JP2011021828A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の良い湯張り運転等を可能とするヒートポンプ給湯機を得る。
【解決手段】貯湯タンク６から水を供給する運転に、貯湯運転時よりも低い沸上げ温度となるように、若しくは、貯湯運転時よりも低い加熱能力となるように、又は、それら双方を満たすように、補助的にヒートポンプサイクル運転を併用する湯張り運転を実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、省エネルギーを図るヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来から、ヒートポンプサイクルを利用した様々な給湯機が提案されており、従来のヒートポンプ給湯機において、水加熱器で沸き上げた湯を直接使用端末に供給する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に係るヒートポンプ給湯機は、給湯端末２８への給湯回路が、水加熱器１１、三方弁１２、給湯管２０及び流量計２１を通って給湯される経路と、給湯タンク１３、給湯管２０及び流量計２１を通って給湯される経路との２つの経路で構成されている。また、三方弁１２は、給湯タンク１３からの給湯と水加熱器１１からの給湯とを切換える弁を構成している。

また、従来のヒートポンプサイクルを利用した給湯機として、同様に給湯用熱交換器で沸き上げた湯を直接蛇口に供給する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に係るヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプサイクルと貯湯タンクと最大加熱量制御手段とを備えており、例えば給湯負荷又は風呂注湯負荷が大きい場合には、最大加熱量制御手段によってヒートポンプサイクルの加熱量が最大になるようにしている。具体的には、給湯用熱交換器の給湯水出口側における給湯水温度が、給湯設定温度又は風呂注湯設定温度よりも低くなるようにして、給湯用熱交換器を流れる給湯水流量を増加させつつ、ヒートポンプサイクル内の圧縮機の回転数を上限回転数にして最大加熱運転を実施するようにしている。

さらに、従来のヒートポンプサイクルを利用した給湯機として、同様に給湯用熱交換器で沸き上げた湯を直接蛇口に供給する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３に係るヒートポンプ式給湯装置は、外気温度、給湯水の温度又は蒸発器での冷媒の温度が高いほど、圧縮機の回転数を低い側に可変して、圧縮機を作動させ、ヒートポンプによって加熱された湯を給湯端末へ直接給湯する。

特開２００３−３１４８９２号公報（第３―６頁、図１） 特開２００５−２４１２０６号公報（第４―９頁、図１） 特開２００７−１９８６３２号公報（第７―１６頁、図１）

上記の特許文献１〜特許文献３に係るヒートポンプサイクルを利用した給湯機においては、いずれもヒートポンプで加熱された湯を直接給湯する構成となっている。つまり、従来の一般的な構成である、ヒートポンプを熱源として貯湯タンクに蓄熱された湯を貯湯し、その貯湯した湯を給湯に利用する貯湯型給湯機に対して、貯湯タンクを小型化してヒートポンプを大型化することで、ヒートポンプで直接給湯する瞬間式給湯機となっている。さらに、ヒートポンプによる加熱温度を低下させたり、外気温度等により圧縮機回転数を低下させたりしているものの、貯湯タンクが小型化したことによる湯切れ回避として、ヒートポンプの加熱量を大きくして運転することを共通としている。

しかしながら、ヒートポンプは、少なくとも圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁及び空気熱交換器で構成され、タンク、ポンプ、混合弁といった給湯回路に比べ、複雑かつ高コストな部品で構成されている。つまり、貯湯タンクは小型化されるが、ヒートポンプは大型化するため、コスト高となる問題点があった。
また、給湯毎にヒートポンプが運転されているが、一般にヒートポンプが安定運転するまでの時間は数十分かかり、一般的な給湯時間の数秒から数分程度ではヒートポンプ起動時の起動損失により運転効率が大幅に低下するという問題点もあった。
さらに、ヒートポンプによって加熱量が大きい運転をするため、従来の小型のヒートポンプの貯湯時の運転効率よりも効率が悪い運転となるという問題点もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、エネルギー効率の良い湯張り運転等を可能とするヒートポンプ給湯機を得ることを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、少なくとも、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁及び蒸発器が環状に配管で接続されたヒートポンプサイクルと、貯湯タンクと、該貯湯タンクの下部に接続された給水配管と、前記貯湯タンクの上部に接続されたタンク出湯配管と、前記給水配管から分岐した水配管と、前記タンク出湯配管及び前記水配管がそれぞれ入口側に接続された湯張り混合弁と、該湯張り混合弁の出口側に接続され、末端が浴槽に接続される湯張り配管と、該湯張り配管上に設置された湯張り開閉弁と、前記貯湯タンクの下部、前記水冷媒熱交換器及び前記タンク出湯配管を順次接続するＨＰ配管と、該ＨＰ配管上に設置されたポンプと、を有する給湯回路と、前記水冷媒熱交換器の出口側近傍に設置された出湯温度検出手段と、前記圧縮機及び前記湯張り混合弁等の制御をする制御装置と、を備え、該制御装置は、前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器によって加熱された水を前記貯湯タンクの上部から流入させ、該貯湯タンク内に貯める貯湯運転モードと、前記湯張り開閉弁を開状態にして前記浴槽に水を供給する湯張り運転モードと、を有し、該湯張り運転モードにおいては、前記ヒートポンプサイクルを動作させ、前記貯湯タンクから供給される水と、前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器から流出する水とを、前記湯張り混合弁によって混合させ、その混合させた水を前記浴槽に供給させ、前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度よりも低温となるように運転させることを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機によれば、ヒートポンプを熱源とし、湯張り運転時に、貯湯運転時より低能力かつ低沸上げ温度でヒートポンプを運転することで、エネルギー効率のよい湯張り運転が可能となる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプサイクル運転の特性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク６から水を供給する運転とヒートポンプサイクル運転との併用による湯張り運転における、ヒートポンプサイクル１０１の沸上げ温度と加熱能力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプサイクル１０１の加熱能力と湯張りＣＯＰとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。

（ヒートポンプサイクル１０１の構成）
まず、図１を参照しながらヒートポンプサイクル１０１の構成について説明する。
図１において、ヒートポンプサイクル１０１は、少なくとも、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３、蒸発器４、そして、再び圧縮機１という順序で、冷媒配管によって環状に接続された構成としている。この蒸発器４には、ファン５が備えられている。

（給湯回路１０２の構成）
次に、図１を参照しながら給湯回路１０２の構成について説明する。
図１において、貯湯タンク６の下部は、ＨＰ配管１８によって水冷媒熱交換器２の入口側に接続されており、その貯湯タンク６の下部と水冷媒熱交換器２との間のＨＰ配管１８には、ポンプ１９が設置されている。また、貯湯タンク６の上部は、タンク出湯配管９が接続されており、そのタンク出湯配管９は、その配管経路の途中で分岐しており、それぞれ給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２の入口側に接続されている。また、水冷媒熱交換器２の出口側は、ＨＰ配管１８によってタンク出湯配管９に接続されている。また、貯湯タンク６に水を供給するために、貯湯タンク６の下部には、給水配管７が接続されており、その給水配管７には、減圧弁８が設置されている。さらに、貯湯タンク６と減圧弁８との間における給水配管７から、水配管１０が分岐しており、その水配管１０は途中で分岐してそれぞれ給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２の入口側に接続されている。この給湯混合弁１１の出口側は、給湯配管１３によって、給湯口１４に接続されており、この給湯配管１３には、給湯流量検知手段２０が設置されている。また、湯張り混合弁１２の出口側は、湯張り配管１５によって、浴槽１７に接続されており、この湯張り配管１５には、湯張り開閉弁１６が設置されている。そして、水冷媒熱交換器２の出口側近傍のＨＰ配管１８上には、出湯温度センサー２１が設置され、給湯配管１３上には、給湯温度センサー２２が設置され、そして、湯張り混合弁１２の出口側近傍の湯張り配管１５上には、湯張り温度センサー２３が設置されている。以上のような部品によって、給湯回路１０２が構成されている。
なお、上記の構成において、ポンプ１９は、貯湯タンク６の下部と水冷媒熱交換器２との間のＨＰ配管１８に設置されている構成としているが、これに限られるものではなく、ポンプ１９はＨＰ配管１８上のいずれかの位置に設置されるものとすればよい。
また、出湯温度センサー２１、給湯温度センサー２２及び湯張り温度センサー２３は、それぞれ本発明の「出湯温度検出手段」、「給湯温度検出手段」及び「湯張り温度検出手段」に相当するものである。

（その他の構成）
また、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機は、利用者によって給湯温度、湯張り湯量及び湯張り温度等が設定され、また、湯張り時刻を設定するタイマー予約等が設定されるリモコン２４、後述するように出湯温度センサー２１等の情報に基づいて、ヒートポンプサイクル１０１における圧縮機１及び湯張り混合弁１２等を制御する制御装置２５、及び、リモコン２４から上記のような設定温度情報及び利用者による操作情報等を受信し、それらの情報を制御装置２５に送信する通信手段３１を備えている。この制御装置２５には、給湯流量検知手段２０、出湯温度センサー２１、給湯温度センサー２２及び湯張り温度センサー２３が電気的に接続されている。また、制御装置２５には、給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２が電気的に接続されている。
なお、上記のように各種設定を実施する操作手段として、リモコン２４について説明したが、これに限られるものではなく、例えば、屋内の壁等に設置された固定式の操作パネル等でもよい。
また、図１において、制御装置２５及び通信手段３１は別個の構成としているが、これに限られるものではなく、一体となっている構成としてもよい。
また、リモコン２４は、本発明の「操作手段」に相当するものである。

（ヒートポンプ給湯機のヒートポンプサイクル運転）
次に、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機のヒートポンプサイクル１０１におけるヒートポンプサイクル運転について説明する。
圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水冷媒熱交換器２に流入する。この水冷媒熱交換器２において、ガス冷媒は、給湯回路１０２側へ放熱、すなわち、給湯回路１０２を流通する水を加熱しながら温度低下し、水冷媒熱交換器２から低温高圧の状態で流出する。このとき、このガス冷媒が、臨界圧以上であれば、超臨界状態のまま気液相転移しないで、給湯回路１０２側へ放熱して温度低下する。また、このガス冷媒が、臨界圧未満であれば、ガス冷媒は液化しながら、給湯回路１０２側へ放熱して温度低下する。つまり、ヒートポンプサイクル１０１は、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯回路１０２を流通する水）に与えることによって加熱動作を実施し、後述する給湯回路１０２における貯湯動作（沸上げ）において駆動される。そして、水冷媒熱交換器２を流出した冷媒は、膨張弁３に流入する。この膨張弁３において、冷媒は、膨張されて減圧され、蒸発しやすい低温低圧の気液二相の状態となり、蒸発器４に送られる。この蒸発器４において、ファン５の回転駆動によって外部から送られる空気の熱を吸収して蒸発し、低圧の気体冷媒となり、再び圧縮機１へと送られる。以上の動作を繰り返す。

このとき、ヒートポンプサイクル１０１においては各機器の定格能力で運転され（一般的に４．５ｋＷ〜９ｋＷ程度）、このときのヒートポンプサイクル１０１の加熱能力は、制御装置２５の制御によって駆動する圧縮機１の周波数によって制御され、外気温度が低いほど高い周波数で運転される。ここで、加熱能力とは、ヒートポンプサイクル１０１の水冷媒熱交換器２において生成することができる単位時間当たりの熱エネルギーをいうものとする。

（ヒートポンプ給湯機の貯湯運転動作）
次に、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の給湯回路１０２における貯湯運転について説明する。
貯湯タンク６には、その下部から予め給水配管７から減圧弁８を介して一定量の水が供給され貯められている。この貯湯タンク６に貯められた低温の水は、制御装置２５の制御によって駆動されるポンプ１９によって貯湯タンク６の下部から流出させられ、水冷媒熱交換器２に送られる。この水冷媒熱交換器２において、低温の水は、前述したヒートポンプサイクル１０１における冷媒からの放熱によって熱を受けることによる熱交換が実施されて加熱され、水冷媒熱交換器２から流出する。この水冷媒熱交換器２から流出された温水は、貯湯タンク６の上部からその内部に流入する。以上の動作が繰り返されることによって、水冷媒熱交換器２によって加熱された高温水が貯湯タンク６に貯められる。

このような貯湯運転は、出湯温度センサー２１によって検出される沸上げ温度が６５℃〜９０℃となるように実施される。この沸上げ温度は、制御装置２５の制御によって駆動されるポンプ１９の回転数によって調節され、ポンプ１９の回転数は、その沸上げ温度が、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された沸上げ温度設定値になるように制御される。ここで、一般に、制御装置２５によって制御されるポンプ１９の回転数が上昇すると、ＨＰ配管１８を流通する水の流速が増加し、水冷媒熱交換器２に流入してから流出するまでの時間が短くなって、沸上げ温度が低下する。一方、ポンプ１９の回転数が減少すると、ＨＰ配管１８を流通する水の流速が減少し、沸上げ温度が上昇する。
なお、上記の貯湯運転が実施されている状態は、本発明の「貯湯運転モード」に相当するものである。

（ヒートポンプ給湯機の給湯運転動作）
次に、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の給湯回路１０２における給湯運転について説明する。
この給湯運転においては、まず、利用者が給湯口１４に備えられている蛇口を開くことによって、水が給水配管７を流通し、減圧弁８を通過する。減圧弁８を通過した水は、貯湯タンク６の下部から貯湯タンク６の内部に流入する経路と、給水配管７から分岐した水配管１０を流通して給湯混合弁１１に流入する経路とに分岐して流通する。この貯湯タンク６に流入した水によって、貯湯タンク６内に貯められた高温水が貯湯タンク６の上部からタンク出湯配管９に流出して給湯混合弁１１に流入する。そして、この給湯混合弁１１において、水配管１０を流通してきた水と、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通してきた高温水とが混合され、この混合水が、給湯流量検知手段２０及び給湯配管１３を流通して給湯口１４から外部に放出される。このとき、上記の混合水が給湯流量検知手段２０によってその通過が検知されると、制御装置２５は、給湯温度センサー２２によって検出される給湯温度が、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された給湯温度設定値となるように、給湯混合弁１１に対し、水配管１０を流通してきた水と、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通してきた高温水との混合比率を調整させる。

なお、上記の動作においては、制御装置２５が、給湯温度センサー２２によって検出される給湯温度が、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された給湯温度設定値となるように、給湯混合弁１１の動作を制御するものとしたが、これに限られるものではなく、例えば、利用者による給湯口１４に備えられた蛇口の開閉度合いによって、所望の給湯温度となるように、制御装置２５が給湯混合弁１１を制御するものとしてもよい。

（ヒートポンプサイクル運転の特性）
図２は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプサイクル運転の特性を示す図である。
図２において、ヒートポンプサイクル１０１が同一の仕様であることを前提として、沸上げ温度（出湯温度センサー２１によって検出される温度）及び加熱能力とヒートポンプサイクル１０１のＣＯＰ（成績係数）との相関が示されている。図２で示されるように、ヒートポンプサイクル１０１は、その加熱能力が低くなるほどＣＯＰが高く、また、沸上げ温度が低くなるほどＣＯＰが高くなる特性を有する。

（ヒートポンプ給湯機の湯張り運転動作）
まず、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機における湯張り動作の概要を説明する。
利用者によってリモコン２４における湯張り運転の起動操作が実施された場合、又は、予め設定してあった予約タイマー設定による予約設定時間になった場合、湯張り運転が開始される。湯張り運転が開始されると、まず、制御装置２５は、湯張り開閉弁１６を開状態にする。そして、水が給水配管７を流通し、減圧弁８を通過する。減圧弁８を通過した水は、貯湯タンク６の下部から貯湯タンク６の内部に流入する経路と、給水配管７から分岐した水配管１０を流通して湯張り混合弁１２に流入する経路とに分岐して流通する。この貯湯タンク６に流入した水によって、貯湯タンク６内に貯められた高温水が貯湯タンク６の上部からタンク出湯配管９に流出して湯張り混合弁１２に流入する。そして、この湯張り混合弁１２において、水配管１０を流通してきた水と、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通してきた高温水とが混合される。この湯張り混合弁１２における混合水は湯張り配管１５を流通し、この湯張り開閉弁１６を通過して浴槽１７に放出される。また、本実施の形態においては、上記のような貯湯タンク６からの浴槽１７への放出動作のみによる動作のみではなく、後述するように、ヒートポンプサイクル１０１によるヒートポンプサイクル運転も同時に実施される。すなわち、水冷媒熱交換器２において加熱された水が水冷媒熱交換器２を流出し、ＨＰ配管１８を流通して、タンク出湯配管９を介して湯張り混合弁１２に流入する。このときの、制御装置２５は、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を貯湯運転時の加熱能力よりも低能力とし、出湯温度センサー２１によって検出される沸上げ温度も、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された湯張り温度設定値よりも低温となるように運転させる。また、制御装置２５は、湯張り温度センサー２３によって検出される湯張り温度が、前述したように、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された湯張り温度設定値となるように、湯張り混合弁１２に対し水配管１０を流通してきた水と、タンク出湯配管９から流通してきた水との混合比率を調整し、また、ヒートポンプサイクル１０１の加熱動作を制御する。
なお、上記のように、制御装置２５は、沸上げ温度が上記の湯張り温度設定値よりも低温となるように運転させることに限られるものではなく、この湯張り運転時においては、沸上げ温度を貯湯運転時における沸上げ温度よりも低温となるように運転させるものとしてもよい。このように、沸上げ温度を貯湯運転時における沸上げ温度よりも低温となるように運転させるには、制御装置２５が、貯湯運転時と比較して、圧縮機１の回転数を下げること等によってヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を低く運転させたり、又は、ポンプ１９の回転数を高く運転させればよい。
また、制御装置２５は、貯湯運転時と比較して、湯張り運転時における沸上げ温度を低温、かつ、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を低くなるように運転させるものとしてもよい。

次に、湯張り能力について説明する。
湯張り能力とは、所定の浴槽容量、給水温度及び湯張り流量の条件下で、目標とする湯張り温度となる状態で浴槽を満たす場合に必要とされる単位時間当たりの熱エネルギーである。日本冷凍空調工業会規格ＪＲＡ４０５０で示されている、浴槽１８０Ｌ、給水温度９℃及び湯張り温度４５℃の条件において、一般的な湯張り流量１０Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎとすると、標準的な湯張り能力は２５ｋＷ〜５０ｋＷとなる。一方、ヒートポンプサイクル１０１は、４．５ｋＷ〜９ｋＷ程度の加熱能力で運転され、沸き上げ温度は６５℃〜９０℃の範囲で運転される。つまり、湯張り能力の方がヒートポンプサイクルの加熱能力より大きい。加熱能力が４．５ｋＷ〜９ｋＷのヒートポンプサイクル１０１によっては、湯張り能力２５ｋＷ〜５０ｋＷで直接湯張りすることができず、また、その湯張り能力に達する加熱能力が得られたとしても、前述の通り、ヒートポンプサイクル１０１は加熱能力が大きくなるとＣＯＰが低下するので、ＣＯＰが大幅に低下する。また、４．５ｋＷ〜９ｋＷの加熱能力で湯張り運転を実施することもできるが、湯張り時間が長くなってしまう。したがって、湯張り運転において、貯湯タンク６から水を供給する運転に、前述の貯湯運転時よりも低い沸上げ温度、すなわち、貯湯運転時よりも低い加熱能力で補助的にヒートポンプサイクル運転を併用運転させることで、前述の湯張り能力を確保しつつ、湯張り運転時のＣＯＰを向上させることができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク６から水を供給する運転とヒートポンプサイクル運転との併用による湯張り運転における、ヒートポンプサイクル１０１の沸上げ温度と加熱能力との関係を示す図である。図３についてさらに詳しく説明すると、図３は、給水温度９℃、湯張り温度４５℃、湯張り湯量１８０Ｌ及び湯張り能力２５ｋＷという条件においての、ヒートポンプサイクル１０１の沸上げ温度と加熱能力との関係を示している。
図３における点Ｂは、沸上げ温度が９℃、すなわち、ヒートポンプサイクル運転を実施せず（ヒートポンプ加熱能力０ｋＷ）、貯湯タンク６から水を供給する運転のみを実施させて湯張り運転を実施させている状態を示す。一方、点Ｃは、沸上げ温度が４５℃、すなわち、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力２５ｋＷで湯張りする点を示しており、ヒートポンプサイクル運転の実施のみで湯張り運転を実施させている状態を示す。この図３における加熱能力曲線が示すように、沸上げ温度及び加熱能力は一対一の関係であり、沸上げ温度が高くなると、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力も高くなることがわかる。また、図３におけるＣＯＰ曲線は、前述の加熱曲線で示されるような加熱能力が変動した場合の、沸上げ温度に対応するＣＯＰを示している。これによると、沸上げ温度が高くなると、その加熱能力は高くなるが、ヒートポンプサイクル１０１のＣＯＰは大きく低下することがわかる。また、この図３におけるＣＯＰ曲線は、図２において示されている加熱能力を固定とした場合（２ｋＷ、４ｋＷ及び６ｋＷ）におけるＣＯＰ曲線に対して重畳するように、曲線Ｘとして示している。

次に、前述したような貯湯タンク６から水を供給する運転とヒートポンプサイクル運転との併用による湯張り運転における実質的なＣＯＰである湯張りＣＯＰについて説明する。
まず、前述の貯湯運転実施時のＣＯＰを貯湯ＣＯＰとし、湯張り運転において補助的に実施されるヒートポンプサイクル運転（以下、アシスト運転という）を実施した場合のＣＯＰをアシストＣＯＰとする。また、前述の湯張り能力に対するヒートポンプサイクル１０１の加熱能力の比率をＨＰ（Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ）比率とする。このとき、アシスト運転の湯張り能力に対する寄与率は、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力分であるので、ＨＰ比率と同一となる。一方、湯張り能力の残り分、すなわち、湯張り能力−加熱能力は、貯湯タンク６から水を供給する運転によって寄与されるので、その寄与率は、１−ＨＰ比率となる。以上のことから、湯張りＣＯＰは下記の式（１）で表される。

湯張りＣＯＰ＝アシストＣＯＰ×ＨＰ比率＋貯湯ＣＯＰ×（１−ＨＰ比率） （１）

この式（１）で示されるように、アシストＣＯＰが高い、又は、アシスト運転時のヒートポンプサイクル１０１の加熱能力が高い、すなわち、ＨＰ比率が高い場合に、湯張りＣＯＰが高くなることがわかる。また、図３で示されるように、アシスト運転時の沸上げ温度が低いとヒートポンプサイクル１０１のＣＯＰは高くなるが、アシスト運転時の加熱能力が低くなるので、ＨＰ比率は小さくなることがわかる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプサイクル１０１の加熱能力と湯張りＣＯＰとの関係を示す図である。
ここで、前述の貯湯ＣＯＰについては、例えば、図２で示される点Ａ、すなわち、加熱能力６ｋＷ、沸上げ温度を６５℃とした場合の貯湯運転時のＣＯＰであるものとする。一方、アシストＣＯＰは、湯張り運転中のヒートポンプサイクル１０１の平均のＣＯＰであり、このヒートポンプサイクル１０１の起動時におけるＣＯＰも加味している。したがって、ヒートポンプサイクル１０１は、起動してから安定状態に至るまで所定の時間を要することからエネルギー損失があるので、アシストＣＯＰは、安定時のヒートポンプサイクル１０１のＣＯＰよりも低い値となる。このエネルギー損失を考慮し、かつ、式（１）及び図３で示される特性から、図４で示されるような、湯張り運転時におけるヒートポンプサイクル１０１の加熱能力に対する湯張りＣＯＰの特性が求められる。

図４における点Ｄにおいては、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力は０ｋＷであり、貯湯タンク６から水を供給する運転のみによって湯張り運転を実施した場合の湯張りＣＯＰを示しており、これは貯湯ＣＯＰに等しい。また、図４で示されるように、貯湯タンク６から水を供給する運転のみによって湯張り運転を実施した場合より、湯張りＣＯＰが高くできる領域Ｅがあり、この領域Ｅ内に湯張りＣＯＰを最大とするヒートポンプサイクル１０１の加熱能力が存在することがわかる。つまり、貯湯タンク６から水を供給する運転に、前述の貯湯運転時よりも低い沸上げ温度、すなわち、貯湯運転時よりも低い加熱能力で補助的にヒートポンプサイクル運転を併用する湯張り運転を実施することで、貯湯タンク６から水を供給する運転のみによる湯張り運転よりもエネルギー効率の良い湯張り運転が可能となる。

なお、上記の湯張り運転が実施されている状態は、本発明の「湯張り運転モード」に相当するものである。

（実施の形態１の効果）
以上の構成及び動作によって、貯湯タンク６から水を供給する運転に、貯湯運転時よりも低い沸上げ温度（低い加熱能力）で補助的にヒートポンプサイクル運転を併用する湯張り運転を実施することで、貯湯タンク６から水を供給する運転のみによる湯張り運転よりもＣＯＰを向上させることができ、エネルギー効率の良い湯張り運転が可能となる。
また、湯張り運転時にヒートポンプサイクル運転を実施することで、湯張りに必要な熱エネルギーの一部をまかなうことができるので、貯湯タンク６での蓄熱量を削減することができ、貯湯運転から湯張り運転へ移行するまでの間における貯湯タンク６からの放熱量を低減することができるので、さらに効率よい運転ができる。
さらに、貯湯タンク６での蓄熱量を削減することができるため、貯湯タンク６のタンク容量を減らすことができ、貯湯タンク６の小型化が図れる。

なお、前述した湯張り運転における貯湯タンク６から水を供給する運転とヒートポンプサイクル運転との併用運転は、湯張り運転において適用するものに限られるものではなく、所定温度において所定水量を給湯する場合における給湯運転（以下、一括給湯運転という）にも適用することができる。この一括給湯運転の場合、制御装置２５は、出湯温度センサー２１によって検出される沸上げ温度を、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された給湯温度設定値よりも低温となるように運転、又は、この沸上げ温度を、貯湯運転時における沸上げ温度よりも低温となるように運転させるものとすればよい。
また、上記の一括給湯運転が実施されている状態は、本発明の「一括給湯運転モード」に相当するものである。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。本実施の形態においては、実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機の構成及び動作と異なる点を中心に説明する。

（給湯回路１０２の構成）
図５を参照しながら給湯回路１０２の構成について説明する。
図５において、貯湯タンク６の下部は、ＨＰ配管１８によって水冷媒熱交換器２の入口側に接続されており、その貯湯タンク６の下部と水冷媒熱交換器２との間のＨＰ配管１８には、ポンプ１９が設置されている。また、貯湯タンク６の上部は、タンク出湯配管９が接続されており、そのタンク出湯配管９は、流量調整弁２６に接続されている。その流量調整弁２６からさらにタンク出湯配管９が延びて、その配管経路の途中で分岐しており、それぞれ給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２の入口側に接続されている。また、水冷媒熱交換器２の出口側は、ＨＰ配管１８によって流量調整弁２６に接続されている。さらに、その流量調整弁２６の出口側近傍のタンク出湯配管９上には、混合温度センサー２７が設置されている。給湯回路１０２におけるその他の構成は、実施の形態１と同様である。

（その他の構成）
また、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機は、利用者によって給湯温度、湯張り湯量及び湯張り温度等が設定され、また、湯張り時刻を設定するタイマー予約等が設定されるリモコン２４、後述するように出湯温度センサー２１等の情報に基づいて、ヒートポンプサイクル１０１における圧縮機１及び湯張り混合弁１２等を制御する制御装置２５、及び、リモコン２４から上記のような設定温度情報及び利用者による操作情報等を受信し、それらの情報を制御装置２５に送信する通信手段３１を備えている。この制御装置２５には、給湯流量検知手段２０、出湯温度センサー２１、給湯温度センサー２２、湯張り温度センサー２３及び混合温度センサー２７が電気的に接続されている。また、制御装置２５には、給湯混合弁１１、湯張り混合弁１２及び流量調整弁２６が電気的に接続されている。
なお、図５において、制御装置２５及び通信手段３１は別個の構成としているが、これに限られるものではなく、一体となっている構成としてもよい。

（ヒートポンプ給湯機の貯湯運転動作）
次に、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の給湯回路１０２における貯湯運転について説明する。
まず、制御装置２５は、流量調整弁２６を、タンク出湯配管９から給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２に連通している状態から、ＨＰ配管１８とタンク出湯配管９とが連通する状態に変化させる。貯湯タンク６には、その下部から予め給水配管７から減圧弁８を介して一定量の水が供給され貯められている。この貯湯タンク６に貯められた低温の水は、制御装置２５の制御によって駆動されるポンプ１９によって貯湯タンク６の下部から流出させられ、水冷媒熱交換器２に送られる。この水冷媒熱交換器２において、低温の水は、ヒートポンプサイクル１０１における冷媒からの放熱によって熱を受けることによる熱交換が実施され加熱されて、水冷媒熱交換器２から流出する。この水冷媒熱交換器２から流出された温水は、貯湯タンク６の上部からその内部に流入する。以上の動作が繰り返されることによって、水冷媒熱交換器２によって加熱された高温水が貯湯タンク６に貯められる。その後、制御装置２５は、ＨＰ配管１８とタンク出湯配管９とが連通する状態から、タンク出湯配管９から給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２に連通している状態へ変化させる。

（ヒートポンプ給湯機の給湯運転動作）
次に、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の給湯回路１０２における給湯運転について説明する。
この給湯運転においては、まず、利用者が給湯口１４に備えられている蛇口を開くことによって、水が給水配管７を流通し、減圧弁８を通過する。減圧弁８を通過した水は、貯湯タンク６の下部から貯湯タンク６の内部に流入する経路と、給水配管７から分岐した水配管１０を流通して給湯混合弁１１に流入する経路とに分岐して流通する。この貯湯タンク６に流入した水によって、貯湯タンク６内に貯められた高温水が貯湯タンク６の上部からタンク出湯配管９に流出して、流量調整弁２６を通過し、給湯混合弁１１に流入する。そして、この給湯混合弁１１において、水配管１０を流通してきた水と、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通して流量調整弁２６を通過してきた高温水とが混合され、この混合水が、給湯流量検知手段２０及び給湯配管１３を流通して給湯口１４から外部に放出される。このとき、上記の混合水が給湯流量検知手段２０によってその通過が検知されると、制御装置２５は、給湯温度センサー２２によって検出される給湯温度が、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された給湯温度設定値となるように、給湯混合弁１１に対し、水配管１０を流通してきた水と、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通して流量調整弁２６を通過してきた高温水との混合比率を調整させる。

（ヒートポンプ給湯機の湯張り運転動作）
まず、本実施の形態に係るヒートポンプ給湯機における湯張り動作の概要を説明する。
利用者によってリモコン２４における湯張り運転の起動操作が実施された場合、又は、予め設定してあった予約タイマー設定による予約設定時間になった場合、湯張り運転が開始される。湯張り運転が開始されると、まず、制御装置２５は、湯張り開閉弁１６を開状態にする。そして、水が給水配管７を流通し、減圧弁８を通過する。減圧弁８を通過した水は、貯湯タンク６の下部から貯湯タンク６の内部に流入する経路と、給水配管７から分岐した水配管１０を流通して湯張り混合弁１２に流入する経路とに分岐して流通する。また、制御装置２５は、流量調整弁２６を、タンク出湯配管９から給湯混合弁１１及び湯張り混合弁１２に連通している状態から、ＨＰ配管１８からの水とタンク出湯配管９からの高温水とが略同量で混合して湯張り混合弁１２へ流入する状態へ変化させる。そして、この湯張り混合弁１２において、水配管１０を流通してきた水、及び、貯湯タンク６からタンク出湯配管９を流通してきた高温水とＨＰ配管１８を流通してきた水とが流量調整弁２６で混合され通過してきた水が混合される。この湯張り混合弁１２における混合水は湯張り配管１５を流通し、湯張り開閉弁１６を通過して浴槽１７に放出される。また、本実施の形態においては、上記のような貯湯タンク６からの浴槽１７への放出動作のみによる動作のみではなく、ヒートポンプサイクル１０１によるヒートポンプサイクル運転も同時に実施される。すなわち、水冷媒熱交換器２において加熱された水が水冷媒熱交換器２を流出し、ＨＰ配管１８を流通して、タンク出湯配管９を介して湯張り混合弁１２に流入する。このときの、制御装置２５は、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を貯湯運転時の加熱能力よりも低能力とし、出湯温度センサー２１によって検出される沸上げ温度も、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された湯張り温度設定値よりも低温となるように運転させる。また、制御装置２５は、湯張り温度センサー２３によって検出される湯張り温度が、前述したように、利用者によって予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された湯張り温度設定値となるように、湯張り弁１２に対し水配管１０を流通してきた水と、タンク出湯配管９から流通してきた水との混合比率を調整し、また、ヒートポンプサイクル１０１の加熱動作を制御する。
なお、上記のように、制御装置２５は、沸上げ温度が上記の湯張り温度設定値よりも低温となるように運転させることに限られるものではなく、この湯張り運転時においては、沸上げ温度を貯湯運転時における沸上げ温度よりも低温となるように運転させるものとしてもよい。このように、沸上げ温度を貯湯運転時における沸上げ温度よりも低温となるように運転させるには、制御装置２５が、貯湯運転時と比較して、圧縮機１の回転数を下げること等によってヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を低く運転させたり、又は、ポンプ１９の回転数を高く運転させればよい。
また、制御装置２５は、貯湯運転時と比較して、湯張り運転時における沸上げ温度を低温、かつ、ヒートポンプサイクル１０１の加熱能力を低くなるように運転させるものとしてもよい。
その他の動作は、実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機と同様である。

（実施の形態２の効果）
以上の構成及び動作によって、実施の形態１に係るヒートポンプ給湯機と同様の効果が得られる。

なお、湯張り運転動作として、ヒートポンプサイクル１０１の運転時に、ポンプ１９を動作させず、流量調整弁２６の開度を調整して、混合温度センサー２７で検出される温度を、利用者が予めリモコン２４により通信手段３１を介して制御装置２５に設定された湯張り温度設定値又はそれよりやや高い温度となるように運転させるものとしてもよい。このように動作させることによって、ポンプ１９の動力を低減させることができ、さらに効率のよい湯張り運転が可能となる。

本発明の活用例として、家庭用の貯湯型ヒートポンプ給湯機に適用できる。

１ 圧縮機、２ 水冷媒熱交換器、３ 膨張弁、４ 蒸発器、５ ファン、６ 貯湯タンク、７ 給水配管、８ 減圧弁、９ タンク出湯配管、１０ 水配管、１１ 給湯混合弁、１２ 湯張り混合弁、１３ 給湯配管、１４ 給湯口、１５ 湯張り配管、１６ 湯張り開閉弁、１７ 浴槽、１８ ＨＰ配管、１９ ポンプ、２０ 給湯流量検知手段、２１ 出湯温度センサー、２２ 給湯温度センサー、２３ 湯張り温度センサー、２４ リモコン、２５ 制御装置、２６ 流量調整弁、２７ 混合温度センサー、３１ 通信手段、１０１ ヒートポンプサイクル、１０２ 給湯回路。

Claims (8)

1. 少なくとも、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁及び蒸発器が環状に配管で接続されたヒートポンプサイクルと、
   貯湯タンクと、該貯湯タンクの下部に接続された給水配管と、前記貯湯タンクの上部に接続されたタンク出湯配管と、前記給水配管から分岐した水配管と、前記タンク出湯配管及び前記水配管がそれぞれ入口側に接続された湯張り混合弁と、該湯張り混合弁の出口側に接続され、末端が浴槽に接続される湯張り配管と、該湯張り配管上に設置された湯張り開閉弁と、前記貯湯タンクの下部、前記水冷媒熱交換器及び前記タンク出湯配管を順次接続するＨＰ配管と、該ＨＰ配管上に設置されたポンプと、を有する給湯回路と、
   前記水冷媒熱交換器の出口側近傍に設置された出湯温度検出手段と、
   前記圧縮機及び前記湯張り混合弁等の制御をする制御装置と、
   を備え、
   該制御装置は、
   前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器によって加熱された水を前記貯湯タンクの上部から流入させ、該貯湯タンク内に貯める貯湯運転モードと、前記湯張り開閉弁を開状態にして前記浴槽に水を供給する湯張り運転モードと、を有し、
   該湯張り運転モードにおいては、前記ヒートポンプサイクルを動作させ、前記貯湯タンクから供給される水と、前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器から流出する水とを、前記湯張り混合弁によって混合させ、その混合させた水を前記浴槽に供給させ、前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度よりも低温となるように運転させる
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 少なくとも、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁及び蒸発器が環状に配管で接続されたヒートポンプサイクルと、
   貯湯タンクと、該貯湯タンクの下部に接続された給水配管と、前記貯湯タンクの上部に接続されたタンク出湯配管と、該タンク出湯配管上に設置された流量調整弁と、前記給水配管から分岐した水配管と、前記タンク出湯配管及び前記水配管がそれぞれ入口側に接続された湯張り混合弁と、該湯張り混合弁の出口側に接続され、末端が浴槽に接続される湯張り配管と、該湯張り配管上に設置された湯張り開閉弁と、前記貯湯タンクの下部、前記水冷媒熱交換器及び前記流量調整弁を順次接続するＨＰ配管と、該ＨＰ配管上に設置されたポンプと、を有する給湯回路と、
   前記水冷媒熱交換器の出口側近傍に設置された出湯温度検出手段と、
   前記圧縮機及び前記湯張り混合弁等の制御をする制御装置と、
   を備え、
   該制御装置は、
   前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器によって加熱された水を前記貯湯タンクの上部から流入させ、該貯湯タンク内に貯める貯湯運転モードと、前記湯張り開閉弁を開状態にして前記浴槽に水を供給する湯張り運転モードと、を有し、
   前記貯湯運転モードにおいては、前記流量調整弁を、前記ＨＰ配管と前記タンク出湯配管とが連通する状態に変化させ、
   該湯張り運転モードにおいては、前記ヒートポンプサイクルを動作させ、前記流量調整弁を前記タンク出湯配管から前記湯張り混合弁に連通している状態に変化させ、前記貯湯タンクから供給される水と、前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器から流出する水とを、前記湯張り混合弁によって混合させ、その混合させた水を前記浴槽に供給させ、前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度よりも低温となるように運転させる
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 前記制御装置は、前記湯張り運転モードにおいて、前記ヒートポンプサイクルの加熱能力が、前記貯湯運転モード時における前記加熱能力よりも低くなるように運転させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記制御装置は、前記湯張り運転モードにおいて、前記ヒートポンプサイクルにおける前記圧縮機の回転数を、前記貯湯運転モードにおける前記圧縮機の回転数よりも低くなるように運転させる
   ことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記制御装置は、前記湯張り運転モードにおいて、前記ポンプの回転数を、前記貯湯運転モードにおける前記ポンプの回転数よりも高くなるように運転させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記湯張り配管に設置され前記浴槽に供給される水の温度（以下、湯張り温度という）を検出する湯張り温度検出手段と、
   前記湯張り温度の設定値等の操作情報を前記制御装置に送信する操作手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記湯張り運転モードにおいて、
   前記湯張り温度検出手段によって検出される湯張り温度が、前記操作手段によって送信された前記湯張り温度の設定値になるように運転させ、
   前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度に代えて、前記湯張り温度の設定値よりも低温となるように運転させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記タンク出湯配管から分岐した配管及び前記水配管から分岐した配管がそれぞれ入口側に接続された給湯混合弁と、
   該給湯混合弁の出口側に接続された給湯配管と、
   該給湯配管の末端に設置された給湯口と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記給湯口が開状態となった場合、前記給湯混合弁を制御して、前記給湯口から所定温度の所定量の水を放出させる一括給湯運転モードを有し、
   該一括給湯運転モードにおいては、前記ヒートポンプサイクルを動作させ、前記貯湯タンクから供給される水と、前記ヒートポンプサイクルにおける前記水冷媒熱交換器から流出する水とを、前記給湯混合弁によって混合させ、その混合させた水を前記給湯口から放出させ、前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度よりも低温となるように運転させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記給湯配管に設置され前記給湯口から放出される水の温度（以下、給湯温度という）を検出する給湯温度検出手段と、
   前記給湯温度の設定値等の操作情報を前記制御装置に送信する操作手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記一括給湯運転モードにおいて、
   前記給湯温度検出手段によって検出される湯張り温度が、前記操作手段によって送信された前記給湯温度の設定値になるように運転させ、
   前記出湯温度検出手段によって検出された温度を、前記貯湯運転モードにおける前記温度に代えて、前記給湯温度の設定値よりも低温となるように運転させる
   ことを特徴とする請求項７記載のヒートポンプ給湯機。

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