JP4867517B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は風呂の追い焚きの機能を備える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、貯湯タンクの温水を利用した浴槽の追い焚き機能を持ったものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図２は、従来のヒートポンプ給湯機の主要構成部分を示す図である。図２に示すように、この給湯機は、圧縮機１０２、冷媒対水熱交換器である給湯熱交換器１０３及び蒸発器１０５などを備えたヒートポンプユニット１０１と、貯湯タンク１０７及び水対水熱交換器である風呂熱交換器１１５などを備えた給湯ユニットとから構成している。

前記貯湯タンク１０７は給湯熱交換器１０３を用いて前記ヒートポンプユニット１０１により加熱された湯を貯湯するものである。また、風呂熱交換器１１５は、貯湯タンク１０７内の湯を循環させて浴槽１２１内の湯を加熱する風呂追い焚き機能を備えているものである。

このように構成されたヒートポンプ給湯機において、貯湯タンク１０７の上部から熱源側循環ポンプ１１６から汲み出された湯は、風呂熱交換器１１５に導かれて、利用側循環ポンプ１２０から汲み出された浴槽１２１内の湯または水を加熱した後に、貯湯タンク１０７に戻る。

また、貯湯タンク１０７の湯は浴槽注湯配管１２２を通して浴槽１２１へ注湯され、さらに、蛇口１１３を開くことにより給湯ができるように構成したものである。
特開２００５−２２６９５９号公報

ところで、風呂追い焚き運転を行うと、浴槽１２１の湯水温度が徐々に上昇する。図２に示す従来例の場合、風呂の加熱能力を確保するために、浴槽１２１の湯水温度の上昇とともに、熱源側循環ポンプ１１６の回転数を大きくするように制御することが一般的であった。しかし、熱源側循環ポンプ１１６の回転数を高めるほど、貯湯タンク１０７の上部に蓄えられている高温湯水の残湯量は急速に減少していき、湯切れ状態が発生しやすくなる。

本発明は上記課題を解決するもので、貯湯タンクの残湯量が少なくなった場合であっても、風呂または暖房への加熱を継続しつつ湯切れの可能性を少なくして、快適性と利便性の向上を図った給湯機を提供することを目的とする。

上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、圧縮機および給湯熱交換器を備える給湯加熱回路と、前記給湯熱交換器を介して貯湯タンクの下部と上部を接続する貯湯回路と、放熱熱交換器を途中に設けて前記貯湯タンクの上部と下部を接続する熱源回路と、前記放熱熱交換器を介して浴槽湯水を加熱する放熱回路と、前記熱源回路を循環する湯水流量を調整する流量調整手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記流量調整手段は、前記残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、前記熱源回路を循環する湯水流量が増加しないように、かつ、予め設定された下限流量値を下回らないように前記熱源回路を循環する湯水の流量を制御するとともに、前記下限流量値は前記外気温度が低くなるほど高くなるように設定されていることを特徴とするものである。

本発明の給湯機は、貯湯タンクの残湯量が少なくなったときには、風呂の加熱能力を減少して貯湯タンクに貯湯される湯の使用量を少なくすることで、湯切れの可能性を少なくし、かつ、浴槽への熱量供給ができない状態を少なくして、快適性と利便性の向上を図ることができる。

第１の発明は、圧縮機および給湯熱交換器を備える給湯加熱回路と、前記給湯熱交換器を介して貯湯タンクの下部と上部を接続する貯湯回路と、放熱熱交換器を途中に設けて前記貯湯タンクの上部と下部を接続する熱源回路と、前記放熱熱交換器を介して浴槽湯水を加熱する放熱回路と、前記熱源回路を循環する湯水流量を調整する流量調整手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記流量調整手段は、前記残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、前記熱源回路を循環する湯水流量が増加しないように、かつ、予め設定された下限流量値を下回らないように前記熱源回路を循環する湯水の流量を制御するとともに、前記下限流量値は前記外気温度が低くなるほど高くなるように設定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これによって、貯湯タンクの残湯量が少なくなったときには、風呂の加熱能力を減少して湯の使用量を少なくするので、湯切れの可能性を少なくし、かつ、浴槽への熱量供給ができない状態を少なくして、快適性と利便性の向上を図ることができる。

また、熱源回路を循環する湯水流量が少なくなると風呂熱交換器で熱交換される熱量も減少するため、ある所定の流量より少ない流量で加熱しても、放熱回路を循環する湯水がその途中で放熱して温度低下するので、実質的に浴槽湯水を加熱できなくなることが回避される。

また、放熱回路を循環する湯水がその途中で放熱する熱量は外気温度が低いほど多くなるので、外気温度によって下限流量値を設定するように定めておけば、確実に浴槽湯水を加熱することができる。

第２の発明は、圧縮機および給湯熱交換器を備える給湯加熱回路と、前記給湯熱交換器を介して貯湯タンクの下部と上部を接続する貯湯回路と、放熱熱交換器を途中に設けて前記貯湯タンクの上部と下部を接続する熱源回路と、前記放熱熱交換器を介して浴槽湯水を加熱する放熱回路と、前記熱源回路を循環する湯水流量を調整する流量調整手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、前記貯湯タンクの貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段とを備え、前記流量調整手段は、前記残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、前記熱源回路を循環する湯水流量が増加しないように、かつ、予め
設定された下限流量値を下回らないように前記熱源回路を循環する湯水の流量を制御するとともに、前記下限流量値は前記貯湯温度が低くなるほど高くなるように設定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これによって、貯湯タンクの残湯量が少なくなったときには、風呂の加熱能力を減少して湯の使用量を少なくするので、湯切れの可能性を少なくし、かつ、浴槽への熱量供給ができない状態を少なくして、快適性と利便性の向上を図ることができる。

また、熱源回路を循環する湯水流量が少なくなると風呂熱交換器で熱交換される熱量も減少するため、ある所定の流量より少ない流量で加熱しても、放熱回路を循環する湯水がその途中で放熱して温度低下するので、実質的に浴槽湯水を加熱できなくなることが回避される。

また、風呂熱交換器で熱交換される熱量は貯湯タンクから供給される熱源側の温水温度によって変化するので、貯湯温度によって下限流量値を設定するように定めておけば、確実に浴槽湯水を加熱することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明の流量調整手段において、残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、熱源回路を循環する湯水流量が貯湯回路を循環する湯水流量よりも少なくなるように調整するものである。

これによれば、熱源回路に供給することによる貯湯タンクの湯の消費量よりも給湯加熱回路を介して加熱された湯の方が多く供給されるので、湯切れの心配がなくなる。

第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明において、残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、圧縮機の回転数を増加させるとともに、貯湯回路を循環する湯水流量を増加させるものである。

これによれば、浴槽へ供給される熱量を減少させることなく、かつ湯切れの発生を抑制できる。

第５の発明は、特に第１から第４の発明において、給湯加熱回路中に循環する冷媒を二酸化炭素とするものであり、高温高効率化と地球環境保全をはかることができる。

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、本発明の第１の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。図１において、給湯機の熱源である給湯加熱回路１は、圧縮機２、給湯熱交換器３、減圧装置４および大気熱を吸熱する蒸発器５からなるヒートポンプサイクルを構成したヒートポンプ熱源である。そして、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる二酸化炭素を冷媒とする。

貯湯回路６は、貯湯タンク７と給湯熱交換器３、循環ポンプ８を備えており、貯湯タンク７の下部から流れる湯水は循環ポンプ８により給湯熱交換器３へ循環され、給湯熱交換器３により加熱された湯水は貯湯タンク７の上部から貯湯される。

また、貯湯タンク７への給水は貯湯タンク７下部に接続された給水管９を通ってなされ、貯湯タンク７上部の高温の湯は出湯管１０を通り、混合弁１１で給水管９からの水道水と混合することによって所定の温度の湯にして給湯管１２を通って蛇口１３（出湯端末）
から給湯される。

熱源回路１４は、貯湯タンク７と放熱熱交換器としての風呂熱交換器１５、流量調整手段としての熱源側循環ポンプ１６を備えており、貯湯タンク７の上部から取り出された高温の湯水は熱源側循環ポンプ１６より風呂熱交換器１５へ循環され、風呂熱交換器１５で放熱された湯水は貯湯タンク７の下部へ戻される。

ところで、熱源側循環ポンプ１６の回転数制御は風呂熱交換器１５の熱源回路１４側出口に設けられた熱源側出口温度検出手段１７と、後述する風呂熱交換器１５の放熱回路１８側入口に設けられた利用側入口温度検出手段１９との検出温度に応じて行われる。具体的には、熱源側出口温度検出手段１７と利用側入口温度検出手段１９とによる検出温度の差が約５℃となるように熱源側循環ポンプ１６の回転数を制御して熱源回路１４の循環流量を決める。

また、放熱回路１８は風呂熱交換器１５と利用側循環ポンプ２０を備えており、放熱回路１８内を循環する浴槽２１の湯水を風呂熱交換器１５で加熱することにより浴槽２１の湯水を温めるという風呂追い焚き運転を行う。なお、利用側循環ポンプ２０の回転数は一定であり、放熱回路１８を循環する浴槽２１の湯水流量はほぼ一定である。また、浴槽２１へ湯水を直接給湯する場合は、貯湯タンク７の上部から出湯管１０へ高温湯水を取り出し、出湯管１０の途中に接続された浴槽注湯配管２２を用いて給湯する。

第一の残湯温度検出手段２３及び第二の残湯温度検出手段２４は貯湯タンク７の上下方向の異なる位置に取り付けられており、制御手段２５は、第一の残湯温度検出手段２３と熱源側出口温度検出手段１７、利用側入口温度検出手段１９との検出温度に応じて熱源側循環ポンプ１６の回転数を制御する。

また、第二の残湯温度検出手段２４の検出温度に応じて給湯加熱回路１は停止または起動を行うものである。具体的には、例えば第二の残湯温度検出手段２４が４５℃を検出すれば、給湯加熱回路１を起動するようにするので、貯湯タンク７の湯切れを防止できる。さらに、外気温度を検出する外気温度検出手段２６と貯湯タンク７の上部に貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段２７とを設ける。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下にその動作、作用を説明する。

先ず、給湯加熱運転について説明する。貯湯タンク７を沸き上げる要求があると、ヒートポンプ熱源で大気熱を利用した給湯加熱運転を行う。この場合、圧縮機２から吐出された臨界圧力以上の高温高圧の冷媒が給湯熱交換器３に流入し、ここで貯湯タンク７の下部から送られてきた水と熱交換し放熱した後、減圧装置４で減圧し、さらに、蒸発器５で大気から熱を吸熱し、ガス化して圧縮機２に戻る。この時、給湯熱交換器３に流入する高温冷媒で給湯熱交換器３の出口水温が所定温度となるように循環ポンプ８の回転数を制御し、所定の温度の湯が貯湯タンク７の上部から流入し貯湯される。

次に、風呂追い焚き運転について説明する。いま、風呂の加熱要求があると、制御手段２５は利用側循環ポンプ２０と熱源側循環ポンプ１６とを駆動する。そして、利用側循環ポンプ２０によって浴槽２１から送られてきた水は、熱源側循環ポンプ１６によって送られてきた貯湯タンク７上部の高温の湯と、風呂熱交換器１５で熱交換して加熱されて浴槽２１に戻る。

風呂追い焚き運転が行われると浴槽２１の湯温は上昇してくるので、風呂熱交換器１５
で熱交換される熱量が減少するので風呂の加熱能力が減少する。そこで、風呂の加熱能力を保持するために熱源側循環ポンプ１６の回転数を大きくして、風呂熱交換器１５に供給される貯湯タンク７上部の高温の湯の流量を増大させるように制御する。しかし、その一方で熱源側循環ポンプ１６の回転数が高いほど、貯湯タンク７の上部から積層状に蓄えられる高温湯水の減少も速められる。

そこで本実施の形態では、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度（例えば、４５℃）を検出すれば、制御手段２５は第一の残湯温度検出手段２３が所定温度（例えば、４５℃）を検出した時点の熱源側循環ポンプ１６の回転数よりも大きくならないように、熱源側循環ポンプ１６の回転数を調整する。なお、浴槽２１の湯水温度が上昇するにも関わらず熱源側循環ポンプ１６の回転数を高くしないとき、熱源側出口温度検出手段１７と利用側入口温度検出手段１９とによる検出温度の差は５Ｋよりも小さくなるが、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度（例えば、２５℃）を検出した時点以降では無視する。

このように、本実施の形態によれば、風呂追い焚き運転の時間的な経過に対して熱源側循環ポンプ１６の回転数を増加しつつ、第一の残湯温度検出手段２３により貯湯タンク７の高温湯水の残湯量が所定値以下となったときに、その熱源側循環ポンプ１６の回転数が増加しないように制御するので、貯湯タンクの残湯量の減少する速度を緩和し、湯切れの発生を抑制することができる。

なお、湯切れの発生を極力回避するためには、貯湯回路６を循環する湯水流量よりも熱源回路１４を循環する湯水流量が少なくなるように熱源側循環ポンプ１６の回転数を制御すればよい。これによれば、風呂追い焚き運転によって減少する湯水よりも給湯加熱回路１によって生成される湯量の方が多くなるので、残湯量が確実に増加傾向となり湯切れは発生しにくい。

また、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度（例えば、４５℃）を検出した時点で、圧縮機２の回転数を増加させて給湯加熱回路１による加熱能力の向上を図れば、それに連動して循環ポンプ８の回転数が大きくなるので、その結果熱源回路１４を循環する湯水流量を高めることができ、浴槽２１へさらに多くの熱量を供給することができ、湯切れも回避できる。

また、上記熱源側循環ポンプ１６の回転数の下限値と定めることにより、放熱回路１８上で放熱する損失熱量以上の熱量を風呂熱交換器１５で供給できるので、浴槽２１の湯水が逆に冷めてしまうことがない。さらに、外気温度が低くなるほど下限値を高めることによって、常に放熱回路１８上で放熱する損失熱量以上の熱量を風呂熱交換器１５で供給でき、確実に風呂追い焚きを行うことができる。また、風呂熱交換器１５に供給される貯湯タンク７の貯湯温度が低くなるほど下限値を高めることによって、上記と同様に、放熱回路１８上で放熱する損失熱量以上の熱量を風呂熱交換器１５で供給でき、確実に風呂追い焚きを行うことができる。

なお、制御手段２５は、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度（例えば、４５℃）を検出した時点で、熱源側出口温度検出手段１７と利用側入口温度検出手段１９とによる検出温度の差は５℃よりも低い３℃となるように熱源側循環ポンプ１６の回転数を制御するようにしてもよい。このように、熱源側出口温度検出手段１７と利用側入口温度検出手段１９とによる検出温度差を小さくしようとすると、熱源側循環ポンプ１６の回転数が低下する。

また、上記実施の形態によらず、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度を検出するまでは熱源側出口温度検出手段１７と利用側入口温度検出手段１９とによる検出温度の差に
応じて熱源側循環ポンプ１６の回転数を制御するモードと、第一の残湯温度検出手段２３が所定温度を検出する時点から熱源側循環ポンプ１６の回転数を増加させないモードを切り替える制御手段２５を用いる形態であればよい。

本発明は、お風呂への給湯、追い焚き機能を備えたヒートポンプ給湯機の他、さらに暖房、乾燥機能を備えたヒートポンプ給湯機に対しても利用することができる。

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図 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

１ 給湯加熱回路
２ 圧縮機
３ 給湯熱交換器
６ 貯湯回路
７ 貯湯タンク
１４ 熱源回路
１５ 風呂熱交換器
１６ 熱源側循環ポンプ
１８ 放熱回路
２１ 浴槽
２３ 第一の残湯温度検出手段

Claims (5)

1. 圧縮機および給湯熱交換器を備える給湯加熱回路と、前記給湯熱交換器を介して貯湯タンクの下部と上部を接続する貯湯回路と、放熱熱交換器を途中に設けて前記貯湯タンクの上部と下部を接続する熱源回路と、前記放熱熱交換器を介して浴槽湯水を加熱する放熱回路と、前記熱源回路を循環する湯水流量を調整する流量調整手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段とを備え、前記流量調整手段は、前記残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、前記熱源回路を循環する湯水流量が増加しないように、かつ、予め設定された下限流量値を下回らないように前記熱源回路を循環する湯水の流量を制御するとともに、前記下限流量値は前記外気温度が低くなるほど高くなるように設定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 圧縮機および給湯熱交換器を備える給湯加熱回路と、前記給湯熱交換器を介して貯湯タンクの下部と上部を接続する貯湯回路と、放熱熱交換器を途中に設けて前記貯湯タンクの上部と下部を接続する熱源回路と、前記放熱熱交換器を介して浴槽湯水を加熱する放熱回路と、前記熱源回路を循環する湯水流量を調整する流量調整手段と、前記貯湯タンクの残湯量を検出する残湯量検出手段と、前記貯湯タンクの貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段とを備え、前記流量調整手段は、前記残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、前記熱源回路を循環する湯水流量が増加しないように、かつ、予め設定された下限流量値を下回らないように前記熱源回路を循環する湯水の流量を制御するとともに、前記下限流量値は前記貯湯温度が低くなるほど高くなるように設定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 流量調整手段は、残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、熱源回路を循環する湯水流量が貯湯回路を循環する湯水流量よりも少なくなるように調整する請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 残湯量検出手段による残湯量が所定量となった時点で、圧縮機の回転数を増加させるとともに、貯湯回路を循環する湯水流量を増加させる請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 給湯加熱回路中に循環する冷媒を二酸化炭素とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

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