JP2007155296A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡易な構成により除霜が可能なヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】冷媒が循環する循環経路１２は、直接、給湯用熱交換器３に高温冷媒を供給するように設けられた第１の配管経路１２ａと、空気熱交換器５の底板領域側方向へと流れた後、給湯用熱交換器３に高温冷媒を供給するように設けられた第２の配管経路１２ｂとを含む。また、切替弁１３により第１および第２の配管経路が制御装置からの指示のもと切替可能な構成となっている。第２の配管経路の一部は、空気熱交換器５の底板領域に近接した状態で配設され、高温冷媒が供給されるため配管経路の外郭に漏れ熱を有し、この漏れ熱が空気熱交換器５の底板領域１１を暖めるため除霜が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒の凝縮熱により水を温水に加熱して給湯可能とするヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒の凝縮熱により水を加熱してお湯を供給可能とするヒートポンプユニット（温水を生成するユニット）と生成された温水を貯湯する貯湯ユニットとで構成されるのが一般的である。なお、瞬間的に水を加熱するヒートポンプ式給湯装置においては、貯湯ユニットを設けない構成とすることもある。

ヒートポンプユニットは、圧縮機と、給湯用熱交換器と、減圧装置と、空気熱交換機とを含む。圧縮機は、気相冷媒を圧縮して高温冷媒として給湯用熱交換器に供給する。給湯用熱交換器は、供給された水と圧縮機より吐き出された高温冷媒との熱交換を行なって水を加温する。加温された水は、貯湯ユニットに送られ、給湯用熱交換器において加温した冷媒は、減圧装置に送られる。減圧装置は、冷媒を減圧して空気熱交換器に出力する。給湯用熱交換器で加温した後の冷媒は空気熱交換器で外気熱を吸収して熱交換して、再度圧縮機に出力されて一巡するヒートポンプサイクルが形成される。

当該構成において、一般的に空気熱交換器側においては、上述したように外気熱を吸熱して熱交換する際、温度が非常に低温になり着霜する現象が生じる。

この着霜は、熱交換を妨げるために熱交換性能の低下、除霜水の排水不良といった原因となる。

この着霜を防止するために除霜運転として、給湯運転時（通常運転時）よりも減圧装置の弁開度を最大にして、かつ給湯用熱交換器での熱交換を抑制することで、給湯運転時と同一経路に高温冷媒を流通させて空気熱交換器に供給する。このようにして、空気熱交換器を暖め除霜運転を実行している。

特開２００３−９０６５３号公報においては、空気熱交換器の下部側より減圧装置を介して供給される高温冷媒を流入させる構成とすることにより空気熱交換器の表面に付着した霜を空気熱交換器の底部領域から良好に除霜することが可能な構成が開示されている。
特開２００３−９０６５３号公報

しかしながら、上記特許文献では、除霜運転により除霜水が空気熱交換器の下部で再凍結することを抑制することは可能であるが除霜運転が十分に必要な低外気温下では、暖めた空気熱交換器の底板領域がすぐに冷やされるため再び給湯運転を開始した場合、すぐに除霜水が空気熱交換器に付着するとともに、滴下した除霜水が空気熱交換器の底板や、あるいは下方に設けられたドレンパン内で再凍結し、ドレンパン内に設けられた排水穴を塞いでしまう可能性があり、除霜運転が有効に機能しない可能性があった。

したがって、通常運転時においても空気熱交換器の底板領域に対して除霜可能であれば低外気温下においても除霜運転が有効に機能する可能性が高い。

この点で、通常運転時においても除霜が可能なように除霜専用の特別な装置を設けることも可能であるが、費用がかかるとともに設置スペースが増大する等の問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、簡易な構成により除霜が可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、水を温水に沸きあげて給湯に使用するヒートポンプ式給湯装置において、気相冷媒を圧縮して高温冷媒として出力するための圧縮機と、前記圧縮機から供給された高温冷媒と給湯に使用する水との熱交換を行なうための給湯用熱交換器と、前記給湯用熱交換器から流出された冷媒を減圧するための減圧装置と、減圧装置で減圧された冷媒と外気の空気熱との熱交換を行なうための空気熱交換器と、前記圧縮機、前記給湯用熱交換器、前記減圧装置および空気熱交換器に対して順番に環状に配管接続されて冷媒が循環するための循環経路とで構成されるヒートポンプユニットを備える。循環経路は、圧縮機から前記給湯用熱交換器に対して前記高温冷媒が供給される第１および第２の配管経路と、指示に応答して前記第１および第２のいずれか一方の配管経路に切り替える切替弁とを含む。第１および第２の配管経路の少なくとも一方の一部は、前記空気熱交換器の底板領域に近接した状態に配設される。

好ましくは、空気熱交換器の底板領域は、前記高温冷媒が供給される前記一方の配管経路からの漏れ熱により暖められる。

好ましくは、切替弁は、前記空気熱交換器の底板領域を暖めるための除霜運転時に前記第１および第２の配管経路の一方に切り替えられる。

好ましくは、外気の温度、空気熱交換器の出口温度および前記空気熱交換器の底板領域の温度の少なくとも１つを検出する温度検出器をさらに備える。除霜運転時に前記切替弁は、前記温度検出器の検出結果に基づいて前記第１および第２の配管経路の一方に切り替えられる。

本発明は、空気熱交換器の底板領域に近接して高温冷媒が供給される第１および第２の配管経路の一方の配管経路が配設されるため簡易な構成により空気熱交換器の底板領域を除霜するとともに、除霜後の除霜水の再凍結により性能の低下を防止し、除霜運転を効率的に実行することが可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従うヒートポンプ式給湯装置１の概略ブロック図である。

図１を参照して、本発明の実施の形態に従うヒートポンプ式給湯装置１は、冷媒を用いて水を加温するためのヒートポンプユニット７と、加温した温水を貯水するための貯湯ユニット８と、これら全体を制御する制御装置（図示せず）とを含む。

ヒートポンプユニット７は、圧縮機２と、切替弁１３と、給湯用熱交換器３と、減圧装置４と、空気熱交換器５と、外気を供給するファン６とを含む。圧縮機２、切替弁１３、給湯用熱交換器３、減圧装置４、空気熱交換器５は、順番に環状に配管接続されて冷媒が循環するための循環経路１２が構成される。また、冷媒として本例においては、ＣＯ₂を用いることとする。なお、切替弁１３については後述する。

圧縮機２は、電動モータおよびアキュムレータを内蔵し（図示せず）、電動モータによって駆動し、アキュムレータにより吸引した気相冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。

給湯用熱交換器３は、圧縮機２より吐出された高温冷媒（ホットガス）と貯湯槽９内から供給された液体との熱交換を実行する。給湯用熱交換器３は、図示しないが冷媒が流れる冷媒通路と、液体が流れる液体通路とを有し、冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と液体通路を流れる液体の流れ方向とが対向するように構成されている。なお、給湯用熱交換器３を流れる冷媒（ＣＯ₂）は、圧縮機２で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器３を流通する液体に放熱して温度低下しても凝縮することはない。

減圧装置４は、給湯用熱交換器３から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧し、制御装置（図示せず）によって弁開度が電気的に制御されるものとする。

空気熱交換器５は、減圧装置４で減圧された冷媒をファン６によって送風される外気との熱交換を実行し、そして、熱交換後の冷媒を圧縮機２に供給する。なお、空気熱交換器５の底板領域１１には、たとえばドレンパン（図示せず）が設けられており、ドレンパンに設けられた排水穴から除霜水が排水されるものとする。

循環経路１２は、直接、給湯用熱交換器３に高温冷媒を供給するように設けられた第１の配管経路１２ａと、空気熱交換器５の底板領域側方向へと流れた後、給湯用熱交換器３に高温冷媒を供給するように設けられた第２の配管経路１２ｂとを含み、第２の配管経路の一部は、空気熱交換器５の底板領域に近接した状態で配設されるものとする。具体的には、空気熱交換器５の底板領域１１の直下を第２の配管経路を介して高温冷媒が流れるものとする。

切替弁１３は、制御装置の指示に応答して高温冷媒が流れる流通経路を第１および第２の配管経路のいずれか一方に切り替える。

なお、冷媒の流通方向は、図１に矢印で示すように、圧縮機２→切替弁１３→給湯用熱交換器３→減圧装置４→空気熱交換器５→圧縮機２へと流れる。

また、貯湯ユニット８は、給湯用の液体を貯留する貯湯槽９と、ポンプ１０とを含む。貯湯槽９内の液体は、ポンプ１０のポンピング動作により給湯用熱交換器３の液体通路を通過して循環できるように流通経路が設けられる。

なお、液体の流通方向は、図１に矢印で示すように、ポンプ１０→給湯用熱交換器３の液体通路→貯湯槽９→ポンプ１０へと流れる。

制御装置は、圧縮機２（電動モータ）、切替弁１３、ファン６、ポンプ３、及び減圧装置４の弁開度を通電制御して、貯湯槽９内に蓄えられる液体の温度をコントロール（通常運転）している。また、制御装置は、除霜制御手段としての機能を有し、空気熱交換器５の出口温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出値に基づいて、空気熱交換器５の着霜を取り除くための除霜運転を制御している。この除霜運転は、たとえば温度センサの検出値が約−５℃まで低下した時に開始され、約１０℃まで上昇した時に終了する。

図２は、本発明の実施の形態に従う切替弁１３の動作を説明する図である。
図２（ａ）には、切替弁１３において切替前の通常時の配管経路の接続関係が示されている。

図２（ａ）を参照して、通常時においては、制御装置の指示に応答して直接、給湯用熱交換器３の流入口に第１の配管経路１２ａを介して高温冷媒が供給され、他方の第２の配管経路１２ｂには高温冷媒が流れないように切替制御される。

図２（ｂ）には、切替弁１３において切替時の配管経路の接続関係が示されている。
図２（ｂ）を参照して、切替時においては、制御装置の指示に応答して給湯用熱交換器３の流入口には第２の配管経路１２ｂを介して流れる高温冷媒が供給され、他方の第１の配管経路１２ａには高温冷媒が流れないように切替制御される。

ここで、通常運転（給湯運転）について説明する。
圧縮機２には、上述したように空気熱交換器５からの冷媒が流入されて、圧縮された高温冷媒が給湯用熱交換器３と接続された配管を介して送られる。そして、高温冷媒と貯湯タンク９からポンプ１０を介して送られた水との熱交換が行なわれる。圧縮機２から送られる高温冷媒は、貯湯タンク９から送られる水と逆の経路を辿って減圧装置４へと送られて減圧された後、上述したように空気熱交換器５に送られる。なお、上述したように熱交換により暖められた温水は、貯湯タンク９に送られて制御装置１１の制御に基づいて水の温度制御が実行される。

次に、除霜運転について説明する。上述した通常運転を実行している時に、空気熱交換器５に着霜し、出口温度（温度センサの検出温度）が所定温度まで低下すると、通常運転から除霜運転に切り替えられる。

この除霜運転では、ポンプ１０の運転を停止し、減圧装置４の弁開度を通常運転時より大きく（たとえば全開）する。これにより、圧縮機２から吐出されるホットガスが給湯用熱交換器３で放出する熱エネルギー量を少なくでき、かつ減圧装置４での減圧による温度低下を小さくできる。この結果、圧縮機２から吐出されたホットガスが大きく温度低下することなく空気熱交換器５まで到達して、空気熱交換器５の除霜を行なう。

しかしながら、上述したように、低外気温下では、たとえば除霜運転により暖められた空気熱交換器の底板領域がすぐに冷やされるため再び通常運転を開始した場合、すぐに除霜水が空気熱交換器に付着するとともに、滴下した除霜水が空気熱交換器の底板や、あるいは下方に設けられたドレンパン内で再凍結する可能性がある。たとえば、底板が再凍結した場合、その凍結した氷が徐々に成長し、空気熱交換器の表面を覆って、熱交換性能の低下を招く可能性がある。あるいは、凍結した氷により下方に設けられたドレンパン内に設けられた排水穴が塞がれる可能性があり、除霜運転が有効に機能しない可能性がある。

それゆえ、本発明の実施の形態においては、状況に応じてたとえば低外気温下においては、切替弁１３において第１の配管経路から第２の配管経路に切替制御を実行する。第２の配管経路には、高温冷媒が供給されるため配管経路の外郭に漏れ熱を有する。空気熱交換器５の底板領域１１は、第２の配管経路と近接した構成であるため第２の配管経路の漏れ熱の影響が集中する。

したがって、除霜運転に限らず通常運転時においても切替弁１３において第１の配管経路から第２の配管経路に切り替えることにより第２の配管経路の漏れ熱の影響により空気熱交換器５の底板領域１１は定常的に暖められていることになる。それゆえ、たとえば、低外気温下においても滴下した除霜水が空気熱交換器５の底板において再凍結することを防止することができるとともに、ドレンパン内で凍結して排水穴がふさがれてしまい除霜運転が有効に機能しなくなるのを抑制することができる。すなわち、除霜運転を効率的に実行することが可能となる。なお、制御装置は、空気熱交換器５の出口温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出値に基づいてこの切替弁１３の切替制御を指示することが可能である。たとえば温度センサの検出値が約０℃まで低下した時に切替弁１３に対して切替指示することが可能である。

本構成により、簡易な構成により除霜を実行することができ、低外気温下において除霜を行うために特別な装置を設ける必要がなく、費用も低減することが可能であり、設置スペースの増大も抑制することができる。また、サイクル構成が複雑化することを防止でき、かつシステムコストの増大を防止できる。

なお、本例においては、一例として空気熱交換器５の出口温度を検出して検出結果に基づいて切替弁１３の切替制御を実行する方式について説明したが、これに限られず除霜運転の際に切替弁１３の切替制御を実行する構成とすることも可能である。

また、複数の温度センサを設けて、複数の温度センサの検出結果に基づいて切替弁１３の切替制御を実行する構成とすることも可能である。

図３は、本発明の実施の形態の変形例に従うヒートポンプ式給湯装置１＃の概略ブロック図である。

図３を参照して、ヒートポンプ式給湯装置１＃は、図１のヒートポンプ式給湯装置１と比較して、ヒートポンプユニット７をヒートポンプユニット７＃に置換した点が異なる。ヒートポンプユニット７＃は、ヒートポンプユニット７と比較して複数の温度センサを設けた点が異なる。具体的には、空気熱交換器５の出口温度を検出する温度センサ１４と、空気熱交換器５の底板領域の温度を検出する温度センサ１５と、外気の温度を検出する温度センサ１６とが示されている。

たとえば、これら複数の温度センサ１４〜１６のいずれか１つがしきい値となる温度以下を検出した場合に、制御装置の指示に応答して第１の配管経路から第２の配管経路に切替制御を実行するようにすることも可能である。また、これに限られず、組み合わせで切替制御するように制御装置は指示することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に従うヒートポンプ式給湯装置１の概略ブロック図である。 本発明の実施の形態に従う切替弁１３の動作を説明する図である。 本発明の実施の形態の変形例に従うヒートポンプ式給湯装置１＃の概略ブロック図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ式給湯装置、２ 圧縮機、３ 給湯用熱交換器、４ 減圧装置、５ 空気熱交換器、６ ファン、７，７＃ ヒートポンプユニット、８ 給湯ユニット、９ 貯湯槽、１０ ポンプ、１１ 底板領域、１２ 循環経路、１３ 切替弁、１４〜１６ 温度センサ。

Claims (4)

1. 水を温水に沸きあげて給湯に使用するヒートポンプ式給湯装置において、
   気相冷媒を圧縮して高温冷媒として出力するための圧縮機と、前記圧縮機から供給された高温冷媒と給湯に使用する水との熱交換を行なうための給湯用熱交換器と、前記給湯用熱交換器から流出された冷媒を減圧するための減圧装置と、前記減圧装置で減圧された冷媒と外気の空気熱との熱交換を行なうための空気熱交換器と、前記圧縮機、前記給湯用熱交換器、前記減圧装置および空気熱交換器に対して順番に環状に配管接続されて冷媒が循環するための循環経路とで構成されるヒートポンプユニットを備え、
   前記循環経路は、
   前記圧縮機から前記給湯用熱交換器に対して前記高温冷媒が供給される第１および第２の配管経路と、
   指示に応答して前記第１および第２のいずれか一方の配管経路に切り替える切替弁とを含み、
   前記第１および第２の配管経路の少なくとも一方の一部は、前記空気熱交換器の底板領域に近接した状態に配設される、ヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記空気熱交換器の底板領域は、前記高温冷媒が供給される前記一方の配管経路からの漏れ熱により暖められる、請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記切替弁は、前記空気熱交換器の底板領域を暖めるための除霜運転時に前記第１および第２の配管経路の一方に切り替えられる、請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 外気の温度、空気熱交換器の出口温度および前記空気熱交換器の底板領域の温度の少なくとも１つを検出する温度検出器をさらに備え、
   前記除霜運転時に前記切替弁は、前記温度検出器の検出結果に基づいて前記第１および第２の配管経路の一方に切り替えられる、請求項３記載のヒートポンプ式給湯装置。

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