(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水を貯湯する貯湯槽と、圧縮機と給湯熱交換器とを備えるヒートポンプサイクルと、前記給湯熱交換器を介して前記貯湯槽の下部から給水される水を加熱して前記貯湯槽の上部へ戻す給湯加熱運転を行う経路と、熱媒体が放熱手段用熱交換器及び放熱手段を循環する経路と、前記給湯運転を行う経路とは別に前記貯湯槽の上部から取り出した温水を前記熱交換器を介して前記貯湯槽へ戻す経路と、前記圧縮機の回転数を制御する制御手段とを備え、前記放熱手段を用いて熱媒体を放熱する間に前記貯湯槽の残湯量が予め設定された所定残湯量以下となった場合、給湯加熱運転を行い、前記制御手段は、前記放熱手段用熱交換器の水側入口水温と水側出口水温との差に前記放熱手段用熱交換器を流れる水側流量を積算した値よりも、前記給湯熱交換器の水側出口水温と前記放熱手段用熱交換器の水側出口水温との差に前記給湯熱交換器を流れる水側流量を積算した値の方が大きくなるように前記圧縮機の回転数を制御する給湯機。
【請求項２】
ヒートポンプに封入する冷媒を二酸化炭素とする請求項１記載の給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放熱手段を備える貯湯式の給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の給湯機は貯湯槽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る（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、前記公報に記載された従来の給湯機を示すものである。同図において、給湯加熱手段としてのヒートポンプユニットは、圧縮機１、給湯熱交換器２、大気熱交換器３などが順次接続されて構成される。そして、貯湯槽４から循環ポンプ５で送られてきた水は前記給湯熱交換器２で冷媒熱により加熱されて貯湯槽４の上から貯湯される（給湯加熱運転）。さらに、利用側循環ポンプ６によって送られてきた浴槽７の湯と、熱源側循環ポンプ８によって送られてきた貯湯槽４の上部の湯とが、放熱手段用熱交換器９で熱交換して風呂追い焚きするものである。ところで、この図６の場合は風呂追い焚きをする場合であるが、貯湯槽４の温水を熱源として暖房（例えば床暖房）を行う場合には、図７に示すような構成が考えられる。つまり、図６の浴槽７の代わりに暖房手段１０を接続した構成である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２４３２７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
給湯負荷はある程度予測できるので貯湯式の給湯機でも湯切れすることは少なし、逆に、予測される給湯負荷（家族の人数など）に対して、給湯能力が満足するように貯湯槽の大きさを選択して設置することが一般的である。一方、暖房負荷はその予測が難しい。一日のうち何時間使用されるかわからないが、機器としては最大の暖房負荷に対しても満足する必要がある。
【０００６】
しかしながら、上記のような構成では、例えば、朝早くから暖房が続いたときで、最大の給湯負荷である浴槽７への湯張りがあると貯湯槽４に貯湯された熱量が不足して、湯切れする場合がある。これを防ぐために、浴槽７への湯張りが開始されてから、上記給湯加熱運転を行っても給湯負荷に対して、給湯加熱能力が追いつかず、結局湯切れを起こす場合があるという課題を有している。湯切れを起こさない方法として、貯湯槽４の大きさを最大暖房負荷に合わせて大きくしても良いが、貯湯槽４の大きさがあまりにも大きくなりすぎ、広い設置スペースが必要であったり、機器コストが高くなるという課題を有している。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するもので、長時間の暖房が続いた場合でも湯切れが少ない給湯機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯機は、前記放熱手段を用いて熱媒体を放熱する間に前記貯湯槽の残湯量が予め設定された所定残湯量以下となった場合、給湯加熱運転を行い、制御手段は、放熱手段用熱交換器の水側入口水温と水側出口水温との差に放熱手段用熱交換器を流れる水側流量を積算した値よりも給湯熱交換器の水側出口水温と前記放熱手段用熱交換器の水側出口水温との差に前記給湯熱交換器を流れる水側流量を積算した値の方が大きくなるように圧縮機の回転数を制御するものである。
【０００９】
これによって、長時間の暖房が続いた場合でも湯切れの起こることを少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は各請求項に記載の形態で実施できるものであり、温水を貯湯する貯湯槽と、圧縮機と給湯熱交換器とを備えるヒートポンプサイクルと、給湯熱交換器を介して貯湯槽の下部から給水される水を加熱して貯湯槽の上部へ戻す給湯加熱運転を行う経路と、熱媒体が放熱手段用熱交換器及び放熱手段を循環する経路と、前記給湯運転を行う経路とは別に前記貯湯槽の上部から取り出した温水を前記熱交換器を介して前記貯湯槽へ戻す経路と、圧縮機の回転数を制御する制御手段とを備え、放熱手段を用いて熱媒体を放熱する間に貯湯槽の残湯量が予め設定された所定残湯量以下となった場合、給湯加熱運転を行い、制御手段は、放熱手段用熱交換器の水側入口水温と水側出口水温との差に放熱手段用熱交換器を流れる水側流量を積算した値よりも給湯熱交換器の水側出口水温と前記放熱手段用熱交換器の水側出口水温との差に前記給湯熱交換器を流れる水側流量を積算した値の方が大きくなるように圧縮機の回転数を制御するため、長時間の暖房が続いた場合でも湯切れの起
こることを少なくすることができる。
【００１１】
また、ヒートポンプに封入する冷媒を二酸化炭素としているので、高温高効率化と地球環境保全をはかるができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は本発明の給湯機の構成図、図２は同給湯機の有効保有熱量の説明図、図３は同給湯機の沸き上げ温度に対する運転効率と有効熱量の関係を説明する説明図、図４は同給湯機の第１の他の実施例の構成図、図５は同給湯機の第２の他の実施例の構成図である。
【００１３】
図１において、１１は給湯加熱手段であり、圧縮機１、給湯熱交換器２、減圧装置１２、大気熱を吸熱する大気熱交換器３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。４は貯湯槽であり、下部から給水管４ａを通って給水し、上部の出湯管４ｂから端末へ出湯する。そして、貯湯槽４の下部から循環ポンプ５，給湯熱交換器２，貯湯槽４の上部を順次接続する給湯回路を構成することによって、貯湯槽４から循環ポンプ５で送られてきた水は給湯熱交換器２で冷媒熱により加熱されて貯湯槽４の上から貯湯される。１３は加熱用出口水温検出手段であり、ヒートポンプ熱源で加熱する湯温を検出するため給湯熱交換器２の出口に設けられている。１４は湯水制御手段であり、給湯熱交換器２の出口湯水が所定温度にとなるように循環ポンプ５の回転数を制御して給湯回路の循環流量を制御する。１５は放熱手段となる、例えば床暖房機であり、貯湯槽４の上部の温水が循環して暖房する。つまり、利用側循環ポンプ６によって送られてきた放熱手段１５の熱媒体と、熱源側循環ポンプ８によって送られてきた貯湯槽４の上部の湯とが、放熱手段用熱交換器９で熱交換して暖房するものである。放熱手段１５の他の例としては、浴槽の加熱熱源機としてもよい。このように本発明において、放熱手段１５は暖房機能や風呂追い焚き機能、或いは床暖房機能などを付加することができ、給湯機能も含めていわゆる多機能給湯機としての機能を有する。
【００１４】
また、本実施例では放熱手段１５に対する有効加熱量を検出する有効加熱能力検出手段１６として、給湯熱交換器２の出口に設けた加熱用出口水温検出手段１３と給湯熱交換器２を循環する水の循環量を検出する加熱用流量検出手段１７と放熱手段用熱交換器９の出口に設けた熱源側出口水温検出手段２０とを備えている。また、放熱量を検出する放熱能力検出手段１８として、貯湯槽４の温水と放熱手段１５の熱媒体とが熱交換する放熱手段用熱交換器９の熱源側入口と出口に設けた熱源側入口水温検出手段１９と熱源側出口水温検出手段２０と放熱手段用熱交換器９の熱源側を循環する温水の循環量を検出する熱源側流量検出手段２１とを備えている。さらに制御手段２２は、周波数制御手段２３に対して圧縮機１の目標回転数を設定することによって能力を制御し、また、湯水制御手段１４に対して給湯熱交換器２の出口水温の目標温度を設定することによって沸き上げ温度が所定の温度になるように制御する。また、貯湯槽４の表面には貯湯槽４の温度を検出する残湯温度検出手段２４が設けられている。
【００１５】
以上のように構成された多機能給湯機について、以下にその動作、作用を説明する。図１において、ヒートポンプ熱源で大気熱を利用して給湯加熱運転する場合について説明する。圧縮機１から吐出する臨界圧力以上の高温高圧の冷媒が給湯熱交換器２に流入し、ここで貯湯槽４の下部から送られてきた水と給湯熱交換器２を介して熱交換する。そして、給湯熱交換器２に流入する高温冷媒で給湯熱交換器２の出口湯水が所定温度となるように循環ポンプ５の回転数を制御し、所定の温度の湯が貯湯槽４の上部から流入し貯湯される。次に、放熱手段１５を使用する場合（例えば床暖房）について説明する。放熱手段１５で放熱し低温になり利用側循環ポンプ６によって送られてきた熱媒体は、熱源側循環ポンプ８によって送られてきた貯湯槽４上部の高温の湯と、放熱手段用熱交換器９で熱交換して放熱手段１５に戻る。一方、熱源側循環ポンプ８によって送られてきた貯湯槽４上部の高温の湯は低温となって貯湯槽４に戻る。なお、放熱手段１５を循環する熱媒体としては不凍液や水がある。
【００１６】
貯湯槽４に貯湯した湯水で給湯負荷と暖房負荷とをまかなう時、湯切れの危険性が最も大きい場合は、通常、浴槽への湯張り時である。だから、暖房をしている時にいつ浴槽への湯張り負荷があっても、それに必要な湯量を貯湯槽４に蓄えておけばよい。いま、浴槽への湯張り負荷および入浴での給湯負荷などをある程度見込んだ湯量を最低残湯量とする。そして、この最低残湯量を示す貯湯槽４の位置に残湯温度検出手段２４を設け、この残湯温度検出手段２４が前述の最低残湯量を示す温度になれば、貯湯槽４に貯湯されている暖房するための有効保有熱量、つまり、放熱手段１５を加熱するための有効保有熱量が減少しないように上記給湯加熱運転を行う。
【００１７】
図２において、暖房運転時の放熱手段用熱交換器９の熱源側の入口、出口水温、循環量をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｇｈとし、また、給湯加熱運転時の給湯熱交換器２の水側の入口、出口水温、循環量をそれぞれＴ３、Ｔ４、Ｇｗとする。暖房のために放熱手段用熱交換器９で熱源側温水から利用側媒体に与えられる熱量Ｑｄ（暖房負荷＝貯湯槽４に貯湯されている暖房するための有効保有熱量の減少分）は（数１）に示されるようになる。
【００１８】
【数１】
0003724482.tif 000002
【００１９】
また、給湯加熱運転時に給湯熱交換器２において、貯湯槽４から循環ポンプ５によって循環してきた湯水に、給湯加熱手段１１が与える熱量Ｑｋ（貯湯槽４に貯湯されている熱量の増加分）は（数２）に示されるようになる。
【００２０】
【数２】
0003724482.tif 000003
【００２１】
貯湯槽４の湯をある程度使用した状態では、通常、放熱手段用熱交換器９の熱源側の出口水温Ｔ２よりも、貯湯槽４から循環ポンプ５によって給湯熱交換器２に送られてくる湯水温度Ｔ３の方が低い（Ｔ３＜Ｔ２）。だから、給湯加熱運転によって、貯湯槽４に貯湯される暖房のための有効沸き上げ熱量は（数３）に示されるようになる。
【００２２】
【数３】
0003724482.tif 000004
【００２３】
つまり、放熱手段用熱交換器９で熱源側温水から利用側媒体に与えられる熱量Ｑｄと貯湯槽４に貯湯される暖房のための有効沸き上げ熱量Ｑｋｄとで、（数４）となるように給湯加熱運転を行えば、暖房が続いても、貯湯槽４に貯湯される暖房のための有効熱量が減少しないし、また、浴槽へ湯張りなどの給湯負荷も満足でき、湯切れの可能性は少なくなる。
【００２４】
【数４】
0003724482.tif 000005
【００２５】
図３は、横軸に給湯加熱運転時の給湯熱交換器２の水側出口水温である沸き上げ温度をとり、縦軸にそのときの運転効率と暖房のための有効沸き上げ熱量をとって、沸き上げ温度に対する運転効率と暖房のための有効沸き上げ熱量の関係を示したものである。同図において、点Ｐは暖房負荷Ｑｄと給湯加熱運転時の暖房のための有効沸き上げ熱量Ｑｋｄとが等しい点である。また、一般的に、運転効率は沸き上げ温度が低い方が良い。そこで、点Ｐで示される沸き上げ温度か若干高めの温度になるように沸き上げ温度の制御を行えば、暖房負荷や給湯負荷を満たしつつも運転効率の良い運転が可能となる。
【００２６】
この場合、制御手段２２は放熱能力検出手段１８である熱源側入口水温検出手段１９と熱源側出口水温検出手段２０から得た温度差と熱源側流量検出手段２１から得た水の循環量から放熱量を計算する。さらに、制御手段２２は有効加熱能力検出手段１６である加熱用出口水温検出手段１３と熱源側出口水温検出手段２０とから得た温度差と加熱用流量検出手段１７から得た水の循環量から暖房に有効な加熱量を計算する。そして、計算で求めた前記放熱量よりも前記加熱量が小さければ制御手段２２は周波数制御手段２３に対して、圧縮機１の能力が大きくなるように制御し、逆に、計算で求めた前記放熱量よりも前記加熱量が大きければ制御手段２２は周波数制御手段２３に対して、圧縮機１の能力が小さくなるように制御する。
【００２７】
上記のように、放熱手段１５における放熱量よりも暖房に対する有効加熱量が大きくなるように給湯加熱手段１１における加熱量を制御するため、長時間の暖房が続いた場合でも湯切れの起こることを少なくすることができ、さらに、沸き上げ温度を低くするので、給湯加熱運転の効率も良くなる。
【００２８】
また、本実施例では、放熱量を検出する放熱能力検出手段１８として、貯湯槽４の温水と放熱手段１５の熱媒体とが熱交換する放熱手段用熱交換器９の熱源側入口と出口に設けた熱源側入口水温検出手段１９と熱源側出口水温検出手段２０と放熱手段用熱交換器９の熱源側を循環する温水の循環量を検出する熱源側流量検出手段２１とから構成しているが、図４に示すように、放熱量を検出する放熱能力検出手段１８として、貯湯槽４の温水と放熱手段１５の熱媒体とが熱交換する放熱手段用熱交換器９の利用側入口と出口に設けた利用側入口温度検出手段２５と利用側出口温度検出手段２６と放熱手段用熱交換器９の利用側を循環する熱媒体の循環量を検出する利用側流量検出手段２７とから構成して、利用側入口温度検出手段２５と利用側出口温度検出手段２６から得た温度差と利用側流量検出手段２７から得た熱媒体の循環量から放熱量を計算しても、前述と同様の作用、効果が得られる。
【００２９】
さらに、前述の図１および図４のように、直接有効加熱能力検出手段１６や放熱能力検出手段１８で加熱量と放熱量を求めなくても、運転状態に対する加熱量や放熱量を予め求めておいて、有効加熱能力記憶手段２８と放熱能力記憶手段２９に記憶させておけば、間接的な運転状態から加熱量や放熱量が推定できる。
【００３０】
例えば、図５に示すように、外気温度を検出する外気温度検出手段３０と給湯熱交換器２の入口に設けた加熱用入口水温検出手段３１と加熱用出口水温検出手段１３と圧縮機１の回転数とから推定した加熱量と、さらに、放熱手段用熱交換器９の利用側入口媒体温度を検出する利用側入口温度検出手段２５で得た温度から推定した放熱手段用熱交換器９の熱源側出口媒体温度とで、放熱手段１５のための有効沸き上げ熱量を算出し、この算出した有効沸き上げ熱量を有効加熱能力記憶手段２８に記憶させる。また、熱源側入口水温検出手段１９と利用側入口温度検出手段２５と熱源側循環ポンプ８の出力などから放熱量が推定できるので、この関係を放熱能力記憶手段２９に記憶させる。そして、放熱手段１５を使用中に貯湯槽４の保有熱量が少なくなったときの給湯加熱運転を行う場合に、有効加熱能力記憶手段２８と放熱能力記憶手段２９とから求めた放熱手段１５のための有効沸き上げ熱量と放熱量を用いても、前述と同様の作用、効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、放熱手段における放熱量よりも放熱手段に対する有効加熱量が大きくなるように給湯加熱手段における加熱量を制御するので、長時間の暖房が続いた場合でも湯切れの起こることを少なくすることができ、さらに、沸き上げ温度が低くなるように制御するので、給湯加熱運転の効率も良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の給湯機の構成図
【図２】  有効保有熱量を図示する本発明の給湯機の構成図
【図３】  本発明の給湯機の沸き上げ温度に対する運転効率と暖房のための有効沸き上げ熱量の関係を説明する説明図
【図４】  同給湯機の第１の他の実施例の構成図
【図５】  同給湯機の第２の他の実施例の構成図
【図６】  従来例における給湯機の構成図
【図７】  従来例における第２の給湯機の構成図
【符号の説明】
４  貯湯槽
１１  給湯加熱手段
１５  放熱手段
２２  制御手段
【図１】
0003724482.tif 000006
【図２】
0003724482.tif 000007
【図３】
0003724482.tif 000008
【図４】
0003724482.tif 000009
【図５】
0003724482.tif 000010
【図６】
0003724482.tif 000011
【図７】
0003724482.tif 000012