JP2010169350A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

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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、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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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