JP2006010284A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 給湯立ち上がり時間の短い、貯湯タンクなしの瞬間式ヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】 ヒートポンプ回路３０と、このヒートポンプ回路３０の冷媒によって水を加熱する水冷媒熱交換器２と、給水源と水冷媒熱交換器２の給水口とを連通する給水管２ｃと、水冷媒熱交換器２の出湯口と給湯口とを連通する給湯管２ｄと、給湯管２ｄから循環ポンプ１５により水開閉弁１４を通じて抜き出した水を給水管２ｃを通じて水冷媒熱交換器２に導いて加熱された湯を循環させてなる予熱用水循環回路と、この予熱用水循環回路を通流する水の流量を調整する流量調整弁１０と、ヒートポンプ回路３０、循環ポンプ１５、流量調整弁１０および水開閉弁１４を制御する制御手段とを備えた構成としているので、貯湯タンクを備えなくても、給湯立ち上がり時間を短くできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に係り、特に、貯湯タンクを有しない瞬間式ヒートポンプ給湯機に関する。

従来のヒートポンプ給湯機は、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タンクに蓄えておき、日中に使用する湯を賄うようにしている。ここで、湯の使用量は、外気温度等で変化するため、大容量の貯湯タンク（例えば、３００〜４５０Ｌ）を備えるとともに、ＣＯ２冷媒を用いて、出来るだけ高温（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。

しかし、貯湯タンクが大容量化すると、給湯機本体の内部を貯湯タンクが占めてしまい、ヒートポンプ回路は、例えば、別体の容器に収納されることになる。このため、給湯機は設置床面積が拡がるとともに、重量が増加して設置場所が制限される。また、貯湯タンクに溜める湯量が容量に依存するため、使用湯量が多い日は湯量不足になる一方、使用湯量が少ない日は残り湯が湯冷めしてエネルギ損失が生じる。

そこで、昼間でも貯湯タンクの追焚きを行って湯量不足に対応するとともに、１日の使用湯量に基づいて、翌日の沸き上げ湯量や沸き上げ開始時の残湯量を変化させ、湯冷めによる熱損失を低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、１日に使用する湯量は一定ではなく、前日に大量に使用しても、翌日には殆ど使用しない場合もあり、湯量制御は益々複雑化している。また、大容量の貯湯タンクでは大きな表面からの放熱による熱損失も無視できない。

このような貯湯式ヒートポンプ給湯機に対し、貯湯タンクを使用せずに、熱交換器により加熱した給水を直接給湯する瞬間式ヒートポンプ給湯機が提案されている（特許文献２参照。）。これによれば、必要以上の加熱や熱量不足を生じることがないため、給湯制御の応答性と安全性が両立し、かつ給湯効率を高めることができる。

特開２００３−１５６２５４号公報 特開２００３−２４０３４４号公報

しかしながら、上記の瞬間式ヒートポンプ給湯機の場合、給湯運転開始時において、水から湯に切り替わるまでの給湯立ち上がり時間が長く掛かるという問題がある。例えば、ガス燃焼式給湯機の燃焼温度は、数百℃もの高温に達するのに対し、ヒートポンプ回路の冷媒ガス温度は最高温度が１２０〜１３０℃である。また、これらの温度に到達する時間は、ガス燃焼式が数秒であるのに対し、ヒートポンプ回路は例えば１分以上掛かり、蛇口を開いてから冷水が温水に切り替わるまでの時間が掛かり過ぎる。ちなみに、ある調査結果によれば、蛇口を開いてから、冷水が温水に切り替わるまでの時間は、１０秒以内であれば問題なく、２０秒になると２０〜３０％の人が遅いと感じ、３０秒を超えると殆どの人が不満を感じるという報告がされている。

これに対し、ヒートポンプ給湯機は、どんなに加熱能力を上げても３０秒以下で温水を供給することは困難であり、貯湯タンクなしの瞬間式ヒートポンプ給湯機を実現することは極めて困難とされている。

本発明は、給湯立ち上がり時間の短い、貯湯タンクなしの瞬間式ヒートポンプ給湯機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ヒートポンプ回路と、このヒートポンプ回路の冷媒によって水を加熱する水冷媒熱交換器と、給水源と水冷媒熱交換器の給水口とを連通する給水管と、水冷媒熱交換器の出湯口と給湯口とを連通する給湯管と、この給湯管から循環ポンプにより水開閉弁を通じて抜き出した水を給水管を通じて水冷媒熱交換器に導いて加熱された湯を循環させる予熱用水循環回路と、この予熱用水循環回路を通流する水の流量を調整する流量調整弁と、ヒートポンプ回路、循環ポンプ、流量調整弁および水開閉弁を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

上記構成において、予め、ヒートポンプ回路および循環ポンプを運転させ、水開閉弁を開放することにより、水冷媒熱交換器および予熱用水循環回路内の水を加熱しておくことができる。このように、予熱運転を行うことにより、給湯運転当初は、予熱用水循環回路内の湯が給湯され、続いて水冷媒熱交換器を介して冷媒により加熱された湯が給湯されるから、貯湯タンクがなくても、給湯立ち上がり時間を短縮できる。なお、ヒートポンプ回路による瞬間給湯は、水冷媒熱交換器が一旦加熱されると必要量を連続供給できるから、湯切れを起すことがない。

ここで、予熱用水循環回路は、給湯管の給湯口近傍から分岐させた管路を給水管に接続して構成することが好ましい。これによれば、給湯機内の水配管における大半の水を予熱できるから、給湯立ち上がり時間を一層短縮できる。

具体的に、制御手段は、予め設定された予約時間に先駆けて、ヒートポンプ回路および循環ポンプの運転を開始させ、予熱用水循環回路内の水を循環させて予熱運転する予約タイマ制御手段を備えていることが好ましい。これによれば、予約時間つまり給湯使用時に合わせて予熱運転を開始しておくことができるため、給湯機内の水に加えて、ヒートポンプ回路も予熱され、給湯使用時の立ち上がり時間を大幅に短縮できる。なお、予約時間は、予約開始時刻から予約終了時刻までの時間帯で設定するようにしてもよい。

また、予約タイマ制御手段は、予約時間に先駆けて、水開閉弁を開放し、水冷媒熱交換器から出湯する湯を予熱用水循環回路に循環させるとともに、流量調整弁の絞りを調整するようにする。すなわち、給湯運転中は、流量調整弁の絞り量を適宜調整して給湯使用温度を適温に保つとともに、予熱用水循環回路内の水開閉弁を閉じて水冷媒熱交換器で加熱された湯を全量給湯口から給湯する一方、予熱運転中は、流量調整弁の絞りを開放するとともに、水開閉弁を開くことにより、予熱用循環回路内の水をスムーズに循環させて予熱しておくことができる。

また、予約タイマ制御手段は、予熱用水循環回路内の循環水が設定温度になるまでヒートポンプ回路の運転を継続させ、循環水の水温が設定温度に達したら、設定温度範囲内に保つように、ヒートポンプ回路の加熱能力を抑えた運転状態に切り替える。例えば、ヒートポンプ運転を断続または小能力で連続運転させることが好ましい。すなわち、設定温度を給湯使用温度に応じて設定することにより、必要温度に合わせた予熱運転が可能となり、必要以上の高温予熱による熱損失を防ぐことができる。なお、予約時間を予約開始時刻と予約終了時刻とで決まる時間帯で設定した場合、循環水が設定温度に達した後は、予約終了時刻までの間、保温するようにヒートポンプ回路を含めた装置の運転を行う。

また、予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度、季節、期間または曜日の少なくとも一つに基づいて予約時間を自動的に設定することが好ましい。これによれば、暦で決まる季節だけでなく、一定の気象条件が連続して満たされることで判断されるような季節などの環境変化や曜日による生活パターンに対応させて、予熱運転時間を設定できるため、これらの状況変化に応じた予熱運転時間を設定できる。

また、予約タイマ制御手段は、給湯使用時間を記憶、判断して、初期設定された予約時間を修正する学習機能を有することが好ましい。これによれば、それぞれの家庭における生活パターンおよびその変化に合わせて、より適合した予熱運転を行うことができる。

また、予約タイマ制御手段は、予約時間を変更または追加する機能を備えていることが好ましい。これによれば、例えば、旅行や出張等の特別変更要因に応じて、予約時間を設定でき、これに合わせて予熱時間を設定できる。

また、予約タイマ制御手段は、電話回線やインターネットなどの通信網を通じて前記予約時間を設定する機能を備えていることが好ましい。これによれば、例えば、出張帰りの途中や外出先からでも、予約時間を設定でき、これに合わせて予熱時間を設定できる。

また、予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度または予熱用水循環回路内の水温の少なくとも一つが所定値以上の場合、ヒートポンプ回路および循環ポンプの運転を行わない予熱停止手段を有することが好ましい。これによれば、例えば、給水温度が高く、給湯立ち上がり時間の短い夏場などは、予熱運転を停止して省電力を図ることができる。

また、ヒートポンプ回路は、独立して運転可能なヒートポンプ回路を複数並列に設けることが好ましい。すなわち、ヒートポンプ給湯機で瞬間式を達成するためには、圧縮機や熱交換器などの大容量化が必要となり、多くの技術的課題を解決しなければならないが、従来のヒートポンプ回路を並列に複数使用すれば、従来技術の範囲で給水加熱能力を複数倍にすることができる。

本発明によれば、給湯立ち上がり時間の短い、貯湯タンクなしの瞬間式ヒートポンプ給湯機を実現できる。

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は本発明に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ回路３０、給湯回路４０、制御手段５０を備えて構成される。

ヒートポンプ回路３０は、それぞれが独立して運転できるヒートポンプ回路３０ａ及び３０ｂを並列に設けた２サイクル方式が採用され、圧縮機１ａ、冷媒伝熱管２ａ、減圧装置３ａ、蒸発器４ａを順次直列接続した第一の閉回路と、圧縮機１ｂ、冷媒伝熱管２ｂ、減圧装置３ｂ、蒸発器４ｂ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１ａ，１ｂは、容量制御が可能で、運転開始直後や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１ａ，１ｂ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となり、制御手段５０からの運転制御に応じた運転を行う。

水−冷媒熱交換器２は、冷媒伝熱管２ａ，２ｂ、給水伝熱管２ｅ，２ｆを備えており、冷媒伝熱管２ａ，２ｂと給水伝熱管２ｅ，２ｆとの間で熱交換を行う。また、蒸発器４ａ，４ｂは、空気と冷媒との熱交換を行う空気−冷媒熱交換器である。

除霜用電磁弁５ａ、５ｂ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、圧縮機１ａ，１ｂの出口側と蒸発器４ａ，４ｂの入口側をバイパスする。蒸発器４ａ，４ｂが着霜する際に、その開閉弁を開いた除霜用電磁弁５ａ、５ｂは、圧縮機１ａ，１ｂから吐出される高温高圧の冷媒ガスを蒸発器４ａ，４ｂに導いて霜を解かすようになっている。

給湯回路４０は、台所給湯、風呂湯張り、風呂追焚き及び予熱運転を行うための予熱用水循環回路を備えて構成される。

台所給湯回路は、給水金具６、減圧弁７、バイパス弁８、給水逆止弁９、給水配管２ｃ、給水伝熱管２ｅ、２ｆ、給湯配管２ｄ、流量調整弁１０、分岐金具１３、出湯口１１、台所蛇口１２を、水配管を介して順次接続して構成される。

風呂湯張り回路は、給水金具６、減圧弁７、バイパス弁８、給水逆止弁９、給水配管２ｃ、給水伝熱管２ｅ、２ｆ、給湯配管２ｄ、流量調整弁１０、風呂注湯弁１６、風呂センサ金具１７、風呂出湯金具１８、及び浴槽２０へ注湯するための風呂蛇口１９を、水配管を介して順次接続して構成される。

風呂追い焚き回路は、浴槽水循環回路として、浴槽２０に連通している風呂循環アダプター２１、風呂戻り金具２２、風呂循環ポンプ２３、風呂水伝熱管２４ｂ、風呂センサ金具１７、風呂出湯金具１８、風呂循環アダプター２１を、水配管を介して順次接続するとともに、加熱用温水循環回路として、上記風呂水伝熱管２４ｂを加熱するための温水伝熱管２４ａ、温水循環ポンプ２５、給水配管２ｃ、給水伝熱管２ｅ、２ｆ、給湯配管２ｄ、温水開閉弁２６を、水配管を介して順次接続して構成される。

予熱用水循環回路は、出湯口１１の近傍に設置された分岐金具１３から分岐して、予熱用水開閉弁１４、予熱用循環ポンプ１５、給水配管２ｃ、給水伝熱管２ｅ、２ｆ、給湯配管２ｄ、流量調整弁１０、分岐金具１３を、水配管を介して順次接続して構成される。

次に、制御手段５０は、台所リモコン５１及び風呂リモコン５２の操作設定により、ヒートポンプ回路３０の運転・停止、圧縮機１ａ、１ｂの回転数制御、減圧装置３ａ、３ｂの開度制御、予熱用循環ポンプ１５、風呂循環ポンプ２３、温水循環ポンプ２５の運転・停止、バイパス弁８、流量調整弁１０、予熱用水開閉弁１４、風呂注湯弁１６及び温水開閉弁２６を制御することにより、台所給湯運転、風呂湯張り運転、風呂追い焚き運転及び予熱運転を行なうようになっている。

制御手段５０は、給湯使用パターンを予測して、所定の時間になると、台所蛇口１２を開ける等の給湯操作をしなくても、自動的に予熱運転、つまりヒートポンプ運転を行なう予約タイマ制御手段を備えている。例えば、朝の６時〜８時、昼の１２時〜１時、夜の６時〜７時及び９時〜１０時に使用する場合が多いと予測した場合、これらの時間帯を予熱時間として設定することにより、予熱時間になると自動的にヒートポンプ運転を行ない、予熱用水循環回路の水を加熱して所定温度範囲内に保温しておき、いつ使用されても直ちに温水が供給できるようになっている。

また、予約タイマ制御手段は、設定された時間帯以外に使用する時のため、予約時間を自由に変更、追加できる予約時間設定変更手段を併せ持っている。例えば、出張や運動会の前日に予約タイマを朝５時〜７時に設定しておけば、予め予熱運転が行われ、翌朝５時にヒートポンプ運転を開始しても、予約設定時間の間はいつでも直ちに温水が出湯できる。また、予約設定時間外の夜９時に帰宅した場合にあっても、予約タイマで９時〜１１時に設定すれば、即予熱運転が開始され、着替えている間に予熱用水循環回路の水が加熱され、温水出湯が可能な状態になる。

これは、ある面では、予約の変更または追加である。具体的には、次のように処理してもよい。すなわち、新たに設定する予約時間の開始時刻と予約時間を設定する設定時刻との時間差が、予熱に必要な時間より短いときは、予約時間の設定と同時に予熱を開始するようにする。このとき、例えば、減算または加算式の計時処理を行うようにしてもよい。また、前回運転の際に設定した予約時間を記憶する機能を備えていることが好ましい。

また、予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度、季節及び曜日の少なくとも一つ又はこれらの組合せと関連させて給湯パターンを予測し、予熱運転を行なう所定時間を設定することにより、季節や周囲温度条件の変化に対応し、かつ、平日と休日による生活パターンの相違にも適合して、より一層、実生活に即した予熱運転を行なうことができる。

また、予約タイマ制御手段は、学習機能により実際の給湯使用状況を記憶して、１日毎又は１週間毎に、設定されている予約時間と実際の給湯使用時間とを比較し、実際の使用時間に近づけて予熱運転を行なうように、所定時間を修正する機能を有するため、個々の家庭の実使用状況に適合させることができる。

さらに、予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度または予熱用水循環回路内の水温の少なくとも一つが所定値以上の場合、ヒートポンプ回路および循環ポンプの運転を行わない予熱停止手段を備えているから、例えば、給水温度が高く、給湯立ち上がり時間の短い夏場などは、予熱運転を停止して省電力を図ることができる。

また、本実施形態において、制御手段５０は、給湯開始直後の運転立ち上り時には、圧縮機１ａ、１ｂの能力を高能力とし、減圧装置３ａ、３ｂの絞り量を大きくして冷媒を高温高圧にするとともに、流量調整弁１０の絞り量を大きくして給湯流量を少なくし、加熱水の高温化を図るようにしている。

なお、本実施形態のヒートポンプ給湯機には、各部の温度状態を検出する温度センサ、圧縮機１ａ、１ｂの吐出圧力を検知する圧力センサ、浴槽２０内の水位を検出する水位センサ等が設けられている。各センサが検出した検出信号は、制御手段５０に入力され、制御手段５０はこれらの信号に基づいて各機器を制御するようになっている。

減圧弁７は、給水源となる一般水道水が高圧時（最大７５０ｋＰａ）であっても、一定の圧力（一般的には１７０ｋＰａ）まで減圧し、給湯機の水配管や水制御弁にかかる耐圧負荷を緩和するようになっている。バイパス弁８は、給水配管２ｃを介して水−冷媒熱交換器２に給水するとともに、ヒートポンプ運転によって加熱された湯（ヒートポンプ運転安定後は６０℃〜９０℃になる）に所定量の水を供給し、給湯時の水温を所定温度（一般的には約３８〜４５℃）に調節するようになっている。給水逆止弁９は、水−冷媒熱交換器２側の一方向にのみ水を流し、給水側への逆流を防止するようになっている。

温水開閉弁２６は、水−冷媒熱交換器２と風呂用熱交換器２４との間に設けられ、据付け給水時や風呂追い焚き時に開放し、それ以外は水回路を閉じて水−冷媒熱交換器２から風呂用熱交換器２４への熱の漏洩を防ぐようになっている。また、逃がし弁２７は、万一、減圧弁７が故障したり、水−冷媒熱交換器２内の冷媒加熱により水圧が異常に上昇した場合、開放作動して水を放出し、水圧の異常上昇を防ぐようになっている。

次に、水−冷媒熱交換器２の構成について図を用いて説明する。図２は、本実施形態における水−冷媒熱交換器２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２は、風呂用熱交換器２４と分離した給湯専用の熱交換器であり、２本の冷媒伝熱管２ａ、２ｂと、２本の給水伝熱管２ｅ、２ｆとを備え、冷媒伝熱管２ａ、２ｂと給水伝熱管２ｅ、２ｆ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。給水伝熱管２ｅ、２ｆは、給水配管２ｃと給湯配管２ｄとの間を２本の並列な給水伝熱管２ｅ、２ｆで分岐させたものであり、従来の１本の場合に比べて、例えば、給水伝熱管２ｅ、２ｆの通水面積及び冷媒伝熱管２ａ、２ｂとの接触面積が２倍となるため、個々の長さを１／２、通水時の内部抵抗を１／４とすることができ、水道の給水圧が低い都市部において給湯機内の流量圧損による給湯量不足のおそれを解消することできる。

また、２本の給水伝熱管２ｅ、２ｆは、２サイクルヒートポンプの冷媒回路３０ａ、３０ｂにおける冷媒伝熱管２ａ、２ｂと、２ａ−２ｅ−２ｂ−２ｆの順で交互に巻付けられており、冷媒伝熱管２ａ、２ｂから給水伝熱管２ｅ、２ｆへの熱伝達が、均一かつ効率的に行われるようになっている。なお、万一、片方のヒートポンプ回路がガス漏れ等の故障を生じた場合にあっても、もう一方の冷媒回路で給湯運転を続けることができるため、風呂給湯中等の急場をしのぐことができる。

次に、風呂用熱交換器２４の構成について図を用いて説明する。図３は、本実施形態における風呂用熱交換器２４の一例を示す図であり、（ａ）は、水の通流方向に沿った一部断面図を示し、（ｂ）は、水の通流方向に直交する断面図を示す。

図に示すように、風呂用熱交換器２４は、銅直管として一般に使用される温水伝熱管２４ａの内部に、中空断面が異形の風呂水伝熱管２４ｂを挿入した２重管構造を成し、温水伝熱管２４ａの両端側を絞って、風呂水伝熱管２４ｂの両端に形成される径小管２４ｅの外周側から接合し密閉されている。水−冷媒熱交換器２で加熱された湯は、温水伝熱管２４ａの一端の側壁を穿設させて形成される温水配管２４ｄを通じて内部に導かれ、温水伝熱管２４ａと風呂水伝熱管２４ｂとの隙間の空間２４ｃを通流し、他端の側壁に形成される温水配管２４ｄを通じて外部に流出される一方、風呂水は、一端の径小管２４ｅを通じて風呂水伝熱管２４ｂ内に導かれ、他端の径小管２４ｅを通じ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２４ｂは、水−冷媒熱交換器２で加熱された湯と風呂水との接触面積を大きく取るため、断面を凹凸状、星型状、または多葉管等に形成されている。これにより、風呂水伝熱管２４ｂは、全外周で伝熱され、コンパクトで伝熱性の優れた風呂用熱交換器２４を得ることができる。

すなわち、従来の風呂用熱交換器は、ヒートポンプの冷媒伝熱管２ａ，２ｂと風呂水伝熱管２４ｂ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て飲料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それぞれ独立した配管構造とする必要があった。これに対し、本実施形態によれば、風呂用熱交換器２４を水−冷媒熱交換器２から分離して、加熱循環水と熱交換する構造になっているため、２重管構造を採用することができ、瞬間式ヒートポンプ給湯機として一層の小型軽量化、性能向上、省エネ、温暖化防止等を実現することができる。

次に、本実施形態のヒートポンプ給湯機の動作について説明する。初めに、本装置の据付、水配管接続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、ヒートポンプ給湯機を製造場所から運搬して使用者の希望する設置場所に据付け、給水金具６を水道等の給水源に、出湯金具１１を台所蛇口１２等の使用端末に、風呂出湯金具１８及び風呂戻り金具２２を風呂循環アダプター２１に連なって接続する（Ｓ１０）。そして、蛇口１２、１９又は逃がし弁２７を開放（Ｓ１１）し、水道等の給水源の元栓を開放（Ｓ１２）すると、水道圧により給湯機への給水が開始され、水は、減圧弁７によって一定圧力に減圧された後、水−冷媒熱交換器２及び各水配管内に流入する（Ｓ１３）。

給湯機の水サイクルは、蛇口１２、１９又は逃がし弁２７以外は、閉サイクルとなっているため、内部の空気は、蛇口１２、１９又は逃がし弁２７から大気中へ押し出される。給湯機の水サイクル内がすべて水で満たされ、蛇口１２、１９又は逃がし弁２７から水が流出し始めると、満水になったことが判り（Ｓ１４）、蛇口１２、１９及び逃がし弁２７を閉止して給水完了となる（Ｓ１５）。

なお、ヒートポンプ給湯機の据付時の各機器は、次のような初期状態に設定されている。すなわち、バイパス弁８は、給水配管２ｃ側、出湯金具１１側ともに、開状態となり、流量調整弁１０、予熱用水開閉弁１４、温水開閉弁２６はいずれも開状態となり、給湯機内の全ての水回路が満水となるように設定されている。

ここで、風呂自動制御を行なうに当たり、制御手段５０に浴槽２０の容量を記憶させておく必要があり、以下の浴槽水張り操作を行うようにする。すなわち、電源スイッチをＯＮにして通電し（Ｓ１６）、図示しない浴槽湯張り初期設定ボタンをＯＮにして給水し、浴槽２０の水張りを行なう（Ｓ１７）。流量センサ４１、水位センサ４２により、浴槽２０が満水になった時の流量および水位を測定（Ｓ１８）し、浴槽２０の容量が算出される（Ｓ１９）。なお、流量と水位変化から、浴槽２０の面積が算出され、足し湯を行なう場合の水位算出に使用される。このような湯張り初期設定は、浴槽２０が満水になると給水を終了（Ｓ２０）し、以後、浴槽２０を変更しない限り、据付け当初の１回のみで済む。

次に、予約タイマ制御手段により予約タイマを設定した場合の給湯運転について、図５のフローチャートを用いて説明する。

電源スイッチをＯＮにした状態（Ｓ２０）で、予め予約タイマにより給湯使用予定時刻を設定しておくと（Ｓ２１）、例えば、設定時刻の５分前に予熱運転が開始される（Ｓ２２）。すなわち、図１において、圧縮機１ａ、１ｂの運転が開始され、圧縮機１ａ、１ｂ内のガス状冷媒が圧縮加熱され、高温高圧の冷媒となって水−冷媒熱交換器２内に導入される。これによって、水−冷媒熱交換器２では、冷媒伝熱管２ａ、２ｂ内を流れる高温冷媒と給水伝熱管２ｅ、２ｆ内を流れる水とが熱交換し、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３ａ、３ｂで減圧され、更に蒸発器４ａ、４ｂで膨脹蒸発してガス状態となり再び圧縮機１ａ、１ｂに戻る。

このようにヒートポンプ運転を続けることにより、水−冷媒熱交換器２内を通過する水が加熱される。予熱運転においては、ヒートポンプ運転を行なうとともに、予熱用水循環回路内の予熱用水開閉弁１４を開放し、および流量調整弁１０を開放しつつ調整しながら、予熱用循環ポンプ１５を運転して予熱用水循環回路内の水を加熱する。例えば、給水温度が約１７℃の場合、通常、予熱運転開始後１〜２分で一般的な使用温度（４０〜４２℃）に達するが、本実施形態においては、冬期等を考慮して予熱時間を５分間としたものである。

予熱用水循環回路内の水温が所定温度に達した後は、ヒートポンプ運転を停止し、実使用の待ち状態となるが、実使用が遅れて、その間に予熱用水循環回路内の水温が所定温度範囲外に下がれば、再びヒートポンプ運転を行なって、水温を所定温度範囲内に保つよう制御される。また、予熱用水循環回路内の水温が所定温度範囲外に下がったとき、ヒートポンプ回路を極力小さな能力で運転すべく、圧縮機１ａ，１ｂの回転数や流量調整弁１０の開度を調整してゆっくりと継続して運転する時間を多く取れるように制御してもよい。

次に、予熱運転開始後、給湯使用のため台所蛇口１２を開くと（Ｓ２３）、制御手段５０は、ヒートポンプ運転を開始するとともに、予熱用循環ポンプ１５の運転を停止させ、給水金具６に加わっている水道圧により、減圧弁７、バイパス弁８、給水逆止弁９及び給水配管２ｃを通じて、水−冷媒熱交換器２の給水伝熱管２ｅ、２ｆ内の温水が押し出される。そして、バイパス弁８から給水される適量の水と混合され使用温度（一般的には４０〜４２℃）に調整された温水は、台所蛇口１２から給湯される（Ｓ２４）。

給湯中は、サーミスタ６１により常に給湯温度が検知され、制御手段５０により給湯温度が判定（Ｓ２５）される。この判定結果に基づいて、流量調整弁１０の流量絞り量およびバイパス弁８の給水量調整により給湯温度調整が行なわれ、所定温度の温水が継続給湯される（Ｓ２６）。給湯使用が終了して蛇口を閉止すると（Ｓ２７）、制御手段５０によりヒートポンプ運転も停止する（Ｓ２８）。また、蛇口を閉止（Ｓ２７）した後、蛇口１２を開いて再度給湯使用する場合、予熱運転の設定時間内であれば、何回でも同様の給湯運転を行なうことができる（Ｓ２３）。そして、予熱運転終了時刻になると、ヒートポンプ運転中であれば運転が停止され（Ｓ２８）、停止中であればそのまま予熱運転を終了する（Ｓ２９）。

次に、風呂自動運転における風呂湯張り動作について図６のフローチャートを用いて説明する。なお、図において、既に説明した操作と重複する部分については説明を省略する。

風呂自動ボタンをＯＮにした状態において（Ｓ３０）、［設定時刻−湯張り時間−５分］の時刻になると、予熱運転を行ない（Ｓ３１）、循環水の温度が風呂適温（通常４０〜４２℃）に達すると、風呂湯張り運転に入り（Ｓ３２）、風呂給湯が開始される（Ｓ３３）。風呂湯張り運転は、サーミスタ６１で給湯温度を検知して給湯温度が判定され（Ｓ３４）、風呂給湯の温度調整を行なって、適温状態で風呂給湯を継続する。（Ｓ３５）。さらに、水位センサ４２によって浴槽２０内の水位を検知して風呂湯張り量を判定し（Ｓ３６）、設定湯量に達すると、風呂給湯を停止するとともに、風呂湯張り運転を終了する（Ｓ３７）。すなわち、風呂自動制御は、予熱運転（５分）及び湯張り時間（約２０分）を考慮してヒートポンプ運転を開始することにより、風呂設定時刻には確実に沸き上がった状態になるように設定されている。

次に、風呂自動運転による風呂追い焚き及び風呂足し湯の動作について図７のフローチャートを用いて説明する。なお、図において、既に説明した操作と重複する部分については説明を省略する。

風呂自動ボタンをＯＮにした状態において（Ｓ４０）、予熱運転を行ない（Ｓ４１）、次いで、風呂湯張り運転を開始し（Ｓ４２）、浴槽に適温の湯を適量給湯してから風呂湯張り運転を終了する（Ｓ４３）。その後、直ちに風呂保温運転を開始（Ｓ４４）するとともに、浴槽内の湯温、水位および給湯流量を、それぞれサーミスタ６１、水位センサ４２および流量センサ４１により常時又は所定時間（例えば２０分）毎に検知する。そして、浴槽内湯温を判定し（Ｓ４５）、湯温が所定値以下になると、風呂追い焚きを行ない（Ｓ４６）、また浴槽内水位を判定し（Ｓ４７）、水位が所定値以下になると、風呂足し湯を行ない（Ｓ４８）、常に適温適量を保つように制御する。また、風呂自動の設定時間が経過すると、各運転を停止して（Ｓ４９）、風呂自動運転が終了する（Ｓ５０）。

以上、述べたように、本実施形態のヒートポンプ給湯機によれば、ヒートポンプ回路３０、直接給湯回路、予熱用水循環回路、及び制御手段５０を備え、制御手段５０は、圧縮機、減圧装置、流量調整弁および水開閉弁を制御するとともに、給湯使用パターンを予測して予約時間を設定し、ヒートポンプ運転による予熱運転を行なう予約タイマ制御手段を備えることにより、給湯運転開始時において、給湯口からは、予熱用水循環回路内の湯が直ちに給湯され、続いてヒートポンプ回路の立ち上がりに伴い、水−冷媒熱交換器２で加熱された湯を直接給湯口から給湯できる。これにより、給湯運転が開始されると、直ちに予熱用水循環回路内の湯が出湯されるため、加熱立ち上がり時間が大幅に短縮されるとともに、必要な時に必要な時間だけ給湯することができる。

そして、本実施形態によれば、従来必要とされていた大型貯湯タンクを除去できるから、製品の大きさや質量による製造、保管、運搬、設置条件等の取扱い上の問題、貯湯タンクの湯冷め、湯切れ等の性能上の問題が排除され、小形軽量で取扱性が高いヒートポンプ給湯機を実現できる。

さらに、本実施形態では、ヒートポンプ回路３０を冷媒回路３０ａ、３０ｂの２サイクル方式としているため、圧縮機１ａ、１ｂや減圧装置３ａ、３ｂの大容量品の開発を必要とせず、従来技術の延長上で大容量化を図ることができる。ここで、例えば、２サイクル方式で、かつ各種の運転立ち上がり時間の短縮制御手段を使っても、中間期の給水温度１７℃から給湯温度４０〜４２℃に加熱給水するには、１分以上の運転立ち上がり時間がかかり、一般に許容可能と言われる３０秒以内にはならないが、上述した部品および制御の構成を適用し、予熱運転を行なうことにより、運転立ち上がり時間を３０秒以内に短縮することができる。すなわち、予熱運転を行なうことにより、ヒートポンプ回路および予熱用水循環回路が加熱運転時と同様に加熱されているため、給湯開始と同時にヒートポンプ給湯機から湯が供給され、燃焼式と同等の瞬間式給湯性能を得ることができる。

本実施形態に係るヒートポンプ給湯機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の風呂用熱交換器の一例を示す図であり、（ａ）は、水の通流方向に沿った一部断面図を示し、（ｂ）は、水の通流方向に直交する断面図を示す。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の据付、水配管接続時における運転動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯機における予約タイマ制御手段により予約タイマを設定した時の給湯使用運転を示すフローチャートである。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯機における風呂自動運転時の風呂湯張り動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係るヒートポンプ給湯機における風呂自動運転時の風呂追い焚き及び風呂足し湯の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ，１ｂ 圧縮機
２ 水−冷媒熱交換器
２ａ，２ｂ 冷媒伝熱管
２ｃ 給水配管
２ｄ 給湯配管
２ｅ，２ｆ 給水伝熱管
３ａ，３ｂ 減圧装置
４ａ，４ｂ 蒸発器
７ 減圧弁
８ バイパス弁
９ 給水逆止弁
１０ 流量調整弁
１４ 予熱用水開閉弁
１５ 予熱用循環ポンプ
２０ 浴槽
２４ 風呂用熱交換器
２６ 温水開閉弁
２７ 逃がし弁
３０ ヒートポンプ回路
４０ 給湯回路
５０ 制御手段

Claims (13)

1. ヒートポンプ回路と、該ヒートポンプ回路の冷媒によって水を加熱する水冷媒熱交換器と、給水源と前記水冷媒熱交換器の給水口とを連通する給水管と、前記水冷媒熱交換器の出湯口と給湯口とを連通する給湯管と、該給湯管から循環ポンプにより水開閉弁を通じて抜き出した水を前記給水管を通じて前記水冷媒熱交換器に導いて加熱された湯を循環させてなる予熱用水循環回路と、該予熱用水循環回路を通流する水の流量を調整する流量調整弁と、前記ヒートポンプ回路、前記循環ポンプ、前記流量調整弁および前記水開閉弁を制御する制御手段とを備えてなるヒートポンプ給湯機。
2. 前記制御手段は、予め設定された予約時間に先駆けて、前記ヒートポンプ回路および前記循環ポンプの運転を開始させ、前記予熱用水循環回路内の水を循環させて予熱運転する予約タイマ制御手段を備えている請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記予約時間は、予約開始時刻から予約終了時刻までの時間帯で設定される請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記予約タイマ制御手段は、前記予約時間に先駆けて、前記水開閉弁を開放し、前記水冷媒熱交換器から出湯する湯を前記予熱用水循環回路に循環させるとともに、前記流量調整弁の絞りを調整する請求項２または３に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記予約タイマ制御手段は、前記予熱用水循環回路内の循環水が設定温度になるまで前記ヒートポンプ回路の運転を継続させ、前記循環水の水温が前記設定温度に達したら、設定温度範囲内に保つように前記ヒートポンプ回路を断続または小能力で連続運転する請求項２乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度、季節、期間または曜日の少なくとも一つに基づいて前記予約時間を設定する請求項２乃至５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記予約タイマ制御手段は、給湯使用時間を記憶、判断して、初期設定された前記予約時間を修正する学習機能を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記予約タイマ制御手段は、前記予約時間を変更または追加する機能を有することを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
9. 前記予約タイマ制御手段は、通信網を通じて前記予約時間を設定する機能を有することを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
10. 前記予約タイマ制御手段は、外気温度、給水温度または前記予熱用水循環回路内の水温の少なくとも一つが所定値以上の場合、前記ヒートポンプ回路および前記循環ポンプの運転を行わない予熱停止手段を有することを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
11. 前記予約タイマ制御手段は、前記予約時間の設定時に、該設定時刻と前記予約時間の開始時刻との時間差が前記予熱運転にかかる時間以下のとき、前記予約時間の設定と同時に前記予熱を開始する請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
12. 前記予約タイマ制御手段は、前回運転の際に設定した前記予約時間を記憶する機能を有することを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ給湯機。
13. 前記ヒートポンプ回路は、独立して運転可能なヒートポンプ回路を複数並列に設けてなることを特徴とする請求項１乃至１２に記載のヒートポンプ給湯機。
    

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