JP2012233626A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 出湯温度を精度良く制御しつつ、エネルギー消費効率の最適化を図り得るヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】 目標値テーブルから設定出湯温度、検出入水温度、検出外気温に対応するＣＯＰ最大となる吐出温度〜凝縮温度間の目標温度差を決定する（Ｓ１）。圧縮機の回転数を、検出凝縮温度が目標凝縮温度になるように変更制御する（Ｓ４）。そのときに圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と検出凝縮温度との温度差を演算し、その温度差の値が目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御する（Ｓ５）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関し、特に冷媒としてプロパン等の炭化水素（ＨＣ）系冷媒を用いたヒートポンプ給湯機に好適に適用し得る技術に係る。

従来、圧縮機、給湯用熱交換器、減圧手段及び熱源用熱交換器を冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記給湯用熱交換器に給水した水を前記圧縮機により圧縮された高圧冷媒で熱交換加熱して給湯に利用する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機が知られている。かかるヒートポンプ給湯機では、通常、圧縮機により圧縮されて吐出される高圧冷媒の吐出温度が所定の目標温度になるように、圧縮機，減圧手段や給水ポンプの作動制御を行うことが提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。これらのヒートポンプ給湯機では、いずれも二酸化炭素（ＣＯ_２）を冷媒として用い、これを圧縮機で臨界圧以上に圧縮することで超臨界状態の冷媒を用いて熱交換加熱を行うようにしている。

特許第３６０１３６９号公報 特許第３８４３９６３号公報 特開２００４−３６１０４６号公報

本願発明の発明者らは、冷媒の一種として知られてはいるものの、種々の難点があって従来は現実には冷媒として採用されてはいなかったプロパン等の炭化水素（ＨＣ）系冷媒を用いたヒートポンプ給湯機の開発を進めてきた。かかるＨＣ系冷媒はＣＯ_２冷媒と比べ圧縮能力の低い圧縮機の使用が可能になる反面、給湯用熱交換器での熱交換により凝縮して相変化が生じるため、圧縮機からの吐出温度の管理では出湯温度の制御が困難になったり、良好なエネルギー消費効率の実現が困難になったりするという問題点を抱えている。すなわち、給湯用熱交換器における熱交換は、ＣＯ２冷媒の場合には相変化が生じない顕熱での熱交換であるため、熱交換加熱による出湯温度管理を比較的容易に行い得るものの、ＨＣ系冷媒の場合には気・液相に変化する潜熱での熱交換となるため、出湯温度管理が困難なものとなる。これに対処するために、ＣＯ２冷媒の如く圧縮機からの吐出温度ではなくて給湯用熱交換器での凝縮温度を管理するようにすることも考えられるが、そうすると、水の熱交換加熱に寄与しない無駄なエネルギー消費を伴うことになってエネルギー消費効率の最適化を阻害してしまうことになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出湯温度を精度良く制御しつつ、エネルギー消費効率の最適化を図り得るヒートポンプ給湯機を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明では、圧縮機と、給湯用熱交換器と、減圧手段と、熱源用熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記給湯用熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機を対象にして、次の特定事項を備えることとした。すなわち、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、前記給湯用熱交換器での熱交換により凝縮する冷媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記給湯用熱交換器に入水される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と、前記給湯用熱交換器での熱交換により凝縮する冷媒の凝縮温度との間の温度差であって、前記外気温検出手段により検出される検出外気温と、前記入水温度検出手段により検出される検出入水温度と、設定出湯温度とに対応する目標温度差を決定する目標温度差決定処理手段とを備えることとする。加えて、前記凝縮温度検出手段により検出される検出凝縮温度が、前記設定出湯温度に基づいて決定される目標凝縮温度になるように、前記給水ポンプの作動制御量又は前記圧縮機の作動制御量を変更制御する第１制御手段と、前記圧縮機の作動を一定に維持した状態で、前記吐出温度検出手段により検出される検出吐出温度と、前記検出凝縮温度との間の温度差が前記目標温度差決定処理手段により決定された目標温度差になるように、前記減圧手段の作動制御量を変更制御する第２制御手段とを備えることとした（請求項１）。

第２の発明では、圧縮機と、給湯用熱交換器と、減圧手段と、熱源用熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記給湯用熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機を対象にして、次の特定事項を備えることとした。すなわち、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記給湯用熱交換器に入水される入水温度を検出する入水温度検出手段と、前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と、前記給湯用熱交換器から出湯される湯の出湯温度との間の温度差であって、前記外気温検出手段により検出される検出外気温と、前記入水温度検出手段により検出される検出入水温度と、設定出湯温度とに対応する目標温度差を決定する目標温度差決定処理手段とを備えることとする。加えて、前記出湯温度検出手段により検出される検出出湯温度が前記設定出湯温度になるように、前記給水ポンプの作動制御量又は前記圧縮機の作動制御量を変更制御する第１制御手段と、前記圧縮機の作動を一定に維持した状態で、前記吐出温度検出手段により検出される検出吐出温度と、前記検出出湯温度との間の温度差が前記目標温度差決定処理手段により決定された目標温度差になるように、前記減圧手段の作動制御量を変更制御する第２制御手段とを備えることとした（請求項２）。

第１又は第２の発明の場合、第１制御手段による変更制御によって、給湯用熱交換器において水との熱交換により冷媒が凝縮して相変化を生じるような冷凍サイクルが冷媒循環回路において実行されたとしても、給湯用熱交換器での熱交換加熱を経た出湯が設定出湯温度になるように温度制御することが可能になる。その上に、第２制御手段による目標温度差に基づいた変更制御によって、前記の如き相変化して潜熱領域での熱を熱交換に利用する冷凍サイクルが前記冷媒循環回路において実行された場合であっても、特に圧縮機の作動に伴うエネルギーを無駄に消費することなくエネルギー消費の観点から最適化を図り得ることになる。特に、第２の発明の場合、凝縮温度検出手段を省略することが可能となり、部品点数やコストの削減化が図られる。

以上の本発明における目標温度差決定処理手段として、前記目標温度差を、圧縮機の作動量に対し前記冷媒循環回路側におけるエネルギー消費効率が最大（成績係数：ＣＯＰが最大）となる前記温度差の値として決定する構成とすることができる（請求項３）。このようにすることで、前記第２制御手段による変更制御によって、確実にエネルギー消費効率を最適にした運転を実行させることが可能となる。

又、前記発明における第１制御手段として、前記給水ポンプの作動制御量を変更制御する場合、前記圧縮機の作動制御量を一定に維持する構成とすることができる（請求項４）。このようにすることで、給水ポンプの作動を変更制御している間は圧縮機の作動制御量が一定に維持されるため、特に圧縮機の作動量（例えば回転数）変更に伴う騒音発生を解消することができ、周囲が静かになる夜間において特に有用となる。

さらに、以上の発明における冷媒循環回路に循環される冷媒としてＨＣ系冷媒を用いることができる（請求項５）。このようにすることで、給湯用熱交換器での水との熱交換によって凝縮して相変化することになるＨＣ系冷媒をヒートポンプ給湯機の冷媒として採用しても前記の如く精度良い出湯温度制御と共に、エネルギー消費効率の最適化をも図り得ることになる。

以上、説明したように、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機によれば、第１制御手段による変更制御によって、給湯用熱交換器において水との熱交換により冷媒が凝縮して相変化を生じるような冷凍サイクルが冷媒循環回路において実行されたとしても、給湯用熱交換器での熱交換加熱を経た出湯が設定出湯温度になるように温度制御することができるようになる。その上に、第２制御手段による目標温度差に基づいた変更制御によって、前記の如き相変化して潜熱領域での熱を熱交換に利用する冷凍サイクルが前記冷媒循環回路において実行された場合であっても、特に圧縮機の作動に伴うエネルギーを無駄に消費することなくエネルギー消費の観点から最適化を図ることができるようになる。特に、請求項２によれば、凝縮温度検出手段を省略することができ、部品点数やコストの削減化を図ることができる。

特に、請求項３によれば、目標温度差として、圧縮機の作動量に対し冷媒循環回路側における出力熱量が最大となる温度差の値を決定することで、第２制御手段による変更制御によって、確実にエネルギー消費効率を最適化した運転を実行することができるようになる。

請求項４によれば、第１制御手段として、前記給水ポンプの作動制御量を変更制御する場合、前記圧縮機の作動制御量を一定に維持する構成とすることで、給水ポンプの作動を変更制御している間は圧縮機の作動制御量が一定に維持されるため、特に圧縮機の作動量変更に伴う騒音発生を解消することができ、周囲が静かになる夜間において特に有用となる。

請求項５によれば、給湯用熱交換器での水との熱交換によって凝縮して相変化することになるＨＣ系冷媒をヒートポンプ給湯機の冷媒として採用しても前記の如く精度良い出湯温度制御と共に、エネルギー消費効率の最適化をも図ることができるようになる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機の模式図である。 図１のヒートポンプ給湯機を用いた第１実施形態の制御ブロック図である。 ある外気温・入水温度・設定出湯温度の組み合わせ条件下で、圧縮機の作動回転数を一定に維持した状態で膨張弁開度を変更した場合の吐出温度，出湯温度及び凝縮温度の変化について試験した結果の一例を示す関係図である。 図３のものと同じ外気温・入水温度・設定出湯温度の組み合わせ条件下で、圧縮機の作動回転数を一定に維持した状態で膨張弁開度を変更した場合の出力熱量及びそのときのＣＯＰ（成績係数）の変化について試験・演算した結果の一例を示す関係図である。 図２の出湯温度制御に係る制御フローチャートである。 図１のヒートポンプ給湯機を用いた第２実施形態の制御ブロック図である。 第２実施形態で用いるテーブルを説明するための図３相当図である。 図６の出湯温度制御に係る制御フローチャートである。 給湯用熱交換器に対する入水流量を変更していった場合の吐出温度と凝縮温度との変化について試験した結果の一例を示す関係図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機を示す。このヒートポンプ給湯機は、ＨＣ系冷媒（例えばプロパン；以下、単に「冷媒」という）を用いた冷媒循環回路１と給湯回路２とを組み合わせたものであり、冷凍サイクルを利用して給湯回路２の水を熱交換加熱し得るようになっている。冷媒循環回路１は圧縮機１１と、給湯用熱交換器（凝縮機）１２と、減圧手段としての膨張弁１３と、熱源用熱交換器（蒸発機）１４とを冷媒循環配管１５で順に接続したものである。又、給湯回路２は、貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１内に貯留された湯水を前記給湯用熱交換器との間で循環させる水循環配管２２と、貯湯タンク２１の底部から水を前記給湯用熱交換器１２へ圧送し、加熱後に給湯用熱交換器１２から貯湯タンク２１の頂部へと導く給水ポンプ２３とを備えて構成されている。そして、これら冷媒循環回路１と給湯回路２とがコントローラ３により作動制御されて、給湯用熱交換器１２において水がリモコン（図示省略）に入力設定された設定出湯温度に加熱されて貯湯タンク２１に貯湯されるようになっている。

圧縮機１１は電動モータにより作動され、その回転数を作動制御量としてコントローラ３により作動制御されるようになっている。回転数は、コントローラ３から与える運転周波数を変更することで変更制御される。より高圧に圧縮するには回転数を上げ、より低圧にするには回転数を下げることになる。この圧縮機１１で圧縮されることで高温気相状態の冷媒が圧縮機１１から冷媒循環配管１５に吐出され、その吐出温度が吐出温度センサ１６により検出されて検出吐出温度がコントローラ３に出力されることになる。ここで、本実施形態ではＨＣ系冷媒を用いているため、ＣＯ２冷媒を用いた場合よりも大幅に低い圧縮能力のもので圧縮機１１を構成することができる。

給湯用熱交換器１２は、冷媒循環配管１５の一部が内部に通される一方、逆方向から水循環配管２２の一部が内部に通されて、両者間で熱交換するようになっている。すなわち、冷媒循環配管１５に圧縮機１１から吐出された高温気相状態の冷媒と、給水ポンプ２３により貯湯タンク２１の底部から供給された水とが熱交換され、水が熱交換加熱により湯となり、その熱交換により熱が奪われた冷媒は凝縮して液相に相変化する。この相変化のときの凝縮温度が凝縮温度センサ１７により検出され、この検出凝縮温度がコントローラ３に出力されることになる。この凝縮温度センサ１７による凝縮温度の検出は、給湯用熱交換器１２における熱交換過程の中間位置での冷媒の温度を検出するものである。

膨張弁１３は給湯用熱交換器１２で液相状態になった冷媒を減圧するものである。この膨張弁１３は、その開度を作動制御量としてコントローラ３により作動制御される。

熱源用熱交換器１４は、その回転作動により外気を送風するファン１４ａを備え、この外気と、膨張弁１３により減圧された冷媒とを熱交換させることで、冷媒を蒸発させて気相状態に変換するようになっている。この気相状態になった冷媒が再び前記の圧縮機１１において圧縮されて高温気相状態になる。

一方、給湯回路２では、給水ポンプ２３の作動により貯湯タンク２１内の水が給湯用熱交換器１２に圧送される際に、給湯用熱交換器１２の入口前で入水温度センサ２４により熱交換加熱前の入水温度が検出され、この検出入水温度がコントローラ３に出力されるようになっている。又、給湯用熱交換器１２を通過することで熱交換加熱されて出湯した際に、給湯用熱交換器１２の出口側で出湯温度センサ２５により出湯温度が検出され、この検出出湯温度がコントローラ３に出力されるようになっている。併せて、外気温が外気温センサ２６により検出されて、コントローラ３に出力されるようになっている。給湯用熱交換器１２で加熱された湯は貯湯タンク２１の頂部側に戻されて貯留され、以後の給湯に利用されることになる。給湯により貯湯タンク２１内の湯水量が減れば、その分だけ給水されるようになっている。

以上のヒートポンプ給湯機の作動制御は、ＭＰＵやメモリ等を備えたコントローラ３により実行されるようになっている。コントローラ３は、設定出湯温度を目標温度として給湯用熱交換器１２により給湯回路２側の水を設定出湯温度まで加熱するように制御する出湯温度制御手段３１と、その制御に用いる目標温度差を決定する目標温度差決定処理手段３２と、目標温度差等を決定するために用いる目標値テーブル３３１やＦＦ値（フィードフォワード制御値）テーブル３３２等が予め記憶設定された記憶手段３３とを備えている。

出湯温度制御手段３１は、第１制御手段としての圧縮機制御部３１１と、第２制御手段としての膨張弁制御部３１２とを備えている。圧縮機制御部３１１は検出凝縮温度が設定給湯温度に基づいて決定される目標凝縮温度になるように圧縮機１１の回転数を変更制御する一方、膨張弁制御部３１２は圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で検出吐出温度と検出凝縮温度との温度差が目標温度差決定処理手段３２により決定される目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御するようになっている。

目標温度差決定処理手段３２は、現在の運転時点での外気温センサ２６からの検出外気温と、入水温度センサ２４からの検出入水温度と、設定出湯温度との組み合わせにおける圧縮機１１からの吐出温度と給湯用熱交換器１２での凝縮温度との温度差であって、エネルギー消費効率が最大（成績係数：ＣＯＰが最大）となる当該温度差を、目標温度差として決定するようになっている。この決定処理は、前記の検出外気温、検出入水温度及び設定出湯温度の組み合わせに基づいて目標値テーブル３３１から目標温度差を割り出して決定するようになっている。目標値テーブル３３１には、外気温、入水温度及び設定出湯温度を様々に組み合わせた条件下においてＣＯＰが最大となる、吐出温度と凝縮温度との温度差の値が予め試験・演算により求められて定められている。

このような目標値テーブル３３１における目標温度差の値は次のようにして得ればよい。図３は、ある特定の外気温、入水温度及び設定出湯温度（例えば６５℃）の条件下で、圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で膨張弁１３の開度を変化させた場合に、吐出温度、出湯温度及び凝縮温度がどのように変化するかを試験により求めたものである。又、図４は、図３の場合と同じ外気温、入水温度及び設定出湯温度の条件下で、圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で膨張弁１３の開度を変化させた場合に、出力熱量がどのように変化するかを試験に求め、その際のＣＯＰを演算により求めたものである。ここで、図４を見ると、膨張弁開度が９０ステップの状態で出力熱量が最大となってＣＯＰも最大値を示している。そこで、膨張弁開度が９０ステップの状態における吐出温度〜凝縮温度の温度差Ｄｇを図３から読み取ると、ほぼ２５℃であることが得られる。このようにして、前記のある特定の外気温、入水温度及び設定出湯温度（例えば６５℃）の条件下においてＣＯＰが最大となる吐出温度〜凝縮温度間の温度差Ｄｇの値は２５℃であることが得られることになる。従って、前記の特定の外気温、入水温度及び設定出湯温度（例えば６５℃）の条件下であれば、２５℃を吐出温度〜凝縮温度間の目標温度差Ｄｇに設定して、この目標温度差Ｄｇになるように膨張弁１３の開度を調整制御することで、最適エネルギー消費効率を実現しつつ、圧縮機制御部３１１による制御とも相俟って設定出湯温度への熱交換加熱を精度よく行うことができるようになる。そして、このような目標温度差Ｄｇの値について、種々の外気温（例えば０℃〜３５℃）、種々の入水温度（例えば５℃〜２５℃）及び種々の設定出湯温度（例えば６０℃〜８０℃）の組み合わせ条件において試験により求め、求めた多数の目標温度差Ｄｇを対応する組み合わせ条件との関係テーブルにして前記目標値テーブル３３１に設定するのである。

又、ＦＦ値テーブル３３２は、圧縮機１１の回転数と膨張弁１３の開度とについての運転開始時の制御量を、それぞれＦＦ値として予め定めて設定したものである。このＦＦ値も、外気温、入水温度及び設定出湯温度の組み合わせ条件との関係において予め定められている。従って、運転開始時には、その時の検出外気温、検出入水温度及び設定出湯温度に基づいて、該当するＦＦ値を割り出して運転開始時の制御量として設定することになる。

以下、図５のフローチャートを参照しつつ、出湯温度制御について説明する。まず、図示省略のリモコン等に設定入力された設定出湯温度と、検出入水温度と、検出外気温とに基づいてＦＦ値テーブル３３２から対応する圧縮機１１の回転数ＦＦ値及び膨張弁１３の開度ＦＦ値を決定すると共に、同様に設定出湯温度と、検出入水温度と、検出外気温とに基づいて目標値テーブル３３１から対応する、吐出温度と凝縮温度との目標温度差を決定する（ステップＳ１）。又、設定出湯温度に基づいて目標凝縮温度を決定する（ステップＳ２）。この目標凝縮温度の決定も予め設定出湯温度と目標凝縮温度との関係を定めたテーブルから割り出して決定するようになっている。すなわち、凝縮温度センサ１７の位置での冷媒の凝縮温度が何度であれば、給湯用熱交換器１２の出口から出る湯の温度が設定出湯温度になるかについて、予め試験又は演算により求め、その凝縮温度と設定出湯温度との関係を定めたテーブルが予め記憶設定されている。

次に、前記の回転数ＦＦ値により圧縮機１１を、開度ＦＦ値により膨張弁１３をそれぞれ作動開始させて運転を開始させる（ステップＳ３）。そして、圧縮機１１の回転数（作動制御量）を、検出凝縮温度が目標凝縮温度になるように変更制御する。すなわち、検出凝縮温度が目標凝縮温度よりも低ければ回転数を高くし、逆に高ければ回転数を低くして、検出凝縮温度が目標凝縮温度に合致することになるように回転数を調整する（ステップＳ４）。そして、そのときの回転数を一定に維持した状態で圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と検出凝縮温度との温度差を演算し、その温度差の値が目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御する（ステップＳ５）。すなわち、実際の温度差が目標温度差よりも大きければ膨張弁１３の開度を開き、逆に小さければ膨張弁１３の開度を閉じる側に絞る。これにより、圧縮機１１から吐出される冷媒の吐出温度と、給湯用熱交換器１２での凝縮温度との温度差が目標温度差に維持されるようにする。

そして、以上のステップＳ４，Ｓ５を停止信号（例えば運転スイッチのＯＦＦ操作信号）が出力されるまで繰り返し（ステップＳ６）、停止信号が出力されれば制御を終了する。

以上の出湯温度制御によれば、圧縮機１１の回転数を、検出凝縮温度が目標凝縮温度になるように変更制御しているため（ステップＳ４）、水との熱交換により気相から気液相、気液相から液層に相変化するＨＣ系冷媒を用いて冷凍サイクルを構成したとしても、給湯用熱交換器１２での熱交換加熱による出湯温度を設定出湯温度になるように温度制御することができる。その上に、圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と検出凝縮温度との温度差の値が目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御するようにしているため（ステップＳ５）、前記の如き相変化して潜熱領域での熱を熱交換に利用するＨＣ系冷媒を用いた場合であっても、ＣＯＰを最大にできるようになる。又、ステップＳ４及びＳ５の処理を繰り返すことで、圧縮機１１の回転数も頻繁に変更されることなくほぼ一定値に収束するようになり、特に夜間運転時に圧縮機１１の作動騒音の発生を低減させることができるようになる。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態に係るコントローラ３ａを示す。この第２実施形態は第１実施形態の制御で用いていた凝縮温度に代えて出湯温度を用いた点でのみ、第１実施形態と異なるものである。それ以外の構成については第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ構成については第１実施形態と同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

すなわち、第２実施形態の出湯温度制御手段３１ａを構成する第１制御手段としての圧縮機制御部３１１ａは、検出出湯温度が設定給湯温度になるように圧縮機１１の回転数を変更制御する一方、第２制御手段としての膨張弁制御部３１２ａは圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で検出吐出温度と検出出湯温度との温度差が目標温度差決定処理手段３２ａにより決定される目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御するようになっている。

このように第１実施形態における凝縮温度に代えて出湯温度を用いることができる理由は次の通りである。例えば図３に示した温度変化をみれば分かるように、圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で膨張弁１３の開度を変化させた場合、給湯用熱交換器１２内の凝縮温度と、水循環配管２２に出湯される出湯温度とはほぼ５℃程度の差を保ちながら常に比例する関係を維持することになる。従って、第１実施形態での制御で用いていた凝縮温度に代えて出湯温度を用いたとしても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができると考えられる。

目標温度差決定処理手段３２ａは、現在の運転時点での外気温センサ２６からの検出外気温、入水温度センサ２４からの検出入水温度及び設定出湯温度の組み合わせにおける圧縮機１１からの吐出温度と給湯用熱交換器１２からの出湯温度との温度差であって、エネルギー消費効率が最大（成績係数：ＣＯＰが最大）となる当該温度差を、目標温度差として決定するようになっている。この決定処理は、前記の検出外気温、検出入水温度及び設定出湯温度の組み合わせに基づいて目標値テーブル３３１ａから目標温度差を割り出して決定するようになっている。目標値テーブル３３１ａには、外気温、入水温度及び設定出湯温度を様々に組み合わせた条件下においてＣＯＰが最大となる、吐出温度と出湯温度との温度差の値を、第１実施形態と同様に予め試験・演算により求めて定めればよい。

このような目標値テーブル３３１ａにおける目標温度差の値は次のようにして得る。まず、第１実施形態で説明したと同じ条件で膨張弁１３の開度を変化させた場合の吐出温度、出湯温度、凝縮温度の変化を測定して図３の試験結果を得る。同様条件での出力熱量及びそのときのＣＯＰの変化の試験結果として図４を得て、ＣＯＰ最大となる膨張弁１３の開度（この条件下では９０ステップ）を得る。そして、そのＣＯＰ最大の膨張弁開度における吐出温度〜出湯温度間の温度差Ｄｙ（図７参照）を得る。かかる温度差Ｄｙについて、第１実施形態で説明したと同様に、種々の外気温、種々の入水温度及び種々の設定出湯温度の組み合わせ条件において試験により求め、求めた多数の目標温度差Ｄｙを対応する組み合わせ条件との関係テーブルにして前記目標値テーブル３３１ａに設定するのである。なお、ＦＦ値テーブル３３２は、第１実施形態で説明したものと同じものを用いる。

以下、図８のフローチャートを参照しつつ、第２実施形態の出湯温度制御について説明する。まず、図示省略のリモコン等に設定入力された設定出湯温度と、検出入水温度と、検出外気温とに基づいてＦＦ値テーブル３３２から対応する圧縮機１１の回転数ＦＦ値及び膨張弁１３の開度ＦＦ値を決定すると共に、同様に設定出湯温度と、検出入水温度と、検出外気温とに基づいて目標値テーブル３３１ａから対応する、吐出温度と出湯温度との目標温度差を決定する（ステップＳ１１）。

次に、前記の回転数ＦＦ値により圧縮機１１を、開度ＦＦ値により膨張弁１３をそれぞれ作動開始させて運転を開始させる（ステップＳ１２）。そして、圧縮機１１の回転数を、検出出湯温度が設定出湯温度になるように変更制御する。すなわち、検出出湯温度が目標出湯温度よりも低ければ回転数を高くし、逆に高ければ回転数を低くして、検出出湯温度が設定出湯温度に合致することになるように回転数を調整する（ステップＳ１３）。そして、そのときの回転数を一定に維持した状態で圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と、給湯用熱交換器１２から出湯される湯の検出出湯温度との温度差を演算し、その温度差の値が目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御する（ステップＳ１４）。すなわち、実際の温度差が目標温度差よりも大きければ膨張弁１３の開度を開き、逆に小さければ膨張弁１３の開度を閉じる側に絞る。この際、圧縮機１１の回転数は一定に維持させる。これにより、圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と、給湯用熱交換器１２から出湯される湯の検出出湯温度との温度差が目標温度差に維持されるようにする。

そして、以上のステップＳ１３，Ｓ１４を停止信号（例えば運転スイッチのＯＦＦ操作信号）が出力されるまで繰り返し（ステップＳ１５）、停止信号が出力されれば制御を終了する。

この第２実施形態の場合にも、圧縮機１１の回転数を、検出出湯温度が設定出湯温度になるように変更制御しているため（ステップＳ１３）、第１実施形態と同様に、水との熱交換により気相から気液相、気液相から液層に相変化するＨＣ系冷媒を用いて冷凍サイクルを構成したとしても、給湯用熱交換器１２での熱交換加熱による出湯温度を設定出湯温度になるように温度制御することができる。その上に、圧縮機１１から吐出される冷媒の検出吐出温度と給湯回路２の側の検出出湯温度との温度差の値が目標温度差になるように膨張弁１３の開度を変更制御するようにしているため（ステップＳ１４）、第１実施形態と同様に、前記の如き相変化して潜熱領域での熱を熱交換に利用するＨＣ系冷媒を用いた場合であっても、ＣＯＰを最大にできるようになる。又、ステップＳ１３及びＳ１４の処理を繰り返すことで、圧縮機１１の回転数も頻繁に変更されることなくほぼ一定値に収束するようになり、特に夜間運転時に圧縮機１１の作動騒音の発生を低減させることができるようになる。さらに、第２実施形態の場合、第１実施形態では必要となる凝縮温度センサ１７を省略することができ、部品点数削減やコスト低減化をも図ることができるようになる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記第１及び第２実施形態では、第１制御手段である圧縮機制御部３１１，３１１ａにより圧縮機１１を制御対象にしてその回転数を変更制御しているが、これに限らず、第１制御手段として、圧縮機１１に代えて給湯回路２の側の給水ポンプ２３（例えばポンプ駆動モータの回転数）を制御対象にして給湯用熱交換器１２に対する入水流量を変更制御する構成のものを採用するようにしてもよい。この場合は、給水ポンプ２３の作動を変更制御することで出湯管理し得るため、圧縮機１１の作動制御量（回転数）は一定に維持しておく。

すなわち、第１実施形態では、圧縮機制御部３１１に代えて給水ポンプ制御部を第１制御手段とし、この給水ポンプ制御部により、検出凝縮温度が、設定給湯温度に基づいて決定される目標凝縮温度になるように給水ポンプ２３の作動制御量（例えば回転数）を変更制御して給湯用熱交換器１２に対する入水流量を変更制御する。この場合の図５のフローチャートでは、そのステップＳ４において、給水ポンプ２３の回転数を、検出凝縮温度が目標凝縮温度になるように変更制御すればよい。すなわち、検出凝縮温度が目標凝縮温度よりも低ければ入水流量が少なくなるようにし（給水ポンプ２３の回転数を低くし）、逆に高ければ入水流量が多くなるようにして（回転数を高くして）、検出凝縮温度が目標凝縮温度に合致することになるように給湯用熱交換器１２への入水流量を調整する。

又、第２実施形態でも、圧縮機制御部３１１ａに代えて給水ポンプ制御部を第１制御手段とし、この給水ポンプ制御部により、検出出湯温度が設定給湯温度になるように給水ポンプ２３の作動制御量（回転数）を変更制御して給湯用熱交換器１２に対する入水流量を変更制御すればよい。そして、図８のフローチャートでは、そのステップＳ１３において、給水ポンプ２３の回転数を、検出出湯温度が設定出湯温度になるように変更制御すればよい。すなわち、検出出湯温度が設定出湯温度よりも低ければ入水流量が少なくなるようにし（給水ポンプ２３の回転数を低くし）、逆に高ければ入水流量が多くなるようにして（回転数を高くして）、検出出湯温度が設定出湯温度に合致することになるように給湯用熱交換器１２への入水流量を調整する。

以上のように制御対象を圧縮機１１から給水ポンプ２３に変更した場合、給水ポンプ２３の作動を変更制御している間は圧縮機１１の作動制御量（回転数）を一定に維持することができ、圧縮機１１の回転数変更に伴う騒音発生を解消することができる。この点は、特に周囲が静かになる夜間において有用となる。このような給水ポンプ１１の作動を変更制御することで圧縮機１１の作動を変更制御するのと同様の作用効果が得られる理由は次の通りである。すなわち、図９は、圧縮機１１の回転数を一定に維持した状態で給水ポンプ２３の回転数を変化させて給湯用熱交換器１２に対する入水流量を変更した場合の圧縮機１１からの吐出温度の変化と、給湯用熱交換器１２における凝縮温度の変化とを試験により測定したものである。この図９の試験結果によると、入水流量を大小変化させることで、圧縮機１１の回転数を一定に維持したとしても、圧縮機１１からの冷媒の吐出温度や給湯用熱交換器１２における冷媒の凝縮温度をほぼ線形に変更することができる。従って、圧縮機１１に代えて給水ポンプ２３を制御対象にして給湯用熱交換器１２に対する入水流量を変更制御することによっても、出湯温度の制御を行うことができる。

なお、以上の各実施形態ではＨＣ系冷媒としてプロパンを用いているが、この他にＨＣ系冷媒として例えばイソブタンやプロピレンを用いることができる。さらに、本実施形態による出湯温度制御を他の種類の冷媒に適用することもできる。

１ 冷媒循環回路
２ 給湯回路
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１３ 膨張弁（減圧手段）
１４ 熱源用熱交換器
１５ 冷媒循環配管
１６ 吐出温度センサ（吐出温度検出手段）
１７ 凝縮温度センサ（凝縮温度検出手段）
２３ 給水ポンプ
２４ 入水温度センサ（入水温度検出手段）
２５ 出湯温度センサ（出湯温度検出手段）
２６ 外気温センサ（外気温検出手段）
３２ 目標温度差決定処理手段
３１１，３１１ａ 圧縮機制御部（第１制御手段）
３１２，３１２ａ 膨張弁制御部（第２制御手段）

Claims (5)

1. 圧縮機と、給湯用熱交換器と、減圧手段と、熱源用熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記給湯用熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
   前記給湯用熱交換器での熱交換により凝縮する冷媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出手段と、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   前記給湯用熱交換器に入水される入水温度を検出する入水温度検出手段と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と、前記給湯用熱交換器での熱交換により凝縮する冷媒の凝縮温度との間の温度差であって、前記外気温検出手段により検出される検出外気温と、前記入水温度検出手段により検出される検出入水温度と、設定出湯温度とに対応する目標温度差を決定する目標温度差決定処理手段と、
   前記凝縮温度検出手段により検出される検出凝縮温度が、前記設定出湯温度に基づいて決定される目標凝縮温度になるように、前記給水ポンプの作動制御量又は前記圧縮機の作動制御量を変更制御する第１制御手段と、
   前記圧縮機の作動を一定に維持した状態で、前記吐出温度検出手段により検出される検出吐出温度と、前記検出凝縮温度との間の温度差が前記目標温度差決定処理手段により決定された目標温度差になるように、前記減圧手段の作動制御量を変更制御する第２制御手段と
   を備えていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 圧縮機と、給湯用熱交換器と、減圧手段と、熱源用熱交換器とを冷媒循環配管で順に接続した冷媒循環回路と、給水ポンプにより前記給湯用熱交換器に入水させた水を前記圧縮機から吐出された冷媒で熱交換加熱して出湯させる給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯機において
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   前記給湯用熱交換器に入水される入水温度を検出する入水温度検出手段と、
   前記圧縮機から吐出される冷媒の吐出温度と、前記給湯用熱交換器から出湯される湯の出湯温度との間の温度差であって、前記外気温検出手段により検出される検出外気温と、前記入水温度検出手段により検出される検出入水温度と、設定出湯温度とに対応する目標温度差を決定する目標温度差決定処理手段と、
   前記出湯温度検出手段により検出される検出出湯温度が前記設定出湯温度になるように、前記給水ポンプの作動制御量又は前記圧縮機の作動制御量を変更制御する第１制御手段と、
   前記圧縮機の作動を一定に維持した状態で、前記吐出温度検出手段により検出される検出吐出温度と、前記検出出湯温度との間の温度差が前記目標温度差決定処理手段により決定された目標温度差になるように、前記減圧手段の作動制御量を変更制御する第２制御手段と
   を備えていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
3. 請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプ給湯機であって、
   目標温度差決定処理手段は、前記目標温度差として、圧縮機の作動量に対し前記冷媒循環回路側におけるエネルギー消費効率が最大となる前記温度差の値を決定するように構成されている、ヒートポンプ給湯機。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記第１制御手段は、前記給水ポンプの作動制御量を変更制御する場合、前記圧縮機の作動制御量を一定に維持するように構成されている、ヒートポンプ給湯機。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機であって、
   前記冷媒循環回路に循環される冷媒はＨＣ系冷媒である、ヒートポンプ給湯機。

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