JP2003240344A

JP2003240344A - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP2003240344A
Application number: JP2002041048A
Authority: JP
Inventors: Keijiro Kunimoto; 啓次郎國本; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Ryuta Kondo; 龍太近藤; Satoshi Matsumoto; 松本　　聡; Satoshi Imabayashi; 敏今林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2003-08-27
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP3778102B2

Abstract

(57)【要約】【課題】応答性と安定性を両立した給湯ができる瞬間
湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置で
あって、ヒートポンプサイク７ルの放熱器３の冷媒流路
ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器１０での
所要加熱量を設定する負荷設定手段１８と、この負荷設
定手段１８の設定値に応じて熱交換器１０の加熱量を制
御する加熱制御手段１９を有する構成としているので、
給湯開始直後に必要な加熱ができ、給湯制御の応答性が
よく、出湯温度の安定性もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、瞬間湯沸し型のヒ
ートポンプ給湯装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】瞬間湯沸し型給湯装置としては、ガスや
石油の燃焼を用いた給湯機が従来より使用されてきた
が、これらは排ガスによる大気汚染や、直接燃焼させる
ことへの不安感、燃焼音など避けられない課題を抱えて
いた。これに対し、貯湯タンクに湯を貯えて給湯するヒ
ートポンプ給湯器があり、こちらは燃焼による給湯機の
問題を解消し、しかもヒートポンプにより熱効率がよい
ものであった。しかし、貯湯タンクが大きく、重量や設
置スペースなど施工上に問題があった。このヒートポン
プによる瞬間湯沸しの発想は従来よりあったが、ヒート
ポンプの場合は燃焼給湯機と違い、気温や湿度や水温な
どの自然条件によって給湯能力が変動する。しかも、給
湯流量が変化する条件下で幅広い給湯能力をカバーし、
素早く一定の出湯温度を維持することが難しかった。

【０００３】こうした問題を解決する瞬間湯沸し型のヒ
ートポンプ給湯装置として特開平２−２２３７６７号公
報に記載されているような給湯装置が提案されていた。
このヒートポンプ給湯装置は図６に示すように、閉回路
に構成される冷媒流路１で圧縮機２、放熱器３、減圧手
段４、吸熱器５が接続されたヒートポンプサイクル７
と、放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を
備えた熱交換器１０と、この水流路９に水道水を供給す
る給水管１１と、前記水流路９とシャワーや蛇口等の給
湯端末１２とを接続する給湯回路１３と、給湯回路１３
に設け給湯温度を検出する温度センサ１４と、圧縮機２
の回転数を制御するインバータ１５を備え、圧縮機２を
温度センサ１４の検出温度と設定温度との差に応じてイ
ンバータ１５の出力周波数を変換するようにしていた。
すなわち従来の給湯装置では設定温度に対して給湯温度
が低い場合は圧縮機２の回転数を上げ、給湯温度が高い
場合は回転数を下げるように制御するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような瞬間湯沸し
型では給湯時における給湯負荷が一定ではない。特に流
量は使用者が給湯目的によってさまざまに変化させるた
めに給湯負荷は大きく変ってしまう。例えば家庭用の給
湯の場合、シャワーや風呂への湯張りに給湯する場合は
１０〜２０L/minの大流量となるが、台所で食器を洗う
場合や洗面への給湯では３〜５L/minと少流量である。
また、季節による給水温度の変化によっても給湯負荷は
大きく変る。

【０００５】こうした流量や水温の変化により大きくか
わる給湯負荷を、従来のヒートポンプ給湯装置のように
給湯温度と設定温度の差だけで圧縮機の回転数を変えて
給湯熱量を制御しようとした場合に制御の応答性と安定
性に不都合が生じてくる。例えば制御の安定性を良くす
るために給湯温度と設定温度との温度差と圧縮機の回転
数の係数である制御ゲインを低くすると、温度差の変化
量に対する回転数の変化量が少なくなるので給湯温度変
化が緩やかになり、設定温度に達するのに時間がかかっ
たり、オフセットにより流量や水温の違いによって給湯
温度の安定値が設定温度にならず変化したりする。逆に
制御ゲインを上げると給湯負荷の大きな大流量では、圧
縮機の回転数の変化に対する給湯温度の変化が少ないの
で安定に制御できても、圧縮機の回転数の変化に対する
給湯温度の変化が急峻になる小流量での給湯では、圧縮
機の回転数の制御の変化が急峻になり給湯温度が安定し
ないばかりか、給湯温度と回転数の変化の位相のずれに
よりハンチングを起こして制御が発散する可能性もあっ
た。

【０００６】また、瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装
置は給湯の開始時にヒートポンプサイクル全体の圧力や
温度の立上がりに時間を要するため、ガス給湯機などに
比べ熱交換器の水流路からの出湯に遅れが生じる。この
給湯開始時に従来の制御方法では、給湯温度と設定温度
の差だけで圧縮機の回転数を設定するので、大流量であ
っても少流量であっても給湯開始時のように給湯温度が
低い状態では圧縮機の回転数は一様に高いレベルに設定
されてしまう。したがって、少流量の場合に熱交換器か
らの出湯温度が急上昇してオーバーシュートして設定温
度より高温の湯が出たり、放熱器温度の上昇によって圧
縮機出口の圧力が異常に高くなるなどの不都合が発生し
たりする。

【０００７】さらに、従来のヒートポンプ給湯装置のよ
うに単一の圧縮機の回転数を変えるだけの制御では能力
変更幅に限界があり、例えば冬場のシャワーと風呂の湯
張りの同時使用といった大能力から、夏場の食器洗いな
どの微小能力までの幅広い給湯能力をカバーできなかっ
た。そのためシャワー温度が低下したり、食器洗いで熱
い湯がでたりするなどの不都合がでる可能性があった。

【０００８】また、気温や水温や給湯負荷によりヒート
ポンプサイクルの運転条件が変ると、運転効率も変化す
るが、従来のヒートポンプ給湯装置では給湯温度に応じ
て圧縮機の回転数を変えるだけなので、運転効率は成り
行きとなり、加熱効率の悪い条件でもそのまま運転され
ていた。したがって条件によっては極端に効率が悪化
し、能力が発揮できなくなるばかりでなく、ランニング
コストも高いものなる可能性もあった。

【０００９】以上のように従来のヒートポンプ給湯装置
では給湯負荷の大小に関わりなく一律に加熱制御を行う
ために幅広い給湯負荷への対応が困難であったり、制御
の応答性と安定性を両立させることができなかったり、
効率が悪化するなどの問題があった。

【００１０】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、広い能力幅を有し、制御性と効率のよい給湯ができ
る瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、本発明の瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯
装置は、ヒートポンプサイクルの放熱器の冷媒流路ａと
熱交換を行う水流路を備えた熱交換器での所要加熱量を
設定する負荷設定手段と、この負荷設定手段の設定値に
応じて前記熱交換器の加熱量を制御する加熱制御手段を
有するものである。

【００１２】上記発明によれば、負荷設定手段が熱交換
器での必要な熱交換量を定め、加熱制御手段が設定され
た熱量になるように熱交換器の加熱制御を行うので、必
要以上に加熱されたり、また熱量が不足することがな
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明のヒートポ
ンプ給湯装置は、閉回路に構成される冷媒流路で圧縮
機、放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポン
プサイクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う
水流路を備えた熱交換器と、前記水流路からシャワーや
蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路
とを備え、前記熱交換器での所要加熱量を設定する負荷
設定手段と、前記負荷設定手段の設定値に応じて前記熱
交換器の加熱量を制御する加熱制御手段を有するもので
ある。ここで、負荷設定手段で設定する所要加熱量は、
給湯負荷や熱応答遅れなどを含んだ熱交換器での必要な
熱交換熱量である。そして加熱制御手段がこの所要熱量
に応じて熱交換器の加熱量を制御するので、過不足のな
い給湯制御ができる。

【００１４】請求項２に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、給湯回路の流量を検出する流量検知手段を設
け、請求項１に記載の負荷設定手段が、前記流量検知手
段の検出値を基に所要加熱量を求めるものである。

【００１５】給湯負荷は流量に比例するので、ここで推
定する所要加熱量は、給湯負荷に相関がある。したがっ
て流量変化にによって給湯負荷が急変しても、給湯負荷
の変化に応じて素早く対応する加熱制御が可能である。

【００１６】請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、給水管の給水温度を検出する水温検知手段を設
け、請求項１または２に記載の負荷設定手段が、前記水
温検知手段の検出値を基に所要加熱量を求めるものであ
る。

【００１７】給湯負荷は給水温度と目標温度の差に反比
例するので、給水温度が下がれば所要加熱量が増加し、
給水温度が上がれば所要加熱量が減少する。したがって
この給水温度によって所要加熱量を推定して熱交換器の
加熱制御をおこなえば、給水温度が変動しても、この変
動に伴なう出湯温度変化が最小限に抑えられる。

【００１８】請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、給水管の給水温度を検出する水温検知手段と、
給湯の目標温度を設定する温度設定手段と、給湯回路の
流量を検出する流量検知手段とを設け、請求項１に記載
の負荷設定手段が、前記水温検知手段と温度設定手段と
流量検知手段の値から所要加熱量を算定することによ
り、正確な給湯負荷が所要加熱量として設定できる。

【００１９】請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、水流路の出湯温度を検出する湯温検知手段と、
給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設け、請求
項１に記載の負荷設定手段が、前記出湯温度と目標温度
との偏差から所要加熱量を算定する。ここで算定する所
要加熱量は、偏差の変化速度から給湯負荷を判定するも
ので、給湯における流量や給水温度で給湯負荷が変る
と、出湯温度と目標温度との偏差の変化速度に違いが表
れる。たとえば、同じ加熱量の場合に流量が多ければ出
湯温度の上昇は緩やかになり、流量が少なければ速やか
になる。この速度変化を捉えて、所要加熱量を設定する
ので、単に温度偏差だけで加熱量を制御する場合よりも
安定に所要加熱量に制御する時間を短縮できる。

【００２０】請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、給水管の給水温度を検出する水温検知手段と、
水流路の出湯温度を検出する湯温検知手段と、給湯の目
標温度を設定する温度設定手段と、給湯回路の流量を検
出する流量検知手段とを設け、請求項１に記載の負荷設
定手段が、前記湯温検知手段と温度設定手段との偏差か
ら第１の所要加熱量を算定し、前記水温検知手段と温度
設定手段と流量検知手段の値から第２の所要加熱量を算
定し、前記第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算
するするものである。

【００２１】この請求項６の発明では湯温検知手段と温
度設定手段との偏差からフィードバック制御に関する第
１の所要加熱量を算定し、水温検知手段と温度設定手段
と流量検知手段の値からフィードフォワード制御に関す
る第２の所要加熱量を算定し、これら第１の所要加熱量
と第２の所要加熱量を加算して所要加熱量を設定するの
で、フィードフォワード制御によって素早く目標熱量を
設定し、フィードバック制御によって目標熱量と現状と
を補正するので、安定で素早し制御が可能である。

【００２２】請求項７に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の負荷設定
手段が、ヒートポンプサイクルや熱交換器の熱応答遅れ
に応じた熱量を定める立上り設定部を有し、所要加熱量
を設定する際に前記立上り設定部の設定値を加味するも
のである。

【００２３】したがって、給湯開始時や給湯負荷の変更
時などに熱応答遅れ分を加味した加熱制御が可能とな
り、熱応答遅れを最小限に抑えることができる。

【００２４】請求項８に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１〜７のいずれか１に記載の加熱制御手
段が、圧縮機の回転数を制御するもので、予め回転数と
熱交換器での加熱量の関係を定め、設定された所要加熱
量になるように回転数を制御するもので、短時間で所要
加熱量が得られる回転数に制御できる。

【００２５】請求項９に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１〜８のいずれか１に記載のヒートポン
プサイクルに複数の圧縮機を備え、加熱制御手段が、前
記圧縮機の台数を制御するものである。給湯負荷が大幅
に変るような使い方をする場合に、１台の圧縮機では制
御幅に限界があり、満足な給湯制御ができないが、この
発明の複数の圧縮機の台数を制御する方法であれば給湯
負荷に応じて台数を変えれば、大幅な給湯負荷の変化に
対応できる。

【００２６】請求項１０に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜９のいずれか１に記載の加熱制御
手段が、減圧手段の冷媒流路抵抗を制御するもので、予
め減圧手段の冷媒流路抵抗と熱交換器での加熱量の関係
を定め、設定された所要加熱量になるように冷媒流路抵
抗を制御するもので、高温の出湯が必要であったり、外
気温度が低いなどで加熱量が不足した場合など、冷媒流
路抵抗を大きくすることで熱交換器の加熱量を所要加熱
量が確保できる。

【００２７】請求項１１に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、給水管の給水温度を検出する水温検知手段を
備え、請求項１０に記載の減圧手段の冷媒流路抵抗の制
御が、前記水温検知手段の検知温度に応じて行うもの
で、予め給水温度に応じた減圧手段の冷媒流路抵抗と熱
交換器での加熱量の関係を定め、設定された所要加熱量
になるように冷媒流路抵抗を制御するもので、高温の出
湯が必要であったり、外気温度が低いなどで加熱量が不
足した場合など、冷媒流路抵抗を大きくすることで熱交
換器の加熱量を所要加熱量が確保できる。また、通常給
湯時に給水温度により最も加熱効率の良くなる冷媒流路
抵抗に制御することも可能になる。

【００２８】請求項１２に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１１のいずれか１に記載の加熱制
御手段が、吸熱器の吸熱量を制御するもので、たとえば
大気熱から吸熱器に吸熱させるのを送風機の風量により
吸熱量を制御するものとした場合に、予め送風機の風量
と熱交換器での加熱量の関係を定め、設定された所要加
熱量になるように送風機の風量を制御するもので、給湯
負荷が極端に小さく熱交換器の所要加熱量が小さすぎて
圧縮機の回転数制御などでは絞りきれない場合などに送
風機の風量を減少させることにより熱交換器の加熱量を
減少させて所要加熱量に制御することが可能である。

【００２９】請求項１３に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１２のいずれか１に記載の加熱制
御手段が、熱交換器の水流路内の流速や伝熱面積などの
伝熱条件を変更して制御するもので、たとえば熱交換器
の水流路の長さや水量を変更して制御するもので、熱交
換器の加熱量は伝熱面積や熱伝達率に比例するため、水
流路の長さや水量を変れば比例的に加熱量を変えること
ができる。これら条件を変えると直ちに加熱量が変るた
め、熱応答性を向上させた制御が可能となる。

【００３０】請求項１４に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、気温を検出する気温検知手段を設け、請求項
１〜１３のいずれか１項に記載の加熱制御手段が、前記
気温検知手段の検出値に応じて負荷設定手段の設定値を
変更して熱交換器の加熱量を制御するもので、気温変化
による熱交換器の加熱量の誤差を補正する。ヒートポン
プサイクルは大気熱を利用して吸熱器から吸熱するた
め、熱交換器での加熱量は気温に大きく影響される。し
たがって例えば圧縮機の回転数を制御する場合に、同じ
回転数でも気温により加熱量は変ってくる。その気温に
よる影響を相殺するように熱交換器の加熱量を制御する
ことにより、正確な給湯制御ができる。

【００３１】請求項１５に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のヒー
トポンプサイクルが、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる
超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上
に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱
する構成である。

【００３２】そして、熱交換器の冷媒流路ａを流れる冷
媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱
交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下して
も凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒
流路ａと水流路とに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できる。

【００３３】請求項１６に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の熱交
換器の冷媒流路ａと水流路の流れ方向を対向流としたも
ので、熱交換器の冷媒流路ａと水流路の伝熱が均一化す
ることで、熱交換効率がよく高温の出湯が可能になる。

【００３４】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。なお、従来例および各実施例におい
て、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号
を付与し、詳細な説明を省略する。

【００３５】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
けるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１にお
いて、７はヒートポンプサイクルで、圧縮機２、放熱器
３、減圧手段４、吸熱器５が冷媒流路１により閉回路に
接続されている。このヒートポンプサイクル７は、例え
ば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷
媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使
用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モータ
（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界
圧力まで圧縮して吐出する。また、１０は放熱器３の冷
媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９を備えた熱交換器で
ある。この水流路９に水道水を直接供給する給水管１１
と、水流路９から出湯される湯をシャワー１６や蛇口１
７等より成る給湯端末１２へ通水させるための給湯回路
１３が接続されている。そして１８は熱交換器１０での
所要加熱量を設定する負荷設定手段で、１９は負荷設定
手段１８の設定値に応じて熱交換器１０の加熱量を制御
する加熱制御手段である。給水管１１には、給湯回路１
３の流量を検出する流量検知手段２０と、熱交換器１０
への給水温度を検出する水温検知手段２１が設けられて
いる。そして給湯回路１３には水流路９からの出湯温度
を検出する湯温検知手段２２が設けられている。２３は
給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任
意に温度を設定する。

【００３６】熱交換器１０は、冷媒流路ａ８の流れ方向
と水流路９の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動
が容易になるように密着して構成している。この構成に
より冷媒流路ａ８と水流路９の伝熱が均一化し、熱交換
効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。

【００３７】負荷設定手段１８は、湯温検知手段２２と
温度設定手段２３とのそれぞれが出力する出湯温度と目
標温度との偏差から第１の所要加熱量を算定する第１算
定部２４と、水温検知手段２１と温度設定手段２３と流
量検知手段２０の各値から第２の所要加熱量を算定する
第２算定部２５と、第１の所要加熱量と第２の所要加熱
量を加算する加算部２６とを有し、加算された所要加熱
量を出力する。

【００３８】加熱制御手段１９は、圧縮機２の回転数を
変更する周波数制御手段２７を備え、負荷設定手段１８
により設定された所要加熱量に応じて圧縮機２の回転数
を制御する。

【００３９】２８は気温を検出する気温検知手段で、加
熱制御手段１８は、気温検知手段２８の検出値に応じて
ヒートポンプサイクルの運転条件である圧縮機２の回転
数を変更して熱交換器の加熱量を制御する。熱交換器１
０での加熱量は、気温が定まれば圧縮機２の回転数に比
例的に可変できる。そこで、加熱制御手段１９は予め各
気温毎の熱交換器１０の加熱量と圧縮機２の回転数の関
係を記憶しておき、気温に応じて負荷設定手段１８によ
り設定された所要加熱量と熱交換器１０の加熱量が一致
するように回転数を設定制御する。このことで、気温が
変動しても精度よい給湯制御が可能になる。

【００４０】以上の構成において、その動作、作用につ
いて説明する。図１に示す実施例において、蛇口１７が
開かれると給水管１１から水道水が流れ込み始める。こ
れを流量検知手段２０が検知し負荷設定部１８に信号が
送り、負荷設定部１８では所要加熱量が算定され、この
算定値に基づいて加熱制御手段１９が圧縮機１の回転数
を制御する。そして、圧縮機２から吐出される高温高圧
の冷媒ガスは放熱器３へ流入し、水流路９を流れる水を
加熱する。そして、加熱された水は給湯回路１３を経て
給湯端末１２から出湯する。一方、放熱器３で冷却され
た冷媒は減圧手段４で減圧されて吸熱器５に流入し、こ
こで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発
ガス化し、圧縮機２に戻る。従って、出湯を検出して、
すぐに圧縮機１からの高温高圧の冷媒ガスが放熱器３に
流入し、水を加熱し、そのまま給湯端末１２から出湯利
用できる。

【００４１】給湯中の負荷設定部１８では、第１算定部
２４で算定する第１の所要加熱量を、出湯温度と目標温
度との偏差から公知のＰＩＤ制御を用いて算定する。す
なわち、出湯温度のフィードバック制御がおこなわれ
る。ここでの制御定数である比例ゲインや積分係数や微
分係数は、制御の応答性と安定性を両立するための最適
な値を予め設定しておく必要がある。なおフィードバッ
ク制御は、ＰＩ制御でもＰ制御でもファジーやニューロ
制御でもよい。また、出湯温度と目標温度との偏差の変
化速度から、第１の所要加熱量を判定してもよい。これ
は、給湯における流量や給水温度で給湯負荷が変ると、
出湯温度と目標温度との偏差の変化速度に違いが表れ
る。たとえば、同じ加熱量の場合に流量が多ければ出湯
温度の上昇は緩やかになり、流量が少なければ速やかに
なる。この速度変化と所要加熱量の相関を予め記憶させ
ておき、出湯温度と目標温度との偏差の変化速度から所
要加熱量を設定するもので、単に温度偏差だけで加熱量
を制御する場合よりも安定に所要加熱量に制御する時間
を短縮できる。

【００４２】一方、第２算定部２５で算定する第２の所
要加熱量は、給湯負荷を算定し、この給湯負荷を所要加
熱量とする。すなわち目標温度と給水温度との差に、流
量検知手段２０の検知する流量を乗じて給湯負荷を求
め、これを第２の所要加熱量としている。これは、いわ
ゆるフィードフォワードの制御量である。そして、加算
部２６で、第１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算
して所要加熱量を求めている。この所要加熱量フィード
バック制御を加味することによって、出湯温度を目標温
度に正確に制御することができる。とくにＰＩＤやＰＩ
制御のように積分要素を用いることにより、出湯温度を
より目標温度にあわせることができる。また、比例制御
要素を用いることで給湯開始直後などの出湯温度が低い
場合に大能力で加熱制御するので応答性がよくなる。一
方、フィードフォワード制御は、給湯の温度安定時にお
ける所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の
安定性に優れている。また、給湯流量や給水温度が急変
した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるの
で、この点はフィードバック制御より応答性がよくしか
も安定性がよい。そして、このフィードバック制御とフ
ィードフォワード制御を加算して制御するので、それぞ
れの特徴が活かされ応答性がよくしかも安定性のよい制
御が可能になる。

【００４３】なお実施例１では加算部において第１の所
要加熱量と第２の所要加熱量を加算して所要加熱量を求
めているが、第１の所要加熱量をそのまま所要加熱量と
してもよいし、逆に第２の所要加熱量をそのまま所要加
熱量としてもよい。

【００４４】また、これらを加算せずに給湯時間経過や
出湯温度に応じて切換えても良いし、第１の所要加熱量
と第２の所要加熱量にそれぞれ係数を乗じて加算するよ
うにしてもよい。

【００４５】さらに、第１の所要加熱量と第２の所要加
熱量を単独で用いる場合と加算する場合を切換えてもよ
い。上記のように第１の所要加熱量と第２の所要加熱量
の加算の組合わせや加算条件を変えることで給湯条件に
よっては、より制御の安定性や応答性が向上する場合が
ある。

【００４６】また、実施例１では第２算定部において第
２の所要加熱量として演算する給湯負荷を、目標温度と
給水温度との偏差に流量を乗じて求めていたが、概略の
給湯負荷設定をするだけならば流量に所定の定数を乗じ
た推定値を用いてもよい。この場合、給湯負荷の計算精
度は悪くなるが、水温検知手段と温度設定手段が不要に
なるので低コスト化できる。

【００４７】さらに、第２算定部における給湯負荷の演
算を、給水温度と仮の目標温度の差に所定の定数を乗じ
た推定値を用いてもよい。この場合も、給湯負荷の計算
精度は悪くなるが、流量検知手段と温度設定手段が不要
になるので低コスト化できる。ただし、給湯開始を検知
するための流量スイッチは必要になる。

【００４８】実施例１ではヒートポンプサイクルを、冷
媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイ
クルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポ
ンプサイクルでもよい。これは以下に述べる各実施例に
おいても同様である。

【００４９】（実施例２）図２は本発明の実施例２にお
けるヒートポンプ給湯装置の制御ブロック図である。な
お、実施例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を
付与し、説明を省略する。図２において、実施例１の構
成と異なるところは、負荷設定手段１８に、ヒートポン
プサイクル７や熱交換器１０の熱応答遅れに応じた熱量
を定める立上り設定部３０を備え、所要加熱量を設定す
る際に加算部２６で立上り設定部３０の設定値を加算す
る点にある。ヒートポンプサイクル７や熱交換器１０の
熱応答遅れに応じた熱量とは、ヒートポンプサイクル７
が冷えた状態から給湯を開始した場合に、圧縮機２や放
熱器３の温度が上昇し、また吸熱器５の温度が下降し
て、本来の定常的な運転状態になるまでに必要な、給湯
負荷とは別の熱量のことを指している。

【００５０】この熱量は、ヒートポンプサイクル７や熱
交換器１０の運転前の温度と定常運転時の温度差に熱容
量を乗じて求められるが、定常運転時の温度差は部位に
よって大きく異なるので、実施例２では運転前の湯温検
知手段２２の検出する温度と温度設定手段２３の設定値
の温度差を代表値として採用し、これに係数を乗じ求め
ている。ただし、この立上り設定部３０で求められる熱
量は立上りに必要な総熱量であるので、圧縮機２を制御
するためには単位時間当りの熱量に変換する必要があ
る。そこで、加算部２６において第２算定部２５で算定
される給湯負荷と立上り設定部３０の設定熱量を加算
し、この加算熱量を圧縮機２の最大回転数における最大
加熱量で除して、この最大加熱量における運転時間を求
め、この時間内の所要加熱量を圧縮機２の最大加熱量に
設定する。そして、この運転時間を超過したら、立上り
設定部３０の設定値の加算を終了し、実施例１に示す運
転状態に戻すように作用させる。

【００５１】以上のように実施例２では、給湯運転開始
時のヒートポンプサイクル７や熱交換器１０の熱応答遅
れ分の熱量を給湯負荷に加算して、熱応答遅れ分の熱量
だけを圧縮機２の最大加熱量で加熱するので、最小時間
で所定の給湯が可能になる。

【００５２】また、熱応答遅れ分の熱量を、運転前の湯
温検知手段２２の検出する温度と温度設定手段２３の設
定値の温度差に係数を乗じて求めるようにしたので、特
別な検知手段を準備する必要がなく低コストにこの制御
が実現できる。

【００５３】なお、実施例２では熱応答遅れ分の熱量
を、運転前の湯温検知手段２２の検出する温度と温度設
定手段２３の設定値の温度差に係数を乗じて求めたが、
熱交換器１０や、圧縮機２、吸熱器５、冷媒流路１の圧
縮機２の吐出部などの温度を用いてもよい。

【００５４】（実施例３）図３は本発明の実施例３にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図３において、実施例１の構成と異な
るところは、加熱制御手段１９が圧縮機２を制御するだ
けでなく、減圧手段４の冷媒流路抵抗と、吸熱器５の吸
熱量を制御するようにした点である。

【００５５】減圧手段４は絞り弁（図示せず）と、この
絞り弁を駆動するステッピングモータ（図示せず）によ
りなり、絞り弁の駆動によって冷媒流路抵抗を変更する
ことができる。そして、加熱手段１９は、予め減圧手段
４の冷媒流路抵抗と熱交換器１０での加熱量の関係を定
め、負荷設定手段１８で設定された所要加熱量になるよ
うに冷媒流路抵抗を制御するもので、高温の出湯が必要
であったり、外気温度が低いなどで加熱量が不足した場
合など、冷媒流路抵抗を大きくすることで熱交換器の加
熱量を所要加熱量が確保するように作用する。

【００５６】なお、通常の給湯使用状態において、冷媒
流路ａ８と水流路９との温度差が小さくなるほどヒート
ポンプサイクル７効率が良くなるので、水温検知手段２
１の検知する給水温度に応じて、熱交換器１０での所要
加熱量を確保して、最も冷媒流路ａ８と水流路９との温
度差が小さくなるように減圧手段４の冷媒流路抵抗を制
御すると、効率のよい運転が可能となる。

【００５７】吸熱器５の吸熱量は、ファン３１のモータ
３２の回転数を変更して、吸熱器５への送風量を変更す
ることにより制御する。加熱制御手段１９は、予めファ
ン３２の風量と熱交換器１０での加熱量の関係を定め、
設定された所要加熱量になるようにファン３１の風量を
制御するもので、給湯負荷が極端に小さく熱交換器１０
の所要加熱量が小さすぎて圧縮機２の回転数制御などで
は絞りきれない場合などにファン３１の風量を減少させ
ることにより熱交換器１０の加熱量を減少させて所要加
熱量に制御することが可能である。また、圧縮機２の最
大回転数でも加熱量が不足する場合には、ファン３１の
風量を上げて熱交換器１０の加熱量を増加させて所要加
熱量に制御することも可能である。

【００５８】（実施例４）図４は本発明の実施例４にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図４において、実施例１の構成と異な
るところは、ヒートポンプサイクル７に３台の圧縮機２
ａ、２ｂ、２ｃを並列に設け、加熱制御手段１９がこの
圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃの台数制御および回転数制御す
るようにした点である。実施例４では圧縮機２ａを回転
数制御して、微妙な加熱能力制御を行い、圧縮機２ｂお
よび２ｃはオンオフ制御を行い、シャワーや風呂の湯張
りなどの給湯負荷に大能力が要求される場合は、圧縮機
を２台または３台で運転し、夏場での台所での食器洗い
など給湯負荷が極端に少ない場合には、圧縮機２ａ単独
運転とすることで、大幅な給湯負荷の変化に対応でき
る。

【００５９】なお、圧縮機の台数は２台でもよいし、３
台以上でも同様の効果が得られる。また、複数台の圧縮
機を全て回転数制御して、台数切換えをスムーズに制御
してもよい。さらに、圧縮機を直列に接続して、吐出圧
力を制御してもよい。

【００６０】（実施例５）図５は本発明の実施例５にお
けるヒートポンプ給湯装置の構成図である。なお、実施
例１の給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、
説明を省略する。図５において、実施例１の構成と異な
るところは、熱交換器１０の水流路９の中央部から分岐
管３３を取り出し、給湯回路１３に設けた混合弁３４と
接続して、熱交換器１０の伝熱条件を変更するところに
ある。これは加熱制御手段１９が、混合弁３４の開度を
制御することにより、水流路９の分岐管３３より下流を
流れる水量を制御して、冷媒流路ａ８と水流路９との伝
熱条件を変えることによって熱交換器１０での加熱量を
制御するもので、水量が低下すると水流路９内の熱伝達
率が下がり、結果として加熱量が下がる。そして、水流
路９の分岐管３３より下流の流れを止めてしまうと、熱
交換しなくなり、伝熱面積が約半分になるのと同様の作
用をする。このように水流路の長さや水量を変れば比例
的に加熱量を変えることができる。これら条件を変える
と直ちに加熱量が変るため、熱応答性を向上させた制御
が可能となり、所要加熱量が急変した場合にも対応でき
る。

【００６１】なお、実施例５では分岐管３３を熱交換器
１０の中央部から取り出したが、熱交換器１０の上流で
分岐して熱交換器をバイパスさせて、熱交換器全体を流
れる流量を変更してもよい。また、熱交換器の上流側や
下流側から分岐しても同じような効果が得られる。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、広い能
力幅を有し、給湯制御の応答性と安定性が両立し、効率
のよい給湯ができる瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図２】本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯装
置の制御ブロック図

【図３】本発明の実施例３におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図４】本発明の実施例４におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図５】本発明の実施例５におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図６】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

【符号の説明】

１冷媒流路２圧縮機３放熱器４減圧手段５吸熱器７ヒートポンプサイクル８冷媒流路ａ９水流路１０熱交換器１１給水管１２給湯端末１３給湯回路１６シャワー１７蛇口１８負荷設定手段１９加熱制御手段２０流量検知手段２１水温検知手段２２湯温検知手段２３温度設定手段２４第１算定部２５第２算定部２６加算部３０立上り設定部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者近藤龍太大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松本聡大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者今林敏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】閉回路に構成される冷媒流路で圧縮機、
放熱器、減圧手段、吸熱器が接続されたヒートポンプサ
イクルと、前記放熱器の冷媒流路ａと熱交換を行う水流
路を備えた熱交換器と、前記水流路に水道水を供給する
給水管と、前記水流路からシャワーや蛇口等の給湯端末
へと通水するように接続する給湯回路とを備え、前記熱
交換器での所要加熱量を設定する負荷設定手段と、前記
負荷設定手段の設定値に応じて前記熱交換器の加熱量を
制御する加熱制御手段を有するヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】給湯回路の流量を検出する流量検知手段
を設け、負荷設定手段は前記流量検知手段の検出値を基
に所要加熱量を求める請求項１に記載のヒートポンプ給
湯装置。
【請求項３】給水管の給水温度を検出する水温検知手
段を設け、負荷設定手段は前記水温検知手段の検出値を
基に所要加熱量を求める請求項１または２に記載のヒー
トポンプ給湯装置。
【請求項４】給水管の給水温度を検出する水温検知手
段と、給湯の目標温度を設定する温度設定手段と、給湯
回路の流量を検出する流量検知手段とを設け、負荷設定
手段は前記水温検知手段と温度設定手段と流量検知手段
の値から所要加熱量を算定する請求項１に記載のヒート
ポンプ給湯装置。
【請求項５】水流路の出湯温度を検出する湯温検知手
段と、給湯の目標温度を設定する温度設定手段とを設
け、負荷設定手段は前記出湯温度と目標温度との偏差か
ら所要加熱量を算定する請求項１に記載のヒートポンプ
給湯装置。
【請求項６】給水管の給水温度を検出する水温検知手
段と、水流路の出湯温度を検出する湯温検知手段と、給
湯の目標温度を設定する温度設定手段と、給湯回路の流
量を検出する流量検知手段とを設け、負荷設定手段は前
記湯温検知手段と温度設定手段との偏差から第１の所要
加熱量を算定し、前記水温検知手段と温度設定手段と流
量検知手段の値から第２の所要加熱量を算定し、前記第
１の所要加熱量と第２の所要加熱量を加算する請求項１
に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】負荷設定手段は、ヒートポンプサイクル
や熱交換器の熱応答遅れに応じた熱量を定める立上り設
定部を有し、所要加熱量を設定する際に前記立上り設定
部の設定値を加味する請求項１〜６のいずれか１項に記
載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】加熱制御手段は、圧縮機の回転数を制御
する請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ
給湯装置。
【請求項９】ヒートポンプサイクルに複数の圧縮機を
備え、加熱制御手段は、前記圧縮機の台数を制御する請
求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装
置。
【請求項１０】加熱制御手段は、減圧手段の冷媒流路
抵抗を制御する請求項１〜９のいずれか１項に記載のヒ
ートポンプ給湯装置。
【請求項１１】給水管の給水温度を検出する水温検知
手段を備え、減圧手段の冷媒流路抵抗の制御は、前記水
温検知手段の検知温度に応じて行う請求項１０に記載の
ヒートポンプ給湯装置。
【請求項１２】加熱制御手段は、吸熱器の吸熱量を制
御する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のヒートポ
ンプ給湯装置。
【請求項１３】加熱制御手段は、熱交換器の水流路内
の流速や伝熱面積などの伝熱条件を変更して制御する請
求項１〜１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯
装置。
【請求項１４】気温を検出する気温検知手段を設け、
加熱制御手段は前記気温検知手段の検出値に応じてヒー
トポンプサイクルの運転条件を変更して熱交換器の加熱
量を制御する請求項１〜１３のいずれか１項に記載のヒ
ートポンプ給湯装置。
【請求項１５】ヒートポンプサイクルは、冷媒の圧力
が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであ
り、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器
の水流路の流水を加熱する請求項１〜１４のいずれか１
項に記載のヒートポンプ給湯装置。
【請求項１６】熱交換器の冷媒流路ａと水流路の流れ
方向を対向流とした請求項１〜１５のいずれか１項に記
載のヒートポンプ給湯装置。