(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器よりなる冷凍サイクルを有したヒートポンプ部と、貯湯槽の下方に設けた取水口より水循環ポンプを介して取水し冷媒熱交換器で熱交換した後、貯湯槽上方の受水口より温水を落とし込み成層状態で貯湯する貯湯タンク部と、外気温度を検出する外気温検出手段と、給水温度を検出する給水温度検出手段と、運転制御部と、前記貯湯槽内の表面の上下方向には残湯を検出する複数の残湯サーミスタと、前記冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する沸き上げ温度サーミスタとを備え、前記運転制御部は、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度が予め設けた沸き上げ設定温度となるように水循環ポンプの流量をコントロールし、外気温度あるいは給水温度が高くなると予め設けた沸き上げ設定温度を下げる方向に変更し、前記貯湯槽の上方に設けた残湯サーミスタで検出する温度と、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度に温度差が生じた場合は、前記沸き上げ設定温度を前記温度差分上げることを特徴とする貯湯式ヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
運転制御部は、所定の外気温度範囲内あるいは給水温度範囲内で沸き上げ設定温度の変更動作を行い、範囲外の時は予め定めた上限値及び下限値に設定するようにした請求項１記載の貯湯式ヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
運転制御部は、深夜料金時間帯を基準に沸き上げ運転を開始し、外気温度あるいは給水温度が所定温度以上になり、かつ残湯温度が所定温度以下になったとき昼間料金時間帯でも沸き上げ運転を開始するようにした請求項１または２記載の貯湯式ヒートポンプ給湯機。
【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を加熱手段とし水を沸かし、そのお湯をタンクに貯えて給湯を行う貯湯式ヒートポンプ給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の貯湯式ヒートポンプ給湯機は図６に示すように、加熱手段を冷凍サイクルで構成するヒートポンプ部Ａとお湯を貯える貯湯タンク部Ｂから構成される。
【０００３】
ヒートポンプ部Ａは冷媒の冷凍サイクルを利用したもので、蒸発機４でファン９で送られる大気から熱を奪って蒸発（吸熱）し、蒸発した冷媒は圧縮機１に吸入され、圧縮機１、凝縮器２の管中に入り、凝縮器２と熱交換関係を有する冷媒熱交換器２ａに貯湯タンク５下部の取水口１５よりポンプ８で送られた水を流すことで高温の冷媒と熱交換する。この熱交換により冷媒は冷却され液化し膨張弁３の絞りによって圧力を下げ蒸発器４に戻り、再び蒸発する。このように冷媒は圧縮機１により凝縮器２、膨張弁３、蒸発機４を繰り返しながら循環する。
【０００４】
そして、熱交換された高温水は貯湯タンク５上部に戻され、上方から下方に向かって成層状態で貯湯される。この高温水の温度は、沸き上げサーミスタ６で検出し、所定の温度約７５℃の目標値になるようにポンプ８で流量をコントロールしながら沸き上げの温度を一定にする。
【０００５】
この繰り返しを数時間行い、給水温度サーミスタ１６の検出温度が所定の温度、例えば４０℃に達したら、貯湯タンク５全体の水が高温水に沸き上がったと判定しヒートポンプ部Ａの運転は停止する。
【０００６】
このようにヒートポンプ部Ａと貯湯タンク部Ｂを有し、それらは室外に設置されパイプにより室内に送水されるシステムで構成されるものである。
【０００７】
また、貯湯タンク５に貯えられた高温水は断熱材１７で覆われ保温される構成となっている。貯湯された高温水は必要に応じて出湯口１１よりお湯を取り出し、炊事、入浴、洗顔、洗濯等に用いる。その出湯と同時に水道と直結した貯湯タンク５下部の給水口１０から水が供給される。貯湯タンク５の表面には複数の残湯サーミスタ１２、１３、１４を取り付け、貯湯タンク５の残湯量を監視する構成としている。
【０００８】
また、一般的にこの種の貯湯式給湯機は維持費を安くするため深夜電力で運転することを特長としている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にヒートポンプを加熱手段として用いる給湯機は、外気温度の影響で蒸発機４の吸熱能力が変化し加熱能力が変化する。
【００１０】
図５に示すように、外気温度の高い夏場は加熱能力が高く、外気温度の低い冬場は加熱能力が低くなる。反面、夏場の温度の高い状況下では、圧縮機１に対する温度負荷が高くなるとともに単位時間当たりの仕事量が増え、圧縮機１の吐出温度、吐出圧力が上がりやすくなり、冷媒充填量のバラツキ等で圧力スイッチが作動したり、異常加熱で加熱防止装置が作動し運転が停止する可能性があった。このような現象は圧縮機１の運転開始時や再起動時に起こりやすく、全くお湯を沸かさず停止するので使用者の不満が大きいものとなっていた。
【００１１】
また、吐出温度、吐出圧力が上がりすぎると冷媒の分解が起こり、冷媒回路の腐蝕や圧縮機の電動機コイルの浸食の原因となり、耐久性を損なう大きな要因となっている。
【００１２】
また、送水配管や貯湯タンク５は断熱材１７で覆われ保温される構成となっているものの、外気温度の低い冬場は、特に、配管途中や貯湯タンク５からの放熱が若干あり、沸き上げサーミスタ６温度と貯湯タンク５残湯サーミスタ上１２温度に差を生じ、残湯サーミスタ上１２温度が沸き上げサーミスタ６に比べ温度約２〜３℃低くなり貯湯熱量が全体的に約５％程度不足となりお湯ぎれを早くする原因となっていた。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑みてなしたもので、外気温度によるヒートポンプに与える影響を有効的に利用し、安価な維持費で豊富な給湯が行え、高耐久性を有する貯湯式ヒートポンプ給湯機を提供することを目的としたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器よりなる冷凍サイクルを有したヒートポンプ部と、貯湯槽の下方に設けた取水口より水循環ポンプを介して取水し冷媒熱交換器で熱交換した後、貯湯槽上方の受水口より温水を落とし込み成層状態で貯湯する貯湯タンク部と、外気温度を検出する外気温検出手段と、給水温度を検出する給水温度検出手段と、運転制御部と、前記貯湯槽内の表面の上下方向には残湯を検出する複数の残湯サーミスタと、前記冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する沸き上げ温度サーミスタとを備え、前記運転制御部は、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度が予め設けた沸き上げ設定温度となるように水循環ポンプの流量をコントロールし、外気温度あるいは給水温度が高くなると予め設けた沸き上げ設定温度を下げる方向に変更し、前記貯湯槽の上方に設けた残湯サーミスタで検出する温度と、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度に温度差が生じた場合は、前記沸き上げ設定温度を前記温度差分上げることを特徴とするようにしたものである。
【００１５】
上記発明によれば、沸き上げ温度設定値を外気温度あるいは給水温度に応じて変更するようにしているため、季節に応じて変化するお湯の使用実態に即した貯湯形態とヒートポンプの能力の有効利用をバランスよく確保することができる。例えば、外気温度が標準値より高い場合は通常設定値（７５℃）より低く（６５℃）設定し、外気温度が標準値より低い場合は通常設定値より高く設定し、外気温度変化に応じてリニアに沸き上げ温度設定値を制御し、水の循環量をポンプで温度設定値に合うよう調整することで、外気温度が高い夏場は冷媒熱交換器を流れる水の流量が多くなり、圧縮機に対する温度負荷が低くなるとともに、単位時間当たりの仕事量が下り、圧縮機の吐出温度、吐出圧力を異常に上がりにくくし、冷媒充填量のバラツキ等で圧力スイッチが作動したり、異常加熱で加熱防止装置が作動し運転を停止する可能性をなくすことができる。その結果、冷媒の分解が起こりにくく、冷媒回路の腐蝕や圧縮機の電動機コイルの浸食が起こらないため耐久性のあるヒートポンプ部とすることができる。
【００１６】
そして、直射日光の当たる夏場の昼間は、夜間と比べ外気温度が１０〜２０℃上昇し、加熱能力は５００〜１０００ｗ高くなる。このヒートポンプ特有の効果を用いることで、昼間電力を利用した場合でも効率的な沸き上げ運転を実現することができ、かつ夏場の使用実態に即して沸き上げ温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短くし、即湯性のある給湯を安価で豊富に提供することができる。
【００１７】
また、冬場は外気温度が低いので蒸発機の吸熱能力が下がるため、吐出温度、吐出圧力が著しく上がることはない、そのことで沸き上げ温度を容易に上げることが可能となる。沸き上げ温度を上げることで貯湯タンクに保有できる熱量が増大される。その結果、冬場は深夜電力だけの運転で、使用量の少ない冬場の１日の使用量を賄うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器よりなる冷凍サイクルを有したヒートポンプ部と、貯湯槽の下方に設けた取水口より水循環ポンプを介して取水し冷媒熱交換器で熱交換した後、貯湯槽上方の受水口より温水を落とし込み成層状態で貯湯する貯湯タンク部と、外気温度を検出する外気温検出手段と、給水温度を検出する給水温度検出手段と、運転制御部と、前記貯湯槽内の表面の上下方向には残湯を検出する複数の残湯サーミスタと、前記冷媒熱交換器から出湯する湯水の温度を検出する沸き上げ温度サーミスタとを備え、前記運転制御部は、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度が予め設けた沸き上げ設定温度となるように水循環ポンプの流量をコントロールし、外気温度あるいは給水温度が高くなると予め設けた沸き上げ設定温度を下げる方向に変更し、前記貯湯槽の上方に設けた残湯サーミスタで検出する温度と、前記沸き上げ温度サーミスタで検出する温度に温度差が生じた場合は、前記沸き上げ設定温度を前記温度差分上げることを特徴とするようにしたものである。
【００１９】
そして、沸き上げ温度設定値を外気温度あるいは給水温度に応じて変更するようにしているため、季節に応じて変化するお湯の使用実態に即した貯湯形態とヒートポンプの能力の有効利用をバランスよく確保することができる。例えば、外気温度が標準値より高い場合は通常設定値（７５℃）より低く（６５℃）設定し、外気温度が標準値より低い場合は通常設定値より高く設定し、外気温度変化に応じてリニアに沸き上げ温度設定値を制御することで、外気温度が高い夏場は圧縮機に対する温度負荷が低くなるとともに、単位時間当たりの仕事量が下り、異常加熱で運転を停止するという不具合を解消することができる。
【００２０】
また、昼間と夜間の温度差が大きい夏場は昼間電力を利用した場合でも効率的な沸き上げ運転を実現することができ、かつ夏場の使用実態に即して沸き上げ温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短くし、即湯性のある給湯を安価で豊富に提供することができる。
【００２１】
また、貯湯槽上方に設けた残湯サーミスタ上の温度指示値と、冷媒熱交換器出口に設けた沸き上げ温度サーミスタの温度指示値に温度差が生じた場合、その温度差分沸き上げ温度設定値を上げて制御するようにしたものである。
【００２２】
そして、配管途中の放熱ロスで湯温低下が生じた場合、沸き上げ設定温度を補正するようにしているため、目標の貯湯熱量を確実に確保でき、湯切れの心配を解消することができる。
【００２３】
また、請求項２に記載した発明は、運転制御部は所定の外気温度範囲内あるいは給水温度範囲内で沸き上げ設定温度の変更動作を行い、範囲外の時は予め定めた上限値及び下限値に設定するようにしたものである。
【００２４】
そして、予め定めた温度範囲内で沸き上げ設定温度を変更することで、ヒートポンプの能力を有効に利用するとともに、季節に応じたお湯の使用実態に即した貯湯形態を確保することができる。
【００２５】
また、請求項３に記載した発明は、運転制御部は深夜料金時間帯を基準に沸き上げ運転を開始し、外気温度あるいは給水温度が所定温度以上になり、かつ残湯温度が所定温度以下になったとき昼間料金時間帯でも沸き上げ運転を開始するようにしたものである。
【００２６】
そして、深夜電力だけの運転でなく、昼間電力を利用し有効的に大気熱を回収し最も高い加熱能力で沸き上げ運転を行うとともに、沸き上げ温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短く即湯性のある給湯ができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図面に基づき説明する。まず、図１を用いて本発明の実施例１の貯湯式ヒートポンプ給湯機の構成を説明する。基本構成においては従来例と同様であるため、同一番号を付与して詳細な説明は省略する。
【００２８】
Ａは水を加熱するヒートポンプ部で冷媒として、例えばＲ４１０Ａを用いる。
【００２９】
そして、冷媒Ｒ４１０Ａは圧縮機１に吸引され圧力を昇圧し、高温で高圧なガス状冷媒として凝縮器２に送られ、この凝縮器２と熱交換関係を有する冷媒熱交換器２ａに貯湯タンク５下方からポンプ７で送られた冷水を流すことで凝縮器２の高温冷媒は放熱し冷却される。更に、膨張弁３で管路が絞られ、冷媒は圧力が下がり低温となって液化し蒸発器４に送り込まれファン８で発生した風の大気熱を吸熱し圧縮機１に戻される。このサイクルを繰り返し連続的に行うため圧縮機４は電動で駆動するものである。ちなみに、実施例１の圧縮機１の入力は１１００W相当を用いた。
【００３０】
貯湯タンク５下方からポンプ７で送られた冷水は冷媒熱交換器２ａで凝縮器２の高温冷媒と熱交換して高温水となる。この高温水の温度は冷媒熱交換器２ａ出口の沸き上げサーミスタ６で検出し、所定の目標温度になるようにポンプ８の流量をコントロールし温度調節する。上記目標温度は運転制御部１９で予め設定されているが、本実施例ではこの目標温度、すなわち沸き上げ設定温度を外気温度検出手段１７あるいは給水温度検出手段１８からの情報に基づいて変更するように構成している。その一例として、図３に外気温度と沸き上げ設定温度の関係を示すように、外気温度が高くなれば沸き上げ設定温度を下げ、反対に、外気温度が低くなれば補記上げ設定温度を上げる方向に変更するようにしている。そして、この変更動作は所定の外気温度の範囲内で行い、範囲を外れた場合は予め定めた一定の上限値及び下限値で設定するようにしている。以上、外気温度について説明したが、外気温度の代わりに給水温度を用いても同様の効果を得ることができるものであり、給水温度の方がより季節の変化に対応した情報を得ることができ、好ましい。
【００３１】
従来は外気温度あるいは給水温度の変化に関係なく、固定した沸き上げ温度設定で冷媒Ｒ４１０Ａ特性に合わせて、例えば７５℃に設定していた。
【００３２】
また、図２は外気温度とヒートポンプの加熱能力を示したグラフであるが、低温になるほど能力が下がってくる。例えば、冬場と夏場で能力を比較すると、約２倍違ってくる。さらに、夏場の夜間と日中でも５００〜１０００W程度能力に
差が生じることがある。
【００３３】
外気温度が上がると能力が上がる、反面、温度の高い状況下では、圧縮機に対する温度負荷が高くなるとともに単位時間当たりの仕事量が増え、圧縮機の吐出温度、吐出圧力が上がりやすくなり、冷媒充填量のバラツキ等で圧力スイッチが作動したり、異常加熱で加熱防止装置が作動し運転が停止する可能性があった。
【００３４】
また、吐出温度、吐出圧力が上がりすぎると冷媒の分解が起こり、冷媒回路の腐蝕や圧縮機の電動機コイルの浸食の原因となり、耐久性を短くする大きな要因となっていた。
【００３５】
そこで、図３のグラフに示すように、沸き上げ温度設定値を例えば、外気温度が３０℃より高い場合は通常設定値７５℃より低く６５℃に設定し、外気温度が０℃より低い場合は通常設定値７５℃より高く８５℃設定し、外気温度０〜３０℃の間を外気温度の変化に応じてリニアに沸き上げ温度設定値を変化させ制御するようにしている。
【００３６】
その結果、外気温度が上昇する夏場は、設定温度が低いため、沸き上げサーミスタ６の検出温度が下がる。つまり、冷媒熱交換器２ａを流れる冷水量が多くなり、圧縮機１に対する温度負荷が小さくなるとともに、一日当たりの運転時間も短くなる。これにより、圧縮機１の吐出温度、吐出圧力を異常に上昇することはなく、冷媒充填量のバラツキで圧力スイッチが作動したり、異常加熱で加熱防止装置が作動し運転を停止するという事態を回避できる。
【００３７】
また、運転制御部１９は電気料金の割安な深夜時間帯を基準に沸き上げ運転を開始するように設定しているが、外気温度あるいは給水温度が所定温度以上になった場合、つまり夏場でヒートポンプの加熱能力が上昇している状態では時間帯に関係なく、貯湯タンク５の残湯サーミスタ１２、１３、１４より残湯なしの情報が入力されたとき、昼間電力を利用して自動的に沸き上げ運転を開始するようにしている。
【００３８】
そして、深夜電力だけの運転でなく、昼間電力を利用しこの有効的な外気温度の高い昼間の大気熱を回収し高い加熱能力で沸き上げ運転を行うとともに、沸き上げ設定温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短く、即湯性のある給湯を安価で豊富に提供する。
【００３９】
従来、この種の貯湯タンク式給湯機は運転費を安くするため、格安の深夜電力を利用して沸き上げ、その貯えられた高温のお湯を適当な温度になるよう水道水で混合し使用するものであった。
【００４０】
そこで、従来方式と本発明を用いた場合の比較をあるモデルでシュミレーションして一日の使用実態をグラフにした。図４が本発明を用いた場合、図５が従来方式のものである。モデルは３７０Ｌのタンクを用い１０℃の水を深夜電力で７５℃に沸き上げ、そのお湯を４５℃にして用いるという設定である。
【００４１】
図５の従来方式においては、夜７時以降に湯切れを起こして出湯が不可能となり、このモデルでは実質１５０Ｌ不足する。このように深夜電力のみで沸き上げる貯湯式給湯機は使用量が多くなると湯切れという問題を常に抱えている。それを補うには沸き上げ温度を上げるか、タンクの容量を増やすしかない。
【００４２】
本発明の場合は所定の外気温度あるいは給水温度以上になったら、貯湯タンク５に残湯が無いと判断した場合、時間帯関係なく昼間電力を利用し自動的に運転を開始するようにしているため、図４に示すように、従来例と同じモデルでシュミレーションしても、一日中、湯切れを起こすことなく、７８Ｌの使用可能な残湯を残して深夜運転を待機する状態となる（図４、図５は図２の加熱能力を基に計算作図した）。
【００４３】
次に、一日の運転に必要な電力を計算すると、従来は７．３５kW消費し、本発明の場合、７．０３kWの電力消費となり、約０．３kW少なくてすむ。
【００４４】
現在、貯湯式給湯機は深夜電力を利用する電気温水器が主流であるが、ヒートポンプ給湯機は電気温水器と比較すると１／３〜１／４消費電力が削減される。また、深夜電力と昼間電力の電気代の比は１：３である。
【００４５】
よって、電気温水器の深夜運転と貯湯式ヒーポン給湯機の昼間運転の電気代は同等以下になる。
【００４６】
本発明のヒートポンプ給湯機は深夜電力と昼間電力を有効的に利用し、湯切れを起こさずに確実な給湯を行い、かつ有効的に大気熱を利用しさらに低消費電力とし使用エネルギーを削減するものである。
【００４７】
さらに、運転制御部１９は、貯湯タンク５に設けた残湯サーミスタ上１２の温度指示値と沸き上げサーミスタ６の温度指示値に温度差があった場合、その温度差分沸き上げ設定温度を変更し制御するようにしている。
【００４８】
送水配管や貯湯タンク５は断熱材１７で覆われ保温される構成となっているものの、特に外気温度の低い冬場は配管途中やタンクからの放熱が若干あり、沸き上げサーミスタ６温度とタンク残湯サーミスタ上１２温度に差を生じ、残湯サーミスタ上１２温度が約２〜３℃低くなり貯湯熱量が全体的に不足となり、湯ぎれを早くする原因となっていた。貯えられたお湯の温度が１℃下がると約１０Ｌの出湯可能水量が少なくなる。約２〜３℃では２０〜３０Ｌ多く不足を導くことになる。前述したように貯湯式給湯機は湯切れが最終的に問題となり、外気温度の影響で所定の出湯量が変化しないようにするために、沸き上げ設定温度に補正を加え、残湯サーミスタ上１２の温度指示値と沸き上げサーミスタ６の温度指示値の温度差分、沸き上げサーミスタ６の温度設定値を変更し制御することで湯切れの問題をなくすものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載した発明によれば、沸き上げ温度設定値を外気温度あるいは給水温度に応じて変更するようにしているため、季節に応じて変化するお湯の使用実態に即した貯湯形態とヒートポンプの能力の有効利用をバランスよく確保することができる。例えば、外気温度が標準値より高い場合は通常設定値（７５℃）より低く（６５℃）設定し、外気温度が標準値より低い場合は通常設定値より高く設定し、外気温度変化に応じてリニアに沸き上げ温度設定値を制御することで、外気温度が高い夏場は圧縮機に対する温度負荷が低くなるとともに、単位時間当たりの仕事量が下り、異常加熱で運転を停止するという不具合を解消することができる。
【００５０】
また、昼間と夜間の温度差が大きい夏場は昼間電力を利用した場合でも効率的な沸き上げ運転を実現することができ、かつ夏場の使用実態に即して沸き上げ温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短くし、即湯性のある給湯を安価で豊富に提供することができる。
【００５１】
また、配管途中の放熱ロスで湯温低下が生じた場合、沸き上げ設定温度を補正するようにしているため、目標の貯湯熱量を確実に確保でき、湯切れの心配を解消することができる。
【００５２】
また、請求項２に記載した発明によれば、予め定めた温度範囲内で沸き上げ設定温度を変更することで、ヒートポンプの能力を有効に利用するとともに、季節に応じたお湯の使用実態に即した貯湯形態を確保することができる。
【００５３】
また、請求項３に記載した発明によれば、深夜電力だけの運転でなく、昼間電力を利用し有効的に大気熱を回収し最も高い加熱能力で沸き上げ運転を行うとともに、沸き上げ温度を下げることで沸き上げ時間を非常に短く即湯性のある給湯ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例の貯湯式ヒートポンプ給湯機の構成図
【図２】  同ヒートポンプ給湯機の外気温度と加熱能力を示したグラフ
【図３】  同ヒートポンプ給湯機の外気温度と沸き上げ設定温度の関係を示したグラフ
【図４】  同ヒートポンプ給湯機の一日の使用実態を示したグラフ
【図５】  従来の貯湯式給湯機の一日の使用実態を示したグラフ
【図６】  従来の貯湯式ヒートポンプ給湯機の構成図
【符号の説明】
１  圧縮機
２  凝縮器
３  膨張弁
４  蒸発機
５  貯湯タンク
１７  外気温度検出手段
１８  給水温度検出手段
１９  運転制御部
Ａ  ヒートポンプ部
Ｂ  貯湯タンク部
【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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