(57)【要約】【課題】ヒートポンプ給湯システムにおける湯切れを防止する。【解決手段】  冷媒の圧縮機で圧縮されたガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器４と、給湯する湯を貯える貯湯タンク２０と、貯湯タンクから低温水を抜き出して水−冷媒熱交換器で加熱して貯湯タンクに戻す循環ポンプ１１を有してなる沸上循環路３１，３２とを有し、貯湯タンクに貯留された湯温に基づいて少なくとも圧縮機の運転を制御するとともに、少なくとも循環ポンプ１１による沸き上げ量を制御して水−冷媒熱交換器からの出湯温度を第１の沸上設定温度に制御するとともに、貯湯タンク内の設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知したとき、第１の沸上設定温度を第１の沸上設定温度よりも低い第２の沸上設定温度に変更し、給湯温度を下げ、沸き増し量を増加させて給湯することにより、湯切れを防止する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプサイクルを構成する冷媒の圧縮機で圧縮されたガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、給水源から供給される水と給湯先に給湯する湯を貯える貯湯タンクと、該貯湯タンクから低温水を抜き出して前記水−冷媒熱交換器に供給する循環ポンプを有してなる往き配管と該水−冷媒熱交換器により加熱された湯を前記貯湯タンクに戻す戻し管路とを有する沸上循環路と、前記貯湯タンクに貯留された湯温に基づいて少なくとも前記ヒートポンプサイクルの運転を制御するとともに、少なくとも前記水−冷媒熱交換器に供給する供給水量を制御して前記水−冷媒熱交換器からの出湯温度を第１の沸上設定温度に制御する制御装置を備えてなるヒートポンプ給湯システムにおいて、
前記制御装置は、前記貯湯タンク内の設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知したとき、前記第１の沸上設定温度を該第１の沸上設定温度よりも低い第２の沸上設定温度に変更することを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ給湯システムにおいて、
前記貯湯タンクは、底部に前記給水源に接続される給水管と前記往き配管が接続され、上部に前記給湯先に接続される給湯管と前記戻り配管が接続されてなり、
前記制御装置は、前記貯湯タンクに設けられた温度センサにより計測された温度が前記設定温度未満のとき、前記設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知することを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
【請求項３】
請求項１に記載のヒートポンプ給湯システムにおいて、
前記貯湯タンクは、複数の貯湯タンクを有してなり、
該複数の貯湯タンクは、一のタンクの底部を他の貯湯タンクの上部に連結する連結配管により順次直列に連結されてなり、
該直列に連結された一端の貯湯タンクの底部に前記給水源に接続される給水管と前記往き配管が接続され、他端の貯湯タンクの上部に前記給湯先に接続される給湯管と前記戻り配管が接続されてなることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯システムに係り、具体的には、湯切れを防止する制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ給湯システムは、給湯機の熱源としてヒートポンプを用いたものであり、一般に、給水を加熱するヒートポンプ回路と、このヒートポンプ回路で加熱された湯を貯えておく貯湯タンクを備えて構成されている。
【０００３】
家庭用のヒートポンプ給湯機においては、例えば、電力が安価な夜間にヒートポンプ回路を稼動させて貯湯タンク内の水を加熱して貯湯タンクに貯える、いわゆる沸き上げを行うことにより、日中に使用する温水を賄うようにしている。また、沸き上げ時はヒートポンプ回路の圧縮機の回転数を低くして高効率の運転を行い、貯湯タンク内の湯を時間をかけて沸き上げる一方、日中は回転数を増加させて沸き増しを行うことで、省エネ運転を実現している。
【０００４】
一方、例えば、結婚式場、レストラン、病院、老人ホーム等で使用される業務用のヒートポンプ給湯機においては、日中に限らず夜間の給湯量も多く、大量の給湯量（例えば、３０００Ｌ／日）が要求される。この場合、例えば、給湯使用量のピーク時に、貯湯タンクの沸き増しが追いつかないことによる湯切れを避ける必要がある。そのために、ユーザの要求に応じた仕様で貯湯タンクの容量等を適宜設計している。例えば、一つの貯湯タンクで給湯を賄う構成の場合、貯湯タンクが大型化するとともに、設計や製造コストが高価になり、運搬及び据付等が不便になるという問題がある。
【０００５】
そこで、特許文献１には、貯湯タンクをモジュール化して必要最低限の種類を用意し、ユーザの要望に応じて適宜複数の貯湯タンクを接続し、必要な貯湯量を確保することが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１２７６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ユーザの要求仕様に合わせた貯湯量を複数の貯湯タンクにより賄うように計画しても、ユーザの使用状況が計画と異なると、貯湯量が不足して湯切れを起こす場合がある。この湯切れの問題については、特許文献１では、配慮されていない。
【０００８】
例えば、一日の給湯使用量に応じて、１又は複数の貯湯タンク内に貯湯する設定湯温（例えば、６５〜９０℃）及び貯湯量を計画し、また、給湯使用量が多いときにはヒートポンプを駆動して沸き増しを行うように計画する。しかし、給湯使用量が沸き増し量よりも多いと、貯湯タンクからも給湯される。したがって、給湯使用量が計画値から大きくずれると、貯湯タンク内の貯湯量が減少して、給湯温度が使用温度（例えば、４２℃）よりも下回る、いわゆる湯切れを起こすおそれがある。このような湯切れを起こすと、ユーザは不快に感じるだけでなく、湯切れが解消するまで湯の使用を差し控えなければならず不便である。
【０００９】
本発明は、ヒートポンプ給湯システムにおける湯切れを防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、ヒートポンプサイクルを構成する冷媒の圧縮機で圧縮されたガス冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、給水源から供給される水と給湯先に給湯する湯を貯える貯湯タンクと、該貯湯タンクから低温水を抜き出して前記水−冷媒熱交換器に供給する循環ポンプを有してなる往き配管と該水−冷媒熱交換器により加熱された湯を前記貯湯タンクに戻す戻し管路とを有する沸上循環路と、前記貯湯タンクに貯留された湯温に基づいて少なくとも前記ヒートポンプサイクルの運転を制御するとともに、少なくとも前記水−冷媒熱交換器に供給する供給水量を制御して前記水−冷媒熱交換器からの出湯温度を第１の沸上設定温度に制御する制御装置を備えてなるヒートポンプ給湯システムにおいて、前記制御装置は、前記貯湯タンク内の設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知したとき、前記第１の沸上設定温度を該第１の沸上設定温度よりも低い第２の沸上設定温度に変更することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、制御装置は、貯湯タンクに貯留された湯温が低下した場合、あるいは貯湯量が減少した場合、ヒートポンプサイクルの運転を制御するとともに、水−冷媒熱交換器への供給水量を制御して、第１の沸上設定温度に沸き上げられた湯を貯湯タンクに貯留する。これにより、設定温度の所定量の湯を貯えることができる。ここで、給湯使用量が増加して沸き増し量よりも多くなると、貯湯タンク内の湯が給湯されるから、設定温度以上の貯湯量が減少する。このような状態が長く続き、設定温度以上の貯湯量がなくなると湯切れを起こす。そこで、本発明では、設定温度以上の貯湯量が設定量以下に減少したとき、沸上設定温度を下げて沸き増し量を増やし、通常時よりも温度は低いが、給湯を続けることにより、使用場所における湯切れを防止するようにしたのである。
【００１２】
ここで、第１の沸上設定温度は、例えば、６５℃〜９０℃の範囲でユーザが可変設定できる。一方、使用場所での湯温は水を混合して使用するから、例えば４２℃程度以上あれば不快を感じない。そこで、第２の沸上設定温度は、例えば、４２℃〜６５℃程度の範囲に設定することができる。
【００１３】
また、一般に、貯湯タンクには、タンク内の温度を感知する温度センサが水位方向に分散して複数個具備されているから、それらの温度センサにより計測された水位方向の温度分布により、設定温度以上の貯湯量を計測できる。そこで、貯湯タンクの中位よりも下部に設定された位置の湯温が、沸き上げ開始の設定温度以下に低下したときに沸き増しを開始する。そして、貯湯タンクの中位よりも上部に設定された位置の湯温、つまり給湯管に近い位置の湯温が設定温度以下に低下したとき、湯切れのおそれがあると判断して沸上設定温度を下げる。これにより、本発明によれば、湯切れになる前に沸き上げ量を増加させているから、湯切れを防止することができる。
【００１４】
具体的には、貯湯タンクは、底部に給水源に接続される給水管と往き配管が接続され、上部に給湯先に接続される給湯管と戻り配管が接続された構成とし、制御装置は、貯湯タンクに設けられた温度センサにより計測された温度が設定温度未満のときに、設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知する構成とすることができる。
【００１５】
また、貯湯タンクを複数の貯湯タンクを有して構成することができる。この場合、複数の貯湯タンクは、一のタンクの底部を他の貯湯タンクの上部に連結する連結配管により順次直列に連結し、直列に連結された一端の貯湯タンクの底部に給水源に接続される給水管と往き配管が接続され、他端の貯湯タンクの上部に給湯先に接続される給湯管と戻り配管を接続して構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ヒートポンプ給湯システムにおける湯切れを防止することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明のヒートポンプ給湯システムの実施形態を説明する。
【００１８】
（実施形態１）
図１に、本発明のヒートポンプ給湯システムの一実施形態の系統構成図を示し、図２に、本発明の特徴に係る湯切れ防止制御の動作説明図を示す。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯システムは、ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２を備えて構成されている。ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３から吐出されるガス冷媒が冷媒配管５を介して流通される伝熱管４ａを有する水−冷媒熱交換器４と、伝熱管４ａから流出される液冷媒が冷媒配管８と減圧装置６を介して流入される蒸発器７と、蒸発器７から流出されるガス冷媒を圧縮機３に戻す冷媒配管９とを備えて形成されている。ヒートポンプサイクルの冷媒には、例えば、ＣＯ２冷媒を用いて、超臨界サイクルで運転させるようにすることができる。蒸発器７には、図示していないが、ファンにより外気が通風されるようになっている。また、水−冷媒熱交換器４の伝熱管４ｂの一端は、入水配管１０を介して配管端子１０ａに接続され、入水配管１０の途中に循環ポンプ１１が挿入されている。また、水−冷媒熱交換器４の伝熱管４ｂの他端は、出湯配管１２を介して配管端子１２ａに接続されている。
【００２０】
貯湯タンクユニット２は、必要量の湯を貯える貯湯タンク２０を容器に収納して構成されている。貯湯タンク２０には、タンク内の温度を感知する温度センサ（図示例では、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）が水位方向に分散して複数個設けられている。貯湯タンク２０の底部には、配管２１を介して配管端子２１ａが接続され、配管２２を介して配管端子２２ａが接続されている。配管端子２２ａには、減圧弁２３を介して水道などの給水源２４に接続されている。貯湯タンク２０の上部には、配管２５を介して配管端子２５ａが接続されている。また、貯湯タンク２０の頂部には、配管２６を介して配管端子２６ａが接続され、配管端子２６ａは給湯配管２７を介して給湯先である給湯端末２８に接続されている。
【００２１】
このように構成されるヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２は、沸上循環路の往き配管３１を介して配管端末２１ａと配管端末１０ａとが連結され、沸上循環路の戻り配管３２を介して配管端末１２ａと配管端末２５ａとが連結されている。
【００２２】
次に、本実施形態の基本動作について説明する。まず、ヒートポンプ給湯システムが設置場所に据え付けられると、給水源２４の元栓が開かれて、給水が開始される。給水源２４からの供給水は、減圧弁２３で所定の給水圧に調整された後、配管２２を通り貯湯タンク２０に流入する。貯湯タンク２０に流入した供給水は、往き配管３１を経由して水−冷媒熱交換器４の伝熱管４ｂにも充填され、その後、貯湯タンク２０が満水状態となる。
【００２３】
貯湯タンク２０が満水になると、図示していない制御装置により、貯湯タンク２０内の水温（例えば、温度センサ２０ｃの温度）が設定温度以下であることを条件として、沸き上げ制御が開始される。沸き上げ制御は、循環ポンプ１１を駆動して配管２１、往き配管３１、循環ポンプ１１、伝熱管４ｂ、戻り配管３２からなる沸上循環路を介して貯湯タンク２内の水を循環する。これと同時に、圧縮機３を駆動してヒートポンプサイクルを立ち上げると、圧縮機３により圧縮された高温のガス冷媒が水−冷媒熱交換器４の伝熱管４aに導入される。伝熱管４aに導入された高温のガス冷媒は、伝熱管４ｂを流通する水を加熱して凝縮される。伝熱管４a内で凝縮された液冷媒は、減圧装置６に導かれて断熱膨張されて蒸発器７に流入される。蒸発器７に流入された液冷媒は、外気の熱により加熱されて蒸発して圧縮機３に戻され、ヒートポンプサイクルが継続して行われる。
【００２４】
次に、沸き上げ制御の概要について説明する。まず、１日の湯の使用量は時間帯によって変動し、昼間と夜間と深夜に分けると、深夜の使用量は一般に少ない。そこで、ヒートポンプサイクルの負荷を平均化するため、例えば深夜等の給湯量が少ない時間帯に沸き上げて貯湯タンク２０に貯えておき、昼間や夜間における給湯負荷が多いときには、沸き増しを行うとともに貯湯タンク２０から給湯するようにしている。また、使用場所における湯の使用態様は、水を混合して温度調節して使用するなど、様々である。したがって、湯の使用態様及び使用量に応じて、沸上設定温度、貯湯タンク２０の容量（貯湯量）、沸き上げ時間、及びヒートポンプの加熱能力などの設計仕様を決める。
【００２５】
図示していない制御装置は、沸き上げ制御を行うとき、通常、圧縮機３の圧縮容量を設定値に保持し、ヒートポンプの加熱能力を目標能力値で運転し、水−冷媒熱交換器４から流出する湯温が沸上設定温度になるように、循環ポンプ１１の回転数を制御して沸き上げ循環流量を制御する。加熱されて高温となった給湯用水は、戻り配管３２を通って配管２６から貯湯タンク２０の上部に戻される。このようにして、貯湯タンク２０内の貯留水は上部から順次高温の湯に置換される。このように沸き上げを行い、貯湯タンク２０内に設定温度の湯が所定量になった時点で、例えば温度センサ２０ｃにより検知されたときに、沸き上げを終了して、ヒートポンプサイクルを停止する。また、給湯使用により、例えば、温度センサ２０ｃの検出温度が設定値よりも低下したときは、再び制御装置が動作して、沸き増しを行って貯湯量を補充する。
【００２６】
なお、温度センサ２０ａ〜２０ｃにより計測された水位方向の温度分布により、貯湯タンク２０に貯湯されている設定温度以上の貯湯量を計測できる。したがって、貯湯タンク２０の中位よりも下部に設定された位置の湯温が、沸き上げ開始の設定温度以下に低下したときに沸き上げないし沸き増しを開始するようにすることができる。
【００２７】
ここで、本発明の特徴に係る本実施形態の湯切れ防止制御について、図２を参照して説明する。図２において、横軸は時間ｔを示し、縦軸は湯温℃を示している。また、図において、Ｔwは給湯端末２８に供給される給湯温度、Ｔw*1は第１の沸上設定温度、Ｔw*2は第２の沸上設定温度、ＴwUは使用湯温、ＴwLは湯切れ判定用に設定した貯湯タンク２０の上部の設定位置における湯温の設定温度である。つまり、貯湯タンク２０内の設定温度以上の貯湯量が設定量以下になったことを検知するために、例えば、温度センサ２０ａの位置における湯温が設定温度ＴwL以下に低下したときに、湯切れと判定する。
【００２８】
制御装置は、沸き上げが完了した後に、貯湯タンク２０の下部の温度センサ２０ｃの検出温度が、沸き増し開始の設定温度以下に低下すると、圧縮機３を起動して設定された加熱能力で沸き増しを開始する。そして、循環ポンプ１１を制御して、水−冷媒熱交換器４への供給水量を制御する。このとき、水−冷媒熱交換器４の出湯温度Ｔwoを温度センサで検出して、出湯温度ＴwがＴw*1になるように、循環ポンプ１１の回転数を制御する。なお、沸き増し制御は、これに代えて、又はこれとともに、出湯湯温ＴwoがＴw*1になるように、圧縮機３の圧縮容量を制御することができる。さらに、出湯温度Ｔwを検出せずに、ヒートポンプサイクル及び水−冷媒熱交換器４に供給される入水温度から、熱バランスに基づいて沸上循環量を求め、求めた沸上循環量に従って循環ポンプ１１の回転数を制御することもできる。
【００２９】
このようにして、第１の沸上設定温度Ｔw*1に沸き上げられた所定量の湯が、貯湯タンク２０に貯留された状態において、給湯使用量が増加して沸き増し量よりも多くなると、給湯端末２８に供給される給湯温度Twが、図２に示すように、低下してしまう。このような状態が長く続くと、給湯温度Twが使用湯温ＴwUを下回る、湯切れを起こすおそれがある。そこで、本実施形態では、図2のｔ１において、貯湯タンク２０の上部の設定位置における湯温が設定温度ＴwLに低下したとき、第１の沸上設定温度Ｔw*1を、これよりも低い第２の沸上設定温度Ｔw*2に変更する。これにより、沸き増し量が増加し、通常時よりも温度は低いが、使用湯温ＴwUよりも高い温度の給湯を続けることができる。
【００３０】
ここで、第１の沸上設定温度Ｔw*1は、例えば、６５℃〜９０℃の範囲でユーザが可変設定できる。一方、使用場所での湯温は水を混合して使用するから、例えば４２℃程度以上あれば不快を感じない。そこで、第２の沸上設定温度Ｔw*2は、例えば、４２℃〜６５℃程度の範囲で設定することができる。
【００３１】
なお、ヒートポンプの加熱能力には限界があるから、第２の沸上設定温度Ｔw*2による沸き増し量の増加にも制限がある。したがって、給湯使用量が計画を超えて大きく増大するような場合は、湯切れ防止にも一定の限界がある。
【００３２】
（実施形態2）
図３に、本発明のヒートポンプ給湯システムの他の実施形態の系統構成図を示す。本実施形態が、図1の実施形態1と異なる点は、貯湯タンクユニット２を３台備えて構成したことにある。３つの貯湯タンクユニット２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれ基本的の同一構成である。貯湯タンクユニット２ａの貯湯タンク２０の底部を貯湯タンクユニット２ｂの貯湯タンク２０の頂部に連結配管２９ａで接続し、貯湯タンクユニット２ｂの貯湯タンク２０の底部を貯湯タンクユニット２ｃの貯湯タンク２０の頂部に連結配管２９ｂで接続し、３つの貯湯タンク２０が順次直列に連結されている。そして、直列に連結された一端の貯湯タンクユニット２ｃの貯湯タンク２０の底部に給水源２４に接続される給水管が接続され、かつ往き配管３１が接続されている。また、他端の貯湯タンクユニット２ａの貯湯タンク２０の上部に戻り配管２６が接続され、かつ給湯端末２８に接続される給湯配管２７が接続されている。したがって、３つの貯湯タンクユニット２ａ、２ｂ、２ｃは、実質的に１つの貯湯タンクユニットと等価である。
【００３３】
本実施形態の沸き上げ制御及び湯切れ防止制御は、基本的に実施形態１と同様である。本実施形態の場合は、水−冷媒熱交換器４により加熱されて高温となった給湯用水は、戻り配管３２を通って貯湯タンクユニット２ａから順次、貯湯タンクユニット２ｂ、貯湯タンクユニット２ｃの各貯湯タンク２０内の貯留水を上部から順次高温の湯に置換する。このような沸き上げを行って、３つの貯湯タンク２０内に設定温度の湯が所定量になった時点で、例えば貯湯タンクユニット２ｃの温度センサ２０ｃにより検知されたときに、沸き上げを終了して、ヒートポンプサイクルを停止する。また、給湯使用時には、給水源２４からの供給圧により、貯湯タンクユニット２ｃから順次、貯湯タンクユニット２ｂ、貯湯タンクユニット２ａの各貯湯タンク２０内の湯が押し出され、給湯配管２７を通して給湯端末２８に給湯がなされる。
【００３４】
給湯使用時に、例えば、貯湯タンクユニット２ａの貯湯タンク２０の下部の温度センサ２０ｃの検出温度が、沸き増し開始の設定温度以下に低下すると、圧縮機３を起動して設定された加熱能力で沸き増しを行う。なお、沸き増し開始は、貯湯タンクユニット２ａの温度センサ２０ｃの検出温度を基準とすることに限定されるものではなく、沸き増し能力及び必要な貯湯量に応じて、貯湯タンクユニット２ａ〜２ｃの温度センサ２０ａ〜２０ｃのいずれを基準とすることもできる。
【００３５】
一方、湯切れ防止制御は、例えば、貯湯タンクユニット２ａの温度センサ２０ａの上部の設定位置（例えば、温度センサ２０ａの位置）における湯温が設定温度ＴwLに低下したとき、第１の沸上設定温度Ｔw*1を、これよりも低い第２の沸上設定温度Ｔw*2に変更する。これにより、沸き増し量が増加し、通常時よりも温度は低いが、使用湯温ＴwUよりも高い温度の給湯を続けることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、実施形態１と同一の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のヒートポンプ給湯システムの一実施形態の系統構成図である。
【図２】本発明の特徴に係る湯切れ防止制御の動作を説明する図である。
【図３】本発明のヒートポンプ給湯システムの他の実施形態の系統構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ヒートポンプユニット
２  貯湯タンクユニット
３  圧縮機
４  水−冷媒熱交換器
１１  循環ポンプ
２０  貯湯タンク
２０ａ〜２０ｃ  温度センサ
２４  給水源
２７  給湯配管
２８  給湯端末
３１  往き配管
３２  戻り配管
【図１】
2007327728.tif 000003
【図２】
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【図３】
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