JP5310431B2 - ヒートポンプ式温水暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて生成した温水で暖房を行うヒートポンプ式温水暖房装置に関する。

従来では、石油やガスなどの燃焼系の燃料を熱源とした暖房機器の利用が大半を占めていたが、近年ではヒートポンプ技術を利用した暖房市場が急激に拡大している。また、従来の空気調和機においてもヒートポンプ技術を利用して、冷房と暖房の双方を利用することができるものもある。

しかしながら、従来の空気調和機だけでは、暖房時に足元が暖まりにくい等の課題があり、それを解消するためにヒートポンプ技術を利用した温水暖房装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の温水暖房装置では、高温冷媒と温水とを熱交換して、熱交換して昇温した温水を床暖房パネル等の暖房端末へ送り、暖房を行っている。

図１１は、従来のヒートポンプ式温水暖房装置の構成図である。図１１に示すように、従来のヒートポンプ式温水暖房装置は、圧縮機１０１と、水冷媒熱交換器１０２の冷媒流路と、減圧装置１０３と、蒸発器１０４とを順次冷媒配管１０５で環状に接続して冷凍サイクル１０６を構成し、水冷媒熱交換器１０２の水流路と、沸き上げポンプ１０９と、貯湯タンク１１０とを順次環状に接続して沸き上げサイクルを構成していた。

そして暖房運転を開始すると温水循環ポンプ１１１が駆動することによって貯湯タンク１１０内の温水を暖房端末１０８へ送る。また、給湯運転を行う時には、貯湯タンク１１０内に設けられた給湯熱交換器１１２で温水を貯湯タンク１１０内の高温水と熱交換して、給湯端末へ温水が供給される。

特開２００８−３９３０５号公報

しかしながら、前記従来の構成のヒートポンプ式温水暖房装置では、給湯熱交換器１１２が貯湯タンク１１０内の上下にわたって設けられており、暖房端末１０８へ送る温水を使用して給湯熱交換器１１２で給湯用の温水を生成しているので、貯湯タンク１１０内の温水全体の温度が低下してしまい、その結果、暖房端末へ送る温水の温度が低下するので、暖房端末での快適性が損なわれてしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯タンク内の温水を給湯に使用する温水の熱交換に使用しても、暖房端末へ送る温水の温度低下を抑制し、快適性を損なうことのないヒートポンプ式温水暖房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式温水暖房装置は、湯水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプサイクルと、貯湯タンク内を上下に分割する仕切り板と、給水源から供給される水を貯湯タンク内の温水と熱交
換して高温水にする給湯熱交換器と、給湯熱交換器へ貯湯タンク内の温水を送る給湯ポンプと、貯湯タンク内の湯水を循環して室内を暖房する暖房端末と、暖房端末へ貯湯タンク内の温水を送る暖房ポンプとを備え、給湯熱交換器へは仕切り板よりも上部にある温水を送り、給湯熱交換器で熱交換した後の湯水を貯湯タンクの底部より戻し、暖房端末へは仕切り板よりも下部にある温水を送り、暖房端末で熱交換した後の温水を貯湯タンクの底部より戻すことを特徴とするものである。

そして仕切り板で貯湯タンク内を上下に分割して、給湯熱交換器へ送る温水部と、暖房端末へ送る温水部とを分けることによって、それぞれが受ける熱の影響を最小限にすることができる。また、給湯熱交換器で放熱した後の温水を貯湯タンクの底部から入水させることで、仕切り板よりも下側の領域の温度層を崩すことなく、給湯熱交換器で熱交換を行っても暖房端末へは高い温度の湯を送ることができ、暖房端末での快適性を損なうことはない。

本発明は、給湯に使用する温水を生成しても暖房端末へ送る温水の温度低下を抑制し、快適性を損なうことのないヒートポンプ式温水暖房装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図 同実施の形態１における貯湯タンクの一部断面図 同実施の形態１におけるＡＡ断面図 同実施の形態１におけるＢＢ断面図 （ａ）同実施の形態１における熱交換ユニットＢの構成正面図（ｂ）同実施の形態１における熱交換ユニットＢの構成斜視図 同実施の形態１におけるタンクユニットのリモコン装置の正面図 同実施の形態１における流量調整弁の駆動タイミング図 同実施の形態１における流量調整弁の特性図 同実施の形態１における流量調整弁の開度遷移図 同実施の形態１における流量調整弁の開度遷移図 従来のヒートポンプ式温水暖房装置の構成図

第１の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、湯水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプサイクルと、貯湯タンク内を上下に分割する仕切り板と、給水源から供給される水を貯湯タンク内の温水と熱交換して高温水にする給湯熱交換器と、給湯熱交換器へ貯湯タンク内の温水を送る給湯ポンプと、貯湯タンク内の湯水を循環して室内を暖房する暖房端末と、暖房端末へ貯湯タンク内の温水を送る暖房ポンプとを備え、給湯熱交換器へは仕切り板よりも上部にある温水を送り、給湯熱交換器で熱交換した後の湯水を貯湯タンクの底部より戻し、暖房端末へは仕切り板よりも下部にある温水を送り、暖房端末で熱交換した後の温水を貯湯タンクの底部より戻すことを特徴とするものである。

そして仕切り板で貯湯タンク内を上下に分割して、給湯熱交換器へ送る温水部と、暖房端末へ送る温水部とを分けることによって、それぞれが受ける熱の影響を最小限にすることができる。また、給湯熱交換器で放熱した後の温水を貯湯タンクの底部から入水させることで、仕切り板よりも下側の領域の温度層を崩すことなく、給湯熱交換器で熱交換を行っても暖房端末へは高い温度の湯を送ることができ、暖房端末での快適性を損なうことはない。

第２の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１の発明において、仕切り板より上方に上部ヒータと、仕切り板より下方に下部ヒータとを備え、ヒートポンプサイクルで加熱した温水は仕切り板よりも下方に戻すとともに、仕切り板の上方部の温水を、仕切り板の下方部の温水よりも高温となるように加熱することにより、給湯熱交換器へは暖房端末へ送る温水の温度よりも高い温度の湯水を供給することができるため、給湯端末へ送る温水の温度を短時間で上昇させることができる。

第３の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１または第２の発明において、上部ヒータと略同一高さとなる位置に温度センサ１６ｂと、温度センサ１６ｂよりも上方に温度センサ１６ａとを備え、上部ヒータの加熱開始を温度センサ１６ａに基づいて行い、上部ヒータの加熱停止を温度センサ１６ｂに基づいて行うことを特徴とするものである。

これにより、仕切り板よりも下方にある温度の低い温水が仕切り板よりも上方に流入しても、上方にある温度センサ１６ａで所定温度低いことを検出したときに上部ヒータの運転を開始するので、頻繁に上部ヒータの運転を開始せず、上部ヒータの耐久性を向上させることができる。

第４の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１から第３の発明において、仕切り板には複数個の開口部を設けたことを特徴とするものである。

これにより、仕切り板よりも上方の温水を給湯熱交換器へ送り、給湯熱交換器で熱交換した後は貯湯タンクの底部から戻したとしても、仕切り板よりも下方の温水が複数の開口部を通って仕切り板よりも上方へ移動するので、仕切り板よりも下方の温水を攪拌させずに温度層が崩れないようにすることができる。もし、仕切り板に開口部を設けていなければ、貯湯タンクの底部から熱交換した後の温水が流入したとき、仕切り板よりも下方部の温水が上方に押し上げられ、仕切り板によって攪拌してしまい温度層が崩れてしまい、暖房端末へ送る温水の温度が低下してしまい、快適性を損なってしまう。

第５の発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、特に第１から第４の発明において、仕切り板の周囲と、貯湯タンク内壁とを複数個所で溶接するとともに、仕切り板の周囲と貯湯タンク内壁との間に所定の間隙を設けたことにより、仕切り板と貯湯タンク内壁との間の隙間腐蝕を防止することができる。

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、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成図である。まず、図１を用いて本実施の形態におけるヒートポンプ式温水暖房装置の構成を説明する。本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、ヒートポンプユニットＡと、熱交換ユニットＢと、タンクユニットＣの３つのユニットで構成され、ヒートポンプユニットＡは屋外に設置され、熱交換ユニットＢおよびタンクユニットＣは屋内に設置される。

そして本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、冷媒を圧縮して高温冷媒を吐出する圧縮機１と、水と高温冷媒とを熱交換して温水を生成する水冷媒熱交換器２と、冷媒を減圧する減圧装置３と、空気と冷媒とで熱交換を行う蒸発器４ａと、冷媒の流路を変更する四方弁５とを備えている。そして、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４ａ、四方弁５を冷媒配管６で環状に接続してヒートポンプサイクルを構成している。さらに、蒸発器４ａに送風を行い、空気と冷媒との熱交換を促進させる送風ファン４ｂを設けている。なお、水冷媒熱交換器２の形態としては、プレート式や二重管方式のいずれ
の形態であっても問題はない。

また、水冷媒熱交換器２を熱交換ユニットＢ内に配置し、圧縮機１、減圧装置３、蒸発器４ａ、四方弁５をヒートポンプユニットＡ内に配置することによって、屋内と屋外とは冷媒配管で接続されることになるため、ヒートポンプ式温水暖房装置が寒冷地に設置された場合であっても冷媒配管が凍結する恐れが低い。また、本実施の形態では冷媒をＲ４１０Ａとして説明するが、これに限定されることはなく、例えばＲ４０７Ｃ等のフロン系冷媒を用いることができる。

また、タンクユニットＣ内には、湯水を貯える貯湯タンク７を有しており、貯湯タンク７の内部は仕切り板８で上下に分割されている。そして貯湯タンク７の内部は、仕切り板８よりも上が給湯用温水部７ａになっており、仕切り板８よりも下が暖房用温水部７ｂとなっている。このように貯湯タンク７の内部を上下に分割することによって、給湯用温水部７ａ内の温水は給湯時の熱交換のために使用することができ、暖房用温水部７ｂ内の温水は暖房時に暖房端末へ循環させるために使用することができる。

さらに、貯湯タンク７の下方部から水冷媒熱交換器２へ低温水を送るための沸き上げポンプ９を備えている。そして沸き上げポンプ９を駆動することによって、貯湯タンク７の下方部の水出口１０から低温水を水冷媒熱交換器２へ送り、水冷媒熱交換器２で冷媒から熱を貰い温水が生成されている。

また、水冷媒熱交換器２で生成された温水は、貯湯タンク７の略中間部、かつ、仕切り板８よりも下方の湯入口１１へ戻されている。このように、本実施の形態では、貯湯タンク７、水出口１０、沸き上げポンプ９、水冷媒熱交換器２、湯入口１１を配管で接続して沸き上げサイクルを構成している。なお、沸き上げポンプ９には循環流量が一定のＡＣポンプが用いられている。

図２は、貯湯タンク７の一部断面図であり、図３は図２のＡＡ断面図である。図２、図３に示すように、貯湯タンク７の略中間部には仕切り板８が配置されている。また、図３に示すように、仕切り板８には複数の開口部８ａを設けており、ヒートポンプサイクルで加熱された温水が暖房用温水部７ｂへ戻ってきたときに、開口部８ａを通って給湯用温水部７ａへ温水が流入する。なお、本実施の形態では開口部８ａを４箇所設けているが、これに限定されることはない。

また、仕切り板８の周囲と貯湯タンク７の内壁とは４箇所の溶接ポイント８ｂで溶接されており、溶接箇所以外の仕切り板８の周囲と貯湯タンク７との間には隙間が空いている。そして、湯入口１１から戻された温水は、仕切り板８の周囲と貯湯タンク７の内壁との間に出来た隙間を通って、給湯用温水部７ａへ温水が流入する。なお、本実施の形態では溶接ポイント８ｂを４箇所設けているが、これに限定されることはない。

図４は、図３のＢＢ断面図である。図４に示すように、仕切り板８は貯湯タンク７とアーム８ｃを介して溶接されている。そして、アーム８ｃは貯湯タンク７の内壁から離間するように角度θを成すように構成されており、溶接ポイント８ｄで貯湯タンク７と溶接されている。また、仕切り板８とアーム８ｃとは溶接ポイント８ｂで溶接されている。

また、貯湯タンク７および仕切り板８には耐食性の観点からステンレスを用いている。しかしながら、ステンレス同士の隙間が狭いと、隙間腐蝕が発生してしまい、その結果、水漏れが発生してしまう可能性がある。そのため、本実施の形態では、仕切り板８と貯湯タンク７の内壁とは所定の間隙Ｌａ、仕切り板８とアーム８ｃとの間に所定の間隙Ｌｂを設けている。本実施の形態では、それぞれ５０μｍ以上の間隙をとるようにしている。な
お、隙間腐蝕はステンレス同士の間隙が４０μｍ未満の時に発生するため、所定の間隙ＬａおよびＬｂは４０μｍ以上とすることで、確実に隙間腐蝕を防止することができる。

また、水冷媒熱交換器２の水側入口には入水温度を検出する温度センサ１２ａと、水冷媒熱交換器２の水側出口には出湯温度を検出する温度センサ１２ｂとを設けている。また、沸き上げサイクル内に湯水が流れていることを検出するためのフロースイッチ１３を設けている。

図５（ａ）は熱交換ユニットＢの構成正面図、図５（ｂ）は熱交換ユニットＢの構成斜視図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、熱交換ユニットＢ内で、フロースイッチ１３が沸き上げポンプ９よりも上方に配置させている。このように沸き上げポンプ９よりもフロースイッチ１３を上方に配置することで、フロースイッチ１３で湯水の流れを検知しなければ、沸き上げポンプ９が正常に動作していないことを検出することができる。

また、沸き上げサイクル内の圧力調整を行う過圧逃し弁１４が設けられており、沸き上げサイクル内に異常が発生して内圧が上昇し、過圧逃し弁１４の設定圧力よりも高くなると、過圧逃し弁１４から膨張した湯水を排水することができる。

また、貯湯タンク７の給湯用温水部７ａおよび暖房用温水部７ｂのそれぞれには、上部ヒータ１５ａおよび下部ヒータ１５ｂが配置されている。上部ヒータ１５ａは給湯用温水部７ａ内の温水を加熱するために使用され、下部ヒータ１５ｂは暖房用温水部７ｂ内の温水を加熱するために使用される。

さらに、貯湯タンク７の側壁には温度センサ１６ａ〜１６ｄが配置されており、貯湯タンク７内の湯水の温度を検出している。温度センサ１６ａは上部ヒータ１５ａよりも上方に配置され、温度センサ１６ｂは上部ヒータ１５ａと略同じ高さに配置されている。また、温度センサ１６ｃは仕切り板８よりも下方で、かつ、下部ヒータ１５ｂよりも上方に配置され、温度センサ１６ｄは下部ヒータ１５ｂと略同じ高さに配置されている。

また、給湯端末１７へ送る温水を生成する給湯熱交換器１８を設けている。そして給湯熱交換器１８の１次側の流路には貯湯タンク７内の高温水が送られ、給湯熱交換器１８の２次側の流路には給水源から低温水が送られる構成となっている。

また、給湯熱交換器１８へ貯湯タンク７内の高温水を送るために給湯ポンプ１９が設けられている。そして給湯ポンプ１９を駆動することによって、貯湯タンク７の上方に設けられた出湯口２０から高温水を給湯熱交換器１８の１次側の流路へ送る構成となっている。

そして給湯熱交換器１８で熱交換した後の温水は、貯湯タンク７の下方部に設けられた入水口２１から貯湯タンク７へ戻される。このように、本実施の形態では、貯湯タンク７、出湯口２０、給湯熱交換器１８、給湯ポンプ１９、入水口２１を配管で接続して給湯サイクルを構成している。なお、給湯ポンプ１９には循環流量が一定であるＡＣポンプが用いられている。

また、給湯ポンプ１９と入水口２１との間には、沸き上げサイクル内の湯水の循環流量を調整する流量調節弁２２と、逆止弁２３が設けられている。逆止弁２３は給湯サイクル内の湯水の対流を防止するために備えられている。これは、給湯ポンプ１９を駆動していないときであっても、貯湯タンク７の上部にある高温水が給湯熱交換器１８を通って、貯湯タンク７の下部へ入水することがあるため、貯湯タンク７の下部へ高温水が流入すると、水冷媒熱交換器２へ送られる温水の温度が高くなってしまい、沸き上げ効率が落ちる。

そこで、本実施の形態では、逆止弁２３を設けることによって、ある所定の荷重以上の流量になったときだけ給湯サイクル内に湯水が順方向に循環するようにしている。本実施の形態では、逆止弁２３の順方向に対して２０ｇの荷重が掛かったときのみ、順方向に湯水が流れるようになっている。なお、荷重の値は２０ｇに限定されるものではない。

また、給湯サイクル内の圧力調整を行う過圧逃し弁２４が設けられており、給湯サイクル内の圧力が過圧逃し弁２４の設定圧力よりも高くなると、過圧逃し弁２４から湯水を排水することが出来る。また、貯湯タンク７の下部には排水栓２５が設けられており、貯湯タンク７内の湯水を外部に排水することができる。

また、給水源より伸びている水道管を給水管２６へ接続し、給水管２６は三方弁２７を介して、貯湯タンク７の底部および給湯熱交換器１８の２次側流路へと接続されている。また、三方弁２７と貯湯タンク７との間には過圧逃し弁２８が設けられており、膨張水を排水することができる。

そして、タンクユニットＣを設置する際に、三方弁２７を貯湯タンク７と接続される流路に切り替えて水張りを行い、貯湯タンク７が満水になった後は、三方弁２７を給湯熱交換器１８と接続される流路に切り替えておく。このように、貯湯タンク７へ入水したあとは、三方弁２７を給湯熱交換器１８へ接続される流路に切り替えておくことで、貯湯タンク７を含む水回路は閉回路となるので、新鮮な水は入ってくることなく、ミネラル分を多く含む硬水の地域であっても、スケールの析出は最初に貯湯タンク７へ入れた水量分のみに抑えることができる。

また、三方弁２７と給湯熱交換器１８との間には過圧逃し弁２９が設けられている。これは給湯熱交換器１８へは給水源から直接給水圧が掛かることになるので、給水圧が高い場合、給水源から給湯熱交換器１８へ直接入水すると、給湯熱交換器１８を破壊してしまい故障させてしまう可能性がある。そのため、過圧逃し弁２９を設けることによって、ある給水圧以上の湯水が入水した場合に、過圧逃し弁２９を通して外部へ排水させ、給湯熱交換器１８の故障を未然に防ぐことができる。

そして給水源から供給された低温水が給湯熱交換器１８で昇温すると、給湯管３０を通って給湯端末１７へ供給される。また、給湯管３０には、湯水の温度を検出する給湯温度検出手段である温度センサ３１および予備温度センサ３２、および流量を検出するための流量検出手段である流量センサ３３を備えている。

また、居室内を暖房する暖房端末３４を備えており、暖房端末３４の内部を貯湯タンク７内の温水を循環させて居室内を暖房することができる。そのため、貯湯タンク７の暖房用温水部７ｂから暖房端末３４へ温水を送るための暖房ポンプ３５を備えている。なお、暖房端末３４へ送られる温水は、湯入口１１の近傍に設けられた温水取り出し口３６から取り出され、暖房端末３４へ暖房用温水部７ｂの温水が供給される。そして暖房端末３４で熱交換した後の温水は貯湯タンク７の底部へ戻されるようになっている。なお、暖房ポンプ３５には、循環流量が一定のＡＣポンプが用いられている。

また、熱交換ユニットＢおよびタンクユニットＣには、設定を行うためのリモコン装置３７および３８が設けられている。さらに、ヒートポンプユニットＡ、熱交換ユニットＢ、タンクユニットＣには、それぞれのユニット内に配置されている駆動機器に指示を与える制御装置３９ａ〜ｃが設けられている。

以上のように構成されたヒートポンプ式温水暖房装置において、以下、ヒートポンプ式
温水暖房装置の動作について説明する。

まず、沸き上げ運転について説明する。まず、使用者は熱交換ユニットＢに設けられているリモコン装置３７で、水冷媒熱交換器２における湯水の沸き上げ温度Ｔｈを設定する。そして沸き上げ運転が開始されると、沸き上げポンプ９が駆動し貯湯タンク７内の温水が水冷媒熱交換器２へ供給される。そして、温度センサ１２ｂで検出される温度が沸き上げ温度Ｔｈを超えるまでヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転が継続される。なお、貯湯タンク７内の温水をヒートポンプサイクルで沸き上げる時には、圧縮機１から吐出する高温冷媒が水冷媒熱交換器２へ流入する流路となるように四方弁５が切り替わっている。

その結果、圧縮機１から吐出される高温冷媒が水冷媒熱交換器２へ流入し、湯水へと放熱することによって高温水を生成することができる。なお、水冷媒熱交換器２内では、水と冷媒とは対向流にして熱交換効率を向上させている。

そして、温度センサ１２ｂで検出する水冷媒熱交換器２から出湯する湯水の温度が、沸き上げ温度Ｔｈに近づいてくると、圧縮機１の回転数を小さくして能力を下げる。そして温度センサ１２ｂで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｈよりも所定温度Ｔａ（例えば、２℃）だけ高くなると、圧縮機１の運転を停止して沸き上げ運転を終了する。そして、貯湯タンク７へは沸き上げ温度Ｔｈの湯水で満たされることになる。

なお、水冷媒熱交換器２で生成された高温水は、暖房用温水部７ｂへ戻されるが、仕切り板８の周囲と貯湯タンク７との間にできた隙間を通って、給湯用温水部７ａも沸き上げ温度Ｔｈの湯水で満たされる。このとき、制御装置３９ｂでは圧縮機１の運転を停止した時に温度センサ１２ａで検出した入水温度Ｔｉを記憶しておく。

また、ヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転が終了した後も、沸き上げポンプ９を駆動させて貯湯タンク７内の温水を水冷媒熱交換器２へ循環させている。これは沸き上げ運転停止中であっても、温度センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂで貯湯タンク７内の温水の温度を検出しておく必要があり、貯湯タンク７内の温水の温度が低下するとすぐにヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転を再開しなければならないからである。

そして、給湯運転停止中も沸き上げポンプ９を駆動して、温度センサ１２ａで貯湯タンク７内の温水を常時検出しており、温度センサ１２ｂで検出する温度が、圧縮機１の運転を停止した時に記憶した入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）だけ小さくなった時に圧縮機１の運転を再開し、沸き上げ運転を開始する。

例えば、沸き上げ温度Ｔｈに５５℃を設定すると、温度センサ１２ｂで検出する温度が５７℃（＝５５℃＋２℃）を超えたときに圧縮機１の運転を停止する。そして、圧縮機１の運転を停止した時の温度が５３℃であったとすると、入水温度Ｔｉが５３℃であると記憶する。そして、圧縮機１の運転が停止後も沸き上げポンプ９の駆動を行い、温度センサ１２ｂが検出する温度が入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）小さくなったときに圧縮機１の運転を再開する。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔａ、Ｔｂは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

また、タンクユニットＣに設けられているリモコン装置３８では、上部ヒータ１５ａでの沸き上げ温度を設定できるようになっている。図６は、リモコン装置３８の正面図である。図６に示すように、リモコン装置３８には操作部３８ａ、表示部３８ｂを有しており、操作部３８ａを操作して温度を設定することができる。本実施の形態では、操作部３８ａを操作することによって、上部ヒータ１５ａの沸き上げ温度Ｔｕ、下部ヒータ１５ｂの
沸き上げ温度Ｔｂｏ、給湯端末１７への給湯温度Ｔｋを設定することができる。

そして、本実施の形態では上部ヒータ１５ａの沸き上げ温度Ｔｕに、リモコン装置３７で設定した沸き上げ温度Ｔｈよりも高い温度に設定しておくことで、給湯用温水部７ａ内の温水を沸き上げ温度Ｔｕまで沸き上げることができる。例えば、リモコン装置３７で沸き上げ温度Ｔｈを５５℃に設定し、リモコン装置３８で沸き上げ温度Ｔｕを７５℃に設定すると、水冷媒熱交換器２で沸き上げ温度Ｔｈ（５５℃）まで沸き上げ、さらに上部ヒータ１５ａで７５℃まで沸き上げ運転を行う。

このように、仕切り板８の上下で異なる沸き上げ温度を設定することができるので、それぞれの端末に合わせて最適な温度に沸き上げることができ、使用性を向上させることができる。

次に、上部ヒータ１５ａでの沸き上げ運転について説明する。上部ヒータ１５ａの運転を開始するときは、上部ヒータ１５ａよりも高い位置に設けられた温度センサ１６ａで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｕよりも所定温度Ｔｃ（例えば、５℃）だけ低い温度を検出した時に上部ヒータ１５ａの出力をＯＮする。そして上部ヒータ１５ａによって給湯用温水部７ａ内の温水を温め、上部ヒータ１５ａと同じ位置に設けられた温度センサ１６ｂで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｕよりも所定温度Ｔｄ（例えば、２℃）だけ高い温度を検出した時に上部ヒータ１５ａの出力をＯＦＦしている。

このように上部ヒータ１５ａがＯＮするときに判断する温度センサと、上部ヒータ１５ａがＯＦＦするときに判断する温度センサを異ならせることによって、頻繁に上部ヒータ１５ａのＯＮ・ＯＦＦが切り替えられることがないようにし、上部ヒータ１５ａの耐久性を向上させている。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔｃ、Ｔｄは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

次に、下部ヒータ１５ｂでの沸き上げ運転について説明する。下部ヒータ１５ｂはヒートポンプユニットＡによる沸き上げ運転が出来ないときにＯＮさせることによって、暖房用温水部７ｂ内の温水の温度低下を防止することができる。

例えば、暖房運転を継続すると蒸発器４ａに着霜してしまい、除霜運転を行わなければならない。その時には、四方弁５で冷媒流路を切り替えることによって、圧縮機１から出た高温冷媒を蒸発器４ａへ流入させ、冷媒の温度で除霜を行う。

しかしながら、除霜運転時には水冷媒熱交換器２で冷媒を放熱させることはできないため、水冷媒熱交換器２での温水生成ができなくなってしまう。その結果、暖房用温水部７ｂ内の温水が低下してしまい、暖房端末３４へ供給する湯水の温度を下げてしまう。それを防止するために、下部ヒータ１５ｂをＯＮさせることによって暖房用温水部７ｂ内の温水の低下を防ぎ、暖房端末３４での快適性を維持させることができる。なお、除霜運転だけではなく、ヒートポンプユニットＡが故障したときであっても、下部ヒータ１５ｂによって暖房用温水部７ｂ内の湯水を加熱することができる。

そして本実施の形態では、リモコン装置３８で下部ヒータ１５ｂでの沸き上げ温度Ｔｂｏを設定することができる。一方、沸き上げ温度Ｔｂｏは、沸き上げ温度Ｔｈと同一の温度が設定されている場合が多い。また、暖房用温水部７ｂ内において、上部の温度が高く、下部の温度が低いという温度分布がある。

そのため、水冷媒熱交換器２から戻ってくる温水の温度が沸き上げ温度Ｔｈ（＝Ｔｂｏ）であっても、温度センサ１６ｄで検出する温度は沸き上げ温度Ｔｈ（＝Ｔｂｏ）よりも
低くなってしまう。これは、暖房端末３４で放熱した後の温水や、給湯熱交換器１８で放熱した後の温水が、貯湯タンク７の下方部へ戻されるからである。

その結果、温度センサ１６ｄで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｂｏで維持するように下部ヒータ１５ｂ制御すると、温度センサ１６ｄで検出する温度が少しでも沸き上げ温度Ｔｂｏを下回れば下部ヒータ１５ｂがＯＮしてしまうことになり、頻繁に下部ヒータ１５ｂで沸き上げ運転を行ってしまうことになる。

しかしながら、一般的に暖房用温水部７ｂ内の湯水は下部ヒータ１５ｂを使用せずに、できるだけヒートポンプユニットＡを用いて沸き上げ運転を行った方が効率が良い。そこで、本実施の形態では、温度センサ１６ｄで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｂｏよりも所定温度Ｔｅ（例えば、１０℃）だけ低いことを検出した場合に限って、下部ヒータ１５ｂがＯＮするように制御されている。

その結果、沸き上げ温度Ｔｂｏ＝沸き上げ温度Ｔｈと設定されている場合は、暖房用温水部７ｂにはヒートポンプユニットＡによって沸き上げ温度Ｔｈまで沸き上げられることになり、温度センサ１６ｄが検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｂｏよりも所定温度Ｔｅだけ低いことを検出しない限り、下部ヒータ１５ｂがＯＮすることはない。

また、蒸発器４ａの除霜運転時や、ヒートポンプユニットＡの能力が出ない時において、温度センサ１６ｄで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｂｏよりも所定温度Ｔｅだけ低いことを検出した時に限って下部ヒータ１５ｂをＯＮすることができ、非常に効率の良い沸き上げ運転を行うことができる。

また、下部ヒータ１５ｂによる沸き上げ運転が行われた場合において、下部ヒータ１５ｂを停止する場合には、温度センサ１６ｄで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｂｏよりも所定温度Ｔｆ（例えば、２℃）だけ高いことを検出すると下部ヒータ１５ｂがＯＦＦするように沸き上げ運転が行われる。

以上のように、ヒートポンプユニットＡによる沸き上げ運転と、下部ヒータ１５ｂによる沸き上げ運転とを併用することで、蒸発器４ａの除霜運転等によりヒートポンプユニットＡによる沸き上げ運転が行われない状態であっても、暖房用温水部７ｂ内の温水は沸き上げ温度Ｔｂｏの状態に維持され、暖房端末３４へ安定的に温水を送ることができ、快適性を損なうことがない。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔｅ、Ｔｆは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

次に、暖房運転について説明する。使用者がリモコン装置３８を操作して暖房運転を開始すると、暖房ポンプ３５が駆動し、暖房用温水部７ｂ内の温水が暖房端末３４へ供給される。そして暖房端末３４で放熱した温水は貯湯タンク７の下方部へ戻される。このとき、暖房ポンプ３５にはＡＣポンプを使用しているので、暖房運転時には一定流量の湯水を循環させているだけである。

次に、給湯運転について説明する。使用者はまずリモコン装置３８で給湯設定温度Ｔｋを設定する。そして、使用者が給湯端末１７から湯水の出湯を開始し、流量センサ３３で所定の流量以上になったことを検知すると、給湯ポンプ１９が駆動し、給湯用温水部７ａにある高温水を給湯熱交換器１８へ送る。

そして、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１と、給湯設定温度Ｔｋとの温度偏差に応じて流量調整弁２２の開度を調節し、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１が給湯設定温度Ｔｋとなるようにフィードバック制御される。そして、給湯熱交換器１８で放熱した後の温
水は暖房用温水部７ｂの下方部へ戻される。

一方、暖房用温水部７ｂ内では上部ほど温度が高い温度層ができているため、給湯熱交換器１８で放熱したあとの温水が暖房用温水部７ｂの下方部へ戻されても、暖房端末３４へ送る温水の温度へは影響が少ない。

このように、給湯熱交換器１８へ送る温水は給湯用温水部７ａ内の高温水を使用し、暖房端末３４へ送る温水は暖房用温水部７ｂ内の高温水を使用するため、暖房端末３４へ送る温水が受ける給湯運転の影響を抑制することができる。

また、流量センサ３３で湯水の流れを検出していないにもかかわらず、温度センサ３１で検出される温水温度Ｔ１が、給湯異常温度Ｔｊ（例えば、６５℃）以上を検出すると、異常が発生していると判断し、流量調整弁２２の開度を全閉にして、確実に貯湯タンク７内の高温湯を給湯熱交換器１８へ送ることを防止している。これによって、無駄に貯湯タンク７内の高温湯の使用を防ぎ、貯湯タンク７内の湯切れを防止することができる。なお、本実施の形態に示した所定温度Ｔｊは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

また、本実施の形態のヒートポンプ式温水暖房装置は、予備温度センサ３２を設けている。これによって給湯端末１７から高温水を出湯させることがないようにしている。次に、給湯運転時における予備温度センサ３２による異常検出について説明する。

まず、給湯運転を行っている最中は、予備温度センサ３２において給湯端末１７へ供給される温水の温度を検出しておき、温度センサ３１で検出される湯水温度Ｔ１と予備温度センサ３２で検出される湯水温度Ｔ２との温度偏差を検出している。

そして湯水温度Ｔ１よりも湯水温度Ｔ２が所定温度Ｔｇ（例えば、８℃）だけ高いことを検出すると、給湯端末１７へ高温水を出湯させてしまう可能性があるので、給湯ポンプ１９の駆動を停止し、さらに流量調整弁２２の開度を全閉とする。その結果、給湯端末１７から高温水が出湯されることはなく、安全性を確保することができる。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔｇは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

次に、給湯運転時における流量調整弁２２の制御について説明する。図７は給湯ポンプ１９および流量調整弁２２の駆動のタイミングを表した図である。

まず、使用者が給湯端末１７から湯水を出湯させると、流量センサ３３で所定の流量以上になったことを検知する。そして、流量センサ３３で所定の流量以上になったことを検知すると、給湯ポンプ１９の駆動を開始させる。

そして、給湯ポンプ１９の駆動を開始してから、所定時間α（例えば、８秒）が経過した後に流量調整弁２２の駆動を開始し、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１が、給湯設定温度Ｔｋとなるように流量調整弁２２の開度を調整される。なお、所定時間αの間は、流量調整弁２２の開度は所定の開度に保持されている。

このように、流量調整弁２２の駆動を開始するタイミングを給湯ポンプ１９の駆動を開始してから所定時間αだけ遅らせることによって、給湯端末１７へ供給される湯水の温度がハンチングするのを防ぐことができる。

これは、前回給湯運転が終了してから給湯運転が長時間行わなければ、給湯熱交換器１
８が冷えてしまうので、給湯運転を開始してから給湯熱交換器１８の温度が安定するまでは、貯湯タンク７から給湯熱交換器１８へ送る温水の流量を一定にすることで、給湯端末１７へ供給される湯水の温度のハンチングを防止している。

次に、給湯運転中の流量調整弁２２の開度について説明する。通常の給湯運転における流量調整弁２２の制御は、温度センサ３１で検出される温度Ｔ１に基づいて行われる。リモコン装置３８で給湯設定温度Ｔｋを設定しているので、温度センサ３１で検出される温度が、給湯設定温度Ｔｋとなるように流量調整弁２２の開度が調節される。

しかしながら、給湯端末１７を操作することによって、給水源から給湯熱交換器１８へ送られる湯水の流量が変化すると、貯湯タンク７から給湯熱交換器１８へ送られている高温湯と、給水源から給湯熱交換器１８へ送られている低温水のバランスが崩れてしまい、給湯端末１７へ供給する湯水の温度がハンチングしてしまう。

そこで、本実施の形態では、流量センサ３３で検出する湯水の流量変化に応じて流量調整弁２２の開度を決定している。

まず、使用者が給湯端末１７から湯水の出湯を開始すると、温度センサ３１で検出される温度Ｔ１が給湯設定温度Ｔｋとなるように流量調整弁２２の開度が調整される。そして、使用者が給湯端末１７を操作して流量センサ３３で検出している流量に変化があると、給湯熱交換器１８での熱バランスが崩れてしまう。

そのため、給湯端末１７へ供給される湯水の流量が変化してから、温度センサ３１で検出する温度に変化が現れるまでに数秒を要してしまい、温度センサ３１で検出する温度に基づいて流量調整弁２２の開度を制御すると、給湯端末１７へ供給される湯水の温度が上下にハンチングしてしまう。

そこで、本実施の形態では、所定時間Ｌａ前の流量Ｑａを常に記憶しておき、現在の流量Ｑｏと所定時間Ｌａ前の流量Ｑａとを比較する。そして、流量を比較した結果、流量Ｑｄ以上の増加があった場合には、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１がどのような温度であっても、流量調整弁２２の開度を目標開度Ｐｔまで駆動する。

また、目標開度Ｐｔは、流量Ｑｏと流量Ｑａと現在の流量調整弁２２の開度Ｐｎに応じて決定される。このとき、流量Ｑｏが流量Ｑａよりも大きく増加したということは、給湯端末１７へ供給される湯水の量が増加するということなので、より貯湯タンク７から給湯熱交換器１８へ高温湯を供給する必要があるので、目標開度Ｐｔは現在開度Ｐｎよりも開く方向に動く。

次に、現在流量Ｑｏと所定時間Ｌａ前の流量Ｑａとを比較して、流量Ｑｄ以上の減少があった場合には、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１がどのような温度であっても、流量調整弁２２の開度を目標開度Ｐｔまで駆動する。

また、目標開度Ｐｔは、流量Ｑｏと流量Ｑａと現在の流量調整弁２２の開度Ｐｎに応じて決定される。このとき、流量Ｑｏが流量Ｑａよりも大きく減少したということは、給湯端末１７へ供給される湯水の量が減少するということなので、貯湯タンク７から給湯熱交換器１８へ供給される高温湯を絞る必要があるので、目標開度Ｐｔは現在開度Ｐｎよりも閉じる方向に動く。

以上のように、給湯端末１７へ供給される湯水の流量が大きく変化した時には、温度センサ３１で検出する温度がどのような温度であっても、流量調整弁２２の開度を目標開度
Ｐｔに駆動させることで、給湯端末１７へ供給する湯水の温度がハンチングすることを抑制することができる。

さらに、現在開度Ｐｎから目標開度Ｐｔへと変化させても、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１が大きくオーバーシュートしてしまう場合がある。そこで、本実施の形態では、温度センサ３１で検出する温度Ｔ１が給湯設定温度Ｔｋよりも所定温度Ｔｙ（例えば、３℃）以上高い場合は、さらに流量調整弁２２の開度を所定開度Ｄだけ絞っている。

さらに、所定開度Ｄは、流量センサ３３で検出する現在流量Ｑｏが大流量の時と、小流量の時で異ならせている。つまり、現在流量Ｑｏが所定流量Ｑｂ（例えば、５Ｌ／ｍｉｎ）よりも大きいかどうかを判断し、現在流量Ｑｏが所定流量Ｑｂよりも大きい場合には、さらに流量調整弁２２の開度を所定開度Ｄａだけ下げ、現在流量Ｑｏが所定流量Ｑｂよりも小さい場合には、さらに流量調整弁２２の開度を所定開度Ｄｂだけ下げる。このとき、所定開度Ｄａ＞所定開度Ｄｂという関係を有している。

ここで、図８は流量調整弁２２の特性図である。図８では、横軸に流量調整弁２２の開度Ｐを示し、縦軸に流量Ｑを示している。そして図８に示すように、流量調整弁２２の開度が小さい時の流量の変化量と、流量調整弁２２の開度が大きい時の流量の変化量では異なることが分かる。例えば、大流量である開度ＰａのポイントＭａから流量Ｑｘだけ下げようとすると、開度ＰｂであるポイントＭｂまで下げる必要があるが、小流量である開度ＰｃのポイントＭｃから流量Ｑｘだけ下げようとすると、開度ＰｄであるポイントＭｄまで下げるだけでよい。つまり、大流量ほど大きく開度を絞らないと流量が落ちないということが分かる。そこで、本実施の形態では所定開度Ｄａ＞所定開度Ｄｂとして、現在流量Ｑｏが大流量ほど大きく開度を絞っている。

また、図８に示されているように、流量調整弁２２の特性としては開度が小さいほど、流量変化が大きくなるという特性を持っているので、流量調整弁２２の開度を所定開度Ｄａ下げる時の駆動速度の方が、流量調整弁２２の開度を所定開度Ｄｂ下げる時の駆動速度よりも速くなるように制御する。

以上のように、現在流量Ｑｏが所定流量Ｑｂよりも大きい流量にあるのか、小さい流量にあるのかによって、流量調整弁２２の変化開度を所定開度Ｄａと所定開度Ｄｂの２種類に分けて制御し、さらに流量調整弁２２の駆動速度を現在流量Ｑｏが大流量の時と小流量の時で分けて制御することで、流量調整弁２２の特性に応じた制御を行うことができ、さらにオーバーシュートの時間をより短縮することができる。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔｙ、所定流量Ｑｂ、所定開度Ｄａ、Ｄｂは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

次に、給湯運転を停止している時の流量調整弁２２の開度について説明する。まず、給湯運転終了後の所定時間β（例えば、１０分）以内であれば、給湯熱交換器１８は熱を保有しているので、流量調整弁２２の開度は給湯運転終了時の開度を保持して、再度給湯端末１７から湯水が出湯するときには、前回の給湯運転時と同じ温度で給湯端末１７へ湯水が供給される。

しかしながら、給湯運転終了後の所定時間β以降は、給湯熱交換器１８の温度が下がったり、貯湯タンク７内の温水が沸き上げられている可能性があるため、次回給湯端末１７から湯水を出湯させたときに給湯熱交換器１８から出湯する湯水の温度がハンチングしてしまい、高温の湯水が給湯端末１７へ供給される可能性がある。

図９および図１０は、給湯運転終了後の流量調整弁２２の開度を示した図である。以下
、図９および図１０を用いて流量調整弁２２の開度について説明する。

まず、図９に示すように給湯運転終了後の所定時間β以降は、給湯運転終了時の流量調整弁２２の開度が所定開度Ｋａよりも大きいかどうかを判断する。そして、流量調整弁２２の開度が所定開度Ｋａよりも大きければ、次回給湯運転時に給湯端末へ高温湯を送ってしまう可能性があるので、流量調整弁２２の開度を所定開度Ｋａとなるまで駆動する。

そして流量調整弁２２の開度を所定開度Ｋａまで駆動する時には、一旦、流量調整弁２２を全閉にして原点位置を確認した後、所定開度Ｋａまで駆動するようにしている。このように原点位置を確認することによって、正確な開度で流量調整弁２２を保持することができ、次回給湯運転時に給湯端末１７へ高温湯が出湯することを防ぐ。

また、図１０に示すように、給湯運転終了時の流量調整弁２２の開度が所定開度Ｋａよりも小さければ、次回給湯運転時に給湯端末へ高温湯を送ってしまう可能性がないため、流量調整弁２２の開度は給湯運転終了時のままにしておき、次回の給湯運転に備えている。

以上のように、給湯運転を行っていない時の流量調整弁２２の開度を調整することによって、次回の給湯運転時に給湯端末１７へ高温湯を送ってしまうことを防止することができる。なお、所定開度Ｋａは、給湯端末１７からどのような流量の湯水を出したとしても、供給される湯水の温度が所定温度を超えない値としており、それぞれのシステムに応じて適宜変更することができる。また、本実施の形態に示した所定時間α、βは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。

以上のように、本発明のヒートポンプ式温水暖房装置は、一つの貯湯タンク内の温水を、給湯運転のための熱源と暖房運転のための熱源を兼用しても、それぞれの影響を最小限にし、非常に使用性の高いものである。また、暖房端末には床暖房パネルや輻射パネル等を用いることができる。

１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 減圧装置
４ａ 蒸発器
４ｂ 送風ファン
５ 四方弁
６ 冷媒管
７ 貯湯タンク
８ 仕切り板
９ 沸き上げポンプ
１０ 水出口
１１ 湯入口
１２ａ、ｂ 温度センサ
１３ フロースイッチ
１４ 過圧逃し弁
１５ａ 上部ヒータ
１５ｂ 下部ヒータ
１６ａ〜ｄ 温度センサ
１７ 給湯端末
１８ 給湯熱交換器
１９ 給湯ポンプ
２０ 出湯口
２１ 入水口
２２ 流量調整弁
２３ 逆止弁
２４ 過圧逃し弁
２５ 排水栓
２６ 給水管
２７ 三方弁
２８ 過圧逃し弁
２９ 過圧逃し弁
３０ 給湯管
３１ 温度センサ
３２ 予備温度センサ
３３ 流量センサ
３４ 暖房端末
３５ 暖房ポンプ
３６ 温水取り出し口
３７ リモコン装置
３８ リモコン装置
３９ａ〜ｃ 制御装置
Ａ ヒートポンプユニット
Ｂ 熱交換ユニット
Ｃ タンクユニット

Claims (5)

1. 湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプサイクルと、前記貯湯タンク内を上下に分割する仕切り板と、給水源から供給される水を前記貯湯タンク内の温水と熱交換して高温水にする給湯熱交換器と、前記給湯熱交換器へ前記貯湯タンク内の温水を送る給湯ポンプと、前記貯湯タンク内の湯水を循環して室内を暖房する暖房端末と、前記暖房端末へ前記貯湯タンク内の温水を送る暖房ポンプとを備え、前記給湯熱交換器へは前記仕切り板よりも上部にある温水を送り、前記給湯熱交換器で熱交換した後の湯水を前記貯湯タンクの底部より戻し、前記暖房端末へは前記仕切り板よりも下部にある温水を送り、前記暖房端末で熱交換した後の温水を前記貯湯タンクの底部より戻すことを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置。
2. 前記仕切り板より上方に上部ヒータと、前記仕切り板より下方に下部ヒータとを備え、前記ヒートポンプサイクルで加熱した温水は前記仕切り板よりも下方に戻すとともに、前記仕切り板の上方部の温水を、前記仕切り板の下方部の温水よりも高温となるように加熱することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
3. 前記上部ヒータと略同一高さとなる位置に温度センサ１６ｂと、前記温度センサ１６ｂよりも上方に温度センサ１６ａとを備え、前記上部ヒータの加熱開始を前記温度センサ１６ａに基づいて行い、前記上部ヒータの加熱停止を前記温度センサ１６ｂに基づいて行うことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
4. 前記仕切り板には複数個の開口部を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
5. 前記仕切り板の周囲と、前記貯湯タンク内壁とを複数個所で溶接するとともに、前記仕切り板の周囲と前記貯湯タンク内壁との間に所定の間隙を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。