JP5023607B2 - 給湯装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置により水を加熱し湯とするヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来技術として、貯湯タンクの内部に追い焚き用熱交換器を設け、貯湯タンク内の高温の湯と浴槽内の浴水とを熱交換させて、浴槽内の浴水の追い焚きを行う給湯装置が下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１の給湯装置では、沸き上げ運転時、貯湯タンクの全量にヒートポンプで沸き上げられた高温の湯を貯湯している。しかしながら、このような給湯装置において、追い焚き用熱交換器が配された部位よりも下方に貯湯された高温の湯は追い焚きに使用出来ない為、特に給湯使用量が少ない使用者の場合、使用湯量に対して貯湯タンクに過剰の熱量が蓄熱されることとなるといった問題点を有している。

ところで、一般的に、ヒートポンプは、湯の沸き上げ温度を低くするほどエネルギー効率が良好となることが知られているが、特許文献１に記載された給湯装置では、高温の湯を貯湯タンク内に貯湯しており、エネルギー効率が低下するといった問題点も有している。

これに対して、特許文献２には、貯湯タンクの上部と中間部とにヒートポンプからの供給配管を接続し、ヒートポンプの沸き上げ温度を切り替えるとともに、ヒートポンプで沸き上げる湯の沸き上げ温度に応じて、沸き上げた湯をタンクの上部から流入させるのか、タンク中間部から流入させるのかを切り替える給湯装置が開示されている。
特開２００２−２０７２０２号公報 特開２００６−２３０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された、貯湯タンク内に追い焚き用熱交換器を有する給湯装置において、特許文献２に記載されたように中温の湯をタンク中間部から流入させる場合、供給配管の接続位置によっては、追い焚き用熱交換器が配設される領域に中温の湯が流入してしまい、追い焚き運転を行うことができない可能性がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、タンク内において熱交換器が配された給湯装置において、外部流体の加熱を可能としつつ、効率的な運転を可能とする給湯装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、第２の沸き上げ温度で沸き上げられた湯が流入するのは熱交換器が配される部位よりも下方であり、第１の沸き上げ温度よりも低温な第２の沸き上げ温度で沸き上げられた湯が、外部流体を加熱する熱交換器に及ぼす影響を小さくすることができる。また、高温の湯を貯湯した部位より下方となる部位に中温水を貯湯するので、追い焚き用熱交換器が配設される領域に追い焚き運転を行うことができる温度の湯を貯湯しつつ、過剰な高温の湯による放熱ロスを低減させることができる。さらに、下方の領域については中温水で貯湯するため、タンク内の全量を高温の湯で貯湯するように沸き上げ運転を行う場合に比べて、より高効率で沸き上げを行うことができる。また、沸き上げ運転時に、中温の湯は、高温の湯と下部に貯められた水との間に貯湯されていくので、上部から順に高温の湯、中温の湯、水からなる層を乱すことなく貯湯することができる。
次に、請求項２に記載の発明によれば、タンクの上部からサーミスタまでの領域に高温の湯を貯湯し、これより下方となる部位に中温水を貯湯するので、追い焚き用熱交換器が配設される領域に追い焚き運転を行うことができる温度の湯を貯湯しつつ、予想使用湯量に対して過剰に高温の湯を沸き上げて貯湯することがなく、過剰な高温の湯による放熱ロスを低減させることができる。さらに、サーミスタにより設定できる位置よりも下方の領域については中温水で貯湯するため、タンク内の全量を高温の湯で貯湯するように沸き上げ運転を行う場合に比べて、より高効率で沸き上げを行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、予想使用湯量が少ない場合であっても、熱交換器が配設される部位には高温の第１の沸き上げ温度で沸き上げられた湯が貯湯されるので、外部流体を加熱するための熱量を確保することができる。また、熱交換器よりも下方には、より低温の第２の沸き上げ温度で沸き上げられた湯を貯湯するので、外部流体の加熱に対して過剰な熱量を有する湯が貯湯されず、放熱ロスを抑制することができる。また、貯湯タンク内の湯を全量、第１の沸き上げ温度、すなわち高温で沸き上げる場合に比べて、よりエネルギー効率の良い運転を行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、出湯時に熱交換器の下方に貯留された第２の沸き上げ温度の湯を、中間流出管を介して出湯させることができる。また、出湯時に貯湯タンク内に形成される温度の異なる境界層を乱すことがない。

請求項５記載の発明によれば、中間流入管と熱交換器とを離間させることができ、中間流入管を介して流入する第２の沸き上げ温度の湯が熱交換器に及ぼす影響を低減することができる。
請求項６記載の発明によれば、過去の所定期間における湯の使用実績から予想使用湯量を算出し、この予測使用湯量が所定量よりも多いかどうかを判断する判断手段を有し、判断手段により、予想使用湯量が所定量よりも多いと判断されると、ヒートポンプで加熱される湯が第１の沸き上げ温度となるようにヒートポンプを作動させ、一方、予想使用湯量が少ないと判断された場合、タンクの上部からサーミスタまでの領域に高温の湯を貯湯し、これより下方となる部位に中温水を貯湯するので、追い焚き用熱交換器が配設される領域に、追い焚き運転を行うことができる温度の湯を貯湯しつつ、予想使用湯量に対して過剰に高温の湯を沸き上げて貯湯することがなく、過剰な高温の湯による放熱ロスを低減させることができる。さらに、サーミスタの取り付け位置により設定された部位よりも下方の領域については中温水で貯湯するため、タンク内の全量を高温の湯で貯湯するように沸き上げ運転を行う場合に比べて、より高効率で沸き上げを行うことができる。また、沸き上げ運転時に、中温の湯は、熱交換器が配設される領域に貯留された高温の湯と下部に貯められた水との間に貯湯されていくので、上部から順に高温の湯、中温の湯、水からなる層を乱すことなく貯湯することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態おけるヒートポンプ式給湯装置１００について図１〜図４を用いて説明する。尚、図１は本発明を適用させたヒートポンプ式給湯装置１００の全体構成を示す模式図、図２は貯湯タンク１０の概略的な断面図、図３は沸き上げ運転時の作動を示すフローチャート、図４は追い焚き運転時の作動を示すフローチャートである。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置（以下、給湯装置）１００は、一般家庭用として使用されるものであり、ヒートポンプユニット２０によって生成される湯を貯湯タンク１０内に貯えると共に、貯えた湯を給湯用の湯として、台所、洗面所、風呂等へ供給する。

図１に示すように、給湯装置１００は、給水管１１によってその最下部に水が供給される貯湯タンク１０と、この貯湯タンク１０内の最下部の水を貯湯タンク１０内に送る循環回路２１、分岐配管２３を流れる水を加熱するヒートポンプユニット（本発明におけるヒートポンプに対応）２０と、各種給湯用配管１２、１７、１８、２３と、本給湯システムの作動を制御する制御装置４０とを備えており、これらによって給湯機能を発揮する。そして、浴槽８２内の浴水と貯湯タンク１０内の湯との間で熱交換するように構成された浴水追い焚き装置７０によって、追い焚き運転を行う。

貯湯タンク１０は、給湯用の湯を貯える容器であって、耐食性に優れた金属製（例えば、ステンレス製）から成り、外周部に図示しない断熱材が配置されており、高温の湯を長時間に渡って保温することができるようになっている。

また、貯湯タンク１０は略円筒形形状であり、その底面に導入口１０ａが設けられ、この導入口１０ａには貯湯タンク１０内に給湯水（水道水）を供給する導入用流路としての導入管１１が接続されている。この導入管１１には温度検出手段としての給水サーミスタ５１が設けられており、給水サーミスタ５１は導入管１１内の温度信号を後述する制御装置４０に出力するようになっている。

一方、貯湯タンク１０の最上部には高温導出口１０ｂが設けられ、この高温導出口１０ｂには貯湯タンク１０内に貯えられた給湯用の湯のうち、高温の湯を導出するための給湯用流路としての高温取出管１２が接続されている。尚、この高温取出管１２の経路途中には、図示しない逃がし弁が配設された排出配管が接続されており、貯湯タンク１０内の圧力が所定圧以上に上昇した場合には、貯湯タンク１０内の湯を外部に排出して、貯湯タンク１０等にダメージを与えないようになっている。

貯湯タンク１０の中間部には、配管１０ｃの一端が接続されており、配管１０ｃの他端は後述する分岐配管２３に接続されている。

貯湯タンク１０の外壁面には、貯湯量および貯湯温度を検出するための貯湯温度検出手段としての複数（本例では７つ）の貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｇが縦方向（貯湯タンク１０の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｇは貯湯タンク１０内に満たされた湯あるいは水の各水位レベルでの温度信号を後述する制御装置４０に出力するようになっている。

従って、制御装置４０は、貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｅからの温度信号に基づいて、貯湯タンク１０内上方の沸き上げられた湯と貯湯タンク１０内下方の沸き上げられる前の水との境界位置を検出できると共に、これにより貯湯量が検出できるようになっている。

尚、これらの貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｅのうち、貯湯サーミスタ５５ａは、後述する熱交換器７２よりも上方となる位置に設けられており、高温取出管１２に吸入される高温の湯の温度である貯湯タンク１０内最上部の湯温を検出する出湯サーミスタの機能も有している。貯湯サーミスタ５５ｂは熱交換器７２の下端とほぼ同じ高さ、もしくは下方に配置されており、配管１０ｃから導出される湯温を検出する出湯サーミスタの機能も有している。

貯湯タンク１０の下部には、貯湯タンク１０内の最下部の給湯水を後述するヒートポンプユニット２０側に吸入するための吸入口１０ｄが設けられ、また、貯湯タンク１０の上部には、ヒートポンプユニット２０側から吐出された湯が内部に流入するための吐出口１０ｅが設けられている。吸入口１０ｄと吐出口１０ｅとは循環回路２１で接続されており、この循環回路２１の一部はヒートポンプユニット２０内に配置されている。循環回路２１のうち、ヒートポンプ２０内を通過した部分は、ヒートポンプユニット２０で加熱された高温の湯を貯湯タンク１０内に流入させる上部流入管として機能する。

また、循環回路２１のヒートポンプユニット２０と吐出口１０ｅとの間には、ヒートポンプ出口三方弁（以下、ＨＰ出口三方弁）２２が設けられ、このＨＰ出口三方弁２２からは、分岐配管２３が分岐している。

分岐配管２３の他端は中温用混合弁１４に接続されている。なお、分岐配管２３の中間位置には、配管１０ｃが接続されており、分岐配管２３のうち、配管１０ｃとの接続部位よりも上流側部位２３ａはヒートポンプユニット２０によって加熱された湯を、配管１０ｃを介してタンク１０内に流入させる中間流入管として機能する。一方、分岐配管２３のうち、配管１０ｃとの接続部位よりも下流側部位２３ｂは配管１０ｃを介して、中温の湯をタンク１０内から流出させる中間流出管として機能する。

ＨＰ出口三方弁２２は、ヒートポンプユニット２０（水側熱交換器２６ｂ）で加熱された湯を、吐出口１０ｅ側あるいは配管１０ｃ側のいずれかに流す流路切替弁である。そして、ＨＰ出口三方弁２２は、後述する制御装置４０に電気的に接続されており、貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｇ、後述する湯温サーミスタ５２より検出される温度信号に基づいて制御される。

ヒートポンプユニット２０は、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用するヒートポンプサイクル２０Ａと、循環回路２１中に設置された給水ポンプ２４とから構成されている。尚、超臨界ヒートポンプによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５℃〜９０℃程度）の湯を貯湯タンク１０内に貯えることができる。

ヒートポンプサイクル２０Ａは、電動式の圧縮機２５、水冷媒熱交換器２６、電気式膨張弁２７、空気熱交換器２８、およびアキュムレータ２９が順次冷媒配管によって接続されて構成されており、その作動は後述する制御装置４０によって総合的に制御されるようになっている。

圧縮機２５は、内蔵される図示しない電動モータによって回転駆動され、アキュムレータ２９より吸引した冷媒を臨界圧力以上の高圧に圧縮して吐出する電動式の回転機械である。圧縮機２５は、動力源として交流電力を用い、主に、料金設定の最も安い深夜時間帯の深夜電力を用いて、貯湯タンク１０内の湯を沸き上げる沸き上げ運転を行うが、昼間時間帯においても貯湯タンク１０内最上部の湯温が低下してくると沸き上げ運転を行うよう制御される。また、圧縮機２５は、種々の運転条件下において規定の能力が出るよう後述する制御装置４０により回転数が制御される。

電気式膨張弁２７は、水冷媒熱交換器２６から流出する高圧の冷媒を減圧する減圧手段であり、後述する制御装置４０によって弁開度が電気的に制御される。

空気熱交換器２８は、電気式膨張弁２７で減圧された冷媒を空気熱交換器２８用の送風ファン２８ａによって送風される室外空気との熱交換によって蒸発気化させ、圧縮機２５にガス冷媒を供給する。その送風ファン２８ａは、空気熱交換器２８の熱交換性能を確保するよう、後述する制御装置４０によって回転数が制御される。

アキュムレータ２９は、空気熱交換器２８より流出される冷媒を気液分離して、気相冷媒のみ圧縮機２５に吸引させると共に、サイクル中の余剰冷媒を貯える。

水冷媒熱交換器２６は、圧縮機２５の吐出口より吐出された高温・高圧の冷媒によって水を加熱して湯とする熱交換器である。水冷媒熱交換器２６中の冷媒側熱交換器２６ａは、圧縮機２５の吐出口より吐出された高圧のガス冷媒と温水とを熱交換する冷媒流路管により構成されている。

そして、水冷媒熱交換器２６は、冷媒側熱交換器２６ａの一端面に水側熱交換器２６ｂの対向する面が熱交換可能に密着するように配置された二層構造となっている。水側熱交換器２６ｂは循環回路２１に配設されて、冷媒側熱交換器２６ａの冷媒入口部から冷媒出口部に至る冷媒流路の全長で冷媒と循環回路２１を流通する水との熱交換を行うように構成されており、水側熱交換器２６ｂの出口部から沸き上げ温度（６５℃〜９０℃程度）相当の温水を取出した時に、規定の熱交換性能を出せるように構成されている。

循環回路２１の吸入口１０ｄと水側熱交換器２６ｂとの間には、給水ポンプ２４が配設されている。給水ポンプ２４は、内蔵される図示しない電動モータによって回転駆動されて、沸き上げ運転時に、給湯水を吸入口１０ｄから吸入して、水側熱交換器２６ｂ内で加熱された湯を貯湯タンク１０の吐出口１０ｅあるいは配管１０ｃに還流させるように作動する。この給水ポンプ２４は、水側熱交換器２６ｂの出口側水温が、種々の運転条件下において決定される所定の目標沸き上げ温度となるように、後述する制御装置４０によって回転数が制御される。

尚、３１は水冷媒熱交換器２６（水側熱交換器２６ｂ）に供給される給湯水の温度を検出する入水温度サーミスタであり、３２は水冷媒熱交換器２６（水側熱交換器２６ｂ）出口での沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度サーミスタである。また、３３は圧縮機２５から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度サーミスタであり、３４は水冷媒熱交換器２６（冷媒側熱交換器２６ａ）出口での冷媒温度を検出する出口冷媒温度サーミスタである。そして、いずれのサーミスタ３１〜３４も温度信号を後述する制御装置４０に出力するようになっている。また、３５は冷媒側熱交換器２６ａ出口での冷媒圧力を検出する圧力センサであり、圧力センサ３５は圧力信号を後述する制御装置４０に出力するようになっている。

導入管１１には、導入口１０ａの手前部から分岐する給水管１１ａが設けられており、給水管１１ａの下流端は、後述する給湯用混合弁１５および風呂用混合弁１６に繋がれている。尚、導入管１１には、導入される給湯水の水圧が所定圧となるように調節すると共に、断水等における湯の逆流を防止する減圧逆止弁（図示せず）が設けられている。

高温取出管１２と中間流出管２３ｂとの下流側合流部位に、中温用混合弁１４が設けられている。この中温用混合弁１４は、温度調節弁であって、高温側、中温側それぞれの開口面積比を調節して、高温取出管１２から取出した高温の湯と中間流出管２３ｂから取出した中温の湯との混合比を調節することで、後述する給湯用混合弁１５（給湯用配管１７）および風呂用混合弁１６（風呂用配管１８）に流通させる湯の温度を調節する。

そして、中温用混合弁１４は、後述する制御装置４０に電気的に接続されており、貯湯サーミスタ５５ａ〜５５ｇ、湯温サーミスタ５２により検出される温度信号に基づいて制御される。ここでは、湯温サーミスタ５２で検出された温度信号が所定温度（後述する操作盤４１で使用者が設定する設定温度＋２〜５℃程度）となるように、中間流出管２３ｂから取出した中温の湯を積極的に混合させるようにして所定温度に温度調節されるようにしている。

尚、湯温サーミスタ５２は、中温用混合弁１４の出口側に設けられ、中温用混合弁１４で混合された湯の温度を検出する。また、中温用混合弁１４の出口側には、給湯用流路としての給湯用配管１７と、その給湯用配管１７から分岐する湯張り配管としての風呂用配管１８とが接続されている。

給湯用配管１７は、下流端の端末としての給湯水栓（カラン、シャワー等）８１へ設定温度に温度調節された湯を導く配管であって、その流路の中途に温度調節手段としての給湯用混合弁１５と温度検出手段としての給湯サーミスタ５３とが設けられている。給湯サーミスタ５３は給湯用混合弁１５下流側で給湯用配管１７内の温度信号を後述する制御装置４０に出力する。

風呂用配管１８は、下流端が浴槽８２のアダプタ８２ａに接続されて、浴槽８２内に湯張り、差し湯、たし湯等を行う時に、設定温度に温度調節された湯を導く配管であって、その流路の中途に温度調節手段としての風呂用混合弁１６、温度検出手段としての風呂用サーミスタ５４、開閉弁としての湯張り用電磁弁６１、給湯検出手段としての湯張り用流量カウンタ６２、逆止弁６３、循環温サーミスタ５６、フロースイッチ６４、風呂三方弁６５、追い焚きサーミスタ５７が設けられている。

給湯用混合弁１５、風呂用混合弁１６は、それぞれ給湯用配管１７、風呂用配管１８の末端で出湯する湯の温度を調節する温度調節弁であり、それぞれの開口面積比（中温用混合弁１４で温度調節された給湯用水側の開度と給水管１１ａから供給される給湯水側の開度の比率）を調節することで出湯する湯温を設定温度に調節する。

また、給湯用混合弁１５、風呂用混合弁１６は、後述する制御装置４０に電気的に接続されており、給水サーミスタ５１、湯温サーミスタ５２、給湯サーミスタ５３、風呂用サーミスタ５４より検出される温度信号に基づいて制御される。

風呂用サーミスタ５４は風呂用混合弁１６下流側で風呂用配管１８内の温度信号を後述する制御装置４０に出力する。湯張り用電磁弁６１は風呂用配管１８の流路を開閉する弁であり、浴槽８２内への湯張り、差し湯、たし湯等を行う時に後述する制御装置４０により制御される。流量カウンタ６２は風呂用配管１８内の給湯用水の流れを検出し検出信号を後述する制御装置４０に出力する。流量カウンタ６２が風呂用配管１８内の湯の流れを検出した時は、風呂用配管１８の湯張り用電磁弁６１が開弁されて出湯されていることを示す。

逆止弁６３は後述する往き管６６からの浴水を風呂用配管１８内に流通させないための弁である。循環温サーミスタ５６は風呂用配管１８、浴槽８２、後述する往き管６６の間を循環する浴水の温度信号を後述する制御装置４０に出力する。フロースイッチ６４は風呂三方弁６５側の方向に湯あるいは浴水が流通しているか否かを検出するための流水センサである。

風呂三方弁６５は、浴槽８２、往き管６６からの浴水（本願発明における外部流体）を後述する追い焚き用熱交換器７２側あるいは浴槽８２側のいずれかに流す流路切替え弁であり、後述する制御装置４０によって制御される。追い焚きサーミスタ５７は往き管６６、風呂用配管１８、後述する浴水循環回路７１、追い焚き用熱交換器７２によって形成される循環回路を循環する浴水の温度信号を後述する制御装置４０に出力する。

浴水追い焚き装置７０は、風呂三方弁６５から貯湯タンク１０の上部を通り風呂用配管１８の浴槽８２のアダプタ８２ａ側に接続される浴水循環回路７１と、この浴水循環回路７１の途中に接続される追い焚き用熱交換器７２と、アダプタ８２ａから逆止弁６３およびフロースイッチ６４の間に接続される往き間６６とから構成されている。本実施形態の追い焚き用熱交換器７２は、コイル状に形成され、貯湯タンク１０内の上方となる部位に配設されて、内部を流通する浴水を貯湯タンク１０内に貯えられた高温の湯によって加熱する熱交換器である。

追い焚き用熱交換器７２の流入部７２ａ、流出部７２ｂは同じ側のタンク１０の壁面に接続されており、追い焚き用熱交換器７２はタンク１０の軸中心からずれた位置に配されている。配管１０ｃは、追い焚き用熱交換器７２が配された側のタンク１０の壁面に接続されている。また、配管１０ｃは追い焚き用熱交換器７２の下端よりも下方に接続されている。

往き管６６には、アダプタ８２側から風呂用配管１８に向けて順に、水位センサ６７、風呂循環電動弁６８、風呂循環ポンプ６９が設けられている。水位センサ６７は、浴槽８２内に湯張りされた浴水の湯量、言い換えれば浴槽８２内の水位レベルを求めるための水圧を検出するセンサであり、水圧信号を後述する制御装置４０に出力するようになっている。風呂循環電動弁６８は往き管６６を開閉する電動弁であり、風呂循環ポンプ６９は浴槽８２内の浴水を追い焚き用熱交換器７２に圧送する電動ポンプであり、両者６８、６９は後述する制御装置４０によってその作動が制御されるようになっている。

湯張り時あるいは湯張り後に浴槽８２内の浴水の温度を検出する時は、風呂三方弁６５を風呂用配管１８側に切替えると共に、風呂循環ポンプ６９を作動させることで、浴槽８２内の浴水が往き管６６、風呂用配管１８、浴槽８２の順に循環されて循環温サーミスタ５６により浴水の温度が検出されるようにしている。

追い焚きを行う時は、風呂三方弁６５を浴水循環回路７１側に切替えることで、浴槽８２内の浴水が往き管６６、浴水循環回路７１、追い焚き用熱交換器７２、浴水循環回路７１、風呂用配管１８、浴槽８２の順に循環されて、循環温サーミスタ５６により検出された浴水の湯温が所定温度になるまで循環の制御が継続される。

次に、制御手段である制御装置４０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵のＲＯＭ（図示せず）には、予め設定された制御プログラムが設けられており、各サーミスタ３１〜３４、５１〜５７からの温度信号、圧力センサ３５からの圧力信号、湯張り用流量カウンタ６２からの流量信号、フロースイッチ６４からの浴水流通信号、水位センサ６７からの水位信号、ユーザが入力する操作盤（本発明における風呂リモコン）４１からの操作信号等に基づいて、各種混合弁１４〜１６、ヒートポンプユニット２０、ＨＰ出口三方弁２２、湯張り用電磁弁６１、風呂三方弁６５、風呂循環電動弁６８、風呂循環ポンプ６９を制御するように構成されている。

尚、操作盤４１には、操作スイッチとして、電源スイッチ、給湯設定温度スイッチ、湯張りスイッチ、湯張り設定温度スイッチ、追い焚きスイッチ、追い焚き設定温度スイッチ等が設けられている。また、操作盤４１は、浴室内や台所等の湯を使用する場所の近傍に設置され、操作盤４１以外は、屋外等の適所に設置されている。

次に、上記構成による給湯装置１００の作動について説明する。

本願発明の特徴である沸き上げ運転時の作動について図３を用いて説明する。

ステップＳ１において沸き上げ運転開始の指示がされると、ステップＳ２において、過去の所定期間における湯の使用実績から予想使用湯量を算出し、この予測使用湯量が所定量よりも多いかどうかを判断する。ステップＳ２において予想使用湯量が所定量よりも多いと判断されるとステップＳ３へと進む。ステップＳ３において、制御装置４０は、ヒートポンプユニット２０で加熱される湯が高温（例えば、８５℃、本発明における第１の沸き上げ温度に相当）となるようにヒートポンプユニット２０を作動させる。続くステップＳ４において、ＨＰ出口三方弁２２の吐出口１０ｅ側を開き、給湯水を循環回路２１に循環させ、ヒートポンプユニット２０で加熱された高温の湯を、吐出口１０ｅを通して貯湯タンク１０の上部から貯めていく。続くステップＳ５において、サーミスタ５５ｇの検出温度がヒートポンプユニット２０で加熱された湯の温度を検出すると沸き上げが完了したと判断し、ステップＳ６でヒートポンプユニット２０の運転を終了させる。

一方、ステップＳ２において、予想使用湯量が所定量よりも少ないと判断されると、ステップＳ７へと進む。ステップＳ７において、制御装置４０は、ヒートポンプユニット２０で加熱される湯が高温（例えば、８５℃）となるようにヒートポンプユニット２０を作動させる。続くステップＳ８において、ＨＰ出口三方弁２２の吐出口１０ｅ側を開き、給湯水を循環回路２１に循環させ、ヒートポンプユニット２０で加熱された高温の湯を吐出口１０ｅを通して貯湯タンク１０の上部から貯めていく。

続いて、ステップＳ９において、追い焚き用熱交換器７２よりも下方に配されたサーミスタ５５ｂが吐出口１０ｅから流入する湯の温度よりも若干低い温度（例えば、８２℃）を検出すると、ステップＳ１０において、制御装置４０は目標沸き上げ温度を低下させ、中温水（例えば６５℃、本発明における第２の沸き上げ温度）を加熱生成するようにヒートポンプユニット２０の作動を制御する。

続くステップ１１において、ＨＰ出口三方弁２２の配管１０ｃ側が開き、沸き上げられた中温水が追い焚き用熱交換器７２の下方からタンク１０内に流入する。ステップ１２において、サーミスタ５５ｇの検出温度がヒートポンプユニット２０で加熱された湯の温度を検出すると、沸き上げが完了したと判断し、ステップＳ１３でヒートポンプユニット２０の運転を終了させる。

このように、予想使用湯量が少ないと判断された場合、タンク１０の上部からサーミスタ５５ｂまでの領域に高温の湯を貯湯し、これより下方となる部位に中温水を貯湯するので、追い焚き用熱交換器７２が配設される領域（図１中Ａで示す）に後述する追い焚き運転を行うことができる温度の湯を貯湯しつつ、予想使用湯量に対して過剰に高温の湯を沸き上げて貯湯することがなく、過剰な高温の湯による放熱ロスを低減させることができる。

さらに、サーミスタ５５ｂよりも下方の領域については中温水で貯湯するため、タンク１０内の全量を高温の湯で貯湯するように沸き上げ運転を行う場合に比べて、より高効率で沸き上げを行うことができる。

また、沸き上げ運転時に、中温の湯は、領域Ａに貯留された高温の湯と下部に貯められた水との間に貯湯されていくので、上部から順に高温の湯、中温の湯、水からなる層を乱すことなく貯湯することができる。

続いて、給湯使用時における作動について述べる。

昼間などに給湯を使用する場合、中温用混合弁１４の中間流出管２３ｂ側を開き、貯湯タンク１０の中間部（中温導出口１０ｃ）から貯湯された中温の湯を優先的に取出して設定温度と一致するように給湯用混合弁１５、風呂用混合弁１６の弁開度調節により給湯水と混合して使用する。

しかし、ある程度貯湯タンク１０内の湯量が減少した時や浴槽８２への湯張り等の連続した出湯時には、ヒートポンプユニット２０を作動させて高効率な中温水（５０℃〜６５℃）を沸き上げ、ＨＰ出口三方弁２２の中間流出管２３ｂ側を開き、中温の湯を貯湯タンク１０の中間部に貯湯する。ヒートポンプユニット２０による沸き上げ安定後は、ヒートポンプユニット２０から、分岐配管２３、中間流出管２３ｂを通して加熱した中温の湯を出湯に用いる。

また、ヒートポンプユニット２０が加熱した中温水の流量が足りない場合には、貯湯タンク１０の中間部の中温水も混合されて同時に使用される。更に、貯湯タンク１０内の中温水の湯切れ等により湯温が足りない場合には、中温用混合弁１４の高温取出管１２側の開度を大きくすることにより貯湯タンク１０上部の高温水も用いることにより出湯温度も確保する。

なお、本実施の形態によれば、タンク１０内の中温の湯は、タンク１０の中間部から湯を流出させるので、出湯時にも貯湯タンク１内に形成される高温、中温、水の層を乱すことがない。

また、断続出湯等により、ヒートポンプユニット２０の沸き上げ運転開始後、短時間で出湯が停止した場合には、給湯用配管１７には湯が流れなくなるため、貯湯タンク１０中間部に中温水が自動的に流入する。そのため給湯水栓８１の出湯が停止してもヒートポンプユニット２０が沸かした中温の湯をそのまま貯湯することが出来るため、ヒートポンプユニット２０を停止させることなく必要湯量が貯まるまで連続的に作動させることにより高効率な運転が可能となる。

続いて、追い焚き運転時の作動について、図４を用いて説明する。

例えば保温運転中に、循環温サーミスタ５６によって検出される浴水温度が設定温度よりも低くなった場合や、使用者がリモコンを操作し、追い焚き操作を指示した場合、追い焚き運転を実施する。ステップＳ２０において、追い焚き運転実施のための指示がなされると、ステップ２１において、サーミスタ５５ｂの検出温度が、所定時間内で浴水を設定された温度となるように追い焚きが可能な温度よりも高いかどうかを判定する。サーミスタ５５ｂの検出温度が追い焚きが可能な温度以上であれば、領域Ａに貯留された湯で追い焚き運転を行うことができると判断し、ステップＳ２２へと進む。なお、追い焚き可能な温度とは、領域Ａに貯湯された湯と熱交換させることによって、浴槽内の浴水を所定時間内に設定された温度となるように昇温させることが可能な温度であり、追い焚き用熱交換器７２の熱交換性能やタンク１０の大きさなどによって設定される温度である。例えば、追い焚き用熱交換器７２の熱交換性能が９ｋＷ、タンク１０の容量が２００ｌの給湯装置において、浴水を１０分以内に３℃昇温させるように追い焚きする場合、追い焚き可能な温度として７０℃が設定される。

続くステップＳ２２において風呂三方弁６５を閉じた状態とし、ステップＳ２３において風呂循環ポンプ６９を作動させ、浴槽８２内の浴水を往き配管６６へと流入させる。ステップＳ２４においてサーミスタ５６で往き配管６６に流入した浴水の温度を検出し、ステップＳ２５において三方弁６５を中間開度まで開き、浴水循環回路７１に低流量の浴水を流入させる。ステップＳ２６において所定時間経過したと判断した後、ステップＳ２７において三方弁６５を全開し、浴水循環回路７１に浴水を流入させる。浴水循環回路７１に流入した浴水は追い焚き用熱交換器７２の流入部７２ａを介してタンク１０内に流入し、タンク１０内に貯留された湯と熱交換し加熱される。加熱された浴水は、流出部７２ｂを介してタンク１０から流出し、浴水循環回路７１、風呂用配管１８を介して浴槽８２へと戻される。

ステップＳ２８において、循環温サーミスタ５６の検出温度が設定温度より高温となると、ステップＳ２９においてＨＰ出口三方弁２２が開となり、続くステップＳ３０において、ヒートポンプ２０がオフと判断された場合、ステップＳ３２へと進み、風呂側三方弁６５は、浴水循環回路７１側が閉となるように切替えられる。ステップＳ３３において、風呂循環ポンプ６９が停止される。ステップＳ３０において、ヒートポンプ２０が作動中であると判断された場合、ステップＳ３１へと進み、ヒートポンプ２０の運転が停止され、ステップＳ３２へと進む。

一方、ステップＳ２１において、サーミスタ５５ｂの検出温度が、追い焚きが可能な温度以下である場合、ステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４において、三方弁２２は分岐配管２３側が開となるように切替えられ、三方弁１４は分岐配管２３側が閉となるように切替えられる。続いて、ステップＳ３５において、ヒートポンプ２０が、サーミスタ５５ｂの検出温度よりも高温（例えば８５℃）で沸き上げるように運転を開始し、ステップＳ２２へと進む。

上述したように、追い焚き熱交換器７２において、タンク１０内に貯留された湯と浴水とを熱交換させることによって浴水の追い焚きを行う場合、一旦、追い焚き運転が行われると、追い焚き用熱交換器７２の周囲の湯は吸熱され、領域Ａに貯留された湯の温度が低下する。そのため、続けて、再度追い焚き運転が行おうとする場合、領域Ａに貯留された湯と浴槽８２内の浴水とを熱交換させても浴水を充分に昇温させることができない可能性がある。

しかしながら、本実施形態によれば、サーミスタ５５ｂの検出温度が低い場合には、ヒートポンプユニット２０によって沸きあげられた高温の湯をタンク１０内に流入させるため、この高温の湯によって領域Ａの湯を昇温させることができる。特に、循環ポンプ６４が作動して追い焚き運転が行われる時にヒートポンプユニット２０で沸き上げられた高温の湯を流入させるので、追い焚きに寄与しない、追い焚き熱交換器７２よりも上方に貯留された湯は加熱されない。そのため、タンク１０内の湯を過剰に昇温させることがなく、より効率的な運転を行うことができる。

特に、本実施の形態では、配管１０ｃを追い焚き熱交換器７２が配設される部位と同じ側に接続したので、ヒートポンプユニット２０によって沸き上げられた高温の湯を、より確実に追い焚き熱交換器７２へと導くことができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５に基づいて説明する。

本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、高温取出管１２をヒートポンプユニット２０によって沸き上げられた高温の湯をタンク内に流入させる流入管としても用い、高温導出口１０ｂを高温の湯を上部から取出す点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、タンク１０の下端部の吸入口１０ｄと水側熱交換器２６ｂの流入口とは配管２１ａで接続されており、水側熱交換器２６ｂの流出口に配管２１ａが接続されている。配管２１ｂの下流側端部は、中温用混合弁１４の下流側、かつ給湯用配管１７と風呂用配管１８との分岐点よりも上流側となる部位に接続されている。

また、中温用混合弁１４には、タンク１０の中間部、具体的には追い焚き用熱交換器７２が配設される領域Ａの下方と接続された中間配管２３ｃが接続されている。

本実施の形態によれば、中温用混合弁１４を切替えることで、ヒートポンプユニット２０で沸き上げられた湯を、高温取出管１２、高温導出口１０ｂを介してタンク１０の上部に流入させるのか、中間配管２３ｃを介して追い焚き用熱交換器７２の下方に流入させるのかを切替えることができる。

本実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態に比べて、ＨＰ出口三方弁２２、分岐配管２３をなくすことができ、より簡素な配管回路とすることができる。

（第３の実施の形態）
また、図６に示すように、タンク１０の中間部に湯を流入させる中間流入管２３ａと、タンク１０の中間部に流入させる中間流出管２３ｂとを別々に設けた装置に適用することもできる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

中間流入管２３ａは、貯湯タンク１０の領域Ａよりも下方となる部位に接続されており、ＨＰ出口三方弁２２を介してヒートポンプ２０で沸き上げられた湯を貯湯タンク１０内に流入させる。中間流入管２３ａは、追い焚き熱交換器７２と対向する貯湯タンク１０の壁面に接続されており、中間流入管２３ａを介して流入する湯が直接追い焚き用熱交換器７２に当たらないようになっている。そのため、中間流入管２３ａを介して中温の湯が流入しても、追い焚き運転に与える影響を抑えることができる。

一方、中間流出管２３ｂは、追い焚き熱交換器７２の下方、かつ中間流入管２３ａとほぼ同じ高さに設けられており、領域Ａよりも下方の湯を貯湯タンク１０外へと流出させる。

（その他の実施例）
なお、上述した実施の形態では、外部流体である浴槽８２内の浴水を、タンク１０上部に貯留された湯から吸熱させて加熱する追い焚き用熱交換器７２を有する給湯装置について述べたが、例えば、暖房器を通過するブラインを、タンク１０内に配された熱交換器でタンク１０内の湯と熱交換して加熱する給湯装置に適用することもでき、貯湯タンク内に配される熱交換器は上述した実施の形態で述べた用途に限定されるものではない。

また、上述した実施の形態では、熱交換器が配設される領域の湯によって追い焚きが可能かどうかを、追い焚き用熱交換器７２の下方に配されたサーミスタ５５ｂの検出温度により判断したが、例えば、サーミスタ５５ｂの検出温度、及び追い焚き用熱交換器７２の上方に配されたサーミスタ５５ａの検出温度から判断してもよい。

また、上述した実施の形態では、追い焚き運転時において、サーミスタ５５ｂが、ヒートポンプユニット２０によって沸き上げられる高温の湯の温度よりも低い温度を検出すると、追い焚き用熱交換器７２の下方に高温の湯が流入するようにした実施の形態について述べたが、沸き上げ運転時にタンク１０の上部から流入させる際のヒートポンプユニット２０の沸き上げ温度以下、かつ沸き上げ運転時にタンク１０の中間部から流入させる際のヒートポンプユニット２０の沸き上げ温度よりも高い温度であればよい。

なお、上述した第３の実施の形態では、中間流入管２３ａと中間流出管２３ｂとをほぼ同じ高さに設けた実施形態について述べたが、中間流出管２３ｂを中間流入管２３ａよりも下方に設けた形態としてもよい。

なお、図７に示すように、貯湯タンク１０内に中温の湯を流入させる中温流入管として機能する配管１０ｃを、追い焚き用熱交換器７２が配される側と異なる側に接続した構造としても良い。配管１０ｃと追い焚き用熱交換器７２の位置関係をこのようにすることで配管１０ｃから流入した中温の湯が追い焚き熱交換器７２に直接あたることを抑制でき、中温の湯が貯湯タンク１０内に流入しても追い焚き運転に及ぼす影響を小さくすることができる。

本発明を適用した第１の実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 本発明に適用したタンクの概略的な断面図である。 沸き上げ運転における給湯装置１００の作動を示すフローチャートである。 追い焚き運転時における給湯装置１００の作動を示すフローチャートである。 本発明を適用した第２の実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 本発明を適用した第３の実施形態におけるヒートポンプ式給湯装置の概略構成を示す模式図である。 本発明を適用した他の実施形態におけるタンクの概略的な断面図である。

符号の説明

１０ 貯湯タンク
２０ ヒートポンプユニット
２１ 循環回路（上部流入管）
２２ ＨＰ出口三方弁（流路切替手段）
２３ 分岐配管（中間流入管）
２３ａ 中間流入管
２３ｂ 中間流出管
７２ 追い焚き用熱交換器（熱交換器）
４０ 制御装置（制御手段）

Claims (6)

1. 給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下側から補充される給湯水を取出して沸き上げるヒートポンプと、
   前記貯湯タンク内に配され、前記貯湯タンク内の湯と外部流体を熱交換させる熱交換器と、
   前記貯湯タンクの上部に接続され、前記ヒートポンプにより第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から流入させる上部流入管と、
   前記貯湯タンクのうち、前記熱交換器の配設部位よりも下方に接続され、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンク内に流入させる中間流入管と、
   前記ヒートポンプによって加熱された湯を、前記上部流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのか、前記ヒートポンプによって加熱された湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのかを切替える流路切替手段と、
   前記ヒートポンプによる前記沸き上げ温度を切り替え制御し、前記流路切替手段を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から前記上部流入管を介して流入させた後、前記熱交換器よりも下方に配されたサーミスタが前記貯湯タンクの上部から流入する湯の温度よりも若干低い温度を検出した直後に、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の前記第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させることを特徴とする給湯装置。
2. 前記熱交換器よりも下方に配された前記サーミスタが所定温度を検出すると、前記ヒートポンプの沸き上げ温度を、前記第１の沸き上げ温度から前記第２の沸き上げ温度に切替えるとともに、前記流路切替手段を切替え、前記上部流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させる状態から、前記ヒートポンプによって加熱された湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させる状態に切替えることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記制御手段は、
   過去の所定期間における湯の使用実績から予想使用湯量を算出し、
   前記予想使用湯量が所定量よりも少ない場合、少なくとも前記熱交換器の配設部位よりも上方に前記上部流入管を介して前記第１の沸き上げ温度で沸き上げられた湯を貯湯し、
   前記第２の沸き上げ温度で沸き上げられた湯を、前記中間流入管を介して貯湯することを特徴とする請求項１または２記載の給湯装置。
4. 前記中間流入管と同じ、もしくは前記中間流入管よりも下方となる前記貯湯タンクの部位に、前記貯湯タンクから湯を流出させる流出配管が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の給湯装置。
5. 給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下側から補充される給湯水を取出して沸き上げるヒートポンプと、
   前記貯湯タンク内に配され、前記貯湯タンク内の湯と外部流体を熱交換させる熱交換器と、
   前記貯湯タンクの上部に接続され、前記ヒートポンプにより第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から流入させる上部流入管と、
   前記貯湯タンクのうち、前記熱交換器の配設部位よりも下方に接続され、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンク内に流入させる中間流入管と、
   前記ヒートポンプによって加熱された湯を、前記上部流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのか、前記ヒートポンプによって加熱された湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのかを切替える流路切替手段と、
   前記ヒートポンプによる前記沸き上げ温度を切り替え制御し、前記流路切替手段を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から前記上部流入管を介して流入させた後、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の前記第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させ、
   前記貯湯タンクは略筒形状を有しており、前記熱交換器は前記貯湯タンクの軸中心からずれた位置に配されており、前記中間流入管は前記軸中心に対して前記熱交換器が配される側とは異なる側に配されていることを特徴とする給湯装置。
6. 給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの下側から補充される給湯水を取出して沸き上げるヒートポンプと、
   前記貯湯タンク内に配され、前記貯湯タンク内の湯と外部流体を熱交換させる熱交換器と、
   前記貯湯タンクの上部に接続され、前記ヒートポンプにより第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から流入させる上部流入管と、
   前記貯湯タンクのうち、前記熱交換器の配設部位よりも下方に接続され、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンク内に流入させる中間流入管と、
   前記ヒートポンプによって加熱された湯を、前記上部流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのか、前記ヒートポンプによって加熱された湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させるのかを切替える流路切替手段と、
   前記ヒートポンプによる前記沸き上げ温度を切り替え制御し、前記流路切替手段を制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、
   過去の所定期間における湯の使用実績から予想使用湯量を算出し、この予測使用湯量が所定量よりも多いかどうかを判断する判断手段を有し、
   前記判断手段により、前記予想使用湯量が前記所定量よりも多いと判断されると、前記ヒートポンプで加熱される湯が前記第１の沸き上げ温度となるように前記ヒートポンプを作動させ、このときに前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から前記上部流入管を介して流入させ、
   前記判断手段で前記予想使用湯量が前記所定量よりも少ないと判断されると、前記ヒートポンプで加熱される湯が前記第１の沸き上げ温度となるように前記ヒートポンプを作動させ、このときに前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から前記上部流入管を介して流入させ、前記熱交換器よりも下方に配されたサーミスタが前記第１の沸き上げ温度よりも若干低い温度を検出すると、目標沸き上げ温度を低下させ前記第２の沸き上げ温度の中温水を加熱生成するように前記ヒートポンプを作動させ、このときに沸き上げられた前記中温水を前記熱交換器の下方から前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させ、
   かつ、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記貯湯タンクの上部から前記上部流入管を介して流入させた後、前記熱交換器よりも下方に配された前記サーミスタが前記貯湯タンクの上部から流入する湯の温度よりも前記若干低い温度を検出した直後に、前記ヒートポンプにより前記第１の沸き上げ温度よりも低温の前記第２の沸き上げ温度で沸き上げた湯を前記中間流入管を介して前記貯湯タンク内に流入させることを特徴とする給湯装置の制御方法。

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