JP6398075B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットで沸き上げた温水を直接給湯することができるヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種の給湯機は、例えば図１４の様なものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１４は、特許文献１に記載された従来の給湯機を示すものである。図１４に示すように、圧縮機１０４、水冷媒熱交換器１０５、膨張弁１０６、空気熱交換器（蒸発器）１０７を冷媒配管で管状に接続してヒートポンプサイクルを形成している。貯湯タンク１０３の底部、ポンプ１１９、流路切替弁１２６が、ＨＰ配管１１８で順次接続されており、流路切替弁１２６と貯湯タンク１０３の底部、および上部がＨＰ配管１１８で接続されている。水冷媒熱交換器１０５の出口水温（以下、沸き上げ温度と呼ぶ）は、ＨＰ配管１１８の途中に設置された沸き上げ温度センサ１２１により検知する。

貯湯運転モード時には、貯湯タンク１０３の底部の水がポンプ１１９により水冷媒熱交換器１０５に搬送され、ここでヒートポンプサイクルの冷媒との熱交換により自身は加熱されて温水となり、ＨＰ配管１１８、流路切替弁１２６、出湯管１２０を経由して貯湯タンク１０３上部に戻される。この時の沸き上げ温度やポンプ１１９の回転数、ヒートポンプサイクルの各部品の運転制御は、制御装置１２５により行われている。

貯湯タンク１０３の上部には出湯管１２０が接続されており、貯湯タンク１０３の底部には給水管１０９が接続されている。給湯混合弁１１１は、出湯管１２０から供給される貯湯タンク上部の温水と給水管１０９から供給される水とを混合して所定温度の温水を給湯配管１１３を経由して給湯端末１１４から給湯させる。給湯混合弁１１１出口の温水温度は、給湯配管１１３の途中に設置された給湯温度センサ１２２により検知する。また、湯はり混合弁１１２は、出湯管１２０から供給される貯湯タンク上部の温水と給水管１０９から供給される水とを混合して所定温度の温水を湯はり配管１１５、湯はり開閉弁１１６を経由して浴槽１１７に給湯する。湯はり混合弁１１２出口の温水温度は、湯はり配管１１５の途中に設置された湯はり温度センサ１２３により検知する。また、浴槽１１７の水位は、湯はり配管１１５の途中に設置された湯はり圧力センサ１２９により検知する。通常、貯湯運転モードは主に電気料金の安い深夜に動作して貯湯タンク全体に湯を蓄え、蓄えた湯は昼や夕方の給湯や湯はりに使用される。

また、浴槽１１７への湯はりについては、特に、湯はり運転モードを有しており、湯はり運転モード開始時には、ヒートポンプサイクルを起動するとともに、湯はり開閉弁１１６を開き、流路切替弁１２６を水冷媒熱交換器１０５と貯湯タンク１０３の底部とが連通するように設定する。そして、浴槽１１内の湯の量の判定を行う水位判定運転を実施した後、流路切替弁１２６を、水冷媒熱交換器１０５と出湯管１２０とが連通するように設定する。

または、湯はり運転モード開始時には、湯はり開閉弁１１６を開き、流路切替弁１２６を水冷媒熱交換器１０５と貯湯タンク１０３の底部とが連通するように設定する。そして、浴槽１１内の湯の量の判定を行う水位判定運転を実施した後、ヒートポンプサイクルを起動するとともに、流路切替弁１２６を、水冷媒熱交換器１０５と出湯管１２０とが連通するように設定する。

ここで、湯はり運転モード時の沸き上げ温度を、貯湯運転モード時の沸き上げ温度よりも低くすることで、ヒートポンプサイクルの成績係数（以下ＣＯＰと呼ぶ）が貯湯運転モード時のＣＯＰよりも向上する。これにより、効率の良い湯はり運転を行うようにしている。

特許第４９７５０６７号公報

しかしながら、前記特許文献１には、湯はり運転モードにおけるポンプ１１９の制御動作については記載されていない。ここで、ヒートポンプサイクルは、所定温度の湯を生成するまでの間に、一定時間を要するものである。

したがって、湯はり運転モードにおいて、ヒートポンプサイクルで所定温度の湯を適切なタイミングで生成しなければ、湯はりをするために貯湯タンク内の湯水とヒートポンプサイクルで加熱された湯水とを併用する利点が十分に発揮されず、給湯装置としての成績係数（ＣＯＰ）を十分に向上させることができない場合があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、成績係数に優れたヒートポンプ給湯装置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環状に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て加熱した湯を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに貯湯された湯水の温度を検知する貯湯温度検知手段と、前記ヒートポンプサイクルに前記貯湯タンクの湯水を送る沸き上げポンプと、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タンクに貯湯する貯湯運転モードと、前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値以下の場合に、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と同一、または、前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成し、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成された湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値より高い場合に、前記ヒートポンプサイクルの前記圧縮機は運転せず、前記貯湯タンクからのお湯のみを浴槽への注湯に使用する通常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の開始から所定時間が経過したときに、前記沸き上げポンプの回転数を増大させることを特徴とするものである。

これによって、湯はり運転モードにおいて、沸き上げポンプを制御することによりヒートポンプサイクルにて加熱される湯水の温度を適切に制御することができる。

本発明によれば、湯はり運転モードにおいて、ヒートポンプサイクルによって加熱生成される湯水の温度を適切に調整し、湯はりをするために貯湯タンク内の湯水とヒートポンプサイクルで加熱された湯水とを併用して成績係数に優れたヒートポンプ給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯機の構成図 同貯湯タンク内温度分布の変化を示す図 同湯はり開始時における制御フローチャート図 同湯はり運転モードの運転動作のシーケンスを示す図 同ヒートポンプサイクルのＣＯＰと出湯温度の関係を示す図 同湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクルの加熱能力と圧縮比の関係を示す図 同湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクルの加熱能力とヒートポンプサイクルのＣＯＰとの関係を示す図 同湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクルの加熱能力と風呂注湯ＣＯＰとの関係を示す図 同湯はり運転モード時における圧縮機回転数と風呂注湯ＣＯＰとの関係を示す図 同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）同湯はり運転モード時に第１出湯管からのみ出湯した場合の貯湯タンク内の温度分布を示した図（ｂ）同湯はり運転モード時に第１出湯管および中温出湯管から出湯した場合の貯湯タンク内の温度分布を示した図 （ａ）同中温出湯回路がある場合の貯湯タンク内の温度分布の変化を示した図（ｂ）同中温出湯回路がない場合の貯湯タンク内の温度分布の変化を示した図 本発明の実施の形態２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

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環状に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て加熱した湯を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに貯湯された湯水の温度を検知する貯湯温度検知手段と、前記ヒートポンプサイクルに前記貯湯タンクの湯水を送る沸き上げポンプと、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タンクに貯湯する貯湯運転モードと、前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値以下の場合に、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と同一、または、前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成し、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成された湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値より高い場合に、前記ヒートポンプサイクルの前記圧縮機は運転せず、前記貯湯タンクからのお湯のみを浴槽への注湯に使用する通常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の開始から所定時間が経過したときに、前記沸き上げポンプの回転数を増大させることを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これによって、湯はり運転モードにおいて、沸き上げポンプの回転数が相対的に低い状態でヒートポンプサイクルにより湯水を加熱するので、所定温度の湯水をより早く生成することができる。すなわち、目標とする沸き上げ温度に到達するまでの時間が短縮されるため、加熱効率が良い運転条件で生成される湯水を、より多く湯はりに使用することができる。以上のように、湯はり運転モードにおいて、ヒートポンプサイクルによって加熱生成される湯水の温度を適切に調整し、湯はりをするために貯湯タンク内の湯水とヒートポンプサイクルで加熱された湯水とを併用して成績係数に優れたヒートポンプ給湯装置を実現できる。

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から流出した湯水を、前記貯湯タンクの下方側へ戻すか、または、上方側へ戻すかを切り替える流路切替弁を備え、前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記ヒートポンプサイクルから流出した湯水が前記貯湯タンクの上方側へと流れるように前記流路切替弁を制御することを特徴とするものである。

これにより、ヒートポンプサイクルで加熱生成された湯水が貯湯タンクの下部に流入することを抑制する。その結果、貯湯タンクの下部の湯水の温度が上昇することを防止して、ヒートポンプサイクル（水冷媒熱交換器）に流入する湯水の温度を低く維持することができる。その結果、ヒートポンプサイクルの加熱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、前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記浴槽への注湯を行う注湯弁を閉状態として、前記浴槽の水位を検出する水位検知を実行し、前記制御手段は、前記水位検知の終了以後に、前記沸き上げポンプの回転数を増大させることを特徴とするものである。

水位判定の実行中は、注湯弁が閉状態となるので、ヒートポンプサイクルによって加熱生成された湯水が貯湯タンク内に流入することになる。本発明によれば、水位判定の実行中における沸き上げポンプの回転数が相対的に低くなる。これにより、水冷媒熱交換器を流れる湯水の流量が減少して単位流量あたりの湯水の高温冷媒からの受熱量が増大するから、沸き上げ温度を相対的に高くすることができる。その結果、貯湯タンク内の温度成層の崩壊を抑制することができ、給湯装置としての成績係数を向上させることができる。

（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を示す図である。前記ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット２ａと貯湯ユニット２ｂとから構成されている。

ヒートポンプユニット２ａには、圧縮機４、水冷媒熱交換器５、膨張弁等の減圧手段６、空気熱交換器である蒸発器７を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプサイクル１が設けられており、冷媒配管内部には冷媒が封入されている。８は、蒸発器７に空気を供給するファンである。

貯湯ユニット２ｂには、貯湯タンク３の底部、沸き上げ往き配管３２、水冷媒熱交換器５、沸き上げ戻り配管３３、四方切替弁（流路切替弁）１８ａ、貯湯タンク３を環状に接続して沸き上げ回路が設けられている。

沸き上げ往き配管３２の途中には、貯湯タンク３の底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が接続されている。

四方切替弁１８ａの入口側には沸き上げ戻り配管３３が接続されている。四方切替弁１８ａの出口側は沸き上げバイパス管３４により貯湯タンク３の底部と接続されており、四方切替弁１８ａの他の出口側は沸き上げ管３５、第１出湯管９を介して貯湯タンク３の上部に接続されており、四方切替弁１８ａの他のもう１つの出口側は湯はり戻し管３６を介して貯湯タンク３の上部に接続されている。

すなわち、沸き上げポンプ２１により搬送された沸き上げ戻り配管３３内の温水は、四方切替弁１８ａにより、貯湯タンク３の底部に戻る場合と、貯湯タンク３の上部（第１出湯管９または、湯はり戻し管３６）に戻る場合とを切り替えることができるようになっている。

また、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。

貯湯タンク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が設置されており、残湯サーミスタ４０ａ〜４０ｅの温度により、貯湯タンク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、貯湯タンク３や後述する第３混合弁１４、第１混合弁１５へと供給される。給水管１１は、給水分岐部１２で第２給水分岐管１２ａ、第３給水分岐管１２ｂ、第１給水分岐管１２ｃに分岐しており、第２給水分岐管１２ａは、貯湯タンク３の底部に、第３給水分岐管１２ｂは第３混合弁１４に、第１給水分岐管１２ｃは第１混合弁１５にそれぞれ接続されている。

貯湯タンク３の上部には第１出湯管９が、貯湯タンク３の上下方向において第１出湯管９が接続された位置と貯湯タンク３の底部との間には中温出湯管１０がそれぞれ接続されている。第１出湯管９の他端は、出湯分岐管１６と追いだき配管２５とに分岐しており、出湯分岐管１６は第２混合弁１３に、追いだき配管２５は風呂熱交換器２４に接続されている。

給湯回路は、貯湯タンク３内の温水と水道から供給される水とを、第２混合弁１３、第３混合弁１４、第１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２混合弁１３は、第１出湯管９から供給される温水と中温出湯管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３混合弁１４に、第２出湯合流管分岐管１７ｂは第１混合弁１５にそれぞれ接続されている。

第３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３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３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３混合弁１４の混合比を制御する。

第１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、風呂往き配管２９、風呂戻り配管３０を介して所定温度の温水を浴槽３１に注湯させる。

第１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１４の混合比を制御する。

風呂追いだき回路は、貯湯タンク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、貯湯タンク３、第１出湯管９、追いだき配管２５、風呂熱交換器２４、追いだきポンプ２２、追いだき戻り管２６、貯湯タンク３を環状に接続するとともに、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されているまた、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１で加熱（沸き上げる）した温水を貯湯タンク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開始する場合に、ヒートポンプサイクル１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た後に、第２混合弁１３、第１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備えている。湯はり運転モードにおいてヒートポンプサイクル１で加熱生成される温水の温度は、貯湯運転モードにおいてヒートポンプサイクル１で加熱生成される温水の温度よりも低いことが好ましい。これにより、ヒートポンプサイクル１の沸き上げ効率を向上させることができる。

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）ことで運転を開始させることができる。

貯湯運転モードや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。

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を説明する。

貯湯運転モードは、貯湯タンク３の底部の水をヒートポンプサイクル１で加熱した後に、貯湯タンク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、貯湯タンク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２ａのヒートポンプサイクル１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、貯湯タンク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、貯湯タンク３の底部の水は、沸き上げポンプ２１により沸き上げ往き配管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１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、沸き上げ戻り配管３３、四方切替弁１８ａを介し貯湯タンク３の上部または底部に戻される。

水冷媒熱交換器５出口温水の温度は、ヒートポンプサイクル１起動してすぐに目標出湯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）が目標出湯温度に対して低い間（例えば、目標出湯温度と検出温度との温度差が所定値以上の場合）は、沸き上げ戻り配管３３の温水は、四方切替弁１８ａにより、沸き上げバイパス管３４を介して貯湯タンク３の底部に戻される。

その後、検出温度が目標出湯温度に近づいた場合（例えば、目標出湯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配管３３の温水を沸き上げ管３５、第１出湯管９を介して貯湯タンク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１で加熱された高温の温が貯湯タンク３内に貯湯される。

次に、給湯回路における第２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、貯湯タンク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タンク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、貯湯タンク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、貯湯タンク３の略中央部から中温出湯管１０を経由して供給される温水とを第２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２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３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３混合弁１４の混合比を制御手段５１により制御する。

また、貯湯タンク３からのお湯のみで浴槽３１に風呂湯はりをするいわゆる通常の湯はり運転モードの場合で、目標給湯温度Ｔ１（℃）で給湯する場合は、第２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１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１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２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中温出湯管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１３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２混合弁１３を制御してもよい。

以上の動作により、貯湯タンク３内上部の高温の湯と貯湯タンク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）の中温が中温出湯管１０から貯湯タンク３外に排出されるため、図２に示すように、貯湯タンク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１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タンク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１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。入水温度は入水温度検知手段４１で検出される。

次に、ヒートポンプサイクル１の圧縮機４を運転し、貯湯タンク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湯はり運転モードの場合の動作について説明する。目標給湯温度Ｔ１（℃）で給湯する場合は、貯湯タンク３上部から第１出湯管９、出湯分岐管１６、第２混合弁１３、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１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１混合弁１５の混合比を制御手段５１により制御する。この時、第２混合弁１３は、中温出湯管１０からの湯水の供給を停止し、出湯分岐管１６からのみ湯水を供給できるようにしておく。

次に、浴槽３１に湯はりされた湯を再加熱する追い焚きの動作について説明する。制御手段５１から追いだきの指示があれば、風呂循環ポンプ２３と追い焚きポンプ２２を動作させる。風呂循環ポンプ２３が動作すると、浴槽３１の湯水が風呂戻り配管３０から風呂熱交換器２４に搬送されて加熱された後、風呂往き配管２９を経由して再び浴槽３１に戻る。追いだきポンプ２２が動作すると、貯湯タンク３上部の高温の湯が、第１出湯管９から追いだき配管２５を経由して風呂熱交換器２４に搬送され、浴槽３１の湯水と交換を行って中温水となり、追いだき戻り管２６から貯湯タンク３内に搬送される。これらの動作は、浴槽３１の温度が目標温度に達するまで継続する。従って、貯湯タンク３の上部の温度が高ければ熱交換に要する時間が短く、低ければ長くかかることになり、貯湯タンク３に流入する中温水の量も、貯湯タンク３の上部の温度が高ければ少なく低ければ多くなる。

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タンク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、ヒートポンプサイクル１の圧縮機４を運転（ｓｔｅｐ４）し、貯湯タンク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、ヒートポンプサイクル１の圧縮機４は運転せず（ｓｔｅｐ５）、貯湯タンク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）。

図４は、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４において、湯はり運転モードが開始されると、ヒートポンプユニット２が起動して圧縮機４や沸き上げポンプ２１が起動する。また、四方切替弁１８ａは、貯湯タンク３の上方側に湯水が流れるように切替えられる。本実施の形態においては、四方切替弁１８ａを、沸き上げ戻り配管３３と湯はり戻し管３６とが連通するように切り替える。また、注湯弁１９が開かれる。

この動作により、貯湯タンク３の底部の水は、沸き上げポンプ２１で水冷媒熱交換器５に搬送される。水冷媒熱交換器５にて、水は、高温の冷媒と熱交換して加熱される。水冷媒熱交換器５から流出した水は、沸き上げ戻り配管３３、四方切替弁１８ａ、湯はり戻し管３６、第１出湯管９、第２混合弁１３、第１混合弁１５、風呂注湯管２７、注湯弁１９、風呂往き配管２９および／または風呂戻り配管３０を経由して浴槽３１に注湯される。

制御手段５１は、ヒートポンプユニット２の起動からの所定時間において、沸き上げポンプ２１の回転数を、例えば最大出力の２０％といった数値にして運転する。これにより、水冷媒熱交換器５を流れる湯水の流量が相対的に少なくなる。よって、単位流量あたりの水の高温冷媒からの受熱量が増大する。その結果、水冷媒熱交換器５の出口の温度（沸き上げ温度）の上昇が促進される。

制御手段５１は、初期湯はりモードとして、湯はり運転モードの開始から所定期間において、浴槽３１に所定量の湯水（例えば、１０Ｌ）の注湯を行う。これは、貯湯タンク３から浴槽３１に至る配管内を湯水で満たし、水位センサ（水位検知手段）４６が正しく動作するようにすることを目的として行う。水位センサ４６としては、例えば、圧力センサが用いられるので、水位センサ４６の周囲を湯水で満たすことで、水位検知を行うことができる。

制御手段５１は、所定量の湯水を浴槽３１に注湯した後（初期湯はりモードの完了後）、一旦、注湯弁１９を閉状態として、水位検知を行う。水位検知は、圧力センサとして機能する水位センサ４６から圧力値を検出し、この圧力値から、現在の浴槽３１内の湯量を推定する。制御手段５１は、推定された現在の湯量と、使用者がリモコン５０等で設定する所定湯はり量との差（注湯量）を算出する。制御手段５１は、以上の動作を水位検知モードとして実行する。

制御手段５１は、注湯量の算出が終了した後（水位検知モードの完了後）、注湯弁１９を開き、浴槽３１への注湯を再開する。また、制御手段５１は、沸き上げポンプ２１の回転数を、例えば最大出力の８０％へと増大させる。これにより、ヒートポンプサイクルで加熱された湯水を、より多くの湯はりに使用できるようにする。制御手段５１は、以上の動作を本湯はりモードとして実行する。

なお、浴槽３１の容量によっては、湯はり運転モード終了前に、再度、水位検知を行う場合があるが、その場合も、沸き上げポンプ２１の回転数を相対的に小さくするようにしてもよい。沸き上げポンプ２１の回転数を小さくすることにより、沸き上げ温度を上昇させることができる。注湯弁１９を閉状態として行う水位検知では、浴槽３１への注湯が停止され、ヒートポンプサイクルで加熱された湯水が、上部から貯湯タンク３に流入する。ここで、沸き上げポンプ２１の回転数が相対的に小さく、沸き上げ温度が高くなるため、貯湯タンク３内の温度成層の崩壊を抑制できる。また、貯湯タンク３の蓄熱密度が高くなり、蓄えられる熱量を増加させることができる。

なお、例えば、湯はりにかかる所要時間を短縮するために、水位検知を行わない場合でも、ヒートポンプサイクル１の起動からの所定時間において、沸き上げポンプ２１の回転数を小さくすることで、沸き上げ温度の上昇時間を短縮させる効果がある。

図５は、ヒートポンプサイクルの成績係数（ＣＯＰ）と出湯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ヒートポンプサイクルの成績係数（ＣＯＰ）をＣＯＰＡで、湯はり運転モードにおけるヒートポンプサイクルの成績係数（ＣＯＰ）をＣＯＰＢで表すこととする。

貯湯運転モードにおける出湯温度（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出湯温度を貯湯運転モードにおける出湯温度よりも低く（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出湯温度を貯湯運転モードにおける出湯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出湯温度よりも低下させることができる。

なお、第２混合弁１３の出口側に温度センサを設けない場合で、ヒートポンプサイクル１の起動時に水冷媒熱交換器５の出口の湯水の温度が上昇している場合には、第２混合弁１３を介して、第１混合弁１５に流入する湯水の温度の推定値と、実際の温度との誤差が大きくなる可能性がある。したがって、湯はり運転モードの実行中には、制御手段５１は、第１出湯管９と第１混合弁１５とが連通するように、第２混合弁１３の流路を設定しておいてもよい。

以上のように、湯はり運転モードの起動直後に沸き上げポンプ２１の回転数を相対的に低くして、ヒートポンプサイクル１を動作させるので、目標とする沸き上げ温度に到達するまでの時間が短縮され、ＣＯＰが相対的に低い（効率が良い）運転条件で生成される湯水を、より多く湯はりに使用することができる。また、貯湯タンク３の底部の湯水の温度を上昇させることを防止するので、ヒートポンプサイクルのＣＯＰを悪化させることがない。これにより、効率のよい湯はり運転を行うことができ、給湯機のシステム効率の向上を図ることができる。

図６は、湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクル１の加熱能力と圧縮比の関係を示したものである。圧縮機４の回転数が同じ場合、圧縮比が大きくなるほど吐出圧力が高くなるとともに、吐出温度も高くなり加熱能力は高くなるので、若干ではあるが右上がりの特性となる（実線）。

さらに、出湯温度が同じ場合、加熱能力に関係なく吐出圧力はほぼ同じであるが、加熱能力が高くなるほど、圧縮機４の回転数が高くなり吸入圧力は低くなるため、圧縮比は大きくなり、右上がりの特性となる（一点鎖線）。

例えば、圧縮機４の信頼性を確保できる圧縮比をｄ（破線）とすると、加熱能力が低いほど、圧縮機４の回転数は低くできるが、出湯温度は高くする必要があることがわかる。

図７は、湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクル１の加熱能力と湯はり運転モードにおけるヒートポンプサイクルの成績係数（ＣＯＰ）であるＣＯＰＢの関係を示したものである。図６における圧縮比ｄにおいて、ＣＯＰＢは、貯湯運転モード時における加熱能力が、４．５（ｋＷ）の場合、その加熱能力より低いｅ１（ｋＷ）がピークとなる。

しかしながら、湯はり運転モード時は、貯湯タンク３からのお湯とヒートポンプサイクル１からのお湯を併用するため、ヒートポンプサイクル１の加熱能力が低い場合、貯湯タンク３からのお湯を多く必要とすることとなる。

図８は、湯はり運転モード時におけるヒートポンプサイクル１の加熱能力と風呂注湯ＣＯＰの関係を示したものである。ここで、風呂注湯ＣＯＰは、（数１）で示される。

風呂注湯ＣＯＰは、貯湯運転モードにおけるＣＯＰＡ（例えば、加熱能力が４．５ｋＷ）、湯はり時に貯湯タンク３から使用した熱量、湯はり運転モードにおけるＣＯＰＢ（例えば、加熱能力を３．０ｋＷ、３．５ｋＷ、４．０ｋＷ、４．５ｋＷ、５．０ｋＷ）と湯はり時にヒートポンプサイクル１で沸き上げた熱量および湯はり熱量で表される。

ここで、湯はり熱量は、浴槽３１にはったお湯の熱量であり、貯湯タンク３から使用した熱量とヒートポンプサイクル１で沸き上げた熱量の合計で表される。また、ヒートポンプサイクル１で沸き上げた熱量は、ヒートポンプサイクル１の加熱能力と運転時間の積で算出する。したがって、貯湯タンク３から使用した熱量は、浴槽３１にはったお湯の熱量とヒートポンプサイクル１で沸き上げた熱量の差として算出する。

図８をみるとわかるように、風呂注湯ＣＯＰは、貯湯運転モード時における加熱能力が、４．５（ｋＷ）の場合、その加熱能力より大きいｅ２（ｋＷ）がピークとなる。

図９は、湯はり運転モード時における圧縮機４の回転数と風呂注湯ＣＯＰの関係を示したものである。これは、図８と同様に例えば、圧縮機回転数を３０Ｈｚ、３５Ｈｚ、４０Ｈｚ、４５Ｈｚ、５０Ｈｚに変化させ、それぞれの回転数に対する加熱能力から風呂注湯ＣＯＰを算出したものである。

図９をみるとわかるように、風呂注湯ＣＯＰは、貯湯運転モード時における圧縮機４の回転数が、例えば、４５（Ｈｚ）の場合、その回転数より高いｅ３（Ｈｚ）がピークとなる。

次に、湯はり運転モードの停止時について説明する。図１０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１０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タンク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）、ヒートポンプサイクル１の圧縮機４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、ヒートポンプサイクル１の圧縮機４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、湯はり運転モード時の第２混合弁１３の開度の状態による動作、作用の違いについて説明する。図１１（ａ）は、湯はり運転モード時に、第２混合弁１３の開度を、中温出湯管１０からの湯水の供給を停止し、出湯分岐管１６からのみ湯水を供給できるようにした場合の湯はり前後の温度分布の変化を示した図である。７１は湯はり前の温度分布を、７２は湯はり後の温度分布を示す。貯湯タンク３上部にヒートポンプユニット２から低温で沸き上げられた湯が流入する場合、貯湯タンク３上部の第１出湯管９のみから湯水が出湯されるため、第１出湯管９への流速が早くなり、流入した湯水を出湯する流れが大きくなる。その結果、残留する低温の湯水が少なくなり、貯湯タンク３上部の温度は、湯はり前の温度Ｔ０から湯はり後の温度Ｔ１となり、最小限の低下温度に留めることができる。

図１１（ｂ）は、湯はり運転モード時に、第２混合弁１３の開度を調整し、中温出湯管１０からも湯水が供給できるようにした場合の湯はり前後の温度分布の変化を示した図である。７３は湯はり後の温度分布を示す。貯湯タンク３上部に低温で沸き上げられた湯水が流入する場合、貯湯タンク３上部に接続されている第１出湯管９から出湯する湯水は、中温出湯管１０から出湯される湯水の分だけ減少する。すると、第１出湯管９への流速が遅くなり、低温で沸き上げられた湯水は大部分が出湯されず、貯湯タンク３内に残留することになる。湯はり前の温度がＴ０から湯はり後の温度Ｔ２となり、温度低下が激しい。また、運転モードの最中に中温出湯管１０から出湯される湯は既に低下してしまった温度でしかないため、中温水を取り除く効果は限定的で、貯湯タンク３上部の温度が低下する悪条件の方が影響が大きい。

加えて、追い焚きの際には貯湯タンク３上部の湯水が使われるが、Ｔ２よりも高いＴ１の温度で浴槽３１の再加熱がされるため、追い焚き開始から終了までの時間を短縮することができる。また、貯湯タンク３に風呂熱交換器２４から戻ってくる中温水の量も少なくすることができる。

次に、中温出湯回路の有無による夜間沸き上げ運転の動作、作用の違いについて説明する。図１２（ａ）は、中温出湯回路がある場合の貯湯タンク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。

湯はり運転モードで湯はりを行うことにより貯湯タンク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、温度分布の角度はα→β（β＞α）へと変化する（６２→６３）。これは、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１２（ｂ）は、中温出湯回路がない場合の貯湯タンク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タンク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、温度分布の角度はγ（β＞α＞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、中温出湯回路を備えているため、湯はり運転モードで湯はりを行い、若干崩れた貯湯タンク３の温度分布を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。

（実施の形態２）
図１３は、本発明の第２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。第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、湯はり戻し管３６を沸き上げ管３５と共用することにより削減、それに伴い四方切替弁１８ａを三方切替弁１８ｂに置き替えたところである。

このように、本発明の第２の実施の形態によれば、湯はり戻し管３６を削減することができ、低コストで同じ効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる給湯機は、高いＣＯＰを実現することができるので、家庭用、業務用のヒートポンプ給湯機として用いることができる。

１ ヒートポンプサイクル
３ 貯湯タンク
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 中温出湯管
１１ 給水管
１２ 給水分岐部
１３ 第２混合弁（中間混合弁）
１４ 第３混合弁（給湯混合弁）
１５ 第１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（流路切替弁）
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 沸き上げ往き配管
３３ 沸き上げ戻り配管
３６ 湯はり戻し管
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環状に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て加熱した湯を貯湯する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクに貯湯された湯水の温度を検知する貯湯温度検知手段と、
   前記ヒートポンプサイクルに前記貯湯タンクの湯水を送る沸き上げポンプと、
   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タンクに貯湯する貯湯運転モードと、
   前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値以下の場合に、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と同一、または、前記貯湯運転モードよりも低い温度の湯を加熱生成し、前記ヒートポンプサイクルによって加熱生成された湯を浴槽への注湯に使用する湯はり運転モードと、
   前記貯湯温度検知手段の検知値が所定値より高い場合に、前記ヒートポンプサイクルの前記圧縮機は運転せず、前記貯湯タンクからのお湯のみを浴槽への注湯に使用する通常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の開始から所定時間が経過したときに、前記沸き上げポンプの回転数を増大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から流出した湯水を、前記貯湯タンクの下方側へ戻すか、または、上方側へ戻すかを切り替える流路切替弁を備え、
   前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記ヒートポンプサイクルから流出した湯水が前記貯湯タンクの上方側へと流れるように前記流路切替弁を制御す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. 前記制御手段は、前記湯はり運転モードにおいて、前記浴槽への注湯を行う注湯弁を閉状態として、前記浴槽の水位を検出する水位検知を実行し、
   前記制御手段は、前記水位検知の終了以後に、前記沸き上げポンプの回転数を増大させ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。