JP2005076964A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 貯湯槽における熱損失を低減すること。
【解決手段】 給水を加熱するヒートポンプ１と、ヒートポンプ１で加熱された湯を貯留する貯湯槽２１と、ヒートポンプ１の給湯口と貯湯槽２１の頂部とを連通する第一の給湯管と、貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する第二の給湯管と、給水源と貯湯槽の底部とを連通する給水管と、貯湯槽２１の底部の水をヒートポンプ１に給水する給水ポンプ２３と、貯湯槽２１の設定温度以上の湯量を検知して、その検出値が設定量未満の場合、ヒートポンプ１と給水ポンプ２３とを稼動させて、湯量が設定量以上になるように調整する湯量調整手段とを備えることにより、貯湯槽２１における熱損失を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関し、特に、ヒートポンプで加熱された湯を貯蔵する貯湯槽を備えたものに関する。

従来のヒートポンプ給湯装置としては、電力が安価な夜間にヒートポンプを稼動させ、加熱された給水を貯湯槽に満杯にして蓄えておくことにより、日中に使う湯を賄うようにしている。

また、ヒートポンプで給水を加熱する場合、外気温度が変化すると、ヒートポンプの運転効率が変化し、貯湯槽内の湯温が変化する場合がある。そこで、外気温度に応じてヒートポンプの圧縮能力を調整し、外気温度の変化に対し湯温を安定化させる方法が提案されている（特許文献１参照。）。

また、湯の使用量は一般に外気温度などで変化する。そのため、所定量の湯を蓄えておく貯湯方式によれば、例えば、使用量が比較的少ない夏場は、湯量が過剰になる一方、使用量の多い冬場は、湯量不足になる。従来の貯湯方式によれば、一旦湯切れを起こすと、再び所定量の湯を沸き上げるまで多くの時間が必要となる。そこで、湯切れを防ぐため、貯湯槽を大容量化（例えば、３００〜４５０Ｌ）するとともに、できるだけ高温（例えば、９０℃）で貯留し、大量の水で薄めて使用することが行われている。

特開２００１−２５５００４号公報

しかし、貯湯槽を大型化すると、それに伴い、設置スペースが増大し、かつ設置床面の強度が必要になる。そのため、アパートやマンションのベランダなど、狭い空間においては、据え付けが困難となり、さらには、装置の搬送に多くの労力と費用がかかるという問題がある。

そこで、ヒートポンプと貯湯槽を併用し、給湯開始直後は、貯湯槽に貯蔵された湯を用いて給湯し、その間、ヒートポンプを稼動させ、ヒートポンプの加熱能力が安定したところで、貯湯槽からの給湯を停止して、ヒートポンプによる直接給湯に切り換える方法が考えられる。これによれば、貯湯槽に貯蔵する湯量を大幅に低減でき、貯湯槽を小型化できるという利点がある。

しかしながら、このように小型化された貯湯槽を搭載した給湯装置においても、周囲より高い温度の湯を所定量貯蔵するため、貯湯槽の壁面から発散する熱の損失は避けられない。そのため、外気温度によっては熱損失が増加され、結果としてエネルギ損失を招くことから、貯湯槽における熱損失を改善すべき余地がある。

本発明は、貯湯槽における熱損失を低減することを課題とする。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、給水を加熱するヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された湯を貯留する貯湯槽と、ヒートポンプの湯出口と貯湯槽の頂部とを連通する第一の給湯管と、貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する第二の給湯管と、給水源と貯湯槽の底部とを連通する給水管と、貯湯槽の底部からヒートポンプに給水する給水ポンプと、貯湯槽の設定温度以上の湯量を検知して、その検出値が設定量未満の場合、ヒートポンプと給水ポンプとを稼動させて、湯量が設定量以上になるように調整する湯量調整手段とを備えてなることを特徴とする。

このような構成によれば、例えば、外気温度などに応じて、貯湯槽内の湯量（貯湯量）を、適量に設定することにより、過剰な貯湯による熱損失を低減することができる。すなわち、外気温度の高い夏場は湯の使用量が少なく、貯湯槽内の温度低下も遅いため、貯湯量を少なく設定できる。反対に、外気温度が低い冬場は、湯の使用量が多く、貯湯槽内の温度低下が速いため、貯湯量を多く設定する。

この場合において、第一と第二の給湯管を連通させることが好ましい。これによれば、ヒートポンプが安定動作した後は、ヒートポンプから直接給湯が可能になるため、貯湯槽を小型化しても、湯切れをおこすことがない。また、貯湯槽の湯量を少なくする代わりに湯温を低下することもできるため、ヒートポンプによる加熱効率が向上する。

具体的には、給水を加熱するヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された湯を貯留する貯湯槽と、ヒートポンプの湯出口と貯湯槽の頂部とを連通する第一の給湯管と、第一の給湯管と給湯口とを連通する第二の給湯管と、給水源と貯湯槽の底部とを連通する給水管と、貯湯槽の底部からヒートポンプに給水する給水ポンプと、貯湯槽の設定温度以上の湯量を検知して、その検出値が設定量未満の場合、ヒートポンプと給水ポンプとを稼動させて、湯量が設定量以上になるように調整する湯量調整手段と、給湯口の開放を検知してヒートポンプを起動させ、ヒートポンプの加熱能力が安定後にヒートポンプに給水を開始する制御手段とを備えるようにする。

また、湯量調整手段は、外気温度と給水温度との少なくとも一方の温度を検知し、その検出温度に基づいて設定量を可変に設定することが好ましい。これによれば、検出温度に対し最適な湯量を予め定めておくことにより、検出温度に応じて、適宜湯量を変更し、最適な湯量の状態を維持することができる。なお、水道水などの給水温度は、一般に外気温度と比べて変動が小さく信頼性が高いため、より好ましい。

また、貯湯槽は、その高さ方向に複数の温度センサを取り付けて、温度センサが直接または間接的に検知した検出温度に基づいて設定温度以上の湯量を検知するようにする。すなわち、貯湯槽内には、湯と水が上下にそれぞれ層を形成し、満杯に貯蔵されているため、湯量の変化にともない水量も変化するようになっている。そのため、高さ方向の複数箇所で温度を検知することにより、設定温度以上の湯量を検知することができる。

本発明によれば、貯湯槽における熱損失を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の構成図である。図に示すように、ヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ冷媒回路１と、給湯回路３と、運転制御手段５とを備えて構成される。ヒートポンプ冷媒回路１は、二つの冷媒回路からなる２サイクル方式が採用され、圧縮機７ａ、ガスクーラ９ａ、減圧装置１１ａ、蒸発器１３ａを順次直列接続した第一の閉回路と、圧縮機７ｂ、ガスクーラ９ｂ、減圧装置１１ｂ、蒸発器１３ｂを順次直接接続した第二の閉回路とからなり、各回路には冷媒が封入されている。

圧縮機７ａ，７ｂは、容量制御が可能で、多量の給湯を行う場合には大きな容量で運転される。ここで、圧縮機７ａ，７ｂは、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えば、ＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば、２０００回転／分）から高速（例えば、８０００回転／分）まで回転数が制御自在になっている。水−冷媒熱交換器１５は、冷媒側伝熱管と給水側伝熱管とからなり、前記のガスクーラ９ａ，９ｂは、それぞれ冷媒側伝熱管９ａ，９ｂして機能し、この冷媒側伝熱管９ａ，９ｂと給水側伝熱管９ｃ，９ｄとの間で熱交換が行われる。蒸発器１３ａ，１３ｂは、空気と冷媒との熱交換を行う空気−冷媒熱交換器で構成されている。

除霜用電磁弁１７ａ，１７ｂは、電磁コイルと、電磁コイル通電中のみ開放する開閉弁とを備えて構成され、圧縮機７ａ，７ｂの出口側と蒸発器１３ａ，１３ｂの入口側をバイパスして配設され、蒸発器１３ａ，１３ｂが着霜する際に開閉弁を開いて、圧縮機７ａ，７ｂから吐出される高温高圧の冷媒ガスを蒸発器１３ａ，１３ｂに導いて霜を解かすようになっている。

給湯回路３は、貯湯回路と、直接給湯回路と、タンク給湯回路と、タンク追焚回路と、風呂湯張り回路と、風呂追焚回路とから構成される。貯湯回路およびタンク追焚回路は、貯湯タンク２１，配管２５，タンク循環ポンプ２３，配管２７，２９，給水側伝熱管９ｃおよび９ｄ，配管３１，熱交側流量調整弁３３，配管３５，タンク側流量調整弁３７，配管３９を順次接続してなる閉回路にて構成され、配管２５，３９は、貯湯タンク２１の底部と頂部にそれぞれ接続されている。すなわち、タンク循環ポンプ２３により強制的に貯湯タンク２１の底部から抜き出された水は、水−冷媒熱交換器１５に導かれて熱交換され、加熱された後、再び貯湯タンク２１の頂部から供給されるようになっている。

直接給湯回路は、給水口４１が、減圧弁４３を備えた配管４７を介して水比例弁４５に接続され、続いて、配管４９，給水逆止弁５１，配管２９，給水側伝熱管９ｃおよび９ｄ，配管３１，熱交側流量調整弁３３，配管３５，５３，５５，給湯口５７の順に直列接続されて構成される。これにより、給水口から流入した給水が、水−冷媒熱交換器１５に導かれて熱交換され、加熱された後に給湯口から給湯されるようになっている。

タンク給湯回路は、給水口４１が、減圧弁４３を備えた配管４７を介して水比例弁４５に接続され、続いて、配管４９，貯湯タンク２１，配管３９，タンク側流量調整弁３７，配管５３，５５，給湯口５７の順に直列接続されて構成される。すなわち、貯湯タンク２１内には、湯水が満杯に充満しているため、所定の水圧を有する給水が貯湯タンク２１の底部から貯湯タンク２１内に導入されると、貯湯タンク２１内の圧力上昇にともない、貯湯タンク２１の頂部から湯が排出され、給湯口５７から給湯されるようになっている。本回路において、貯湯タンク２１から給湯する際に使用される配管３９は、貯湯回路において貯湯タンク２１に貯湯する際にも共通して使用されるが、例えば、配管３９を２本に分離させ、配管同士を連通させるようにしてもよい。

風呂湯張り回路は、給水口４１が、減圧弁４３を備えた配管４７を介して水比例弁４５に接続され、続いて、配管４９，給水逆止弁５１，配管２９，給水側伝熱管９ｃおよび９ｄ，配管３１，熱交側流量調整弁３３，配管３５，５３，注湯電磁弁５６，配管５８，風呂水量センサ５９，配管６１，風呂給湯金具６３，浴槽６５の順に直列接続されて構成される。これにより、給水口から流入した給水が、水−冷媒熱交換器１５に導かれて熱交換され、加熱された後に浴槽内に給湯されるようになっている。また、風呂湯張り時は、風呂湯張り回路による直接給湯とともに、貯湯タンク２１の貯湯量が、予め設定された最小貯湯量未満にならない範囲で、貯湯タンク２１による給湯を行うことができる。

風呂追焚回路は、浴槽６５の水接続口が、風呂出湯金具６７を備えた配管６９を介して風呂循環ポンプ７１に接続され、続いて、配管７３，風呂水伝熱管７７，配管８１，６１，風呂給湯金具６３，浴槽６５の順に直列接続されて構成される。すなわち、風呂追焚回路は、風呂循環ポンプ７１が、浴槽６５内の湯を強制的に抜き出した後、風呂熱交換器７５を介して再び浴槽６５内に戻すようになっている。なお、風呂熱交換器７５は、水−冷媒熱交換器１５により加熱された湯の一部を温水伝熱管７９に導いて、風呂水伝熱管７７との間で熱交換するようになっている。

風呂熱交換器７５における温水伝熱管７９の給水口は、水−冷媒熱交換器１５の給湯口と配管３１，３５，８３を介して接続され、配管８３は、水開閉弁８５を備えている。水開閉弁８５は、風呂追焚時以外は閉じることにより、水−冷媒熱交換器１５から風呂熱交換器７５への熱の漏洩を防ぐようにしている。また、配管８１と配管７３を渡してなる配管８７には、風呂逆止弁８９が設けられ、風呂給湯時に風呂循環ポンプ７１に呼び水を供給するようになっている。また、貯湯タンク２１の給水側の配管３９を分岐させてなる配管９１は、逃し弁９３を設けることにより、貯湯タンク２１内の湯圧が所定以上に上昇した場合に作動して圧力保護を行うようになっている。

貯湯タンク２１は、円筒状で縦長に形成された小容量のタンクで構成され、従来の貯湯方式における貯湯タンクと比べて１／３〜１／５程度の小容量のものである。この貯湯タンク２１内には、水と湯が比重差により上下に分離して貯蔵されている。つまり、タンクの下層には、給水された水が貯蔵され、上層には、下層の水を加熱してなる湯が貯蔵されている。貯湯タンク２１内には、高さ方向に複数の温度検知サーミスタなどが取り付けられ、貯湯タンク２１内の温度分布を直接または間接的に検知して、設定温度以上の貯湯量を検出するようになっている。ここで、温度検知サーミスタは、貯湯タンク２１内に配置し直接的に温度を検知するようにしてもよいが、組立性およびサービス性の点で、側壁の外側に配置し間接的に温度を検知するようにしてもよい。

運転制御手段５は、各部の温度状態を検出する温度センサ、圧縮機７ａ、７ｂの吐出圧力を検知する圧力センサ、浴槽６５内の水位を検出する水位センサなどから検出信号を受け取り、これらの信号に基づいて各機器を制御している。例えば、台所リモコン１０１および風呂リモコン１０３の操作設定により、ヒートポンプ冷媒回路１の運転停止、圧縮機７ａ，７ｂの回転数制御などを行うとともに、タンク循環ポンプ２３、風呂循環ポンプ７１などの運転停止、水比例弁４５、熱交側流量調整弁３３、タンク側流量調整弁３７、注湯電磁弁５６、水開閉弁８５などを周知の方法で制御することにより、タンク貯湯運転、直接給湯運転、タンク給湯運転、タンク追焚運転、風呂湯張り運転、風呂追焚運転を、それぞれ切換制御している。なお、運転制御手段５は、ヒートポンプ冷媒回路１の運転開始直後は、加熱立ち上げ時間を早めるため、圧縮器７ａ，７ｂの回転数を所定の高速回転数で運転制御するようになっている。

また、運転制御手段５は、タンク給湯運転後は、タンク貯湯運転を行い、貯湯タンク２１内の貯湯量を設定量以上に蓄えてから運転を停止するように、毎回貯湯運転の機能を備えている。すなわち、上述した方法により貯湯タンク２１内における設定温度以上の貯湯量を検出し、その貯湯量が設定量未満の場合、ヒートポンプ冷媒回路１とタンク循環ポンプ２３を稼動させて、貯湯タンク２１の底部から抜き出した水を熱交換してから頂部に戻すことにより、貯湯量を設定量以上に調整するようにしている。

この場合において、貯湯量の設定量は、外気温度と給水温度との少なくとも一方の温度を検知し、その検出温度に基づいて可変に設定するようにする。例えば、外気温度が高い夏場は貯湯量を減らし、外気温度が低い冬場は貯湯量を増やすようにする。すなわち、外気温度などの検出値を予め記憶された関数などで演算処理することにより、最適な湯量が設定され、その結果、貯湯タンク２１内には、使用条件に対し過不足のない、必要最小限の湯量が貯蔵される。なお、湯の設定量は、上記の方法に代えて、例えば、夏は５０Ｌ、春秋は７０Ｌ、冬は１００Ｌというように、季節に応じて、いくつかの段階で制御するようにしてもよい。また、必要湯量を記憶、学習して制御してもよい。

図２は、本実施形態における水−冷媒熱交換器１５の一例を示す模式図である。図に示すように、水−冷媒熱交換器１５は、風呂熱交換器７５を分離した給湯専用の熱交換器で、２本の冷媒伝熱管９ａ、９ｂと、２本の給水伝熱管２ｃ、２ｄとからなり、冷媒伝熱管９ａ、９ｂと給水伝熱管９ｅ、９ｆとを交互に接触させて円筒状に巻き上げた構造になっている。なお、図示しないが、本実施形態においては、円筒状の貯湯タンク２１の外周壁に、水−冷媒熱交換器１５を巻き付け、または同心円状に配置してもよい。これによれば、貯湯タンク２１からの放熱を抑制し、熱損失を低減することができる。また、本実施形態の給水伝熱管は、内部圧損を少なくするため２本に分岐させているが、これに限られるものではない。

図３は、本実施形態における風呂熱交換器７５の一例を示す模式図であり、（ａ）は側面からの断面図を示し、（ｂ）は正面からの断面図を示す。図に示すように、風呂熱交換器７５は、銅管からなる温水伝熱管７９の内部に、中空断面が異形の風呂水伝熱管７７を挿入した２重管構造を有し、温水伝熱管７９の両端側を絞って、風呂水伝熱管７７の両端に形成される径小管７７ａ，７７ｂを外周側からそれぞれ気密に接合して形成される。水−冷媒熱交換器１５で加熱された湯は、温水伝熱管７９の一端の側壁を穿設させて形成される温水配管７９ａを介して内部に導かれ、温水配管７９と風呂水伝熱管７７との隙間の空間を通り、他端の側壁に形成される温水配管７９ｂを介して外部に流出される一方、風呂水は、一端の径小管７７ａを介して風呂水伝熱管７７内に導かれ、他端の径小管７７ｂを介して外部に流出されるようになっている。なお、風呂水伝熱管７７は、湯との接触面積を大きく取るため、断面円周を凹凸状、星型状、または多葉管等に形成することが望ましい。このようにして２重管構造を取ることにより、風呂水伝熱管７７は、全外周で伝熱され、コンパクトで伝熱性の良い風呂熱交換器７５を得ることができる。

すなわち、従来の風呂追焚用熱交換器は、ヒートポンプの冷媒伝熱管と風呂水伝熱管で熱交換を行なうため、万一、内側管が破損した場合、高圧冷媒が水回路に浸入し、洗面給湯水や台所給湯水を汚染させるおそれがある。このため、２重管構造は採用されず、冷媒管と水配管とを各々独立させた配管構造にする必要があった。これに対し、本実施形態によれば、風呂熱交換器２０を水−冷媒熱交換器１５から分離して、加熱循環水と熱交換する構造にしているため、２重管構造を取ることができる。

以上のような構成により、本実施形態のヒートポンプ給湯装置は、給湯が開始されると、まずタンク貯湯運転により設定量の湯が貯留された貯湯タンク２１から給湯を行い、これと同時に、ヒートポンプを稼動させ、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力が安定したところで、直接給湯運転に切り換えて、水−冷媒熱交換器１５で沸上げた湯を直接給湯口から給湯するように制御するものである。さらに、必要であれば、浴槽６５の湯を２重管構造の風呂熱交換器７５で追焚きするようにしている。

次に、本実施形態のヒートポンプ給湯装置の動作について説明する。初めに、本装置の据付時における運転動作を図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１で、ヒートポンプ給湯装置を製造場所から運搬し使用される設置場所に据付ける。そして、ステップＳ１０２で、給水口４１の給水金具が水道等の給水源に接続され、逃し弁９３を開放にした後、元栓が開放されると、給水源から給水が開始され、水は減圧弁４３によって一定圧力に減圧調整された後、貯湯タンク２１及び水−冷媒熱交換器１５並びに各配管内に流入する。また、これと同時に、給湯装置の水サイクル内の空気が逃し弁から大気中に追い出される。この場合において、ヒートポンプ給湯装置の据付時の各機器は、次の初期状態に設定されている。すなわち、水比例弁４５は貯湯タンク２１側が開、給湯口５７側が閉、熱交側流量調整弁３３、タンク側流量調整弁３７、水開閉弁８５はいずれも開、注湯電磁弁５６は閉の状態になっている。

給湯装置の水サイクル内がすべて水に満たされ、逃し弁９３から水が流出し始めると、ステップＳ１０３で給水が完了したものと判定され、逃し弁９３が閉じられる。続いて、ステップＳ１０４では、装置の電源スイッチが投入され、運転制御手段５の制御によりヒートポンプ冷媒回路１および給湯回路３の運転が開始され、タンク貯湯運転が行なわれる。すなわち、ヒートポンプ冷媒回路１においては、圧縮機７ａ、７ｂの運転が開始され、圧縮機７ａ、７ｂ内のガス状冷媒が圧縮加熱され、高温高圧の冷媒となり水−冷媒熱交換器１５に送り込まれる。これにより、水−冷媒熱交換器１５では、冷媒側伝熱管９ａ、９ｂ内を流れる高温冷媒と、給水側伝熱管９ｃ、９ｄ内を流れる給水とが熱交換し、冷媒は放熱し、水は加熱される。放熱された冷媒は、減圧装置１１ａ、１１ｂで減圧され、次いで蒸発器１３ａ、１３ｂで膨脹蒸発してガス状態となり、再び圧縮機７ａ、７ｂに戻る。

一方、タンク循環ポンプ２３の運転が開始されると、貯湯タンク２１の底部から強制的に抜き出された水は、タンク循環ポンプ２３、水−冷媒熱交換器１５、熱交側流量調整弁３３、タンク側流量調整弁３７を順次経由して貯湯タンク２１の頂部に戻される。これにより、水−冷媒熱交換器１５で加熱された湯が、貯湯タンク２１の上部に次第に貯湯され、貯湯タンク２１の高さ方向に複数取付けられた温度検知サーミスタ１１０のうち、貯湯タンク２１の高い位置に取付けられたものから順に、設定温度以上の温度を検知し、貯湯量を検知する。

ステップＳ１０５において、貯湯量が設定量に達し、貯湯完了と判定されると、ステップＳ１０６に進み、運転を停止する。なお、貯湯量は、温度検知サーミスタ１１０で検知した高温水のタンク高さ位置が判れば、貯湯タンクの内径寸法により、容易に判定することができる。また、貯湯量の検出方法は、温度検知サーミスタ１１０に限らず、例えば、貯湯回路中に流量センサなどを設け、流量を直接測定してもよい。さらに、温度検知サーミスタの設置数を増加させ、季節の他に昼、夜の時間帯も含めて、貯湯量を細かく設定してもよい。

次に、給湯時の動作を図５のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１１１で、給湯口４１の蛇口が開放され、湯が給湯されると、ステップＳ１１２とＳ１１３に進み、直接給湯運転およびタンク給湯運転が同時に開始される。すなわち、直接給湯運転では、運転制御手段５により、圧縮機７ａ、７ｂを起動させてヒートポンプ回路１の運転を開始させるとともに、直接給湯回路に水を流し、熱交換するようにする。一方、タンク給湯運転では、タンク給湯回路に水を流し、貯湯タンク２１内の湯を給湯するようにする。

ここで、ヒートポンプ冷媒回路１は、圧縮機７ａ、７ｂで圧縮された高温冷媒を水−冷媒熱交換器１５に送り込み、時間の経過とともに、給水配管９ｃ，９ｄを流れる水の加熱能力が増加されるが、運転立ち上がり時は、水−冷媒熱交換器１５に送り込まれてくる冷媒が充分な高温高圧に至らず、かつ水−冷媒熱交換器１５全体が冷えているため、水を加熱する加熱能力が充分でない。

そこで、運転開始直後の所定時間（約１〜２分程度）は、貯湯タンク２１から湯を供給するタンク給湯運転を行ない、ステップＳ１１４において、運転制御手段５がヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力が安定したか否かを検知し、タンク給湯運転の継続または停止を判定する。ここで運転停止の判定がされた場合、ステップＳ１１５に進み、タンク給湯運転が停止され、直接給湯運転のみに切換えられる。ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力を判定する方法としては、ステップＳ１１６に示すように、例えば、水−冷媒熱交換器１５内の給水側伝熱管９ｃ，９ｄから流出する湯の温度を検知する温度検知サーミスタ１１２または伝熱管から流出する湯の流量を検知する流量センサ１１４などにより検知された検出値が所定値以上であるか否かを判定し、所定以上であれば、加熱能力が安定したものと判断するようにする。

このように、運転開始時は、貯湯タンク２１から過渡的に給湯し、その後は水−冷媒熱交換器１５で加熱された湯を直接給湯する、２系統の給湯方式を採用しているため、運転立ち上がり時の加熱遅れが解消されるとともに、貯湯タンク２１の容量を格段に小さくすることができる。なお、運転制御手段５は、貯湯タンク２１の残湯量が所定値以下になった時には、タンク給湯運転を停止させ、直接給湯運転のみで運転するようになっている。

給湯が終了し、給湯口５７の蛇口が閉じられると、給湯直後でタンク給湯運転と直接給湯運転とが行われている場合は、ステップＳ１１５およびステップＳ１１７によりタンク給湯運転と直接給湯運転の両方を停止し、タンク給湯運転が停止され直接給湯運転のみであれば、ステップＳ１１７で直接給湯運転を停止する。

次に、運転制御手段５は、タンク給湯運転と直接給湯運転を停止させた後、ステップＳ１１８においてタンク貯湯運転を開始する。すなわち、貯湯タンク２１に複数配設される温度検知サーミスタ１１０により設定温度以上の貯湯量を検知し、ステップＳ１１９で貯湯量を判定する。ここで、貯湯量が設定量以上の場合、ステップＳ１２０に進み、運転を終了する。一方、設定量未満の場合、ヒートポンプ冷媒回路１に加え、タンク循環ポンプ２３を稼動させ、貯湯量が設定量以上になるように流量調整する。なお、給湯が停止された後でも、極めて短時間使用のため、貯湯タンク２１内の湯温および湯量が、予め設定された値とほぼ同等である場合は、貯湯完了状態と判定し、タンク貯湯運転を行わないようにする。

以上説明したように、運転制御手段５は、いずれの運転においても、その運転終了後、外気温や給水温度などに応じて設定された設定量の貯湯量に達するまで、タンク貯湯運転を行う毎回湯運転の機能を備えている。そのため、貯湯タンク２１内には、常に設定温度および設定量の湯が貯湯され、運転立上がり時の湯温低下を解消するとともに、過剰な貯湯による熱損失が低減される。また、必要以上に高温の湯を貯留させておく必要がないため、ヒートポンプのエネルギ効率が向上する。

さらに、ヒートポンプ運転の加熱能力が高温安定状態に達するまでの時間は、通常、約５〜６分掛かるため、それまでの間、貯湯タンク２１内の湯量ですべてをまかなう必要がある。しかし、本実施形態によれば、二つのヒートポンプ冷媒回路１を併設させた２サイクル方式を採用しているため、加熱能力が倍増され、さらに、圧縮機の回転数を通常より高速回転で運転制御することにより、運転開始直後から高温安定状態に達するまでの所定時間を約１〜２分に短縮できる。これにより、ヒートポンプ方式による直接給湯が実現可能となり、貯湯タンク２１を一層小形化することができる。

次に、風呂自動運転における湯張り動作を図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図５と同様の操作についは説明を簡略化する。まず、ステップＳ１２１で、風呂自動ボタンを押すと、タイマ１２１が時間測定を開始する。続いてステップＳ１２３で、セット時間が来たことを判定すると、ステップＳ１２４とＳ１２５に進み、風呂給湯運転とタンク給湯運転が同時に行なわれる。風呂給湯運転は、上述した直接給湯運転により風呂浴槽内に給湯する。すなわち、ヒートポンプ運転開始直後１〜２分間は、風呂給湯運転とタンク給湯運転を同時に行い、その間、温度検知サーミスタ１１２および流量センサ１１４により風呂給湯量および給湯温度が検知される。そして、ステップＳ１２７でタンク給湯運転の停止が判定され、ステップＳ１２９でタンク給湯運転が停止されると、風呂給湯運転のみの運転となる。風呂給湯運転中は、風呂給湯温度と浴槽内湯量が連続的又は定期的に検知され、運転制御手段５により以下の制御が行われる。

まず、ヒートポンプ冷媒回路１は、ステップＳ１３１で、圧縮機７ａ，７ｂの回転数および給水流量を制御し、次いで、ステップ１３３で、風呂給湯温度が設定温度の範囲内であるか否かを判定する。そして、設定温度の範囲内にある場合はステップＳ１３５に進み、範囲外の場合は範囲内になるようにステップ１３１の制御を繰り返す。続いて、ステップＳ１３５では、浴槽６５内の湯温および湯量を、それぞれ温度検知サーミスタ１２６および水位センサ１２７で検知し、その検出値に基づいて判定する。湯温および湯量が設定量に達した場合は、ステップＳ１３７に進んで風呂給湯運転が停止され、設定量に満たない場合は給湯が継続される。

次に、風呂自動運転における風呂追焚の動作を図７のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１４１で、風呂自動ボタンを押すと、浴槽６５内の湯温および湯量を温度検知サーミスタ１２６および水位センサ１２７で検知し、次いで、ステップＳ１４３で、検知された湯温および湯量がそれぞれ設定値の範囲内であるか否かを判定する。そして、これらの検出値が設定値の範囲内にある場合は、ステップＳ１５３に進んで風呂追焚運転を省略し、範囲外の場合はステップＳ１４５に進み、風呂追焚運転を開始する。

風呂追焚運転中は、風呂給湯温度と浴槽内湯量が連続的又は定期的に検知され、これらの検出値に基づいて、ステップＳ１４７において圧縮機７ａ，７ｂの回転数および給水流量が制御される。そして、図６と同様に、ステップＳ１４９、Ｓ１５１で、風呂給湯温度、浴槽６５内の湯温および湯量を判定し、設定値の範囲内であれば、ステップＳ１５３に進み、風呂追焚運転を停止する。

以上説明したように、貯湯タンク２１の貯湯量を外気温度や給水温度などの外的条件に応じて適宜可変に設定することにより、貯湯量が低減され、かつ貯湯温度が低下する。その結果、貯湯タンクからの放熱ロスを低減し、省エネを図ることができる。

また、給湯回路をタンク給湯および直接給湯の２系統設けることにより、単独回路および２回路同時運転の合計３通りの給湯回路を有し、これにより、給湯機利用の多様化を図ることができる。すなわち、通常は、直接給湯運転のみの省エネ運転を行い、冬場やシャワー使用などで給湯使用量が多い場合は、直接給湯回路とタンク給湯回路を同時に使用して対応することができる。そのため、小容量の貯湯タンクで大きな機能を有することができる。

また、直接給湯を行うためには、ヒートポンプサイクル全体を大容量化しなければならず、多くの問題点を有しているが、本実施形態では、冷媒回路を併設させているため、従来部品がそのまま利用でき、さらに、万一１台が故障しても、残りの回路で給湯を補うことができる。

なお、本実施形態では、ヒートポンプ運転開始直後に貯湯タンクの湯を使用する直接給湯方式において多大な効果を有するが、貯湯タンクに貯蔵する湯ですべての給湯分を賄う従来のタンク貯湯方式においても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の一例を示す構成図である。 図１の水−冷媒熱交換器の一例を示す模式図である。 図１の風呂熱交換器の一例であり、（ａ）は側面からの断面図を示し、（ｂ）は正面からの断面図を示す。 本実施形態に係る給湯装置の据付時の運転動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る給湯装置の給湯時の動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る給湯装置の風呂自動運転における湯張り動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る給湯装置の風呂自動運転における風呂追焚の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ヒートポンプ冷媒回路
３ 給湯回路
５ 運転制御手段
１５ 水−冷媒熱交換器
２１ 貯湯タンク
２３ タンク循環ポンプ
４１ 給水口
５７ 給湯口
７５ 風呂熱交換器

Claims (6)

1. 給水を加熱するヒートポンプと、該ヒートポンプで加熱された湯を貯留する貯湯槽と、前記ヒートポンプの湯出口と前記貯湯槽の頂部とを連通する第一の給湯管と、前記貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する第二の給湯管と、給水源と前記貯湯槽の底部とを連通する給水管と、前記貯湯槽の底部から前記ヒートポンプに給水する給水ポンプと、前記貯湯槽の設定温度以上の湯量を検知して、その検出値が設定量未満の場合、前記ヒートポンプと前記給水ポンプとを稼動させて、前記湯量が設定量以上になるように調整する湯量調整手段とを備えてなるヒートポンプ給湯装置。
2. 前記第一と第二の給湯管を連通させてな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。
3. 給水を加熱するヒートポンプと、該ヒートポンプで加熱された湯を貯留する貯湯槽と、前記ヒートポンプの湯出口と前記貯湯槽の頂部とを連通する第一の給湯管と、該第一の給湯管と給湯口とを連通する第二の給湯管と、給水源と前記貯湯槽の底部とを連通する給水管と、前記貯湯槽の底部から前記ヒートポンプに給水する給水ポンプと、前記貯湯槽の設定温度以上の湯量を検知して、その検出値が設定量未満の場合、前記ヒートポンプと前記給水ポンプとを稼動させて、前記湯量が設定量以上になるように調整する湯量調整手段と、前記給湯口の開放を検知して前記ヒートポンプを起動させ、前記ヒートポンプの加熱能力が安定後に前記ヒートポンプに給水を開始する制御手段とを備えてなるヒートポンプ給湯装置。
4. 前記湯量調整手段は、外気温度と給水温度との少なくとも一方の温度を検知し、その検出温度に基づいて前記設定量を可変に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記貯湯槽は、該貯湯槽の高さ方向に複数の温度センサを取り付けて、前記温度センサが直接または間接的に検知した検出温度に基づいて前記設定温度以上の湯量を検知してなる請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記ヒートポンプは、複数並列に設けられてなる請求項１乃至５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
   

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