JP2015068627A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギー性に優れたヒートポンプ給湯機を提供すること。【解決手段】ヒートポンプサイクル２ａにて加熱生成した湯を貯湯する貯湯槽３と、少なくとも複数の運転モードを実行する制御手段５１と、を備え、複数の運転モードは、ヒートポンプサイクル２ａによって加熱生成した湯を貯湯槽３に貯湯する貯湯運転モードと、ヒートポンプサイクル２ａによって貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成しながら、加熱生成した湯を浴槽３１への注湯に使用する湯はり運転モードと、を含み、制御手段５１は、湯はり運転モードにおいて、浴槽３１内の湯温又は浴槽３１内の水位を検知する場合に、浴槽３１への注湯を停止し、ヒートポンプサイクル２ａによって貯湯運転モードよりも低い温度の湯を生成しつつ、加熱生成した湯を貯湯槽３に流入させるので、ヒートポンプサイクル２ａを高いエネルギー効率で運転して、省エネルギー性を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機としては、ヒートポンプサイクルを運転させて水を貯湯温度まで加熱して湯を生成し、生成した湯を貯湯槽に蓄える貯湯運転モードと、浴槽への湯はり時にヒートポンプサイクルを運転させ、貯湯温度よりも低い温度に加熱した温水を、貯湯槽を迂回して浴槽へ供給する湯はり運転モードとを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このヒートポンプ給湯機は、浴槽への湯はり運転モードにおいて、ヒートポンプサイクルを運転させて、貯湯温度よりも低い温度に加熱した温水を浴槽へ供給するので、ヒートポンプサイクルによって水を貯湯温度まで加熱した場合と比較して、ヒートポンプサイクルを高いエネルギー効率で運転させることができる。よって、貯湯槽に蓄えられた湯のみを使用する湯はり運転と比較して、エネルギー効率の高い湯はり運転を行うことができる。

また、特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機は、湯はり運転モードにおいて浴槽内の湯温検知および水位検知を行う場合には、ヒートポンプサイクルを停止することなく水を貯湯温度まで加熱するとともに、加熱生成した湯を貯湯槽内に蓄えることとしている。

特許第４８７２８１４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、湯はり運転において浴槽の湯温検知及び水位検知を行う間、水を貯湯温度まで加熱する。よって、貯湯温度よりも低い温度の温水を生成する場合と比較して、ヒートポンプサイクルのエネルギー効率が低下してしまう。その結果、ヒートポンプサイクルにて貯湯温度よりも低い温度の湯を生成して浴槽に供給する湯はり運転を行っても、給湯機の省エネルギー性を十分に向上させることができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、省エネルギー性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を貯湯する貯湯槽と、少なくとも複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、前記複数の運転モードは、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を前記貯湯槽に貯湯する貯湯運転モードと、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成しながら、加熱生成した前記湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、を含み、前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記浴槽内の湯温又は前記浴槽内の水位を検知する場合に、前記浴槽への注湯を停止するとともに、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モ
ードよりも低い温度の湯を生成しながら、加熱生成した前記湯を前記貯湯槽に流入させることを特徴とするものである。

これにより、湯はり運転モードにおいて浴槽内の湯温又は水位を検知する場合でも、ヒートポンプサイクルによって貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成する運転動作を継続するので、湯はり運転モードにおけるヒートポンプサイクルのエネルギー効率を向上させることができる。

本発明によれば、省エネルギー性に優れたヒートポンプ給湯機を実現することができる。

本発明のヒートポンプ給湯機の実施の形態１における概略構成図 同ヒートポンプ給湯機の貯湯槽内の温度分布の変化を示す概略図 同ヒートポンプ給湯機の湯はり運転モード開始時における制御フローチャート 同ヒートポンプ給湯機の湯はり運転モードにおける浴槽内の湯温又は水位検知時の制御フローチャート 同ヒートポンプ給湯機の湯はり運転モード動作のシーケンスを示す図 同ヒートポンプ給湯機のヒートポンプサイクルの沸き上げＣＯＰと沸き上げ温度との関係を示すグラフ 同ヒートポンプ給湯機の湯はり運転モードの停止時における制御フローチャート （ａ）ヒートポンプ給湯機において第２出湯管がある場合の貯湯槽内の温度分布の変化を示した図、（ｂ）ヒートポンプ給湯機において第２出湯管がない場合の貯湯槽内の温度分布の変化を示した図 本発明のヒートポンプ給湯機の実施の形態２における概略構成図

第１の発明は、圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、
前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を貯湯する貯湯槽と、少なくとも複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、前記複数の運転モードは、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を前記貯湯槽に貯湯する貯湯運転モードと、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成しながら、加熱生成した前記湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、を含み、前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記浴槽内の湯温又は前記浴槽内の水位を検知する場合に、前記浴槽への注湯を停止するとともに、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を生成しながら、加熱生成した前記湯を前記貯湯槽に流入させることを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、浴槽の湯温検知又は水位検知を行う間、貯湯運転モードにおける加熱温度よりも低い温度の湯を加熱生成するので、ヒートポンプサイクルを高いエネルギー効率で運転することができる。その結果、ヒートポンプ給湯機の省エネルギー性を向上させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を前記貯湯槽の上部へと戻す配管と、前記貯湯槽の上部から湯を取り出す第１出湯管と、を備えたことを特徴とするものである。

これにより、湯はり運転モードにおける浴槽の湯温検知及び水位検知の間、配管を介して貯湯槽内に温度の低い温水が流入しても、湯温検知及び水位検知の終了後、浴槽への注湯を再開する時に、配管と同様に貯湯槽の上部に接続された第１出湯管から温水を取り出すことができる。したがって、貯湯槽内に形成される温度成層の崩壊を予防し、その結果、ヒートポンプサイクルに供給される水温を低く維持することができ、ヒートポンプサイクルにおけるエネルギー効率を向上させることができる。

第３の発明は、特に第２の発明において、前記配管および前記第１出湯管よりも下方の前記貯湯槽から湯を取り出す第２出湯管を備えることを特徴とするものである。

これにより、湯はり運転モードにおける浴槽の湯温検知及び水位検知の間、配管を介して貯湯槽内に温度の低い温水が流入し、貯湯槽内に形成された温度成層に起因する自然対流により、温水が貯湯槽の下方へと移動しても、第２出湯管によって温水を取り出して給湯端末への給湯や、浴槽への注湯に利用することができる。よって、温水が貯湯槽の下部まで移動することを予防し、その結果、ヒートポンプサイクルに供給される水温を低く維持することができ、ヒートポンプサイクルにおけるエネルギー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について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成を示す概略構成図である。ヒートポンプ給湯機は、貯湯ユニット１とヒートポンプユニット２とを備えている。

ヒートポンプユニット２には、圧縮機４、水冷媒熱交換器５、電磁膨張弁やキャピラリチューブ、膨張機等で構成された減圧手段６、空気熱交換器である蒸発器７が冷媒配管で環状に接続され、冷媒が循環するヒートポンプサイクル２ａが設けられている。冷媒としては、二酸化炭素等の単一冷媒、Ｒ４１０ＡやＲ４０７Ｃ等のＨＦＣ冷媒を用いることができる。二酸化炭素を冷媒として使用する場合、ヒートポンプサイクル２ａが動作しているときの高圧側の圧力は臨界圧力以上となる。その結果、ヒートポンプサイクル２ａは、超臨界サイクルとして動作する。蒸発器７の近傍には、蒸発器７に送風するためのファン８が設けられている。

貯湯ユニット１には、貯湯槽３が設けられている。また、貯湯ユニット１には、貯湯槽３の下部（底部）、沸き上げ往き管３２、水冷媒熱交換器５、沸き上げ戻り管３３、四方切替弁１８ａ、貯湯槽３が順に接続されて形成された環状の沸き上げ回路が設けられている。沸き上げ往き管３２の途中には、貯湯槽３の下部の水を水冷媒熱交換器５に搬送する沸き上げポンプ２１が設けられている。

四方切替弁１８ａの入口側には沸き上げ戻り管３３が接続されている。四方切替弁１８ａの出口側には、沸き上げバイパス管３４、沸き上げ管３５、湯はり沸き上げ管３６が接続されている。沸き上げバイパス管３４の他端は、貯湯槽３の底部と接続されている。沸き上げ管３５の他端は貯湯槽３の上部に接続されている。湯はり沸き上げ管３６の他端は、沸き上げ管３５よりも下方の貯湯槽３の上部に接続されている。

これにより、沸き上げポンプ２１により搬送されて沸き上げ戻り管３３を流れる湯水は、四方切替弁１８ａによって流路が切り替えられることにより、沸き上げバイパス管３４
を介して貯湯槽３の下部、又は、沸き上げ管３５若しくは湯はり沸き上げ管３６を介して貯湯槽３の上部に戻る。

また、水冷媒熱交換器５の入口の水温を検知する入水温度検知手段４１と、水冷媒熱交換器５の出口の水温を検知する出湯温度センサである出湯温度検知手段４２が備えられている。

貯湯槽３の壁面には貯湯温度検知手段としての複数の残湯サーミスタ（温度センサ）４０ａ〜４０ｅが上方から順に設置されており、残湯サーミスタ４０ａ〜４０ｅの温度により、貯湯槽３内の蓄熱熱量を把握することができる。

水道からの水は、減圧弁２０が途中に接続された給水管１１を経由して、貯湯槽３や後述する第２混合弁１４、第３混合弁１５へと供給される。給水管１１は、給水分岐部１２で第１給水分岐管１２ａ、第２給水分岐管１２ｂ、第３給水分岐管１２ｃに分岐しており、第１給水分岐管１２ａは、貯湯槽３の底部に、第２給水分岐管１２ｂは第２混合弁１４に、第３給水分岐管１２ｃは第３混合弁１５にそれぞれ接続されている。

貯湯槽３の頂部には第１出湯管９が接続されており、第１出湯管９の他端は、出湯分岐管１６と追いだき管２５とに分岐し、出湯分岐管１６は第１混合弁１３に、追いだき管２５は風呂熱交換器２４に接続されている。また、貯湯槽３の上下方向において湯はり沸き上げ管３６が接続された位置と貯湯槽３の底部との間には第２出湯管１０が接続されている。

給湯回路は、貯湯槽３内の温水と水道から供給される水とを、第１混合弁１３、第２混合弁１４、第３混合弁１５で混合して所定温度の温水にして、カランやシャワーなどの給湯端末（図示していない）や浴槽に給湯する回路である。

第１混合弁１３は、第１出湯管９から供給される温水と第２出湯管１０から供給される温水とを混合して出湯合流管１７から流出させる。出湯合流管１７は第１出湯合流管分岐管１７ａと第２出湯合流管分岐管１７ｂとに分岐しており、第１出湯合流管分岐管１７ａは第２混合弁１４に、第２出湯合流管分岐管１７ｂは第３混合弁１５にそれぞれ接続されている。

第２混合弁１４は、第１出湯合流管分岐管１７ａから供給される温水と第２給水分岐管１２ｂから供給される水とを混合して給湯管２８から流出させ、カランやシャワーなどの給湯端末（図示していない）から所定温度の温水を給湯させる。

第２混合弁１４の出口側に接続された給湯管２８には第１給湯温度検知手段としての給湯温度センサ４３ａが設置されており、給湯端末から給湯する際には、給湯温度センサ４３ａの検知温度が目標設定温度（使用者がリモコン５０より設定する）になるように、制御手段５１により第２混合弁１４の混合比を制御する。

第３混合弁１５は、第２出湯合流管分岐管１７ｂから供給される温水と第１給水分岐管１２ｃから供給される水とを混合して風呂注湯管２７から流出させ、注湯弁１９、風呂往き管２９及び風呂戻り管３０を介して所定温度の温水を浴槽３１に注湯させる。

第３混合弁１５の出口側に接続された風呂注湯管２７には第２給湯温度検知手段としての風呂給湯温度センサ４３ｂが設置されており、浴槽３１に給湯する際には、風呂給湯温度センサ４３ｂの検知温度が目標設定温度（使用者がリモコン５０より設定する）になるように、制御手段５１により第３混合弁１５の混合比を制御する。

風呂追いだき回路は、貯湯槽３の温水と浴槽３１の温水とを風呂熱交換器２４で熱交換することにより、浴槽３１の温水を所定温度に加熱することができる。

風呂追いだき回路は、貯湯槽３、第１出湯管９、追いだき管２５、風呂熱交換器２４、追いだきポンプ２２、追いだき戻り管２６、貯湯槽３を環状に接続して構成した１次側流路と、浴槽３１、風呂戻り配管３０、風呂循環ポンプ２３、風呂熱交換器２４、風呂往き配管２９、浴槽３１を環状に接続して構成した２次側流路とを有する。また、風呂戻り配管３０の途中には、浴槽３１内の温水温度を検出する浴槽温度検知手段としての風呂温度センサ４５、及び浴槽水位検知手段としての水位センサ４６が設置されている。

また、本発明のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクル２ａで加熱した温水を貯湯槽３に蓄える貯湯運転モードと、浴槽３１に所定温度の湯を所定量だけ湯はりする風呂自動湯はりを行う場合に、ヒートポンプサイクル２ａを起動するとともに、注湯弁１９を開き、水冷媒熱交換器５から供給された温水と第１出湯管９から供給された温水とを混合し、第１混合弁１３、第３混合弁１５、風呂注湯管２７を経由して浴槽３１に注湯する湯はり運転モードとを有する。また、本発明のヒートポンプ給湯機は、湯はり運転モードにおいて、浴槽３１の湯温検知及び水位検知時を行う場合に、ヒートポンプサイクル２ａの運転を継続するとともに、注湯弁１９を閉じ、水冷媒熱交換器５から供給された温水を湯はり沸き上げ管３６を介して、貯湯槽３に流入させる検知時湯はり運転モードを有する。湯はり運転モードは設定操作手段としてのリモコン５０を操作する（例えば、風呂自動湯はりボタンを押す）ことで開始される。また、検知時湯はり運転モードは、浴槽の湯温検知及び水位検知行われると同時に開始される。貯湯運転モードや湯はり運転モード、検知時湯はり運転モードにおける各機器の運転制御は、制御手段によって行われる。検知時湯はり運転モードは、湯はり運転モード中であって、注湯弁１９の開動作による湯はり運転モードの開始と、浴槽３１への注湯が完了して注湯弁１９が閉状態となる湯はり運転モードの終了との間で行うことができる。また、検知時湯はり運転モードは、浴槽３１に所定量かつ所定温度の湯水が溜まっている状態で、浴槽３１に対してさらに注湯する湯の温度および量を決定する場合、すなわち、浴槽３１に湯水が蓄えられている状態から注湯動作を開始する場合の浴槽３１の湯温検知中および水位検知中において行うことができる。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、ヒートポンプ給湯機の運転モードの動作について説明する。

貯湯運転モードは、貯湯槽３の底部の水をヒートポンプサイクル２ａで加熱した後に、貯湯槽３の上部に貯湯するモードである。安価な電力を利用して深夜（２３時〜翌朝７時）に運転するのが通常であるが、貯湯槽３内の湯量が減少して湯切れのリスクが生じた場合には、昼間時間帯（７時〜２３時）に運転することもある。

貯湯運転時、ヒートポンプユニット２のヒートポンプサイクル２ａ内に封入された冷媒は低圧のガス状態で圧縮機４に吸入され、高温高圧状態に圧縮された後に、水冷媒熱交換器５に搬送されて、貯湯槽３から搬送された水と熱交換して、自身は低温高圧状態となる。

その後、冷媒は膨張弁等の減圧手段６で低温低圧状態に膨張した気液二相冷媒となり、蒸発器７で、ファン８により送風された外気から吸熱して低圧のガス冷媒となり、圧縮機４に吸入されるという動作を繰り返す。

一方、貯湯槽３の底部の水は、沸き上げポンプ２１により沸き上げ往き管３２を介して水冷媒熱交換器５に搬送され、前記ヒートポンプサイクル２ａの冷媒と熱交換して自身は
加熱されて温水となる。その後、加熱された温水は、沸き上げ戻り管３３、四方切替弁１８ａを介し貯湯槽３の上部または底部に戻される。

水冷媒熱交換器５の出口温水の温度は、ヒートポンプサイクル２ａを起動してすぐに目標沸き上げ温度に到達する訳ではなく、しばらく時間を要する。出湯温度検知手段４２で検出した温度（以下、検出温度と呼ぶ）が目標沸き上げ温度に対して低い間（例えば、目標沸き上げ温度と検出温度との温度差が所定値以上の場合）は、沸き上げ戻り管３３の温水は、四方切替弁１８ａにより、沸き上げバイパス管３４を介して貯湯槽３の底部に戻される。

その後、検出温度が目標沸き上げ温度に近づいた場合（例えば、目標沸き上げ温度と検出温度との温度差が所定値未満になった場合）に、四方切替弁１８ａを切り替えて沸き上げ戻り管３３の温水を沸き上げ管３５を介して貯湯槽３の上部に戻す。以上の動作により、ヒートポンプサイクル２ａで加熱された高温の温が貯湯槽３内に貯湯される。

次に、給湯回路における第１混合弁１３による中温出湯の動作について説明する。図２は、貯湯槽３内を全量沸き上げた状態から所定湯量を給湯した後の貯湯槽３内温度分布の一例を示したものである。図２中の実線が中温出湯を行った場合、破線が中温出湯を行わなかった場合を示している。

給湯端末、または浴槽３１に、使用者が設定した目標給湯温度Ｔ１（℃）で給湯する場合、貯湯槽３上部から第１出湯管９、出湯分岐管１６を経由して供給される温水と、貯湯槽３の略中央部から第２出湯管１０を経由して供給される温水とを第１混合弁１３で混合して、目標給湯温度Ｔ１よりも所定温度差δＴ（Ｋ）だけ高い温度の温水として出湯合流管１７に流出させる。

給湯端末に目標給湯温度Ｔ１（℃）で給湯する場合は、第１混合弁１３から出湯合流管１７、第１出湯合流管分岐管１７ａを経由して供給されるＴ１＋δＴ（℃）の温水と、給水管１１から第２給水分岐管１２ｂを経由して供給される水とを第２混合弁１４で混合して、給湯温度センサ４３ａの検知温度が目標給湯温度Ｔ１になるように第２混合弁１４の混合比を制御手段５１により制御する。

また、浴槽３１に目標給湯温度Ｔ１（℃）で給湯する場合は、第１混合弁１３から出湯合流管１７、第２出湯合流管分岐管１７ｂを経由して供給されるＴ１＋δＴ（℃）の温水と、給水管１１から第１給水分岐管１２ｃを経由して供給される水とを第３混合弁１５で混合して、風呂給湯温度センサ４３ｂの検知温度が目標給湯温度Ｔ１になるように第３混合弁１５の混合比を制御手段５１により制御する。

なお、本実施の形態では、第１混合弁１３出口側に温度センサを設置せずに、第１出湯管９から供給される温水温度と第２出湯管１０から供給される温水温度とを残湯サーミスタ４０ａ〜４０ｅで検出して、出口温度がＴ１＋δＴ（℃）になるように制御しているが、第２混合弁１４出口に第２混合弁出口温度センサを追加して、この第２混合弁出口温度センサで検出した温度が、Ｔ１＋δＴ（Ｋ）になるように第１混合弁１３を制御してもよい。

以上の動作により、貯湯槽３内上部の高温の湯と貯湯槽３内底部の低温の水との境界層（以下、中温層と呼び、中温層に存在する温水を中温と呼ぶ）の中温が第２出湯管１０から貯湯槽３外に排出されるため、図２に示すように、貯湯槽３底部の水温上昇（ΔＴ）を抑制することができる。

ヒートポンプサイクル２ａの特性として、沸き上げ運転時の入水温度、即ち水冷媒熱交換器５の入口水温が高くなるほど成績係数（ＣＯＰ）が低下することが知られている。従って、中温出湯により貯湯槽３底部の水温上昇を抑制することにより、沸き上げ運転時のヒートポンプサイクル２ａのＣＯＰを向上させることができ、省エネルギーを図ることができる。

次に、湯はり運転モードについて説明する。

図３は、湯はり開始時における制御フローチャートを示している。図３において、使用者による風呂湯はり指令がリモコン５０を介して入力される（ｓｔｅｐ１）と、残湯量を把握するために貯湯槽３の壁面に設置している残湯サーミスタ４０ａ〜４０ｅの温度が検出される（ｓｔｅｐ２）。

次に、残湯量が多いか、少ないかの判断するために、残湯サーミスタ４０ｄの温度が予め決定しておいた温度より高いか、低いかが比較される（ｓｔｅｐ３）。例えば、ｓｔｅｐ３で、残湯サーミスタ４０ｄの温度（Ｔ４０ｄ）が６０℃以下の場合、残湯量が少ないと判断され、ヒートポンプを運転（ｓｔｅｐ４）し、貯湯槽３からのお湯とヒートポンプで沸き上げたお湯の両方を使って風呂湯はりをするいわゆる湯はり運転モードで風呂湯はりを開始する（ｓｔｅｐ６）。一方、ｓｔｅｐ３で、残湯サーミスタ４０ｄの温度（Ｔ４０ｄ）が６０℃より高い場合、残湯量が多いと判断され、ヒートポンプは運転せず（ｓｔｅｐ５）、貯湯槽３からのお湯のみで風呂湯はりをするいわゆる通常湯はり運転モードを開始する（ｓｔｅｐ６）。

なお、複数の残湯サーミスタ４０から算出される貯湯槽３の蓄熱熱量が予め決定しておいた蓄熱熱量より高いか、低いか比較することとしてもよい。

次に、湯はり運転モードと検知時湯はり運転モードの切り替えについて説明する。図４は、湯温検知及び水位検知時におけるヒートポンプの制御フローチャートを示している。図４において、ヒートポンプの運転モードは、湯温検知及び水位検知が開始される（ｓｔｅｐ１１）と、湯はり運転モードから検知時湯はり運転モードへと切り替わる（ｓｔｅｐ１２）。そして、湯温検知及び水位検知中、ヒートポンプサイクルの運転を継続し、貯湯温度よりも低い温度に水を沸き上げる（ｓｔｅｐ１３）。その後湯温検知及び水位検知が終了する（ｓｔｅｐ１４）と、ヒートポンプの運転モードを湯はり運転モードへと切り替え、ヒートポンプの継続運転を行う（ｓｔｅｐ１５）。

なお、本実施の形態では、検知時湯はり運転モードの沸き上げ温度を湯はり時運転モードの沸き上げ温度と略同一として説明する。

図５は、湯はり運転モード及び検知時湯はり運転モードにおける制御シーケンスを示している。図５において、使用者による風呂湯はり指令がリモコン５０を介して入力されると、図３で示した様に残湯量が検出され、残湯量が少ないと判断した場合、圧縮機４が起動することで、ヒートポンプサイクル２ａが起動して沸き上げポンプ２１が運転される。

また、注湯弁１９を開くとともに、四方切替弁１８ａを、沸き上げ戻り管３３と湯はり沸き上げ管３６とが連通するように切り替える。

この操作により、貯湯槽３底部の水は沸き上げポンプ２１で水冷媒熱交換器５に搬送され、ここでヒートポンプサイクル２ａの冷媒と熱交換して自身は湯はり目標温度にまで加熱された後に沸き上げ戻り管３３、四方切替弁１８ａ、湯はり沸き上げ管３６を通り、一度、貯湯槽３に入る。その後、貯湯槽３内上部に貯湯されている高温の温水と混合され、
貯湯槽頂部に接続された第１出湯管９、第１混合弁１３、第３混合弁１５、風呂注湯管２７、注湯弁１９、風呂往き管２９また風呂戻り管３０を経由して浴槽３１に注湯される。

ヒートポンプサイクル２ａの起動当初は、水冷媒熱交換器５の出口水温はすぐには上昇しないが、湯はり沸き上げ管３６を通過後に、一度、貯湯槽３に入り、貯湯槽３内のお湯と混合され、第１出湯管９を経由して供給される温水と混合されるため、目標給湯温度よりも低下することはない。

湯はり運転モード中に湯温検知及び水位検知を検出すると、図４に示したようにヒートポンプサイクルは湯はり時運転モードで運転が継続される。このとき、図５に示した制御シークエンスに従って、注湯弁１９が閉じられ、検知時湯はり運転モードで湯はり目標温度に沸き上げられた温水は、湯はり沸き上げ管３６を介して一時的に貯湯槽上部に貯湯される。そして、湯温検知及び水位検知終了を検出し、前記制御シークエンスに従って浴槽への湯はりが再開されると、検知時湯はり運転モードによって一時的に貯湯した温水を第１出湯管９を介して貯湯槽から出湯し、湯はりに使用する。

図６は、ヒートポンプサイクル２ａにおける沸き上げＣＯＰと沸き上げ温度との関係を示したものである。ここで、貯湯運転モードにおける沸き上げＣＯＰをＣＯＰＡで、湯はり運転モードにおける沸き上げＣＯＰをＣＯＰＢで表すこととする。貯湯運転モードにおける沸き上げ温度（出湯温度検知手段４２の検知温度）は、通常６５℃〜９０℃が一般的であるが、湯はり運転モードにおける沸き上げ温度を貯湯運転モードにおける沸き上げ温度よりも低く（例えば、３５℃）なるように運転させることにより、ＣＯＰＢをＣＯＰＡよりも向上させることができ、省エネルギーを図ることができる。

湯はり運転モードにおける沸き上げ温度を貯湯運転モードにおける沸き上げ温度よりも低くするための具体的手段としては、沸き上げポンプ２１の回転数を貯湯運転モード時よりも大きくすることで、流量を増大させることにより、水冷媒熱交換器５の出口温度を貯湯運転モード時の沸き上げ温度よりも低下させることができる。

次に、湯はり運転モードの停止時について説明する。

図７は、湯はり運転モードの停止時における制御フローチャートを示している。図７において、湯はり運転モードで風呂湯はり中（ｓｔｅｐ１）において、水位センサ４６などにおいて、所定の湯量がはられた場合、風呂湯はり完了を検出する（ｓｔｅｐ２）と、残湯量を把握するために貯湯槽３の壁面に設置している残湯サーミスタ４０ａ〜４０ｅの温度が検出される（ｓｔｅｐ３）。次に、残湯量が多いか、少ないかの判断するために、残湯サーミスタ４０ｂの温度が予め決定しておいた温度より高いか、低いかが比較される（ｓｔｅｐ４）。

例えば、ｓｔｅｐ４で、残湯サーミスタ４０ｂの温度（Ｔ４０ｂ）が６０℃未満の場合、残湯量が少ないと判断され、ヒートポンプの運転を停止せずに、湯はり運転モードから貯湯運転モードに移行される（ｓｔｅｐ５）。貯湯運転モードにおいて、所定の条件を満たした場合、貯湯運転が完了し（ｓｔｅｐ６）、ヒートポンプの運転を停止する（ｓｔｅｐ７）。一方、ｓｔｅｐ４で、残湯サーミスタ４０ｂの温度（Ｔ４０ｂ）が６０℃以上の場合、残湯量が多いと判断され、ヒートポンプの運転を停止する（ｓｔｅｐ７）。

したがって、残湯量が少ない場合、湯はり運転モードから貯湯運転モードへ圧縮機４を停止させることなく移行させるので、その後、新たに貯湯運転モードで運転させる場合に比べ、起動ロスを低減できる。また、残湯量が多い場合、湯はり運転モードが完了するとともに圧縮機４の運転を停止するため、湯余りによるエネルギーロスを低減できる。

次に、浴槽の湯はり後の中温出湯の動作について説明する。

湯はり運転モード及び検知時湯はり運転モードで湯はりを行うと、貯湯温度よりも低い温度に沸き上げられた温水が貯湯槽３上部に流入するため、貯湯槽３上部の温水の温度は若干低下する。その後、給湯と沸き上げ運転が行われると、貯湯運転モードで沸き上げられた高温の温水が沸き上げ管３５を介して、貯湯槽３上部に流入し、湯はり後に若干温度の低下した温水は貯湯槽３内の高温の湯と低温の水との境界層に存在する中温層側へと移動する。そして中温層に移動した温水は、第２出湯管１０から出湯され、混合弁にて所定温度に調節された後各給湯端末へと供給される。

次に、中温出湯を行った場合と行わなかった場合の貯湯槽３内温度分布を説明する。図８（ａ）は、中温出湯回路がある場合の貯湯槽内の温度分布の変化を示した図である。６１は、湯はり運転モードで湯はりを行う前の温度分布、６２は湯はり運転モード及び検知時湯はり運転モードで湯はりを行った後の温度分布、６３はその後、給湯と沸き上げ運転を行った後の温度分布を示す。

湯はり運転モード及び検知時湯はり運転モードで湯はりを行うことにより貯湯槽３の上部は温度が低下する（６１→６２）。その後、中温出湯を行いながら給湯、沸き上げ運転を行うことにより、貯湯槽内の中温層の温度勾配は傾きα→傾きβ（傾きβ＜傾きα）へと変化する（６２→６３）。これは、湯はり運転モード及び検知時湯はり運転モードで湯はりを行うことにより若干悪くなった温度分布を中温出湯により改善できたことを意味しており、その後に行われる夜間沸き上げ運転の運転効率の低下を回避でき、省エネルギー性が損なわれることはない。

図８（ｂ）は、中温出湯回路がない場合の貯湯槽内の温度分布の変化を示した図である。６１は湯はり運転モードで湯はりを行う前の温度分布、６４は湯はり運転モードで湯はりを行った後の温度分布、６５はその後、給湯と沸き上げ運転を行った後の温度分布を示す。

湯はり運転モードで湯はりを行うことにより貯湯槽３の上部は温度が低下する（６１→６４）。その後、給湯、沸き上げ運転を行っても、貯湯槽内の中温層の温度勾配傾きγ（傾きβ＜傾きα＜傾きγ）は変化しない（６４→６５）。これは、中温出湯回路がないため、湯はり運転モードで湯はりを行うことにより若干悪くなった温度分布が改善できなかったことを意味しており、その後に行われる夜間沸き上げ運転の運転効率の低下を招き、省エネルギー性が損なわれることとなる。

したがって、前記湯はり沸き上げ管が前記第２出湯管よりも前記貯湯槽頂部側に接続されているため、湯はり運転モードで湯はりを行い、若干崩れた貯湯槽３の温度分布を中温出湯により改善することができ、ヒートポンプユニット２の運転効率の低下を回避でき、省エネルギー性が損なわれることはない。

本実施の形態の貯湯式のヒートポンプ給湯機によれば、上記構成により、水を沸き上げるヒートポンプサイクル２ａと、沸き上げた温水を貯湯する貯湯槽３と、ヒートポンプサイクル２ａから貯湯槽３へ沸き上げた温水を供給する沸き上げ戻り管３３と、ヒートポンプサイクル２ａから貯湯槽３へ湯はり時に沸き上げた温水を供給する湯はり沸き上げ管３６と、貯湯槽３からヒートポンプサイクル２ａへ低温の水を供給する沸き上げ往き管３２と、温水を貯める浴槽３１と、浴槽３１へ沸き上げた温水を供給する風呂注湯管２７と、ヒートポンプサイクル２ａによる沸き上げ運転を制御する制御手段５１とを備え、制御手段５１は、ヒートポンプサイクル２ａで貯湯槽３に貯湯するために水を貯湯温度まで沸き
上げる貯湯運転モードと、浴槽３１の湯温検知及び水位検知時に、ヒートポンプサイクル２ａで水を貯湯温度よりも低い温度まで沸き上げる検知時湯はり運転モードとを有することを特徴としたことによって、浴槽３１の湯温検知及び水位検知を行う時、貯湯温度よりも低い温度で水を沸き上げるため、ヒートポンプサイクル２ａを高いエネルギー効率で運転することが出来るという効果を奏する。

また、本実施の形態の貯湯式のヒートポンプ給湯機によれば、上記の構成により、湯はり沸き上げ管３６が貯湯槽３の略上部に接続され、貯湯槽３の頂部から沸き上げた温水を各端末に供給する第１出湯管９とを備えたことによって、浴槽３１の湯温検知及び水位検知の際、検知時湯はり運転モードのヒートポンプサイクル２ａで沸き上げた温水を湯はり沸き上げ管を介して貯湯槽３に一時的に貯湯し、湯はり再開時に、検知時湯はり運転モードで沸き上げた温水を貯湯槽３から取り出して利用するため、貯湯槽３内に中温水の拡大を抑制することが出来る。このため、ヒートポンプサイクル２ａに供給される水温の上昇が抑制でき、ヒートポンプサイクル２ａの効率低下を防ぐことができるという効果を奏する。

さらに、本実施の形態の貯湯式のヒートポンプ給湯機によれば、上記構成により、貯湯槽３内から貯湯槽３内の高温の湯と低温の水との境界層に存在する中温水を出湯する第２出湯管１０を備え、湯はり沸き上げ管３６が第２出湯管１０よりも貯湯槽３の上部側に接続されていることによって、検知時湯はり運転モードでのヒートポンプサイクル２ａの沸き上げ運転において生成された中温水を第２出湯管１０より出湯することができるため、中温層が貯湯槽３の底部にまで拡大することが無く、ヒートポンプサイクル２ａの入水温度を低く維持して、その結果、ヒートポンプサイクル２ａの効率低下を抑制することが出来るという効果を奏する。

そのうえ、本実施の形態によれば、制御手段５１は、主に浴槽３１への湯はりに使用することを目的として貯湯温度よりも低い温度に水を沸き上げる湯はり運転モードを実行し、検知時湯はり運転モードで沸き上げる水の出湯温度を湯はり運転モードで沸き上げる沸き上げ温度と略同一としたことによって、浴槽３１への湯はり中の沸き上げ温度と、浴槽３１の湯温検知及び水位検知中のヒートポンプサイクル２ａの沸き上げ温度を変更しないため、沸き上げ温度変更による切替ロスが生じずヒートポンプサイクル２ａを高効率で運転することが出来るという効果を奏する。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における構成についての説明を行う。本実施の形態において、実施の形態１と同一部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。図９は、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機が、実施の形態１のヒートポンプ給湯機と異なる点は、湯はり沸き上げ管３６を沸き上げ管３５と共用し、それに伴い四方切替弁１８ａを三方切替弁１８に置き換えた点である。

本実施の形態によれば、上記構成により、湯はり沸き上げ管３６を沸き上げ配管３５と共用したことにより、湯はり沸き上げ管３６を削減でき、低コストで同等の効果が得られるとともに、湯はり沸き上げ管３６からの放熱がなくなるため、ヒートポンプ給湯機の省エネ性能が向上するという効果を奏する。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、湯はり運転モードにおけるヒートポンプサイクルのエネルギー効率を向上させることができ、省エネルギー性に優れてい
るので、家庭用、業務用の給湯装置に適用できる。

１ 貯湯ユニット
２ ヒートポンプユニット
２ａ ヒートポンプサイクル
３ 貯湯槽
４ 圧縮機
５ 水冷媒熱交換器
６ 減圧手段
７ 蒸発器
９ 第１出湯管
１０ 第２出湯管
１１ 給水管
１２ 給水分岐部
１３ 第１混合弁（中間混合弁）
１４ 第２混合弁（給湯混合弁）
１５ 第３混合弁（風呂混合弁）
１６ 出湯分岐管
１７ 出湯合流管
１８ａ 四方切替弁
１９ 注湯弁
２０ 減圧弁
２１ 沸き上げポンプ
２７ 風呂注湯管
２８ 給湯管
３１ 浴槽
３２ 沸き上げ往き管
３３ 沸き上げ戻り管
４０ａ〜４０ｅ 貯湯温度検知手段（残湯サーミスタ）
４１ 入水温度検知手段
４２ 出湯温度検知手段（出湯温度センサ）
５１ 制御手段

Claims (3)

1. 圧縮機、水冷媒熱交換器、減圧手段、蒸発器を冷媒配管で接続したヒートポンプサイクルと、
   前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を貯湯する貯湯槽と、
   少なくとも複数の運転モードを実行する制御手段と、を備え、
   前記複数の運転モードは、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を前記貯湯槽に貯湯する貯湯運転モードと、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成しながら、加熱生成した前記湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、を含み、
   前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記浴槽内の湯温又は前記浴槽内の水位を検知する場合に、前記浴槽への注湯を停止するとともに、前記ヒートポンプサイクルによって前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を生成しながら、加熱生成した前記湯を前記貯湯槽に流入させることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成した湯を前記貯湯槽の上部へと戻す配管と、前記貯湯槽の上部から湯を取り出す第１出湯管と、を備えた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. 前記配管および前記第１出湯管よりも下方の前記貯湯槽から湯を取り出す第２出湯管を備えることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。

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