JP2005140439A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うこにより目標出湯温度の到達時間を短縮すること。
【解決手段】ヒートポンプユニット１５と、タンクユニット２１と、ヒートポンプユニット１５の設定加熱能力と入水温度と目標出湯温度とから循環ポンプ１７の目標流量を算出する循環ポンプ流量算出手段２２とから構成されたヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプユニット１５運転起動時の循環ポンプ１７の流量を、目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行う循環ポンプ制御手段２３を備えたことにより、ヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ給湯機としては、図５に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、貯湯式の給湯熱源装置をエンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムに適用した例を説明しているが、ここでは必要部分以外は部品類を省略・簡素化してヒートポンプ給湯機として説明する。図５に示すように、このヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク２，循環ポンプ３，熱交換器４が順次閉回路となるように接続されている。貯湯タンク２の下部から取り出した冷水を循環ポンプ３により熱交換器４に搬送し、ヒートポンプ加熱器１により高温の湯に加熱して貯湯タンク２の上部に戻す。沸き上げ運転開始時に際し、循環量制御装置ＣＮＴは循環ポンプ３の初期流量を算出し、初期流量を保持しながらヒートポンプ式加熱器１の運転を起動する。初期流量は、ヒートポンプ式加熱器１の設定能力と入水温度センサー５による入水温度と目標出温度とから、ヒートポンプ式加熱器１が設定能力を出力した場合に目標出湯温度の湯が沸き上げられる様に算出される。すなわち、沸き上げ運転開始時からヒートポンプ式加熱器１の運転能力が低いままで安定することなく、出湯温度センサー６で検出した出湯温度が目標出湯温度になるまでヒートポンプ式加熱器１の能力を引き上げるので、ヒートポンプ式加熱器１の運転能力を十分活用した効率的な運転ができる。
特開２００２−２９５８９９号公報

しかしながら、前記従来の構成では、沸き上げ運転起動初期にヒートポンプ式加熱器１のヒートポンプサイクルが未だ安定しておらず能力が不十分な時から、ヒートポンプ式加熱器１の設定能力が出力されている場合を想定した過剰な流量が流れているため、出湯温度が目標出湯温度に到達するまでに時間を要するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うこにより目標出湯温度の到達時間を短縮できるだけでなく、目標出湯温度に対するオーバーシュートを防止することができるヒートポンプ給湯機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機は、圧縮機と冷媒対水熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続した冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、貯湯タンクと循環ポンプと冷媒対水熱交換器の水側配管とを環状に接続した給湯回路を備えたタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットの設定加熱能力と前記冷媒対水熱交換器の水側配管入口の入水温度と目標出湯温度とから前記循環ポンプの目標流量を算出する循環ポンプ流量算出手段とを有し、前記ヒートポンプユニット運転起動時の前記循環ポンプ流量を、前記目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うヒートポンプ給湯機とする。

すなわち、ヒートポンプユニットの運転起動初期の加熱能力が低い場合には循環ポンプの流量を少なく、運転時間経過とともに加熱能力が増大すると循環ポンプの流量を徐々に増大させることにより、運転起動初期の高圧側（冷媒対水熱交換器）の冷媒の熱量が過剰に給湯回路側の水に吸熱されることがないのでヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。

また、ヒートポンプユニット運転起動時の出湯温度を、目標出湯温度よりも若干低い温度に略安定させた後に目標出湯温度に安定させることにより、目標出湯温度に対するオーバーシュートを防止することができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うこにより目標出湯温度の到達時間を短縮できるだけでなく、目標出湯温度に対するオーバーシュートを防止することができる。

第１の発明は、圧縮機と冷媒対水熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続した冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、貯湯タンクと循環ポンプと冷媒対水熱交換器の水側配管とを環状に接続した給湯回路を備えたタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットの設定加熱能力と前記冷媒対水熱交換器の水側配管入口の入水温度と目標出湯温度とから前記循環ポンプの目標流量を算出する循環ポンプ流量算出手段とを有し、前記ヒートポンプユニット運転起動時の前記循環ポンプ流量を、前記目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うヒートポンプ給湯機とすることにより、前記ヒートポンプユニットの運転起動初期の加熱能力が低い場合には循環ポンプの流量を少なく、運転時間経過とともに加熱能力が増大すると循環ポンプの流量を徐々に増大させることにより、運転起動初期の高圧側（冷媒対水熱交換器の冷媒側配管）の冷媒の熱量が過剰に給湯回路側の水に吸熱されることがないのでヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機のステップ制御を、循環ポンプの流量をヒートポンプユニット運転起動後の経過時間に応じて変化させるもので、ヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。

第３の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機のステップ制御を、循環ポンプの流量を出湯温度に応じて変化させるもので、外気温度や圧縮機本体の温度などの条件によるヒートポンプサイクルの起動特性の相違に柔軟に対応した循環ポンプ流量制御ができ、ヒートポンプサイクルの速やかな起動による目標出湯温度の到達時間短縮がはかれる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機を、ヒートポンプユニット運転起動から所定時間経過後にステップ制御から通常流量制御に移行させるもので、ヒートポンプユニットの起動制御（過渡時）から通常制御（安定時）への移行を確実に行うことができる。

第５の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機を、目標出湯温度と現在の出湯温度との温度差が所定値以下になった場合にステップ制御から通常流量制御に移行させるもので、外気温度や圧縮機本体の温度などの条件によるヒートポンプサイクルの起動特性の相違に柔軟に対応しながら、ヒートポンプユニットの起動制御（過渡時）から通常制御（安定時）への移行をスムーズに行うことができる。

第６の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機、ヒートポンプユニット運転起動から所定時間経過後、または目標出湯温度と現在の出湯温度との温度差が所定値以下になった場合に、ステップ制御から通常流量制御に移行するもので、ヒートポンプユニットの起動制御（過渡時）から通常制御（安定時）への移行をスムーズにかつ確実に行うことができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプユニット運転起動時の出湯温度を、目標出湯温度よりも若干低い温度に略安定させた後に目標出湯温度に安定させるもので、目標出湯温度に対するオーバーシュートを防止することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機におけるヒートポンプユニットの冷媒回路を、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としたことにより、臨界圧力以上に昇圧された冷媒で冷媒対水熱交換器の水側配管内の水を加熱することで、冷媒対水熱交換器の冷媒側配管内の冷媒は、臨界圧力以上に加圧されているので冷媒対水熱交換器の水側配管内の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。従って、冷媒対水熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯（約９０度）が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第９の発明は、特に、第８の発明のヒートポンプ給湯機の冷媒を二酸化炭素としたもので、二酸化炭素冷媒は比較的安価でかつ安定であるため製品コストを抑えるとともに信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の構成図である。図１において、ヒートポンプユニット１５は、圧縮機１１、冷媒対水熱交換器の冷媒側配管１２、電動膨張弁１３、室外熱交換器１４を環状に接続した冷媒回路から構成されている。また、タンクユニット２１は、貯湯タンク１６、循環ポンプ１７、冷媒対水熱交換器の水側配管１８を環状に接続した給湯回路と、冷媒対水熱交換器の水側配管１８の入口温度を検出する入水温度センサー１９と、冷媒対水熱交換器の水側配管１８の出口温度を検出する出湯温度センサー２０とから構成されている。循環ポンプ流量算出手段２２は、ヒートポンプユニット１５の設定加熱能力と入水温度センサー１９で検出した入水温度と目標出湯温度とから循環ポンプ１７の目標流量を算出するものである。また、ヒートポンプユニット１５の運転起動時には、循環ポンプ１７の流量を、循環ポンプ流量算出手段２２で算出した目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行う循環ポンプ制御手段２３を備えている。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の制御を説明するフローチャートである。本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機では、目標出湯温度を９０℃に設定した場合について説明する。

図２において、沸き上げ指示がなされると、ＳＴＥＰ１では循環ポンプ流量算出手段２２により、ヒートポンプユニット１５の設定加熱能力と入水温度センサー１９で検出した入水温度と目標出湯温度（９０℃）とから循環ポンプ１７の目標流量を算出する。次にＳＴＥＰ２では循環ポンプ制御手段２３により循環ポンプ１７の流量を第１ステップ流量に設定し、ヒートポンプユニット１５の圧縮機１１を起動する。ここで、第１ステップ流量は、循環ポンプ１７の最低流量と目標流量との間の値（例えば目標流量の３０％）とする。運転時間の経過とともに出湯温度が上昇して３０℃を越えた時、ＳＴＥＰ３からＳＴＥＰ４に移行して循環ポンプ１７の流量を第２ステップ流量に設定する。ここで、第２ステップ流量は、第１ステップ流量と目標流量との間の値（例えば目標流量の６０％）とする。更に運転を行い、出湯温度が５０℃を越えた時、ＳＴＥＰ５からＳＴＥＰ６に移行して循環ポンプ１７の流量を、運転起動時に循環ポンプ流量算出手段２２で算出した目標流量に設定する。そして、更に運転を行い、目標出湯温度（９０℃）と現在の出湯温度との温度差が所定値（１０Ｋとする）以下になった場合、または、ヒートポンプユニット１５運転起動から所定時間経過後（１０分とする）には、ＳＴＥＰ７からＳＴＥＰ８に移行して、循環ポンプ１７の流量制御をステップ制御から通常流量制御（ＰＩＤ制御など）に移行させる。これにより、外気温度や圧縮機１１本体の温度などの条件によるヒートポンプサイクルの起動特性の相違に柔軟に対応しながら、ヒートポンプユニット１５の起動制御（過渡時）から通常制御（安定時）への移行をスムーズに行うことができる。

以上の一連の制御を行った場合の循環ポンプ１７の流量、及び出湯温度の変化は図３に示す様な特性になる。ヒートポンプユニット１５運転起動時の循環ポンプ１７の流量を、目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うことにより、ヒートポンプユニット１５の運転起動初期の加熱能力が低い場合には循環ポンプ１７の流量を少なく、運転時間経過とともに加熱能力が増大すると循環ポンプ１７の流量を徐々に増大させることにより、運転起動初期の高圧側（冷媒対水熱交換器の冷媒側配管１２）の冷媒の熱量が過剰に給湯回路側の水に吸熱されることがないので、運転起動時から循環ポンプ１７の流量を目標流量で流す場合よりもヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。

なお、本実施の形態では、循環ポンプ流量制御手段２３によるステップ制御を出湯温度の変化に応じて行ったが、流量を変化させる出湯温度条件は任意に変えることができる。また、循環ポンプ流量制御手段２３によるステップ制御をヒートポンプユニット１５の運転起動後の経過時間に応じて行ってもよい。さらに、流量変化のステップの数を更に増やすこともできる。

以上のように、本実施の形態においては、ヒートポンプユニット１５運転起動時の循環ポンプ１７の流量を、目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うことにより、運転起動初期の高圧側（冷媒対水熱交換器の冷媒側配管１２）の冷媒の熱量が過剰に給湯回路側の水に吸熱されることがないので、運転起動時から循環ポンプ１７の流量を目標流量で流す場合よりもヒートポンプサイクルの起動を速やかに行うことができ、目標出湯温度の到達時間を短縮できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態のヒートポンプ給湯機の制御を説明するフローチャートである。本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の制御と同様の部分は詳細な説明を割愛する。

図４において、まずＳＴＥＰ０で、目標出湯温度を本来よりもΔＴ（５Ｋとする）だけ低い８５℃に設定する。以下、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ８の通常流量制御に移行するまでの動作は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の制御と同様である。そして、ＳＴＥＰ９において、低めに設定した目標出湯温度（８５℃）にほぼ安定した場合にＳＴＥＰ１０に移行して、目標出湯温度を本来の９０℃に補正する。このことにより、最初から目標出湯温度を９０℃に設定する場合よりも、出湯温度が８５℃の状態から９０℃に安定させる場合の方がヒートポンプサイクルの変化も小さいため、出湯温度のオーバーシュートを防止することができる。

二酸化炭素を冷媒に用いたヒートポンプ給湯機では、約９０℃の高温の湯を得ることができるが、出湯温度が９０℃を越える（オーバーシュート）と湯が沸騰する恐れが生じる。給湯回路の水配管内で沸騰が発生すると、水配管内に生じた気泡のために水の流動抵抗（圧力損失）が増大して循環ポンプ１７の流量が極度に低下する。そして、ヒートポンプサイクルの高圧（圧縮機１１の吐出圧力）が上昇して、ヒートポンプユニット１５の運転停止に至る。従って、ヒートポンプ給湯機において、特に沸点に近い高温（約９０℃）の湯を得る場合には、出湯温度のオーバーシュートを確実に防止する必要があり、本発明が有効となる。

以上のように、本実施の形態においては、ヒートポンプユニット１５の運転起動時の出湯温度を、目標出湯温度よりも若干低い温度に略安定させた後に目標出湯温度に安定させるもので、目標出湯温度に対するオーバーシュートを防止することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、比較的小型の家庭向けから、大型貯湯槽を有する集合住宅や工場向けなどへの適用も可能である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 同、ヒートポンプ給湯機の制御を説明するフローチャート 同、ヒートポンプ給湯機の出湯温度と流量変化特性図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の制御を説明するフローチャート 従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

１１ 圧縮機
１２ 冷媒対水熱交換器の冷媒側配管
１３ 電動膨張弁
１４ 室外熱交換器
１５ ヒートポンプユニット
１６ 貯湯タンク
１７ 循環ポンプ
１８ 冷媒対水熱交換器の水側配管
１９ 入水温度センサー
２０ 出湯温度センサー
２１ タンクユニット
２２ 循環ポンプ流量算出手段
２３ 循環ポンプ制御手段

Claims (9)

1. 圧縮機と冷媒対水熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と室外熱交換器とを環状に接続した冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、貯湯タンクと循環ポンプと冷媒対水熱交換器の水側配管とを環状に接続した給湯回路を備えたタンクユニットと、前記ヒートポンプユニットの設定加熱能力と前記冷媒対水熱交換器の水側配管入口の入水温度と目標出湯温度とから前記循環ポンプの目標流量を算出する循環ポンプ流量算出手段とを有し、前記ヒートポンプユニット運転起動時の前記循環ポンプ流量を、前記目標流量に対してステップ状に変化させるステップ制御を行うヒートポンプ給湯機。
2. ステップ制御は、循環ポンプ流量をヒートポンプユニット運転起動後の経過時間に応じて変化させる請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. ステップ制御は、循環ポンプ流量を出湯温度に応じて変化させる請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. ヒートポンプユニット運転起動から所定時間経過後に、ステップ制御から通常流量制御に移行する請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 目標出湯温度と現在の出湯温度との温度差が所定値以下になった場合にステップ制御から通常流量制御に移行する請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. ヒートポンプユニット運転起動から所定時間経過後、または目標出湯温度と現在の出湯温度との温度差が所定値以下になった場合に、ステップ制御から通常流量制御に移行する請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. ヒートポンプユニット運転起動時の出湯温度を目標出湯温度よりも若干低い温度に略安定させた後に、目標出湯温度に安定させる請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 冷媒回路は、高圧側の冷媒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冷媒対水熱交換器の水を加熱する請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
9. 使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ給湯機。
   

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