JP5169873B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて沸き上げた温水を貯湯して用いるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機は、図５に示すような構造を有していた。

図５において、１は圧縮機、２は放熱器、３は膨張弁、４は蒸発器であり、これらはこの順で環状に構成され、ヒートポンプサイクル５を形成して、ヒートポンプユニット２１内に配設されている。また、７は熱交換器で、ヒートポンプサイクル５の放熱器２通過後の高圧冷媒と蒸発器４通過後の低圧冷媒とを熱交換する。

また、１１は貯湯タンク、１２は循環ポンプ、１３は三方弁であり、貯湯タンク１１の下部から循環ポンプ１２、放熱器２、三方弁１３を経て貯湯タンク１１の上部または下部へ還流する沸き上げ回路１６を構成している。また、１９は給湯混合弁、１５は温度センサーであり、給湯混合弁１９は供給水配管と貯湯タンク１１からの給湯配管の混合部に設けられ、温度センサー１５は放熱器２の水側出口配管上に設けてられていて、それぞれ貯湯ユニット２２内に配設されている。

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

貯湯運転中は、圧縮機１はヒートポンプサイクル５内に冷媒を循環させ、循環ポンプ１２は沸き上げ回路１６内に水を循環させ、沸き上げられた温水温度が十分に高い場合には、沸きあげた温水を貯湯タンク１１の上部に還流して貯湯する。

ヒートポンプサイクル５においては、冷媒は、圧縮機１において高温高圧にされた後に放熱器２に供給され、水と熱交換を行って放熱した後に膨張弁３で減圧されて低温低圧となり、蒸発器４において大気より受熱して再び圧縮機１に供給される。

一方、外気温度が低く、蒸発器４に霜が付着した場合には、これを除去すべく、貯湯運転から除霜運転へと切り換えを行う。除霜運転を開始すると、循環ポンプ１２を停止させ、また、膨張弁３における減圧量を少なくして、０℃以上の冷媒を蒸発器４に供給して、付着した霜を融解させて除去する。

付着した霜が十分に除去できたら、再び温水を沸き上げるべく除霜運転から貯湯運転へと切り換える。このとき、放熱器２出口における沸き上げ温度によって貯湯タンク１１上部と下部のいずれかに連通する流路を三方弁１３により選択して貯湯タンク１１に還流する。三方弁１３は、目標沸き上げ温度に対して沸き上げ温度が一定温度差以上低い中温水を生成している間は貯湯タンク１１下部に還流する流路を選択し、目標沸き上げ温度に対して沸き上げ温度が一定温度差以内になると、貯湯タンク１１上部に還流する流路を選択するように切り換える。

上記のように三方弁１３を動作することにより、中温水を貯湯タンク１１下部への還流することによる上部の温水温度の低下を抑制して、沸き上げ完了時点において貯湯タンク１１内に蓄熱される熱量がより大きくなるように作用している。

ところが、中温水を貯湯タンク１１下部へ還流すると、貯湯タンク１１下部の冷水温度が上昇するため、放熱器２へ供給される入水温度が上昇し、ヒートポンプサイクル５による貯湯運転時のエネルギー効率が低下してしまう。とりわけ、除霜運転を繰り返し行ったときには、入水温度は大きく上昇してしまう。

したがって、貯湯運転におけるエネルギー効率向上の観点から考えれば、上記のように生成した中温水を貯湯タンク１１の下部に還流することは良策ではなく、高温の温水による蓄熱が必要な場合にのみ、生成する中温水を貯湯タンク１１下部に還流するのが合理的である。
特開２００３―２７９１３６号公報

従来のヒートポンプ給湯機における三方弁１３などの流路切り換え手段は、高温の温水による蓄熱の必要性に関わらず、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を貯湯タンク１１下部に還流していたため、除霜運転を行うたびに入水温度が上昇し、ヒートポンプサイクル５による貯湯運転時のエネルギー効率が低下するという問題点を有していた。

また、上記特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機は、目標沸き上げ温度に対して沸き上げ温度が一定温度差以上の場合には、生成した中温水はバイパス回路を経て再び放熱器へ供給されるため、上記のような課題を有しない。しかしながら、一度バイパス回路を経て再び放熱器へ供給される中温水を沸き上げる場合のエネルギー効率は極めて低く、貯湯運転に消費する電力量が増大するという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するもので、入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができる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、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンク、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させ
る循環ポンプ、前記放熱器と前記貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路と、前記被加熱流体の前記放熱器通過後の温度を検知する温度検知手段と、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するために、前記循環ポンプを停止し前記圧縮機を運転させる除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させ前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時において、目標沸き上げ温度と前記温度検知手段の検知温度との温度差が所定値以内になると、前記制御手段は、前記流路切り換え手段が前記上側流路を選択するように切り換えるとともに、前記所定値は深夜時間帯の方が昼間時間帯よりも小さいことを特徴とするものである。

これにより、時間帯によって異なる制御方法により流路切り換え手段の動作を制御することで、高温の温水による蓄熱の必要性がない時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、流路切り換え手段を貯湯タンク略上部に連通する上側流路と連通するように切り換えて、中温水を貯湯タンクの上側に還流することで、入水温度の上昇を抑制しできる。

そのため高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができるヒートポンプ給湯機を提供できる。

また、深夜時間帯においては除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を、貯湯タンク略下部へ還流して深夜沸き上げ完了時に貯湯タンクに蓄熱される熱量を大きくしながらも、昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を、貯湯タンク略上部へ還流して貯湯運転時の入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができる。

本発明によれば、必要な時間帯には大きな熱量を貯湯タンクに蓄熱し、かつ高いエネルギー効率で貯湯運転を行う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、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンク、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させる循環ポンプ、前記放熱器と前記貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路と、前記被加熱流体の前記放熱器通過後の温度を検知する温度検知手段と、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するために、前記循環ポンプを停止し前記圧縮機を運転させる除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させ前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時において、目標沸き上げ温度と前記温度検知手段の検知温度との温度差が所定値以内になると、前記制御手段は、前記流路切り換え手段が前記上側流路を選択するように切り換えるとともに、前記所定値は深夜時間帯の方が昼間時間帯よりも小さいことを特徴とするものである。

これにより、時間帯によって異なる制御方法により流路切り換え手段の動作を制御することで、高温の温水による蓄熱の必要性がない時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、流路切り換え手段を貯湯タンク略上部に連通する上側流路と連通するように切り換えて、中温水を貯湯タンクの上側に還流することで、入水温度の上昇を抑制しできる。

そのため高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができるヒートポンプ給湯機を提供できる。

また、深夜時間帯においては除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を、貯湯タンク略下部へ還流して深夜沸き上げ完了時に貯湯タンクに蓄熱される熱量を大きくしながらも、昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を、貯湯タンク略上部へ還流して貯湯運転時の入水温度の上昇を抑制し、高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができる。

第２の発明は、貯湯運転時、ヒートポンプサイクルの高圧側が超臨界圧力で運転することを特徴とするもので、高温湯を貯湯できる。

第３の発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とするもので、冷媒の発火や爆発の危険性なく、高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機について、図面を参照しながら述べる。

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、１３は三方弁、１４は三方弁制御手段、１５は沸き上げ温度を検知する温度センサーである。

以下、ヒートポンプ給湯機の動作および作用について説明する。

沸き上げ温度と目標沸き上げ温度の偏差が一定温度差以内になったときの動作および作用は、従来のヒートポンプ給湯機に同じであるので詳細な説明は省略し、ここでは、除霜運転から貯湯運転を再開するときの動作および作用について説明する。

除霜運転中は、循環ポンプ１２を停止させ、また、膨張弁３の開度を最大にし、高温圧縮冷媒を圧縮機１から蒸発器４に供給して、付着した霜を融解させて除去する。除霜運転の終了が判断されると、循環ポンプ１２の運転を開始し、また、膨張弁３を絞って貯湯運転を再開する。この貯湯運転再開直後、放熱器２を出た温水の温度は目標沸き上げ温度未満のため、三方弁１３は貯湯タンク１１の下部に連通する流路１８を選択しているが、温度センサー１５によって検知された温度が、予め定められた温度より高くなると、三方弁制御手段１４は、三方弁１３を切り換えて、貯湯タンク１１上部に連通する流路１７を選択する。

三方弁１３が選択する流路を決定する三方弁制御手段１４のフローチャートを、図２に示す。図２に示すように、除霜運転の開始が判定されると、三方弁１３は貯湯タンク１１下部に連通する流路１８を選択するように切り換えられ、現在時刻が昼間時間帯（朝７時〜夜１１時）であるか深夜時間帯（夜１１時〜朝７時）であるかを確認する。

現在時刻が昼間時間帯であれば、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、温度センサー１５によって検知された放熱器２通過後の沸き上げ温度である温水の温度と、目標沸き上げ温度との差が４５℃以下（例えば、目標沸き上げ温度が７０℃であれば、沸き上げ温度
２５℃以上）であるか否かを判断し、温度差が４５℃であれば、三方弁制御手段１４は、三方弁１３を貯湯タンク１１上部に連通する流路１７に切り換える。

一方、現在時刻が深夜時間帯であれば、温度センサー１５によって検知された温度と目標沸き上げ温度との差が１５℃以下（例えば、目標沸き上げ温度が７０℃であれば、沸き上げ温度５５℃以上）になると、三方弁制御手段１４は、三方弁１３を貯湯タンク１１上部に連通する流路１７に切り換える。

上記のように、三方弁１３を制御して動作させることによって、昼間時間帯においては、目標沸き上げ温度に対して温度差が４５℃以内である比較的温度が低めの中温水も、貯湯タンク１１上部に還流することで、除霜運転を行うたびに上昇していた貯湯タンク１１下部の冷水温度を低く維持し、放熱器２に供給される入水温度の上昇を抑制して、ヒートポンプサイクル５による貯湯運転時のエネルギー効率を向上できる。

一方、深夜時間帯においては、沸き上げ温度が目標沸き上げ温度に対して温度差が１５℃以内である比較的温度が高めの中温水も、貯湯タンク１１下部に還流されることで、貯湯タンク１１上部の温水の温度低下が抑制され、深夜沸き上げ完了時における貯湯タンク１１内に蓄熱される熱量を大きくすることができる。

このようにすることによって、必要な時間帯に大きな熱量を貯湯タンク１１に蓄熱し、かつ貯湯運転時のエネルギー効率を高くして、消費電力量を低減することができる。

本実施の形態によれば、上記の構成により、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、昼間時間帯と深夜時間帯において、沸き上げ温度が予め定められた温度になると、貯湯タンク１１の下部から上部に連通するように流路を切り換える。

そして、深夜時間帯における流路切り換え温度を、昼間時間帯における流路切り換え温度よりも高くすることで、昼間時間帯においては、貯湯運転開始時や除霜運転後などに生成する中温水を貯湯タンク１１上部に還流し、深夜時間帯においては、上記中温水を貯湯タンク１１下部に還流することによって、必要な時間帯に大きな熱量を蓄熱しながらも、貯湯運転時に高いエネルギー効率を実現できるという効果を奏する。

（参考例１）
次に、本発明の参考例１におけるヒートポンプ給湯機の構成は、上記実施の形態１における構成と同一である。本参考例における三方弁１３は、三方弁制御手段１４によって、図３に示すようなフローチャートに従って、昼間時間帯と深夜時間帯において異なる制御方法により制御され動作する。

昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、沸き上げ回路１６に水を循環させるために循環ポンプ１２が始動すると同時に、三方弁制御手段１４によって三方弁１３は貯湯タンク１１の上部に連通する流路に切り換えられる。一方、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、温度センサー１５によって検知された温度が目標沸き上げ温度に対して温度差が１５℃以内になると、三方弁制御手段１４によって三方弁１３は貯湯タンク１１の上部に連通する流路に切り換えられる。

上記のように三方弁１３を動作させることによって、昼間時間帯においては、循環ポンプ１２が始動し、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水が貯湯タンク１１上部に還流され、除霜運転のたびに貯湯タンク１１下部の冷水温度が上昇するのを抑制し、放熱器２に供給される入水温度の上昇を抑制して、ヒートポンプサイクル５による貯湯運転時のエネルギー効率を向上させる。一方、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後
の貯湯運転再開時に、沸き上げ温度が目標沸き上げ温度に対して温度差が１５℃以上である中温水は貯湯タンク１１下部に還流され、貯湯タンク１１上部の温水の温度低下が抑制され、深夜沸き上げ完了時における貯湯タンク１１内に蓄熱される熱量を大きくすることができる。

こうすることによって、必要な時間帯に大きな熱量を貯湯タンク１１に蓄熱し、かつ貯湯運転時のエネルギー効率を高くして、消費電力量を低減することができる。

本参考例によれば、上記の構成により、昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、循環ポンプの始動とともに貯湯タンク１１の下部から上部に連通するように流路を切り換え、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、沸き上げ温度が予め定められた温度以上になると、流路を切り換える三方弁１３を備え、昼間時間帯においては除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を貯湯タンク１１上部に還流し、深夜時間帯においては上記中温水を貯湯タンク１１下部に還流することによって、必要な時間帯に大きな熱量を蓄熱しながらも、貯湯運転時に高いエネルギー効率を実現できるという効果を奏する。

（参考例２）
次に、本発明の参考例２におけるヒートポンプ給湯機の構成は、上記実施の形態１における構成に同じである。本参考例における三方弁１３は、三方弁制御手段１４によって、図４に示すようなフローチャートに従って、昼間時間帯と深夜時間帯において異なる制御方法により制御され動作する。

昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、蒸発器に空気を導く送風手段６が始動すると同時に、三方弁制御手段１４によって三方弁１３は貯湯タンク１１の上部に連通する流路に切り換えられる。一方、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、温度センサー１５によって検知された温度が目標沸き上げ温度に対して温度差が１５℃以内になると、三方弁制御手段１４によって三方弁１３は貯湯タンク１１の上部に連通する流路に切り換えられる。

上記のように三方弁１３を動作させることによって、昼間時間帯においては、送風手段６が始動し、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水が貯湯タンク１１上部に還流されるために、貯湯タンク１１下部の冷水温度の上昇が抑制され、放熱器２に供給される入水温度の上昇を抑制して、ヒートポンプサイクル５による貯湯運転時のエネルギー効率を向上させる。一方、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、沸き上げ温度が目標沸き上げ温度に対して温度差が１５℃以上である中温水は貯湯タンク１１下部に還流され、貯湯タンク１１上部の温水の温度低下が抑制され、深夜沸き上げ完了時における貯湯タンク１１内に蓄熱される熱量を大きくすることができる。

これによって、必要な時間帯に大きな熱量を貯湯タンク１１に蓄熱し、かつ貯湯運転時のエネルギー効率を高くして、消費電力量を低減することができる。

本参考例によれば、上記の構成により、昼間時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、送風手段６の始動とともに貯湯タンク１１の下部から上部に連通するように流路を切り換え、深夜時間帯においては、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に、沸き上げ温度が予め定められた温度以上になると、流路を切り換える三方弁１３を備え、昼間時間帯においては除霜運転終了直後の貯湯運転再開時に生成する中温水を貯湯タンク１１上部に還流し、深夜時間帯においては上記中温水を貯湯タンク１１下部に還流することによって、必要な時間帯に大きな熱量を蓄熱しながらも、貯湯運転時に高いエネルギー効率を実現できるという効果を奏する。

本発明の貯湯式ヒートポンプ給湯機は、除霜運転終了直後の貯湯運転再開時において、高いエネルギー効率で貯湯運転を行うことを可能とし、かつ、必要な時間帯には貯湯タンク内に大きな熱量を蓄熱することも可能とする効果を有するので、ヒートポンプ給湯機の省エネルギー化および湯切れ防止に対して有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 本発明の実施の形態１における三方弁の選択する流路を決定するフローチャート 本発明の参考例１における三方弁の選択する流路を決定するフローチャート 本発明の参考例２における三方弁の選択する流路を決定するフローチャート 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ ヒートポンプサイクル
６ 送風手段
１１ 貯湯タンク
１２ 循環ポンプ
１３ 三方弁
１４ 三方弁制御手段
１５ 温度センサー
１６ 沸き上げ回路

Claims (3)

1. 圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器を順に接続したヒートポンプサイクルと、前記放熱器にて加熱された被加熱流体を貯湯する貯湯タンク、前記被加熱流体を前記放熱器を介して前記貯湯タンクへ還流させる循環ポンプ、前記放熱器と前記貯湯タンクの略上部とを連通する上側流路、前記放熱器と前記貯湯タンクの略下部とを連通する下側流路、前記上側流路と前記下側流路のどちらかを選択して流路を切り換える流路切り換え手段を有する貯湯回路と、前記被加熱流体の前記放熱器通過後の温度を検知する温度検知手段と、制御手段とを備え、前記蒸発器の着霜を除去するために、前記循環ポンプを停止し前記圧縮機を運転させる除霜運転から、前記循環ポンプ、前記圧縮機を運転させ前記放熱器にて前記被加熱流体を加熱し前記貯湯タンクへ貯湯する貯湯運転への変更時において、目標沸き上げ温度と前記温度検知手段の検知温度との温度差が所定値以内になると、前記制御手段は、前記流路切り換え手段が前記上側流路を選択するように切り換えるとともに、前記所定値は深夜時間帯の方が昼間時間帯よりも小さいことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 貯湯運転時、ヒートポンプサイクルの高圧側が超臨界圧力で運転する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. ヒートポンプサイクルの冷媒として、二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。

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