ヒートポンプ貯湯式給湯装置
【課題】貯湯タンク内に中温水が残留している場合においても、加熱効率（ＣＯＰ）を悪化させることなく沸き上げ運転を行い、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止する。
【解決手段】夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、切換手段を中間戻し管側へ切り換えてヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、切換手段を貯湯タンク上部側へ切り換えてヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けた。
【解決手段】夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、切換手段を中間戻し管側へ切り換えてヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、切換手段を貯湯タンク上部側へ切り換えてヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯を貯湯するヒートポンプ貯湯式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりこの種のヒートポンプ貯湯式給湯装置においては、水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、前記貯湯タンク頂部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサと、を備え、深夜時間帯になると貯湯タンク下部から取り出した湯水をヒートポンプ式加熱手段で加熱して貯湯タンク上部へ戻すようにして沸き上げ運転を行うようにしていた。
【０００３】
この沸き上げ運転の際には、外部負荷との熱交換等によって貯湯タンク内に中温水が残留するが、この中温水はヒートポンプ式加熱手段での沸き上げを行うと低温の水を加熱する場合に比べて加熱効率（ＣＯＰ）が悪化してしまうことが知られているため、特許文献１に開示されたものにおいては、この中温水を貯湯タンク内に残して沸き上げ運転を終了するようにしたものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４９０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、この特許文献１のものでは、加熱効率（ＣＯＰ）は悪化しないものの、貯湯タンク内に中温水を残すために沸き上げ運転終了時の貯湯熱量が少なくなり、湯切れしてしまう可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明は、貯湯タンク内に中温水が残留している場合においても、加熱効率（ＣＯＰ）を悪化させることなく沸き上げ運転を行い、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができるヒートポンプ貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記ヒートポンプ式加熱手段よりも下流側の前記加熱循環回路から分岐され前記貯湯タンク中間部に接続された中間戻し管と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部へ戻すか前記中間戻し管を介して前記貯湯タンク中間部へ戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサとを備え、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けたものとした。
【０００８】
また、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲より低い温度を検知し、かつ前記中間戻し管の接続高さより高い位置の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を開始し、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知すると、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにした。
【０００９】
また、前記中間戻し管を複数本設け、前記切換手段を介して貯湯タンクの異なる高さ位置に接続し、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転時には、前記所定の温度範囲内の温度を検知している貯湯温度センサの高さ付近の中間戻し管を選択するよう前記切換手段を切り替え、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにした。
【発明の効果】
【００１０】
このように本発明によれば、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管の高さ位置付近に所定の温度範囲内の中温水が残っている場合は、貯湯タンク下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げて中間戻し管から貯湯タンク内に導入して中温水を高温にするようにしているため、貯湯タンク内の中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図
【図２】同一実施形態の作動を説明するフローチャート
【図３】本発明の他の一実施形態の概略構成図
【図４】同他の一実施形態の作動を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の一実施形態について図１、２に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に市水を給水する給水管、３は貯湯タンク１頂部から出湯する出湯管、４は給水管２から分岐された給水バイパス管、５は出湯管３からの湯と給水バイパス管４からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁、６は給湯混合弁５で混合された湯が流通する給湯管、７は給湯管６からの湯を給湯する給湯栓、８は給湯管６途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、９は給湯管６途中に設けられ給湯量を検出する給湯流量センサ、１０は給水管２に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１１は貯湯タンク１内の過圧を逃がす過圧逃がし弁である。
【００１３】
１２は浴槽、１３は貯湯タンク１内の上部に設けられ貯湯タンク１内の湯の熱で浴槽水を加熱するための間接熱交換器、１４は浴槽１２と間接熱交換器１３とを浴槽水が循環可能に接続するフロ循環回路、１５はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽水を循環させるフロ循環ポンプ、１６は給湯管６から分岐されフロ循環回路１４に接続された湯張り管、１７は湯張り管１６途中に設けられ湯張り管１６を開閉する湯張り開閉弁、１８はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽１２から間接熱交換器１３へ流れる浴槽水の温度を検出するフロ温度センサである。ここで、間接熱交換器１３はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。
【００１４】
１９は間接熱交換器１３の下方の貯湯タンク１中間部から出湯させて出湯管３へ合流させるための中間出湯管、２０は中間出湯管１９と出湯管３との合流点に設けられて貯湯タンク１の上部からの湯と貯湯タンク１の中間部からの湯の何れか一方あるいは両方を混合して給湯混合弁５の湯側に流入させるための中間切替弁である。
【００１５】
２１はヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２３と、冷媒の圧力を減圧する減圧器２４と、液冷媒を蒸発させる蒸発器２５とを備え、蒸発器２５で吸熱した冷媒を圧縮機２２で圧縮して冷媒水熱交換器２３を介して水を加熱するようにしている。このヒートポンプ式加熱手段２１には冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられ、高圧側が超臨界状態となることにより水を９０℃の高温まで加熱することができるものである。
【００１６】
２６は貯湯タンク１の下部と冷媒水熱交換器２３の水側と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、２７は加熱循環回路２６途中に設けられた加熱循環ポンプ、２８は加熱循環回路２６の冷媒水熱交換器２３よりも下流側で分岐され貯湯タンク１の中間部とを接続する中間戻し管、２９は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１上部へ戻すか中間戻し管２８を介して貯湯タンク１中間部へ戻すかを切り換える三方弁より成る切換手段である。ここで中間戻し管２８は貯湯タンク１の間接熱交換器１３の上端より下方の貯湯タンク１の側面に接続されており、間接熱交換器１３の下端付近に接続されているのが好ましい。
【００１７】
３０は冷媒水熱交換器２３へ流入する水の温度を検出する入水温度センサ、３１は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサ、３２は貯湯タンク１の側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサで、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出するためのものであり、上から３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆと呼ぶ。なお、これら貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの内、３２ｂは間接熱交換器１３の中間部付近かつ中間戻し管２８よりも上方の貯湯温度を検出する位置に設けられ、３２ｃは間接熱交換器１３の下端より下方かつ中間戻し管２８よりも下方の貯湯温度を検出する位置に設けられているものである。
【００１８】
３３はリモコンで、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、フロ設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態等）を表示する表示部３４と、給湯設定温度およびフロ設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３５と、浴槽１２へ一定量の湯張りを指示する湯張りスイッチ３６と、浴槽水の追焚きを指示する追焚きスイッチ３７とを備えている。
【００１９】
３８は給湯温度センサ８、給湯流量センサ９、フロ温度センサ１８、入水温度センサ３０、沸き上げ温度センサ３１、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの検出値が入力され、フロ循環ポンプ１５、湯張り開閉弁１７、圧縮機２２、減圧器２４、加熱循環ポンプ２７、切換手段２９の作動を制御すると共に、リモコン３３と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段３８は、予め給湯装置の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。
【００２０】
また、制御手段３８には、リモコン３３で設定された給湯設定温度と最下部の貯湯温度センサ３２が検出した最低温度から推定される給水温度と給湯流量センサ９で検出する給湯流量から一日に貯湯タンク１から外部に供給した出湯熱量を算出する出湯熱量算出手段３９と、深夜時間帯での沸き上げ目標温度を前日の出湯熱量に基づいて決定する沸き上げ目標温度決定手段４０が設けられている。
【００２１】
次に、給湯動作について説明すると、給湯栓７が開かれると、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から出湯管３あるいは中間出湯管１９を介して高温の湯が出湯し、制御手段３８は給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３３の温度設定スイッチ３５で設定された給湯設定温度になるよう給湯混合弁５の開度を調整し、給湯栓７から給湯設定温度の湯が給湯され、給湯栓７が閉じられることで給湯動作が終了する。
【００２２】
このとき、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも高い場合は、中間切替弁２０は中間出湯管１９側を開いて出湯管３側を閉じるように切り替えられ、貯湯タンク１中間部の湯が貯湯タンク１上部の湯よりも優先して出湯される。また、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも低い場合は、中間切替弁２０は出湯管３側を開いて中間出湯管１９側を閉じるように切り替えられ、給湯設定温度の給湯を確実に行うようにしている。
【００２３】
この給湯時には、貯湯タンク１の底部へ流入した水は給水管２の断面積に比べて十分に大きな断面積を持つ貯湯タンク１内で十分に減速され、高温の湯の層をほとんど乱すことなく下方から水の層を形成する。そして、貯湯タンク１上部の高温の湯と貯湯タンク１下部の低温の水とが接する温度境界層Ｌが形成される。そして、給湯量が増加するにつれて貯湯タンク１上部の高温の湯の層が減少すると共に貯湯タンク１下部の水の層が増加し、温度境界層Ｌが上昇する。この温度境界層Ｌは所定の温度差があればそれぞれの温度に基づく比重の違いによって混じり合うことがないもので、時間の経過に伴う熱伝導によって温度境界層Ｌの厚みが増し徐々に温度勾配が緩くなっていくものである。
【００２４】
次に、湯張り動作について説明すると、リモコン３３の湯張りスイッチ３６が操作されると、制御手段３８は湯張り開閉弁１７を開いて給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３３の温度設定スイッチ３５で設定されたフロ設定温度になるように給湯混合弁５の開度を調整して適温の湯を湯張りし、給湯流量センサ９が所望の湯張り流量を積算すると湯張り開閉弁１７を閉じて湯張り動作を終了する。
【００２５】
そして、湯張り動作が終了してから予め定めた一定時間は、浴槽水の温度をフロ設定温度に保つ保温動作を行う。この保温動作について説明すると、制御手段３８は所定のインターバル時間毎にフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水をフロ循環回路１４に循環させてフロ温度センサ１８で浴槽水の温度を検出する。浴槽水の温度がフロ設定温度より低い場合はフロ循環ポンプの駆動を継続し、間接熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了し、再度インターバル時間が経過すると同じ動作を繰り返す。そして、予め定めた一定時間が終了するとこの保温動作を終了する。
【００２６】
また、リモコン３３の追焚きスイッチ３７が操作されたときの追焚き動作について説明すると、浴槽水の温度をフロ設定温度＋一定温度（例えば２℃）まで追い焚きするように、制御手段３８はフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水を間接熱交換器１３へ循環させ、間接熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。そして、フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度＋一定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了して追焚き動作を終了する。
【００２７】
次に、沸き上げ運転について図２のフローチャートに基づいて説明する。
電気料金単価の安価な深夜時間帯になったことを制御手段３８が認識すると（ステップＳ１）、沸き上げ目標温度決定手段４０は、出湯熱量算出手段３９で算出した出湯熱量と、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆで検出する貯湯タンク１内の残湯熱量と、最下部の貯湯温度センサ３２ｆで検出する給水温度とに基づいて、下記の式から深夜時間帯での温度を算出し、算出した温度を５℃刻みの温度に切り上げて沸き上げ目標温度を決定する。
【００２８】
沸き上げ目標温度＝｛（出湯熱量−残湯熱量）／（タンク容量−残湯量）｝＋給水温度
ここで、タンク容量は貯湯タンク１の容量に基づいて予め定められた値（ここでは貯湯タンク１の容量から深夜時間帯の開始時まで確保しておくべき最低貯湯量を減じた値）を用い、残湯量は貯湯温度センサ３２ａ〜ｆでヒートポンプ式加熱手段２１での再沸き上げが難しい所定の温度（例えば５０℃）以上の湯の分布状態から残湯量を検出するようにしている。
【００２９】
そして、制御手段３８は、沸き上げる湯量（タンク容量−残湯量）と沸き上げ目標温度とヒートポンプ式加熱手段２１の定格加熱能力とから深夜時間帯の終了時刻前に翌日に必要な熱量が沸き上がるような沸き上げ開始時刻をピークシフト演算によって算出する（ステップＳ２）。
【００３０】
そして、現在時刻が沸き上げ開始時刻に到達すると（ステップＳ３）、中間戻し管２８の接続高さ付近の貯湯温度センサ３２ｃの検出温度をチェックし、検出温度が予め定めた上限温度以下かつ下限温度以上の温度範囲である所定の温度範囲内にある場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御手段３８は中間戻し管２８高さ付近に中温水があると判断し、切換手段２９を中間戻し管２８側に切り換えて貯湯タンク１の中間部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（ステップＳ５）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ６）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の中間部から戻して貯湯する中間沸き上げ動作を開始する。
【００３１】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ付近に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００３２】
そして、中間戻し管２８を介した循環による沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ７〜ステップＳ８）。ここで終了条件は、例えば、貯湯タンク１最下部の貯湯温度センサ３２ｆが所定の温度を検出すること、あるいは、ヒートポンプ式加熱手段２１の入水温度センサ３０が所定の入水上限温度（例えば５０℃）を検出することで終了条件が成立したと判断するようにしている。
【００３３】
なお、前記所定の温度範囲は、その温度範囲の上限温度を前記入水上限温度あるいはこの入水上限温度より一定温度（例えば１０℃程度）高い温度とし、下限温度を試験等の知見によって予め定めておいた加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を許容できる上限の温度（例えば３５℃）としている。
【００３４】
一方、前記ステップＳ４で中間戻し管２８高さ付近に中温水がないと判断された場合、次のステップＳ９では、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ位置よりも高い位置に中温水層が存在するかどうかを判断する。中間戻し管２８よりも高い位置の貯湯温度センサ３２ｂの検出温度が前記所定の温度範囲内にある場合は（ステップＳ９でＹｅｓ）、制御手段３８は中間戻し管２８高さより高い位置に中温水層があると判断し、切換手段２９を貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ１０）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ１１）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。
【００３５】
この上部沸き上げ動作によって中温水層は下方へ押し下げられ、中間戻し管２８高さ付近の貯湯温度センサ３２ｃの検出温度が前記所定の温度範囲内となると（ステップＳ１２でＹｅｓ）、中間戻し管２８高さ付近まで中温水層が押し下げられてきていると判断し、切換手段２９を中間戻し管２８側に切り換えて貯湯タンク１の中間部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とし（ステップＳ１３）、中間沸き上げ動作に遷移して沸き上げ運転を継続する。
【００３６】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ以上に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、加熱した湯を貯湯タンク１の上部から戻すことで中温水層を中間戻し管２８高さ付近まで一旦押し下げ、そして切換手段２９を切り換えて貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００３７】
また一方、前記ステップＳ９で中間戻し管２８高さ以上に所定の温度範囲内の中温水層が存在しない場合は（ステップＳ９でＮｏ）、中間戻し管２８高さよりも高い位置に中温水層が存在しないので、切換手段２９を貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ１４）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ１５）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ７〜ステップＳ８）。
【００３８】
このように、中間戻し管２８高さよりも高い位置に中温水層が存在しない場合は、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げた湯を貯湯タンク１の上部から戻して貯湯することで、効率的な貯湯状態を保ったままで沸き上げ運転を行うことができる。
【００３９】
以上のように、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管２８の高さ付近、あるいは以上に中温水層が存在する場合は、貯湯タンク１下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げて中間戻し管２８から貯湯タンク１内に導入して中温水を高温にするようにしているため、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げる中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【００４０】
次に、本発明の他の一実施形態を図３、４に基づいて説明する。
なお、先の一実施形態と同一のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
この実施形態では、ヒートポンプ式加熱手段２１で加熱した湯を貯湯タンク１の中間部に戻す複数の中間戻し管４１ａ〜ｃを複数設け、それぞれの中間戻し管４１ａ〜ｃおよび最下流の中間戻し管４１ａの分岐点よりも下流側の加熱循環回路２６には開閉弁で構成された複数の切換手段４２ａ〜ｄが設けられている。
【００４２】
次に、沸き上げ運転について図４のフローチャートに基づいて説明する。
電気料金単価の安価な深夜時間帯になったことを制御手段３８が認識すると（ステップＳ２１）、沸き上げる湯量（タンク容量−残湯量）と沸き上げ目標温度とヒートポンプ式加熱手段２１の定格加熱能力とから深夜時間帯の終了時刻前に翌日に必要な熱量が沸き上がるような沸き上げ開始時刻をピークシフト演算によって算出する（ステップＳ２２）。
【００４３】
そして、現在時刻が沸き上げ開始時刻に到達すると（ステップＳ２３）、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの検出温度をチェックし、前記所定の温度範囲内の中温水層がどの高さ位置に存在するかを検知する（ステップＳ２４）。中温水層が存在する場合は（ステップＳ２４でＹｅｓ）、中温水層の最下部に一番近い高さ位置に接続された中間戻し管４１を介して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１中間部が連通する状態とするように、切換手段４２ａ〜ｄを切り換える（ステップＳ２５）。ここでは、図３に示すように貯湯温度センサ３２ｃ付近に中温水層が存在する場合にあっては、切換手段４２ａ、４２ｃ、４２ｄを閉止し、切換手段４２ｂを開放して中間戻し管４１ｂを介して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１中間部が連通するようにしている。
【００４４】
次に、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ２６）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の中間部から戻して貯湯する中間沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ２７〜ステップＳ２８）。
【００４５】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００４６】
一方、前記ステップＳ２４で中間戻し管４１ａ〜ｃ高さ付近に所定の温度範囲内の中温水層が存在しない場合は（ステップＳ２４でＮｏ）、切換手段４２ａ〜ｄを貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ２９）。ここでは、切換手段４２ａ〜ｃを閉止し、切換手段４２ｄを開放して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１上部が連通するようにしている。
【００４７】
次に、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ３０）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ２７〜ステップＳ２８）。
【００４８】
なお、最上部の中間戻し管４１ａよりも上部に中温水層があると判断したり、上下に隣り合う中間戻し管４１ａと４１ｂ、４１ｂと４１ｃの間に中温水層があると判断した場合は、先の一実施形態と同様に、一旦上部沸き上げ動作を行って中温水層を下方へ押し下げてから中間沸き上げ動作を行うようにするようにしてもよいものである。
【００４９】
このように、中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に中温水層が存在しない場合は、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げた湯を貯湯タンク１の上部から戻して貯湯することで、効率的な貯湯状態を保ったままで沸き上げ運転を行うことができる。
【００５０】
以上のように、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に中温水層が存在する場合は、貯湯タンク１下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げて中温水送付金の中間戻し管４１ａ〜ｃから貯湯タンク１内に導入して中温水を高温にするようにしているため、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げる中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【００５１】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で変更が可能なものであり、例えば、中間沸き上げ動作を開始した後に中温水の温度が沸き上げ目標温度に近い温度まで昇温されると、切換手段２９、４１を切り換えて上部沸き上げ動作を行うようにしてもよいものである。
【００５２】
また、間接熱交換器１３で加熱する対象を浴槽１２ではなく温水暖房端末としてもよく、また、間接熱交換器１３を貯湯タンク１内部に配置した構成から循環回路を介して貯湯タンク１外部に配置した構成、あるいは間接熱交換器１３を備えない構成としてもよいものである。
【符号の説明】
【００５３】
１ 貯湯タンク
２ 給水管
３ 出湯管
２１ ヒートポンプ式加熱手段
２６ 加熱循環回路
２７ 加熱循環ポンプ
２８（４１） 中間戻し管
２９（４２） 切換手段
３２ 貯湯温度センサ
３８ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯を貯湯するヒートポンプ貯湯式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりこの種のヒートポンプ貯湯式給湯装置においては、水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク底部に接続された給水管と、前記貯湯タンク頂部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサと、を備え、深夜時間帯になると貯湯タンク下部から取り出した湯水をヒートポンプ式加熱手段で加熱して貯湯タンク上部へ戻すようにして沸き上げ運転を行うようにしていた。
【０００３】
この沸き上げ運転の際には、外部負荷との熱交換等によって貯湯タンク内に中温水が残留するが、この中温水はヒートポンプ式加熱手段での沸き上げを行うと低温の水を加熱する場合に比べて加熱効率（ＣＯＰ）が悪化してしまうことが知られているため、特許文献１に開示されたものにおいては、この中温水を貯湯タンク内に残して沸き上げ運転を終了するようにしたものがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４９０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、この特許文献１のものでは、加熱効率（ＣＯＰ）は悪化しないものの、貯湯タンク内に中温水を残すために沸き上げ運転終了時の貯湯熱量が少なくなり、湯切れしてしまう可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明は、貯湯タンク内に中温水が残留している場合においても、加熱効率（ＣＯＰ）を悪化させることなく沸き上げ運転を行い、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができるヒートポンプ貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記ヒートポンプ式加熱手段よりも下流側の前記加熱循環回路から分岐され前記貯湯タンク中間部に接続された中間戻し管と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部へ戻すか前記中間戻し管を介して前記貯湯タンク中間部へ戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサとを備え、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けたものとした。
【０００８】
また、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲より低い温度を検知し、かつ前記中間戻し管の接続高さより高い位置の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を開始し、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知すると、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにした。
【０００９】
また、前記中間戻し管を複数本設け、前記切換手段を介して貯湯タンクの異なる高さ位置に接続し、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転時には、前記所定の温度範囲内の温度を検知している貯湯温度センサの高さ付近の中間戻し管を選択するよう前記切換手段を切り替え、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにした。
【発明の効果】
【００１０】
このように本発明によれば、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管の高さ位置付近に所定の温度範囲内の中温水が残っている場合は、貯湯タンク下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げて中間戻し管から貯湯タンク内に導入して中温水を高温にするようにしているため、貯湯タンク内の中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図
【図２】同一実施形態の作動を説明するフローチャート
【図３】本発明の他の一実施形態の概略構成図
【図４】同他の一実施形態の作動を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明の一実施形態について図１、２に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯するステンレス製の貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に市水を給水する給水管、３は貯湯タンク１頂部から出湯する出湯管、４は給水管２から分岐された給水バイパス管、５は出湯管３からの湯と給水バイパス管４からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁、６は給湯混合弁５で混合された湯が流通する給湯管、７は給湯管６からの湯を給湯する給湯栓、８は給湯管６途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、９は給湯管６途中に設けられ給湯量を検出する給湯流量センサ、１０は給水管２に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１１は貯湯タンク１内の過圧を逃がす過圧逃がし弁である。
【００１３】
１２は浴槽、１３は貯湯タンク１内の上部に設けられ貯湯タンク１内の湯の熱で浴槽水を加熱するための間接熱交換器、１４は浴槽１２と間接熱交換器１３とを浴槽水が循環可能に接続するフロ循環回路、１５はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽水を循環させるフロ循環ポンプ、１６は給湯管６から分岐されフロ循環回路１４に接続された湯張り管、１７は湯張り管１６途中に設けられ湯張り管１６を開閉する湯張り開閉弁、１８はフロ循環回路１４途中に設けられ浴槽１２から間接熱交換器１３へ流れる浴槽水の温度を検出するフロ温度センサである。ここで、間接熱交換器１３はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。
【００１４】
１９は間接熱交換器１３の下方の貯湯タンク１中間部から出湯させて出湯管３へ合流させるための中間出湯管、２０は中間出湯管１９と出湯管３との合流点に設けられて貯湯タンク１の上部からの湯と貯湯タンク１の中間部からの湯の何れか一方あるいは両方を混合して給湯混合弁５の湯側に流入させるための中間切替弁である。
【００１５】
２１はヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機２２と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２３と、冷媒の圧力を減圧する減圧器２４と、液冷媒を蒸発させる蒸発器２５とを備え、蒸発器２５で吸熱した冷媒を圧縮機２２で圧縮して冷媒水熱交換器２３を介して水を加熱するようにしている。このヒートポンプ式加熱手段２１には冷媒として二酸化炭素冷媒が用いられ、高圧側が超臨界状態となることにより水を９０℃の高温まで加熱することができるものである。
【００１６】
２６は貯湯タンク１の下部と冷媒水熱交換器２３の水側と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、２７は加熱循環回路２６途中に設けられた加熱循環ポンプ、２８は加熱循環回路２６の冷媒水熱交換器２３よりも下流側で分岐され貯湯タンク１の中間部とを接続する中間戻し管、２９は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１上部へ戻すか中間戻し管２８を介して貯湯タンク１中間部へ戻すかを切り換える三方弁より成る切換手段である。ここで中間戻し管２８は貯湯タンク１の間接熱交換器１３の上端より下方の貯湯タンク１の側面に接続されており、間接熱交換器１３の下端付近に接続されているのが好ましい。
【００１７】
３０は冷媒水熱交換器２３へ流入する水の温度を検出する入水温度センサ、３１は冷媒水熱交換器２３で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサ、３２は貯湯タンク１の側面の上下方向に複数設けられた貯湯温度センサで、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出するためのものであり、上から３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆと呼ぶ。なお、これら貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの内、３２ｂは間接熱交換器１３の中間部付近かつ中間戻し管２８よりも上方の貯湯温度を検出する位置に設けられ、３２ｃは間接熱交換器１３の下端より下方かつ中間戻し管２８よりも下方の貯湯温度を検出する位置に設けられているものである。
【００１８】
３３はリモコンで、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、フロ設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態等）を表示する表示部３４と、給湯設定温度およびフロ設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３５と、浴槽１２へ一定量の湯張りを指示する湯張りスイッチ３６と、浴槽水の追焚きを指示する追焚きスイッチ３７とを備えている。
【００１９】
３８は給湯温度センサ８、給湯流量センサ９、フロ温度センサ１８、入水温度センサ３０、沸き上げ温度センサ３１、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの検出値が入力され、フロ循環ポンプ１５、湯張り開閉弁１７、圧縮機２２、減圧器２４、加熱循環ポンプ２７、切換手段２９の作動を制御すると共に、リモコン３３と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段３８は、予め給湯装置の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。
【００２０】
また、制御手段３８には、リモコン３３で設定された給湯設定温度と最下部の貯湯温度センサ３２が検出した最低温度から推定される給水温度と給湯流量センサ９で検出する給湯流量から一日に貯湯タンク１から外部に供給した出湯熱量を算出する出湯熱量算出手段３９と、深夜時間帯での沸き上げ目標温度を前日の出湯熱量に基づいて決定する沸き上げ目標温度決定手段４０が設けられている。
【００２１】
次に、給湯動作について説明すると、給湯栓７が開かれると、貯湯タンク１の底部に給水管２から市水が流入すると共に貯湯タンク１の頂部から出湯管３あるいは中間出湯管１９を介して高温の湯が出湯し、制御手段３８は給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３３の温度設定スイッチ３５で設定された給湯設定温度になるよう給湯混合弁５の開度を調整し、給湯栓７から給湯設定温度の湯が給湯され、給湯栓７が閉じられることで給湯動作が終了する。
【００２２】
このとき、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも高い場合は、中間切替弁２０は中間出湯管１９側を開いて出湯管３側を閉じるように切り替えられ、貯湯タンク１中間部の湯が貯湯タンク１上部の湯よりも優先して出湯される。また、貯湯タンク１の中間部の湯温が給湯設定温度よりも低い場合は、中間切替弁２０は出湯管３側を開いて中間出湯管１９側を閉じるように切り替えられ、給湯設定温度の給湯を確実に行うようにしている。
【００２３】
この給湯時には、貯湯タンク１の底部へ流入した水は給水管２の断面積に比べて十分に大きな断面積を持つ貯湯タンク１内で十分に減速され、高温の湯の層をほとんど乱すことなく下方から水の層を形成する。そして、貯湯タンク１上部の高温の湯と貯湯タンク１下部の低温の水とが接する温度境界層Ｌが形成される。そして、給湯量が増加するにつれて貯湯タンク１上部の高温の湯の層が減少すると共に貯湯タンク１下部の水の層が増加し、温度境界層Ｌが上昇する。この温度境界層Ｌは所定の温度差があればそれぞれの温度に基づく比重の違いによって混じり合うことがないもので、時間の経過に伴う熱伝導によって温度境界層Ｌの厚みが増し徐々に温度勾配が緩くなっていくものである。
【００２４】
次に、湯張り動作について説明すると、リモコン３３の湯張りスイッチ３６が操作されると、制御手段３８は湯張り開閉弁１７を開いて給湯温度センサ８で検出する給湯温度がリモコン３３の温度設定スイッチ３５で設定されたフロ設定温度になるように給湯混合弁５の開度を調整して適温の湯を湯張りし、給湯流量センサ９が所望の湯張り流量を積算すると湯張り開閉弁１７を閉じて湯張り動作を終了する。
【００２５】
そして、湯張り動作が終了してから予め定めた一定時間は、浴槽水の温度をフロ設定温度に保つ保温動作を行う。この保温動作について説明すると、制御手段３８は所定のインターバル時間毎にフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水をフロ循環回路１４に循環させてフロ温度センサ１８で浴槽水の温度を検出する。浴槽水の温度がフロ設定温度より低い場合はフロ循環ポンプの駆動を継続し、間接熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了し、再度インターバル時間が経過すると同じ動作を繰り返す。そして、予め定めた一定時間が終了するとこの保温動作を終了する。
【００２６】
また、リモコン３３の追焚きスイッチ３７が操作されたときの追焚き動作について説明すると、浴槽水の温度をフロ設定温度＋一定温度（例えば２℃）まで追い焚きするように、制御手段３８はフロ循環ポンプ１５を駆動させ、浴槽水を間接熱交換器１３へ循環させ、間接熱交換器１３から貯湯タンク１内上部の湯の熱を吸熱して浴槽水を加熱する。そして、フロ温度センサ１８が検出する温度がフロ設定温度＋一定温度を検出するとフロ循環ポンプ１５の駆動を終了して追焚き動作を終了する。
【００２７】
次に、沸き上げ運転について図２のフローチャートに基づいて説明する。
電気料金単価の安価な深夜時間帯になったことを制御手段３８が認識すると（ステップＳ１）、沸き上げ目標温度決定手段４０は、出湯熱量算出手段３９で算出した出湯熱量と、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆで検出する貯湯タンク１内の残湯熱量と、最下部の貯湯温度センサ３２ｆで検出する給水温度とに基づいて、下記の式から深夜時間帯での温度を算出し、算出した温度を５℃刻みの温度に切り上げて沸き上げ目標温度を決定する。
【００２８】
沸き上げ目標温度＝｛（出湯熱量−残湯熱量）／（タンク容量−残湯量）｝＋給水温度
ここで、タンク容量は貯湯タンク１の容量に基づいて予め定められた値（ここでは貯湯タンク１の容量から深夜時間帯の開始時まで確保しておくべき最低貯湯量を減じた値）を用い、残湯量は貯湯温度センサ３２ａ〜ｆでヒートポンプ式加熱手段２１での再沸き上げが難しい所定の温度（例えば５０℃）以上の湯の分布状態から残湯量を検出するようにしている。
【００２９】
そして、制御手段３８は、沸き上げる湯量（タンク容量−残湯量）と沸き上げ目標温度とヒートポンプ式加熱手段２１の定格加熱能力とから深夜時間帯の終了時刻前に翌日に必要な熱量が沸き上がるような沸き上げ開始時刻をピークシフト演算によって算出する（ステップＳ２）。
【００３０】
そして、現在時刻が沸き上げ開始時刻に到達すると（ステップＳ３）、中間戻し管２８の接続高さ付近の貯湯温度センサ３２ｃの検出温度をチェックし、検出温度が予め定めた上限温度以下かつ下限温度以上の温度範囲である所定の温度範囲内にある場合は（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御手段３８は中間戻し管２８高さ付近に中温水があると判断し、切換手段２９を中間戻し管２８側に切り換えて貯湯タンク１の中間部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（ステップＳ５）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ６）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の中間部から戻して貯湯する中間沸き上げ動作を開始する。
【００３１】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ付近に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００３２】
そして、中間戻し管２８を介した循環による沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ７〜ステップＳ８）。ここで終了条件は、例えば、貯湯タンク１最下部の貯湯温度センサ３２ｆが所定の温度を検出すること、あるいは、ヒートポンプ式加熱手段２１の入水温度センサ３０が所定の入水上限温度（例えば５０℃）を検出することで終了条件が成立したと判断するようにしている。
【００３３】
なお、前記所定の温度範囲は、その温度範囲の上限温度を前記入水上限温度あるいはこの入水上限温度より一定温度（例えば１０℃程度）高い温度とし、下限温度を試験等の知見によって予め定めておいた加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を許容できる上限の温度（例えば３５℃）としている。
【００３４】
一方、前記ステップＳ４で中間戻し管２８高さ付近に中温水がないと判断された場合、次のステップＳ９では、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ位置よりも高い位置に中温水層が存在するかどうかを判断する。中間戻し管２８よりも高い位置の貯湯温度センサ３２ｂの検出温度が前記所定の温度範囲内にある場合は（ステップＳ９でＹｅｓ）、制御手段３８は中間戻し管２８高さより高い位置に中温水層があると判断し、切換手段２９を貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ１０）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ１１）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。
【００３５】
この上部沸き上げ動作によって中温水層は下方へ押し下げられ、中間戻し管２８高さ付近の貯湯温度センサ３２ｃの検出温度が前記所定の温度範囲内となると（ステップＳ１２でＹｅｓ）、中間戻し管２８高さ付近まで中温水層が押し下げられてきていると判断し、切換手段２９を中間戻し管２８側に切り換えて貯湯タンク１の中間部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とし（ステップＳ１３）、中間沸き上げ動作に遷移して沸き上げ運転を継続する。
【００３６】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管２８高さ以上に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、加熱した湯を貯湯タンク１の上部から戻すことで中温水層を中間戻し管２８高さ付近まで一旦押し下げ、そして切換手段２９を切り換えて貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００３７】
また一方、前記ステップＳ９で中間戻し管２８高さ以上に所定の温度範囲内の中温水層が存在しない場合は（ステップＳ９でＮｏ）、中間戻し管２８高さよりも高い位置に中温水層が存在しないので、切換手段２９を貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ１４）とともに、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ１５）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ７〜ステップＳ８）。
【００３８】
このように、中間戻し管２８高さよりも高い位置に中温水層が存在しない場合は、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げた湯を貯湯タンク１の上部から戻して貯湯することで、効率的な貯湯状態を保ったままで沸き上げ運転を行うことができる。
【００３９】
以上のように、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管２８の高さ付近、あるいは以上に中温水層が存在する場合は、貯湯タンク１下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げて中間戻し管２８から貯湯タンク１内に導入して中温水を高温にするようにしているため、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げる中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【００４０】
次に、本発明の他の一実施形態を図３、４に基づいて説明する。
なお、先の一実施形態と同一のものは同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】
この実施形態では、ヒートポンプ式加熱手段２１で加熱した湯を貯湯タンク１の中間部に戻す複数の中間戻し管４１ａ〜ｃを複数設け、それぞれの中間戻し管４１ａ〜ｃおよび最下流の中間戻し管４１ａの分岐点よりも下流側の加熱循環回路２６には開閉弁で構成された複数の切換手段４２ａ〜ｄが設けられている。
【００４２】
次に、沸き上げ運転について図４のフローチャートに基づいて説明する。
電気料金単価の安価な深夜時間帯になったことを制御手段３８が認識すると（ステップＳ２１）、沸き上げる湯量（タンク容量−残湯量）と沸き上げ目標温度とヒートポンプ式加熱手段２１の定格加熱能力とから深夜時間帯の終了時刻前に翌日に必要な熱量が沸き上がるような沸き上げ開始時刻をピークシフト演算によって算出する（ステップＳ２２）。
【００４３】
そして、現在時刻が沸き上げ開始時刻に到達すると（ステップＳ２３）、貯湯温度センサ３２ａ〜ｆの検出温度をチェックし、前記所定の温度範囲内の中温水層がどの高さ位置に存在するかを検知する（ステップＳ２４）。中温水層が存在する場合は（ステップＳ２４でＹｅｓ）、中温水層の最下部に一番近い高さ位置に接続された中間戻し管４１を介して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１中間部が連通する状態とするように、切換手段４２ａ〜ｄを切り換える（ステップＳ２５）。ここでは、図３に示すように貯湯温度センサ３２ｃ付近に中温水層が存在する場合にあっては、切換手段４２ａ、４２ｃ、４２ｄを閉止し、切換手段４２ｂを開放して中間戻し管４１ｂを介して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１中間部が連通するようにしている。
【００４４】
次に、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ２６）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の中間部から戻して貯湯する中間沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ２７〜ステップＳ２８）。
【００４５】
このようにして、貯湯タンク１の中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に所定の温度範囲内の中温水が存在する場合は、貯湯タンク１の底部から取り出した低温の水をヒートポンプ式加熱手段２１で高効率で加熱して中温水層に混合拡散し、中温水はヒートポンプ式加熱手段２１で加熱された湯と混ざり合うことによって昇温されることとなり、中温水の沸き上げに伴うヒートポンプ式加熱手段２１の加熱効率（ＣＯＰ）の悪化を避けることができる。
【００４６】
一方、前記ステップＳ２４で中間戻し管４１ａ〜ｃ高さ付近に所定の温度範囲内の中温水層が存在しない場合は（ステップＳ２４でＮｏ）、切換手段４２ａ〜ｄを貯湯タンク１上部側に切り換えて貯湯タンク１の上部が冷媒水熱交換器２３と連通する状態とする（Ｓ２９）。ここでは、切換手段４２ａ〜ｃを閉止し、切換手段４２ｄを開放して冷媒水熱交換器２３と貯湯タンク１上部が連通するようにしている。
【００４７】
次に、圧縮機２２と減圧器２４と加熱循環ポンプ２７を駆動制御し（ステップＳ３０）、沸き上げ目標温度に加熱した湯を加熱循環回路２６を介して貯湯タンク１の上部から戻して貯湯する上部沸き上げ動作を開始する。そして、沸き上げ運転が進行し、翌日に必要な熱量が沸き上げて沸き上げ運転の終了条件が成立すると沸き上げ運転を終了する（ステップＳ２７〜ステップＳ２８）。
【００４８】
なお、最上部の中間戻し管４１ａよりも上部に中温水層があると判断したり、上下に隣り合う中間戻し管４１ａと４１ｂ、４１ｂと４１ｃの間に中温水層があると判断した場合は、先の一実施形態と同様に、一旦上部沸き上げ動作を行って中温水層を下方へ押し下げてから中間沸き上げ動作を行うようにするようにしてもよいものである。
【００４９】
このように、中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に中温水層が存在しない場合は、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げた湯を貯湯タンク１の上部から戻して貯湯することで、効率的な貯湯状態を保ったままで沸き上げ運転を行うことができる。
【００５０】
以上のように、深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時に中間戻し管４１ａ〜ｃの高さ付近に中温水層が存在する場合は、貯湯タンク１下部から取り出した低温水をヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げて中温水送付金の中間戻し管４１ａ〜ｃから貯湯タンク１内に導入して中温水を高温にするようにしているため、ヒートポンプ式加熱手段２１で沸き上げる中温水の量を減少することができ、高い加熱効率で沸き上げ運転を行うことができ、さらに、沸き上げ運転終了時の貯湯熱量を多くして湯切れを防止することができる。
【００５１】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で変更が可能なものであり、例えば、中間沸き上げ動作を開始した後に中温水の温度が沸き上げ目標温度に近い温度まで昇温されると、切換手段２９、４１を切り換えて上部沸き上げ動作を行うようにしてもよいものである。
【００５２】
また、間接熱交換器１３で加熱する対象を浴槽１２ではなく温水暖房端末としてもよく、また、間接熱交換器１３を貯湯タンク１内部に配置した構成から循環回路を介して貯湯タンク１外部に配置した構成、あるいは間接熱交換器１３を備えない構成としてもよいものである。
【符号の説明】
【００５３】
１ 貯湯タンク
２ 給水管
３ 出湯管
２１ ヒートポンプ式加熱手段
２６ 加熱循環回路
２７ 加熱循環ポンプ
２８（４１） 中間戻し管
２９（４２） 切換手段
３２ 貯湯温度センサ
３８ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記ヒートポンプ式加熱手段よりも下流側の前記加熱循環回路から分岐され前記貯湯タンク中間部に接続された中間戻し管と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部へ戻すか前記中間戻し管を介して前記貯湯タンク中間部へ戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサとを備え、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【請求項２】
前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲より低い温度を検知し、かつ前記中間戻し管の接続高さより高い位置の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を開始し、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知すると、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【請求項３】
前記中間戻し管を複数本設け、前記切換手段を介して貯湯タンクの異なる高さ位置に接続し、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転時には、前記所定の温度範囲内の温度を検知している貯湯温度センサの高さ付近の中間戻し管を選択するよう前記切換手段を切り替え、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【請求項１】
湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻す加熱循環回路と、前記加熱循環回路途中に設けられ湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記加熱循環回路途中に設けられ前記貯湯タンクの湯水を循環させる加熱循環ポンプと、前記ヒートポンプ式加熱手段よりも下流側の前記加熱循環回路から分岐され前記貯湯タンク中間部に接続された中間戻し管と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱された湯水を前記加熱循環回路を介して前記貯湯タンク上部へ戻すか前記中間戻し管を介して前記貯湯タンク中間部へ戻すかを切り換える切換手段と、前記貯湯タンク側面の上下方向に複数設けられ前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するための貯湯温度センサとを備え、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行い、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが所定の温度範囲外の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を行う制御手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【請求項２】
前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転開始前に、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲より低い温度を検知し、かつ前記中間戻し管の接続高さより高い位置の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知している場合は、前記切換手段を前記貯湯タンク上部側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク上部へ戻して沸き上げ運転を開始し、前記中間戻し管の接続高さ付近の貯湯温度センサが前記所定の温度範囲内の温度を検知すると、前記切換手段を前記中間戻し管側へ切り換えて前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【請求項３】
前記中間戻し管を複数本設け、前記切換手段を介して貯湯タンクの異なる高さ位置に接続し、前記制御手段は、夜間時間帯での沸き上げ運転時には、前記所定の温度範囲内の温度を検知している貯湯温度センサの高さ付近の中間戻し管を選択するよう前記切換手段を切り替え、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記貯湯タンク中間部へ戻して沸き上げ運転を行うようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ貯湯式給湯装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１７８９３（Ｐ２０１２−１７８９３Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５４６９４（Ｐ２０１０−１５４６９４）
【出願日】平成２２年７月７日（２０１０．７．７）
【出願人】（００００００５３８）株式会社コロナ (753)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月７日（２０１０．７．７）
【出願人】（００００００５３８）株式会社コロナ (753)
【Ｆターム（参考）】
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