(57)【要約】【課題】沸き上げ時のヒートポンプ回路のＣＯＰを向上させる。【解決手段】湯水を貯湯する貯湯タンク１６と、圧縮機５と蒸発器６と凝縮器８を有したヒートポンプ回路９と、貯湯タンク１６下部に設けられたヒーポン往き口１７から取り出した低温水をヒートポンプ回路９の凝縮器６によって加熱し、加熱された高温水を貯湯タンク１６上部に設けられたヒーポン戻り口１８から貯湯タンク１６内に戻すヒーポン循環回路１９と、貯湯タンク１６から取り出した高温水を熱交換器２０に循環させ、温度低下した中温水を貯湯タンク１６下部に設けられた中温水戻り口２２に戻す熱利用循環回路２４とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、中温水戻り口２２を給水口１５およびヒーポン往き口１７よりも高い位置に設けた。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水管からの低温水を流入させる給水口を下端部に有すると共に貯湯している高温水を第１出湯管から流出させる第１出湯口を上端部に有する貯湯タンクと、圧縮機と蒸発器と凝縮器を有したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク下部に設けられたヒーポン往き口から取り出した低温水を前記ヒートポンプ回路の凝縮器によって加熱し、加熱された高温水を前記貯湯タンク上部に設けられたヒーポン戻り口から前記貯湯タンク内に戻すヒーポン循環回路と、熱交換器と熱交循環ポンプを有し前記貯湯タンク上部に設けられた高温水取出し口から取り出した高温水を前記熱交換器に循環させ、温度低下した中温水を前記貯湯タンク下部に設けられた中温水戻り口に戻す熱利用循環回路とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記中温水戻り口を前記給水口および前記ヒーポン往き口よりも高い位置に設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
前記ヒートポンプ回路を、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ回路として超臨界ヒートポンプサイクルを構成したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯湯タンク内の湯水を循環してヒートポンプ回路によって沸き上げ、且つ貯湯タンク内の高温水を循環させて暖房あるいは風呂の追焚き／保温等の熱源として用いるヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりこの種のものにおいては、図６に示すようなものがあった。
ここで、１０１はヒートポンプ回路、１０２は貯湯タンクで、この貯湯タンク１０２下部から取り出した５〜２５℃程度の低温水をヒートポンプ回路１０１で７０〜９０℃程度に加熱して貯湯タンク１０２の上部から積層貯湯していくものである。
【０００３】
前記貯湯タンク１０２には、その下端に給水管１０３が接続され、また上端には出湯管１０４が接続されているものである。１０５は電動ミキシング弁で、出湯管１０４からの高温水と給水管１０３からの低温水をリモコン（図示せず）等で設定された任意の給湯設定温度に混合して給湯栓１０６から出湯するものである。
【０００４】
１０７は暖房あるいは風呂の追焚き／保温の熱源としての熱交換器で、出湯管１０４から分岐した熱交往き管１０８および給水管１０３に合流する熱交戻り管１０９により貯湯タンク１０２と循環可能に接続されており、貯湯タンク１０２内の高温水を熱交換器１０７に流入させて暖房回路あるいは風呂の追焚き／保温回路等の２次側回路（図示せず）の温水を加熱するものである。
【０００５】
そして、貯湯タンク１０２の上部から取り出された高温水は、前記熱交換器１０７で熱交換されて温度低下し、３０〜５０℃程度の中温水となって貯湯タンク１０２の下部から貯湯タンク１０２内に戻るものである。
【０００６】
なお、このような従来の貯湯式給湯装置にかかる公知の刊行物を本願出願人は発見することができないが、貯湯タンク内に貯湯された高温水を熱源として暖房を行うものとして例えば特許文献１が挙げられる。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２６６３６３７号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のものでは、貯湯タンク１０２内の水の沸き上げを行う場合、熱交換によって生成された中温水が貯湯タンク１０２の最下部から貯湯タンク１０２内に戻されるので、戻された中温水が貯湯タンク１０２下部に貯められている低温水に混じって、ヒートポンプ回路で沸き上げる水の温度を高くしてしまい、ヒートポンプ式給湯装置のＣＯＰ（エネルギー消費効率）を低下させ、例えば沸き上げる水の温度が４０℃の場合、５℃の水を沸き上げる時の半分程度のＣＯＰとなってしまうという課題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために、請求項１では、給水管からの低温水を流入させる給水口を下端部に有すると共に貯湯している高温水を第１出湯管から流出させる第１出湯口を上端部に有する貯湯タンクと、圧縮機と蒸発器と凝縮器を有したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク下部に設けられたヒーポン往き口から取り出した低温水を前記ヒートポンプ回路の凝縮器によって加熱し、加熱された高温水を前記貯湯タンク上部に設けられたヒーポン戻り口から前記貯湯タンク内に戻すヒーポン循環回路と、熱交換器と熱交循環ポンプを有し前記貯湯タンク上部に設けられた高温水取出し口から取り出した高温水を前記熱交換器に循環させ、温度低下した中温水を前記貯湯タンク下部に設けられた中温水戻り口に戻す熱利用循環回路とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記中温水戻り口を前記給水口および前記ヒーポン往き口よりも高い位置に設けたものである。
【００１０】
これにより、給湯の使用によって給水管からの低温水が貯湯タンクの下端から流入すると共に、熱源として使用されて温度低下した中温水は、前記給水口および前記ヒーポン戻り口よりも高い位置に設けられた中温水戻り口から貯湯タンク内に流入するので、貯湯タンクの最下端には中温水と混合されない低温水が確保されることとなり、そして、沸き上げの際には中温水戻り口よりも低い位置に設けられているヒーポン往き口から湯水を取り出すので、必ず低温水から沸き上げることができ、沸き上げの効率が向上しヒートポンプ式給湯装置としてのＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良くなるものである。
【００１１】
また、請求項２では、前記ヒートポンプ回路を、二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ回路として超臨界ヒートポンプサイクルを構成したものである。
【００１２】
これにより、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良い状態で低温水を高温まで沸き上げることができ、ヒートポンプ式給湯装置の貯湯熱量を多くすることができるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施形態を図１〜図４に基づき説明する。
１はヒートポンプユニット、２は貯湯タンクユニット、３は給湯混合水栓、４は床暖房パネル等の暖房負荷端末である。
【００１４】
前記ヒートポンプユニット１は、圧縮機５と凝縮器としての冷媒−水熱交換器６と減圧器７と蒸発器８で構成されたヒートポンプ回路９と、被加熱水を冷媒−水熱交換器６に循環させるヒーポン循環ポンプ１０と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１１とを備えており、ヒートポンプ回路９内には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。なお、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。
【００１５】
ここで、前記冷媒−水熱交換器６は冷媒と被加熱水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することができ、被加熱水の冷媒−水熱交換器６入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記減圧器７または圧縮機５を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器６の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）が３．０以上のとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。
【００１６】
前記貯湯タンクユニット２は、上端に第１出湯管１２と連なる第１出湯口１３を有し、下端に給水管１４と連なる給水口１５を有した貯湯タンク１６を備えている。この貯湯タンク１６の下部にはヒーポン往き口１７が、上部にはヒーポン戻り口１８が設けられ、前記ヒートポンプユニット１の冷媒−水熱交換器６に連通するヒーポン循環回路１９によって貯湯タンク１６内の湯水が循環可能に接続されている。なお、この貯湯タンク１６は約３７０Ｌ程度の容量を保有しているものである。
【００１７】
２０は前記床暖パネル４の加熱源としての熱交換器で、その一次側には貯湯タンク１６上部に連通する高温水取出し口２１と貯湯タンク１６下部の中温水戻り口２２とを熱利用循環ポンプ２３を備えた熱利用循環回路２４で貯湯タンク１６内の湯水が循環可能に接続されており、また、二次側には床暖パネル４と循環可能に接続する二次側回路２５と二次側循環ポンプ２６が備えられているものである。
【００１８】
次に、２７は第１出湯管１２からの湯水と給水管１４からの低温水を混合する電動ミキシング弁より構成された第１混合弁であり、その下流の給湯管２８に設けた給湯温度センサ２９で検出した湯温がリモコン３０でユーザーが設定した給湯設定温度になるように混合比率を制御するものである。このリモコン３０は給湯温度設定スイッチ３１を有しており、給湯温度を３５〜６０℃の範囲で任意に設定可能としていると共に、暖房を開始させる暖房スイッチ３２を有しているものである。
【００１９】
３３は貯湯タンク１６の中間高さ位置に設けた第２出湯口で、第１出湯管１２の第１出湯口１３と第１混合弁２７との間に設けた第２混合弁３４の入力側に第２出湯管３５を介して接続されている。この第２出湯口３３および第２出湯管３５は前記熱交換器２０で二次側と熱交換して温度低下した中温水を貯湯タンク１６から出湯するもので、この中温水を前記第２混合弁３４にて第１出湯管１２を流れる高温水と混合して第１混合弁２７の供給するものである。
【００２０】
前記第２混合弁３４は電動ミキシング弁より構成され、その下流に設けた混合温度センサ４２の検出する温度に応じてリモコン３０で設定した任意の給湯設定温度より所定温度高い温度になるよう混合比率を調節するものである。例えば任意の給湯設定温度が６０℃であれば、電動ミキシング弁である第２混合弁３４の混合温度を６０℃より５ｄｅｇだけ高い６５℃にし、６５℃に混合した温水を第１混合弁２７で任意の給湯設定温度である６０℃に調整して給湯を行う。また、任意の給湯設定温度が４２℃であれば、電動ミキシング弁である第２混合弁３４の混合温度を４２℃より５ｄｅｇだけ高い４７℃にし、４７℃に混合した温水を第１混合弁２７で任意の給湯設定温度である４２℃に調整して給湯を行う。このように、その時々の任意の給湯設定温度に応じて中温水を可能な限り多く使って給湯を行うことができるものである。
【００２１】
３６は貯湯タンク１６の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この貯湯温度センサ３６がどの高さ位置まで所定温度（例えば５０℃）以上を検出しているかによって、貯湯タンク１６内にどれだけの熱量が残っているかを検知するものである。
【００２２】
３７は貯湯タンクユニット内のセンサの入力を受けアクチュエータの駆動を制御するマイコンを有した給湯制御部である。この給湯制御部３７に前記リモコン３０が無線または有線により接続されユーザーが任意の給湯設定温度を設定できるようにしているものである。
【００２３】
なお、３８は貯湯タンク１６の過圧を防止する過圧防止弁、３９は給水の温度を検出する給水温度センサ、４０は給水の圧力を減圧する減圧弁、４１は給湯する温水の量をカウントする流量カウンタである。
【００２４】
次に、この第１の実施形態の作動を説明する。
まず、図２に示す沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ３６が貯湯タンク１６内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部３７はヒーポン制御部１１に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部１１は圧縮機５を起動した後にヒーポン循環ポンプ１０を駆動開始し、貯湯タンク１６下部のヒーポン往き口１７から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器６で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、ヒーポン循環回路１９を介して貯湯タンク１６上部のヒーポン戻り口１８から貯湯タンク１６内に戻してやり、貯湯タンク１６の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ３６が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部３７はヒーポン制御部１１に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部１１は圧縮機５を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１０も停止して沸き上げ動作を終了するものである。
【００２５】
次に、図３に示す暖房運転について説明すると、リモコン３０の暖房スイッチ３２をＯＮすると、給湯制御部３７は熱利用循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２６を駆動開始し、高温水取出し口２１から取り出した７０〜９０℃程度の高温水を熱交換器２０に流入させ、二次側回路２５の温水と熱交換させ、熱交換により３０〜５０℃程度に温度低下した中温水が中温水戻り口２２から貯湯タンク１６下部に戻り、高温水と入れ替わる形で高温水と中温水の境界面を押し上げるようにして中温水が貯湯されるものである。二次側では、熱交換器２０にて加熱された温水が床暖房パネル４に流入し、被暖房空間を暖房して再度熱交換器２０に循環するものである。そして、リモコン３０の暖房スイッチ３２をＯＦＦすると、給湯制御部３７は熱利用循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２６を駆動停止して暖房運転を停止する。
【００２６】
そして、図４に示す給湯運転について説明すると、給湯混合水栓３を開くと、給水管１４からの給水圧により貯湯タンク１６内の高温水が上端部の第１出湯口１３から押し出されると同時に中温水が第２出湯口３３より押し出される。押し出された７０〜９０℃程度の高温水および３０〜５０℃程度の中温水はそれぞれ第１出湯管１２および第２出湯管３５を介して第２混合弁３４へ流入し、約６５℃の温水に混合される。混合された温水は第１混合弁２７へ流入し、給水管１４からの５〜２０℃程度の低温水と混合されてユーザーがリモコン３０で設定した給湯設定温度に調節され、給湯混合水栓３から給湯される。
【００２７】
このとき、前記中温水戻り口２２は貯湯タンク１６最下端の給水口１５および下部のヒーポン往き口１７よりも高い位置の貯湯タンク１６に設けているため、暖房運転により中温水戻り口２２から中温水が貯湯タンク１６の下部に戻されても、給湯の使用により貯湯タンク１６下端から給水管からの低温水が流入することで貯湯タンク１６の最下端には低温水が確保されることとなり、次回の沸き上げの際には必ず低温水から沸き上げることができるという効果がある。また、前記高温水取出し口２１は第１出湯口１３から連なる第１出湯管１２途中に設けられていて、貯湯タンク１６の開口部を減らすことができるものである。
【００２８】
また、第２出湯口３３が中温水戻り口２２よりも高い位置に設けられているので、中温水戻り口２２と第２出湯口３３との間にある程度の容量を確保でき、熱交換器２０で温度低下した中温水をその容量分だけ一時的に貯めておくことができることとなり、第２出湯口３３より高い位置に貯められてしまう中温水の量を少なくすることができる。詳しくは、第２出湯口３３が貯湯タンク１６の中間高さ位置程度にあるので中温水戻り口２２と第２出湯口３３との間に約９０〜１２０Ｌ程度の容量を確保でき、熱交換器２０で温度低下した中温水をその容量分だけ一時的に貯めておくことができることとなり、第２出湯口３３より高い位置に貯められてしまう中温水の量を少なくすることができる。すなわち第２出湯口３３から取り出すことができない中温水を極力少なくすることができるものである。
【００２９】
ここで、もし中温水戻り口２２と第２出湯口３３とが同じ高さにあった場合には、中温水が中温水戻り口２２より高い位置に貯められてしまう場合があり、これを中温水戻り口２２と同じ高さにある第２出湯口３３から取り出すことができないため、中温水が発生すると同時にこの中温水を給湯に用いる必要があり、さもなければ多量に給湯を行って中温水が貯湯タンク１６上端部の第１出湯口１３にまで押し上げられるまで貯湯タンク１６内に中温水が貯湯されてしまうこととなる。しかし、この第１の実施形態では上記のように中温水戻り口２２よりも高い位置に第２出湯口３３が設けられているため、この高さの差分の容量だけ中温水の発生から利用までの容量的あるいは時間的余裕ができ、中温水をある程度の容量分発生させてから時間的間隔をおいて給湯を行っても中温水を給湯に用いることができる効果がある。
【００３０】
また、暖房を行わなかったり沸き上げ完了直後の給湯では貯湯タンク１６内に中温水がなく、第２出湯口３３位置に高温水がある場合には、第２混合弁３４は第１出湯管１２側を閉じて第２出湯管３５側を開くようにしている。結果的に設定混合温度以上の温度の温水を第１混合弁２７へ供給するが、第１混合弁で給水管１４からの低温水と混合してユーザーがリモコン３０で設定した給湯設定温度に調節されることとなる。
【００３１】
また、貯湯タンク１６内の上部には高温水があるが、第２出湯口３３付近に低温水がある場合には、第２混合弁３４が設定混合温度の約６５℃になるように自動的に調節されるものである。
【００３２】
このように、給湯の際に暖房熱源として利用された中温水を高温水よりも優先して貯湯タンク１６の途中から取り出して給湯するので、高温水を給湯しきるまで中温水を給湯できないと行った不具合がなく、給湯を行う度に貯湯タンク１６内の中温水が減って給水管１４からの低温水に入れ替わって、深夜の沸き上げ動作を行う時には沸き上げ効率の悪い中温水ではなく、温度の低い低温水をヒートポンプ回路９で沸き上げることとなり、沸き上げの効率が向上しヒートポンプ式給湯装置としてのＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良くなるものである。
【００３３】
また、第２混合弁３４は第１混合弁２７で調整する給湯設定温度範囲の上限温度以上の温度に混合し、その後に第１混合弁２７にて任意の給湯設定温度に混合して給湯するので、ユーザー側で特別な操作をすることなくリモコン３０で設定した任意の給湯設定温度の湯を常に確実に給湯できるものである。
【００３４】
なお、この一実施形態では、前記中温水戻り口２２を前記給水口１５および前記ヒーポン往き口１７よりも高い位置で貯湯タンク１６に直接接続して設けているが、これに限らず、図５に示すように貯湯タンク１６の下部から配管を内部まで差し込んで、差し込んだ先端の開口部を中温水戻り口２２として、前記給水口１５および前記ヒーポン往き口１７よりも高い位置に設けるようにしても良いものである。
【００３５】
また、この一実施形態では、熱交換器２０と熱利用循環ポンプ２３と二次側循環ポンプ２６を貯湯式タンクユニット２内に設けているが、これに限られることなく、例えばこれらを貯湯式タンクユニット２とは別体の熱交換ユニット内に設けても良く、本発明の要旨を変更しない範囲での実施形態の変更をすることを妨げるものではない。
【００３６】
また、この一実施形態では、床暖房パネルから成る暖房負荷端末４を二次側回路２５の負荷としているが、これに限られることはなく、温水式温風暖房器や温水式パネルコンベクタ、温水式パネルラジエータ等でも良い。また、二次側回路２５の負荷は暖房利用に限らず、例えば浴槽の温水を循環させて風呂の追焚きまたは保温に用いても良く、要は貯湯タンク１６内の高温水の熱を熱交換器２０で熱交換して利用する熱機器であれば何でも良いものである。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１によれば、給湯の使用によって給水管からの低温水が貯湯タンクの下端から流入すると共に、熱源として使用されて温度低下した中温水は、前記給水口および前記ヒーポン戻り口よりも高い位置に設けられた中温水戻り口から貯湯タンク内に流入するので、貯湯タンクの最下端には中温水と混合されない低温水が確保されることとなり、そして、沸き上げの際には中温水戻り口よりも低い位置に設けられているヒーポン往き口から湯水を取り出すので、必ず低温水から沸き上げることができ、沸き上げの効率が向上しヒートポンプ式給湯装置としてのＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良くなるものである。
【００３８】
また、請求項２によれば、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良い状態で低温水を高温まで沸き上げることができ、ヒートポンプ式給湯装置の貯湯熱量を多くすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図。
【図２】同一実施形態の沸き上げ運転の作動を説明する図。
【図３】同一の実施形態の暖房運転の作動を説明する図。
【図４】同一実施形態の給湯運転の作動を説明する図。
【図５】本発明の他の一実施形態の概略構成図。
【図６】従来例の概略構成図。
【符号の説明】
５　圧縮機
６　冷媒−水熱交換器（凝縮器）
８　蒸発器
９　ヒートポンプ回路
１２　第１出湯管
１３　第１出湯口
１４　給水管
１５　給水口
１６　貯湯タンク
１７　ヒーポン往き口
１８　ヒーポン戻り口
１９　ヒーポン循環回路
２０　熱交換器
２１　高温水取出し口
２２　中温水戻り口
２３　熱交循環ポンプ
２４　熱利用循環回路
【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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