(57)【要約】【課題】急激な使用状態の変化があっても制御対応可能で、加熱能力を大幅に大能力化しなくても良い瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】冷媒流路２８と水流路２９で熱交換する熱交換器２４の、水流路２９に直接水道水を通水し、この水路から出湯される湯を使うヒートポンプ給湯装置であって、熱交換器２４の水流路２９を含む前後の経路の水を加熱する加温手段３７と、給水管３０から分岐して給湯回路３４に繋がる混合用水管５７を有する構成とし、制御性が良く、目標温度や給湯端末での使用状態の急変があっても素早く対応できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と放熱器である熱交換器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒流路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される温水供給側経路の少なくとも一箇所の水に熱量を加えるように設けた加温手段と、前記給水管から分岐して前記水流路と前記加温手段のどちらも通らずに給湯回路に繋がる混合用水管とを備えたヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
加温手段は、温水供給側経路の給水管と熱交換器と給湯回路の何れかに並列に接続した蓄熱手段であり、前記温水供給側経路の何れかの流水と前記蓄熱手段により熱量を加えられる水とを混合する混合手段とを備えた請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
蓄熱手段は、蓄熱温度を給湯温度より高温にした請求項２記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
蓄熱手段は、水を貯留する貯留タンクとした請求項２または３記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
熱交換器での所要加熱量を設定する負荷設定手段と、前記負荷設定手段の設定値に応じて前記熱交換器の加熱量を制御する加熱制御手段とを備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
給水管の給水温度を検出する水温検知手段と給湯回路の流量を検出する流量検知手段のうち少なくとも１つと、給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設け、負荷設定手段は前記水温検知手段と温度設定手段と流量検知手段の値から所要加熱量を算定する請求項５記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
加熱制御手段は、圧縮機の回転数、減圧手段の冷媒流路抵抗、吸熱器の吸熱量のうち少なくとも１つを制御する請求項５または６記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
混合用水管は、流れる水流量を調節する流量調節手段を備えた請求項１〜７のいずれか１項記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項９】
給湯回路に設けて湯の温度を検出する給湯温検知手段と、給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設け、前記給湯温検知手段の検出温度と前記目標温度との偏差によって流量調節手段を制御する請求項８記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１０】
熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する環状水路と、外力により環状水路に循環水流を生じさせその流量を調節できる水流手段とを備え、水流手段を駆動して熱交換器の水流路に通水し冷媒循環回路を運転して蓄熱手段の蓄熱温度を所定温度に保つ請求項２〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１１】
混合用水管は、水の流通を阻止する閉止手段を備えた請求項１〜１０のいずれか１項記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１２】
給湯回路内の水の流量を検知する給湯流量検知手段と、温水供給側経路を流れる水の流量を検知する冷媒回路側流量検知手段と、加温手段により熱量を加えられる水の流量を検知する加温流量検知手段と、混合用水管の水の流量を検知する給湯流量検知手段と、給水管のいずれかの位置に設けた給水流量検知手段のうち少なくとも１つを備え、その検知値によって、混合手段と冷媒循環回路と流量調節手段のうち少なくとも１つを制御する請求項１〜１１のいずれか１項記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１３】
冷媒循環回路は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱する請求項１〜１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献１に記載されているような給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図４に示すように、閉回路に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱器５が接続された冷媒循環回路７と、放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器２４と、この水流路９に水道水を供給する給水管１１と、前記水流路９とシャワーや蛇口等の給湯端末１２とを接続する給湯回路１３と、給湯回路１３に設け給湯温度を検出する温度センサ１４と、圧縮機２の回転数を制御するインバータ１５を備え、圧縮機２を温度センサ１４の検出温度と設定温度との差に応じてインバータ１５の出力周波数を変換するようにしていた。すなわち従来の給湯装置では設定温度に対して給湯温度が低い場合は圧縮機２の回転数を上げ、給湯温度が高い場合は回転数を下げるように制御するようにしていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２２３７６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような瞬間湯沸し型では給湯時における給湯負荷が一定ではない。特に流量は使用者が給湯目的によってさまざまに変化させるために給湯負荷は大きく変ってしまう。例えば家庭用の給湯の場合、シャワーや風呂への湯張りに給湯する場合は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎの大流量となるが、台所で食器を洗う場合や洗面への給湯では３〜５Ｌ／ｍｉｎと少流量である。また、季節による給水温度の変化によっても給湯負荷は大きく変る。
【０００５】
こうした流量や水温の変化により大きくかわる給湯負荷を、従来のヒートポンプ給湯装置のように単一の熱交換器や吸熱器に対して単一の圧縮機の回転数を変えるだけで給湯熱量を制御しようとした場合に、まずシャワー等の大流量の給湯負荷に対応するために大型の圧縮機に大型の熱交換器や吸熱器が必用になる。しかし、こうした大型の装置では温度や圧力の立ち上がりが遅く、さらに小さな給湯負荷に対して能力を低くしようとする場合に限界があり、こうした低負荷に対応しにくくなる不都合が生じてくる。
【０００６】
このように、従来のヒートポンプ給湯装置では、大型の装置で単一の圧縮機の回転数を変えるだけの制御では能力変更幅に限界があり、例えば冬場のシャワーと風呂の湯張りの同時使用といった大能力から、夏場の食器洗いなどの微小能力までの幅広い給湯能力をカバーできなかった。そのためシャワー温度が低下したり、食器洗いで熱い湯がでたりするなどの不都合がでる可能性があった。
【０００７】
こうした流量や水温の変化により大きくかわる給湯負荷を、従来のヒートポンプ給湯装置のように給湯温度と設定温度の差だけで圧縮機の回転数を変えて給湯熱量を制御しようとした場合に制御の応答性と安定性に不都合が生じてくる。例えば制御の安定性を良くするために給湯温度と設定温度との温度差と圧縮機の回転数の係数である制御ゲインを低くすると、温度差の変化量に対する回転数の変化量が少なくなるので給湯温度変化が緩やかになり、設定温度に達するのに時間がかかったり、オフセットにより流量や水温の違いによって給湯温度の安定値が設定温度にならず変化したりする。逆に制御ゲインを上げると給湯負荷の大きな大流量では、圧縮機の回転数の変化に対する給湯温度の変化が少ないので安定に制御できても、圧縮機の回転数の変化に対する給湯温度の変化が急峻になる小流量での給湯では、圧縮機の回転数の制御の変化が急峻になり給湯温度が安定しないばかりか、給湯温度と回転数の変化の位相のずれによりハンチングを起こして制御が発散する可能性もあった。
【０００８】
さらに、従来のヒートポンプ給湯装置のように単一の圧縮機の回転数を変えるだけの制御では能力変更幅に限界があり、例えば冬場のシャワーと風呂の湯張りの同時使用といった大能力から、夏場の食器洗いなどの微小能力までの幅広い給湯能力をカバーできなかった。そのためシャワー温度が低下したり、食器洗いで熱い湯がでたりするなどの不都合がでる可能性があった。
【０００９】
また、気温や水温や給湯負荷により冷媒循環回路の運転条件が変ると、運転効率も変化するが、従来のヒートポンプ給湯装置では給湯温度に応じて圧縮機の回転数を変えるだけなので、運転効率は成り行きとなり、加熱効率の悪い条件でもそのまま運転されていた。したがって条件によっては極端に効率が悪化し、能力が発揮できなくなるばかりでなく、ランニングコストも高いものなる可能性もあった。
【００１０】
以上のように従来のヒートポンプ給湯装置では給湯負荷の大小に関わりなく一律に加熱制御を行うために幅広い給湯負荷への対応が困難であったり、制御の応答性と安定性を両立させることができなかったり、効率が悪化するなどの問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、広い能力幅を有し、制御性と効率のよい給湯が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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、熱交換器内の熱交換を行う冷媒流路と水流路と、水流路に水道水を供給する給水管と、水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、給水管と水流路と給湯回路の少なくとも一箇所の水に熱量を加えるように設けた加温手段と、給水管から分岐して水流路と加温手段のどちらも通らずに給湯回路に繋がる混合用水管とを備えたものである。
【００１３】
上記発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に加温手段で熱量を加える、すなわち加熱するもので、熱交換器での加熱量が不足していても不足分を補って加熱できるので、熱交換器での加熱能力を大幅に大能力化しなくても良い。また、熱交換器による出湯温度制御に加温手段が直接影響しないので制御性が良く、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。さらに、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても、給湯回路の湯に水を混合することで制御応答遅れを相殺し、温度を下げる方向にも素早く制御することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と放熱器である熱交換器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記熱交換器の冷媒流路と熱交換を行う前記熱交換器内の水流路と、前記水流路に水道水を供給する給水管と、前記水流路から給湯端末へと通水するように接続する給湯回路と、前記給水管と水流路と給湯回路とで構成される温水供給側経路の少なくとも一箇所の水に熱量を加えるように設けた加温手段と、前記給水管から分岐して前記水流路と前記加温手段のどちらも通らずに給湯回路に繋がる混合用水管とを備えたものである。
【００１５】
この発明によれば、水道水を熱交換器で加熱するのとは別に加温手段で熱量を加える、すなわち加熱するもので、熱交換器での加熱量が不足していても不足分を補って加熱できるので、熱交換器での加熱能力を大幅に大能力化しなくても良い。また、熱交換器による出湯温度制御に加温手段が直接影響しないので制御性が良く、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器で行うため高効率な熱交換が可能である。さらに、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても、給湯回路の湯に水を混合することで制御応答遅れを相殺し、温度を下げる方向にも素早く制御することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１に記載の加温手段は、温水供給側経路の給水管と熱交換器と給湯回路の何れかに並列に接続した蓄熱手段であり、前記温水供給側経路の何れかの流水と前記蓄熱手段により加熱される水とを混合する混合手段とを備えたものである。
【００１７】
この発明によれば、蓄熱手段の熱により給水管と熱交換器と給湯回路の何れかの水を加熱する熱量を、蓄熱手段側の流量を変えることにより自由に設定でき、蓄熱手段側の流量を小さくすることで蓄熱サイズを小さくすることもできる。また、蓄熱手段からの湯が給水管と熱交換器と給湯回路の何れかの水と所定の割合で混合加熱できるので、目標温度や給湯端末での使用状態の急変があっても素早く対応し、所定の出湯温度が直ちに得られる。
【００１８】
請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２記載の蓄熱手段を、蓄熱温度を給湯温度より高温にしたものである。
【００１９】
この発明によれば、蓄熱手段の湯温を給湯温度より高くすることにより、蓄熱密度を上げることで蓄熱サイズを小さくするもので、設置スペースや重量を少なくすることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２または３記載の蓄熱手段を水を貯留する貯留タンクとしたものである。
【００２１】
この発明によれば、給湯に使用する水を蓄熱手段として用いることにより、流通時は水を抜けば軽量にできる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも安全である。
【００２２】
請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、熱交換器での所要加熱量を設定する負荷設定手段と、前記負荷設定手段の設定値に応じて前記熱交換器の加熱量を制御する加熱制御手段とを備えた請求項１〜４のいずれか１項記載のものである。
【００２３】
この発明によれば、ここで、負荷設定手段で設定する所要加熱量は、給湯負荷に対応した熱交換器での必要な熱交換熱量である。そして加熱制御手段がこの所要熱量に応じて熱交換器の加熱量を制御するので、目標温度や給湯端末での使用状態の急変があっても素早く対応し、過不足のない給湯制御ができる。
【００２４】
請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給水管の給水温度を検出する水温検知手段と給湯回路の流量を検出する流量検知手段のうち少なくとも１つと、給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設け、負荷設定手段は前記水温検知手段と温度設定手段と流量検知手段の値から所要加熱量を算定する請求項５記載のものである。
【００２５】
この発明によれば、給湯負荷は流量に比例するので、ここで推定する所要加熱量は、給湯負荷に相関がある。したがって流量変化によって給湯負荷が急変しても、給湯負荷の変化に応じて素早く対応する加熱制御が可能である。また、水温検知手段と温度設定手段と流量検知手段の値から所要加熱量を算定することにより、正確な給湯負荷が所要加熱量として設定できる。
【００２６】
請求項７に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項５または６記載の加熱制御手段は、圧縮機の回転数、減圧手段の冷媒流路抵抗、吸熱器の吸熱量のうち少なくとも１つを制御するものである。
【００２７】
この発明によれば、予め、圧縮機の回転数、減圧手段の冷媒流路抵抗、大気熱から吸熱器に吸熱させる送風機風量のそれぞれと熱交換器での加熱量の関係を定め、設定された所要加熱量になるように圧縮機の回転数、減圧手段の減圧度、送風機の回転数を制御することで所要加熱量が得られる。
【００２８】
請求項８に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜７のいずれか１項記載の混合用水管は、流れる水流量を調節する流量調節手段を備えたものである。
【００２９】
この発明によれば、給湯回路の湯に水を流量調節して混合することで、目標温度や給湯端末での使用状態の急変があっても、素早くかつ精度良く対応することができる。
【００３０】
請求項９に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯回路に設けて湯の温度を検出する給湯温検知手段と、給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設け、前記給湯温検知手段の検出温度と前記目標温度との偏差によって流量調節手段を制御する請求項８記載のものである。
【００３１】
この発明によれば、検出温度と目標温度との偏差によるフィードバック制御を用いて流量調節手段を制御することでより精度の高い温度制御を行うことが可能となる。また最終的に流量調節手段により温度制御を行うため、給湯負荷が冷媒循環回路の加熱能力を超える場合は特に、混合手段による温度制御の精度が粗くても問題が生じず、混合手段の制御が比較的容易になる。
【００３２】
請求項１０に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する環状水路と、外力により環状水路に循環水流を生じさせその流量を調節できる水流手段とを備え、水流手段を駆動して熱交換器の水流路に通水し冷媒循環回路を運転して蓄熱手段の蓄熱温度を所定温度に保つ請求項２〜９のいずれか１項記載のものである。
【００３３】
この発明によれば、水流手段により強制的に水流を生じさせるので流量を多くして保温時の加熱量を大きくでき、蓄熱手段が冷えたときでも短時間で所定温度に戻すことができる。また、流量調節も可能なので保温加熱時の温度制御性が良く、環状水路の熱が熱交換器を暖めるので冷媒循環回路の立ち上がりも早い。さらに、水循環路の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率が良く、また保温時にヒートポンプが駆動するので、冷媒循環回路自体の立上りも一層早くなる。
【００３４】
請求項１１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜１０のいずれか１項記載の混合用水管は、水の流通を阻止する閉止手段を備えたものである。
【００３５】
この発明によれば、混合用水管からの水道水がむやみに混合されて冷媒循環回路や加温手段の加熱量を消費することを防止し、熱交換器や加温手段での加熱能力や加熱容量を小さくすることができる。また、冷媒循環回路を運転して環状水路に繋がる蓄熱手段を保温する構成において、水流手段を運転すると一部または全部の水流が温水供給側経路を通らずに混合用水管へバイパスして蓄熱手段へと循環することを防ぐことができる。
【００３６】
請求項１２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯回路内の水の流量を検知する給湯流量検知手段と、温水供給側経路を流れる水の流量を検知する冷媒回路側流量検知手段と、加温手段により加熱される水の流量を検知する加温流量検知手段と、混合用水管の水の流量を検知する給湯流量検知手段と、給水管のいずれかの位置に設けた給水流量検知手段のうち少なくとも１つを備え、その検知値によって、混合手段と冷媒循環回路と流量調節手段のうち少なくとも１つを制御する請求項１〜１１のいずれか１項記載のものである。
【００３７】
この発明によれば、例えばシャワー室と台所とでお湯を使用している状態から、台所のみで使用するように流量が急に変化した場合でも、混合手段と冷媒循環回路と流量調節手段のうち少なくとも１つを制御することで素早い対応が可能となる。
【００３８】
請求項１３に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷媒循環回路は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱するものである。
【００３９】
この発明によれば、そして、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００４０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【００４１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１において、冷媒配管２１により圧縮機２２、放熱器２３、放熱器２３と同様に放熱器として機能する熱交換器２４、減圧手段２５、吸熱器２６が閉回路に接続されて冷媒循環回路２７が構成されている。この冷媒循環回路２７は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２２は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力を超える圧力まで圧縮して吐出する。また、熱交換器２４には冷媒流路２８と熱交換を行う水流路２９を備えている。この水流路２９に水道を直結して水道水を直接供給する給水管３０と、水流路２９から出湯される湯をシャワー３１や蛇口３２等より成る給湯端末３３の通水させるための給湯回路３４が接続されている。
【００４２】
そして３５は給水管３０と水流路２９と給湯回路３４の上流部の給湯回路ａ３６とで構成され、冷媒循環回路２７を流れる冷媒が直接加熱するのみの温水供給側経路である。
【００４３】
３７は給湯回路３４の水を加熱する加温手段で、給湯回路３４の上流部の給湯回路ａ３６に並列に接続した蓄熱手段３８から成っている。この蓄熱手段３８は、給湯回路３４の流水を溜める貯留タンク３９と、給湯回路ａ３６と蓄熱手段３８とを切り換えて通水する切換手段４０より構成している。
【００４４】
貯留タンク３９は、下端に入口管４１と、上端に出口管４２と、下部に放熱器２３を内蔵して、断熱材４３で覆って構成している。この放熱器２３は貯留タンク３９内の蓄熱温度（以下貯留温度と呼ぶ）を所定温度に保つための保温手段を兼ねている。給湯回路３４は、分岐部４４より給湯回路ａ３６と入口管４１に分岐し、集合部４５で給湯回路ａ３６と出口管４２が集合する。この集合部４５に切換手段４０が設けられている。
【００４５】
なお、貯留タンク３９の大きさは、使用者の給湯使用量の最大値である最大負荷を想定し、熱交換器２４での最大加熱能力と貯留タンク３９での蓄熱量を併用して最大負荷に不足無く対応できるだけの蓄熱量としたものである。
【００４６】
４６は制御手段であり、この制御手段４６の中には熱交換器２４での所要加熱量を設定する負荷設定手段４７と、負荷設定手段４７の設定値に応じて熱交換器２４の加熱量を制御する加熱制御手段４８が設けられている。給水管３０には、給湯回路３４の流量を検出する流量検知手段４９と、熱交換器２４への給水温度を検出する水温検知手段５０が設けられている。そして給湯回路３４には出湯温度を検出する給湯温検知手段５１が設けられている。
【００４７】
また貯留タンク３９の上部には貯留タンク３９内の湯温を検出する貯留温度検知手段５２が設けられている。５３は気温を検出する気温検知手段である。加熱制御手段４８は、気温検知手段５３の検出値に応じてヒートポンプサイクルの運転条件である圧縮機２２の回転数を変更して熱交換器２４での加熱量を制御する。熱交換器２４での加熱量は、気温が定まれば圧縮機２２の回転数に比例的に可変できる。そこで、加熱制御手段４８は予め各気温毎の熱交換器２４の加熱量と圧縮機２２の回転数の関係を記憶しておき、気温に応じて負荷設定手段４７および優先選択手段４７により設定された所要加熱量と熱交換器２４の加熱量が一致するように回転数を設定制御する。このことで、気温が変動しても精度よい給湯制御が可能になる。
【００４８】
５４は給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。５５は水流路２９の下流に設けられて熱交換器２４のみで加熱された水の温度を検出する出口温度検知手段である。また、給湯回路３４にある集合部４５の下流には混合手段５６が設けられ、給水管３０の流量検知手段４９下流から分岐して水流路２９と加温手段３７のどちらも通らない混合用水管５７と、給湯回路３４の流水を混合できるようになっており、混合手段５６での混合割合を制御し出湯温度を目標温度に近付ける。
【００４９】
熱交換器２４は、冷媒流路２８の流れ方向と水流路２９の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路２８と水流路２９の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【００５０】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図１に示す実施例において、蛇口３２が開かれると給水管３０から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段４９が検知し制御手段４６に信号が送られ、圧縮機２２の運転が開始される。このとき冷媒循環回路２７が冷え切った状態の場合、圧縮機２２が運転されてもサイクル全体の圧力および温度が定常状態に達していないために、水流路２９からは給水温度に近い水が出てしまう。制御手段４６は給湯開始後は出口温度検知手段５５で検知される水流路２９からの水温が所定温度（例えば４０℃）になるまで、切替手段４０を貯留タンク３９側に設定し、混合手段５６の混合割合を例えば１：１として設定している。
【００５１】
ここで、給水温度５℃、貯留温度８０℃として、水流路２９からの出口温度がまだ５℃とすると、混合手段３９の出口温度は（８０℃＋５℃）／２で、４２．５℃の出湯温度となる。給湯中の制御手段４６では、負荷設定手段４７において所要加熱量が算定され、この算定値に基づいて加熱制御手段４８が圧縮機２２の回転数を制御している。そして、圧縮機２２から吐出され放熱器２３および熱交換器２４へ流入する高温高圧の冷媒ガスは、貯留タンク３９の水を加熱しつつ、水流路２９を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路ａ３６、給湯回路３４を経て給湯端末３３から出湯する。
【００５２】
一方、放熱器２３と熱交換器２４で冷却された冷媒は減圧手段２５で減圧されて吸熱器２６に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２２に戻る。そして、水流路２９の出口温度は上昇し、出口温度検知手段５５が所定温度（４０℃）を検出すると制御手段４６は切替手段４０を温水供給側経路３５側に設定し、混合手段５６で混合用水管５７からの通水を止めるように設定する。
【００５３】
給湯中の負荷設定手段４７では、、給湯温検知手段５１と温度設定手段５４とのそれぞれが出力する出湯温度と目標温度との偏差から第１の所要加熱量を算定し、水温検知手段５０と温度設定手段５４と流量検知手段４９の各値から第２の所要加熱量を算定して、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算し最終の所要加熱量と設定する。負荷設定手段４７では、目標温度と給水温度との差に、流量検知手段４９の検知する流量を乗じて給湯負荷を求め、これを第２の所要加熱量としている。これは、いわゆるフィードフォワードの制御量となるものである。
【００５４】
負荷設定手段４７で算出した給湯負荷を基に、制御手段４６は切替手段４０を制御する。給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力以下の場合は、切替手段４０を温水供給側経路３５側に設定し、加熱制御手段４８で出湯温度が給湯の目標温度となるよう制御するように指令する。具体的な温度制御方法は、負荷設定手段４７で第１の所要加熱量を、出湯温度と目標温度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いて算定する。すなわち、出湯温度のフィードバック制御がおこなわれる。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適な値を予め設定しておく必要がある。
【００５５】
なおフィードバック制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ制御でもよい。また、出湯温度と目標温度との偏差の変化速度から、第１の所要加熱量を判定してもよい。これは、給湯における流量や給水温度で給湯負荷が変ると、出湯温度と目標温度との偏差の変化速度に違いが表れる。たとえば、同じ加熱量の場合に流量が多ければ出湯温度の上昇は緩やかになり、流量が少なければ速やかになる。この速度変化と所要加熱量の相関を予め記憶させておき、出湯温度と目標温度との偏差の変化速度から所要加熱量を設定するもので、単に温度偏差だけで加熱量を制御する場合よりも安定に所要加熱量に制御する時間を短縮できる。
【００５６】
さらに、前述の第２の所要加熱量も用いて、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算して所要加熱量を求めている。この所要加熱量と熱交換器２４の加熱量が一致するように加熱制御手段４８は圧縮機２２の回転数を設定制御する。
【００５７】
このように、所要加熱量フィードバック制御を加味することによって、出湯温度を目標温度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度をより目標温度にあわせることができる。また、比例制御要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。
【００５８】
一方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変したり目標温度が変更された場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、この点はフィードバック制御より応答性がよくしかも安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞれの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。
【００５９】
一方、給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力を超える場合は、制御手段４６が加熱制御手段４８で制御する所要加熱量を熱交換器２４での最大加熱能力に設定するとともに、切替手段４０を貯留タンク３９側に設定し、出湯温度が給湯の目標温度となるように、その偏差からフィードバック制御を用いて混合手段５６を操作する。このとき、操作量と混合割合の相関を予め記憶させておき、貯留タンク３９の貯留温度と給水温度から算出される混合割合に操作を行うフィードフォワード制御を加えても良い。このように混合手段５６を制御して貯留タンク３９の湯と混合用水管５７の水とを混合して目標の出湯温度を得るのである。
【００６０】
このように、熱交換器２４での加熱量が不足していても不足分を補って貯留タンク３９の湯で熱量を加えることができるので、熱交換器での加熱能力を大幅に大能力化しなくても良い。また、混合手段５６を用いて給湯回路３４の湯に水を流量調節して混合する際に、検出温度と目標温度との偏差によるフィードバック制御を用いて混合手段５６を制御することでより精度の高い温度制御を行うことが可能となる。このとき、熱交換器２４における加熱での出湯温度制御に、加温手段が直接影響しないので制御性が良く、冷媒と水の熱交換は加温手段と独立して熱交換器２４で行うため高効率な熱交換が可能である。
【００６１】
さらに、例えばシャワー室と台所とでお湯を使用している状態から、台所のみで使用するように流量が急に変化した場合でも、流量検知手段４９が変化を検出し加熱制御手段４８が冷媒循環回路２７の圧縮機２２を制御したり制御手段４６で混合手段５６制御することで素早い対応が可能となる。そして、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても、給湯回路３４の湯に水を混合することで、特に給湯負荷が比較的小さく切換手段４０が温水供給側経路３５単独出湯にしていても加熱制御手段４８での制御応答遅れを相殺し、温度を下げる方向にも素早く制御することができる。
【００６２】
次に給湯停止中の動作について説明する。貯留タンク３９の大きさは、使用者の給湯使用量の最大値である最大負荷を想定し対応できる容量になっており、例えば最大の負荷が給水温度５℃で給湯温度４５℃とし、１０Ｌ／ｍｉｎで３０分間連続給湯するものとして、貯留タンク３９の大きさが今１００Ｌに設定されている。上記最大負荷に必要な瞬時加熱量は
（（４５℃−５℃）×１０Ｌ／ｍｉｎ×６０÷８６０）
で約２８ｋＷである。熱交換器２４での最大加熱能力が２０ｋＷあるとすると、これを負荷が超えているので、切換手段４０は貯留タンク３９側に設定されている。したがって、貯留温度８０℃の湯が消費されて給湯され、その消費流量は、
（（４５℃−５℃）×１０Ｌ／ｍｉｎ÷（８０℃−５℃））
で約５．３Ｌ／ｍｉｎであるから、１００Ｌあった湯は約１８分でなくなることになる。
【００６３】
しかし、この１８分の間にも放熱器２３と熱交換器２４で２０ｋＷの加熱が行われるので、貯留タンク内の１００Ｌの水は加熱されて
（（２０ｋＷ×１８ｍｉｎ÷６０×８６０÷１００）＋５℃）
で５６．６℃に昇温している。（３０−１８）の残り１２分の出湯は、貯留タンク３９から５６．６℃の湯が消費流量
（（４５℃−５℃）×１０Ｌ／ｍｉｎ÷（５６．６℃−５℃））
約７．８Ｌ／ｍｉｎで出湯され、１００Ｌあれば１２分間は連続給湯可能であることが分かる。このように、１００Ｌ以上の容量があれば最大負荷に対応可能であり、蓄熱サイズを比較的小さくできる。そして、給湯に使用する水を蓄熱手段として貯留タンク３９に溜めて用いることにより、流通時は水を抜けば軽量にできる。また、蓄熱材として比熱が大きく、しかも安全なものとなるのである。
【００６４】
一方、貯留タンク３９は断熱材４２で覆われているが、貯留温度は放熱により徐々に低下する。これを貯留温度検知手段５２より検知し、貯留温度が下限温度（例えば７５℃）より下がれば圧縮機２２を低速で回転制御して、放熱器２３により加熱して貯留タンク３９内の温度を上昇させる。このとき、熱交換器２４も加熱されるが、水流路２９に流れがないので、熱交換器２４が温まれば、それ以上熱を奪われなくなる。そして貯留温度が所定温度（例えば８０℃）を超えたら圧縮機２２の運転を停止する。このように貯留タンク３９の温度を所定温度近くに保つように保温運転する。この保温の所定温度を給湯の目標温度（例えば４５℃）より充分に高くすることにより、蓄熱密度を上げることができ、貯留タンク２５の大きさを小さくすることができる。
【００６５】
なお実施例１では放熱器２３を貯留タンク３９内部に設けたが、貯留タンク３９の外周に放熱器を巻きつける等の外周に密着させて構成してもよい。また、貯留タンク３９の保温を放熱器２３ではなく、一般のヒータによって行っても良い。
【００６６】
またここでは、加算部において第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算して所要加熱量を求めているが、第１の所要加熱量をそのまま所要加熱量としてもよいし、逆に第２の所要加熱量をそのまま所要加熱量としてもよい。
【００６７】
また、これらを加算せずに給湯時間経過や出湯温度に応じて切換えても良いし、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量にそれぞれ係数を乗じて加算するようにしてもよい。
【００６８】
さらに、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を単独で用いる場合と加算する場合を切換えてもよい。上記のように第１の所要加熱量と第２の所要加熱量の加算の組合わせや加算条件を変えることで給湯条件によっては、より制御の安定性や応答性が向上する場合がある。
【００６９】
また、実施例１では第２の所要加熱量として演算する給湯負荷を、目標温度と給水温度との偏差に流量を乗じて求めていたが、概略の給湯負荷設定をするだけならば給湯負荷は流量に比例するので、流量に所定の定数を乗じた推定値を用いてもよい。この場合、給湯負荷の変化に応じて素早く対応する加熱制御が可能であり、給湯負荷の計算精度は悪くなるが水温検知手段と温度設定手段が不要になるので低コスト化できる。
【００７０】
さらに、第２算定部における給湯負荷の演算を、給水温度と仮の目標温度の差に所定の定数を乗じた推定値を用いてもよい。この場合も、給湯負荷の計算精度は悪くなるが、流量検知手段と温度設定手段が不要になるので低コスト化できる。ただし、給湯開始を検知するための流量スイッチは必要になる。
【００７１】
実施例１ではヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実施例においても同様である。
【００７２】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。
【００７３】
図２において、実施例１の構成と異なるところは、加温手段６１を、水流路２９を含んで形成した水循環路６２と、この水循環路６２上に配置した蓄熱手段６３とより構成した点にある。また、加熱制御手段４８が圧縮機２２を制御するだけでなく、減圧手段２５の冷媒流路抵抗と、吸熱器２６の吸熱量を制御するようにした点も異なる。そして、この水循環路６２および蓄熱手段６３の循環水の温度保つために、冷媒循環回路２７を駆動して熱交換器２４の水流路２９の加熱により、水循環路６２に自然対流を発生させ加熱保温するようにしている。蓄熱手段６３は、上下に入口管４１と出口管４２を配した貯留タンク６４と、出口管４２からの流水と水流路２９からの流水を混合し給湯端末３３に流出させる混合手段６５とから成っている。水循環路６２は、水流路２９と混合手段６５と貯留タンク６４とをループ状に連通して構成している。また、混合用水管５７には閉止機能を有する流量調節手段６６が設けられ、熱交換器２４の直近上流には混合用水管５７に分岐した後の熱交換器２４に流れる流量を検出する熱交換器流量検知手段６７が設けられている。
【００７４】
以上の構成で、熱交換器２４が冷え切った状態から給湯が開始されると、流量調節手段６６は閉止状態に設定され、給水管３０から冷水が水流路２９と貯留タンク６４に流入し、水流路２９の出口から冷水と、貯留タンク６４からの温水が混合手段６５で混合され給湯回路３４に出湯される。このとき給湯温検知手段５１の検知温度によって混合手段６５の混合割合を決定するので、給湯回路３４に出湯される温度は目標温度に制御できる。そして、熱交換器２４の加熱量が増加してきた場合は、給湯温検知手段５１の検出温度によって貯留タンク６４からの出湯割合が減少し、その後混合手段６５を制御することによって、給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力以下の場合は貯留タンク６４からの出湯を停止し、負荷設定手段４７で設定された所要加熱量になるように加熱制御手段４８が制御する。
【００７５】
加熱制御手段４８による加熱量の制御は例えば以下のように行う。減圧手段２５は絞り弁（図示せず）と、この絞り弁を駆動するステッピングモータ（図示せず）によりなり、絞り弁の駆動によって冷媒流路抵抗を変更することができる。そして、加熱制御手段４８は、予め減圧手段２５の冷媒流路抵抗と熱交換器２４での加熱量の関係を定め、負荷設定手段４７で設定された所要加熱量になるように冷媒流路抵抗を制御するもので、高温の出湯が必要であったり、外気温度が低いなどで加熱量が不足した場合など、冷媒流路抵抗を大きくすることで熱交換器の加熱量を所要加熱量が確保するように作用する。
【００７６】
一方、給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力を超える場合は加熱制御手段４８が熱交換器２４で最大加熱能力となるよう制御するとともに、その最大加熱能力で熱交換器出口の温度が目標温度になる熱交換器の流量を制御手段４６で算出し、熱交換器流量検知手段６７の出力信号を基に目標流量になるように混合手段６５を制御する。すると、混合手段６５を出る湯温は貯留タンク６４からの湯が混合されているので目標温度よりも高温になっており、給湯温検知手段５１の検出温度と目標温度との偏差によるフィードバック制御を用いて流量調節手段６６を制御することで混合用水管５７からの水を混合し、給湯回路３４に出湯される温度は目標温度に制御できる。このとき、流量調節手段６６を制御することでより精度の高い温度制御を行うことが可能となる。また最終的に流量調節手段６６により温度制御を行うため、混合手段６５による温度制御の精度が粗くても問題が生じず、混合手段６５の制御が比較的容易になる。さらに、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても、給湯回路３４の湯に水を混合することで、加熱制御手段４８での制御や混合手段６５の制御に応答遅れが生じても、これを相殺し、温度を下げる方向にも素早く制御することができる。
【００７７】
そして、蓄熱手段から加える熱量を、混合手段６５で貯留タンク６４側の混合流量を変えることにより自由に設定でき、貯留タンク６４側の流量を小さくすることで蓄熱サイズを小さくすることもできる。
【００７８】
なお、通常の給湯使用状態において、冷媒流路２８と水流路２９との温度差が小さくなるほどヒートポンプサイクルの効率が良くなるので、水温検知手段５０の検知する給水温度に応じて、熱交換器２４での所要加熱量を確保して、最も冷媒流路２８と水流路２９との温度差が小さくなるように減圧手段２５の冷媒流路抵抗を制御すると、効率のよい運転が可能となる。
【００７９】
吸熱器２６の吸熱量は、ファン６８のモータ６９の回転数を変更して、吸熱器２６への送風量を変更することにより制御する。加熱制御手段４８は、予めファン６８の風量と熱交換器２４での加熱量の関係を定め、設定された所要加熱量になるようにファン６８の風量を制御するもので、給湯負荷が極端に小さく熱交換器２４の所要加熱量が小さすぎて圧縮機２２の回転数制御などでは絞りきれない場合などにファン６８の風量を減少させることにより熱交換器２４の加熱量を減少させて所要加熱量に制御することが可能である。また、圧縮機２２の最大回転数でも加熱量が不足する場合には、ファン６８の風量を上げて熱交換器２４の加熱量を増加させて所要加熱量に制御することも可能である。　このようにして、ヒートポンプサイクルの効率も良く、熱交換器２４で最大加熱能力を十分に発生することができるので、さらに蓄熱サイズの小型化を図ることができる。
【００８０】
そして、流量調節手段６６には閉止機能を備えているので、混合用水管５７からの水道水がむやみに混合されて冷媒循環回路５７や加温手段６１の加熱量を消費することを防止し、熱交換器２４や加温手段６１での加熱能力や加熱容量を小さく設計することができる。
【００８１】
実施例２では蓄熱手段６３を保温するために、冷媒循環回路２７を駆動して熱交換器２４の水流路２９の加熱により、水循環路６２に自然対流を発生させ加熱保温するようにしたが、水循環路６２を直接ヒータで加熱しても良い。
【００８２】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施例１および実施例２の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。
【００８３】
図３において、実施例１および実施例２の構成と異なるところは、給水管３０から分岐する給水分岐間７１を設けて水流路２９と並列に配した蓄熱手段７２を通るように構成し、また蓄熱手段７２と熱交換器２４の水流路２９とを結ぶ循環路を形成するように循環水路７３を設けた点にある。そして、循環水路７３には外力により循環水流を生じさせその流量を調節可能な水流手段である循環ポンプ７４を設け、冷媒循環回路２７を駆動して熱交換器２４の水流路２９の加熱を行い、この循環水路７３および蓄熱手段７２の循環水の温度を保って、蓄熱手段７２を加熱保温するようにしている。また、給水分岐間７１には開閉弁７５が設けられている。ここで蓄熱手段７２は、上下に入口管４１と出口管４２を配した貯留タンク７６と、出口管４２からの流水と水流路２９からの流水を混合し給湯回路３４に流出させる混合手段３９とから成っている。循環水路７３は、水流路２９と混合手段３９と貯留タンク７６とをループ状に連通して構成している。
【００８４】
以上の構成による給湯中に、給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力を超える場合は加熱制御手段４８が熱交換器２４で最大加熱能力となるよう制御するとともに、その最大加熱能力で熱交換器出口の温度が目標温度になるように、水流路２９の下流に設けられた出口温度検知手段５５の検知信号に基づき、混合手段６５を制御する。すると、混合手段６５を出る湯温は貯留タンク６４からの湯が混合されているので目標温度よりも高温になっており、給湯温検知手段５１の検出温度と目標温度との偏差によるフィードバック制御を用いて流量調節手段６６を制御することで混合用水管５７からの水を混合し、給湯回路３４に出湯される温度は目標温度に制御できる。このとき、流量調節手段６６を制御することでより精度の高い温度制御を行うことが可能となる。また最終的に流量調節手段６６により温度制御を行うため、混合手段６５による温度制御の精度が粗くても問題が生じず、混合手段６５の制御が比較的容易になる。さらに、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても、給湯回路３４の湯に水を混合することで、加熱制御手段４８での制御や混合手段６５の制御に応答遅れが生じても、これを相殺し、温度を下げる方向にも素早く制御することができる。　そして、蓄熱手段から加える熱量を、混合手段６５で貯留タンク６４側の混合流量を変えることにより自由に設定でき、貯留タンク６４側の流量を小さくすることで蓄熱サイズを小さくすることもできる。
【００８５】
給湯が停止した場合は、貯留タンク７６内は出湯により蓄熱量は下がっている。ここで、制御手段４６は、まず混合手段６５を混合状態に戻し流量調節手段６６を閉止し、貯留温度検知手段５２により貯留温度の低下（例えば７５℃以下）を検知したら、冷媒循環回路２７を駆動し、圧縮機２２を所定の回転数で運転し、循環ポンプ７４を駆動する。これにより高温高圧の冷媒が冷媒流路２８に流れ、水流路２９を加熱し、強制的に生じさせた水流で循環水路７４を流れてきた水がここで加熱される。そして、貯留タンク７６内の温度が上昇して、貯留温度検知手段５２の検知温度が所定温度（例えば８０℃）を超えれば冷媒循環回路２７の運転を停止する。この運転停止の繰り返しで蓄熱手段７２と循環水路７３の循環水は保温される。
【００８６】
以上の実施例３の構成によれば、循環ポンプ７４により循環水路７３で強制的に水流を生じさせるので流量を多くして保温時の加熱量を大きくでき、貯留タンク７６が冷えたときでも短時間で所定温度に戻すことができる。また、流量調節も可能なので保温加熱時の温度制御性が良く、循環水路７３の熱が熱交換器を暖めるので冷媒循環回路２７の立ち上がりも早い。さらに、循環水路７３の保温をヒートポンプにより行うので、ヒータなどに比べ効率が良く、また保温時に冷媒循環回路２７が駆動するので、冷媒循環回路自体の立上りも一層早くなる。
【００８７】
また、流量調節手段６６には閉止機能を備えているので、循環ポンプ７４を運転すると一部または全部の水流が温水供給側経路３５を通らずに混合用水管５７へバイパスして貯留タンク７６へと循環することを防ぐことができる。
【００８８】
なお実施例３では蓄熱手段７２を保温するために、冷媒循環回路２７を駆動して熱交換器２４の水流路２９の加熱するようにしたが、循環水路７３を直接ヒータで加熱してもよいし、貯留タンク７６を潜熱蓄熱材等の蓄熱材を満たした容器とし給水分岐間７１と循環水路７３とをそれぞれ通すような構成の蓄熱手段にしても良い。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ヒートポンプサイクルの大きさを抑えても十分な給湯能力があり、蓄熱手段の利用を最小限にとどめて蓄熱サイズを小さくでき、制御性が良く、急激な目標温度の変化や給湯端末での湯の使用状態の変化があっても素早く制御することができるヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図２】本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図３】本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図４】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
２２　圧縮機
２４　熱交換器
２５　減圧手段
２６　吸熱器
２７　冷媒循環回路
２８　冷媒流路
２９　水流路
３０　給水管
３３　給湯端末
３４　給湯回路
３５　温水供給側経路
３７、６１　加温手段
３８、６３、７２　蓄熱手段
３９、６４、７６　貯留タンク
４７　負荷設定手段
４８　加熱制御手段
４９　流量検知手段
５０　水温検知手段
５１　給湯温検知手段
５３　気温検知手段
５４　温度設定手段
５７　混合用水管
６５　混合手段
６６　流量調節手段
６７　熱交換器流量検知手段
７３　循環水路
７４　循環ポンプ（水流手段）
【図１】
2004125220.tif 000003
【図２】
2004125220.tif 000004
【図３】
2004125220.tif 000005
【図４】
2004125220.tif 000006