JP2001255005A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮機が効率的に定常状態になるようにし
て、一定温度の利用水を速やかに貯湯できるようにす
る。 【解決手段】 貯湯が開始された際に、定常的に貯湯が
行えるようになったときの目標流量Ｑｎを演算し（ステ
ップＳ２）、冷媒により加熱された利用水の温度Ｔが循
環開始温度Ｔｓになるまで当該利用水の循環を停止して
おく。そして、循環開始温度Ｔｓより高くなったときに
は（ステップＳ４）、目標流量Ｑｎより所定量多い流量
を循環させ（ステップＳ５）、また温度Ｔが定常循環温
度Ｔｎ以上になると目標流量Ｑｎを循環させる（ステッ
プＳ６、ステップＳ７）。これにより効率的に圧縮機が
所定の周波数になるようにして、一定温度の利用水を速
やかに貯湯できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプサイ
クルを利用して給湯が行えるようにしたヒートポンプ給
湯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、給湯装置としては、ガス、灯油、
電気を熱源として市水を加熱して利用する構成が一般的
である。

【０００３】このような構成に対して、近年冷媒回路を
用い大気の熱を汲上げて水を加熱するために運転効率が
良いヒートポンプサイクルを利用した給湯装置が開発さ
れている。

【０００４】図４は、特公平４−６８５１号公報におい
て開示されている給湯装置の構成図で、冷媒回路１１０
と貯湯部１２０とを主要構成としている。

【０００５】冷媒回路１１０は、冷媒を圧縮する圧縮機
１１１、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１１２、凝
縮した冷媒を減圧させる膨張弁１１３、冷媒を膨張蒸発
させる蒸発器１１４等を有している。

【０００６】また、貯湯部１２０は、給湯水や風呂用水
等の利用水を貯留する貯湯槽１２１、利用水が循環して
凝縮器１１２を循環する冷媒と熱交換させることにより
当該利用水を加熱させる受熱器１２２、貯湯槽１２１の
利用水を受熱器１２２を介して循環させる送水ポンプ１
２３等を有している。

【０００７】なお、冷媒回路１１０で得られる温度より
高温な湯を必要としたりする場合があるので、かかる場
合には電気ヒータ１２７に通電して補助加熱するように
なっている。

【０００８】このような構成で、冷媒回路１１０では、
圧縮機１１１により圧縮されて高温高圧となった冷媒は
凝縮器１１２に循環し、ここで温水熱交換器１２６に設
けられた受熱器１２２を循環する利用水と熱交換して凝
縮する。

【０００９】その後、凝縮した冷媒は、膨張弁１１３で
減圧され、蒸発器１１４で蒸発する。このときの蒸発に
要する熱は大気から供給される。

【００１０】一方、貯湯槽１２１に貯留された利用水
は、当該貯湯槽１２１の底部側から送水ポンプ１２３に
より受熱器１２２を介して貯湯槽１２１の上部側に送ら
れ、当該受熱器１２２を通過する際に冷媒と熱交換して
加熱されてお湯になる。

【００１１】このようにして貯湯槽１２１に貯湯された
お湯は、給水口１２４から加圧給水される市水の圧力で
取水口１２５から吐出されて利用される。

【００１２】なお、冬場等においては蒸発器１１４に霜
や氷が着氷して外気と冷媒との熱交換効率を低下させて
しまうので、このような場合には例えば冷媒の循環方向
を逆にして蒸発器１１４に圧縮機１１１からの高温高圧
の冷媒を循環させて着氷した氷等を除去する除霜運転が
行われる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷媒回
路を起動した直後における圧縮機の駆動周波数は低く、
徐々に所定の周波数に近づいて定常状態となるため、こ
の間は凝縮器の冷媒により加熱された利用水の温度も低
く、かかる温度の低い利用水を貯湯槽に循環させてしま
うと、既に所定温度で貯湯されている利用水が冷えてし
まう問題がある。

【００１４】無論、このような場合には圧縮機が定常状
態で駆動されるまで、利用水の循環を停止させておくこ
とも可能であるが、かかる場合には定常状態に達するま
での時間が長くなってしまい、貯湯完了が遅れる問題が
あった。

【００１５】そこで、本発明は、圧縮機が効率的に定常
状態になるように、また貯湯完了までの時間を短くでき
るようにして利便性を高めたヒートポンプ給湯装置を提
供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、圧縮機、該圧縮機から吐
出される高温高圧の冷媒で利用水を加熱する凝縮器、減
圧装置、蒸発器を冷媒配管により環状に接続した冷媒回
路と、貯湯槽内の利用水を該貯湯槽の下部より取出し凝
縮器を介して貯湯槽の上部に循環ポンプを用いて循環さ
せる温水回路とを有するヒートポンプ給湯装置におい
て、温水回路を循環する利用水の量を信号に基づいて調
整する流量調整弁と、凝縮器で加熱された利用水の温度
が第１の設定温度以上で温水回路を循環する利用水の循
環量を凝縮器で加熱された利用水の温度が第２の設定温
度になるように０から変える信号を流量調整弁へ出力す
ると共に、この凝縮器で加熱された利用水の温度が第３
の設定温度以下の際に信号を流量調整弁が開く方向へ補
正する制御手段とを有して、圧縮機が効率的に定常状態
になるように、また貯湯完了までの時間を短くできるよ
うにして利便性を高めたことを特徴とする。

【００１７】請求項２にかかる発明は、第１の設定温
度、第２の設定温度及び第３の設定温度が、第１の設定
温度＜第２の設定温度＜第３の設定温度の関係を満たす
ように設定されていることを特徴とする。

【００１８】請求項３にかかる発明は、凝縮器で加熱さ
れた利用水の温度は、貯湯槽の下部の利用水の温度で補
正されることを特徴とする。

【００１９】請求項４にかかる発明は、流量調整弁が開
く方向へ補正する信号は、開度が１．１倍に補正された
ものであることを特徴とする。

【００２０】請求項５にかかる発明は、第１の設定温度
を約４０℃、第２の設定温度を約４７℃に設定したこと
を特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は本発明の実施の形態の説明に適用さ
れるヒートポンプ給湯装置の構成図で、冷媒回路１、貯
湯部２及びこれらの動きを制御する制御手段である制御
部３を主要構成としている。

【００２２】冷媒回路１は、冷媒Ｒを圧縮する圧縮機１
１、冷媒Ｒを凝縮させる凝縮器１２、冷媒Ｒを減圧又は
絞る減圧装置１３、冷媒Ｒと外気とを熱交換させて当該
冷媒Ｒを蒸発させる蒸発器１４等を有している。

【００２３】また、貯湯部２は利用水を貯湯する断熱構
造の貯湯槽２１、利用水Ｗが循環すると共に凝縮器と熱
接触するように設けられた受熱器２２、貯湯槽２１の利
用水Ｗを受熱器２２を介して循環させる循環ポンプ２
３、該循環ポンプ２３で循環させる利用水の循環量を調
整する流量調整弁である流量調整弁２４、受熱器２２か
ら貯湯槽２１に戻る利用水の温度を検出する吐出温度検
出器２５、受熱器２２入る利用水の温度を検出する流入
温度検出器２７等を有し、貯湯槽の底部側には電気ヒー
タ４７が適宜設けられて、特に高温の湯を貯湯したいよ
うな場合に用いられる。

【００２４】なお、凝縮器１２と受熱器２２はそれぞれ
熱伝導特性の優れたパイプ（銅パイプ等）等により形成
され、これらが熱交換可能に密着されて温水熱交換器２
６を形成している。無論、このような密接構造でなく、
種々の構造、例えば受熱器２２のパイプに凝縮器１２の
パイプを挿入して形成された２重管構造であっても良
い。

【００２５】そして、冷媒回路１において、冷媒は圧縮
機１１で圧縮されて高温高圧となって凝縮器１２に供給
される。この凝縮器１２と熱接触する受熱器２２には貯
湯槽２１の底部に設けられた循環供給口４１から貯湯槽
２１内の利用水が循環ポンプ２３で圧送されて供給され
るようになっているので、凝縮器１２を循環する冷媒は
当該受熱器２２に供給される利用水に熱を与えて凝縮
し、減圧装置により減圧又は絞られて、蒸発器１４で蒸
発して圧縮機に戻る。このとき、冷媒は外気から蒸発熱
を奪う（汲上げる）ことにより蒸発する。

【００２６】一方、受熱器２２で凝縮器１２の冷媒から
熱を受けて約６０℃にまで加熱された利用水は、貯湯槽
２１の上部に設けられた循環吐出口４２から当該貯湯槽
２１に戻り、貯湯槽２１の上部から順に約６０℃の湯が
溜るようになる。

【００２７】貯湯槽の内壁には、所定位置に槽内温度検
出器４３〜４６が上下方向に並んで設けられて、これら
の槽内温度検出器４３〜４６が全て所定の温度以上にな
ると、貯湯槽２１内が所定温度のお湯で満たされ、貯湯
が完了したと判断する。

【００２８】なお、貯湯槽２１に利用水を注入する際
は、止水栓５１、減圧弁５２、逆止弁５３等を経て貯湯
槽２１の底部に設けられた貯留給水口４９から市水が供
給される。

【００２９】この止水栓５１は、通常開いた状態で使用
されていて、利用水が利用されるとその分だけ補給され
るようになっていて、これにより貯湯槽は常に満タンの
状態が維持されるようになっている。

【００３０】また減圧弁は、市水等の水圧を調整して貯
湯槽内が常に一定の減圧後の圧力となるようにし、当該
圧力で当該貯湯槽に貯湯されている利用水が蛇口等から
吐出されて取水できるようになっている。

【００３１】貯湯槽に貯湯されたお湯を例えばシャワー
や蛇口等の取水器３５から取水する場合には、利用水が
湯取出口４８から当該貯湯槽の内圧により圧送されて、
電動混合弁５４で市水等と混合されて設定温度（３０℃
〜６０℃）に調整された後取水される。

【００３２】なお、冬場のように、外気温が低い場合に
は、貯湯槽２１に貯湯した利用水Ｗが冷えてしまい、給
湯時に所望の温度より低くなっている場合もある。そこ
で、外気温が例えば１５℃以下の場合には、電気ヒータ
４７を駆動するようにして、貯湯温度が適宜高くなるよ
うにしている。

【００３３】ところで、冷媒回路１を起動した直後は、
圧縮機１１が定常周波数で駆動されず、また凝縮器１２
等の部材の温度も定常状態に達していない。このため、
同じ貯湯条件でも凝縮器１２から貯湯槽２１に戻る利用
水Ｗの温度が低くなったりすることがある。

【００３４】無論、かかる場合にはこれらが一定状態に
達するまで利用水Ｗが貯湯槽２１に戻るのを停止させる
ことも可能である。

【００３５】しかし、圧縮機１１が定常周波数に達する
までの時間は、凝縮器１２の温度が低い方が早くなるの
で、利用水Ｗの循環を止めてしまうと当該時間が長くな
ってしまう不都合がある。

【００３６】そこで、本発明では短時間に、かつ、効率
的に貯湯が行えるように、図２に示すような手順で貯湯
槽２１に戻る利用水Ｗの流量を調整するようにしてい
る。図２に示す手順を図３に示す昇温過程を参照して説
明する。

【００３７】なお、図３に示す昇温過程は定性的な図
で、曲線は、最初から後述する目標流量で利用水Ｗを
循環させた場合、曲線は利用水Ｗを循環させない場
合、曲線は本発明に従い流量を調整して循環させた場
合の昇温過程を示している。また、点線は、定常状態で
の温度を示している。

【００３８】制御がスタートすると、循環ポンプ２３が
停止状態になるようにして（Ｑ＝０）冷媒回路１が起動
する（ステップＳ１）。

【００３９】そして、後述する方法により定常状態にお
ける循環量を演算し、これを目標流量Ｑとして設定して
（ステップＳ２）、貯湯槽２１に戻る利用水Ｗの温度Ｔ
を吐出温度検出器２５で検出する（ステップＳ３）。

【００４０】この状態では、利用水Ｗが循環していない
ので、凝縮器１２の温度上昇は最も早いが、このことは
圧縮機１１等が最も早く定常状態に達することを意味し
ていない。

【００４１】定常状態をどのような状態に設定するかに
もよるが、凝縮器１２の温度が余り高くなると当該凝縮
器１２での凝縮量が少なくなって、圧縮機１１にとって
高負荷の状態となり図示しない保護回路が圧縮機１１の
駆動周波数を下げるように作用する。

【００４２】図３に示す矢印Ａは保護回路により駆動周
波数が制御された点を示している。本発明では、この保
護回路が動作する前に循環を開始させるようにしてい
る。

【００４３】即ち、ステップＳ４で温度Ｔが、予め設定
された第１の設定温度である循環開始温度Ｔｓより低い
場合（Ｔ≦Ｔｓ）には、循環停止状態を継続させ、循環
開始温度Ｔｓより高くなった場合（Ｔ＞Ｔｓ）には流量
ＱをＱ＝Ｑｎ＊αとして循環を開始する。

【００４４】この循環開始温度Ｔｓは保護回路が働かな
い温度であることは、上述したとおりであり、また循環
を開始することにより凝縮器１２の温度は下がるので圧
縮機１１の負荷が小さくなってより早く定常状態に近づ
こうとする。図３における点Ｂから点Ｃに向けた昇温過
程がこれに対応している。

【００４５】このような状態で温度Ｔが第２の設定温度
である定常循環温度Ｔｎに達すると（ステップＳ６）、
流量Ｑを目標流量Ｑｎに設定する（ステップＳ７）。

【００４６】このことは循環量が絞られることを意味し
ているので、単位時間あたりに凝縮器１２が失う熱も少
なくなって温度が上昇すると共に、圧縮機１１にとって
は負荷が大きくなる方向に作用して、これらの総合的な
効果により、系は速やかに定常状態に達するようにな
る。

【００４７】なお、上述した各パラメータの一例とし
て、Ｔｓ＝４０℃、Ｔｎ＝４７℃、α＝１．１を例示す
ることができるが、これらの値は圧縮機１１や凝縮器１
２等の冷媒回路１の能力、循環ポンプ２３の送水制御精
度等に依存するので一概に規定することができないこと
は言うまでもない。

【００４８】また、先に述べた目標流量は、経験式Ｑ＝
８６０／（ＷＳ２−ＷＳ１）／６０［リットル／分］に
より求められる。

【００４９】ここで、ＷＳ１は、流入温度検出器２７が
検出した受熱器２２に入ってくる利用水Ｗの温度であ
り、ＷＳ２は吐出温度検出器２５が検出して受熱器２２
から出ていく利用水Ｗの温度である。そして、このＷＳ
２が第３の設定温度である目標温度になるように循環流
量Ｑを制御部３が演算する。

【００５０】ところが、利用水Ｗの流入温度ＷＳ１は、
必ずしも実際に流入している利用水Ｗの温度と一致して
いない場合がある。例えば、冷媒回路１を起動した際に
前回の起動により温水熱交換器２６や受熱器２２等の流
入温度検出器２７が取付けられている部分の温度が高く
なっている場合があったり、また外気温の影響を受けた
りする。

【００５１】そこで、本発明では、受熱器２２に流入す
る利用水Ｗが貯留されている場所の温度、即ち貯湯槽２
１の下部に位置する利用水Ｗの温度ＴＳ１を流入温度と
している。

【００５２】なお、この温度ＴＳ１は、槽内温度検出器
４６により検出された温度で、これにより、より正確な
流量制御が可能になる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
利用水の循環量を調整する流量調整器と、凝縮器の冷媒
で加熱された利用水の温度が所定温度になるように循環
量を演算すると共に、凝縮器の冷媒で加熱された利用水
の温度が、予め設定された循環開始温度以下のときには
循環を停止させ、また当該循環開始温度以上であって予
め設定された定常循環温度以下の温度のときには、演算
した循環量より所定量多い量を循環させ、さらに定常循
環温度以上のときには演算した循環量で循環させるよう
に流量調整器を制御する制御部とを設けたので、圧縮機
が効率的に定常状態になると共に、貯湯完了までの時間
が短くできるようになって利便性を高めたることが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるヒート
ポンプ給湯装置の構成図である。

【図２】起動時における流量調整手順を示すフローチャ
ートである。

【図３】起動時における凝縮器の昇温過程を説明するた
めの図である。

【図４】従来の技術の説明に適用される給湯装置の構成
図である。

【符号の説明】

１ 冷媒回路 ２ 貯湯部 ３ 制御部 １１ 圧縮機 １２ 凝縮器 １３ 減圧装置 １４ 蒸発器 ２１ 貯湯槽 ２２ 受熱器 ２３ 循環ポンプ ２４ 流量調整弁 ２５ 温度検出器 ２５ 吐出温度検出器 ２７ 流入温度検出器 ４３〜４６ 槽内温度検出器 ４７ 電気ヒータ

フロントページの続き (72)発明者 小山 清 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 滝澤 禎大 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 石垣 茂弥 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 3L025 AB21

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、該圧縮機から吐出される高温高
   圧の冷媒で利用水を加熱する凝縮器、減圧装置、蒸発器
   を冷媒配管により環状に接続した冷媒回路と、貯湯槽内
   の利用水を該貯湯槽の下部より取出し前記凝縮器を介し
   て前記貯湯槽の上部に循環ポンプを用いて循環させる温
   水回路とを有するヒートポンプ給湯装置において、 前記温水回路を循環する利用水の循環量を信号に基づい
   て調整する流量調整弁と、 前記凝縮器で加熱された利用水の温度が第１の設定温度
   以上で温水回路を循環する利用水の循環量を前記凝縮器
   で加熱された利用水の温度が第２の設定温度になるよう
   に０から変える信号を前記流量調整弁へ出力すると共
   に、この凝縮器で加熱された利用水の温度が第３の設定
   温度以下の場合に前記信号を前記流量調整弁が開く方向
   へ補正する制御手段とを有することを特徴とするヒート
   ポンプ給湯装置。
2. 【請求項２】 前記第１の設定温度、第２の設定温度及
   び第３の設定温度が、 第１の設定温度＜第２の設定温度＜第３の設定温度の関
   係を満たすように設定されていることを特徴とする請求
   項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 【請求項３】 前記凝縮器で加熱された利用水の温度
   は、前記貯湯槽の下部の利用水の温度で補正されること
   を特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプ給湯装
   置。
4. 【請求項４】 前記流量調整弁が開く方向へ補正する信
   号は、開度が１．１倍に補正されたものであることを特
   徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のヒートポン
   プ給湯装置。
5. 【請求項５】 前記第１の設定温度を約４０℃、第２の
   設定温度を約４７℃に設定したことを特徴とする請求項
   １乃至４いずれか１項記載のヒートポンプ給湯装置。