(57)【要約】【課題】ヒートポンプ運転の成績係数を低下させることなく貯湯槽の湯水混合層の湯水を沸上げ、貯湯槽全体をほぼ均一の湯温にできるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。【解決手段】ヒートポンプユニット２７による貯湯槽７内水の沸上げ過程に生じる湯水混合層が貯湯槽７下部に移動したことを沸上検知手段が検知したら、この沸上検知信号により四方弁１７を逆転させてヒートポンプユニット２７を逆サイクルで運転し、貯湯槽７内下部の湯水混合層の熱を給水回路９を通じて温水用熱交換器３で熱交換させて回収し蒸発器６に保持させるとともに、この熱交換された後の冷水を三方弁を切り換えることで湯水出口回路２９及び出水回路１８を通じて湯水混合層に供給させるようにしたものである。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、四方弁、温水用熱交換器及び送風機を有する蒸発器等を順次直列接続する閉回路にて構成され冷媒が循環されるヒートポンプユニットと、貯湯槽最下部より循環ポンプを介して温水用熱交換器に至る給水回路と、前記温水用熱交換器から湯水出口回路を介して貯湯槽最上部に設けた出湯管に至る給湯回路と、前記湯水出口回路と前記給湯回路との接続部分に設けた三方弁と、この三方弁から分岐して貯湯槽下部に至る出水回路と、前記貯湯槽内の水の沸上がりを検知する沸上検知手段と、前記三方弁、前記循環ポンプ、前記圧縮機、前記四方弁、前記送風機等を制御する制御器を設けたヒートポンプ給湯装置において、前記ヒートポンプユニットによる貯湯槽内水の沸上げ過程に生じる湯水混合層が貯湯槽下部に移動したことを前記沸上検知手段が検知したら、この沸上検知信号により前記四方弁を逆転させてヒートポンプユニットを逆サイクルで運転し、貯湯槽内下部の湯水混合層の熱を前記給水回路を通じて前記温水用熱交換器で熱交換させて回収し前記蒸発器に保持させるとともに、前記熱交換された後の冷水を前記三方弁を切り換えることで前記湯水出口回路及び前記出水回路を通じて湯水混合層に供給させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
ヒートポンプユニットの逆サイクル運転時は、前記送風機を停止させることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
沸上検知手段は、貯湯槽水下部に設けた水温湯温検知器または、前記給水回路に設けた給水温度検知器であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ運転の成績係数を低下させることなく貯湯槽の湯水混合層の湯水を沸上げるヒートポンプ給湯装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、ヒートポンプ給湯装置は、例えば特開平５−２７２８１２号公報に記載されているように、圧縮機、四方弁、温水用熱交換器、逆止弁を並列に設けた絞り機構、蒸発器を環状の冷媒管路で結合して成るヒートポンプユニットと、貯湯槽下部よりポンプを介して温水用熱交換器に至る給水回路と、前記温水用熱交換器から貯湯槽最上部に設けた出湯管に至る給湯回路と、前記給湯回路中で出湯管との接続部近くに設けた三方弁と、この三方弁から分岐して貯湯槽下部に至る出水回路と、出湯管に流量検知器、給水回路に給水温度検知器、蒸発器に着霜検知器を設け、前記各検知器からの信号により三方弁を、ポンプ、四方弁を制御する制御器等により構成されている。
【０００３】
そして、この構成により、出湯時は流量検知器により、給湯回路と出水回路を連通させる如く三方弁を切り換え、凍結防止運転時は給水温度検知器により、ポンプを最小流量に制御するとともに出湯時と同様に三方弁を切り換え、除霜運転開始時には着霜検知器により四方弁および出湯時と同様に三方弁を切り換えることにより、出水回路で低温水を貯湯槽内下部へ導き、出湯時における出湯温度の低下防止と、凍結防止運転時及び除霜運転時における貯湯槽内の温水温度低下を防止するようにしている。
【０００４】
しかし、前記特開平５−２７２８１２号公報に記載されているヒートポンプ給湯装置は、貯湯槽内の水の沸上げ初期に図２（ａ）に示されるように、貯湯槽内には上から例えば８０℃と給水温度５℃の水との間に数１０リットルの湯水混合層が存在し、この湯水混合層の湯温は下部の５℃から上部の沸上げ温度近辺８０℃の湯温に分布する。そして、沸上運転が継続されると図２（ｂ）に示されるように貯湯槽内上部の湯水８０℃が増えて湯水混合層が下方に移動する。そして、給水温度検知器が沸上がりを検知する規定値になるまで沸上運転を継続すると、図２（ｃ）に示されるように湯水混合層が貯湯槽内最下部に移動され、この湯水混合層の湯水がヒートポンプユニットの温水用熱交換器に入り、最後には中温の例えば６０℃の湯水が温水用熱交換器に入ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ヒートポンプユニットの運転効率を示す成績係数（ＣＯＰ）は、消費電力に対して何倍の熱量を吸収したかで表わされるので、毎分１リットルの水温５℃の水を８０℃の湯に沸上げる場合、消費電力１５００Ｗとすると１分当たりの吸熱した熱量は湯水の温度差（８０−５）×水量１リットル×水の比重１×４２００ジュール（Ｊ）＝３１５０００ジュール（Ｊ）で、一方、この熱量を得るために使用した電力量は１５００Ｗ×６０秒＝９００００ジュール（Ｊ）となり、成績係数（ＣＯＰ）は吸熱した熱量÷電力量＝３１５０００Ｊ÷９００００Ｊ＝３．５であるが、沸上げ直前で中温６０℃が温水用熱交換器に入ると熱量＝（８０−６０）×１×１×４２００ジュール（Ｊ）で、消費電力１５００Ｗとすると成績係数（ＣＯＰ）＝８４０００ジュール（Ｊ）÷９００００ジュール（Ｊ）＝０．９３まで低下する。
【０００６】
このように、ヒートポンプユニットの温水用熱交換器に入る水温が上昇すると成績係数がどんどん低下し、湯水混合層を沸上げようとすると、沸上げまでの成績係数が低下する。また、ヒートポンプ運転では中温の例えば６０℃をさらに高温の例えば８０℃に沸上げようとすると、液バック状態ととなるため最高６０℃程度の湯が温水用熱交換器に入ってくるとヒートポンプ運転を停止しなければならず、貯湯槽の下部に約６０℃以下の湯水混合層が残ってしまい、貯湯槽全量を８０℃に沸上げることができない問題がある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ヒートポンプ運転の成績係数を低下させることなく貯湯槽の湯水混合層の湯水を沸上げ、貯湯槽全体をほぼ均一の湯温にできるヒートポンプ給湯装置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】
請求項１記載のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、四方弁、温水用熱交換器及び送風機を有する蒸発器等を順次直列接続する閉回路にて構成され冷媒が循環されるヒートポンプユニットと、貯湯槽最下部より循環ポンプを介して温水用熱交換器に至る給水回路と、前記温水用熱交換器から湯水出口回路を介して貯湯槽最上部に設けた出湯管に至る給湯回路と、前記湯水出口回路と前記給湯回路との接続部分に設けた三方弁と、この三方弁から分岐して貯湯槽下部に至る出水回路と、前記貯湯槽内の水の沸上がりを検知する沸上検知手段と、前記三方弁、前記循環ポンプ、前記圧縮機、前記四方弁、前記送風機等を制御する制御器を設けたヒートポンプ給湯装置において、前記ヒートポンプユニットによる貯湯槽内水の沸上げ過程に生じる湯水混合層が貯湯槽下部に移動したことを前記沸上検知手段が検知したら、この沸上検知信号により前記四方弁を逆転させてヒートポンプユニットを逆サイクルで運転し、貯湯槽内下部の湯水混合層の熱を前記給水回路を通じて前記温水用熱交換器で熱交換させて回収し前記蒸発器に保持させるとともに、前記熱交換された後の冷水を前記三方弁を切り換えることで前記湯水出口回路及び前記出水回路を通じて湯水混合層に供給させるようにしたものである。
【０００９】
そして、構成により、貯湯槽内下部の湯水混合層の湯水は、前記ヒートポンプユニットによる貯湯槽内水の沸上げ過程に生じる湯水混合層が貯湯槽下部に移動したことを前記沸上検知手段が検知したら、この沸上検知信号により前記四方弁を逆転させてヒートポンプユニットを逆サイクルで運転し、貯湯槽内下部の湯水混合層の熱を前記給水回路を通じて前記温水用熱交換器で熱交換させて回収し前記蒸発器に保持させるとともに、前記熱交換された後の冷水を前記湯水出口回路及び前記出水回路を通じて湯水混合層に供給させるようにしたため、ヒートポンプ運転の成績係数を低下させることなく湯水混合層を沸上げ、貯湯槽内全量の湯水をほぼ均一の湯温に沸上げることができる。
【００１０】
請求項２記載のヒートポンプ給湯装置は、請求項１記載のヒートポンプ給湯装置において、ヒートポンプユニットの逆サイクル運転時は、前記送風機を停止させるようにしたものである。
【００１１】
そして、この構成により、貯湯槽内下部の湯水混合層から回収した熱を蒸発器から放熱することなく保持させることができる。
【００１２】
請求項３記載のヒートポンプ給湯装置は、請求項１または請求項２記載のヒートポンプ給湯装置において、沸上検知手段は、貯湯槽下部に設けた水温湯温検知器または、前記給水回路に設けた給水温度検知器である。
【００１３】
そして、この構成により、沸上検知手段は、貯湯槽下部に設けた水温湯温検知器または、前記給水回路に設けた給水温度検知器を兼用でき経済的である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
【実施例】
図１示すように、ヒートポンプ給湯装置は、貯湯槽ユニット２８とヒートポンプユニット２７とを備えている。
【００１６】
貯湯槽ユニット２８は、貯湯槽７を備え、この貯湯槽７は先止押上式の給湯方式を採用しており、貯湯槽７の下部には減圧逆止弁３０を通じて水道水を給水する給水管２１と、貯湯槽７内の水を排水するための排水管２６と、上部には沸上げた温水を風呂場などに給湯する出湯管１０が接続されている。この出湯管１０の先に給水管２１の低温水と混合して希望の湯温とするミキシング装置２３を備え、このミキシング装置２３の先に出湯流量を検知するための流量検知器１９と出湯温度を検知するための出湯温度検知器２４と、この出湯温度検知器２４の先に湯を蛇口等に供給するための給湯管が接続されている。
【００１７】
また、貯湯槽７には、貯湯槽７下部から出てヒートポンプユニット２７内に配置される温水用熱交換器３に至る給水回路９が接続され、この給水回路９には貯湯槽７の下部の湯水を強制的に引き込んで貯湯槽７上部に循環させる循環ポンプ８と、給水温度検知器１３が設けられている。また、温水用熱交換器３から貯湯槽７の下部に設けた三方弁１７に至る湯水出口回路２９が設けられ、この湯水出口回路２９には給湯温度検知器１２が設けられている。また、三方弁１７から貯湯槽７最上部に設けた出湯管１０に至る給湯回路１１と、三方弁１７から分岐して貯湯槽７下部に至る出水回路１８とが設けられている。
【００１８】
また、貯湯槽７の側面には、上部側から順に貯湯槽７内での例えば６０Ｌ、１２０Ｌ、１８０Ｌの各残湯量に対応した高さ位置に貯湯槽７内の湯水温度を検知して残湯量を検知する残湯検知器２５と、下部側に貯湯槽７内への給水温度および全量沸上時の温水温度を検知する水温湯温検知器３１がそれぞれ配設されている。
【００１９】
ヒートポンプユニット２７は、冷媒が充填された冷媒回路を有し、この冷媒回路には、圧縮機１、四方弁２、凝縮器として機能する温水用熱交換器３、減圧のための膨張弁５、蒸発器６、気液分離器２２が順に接続されている。蒸発器６には、着霜検知器１４、吸熱を促進させるための送風ファンと送風モータから成る送風機１５が設けられている。
【００２０】
２０は、制御器で、この制御器２０は、貯湯槽７最下部の水温湯温検知器３１あるいは温水用熱交換器３に入る給水温度検知器１３が沸上温度を検知して、この検知信号が制御器２０に入力されると、四方弁２を逆転させヒートポンプユニット２７を逆サイクルで運転するとともに、三方弁１７を切り換えることで貯湯槽７内下部の湯水混合層に出水回路１８を通じて冷水を供給させる。また、ヒートポンプユニット２７停止中に給水温度検知器１３で凍結防止運転を必要と検知すると、この検知信号が制御器２０に入力され循環ポンプ８を最適な流量に制御して運転するとともに、湯水出口回路２９と出水回路１８を連通させる如く三方弁１７を切り換える。また、ヒートポンプユニット２７の運転による着霜検知器１４作動時は除霜運転を必要と検知すると、この検知信号が制御器２０に入力され凍結防止運転時と同様に、循環ポンプ８を最適な流量に制御して運転し、湯水出口回路２９と出水回路１８を連通する如く三方弁１７を切り換えるとともに、四方弁２を切り換えヒートポンプユニット２７を逆サイクル運転する。
【００２１】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２２】
先ず、図１乃至図４により貯湯槽７内の水を沸上げる作用について説明する。
【００２３】
給水管２１から貯湯槽７内に水道水が貯溜される。そして、制御装置２０により圧縮機１が駆動される。これにより冷媒は実線矢印で示すように流れる。すなわち、圧縮機１で圧縮された高温高圧のガス冷媒が四方弁２を通り温水用熱交換器３に入る。温水用熱交換器３内のガス冷媒は貯湯槽７より給水回路９を通り循環ポンプ８で送られた水と熱交換し、水に熱を与えて凝縮し液冷媒となる。その後、膨張弁５に入り減圧されて低温低圧の液冷媒の状態で蒸発器６に入り、蒸発器６の送風機１５で吸収された外気より大気熱を吸熱、気化して低温低圧のガス冷媒となり、気液分離器２２を通り再び圧縮機１に入る。以後、このサイクルが繰り返される。
【００２４】
一方、制御器２０により循環ポンプ８が駆動される。これにより温水は図１実線矢印で示すように流れる。すなわち、貯湯槽７の最下部から給水回路９を通り循環ポンプ８で温水用熱交換器３へ水を送り、高温高圧のガス冷媒と熱交換して温水化する。この温水は給水回路９、温水用熱交換器３、湯水出口回路２９を通り貯湯槽７下部に設けた三方弁１７に至る。さらに温水は、三方弁１７から給湯回路１１を通り貯湯槽７の最上部に設けた出湯管１０を通り貯湯槽７の上部へ流入し、貯湯槽７上部から順次積層貯湯されていく。
【００２５】
そして、このように貯湯槽７上部から順次積層貯湯される温水は、その沸上げ過程において、従来技術の項で述べたように、まず、図２（ａ）に示されるように、貯湯槽７内には上から例えば８０℃の湯温と給水温度５℃の水との間に数１０リットルの湯水混合層が貯湯槽７上部に存在する。次に沸上運転が継続されると図２（ｂ）に示されるように貯湯槽内上部の温水８０℃が増えて湯水混合層が下方に移動し、最下部にわずかな給水温度５℃の水が残った状態となる。次に、さらに沸上運転が継続されると貯湯槽７上部の８０℃の温水の部分が増えて湯水混合層がさらに下部に移動し、図２（ｃ）示されるように最下部が湯水混合層のみとなる。そして、水温湯温検知器３１または給水温度検知器１３が規定値になるまで沸上運転を継続すると湯水混合層が温水用熱交換器３に入り、最後には中温の湯水約６０℃のが入ることになる。そして、この湯水約６０℃が温水用熱交換器３に入るとヒートポンプユニットの運転による成績係数が低下するとともに、貯湯槽７下部に約６０℃以下の湯水混合層が残ってしまう。
【００２６】
そこで、本願は図３（ａ）に示されるように貯湯槽７下部に湯水混合層が移動し、まだ給水温度近くの水温例えば５℃の水が残った状態で除霜運転と同様四方弁２を逆転させヒートポンプユニット２７を逆サイクルで定期的に運転を行い三方弁１７を切り換えることにより湯水混合層に冷水を供給して貯湯槽７下部の水温を下げることと、湯水混合層から回収した熱を蒸発器６に送って送風機１５を停止することで熱を蒸発器６から放熱しないように保持し、次の沸上げサイクルでその熱を回収することで成績係数を高く維持したまま貯湯槽７内全体を沸上げる。
【００２７】
すなわち、水温湯温検知器３１または給水温度検知器１３が図３（ａ）に示されるよう湯水混合層が貯湯槽７下部に移動したことを検知すると、制御器２０からの信号により三方弁１７が給湯回路１１から出水回路１８に切り換えられるとともに四方弁２が逆転する。そして、ヒートポンプユニット２７を除霜運転時同様に逆サイクルで運転する。一方、循環ポンプ８が駆動され図３（ｂ）に示されるように貯湯槽７下部の水が循環ポンプ８の駆動により給水回路９に引き込まれ温水用熱交換器３で熱交換され、この熱交換されて冷えた水が湯水混合層に入り、湯水混合層と混じり湯水混合層の湯温が低下する。この時、送風機１５は停止され、温水用熱交換器３で熱交換された熱は蒸発器６に保持される。次に四方弁２が再逆転するとともに、三方弁１７が切り換り出水回路１８が湯水出口回路２９から切り離されるとともに湯水出口回路２９と給湯回路１１とが接続される。そして、ヒートポンプユニット２７の運転により貯湯槽７下部の水が沸上げられ図３（ｃ）に示されるに出湯管１０から貯湯槽７上部に貯湯される。以後、図４に示されるタイムチャートに示されるように沸き上げ運転Ｔ１と逆サイクル運転Ｔ２とが定期的に交互に繰り返され、湯水混合層の湯水は図３（ｄ）（ｅ）に示されるように給水温度近くの水温まで下げられる。そして、水温湯温検知器３１または給水温度検知器１３が規定値になるまで沸上運転が継続され最後には（ｆ）の如く貯湯槽７全体が湯となる。なお、外気温の低い時期には湯水混合層の沸上げを行いながら蒸発器６に付着した霜の除霜運転の効果も得られる。
【００２８】
そして、このようにして沸上げられた貯湯槽７内の温水は、制御装置２０によりミキシングバルブ２３の設定温度で設定し蛇口を開いて出湯管１０の湯水と給水管２１から分岐した給水管の水道水とを混合して例えば風呂場に給湯される。
【００２９】
また、外気温度の低い季節は、給水温度検知器１３または着霜検知器１４の各検知器が検知し、この検知信号に基づき三方弁１７を切り換えて湯水出口回路２９と出水回路１８を接続し、循環ポンプ８のみを駆動しての凍結防止運転を行ったり、循環ポンプ８を駆動するとともにヒートポンプユニット２７を逆サイクル運転して蒸発器６に付着した霜の除霜運転が行われる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１記載のヒートポンプ給湯装置によれば、ヒートポンプユニットによる貯湯槽内水の沸上げ過程に生じる湯水混合層が貯湯槽下部に移動したことを沸上検知手段が検知したら、この沸上検知信号により四方弁を逆転させてヒートポンプユニットを逆サイクルで運転し、貯湯槽内下部の湯水混合層の熱を給水回路を通じて温水用熱交換器で熱交換させて回収し蒸発器に保持させるとともに、前記熱交換された後の冷水を三方弁を切り換えることで湯水出口回路及び出水回路を通じて湯水混合層に供給させるようにしたため、ヒートポンプ運転の成績係数を低下させることなく湯水混合層を沸上げ、貯湯槽内全量の湯水をほぼ均一の湯温に沸上げることができる。
【００３１】
請求項２記載のヒートポンプ給湯装置によれば、ヒートポンプユニットの逆サイクル運転時は、前記送風機を停止させるようにしたため、貯湯槽内下部の湯水混合層から回収した熱を蒸発器から放熱することなく保持させることができる。
【００３２】
請求項３記載のヒートポンプ給湯装置によれば、沸上検知手段は、貯湯槽水下部に設けた水温湯温検知器または、前記給水回路に設けた給水温度検知器を兼用でき経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。
【図２】同上、貯湯層内の水の沸上げによる湯水混合層の移動状態を説明する説明図である。
【図３】同上、湯水混合層の沸上げ過程を説明する説明図である。
【図４】同上、湯水混合層の沸上げ過程を説明するタイムチャート図である。
【符号の説明】
１　　圧縮機
２　　四方弁
３　　温水用熱交換器
５　　絞り機構
６　　蒸発器
７　　貯湯槽
８　　循環ポンプ
９　　給水回路
１０　　出湯管
１１　　給湯回路
１２　　給湯温度検知器
１３　　給水温度検知器
１４　　着霜検知器
１５　　送風機
１７　　三方弁
１８　　出水回路
１９　　流量検知器
２０　　制御器
２２　　気液分離器
２４　　出湯温度検知器
２５　　残湯検知器
２７　　ヒートポンプユニット
２８　　貯湯ユニット
２９　　湯水出口回路
３１　　水温湯温検知器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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