(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式給湯機における圧縮機の立上り時に水の加熱遅れを解消し、短時間の断続運転で生じる装置構成機器に対するマイナス要因を排除する。【解決手段】圧縮機と、水と冷媒との熱交換を行なう水熱交換器と、冷媒と空気の熱交換を行なう空気熱交換器と、給水管から導入された水を前記水熱交換器を介して水利用端末に供給する給水回路と、前記水利用端末における水の使用があったときに前記圧縮機を動作させる運転開始制御部と、前記水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間、前記圧縮機を運転させる運転制御部とを有する構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、水と冷媒との熱交換を行なう水熱交換器と、冷媒と空気の熱交換を行なう空気熱交換器と、給水管から導入された水を前記水熱交換器を介して水利用端末に供給する給水回路と、前記水利用端末における水の使用があったときに前記圧縮機を動作させる運転開始制御部と、前記水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間、前記圧縮機を運転させる運転制御部と、を有するヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
前記運転制御部は、前記水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間内に、所定の時間帯が経過した時は前記圧縮機を停止する経時運転停止制御部を有する請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
前記給水回路に供給する水を蓄える補助タンクを備え、前記運転制御部は、前記水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間内に、前記水熱交換器の出口水温が設定温度に達したときは圧縮機を停止する加熱運転停止部を有する請求項１又は請求項２のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
前記運転制御部は、前記水利用端末での水の使用と停止が繰り返し行われた場合、前記運転制御部は圧縮機を所定の時間帯に亘り連続して動作させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
前記給水回路に供給する水を蓄える補助タンクを備え、前記水熱交換器の出口水温が設定温度に達していないときに前記運転制御部は、前記水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間内に前記補助タンク内の水を加熱する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項６】
前記運転制御部は、前記所定の時間帯において出湯していない状態での前記圧縮機の運転回転数を、前記給水回路に出水する前記圧縮機の運転回転数より少ない回転数で運転する請求項２又は６に記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項７】
前記運転制御部は、前記所定の時間帯における圧縮機の回転数を、一定の時間内における使用水量または使用熱量に基づいて算出された必要加熱量に応じて定められた所定回転数とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
【請求項８】
前記水利用端末での水使用時間及び水使用間隔を記憶し、前記所定の時間帯を変更する学習機能を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
【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式給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の給湯機には貯湯槽を持たずにガス等を燃焼させて、その強力な燃焼熱で瞬間的に水を沸き上げて湯を供給する燃焼式給湯機や、大容量の貯湯槽を持ち夜間割引の安い電力を利用して、夜の間に電気ヒーターで加熱した大量の湯を貯湯槽に貯蔵し、日中は貯湯槽に貯蔵した湯を使う電気温水器等があった。
【０００３】
最近では電気温水器に比較してエネルギー効率が３００〜５００％も良いといわれるヒートポンプ式給湯機が普及し始めてきた。ヒートポンプ式給湯機は熱源に冷媒の状態変化を利用しているので、電気ヒーター加熱の数倍エネルギー効率が良く、またガス等を燃焼しないので炭酸ガスを排出せず環境にやさしい給湯機といわれている。
【０００４】
しかし、ガス等を燃焼した時のように強力な熱量が無いため、電気温水器と同様に大容量の貯湯槽を設け、夜間の安価な電力を使って、夜中にヒートポンプ回路で湯を沸き上げて貯湯槽に貯蔵し、日中は貯蔵した湯を使うという方法が一般的であった。
【０００５】
例えば特開２００１−２０１１７７号公報（従来技術１と称す。）に記載のヒートポンプ式給湯機では、ヒートポンプ回路と、ヒートポンプ回路で沸かした湯を大量に貯蔵しておく貯湯槽をそれぞれ別個の装置として設け、配管等で接続して給湯機として機能させていた。具体的には、圧縮機、冷媒対水熱交換器、減圧装置、蒸発器から構成された冷媒循環回路と、大容量の貯湯槽を別個の装置として設けることが示されている。この貯湯槽に貯蔵した湯で浴槽を満たすことを考えると、貯湯槽の容量は浴槽と同様２００Ｌ近くになり、洗面や台所使用との併用を考慮するとその質量は２００Ｋｇを超えることになる。
【０００６】
従来技術１のヒートポンプ式給湯機は、大容量の貯湯槽を有するので充分な広さの設置スペースを必要とする。また、貯湯槽の容量一杯に湯を貯めた場合を考えると、その質量は２００Ｋｇを超える重さとなるので、設置場所に関しては基礎工事を行なって地盤を堅固にしなければならなかった。従って、ヒートポンプ式給湯機はエネルギー効率が電気温水器の３００〜５００％も良好な給湯機であることが分かっていても、アパートやマンションのベランダのような狭い場所や強度の不十分な場所には据え付けることが困難であった。
【０００７】
また、従来のヒートポンプ式給湯機は夜間の安い電気料金を利用して、夜中にヒートポンプ回路を運転して高温の湯にして貯湯槽に貯え、日中はヒートポンプ回路を運転しないで貯湯槽に貯まっている湯を使用するという使い方をしているため、時には貯湯槽の湯を使いきってしまい、すぐに沸き上げることが出来ず湯切れを起こすことがあった。また、外気温度より温度の高い大量の湯を貯蔵するため貯湯槽の表面から熱が放散されてエネルギーの無駄使いになり、それによって温度が下がる分、夜の間に余裕をもって温めておく必要があった。
【０００８】
例えば、特開２００１−２０８４３４号公報（従来技術２と称す。）の図２〜図４に示されているように圧縮機で冷媒を圧縮して高温高圧ガスとし、その冷媒熱を水熱交換器で給水管から供給された水と熱交換して貯湯槽に湯を蓄えることが記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２０１１７７号公報（図１を参照。）
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−２０８４３４号公報（図２〜４を参照。）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術２で示されたように、圧縮機を運転開始してから水が所定の沸き上げ温度に加熱されるまでには数分間の加熱立ち上がり時間を必要とする。即ち、朝起きて洗面しようとした場合、蛇口を開けて湯を出そうとしてもしばらくの間は貯湯槽に蓄えられた湯水よりも低温の水しか出ないことがあり、特に温水の欲しい冬場は出湯する水が低下する時間が長くなるという課題もあった。
【００１２】
また、給水使用は一日の中で集中する時間帯があり、特に朝の起床から食事前後と、夕方の食事から入浴時前後が、給水、停止を頻繁に繰り返すことが多い。そのため、出湯、停止を頻繁に繰り返すこととなり、圧縮機の始動停止繰り返し回数が多くなる。すると圧縮機及びポンプモータや、それらの始動リレー等の関連作動部品における始動時のトラブル発生やそれらの構成部品の寿命信頼性にとって不利な要因となる。
【００１３】
そこで本発明は、従来技術１や従来技術２が有していた課題を解決し、大容量の貯湯槽に大量の湯を貯蔵することをやめて従来の大きな貯湯タンクを必要とせず、しかも圧縮機の運転における断続回数を減少させたエネルギー効率の良いヒートポンプ式給湯機を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために本願発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機と、水と冷媒との熱交換を行なう水熱交換器と、冷媒と空気の熱交換を行なう空気熱交換器と、給水管から導入された水を水熱交換器を介して水利用端末に供給する給水回路と、水利用端末における水の使用があったときに圧縮機の運転を開始し、水利用端末での水使用停止から次の水使用開始までの期間、圧縮機を運転させる運転制御部と、を有する構成としたものである。
【００１５】
即ち、給水から加熱、給湯の一連の給水回路を構成することにより、大形のタンクに高温水を貯湯しておく必要がなく、水使用停止時も圧縮機を動作させることによりヒートポンプ運転開始時の立ち上がり時間をなくし、蛇口等の水利用端末から即温水が利用できものである。水の使用停止後にも圧縮機を動作させるため、水熱交換器で加熱する水を蓄える補助タンクを設けても良い。
【００１６】
また運転制御部は、水利用端末での水の使用停止から次の水使用開始までの期間内に、設定された所定の時間が経過した時は圧縮機を停止するよう運転制御してもよい。朝夕の頻繁に給水使用する時間帯が過ぎた場合は、予め定めた時間が経過すると圧縮機を停止することにより効率がよい給水加熱運転が行なえる。
【００１７】
また、給水回路に供給する水を蓄える補助タンクを備え、運転制御部は、水利用端末での水使用停止から水使用開始までの期間内に、水熱交換器の出口水温が設定温度に達したときは圧縮機を停止するよう運転制御しても良い。水熱交換器の出口水温が、補助タンクに溜まった水の加熱が完了したときの温度に達した時は、補助タンクが湧き上がったものと考えることが出来る。したがって水利用端末から出湯させたときに圧縮機が運転していなくても、圧縮機の運転を開始して水熱交換器から所定温度の湯が出湯するまでに、補助タンクからのお湯を供給して、すぐに水利用端末からの湯の利用が可能となる。
【００１８】
また、運転制御部は、水利用端末での水使用が予め決められた時間内に何回も繰り返し行われた場合、圧縮機を所定の時間帯連続して運転させても良い。例えば、朝夕の頻繁に給水使用するような特定の時間帯を登録しておき、その時間帯は圧縮機を連続運転することで、効率の良い水加熱運転が行なえる。
【００１９】
また、給水回路に供給する水を蓄える補助タンクを備え、運転制御部は、水利用端末での水使用停止から次の水使用開始までの期間内にこの補助タンク内の水を加熱するために圧縮機を運転しても良い。水熱交換器の出口水温が所定の温度に到達するまでの間、水利用端末への湯の供給が可能な容量の水を蓄える補助タンクを備えることで、従来の貯湯タンクより遥かに軽量小形な補助タンクしか備えなくても良い。この補助タンクに湯を溜めておくために、水利用端末への出湯をしていない間に圧縮機を連続運転させることにより、即給湯が出来るように備えることが出来る。
【００２０】
また、運転制御部は、所定の時間帯において出湯していない状態での圧縮機の運転回転数を、給水回路に出水する圧縮機の運転回転数より少ない回転数で運転しても良い。水熱交換器における水の沸上温度を使用給湯温度に近い適温とすることができ、電力による給水加熱効率を定常回転数の従来運転時よりも高くすることが出来る。
【００２１】
また、運転制御部は、所定の時間帯における圧縮機の回転数を、以前の使用水量または使用熱量に基づいて算出された必要加熱量に応じて定められた所定回転数としても良い。それにより無駄のない水加熱運転ができ、より効率的な運転制御ができる。
【００２２】
また、運転制御部は、水利用端末での水使用時間及び水使用間隔を記憶し、所定の時間帯を変更する学習機能部を備えても良い。それにより、夏、冬の季節変化や、家族の給水使用時間変化に対応した運転制御ができ、より一層効率的な運転制御ができるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図によって説明する。図１は本発明のヒートポンプ式給湯機の運転フローチャートであり、その部品構成を図２によって説明する。図２において、圧縮機１、水熱交換器２、減圧装置３、空気熱交換器４は順次冷媒配管５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで接続され、ヒートポンプサイクルを構成している。圧縮機１は、本給湯機の使用時間帯を学習し記憶する記憶部を有する制御部２０によって、その運転及び回転数が制御される。
【００２４】
除霜用電磁弁６は、その一端を冷媒配管７ａで、圧縮機１と水熱交換器２間に接続する。もう一端は、冷媒配管７ｂで減圧装置３と空気熱交換器４間に接続する。一方、給水回路は、水道等の給水源８、減圧弁９、補助タンク１０、循環ポンプ１１、水熱交換器２、水切換弁１２、調整切換弁１３、台所蛇口１４を順次水配管で接続し構成する。
【００２５】
また、風呂給湯回路は、水熱交換器２及び補助タンク１０からの温水を切換弁１２及び調整切換弁１３を経由して、水利用端末である風呂蛇口１５及びシャワー１６から出湯する給水回路と、浴槽１７の湯を風呂循環ポンプ１８により水熱交換器２を経由して浴槽に戻す風呂追炊回路とがある。
【００２６】
次に本ヒートポンプ給湯機の動作について説明する。図２において、圧縮機１が運転開始すると、圧縮機内のガス状冷媒が加熱圧縮され高温高圧の冷媒となって、水熱交換器２に送り込まれる。水熱交換器２内では高温冷媒と水回路中の水とが熱交換する。すなわち、冷媒は放熱し、水は加熱される。放熱した冷媒は減圧装置３で減圧され、更に空気熱交換器４で膨脹蒸発してガス状となり再度圧縮機１に戻る。
【００２７】
一方水回路は、水道の水圧によって給水源８から給水された水は水熱交換器２によって加熱され（例えば６０℃）、水切換弁１２を通過し、調整切換弁１３にて給水源８からの給水（例えば１７℃）と混合調整され、使用温水（例えば４２℃）に合わせた温度となり台所蛇口１４から出湯する。なお、利用端末１４、１５、１６で出湯した場合は、同時に給水源から同量の水が供給され、循環水回路は常に満水となるように構成されている。
しかし、ここで運転立上り時の加熱遅れという課題、特に朝夕の頻繁に湯を使用する時は、時間的にも急いでおり、即使用温水を給湯できることが必要である。この課題の解決策として、図２に示す圧縮機の運転が立ち上がるまでの間給水可能な容量からなる補助タンク１０を付加し、予めこの補助タンク１０に温水を貯えておき、圧縮機１の運転立上り時のみ、補助タンク１０の温水を優先使用することにより解決を図ることができる。
【００２８】
しかし、この補助タンク１０のみに頼る方法では、風呂給湯等で補助タンク１０の残湯量が少ない場合は給湯不足となるため、補助タンク１０はある程度の大きさが必要となることや、加熱した温水を貯湯しておくことによる放熱ロスがあり、従来の問題点を完全に払拭するには至らない。
【００２９】
そこで種々検討した結果、給水使用が頻繁に行なわれるのは朝夕の一定時間帯であることに着目し、特にその所定の時間帯に効率的な圧縮機１の運転制御する発明に至った。
【００３０】
図３は給水使用が頻繁に行われる朝の出湯量と時間をモデル化したもので、（１）〜（５）までは洗顔、シャワー、台所等で給水使用された出湯量とそれに要した時間を示し、（６）は補助タンク１０への貯湯運転（この場合は、給湯機からの出湯量ではなく、水熱交換器２で加熱された水量。）を示す。
【００３１】
図４は、図３の給水使用に対応した圧縮機の運転状態を示すもので、細線Ａは従来のヒートポンプ式給湯機における圧縮機の運転状態を示し、（１）〜（６）までそれぞれが独立して定常回転数で圧縮機を運転したことを示す。一方太線Ｂは本実施例における圧縮機１の運転状態を示し、（１）の給水停止以降、圧縮機は連続運転とし、且つ、給水が頻繁に使用され始める（１）の給水停止から（６）の貯湯運転開始までの所定時間Ｈは圧縮機の回転数を定常時より少ない低速連続運転とする。また、その低速回転数は、図３の出湯量及び出湯温度によって算出される所定時間Ｈにおける使用総熱量に見合う値になるよう、図４の低速連続運転時Ｂａの圧縮機回転数と加熱能力から算出する。
【００３２】
図５は、図４の運転状態に対応した水熱交換器２出口部の水温を示すもので、細線Ａで示す従来水温と、太線Ｂで示す本発明時との累計熱量はほぼ同等になる。また、図５中のＣは圧縮機運転立上がり時の水加熱遅れを示すもので、細線Ａの従来水加熱遅れは（１）〜（６）の毎回発生するが、太線Ｂの本発明は（１）の初回のみである。なお、図５に示す如く水温Ａ、Ｂは圧縮機１の運転、停止により変動するが、利用端末の給湯温度は点線Ｄで示す如く一定である。
即ち、加熱後の水温Ａ、Ｂ（例えば６０℃）と利用端末での給水温度Ｃ（例えば４２℃）との差が調整切換弁１３によって給水源８から給水（例えば１７℃）される水量で調整される。
【００３３】
以上の如く、本実施例は、圧縮機運転立上がり時の水加熱遅れを解消して安定した給水を行なうことが出来ると共に、圧縮機１等の断続回数を極めて少なくできるものである。
【００３４】
次に図１によって本発明のヒートポンプ式給湯機の運転フローチャートについて説明する。
【００３５】
まず、本実施例におけるヒートポンプ式給湯機は補助タンク１０へ湯を蓄えるべく運転を開始する。給水源８からの上水は、減圧弁９を介して給湯機内に取り込まれ、水熱交換器２及び補助タンク１０へ送られる。水熱交換器２で圧縮された高温の冷媒と熱交換して加熱された水は、水切替弁１２を介して補助タンク１０に蓄えられる。このとき水熱交換器２で水を加熱することにより、補助タンク１０に蓄えられた水は、湯として出湯可能な温度に加熱される（ステップ１００）。補助タンク１０に蓄えられた水が所定温度に達すると、給湯機は出湯待機状態となり、制御部２０は圧縮機１の運転を止める。また朝は頻繁に給水使用が行われるため、運転開始後に運転制御部２０の制御に基づいて加熱運転を行なう（ステップ１００）。
【００３６】
１回目の給水使用（ステップ１１０）が終わり出湯停止後（ステップ１２０）、継続使用を判断（ステップ１３０）する。このとき、一日のうちで朝夕に給湯要求が多いので、予め時間帯を設定しておく。その時間帯内での給水使用であるかどうかを判断して、その時間帯内での使用であれば、断続使用有りと判断する。運転制御部２０は圧縮機１の運転を継続して行い、圧縮機１の回転数を、水熱交換器２で加熱した水を直接出湯するときの圧縮機１の回転数よりも低回転に制御する。継続使用が終了するまでの所定の時間帯は運転制御部２０によって圧縮機１は低速連続運転を行なう（図１における破線で囲んだフローを所定の時間帯、実行する）。
【００３７】
継続使用が終了すると、使用開始時間、出湯時間、出湯量、出湯感覚などの使用パターンを制御部２０の記録部（図示せず）から読み込み（ステップ１４０）、給水する時間帯や圧縮機１の運転回転数などの運転条件を決定・更新する（ステップ１５０）。
【００３８】
日中の一時的な湯の使用の場合、頻繁に出湯が行われる所定の時間帯と同様に、運転開始直後は補助タンク１０の貯湯を給水し（ステップ２１０）、その間に圧縮機１の運転により水熱交換器２で予熱運転され、加熱後の給水温度が使用温度以上に達すると補助タンク給水から水熱交換器２よりの直接給水に切り換える（ステップ２３０）。
【００３９】
次いで、給水使用が終了すると、補助タンク１０内の水を循環加熱する（ステップ２２０）。補助タンク１０内の水加熱が終了すると補助タンク１０から水熱交換器２へ循環する水温が急上昇するため、水熱交換器２の出口水温が急上昇し、規定温度以上になって（ステップ２４０）、圧縮機１の運転が終了する。
【００４０】
なお、本実施例におけるヒートポンプ式給湯機の運転制御は、運転効率向上のみでなく、圧縮機等の断続回数を大幅に減少することにより、始動時のトラブルを少なくし寿命信頼性を向上させることができる等の効果を有し、貯湯タンクの大小や給水回路に関係なくその効果を発揮し得るものである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機の運転立上がり時の水加熱遅れを解消し、安定した給水ができ、省エネ効果や断続寿命の信頼性向上などの利点を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒートポンプ式給湯機における一実施例の運転制御フローチャート。
【図２】本発明のヒートポンプ式給湯機における一実施例の冷媒回路及び水回路図。
【図３】給水使用時における出湯量と時間の説明図。
【図４】図３に対応した圧縮機の運転状態を示す説明図。
【図５】図４の圧縮機運転時における水熱交換器出口部の水温を示す説明図。
【符号の説明】
１…圧縮機、  ２…水熱交換器、  ３…減圧装置、  ４…空気熱交換器、    ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…冷媒配管、  ６…電磁弁、  ７ａ，  ７ｂ…冷媒配管、  ８…給水源、  ９…減圧弁、  １０…補助タンク、  １１…循環ポンプ、  １２…水切換弁、  １３…調整切換弁、  １４…台所蛇口、  １５…風呂蛇口、  １６…水配管、  １７…浴槽、  １８…風呂用循環ポンプ、Ａ…従来の運転状態、Ｂ…一実施例の運転状態、  Ｂａ…所定の時間帯内の運転状態、Ｃ…立上り時の水加熱遅れ、  Ｄ…出湯温度。
【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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