(57)【要約】【課題】運転効率の高いヒートポンプ給湯機を提供する。【解決手段】圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、空気熱交換器５を環状に接続して構成されたヒートポンプ１と、沸き上げポンプ７により貯湯タンク８の底部より水を放熱器４を通して循環させて高温の湯水を貯湯タンク８に溜める貯湯回路１８と、貯湯タンク８からの膨張水を排出する膨張水排出管３４と、貯湯タンク８からの高温水と給水源（図示せず）からの低温水を混合して適温の湯にするための給湯用混合弁２３と、給湯用混合弁２３に市水などの低温水を導く給水バイパス管２２と、膨張水排出管３４を通る膨張水と給水バイパス管２２を通る低温水とを熱交換する蓄熱ユニット１０より構成したもので、膨張水の熱エネルギーで給水バイパス管２２を通る低温水の水温を上昇させることができるので、貯湯タンク８からの高温の湯量が低減でき、エネルギー効率が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して構成されたヒートポンプと、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記放熱器を通して循環させて高温の湯水を前記貯湯タンクに溜める貯湯回路と、前記貯湯タンクからの膨張水を排出する膨張水排出管と、前記貯湯タンクからの高温水と給水源からの低温水を混合して適温の湯とするための給湯用混合弁と、前記給湯用混合弁に市水などの低温水を導く給水バイパス管と、前記膨張水排出管を通る膨張水と前記給水バイパス管を通る低温水とが熱交換できるように配置された蓄熱材を内包する蓄熱ユニットより構成されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
蓄熱材を潜熱蓄熱材と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機。
【請求項３】
ヒートポンプ回路に臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱した湯水を貯湯タンクに蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のヒートポンプ給湯機として、図２に示されるようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。図２は、前記特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯機の回路図である。
【０００３】
図２において、従来のヒートポンプ給湯機は、低温の湯水と高温の湯水とが層を成した状態で貯えられている貯湯タンク８と、その湯水を加熱する加熱源であるヒートポンプ１を備え、ヒートポンプ１によって貯湯タンク８の水を加熱して沸き上げて貯湯し給湯に利用するようになっている。
【０００４】
最初に、加熱源であるヒートポンプ１の構成について説明する。ヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、冷媒を冷却する放熱器３と、冷媒を減圧する減圧手段４と、冷媒を蒸発気化する空気熱交換器５で構成され、圧縮機２の吐出側より放熱器３を介して減圧手段４に接続し、さらに圧縮機２の吸入側に接続している。
【０００５】
このヒートポンプ１においては、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器５で空気と熱交換して蒸発気化し、圧縮機２へ戻される。この時、送風機６は空気熱交換器５の熱交換効率を高めるために強制的に大気を空気熱交換器５に循環させる。
【０００６】
一方、湯の沸き上げに関する貯湯回路１８は、沸上げ管９が、貯湯タンク８の下部から放熱器３に接続され、さらに放熱器３から貯湯タンク８の上部へ接続している。
【０００７】
沸上げ管９が接続されている、貯湯タンク８の上部は、湯水が貯湯タンク８の高温層側であればよく、また、貯湯タンク８の下部は、湯水が貯湯タンク８の低温層側であればよい。
【０００８】
貯湯タンク８から放熱器３に湯水を送り貯湯タンク８に戻すために、沸上げ管９の途中には、出力を任意に変化させることができる沸上げポンプ７を設けている。
【０００９】
そして、貯湯タンク８内の圧力を保つため、膨張水を排出する圧力逃がし弁２９を備えており、排出された膨張水は、膨張水排出管３４を通って、膨張水散水管３６から外部に排出される。
【００１０】
また、ヒートポンプ１において、加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー１５を、沸上げ管９の放熱器３の入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー１６を、沸上げ管９における放熱器３の出口近傍にそれぞれ設けている。
【００１１】
そして、貯湯タンク８の温度分布と蓄熱量を把握するため、貯湯タンク８の外側壁面の垂直方向に、複数の貯湯温度センサー１７ａ〜１７ｄを備えている。
【００１２】
給湯に関する構成としては、貯湯タンク８の底部に給水源から給水を行う給水管１９が
接続され、給水源からは、減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。
【００１３】
貯湯タンク８の上部には、貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には、給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と、給水バイパス管２２からの低温水を任意の比率で混合可能な給湯用混合弁２３が設けられている。
【００１４】
給湯用混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー２５が設けられ、その先に給湯端末２４が接続されている。
【００１５】
風呂への注湯に関する構成としては、給湯管２１の途中から分岐して、浴槽１３へ注湯する注湯管２８が設けられており、給湯管２１と同様に、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低温の湯水を混合して注湯できるように風呂用混合弁２６が設けられ、その下流には、注湯温度センサー３５が設けられている。
【００１６】
また、注湯管２８は、注湯電磁弁２７を備え、それを任意に開閉させて自動で浴槽１３に注湯する。
【００１７】
浴槽１３内の湯水を加熱、保温する風呂加熱運転の回路構成に関しては、利用側回路３１においては、浴槽１３内の湯水を、利用側ポンプ１２により風呂熱交換器１４に循環させる。
【００１８】
また、浴槽内１３の湯の温度を検知するために風呂湯温センサー３２を設けている。そして、熱源側回路３０では、貯湯タンク８の湯水を熱源側ポンプ１１により、風呂熱交換器１４に循環して貯湯タンク８に環流する。
【００１９】
また、風呂熱交換器１４より、利用側ポンプ１２で循環し環流された湯水の温度を検知するための環流温度センサー３３が取り付けられている。
【００２０】
以上のように構成された、従来のヒートポンプ給湯機の動作は、以下の通りである。
【００２１】
図２に示すように、貯湯運転では、ヒートポンプ１を加熱源として沸き上げポンプ７で、貯湯タンク８下部の低温水層の水を放熱器３に循環して加熱し、貯湯タンク８の上部送り湯として貯めており、密度差により沸かされた高温の湯と低温水層の水が混じり合うことは殆どなく貯湯タンク８に貯められる。そして、貯湯タンク８に貯まった湯は、利用端末２４や浴槽１３への給湯に使用される。
【００２２】
また、貯湯運転では、貯湯タンク８に密度の小さな湯が貯まってゆくことになり、即ち、水が膨張するので貯湯タンク８の内圧が上昇する。内圧が上昇を続けると、貯湯タンク８の耐圧を越え、最悪の場合破壊するため、貯湯タンク８内が所定の圧力になると圧力逃がし弁２９を開き、貯湯タンク８内の湯を膨張水として膨張水排出管３４より排出することで、貯等タンク８の内圧を所定の圧力以下に保っている。
【００２３】
しかし、高温の膨張水を排出することは、ヒートポンプ給湯機のエネルギー効率を低下させる原因の一つであることから、従来のヒートポンプ給湯機では、膨張水の有効活用の方法として、圧力逃がし弁２９より排出した膨張水を、膨張水排出管３４を通して空気熱交換器５の上部へと導き、膨張水散水管３６より空気熱交換器５に散水して、空気熱交換器５内の冷媒と熱交換して熱を吸収利用する、あるいは、除霜の熱源として利用している。
【特許文献１】特開２００５−００９７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯機の構成では、膨張水を空気熱交換器５に散水したとき、散水した湯水は、熱を奪われて、低温の水となるが散水された一部の水は、空気熱交換器５の表面に付着したまま残ることになる。例えば、環境温度が除霜条件以下、すなわち空気熱交換器５と熱交換される空気の温度が２℃程度以下であれば、空気熱交換器５を流れる冷媒は、０℃以下となるため、空気熱交換器５の表面に散水された湯水が、そのまま氷結し、空気熱交換器５の熱交換性能が著しく低下するという課題があった。
【００２５】
本発明は、上記従来の課題を解決し、空気熱交換器５を利用することなく、膨張水の持つ熱エネルギーの有効活用を行い、運転効率の高いヒートポンプ給湯機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上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機は、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して構成されたヒートポンプと、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記放熱器を通して循環させて高温の湯水を前記貯湯タンクに溜める貯湯回路と、前記貯湯タンクからの膨張水を排出する膨張水排出管と、前記貯湯タンクからの高温水と給水源からの低温水を混合して適温の湯とするための給湯用混合弁と、前記給湯用混合弁に市水などの低温水を導く給水バイパス管と、前記膨張水排出管を通る膨張水と前記給水バイパス管を通る低温水とが熱交換できるように配置された蓄熱材を内包する蓄熱ユニットより構成されているもので、膨張水の熱エネルギーを蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換してそれに蓄え、給湯など湯を利用する時には、給水バイパス管を通る低温水と前記蓄熱材と熱交換して水温を上昇させることができる。給湯用混合弁では、貯湯タンクからの高温の湯と、給湯バイパス管からの低温水を混合して適温の調整しているため、給湯バイパス管からの低温水の温度が上昇すれば適温とするための貯湯タンクからの高温の湯量が低減でき、エネルギー効率が向上する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のヒートポンプ給湯機は、膨張水の熱エネルギーを蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換してその蓄熱材に蓄え、給湯など湯を利用する時に、給水バイパス管を通る低温水と蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換して水温を上昇させることができるので、運転効率を高めることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気熱交換器を環状に接続して構成されたヒートポンプと、沸き上げポンプにより貯湯タンクの底部より水を前記放熱器を通して循環させて高温の湯水を前記貯湯タンクに溜める貯湯回路と、前記貯湯タンクからの膨張水を排出する膨張水排出管と、前記貯湯タンクからの高温水と給水源からの低温水を混合して適温の湯とするための給湯用混合弁と、前記給湯用混合弁に市水などの低温水を導く給水バイパス管と、前記膨張水排出管を通る膨張水と前記給水バイパス管を通る低温水とが熱交換できるように配置された蓄熱材を内包する蓄熱ユニットより構成されているもので、膨張水の熱エネルギーを蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換してそれに蓄え、給湯など湯を利用する時には、給水バイパス管を通る低温水と前記蓄熱材と熱交換して水温を上昇させることができる。給湯用混合弁では、貯湯タンクからの高温の湯と、給湯バイパス管からの低温水を混合して適温の調整しているため、給湯バイパス管からの低温水の温度が上昇すれば適温とするための貯湯タンクからの高温の湯量が低減でき、エネルギー効率が向
上する。
【００２９】
第２の発明は、特に、第１の発明の蓄熱材を潜熱蓄熱材としたもので、蓄熱材の潜熱を利用することができるため、蓄熱材での単位体積当たりの蓄熱量を増加できコンパクト化できる。
【００３０】
第３の発明は、特に、第１又は第２の発明のヒートポンプ回路に臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたもので、放熱器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くすることができる。
【００３１】
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、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。
【００３２】
（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回路図である。尚、上記従来のヒートポンプ給湯機と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、膨張水排出管３４の途中と、給水バイパス管２２の途中に、蓄熱ユニット１０を接続し、貯湯タンク８から排出された膨張水を、蓄熱ユニット１０に導いた後、外部に排出すると共に、膨張水排出管３４を通る高温の膨張水と、給水バイパス管２２を通る低温水との間で熱交換させるようにしたもので、他の構成は、従来のヒートポンプ給湯機と同一なので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
蓄熱ユニット１０は、蓄熱材として潜熱蓄熱材を使用しており、この蓄熱材と流体の熱交換器（図示せず）を内包している。
【００３５】
尚、本実施の形態におけるヒートポンプ１には、冷媒として炭酸ガスを用いており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却するようになっている。
【００３６】
以上のように構成された本実施の形態における給湯機の動作、作用について説明する。
【００３７】
貯湯タンク８に湯を貯める貯湯運転では、ヒートポンプ１は、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器５において空気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。この時、送風機６が空気熱交換器５の熱交換効率を高めるために強制的に大気を空気熱交換器５に循環させる。
【００３８】
またこの時、貯湯タンク８の下部にある低温層の湯水は沸上げポンプ７により放熱器３に送られ放熱器３の熱を吸熱して加熱される。
【００３９】
即ち、貯湯タンク８の下部にある低温層の湯水を、ヒートポンプ１により加熱し、貯湯タンク８に戻す貯湯運転においては、沸上げポンプ７を駆動し、貯湯タンク８からの低温水を加熱し、加熱された湯は、沸き上げ管９を通って貯湯タンク８の上部に送られる。
【００４０】
そして、出湯温度センサー１６によりヒートポンプ６で加熱された水の温度を検知し、沸上げポンプ７の出力を変えることで、ヒートポンプ６からの出湯温度を制御して目標の
温度となるように加熱を行う。
【００４１】
このようにして、貯湯タンク８に、高温の湯を貯めてゆき、貯湯温度検知手段１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ及び入水温度センサー１５で検知した温度によって、貯湯タンク８内の蓄熱量を検知して、所定の蓄熱量となった時、ヒートポンプ１を停止する。
【００４２】
さらに、貯湯運転中は、貯湯タンク８に密度の小さな湯が貯まってゆくことになり、即ち、水が膨張するので貯湯タンク８の内圧が上昇する。貯湯タンク８の内圧が上昇を続けると、最悪は、貯湯タンク８の耐圧を越えて、破壊するため、貯湯タンク８内が所定の圧力になると、圧力逃がし弁２９を開き、貯湯タンク８内の湯を膨張水として膨張水排出管３４より排出することで、貯等タンク８の内圧を所定の圧力以下に保っている。
【００４３】
排出された膨張水は、膨張水排出管３４を通って、蓄熱ユニット１０に導かれる。蓄熱ユニット１０では、内の潜熱蓄熱材と膨張水が熱交換して、膨張水の熱エネルギーを潜熱蓄熱材が吸熱した後、膨張水は外部に排出される。
【００４４】
給湯端末２４への給湯運転では、給湯端末２４が給湯のために開けられると、貯湯タンク８内の湯水が給湯管２１から出湯されるとともに、給水管１９から貯湯タンク８に給水される。
【００４５】
また、給水管１９から給水を分岐した給水バイパス管２２からの低温水と貯湯タンク８からの高湯水との混合比を給湯用混合弁２３で変えて、混合することで、給湯温度を変化させて給湯端末２４に給湯する。
【００４６】
この時、給水バイパス管２２の途中には、蓄熱ユニット１０が設置されており、潜熱蓄熱材と給水バイパス管２２を通る低温水とが熱交換する。潜熱蓄熱材には貯湯運転時に熱エネルギーが蓄えられており、低温水が熱エネルギーを吸収することで、給水バイパス管２２を通る低温水の温度が上昇する。温度の上昇した給湯バイパス管２２を通る水が給湯用混合弁２３に送られる。
【００４７】
また、この時の混合比は、給湯温度センサー２５で検知される給湯温度に応じて制御され、リモコン（図示せず）により、利用者が選択した給湯温度となるように保たれる。貯湯タンク８内の高温水と低温水を混ぜて温度を低下させることによって所定温度の給湯を行うので、低温水側の温度が上昇することによって、高温水側の流量を低減することができる。
【００４８】
風呂への注湯運転では、注湯運転を開始すると、注湯電磁弁２７が開成され、給水バイパス管２２により給水を分岐し、貯湯タンク８からの高温水と給水源からの低温水を風呂用混合弁２６において混合比を変えて混合することで、注湯温度を変化させて浴槽１３に注湯する。
【００４９】
この時の混合比は、注湯温度センサー３５で検知される注湯温度に応じて制御され、リモコン（図示せず）により利用者が選択した注湯温度となるように保たれる。
【００５０】
即ち、貯湯タンク８内の高温水と水を混ぜて温度を低下させることによって浴槽１３に注湯を行うことになる。
【００５１】
この時も給湯運転同様に、給水バイパス管２２の途中には、蓄熱ユニット１０が設置されており、潜熱蓄熱材と給水バイパス管２２を通る低温水とが熱交換する。潜熱蓄熱材には、貯湯運転時に熱エネルギーが蓄えられており、低温水が熱エネルギーを吸収すること
で低温水の温度が上昇する。温度の上昇した給湯バイパス管２２を通る水が給湯用混合弁２３に送られる。
【００５２】
貯湯タンク８内の高温水と低温水を混ぜて温度を低下させることによって所定温度の給湯を行うので、低温水側の温度が上昇することによって、高温水側の流量を低減することができる。
【００５３】
浴槽１３内の湯を加熱する風呂加熱運転では、貯湯タンク８内の湯水の熱を浴槽１３内の湯水に放熱することで行っている。
【００５４】
利用側回路３１においては、流路切換手段（図示せず）は、浴槽１３内の湯水を利用側ポンプ１２により風呂熱交換器１４に循環させる。一方、熱源側回路３０では貯湯タンク８の湯水を熱源側ポンプ１１により風呂熱交換器１４に循環して貯湯タンク８に環流している。
【００５５】
そして、風呂熱交換器１４では、高温の熱源側回路３０の湯と、温度の低い利用側回路３１の湯が熱交換を行って、利用側回路３１の湯を加熱する。この一連の動作は、風呂湯温センサー３２によって所定の風呂湯温に達したと判断されるまで持続される。
【００５６】
この様に、貯湯タンク８の膨張水を排出する膨張水排出管３４と、貯湯タンク８からの高温の湯と低温水を混合して適温の湯とするための給湯用混合弁２３と、給湯用混合弁２３に、市水などの低温の水を導く給水バイパス管２２を有し、膨張水排出管３４を通る高温の湯と前記給水バイパス管２２を通る低温の水とが熱交換できるように配置された蓄熱材を内包する蓄熱ユニット１０を設置することにより、膨張水の熱エネルギーを蓄熱ユニット１０内の蓄熱材と熱交換して蓄え、給湯など湯を利用する時には、給水バイパス管２２を通る低温水と蓄熱ユニット１０内の蓄熱材と熱交換して水温を上昇させることができ、貯湯タンク８内の高温水の使用湯量を低減できるので、エネルギー効率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、膨張水の熱エネルギーを蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換して蓄え、給湯など湯を利用する時には給水バイパス管を通る低温水と蓄熱ユニット内の蓄熱材と熱交換して水温を上昇させることができ、貯湯タンク内の高温水の使用湯量を低減できるので、エネルギー効率の高いヒートポンプ給湯機として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路図
【図２】従来のヒートポンプ給湯機の回路図
【符号の説明】
【００５９】
１  ヒートポンプ
２  圧縮機
３  放熱器
４  減圧手段
５  空気熱交換器
７  沸上げポンプ
８  貯湯タンク
１０  蓄熱ユニット
１８  貯湯回路
２２  給水バイパス管
２３  給湯用混合弁
３４  膨張水排出管
【図１】
2009216335.tif 000003
【図２】
2009216335.tif 000004