(57)【要約】【課題】貯湯タンク内の温水と放熱手段で放熱した後の温水とを混合させることなく、放熱手段で放熱した後の温水温度に応じて、貯湯タンクへの温水の通過位置を変更することで、貯湯タンク内の温度成層を維持し、ＧＣ能力およびＣＯＰの向上を図る。【解決手段】冷媒が、圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器の順に循環する冷媒回路と、前記放熱器によって加熱された温水を上部から貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの温水が、前記貯湯タンクの底部、前記放熱器、前記貯湯タンクの上部の順に循環する第１の水回路と、前記貯湯タンクの上部の温水をラジエータに流し、前記貯湯タンクの温水の温度と前記ラジエータで放熱した後の温水の温度とを比較して、前記ラジエータで放熱した後の温水を前記貯湯タンクの上部、中央部、下部のいずれかに切り換えて戻す第２の水回路と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が、圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器の順に循環する冷媒回路と、
前記放熱器によって加熱された温水を上部から貯湯する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの温水が、前記貯湯タンクの底部、前記放熱器、前記貯湯タンクの上部の順に循環する第１の水回路と、
閉回路であって、前記貯湯タンクの上部の温水をラジエータに流し、前記貯湯タンクの温水の温度と前記ラジエータで放熱した後の温水の温度とを比較して、前記ラジエータで放熱した後の温水を前記貯湯タンクの上部、中央部、下部のいずれかに切り換えて戻す第２の水回路と、
を有することを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記ラジエータの出口側に温水温度検出手段を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記貯湯タンクの上部、中央部、下部のいずれかに温水温度検出手段を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記絞り装置は、膨張機であることを特徴とする、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯や暖房など、多機能を備えるヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、暖房システムとして、ヒートポンプ装置が用いられるようになってきている。以下、ヒートポンプ装置について説明する。
【０００３】
図４は、従来のヒートポンプ装置４００の構成図である。図４に示すように、従来のヒートポンプ装置４００は、温水を貯湯する貯湯タンク１６と、貯湯タンク１６下部の水を外部で加熱した後に貯湯タンク１６上部へ戻す給湯回路４３と、給湯回路４３を流れる水を加熱するヒートポンプサイクル１１と、貯湯タンク１６上部の高温水を外部で放熱させた後に貯湯タンク１６の中間部または下部へ戻す放熱回路４４と、温水制御手段２０と、制御手段４２とを有する。貯湯タンク１６上部には、温水を外部へ出湯する出湯管１６ｂ、貯湯タンク１６下部には、水を供給する給水管１６ａが設けられている。貯湯タンク１６の中間部には、残湯温度検出手段４１が設けられている。
【０００４】
給湯回路４３は、循環ポンプ１７と、給湯熱交換器１８と、温度検出手段１９とにより構成されている。温度検出手段１９が、温水制御手段２０に給湯熱交換器１８を通過した温水の温度を伝えることにより、温水制御手段２０が循環ポンプ１７を制御する。
【０００５】
冷媒回路１１は、圧縮機１２と、放熱器１３と、減圧装置１４と、大気熱交換器１５とを順に接続して構成されている。冷媒回路１１を循環する冷媒が、放熱器１３で放熱することにより、給湯回路４３の給湯熱交換器１８を通過する水を加熱する。
【０００６】
放熱回路４４は、放熱手段２１、温水温度検出手段２２、バイパス回路２３、温度調整弁２４、放熱用ポンプ２６、切換え手段３８、第１の回路３９、および、第２の回路４０により構成されている。切換え手段３８は、残湯温度検出手段４１により検出された温度を基に、制御手段４２により制御され、放熱手段２１で放熱した後の温水流路を第１の回路３９または第２の回路４０に切換える。
【０００７】
従来のヒートポンプ装置４００では、放熱手段２１で放熱した後の温水を、切替え手段３８によって貯湯タンク１６の中間部に戻すことで、貯湯タンク１６内の高温水量を確保し、かつ、貯湯タンク１６の下部に戻すことで、貯湯タンク１６内の高温水を維持して、放熱手段２１へ安定した温水温度を供給している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１２１３６６号公報  （図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来のヒートポンプ装置４００では、貯湯タンク１６内に直接、放熱手段２１で放熱した後の温水が流入して、貯湯タンク１６内の温水と混合するため、貯湯タンク１６内の温度成層が崩れて、貯湯タンク１６下部の水温が上昇し、通常よりも高い温度の水が給湯熱交換器１８へ流れる。このように、給湯熱交換器１８への入水温度が高くなると、冷媒回路１１の凝縮過程でのエンタルピ差が狭くなり、ＣＯＰが低下していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯タンク内の温水と放熱手段で放熱した後の温水とを混合させることなく、放熱手段で放熱した後の温水温度に応じて、貯湯タンクへの温水の通過位置を変更することで、貯湯タンク内の温度成層を維持し、ＧＣ能力およびＣＯＰの向上を図ることができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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装置は、冷媒が、圧縮機、放熱器、絞り装置、蒸発器の順に循環する冷媒回路と、前記放熱器によって加熱された温水を上部から貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの温水が、前記貯湯タンクの底部、前記放熱器、前記貯湯タンクの上部の順に循環する第１の水回路と、閉回路であって、前記貯湯タンクの上部の温水をラジエータに流し、前記貯湯タンクの温水の温度と前記ラジエータで放熱した後の温水の温度とを比較して、前記ラジエータで放熱した後の温水を前記貯湯タンクの上部、中央部、下部のいずれかに切り換えて戻す第２の水回路とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のヒートポンプ装置によれば、貯湯タンク内の温水とラジエータで放熱した後の温水とを混合させることなく、ラジエータで放熱した後の温水温度に応じて、貯湯タンクへの温水の通過位置を変更することで、貯湯タンク内の温度成層を維持し、ＧＣ能力およびＣＯＰの向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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装置１００の構成図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００は、冷媒回路１１７、貯湯タンク１０５、第１の水回路１２３、第２の水回路１１８、および、制御手段１２５により構成されている。
【００１４】
冷媒回路１１７は、冷媒を昇圧する圧縮機１０１と、圧縮機１０１で昇圧された冷媒と貯湯タンク１０５底部から流出した水とが熱交換する水熱交換器（放熱器）１０２と、冷媒を減圧膨張する絞り装置１０３と、絞り装置１０３で減圧膨張された冷媒を加熱する蒸発器１０４とを順次、配管接続して構成されている。作動流体としては、例えば、二酸化炭素等の冷媒が用いられる。
【００１５】
貯湯タンク１０５の底部には、外部から水を供給するための給水口１２０と、第１の水回路１２３へ水を出水するための取水口１２１とが設けられている。貯湯タンク１０５の上部には、外部へ高温水を出湯するための出湯口１１９と、第１の水回路１２３から温水を供給するための給湯口１２２とが設けられている。貯湯タンク１０５の上部側壁には、タンク上部温度検出手段１１５、貯湯タンク１０５の中央部側壁には、タンク中央部温度検出手段１１６がそれぞれ設けられている。
【００１６】
第１の水回路１２３は、貯湯タンク１０５底部の取水口１２１と、冷媒回路１１７の水熱交換器１０２と、貯湯タンク１０５上部の給湯口１２２とを順次、配管接続して、貯湯タンク１０５底部の水が、取水口１２１の出口側に設置された循環ポンプ１２４により循環するように構成されている。水熱交換器１０２において、貯湯タンク１０５底部の取水口１２１から流出した水は、圧縮機１０１から吐出された高温冷媒により加熱され、貯湯タンク１０５上部の給湯口１２２から貯湯タンク１０５内へと戻される。第１の水回路１２３が上記循環を継続して行うことで、貯湯タンク１０５には常に温水が貯湯される。
【００１７】
第２の水回路１１８は、貯水タンク１０５の上部側壁および下部側壁を貫通して貯水タンク１０５の内部空間を上下に通る配管部１１１ａを有する主回路１１１と、ラジエータ１０６とを接続して、第２の水回路１１８内に封入された水が、ラジエータ１０６の入口側に設置された循環ポンプ１２６により、貯水タンク１０５の内部を通過して循環するように構成されている。主回路１１１の配管部１１１ａには、第１の熱交換器Ｈ１、第２の熱交換器Ｈ２、および、第３の熱交換器Ｈ３が、上から順に設置されている。ラジエータ１０６の出口側には、ラジエータ出口側温度検出手段１０７が設けられている。第２の水回路１１８は、閉回路となっている。
【００１８】
図２に示すように、水熱交換器１０２への入水温度が高くなると、水熱交換器１０２出口の冷媒エンタルピはＢ点からＢ‘点に移動するので、凝縮過程でのエンタルピ差が狭くなり、給湯能力およびＣＯＰが減少する。これは前述のように、冷媒として二酸化炭素を用いた場合において、特に顕著となる。
【００１９】
主回路１１１は、貯湯タンク１０５を迂回する副回路１１２と分岐し、さらに、副回路１１２は、貯水タンク１０５の側壁を貫通して主回路１１１の配管部１１１ａにそれぞれ接続する副回路１１３ａおよび副回路１１３ｂと分岐している。副回路１１３ａは、第１の熱交換器Ｈ１と第２の熱交換器Ｈ２との間に、副回路１１３ｂは、第２の熱交換器Ｈ２と第３の熱交換器Ｈ３との間に接続されている。
【００２０】
主回路１１１の、副回路１１２との分岐点と貯湯タンク１０５との間には、第４の開閉弁Ｖ４が設置されている。第４の開閉弁Ｖ４が「ＯＰＥＮ」の時には、ラジエータ１０６を通過した温水を第３の熱交換器Ｈ３へ導く。副回路１１２と貯湯タンク１０５との間には、第１の開閉弁Ｖ１が設置されている。第１の開閉弁Ｖ１が「ＯＰＥＮ」の時には、ラジエータ１０６を通過した温水を直接、貯湯タンク１０５を通過した温水に合流させる。副回路１１３ａと貯湯タンク１０５との間には、第２の開閉弁Ｖ２が設置されている。第２の開閉弁Ｖ２が「ＯＰＥＮ」の時には、ラジエータ１０６を通過した温水を直接、第１の熱交換器Ｈ１へ導く。副回路１１３ｂと貯湯タンク１０５との間には、第３の開閉弁Ｖ３が設置されている。第３の開閉弁Ｖ３が「ＯＰＥＮ」の時には、ラジエータ１０６を通過した温水を直接、第２の熱交換器Ｈ２へ導く。上記構成により、ラジエータ１０６を通過した温水は、貯湯タンク１０５内の上部、中央部、下部のいずれかの温水と直接、熱交換することができる。
【００２１】
第１の開閉弁Ｖ１〜第４の開閉弁Ｖ４は、ラジエータ出口側温度検出手段１０７と、タンク上部温度検出手段１１５またはタンク中央部温度検出手段１１６で検出された温度を基に、制御手段１２５により制御される。これにより、第２の水回路１１８内を循環する水流路が決定される。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の運転制御フローチャートである。本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００のサイクル運転について、図３を用いて説明する。
【００２３】
図３に示すように、本実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の暖房運転が開始されると、ステップＳＴ１では、ラジエータ出口側温度検出手段１０７で検出されたラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１と、タンク上部温度検出手段１１５で検出された貯湯タンク１０５上部の温水の温度Ｔｍ１とが、制御手段１２５において比較される。
【００２４】
ステップＳＴ１において、ラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１が、貯湯タンク１０５上部の温水の温度Ｔｍ１よりも高い（Ｔ１＞Ｔｍ１）と判断された場合、ステップＳＴ２に移る。ステップＳＴ２では、第１の開閉弁Ｖ１は「ＣＬＯＳＥ」、第２の開閉弁Ｖ２は「ＯＰＥＮ」、第３の開閉弁Ｖ３は「ＣＬＯＳＥ」、第４の開閉弁Ｖ４は「ＣＬＯＳＥ」となるように制御されて、ステップＳＴ１に戻る。これにより、ラジエータ１０６を通過した高温水は、直接、貯湯タンク１０５上部に設置された第１の熱交換器Ｈ１のみに流れて、貯湯タンク１０５上部の高温水と熱交換するので、貯湯タンク１０５内の低温部分の温度成層を維持することができる。したがって、水熱交換器１０２への入水温度を上昇させることがなく、ＣＯＰの低下を防止することができる。
【００２５】
一方、ステップＳＴ１において、ラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１が、貯湯タンク１０５上部の温水の温度Ｔｍ１よりも低い（Ｔ１＜Ｔｍ１）と判断された場合、ステップＳＴ３に移る。ステップＳＴ３では、ラジエータ出口側温度検出手段１０７で検出されたラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１と、タンク中央部温度検出手段１１６で検出された貯湯タンク１０５中央部の温水の温度Ｔｍ２とが、制御手段１２５において比較される。
【００２６】
ステップＳＴ３において、ラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１が、貯湯タンク１０５中央部の温水の温度Ｔｍ２よりも高い（Ｔ１＞Ｔｍ２）と判断された場合、ステップＳＴ４に移る。ステップＳＴ４では、第１の開閉弁Ｖ１は「ＣＬＯＳＥ」、第２の開閉弁Ｖ２は「ＣＬＯＳＥ」、第３の開閉弁Ｖ３は「ＯＰＥＮ」、第４の開閉弁Ｖ４は「ＣＬＯＳＥ」となるように制御されて、ステップＳＴ１に戻る。これにより、ラジエータ１０６を通過した温水は、直接、貯湯タンク１０５中央部に設置された第２の熱交換器Ｈ２に流れた後、貯湯タンク１０５上部に設置された第１の熱交換器Ｈ１へと流れる。すなわち、ラジエータ１０６を通過した温水は、まず、第２の熱交換器Ｈ２で貯湯タンク１０５中央部の中温水と熱交換してから、第１の熱交換器Ｈ１で貯湯タンク１０５上部の高温水と熱交換するので、貯湯タンク１０５内の低温部分の温度成層を維持することができる。したがって、水熱交換器１０２への入水温度を上昇させることがなく、ＣＯＰの低下を防止することができる。
【００２７】
一方、ステップＳＴ３において、ラジエータ１０６を通過した温水の温度Ｔ１が、貯湯タンク１０５中央部の温水の温度Ｔｍ２よりも低い（Ｔ１＜Ｔｍ２）と判断された場合、ステップＳＴ５に移る。ステップＳＴ５では、第１の開閉弁Ｖ１は「ＣＬＯＳＥ」、第２の開閉弁Ｖ２は「ＣＬＯＳＥ」、第３の開閉弁Ｖ３は「ＣＬＯＳＥ」、第４の開閉弁Ｖ４は「ＯＰＥＮ」となるように制御されて、ステップＳＴ１に戻る。これにより、ラジエータ１０６を通過した温水は、まず、貯湯タンク１０５下部に設置された第３の熱交換器Ｈ３に流れた後、貯湯タンク１０５中央部に設置された第２の熱交換器Ｈ２、貯湯タンク１０５上部に設置された第１の熱交換器Ｈ１へと、順に流れる。すなわち、ラジエータ１０６を通過した温水は、まず、第３の熱交換器Ｈ３で貯湯タンク１０５下部の低温水と熱交換してから、第２の熱交換器Ｈ２で貯湯タンク１０５中央部の中温水と熱交換し、さらに、第１の熱交換器Ｈ１で貯湯タンク１０５上部の高温水と熱交換するので、貯湯タンク１０５内の低温部分の温度成層を維持することができる。したがって、水熱交換器１０２への入水温度を上昇させることがなく、ＣＯＰの低下を防止することができる。
【００２８】
（表１）に、本実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の、それぞれの条件における各開閉弁の動作を示す。
【００２９】
【表１】
2010117077.tif 000003
【００３０】
このように、本実施の形態１におけるピートポンプ装置１００によれば、水熱交換器１０２への入水温度をできるだけ上昇させることなく、ヒートポンプ装置１００の効率低下を防止することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態１では、タンク温度検出手段を貯湯タンク１０５の上部と中央部に設けたが、これに限られることはなく、例えば、貯湯タンク１０５の中央部と下部でも構わない。
【００３２】
また、絞り装置１０３として膨張機を用いることで、膨張機によって回収された動力を圧縮機１０１の駆動に利用することができ、ヒートポンプ装置１００のＧＣ能力およびＣＯＰをさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係るヒートポンプ装置は、暖房給湯器用や浴室乾燥用など、様々な用途のヒートポンプ装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成図
【図２】ヒートポンプ装置のモリエル線図
【図３】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の運転制御フローチャート
【図４】従来のヒートポンプ装置の構成図
【符号の説明】
【００３５】
１１，１１７    冷媒回路
１２，１０１    圧縮機
１３    放熱器
１４    減圧装置
１５    大気熱交換器
１６，１０５    貯湯タンク
１６ａ    給水管
１６ｂ    出湯管
１７，１２４，１２６    循環ポンプ
１８    給湯熱交換器
１９    温度検出手段
２０    温水制御手段
２１    放熱手段
２２    温水温度検出手段
２３    バイパス回路
２４    温度調整弁
２６    放熱用ポンプ
３８    切換え手段
３９    第１の回路
４０    第２の回路
４１    残湯温度検出手段
４２，１２５    制御手段
４３    給湯回路
４４    放熱回路
１００，４００    ヒートポンプ装置
１０２    水熱交換器
１０３    絞り装置
１０４    蒸発器
１０６    ラジエータ
１０７    ラジエータ出口側温度検出手段
１１１    主回路
１１２，１１３ａ，１１３ｂ    副回路
１１５    タンク上部温度検出手段
１１６    タンク中央部温度検出手段
１１８    第２の水回路
１１９    出湯口
１２０    給水口
１２１    取水口
１２２    給湯口
１２３    第１の水回路
Ｈ１    第１の熱交換器
Ｈ２    第２の熱交換器
Ｈ３    第３の熱交換器
Ｖ１    第１の開閉弁
Ｖ２    第２の開閉弁
Ｖ３    第３の開閉弁
Ｖ４    第４の開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010117077.tif 000006
【図４】
2010117077.tif 000007