JP5330988B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機の運転効率の向上に関するものである。

ヒートポンプ給湯機は、夜間の割引電気料金を利用してヒートポンプ及びポンプを運転し、水を加熱して高温水として貯液タンクに貯え、昼間の湯水使用時に蛇口を開いたとき、貯液タンク内の高温水に水を混ぜて適温水として給湯する貯湯式ヒートポンプ給湯機が一般的である。
ヒートポンプ給湯機のヒートポンプ運転による水の沸上げ温度は、通常の貯湯運転（液体加熱運転）では約６５℃（（社）日本冷凍空調工業会規格（JRA4050:2007R）標準沸上げ温度：６５℃）、冬期低温時の貯湯運転（液体加熱運転）では約８５℃〜９０℃の高温（高温沸上げ）が一般的である。また、直接給湯運転時は洗面や入浴時の適温と言われる約４２℃が一般的である。

特許文献１（特開２００７−１０７７５０号公報）には、水冷媒熱交換器（液冷媒熱交換器）の水側配管を途中で分岐して、水冷媒熱交換器の水側出口配管に接続するバイパス回路を設けることにより、冬期低温時の高温沸上げの効率を維持しつつ、直接給湯時の低温沸上げ時の水側圧損低減を図り適温水の流量を確保するヒートポンプ給湯機が開示されている。

特開２００７−１０７７５０号公報

ところで、ヒートポンプによる液体加熱運転の運転効率は、被加熱媒体である水の流量が少ないほど、即ち、水の流速が遅いほど液冷媒熱交換器における冷媒と水との熱交換時間が長くなり、運転効率が向上する。

しかし、夏期など周囲温度及び給水温度が高くて加熱負荷が軽く、ヒートポンプ給湯機の加熱能力に余裕がある場合、熱交換時間を短くする、即ち、ポンプの回転速度を上げることにより水の流速を上げて被加熱液体の流量を増やす場合がある。また、大容量タンクで被加熱液体の量が多い場合にも、ポンプの回転速度を上げることにより水の流速を上げて被加熱液体の流量を増やす場合がある。この際、ポンプは、ある所定回転速度を超えると過負荷状態となり急速に電気入力が増え、ヒートポンプ給湯機全体の運転効率が低下する。
従来のヒートポンプ給湯機は、このようなポンプの過負荷状態を考慮していないため、過負荷状態により運転効率が低下する、もしくは、高負荷にも対応可能なポンプを用意しなければならなかった。

また、特許文献１の第１の実施形態においては、水冷媒熱交換器の入水側途中から水冷媒熱交換器の高温側をバイパスし、出湯温度の設定値に対応してバイパス回路を選択するものであり、直接給湯のように適温水を出湯する際にはバイパス回路を選択して、冷媒の下流側水冷媒熱交換器のみを使用するものである。
そのため、上流側の高温冷媒熱を活用しないまま放熱してしまうため、直接給湯時の流量確保は達成できるが、ヒートポンプ給湯機全体の運転効率が低下する虞れがあった。

また、特許文献１の第２の実施形態は圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガスの一部を分岐するものであるが、バイパス回路を選択した状態では、分岐した一方の高温高圧の冷媒ガスは水の加熱に活用しないため、ヒートポンプ給湯機全体の運転効率が低下する虞れがあった。

そこで、本発明はヒートポンプ給湯機全体としての運転効率の向上を図ることができるヒートポンプ給湯機を提供することを課題とする。

本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係るヒートポンプ給湯機は、少なくとも、圧縮機、高温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管、低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管、減圧装置、および空気熱交換器が冷媒配管により接続されて構成されるヒートポンプ冷媒回路と、少なくとも、ポンプ、前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管、および前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管を液配管により接続されて構成される被加熱液体回路と、少なくとも、前記ヒートポンプ冷媒回路と前記被加熱液体回路を制御して液体加熱運転を行う運転制御手段と、を備え、前記被加熱液体回路は、前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と並列に接続される液バイパス回路と、前記被加熱液体回路を、前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記液バイパス回路とで切り換える液側切換手段と、を有し、前記運転制御手段は、前記液体加熱運転において前記ポンプが所定回転速度に達した時、前記液側切換手段を制御して、前記被加熱液体回路を前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管から前記液バイパス回路に切り換えることを特徴とする。

本発明の請求項１に係るヒートポンプ給湯機によれば、必要に応じて低温側液冷媒熱交換器から液バイパス回路に切り換えてポンプの負荷低減を図ると共に、高温側液冷媒熱交換器で圧縮機からの高温冷媒の熱量を無駄なく活用する。また、ポンプが所定回転速度以上に達した場合におけるポンプの急激な電気入力増大による運転効率低下を防止する。

次に、請求項２に係るヒートポンプ給湯機は、請求項１に加え、前記ヒートポンプ冷媒回路は、前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と並列に接続される冷媒バイパス回路と、前記ヒートポンプ冷媒回路を、前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と前記冷媒バイパス回路とで切り換える冷媒側切換手段と、を有し、前記運転制御手段は、前記液体加熱運転において前記ポンプが前記所定回転速度に達した時、前記冷媒側切換手段を制御して、前記ヒートポンプ冷媒回路を前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管から前記冷媒バイパス回路に切り換えることを特徴とする。

本発明の請求項２に係るヒートポンプ給湯機によれば、冷媒の加熱循環効率を向上させることができる。

次に、請求項３に係るヒートポンプ給湯機は、請求項１または請求項２に加え、前記液側切換手段は、前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管との間に設けられた三方液切換弁であることを特徴とする。

次に、請求項４に係るヒートポンプ給湯機は、請求項２に加え、前記液側切換手段は、前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管との間に設けられた三方液切換弁であり、前記冷媒側切換手段は、前記高温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管との間に設けられた三方冷媒切換弁であることを特徴とする。

次に、請求項５に係るヒートポンプ給湯機は、請求項１または請求項２に加え、前記液側切換手段は、前記液バイパス回路中に設けられた液開閉弁であることを特徴とする。

次に、請求項６に係るヒートポンプ給湯機は、請求項２に加え、前記液側切換手段は、前記液バイパス回路中に設けられた液開閉弁であり、前記冷媒側切換手段は、前記冷媒バイパス回路中に設けられた冷媒開閉弁であることを特徴とする。

本発明の請求項３から請求項６に係るヒートポンプ給湯機によれば、加熱能力、加熱運転効率、及び部品コストのいずれを重視するかの機器特性に応じて、三方液切換弁、三方冷媒切換弁、液開閉弁、及び冷媒開閉弁を適宜使い分け、機器特性に応じた最適回路構成する。

本発明によれば、ヒートポンプ給湯機全体としての運転効率の向上を図ることができるヒートポンプ給湯機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の運転動作のフローチャートである。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、ポンプの回転速度と、ポンプの電気入力およびヒートポンプ給湯機の運転効率の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。 本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。
ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ冷媒回路の構成部品および被加熱液体回路の一方の構成部品を収納したヒートポンプユニット３０と、被加熱液体回路の他方の構成部品及び給液回路の構成部品を収納した貯湯ユニット４０と、運転制御手段５０とを備えて構成されている。
以下、ヒートポンプ冷媒回路、被加熱液体回路、および、給液回路の構成について説明する。

＜ヒートポンプ冷媒回路＞
ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機１と、高温側液冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａと、低温側液冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａと、減圧装置４と、空気熱交換器５とを備えて構成され、冷媒が循環するように、それぞれ冷媒配管を介して順次環状に接続されている。なお、本実施形態での冷媒としては、炭酸ガス（ＣＯ₂ ）冷媒が封入されており、また、本実施形態での被加熱媒体（液）としては、水(水道水)が用いられているものとして以下説明する。

圧縮機１は、空気熱交換器５からの冷媒を圧縮すると共に、圧縮した高温のガス冷媒（高温冷媒）を高温側液冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａに送り出している。
圧縮機１は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御、電圧制御（例えばＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation)制御）およびこれらを組み合わせた制御により、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度制御ができるようになっている。
ヒートポンプ給湯機を通常の貯湯温度（約６５℃）で貯湯する通常貯湯運転をする場合、圧縮機１を比較的小さな回転速度（１０００〜２０００回転／分）で運転する。一方、冬期などで高温の貯湯温度（約８５〜９０℃）で貯湯する高温貯湯運転をする場合、圧縮機１を通常貯湯運転時より大きな回転速度（３０００〜４０００回転／分）で運転する。

液冷媒熱交換器は、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３とを備えて構成される。
高温側液冷媒熱交換器２は、圧縮機１から吐出される高温冷媒を流通させる上流側の冷媒側伝熱管２ａと、後述する水を流通させる液側伝熱管２ｂとを備えて構成され、冷媒側伝熱管２ａと液側伝熱管２ｂとの間で熱交換するよう密着して設けられる。
低温側液冷媒熱交換器３は、圧縮機１から吐出され高温側液冷媒熱交換器２で放熱した後の中温冷媒を流通させる下流側の冷媒側伝熱管３ａと、後述する水を流通させる液側伝熱管３ｂとを備えて構成され、冷媒側伝熱管３ａと液側伝熱管３ｂとの間で熱交換するよう密着して設けられる。

減圧装置４は、低温側液冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａと空気熱交換器５との間に配置される冷媒配管の途中に設けられており、一般に電動膨張弁が使用されている。
減圧装置４は、高温側液冷媒熱交換器２及び低温側液冷媒熱交換器３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５へ送り出している。
また、減圧装置４は、絞り開度が調節可能となっており、この絞り開度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、冬期低温時にヒートポンプ運転して空気熱交換器５に着霜した場合に、絞り開度を全開にして中温冷媒を空気熱交換器５に多量に送って霜を溶かす除霜装置としても働く。

空気熱交換器５は、送風ファン６の回転によって外気を取り入れた空気と、空気熱交換器５内を流通する冷媒との熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、冷媒は、空気熱交換器５から圧縮機１へと送られる。

＜被加熱液体回路＞
被加熱液体回路は、夜間の割引電気料金を利用して定期的に湯を貯液タンク１０に貯める「貯湯運転（液体加熱運転）」、および、残湯量が規定値以下になった場合のみ運転する「タンク沸上げ運転」によって、貯液タンク１０に高温水を貯めるための液回路である。
被加熱液体回路は、貯液タンク１０と、ポンプ１５と、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと、高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂと、タンク切換弁１１とを備えて構成され、それぞれ液配管を介して順次環状に接続されている。
また、被加熱液体回路は、高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂと低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂとの間に三方液切換弁１６を備えると共に、三方液切換弁１６と低温側液冷媒熱交換器３の入水側との間に、低温側液冷媒熱交換器３と並列に液バイパス配管１７を設ける。

三方液切換弁１６は、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂとが連通する状態、または、液バイパス配管１７と高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂとが連通する状態に水の流路を切り換えるように構成されている。
ここで、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂとが連通する状態となるように三方液切換弁１６を切り換えた状態の被加熱液体回路を「通常被加熱液体回路」とする。また、液バイパス配管１７と高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂとが連通する状態となるように三方液切換弁１６を切り換えた状態の被加熱液体回路を「バイパス被加熱液体回路」とする。

液バイパス配管１７は、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと比較して、流路の長さが１０分の１程度と短いことや、曲がり抵抗が少ないこと等により、流量抵抗が小さくなる。これにより、通常被加熱液体回路時よりもバイパス被加熱液体回路時の方がポンプ１５の負荷が低減する。また、液バイパス配管１７の流路の断面積（管径）を、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと比較して、大きく設定するものであってもよい。

ポンプ１５は、被加熱液体回路内の水を循環させるポンプであり、具体的には、貯液タンク１０の底部に接続された液配管を介して貯液タンク１０内の水を低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂおよび液バイパス配管１７に送り出している。

低温側液冷媒熱交換器３は、前述した冷媒側伝熱管３ａと、ポンプ１５から吐出される低温水を流通させる液側伝熱管３ｂとを備えて構成され、冷媒側伝熱管３ａと液側伝熱管３ｂとの間で熱交換するよう密着して設けられる。
高温側液冷媒熱交換器２は、前述した冷媒側伝熱管２ａと、低温側液冷媒熱交換器３を経て加熱された高温水や液バイパス配管１７からの低温水を流通させる液側伝熱管２ｂとを備えて構成され、冷媒側伝熱管２ａと液側伝熱管２ｂとの間で熱交換するよう密着して設けられる。

即ち、ポンプ１５から吐出される低温水は、通常被加熱液体回路の場合、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂに流入して、加熱され相応の高温水となって高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂに送られる。その後、冷媒側伝熱管２ａで更に規定温度に加熱されて貯液タンク１０の上部から貯湯される。
例えば、冬期低温時の高温貯湯運転で規定温度９０℃の場合、ポンプ１５から吐出される約１０℃の入水を低温側液冷媒熱交換器３で５０℃近くまで加熱し、更に低高温側液冷媒熱交換器２で９０℃まで加熱する。

また、高温側液冷媒熱交換器２は低温側液冷媒熱交換器３以上の加熱能力を有し、通常貯湯運転において約２０℃の入水を高温側液冷媒熱交換器２のみ（即ち、バイパス被加熱液体回路の場合）で通常貯湯運転の規定温度である通常貯湯温度（約６５℃）まで加熱できる加熱能力を有するものとする。なお、高温側液冷媒熱交換器２のみで通常貯湯温度まで加熱できる加熱能力を有するものであれば、加熱能力は高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３とで同じでも、低温側液冷媒熱交換器３の方が大きくてもよい。

タンク切換弁１１は、高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂと貯液タンク１０とが連通する状態、または、貯液タンク１０と後述する湯水混合弁１２とが連通する状態に水の流路を切り換えるように構成されている。
貯湯運転時またはタンク沸上げ運転時には、高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂと貯液タンク１０とが連通する状態に水の流路が切り換えてある。
高温側液冷媒熱交換器２の液側伝熱管２ｂで規定温度まで加熱された水は、タンク切換弁１１を介して、貯液タンク１０の上部に接続された液配管から貯液タンク１０内に貯湯される。

＜給液回路＞
給液回路は、湯水使用時に行う「給湯運転」によって、台所蛇口１４などから湯水を供給するための液回路である。
給液回路は、給水金具７と、減圧弁８と、給水水量センサ９と、貯液タンク１０と、タンク切換弁１１、湯水混合弁１２、給湯金具１３が液配管を介して順次直列に接続され構成されている。なお、タンク切換弁１１は、給湯運転時には、貯液タンク１０と湯水混合弁１２とが連通する状態に水の流路が切り換えてある。
また、給水水量センサ９と貯液タンク１０との間に配置される液配管は途中で分岐し、湯水混合弁１２と接続されている。
給水金具７は水道などの給水源と接続され、給湯金具１３は台所蛇口１４に接続されている。なお、図１には、給湯金具１３からは、台所蛇口１４のみが接続されているが、洗面蛇口（図示せず）や風呂湯張り回路（図示せず）などの使用端末にも接続されていてもよい。

＜運転制御手段＞
次に、ヒートポンプ給湯機の運転制御手段５０について説明する。
運転制御手段５０は、圧縮機１、減圧装置４、送風ファン６、タンク切換弁１１、湯水混合弁１２、ポンプ１５、三方液切換弁１６などを制御することにより、貯湯運転、給湯運転などを行うものである。
また、運転制御手段５０は、冬期低温時は高温貯湯の規定温度（例えば８５〜９０℃）で貯湯すると共に周囲温度や給水温度が低く加熱負荷が大きいため、圧縮機１を高回転速度（例えば３０００〜４０００回転／分）とし、夏期や中間期は加熱負荷が軽いので通常貯湯の規定温度（約６５℃）で比較的低回転速度（例えば１０００〜２０００回転／分）とするなどの最適運転制御手段（図示せず）を有している。

更に、ヒートポンプ給湯機には、貯液タンク１０の貯湯温度を検知するための複数のタンクサーミスタ１０ａ（１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）や各部の冷媒温度や水温を検知する各部サーミスタ、及び圧縮機１の吐出圧力を検知する圧力センサなど（いずれも図示せず）が設けられ、各検出信号は運転制御手段５０に入力されるように構成されている。運転制御手段５０はこれらの信号に基づいて各機器を制御するものである。
また、運転制御手段５０は複数のタンクサーミスタ１０ａ（１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）の温度検出値の差異により、貯液タンク１０内のどこまで貯湯されているかを検知して、貯湯量を計ることができる。

＜ヒートポンプ給湯機の運転動作＞
次に、本実施形態のヒートポンプ給湯機の運転動作について図２を用いて説明する。
図２は、夜間の貯湯運転から翌日の給湯使用終了までの１日の運転動作の実施例を示すフローチャートである。
運転制御手段５０は、毎日の給湯使用量を記憶学習して翌日の給湯使用量を推定し、夜間の貯湯温度及び貯湯量を決定すると共に、上記貯湯量が夜間電気割引料金の適用される規定時間（例えば２３時〜７時）内に沸き上がるように貯湯運転開始時刻を設定する学習制御手段（図示せず）を有している。

貯湯運転開始時刻になると、ヒートポンプ給湯機の運転制御手段５０は、貯湯運転を開始（ステップＳ６１）する。
即ち、運転制御手段５０は、圧縮機１、減圧装置４、送風ファン６を始動させヒートポンプ運転を開始すると共に、タンク切換弁１１、三方液切換弁１６、ポンプ１５を制御し、貯液タンク１０底部から循環されるタンク貯湯水を低温側液冷媒熱交換器３、及び高温側液冷媒熱交換器２で高温冷媒と熱交換して規定温度の高温水とし、貯液タンク１０上部から戻す貯湯運転を行う。

（ポンプの回転速度と運転効率）
ここで、貯湯運転におけるポンプ１５の回転速度とヒートポンプ給湯機の運転効率の関係について図３を用いて説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機において、ポンプの回転速度と、ポンプの電気入力およびヒートポンプ給湯機の運転効率の関係を示すグラフである。
図３に示す実線Ａは、ポンプ１５の回転速度と電気入力との関係を示すものである。ポンプ１５は、回転速度が増加するに従ってほぼ比例的に電気入力も増加する。更に、一般的に、ある所定回転速度（図３に示すＰ点）を超えると、ポンプ１５は過負荷状態となり急激に電気入力が増大する。
図３に示す太実線Ｂは、ポンプ１５の回転速度とヒートポンプ給湯機全体の運転効率との関係を示すものである。ポンプ１５の回転速度、即ち貯湯流量の増加に従ってほぼ比例的に運転効率が低下する。更に、ポンプ１５の回転速度が所定回転速度（Ｐ点）を超えると、ポンプ１５の電気入力が急激に増大することに起因して、ヒートポンプ給湯機全体の運転効率の低下が所定回転速度（Ｑ点）を超えると著しくなる。

なお、このようにポンプ１５の回転速度が所定回転速度（Ｐ点）を超えて使用されるのは、夏期などのように通常貯湯温度（約６５℃）でタンク容量が大きいなど、貯湯循環量を多くして貯湯時間を短縮する場合である。

破線Ａ１は、前記課題を改善する手段として、ポンプ１５の回転速度が所定回転速度（Ｐ点）を超えた場合、低温側液冷媒熱交換器３、及び高温側液冷媒熱交換器２を経由する通常被加熱液体回路から、低温側液冷媒熱交換器３を液バイパス配管１７によりバイパスして高温側液冷媒熱交換器２のみを経由するバイパス被加熱液体回路に切り換えた場合のポンプ１５の電気入力を示す。

ポンプ１５の回転速度が所定回転速度（Ｐ点）に達し、通常被加熱液体回路からバイパス被加熱液体回路に切り換わると、ポンプ１５への流量負荷が低下して電気入力が低下する。これにより、ポンプ１５の過負荷状態を回避し、更に回転速度を増加しても液バイパス配管１７による抵抗減少分は回転速度と入力との通常の比例変化を維持することができる。
また、ヒートポンプ給湯機全体の運転効率も太破線Ｂ１に示すようにＱ点で上昇し、以降も貯湯流量と運転効率との通常の比例関係を維持することができる。

再び図２に戻り、前記貯湯運転（ステップＳ６１）において運転制御手段５０は、周囲温度、循環水温度、及びポンプ１５の回転速度などに基づいてポンプ１５の負荷判定（ステップＳ６２）を行なう。

ポンプ１５の負荷が比較的軽くポンプ１５の電気入力が通常の比例状態の場合は、運転制御手段５０は負荷条件Ａと判定してステップＳ６３に進み、低温側液冷媒熱交換器３および高温側液冷媒熱交換器２を経由する通常被加熱液体回路で加熱循環する。

一方、夏期などで周囲温度が高く、循環量を多くするためポンプ１５の回転速度が大きくなり、ポンプ１５の回転速度が所定回転速度（Ｐ点）に達する状態の場合は、運転制御手段５０は負荷条件Ｂと判定してステップＳ６４に進み、低温側液冷媒熱交換器３を液バイパス配管１７によりバイパスして高温側液冷媒熱交換器２のみを経由するバイパス被加熱液体回路で加熱循環する。

次に、運転制御手段５０は複数のタンクサーミスタ１０ａ（１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）からの検出信号に基づき、貯液タンク１０の貯湯量判定を行う（ステップＳ６５）。貯湯温度及び貯湯量が規定値に達しないうちは貯湯運転を継続し、規定値に達すると、運転制御手段５０は貯湯運転を終了する（ステップＳ６６）。

使用者が、台所蛇口１４を開き湯水使用が開始されると（ステップＳ６７）、運転制御手段５０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、給水金具７、減圧弁８、給水水量センサ９、貯液タンク１０、湯水混合弁１２、給湯金具１３、台所蛇口１４の給液回路で適温水を供給する給湯運転を開始する（ステップＳ６８）。なお、給湯運転時は、水道などの給水源からの水圧で給湯を行う。
次に台所蛇口１４を閉じて湯水使用が終了されると（ステップＳ６９）、給湯は停止され湯水混合弁１２は所定の位置に設定され給湯運転は停止（ステップＳ７０）する。

使用者による１日の湯水使用が終了するまでステップＳ６７からステップＳ７０が繰り返され（ステップＳ７１でＮｏ）、１日の湯水使用が終了すると（ステップＳ７１でＹｅｓ）、運転制御手段５０は学習制御手段（図示せず）を機能させる。即ち、運転制御手段５０は複数のタンクサーミスタ１０ａ（１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）からの検出信号に基づき、タンク残湯温度及び残湯量を検知して１日毎の湯水使用量を算出し、翌日使用量の推定算出を行ない、それに適合した貯湯温度及び貯湯量、貯湯運転開始時刻などの貯湯運転条件の設定を行う（ステップＳ７２）。
なお、学習制御手段が行う翌日の湯水使用量の推定算出は、一般的に過去７日間程度の外気温度や湯水使用量などを基にして、夜間の貯湯運転のみで十分間に合うように翌日の湯水使用量が推定算出される。
また、湯水使用終了は、一般的に夜間電気割引料金時間帯（２３時〜７時）の始まる２３時としている。

これにより、ヒートポンプ給湯機の夜間の貯湯運転から給湯使用終了までの１日の運転動作が終了する。
なお、ステップＳ７２で設定された貯湯運転条件に基づき、貯湯運転開始時刻になると、貯湯運転条件に従って翌日の給湯使用のための貯湯運転を開始する（ステップＳ６１）。

次に、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機のバイパス被加熱液体回路の変形例について、図１及び、図４、図５によって説明する。
第１の実施形態に係るヒートポンプ給湯機は、図１に示すように、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との間に三方液切換弁１６を設け、三方液切換弁１６とポンプ１５との間に液バイパス配管１７を接続して形成するものであり、１個の三方液切換弁１６により容易に低温側液冷媒熱交換器３を介する通常被加熱液体回路と液バイパス配管１７を介するバイパス被加熱液体回路との切換を可能とするものである。

≪第２実施形態≫
図４は、本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。
第２実施形態に係るヒートポンプ給湯機は、図４に示すように、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との間に、三方液切換弁１６に加えて、三方冷媒切換弁１８を設ける。具体的には、高温側液冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａと、低温側液冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａとの間に、三方冷媒切換弁１８を設ける。
また、液バイパス配管１７に加え、三方冷媒切換弁１８と減圧装置４との間に冷媒バイパス配管１９を接続して形成する。

第２実施形態に係る発明によれば、被加熱液体回路を通常被加熱液体回路からバイパス被加熱液体回路に切り換えると共に、ヒートポンプ冷媒回路も低温側液冷媒熱交換器３をバイパスして、冷媒の加熱循環効率の向上を図るものである。

≪第３実施形態≫
図５は、本発明の第３実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成説明図である。
第３実施形態に係るヒートポンプ給湯機は、図５に示すように、三方切換弁の代わりに二方開閉弁を用いたものである。
具体的には、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との液配管の途中とポンプ１５との間に二方液開閉弁２０を備える液バイパス配管１７を形成する。
かかるヒートポンプ給湯機では、二方液開閉弁２０を開けると、被加熱液体は低温側液冷媒熱交換器３の液配管よりも流路抵抗の小さい液バイパス配管１７側を流れることとなる。これにより、三方弁を用いた場合と同様の効果を得ることができる。また、冷媒配管においても、液配管と同様の流路抵抗に関する理由により、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との冷媒配管の途中と減圧装置４との間に二方冷媒開閉弁２１を備える冷媒バイパス配管１９を形成する。

第３実施形態に係る発明によれば、第１実施形態および第２実施形態に係る発明の効果に加え、二方開閉弁は三方切換弁と比較して構造が単純であるため、低価格であり信頼性も高いという効果もある。

≪まとめ≫
本発明は、第一実施形態から第三実施形態に説明したように、貯湯運転（液体加熱運転）時における液冷媒熱交換器の加熱能力と水抵抗、及びポンプの回転速度と電気入力に着目して、これらの最適関係を見出し、ヒートポンプ給湯機全体としての運転効率の向上を図るものである。
図１、図４、図５の説明は、バイパス配管１７によって形成されるバイパス回路の実施形態を説明したものであり、本発明は、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３の構造やバイパス配管１７の構成手段の如何にかかわらず、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との液回路側に低温側液冷媒熱交換器３をバイパスするバイパス回路（バイパス配管１７）を設け、ポンプ１５の回転速度に応じて通常被加熱液体回路からバイパス被加熱液体回路への切り換えを行うことにより、ヒートポンプ給湯機全体としての運転効率向上を図る効果を有するものである。
なお、本実施形態は家庭用のヒートポンプ給湯機について記載しているが、業務用ヒートポンプ給湯機のような、より加熱能力が大きく、循環流量の大きいユニットにおいてはその効果も大きい。

なお、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態の構成においては、貯液タンク１０の底部に接続された液配管を介して貯液タンク１０内の水を低温側液冷媒熱交換器３に送り出す構成としたが、貯液タンク１０以外の任意の給水源から水（被加熱液体）を低温側液冷媒熱交換器３に送り出す構成としてもよい。例えば、減圧弁８で減圧された水を低温側液冷媒熱交換器３に送り出す構成としてもよい。
また、上記実施形態の構成においては、高温側液冷媒熱交換器２で加熱された水を貯液タンク１０の上部に接続された液配管から貯液タンク１０内に貯湯する構成としたが、貯液タンク１０を経由することなく、高温側液冷媒熱交換器２からの出湯を給湯金具１３から給湯する構成としてもよい。
また、ポンプ１５の位置は、低温側液冷媒熱交換器３の上流側に限定されるものではなく、低温側液冷媒熱交換器３の下流側であってもよい。その場合、ポンプ１５は、高温側液冷媒熱交換器２と低温側液冷媒熱交換器３との間（ただし、低温側液冷媒熱交換器３の液側伝熱管３ｂと液バイパス配管１７との合流点よりも下流側）に配置されるものであってもよく、高温側液冷媒熱交換器２の下流側に配置されるものであってもよい。

１ 圧縮機
２ 高温側液冷媒熱交換器
２ａ 冷媒側伝熱管
２ｂ 液側伝熱管
３ 低温側液冷媒熱交換器
３ａ 冷媒側伝熱管
３ｂ 液側伝熱管
４ 減圧装置
５ 空気熱交換器
６ 送風ファン
７ 給水金具
８ 減圧弁
９ 給水水量センサ
１０ 貯液タンク
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ タンクサーミスタ
１１ タンク切換弁
１２ 湯水混合弁
１３ 給湯金具
１４ 台所蛇口
１５ ポンプ
１６ 三方液切換弁（切換手段）
１７ 液バイパス配管（液バイパス回路）
１８ 三方冷媒切換弁
１９ 冷媒バイパス配管（冷媒バイパス回路）
２０ 二方液開閉弁（切換手段）
２１ 二方冷媒開閉弁
３０ ヒートポンプユニット
４０ 貯湯ユニット
５０ 運転制御手段

Claims (6)

1. 少なくとも、圧縮機、高温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管、低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管、減圧装置、および空気熱交換器が冷媒配管により接続されて構成されるヒートポンプ冷媒回路と、
   少なくとも、ポンプ、前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管、および前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管を液配管により接続されて構成される被加熱液体回路と、
   少なくとも、前記ヒートポンプ冷媒回路と前記被加熱液体回路を制御して液体加熱運転を行う運転制御手段と、を備え、
   前記被加熱液体回路は、
   前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と並列に接続される液バイパス回路と、
   前記被加熱液体回路を、前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記液バイパス回路とで切り換える液側切換手段と、を有し、
   前記運転制御手段は、
   前記液体加熱運転において前記ポンプが所定回転速度に達した時、
   前記液側切換手段を制御して、前記被加熱液体回路を前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管から前記液バイパス回路に切り換える
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記ヒートポンプ冷媒回路は、
   前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と並列に接続される冷媒バイパス回路と、
   前記ヒートポンプ冷媒回路を、前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と前記冷媒バイパス回路とで切り換える冷媒側切換手段と、を有し、
   前記運転制御手段は、
   前記液体加熱運転において前記ポンプが前記所定回転速度に達した時、
   前記冷媒側切換手段を制御して、前記ヒートポンプ冷媒回路を前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管から前記冷媒バイパス回路に切り換える
   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. 前記液側切換手段は、
   前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管との間に設けられた三方液切換弁である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記液側切換手段は、
   前記高温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の液側伝熱管との間に設けられた三方液切換弁であり、
   前記冷媒側切換手段は、
   前記高温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管と前記低温側液冷媒熱交換器の冷媒側伝熱管との間に設けられた三方冷媒切換弁である
   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。
5. 前記液側切換手段は、
   前記液バイパス回路中に設けられた液開閉弁である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記液側切換手段は、
   前記液バイパス回路中に設けられた液開閉弁であり、
   前記冷媒側切換手段は、
   前記冷媒バイパス回路中に設けられた冷媒開閉弁である
   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。

Images