JP2009085524A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】開放型の貯湯タンクに供給する湯の流量を細かく制御できるようにしたヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯機１００は、給湯に使用される水を貯える開放型の受水槽１０と、受水槽１０に貯えられた水を湯に沸き上げるヒートポンプユニット２０と、ヒートポンプユニット２０で沸き上げられた湯を貯え、出湯に備える開放型の貯湯槽３０と、受水槽１０に貯えられている水をヒートポンプユニット２０に引き込み、又はヒートポンプユニット２０で沸き上げられた湯を昇圧し、貯湯槽３０に送り出す給湯ポンプ４１と、給湯ポンプ４１によってヒートポンプユニット２０から給湯ポンプ４１に送られる湯の流量を調整可能な流量制御弁４２と、給湯ポンプ４１の開度及び流量制御弁４２の開放時間を制御する制御装置４０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒として使用するヒートポンプ給湯機に関するものである。

近年、脱フロン化の流れを受けて自然冷媒を用いたヒートポンプ装置の開発が盛んに進められている。中でも、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を冷媒としたヒートポンプ装置の普及は年々増加傾向にある。このＣＯ₂ は、オゾン破壊係数が０、地球温暖化係数が１という特性を有しているため、環境への負荷を小さくできるという利点がある。また、ＣＯ₂ は、毒性が無く、可燃性も無いという点で安全性に優れており、入手が容易であり、比較的安価であるという利点も有している。

さらに、圧縮機から吐出された高圧側のＣＯ₂ は、フロン系の冷媒と異なり、超臨界状態となるという特性を有している。すなわち、この超臨界状態のＣＯ₂ は、熱交換によって他の流体（たとえば、水や空気、冷媒等）に熱を与えるときに、凝縮せず、超臨界状態のままなのである。このような特性を有するＣＯ₂ は、状態遷移による損失が少なく、ヒートポンプ装置の中でも高温が要求されるものに適している。そこで、ＣＯ₂ を冷媒として使用し、ＣＯ₂ の利点を活用し、水を９０［℃］以上の高温にまで沸き上げるようにしたヒートポンプ給湯機が種々提案されている。

そのようなものとして、「給湯加熱手段と、前記給湯加熱手段で加熱した温水を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯槽に貯湯された温水を循環させて熱源とする複数の放熱手段と、前記複数の放熱手段を使用するか否かを選択する選択手段と、前記選択手段での選択状況に応じて前記給湯加熱手段で加熱し前記貯湯槽に貯湯する給湯加熱運転を制御する制御手段とを備えた給湯機」が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。この給湯機では、循環ポンプで給湯の流量制御を行なっている。

特開２００４−３３３０５１号公報（第４頁、第１図）

特許文献１に記載されているようなヒートポンプ給湯機では、密閉型の貯湯タンク（貯湯槽）を搭載することが多い。したがって、給湯を行なう給湯ポンプ（循環ポンプ）は、給水及び給湯に使用される水配管の圧力損失分のみを昇圧するだけでよく、流量制御が容易である。しかしながら、密閉型の貯湯タンクは、給水設備に直接接続されるため、水配管内を導通し、貯湯タンク内に貯えられる水の圧力に対する耐圧性を考慮した構造にしなければならない。そのため、貯湯タンクの製造に要する手間及び費用が増大してしまうという課題があった。このような課題は、貯湯タンクの容量が比較的小さい場合には特に問題となることはないが、貯湯タンクの容量が増大するとともに大きな問題となってくる。

そこで、密閉型の貯湯タンクではなく、開放型の貯湯タンクを使用するということが考えられる。この開放型の貯湯タンクとは、通気管等によって圧力が大気に開放され、タンク内部が大気圧と同程度になるものである。開放型の貯湯タンクを使用すれば、耐圧性を考慮した構造としなくて済み、貯湯タンクの製造に要する手間及び費用の増大を招くことはない。しかしながら、この開放型の貯湯タンクを用いたヒートポンプ給湯機では、貯湯タンクが密閉されていないので、パワーの大きな給湯ポンプを設けなければならないことが多い。その結果、給湯ポンプでの消費電力が増大し、エネルギー効率の悪いものとなってしまうという課題があった。

また、開放型の貯湯タンクを使用したヒートポンプ給湯機の場合、給湯に使用される水を給水する給水手段（たとえば、受水槽等）を設けることが多い。この給水手段は、高所（たとえば、マンションやビル等の建物の屋上）に設置されることが多く、貯湯タンクとの設置高さが異なることも多い。つまり、ヒートポンプ給湯機を構成するヒートポンプへ給水されるときの入水圧と、貯湯タンクから給湯されるときの出水圧との差が一定でない場合が多いのである。このような場合、給湯ポンプにパワーがあったとしても、給湯ポンプのみでは、細かい流量制御が困難であるといった課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、開放型の貯湯タンクに供給する湯の流量を細かく制御できるようにしたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とするものである。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、給湯に使用される水を給水する給水手段と、前記給水手段により給水される水を湯に沸き上げるヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットと沸き上げられた湯を貯え、出湯に備える開放型の貯湯槽と、前記給水手段により給水される水を引き込み、前記ヒートポンプユニットで沸き上げられた湯を昇圧し、前記貯湯槽に送り出す給湯ポンプと、前記給湯ポンプによって前記ヒートポンプユニットから前記貯湯槽に送られる湯の流量を調整可能な流量制御弁と、前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯機によれば、給湯ポンプの開度を制御するとともに、流量制御弁の開放時間を制御するので、湯の流量を必要流量制御範囲内としつつ、出湯温度を所定の設定温度とすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯機１００の概略構成を示す概略構成図である。このヒートポンプ給湯機１００は、開放型の貯湯槽３０を備え、たとえば昼間に使用する湯を、安価な夜間電力を利用して夜間に貯留しておくようになっている。また、ヒートポンプ給湯機１００は、受水槽１０と、ヒートポンプユニット２０と、貯湯槽３０とで構成されている。受水槽１０とヒートポンプユニット２０とは第１水配管１で接続され、ヒートポンプユニット２０と貯湯槽３０とは第２水配管２及び戻し配管３で接続されている。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

受水槽１０は、給水手段として機能し、給湯に使用される水を第１水配管１を介してヒートポンプユニット２０に給水するものである。この受水槽１０は、たとえば通気管等によって圧力が大気に開放され、タンク内部が大気圧と同程度になる開放型のタンクで構成するとよい。ヒートポンプユニット２０には、図示省略の圧縮機と、放熱器と、膨張弁と、蒸発器とを冷媒配管で順次接続した一般的な冷凍サイクルが搭載されている。このヒートポンプユニット２０は、冷凍サイクルを循環する冷媒と第１水配管１を流れる水との間で熱交換を行ない、この水を湯に沸き上げる機能を有している。

このヒートポンプユニット２０には、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）冷媒を適用している。図示省略の圧縮機から吐出された高圧側のＣＯ₂ は、フロン系の冷媒と異なり、超臨界状態となるという特性を有している。すなわち、この超臨界状態のＣＯ₂ は、熱交換によって他の流体（ここでは、水）に熱を与えるときに、凝縮せず、超臨界状態のままであり、状態遷移による損失が少なく、水を高温の湯に沸き上がるヒートポンプユニット２０に適している。したがって、ヒートポンプユニット２０は、受水槽１０から供給される水を９０［℃］以上の高温にまで沸き上げて貯湯槽３０に送り出すようになっている。

ヒートポンプ給湯機１００には、開度（回転数）が制御可能な給湯ポンプ４１が設けられており、この給湯ポンプ４１は、受水槽１０に貯えられている水（給湯に使用される水）をヒートポンプユニット２０に引き込み、又はヒートポンプユニット２０で沸き上げられた湯を昇圧し、第２水配管２を介して貯湯槽３０に送り出す機能を有している。この給湯ポンプ４１は、たとえばインバータポンプ等で構成され、後述する制御装置によって開度が制御されて第１水配管１及び第２水配管２を介して湯を貯湯槽３０に供給するようになっている。

また、ヒートポンプ給湯機１００には、弁開度（弁の開放時間）が制御可能な流量制御弁４２が設けられており、この流量制御弁４２は、開閉制御されることで第１水配管１及び第２水配管２を導通する水及び湯（以下、単に水又は湯と称する場合がある）の流量を調整できる機能を有している。この流量制御弁４２は、たとえば通電した時間分だけ開方向又は閉方向に動作するような開閉弁等で構成され、制御装置によって開閉時間が制御され、貯湯槽３０に供給される湯の流量を調整できるようになっている。なお、流量制御弁４２は、給湯ポンプ４１の上流側又は下流側のいずれに配置されていてもよい。

貯湯槽３０は、ヒートポンプユニット２０から供給された湯を貯えておくものである。この貯湯槽３０は、通気管等によって圧力が大気に開放され、タンク内部が大気圧と同程度になる開放型のタンクで構成されている。また、貯湯槽３０には、給湯管４が接続されており、貯えられている湯を外部（蛇口や浴槽）に供給する機能を有している。さらに、貯湯槽３０とヒートポンプユニット２０とには戻し配管３が接続されており、この戻し配管３を介して貯湯槽３０からヒートポンプユニット２０へ湯を戻し、この湯をヒートポンプユニット２０で再度沸き上げることができるようになっている。

ヒートポンプ給湯機１００には、給湯ポンプ４１及び流量制御弁４２を制御するマイクロコンピュータ等で構成された制御装置４０が搭載されている。この制御装置４０は、給湯ポンプ４１及び流量制御弁４２を制御して受水槽１０から貯湯槽３０に至るまでの水及び湯の流量を最適に制御することができるようになっている。図１では、給湯ポンプ４１及び流量制御弁４２がヒートポンプユニット２０の外側に搭載されている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、ヒートポンプユニット２０内に搭載してもよい。また、制御装置４０がヒートポンプユニット２０内に搭載されている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、ヒートポンプユニット２０の外側に搭載してもよい。

図１では、ヒートポンプ給湯機１００の受水槽１０と貯湯槽３０とが高さの異なる位置、つまり差圧が発生する位置に設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、ヒートポンプ給湯機１００が設置される場所（たとえば、建物や施設、現場等）に応じて受水槽１０と貯湯槽３０の設置位置は多種多様である。そこで、ヒートポンプ給湯機１００は、制御装置４０を備え、受水槽１０と貯湯槽３０との設置場所が種々変化しても、その変化によって生じる差圧に影響されることなく、受水槽１０から貯湯槽３０に至るまでの湯の流量を最適に制御することができるようになっている。

図２は、給湯ポンプ４１によって吐出される湯の流量特性を説明するための説明図である。図２に基づいて、受水槽１０と貯湯槽３０との高さ位置が変化した場合を例に、給湯ポンプ４１によって吐出される湯の流量特性について説明する。図２（ａ）は受水槽１０と貯湯槽３０とが同程度の高さ位置に設置されている場合（差圧０．０［ＭＰａ］）を、図２（ｂ）は受水槽１０が貯湯槽３０よりも高い位置に設置されている場合（差圧０．０８［ＭＰａ］）を示している。また、図２では、横軸に流量（Ｌ／ｍｉｎ）を、縦軸に給湯ポンプ４１の吐出揚程［ｍ］をそれぞれ表している。なお、吐出揚程とは、給湯ポンプ４１の吐出圧、圧力損失としても表すことができる。

図２（ａ）では、実線Ａ₁ が流量制御弁４２の開放状態を短くした場合（以下、開度ａ₁ と称する）を、実線Ｂ₁ が流量制御弁４２の開放状態を開度ａ₁ よりも長くした場合（以下、開度ｂ₁ と称する）、実線Ｃ₁ が流量制御弁４２を全開とした場合（以下、開度ｃ₁ と称する）をそれぞれ表している。実線Ａ₁ 〜実線Ｃ₁ に表されるように、流量制御弁４２の開放状態が長くなるに従って、流量が多くなるということがわかる。このヒートポンプ給湯機１００では、湯の流量を５〜１７［Ｌ／ｍｉｎ］の範囲（必要流量制御範囲）で制御しようとしているものとする。

また、図２（ａ）では、実線ア₁ が給湯ポンプ４１の開度が１００％の場合（最大容量運転）を、実線イ₁ が給湯ポンプ４１の開度が８０％の場合を、実線ウ₁ が給湯ポンプ４１の開度が６０％の場合を、実線エ₁ が給湯ポンプ４１の開度が５０％の場合を、実線オ₁ が給湯ポンプ４１の開度が４０％の場合（最小容量運転）をそれぞれ表している。実線ア₁ 〜実線オ₁ に表されるように、給湯ポンプ４１の開度が大きくなるに従って、吐出揚程が長くなるとともに、より多くの流量とすることができる。

図２（ｂ）では、実線Ａ₂ が流量制御弁４２の開放状態を短くした場合（以下、開度ａ₂ （開度ａ₂ ＜開度ａ₁ ）と称する）を、実線Ｂ₂ が流量制御弁４２の開放状態を開度ａ₁ よりも長くした場合（以下、開度ｂ₂ （開度ｂ₂ ＜開度ｂ₁ ）と称する）、実線Ｃ₂ が流量制御弁４２を全開とした場合（以下、開度ｃ₂ と称する）をそれぞれ表している。実線Ａ₂ 〜実線Ｃ₂ に表されるように、流量制御弁４２の開放状態が長くなるに従って、流量が多くなるということがわかる。このヒートポンプ給湯機１００では、湯の流量を５〜１７［Ｌ／ｍｉｎ］の範囲（必要流量制御範囲）で制御しようとしているものとする。

また、図２（ｂ）では、実線ア₂ が給湯ポンプ４１の開度が１００％の場合（最大容量運転）を、実線イ₂ が給湯ポンプ４１の開度が８０％の場合を、実線ウ₂ が給湯ポンプ４１の開度が６０％の場合を、実線エ₂ が給湯ポンプ４１の開度が５０％の場合を、実線オ₂ が給湯ポンプ４１の開度が４０％の場合（最小容量運転）をそれぞれ表している。実線ア₂ 〜実線オ₂ に表されるように、給湯ポンプ４１の開度が大きくなるに従って、吐出揚程が長くなるとともに、より多くの流量とすることができる。

図２（ａ）及び（ｂ）から、流量制御弁４２の開放状態が同一であれば、受水槽１０と貯湯槽３０との差圧が大きいほど、給湯ポンプ４１の入水圧及び出水圧が高くなり、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量が過大となることが理解できる。したがって、受水槽１０と貯湯槽３０との差圧によっては、給湯ポンプ４１単独では必要流量制御範囲内に流量を調整することは難しくなる。そこで、ヒートポンプ給湯機１００では、給湯ポンプ４１の開度の制御に加え、流量制御弁４２の開閉を制御して、流量が必要流量制御範囲内となるようにしている。すなわち、受水槽１０と貯湯槽３０との差圧が大きいほど、流量制御弁４２の開放状態を短く制御しなければならない。

図２（ａ）に示すように、給湯ポンプ４１の開度が４０％に制御されている場合において、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量の制御イメージは、流量制御弁４２の開閉制御によって矢印Ｘ₁ のようになる。同様に、図２（ｂ）に示すように、給湯ポンプ４１の開度が４０％に制御されている場合において、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量の制御イメージは、流量制御弁４２の開閉の制御によって矢印Ｘ₂ のようになる。すなわち、流量制御弁４２の開閉を制御することによって、給湯ポンプ４１の単独制御では実現できないような細かい流量制御が可能になっているのである。

次に、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量制御について説明する。図３は、出湯温度設定値に対応し、外気温度と入水温度から流量を決定するための流量マップを示している。図４は、給湯ポンプ４１の開度を５０％にした場合において、流量制御弁４２の開放状態の長さを変化させたときの流量と圧損との関係を示すグラフである。図５は、制御装置４０に予め設定されている試運転モード時における流量と流量制御弁４２の開放時間との関係を示す弁開度マップである。図６は、試運転モード終了時に新たに設定した流量と流量制御弁４２の開放時間との関係を示す弁開度マップである。図３〜図６に基づいて、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量制御について説明する。

図３（ａ）は目標出湯温度設定値が６５［℃］の流量マップの一例を、図３（ｂ）は目標出湯温度設定値が９０［℃］の流量マップの一例をそれぞれ示している。ヒートポンプ給湯機１００は、受水槽１０及び貯湯槽３０が設置されると、流量マップに基づき流量制御値（Ｖｓｅｔ）が決定されて試運転モードを実行する。受水槽１０には、たとえば範囲イで示す水道水（河川）や範囲ロで示す井戸水が貯えられており、給湯ポンプ４１に入水する際の温度（入水温度）及び外気温度からＶｓｅｔが決定される。このＶｓｅｔは、目標出湯温度設定値が高くなると少なくなるようになっている。

Ｖｓｅｔを決定する場合の一例について説明する。目標出湯温度設定値が６５［℃］であり、入水温度が１５［℃］、外気温度が７［℃］の場合、制御装置４０は、まず図３（ａ）に示す流量マップに基づいてＶｓｅｔを１０［Ｌ／ｍｉｎ］に決定する。次に、制御装置４０は、図５に示す弁開度マップに基づいてＶｓｅｔ（１０［Ｌ／ｍｉｎ］）に相当する弁開度である２１［秒］を決定し、試運転モードを実行する。つまり、制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度及び流量制御弁４２の開閉時間を制御して、図示省略の圧縮機の起動とともに試運転モードを実行する。ここでは、給湯ポンプ４１のエネルギー効率を考慮して、給湯ポンプ４１の開度を５０％にした場合について説明する。

制御装置４０は、試運転モードを実行している最中に、出湯温度が目標出湯温度設定値である６５［℃］＋３［℃］＝６８［℃］を超えた場合（図４に示すポイントＰ₂ ）、図４に示すポイントＰ₁ とするために流量制御弁４２の開放状態を１秒間長くするように流量制御弁４２の弁開度を制御する。受水槽１０及び貯湯槽３０の設置状況によっては、ポイントＰ₂ に示されるように、Ｖｓｅｔが１０［Ｌ／ｍｉｎ］よりも少なく、つまり流量制御弁４２の開放時間が１８秒と短くなってしまい、目標出湯温度設定値６５［℃］よりも高い出湯温度（たとえば、７０［℃］）になってしまうことがあるのである。

反対に、制御装置４０は、試運転モードを実行している最中に、出湯温度が目標出湯温度設定値である６５［℃］−３［℃］＝６２［℃］を下回った場合（図４に示すポイントＰ₃ ）、図４に示すポイントＰ₁ とするために流量制御弁４２の開放状態を１秒間短くするように流量制御弁４２の弁開度を制御する。受水槽１０及び貯湯槽３０の設置状況によっては、ポイントＰ₃ に示されるように、Ｖｓｅｔが１０［Ｌ／ｍｉｎ］よりも多く、つまり流量制御弁４２の開放時間が２０秒と長くとなってしまい、目標出湯温度設定値６５［℃］よりも低い出湯温度（たとえば、６０［℃］）になってしまうことがあるのである。

制御装置４０は、出湯温度をたとえば３０秒ごとに検出し、出湯温度が目標出湯温度設定値＋３［℃］以下かつ目標出湯温度設定値以上を５回以上カウントした場合、あるいは、目標出湯温度設定値以下から目標出湯温度設定値＋３［℃］以上に変化する回数を５回カウントした場合にその直後の流量制御弁４２の弁開度をＳ［秒］（ここでは、Ｓ＝１９［秒］として例示してある）として設定する。そして、制御装置４０は、図５に示す弁開度マップに基づいて決定した弁開度（ここでは、２１［秒］）に対し、Ｓ秒（ここでは、Ｓ＝１９［秒］）との比率、すなわちＳ［秒］／２１［秒］を乗じて作成した図６に示す弁開度マップを新たに記憶し、試運転モードを終了させる。

実運転が開始すると、制御装置４０は、外気温度、入水温度及び目標出湯温度設定値から図３に示す流量マップに基づいて、新たな制御流量を算出し、決定する。次に、その制御流量に相当する流量制御弁４２の弁開度を図５及び図６に示す弁開度マップに基づいて算出し、算出した弁開度で流量制御弁４２の開閉を制御する。以上のように、ヒートポンプ給湯機１００は、試運転モードを実行し、受水槽１０及び貯湯槽３０の設置状況に応じた最適な制御流量を決定し、その後の実運転を効率よく実行できる。また、実運転後も制御流量の補正を適宜行なうことができるので、状況（たとえば、外気温度や入水温度、給湯ポンプ４１の能力等の種々の状況）の変化に対応し、最適な制御流量を設定することができる。

図７は、入水圧が違う場合における流量制御弁４２の制御の一例を説明するためのグラフである。図７に基づいて、入水圧が違う場合における流量制御弁４２の制御、つまり弁開放時間と制御流量との関係について説明する。図７（ａ）は受水槽１０と貯湯槽３０とが同程度の高さ位置に設置されている場合（差圧０．０［ＭＰａ］）を、図７（ｂ）は受水槽１０が貯湯槽３０よりも高い位置に設置されている場合（差圧０．０８［ＭＰａ］）を示している。また、図７では、横軸に流量（Ｌ／ｍｉｎ）を、縦軸に給湯ポンプ４１の吐出揚程（ｍ）をそれぞれ表している。

図７（ａ）では、図２（ａ）と同様に、実線Ａ₁ が流量制御弁４２を開度ａ₁ （たとえば、弁開度時間１９［秒］）とした場合を、実線Ｂ₁ が流量制御弁４２を開度ｂ₁ （たとえば、弁開度時間２０［秒］）とした場合を、実線Ｃ₁ が流量制御弁４２を開度ｃ₁ （たとえば、弁開度時間３８［秒］）とした場合をそれぞれ表している。このうち実線Ａ₁ 及び実線Ｃ₁ は貯湯槽３０が渇水状態の場合を表しているものとする。また、破線Ａ₁ ’は貯湯槽３０が満水状態において流量制御弁４２を開度ａ₁ ’とした場合を、破線Ｃ₁ ’は貯湯槽３０が満水状態において流量制御弁４２を開度ｃ₁ ’とした場合をそれぞれ表している。さらに、図７（ａ）では、図２（ａ）と同様に、実線ア₁ 〜実線オ₁ で５段階の給湯ポンプ４１の開度を表している。

図７（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に、実線Ａ₂ が流量制御弁４２を開度ａ₂ （たとえば、弁開度時間１６［秒］）とした場合を、実線Ｂ₂ が流量制御弁４２を開度ｂ₂ （たとえば、弁開度時間１７［秒］）とした場合を、実線Ｃ₂ が流量制御弁４２を開度ｃ₂ （たとえば、弁開度時間２６［秒］）とした場合をそれぞれ表している。また、図２（ｂ）では図示していないが、流量制御弁４２を開度ｄ （たとえば、弁開度時間２０［秒］）とした場合を実線Ｄで表している。

このうち実線Ａ₂ 及び実線Ｃ₂ は貯湯槽３０が渇水状態の場合を表しているものとする。また、破線Ａ₂ ’は貯湯槽３０が満水状態において流量制御弁４２を開度ａ₂ ’とした場合を、破線Ｃ₂ ’は貯湯槽３０が満水状態において流量制御弁４２を開度ｃ₂ ’とした場合をそれぞれ表している。さらに、図７（ｂ）では、図２（ｂ）と同様に、実線ア₂ 〜実線オ₂ で５段階の給湯ポンプ４１の開度を表している。なお、図７（ａ）及び（ｂ）に示す実線Ｘ₁ ’及び実線Ｘ₂ ’は、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量の制御イメージを表している。

ヒートポンプ給湯機１００を構成する受水槽１０と貯湯槽３０とに生じる差圧（給湯ポンプ４１の入水圧）は、上述したように、設置される場所に応じて多種多様に変化する。すなわち、図７（ａ）及び（ｂ）から、流量制御弁４２の開放状態が同一であれば、受水槽１０と貯湯槽３０との差圧が大きいほど、給湯ポンプ４１の入水圧及び出水圧が高くなり、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量が過大となる。そこで、ヒートポンプ給湯機１００では、多種多様に変化する差圧に応じて、給湯ポンプ４１の開度の制御に加え、流量制御弁４２の開閉時間を制御して、流量を必要流量制御範囲内としつつ、出湯温度が所定の設定温度となるようにしている。

また、貯湯槽３０が満水状態であるのか、渇水状態であるのかによって、流量制御弁４２の弁開度が同程度であったとしても、満水状態（貯湯槽３０の水位が高くなる）では給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量が過少になる。すなわち、ヒートポンプ給湯機１００では、受水槽１０と貯湯槽３０との設置場所によって多種多様に変化する差圧に応じて流量制御弁４２の弁開度を調整するとともに、貯湯槽３０内に貯えられる湯の量に応じても流量制御弁４２の弁開度を調整しているのである。さらに、給湯ポンプ４１の開度を５０％程度とするとエネルギー効率が良いことがわかっているので、ヒートポンプ給湯機１００では、給湯ポンプ４１の開度が５０％程度となるように流量制御弁４２の弁開度を調整しているのである。

図７（ａ）に示すように、給湯ポンプ４１の開度が５０％に制御されている場合において、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量の制御イメージは、流量制御弁４２の開閉制御によって矢印Ｘ₁ ’のようになる。図７（ｂ）に示すように、給湯ポンプ４１の開度が５０％に制御されている場合において、給湯ポンプ４１から吐出される湯の流量の制御イメージは、流量制御弁４２の開閉の制御によって矢印Ｘ₂ ’のようになる。すなわち、流量制御弁４２の開閉を制御することによって、給湯ポンプ４１の単独制御では実現できないような細かい流量制御が可能になっているのである。

ここで、ヒートポンプ給湯機１００の具体的な制御動作について説明する。
図８は、湯の流量制御の処理の流れを示すフローチャートである。図８に基づいて、図３〜図６で説明した湯の流量制御を具体的に説明する。ヒートポンプ給湯機１００は、受水槽１０及び貯湯槽３０が設置されると、図３に示す流量マップに従って試運転モードを実行する（ステップＳ１０１）。つまり、制御装置４０は、目標出湯温度設定値の流量マップから、給湯ポンプ４１の開度を５０％にした場合の流量制御値（Ｖｓｅｔ）を決定して試運転モードを実行するのである。

それから、制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し±３［℃］以内であるかどうか判断する（ステップＳ１０２）。そして、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し±３［℃］以内でない場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）、制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し±３［℃］以内となるように、流量制御弁４２の弁開度を調整する（ステップＳ１０３）。すなわち、制御装置４０は、図４で示したように、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し３［℃］を超えた場合、流量制御弁４２の弁開度をアップ（弁開放状態を長く）するように制御し、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し３［℃］を下回った場合、流量制御弁４２の弁開度をダウン（弁開放状態を短く）するように制御するのである。

出湯温度が目標出湯温度設定値に対し±３［℃］以内である場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、制御装置４０は、試運転モードを終了する。そして、制御装置４０は、ヒートポンプ給湯機１００が試運転モードを実行してから一度も停止していないかどうか判断する（ステップＳ１０４）。制御装置４０は、試運転モードから一度でも停止し、実運転がされていると判断した場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）、図５に示すように試運転モードにおいて温度範囲が適正になるように流量制御弁４２の弁開度を設定し（ステップＳ１０５）、図６に示すように停止させた時の給湯ポンプ４１の開度によって流量制御弁４２の弁開度を補正する（ステップＳ１０６）。

一方、制御装置４０は、試運転モードから一度も停止しておらず、実運転がされていると判断した場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、図６に示すように停止させた時の給湯ポンプ４１の開度によって流量制御弁４２の弁開度を補正する（ステップＳ１０６）。それから、制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値に対し＋１．５［℃］±１．５［℃］以内となるように給湯ポンプ４１の開度を適宜制御して、湯の制御流量を調整する。制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値よりも低いかどうか判断する（ステップＳ１０７）。

制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値よりも低いと判断した場合（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）、給湯ポンプ４１の開度が３０％（最小容量運転）であるかどうか判断する（ステップＳ１０８）。制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が３０％でないと判断した場合（ステップＳ１０８；ＮＯ）、給湯ポンプ４１の開度をアップさせる（ステップＳ１０９）。また、制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が３０％であると判断した場合（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）、流量制御弁４２の弁開度をダウンさせる（ステップＳ１１０）。

一方、制御装置４０は、出湯温度が目標出湯温度設定値以上であると判断した場合（ステップＳ１０７；ＮＯ）、給湯ポンプ４１の開度が１００％（最大容量運転）であるかどうか判断する（ステップＳ１１１）。制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が１００％でないと判断した場合（ステップＳ１１１；ＮＯ）、給湯ポンプ４１の開度をダウンさせる（ステップＳ１１２）。また、制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が１００％であると判断した場合（ステップＳ１１１；ＹＥＳ）、流量制御弁４２の弁開度をアップさせる（ステップＳ１１３）。

それから、制御装置４０は、ヒートポンプユニット２０が停止条件にあるかどうか判断する（ステップＳ１１４）。制御装置４０は、ヒートポンプユニット２０が停止条件にないと判断した場合（ステップＳ１１４；ＮＯ）、試運転モードから一度も停止していないかどうか判断する（ステップＳ１０４）。一方、制御装置４０は、ヒートポンプユニット２０が停止条件にあると判断した場合（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）、給湯ポンプ４１の開度が８０％よりも大きくなっているかどうか判断する（ステップＳ１１５）。制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が８０％よりも大きくなっていると判断した場合（ステップＳ１１５；ＹＥＳ）、次回の流量制御弁４２の弁開度をアップするように変更し（ステップＳ１１６）、実運転を継続させる。

一方、制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が８０％以下であると判断した場合（ステップＳ１１５；ＮＯ）、給湯ポンプ４１の開度が４０％よりも大きくなっているかどうか判断する（ステップＳ１１７）。制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が４０％よりも小さくなっていると判断した場合（ステップＳ１１７；ＹＥＳ）、次回の流量制御弁４２の弁開度をアップするように変更し（ステップＳ１１８）、実運転を継続させる。また、制御装置４０は、給湯ポンプ４１の開度が４０％以上になっていると判断した場合（ステップＳ１１７；ＮＯ）、次回の流量制御弁４２の弁開度を変更させず（ステップＳ１１９）、実運転を継続させる。

以上のように、制御装置４０は、試運転モードを実行し、受水槽１０及び貯湯槽３０の設置状況に応じた最適な制御流量を決定し、その後の実運転を効率よく実行できる。また、制御装置４０は、実運転が開始すると、外気温度、入水温度及び目標出湯温度設定値から図３に示す流量マップに基づいて、新たな制御流量を決定し、その制御流量に相当する流量制御弁４２の弁開度を図５及び図６に示す弁開度マップに基づいて算出し、算出した弁開度で流量制御弁４２の開閉を制御する。つまり、制御装置４０は、実運転後も制御流量の補正を適宜行なうことができるようになっているので、状況（たとえば、外気温度や入水温度、給湯ポンプ４１の能力等の種々の状況）の変化に対応し、最適な制御流量を設定することができる。

制御装置４０が実行する試運転モードは、試運転モード開始スイッチを設け、その試運転モードスイッチが操作されることによって開始するようにしてもよく、ヒートポンプ給湯機１００の起動直後に開始するようにしてもよい。また、試運転モードは、ヒートポンプ給湯機１００の条件が変更される都度実行したり、定期的に実行したりするようにしておくこともできる。また、説明に使用した各数値は、例示であり、その数値に限定するものではない。

実施の形態に係るヒートポンプ給湯機の概略構成を示す概略構成図である。 給湯ポンプによって吐出される湯の流量特性を説明するための説明図である。 出湯温度設定値に対応し、外気温度と入水温度から流量を決定するための流量マップを示している。 給湯ポンプの開度を５０％にした場合において、流量制御弁の開放状態の長さを変化させたときの流量と圧損との関係を示すグラフである。 制御装置に予め設定されている試運転モード時における流量と流量制御弁の開放時間との関係を示す弁開度マップである。 試運転モード終了時に新たに設定した流量と流量制御弁の開放時間との関係を示す弁開度マップである。 入水圧が違う場合における流量制御弁の制御の一例を説明するためのグラフである。 湯の流量制御の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 第１水配管、２ 第２水配管、３ 戻し配管、４ 給湯管、１０ 受水槽、２０ ヒートポンプユニット、３０ 貯湯槽、４０ 制御装置、４１ 給湯ポンプ、４２ 流量制御弁、１００ ヒートポンプ給湯機。

Claims (7)

1. 給湯に使用される水を給水する給水手段と、
   前記給水手段により給水される水を湯に沸き上げるヒートポンプユニットと、
   前記ヒートポンプユニットで沸き上げられた湯を貯え、出湯に備える開放型の貯湯槽と、
   前記給水手段により給水される水を前記ヒートポンプユニットに引き込み、又は前記ヒートポンプユニットで沸き上げられた湯を昇圧し、前記貯湯槽に送り出す給湯ポンプと、
   前記ヒートポンプユニットから前記貯湯槽に送られる湯の流量を調整可能な流量制御弁と、
   前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を制御する制御装置とを備えた
   ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記制御装置は、
   出湯温度を、予め設定されている目標出湯温度設定値に近づけるように前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記給水手段及び前記貯湯槽が異なる高さ位置に設置され、
   前記制御装置は、
   前記給水手段と前記貯湯槽とに生じる差圧によって変化する出湯温度を、予め設定されている目標出湯温度設定値に近づけるように前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記制御装置は、
   予め設定されている値に基づいて前記流量制御弁の開放時間を決定し、試運転モードを実行し、
   前記試運転モードの実行中に変化する前記出湯温度が前記目標出湯温度設定値に対して所定の範囲内にあるかどうか判断し、その結果に基づいて前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を決定し、記憶する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記制御装置は、
   前記試運転モードで記憶した前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間で、前記試運転モード後に実運転を実行する
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記制御装置は、
   前記実運転中に変化する前記出湯温度が前記目標出湯温度設定値に対して所定の範囲内にあるかどうか判断し、その結果に基づいて前記給湯ポンプの開度及び前記流量制御弁の開放時間を決定し、補正する
   ことを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記ヒートポンプユニット内を循環し、前記給水手段により給水される水と熱交換させる冷媒に二酸化炭素を用いた
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。

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