JP2009085565A

JP2009085565A - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP2009085565A
Application number: JP2007259604A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Marumoto; 一彦丸本; Takayuki Takatani; 隆幸高谷; Shinji Watanabe; 伸二渡辺
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】現地での配管工事を簡略できると共に、狭小地への設置を狙いとしたよりコンパクトなヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】圧縮機２、放熱器３、減圧手段４及び蒸発器５を環状に接続して構成されるヒートポンプ回路１と、蓄熱ポンプ７により前記放熱器３に水を送り、前記放熱器３にて加熱され生成したお湯を、潜熱蓄熱体４２を内蔵した蓄熱タンク４１に循環させることで、前記潜熱蓄熱体４２に蓄熱するよう構成するとともに、前記ヒートポンプ回路１、前記蓄熱タンク４１を一つの筐体４４内に配設したことを特徴とするもので、蓄熱タンク４１内の蓄熱材に潜熱蓄熱材４２を用いたので、水に比べて熱容量を大きくすることができ、ヒートポンプ回路１と蓄熱タンク４１を一つの筐体４４に納める構成としたので、現地での配管工事を簡略できる。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプで加熱した湯を循環して熱を蓄熱材に蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、ヒートポンプ給湯機としては加熱源であるヒートポンプ回路と水道水を貯留する貯湯タンクを現地で配管接続する方式が開発され、オール電化の住宅、マンションなどで新たなインフラの整備を必要とせず手軽に設置する事ができ、またヒートポンプ式であるため入力に対する能力は３倍以上確保可能となるため熱効率が良く、徐々に普及してきている。

また、さらに、狭小地などへの設置を狙いとし、ヒートポンプ回路と貯湯タンクを一体にしてコンパクト化すると共に、現地での配管工事を簡略できる製品が発売されている。

このようなヒートポンプ給湯機としては、以下に記載されているようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

このヒートポンプ給湯機は、図２に示すように、水道水を貯湯する貯湯タンク８と、加熱源であるヒートポンプ回路１を備え、貯湯タンク８の下部から沸上げ管９でヒートポンプ回路１と接続し、ヒートポンプ回路１から貯湯タンク８上部へ接続している。

沸き上げ管９の途中に水道水とヒートポンプ回路１内の冷媒が熱交換する放熱器３を設置し、放熱器３で所定の温度に暖められた水道水を貯湯タンク８に循環して高温の湯として貯留する。

また、貯湯タンク８と圧縮機２と放熱器３とを一体型の本体ユニット４０に収納する構成となっている。
特開２００５−１６１４１５８号公報

しかしながら、上記の構成では、貯湯タンクに貯留する水の熱容量が小さいため、例え高温の湯を貯留したとしても、貯湯タンクの内容量が大きくなるので、狭小地への設置を狙いとしたヒートポンプ給湯機としてコンパクト性に課題を有していた。

本発明は、現地での配管工事を簡略すると共に、よりコンパクトなヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機、放熱器、減圧手段及び蒸発器を環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、蓄熱ポンプにより前記放熱器に水を送り、前記放熱器にて加熱され生成したお湯を、潜熱蓄熱体を内蔵した蓄熱タンクに循環させることで、前記潜熱蓄熱体に蓄熱するよう構成するとともに、前記ヒートポンプ回路、前記蓄熱タンクを一つの筐体内に配設したことを特徴とするもので、蓄熱タンク内の蓄熱材に潜熱蓄熱材を用いたので、水に比べて熱容量を大きくすることができる。またヒートポンプ回路と蓄熱タンクを一つの筐体に納める構成としたので、現地での配管工事を簡略できる。

本発明によれば、現地での配管工事を簡略すると共に、よりコンパクトなヒートポンプ給湯機を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段及び蒸発器を環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、蓄熱ポンプにより前記放熱器に水を送り、前記放熱器にて加熱され生成したお湯を、潜熱蓄熱体を内蔵した蓄熱タンクに循環させることで、前記潜熱蓄熱体に蓄熱するよう構成するとともに、前記ヒートポンプ回路、前記蓄熱タンクを一つの筐体内に配設したことを特徴とするもので、蓄熱タンク内の蓄熱材に潜熱蓄熱材を用いたので、水に比べて熱容量を大きくすることができる。またヒートポンプ回路と蓄熱タンクを一つの筐体に納める構成としたので、現地での配管工事を簡略できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、圧縮機と放熱器間との冷媒の高低圧力差を動力或いは電力に変換する膨張機を、ヒートポンプ回路に搭載したことを特徴とするもので、高圧冷媒が膨張する時、損失となっていた動力を回収して圧縮機動力として利用できるので、ヒートポンプ回路の効率を向上できる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、ヒートポンプ回路は、冷媒を臨界圧力以上に昇圧して運転することを特徴とするもので、放熱器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器全域で冷媒と潜熱蓄熱材とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くできる。

（第１の実施の形態）
以下、第１の実施の形態による給湯機について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態おけるヒートポンプ給湯機の回路図である。背景技術と同じ動作の構成については同一記号を付している。

本装置の概要は、加熱源であるヒートポンプ回路１により加熱した水を蓄熱ポンプ７を用いて循環して、蓄熱タンク４１内の潜熱蓄熱体４２に温熱を蓄熱する。一方、蓄熱タンク４１底部より給水された冷水を蓄熱タンク４１内の蓄熱体４２と熱交換することで高温の湯として、給湯や風呂湯などに利用するものである。

まず、ヒートポンプ回路１の構成について説明する。

ヒートポンプ回路１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、冷媒を冷却する放熱器３、冷媒を減圧する減圧手段４、冷媒の高低圧力差を動力或いは電力に変換する膨張機４３と冷媒を蒸発気化する蒸発器５で構成されている。圧縮機２の吐出側より放熱器３を介して減圧手段４と並列に設置された膨張機４３に接続し、蒸発器５を通って、圧縮機２の吸入側に接続している。

また、このヒートポンプ回路１においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４及び膨張機４３において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器５で空気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。
さらにまた、蓄熱タンク４１に関する構成は、蓄熱タンク４１内に流入する湯又は水と熱交換できるように、潜熱蓄熱材で構成された潜熱蓄熱体４２を配置している。

一方、湯の沸き上げに関する構成は、沸上げ管９は蓄熱タンク４１の下部からヒートポ
ンプ回路１と接続し、ヒートポンプ回路１から蓄熱タン４１上部へ接続している。沸上げ管９が接続されている蓄熱タンク４１上部とは、湯水が蓄熱タンク４１の高温層側であればよく、また、蓄熱タンク４１の下部とは、湯水が貯湯タンクの低温層側であればよい。

蓄熱タンク４１からヒートポンプ回路１に水を送り蓄熱タンク４１に戻すために、沸上げ管９の途中に出力を任意に変化させることができる蓄熱ポンプ７を設けている。
また、ヒートポンプ回路１において加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー１５を沸上げ管９のヒートポンプ回路１入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー１６を沸上げ管９におけるヒートポンプ回路１出口近傍に設けている。

給湯に関する構成としては、蓄熱タンク４１の底部に給水源から給水を行う給水管１９が接続され、給水源からは減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。

蓄熱タンク４１上部には貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低湯水を任意の比率で混合可能な混合弁２３が設けられている。

混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー２５が設けられ、その先に給湯端末２４が接続されている。

風呂への注湯に関する構成としては、給湯管２１の途中から分岐して、浴槽１３へ注湯する注湯管２８が設けられており、給湯管２１と同様に、給湯管２１からの高湯水と給水バイパス管２２からの低温の湯水を混合して注湯できるように風呂用混合弁２６が設けられ、その下流には注湯温度センサー３５が設けられている。
また、注湯管２８は注湯電磁弁２７を備え、それを任意に開閉させて自動で浴槽１３に注湯を行う。

浴槽１３内の湯水を加熱、保温する風呂加熱運転の回路構成に関しては、利用側回路３１においては、浴槽１３内の湯水を利用側ポンプ１２により風呂熱交換器１４に循環させている。また、浴槽内１３の温度を検知するために風呂湯温センサー３２を設けている。そして、蓄熱タンク４１の湯水を熱源側ポンプ１１により風呂熱交換器１４に循環して蓄熱タンク４１に環流する。

また、風呂熱交換器１４より利用側ポンプ１１で循環し環流された湯水の温度を検知するための環流温度センサー３３が取り付けられており、風呂熱交換器１４を循環した湯水を蓄熱タンク４１下部へ環流するように構成されている。

また、ヒートポンプ、給湯、風呂に関する構成部品は一つの筐体４４に納められている。

以上のように構成された給湯機において、以下、図１に基づいて動作、作用について説明する。

蓄熱タンク４１に蓄熱する蓄熱運転では、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４および膨張機４３を通過した冷媒は減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、蒸発器５において空気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。この時、膨張機４３では冷媒
の高低圧差のエネルギーを回収して、圧縮機２の動力の一部として利用している。

また、この時、蓄熱タンク４１の下部にある低温層の湯水は沸上げポンプ７により放熱器３に送られ放熱器３の熱を吸熱して加熱される。そして、蓄熱タンク４１の下部にある低温層の湯水をヒートポンプ回路１により加熱し、蓄熱タンク４１に戻す運転においては、蓄熱ポンプ７を駆動し、蓄熱タンク４１からの低湯水を加熱し、加熱された湯は沸き上げ管９を通って蓄熱タンク４１の上部に送られる。

ヒートポンプ回路１と蓄熱タンク４１が一つの筐体４４に納められているので、沸き上げ管９は一定の長さで短く熱ロスも少なく、また現地での施工工事が不要である。

また、出湯温度センサー１６によりヒートポンプ回路１で加熱された水の温度を検知し、蓄熱ポンプ７の出力を変えることで、ヒートポンプ回路１からの出湯温度を制御して目標の温度となるように加熱を行う。

即ち、蓄熱タンク４１の底部より低温層の水を加熱してヒートポンプ回路１で目標温度に加熱された湯は再び蓄熱タンク４１に循環し、この循環によって高温となった湯水の熱を潜熱蓄熱体４２が吸収して高温となる熱交換を行う。熱交換した高温の湯水は低温の水となって、蓄熱タンク４１に底部に送られて、再びヒートポンプ回路１で加熱される。この循環の繰り返しにより潜熱蓄熱体４２に熱が蓄えられる。

特に、潜熱蓄熱体４２への蓄熱終了時には潜熱蓄熱体４２は高温となり、それ以上熱交換できなくなるため、湯水の温度は低下しなくなるこのような沸き終い運転時には、高圧圧力が上昇し高低圧力差が大きくヒートポンプ回路１のエネルギー効率は低下するが、高低圧力差が大きいため膨張機４３の効率は向上することになり、沸き終いのエネルギー効率向上手段として有効である。

そして、給湯端末２４より利用者に湯を供給する、給湯運転では、給湯端末２４の利用が開始されると、蓄熱タンク４１内の湯水が給湯管２１から出湯されるとともに、給水管１９から蓄熱タンク４１に給水される。この時、供給された低温の給水と潜熱蓄熱体４２が熱交換して高温の湯となる。一方、潜熱蓄熱体４２の温度は徐々に低下することになる。

また、給水バイパス管２２により給水を分岐し、蓄熱タンク４１からの高湯水と給水からの低湯水を混合弁２３において混合比を変えて混合することで、給湯温度を変化させて給湯端末２４に給湯する。この時の混合比は給湯温度センサー２５で検知される給湯温度に応じて制御され、所定の給湯温度に保たれる給湯が行われる。また、風呂加熱運転では、蓄熱タンク４１内の熱を浴槽１３内の湯水に放熱することで行っている。

風呂湯温センサー３２によって所定の風呂湯温より低く、風呂の加熱が必要であると判断された場合、熱源側回路３０では熱源側ポンプ１１を運転して風呂熱交換器１４に蓄熱タンク４１の高温の湯を循環させる。風呂熱交換器１４で熱交換して温度の下がった水は蓄熱タンク４１の底部に送られて蓄熱タンク４１内の潜熱蓄熱体４２と熱交換して高温の湯となって再び風呂熱交換器１４に循環される。

一方、利用側回路３１では浴槽１３内の湯水を利用側ポンプ１２により風呂熱交換器１４に循環させ熱源側回路３０の熱を浴槽１３内の湯水に吸収して温度を上昇させ、風呂湯温センサー３２によって所定の風呂湯温に達したと判断されるまで継続される。
この様に、蓄熱タンク内の蓄熱材に潜熱蓄熱材を用い、水に比べて熱容量を大きくすることができるので貯湯タンクの外形を小さくでき、またヒートポンプと蓄熱タンクを一つの
筐体に納める構成としたので、現地での配管工事を簡略できると共に、コンパクトに構成できる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、蓄熱タンク内の蓄熱材に潜熱蓄熱材を用い、水に比べて熱容量を大きくすることができるので貯湯タンクの外形を小さくでき、またヒートポンプ回路と蓄熱タンクを一つの筐体に納める構成としたので、現地での配管工事を簡略できると共に、コンパクトな給湯機として有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路図従来のヒートポンプ給湯機の回路図

符号の説明

１ヒートポンプ回路
２圧縮機
３放熱器
４減圧手段
５蒸発器
７蓄熱ポンプ
４１蓄熱タンク
４２潜熱蓄熱体
４３膨張機
４４筐体

Claims

圧縮機、放熱器、減圧手段及び蒸発器を環状に接続して構成されるヒートポンプ回路と、蓄熱ポンプにより前記放熱器に水を送り、前記放熱器にて加熱され生成したお湯を、潜熱蓄熱体を内蔵した蓄熱タンクに循環させることで、前記潜熱蓄熱体に蓄熱するよう構成するとともに、前記ヒートポンプ回路、前記蓄熱タンクを一つの筐体内に配設したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
圧縮機と放熱器間との冷媒の高低圧力差を動力或いは電力に変換する膨張機を、ヒートポンプ回路に搭載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。
ヒートポンプ回路は、冷媒を臨界圧力以上に昇圧して運転することを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。