JP3743375B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
瞬間湯沸し型給湯装置としては、ガスや石油の燃焼を用いた給湯機が従来より使用されてきた。これらは温度立上りが早く、大能力が出せる特徴がある反面、排ガスによる大気汚染や、直接燃焼させることへの不安感、燃焼音など避けられない課題を抱えていた。これに対し、大型の貯湯タンクに湯を貯えて給湯するヒートポンプ給湯器があり、こちらは燃焼による給湯機の問題を解消し、しかもヒートポンプにより熱効率がよいものであった。しかし、貯湯タンクが大きく、重量や設置スペースなど施工上に問題があった。この大型の貯湯タンクの問題を解消するヒートポンプによる瞬間湯沸しの発想は従来よりあったが、ヒートポンプの場合は燃焼給湯機と違い、ヒートポンプサイクルの熱的立ち上がりに時間を要するため、湯が出てくるのに時間がかかり使用者に不満感を与えるものであった。
【０００３】
こうした問題を解決する瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置として特開昭６１−１７８４９号公報に記載されているような給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図５に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続されたヒートポンプサイクル７と、放熱器３と接触熱交換する貯湯タンク６を設け、この貯湯タンク６を圧縮機２を囲むように配置している。この構成で、給湯をすると貯湯タンク６に湯が蓄えられ、給湯を停止しても圧縮機２が冷めないので、給湯を再開した場合に給湯温度の立上りが早くなるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では貯湯タンク６が冷めてしまうと圧縮機２も冷めてしまい、ヒートポンプサイクル７の立上りは逆に貯湯タンク６に圧縮機２の熱が奪われるために遅くなる。また、出湯は貯湯タンク６から行われるため、この貯湯タンク６の温度が冷めいると、出湯温度も冷たく、貯湯タンク６の湯温が上がるまで出湯温度が上昇しない。そのため、貯湯タンク６が冷めた状態からの給湯は、逆に湯が出てくるまでに多くの時間を要してしまう。
【０００５】
また、給湯中に出湯温度を変更しようとした場合に、圧縮機２の運転状態を変えても、貯湯タンク６の湯温は直には変化しないため、温度変更にも時間がかかってしまう。
【０００６】
さらに、貯湯タンク６に湯がある場合に給湯を再開しても、ヒートポンプサイクル７が立上がるまでは、貯湯タンク６内は給水によって冷やされ、出湯温度はいったん下がっるので、使用者に不快感を与えてしまう。これを防ぐためには充分に容量の大きな貯湯タンク６が必要になってしまう。
【０００７】
また、冷媒の熱を水に伝えるのに、放熱器３と貯湯タンク６を接触させて熱交換させているが、貯湯タンク６は容量があるため給湯時でも内部の流速が遅く、放熱器３と接触している貯湯タンク６内面の熱伝達が大きくできない。そのため、効率が悪く、十分な熱量の熱交換をするには広い伝熱面積が必要となり、これに比例して放熱器３も大型になってしまい、放熱ロスの増加により、さらに効率が悪くなる。また、大型化にともない材料費や製作費も嵩むためコスト高になってしまっていた。
【０００８】
以上のように従来のヒートポンプ給湯装置では給湯温度の立ち上がりを逆に悪くする場合があり、しかも湯温の制御性がわるかったり、効率が悪化するなどの問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯温度の立ち上がりと制御性が良く、効率のよい給湯ができる瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、湯を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクと前記給水管とを接続する水循環路と、前記貯留タンクから流出する湯と水流路からの流水を混合し給湯端末へと通水する混合手段とを有し、貯湯する場合は前記水流路と前記混合手段と前記貯留タンクと前記水循環路で構成される循環ループにより貯留タンクに湯を貯留するとともに、出湯する場合には前記貯留タンクからの流水と水流路からの流水を混合手段で混合して給湯回路へ湯を供給することを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
【００１１】
上記発明によれば、熱交換器での加熱が遅れても貯留タンクにより出湯温度の立ち上がり遅れをカバーすることができる。また、熱交換器による出湯温度制御に貯留タンクが直接影響しないので制御性がよい。さらに、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、湯を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクと前記給水管とを接続する水循環路と、前記貯留タンクから流出する湯と水流路からの流水を混合し給湯端末へと通水する混合手段とを有し、貯湯する場合は前記水流路と前記混合手段と前記貯留タンクと前記水循環路で構成される循環ループにより貯留タンクに湯を貯留するとともに、出湯する場合には前記貯留タンクからの流水と水流路からの流水を混合手段で混合して給湯回路へ湯を供給する ことを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
【００１３】
請求項１によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に貯留タンクで加熱されるので、熱交換器での加熱が遅れても貯留タンクにより出湯温度の立ち上がり遅れをカバーすることができる。また、熱交換器による出湯温度制御に加温手段が直接影響しないので制御性がよい。さらに、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。
【００１４】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯回路に出湯温度を検知する湯温検知手段を設け、前記湯温検知手段の検知温度が検出する水流路からの流水温度が所定温度より低い場合は、水流路からの流水と貯留タンクからの温水が混合手段で混合され給湯回路に出湯される請求項 1 記載のヒートポンプ給湯装置とする。
【００１５】
この構成によれば、貯留タンクに高温の湯が貯えられ、混合手段で適温に混合して出湯するので、給湯開始時などに水循環路６１に冷水が流れ込んでも、出湯温度の低下を防ぐことができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、水循環路にポンプを設けて強制的に循環させる請求項 1 または 2 記載のヒートポンプ給湯装置とする。
【００１７】
この構成によれば、一定の流量が得られるため貯留温度や熱交換器での加熱熱量を制御しやすい。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１において、７はヒートポンプサイクルで、圧縮機２、放熱器ａ８、放熱器ｂ９、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に接続されている。このヒートポンプサイクル７は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器ｂ９の冷媒流路ａ１１と熱交換を行う水流路１２を備えた熱交換器である。この水流路１２に水道水を直接供給する給水管１３と、水流路１２から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１７等より成る給湯端末１４の通水させるための給湯回路１５が接続されている。そして１８は給湯回路１５の水を加熱する加温手段で、給湯回路１５の上流部の給湯回路ａ１９に並列に接続した蓄熱手段２０から成っている。蓄熱手段２０は、給湯回路１５の流水を溜める貯留タンク２１と、給湯回路ａ１９と蓄熱手段２０の流水を混合する混合手段２２より構成さている。貯留タンク２１は、下端に入口管２３と、上端に出口管２４と、下部に放熱器ａ８を内蔵して、断熱材２５で覆って構成している。この放熱器ａ８は貯湯タンク２１内の蓄熱温度（以下貯留温度と呼ぶ）を所定温度に保つための保温手段Ａを兼ねている。給湯回路１５は、分岐部２６より給湯回路ａ１９と入口管２３に分岐し、合流部２７で給湯回路ａ１９と出口管２４の水が合流する。この合流部２７に混合手段２２が設けられている。
【００２０】
なお、貯留タンク２１の大きさはヒートポンプサイクル７や熱交換器１０の出湯時の熱応答遅れによる不足熱量相当の蓄熱量としたもので、例えば給水温度５℃で目標温度４５℃とし、１０Ｌ/minで給湯するものとした場合で、目標温度の出湯までに３分間の遅れがあるとすると、不足熱量は（（４５℃−５℃）×１０Ｌ/min×３min/８６０）で１．４kWhとなる。これを８０℃の貯湯タンク２１で補う場合は（１．４kWh×８６０／（８０℃−５℃））で１６Ｌの容量となる。
【００２１】
給水管１３には、給湯回路１５の流量を検出する流量検知手段２８と、熱交換器１０への給水温度を検出する水温検知手段２９が設けられている。そして給湯回路１５には出湯温度を検出する湯温検知手段３０が設けられている。また貯留タンク２１の上部には貯留タンク２１内の湯温を検出する貯留温度検知手段３１が設けられている。３２は気温を検出する気温検知手段である。３３は給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。
【００２２】
３４は制御手段で、流量検知手段２８により流量を検知すると、湯温検知手段３０と温度設定手段３３とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差からフィードバック制御量を算定し、水温検知手段２９と温度設定手段３３と流量検知手段２８の各値から給湯負荷を算定し、フィードバック制御量と給湯負荷を加算し、この加算値に基づいて圧縮機２の回転数を制御する。
【００２３】
また、制御手段３４は、気温検知手段３２の検出値に応じて圧縮機２の回転数を補正すると共に、減圧手段４、送風機３５をそれぞれ制御し、最も効率の良くなるヒートポンプサイクルで運転する。
【００２４】
さらに、制御手段３４は混合手段２２を駆動して、給湯回路ａ１９からの流水と貯留タンク２１からの流水との混合割合を制御し、出湯温度を目標温度に近付ける。
【００２５】
また、制御手段３４は給湯停止時に、貯留温度検知手段３１より貯留温度を検知し、貯留温度を所定温度（例えば８０℃）に保つように圧縮機２を低速で回転制御して保温運転する。この保温の所定温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）より充分に高くすることにより、蓄熱密度を上げることができ、貯留タンク２５の大きさを小さくすることができる。
【００２６】
熱交換器１０は、冷媒流路ａ１１の流れ方向と水流路１２の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路ａ１１と水流路１２の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【００２７】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図１に示す実施例において、蛇口１７が開かれると給水管１３から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段２８が検知し制御手段３４に信号が送られ、圧縮機２の運転が開始される。このときヒートポンプサイクル７が冷え切った状態の場合、圧縮機２が運転されてもサイクル全体の圧力および温度が定常状態に達していないために、水流路１２からは給水温度に近い水が出てしまう。制御手段３４は給湯開始後の所定時間（例えば３分間）は混合手段２２の混合割合を例えば１：１として設定している。ここで、給水温度５℃、貯留温度８０℃として、水流路１２からの出口温度がまだ５℃とすると、混合手段２２の出口温度は（８０℃＋５℃）／２で、４２．５℃の出湯温度となる。その後、水流路１２の出口温度は徐々に上昇するが、貯留タンク２１内の貯留温度は入口管２３から給水温度に近い冷水が流入されるため、貯留タンク２１の出口温度は逆に徐々に低下する。したがって混合手段２２の出口温度は、それぞれの流水が混合されて給湯の目標温度（例えば４５℃）に近い温度を維持することができる。
【００２８】
以上のように混合手段２２の制御は、給湯開始直後に貯湯タンク２１からの湯を利用することによって、熱交換器１０からの出湯遅れを補うように作用させる。なお、給湯開始時に熱交換器１０の温度が冷めていない場合は、湯温検知手段３０から目標温度より高い値が出力される。この場合は混合割合を給湯回路ａ１９側を多くして出湯温度が目標に近付くように調整する。
【００２９】
そして、ヒートポンプサイクル７の温度が安定すると、混合手段２２の混合割合を給湯回路ａ１９主体に切換える。このとき、圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器ａ８および放熱器ｂ９へ流入し、貯留タンク２１の水を加熱しつつ、水流路１２を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路ａ１９、給湯回路１５を経て給湯端末１２から出湯する。一方、放熱器ａ８と放熱器ｂ９で冷却された冷媒は減圧手段４で減圧されて吸熱器５に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２に戻る。
【００３０】
給湯中の制御手段３４では、出湯温度と目標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いてフィードバック制御量を算定する。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適な値を予め設定しておく必要がある。なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ制御でもよい。そして、一方では目標温度と給水温度との差に、流量検知手段２０の検知する流量を乗じて給湯負荷を算定する。これは、いわゆるフィードフォワードの制御量である。そして、フィードバック制御量と給湯負荷を加算して、この加算値を用いて圧縮機２の回転数制御を行っている。このフィードバック制御を加味することによって、出湯温度を目標温度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度をより目標温度にあわせることができる。また、比例制御要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。一方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、この点はフィードバック制御より応答性がよくしかも安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞれの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。
【００３１】
次に給湯停止中の動作について説明する。貯留タンク２１は断熱材２５で覆われているが、貯留温度は放熱により徐々に低下する。これを貯留温度検知手段３１より検知し、貯留温度が下限温度（例えば７５℃）より下がれば圧縮機２を低速で回転制御して、放熱器ａ８により加熱して貯留タンク２５内の温度を上昇させる。このとき、放熱器ｂ９も加熱されるが、水流路１２に流れがないので、熱交換器１０が温まれば、それ以上熱を奪われなくなる。そして貯留温度が所定温度（例えば８０℃）を超えたら圧縮機２の運転を停止する。このように貯留タンク２１の温度を所定温度近くに保つように保温運転する。
【００３２】
なお実施例１では放熱器ａ８を貯留タンク２１内部に設けたが、貯留タンク２１の外周に放熱器を巻きつける等の外周に密着させて構成してもよい。また、貯留タンク２１の保温を放熱器ａ８ではなく、一般のヒータによって行っても良い。
【００３３】
実施例１ではヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実施例においても同様である。
【００３４】
また、実施例１では混合手段２２は給湯開始時に経過時間と混合温度に応じて混合割合を変更するように制御したが、この混合手段２２を貯留タンク２１の流水と給湯回路ａ１９の流水を切換える切換え手段（図示せず）としてもよい。この場合は、貯留タンク２１の貯留温度は給湯の目標温度に設定し、水流路１２からの出口温度が目標温度近くまで上昇したら、貯留タンク２１から給湯回路ａ１９に流れを切換えるように制御する。この構成によれば混合手段２２より切換え手段の方が機構および制御が簡単になり、低コスト化に向く。
【００３５】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図２において、実施例１の構成と異なるところは、加温手段４０が、給湯回路１５に直列に設けた蓄熱手段４１で構成した点にある。蓄熱手段４１は、貯留タンク４２の上部に入口管４３を配して、混合手段が貯湯タンク４２内部に構成される点も異なる。そして、貯留タンク４２の保温運転時の貯留温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）と同等温度としている。ただし、貯留温度が低い分、貯留タンク４２の容量は大きくなる。
【００３６】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、入口管４３から給水温度に近い冷水が貯留タンク４２に流入する。すると、貯留タンク４２内部では、内部の温水との温度差から、流入水は貯留タンク４２の底に流れ込み、中の温水だけが出口管２４から出湯される。したがって、給湯開始直後から給湯の目標温度に近い出湯が可能になる。入口管４３から流入する温度が上がれば、貯留タンク４２内で上部の温水と混合されて出口管２４から出湯されるようになる。また、貯留温度より高い温度の出湯をする場合は、入口管４３から貯留タンク４２に貯留温度より高い温度の湯が流入する。この場合、流入する湯の比重が軽いので貯留タンク４２の上端に流れ、出口管２４そのまま出湯される。このように貯留タンク４２内部で湯水の切換え混合が行われる。
【００３７】
以上のように実施例２では、給湯回路１５に直列に蓄熱手段４１を接続するだけで、給湯開始時の出湯遅れを補い安定した温度の給湯が実現できる。また、混合手段がなくとも貯留タンク４２内部で自然に適温に混合できるので、コスト低減になる。
【００３８】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１および実施例２の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図３において、実施例２の構成と異なるところは、加温手段５０を、給水管１３に直列に設けた蓄熱手段５１で構成した点にある。蓄熱手段５１の、貯留タンク５２の底部に入口管５３を配した点も異なる。そして、貯留タンク５２の保温運転時の貯留温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）と同等温度としている。
【００３９】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、給水管１３から冷水が貯留タンク５２底部に流入し、貯留タンク５２の温水が出口管５４から出湯される。そして、熱交換器１０の加熱量が増加してきた場合は、湯温検知手段３０の検出温度によって圧縮機２の回転数が制御されて、目標温度の出湯温度が維持できる。
【００４０】
以上のように実施例３では、熱交換器１０の上流側に蓄熱手段５１が配置されているので、熱交換器１０の加熱が遅れている場合は蓄熱手段５１が補い、熱交換器１０の加熱能力が立上がった場合は、出湯温度のフィードック制御により圧縮機２が制御され、常に目標の給湯温度が維持できる。また、目標温度を変更しても直に出湯温度を変えることができる。
【００４１】
さらに、給湯開始時に貯留タンク５２の温水により熱交換器１０が温められるのでヒートポンプサイクル７の温度立上りも早くなる。
【００４２】
なお実施例３では、蓄熱手段５１を給水管１３に直列に構成したが、給水管１３に並列に配置して、貯留温度を給湯の目標温度より高温として、給水管１３の流水と蓄熱手段の温水を目標温度に近い温度に混合して熱交換器１０に流すようにすれば、高温蓄熱により蓄熱手段の小型化が可能になる。
【００４３】
また、実施例１および２では蓄熱手段を熱交換器１０の下流に配置し、実施例３では上流に配置したが、蓄熱手段を熱交換器１０をバイパスするように並列に配置し、熱交換器の上流側で、水流路の流水と蓄熱手段の流水を混合するように配置してもよい。さらに、蓄熱手段に熱交換器を内蔵するように配置しても同様の効果が得られる。
【００４４】
（実施例４）
図４は本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異なるところは、加温手段６０を、水流路１２を含んで形成した水循環路６１と、この水循環路６１上に配置した蓄熱手段６２とより構成した点にある。そして、この水循環路６１および蓄熱手段６２の循環水の温度保つための保温手段Ｂ（図示せず）として、ヒートポンプサイクル７を駆動して熱交換器１０の水流路１２の加熱により、水循環路６１に自然対流を発生させ加熱保温するようにしている。蓄熱手段６２は、上下に入口管２３と出口管２４を配した貯留タンク６３と、出口管２４からの流水と水流路１２からの流水を混合し給湯配管１５に流出させる混合手段２２とから成っている。水循環路６１は、水流路１２と混合手段２２と貯留タンク６３とをループ状に連通して構成している。
【００４５】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、給水管１３から冷水が水流路１２と貯留タンク６３に流入し、水流路１２の出口から冷水と、貯留タンク５２からの温水が混合手段２２で混合され給湯回路１５に出湯される。このとき湯温検知手段３０の検知温度によって混合手段２２の開度を決定するので、給湯回路１５に出湯される温度は目標温度に制御できる。そして、熱交換器１０の加熱量が増加してきた場合は、湯温検知手段３０の検出温度によって貯留タンク６３からの出湯割合が減少し、水流路１２からの出湯温度が目標温度に達すると貯留タンク６３からの出湯を停止する。
【００４６】
給湯が停止した場合は、貯留タンク６３内は給湯中に流入した給水により蓄熱量は下がっている。ここで、制御手段３４は、まず混合手段２２を混合状態に戻し、貯留温度検知手段３１により貯留温度の低下（例えば７５℃以下）を検知したら、ヒートポンプサイクル７を駆動し、圧縮機２を低速回転で運転する。これにより高温高圧の冷媒が冷媒流路ａ１１に流れ、水流路１２を加熱する。水流路１２中の水温が上昇して貯留タンク６３内の水温より高くなると、両者の温度差によって、水流路１２内の水が上昇し、水循環路６１内で対流が発生する。そして、貯留タンク６３内の温度が上昇して、貯留温度検知手段３１の検知温度が所定温度（例えば８０℃）を超えればヒートポンプサイクル７の運転を停止する。この運転停止の繰り返しで蓄熱手段６２と水循環路６１の循環水は保温される。
【００４７】
以上の実施例４の構成によれば、水流路１２および蓄熱手段６２を含んだ水循環路６１が保温され、給湯開始時に水循環路６１の湯が出湯されるので、給湯端末１４から出湯される湯の温度立上りが早くなる。また、ヒートポンプサイクル７の停止時に水循環路６１の熱が熱交換器１０を暖めるので、ヒートポンプサイクル７の立ち上がりも早くなる。
【００４８】
また、水循環路６１の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率がよく、凍結の心配もない。
【００４９】
さらに、蓄熱手段６２に高温の湯が貯えられ、混合手段２２で適温に混合して出湯するので、給湯開始時などに水循環路６１に冷水が流れ込んでも、出湯温度の低下を防ぐことができる。
【００５０】
なお実施例４では保温運転における水循環路６１内の水の循環を、自然対流による流れを利用したが、水循環路６１にポンプを設けて、強制的に循環しても良い。この場合は一定の流量が得られるため貯留温度や熱交換器での加熱熱量を制御しやすい。
また、実施例４では混合手段２２により混合割合を可変しているが、一定の割合に固定した合流部材で構成してもよい。この場合は、貯留タンクの湯の減少に合わせて出湯温度が目標温度になるように熱交換器１０の加熱量を圧縮機２により制御する必要がある。この構成によれば混合手段２２のコストダウンになる。
【００５１】
さらに、実施例４では水循環路６１に蓄熱手段６２を配置したが、この蓄熱手段６２のない水循環路６１だけの構成でもよい。この場合は、貯留温度検知手段３１により水循環路６１の循環水の温度検知するように配置して、循環水の温度を所定温度に保温するように保温運転する。この構成によれば出湯温度はやや変動するが、大幅なコストダウンになる。
【００５２】
実施例４では保温手段Ｂとして、ヒートポンプサイクル７を駆動して熱交換器１０の水流路１２の加熱により、水循環路６１に自然対流を発生させ加熱保温するようにしたが、水循環路６１を直接ヒータで加熱してもよいし、貯留タンク
なお、通常の給湯使用状態において、冷媒流路ａ８と水流路９との温度差が小さくなるほどヒートポンプサイクル７効率が良くなるので、水温検知手段２１の検知する給水温度に応じて、熱交換器１０での所要加熱量を確保して、最も冷媒流路ａ８と水流路９との温度差が小さくなるように減圧手段４の冷媒流路抵抗を制御すると、効率のよい運転が可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、給湯温度の立ち上がりと制御性が良く、効率のよい給湯ができる瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供すすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】 本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図３】 本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図４】 本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図５】 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
１ 冷媒流路
２ 圧縮機
４ 減圧手段
５ 吸熱器
７ ヒートポンプサイクル
８ 放熱器ａ（保温手段Ａ）
９ 放熱器ｂ
１０ 熱交換器
１１ 冷媒流路ａ
１２ 水流路（保温手段Ｂ）
１３ 給水管
１４ 給湯端末
１５ 給湯回路
１６ シャワー
１７ 蛇口
１８、４０、５０、６０ 加温手段
１９ 給湯回路ａ
２０、４１、５１、６２ 蓄熱手段
２１、４２、５２、６３ 貯留タンク
２２ 混合手段
６１ 水循環路
【発明の属する技術分野】
本発明は、瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
瞬間湯沸し型給湯装置としては、ガスや石油の燃焼を用いた給湯機が従来より使用されてきた。これらは温度立上りが早く、大能力が出せる特徴がある反面、排ガスによる大気汚染や、直接燃焼させることへの不安感、燃焼音など避けられない課題を抱えていた。これに対し、大型の貯湯タンクに湯を貯えて給湯するヒートポンプ給湯器があり、こちらは燃焼による給湯機の問題を解消し、しかもヒートポンプにより熱効率がよいものであった。しかし、貯湯タンクが大きく、重量や設置スペースなど施工上に問題があった。この大型の貯湯タンクの問題を解消するヒートポンプによる瞬間湯沸しの発想は従来よりあったが、ヒートポンプの場合は燃焼給湯機と違い、ヒートポンプサイクルの熱的立ち上がりに時間を要するため、湯が出てくるのに時間がかかり使用者に不満感を与えるものであった。
【０００３】
こうした問題を解決する瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置として特開昭６１−１７８４９号公報に記載されているような給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図５に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続されたヒートポンプサイクル７と、放熱器３と接触熱交換する貯湯タンク６を設け、この貯湯タンク６を圧縮機２を囲むように配置している。この構成で、給湯をすると貯湯タンク６に湯が蓄えられ、給湯を停止しても圧縮機２が冷めないので、給湯を再開した場合に給湯温度の立上りが早くなるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では貯湯タンク６が冷めてしまうと圧縮機２も冷めてしまい、ヒートポンプサイクル７の立上りは逆に貯湯タンク６に圧縮機２の熱が奪われるために遅くなる。また、出湯は貯湯タンク６から行われるため、この貯湯タンク６の温度が冷めいると、出湯温度も冷たく、貯湯タンク６の湯温が上がるまで出湯温度が上昇しない。そのため、貯湯タンク６が冷めた状態からの給湯は、逆に湯が出てくるまでに多くの時間を要してしまう。
【０００５】
また、給湯中に出湯温度を変更しようとした場合に、圧縮機２の運転状態を変えても、貯湯タンク６の湯温は直には変化しないため、温度変更にも時間がかかってしまう。
【０００６】
さらに、貯湯タンク６に湯がある場合に給湯を再開しても、ヒートポンプサイクル７が立上がるまでは、貯湯タンク６内は給水によって冷やされ、出湯温度はいったん下がっるので、使用者に不快感を与えてしまう。これを防ぐためには充分に容量の大きな貯湯タンク６が必要になってしまう。
【０００７】
また、冷媒の熱を水に伝えるのに、放熱器３と貯湯タンク６を接触させて熱交換させているが、貯湯タンク６は容量があるため給湯時でも内部の流速が遅く、放熱器３と接触している貯湯タンク６内面の熱伝達が大きくできない。そのため、効率が悪く、十分な熱量の熱交換をするには広い伝熱面積が必要となり、これに比例して放熱器３も大型になってしまい、放熱ロスの増加により、さらに効率が悪くなる。また、大型化にともない材料費や製作費も嵩むためコスト高になってしまっていた。
【０００８】
以上のように従来のヒートポンプ給湯装置では給湯温度の立ち上がりを逆に悪くする場合があり、しかも湯温の制御性がわるかったり、効率が悪化するなどの問題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、給湯温度の立ち上がりと制御性が良く、効率のよい給湯ができる瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、湯を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクと前記給水管とを接続する水循環路と、前記貯留タンクから流出する湯と水流路からの流水を混合し給湯端末へと通水する混合手段とを有し、貯湯する場合は前記水流路と前記混合手段と前記貯留タンクと前記水循環路で構成される循環ループにより貯留タンクに湯を貯留するとともに、出湯する場合には前記貯留タンクからの流水と水流路からの流水を混合手段で混合して給湯回路へ湯を供給することを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
【００１１】
上記発明によれば、熱交換器での加熱が遅れても貯留タンクにより出湯温度の立ち上がり遅れをカバーすることができる。また、熱交換器による出湯温度制御に貯留タンクが直接影響しないので制御性がよい。さらに、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、湯を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクと前記給水管とを接続する水循環路と、前記貯留タンクから流出する湯と水流路からの流水を混合し給湯端末へと通水する混合手段とを有し、貯湯する場合は前記水流路と前記混合手段と前記貯留タンクと前記水循環路で構成される循環ループにより貯留タンクに湯を貯留するとともに、出湯する場合には前記貯留タンクからの流水と水流路からの流水を混合手段で混合して給湯回路へ湯を供給する ことを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
【００１３】
請求項１によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に貯留タンクで加熱されるので、熱交換器での加熱が遅れても貯留タンクにより出湯温度の立ち上がり遅れをカバーすることができる。また、熱交換器による出湯温度制御に加温手段が直接影響しないので制御性がよい。さらに、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。
【００１４】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯回路に出湯温度を検知する湯温検知手段を設け、前記湯温検知手段の検知温度が検出する水流路からの流水温度が所定温度より低い場合は、水流路からの流水と貯留タンクからの温水が混合手段で混合され給湯回路に出湯される請求項 1 記載のヒートポンプ給湯装置とする。
【００１５】
この構成によれば、貯留タンクに高温の湯が貯えられ、混合手段で適温に混合して出湯するので、給湯開始時などに水循環路６１に冷水が流れ込んでも、出湯温度の低下を防ぐことができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、水循環路にポンプを設けて強制的に循環させる請求項 1 または 2 記載のヒートポンプ給湯装置とする。
【００１７】
この構成によれば、一定の流量が得られるため貯留温度や熱交換器での加熱熱量を制御しやすい。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１において、７はヒートポンプサイクルで、圧縮機２、放熱器ａ８、放熱器ｂ９、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に接続されている。このヒートポンプサイクル７は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器ｂ９の冷媒流路ａ１１と熱交換を行う水流路１２を備えた熱交換器である。この水流路１２に水道水を直接供給する給水管１３と、水流路１２から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１７等より成る給湯端末１４の通水させるための給湯回路１５が接続されている。そして１８は給湯回路１５の水を加熱する加温手段で、給湯回路１５の上流部の給湯回路ａ１９に並列に接続した蓄熱手段２０から成っている。蓄熱手段２０は、給湯回路１５の流水を溜める貯留タンク２１と、給湯回路ａ１９と蓄熱手段２０の流水を混合する混合手段２２より構成さている。貯留タンク２１は、下端に入口管２３と、上端に出口管２４と、下部に放熱器ａ８を内蔵して、断熱材２５で覆って構成している。この放熱器ａ８は貯湯タンク２１内の蓄熱温度（以下貯留温度と呼ぶ）を所定温度に保つための保温手段Ａを兼ねている。給湯回路１５は、分岐部２６より給湯回路ａ１９と入口管２３に分岐し、合流部２７で給湯回路ａ１９と出口管２４の水が合流する。この合流部２７に混合手段２２が設けられている。
【００２０】
なお、貯留タンク２１の大きさはヒートポンプサイクル７や熱交換器１０の出湯時の熱応答遅れによる不足熱量相当の蓄熱量としたもので、例えば給水温度５℃で目標温度４５℃とし、１０Ｌ/minで給湯するものとした場合で、目標温度の出湯までに３分間の遅れがあるとすると、不足熱量は（（４５℃−５℃）×１０Ｌ/min×３min/８６０）で１．４kWhとなる。これを８０℃の貯湯タンク２１で補う場合は（１．４kWh×８６０／（８０℃−５℃））で１６Ｌの容量となる。
【００２１】
給水管１３には、給湯回路１５の流量を検出する流量検知手段２８と、熱交換器１０への給水温度を検出する水温検知手段２９が設けられている。そして給湯回路１５には出湯温度を検出する湯温検知手段３０が設けられている。また貯留タンク２１の上部には貯留タンク２１内の湯温を検出する貯留温度検知手段３１が設けられている。３２は気温を検出する気温検知手段である。３３は給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。
【００２２】
３４は制御手段で、流量検知手段２８により流量を検知すると、湯温検知手段３０と温度設定手段３３とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差からフィードバック制御量を算定し、水温検知手段２９と温度設定手段３３と流量検知手段２８の各値から給湯負荷を算定し、フィードバック制御量と給湯負荷を加算し、この加算値に基づいて圧縮機２の回転数を制御する。
【００２３】
また、制御手段３４は、気温検知手段３２の検出値に応じて圧縮機２の回転数を補正すると共に、減圧手段４、送風機３５をそれぞれ制御し、最も効率の良くなるヒートポンプサイクルで運転する。
【００２４】
さらに、制御手段３４は混合手段２２を駆動して、給湯回路ａ１９からの流水と貯留タンク２１からの流水との混合割合を制御し、出湯温度を目標温度に近付ける。
【００２５】
また、制御手段３４は給湯停止時に、貯留温度検知手段３１より貯留温度を検知し、貯留温度を所定温度（例えば８０℃）に保つように圧縮機２を低速で回転制御して保温運転する。この保温の所定温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）より充分に高くすることにより、蓄熱密度を上げることができ、貯留タンク２５の大きさを小さくすることができる。
【００２６】
熱交換器１０は、冷媒流路ａ１１の流れ方向と水流路１２の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路ａ１１と水流路１２の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【００２７】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図１に示す実施例において、蛇口１７が開かれると給水管１３から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段２８が検知し制御手段３４に信号が送られ、圧縮機２の運転が開始される。このときヒートポンプサイクル７が冷え切った状態の場合、圧縮機２が運転されてもサイクル全体の圧力および温度が定常状態に達していないために、水流路１２からは給水温度に近い水が出てしまう。制御手段３４は給湯開始後の所定時間（例えば３分間）は混合手段２２の混合割合を例えば１：１として設定している。ここで、給水温度５℃、貯留温度８０℃として、水流路１２からの出口温度がまだ５℃とすると、混合手段２２の出口温度は（８０℃＋５℃）／２で、４２．５℃の出湯温度となる。その後、水流路１２の出口温度は徐々に上昇するが、貯留タンク２１内の貯留温度は入口管２３から給水温度に近い冷水が流入されるため、貯留タンク２１の出口温度は逆に徐々に低下する。したがって混合手段２２の出口温度は、それぞれの流水が混合されて給湯の目標温度（例えば４５℃）に近い温度を維持することができる。
【００２８】
以上のように混合手段２２の制御は、給湯開始直後に貯湯タンク２１からの湯を利用することによって、熱交換器１０からの出湯遅れを補うように作用させる。なお、給湯開始時に熱交換器１０の温度が冷めていない場合は、湯温検知手段３０から目標温度より高い値が出力される。この場合は混合割合を給湯回路ａ１９側を多くして出湯温度が目標に近付くように調整する。
【００２９】
そして、ヒートポンプサイクル７の温度が安定すると、混合手段２２の混合割合を給湯回路ａ１９主体に切換える。このとき、圧縮機２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器ａ８および放熱器ｂ９へ流入し、貯留タンク２１の水を加熱しつつ、水流路１２を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路ａ１９、給湯回路１５を経て給湯端末１２から出湯する。一方、放熱器ａ８と放熱器ｂ９で冷却された冷媒は減圧手段４で減圧されて吸熱器５に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２に戻る。
【００３０】
給湯中の制御手段３４では、出湯温度と目標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いてフィードバック制御量を算定する。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適な値を予め設定しておく必要がある。なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ制御でもよい。そして、一方では目標温度と給水温度との差に、流量検知手段２０の検知する流量を乗じて給湯負荷を算定する。これは、いわゆるフィードフォワードの制御量である。そして、フィードバック制御量と給湯負荷を加算して、この加算値を用いて圧縮機２の回転数制御を行っている。このフィードバック制御を加味することによって、出湯温度を目標温度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度をより目標温度にあわせることができる。また、比例制御要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。一方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、この点はフィードバック制御より応答性がよくしかも安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞれの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。
【００３１】
次に給湯停止中の動作について説明する。貯留タンク２１は断熱材２５で覆われているが、貯留温度は放熱により徐々に低下する。これを貯留温度検知手段３１より検知し、貯留温度が下限温度（例えば７５℃）より下がれば圧縮機２を低速で回転制御して、放熱器ａ８により加熱して貯留タンク２５内の温度を上昇させる。このとき、放熱器ｂ９も加熱されるが、水流路１２に流れがないので、熱交換器１０が温まれば、それ以上熱を奪われなくなる。そして貯留温度が所定温度（例えば８０℃）を超えたら圧縮機２の運転を停止する。このように貯留タンク２１の温度を所定温度近くに保つように保温運転する。
【００３２】
なお実施例１では放熱器ａ８を貯留タンク２１内部に設けたが、貯留タンク２１の外周に放熱器を巻きつける等の外周に密着させて構成してもよい。また、貯留タンク２１の保温を放熱器ａ８ではなく、一般のヒータによって行っても良い。
【００３３】
実施例１ではヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実施例においても同様である。
【００３４】
また、実施例１では混合手段２２は給湯開始時に経過時間と混合温度に応じて混合割合を変更するように制御したが、この混合手段２２を貯留タンク２１の流水と給湯回路ａ１９の流水を切換える切換え手段（図示せず）としてもよい。この場合は、貯留タンク２１の貯留温度は給湯の目標温度に設定し、水流路１２からの出口温度が目標温度近くまで上昇したら、貯留タンク２１から給湯回路ａ１９に流れを切換えるように制御する。この構成によれば混合手段２２より切換え手段の方が機構および制御が簡単になり、低コスト化に向く。
【００３５】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図２において、実施例１の構成と異なるところは、加温手段４０が、給湯回路１５に直列に設けた蓄熱手段４１で構成した点にある。蓄熱手段４１は、貯留タンク４２の上部に入口管４３を配して、混合手段が貯湯タンク４２内部に構成される点も異なる。そして、貯留タンク４２の保温運転時の貯留温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）と同等温度としている。ただし、貯留温度が低い分、貯留タンク４２の容量は大きくなる。
【００３６】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、入口管４３から給水温度に近い冷水が貯留タンク４２に流入する。すると、貯留タンク４２内部では、内部の温水との温度差から、流入水は貯留タンク４２の底に流れ込み、中の温水だけが出口管２４から出湯される。したがって、給湯開始直後から給湯の目標温度に近い出湯が可能になる。入口管４３から流入する温度が上がれば、貯留タンク４２内で上部の温水と混合されて出口管２４から出湯されるようになる。また、貯留温度より高い温度の出湯をする場合は、入口管４３から貯留タンク４２に貯留温度より高い温度の湯が流入する。この場合、流入する湯の比重が軽いので貯留タンク４２の上端に流れ、出口管２４そのまま出湯される。このように貯留タンク４２内部で湯水の切換え混合が行われる。
【００３７】
以上のように実施例２では、給湯回路１５に直列に蓄熱手段４１を接続するだけで、給湯開始時の出湯遅れを補い安定した温度の給湯が実現できる。また、混合手段がなくとも貯留タンク４２内部で自然に適温に混合できるので、コスト低減になる。
【００３８】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１および実施例２の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図３において、実施例２の構成と異なるところは、加温手段５０を、給水管１３に直列に設けた蓄熱手段５１で構成した点にある。蓄熱手段５１の、貯留タンク５２の底部に入口管５３を配した点も異なる。そして、貯留タンク５２の保温運転時の貯留温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）と同等温度としている。
【００３９】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、給水管１３から冷水が貯留タンク５２底部に流入し、貯留タンク５２の温水が出口管５４から出湯される。そして、熱交換器１０の加熱量が増加してきた場合は、湯温検知手段３０の検出温度によって圧縮機２の回転数が制御されて、目標温度の出湯温度が維持できる。
【００４０】
以上のように実施例３では、熱交換器１０の上流側に蓄熱手段５１が配置されているので、熱交換器１０の加熱が遅れている場合は蓄熱手段５１が補い、熱交換器１０の加熱能力が立上がった場合は、出湯温度のフィードック制御により圧縮機２が制御され、常に目標の給湯温度が維持できる。また、目標温度を変更しても直に出湯温度を変えることができる。
【００４１】
さらに、給湯開始時に貯留タンク５２の温水により熱交換器１０が温められるのでヒートポンプサイクル７の温度立上りも早くなる。
【００４２】
なお実施例３では、蓄熱手段５１を給水管１３に直列に構成したが、給水管１３に並列に配置して、貯留温度を給湯の目標温度より高温として、給水管１３の流水と蓄熱手段の温水を目標温度に近い温度に混合して熱交換器１０に流すようにすれば、高温蓄熱により蓄熱手段の小型化が可能になる。
【００４３】
また、実施例１および２では蓄熱手段を熱交換器１０の下流に配置し、実施例３では上流に配置したが、蓄熱手段を熱交換器１０をバイパスするように並列に配置し、熱交換器の上流側で、水流路の流水と蓄熱手段の流水を混合するように配置してもよい。さらに、蓄熱手段に熱交換器を内蔵するように配置しても同様の効果が得られる。
【００４４】
（実施例４）
図４は本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異なるところは、加温手段６０を、水流路１２を含んで形成した水循環路６１と、この水循環路６１上に配置した蓄熱手段６２とより構成した点にある。そして、この水循環路６１および蓄熱手段６２の循環水の温度保つための保温手段Ｂ（図示せず）として、ヒートポンプサイクル７を駆動して熱交換器１０の水流路１２の加熱により、水循環路６１に自然対流を発生させ加熱保温するようにしている。蓄熱手段６２は、上下に入口管２３と出口管２４を配した貯留タンク６３と、出口管２４からの流水と水流路１２からの流水を混合し給湯配管１５に流出させる混合手段２２とから成っている。水循環路６１は、水流路１２と混合手段２２と貯留タンク６３とをループ状に連通して構成している。
【００４５】
以上の構成で、熱交換器１０が冷え切った状態から給湯が開始されると、給水管１３から冷水が水流路１２と貯留タンク６３に流入し、水流路１２の出口から冷水と、貯留タンク５２からの温水が混合手段２２で混合され給湯回路１５に出湯される。このとき湯温検知手段３０の検知温度によって混合手段２２の開度を決定するので、給湯回路１５に出湯される温度は目標温度に制御できる。そして、熱交換器１０の加熱量が増加してきた場合は、湯温検知手段３０の検出温度によって貯留タンク６３からの出湯割合が減少し、水流路１２からの出湯温度が目標温度に達すると貯留タンク６３からの出湯を停止する。
【００４６】
給湯が停止した場合は、貯留タンク６３内は給湯中に流入した給水により蓄熱量は下がっている。ここで、制御手段３４は、まず混合手段２２を混合状態に戻し、貯留温度検知手段３１により貯留温度の低下（例えば７５℃以下）を検知したら、ヒートポンプサイクル７を駆動し、圧縮機２を低速回転で運転する。これにより高温高圧の冷媒が冷媒流路ａ１１に流れ、水流路１２を加熱する。水流路１２中の水温が上昇して貯留タンク６３内の水温より高くなると、両者の温度差によって、水流路１２内の水が上昇し、水循環路６１内で対流が発生する。そして、貯留タンク６３内の温度が上昇して、貯留温度検知手段３１の検知温度が所定温度（例えば８０℃）を超えればヒートポンプサイクル７の運転を停止する。この運転停止の繰り返しで蓄熱手段６２と水循環路６１の循環水は保温される。
【００４７】
以上の実施例４の構成によれば、水流路１２および蓄熱手段６２を含んだ水循環路６１が保温され、給湯開始時に水循環路６１の湯が出湯されるので、給湯端末１４から出湯される湯の温度立上りが早くなる。また、ヒートポンプサイクル７の停止時に水循環路６１の熱が熱交換器１０を暖めるので、ヒートポンプサイクル７の立ち上がりも早くなる。
【００４８】
また、水循環路６１の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率がよく、凍結の心配もない。
【００４９】
さらに、蓄熱手段６２に高温の湯が貯えられ、混合手段２２で適温に混合して出湯するので、給湯開始時などに水循環路６１に冷水が流れ込んでも、出湯温度の低下を防ぐことができる。
【００５０】
なお実施例４では保温運転における水循環路６１内の水の循環を、自然対流による流れを利用したが、水循環路６１にポンプを設けて、強制的に循環しても良い。この場合は一定の流量が得られるため貯留温度や熱交換器での加熱熱量を制御しやすい。
また、実施例４では混合手段２２により混合割合を可変しているが、一定の割合に固定した合流部材で構成してもよい。この場合は、貯留タンクの湯の減少に合わせて出湯温度が目標温度になるように熱交換器１０の加熱量を圧縮機２により制御する必要がある。この構成によれば混合手段２２のコストダウンになる。
【００５１】
さらに、実施例４では水循環路６１に蓄熱手段６２を配置したが、この蓄熱手段６２のない水循環路６１だけの構成でもよい。この場合は、貯留温度検知手段３１により水循環路６１の循環水の温度検知するように配置して、循環水の温度を所定温度に保温するように保温運転する。この構成によれば出湯温度はやや変動するが、大幅なコストダウンになる。
【００５２】
実施例４では保温手段Ｂとして、ヒートポンプサイクル７を駆動して熱交換器１０の水流路１２の加熱により、水循環路６１に自然対流を発生させ加熱保温するようにしたが、水循環路６１を直接ヒータで加熱してもよいし、貯留タンク
なお、通常の給湯使用状態において、冷媒流路ａ８と水流路９との温度差が小さくなるほどヒートポンプサイクル７効率が良くなるので、水温検知手段２１の検知する給水温度に応じて、熱交換器１０での所要加熱量を確保して、最も冷媒流路ａ８と水流路９との温度差が小さくなるように減圧手段４の冷媒流路抵抗を制御すると、効率のよい運転が可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、給湯温度の立ち上がりと制御性が良く、効率のよい給湯ができる瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供すすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】 本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図３】 本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図４】 本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図５】 従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
１ 冷媒流路
２ 圧縮機
４ 減圧手段
５ 吸熱器
７ ヒートポンプサイクル
８ 放熱器ａ（保温手段Ａ）
９ 放熱器ｂ
１０ 熱交換器
１１ 冷媒流路ａ
１２ 水流路（保温手段Ｂ）
１３ 給水管
１４ 給湯端末
１５ 給湯回路
１６ シャワー
１７ 蛇口
１８、４０、５０、６０ 加温手段
１９ 給湯回路ａ
２０、４１、５１、６２ 蓄熱手段
２１、４２、５２、６３ 貯留タンク
２２ 混合手段
６１ 水循環路
Claims (3)
- 閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、湯を貯留する貯留タンクと、前記貯留タンクと前記給水管とを接続する水循環路と、前記貯留タンクから流出する湯と水流路からの流水を混合し給湯端末へと通水する混合手段とを有し、貯湯する場合は前記水流路と前記混合手段と前記貯留タンクと前記水循環路で構成される循環ループにより貯留タンクに湯を貯留するとともに、出湯する場合には前記貯留タンクからの流水と水流路からの流水を混合手段で混合して給湯回路へ湯を供給することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
- 給湯回路に出湯温度を検知する湯温検知手段を設け、前記湯温検知手段の検知温度が検出する水流路からの流水温度が所定温度より低い場合は、水流路からの流水と貯留タンクからの温水が混合手段で混合され給湯回路に出湯される請求項 1 記載のヒートポンプ給湯装置。
- 水循環路にポンプを設けて強制的に循環させる請求項 1 または 2 記載のヒートポンプ給湯装置。
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