特開 2025-153909 ヒートポンプ給湯装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025153909

(43)【公開日】2025-10-10

(54)【発明の名称】ヒートポンプ給湯装置

(51)【国際特許分類】

   F24H 15/136 20220101AFI20251002BHJP

   F24H 4/02 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/258 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/231 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/38 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/385 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/345 20220101ALI20251002BHJP

   F24H 15/335 20220101ALI20251002BHJP

【ＦＩ】

F24H15/136

F24H4/02 G

F24H15/258

F24H15/231

F24H15/38

F24H15/385

F24H15/345

F24H15/335

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024056622

(22)【出願日】2024-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000004709

【氏名又は名称】株式会社ノーリツ

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】江田 秋人

【テーマコード（参考）】

3L122

【Ｆターム（参考）】

3L122AA02

3L122AA23

3L122AA54

3L122AC35

3L122BA32

3L122BC02

3L122BC04

3L122BC33

3L122EA63

(57)【要約】      （修正有）

【課題】除霜終了直前から圧縮機の吐出温度を低下させる吐出温度低下運転を行うようにしたヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯装置(1)は、ヒートポンプユニット(4)と、ヒートポンプユニット(4)で加熱した湯水を貯湯する貯湯タンク(2)を有する貯湯ユニット(3)と、貯湯タンク(2)に貯湯する貯湯運転及び蒸発熱交換器に付いた霜を除去する除霜運転を制御する制御手段とを備え、貯湯運転中に蒸発熱交換器に着霜したときに、貯湯タンク(2)から凝縮熱交換器への湯水の流入を停止し、蒸発熱交換器のファンを停止し、膨張弁の開度を拡大して冷媒を循環させて除霜運転を実施するように構成されており、蒸発熱交換器の出口温度が除霜終了直前を示す所定条件を満足する場合には圧縮機からの吐出温度を下げる吐出温度低下運転を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒回路により接続して構成されたヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットで加熱した湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、前記貯湯タンクに貯湯する貯湯運転及び前記蒸発熱交換器に付いた霜を除去する除霜運転を制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、
貯湯運転中に蒸発熱交換器に着霜したときに、貯湯タンクから凝縮熱交換器への湯水の流入を停止し、蒸発熱交換器のファンを停止し、膨張弁の開度を拡大して冷媒を循環させて除霜運転を実施するように構成されており、蒸発熱交換器の出口温度が除霜終了直前を示す所定条件を満足する場合には前記圧縮機からの吐出温度を下げるための吐出温度低下運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

【請求項2】

前記吐出温度低下運転として圧縮機の回転数を所定回転数だけ下げた運転を実施する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】

前記吐出温度低下運転の実行中には膨張弁の開度を除霜運転中よりも拡大する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、ヒートポンプユニットで加熱して貯湯タンクに貯湯した湯水を給湯に使用するヒートポンプ給湯装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ヒートポンプユニットで加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯する貯湯運転を行い、この貯湯した湯水を給湯に使用するヒートポンプ給湯装置が広く利用されている。ヒートポンプユニットは、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒回路により接続して構成されている。

【0003】

ヒートポンプユニットは、エネルギー効率が高いが、加熱能力が小さいため瞬間的に湯水を加熱することが困難である。それ故、ヒートポンプ給湯装置は、貯湯運転によって給湯に必要な熱量を貯湯タンクに貯湯して給湯に備えている。このとき、ヒートポンプ給湯装置は、例えば過去の出湯履歴に基づいて出湯（給湯）の時刻及び必要な熱量等を予測し、予測した出湯時刻までに必要な熱量を貯湯するように貯湯運転を行っている。

【0004】

貯湯運転は、蒸発熱交換器で外気から冷媒に吸熱させ、この冷媒を圧縮し、圧縮された冷媒の熱を凝縮熱交換器での湯水の加熱に利用する。外気温度が低いときには、吸熱されて温度が下がった外気に含まれていた水分が凝縮し、蒸発熱交換器に着霜し易くなる。蒸発熱交換器に付いた霜は外気からの吸熱を妨げるので、着霜が検知されるとこの霜を除去する除霜運転が行われる。

【0005】

この除霜運転は、貯湯タンクから凝縮熱交換器への湯水の流入を停止し、膨張弁の開度を拡大した状態で冷媒を循環させることにより行う。

【0006】

ところで、除霜運転から通常運転に復帰する際に、貯湯タンク内の湯水の温度低下を防ぐために膨張弁の復帰作動に対して循環ポンプを遅延させて所定能力に復帰させることが特許文献１に記載されている。

【0007】

また、除霜運転の後に蓄熱運転を再開する前に、貯湯タンク内の湯水の温度低下を防ぐための復帰運転を行うことが特許文献２に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第３７３７３５７号公報

【特許文献2】特許第７２１１５１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１，２では、貯湯タンクへの貯湯温度が８０℃以上とする貯湯運転を行う場合に、除霜運転の間は凝縮熱交換器内の湯水の温度が低下していき、通常運転への復帰の際に低温水が貯湯タンクへ流入することを課題としている。

【0010】

これに対して、貯湯タンクへの貯湯温度が６５℃程度とする貯湯運転を行うときに除霜運転する場合、凝縮熱交換器への湯水の循環は停止しているため、ヒートポンプユニットの圧縮機で加熱された冷媒が凝縮熱交換器を通過する際にその滞留水を加熱するため、通常運転への復帰時に高温出湯が発生する虞がある。
また、滞留水の高温化を抑制するため、除霜運転中の冷媒温度を下げる場合は蒸発熱交換器への供給熱量が低下して除霜時間が長くなってしまう。

【0011】

そこで、本発明の目的は、除霜終了直前から圧縮機の吐出温度を低下させる吐出温度低下運転を行うようにしたヒートポンプ給湯装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

請求項１のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張弁と蒸発熱交換器とを冷媒回路により接続して構成されたヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットで加熱した湯水を貯湯する貯湯タンクを有する貯湯ユニットと、前記貯湯タンクに貯湯する貯湯運転及び前記蒸発熱交換器に付いた霜を除去する除霜運転を制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、貯湯運転中に蒸発熱交換器に着霜したときに、貯湯タンクから凝縮熱交換器への湯水の流入を停止し、蒸発熱交換器のファンを停止し、膨張弁の開度を拡大して冷媒を循環させて除霜運転を実施するように構成されており、蒸発熱交換器の出口温度が除霜終了直前を示す所定条件を満足する場合には前記圧縮機からの吐出温度を下げるための吐出温度低下運転を行うことを特徴としている。

【0013】

上記の構成によれば、蒸発熱交換器の出口温度が除霜終了直前を示す所定条件を満足する場合には圧縮機からの吐出温度を下げるための吐出温度低下運転を行うため、凝縮熱交換器内の高温の滞留水の温度低下を図ることができるから、高温出湯の発生を防止することができる。しかも、除霜終了直前から吐出温度低下運転を行うため、除霜時間が長くなることもない。

【0014】

請求項２のヒートポンプ給湯装置は、請求項１の発明において、前記吐出温度低下運転として圧縮機の回転数を所定回転数だけ下げた運転を実施することを特徴としている。
上記の構成によれば、前記吐出温度低下運転として圧縮機の回転数を所定回転数だけ下げた運転を行うため、簡単な制御で吐出温度低下運転を行うことができる。

【0015】

請求項３のヒートポンプ給湯装置は、請求項１又は２のヒートポンプ給湯装置は、前記吐出温度低下運転の実行中には膨張弁の開度を除霜運転中よりも拡大することを特徴としている。
上記の構成によれば、除霜運転時には膨張弁を全開ではなく全開の手前まで開くものとし、前記吐出温度低下運転の実行中には膨張弁の開度を除霜運転中よりも拡大することで、圧縮機の吐出温度の低下を図ることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、上記のように種々の作用、効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯装置の構成図である。

【図2】図１のヒートポンプユニットの構成図である。

【図3】除霜運転の内容を示すフローチャートである。

【図4】除霜運転時の蒸発熱交換器出口の冷媒温度の変化を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

【実施例0019】

最初に、本発明のヒートポンプ給湯装置１の構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、貯湯タンク２を備えた貯湯ユニット３と、主熱源機であるヒートポンプユニット４と、例えば燃焼式の補助熱源機５を有する。このヒートポンプ給湯装置１においては、ヒートポンプユニット４で貯湯タンク２からの湯水を所定の目標貯湯温度に加熱し、この加熱後の湯水を貯湯タンク２に戻して貯湯する貯湯運転を行う。

【0020】

補助熱源機５は、例えば矢印ＨＷで示すように給湯設定温度の湯水を給湯栓６から給湯するために、貯湯ユニット３から出湯された湯水をその温度に応じて加熱して、又は非加熱で、給湯栓６に供給する。具体的には、貯湯タンク２に給湯設定温度で給湯可能な温度の湯水がある場合には、補助熱源機５で加熱せずに給湯する。貯湯タンク２に給湯設定温度で給湯可能な温度の湯水がない場合には、補助熱源機５で加熱して給湯する。

【0021】

次に、貯湯ユニット３について説明する。
貯湯ユニット３の貯湯タンク２の下部には、ヒートポンプユニット４に貯湯タンク２の湯水を供給するために、貯湯ポンプ７を備えた往き通路８が接続されている。貯湯タンク２の上部には、ヒートポンプユニット４で加熱された湯水を貯湯タンク２に戻すための戻り通路９が接続されている。戻り通路９の途中には、湯水の流路を切り替える切替弁１０が配設されている。この切替弁１０において戻り通路９から分岐された戻り分岐通路９ａが、往き通路８の貯湯ポンプ７よりも上流部分に接続されている。

【0022】

戻り通路９の切替弁１０よりも上流側には、ヒートポンプユニット４で加熱された湯水の温度を検知する戻り温度センサ９ｂが配設されている。例えばヒートポンプユニット４の起動直後において、戻り温度センサ９ｂの検知温度が所定の貯湯設定温度よりも低い場合に、切替弁１０を貯湯タンク２側から戻り分岐通路９ａ側に切り替えて、十分に加熱できるようになるまで貯湯タンク２に湯水を戻さずに循環させることができる。

【0023】

貯湯タンク２の底部には、矢印ＣＷで示す上水を供給する給水通路１１が接続されている。貯湯タンク２の頂部には、貯湯ユニット３から貯湯タンク２の湯水を出湯するための出湯通路１２が接続されている。出湯通路１２の途中には混合弁１４が配設され、給水通路１１の途中から分岐された給水分岐通路１１ａが混合弁１４に接続されている。そして、貯湯タンク２からの湯水と給水分岐通路１１ａからの上水とが、混合弁１４で混合されて貯湯ユニット３から出湯される。

【0024】

貯湯タンク２には、複数の貯湯温度センサ２ａ～２ｄが高さ方向に所定の間隔を空けて配設されており、貯湯タンク２に貯湯された湯水の温度とその温度の湯水の貯湯量、即ち貯湯熱量を検知することができる。そして、貯湯された湯水の降温を防ぐため、これら貯湯温度センサ２ａ～２ｄと貯湯タンク２を覆う図示外の断熱材が配設されている。

【0025】

給水通路１１には、給水通路１１を流通する上水の温度（給水温度）を検知する給水温度センサ１１ｂが配設されている。出湯通路１２には、出湯流量センサ１２ａと、タンク出湯温度センサ１２ｂと、出湯温度センサ１２ｃが配設されている。出湯流量センサ１２ａは、貯湯ユニット３からの出湯流量を検知する。タンク出湯温度センサ１２ｂは、貯湯タンク２から出湯されて混合弁１４に供給される湯水の温度を検知する。出湯温度センサ１２ｃは、貯湯ユニット３から出湯する湯水の温度（出湯温度）を検知する。

【0026】

出湯通路１２の下流端は、補助熱源機５の給水口５ａに接続され、補助熱源機５の給湯口５ｂには湯水通路１６が接続されている。湯水通路１６には、給湯先として例えば台所の給湯栓６、図示外の浴室のカランやシャワー等が接続されている。

【0027】

貯湯ユニット３は、貯湯ユニット３から出湯する湯水の温度調整の制御等を行う貯湯ユニット制御部１８（制御手段）を有する。貯湯ユニット制御部１８は、ヒートポンプユニット４と貯湯ポンプ７を駆動して、ヒートポンプユニット４で目標貯湯温度に加熱した湯水を貯湯タンク２の上部から貯湯する貯湯運転を制御する。貯湯タンク２の貯湯熱量は、例えば貯湯温度センサ２ａ～２ｄの検知温度に基づいて、貯湯ユニット制御部１８が算出する。

【0028】

貯湯ユニット制御部１８は、出湯流量センサ１２ａが所定の流量以上の流量を検知した場合に、混合弁１４の混合比を調整して出湯する。混合比は、給水温度センサ１１ｂとタンク出湯温度センサ１２ｂの検知温度に基づいて、出湯温度センサ１２ｃの検知温度が所定の出湯温度になるように調整される。この貯湯ユニット制御部１８は、各種運転の履歴を学習記憶し、例えば出湯履歴を利用してユーザの使用態様に合わせて貯湯運転の制御を行う。

【0029】

貯湯ユニット制御部１８と補助熱源機５には、例えば給湯設定温度等をユーザが設定するための操作リモコン１９が接続されている。操作リモコン１９は複数台接続されていてもよく、貯湯ユニット３に対応する操作リモコン１９が貯湯ユニット制御部１８に接続され、補助熱源機５に対応する操作リモコンが補助熱源機５に接続されていてもよい。

【0030】

次に、ヒートポンプユニット４について説明する。
図２に示すように、ヒートポンプユニット４は、圧縮機２１と凝縮熱交換器２２と膨張弁２３（膨張手段）と蒸発熱交換器２４とを冷媒回路２５により接続して構成されている。冷媒回路２５に封入された冷媒は、圧縮機２１、凝縮熱交換器２２、膨張弁２３、蒸発熱交換器２４の順に通過して圧縮機２１に戻るように循環する。冷媒回路２５には、圧縮機２１が吐出した冷媒の温度を検知する吐出温度センサ２６と、蒸発熱交換器２４の出口の冷媒温度を検知する蒸発熱交出口温度センサ２７が配設されている。

【0031】

ヒートポンプユニット４は、蒸発熱交換器２４に外気を流通させる送風ファン２８と、貯湯ユニット制御部１８の指令に基づいてヒートポンプユニット４を制御するヒートポンプユニット制御部２９と、外気温度を検知する外気温度センサ３０を備えている。ヒートポンプユニット制御部２９は、吐出温度センサ２６、蒸発熱交出口温度センサ２７及び外気温度センサ３０の検知温度を取得し、通信線２９ａを介して貯湯ユニット制御部１８と通信し、圧縮機２１の運転回転数と膨張弁２３の開度と送風ファン２８の送風量を制御する。

【0032】

貯湯運転において、圧縮機２１は、圧縮して高温高圧になった冷媒を凝縮熱交換器２２に供給する。凝縮熱交換器２２では、貯湯ポンプ７によって貯湯タンク２から供給される湯水が、高温の冷媒との熱交換により目標貯湯温度に加熱され、貯湯タンク２に戻される。凝縮熱交換器２２での熱交換によって温度が下がり一部液化した高圧の冷媒は、膨張弁２３に送られる。

【0033】

膨張弁２３は、絞り量を変更することができる例えば電動の制御弁である。冷媒は、膨張弁２３を通過する際に急激に膨張して外気よりも低温になり、蒸発熱交換器２４に送られる。そして、蒸発熱交換器２４において流通する外気から吸熱して気化すると共に温度が上がった冷媒が、圧縮機２１に戻って再び圧縮されて高温高圧になり、凝縮熱交換器２２に供給される。このヒートポンプサイクルを利用した貯湯運転により、出湯に必要な必要熱量が貯湯タンク２に貯湯される。

【0034】

次に、貯湯運転と、この貯湯運転中に行われる場合がある除霜運転について説明する。
貯湯運転が開始されると、貯湯予測に基づく必要熱量の貯湯を開始し、ヒートポンプユニット４を作動させ、貯湯ポンプ７を駆動する。ヒートポンプユニット４においては、送風ファン２８を駆動し、圧縮機２１を所定の運転回転数で駆動し、膨張弁２３を所定の開度にして冷媒回路２５内の冷媒を流動させ、凝縮熱交換器２２で貯湯タンク２から供給される湯水を加熱する。

【0035】

寒冷の季節において蒸発熱交換器２４に着霜すると、冷媒が外気から吸熱し難くなって、蒸発熱交換器２４の出口の冷媒温度が低下する。そこで、蒸発熱交換器２４の出口における冷媒温度が着霜判定温度以下になった場合には、蒸発熱交換器２４の霜を除去する除霜運転を開始する。尚、外気温度が低いときの長時間の貯湯運転中には、蒸発熱交換器２４の着霜と、この霜を除去する除霜運転が繰り返される場合がある。

【0036】

この除霜運転について図３のフローチャートに基づいて説明する。尚、図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・）は各ステップを示す。このフローチャートは、貯湯ユニット制御部１８に予め格納されている。除霜運転が開始されると、Ｓ１において、圧縮機２１の回転数が除霜回転数（例えば、７０Ｈｚ）に切換えられ、膨張弁２３の開度が除霜開度（例えば、９０％開度）に切換えられ、送風ファン２８及び貯湯ポンプ７が停止される。

【0037】

次に、Ｓ２において外気温センサ３０から外気温Ｔｏが読み込まれ、蒸発熱交出口温度センサ２７から蒸発熱交換器出口温度Ｔｖが読み込まれ、貯湯運転時にセンサから読み込んでメモリに記憶されていた外気温Ｔｏと蒸発熱交換器出口温度Ｔｖに基づいて、貯湯運転時の（Ｔｏ－Ｔｖ）＝Ａが演算される。

【0038】

次に、Ｓ３において、除霜終了直前を示す所定条件が満足するか否か判定するため、外気温Ｔｏと蒸発熱交換器出口温度Ｔｖとの温度差（Ｔｏ－Ｔｖ）が設定値Ｂ（但し、Ｂ＞Ａ）以上か否か判定される。除霜が進行していくと蒸発熱交換器出口温度Ｔｖが徐々に増大していき、除霜終了直前になる前は、（Ｔｏ－Ｔｖ）＜Ｂであり、Ｓ３の判定がＮｏとなるため、Ｓ３からＳ２へ戻る。除霜終了直前になると、（Ｔｏ－Ｔｖ）≧ＢとなってＳ３からＳ４へ移行する。

【0039】

Ｓ４では、ヒートポンプユニット４における冷媒温度を低下させて、凝縮熱交換器２２ 内の滞留水の温度低下を図るため、吐出温度低下運転として、圧縮機２１の回転数が例えば７０Ｈｚから６０Ｈｚへ低下され、膨張弁２３の開度が例えば１００％まで拡大される。

【0040】

次に、Ｓ５においては、除霜運転が終了したか否か判定するため、蒸発熱交換器出口温度Ｔｖが所定温度Ｃ（例えば、２０℃）以上か否か判定され、その判定がＮｏのうちはＳ５を繰り返し、その判定がＹｅｓになると、Ｓ６へ移行する。
Ｓ６では、除霜運転を終了し、貯湯運転へ復帰するため、圧縮機２１の回転数が貯湯回転数に切換えられ、膨張弁２３が貯湯開度（例えば、２０％開度）に切換えられ、送風ファン２８及び貯湯ポンプ７が駆動再開され、その後この制御は終了する。

【0041】

図４は、除霜運転時における蒸発熱交換器出口温度Ｔｖのタイムチャートを示すもので、除霜開始後冷媒の温度が徐々に上昇していき、前記の（Ｔｏ－Ｔｖ）≧Ｂの条件を満足すると、除霜終了直前と判定され、上記のように冷媒温度を低下させる制御として、圧縮機２１の回転数を下げると共に膨張弁２３の開度を拡大する制御が実行される。

【0042】

上記のヒートポンプ給湯装置１の作用、効果について説明する。
蒸発熱交換器２４の出口温度Ｔｖが除霜終了直前を示す所定条件を満足する場合には圧縮機２１からの吐出温度を下げるための吐出温度低下運転を行うため、凝縮熱交換器２２内の高温の滞留水の温度低下を図ることができるから、高温出湯の発生を防止することができる。しかも、除霜終了直前から吐出温度低下運転を行うため、除霜時間が長くなることもない。

【0043】

吐出温度低下運転として圧縮機２１の回転数を所定回転数だけ下げた運転を行うため、簡単な制御で吐出温度低下運転を行うことができる。

【0044】

前記吐出温度低下運転の実行中には膨張弁２３の開度を除霜運転中よりも拡大するため、圧縮機２１の吐出温度の低下を図ることができる。

【0045】

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

【符号の説明】

【0046】

１ ：ヒートポンプ給湯装置
２ ：貯湯タンク
３ ：貯湯ユニット
４ ：ヒートポンプユニット
１８ ：貯湯ユニット制御部
２１ ：圧縮機
２２ ：凝縮熱交換器
２３ ：膨張弁
２４ ：蒸発熱交換器
２５ ：冷媒回路
２８ ：ファン
２９ ：ヒートポンプユニット制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】