JP2012127626A

JP2012127626A - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP2012127626A
Application number: JP2010282073A
Authority: JP
Inventors: Masashi Urano; 雅司浦野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】出湯時間が短く、且つ出湯から次の出湯までの間隔が短い使用形態の場合でも、ヒートポンプが短い時間間隔でオン／オフ運転を繰り返すことを防止したヒートポンプ式給湯機を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンクの貯湯量変化を検知する湯量検知部７ａと、湯量検知部７ａにより検知された貯湯変化量が所定量x(ｌ)に達するまではヒートポンプの沸上動作を開始させないように制御する制御部７ｂと、貯湯タンクの容量、ヒートポンプの加熱能力、蛇口からの出湯量などに基づいて所定量x(ｌ)を演算する所定量演算部７ｃとを備える。この構成により、ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプの短い時間間隔でオン／オフ運転を防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関し、特に、複数台のヒートポンプ及び小型式の貯湯タンクを備えるヒートポンプ式給湯機に関する。

従来より、ヒートポンプ等の加圧機により水を湯に沸き上げて貯湯タンクに貯湯し、カラン、浴槽や食洗機等の湯使用端末に給湯するヒートポンプ式給湯機が使用されている。このヒートポンプ式給湯機は、加圧機によって高圧力をＣＯ_２冷媒などの自然冷媒にかけることで自然冷媒を高温にして、その熱で湯を沸かすものであり、大気熱を利用できるため、より効率的に湯を沸かし、またＣＯ_２排出量も抑えることができる。

このヒートポンプ式給湯機は、大容量給湯が必要な銭湯やホテル、中容量給湯が必要な病院や老人ホーム、小容量給湯が必要な個人経営飲食店や理髪店など、様々な場所で使用されており、各施設において必要とされる湯量は大きく異なる。

例えば、大型工場ではヒートポンプ（加熱能力４．５ｋＷが４台）が１０セット、貯湯タンク３７０リットルが１０台、開放型タンク２８トンなどが設置される。一方、小型の飲食店では、ヒートポンプ（加熱能力４．５ｋＷ）が４台、貯湯タンク４００リットルが設置される。

ところで、ヒートポンプ式の給湯機を有する貯湯式給湯システムであり、契約施設の最大需要電力を超えることなく、湯切れの発生を抑え、ヒートポンプの効率を高めた貯湯式給湯システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２６７７０８号公報

しかしながら、従来のヒートポンプ式給湯機において、出湯要求があると同時にヒートポンプを運転し、出湯時間が短く、且つ出湯から次の出湯までの間隔が短い使用形態の場合、ヒートポンプが短い時間間隔でオン／オフ運転を繰り返すチャタリング状態となる。この場合、ヒートポンプの寿命を縮め、ヒートポンプの加熱効率を低下させ、直ぐに出湯することができなくなるなどの問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、出湯時間が短く、且つ出湯から次の出湯までの間隔が短い使用形態の場合でも、ヒートポンプが短い時間間隔でオン／オフ運転を繰り返すことがないヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、複数台のヒートポンプと貯湯タンクとを備えたヒートポンプ式給湯機において、前記貯湯タンクの貯湯量変化を検知する貯湯量検知部と、前記貯湯量検知部により検知された貯湯変化量が所定量に達するまではヒートポンプの沸上動作を開始させないように制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

また、前記ヒートポンプ式給湯機の前記制御部は、前記貯湯タンクの容量、前記ヒートポンプの加熱能力、蛇口からの出湯量、出湯温度、及び出湯時間間隔のうちいずれか１以上に基づいて前記所定量を決定することが好ましい。

また、前記ヒートポンプ式給湯機は、さらに、前記所定量を設定入力する入力部を備えることが好ましい。

また、前記ヒートポンプ式給湯機は、さらに、前記貯湯タンクの貯湯変化量が所定量に達したときに、沸上動作を開始させるための制御信号を前記ヒートポンプに送信する送信部を備え、その後、前記貯湯タンクの貯湯がなくなったときには、前記ヒートポンプからの沸上湯を蛇口側に直接出湯することが好ましい。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機によれば、貯湯タンクの貯湯変化量が設定された所定量に達するまではヒートポンプの沸上動作を開始しない。このため、出湯時間が短く、且つ出湯から次の出湯までの間隔が短い使用形態の場合でも、ヒートポンプが短い時間間隔でオン／オフを繰り返すこと（チャタリング）を防止して、ヒートポンプの寿命を縮めず、且つヒートポンプの加熱効率を保持できる。

本発明の実施の形態に係る給湯システムの全体構成図である。同実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の機能ブロック図である。同上ヒートポンプ式給湯機の所定量演算における動作手順を示すフローチャートである。（ａ）食洗機の出湯時間間隔を示す図、（ｂ）ヒートポンプのオン／オフ間隔を示す図、（ｃ）小型式貯湯タンクの貯湯量の経時変化を示す図である。（ａ）他の例での食洗機の出湯時間間隔を示す図、（ｂ）他の例でのヒートポンプのオン／オフ間隔を示す図、（ｃ）他の例での小型式貯湯タンクの貯湯量の経時変化を示す図である。同上ヒートポンプ式給湯機の動作手順を示すフローチャートである。同上実施の形態の第１の変形例に係る給湯システムの全体構成図である。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機について図面を参照して説明する。図１に示すように、ヒートポンプ式給湯機１は、湯を貯える小型式貯湯タンク２と、複数台のヒートポンプ３からなるヒートポンプユニットＹとを備える。複数台のヒートポンプ３は、台数の増減が容易に可能であり、その各々が並列関係にある。

小型式貯湯タンク２は、約３０〜５０リットルの小型タンクであり、ヒートポンプ３に給水すると共に、高性能な断熱材を用いてヒートポンプ３で加熱された湯を保温しながら貯留する機能を有する。ヒートポンプ３は、熱交換式の電気給湯機であり、大気の熱を自然冷媒に移し、その熱で小型式貯湯タンク２から循環する水を加熱する。

このヒートポンプ式給湯機１は、小型式貯湯タンク２を用いて全体のサイズを従来の貯湯タンク（容量４００リットルなど）を用いた場合に比較して全体のサイズをコンパクト化して、ベランダ設置や壁掛け式設置など、建物内での設置が可能となっている。また、ヒートポンプ式給湯機１は、大量の湯を使用する用途ではなく、蛇口５から数秒程度の短時間だけの出湯を繰り返す手洗い用途や、飲食店舗などの食器洗浄機など比較的少量の湯で対応可能な用途に適している。

給湯システムＡにおける配管は、小型式貯湯タンク２及び混合弁６側に水道水を給水するための給水配管４ａ、小型式貯湯タンク２から湯を蛇口５に出湯するための出湯配管４ｂ、小型式貯湯タンク２及びヒートポンプ３の往路（低温側）を接続する送り配管４ｃ、及びヒートポンプ３からの往路（高温側）であり出湯配管４ｂにＴ字接続される戻り配管４ｄである。なお、戻り配管４ｄを小型式貯湯タンク２の頂部に接続することも考えられる。

また、複数台のヒートポンプ３の沸上運転時には、小型式貯湯タンク２の下部からの低温水を送り配管４ｃに送水後にヘッダーを用いて複数台のヒートポンプ３へ分流し、ヒートポンプ３で加熱後の温水を別のヘッダーなどで集めて戻り配管４ｄに流すことができる。

蛇口５は、食洗機用や手洗い用のシンクに取り付けられる。また、蛇口５は、貯湯タンク２の上部に接続された出湯配管４ｂの下流端に接続され、蛇口５がひねられて出湯要求があった場合、小型式貯湯タンク２の頂部から出湯配管４ｂを通して湯が給湯される。混合弁６は、給水配管４ａからの低温水と出湯配管４ｂからの高温水又は中温水とを混合して所定温度にするための弁である。

次に、ヒートポンプ式給湯機１に備わるＥＣＵ（Electronic Control Unit）７の機能に関して説明する。ヒートポンプ式給湯機１は、図２に示すように、ＥＣＵ７、サーミスタ８、及び入力部９を備える。

ＥＣＵ７は、小型式貯湯タンク２の貯湯変化量が設定された所定量x(ｌ)に達したらヒートポンプ３の沸上動作を開始するように制御してヒートポンプ３が短い時間間隔でオン／オフ運転を繰り返すチャタリングを防止するための循環運転を制御する。この循環運転は、ＥＣＵ７からヒートポンプ３に入力される制御信号に基づいて開始される。なお、ＥＣＵ７は、小型式貯湯タンク２に一体的に備え付けても構わないし、小型式貯湯タンク２とは別体としても構わない。

具体的には、ＥＣＵ７は、湯量検知部７ａ、制御部７ｂ、所定量演算部７ｃ、及び信号送信部７ｄを備える。湯量検知部７ａは、小型式貯湯タンク２に複数箇所設けられたサーミスタ８からの温度情報に基づいて、小型式貯湯タンク２の湯量を検出する。サーミスタ８は、例えば半導体などの電気抵抗が温度で変化することを利用して温度を測る温度センサであり、小型式貯湯タンク２の側壁に上部から下部にかけて複数備えられる。なお、出湯配管４ｂの途中に設けられる流量計からの流量測定値に基づいて湯量を検出することも可能である。

制御部７ｂは、ヒートポンプ３におけるチャタリングの発生を防止するため、貯湯変化量が所定量x(ｌ)に達したか否かを判定し、所定量x(ｌ)に達した場合には信号送信部７ｄを介してヒートポンプ３の運転開始の制御信号を送信する。所定量演算部７ｃは、各種パラメータ情報（小型式貯湯タンク２の容量、ヒートポンプ３の加熱能力、蛇口５からの出湯量、出湯温度、及び出湯時間間隔）に基づいて所定値x(ｌ)の演算処理を行う。信号送信部７ｄは、ヒートポンプ３に沸上動作のオン／オフ制御信号を送信する。

ヒートポンプ３は、受信部３ａと制御部３ｂとを備え、受信部３ａは、信号送信部７ｄから送信される制御信号を受信する。制御部３ｂは、受信部３ａで受信した制御信号に基づいて、沸上動作のオン／オフを制御する。入力部９は、操作設定器やリモコンなどであり、所定量演算部７ｃでの所定量x(ｌ)の演算に必要な各種パラメータ情報の入力や、所定量x(ｌ)の入力設定も可能とする。

次に、ＥＣＵ７に備わる所定量演算部７ｃの動作に関して説明する。
最初に、所定量演算部７ｃは、図３に示すように、各種パラメータ情報（小型式貯湯タンク２の容量、ヒートポンプ３の加熱能力、蛇口５からの出湯量、出湯温度、及び出湯時間間隔）を取得する（Ｓ３１）。

次に、所定量演算部７ｃは、ヒートポンプ３のオン／オフ状況を表す関数Ｈを示す下記の［式１］に基づいて、ヒートポンプ３のオン／オフ状況をグラフ化して比較することで、チャタリング頻度が最小となる所定量x(ｌ)を設定する（Ｓ３２）。

(数１)
Ｈ＝F（x；V，Q，［S，θ１，ｙ１，ｙstp１］，［T，θ２，ｙ２，ｙstp２］，時間ｔ）・・・（式１）
ここで、Ｖは貯湯タンク２の容量（ｌ）、Ｑは各ヒートポンプ３の加熱能力（ｋW）、Ｓは蛇口５からの給湯量（ｌ／分）、θ１は食洗機の温度（℃）、ｙ１は食洗機の出湯時間（秒）、ｙstp１は食洗機の停止時間（秒）、Ｔは手洗い用途で給湯量（ｌ／分）、θ２は手洗い用途での温度（℃）、ｙ２は手洗い用途での出湯時間（秒）、ｙstｐ２は手洗い用途での停止時間（秒）である。

具体例を図4及び図5を用いて説明する。図４は、所定量x(ｌ)が２リットルの場合である。図４（ａ）は食洗機の稼動状況（出湯又は停止）を示し、出湯量２リットル／分、４０℃で２０秒出湯、４０秒停止である。図４（ｂ）はヒートポンプ３（加熱能力４．５ｋW：１リットル／分で９０℃に加熱≒２リットル／分で４０℃に加熱）のオン／オフ間隔を示しており、２０秒オン、４０秒オフを繰り返す。図４（ｃ）は、小型式貯湯タンク２の残湯量を示しており、食洗機が使用されると２リットル容量が下がり、所定量x(ｌ)に達してヒートポンプ３の沸上動作が開始されて２リットル容量が増加する動きを繰り返している。

図５は、所定量x(ｌ)が１０リットルの場合であり、図５（ａ）は食洗機の稼動状況（出湯又は停止）を示し、出湯量２リットル／分、４０℃で２０秒出湯、４０秒停止である。図５（ｂ）はヒートポンプ３（加熱能力４．５ｋW：１リットル／分で９０℃に加熱≒２リットル／分で４０℃に加熱）のオン／オフ間隔を示しており、食洗機の稼動中２６０秒（４分２０秒）は停止、その後、連続で１００秒（１分４０秒）稼働している。図５（ｃ）は、小型式貯湯タンク２の残湯量を示しており、食洗機が使用されると１０リットル容量が下がり、所定量x(ｌ)に達してヒートポンプ３の沸上動作が開始されて１０リットル容量が増加する。

従って、図４に示す所定量x(ｌ)が２リットルの場合より、図５に示す所定量x(ｌ)が１０リットルの場合がヒートポンプ３のチャタリングを防止できることが分かる。所定量演算部７ｃは、このように、小型式貯湯タンク２のヒートポンプ３の沸上動作開始ラインとなる所定量x(ｌ)を何種類か試算・グラフ化し、ユーザの使用環境に応じて、チャタリングが最小頻度となる所定量x(ｌ)を設定する。従って、ヒートポンプ式給湯機１では、蛇口５の湯の使用態様に応じて、ヒートポンプ３のチャタリング防止が可能な所定量x(ｌ)を演算できる。

次に、本実施の形態に係る給湯システムＡの全体の動作に関して説明する。
最初に、図6に示すように、制御部７ｂは、湯量検知部７ａから検出信号を受けて蛇口５から出湯中か否かの判定を行う（Ｓ６１）。なお、小型式貯湯タンク２の容量を５０リットル、湯温９０℃とした場合、蛇口５からの出湯量１０リットル／分、４０℃で使用する場合には、約１０分（約１００リットル）の出湯が可能となる。

次に、制御部７ｂは、所定量演算部７ｃで演算された所定量x(ｌ)まで小型式貯湯タンク２の湯量が減少したか否かを判定する（Ｓ６２）。そして、所定量x(ｌ)まで小型式貯湯タンク２の湯量が減少した場合には（Ｓ６２でＹｅｓ）、制御部７ｂは、信号送信部７ｄを介してヒートポンプ３側に運転開始の制御信号を送信する（Ｓ６３）。

そして、制御部７ｂは、湯量検知部７ａを介して湯が使い続けられ、小型式貯湯タンク２に湯がなくなったか否かを判定し（Ｓ６４）、湯がなくなった場合には（Ｓ６４でＹｅｓ）、ヒートポンプ３からの湯を蛇口５に直接給湯する（Ｓ６５）。この場合、ヒートポンプ３の加熱能力に応じた湯温の湯（ぬるま湯）が出湯されるため、蛇口から数秒程度の短時間だけの出湯を繰り返す手洗いや食器洗浄機などの用途で用いる。

以上のように、本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１では、ヒートポンプ３の周期の短いオン／オフ運転（チャタリング）を防止し、ヒートポンプ３の寿命を縮めず、加熱効率を上げることができる。また、ヒートポンプ式給湯機１は、給湯と同時にヒートポンプ３をオン動作させない等、蛇口５からの湯の使用態様に応じて小型式貯湯タンク２の沸上運転開始ライン（所定量x(ｌ)）を設定してヒートポンプ３のチャタリングを防止できる。

（第１の変形例）
本実施の形態の第１の変形例について、図７を参照して説明する。本変形例では、上記実施の形態に係る給湯システムＡの構成に加えて、出湯配管４ｂにガス給湯機１０を接続する。なお、上記実施の形態と同様の構成には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

ガス給湯機１０は、所定条件でヒートポンプ３と共に、又はヒートポンプ３に替わって使用される補助給湯機であり、都市ガスやプロパンガスなどのガスを用いて出湯配管４ｂ内の湯水を沸かす給湯機である。この構成により、本変形例では、小型式貯湯タンク２の貯湯がなくなった場合であって、ヒートポンプ３からの湯が直接蛇口５側に給湯される場合でも、ぬるま湯のみでなく高温水を蛇口５から給湯でき、使用用途を高温水が必要なシャワーなどにも適用できる。なお、本発明は、上記実施の形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。

１ヒートポンプ式給湯機
２小型式貯湯タンク
３ヒートポンプ
３ａ受信部
３ｂ制御部
４ａ給水配管
４ｂ出湯配管
４ｃ送り配管
４ｄ戻り配管
５蛇口
６混合弁
７ＥＣＵ
７ａ湯量検知部
７ｂ制御部
７ｃ所定量演算部
７ｄ信号送信部
８入力部
９サーミスタ
１０ガス給湯機
Ａ給湯システム
Ｙヒートポンプユニット

Claims

複数台のヒートポンプと貯湯タンクとを備えたヒートポンプ式給湯機において、
前記貯湯タンクの貯湯量変化を検知する貯湯量検知部と、
前記貯湯量検知部により検知された貯湯変化量が所定量に達するまではヒートポンプの沸上動作を開始させないように制御する制御部と、を備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記制御部は、前記貯湯タンクの容量、前記ヒートポンプの加熱能力、蛇口からの出湯量、出湯温度、及び出湯時間間隔のうちいずれか１以上に基づいて前記所定量を決定することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
さらに、前記所定量を設定入力する入力部を備え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式給湯機。
さらに、前記貯湯タンクの貯湯変化量が所定量に達したときに、沸上動作を開始させるための制御信号を前記ヒートポンプに送信する送信部を備え、
その後、前記貯湯タンクの貯湯がなくなったときには、前記ヒートポンプからの沸上湯を蛇口側に直接出湯することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯機。