(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯タンク内の下部の水を該貯湯タンク内の上部に送る循環回路内を流れる水を加熱して高温の湯とする電力稼働型のヒートポンプを有する貯湯式給湯装置において；
該ヒートポンプへの沸き上げ指示を行った後に増加して行く増加熱量と、沸き上げ中の出湯により減少して行く減少熱量との和として該ヒートポンプの実効出力熱量を算出する算出手段と；
該ヒートポンプへの沸き上げ指示後の所定期間内に該算出手段が算出する該ヒートポンプ実効出力熱量が予め定めた熱量に到達しなかった場合、該ヒートポンプの加熱能力低下と判断する判断手段と；
を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置であって、
上記判断手段が上記ヒートポンプの加熱能力低下と判断したとき以降は、該ヒートポンプへの沸き上げ指示の際の目標沸き上げ温度を高めに補正すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項３】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置であって、
上記算出手段が算出した上記ヒートポンプ実効出力熱量と上記予め定めた熱量との差が所定の閾値を超えて大きくなった場合には、上記判断手段が上記加熱能力の著しい低下と判断し、その旨を報知する報知手段を稼働させるようにしたこと；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力によってヒートポンプを稼動させ、制御装置により指令された目標蓄熱量になるまで給水を加熱して貯湯タンク内に貯め置く貯湯式給湯装置に関し、特に、当該ヒートポンプの加熱能力低下を精度良く検出し、利用者に報知できるようにした貯湯式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電力稼動のヒートポンプで加熱した高温の湯を貯湯タンク内に貯える貯湯式給湯装置がある。特にこのタイプの給湯装置として、貯湯タンク内の最下部の水をヒートポンプにより加熱し、高温の湯として貯湯タンク内の最上部に送ることで、温度の異なる水の比重差を利用し、貯湯タンク内の上部側に高温の湯を貯え、貯湯タンク内の下部側の水と混合しないようにしているものが知られている。また、貯湯タンク内の湯を出力する（例えば、蛇口等を開き貯湯タンク外で湯を消費する）場合には、貯湯タンクの最上部に接続した出湯配管から給湯し、貯湯タンクの最下部に接続した給水配管から貯湯タンク内に水を供給するようになっている。最近ではさらに、一般に暖房熱源としての機能も有しているのが普通である他、浴槽内に注湯もでき、また、使用者の好みの設定温度で注湯した湯が浴槽内で冷めた時、貯湯タンク内の湯に熱結合した追い焚き用熱交換器を介して浴槽内の湯を循環させ、追い焚きも可能なものもある。
【０００３】
しかるに、こうした貯湯式給湯装置において重要な要因の一つに、ヒートポンプの加熱能力監視がある。経年的にその能力が低下して行くとするならば、少なくとも無駄な電力消費を招くことのないよう、使用者にメンテナンス要請の報知をなすためにもこうした加熱能力の判定は必要である。そこで従来からも、こうした観点に立ち、下記特許文献１に認められるように、装置起動後から最大限の制御能力で稼働しても、所定時間が経過するまでに貯湯タンク最上部の温度にあたるヒートポンプ吐出温度が所定温度に達しない場合にはヒートポンプ系統が故障していると判定するものがあった。
【特許文献１】特開2002−213816号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この方法では、単純に温度上昇のみによる判定のため、精度が余り良くない上に、沸き上げ中に出湯を行うとそもそも正しい判定ができないという欠点があった。
【０００５】
本発明はこの点に鑑み、ヒートポンプの加熱能力低下を精度良く検出し得る貯湯式給湯装置を提供せんとする。精度の良い検出ができれば、例えばヒートポンプの寿命期間を全うするまで、貯湯量不足等に起因する使用者の不快感を招かないようにしながら、なるべくヒートポンプを使い続けるような制御や、最終的にこれ以上使い続けると許容できない大きな電力損失となるとか、最早快適性は保持できないと判断せざるを得ない状況になったときに使用者にその旨報知する際にも、誤動作やご判断を招かないで済む。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために、
ヒートポンプへの沸き上げ指示を行った後の沸き上げにより増加して行く増加熱量と、沸き上げ中の出湯により減少して行く減少熱量との和としてヒートポンプの実効出力熱量を算出する算出手段と；
ヒートポンプへの沸き上げ指示後の所定期間内にこの算出手段が算出するヒートポンプ実効出力熱量が予め定めた熱量に到達しなかった場合、ヒートポンプの加熱能力低下と判断する判断手段と；
を有することを特徴とする貯湯式給湯装置を提案する。
【０００７】
本発明はさらに、上記構成要件を満足した上での特定の態様として、判断手段がヒートポンプの加熱能力低下と判断したとき以降は、ヒートポンプへの沸き上げ指示の際の目標沸き上げ温度を高めに補正することを特徴とする貯湯式給湯装置も提案する。
【０００８】
さらに、本発明のまた別な態様においては、算出手段が算出したヒートポンプ実効出力熱量と予め定めた熱量との差が所定の閾値を超えて大きくなった場合には、判断手段が加熱能力の著しい低下と判断して報知手段を稼働させ、利用者に対し、主としてメンテナンス要請のための報知を行うように構成した貯湯式給湯装置も提案する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、出湯により熱量が消費された分も含めての実効的な増加熱量にて加熱能力の判定を行うため、出湯量の使用状況に影響されることはなく、ヒートポンプの加熱能力低下を正確に検出できる。そのため、ヒートポンプを使用者に不快感を与えることなく使い続けるにも間違いのない制御がなし得るし、最終的に寿命と判断し、利用者へメンテナンスの必要性を伝達するにも、その正確性を期することができる。なお、この際に用いられる報知手段は、可視的なものでも可聴的なものでも、その双方であっても良く、それは機器の操作盤等に設置して置けば良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１には本発明を適用可能な貯湯式給湯装置の一構成例が示されている。貯湯タンク１は通常、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）で、外周部に図示しない断熱材が配置され、高温の給湯用水を長時間に亘って保温可能となっている。形状は一般に縦長形状であり、その底面には導入口11が設けられ、この導入口11には貯湯タンク１内の最下部に給水（一般に水道水）Wfを導入するための給水配管12が接続されている。
【００１１】
給水配管12には給水温度検出手段である給水サーミスタ21が設けられており、給水配管12内の温度情報を制御装置３に出力するようになっている。そして、給水配管12の途中で給水サーミスタ21が設けられた位置より下流側には給水配管12を分岐して後述する混合弁16に接続するバイパス配管15が接続している。
【００１２】
貯湯タンク１の最上部には導出口13が設けられ、この導出口13には貯湯タンク１内の湯を導出するための給湯経路である導出管14が接続されている。そして、この経路途中に設けられている混合弁16は、開口面積比を調節することにより、導出管14からの湯とバイパス配管15から供給される水道水Wfとの混合比を調節できるようになっている。一般にこの混合弁16はサーボモータ等の駆動源（図示せず）により弁体を駆動して各経路の開度を調節する電動弁であり、制御装置３からの制御信号により作動すると共に、作動状態を制御装置３に帰還するようにもなっている。
【００１３】
混合弁16の出口側には蛇口、シャワー、風呂等の出湯口43への混合湯経路である出湯配管17が接続し、この配管17には出湯温度検出手段である出湯サーミスタ41と出湯量検出手段である流量カウンタ42が設けられており、出湯サーミスタ41は配管17内の温度情報を、流量カウンタ42は配管17内の流量情報を制御装置３に出力するようになっている。
【００１４】
貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の最下部の水を吸入するための吸入口18が設けられ、貯湯タンク１の上部側には貯湯タンク１内の最上部に向けて湯を吐出するための吐出口19が設けられている。吸入口18と吐出口19とは循環回路20で接続されており、この循環回路20の一部は制御装置３により制御されるヒートポンプユニット２内に配置されている。
【００１５】
循環回路20のヒートポンプユニット２内に配置された実質的なヒートポンプ部分には図示しない熱交換器が設けられており、吸入口18から吸入した貯湯タンク１内の水を望ましくは高温の二酸化炭素冷媒との熱交換により加熱し、吐出口19から貯湯タンク１内に戻すことにより、貯湯タンク１内の水を沸き上げるようになっている。ヒートポンプの冷媒に二酸化炭素を採用すると、超臨界域を用いることで図示しない電力稼動型圧縮機からの冷媒吐出温度を高くすることができるので、フロン冷媒等を採用した場合よりも高温の湯を効率良く沸き上げることができる。なお、ヒートポンプにより加熱された湯は、バイパス三方弁23を介し、必要に応じては吸入口18側にも湯を戻せるようになっている。
【００１６】
貯湯タンク１の外壁面には複数の（本実施形態では六つの）水位サーミスタ31〜36が縦方向（貯湯タンク１の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１内に満たされた水の各水位レベルでの温度情報を制御装置３に出力するようになっている。従って制御装置３は、各水位サーミスタからの温度情報に基づき、貯湯タンク１内上方の沸き上げられた湯と貯湯タンク１内下方の沸き上げられる前の水との境界位置も検出できる。
【００１７】
もちろん、貯湯タンク１の最上部外壁面に設けられている水位サーミスタ31は、導出口13から外部に向けて吸入される湯の温度である貯湯タンク１内最上部の水温を検出するタンク出力湯温サーミスタの機能も有している。
【００１８】
一般にはこの他、暖房用の配管系等も接続されるが、本発明には直接の関係はないためにこれらは省略する。
【００１９】
制御装置３は、これまで述べてきた各サーミスタや流量カウンタ42からの出湯流量情報に加え、ヒートポンプユニット２等に備えられている外気温検出手段である外気温サーミスタ22からの情報を受け、また、台所とか風呂場内に設けられたリモートコントローラユニット（図中では台所リモコン52，風呂リモコン54と表示）等の操作盤に設けられた操作スイッチからの信号等に基づいて、ヒートポンプユニット２や混合弁16を制御するように構成されている。
【００２０】
さて、給湯装置の図示しない電源スイッチがオンにされている場合には、制御装置３は貯湯タンク１に設けられた各サーミスタからの温度情報等や、図示しない操作盤により設定された時刻情報等に基づいて、適宜にヒートポンプユニット２を作動させ、貯湯タンク１内の水を加熱して高温の湯（例えば90℃の湯）まで沸き上げる。ヒートポンプユニット２等、適当な箇所には、上述のように外気の温度を検出する外気温サーミスタ22も設けられており、季節によっては気温低下による循環回路20の凍結を防止すべく、上述のバイパス三方弁23を吸入口18側に切り換えることで、ヒートポンプを駆動し、凍結防止運転を行うこともできる。
【００２１】
また、流量カウンタ42が出湯配管17内の水（湯）の流れを検出したときには、出湯口43を介して使用者が湯が使用したと言うことである。そこでこのとき、制御装置３はそのときの設定温度に応じ、給水サーミスタ21、水位サーミスタ31および出湯サーミスタ41からの温度情報に基づき、混合弁16の開口面積比制御を行なって、設定温度になるべく近い温度の湯が出湯されるように図る。すなわち、設定温度が水位サーミスタ31の検出温度以下である場合には、制御装置３は、まず混合弁16をバイパス配管15と配管17とを連通状態とすると共に配管14方向を遮断状態とし、次に給水サーミスタ21の検出温度と水位サーミスタ31の検出温度とから混合弁16の開口面積比を概略調節し、その後出湯サーミスタ41からの温度情報に基づいて給湯温度が設定温度となるように混合弁16の開口面積比を微細に制御する。
【００２２】
上述したヒートポンプへの沸き上げ指示は、原則としては電力料金設定が低い深夜時間帯の所定の時刻等になされる。但しもちろん、一般に湯切れを防止するために最低貯湯量が設定されており、深夜時間帯以外の時間帯においても湯量に不足を来した場合には沸き上げが開始される。
【００２３】
しかるに、本発明の貯湯式給湯装置では、ヒートポンプへの沸き上げ指示が出されて制御が開始されると、制御装置３内に設けられている図示しない算出手段が沸き上げにより増加される熱量を随時算出する。この増加熱量の算出には、サーミスタ31〜36からの温度情報から得られる現在の有効貯湯量、タンク内平均温度を用いて、
熱量Ｑ ＝ 有効貯湯量 × 比重 × （タンク内平均温度 − 給水温度）
なる式が用いられる。この実施形態の場合、給水温度は給水サーミスタ21にて検出される水の温度となる。従って、経時的に沸き上げにより増加した増加熱量Qiは、現在の熱量Qeから沸き上げ開始時の熱量Qsを減算することにより求まる。算出手段は実質的には昨今では制御装置３内に組み込まれるマイクロコンピュータにより構成することができる。
【００２４】
一方、沸き上げ実行中に出湯が行われて湯量の減少があった場合、制御装置３内の算出手段はこの減少熱量をも随時算出する。この減少熱量Qdの算出には、
熱量Qd ＝ 使用湯量 × 比重 × （出湯温度 − 給水温度）
なる式を用いる。
【００２５】
このことから、算出手段により求められる、ヒートポンプが実際に熱エネルギを与えて加熱した実効出力熱量Qaは増加分、減少分の両者の和であるQi＋Qdとなり、ヒートポンプによる沸き上げが所定時間以上に亘り連続で実行された際に、制御装置３内に設けられた図示しない判断手段は沸き上げ開始時から所定時間後に増加したこの実効出力熱量Qaが予め定めておいた所定の熱量Qtに達しない場合、ヒートポンプの加熱能力が低下していると判断する。
【００２６】
判断手段はこれも昨今では制御装置３内に組み込まれるマイクロコンピュータにより構成することができるが、判断手段がヒートポンプの加熱能力低下と判断したとき以降は、例えば制御装置３がヒートポンプへの沸き上げ指示の際の目標沸き上げ温度を高めに補正するように構成できる。このようにすれば、ヒートポンプの寿命期間中、貯湯量不足等を来して使用者に不快感を与えるようなこともなく、そのまま使い続けられる。
【００２７】
さらに望ましくは、算出手段が算出したヒートポンプ実効出力熱量と予め定めた熱量との差Qt-Qaが所定の閾値Δdを超えて大きくなった場合には、判断手段が加熱能力の著しい低下と判断し、利用者に対し、主としてメンテナンス要請のための報知を行うように構成することができる。
【００２８】
このための報知手段には、適当な箇所に設けられている操作盤等に付属の表示装置、例えば上述した台所リモコン52に付属の表示装置53とか風呂リモコン54に付属の表示装置55等を利用でき、ここにその旨の報知をなすように構成できる。表示装置は可視表示装置でも可聴表示装置でも良いし、その双方であっても良い。
【００２９】
このように、本発明によると、沸き上げ実行中に消費された熱量Qdがある場合には、現在の熱量Qeに加算してヒートポンプの実効出力熱量Qaを求め、それが所定の熱量Qtに到達したか否かでヒートポンプ能力の判定を行うため、温度補正制御を行うにも湯量の使用状況に影響された誤判定に基づくことない。また、最終的に報知手段を稼働させるように組んだ場合にも、報知をなすか否かの判断基準を間違えることがない。
【００３０】
なお、上述の実施形態では、簡便のため、湯の使用を出湯口43からの出湯にのみ纏めているが、台所での給湯と風呂での湯張りに分けて熱量算出を行ってもよい。さらに、最終的にヒートポンプが最早使用不能と判断される時の報知だけではなく、目標沸き上げ温度を高めに補正しての、ある意味では通常の動作中においても、その旨、使用者に報知するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る貯湯式給湯装置の一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  貯湯タンク
２  ヒートポンプユニット
３  制御装置
11  導入口
12  給水配管
13  導出口
14  導出管
15  バイパス配管
16  混合弁
17  注湯配管
18  吸入口
19  吐出口
20  循環回路
21  給水サーミスタ
22  外気温サーミスタ
23  バイパス三方弁
31〜36 水位サーミスタ
41  出湯サーミスタ
42  流量カウンタ
43  出湯口
【図１】
0004619239.tif 000002