(57)【要約】【課題】給湯用熱交換器に流入する水温が高い場合でも、圧縮機の耐久性を確保できるヒートポンプ給湯装置を提供するものである。【解決手段】圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、中間熱交換器２３、膨張弁２４、及び蒸発器２５を配管で環状に接続したヒートポンプサイクル２０と、前記ヒートポンプサイクル２０を用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンク３１とを備えたものであり、入水温度が高い場合は、給湯用熱交換器２２を出た冷媒は中間熱交換器２３で冷却され、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクル２０を安全に運転することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、給湯用熱交換器、中間熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された湯を蓄える貯湯タンクとを備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
前記中間熱交換器と前記蒸発器とを一体構成し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。
【請求項３】
前記中間熱交換器を前記蒸発器の下部に配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
前記中間熱交換器を、前記蒸発器と熱交換する空気の下流側に配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
前記ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを利用して湯を沸かし給湯するヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、種々のヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が提案されおり、その一例を図３に基づいて説明する。
【０００３】
図３は従来のヒートポンプ給湯機の構成図である。
【０００４】
図３に示すように、従来のヒートポンプ給湯機は圧縮機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、補助加熱器７を接続した給湯回路からなる。
【０００５】
圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガスは給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ６により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に戻り、再び高温高圧の過熱ガスとなる。
【０００６】
一方、給湯用熱交換器２で加熱された湯は貯湯槽５の上部に流入し、上から次第に貯湯されていく。そして、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８が検知し、圧縮機１によるヒートポンプ運転を停止して、補助加熱器７の単独運転に切り換える（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６０−１６４１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、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。
【０００８】
従って、沸き上げ運転完了近くになると、給湯用熱交換器２に流入する水温は高くなるため、圧縮機１の吐出圧力が上昇して、圧縮機１の耐久性が悪くなるという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯用熱交換器に流入する水温が高い時でも圧縮機の耐久性を確保したヒートポンプ給湯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給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器、中間熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクとを備えたものである。
【００１１】
中間熱交換器を有するもので、入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように中間熱交換器で熱交換して、給湯用熱交換器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯用熱交換器に流入する水温が高い時でも圧縮機の耐久性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、中間熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルを用いて加熱された液体を蓄える貯湯タンクとを備えたものである。
【００１４】
入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルでは、給湯用熱交換器の出口温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本発明のように中間熱交換器で熱交換して、給湯用熱交換器を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器入口の乾き度も減少して蒸発器の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクルを安全に運転できる。
【００１５】
第２の発明は、中間熱交換器と蒸発器を一体構成したものである。
【００１６】
この構成により、中間熱交換器と蒸発器の熱交換を促す送風機の共用化ができ、装置全体を安価でかつ、省スペースなものとすることができる。
【００１７】
第３の発明は、中間熱交換器を蒸発器の下部に配設したものである。
【００１８】
この構成により、低外気温時であっても蒸発器が着霜しにくくなり、デフロスト回数を減らすことができるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現することができる。
【００１９】
第４の発明は、中間熱交換器を、蒸発器と熱交換する空気の下流側に配設したものである。
【００２０】
冷媒温度の高い中間熱交換器を、空気の流れに対して蒸発器の上流側に配置すると、中間熱交換器における飽和温度が外気より高い場合には中間熱交換器で放出した熱を蒸発器で熱回収できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
【００２１】
第５の発明は、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒を二酸化炭素とし、高圧側では臨界圧を越える状態で運転するというものである。
【００２２】
この構成により、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が非常に少なくなる。
【００２３】
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、本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、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。
【００２４】
図１において、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冷凍回路について説明する。
【００２５】
ヒートポンプサイクル２０は、圧縮機２１、給湯用熱交換器２２、中間熱交換器２３、膨張弁２４、及び蒸発器２５を順に配管で接続して構成されている。また、中間熱交換器２３と蒸発器２５は図２に示すように一体構成としており、これらの熱交換器に送風するための送風手段としてひとつのファン２６を設けている。
【００２６】
本実施の形態によるヒートポンプ給湯装置は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。
【００２７】
次に、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給湯回路について説明する。
【００２８】
貯湯タンク３１の第一底部配管３２は、減圧弁３３を介して水道管等の水供給配管３４に接続されている。また、貯湯タンク３１の第二底部配管３５は、循環ポンプ３６を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流入側と接続されている。また、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側には、出湯温度検出手段２２Ｂを設置している。
【００２９】
また、貯湯タンク３１の第一上部配管３７は、三方弁３８を介して給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの流出側と接続されている。また、貯湯タンク３１の第三底部配管３９は、三方弁３８に接続されている。
【００３０】
また、貯湯タンク３１の第二上部配管４０は、キッチン、又は洗面所等の蛇口や風呂端末（図示せず）に接続されている。
【００３１】
次に、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貯湯運転動作について説明する。
【００３２】
使用者が蛇口を開くと第二上部配管４０から出湯され、貯湯タンク３１の残湯量が少なくなると、ヒートポンプサイクル２０が運転を開始する。
【００３３】
圧縮機２１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器２２で放熱し、中間熱交換器２３を通り、膨張弁２４で減圧された後、蒸発器２５にて吸熱し、ガス状態で圧縮機２１に吸入され再び圧縮される。ファン２６は、圧縮機２１の運転状態に応じた回転数に設定される。
【００３４】
循環ポンプ３６により貯湯タンク３１から流れてきた水は、貯湯タンク３１の第二底部配管３５を通り、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａに導かれ、高温の湯に加熱され、三方弁３８を介し、貯湯タンク３１に流入する。
【００３５】
三方弁３８において、貯湯タンク３１の第一上部配管３７に接続するか、貯湯タンク３１の第三底部配管３９に接続するかの判断は、給湯用熱交換器２２の水用配管２２Ａの出口側に設置している出湯温度検出手段２２Ｂの温度によって行う。
【００３６】
貯湯タンク３１の湯量が一杯になると圧縮機２１と循環ポンプ３６を停止し、貯湯運転を終了する。
【００３７】
ヒートポンプサイクル２０において、循環ポンプ３６で送られた給湯水の入水温度が低い場合、給湯用熱交換器２２の出口の冷媒温度は入水温度より若干高い温度で、外気温との温度差もほとんどなく、中間熱交換器２３ではほとんど放熱しない。
【００３８】
一方、沸き上げ運転時間の経過とともに貯湯タンク３１内の湯と水の接する部分で湯水混合層が生じ、その層は貯湯タンク３１の下部に拡大し、沸き上げ運転完了近くになると、貯湯タンク３１下部より循環ポンプ３６を経て、給湯用熱交換器２２に流入する水温は高くなってくる。
【００３９】
この場合、給湯用熱交換器２２の出口の冷媒温度も上昇し、外気温との温度差も大きくなり、中間熱交換器２３で放熱し、中間熱交換器２３の出口の冷媒温度が低下しエンタルピーが減少する。
【００４０】
図２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中間熱交換器と蒸発器の冷媒流路パス構成を示す図である。
【００４１】
図２に示すように、冷媒回路を流通する冷媒の温度が高い中間熱交換器２３を、その冷媒回路の下流側に接続された蒸発器２５の下部に配置することで、低外気温時であっても、蒸発器２５は着霜しにくくなり、デフロスト回数を減らすことができるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
【００４２】
また、空気の流れに対して冷媒温度が高い中間熱交換器２３を蒸発器２５の上流側にも配置しており、中間熱交換器における飽和温度が外気より高い場合には中間熱交換器２３で放出した熱を蒸発器２５で熱回収できるので、より効率の高いヒートポンプ給湯機を実現できる。
【００４３】
以上のように入水温度が高い場合、通常のヒートポンプサイクルの場合、給湯用熱交換器の出口冷媒温度も上昇し、給湯用熱交換器および蒸発器の冷媒ホールド量が減少するため高圧が上昇する傾向にあるが、本実施の形態１のヒートポンプ給湯装置は、中間熱交換器２３で熱交換して、給湯用熱交換器２２を出た冷媒を冷却することにより、冷媒エンタルピーが減少してその密度が増加し、また、蒸発器２５入口の乾き度も減少して蒸発器２５の冷媒ホールド量が増加するため、入水温度が高い場合でも、高圧は上昇することなくヒートポンプサイクル２０を安全に運転できる。
【００４４】
従って、入水温度が高くなっても高圧が上昇することなく連続運転ができるので、貯湯タンク３１の下部まで高温湯を貯湯でき、貯湯タンク３１の容量を有効に利用できる効果がある。
【００４５】
また、本実施の形態１では、給湯用熱交換器２２は冷媒と水を熱交換する熱交換器として説明したが、蓄熱機能を有する熱交換器を用いてもよい。
【００４６】
また、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いた場合で説明したが、冷媒としてＲ４１０Ａ冷媒やＨＣ冷媒などのその他の冷媒を用いてもよい。
【００４７】
また、本実施の形態では、ひとつのヒートポンプサイクル２０を備えたヒートポンプ給湯装置を用いて説明したが、２つ以上のヒートポンプサイクルを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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を低減しながら、給湯水を容易に高温に加熱することが可能となるので、温水を貯湯し、その温水を利用した暖房等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】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回路構成図
【図２】同ヒートポンプ給湯装置の中間熱交換器と蒸発器の冷媒流路パス構成を示す図
【図３】従来のヒートポンプ給湯機の構成図
【符号の説明】
【００５０】
２０    ヒートポンプサイクル
２１    圧縮機
２２    給湯用熱交換器
２３    中間熱交換器
２４    膨張弁
２５    蒸発器
３１    貯湯タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008196793.tif 000005