(57)【要約】【課題】ヒートポンプ給湯装置において湯切れを無くし、給湯の使用パターンに関係なくエネルギー効率を向上させる。【解決手段】ヒートポンプ給湯装置１００は、ヒートポンプ冷媒回路９０と、このヒートポンプ冷媒回路で加熱された水を貯湯する貯湯タンク２１とを備える。そして、ヒートポンプ冷媒回路で発生した湯と貯湯タンクに貯えた湯とを、給湯端末１９，３５に供給可能である。ヒートポンプ冷媒回路は、冷媒と水とが熱交換する２個の水冷媒熱交換器２，３を有する。２個の水冷媒熱交換器の直列接続と並列接続を複数の開閉弁４０ａ〜４２ｂが、切り替え可能である。開閉弁は制御装置により制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプ冷媒回路と、このヒートポンプ冷媒回路で加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備え、ヒートポンプ冷媒回路で発生した湯と貯湯タンクに貯えた湯とを給湯端末に供給可能なヒートポンプ給湯装置において、前記ヒートポンプ冷媒回路は冷媒と水とが熱交換する２個の水冷媒熱交換器を有し、この２個の水冷媒熱交換器の直列接続と並列接続を切り替え可能にする複数の開閉弁とこの開閉弁を制御する制御装置とを有することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
このヒートポンプ給湯装置に接続される給湯端末での給湯使用を検出する流量検出手段を有し、前記制御装置は前記ヒートポンプ冷媒回路を制御可能であるとともに、前記流量検出手段が給湯端末の給湯使用を検出してから所定時間経過するまでは、前記貯湯タンクからだけ給湯するように前記ヒートポンプ冷媒回路を制御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装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記給湯端末が浴槽に接続されてこの浴槽に湯張りするときは、前記流量検出手段が給湯を検出したらすぐに前記ヒートポンプ冷媒回路を起動するように制御することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記ヒートポンプ冷媒回路を運転する前に前記複数の開閉弁を制御して前記２個の水冷媒熱交換器を並列接続することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記ヒートポンプ冷媒回路を運転して前記貯湯タンクに給湯するときは、前記２個の水冷媒熱交換器を直列接続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装置。
【請求項６】
圧縮機が圧縮した冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、前記水冷媒熱交換器が加熱したされた湯を貯える貯湯タンクと、前記水冷媒熱交換器と前記貯湯タンクへ水を供給する給水手段と、前記冷媒熱交換器と前記貯湯タンクから送られた湯水を供給する給湯手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、給湯を開始してから所定時間経過した後に、前記圧縮機を起動させる制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
前記給湯手段を複数有し、一方の給湯手段は風呂に接続されるものであり、他方の給湯手段は風呂以外のものに接続されるものであり、風呂に接続される給湯手段から給湯するときと風呂以外に接続される給湯手段から給湯するときとで、前記制御手段は前記圧縮機を起動させる時間を変更可能であることを特徴とする請求項６記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
圧縮機が圧縮した冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、前記水冷媒熱交換器で加熱された湯を貯える貯湯タンクと、前記水冷媒熱交換器と前記貯湯タンクへ水を供給する給水手段と、前記冷媒熱交換器と前記貯湯タンクから送られた湯水を供給する供給手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、前記水冷媒熱交換器の水流路と冷媒流路の少なくともいずれかを切替可能な手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項９】
前記水冷媒熱交換器の少なくとも水流路と冷媒流路のいずれかは、複数形成されており、この複数形成された流路の並列接続および直列接続を切替可能としたことを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１０】
前記貯湯タンクに加熱された水を貯える場合は、水冷媒熱交換器の複数形成された水流路と冷媒流路の少なくともいずれかを直列接続したことを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式の給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ給湯装置を大別すると、貯湯式ヒートポンプ給湯装置と瞬間式ヒートポンプ給湯装置になる。この中の貯湯式ヒートポンプ給湯装置の従来例では、加熱能力が4.5〜６ｋＷあり、深夜時間帯に安価な夜間電力を利用して６５〜９０℃の高温湯に沸上げ、貯湯タンクに３００〜４８０Ｌの湯を貯える。日中の給湯時には、貯湯タンクに貯えた高温湯に水を混合して使用する。このような貯湯式ヒートポンプ給湯装置の例が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
瞬間式ヒートポンプ給湯装置の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載のヒートポンプ給湯装置では、給水管から導入された水を水熱交換器で昇温してそのまま使用端末に給湯し、大型の貯湯タンクを不要としている。そして、ヒートポンプ回路の運転開始直後の圧力条件が安定するまでは、水を温めるのに十分な凝縮熱を発生させることができないので、立上がりの短時間だけ小型の給湯タンクに貯蔵した湯に水熱交換器からの水を混合して給湯している。
【０００４】
従来の瞬間式ヒートポンプ給湯装置の他の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載のヒートポンプ給湯装置は、応答性と安定性とを両立した給湯を可能とするため、ヒートポンプサイクルの放熱器の冷媒流路と熱交換する水流路を備えた熱交換器での所要加熱量を設定する負荷設定手段と、この負荷設定手段の設定値に応じて熱交換器の加熱量を制御する加熱制御手段を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１３４０７０号公報
【特許文献２】特開２００３−２７９１３３号公報
【特許文献３】特開２００３−２４０３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置では、予め加熱して貯湯した高温湯を使用するので、同一量の湯を消費するのであれば、給湯パターンによってエネルギー効率は変化しない。これは、エネルギー効率と給湯パターンが独立の関係にあるからである。その結果、手洗いのような細切れの給湯パターンでも、風呂湯張りのような連続給湯が長い給湯パターンでも、給湯のエネルギー効率は同じになる。貯湯タンクに貯えた高温湯を使い切る場合には、給湯開始から給湯停止までの時間の長さによらない、エネルギー効率を一定にする使い方が可能である。しかしながら、貯湯タンクの湯を使い切ると、加熱能力が小さいので、すぐには沸き上げることができず、湯切れという不具合が発生する。
【０００７】
これに対して特許文献２に記載の瞬間式ヒートポンプ装置では、例えば、貯湯式の約５倍の加熱能力を有するようにして、湯を使いたい時に必要な分だけ沸かすことが可能であり、さらに大形の貯湯タンクを必要とせずに小形省スペース化が可能になっている。しかも、ヒートポンプによる水加熱が設定温度に達したら、給湯タンクからの出湯を停止して、ヒートポンプだけから給湯しているので、連続して給湯が可能で、湯切れの心配がない。
【０００８】
しかしながら、この特許文献２に記載の瞬間式ヒートポンプ給湯装置では、ヒートポンプの立上り時に、圧縮機で加圧加熱された冷媒ガスが、圧縮機や水冷媒熱交換器を暖めるのにも費やされ、本来必要な給湯水への加熱量が減少する。その結果、ヒートポンプの消費電力に対する水加熱能力の割合であるＣＯＰ、いわゆるエネルギー効率が低くなる。ヒートポンプの立上り状態で運転を停止する細切れの給湯パターンでは、エネルギー効率が低下する。
【０００９】
また、特許文献３に記載の瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置においても、給湯開始直後は、圧縮機で圧縮され高温になった冷媒の熱が、圧縮機や水冷媒熱交換器にも伝熱して、圧縮機や水冷媒熱交換器を加温するのに費やされる。その結果、給湯開始直後のヒートポンプ給湯装置のＣＯＰが低下し、使用者が望む温度の湯を望む量だけ給湯することが困難になるおそれがある。
【００１０】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ給湯装置において、湯切れを防止するとともに湯の使用パターンに関係なく高いエネルギー効率を維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の特徴は、ヒートポンプ冷媒回路と、このヒートポンプ冷媒回路で加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備え、ヒートポンプ冷媒回路で発生した湯と貯湯タンクに貯えた湯とを給湯端末に供給可能なヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプ冷媒回路は冷媒と水とが熱交換する２個の水冷媒熱交換器を有し、この２個の水冷媒熱交換器の直列接続と並列接続を切り替え可能にする複数の開閉弁とこの開閉弁を制御する制御装置とを有することにある。
【００１２】
そしてこの特徴において、ヒートポンプ給湯装置に接続される給湯端末での給湯使用を検出する流量検出手段を有し、制御装置はヒートポンプ冷媒回路を制御可能であるとともに、流量検出手段が給湯端末の給湯使用を検出してから所定時間経過するまでは、貯湯タンクからだけ給湯するようにヒートポンプ冷媒回路を制御するのが望ましい。さらに、制御装置は、給湯端末が浴槽に接続されて浴槽に湯張りするときは、流量検出手段が給湯を検出したらすぐにヒートポンプ冷媒回路を起動するように制御することが望ましい。また上記特徴において、制御装置は、ヒートポンプ冷媒回路を運転する前に複数の開閉弁を制御して２個の水冷媒熱交換器を並列接続するのがよく、ヒートポンプ冷媒回路を運転して貯湯タンクに給湯するときは、２個の水冷媒熱交換器を直列接続することが望ましい。
【００１３】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、圧縮機が圧縮した冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、水冷媒熱交換器が加熱された湯を貯える貯湯タンクと、水冷媒熱交換器と貯湯タンクへ水を供給する給水手段と、冷媒熱交換器と貯湯タンクから送られた湯水を供給する給湯手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、給湯を開始してから所定時間経過した後に、圧縮機を起動させる制御手段を備えるものである。
【００１４】
そしてこの特徴において、給湯手段を複数有し、一方の給湯手段は風呂に接続されるものであり、他方の給湯手段は風呂以外のもに接続されるものであり、風呂に接続される給湯手段から給湯するときと風呂以外に接続される給湯手段から給湯するときとで、制御手段は圧縮機を起動させる時間を変更可能であることが望ましい。
【００１５】
上記目的を達成するさらに他の特徴は、圧縮機が圧縮した冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、水冷媒熱交換器で加熱された湯を貯える貯湯タンクと、水冷媒熱交換器と貯湯タンクへ水を供給する給水手段と、冷媒熱交換器と貯湯タンクから送られた湯水を供給する供給手段とを備えたヒートポンプ給湯装置において、水冷媒熱交換器の水流路と冷媒流路の少なくともいずれかを切替可能な手段を備えることにある。
【００１６】
そしてこの特徴において、水冷媒熱交換器の少なくとも水流路と冷媒流路のいずれかは、複数形成されており、この複数形成された流路の並列接続および直列接続を切替可能とするのがよく、前記貯湯タンクに加熱された水を貯える場合は、水冷媒熱交換器の複数形成された流路を直列接続するのがよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ヒートポンプ給湯装置が備える圧縮機の起動タイミングを調整したので、ヒートポンプ給湯装置の湯切れを防止できるとともに、湯の使用パターンに関係なくヒートポンプ給湯装置が高いエネルギー効率を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るヒートポンプ給湯装置の一実施例を、図面に基づいて説明する。図１および図２に、ヒートポンプ給湯装置１００の系統図を示す。ヒートポンプ給湯装置
１００は、大別してヒートポンプ冷媒回路９０および給水回路９１，給湯回路９２，風呂湯張り回路９３，風呂追焚き加熱回路９４，風呂追焚き吸熱回路９５，タンク沸き戻し回路９６を有している。ヒートポンプ冷媒回路９０の冷媒を二酸化炭素として、高温の湯を供給可能にしている。
【００１９】
次に各回路ごとにその構成を、以下に説明する。ヒートポンプ冷媒回路９０は、冷媒を圧縮して高温の冷媒とする圧縮機１、この圧縮機１で圧縮され高温となった冷媒と給湯のために供給された水（給水）とが熱交換する第１の水冷媒熱交換器２および第２の水冷媒熱交換器３、これらの水冷媒熱交換器２，３を出た冷媒を減圧する膨張弁４，膨張弁４を出た冷媒を蒸発させ低温低圧の冷媒とする蒸発器５を冷媒管路で接続して構成されている。圧縮機１は、インバータ制御により容量制御が可能になっており、低速（例えば1000
rpm）から高速（例えば６０００rpm）まで回転速度を可変である。蒸発器５は空気冷媒熱交換器であり、室外ファン６により室外の大量の空気と減圧された冷媒とを熱交換させる。
【００２０】
第１の水冷媒熱交換器２と第２の水冷媒熱交換器３は、冷媒側伝熱管２ａ，３ａと水側伝熱管２ｂ，３ｂとを有しており、冷媒側伝熱管２ａ，３ａの冷媒の流れと水側伝熱管
２ｂ，３ｂの水の流れとは対向流になっている。そして、高温高圧の冷媒と低温の水とが熱交換する。ここで、第１，第２の水冷媒熱交換器２，３の冷媒側伝熱管２ａ，３ａを直列接続するかまたは並列接続するかを切り替えるために、冷媒回路中であって第２の水冷媒熱交換器３の入口側には第１の冷媒側電磁弁４０ａが、第１の水冷媒熱交換器２の出口側には冷媒側電磁弁４１ａが配置されている。また、第１の水冷媒熱交換器のバイパス流路には、冷媒側逆止弁４２ａが配置されている。
【００２１】
より詳しくは、第１の水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａの入口側は、圧縮機１と冷媒配管で接続されている。さらに冷媒側伝熱管２ａの入口側は、第２の水冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａの入口側と第１の冷媒側電磁弁４０ａを介して接続されている。第２の水冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａの出口側は、膨張弁４と冷媒配管で接続されている。さらに冷媒側伝熱管３ａの出口側は、第１の水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａの出口側と第２の冷媒側電磁弁４１ａを介して接続されている。第１の水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａの出口側は、第２の水冷媒熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａの入口側と冷媒側逆止弁４２ａを介して接続されている。逆止弁４２ａは、冷媒側伝熱管２ａから冷媒側伝熱管３ａの方向にだけ冷媒が流れるように作用する。
【００２２】
第１，第２の水冷媒熱交換器２，３は水側伝熱管２ｂ，３ｂを有しており、この水側伝熱管２ｂ，３ｂを直列接続するのと並列接続するのを切替可能なように、第２の水冷媒熱交換器３の水側伝熱管３ｂの出口側には水側電磁弁４０ｂが配置されており、第１の水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂの入口側には第２の水側電磁弁４１ｂが配置されている。第２の水冷媒熱交換器２のバイパス流路には、逆止弁４２ｂが配置されている。
【００２３】
より詳細には、第２の水冷媒熱交換器３の水側伝熱管３ｂの入口側は、給水回路９１と水配管で接続されている。さらに水側伝熱管３ｂの入口側は、第１の水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂの入口側と第２の水側電磁弁４１ｂを介して接続されている。第１の水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂの出口側は、給湯回路９２と水配管で接続されている。さらに水側伝熱管２ｂの出口側は、第２の水冷媒熱交換器３の水側伝熱管３ｂの出口側と第１の水側電磁弁４０ｂを介して接続されている。第２の水冷媒熱交換器３の水側伝熱管
３ｂの出口側は、第１の水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂの入口側と水側逆止弁４２ｂを介して接続されている。逆止弁４２ｂは、水側伝熱管３ｂから水側伝熱管２ｂの方向にだけ水が流れるように作用する。
【００２４】
水冷媒熱交換器２，３を並列接続した場合には、水冷媒熱交換器２，３の入口で低温であった水が、水側伝熱管２ｂ，３ｂを通過する際に徐々に加熱され、水冷媒熱交換器２，３の出口で、後述する運転制御手段により設定された所定の温度に昇温される。水冷媒熱交換器２，３を直列接続した場合には、水冷媒熱交換器３の入口で低温であった水が水側伝熱管２ｂ，３ｂを通過する際に徐々に加熱され、水冷媒熱交換器２の出口で、運転制御手段により設定された所定の温度に昇温される。
【００２５】
給水回路９１は、外部から上水を取り込むための給水金具１１，取り込んだ上水を適正な水圧に調整する減圧弁１２，給水量を測定する給水流量センサ１３，給水がどれだけ水冷媒熱交換器２，３に流れているかを測定する水冷媒熱交換器流量センサ１５，水冷媒熱交換器２，３側から給水金具１１側へ水が逆流するのを防止するための逆止弁１４を有する。給水金具１１から水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂまでが水配管で接続されており、これらの部材がこの水配管に設けられている。
【００２６】
給湯回路９２は、水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂから装置外部の給湯配管に接続される給湯金具１９までの水管路と各部材とを含む。水冷媒熱交換器２，３から給湯金具１９の間には、水側伝熱管２ｂ，３ｂで加熱された湯水を貯える貯湯タンク２１と、水側伝熱管２ｂ，３ｂで加熱された湯水と貯湯タンク２１に溜められた湯水とを混合するのに用いる第１湯水混合弁１６と、第１湯水混合弁１６を通過した湯水に給水回路
９１から給水された水を混合するのに用いる第２湯水混合弁１７と、第２湯水混合弁１７を通過した湯水の流量を調整する流量調整弁１８とが配置されている。
【００２７】
第１湯水混合弁１６の一方の流入口は、貯湯タンク２１に接続されている。貯湯タンク２１は、タンク沸き戻し回路９６の水冷媒熱交換器２，３が予め加熱した湯を貯えるのに使用される。第１湯水混合弁１６は、運転制御手段の指令により、貯湯タンク２１に蓄えられた約６０〜９０℃の高温の湯を、水冷媒熱交換器２，３から供給された湯水と混合するのに用いられる。具体的には、第１湯水混合弁１６からは、水冷媒熱交換器２，３で加熱された湯水が所望の温度に昇温されるまで、運転制御手段で設定された所定の温度の湯水が流出される。
【００２８】
なお、使用者が望む温度や出湯量（給湯負荷）が、ヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力を超えているときには、水冷媒熱交換器２，３から供給される所望の温度に達していない湯水に貯湯タンク２１に貯えた高温の湯を常に混合する。そして、運転制御手段で設定された所定の温度の湯水を、使用者に供給する。
【００２９】
第２湯水混合弁１７の一方の流入口は水管路に接続されている。この水管路は、給水回路９１から分岐している。第２湯水混合弁１７では、運転制御手段の指令により第１湯水混合弁１６で混合された湯水と給水回路９１から分岐して供給される水が混合される。運転制御手段は、設定した所定の給湯温度（約３５〜６０℃程度）の湯を給湯金具１９を経て出湯端末へ出湯するために、第１湯水混合弁１６と第２湯水混合弁１７の開閉を制御する。
【００３０】
風呂湯張り回路９３は、給湯回路９２の流量調整弁１８と給湯金具１９を接続する管路から分岐しており、この分岐部１９ａから浴槽３６に湯水を供給するための入出湯金具
３５までを含んでいる。風呂湯張り回路９３の配管中には、注湯電磁弁３１およびフロースイッチ３２，風呂循環ポンプ３３，水位センサ３４が、順次配置されている。
【００３１】
注湯電磁弁３１は、分岐部１９ａから浴槽３６側に湯を導くのに用いられる。フロースイッチ３２は、風呂湯張り回路９３中の湯の流れを検出する。風呂循環ポンプ３３は、追焚き時に浴槽３６の湯水を、水冷媒熱交換器２に給水するのに用られる。水位センサ３４は、浴槽３６に注湯された湯水の水位を検出する。入出湯金具３５と浴槽３６に取り付けた風呂循環アダプタ３６ａとは、水管路で接続される。
【００３２】
風呂追焚き加熱回路９４は、浴槽３６の湯水を再加熱するための回路であり、風呂追焚き熱交換器２９を有している。風呂追焚き熱交換器２９の２次冷媒側伝熱管２９ａの出口側に接続された機内循環ポンプ２３が、水管路内の水を加圧して水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂに供給する。水側伝熱管２ｂ，３ｂでは、水を加熱する。加熱されて温度上昇した水（高温水）は、給湯回路９２から分岐した配管中に設けた追焚き電磁弁２７と逆止弁２８を通過する。ここで、風呂追焚き加熱回路９４が動作中は、追焚き電磁弁２７は開状態になっている。
【００３３】
逆止弁を経た後は、高温水は風呂追焚き熱交換器２９の２次冷媒側伝熱管２９ａに流入する。風呂追焚き熱交換器２９では、２次冷媒側伝熱管２９ａ内の高温水の流れと浴槽水側伝熱管２９ｂ内の湯水の流れとが対向流を形成している。浴槽水側伝熱管２９ｂ内の湯水と熱交換した高温水は温度低下して低温水になり、機内循環ポンプ２３に流入する。その後低温水は、給水回路９１の逆止弁１４の下流側に接続された水管路から水冷媒熱交換器２，３に戻される。以後、風呂追焚き運転を継続している間中、この風呂追焚き加熱回路９４を水が循環する。
【００３４】
風呂追焚き吸熱回路９５は、浴槽３６内の湯水を加温する回路であり、浴槽３６に設けた風呂循環アダプタ３６ａから浴槽水を、入出湯金具３５を通じて風呂追焚き熱交換器
２９に導く。浴槽３６から取り出された浴槽水は、水位センサ３４を経て、風呂循環ポンプ３３に導かれる。風呂循環ポンプ３３は、浴槽水を加圧してフロースイッチ３２を介して風呂追焚き熱交換器２９に供給する。ここで、風呂湯張り回路９３に設けた注湯電磁弁３１を閉状態にして、浴槽水を風呂追焚き熱交換器２９に導いている。浴槽水は、風呂追焚き熱交換器２９の浴槽水側伝熱管２９ｂを流通する際に加熱され、入出湯金具３７を介して風呂循環アダプタ３６ａに戻される。
【００３５】
タンク沸き戻し回路９６は、水冷媒熱交換器２，３で加熱した湯を貯湯タンク２１に導く回路である。タンク沸き戻し回路９６は、貯湯タンク２１とこの貯湯タンクに送湯するための機内循環ポンプ２３と、第１湯水混合弁１６とを含む。タンク沸き戻し回路９６を動作させるときは、風呂追焚き加熱回路９４が有する追焚き電磁弁２７を閉にする。第１湯水混合弁１６では、水冷媒熱交換器２，３側と貯湯タンク２１とを連通させる。第２湯水混合弁１７では、第１湯水混合弁１６と給水側とを遮断する。この状態で、機内循環ポンプ２３を運転して、貯湯タンク２１内の水を貯湯タンク２１の下部から水冷媒熱交換器２，３に供給する。水冷媒熱交換器２，３で、貯湯タンク２１に貯えられた湯を約６０〜９０℃に加熱し、第１湯水混合弁１６を経て貯湯タンク２１の上部に戻す。
【００３６】
なお、ヒートポンプ冷媒回路９０を立上げる時などは、ヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力が十分でない。そこで、水冷媒熱交換器２，３が所定の温度で水を加熱できるようになるまで、風呂追焚き加熱回路９４を用いて、予熱運転する。具体的には、追焚き電磁弁２７を開とし、第１湯水混合弁１６の水冷媒熱交換器２，３側と貯湯タンク２１とを遮断する。第２湯水混合弁１７の第１湯水混合弁１６と給水側とも遮断する。この状態で、機内循環ポンプ２３を運転し、水冷媒熱交換器２，３と風呂追焚き熱交換器２９との間を水が循環するようにする。
【００３７】
上記各回路を動作させるときの、図示しない制御装置を用いた切り替え動作について、以下に説明する。制御装置は、ヒートポンプ冷媒回路９０を運転／停止する。また、圧縮機１の回転速度や膨張弁４の開度を制御する。さらに、給湯回路の湯水混合弁１６，１７，流量調整弁１８等の水関係機器も制御する。
【００３８】
本実施例に示すヒートポンプ給湯装置１００は、ヒートポンプ冷媒回路９０の圧縮機１の吐出側に、圧縮機吐出圧力センサ５１を設けている。さらにヒートポンプ給湯装置100は、多数の温度センサを有している。
【００３９】
ヒートポンプ冷媒回路９０では、圧縮機１の吐出側に圧縮機吐出温度センサ５０が、蒸発器５の冷媒入口側には蒸発器冷媒入口温度センサ５２が、冷媒出口側には蒸発器冷媒出口温度センサ５３が、蒸発器５の近傍には外気温度センサ５４が、それぞれ設けられている。給水回路９１では、給水金具１１の近傍に給水温度センサ６０が、給水ライン中であって水冷媒熱交換器２，３の水入口側よりも上流に水冷媒熱交換器水入口温度センサ６１がそれぞれ設けられている。給湯回路９２では、水冷媒熱交換器２，３の水出口側よりも下流に水冷媒熱交換器水出口温度センサ６２が、第１湯水混合弁１６と第２湯水混合弁
１７の間の給湯ラインに混合温度センサ６３が、第２湯水混合弁１７の下流の給湯ラインに給湯温度センサ６４が、貯湯タンク２１では高さ方向に位置を変えて複数のタンク温度センサ６５ａ，６５ｂ，６５ｃがそれぞれ設けられている。
【００４０】
このように各種センサを配置したヒートポンプ給湯装置１００においては、宅内に配置した図示しないリモコンを使用者が使用して所望の給湯温度Ｔｗｓを設定すると、制御装置が所望の温度の湯を給湯設備から給湯できるように各弁等を制御する。つまり、制御装置は第２湯水混合弁１７の下流に設けた給湯温度センサ６４の目標温度を、設定給湯温度よりα０だけ高い温度（Ｔｗｓ＋α０）に設定する。第１湯水混合弁１６と第２湯水混合弁１７との間に設けた混合温度センサ６３の目標温度をこの温度よりもさらにα１だけ高い（Ｔｗｓ＋α０＋α１）に設定する。水冷媒熱交換器水出口温度センサ６２の目標温度はさらにα２だけ高い温度（Ｔｗｓ＋α０＋α１＋α２）に設定される。
【００４１】
本実施例では水管路での放熱を考慮して、給湯回路９２の上流になればなるほど、水冷媒熱交換器２，３に近ければ近いほど目標温度を高く設定している。外乱等により、水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂの出口温度や、第１湯水混合弁１６から流出した湯水の混合温度が多少変動しても、所望の給湯温度より若干高めに温度設定したので、第２湯水混合弁１７に流入する湯に混合する水の量を制御することにより、所望の温度に調整できる。その結果、温度変動の少ない給湯を実現できる。
【００４２】
タンク沸き戻し回路９６を動作させる運転では、水冷媒熱交換器水出口温度センサ６２の目標温度を、季節や湯の使用量などの条件にあわせて、６０〜９０℃の温度に設定される。
【００４３】
ヒートポンプ冷媒回路９０を動作させるときは、圧縮機１を回転速度制御する。水冷媒熱交換器２，３を含む冷媒循環系の熱容量が大きいので、圧縮機１の回転速度を変化させても、水冷媒熱交換器２，３の水出口温度はすぐには変化せず、この水出口温度の応答速度が遅い。そこで、水冷媒熱交換器２，３の水出口温度と関係する特性であって、応答速度の速い圧縮機１の吐出圧力を制御目標に定める。貯湯式ヒートポンプ給湯装置の場合には所望温度の湯を瞬時に供給できるが、瞬間式ヒートポンプ給湯装置ではヒートポンプ冷媒回路９０の立上がり特性に供給タイミングが左右される。そこで以下のようにして、立上がり特性を改善する。
【００４４】
圧縮機１の吐出圧力は、水冷媒熱交換器２，３の水出口温度が高ければ高いほど、高い。目標吐出圧力Ｐｄ０は、水冷媒熱交換器２，３の水出口温度目標値Ｔｗｈ（＝Ｔｗｓ＋α０＋α１＋α２）の関数で（式１）のように表される。
Ｐｄ０＝ｆ（Ｔｗｈ）                                        …（式１）
目標吐出圧力Ｐｄ０と実際の吐出圧力Ｐｄとの偏差ΔＥｐｄ（＝Ｐｄ０−Ｐｄ）が０となるように、圧縮機１の回転速度を制御する。その際、例えば、偏差ΔＥｐｄおよび（偏差ΔＥｐｄ−前回偏差ΔＥｐｄ）の関数として、圧縮機１の回転速度を増減する。
【００４５】
ヒートポンプ冷媒回路９０を流れる水流量が変化して、実際の吐出圧力Ｐｄが目標吐出圧力Ｐｄ０に到達していても、水冷媒熱交換器２の水出口温度が目標値からずれていることも予想されるので、水冷媒熱交換器２の水出口温度が目標値に近づくように、目標吐出圧力Ｐｄ０を随時補正する。
【００４６】
すなわち、圧縮機１を回転速度制御するときは、使用者の蛇口等の開度で所望の流量が決定され、リモコンから所望の給湯温度Ｔｗｓが設定され、これら設定温度および流量に基づいて水冷媒熱交換器２の水出口温度目標値Ｔｗｈが実現されるように制御する。膨張弁４の開度を過熱度制御する。すなわち、蒸発器５の冷媒出口温度と冷媒入口温度の温度差である過熱度が、所定値となるように膨張弁４の開度を制御する。
【００４７】
給湯回路９２を作動させる給湯運転時には、水冷媒熱交換器２，３の弁４０ａ〜４２ｂを、以下のように切り替える。図３に、水冷媒熱交換器２，３を並列接続して給湯運転する様子を示す。冷媒および水の流路を、太線で示す。給湯運転時には、第１冷媒側電磁弁４０ａおよび第２冷媒側電磁弁４１ａを開く。これら電磁弁４０ａ，４１ａが開かれると、冷媒管路内に冷媒の流れが生じ、冷媒の流れによる圧力降下が生じる。その結果、冷媒側逆止弁４２ａの電磁弁４１ａ側の圧力が、電磁弁４０ａ側の圧力より低くなる。逆止弁４２ａは閉じた状態であり、水冷媒熱交換器２，３の冷媒側伝熱管２ａ，３ａは、並列接続状態になる。
【００４８】
第１水側電磁弁４０ｂおよび第２水側電磁弁４１ｂを開く。これら電磁弁４０ｂ，41ｂを開くと、水側管路内に水の流れが生じ、水の流れによる圧力降下が生じる。その結果、水側逆止弁４２ｂの電磁弁４０ｂ側の圧力が電磁弁４１ｂ側の圧力より低くなる。逆止弁４２ｂは閉じた状態であり、水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂも並列接続状態になる。したがって、水冷媒熱交換器２，３の冷媒流路および水流路はともに、並列接続される。
【００４９】
ところで、６０℃で貯湯運転するときには、水側流量および冷媒側流量は、４２℃で給湯運転するときの約２分の１以下に設定されている。給湯運転後の貯湯運転のように、各電磁弁を動作させずに水冷媒熱交換器２，３の流路を変更していなければ、水側流量および冷媒側流量の低下に伴い、水側伝熱管２ｂ，３ｂおよび冷媒側伝熱管２ａ，３ａ内における水または冷媒の管内流速が低下する。その結果、水側熱伝達率および冷媒側熱伝達率も低下する。
【００５０】
この性能低下を回避するため、図４に示すように、貯湯運転時には水冷媒熱交換器２，３を、並列接続から直列接続に変更する。太線で冷媒および水の流路を示す。貯湯運転時、第１の冷媒側電磁弁４０ａ，第２の冷媒側電磁弁４１ａを閉じると、冷媒の流れによる圧力降下により、冷媒側逆止弁４２ａの電磁弁４０ａ側の圧力が電磁弁４１ａ側の圧力より低くなり、逆止弁４２ａは開いた状態となる。その結果、水冷媒熱交換器２，３の冷媒側伝熱管２ａ，３ａは、直列に接続された状態となる。
【００５１】
第１の水側電磁弁４０ｂ，第２の水側電磁弁４１ｂを閉じると、水の流れによる圧力降下により、水側逆止弁４２ｂの電磁弁４１ｂ側の圧力が電磁弁４０ｂ側の圧力より低くなり、逆止弁４２ｂは開いた状態となる。水冷媒熱交換器２，３の水側伝熱管２ｂ，３ｂは、直列に接続された状態となる。したがって、水冷媒熱交換器２，３は、冷媒および水流路とも直列に構成される。水冷媒熱交換器２，３を直列接続したので、水側伝熱管２ｂ，３ｂおよび冷媒側伝熱管２ａ，３ａにおける水または冷媒の管内流速が増加して、熱伝達率が向上する。
【００５２】
図５に、４２℃での給湯運転時と６０℃での貯湯運転時における、ヒートポンプ給湯装置１００の性能計算結果を表で示す。貯湯運転時に、水冷媒熱交換器２，３の流路を並列接続から直列接続に切り替えたので、熱伝達率が向上するとともに冷媒圧力が減少し、
ＣＯＰが約４％向上している。なお、直列接続すると圧力損失が増加するが、熱伝達率の向上による効果のほうが大きく、ヒートポンプ給湯装置１００の効率であるＣＯＰが向上している。
【００５３】
給湯金具１９や注湯電磁弁３１，浴槽金具３７等に接続された給湯端末からの湯の使用時間が数十秒程度と短い場合には、圧縮機１を起動しない。そして、給湯端末へは、貯湯タンク２１から湯を供給する。図６に、給湯端末を開閉したときに、ヒートポンプ冷媒回路９０がどのように運転／停止されるかをタイミングチャートで示す。
【００５４】
給湯金具１９に接続された図示しない蛇口が開栓されると、水道圧により給水金具１１から流入した上水が、減圧弁１２および給水流量センサ１３，逆止弁１４，水冷媒熱交換器流量センサ１５，水冷媒熱交換器２，３，第１湯水混合弁１６，第２湯水混合弁１７，流量調整弁１８，給湯金具１９を順次経て、蛇口から流出する。その際、この給湯ラインに設けた給水流量センサ１３が水流を検出してから、例えば３０秒間だけはヒートポンプ冷媒回路９０の圧縮機１を起動しない。給水流量センサ１３の検出時間の長さは、制御装置が備えるタイマで計測される。このタイマを給水流量センサ１３に設けてもよいことは言うまでも無い。
【００５５】
また、混合温度センサ６３の温度が目標温度（Ｔｗｓ＋α０＋α１）になるように、図示しない制御装置が第１湯水混合弁１６の開度を制御し、第１湯水混合弁１６で貯湯タンク２１の高温湯と水冷媒熱交換器２，３から流出した加熱されていない水とを混合する。そして、給湯温度センサ６４の温度が目標温度（Ｔｗｓ＋α０）になるように、下流の第２湯水混合弁１７で混合させる水量を、制御装置が制御する。第２湯水混合弁１７で湯水の混合量を調整されて、蛇口には適温の湯が供給される。
【００５６】
本実施例によれば、蛇口などの給湯端末の使用が３０秒以内であれば、圧縮機１を起動しない。タンク沸き戻し回路９６を用いた貯湯運転で作った貯湯タンク２１内の湯だけを使用する。したがって、水流が検出されれば圧縮機１を起動する従来の方法に比べて、圧縮機の使用時間が短くなるととともに頻繁な圧縮機１の起動／停止を防止できる。なお、貯湯タンク２１へは、給湯要求が無い時にヒートポンプ冷媒回路９０と機内循環ポンプ
２３を運転して、貯える。その際、貯湯タンク２１の水は、機内循環ポンプ２３および水冷媒熱交換器２，３、第１湯水混合弁１６の順に水経路を循環する。給湯端末の使用が
３０秒以内であれば、貯湯タンク２１内の湯だけが使用されるので、全体の給湯負荷のうち、貯湯運転の割合が大きくなる。本実施例によれば、水冷媒熱交換器２，３の流路を切り替えて使用するので、貯湯運転のエネルギー効率が向上する。
【００５７】
給湯端末から３０秒以上継続して湯を使用するときは、ヒートポンプ冷媒回路９０を作動させる。つまり、給水流量センサ１３が水流を検出してから３０秒経過したら、圧縮機１を起動する。ヒートポンプ冷媒回路９０が立上がるまでは、ヒートポンプ冷媒回路
９０から供給される湯水は制御装置が設定した所定の目標温度に達しない。そこで、水冷媒熱交換器２，３で加熱された湯水と、貯湯タンク２１に蓄えた、例えば、約６０℃の湯とを混合して、混合温度センサ６３が検出する温度が所定の目標温度となるように、第１湯水混合弁１６の開度を調整する。
【００５８】
圧縮機１を起動すると、時間が経過するにつれてヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力が徐々に増加する。その結果、第１湯水混合弁１６では水冷媒熱交換器２，３側の流量が徐々に増加し、貯湯タンク２１側の流量が徐々に減少する。使用者の所望の温度と出湯量が、ヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力以下であれば、水冷媒熱交換器２，３側の温度が所定の温度に到達したら、貯湯タンク２１側からの湯の供給を止め、ヒートポンプ冷媒回路９０側からだけ連続給湯する。
【００５９】
これに対して、使用者の所望の温度と出湯量が、ヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力を超えているときには、水冷媒熱交換器２，３から所定の温度に達していない湯水が供給され、この湯水に貯湯タンク２１に貯えた高温の湯を混合して、給湯端末に使用者の所望の温度と出湯量で給湯される。貯湯タンク２１に貯えられた高温湯が無くなったら、給湯温度をそのままにして、ヒートポンプ冷媒回路９０の加熱能力で供給可能な流量まで、流量調整弁１８が流量を絞る。この状態で、ヒートポンプ冷媒回路９０から給湯端末に連続給湯される。
【００６０】
給水流量センサ１３が、給湯端末が閉じられたことを検出して、貯湯タンク２１の温度センサ６５ａが検出した湯温が設定値に満たないときには、残湯量が少ないと判断して沸き戻し回路９６を用いて沸き戻し運転する。貯湯タンク２１の温度センサ６５ａが検出した湯温が設定値以上であれば、残湯量が多いと判断して圧縮機１を停止する。
【００６１】
本実施例では、給湯端末が開かれたことを給水流量センサ１３が検出して３０秒経過後に圧縮機１を起動させているが、使用者ごとに圧縮機の起動時間を変えてもよい。また、使用時間帯でこの時間を変えてもよい。さらに、学習制御を用いて使用者の給湯パターンを学習し、給湯時間の短い場合と長い場合を統計して、圧縮機の起動時間を決定してもよい。
【００６２】
本実施例に記載のヒートポンプ給湯装置１００は、風呂自動湯張り機能も有している。使用者が図示しないリモコンを用いて風呂温度を、たとえば４２℃に設定し、風呂自動湯張りボタンをＯＮにすると、風呂湯張り回路９３の注湯電磁弁３１が開く。このとき、水道圧により給水金具１１から流入した水が、減圧弁１２および給水流量センサ１３，逆止弁１４，水冷媒熱交換器流量センサ１５，水冷媒熱交換器２，第１湯水混合弁１６，第２湯水混合弁１７，流量調整弁１８，注湯電磁弁３１，フロースイッチ３２，風呂循環ポンプ３３，水位センサ３４，入出湯金具３５，風呂循環アダプタ３６ａを経て、加温されて浴槽３６へ供給される。この風呂自動湯張りにおいては、上水の給水を給水流量センサ
１３が検出するが、風呂自動湯張りボタンがＯＮになっているので、制御装置は給湯時間が長いと自動的に判断し、給水流量センサ１３が水流を検出してから３０秒経過しないうちに、ヒートポンプ冷媒回路９０の圧縮機１を起動する。
【００６３】
ここで、制御装置は給水流量センサ１３の流量が所定値となるように、流量調整弁１８の開度を制御する。ヒートポンプ冷媒回路９０が立上がるまでの湯水の温度は、制御装置に設定された所定の目標温度より低い。そこで、水冷媒熱交換器２で加熱された湯水と、貯湯タンク２１に貯えた約６０℃の湯を第１湯水混合弁１６で混合し、混合温度センサ６３が検出する温度が目標温度となるように、制御装置が第１湯水混合弁１６での混合量を制御する。なお、貯湯タンク２１の湯を再加熱もしくは貯湯することは、上記給湯端末からの給湯後と同様である。また制御回路は、ヒートポンプ冷媒回路９０の起動時に、給湯端末からの給湯と同様に、各弁を切り替え制御する。
【００６４】
浴槽３６の湯が所定の水位になったことを水位センサ３４が検出したら、制御装置は注湯電磁弁３１をＯＦＦにする。リモコンは風呂湯張りが完了したことを、メロディ等で知らせる。この時、貯湯タンク２１に取り付けた温度センサ６５ａの湯温が設定値未満であれば、残湯量が少ないと制御装置は判断し、沸き戻し回路９６を用いて沸き戻し運転する。温度センサ６５ａの湯温が設定値以上であれば、残湯量が多いと制御装置が判断し、圧縮機１を停止させる。
【００６５】
以上述べたように、本実施例によれば、給湯を開始して所定時間経過した後に圧縮機を起動できるようにしたので、短時間だけ給湯する場合にヒートポンプ冷媒回路を起動させる必要が無く、エネルギー効率の低い立上り運転の運転時間を低減できる。また、貯湯タンクから出湯が増加してタンク貯湯運転が増加しても、水冷媒熱交換器において並列接続と直列接続を切り替え可能にしたので、貯湯運転時には直列接続により、水冷媒熱交換器の効率を向上できる。したがって、ヒートポンプ給湯装置のエネルギー効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係るヒートポンプ給湯装置の一実施例の回路図である。
【図２】本発明に係るヒートポンプ給湯装置の一実施例の回路図である。
【図３】図１に示したヒートポンプ給湯装置の給湯運転を説明する図である。
【図４】図１に示したヒートポンプ給湯装置の給湯運転を説明する図である。
【図５】給湯温度を変化させたときのヒートポンプ給湯装置の性能の一例を示す表である。
【図６】給湯端末の開閉とヒートポンプの運転停止の関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…圧縮機、２，３…水冷媒熱交換器、４…膨張弁、５…蒸発器、１３…給水流量センサ、１５…水冷媒熱交換器流量センサ、１６…第１湯水混合弁、１７…第２湯水混合弁、１８…流量調整弁、２１…貯湯タンク、３１…注湯電磁弁、３６…浴槽、４０ａ，４１ａ…冷媒側電磁弁、４０ｂ，４１ｂ…水側電磁弁、４２ａ…冷媒側逆止弁、５０…水側逆止弁、５０…吐出温度センサ、５１…吐出圧力センサ、５２…蒸発器冷媒入口温度センサ、５３…蒸発器冷媒出口温度センサ、６１…水冷媒熱交換器水入口温度センサ、６２…水冷媒熱交換器水出口温度センサ、６３…混合温度センサ、６４…給湯温度センサ、１００…ヒートポンプ給湯装置。
【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】
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【図６】
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