JP4988521B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関する。

従来のヒートポンプ給湯装置は、電気温水器と同様に大容量の貯湯タンクが設けられている。そして、夜間の安価な割引電力（深夜電力）を利用してヒートポンプ運転を行う。すなわち、給湯用の湯水は、夜間に貯湯タンクに貯蔵される。そして、上記のようにして貯蔵された湯が日中に給湯されるという、いわゆる貯湯式のものが一般的であった。

これに対し、近年、主に給湯使用に応じてヒートポンプ運転を行い、加熱した温水を直接給湯する、いわゆる瞬間式ヒートポンプ給湯装置が開発されている。瞬間式ヒートポンプ給湯装置では、従来の貯湯式に比べて、貯湯タンクを小形化できる。

前記瞬間式ヒートポンプ給湯装置の例としては、特許文献１および２に示されたものがある。

特許文献１に記載の構成は、予め貯湯運転を行い、貯湯式給湯機の貯湯タンクよりも小形の貯湯タンクに高温の湯を貯湯する。そして、ヒートポンプ運転による湯水の加熱温度が適温に到達しない運転当初において、前記貯湯タンクの高温湯に水を混ぜることで適温とした湯水を給湯する。その後、ヒートポンプ運転による加熱温度が適温に達すると、貯湯タンクからの給湯を止め、ヒートポンプ運転で加熱した温水を直接給湯端末から給湯するものである。

また、特許文献１によれば、貯湯タンクの容量は、貯湯式で２００Ｌ以上〜５００Ｌも必要であるのに対し、瞬間式で６０Ｌ〜１００Ｌ程度である。また、貯湯式ではヒートポンプユニットと貯湯タンクユニットを別個の箱体に収納しているのに対して、瞬間式では一個の箱体に一体化している。

特許文献２に記載の構成は、貯湯タンクの沸戻し（文献では追焚き）運転は、給湯熱交換器，循環ポンプ及び貯湯タンクを接続した貯湯経路と並列に設けられた風呂追焚き加熱経路またはバイパス管路を用い、ヒートポンプ運転開始直後は、前記風呂追焚き加熱経路またはバイパス管路の水循環を行い、ヒートポンプの加熱温度が貯湯温度に達してから貯湯経路に切り換えて貯湯タンクの追焚きを行うものである。

特開２００３−２７９１３３号公報 特開２００５−３５１５６１号公報

しかしながら、前記従来の瞬間式ヒートポンプ給湯装置においては、給湯使用時に随時ヒートポンプ運転を行い直接給湯する。これにより、貯湯タンクの小形化，ヒートポンプユニットと貯湯タンクユニットの一体化は図れるものの、貯湯タンク内に貯湯されている高温の湯水は有効に活用されずに、省エネの効果が低減するおそれがある。

すなわち、特許文献１および２に示された如く、毎回、貯湯タンクの全容量の沸戻し運転を行う場合、未だ高温の貯湯水まで沸き戻すときがあり、消費エネルギー量が大きくなる。また、未使用の湯水、すなわち、必要以上の湯水を貯湯しておくことになると、湯水の放熱ロスは多くなる。

また、使用状況に応じて沸戻し量を変えた場合においても、ヒートポンプ運転をさせた後から貯湯ポンプを運転させるため、貯湯タンクの上部に残っている残湯は、沸戻しされた分だけ下部に押し下げられる。そして、次に給湯使用されるとき、残湯は給湯使用された分だけ上部に押し上げられる。すなわち、残湯は貯湯タンク内を上下するのみで、給湯されることがない。よって、残湯の熱量が有効活用されず、放熱ロスの分、省エネの面からマイナスとなる。

なお、貯湯式における沸戻し運転の頻度は少ないが、貯湯タンクが大きい分、残湯量も多く、残湯の熱量の有効活用は瞬間式と同様に重要な課題となる。

また、特許文献１においては、高温（約９０℃）貯湯時にヒートポンプ回路の高圧側圧力が急激に上昇し、圧縮機の保護回路が働いて適切に予熱できないおそれがある、という課題があった。

また、特許文献２においては、特許文献１と同様に予熱運転を行うため、余分な消費電力を必要とする課題があった。

本発明は、上記課題を解決するものである。本発明の目的は、貯湯タンク内の貯湯水の熱量を有効に活用して、湯水の加熱負荷が低減され、省エネ性の向上したヒートポンプ給湯装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本願発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器と、該水冷媒熱交換器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置と前記圧縮機との間に設けられ空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器と、前記水冷媒熱交換器で熱交換した水が貯湯される貯湯タンクと、該貯湯タンク内の水が前記水冷媒熱交換器を通り該貯湯タンクに戻る貯湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において、前記貯湯回路に前記貯湯タンク内の水を所定量循環させてから、前記水冷媒熱交換器で冷媒と水とを熱交換するように前記貯湯回路を制御する手段を有することを特徴とする。

また、圧縮機と、水と冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、該水冷媒熱交換器からの冷媒を減圧する減圧装置と、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器とを接続したヒートポンプ冷媒回路と、前記水冷媒熱交換器と、該水冷媒熱交換器で熱交換した水を貯める貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環させる循環ポンプとを有する貯湯回路と、給水された水を前記水冷媒熱交換器で熱交換して給湯端末から給湯する直接給湯回路と、前記循環ポンプを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記循環ポンプを所定時間運転した後に前記ヒートポンプ回路を運転することを特徴とする。

また、前記貯湯タンクの水が所定温度のときに、前記貯湯回路に前記貯湯タンク内の水を所定量循環させてから、前記水冷媒熱交換器で冷媒と水とを熱交換することを特徴とする。

また、前記貯湯タンクの水の所定温度の残水量よりも多く、かつ、前記貯湯タンクの貯湯容量から前記所定温度の残水量を減じた水量よりも少ない水量の前記貯湯タンクの水を、前記水冷媒熱交換器で熱交換する沸戻し運転をすることを特徴とする。

また、前記貯湯タンクの貯湯容量から前記貯湯回路による前記貯湯タンクの水の沸戻し量を減じた水量を、前記循環ポンプによる前記貯湯回路内の水の循環速度で除して得られる時間、少なくとも前記循環ポンプを運転してから、前記ヒートポンプ回路を運転することを特徴とする。

また、前記ヒートポンプ冷媒回路を含むヒートポンプユニットと、前記貯湯タンクを含むタンクユニットを同一箱体に収納することを特徴とする。

また、前記貯湯タンクの内部の左右方向に複数の仕切り板が設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、貯湯タンク内の貯湯水の熱量を有効に活用して、湯水の加熱負荷が低減され、省エネ性の向上したヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３によって説明する。

図１は、本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置における部品構成の一例を示す。ヒートポンプ給湯装置はヒートポンプ冷媒回路３０，給湯回路４０、および運転制御手段５０を備えて構成されている。

ヒートポンプ冷媒回路３０は、第一冷媒回路３０ａ及び第二冷媒回路３０ｂの２サイクル方式で構成され、圧縮機１ａ，１ｂ、水冷媒熱交換器２に配置される冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ、減圧装置３ａ，３ｂ、空気冷媒熱交換器４ａ，４ｂを、それぞれ冷媒配管を介して順次接続して構成されており、その中に冷媒が封入されている。ここで、２サイクル方式の構成に限定するものではない。瞬間式のヒートポンプ給湯機において、給湯能力を向上させるために２サイクル方式としたのであって、１サイクル方式で十分な給湯能力があれば、本発明と同様の作用効果を奏する。

圧縮機１ａ，１ｂは、特に限定されるものではないが、容量制御が可能な圧縮機とする。これにより、多量の給湯を行う場合に、大きな容量で運転できる。ここで、圧縮機１ａ，１ｂは、ＰＷＭ制御，電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組合せ制御によって、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば７０００回転／分）まで回転数制御されるようになっている。

水冷媒熱交換器２は、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ及び給水側伝熱管２ｃ，２ｄを備えており、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂと給水側伝熱管２ｃ，２ｄとの間で熱交換を行うように構成されている。

減圧装置３ａ，３ｂとしては、一般に電動膨張弁が使用される。水冷媒熱交換器２を経て送られた中温（一例として５０℃以下）の高圧冷媒を減圧することで、蒸発し易い低圧冷媒を空気冷媒熱交換器４ａ，４ｂへ送る。また、減圧装置３ａ，３ｂは、冷媒通路の絞り量を変えてヒートポンプ冷媒回路内の冷媒循環量を調節したり、前記絞り量を全開にして中温冷媒を空気冷媒熱交換器４ａ，４ｂに多量に送って霜を溶かす、いわゆる除霜装置の役目をしたりする。

空気冷媒熱交換器４ａ，４ｂは、送風ファン５ａ，５ｂの回転により外気を取入れて空気と冷媒との熱交換を行い、外気から熱を吸収する。

給湯回路４０は、貯湯，タンク給湯，直接給湯，風呂湯張り、および風呂追焚きの各運転を行うための水循環回路を備えて構成されている。

貯湯回路は、タンク沸戻し運転によって貯湯タンク１５に高温水を貯めるための水回路で、貯湯タンク１５，循環ポンプ１６，水熱交流量センサ１７，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ，給湯混合弁１０，貯湯タンク１５が水配管を介して順次接続され構成されている。

直接給湯回路は、給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，機内逆止弁９，水熱交流量センサ１７，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，台所出湯金具１３が、水配管を介して順次接続され構成されている。

なお、給水金具６は、水道などの給水源に接続され、台所出湯金具１３は台所蛇口１４等に接続されている。

タンク給湯回路は、給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，貯湯タンク１５，給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，台所出湯金具１３が水配管を介して順次接続され構成されている。

風呂湯張り回路は、給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，機内逆止弁９，水熱交流量センサ１７，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，風呂注湯弁１８，フロースイッチ１９，風呂循環ポンプ２０，水位センサ２１，風呂入出湯金具２２、が水配管を介して順次接続され構成されている。風呂入出湯金具２２からは浴槽２４の風呂循環アダプター２３と共に風呂蛇口２８やシャワー（図示せず）にも給湯できるよう接続されている。

なお、風呂湯張り時には、上記風呂湯張り回路による直接給湯と共に、貯湯タンク１５内の湯量が必要量以下にならない範囲で、貯湯タンク１５から浴槽２４へのタンク給湯も行う。

風呂追焚回路は、浴槽２４，風呂循環アダプター２３，風呂入出湯金具２２，水位センサ２１，風呂循環ポンプ２０，フロースイッチ１９，風呂用熱交換器２６に設けられた風呂側伝熱管２６ｂ，風呂出湯金具２７，風呂循環アダプター２３，浴槽２４が水配管を介して順次接続され構成されている。

尚、風呂追焚き時には、上記風呂追焚回路による浴槽水の水循環と共に、ヒートポンプ及び循環ポンプ１６を運転する。また、温水開閉弁２５を開いて、水冷媒熱交換器２で加熱された温水を、風呂用熱交換器２６に設けられた温水側伝熱管２６ａに循環させ、温水側伝熱管２６ａと風呂側伝熱管２６ｂとの間で熱交換する。このように、浴槽２４からの循環水を加熱することで、風呂追焚きを行う。

次に、運転制御手段５０は、台所リモコン５１及び風呂リモコン５２の操作設定により、ヒートポンプ冷媒回路３０の運転・停止並びに圧縮機１ａ，１ｂの回転数制御を行う。また、減圧装置３ａ，３ｂの冷媒絞り量調整、循環ポンプ１６，風呂循環ポンプ２０の運転・停止及び給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，風呂注湯弁１８，温水開閉弁２５を制御する。これにより、貯湯運転，直接給湯運転，タンク給湯運転，風呂湯張り運転、および風呂追焚運転が行われる。

また、運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂの回転数を制御する。運転開始直後は、加熱立上げ時間を早めるために、所定の高速回転数で運転する。一方、比較的熱負荷の軽い、いわゆる低流量給湯の時は、加熱温度に見合った低速回転数で運転するよう制御する。

運転制御手段５０は、貯湯タンク１５の沸戻し手段として、全量沸戻し手段と所定量沸戻し手段とを有する。これにより、タンク給湯使用量が多い場合、全量沸戻し手段によって、タンク全容量の沸戻しを行う。また、タンク給湯使用量が少ない場合、所定量沸戻し手段によって、必要量に応じた所定量のタンク沸戻しを行う。

全量沸戻し手段は、残湯も含めて貯湯タンクの全量が沸戻される。そのため、ヒートポンプ運転前の循環ポンプの運転による効果は少ない。しかしながら、高温沸戻しの場合は、予め循環ポンプを運転して、残湯を貯湯タンク下部に押し下げておくことで、ヒートポンプ運転開始直後における、加熱負荷（入水温度と出湯温度の差）を軽減することができ、始動特性及び立ち上がり特性を向上することができる。

さらに、ヒートポンプ給湯装置には、貯湯タンク１５の貯湯温度及び貯湯量を検知するためのタンクサーミスタ１５ａ〜１５ｅが設けられている。その他にも、各部の温度を検知するサーミスタ（図示せず）、圧縮機１ａ，１ｂの吐出圧力を検知する圧力センサ（図示せず）、浴槽２４内の水位を検出する水位センサ２１等が設けられている。これらの検出手段からの検出信号は、運転制御手段５０に入力されるように構成される。これにより、運転制御手段５０は、各検出信号に基づいて各動作部品を制御する。

なお、給湯混合弁１０は、給湯運転開始時に、水冷媒熱交換器２側と湯水混合弁１１側間、及び貯湯タンク１５側と湯水混合弁１１側間とが、それぞれ開となって、水冷媒熱交換器２及び貯湯タンク１５の両方から給湯する。ここで、ヒートポンプ運転によって、水冷媒熱交換器２での加熱温度が給湯温度（約４０℃）以上になると、貯湯タンク１５側と湯水混合弁１１側間を閉じて、水冷媒熱交換器２からのみ給湯する。

温水開閉弁２５は、水冷媒熱交換器２と風呂用熱交換器２６の間に設けられる。風呂追焚き時、温水開閉弁２５は開き、風呂追い焚き運転を行う。風呂追焚き以外の時は、水回路を閉じる。これにより、水冷媒熱交換器２から風呂用熱交換器２６への熱の漏洩を防ぐ。

また、機内逆止弁９は、一方向にのみに水を流し、機内水回路における逆流を防止するものである。

次に、本発明の実施の形態における、ヒートポンプ給湯装置の給湯運転及びタンク沸戻し運転について、図１から図４を参照にして説明する。図２は、本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置における、給湯運転及び貯湯運転時の動作を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置における、所定量沸戻し手段によるタンク沸戻し時の残湯移動を示す説明図である。図４は、従来例におけるタンク沸戻し時の残湯移動を示す説明図である。

本発明の運転制御手段５０は、貯湯手段として全量沸戻し手段と所定量沸戻し手段とを有している。全量沸戻し手段は、主に給湯使用量が多い場合の夜間貯湯に適用して、早朝の給湯使用開始直前までに貯湯タンク全容量を沸戻すものである。また、所定量沸戻し手段は、昼間の一定時刻（例えば１３時と１７時）、または給湯使用後に、貯湯タンクの残湯温度及び残湯量を検知して、所定温度範囲内のときに沸戻し運転を実施するものである。ここで、夜間貯湯においても全容量沸戻しの必要がない場合は、所定量沸戻し手段を適用することにより、残湯熱量を有効活用し省エネ効果を得ることができる。

なお、冬期において、給湯使用量が多く、全容量沸戻しても不足する恐れがある場合には、貯湯温度を通常貯湯温度（約６５℃）より高い高温貯湯温度（７５〜９０℃）とする。本実施例においては、通常貯湯温度（約６５℃）における場合について、以下説明する。

図２のフローチャートは、台所蛇口１４を開けて湯水を使用した場合の給湯運転及びその後のタンク沸戻し運転を示す。台所蛇口１４を開けて湯水使用を開始すると（ステップ６１）、運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂを始動させヒートポンプ冷媒回路３０の運転を開始するとともに、直接給湯回路（給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，機内逆止弁９，水熱交流量センサ１７，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ、給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，台所出湯金具１３，台所蛇口１４を有する）によって、直接給湯運転が行われる（ステップ６２）。同時に、タンク給湯回路（給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，貯湯タンク１５，給湯混合弁１０，湯水混合弁１１，流量調整弁１２，台所出湯金具１３，台所蛇口１４を有する）によって、タンク給湯運転が行われる（ステップ６３）。

ここで、ヒートポンプ冷媒回路３０は、圧縮機１ａ，１ｂで圧縮された高温高圧冷媒を、水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａ，２ｂに送り込み、給水側伝熱管２ｃ，２ｄに流入する水を加熱して給湯混合弁１０側へ流出させる。このとき、ヒートポンプ回路の運転立上がり時は、水冷媒熱交換器２に送り込まれてくる冷媒が充分に高温高圧となっていない。すなわち、冷媒の温度が低く、水冷媒熱交換器２全体は冷えているため、水を加熱する加熱能力が充分ではない。そして、時間の経過と共に冷媒は高温高圧となり、次第に冷媒からの放熱量が増加し、水への加熱能力が増してゆく。

このように、ヒートポンプ運転の加熱能力が適温状態に達するまでには数分掛かる。そのため、運転開始直後の適温状態に達するまでの間、運転制御手段５０は、圧縮機１ａ，１ｂの回転数を通常より高速回転にすると共に、貯湯タンク１５から高温水を供給するタンク給湯運転（ステップ６３）を並行して行い、蛇口からは適温水を給湯する。

また、ヒートポンプ運転による加熱温度の判定（ステップ６４）を行う。加熱温度が規定未満であれば、直接給湯とタンク給湯の並行運転を継続し、規定以上に達すれば、タンク給湯を停止して（ステップ６５）、直接給湯の単独運転による給湯を継続する（ステップ６６）。

なお、給湯混合弁１０から下流における混合湯温が適温より低い場合、運転制御手段５０は、給湯混合弁１０を作動させてタンク給湯量を増やすように流量比率を調整する。一方、適温より高い場合、運転制御手段５０は、タンク給湯量を減らすように給湯混合弁１０を作動させて流量比率を調整する。さらに、湯水混合弁１１からの給水量を調整することによって、使用端末への給湯温度の調整を行うことができる。

貯湯タンク１５の役割は、ヒートポンプ運転の加熱能力が、給湯温度（約４０℃）に達するまで（ヒートポンプの立ち上がり時）の補助的なものである。すなわち、ヒートポンプ冷媒回路３０の能力、特に圧縮機１ａ，１ｂの出力が大きいほど、立ち上げ時間を短くでき、貯湯タンク１５を小さくできる。

また、台所給湯と同時に風呂湯張りを行うような、複数箇所における同時使用の場合に、直接給湯のみで対応するとき、圧縮機１ａ，１ｂの容量は、従来の貯湯式で一般に用いられている５ｋＷ程度に対し２０ｋＷ程度まで大きくすることが望ましい。しかし、現状では新たな圧縮機の開発が必要となるばかりでなく、ヒートポンプ冷媒回路３０の各部品の新規検討が必要となり、極めて困難である。そこで本発明の実施例においては、従来圧縮機の２倍程度の圧縮機を２個使用した２サイクルヒートポンプ方式３０ａ，３０ｂとしている。なお、圧縮機の容量が充分であれば、１サイクルヒートポンプ方式であってもよく、その場合、本発明と同等の作用効果を奏する。

次に、蛇口が閉じられ湯水使用が終了する（ステップ６７）と、タンク給湯運転を停止する。直接給湯運転のみの場合は、直接給湯運転を停止する。タンク給湯運転と直接給湯運転が併用されている場合は、タンク給湯運転及び直接給湯運転の両方を停止する（ステップ６８）。

さらに運転制御手段５０は、タンク給湯運転及び直接給湯運転を共に停止（ステップ６８）した後、サーミスタ１５ａ〜１５ｅよって、貯湯温度及び貯湯量を検知し、貯湯温度及び貯湯量の規定値に対する判定（ステップ６９）を行う。例えば、貯湯温度が給湯使用温度（一例として約４０℃）より高く、貯湯量が十分あれば運転終了し（ステップ７０）、貯湯温度が所定量沸戻し手段の実行温度範囲（例えば３５℃〜４０℃）以内であれば、所定量沸戻し手段によるタンク沸戻し運転を行う。

所定量沸戻し手段によるタンク沸戻し運転は、ヒートポンプ運転の前に循環ポンプ１６のみを運転して残湯の移動を行う（ステップ７１）。貯湯タンク１５内の残湯が、貯湯タンク１５上部から所定位置まで押し下げられるように、循環ポンプ１６を所定時間運転した後、ヒートポンプ運転を開始（ステップ７２）して貯湯回路の加熱循環を行う。ステップ７１で押し下げられた貯湯タンク１５内の残湯は、循環ポンプ１６によって、貯湯タンク１５の下部から吸水されて循環される。これにより、ステップ７１で押し下げられた貯湯タンク１５内の残湯は、水冷媒熱交換器２の給水側伝熱管２ｃ，２ｄで加熱され、高温水となって貯湯タンク１５の上部から、再び貯湯される。

さらに、貯湯量判定が行われ（ステップ７３）、給湯使用量に応じた規定の貯湯量以上になってから、貯湯運転を停止する（ステップ７４）。

次に、所定量沸戻し手段の詳細について説明する。まず、図４の従来例について説明すると、図４のＡは、一般的な使用量に対する所定量タンク沸戻し後の場合である。具体的に、高温水が、貯湯タンク１５の上側２／３程度（斜線に示す範囲）まで貯湯されている状態を示す。

Ａの状態から給湯使用されると、Ｂに示すように、貯湯量が減少して、湯温も低下する。すなわち、中温（一例として５０℃）の残湯が上部に残った状態となる。この状態のままヒートポンプ運転を行うと、中温の残湯は循環ポンプ１６によって下部に吸水され、同時に、貯湯タンク上部から入る高温水によって押し下げられる。これにより、図４のＤに示すように、中温水は、貯湯タンク１５上部の高温水（例えば６５℃）と、貯湯タンク１５下部の低温水（例えば１７℃）との間に滞留した状態となる。

図４のＤの状態から、給湯運転とタンク沸戻し運転を繰り返しても、ＢとＤの状態を繰り返して中温の残湯は給湯されず、貯湯タンク１５内で放熱されて熱損失となる。したがって、残湯の熱量を有効に活用することを要する。

また、図４のＢにおいて貯湯タンク下部には大量の低温水（例えば１７℃）がある。そのため従来は、低温水がヒートポンプ加熱運転により貯湯に適した高温水（例えば６５℃）になるまでの間は、循環ポンプ１６を運転せず、貯湯が伴わない、いわゆる予熱運転が行われていた。

そこで、本実施の形態では、所定量沸戻し手段によって、残湯の熱量を有効に活用する構成とする。その一例を図３によって説明する。

貯湯タンク１５の沸戻しは、貯湯タンク１５下部から低温水（例えば１７℃）を循環ポンプ１６で吸水し、水冷媒熱交換器２で加熱して高温水（例えば６５℃）にする。この高温水を、貯湯タンク１５の上部から再び貯湯する。

図３のＡは、一般的使用量に対する所定量の湯の沸戻し後の場合を示す。具体的には、高温水が斜線で示すように、貯湯タンク１５の上側２／３程度まで貯湯されている状態である。

その後、給湯使用されると、貯湯量の減少と共に湯温も低下して、図３のＢの斜線で示すように、中温残湯（一例として５０℃）が上部に残った状態となる。このＢの状態で、所定量沸戻し手段は、貯湯温度及び貯湯量の判定を行う。

例えば、所定温度を３５℃以上４０℃未満と定めた場合、残湯温度が４０℃以上のときは、タンク沸戻し運転を行わず、残湯は給湯用としてそのまま使用する。一方、残湯温度が３５℃以上４０℃未満のときは、循環ポンプ９を運転して貯湯タンク内の水循環を行い、図３のＣに示すように、中温の残湯が貯湯タンク９の下部に押し下げられてから、ヒートポンプ運転を行う。換言すると、ヒートポンプ運転を行う前に、中温残湯を貯湯タンク９の下部の低温水のあった位置まで移動させる。これにより、残湯は給水側として循環ポンプ１６によって吸水循環して、水熱交換器２によって加熱される。その後、図３のＤに示すように、貯湯タンク９の上部には高温水が貯湯される。これにより、給湯用として有効に使用されるので、残湯熱量の有効活用が図れる。

例えば、高温水が６５℃で、給水温度が１７℃の場合、残湯の容量分のヒートポンプ必要加熱量は、残湯を使用しないとき、［（６５℃−１７℃）×残湯容量］である。一方、３５℃の残湯を使用するとき、必要加熱量は［（６５℃−３５℃）×残湯容量］となる。これにより、ヒートポンプの負荷は大幅に軽減され、省エネを図ることができる。

前記ヒートポンプ運転前の循環ポンプ１６の運転時間は、貯湯タンク９の全容量とヒートポンプ運転時の沸戻し量に関連して決められる。循環ポンプ１６の運転及びヒートポンプ運転によって、貯湯タンク９の上部の中温残湯を、貯湯タンク９外へ循環させるには、貯湯タンク９の全容量分を循環させればよい。具体的に、図３に示すように、中温残湯を貯湯タンク９の上部から下部に移動させる移動量を、押下量と称すると、貯湯タンク９の全容量は、（押下量＋沸戻し量）＝貯湯タンク全容量と表すことができる。すなわち、（押下量）＝（貯湯タンク全容量）−（沸戻し量）となる。ここで、押下量の分、水を循環させるために必要な循環ポンプ１６の運転時間は、押下量（Ｌ）÷循環ポンプ運転時の水循環量（Ｌ／分）で表される。よって、［（貯湯タンク全容量（Ｌ）−沸戻し量（Ｌ））÷循環ポンプ運転時の水循環量（Ｌ／分）］にて、中温残湯を貯湯タンク９の上部から下部へ移動させるのに必要な、循環ポンプ１６の運転時間が導出される。

なお、貯湯タンク９の下部出口と上部入口間には、水冷媒熱交換器２や配管があるので、循環ポンプ１６の運転時間は、上記計算式にそれらの容積分を加味して決める必要がある。

また、所定量タンク沸戻し手段におけるタンク沸戻し量が少ない場合、残湯熱量の利用による効果が少ない。逆に、タンク沸戻し量が多すぎると、全量沸戻しと等しくなる。すなわち、ヒートポンプ運転のみでも残湯を循環できることになるので、タンク沸戻し量は、［残湯量］より多く、かつ［タンク全容量−残湯量］より少ない範囲が最も効果的である。

なお、残湯を貯湯タンク９の下部へ移動させる運転において、中温残湯は図３のＢからＣのように、整然とは移動せず、残湯の中温部分と低温部分の境界では混ざり合う。ここで、混ざり合った混合水は、低温水温度と中温水温度との平均温度となるので、低温水より高温となり、ヒートポンプの加熱負荷が軽減され運転効率の向上が図れる。なお、循環ポンプ１６の運転時間は、この残湯量の拡散分を見込んで設定されるのが好ましい。

図３のＤにおいて、高温水の層と低温水の層との境界部を、Ｋ部として示す。従来、予熱運転をした場合、循環ポンプ１６によって、貯湯タンク９に入った高温水は、その後、貯湯タンク９の上部から貯湯される高温水によって、下部に押し下げられ、Ｋ部において低温水と混ざり、中温水と低温水が混合した温度（中間温度）となる。

また、本実施の形態において、予熱運転をしない場合、Ｋ部は、ヒートポンプによって低温水から高温水に昇温中の中間温度層となる。

即ち、予熱運転しない場合においても、予熱運転した場合と同様な温度分布となる。そのため、本実施の形態は予熱運転しない分、消費電力を低減することができ、省エネ化を図ることができる。

図３のＥは、本実施の形態の効果をより大きくするための貯湯タンク構造であり、貯湯タンク１５の内部に複数の仕切り板１５ｓを水平方向に設けたものである。本構造によれば、貯湯時に上部から入ってくる高温水は、階段状に順序よく下側に押し下げられ、高温層と低温層の区分けがより確実に保たれ、高温水のほぼ全量を給湯に使用することができる。また、残湯移動運転において、移動した残湯と上下部分の低温水とが混ざり合うのを抑制できる。

以上は、瞬間式ヒートポンプ給湯装置について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、貯湯式ヒートポンプ給湯装置に適用したものであっても、同様の作用効果を奏することができる。以下、貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成について説明する。

貯湯式ヒートポンプ給湯装置は、主に夜間ヒートポンプ運転を行い、数時間掛けて３７０Ｌ前後の大容量タンクに高温水（約６５℃）を貯めておき、昼間の給湯使用に供するものである。従って、ヒートポンプの加熱能力は瞬間式に比べ大幅に小さくて済むため、図５に示す如く１サイクルとし、且つ、ヒートポンプ運転による直接給湯は行わない。

また、ヒートポンプユニットと貯湯タンクユニットとは別個の箱体に収納する場合が多いが、タンク容量が比較的小さい場合には一体形としても良い。

図５は、貯湯式ヒートポンプ給湯装置における部品構成の一例を示す。ヒートポンプ給湯装置はヒートポンプ冷媒回路１３０，給湯回路１４０、および運転制御手段１５０を備えて構成されている。

ヒートポンプ冷媒回路１３０は１サイクル方式で構成され、圧縮機１０１，水冷媒熱交換器１０２に配置される冷媒側伝熱管１０２ａ，減圧装置１０３，空気冷媒熱交換器１０４を、それぞれ冷媒配管を介して順次接続して構成されており、その中に冷媒が封入されている。

圧縮機１０１，水冷媒熱交換器１０２，減圧装置１０３，空気冷媒熱交換器１０４，送風フアン１０５は、先に説明した実施例１と容量は異なるが、各部品の動作，働きは同じである。

次に、給湯回路１４０は貯湯，タンク給湯，風呂湯張り，風呂追焚きを行うための水循環回路を備えて構成されている。

貯湯回路は、貯湯タンク１１５，機内循環ポンプ１１６，水熱交流量センサ１１７，給水側伝熱管１０２ｂ，タンク貯湯弁１０９，貯湯タンク１１５が水配管を介して順次接続され構成されている。

タンク給湯回路は、給水金具１０６，減圧弁１０７，給水水量センサ１０８，貯湯タンク１１５，タンク給湯弁１１０が水配管を介して順次接続された給湯回路による貯湯タンク１１５からの高温水と、給水金具１０６，減圧弁１０７，給水水量センサ１０８，湯水混合弁１１１が水配管を介して順次接続された給水回路からの低温水とを混合させ適温水（約４２℃）として流量調整弁１１２から台所出湯金具１１３へ給湯する。

なお、給水金具１０６は水道などの給水源に接続され、台所出湯金具１１３は台所蛇口１１４などに接続されている。

風呂湯張り回路は、給水金具１０６，減圧弁１０７，給水水量センサ１０８，貯湯タンク１１５，タンク給湯弁１１０が水配管を介して順次接続された給湯回路による貯湯タンク１１５からの高温水と、給水金具１０６，減圧弁１０７，給水水量センサ１０８，湯水混合弁１１１が水配管を介して順次接続された給水回路からの低温水とを混合させ適温水（約４２℃）として、流量調整弁１１２から風呂注湯弁１１８，フロースイッチ１１９，風呂循環ポンプ１２０，水位センサ１２１，風呂入出湯金具１２２へ給湯する。

風呂入出湯金具１２２からは浴槽１２４の風呂循環アダプター１２３と共に風呂蛇口１２８やシャワー（図示せず）にも給湯できるよう接続されている。

風呂追焚回路は、浴槽１２４，風呂循環アダプター１２３，風呂入出湯金具１２２，水位センサ１２１，風呂循環ポンプ１２０，フロースイッチ１１９，風呂用熱交換器１２６に設けられた風呂側伝熱管１２６ｂ，風呂出湯金具１２７，風呂循環アダプター１２３，浴槽１２４が水配管を介して順次接続され構成されている。

尚、風呂追焚き時には、上記風呂追焚回路による浴槽水の水循環と共に、ヒートポンプ及び循環ポンプ１６を運転し、温水開閉弁１２５を開いて、水冷媒熱交換器１０２で加熱された温水を風呂用熱交換器１２６に設けられた温水側伝熱管１２６ａに循環させ、温水側伝熱管１２６ａと風呂側伝熱管１２６ｂとの間で熱交換し、浴槽１２４からの循環水を加熱することにより風呂追焚きを行うものである。

次に、運転制御手段１５０は、台所リモコン１５１及び風呂リモコン１５２の操作設定により、ヒートポンプ冷媒回路１３０の運転・停止並びに圧縮機１０１の回転数制御を行うと共に、減圧装置１０３の冷媒絞り量調整、機内循環ポンプ１１６，風呂循環ポンプ１２０の運転・停止及びタンク貯湯弁１０９，タンク給湯弁１１０，湯水混合弁１１１，流量調整弁１１２，風呂注湯弁１１８，温水開閉弁１２５を制御することにより、貯湯運転，タンク給湯運転，風呂湯張り運転，風呂追焚運転を行うものである。

また、運転制御手段５０は、貯湯タンクの沸戻し手段として全量沸戻し手段と所定量沸戻し手段とを有しており、タンク給湯使用量が多い場合は全量沸戻し手段によってタンク全容量の沸戻しを行い、タンク給湯使用量が少ない場合には所定量沸戻し手段によって必要量に応じた所定量のタンク沸戻しを行う。

所定量沸戻し手段は、図２及び図３において説明した内容と同一である。

本実施例の貯湯式ヒートポンプ給湯装置においては、大形貯湯タンクを有しているので、タンク沸戻し回数は瞬間式に比べて少ないが、貯湯タンクが大きいので残湯量も多く、且つ、タンク未使用時間も長いので残湯の適温（約４２℃）以下に温度低する場合が多くなり、所定量沸戻し手段による残湯熱量の有効活用は省エネ効果に大きく寄与できるもので実施例１と同様の効果を有するものである。

以上のごとく本発明は、貯湯タンクの沸戻し制御として、全量沸戻し手段と所定量沸戻し手段とを有し、所定量沸戻し手段においては、機内循環ポンプを所定時間運転した後にヒートポンプ運転を行うことによりタンク残湯熱量を有効に活用し省エネ化を図るもので、瞬間式ヒートポンプ給湯装置，貯湯式ヒートポンプ給湯装置のいずれにも適用できる応用範囲の広いものである。

本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置のヒートポンプ冷媒回路，給湯回路，運転制御手段、及び部品の概略構成の一実施例を示す模式図。 本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置における、給湯運転及び貯湯運転時の動作を示すフローチャート。 本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置における、所定量沸戻し手段によるタンク沸戻し時の残湯移動を示す説明図である。 従来例におけるタンク沸戻し時の残湯移動を示す説明図である。 貯湯式ヒートポンプ給湯装置のヒートポンプ冷媒回路，給湯回路，運転制御手段、及び部品の概略構成の一実施例を示す模式図。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１０１ 圧縮機
２，１０２ 水冷媒熱交換器
３ａ，３ｂ，１０３ 減圧装置
４ａ，４ｂ，１０４ 空気冷媒熱交換器
１０ 給湯混合弁
１１，１１１ 湯水混合弁
１２，１１２ 流量調整弁
１４，１１４ 台所蛇口
１５，１１５ 貯湯タンク
１５ａ〜１５ｅ タンクサーミスタ
１６ 循環ポンプ
１７ 水熱交流量センサ
２０ 風呂循環ポンプ
２４ 浴槽
２６ 風呂用熱交換器
３０，１３０ ヒートポンプ冷媒回路
４０，１４０ 給湯回路
５０，１５０ 運転制御手段
１０９ タンク貯湯弁
１１０ タンク給湯弁
１１６ 機内循環ポンプ

Claims (7)

1. 圧縮機と、該圧縮機から吐出された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器と、
   該水冷媒熱交換器からの冷媒を減圧する減圧装置と、
   該減圧装置と前記圧縮機との間に設けられ空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器と、
   前記水冷媒熱交換器で熱交換した水が貯湯される貯湯タンクと、
   該貯湯タンク内の水が前記水冷媒熱交換器を通り該貯湯タンクに戻る貯湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において、
   前記貯湯回路に前記貯湯タンク内の水を所定量循環させてから、前記水冷媒熱交換器で冷媒と水とを熱交換するように前記貯湯回路を制御する手段を有することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 圧縮機と、水と冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、該水冷媒熱交換器からの冷媒を減圧する減圧装置と、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器とを接続したヒートポンプ冷媒回路と、
   前記水冷媒熱交換器と、該水冷媒熱交換器で熱交換した水を貯める貯湯タンクと、該貯湯タンクの水を循環させる循環ポンプとを有する貯湯回路と、
   給水された水を前記水冷媒熱交換器で熱交換して給湯端末から給湯する直接給湯回路と、
   前記循環ポンプを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記循環ポンプを所定時間運転した後に前記ヒートポンプ回路を運転することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
3. 請求項１又は２において、前記貯湯タンクの水が所定温度のときに、前記貯湯回路に前記貯湯タンク内の水を所定量循環させてから、前記水冷媒熱交換器で冷媒と水とを熱交換することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
4. 請求項１又は２において、前記貯湯タンクの水の所定温度の残水量よりも多く、かつ、前記貯湯タンクの貯湯容量から前記所定温度の残水量を減じた水量よりも少ない水量の前記貯湯タンクの水を、前記水冷媒熱交換器で熱交換する沸戻し運転をすることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
5. 請求項２において、前記貯湯タンクの貯湯容量から前記貯湯回路による前記貯湯タンクの水の沸戻し量を減じた水量を、前記循環ポンプによる前記貯湯回路内の水の循環速度で除して得られる時間、少なくとも前記循環ポンプを運転してから、前記ヒートポンプ回路を運転することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
6. 請求項２において、前記ヒートポンプ冷媒回路を含むヒートポンプユニットと、前記貯湯タンクを含むタンクユニットを同一箱体に収納することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記貯湯タンクの内部の左右方向に複数の仕切り板が設けられたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

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