JP2008057857A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトであり、かつ湯切れしないヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】圧縮機１と給湯熱交換器２の冷媒側配管２ａと膨張弁３と蒸発器４とを環状に接続して形成した冷媒回路６と、貯湯タンク７と水循環ポンプ８と給湯熱交換器２の水側配管２ｂとを環状に接続して形成した貯湯回路１４と、貯湯タンク７内の温水と給水配管１７内の水とを混合して所定温度の湯を供給する給湯回路２０とを備え、水側配管２ｂで加熱された温水を貯湯タンク７の上部に戻す第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａと、貯湯タンク７の上部から温水を取り出す第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａとを略相対配置したもので、出口側開口部１０ａから吐出する湯の温度が低い場合でも、直接入口側開口部１５ａに流入し給湯されるので、貯湯タンク７内の湯温を低下させることがなく、大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプで高効率に沸上げたお湯を給湯に利用するヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、ヒートポンプで高効率に沸上げたお湯を給湯に利用するヒートポンプ給湯機として、図３に示すように、沸上げたお湯を貯湯タンク内を経由せず直接給湯するダイレクト給湯機能を有したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図３に示すように、従来のヒートポンプ給湯機は、圧縮機１０１、凝縮器１０３、減圧装置１０４、蒸発器１０５、アキュムレータ１０６を順次環状に接続してヒートポンプ回路１０９を構成している。１０８は、蒸発器１０５に風を送る送風機である。

また、ヒートポンプ回路１０９は、圧縮機１０１の吐出冷媒を、バイパス弁１０７を介して蒸発器１０５にバイパスさせる除霜手段を備えており、さらに、ヒートポンプユニットの大能力化のため、圧縮機１０１ａ、凝縮器１０３ａ、減圧装置１０４ａ、蒸発器１０５ａ、アキュムレータ１０６ａからなるもう一つのヒートポンプサイクル１０９ａを備えている。１０８ａは、蒸発器１０５ａに風を送る送風機である。ヒートポンプサイクル１０９ａは、圧縮機１０１ａの吐出冷媒を、バイパス弁１０７ａを介して蒸発器１０５ａにバイパスさせる除霜手段を備えている。

また、給水管１１３、減圧弁１１４を介して給湯タンク１１１内に供給された水は、給湯タンク１１１の底部から循環ポンプ１１２を介して水熱交換器１１０に運ばれ、ここでヒートポンプ回路１０９、１０９ａとの熱交換により自身は加熱されて高温の湯となり、給湯タンク１１１に戻る。この貯湯回路により給湯タンク１１１内に湯を蓄えることができる。給湯タンク１１１内に湯を蓄える場合には、給湯タンク１１１の蓄熱量を確保するためにヒートポンプでの沸上げ温度を高く（７５℃〜９０℃程度）設定するのが普通である。

また、給水管１１３から水熱交換器１１０に直接導入された水をヒートポンプ回路１０９、１０９ａとの熱交換で加熱して、給湯タンク１１１を経由せずにシャワーやカランなどの使用端末１１８、浴槽１１９へと給湯するダイレクト給湯経路を備えている。このダイレクト給湯経路途中には、水熱交換器１１０出口の湯と給湯タンク１１１の湯とを混合するミキシングバルブ１２０と、ミキシングバルブ１２０で混合された湯と給水管１１３の水とを混合するミキシングバルブ１２１と、ミキシングバルブ１２１出口の給湯流量を調節する流量調整弁１２２が設けられており、所定温度の湯が使用端末１１８や浴槽１１９から給湯できる構成となっている。１１６は、浴槽１１９内の水や湯を追い炊きする際の浴槽循環ポンプである。

ヒートポンプは、沸上げ温度が低いほど運転効率（ＣＯＰ）が高くなり、大能力での運転が可能であるという特性を有しているため、給湯タンク１１１を経由せずに給湯する場合には、沸上げ温度を貯湯回路運転時よりも低く（４２℃〜６５℃程度）設定する。これにより、ヒートポンプ回路１０９、１０９ａのダイレクト給湯機能により省エネルギー化が可能になるだけでなく、給湯タンク１１１を備えたことによりヒートポンプ回路１０９、１０９ａの運転起動時の加熱能力不足を補うことができ給湯負荷に対する応答性が向上する。更に、ヒートポンプ回路１０９、１０９ａと、給湯タンク１１１などからなる水循環回路１１７とを一つの外箱１２３に収納することで、ヒートポンプユニットとタンクユ
ニットとが分離している従来の電気温水機に比べて本体をコンパクト化でき、施工性が向上する。
特開２００３−２７９１３３号公報

しかしながら、前記従来のヒートポンプ給湯機の構成では、ダイレクト給湯運転を行う場合に専用の水回路が必要となり、コストがかさむという問題があった。また、ダイレクト給湯機能を有しないヒートポンプ給湯機では、沸上げ温度を下げた運転を行うとヒートポンプの運転効率は向上するものの、沸上げた湯（４２℃〜６５℃）が貯湯タンク内に蓄えられていた高温の湯（７５℃〜９０℃程度）と混合して貯湯タンク内の温度が低下し、貯湯タンクの蓄熱量が減少してしまうという問題があった。例えば、タンク上部に８５℃の湯が蓄えられている場合に、ヒートポンプ回路の大能力運転（沸き上げ温度４２℃）を行うと、タンク上部では８５℃の湯と４２℃の湯とが混合して、タンク上部の蓄熱温度が６０℃〜６５℃程度にまで低下してしまう。ヒートポンプで６０℃の湯を更に加熱することは、運転効率が低下するために行わないのが通常である。従って上記例の場合、タンク上部の湯温が８５℃から６０℃に低下したことにより、約２５Ｋ（＝８５℃−６５℃）相当の蓄熱量が低下することになるのである。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、専用のダイレクト給湯回路を有しなくてもタンクの蓄熱量を減少させることなく、大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能なヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、貯湯タンクと水循環ポンプと前記給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成した貯湯回路と、前記貯湯タンク内の温水と給水配管内の水とを混合して所定温度の湯を供給する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記水側配管で加熱された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す第１貯湯配管の出口側開口部と、前記貯湯タンクの上部から温水を取り出す第１給湯配管の入口側開口部とを略相対するように配置したもので、第１貯湯配管の出口側開口部から吐出する湯の温度が低くてもそれが、直接第１給湯配管の入口側開口部に流入して給湯に供されるので、高温の湯を貯めた貯湯タンク内の湯温を低下させることなく、即ち貯湯タンクの蓄熱量を減少させることなく、大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、給湯熱交換器の水側配管で加熱された温水は、第１貯湯配管の出口側開口部、第１給湯配管の入口側開口部を介して給湯されるため、沸き上げ温度が低い大能力運転を行っても貯湯タンク内の湯温が低下しない。従って、専用のダイレクト給湯回路を有しておらず、貯湯タンクの容量が比較的小さい場合でも、大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となり、コンパクトかつ湯切れしないヒートポンプ給湯機を提供できるのである。

第１の発明は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、貯湯タンクと水循環ポンプと前記給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成した貯湯回路と、前記貯湯タンク内の温水と給水配管内の水とを混合して所定温度の湯を供給する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記水側配管で加熱された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す第１貯湯配管の出口側開口部と、前記
貯湯タンクの上部から温水を取り出す第１給湯配管の入口側開口部とを略相対するように配置したもので、第１貯湯配管の出口側開口部から吐出する湯の温度が低くてもそれが、直接第１給湯配管の入口側開口部に流入して給湯に供されるので、高温の湯を貯めた貯湯タンク内の湯温を低下させることなく、即ち貯湯タンクの蓄熱量を減少させることなく、大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１貯湯配管の出口側開口部を、第１給湯配管の入口側開口部の鉛直上方に配置したもので、第１貯湯配管の出口側開口部から出る湯を第１給湯配管の入口側開口部で確実に受けることができるので、貯湯タンク内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明の第１貯湯配管の出口側開口部と第１給湯配管の入口側開口部とを、水平方向で相対するように配置したもので、比較的製作が容易な構成で、貯湯タンク内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかひとつの発明の第１給湯配管の入口側開口部の管径を、第１貯湯配管の出口側開口部の管径よりも大きくしたもので、第１貯湯配管の出口側開口部を出た湯が第１給湯配管の入口側開口部に入らずに貯湯タンク内に留まることを防止し、貯湯タンク内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第５の発明は、特に、第４の発明の第１貯湯配管の出口側開口部を第１給湯配管の入口側開口部内に挿入したもので、第１貯湯配管の出口側開口部を出た湯が確実に第１給湯配管の入口側開口部を介して給湯されるため、貯湯タンク内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれかひとつの発明の第１貯湯配管の出口側開口部と第１給湯配管の入口側開口部との距離を１００ｍｍ以下に設定したもので、第１貯湯配管の出口側開口部を出た湯が第１給湯配管の入口側開口部に入らずに貯湯タンク内に留まることを防止し、貯湯タンク内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれかひとつの発明のヒートポンプ給湯機のヒートポンプの最大加熱能力が８〜１２ｋＷであり、かつ貯湯タンクの容量が１００〜１５０Ｌとしたもので、コンパクトかつ湯切れを起こさないヒートポンプ給湯機を提供できる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の冷媒回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱するもので、前記給湯熱交換器内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記給湯熱交換器内の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記給湯熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、熱交換効率を高くできる。

第９の発明は、特に、第８の発明の冷媒として二酸化炭素を使用するもので、比較的安価でかつ安定した二酸化炭素を冷媒に使用することで製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しいヒートポンプ給湯機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。

図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、冷媒回路６と、貯湯回路１４と、給湯回路２０から構成され、冷媒回路６は、圧縮機１と、給湯熱交換器２の冷媒側配管２ａと、膨張弁３と、蒸発器４とを環状に接続して形成されている。蒸発器４はファン５を有しており、ファン５により蒸発器４に供給された空気と蒸発器４内の冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が加熱される。

貯湯回路１４は、貯湯タンク７と水循環ポンプ８と給湯熱交換器２の水側配管２ｂとを環状に接続して形成されている。貯湯タンク７底部の水は、水循環ポンプ８によって給湯熱交換器２の水側配管２ｂに搬送され、ここで給湯熱交換器２の冷媒側配管２ａ内の冷媒と熱交換して自身は高温の湯となり、第１貯湯配管１０を介して貯湯タンク７の上部に戻される。貯湯タンク７の底部には貯湯タンク７に水を補給するための給水配管１７が減圧弁１１６を介して、貯湯タンク７の上部には貯湯タンク７から湯を取り出すための第１給湯配管１５がそれぞれ接続されており、混合弁１８を介してシャワーやカラン等の給湯端末１９に給湯する給湯回路２０を形成している。貯湯タンク７の側壁面には、残湯量センサー１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設置されており、貯湯タンク７の壁面温度を測定することにより貯湯タンク７内の残湯量を検出することができる。

また、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａと第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａとは、貯湯タンク７の内部において、１００ｍｍ以下の間を置いて、互いに略相対するように配置している。

１１は、給湯熱交換器２に流入する水の温度を検出する入水温度センサーで、１２は、給湯熱交換器２から流出する水の温度を検出する出湯温度センサーである。９は、給湯熱交換器２から流出する湯を、貯湯タンク７の上部又は下部のいずれかに供給するために切り替える三方切替弁である。

従来、冷媒回路６と貯湯タンク７とはそれぞれ個別のユニット内に収納されていた（分離型と呼ぶ）が、本実施の形態では、冷媒回路６と貯湯回路１４と給湯回路２０とを同一のキャビネット（図示せず）内に収納した構成（一体型と呼ぶ）としている。

これにより、ヒートポンプ給湯機のコンパクト化による省スペース化や設置配管工事の施工性向上を図っている。また、ヒートポンプ給湯機のコンパクト化と湯切れ防止とを両立するために、貯湯タンク７の容量は１００〜１５０Ｌ、ヒートポンプの最大加熱能力は８〜１２ｋＷ程度に設定するのが良い。

給湯負荷が発生した場合、貯湯タンク７内の湯は、第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａから第１給湯配管１５を介し、混合弁１８で給水配管１７からの水と混合されて所定温度（３８℃〜４８℃程度）の湯となって給湯端末１９から給湯される。また、貯湯タンク７内の残湯量が所定値よりも少なくなった場合（例えば、残湯量センサー１３ｃの検出温度が４５℃未満になった場合）には、湯切れ（貯湯タンク７内の湯がなくなること）防止のためにヒートポンプによる沸き上げ運転を行う。そして、更に貯湯タンク７内の湯が少なくなった場合（例えば、残湯量センサー１３ｂの検出温度が４５℃未満になった場合）には、ヒートポンプを最大加熱能力（例えば、１０ｋＷ）で運転して湯切れを防止するのである。

尚、沸き上げ温度を一定（例えば８５℃）に固定したままヒートポンプの加熱能力を増大させると、圧縮機１の電流値や吐出圧力が許容範囲を超えてしまうため、ヒートポンプを最大加熱能力で運転する場合は沸き上げ温度を通常よりも低め（例えば４２℃〜６５℃）に設定する。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。

冬期や、中間期の給湯負荷が多い時期では、貯湯タンク７内には比較的高温（７０〜８５℃）の湯が多く蓄えられている。高温で蓄熱することにより、貯湯タンク７の容量を小型化することができる。一方、夏期のように給湯負荷が少ない時期では、貯湯タンク７内に比較的低温（６５℃）の湯を少なく蓄えることで、ヒートポンプの運転効率を向上させると共に、無駄な沸き上げ運転を防止することができる。

貯湯タンク７の残湯量が所定量よりも少なくなった場合（例えば、残湯量センサー１３ｂの検出温度が４５℃未満になった場合）、ヒートポンプを最大加熱能力（例えば、１０ｋＷ）、沸き上げ温度を４２℃として運転して湯切れを防止する。

この時、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａと第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａとは、貯湯タンク７の内部において互いに略相対するように配置しているので、ヒートポンプユニットで沸き上げられた４２℃の湯は、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａから貯湯タンク７に流入後すぐに第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａを介して給湯に使用される。このため、貯湯タンク７の上部に蓄えられていた比較的高温（７０〜８５℃）の湯とヒートポンプユニットで沸き上げられた４２℃の湯とが混合して貯湯タンク７上部の湯の温度が低下することを防止できるのである。

また、貯湯タンク７内の残湯量が多い場合であっても、浴槽（図示せず）の湯張りなど多量に湯を使用することが予めわかっている場合には、給湯開始と共にヒートポンプユニットを最大能力で運転しても良い。また、上記実施の形態では、ヒートポンプユニットの最大加熱能力を１０ｋＷ、沸き上げ温度を４２℃としたが、これらの値にはある程度の幅（例えば、ヒートポンプユニットの最大加熱能力を８〜１２ｋＷ程度、沸き上げ温度を３８〜６５℃程度）を持たせても良い。

上記実施の形態では、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａを、第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａの真上、すなわち、鉛直上方に配置したが、図２（ａ）に示すように、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａと第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａとを、水平方向で相対するように配置してもよい。この場合は、比較的製作が容易になる。

また、図２（ｂ）に示すように、第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａの管径を、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａの管径よりも大きくすれば、ヒートポンプユニットで沸き上げられた湯は、より確実に第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａ、貯湯タンク７、第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａを介して給湯に使用されるため、貯湯タンク７上部の湯の温度が低下することを防止することができる。

さらに、図２（ｃ）に示すように、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａを第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａ内に挿入するようにすれば、第１貯湯配管１０の出口側開口部１０ａを出た湯が確実に第１給湯配管１５の入口側開口部１５ａを介して給湯されるため、貯湯タンク７内の湯温を低下させることなく大能力かつ高効率な沸き上げ運転が可能となる。

また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いると共に、冷媒回路６のサイクルを、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしているが、もちろん高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク内の湯温を低下させることがなく、大能力かつ高効率な沸き上げ運転ができるもので、貯湯タンクの容量が比較的小さいヒートポンプ給湯機に対して極めて有効である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 （ａ）同ヒートポンプ給湯機の貯湯タンク内配管の他の例を示す構成図（ｂ）同貯湯タンク内配管の他の例を示す構成図（ｃ）同貯湯タンク内配管の他の例を示す部分拡大断面図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 給湯熱交換器
２ａ 給湯熱交換器の冷媒側配管
２ｂ 給湯熱交換器の水側配管
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ ファン
６ 冷媒回路
７ 貯湯タンク
８ 水循環ポンプ
９ 三方切替弁
１０ 第１貯湯配管
１０ａ 第１貯湯配管の出口側開口部
１１ 入水温度センサー
１２ 出湯温度センサー
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 残湯量センサー
１４ 貯湯回路
１５ 第１給湯配管
１５ａ 第１給湯配管の入口側開口部
１６ 減圧弁
１７ 給水配管
１８ 混合弁
１９ 給湯端末
２０ 給湯回路

Claims (9)

1. 圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続して形成した冷媒回路と、貯湯タンクと水循環ポンプと前記給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して形成した貯湯回路と、前記貯湯タンク内の温水と給水配管内の水とを混合して所定温度の湯を供給する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記水側配管で加熱された温水を前記貯湯タンクの上部に戻す第１貯湯配管の出口側開口部と、前記貯湯タンクの上部から温水を取り出す第１給湯配管の入口側開口部とを略相対するように配置したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 第１貯湯配管の出口側開口部を、第１給湯配管の入口側開口部の鉛直上方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機。
3. 第１貯湯配管の出口側開口部と第１給湯配管の入口側開口部とを、水平方向で相対する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機。
4. 第１給湯配管の入口側開口部の管径を、第１貯湯配管の出口側開口部の管径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 第１貯湯配管の出口側開口部を第１給湯配管の入口側開口部内に挿入したことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 第１貯湯配管の出口側開口部と第１給湯配管の入口側開口部との距離を１００ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. ヒートポンプの最大加熱能力が８〜１２ｋＷであり、かつ貯湯タンクの容量が１００〜１５０Ｌであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 冷媒回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱する請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
9. 冷媒として二酸化炭素を使用することを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ給湯機。

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