JP2013167409A - ヒートポンプ式液体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】夜間運転時における騒音および消費電力の低減を簡単な制御で実現することができるヒートポンプ式液体加熱装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ式液体加熱装置としてのヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプユニットの加熱能力を制御するヒートポンプユニット制御手段を備えており、ヒートポンプユニット制御手段は、夜間時間帯におけるヒートポンプユニットの加熱能力を、ヒートポンプユニットの定格出力での運転モードにおける加熱能力である定格加熱能力Ｑ２より低く、かつ、少なくとも貯湯ユニットの満容量分の被加熱液体を夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能な加熱能力Ｑ１とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ式液体加熱装置に関するものであり、特に、ヒートポンプ式液体加熱装置の加熱能力制御に関するものである。

ヒートポンプ式液体加熱装置は、一般的に、電気料金が割引される夜間にヒートポンプ部を稼働させ、被加熱液体を加熱して、高温被加熱液体としてタンク部に蓄えておく。そして、被加熱液体の使用時には、タンク部内の高温被加熱液体に常温の被加熱液体を混ぜて適温の被加熱液体として供給している。以下においては、被加熱液体として水を用いたヒートポンプ式液体加熱装置（ヒートポンプ式給湯機）を例にして説明する。

前記のように、一般的なヒートポンプ式給湯機（貯湯式ヒートポンプ式給湯機）は、タンク部内に蓄えられた高温被加熱液体（湯水）を用いて給湯をおこなうので、湯水の使用量が多い場合、タンク部内の湯水が減少（一方で常温水が増加）してお湯が使用できなくなる「湯切れ」が発生する可能性がある。ヒートポンプ式給湯機は、ガス給湯器などと異なり、被加熱液体の温度を上げるのに所定の時間が必要であり、湯切れが発生した場合には、ヒートポンプ部で沸き上げ運転をおこなっても、すぐに湯水を使用することはできない。このため、ヒートポンプ式給湯機では、湯切れを防止するため、タンク部内の残湯量を監視して適宜ヒートポンプ部の沸き増し運転をおこなっている。

ここで、冷凍サイクルは、加熱能力を低減させて運転をおこなったほうがサイクル効率が向上し、成績係数（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が向上することが一般的に知られている。このため、ヒートポンプ式給湯機では、定格加熱能力よりも低い加熱能力で運転をおこなうことにより、より一層の省エネルギ化や光熱費の低減、運転音の低減を図ることが可能となる。

これらを鑑み、たとえば、後記特許文献１では、貯湯タンク内の残湯量を検出する手段を備え、夜間時間帯の沸き上げ運転時には外気温度と貯湯タンクの残湯量に基づいて沸き上げの加熱能力を可変するとともに、昼間の時間帯の沸き上げ運転時には加熱能力を最大として運転をおこなう技術が開示されている。これにより、後記特許文献１では、夜間の沸き上げ運転においてはヒートポンプユニットの運転音の低減を図るとともに、昼間の湯切れの防止を図っている。

特開２００９−２８７７９４号公報

前記した従来技術のように、夜間における加熱能力を低減させることは、騒音の低減には有効な手段である。しかしながら、単に加熱能力を低減させただけでは、成績係数（ＣＯＰ）の向上には直接的にはつながらないという問題点がある。加熱能力の低減は、サイクル効率を上昇させる有効な手段であるが、成績係数を向上させるには、環境条件（たとえば外気温度、外気湿度、入水温度など）や残湯量に合わせて、その加熱能力に最適化されたサイクル制御をおこなう必要がある。しかし、多種多様な環境条件や加熱能力に合わせた最適なサイクル制御を実現するには、処理が非常に複雑になり、また、多種多様な環境条件（たとえば外気温度、外気湿度、入水温度など）に応じた試験を実施する必要がある。このため、前記した従来技術では、加熱能力の低減によって騒音の低減は図ることができるものの、最適なサイクル制御をおこなうことはできず、必ずしも省エネルギ化や光熱費の低減にはつながらない。

本発明は、このような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、夜間運転時における騒音および消費電力の低減を簡単な制御で実現することができるヒートポンプ式液体加熱装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるヒートポンプ式液体加熱装置は、加熱前後の被加熱液体が貯蔵されるタンク部と、冷凍サイクルによって前記被加熱液体を加熱するヒートポンプ部と、前記ヒートポンプ部の加熱能力を制御する加熱能力制御手段と、を備えるヒートポンプ式液体加熱装置であって、前記加熱能力制御手段は、夜間時間帯における前記ヒートポンプ部の加熱能力を、前記ヒートポンプ部の定格出力での運転モードにおける加熱能力である定格加熱能力より低く、かつ、少なくとも前記タンク部の満容量分の前記被加熱液体を前記夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能な加熱能力とすることを特徴とする。

本発明によれば、夜間運転時における騒音および消費電力の低減を簡単な制御で実現することができるヒートポンプ式液体加熱装置を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機の構成を示す図である。 ヒートポンプ式給湯機の運転動作の手順を示すフローチャートである。 ヒートポンプ式給湯機における加熱能力の切り替えを模式的に示す説明図である。 加熱能力と運転条件との関係を模式的に示す説明図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態においては、被加熱液体として水を用いたヒートポンプ式液体加熱装置であるヒートポンプ式給湯機を例として説明する。また、本実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機は、主に家庭用として用いられるものとする。

（ヒートポンプ式給湯機の構成）
図１は、本発明の一実施形態にかかるヒートポンプ式給湯機の構成を示す図である。ヒートポンプ式給湯機Ｓは、ヒートポンプ冷媒回路の構成部品を収納したヒートポンプユニット（ヒートポンプ部）３０と、貯湯タンク１０を中心として貯湯回路および給湯回路の構成部品を収納する貯湯ユニット（タンク部）４０とを備えている。貯湯ユニット４０には加熱前後の被加熱液体が貯蔵される。また、ヒートポンプユニット３０は冷凍サイクルによって被加熱液体を加熱する。ヒートポンプユニット３０と貯湯ユニット４０とは別体としてもよいし、１つの筐体内に一体的に配置されてもよい。

ヒートポンプユニット３０および貯湯ユニット４０の運転は、それぞれヒートポンプユニット制御手段（加熱能力制御手段）５２および貯湯ユニット制御手段（貯蔵量制御手段）５１によって制御されている。ヒートポンプユニット制御手段５２と貯湯ユニット制御手段５１とは相互に通信し、お互いの状況を監視しているとともに、連携してヒートポンプ式給湯機Ｓの制御をおこなっている。また、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、ユーザへのインターフェースとしてリモコン（入力手段）５０を備えている。

ヒートポンプユニット３０は、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、減圧装置４、空気熱交換器５を、それぞれ冷媒配管を介して直列に接続して構成されたヒートポンプ冷媒回路を備えている。ヒートポンプ冷媒回路内には、炭酸ガス（二酸化炭素）の冷媒が封入されている。冷媒に二酸化炭素を使用することによって、環境への影響が少なく、省エネ性に優れたヒートポンプ式給湯機とすることができる。また、ヒートポンプユニット３０では、圧縮機１による冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が、当該冷媒の臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式の冷凍サイクルを用いており、冷媒を高温高圧にできるため例えば９０℃のような高温の湯を得ることができる。

圧縮機１は、ＰＷＭ制御、電圧制御（たとえばＰＡＭ制御）およびこれらの組合せ制御により、低速（たとえば７００回転／分）から高速（たとえば６０００回転／分）まで回転数制御ができるようになっている。ヒートポンプユニット３０では、その出力である加熱能力を基本的に一定として運転をおこなう。このため、圧縮機１の回転数（回転速度）は、外気温度の高い夏期には低速、外気温度の低い冬期には高速で運転するように制御される。また、圧縮機１の回転数は、前記した外気温度の他、入水温度（加熱前被加熱液体温度：水冷媒熱交換器２に入る被加熱液体の温度）や出湯温度（加熱後被加熱液体温度：水冷媒熱交換器２から出る被加熱液体の温度）などの環境条件にも応じて制御される。

水冷媒熱交換器２は、圧縮機１から吐出された高温冷媒が流れる冷媒側伝熱管と、貯湯タンク１０の下側から供給される低温水（被加熱液体）を循環して水冷媒熱交換器２内で加熱するための被加熱液体側伝熱管と、を備えている。水冷媒熱交換器２では、冷媒側伝熱管内の高温冷媒と被加熱液体側伝熱管内の被加熱液体との間で熱交換をおこなわせて、高温冷媒の熱を被加熱液体に伝達し、被加熱液体の温度を上昇させる。

減圧装置４は、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空気熱交換器（蒸発器）５へ送る。減圧装置４としては、たとえば電動膨張弁が使用される。また、減圧装置４は、ヒートポンプ冷媒回路の絞り量を変えてヒートポンプ冷媒回路内の冷媒循環量を調節する働きや、冬期低温時に空気熱交換器５に着霜した場合、前記絞り量を全開にして中温冷媒を空気熱交換器５に多量に送りこみ、霜を溶かす除霜装置の働きもある。

空気熱交換器５は、送風機６の回転によって外気（空気）を取り入れ、外気と冷媒との間で熱交換をおこなわせ、冷媒に外気から熱を吸収させる。空気熱交換器５から送出された冷媒は、再び圧縮機１へと戻される。

また、ヒートポンプユニット３０には、圧縮機１からの冷媒吐出圧力を検出する圧力センサ（図示せず）、冷媒吐出温度を検出する吐出温度センサ２２、外気温度を検出する外気温度センサ２３、出湯温度を検出する出湯温度センサ２０、入水温度を検出する入水温度センサ２１などが設けられている。これらのセンサの検出値は、ヒートポンプユニット制御手段５２に出力される。

次に、貯湯ユニット４０の構成について説明する。貯湯ユニット４０は、貯湯タンク１０を中心として、貯湯や給湯などをおこなうための水循環回路（貯湯回路３１および給湯回路３２）を備えて構成されている。貯湯タンク１０には、貯湯温度や貯湯量を検出するための複数の温度センサ（検出手段）１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが備えられている。温度センサ１０ａ〜１０ｄの検出値は、貯湯ユニット制御手段５１に出力される。

貯湯回路３１は、貯湯タンク１０、循環ポンプ１５、水冷媒熱交換器２が配管を介して順次直列に接続されて構成されている。貯湯回路３１は、貯湯タンク１０に高温水を貯めるための回路である。貯湯回路３１の運転には、夜間電力を用いて貯湯タンク１０に翌日使用する湯水を貯める貯湯運転、および昼間などに貯湯タンク１０内の残湯量等が規定値以下になった場合に湯水を沸き増すための沸き増し運転がある。貯湯運転は毎日定期的におこなわれる一方で、沸き増し運転は必要な場合に時間帯を問わずおこなわれる。貯湯運転または沸き増し運転では、貯湯タンク１０内の低温水が、循環ポンプ１５によって貯湯タンク１０の底部から水冷媒熱交換器２の水側伝熱管に流入され、冷媒側伝熱管からの熱によって規定温度まで加熱される。加熱後の温水は、貯湯タンク１０の頂部に戻されて貯湯される。なお、図１においては、循環ポンプ１５をヒートポンプユニット３０内に設けるものとしたが、貯湯ユニット４０内に設けてもよい。

給湯回路３２は、給水金具７、減圧弁８、給水量センサ９、貯湯タンク１０、湯水混合弁１２、給湯金具１３が水配管を介して順次直列に接続され構成されている。給水金具７は、主として水道などの給水源に接続され、給湯金具１３は、蛇口１４などの家庭内の給湯負荷に接続されている。給湯回路３２は、ユーザが湯水を使用する際に、蛇口１４から給湯をおこなうための回路である。

なお、ヒートポンプ式給湯機Ｓの構成によっては、給水量センサ９や減圧弁８が設けられない場合もある。また、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、風呂の湯張りの回路や追い焚きの回路（ともに図示せず）を備えていてもよい。

また、本実施形態においては、被加熱液体である水を一旦貯湯タンク１０に取り入れた後、貯湯回路３１を介してヒートポンプユニット３０に供給する構成としたが、これに限らず、たとえば給水口（給水管）から直接ヒートポンプユニット３０に被加熱液体を供給するようにしてもよい。また、貯湯タンク１０内の湯を給湯するのではなく、貯湯タンク１０内の湯の熱を利用して水道水を加熱する熱交換器を備えた水道直圧給湯であってもよい。

貯湯ユニット制御手段５１は、給湯などの温度調整である湯水混合弁１２の制御や、貯湯タンク１０の残湯量を検出し、貯湯タンク１０の沸き上げタイミングや沸き上げ温度を制御する。貯湯ユニット制御手段５１は、給水量センサ９の検出値などを用いて家庭における給湯負荷を判定し、最もエネルギ効率のよい運転状態となるように、沸き上げ温度や沸き上げ量、沸き上げ時間などを制御する学習制御機能を有している。なお、貯湯運転における沸き上げ温度（貯湯温度）は、たとえば季節によって制御される。具体的には、たとえば外気温や給水温度が低い冬季の沸き上げ温度は、高温貯湯の規定温度（たとえば９０℃）に設定され、その他の季節（夏季や中間期）の沸き上げ温度は、通常貯湯の規定温度（たとえば６５℃）に設定される。

ヒートポンプユニット制御手段５２は、ヒートポンプ冷媒回路の運転・停止制御や圧縮機１の回転数制御をおこなうとともに、減圧装置４の冷媒絞り量調整など、主として冷凍サイクルの運転を制御する。これらの制御は、吐出温度センサ２２、外気温度センサ２３、出湯温度センサ２０、入水温度センサ２１などの検出値に基づいて、最適な運転状態となるようにおこなわれている。具体的には、ヒートポンプユニット制御手段５２は、たとえば、周囲温度や給水温度が低く加熱負荷が大きい場合（冬期低温時）は、圧縮機１の回転数を高回転数（たとえば３０００〜４０００回転／分）とする。一方、加熱負荷が小さい夏期や中間期では、圧縮機１の回転数を比較的低回転数（たとえば１０００〜２０００回転／分）とする。

リモコン５０は、ユーザとのインターフェースとして設けられ、給湯温度の設定やエラーの表示、運転モードの変更、沸き増し運転の指示などがおこなえるようになっている。

ここで、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、家庭での使用湯量にあわせて貯湯タンク１０の容量が設定されている。一般的には、小型の３００リットル、４人程度の一般家庭を想定した３７０リットル、４人から６人程度の家族を想定した４６０リットル、および大家族用の５５０リットル程度の容量が設定されている。ヒートポンプユニット３０の加熱能力に対応する出力は、組み合わされて使用される貯湯ユニット４０内の貯湯タンク１０の容量に合わせて設定される。一例としては、たとえば、貯湯タンク容量が３７０リットルの場合には定格出力４．５ｋＷのヒートポンプユニット３０が、貯湯タンク容量が４６０リットルの場合には定格出力６．０ｋＷのヒートポンプユニット３０が、それぞれ組み合わされる。

この組合せは、夜間電力が利用可能な夜間時間帯（一般的には夜間の２３時〜朝の７時までの８時間）内で、貯湯タンク１０の全容量の沸き上げが可能な加熱能力が確保されるように設定されている。たとえば、外気温度および水温が低下する冬期には、夜間時間帯のうちに貯湯タンク１０の全容量の沸き上げをおこなうには、ヒートポンプユニット３０の定格出力での運転が必要となる。一方、外気温度および水温がそれほど低くない夏期や中間期（春や秋）には、加熱能力（出力）を低減させて運転しても夜間時間帯のうちに貯湯タンク１０の全容量の沸き上げが可能となる。

ヒートポンプ式給湯機Ｓの貯湯運転は、通常、割引電気料金が適用される夜間電力を用いておこなわれる。一般に、ヒートポンプ式給湯機Ｓを使用する家庭では、時間帯ごとに異なる電気料金が適用される料金形態で電力会社と契約している。このような料金形態では、前記した夜間電力の料金が最も安く、次いで朝夕時間帯（一般的には７時〜１０時および１７時〜２３時）、昼間時間帯（一般的には１０時から１７時）と料金が上がっていく。このため、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、電気料金が高い昼間時間帯の運転はなるべく避けて、電気料金が安い夜間時間帯または朝夕時間帯に沸き上げ運転をおこなうように一般的に制御される。

具体的には、ヒートポンプ式給湯機Ｓでは、夜間時間帯に翌日使用する１日分の湯を沸き上げる（貯湯運転）。そして、たとえば昼間の給湯需要が多く、このままお湯を使った場合に湯切れが発生する可能性がある場合にのみ、昼間時間帯または朝夕時間帯にも沸き上げをおこなう（沸き増し運転）。なお、これらの運転は、基本的にはヒートポンプユニット制御手段５２および貯湯ユニット制御手段５１によって自動制御されるが、特に昼間の運転については、リモコン５０を介してユーザからの指示に従って運転をおこなう場合もある。このような手動による沸き増し運転は、一般的には、リモコン５０に表示されている残湯量をユーザが確認し、今後の湯の使用量に対して不足すると考えた場合や、通常よりも多くお湯を使用する場合などに使用される。

（ヒートポンプ式給湯機Ｓの運転動作）
次に、一般的なヒートポンプ式給湯機Ｓの運転動作の一例について、図１の構成図を参照しながら、図２のフローチャートに基づいて説明する。
図２は、ヒートポンプ式給湯機Ｓの運転動作の手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートに先立って、貯湯ユニット制御手段５１は、毎日の湯水使用量を記憶学習して、翌日の湯水使用量を推定し、夜間の貯湯運転における貯湯温度および貯湯量を決定するとともに、前記貯湯量が夜間電気割引料金の適用される夜間時間帯（たとえば２３時〜７時の８時間）内に沸き上がるように貯湯運転の開始時刻を設定する（ステップＳ２１４参照）。

ヒートポンプ式給湯機Ｓは、設定された貯湯運転の開始時刻になるまで待機して（ステップＳ２０１：Ｎｏのループ）、貯湯運転開始時刻になると（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、貯湯運転を開始する（ステップＳ２０２）。具体的には、ヒートポンプユニット制御手段５２が圧縮機１（図１参照）を始動させてヒートポンプ冷媒回路を動作させる。また、循環ポンプ１５によって貯湯タンク１０の底部から低温水を循環させて、水冷媒熱交換器２における熱交換によって規定温度の高温水とし、貯湯タンク１０の頂部に戻すように貯湯回路３１を動作させる。なお、貯湯タンク１０の頂部に戻された高温水は密度が小さいので、底部に溜まっている低温水とは混ざらない。

貯湯タンク１０の貯湯温度および貯湯量が規定値に達しない間は（ステップＳ２０３：Ｎｏのループ）、ヒートポンプ式給湯機ＳはステップＳ２０２に戻り、貯湯運転を継続する。なお、ステップＳ２０３における規定値とはステップＳ２１４で設定された夜間の貯湯運転における貯湯温度および貯湯量である。そして、貯湯温度および貯湯量が規定値に達すると（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、ヒートポンプ式給湯機Ｓは貯湯運転を終了する（ステップＳ２０４）。

朝になって、たとえば蛇口１４が開かれて湯水の使用が開始されると（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、貯湯ユニット制御手段５１は、給湯温度が適温（一般的には約４２℃）となるように湯水混合弁１２からの給水量を調整し、給湯回路３２で適温水を供給する給湯運転を開始する（ステップＳ２０６）。なお、給湯運転時は、水道の給水源からの水圧を利用して給湯をおこなう。すなわち、蛇口１４が開かれると、貯湯タンク１０の底部に給水され、その圧力により、貯湯タンク１０の頂部から高温水が湯水混合弁１２の方へと排出される。蛇口１４から貯湯タンク１０の底部に供給される水は低温なので密度が高く、密度の低い高温水とは混ざらない。

蛇口１４が閉じられるなどして湯水使用が終了するまでは（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、ステップＳ２０６に戻り、給湯運転を継続する。そして、湯水使用が終了すると（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、湯水混合弁１２は所定の位置に戻されて給湯運転が停止する（ステップＳ２０８）。なお、ステップＳ２０５において、湯水の使用が開始されない場合は（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、ステップＳ２１３に移行する。

給湯運転が停止されると、貯湯ユニット制御手段５１は、温度センサ１０ａ〜１０ｄの検出値を用いて貯湯タンク１０内の貯湯温度および貯湯量を検出し、貯湯タンク１０内の残湯量（タンク残湯量）が所定量以上あるか否かを判断する（ステップＳ２０９）。ステップＳ２０９における所定量とは、ステップＳ２１４で推定する１日の湯水使用量に基づく値であり、このまま湯水の使用を継続すると、１日が終わらないうちに湯切れが発生する可能性があるタンク残湯量である。ステップＳ２０９の判断は、給湯運転中（ステップＳ２０６）におこなってもよい。タンク残湯量が所定量以上確保されている場合は（ステップＳ２０９：Ｙｅｓ）、沸き増し運転はおこなわず、ステップＳ２０５に戻り、以降の処理をくり返す。

一方、タンク残湯量が所定量未満となった場合（ステップＳ２０９：Ｎｏ）、貯湯タンク１０内の貯湯量を増やすために沸き増し運転をおこなう（ステップＳ２１０）。ヒートポンプ式給湯機Ｓは、貯湯タンク１０内の貯湯量が所定量に達するまでは（ステップＳ２１１：Ｎｏ）、ステップＳ２１０に戻り、沸き増し運転を継続する。そして、貯湯量が所定量に達すると（ステップＳ２１１：Ｙｅｓ）、沸き増し運転を終了する（ステップＳ２１２）。ヒートポンプ式給湯機Ｓは、１日の給湯使用が終了するまでは（ステップＳ２１３：Ｎｏ）、ステップＳ２０５に戻り、以降の処理をくり返す。

そして、１日の給湯使用が終了すると（ステップＳ２１３：Ｙｅｓ）、貯湯ユニット制御手段５１は、前記した学習制御機能を起動させる。より詳細には、貯湯ユニット制御手段５１は、１日の給湯使用が終了すると、貯湯タンク１０の残湯温度および残湯量を検出して、１日ごとの湯水使用量を算出し、翌日の湯水使用量を推定する。そして、推定した湯水使用量に適合した貯湯温度および貯湯量、貯湯運転開始時刻などの貯湯運転条件の設定をおこなう（ステップＳ２１４）。その後、ヒートポンプ式給湯機Ｓは、ステップＳ２０１に戻り、貯湯運転の開始時刻になるまで待機する。

（ヒートポンプ式給湯機Ｓにおける加熱能力の切り替え）
前記したように、冷凍サイクルのサイクル効率は、一般に、加熱能力を低減させることによって向上し、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。このため、ヒートポンプ式給湯機Ｓにおいても、加熱能力を低減することによって、使用するエネルギ（電力）を少なくすることができ、省エネルギ化、光熱費の低減を図ることができる。また、加熱能力を低減させるとによって、ヒートポンプユニット３０の主な騒音源である圧縮機１および送風機６の回転数を低速にすることができ、低騒音化を図ることができる。なお、圧縮機１の回転数を低速化することができるのは、加熱能力の低減によって冷媒循環量を低減させることができるためであり、送風機６の回転数を低減することができるのは、加熱能力の低減によって空気からの吸熱必要量を低減させることができるためである。

しかしながら、加熱能力を低減した運転をおこなうには、冷凍サイクルがその加熱能力で運転するように、たとえば圧縮機１の回転数や、冷媒の吐出温度、減圧装置４の開度など、冷凍サイクルのチューニングが必要である。このため、単に加熱能力を変更しても、冷凍サイクルの状態が最適化されていない場合には、成績係数は向上しない。つまり、加熱能力を低減させても、加熱能力に合わせて冷凍サイクルを適正化して制御しなければ省エネルギ化にはつながらない。

そこで、本実施形態のヒートポンプ式給湯機Ｓでは、複数の加熱能力、少なくとも２種類以上の加熱能力を切り替えて運転をおこなえるように設定されている。そして、それぞれの加熱能力に合わせて冷凍サイクルが適正化されており、これにより、成績係数を向上させることができる。

図３は、ヒートポンプ式給湯機Ｓにおける加熱能力の切り替えを模式的に示す説明図である。図３において、縦軸は加熱能力、横軸はある１日における時刻を示している。図３には、２種類の加熱能力Ｑ１およびＱ２が示されている。加熱能力Ｑ２は、ヒートポンプユニット３０のいわゆる定格出力での運転モードにおける加熱能力（定格加熱能力）であり、加熱能力Ｑ２であれば、常に夜間時間帯の８時間以内に貯湯タンク１０の全容量を沸き上げることが可能である。一方、加熱能力Ｑ１は加熱能力Ｑ２よりも低い加熱能力である。加熱能力Ｑ１では、運転条件（具体的には、入水温度と沸き上げ温度）によっては、夜間時間帯の８時間以内に貯湯タンク１０の全容量を沸き上げることが可能である。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機Ｓでは、夜間の貯湯運転時に加熱能力Ｑ１で貯湯タンク１０の全容量沸き上げが可能であるか否かを判断する。この判断は、沸き上げ温度の設定値と入水温度センサ２１で検出される入水温度に基づいておこなう。そして、加熱能力Ｑ１で沸き上げが可能であると判断した場合には、夜間時間帯の貯湯運転を加熱能力Ｑ１でおこなう。一方、加熱能力Ｑ１で沸き上げが可能でないと判断した場合には、夜間時間帯の貯湯運転を加熱能力Ｑ２でおこなう。

また、ヒートポンプ式給湯機Ｓでは、主に夜間時間帯以外の時間帯（たとえば朝夕時間帯）におこなわれる沸き増し運転時には、常に定格出力での運転モードにおける加熱能力Ｑ２（定格加熱能力）で沸き上げをおこなう。これは、沸き増し運転は、迅速にお湯が必要な状態で操作される機能であり、速やかに沸き上げをおこなって湯量を確保する必要があるためである。

図４は、加熱能力と運転条件との関係を模式的に示す説明図である。図４において、縦軸は貯湯回路３１における循環流量、横軸は入水温度を示している。また、縦軸上には、貯湯タンク１０を全容量沸き上げるのに必要な最低流量（必要最低流量）が示されている。図４に示すように、同一の加熱能力において、同一の沸き上げ温度であれば、入水温度が高くなるにつれて循環流量は増加する。

たとえば、冬場などで入水温度が低く（入水温度がＴｗｉ未満）、沸き上げ温度が高温（たとえば９０℃）の場合は、加熱能力Ｑ１では必要最低流量に満たず、貯湯タンク１０を全容量沸き上げするのには加熱能力Ｑ２で運転する必要がある。しかし、同じく沸き上げ温度が高温であっても、入水温度が高い（入水温度がＴｗｉ以上）場合は、加熱能力Ｑ１であっても、必要最低流量を確保することができ、貯湯タンク１０の全容量沸き上げが可能である。

また、沸き上げ温度が低い場合（たとえば６５℃）では、入水温度にかかわらず加熱能力Ｑ１であっても必要最低流量を満たしており、加熱能力Ｑ１での貯湯運転が可能である。具体的に必要最低流量を算出すると、容量４６０リットルの貯湯タンク１０の場合、８時間（４８０分）での貯湯運転をおこなう場合、４６０／４８０＝０．９５８リットル／分の流量で貯湯タンク１０を満タンすることができる。また、容量３７０リットルの貯湯タンク１０であれば、３７０／４８０＝０．７７１リットル／分で貯湯タンク１０を満タンすることができる。

このように、ヒートポンプ式給湯機Ｓでは、沸き上げ温度および入水温度、またはそのいずれかに基づいて、低い加熱能力で貯湯タンク１０の全容量沸き上げが可能か判断し、可能な場合には、夜間の貯湯運転を低い加熱能力でおこなう。たとえば、従来技術のように、貯湯タンク１０の残湯量を確認し、必要湯量に基づいて加熱能力を制御することも可能であるが、冷凍サイクルの適正化を確保するための制御が複雑になり、また、残湯量を正確に検出するためには、貯湯タンク１０に温度センサを多数個設置するなどのハードウエアもさらに必要となる。これに対し、本実施形態のヒートポンプ式給湯機Ｓによれば、冷凍サイクルの設定においても、最低２通りの加熱能力に対してサイクル設計をおこなえばよく、簡易な方法で省エネルギ化や低騒音化などの効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、ヒートポンプ式給湯機Ｓで切り替える加熱能力を２種類としたが、より多くの加熱能力を切り替えられるように設計してもよい。たとえば、ヒートポンプユニット３０の定格加熱能力を第１の加熱能力とし、貯湯タンク１０の満容量分の水を夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能な第２の加熱能力、定格加熱能力よりも高い第３の加熱能力、などとしてもよい。３つ以上などの複数の加熱能力の間で切り替え可能となっている場合には、複数の加熱能力の中で、少なくとも貯湯タンク１０の満容量分の被加熱液体を夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能なもののうち最も低い加熱能力で運転されるようにしてもよい。

また、ヒートポンプ式給湯機Ｓでは、ユーザの指示による沸き増し運転時には、加熱能力の低下はおこなわず、定格加熱能力での運転をおこなう。これは、ユーザの指示による沸き増し運転は、迅速にお湯が必要な状態で操作される機能であり、速やかに沸き上げをおこなって湯量を確保する必要があるためである。また、通常の加熱能力（定格加熱能力）よりも高い加熱能力で運転ができる場合のように３つ以上などの複数の加熱能力の間で切り替え可能となっている場合には、ユーザの指示による沸き増し運転時には、複数の加熱能力の中で最も高い加熱能力にして加熱能力を増加させ、速やかに湯量を確保するようにしてもよい。

なお、加熱能力を高くした場合にはヒートポンプユニット３０からの騒音も増大する。このため、夜間時間帯にユーザの指示による沸き増し指示があった場合には、騒音を抑えるために加熱能力の増加をおこなわないようにしてもよい。一方、昼間の時間帯など、多少の騒音が問題とならない場合には、加熱能力を増加させ、必要な湯量を速やかに確保し、使い勝手を向上させるようにしてもよい。また、昼間時間帯や朝夕時間帯に、加熱能力および騒音の増加を許可するか否かをユーザが設定ができるようにしてもよい。

また、自動でおこなう沸き増し運転時には、たとえば湯水使用量の学習結果に基づいて加熱能力を設定してもよい。たとえば、貯湯タンク１０の残湯量は少ないが、湯水使用量の学習結果から今後の湯水使用予定が少ないと判断される場合は、低い加熱能力で運転をおこなうようにしてもよい。さらに、自動でおこなう沸き増し運転時には、たとえば時間帯によって加熱能力を設定してもよい。具体的には、たとえば、昼間時間帯には湯量確保を優先するため高い加熱能力で運転し、朝夕時間帯には加熱能力と騒音の両方が中庸となる加熱能力、夜間時間帯には低い加熱能力で運転をおこなうようにしてもよく、これにより、省エネルギ運転および低騒音化を図ることができる。

また、本発明の「被加熱液体」として、給水源から給水配管を介して供給される水道水を例示して説明したが、本発明はこの例に限定されない。本発明の「被加熱液体」としては、例えば、井戸水を採用してもよい。また、水以外にも、潜熱蓄熱材入りの液体、ブライン、不凍液などを、本発明の「被加熱液体」として採用してもよい。

１ 圧縮機
２ 冷媒熱交換器
４ 減圧装置
５ 空気熱交換器
１０ 貯湯タンク
１０ａ〜１０ｄ 温度センサ（検出手段）
３０ ヒートポンプユニット（ヒートポンプ部）
４０ 貯湯ユニット（タンク部）
５０ リモコン（入力手段）
５１ 貯湯ユニット制御手段（貯蔵量制御手段）
５２ ヒートポンプユニット制御手段（加熱能力制御手段）
Ｑ１ 加熱能力
Ｑ２ 加熱能力（定格加熱能力）
Ｓ ヒートポンプ式給湯機（ヒートポンプ式液体加熱装置）

Claims (8)

1. 加熱前後の被加熱液体が貯蔵されるタンク部と、冷凍サイクルによって前記被加熱液体を加熱するヒートポンプ部と、前記ヒートポンプ部の加熱能力を制御する加熱能力制御手段と、を備えるヒートポンプ式液体加熱装置であって、
   前記加熱能力制御手段は、夜間時間帯における前記ヒートポンプ部の加熱能力を、前記ヒートポンプ部の定格出力での運転モードにおける加熱能力である定格加熱能力より低く、かつ、少なくとも前記タンク部の満容量分の前記被加熱液体を前記夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能な加熱能力とすることを特徴とするヒートポンプ式液体加熱装置。
2. 前記被加熱液体への加熱指示が入力される入力手段を備え、
   前記加熱能力制御手段は、前記入力手段に入力された前記加熱指示に対応して前記被加熱液体への加熱をおこなう際は、時間帯にかかわらず前記ヒートポンプ部の加熱能力を前記定格加熱能力とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
3. 前記タンク部における加熱後の前記被加熱液体の貯蔵量を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された前記貯蔵量が所定量以下となった場合、前記被加熱液体への加熱指示をおこなう貯蔵量制御手段と、を備え、
   前記加熱能力制御手段は、前記貯蔵量制御手段による前記加熱指示に対応して前記被加熱液体への加熱をおこなう際は、前記加熱指示がおこなわれた時間帯に基づいて前記ヒートポンプ部の加熱能力を設定す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式液体加熱装置。
4. 前記加熱能力制御手段は、前記夜間時間帯以外の時間帯には、前記ヒートポンプ部の加熱能力を前記定格加熱能力とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
5. 前記加熱能力制御手段は、前記ヒートポンプ部の加熱能力を、前記定格加熱能力と、前記定格加熱能力よりも低く、かつ、少なくとも前記タンク部の満容量分の前記被加熱液体を夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能な加熱能力と、を少なくとも含む複数の加熱能力の間で切り替え可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
6. 前記加熱能力制御手段は、前記夜間時間帯における前記ヒートポンプ部の加熱能力を、前記複数の加熱能力の中で、少なくとも前記タンク部の満容量分の前記被加熱液体を夜間時間帯中に所定の沸き上げ温度まで沸き上げ可能なもののうち最も低い加熱能力とすることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
7. 前記被加熱液体への加熱指示が入力される入力手段を備え、
   前記加熱能力制御手段は、前記加熱指示に対応して前記被加熱液体への加熱をおこなう際には、時間帯にかかわらず前記複数の加熱能力の中で最も高い加熱能力とすることを特徴とする請求項５または６に記載のヒートポンプ式液体加熱装置。
8. 前記冷凍サイクルの冷媒は二酸化炭素であり、前記冷凍サイクルは超臨界蒸気圧縮式の冷凍サイクルであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のヒートポンプ式液体加熱装置。

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