(57)【要約】【課題】省エネ性の向上した非常に使用性の高いヒートポンプ式給湯装置を提供すること。【解決手段】本発明のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機４、冷媒水熱交換器５、減圧装置６、蒸発器７を環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、貯湯タンク３、貯湯タンク３の下部にある低温水を冷媒水熱交換器５へ搬送する循環ポンプ１０、冷媒水熱交換器５を環状に接続して構成される沸き上げ回路とを備え、貯湯タンク３内の残湯量と、冷媒水熱交換器５で生成する湯の目標沸き上げ温度と、貯湯タンク３に供給される水の給水温度とに応じてヒートポンプサイクルの加熱能力を変更し、夜間の沸き上げ開始時間を決定することにより、運転効率のよい沸き上げ運転が可能となり、省エネ性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と水とが熱交換を行う冷媒水熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と大気とが熱交換を行う蒸発器を冷媒配管により順次環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンクの下部にある低温水を前記冷媒水熱交換器へ搬送する循環ポンプ、前記冷媒水熱交換器を給湯配管により順次環状に接続して構成される沸き上げ回路とを備え、前記貯湯タンク内の残湯量と、前記冷媒水熱交換器で生成する湯の目標沸き上げ温度と、前記貯湯タンクに供給される水の給水温度とに応じて前記ヒートポンプサイクルの加熱能力を変更し、その後、深夜時間帯の沸き上げ開始時間を決定することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
深夜時間帯に沸き上げが完了するように前記ヒートポンプサイクルの加熱能力を決定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
前記圧縮機はアキュームレータの無い構成であることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
冷媒に二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ式給湯装置のヒートポンプユニットの運転に関して、タンクユニットの貯湯タンク内の残湯量に応じて、ヒートポンプサイクルの加熱能力を可変するものがあった。従来のヒートポンプユニットでは、貯湯タンク内の残湯量が、ある所定量以上であれば加熱能力を抑えて、運転音を抑制し、貯湯タンク内の残湯量が、ある所定量未満であれば加熱能力を増加して運転を行うものであった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般的にヒートポンプ式給湯装置は、電気料金の安い深夜電力を使用して貯湯タンク内の湯水を設定温度まで沸き上げる。そのため、深夜電力を使用できる時間帯（２３時〜翌７時）に沸き上げが完了するようにピークシフト制御を行っている（例えば、特許文献２参照）。ピークシフト制御とは、貯湯タンク内の全量を沸き上げる必要熱量を求め、ヒートポンプユニットの加熱能力から必要熱量を賄うための所要時間を求め、深夜時間帯が終わる翌７時に沸き上げ運転が完了するように深夜時間帯の沸き上げ運転開始時刻を求めることであり、その結果、早く沸き上げ過ぎることがないので沸き上げた後の放熱ロスを抑制することができる。
【特許文献１】特開２００３−９０６０６号公報
【特許文献２】特開２００７−８５６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のヒートポンプ式給湯装置の沸き上げ運転では、一定の加熱能力からピークシフト制御で沸き上げ運転時間を求めているので、深夜時間帯に沸き上げ運転は完了するものの、沸き上げ運転の効率に関しては考慮されていないという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、省エネ性の向上した非常に使用性の高いヒートポンプ式給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と水とが熱交換を行う冷媒水熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と大気とが熱交換を行う蒸発器を冷媒配管により順次環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンクの下部にある低温水を前記冷媒水熱交換器へ搬送する循環ポンプ、前記冷媒水熱交換器を給湯配管により順次環状に接続して構成される沸き上げ回路とを備え、前記貯湯タンク内の残湯量と、前記冷媒水熱交換器で生成する湯の目標沸き上げ温度と、前記貯湯タンクに供給される水の給水温度とに応じて前記ヒートポンプサイクルの加熱能力を変更し、夜間の沸き上げ開始時間を決定することにより、運転効率のよい沸き上げ運転が可能となり、省エネ性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、省エネ性の向上した非常に使用性の高いヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と水とが熱交換を行う冷媒水熱交換器、冷媒を減圧する減圧装置、冷媒と大気とが熱交換を行う蒸発器を冷媒配管により順次環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルと、湯水を貯える貯湯タンク、前記貯湯タンクの下部にある低温水を前記冷媒水熱交換器へ搬送する循環ポンプ、前記冷媒水熱交換器を給湯配管により順次環状に接続して構成される沸き上げ回路とを備え、前記貯湯タンク内の残湯量と、前記冷媒水熱交換器で生成する湯の目標沸き上げ温度と、前記貯湯タンクに供給される水の給水温度とに応じて前記ヒートポンプサイクルの加熱能力を変更し、夜間の沸き上げ開始時間を決定することにより、運転効率のよい沸き上げ運転が可能となり、省エネ性を向上させることができる。
【０００９】
第２の発明のヒートポンプ式給湯装置は、特に第１の発明において、深夜時間帯に沸き上げが完了するように前記ヒートポンプサイクルの加熱能力を決定することにより、深夜時間帯で確実に沸き上げることができる加熱能力に設定するので、安価な深夜電力を使用することができる。
【００１０】
第３の発明のヒートポンプ式給湯装置は、特に第１または第２の発明において、前記圧縮機はアキュームレータの無い構成であることにより、ヒートポンプ式給湯装置本体の小型化、軽量化が可能となる。
【００１１】
第４の発明のヒートポンプ式給湯装置は、特に第１〜第３の発明において、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となることにより、冷媒水熱交換器で水に熱を奪われて温度低下しても凝縮することが無く、冷媒水熱交換器の流路全域で冷媒と水との間で温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くすることができる。
【００１２】
第５の発明のヒートポンプ式給湯装置は、特に第１〜第４の発明において、冷媒に二酸化炭素を使用したことにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態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、本発明のヒートポンプ式給湯装置は、加熱源であるヒートポンプユニット１と、湯水を貯える貯湯タンク３を有するタンクユニット２で構成されている。まず、ヒートポンプユニット１について説明する。なお図中に示す矢印は、それぞれ冷媒もしくは水の流れる方向を示すものである。
【００１５】
ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮し高温高圧冷媒にするアキュームレータを持たない圧縮機４、冷媒と水とが熱交換を行い高温水を生成する冷媒水熱交換器５、冷媒を減圧する減圧装置６、大気と冷媒とが熱交換を行い冷媒が大気から吸熱を行う蒸発器７を、順次冷媒配管８にて環状に接続して構成されるヒートポンプサイクルを有している。また、蒸発器７での冷媒と空気との熱交換を促進するファン１９およびファン１９を駆動するファンモータ２０を有している。
【００１６】
冷媒には二酸化炭素が用いられ、圧縮機４で圧縮された後の冷媒は超臨界圧力を超える状態となり、図１に矢印で示すように冷媒配管内を循環している。なお、冷媒は二酸化炭
素に代えて、Ｒ４１０Ａ等のフロン系冷媒や、プロパン等の炭化水素系冷媒を用いたとしても給湯機としては問題ないが、冷媒に二酸化炭素を使用したことにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。さらに、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供することができる。
【００１７】
次に、タンクユニット２について説明する。タンクユニット２は、湯水を貯える貯湯タンク３を有し、貯湯タンク３の底部からヒートポンプユニット１内の冷媒水熱交換器５に低温水を搬送するための循環ポンプ１０が設けられている。そして貯湯タンク３の底部、循環ポンプ１０、冷媒水熱交換器５を給湯配管で環状に接続して沸き上げ回路を形成しており、循環ポンプ１０を駆動させることによって、貯湯タンク３の底部から冷媒水熱交換器５へ低温水が搬送される。そして冷媒水熱交換器５で生成された高温水は、上部給湯配管１８を経て貯湯タンク３の上部へ湯水が送られる。
【００１８】
また、貯湯タンク３の下部に設けた給水口１４には、給水源から水を供給するための給水配管１５が接続され、貯湯タンク３の上部に設けた出湯口１６には、給湯端末へ高温水を供給するための出湯配管１７が接続されている。そして給水口１４には給水源からの水圧が常時掛かっている状態となり、出湯配管１７から高温水が出湯されるに伴って、給水口１４から水が供給される構成となっている。
【００１９】
また、貯湯タンク３の側壁には上下に複数の残湯検出手段であるサーミスタ３３が設けられており、サーミスタ３３で湯温を検出することで、どれだけの湯量が残っているのかを検出することができる。さらに、冷媒水熱交換器５の水側入口には入水温度を検出するための入水温度検出手段であるサーミスタ３１および、冷媒水熱交換器５の水側出口には出湯温度を検出するための出湯温度検出手段であるサーミスタ３２が設けられている。
【００２０】
さらに、ヒートポンプユニット１内に配設された機器類を制御するためのヒートポンプユニット制御装置９を有しており、沸き上げ運転時などの運転指示を各機器に指示している。同様に、タンクユニット２内にも、機器類を制御するためのタンクユニット制御装置（図示せず）を有している。
【００２１】
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置について、夜間沸き上げ制御について説明する。
【００２２】
本発明のヒートポンプ式給湯装置の基本的な沸き上げは、２３時〜翌７時の深夜時間帯に行われる。そして、使用者の日々の使用量等を学習し、学習した沸き上げ湯量に応じて貯湯タンク内に貯める湯の温度を６５℃〜９０℃の範囲内で変更するようになっている。例えば、日常の使用者の使用湯量が少なければ、湯の温度を低くして沸き上げを行い、日常の使用者の使用湯量が多ければ、湯の温度を高くして沸き上げを行うようになっている。その結果、無駄な沸き上げが少なくなり、非常に省エネな給湯装置を提供することができる。
【００２３】
図２は、本発明のヒートポンプ式給湯装置の沸き上げ時のフローチャートである。図２に示すように、まず日常の湯の使用量を学習して沸き上げ湯量を決定する（ＳＴＥＰ１）。なお、設置工事後すぐの沸き上げは、過去の使用実績が無いことから、初めの数日はある一定の量を沸き上げる構成としている。
【００２４】
そして、沸き上げ湯量（沸き上げ温度）が決定されると、深夜時間帯になってから、もしくは深夜時間帯になる直前に、循環ポンプ１０を駆動してサーミスタ３１で入水温度を検出する（ＳＴＥＰ２）。また、サーミスタ３３で貯湯タンク３内の残湯がどれだけある
のかを検出し（ＳＴＥＰ３）、沸き上げのためにどれだけの熱量が必要かを演算により決定する（ＳＴＥＰ４）。
【００２５】
図３は、減圧装置６の開度が一定で、圧縮機４の運転周波数を変化させた時の加熱能力、運転効率、吸入圧力、吐出圧力を示した特性の一例である。図３に示すように、圧縮機４の運転周波数の上昇によりと出圧力はやや上昇するものの略一定であり、吸入圧力は低下、加熱能力は上昇する。しかしながら、運転効率に関してはピーク値を有しており、そのピーク値を取る運転周波数で運転すれば、運転効率が最大となる。
【００２６】
次に、加熱能力と沸き上げ運転開始時間を算出する（ＳＴＥＰ５）。まず図３に示すように、運転効率がピーク値を取る加熱能力ａで沸き上げ運転をした場合に、２３時〜翌７時の深夜時間帯に沸き上げ運転が完了するかどうかを判断する。その結果、加熱能力ａで沸き上げ完了が可能であると判断されると、加熱能力をａに設定し、翌７時に沸き上げ完了するように、沸き上げ開始時間を算出する。そして、その算出した沸き上げ開始時間になると、加熱能力がａとなるように各機器が制御され、沸き上げ運転が行われる。
【００２７】
加熱能力ａで沸き上げ運転をした場合に、２３時〜翌７時の深夜時間帯に沸き上げ運転が完了できないと判断されると、運転効率がピーク値となるところよりも加熱能力を上げていき、沸き上げ運転が完了可能な加熱能力ｂに設定される。そして、加熱能力をｂに設定して沸き上げ運転が行われる。このように本発明は、必ず深夜時間帯の電力を使用して沸き上げが完了する構成としているので、安価な深夜電力を使用して沸き上げ運転を行うことができ、非常に経済性に優れている。
【００２８】
加熱能力ｂの値の決定方法は、２３時〜翌７時に沸き上げ運転が完了する加熱能力に設定されていればよく、加熱能力ａに所定値を加算した加熱能力を加熱能力ｂとする。なお所定値の決定は、一義的に決定されるものではなく、それぞれの機器に応じて予め定めた値でよい。本実施の形態では、深夜時間帯で沸き上げが完了可能な加熱能力となるまで、加熱能力ａに所定値を複数回加算して加熱能力ｂとして算出している。
【００２９】
以上のように、運転効率を最大限に高めた沸き上げ運転を行うことで、省エネ性が非常に高く、経済性に優れたヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯装置、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯装置、冷媒水熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯装置などの各種ヒートポンプ式給湯装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図
【図２】同実施の形態における沸き上げ制御のフローチャート
【図３】同実施の形態における圧縮機の特性図
【符号の説明】
【００３２】
１  ヒートポンプユニット
２  タンクユニット
３  貯湯タンク
４  圧縮機
５  冷媒水熱交換器
６  減圧装置
７  蒸発器
８  冷媒配管
９  ヒートポンプユニット制御装置
１０  循環ポンプ
１４  給水口
１５  給水配管
１６  出湯口
１７  出湯配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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