JP6152063B2

JP6152063B2 - ヒートポンプ貯湯式給湯装置

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Publication number: JP6152063B2
Application number: JP2014031727A
Authority: JP
Inventors: 基阿部; 伊藤　隆; 伊藤　　隆; 正紀樋口
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015158280A

Description

本発明は、貯湯タンクと水熱交換器とを備えた貯湯タンクユニットと、圧縮機を備えたヒートポンプユニットとで分離されて構成されたヒートポンプ貯湯式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ貯湯式給湯装置においては、貯湯タンクとその上部に水熱交換器を備えた貯湯タンクユニットと、圧縮機と膨張手段と蒸発器とを備えたヒートポンプユニットとが分離されて、外部冷媒配管で貯湯タンクユニット内の冷媒配管とヒートポンプユニット内の冷媒配管とを接続して構成されたものがあった（特許文献１）。

特開昭５８−３３０４８号公報

ところが、この従来のものでは、水熱交換器の水側と貯湯タンクを接続する循環回路の凍結を防止するためには、循環回路に凍結防止ヒータを設けるか、循環ポンプを頻繁に駆動して循環回路内の水を流動させる必要があったと共に、沸き上げ運転時に水熱交換器から流出した冷媒の熱が外部冷媒配管から放熱されてロスしてしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク底部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部に循環させる循環ポンプを有した循環回路と、前記循環回路に設けられ冷媒と水とを略対向流で熱交換する水熱交換器と、前記水熱交換器の冷媒入口側に接続される冷媒入口配管と、前記水熱交換器の冷媒出口側に接続される冷媒出口配管と、前記冷媒入口配管および前記冷媒出口配管と外部冷媒配管とを接続するための冷媒接続継手と、前記水熱交換器を流通する冷媒の温度を検知する冷媒温度センサと、前記循環回路の前記水熱交換器上流側を流れる湯水の温度を検知する入水温度センサと、前記循環回路の前記水熱交換器下流側を流れる湯水の温度を検知する沸き上げ温度センサと、を備えた貯湯タンクユニットと、冷媒を圧縮して前記水熱交換器の冷媒側に連通する冷媒往き管に圧送する圧縮機と、前記水熱交換器で熱交換して温度低下して冷媒戻り管から戻ってきた冷媒を減圧膨張させる膨張手段と、減圧膨張した冷媒を蒸発させて前記圧縮機に供給する蒸発器と、前記冷媒往き管および前記冷媒戻り管とを前記外部冷媒配管に接続するための冷媒接続継手とを備えたヒートポンプユニットと、前記冷媒温度センサで検知する冷媒温度と、前記入水温度センサで検出する入水温度と、前記沸き上げ温度センサで検知する沸き上げ温度とに基づいて、前記循環ポンプ、前記圧縮機、前記膨張手段の作動を制御する制御手段と、を備え、前記貯湯タンクユニット内に、前記冷媒出口配管と前記入水温度センサよりも上流側の前記循環回路とを接触させて熱交換可能とした熱交換部を設けたものとした。

また、前記貯湯タンクユニットは、前記貯湯タンク上部に前記水熱交換器が配置されると共に、前記貯湯タンクの中間高さ以下の高さ位置に前記冷媒入口配管および前記冷媒出口配管と前記外部冷媒配管とを接続するための前記冷媒接続継手が配置されているものとした。

また、前記熱交換部は、前記冷媒出口配管の一部と前記入水温度センサよりも上流側の前記循環回路の一部とがロウ付けして形成されているものとした。

請求項１の発明によれば、熱交換部にて水熱交換器から流出した冷媒の熱をこれから水熱交換器に流入する水に回収するために、貯湯タンクユニット内の配管を有効に利用することができ、低コストに加熱効率を向上することができると共に、循環回路内の水が水熱交換器から流出した冷媒の熱で加熱されるため、循環回路内の水の温度が上昇することにより冬季における循環回路の対凍結性能を向上することができ、凍結予防のための循環ポンプの駆動頻度を低減できる。

また、ヒートポンプサイクルの立ち上がり時には水熱交換器から流出する冷媒の温度とこれから水熱交換器に流入する水の温度の温度差が大きくなるが、この温度差を熱交換部にて回収できるため、加熱効率を向上することができると共に、立ち上げ時間を短縮できる。

また、貯湯タンクの湯の沸き上げの終盤には、貯湯タンク内の中温の残湯が水熱交換器に流入することとなり、水熱交換器に流入する湯水の温度が急上昇することとなるが、この中温の残湯の熱は熱交換部にて水熱交換器から流出した冷媒に回収されて、水熱交換器に流入する水の温度変化が緩和され、ヒートポンプサイクルへの外乱を抑制し、ヒートポンプサイクルの制御破綻の可能性を低減することができる。

また、貯湯タンク内の残湯の沸き上げ中に給湯が行われると、中温の残湯の沸き上げを行っていたところに給湯によって貯湯タンク底部に流入した低温の水が水熱交換器に流入することとなるが、この水は水熱交換器から流出した冷媒の熱によって熱交換部にて加熱され、水熱交換器に流入する水の温度変化が緩和され、ヒートポンプサイクルへの外乱を抑制し、ヒートポンプサイクルの制御破綻の可能性を低減することができる。

また、請求項２の発明によれば、貯湯タンク上部に水熱交換器が配置されると共に、貯湯タンクの中間高さ以下の高さ位置に冷媒入口配管および冷媒出口配管と外部冷媒配管とを接続するための冷媒接続継手が配置されている貯湯タンクユニット内において、上下方向の長さが必要な配管同士を熱交換部として無駄なく有効に利用することができる。

また、請求項３の発明によれば、簡易、省スペースかつ低コストに熱交換部を構成することができる。

本発明の一実施形態の概略構成図

次に本発明の一実施形態のヒートポンプ貯湯式給湯装置１を図１に基づいて説明する。
２は１５０Ｌ〜３００Ｌ程度の容積を有し湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク３を有した貯湯タンクユニット、４は貯湯タンク３内の湯水を主に深夜時間帯等に沸き上げる加熱手段を構成するヒートポンプユニット、５は給湯設定温度を変更する等の操作を行うためのリモコンである。

貯湯タンクユニット２には、貯湯タンク３底部に水を給水する給水管６と、貯湯タンク３上部から出湯する出湯管７と、給水管６から分岐された給水バイパス管８と、出湯管７からの湯と給水バイパス管８からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁９と、給湯混合弁９で混合された湯を蛇口１０へ給湯するための給湯管１１と、給湯管１１途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ１２と、給湯管１１途中に設けられ給湯流量を検出する給湯流量センサ１３と、貯湯タンク２の側面上下に複数設けられてそれぞれ貯湯温度を検出する貯湯温度センサ１４と、給水管６に設けられ水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁１５と、貯湯タンク２内の過圧を逃がす過圧逃がし弁１６とが設けられている。

また、貯湯タンクユニット２には、貯湯タンク３の下部と上部とを接続する循環回路１７と、循環回路１７の貯湯タンク３下部寄りに設けられ、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を貯湯タンク３の上部に循環させる循環ポンプ１８と、循環回路１７の循環ポンプ１８の下流側に設けられ、貯湯タンク３内の湯水を沸き上げる加熱手段の一部を構成する水熱交換器１９と、循環回路１７の水熱交換器１９よりも上流側に設けられ、水熱交換器１９に流入する水の温度を検出する入水温度センサ２０と、循環回路１７の水熱交換器１９よりも下流側に設けられ、水熱交換器１９から流出する湯水の温度を検出する沸き上げ温度センサ２１と、水熱交換器１９を流通する冷媒の温度を検知する冷媒温度センサ２２と、ヒートポンプユニット４からの冷媒を水熱交換器１９の冷媒側入口に流入させるための冷媒入口配管２３と、水熱交換器１９からの冷媒をヒートポンプユニット４に戻すための冷媒出口配管２４と、冷媒入口配管２３および冷媒出口配管２４と外部冷媒配管２５ａ、２５ｂとを接続するための冷媒接続継手２６ａ、２６ｂとが設けられている。

ここで、冷媒接続継手２６ａ、２６ｂは、貯湯タンクユニット２の中間高さ以下、好ましくは貯湯タンクユニット２の設置面から高さ３００ｍｍ〜８００ｍｍの高さ位置で貯湯タンクユニット２の筐体から一端が外部に露出するように設けられているもので、適度な高さ位置に設けられることにより、外部冷媒配管２５ａ、２５ｂとの接続作業性を確保しているものである。なお、貯湯タンクユニット２は１６００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度の高さを有している。

また、水熱交換器１９は貯湯タンク３の上部に配置され、水熱交換器１９の水抜きを容易にすると共に、貯湯タンク３よりも先に水抜きが完了されるために、貯湯タンク３内の全量水抜きをしなくとも水熱交換器１９の交換が可能としている。

そして、２７は冷媒出口配管２４の一部と入水温度センサ２０よりも上流側の循環回路１７の一部とを接触させて熱交換可能とした熱交換部であり、直管状の銅パイプを長手方向で接触させてロウ付けして形成され、その外側に断熱材で一体に覆った構成としているものである。

なお、水熱交換器１９は、水の出口側に冷媒入口側を配置し、水の入口側に冷媒出口側を配置した略対向流で熱交換するもので、水管の外周に複数条の冷媒細管が螺旋状に巻き付けられた配管を、螺旋状に巻回して構成され、簡易的な構成の熱交換部２７に比べて伝熱性能が高性能なものである。

ヒートポンプユニット４には、冷媒を圧縮して水熱交換器１９の冷媒側に連通する冷媒往き管２８に圧送する圧縮機２９と、水熱交換器１９で熱交換して温度低下して冷媒戻り管３０から戻ってきた冷媒を減圧膨張させる膨張手段としての膨張弁３１と、膨張弁３１の出口と圧縮機２９の低圧側とを接続する低圧配管３２途中に設けられ、低温低圧の冷媒を蒸発する蒸発器３３と、冷媒往き管２８を外部冷媒配管２５ａを介して冷媒入口配管２３に接続するための冷媒接続継手３４ａと、冷媒戻り管３０を外部冷媒配管２５ｂを介して冷媒出口配管２４に接続するための冷媒接続継手３４ｂと、蒸発器３３に熱源となる外気を送風する送風機３５と、圧縮機２９から吐出された冷媒の温度を検出する吐出温度センサ３６と、外気温度を検出する外気温度センサ３７とが設けられている。なお、吐出温度センサ３６の代わりもしくは併用して圧力センサを用いてもよい。

ヒートポンプユニット４に充填されている冷媒は、Ｒ４１０ＡなどのＨＦＣ冷媒や、Ｒ３２冷媒などのＣＯ２冷媒に比べて低圧で作動する冷媒が用いられ、圧縮機２９と水熱交換器１９とを分離する構成を実現していると共に、給水を約６５℃程度の温度まで効率よく加熱可能なものとしている。

３８は貯湯タンクユニット２内に設けられ、給湯温度センサ１２、給湯流量センサ１３、貯湯温度センサ１４、入水温度センサ２０、沸き上げ温度センサ２１、冷媒温度センサ２２の検出値が入力され、給湯混合弁９、循環ポンプ１８の作動を制御すると共に、ヒートポンプユニット４およびリモコン５と必要な情報を送受信可能に接続された貯湯制御手段である。ここで、貯湯制御手段３８は、ＭＰＵ等の論理回路を有してメモリを参照しつつ予め記憶されているプログラムに従って作動を制御するものである。

３９はヒートポンプユニット４内に設けられ、吐出温度センサ３６、外気温度センサ３７の検出値が入力され、圧縮機２９、膨張弁３１、送風機３５の作動を制御すると共に、貯湯制御手段３８と必要な情報を送受信可能に接続された加熱制御手段である。ここで、加熱制御手段３９は、ＭＰＵ等の論理回路を有してメモリを参照しつつ予め記憶されているプログラムに従って作動を制御するものである。

リモコン５には、給湯機に関する各種の情報（給湯設定温度、残湯量、給湯機の作動状態等）を表示する表示部４０と、給湯設定温度を設定操作するための設定スイッチ等の操作スイッチ４１と、操作スイッチ４１の操作信号や貯湯制御手段３８からの信号を受け、表示部４０に予め定められた必要な表示を行わせると共に、貯湯制御手段３８に操作信号に基づく信号を送信するリモコン制御手段４２とが設けられているものである。ここで、リモコン制御手段４２は、ＭＰＵ等の論理回路を有してメモリを参照しつつ予め記憶されているプログラムに従って作動を制御するものである。

ここで、貯湯制御手段３８と加熱制御手段３９とリモコン制御手段４２は互いに必要な情報を授受して、互いに連携してヒートポンプ貯湯式給湯機１の作動を制御する制御手段として振る舞うものである。

次に、給湯動作について説明すると、蛇口１０が開かれると、貯湯タンク３底部に給水管６からの水が流入すると共に、出湯管７から貯湯タンク３上部の高温の湯が流出し、給湯混合弁９によって給水バイパス管８からの水と混合されて給湯管１１から流出する。そして、給湯流量センサ１３が給湯の開始を検知すると、貯湯制御手段３８は給湯温度センサ１２が検知する給湯温度が給湯設定温度と一致するように給湯混合弁９の開度をフィードバック制御して、蛇口１０が閉じられるまで給湯設定温度の給湯が行われる。

次に、沸き上げ動作について説明すると、深夜時間帯となると、貯湯制御手段３８は、加熱制御手段３９に沸き上げ開始の指令を出力すると共に循環ポンプ１８を駆動開始し、沸き上げ温度センサ２１で検出する沸き上げ温度が沸き上げ目標温度に一致するように循環ポンプ１８の駆動回転数をフィードバック制御する。

沸き上げ開始指令を受けた加熱制御手段３９は、外気温度センサ３７で検出した外気温度から冷媒の目標吐出温度と圧縮機２９の目標周波数と送風機３５の目標回転数とを定めて駆動開始し、吐出温度センサ３６で検出する冷媒吐出温度が目標吐出温度と一致するように圧縮機２９の駆動周波数をフィードバック制御すると共に、冷媒温度センサ２２が検出する冷媒温度と入水温度センサ２０で検出する入水温度との温度差が所定の目標値と一致するように膨張弁３１をフィードバック制御し、貯湯制御手段３８と加熱制御手段３９が協調して沸き上げ動作を開始する。

ここで、水熱交換器１９が略対向流であるので熱交換後の冷媒温度が入水温度センサ２０で検出する入水温度に近ければ近いほど冷媒の熱を有効に利用できたこととなるため、加熱制御手段３９は、その温度差が所定の目標値（例えば３℃〜５℃程度の値）になるように膨張弁３１の開度や、目標吐出温度を適宜調整するようにしている。

沸き上げ動作では、圧縮機２９で高温高圧にされた冷媒が、水熱交換器１９の一次側を流通し、二次側の水と熱交換を行い、次いで膨張弁３１で減圧されて低温低圧の気液二相状態となり、低温低圧の冷媒が蒸発器３３で送風機３５によって供給される外気の熱を受けて蒸発し、圧縮機２９に吸入されるヒートポンプサイクルによって貯湯タンク３内の水が加熱される。

このとき立ち上げ動作時においては、水熱交換器１９から流出する冷媒の温度と水熱交換器１９に流入する水の温度の温度差が沸き上げの安定時よりも大きく開くが、熱交換部２７によってこの温度差を回収できるため、加熱効率を向上することができると共に、沸き上げ温度の立ち上げ時間を短縮することができる。

安定状態での沸き上げ動作が継続され、貯湯タンク３内が高温の湯で満タン状態に近づいてくると、貯湯タンク３内上部の高温の湯と貯湯タンク３内下部の低温の水との間の前日からの残湯である温度境界層が水熱交換器１９に送られる。

ここで、温度境界層は、沸き上げ完了からの時間の経過と共に３５℃〜５０℃程度の中温の湯となって増加し、貯湯タンク３内の湯を図示しない浴槽水の加熱の熱源として用いるなどすると顕著に増加するものである。

この中温の湯が水熱交換器１９に送られると、それまで１０℃〜２０℃程度の水が急激に３５℃〜５５℃程度まで温度上昇することとなるが、この際、熱交換部２７において、水熱交換器１９から流出する冷媒と熱交換して、水熱交換器１９へ向かう中温の残湯の温度が低下される。このとき、水熱交換器１９では、それまでの１０℃〜２０℃程度の給水の温度との熱交換によって冷媒が１３℃〜２５℃程度の温度まで温度低下した冷媒が流出しており、熱交換部２７では、この１３℃〜２５℃程度の温度の冷媒によって３５℃〜５０℃程度の中温の残湯が冷却されることとなる。

このようにして水熱交換器１９に流入する水の温度変化が緩和されてヒートポンプサイクルへの外乱を抑制し、ヒートポンプサイクルの制御破綻の可能性を低減することができると共に、水熱交換器１９における熱交換効率の低下も抑制することができる。

また、中温の湯を沸き上げている最中に給湯が行われると、貯湯タンク３内下部に低温の水が流入し、この低温の水が水熱交換器１９に送られることになるが、この場合は、熱交換部２７において中温の残湯との熱交換で中温よりも一定の目標値分程度だけ温度低下した冷媒と低温の水とが熱交換することで、水熱交換器１９に流入する水の温度変化が緩和されてヒートポンプサイクルへの外乱を抑制し、ヒートポンプサイクルの制御破綻の可能性を低減することができると共に、水熱交換器１９における熱交換効率の低下も抑制することができる。

そして、貯湯温度センサ１４で検出する貯湯量が所定の目標貯湯量に達したことを検出すると、貯湯制御手段３８は加熱制御手段３９に沸き上げ停止の指令を出力した後に、循環ポンプ１８を停止し、沸き上げ停止指令を受けた加熱制御手段３９は圧縮機２９と膨張弁３１と送風機３５を停止処理して、沸き上げ動作を停止する。

また、冬季においては、循環回路１７内の湯水が水熱交換器１９から流出した冷媒の熱で加熱されるため、低温の水のまま循環回路１７内に放置される量が減少することにより循環回路１７の対凍結性能を向上することができ、凍結防止のための循環ポンプ１８の作動回数を減少することができる。

このようにして、上下方向の長さが必要な配管同士を熱交換部２７として無駄なく有効に利用することができ、簡易、省スペースかつ低コストに熱交換部２７を構成することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の改変が可能なものであり、例えば、冷媒温度センサ２２は、水熱交換器１９の中間位置に設けてもよいものであり、また、水熱交換器１９はプレート式熱交換器を採用してもよいものである。

また、ヒートポンプユニット４は、蒸発器３３の熱源として外気を送風する送風機３５を備えた空気熱交換器の構成としているが、これに限らず、地中熱等を熱源とした公知の蒸発器であってもよい。

１ヒートポンプ貯湯式給湯装置
２貯湯タンクユニット
３貯湯タンク
４ヒートポンプユニット
６給水管
７出湯管
１７循環回路
１８循環ポンプ
１９水熱交換器
２０入水温度センサ
２１沸き上げ温度センサ
２２冷媒温度センサ
２３冷媒入口配管
２４冷媒出口配管
２５ａ、２５ｂ外部冷媒配管
２６ａ、２６ｂ冷媒接続継手
２７熱交換部
２８冷媒往き管
２９圧縮機
３０冷媒戻り管
３１膨張弁（膨張手段）
３３蒸発器
３４ａ、３４ｂ冷媒接続継手
３８貯湯制御手段（制御手段）
３９加熱制御手段（制御手段）

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク底部に給水する給水管と、前記貯湯タンク上部から出湯する出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部に循環させる循環ポンプを有した循環回路と、前記循環回路に設けられ冷媒と水とを略対向流で熱交換する水熱交換器と、前記水熱交換器の冷媒入口側に接続される冷媒入口配管と、前記水熱交換器の冷媒出口側に接続される冷媒出口配管と、前記冷媒入口配管および前記冷媒出口配管と外部冷媒配管とを接続するための冷媒接続継手と、前記水熱交換器を流通する冷媒の温度を検知する冷媒温度センサと、前記循環回路の前記水熱交換器上流側を流れる湯水の温度を検知する入水温度センサと、前記循環回路の前記水熱交換器下流側を流れる湯水の温度を検知する沸き上げ温度センサと、を備えた貯湯タンクユニットと、
冷媒を圧縮して前記水熱交換器の冷媒側に連通する冷媒往き管に圧送する圧縮機と、前記水熱交換器で熱交換して温度低下して冷媒戻り管から戻ってきた冷媒を減圧膨張させる膨張手段と、減圧膨張した冷媒を蒸発させて前記圧縮機に供給する蒸発器と、前記冷媒往き管および前記冷媒戻り管とを前記外部冷媒配管に接続するための冷媒接続継手とを備えたヒートポンプユニットと、
前記冷媒温度センサで検知する冷媒温度と、前記入水温度センサで検出する入水温度と、前記沸き上げ温度センサで検知する沸き上げ温度とに基づいて、前記循環ポンプ、前記圧縮機、前記膨張手段の作動を制御する制御手段と、を備え、
前記貯湯タンクユニット内に、前記冷媒出口配管と前記入水温度センサよりも上流側の前記循環回路とを接触させて熱交換可能とした熱交換部を設けたことを特徴とするヒートポンプ貯湯式給湯装置。
前記貯湯タンクユニットは、前記貯湯タンク上部に前記水熱交換器が配置されると共に、前記貯湯タンクの中間高さ以下の高さ位置に前記冷媒入口配管および前記冷媒出口配管と前記外部冷媒配管とを接続するための前記冷媒接続継手が配置されていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ貯湯式給湯装置。
前記熱交換部は、前記冷媒出口配管の一部と前記入水温度センサよりも上流側の前記循環回路の一部とがロウ付けして形成されているものであ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貯湯式給湯装置。