JP4124164B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は貯湯式のヒートポンプ給湯装置に関する。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、図３に示すものがある。図３は従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。図３において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、絞り装置３、蒸発器４からなる冷媒循環回路と、貯湯槽５、循環ポンプ６、前記給湯用熱交換器２、補助加熱器１９を接続した給湯回路からなり、前記圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は前記給湯用熱交換器２に流入し、ここで前記循環ポンプ６から送られてきた給湯水を加熱する。

そして、凝縮液化した冷媒は前記絞り装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１にもどる。一方、前記給湯用熱交換器２で加熱された湯は前記貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、前記給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると水温検知器２０が検知し、前記圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、前記補助加熱器１９の単独運転に切り換えるものである（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−１６５１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽５内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は次第に拡大していく。これは、高温湯と低温水の熱伝導および対流により発生するものであり、高温湯から低温水へ伝熱されその境界部分で高温湯は温度低下し、逆に低温水は温度上昇する。従って、沸き上げ運転完了近くになると、前記給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、前記圧縮機１の吐出圧力および吐出温度が上昇して、前記圧縮機１のモータの巻線温度の上昇など前記圧縮機１の耐久性が課題となる。そのため、前記給湯用熱交換器に流入する水温が低い状態で運転を停止していたため、前記貯湯槽５の下部が低温の水の状態で運転を停止することになり、前記貯湯槽５の湯容量を有効に利用できず、そのため、貯湯熱量は減少していた。

また、貯湯熱量を増加するため、ヒートポンプ運転を停止した後、補助加熱器１９の単独運転で貯湯熱量を増加する場合には、電気ヒータで加熱するため、消費電力が大きくな
り、効率が悪くなっていた。

また、上記のような従来の構成では、外気温度が水温より高い場合にも、外気の熱量を有効に利用する手段がなく、外気温温度が高く、水温が低い場合にも消費電力が比較的高くなっていた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、圧縮機の吐出圧力を減少させ、安全かつ高効率で運転することが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。

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装置は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、第１の絞り装置、第１の蒸発器、第２の絞り装置、第２の蒸発器を順次接続した冷媒回路と、少なくとも貯湯槽、前記給湯用熱交換器を接続した給湯回路と、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記給湯用熱交換器を流出する給湯水の温度を検知する出湯温度センサーと、前記第１の絞り装置、前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置と備え、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置は絞り開度を可変し流量を制御できるとともに、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上で、かつ、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度が設定値以上の場合に、前記第１の絞り装置の開度を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするもので、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合に、第１の絞り装置を開方向に動作させ、第２の絞り装置を閉方向に動作させて、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができる。

本発明によれば、圧縮機の吐出圧力を減少させ、安全かつ高効率で運転することができるヒートポンプ給湯装置を提供できる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、第１の絞り装置、第１の蒸発器、第２の絞り装置、第２の蒸発器を順次接続した冷媒回路と、少なくとも貯湯槽、前記給湯用熱交換器を接続した給湯回路と、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記給湯用熱交換器を流出する給湯水の温度を検知する出湯温度センサーと、前記第１の絞り装置、前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置と備え、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置は絞り開度を可変し流量を制御できるとともに、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上で、かつ、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度が設定値以上の場合に、前記第１の絞り装置の開度を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするもので、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合に、第１の絞り装置を開方向に動作させ、第２の絞り装置を閉方向に動作させて、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができる。

また、沸き上げ運転完了近くになって入水温度が高くなった場合にも、第１の蒸発器を放熱器として作用させることができるので、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができ、ヒートポンプを安全にかつ高効率で運転できる。また、貯湯槽の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽の容量を有効に利用できる。

また、部品点数を増やすことなく冷媒回路の圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減できる。

また、入水温度が低い場合には、第１の蒸発器は蒸発器として作用させるため、吸熱量を多く取ることができ、ヒートポンプを高効率で運転することができる。

また、出湯温度が高い場合にも、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプを安全に高効率で運転することができる。

第２の発明は、外気温度を検知する外気温度センサーを設け、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度と、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度と、前記外気温度センサーで検知した外気温度とに基づいて、前記第１の絞り装置の開度を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするもので、第１の絞り装置を開方向に動作させ、第２の絞り装置を閉方向に動作させて、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプをさらに高効率で運転することができる。

第３の発明は、冷媒回路に第１の絞り装置をバイパスする二方弁を介したバイパス回路を設けるとともに、第２の絞り装置は、絞り開度を可変し流量を制御できることを特徴とするもので、低コストで冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させて、安全にかつ高効率で給湯水をより高温に加熱することができ、貯湯熱量を増大できる。

第４の発明は、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするもので、入水温度センサーで検知した入水温度が設定値以上の場合に、二方弁を開方向に動作させ、第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御するので、入水温度が低い場合には、第１の蒸発器は蒸発器として作用させるため、吸熱量を多く取ることができ、低コストでヒートポンプを高効率で運転することができる。

第５の発明は、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上で、かつ、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするもので、入水温度センサーで検知した入水温度が設定値以上で、かつ、出湯温度センサーで検知した出湯温度が設定値以上の場合に、バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御するので、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができ、低コストでヒートポンプを安全に高効率で運転することができる。

第６の発明は、外気温度を検知する外気温度センサーを設け、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度と、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度と、前記外気温度センサーで検知した外気温度とに基づいて、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特
徴とするもので、バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御するので、第１の蒸発器に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器を放熱器として作用させ、外気および第２の蒸発器と熱交換させることができ、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力を減少させることができ、低コストでヒートポンプを安全に高効率で運転することができる。

第７の発明は、冷媒回路の冷媒として炭酸ガスを用いたので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

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。

なお、各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（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装置の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、第１の絞り装置３３、第１の蒸発器３４、第２の絞り装置３５、第２の蒸発器３６を順に環状に接続し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、第１の蒸発器３４および第２の蒸発器３６は一体に構成され、外気を送風するためのファン３９を備えている。また、貯湯槽４１、循環ポンプ４２、給湯用熱交換器３２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機３１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は給湯用熱交換器３２に流入し、ここで循環ポンプ４２から送られてきた給湯水を加熱するようになっている。

また、給湯用熱交換器３２に流入する入水温度を検知する入水温度センサー５１と給湯用熱交換器３２から流出する出湯温度を検知する出湯温度センサー５２と外気温度を検知する外気温度センサー５３を設けてあり、各々の温度があらかじめ設定しある温度と比較して、第１の絞り装置３３と第２の絞り装置３５の開閉を制御する制御装置５４を設置している。

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

通常の運転時は、第２の絞り装置の開度は全開に動作させ、第１の蒸発器３４と第２の蒸発器３６は蒸発器として作用する。この時、圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、第１の絞り装置３３で減圧された後、第１の蒸発器３４、第２の蒸発器３６に流入し、ここでファン３９で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機１にもどる。一方、循環ポンプ４２で送られた給湯水は給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽４１の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。

一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽４１内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽４１の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽４１下部より循環ポンプ４２を経て給湯用熱交換器３２に流入する水温は高くなってくる。

この場合、給湯用熱交換器３２では冷媒は流入する水温までしか放熱されないため、給湯用熱交換器３２出口の冷媒の密度は低く、高圧が上昇する。この時、入水温度センサー５１で検知した入水温度が制御装置５４にあらかじめ設定してある温度よりも上昇すると、第１の絞り装置３３を開方向に動作させ、第２の絞り装置３５を閉方向に動作させる。こうすることにより、第１の蒸発器３４に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させ、外気と熱交換させ中温高圧の冷媒となり、第２の絞り装置３５で減圧され、低温低圧の冷媒となった後、第２の蒸発器３６に流入し、外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機１にもどる。

この時、第１の蒸発器３４が放熱器として作用するため、冷媒回路内に封入された冷媒の内、高圧冷媒の存在できるところが給湯用熱交換器３２と第１の蒸発器３４となり体積が増加し、さらに、第１の蒸発器３４で外気によって冷媒は放熱されるため、密度の高い冷媒が第１の蒸発器に存在することとなる。

その結果、冷媒回路の圧縮機３１の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプ給湯装置を安全にかつ高効率で運転することができる。また、貯湯槽４１の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯槽４１の容量を有効に利用できる効果がある。また、出湯温度が高い場合、冷媒回路の圧縮機３１の吐出温度を高くする必要があるが、そのためには圧縮機３１の吐出圧力も高くする必要がある。したがって、入水温度が上昇すると、出湯温度が高いほど圧縮機３１の吐出圧力は高くなる。

従って、入水温度センサー５１で検知した入水温度と、出湯温度センサー５２で検知した出湯温度が、制御装置５４にあらかじめ設定してある温度よりも上昇すると、第１の絞り装置３３を開方向に動作させ、第２の絞り装置３５を閉方向に動作させ、第１の蒸発器３４に流入する冷媒圧力を高圧とし、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させることにより、冷媒回路の圧縮機３１の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプ給湯装置をさらに安全にかつ高効率で運転することができる。

また、外気温度が高いと、蒸発圧力が上昇する。蒸発圧力が高いほど、圧縮機３１の吸入冷媒の比容積が小さくなり、冷媒循環量が増加し給湯能力が増加する。そのため、外気温が高いほど圧縮機３１の吐出圧力は高くなる。

このように出湯温度や外気温が高く、入水温度が高くなるほど、圧縮機３１の吐出圧力は高くなる傾向がある。

従って、入水温度センサー５１で検知した入水温度と、出湯温度センサー５２で検知した出湯温度と外気温センサー５３で検知した外気温により、第１の絞り装置３３を開方向に動作させ、第２の絞り装置３５を閉方向に動作させ、第１の蒸発器３４に流入する冷媒圧力を高圧とし、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させることにより、冷媒回路の圧縮機３１の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプ給湯装置をさらに安全にかつ高効率で運転することができる。

また、低外気温時の運転により、第１の蒸発器３４と第２の蒸発器３６に着霜する場合、第１の蒸発器３４を第２の蒸発器３６の下部に設け、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させると、熱交換器の凍結防止とすることもできる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。

図２において、図１と同様要素には同一の番号を付してある。ここで、図１と異なるのは、第１の絞り装置と並列に二方弁３７を介したバイパス回路３８と二方弁３７の開閉を制御する制御装置５４を設けたことである。

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

圧縮機３１で高温高圧の超臨界状態に圧縮された冷媒（炭酸ガス）は、給湯用熱交換器３２で給湯回路を流れる水と熱交換し、自らは中温高圧の冷媒となり、第１の絞り装置３３で減圧された後、第１の蒸発器３４に流入し、ここでファン３９で送風された外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機３１にもどる。一方、循環ポンプ４２で送られた給湯水は給湯用熱交換器３２で加熱され、生成した湯は貯湯槽４１の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。

一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽４１内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯槽４１の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯槽４１下部より循環ポンプ４２を経て給湯用熱交換器３２に流入する水温は高くなってくる。

この場合、入水温度センサー５１で検知した入水温度が制御装置５４にあらかじめ設定してある温度よりも上昇した場合には、バイパス回路３８の二方弁３７を開方向に動作させ、第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させる。こうすることにより、第１の蒸発器３４に流入する冷媒圧力を高圧とすることにより、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させ、外気と熱交換させ中温高圧の冷媒となり、第２の絞り装置３５で減圧され、低温低圧の冷媒となった後、第２の蒸発器３６に流入し、外気と熱交換して蒸発ガス化し、圧縮機１にもどる。

この時、第１の蒸発器３４が放熱器として作用するため、冷媒回路内に封入された冷媒の内、高圧冷媒の存在できるところが給湯用熱交換器３２と第１の蒸発器３４となり体積が増加し、さらに、第１の蒸発器３４で外気によって冷媒は放熱されるため、密度の高い冷媒が第１の蒸発器に存在することとなる。

その結果、冷媒回路の圧縮機３１の吐出圧力を減少させることができ、ヒートポンプ給湯装置を安全にかつ高効率で運転することができる。

また、低外気温時の運転により、第１の蒸発器３４と第２の蒸発器３６に着霜する場合、第１の蒸発器３４を第２の蒸発器３６の下部に設け、第１の蒸発器３４を放熱器として作用させると、熱交換器の凍結防止とすることもできる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、冷媒回路の圧縮機の吐出圧力や吐出温度を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することができが可能となるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

符号の説明

３１ 圧縮機
３２ 給湯用熱交換器
３３ 第１の絞り装置
３４ 第１の蒸発器
３５ 第２の絞り装置
３６ 第２の蒸発器
３７ 二方弁
３８ バイパス回路
３９ ファン
４１ 貯湯槽
４２ 循環ポンプ
５１ 入水温度センサー
５２ 出湯温度センサー
５３ 外気温度センサー
５４ 制御装置

Claims (7)

1. 少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、第１の絞り装置、第１の蒸発器、第２の絞り装置、第２の蒸発器を順次接続した冷媒回路と、少なくとも貯湯槽、前記給湯用熱交換器を接続した給湯回路と、前記給湯用熱交換器に流入する給湯水の温度を検知する入水温度センサーと、前記給湯用熱交換器を流出する給湯水の温度を検知する出湯温度センサーと、前記第１の絞り装置、前記第２の絞り装置の開度を制御する制御装置と備え、前記第１の絞り装置と前記第２の絞り装置は絞り開度を可変し流量を制御できるとともに、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上で、かつ、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度が設定値以上の場合に、前記第１の絞り装置の開度を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 外気温度を検知する外気温度センサーを設け、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度と、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度と、前記外気温度センサーで検知した外気温度とに基づいて、前記第１の絞り装置の開度を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 冷媒回路に第１の絞り装置をバイパスする二方弁を介したバイパス回路を設けた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装置。
4. 前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度が所定値以上で、かつ、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度が所定値以上の場合に、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 外気温度を検知する外気温度センサーを設け、前記制御装置は、前記入水温度センサーで検知した入水温度と、前記出湯温度センサーで検知した出湯温度と、前記外気温度センサーで検知した外気温度とに基づいて、前記バイパス回路の二方弁を開方向に動作させ、前記第２の絞り装置の開度を閉方向に動作させるように制御することを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 冷媒として炭酸ガスを用いた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装置。

Images