(57)【要約】【課題】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、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蓄熱手段３７とを有する構成とし、水流路２９を含む前後の経路の流水と蓄熱手段３７からの水のどちらか一方を優先して混合する混合手段３９の制御により、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。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と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水を加熱するように設けた蓄熱手段と、前記温水供給側経路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、前記混合手段において前記温水供給側経路の流水と蓄熱手段からの流水のどちらか一方を優先するよう制御するヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
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、混合手段において温水供給側経路の流水を優先するよう制御し、前記加熱制御手段は負荷設定値が冷媒循環回路の加熱能力を超える場合に前記熱交換器の加熱量を最大に制御するとともに、蓄熱手段により加熱される流水を混合して給湯するように混合手段を制御する請求項１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１または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１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する循環水路と、外力により循環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】
給湯回路の流量を検出する流量検知手段を設け、負荷設定手段は前記流量検知手段の検出値を基に所要加熱量を求める請求項２〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
給水管の給水温度を検出する水温検知手段を設け、負荷設定手段は前記水温検知手段の検出値を基に所要加熱量を求める請求項２〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
給水管の給水温度を検出する水温検知手段と、給湯の目標温度を設定する温度設定手段と、給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを設け、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２〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項９】
水流路の出湯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、負荷設定手段は前記出湯温度と目標温度との偏差から所要加熱量を算定する請求項２〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１０】
加熱制御手段は、圧縮機の回転数を制御する請求項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】
冷媒循環回路に複数の圧縮機を備え、加熱制御手段は、前記圧縮機の台数を制御する請求項２〜１０のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１２】
加熱制御手段は、減圧手段の冷媒流路抵抗を制御する請求項２〜１１のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１３】
加熱制御手段は、吸熱器の吸熱量を制御する請求項２〜１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１４】
気温を検出する気温検知手段を設け、加熱制御手段は前記気温検知手段の検出値に応じて冷媒循環回路の運転条件を変更して熱交換器の加熱量を制御する請求項２〜１３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１５】
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冷媒循環回路であり、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１〜１４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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−２２３７６７号公報
【０００５】
【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と少流となる。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
【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とで構成される温水供給側経路の水に熱量を加えるように設けた蓄熱手段と、温水供給側経路の何れかの流水と蓄熱手段からの水とを混合する混合手段とを備え、混合手段においてどちらか一方を優先するよう制御するものである。
【００１６】
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蓄熱手段で加熱されるので、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。また、熱交換器による出湯温度制御に蓄熱手段が直接影響しないので制御性が良い。そして、優先選択手段により温水供給側経路の熱交換器での加熱を優先して行えるように混合手段を制御するので、蓄熱手段の利用を最小限にとどめることで蓄熱量不足の発生を防止し、蓄熱サイズを小さくすることができる。
【００１７】
【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水を加熱するように設けた蓄熱手段と、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、前記混合手段において前記温水供給側経路の通水を優先するよう制御する優先選択手段とを備えたものである。
【００１８】
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蓄熱手段で加熱されるので、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。また、熱交換器による出湯温度制御に蓄熱手段が直接影響しないので制御性が良い。そして、優先選択手段により温水供給側経路の熱交換器での加熱を優先して行えるように混合手段を制御するので、蓄熱手段の利用を最小限にとどめることで蓄熱量不足の発生を防止し、蓄熱サイズを小さくすることができる。
【００１９】
請求項２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、前記加熱制御手段は負荷設定値が冷媒循環回路の加熱能力を超える場合に前記熱交換器の加熱量を最大に制御するとともに、優先選択手段は蓄熱手段により加熱される流水を混合して給湯するように混合手段を制御する請求項１記載のものである。
【００２０】
この発明によれば、加熱制御手段により温水供給側経路温水供給側経路の熱交換器での加熱能力を最大まで引き出して利用するとともに、優先選択手段により熱交換器の加熱能力を超える分だけ蓄熱手段を利用するように混合手段を制御することが可能となるので、蓄熱手段の利用を最小限にして蓄熱量不足を防止し蓄熱サイズの小型化を図ることができる。
【００２１】
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１または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。
【００２２】
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。
【００２３】
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１〜３のいずれか１項記載の蓄熱手段を、水を貯留する貯留タンクとしたものである。
【００２４】
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。
【００２５】
請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、熱交換器の水流路と蓄熱手段とを環状に接続する循環水路と、外力により循環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１〜４のいずれか１項記載のものである。
【００２６】
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、循環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、循環水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、また保温時に冷媒循環回路が駆動するので、冷媒循環回路自体の立上りも一層早くなる。
【００２７】
請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯回路の流量を検出する流量検知手段を設け、負荷設定手段は前記流量検知手段の検出値を基に所要加熱量を求める請求項２〜５のいずれか１項記載のものである。
【００２８】
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。
【００２９】
請求項７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を設け、負荷設定手段は前記水温検知手段の検出値を基に所要加熱量を求める請求項２〜６のいずれか１項記載のものである。
【００３０】
この発明によれば、給湯負荷は給水温度と目標温度の差に反比例するので、給水温度が下がれば所要加熱量が増加し、給水温度が上がれば所要加熱量が減少する。したがってこの給水温度によって所要加熱量を推定して熱交換器の加熱制御をおこなえば、給水温度が変動しても、この変動に伴なう出湯温度変化が最小限に抑えられる。
【００３１】
請求項８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、給湯の目標温度を設定する温度設定手段と、給湯回路の流量を検出する流量検知手段とを設け、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２〜５のいずれか１項記載のものである。
【００３２】
この発明によれば、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。
【００３３】
請求項９に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、水流路の出湯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、負荷設定手段は前記出湯温度と目標温度との偏差から所要加熱量を算定する請求項２〜５のいずれか１項記載のものである。
【００３４】
この発明によれば、算定する所要加熱量は、偏差の変化速度から給湯負荷を判定するもので、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。この速度変化を捉えて、所要加熱量を設定するので、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。
【００３５】
請求項１０に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２〜９のいずれか１項に記載の加熱制御手段は圧縮機の回転数を制御するものである。
【００３６】
この発明によれば、予め回転数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回転数を制御するもので、短時間で所要加熱量が得られる回転数に制御できる。
【００３７】
請求項１１に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒循環回路に複数の圧縮機を備え、加熱制御手段は、前記圧縮機の台数を制御する請求項２〜１０のいずれか１項に記載のものである。
【００３８】
この発明によれば、給湯負荷が大幅に変るような使い方をする場合に、１台の圧縮機では制御幅に限界があり、満足な給湯制御ができないが、この発明の複数の圧縮機の台数を制御する方法であれば給湯負荷に応じて台数を変えれば、大幅な給湯負荷の変化に対応できる。
【００３９】
請求項１２に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項２〜１１のいずれか１項に記載の加熱制御手段は減圧手段の冷媒流路抵抗を制御するものである。
【００４０】
この発明によれば、予め減圧手段の冷媒流路抵抗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できる。
【００４１】
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２〜１２のいずれか１項に記載の加熱制御手段は吸熱器の吸熱量を制御するものである。
【００４２】
この発明によれば、たとえば大気熱から吸熱器に吸熱させるのを送風機の風量により吸熱量を制御するものとした場合に、予め送風機の風量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送風機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の所要加熱量が小さすぎて圧縮機の回転数制御などでは絞りきれない場合などに送風機の風量を減少させることにより熱交換器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。
【００４３】
請求項１４に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、気温を検出する気温検知手段を設け、加熱制御手段は前記気温検知手段の検出値に応じて冷媒循環回路の運転条件を変更して熱交換器の加熱量を制御する請求項２〜１３のいずれか１項に記載のものである。
【００４４】
この発明によれば、気温変化による熱交換器の加熱量の誤差を補正する。冷媒循環回路は大気熱を利用して吸熱器から吸熱するため、熱交換器での加熱量は気温に大きく影響される。したがって例えば圧縮機の回転数を制御する場合に、同じ回転数でも気温により加熱量は変ってくる。その気温による影響を相殺するように熱交換器の加熱量を制御することにより、正確な給湯制御ができる。
【００４５】
請求項１５に記載の発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の冷媒循環回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路であり、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。
【００４６】
この発明によれば、、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流路ａと水流路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。
【００４７】
【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。
【００４８】
（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、図２は本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装置の制御を示すフローチャートである。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。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。３７は給湯回路３４の水を加熱し、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である。この蓄熱手段３７は、給湯回路３４の流水を溜める貯留タンク３８と、給湯回路ａ３６と蓄熱手段３７の流水を混合する混合手段３９より構成さている。貯留タンク３８は、下端に入口管４０と、上端に出口管４１と、下部に放熱器２３を内蔵して、断熱材４２で覆って構成している。この放熱器２３は貯留タンク３８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４３より給湯回路ａ３６と入口管４０に分岐し、合流部４４で給湯回路ａ３６と出口管４１の水が合流する。この合流部４４に混合手段３９が設けられている。
【００４９】
なお、貯留タンク３８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３８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、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た場合に必要な総熱量は、
（（４５℃−５℃）×１０Ｌ／ｍｉｎ×３０ｍｉｎ÷８６０）
で約１４ｋＷｈとなり、瞬時加熱量は約２８ｋＷとなる。
熱交換器２４での最大加熱能力が２０ｋＷあるとすると、貯留タンクで必要な熱量は、
（（２８ｋＷ−２０ｋＷ）×３０ｍｉｎ÷６０）
で４ｋＷｈとなる。これを８０℃の貯留タンク３８で補う場合は、
（４ｋＷｈ×８６０÷（８０℃−５℃））
で約４６Ｌとなり、これ以上の容量があれば最大負荷に対応可能となる。このように、給湯に使用する水を蓄熱手段として貯留タンク３８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。
【００５０】
４５は制御手段であり、この制御手段４５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４６と、負荷設定手段４６の設定値に応じて混合手段３９を駆動し給湯回路ａ３６からの流水と貯留タンク３８からの流水との混合割合を優先的に設定し制御する優先選択手段４７と、負荷設定手段４６の設定値と優先選択手段４７の設定割合に応じて熱交換器２４の加熱量を制御する加熱制御手段４８が設けられ、混合手段３９での混合割合を制御し出湯温度を目標温度に近付ける。
【００５１】
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。また貯留タンク３８の上部には貯留タンク３８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。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。
【００５２】
負荷設定手段４６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する第１算定部５５と、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する第２算定部５６と、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算する加算部５７とを有し、加算された所要加熱量を出力する。
【００５３】
加熱制御手段４８は、圧縮機２２の回転数を変更する周波数制御手段５８を備え、負荷設定手段４６および優先選択手段４７により設定された所要加熱量に応じて圧縮機２２の回転数を制御する。また、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４６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。
【００５４】
また、制御手段４５は給湯停止時に、貯留温度検知手段５２より貯留温度を検知し、貯留温度を所定温度（例えば８０℃）に保つように圧縮機２２を低速で回転制御して保温運転する。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。
【００５５】
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。
【００５６】
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４５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４５は給湯開始後の所定時間（例えば３分間）は混合手段３９の混合割合を例えば１：１として設定している。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４５では、負荷設定手段４６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３８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。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の出口温度は徐々に上昇するが、貯留タンク３８内の貯留温度は入口管４０から給水温度に近い冷水が流入されるため、貯留タンク３８の出口温度は逆に徐々に低下する。したがって混合手段３９の出口温度は、それぞれの流水が混合されて給湯の目標温度（例えば４５℃）に近い温度を維持することができる。
【００５７】
以上のように混合手段３９の制御は、給湯開始直後に貯留タンク３８からの湯を利用することによって、熱交換器２４からの出湯遅れを補うように作用させる。なお、給湯開始時に熱交換器２４の温度が冷めていない場合は、給湯温検知手段５１から目標温度より高い値が出力される。この場合は混合割合を給湯回路ａ３６側を多くして出湯温度が目標に近付くように調整する。
【００５８】
給湯中の負荷設定手段４６では、第２算定部５６で算定する第２の所要加熱量を、給湯負荷から算定する。すなわち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。優先選択手段４７では負荷設定手段４６で算出した給湯負荷を基に、混合手段３９での混合割合を一方を優先するように制御する。
【００５９】
例えば、優先選択手段４７は温水供給側経路３５を優先するように設定されており、給湯負荷が熱交換器２４での最大加熱能力以下の場合は、給湯回路ａ３６側の流量がほぼ１００％になるように混合手段３９を制御し、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４６の第１算定部５５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。
【００６０】
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。さらに、第２算定部５６で算定した前述の第２の所要加熱量も用いて、加算部２６で第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。
【００６１】
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。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。
【００６２】
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、優先選択手段４７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、負荷設定手段４６で設定された所要加熱量と最大加熱能力との差を貯留タンク３８からの熱量で補うように混合手段３９を制御する。すなわち、優先選択手段４７で出湯温度が給湯の目標温度となるよう混合手段３９を制御するのである。この優先選択手段４７による制御の特徴的な部分をフローチャートにして図２に示している。
【００６３】
このように、混合手段３９により温水供給側経路３５に混合可能な蓄熱手段である貯留タンク３８と、優先選択手段４７とを設けたので、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。また、加熱制御手段４８による熱交換器２４からの出湯温度制御に蓄熱手段が直接影響しないので制御性が良い。そして、優先選択手段４７により温水供給側経路３５での加熱を優先して行えるように混合手段３９を制御し熱交換器２４での加熱能力を十分に利用するので、貯留タンク３８内の湯の利用を最小限にとどめることで蓄熱量不足の発生を防止し、蓄熱サイズを小さくすることができる。
【００６４】
なお、優先選択手段４７は算出した給湯負荷と熱交換器での最大加熱能力とを比較して判定したが、所要加熱量と最大加熱能力とを比較して判定しても良い。
【００６５】
次に給湯停止中の動作について説明する。貯留タンク３８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３８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３８の温度を所定温度近くに保つように保温運転する。
【００６６】
なお実施例１では放熱器２３を貯留タンク３８内部に設けたが、貯留タンク３８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３８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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
また、実施例１では第２算定部において第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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
さらに、ここでは温水供給側経路３５での加熱を優先して行う優先選択手段４７を用いて説明したが、蓄熱手段３７側を優先するものでも良く、この場合は温水供給側経路３５での加熱を併用することで同様に蓄熱量不足を防止し蓄熱サイズの小型化が図れることに加えて、給湯停止中の深夜に蓄熱手段３７に蓄熱する運転をすることで深夜電力を利用して電力の平準化が図れ、電気代が安くすむ。また、蓄熱量が所定値よりも少なくなると蓄熱運転を行うことで、蓄熱不足で給湯ができない、いわゆる湯切れの発生を防止することができる。
【００７４】
また、蓄熱手段３７は温水供給側経路３５に複数設けても良い。
【００７５】
（実施例２）
図３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。
【００７６】
図３において、実施例１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６１を設けて水流路２９と並列に配した蓄熱手段６２を通るように構成し、また蓄熱手段６２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６３を設けた点にある。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、循環水路６３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６４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６３および蓄熱手段６２の循環水の温度を保って、蓄熱手段６２を加熱保温するようにしている。また、給水分岐間６１には開閉弁６５が設けられている。ここで蓄熱手段６２は、上下に入口管４０と出口管４１を配した貯留タンク６６と、出口管４１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６３は、水流路２９と混合手段３９と貯留タンク６６とをループ状に連通して構成している。
【００７７】
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、給水管３０から冷水が水流路２９と貯留タンク６６に流入し、水流路２９の出口から冷水と、貯留タンク６６からの温水が混合手段３９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３９の開度を決定するので、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６６からの出湯割合が減少し、その後優先選択手段４７が混合手段３９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６６からの出湯を停止し、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負荷設定手段４６で設定された所要加熱量と熱交換器２４での最大加熱能力との差を補うように貯留タンク６６から出湯するとともに、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。
【００７８】
加熱制御手段４８による加熱量の制御は以下のように行う。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４６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。
【００７９】
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。
【００８０】
吸熱器２６の吸熱量は、ファン６７のモータ６８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６７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６７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６７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６７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。
【００８１】
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。
【００８２】
給湯が停止した場合は、貯留タンク６６内は出湯により蓄熱量は下がっている。ここで、制御手段４５は、まず混合手段３９を混合状態に戻し、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６４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６４を流れてきた水がここで加熱される。そして、貯留タンク６６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６２と循環水路６３の循環水は保温される。
【００８３】
以上の実施例２の構成によれば、循環ポンプ６４により循環水路６３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６６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６３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６３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。
【００８４】
実施例２では保温手段Ｂとして、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、循環水路６３に自然対流を発生させ加熱保温するようにしたが、循環水路６３を直接ヒータで加熱してもよいし、貯留タンク６６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６１と循環水路６３とをそれぞれ通すような構成の蓄熱手段にしても良い。
【００８５】
（実施例３）
図４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。
【００８６】
図４において、実施例１および２の構成と異なるところは、冷媒循環回路２７に３台の圧縮機２２ａ、２２ｂ、２２ｃを並列に設け、加熱制御手段４８がこの圧縮機２２ａ、２２ｂ、２２ｃの台数制御および回転数制御するようにした点である。実施例３では圧縮機２２ａを回転数制御して、微妙な加熱能力制御を行い、圧縮機２２ｂおよび２２ｃはオンオフ制御を行い、シャワーや風呂の湯張りなどの給湯負荷に大能力が要求される場合は、圧縮機を２台または３台で運転し、夏場での台所での食器洗いなど給湯負荷が極端に少ない場合には、圧縮機２２ａ単独運転とすることで、大幅な給湯負荷の変化に対応できる。
【００８７】
なお、圧縮機の台数は２台でもよいし、３台以上でも同様の効果が得られる。また、複数台の圧縮機を全て回転数制御して、台数切換えをスムーズに制御してもよい。さらに、圧縮機を直列に接続して、吐出圧力を制御してもよい。
【００８８】
【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、制御性が良く、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１におけるヒートポンプ給湯装置の制御を示すフローチャート
【図３】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４】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５】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ　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　６２　蓄熱手段
３８、６６　貯留タンク
３９　混合手段
４６　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
６３　循環水路
６４　循環ポンプ（水流手段）
６６　流量調節手段
【図１】
2004125241.tif 000003
【図２】
2004125241.tif 000004
【図３】
2004125241.tif 000005
【図４】
2004125241.tif 000006
【図５】
2004125241.tif 000007