JP2006266592A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器が着霜する低外気温時の給湯運転時間の延長を図る瞬間式ヒートポンプ給湯装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機を駆動するインバータを備えたヒートポンプ給湯装置において、低外気温時、インバータの１次電流が所定値となるように減圧装置の弁開度を制御する制御手段を備える構成とすることにより、圧縮機入力を所定の電流値まで増大させ、蒸発器の着霜を抑制することができ、運転時間の増加を図ることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯装置に関する。

ヒートポンプ給湯装置には、安価な夜間電力を使い、深夜に湯を貯湯タンクに満杯に蓄え、日中に使う分を賄う貯湯式があり、この方式が一般的であった。貯湯式においては、大容量の貯湯タンクや広い設置面積、充分な床面強度を必要とし、また、湯を使い切ってしまうと次に使う湯を沸き上げるまでに時間がかかる等の問題があった。

これに対し、近年、貯湯した湯水を使用せずにガス湯沸し器の如く瞬間出湯が可能なヒートポンプ給湯装置（以後、瞬間式という）が開発されてきている。瞬間式においては、大容量の貯湯タンクを必要とせず、湯を使いたい時に必要な分だけ沸かすことが可能な瞬間加熱能力と直接出湯回路を備えるため、貯湯式が持つ諸問題を解決することができる（特許文献１参照）。

瞬間式ヒートポンプ給湯装置の膨張弁の制御方式としては、例えば、貯湯式ヒートポンプ給湯装置と同様に、圧縮機の吐出温度を所定値となるように膨張弁を制御する吐出温度制御、蒸発器の冷媒出口（または圧縮機の冷媒入口）の過熱度を所定値となるように膨張弁を制御する過熱度制御がある（特許文献２参照）。

特開２００３−２７９１３３号公報 特開２００４−１５６８４８号公報

しかしながら、特許文献１の瞬間式ヒートポンプ給湯装置は、低外気温時に、例えば、風呂自動湯張り、または風呂自動湯張りに引き続きシャワーで出湯されるような長時間給湯運転が必要な場合、蒸発器が次第に着霜する場合がある。そして時間の経過と共に蒸発器の霜が成長し、蒸発器での吸熱量が低下することにより加熱能力が低下し、必要な出湯量を確保することが困難になり、出湯流量が少なくなるか出湯が停止する心配がある。

ヒートポンプは、蒸発器で吸熱するため、低外気温時の着霜は避けて通れない課題である。特に、瞬間式ヒートポンプ給湯装置は、湯を使いたい時に必要な分だけ沸かすというコンセプトから、使用者の給湯要求に対して、低外気温においても、その給湯運転時間の延長を図ることは本質的な課題である。

着霜時の給湯運転時間の延長を図る方法として、例えば、特許文献２では、所定の着霜状態になった時点で、膨張弁の開度を一定とし、着霜の進行を加速しないように冷媒循環量制御を停止するものである。しかし、給湯運転時間を着霜を抑制して積極的に延ばすことについては考慮されていない。

本発明は、蒸発器が着霜する低外気温時の給湯運転時間の延長を図る瞬間式ヒートポンプ給湯装置を提供することを課題とする。

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、圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、外気温が所定温度よりも低いときに出湯時間がある時間を超えたら、水と熱交換された冷媒を減圧する減圧装置の弁開度を開く制御回路と、を備えるものである。

上記構成において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機を駆動するインバータ回路の１次電流が所定値になるように前記減圧装置の弁開度を開くようにしてもよい。

また上記構成において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機から吐出される冷媒の温度が目標温度になるように前記減圧装置の弁開度を開くようにしてもよい。

さらに上記構成において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機の回転数が目標回転数になるように前記減圧装置の弁開度を開くようにしてもよい。

本発明によれば、ヒートポンプ給湯装置において、蒸発器が着霜する低外気温時の給湯運転時間の延長を図ることができる。

〔本実施形態における機器の構成〕
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなるヒートポンプ給湯装置の一実施形態を説明する系統図である。ここでは大きくヒートポンプ冷媒回路、および給水回路、給湯回路、風呂湯張り回路、風呂追焚き加熱回路、風呂追焚き吸熱回路を示している。

本実施形態におけるヒートポンプ冷媒回路は、瞬間給湯能力をより高めるために二つの冷媒回路を備えている。給湯装置として適切な出湯量を維持できる熱量が得られるならば一つの冷媒回路でも構わない。

本実施形態では、ヒートポンプ冷媒回路に冷媒として二酸化炭素を用いることで、高温の湯を供給することがより可能となる。第一の閉回路(ヒートポンプ冷媒回路)は、圧縮機１ａ、水冷媒熱交換器２、膨張弁３ａ、蒸発器４ａが順次冷媒管路で接続されている。圧縮機１ａで圧縮され高温となった冷媒は、水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａで水側伝熱管２ｃ、２ｄ内の水と熱交換する。熱交換された冷媒は、減圧装置としての膨張弁３ａにより減圧した後、蒸発器４ａで吸熱して圧縮機１ａに吸込まれる。

同様に、第二の閉回路(ヒートポンプ冷媒回路)も、圧縮機１ｂ、水冷媒熱交換器２（冷媒側伝熱管２ｂ）、減圧装置としての膨張弁３ｂ、蒸発器４ｂを冷媒管路で順次接続した構成を備えていて、同じく冷媒として二酸化炭素が封入されている。

圧縮機１ａ、１ｂは、容量制御が可能で、多量の給湯を行なう場合には大きな容量で運転される。圧縮機１ａ、１ｂは、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組合せ制御により、低速（例えば８００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度が制御自在な圧縮機を用いる。

水冷媒熱交換器２は、冷媒側伝熱管２ａ、２ｂと水側伝熱管２ｃ、２ｄとからなる。この冷媒側伝熱管２ａ、２ｂの冷媒の流れと水側伝熱管２ｃ、２ｄの水の流れは対向流で、高温高圧の冷媒と低温の水との間で熱交換が行なわれる。即ち、水冷媒熱交換器２の入口で低温であった水が水側伝熱管２ｃ、２ｄを通過する際に徐々に加熱され、水冷媒熱交換器２の出口において、後述する運転制御手段８０により設定された所定の温度に昇温される。

膨張弁３ａ、３ｂは、水冷媒熱交換器２で放熱し温度の下がった高圧冷媒を減圧する。空気冷媒熱交換器である蒸発器４ａ、４ｂは、室外ファン５ａ、５ｂにより室外の大量の空気と減圧された冷媒との熱交換をさせて、低温低圧の冷媒を蒸発させる。

給水回路は、先ず給水金具１１を通じて外部の上水を取り込み、水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｃ、２ｄまで水管路で接続されている。取り込まれた水は減圧弁１２で適正な水圧に調整された後、給水流量センサ１３や逆止弁１４、さらに水冷媒熱交換器流量センサ１５が設けられた水管路を通って、水冷媒熱交換器２に送られる。なお、水冷媒熱交換器２の入口で、水側伝熱管２ｃ、２ｄに分かれるのは、給水回路における圧力損失を低減するためである。

給湯回路は、水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｃ、２ｄから、装置外部の給湯配管と接続される給湯金具１９まで水管路で接続されている。本実施形態では、水冷媒熱交換器２から給湯金具１９の間に、水側伝熱管２ｃ、２ｄで加熱された湯水と貯湯タンク２１に溜められた湯水とを適宜混合させるための第一湯水混合弁１６と、その第一湯水混合弁１６を通過した湯水に適宜給水された水を混合させるための第二湯水混合弁１７と、その第二湯水混合弁１７を通過した湯水の流量を加減する流量調整弁１８とが水管路で順次接続されている。

第一湯水混合弁１６の他方の流入口と接続する貯湯タンク２１は、予め水冷媒熱交換器２で加熱した湯を内部に蓄える。第一湯水混合弁１６は、後述する運転制御手段８０によって、貯湯タンク２１に蓄えた約６０〜９０℃の高温の湯と水冷媒熱交換器２からの湯水とを混合する。すなわち第一湯水混合弁１６は、水冷媒熱交換器２で加熱した湯水が所望の温度に昇温される間、運転制御手段８０で設定する所定の温度の湯水を流出する。

第二湯水混合弁１７の他方の流入口と接続する水管路は、給水回路から分岐した水管路である。第二湯水混合弁１７は、後述する運転制御手段８０によって、第一湯水混合弁１６で混合された湯水と給水回路から分岐して供給される水を混合する。運転制御手段８０では、後述するように、設定された所定の給湯温度（約３５〜６０℃程度）で給湯金具１９を通じて出湯端末から出湯するため、第一湯水混合弁１６と第二湯水混合弁１７を制御する。

風呂湯張り回路は、給湯回路の流量調整弁１８から給湯金具１９にいたる水管路から分岐し、入出湯金具３５までが給湯装置内に設けられている。具体的には、注湯電磁弁３１は、流量調整弁１８と給湯金具１９との間から分岐した湯水を風呂湯張り回路と連通させる。フロースイッチ３２は、回路中を湯が流れていることを検知する。

風呂循環ポンプ３３は、後述する追い焚きのために浴槽の湯水を装置内に取り込むために用いる。水位センサ３４は、浴槽３６に注湯された湯水の水位を検知する。入出湯金具３５は、浴槽３６の風呂循環アダプタ３６ａと水管路で接続するための装置側端部である。

風呂追焚き加熱回路は、本実施形態では浴槽の湯水を再加熱するために水水熱交換器２９を用いる。機内循環ポンプ２３で加圧された水管路内の湯水が水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｃ、２ｄで加熱される。加熱された水管路内の水は、給湯回路から分岐して開いた追焚き電磁弁２７と逆止弁２８を通過して、風呂追焚き熱交換器２９の二次冷媒側伝熱管２９ａに入る。対向流をなす浴槽水側伝熱管２９ｂ内の水と熱交換を終えた湯水は、機内循環ポンプ２３によって、給水回路の逆止弁１４の下流側で接続された水管路を通じて風呂追い焚き運転の間循環する。

風呂追焚き吸熱回路は、浴槽３６に設けられた風呂循環アダプタ３６ａから導出された浴槽水を、入出湯金具３５を通じて装置内に引き入れる。装置内に導入された浴槽水は水位センサ３４を通り、風呂循環ポンプ３３で送出されて、フロースイッチ３２を通過した後、注湯電磁弁３１が閉じているため風呂追焚き熱交換器２９に引き回される。風呂追焚き熱交換器２９の浴槽水側伝熱管２９ｂを通って加熱された浴槽水は、入出湯金具３７を介して風呂循環アダプタ３６ａに供給される。
〔本実施形態における制御手段〕
以上の構成を運転する具体的な制御手段について次に説明する。運転制御手段８０は、制御回路７０に、表示手段（図示せず）を有する入力機器であるリモコン７１、圧縮機１ａ、１ｂとファン５ａ、５ｂを駆動するインバータ７２ａ、７２ｂおよび後述の各センサが接続されている。

制御回路７０は、ヒートポンプ冷媒回路の運転開始及び停止、並びに圧縮機１ａ、１ｂの回転速度制御、膨張弁３ａ、３ｂの開度制御を行うと共に、給湯回路の湯水混合弁１６、１７、流量調整弁１８等の水関係機器の制御も行う。

各センサは、前述の流量センサ１３、１５の他に、各部の温度を検出する温度センサや圧力を検出する圧力センサ、そして電流センサを備える。

温度センサは、ヒートポンプ冷媒回路においては、圧縮機吐出温度センサ５０ａ、５０ｂ、蒸発器冷媒入口温度センサ５２ａ、５２ｂ、蒸発器冷媒出口温度センサ５３ａ、５３ｂ、外気温度センサ５４ａ、５４ｂが設けられていて、給水回路においては、給水温度センサ６０、水冷媒熱交換器水入口温度センサ６１が設けられ、給湯回路においては、水冷媒熱交換器水出口温度センサ６２、混合温度センサ６３、給湯温度センサ６４、タンク温度センサ６５ａ、６５ｂ、６５ｃが設けられている。

圧力センサは、ヒートポンプ冷媒回路に圧縮機吐出圧力センサ５１ａ、５１ｂがあり、また、インバータ７２ａ、７２ｂに1次電流を検知する電流センサ７３ａ、７３bがある。
〔本実施形態における目標温度の設定〕
宅内に配置されたリモコン７１により、使用者が所望の給湯温度Twsを設定すると、制御回路７０は、第二湯水混合弁１７の下流に設けられた給湯温度センサ６４の目標温度を(Tws+α0)に設定する。また、第一湯水混合弁１６と第二湯水混合弁1７との間に設けられた混合温度センサ６３の目標温度を(Tws+α0+α1)に設定し、さらに、水冷媒熱交換器水出口温度センサ６２の目標温度を(Tws+α0+α1+α2)に設定する。

給湯回路の上流ほど、水冷媒熱交換器２に近い場所ほど、目標温度を高く設定するのは、水管路での放熱を考慮しているためである。また、外乱等により、水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｃ、２ｄの出口温度や、第一湯水混合弁１６若しくは第二湯水混合弁１７から流出した湯水の混合温度が多少変動しても、所望の給湯温度より若干高めに温度設定することによって、第二湯水混合弁１７で水を適量混合することで所望の温度に調整することができて、結果的に温度変動の少ない給湯を実現できる。
〔本実施形態における圧縮機の回転速度制御〕
圧縮機１ａ、１ｂの回転速度制御は次のように行われる。圧縮機の回転速度制御の最終的な制御目標は、水冷媒熱交換器２の水出口温度である。しかし圧縮機回転速度の変化に対して、熱交換器等の熱容量の影響で水冷媒熱交換器２の水出口温度は応答速度が遅い。

そのため本実施形態では、水冷媒熱交換器２の水出口温度と関係する特性であって、応答速度の速い吐出圧力を制御目標とする。貯湯式と比較して応答性が要求される瞬間式のヒートポンプ給湯装置では、制御目標を吐出圧力にすることにより、応答性が改善される。

吐出圧力は、水冷媒熱交換器２の水出口温度が高いほど、高くなる。したがって、目標吐出圧力Pd0を、水冷媒熱交換器２の水出口温度目標値
Twh（=Tws+α0+α1+α2）の関数として表す。例えば、
Pd0= f(Twh)（fは関数を表す） ………（１）
目標吐出圧力Pd0と実際の吐出圧力Pdとの偏差ΔEpd（= Pd0−Pd）とが０となるように圧縮機回転速度が制御される。例えば、偏差ΔEpdおよび（偏差ΔEpd−前回偏差ΔEpd）の関数として、圧縮機回転速度が増減される。

また、水流量の大小の影響等により、実際の吐出圧力Pdが目標吐出圧力Pd0に到達した場合でも、水冷媒熱交換器２の水出口温度が目標値とずれる場合があるため、水冷媒熱交換器２の水出口温度が目標値に近づくように、目標吐出圧力Pd0の補正が随時行われる。

すなわち、圧縮機１ａ、１ｂの回転速度制御は、使用者の蛇口等の開度で決定される所望の流量で、リモコン７１で設定される所望の給湯温度Twsに基づいて設定される水冷媒熱交換器２の水出口温度目標値Twhとなるように制御されるので、能力制御しているのと等価である。

吐出圧力は圧力センサ５１ａ、５１ｂ、外気温度は温度センサ５４ａ、５４ｂ、水冷媒熱交換器２の水入口温度は温度センサ６１、水出口温度は温度センサ６２により検知される。
〔本実施形態における膨張弁の開度制御〕
膨張弁３ａ、３ｂの開度制御は、運転条件により３種類の制御を使い分ける。第一の開度制御は、過熱度制御である。蒸発器４ａ、４ｂの冷媒出口温度と冷媒入口温度の温度差（過熱度と呼ぶ）が所定値となるように膨張弁の開度を制御する。

第二の開度制御は、電流制御である。インバータ７２ａ、７２ｂの１次電流が所定値となるように膨張弁の開度を制御する。

そして第三の開度制御は、吐出温度制御である。圧縮機１ａ、１ｂの吐出温度が所定値となるように膨張弁の開度を制御する。

通常のヒートポンプ給湯装置では、効率が良い運転を目指しているのでＣＯＰ（加熱能力/入力）優先の膨張弁制御を実施する。しかしどのような運転条件においてもＣＯＰ優先で制御し続けると、蒸発器への着霜条件下にある場合、着霜により成長した霜や氷を溶かすためのデフロスト制御にすぐ切替ってしまい出湯できなくなってしまう。

貯湯タンクを持たない、もしくは補助的に使用する湯量しか貯湯しない小容量の貯湯タンクしか持たない瞬間的にヒートポンプで加熱して出湯する瞬間式ヒートポンプ給湯装置では、デフロスト制御への切り換えを極力抑えて出湯時間を長くするようにしなければならない。

本実施形態においては、外気温度が所定温度よりも低いとき、すなわち蒸発器において着霜条件となる外気温度で運転するときに、水冷媒熱交換器で熱交換した冷媒を減圧する減圧装置である膨張弁の弁開度を開くように制御することで、加熱能力量を増加させて、例え着霜条件下にあっても、従来に比べ直接加熱による出湯運転時間を増加させることができる。ここで加熱能力量とは、加熱能力の時間積分である。

所定の加熱能力に対して、蒸発器４ａ、４ｂの着霜を抑制するためには、蒸発温度の上昇および吸熱量の低減が有効であり、両者は、膨張弁３ａ、３ｂの開度を増加させることにより、達成可能である。これを、外気温２℃時の実験結果（図６、図７）を用いて説明する。

実験結果は、それぞれ横軸に膨張弁の開度を示している。縦軸は、加熱能力量以外は、加熱能力が最大となる20分間での平均値である。

膨張弁開度が大（１７５パルス）、小(１３１パルス)ともに、図７(１)において過熱度は約0℃である。所定の加熱能力（図６（１））に対して、膨張弁の開度が大きい方が、加熱能力量が大きくなっている（図６（２））。

この加熱能力量は、図８に示すヒートポンプの立ち上がりからデフロスト開始までの能力の時間積分である。この時、膨張弁開度の大きい方は小さい方と比較して、水冷媒熱交換器２の冷媒出口温度が高くなるため、水冷媒熱交換器２の冷媒入口出口エンタルピ差が小さくなり、同一の加熱能力を出すために、圧縮機回転速度は大きくなり（図７（２））、入力が増加する（図６（３））。したがって、入力が増加した分、蒸発器での吸熱量が低下している（図６（４））。また、膨張弁開度の大きい方が、蒸発器の冷媒出口の乾き度が低くなり、冷媒側熱伝達率が向上することにより、蒸発器の熱交換性能が向上する。したがって、蒸発器吸熱量が低下したのと、蒸発器の熱交換性能が向上したことにより、圧縮機吸入圧力（蒸発温度に関係）が上昇している（図７（３））。

したがって、風呂自動湯張りやシャワーといった連続運転時間が長いことが予想される運転条件での加熱能力量の増加を図るため、例えば電流制御で膨張弁の開度を制御したときには、圧縮機入力を所定の電流値まで増大させる。実験では、入力11%増加により、加熱能力量も11％増加する。また、吐出温度制御で膨張弁の開度を制御したときも、電流制御と同様の効果を得ることができる。

ただし、着霜条件での吐出温度制御において、風呂自動湯張りやシャワー以外の連続運転時間としては長くないと予想される運転条件においては、ＣＯＰ（加熱能力/入力）がほぼ最高となる目標吐出温度に設定しておき、吐出温度が目標値となるように膨張弁が制御される。

図６、図７から、吐出温度の目標値を低く設定することにより、加熱能力量の増加は明らかに可能である。しかし、圧縮機の吐出温度は圧縮機や給湯装置の個体差などによりばらつきがあるので、設定目標値になった時でも、電流値が所望の値まで到達しない場合が発生し、入力を増加させることによる加熱能力量の向上を十分図れない場合がある。したがって、より安定した加熱能力量の向上を図るためには、膨張弁の吐出温度制御より、電流制御の方が有利である。

以上により、着霜条件において、途中で出湯を中止できない風呂自動湯張りやシャワー等の連続運転では、加熱能力量を優先した膨張弁の開度制御運転を行う。それ以外の条件下では、ＣＯＰ優先で膨張弁の開度制御を行うことによって、給湯装置全体の高ＣＯＰ化と出湯能力の向上を実現できる。

次に、本発明が適用されるヒートポンプ給湯装置の制御における一実施形態について説明する。この実施形態では、通常の膨張弁開度制御を蒸発器における過熱度で制御しておき、着霜条件下にあっては、膨張弁開度制御を切り換えて膨張弁を開けて、除霜制御状態への切り換えを遅らせて給湯運転時間を延ばすようにした。本実施形態における膨張弁３ａ、３ｂの一制御方法を、図２〜図４のフローチャートを用いて説明する。

温度センサ５２ａ、５２ｂが蒸発器４ａ、４ｂの各冷媒入口温度Teiを検知し、温度センサ５３ａ、５３ｂが蒸発器４ａ、４ｂの各冷媒出口温度Teoを検知する（ステップ１００）。実際の過熱度SH=Teo−Teiおよび目標との偏差ΔEsh=SH0−SHの演算を行う（ステップ１０１）。ここでの演算は整数部のみで、小数点は省略する。また、目標過熱度SH0は、例えば、外気温度と水冷媒熱交換器２の水出口温度目標値の関数で、整数で与えられる。

次に、偏差ΔEshが０かどうか判定する（ステップ１０２）。偏差ΔEshが０以外の場合は（１０２Ｎｏ）、偏差ΔEshおよび（偏差ΔEsh−前回偏差ΔEsh）の関数として膨張弁３ａ、３ｂの開度変更量Pshが決定され（ステップ１０３）、開度の変更が行われ（ステップ１０４）、ステップ１００に戻る。

一方、偏差ΔEshが０の場合は（ステップ１０２Ｙｅｓ）、温度センサ５４ａ、５４ｂが外気温度Taを検知し（ステップ１０５）、−8℃≦外気温度Ta≦10℃かつ目標過熱度SH0=0℃かどうか判定する（ステップ１０６）。

ここで、−8℃≦外気温度Ta≦10℃は、概略、蒸発器４ａ、４ｂに着霜が生ずる外気温度条件である。また、目標過熱度SH0＝0℃は、着霜を抑制するための設定値である。蒸発器の過熱度SHを概略0℃にすることにより、蒸発器４ａ、４ｂの冷媒出口が湿り状態となり、冷媒出口が過熱蒸気状態と比較して、蒸発器の冷媒側熱伝達率が向上することにより、蒸発温度が上昇し、着霜の抑制を図ることができる。

なお、本実施例では、蒸発器４ａ、４ｂの冷媒出口が湿り状態となる目標過熱度SH0を0℃としたが、実際には蒸発器の冷媒入口出口間の圧力損失、温度センサによる温度測定のばらつき、蒸発器の冷媒分配アンバランスによる各冷媒流路出口の冷媒状態の不均一等を考慮し、決定される。

−8℃≦外気温度Ta≦10℃かつ目標過熱度SH0=0℃以外の場合は（ステップ１０６Ｎｏ）、ステップ１０３に移る。一方、−8℃≦外気温度Ta≦10℃かつ目標過熱度SH0=0℃の場合（ステップ１０６Ｙｅｓ）、すなわち、ステップ１０２において、ΔE=0であるため、蒸発器に着霜が生じる条件で、過熱度SH=0℃の場合は、次に、風呂自動湯張りかどうか判定を行う（ステップ１１０）。

風呂自動湯張りは、通常、給湯する熱量が最も大きく、着霜に対して最も厳しい連続運転条件である。風呂自動湯張りの判定は、リモコン７１より風呂自動湯張り設定がなされていたかどうかかで判定を行う。

風呂自動湯張りの場合は（ステップ１１０Ｙｅｓ）、電流センサ７３ａ、７３bはインバータ７２ａ、７２ｂの１次電流Isを検知し（ステップ１１１）、目標との偏差ΔEis=Is0−Isの演算を行う（ステップ１１２）。ここで、目標の１次電流Is0は、例えば、図５に示すように、外気温の関数で与えられる。

次に、偏差ΔEisおよび（偏差ΔEis−前回偏差ΔEis）の関数として膨張弁３ａ、３ｂの開度変更量Pisが決定され（ステップ１１３）、開度の変更が行われ（１１４）、ステップ１００に戻る。

また、風呂自動湯張りでない場合は（ステップ１１０Ｎｏ）、流量センサ１３で給水流量Mを検知し（ステップ１１５）、流量M≧8L/minかつ38℃≦給湯設定温度Tws≦44℃かどうかを判定する（ステップ１１６）。

この条件は、シャワーを想定したもので、この条件を満たす場合、使用者がシャワーを使用していると判定する。シャワーは使用者により、連続給湯時間が異なるが、連続して使用された場合、前述の風呂自動湯張りと同様に、給湯する熱量が大きくなり、着霜に対して厳しい連続運転条件となる。したがって、シャワーと判定された場合（ステップ１１６Yｅｓ）、風呂自動湯張りと同様に、ステップ１１１に移る。

一方、シャワー以外と判定された場合（ステップ１１６Nｏ）、温度センサ５０ａ、５０ｂが圧縮機１ａ、１ｂの吐出温度Tdを検知し（ステップ１２０）、目標との偏差ΔEtd=Td0−Tdの演算を行う（ステップ１２１）。ここで、目標吐出温度Td0は、例えば、外気温度と水冷媒熱交換器２の水出口温度目標値の関数で与えられる。次に、偏差ΔEtdおよび（偏差ΔEtd−前回偏差ΔEtd）の関数として膨張弁３ａ、３ｂの開度変更量Ptdが決定され（ステップ１２２）、開度の変更が行われ（ステップ１２３）、ステップ１００に戻る。

以上、説明した通り、−8℃≦外気温度Ta≦10℃かつ過熱度SH=0℃条件において、膨張弁３ａ、３ｂの電流制御または吐出温度制御を行う。次に、過熱度SH=0℃で、かつ、電流制御または吐出温度制御を行う理由を説明する。過熱度SH=0℃の時、蒸発器４ａ、４ｂの冷媒出口は湿り状態となり、膨張弁３ａ、３ｂの開度を変化させても、湿り状態のままで、過熱度が変化しない領域が存在する。この時、蒸発器４ａ、４ｂの冷媒出口は湿り状態のままであるが、乾き度としては変化しているため、冷凍サイクル状態としては変化している。すなわち、過熱度SH=0℃の時、過熱度と冷凍サイクル状態との間には１対１の関係が成立しない。したがって、所望する冷凍サイクルを形成するために、電流制御または吐出温度制御を行う。

次に、上記構成において、例えば、外気温度２℃で、風呂自動湯張り、その後、シャワーが引き続き行われる場合について説明する。

風呂自動湯張りは、例えば、42℃のお湯を8L/minで25分間、200Lを供給する。また、シャワーは42℃のお湯を10L/minで10分供給する。使用者が、リモコン７１の風呂設定温度を42℃とし、風呂自動湯張りボタン（図示せず）をONすると、風呂湯張り回路の注湯電磁弁３１をONし弁を開く。この時、水道圧により給水金具１１から流入した水が、減圧弁１２、給水流量センサ１３、逆止弁１４、水冷媒熱交換器流量センサ１５、水冷媒熱交換器２、第一湯水混合弁１６、第２湯水混合弁１７、流量調整弁１８、注湯電磁弁３１、フロースイッチ３２、風呂循環ポンプ３３、水位センサ３４、入出湯金具３５、風呂循環アダプタ３６ａの経路で浴槽３６へ流れる。これにより、給水流量センサ１３が、水流を検知し、これをもとに、制御回路７０は、ヒートポンプ冷媒回路の圧縮機１ａ、１ｂを起動する。

この時、制御回路７０は、給水流量センサ１３の流量が8L/minとなるように、流量調整弁１８の開度制御を行う。ヒートポンプ冷媒回路が立ち上がるまでの湯水の温度は、前述した制御回路７０で設定される所定の目標温度より低いため、水冷媒熱交換器２で加熱された湯水と、貯湯タンク２１に蓄えた、例えば、約９０℃の湯を、混合温度センサ６３の所定の目標温度となるように第一湯水混合弁１６で混合している。なお、貯湯タンク２１の湯は、給湯要求が無い時に、ヒートポンプ冷媒回路を運転した状態で、機内循環ポンプ２３を運転することにより、貯湯タンク２１の水が機内循環ポンプ２３、水冷媒熱交換器２、第一湯水混合弁1６の順に水経路を循環し、蓄えられる。

圧縮機１ａ、１ｂの起動直後は、時間の経過とともに、ヒートポンプ冷媒回路の加熱能力が徐々に増加するため、第一湯水混合弁１６で水冷媒熱交換器２側の流量が徐々に増加し、貯湯タンク２１側の流量が徐々に減少する。本実施例のヒートポンプ給湯装置は、42℃のお湯を8L/minで供給する場合、外気温度２℃時、ヒートポンプ冷媒回路単独では、加熱能力が不足するため、例えば、ヒートポンプ冷媒回路側で6L/min分の能力を供給し、残りの2L/min分の能力を貯湯タンク側で供給する。

この時、ヒートポンプ冷媒回路の圧縮機１ａ、１ｂは、前述したように、目標吐出圧力となるように回転速度制御される。

膨張弁３ａ、３ｂの開度制御は、前述の図２〜図３のフローチャートに沿って行われる。ステップ１０６にて、−8℃≦外気温度Ta≦10℃かつ目標過熱度SH=0℃であるので、ステップ１１０に進み、風呂自動湯張りであるので、ステップ１１１〜１１４の電流制御を行う。この時、膨張弁は、所定の電流値となるように制御される。したがって、前述の通り、着霜量を低減し、加熱能力量の増加を図ることができる。

浴槽３６のお湯が200Lに相当する水位になると、それを水位センサ３４が検知して、注湯電磁弁３１がOFFされ、弁が閉じられ、リモコン７１は風呂湯張りが完了したことを、例えば、メロディで知らせる。引き続き、使用者が、シャワーを使用する場合について、以下に説明する。給湯の設定温度は42℃とする。

給湯金具１９に接続されたシャワー（図示せず）が開栓されると、風呂自動湯張りの時と同様に、水道圧により給水金具１１から流入した水が、減圧弁１２、給水流量センサ１３、逆止弁１４、水冷媒熱交換器流量センサ１５、水冷媒熱交換器２、第一湯水混合弁１６、第２湯水混合弁１７、流量調整弁１８、給湯金具１９およびこれに接続されたシャワーの順で流れる。これにより、給水流量センサ１３は、風呂湯張り完了による流量ゼロからシャワー使用による流量発生を検知し、制御回路７０は、ヒートポンプ冷媒回路の圧縮機１ａ、１ｂの運転を継続して行う。この時、シャワーの流量を、例えば、10L/minとすると、風呂自動湯張りの時と同様に、ヒートポンプ冷媒回路側で6L/min分の能力を供給し、残りの4L/min分の能力を貯湯タンク側で供給する。

この時も、ヒートポンプ冷媒回路の圧縮機１ａ、１ｂは、前述したように、目標吐出圧力となるように回転速度制御される。

膨張弁３ａ、３ｂの開度制御は、図３のフローチャートのステップ１１６において、給水流量M≧8L/minかつ38℃≦給湯設定温度Tws≦44℃で、シャワーと判定され（１１６Yｅｓ）、前述の風呂自動湯張りの時と同様に、ステップ１１１〜１１４の電流制御を行う。したがって、着霜量を低減し、加熱能力量の増加を図ることができる。

使用者が、例えば、10分後にシャワーの使用を終了すると、ヒートポンプ冷媒回路はデフロスト運転を行う。デフロスト開始条件、蒸発器４ａ、４ｂの冷媒入口温度センサ５２ａ、５２ｂ、冷媒出口温度センサ５３ａ、５３ｂの何れかが所定温度以下になった場合であるが、給湯要求がある場合は、デフロスト運転は実行されない。

以上により、着霜条件となる低外気温時、風呂自動湯張り、引き続いて、シャワーが使用されるような、連続運転時間が長い場合に対して、膨張弁の電流制御により、加熱能力量の増加を図ることができる。

次に、使用者が、外気温度２℃で、蛇口から、小量、例えば、5L/min、42℃の湯を出す場合について述べる。ここでは、自動湯張り、シャワーと異なる膨張弁制御についてのみ説明する。図３のフローチャートのステップ１１６において、給水流量M≧8L/minかつ38℃≦給湯設定温度Tws≦44℃でないため（１１６Ｎｏ）、ステップ１２０〜１２３の吐出温度制御を行う。したがって、風呂自動湯張りやシャワー以外の運転では、ＣＯＰ（加熱能力/入力）がほぼ最高となる目標吐出温度となるように、吐出温度が制御される。

すなわち、着霜条件において、風呂自動湯張りやシャワーでは、加熱能力量優先、それ以外では、COP優先で膨張弁の制御が行われる。

−8℃≦外気温度≦10℃で、着霜を抑制するための膨張弁制御を行った時の外気温度と膨張弁開度との関係の一例を図９に示す。また、この時の外気温度と圧縮機吐出温度との関係の一例を図１０に示す。
着霜条件となる−8℃≦外気温度≦10℃、特に外気温度2℃で膨張弁の開度が上に凸となる制御が行われる。また、この時、圧縮機吐出温度は、−8℃≦外気温度≦10℃、特に外気温度2℃で下に凸となる分布となる。外気温度が低いにも関わらず、外気温度−10℃で、膨張弁の開度が小さくなるのは、外気温度−10℃では、空気中の水分が減り（絶対湿度が減り）、蒸発器で霜が付き難くなるため、着霜を抑制するための膨張弁制御が不要であるためである。

本発明の一実施形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路図である。 本発明の一実施形態における膨張弁の開度制御のフローチャート図である。 膨張弁の開度制御の他のフローチャート図である。 膨張弁の開度制御のさらに他のフローチャート図である。 本発明の一実施形態におけるインバータの１次電流の目標値と外気温度との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、膨張弁開度と加熱能力、加熱能力量、入力および推定蒸発器吸熱量との関係を示す図である。 本実施形態に係る、膨張弁開度と圧縮機回転速度、圧縮機吐出温度、圧縮機吸入圧力および過熱度との関係を示す図である。 膨張弁開度の差異による、加熱能力および入力の運転時間変化を示す図である。 外気温度と膨張弁開度との関係を示す図である。 外気温度と圧縮機吐出温度との関係を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 圧縮機
２ａ、２ｂ 水冷媒熱交換器
３ａ、３ｂ 膨張弁
４ａ、４ｂ 蒸発器
１３ 給水流量センサ
１５ 水冷媒熱交換器流量センサ
１６ 第一湯水混合弁
１７ 第二湯水混合弁
１８ 流量調整弁
２１ 貯湯タンク
３１ 注湯電磁弁
３６ 浴槽
５０ａ、５０ｂ 吐出温度センサ
５１ａ、５１ｂ 吐出圧力センサ
５２ａ、５２ｂ 蒸発器冷媒入口温度センサ
５３ａ、５３ｂ 蒸発器冷媒出口温度センサ
６２ 給水温度センサ
６１ 水冷媒熱交換器水入口温度センサ
６２ 水冷媒熱交換器水出口温度センサ
６３ 混合温度センサ
６４ 給湯温度センサ
７０ 制御回路
７１ リモコン
７２ａ、７２ｂ インバータ
７３ａ、７３ｂ 電流センサ
８０ 運転制御手段。

Claims (12)

1. 圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、外気温が所定温度よりも低いときに、水と熱交換された冷媒を減圧する減圧装置の弁開度を開く制御回路と、を備えるヒートポンプ給湯装置。
2. 請求項１において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機を駆動するインバータ回路の１次電流が所定値になるように前記減圧装置の弁開度を開くヒートポンプ給湯装置。
3. 請求項１において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機から吐出された冷媒の温度が目標温度になるように前記減圧装置の弁開度を開くヒートポンプ給湯装置。
4. 請求項１において、前記制御回路は、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機を駆動するインバータ回路の１次電流が所定値になるように前記減圧装置の弁開度を開く場合と、前記ヒートポンプ冷媒回路で冷媒を圧縮する圧縮機から吐出される冷媒の温度が目標温度になるように前記減圧装置の弁開度を開く場合とを備えたヒートポンプ給湯装置。
5. 圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、それぞれ冷媒管路で順次接続されたヒートポンプ冷媒回路と、給水口と、前記水冷媒熱交換器とが、それぞれ水管路で順次接続された給水回路と、前記給水回路から供給された水を加熱する前記水冷媒熱交換器と、加熱された湯水と前記給水回路から分岐した水とを混合し所定の温度に調整する湯水混合弁と、出湯口とが、それぞれ水管路で順次接続された給湯回路と、前記圧縮機を駆動するインバータとを備えたヒートポンプ給湯装置において、前記インバータの１次電流が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御する制御手段を備えているヒートポンプ給湯装置。
6. 前記蒸発器が着霜する場合に、前記インバータの１次電流が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御する制御手段を実行する請求項８記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、それぞれ冷媒管路で順次接続されたヒートポンプ冷媒回路と、給水口と、前記水冷媒熱交換器とが、それぞれ水管路で順次接続された給水回路と、前記給水回路から供給された水を加熱する前記水冷媒熱交換器と、加熱された湯水と前記給水回路から分岐した水とを混合し所定の温度に調整する湯水混合弁と、出湯口とが、それぞれ水管路で順次接続された給湯回路と、前記圧縮機を駆動するインバータとを備えたヒートポンプ給湯装置において、給湯運転条件により、前記インバータの１次電流が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御する場合と、前記圧縮機の吐出温度が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御する場合とがある制御手段を備えているヒートポンプ給湯装置。
8. 前記蒸発器が着霜する条件で、風呂湯張りを行う時、前記インバータの１次電流が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御することを特徴とする請求項７記載のヒートポンプ給湯装置。
9. 前記蒸発器が着霜する条件で、所定の水流量で、所定の給湯温度設定値の場合、前記インバータの１次電流が所定値となるように前記減圧装置の弁開度を制御することを特徴とする請求項７記載のヒートポンプ給湯装置。
10. 前記蒸発器が着霜する条件で、前記水冷媒熱交換器の水流量を所定値以下に制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項７乃至９記載のヒートポンプ給湯装置。
11. 圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、外気温が所定温度範囲のときに、水と熱交換された冷媒を減圧する減圧装置の弁開度を開く制御回路と、を備えるヒートポンプ給湯装置。
12. 圧縮機により圧縮された冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器を有するヒートポンプ冷媒回路と、外気温が所定温度範囲のときに、圧縮機から吐出される冷媒の温度を低くなるように、水と熱交換された冷媒を減圧する減圧装置の弁開度を制御する制御回路と、を備えるヒートポンプ給湯装置。
    

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