加熱手段

Claims (6)

1. 貯湯タンク（１）と、この貯湯タンク（１）の底部側に設けた取水口（２）と上記貯湯タンク（１）の頂部側に設けた給湯口（３）とを結ぶ循環路（４）とを有し、循環路（４）にポンプ（５）と熱交換路（６）とを介設し、上記熱交換路（６）をヒートポンプ式加熱源により加熱し、上記取水口（２）からの未加熱水を上記熱交換路（６）にて所定温度にまで沸上げ、所定温度の温湯を給湯口（３）に返流させる給湯運転を行うように構成したヒートポンプ式給湯装置において、上記取水口（２）と給湯口（３）とをバイパスするバイパス回路（１７）と、給湯運転状態とこのバイパス回路（１７）を通る水循環状態とに切換える切換手段（１９）と、給湯運転停止時に凍結防止の要否を判断して凍結防止運転を行う必要があると判断したときに上記切換手段（１９）を作動させて水循環状態とすると共に上記ポンプを駆動する制御手段（４２）とを備えていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 制御手段（４２）は、上記循環路（４）内の水の温度が、予め設定された凍結防止判定温度よりも低いときに、凍結防止運転を行う必要があると判断することを特徴とする請求項１のヒートポンプ式給湯装置。
3. 凍結防止判定温度よりさらに低く設定された解氷判定温度よりも、上記循環路（４）内の水の温度が低いときに、この循環路（４）内の水を加熱する他の加熱手段（４５）を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２のヒートポンプ式給湯装置。
4. 加熱手段（４５）が、圧縮機（２０）から発生する熱であることを特徴とする請求項３のヒートポンプ式給湯装置。
5. 加熱手段（４５）が、上記熱交換路（６）のヒートポンプ熱源であることを特徴とする請求項３のヒートポンプ式給湯装置。
6. 加熱手段（４５）が、ヒータであることを特徴とする請求項３のヒートポンプ式給湯装置。