JP5212227B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来から運転時の騒音による周囲への影響を低減させるために、深夜などの特定時間帯であることを把握する時間帯把握手段、外気温度を検出する外気温度検出手段、圧縮機の運転状態を制御する手段などを設けたヒートポンプ給湯装置が提案されている。

そして、これらの制御手段によって給湯負荷が少ない時期において特定時間帯での運転を停止させるヒートポンプ給湯装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、給湯負荷に応じて運転を停止させることにより、運転時の騒音による周囲への影響を低減することができる。
特公平７−６５８０７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、特定時間帯において運転を停止させるため、特定時間帯を貯湯のための運転時間として有効に使えず、その間は貯湯タンクへの貯湯を行わないため貯湯量が少なくなり、給湯負荷が大きい場合に湯切れを起こし、十分な給湯ができなくなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、装置の騒音による周囲への影響を低減することができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、水と冷媒とが熱交換を行う給湯用熱交換器、冷媒を減圧する膨張弁、冷媒が大気から熱を吸熱する蒸発器を順次環状に冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、蒸発器へ送風する送風ファンと、送風ファンの回転数制御を行う送風ファン制御手段と、給湯用熱交換器で加熱した高温水を貯える貯湯タンクと、給湯用熱交換器の出口側の湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、給湯用熱交換器の入口側の湯水の温度を検出する入水温度検出手段と、貯湯タンクの下部から給湯用熱交換器へ送る沸き上げポンプとを備え、沸き上げ運転時には出湯温度検出手段で検出する温度が目標沸き上げ温度になるように沸き上げポンプを駆動し、入水温度検出手段で検出する温度が所定温度以上になると沸きじまいであると判断し、目標沸き上げ温度を下げるとともに、目標沸き上げ温度の低下とともに送風ファンの回転数を低下させることにより、沸き上げ終了間近において目標沸き上げ温度を下げた時には、同時に送風ファンの回転数も低下させるので、騒音を低減することができる。

本発明は、装置の騒音による周囲への影響を低減することができるヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第１の発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、水と冷媒とが熱交換を行う給湯用熱交換器、冷媒を減圧する膨張弁、冷媒が大気から熱を吸熱する蒸発器を順次
環状に冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、蒸発器へ送風する送風ファンと、送風ファンの回転数制御を行う送風ファン制御手段と、給湯用熱交換器で加熱した高温水を貯える貯湯タンクと、給湯用熱交換器の出口側の湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、給湯用熱交換器の入口側の湯水の温度を検出する入水温度検出手段と、貯湯タンクの下部から給湯用熱交換器へ送る沸き上げポンプとを備え、沸き上げ運転時には出湯温度検出手段で検出する温度が目標沸き上げ温度になるように沸き上げポンプを駆動し、入水温度検出手段で検出する温度が所定温度以上になると沸きじまいであると判断し、目標沸き上げ温度を下げるとともに、目標沸き上げ温度の低下とともに送風ファンの回転数を低下させることにより、沸き上げ終了間近において目標沸き上げ温度を下げた時には、同時に送風ファンの回転数も低下させるので、騒音を低減することができる。

第２の発明のヒートポンプ給湯装置は、特に第１の発明において、目標沸き上げ温度は、前日までの使用量に応じて変更されることによって、使用実態に応じた沸き上げ温度を設定することができる。

第３の発明のヒートポンプ給湯装置は、特に第１または第２の発明において、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、送風ファンの回転数は、外気温度検出手段で検出される外気温度と、入水温度検出手段で検出される入水温度とに応じて決定されることによって、より細分化して最適な送風ファンの回転数を設定することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における風呂追い焚き機能の付いたヒートポンプ給湯装置の構成図である。図１において、本実施の形態のヒートポンプ給湯装置は、タンクユニット１とヒートポンプユニット２を備えており、タンクユニット１内に配設している貯湯タンク３内に貯える高温水を、ヒートポンプユニット２にて生成している。

次に、ヒートポンプユニット２の構成について説明する。ヒートポンプユニット２は、給湯用熱交換器である水冷媒熱交換器２４、圧縮機２５、蒸発器２６、膨張弁２７を冷媒配管により順次環状に接続して構成されており、冷媒には二酸化炭素を使用しているため、高圧側が臨界圧力を超えるので、水冷媒熱交換器２４を流通する水に熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、水冷媒熱交換器で冷媒と水との間で温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くすることができる。

また、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用しているので、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

また、ヒートポンプユニット２において、圧縮機２５で冷媒が圧縮され、圧縮機２５から吐出された冷媒が水冷媒熱交換器２４で放熱し、膨張弁２７で減圧されたあと、蒸発器２６で空気から熱を吸収し、ガス状態で再び圧縮機２５に吸入される。なお、圧縮機の能力制御および膨張弁２７の開度制御は、圧縮機２５の吐出側に設けた吐出温度検出手段である温度センサ７２で検出される吐出冷媒の温度が予め設定された温度を維持するように制御される。また、圧縮機２５の出口側には所定圧力以上を検出したら運転を停止するための圧力スイッチ７３が設けられている。

さらに、蒸発器２６に空気を送風する送風ファン７４、外気温度を検出する外気温度検
出手段である温度センサ７５、水冷媒熱交換器２４へ流入する湯水の温度を検出する入水温度検出手段である温度センサ７６、水冷媒熱交換器２４から出湯する湯水の温度を検出する出湯温度検出手段である温度センサ７７、送風ファンの回転数制御を行う送風ファン制御手段である制御装置７８を設けている。なお制御装置７８は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路で構成され、送風ファンの回転数制御を行う送風ファン制御手段だけではなく、ヒートポンプユニット２内の各機器の制御（例えば、目標沸き上げ温度設定手段、膨張弁開度制御手段なども兼ねている）も行っている。

また、貯湯タンク３内の湯水は、沸き上げポンプ２８が作動することで、水冷媒熱交換器２４に流入し、冷媒と熱交換を行う。そして水冷媒熱交換器２４の出口と貯湯タンク３との間には三方弁４３が設けられており、水冷媒熱交換器２４から出る温水を貯湯タンク３の上部へ戻すか、下部へ戻すかを切り替えている。

その結果、水冷媒熱交換器２４から出る温水の温度が所定温度以上の場合には、貯湯タンク３の上部側へ戻るように三方弁４３が切り替わり、上部沸き上げ配管４４を経て貯湯タンク３の上部へ戻り、積層状態で貯湯タンク３の上部に高温の湯が貯えられる。また、水冷媒熱交換器２４から出る温水の温度が所定温度未満の場合には、貯湯タンク３の下部側へ戻るように三方弁４３が切り替わり、下部沸き上げ配管４５を経て貯湯タンク３の下部へ戻る。

次に、タンクユニット１の構成について説明する。タンクユニット１には前述した通り貯湯タンク３を有しており、貯湯タンク３の底部には給水源から低温水を供給するための給水配管３１が接続されており、常時給水圧がタンク内に掛かっている状態となっている。また、貯湯タンク３の上方部には貯湯タンク内の高温水を出湯するための出湯管３２が接続されており、給湯端末や浴槽へ高温水を供給可能に構成している。

また、どれくらいの湯が残っているかを検出する複数の残湯温度検出手段である温度センサ４６ａ〜ｅが貯湯タンク３の上下に設けられており、貯湯タンク３内の温水の温度を検出している。なお、本実施の形態では残湯温度検出手段は上下に５つ設けているが、残湯温度検出手段の個数はこれに限定されることなく、例えば、４つや３つであっても問題ない。

次に、給湯端末へ湯が供給される給湯回路について説明する。

本実施の形態における給湯回路は、給水配管３１から分岐した端末給水配管３３と、出湯管３２とを電動式混合弁４にて接続し、所望の温度の湯が生成可能に構成されている。そして電動式混合弁４の下流側に設けた温度センサ４１で検出される温度が、台所や浴室に設けられたリモコン装置で設定した温度となるように、電動式混合弁４の混合比が変更される。そして、所望の温度に混合された湯水は、給湯端末４２へ供給される。さらに、給湯端末４２へ供給される湯水の量を検出する流量センサ５５が設けられている。

次に、浴槽５への湯張り回路および追い焚き回路について説明する。

本実施の形態では、浴槽５内の湯水と、貯湯タンク３内の高温水とが追い焚き熱交換器６にて熱交換し、浴槽内の湯水を追い焚きする追い焚き機能を有している。そのため、追い焚き熱交換器６の高温側回路（追い焚き一次回路）へは、出湯管３から分岐した追い焚き給湯管４７を経て、貯湯タンク３内の高温水が供給されるように構成されており、熱交換した後の温水は追い焚き出湯管４８を経て貯湯タンク３の下方部へ戻すように構成されている。このとき、追い焚き出湯管４８は、逆止弁４９を介して下部沸き上げ配管４５へ接続され、貯湯タンク３の下方部へ戻すように構成されている。

また、追い焚き熱交換器６の低温側回路（追い焚き二次回路）は、風呂ポンプ６５が駆動することによって、浴槽５内の湯水が供給されるように構成されており、熱交換した後の浴槽水を、再度浴槽５へ戻すように構成されている。

また、高温側回路（追い焚き一次回路）においては、追い焚きポンプ７および追い焚き熱交換器６の下流側に高温側出口温度検出手段である温度センサ７１が配設されており、追い焚きポンプ７が駆動することによって貯湯タンク３内の高温水が、追い焚き熱交換器６へ搬送される。

そして、浴槽５のアダプタ５１とタンクユニット１とは、接続部６０ａ〜６０ｄにおいて、戻り接続管６１および往き接続管６２で接続される。また、戻り接続管６１および往き接続管６２の接続口から追い焚き熱交換器６までは、それぞれ戻り配管６３および往き配管６４で接続されており、浴槽５、戻り接続管６１、戻り配管６３、追い焚き熱交換器６、往き配管６４、往き接続管６２が順次接続されて追い焚き回路が構成されている。

また、貯湯タンク３から浴槽５への湯水の供給を行う湯張り回路は、出湯管３２から分岐した風呂給湯管３４と、給水配管３１から分岐した風呂給水配管３５とを電動式混合弁８にて接続し、所望の温度の湯が生成可能に構成されている。そして電動式混合弁８の下流側に設けた温度センサ８１で検出される温度が、台所や浴室に設けられたリモコン装置で設定した温度となるように、電動式混合弁８の混合比が変更される。そして、所望の温度に混合された湯水は、浴槽５へ供給される。

また、湯張り回路には、流量センサ８２が設けられており、浴槽５へ供給される湯水の量が計測される。さらに、二方向の電磁弁８３が設けられており、湯張り開始時には、電磁弁８３が開くと同時に、浴槽５への湯水の供給が開始される。そして電磁弁８３が開いた後には、戻り配管６３および往き配管６４の二方向から浴槽５へと湯張りが行われる。また、汚水の逆流を防ぐための逆止手段８４が設けられている。

また、戻り配管６３には、浴槽５内の湯水を循環させるための搬送手段である風呂ポンプ６５、浴槽５内の水位を検出する水位センサ６６、浴槽５内の湯水の温度を検出する浴槽温度検出手段である温度センサ６７が設けられており、風呂ポンプ６５が駆動することにより、浴槽５内の湯水が戻り配管６３に吸い込まれ、追い焚き熱交換器６を経て、往き配管６４へ流れ込み、再度浴槽５へ戻される。

また、風呂ポンプ６５と追い焚き熱交換器６の間には、浴槽５内に湯水があるかどうかを検出する湯水検出手段であるフロースイッチ６８が設けられており、オンすることで水の流れを検知可能に構成されている。つまり、フロースイッチ６８がオンしたときには浴槽５内には湯水があると判断し、フロースイッチ６８がオフの時には浴槽５内には湯水がないと判断される。

また、浴室にはヒートポンプ給湯装置の操作を行うことができる操作手段であり、浴槽５内の湯水の保温温度を設定する温度設定手段であるリモコン装置９が設置され、リモコン装置９を操作して、湯水の温度設定や風呂への湯張り、また設置工事後の試運転操作等を行う。リモコン装置９には情報を表示する表示部９１および操作を行う操作部９２を有している。

また、図１には、本実施の形態のヒートポンプ給湯装置には、リモコン装置９からの指示を受け取り、各制御機器に命令する制御装置９４も有している。そして制御装置９４はマイコンおよびその電子制御部品で構成され、タンクユニット１を構成する機器（風呂ポ
ンプ６５や追い焚きポンプ７など）に命令を送っている。

さらに、本発明のリモコン装置９には、人体検出手段９３が設けられており、人が浴室に入室したことを検知することができるようになっている。なお人体検出手段９３には、赤外線センサや、浴室内の照度を検出する照度センサ、また入室者の振動やドアの開閉を検出する衝撃（振動）センサなど様々なセンサを用いることができ、種類が特定されるものではない。

さらに、追い焚き熱交換器６で加熱された後の浴槽水の温度を検出する追い焚き出湯温度検出手段である温度センサ６９が設けられている。この温度センサ６９は浴槽５へ送る湯水の温度を検出しており、温度センサ６９で検出される温度が上限温度を超えないように追い焚きポンプ７が制御される。これは温度センサ６９では、浴槽５へ直接供給される湯水の温度を検出することができるため、浴槽５へ上限温度以上の高温水を供給することがないようにして、入浴者の火傷を防止することができる。

また、沸き上げ運転時には、目標沸き上げ温度が設定される。目標沸き上げ温度は、外気温度などの負荷情報などから決定される。図２は目標沸き上げ温度を決定するブロック図である。図２に示すように、本実施の形態では目標沸き上げ温度を、外気温度、入水温度、出湯温度、残湯温度（温度センサ４６ａ〜ｅで検出される温度）のそれぞれに応じて目標沸き上げ温度を決定している。

また、目標沸き上げ温度は学習制御等によって決定してもよい。学習制御とは前日までの使用実績に応じて、貯湯タンク３内に沸き上げる沸き上げ湯量を決定する制御であり、本実施の形態では、流量センサ５５および流量センサ８２を設けており、給湯端末４２および浴槽５へ供給される湯量が検出される。そして一日に使用した湯量実績を複数日に渡って集計し、その実績を元に翌日に沸き上げる湯量を設定し、その沸き上げる湯量に応じた沸き上げ温度を目標沸き上げ温度としている。このように学習制御を行うことによって、使用者の使用実績に基づいた沸き上げ運転を行うことができるので、残湯を増やすことも無く、非常に省エネな運転を行うことができる。

一方で、外気温度、入水温度から圧縮機２５の運転周波数を決定しており、圧縮機２５の運転周波数に応じて、送風ファン制御手段で送風ファンの回転速度を決定している。本実施の形態では、圧縮機２５の運転周波数と送風ファンの回転速度とを関連付けている。その結果、圧縮機２５の運転周波数が決定すれば送風ファンの回転速度も一義的に決定される。

そして、圧縮機２５の能力制御および膨張弁２７の開度制御は、圧縮機２５の吐出側に設けた吐出温度検出手段である温度センサ７２で検出される吐出冷媒の温度が予め設定された温度を維持するように制御され、温度センサ７７で検出される温度が、設定された目標沸き上げ温度となるように沸き上げポンプ２８を駆動して沸き上げ運転を行っている。

そして、沸き上げ運転の終了が近づくと、温度センサ７６で検出する温度が所定温度を検出することで沸きじまいが近いと判断し、ヒートポンプサイクルの高圧保護のために目標沸き上げ温度を所定温度だけ低下させる。その結果、目標沸き上げ温度は低くなると共に、温度センサ７６で検出する温度はある程度上昇しているので、ヒートポンプサイクルの能力としては蒸発器２６での熱交換能力を落とすことができる。そのため、沸きじまい時に目標沸き上げ温度を所定温度だけ低下させたときにあわせて、送風ファンの回転数も落としている。そのため、送風ファンの回転数を一定にして運転する時に比べて、騒音を低減することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置は、実施の形態１と構成は同じであるので、実施の形態１と同じ番号を付してその説明を省略する。図３は入水温度と外気温度に応じて送風ファンの回転数を決定するテーブルを示した図である。実施の形態２が実施の形態１と異なるところは、送風ファンの回転数の決定フローである。

実施の形態１では、圧縮機２５の運転周波数に関連付けて送風ファンの回転数を決定していたが、実施の形態２では、入水温度と外気温度とのマトリクスで送風ファンの回転数を決定するテーブルを予め作っておき、そのテーブルに従って送風ファンの回転数を決定している。

これによって、沸き上げ運転中に、入水温度が高くなってきたときの沸きじまいにおいても図３に示すテーブルに従って送風ファンの回転数を決定することができ、非常に詳細に設定可能となる。これによって、より効率よく送風ファンの回転数を制御することができ、能力が必要ないときには送風ファンの回転数を落として騒音を防止することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機に適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 本発明の実施の形態１における目標沸き上げ温度決定のブロック図 本発明の実施の形態２における送風ファンの回転速度のテーブル図

１ タンクユニット
２ ヒートポンプユニット
３ 貯湯タンク
５ 浴槽
６ 追い焚き熱交換器
７ 追い焚きポンプ
９ リモコン装置
２８ 沸き上げポンプ
４６ａ〜ｅ 温度センサ（残湯温度検出手段）
７６ 温度センサ（入水温度検出手段）
７７ 温度センサ（出湯温度検出手段）

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、水と冷媒とが熱交換を行う給湯用熱交換器、冷媒を減圧する膨張弁、冷媒が大気から熱を吸熱する蒸発器を順次環状に冷媒配管で接続したヒートポンプ回路と、前記蒸発器へ送風する送風ファンと、前記送風ファンの回転数制御を行う送風ファン制御手段と、前記給湯用熱交換器で加熱した高温水を貯える貯湯タンクと、前記給湯用熱交換器の出口側の湯水の温度を検出する出湯温度検出手段と、前記給湯用熱交換器の入口側の湯水の温度を検出する入水温度検出手段と、前記貯湯タンクの下部から前記給湯用熱交換器へ送る沸き上げポンプとを備え、沸き上げ運転時には前記出湯温度検出手段で検出する温度が目標沸き上げ温度になるように前記沸き上げポンプを駆動し、前記入水温度検出手段で検出する温度が所定温度以上になると沸きじまいであると判断し、目標沸き上げ温度を下げるとともに、目標沸き上げ温度の低下とともに前記送風ファンの回転数を低下させることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 目標沸き上げ温度は、前日までの使用量に応じて変更されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記送風ファンの回転数は、前記外気温度検出手段で検出される外気温度と、前記入水温度検出手段で検出される入水温度とに応じて決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯式給湯機。