(57)【要約】【課題】外気温度が高い環境下においても、貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度を高く維持することができるヒートポンプ式給湯器を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式給湯器１は、貯湯タンク３と、圧縮機、利用側熱交換器、減圧装置及び熱源側熱交換器等から構成された冷媒回路と、熱源側熱交換器に外気を通風するための送風機と、圧縮機を制御する制御装置とを備え、貯湯タンク内に貯留された水を利用側熱交換器により加熱することにより、湯を生成するものであって、制御装置は、熱源側熱交換器に流入する外気温度が高い状況下では、湯の沸き上げ温度を低下させるよう圧縮機を制御すると共に、熱源側熱交換器を経た外気を当該熱源側熱交換器の外気吸込側に戻すためのリターンダクト１９を設けた。【選択図】図１
2008232558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯タンクと、圧縮機、利用側熱交換器、減圧装置及び熱源側熱交換器等から構成された冷媒回路と、前記熱源側熱交換器に外気を通風するための送風機と、前記圧縮機を制御する制御装置とを備え、前記貯湯タンク内に貯留された水を前記利用側熱交換器により加熱することにより、湯を生成するヒートポンプ式給湯器において、
前記制御装置は、前記熱源側熱交換器に流入する外気温度が高い状況下では湯の沸き上げ温度を低下させるよう前記圧縮機を制御すると共に、
前記熱源側熱交換器を経た外気を当該熱源側熱交換器の外気吸込側に戻すためのリターンダクトを設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
【請求項２】
前記熱源側熱交換器を経た外気を外部に排出するか前記リターンダクトに流すかを切り換え可能なダンパー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式給湯器。
【請求項３】
前記ダンパーを駆動する駆動装置と、前記熱源側熱交換器に流入する外気温度を検出する温度センサとを備え、前記制御装置は、前記温度センサが検出する外気温度が高い状況下では、前記駆動装置により前記ダンパーを切り換えて前記熱源側熱交換器を経た外気を前記リターンダクトに流すことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯器。
【請求項４】
前記冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のヒートポンプ式給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置及び利用側熱交換器等から冷媒回路が構成されたヒートポンプを用いて湯を生成するヒートポンプ式給湯器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レストランやファーストフード店、介護施設等の厨房、或いは、一般家庭で使用される給湯器では、従来より電気ヒータやガス等の燃料によって貯湯タンク内の水を加熱し、湯を生成する方式が採られていたが、近年地球環境問題の顕在化から、外気中の熱を汲み上げて湯を生成するヒートポンプ式の給湯器が開発されて来ている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この種ヒートポンプ式給湯器は、冷媒を圧縮する圧縮機と、外気から熱を汲み上げるための熱源側熱交換器と、冷媒を減圧する膨張弁やキャピラリチューブ等の減圧装置と、貯湯タンク内の水を熱交換を行う利用側熱交換器等を順次環状に配管接続することにより冷媒回路が構成されたヒートポンプを備え、熱源側熱交換器から汲み上げられた熱を利用側熱交換器にて放熱することにより、貯湯タンク内に湯を生成するものである。
【特許文献１】特開平１１−１９３９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、この種ヒートポンプでは湯の沸き上げのために必要とされる能力を得るために圧縮機の運転周波数を制御しているが、熱源側熱交換器と熱交換する外気の温度が高くなると、冷媒回路の高圧側圧力が上昇すると共に、圧縮機の吐出冷媒温度も上昇することから圧縮機が過負荷状態に陥る。これは近年使用され始めている二酸化炭素のような自然冷媒の場合には顕著なものとなる。そのため、外気温度が高くなった場合には圧縮機の運転周波数を抑え、それに伴って貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度も抑制する制御も加えられている。
【０００５】
その場合、例えば外気温度が２５℃以上３０℃未満の場合には沸き上げ温度７５℃、外気温度が３０℃以上３３℃未満の場合には沸き上げ温度７０℃、外気温度３３℃以上の場合には沸き上げ温度６５℃（最低限温度）となるように圧縮機の運転周波数を抑制する保護動作が行われる。これにより、外気温度が高い状況下では貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度が低下することになる。
【０００６】
このようにして従来では外気温度が高い夏季等に、貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度が低くなってしまう現象が発生しており、少しでも温度の高い湯が得られるような改善策が望まれていた。
【０００７】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、外気温度が高い環境下においても、貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度を高く維持することができるヒートポンプ式給湯器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のヒートポンプ式給湯器は、貯湯タンクと、圧縮機、利用側熱交換器、減圧装置及び熱源側熱交換器等から構成された冷媒回路と、熱源側熱交換器に外気を通風するための送風機と、圧縮機を制御する制御装置とを備え、貯湯タンク内に貯留された水を利用側熱交換器により加熱することにより、湯を生成するものであって、制御装置は、熱源側熱交換器に流入する外気温度が高い状況下では、湯の沸き上げ温度を低下させるよう圧縮機を制御すると共に、熱源側熱交換器を経た外気を当該熱源側熱交換器の外気吸込側に戻すためのリターンダクトを設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明のヒートポンプ式給湯器は、上記において熱源側熱交換器を経た外気を外部に排出するかリターンダクトに流すかを切り換え可能なダンパーを設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明のヒートポンプ式給湯器は、上記においてダンパーを駆動する駆動装置と、熱源側熱交換器に流入する外気温度を検出する温度センサとを備え、制御装置は、温度センサが検出する外気温度が高い状況下では、駆動装置によりダンパーを切り換えて熱源側熱交換器を経た外気をリターンダクトに流すことを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明のヒートポンプ式給湯器は、上記各発明において冷媒回路には冷媒として二酸化炭素が封入されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、貯湯タンクと、圧縮機、利用側熱交換器、減圧装置及び熱源側熱交換器等から構成された冷媒回路と、熱源側熱交換器に外気を通風するための送風機と、圧縮機を制御する制御装置とを備え、貯湯タンク内に貯留された水を利用側熱交換器により加熱することにより、湯を生成するヒートポンプ式給湯器において、熱源側熱交換器を経た外気を当該熱源側熱交換器の外気吸込側に戻すためのリターンダクトを設けたので、制御装置が、熱源側熱交換器に流入する外気温度が高い状況下では湯の沸き上げ温度を低下させるよう圧縮機を制御する場合にも、熱源側熱交換器を経た外気をリターンダクトにより熱源側熱交換器の外気吸込側に戻すことにより、当該熱源側熱交換器に流入する外気の温度を低下させることができるようになる。
【００１３】
これにより、外気温度が高い環境下においても圧縮機の負荷を軽減し、貯湯タンクにおける湯の沸き上げ温度も低下させること無く、高く維持することが可能となる。このことは請求項３の発明のように冷媒回路内が高圧力となる二酸化炭素を冷媒として用いた場合に顕著な効果となって現れるものである。
【００１４】
また、請求項２の発明によれば、上記に加えて熱源側熱交換器を経た外気を外部に排出するかリターンダクトに流すかを切り換え可能なダンパーを設けたので、外気温度が高くなった場合のみ、ダンパーにより熱源側熱交換器を経た外気をリターンダクトに流すように切り換えることにより、外気温度が低い環境下で熱源側熱交換器に流入する外気の温度が必要以上に低下する不都合を防止し、吸熱を円滑に行わせることができるようになる。
【００１５】
また、請求項３の発明によれば、上記に加えてダンパーを駆動する駆動装置と、熱源側熱交換器に流入する外気温度を検出する温度センサとを備え、制御装置は、温度センサが検出する外気温度が高い状況下では、駆動装置によりダンパーを切り換えて熱源側熱交換器を経た外気をリターンダクトに流すので、外気温度に応じてダンパーを自動的に切り換えることができるようになり、使用性が著しく改善されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を詳述する。図１は本発明を適用したヒートポンプ式給湯器１の外観図、図２はヒートポンプ式給湯器１を構成するヒートポンプユニット２の正面図、図３はヒートポンプ式給湯器１のヒートポンプユニット２内の配管構成図を示している。実施例のヒートポンプ式給湯器１は、例えばレストランやファーストフード店、介護施設等の厨房に設置されるものであり、屋外に設置されたヒートポンプユニット２と、湯を貯留する貯湯タンク３等から構成されている。
【００１７】
この貯湯タンク３には給水配管４を介して市水が供給されると共に、貯湯タンク３内で沸き上げられた湯は給湯配管６を介して厨房に供給される構成とされている。また、貯湯タンク３からはヒートポンプユニット２への給水配管７とヒートポンプユニット２からの戻り配管８が引き出されており、それぞれヒートポンプユニット２に接続されている。
【００１８】
ヒートポンプユニット２は、外装ケース９の一面に外気を吸引するための吸気口１１が形成され、反対側には後述する熱源側熱交換器１２と熱交換した後の外気を外部に排出するための排気口１３が形成されている。また、外装ケース９には排気口１３から吸気口１１に渡るリターンダクト１９を内部に構成するダクト部材１４が取り付けられている。このダクト部材１４の一端部１４Ａは排気口１３と所定の間隔を存してそれを完全に被覆しており、そこから外装ケース９の上部を回って吸気口１１側に至り、他端部１４Ｂは吸気口１１と所定の間隔を存してそれを上方から覆い、且つ、下方に向けて開口１４Ｃしている。即ち、他端部１４Ｂは吸気口１１を完全に被覆しておらず、開口１４Ｃから外気が吸気口１１に支障なく吸い込まれる構成とされている。
【００１９】
ダクト部材１４の一端部１４Ａには排気口１３と対向する位置に開口１６が形成されており、更にダクト部材１４の一端部１４Ａ内にはダンパー１７が取り付けられている。このダンパー１７は後述するモータ１８（駆動装置）によって回転駆動し、開口１６を開放した状態（図３の実線）と閉じた状態（図３の破線）とに切り換えられる（図１、図２は開口１６を閉じた状態を示す）。また、開口１６を開放した状態では、ダンパー１７は排気口１３とリターンダクト１９とを隔絶する。即ち、リターンダクト１９の入口を閉塞する。逆に開口１６を閉じた状態では、ダンパー１７はリターンダクト１９の入口を開放し、このリターンダクト１９と排出口１３とを連通する。更に、このダクト部材１４の内面には図示しない断熱材が貼り付けられており、後述するようにダンパー１７により開口１６を閉じたときに吸気口１１に向かう空気が外気によって暖められないように配慮している。
【００２０】
次に、図３においてヒートポンプユニット２内には圧縮機２１と、利用側熱交換器２３と、減圧装置としての膨張弁２２と、前記熱源側熱交換器１２と、送風機２４と、ポンプ２６等が収納設置されている。これら圧縮機２１、利用側熱交換器２３、膨張弁２２及び熱源側熱交換器１２は順次環状に配管接続されて周知の冷媒回路を構成する。また、この冷媒回路内には冷媒として自然冷媒の一つである二酸化炭素が所定量封入されている。
【００２１】
即ち、圧縮機２１が運転されると、冷媒は超臨界圧力まで圧縮される。この圧縮機２１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は利用側熱交換器２３に吐出され、この利用側熱交換器２３にて放熱する。二酸化炭素冷媒はこの利用側熱交換器２３では凝縮せず、超臨界圧力を維持する。その後、利用側熱交換器２３を出た冷媒は膨張弁２２にて絞られ、その過程で気液混合状態となり、熱源側熱交換器１２に流入する。送風機２４が運転されると、吸気口１１から外気が吸引され、熱源側熱交換器１２の外気吸込側から当該熱源側熱交換器１２内に入る。そして、熱源側熱交換器１２内を通過した後、外気流出側から流出し、排気口１３から排出される。そして、ダンパー１７が開口１６を開放している状態で、この熱源側熱交換器１２と熱交換した外気は排気口１３と対向した位置に設けられた開口１６から外部に排出される。
【００２２】
一方、熱源側熱交換器１２に流入した冷媒は、送風機２４にて通風される外気と熱交換し、蒸発して外気から熱を汲み上げる（吸熱）。従って、熱源側熱交換器１２を通過した後の外気の温度は流入時の温度よりも５ｄｅｇ乃至１０ｄｅｇ低くなる。この熱源側熱交換器１２にて蒸発した冷媒は圧縮機２１に吸い込まれ、圧縮されて再び利用側熱交換器２３に吐出される循環を繰り返す。また、この利用側熱交換器２３には水配管２５が挿通されており、利用側熱交換器２３内を通過する冷媒と熱交換関係とされている。他方、給水配管７はポンプ２６の吸込側に接続され、ポンプ２６の吐出側は水配管２５の一端に接続されている。更に利用側熱交換器２３内を通過した後の水配管２５の他端には、戻り配管８が接続されている。尚、これら利用側熱交換器２３、それから引き出された水配管２５、給水配管７及び戻り配管８は断熱されている。そして、ポンプ２６が運転されると、貯湯タンク３内の水が給水配管７内に吸引され、水配管２５に流入した後、利用側熱交換器２３内を通過し、そこで放熱する冷媒により加熱されて沸き上げられ、湯となって戻り配管８から貯湯タンク３に戻される。これにより、貯湯タンク３内には湯が貯留されていくことになる。
【００２３】
この場合、利用側熱交換器２３内における冷媒の流れと水配管２５内の水（湯）の流れは対向流とされている。前述した如く二酸化炭素冷媒は利用側熱交換器２３内では凝縮しないため、温度利用側熱交換器２３内で一定では無く、その入口側（図３における下）で高く、出口側（図３における上）で低くなる。一方、水の温度は水配管２５の入口側（図３における上）では低く、出口側（図３における下）では高くなることから、冷媒と水の温度差が利用側熱交換器２３内において略一様となり、熱交換効率が向上する。
【００２４】
また、３１はマイクロコンピュータにより構成された制御装置（コントローラ）であり、この制御装置３１はインバータを用いて圧縮機２１の運転周波数を制御すると共に、モータ１８、送風機２４及びポンプ２６も制御している。この場合、制御装置３１はダンパー１７の開閉を検出する図示しないスイッチ（開口１６を開いた状態と閉じた状態を検出）の出力によりモータ１８を制御する。また、制御装置３１には圧縮機２１の吐出冷媒温度及び吸込冷媒温度を検出する温度センサ３２、３３、水配管２５の入口と出口に設けられて利用側熱交換器２３に流入する水と流出する湯の温度を検出する温度センサ３４、３６及び熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度を検出する温度センサ３７の出力が入力されている。尚、ヒートポンプ式給湯器１自体の運転制御は図示しないリモコンの操作に基づいて行われるものである。
【００２５】
以上の構成で、次に図４、図５を参照しながら実施例のヒートポンプ式給湯器１の動作を説明する。貯湯タンク３に所定量の水が貯留されているものとする。また、外気温度は低く、ダンパー１７は開口１６を開放し、リターンダクト１９の入口を閉じているものとする。制御装置３１によってポンプ２６が運転されると、前述した如く貯湯タンク３内の水が給水配管７に吸引され、水配管２５を流れて利用側熱交換器２３内を通過した後、戻り配管８から貯湯タンク３に戻される。また、制御装置３１により圧縮機２１と送風機３７が運転されると、前述した如く利用側熱交換器２３では冷媒が放熱し、熱源側熱交換器１２では冷媒が外気から吸熱する作用を発揮する。また、吸気口１１から外気が吸引され、熱源側熱交換器１２に通風された後、排気口１３から出て開口１６より外部に排出される（図４）。尚、このときリターンダクト１９の入口はダンパー１７により閉塞されている。
【００２６】
制御装置３１は各温度センサ３４、３６が検出する利用側熱交換器２３に流入する水及び利用側熱交換器２３から流出する水（湯）の温度に基づき、必要とされる利用側熱交換器２３の加熱能力（放熱量）が得られるようにインバータを用いて圧縮機２１の運転周波数を制御する。尚、この場合、貯湯タンク３における湯の沸き上げ温度の最低限は例えば６５℃とされ、設定に基づき例えば７５℃までの範囲で湯の沸き上げ温度を制御する。
【００２７】
また、制御装置３１は外気温度に応じて圧縮機２１の過負荷保護の動作を行う。即ち、制御装置３１は温度センサ３７が検出する熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度に基づき、前述した如く例えば温度センサ３７が検出する外気温度が２５℃以上３０℃未満の場合には貯湯タンク３における湯の沸き上げ温度を７５℃、外気温度が３０℃以上３３℃未満の場合には湯の沸き上げ温度を７０℃、外気温度３３℃以上の場合には湯の沸き上げ温度を６５℃（最低限温度）として圧縮機２１の運転周波数を抑制する。
【００２８】
その理由は、外気温度が高い環境下では冷媒回路の高圧側圧力及び吐出冷媒温度が高くなり、圧縮機２１が過負荷となるからである。そして、外気温度が高いときにこのような保護動作を行うことで、圧縮機２１の過負荷を回避するものであるが、当然に外気温度が高い程、貯湯タンク３における湯の沸き上げ温度は上述したように低くなってしまうことになる。
【００２９】
そこで、制御装置３１は温度センサ３７の出力に基づき、当該温度センサ３７が検出する熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度が例えば３０℃以上に上昇した場合（そのままでは沸き上げ温度は前述した７０℃に抑えられる）、モータ１８によりダンパー１７を駆動して開口１６を閉じ、リターンダクト１９の入口を開放する（図５）。これにより、熱源側熱交換器１２を経た外気はリターンダクト１９に流入し、内部を通過して吸気口１１に至るようになる。そして、送風機２４により吸気口１１から外装ケース９内に吸い込まれ、熱源側熱交換器１２の外気吸込側に戻されて当該熱源側熱交換器１２に流入することになる。尚、外気も同時に吸い込まれる。
【００３０】
このとき、リターンダクト１９から吸気口１１を経て熱源側熱交換器１２の外気吸込側に戻された外気は熱源側熱交換器１２で吸熱されて冷却され、５ｄｅｇ乃至１０ｄｅｇ温度が低下した空気であるので、熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度、即ち、温度センサ３７が検出する外気温度が低下していく。これにより、温度センサ３７が検出する温度は３０℃より低くなるので、圧縮機２１の過負荷も解消され、制御装置３１は沸き上げ温度が７５℃となるように圧縮機２１の運転周波数を制御するようになる。これにより、係る高外気温時にも高い沸き上げ温度を維持することができるようになる。
【００３１】
尚、制御装置３１は例えば温度センサ３７が検出する温度が２５℃以下に低下したら、モータ１８によりダンパー１７を駆動して開口１６を開き、リターンダクト１９の入口を閉塞する（図４）。
【００３２】
このように、熱源側熱交換器１２を経た外気を当該熱源側熱交換器１２の外気吸込側に戻すためのリターンダクト１９と、熱源側熱交換器１２を経た外気を外部に排出するかリターンダクト１９に流すかを切り換え可能なダンパー１７とを設けたので、制御装置３１が、熱源側熱交換器１２に流入する外気温度が高い状況下では湯の沸き上げ温度を低下させるよう圧縮機２１を制御する場合にも、外気温度が高くなった場合、ダンパー１７により熱源側熱交換器１２を経た外気をリターンダクト１９に流すように切り換えることにより、当該熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度を低下させることができるようになる。
【００３３】
これにより、外気温度が高い環境下においても圧縮機２１の負荷を軽減できるようになると共に、制御装置３１は貯湯タンク３における湯の沸き上げ温度を低下させること無く、高く維持するようになる。特に、冷媒回路内が高圧力となる二酸化炭素を冷媒として用いた本実施例の場合には顕著な効果となって現れる。また、外気温度が低い冬季などにはダンパー１７により熱源側熱交換器１２を経た外気を外部に排出することにより、熱源側熱交換器１２に流入する外気の温度が不必要に低下してしまう不都合も解消でき、係る低外気温時の外気からの吸熱も支障無く行えるようになる。
【００３４】
特に、実施例ではダンパー１７を駆動するモータ１８と、熱源側熱交換器１２に流入する外気温度を検出する温度センサ３７を設け、制御装置３１が、温度センサ３７が検出する外気温度が高い状況下では、モータ１８によりダンパー１７を切り換えて熱源側熱交換器１２を経た外気をリターンダクト１９に流すようにしたので、外気温度に応じてダンパー１７を自動的に切り換えることができるようになり、使用性が著しく改善される。
【００３５】
尚、実施例ではダンパー１７を設けて熱源側熱交換器１２を経た外気を外部に排出するかリターンダクト１９に流すかを切り換えられるようにしたが、設置環境によってはダンパー１７を設けずに、常時リターンダクト１９に流れる構造としてもよい。
【００３６】
また、実施例ではダンパー１７を制御装置３１により、外気温度に応じて自動的に切り換えるようにしたが、それに限らず、手動でダンパー１７を切り換えてもよい。即ち、その場合には外気温度が高いときに使用者がダンパー１７により開口１６を閉じ、低いときには開口１６を開放することになる。更に、実施例で示した各温度値はそれに限られるものでは無い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用したヒートポンプ式給湯器の外観図である。
【図２】図１のヒートポンプ式給湯器を構成するヒートポンプユニットの正面図である。
【図３】図１のヒートポンプ式給湯器のヒートポンプユニット内の配管構成図である。
【図４】ダンパーによりダクト部材の開口を開放した状態の図２のヒートポンプユニットの側面図である。
【図５】ダンパーによりダクト部材の開口を閉じた状態の図２のヒートポンプユニットの側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ヒートポンプ式給湯器
２  ヒートポンプユニット
３  貯湯タンク
１１  吸気口
１２  熱源側熱交換器
１３  排気口
１４  ダクト部材
１６  開口
１７  ダンパー
１８  モータ（駆動装置）
１９  リターンダクト
２１  圧縮機
２２  膨張弁（減圧装置）
２３  利用側熱交換器
３１  制御装置
３７  温度センサ
【図１】
2008232558.tif 000003
【図２】
2008232558.tif 000004
【図３】
2008232558.tif 000005
【図４】
2008232558.tif 000006
【図５】
2008232558.tif 000007