(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気によって冷媒を加熱する空気熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒によって水を加熱して高温水とする水加熱用熱交換器と、膨張弁とを有するヒートポンプ回路と、
前記ヒートポンプ回路によって沸き上げられた高温水を貯える貯湯タンクと、
風呂の浴槽を追焚きする場合に、浴槽から取り出された浴槽水を高温水によって加熱する風呂追焚用熱交換器と、
前記ヒートポンプ回路による沸上運転と風呂追焚運転とを同時に行う沸上追焚同時運転を実施する場合に、前記高温水が前記風呂追焚用熱交換器を通過して前記浴槽水に熱を奪われた後の中温水と前記ヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換させることによって前記中温水の温度を低下させる中温水熱交換器と、
前記貯湯タンクの上部と前記風呂追焚用熱交換器の入口とを接続する流路と、
前記貯湯タンクの下部に連通する流路を前記水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態と、前記中温水熱交換器の出口に連通する流路を前記水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態とに切り替え可能な第１の三方弁と、
前記水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を前記貯湯タンクの下部に連通する流路に接続する状態と、前記水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を前記貯湯タンクの上部に連通する流路に接続する状態とに切り替え可能な第２の三方弁と、
前記第１の三方弁と前記水加熱用熱交換器の入口とを接続する流路の途中、または、前記水加熱用熱交換器の出口と前記第２の三方弁とを接続する流路の途中に配置された循環ポンプと、
を備え、
前記沸上追焚同時運転では、前記中温水熱交換器の出口に連通する流路を前記第１の三方弁によって前記水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態、且つ、前記水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を前記第２の三方弁によって前記貯湯タンクの上部に連通する流路に接続する状態とすることを特徴とする貯湯式給湯機。
【請求項２】
前記中温水熱交換器は、前記ヒートポンプ回路の前記空気熱交換器と前記圧縮機との間、または、前記膨張弁と前記空気熱交換器との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯機。
【請求項３】
前記沸上追焚同時運転では、前記水加熱用熱交換器で沸き上げられた高温水を前記風呂追焚用熱交換器に送ることによって前記浴槽水を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯式給湯機。
【請求項４】
前記貯湯タンクの下部から取り出した低温水を前記水加熱用熱交換器に送って沸き上げた高温水を前記貯湯タンクの上部に戻す貯湯タンク沸上循環回路と、前記貯湯タンクの上部から取り出した高温水を前記風呂追焚用熱交換器に送る風呂追焚循環回路とが、一つの循環ポンプを共用するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
【請求項５】
前記第１の三方弁および前記第２の三方弁を共に切り替える場合に、両者の動作タイミングが重ならないように別々に切り替え動作を行わせる制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
【請求項６】
前記空気熱交換器を除霜するために前記ヒートポンプ回路を作動させる除霜運転中に風呂追焚運転を同時に実施する場合に、前記貯湯タンクの上部から取り出した高温水を前記風呂追焚用熱交換器に送ることによって前記浴槽水を加熱するとともに、前記風呂追焚用熱交換器を通過した後の前記中温水の余熱を前記中温水熱交換器にて前記ヒートポンプ回路の冷媒に吸熱させることによって前記空気熱交換器を除霜することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の貯湯式給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプを作動させて沸き上げた高温水（湯）を貯湯タンクに貯え、この貯湯タンクから取り出した高温水を低温水と混合して風呂、台所などの給湯端末に供給する貯湯式給湯機が広く用いられている。この貯湯式給湯機において、風呂の浴槽を追焚きするために、貯湯タンクから取り出した高温水と、浴槽から取り出した浴槽水とを熱交換器で熱交換させる機能を備えたものがある。この風呂追焚機能を備えた貯湯式給湯機においては、従来、貯湯タンクの沸上運転時に貯湯タンクの下部から低温水を取り出してヒートポンプに送るための循環ポンプと、風呂追焚運転時に貯湯タンクの上部から高温水を取り出して追焚用熱交換器に送るための循環ポンプとが別々に設けられているのが一般的である。
【０００３】
風呂追焚運転時に貯湯タンク内から取り出されて追焚用熱交換器に送られた高温水は、浴槽水に熱を奪われて温度が低下し、中温水となって貯湯タンクの下部に戻される。このため、風呂追焚運転が実施されると、貯湯タンクの下部の水温が上昇する。このため、その後に貯湯タンクの沸上運転を実施した際に、ヒートポンプへの入水温度が高くなる。ヒートポンプは、入水温度が高いと効率が低下するという特性がある。このため、風呂追焚によって発生した中温水の流入によって貯湯タンクの下部水温が上昇すると、貯湯タンク沸上運転時のエネルギー効率が低下するという問題がある。
【０００４】
これに対し、例えば下記特許文献１には、風呂追焚運転、貯湯タンクの沸上運転、ヒートポンプ除霜運転が１つの循環ポンプによって可能なヒートポンプ給湯装置が開示されている。特許文献１記載の給湯装置では、風呂追焚運転時に、ヒートポンプと追焚用熱交換器との間を循環する回路を構成し、ヒートポンプにより沸き上げた高温水を利用して風呂追焚を行う。また、特許文献１記載の給湯装置では、ヒートポンプ除霜運転を実施する場合に、ヒートポンプと追焚用熱交換器との間で水を循環させるとともに、浴槽水を追焚用熱交換器に循環させる。これにより、浴槽の残り湯の熱でヒートポンプの冷媒を加熱することによってヒートポンプ除霜を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９７８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の給湯装置では、風呂追焚運転時に、追焚用熱交換器で熱を奪われた後の中温水が再度ヒートポンプに循環して加熱されるので、ヒートポンプの効率が低下する。従って、風呂追焚運転時にエネルギー効率が悪いという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、風呂追焚運転により発生した中温水によるエネルギー効率低下を軽減することが可能な貯湯式給湯機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】
【０００８】
本発明に係る貯湯式給湯機は、空気によって冷媒を加熱する空気熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒によって水を加熱して高温水とする水加熱用熱交換器と、膨張弁とを有するヒートポンプ回路と、ヒートポンプ回路によって沸き上げられた高温水を貯える貯湯タンクと、風呂の浴槽を追焚きする場合に、浴槽から取り出された浴槽水を高温水によって加熱する風呂追焚用熱交換器と、ヒートポンプ回路による沸上運転と風呂追焚運転とを同時に行う沸上追焚同時運転を実施する場合に、高温水が風呂追焚用熱交換器を通過して浴槽水に熱を奪われた後の中温水とヒートポンプ回路の冷媒とを熱交換させることによって中温水の温度を低下させる中温水熱交換器と、貯湯タンクの上部と風呂追焚用熱交換器の入口とを接続する流路と、貯湯タンクの下部に連通する流路を水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態と、中温水熱交換器の出口に連通する流路を水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態とに切り替え可能な第１の三方弁と、水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を貯湯タンクの下部に連通する流路に接続する状態と、水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を貯湯タンクの上部に連通する流路に接続する状態とに切り替え可能な第２の三方弁と、第１の三方弁と水加熱用熱交換器の入口とを接続する流路の途中、または、水加熱用熱交換器の出口と第２の三方弁とを接続する流路の途中に配置された循環ポンプと、を備え、沸上追焚同時運転では、中温水熱交換器の出口に連通する流路を第１の三方弁によって水加熱用熱交換器の入口に連通する流路に接続する状態、且つ、水加熱用熱交換器の出口に連通する流路を第２の三方弁によって貯湯タンクの上部に連通する流路に接続する状態とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、風呂追焚運転により発生した中温水によるエネルギー効率低下を軽減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機のシステム構成を示す概略図である。
【図２】貯湯タンク沸上運転における作動状態を示す図である。
【図３】風呂追焚運転における作動状態を示す図である。
【図４】ヒートポンプ沸上運転と風呂追焚運転との同時運転における作動状態を示す図である。
【図５】除霜運転における作動状態を示す図である。
【図６】除霜運転と風呂追焚運転との同時運転における作動状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における貯湯式給湯機のシステム構成を示す概略図である。図１に示す貯湯式給湯機５０は、湯を貯える貯湯タンク１４を内蔵する貯湯タンクユニット２０と、水を加熱（沸き上げ）して高温水にする手段として冷凍サイクルを利用するように構成されたヒートポンプユニット３０とを備えている。貯湯タンクユニット２０内には、制御部１５が設けられている。貯湯タンクユニット２０およびヒートポンプユニット３０が備える各種の弁類、ポンプ類等の作動は、制御部１５により制御される。以下、貯湯式給湯機５０の各構成要素について説明する。
【００１３】
ヒートポンプユニット３０は、冷媒を圧縮する圧縮機３２と、水加熱用熱交換器５と、膨張弁３３と、空気熱交換器３１と、中温水熱交換器４と、これらを環状に接続する冷媒循環配管３４とによって構成された冷凍サイクルシステムを有し、熱源機として機能する。上記の冷凍サイクルシステムでは、二酸化炭素等の冷媒が、圧縮機３２で圧縮されて高温高圧となった後に、水加熱用熱交換器５で放熱し、膨張弁３３で減圧され、空気熱交換器３１で吸熱してガス状態となって空気熱交換器３１を通過し、圧縮機３２に吸入される。すなわち、空気熱交換器３１では空気（外気）によって冷媒が加熱され、水加熱用熱交換器５では冷媒が水を加熱する。冷媒として二酸化炭素を用いる場合、高圧側では該二酸化炭素の臨界圧を越える条件下で運転することが好ましい。
【００１４】
一方、貯湯タンクユニット２０は、貯湯タンク１４、給湯配管１８、給水配管１９、貯湯タンク沸上循環回路、風呂追焚循環回路、循環ポンプ１、風呂追焚用熱交換器６、浴槽水循環回路４３および風呂循環ポンプ４２を有している。給湯配管１８の下流側は、風呂、台所などの給湯端末に接続される。給水配管１９の上流側は、水道等の水源に接続される。
【００１５】
貯湯タンク１４は、給水配管１９より供給される低温水を下層に貯留するとともに、ヒートポンプユニット３０にて沸き上げられた高温水を上層に貯留する積層式の貯湯タンクである。この貯湯タンク１４の下部には、給水配管１９が接続される水導入口１４ａと、タンク下部配管１３が接続される水導出口１４ｂと、タンク戻り配管１２が接続される水戻し口１４ｃとが設けられている。貯湯タンク１４の上部には、タンク上部配管７が接続される温水導入口１４ｄと、給湯配管１８が接続される温水導出口１４ｅとが設けられている。貯湯タンク１４の沸上運転時には、沸き上げられた高温水が温水導入口１４ｄから貯湯タンク１４へ導入される。風呂追焚運転時には、貯湯タンク１４内の高温水が温水導入口１４ｄから導出される。このような貯湯タンク１４は、常に満水状態に保たれる。
【００１６】
貯湯タンク沸上循環回路は、貯湯タンク１４の水導出口１４ｂからヒートポンプユニット３０内の水加熱用熱交換器５を経由して貯湯タンク１４の温水導入口１４ｄに達する回路であり、タンク下部配管１３と、第１の三方弁２と、循環ポンプ１と、ヒートポンプ入口配管１０と、ヒートポンプ出口配管１１と、第２の三方弁３と、タンク上部配管７とが順に接続されることによって形成される。貯湯タンク沸上運転開始前の準備段階では、第２の三方弁３はヒートポンプ出口配管１１とタンク戻り配管１２とを接続するように制御され、その後、循環ポンプ１が駆動することで、貯湯タンク１４からタンク下部配管１３、ヒートポンプ入口配管１０に流入した低温水が水加熱用熱交換器５を通過し、ヒートポンプ出口配管１１、タンク戻り配管１２を経由し、貯湯タンク１４へ戻る。その後、ヒートポンプユニット３０が駆動し、貯湯タンク沸上運転が開始されると、第２の三方弁３はヒートポンプ出口配管１１とタンク上部配管７とを接続するように制御される。これにより、貯湯タンク１４からタンク下部配管１３、ヒートポンプ入口配管１０に流入した低温水は、水加熱用熱交換器５にて高温高圧の冷媒と熱交換されて高温水となり、ヒートポンプ出口配管１１、タンク上部配管７を経由し、貯湯タンク１４へ戻る（図２参照）。
【００１７】
図１に示すように、風呂追焚循環回路は、貯湯タンク１４の温水導入口１４ｄから風呂追焚用熱交換器６、ヒートポンプユニット３０内の中温水熱交換器４を経由して貯湯タンク１４の水戻し口１４ｃに達する回路であり、タンク上部配管７と、風呂追焚用熱交換器６と、中温水熱交換器１次側入口配管８と、中温水熱交換器１次側出口配管９と、第１の三方弁２と、循環ポンプ１と、ヒートポンプ入口配管１０と、ヒートポンプ出口配管１１と、第２の三方弁３と、タンク戻り配管１２とが順に接続されることによって形成される。
【００１８】
浴槽水循環回路４３は、浴槽４１内の浴槽水を、風呂循環ポンプ４２と風呂追焚用熱交換器６とを経由して浴槽４１へ戻す回路である。
【００１９】
風呂追焚運転時には、初めに風呂循環ポンプ４２を駆動させ浴槽４１内の浴槽水を浴槽水循環回路内で循環させる。その後、第１の三方弁２では中温水熱交換器１次側出口配管９とヒートポンプ入口配管１０とを接続するように制御し、第２の三方弁３ではヒートポンプ出口配管１１とタンク戻り配管１２とを接続するように制御した後に、循環ポンプ１を駆動することで、貯湯タンク１４からタンク上部配管７に流入した高温水が風呂追焚用熱交換器６を通過し、中温水熱交換器４、第１の三方弁２、循環ポンプ１、水加熱用熱交換器５、第２の三方弁３、タンク戻り配管１２を経由し、貯湯タンク１４へ戻る（図３参照）。
【００２０】
上記風呂追焚運転では、貯湯タンク１４からタンク上部配管７に流入した高温水と、浴槽４１内の浴槽水とを風呂追焚用熱交換器６にて熱交換し、浴槽４１内の浴槽水を加熱する構成となっているが、当該運転時に風呂追焚用熱交換器６を通過した高温水は熱を奪われて温度が低下し、中温水となって貯湯タンク１４の下部へ戻されるため、貯湯タンク１４内の下部水温が上昇する。このため、その後に貯湯タンク沸上運転が行われるときに、ヒートポンプユニット３０の水加熱用熱交換器５に送られる水の温度が高くなることから、エネルギー効率低下に繋がってしまう。これに対し、本実施形態によれば、以下に説明するヒートポンプ沸上運転と風呂追焚運転との同時運転（以下、「沸上追焚同時運転」と称する）を行うことにより、風呂追焚運転時の熱交換後の中温水によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【００２１】
沸上追焚同時運転時には、ヒートポンプユニット３０による沸上げ運転とあわせて、第１の三方弁２を中温水熱交換器１次側出口配管９とヒートポンプ入口配管１０とを接続するように制御し、第２の三方弁３をヒートポンプ出口配管１１とタンク上部配管７とを接続するように制御することで、風呂追焚用熱交換器６、中温水熱交換器４、第１の三方弁２、循環ポンプ１、水加熱用熱交換器５、第２の三方弁３、タンク上部配管７とが順に接続される循環回路を形成する（図４参照）。これにより、水加熱用熱交換器５で沸き上げられた高温水が風呂追焚用熱交換器６に送られて、浴槽水が加熱される。
【００２２】
上記沸上追焚同時運転において、高温水が風呂追焚用熱交換器６で熱を奪われた後の中温水は、中温水熱交換器４にてヒートポンプユニット３０の冷媒と熱交換して冷却され、低温にすることができる。また、この低温となった中温水（便宜上、このように呼ぶ）を貯湯タンク１４へ戻すことなく、ヒートポンプユニット３０内の水加熱用熱交換器５へ導き、沸上運転を行う。このため、水加熱用熱交換器５への入水温度が低下するので、ヒートポンプ効率の低下を回避することができる。また、中温水の余熱を利用し、中温水熱交換器４にて、ヒートポンプユニット３０の圧縮機３２での圧縮前の冷媒を温めることにより、沸上運転効率を向上することができる。このようなことから、上記沸上追焚同時運転は、高いエネルギー効率で実施することができる。また、この沸上追焚同時運転時には、中温水を貯湯タンク１４の下部に戻さないので、貯湯タンク１４内の下部水温の上昇を防止することができる。このため、この後に貯湯タンク沸上運転が行われるときに、水加熱用熱交換器５への入水温度を低く維持できるので、エネルギー効率の低下を防止することができる。
【００２３】
以上のように構成された本実施形態の貯湯式給湯機５０では、循環ポンプ１を貯湯タンク沸上循環回路と風呂追焚循環回路とに共用にすることができる。このため、両回路に別々に循環ポンプを設ける場合と比べ、製造コストの低減や、重量軽減、小型化が図れる。
【００２４】
なお、本実施形態では、第１の三方弁２、第２の三方弁３、循環ポンプ１等の駆動制御の順序について述べたが、沸上運転および風呂追焚運転の効率に影響しなければ、どのような順で動作させても良い。
【００２５】
また、本実施形態では、循環ポンプ１を第１の三方弁２とヒートポンプ入口配管１０との間に接続するよう述べたが、沸上運転および風呂追焚運転の動作に影響しなければ、他の接続箇所でも良い。例えば、ヒートポンプ出口配管１１と第２の三方弁３との間等に接続させても同様の動作が期待できるので、このような接続箇所でも良い。
【００２６】
また、本実施形態では、中温水熱交換器４をヒートポンプユニット３０内の空気熱交換器３１と圧縮機３２との間に接続するよう述べたが、上述した効果が損なわれなければ、他の接続箇所でも良い。例えば、膨張弁３３と空気熱交換器３１との間等に接続させても同様の効果が期待できるので、このような接続箇所でも良い。
【００２７】
実施の形態２．
次に、図５および図６を参照し、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。また、本実施形態の貯湯式給湯機のシステム構成は、図１に示す構成と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２８】
本実施形態において、ヒートポンプユニット３０では、冷媒循環配管３４上に設けた霜取サーミスタ３５の検出値がある閾値以下（例えば５℃以下）の場合、空気熱交換器３１に霜が生成されることがあるため、除霜運転を実施する（図５参照）。
【００２９】
ヒートポンプユニット３０の除霜運転と風呂追焚運転との同時運転時には、図６に示すように、貯湯タンク１４の上部から取り出された高温水が風呂追焚用熱交換器６に送られて、浴槽水が加熱される。また、風呂追焚用熱交換器６を通過した後の中温水は、中温水熱交換器４にてヒートポンプユニット３０の冷媒と熱交換され、低温にすることができる。また、上述した動作により、ヒートポンプユニット３０の冷媒は、中温水熱交換器４にて中温水の余熱を吸熱することにより、温度上昇する。このため、中温水の熱エネルギーを利用して、除霜運転を高効率で実施することができる。また、中温水熱交換器４にて冷媒に熱を奪われて低温となった中温水（便宜上、このように呼ぶ）を貯湯タンク１４の下部に戻すので、貯湯タンク１４内の下部水温の上昇を抑制することができる。このため、この後に貯湯タンク沸上運転が行われるときに、エネルギー効率の低下を回避することができる。
【００３０】
なお、上述した各実施の形態では、第１の三方弁２および第２の三方弁３の動作タイミングについて特に詳しく述べなかったが、両者を同時に動作させないようにすることが望ましいので、両者を共に切り替える場合には、両者の動作タイミングが重複しないように別々に切り替え動作を行うように制御してもよい。通常、三方弁などのアクチュエータは、モータ等で電気的に動作するが、このモータを駆動するための制御装置の電源を構成する電気部品は電源容量が増大するとコストが増大する。この電源容量を必要以上に大きくすると機器のコストアップにつながるため、一度に同時に動作するアクチュエータの数を少なくして、必要な電源容量を少なくしたほうが合理的であるためである。
【符号の説明】
【００３１】
１            循環ポンプ
２            第１の三方弁
３            第２の三方弁
４            中温水熱交換器
５            水加熱用熱交換器
６            風呂追焚用熱交換器
１０            ヒートポンプ入口配管
１１            ヒートポンプ出口配管
１４            貯湯タンク
１５            制御部
２０            貯湯タンクユニット
３０            ヒートポンプユニット
３１            空気熱交換器
３２            圧縮機
３３            膨張弁
３５            霜取サーミスタ
４１            浴槽
５０            貯湯式給湯機
【図１】
0005471600.tif 000002
【図２】
0005471600.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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