(57)【要約】【課題】  ハイブリッド式給湯装置の熱効率を向上させる。【解決手段】  給湯装置１０は、熱媒体を「熱媒体と外気の間で熱交換する第１熱交換器２０と、熱媒体を圧縮する圧縮機２３と、熱媒体と水の間で熱交換する第２熱交換器２１と、熱媒体の圧力を解放する減圧弁２４」を一巡する通路を循環させるヒートポンプ１２を利用する。給湯装置１０は、ヒートポンプ１２と、貯湯槽６０と、貯湯槽６０の下部から第２熱交換器２１に送水するとともに第２熱交換器２１で加熱された水を貯湯槽６０の上部に戻す水循環ポンプ４７と、貯湯槽６０の上部から送り出された水を必要時に加熱するバーナー１５と、コントローラ１６を備えている。コントローラ１６は、第２熱交換器２１における単位時間当たりの熱交換量が一定レベルに維持されるように圧縮機２３の運転状態を制御する。【選択図】  図１
2006300473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を「熱媒体と外気の間で熱交換する第１熱交換器と、熱媒体を圧縮する圧縮機と、熱媒体と水の間で熱交換する第２熱交換器と、熱媒体の圧力を解放する減圧弁」を一巡する通路を循環させるヒートポンプと、
貯湯槽と、
貯湯槽の下部から第２熱交換器に送水するとともに、第２熱交換器で加熱された水を貯湯槽の上部に戻す水循環ポンプと、
貯湯槽の上部から送り出された水を必要時に加熱するバーナーと、
第２熱交換器での単位時間当たりの熱交換量が一定レベルに維持されるように圧縮機の運転状態を制御するコントローラを有することを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
熱媒体を「熱媒体と外気の間で熱交換する第１熱交換器と、熱媒体を圧縮する圧縮機と、熱媒体と水の間で熱交換する第２熱交換器と、熱媒体の圧力を解放する減圧弁」を一巡する通路を循環させるヒートポンプと、
貯湯槽と、
貯湯槽の下部から第２熱交換器に送水するとともに、第２熱交換器で加熱された水を貯湯槽の上部に戻す水循環ポンプと、
貯湯槽の上部から送り出された水を必要時に加熱するバーナーと、
第２熱交換器に送水する水の温度が上昇するのに追随して圧縮機の圧縮比を増大させるコントローラを有することを特徴とする給湯装置。
【請求項３】
熱媒体を「熱媒体と外気の間で熱交換する第１熱交換器と、熱媒体を圧縮する圧縮機と、熱媒体と水の間で熱交換する第２熱交換器と、熱媒体の圧力を解放する減圧弁」を一巡する通路を循環させるヒートポンプと、
貯湯槽と、
貯湯槽の下部から第２熱交換器に送水するとともに、第２熱交換器で加熱された水を貯湯槽の上部に戻す水循環ポンプと、
貯湯槽の上部から送り出された水を必要時に加熱するバーナーを有し、
最初は冷水を貯湯していた貯湯槽の下部に貯湯されている水の温度が所定温度に上昇するまでの間に、貯湯槽の容積を複数倍した水量が第２熱交換器を通過することを特徴とする給湯装置。
【請求項４】
貯湯槽の容積に等しい水量が第２熱交換器を通過する毎に、圧縮機の圧縮比を増大させることを特徴とする請求項３の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯装置に関するものである。詳しくは、ヒートポンプで加熱した水を貯湯槽に貯湯しておき、貯湯槽に貯湯されている水を給湯するとともに、必要時にはバーナーで加熱して給湯する給湯装置に関するものである。
貯湯槽には通常は温水が貯湯されているが、温水を使い切った状態では冷水が蓄えられている。ここでは、両者を区別しないで共通的に「貯湯されている」という。また、温水と冷水を区別することなく「水」と総称することにする。「水」は「湯」に対立する意味での「水」でなく、温水であることもあれば冷水であることもある。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは、外気の熱エネルギーを利用して水を加熱することから、水を加熱するのに要するランニングコストが安価にすむという長所をもっている反面、加熱に時間を要することから予め加熱して貯湯しておかなければならず、貯湯槽の設置場所を必要とする短所を持っている。貯湯しておいた温水が冷却されてしまうことも問題であり、保温能力に優れた貯湯槽を必要とし、設備の導入コストが高くなるという短所も持っている。
ガスバーナーや灯油バーナー等の燃焼バーナーを利用する給湯装置は、水を加熱するのに要するランニングコストが割高になるという短所をもっている反面、短時間に加熱できることから貯湯槽を必要としない。給湯装置の設置面積が小さくてすみ、設備の導入コストが安価であるという長所を持っている。
【０００３】
そこで、両者を組み合わせて用いることによって、両者の長所を利用するハイブリッド式の給湯装置が提案されており、特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、ヒートポンプと、貯湯槽と、貯湯槽とヒートポンプの間で水を循環するポンプと、貯湯槽から送り出された水を必要時に加熱して給湯するバーナーを備えている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−４１５７４号公報
【０００５】
ヒートポンプとバーナーを組合わせて用いるハイブリッド式給湯装置では、貯湯槽に貯湯しておいた温水を使い切った後もバーナーを利用して給湯できることから、貯湯槽に貯湯しておく蓄熱量が少なくてもよい。小型の貯湯槽で足り、貯湯槽の設置面積が確保できないという状況が発生する場合を顕著に減少することができる。
ハイブリッド式給湯装置では、貯湯槽に貯湯しておいた温水温度が必要温度に満たない場合にはバーナーを利用して加熱できることから、貯湯槽に貯湯しておく温水の温度が低くてもよい。貯湯槽に貯湯しておく蓄熱量が少なくてもよいことも、貯湯槽に貯湯しておく温水の温度を低くするのに有用である（バーナーを用いない場合には、大型の貯湯槽に高温の温水を貯湯することによって必要な蓄熱量を確保しておく必要がある）。ハイブリッド式給湯装置では、貯湯槽に貯湯しておく温水温度が低くてもよいことから、貯湯槽の保温能力は低くてすむ。何よりも、高温の温水に加熱するヒートポンプの効率と低温の温水に加熱するヒートポンプの効率を比較すると、前者は後者よりも顕著に低く、ヒートポンプで低温の温水に加熱して貯湯しておくハイブリッド式給湯装置では、ヒートポンプを高効率で活用することができる。さらに、バーナーを用いない場合には、ヒートポンプで９０℃程度の高温に加熱する必要があるので、ヒートポンプの熱媒体が限られてくる。実際的には炭酸ガスを利用する他はない。炭酸ガスを利用する場合には、相変化が利用できず、潜熱が利用できないことから効率が低い。それに対して、ハイブリッド式給湯装置では、４５℃程度の低温に加熱すれば足りることから、代替フロン等を熱媒体に利用することができ、潜熱を利用して高い効率で加熱することができる。
【０００６】
ハイブリッド式給湯装置の長所を活用するためには、小型の貯湯槽に比較的低温の温水を貯湯しておく必要があり、貯湯しておいた温水が不足しやすいという問題がある。その問題は、バーナーを用いることによって解決される。もう一つの問題に、小型の貯湯槽に比較的低温の温水を貯湯しておくだけだと、ヒートポンプによって高効率に加熱する長所を十分には活用できず、結局はバーナーのみを利用する給湯装置の効率と大差ないのではないかということが懸念される。しかしながら実際に温水を必要とするのは、例えば洗面であり、食器洗浄であり、シャワーであり、４５℃以下の温水で足りることが多い。また連続して５０リットル以上も必要とすることはまれであり、浴槽への湯張りを除外すれば、一度の給湯量が５０リットル以下であることが多い。従って、小型の貯湯槽に比較的低温の温水を貯湯しておくだけで、多くの給湯要求に対応することができる。小型の貯湯槽に比較的低温の温水を貯湯しておくだけで、ヒートポンプによって高効率に加熱する利点を十分に享受できる。ハイブリッド式給湯装置は、設置しやすく、給湯のためのランニングコストを低減することができる。
【０００７】
特許文献１に開示されているハイブリッド式給湯装置は、小型の貯湯槽に所定温度の温水が貯湯されている状態を作り出すために、貯湯槽の下部から送り出された水をヒートポンプで所定温度にまで加熱し、所定温度にまで加熱された温水を貯湯槽の上部に戻す。この場合、貯湯槽の上部に所定温度の温水が貯湯され、貯湯槽の下部に冷水が貯湯され、両者が混じりあわない状態（以下では温度成層状態という）で貯湯が進んでいく。貯湯量が増大するについて温水と冷水の境界が下方に移動し、貯湯槽の最下端まで移動したときに最大に貯湯される。特許文献１に開示されているハイブリッド式給湯装置は、貯湯槽の下部から送り出された水をヒートポンプで所定温度にまで加熱し、貯湯槽の下部に貯湯されている水の温度が所定温度にまで上昇した時に、ヒートポンプの運転を停止する。
貯湯槽の温水が温度成層状態をなしていると、貯湯量が少なくなった状態でも所定温度の温水を給湯することができ、バーナー加熱を必要とする状況の発生を抑制することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ヒートポンプは、外気の熱エネルギーを利用して水を加熱することから、１．０以上のＣＯＰ（水の加熱エネルギー／圧縮機の消費エネルギー）を得ることができ、エネルギー効率が高い。しかしながら、そのＣＯＰはすべての場合に高いわけでなく、ヒートポンプで加熱する水の温度によって敏感に変化する特性を有している。水を低温度の温水に加熱する場合のＣＯＰが高いのに対し、水を高温度の温水に加熱する場合のＣＯＰは敏感に低下する。
特許文献１のハイブリッド式給湯装置は、ヒートポンプで４５℃程度の低温の温水に加熱することから、８０℃程度の高温の温水に加熱する場合に比較すると、高いＣＯＰを得ることができる。それでも水道水が熱交換器を通過する間に水道水を４５℃程度の温水に加熱することから、例えば１５℃の水道水を２０℃に加熱する場合や、２０℃の水を２５℃に加熱する場合に比較すると、ＣＯＰが低い。ヒートポンプによって１５℃の水を４５℃に加熱する場合のＣＯＰは、１５℃の水を２０℃に加熱する場合のＣＯＰや、２０℃の水を２５℃に加熱する場合のＣＯＰよりも、明確に低い。
本発明は、ヒートポンプを用いて貯湯槽に貯湯する間のＣＯＰをさらに増大させるために創作されたものであり、ハイブリッド式給湯装置の熱効率を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の給湯装置は、熱媒体を「熱媒体と外気の間で熱交換する第１熱交換器と、熱媒体を圧縮する圧縮機と、熱媒体と水の間で熱交換する第２熱交換器と、熱媒体の圧力を解放する減圧弁」を一巡する通路を循環させるヒートポンプを利用する。本発明の給湯装置は、ヒートポンプと、貯湯槽と、貯湯槽の下部から第２熱交換器に送水するとともに第２熱交換器で加熱された水を貯湯槽の上部に戻す水循環ポンプと、貯湯槽の上部から送り出された水を必要時に加熱するバーナーを備えている。
本発明の給湯装置の一つの特徴は、第２熱交換器における単位時間当たりの熱交換量が一定レベルに維持されるように圧縮機の運転状態を制御するコントローラを有することである。
【００１０】
第２熱交換器での単位時間当たりの熱交換量を一定レベルに維持することは、ヒートポンプによる単位時間当たりの加熱量を一定レベルに維持することに等しい。この場合、ヒートポンプによって加熱された温水の温度は管理されず、ヒートポンプによって加熱される前の水の温度によって変動する。この方式によると、例えば１５℃の水を２０℃に加熱する現象、２０℃の水を２５℃に加熱する現象、２５℃の水を３０℃に加熱する現象と時系列的に切換わっていき、４０℃の水を４５℃に加熱する現象まで進行して貯湯が完了する。即ち、１５℃の水を２０℃に加熱して貯湯槽に戻す現象が生じ、２０℃に加熱された水で貯湯槽が満たされると、次いで２０℃の水を２５℃に加熱して貯湯槽に戻す現象が生じる。この場合、加熱の初期段階で特に高いＣＯＰが得られる。特許文献１の技術のように、例えば１５℃の水道水を４５℃に加熱する場合に比して、格段に高いＣＯＰを得ることができる。本方式でも、最後には４０℃の水を４５℃に加熱する必要があり、その段階では特許文献１の技術による場合のＣＯＰと同程度のＣＯＰしか得られないが、それに先立つ加熱段階では、特許文献１の技術による場合のＣＯＰのよりも格段に高いＣＯＰを利用して加熱することができる。
第２熱交換器での単位時間当たりの熱交換量が一定レベルに維持されるように圧縮機の運転状態を制御する給湯装置によると、ヒートポンプの利点を最大限に活用し、安価なランニングコストで貯湯することが可能となる。熱交換量が一定レベルに維持されるように圧縮機の運転状態を制御するためには、加熱状態の進行に合わせて圧縮機の運転状態を切換えるプログラムを予め用意しておいてもよいし、フィードバック制御するようにしておいてもよい。
【００１１】
前記したように、ヒートポンプで加熱する水の温度が高いほどＣＯＰは低下する。ヒートポンプで加熱する水の温度は、ヒートポンプで加熱する前の水の温度が高いほど高くなる。第２熱交換器に送水する水の温度が上昇するのに追随して圧縮機の圧縮比を増大させると、第２熱交換器での単位時間当たりの熱交換量を一定レベルに維持することが可能となる。
本発明の給湯装置の他の一つの特徴は、第２熱交換器に送水する水の温度が上昇するのに追随して圧縮機の圧縮比を増大させるコントローラを有することである。
【００１２】
前記したように、例えば１５℃の水を２０℃に加熱する現象、２０℃の水を２５℃に加熱する現象、２５℃の水を３０℃に加熱する現象が経時的に切換わっていく場合、ＣＯＰは徐々に低下していく。ＣＯＰが高ければ圧縮機の圧縮比が小さくても水を効率的に加熱することができる。ＣＯＰが高い間は圧縮機の圧縮比が小さくてもよいのに対し、ＣＯＰが低下するのに対応して圧縮機の圧縮比を増大させないと水を所定温度にまで加熱するのに長時間を要してしまう。水の温度が上昇するのに追随して圧縮機の圧縮比を増大させると、貯湯槽に貯湯するまでの時間を実用的なレベルに抑えながら、ヒートポンプによる高い加熱効率を活用することができる。
【００１３】
本発明の給湯装置は、ヒートポンプによって加熱された温水の温度は管理されない。例えば１５℃の水を２０℃に加熱する現象、２０℃の水を２５℃に加熱する現象、２５℃の水を３０℃に加熱する現象が経時的に切換わっていく。
本発明の給湯装置のさらに他の一つの特徴は、最初は冷水を貯湯していた貯湯槽の下部に貯湯されている水の温度が所定温度に上昇するまでの間に、貯湯槽の容積を複数倍した水量が第２熱交換器を通過することである。
特許文献１の技術では、第２熱交換器を通過する間に、例えば１５℃の水道水を４５℃に加熱する。即ち、最初は冷水を貯湯していた貯湯槽の下部に貯湯されている水の温度が所定温度に上昇するまでの間に、貯湯槽の容積に等しい水量が第２熱交換器を通過する。この給湯装置と本発明の特徴を備えている給湯装置を比較すると、本発明の特徴を備えている給湯装置のエネルギー効率（ＣＯＰ）は高い。
【００１４】
貯湯槽の容積を複数倍した水量が第２熱交換器を通過することによって貯湯が完了する方式では、貯湯槽の容積に等しい水量が第２熱交換器を通過する毎に圧縮機の圧縮比を増大させることが好ましい。
ヒートポンプによって水を効率的に加熱する利点を有効に享受することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の給湯装置は、貯湯槽の水を複数回に亘ってヒートポンプで加熱する。段階的に徐々に加熱していく。ヒートポンプは低温の水をわずかに加熱するときに優れた加熱効率を発揮する。発明の給湯装置は、貯湯槽の水をヒートポンプで段階的に徐々に加熱していくために、水を効率的に加熱するヒートポンプの利点を有効に享受することができる。
ハイブリッド式給湯装置の熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の好適な実施形態を例示する。
（形態１）
貯湯槽の最高貯湯温度が５０℃以下であるとともに、熱媒体が代替フロンであり、貯湯槽の容量が給湯する浴槽の容積の半分程度であることを特徴とする請求項に記載の給湯装置。
貯湯槽の最高貯湯温度が５０℃以下であると、代替フロンを用いるヒートポンプで水を効率良く加熱することができる。一般的に、給湯量が多いのは、浴槽への湯張りである。貯湯槽の容量が給湯する浴槽の容積の半分程度であれば、浴槽への湯張り以外の大半の給湯要求に応えることができる。貯湯槽の容量を浴槽の容積の半分程度とすることによって、貯湯槽がフルに貯湯されるまでの時間を短縮できるとともに、給湯装置の小型化が可能になる。
【実施例】
【００１７】
本発明の給湯装置に係る一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、給湯装置１０は、ヒートポンプ１２、給水部１７、貯湯部１４、バーナー１５部、コントローラ１６等を備えている。
ヒートポンプ１２は、外気熱交換器（第１熱交換器）２０、圧縮機２３、給湯熱交換器（第２熱交換器）２１、減圧弁２４、循環往路３０、循環復路３１等を有している。
外気熱交換器２０は熱交換ファン２２を備えており、熱交換ファン２２は電動モータ２５と電動モータ２５の駆動軸に取り付けられたファン２６を持っている。ファン２６は、電動モータ２５に駆動されて回転する。ファン２６が回転すると、外気が外気熱交換器２０に吹き付けられる。外気熱交換器２０は、内部に設けられている熱媒体流路２７を通過する熱媒体と外気との間で熱交換を行う。本給湯装置１０は、熱媒体に代替フロンの一種であるＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）を用いている。ＨＦＣ以外の熱媒体（例えば、ＨＦＣ以外の代替フロンや、二酸化炭素等）を用いることもできる。
【００１８】
循環往路３０は、外気熱交換器２０の熱媒体流路２７の出口部３２と、給湯熱交換器２１の熱媒体流路３６の入口部３３とを接続している。圧縮機２３が、循環往路３０に介装されており、外気熱交換器２０を出た熱媒体を圧縮し、給湯熱交換器２１に送り込む。第１センサ３７が循環往路３０に装着されており、外気熱交換器２０から流出した熱媒体の温度を検出する。
循環復路３１は、給湯熱交換器２１の熱媒体流路３６の出口部４０と外気熱交換器２０の熱媒体流路２７の入口部３４を接続している。減圧弁２４が、循環復路３１に介装されており、開度を調整することによって上流側と下流側の圧力差を変化させる。減圧弁２４は、圧縮機２３で加圧された熱媒体の圧力を解放する。第２センサ４１と第３センサ４２が、循環復路３１に装着されている。第２センサ４１は、給湯熱交換器２１から流出した熱媒体の温度を検出する。第３センサ４２は、外気熱交換器２０に流入する熱媒体の温度を検出する。
【００１９】
給水部１７は、第１流路５０、流量センサ４５、第２流路５４、逃がし弁４６、第４センサ６１を備えている。
第１流路５０の一端５１には、水道水が供給されている。第１流路５０の他端５３は、第２流路５４の途中に接続されている。流量センサ４５は、第１流路５０に介装されており、第１流路５０を流れる水の量を検出する。
第２流路５４の一端５２には、逃がし弁４６が取り付けられている。第２流路５４の他端５５は、貯湯槽６０（後述する）の下端部に接続されている。逃がし弁４６は、第２流路５４内の水圧が所定値以上になったときに開き、第２流路５４内の圧力を外部に開放する。逃がし弁４６が設けられていることによって、第２流路５４に連通している貯湯槽６０の内圧が過大になるのが防止されている。第４センサ６１は、第２流路５４を流れる水の温度を検出する。
【００２０】
貯湯部１４は、貯湯槽６０、第５センサ７２、第１流量調整弁４８、第３流路６２、ポンプ４７、第４流路６７、第６センサ６６、第５流路７１、第７センサ６５、第６流路７３、第８センサ７５、第２流量調整弁７６、第７流路８０、第９センサ８１等を備えている。
貯湯槽６０は縦長状であり、円形状の長手直角方向断面を持っている。貯湯槽６０の容量は、５０リットルである。第５センサ７２は、貯湯槽６０に装着されており、その内部の水の温度を検出する。
第３流路６２は、第２流路５４の途中の部位と、給湯熱交換器２１の水流路３８の入口部６８とを接続している。ポンプ４７と第１流量調整弁４８が、第３流路６２に介装されている。ポンプ４７は、上流側（第１流量調整弁４８側）の水を吸い込み、下流側（給湯熱交換器２１側）に送り出す。第１流量調整弁４８は、開度を変化させることによって、通過する水の量を調整する。
【００２１】
第４流路６７は、給湯熱交換器２１の水流路３８の出口部７０と、第５流路７１の途中の貯湯槽６０に近い部位とを接続している。第６センサ６６は、第４流路６７に介装されている。第６センサ６６は、第４流路６７を流れる水の温度を検出する。
第５流路７１は、貯湯槽６０の上端部と、バーナー部１５に設けられているバーナー熱交換器６９（後述する）の一端６３を接続している。第７センサ６５は、第５流路７１の途中の第４流路６７が接続されている部位に装着されており、その内部を流れる水の温度を検出する。
第６流路７３は、バーナー部１５のバーナー熱交換器６９の他端６４と、第２流路５４の途中であって、第３流路６２が接続されているのと同じ部位に連通している。第８センサ７５は、バーナー熱交換器６９の他端６４近傍の第６流路７３に装着されており、その内部を流れる水の温度を検出する。第２流量調整弁７６は、第６流路７３に介装されており、その開度を変化させることによって、第６流路７３を流れる水の量を調整する。
第７流路８０は、第６流路７３の、第８センサ７５が装着されている部位と第２流量調整弁７６が装着されている部位の間の位置８２から分岐している。第７流路８０の下流側は、給湯栓や風呂と連通している。第９センサ８１は、第７流路８０を流れる水の温度を検出する。
【００２２】
バーナー部１５は、バーナー熱交換器６９、バーナー７８、バーナーファン７９を備えている。
既に説明したように、バーナー熱交換器６９の一端６３は、第５流路７１に接続されている。バーナー熱交換器６９の他端６４は、第６流路７３に接続されている。バーナー７８は、ガスを燃焼することによって、バーナー熱交換器６９を流れる水を加熱する。バーナーファン７９は、バーナー７８に燃焼用の空気を送風する。
コントローラ１６には、リモコン１８が操作されたことによる操作信号と、流量センサ４５、センサ３７、４１、４２、６１、６５、６６、７２、７５、８１の検出値が入力される。コントローラ１６は、それらの入力を、格納している制御プログラムで処理することによって、熱交換ファン２２、圧縮機２３、減圧弁２４、流量調整弁４８、７６、バーナー７８、バーナーファン７９を制御する。
【００２３】
給湯装置１０の動作について説明する。
ヒートポンプ１２の外気熱交換器２０の熱媒体流路２７には、循環復路３１から液体状の熱媒体が流入する。熱媒体流路２７を流れる熱媒体は、外気から吸熱することによって蒸発する。熱媒体（ＨＦＣ）の蒸発温度は１０℃である。よって、熱媒体流路２７を流出する熱媒体の温度は１０℃になる。熱交換ファン２２が外気熱交換器２０に外気を吹き付けているので、外気熱交換器２０の熱交換効率が向上している。
外気熱交換器２０の熱媒体流路２７を流出した熱媒体は、循環往路３０を流れるとともに、圧縮機２３によって圧縮される。圧縮機２３に圧縮された熱媒体は、ガス状のまま温度が高くなる。温度が高くなった熱媒体は、給湯熱交換器２１の熱媒体流路３６に流入する。詳しくは後述するが、給湯熱交換器２１の水流路３８には、熱媒体流路３６を通過する熱媒体よりも低温の水が流れている。熱媒体流路３６を通過する熱媒体は、水流路３８を通過する水に冷却されて（熱交換を行って）、ガス状から液体状に変化する。水流路３８を通過する水は、熱媒体流路３６を通過する熱媒体に加熱されて温度が高くなる。
熱媒体流路３６を流出した液体状の熱媒体は、循環復路３１を流れる。循環復路３１を流れる熱媒体は、減圧弁２４を通過することによって膨張する（圧力が低くなる）。膨張した熱媒体は、温度が低下する。そして、熱媒体は、循環復路３１から外気熱交換器２０の熱媒体流路２７に流入する。
コントローラ１６は、センサ３７、４１、４２が検出した熱媒体温度に基づいて、熱交換ファン２２、圧縮機２３、減圧弁２４を制御することによって、センサ３７、４１、４２が設けられている部位の熱媒体温度を、所望の値に調整する。
【００２４】
貯湯槽６０に貯湯する動作について、図１、図２、図３を用いて説明する。このときには、給湯栓が開かれたり、風呂への湯張り等が行われていない。すなわち第７流路８０を通過して水が給湯装置１０の外部に流出していないものとする。図１で塗りつぶされている流路は、熱媒体や水が流通していることを示している。熱媒体や水の流通方向は、矢印で示している。
貯湯部１４の第１流量調整弁４８が開くとともにポンプ４７が駆動されると、貯湯槽６０の下部から第２流路５４に水が吸い出される。第２流路５４に吸い出された水は、第３流路６２を通過して給湯熱交換器２０の水流路３８に流入する。水流路３８を通過する水は、熱媒体流路３６を流れている高温の熱媒体によって加熱されて温度が上昇する。温度が上昇した水は、第４流路６７を流れ、第５流路７１の一部を経由して貯湯槽６０の上部に戻る。貯湯槽６０から吸い出された水が給湯熱交換器２０を通過することによって温度が上昇し、貯湯槽６０に戻される循環が繰り返されることにより、貯湯槽６０に高温水（湯）が貯湯される。
【００２５】
貯湯槽６０に貯湯する過程、およびその途中におけるヒートポンプ１２のＣＯＰ（エネルギー消費効率）等について、図２を参照しながら説明する。なお、貯湯開始時における貯湯槽６０の水の温度は１５℃であるとする。
図２の最も左側の欄は、貯湯槽６０内の水の循環回数を示している。例えば、最初に貯湯槽６０の容積分の水が吸い出され、その全ての水が貯湯槽６０に戻る途中を、１回目の循環と数える。
循環回数の右側の欄、およびさらに右側の欄は、それぞれ給湯熱交熱媒体流出温度と外気熱交熱媒体流入温度を示している。給湯熱交熱媒体流出温度とは、給湯熱交換器２１の熱媒体流路３６から流出した熱媒体の温度、すなわち第２センサ４１によって検出される熱媒体の温度である。外気熱交熱媒体流入温度とは、外気熱交換器２０に流入する熱媒体の温度、すなわち第３センサ４２によって検出される熱媒体の温度である。この熱媒体の温度は、外気よりも低い（１０℃であるとする）。
図２に良く示すように、給湯熱交熱媒体流出温度は、貯湯槽６０の水が１回循環する毎に、６℃高く変更される。例えば、循環回数の１回目では給湯熱交熱媒体流出温度は２２．８℃であり、それが循環回数の２回目では２８．８℃に変更される。給湯熱交熱媒体流出温度の変更は、圧縮機２３の圧縮比を高くする（運転強さを強くする）とともに、減圧弁２４の開度を調整することによって行われる。外気熱交熱媒体流入温度は、循環回数にかかわらず一定である。従って、給湯熱交熱媒体流出温度と外気熱交熱媒体流入温度の差は、循環回数が多くなる毎に６℃ずつ大きくなる。
圧縮機２１の圧縮比を高くするタイミングは、循環毎に行わなくてもよい。貯湯中に、圧縮機の圧縮比を徐々に高くすることもできる。
【００２６】
外気熱交熱媒体流入温度の右側の欄、およびさらに右側の欄は、それぞれ給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度を示している。給湯熱交水流入温度とは、貯湯槽６０から吸い出され、給湯熱交換器２１の水流路３８に流入する水の温度である。給湯熱交水流入温度は、第４センサ６１によって検出される。第４センサ６１は、第２流路５４の他端５５の近傍部位に装着されており、給湯熱交換器２１に水が流入する部位（入口部６８）と位置的に離れているが、両者の部位を流れる水の温度差は僅かであるため、その検出値を給湯熱交水流入温度として利用することができる。詳しくは後述するが、第４センサ６１は、貯湯槽６０に給水するときに、その温度を検出するのにも利用される。給湯熱交水流出温度とは、給湯熱交換器２１の水流路３８から流出し、貯湯槽６０に戻る水の温度である。給湯熱交水流出温度は、第６センサ６６によって検出される。
例えば、循環回数の１回目の途中では、貯湯槽６０に入れられていた加熱前の水が給湯熱交換器２１に流入するので、給湯熱交水流入温度は１５℃である。給湯熱交換器２１に流入した水は、加熱されて温度が上昇するので、給湯熱交水流出温度は２１℃になる。循環回数の１回目が終了すると、貯湯槽６０内の水は、全て２１℃になる。そして、循環回数の２回目では、その水が給湯熱交換器２１に流入するので、給湯熱交水流入温度は２１℃になる。
【００２７】
給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度の温度差は、循環回数毎に変化しない。例えば、循環回数の１回目においては、給湯熱交水流入温度は１５℃であり、給湯熱交水流出温度は２１℃である。従って、給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度の温度差は６℃である。例えば、循環回数の４回目においては、給湯熱交水流入温度は３３℃であり、給湯熱交水流出温度は３９℃である。従って、この場合でも、給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度の温度差は６℃である。
循環回数毎に、給湯熱交熱媒体流出温度が６℃ずつ高く変更されることによって、それ毎に給湯熱交水流出温度も６℃ずつ高くなる。例えば、循環回数の２回目では、給湯熱交水流出温度は２７℃であり、それが循環回数の３回目では、それよりも６℃高い３３℃になる。循環回数の５回目が終了すると、貯湯槽６０内の水は全て４５℃になる。
【００２８】
給湯熱交水流出温度の右側の欄には、熱交換量が示されている。熱交換量とは、給湯熱交換器２１で行われた熱媒体と水との熱交換量を意味している。上述したように、給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度の温度差は、貯湯槽６０の水の循環回数毎に変化しない。従って、熱交換量も、循環回数の１〜５回目を通じて一定である。
熱交換量（Ｑとする）は、次式で与えられる。
Ｑ＝ｃ×Ｗ×Δｔ；
「ｃ」は水の比熱であり、「ｃ＝４．１９ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）」である。
「Ｗ」は、給湯熱交換器２１を通過する水の量である。貯湯槽６０の容量は５０リットルなので、「Ｗ＝５０ｋｇ」である。
「Δｔ」は、給湯熱交水流入温度と給湯熱交水流出温度の温度差である。従って、「Δｔ＝６℃」である。
次式から、熱交換量として「１２５７ｋＪ」が求まる。
Ｑ＝４．１９×５０×６＝１２５７ｋＪ；
【００２９】
熱交換量の右側の欄には、圧縮機２３の消費電力（圧縮機消費電力）が、「Ｗｈ」と「ｋＪ」のそれぞれの単位で示されている。この欄で明らかなように、圧縮機消費電力は、貯湯槽６０の水の循環回数が多くなるほど、大きくなっている。圧縮機２３は、循環回数が多くなるほど、その出口温度を高くすることによって給湯熱交水流出温度を上昇させるために、熱媒体をより高圧縮する必要があるからである。
圧縮機消費電力の右側の欄には、ヒートポンプ１２のＣＯＰ（ヒートポンプＣＯＰ）が示されている。ヒートポンプＣＯＰは、熱交換量を圧縮機消費電力で除することによって求まる。例えば、循環回数の３回目では、圧縮機消費電力は「１４０．４ｋＪ」である。熱交換量は「１２５７ｋＪ」であるので、ヒートポンプＣＯＰは次のようになる。
ＣＯＰ（３回目）＝１２５７／１４０．４＝８．９５；
また、熱交換量のトータルは「６２８５ｋＪ」であり、圧縮機消費電力のトータルは「７１２．８ｋＪ」なので、トータルのヒートポンプＣＯＰは、次のようになる。
ＣＯＰ（トータル）＝６２８５／７１２．８＝８．８２；
【００３０】
図３は、給湯熱交熱媒体流出温度（Ｔ１）と外気熱交熱媒体流入温度（Ｔ２）の差（Ｔ１−Ｔ２）とヒートポンプＣＯＰの関係を、グラフとして示したものである。給湯熱交熱媒体流出温度と外気熱交熱媒体流入温度の差が大きいほど、ヒートポンプＣＯＰは低下する。本実施例の給湯装置１０は、貯湯槽６０の水が循環する毎に、圧縮機２３をより高圧縮運転することによって、給湯熱交熱媒体流出温度を６℃ずつ高くする（段階的に高くする）。このため、循環回数が少ない、すなわち、給湯熱交熱媒体流出温度と外気熱交熱媒体流入温度の差が小さいときには、高いヒートポンプＣＯＰを得ることとができる。従って、図２に示すように、トータルのヒートポンプＣＯＰが「８．８２」であるという優れたエネルギー効率を実現している。
【００３１】
以上説明したように、本発明の給湯装置１０は、貯湯槽６０の水が循環する毎に、給湯熱交熱媒体流出温度と外気熱交熱媒体流入温度の差を大きくし、最終的に４５℃の水を貯湯槽６０に貯える。
これに対して、従来の給湯装置では、貯湯槽内の水の温度を上昇させる過程で、貯湯槽の水を１回以上循環させていない。貯湯槽の水を１回以上循環させていないのは、貯湯槽の上方に高温の温度成層を形成したいからである。従って、例えば、最終的に４５℃の水を貯湯槽に貯える場合、４５℃の温度成層が、貯湯槽内を徐々に降下してゆく。低温の温度成層の上に高温の温度成層を形成しておけば、貯湯槽内の水が全て高温になっていなくても、高温の温度成層を使って給湯することができる。しかしながら、その場合には、４５℃の温度成層を作り出すために、貯湯開始時点から、圧縮機を、図２の循環回数の５回目で行っているように、高圧縮運転する必要がある。従って、ヒートポンプＣＯＰが「５．７２」であるという、低いエネルギー効率に甘んじなければならない。
【００３２】
給湯装置１０が給湯を実行するときの動作を、以下の（１）、（２）、（３）それぞれの場合について説明する。
（１）貯湯槽６０に貯湯されている水（湯）の温度が給湯要求温度よりも高い場合。
図４に示すように、貯湯槽６０には４５℃の水が貯湯されており、給湯要求温度は３８℃であるとする。給湯要求温度は、使用者がリモコン１８を操作することによって設定されている。
第１流路５０には、水道の水圧が加わっている。このため、給湯栓が開けられたり、風呂に湯張りが行われたりすると、第７流路８０から水が流出する。流出した水を補うために、給水部１７の第１流路５０に水が流入する。第１流路５０を流れる水の流量は、流量センサ４５によって検出される。第１流路５０に流入した水は、第２流路５４を流れるとともに、途中で第３流路６２と第６流路７３にも流入する。
第２流路５４を流れ、第３流路６２と第６流路７３に流入しなかった分の水は、貯湯槽６０に給水される。給水される水の温度は、第４センサ６１によって検出される。第２流路５４から貯湯槽６０に給水されることによって、貯湯槽６０の上部から４５℃の水が第５流路７１に送り出される。
【００３３】
一方、第２流路５４から第３流路６２に流入した水は、開かれている第１流量調整弁４８と、駆動されていないポンプ４７を通過する。ヒートポンプ１２は、運転されている。第３流路６２を流れた水は、給湯熱交換器２１を通過することによって加熱され、第４流路６７に流入する。このときに、第４流路６７を流れる水の温度を、給湯要求温度と同じ３８℃になるように調整する。具体的には、第４流路６７に設けられている第６センサ６６の検出温度が、３８℃になるようにする。第４流路６７を流れる水の温度を調整するにあたっては、圧縮機２３の圧縮比と、減圧弁２４の開度と、第１流量調整弁４８の開度を調整する。
貯湯槽６０から送り出されて第５流路７１を流れる４５℃の水に、第４流路６７を流れる３８℃の水が混合する。従って、第５流路７１を流れてバーナー部１５のバーナー熱交換器６９に流入する水の温度は、３８℃〜４５℃の間の値になる。バーナー７８は動作していない。このため、バーナー熱交換器６９から第６流路７３に、３８℃〜４５℃の間の温度の水が流入する。以下、バーナー熱交換器６９から第６流路７３に流入する水を「バーナー流出水」と言う。
バーナー流出水は、第２流路５４から第６流路７３に流入した水（以下、「水道混合水」と言う）と合流し、給湯要求温度である３８℃に調整される。その調整にあたっては、第８センサ７５と第９センサ８１の検出温度に基づいて、第２流量調整弁７６の開度が変化する。３８℃に調整された水は、第７流路８０を流れ、給湯栓や風呂に給湯される。
【００３４】
上述したように、貯湯槽６０から送り出された４５℃の水に、ヒートポンプ１２で加熱された３８℃の水が混合する。このため、貯湯槽６０から送り出される水（湯）の量を節約することができる。ヒートポンプ１２で加熱される水の温度を、３８℃以上にすることもできる。この場合にも、貯湯槽６０から送り出される水の量を節約することができるが、ヒートポンＣＯＰは低下する。ヒートポンプ１２で加熱される水の温度を、３８℃以下にすることもできる。この場合には、貯湯槽６０から送り出された水と、ヒートポンプ１２で加熱された水とが混合した温度が給湯要求温度よりも高ければ、貯湯槽から送り出される水の量を節約することができるとともに、ヒートポンプＣＯＰもより高くなる。
【００３５】
（２）貯湯槽６０に貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも低い場合。
図５に示すように、貯湯槽６０には、１５℃の水、すなわち水道水と同温度の水が入れられているとする。このような状態は、貯湯槽６０に貯湯されていた温水（湯）が全て消費されてしまうと発生する。給湯要求温度は、４２℃であるとする。この場合には、第６流路７３に介装されている第２流量調整弁７６を全閉にする。このため、第１流路５０から第２流路５４に流入した水は、貯湯槽６０に給水されるとともに、第３流路６２にも流入する。第２流路５４から貯湯槽６０に給水されることによって、貯湯槽６０から１５℃の水が第５流路７１に送り出される。ヒートポンプ１２は、低圧縮運転されている（弱く運転されている）。第３流路６２に流入した水は、給湯熱交換器２１を通過することによって加熱されて温度が２１℃になり、第４流路６７に流入する。
なお、ヒートポンプ１２は、高圧縮運転しても、それ自体のみでは給湯要求に応じることができない。上述したように、ヒートポンプ１２は、貯湯槽６０に４５℃の水を貯湯する能力を有しているが、これは時間をかけて貯湯することによって可能になっている。従って、貯湯槽６０に貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも低い場合には、バーナー部１５を動作させる必要がある。
【００３６】
貯湯槽６０から送り出されて第５流路７１を流れる１５℃の水に、第４流路６７を流れる２１℃の水が合流する。従って、第５流路７１を流れてバーナー部１５のバーナー熱交換器６９に流入する水の温度は、１５℃〜２１℃の間の値になる。バーナー７８は、ガスを燃焼することによって、バーナー熱交換器６９を加熱する。その加熱強さが調整されることによって、バーナー流出水の温度は４２℃になる。バーナー流出水は、さらに第７流路８０に流れ込む。よって、第７流路８０から給湯栓等に４２℃の給湯が行われる。
ヒートポンプ１２は、低圧縮運転された状態では、高いヒートポンプＣＯＰを実現できる。従って、バーナー７８を燃焼させる場合であっても、バーナー７８の燃焼のみを行うよりも、それに加えてヒートポンプ１２を高いヒートポンプＣＯＰで運転する方が、トータルとして給湯装置１０のエネルギー効率を向上させることができる。
【００３７】
（３）バーナー７８がミニマム燃焼して貯湯槽６０から送り出される水を加熱すると、バーナー流出水の温度が給湯要求温度を超えてしまう場合。
バーナー７８がミニマム燃焼するとバーナー流出水の温度が給湯要求温度を超えてしまう事象は、貯湯槽６０に貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも僅かに低い場合に発生する。「ミニマム燃焼」とは、バーナー７８が最も弱く燃焼している状態を言う。
図６に示すように、貯湯槽６０には、３８℃の水が貯湯されており、給湯要求温度は４２℃であるとする。貯湯槽６０に貯湯されている水の温度が給湯要求温度よりも低いので、バーナー７８を燃焼させなければならない。
【００３８】
バーナー７８がミニマム燃焼すると、バーナー流出水の温度が給湯要求温度を超える場合には、第６流路７３に介装されている第２流量調整弁７６を開く。従って、第１流路５０から第２流路５４に流入した水は、途中で第３流路６２と第６流路７３にも流入する。ヒートポンプ１２は低圧縮運転されている。第３流路６２に流入した水は、給湯熱交換器２１を通過することによって加熱されて温度が２１℃になり、第４流路６７に流入する。
第４流路６７を通過した水は、第５流路７１で貯湯槽６０から送り出された３８℃の水に合流する。従って、第５流路７１を流れてバーナー部１５のバーナー熱交換器６９に流入する水の温度は、２１℃〜３８℃の間の値になる。ここでは、バーナー熱交換器６９に流入する水の温度は、３５℃であるとする。バーナー熱交換器６９がバーナー７８に加熱されることによって、バーナー流出水の温度は４５℃になる。バーナー流出水は、水道混合水と混合する。水道混合水の量は、第２流量調整弁７６によって調整されている。バーナー流出水と水量が調整された水道混合水が混合することによって、第７流路８０から給湯栓等に４２℃の給湯が行われる。
【００３９】
第７流路８０から給湯される水量は、給湯栓の開度や、風呂への湯張り量によって規制されている。従って、バーナー流出水の水量よりも、水道混合水の水量をできるだけ多くした方が、貯湯槽６０から送り出される水量を節約することができる。
上述したように、ヒートポンプ１２を低圧縮運転することによって、貯湯槽６０から送り出された３８℃の水に２１℃の水を混合することができる。従って、水道水の温度である１５℃の水を混合するよりも、バーナー部１５に流入する水の温度が高くなる。このため、バーナー流出水の温度も高くなる。よって、給湯要求温度である４２℃を維持するためには、水道混合水の水量をより多くしなければならない。よって、貯湯槽６０から送り出される水の量を節約することができる。ヒートポンプ１２を高圧縮運転すると、ヒートポンプＣＯＰは低下するが、貯湯槽６０から送り出される水量を節約することができる。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】給湯装置の系統図（貯湯中）。
【図２】貯湯中における各部位の温度等を示す表。
【図３】ヒートポンプのＣＯＰを示すグラフ。
【図４】給湯装置の系統図（貯湯温度＞給湯要求温度）。
【図５】給湯装置の系統図（貯湯温度＜給湯要求温度）。
【図６】給湯装置の系統図（バーナーがミニマム燃焼している状態）。
【符号の説明】
【００４２】
１０：給湯装置
１２：ヒートポンプ
１４：貯湯部
１５：バーナー部
１６：コントローラ
１７：給水部
１８：リモコン
２０：外気熱交換器
２１：給湯熱交換器
２２：熱交換ファン
２３：圧縮機
２４：減圧弁
２５：電動モータ
２６：ファン
２７：熱媒体流路
３０：循環往路
３１：循環復路
３２：出口部
３３、３４：入口部
３６：熱媒体流路
３７：第１センサ
３８：水流路
４０：出口部
４１：第２センサ
４２：第３センサ
４５：流量センサ
４６：逃がし弁
４７：ポンプ
４８：第１流量調整弁
５０：第１流路
５１、５２：一端
５３：他端
５４：第２流路
５５：他端
６０：貯湯槽
６１：第４センサ
６２：第３流路
６３：一端
６４：他端
６５：第７センサ
６６：第６センサ
６７：第４流路
６８：入口部
６９：バーナー熱交換器
７０：出口部
７１：第５流路
７２：第５センサ
７３：第６流路
７５：第８センサ
７６：第２流量調整弁
７８：バーナー
７９：バーナーファン
８０：第７流路
８１：第９センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006300473.tif 000007
【図６】
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