JP2005147451A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 湯切れを解消し、かつ、風呂追焚き能力を向上させること。
【解決手段】 第１の熱交換器１５を介して給水を加熱するヒートポンプ回路１と、給水源４０と第１の熱交換器１５の給水口を連通する給水管と、第１の熱交換器１５の湯出口と給湯口５３を連通する給湯管と、給水管と給湯管を第２の熱交換器７５を介してバイパスさせて第１の熱交換器１５で加熱された温湯をポンプにより第２の熱交換器７５に導く加熱回路と、浴槽６５から抜き出した浴槽水を第２の熱交換器７５で加熱して浴槽６５内に戻す追焚回路と、給湯管をバイパスして第２の熱交換器７５に導かれる温湯量を調整する第１の流量調整弁８５と、給湯管をバイパスさせずに給湯口５３に導かれる温湯量を調整する第２の流量調整弁４１とを備えることにより、風呂追焚きと直接給湯を同時に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風呂追い焚き機能を備えたヒートポンプ給湯装置に関する。

一般に、給湯装置は、電力が安価な夜間に加熱装置を稼動させ、温湯を貯湯槽に満杯にして蓄えておくことにより、日中に使う分を賄うようにしている。しかし、このような給湯装置によれば、例えば、湯冷めした浴槽水を加熱する場合、貯湯槽への一方的な足し湯機能しか持たないため、適切な対応が取れない。

そこで、浴槽水の追焚き機能を備えた給湯装置として、貯湯槽の下部から抜き出した低温水をヒータなどの加熱器で加熱して貯湯槽の上部に蓄える一方、加熱器で加熱した温湯の流路を風呂用加熱器側に切り換えて、風呂用加熱器に流入する浴槽水を熱交換して加熱する方法が提案されている（特許文献１参照。）。

これによれば、貯湯槽の温湯が有する熱エネルギを風呂追焚きの熱源として利用しないため、出湯と追焚きが同時に行われても出湯温度が変化することがない。

特開平９−８９３６９号公報（第４頁、第１図）

しかしながら、特許文献１の給湯装置は、追焚き時の加熱能力については、なんら考慮がされていない。ここで、加熱器の加熱能力についてみると、通常、電気温水器の場合、例えば２〜５ｋＷ程度の小容量の電気ヒータが用いられ、特に、貯湯式給湯装置では、給水を加熱して直接給湯するだけの加熱能力を備えていない。

そのため、貯湯するだけの加熱能力は十分あるが、例えば、湯冷めした浴槽水を追焚きするには加熱能力が不足し、その分、沸き上げ時間が長くなり実用性が低いという問題がある。また、通常、追焚きは電気料金が高い時間帯に行われるため、電気代が高額となり、夜間に貯湯するコストメリットが減少する。

一方、所定量の温湯を蓄えておく貯湯式の場合、例えば、外気温度が低い冬場に温湯の使用量が増加すると、湯量不足になり、一旦湯切れを起こすと再び所定量の温湯を沸き上げるまで多くの時間が必要となる。そのため、貯湯槽を大容量化することが考えられるが、給湯装置全体が大型化し、設置スペースの増加が必要になると共に、設置床面の強度が必要になる。

本発明は、湯切れを解消し、かつ、風呂追焚き能力を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の給湯装置は、第１の熱交換器を介して給水を加熱するヒートポンプ回路と、給水源と第１の熱交換器の給水口を連通する給水管と、第１の熱交換器の湯出口と給湯口を連通する給湯管と、給水管と給湯管を第２の熱交換器を介してバイパスさせて第１の熱交換器で加熱された温湯をポンプにより第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽から抜き出した浴槽水を第２の熱交換器で加熱して浴槽内に戻す追焚回路と、給湯管をバイパスして第２の熱交換器に導かれる温湯量を調整する第１の流量調整弁と、給湯管をバイパスさせずに給湯口に導かれる温湯量を調整する第２の流量調整弁とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、ヒートポンプ回路で加熱された第１の熱交換器に給水口から給水された水を導いて熱交換し、加熱された温湯を給湯口から出湯させることにより直接給湯ができる一方、第１の熱交換器で加熱された温湯の一部をバイパスさせて第２の熱交換器に導き、湯冷めした浴槽水と熱交換することにより追焚きができる。この場合において、給湯口からの出湯量および追焚き能力は、それぞれ第１の流量調整弁および第２の流量調整弁の開度により調整できる。

また、ヒートポンプの加熱能力は、起動時から安定化するまでに所定の時間を要し、安定した後も加熱負荷などに応じて変化するため、ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて、第１の流量調整弁と第２の流量調整弁の開度を調整するようにする。これにより、ヒートポンプ回路の加熱能力が変化しても、出湯量および追焚き能力が適宜調整され安定化を図ることができる。なお、ヒートポンプ回路の加熱能力は、第１の熱交換器の冷媒温度や圧縮機の回転数などにより検知できる。

また、追焚き中は、第１の熱交換器、第１の流量調整弁、第２の熱交換器を順次接続した加熱回路に高温の温湯が循環しているため、追焚き中に出湯が行われると、その温湯の一部が給湯管を通じて出湯側に流入し、下流側で給水の一部を混合しても、出湯温度が設定温度を超えるおそれがある。

そのため、給湯管をバイパスさせずに給湯口に導かれる温湯の湯温を検知し、その検出温度に基づいて、第２の流量調整弁の開度および流量調整弁の下流に供給する給水量を調整して出湯温度を調整する温度調整手段を備えるようにする。これにより、例えば、所定温度以上の湯温が検知されると、第２の流量調整弁の開度を絞り、給水量を増やすことで、所望の温度を遅滞なく出湯させることができる。

このような給湯装置において、第１の流量調整弁と第２の流量調整弁を一体化させて流量調整可能な三方弁とすることが好ましい。これにより、材料コストや溶接作業コストなどの設備費用が低減され、機能を維持しながら、安価な給湯装置を提供することができる。

また、ヒートポンプ回路の冷媒は、被加熱流体の加熱に好適な二酸化炭素を用いることが好ましい。これによれば、第１の熱交換器において高温冷媒と被加熱流体の給水を対向流により熱交換する際に、冷媒伝熱管の冷媒入口から冷媒出口までの間と、給水伝熱管の給水入口から給水出口までの間で、二酸化炭素ガスと給水との温度差が各部分でほぼ均一になるから、加熱効率を向上させることができる。

この場合において、ヒートポンプ回路は、減圧弁の弁開度と圧縮機の回転数とを制御する制御手段を備えることが好ましい。すなわち、減圧弁の弁開度を調整して蒸発器の過熱度を制御することにより高圧側の冷媒温度を高めることができ、圧縮機の回転数を調整することにより、冷媒循環量を調整してヒートポンプ回路の加熱能力を高めることができる。これにより、二酸化炭素を冷媒とする場合における加熱能力を一層向上させることができる。

本発明によれば、湯切れを解消し、かつ、風呂追焚き能力を向上させることができる。

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、１０００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として機能し、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させて配設され、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、タンク追焚き回路と、風呂湯張り回路と、風呂追焚回路と、風呂追焚き加熱回路とから構成される。貯湯回路およびタンク追焚き回路は、貯湯タンク２１，配管２５，タンク循環ポンプ２３，配管２７，配管２９，給水側伝熱管９ｃおよび９ｄ，配管３１，配管３３，タンク側流量調整弁３５，配管３７を順次接続してなる閉回路にて構成され、配管２５，３７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の下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、加熱された温湯が貯湯タンク２１の上部に蓄えられるようになっている。

直接給湯回路は、給水口４０が減圧弁４３を備えた配管４７を介してバイパス弁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，配管３９，流量調整弁４１，配管４７，配管５２，給湯口５３が順次直列に接続されて構成される。これにより、給水口４０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、加熱された温湯が給湯口５３から出湯されるようになっている。なお、給湯口５３からの出湯量は、流量調整弁４１の開度を調整することにより調整自在になっている。

タンク給湯回路は、給水口４０が減圧弁４３を備えた配管４７を介してバイパス弁４５に接続され、続いて、配管４９，配管５４，貯湯タンク２１，配管３７，タンク側流量調整弁３５，配管３３，配管３９，流量調整弁４１，配管４７，配管５２，給湯口５３が順次直列に接続されて構成される。すなわち、貯湯タンク２１内には、湯水が満杯に充満されているため、所定の水圧を有する給水が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、頂部から温湯が排出され、給湯口５３から出湯されるようになっている。

風呂湯張り回路は、給水口４０が減圧弁４３を備えた配管４７を介してバイパス弁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，配管３９，流量調整弁４１，配管４７，風呂注湯弁５５，配管５７，風呂水量センサ５９，配管６１，風呂給湯金具６３，浴槽６５が順次直列に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６５内に出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７７ａ，配管８１，配管６１，風呂給湯金具６３，浴槽６５が順次直列に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により浴槽６５から抜き出した浴槽水を風呂熱交換器７５に導いて加熱した後、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により加熱された温湯の一部を温水伝熱管７７ｂに導いて熱交換により浴槽水を加熱するようになっている。

風呂追焚き加熱回路は、タンク循環ポンプ２３，配管２７，配管２９，給水側伝熱管９ｃおよび９ｄ，配管３１，バイパス管８３，流量調整弁８５，温水伝熱管７７ｂ，配管８７を順次接続させてなる閉回路により構成される。つまり、水冷媒熱交換器１５で加熱された温湯の一部をバイパス管８３を通じて風呂熱交換器７５に導いて浴槽水を加熱するようになっている。ここで、風呂熱交換器７５に導かれる温湯の湯量は、流量調整弁８５の開度を調整することにより調整自在になっている。

運転制御手段５は、例えば、給水水量を検知する給水水量センサ１１０、給水温度を検知するサーミスタ１１１、水冷媒熱交換器１５の出口近傍の湯温を検知するサーミスタ１１３、出湯温度を検知するサーミスタ１１５、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制御装置１０４に検出信号が入力され、これらの信号および使い手の意思（入力値）に基づいて各機器を制御するようになっている。例えば、台所リモコン１０１または風呂リモコン１０３に運転条件が入力されると、これらの入力値に基づいて、制御装置１０４から各回路の構成機器に動作信号が出力される。具体的には、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、タンク循環ポンプ２３、風呂循環ポンプ７１などの運転制御、およびバイパス弁４５、流量調整弁３５，４１，８５、注湯電磁弁５５などの動作制御、貯湯運転、給湯運転、風呂湯張り運転、風呂追焚運転などの運転切換制御が行われる。

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、水と温湯が密度の差により、それぞれ下層と上層に分離して貯蔵されている。これにより、直接給湯回路から供給される温湯の出湯温度が低い場合、貯湯タンク２１内の高温の温湯を供給し、出湯温度を調整することができる。

また、配管８１と配管７３を連通する配管９１には、風呂逆止弁９３が設けられ、風呂給湯時に風呂循環ポンプ７１に呼び水が供給されるようになっている。貯湯タンク２１の給水側の配管３７から分岐した配管９５には、逃し弁９７が設けられ、貯湯タンク２１内の水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。バイパス弁４５は、給水した水を配管４９と配管５０とに分配する機能を備え、例えば、配管４９を介して水冷媒熱交換器１５に加熱用の水を供給する一方、残りの水を配管５０を介して加熱された水に供給し出湯温度を調整するようになっている。

次に、本実施形態のヒートポンプ給湯装置の基本動作について図１〜図４を用いて説明する。なお、据付直後の運転動作については、説明を省略する。図２は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の給湯時の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１１１で、給湯口５３の蛇口が開放され、温湯が出湯すると、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により加熱された温湯を出湯するようにする。また、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内の温湯を出湯するようにする。

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、時間経過とともに給水配管９ｃ，９ｄにおける水の加熱能力が増加されるが、運転立ち上がり時は、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、運転制御手段５は、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力が安定するまでの所定時間、圧縮機７ａ、７ｂの回転数を通常より高速回転に制御して、直接給湯運転の立上時間を例えば約２〜３分程度に短縮するようにする。

そして、運転開始直後の所定時間は、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から流出する温湯の湯温または流量を、温度検知サーミスタ１１３または流量センサ１１０などにより検知して、その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することにより、運転立ち上がり時の加熱遅れが解消され、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。この時、ヒートポンプ冷媒回路の加熱能力は約２５〜３０ｋＷ程度であり、２サイクル方式により実現される。ヒートポンプによる加熱方式によれば、加熱能力が２５〜３０ｋＷ程度であっても、必要となる消費電力は５〜６ｋＷ程度で済むようになる。

給湯が終了し、給湯口５３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が停止され、タンク給湯運転が停止して直接給湯運転のみの場合、ステップＳ１１７で直接給湯運転が停止される。

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し、サーミスタ１１２などにより貯湯タンク２１の設定温度以上の貯湯量を検知して、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タンク追焚き運転を行う。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、タンク追焚き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、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貯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。なお、本実施形態によれば、貯湯タンク２１を備えることにより、ヒートポンプ立ち上げ時における加熱能力の遅れを補助しているが、これに限定されるものではない。

次に、風呂自動運転における湯張り動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図２と同様の操作について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、タンク給湯運転と風呂給湯運転が同時に行なわれる。風呂給湯運転は、風呂湯張り回路により加熱された温湯が浴槽６５内に直接給湯される。すなわち、ヒートポンプ運転開始直後２〜３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１１５および流量センサ１２５により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、給湯温度と浴槽６５内の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Ｓ１３３で、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１２７および水位センサ１２９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４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１２７および水位センサ１２９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。

風呂追焚運転では、風呂追焚回路を循環する浴槽水が風呂追焚き加熱回路を循環する高温の温湯と熱交換して加熱されるようになっている。風呂追焚運転中は、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３と同様に、ステップＳ１４９、Ｓ１５１で、給湯温度および浴槽６５内の湯温および湯量をそれぞれ判定し、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。

以下、本発明にかかる実施形態を詳細に説明する。風呂追焚き加熱回路では、風呂熱交換器７５の上流側のバイパス管８３に流量調整弁８５を付設し、流量調整弁８５の開度を調整することにより、水冷媒熱交換器１５で加熱され風呂熱交換器７５に流入する温湯の量を調整するようになっている。一方、直接給湯回路では、給湯口５３の上流側の配管３９に流量調整弁４１を付設することにより、水冷媒熱交換器１５で加熱された温湯が直接給湯回路から出湯する量を調整するようになっている。なお、風呂熱交換器７５に流入する温湯の湯量調整は、上記に代えてタンク循環ポンプ２７の回転数などで調整するようにしてもよい。

次に、かかる構成において、風呂追焚き運転中に出湯端末から出湯要求があった場合における各回路の動作について、表１を用いて説明する。なお、風呂追焚きを行うため、浴槽６５内には冷めた浴槽水が残っていることを前提とする。表１は、風呂追焚き時に出湯要求があった場合の状態遷移を示している。

まず、ステップ１のユーザ待機状態においては、ヒートポンプ冷媒回路、給湯回路（直接給湯、風呂追焚き加熱、貯湯タンク追焚き）、風呂追焚き回路がいずれも停止している。次に、ステップ２において、使い手が入浴を希望し、リモコンの「風呂自動」スイッチを押した場合、風呂追焚き運転が開始され、ヒートポンプ冷媒回路１が運転を開始する。約２分後、ステップ３において、流量調整弁８５を所定の開度に開くとともに、循環ポンプ２３が運転され、水冷媒熱交換器１５で加熱された温湯が風呂熱交換器７５の温水伝熱管７７ｂに流入し、風呂追焚き加熱回路に循環水が循環するようになる。なお、この時点では、流量調整弁４１は全閉状態となっている。

さらに約４分後、ステップ４において、風呂熱交換器７５の温度が高温に達すると、風呂循環ポンプ７１が運転を開始し、風呂追焚き回路において、浴槽６５内の浴槽水が風呂熱交換器７５の風呂水伝熱管７７ａで加熱され、浴槽６５に戻されるようになる。この間、ヒートポンプ冷媒回路１の能力は、圧縮機７ａ、７ｂの回転数を調整することにより、適宜調整される。

その後、ステップ５において、使い手が出湯端末の蛇口をひねることにより、出湯要求が行われ、継続して風呂追焚き運転が行われていると、給湯回路３では直接出湯運転と風呂追焚き運転が同時に行われる。この時、流量調整弁４１が開いて直接給湯運転により給湯口５３から出湯される温湯の温度および出湯量が優先されるようにする。つまり、運転制御手段５は、流量調整弁８５の開度を絞り、風呂追焚き加熱回路を循環する温湯の循環量を減少させることにより、温湯の一部を直接出湯回路に分配するようにする。

次に、ステップ６において、約１分後、運転制御手段５はヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力を更に上げ、これに伴い流量調整弁８５の開度を開いて風呂追焚き加熱回路を循環する温湯の量を増大させて、所定の加熱能力を維持できるようにする。続いて、ステップ７において、給湯口５３からの出湯が停止され、浴槽６５内の水温が所定の温度に加熱されると、ステップ８に進み、一定時間経過の後、風呂追焚き運転が停止される。

上記の構成および制御によれば、風呂追焚き加熱回路において浴槽水を加熱している間に直接給湯回路から出湯を行った場合でも、流量調整弁４１，８５の開度を調整することにより、風呂追焚きを中断せずに必要な加熱能力を発揮することができる。なお、上記回路において、循環ポンプ２３，７１の能力は、直接出湯回路と風呂追焚き加熱回路の温湯流量の違い、および圧力損失の違いを考慮して決められている。

ところで、ヒートポンプ冷媒回路１は、一般に加熱負荷などに応じて加熱能力が時々刻々と変化している。例えば、風呂追焚き運転の単独時におけるヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力は１０ｋＷ程度であるが、給湯が同時に発生した場合、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力は２０〜３０ｋＷ程度必要になる。そして、運転制御手段５は、リモコンの給湯設定温度と給湯温度サーミスタ１１５で検知される実際の出湯温度との差、および給水水量センサ１１０で検知される出湯量とから、必要な加熱能力を計算し、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力を必要加熱能力まで引き上げるように圧縮機７ａ、７ｂの回転数を調整しているが、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力は急には上がらない。

そこで、圧縮機７ａ、７ｂの回転数と、リモコンの給湯設定温度と給湯温度サーミスタ１１５により検出される実際の出湯温度との差と、給水水量センサ１１０により検出される出湯量とにより決められる加熱能力に応じて、流量調整弁４１，８５の開度を調整するようにする。この時、風呂追焚きよりも、要求される給湯に対応していくことが重要であるため、まず、流量調整弁４１の開度をヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力の増加に従って徐々に開いていき、加熱能力に余裕ができた時点で、流量調整弁８５の開度をさらに開くことで、給湯回路の出湯量と風呂追焚き能力の調整、安定化を図ることができる。

次に、風呂追焚き運転中に直接給湯が行われる場合の制御について説明する。図１において、風呂追焚き時に風呂追焚き加熱回路を循環する温湯は、高温（例えば、約６０〜８０℃）に加熱されている。そのため、風呂追焚き運転中に直接給湯が行われると、その温湯の一部が配管３９を通じて直接出湯回路に流入し、このとき下流側のバイパス弁４５から配管５０を介して水を供給しても、リモコンの給湯設定温度（例えば、最高で６０℃、通常は３５〜４２℃程度）より高くなるおそれがある。

そこで、風呂追焚き加熱回路と給湯口５３を連通する配管における流量調整弁４１の上流側に湯温を検知するサーミスタ１００を配置し、運転制御手段５は、サーミスタ１００と、出湯温度を検知するサーミスタ１１５との検出温度差に基づいて、流量調整弁４１の開度を絞り、流入する高温湯の流量を制限するようにする。そして、バイパス弁４５の開度を調整して供給される水量を増やすことにより、所望の温度の温湯を遅滞なく出湯することができる。

なお、貯湯タンク２１の追焚き時に、貯湯タンク２１内に貯留される温湯も高温（例えば、約６０〜９０℃）であるから、貯湯タンク２１の追焚き時に直接出湯回路から出湯を行う場合も、上記と同様の問題が生じるおそれがある。この場合も、流量調整弁４１やバイパス弁４５の開度を上記と同様に制御することにより、所望の温度の湯温を遅滞なく出湯することができる。

次に、流量調整弁４１と流量調整弁８５の他の実施形態について説明する。図５は、図１の流量調整弁４１，８５を一体化させた流量調整三方弁１６１を適用してなるヒートポンプ給湯装置の構成図を示す。なお、図５では、図１の各センサを省略すると共に、図１と共通する部分は同一符号を付して説明を省略する。

流量調整三方弁１６１は、３つの流通口１６３，１６５，１６７を有し、流通口１６３は、配管１６９を介して水冷媒熱交換器１５の温湯出口側と接続され、流通口１６５は、配管８３を介して風呂熱交換器７５の温湯入口側と接続され、流通口１６７は、配管１７３を介して直接給湯回路の給湯口５３と接続されている。ここで、流量調整三方弁１６１は、運転制御手段５の指令に基づいて流通口１６５，１６７の開度を調整することにより、流量調整弁４１と流量調整弁８５の動作を一体的に行うことができる。なお、流量調整三方弁１６１は、周知の三方弁が適用され、ステッピングモータなどを動力源として、ケーシング内を移動する弁体の移動量に応じて各流通口の開度（閉塞を含む）を調整し、流量比を調整できるようになっている。

また、本実施形態のヒートポンプ冷媒回路１に使用する冷媒としては、二酸化炭素を用いることが好ましい。冷媒である二酸化炭素ガスは、圧縮機７ａ、７ｂにより圧縮され、圧力および温度が、二酸化炭素の臨界圧力、臨界温度以上の超臨界状態になる。この高温の冷媒と被加熱流体の水とを対向流で熱交換させる場合、水冷媒熱交換器１５の冷媒側伝熱管９ａ、９ｂの冷媒入口から冷媒出口までの間と、給水側伝熱管９ｃ、９ｄの給水入口から給水出口までの間において、加熱流体の冷媒と被加熱流体の水との温度差が各部分でほぼ均一となり、加熱効率を向上させることができる。

また、ヒートポンプ冷媒回路１において、減圧弁１１ａ、１１ｂを調整することにより、高圧側の圧力が調整され、蒸発器１３ａ、１３ｂの過熱度を調整して蒸発器１３ａ、１３ｂの入口側と出口側のエンタルピ差を調整できる。また、圧縮機７ａ、７ｂの回転数を調整することにより、冷媒循環量を調整できる。そのため、運転制御手段５でこれらを調整制御して、ヒートポンプ冷媒回路１の高圧側の冷媒温度および冷媒循環量を増加させることにより、水冷媒熱交換器１５の加熱能力が増加され、風呂追焚き能力および給湯能力を一層向上させることができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、給湯および追焚き時の加熱手段として、本発明のヒートポンプを用いることにより、給水した水を直接加熱して出湯することができる。つまり、ヒートポンプは加熱能力が大きいため、装置を大型化することなく直接給湯および追焚きの熱量を同時に賄うことができ、湯切れを起こすことがない。さらに、ヒートポンプは加熱能力の大きさに比べて消費電力が小さいから経済的である。

また、ヒートポンプ冷媒回路１で加熱された温湯が、流量調整弁４１，８５又は流量調整三方弁１６１により各回路に適量分配されるため、風呂追焚き中に出湯を行った場合でも風呂追焚きが継続され、その結果、追焚き時間が短縮するとともに使い勝手を向上させることができる。そして、ヒートポンプ冷媒回路１の加熱能力に応じて各回路に分配する温湯量の比率を調整しているから、追焚き及び給湯能力が向上、安定化され、使い勝手を向上させることができる。

また、風呂追焚き中に出湯を行う場合、サーミスタ１００とサーミスタ１１５との検出温度差に基づいて流量調整弁４１の開度および供給水の供給量を調整しているから、設定温度以上の高温湯の出湯が抑制され、出湯時の安全性を維持することができる。

本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の一例を示す構成図である。 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。 本実施形態に係る他のヒートポンプ給湯装置の一例を示す構成図である。

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
２７ タンク循環ポンプ
４０ 給水口
４１，８５ 流量調整弁
５３ 給湯口
６５ 浴槽
７５ 風呂熱交換器
１６１ 流量調整三方弁

Claims (6)

1. 第１の熱交換器を介して給水を加熱するヒートポンプ回路と、給水源と前記第１の熱交換器の給水口を連通する給水管と、前記第１の熱交換器の湯出口と給湯口を連通する給湯管と、前記給水管と前記給湯管を第２の熱交換器を介してバイパスさせて前記第１の熱交換器で加熱された温湯をポンプにより前記第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽から抜き出した浴槽水を前記第２の熱交換器で加熱して前記浴槽内に戻す追焚回路と、前記給湯管をバイパスして前記第２の熱交換器に導かれる温湯量を調整する第１の流量調整弁と、前記給湯管をバイパスさせずに給湯口に導かれる温湯量を調整する第２の流量調整弁とを備えてなるヒートポンプ給湯装置。
2. 前記第１の流量調整弁と前記第２の流量調整弁の開度は、前記ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて調整され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. 前記給湯管をバイパスさせずに前記給湯口に導かれる温湯の検出温度に基づいて、前記第２の流量調整弁の開度および該流量調整弁の下流に供給する給水量を調整して出湯温度を調整する温度調整手段を備える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。
4. 前記第１の流量調整弁と前記第２の流量調整弁を一体化させて流量調整可能な三方弁と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. 前記ヒートポンプ回路に用いる冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記ヒートポンプ回路は、減圧弁の弁開度と圧縮機の回転数とを制御する制御手段を備えてなる請求項５に記載のヒートポンプ給湯装置。

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