JP5194492B2 - 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２に示すものがある。

図２に示すように、従来のヒートポンプ給湯装置は、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、給湯用熱交換器２、三方弁７、貯湯槽５頂部の温水戻り口８を順次接続した給湯回路と、前記三方弁７と前記貯湯槽５底部を接続するバイパス回路からなる。

運転を開始すると、循環ポンプ６が運転され、貯湯槽５から給湯用熱交換器２に流入する入水温度が計測され、室外気温、入水温度と出湯目標温度により、圧縮機１の運転周波数、絞り装置３の初期開度が決定され、圧縮機１が運転開始する。

圧縮機１より吐出された冷媒は次第に高温高圧の過熱ガス冷媒となり、給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ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絞り装置３で減圧され、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、圧縮機１にもどる。

一方、給湯用熱交換器２で加熱された湯はその温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より一定値低い温度（例えば７０℃）より低い場合、貯湯槽５の低部に戻り、給湯設定温度（例えば８０℃）より一定値低い温度（例えば７０℃）より高くなると三方弁７を切り替え、貯湯槽５の上部に流入し、貯湯槽５の上から次第に貯湯されていく。

そして、給湯用熱交換器２の入口水温が設定値に達すると入水温度センサー２０が検知し、圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止するものである。さらに、室外気温が低く蒸発器４に霜が生成し、その霜を溶かす除霜運転を行う場合、循環ポンプ６を停止し、沸き上げ運転を停止し、絞り装置３を開き、高温高圧の冷媒を蒸発器４に流し、その熱により除霜する。

除霜運転終了後、沸き上げ運転を再開するが、給湯用熱交換器２の出口温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より一定値低い温度（例えば７０℃）より低い場合、貯湯槽５の低部に戻るように３方弁７は制御され、給湯用熱交換器２の出口温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より一定値低い温度（例えば７０℃）より高くなると三方弁７を切り替え、貯湯槽５の上部に流入し貯湯されていく（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６１−１６５１５７号公報

しかしながら、上記のような従来の構成では、除霜運転が終了し、沸き上げ運転が再開された時に、給湯用熱交換器２の出口温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より一定値低い温度（例えば７０℃）より低い（例えば６５℃）場合、温水が貯湯槽５の底部に戻されるため、貯湯槽５底部の低温（例えば１０℃）の水と混合し、貯湯槽５底部の水温は上昇する。

その結果、沸き上げ運転時に給湯熱交換器２に流入する水温が上昇するため、給湯熱交換器２の放熱量が低下し、給湯機のエネルギー効率が低下するという課題がある。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、除霜運転終了後の沸き上げ運転再開時に、三方弁を給湯用熱交換器と貯湯槽頂部の温水戻り口を連通させるように制御し、貯湯槽底部の水温上昇を防止し、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を可能とすることである。

上記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、絞り開度を可変し流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒
回路と、貯湯槽、貯湯槽底部の取水口、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、三方弁、貯湯槽頂部の温水戻り口を順次接続した給湯回路と、前記三方弁と前記貯湯槽底部を接続するバイパス回路と、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、前記出湯温度センサーと設定給湯温度を比較し、前記三方弁を切り替える制御装置とを備え、前記制御装置は、通常の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記設定給湯温度より低い第一の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通させるように制御し、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転終了後の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記第一の所定温度より低い第二の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通させるように制御するものである。

この構成により、貯湯槽底部の水温上昇を防止し、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、上記構成により、貯湯槽底部の水温上昇を防止し、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

また、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などの効果がある。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、絞り開度を可変し流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路と、貯湯槽、貯湯槽底部の取水口、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、三方弁、貯湯槽頂部の温水戻り口を順次接続した給湯回路と、前記三方弁と前記貯湯槽底部を接続するバイパス回路と、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、前記出湯温度センサーと設定給湯温度を比較し、前記三方弁を切り替える制御装置とを備え、前記制御装置は、通常の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記設定給湯温度より低い第一の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通させるように制御し、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転終了後の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記第一の所定温度より低い第二の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通させるように制御するものである。

この構成により、貯湯槽底部の水温上昇を防止し、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

特に、除霜運転終了後の沸き上げ運転においては、高温の湯が貯湯槽底部に流入することをできるだけ短時間にすることで、貯湯槽底部の水温上昇を防止することができ、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明の冷媒回路の冷媒として炭酸ガスを用いたことにより、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、本発明の実施の形態１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にしめすように、圧縮機３１、給湯用熱交換器３２、絞り装置３３、蒸発器３４は順に環状に接続され、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成する。なお、蒸発器３４は、外気を送風するためのファン３５を備えている。

また、貯湯槽４１、貯湯槽底部の取水口４２、循環ポンプ４３、給湯用熱交換器３２、三方弁４４、貯湯槽頂部の温水戻り口４５を順次接続した給湯回路４６と、三方弁４４と貯湯槽４１底部を接続するバイパス回路４７を構成しており、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４３から送られてきた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と室外気温を検知する室外気温センサー５３、圧縮機３１の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサー５４、蒸発器３４の出口冷媒温度を検出する蒸発器出口温度センサー５５を設け、圧縮機３１の運転周波数や絞り装置３３の開度、ファン３５の回転数、循環ポンプ４３の回転数を制御する制御装置５６を設置している。なお、冷媒は二酸化炭素を用いている。

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。

通常の運転時では、ヒートポンプ給湯装置の運転を開始すると、循環ポンプ４３、ファン３５が運転され、入水温度センサー５１により貯湯槽４１から給湯用熱交換器３２に流入する入水温度が計測され、室外気温センサー５３により室外気温が計測され、吐出温度センサー５４により圧縮機３１の吐出冷媒温度が計測され、入水温度、室外気温、吐出冷媒温度と出湯目標温度により、圧縮機３１の運転周波数、絞り装置３３の初期開度Ｐ１はあらかじめ設定されたテーブルから選択し、決定され、圧縮機３１の運転が開始される。

圧縮機３１より吐出された冷媒は、圧縮機３１運転開始時は低温低圧の冷媒であるが、圧縮機３１の回転数の増加に伴い、次第に高温高圧の過熱ガス冷媒となる。そして、高温高圧となった冷媒は給湯用熱交換器３２に流入し、ここで循環ポンプ４３から送られてきた水と熱交換し加熱する。

そして、冷媒は中温高圧となり、絞り装置３３で減圧された後、蒸発器３４に流入し、ここでファン３５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４３で送られた給湯水は給湯用熱交換器３２で加熱され、湯温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より第一の所定値（例えば１０ｄｅｇ）ほど低い温度（７０℃）より低い（例えば６５℃）場合、温水は貯湯槽４１の底部に戻される。

さらに、湯温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より第一の所定値（例えば１０ｄｅｇ）ほど低い温度（７０℃）より高くなると三方弁４４は給湯用熱交換器３２と貯湯槽頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御され、湯は貯湯槽４１の上部に流入し、上から次第に貯湯されて行き、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯槽４１内に湯が貯まって行く。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４３を経て流入する
水温は高くなり、入水温度が設定値以上になると、貯湯槽４１に湯が貯まったと判断し、圧縮機３１、循環ポンプ４３、ファン３５の運転を停止し、沸上を完了する。

次に、室外気温が低く蒸発器３４に霜が生成し、その霜を溶かす除霜運転を行う場合、循環ポンプ４３、ファン３５を停止し、沸き上げ運転を停止し、絞り装置３３を開き、給湯用熱交換器３２での放熱をできるだけ防ぎ、高温高圧の冷媒を蒸発器３４に流し、蒸発器３４の温度を上昇させ除霜する。この時、三方弁４４は給湯用熱交換器３２と貯湯槽頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御されたままの状態で運転される。

除霜運転中は蒸発器３４に高温の冷媒を流入させて除霜を行うため、冷媒は吸熱して蒸発することができず、液冷媒の状態で圧縮機３１に吸入され、圧縮機３１から吸熱して蒸発するため、圧縮機３１の吐出温度は次第に低下する。その結果、給湯用熱交換器３２には圧縮機３１の吐出冷媒が流れるため、給湯用熱交換器３２の温度は吐出冷媒温度と同じ温度となる。

蒸発器３４の霜が溶け、蒸発器３４出口配管の冷媒温度が上昇し、蒸発器出口温度センサーの出力値が設定値（例えば５℃）以上となると、除霜運転は終了し、循環ポンプ４３、ファン３５が運転され、入水温度、室外気温、吐出冷媒温度と出湯目標温度により、圧縮機３１の運転周波数、絞り装置３３の初期開度Ｐ１はあらかじめ設定されたテーブルから選択され、決定され、沸き上げ運転が再開される。

この時、給湯設定温度（例えば８０℃）より第二の所定値（例えば２０ｄｅｇ）ほど低い温度（６０℃）より低い（例えば５５℃）場合、温水は貯湯槽４１の底部に戻される。さらに、湯温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より第二の所定値（例えば２０ｄｅｇ）ほど低い温度（６０℃）より高くなると三方弁４４は給湯用熱交換器３２と貯湯槽頂部の温水戻り口４５を連通させるように制御され、湯は貯湯槽４１の上部に流入する。この時の湯温は、給湯設定温度（例えば８０℃）より低いが、通常使用される温度（例えば４５℃）より高く利用可能なため、貯湯槽４１上部に流入するように制御する。

その結果、高温の湯が貯湯槽４１底部に流入することをできるだけ短時間とし、貯湯槽４１底部の水温上昇を防止することができ、給湯用熱交換器３２の放熱量の低下を防止できるため、エネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

なお、三方弁４４の切り替えを湯温度が給湯設定温度（例えば８０℃）より第二の所定値（例えば２０ｄｅｇ）ほど低い温度（６０℃）で判断したが、除霜運転終了後、三方弁４４の切り替え判断をせず、三方弁４４は給湯用熱交換器３２と貯湯槽頂部の温水戻り口４５を連通させる状態で沸き上げ運転を開始すれば、高温の湯が貯湯槽４１底部に流入することを防止し、さらにエネルギー効率の高い沸き上げ運転を行うことができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、エネルギー効率の高い沸き上げ運転が可能となるため、高温の湯を利用した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 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

３１ 圧縮機
３２ 給湯用熱交換器
３３ 絞り装置
３４ 蒸発器
３５ ファン
４１ 貯湯槽
４２ 貯湯槽底部の取水口
４３ 循環ポンプ
４４ 三方弁
４５ 貯湯槽頂部の温水戻り口
４６ 給湯回路
４７ バイパス回路
５１ 入水温度センサー
５２ 出湯温度センサー
５３ 室外気温センサー
５４ 吐出温度センサー
５５ 蒸発器出口温度センサー
５６ 制御装置

Claims (2)

1. 少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、絞り開度を可変し流量を制御できる絞り装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路と、貯湯槽、貯湯槽底部の取水口、循環ポンプ、前記給湯用熱交換器、三方弁、貯湯槽頂部の温水戻り口を順次接続した給湯回路と、前記三方弁と前記貯湯槽底部を接続するバイパス回路と、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、前記出湯温度センサーと設定給湯温度を比較し、前記三方弁を切り替える制御装置とを備え、前記制御装置は、通常の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記設定給湯温度より低い第一の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通させるように制御し、低外気温時に前記蒸発器に生成される霜を溶かす除霜運転終了後の沸き上げ運転においては、前記出湯温度センサーの検出値が、前記第一の所定温度より低い第二の所定温度より高くなると、前記三方弁を前記給湯用熱交換器と前記貯湯槽頂部の温水戻り口とを連通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. 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に記載のヒートポンプ給湯装置。

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