JP2005121284A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性と安定性を両立した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】冷媒循環回路７により水を加熱する熱交換器１０からの水と貯湯槽２２からの水を混合する混合手段２０を備えたヒートポンプ給湯装置であって、少なくとも給湯運転時に、熱交換器１０からの出湯温度が所定温度より低い場合に混合手段２０によって貯湯槽２２からの湯を出湯させるものである。これによって、給湯運転時の熱交換器１０からの出湯温度に応じて貯湯槽２２からの出湯量を調整することにより混合手段２０からの混合温度を設定温度に近付けるなどの制御を行うので、出湯温度の安定性がよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯装置は、給湯温度が設定温度になるように圧縮機の回転数を制御するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

図２は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ給湯装置を示すものである。図２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。
特開平２−２２３７６７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、冷媒循環回路の熱容量が大きいため、給湯開始時に給湯温度が設定温度に達するのに長い時間を要したり、給湯流量が大幅に変更された場合に給湯温度変化に制御の応答性が間に合わず、給湯温度が大きく変化してしまうなどの課題を有していた。また、給湯負荷が大きく冷媒循環回路の給湯能力が不足するような場合に所定の給湯温度が得られないなどの課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、給湯温度が安定なヒートポンプ給湯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給湯装置は、冷媒循環回路の放熱器により水を加熱する熱交換器と、貯湯槽を備え、前記熱交換器からの水と前記貯湯槽からの水を混合する混合手段を備えたヒートポンプ給湯装置であって、少なくとも給湯運転時に、前記熱交換器からの出湯温度が所定温度より低い場合に前記混合手段によって前記貯湯槽からの湯を出湯させるものである。

これによって、給湯運転時の熱交換器からの出湯温度に応じて貯湯槽からの出湯量を調整することにより混合手段からの混合温度を設定温度に近付けるなどの制御を行う。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯温度を安定にすることができる。

第１の発明は、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、貯湯槽と、前記熱交換器からの水と前記貯湯槽からの水を混合する混合手段とを備え、少なくとも給湯運転時に、前記熱交換器からの出湯温度が所定温度より低い場合には前記混合手段によって前記貯湯槽からの湯を出湯させることにより、混合手段の混合温度を安定にすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の貯湯槽の貯湯温度を、混合手段の設定温度より高くすることにより、例えば熱交換器からの出湯温度が設定温度より低い場合は、混合手段の貯湯槽からの水の割合を増加することにより、混合手段の混合温度を設定温度に近付けることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の貯湯槽の貯湯温度が、混合手段の設定温度より低い場合に、前記貯湯槽からの混合手段への流量を閉止もしくは減少させることにより、貯湯槽の湯がなくなる、いわゆる湯切れが発生した場合でも、熱交換器からの出湯を主体にすることで、混合温度が低下するのを防止できる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明の熱交換器からの出湯温度を、混合手段の設定温度と同等もしくは低くすることにより、例えば前記出湯温度と設定温度を同等にすると混合手段は混合割合を熱交換器からだけで出湯ができるので、貯湯槽の湯切れを無くすことができる。また設定温度より低くすることで熱交換器からの出湯温度が変動しても貯湯槽からの湯の割合を調整することで安定した混合温度が得られる。

第５の発明は、特に、第１の発明の貯湯槽の貯湯温度が、混合手段の設定温度より低い場合に、熱交換器からの出湯温度を設定温度より高くすることにより、貯湯槽が湯切れしても熱交換器からの湯の割合を調整することで略設定温度の混合温度が得られる。

第６の発明は、特に、第１の発明の熱交換器からの出湯温度が、混合手段の設定温度より高い場合に、貯湯槽からの混合手段への流量を閉止もしくは減少させることにより、無駄な貯湯槽の湯の消費を抑えることができ、湯切れを防止できる。

第７の発明は、特に、第１の発明の混合手段を、給湯停止時に、混合手段の上流側の温度に応じて制御することにより、給湯再開時の混合温度を予測した混合手段を制御することができる。

第８の発明は、特に、第７の発明の混合手段の制御量が、給湯が再開した場合に前記混合手段の混合温度が略設定温度になるように設定することにより、給湯開始時から略設定温度の混合温度が得られる。

第９の発明は、特に、第１または第５の発明の制御手段を、貯湯温度が混合手段の設定温度より低い場合に、前記貯湯槽からの混合手段への流量割合を混合温度に比例的に制御することにより、貯湯温度が設定温度より低下して湯切れが発生しても、混合温度が略設定温度に安定して制御される。また貯湯槽の水を使い続けることにより、貯湯槽の残留熱量を有効に使いきることができる。

第１０の発明は、特に、第１〜９の発明の冷媒循環回路を、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ことにより、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放熱器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。

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。また、従来例および各実施の形態において、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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の構成図を示すものである。

図１において、冷媒循環回路７は、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。この冷媒循環回路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冷媒循環回路を使用している。そして圧縮機２は、内蔵する電動モーター（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、熱交換器１０には放熱器３の冷媒流路ａ８と熱交換を行う水流路９により構成される。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混合手段ａ２０に通水する出湯管２１が接続されている。

なお、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。

貯湯槽２２は、底部に給水管１１から分岐した入口管２３が接続され、給湯時に水道水が貯湯槽２２底部に流入するように構成されている。また、貯湯槽２２上部には貯湯槽２２から出湯される湯を混合手段ａ２０に通水する出口管２４が接続されている。さらに、貯湯槽２２底部には貯湯槽２２の水を水流路９に通水するための入水管２５が接続されており、この入水管２５には、貯湯槽２２の水を水流路９に送るためのポンプ２６が備えられている。

なお、貯湯槽２２の水を水流路９に循環して加熱する際は、混合手段ａ２０により出湯管２１と出口管２３を連通させて、圧縮機２とポンプ２６を駆動することにより、入水管２５より水流路９に流れた水は、水流路９内で加熱されて出湯管２１、混合手段ａ２０、出口管２４を経て貯湯槽２２上部に戻る循環回路が構成される。

混合手段ａ２０は水流路９（熱交換器１０）からの水と貯湯槽２２からの水を混合して混合出湯管２７に出湯するもので、モーター（図示せず）駆動により混合割合を任意に設定できる。また、混合手段ｂ２８は混合出湯管２７からの湯と、給水管１１から分岐したバイパス管２９からの水道水を混合して給湯管３０に出湯するもので、モーター（図示せず）駆動により混合割合を任意に設定できる。

給湯管３０は、シャワー１６や蛇口１７等より成る給湯端末１２に通水させるための給湯回路１３が接続されている。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３１と、熱交換器１０、貯湯槽２２、混合手段ｂ２８への給水される水道水温度を検出する水温検知手段３２が設けられている。そして出湯管２１には水流路９からの出湯温度を検出する出湯温度検知手段３３が設けられている。出口管２４には貯湯槽２２からの出湯温度を検出する出口温度検知手段３４が設けられている。混合出湯管２７には混合手段ａ２０からの混合温度を検出する混合温度検知手段３５が設けられている。給湯管３０には混合手段ｂ２８からの混合温度を検出する給湯温度検知手段３６が設けられている。入水管２５には貯湯槽２２から熱交換器１０に流入する入水温度を検出する入水温度検知手段３７が設けられている。貯湯槽２２下部には貯湯槽２２への給水を検知する給水検知手段３８が設けられている。

冷媒循環回路７の吸熱器５には、大気熱を効率良く吸熱するためのファン３９が設けられている。この吸熱器５の送風の上流側には大気温度を検出する気温検知手段４０が設けられている。

制御手段４１には、使用者が任意に給湯温度を設定する温度設定手段４２からの信号（以降、給湯設定温度と呼ぶ）と上記の各検知手段の信号を受けて、給湯時に給湯管３０からの出湯温度が設定温度に近づくように装置全体を制御する。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯装置について、以下にその動作、作用を制御手段の動作を用いて説明する。

制御手段４１は、流量検知手段３１の信号により給湯中か給湯停止中かを判定し、給湯中であれば給湯モードとして運転制御する。また、給湯停止中と判定されてかつ、給水検知手段３８により貯湯槽２２への給水が検知された場合は貯湯沸上モードとして運転制御する。さらに、給湯モードでもなく貯湯沸上モードでもない場合を停止モードとする。給水検知手段３８による給水検知は、例えば検知温度が５０℃より低い場合に給水ありと判断する。なお、貯湯槽２２の放熱により温度が低下しても同様に給水ありと判定して貯湯沸上モードになるので結果として保温運転にもなる。

貯湯沸上モードは、混合手段ａ２０を出湯管２１と出口管２４が連通するように設定する。そして、気温検知手段４０と入水温度検知手段３７の検出温度に応じて所定の加熱能力が出るように圧縮機２の回転数と減圧手段４の開度とファン３９の回転数を設定して冷媒循環回路７を運転する。また同時にポンプ２６を起動して貯湯槽２２底部の水を熱交換器１０に通水して加熱された湯を出口管２４から貯湯槽２２上部に戻して沸上げる。

このとき目標となる貯湯温度を予め設定し、この貯湯温度と出湯温度検出手段３３の検出温度との偏差が小さくなるようにポンプ２６の流量制御を行う。貯湯温度は温度設定手段４２で設定する給湯設定温度より高い温度とする。例えば温度設定手段４２の設定範囲が３５℃〜６０℃とすると貯湯温度は６０℃を超える温度ということで例えば８０℃に設定する。なお、この貯湯温度は給湯負荷に連動させて外気温度が低い冬場の場合は高く、外気温度が高い夏場の場合は低くなるように設定してもよい。このことにより、貯湯槽２２からの放熱ロスが少なできる。

給湯モードは、冷媒循環回路７の運転による熱交換器１０での加熱制御と、混合手段ａ２０と混合手段ｂ２８の混合制御が同時に行なわれる。

熱交換器１０での加熱制御は、給湯負荷を算定して、この給湯負荷に基づいて圧縮機２の基準回転数と減圧手段４の基準開度を設定する。そして、出湯温度検知手段３３の検出温度と給湯設定温度との偏差が小さくなるように圧縮機２の基準回転数を補正制御する。給湯負荷は、水温検知手段３２と給湯設定温度との差に流量検知手段３１の検出流量を乗じて求める。

混合手段ａ２０の混合制御は、熱交換器１０からの湯と、貯湯槽２２からの湯と混合して、混合温度検知手段３５の検出温度（以降、混合温度と呼ぶ）と給湯設定温度との偏差が小さくなるように混合手段ａ２０の混合割合をフィードバック制御する。

このフィードバック制御は、出湯温度検知手段３３の検出温度が給湯設定温度より低く、出口温度検知手段３４の検出温度が給湯設定温度より高い場合で、給湯設定温度より混合温度が低くければ、貯湯槽２２からの流量比率が大きくなるように制御し、給湯設定温度より混合温度が高くなれば、貯湯槽２２からの流量比率が小さくなるように制御する。

また、混合手段ａ２０の混合制御は、出口温度検知手段３４の検出する出湯温度（貯湯槽の貯湯温度）が、給湯設定温度より低い場合に、貯湯槽２２からの流量を閉止させるように制御する。これは貯湯温度が給湯設定温度より低くなったことで、湯切れが発生したと判断して、貯湯槽２２からの出湯を停止し、熱交換器１０のみの給湯に切換えることにより、混合弁制御における貯湯槽２２からの湯温変動の影響がなくなるので、熱交換器１０での加熱制御が安定する。

さらに、混合手段ａ２０の混合制御は、出湯温度検知手段３３の検出温度が給湯設定温度より高くなった場合にも、貯湯槽２２からの流量を閉止させるように制御する。これは、熱交換器１０からの出湯温度が給湯設定温度に到達した段階で、貯湯槽２２からの出湯を停止し、熱交換器１０のみの給湯に切換えることにより、貯湯槽２２の湯の消費を抑制して湯切れを防止するとともに、熱交換器１０での加熱制御を安定にする。

混合手段ｂ２８の混合制御は、混合手段ａ２０からの湯と、バイパス管２９からの水道水と混合して、給湯温度検知手段３６の検出温度（以降、給湯温度と呼ぶ）と給湯設定温度との偏差が小さくなるように混合手段ｂ２８の混合割合をフィードバック制御する。この混合手段ｂ２８の混合制御は、混合手段ａ２０から供給される湯温は略給湯設定温度になっているので、混合手段ｂ２８の混合割合は、略バイパス管２９側が全閉で、混合手段ａ２０側が全開の状態となる。ただし、熱交換器１０からの出湯温度が給湯設定温度を超えた場合や、貯湯沸上モード運転直後では、出湯管２１や出口管２４に給湯設定温度以上の湯が滞留しているので、混合手段ａ２０から給湯設定温度以上の混合温度の湯が出湯される。このような場合にはバイパス管２９側を開いて給湯温度が給湯設定温度に設定される。

停止モードは、冷媒循環回路７の運転は全て停止し、ファン３９、ポンプ２６の運転も停止する。ただし、混合手段ａ２０および混合手段ｂ２８は、待機制御を行ない給湯が再開した場合に混合温度及び給湯温度が略設定温度になるように混合割合を設定する。

この待機制御は、混合手段ａ２０の場合は、出湯温度検知手段３３の検出温度Ｔｈと出口温度検知手段３４の検出温度Ｔｔと給湯設定温度Ｔｓから次式により貯湯層２２側の混合割合Ｍｘａを求め、この結果Ｍｘａに合うように混合手段ａ２０を駆動する。

Ｍｘａ＝（Ｔｓ−Ｔｈ）／（Ｔｔ−Ｔｈ）
ただし、Ｍｘａは０〜１とする。

混合手段ｂ２８の場合は、水温検知手段３２の検出温度Ｔｗと混合温度検知手段３５の検出温度Ｔｍと給湯設定温度Ｔｓから次式により貯湯層２２側の混合割合Ｍｘｂを求め、この結果Ｍｘｂに合うように混合手段ａ２０を駆動する。

Ｍｘｂ＝（Ｔｓ−Ｔｗ）／（Ｔｍ−Ｔｗ）
ただし、Ｍｘｂは０〜１とする。

この待機制御を行うことにより、給湯が開始されて給湯モードに以降した直後であっても混合手段ａ２０および混合手段ｂ２８は最適な混合割合に設定されているので、給湯開始直後から給湯設定温度の給湯が可能となる。

なお、本実施の形態では貯湯槽２２の貯湯温度が、給湯設定温度より低い場合に、混合手段ａ２０により貯湯槽２２からの混合手段ａ２０への流量を閉止するように制御しているが、これを貯湯槽２２側の流量割合を減少させるように制御することにより、貯湯槽２２内の残留熱を使いきることが出来る。これにより、貯湯槽２２からの放熱ロスが抑えられ、かつ貯湯沸上時の熱交換器１０への入水温度が低温で安定するので沸上時の効率も向上する。

また、本実施の形態では熱交換器１０からの出湯温度の目標値は給湯設定温度とし、混合手段ａ２０の混合温度の目標値と同一としているが、これを熱交換器１０からの出湯温度の目標値を給湯設定手段より低く設定することにより、混合手段ａ２０に常に貯湯槽２２からの湯が供給されるようになるので、熱交換器１０からの出湯温度が変動しても混合手段ａ２０により給湯設定温度に安定して出湯することができるようになる。

さらに、本実施の形態では貯湯槽２２の貯湯温度が、給湯設定温度より低い場合に、混合手段ａ２０により貯湯槽２２からの混合手段ａ２０への流量を閉止するように制御しているが、熱交換器１０からの出湯温度を給湯設定温度より高くするとともに、混合手段ａ２０により貯湯槽２２からの混合手段ａ２０への混合割合を混合温度に比例的に制御することにより、貯湯槽２２からの混合を残しながら混合制御することにより、熱交換器１０からの出湯温度が変動しても混合温度を略給湯設定温度に安定して出湯することができるようになる。

また、本実施の形態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。

さらに、本実施の形態では混合手段を混合手段ａ２０と混合手段ｂ２８の２重の混合構成としているが、混合手段ａ２０の混合出口管２７を給湯回路１３に直接接続して給湯する構成でもよい。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、給湯温度の安定した出湯が可能となるので、電気、ガス、石油熱源の給湯機や電子制御のカラン等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図 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 冷媒循環回路
９ 水流路
１０ 熱交換器
２０ 混合手段ａ
２２ 貯湯槽
２８ 混合手段ｂ

Claims (10)

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、貯湯槽と、前記熱交換器からの水と前記貯湯槽からの水を混合する混合手段とを備え、少なくとも給湯運転時に、前記熱交換器からの出湯温度が所定温度より低い場合には前記混合手段によって前記貯湯槽からの湯を出湯させることを特徴とするヒートポンプ。
2. 貯湯槽の貯湯温度は、混合手段の設定温度より高くした請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 貯湯槽の貯湯温度が、混合手段の設定温度より低い場合に、前記貯湯槽からの混合手段への流量を閉止もしくは減少させる請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 熱交換器からの出湯温度は、混合手段の設定温度と同等もしくは低くした請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 貯湯槽の貯湯温度が、混合手段の設定温度より低い場合に、熱交換器からの出湯温度を設定温度より高くする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 熱交換器からの出湯温度が、混合手段の設定温度より高い場合に、貯湯槽からの混合手段への流量を閉止もしくは減少させる請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 給湯停止時に、混合手段の上流側の温度に応じて混合手段を制御する請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 混合手段の制御量が、給湯が再開した場合に前記混合手段の混合温度が略設定温度になるように設定する請求項７に記載のヒートポンプ給湯装置。
9. 貯湯温度が混合手段の設定温度より低い場合に、貯湯槽からの混合手段への流量割合を混合温度に比例的に制御する請求項１または５に記載のヒートポンプ給湯装置。
10. 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１〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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