(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式給湯機において、受熱器の管内における侵食を防止できるようにする。【解決手段】ヒートポンプ式給湯機は、圧縮機４、凝縮器５、減圧装置６、及び蒸発器７を接続したヒートポンプ回路１と、貯湯槽８、凝縮器５で加熱される受熱器９、貯湯槽８の水を受熱器９を通して循環させるポンプ１０、給水管２１、及び給湯管２２を接続した給湯部２と、給湯部２を制御する制御部３とを備える。制御部３は給湯機の状態を検出して受熱器９の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように給湯部２を制御する機能を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器を接続したヒートポンプ回路と、
貯湯槽、前記凝縮器で加熱される受熱器、前記貯湯槽の水を前記受熱器を通して循環させるポンプ、給水管、及び給湯管を接続した給湯部と、
前記給湯部を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯機において、
前記制御部は給湯機の状態を検出して前記受熱器の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように前記給湯部を制御する機能を有する
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
請求項１において、前記給湯部は前記受熱器を通る流路に流量計及び制御弁を備え、前記制御部は前記流量計の検出流量に基づいて前記受熱器を通る流量が所定値以下となるように前記制御弁を制御する機能を有することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
請求項１において、前記給湯部は前記受熱器を通る流路に流量計、制御弁及び温度センサを備え、前記制御部は前記流量計の検出流量及び前記温度センサの検出温度に基づいて前記受熱器を通る流量が所定値以下となるように前記制御弁を制御する機能を有することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器を接続したヒートポンプ回路と、
貯湯槽、前記凝縮器で加熱される受熱器、前記貯湯槽の水を前記受熱器を通して循環させるポンプ、給水管、及び給湯管を接続した給湯部と、
前記ヒートポンプ回路及び前記給湯部を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯機において、
前記給湯部は、小容量の貯湯槽を有すると共に、前記貯湯槽、前記循環ポンプ及び前記受熱器からなる貯湯回路と、前記給水管、前記貯湯槽及び前記給湯管からなる第１の給湯回路と、前記給水管、前記受熱器及び前記給湯管からなる第２の給湯回路とを切換え可能に形成し、
前記制御部は、給湯機の状態を検出して、前記貯湯回路、前記第１の給湯回路及び前記第２の給湯回路を切換える制御機能と、前記受熱器の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように制御する機能とを有する
ことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
請求項４において、前記給湯部は前記第２の給湯回路の給湯管に制御弁を有し、前記制御部は外気温度を検出してその外気温度が所定温度以上の場合に前記受熱器の出口水温を高くなるように前記制御弁を制御する機能を有することを特徴とする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、ヒートポンプ冷凍サイクルを利用して給湯が行なえる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、日中に貯湯槽に貯蔵した湯を使う電気温水器等があった。そして、最近では電気温水器に比較してエネルギー効率が良いと云われるヒートポンプ式給湯機が普及し始めてきた。
【０００３】
ヒートポンプ式給湯機は、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、貯蔵した湯を日中に使うものが一般的であり、熱源に冷媒の状態変化を利用しているので、電気ヒーター加熱よりエネルギー効率が数倍良く、またガス等を燃焼しないのでＣＯ２を排出せず地球環境にやさしい給湯機と云われている。
【０００４】
係る従来のヒートポンプ式給湯機としては、特開平９−１２６５４７号公報に開示されたものがあり、これを示す図４を参照しながら説明する。
【０００５】
図４に示すヒートポンプ式給湯機は、圧縮機１０１、凝縮器１０２、減圧装置１０３、蒸発器１０４から構成されたヒートポンプ回路と、大容量の貯湯槽１０５、凝縮器１０２と熱交換的に配置した受熱器１１３、貯湯槽１０５の水を受熱器１１３に循環する循環ポンプ１１２から構成された沸上げ回路とを備えて構成されている。
【０００６】
そして、このヒートポンプ式給湯機は、夜間の安価な電力を利用してエネルギー効率の良いヒートポンプ回路を運転し、貯湯槽１０５内の水を循環ポンプ１１２で循環させながら受熱器１１３で所定の湯温になるまで徐々に温め、所定の湯温に達したことを温度検知器１１４で検知してヒートポンプ回路の運転を停止するようにしている。日中、使用端末で湯を使用する際にはミキシングバルブ１１７で利用水と混合して適当な温度に薄めて供給する。貯湯槽１０５に貯蔵する湯の温度をできるだけ高くすることにより、薄める利用水の量を多くし、貯湯槽１０５から取り出す湯の量を少なくするようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のヒートポンプ式給湯機は、受熱器の管内における水の流速については何等配慮されていなかった。受熱器の管内における水の流速が所定値（一般的には１．５ｍ／ｓ）より速くなると、この速い流れにより管内が侵食されてその配管に穴があいてしまうおそれがあるが、従来のヒートポンプ式給湯機では、夜間に長時間をかけて貯湯するため、受熱器における管内の水の流速が遅くてもよく、この流速に配慮する必要がなかった。
【０００８】
また、従来のヒートポンプ式給湯機は、高温の湯を大量に貯湯槽に貯えるものであるため、ヒートポンプ回路の効率が十分に高い所で使用されていないと共に、大きな貯湯槽の表面から多くの熱が放射されてエネルギーの無駄を生じており、これらによってエネルギー効率の低下を招いていた。そして、大容量の貯湯槽を有することに伴って、大きな設置スペースが必要であると共に、給湯機の運搬、設置などが面倒であった。
【０００９】
さらには、従来のヒートポンプ式給湯機では、夜間の安い電気料金を利用するように夜中にヒートポンプ回路を運転し、高温の湯にして貯湯槽に貯えておき、日中に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が、時には貯湯槽の湯を使いきってしまい、湯切れを起こすことがあった。そこで、湯切れを起こす前にヒートポンプ回路を運転して受熱器を加熱し、受熱器から直接給湯するように切換えることが考えられるが、その給湯量の全てが受熱器を通ることとなり、受熱器の管内における水の流速が所定値より速くなってしまうおそれが生ずる。
【００１０】
本発明の目的は、受熱器の管内における侵食を防止可能なヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、受熱器の管内における侵食を防止可能で、エネルギー効率がよく、しかも小型及び軽量で輸送性及び据付け性に優れると共に湯切れを防止可能なヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
【００１２】
なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器を接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、前記凝縮器で加熱される受熱器、前記貯湯槽の水を前記受熱器を通して循環させるポンプ、給水管、及び給湯管を接続した給湯部と、前記給湯部を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯機において、前記制御部は給湯機の状態を検出して前記受熱器の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように前記給湯部を制御する機能を有する構成にしたことにある。
前記別の目的を達成するための本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器を接続したヒートポンプ回路と、貯湯槽、前記凝縮器で加熱される受熱器、前記貯湯槽の水を前記受熱器を通して循環させるポンプ、給水管、及び給湯管を接続した給湯部と、前記ヒートポンプ回路及び前記給湯部を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式給湯機において、前記給湯部は、小容量の貯湯槽を有すると共に、前記貯湯槽、前記循環ポンプ及び前記受熱器からなる貯湯回路と、前記給水管、前記貯湯槽及び前記給湯管からなる第１の給湯回路と、前記給水管、前記受熱器及び前記給湯管からなる第２の給湯回路とを切換え可能に形成し、前記制御部は、給湯機の状態を検出して、前記貯湯回路、前記第１の給湯回路及び前記第２の給湯回路を切換える制御機能と、前記受熱器の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように制御する機能とを有する構成にしたことにある。
なお、本発明のその他の手段は以下の記述から明らかにされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図１から図３を用いて説明する。
【００１５】
図１において、ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプ式冷凍サイクルで形成されるヒートポンプ回路１と、ヒートポンプ回路１によって加熱される給湯部２と、ヒートポンプ回路１及び給湯部２を制御する制御部３とを備えて構成され、一つの箱体内にこれらを収納して構成されている。
【００１６】
ヒートポンプ回路１は、低温低圧の冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒として吐出する能力可変型圧縮機４と、この吐出された冷媒を受熱器９と熱交換させて凝縮させる凝縮器５と、この凝縮された冷媒を減圧する減圧装置６と、この減圧された冷媒を外気と熱交換させて蒸発させる蒸発器７とを冷媒配管で接続することにより構成されている。なお、蒸発器７に外気を通風するようにファン７ａが配置されている。
【００１７】
ここで、圧縮機４は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば２０００回転／分）から高速（例えば８０００回転／分）まで回転数制御されるようになっている。特に、受熱器９から直接給湯する際には、圧縮機４が高速回転数で運転される。
【００１８】
給湯部２は、６０Ｌ程度の少量の湯を貯湯するための小容量貯湯槽８と、凝縮器５と熱交換して加熱される受熱器９と、貯湯槽８の水を受熱器９を通して循環させる循環ポンプ１０と、貯湯槽８及び受熱器９に利用水を供給する給水管２１と、貯湯槽８及び受熱器９から給湯する給湯管２２と、給水や循環や給湯等を制御する制御弁１１〜１３と、を備えて構成されている。制御弁１１は貯湯槽８の出口側に設置されている。給湯管２２及び給水管２１の湯及び水は適切な温度（例えば４２℃）になるように制御弁１２及び制御弁１３を介して合流され、出湯口より出湯されるようになっている。
【００１９】
ここで、給湯部２は、貯湯槽８、循環ポンプ１０及び受熱器９からなる貯湯回路と、給水管２１、貯湯槽８及び給湯管２２からなる第１の給湯回路と、給水管２１、受熱器９及び給湯管２２からなる第２の給湯回路とが切換え可能に形成される。
【００２０】
ヒートポンプ式給湯機には、給湯機の状態を検出する流量計や温度センサを備えている。具体的に説明すると、給湯部２には、利用水の流量を測定する流量計１４と、利用水の温度を測定する温度センサ１５と、受熱器９の出口部の温度を検出する温度センサ１６と、貯湯槽８の出口部の温度を検出する温度センサ１７と、受熱器９と貯湯槽８との合流後の温度を検出する温度センサ１８と、出湯前の温度を検出する温度センサ１９とを備えている。また、ヒートポンプ回路１側には、外気温度を検出する外気温センサ２３を備えている。
【００２１】
制御部３は、給湯機の状態を検出して、貯湯回路、第１の給湯回路及び第２の給湯回路を選択して切換える制御機能と、受熱器９の管内を流れる水の流速が所定値以下となるように制御する機能とを備えている。また、制御部３は、流量計１４や各温度センサ１５〜１９、２３で計測した流量や温度に基づいて、ヒートポンプ回路１の圧縮機４及び減圧装置６の制御や、給湯部２の循環ポンプ１０及び制御弁１１〜１３の制御を行なう機能を備えている。
【００２２】
次に、係る構成のヒートポンプ式給湯機の運転動作を説明する。
【００２３】
まず、貯湯槽８への貯湯運転について説明する。貯湯運転は、出湯が行なわれていない時に貯湯槽８の出口側温度を温度センサ１７で検出し、その検出温度が所定温度（例えば６０℃）以下の場合に、ヒートポンプ回路１及び給湯部２を運転して貯湯槽８に所定温度以上の湯を貯湯するために行なう運転である。
【００２４】
この時のヒートポンプ回路１の運転は、圧縮機４及びファン７ａが運転されることにより行なわれ、ヒートポンプ回路１の冷媒は、圧縮機４で高温高圧となって凝縮器に供給され、凝縮器５で受熱器９の利用水を加熱して凝縮されて減圧装置６に至り、減圧装置６で減圧されて蒸発器７に至り、ファン７ａにより送風される外気から蒸発器７で吸熱して蒸発した後に圧縮機４に戻る。
【００２５】
一方、上記における給湯部２の運転は、循環ポンプ１０が運転されることにより行なわれ、貯湯槽８内の水は、受熱器９に送られて凝縮器５により加熱され、貯湯槽８内に湯として溜められるように貯湯回路を循環される。この時、制御弁１２、１３が閉の状態で、制御弁１１が開の状態となるように制御部３で制御され、貯湯槽８の水は６０℃付近まで加熱されて貯湯される。貯湯槽８内の全体が所定温度以上なると、循環ポンプ１０の運転が停止され、貯湯運転が終了する。
【００２６】
この状態で出湯が始まると、制御部３で制御弁１１及び制御弁１２を開路し、給水管２１、貯湯槽８及び給湯管２２からなる第１の給湯回路が形成され、貯湯槽８内の湯が出湯口から給湯される。ここで、制御部３は、出湯口付近の温度センサ１９で検出される温度に基づいて制御弁１２、１３の開度を制御し、貯湯槽８より給湯管２２を通して出される湯（この実施例では約６０℃の湯）と給水管２１より給水される利用水とを混合して適切な温度（４２℃付近）にして出湯管２３より出湯する。なお、制御弁１２、１３が混合栓のように一つのもので構成されていてもよい。
【００２７】
上述した出湯が始まると、循環ポンプ１０が運転されない状態でヒートポンプ回路１の運転が開始される。この運転によって受熱器９の水が加熱され、その出口部分の温度センサ１６の検出温度が４２℃付近まで上昇すると、制御部３で制御弁１１を閉路し、給水管２１、受熱器９及び給湯管２２からなる第２の給湯回路が形成され、第２の給湯回路による給湯に移行される。これによって、貯湯槽８は小容量のもので十分に機能することとなり、貯湯槽８の湯切れを防止しつつ、貯湯槽８の表面から放射される熱エネルギーの無駄が低減すると共に、小型及び軽量で輸送性及び据付け性に優れたヒートポンプ式給湯機とすることができる。しかも、この第２の給湯回路による給湯温度は、貯湯回路による貯湯温度（例えば６０℃付近）より大幅に低い温度である実際の使用温度（例えば４２℃付近）でよく、第２の給湯回路によるヒートポンプ回路１の効率は貯湯運転時に比較して大幅に向上することができる。
【００２８】
この第２の給湯回路の形成により、給水管２１から給水された利用水が受熱器９で加熱され、受熱器９から出た湯が給湯管２２を通り出湯されることとなり、出湯が終了するまでこの状態が継続される。この第２の給湯回路の形成時には、制御部３により制御弁１３は閉路される。この第２の給湯回路による給湯時には、その給湯量の全てが受熱器９を通ることとなり、受熱器９の管内における水の流速が所定値より速くなってしまうおそれが生ずるため、制御部３は給湯機の状態を検出して受熱器９の管内を流れる水の流速が所定値（１．５ｍ／ｓ以下）となるように給湯部２を制御する機能を有している。
【００２９】
この第２の給湯回路による給湯時において、外気温度が所定温度Ａよりも低い場合には、図２に示すように、受熱器９から出る湯が４２℃付近となるように制御弁１２の開度が制御され、制御弁１３は閉じた状態として受熱器９からの湯がそのまま出湯されて利用される。
【００３０】
しかし、ヒートポンプ式給湯機は、外気温度が高くなると、図２に示すようにヒートポンプ回路１の加熱能力が増大するという特徴がある。これは、外気温度が高くなるとヒートポンプ回路の蒸発器７に通風される空気温度が高くなり、蒸発圧力が高くなって冷凍能力が大きくなるためである。又、外気温度が高くなると、図２に示すように利用水温度も上昇する。これらによって、給湯温度（受熱器出口温度）が所定温度（例えば４２℃）で一定になるように制御弁１２の開度を制御するようにした場合には、外気温度の上昇と共に給湯量が増えることになり、ある外気温度Ａ℃以上では受熱器９の管内流速が１．５ｍ／ｓを超える給湯量に増加することになる。そこで、この外気温度Ａ℃以上においては、制御弁１２の開度を制御して給湯量を抑え（本実施例では給湯量を一定に抑え）、受熱器９内を流れる水量を抑えて受熱器９の管内流速が１．５ｍ／ｓ以下となるようにしている。具体的には、受熱器９及び貯湯槽８の入口部分を流れる流量を測定する流量計１４と温度センサ１６、１７、１８を用いて制御弁１２を制御する。受熱器９を流れる流量をＧ９、流量計１４の流量をＧ１４とすると、流量Ｇ９は次の式（１）で求められるので、この流量Ｇ９を受熱器９の管内流速が１．５ｍ／ｓ以下となるように制御する。
【００３１】
Ｇ９＝Ｇ１４×（Ｔ１８−Ｔ１７）／（Ｔ１６−Ｔ１７）…（１）
また、受熱器９の流量の制御としては、外気温センサ２３で外気温度を検出して所定の外気温度Ａ℃以上の場合には、その外気温度に応じて制御弁１２の開度を補正し、受熱器９の流量を抑制するようにしてもよい。これによれば、流量計を用いることなく、安価な温度センサで制御することができる。さらには、図３に示すように、流量計２０を受熱器９の入口側に設けて、受熱器９の流量を直接測定することにより、受熱器９の流量を抑制するようにしてもよい。これによれば、受熱器９の管内流速を精度よく制御できる。
【００３２】
このように、外気温度が高くなって制御する場合には、受熱器９から出る湯の温度が上昇するため、制御弁１３の開度の制御も合わせて行い、出湯温度を適切な温度となるように制御する。
【００３３】
【発明の効果】
以上の実施例の説明から明らかなように、本発明によれば、受熱器の管内における侵食を防止可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
【００３４】
また、本発明によれば、受熱器の管内における侵食を防止可能で、エネルギー効率がよく、しかも小型及び軽量で輸送性及び据付け性に優れると共に湯切れを防止可能なヒートポンプ式給湯機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すヒートポンプ式給湯機の構成図である。
【図２】図１のヒートポンプ式給湯機の外気温度に対する受熱器流量等の特性図である。
【図３】図１のヒートポンプ式給湯機の変形例を示す構成図である。
【図４】従来のヒートポンプ式給湯機の構成図である。
【符号の説明】
１…ヒートポンプ回路、２…給湯部、３…制御部、４…圧縮機、５…凝縮器、６…減圧装置、７…蒸発器、８…貯湯槽、９…受熱器、１０…循環ポンプ、１１、１２、１３…制御弁、１４…流量計、１５〜１９…温度センサ、２０…流量計、２１…給水管、２２…給湯管、２３…外気温センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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