JP2006234314A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 風呂追焚運転時において、高温水戻りを回避するとともに加熱効率を向上させること。
【解決手段】 ヒートポンプ回路３０の冷媒によって給水を加熱する第１の熱交換器２と、給水源（５）と第１の熱交換器２の給水口を連通する給水管と、第１の熱交換器２の出湯口と給湯口（１６）を連通する給湯管と、この給湯管と給水管を第２の熱交換器２３を介してバイパスさせて第１の熱交換器２で加熱された湯水を第１のポンプ９によって第２の熱交換器２３に導く加熱回路と、浴槽２２から第２のポンプ２３によって抜き出した浴槽水を第２の熱交換器２３で加熱して浴槽２２内に戻す追焚回路と、浴槽２２から抜き出した浴槽水の水温に基づいて第２の熱交換器２３に流入する加熱回路の湯温を制御する制御手段５０とを備えた構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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回路を稼動させ、加熱された給水を大容量の貯湯タンクに蓄えることで、日中に使用する湯水を賄うようにしている。ここで、湯水の使用量は、外気温度などで変化するため、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。

しかし、このような貯湯方式の給湯機においては、一般に、ヒートポンプ回路によって加熱された湯を貯湯タンクに蓄える貯湯回路と、貯湯タンクから使用端末へ湯を供給する給湯回路しか備えられていない。このため、風呂使用時において、例えば、浴槽への湯張り後複数の人が入浴する場合、湯冷めにより追焚きが必要になるが、貯湯タンクからの一方的な足し湯機能しか備えていないため、適切な対応を取ることができない場合がある。例えば、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、従来の貯湯方式に風呂追焚機能を付加させたヒートポンプ給湯機が知られている。例えば、冷媒用伝熱管、貯湯用伝熱管及び風呂追焚用伝熱管を一体とする水冷媒熱交換器（放熱器）を設け、貯湯タンクの水を沸かす際の冷媒温度で浴槽水を加熱して風呂追焚運転を行うヒートポンプ給湯機が開示されている（特許文献１参照）。

一方、貯湯タンクに蓄える湯を加熱する水冷媒熱交換器とは別個に風呂用熱交換器を設け、この風呂用熱交換器で貯湯タンクに蓄えられた所定温度の高温水と浴槽水を熱交換し、風呂追焚運転を行うヒートポンプ給湯機が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００２−１０６９６３号公報 特開２００３−３３６８９４号公報

ところで、このような特許文献１，２においては、上述したように、電力料金が安価な夜間の間に高温の湯をできるだけ多く蓄えておくことを設計思想としている。このため、風呂追焚運転時に、加熱流体と浴槽水とを熱交換する熱交換器において、例えば、加熱流体と浴槽水との温度差に起因する加熱効率（加熱能力／消費電力で表され、ＣＯＰともいう）については検討がされていない。

このため、風呂追焚運転時において、浴槽水は、貯湯タンクの貯湯温度又はこれに対応する冷媒の加熱温度に加熱された高温流体と熱交換され、適温を超えた貯湯温度に近い高温の湯となって浴槽に戻されるおそれがある。このような加熱制御は、加熱効率の点から見ても好ましくない。

そこで、本発明は、風呂追焚運転時において、高温水戻りを回避するとともに加熱効率を向上させることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、例えば、ヒートポンプ回路において、減圧装置の冷媒絞り量を緩め、回転数を低下させ、浴槽水の加熱温度を低くすることにより運転効率が向上すること、及び、熱交換器においても加熱側の高温流体温度を低下させることにより周囲への熱放出が少なくなることに着目し、従来の余分な加熱負荷をできるだけ低減することを狙いとしてなされたものである。

すなわち、本発明のヒートポンプ給湯機は、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給水を加熱する第１の熱交換器と、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の熱交換器の出湯口と給湯口を連通する給湯管と、前記給湯管と前記給水管を第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湯水を第１のポンプによって前記第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽から第２のポンプによって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、前記浴槽から抜き出した前記浴槽水の水温に基づいて前記第２の熱交換器に流入する前記加熱回路の湯温を制御する制御手段とを備えてなることを特徴とする。

これによれば、貯湯タンクの貯湯温度によらず、浴槽水の水温の変化に応じて加熱回路の湯水を適宜設定された湯温、つまり貯湯温度よりも低い温度に加熱することができるため、風呂追焚運転時の高温水戻りを回避できるとともに、浴槽水の加熱効率を向上させることができる。また、この構成によれば、浴槽水は、ヒートポンプ回路の運転により第１の熱交換器を介して加熱された湯水と熱交換されるため、風呂追焚運転において貯湯タンクの湯を使用する必要がなく、風呂追焚運転直後の給湯時の湯切れを防ぐことができる。また、第２の熱交換器は、水と水とを熱交換するため、冷媒の高い圧力を受けることがなく、従来の比較的安価な熱交換器を用いることができる。

この場合において、制御手段は、ヒートポンプ回路の加熱能力と加熱回路を循環する湯水の循環流量との少なくとも一方を制御することにより、第２の熱交換器に流入する加熱回路の湯温を制御することができる。

また、加熱回路から第２の熱交換器に流入する循環水の湯温は、第２の熱交換器の熱交換効率に基づいて設定することが好ましい。すなわち、第２の熱交換器において、加熱効率は、加熱回路の循環水の湯温と浴槽水の水温との温度差に基づいて決められるため、加熱効率と温度差との関係を求めておき、例えば、加熱効率が最大の温度差になるように、浴槽水の水温に対して加熱回路の湯温が可変設定されるようにする。これにより、第２の熱交換器による浴槽水の加熱効率を高く維持できる。

ここで、例えば、風呂追焚運転時において、第２の熱交換器に流入する循環水の湯温と浴槽水の水温との温度差を一定となるように制御してもよい。これによれば、浴槽水が加熱されて温度上昇しても、例えば、加熱効率が最大となる温度差を維持することができる。更に、必要に応じて、温度差を時間経過とともに小さく又は大きくなるように制御してもよいし、時間経過とともに段階的に変化させるようにしてもよい。また、制御手段は、これらの温度制御のうち少なくとも２以上の運転モードが組み込まれ、水温に基づいて運転モードを適宜選択するようにしてもよい。

なお、制御手段は、これらの運転モードに限られるものではなく、例えば、加熱回路から第２の熱交換器に流入する循環水の湯温を、浴槽水の水温に関わらず、一定となるように制御してもよい。これによれば、加熱効率は最適には至らないが、ヒートポンプ回路の加熱能力を一定に保つことができ、制御を簡単化できる。

また、第１のポンプと第２のポンプの少なくとも一方は、循環能力が調整可能であることが好ましい。これによれは、例えば、流量調整弁を使用しなくても、加熱回路や追焚回路の循環量を調整することができ、浴槽水の温度制御を容易できる。

また、このようなヒートポンプ給湯機において、第１の熱交換器で加熱された湯を蓄える貯湯タンクを備えるようにしてもよい。この場合において、第２の熱交換器に流入する加熱回路の湯温は、例えば、貯湯タンクに蓄える湯温よりも低い範囲で、第２の熱交換器の加熱効率に基づいて設定することが好ましい。

そして、貯湯タンクは、給湯管と流路切替弁を介して頂部が連通し、給水管と底部が連通して構成されることにより、貯湯タンクの貯湯を給湯するタンク給湯経路と、ヒートポンプ回路の第１の熱交換器によって加熱された湯を給湯する直接給湯経路を形成することができる。これにより、ヒートポンプ回路の立ち上げ直後はタンク給湯経路から給湯し、ヒートポンプ給湯回路が安定動作した後は、直接給湯経路に切り替えて給湯することができるため、ヒートポンプ立ち上げ時の加熱不足が抑制され、快適性を向上させることができる。

また、ヒートポンプ回路の冷媒によって給水を加熱する第１の熱交換器と、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の熱交換器の出湯口と給湯口を連通する給湯管と、ヒートポンプ回路の冷媒を第１の熱交換器から切替えて第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽からポンプによって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、浴槽から抜き出した浴槽水の水温に基づいて第２の熱交換器に流入する加熱回路の冷媒温度を制御する制御手段とを備えるようにしてもよい。

すなわち、第２の熱交換器において浴槽水を加熱する冷媒を、ヒートポンプ回路の冷媒とすることにより、浴槽水の加熱経路を簡素化することができ、回路途中の熱ロスや温度制御の複雑さを少なくすることができる。

本発明によれば、風呂追焚運転時において、高温水戻りを回避するとともに加熱効率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、本実施形態のヒートポンプ給湯機の全体構成図である。

本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ冷媒回路３０、給湯回路４０、運転制御手段５０を備えて構成される。ヒートポンプ冷媒回路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を並列させて設けた２サイクル方式が採用され、圧縮機１ａ，１ｂ、水冷媒熱交換器２に配置される冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ、減圧装置３ａ，３ｂ、蒸発器４ａ，４ｂを、それぞれ冷媒配管を介して順次接続して構成されており、各回路には冷媒として、例えば、二酸化炭素が封入されている。

圧縮機１ａ、１ｂは容量制御が可能で、多量の給湯を行な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）及びこれらの組合せ制御により、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば７０００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２は、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ及び給水側伝熱管２ｃ，２ｄを備えており、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂと給水側伝熱管２ｃ，２ｄとの間で熱交換を行なうようになっている。

減圧装置３ａ，３ｂは、一般に膨張弁等が使用され、水冷媒熱交換器２を経て送られてくる中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として蒸発器４ａ，４ｂへ送る。また、減圧装置３ａ，３ｂは冷媒通路の絞り量を調整してヒートポンプ冷媒回路３０内の冷媒循環量を調節する働きや、絞り量を全開にして中温冷媒を蒸発器４ａ，４ｂに多量に送って霜を溶かす除霜装置としての機能を備えている。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構成されている。

給湯回路４０は、貯湯回路、直接給湯回路、タンク給湯回路、タンク追焚回路、風呂湯張回路、風呂追焚きを行なうための風呂追焚回路、加熱回路を備えて構成される。

貯湯回路は、貯湯タンク８、機内循環ポンプ９、水熱交水量センサ１１、給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、給湯混合弁１２、貯湯タンク８が水配管を介して順次接続されて構成される。

直接給湯回路は、給水金具５、減圧弁６、給水水量センサ７、給水逆止弁１０、水熱交水量センサ１１、給水側伝熱管２ｃ、２ｄ、給湯混合弁１２、湯水混合弁１３、流量調整弁１４、台所出湯金具１５が水配管を介して順次接続されて構成される。なお、給水金具５は水道などの給水源に接続され、台所出湯金具１５は台所蛇口１６などに接続されている。

タンク給湯回路は、給水金具５、減圧弁６、給水水量センサ７、貯湯タンク８、給湯混合弁１２、湯水混合弁１３、流量調整弁１４、台所出湯金具１５が水配管を介して順次接続されて構成される。

タンク追焚回路は、貯湯タンク８、機内循環ポンプ９、水熱交水量センサ１１、給水側伝熱管２ｃ、２ｄ、給湯混合弁１２、貯湯タンク８が水配管を介して順次接続されて構成される。

風呂湯張回路は、給水金具５、減圧弁６、給水水量センサ７、給水逆止弁１０、水熱交水量センサ１１、給水側伝熱管２ｃ、２ｄ、給湯混合弁１２、湯水混合弁１３、流量調整弁１４、風呂注湯弁１７、フロースイッチ１８、風呂循環ポンプ１９、入出湯金具２０、風呂循環アダプター２１、浴槽２２が水配管を介して順次接続されて構成される。なお、入出湯金具２０は浴槽２２とともに風呂蛇口２６やシャワー（図示せず）にも給湯できるように、これらと接続されている。そして、風呂湯張り時には、風呂湯張回路による直接給湯とともに、貯湯タンク８内の湯量が最小必要量以下にならない範囲で貯湯タンク８から浴槽２２へのタンク給湯も行なうようになっている。

風呂追焚回路は、浴槽２２、風呂循環アダプター２１、入出湯金具２０、風呂循環ポンプ１９、フロースイッチ１８、風呂水伝熱管２３ｂ、風呂出湯金具２４、風呂循環アダプター２１、浴槽２２が水配管を介して順次接続されて構成される。

加熱回路は、温水伝熱管２３ａ、機内循環ポンプ９、水熱交水量センサ１１、給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、湯水開閉弁２５、温水伝熱管２３ａが水配管を介して順次接続されて構成される。すなわち、風呂追焚き時には、風呂追焚回路において浴槽水を循環させるとともに、ヒートポンプ冷媒回路３０及び機内循環ポンプ９を運転し、加熱回路において水冷媒熱交換器２で加熱された湯を風呂用熱交換機２３に設けられた温水伝熱管２３ａに循環させ、温水伝熱管２３ａと風呂水伝熱管２３ｂとの間で熱交換することで、浴槽水の加熱、つまり風呂追焚きを行なうようになっている。

次に、運転制御手段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、ヒートポンプ冷媒回路３０の運転・停止並びに圧縮機１ａ，１ｂの回転数制御を行なうとともに、例えば、減圧装置３ａ，３ｂの冷媒絞り量調整、機内循環ポンプ９、風呂循環ポンプ１９の運転・停止及び給湯混合弁１２、湯水混合弁１３、流量調整弁１４、風呂注湯弁１７、湯水開閉弁２５などを制御することにより、貯湯運転、直接給湯運転、タンク給湯運転、タンク追焚運転、風呂湯張運転、風呂追焚運転を行なうものである。

また、運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂの回転数を制御して、運転開始直後は加熱立上げ時間を早めるために所定の高速回転数で運転し、比較的熱負荷の軽い風呂追焚運転の時は加熱温度に見合った低速回転数で運転制御する。

また、水使用端末における給湯使用後は、タンク貯湯運転を行なってから運転を停止させることで、いつでも貯湯タンク８内は所定の温度の湯が満タンに貯湯された状態になるように制御する毎回貯湯運転機能を有している。

更に、本実施形態では、給水温度を検知する給水サーミスタ７ａ、加熱回路を循環して給水側伝熱管２ｃ，２ｄに流入する循環水の温度を検知する循環サーミスタ２ｆ、水冷媒熱交換器２の出湯温度を検知する熱交サーミスタ２ｅ、貯湯タンク８の貯湯温度及び貯湯量を検知するタンクサーミスタ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ、給湯温度を検知する給湯サーミスタ１４ａ、浴槽水の温度を検知する風呂サーミスタ１８ａ、風呂用熱交換機２３によって加熱された浴槽水の温度を検知する追焚サーミスタ２３ｃ及び圧縮機１ａ，１ｂの吐出圧力を検知する圧力センサ１ｃ，１ｄ、浴槽２２内の水位を検出する水位センサ２２ａなどが設けられ、各センサが出力する検出信号は運転制御手段５０に入力されるようになっている。運転制御手段５０はこれらの信号に基づいて各機器を制御する。

また、水冷媒熱交換器２と風呂用熱交換機２３との間には湯水開閉弁２５が設けられ、風呂追焚き時以外は水回路を閉じて水冷媒熱交換器２から風呂用熱交換機２３への熱の漏洩を防ぐようになっている。また、給水逆止弁１０は、一方向にのみに水を流し、逆流を防止するものであり、逃がし弁２７は、貯湯タンク８内の温水圧力が所定以上になった場合に作動して水回路部品の圧力保護の働きをするものである。

次に、ヒートポンプ給湯機の運転動作について、図１のヒートポンプ冷媒回路３０及び給湯回路４０を参照しながら、図２〜図６のフローチャートに基づいて説明する。

図２は、据付時の必要操作の一例を示すフローチャートである。先ず、ヒートポンプ給湯機は、製造場所から運搬されて使用者の希望する設置場所に据え付けられ、給水金具５は水道等の給水源に、台所出湯金具１５は台所蛇口１６に、風呂出湯金具２４は風呂蛇口２６に接続される（ステップＳ６０）。次に、空気抜き用に蛇口１６，２６又は逃がし弁２７を開放し（ステップＳ６１）、給水源の元栓を開放する（ステップＳ６２）と、給水源から機内給水が開始され、水は減圧弁６によって一定圧力に減圧調整された後、貯湯タンク８及び水冷媒熱交換器２並びに各水配管内に流入する（ステップＳ６３）。蛇口１６，２６または逃がし弁２７からの水溢れ出しにより機内が満水状態であるか否かを確認する（ステップＳ６４）。そして、満水になると、蛇口１６，２６又は逃がし弁２７を閉止し、機内給水が終了する（ステップＳ６５）。なお、満水になるまで機内給水は行われる。ここで、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、給湯混合弁１２、湯水混合弁１３は両方向開状態、流量調整弁１４、水開閉弁２５は開状態、風呂注湯弁１７は閉状態となっている。

次に電源スイッチを投入し（ステップＳ６６）、浴槽水張り運転を行なう（ステップＳ６７）。浴槽水張り運転は、風呂注湯弁１７を開き、浴槽２２に水が溢れるまで注水し（ステップＳ６８）、水位センサ２２ａや給水水量センサ７により浴槽２２の容量を自動計算し（ステップＳ６９）、浴槽２２の容量設定（ステップＳ７０）を行ない、設定以降の風呂自動運転における風呂湯張りや風呂追い焚き時の湯量制御等に活用するものである。したがって、上記浴槽水張り運転はヒートポンプ給湯機設定時の１回のみ行えばよいものである。

次に、貯湯タンク８の水を沸き上げる動作の一例について図３を用いて説明する。

運転制御手段５０の制御により貯湯運転の指示が出る（ステップＳ７１）と、タンクサーミスタ８ａ〜８ｄにより貯湯温度及び貯湯量の判定が行なわれ（ステップＳ７２）、規定内であればそのまま運転せず、貯湯水が使用されて規定以下に減っていれば貯湯運転が開始される（ステップＳ７３）。

この貯湯運転（ステップ７３Ｓ）では、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に送り込まれる。これによって、水冷媒熱交換器２では、冷媒側伝熱管２ａ、２ｂ内を流れる高温冷媒と給水側伝熱管２ｃ、２ｄ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となり再び圧縮機１ａ、１ｂに戻される。この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。

上記ヒートポンプ運転において、圧縮機１ａ，１ｂの回転数を上げて、減圧装置３ａ，３ｂの冷媒絞り量を大きくすると加熱能力は増すが、機械ロスや熱ロスが増加して運転効率は低下する。逆に、圧縮機１ａ，１ｂの回転数を下げて、減圧装置３ａ，３ｂの冷媒絞り量を少なくすることにより、加熱能力は落ちるが、機械ロスや熱ロスが減少し、相対的に運転効率は向上する。すなわち、ヒートポンプによる加熱運転においては、低い温度で時間をかけて加熱することが加熱効率の向上になる。

貯湯運転（ステップＳ７３）においては、ヒートポンプ運転とともに、貯湯回路において給湯混合弁１２を作動させ、水冷媒熱交換器２側から貯湯タンク８側を開、湯水混合弁１３側を閉とし、湯水開閉弁２５を閉としている（ステップＳ７３ａ，Ｓ７３ｂ）。そして、機内循環ポンプ９の運転を開始し、貯湯タンク８の下部の通水口から、機内循環ポンプ９、水熱交水量センサ１１、水冷媒熱交換器２、給湯混合弁１２、貯湯タンク８へ水が循環する。これにより、水冷媒熱交換器２で加熱された湯が貯湯タンク８の上部から貯湯され、貯湯タンク８全体が沸き上がった状態に達すると貯湯完了と判定し（ステップＳ７６）、運転を停止する（ステップＳ７７）。

なお、水冷媒熱交換器２から出湯する湯の温度が適切であるか否かを判定する出湯温度判定（ステップＳ７４）は、熱交サーミスタ２ｅにより行なわれ、出湯温度が規定値内の場合は貯湯運転をそのまま継続（ステップＳ７５）し、規定値外の場合は圧縮機１ａ，１ｂの回転数制御、減圧装置３ａ，３ｂの絞り量調整、機内循環ポンプ９の回転数制御により出湯温度の調整を行なう（ステップＳ７４ａ）。

貯湯温度及び貯湯量の判定は、前記タンクサーミスタ８ａ〜８ｄによって行なわれ、タンクサーミスタ８ａ〜８ｄの全てが規定温度内に達すれば貯湯完了と判断され、運転停止し、タンク貯湯は終了する（ステップＳ７７）
次に、台所蛇口１６から給湯する動作の一例について図４を用いて説明する。台所蛇口１６を開けて給湯が開始される（ステップＳ８０）と、運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂを始動させて、ヒートポンプ冷媒回路３０の運転を開始するとともに、直接給湯回路により直接給湯運転（ステップＳ８１）を行なう。同時に、タンク給湯回路によりタンク給湯運転（ステップＳ８２）を行なう。

ここで、ヒートポンプ冷媒回路３０は、圧縮機１ａ，１ｂで圧縮された高温冷媒を冷媒側伝熱管２ａ，２ｂに送り込み、給水側伝熱管２ｃ，２ｄから流入する水を加熱して給湯混合弁１２側へ流出するが、運転立上がり時は冷媒側伝熱管２ａ，２ｂに送り込まれてくる冷媒が充分に高温高圧となり切らないため温度が低く、かつ水冷媒熱交換器２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。時間の経過とともに冷媒は高温高圧となり、それに伴い、発生する冷媒からの放熱量が増加し、水への加熱能力が増してゆく。

ここで、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は、通常約５〜６分掛かるため、運転制御手段５０は、運転開始直後の高温安定状態に達するまでの所定時間の間、圧縮機の回転数を通常より高速回転して運転制御することで、水加熱給湯運転の立ち上がり時間を約３〜４分程度に短縮している。更に、運転開始直後の所定時間（約４〜５分程度）は貯湯タンク８から湯を供給するタンク給湯運転（ステップＳ８２）を行なって熱量の不足を補い、その後運転制御手段５０によりタンク給湯運転を停止（ステップＳ８４ｂ）して、直接給湯運転のみに切換えて給湯運転を継続（ステップＳ８５）する。この間において、給湯サーミスタ１４ａ、給水水量センサ７により給湯温度及び流量の判定（ステップＳ８３）を行ない、規定外であれば温度、流量を調整（ステップＳ８４ａ）し、規定内であれば直接給湯温度の判定（ステップＳ８４）を行なう。

この直接給湯温度の判定（ステップＳ８４）において、水冷媒熱交換器２における加熱温度が不十分で、直接給湯温度が規定温度に達しない状態ではヒートポンプ運転の温度流量調整（ステップＳ８４ａ）を継続し、タンク給湯運転（ステップＳ８２）と併用する。また、水冷媒熱交換器２における加熱温度が給湯温度に充分なまでに高まり、直接給湯温度が規定内に達すればタンク給湯運転を停止（ステップＳ８４ｂ）し、直接給湯運転（ステップＳ８１）単独にて給湯を継続する（ステップＳ８５）。すなわち、貯湯タンク８の役割は、ヒートポンプ運転の加熱能力が、給湯温度（通常４０〜４２℃）に充分な温度に達するまでの立上がり時の補助的なものであり、ヒートポンプ冷媒回路３０の能力、特に圧縮機出力が大きいほど、立上げ時間を短くでき、貯湯タンク８を小さくできる。

また、風呂湯張りと同時に台所給湯を行なう等、複数箇所から同時に使用する場合、直接給湯のみで対応するには、圧縮機の容量は、従来一般に用いられている５ｋＷ程度より４倍以上の２０ｋＷ程度まで大きくすることが望ましい。しかし、新規圧縮機の開発が必要となるばかりでなく、ヒートポンプ冷媒回路３０の各部品とも新規検討が必要となり、費用等の負担が大きくなる。このため、本実施形態では、従来圧縮機の２倍程度の圧縮機を２個使用した２サイクルヒートポンプ方式３０ａ，３０ｂを採用している。これにより、従来技術の活用を図ることができ、実績による信頼性を確保することができる。なお、圧縮機の容量が充分であれば、１サイクルヒートポンプ方式においても本実施形態と効果の違いは見られない。

次に、蛇口が閉じられて湯水使用が終了する（ステップＳ８６）と、タンク給湯運転が停止され直接給湯運転のみであれば直接給湯運転を停止し、湯水使用直後でタンク給湯運転と直接給湯運転が併用されている場合は、直接給湯運転及びタンク給湯運転の両方を停止する（ステップＳ８７）。

さらに、運転制御手段５０は、タンク給湯運転及び直接給湯運転を共に停止（ステップＳ８７）させた後、必ずタンク貯湯運転（ステップＳ８８）を開始し、タンクサーミスタ８ａ〜８ｄによって貯湯温度、貯湯量を検知して貯湯完了を判定（ステップＳ８９）し、規定値内であると運転を停止させ、タンク貯湯を終了する（ステップＳ９０）。なお、タンクサーミスタ８ａ〜８ｄによるタンク貯湯状態の検知は、常時行われており、極めて短時間使用のため水加熱給湯運転停止後でも貯湯タンク８に湯温、湯量共に所定値以上残っている場合は、貯湯完了と判定され、タンク貯湯運転（ステップＳ８８）は行われない。

以上のように、運転制御手段５０には、あらゆる運転において目的とする運転を終了した後に、必ず貯湯完了するまでタンク貯湯運転（ステップＳ８８）を行なう毎回貯湯運転機能を有しているので、貯湯タンク８には常に所定温度の湯が所定量以上貯まっており、運転立上がり時の湯温低下や使用途中の湯切れの心配を解消できる。

次に、風呂自動運転による風呂湯張り動作の一例について図５を用いて説明する。先ず、風呂自動ボタンをＯＮにしておくと（ステップＳ９１）、設定時刻が来た時点で、風呂湯張り運転が開始（ステップＳ９２）し、風呂注湯弁１７が開いて風呂給湯が行なわれる（ステップＳ９３）。この風呂給湯（ステップＳ９３）は、図４で説明した湯水使用と同様、直接給湯運転とタンク給湯運転が併用される。すなわち、ヒートポンプ運転開始直後４〜５分間は、直接給湯運転とタンク給湯運転を併行して行ない、直接給湯温度が安定状態に達すると、タンク給湯運転を停止して、直接給湯運転のみとなる。

また、風呂給湯運転中は、風呂サーミスタ１８ａで風呂給湯温度を検知して給湯温度を判定（ステップＳ９４）し、規定外であれば温度調整を行ない（ステップＳ９４ａ）、規定内であれば風呂給湯を継続する（ステップＳ９５）。更に、水位センサ２２ａで浴槽内水位を検知し、風呂湯張り量を判定する（ステップＳ９６）。この風呂湯張り量判定（ステップＳ９６）において、規定外の間は風呂給湯を継続（ステップＳ９５）し、規定内に達すると風呂給湯及びヒートポンプ運転を停止（ステップＳ９７）して、風呂湯張り運転を終了する（ステップＳ９８）。

次に、風呂自動運転による風呂追焚動作の一例について図６を用いて説明する。風呂自動ボタンをＯＮにしておき（ステップＳ１００）、設定時刻になると図５で説明した風呂湯張り運転を開始（ステップＳ１０１）する。その後風呂湯張り運転が終了する（ステップＳ１０２）と、風呂保温運転が開始される（ステップ１０３）。

風呂湯張り運転終了（ステップＳ１０２）後は、風呂サーミスタ１８ａで湯温を検知し、浴槽内湯温判定（ステップＳ１０４）において規定値内であれば風呂保温を継続し、規定値以下の場合は風呂追焚運転を行なう（ステップＳ１０５）。また、水位センサ２２ａで所定時間（例えば１０分）毎に浴槽内の湯量を検知し、風呂湯張り量判定（ステップＳ１０６）において規定値内であれば風呂保温を継続し、規定値以下の場合は、給水水量センサ７で所定量の風呂足し湯（ステップＳ１０７）が行われる。更に、風呂自動運転の設定時間を経過すると、風呂保温運転を終了（ステップＳ１０８）し、風呂自動運転が終了する（ステップＳ１０９）。

次に、風呂追焚運転（ステップＳ１０５）において加熱効率について説明する。図７は、風呂用熱交換機２３において、加熱回路を通じて風呂用熱交換機２３の温水伝熱管２３ａに流入する循環水（以下、適宜、加熱側流体という）と、風呂追焚回路を通じて風呂用熱交換機２３の風呂水伝熱管２３ｂに流入する浴槽水（以下、適宜、浴槽側流体という）との温度差と、加熱効率（ＣＯＰ）との関係を示した図である。図から明らかなように、加熱効率は、加熱側流体と浴槽側流体の温度差が小さいほど高くなり、温度差が約１０Ｋのとき最高値となる。

図８は、複数回入浴する場合、３０℃まで湯冷めした浴槽水をほぼ適温の４０℃まで風呂追焚運転するときの追焚時間経過と、加熱側流体温度の設定値及び浴槽側流体温度の変化を示した図である。

図において、線Ｙは、浴槽側流体温度を示し、追焚き開始時は３０℃で追焚き終了時は４０℃に加熱されることを表している。点線Ｔは、従来の加熱側流体温度を示し、一例として、貯湯タンク８の貯湯を加熱側流体として用いる場合を示している。ここで、貯湯タンク８の貯湯温度は約６５℃で一定のため、浴槽側流体温度との温度差が２５Ｋ〜３５Ｋとなり、図７の加熱効率において、最適値から大きく外れている。

線Ａは、本実施形態の加熱側流体の設定温度を示し、加熱側流体温度と浴槽側流体温度との温度差を追焚開始から追焚終了まで加熱効率が最高値となる一定値（例えば、１０Ｋ）となるように、浴槽側流体温度に基づいて加熱側流体温度を設定したもので、追焚時間の経過に関係なく加熱効率を最優先させる場合に適している。

一方、線Ｂは、他の加熱側流体の設定温度を示し、浴槽側流体温度が比較的低い追焚開始時は高温で加熱し、追焚時間経過とともに当該加熱側流体温度を徐々に下げていくものである。この線Ｂは、加熱効率は線Ａより劣るが、追焚時間内において線Ｔよりも常に温度差が小さくなるように設定され、例えば、追焚時間の短縮を優先させる場合に適している。

図９は、図８で示した加熱側流体温度の他の設定形態と浴槽側流体温度との関係を表し、例えば、節水の配慮から翌日に風呂を追焚きして入浴する場合に、２０℃まで湯冷めした浴槽水をほぼ適温の４０℃まで風呂追焚運転するときの追焚時間経過と、加熱側流体温度の温度設定値及び浴槽側流体温度の変化を示している。なお、線Ｙ及び点線Ｔは、図８と同様、浴槽側流体温度と従来の加熱側流体温度をそれぞれ表している。

線Ｃは、追焚き時間の経過とともに加熱側流体温度を徐々に上げていくものである。この線Ｃは、追焚開始時の浴槽側流体温度が低いことから、追焚開始時の温度差を大きくしたもので、加熱効率を重視するとともに追焚時間も考慮した追焚運転を行う場合に適している。

線Ｄは、追焚運転において加熱側流体温度を段階的に変化させるものであり、加熱側流体の温度変化の回数を減らすことができるため、圧縮機の回転数や減圧装置の調整頻度を少なくし、制御を単純化できるため、サーミスタの温度追従性等によるバラツキ要因を少なくすることができる。

線Ｅは、線Ｄの考え方を更に推し進めたもので、加熱側流体温度を追焚時間経過に関係なく貯湯温度より低い一定温度（例えば５０℃）に制御したもので、所定の加熱効率を得ることができ、加えて、浴槽側流体温度が低いほど追焚開始時の温度差が大きくなるため、追焚時間に配慮した一定のヒートポンプ運転を行なうことができ、簡単な制御で安定した運転を行うことができる。

このように、本実施形態では、加熱側流体温度を制御するため、例えば、風呂追焚回路において浴槽２２から抜き出した浴槽水の温度を風呂サーミスタ１８ａによって検知し、その検出温度に基づいて加熱側流体温度を設定温度に加熱制御している。加熱側流体の温度は、例えば、ヒートポンプ冷媒回路３０の加熱能力（冷媒循環流量、冷媒温度等）や加熱回路を流れる加熱側流体の循環流量等を調整することで制御できる。また、機内循環ポンプ９及び風呂循環ポンプ１９のうち、少なくとも一方を水循環能力可変ポンプとすれば、流量調整弁等を設けなくても、加熱側流体や浴槽水の循環流量を可変調整することができ、結果として、温水伝熱管２３ａに流入する加熱側流体温度を、例えば、線Ａ〜Ｅで示したように変化させることができる。更に、例えば、外気温度に基づいて加熱側流体や浴槽側流体の循環流量を変更し、成績係数を良くする制御を行うこともできる。

以上述べたように、線Ａ〜線Ｅで示した風呂追焚運転は、風呂追焚運転時のさまざまな使用状況に応じて、加熱効率優先、加熱時間優先、加熱効率と加熱時間のバランスの良い運転などを行うことができる。そして、これらの制御のうち、いずれか複数を風呂追焚運転モードとしてヒートポンプの運転制御手段５０に組み込み、浴槽側流体温度に応じて風呂追焚運転モードを選択可能にすることで、浴槽残り湯温度や時間帯、季節等に応じた適切な風呂追焚運転を行うことができる。

更に、本実施形態では、貯湯タンク８の貯湯温度（例えば、６５℃）よりも低い範囲（例えば、５０℃以下）で自由に加熱側流体温度を設定できるため、例えば、貯湯タンク８の貯湯温度又はこれに対応する加熱温度に加熱された高温流体と浴槽側流体とを熱交換させる従来の場合と比べて、給湯運転、風呂追焚運転における加熱効率を向上させることができ、かつ、風呂追焚運転時の高温水戻りを解消することができる。このため、例えば、冬季の貯湯温度が９０℃に達する場合においても、入浴したままで追焚運転を行うことができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１０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。図において、図１と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略している。なお、センサ類は記載していないが、図１と同様に配置されているものとする。

本実施形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ冷媒回路３０の加熱能力が非常に大きなものであるため、ヒートポンプ運転開始直後から、貯湯タンクによらずに、ヒートポンプ冷媒回路３０による直接給湯のみで給湯する構成になっている。そのため、図１における給湯タンク８、機内循環ポンプ９、水熱交水量センサ１１、給湯混合弁１２等は除かれている。

本実施形態のヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプ冷媒回路３０、給湯回路４０、運転制御手段５０の構成部品は、いずれも図１とほぼ同様の構成であるが、風呂用熱交換機２３の構成が図１のヒートポンプ給湯機と相違している。すなわち、本実施形態では、一方のヒートポンプ回路３０ａを流れる冷媒を水冷媒熱交換器２から切り替えて風呂用熱交換機２３の冷媒伝熱管２３ｅに導き、この冷媒を再びヒートポンプ回路３０ａに戻して循環させている。そして、ヒートポンプ回路３０ａの圧縮機１ａと水冷媒熱交換器２の間、及び圧縮機１ａと風呂用熱交換機２３の間には、冷媒開閉弁２８がそれぞれ設けられている。この冷媒開閉弁２８を開閉させることにより、風呂追焚運転時は、冷媒を風呂熱交換機２３側へ循環させ、それ以外の運転時は、冷媒を水冷媒熱交換器２側へ循環させている。そして、加熱負荷の小さい風呂追焚き時には一方のヒートポンプ冷媒回路３０ａのみを運転し、かつ水冷媒熱交換器２側へ冷媒を循環させないため、熱ロスを抑制し、加熱熱効率を一層向上させることができる。

本実施形態の装置構成によれば、加熱側流体温度を所定の温度範囲で設定することにより、風呂追焚運転の改善効果は図１と同様となり、高温水戻りの恐れが解消され、加熱効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態のヒートポンプ給湯機によれば、風呂用熱交換機２３において、加熱側流体を温水に代えて冷媒を用いることができる。また、本実施形態は、貯湯タンクの有無やヒートポンプ冷媒回路３０の単複数によらず、充分な効果を得ることができる。

本実施形態のヒートポンプ給湯機の全体構成図である。 本実施形態のヒートポンプ給湯機における据付及び配管接続時の確認動作を示すフローチャートである。 本実施形態のヒートポンプ給湯機における貯湯運転時の動作を示すフローチャートである。 本実施形態のヒートポンプ給湯機における給湯使用時の動作を示すフローチャートである。 本実施形態のヒートポンプ給湯機における風呂湯張り運転の動作を示すフローチャートである。 本実施形態のヒートポンプ給湯機における風呂保温時の動作を示すフローチャートである。 風呂用熱交換器において、加熱側流体と浴槽側流体との温度差と、加熱効率との関係の一例を示す線図である。 浴槽の残り湯が少し冷めた場合における、風呂追焚時間経過と、加熱側流体の温度設定値及び浴槽側流体温度の変化を示す線図である。 浴槽の残り湯がかなり冷めた場合における、風呂追焚時間経過と、加熱側流体の温度設定値及び浴槽側流体温度の変化を示す線図である。 他の実施形態のヒートポンプ給湯機の全体構成図である。

符号の説明

２ 水冷媒熱交換器
２ａ，２ｂ 冷媒側伝熱管
２ｃ，２ｄ 給水側伝熱管
５ 給水金具
８ 貯湯タンク
９ 機内循環ポンプ
１６ 台所蛇口
１９ 風呂循環ポンプ
２２ 浴槽
２３ 風呂用熱交換器
２３ａ 温水伝熱管
２３ｂ 風呂水伝熱管
２４ 風呂出湯金具
３０ ヒートポンプ冷媒回路
４０ 給湯回路
５０ 運転制御手段

Claims (14)

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給水を加熱する第１の熱交換器と、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の熱交換器の出湯口と給湯口を連通する給湯管と、前記給湯管と前記給水管を第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湯水を第１のポンプによって前記第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽から第２のポンプによって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、前記浴槽から抜き出した前記浴槽水の水温に基づいて前記第２の熱交換器に流入する前記加熱回路の湯温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、前記ヒートポンプ回路の加熱能力と前記加熱回路を循環する湯水の循環流量との少なくとも一方を制御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機。
3. 前記制御手段は、前記湯温を前記第２の熱交換器の熱交換効率に基づいて設定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機。
4. 前記制御手段は、前記湯温と前記水温との温度差が一定になるように制御することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記制御手段は、前記湯温と前記水温との温度差を時間経過とともに小さくすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記制御手段は、前記湯温と前記水温との温度差を時間経過とともに大きくすることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記制御手段は、前記湯温と前記水温との温度差を時間経過とともに段階的に変化させることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記制御手段は、請求項４乃至７の温度制御のうち少なくとも２以上の運転モードが組み込まれ、前記水温に基づいて前記運転モードを適宜選択することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
9. 前記第１のポンプと前記第２のポンプの少なくとも一方は、循環能力を調整可能であ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機。
10. 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給水を加熱する第１の熱交換器と、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の熱交換器の出湯口と給湯口を連通する給湯管と、前記給湯管と前記給水管を第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湯を第１のポンプによって前記第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽から第２のポンプによって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、前記第１の熱交換器で加熱された湯を蓄える貯湯タンクと、前記浴槽から抜き出した前記浴槽水の水温に基づいて前記第２の熱交換器に流入する前記加熱回路の湯温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。
11. 前記貯湯タンクは、前記給湯管と流路切替弁を介して頂部が連通され、前記給水管と底部が連通されてなる請求項１０に記載のヒートポンプ給湯機。
12. 前記制御手段は、前記湯温を前記第２の熱交換器の加熱効率に基づいて設定することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のヒートポンプ給湯機。
13. ヒートポンプ回路の冷媒によって給水を加熱する第１の熱交換器と、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の熱交換器の出湯口と給湯口を連通する給湯管と、前記ヒートポンプ回路の冷媒を前記第１の熱交換器から切替えて第２の熱交換器に導く加熱回路と、浴槽からポンプによって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、前記浴槽から抜き出した前記浴槽水の水温に基づいて前記第２の熱交換器に流入する前記加熱回路の冷媒温度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。
14. 前記制御手段は、前記冷媒温度を前記第２の熱交換器の加熱効率に基づいて設定することを特徴とする請求項１３に記載のヒートポンプ給湯機。
    

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