JP2003343914A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い能力幅を有し、制御性と効率のよい給湯
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。 【解決手段】 圧縮機２、放熱器３、減圧手段４、吸熱
器５、熱交換器１０などの冷媒循環回路７の構成要素の
少なくともいずれかひとつが複数設けられた構成として
いるので、幅広い給湯負荷や外気条件に応じて構成要素
の運転台数や運転条件を変更することで対応でき、給湯
温度の応答性がよく、効率もよいヒートポンプ給湯装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒートポンプ給湯
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のヒートポンプ給湯装置としては、
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１０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
れた冷媒循環回路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１
３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。

【０００３】しかし、上記従来例の給湯装置の構成で
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１
０〜２０Ｌ／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。

【０００４】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
単一の熱交換器や吸熱器に対して単一の圧縮機の回転数
を変えるだけで給湯熱量を制御しようとした場合に、ま
ずシャワー等の大流量の給湯負荷に対応するために大型
の圧縮機に大型の熱交換器や吸熱器が必用になる。しか
し、こうした大型の装置では温度や圧力の立ち上がりが
遅く、さらに小さな給湯負荷に対して能力を低くしよう
とする場合に限界があり、こうした低負荷に対応しにく
くなる不都合が生じてくる。

【０００５】このように、従来のヒートポンプ給湯装置
では、大型の装置で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。

【０００６】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
て大型の圧縮機の回転数を変えるだけなので、温度立上
りが遅くなるだけでなく、給湯負荷が小さい場合でも大
型圧縮機を運転するために機械損失が大きく運転効率の
悪い条件で運転されていた。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。

【０００７】以上のように従来のヒートポンプ給湯装置
では給湯負荷や外気条件の大小に関わりなく単一の熱交
換器や吸熱器に対して単一の圧縮機により運転を行うた
めに幅広い給湯負荷への対応が困難であったり、応答性
が悪化したり、効率が悪化するなどの問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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ヒートポンプ給湯装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【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、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機
と放熱器と減圧手段と吸熱器と熱交換器と水流路の少な
くともいずれかひとつが複数設けられたヒートポンプ給
湯装置とする。

【００１０】また、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器
とを含む冷媒循環回路が複数設けられたヒートポンプ給
湯装置とする。

【００１１】この発明によれば、幅広い給湯負荷や外気
条件に応じて構成要素の運転台数や運転条件あるいは冷
媒循環経路の運転条件を変更することで対応できる。

【００１２】

【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、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器と
を含む冷媒循環回路と、前記放熱器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、前記圧縮機と放熱器と減圧
手段と吸熱器と熱交換器と水流路の少なくともいずれか
ひとつが複数設けられたヒートポンプ給湯装置とする。

【００１３】この発明によれば、冷媒循環回路および熱
交換器の構成要素の少なくともひとつが複数設けられて
いるので、たとえば圧縮機を複数備え、この運転台数を
変えることにより冷媒循環回路の冷媒循環量や吐出圧力
を幅広く可変できる。また、放熱器を複数備えた場合
は、この放熱器の運転台数を可変すれば、熱交換器での
放熱量を幅広く可変できるので、給湯負荷の変化に幅広
く対応できる。さらに、減圧手段を複数備えた場合は、
この減圧手段を切換えて用いれば、給湯運転状況に素早
く対応して最適なヒートポンプサイクルが設定できる。
たとえば給湯温度を高温にしたい場合は、減圧手段の減
圧量を増した減圧手段に切り替えれば、圧縮機の吐出圧
力の上昇に伴って吐出温度が上昇し、熱交換器からの出
湯温度が素早く上昇する。また、吸熱器を複数備えた場
合は、この吸熱器の運転台数を変えることにより、大気
や太陽熱などからのエネルギーを効率よく吸熱してヒー
トポンプサイクルの効率を上げたり、大きな給湯負荷に
対応したりできる。さらに熱交換器を複数備え、この運
転台数を切換えることで、幅広い給湯温度や給湯熱量や
給湯流量に対応できるようになる。これらの結果、熱交
換器での水路の加熱量や加熱温度が幅広く制御できるだ
けでなく、加熱時間を短縮したり、加熱の効率を上げる
ことができる。したがって、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負荷に対応した給
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、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷
媒循環回路と、前記放熱器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、前記冷媒循環回路が複数設けられ
たヒートポンプ給湯装置とする。

【００１５】この発明によれば、冷媒循環回路を複数組
合わせているので部品の共用化が可能となる。また、更
に大きな給湯負荷に対応させる場合に、冷媒循環回路の
数を増やすことで、容易に大能力化が可能となる。

【００１６】請求項３に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項１または２に記載の圧縮機を複数備えた
ものである。

【００１７】この発明によれば、圧縮機が複数設けられ
ているので、この運転台数を変えることにより冷媒循環
回路の冷媒循環量や吐出圧力を幅広く可変でき、その結
果熱交換器での水路の加熱量が幅広く制御できる。した
がって、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
までの幅広い給湯負荷に対応した給湯制御ができる。

【００１８】請求項４に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項３に記載の各圧縮機に対応した放熱器を
複数備えたものである。

【００１９】この発明によれば、圧縮機に対応した放熱
器を複数備えているので、特別な切換手段がなくとも圧
縮機の運転台数に応じて放熱量を増減することができる
ので、簡単な構成で運転効率の向上が可能である。

【００２０】請求項５に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項３に記載の各圧縮機に対応した減圧手段
を複数備えたものである。

【００２１】この発明によれば、圧縮機に対応した減圧
手段を複数備えているので、各圧縮機毎の運転条件に最
適な減圧駆動条件の設定ができる。たとえば、各圧縮機
毎に異なった冷媒吐出温度が得られるので、複数給湯温
度出湯や、熱交換器における放熱器の部位に応じた温度
設定が可能となるので、ヒートポンプサイクルの効率向
上につながる。

【００２２】請求項６に記載の発明のヒートポンプ給湯
装置は、請求項３に記載の各圧縮機に対応した熱交換器
を複数備えたものである。

【００２３】この発明によれば、圧縮機に対応した熱交
換器を複数備えているので、圧縮機の運転台数に応じて
熱交換器容量を適正な大きさにすることができるので、
運転効率の向上が可能である。すなわち、給湯負荷が小
さな時には冷媒循環量を減少させると共に使用熱交換器
を減らせるので、作用する熱交換器の熱容量が小さくな
り温度立ち上がりが早くできる。また、各熱交換器での
熱交換条件を変えれば複数の給湯温度での出湯も可能と
なる。

【００２４】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３に記載の圧縮機を、少なくとも並列に
接続して配置したもので、たとえば運転負荷に応じて運
転圧縮機を可変することにより冷媒循環流量が制御でき
る。したがって、放熱器での循環量が大幅に可変できる
ので、これに伴って熱交換器での加熱量も大幅に可変で
きる。

【００２５】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項に記載の圧縮機の
冷媒の逆流防止手段を備えたもので、各圧縮機の吐出圧
に差が生じても圧縮機の冷媒や潤滑油が逆流することを
防止できる。

【００２６】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３に記載の圧縮機を、少なくとも直列に
接続して配置したもので、運転負荷に応じて運転圧縮機
を増減する場合に冷媒吐出圧力を大幅に制御できる。し
たがって冷媒循環量を減少させることなく冷媒吐出温度
を広範に可変でき、たとえば高温で大流量の給湯が効率
よく行える。

【００２７】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３〜９のいずれかに記載の圧縮機内の
潤滑油の量を平準化する平準化手段を備えたもので、各
圧縮機の吐出圧に差が生じても圧縮機の冷媒や潤滑油が
逆流することを防止できる。

【００２８】請求項１１に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項３〜１０のいずれか１項に記載の圧縮
機の運転台数を変更する制御手段を設けたもので、給湯
負荷や外気条件に応じて圧縮機の運転台数を制御でき、
幅広い給湯負荷に対応することができる。

【００２９】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３〜１１のいずれか１項に記載の少な
くとも１台の圧縮機を回転数制御する制御手段を設けた
ものである。

【００３０】この発明によれば、給湯負荷や外気条件の
変化に応じて圧縮機の運転台数が変更できかつ、少なく
とも１台の圧縮機を回転数制御ができるので、幅広い給
湯負荷に対応しながら、微細な湯温設定にも対応するこ
とができる。

【００３１】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３〜１２のいずれか１項に記載の複数
の圧縮機を起動する場合、それぞれに時間差を設けて起
動するもので、圧縮機の起動時の突入電流のピークを平
準化することができる。

【００３２】請求項１４に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項３〜１０のいずれか１項に記載の複数
の圧縮機の運転を同期させる制御手段を設けたもので、
各圧縮機の冷媒循環量や吐出圧力をほぼ同等にすること
によって、圧縮機の潤滑油の量を平準化することができ
る。

【００３３】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項に記載の熱交
換器を複数備えたもので、給湯温度を熱交換器毎に変え
て複数の給湯温度の出湯ができるようにしたり、異なっ
た給湯個所毎に各熱交換器を割り当てたり、熱交換器の
使用数によって微小な給湯負荷から大きな給湯負荷まで
対応したりすることができる。

【００３４】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
換器に放熱器を複数備えたもので、放熱器の運転数を変
更することによって熱交換器への放熱量が大幅に変更で
きるので、同一の熱交換器で広い範囲の給湯負荷に対応
できるようになる。また異なる部位に放熱器を配置する
ことによって、熱交換器における高温度部位が使用放熱
器によって変えることができる。これによって、水流路
内に発生するスケール成分の付着部位が分散して、スケ
ールによる目詰まりを軽減させることができる。

【００３５】請求項１７に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の熱交
換器に水流路を複数備えたもので、水流路の数を変更す
ることによって熱交換器での熱交換量が大幅に変更でき
るので、同一の熱交換器で広い範囲の給湯負荷に対応で
きるようになる。また各水流路毎に給湯端末を割り当て
ることによって、単一の熱交換器によって複数の給湯が
可能になる。

【００３６】請求項１８に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の吸熱
器を複数備えたもので、給湯負荷や自然条件の変化に応
じて運転する吸熱器の数を変更することによって、大気
や太陽熱などの自然エネルギーを広い範囲で効率よく取
り込むことができる。

【００３７】請求項１９に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の吸熱
器に送風機を備え、前記送風機を複数備えたもので、給
湯負荷や自然条件の変化に応じて運転する送風機の数を
変更することによって大気からのエネルギーを広い範囲
で効率よく取り込むことができる。また複数の送風機を
用いた方が吸熱器に対して均一に送風できるため効率が
よくなる。また、単一の送風機により構成するよりも広
い面積の送風が可能になるため、吸熱器と送風機の組合
わせ形状が薄型にできるので、施工性がよくなる。

【００３８】請求項２０に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の冷媒
循環回路を複数備えたもので、広範に変化する給湯負荷
や自然条件に対して、運転する冷媒循環回路の数を変更
することで、個後の冷媒循環回路に対する負荷変化が小
さくできるので高効運転が維持できる。

【００３９】請求項２１に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の給湯
負荷と外気条件の少なくとも何れかの条件に応じて冷媒
循環回路の運転条件を変更する制御手段を設けたもので
ある。

【００４０】この発明によれば、給湯負荷と外気条件に
応じてヒートポンプサイクルの最適な運転条件を設定す
ることができる。すなわち、外気温度、給水温度、給湯
流量、給湯設定温度などの条件とこれらに付随する圧縮
機の冷媒吐出温度、放熱器の冷媒出口温度などに対し
て、湯温の立ち上がりや、制御安定性、運転効率、シス
テムの信頼性などの面から圧縮機、放熱器、減圧手段、
吸熱器の運転条件を予め定めて、この条件に基づいて最
適条件で運転制御するようにしたものである。

【００４１】請求項２２に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の運転
開始時は通常と異なった運転条件により冷媒循環回路を
運転するもので、圧縮機や熱交換器が冷えているような
場合は通常の運転条件よりも加熱量を増すことによっ
て、給湯温度を素早く所定の温度に立ち上げることがで
きる。また断続運転などのような圧縮機や熱交換器が加
熱されている場合は通常の運転条件よりも加熱量を減少
させて運転を開始することにより、給湯温度の立上りの
遅れを少なくすると共に、出湯温度の変動を抑えること
ができる。

【００４２】請求項２３に記載の発明のヒートポンプ給
湯装置は、請求項１〜２２のいずれか１に記載の冷媒循
環回路は、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構成で
ある。

【００４３】そして、熱交換器の放熱器を流れる冷媒
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と
水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。

【００４４】

【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。

【００４５】（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は冷媒循環回路で、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。この圧縮機２は、複数の圧縮機２ａ、２ｂ、２
ｃを並列に配置して構成している。冷媒循環回路７は、
例えば炭酸ガス（ＣＯ₂）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、それぞ
れに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。減
圧手段４はステッピングモータ（図示しない）により駆
動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。

【００４６】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１７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。

【００４７】１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、圧縮機２の冷
媒の逆流を防止するための逆流防止手段で、それぞれの
圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃの吐出側に設けた逆止弁より成
っている。これは圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃの運転台数を
変更する際に、停止している圧縮機に冷媒が逆流して吐
出圧が低下するのを防止したり、各圧縮機２ａ、２ｂ、
２ｃ内の潤滑油が不均一になるのを防止することができ
る。なお、ここでは逆止弁を用いたが、電磁弁や、モー
タ駆動の電動弁でもよい。

【００４８】そして１８、１９は、給湯負荷と外気条件
の少なくとも何れかの条件に応じて冷媒循環回路７の運
転条件を変更する制御手段で、この制御手段は、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、
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とで構成される。

【００４９】給水管１１には、給湯回路１３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。２４ａ、２４ｂは吸熱器５に設けられた複数の
送風機で、吸熱器５に大気熱を供給するように送風す
る。

【００５０】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。

【００５１】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フィードバック加熱量を算定すると
共に、水温検知手段２１と温度設定手段２３と流量検知
手段２０の各値からフィードフォワード加熱量を算定
し、これらフィードバック加熱量とフィードフォワード
加熱量を加算した値を所要加熱量として出力する。

【００５２】加熱制御手段１９は、圧縮機２ａ、２ｂ、
２ｃの運転台数を切リ変えると共に圧縮機２ａの回転数
を変更し、減圧手段４の流路抵抗を変えると共に送風機
２４ａ、２４ｂの運転台数を切換えて、負荷設定手段１
８により設定された所要加熱量に応じてこれらを制御す
る。

【００５３】２７は冷媒循環回路７の圧縮機２の吐出温
度を検出する吐出温度検知手段で、加熱制御手段１８
は、吐出温度検知手段２７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減圧手段４の絞りを変更し
て吐出温度を所定の温度に制御する。

【００５４】２８は外気温度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
の運転台数および回転数を変更して熱交換器の加熱量を
制御する。

【００５５】熱交換器１０での加熱量は、外気温度と冷
媒吐出温度が定まれば圧縮機２の運転台数および回転数
に比例的に可変できる。そこで、加熱制御手段１９は予
め各外気温度毎の熱交換器１０の加熱量と圧縮機２の運
転台数及び回転数と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運転台数及び回転数
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。また、加熱制御手段１９は外
気温度と所要加熱量に応じて送風機２４ａ、２４ｂの運
転台数の設定も行う。

【００５６】すなわち、夏場のように気温の高い場合は
送風機２４ａのみの１台で運転し、気温が低い場合や所
要加熱量の多い場合には送風機２４ａと送風機２４ｂの
２台を同時に運転するようにしている。これによって夏
場や低負荷時に冷媒圧力の異常上昇を防止すると共に、
効率の高い運転が可能になる。

【００５７】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に信号を
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２ｂ、２ｃ
のオン、オフを判定し圧縮機２ａの回転数を設定し制御
する。すなわち、給水管１１から水道水が流れ込むのに
連動して圧縮機２が動作し、ヒートポンプサイクルが運
転されるものである。

【００５８】図２にその設定例を示す。図２のように、
所要加熱量が設定値Ａより小さい場合は圧縮機２ａの単
独運転で回転数制御する。そして、所要加熱量が設定値
Ａ〜Ｂの間であれば圧縮機２ｂを稼動し、圧縮機２ａは
回転数制御する。さらに所要加熱量が設定値Ｂを超える
場合は圧縮機２ｂ、２ｃを稼動しながら圧縮機２ａは回
転数制御するように動作する。このように所要加熱量に
応じて３台の圧縮機２の運転負荷を滑らかに設定するこ
とができるので、幅広い給湯負荷に対して安定に温度制
御することができる。また、給湯端末１２の蛇口１７等
をひねれば、瞬間的に所望の温度及び量の湯を出湯させ
ることができる。すなわちいわゆる瞬間湯沸かし型であ
る。

【００５９】ただし加熱制御手段１９は運転開始時にお
いては通常と異なった運転条件により圧縮機２及び減圧
手段４を制御する。これは、運転開始後所定時間（例え
ば１分間）での吐出温度検知手段２７と湯温検知手段２
２の検出温度がそれぞれ所定温度以下（例えば３０℃以
下）の場合に圧縮機や熱交換器が冷えていると判断し、
所要加熱量に一定量（例えば２割）の加熱量を増して圧
縮機２の運転をする。また、吐出温度検知手段２７と湯
温検知手段２２の検出温度がそれぞれ所定温度以上（例
えば設定温度より５℃以上高い）の場合に、圧縮機や熱
交換器が加熱されていると判断し、所要加熱量よりも一
定量（例えば２割）の加熱量を減少させて運転を開始す
ることにより、給湯温度の立上りの遅れを少なくすると
共に、出湯温度の変動を抑えることができる。

【００６０】また、加熱制御手段１９は複数の圧縮機２
ａ、２ｂ、２ｃを同時に起動する際は、それぞれに時間
差を設けて起動するように設定している。具体的には３
台同時に起動する際は、圧縮機２ａがまず起動し、所定
時間（例えば２秒）後に圧縮機２ｂが起動、更に所定時
間（例えば２秒）後に圧縮機２ｃが起動するように動作
させる。これによって、圧縮機２の突入電流を平準化す
ることができ、制御回路への負担を減少させることがで
きる。

【００６１】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
こで送風機２４ａ、２４ｂによって送風された大気熱を
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１
２から出湯利用できる。

【００６２】給湯中の負荷設定部１８では、フィードバ
ック加熱量を、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。

【００６３】一方、フィードフォワード加熱量は、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、
フィードバック加熱量とフィードフォワード加熱量を加
算して所要加熱量を求めている。このフィードバック加
熱量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。

【００６４】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。

【００６５】また、実施例１ではフィードフォワード加
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。

【００６６】また、熱交換器１０と給湯端末１２との間
の給湯回路１３に、一時的に貯湯するための貯湯タンク
を設けても良い。この場合でも、給水管１１から水道水
が流れるのと連動して圧縮機２が動作し、ヒートポンプ
サイクルが運転されるものであって、貯湯タンク内の湯
がなければ貯湯タンクを経て直接給湯端末１２へと出湯
される。

【００６７】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。またこの場合、冷媒としてはフ
ロンガス、アンモニアなどを用いても良い。

【００６８】また、実施例１では圧縮機を３台並列に配
置したが、２台でも良いし、３台以上でもよい。台数が
多いほうがより広い範囲で給湯負荷に対応できるように
なる。

【００６９】さらに、実施例１では送風機を２台の運転
台数を変更するように用いたが、２台の回転数を変更し
ても良いし、２台以上の送風機の運転台数や回転数を変
更してもよい。

【００７０】また、実施例１では吸熱器は単一であった
が、これを複数設けてもよい。この際に吸熱器と対に送
風機を配置すると、各放熱器の吸熱条件が同一と成るの
で設計や制御がしやすくなる。

【００７１】（実施例２）図３は本発明の実施例２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。

【００７２】図３において、実施例１の構成と異なると
ころは、複数の圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃを冷媒流路１に
対して直列に接続して配置した点にある。これは加熱制
御手段１９において出力される所要加熱量に応じて運転
圧縮機２を増加する場合に、各圧縮機を直列に接続して
いるので、冷媒循環量を減少させることなく冷媒吐出温
度を上げられる。したがって、高温の出湯温度で大流量
の給湯が必用な場合に熱交換効率を向上できる。

【００７３】熱交換効率は熱交換器１０の冷媒流路ａ８
と水流路９との平均的温度差が大きいほど良くなる。冷
媒流路ａ８の平均温度は圧縮機２の吐出圧力と冷媒循環
量によって決まる。すなわち吐出圧力が高くても冷媒循
環流量が少なければすぐに冷媒温度は下がってしまい平
均温度は下がってしまう。本実施例によれば冷媒循環流
量を低下させずに吐出圧力を高くできるので冷媒流路ａ
８の平均温度が高くなり熱交換効率が上がるので、運転
効率もよくなる。

【００７４】（実施例３）図４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４において、実施例１の構成と異な
るところは、複数の圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃに対応して
複数の熱交換器１０ａ、１０ｂ、１０ｃと複数の減圧手
段４ａ、４ｂ、４ｃを備えた点である。２７ａ、２７
ｂ、２７ｃは各圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃに対応した吐出
温度を検知するための吐出温度検知手段である。

【００７５】この実施例３によれば、圧縮機２ａ、２
ｂ、２ｃと熱交換器１０ａ、１０ｂ、１０ｃと減圧手段
４ａ、４ｂ、４ｃをそれぞれ複数備えているので、負荷
設定手段１８で設定される給湯負荷の大きさに適合した
圧縮機の数と回転数に設定され、またこれに適合の熱交
換器数に設定でき、さらにこの条件に適合した減圧手段
の制御ができる。したがって、運転開始時の温度立ち上
がりが早くなると共に運転効率の向上も可能である。す
なわち、給湯負荷が小さな時には使用熱交換器を減らせ
るので、作用する熱交換器の熱容量が小さくなり温度立
ち上がりが早くできる。

【００７６】なお、各熱交換器１０ａ、１０ｂ、１０ｃ
に独立した蛇口等の給湯端末を設けて、それぞれの熱交
換条件を変えれば複数の給湯温度での出湯も可能とな
る。また、熱交換器の１つを風呂の追焚き用いても良
い。

【００７７】（実施例４）図５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。

【００７８】図５において、実施例１の構成と異なると
ころは、複数の圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃ内の潤滑油の量
を平準化する平準化手段３０を設けた点と、圧縮機２
ａ、２ｂ、２ｃの吐出側に設けていた逆流防止手段を除
き、各圧縮機を同期させて運転する点にある。

【００７９】まず平準化手段３０について図６を用いて
説明する。図６は圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃと平準化手段
３０の構成図である。図において３１はモータ、３２は
加圧機構、３３は潤滑油である。そして各圧縮機２ａ、
２ｂ、２ｃは、ほぼ水平に配置されており、平準化手段
３０は、各圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃの潤滑油３３を連通
するパイプより構成している。

【００８０】この構成によって、圧縮機間の潤滑油の油
面に差が生じても平準化手段３０によって、油面の高い
圧縮機から油面の低い圧縮機へ潤滑油が流れて常に平準
化される。したがって、潤滑油不足によって加圧機構が
焼け付いたりするトラブルが解消される。

【００８１】また実施例４における加熱手段１９におけ
る圧縮機２ａ、２ｂ、２ｃの運転制御は、常に３台を同
期させて運転し、回転数制御も３台同時に同期させて行
うようにしている。この同期運転制御により、各圧縮機
２ａ、２ｂ、２ｃの吐出圧力は同一となつため、冷媒や
潤滑油の逆流や偏りがなくなるので、逆流防止手段など
の特別な機構が不要となり低コスト化につながる。

【００８２】（実施例５）図７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３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７において、実施例３の構成と異な
るところは、圧縮機２が単一で有る点と、圧縮機２から
吐出される冷媒が分岐して複数の熱交換器１０ａ、１０
ｂ、１０ｃに流れる構成とした点である。また、減圧手
段４ａ、４ｂ、４ｃは各熱交換器１０ａ、１０ｂ、１０
ｃ毎に配置して、熱交換器に流す冷媒の分配を調整する
働きも持たせている。

【００８３】この実施例５によれば、負荷設定手段１８
で設定される給湯負荷の大きさが例えば少ない場合は、
加熱制御手段１９が圧縮機２を低回転数で運転し、減圧
手段４ｂ、４ｃを閉じて減圧手段４ａだけを適正な開度
に調整する。このことによって、加熱される熱交換器の
熱容量がちいさくなるので、熱交換器１０ａの温度上昇
が早くなる。

【００８４】また、熱交換器からの放熱ロスも少なくな
る。このように、低負荷時であっても運転開始時の温度
立ち上がりが早くなると共に運転効率の向上も可能であ
る。

【００８５】また給湯負荷が大きい場合は、圧縮機２を
高速回転で運転し、減圧手段４ａ、４ｂ、４ｃを全て適
正な開度に調整する。このことによって、全ての熱交換
器１０ａ、１０ｂ、１０ｃが加熱されるので大能力にも
対応できる。

【００８６】なお、実施例３または５では、熱交換器を
複数配置したが、単一の熱交換器に、放熱器を複数配置
してもよい。この場合は部品点数が減らせるので材料や
組立のコストダウンになる。

【００８７】（実施例６）図８は本発明の実施例６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。

【００８８】図８において、実施例１の構成と異なると
ころは、圧縮機２を単一として回転数制御するものとし
た点と、熱交換器１０に対して複数の水流路９ａ、９ｂ
を備えた点である。水流路９ａは実施例１の水流路９と
同様の作用をするが、水流路９ｂは、浴槽４０み水を流
水して、風呂の追焚きや保温を行うように構成してい
る。４１は浴槽４０と水流路９ｂとを連通する水循環回
路、４２はこの水循環回路４１の水を循環するための循
環ポンプである。

【００８９】この構成において、風呂の追焚きを行う場
合は、加熱制御手段１９が、所定の加熱量（例えば１０
ｋＷ）になるように圧縮機２、送風機２４ａ、２４ｂ、
減圧手段４を制御する。この時同時に循環ポンプ４２を
駆動して水流路９ｂの風呂水を加熱する。そして水循環
回路の戻り温度検知手段４３の検知温度が所定値（例え
ば４２℃）になったら運転を停止するように作用する。

【００９０】この実施例６によれば、熱交換器１０に水
流路９ａ、９ｂを複数備えているので、水流路毎に給湯
端末が割り当てることができるので、実施例のように一
般の給湯と、風呂追焚きが同じ熱交換器によりできる。

【００９１】（実施例７）図９は本発明の実施例７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。

【００９２】図９において、実施例１の構成と異なると
ころは、冷媒循環回路７ａ、７ｂを複数備えた点と、圧
縮機２ａ、２ｂおよび送風機２４ａ、２４ｂは、それぞ
れ単一で構成している点である。そして、単一の熱交換
器１０に放熱器３ａと放熱器３ｂの二つを備え、水流路
９は単一で構成している。

【００９３】この構成において、給湯負荷の大きさに応
じて運転する冷媒循環回路７ａ、７ｂの運転数や運転状
態を変更するように作用する。例えば給湯負荷が大きけ
れば冷媒循環回路７ａおよび７ｂを大能力で運転し、給
湯負荷が少なければ、冷媒循環回路７ｂを停止し、７ａ
の加熱量を可変して運転する。

【００９４】この実施例７によれば、同一の冷媒循環回
路を複数組合わせているので部品の共用化が可能とな
る。また、更に大きな給湯負荷に対応させる場合に、冷
媒循環回路の数を増やすことで、容易に大能力化が可能
となる。

【００９５】

【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】同ヒートポンプ給湯装置における圧縮機制御特
性図

【図３】本発明の実施例２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３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４におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図６】同ヒートポンプ給湯装置の平準化手段の構成図

【図７】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８】本発明の実施例６におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図９】本発明の実施例７におけるヒートポンプ給湯装
置の構成図

【図１０】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図

【符号の説明】

２ 圧縮機 ３ 放熱器 ４ 減圧手段 ５ 吸熱器 ７ 冷媒循環回路 ９ 水流路 １０ 熱交換器 １１ 給水管 １２ 給湯端末 １３ 給湯回路 １４ａ、１４ｂ、１４ｃ 逆流防止手段 １８ 制御手段（負荷設定手段） １９ 制御手段（加熱制御手段） ２４ａ、２４ｂ 送風機

───────────────────────────────────────────────────── 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 岡 浩二 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 (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを
   含む冷媒循環回路と、前記放熱器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、前記圧縮機と放熱器と減圧手
   段と吸熱器と熱交換器と水流路の少なくともいずれかひ
   とつが複数設けられたヒートポンプ給湯装置。
2. 【請求項２】 圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを
   含む冷媒循環回路と、前記放熱器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、前記冷媒循環回路が複数設け
   られたヒートポンプ給湯装置。
3. 【請求項３】 圧縮機を複数備えた請求項１または２記
   載のヒートポンプ給湯装置。
4. 【請求項４】 各圧縮機に対応した放熱器を複数備えた
   請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 【請求項５】 各圧縮機に対応した減圧手段を複数備え
   た請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 【請求項６】 各圧縮機に対応した熱交換器を複数備え
   た請求項３記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 【請求項７】 各圧縮機を並列に接続して配置した請求
   項３記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 【請求項８】 圧縮機の冷媒の逆流防止手段を備えた請
   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。
9. 【請求項９】 圧縮機を直列に接続して配置した請求項
   ３に記載のヒートポンプ給湯装置。
10. 【請求項１０】 圧縮機内の潤滑油の量を平準化する平
    準化手段を備えた請求項３〜９のいずれか１項に記載の
    ヒートポンプ給湯装置。
11. 【請求項１１】 圧縮機の運転台数を変更する制御手段
    を設けた請求項３〜１０のいずれか１項に記載のヒート
    ポンプ給湯装置。
12. 【請求項１２】 少なくとも１台の圧縮機を回転数制御
    する制御手段を設けた請求項３〜１１のいずれか１項に
    記載のヒートポンプ給湯装置。
13. 【請求項１３】 複数の圧縮機を起動させる際に、それ
    ぞれに時間差を設けて起動させる制御手段を設けた請求
    項３〜１２のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装
    置。
14. 【請求項１４】 複数の圧縮機の運転を同期させる制御
    手段を設けた請求項３〜１０のいずれか１項に記載のヒ
    ートポンプ給湯装置。
15. 【請求項１５】 熱交換器を複数備えた請求項１〜１４
    のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
16. 【請求項１６】 熱交換器に放熱器を複数備えた請求項
    １〜１５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装
    置。
17. 【請求項１７】 熱交換器に水流路を複数備えた請求項
    １〜１６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装
    置。
18. 【請求項１８】 吸熱器を複数備えた請求項１〜１７の
    いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
19. 【請求項１９】 吸熱器に送風機を備え、前記送風機を
    複数備えた請求項１〜１８のいずれか１項に記載のヒー
    トポンプ給湯装置。
20. 【請求項２０】 冷媒循環回路を複数備えた請求項１〜
    １９のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
21. 【請求項２１】 給湯負荷と外気条件の少なくとも何れ
    かの条件に応じて冷媒循環回路の運転条件を変更する制
    御手段を設けた請求項１〜２０のいずれか１項に記載の
    ヒートポンプ給湯装置。
22. 【請求項２２】 運転開始時は通常と異なった運転条件
    により冷媒循環回路を運転する請求項１〜２１のいずれ
    か１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
23. 【請求項２３】 冷媒循環回路は、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１〜２２のいずれか１項に記載
    の給湯装置。