JP2011002139A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents
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Abstract
【課題】沸き上げ温度に応じて圧縮機の回転数を制御するヒートポンプ式給湯機において、流量センサなしで目標加熱能力を維持する。
【解決手段】沸き上げ温度センサ２０で検出する沸き上げ温度が所定の目標沸き上げ温度となるように圧縮機１１の回転数を制御し、所定の加熱能力と目標沸き上げ温度と被加熱水の温度とから算出される目標流量に対応した目標回転数となるように循環ポンプ１６を制御する制御手段２１と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯される時間を算出する時間算出手段２５と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かった時間を計測する時間計測手段２６と、時間算出手段２５で算出した時間と時間計測手段２６で計測した時間とを用いて目標流量を補正する目標流量補正手段２７とを備えた。
【選択図】図２
【解決手段】沸き上げ温度センサ２０で検出する沸き上げ温度が所定の目標沸き上げ温度となるように圧縮機１１の回転数を制御し、所定の加熱能力と目標沸き上げ温度と被加熱水の温度とから算出される目標流量に対応した目標回転数となるように循環ポンプ１６を制御する制御手段２１と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯される時間を算出する時間算出手段２５と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かった時間を計測する時間計測手段２６と、時間算出手段２５で算出した時間と時間計測手段２６で計測した時間とを用いて目標流量を補正する目標流量補正手段２７とを備えた。
【選択図】図２
Description
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関するものである。
従来より、この種のヒートポンプ式給湯機では、湯水を貯湯する貯湯タンクと給湯機能部品等が収められた貯湯タンクユニットと、圧縮機と水熱交換器と膨張弁と空気熱交換器とを環状に接続したヒートポンプユニットと、水熱交換器の水側と貯湯タンクとを循環ポンプと流量センサを介して水が循環可能に接続した循環回路を備えたものであった。
そして、沸き上げる水の入水温度と目標沸き上げ温度と定格加熱能力から水の目標流量を演算し、流量センサで検出する流量が目標流量となるように循環ポンプの回転数を制御し、圧縮機からの吐出冷媒温度が目標吐出冷媒温度となるように膨張弁の開度を制御し、水熱交換器の出口湯温が目標沸き上げ温度となるように圧縮機の回転数を増減制御するようにして沸き上げ運転を行うようにしていたものであった。（特許文献１）
ところで、この従来のものでは、コストダウンのために流量センサを廃止した場合には循環ポンプの回転数を目標流量に応じて固定することで沸き上げ運転を実行可能となるが、ヒートポンプユニットと貯湯タンクユニットの間の配管長や高低差の違いによって流通抵抗が設置現場個々に相違して流量が変わるため、設置条件が変わると循環ポンプの回転数を固定しただけでは目標の定格加熱能力を維持することができないという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１では、湯水を貯湯する貯湯タンクが収められた貯湯タンクユニットと、圧縮機と水熱交換器と減圧手段と蒸発器とを環状に接続したヒートポンプサイクルを有したヒートポンプユニットと、前記貯湯タンクと前記水熱交換器を循環ポンプによって水が循環可能に接続する循環回路と、前記水熱交換器の出口湯温を検出する沸き上げ温度センサと、前記沸き上げ温度センサで検出する沸き上げ温度が所定の目標沸き上げ温度となるように前記圧縮機の回転数を制御し、所定の加熱能力と前記目標沸き上げ温度と被加熱水の温度とから算出される目標流量に対応した目標回転数となるように前記循環ポンプを制御する制御手段と、前記貯湯タンクの所定容量の位置の貯湯温度を検出する貯湯温度センサと、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯される時間を算出する時間算出手段と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かった時間を計測する時間計測手段と、前記時間算出手段で算出した時間と前記時間計測手段で計測した時間とを用いて前記目標流量を補正する目標流量補正手段とを備えたものとした。
また、請求項２では、前記時間計測手段は、沸き上げが中断している時間を除いて時間を計測するようにした。
このように本発明によれば、循環回路の流通抵抗が変わっても目標の加熱能力で沸き上げることができる。
次に、本発明の第１実施形態のヒートポンプ式給湯機を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ユニット、４は前記貯湯タンク２の下部に接続された熱交入水管５および前記貯湯タンク２の上部に接続された熱交出湯管６よりなる循環回路、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給湯する給湯管である。
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ユニット、４は前記貯湯タンク２の下部に接続された熱交入水管５および前記貯湯タンク２の上部に接続された熱交出湯管６よりなる循環回路、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給湯する給湯管である。
９ａ〜９ｄ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、１０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。
前記ヒートポンプユニット３は、冷媒を圧縮する圧縮機１１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熱交換器１２と、水熱交換器１２通過後の冷媒を減圧させる減圧手段としての膨張弁１３と、膨張弁１３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１４とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプサイクル１５と、水熱交換器１２の水側の循環回路４途中に設けられて貯湯タンク２の湯水を循環させる循環ポンプ１６とから構成されている。このヒートポンプサイクル１５には、二酸化炭素冷媒が充填され、高圧側で超臨界状態となるようにされている。なお、循環ポンプ１６には回転数センサ１７が設けられているものである。
１８は圧縮機１１と水熱交換器１２との間に設けられ、吐出冷媒温度Ｔｃｉを検出する吐出冷媒温度センサ、１９は水熱交換器１２の水側の入水温度Ｔｗｉを検出する入水温度センサ、２０は水熱交換器１５の水側の沸き上げ温度Ｔｗｏを検出する沸き上げ温度センサである。
２１は前記ヒートポンプユニット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１０と通信可能に接続され、貯湯制御手段１０と連携してヒートポンプ式給湯機を制御する制御装置を構成しているものである。
そして、前記貯湯制御手段１０は、過去の貯湯タンク２内の湯の使用量等から目標沸き上げ温度Ｔｔを決定する目標沸き上げ温度決定手段２２と、目標沸き上げ温度Ｔｔと被加熱水の温度Ｔｗとヒートポンプユニット３の所定の加熱能力Ｗとから水熱交換器１２を流れる被加熱水の目標流量Ｆｔを算出する目標流量算出手段２３と、予め記憶された流量と回転数の関係から循環ポンプ１６の目標回転数Ｎｔを決定する目標回転数決定手段２４と、沸き上げ開始から目標沸き上げ温度Ｔｔの湯が貯湯タンク２内の所定容量の位置まで貯湯される時間（予測時間ｔｅ）を目標流量Ｆｔに基づいて算出する時間算出手段２５と、沸き上げ開始から目標沸き上げ温度Ｔｔの湯が貯湯タンク２内の所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かった時間（実績時間ｔｒ）を計測する時間計測手段２６と、時間算出手段２５で算出した予測時間ｔｅと時間計測手段２６で計測した実績時間ｔｒとを用いて目標流量Ｆｔを補正する目標流量補正手段２７とが設けられている。
この貯湯制御手段１０は、沸き上げ温度決定手段２２で決定した目標沸き上げ温度Ｔｔと、目標回転数決定手段２４で決定した目標回転数Ｎｔあるいは目標流量補正手段２７の作用により補正された目標回転数Ｎｔを加熱制御手段２１へ送信する。
そして加熱制御手段２１は、貯湯制御手段１０から受け取った目標沸き上げ温度Ｔｔに基づいて吐出冷媒温度Ｔｃｉの目標値を定め、沸き上げ開始後に吐出温度センサ１８で検出する吐出冷媒温度Ｔｃｉが目標値に一致するように膨張弁１３の開度を調整し、沸き上げ温度センサ２０で検出する沸き上げ温度Ｔｗｏが目標沸き上げ温度Ｔｔに一致するように圧縮機１１の駆動周波数を調整し、さらに、循環ポンプ１６の検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔに一致するように循環ポンプ１６の駆動周波数を調整するようにしている。
次に、この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給湯管８へ給湯される。
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給湯管８へ給湯される。
深夜時間帯となると、貯湯制御手段１０は貯湯タンク２内の湯水が所定の目標沸き上げ温度Ｔｔ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２１へ沸き上げ開始命令を指示する。ここで、前記所定の目標沸き上げ温度Ｔｔ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目標沸き上げ温度決定手段２２によって決定されるもので、６５℃から９０℃の範囲で決定されるものである。
目標沸き上げ温度Ｔｔが決定されると、貯湯制御手段１０は貯湯温度センサ９のうち最下方にある貯湯温度センサ９ｄで検出する温度を被加熱水の温度Ｔｗとし、目標流量算出手段２２が、目標沸き上げ温度Ｔｔと被加熱水の温度Ｔｗとヒートポンプユニット３の所定の加熱能力Ｗとから、温度Ｔｗの被加熱水を所定の加熱能力Ｗで目標沸き上げ温度Ｔｔに沸き上げるのに必要な目標流量Ｆｔを予め記憶された次式（１）により求める。
Ｆｔ＝Ｗ／（Ｔｔ−Ｔｗ） ・・・式（１）
（式中には単位換算、比熱の定数を省略）
（式中には単位換算、比熱の定数を省略）
そして、目標回転数決定手段２４は、目標流量算出手段２３によって算出された目標流量Ｆｔに基づいて、予め記憶された流量と回転数の関係から循環ポンプ１６の目標回転数Ｎｔを決定する。
加熱制御手段２１は、貯湯制御手段１０から受け取った目標沸き上げ温度Ｔｔに基づいて吐出冷媒温度Ｔｃｉの目標値を定め、沸き上げ開始後に吐出温度センサ１８で検出する吐出冷媒温度Ｔｃｉが目標値に一致するように膨張弁１３の開度を調整し、沸き上げ温度センサ２０で検出する沸き上げ温度Ｔｗｏが目標沸き上げ温度Ｔｔに一致するように圧縮機１１の駆動周波数を調整し、さらに、循環ポンプ１６の検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔに一致するように循環ポンプ１６の駆動周波数を調整し、貯湯タンク２の下部から取り出した低温の被加熱水を目標沸き上げ温度Ｔｔに沸き上げて、貯湯タンク２の上部へ積層するように戻して沸き上げ運転を行う。
このとき、時間算出手段２５は、ヒートポンプユニット３で沸き上げて貯湯タンク２の上部から積層状に貯湯されていく湯の量が貯湯タンク２の所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かる時間（予測時間ｔｅ）を目標流量Ｆｔから予測して算出する。ここで、貯湯タンク２の所定容量は貯湯タンク２の上部から貯湯温度センサ９ａ〜ｄの予め定められた何れか一個の位置までの容量のことであり、例えばこの実施形態では、貯湯温度センサ９ｂは貯湯タンク２の上から容量Ｖの位置に設けられており、Ｖが所定容量となり、次式（２）より予測時間ｔｅを求める。
ｔｅ＝Ｖ／Ｆｔ ・・・式（２）
沸き上げが開始されると、時間計測手段２６は、ヒートポンプユニット３で沸き上げて貯湯タンク２の上部から積層状に貯湯されていく湯の量が貯湯タンク２の所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かる時間（実績時間ｔｒ）を計測する。ここでは、沸き上げ開始で時間カウントを開始し、貯湯温度センサ９ｂの温度が目標沸き上げ温度Ｔｔより所定温度低い温度になったことで時間カウントを停止し、沸き上げ開始からのカウント時間を実績時間ｔｒとする。
なお、カウント停止を目標沸き上げ温度Ｔｔより所定温度低い温度として、貯湯タンク２上部へ流入する沸き上げ後の湯の自然放熱や貯湯タンク２内に存在する低い温度の湯との混合による温度低下があっても所定容量を沸き上げたことを検知することができるようにしている。
また、沸き上げの途中で空気熱交換器１４の除霜運転が入った場合は、この除霜運転を行っている間、時間計測手段２５は時間カウントを中断するようにして、所定容量の沸き上げに実際に掛かった時間を計測するようにしている。
そして、目標流量補正手段２７は、時間算出手段２５で算出した予測時間ｔｅと、時間計測手段２６で計測した実績時間ｔｒとを比較し、その差が一定以上あれば、目標流量算出手段２３で算出された目標流量Ｆｔを補正する補正係数Ｋを算出し、目標流量算出手段２３は、目標流量Ｆｔに補正係数Ｋを乗じて、ここでは、目標流量Ｆｔをｔｅ／ｔｒ倍することで、目標流量Ｆｔと実際の流量のズレを補正し、補正された目標流量Ｆｔｒを算出する。
次に、目標回転数決定手段２４は、補正された目標流量Ｆｔｒに基づいて、予め記憶された流量と回転数の関係から循環ポンプ１６の目標回転数Ｎｔを決定する。
そして、加熱制御手段２１は、循環ポンプ１６の検出回転数Ｎが補正された目標流量Ｆｔｒに対応した目標回転数Ｎｔに一致するように循環ポンプ１６の駆動周波数を調整する。
そして、次回以降の沸き上げ時は、目標流量算出手段２３は、目標流量Ｆｔに補正係数Ｋを乗じて補正された目標流量Ｆｔｒを算出し、この補正された目標流量Ｆｔｒを用いて沸き上げ運転を行うようにしている。
このように、コストダウンのために流量センサを廃止しても、ヒートポンプユニット３と貯湯タンクユニット１間の配管条件の違いが生じても目標の流量と大きくずれることなく沸き上げ運転を行うことができるようになったので、目標の定格加熱能力を維持することができ、深夜時間帯の終了時刻までに沸き上げ運転を完了させることが可能となる。
なお、時間計測手段２６は、目標沸き上げ温度Ｔｔより所定温度低い温度を所定容量の位置の貯湯温度センサ９で検知することで実績時間ｔｒの時間カウントを停止するようにしているが、これに限らず、例えば、ヒートポンプユニット３で沸き上げた湯と見なせる一定温度（例えば５０℃）を貯湯温度センサ９で検知することで実績時間ｔｒの時間カウントを停止するようにしてもよいものである。
１ 貯湯タンクユニット
２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプユニット
４ 循環回路
９ 貯湯温度センサ
１１ 圧縮機
１２ 水熱交換器
１３ 膨張弁（減圧手段）
１４ 空気熱交換器（蒸発器）
１５ ヒートポンプサイクル
１６ 循環ポンプ
２０ 沸き上げ温度センサ
２１ 加熱制御手段（制御手段）
２５ 時間算出手段
２６ 時間計測手段
２７ 目標流量補正手段
２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプユニット
４ 循環回路
９ 貯湯温度センサ
１１ 圧縮機
１２ 水熱交換器
１３ 膨張弁（減圧手段）
１４ 空気熱交換器（蒸発器）
１５ ヒートポンプサイクル
１６ 循環ポンプ
２０ 沸き上げ温度センサ
２１ 加熱制御手段（制御手段）
２５ 時間算出手段
２６ 時間計測手段
２７ 目標流量補正手段
Claims (2)
- 湯水を貯湯する貯湯タンクが収められた貯湯タンクユニットと、圧縮機と水熱交換器と減圧手段と蒸発器とを環状に接続したヒートポンプサイクルを有したヒートポンプユニットと、前記貯湯タンクと前記水熱交換器を循環ポンプによって水が循環可能に接続する循環回路と、前記水熱交換器の出口湯温を検出する沸き上げ温度センサと、前記沸き上げ温度センサで検出する沸き上げ温度が所定の目標沸き上げ温度となるように前記圧縮機の回転数を制御し、所定の加熱能力と前記目標沸き上げ温度と被加熱水の温度とから算出される目標流量に対応した目標回転数となるように前記循環ポンプを制御する制御手段と、前記貯湯タンクの所定容量の位置の貯湯温度を検出する貯湯温度センサと、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯される時間を算出する時間算出手段と、沸き上げ開始から所定容量の位置まで貯湯されるのに掛かった時間を計測する時間計測手段と、前記時間算出手段で算出した時間と前記時間計測手段で計測した時間とを用いて前記目標流量を補正する目標流量補正手段とを備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
- 前記時間計測手段は、沸き上げが中断している時間を除いて時間を計測するようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
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