JP2010169350A

JP2010169350A - ヒートポンプ式給湯装置

Info

Publication number: JP2010169350A
Application number: JP2009013926A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Morishita; 国博森下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】組合せるタンクの小型化が可能で、夜間の低騒音化が図れるヒートポンプ式給湯装置を得る。
【解決手段】ヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機１、冷媒−水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４を順次環状に冷媒配管で接続した冷媒回路と、ファン７とを有するヒートポンプユニット１００と、冷媒−水熱交換器２で加熱された温水を貯湯する温水タンク１４を有するタンクユニット２００と、操作部１１と、冷媒−水熱交換器２と温水タンク１４の間に接続された温水循環装置１０とから構成される。制御部１３は複数種類の沸上げ能力を発揮するための制御関数を備えており、従来の沸上げ運転以外に沸上げ能力の上限範囲を拡大し、圧縮機１の回転数をこの制御関数に基づいて制御することで、組合せる温水タンク１４の小型化が可能になる。また、制御部１３は低能力用の制御関数で圧縮機１を運転することで、圧縮機１の低回転化による低騒音化が可能になる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯装置として、ヒートポンプユニットの圧縮機の周波数及びヒートポンプユニットの蒸発器のファン風量を季節に応じて変更（いずれも外気温度が低いほど回転数が多くなるように設定値を一日の始めに初期設定）して、所定時間内に所定熱容量の湯を沸上げるような運転制御を行うものが知られている。この給湯装置は、季節単位では圧縮機の周波数及びファン風量を変更するが、一日単位の運転においては、初期の設定値を変えることはしない。即ち、所定タンク容量との組み合わせにおいて、夜間に沸上げ動作を完了するよう制御するものであるため、所定（一定）の沸上げ能力を発揮するものである（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１６１５４５号公報（第３頁〜第４頁、図１〜図３）

従来のヒートポンプ式給湯装置は、所定タンク容量との組み合わせにおいて、夜間に沸上げ動作を完了するよう制御するものであるため、所定の沸上げ能力しか発揮することができず、タンクを小型化すると能力不足による湯切れが発生するといった問題点があった。また、所定能力で常に運転するため、昼間も夜間も同じ騒音レベルとなり、夜間の騒音が問題になることがあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は湯切れの発生がなく、組み合わせるタンクの小型化が可能なヒートポンプ式給湯装置を得ることにある。

また、第２の目的は夜間における沸上げ運転の低騒音化を図れるヒートポンプ式給湯装置を得ることにある。

この発明に係るヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機と、冷媒−水熱交換器を冷媒回路に有するヒートポンプユニットと、冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、冷媒−水熱交換器と温水タンクの間に接続された温水循環装置と、を有するタンクユニットと、タンクユニットに接続し運転操作を行う操作部と、温水タンク内の残湯量を検出するタンク内湯量検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、制御部と、を備え、制御部は、外気温度を圧縮機の回転数と関連付けるための制御関数を、複数種類の沸上げ能力に対応して複数個備え、使用時には、タンク内湯量検出手段の出力に基づいて温水タンクが必要とする要求能力を推定し、推定した要求能力に応じて複数の制御関数の内から最適の制御関数数を選択し、選択した制御関数と外気温度検出手段の出力とに基づいて圧縮機の回転数を決定し、決定した回転数に基づいて圧縮機を制御するものである。

この発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、複数種類の沸上げ能力を発揮するための制御関数を予め備え、使用時には、温水タンク内の残湯量に基づいて推定される温水タンクの要求能力に応じて複数の制御関数の内から最適の制御関数を選択し、選択した制御関数と外気温度検出手段の出力とに基づいて圧縮機の回転数を決定し、決定した回転数に基づいて圧縮機を制御するので、従来と同様の沸上げ能力で沸上げ運転を行えるだけでなく、沸上げ能力の上限範囲を拡大することで、組み合わせるタンクを小型化するという効果を有する。また、沸上げ能力の下限範囲を拡大することで、夜間は能力を抑えて低騒音化をはかるという効果を有する。

この発明の実施の形態におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。圧縮機回転数の制御関数を従来と本実施の形態１とを対比して示す図である。本実施の形態１における制御部１２の動作を示すフローチャートである。本実施の形態１における制御部１３の動作を示すフローチャートである。ファン回転数の制御関数を従来と本実施の形態１とを対比して示す図である。本実施の形態２における制御部１３の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図である。図１に示すようにヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプユニット１００、タンクユニット２００、ユーザーが設定を行う操作部１１から構成される。
ヒートポンプユニット１００は、圧縮機１、冷媒−水熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４を順次冷媒配管１５によって環状に接続して構成された冷媒回路と、圧縮機１の吐出圧力を検出する圧力検出装置５と、ファンモーター６と、ファン７と、冷媒−水熱交換器２の給水温度検出手段９と、冷媒−水熱交換器２の沸上げ温度検出手段８と、外気温度検出手段１７と、タンク内の湯量を検出するタンク内湯量検出手段１８と、圧力検出装置５および給水温度検出手段９および沸上げ温度検出手段８および外気温度検出手段１７からの信号を受信する機能と圧縮機１の回転数制御と減圧装置３の開度制御とファンモーター６の回転数制御を行う制御部１３を備えている。
タンクユニット２００は、冷媒−水熱交換器２で加熱された温水を貯湯する温水タンク１４と、冷媒−水熱交換器２と温水タンク１４の間に配置された温水循環装置１０と、温水循環配管１６と、操作部１１からの信号を受信する制御部１２を備えている。
なお、制御部１２および制御部１３はＤＳＰやＣＰＵなどのプロセッサーまたはマイクロコンピューターなどで構成される。また、制御部１２と制御部１３との間は公知の方法で通信制御装置（図示せず）経由で通信を行う。

次に、本実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の動作を説明する。
通常の沸上げ運転動作について図１を用いて説明する。操作部１１またはタンクユニット２００からの沸上げ運転指示により、ヒートポンプユニット１００は沸上げ運転を行う。ヒートポンプユニット１００に備えられた制御部１３は、圧縮機１の回転数制御、減圧装置３の開度制御、ファンモーター６の回転数制御を行い、さらに、沸上げ温度検出手段８で検出した温度が目標沸上げ温度になるように温水循環装置１０の回転数を制御する。温水循環装置１０により温水タンク１４の下部の水は、冷媒−水熱交換器２に循環され、加熱された高温の湯が温水タンク１４へ循環され貯湯される。

図２は圧縮機回転数の制御関数を従来と本実施の形態１とを対比して示す図である。図２（ａ）は従来の圧縮機回転数の制御関数を示す図である。次に、従来の圧縮機回転数の制御方法について図２（ａ）を用いて説明する。従来のヒートポンプ式給湯装置は、所定タンク容量との組み合わせにおいて、夜間に沸上げ動作を完了するよう制御するものであるため、所定の沸上げ能力を発揮するように外気温度が低くなるほど圧縮機１の回転数を大きくする１種類の制御関数を予めテーブルとして図示しない記憶手段に備えていた。また、この制御関数は組み合わせるタンク容量により異なる。

図２（ｂ）は本発明の実施の形態１における圧縮機回転数の制御関数を示す図である。次に、本実施の形態１における圧縮機回転数の制御方法について図２（ｂ）を用いて説明する。外気温度が低くなるほど圧縮機１の回転数を大きくする制御は従来と同じであるが、本発明の実施の形態では、所定タンク容量に対し3種類以上の圧縮機回転数の制御関数を予め図示しない記憶手段に備えている。例えば、高能力用、通常能力用、低能力用のように用途をわけ、タンクが要求する能力に応じて制御関数を選択し、圧縮機１の回転数を制御するものである。

図３は本実施の形態１における制御部１２の動作を示すフローチャートであり、図４は本実施の形態１における制御部１３の動作を示すフローチャートである。
次に、本実施の形態１における制御部による圧縮機回転数の制御を図１〜図４を用いて説明する。
ユーザーによって、電源スイッチが投入されると、タンクユニット２００の制御部１２及びヒートポンプユニット１００の制御部１３は動作を開始する。タンクユニット２００の制御部１２は、ユーザーからの沸上げ運転指示があるまで待ち状態となる（ステップＳ３１）。一方、ヒートポンプユニット１００の制御部１３は各設定値の初期処理を行った（ステップＳ４１）後、タンクユニット２００から沸上げ指令があるまで受信待ち状態となる（ステップＳ４２〜Ｓ４３）。タンクユニット２００において、ユーザーが操作部１１を操作して沸上げ運転指示を行うと、制御部１２はタンク内湯量検出手段１８が検出した残湯量と沸上げ温度検出手段が検出した温水タンク１４の湯温を取得し（ステップＳ３２）、この温水タンク１４の残湯量と湯温に基づいて温水タンク１４が必要とする能力（以下、タンク要求能力と呼ぶ）を算出する（ステップＳ３３）。次に、制御部１２は沸上げ運転指令とタンク要求能力をヒートポンプユニット１００へ通信制御装置（図示せず）経由で送信する（ステップＳ３４）とともに、温水循環装置１０を駆動開始する（ステップＳ３５）。これ以降、制御部１２はヒートポンプユニット１００から沸上げ運転終了メッセージを受信するまで温水循環装置１０を駆動し続ける（ステップＳ３６）。

ヒートポンプユニット１００において、制御部１３は、タンクユニット２００の制御部１２から沸上げ運転指令とタンク要求能力を通信制御装置（図示せず）経由で受信すると、タンク要求能力の大きさに応じて、３種類の制御関数（通常能力用の制御関数、高能力用の制御関数、低能力用の制御関数）の内から最適のものを選択する（ステップＳ４４〜Ｓ４７）。次に、制御部１３は、外気温度検出手段１７が検出した外気温度を取得し（ステップＳ４８）、取得した外気温度を基に選択した制御関数から圧縮機の回転数を決定する（ステップＳ４９）。次に、制御部１３は、決定した回転数で圧縮機を制御する（ステップＳ５０）。さらに制御部１３は、減圧装置の開度を制御して冷凍サイクルを流れる冷媒量を適切に調整する（ステップＳ５１）。次に、制御部１３は、タンク内湯量検出手段１８が検出したタンク内湯量を取得し（ステップＳ５３）、取得したタンク内湯量が目標値に到達したか否かを調べ（ステップＳ５３）、まだ目標値に到達していない場合には、ステップＳ５０へ戻って、引き続き運転を継続する。ステップＳ５１において、タンク内湯量が目標値に到達したら、制御部１３は処理終了の旨のメッセージを通信制御装置（図示せず）経由でタンクユニット２００へ送信した（ステップＳ５４）上で、処理を終了する。

タンクユニット２００において、制御部１２は通信制御装置（図示せず）経由でヒートポンプユニット２００から処理終了の旨のメッセージを受信すると、温水循環装置１０を駆動停止した（ステップＳ３７）上で、処理を終了する。

以上のように、本実施の形態１によれば、３種類の圧縮機回転数指令用の制御関数を備え、通常能力用の制御関数によって従来と同様の沸上げ能力で沸上げ運転を行えるだけでなく、制御部１３が高能力用の制御関数で圧縮機１を運転することで、冷媒−水熱交換器２で加熱されて温水タンク１４へ循環する湯量が増えるため、温水タンク１４に貯湯する量を削減できる。温水タンク１４に貯湯する量を削減することで、タンクユニット２００を小型化できるので、大幅なコスト低減や狭小地への設置が可能になる。

また、低能力用の制御関数で圧縮機１を運転することで、圧縮機１の低回転化による低騒音化を図ることが可能になる。

なお、上記の例では、何れかの能力で沸上げを開始したら、その能力でのみ沸上げる場合について説明したが、沸上げ運転の途中で沸上げ能力を変更するように構成しても良い。例えば、最初に予め設定した時間まで高能力で沸上げ、所定の湯量に達したら沸上げの途中で低能力運転に変更して騒音を低減するように構成しても良い。

その際、予め設定した時間とは、タンク側の要求に基づき計算されたものでも良く、ユーザーによって設定された時間でも良い。さらにユーザーによる設定は、ユーザーにより直接時間を設定してもよく、それ以外でも時間を最短、もしくは騒音を最小にする等の運転モードを選択することで決定してもよい。上記のように能力変更は時間や外気温度、タンク内湯量もしくはその他のパラメーターにより行うことができ、能力変更を行えるようにすることで上記の効果に加え、さらにユーザーのニーズに対応した木目細かい運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯装置が得られる。

なお、本実施の形態１では、沸上げ能力を発揮させるために圧縮機１の回転数指令用として３種類の制御関数を用いた場合について説明したが、これに限る必要はなく、２種類の制御関数を用いても良いし、４種類以上の制御関数を用いても良い。また、制御関数は外気温度を圧縮機１の回転数と関連付けたテーブルとして記憶手段に保存する場合について説明したが、数式で保存するようにしてもよい。この場合には、記憶手段の容量が少なくて済む。また、ヒートポンプ１００に設けられた制御部１３とタンクユニット２００に設けられた制御部１２をまとめて１つの制御部としても良く、得られる効果は同じである。

実施の形態２．
実施の形態１では、圧縮機の回転数に関する３種類の制御関数をタンクの要求する能力に応じて選択し、この制御関数に基づいて圧縮機の回転数を制御する方法について説明したが、ファンによって蒸発器に供給される外気から熱を吸収して沸上げることも可能であり、ファンの回転数を制御することで実施の形態１と同様の方法を適用することができる。本実施の形態２では、このような態様について説明する。
図１は本実施の形態２でも用いられる。また、図５は蒸発器４に外気を送風するファン７の回転数の制御関数を従来と本実施の形態１とを対比して示す図である。図５（ａ）は従来のファン回転数の制御関数を示す図である。次に、従来のファン回転数の制御方法について図５（ａ）を用いて説明する。従来のヒートポンプ式給湯装置は、外気温度が低くなるほどファン７の回転数を大きくする１種類の制御関数を予めテーブルとして図示しない記憶手段に備えていた。また、この制御関数は組み合わせるタンク容量により異なる。

図５（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるファン回転数の制御関数を示す図である。次に、本実施の形態２における蒸発器４に外気を送風するファン７の回転数の制御方法について図５（ｂ）を用いて説明する。外気温度が低くなるほどファン７の回転数を大きくする制御は従来と同じであるが、本実施の形態２では、所定タンク容量に対し３種類以上のファン回転数の制御関数を予め図示しない記憶手段に備えている。例えば、通常能力用、通常能力より高い能力に対応する高能力用、通常能力より低い能力に対応する低能力用のように用途を分け、タンクが要求する能力に応じて制御関数を選択し、ファン７の回転数を制御するものである。

図３は本実施の形態２でも用いられる。図６は本実施の形態２における制御部１３の動作を示すフローチャートである。
次に、本実施の形態２における制御部の動作を図１、図３、図５〜図６を用いて説明する。図３の動作は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。また、図６は、図４におけるステップＳ４９〜ステップＳ５０に代えてステップＳ６１〜ステップＳ６２を設けたこと以外は図４のフローチャートと同様である。
次に、図６の動作を説明する。ステップＳ４１〜Ｓ４８までの動作は図４と同様であるため、説明を省略する。ステップＳ６１において、制御部１３は、外気温度検出手段１７から取得した外気温度を基に選択した制御関数から圧縮機の回転数を決定する。次に、制御部１３は、決定した回転数で圧縮機を運転する（ステップＳ６２）。以下、ステップＳ５１〜Ｓ５４の動作は図４と同様であるため、説明を省略する。

以上のように、この実施の形態２によれば、沸上げ能力を発揮させるために３種類のファン７の回転数指令用の制御関数を備え、通常能力用の制御関数によって従来と同様の沸上げ能力で沸上げ運転を行えるだけでなく、制御部１３が、高能力用の制御関数でファン７を運転することで、蒸発器において、外気から吸熱する量が増えるため、温水タンク１４に貯湯する量を削減できる。温水タンク１４に貯湯する量を削減することで、タンクユニット２００を小型化できるので、大幅なコスト低減や狭小地への設置が可能になる。

また、低能力用の制御関数でファン７を運転することで、ファン７の低回転化による低騒音化が可能になる。

なお、本実施の形態２では、沸上げ能力を発揮させるためにファン７の回転数指令用として３種類の制御関数を用いた場合について説明したが、これに限る必要はなく、２種類の制御関数を用いても良いし、４種類以上の制御関数を用いても良い。また、制御関数は外気温度をファン７の回転数と関連付けたテーブルとして記憶手段に保存する場合について説明したが、数式で保存するようにしてもよい。この場合には、記憶手段の容量が少なくて済む。また、ヒートポンプ１００に設けられた制御部１３とタンクユニット２００に設けられた制御部１２をまとめて１つの制御部としても良く、得られる効果は同じである。

１圧縮機、２冷媒−水熱交換器、３減圧装置、４蒸発器、５圧力検出装置、６ファンモーター、７ファン、８沸上げ温度検出手段、９給水温度検出手段、１０温水循環装置、１１操作部、１２制御部、１３制御部、１４温水タンク、１５冷媒配管、１６温水循環配管、１７外気温度検出手段、１８タンク内湯量検出手段、１００ヒートポンプユニット、２００タンクユニット。

Claims

圧縮機と、冷媒−水熱交換器を冷媒回路に有するヒートポンプユニットと、
前記冷媒−水熱交換器で加熱された温水を貯湯する温水タンクと、前記冷媒−水熱交換器と前記温水タンクの間に接続された温水循環装置と、を有するタンクユニットと、
このタンクユニットに接続し運転操作を行う操作部と、
前記温水タンク内の残湯量を検出するタンク内湯量検出手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
制御部と、を備え、
この制御部は、外気温度を前記圧縮機の回転数と関連付けるための制御関数を、複数種類の沸上げ能力に対応して複数個備え、使用時には、前記タンク内湯量検出手段の出力に基づいて前記温水タンクが必要とする要求能力を推定し、この推定した要求能力に応じて前記複数の制御関数の内から最適の制御関数数を選択し、選択した制御関数と前記外気温度検出手段の出力とに基づいて前記圧縮機の回転数を決定し、決定した回転数に基づいて前記圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
冷媒回路を構成する蒸発器に外気を供給するファンを有するヒートポンプユニットと、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記温水タンク内の残湯量を検出するタンク内湯量検出手段と、
制御部と、を備え、
この制御部は、外気温度を前記ファンの回転数と関連付けるための制御関数を、複数種類の沸上げ能力に対応して複数個備え、使用時には、前記タンク内湯量検出手段の出力に基づいて前記温水タンクが必要とする要求能力を推定し、この推定した要求能力に応じて前記複数の制御関数の内から最適の制御関数を選択し、選択した制御関数と前記外気温度検出手段の出力とに基づいて前記ファンの回転数を決定し、決定した回転数に基づいて前記ファンを制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記制御関数は、前記温水タンクが必要とする要求能力が所定の能力に対応する通常能力用の制御関数と、前記通常能力用の制御関数の能力より高い要求能力に対応する高能力用の制御関数と、を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記制御関数は、前記温水タンクが必要とする要求能力が所定の能力に対応する通常能力用の制御関数と、前記通常能力用の制御関数の能力より低い要求能力に対応する低能力用の制御関数と、を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記制御関数は、前記温水タンクが必要とする要求能力が所定の能力に対応する通常能力用の制御関数と、前記通常能力用の制御関数の能力より高い要求能力に対応する高能力用の制御関数と、前記通常能力用の制御関数の能力より低い要求能力に対応する低能力用の制御関数と、を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。