JP2009121794A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直接給湯可能なヒートポンプ式給湯装置の作動状態の安定性向上、および作動状態が安定するまでの時間を短縮する。
【解決手段】圧縮機２０、水冷媒熱交換器２１、膨張弁２２と、蒸発器２３を順次接続して構成されるヒートポンプユニット２と、水冷媒熱交換器２１にて加熱された水を蓄える貯湯タンク３０と、貯湯タンク３０内の水を水冷媒熱交換器２２に供給し、水冷媒熱交換器２１で加熱された水を貯湯タンク３０に循環させる水循環ポンプ３１と、膨張弁２２および水循環ポンプ３１を制御する制御手段１００とを備え、水冷媒熱交換器２１にて加熱された水を給湯端末へ直接給湯する直接給湯運転が可能なヒートポンプ式給湯装置において、制御手段１００は、貯湯タンク３０内の水を沸き上げる沸き上げ運転の初期段階に、少なくとも水循環ポンプ３１または膨張弁２２のいずれか一方に対する制御出力を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関する。

従来のヒートポンプ式給湯装置は、大容量の貯湯タンクを設け、夜間の安価な割引電力を使って夜中にヒートポンプユニットで湯を沸き上げて貯湯タンクに貯蔵しておき、この貯蔵した湯を日中に使う貯湯タイプのものが一般的である。

これに対し、近年、ヒートポンプユニットで加熱した温水を直接給湯することにより、貯湯タンクの大幅な小形化を図った直接給湯可能なヒートポンプ給湯装置（直接給湯タイプ）が開発されている（例えば、特許文献1）。

このような直接給湯可能な給湯機では、予め貯湯運転を行なって小形の貯湯タンクに高温の湯を貯湯しておき、湯水使用時には、ヒートポンプユニットによる加熱温度が適温に到達しない運転当初は貯湯タンクの湯に水を混ぜて適温として給湯し、ヒートポンプユニットによる加熱温度が適温に達すると、貯湯タンクからの給湯を止めて、ヒートポンプユニットで加熱した温水を直接給湯して使用するものがある。
特開２００７−１９８６３２号公報

ところで、直接給湯タイプのヒートポンプ式給湯装置（給湯装置）における貯湯タンク内の水を加熱する沸き上げ運転初期段階である場合や沸き上げ運転中にユーザが給湯装置を使用した場合（外的負荷変動時）には、ヒートポンプユニットで生成された湯の温度（給湯温度）がユーザの設定した設定温度（目標温度）に対してハンチングする場合があり、給湯温度が目標温度に収束するまでに時間がかかっていた。

このような給湯温度のハンチングにより、給湯温度が目標温度に収束するまでに時間がかかると、小型の貯湯タンクを用いている直接給湯タイプの給湯装置では、貯湯タンク内の湯を使用量が多くなり湯切れ等が発生する問題がある。また、給湯温度のハンチングによる各機能部品の作動時間の長時間化等により耐久性やヒートポンプユニットのサイクル効率（ＣＯＰ）の低下が問題となる。

本発明は、上記点に鑑み、直接給湯可能なヒートポンプ式給湯装置の作動状態の安定性向上、および作動状態が安定するまでの時間の短縮を両立することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らの鋭意検討したところ、給湯温度の目標温度に対するハンチングは、沸き上げ運転初期段階や外的負荷変動時において、ヒートポンプユニット（２）の加熱能力と給湯水が流通する回路である給湯回路（３）の水循環ポンプ（３１）により供給される水循環量とのバランスが安定しないことが原因であることが分かった。

さらに、原因を調査したところ、沸き上げ運転初期段階等においては、高圧冷媒の圧力や温度の変化が大きく、減圧手段（２２）で調整される高圧冷媒の圧力および温度が狙いの高圧冷媒の圧力等に対してばらつきが生じるため、ヒートポンプユニット（３１）の加熱能力にばらつきが生じる。本来であれば、この加熱能力のばらつきに応じて、給湯回路（３）の水循環ポンプ（３１）の水循環量を調整するが、沸き上げ運転初期段階等においては、水循環ポンプ（３１）で調整される水循環量と必要とされる水循環量との間で応答遅れが大きいため、ヒートポンプユニット（２）の加熱能力と給湯回路の水循環ポンプ（３１）により供給される水循環量とのバランスが安定しないことが分かった。

すなわち、ヒートポンプユニット（２）（ヒートポンプ回路）と給湯回路（３）という異なる回路内の冷媒および水の状態が安定せず、その結果、給湯温度がユーザの設定した目標温度に対してハンチングし、給湯温度が目標温度に収束するまでに時間がかかっていた。

そこで、請求項１に記載の発明では、冷媒を高圧状態にする圧縮機（２０）、圧縮機（２０）で吐出される冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（２１）、水冷媒熱交換器（２１）を通過した冷媒を減圧するとともに、冷媒の通路開度を調節可能な減圧手段（２２）、空気から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発器（２３）を順次接続して構成されるヒートポンプユニット（２）と、水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水を貯える貯湯タンク（３０）と、貯湯タンク（３０）内の水を水冷媒熱交換器（２１）に供給し、貯湯タンク（３０）に水冷媒熱交換器（２１）で加熱された水を循環させるとともに、水循環量を調節可能な水循環ポンプ（３１）と、減圧手段（２２）の通路開度および水循環ポンプ（３１）の水循環量を制御する制御手段（１００）とを備え、水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水を給湯端末へ直接給湯する直接給湯運転が可能なヒートポンプ式給湯装置において、制御手段（１００）は、貯湯タンク（３０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の初期段階に、少なくとも水循環ポンプ（３１）または減圧手段（２２）のいずれか一方に対する制御出力を固定することを特徴とする。

これによれば、直接給湯運転が可能なヒートポンプ式給湯装置の沸き上げ運転の初期段階において、水循環ポンプ（３１）の制御出力を固定して給湯回路（３）内の水の状態を安定させることで、ユーザが設定する設定温度に対してヒートポンプユニット（２）で加熱された水の温度（給湯温度）のハンチングを抑制できる。

一方、沸き上げ運転の初期段階において、減圧手段（２２）の制御出力を固定してヒートポンプユニット（２）内の冷媒の状態を安定させることで、減圧手段（２２）の冷媒流れ上流側の高圧冷媒の圧力や温度のばらつきによるヒートポンプユニット（２）の加熱能力のばらつきを抑制することができる。ヒートポンプユニット（２）での加熱能力のばらつきを抑制することで、給湯温度のハンチングを抑制することができる。

その結果、ヒートポンプ式給湯装置の安定性を向上させることができるとともに、作動状態が安定するまでの時間を短縮することができる。

ここで、本発明における「沸き上げ運転の初期段階」とは、沸き上げ運転の開始から給湯温度がユーザ等により設定された設定温度に対して所定範囲内に安定するまでの段階を意味している。また、「ハンチング」とは、制御目標値に対して実際の検出値が大きく変動する状態を意味しており、本発明では制御目標値に対する実際の検出値のオーバーシュートする状態を含む意味としている。さらに、「高圧冷媒」とは、圧縮機（２０）の冷媒吐出側から減圧手段（２２）の冷媒入口側に至る冷媒流路内を流れる冷媒を意味している。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置において、制御手段（１００）は、減圧手段（２２）の冷媒流れ上流側の高圧冷媒の圧力に関する物理量がハンチングしているか否かを判定するハンチング判定手段を有しており、沸き上げ運転の初期段階の経過後、ハンチング判定手段により高圧冷媒の圧力に関する物理量がハンチングしていると判定された場合に減圧手段（２２）に対する制御出力を固定している。

これによれば、沸き上げ運転の初期段階を経過した後、高圧冷媒の圧力に関する物理量がハンチングしている場合に、減圧手段（２２）に対する制御出力を固定することで、沸き上げ運転の初期段階に限らず、減圧手段（２２）の冷媒流れ上流側の高圧冷媒に関する物理量のハンチングによるヒートポンプユニット（２）の加熱能力のばらつきを抑制することができる。ここで、本発明における高圧冷媒の圧力に関する物理量とは、高圧冷媒の圧力に限らず、高圧冷媒の温度を含む意味としている。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置において、制御手段（１００）は、水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水の給湯温度がハンチングしているか否かを判定するハンチング判定手段を有しており、沸き上げ運転の初期段階の経過後、ハンチング判定手段により給湯温度がハンチングしていると判定された場合に水循環ポンプ（３１）に対する制御出力を固定している。

これによれば、沸き上げ運転の初期段階を経過した後、ヒートポンプユニット（２）で加熱された水の温度（給湯温度）がハンチングしている場合に、水循環ポンプ（３１）に対する制御出力を固定することで、沸き上げ運転の初期段階に限らず、ユーザが設定する設定温度に対してヒートポンプユニット（２）で加熱された水の温度（給湯温度）のハンチングを抑制できる。

請求項４に記載の発明のように、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置において、減圧手段（２２）は、水冷媒熱交換器（２１）を通過した高圧冷媒を減圧するノズル部（２２０ａ）、ノズル部（２２０ａ）から噴射する高速度の冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口（２２０ｂ）、および高速度の冷媒流と冷媒吸引口（２２０ｂ）からの吸引冷媒とを混合した冷媒流の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（２２０ｄ）を有するエジェクタ（２２０）にて構成され、エジェクタ（２２０）にはノズル部（２２０ａ）の通路開度を電気的に調節可能な機構（２２０ｅ）が備えられており、冷媒吸引口（２２０ｂ）へ向かって冷媒が流れる通路に蒸発器（２３）が配置するように構成してもよい。

請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプユニット（２）は、ヒートポンプユニット（２）内の高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクルにて構成してもよい。

請求項６に記載の発明のように、請求項５に記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプユニット（２）内の冷媒を二酸化炭素とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態おけるヒートポンプ式給湯装置１について図１、２を用いて説明する。ここで、図１は、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１の全体構成を示す模式図である。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置（以下、給湯装置）１は、例えば一般家庭用として使用されるものに適用でき、ヒートポンプユニット２によって生成される湯を後述する貯湯タンク３０内に貯めると共に、貯められた湯を給湯用の湯として、台所、洗面所、風呂等の給湯端末へ供給するものである。

図１に示すようにヒートポンプ式給湯機１は、ヒートポンプユニット２と給湯回路３とに大別される。なお、図中、ヒートポンプユニット２と給湯回路３は、別個独立して設けるような構成としているが、一体的に設ける構成としてもよい。

本実施形態のヒートポンプユニット２は、圧縮機２０、水冷媒熱交換器２１、膨張弁２２、蒸発器２３、アキュムレータ２４等から構成されている。ここで、本実施形態では、ヒートポンプユニット２の冷媒として高圧圧力が臨界圧力以上（超臨界状態）となる二酸化炭素を使用しているので、冷凍サイクルは超臨界サイクルにて構成されている。なお、高圧圧力とは、圧縮機２０吐出側から膨張弁２２の入口側の間の冷媒の圧力を意味している。

圧縮機２０は、内臓する電動モータにて駆動されて回転数が制御可能な電動圧縮機であり、アキュムレータ２４から吸引した冷媒を臨界圧力以上まで圧縮して吐出するものである。圧縮機２０の冷媒流れ下流側には、水冷媒熱交換器２１が配置されている。

水冷媒熱交換器２１は、圧縮機２０から吐出された冷媒が流れる冷媒側熱交換部２１ａと貯湯タンク３０からの水が流れる水側熱交換部２１ｂとを有している。ここで、水冷媒熱交換器２１は、冷媒側熱交換部２１を流れる冷媒の流れ方向と水側熱交換部２１ｂを流れる水の流れ方向とが対抗するように配置され、互いに熱交換可能に構成されている。

水冷媒熱交換器２１の冷媒出口側は、内部熱交換器２５の高圧側通路２５ａを介して膨張弁２２の冷媒入口側に接続されている。

膨張弁２２は、内部熱交換器２５ａの冷媒流れ下流側の高圧冷媒を減圧する減圧手段であり、冷媒通路の絞り開度（弁開度）を調節できる弁体（図示せず）と、この弁体の位置を可変制御するサーボモータ等の電動アクチュエータ（図示せず）とを有している。この膨張弁２２の冷媒流れ下流側には、蒸発器２３が設けられている。

蒸発器２３は、膨張弁２２で減圧された低圧冷媒を外気から吸熱して蒸発させるものである。蒸発器２３は、電動モータ（図示せず）にて駆動される送風ファン２３ａを備えており、送風ファン２３ａにより蒸発器２３に外気が送風される。

蒸発器２３の冷媒流れ下流側には、アキュムレータ２４が設けられている。アキュムレータ２４は、蒸発器２３より流出した冷媒を気液分離する気液分離器であり、気相冷媒のみを内部熱交換器２５の低圧側通路２５ｂを介して圧縮機２０に吸入させるとともに、液相冷媒をサイクル中の余剰冷媒として貯えるものである。

ここで、内部熱交換器２５は、高圧側通路２５ａを流れる高圧冷媒と低圧側通路２５ｂを流れる低圧冷媒との間で熱交換を行い、圧縮機２０の吸入冷媒温度を上昇させるものである。内部熱交換器２５により、圧縮機２０の吐出冷媒温度を上昇させ、水冷媒熱交換器２１の入口、出口間の冷媒エンタルピ差（放熱量）を増大して、サイクル効率（ＣＯＰ）を向上させている。

次に、給湯回路３について説明すると、給湯回路３は水冷媒熱交換器２１にて加熱された高温の温水を蓄える貯湯タンク３０、電動モータにて駆動されて、水冷媒熱交換器２１と貯湯タンク３０との間で水を循環させる水循環ポンプ３１、および水または湯が流れる配管３２、３３、３６、３７、３９等から構成されている。

本実施形態の給湯装置１は、後述するように直接給湯運転が可能な給湯機であるため、貯湯タンク３０として従来の貯湯運転のみを行なう給湯装置で必要とされる大容量の貯湯タンクに比べて小型の貯湯タンクを採用している。

貯湯タンク３０の底部には、水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂに水を供給する水導出口３０ａが設けられており、水導出口３０ａと後述する運転切替用混合弁３４とは循環配管３２で接続されている。この循環配管３２には、水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂが設けられており、また、循環配管３２における水導出口３０ａと水側熱交換部２１ｂとの間に水循環ポンプ３１が配置されている。

一方、貯湯タンク３０の最上部には、湯導出入口３０ｂが設けられており、湯導出入口３０ｂと後述する運転切替用混合弁３４とは高温配管３３と接続されている。この高温配管３３は、水側熱交換部２１ｂにて加熱された水（湯）を貯湯タンク３０内に導入するとともに、給湯端末に湯を供給するための配管である。

ここで、本実施形態における給湯装置１は、沸き上げ運転として、運転切替用混合弁３４により貯湯タンク３０に貯めた湯を給湯端末側に供給する貯湯運転、水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂで加熱された水（湯）を給湯端末側に直接供給する直接給湯運転、貯湯タンク３０に貯めた湯と水側熱交換部２１ｂで加熱された水を混合して給湯端末側に供給する貯湯補助運転が可能な構成されている。

具体的には、運転切替用混合弁３４には、水冷媒熱交換器２１で加熱された水（湯）の流路である循環配管３２、貯湯タンク３０に湯を導出入する高温配管３３、給湯端末側に湯を供給する給湯用配管３５が接続されている。ここで、運転切替用混合弁３４は、３つの流路が形成され、３つの流路の弁開度が調節可能な三方弁で構成されている。

貯湯運転時には、運転切替用混合弁３４の高温配管３３側流路および循環配管３２側流路を開放し、給湯用配管３５側流路を閉鎖することで、水冷媒熱交換器２１で加熱された水を貯湯タンク３０に貯えている。

直接給湯運転時には、運転切替用混合弁３４の循環配管３２側流路および給湯用配管３５側流路を開放し、高温配管３３側流路を閉鎖することで、水冷媒熱交換器２１で加熱された水を給湯端末側に直接供給している。

さらに、貯湯補助運転時には、運転切替用混合弁３４の給湯用配管３５側流路を開放し、循環配管３２側流路および高温配管３３側流路の通路開度を調整することで、貯湯タンク３０に貯えられた湯と水冷媒熱交換器２１で加熱された水を混合して給湯端末側に供給している。

また、貯湯タンク３０の底部には、水道水等を貯湯タンク３０に供給する水導入口３０ｃが設けられており、水導入口３０ｃには、水道水等を供給する水供給流路として水供給配管３６が接続されている。なお、水供給配管３６には、水導入口３０ｃの手前側（水流れ上流側部位）から分岐する給水用配管３７が設けられており、給水用配管３７の水流れ下流側端部は、給水用混合弁３８に接続されている。なお、水循環ポンプ３１は、内蔵された電動モータにより水を循環させている。

給水用混合弁３８は、給湯端末に出湯する湯の温度を調節する温度調整弁であり、運転切替用混合弁３４と同様に３つの流路が形成され、３つの流路の通路開度が調節可能な三方弁で構成されている。

ここで、給水用混合弁３８は、給水用配管３７、給湯用配管３５、端末用配管３９が接続されており、給水用混合弁３８における端末用配管３９側の通路開度を開放し、給水用配管３７側の通路開度と給湯用配管３５側の通路開度とを調節することで、給湯端末に出湯する湯の温度を調節している。なお、端末用配管３９の水流れ下流側端部は、台所、洗面所、風呂等の給湯端末に接続されている。

また、本実施形態の給湯装置１は、制御装置１００を備えており、制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。制御装置１００は、センサ群からの各出力信号に基づいて、給湯装置１の電気機器、すなわち、水循環ポンプ３１の電動モータ、圧縮機３０の電動モータ、膨張弁２２の電動アクチュエータ、送風ファン２３ａの電動モータ、運転切替用混合弁３４、給水用混合弁３８等へ制御量を出力（制御出力）して作動を制御する。なお、本実施形態の制御装置１００は、商用電源から給電されている。

制御装置１００の入力側には給湯用センサ群からセンサ検出信号が入力され、操作パネル５０に設けられた各種給湯操作スイッチから操作信号が入力される。

センサ群としては、高圧冷媒温度センサ４０、蒸発器入口側温度センサ４１、蒸発器出口側温度センサ４２、外気温度センサ４３、給水温度センサ４４、給湯温度センサ４５、高圧センサ４６、流量センサ４７が設けられている。

高圧冷媒温度センサ４０は、水冷媒熱交換器２１の冷媒側熱交換部２１ａ出口側の冷媒温度を検出するセンサである。蒸発器入口側温度センサ４１は、蒸発器２３の入口側の冷媒温度を検出するセンサであり、蒸発器出口側温度センサ４２は、蒸発器２３の出口側の冷媒温度を検出するセンサである。外気温度センサ４３は、送風ファン２３ａの近傍に配置され、外気温を検出するセンサである。

給水温度センサ４４は、水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂの入口側の水温を検出するセンサであり、給湯温度センサ４５は、水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂの出口側の水温を検出するセンサである。

高圧センサ４６は、水冷媒熱交換器２１の冷媒側熱交換部２１ａと内部熱交換器２５の高圧側通路２５ａとの間に配置され、圧縮機吐出冷媒の圧力を検出するセンサである。また、流量センサ４７は、循環配管３２における水循環ポンプ３１と水冷媒熱交換器２１の水側熱交換部２１ｂとの間に設けられ、水側熱交換部２１ｂに流入する水の流量を検出するセンサである。

ここで、操作パネル５０は、液晶パネルなどの表示パネルと、給湯装置１の作動開始、作動停止の操作、給湯装置１の給湯温度の設定温度（目標温度）等を設定するためのスイッチとを備えている。この操作パネル５０は、浴室内や台所等の湯を使用する場所の近傍に配置されている。

次に上記構成による給湯装置１の作動について説明する。

給湯装置１は、深夜時間帯において制御装置１００により、安価な深夜電力を用いヒートポンプユニット２および水循環ポンプ３１等を作動させ、運転切替用混合弁３４を調整して貯湯運転を行なう。

そして、昼間時間帯においてユーザが湯を使用すると、その時の湯の使用量、および貯湯タンク１０内の貯湯熱量等に応じて、運転切替用混合弁３４により貯湯補助運転に切替えて、ヒートポンプユニット２および水循環ポンプ３１を作動させ、ヒートポンプユニット２で生成した湯を貯湯タンク３０内の湯と混合して給湯用配管３５側に出湯する。ここで、貯湯タンク１０内の湯の熱量が予め定めた所定熱量を下回ると、制御装置４０は混合弁１３を調整して直接給湯運転を行なう。

制御装置１００は、端末用配管３９から給湯端末側へ出湯する湯の温度が、操作パネル５０で設定された設定温度となるように、ヒートポンプユニット２の圧縮機２０、膨張弁２２および水循環ポンプ３１等を制御している。

ここで、沸き上げ運転初期段階は、ヒートポンプユニット２および水循環ポンプ３１が作動停止状態から作動状態へと移行する段階であるため、ヒートポンプユニット２内の冷媒の状態および給湯回路３の水の状態等が不安定な状態であり、各種センサ群からの入力に基づいて各機能部品を制御すると、給湯温度センサ４５で検出される給湯温度が設定温度に対してハンチングする。

そのため、本実施形態の給湯装置１の沸き上げ運転初期段階においては、制御装置１００により外気温度に応じて圧縮機２０の回転数を制御し、高圧センサ４６に応じて膨張弁２２の弁開度を制御し、水循環ポンプ３１については、沸き上げ運転初期段階に算出した目標流量となるよう回転数を固定している。

ここで、沸き上げ運転初期段階とは、沸き上げ運転開始から給湯温度センサ４５で検出される給湯温度が、設定温度に対して安定基準温度の範囲（例えば、±３℃）内となるまでの時間を意味している。

制御装置１００における沸き上げ運転初期段階を経過したか否かについて判断は、実際に給湯温度センサ４５で検出される給湯温度の状態により判断することができる。なお、給湯温度センサ４５で検出される給湯温度の状態に限らず、実験等により算出した推定時間を経過したか否かにより判断することもできる。

具体的に沸き上げ運転時に圧縮機２０は、制御装置１００により外気温度センサ４３で検出される外気温度が低いほど回転数が多くなるように制御され、外気温度が高いほど回転数が少なくなるように制御される。そのため、外気温度センサ４３で検出される外気温度の変化がほとんどない場合には、圧縮機２０の回転数は所定の回転数に維持される。

膨張弁２２は、制御装置１００により高圧冷媒の圧力が目標高圧となるように制御される。具体的に、高圧センサ４６で検出される高圧冷媒の圧力が目標高圧より高いほど弁開度が開く方向に制御され、高圧冷媒の圧力が目標高圧より低いほど弁開度が閉じる方向に制御される。

そのため、制御装置１００による膨張弁２２の弁開度の制御によって高圧冷媒の圧力を目標高圧付近に維持される。ここで、目標高圧は、外気温度センサ２５により検出される外気温、給水温度センサ４４により検出される水側熱交換部２１ｂの入口側水温、および設定温度に基づいて算出する。

また、水循環ポンプ３１は、制御装置１００により下記数式１で算出した目標流量Ｇｒｏとなるように回転数が固定される。

Ｇｒｏ＝Ｑｗ／（ΔＴ×α）…（数式１）
ここで、Ｑｗはヒートポンプユニット２の加熱能力、ΔＴは（設定温度−初期段階の給湯温度）、αは定数である。なお、ヒートポンプユニット２の加熱能力Ｑｗは水冷媒熱交換器２１での加熱量に相当し、予め実験等により算出された所定の加熱能力である。また、初期段階の給湯温度は、沸き上げ運転初期段階に給湯温度センサ４５で検出される給湯温度である。そのため、ΔＴは固定値となり目標流量Ｇｒｏも固定値となる。

ここで、沸き上げ運転初期段階を経過した後の水循環ポンプ３１は、制御装置１００により給湯温度センサ４５で検出される給湯温度に応じて回転数が制御される。具体的には、設定温度と給湯温度との差が大きいほど、水の循環流量が減少するように回転数が制御され、設定温度と給湯温度との差が小さいほど、水の循環流量が増加するように回転数が制御される。

次に、給湯装置１の沸き上げ運転初期段階において水循環ポンプ３１の回転数を固定した場合の給湯温度の変化について図２に基づいて説明する。ここで、図２における実線は、本実施形態における給湯装置１における給湯温度の変化を示しており、破線は、従来の給湯装置１における給湯温度の変化を示している。

なお、従来の給湯装置１における水循環ポンプ３１の沸き上げ運転初期段階の回転数の制御は、本実施形態の沸き上げ運転初期段階を経過後と同様に、制御装置１００により給湯温度に応じて回転数が制御されている。

図２に示すように、本実施形態の給湯器１によれば、従来の給湯装置に比べて、沸き上げ運転時の設定温度に対する給湯温度のハンチングが小さく、沸き上げ運転が安定するまでの時間も短いものとなっている。ここで、沸き上げ運転が安定するまでの時間とは、沸き上げ運転初期段階に相当しており、沸き上げ運転開始から給湯温度が設定温度に対して安定基準温度の範囲（±３℃）内となるまでの経過時間を意味している。

これは、本実施形態のように、沸き上げ運転初期段階は、高圧センサ４６で検出される高圧冷媒の圧力に応じて膨張弁２２の弁開度を制御し、水循環ポンプ３１の回転数を固定して制御する場合は、水循環ポンプ３１の回転数の変化による給湯温度のハンチングを抑制することができ、給湯温度のハンチングの収束を早めることができるためである。

このように、水循環ポンプの回転数を固定することで、設定温度に対する給湯温度のハンチングを抑制できるとともに、沸き上げ運転が安定するまでの時間を短縮することができる。

以上説明したように、給湯機１の沸き上げ運転初期段階では制御装置１００により水循環ポンプ３１の回転数を固定することで、給湯機１の作動状態の安定性向上、および作動状態が安定するまでの時間を短縮することができる。

この沸き上げ運転時間の短縮により、小型の貯湯タンク３０を用いて直接給湯運転を行なう場合であっても、貯湯タンク３０の湯切れ等の発生を抑制することがでる。

また、各機能部品の使用頻度を抑えることができ、機能部品の耐久性向上およびヒートポンプユニット２のサイクル効率（ＣＯＰ）低下を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分については説明を省略する。

上記第１実施形態では、沸き上げ運転初期段階において、水循環ポンプ３１の回転数を固定しているが、設定温度に対する給湯温度のハンチングは、沸き上げ運転初期段階に限らず、ユーザの給湯水の使用（出湯）等の外的負荷変動により発生する場合がある。

そのため、本実施形態では、沸き上げ運転初期段階に加えて、沸き上げ運転初期段階の経過後、ユーザの給湯水の使用（出湯）等の外的負荷変動により給湯温度のハンチング等が生じた場合にも、水循環ポンプ３１の回転数を固定する。

具体的には、制御装置１００は、沸き上げ運転初期段階の経過後、給湯温度が設定温度に対して判定基準温度（例えば、±５℃）の範囲よりも超えて変化した場合には、給湯温度のハンチングが発生したものと判定する。

そして、制御装置１００が給湯温度のハンチング等が発生したと判定した場合には、給湯温度が、所定時間設定温度に対して安定基準温度（例えば、±３℃）の範囲内になるまで、水循環ポンプ３１の回転数を固定する。なお、給湯温度が設定温度に対して安定基準温度の範囲内にある場合、制御装置１００により水循環ポンプ３１の回転数は、給湯温度に応じて制御される。

ここで、水循環ポンプ３１の回転数を決定する目標流量の算出方法は、上記第１実施形態中の数式１で算出する。なお、本実施形態のΔＴは、（設定温度−ハンチングを判定した際の給湯温度）としている。

これにより、沸き上げ運転初期段階に限らず、外的負荷変動による給湯温度のハンチングが発生した場合であっても、水循環ポンプ３１の回転数を固定することで給湯温度がハンチング等を抑制することができる。

なお、制御装置１００は、給湯温度センサ４５の検出した給湯温度が異常温度（沸騰温度）となるような場合には、水循環ポンプ３１の回転数を給湯温度４５センサの検出した給湯温度に応じて制御し、または給湯装置１の作動停止を行なうことで、ヒートポンプユニット２を保護する異常処理動作を行なう。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上記第１、第２実施形態と同様または均等な部分については説明を省略する。

上記第１、第２実施形態では、沸き上げ運転初期段階や初期段階経過後の外的負荷変動による給湯温度のハンチングを抑制するために、沸き上げ運転初期段階等の水循環ポンプ３１の回転数を固定しているが、本実施形態では、膨張弁２２の弁開度を固定し、水循環ポンプ３１の回転数を給湯温度に応じて制御している。

具体的には、沸き上げ運転初期段階において、制御装置１００により沸き上げ運転初期段階における各センサ２５、４４等の検出値に基づいて目標高圧（固定目標値）を算出し、高圧センサ４６で検出される高圧冷媒の圧力が、この目標高圧となるように膨張弁２２の弁開度を固定する。なお、沸き上げ運転時の水循環ポンプ３１は、制御装置１００により給湯水温度に応じて回転数を制御する。

さらに、沸き上げ運転初期段階の経過後においては、制御装置１００は、高圧冷媒の圧力が目標高圧に対して所定基準圧力（例えば±０．５ＭＰａ）の範囲外となった場合に、高圧冷媒のハンチングが生じたものと判定する。

そして、制御装置１００が高圧冷媒のハンチング等が発生したと判定した場合には、高圧センサ４６で検出される高圧冷媒の圧力が、目標高圧に対して所定時間安定基準圧力の範囲（例えば、目標高圧±０．５ＭＰａ）内となるまで、膨張弁２２の弁開度を固定する。なお、高圧冷媒の圧力が、安定基準圧力の範囲内にある場合、制御装置１００により膨張弁２２の弁開度は、各センサ検出値等に基づいて目標高圧（可変目標値）となるように制御される。

ここで、膨張弁２２の弁開度を固定して、高圧冷媒の圧力のハンチングを抑制することで、水冷媒熱交換器２１の加熱能力のばらつきを抑制することができ、水冷媒熱交換器２１で加熱される水の温度、すなわち給湯温度のハンチング等を抑制することができる。

このように、給湯温度のハンチングは、水循環ポンプ３１の回転数を固定する場合に限らず膨張弁２２の弁開度を固定することでも抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図３に基づいて説明する。上記第１〜第３実施形態と同様または均等な部分については同一符号を付して説明を省略する。図３は、第４実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の全体構成を示す模式図である。

上記第１実施形態の構成では、ヒートポンプユニット２は、水冷媒熱交換器２１における冷媒側熱交換器２１ａの下流側に減圧手段として膨張弁２２を設ける構成としているが、本実施形態では、水冷媒熱交換器２１の冷媒側熱交換器２１ａの下流側にエジェクタ２２０を設ける構成としている。

本実施形態のヒートポンプユニット２を説明すると、水冷媒熱交換器２１の冷媒側熱交換器２１ａの冷媒流れ下流側（内部熱交換器２５の高圧側通路２５ａの冷媒流れ下流側）にエジェクタ２２０が設けられている。このエジェクタ２２０は、冷媒を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する冷媒流の巻き込み作用によって冷媒を吸引するポンプ手段の役割とを兼ねている。

エジェクタ２２０には、冷媒側熱交換器２１ａおよび内部熱交換器２５の高圧側通路２５ａを通過した高圧冷媒を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部２２０ａが備えられている。このノズル部２２０ａから噴射する高速度の冷媒流により冷媒吸引口２２０ｂを介して蒸発器２３内の冷媒がエジェクタ２２０内部に吸引される。

そして、エジェクタ２２０におけるノズル部２２０ａの下流側には、混合部２２０ｃが形成されており、混合部２２０ｃは、冷媒吸引口２２０ｂを介して蒸発器２３から吸引した吸引冷媒と上述の高速度の噴射冷媒流とを混合し、この混合部２２０ｃの下流側には、昇圧部をなすディフューザ部２２０ｄが形成されている。

ディフューザ部２２０ｄは、冷媒の通路面積を徐々に拡大する形状に形成されており、冷媒流れを減速して冷媒圧力を上昇させる作用、つまり、冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する作用を果たす。

ここで、ノズル部２２０ａには、電動アクチュエータ（図示せず）により位置制御される可変ニードル２２０ｅが配置され、この可変ニードル２２０ｅの位置制御によりノズル部２２０ａの開度を電気的に制御できるようになっている。

エジェクタ２２０のディフューザ部２２０ｄから流出した冷媒は、アキュムレータ２４に流れる。ここで、本実施形態のアキュムレータ２４は、アキュムレータ２４内の液相冷媒をエジェクタ２２０の冷媒吸引口２２０ｂに導く分岐通路２２１が接続されている。

この分岐通路２２１は、固定絞りからなる補助減圧器２２２を有し、この補助減圧器２２２の下流側には蒸発器２３が接続されている。

このように、ヒートポンプユニット２に、上記エジェクタ２２０を設ける構成とし、エジェクタ２２０のノズル部２２０ａに可変ニードル２２０ｅを上記実施形態の膨張弁２２と同様に制御することで、上記実施形態と同様な効果を奏することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上記第１〜第３実施形態において、沸き上げ運転初期段階や初期段階経過後の外的負荷変動による給湯温度のハンチングを抑制するために、水循環ポンプ３１の回転数または膨張弁２２の弁開度のいずれか一方を固定しているが、水循環ポンプ３１の回転数または膨張弁２２の弁開度の両方を固定してよい。

（２）また、上記各実施形態では、制御装置１００による膨張弁２２の弁開度を高圧センサ４６の検出する高圧圧力に応じて制御しているが、これに限定されるものではなく、高圧冷媒温度センサ４０で検出する高圧冷媒の温度に応じて制御してもよい。

上記第１実施形態のヒートポンプ給湯装置の全体構成を示す概念図である。 ヒートポンプ給湯装置の給湯温度の特性図である。 上記第４実施形態のヒートポンプ給湯装置の全体構成を示す概念図である。

符号の説明

１…ヒートポンプ式給湯装置、２…ヒートポンプユニット、３…給湯回路、２０…圧縮機、２１…水冷媒熱交換器、２１ａ…水側熱交換部、２１ｂ…冷媒側熱交換部、２２…膨張弁、２３…蒸発器、３０…貯湯タンク、３１…水循環ポンプ、３４…運転切替用混合弁、４５…給湯温度センサ、４６…高圧センサ、５０…操作パネル、１００…制御装置、２２０…エジェクタ。

Claims (6)

1. 冷媒を高圧状態にする圧縮機（２０）、前記圧縮機（２０）で吐出される冷媒と水とを熱交換させる水冷媒熱交換器（２１）、前記水冷媒熱交換器（２１）を通過した冷媒を減圧するとともに、冷媒の通路開度を調節可能な減圧手段（２２）、空気から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発器（２３）を順次接続して構成されるヒートポンプユニット（２）と、
   前記水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水を貯える貯湯タンク（３０）と、
   前記貯湯タンク（３０）内の水を前記水冷媒熱交換器（２１）に供給し、前記貯湯タンク（３０）に前記水冷媒熱交換器（２１）で加熱された水を循環させるとともに、水循環量を調節可能な水循環ポンプ（３１）と、
   前記減圧手段（２２）の通路開度および前記水循環ポンプ（３１）の水循環量を制御する制御手段（１００）とを備え、
   前記水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水を給湯端末へ直接給湯する直接給湯運転が可能なヒートポンプ式給湯装置において、
   前記制御手段（１００）は、前記貯湯タンク（３０）内の水を沸き上げる沸き上げ運転の初期段階に、少なくとも前記水循環ポンプ（３１）または前記減圧手段（２２）のいずれか一方に対する制御出力を固定することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記制御手段（１００）は、
   前記減圧手段（２２）の冷媒流れ上流側の高圧冷媒の圧力に関する物理量がハンチングしているか否かを判定するハンチング判定手段を有しており、
   前記沸き上げ運転の初期段階の経過後、前記ハンチング判定手段により前記高圧冷媒の圧力に関する物理量がハンチングしていると判定された場合に前記減圧手段（２２）に対する制御出力を固定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記制御手段（１００）は、
   前記水冷媒熱交換器（２１）にて加熱された水の給湯温度がハンチングしているか否かを判定するハンチング判定手段を有しており、
   前記沸き上げ運転の初期段階の経過後、前記ハンチング判定手段により前記給湯温度がハンチングしていると判定された場合に前記水循環ポンプ（３１）に対する制御出力を固定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記減圧手段（２２）は、前記水冷媒熱交換器（２１）を通過した高圧冷媒を減圧するノズル部（２２０ａ）、前記ノズル部（２２０ａ）から噴射する高速度の冷媒流により冷媒が内部に吸引される冷媒吸引口（２２０ｂ）、および前記高速度の冷媒流と前記冷媒吸引口（２２０ｂ）からの吸引冷媒とを混合した冷媒流の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（２２０ｄ）を有するエジェクタ（２２０）にて構成され、
   前記エジェクタ（２２０）には前記ノズル部（２２０ａ）の通路開度を電気的に調節可能な機構（２２０ｅ）が備えられており、
   前記冷媒吸引口（２２０ｂ）へ向かって冷媒が流れる通路に前記蒸発器（２３）が配置されること特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記ヒートポンプユニット（２）は、前記ヒートポンプユニット（２）内の冷媒の高圧圧力が冷媒の臨界圧力以上となる蒸気圧縮式冷凍サイクルにて構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 前記ヒートポンプユニット（２）内の冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ式給装置。

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