(57)【要約】【課題】  長時間使用しないときのエネルギ損失を低減するとともに、使用開始時に必要な温度の給湯を直ちに行うこと。【解決手段】  ヒートポンプ回路と、給水管１２から供給される水をヒートポンプ回路の冷媒により加熱して給湯管１３に排出する熱交換器７と、給湯管１３に連通された給湯口と、給水管１２に連通された底部と給湯管１３に連通された頂部を有する貯湯槽９と、貯湯槽９の底部７と給湯管１３を介して貯湯槽９の頂部に戻す循環ポンプ２０を有する水循環回路と、給湯機の使用開始時刻を入力設定する操作器１７と、貯湯槽９の湯温を検出する温度検出手段１１と、使用開始時刻の設定時間前にヒートポンプ回路と水循環回路とを運転開始させ、貯湯槽９の湯温を設定温度に加熱する制御手段１６とを備えるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプ回路と、給水管から供給される水を前記ヒートポンプ回路の冷媒により加熱して給湯管に排出する熱交換器と、前記給湯管に連通された給湯口と、前記給水管に連通された底部と前記給湯管に連通された頂部を有する貯湯槽と、前記貯湯槽の底部から水を抜き出して前記給水管と前記熱交換器と前記給湯管を介して前記貯湯槽の頂部に戻す循環ポンプを有する水循環回路と、給湯機の使用開始時刻を入力設定する操作器と、前記貯湯槽の湯温を検出する温度検出手段と、前記使用開始時刻の設定時間前に前記ヒートポンプ回路と前記水循環回路とを運転開始させ、前記貯湯槽の湯温を設定温度に加熱する制御手段とを備えてなるヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記熱交換器から前記給湯管に排出される第１の給湯量を制御する第１の流量制御弁と、前記貯湯槽の頂部から前記給湯管に排出される第２の給湯量を制御する第２の流量制御弁と、前記熱交換器から排出される給湯温度を検出する湯温検出手段とを設け、前記制御手段は、前記使用開始時刻になると、前記給湯温度に基づいて、前記第２の流量制御弁の開度を絞るとともに、前記第１の流量制御弁の開度を開放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。
【請求項３】
前記設定時間は、外気温度と前記貯湯槽の湯温との検出値に基づいて決められ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給湯機。
【請求項４】
前記ヒートポンプ回路と前記水循環回路の運転停止状態において、外気温度の検出値が設定値未満の場合、前記給水管及び給湯管を加熱する凍結防止手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプで加熱された湯を貯留する貯湯槽を備えたヒートポンプ給湯機に係り、特に、貯湯槽の湯を沸き上げる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ給湯機は、電力が安価な夜間にヒートポンプを稼動させ、加熱された給水を貯湯槽に満杯にして蓄えておくことにより、日中に使う湯を賄うようにしている。
【０００３】
しかし、このような給湯方式においては、貯湯槽に溜める湯量が一定のため、使用湯量が多い日は湯量不足となる一方、少ない日は残り湯が湯冷めしてエネルギ損失が生じるという問題がある。
【０００４】
そこで、必要最小限の容量の貯湯槽を設け、給湯開始直後は貯湯槽に貯留された湯を用いて給湯し、その間にヒートポンプを稼動させ、ヒートポンプの加熱能力が安定したところで、貯湯槽からの給湯を停止して、ヒートポンプによる給湯に切り換える瞬間式ヒートポンプ給湯機が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１４８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような瞬間式ヒートポンプ給湯機は、給湯開始直後の出湯温度を確保するため、ヒートポンプ給湯機の運転の待機時、日中及び夜間を問わず、貯湯槽の保温運転、つまり湯の沸き上げ運転を行うようになっている。したがって、夜間に湯を使用しない場合でも、貯湯槽の湯が冷めると沸き上げ運転が行われるため、エネルギ損失となる。また、沸き上げ運転の待機時においても、ヒートポンプ関係の制御機器に通電を行う必要があり、待機電力が必要になるという問題がある。
【０００７】
これに対し、夜間等にユーザがブレーカ又は電源スイッチを切ってヒートポンプ給湯機の通電を遮断することが考えられるが、湯を使用する朝にブレーカ又は電源スイッチを入れて通電を開始しても、貯湯槽の湯温が低下しているから、すぐに使用できず、使い勝手が悪いという問題がある。
【０００８】
本発明は、長時間使用しないときのエネルギ損失を低減するとともに、使用開始時に必要な温度の給湯を直ちに行えるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、ヒートポンプ回路と、給水管から供給される水をヒートポンプ回路の冷媒により加熱して給湯管に排出する熱交換器と、給湯管に連通された給湯口と、給水管に連通された底部と給湯管に連通された頂部を有する貯湯槽と、貯湯槽の底部から水を抜き出して給水管と熱交換器と給湯管を介して貯湯槽の頂部に戻す循環ポンプを有する水循環回路と、給湯機の使用開始時刻を入力設定する操作器と、貯湯槽の湯温を検出する温度検出手段と、使用開始時刻の設定時間前にヒートポンプ回路と水循環回路とを運転開始させ、貯湯槽の湯温を設定温度に加熱する制御手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、使用開始時刻を入力設定すると、給湯機のヒートポンプ回路と水循環回路の運転が停止され、続いて使用開始時刻の設定時間前になると、ヒートポンプ回路と循環回路の運転（以下、給湯機の運転という。）が開始され、貯湯槽の沸き上げが自動的に行われる。したがって、貯湯槽の湯水を連続的に保温しなくても、設定時間を適切に選ぶことにより、使用開始時刻において貯湯槽の湯温を使用する所望の温度にできるから、エネルギ損失を低減できる。また、沸き上げ運転の待機時における消費電力を低減することができる。
【００１１】
この場合において、熱交換器から給湯管に排出される第１の給湯量を制御する第１の流量制御弁と、貯湯槽の頂部から給湯管に排出される第２の給湯量を制御する第２の流量制御弁と、給湯口から排出される給湯温度を検出する給湯温度検出手段とを設け、制御手段は、設定時間経過後に、給湯口から排出される給湯温度を設定温度に基づいて、第２の流量制御弁の開度を絞るとともに、第１の流量制御弁の開度を開放するようにする。
【００１２】
すなわち、ヒートポンプ回路の運転が開始され、熱交換器で加熱される湯水が所定温度に達するまでの間、第２の給湯量を第１の給湯量よりも多くして、ヒートポンプ回路の能力補完を行うことにより、所定温度の湯水を所定量供給することができる。
【００１３】
ここで、設定時間は、必要最小限とすることが望ましく、外気温度と貯湯槽の湯温との検出値に基づいて決めるのがよい。
【００１４】
また、給湯機の運転が停止状態において、外気温度の検出値が設定値未満の場合、給水管及び給湯管を加熱する凍結防止手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、長時間使用しないときのエネルギ損失を低減するとともに、使用開始時に必要な温度の給湯を直ちに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。ヒートポンプ給湯機２は、外気温度検出手段１、蒸発器３、ファン４、圧縮機５、冷媒流量弁６、水冷媒熱交換器７、熱交流量弁８、縦型容器のタンク９、タンク流量弁１０、タンク温度検出手段１１、給水管１２及び給湯管１３を加熱するコイル状の凍結防止手段１４、出湯温度検出手段１５、ヒートポンプ給湯機２の全体制御を行う制御部１６、ヒートポンプ給湯機２の出湯温度調整や時間設定及び給湯機運転・停止、運転開始時間等の入力操作を行う操作器１７を備えて構成される。
【００１７】
本実施形態におけるヒートポンプ回路は、蒸発器３、冷媒流量弁６、水冷媒熱交換器７、圧縮機５を順次配管接続した閉回路の冷凍サイクルで構成され、この中に冷媒が封入されている。蒸発器３には、ファン４から例えば室外空気が送風され、冷媒が空気と熱交換して蒸発するようになっている。水冷媒熱交換器７は、冷媒が通流する冷媒伝熱管１８と給湯用の水が流れる水管路１９とを備え、冷媒伝熱管１８からの冷媒の放熱により水管路１９の水が熱交換して加熱されるようになっている。
【００１８】
循環回路は、タンク９の底部が循環ポンプ２０を備えた水管を通じて給水管１２に接続され、給水管１２は水冷媒熱交換器７の水管路１９の入口に接続される一方、水管路１９の出口は、熱交温度検出手段３２、熱交流量弁８を備えた給湯管１３と接続され、タンク流量弁１０を有する水管が給湯管１３とタンク９の頂部を接続して構成される。
【００１９】
直接給湯回路は、給水源と接続された給水管１２が水冷媒熱交換器７の水管路１９の入口に接続される一方、水管路１９の出口は、給湯管１３と接続され、熱交温度検出手段３２、熱交流量弁８を経由して流れる湯水が蛇口などの出湯口から出湯されるようになっている。
【００２０】
本実施形態のヒートポンプ給湯機２は、小容量（例えば、９０リットル）のタンク９内に、ヒートポンプ回路で加熱された任意温度の湯水が貯留され、操作器１７の画面から入力された設定温度の湯を出湯するのに水冷媒熱交換器７の能力が十分に加熱状態に至っていないとき、すなわち、水冷媒熱交換器７で加熱した湯水の温度が設定温度に満たない場合は、タンク９内の湯水を混合し、さらに給水された水と混合して出湯するように制御する。
【００２１】
図１に示すように、制御部１６は操作器１７と接続され、互いに通信可能になっている。ユーザにより操作器１７のパネルを通じて出湯温度、時間設定、給湯機運転・停止、運転開始時刻等の設定値が入力されると、ここで入力されたデータは制御部１６においてデータとして認識され、このデータに基づいて、ヒートポンプ給湯機２の制御、例えば、圧縮機５の回転動作指令が行われるようになっている。
【００２２】
制御部１６は、外気温度検出手段１により外気温度を検知する一方、タンク温度検出手段１１によりタンク９内の湯温を検知する。ここで、制御部１６は、タンク９内の湯水が設定温度になるように、熱交流量弁８とタンク流量弁１０の弁開度を調整して温度調整を行っている。また、制御部１６は、出湯温度検出手段１５により検知される出湯温度が設定温度になるように、例えば、タンク９内の湯温に基づいて、水を適宜混合し、湯温が調節された湯水を出湯するようになっている。具体的には、給水管１２から分岐した水管３０を湯水混合弁３１を介して給湯管１３と接続し、ここにおいて適量の水を混合して出湯温度に調節するようになっている。さらに、制御部１６は、配管の凍結を防止するため、外気温度が任意の温度未満になると、凍結防止手段１４に通電させて配管内を加熱するようになっている。
【００２３】
次に、制御部１６の構成について詳細に説明する。図２は、制御部１６内の制御回路の一部を示す図である。マイコン２１は操作器１７に接続されており、各データの通信を行う。また、マイコン２１には、水晶振動子２２、コンデンサ２３が接続されており、この水晶振動子２２とコンデンサ２３によりクロック信号が生成され、このクロック信号に基づいて演算されることにより、マイコン２１は時間を計ることができる。メモリ２４は、操作器１７との通信データを記憶する機能を有するが、マイコン２１のメモリ２４にデータを記憶させるようにしてもよい。
【００２４】
図３は、制御部１６内の制御電源回路の一部とユーザが操作する操作器１７を示す図である。図３に示すように、操作器１７は、出湯温度調整スイッチ、時刻設定用スイッチ、予約スイッチ、ヒートポンプ給湯機２の給湯入切スイッチ及び出湯温度調整値や時間を表示する液晶パネル２５を備えて構成される。
【００２５】
給湯入切スイッチが入り状態の時、液晶パネル２５には出湯温度調整値や時刻が表示され、ヒートポンプ給湯機２は、出湯やタンク９内の湯水の沸き上げ運転が行われる一方、切り状態の時は液晶パネルに表示がされず、ヒートポンプ給湯機２は停止状態となり、出湯やタンク９内の湯水の沸き上げ運転は行われないようになっている。
【００２６】
制御部１６内の電源回路は、主に圧縮機５の駆動制御を行う制御電源Ａと、主にマイコン２１、操作器１７及びその周辺回路用の制御電源Ｂで構成され、制御電源Ａの生成回路２６ａと制御電源Ｂの生成回路２６ｂでそれぞれ生成される。制御電源Ａは、マイコン２１でリレー２７をＯＮ制御することにより、制御電源Ａの生成回路２６ａに通電され制御電源Ａが生成される。圧縮機駆動回路２８には制御電源Ａが接続されており、マイコン２１の制御信号により圧縮機５が駆動するようになっている。なお、リレー２７がＯＦＦの時は、制御電源Ａが０Ｖのため、圧縮機５の制御を行うことはできない。また、マイコン２１には通信回路２９が接続されており、操作器１７との通信及び操作器用電源の制御が行われるようになっている。
【００２７】
次に、本実施形態の動作について説明する。ヒートポンプ回路を循環する冷媒は、圧縮機５の回転動作により圧縮された後、蒸発器３に導入され、空気から熱を吸収して液状の冷媒が蒸発する。蒸発してガス化された冷媒は、冷媒流量弁６を経由して水冷媒熱交換器７の冷媒伝熱管１８に導かれ、放熱により凝縮して液化され、再び圧縮機５に戻される。
【００２８】
このようにして、ヒートポンプ回路の冷媒を循環させることにより水冷媒熱交換器７が加熱されると、循環回路において水冷媒熱交換器７を通流する循環水が所定温度に加熱されるため、タンク９内の湯水を所定温度に沸かすことができる。
【００２９】
ここで、タンク９内に貯留された湯水は、通常、ヒートポンプ回路の動作開始時や高温出湯、長時間連続出湯など、ヒートポンプによる直接給湯（直接給湯回路）だけでは時間的、量的に間に合わない場合に利用される。すなわち、ヒートポンプ給湯機２は、出湯当初において、ヒートポンプ回路が起動して水冷媒熱交換器７が十分に加熱されるまでは、所定温度の湯が生成されない。そのため、水冷媒熱交換器７で加熱される湯水の温度を熱交温度検出器３２で検出し、検出温度が所定温度に達するまでは、タンク９に貯留された湯水と水を混合し、湯温を調節した状態で出湯する。そして、水冷媒熱交換器７が加熱され、熱交温度検出器３２の検出温度が高くなるに従い、熱交流量弁８の弁開度を開くと共に、タンク流量弁１０の弁開度を絞るようにして、湯水の混合割合を切り替え、水冷媒熱交換器７で加熱された給水を直接出湯する。
【００３０】
ところが、この場合、ヒートポンプ給湯機２は、出湯要求に対してすぐに湯水を供給しなければならないため、沸き上げたタンク９内の湯水を保温しておかねばならない。そこで、湯温が所定温度以下になると沸き上げ運転を行う保温制御が必要になる。しかし、例えば、深夜から翌朝までのように、湯水を長時間使用しない場合も、ヒートポンプ給湯機２はタンク９内の湯水を保温制御する必要があり、エネルギ損失となる。
【００３１】
そこで、本実施形態では、深夜から翌朝等の長時間湯水を使用しない場合は、ヒートポンプ給湯機２の運転を停止させ、運転開始時刻の設定時間前に、タンク９の沸き上げ運転を行うように制御している。
【００３２】
図４は、入力された運転開始時刻の前後における湯水の加熱動作などを模式的に示したタイムチャートである。図４に示すように、運転開始時刻の設定時間前、すなわち設定時刻になると、ヒートポンプ回路および循環ポンプ２０の運転が開始され、タンク９内の湯水が加熱される。そして、遅くとも運転開始時刻までには所定の湯温に沸き上げ、その後は、断続運転などにより保温制御が行われる。一方、運転開始時刻の経過後、給湯が開始されると、ヒートポンプ回路および循環ポンプ２０の運転が再開される。給湯当初はタンク９からの給湯割合が大きいが、ヒートポンプ回路が安定化するに従い、水冷媒熱交換器７による直接給湯量の割合が逆転して大きくなる。
【００３３】
次に、制御部１６の運転動作について具体的に説明する。まず、操作器１７の予約スイッチを押して制御部１６を予約入力状態に設定する。次に、時間設定スイッチにより湯水を使い始めたい運転開始時刻を設定して、給湯入切スイッチを押す。マイコン２１は、操作器１７からこれらのデータを通信ｂにより受け取り、リレー２７をＯＦＦ、操作器１７の液晶パネルを消灯し、操作器１７を操作無効とし、ヒートポンプ給湯機２を運転停止状態とする。
【００３４】
マイコン２１は、ヒートポンプ給湯機２の停止中も時間制御を行い、設定された運転開始時刻の所定時間前になると、タンク９の湯水が所定温度になるように、リレー２７をＯＮ後、圧縮機５を稼動させて回転数制御により沸き上げ運転を行い、運転開始時刻になったら、たとえヒートポンプ回路内のガス冷媒温度が冷えていてもタンク９内の湯水を用いて設定温度の湯水が即出湯できるようにする。また、運転開始時刻になると、操作器１７の液晶パネル２５を点灯させ、操作器１７の操作を有効とする制御を行う。ここで、メモリ２４には、外気温度とタンク９内の湯温との関係から定まる沸き上げ時間が記憶されているため、マイコン２１は、外気温度検出手段１とタンク温度検出手段１１により外気温度とタンク９内の湯温を認識し、メモリ２４のデータを読み込むことにより、タンク９内の湯水の沸き上げ時間を把握することができる。
【００３５】
例えば、外気温度とタンク９内の湯温との係からタンク９内の湯水の沸き上げ時間が２０分であれば、マイコン２１は運転開始時刻の２０分前に沸き上げ運転を開始する。なお、タンク９内の湯水の沸き上げ時間について、本実施形態では外気温度とタンク９内の湯温とから定まる沸き上げ時間をメモリ２４に格納する方法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、前日のタンク９内の湯水（このときの湯温を認識）を沸き上げた時間をメモリ２４内に格納し、この前日の沸き上げ時間もしくは前日の沸き上げ時間の任意の時間前から沸き上げ運転制御を行う方法もある。
【００３６】
また、マイコン２１は、ユーザが操作器１７で設定した運転開始時刻をメモリ２４内に格納することにより、次回からユーザは操作器１７の予約スイッチと給湯入切スイッチのみ操作すれば、メモリ２４に格納された運転開始時間に基づいてヒートポンプ給湯機２の制御を行うことができる。なお、出湯温度については、操作器１７の給湯入切スイッチを操作した時点（ヒートポンプ給湯機２が停止状態になる直前）の出湯温度調整値をマイコン２１により把握しておき、この出湯温度調整値にて運転開始するようにする。
【００３７】
また、ヒートポンプ給湯機２の運転停止中は、操作器１７の各スイッチは無効と説明したが、予約スイッチのみ有効とし、その他の出湯温度、給湯入切スイッチは操作無効、かつ液晶パネル２５を消灯としてもよい。この場合、ヒートポンプ給湯機２の停止中において、再度予約スイッチを押せば、ヒートポンプ給湯機２が運転状態（操作器１７の液晶パネル２５の点灯、各スイッチ操作有効とし、停止状態を解除）になる制御とする。
【００３８】
また、ヒートポンプ給湯機２の運転が開始され、タンク９内の湯水が設定温度に沸き上がると、運転を一時停止し、使用開始時刻に達した時点で再び運転状態となるように制御してもよい。これによれば、沸き上げ運転の待機時における消費電力を低減することができる。
【００３９】
次に、凍結防止手段１４について説明する。冬季に外気温度が低下すると、給水管１２及び給湯管１３が凍結する恐れがある。このため、給湯入切スイッチを操作してヒートポンプ給湯機２が停止状態となっても、マイコン２１が外気温度検出手段１の検出値を読み込めるようにし、外気温度が所定温度以下になると、凍結防止手段１４に通電を行って配管を加熱し、凍結を防止する制御を行うようにする。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態のヒートポンプ給湯機によれば、使用開始時刻を設定した後、運転を一時停止し、使用開始時刻の設定時間前になると、ヒートポンプ回路と循環回路の運転が開始され、タンク内の湯水の沸き上げが行われるため、継続的に沸き上げ運転を行わなくても、使用開始時刻においてタンク内の湯水を即使用することができる。これにより、タンク内の湯水の保温制御に係るエネルギ損失及び待機電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の全体構成図である。
【図２】図１の制御部における制御回路の一部を示すブロック図である。
【図３】図１の制御部における制御回路の一部とユーザが操作する操作器とを示すブロック図である
【図４】入力された運転開始時刻の前後における湯水の加熱動作などを模式的に示したタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１  外気温度検出手段
２  ヒートポンプ給湯機
３  蒸発器
４  ファン
５  圧縮器
７  水冷媒熱交換器
９  タンク
１１  タンク温度検出手段
１２  給水管
１３  給湯管
１４  凍結防止手段
１５  出湯温度検出手段
１６  制御部
１７  操作器
２０  循環ポンプ
２１  マイコン
２４  メモリ
２５  液晶パネル
２８  圧縮機駆動回路
３２  熱交温度検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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