JP2009287838A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンクの上部に貯湯され、貯湯タンク上部のお湯の温度が低下して使用できるお湯の量が減ってしまうことを防止することができるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】ヒートポンプユニット２を用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯タンク１に貯えるヒートポンプ式給湯機において、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク１内の蓄熱量と沸き上げ目標蓄熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出し、予め設定された基準値と比較して追加沸き増し時間に補正を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯タンクに貯えるヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯機は、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯終了時に貯湯タンク内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出し、この追加沸き増し時間分だけ昼間時間帯に追加沸き増しを行うものであっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６８５２４号公報

しかしながら、上記のようなヒートポンプ式給湯機では、昼間時間帯の追加沸き増し時間が少ない場合、ヒートポンプが沸き上げを開始して沸き上げ目標温度に達するまでに約３０分、さらに、お湯が貯湯タンク上部に沸き上げ目標温度のお湯が貯湯されるまでに約３０分程度かかるため、ヒートポンプが追加沸き上げを開始しても、追加沸き上げ時間が短い（例えば、１０分未満）と、沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンクの上部に貯湯され、貯湯タンク上部のお湯の温度が低下して使用できるお湯の量が減ってしまうという問題を有していた。

この発明は、上述のような従来の課題を解決するためになされたもので、沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンクの上部に貯湯され、貯湯タンク上部のお湯の温度が低下して使用できるお湯の量が減ってしまうことを防止することができるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯タンクに貯えるヒートポンプ式給湯機において、沸き上げ設定手段と、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出する目標沸き上げ熱量算出手段と、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク内の蓄熱量を算出する蓄熱量算出手段と、蓄熱量算出手段で算出された深夜時間帯終了時の貯湯タンク内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出する追加沸き増し時間算出手段と、算出した追加沸き増し時間を予め設定した基準値と比較し、その結果に基づいて算出した追加沸き増し時間に補正を行う補正手段を備えたことを特徴としている。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機によれば、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出し、算出した追加沸き増し時間を基準値と比較し、その結果に基づいて追加沸き増し時間に補正を行うことにより、沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンクの上部に貯湯され、貯湯タンク上部のお湯の温度が低下して使用できるお湯の量が減ってしまうことを防止することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯機の構成図、図２はこの発明の実施の形態１における制御のフローチャート、図３は昼間時間帯の沸き上げ開始温度と沸き上げ停止温度の関係を示す表である。
図１において、貯湯タンク１は加熱循環回路３で加熱手段であるヒートポンプユニット２と接続されている。ヒートポンプユニット２内には圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、空気熱交換器、アキュームレータを順次冷媒配管で接続したヒートポンプ回路を備えている。
前記加熱循環回路３は貯湯タンク１の上下部をヒートポンプユニット２に接続し、貯湯タンク１の下部とヒートポンプユニット２とを接続している配管部分には循環ポンプ１８が設けられ、貯湯タンク１の下部から取り出した水をヒートポンプユニット２内に導き、該ヒートポンプユニット２内で高温の湯に沸き上げて貯湯タンク１の上部に戻している。
前記貯湯タンク１の外周には異なる高さ位置で、適当な間隔をもって第1〜第５の温度センサ４ａ〜４ｅが設けられているとともに、前記加熱循環回路３の貯湯タンク下部側にも第６の温度センサ４ｆが設けられ、第１〜第６の温度センサ４ａ〜４ｆは貯湯タンク１内の残湯量を検出する残湯量検出手段として機能し、その位置の湯の温度を検知する。貯湯タンク温度センサ５は貯湯タンク１の上部に設けられ、ヒートポンプユニット２によって加熱されて貯湯タンク１の上部に戻される湯の温度を検知する。混合手段である電動湯水混合弁６は、電動制御によって湯と水の混合率を変化させて適温の湯水を作り出す。

一方、給湯管７は、一端を貯湯タンク１の上部に接続し、他端を電動湯水混合弁６の給湯口に接続し、貯湯タンク１内に貯湯された湯を電動湯水混合弁６に供給するための配管である。なお、前記貯湯タンク温度センサ５はこの給湯管７の近傍に位置して取り付けられている。
給水管９は、一端を水道管等の水源に接続され、給水管９に取り付けられ、水源水圧を減少させる減圧弁１１を介して他端を貯湯タンク１の下部に接続されている。
給水バイパス管８は減圧弁１１の下流の給水管９に一端が接続され、他端を電動湯水混合弁６の給水口に接続して水源の水を電動湯水混合弁６に供給する。
給水温度センサ１７は給水バイパス管８を通る水の温度を検知する。混合給湯管1０は一端を電動湯水混合弁６の混合湯出口に接続されており、他端を蛇口などの出湯口へ接続されている。貯湯タンク１の上部近傍の給湯管７には沸き上げ中に体積膨張した貯湯タンク１内の湯を逃がす（排出する）ための逃がし弁１２が設けてある。
水流検出手段１３は混合給湯管１０内を流れる流量を検出する。給湯用温度センサ１４は電動湯水混合弁６による温度補正を行なうために混合給湯管１０に取り付けられていて、前記混合給湯管１０内を流れる湯水の温度を検知する。

制御装置となる制御部１６は、リモコン１５によって設定された給湯温度や沸き上げ温度や第1〜６の温度センサ４ａ〜４ｆ、貯湯タンク温度センサ５、給湯用温度センサ１４、流量センサ１３からの信号を受け取ると共に、ヒートポンプユニット２、電動湯水混合弁６等を制御するとともに、夜間時間帯と昼間時間帯の判別も行い、夜間時間帯の開始時に使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出する目標沸き上げ算出手段、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク1内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出する追加沸き増し算出手段、算出した追加沸き増し時間を基準値と比較し、その結果に基づいて追加沸き増し時間に補正を行う補正手段を備えている。

上記のように構成した実施の形態１の作用を図１によって説明する。
まず、水源から給水管９に送られた水は、減圧弁１１を通り、減圧されて貯湯タンク１内に流入し、貯湯タンク１内を常に満水状態に維持する。この状態でヒートポンプユニット２による沸き上げ運転が行われる。
沸き上げ運転を行うと、貯湯タンク１内の水は循環ポンプ１８の運転により、貯湯タンク１の下部から加熱循環回路３に取り出されてヒートポンプユニット２で熱交換し、リモコン１５により設定された温度（例えば、「多め」設定時は９０℃固定、「おまけせ」設定時は使用湯量によって７５℃〜９０℃に可変）になるように加熱昇温されて、貯湯タンク１の上部に戻される（図１中、矢印ａ）。
これにより、貯湯タンク１内には、その上部より９０℃の湯が少量づつ貯湯されていく。

ヒートポンプユニット２による沸き上げは、第６の温度センサ４ｆの検出温度が一定温度（例えば７０℃）以上になったら、貯湯タンク１が全量沸き上がったと判断して、終了する。このとき、ヒートポンプユニット２による沸き上げ加熱性能は、ヒートポンプユニット２に入る水の温度が低いときは、沸き上げの加熱効率が高いが、入る水の温度が高いときは沸き上げの加熱効率は低下する特性を持っている。なお、貯湯によって膨張した貯湯タンク１内の湯は、逃し弁１２から排出される。また、給湯により貯湯タンク１内の湯が減ってくると、第１〜５の温度センサ４ａ〜４ｅの検出温度によって再沸き上げ運転を行う。
例えば、夕飯の支度やお風呂の湯はり等、大量の湯をこれから必要とする１７時から２３時の時間帯は貯湯タンク１の第４の温度センサ４ｄの検出温度が４４℃以下になったら、再沸き上げ運転を行い、第５の温度センサ４ｅの検出温度が４６℃以上になったら、再沸き上げ運転を停止する。

蛇口等が開かれ給湯するときは、貯湯タンク１内に貯湯された湯と水源水はそれぞれ給湯管７と給水バイパス管８を通って電動湯水混合弁６に至り、ここで、混合給湯管１０に取り付けた給湯用温度センサ１４の検出温度が、リモコン１５により設定された設定温度になるように、電動湯水混合弁６の湯と水の混合率が制御部１６により制御される。この際、混合給湯管１０に取り付けた流量センサ１３が混合給湯管１０に湯水が流れているかどうかを検出して、湯水の流れ（例えば、流量１．５Ｌ／ｍｉｎ以上）を検出すると、給湯用温度センサ１４と貯湯タンク温度センサ５、給水温度センサ１７の検出温度によって電動湯水混合弁６にフィードバック制御を開始する。

次に、図２のフローチャートによって、上記作用をより詳細に説明する。
ステップＳ１は、制御部１６が夜間時間帯の開始を検知し、ステップＳ２で、昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇの補正が実施された回数をカウントするカウンタをクリア（０にする）する。

ステップＳ３は、制御部１６の目標沸き上げ熱量算出手段が過去８日間の使用湯量から夜間時間帯に沸き上げる目標熱量を算出し、ステップＳ４は、制御部１６の指示で循環ポンプ１８、ヒートポンプユニット２の加熱動作を開始し、貯湯タンク１上部より沸き上げる。そして、リモコン１５で設定された沸き上げ温度（例えば、「多め」設定時は９０℃固定、「おまけせ」設定時は使用湯量によって７５℃〜９０℃に可変）に対する夜間時間帯の沸き上げ停止温度Ｔ１（例えば、「多め」設定時は７０℃）に第６の温度センサ４ｆの検出温度が達したか否かを判断し（ステップＳ５）、第６の温度センサ４ｆの検出温度が夜間時間帯の沸き上げ停止温度Ｔ１（例えば、７０℃）に達すれば、ヒートポンプユニット２の加熱動作を停止する（ステップＳ６）。
例えば、リモコン１５の沸き上げ設定温度が「多め」設定時で９０℃の場合、夜間時間帯の沸き上げ停止温度Ｔ１は７０℃となる。ヒートポンプ方式による沸き上げ加熱性能は、前述したように、ヒートポンプユニット２に入る水の温度が低いときは、沸き上げの加熱効率が高いが、入る水の温度が高いときは沸き上げの加熱効率は低下する特性を持っているため、沸き上げ設定温度より低い温度で沸き上げを停止させている。

ステップＳ７は、制御部１６が夜間時間帯の終了を検出し、ステップＳ８は、制御部１６の蓄熱量算出手段が第1〜６の温度センサ４ａ〜４ｆが検出する検出温度から夜間時間帯終了時点での貯湯タンク１内の蓄熱量を算出し、制御部１６の追加沸き増し時間算出手段が算出した夜間時間帯終了時点での貯湯タンク１内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量を比較して、足りない分を不足熱量として、この不足熱量から昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇを算出する。
追加沸き増し時間ｔｇは、ヒートポンプユニット２の能力をＨａｒ、効率を０．９５とすると、以下の式で求められる。

ｔｇ＝（不足熱量）／（８６０×Ｈａｒ×０．９５）×６０［分］

例えば、目標沸き上げ熱量が４０，０００Ｋｃａｌ、夜間時間帯終了時点での貯湯タンク１内の蓄熱量を３４，０００Ｋｃａｌ、ヒートポンプユニット２の加熱能力を６．０ＫＷしたときの例を示す。

追加沸き増し時間ｔｇは、
ｔｇ＝（４０，０００−３４，０００）／（８６０×６．０×０．９５）×６０≒７３［分］
となる。

ステップＳ９は、追加沸き増し時間ｔｇが１０分（本例では、１０分を基準値小に設定）以下か否かを判断し、１０分以下であれば，追加沸き増し時間ｔｇを０分に補正する（ステップＳ１１）。
例えば、ヒートポンプユニット２が沸き上げを開始しても、沸き上げる時間が短いと、沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンク１の上部に貯湯されて、貯湯タンク１の上部のお湯の温度が低下してしまい、使用できるお湯の量が減ってしまうため、追加沸き増し時間ｔｇが１０分以下の場合は昼間時間帯の追加沸き増しは行わず、後述する最低貯湯量沸き増しにて沸き上げを行い、湯切れの防止を行う。

ステップＳ１０は、追加沸き増し時間ｔｇが１０分＜ｔｇ≦６０分（本例では、６０分を基準値大に設定）を満たしているか否かを判断し、満たしていれば、追加沸き増し時間ｔｇを６０分に補正する（ステップS１２）。
例えば、ヒートポンプユニット２が沸き上げを開始して、沸き上げ目標温度に達するまでに約３０分、さらにお湯が貯湯タンク上部に沸き上げ目標温度のお湯が貯湯されるまで約３０分程度かかるため、合計で６０分としている。

ステップＳ１３は、夜間時間帯終了時に算出された昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇに補正を実施せず、そのままとする。

ステップＳ１４は、追加沸き増し時間ｔｇが０分か否かを判断し、０分であれば、ステップＳ１５に進み、そうでなければ、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１５は、第２の温度センサ４ｂの検出温度が昼間時間帯の最低貯湯量沸き上げ開始温度Ｔ４に達したか否かを判断し、達していれば、制御部１６の指示で循環ポンプ１８、ヒートポンプユニット２が動作を開始し、貯湯タンク１上部より沸き上げる（ステップ１６）。
例えば、昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇが０分の場合、湯切れの可能性があるため、その防止として湯量を確保するための最低貯湯量の沸き上げを行う。

ステップＳ１７は、昼間時間帯の最低貯湯量沸き上げ停止温度Ｔ５に第３の温度センサ４ｃの検出温度が達したか否かを判断し、達していれば、ヒートポンプユニット２の加熱動作を停止する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１９は、後述する昼間時間帯の沸き上げが停止したときに、追加沸き増し時間ｔｇの補正が実施された回数をカウントするカウンタの値が２回か否かを判断し、そうであれば、追加沸き増し時間を０分にする（ステップ２０）。
本実施の形態1では、追加沸き増し時間の補正回数を２回に設定している。すなわち、昼間時間帯の沸き上げが停止したときに、追加沸き増し時間ｔｇの補正を何度も行うと、昼間時間帯の沸き上げ時間が多くなり、電気代を高くなることを防止している。

ステップＳ２１は、ヒートポンプユニット２が加熱動作中か否かを判断し、加熱動作中でなければ、第1〜６の温度センサ４ａ〜４ｆの検出温度が昼間時間帯の沸き上げ開始温度Ｔ２に達したか否かを判断し（ステップＳ２２）、達していれば、制御部１６の指示で循環ポンプ１８、ヒートポンプユニット２が動作を開始し、貯湯タンク１上部より沸き上げる（ステップＳ２３）。
ここで、本実施の形態１の場合は、図３に示すように、昼間時間帯の沸き上げ運転においては、時間帯により沸き上げ開始温度Ｔ２または沸き上げ開始温度Ｔ２を検出する温度センサを異ならせている。すなわち、７時〜９時の場合は、第３の温度センサ４ｃの検出温度が６０℃以下になったら沸き上げを開始し、９時〜１５時の場合は、第２の温度センサ４ｂの検出温度が４４℃以下になったら沸き上げを開始し、１５〜１７時の場合は、第３の温度センサ４ｃの検出温度が４４℃以下になったら沸き上げを開始し、１７時〜２３時の場合は、第２の温度センサ４ｂの検出温度が４４℃以下になったら、沸き上げを開始するようにしている。

ステップＳ２４は、ヒートポンプユニット２が加熱動作中に追加沸き増し時間ｔｇを１分ずつ減算する。
例えば、追加沸き増し時間ｔｇを減算していき、０分になったときは、不足熱量分を昼間時間帯に沸き上げたと見なす。

ステップＳ２５は、昼間時間帯の沸き上げ停止温度Ｔ３に第1〜６の温度センサ４ａ〜４ｆの検出温度が達したか否かを判断し、達していれば、ヒートポンプユニット２の加熱動作を停止する（ステップＳ２６）。
ここで、本実施の形態１の場合は、図３に示すように、昼間時間帯の沸き上げ運転においても、時間帯により沸き上げ停止温度Ｔ３または沸き上げ停止温度を検出する温度センサを異ならせている。すなわち、７時〜９時の場合は、第３の温度センサ４ｃの検出温度が６２℃以上になったら沸き上げを停止し、９時〜１５時の場合は、第３の温度センサ４ｃの検出温度が４６℃以上になったら沸き上げを停止し、１５〜１７時の場合は、第４の温度センサ４ｄの検出温度が４６℃以上になったら沸き上げを停止し、１７時〜２３時の場合は、第３の温度センサ４ｃの検出温度が４６℃以上になったら、沸き上げを停止するようにしている。

ステップＳ２７は、追加沸き増し時間ｔｇがｔｇ≦１０分（基準値小以下）か否かを判断し、１０分以下であれば、リモコン１５により設定された沸き上げ設定が「多め」設定時、「おまかせ」設定時とも、追加沸き増し時間ｔｇを０分に補正する（ステップＳ３０）。

ステップＳ２８は、追加沸き増し時間ｔｇが１０分＜ｔｇ≦３０分（基準値小と基準値中の間）を満たしているか否かを判断し、満たしていれば、追加沸き増し時間ｔｇをリモコン１５により設定された沸き上げ設定が「多め」設定時のときは６０分、「おまかせ」設定時のときは０分に補正する（ステップＳ３１）。
例えば、沸き上げ設定が「多め」設定時は湯切れを確実に防止し、「おまかせ」設定時は効率的に昼間時間帯の追加沸き増しを行う。

ステップＳ２９は、追加沸き増し時間ｔｇが３０分＜ｔｇ≦６０分（基準値中と基準値大の間）を満たしているか否かを判断し、満たしていれば、追加沸き増し時間ｔｇをリモコン１５により設定された沸き上げ設定が「多め」設定時、「おまかせ」設定時のいずれも６０分に補正する（ステップＳ３３）。

ステップＳ３３（基準値大より大きい）は、リモコン１５により設定された沸き上げ設定が「多め」設定時、「おまかせ」設定時とも、夜間時間帯終了時に算出された昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇに補正を実施せず、そのまま追加沸き増し時間ｔｇとする。

ステップＳ３４は、昼間時間帯の追加沸き増し時間ｔｇの補正が実施された回数をカウントするカウンタをプラス１する。

上記実施の形態１に示されるヒートポンプ式給湯機は、以上のように動作するため、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出し、予め設定された基準値と比較し、その比較結果に基づいて追加沸き増し時間に補正を行うことにより、沸き上げ目標温度に達しないお湯が貯湯タンクの上部に貯湯され貯湯タンク上部のお湯の温度が低下して使用できるお湯の量が減ってしまうことを防止ことができる。

本発明の実施の形態１のヒートポンプ式給湯機の構成図である。 本発明の実施の形態１の制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の昼間時間帯の沸き上げ開始温度と沸き上げ停止温度の関係を示す表である。

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ ヒートポンプユニット
３ 加熱循環回路
４ａ 第1の温度センサ
４ｂ 第２の温度センサ
４ｃ 第３の温度センサ
４ｄ 第４の温度センサ
４ｅ 第５の温度センサ
４ｆ 第6の温度センサ
１５ リモコン（沸き上げ設定手段）
１６ 制御部（目標沸き上げ熱量算出手段、蓄熱量算出手段、追加沸き増し時間算出手段、補正手段）
１８ 循環ポンプ

Claims (7)

1. ヒートポンプを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯タンクに貯えるヒートポンプ式給湯機において、
   沸き上げ設定手段と、使用湯量から目標沸き上げ熱量を算出する目標沸き上げ熱量算出手段と、深夜時間帯終了時に前記貯湯タンク内の蓄熱量を算出する蓄熱量算出手段と、蓄熱量算出手段で算出された深夜時間帯終了時の前記貯湯タンク内の蓄熱量と目標沸き上げ熱量との差から昼間時間帯の追加沸き増し時間を算出する追加沸き増し時間算出手段と、算出した追加沸き増し時間を予め設定した基準値と比較し、その結果に基づいて算出した追加沸き増し時間に補正を行う補正手段を備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記補正手段は、算出した追加沸き増し時間が基準値小以下の場合は、追加沸き増し時間を０に補正することを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 前記補正手段は、算出した追加沸き増し時間が基準値小より大きく基準値大以下の場合は、算出した追加沸き増し時間を所定値に補正することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 前記補正手段は、算出した追加沸き増し時間が基準値大より大きい場合は、算出した追加沸き増し時間を補正することなく、そのまま算出した追加沸き増し時間を使用することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 前記補正手段は、追加沸き増し時間の補正を昼間時間帯の沸き上げ終了条件を満たしたときに行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
6. 前記補正手段は、追加沸き増し時間の補正を沸き上げ設定手段の設定内容によって異ならせたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。
7. 前記補正手段は、追加沸き増し時間の補正回数に制限を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。

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