JP2009121704A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】沸き終い等において入水温度が上昇しても、一定の加熱能力を保持しつつ熱交換効率の低下を抑制できるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】貯湯タンク２と、圧縮機１４と、水−冷媒熱交換器１５と、減圧器１６と、蒸発器１７と、圧縮機１４から吐出され水−冷媒熱交換器１５に流入する冷媒の温度を目標吐出温度ＴＤに制御し、貯湯タンク２からの湯水を水−冷媒熱交換器１５にて目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱制御する制御手段２５とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、制御手段２５は、外気温度Ｔａと目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔの両方あるいは何れか一方の温度に基づいて目標吐出温度ＴＤを設定すると共に、この目標吐出温度ＴＤと水−冷媒熱交換器１５の水側の入水温度Ｔｗｉとの温度差ΔＴに応じて目標吐出温度ＴＤを補正するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、貯湯タンクの湯水をヒートポンプで加熱するヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来よりこの種のヒートポンプ式給湯装置においては、下部に給水管が接続され、上部に出湯管が接続された貯湯タンクと、圧縮機、凝縮器としての水−冷媒熱交換器、減圧手段としての電子膨張弁、蒸発器としての空気熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路を有したヒートポンプ式加熱手段と、貯湯タンク下部から取り出した湯水を水−冷媒熱交換器の水側に流通させ貯湯タンク上部に戻す循環ポンプを有した加熱循環回路とを備え、貯湯タンク内の湯水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げるようにしたものであった。

このヒートポンプ式加熱手段は、圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度が所定の目標吐出温度になるように電子膨張弁の開度が制御されるとともに、水−冷媒熱交換器で加熱される湯の温度が目標沸き上げ温度になるように循環ポンプの回転数が制御される。

ここで、所定の目標吐出温度は外気温度によって補正することにより、外気温度の高低に応じた空気熱交換器での蒸発能力の変化に対応することができ、一定の沸き上げ温度・加熱能力を保った状態において最大効率の運転を可能としていたものであった（特許文献１の実施例１０参照）。

また、所定の目標吐出温度を目標沸き上げ温度の高低に応じて補正し、効率の良い運転を可能としていたものであった（特許文献１の実施例１２参照）。
特開２００２−１８８８６０号公報（実施例１０、実施例１２参照）

このような従来のヒートポンプ式給湯装置においては、沸き終い時に貯湯タンクの沸き上げ運転開始時の残湯部分まで沸き上げ運転が進み、水−冷媒熱交換器に入水する入水温度が上昇してくる場合は、入水温度の上昇に伴って水−冷媒熱交換器の冷媒流出温度も上昇することとなり、冷媒吐出温度と冷媒流出温度の温度差が小さくなって熱交換効率が低下する。しかし、一定の沸き上げ温度・加熱能力を保つためには冷媒の循環量を増やす必要があるが、冷媒の循環量を増やすには圧縮機の運転周波数を増加させなければならず、加熱効率が低下するという課題があった。

また、目標沸き上げ温度が低いために目標吐出温度も低い場合、沸き終い時の入水温度が上昇してくる際において、よりいっそう吐出温度と入水温度の差が小さくなり、熱交換効率が低下するため、さらに加熱効率が低下するという課題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項１では、貯湯タンクと、圧縮機と、水−冷媒熱交換器と、減圧器と、蒸発器と、前記圧縮機から吐出され前記水−冷媒熱交換器に流入する冷媒の温度を目標吐出温度ＴＤに制御し、前記貯湯タンクからの湯水を前記水−冷媒熱交換器にて目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱制御する制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、外気温度Ｔａと目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔの両方あるいは何れか一方の温度に基づいて目標吐出温度ＴＤを設定すると共に、この目標吐出温度ＴＤと前記水−冷媒熱交換器の水側の入水温度Ｔｗｉとの温度差ΔＴに応じて前記目標吐出温度ＴＤを補正するようにした。

また、請求項２では、貯湯タンクと、圧縮機と、水−冷媒熱交換器と、減圧器と、蒸発器と、前記圧縮機から吐出され前記水−冷媒熱交換器に流入する冷媒の温度を目標吐出温度ＴＤに制御し、前記貯湯タンクからの湯水を前記水−冷媒熱交換器にて目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱制御する制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、外気温度Ｔａと目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔの両方あるいは何れか一方の温度に基づいて目標吐出温度ＴＤを設定すると共に、この目標吐出温度ＴＤと前記水−冷媒熱交換器の冷媒側の流出温度Ｔｒｏとの温度差ΔＴに応じて前記目標吐出温度ＴＤを補正するようにした。

また、請求項３では、請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、前記温度差ΔＴが小さいほど補正量を大きくし、前記温度差ΔＴが大きいほど補正量を小さくした。

また、請求項４では、請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、前記目標吐出温度ＴＤが低い場合は、前記温度差ΔＴの値が同じであっても前記目標吐出温度ＴＤが高い場合より補正量を大きくするようにした

また、請求項５では、請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、前記目標吐出温度ＴＤが所定温度以上であると、前記補正を行わないようにした。

また、請求項５では、請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記外気温度Ｔａが所定外気温度以上であると、前記補正を行わないようにした。

また、請求項６では、請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記制御手段は、前記入水温度Ｔｗｉが所定入水温度以上であると、前記補正を行わないようにした。

この発明によれば、沸き終い時などにより水−冷媒熱交換器への入水温度が上昇してくる場合に、目標吐出温度ＴＤと入水温度Ｔｗｉあるいは冷媒流出温度Ｔｒｏとの温度差ΔＴに応じて目標吐出温度ＴＤを補正することで、一定の加熱能力を保持しつつ熱交換効率の低下を抑制し、加熱効率を向上が図れるものである。

また、目標吐出温度ＴＤが低い場合は、前記温度差ΔＴの値が同じであっても前記目標吐出温度ＴＤが高い場合より補正量を大きくするようにしたので、一定の加熱能力を各日に保持しつつ熱交換効率の低下を抑制し、加熱効率を向上が図れるものである。

また、目標吐出温度ＴＤ、外気温度Ｔａ、入水温度Ｔｗｉが所定の温度以上であると、補正を行わないようにすることで、目標吐出温度ＴＤの過度な上昇を抑えて機具の耐久性を十分に確保することができるものである。

次に、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を有した貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段、４は前記貯湯タンク２の下部に接続された加熱往き管５および前記貯湯タンク２の上部に接続された加熱戻り管６よりなる加熱循環回路、７は前記貯湯タンク２の下部に接続され貯湯タンク２に水を給水する給水管、８は前記貯湯タンク２の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管である。

９は給水管７から分岐された給水バイパス管、１０は出湯管８からの湯と給水バイパス管９からの水を混合して給湯設定温度の湯とする混合弁、１１は混合弁１０で混合後の給湯温度を検出する給湯温度センサ、１２は貯湯タンク２の側面上下にわたり複数設けられ、貯湯タンク２内の湯の温度を検出する貯湯温度センサ、１３は前記貯湯タンクユニット１内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する貯湯制御手段である。

前記ヒートポンプ式加熱手段３は、冷媒を圧縮する圧縮機１４と、高温高圧の冷媒と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換する水−冷媒熱交換器１５と、冷媒−水熱交換器１５通過後の冷媒を減圧させる減圧器としての電子膨張弁１６と、電子膨張弁１６からの低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器としての空気熱交換器１７とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプサイクル１８と、水−冷媒熱交換器１５の水側の加熱循環回路４途中に設けられて貯湯タンク２の湯水を循環させる加熱循環ポンプ１９とから構成されている。ここで、前記水−冷媒熱交換器１５は冷媒の流動方向と被加熱水の流動方向が対向する対向流式の熱交換器である。

２０は圧縮機１４と水−冷媒熱交換器１５との間に設けられ、冷媒の吐出温度を検出する冷媒吐出温度センサ、２１は水−冷媒熱交換器１５と電子膨張弁１６との間に設けられ、冷媒の水−冷媒熱交換器１５からの流出温度を検出する流出温度センサ、２２は空気熱交換器１７の空気入口側に設けられ、外気温度を検出する外気温度センサ、２３は水−冷媒熱交換器１５の水側の入水温度を検出する入水温度センサ、２４は水−冷媒熱交換器１５の水側の沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサである。

２５は前記ヒートポンプ式加熱手段３内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する加熱制御手段で、貯湯制御手段１３と通信可能に接続され、貯湯制御手段１３と連携して作動するものである。

次に、この一実施形態の作動について説明する。
給湯を行う際は、ユーザーが蛇口（図示せず）を開くと、貯湯タンク２の下部の給水管７から市水が流入し、貯湯タンク２上部から深夜時間帯に沸き上げられて貯湯されている高温の湯が出湯管８へ出湯される。そして、出湯管８からの高温の湯と給水バイパス管９からの市水とが混合弁１０で混合される。このとき、給湯温度センサ１１で検出する混合後の給湯温度がリモートコントローラ（図示せず）等で設定された給湯設定温度になるように混合弁１０の混合比率が調整され、給湯設定温度の湯が蛇口から給湯される。

深夜時間帯となると、貯湯制御手段１３は貯湯タンク２内の湯水が所定の目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔになるように沸き上げ運転を開始するよう加熱制御手段２５へ沸き上げ開始命令を指示する。そして、加熱制御手段２５は、外気温度センサ２２で検出した外気温度Ｔａに応じた圧縮機１４の運転周波数で圧縮機１４を制御すると共に、目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔ＋一定値を外気温度Ｔａの高低に応じて微調整するようにして目標吐出温度ＴＤを設定し、冷媒吐出温度センサ２０で検出する冷媒の吐出温度が目標吐出温度ＴＤになるように電子膨張弁１６の開度を制御する。同時に、加熱制御手段２５は沸き上げ温度センサ２４で検出する水−冷媒熱交換器１５で加熱された湯が目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔになるように加熱循環ポンプ１９の回転数を制御する。

ここで、前記所定の目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔは、過去の給湯量の最大値や平均値等の給湯実績から翌日の給湯量の予測量を確保できるように貯湯制御手段１３によって算出されるもので、６５℃から９０℃の範囲で決定されるものである。

そして、沸き上げ運転が進行していくと、貯湯タンク２の下部の水がヒートポンプ式加熱手段３へ循環され、貯湯タンク２の上部から目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱された湯が積層状態に貯湯される。貯湯タンク２内に必要な湯量が沸き上げられたことを貯湯温度センサ１２で検出するか、ヒートポンプ式加熱手段３の入水温度センサ２３で検出する入水温度Ｔｗｉが沸き上げし難い所定の高温度以上を検出するか、あるいは電力料金単価の安い深夜時間帯が終了した時点で、貯湯制御手段１３は沸き上げ運転を停止するべく加熱制御手段２５に停止指示を出し、加熱制御手段２５は圧縮機１４と加熱循環ポンプ１９の運転を停止して、沸き上げ運転を終了する。

この沸き上げ運転の終了直前の沸き終い時においては、貯湯タンク２内の湯層と水層との間の混合層の湯水がヒートポンプ式加熱手段３へ流入する。このとき、入水温度Ｔｗｉが徐々に上昇してくるので、加熱制御手段２５が目標吐出温度ＴＤを、目標吐出温度ＴＤと入水温度Ｔｗｉとの温度差ΔＴに応じて補正する。

ここで、入水温度Ｔｗｉの上昇に従って水−冷媒熱交換器１５の冷媒流出温度Ｔｒｏが上昇することにより水−冷媒熱交換器１５での熱交換量が低下しようとするが、図２に示すように、温度差ΔＴが小さいほど補正量を大きくし、温度差ΔＴが大きいほど補正量を小さく設定されているため、温度差ΔＴが小さくなるほど目標吐出温度ＴＤを高くなるように補正して温度差ΔＴの大きさを確保しようとするため、冷媒循環量をあまり増やさずとも加熱能力を確保して、熱交換効率の低下を抑制し、加熱効率を向上が図れるものである。

図２に示したように、加熱制御手段２５は、温度差ΔＴの値に応じて補正値を決定しているため、同じ入水温度Ｔｗｉまで上昇したとしても、温度差ΔＴが大きいときは補正しないあるいは補正値が小さく、温度差ΔＴが小さいときは補正値が大きくなるため、入水温度Ｔｗｉの高低ではなく熱交換効率の低下度合いに応じた最適な補正を行うことができるものである。

また、加熱制御手段２５は、図３に示すように、同じ温度差ΔＴにおいても、目標吐出温度ＴＤが低い場合は、目標吐出温度ＴＤが高い場合に比べて補正値を大きくなるようにすれば、目標吐出温度ＴＤが低く沸き終い時の入水温度の上昇に伴う加熱能力の低下傾向が顕著な場合においても、一定の加熱能力を各日に保持しつつ熱交換効率の低下を抑制し、加熱効率を向上が図れるものである。

また、水−冷媒熱交換器１５に入る前の湯水の温度である入水温度Ｔｗｉを用いて温度差ΔＴを算出しているので、水−冷媒熱交換器１５での熱交換効率が低下してしまう前に熱交換効率の低下度合いを知ることができ、制御遅れの少ない最適な補正を行うことができるものである。

また、加熱制御手段２５は、目標吐出温度ＴＤ、外気温度Ｔａ、入水温度Ｔｗｉがそれぞれ所定の温度以上であると補正を行わないようにしているため、目標吐出温度ＴＤの過度な上昇を抑えて機具の耐久性を十分に確保することができるものである。

次に、本発明の別の一実施形態について、先の一実施形態と同一の点はその説明を省略し、先の一実施形態と異なる点を説明する。
この実施形態においては、先の一実施形態において目標吐出温度ＴＤと入水温度Ｔｗｉの温度差ΔＴの値に応じて補正値を決定していたことに替わり、加熱制御手段２５が目標吐出温度ＴＤと流出温度センサ２１で検出する冷媒流出温度Ｔｒｏとの温度差ΔＴの値に応じて補正値を決定するようにしたものである。

ここで、入水温度Ｔｗｉの上昇に従って水−冷媒熱交換器１５の冷媒流出温度Ｔｒｏが上昇することにより水−冷媒熱交換器１５での熱交換量が低下しようとするが、図２に示すように、温度差ΔＴが小さいほど補正量を大きくし、温度差ΔＴが大きいほど補正量を小さく設定されているため、温度差ΔＴが小さくなるほど目標吐出温度ＴＤを高くなるように補正して温度差ΔＴの大きさを確保しようとするため、冷媒循環量をあまり増やさずとも加熱能力を確保して、熱交換効率の低下を抑制し、加熱効率を向上が図れるものである。

このように、目標吐出温度ＴＤと冷媒流出温度Ｔｒｏとの温度差ΔＴの値に応じて目標吐出温度ＴＤを補正するようにしたので、熱交換効率の低下度合いに応じた最適な補正を行うことができる。

なお、本発明はこれまで説明してきた一実施形態に限定されることなく、その趣旨を変更しない範囲で適用可能なもので、例えば、ヒートポンプサイクル１８は減圧器としてエジェクターを用いたエジェクターサイクルでもよく、また、加熱循環ポンプ１９は所定の流量で動作するように制御するようにしてもよい。

また、目標吐出温度ＴＤは、目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔ＋一定値を外気温度Ｔａの高低に応じて微調整するようにして加熱制御手段２５が決定する例を用いて説明したが、この例に限られず目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔ、外気温度Ｔａ、あるいは外気温度Ｔａに類する市水の平均給水温度等の組合せまたはいずれか一つの値に応じて目標吐出温度ＴＤを決定するようにしてもよいものである。

また、冷媒吐出温度センサ２０は冷媒の吐出温度を検出できればよいもので、圧縮機１４で高温高圧にされてから水−冷媒熱交換器１５に流入するまでの温度を検出できるものであれば、センサの取付位置は限定されないものである。

また、深夜時間帯に貯湯する深夜貯湯式のヒートポンプ式給湯機を例に説明したが、これに限らず、給湯している間に必要な分量の湯を沸かす瞬間式のヒートポンプ式給湯機のサブタンク内の湯を沸き上げる際にも利用可能で、また、貯湯タンクユニット１とヒートポンプ式加熱手段３とを一体にした構成でもよく、その際には、貯湯制御手段１３と加熱制御手段２５を一体の制御手段としてもよいものである。

本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置のシステム図。 同一実施形態の温度差ΔＴと補正値の関係を示す図。 同一実施形態の温度差ΔＴと補正値の別の関係を示す図。

符号の説明

２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプ式加熱手段
１４ 圧縮機
１５ 水−冷媒熱交換器
１６ 電子膨張弁（減圧器）
１７ 空気熱交換器（蒸発器）
２０ 冷媒吐出温度センサ
２１ 流出温度センサ
２２ 外気温度センサ
２３ 入水温度センサ
２４ 沸き上げ温度センサ
２５ 加熱制御手段（制御手段）

Claims (7)

1. 貯湯タンクと、圧縮機と、水−冷媒熱交換器と、減圧器と、蒸発器と、前記圧縮機から吐出され前記水−冷媒熱交換器に流入する冷媒の温度を目標吐出温度ＴＤに制御し、前記貯湯タンクからの湯水を前記水−冷媒熱交換器にて目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱制御する制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記制御手段は、外気温度Ｔａと目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔの両方あるいは何れか一方の温度に基づいて目標吐出温度ＴＤを設定すると共に、この目標吐出温度ＴＤと前記水−冷媒熱交換器の水側の入水温度Ｔｗｉとの温度差ΔＴに応じて前記目標吐出温度ＴＤを補正するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 貯湯タンクと、圧縮機と、水−冷媒熱交換器と、減圧器と、蒸発器と、前記圧縮機から吐出され前記水−冷媒熱交換器に流入する冷媒の温度を目標吐出温度ＴＤに制御し、前記貯湯タンクからの湯水を前記水−冷媒熱交換器にて目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱制御する制御手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、
   前記制御手段は、外気温度Ｔａと目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔの両方あるいは何れか一方の温度に基づいて目標吐出温度ＴＤを設定すると共に、この目標吐出温度ＴＤと前記水−冷媒熱交換器の冷媒側の流出温度Ｔｒｏとの温度差ΔＴに応じて前記目標吐出温度ＴＤを補正するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記制御手段は、前記温度差ΔＴが小さいほど補正量を大きくし、前記温度差ΔＴが大きいほど補正量を小さくしたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記制御手段は、前記目標吐出温度ＴＤが低い場合は、前記温度差ΔＴの値が同じであっても前記目標吐出温度ＴＤが高い場合より補正量を大きくするようにしたことを特徴とする請求項３記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記制御手段は、前記目標吐出温度ＴＤが所定温度以上であると、前記補正を行わないようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 前記制御手段は、前記外気温度Ｔａが所定外気温度以上であると、前記補正を行わないようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置。
7. 前記制御手段は、前記入水温度Ｔｗｉが所定入水温度以上であると、前記補正を行わないようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のヒートポンプ式給湯装置。

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