JP3778106B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯湯用のタンクを備えるヒートポンプ給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｒ２２などの冷媒を使用するヒートポンプ給湯機が公知である。この種のヒートポンプ給湯機としては、図５に示すように、給湯用水を貯留するタンク１、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプユニット２、タンク１とヒートポンプユニット２とを接続する流水配管３、この流水配管３に給湯用水を循環させるポンプ４等より構成される。
【０００３】
ヒートポンプユニット２は、圧縮機５、給湯用熱交換器６、減圧手段７、蒸発器８、およびアキュムレータ９を順次冷媒配管１０により接続して構成され、冷媒が充填されている。給湯用熱交換器６は、圧縮機５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路６ｂとを有している。
【０００４】
減圧手段７は、給湯用熱交換器６から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧するものであり、蒸発器８は、減圧手段７で減圧された冷媒をファン１１によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。アキュムレータ９は、蒸発器８で蒸発した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、気相冷媒のみを圧縮機５に吸引させ、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。流水配管３は、給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂに接続される冷水管３ａと温水管３ｂとで構成され、冷水管３ａの上流端がタンク１の底面に接続され、温水管３ｂの下流端がタンク１の天面に接続されている。
【０００５】
ポンプ４は、冷水管３ａ（温水管３ｂでも良い）に設けられ、通電されて回転することにより、タンク１内の給湯用水を流水配管３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク１内の下部→冷水管３ａ→給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂと流れ、ここでヒートポンプユニット２により加熱されて温水となり、給湯用水通路６ｂ→温水管３ｂ→タンク１内の上部へと流れる。また、タンク１の底面には、タンク１内に給水するための給水配管１２が接続され、タンク１の天面には、タンク１内に蓄えられた給湯用水（温水）を使用者に供給するための給湯配管１３が接続されている。
【０００６】
一般に、このような貯湯式の給湯機では、タンク１に蓄えられた温水を直接給湯用として使用する場合、衛生面上から温水の温度（貯湯温度）を６０℃以上としたり、タンク１を小型化するために冷媒の特性上可能な限り高温（Ｒ２２では６５℃、二酸化炭素冷媒では例えば９０℃）に加熱して貯湯する。そして、ヒートポンプユニット２は電力料金の安い深夜時刻帯に運転されてタンク１内をすべて温水に加熱し、翌朝から夜にかけて給湯使用される運転方法が主になっている。また、タンク１内に深夜貯湯した熱量を給湯負荷が上回りタンク１内の温水が不足することがないように、その加熱温度とタンク１の容量が設定されている。なお、給湯負荷とは、給湯使用に必要な温水を得るために要する熱量のことであり、例えば、同一の温水温度及び温水量を得るためには、供給水温が低いほど、必要熱量は増大する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のヒートポンプ給湯機は、給湯使用時にタンク１内の温水不足が発生しないように、常にタンク１内に温水を残しているため、一日の給湯使用が終了した深夜加熱直前にモータンク１内に残湯がある。この残湯はタンク１からの放熱により設定加熱温度よりも温度低下しているので、残湯も合わせて深夜時刻帯にタンク１内すべてを加熱する際に、残湯が冷水管３ａを通ってヒートポンプユニット２に供給されると、ヒートポンプで昇温する時の運転効率は非常に悪くなるという課題を有していた。
【０００８】
図６に示すように、水温が上昇するとヒートポンプの運転効率ＣＯＰは非常に悪化する。特に、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニットは顕著に低下する。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、タンク内に残る中温から高温の湯をなくして高効率にヒートポンプ貯湯運転をおこない、給湯にかかる光熱費を低減したヒートポンプ給湯機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】
前記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯用のタンクと、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段、および蒸発器を有し前記タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットと、前記タンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、前記ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、前記流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段と、前記タンク内の水を攪拌する攪拌手段と、タンク内の給水と給湯使用後に残った温水とを加熱するのに必要な加熱量を予測する加熱量予測手段と、前記加熱量予測手段からの検出値とヒートポンプユニットの加熱能力から必要加熱時間を算出する加熱時間算出部とタイマー部を有する制御手段とを備え、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うとともに、前記制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続するようにしたものである。
【００１１】
これによって、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、攪拌手段により残湯を高温のまま再加熱せずに、タンク下方の低温の給水と攪拌混合し十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、加熱運転の効率ＣＯＰが向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、貯湯用のタンクと、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段、および蒸発器を有し前記タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットと、前記タンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、前記ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、前記流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段と、前記タンク内の水を攪拌する攪拌手段と、タンク内の給水と給湯使用後に残った温水とを加熱するのに必要な加熱量を予測する加熱量予測手段と、前記加熱量予測手段からの検出値とヒートポンプユニットの加熱能力から必要加熱時 間を算出する加熱時間算出部とタイマー部を有する制御手段とを備え、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うとともに、前記制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続するようにしたことにより、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、これを高温のまま再加熱せずに攪拌手段によりタンク下方の低温の給水と混合し、十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、運転効率が向上して運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１３】
また、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うことにより、電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると攪拌運転が開始されるとともに、攪拌時間のタイマー部により攪拌運転の経過時間が積算され、加熱量予測手段により求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部で必要加熱時間ｔｈを算出し、攪拌運転の経過時間が深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間（ｔｎ−ｔｈ）を経過すると攪拌運転を停止して優先的に加熱運転を行うので、多くの電力を消費する加熱運転を深夜時刻帯のうちに終了することができ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１４】
さらに、流水配管を構成しタンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段とを備え、制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続することにより、ヒートポンプユニットによる加熱運転を優先して行う場合に制御手段によって加熱運転を開始したのち、加熱された温水の温度ｔ２が十分な高温に温度上昇するまでの立ち上がり時間のあいだは攪拌運転を継続し、加熱温度検出手段の信号に基づき加熱された温水温度ｔ２が所定値ｔｓ３を超えたときに制御手段は攪拌運転を停止するので、立ち上がり時間分攪拌運転を延長でき、より確実にタンク内を温度低下でき、ヒートポンプユニットの運転効率が向上し、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１５】
【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。
【００１６】
（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給湯機を示すもので、図２は同ヒートポンプ給湯機における流入水の水温とそれを加熱したときの運転効率（ＣＯＰ）特性を示すものである。
【００１７】
図１において、３１は給湯用水を貯留する貯湯用のタンク、３２は給湯用水の加熱手段となる熱源であるヒートポンプユニット、３３はタンク３１とヒートポンプユニット３２とを接続する流水配管、３４は給湯用水を循環させるポンプである。ヒートポンプユニット３２は、圧縮機３５、給湯用熱交換器３６、減圧手段３７、および蒸発器３８を順次冷媒配管３９により接続して構成され冷媒が充填されたヒートポンプ回路と、蒸発器３８に送風するファン４０とを備えている。ここで本実施例においては、冷媒に二酸化炭素冷媒を使用した。
【００１８】
給湯用熱交換器３６は、圧縮機３５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路３６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路３６ｂとを有している。減圧手段３７は、給湯用熱交換器３６から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する。蒸発器３８は、減圧手段３７で減圧された冷媒をファン４０によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。
【００１９】
流水配管３３は、給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂに接続される流入管３３ａと流出管３３ｂとで構成され、流入管３３ａの上流端がタンク３１の底面に接続され、流出管３３ｂの下流端がタンク３１の天面に接続されている。ポンプ３４は、ヒートポンプユニット３２内の流入管３３ａ（流出管３３ｂでも良い）に設けられ、通電されて回転することにより、タンク３１内の給湯用水を流水配管３３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク３１内の下部→流入管３３ａ→給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂと流れ、ここでヒートポンプユニット３２により加熱されて温水となり、給湯用水通路３６ｂ→流出管３３ｂ→タンク３１内の上部へと流れ、タンク３１に温水が貯められていく。また、タンク３１の底面には、給水圧を加えながらタンク３１に水を供給するための給水配管４１が接続され、タンク３１の天面には、タンク３１内に貯えられた給湯用水（温水）を使用者に供給するための給湯配管４２が接続され、その先端には台所、洗面、浴室などの複数の蛇口４３が設けられている。
【００２０】
タンク３１の壁面には、温度検知手段である３個のサーミスタ４４、４５、４６がそれぞれ異なる高さに配置されている。具体的には、第１サーミスタ４４、第２サーミスタ４５、第３サーミスタ４６の順に、図における上部から下部に向かって所定の間隔を置いて配置されている。また、流出管３３ｂの給湯用熱交換器３６の出口近傍にはサーミスタよりなる加熱温度検出手段４７が、流入管３３ａの給湯用熱交換器３６の入口側にはサーミスタよりなる温度検出手段４８が設けられ、各サーミスタ４４、４５、４６および４７、４８の検出信号は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有するマイクロコンピュータ（図示せず）を用いて構成された制御手段４９にそれぞれ入力されるよう構成されている。５０はヒートポンプ給湯機の遠隔操作を行うリモコンであり、リモコン５０は信号用のケーブル５１で制御手段４９と有線接続されている。
【００２１】
上記ヒートポンプ給湯機の運転動作のうち、湯沸かし運転について説明する。まず、制御手段４９が電気的に接続された冷媒回路中の圧縮機３５を駆動し、給湯用熱交換器３６を放熱器として機能させると共に、蒸発器３８を室外熱交換器として機能させる。次に、水系統回路におけるポンプ３４を作動させる。すると、タンク３１の底部から貯溜水が流出し、前述した水の流れの通り、これが流入管３３ａを介して給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂを流通する。そのときこの水は給湯用熱交換器３６によって加熱され流出管３３ｂを通って再びタンク３１内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク３１の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯溜されるように構成されている。
【００２２】
この湯沸かし運転においては、加熱温度検出手段４７が給湯用熱交換器３６で加熱された高温湯の温度を検出し、電気的に接続された制御手段４９が高温湯の温度を決定した所定値（例えば二酸化炭素冷媒では加熱温度８５℃に設定）になるように、この検出信号に基づき運転制御する。そして温度検出手段４８がタンク３１から流入する水の温度を検出し、タンク１からの流入温度が所定の加熱終了温度（例えば、設定加熱温度８５℃から１０度引いた７５℃）より高温になると、その信号に基づき制御手段４９はタンク３１全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。この湯沸かし運転は、通常は深夜電気料金制度を利用して電気料金の安い深夜時刻帯に行い、日中の給湯量を賄うように湯を沸かして貯めることで給湯コストを低減するようにしている。
【００２３】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機において、前述したような湯沸かし運転によりタンク３１の全量（例えば、３００リットルタンクであれば３００リットル）が高温湯となって貯められた状態から、給湯使用により湯量が減少してくる。給湯使用する際は、使用者が最寄りのリモコン５０を操作して給湯を要求する。すると、この給湯要求信号はケーブル５１を経て制御手段４９に伝わる。ここで出湯する場合、蛇口４３を開栓すると給水配管４１を流れる水の給水圧によってタンク３１内に貯溜された約８５℃の高温湯が押し上げられ、給湯配管４２を通って使用する蛇口４３に供給される。
【００２４】
ところで、上記に示したようにタンク３１には３個のサーミスタ４４、４５、４６がそれぞれ異なる高さ位置に配置されており、タンク３１内を３つに区分して湯温を検出できるようになっている。すなわち、図における上方部から下方部に向かって、第１サーミスタ４４は最小残湯量を、第２サーミスタ４５は大出湯を、第３サーミスタ４６は最大貯湯量をそれぞれ検知するよう設けられている。また、各サーミスタ４４、４５、４６および４７、４８の検出信号は、制御手段４９にそれぞれ入力されるよう構成されており、制御手段４９は所定時間内に入力される各検出信号の温度変化から適切な給湯運転制御を選択して、運転指令を発する機能を有している。そして、残湯量が所定の最小湯量（例えば、前記３００リットルタンクであれば１００リットル）以下になると、ヒートポンプユニット３２を運転して沸き増しを行う。
【００２５】
具体的には、タンク３１の第１サーミスタ４４で検知される湯温ｔｗが、基準温度ｔｓ０（例えば、５０℃）よりも低くなると、その検出信号を受けて制御手段４９は沸き増し運転開始の判定を行う。そして、制御手段４９はヒートポンプユニット３２の運転を要求し、ポンプ３５と圧縮機３６を駆動し沸き増し運転を行う。そして、第１サーミスタ４４で検知される湯温ｔｗが設定加熱温度（例えば、８５℃）に達すれば、運転を停止するというような制御を繰り返し行うことによって、上記一定の残湯量を維持するよう制御される。
【００２６】
次に、本発明の実施例の特徴的なタンク内の攪拌手段とその制御について説明する。５２は、タンク３１底部に設けた攪拌手段で、制御手段４９に電気的に接続されタンク３１の外側に設けたモータ５３と、タンク３１の底面でタンク内外をシールしながらタンク３１の外側からの回転動力をタンク１内に伝える隔壁５４、モータ５３の回転軸に固定され隔壁５４に近接して設けられた駆動マグネット５５、隔壁５４を挟んで駆動マグネット５５に対向しタンク３１内部に設けられて駆動マグネット５４とともに動力伝達手段を構成する従動マグネット５６、従動マグネット５６に固定された回転軸を有する攪拌羽根５７からなる。この攪拌手段５２は、モータ５３の回転駆動によりマグネットカップリングである駆動マグネット５５と、従動マグネット５６の作用により、攪拌羽根５７が回転してタンク３１内を攪拌することができるものである。
【００２７】
制御手段４９には現在時刻を出力するクロック５８が設けられており、またリモコン５０には使用者が一日の給湯使用が終了すると給湯使用の終了を確定してタンク内の攪拌許可を設定する給湯終了スイッチである給湯終了設定手段５９が設けられている。
【００２８】
そして使用者が、一日の給湯使用が終了してリモコン５０の給湯終了設定手段５９を操作すると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードに入り、クロック５８の出力が深夜時刻帯になるまで待機する。一日の給湯使用が終了した夜の時点では、上記のように沸き増し運転が行われることにより、最小残湯量以上の湯量がタンク３１内に残されている。深夜の湯沸かし運転開始直前には、この残湯はタンクからの放熱により温度低下しており、特に沸き増し運転で使用される第１サーミスタ４４が設けられている位置の下部には、前日深夜に沸かされて約一日放熱していた湯があり、設定加熱温度（例えば、８５℃）よりもいくらか温度低下している。そこで、時間が経過して深夜時刻帯に入ると、制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば、設定加熱温度８５℃から１０度引いた７５℃）より低温であるｔ１＜ｔｓ１の場合に攪拌運転を許可し、モータ５３を駆動して攪拌運転を開始する。この攪拌運転により、タンク３１内の下部にある給水配管４１から流入した低温の水と混合されて、温度は略均一化が進みタンク上部の湯温が低下する。例えば、第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が５０℃で、タンク上半分の平均温度が６５℃、下半分の温度が給水温度とほぼ等しい５℃であったとすると、攪拌運転によりタンク３１内全量が均一化すると３５℃になる。
【００２９】
本実施例におけるヒートポンプユニット３２の運転効率ＣＯＰが、温度検出手段４８の水温に対して図２に示すようなＣＯＰ値をとる場合、攪拌後の湯沸かし運転は３００リットルをＣＯＰ１．５で運転することとなり、消費電力量は（湯沸かし水量×（設定加熱温度ー水温）÷ＣＯＰ÷８６０）で計算されるので、３００×（８５ー３５）÷１．５÷８６０＝１１．６キロワット時となる。一方、攪拌せずに湯沸かし運転をした場合は、タンク下半分をＣＯＰ２．５で沸かして５．６キロワット時、タンク上半分をＣＯＰ０．５で沸かして７．０キロワット時となり、合計すると１２．６キロワット時と、９％程度余計に電力を消費することとなる。別の例として、タンク３１の上５０リットルが６５℃で、下２５０リットルが５℃であった場合は、攪拌実施による差がさらに顕著となり、３０％弱ほどの消費電力の差が生じる。
【００３０】
このように、タンク３１内の水を攪拌しタンク内の温度を略均一化する攪拌手段５２を備え、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、これを高温のまま湯沸かし運転で再加熱せずに、攪拌手段５２によりタンク下方の低温の水と混合し、十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニット３２で加熱する際の供給温度が低くなり運転効率が向上して運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３１】
一方、タンク上半分が６５℃、下半分が５℃である前述のような場合には、タンク３１内が略均一になるまで攪拌せず、第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ２（例えば、４５℃）を下回ったｔ１＜ｔｓ２になった場合に制御手段４９は攪拌運転を終了し、モータ５３を停止する。モータ５３を停止しても、攪拌の慣性と伝熱により温度の均一化はさらに進むと同時に、所定温度ｔｓ２は攪拌によるＣＯＰ向上効果が十分に現れる温度に設定されており、モータ５３の駆動電力が節約できる。このように、攪拌運転を開始するとタンク下方の低温の給水と混合してタンク３１内の残湯が徐々に温度低下し、
ヒートポンプユニット３２の運転効率が十分高い水準になる所定温度ｔｓ２を、残湯温度である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が下回るｔ１＜ｔｓ２となった時点で攪拌運転を停止するので、必要以上に攪拌運転を継続することなく攪拌運転の駆動動力を節約して給湯機の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００３２】
上記に説明した場合と異なり、深夜時刻帯に入った時点で、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば７５℃）より高温ｔ１＞ｔｓ１であった場合には、制御手段４９は残湯を再加熱せずとも給湯負荷を賄える確率が高いと判断し、攪拌運転を禁止する。そしてすぐに前述した湯沸かし運転を行い、タンク３１から流入する水の温度を入口サーミスタ４８で検出し、所定の加熱終了温度になるとタンク３１全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。このように、タンク３１内の残湯が所定値ｔｓ１より高温のときは、タンク内の給水のみを加熱し残湯を再加熱せずとも給湯負荷を賄える確率が高いと判断し攪拌手段５２を運転しないので、攪拌運転の駆動動力を節約して給湯機の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００３３】
また、湯沸かし運転の過程において、流水配管３３がタンク３１内の下部から水を取り出してヒートポンプユニット３２へ供給し、ヒートポンプユニット３２で加熱された水をタンク内の上部へ戻す流水配管となっているので、攪拌運転によりタンク内全域の湯を温度低下させた後、水をタンク内の下部から取り出してヒートポンプユニット３２で加熱しタンク内の上部へ戻すことで、タンク内に高温の上部層と低温の下部層に分かれる温度成層を形成することができるので、一度ヒートポンプユニット３２を通って加熱された湯を再び加熱することなく、低温度水だけの加熱を確実に行い運転効率が向上して給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３４】
さらに、使用者が給湯使用の終了を確定してタンク内の攪拌許可を設定する給湯終了設定手段５９がリモコン５０に設けられ、使用者が給湯使用の終了を給湯終了設定手段５９により確定したのち、攪拌手段５２を駆動してタンク内を攪拌することができるので、タンク内攪拌開始後に蛇口４３を開いて給湯使用が始まり、タンク内が温度低下しているためにタンク内を再加熱するといった無駄を省き、使い勝手の向上とともに給湯使用を効率化して給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３５】
そして、ヒートポンプ回路に封入する冷媒を二酸化炭素とすることによって、高温湯を高効率に沸上げタンクに貯湯することができる。また、加熱前の給湯用熱交換器３６への供給水温が高温の場合、二酸化炭素冷媒では運転効率の低下が顕著であるため、タンク内の攪拌により温度低下させることで運転効率の向上効果が大きくなり、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３６】
なお、本実施例では、攪拌手段５２としてマグネットカップリングを動力伝達手段に用いたものについて説明したが、ポンプで水を流通させてその水圧で攪拌羽根５７を回転するような動力伝達手段や、他の動力手段を用いても同様の作用、効果が得られ、また攪拌羽根を用いずに、タンク底部の水をポンプで汲み上げてタンク頂部に流出させることでタンク内の攪拌を行うような攪拌手段であってもよい。
【００３７】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２における給湯機であるヒートポンプ給湯機を示すもので、図４は同実施例のヒートポンプ給湯機における動作を説明するフローチャートを示すものである。
【００３８】
本実施例において、図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略
する。図において、６０は給湯配管４２に設けた加熱量予測手段であり、一日に給湯で使用されたタンク３１内の高温湯の流量を積算して検出し、タンク３１内の給水と残湯を湯沸かし運転により加熱するのに必要な加熱量を予測するのに必要な物理量を検出する。加熱量予測手段６０は流量センサーからなる。制御手段４９には、加熱量予測手段６０からの検出値とヒートポンプユニット３２の加熱能力から必要加熱時間を算出する加熱時間算出部６１と、攪拌時間のタイマー部６２が設けられている。
【００３９】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機において、動作の一例を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４０】
ステップ１：使用者が一日の給湯使用が終了してリモコン５０の給湯終了設定手段５９を操作すると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードで待機している。
【００４１】
ステップ２：クロック５８の出力が深夜時刻帯になっているか否かを判定し、深夜時刻帯になっていなければステップ１へ移行する。
【００４２】
ステップ３：そして電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードに入っているか（給湯終了設定手段５９が操作されたか）否かを判定し、待機モード中であればステップ４、待機モードでなければステップ１３の湯沸かし運転を開始する。
【００４３】
ステップ４：制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば、７５℃）より低温であるか否かを判定し、ｔ１＜ｔｓ１である場合に攪拌運転を許可しステップ５へ、異なる場合はステップ１３へ移行する。
【００４４】
ステップ５：制御手段４９は、タイマー部６２の経過時間値ｔｍをゼロに初期化しステップ６へ移行する。
【００４５】
ステップ６：制御手段４９は、モータ５３を駆動して攪拌運転を開始しステップ７へ移行する。
【００４６】
ステップ７：制御手段４９は攪拌運転が開始されると、タイマー部６２により攪拌運転の経過時間値ｔｍを積算し始め、ステップ８へ移行する。
【００４７】
ステップ８：これまでの制御とは別に制御手段４９は、攪拌運転の待機中あるいは攪拌運転開始と同時に、湯温検出手段と残湯量検出手段と給水温検出手段とからなる加熱量予測手段、すなわち３個のサーミスタ４４、４５、４６の検出温度と加熱量予測手段６０による一日のタンク湯使用量とにより、タンク３１内残湯の湯温ｔｔ１と残湯量ｖ１から設定加熱温度ｔ０に加熱する残湯加熱量
ｑ１＝（ｔ０−ｔｔ１）×ｖ１
が求められ、第３サーミスタ４６で検出したタンク３１内給水分の温度ｔｔ２と水量ｖ２から設定加熱温度ｔ０に加熱する給水分加熱量
ｑ２＝（ｔ０−ｔｔ２）×ｖ２
が求められ、湯沸かし運転でタンク全量を温度ｔ０の高温水にするのに必要な加熱量ｑｈは、ｑｈ＝ｑ１＋ｑ２となり、この求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部６１でヒートポンプユニット３２の加熱能力を基に必要加熱時間ｔｈを算出している。そして、攪拌運転の経過時間値ｔｍが、深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間値（ｔｎ−ｔｈ）に達したか否かを判定し、ｔｍ＜ｔｎ−ｔｈである場合に攪拌運転を継続しステップ９へ、異なる場合はステップ１１へ移行する。
【００４８】
ステップ９：制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ２（例えば、４５℃）を下回ったか否かを判定し、ｔ１＜ｔｓ２になった場合はステップ１０へ移行、異なる場合はステップ８へ戻る。
【００４９】
ステップ１０：制御手段４９は攪拌運転を終了し、モータ５３を停止する。
【００５０】
ステップ１１：攪拌運転の経過時間値ｔｍが、深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間値（ｔｎ−ｔｈ）に達すると、制御手段４９はポンプ３５と圧縮機３６を駆動し、湯沸かし運転の加熱を開始する。ステップ１２へ移行。
【００５１】
ステップ１２：給湯用熱交換器３６で加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段４７の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３（例えば７５℃）より低温であるか否かを判定し、ｔ２＜ｔｓ３である立ち上がり時間中は攪拌運転を継続しステップ９へ移行。ｔ２が上昇してｔｓ３に達する（ｔ２≧ｔｓ３）とステップ１０へ移行し攪拌運転停止。
【００５２】
ステップ１３：湯沸かし運転の加熱を開始する。
【００５３】
このように、電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると攪拌運転が開始されるとともに、タイマー部６２により攪拌運転の経過時間が積算され、湯温検出手段と残湯量検出手段と給水温検出手段とからなる加熱量予測手段により求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部６１で必要加熱時間ｔｈを算出し、攪拌運転の経過時間が深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間（ｔｎーｔｈ）を経過すると、攪拌運転を停止して優先的に加熱運転を行うので、多くの電力を消費する加熱運転を深夜時刻帯のうちに終了することができ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００５４】
また、ヒートポンプユニット３２による加熱運転を優先して行う場合に、制御手段４９によって加熱運転を開始したのち、加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段４７の検出温度ｔ２が、十分な高温に温度上昇するまでの立ち上がり時間のあいだは攪拌運転を継続し、加熱温度検出手段４７の信号に基づき加熱された温水温度ｔ２が所定値ｔｓ３を超えたときに制御手段４９は攪拌運転を停止するので、立ち上がり時間分攪拌運転を延長でき、より確実にタンク内を温度低下できるのでヒートポンプユニットの運転効率が向上し、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００５５】
なお、本実施例では、加熱量予測手段６０により一日の給湯使用量を検出してタンク３１内の残湯量を算出する方法を説明したが、タンク３１内の高温湯の位置を検出する方法、すなわち例えばタンク３１壁面に小間隔で多数の温度センサーを設けて高温湯の位置を検出し、残湯量を求めて加熱量を予測する加熱量予測手段を構成しても、同様の作用、効果が得られ、また給湯使用量から使用された熱量を算出して加熱量を予測する加熱量予測手段としてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、攪拌手段により残湯を高温のまま再加熱せずに、タンク下方の低温の給水と攪拌混合し十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、効率化による運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における実施例１のヒートポンプ給湯機の構成図
【図２】 同ヒートポンプ給湯機の運転効率特性図
【図３】 本発明における実施例２のヒートポンプ給湯機の構成図
【図４】 同ヒートポンプ給湯機の動作を説明するフローチャート
【図５】 従来のヒートポンプ給湯機の構成図
【図６】 同ヒートポンプ給湯機の運転効率特性図
【符号の説明】
３１ タンク
３２ ヒートポンプユニット
３３ 流水配管
３３ａ 流入管
３３ｂ 流出管
３５ 圧縮機
３６ 給湯用熱交換器
３７ 減圧手段
３８ 蒸発器
４４〜４６ 湯温検出手段
４７ 加熱温度検出手段
４９ 制御手段
５２ 攪拌手段
５９ 給湯終了設定手段
６０ 加熱量予測手段
６１ 加熱時間算出部
６２ タイマー部
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯湯用のタンクを備えるヒートポンプ給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｒ２２などの冷媒を使用するヒートポンプ給湯機が公知である。この種のヒートポンプ給湯機としては、図５に示すように、給湯用水を貯留するタンク１、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプユニット２、タンク１とヒートポンプユニット２とを接続する流水配管３、この流水配管３に給湯用水を循環させるポンプ４等より構成される。
【０００３】
ヒートポンプユニット２は、圧縮機５、給湯用熱交換器６、減圧手段７、蒸発器８、およびアキュムレータ９を順次冷媒配管１０により接続して構成され、冷媒が充填されている。給湯用熱交換器６は、圧縮機５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路６ｂとを有している。
【０００４】
減圧手段７は、給湯用熱交換器６から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧するものであり、蒸発器８は、減圧手段７で減圧された冷媒をファン１１によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。アキュムレータ９は、蒸発器８で蒸発した冷媒を気液分離して液冷媒を貯留し、気相冷媒のみを圧縮機５に吸引させ、サイクル中の余剰冷媒を蓄えている。流水配管３は、給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂに接続される冷水管３ａと温水管３ｂとで構成され、冷水管３ａの上流端がタンク１の底面に接続され、温水管３ｂの下流端がタンク１の天面に接続されている。
【０００５】
ポンプ４は、冷水管３ａ（温水管３ｂでも良い）に設けられ、通電されて回転することにより、タンク１内の給湯用水を流水配管３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク１内の下部→冷水管３ａ→給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂと流れ、ここでヒートポンプユニット２により加熱されて温水となり、給湯用水通路６ｂ→温水管３ｂ→タンク１内の上部へと流れる。また、タンク１の底面には、タンク１内に給水するための給水配管１２が接続され、タンク１の天面には、タンク１内に蓄えられた給湯用水（温水）を使用者に供給するための給湯配管１３が接続されている。
【０００６】
一般に、このような貯湯式の給湯機では、タンク１に蓄えられた温水を直接給湯用として使用する場合、衛生面上から温水の温度（貯湯温度）を６０℃以上としたり、タンク１を小型化するために冷媒の特性上可能な限り高温（Ｒ２２では６５℃、二酸化炭素冷媒では例えば９０℃）に加熱して貯湯する。そして、ヒートポンプユニット２は電力料金の安い深夜時刻帯に運転されてタンク１内をすべて温水に加熱し、翌朝から夜にかけて給湯使用される運転方法が主になっている。また、タンク１内に深夜貯湯した熱量を給湯負荷が上回りタンク１内の温水が不足することがないように、その加熱温度とタンク１の容量が設定されている。なお、給湯負荷とは、給湯使用に必要な温水を得るために要する熱量のことであり、例えば、同一の温水温度及び温水量を得るためには、供給水温が低いほど、必要熱量は増大する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のヒートポンプ給湯機は、給湯使用時にタンク１内の温水不足が発生しないように、常にタンク１内に温水を残しているため、一日の給湯使用が終了した深夜加熱直前にモータンク１内に残湯がある。この残湯はタンク１からの放熱により設定加熱温度よりも温度低下しているので、残湯も合わせて深夜時刻帯にタンク１内すべてを加熱する際に、残湯が冷水管３ａを通ってヒートポンプユニット２に供給されると、ヒートポンプで昇温する時の運転効率は非常に悪くなるという課題を有していた。
【０００８】
図６に示すように、水温が上昇するとヒートポンプの運転効率ＣＯＰは非常に悪化する。特に、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニットは顕著に低下する。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、タンク内に残る中温から高温の湯をなくして高効率にヒートポンプ貯湯運転をおこない、給湯にかかる光熱費を低減したヒートポンプ給湯機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】
前記目的を達成するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯用のタンクと、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段、および蒸発器を有し前記タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットと、前記タンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、前記ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、前記流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段と、前記タンク内の水を攪拌する攪拌手段と、タンク内の給水と給湯使用後に残った温水とを加熱するのに必要な加熱量を予測する加熱量予測手段と、前記加熱量予測手段からの検出値とヒートポンプユニットの加熱能力から必要加熱時間を算出する加熱時間算出部とタイマー部を有する制御手段とを備え、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うとともに、前記制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続するようにしたものである。
【００１１】
これによって、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、攪拌手段により残湯を高温のまま再加熱せずに、タンク下方の低温の給水と攪拌混合し十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、加熱運転の効率ＣＯＰが向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、貯湯用のタンクと、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段、および蒸発器を有し前記タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットと、前記タンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、前記ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、前記流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段と、前記タンク内の水を攪拌する攪拌手段と、タンク内の給水と給湯使用後に残った温水とを加熱するのに必要な加熱量を予測する加熱量予測手段と、前記加熱量予測手段からの検出値とヒートポンプユニットの加熱能力から必要加熱時 間を算出する加熱時間算出部とタイマー部を有する制御手段とを備え、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うとともに、前記制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続するようにしたことにより、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、これを高温のまま再加熱せずに攪拌手段によりタンク下方の低温の給水と混合し、十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、運転効率が向上して運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１３】
また、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うことにより、電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると攪拌運転が開始されるとともに、攪拌時間のタイマー部により攪拌運転の経過時間が積算され、加熱量予測手段により求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部で必要加熱時間ｔｈを算出し、攪拌運転の経過時間が深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間（ｔｎ−ｔｈ）を経過すると攪拌運転を停止して優先的に加熱運転を行うので、多くの電力を消費する加熱運転を深夜時刻帯のうちに終了することができ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１４】
さらに、流水配管を構成しタンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段とを備え、制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続することにより、ヒートポンプユニットによる加熱運転を優先して行う場合に制御手段によって加熱運転を開始したのち、加熱された温水の温度ｔ２が十分な高温に温度上昇するまでの立ち上がり時間のあいだは攪拌運転を継続し、加熱温度検出手段の信号に基づき加熱された温水温度ｔ２が所定値ｔｓ３を超えたときに制御手段は攪拌運転を停止するので、立ち上がり時間分攪拌運転を延長でき、より確実にタンク内を温度低下でき、ヒートポンプユニットの運転効率が向上し、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１５】
【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。
【００１６】
（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給湯機を示すもので、図２は同ヒートポンプ給湯機における流入水の水温とそれを加熱したときの運転効率（ＣＯＰ）特性を示すものである。
【００１７】
図１において、３１は給湯用水を貯留する貯湯用のタンク、３２は給湯用水の加熱手段となる熱源であるヒートポンプユニット、３３はタンク３１とヒートポンプユニット３２とを接続する流水配管、３４は給湯用水を循環させるポンプである。ヒートポンプユニット３２は、圧縮機３５、給湯用熱交換器３６、減圧手段３７、および蒸発器３８を順次冷媒配管３９により接続して構成され冷媒が充填されたヒートポンプ回路と、蒸発器３８に送風するファン４０とを備えている。ここで本実施例においては、冷媒に二酸化炭素冷媒を使用した。
【００１８】
給湯用熱交換器３６は、圧縮機３５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路３６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路３６ｂとを有している。減圧手段３７は、給湯用熱交換器３６から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する。蒸発器３８は、減圧手段３７で減圧された冷媒をファン４０によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。
【００１９】
流水配管３３は、給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂに接続される流入管３３ａと流出管３３ｂとで構成され、流入管３３ａの上流端がタンク３１の底面に接続され、流出管３３ｂの下流端がタンク３１の天面に接続されている。ポンプ３４は、ヒートポンプユニット３２内の流入管３３ａ（流出管３３ｂでも良い）に設けられ、通電されて回転することにより、タンク３１内の給湯用水を流水配管３３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク３１内の下部→流入管３３ａ→給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂと流れ、ここでヒートポンプユニット３２により加熱されて温水となり、給湯用水通路３６ｂ→流出管３３ｂ→タンク３１内の上部へと流れ、タンク３１に温水が貯められていく。また、タンク３１の底面には、給水圧を加えながらタンク３１に水を供給するための給水配管４１が接続され、タンク３１の天面には、タンク３１内に貯えられた給湯用水（温水）を使用者に供給するための給湯配管４２が接続され、その先端には台所、洗面、浴室などの複数の蛇口４３が設けられている。
【００２０】
タンク３１の壁面には、温度検知手段である３個のサーミスタ４４、４５、４６がそれぞれ異なる高さに配置されている。具体的には、第１サーミスタ４４、第２サーミスタ４５、第３サーミスタ４６の順に、図における上部から下部に向かって所定の間隔を置いて配置されている。また、流出管３３ｂの給湯用熱交換器３６の出口近傍にはサーミスタよりなる加熱温度検出手段４７が、流入管３３ａの給湯用熱交換器３６の入口側にはサーミスタよりなる温度検出手段４８が設けられ、各サーミスタ４４、４５、４６および４７、４８の検出信号は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を有するマイクロコンピュータ（図示せず）を用いて構成された制御手段４９にそれぞれ入力されるよう構成されている。５０はヒートポンプ給湯機の遠隔操作を行うリモコンであり、リモコン５０は信号用のケーブル５１で制御手段４９と有線接続されている。
【００２１】
上記ヒートポンプ給湯機の運転動作のうち、湯沸かし運転について説明する。まず、制御手段４９が電気的に接続された冷媒回路中の圧縮機３５を駆動し、給湯用熱交換器３６を放熱器として機能させると共に、蒸発器３８を室外熱交換器として機能させる。次に、水系統回路におけるポンプ３４を作動させる。すると、タンク３１の底部から貯溜水が流出し、前述した水の流れの通り、これが流入管３３ａを介して給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂを流通する。そのときこの水は給湯用熱交換器３６によって加熱され流出管３３ｂを通って再びタンク３１内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク３１の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯溜されるように構成されている。
【００２２】
この湯沸かし運転においては、加熱温度検出手段４７が給湯用熱交換器３６で加熱された高温湯の温度を検出し、電気的に接続された制御手段４９が高温湯の温度を決定した所定値（例えば二酸化炭素冷媒では加熱温度８５℃に設定）になるように、この検出信号に基づき運転制御する。そして温度検出手段４８がタンク３１から流入する水の温度を検出し、タンク１からの流入温度が所定の加熱終了温度（例えば、設定加熱温度８５℃から１０度引いた７５℃）より高温になると、その信号に基づき制御手段４９はタンク３１全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。この湯沸かし運転は、通常は深夜電気料金制度を利用して電気料金の安い深夜時刻帯に行い、日中の給湯量を賄うように湯を沸かして貯めることで給湯コストを低減するようにしている。
【００２３】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機において、前述したような湯沸かし運転によりタンク３１の全量（例えば、３００リットルタンクであれば３００リットル）が高温湯となって貯められた状態から、給湯使用により湯量が減少してくる。給湯使用する際は、使用者が最寄りのリモコン５０を操作して給湯を要求する。すると、この給湯要求信号はケーブル５１を経て制御手段４９に伝わる。ここで出湯する場合、蛇口４３を開栓すると給水配管４１を流れる水の給水圧によってタンク３１内に貯溜された約８５℃の高温湯が押し上げられ、給湯配管４２を通って使用する蛇口４３に供給される。
【００２４】
ところで、上記に示したようにタンク３１には３個のサーミスタ４４、４５、４６がそれぞれ異なる高さ位置に配置されており、タンク３１内を３つに区分して湯温を検出できるようになっている。すなわち、図における上方部から下方部に向かって、第１サーミスタ４４は最小残湯量を、第２サーミスタ４５は大出湯を、第３サーミスタ４６は最大貯湯量をそれぞれ検知するよう設けられている。また、各サーミスタ４４、４５、４６および４７、４８の検出信号は、制御手段４９にそれぞれ入力されるよう構成されており、制御手段４９は所定時間内に入力される各検出信号の温度変化から適切な給湯運転制御を選択して、運転指令を発する機能を有している。そして、残湯量が所定の最小湯量（例えば、前記３００リットルタンクであれば１００リットル）以下になると、ヒートポンプユニット３２を運転して沸き増しを行う。
【００２５】
具体的には、タンク３１の第１サーミスタ４４で検知される湯温ｔｗが、基準温度ｔｓ０（例えば、５０℃）よりも低くなると、その検出信号を受けて制御手段４９は沸き増し運転開始の判定を行う。そして、制御手段４９はヒートポンプユニット３２の運転を要求し、ポンプ３５と圧縮機３６を駆動し沸き増し運転を行う。そして、第１サーミスタ４４で検知される湯温ｔｗが設定加熱温度（例えば、８５℃）に達すれば、運転を停止するというような制御を繰り返し行うことによって、上記一定の残湯量を維持するよう制御される。
【００２６】
次に、本発明の実施例の特徴的なタンク内の攪拌手段とその制御について説明する。５２は、タンク３１底部に設けた攪拌手段で、制御手段４９に電気的に接続されタンク３１の外側に設けたモータ５３と、タンク３１の底面でタンク内外をシールしながらタンク３１の外側からの回転動力をタンク１内に伝える隔壁５４、モータ５３の回転軸に固定され隔壁５４に近接して設けられた駆動マグネット５５、隔壁５４を挟んで駆動マグネット５５に対向しタンク３１内部に設けられて駆動マグネット５４とともに動力伝達手段を構成する従動マグネット５６、従動マグネット５６に固定された回転軸を有する攪拌羽根５７からなる。この攪拌手段５２は、モータ５３の回転駆動によりマグネットカップリングである駆動マグネット５５と、従動マグネット５６の作用により、攪拌羽根５７が回転してタンク３１内を攪拌することができるものである。
【００２７】
制御手段４９には現在時刻を出力するクロック５８が設けられており、またリモコン５０には使用者が一日の給湯使用が終了すると給湯使用の終了を確定してタンク内の攪拌許可を設定する給湯終了スイッチである給湯終了設定手段５９が設けられている。
【００２８】
そして使用者が、一日の給湯使用が終了してリモコン５０の給湯終了設定手段５９を操作すると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードに入り、クロック５８の出力が深夜時刻帯になるまで待機する。一日の給湯使用が終了した夜の時点では、上記のように沸き増し運転が行われることにより、最小残湯量以上の湯量がタンク３１内に残されている。深夜の湯沸かし運転開始直前には、この残湯はタンクからの放熱により温度低下しており、特に沸き増し運転で使用される第１サーミスタ４４が設けられている位置の下部には、前日深夜に沸かされて約一日放熱していた湯があり、設定加熱温度（例えば、８５℃）よりもいくらか温度低下している。そこで、時間が経過して深夜時刻帯に入ると、制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば、設定加熱温度８５℃から１０度引いた７５℃）より低温であるｔ１＜ｔｓ１の場合に攪拌運転を許可し、モータ５３を駆動して攪拌運転を開始する。この攪拌運転により、タンク３１内の下部にある給水配管４１から流入した低温の水と混合されて、温度は略均一化が進みタンク上部の湯温が低下する。例えば、第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が５０℃で、タンク上半分の平均温度が６５℃、下半分の温度が給水温度とほぼ等しい５℃であったとすると、攪拌運転によりタンク３１内全量が均一化すると３５℃になる。
【００２９】
本実施例におけるヒートポンプユニット３２の運転効率ＣＯＰが、温度検出手段４８の水温に対して図２に示すようなＣＯＰ値をとる場合、攪拌後の湯沸かし運転は３００リットルをＣＯＰ１．５で運転することとなり、消費電力量は（湯沸かし水量×（設定加熱温度ー水温）÷ＣＯＰ÷８６０）で計算されるので、３００×（８５ー３５）÷１．５÷８６０＝１１．６キロワット時となる。一方、攪拌せずに湯沸かし運転をした場合は、タンク下半分をＣＯＰ２．５で沸かして５．６キロワット時、タンク上半分をＣＯＰ０．５で沸かして７．０キロワット時となり、合計すると１２．６キロワット時と、９％程度余計に電力を消費することとなる。別の例として、タンク３１の上５０リットルが６５℃で、下２５０リットルが５℃であった場合は、攪拌実施による差がさらに顕著となり、３０％弱ほどの消費電力の差が生じる。
【００３０】
このように、タンク３１内の水を攪拌しタンク内の温度を略均一化する攪拌手段５２を備え、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、これを高温のまま湯沸かし運転で再加熱せずに、攪拌手段５２によりタンク下方の低温の水と混合し、十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニット３２で加熱する際の供給温度が低くなり運転効率が向上して運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３１】
一方、タンク上半分が６５℃、下半分が５℃である前述のような場合には、タンク３１内が略均一になるまで攪拌せず、第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ２（例えば、４５℃）を下回ったｔ１＜ｔｓ２になった場合に制御手段４９は攪拌運転を終了し、モータ５３を停止する。モータ５３を停止しても、攪拌の慣性と伝熱により温度の均一化はさらに進むと同時に、所定温度ｔｓ２は攪拌によるＣＯＰ向上効果が十分に現れる温度に設定されており、モータ５３の駆動電力が節約できる。このように、攪拌運転を開始するとタンク下方の低温の給水と混合してタンク３１内の残湯が徐々に温度低下し、
ヒートポンプユニット３２の運転効率が十分高い水準になる所定温度ｔｓ２を、残湯温度である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が下回るｔ１＜ｔｓ２となった時点で攪拌運転を停止するので、必要以上に攪拌運転を継続することなく攪拌運転の駆動動力を節約して給湯機の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００３２】
上記に説明した場合と異なり、深夜時刻帯に入った時点で、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば７５℃）より高温ｔ１＞ｔｓ１であった場合には、制御手段４９は残湯を再加熱せずとも給湯負荷を賄える確率が高いと判断し、攪拌運転を禁止する。そしてすぐに前述した湯沸かし運転を行い、タンク３１から流入する水の温度を入口サーミスタ４８で検出し、所定の加熱終了温度になるとタンク３１全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。このように、タンク３１内の残湯が所定値ｔｓ１より高温のときは、タンク内の給水のみを加熱し残湯を再加熱せずとも給湯負荷を賄える確率が高いと判断し攪拌手段５２を運転しないので、攪拌運転の駆動動力を節約して給湯機の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００３３】
また、湯沸かし運転の過程において、流水配管３３がタンク３１内の下部から水を取り出してヒートポンプユニット３２へ供給し、ヒートポンプユニット３２で加熱された水をタンク内の上部へ戻す流水配管となっているので、攪拌運転によりタンク内全域の湯を温度低下させた後、水をタンク内の下部から取り出してヒートポンプユニット３２で加熱しタンク内の上部へ戻すことで、タンク内に高温の上部層と低温の下部層に分かれる温度成層を形成することができるので、一度ヒートポンプユニット３２を通って加熱された湯を再び加熱することなく、低温度水だけの加熱を確実に行い運転効率が向上して給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３４】
さらに、使用者が給湯使用の終了を確定してタンク内の攪拌許可を設定する給湯終了設定手段５９がリモコン５０に設けられ、使用者が給湯使用の終了を給湯終了設定手段５９により確定したのち、攪拌手段５２を駆動してタンク内を攪拌することができるので、タンク内攪拌開始後に蛇口４３を開いて給湯使用が始まり、タンク内が温度低下しているためにタンク内を再加熱するといった無駄を省き、使い勝手の向上とともに給湯使用を効率化して給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３５】
そして、ヒートポンプ回路に封入する冷媒を二酸化炭素とすることによって、高温湯を高効率に沸上げタンクに貯湯することができる。また、加熱前の給湯用熱交換器３６への供給水温が高温の場合、二酸化炭素冷媒では運転効率の低下が顕著であるため、タンク内の攪拌により温度低下させることで運転効率の向上効果が大きくなり、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３６】
なお、本実施例では、攪拌手段５２としてマグネットカップリングを動力伝達手段に用いたものについて説明したが、ポンプで水を流通させてその水圧で攪拌羽根５７を回転するような動力伝達手段や、他の動力手段を用いても同様の作用、効果が得られ、また攪拌羽根を用いずに、タンク底部の水をポンプで汲み上げてタンク頂部に流出させることでタンク内の攪拌を行うような攪拌手段であってもよい。
【００３７】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２における給湯機であるヒートポンプ給湯機を示すもので、図４は同実施例のヒートポンプ給湯機における動作を説明するフローチャートを示すものである。
【００３８】
本実施例において、図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略
する。図において、６０は給湯配管４２に設けた加熱量予測手段であり、一日に給湯で使用されたタンク３１内の高温湯の流量を積算して検出し、タンク３１内の給水と残湯を湯沸かし運転により加熱するのに必要な加熱量を予測するのに必要な物理量を検出する。加熱量予測手段６０は流量センサーからなる。制御手段４９には、加熱量予測手段６０からの検出値とヒートポンプユニット３２の加熱能力から必要加熱時間を算出する加熱時間算出部６１と、攪拌時間のタイマー部６２が設けられている。
【００３９】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機において、動作の一例を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４０】
ステップ１：使用者が一日の給湯使用が終了してリモコン５０の給湯終了設定手段５９を操作すると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードで待機している。
【００４１】
ステップ２：クロック５８の出力が深夜時刻帯になっているか否かを判定し、深夜時刻帯になっていなければステップ１へ移行する。
【００４２】
ステップ３：そして電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると、制御手段４９は攪拌運転の待機モードに入っているか（給湯終了設定手段５９が操作されたか）否かを判定し、待機モード中であればステップ４、待機モードでなければステップ１３の湯沸かし運転を開始する。
【００４３】
ステップ４：制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ１（例えば、７５℃）より低温であるか否かを判定し、ｔ１＜ｔｓ１である場合に攪拌運転を許可しステップ５へ、異なる場合はステップ１３へ移行する。
【００４４】
ステップ５：制御手段４９は、タイマー部６２の経過時間値ｔｍをゼロに初期化しステップ６へ移行する。
【００４５】
ステップ６：制御手段４９は、モータ５３を駆動して攪拌運転を開始しステップ７へ移行する。
【００４６】
ステップ７：制御手段４９は攪拌運転が開始されると、タイマー部６２により攪拌運転の経過時間値ｔｍを積算し始め、ステップ８へ移行する。
【００４７】
ステップ８：これまでの制御とは別に制御手段４９は、攪拌運転の待機中あるいは攪拌運転開始と同時に、湯温検出手段と残湯量検出手段と給水温検出手段とからなる加熱量予測手段、すなわち３個のサーミスタ４４、４５、４６の検出温度と加熱量予測手段６０による一日のタンク湯使用量とにより、タンク３１内残湯の湯温ｔｔ１と残湯量ｖ１から設定加熱温度ｔ０に加熱する残湯加熱量
ｑ１＝（ｔ０−ｔｔ１）×ｖ１
が求められ、第３サーミスタ４６で検出したタンク３１内給水分の温度ｔｔ２と水量ｖ２から設定加熱温度ｔ０に加熱する給水分加熱量
ｑ２＝（ｔ０−ｔｔ２）×ｖ２
が求められ、湯沸かし運転でタンク全量を温度ｔ０の高温水にするのに必要な加熱量ｑｈは、ｑｈ＝ｑ１＋ｑ２となり、この求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部６１でヒートポンプユニット３２の加熱能力を基に必要加熱時間ｔｈを算出している。そして、攪拌運転の経過時間値ｔｍが、深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間値（ｔｎ−ｔｈ）に達したか否かを判定し、ｔｍ＜ｔｎ−ｔｈである場合に攪拌運転を継続しステップ９へ、異なる場合はステップ１１へ移行する。
【００４８】
ステップ９：制御手段４９は、タンク３１内の湯温検出手段である第２サーミスタ４５の検出温度ｔ１が所定の温度ｔｓ２（例えば、４５℃）を下回ったか否かを判定し、ｔ１＜ｔｓ２になった場合はステップ１０へ移行、異なる場合はステップ８へ戻る。
【００４９】
ステップ１０：制御手段４９は攪拌運転を終了し、モータ５３を停止する。
【００５０】
ステップ１１：攪拌運転の経過時間値ｔｍが、深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間値（ｔｎ−ｔｈ）に達すると、制御手段４９はポンプ３５と圧縮機３６を駆動し、湯沸かし運転の加熱を開始する。ステップ１２へ移行。
【００５１】
ステップ１２：給湯用熱交換器３６で加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段４７の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３（例えば７５℃）より低温であるか否かを判定し、ｔ２＜ｔｓ３である立ち上がり時間中は攪拌運転を継続しステップ９へ移行。ｔ２が上昇してｔｓ３に達する（ｔ２≧ｔｓ３）とステップ１０へ移行し攪拌運転停止。
【００５２】
ステップ１３：湯沸かし運転の加熱を開始する。
【００５３】
このように、電力料金が安価に設定されている深夜時刻帯に入ると攪拌運転が開始されるとともに、タイマー部６２により攪拌運転の経過時間が積算され、湯温検出手段と残湯量検出手段と給水温検出手段とからなる加熱量予測手段により求められたタンク内の必要加熱量ｑｈを用いて加熱時間算出部６１で必要加熱時間ｔｈを算出し、攪拌運転の経過時間が深夜時刻帯の時間ｔｎからｔｈを差し引いた時間（ｔｎーｔｈ）を経過すると、攪拌運転を停止して優先的に加熱運転を行うので、多くの電力を消費する加熱運転を深夜時刻帯のうちに終了することができ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００５４】
また、ヒートポンプユニット３２による加熱運転を優先して行う場合に、制御手段４９によって加熱運転を開始したのち、加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段４７の検出温度ｔ２が、十分な高温に温度上昇するまでの立ち上がり時間のあいだは攪拌運転を継続し、加熱温度検出手段４７の信号に基づき加熱された温水温度ｔ２が所定値ｔｓ３を超えたときに制御手段４９は攪拌運転を停止するので、立ち上がり時間分攪拌運転を延長でき、より確実にタンク内を温度低下できるのでヒートポンプユニットの運転効率が向上し、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００５５】
なお、本実施例では、加熱量予測手段６０により一日の給湯使用量を検出してタンク３１内の残湯量を算出する方法を説明したが、タンク３１内の高温湯の位置を検出する方法、すなわち例えばタンク３１壁面に小間隔で多数の温度センサーを設けて高温湯の位置を検出し、残湯量を求めて加熱量を予測する加熱量予測手段を構成しても、同様の作用、効果が得られ、また給湯使用量から使用された熱量を算出して加熱量を予測する加熱量予測手段としてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、昼間給湯使用した後の残湯が、深夜の加熱前にタンク内に残っていても、攪拌手段により残湯を高温のまま再加熱せずに、タンク下方の低温の給水と攪拌混合し十分に温度低下させた後にタンク全量を沸かすことができるので、ヒートポンプユニットで加熱する際の供給温度が低くなり、効率化による運転の省電力化が図れ、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における実施例１のヒートポンプ給湯機の構成図
【図２】 同ヒートポンプ給湯機の運転効率特性図
【図３】 本発明における実施例２のヒートポンプ給湯機の構成図
【図４】 同ヒートポンプ給湯機の動作を説明するフローチャート
【図５】 従来のヒートポンプ給湯機の構成図
【図６】 同ヒートポンプ給湯機の運転効率特性図
【符号の説明】
３１ タンク
３２ ヒートポンプユニット
３３ 流水配管
３３ａ 流入管
３３ｂ 流出管
３５ 圧縮機
３６ 給湯用熱交換器
３７ 減圧手段
３８ 蒸発器
４４〜４６ 湯温検出手段
４７ 加熱温度検出手段
４９ 制御手段
５２ 攪拌手段
５９ 給湯終了設定手段
６０ 加熱量予測手段
６１ 加熱時間算出部
６２ タイマー部
Claims (1)
- 貯湯用のタンクと、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段、および蒸発器を有し前記タンク内の水を加熱するヒートポンプユニットと、前記タンク下部とヒートポンプユニットを接続する流入管と、前記ヒートポンプユニットとタンク上部を接続する流出管と、前記流出管に設けてヒートポンプユニットにより加熱された温水の温度を検出する加熱温度検出手段と、前記タンク内の水を攪拌する攪拌手段と、タンク内の給水と給湯使用後に残った温水とを加熱するのに必要な加熱量を予測する加熱量予測手段と、前記加熱量予測手段からの検出値とヒートポンプユニットの加熱能力から必要加熱時間を算出する加熱時間算出部とタイマー部を有する制御手段とを備え、ヒートポンプユニットの加熱運転を優先し深夜時刻帯のうち加熱時間を差し引いた時間だけ攪拌運転を行うとともに、前記制御手段は、前記加熱温度検出手段の検出温度ｔ２が所定値ｔｓ３より低温であるｔ２＜ｔｓ３の間は攪拌運転を継続するようにしたヒートポンプ給湯機。
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