(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
湯を貯湯する貯湯タンクと、
湯を沸き上げるヒートポンプユニットと、
湯の熱を熱負荷側と熱交換する熱交換器と、
前記貯湯タンクの上下方向の中間部から湯水を取り出す中間部取出経路および前記貯湯タンクの下部から湯水を取り出す下部取出経路とを有するとともに、これら中間部取出経路と下部取出経路とのいずれか一方から切り換えて湯水を取り出させる取出切換手段を有し、取り出した湯水を前記ヒートポンプユニットに送る取出路と、
前記ヒートポンプユニットを通過した湯を前記熱交換器を通じて前記貯湯タンクの上下方向の中間部に取り入れる中間部取入経路および前記貯湯タンクの上部に取り入れる上部取入経路を有するとともに、これら中間部取入経路と上部取入経路とに湯を分配する分配手段を有する取入路と
前記貯湯タンクの上下方向の複数位置での湯水の温度を検知する複数の温度検知手段と、
前記熱負荷側と熱交換する場合、前記貯湯タンク内全体の湯が所定温度以上に沸き上がっていれば前記貯湯タンクの中間部から取り出した湯を前記熱交換器を経て前記貯湯タンクの中間部に取り入れさせ、前記貯湯タンクの中間部から下側の湯が所定温度以下であれば前記貯湯タンクの中間部から取り出した湯を前記ヒートポンプユニットで沸き上げて熱交換に必要な分の湯を前記熱交換器を経て前記貯湯タンクの中間部に取り入れさせるとともに熱交換に必要のない分の湯を前記貯湯タンクの上部に取り入れさせる制御部とを具備し、
前記制御部は、前記貯湯タンク内の残湯量に基づき、前記ヒートポンプユニットによる沸上開始を特定の沸上時間帯の開始時点から移動させるピークシフト時間を求め、特定の沸上時間帯に熱負荷側と熱交換する場合、ピークシフト時間の終了までは前記貯湯タンクの中間部から湯を取り出させ、ピークシフト時間の終了後には前記貯湯タンクの下部から湯水を取り出させる
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
貯湯タンク内の上部側に浴槽水を循環させて熱交換する風呂用熱交換器を具備している
ことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプユニットで沸き上げた湯を貯湯タンクに貯湯し、この湯の熱を熱負荷側との熱交換に使用する給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、給湯装置では、貯湯タンクの下部から水を取り出してヒートポンプユニットで沸き上げ、この沸き上げた湯を貯湯タンクの上部に取り入れることにより、湯と水との比重の差を利用して貯湯タンクの上部側から湯を貯湯させている。また、貯湯タンクの上部に配設した風呂用熱交換器に対して浴槽水を循環させて追い焚きする場合、貯湯タンクの上部の湯温が低下したときに、貯湯タンクの上下方向の中間部から湯水を取り出してヒートポンプで沸き上げ、この沸き上げた湯を貯湯タンクの上部に取り入れることにより、風呂用熱交換器の周辺の貯湯温度を素早く上昇させるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、貯湯タンクに貯湯した湯を暖房に使用する給湯装置では、貯湯タンクの上部から取り出した湯を暖房用熱交換器に流して熱交換することで暖房し、この熱交換で温度低下した中温水を貯湯タンクの下部に取り入れている。また、貯湯タンクの下部から水を取り出してヒートポンプで沸き上げ、この沸き上げた湯を暖房用熱交換器に流して暖房したり、沸き上げた湯を貯湯タンクの上部と暖房用熱交換器との両方に流して貯湯タンクの上部に湯を貯湯しながら暖房を同時にしている。
【特許文献１】特許第３６３２６５１号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ヒートポンプで沸き上げた湯を貯湯と暖房とに同時に使用する場合、貯湯タンクの上部には湯の貯湯可能であるが、暖房用熱交換器を通った後の中温水を貯湯タンクの下部に戻すため、貯湯タンクの下部側の水温が上昇して中温水となってしまう。さらに、給湯により貯湯タンクの下部に水が入ってきても、貯湯と暖房とを同時に行っていると、貯湯タンクの下部側の水温が上昇して中温水となってしまう。そのため、暖房停止後の夜間時間帯での主な沸き上げでは、貯湯タンクの下部の中温水または少しの水および中温水を高温に沸き上げることになり、ヒートポンプユニットによる沸上効率（ＣＯＰ）が著しく悪化してしまう問題がある。
【０００５】
特に、暖房の使用時間は人が家にいるときであるので、暖房で貯湯タンクの熱を使用しながら浴槽への湯張りやシャワーなどで給湯することになり、さらに通常は夜間時間帯の数時間前から暖房と給湯使用量とが増加するために、貯湯タンクの熱量が下がり、暖房と貯湯とを同時する頻度が増加し、貯湯タンクの下部に中温水ができてしまっていた。
【０００６】
また、貯湯と暖房とを同時にしている場合に、シャワーなどにより貯湯タンク内の湯を使用すると、貯湯タンクの下部が中温水から水に変わり、そのときにヒートポンプユニットには中温水でなく水が供給されることになり、ヒートポンプユニットによる沸上温度が急激に低下して、暖房能力が低下してしまう問題がある。また、中温水でなく水から沸き上げた湯を使用するために、室外機の消費電力が多くなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、貯湯タンクの中間部の中温水を効率的に使用し、沸上効率を向上できるとともに省エネルギ化できる給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の給湯装置は、湯を貯湯する貯湯タンクと、湯を沸き上げるヒートポンプユニットと、湯の熱を熱負荷側と熱交換する熱交換器と、前記貯湯タンクの上下方向の中間部から湯水を取り出す中間部取出経路および前記貯湯タンクの下部から湯水を取り出す下部取出経路とを有するとともに、これら中間部取出経路と下部取出経路とのいずれか一方から切り換えて湯水を取り出させる取出切換手段を有し、取り出した湯水を前記ヒートポンプユニットに送る取出路と、前記ヒートポンプユニットを通過した湯を前記熱交換器を通じて前記貯湯タンクの上下方向の中間部に取り入れる中間部取入経路および前記貯湯タンクの上部に取り入れる上部取入経路を有するとともに、これら中間部取入経路と上部取入経路とに湯を分配する分配手段を有する取入路と前記貯湯タンクの上下方向の複数位置での湯水の温度を検知する複数の温度検知手段と、前記熱負荷側と熱交換する場合、前記貯湯タンク内全体の湯が所定温度以上に沸き上がっていれば前記貯湯タンクの中間部から取り出した湯を前記熱交換器を経て前記貯湯タンクの中間部に取り入れさせ、前記貯湯タンクの中間部から下側の湯が所定温度以下であれば前記貯湯タンクの中間部から取り出した湯を前記ヒートポンプユニットで沸き上げて熱交換に必要な分の湯を前記熱交換器を経て前記貯湯タンクの中間部に取り入れさせるとともに熱交換に必要のない分の湯を前記貯湯タンクの上部に取り入れさせる制御部とを具備し、前記制御部は、前記貯湯タンク内の残湯量に基づき、前記ヒートポンプユニットによる沸上開始を特定の沸上時間帯の開始時点から移動させるピークシフト時間を求め、特定の沸上時間帯に熱負荷側と熱交換する場合、ピークシフト時間の終了までは前記貯湯タンクの中間部から湯を取り出させ、ピークシフト時間の終了後には前記貯湯タンクの下部から湯水を取り出させるものである。
【０００９】
請求項２記載の給湯装置は、請求項１記載の給湯装置において、貯湯タンク内の上部側に浴槽水を循環させて熱交換する風呂用熱交換器を具備しているものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の給湯装置によれば、貯湯タンクの中間部にある中温水を取り出してヒートポンプユニットで沸き上げて熱負荷側との熱交換に使用した後、貯湯タンクの中間部に戻すことが可能となるため、貯湯タンクの下部の水温の上昇を防止し、その後の例えば夜間時間帯などの主な沸上時間帯には貯湯タンクの下部の水をヒートポンプユニットで沸き上げることができ、沸上効率を向上できる。しかも、中温水にヒートポンプユニットにて熱量を加えることにより、少ないエネルギで熱負荷側との熱交換を維持することができ、省エネルギ化を図ることができる。さらに、熱負荷側と熱交換する場合、貯湯タンク内全体の湯が所定温度以上に沸き上がっていれば貯湯タンクの中間部から取り出した湯を熱交換器を経て貯湯タンクの中間部に取り入れさせ、貯湯タンクの中間部から下側の湯が所定温度以下の中温水であれば貯湯タンクの中間部から取り出した中温水をヒートポンプユニットで沸き上げて熱交換に必要な分の湯を熱交換器を経て貯湯タンクの中間部に取り入れさせるとともに熱交換に必要のない分の湯を貯湯タンクの上部に取り入れさせることができ、熱負荷側との熱交換をしながら貯湯タンクの上部に湯を貯湯でき、湯切れを防止できる。さらに、ヒートポンプユニットによる沸上開始を特定の沸上時間帯の開始時点からピークシフト時間だけ移動させるときに、特定の沸上時間帯に熱負荷側と熱交換する場合、ピークシフト時間の終了までは貯湯タンクの中間部から湯を取り出させ、ピークシフト時間の終了後には貯湯タンクの下部から湯水を取り出させるため、沸上時間帯になっても湯を使用する使い方に対応できる。
【００１１】
請求項２記載の給湯装置によれば、請求項１記載の給湯装置の効果に加えて、熱負荷側と熱交換しながら貯湯タンクの上部に湯を貯湯できるため、貯湯タンクの上部側に配設された風呂用熱交換器を通じて浴槽水を追い焚きする能力を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１ないし図３に第１の実施の形態を示す。
【００１４】
図１ないし図３に示すように、給湯装置11は、本体ユニット12、湯を沸き上げるヒートポンプユニット13、熱負荷としての暖房ユニット14、この暖房ユニット14側と熱交換する熱交換器15を備えている。
【００１５】
本体ユニット12は湯を貯湯する貯湯タンク21を有し、この貯湯タンク21には、上部、中間部および下部に、１つの上部接続口22、３つの中間部接続口23a，23b，23c、１つの下部接続口24がそれぞれ設けられている。この貯湯タンク21の側面には、貯湯タンク21の上部から例えば６０Ｌ、１２０Ｌ、１８０Ｌ、下から３０Ｌ、６０Ｌの容量の各高さ位置に、貯湯タンク21内の湯水温度を検知する残湯検知手段であって複数の温度検知手段としてのサーミスタ25が配設されている。
【００１６】
貯湯タンク21の下部接続口24には、水道管などの給水源に配管される給水管26が減圧弁27を介して接続されている。
【００１７】
貯湯タンク21の上部接続口22には貯湯タンク21の上部から湯を取り出す上部給湯経路28の配管が接続され、中間部接続口23aには貯湯タンク21の中間部から湯を取り出す中間部給湯経路29の配管が接続され、これら上部給湯経路28と中間部給湯経路29との間にはいずれか一方に切り換えて湯を取り出す給湯切換手段としての例えば三方弁などの切換弁30が配設されている。これら上部給湯経路28、中間部給湯経路29および切換弁30により、給湯場所に湯を給湯する給湯路31が形成されている。
【００１８】
貯湯タンク21の中間部接続口23bには貯湯タンク21の中間部から湯水を取り出す中間部取出経路32の配管が接続され、下部接続口24には貯湯タンク21の下部から湯水を取り出す下部取出経路33の配管が接続され、これら中間部取出経路32と下部取出経路33との間にはいずれか一方から湯水を取り出す取出切換手段としての例えば三方弁などの切換弁34が配設されている。これら中間部取出経路32、下部取出経路33および切換弁34により、貯湯タンク21内から取り出した湯水をヒートポンプユニット13に送る取出路35が形成されている。
【００１９】
貯湯タンク21の上部接続口22にはヒートポンプユニット13を通過した湯を貯湯タンク21の上部に取り入れる上部取入経路36が接続され、貯湯タンク21の中間部接続口23cにはヒートポンプユニット13を通過した湯を熱交換器15を通じて貯湯タンク21の中間部に取り入れる中間部取入経路37が接続され、これら上部取入経路36と中間部取入経路37との間に湯を任意の分配比率で分配する分配手段としての調整弁38が配設されている。これら上部取入経路36、中間部取入経路37および調整弁38により、ヒートポンプユニット13を通過した湯を貯湯タンク21に取り入れる取入路39が形成されている。
【００２０】
取出路35と取入路39との間であって、切換弁34と調整弁38との間には、貯湯タンク21内の湯水を取出路35から取入路39を通じて循環させる循環ポンプ40が配設されている。
【００２１】
また、ヒートポンプユニット13は、冷媒が充填された冷媒回路を有し、この冷媒回路には圧縮機、凝縮器として機能する沸上用熱交換器、膨張弁、蒸発器、沸上サイクル（正サイクル）とこの沸上サイクルに対する逆サイクルとにサイクルを切り換える四方弁などが含まれている。沸上サイクルでは、冷媒が圧縮機、沸上用熱交換器、膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に循環し、蒸発器で外気から集熱して沸上用熱交換器で取出路35から取入路39への配管内を循環する水と熱交換して沸き上げる。
【００２２】
また、暖房ユニット14は、例えば床暖房用や屋内暖房用などの暖房パネル41を有し、この暖房パネル41と熱交換器15とが暖房回路42で接続され、この暖房回路42内の循環水が図示しない循環ポンプの駆動で循環される。
【００２３】
また、熱交換器15は、中間部取入経路37内を流れる湯と暖房回路42内を流れる循環水とで熱交換させる。
【００２４】
また、本体ユニット12には、給湯装置11を制御する制御部51を備えている。この制御部51は、各サーミスタ25などの信号を入力し、ヒートポンプユニット13、暖房ユニット14、切換弁30，34、調整弁38などを制御する。
【００２５】
そして、制御部51は、暖房する場合、貯湯タンク21内全体の湯が所定温度以上に沸き上がっていれば貯湯タンク21の中間部から取り出した湯を熱交換器15を経て貯湯タンク21の中間部に取り入れさせ、また、貯湯タンク21の中間部から下側の湯が所定温度以下であれば貯湯タンク21の中間部から取り出した湯をヒートポンプユニット13で沸き上げ、調整弁38にて熱交換に必要な分の湯を熱交換器15を経て貯湯タンク21の中間部に取り入れさせるとともに熱交換に必要のない分の湯を貯湯タンク21の上部に取り入れさせる機能を有している。
【００２６】
さらに、制御部51は、貯湯タンク21内の残湯量に基づき、ヒートポンプユニット13による沸上開始を特定の沸上時間帯として例えば時間帯別電灯制度の夜間時間帯の開始時点から移動させるピークシフト時間を求め、夜間時間帯に暖房する場合に、ピークシフト時間の終了までは貯湯タンク21の中間部から湯を取り出させ、ピークシフト時間の終了後には貯湯タンク21の下部から湯水を取り出させる機能を有している。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２８】
まず、沸上運転（貯湯運転）について説明する。
【００２９】
特定の沸上時間帯として例えば時間帯別電灯制度の夜間時間帯において、ヒートポンプユニット13を沸上サイクルで運転し、循環ポンプ40を駆動する。このとき、貯湯タンク21内の残湯量に基づき、ヒートポンプユニット13による沸上開始を夜間時間帯の開始時点から移動させるピークシフト時間を求め、このピークシフト時間の経過後に沸き上げを開始する。
【００３０】
沸上開始により、ヒートポンプユニット13を運転し、循環ポンプ40を駆動する。そして、貯湯タンク21の下部接続口24から取り出した水を下部取出経路33、取出路35の切換弁34、循環ポンプ40を経てヒートポンプユニット13で沸き上げ、沸き上げた湯を取入路39の調整弁38、上部取入経路36を経て貯湯タンク21の上部に戻し、貯湯タンク21の上部側から順次貯湯し、貯湯タンク21全体に高温湯を貯湯する。
【００３１】
次に、貯湯タンク21内の湯を利用した暖房運転について説明する。
【００３２】
図２に示すように、貯湯タンク21内全体が高温湯の層55である状態から暖房を開始する場合、暖房ユニット14を運転し、循環ポンプ40を駆動する。このとき、ヒートポンプユニット13は運転しない。
【００３３】
貯湯タンク21の中間部接続口23bから湯を取り出し、中間部取出経路32、取出路35の切換弁34、循環ポンプ40、ヒートポンプユニット13、取入路39の調整弁38、中間部取入経路37を経て熱交換器15で暖房ユニット14の暖房回路42と熱交換する。熱交換して温度低下した中温水は中間部取入経路37を経て貯湯タンク21の中間部に戻す。
【００３４】
このようにして暖房を継続すると、貯湯タンク21の中間部から下部にかけての湯の温度が低下して、図３に示すように、貯湯タンク21内が上部の高温湯の層55と中間部より下側の中温水の層56との２層に別れ、貯湯タンク21全体の熱量が低下する。
【００３５】
そうすると、通常は、湯切れを起こさないように、貯湯タンク21内の熱量を増加させるために、昼間時間帯においてもヒートポンプユニット13を運転し、ヒートポンプユニット13で沸き上げた湯を貯湯タンク21内に貯湯して貯湯タンク21内の熱量を増加させる貯湯暖房運転の動作をする。
【００３６】
この貯湯暖房運転の動作では、通常考えられるのは、貯湯タンク21の下部、切換弁34、ヒートポンプユニット13、調整弁38、熱交換器15、貯湯タンク21の中間部のような熱交換器15に流す流れと、調整弁38にて分配した湯を貯湯タンク21の上部に入れ、貯湯タンク21の上部へ貯湯する流れと同時に行うことになる。また、熱交換器15の能力が必要ない場合や、熱交換器15の能力を調整する場合は、調整弁38にて熱交換器15に行く湯の流量と貯湯タンク21の上部へ行く流量とのバランスを調整して熱交換器15の能力をコントロールしながら貯湯タンク21の上部に貯湯することになる、しかしながら、貯湯タンク21の下部から中温水を取出して貯湯タンク21の中間と貯湯タンク21の上部に入れることになるので、給湯により貯湯タンク21内の湯を使用した場合に貯湯タンク21の下部に水が入っても、即その水が沸き上げに使用されてしまうために、貯湯タンク21の下部はいつも中温水になってしまうことになる。また、給湯により貯湯タンク21の下部に水が入った場合は、その水を暖房で使用できる温度まで沸上げるので、中温水を沸き上げて暖房に使用する場合と比較して電力を多く消費してしまい、また、中温水から水の沸上げになったことにより沸上温度が一定時間低くなり、そのときの暖房能力が低下してしまう。
【００３７】
そのため、貯湯暖房運転の動作では、昼間時間帯に貯湯タンク21内の熱量が低下し、貯湯タンク21内の熱量を増加させるためにヒートポンプユニット13による沸き上げをする場合、貯湯タンク21の下部から中温水または水を取り出すのではなく、図１に示すように、貯湯タンク21の中間部から中温水を取り出してヒートポンプユニット13にて沸き上げた後、調整弁38にて暖房に必要な熱量分の流量を熱交換器15側に分配し、残りの流量を貯湯タンク21の上部に分配して貯湯することにより、給湯によって貯湯タンク21内の湯を使用して貯湯タンク21の下部に水が入った場合、貯湯タンク21の中間部より下部側を水のままにすることが可能となる。
【００３８】
これにより、貯湯タンク21の上部に高温湯の層55、貯湯タンク21の中間部に中温水の層56、貯湯タンク21の下部に水の層57というように三層にすることが可能となり、夜間時間帯にて暖房を停止した場合の貯湯タンク21全体の沸き上げ時には、貯湯タンク21の下部の水を高効率で高温に沸き上げて貯湯タンク21の上部から貯湯することができる。
【００３９】
また、夜間時間帯になった場合、貯湯タンク21内の残湯量に基づき、ヒートポンプユニット13による沸上開始を夜間時間帯の開始時点から移動させるピークシフト制御をする。この夜間時間帯に貯湯暖房運転する場合には、ピークシフト時間の終了までは貯湯タンク21の中間部から湯を取り出させ、ピークシフト時間の終了後には貯湯タンク21の下部から湯水を取り出させることにより、夜間時間帯になっても湯を使用する使い方に対応できる。また、暖房運転が解除されて貯湯運転のみになっている可能性も向上する。
【００４０】
また、暖房時の能力が十分であり、熱交換器15に分配する量が少なくてよい場合は、残りを貯湯タンク21の上部に貯湯することにより、貯湯タンク21の上部から中間部に下がってくる高温湯が中温水と混じり、暖房にて下がった中温水の温度が上がって例えば給湯に使用できる約４５℃〜５０℃程度まで上昇させることが可能である。そのため、貯湯タンク21の中間部から中温水を取り出して中間部給湯経路29を経て給湯することにより、貯湯タンク21内の中温水の量を極力なくすことができ、夜間時間帯での沸上効率を向上できる。
【００４１】
また、そのときに、貯湯タンク21の中間部で温度の上がった中温水が給湯がされなくても、貯湯タンク21の中間部で温度の上がった中温水を暖房に使用することで、その中温水の温度が上がった分の熱量を暖房に使用できるようになり、効率が向上する。
【００４２】
このように、給湯装置11では、貯湯タンク21の中間部にある中温水を取り出してヒートポンプユニット13で沸き上げて熱負荷側との熱交換に使用した後、貯湯タンク21の中間部に戻すことが可能となるため、貯湯タンク21の下部の水温の上昇を防止し、その後の夜間時間帯には貯湯タンク21の下部の水をヒートポンプユニット13で沸き上げることができ、沸上効率を向上できる。しかも、中温水にヒートポンプユニット13にて熱量を加えることにより、少ないエネルギで熱負荷側との熱交換を維持することができ、省エネルギ化を図ることができる。
【００４３】
なお、前記実施の形態では、熱交換器15を熱負荷側として暖房ユニット14に使用したが、暖房ユニット14に限らず、浴槽に湯張りした湯水を貯湯タンク21の湯の熱を利用して追い焚きする追焚きユニットなどにも使用できる。
【００４４】
次に、図４に第２の実施の形態を示す。
【００４５】
第１の実施の形態のように、熱交換器15を暖房ユニット14に使用したうえで、浴槽61の湯水を追い焚き可能とする場合には、貯湯タンク21内の上部側に風呂用熱交換器62を配設する。この風呂用熱交換器62と浴槽61とは風呂用循環路63で接続し、風呂用循環路63に配設した循環ポンプ64で浴槽61の湯水を風呂用熱交換器62に対して循環させる。
【００４６】
この場合、上述した貯湯暖房運転により、貯湯タンク21の下部には水をできるだけ多く残し、貯湯タンク21の上部に高温湯を貯湯できるため、暖房しながらでも、貯湯タンク21の上部側に配設された風呂用熱交換器62付近の湯温を高温に維持でき、風呂用熱交換器62を通じて浴槽61の湯水を追い焚きする能力を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す給湯装置の貯湯タンク内が高温湯、中温水および水の三層となっている場合の構成図である。
【図２】同上給湯装置の貯湯タンク内の全量が高温湯の場合の構成図である。
【図３】同上給湯装置の貯湯タンク内の上部が高温湯で、中間部より下側が中温水の場合の構成図である。
【図４】第２の実施の形態の給湯装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
11    給湯装置
13    ヒートポンプユニット
15    熱交換器
21    貯湯タンク
25    温度検知手段としてのサーミスタ
32    中間部取出経路
33    下部取出経路
34    取出切換手段としての切換弁
35    取出路
36    上部取入経路
37    中間部取入経路
38    分配手段としての調整弁
39    取入路
51    制御部
62    風呂用熱交換器
【図１】
0004818780.tif 000002
【図２】
0004818780.tif 000003
【図３】
0004818780.tif 000004
【図４】
0004818780.tif 000005