JP2015183937A - ヒートポンプ式暖房給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄な圧縮機の運転を防止してＣＯＰを向上させるヒートポンプ式暖房給湯装置を提供する。【解決手段】往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上となっていれば、制御手段は、閾温度超過時間ｔｉの計測を開始する。次に、制御手段は、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満であるか否かを判断し、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満であれば、閾温度超過時間ｔｉが超過限度時間ｔｅ以上であるか否かを判断する。閾温度超過時間ｔｉが超過限度時間ｔｅ以上であれば、制御手段は、圧縮機回転数Ｒを最適回転数Ｒｍとして圧縮機を運転する。次に、制御手段は、圧縮機を最適回転数Ｒｍで運転しているとき、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上となれば、圧縮機を停止する。そして、往き温度Ｔｇが下限温度Ｔｔ２以下となれば、制御手段は、圧縮機を下限回転数Ｒｄで再起動する。【選択図】図４

Description

本発明は、冷媒と水との間で熱交換を行うヒートポンプ式暖房給湯装置に関する。

従来、冷媒と水との熱交換を行うことで生成した温水を利用して暖房や給湯を行うヒートポンプ式暖房給湯装置が知られている。このヒートポンプ式暖房給湯装置は、圧縮機と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、膨張弁と、熱源側熱交換器とを順次冷媒配管で接続してなる冷媒回路を備えたヒートポンプユニットと、上記水冷媒熱交換器で加熱された温水を循環ポンプにより暖房ユニット（床暖房パネルや浴室暖房装置等）や貯湯タンクに循環させる給湯ユニットとを有している（例えば、特許文献１参照）。

上述したヒートポンプ式暖房給湯装置では、冷媒と熱交換を行って加熱されて水冷媒熱交換器から流出する温水の温度（以降、往き温度と記載）が、所定の目標温度となるように、圧縮機の回転数や膨張弁の開度が制御される。ここで、目標温度とは、暖房ユニットで要求される室温や、貯湯タンクに貯留されている水を沸き上げる際の沸き上げ温度に応じて定められるものである。尚、以下の説明では、個別に言及する必要がある場合を除き、上述した暖房ユニットで要求される室温や沸き上げ温度を設定温度と記載する。

上述したヒートポンプ式暖房給湯装置では、往き温度が目標温度に到達すると、その温度を維持するように制御される。具体的には、往き温度が目標温度に対し所定の範囲（例えば、目標温度に対して±２℃以内）となるよう、圧縮機の回転数が制御される。往き温度が所定の範囲であるとき、暖房ユニットが設置された部屋の室温や貯湯タンク内の水温が、各々の設定温度に近い温度となっているため、水冷媒熱交換器から流出して暖房ユニットや貯湯タンクに流入する温水の暖房ユニットや貯湯タンクにおける放熱量は少なくなる。

水冷媒熱交換器から流出する温水の放熱量が少なくなれば、往き温度が目標温度（付近）の温度に安定するので、水冷媒熱交換器における凝縮温度がほとんど変化しなくなる。このとき、ヒートポンプユニットにおける４つの過程（圧縮過程／凝縮過程／膨張過程／蒸発過程）のうち、圧縮過程を除いた３つの過程の効率はほとんど変化しない。

一方、圧縮機の運転効率は、圧縮機の種類や外気温度により異なるが、所定の回転数であるときに運転効率が最大となるように設計されており、この回転数よりも回転数が上昇あるいは低下すると、圧縮機の運転効率は悪化する、つまり、上述したヒートポンプユニットにおける４つの過程のうちの圧縮過程の効率が悪化する。これは、圧縮機に搭載されているモータの特性によるものである。従って、ヒートポンプユニットの効率は、凝縮温度がほとんど変化しない場合、圧縮機の運転効率に大きく左右され、圧縮機の回転数が上記所定の回転数であるときにヒートポンプユニットの効率が最大となり、この回転数より圧縮機の回転数が上昇あるいは低下すると、ヒートポンプユニットの効率が悪化する。

上述した往き温度が目標温度に対し所定の範囲となるように制御しているとき、往き温度が所定の範囲を定める上限温度以上の温度となっている場合は、圧縮機の回転数を低下させて往き温度を目標温度まで低下させる必要がある。このとき、圧縮機の回転数を圧縮機の運転効率が最高値となる回転数より低下させると、ヒートポンプユニットの効率が悪化するので、ヒートポンプ式暖房給湯装置のＣＯＰが悪化する虞があった。

そこで、本出願人は、往き温度が目標温度に対し所定の範囲となるように制御するときに、圧縮機の回転数が、ＣＯＰが最高値となる圧縮機の回転数である最低回転数より所定回転数低い下限回転数となれば、往き温度が所定の範囲を定める上限温度以上であるか否かを判断し、往き温度が上限温度以上であれば圧縮機を停止し、往き温度が上限温度以上でなければ圧縮機を下限回転数で駆動し続けるヒートポンプ式暖房給湯装置について、先に提案している（特願２０１４−１４９３３）。

上記のヒートポンプ式暖房給湯装置によれば、往き温度を目標温度に向かって低下させるときに、圧縮機を停止させる、もしくは、下限回転数で駆動し続けるので、圧縮機の運転効率の悪化に起因するヒートポンプ式暖房給湯装置のＣＯＰの悪化を抑制することができる。

特開２００５−２７４０２１

本出願人が先に提案しているヒートポンプ式暖房給湯装置では、圧縮機を停止して往き温度が所定の範囲を定める下限温度未満の温度となれば、圧縮機を下限周波数で再起動する。そして、圧縮機の再起動により往き温度が上昇して上限温度以上となれば、圧縮機を再び停止する。

しかし、圧縮機を再起動した後、暖房ユニットの暖房負荷（例えば、暖房ユニットが設置された部屋の日射状態）や外気温度によっては、往き温度が目標温度と上限温度との間の温度で安定する場合がある。

上記のような場合は、暖房ユニットや貯湯タンクで設定温度以上の温度となっている虞があり、また、往き温度が上限温度以上となっていないために、圧縮機が下限回転数で継続運転されている。つまり、ヒートポンプ式暖房給湯装置を無駄に運転している状態となっており、この状態が長時間継続すると、ヒートポンプ式暖房給湯装置のＣＯＰ向上の妨げになるという問題があった。

本発明は以上述べた問題点を解決し、無駄な圧縮機の運転を防止してＣＯＰを向上させるヒートポンプ式暖房給湯装置を提供することを目的とする。

本発明は上述した課題を解決するものであって、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、圧縮機と冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と流量調整手段と熱源側熱交換器とを順次接続してなる冷媒回路と、暖房端末と水冷媒熱交換器との間で循環ポンプの運転により温水を循環させる給湯回路と、水冷媒熱交換器から流出する水温である往き温度を検出する往き温度検出手段と、圧縮機を制御する制御手段とを有するものである。制御手段は、往き温度を、暖房端末で要求される能力に応じた目標温度を含み上限温度と下限温度とで定められる温度範囲内に収めるために、圧縮機をＣＯＰが最高値となる圧縮機の回転数である最適回転数より所定回転数低い下限回転数で運転しているとき、往き温度が、目標温度と上限温度との間の所定温度である閾温度以上となったか否かを判断する。制御手段は、往き温度が閾温度以上となっていれば、往き温度が閾温度となってから閾温度以上上限温度未満の温度となっている時間である閾温度超過時間を計測し、閾温度超過時間が予め定められる超過限度時間以上となれば、圧縮機の回転数を最適回転数とする。そして、圧縮機を最適回転数で運転しているとき、往き温度が上限温度以上となれば、圧縮機を停止する。

本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、往き温度が目標温度より所定温度高い温度である閾温度以上上限温度未満となっている閾温度超過時間が、所定の超過限度時間以上となれば、圧縮機の回転数を最適回転数まで上昇させ、往き温度が上限温度以上となれば圧縮機を停止する。圧縮機の回転数を、ＣＯＰが最高値となる最適回転数まで上昇させることで往き温度の上昇を早め、往き温度を上限温度に早く到達させて圧縮機を停止させるので、往き温度が目標温度以上の温度で圧縮機が運転され続けることを防止でき、ヒートポンプ式暖房給湯装置のＣＯＰを向上させることができる。

本発明の実施形態における、ヒートポンプ式暖房給湯装置の構成図である。 本発明の実施形態における、圧縮機回転数とＣＯＰとの関係を説明する図面である。 本発明の実施形態における、圧縮機回転数テーブルである。 本発明の実施形態における、圧縮機の運転状態と往き温度の変化を表すタイムチャートである。 本発明の実施形態における、制御手段で行う処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、本発明における暖房端末である貯湯タンクと室内ユニットとを有し、水冷媒熱交換器で冷媒と熱交換を行った温水を室内ユニットに循環させて暖房を行い、また、水冷媒熱交換器で冷媒と熱交換を行った温水で貯湯タンク内部に貯留された水を加熱するヒートポンプ式暖房給湯装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は、本発明によるヒートポンプ式暖房給湯装置の構成を示している。このヒートポンプ式暖房給湯装置１００は、能力可変型の圧縮機１、四方弁２、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器３、流量調整手段である膨張弁４、熱源側熱交換器５、アキュムレータ６を順に冷媒配管１１で接続した冷媒回路１０を有しており、四方弁２を切り換えることによって冷媒の循環方向を切り換えることができるようになっている。

この冷媒回路１０において、圧縮機１の冷媒吐出口付近の冷媒配管１１には、圧縮機１から吐出された冷媒の温度を検出するための吐出温度センサ５１が備えられている。また、水冷媒熱交換器３と膨張弁４との間の冷媒配管１１には、水冷媒熱交換器３が凝縮器として機能しているときに水冷媒熱交換器３から流出する冷媒の温度を、あるいは、水冷媒熱交換器３が蒸発器として機能しているときに水冷媒熱交換器３に流入する冷媒の温度を、各々検出する冷媒温度センサ５３が備えられている。また、膨張弁４と熱源側熱交換器５との間の冷媒配管１１には、熱源側熱交換器５が蒸発器として機能しているときに熱源側熱交換器５に流入する冷媒の温度を、あるいは、熱源側熱交換器５が凝縮器として機能しているときに熱源側熱交換器５から流出する冷媒の温度を、各々検出する熱交温度センサ５４が備えられている。さらには、圧縮機１の吐出側（四方弁２と水冷媒熱交換器３との間）の冷媒配管１１には、圧力センサ５０が備えられている。また、熱源側熱交換器５近傍には、外気温度センサ５２が設けられている。

熱源側熱交換器５の近傍には、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００の図示しない筺体内部に外気を取り込んで熱源側熱交換器５に外気を流通させるファン７が配置されている。ファン７は、図示しない回転数を可変できるモータの出力軸（回転軸）に取り付けられている。また、膨張弁４は、ステッピングモータを用いて弁の開度をパルス制御可能としたものである。

水冷媒熱交換器３には、冷媒配管１１と給湯配管１２ａとが接続されている。図１に示すように、給湯配管１２ａの一端は三方弁３１に接続されており、この三方弁３１には室内ユニット側配管１２ｃの一端と貯湯タンク側配管１２ｂの一端とが各々接続されている。また、給湯配管１２ａの他端には、室内ユニット側配管１２ｃの他端と貯湯タンク側配管１２ｂの他端とが接続されている。尚、図１において、給湯配管１２ａと貯湯タンク側配管１２ｂと室内ユニット側配管１２ｃとの接続部を接続点１３としている。室内ユニット側配管１２ｃには、床暖房装置やラジエター等の室内ユニット４０が設けられており、また、貯湯タンク側配管１２ｂには、貯湯タンク７０が設けられている。

貯湯タンク７０内部の下方には、スパイラル形状に形成された熱交換部７１が備えられている。熱交換部７１の両端は貯湯タンク側配管１２ｂに接続されており、貯湯タンク側配管１２ｂを流れる温水が熱交換部７１に流れるようになっている。貯湯タンク７０の上部には、貯湯タンク７０内部に貯留されている温水を浴槽や洗面台蛇口等に供給するための給湯口７３が備えられている。また、貯湯タンク７０の下部には、貯湯タンク７０内部に水を供給するための入水口７２が備えられており、入水口７２には図示しない水道管が直結されている。

接続点１３と水冷媒熱交換器３との間には、能力可変型の循環ポンプ３０が設けられている。循環ポンプ３０を駆動することにより、水冷媒熱交換器３で冷媒と熱交換された水が、図１に示す矢印９０の方向に循環する。尚、水冷媒熱交換器３から流出した水は、三方弁３１の切り換えに応じて室内ユニット側配管１２ｃに流れて室内ユニット４０に流入する、あるいは、貯湯タンク側配管１２ｂに流れて貯湯タンク７０に流入する。そして、室内ユニット４０や貯湯タンク７０から流出した水は、接続点１３を介して水冷媒熱交換器３に流入する。

以上説明したように、水冷媒熱交換器３と循環ポンプ３０と室内ユニット４０と貯湯タンク７０とが給湯配管１２ａと貯湯タンク側配管１２ｂと室内ユニット側配管１２ｃとで接続されて、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００の給湯回路１２を構成している。

給湯配管１２ａにおける水冷媒熱交換器３の水の入口側には、水冷媒熱交換器３に流入する水の温度である戻り温度を検出する入口温度センサ５６が備えられている。また、給湯配管１２における水冷媒熱交換器３の水の出口側には、水冷媒熱交換器３から流出する水の温度である往き温度を検出する往き温度検出手段である出口温度センサ５７が備えられている。また、貯湯タンク７０内部の上下方向の略中央部には、貯湯タンク７０内部に滞留する温水の温度を検出する貯湯タンク温度センサ５８が備えられている。

以上説明した構成の他に、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００は制御手段６０を有している。制御手段６０は、各温度センサで検出した温度や圧力センサ５０で検出した冷媒圧力を取り込み、あるいは、図示しないリモコン等による使用者からの運転要求を取り込み、これらに応じて圧縮機１やファン７や循環ポンプ３０の駆動制御、四方弁２の切り換え制御、膨張弁４の開度制御や三方弁３１の切り換え制御等といった、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００の運転に関わる様々な制御を行う。尚、図示は省略するが、制御手段６０は、時間を計測するタイマー部や、各種センサで検出した値やヒートポンプ式暖房給湯装置１００の制御プログラム等を記憶する記憶部を有している。

図１に示すように、冷媒回路１０を暖房サイクルとしてヒートポンプ式暖房給湯装置１００を運転しているときは、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２、水冷媒熱交換器３、膨張弁４、熱源側熱交換器５と順に流れて再び四方弁２に流入し、アキュムレータ６を介して圧縮機１に吸入される（図１に示す矢印８０で冷媒の流れを示す）。尚、冷媒回路１０を冷房サイクルとしてヒートポンプ式暖房給湯装置１００を運転したときは、圧縮機１から吐出された冷媒は、四方弁２、熱源側熱交換器５、膨張弁４、水冷媒熱交換器３と順に流れて再び四方弁２に流入し、アキュムレータ６を介して圧縮機１に吸入される、というように、暖房サイクルとして運転したとき（矢印８０の方向）と逆方向に流れるが、図１においてこの場合の冷媒流れ方向の記載は省略している。

次に、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置１００における、冷媒回路１０および給湯回路１２の動作について説明する。尚、以下の説明では、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００の冷媒回路１０が暖房サイクルとして運転する場合であって、室内ユニット４０を駆動して暖房運転を行う場合と、貯湯タンク７０に貯留されている水を所定温度に加熱する沸き上げ運転を行う場合とを例に挙げて説明する。

まず、暖房運転を行う場合について説明する。使用者が室内ユニット４０のリモコン等を操作してスイッチをオンし、暖房運転開始を指示すると、制御手段６０は、循環ポンプ３０を所定の回転数で起動するとともに、室内ユニット側配管１２ｃに温水が流れるように三方弁３１を切り換える。これにより、水冷媒熱交換器３と室内ユニット４０との間で温水が循環する。

また、制御手段６０は、冷媒回路１０が暖房サイクルとなるように四方弁２を切り換える。具体的には、制御手段６０は、圧縮機１の吐出側と水冷媒熱交換器３とが接続されるよう、また、圧縮機１の吸入側と熱源側熱交換器５とが接続されるよう、四方弁２を切り換える。これにより、水冷媒熱交換器３が凝縮器として機能し、また、熱源側熱交換器５が蒸発器として機能する。

次に、制御手段６０は、圧縮機１およびファン７を起動してヒートポンプ式暖房給湯装置１００の暖房運転を開始する。制御手段６０は、出口水温センサ５７で検出された往き温度、つまり、水冷媒熱交換器３で加熱された水の温度が、使用者が設定した暖房運転の設定温度に対応する水温（以降、目標温度と記載）となるように圧縮機１を制御する。圧縮機１から吐出された冷媒は四方弁２を通過し、水冷媒熱交換器３で水と熱交換して凝縮し、さらに膨張弁４で減圧されて熱源側熱交換器５で外気と熱交換して蒸発し、圧縮機１に吸入されて再び圧縮機１で圧縮される過程を繰り返す。

一方、水冷媒熱交換器３で加熱された温水は、循環ポンプ３０の駆動によって給湯配管１２ａに流出し、三方弁３１を介して室内ユニット側配管１２ｃを流れて室内ユニット４０に流入する。室内ユニット４０が設置されている部屋は、室内ユニット４０を流れる温水の放熱によって暖房される。室内ユニット４０から流出した温水は、接続点１３、循環ポンプ３０を介して水冷媒熱交換器３に流入し、再び冷媒と熱交換を行って加熱される。

次に、沸き上げ運転を行う場合について説明する。暖房運転では、制御手段６０は、出口水温センサ５７で検出された往き温度が、使用者が設定した暖房運転の設定温度に対応する目標温度となるように圧縮機１の駆動制御を行うが、沸き上げ運転では、出口水温センサ５７で検出された往き温度が、後述する貯湯タンク７０に貯留されている水温の目標値である沸き上げ温度に対応する目標温度となるように圧縮機１を制御する。尚、沸き上げ運転時の冷媒回路１０の制御については、上述した暖房運転時と同じであるため、以下で詳細な説明は省略する。

貯湯タンク７０に貯留されている温水は、給湯口７３から流出することによって減少する。入水口７２には前述したように水道管が直結されているので、水道水の水圧によって貯湯タンク７０には、減少した分だけ入水口７２から水が供給される。これにより、貯湯タンク７０に貯留されている温水の温度は低下する。

制御手段６０は、貯湯タンク７０に貯留されている温水の温度として、貯湯タンク温度センサ５８で検出した貯湯タンク温度を常時監視しており、取り込んだ貯湯タンク温度が、沸き上げ温度から予め定められた所定温度（例えば、５℃）低い温度である沸き上げ開始温度以下となれば、貯湯タンク７０に貯留されている温水の温度を沸き上げ温度とするために沸き上げ運転を開始する。

制御手段６０は、循環ポンプ３０を所定回転数で起動するとともに、貯湯タンク側配管１２ｂに水が流れるように三方弁３１を切り換える。これにより、水冷媒熱交換器３と貯湯タンク７０との間で温水が循環する。水冷媒熱交換器３で加熱された温水は、循環ポンプ３０の運転によって水冷媒熱交換器３から給湯配管１２ａに流出し、三方弁３１を介して貯湯タンク側配管１２ｂを流れて貯湯タンク７０内部に配置されている熱交換部７１に流入する。貯湯タンク７０に貯留されている水は、熱交換部７１を流れる温水によって加熱される。熱交換部７１から流出した温水は、接続点１３、循環ポンプ３０を介して水冷媒熱交換器３に流入し、再び冷媒と熱交換を行って加熱される。

上述したように、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００が暖房運転や沸き上げ運転を行うときは、出口水温センサ５７で検出された往き温度（以降、往き温度Ｔｇと記載）が目標温度（以降、目標温度Ｔｔと記載）となるように、圧縮機１の回転数が制御されるが、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００のＣＯＰは、圧縮機１の回転数によりその値が変化する。この、圧縮機１の回転数とＣＯＰとの関係について、図２を用いて詳細に説明する。

図２は、圧縮機１の回転数（以降、圧縮機回転数Ｒと記載）とＣＯＰとの関係を示す図であり、縦軸はＣＯＰの値を示し、横軸は圧縮機回転数Ｒ（単位：ｒｐｓ）を示している。そして、図２では、外気温度をＴｏとし、異なる外気温度Ｔｏ１とＴｏ２（Ｔｏ１＞Ｔｏ２）であるときの、それぞれの圧縮機回転数ＲとＣＯＰとの関係を一例として図示している。

ヒートポンプ式暖房給湯装置１００が暖房運転や沸き上げ運転を行い、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔに到達すると、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔに対し所定の範囲となるよう、圧縮機１の回転数が制御される。例えば、目標温度Ｔｔが４０℃である場合、往き温度Ｔｇが３８℃（以降、下限温度Ｔｔ２と記載）以上４２℃（以降、上限温度Ｔｔ１と記載）未満となるように、圧縮機１の回転数が制御される。

往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔ付近の温度となれば、室内ユニット４０が設置された部屋の温度や貯湯タンク７０内の水温が、各々の設定温度に近い温度となっているため、水冷媒熱交換器３から流出して室内ユニット４０や貯湯タンク７０で流入する温水の放熱量は少なくなる。水冷媒熱交換器３から流出する温水の放熱量が少なくなれば、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔ付近の温度で安定するので、水冷媒熱交換器３における凝縮温度がほとんど変化しなくなる。つまり、冷媒回路１０における４つの過程（圧縮過程／凝縮過程／膨張過程／蒸発過程）のうち、圧縮過程を除いた３つの過程の効率はほとんど変化しない。

一方、圧縮機１の運転効率は、圧縮機１の種類や外気温度Ｔｏにより異なるが、最適回転数Ｒｍのときの運転効率が最大となるように設計されており、最適回転数Ｒｍよりも回転数が上昇あるいは低下すると、圧縮機１の運転効率は悪化する。つまり、上述した冷媒回路１０における４つの過程（圧縮過程／凝縮過程／膨張過程／蒸発過程）のうちの圧縮過程の効率が悪化する。これは、圧縮機１に搭載されているモータの運転効率特性によるものである。従って、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００の冷媒回路１０における効率は、水冷媒熱交換器３における凝縮温度がほとんど変化しない場合、圧縮機１の運転効率に大きく左右され、圧縮機回転数Ｒが最適回転数Ｒｍであるときに冷媒回路１０の運転効率が最大となり、圧縮機回転数Ｒが最適回転数Ｒｍより上昇あるいは低下すると、冷媒回路１０の運転効率が悪化する。

上述した往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１と下限温度Ｔｔ２との間の温度となるように制御しているときに、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上の温度となっている場合は、圧縮機回転数Ｒを低下させて往き温度Ｔｇを目標温度Ｔｔまで低下させる必要がある。このとき、圧縮機回転数Ｒを最適回転数Ｒｍ以下に低下させると、冷媒回路１０の効率は悪化するので、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００のＣＯＰが悪化する。

以上のことから、図２に示すように、各外気温度Ｔｏ１、Ｔｏ２において、ＣＯＰが最高値となる圧縮機回転数Ｒ、つまり、圧縮機１の運転効率が最大となる最適回転数Ｒｍが存在し、外気温度Ｔｏ１のとき、最適回転数Ｒｍ１でＣＯＰが最高値Ｃ１となり、外気温度Ｔｏ２のとき、最適回転数Ｒｍ２でＣＯＰが最高値Ｃ２となる。ここで、Ｒｍ１＜Ｒｍ２、Ｃ１＞Ｃ２であり、外気温度Ｔｏが低いほど、低い圧縮機回転数Ｒで高いＣＯＰとなる。そして、各外気温度Ｔｏ１、Ｔｏ２におけるＣＯＰは、圧縮機回転数Ｒが各々最適回転数Ｒｍ１、Ｒｍ２より低下してもＣＯＰが悪化する。

以上述べた問題点を解決するために、往き温度Ｔｇを低下させるために圧縮機回転数Ｒを低下させているとき、圧縮機回転数Ｒが最適回転数Ｒｍより所定の割合低い圧縮機回転数（以降、下限回転数Ｒｄと記載）となれば、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高いか否かを判断し、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高ければ圧縮機１を下限回転数Ｒｄで運転し続け、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高ければ圧縮機１を停止する。

例えば、図２に示すように、各外気温度Ｔｏ１、Ｔｏ２において、圧縮機回転数Ｒを低下させて最適回転数Ｒｍ１、Ｒｍ２より１０％低い下限回転数Ｒｄ１、Ｒｄ２となれば（図２の点Ｐ１および点Ｐ２となれば）、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高いか否かを判断し、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高くなければ圧縮機１を下限回転数Ｒｄ１、Ｒｄ２で運転し続け、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高ければ圧縮機１を停止する。

これにより、往き温度Ｔｇを低下させて上限温度Ｔｔ１と下限温度Ｔｔ２の間の温度にしつつ、圧縮機回転数Ｒの回転数低下に起因するヒートポンプ式暖房給湯装置１００のＣＯＰの悪化を抑制できる。尚、圧縮機１を停止している間は、水冷媒熱交換器３で水の加熱が行われないが、水の熱容量が大きいことから、短時間圧縮機１が停止しても室内ユニット４０や貯湯タンク７０において急激に水温が低下することがない。よって、本発明を実施しても、使用者に不快感を与えることがない。

制御手段６０が、上述した往き温度Ｔｇを上限温度Ｔｔ１と下限温度Ｔｔ２の間の温度にするために圧縮機１を制御するときは、図３に示す圧縮機回転数テーブル２００を用い、外気温度センサ５２で検出した外気温度Ｔｏ（単位：℃）と目標温度Ｔｔとに応じた下限回転数Ｒｄを抽出している。そして、制御手段６０は、圧縮機回転数Ｒを低下させているときに下限回転数Ｒｄとなれば、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高いか否かを判断し、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高くなければ圧縮機１を下限回転数Ｒｄで運転し続け、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１より高ければ圧縮機１を停止する。尚、圧縮機１を停止したことによって往き温度Ｔｇが低下して下限温度Ｔｔ２以下となれば、制御手段６０は、圧縮機１を下限回転数Ｒｄで再起動する。

制御手段６０の図示しない記憶部には、図３に示す圧縮機回転数テーブル２００が記憶されている。この圧縮機回転数テーブル２００は、予め実施された試験の結果等に基づいて作成し制御手段６０に記憶されているものである。

圧縮機回転数テーブル２００は、外気温度Ｔｏと目標温度Ｔｔとに応じて、ＣＯＰが最高値となる最適回転数Ｒｍと、最適回転数Ｒｍから所定の割合（本実施形態では、１０％）だけ低い下限回転数Ｒｄとが定められたものである。

図３に示すように、外気温度Ｔｏは、５℃未満、５℃以上１０℃未満、１０℃以上、の３つの温度範囲に区分されている。また、外気温度Ｔｏの３つの温度範囲それぞれについて、目標温度Ｔｔは、３０℃未満、３０℃以上４０℃未満、４０℃以上、の３つの温度範囲に区分されて割り当てられている。

例えば、外気温度Ｔｏが５℃未満のとき、目標温度Ｔｔが３０℃未満では最適回転数Ｒｍが３０ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが２７ｒｐｓ、と定められており、また、目標温度Ｔｔが３０℃以上４０℃未満では最適回転数Ｒｍが３５ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが３２ｒｐｓ、と定められており、また、目標温度Ｔｔが４０℃以上では最適回転数Ｒｍが４０ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが３６ｒｐｓ、と定められている。つまりは、目標温度Ｔｔが上昇するのにつれて、最適回転数Ｒｍおよび下限回転数Ｒｄが上昇するように定められている。

また、目標温度Ｔｔが４０℃以上であるときの、外気温度Ｔｏの温度範囲違いの最適回転数Ｒｍおよび下限回転数Ｒｄを見ると、外気温度Ｔｏが５℃未満のときが、上述したように最適回転数Ｒｍが４０ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが３６ｒｐｓ、であるのに対し、外気温度Ｔｏが５℃以上１０℃未満のときが、最適回転数Ｒｍが３５ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが３２ｒｐｓ、と定められ、外気温度Ｔｏが１０℃以上のときが、最適回転数Ｒｍが３０ｒｐｓ、下限回転数Ｒｄが２７ｒｐｓ、と定められている。つまりは、外気温度Ｔｏが上昇するのにつれて、最適回転数Ｒｍおよび下限回転数Ｒｄが低下するように定められている。

次に、図４を用いて、圧縮機回転数テーブル２００を用いて圧縮機１を制御しているときに起こる問題と、この問題を解決する本発明の動作について説明する。図４は、圧縮機１の運転／停止と、往き温度Ｔｇの変化とを表したタイミングチャートである。図４において、前述した往き温度Ｔｇ、目標温度Ｔｔ、上限温度Ｔｔ１、下限温度Ｔｔ２に加えて、閾温度をＴｓ、閾温度超過時間をｔｉ、超過限度時間をｔｅとしている。また、圧縮機１を下限回転数Ｒｄで運転する場合を運転１、最適回転数Ｒｍで運転する場合を運転２としている。ここで、閾温度Ｔｓは、予め定められている目標温度Ｔｔ以上上限温度Ｔｔ１未満の温度であり、例えば、目標温度Ｔｔが４０℃、上限温度Ｔｔ１が４２℃であるとき、閾温度Ｔｓは４１．５℃とされる。また、閾温度超過時間ｔｉは、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満となっている状態の継続時間である。また、超過限度時間ｔｅは予め定められている閾温度超過時間ｔｉの限度時間であり、圧縮機１の運転効率が向上する継続運転時間（例えば、１０分間）より長いことが好ましい。

前述したように、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置１００では、圧縮機回転数Ｒが下限回転数Ｒｄとなれば、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上であるか否かを判断し、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上であれば圧縮機１を停止する。圧縮機１を停止しているときに、往き温度Ｔｇが下限温度Ｔｔ２以下となれば、圧縮機１を下限回転数Ｒｄで再起動する（図４の運転１）。そして、圧縮機１を下限回転数Ｒｄで再起動して往き温度Ｔｇが上昇し、再び往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上となれば、圧縮機１を停止する。

例えば、圧縮機１を下限回転数Ｒｄで再起動して往き温度Ｔｇが上昇しているとき、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓを超えて（図４の点Ｑ１）からの時間である閾温度超過時間Ｔｉ１が短時間のうちに往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上となれば、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔよりも高い温度となっている状態で圧縮機１を運転している時間が短時間となるので、無駄なヒートポンプ式暖房給湯装置１００の運転時間が短くなってＣＯＰがさほど悪化しない。

一方、室内ユニット４０の暖房負荷（例えば、室内ユニット４０が設置された部屋の日射状態）や外気温度Ｔｏによっては、図４に示すように、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ越えて（図４の点Ｑ２）からの時間である閾温度超過時間Ｔｉ２が長時間となっても上限温度Ｔｔ１に到達しない場合がある。このような場合は、室内ユニット４０や貯湯タンク７０で設定温度以上の温度となっている虞があり、また、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上となっていないために、圧縮機１が下限回転数Ｒｄで継続運転されている。つまり、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００を無駄に運転している状態となっており、この状態が長時間継続（上記の例では、閾温度超過時間Ｔｉ２継続）すると、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００のＣＯＰ向上の妨げになるという問題があった。

そこで、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置１００では、圧縮機１を再起動して往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓとなれば時間計測を開始して、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満となっている時間、つまり、閾温度超過時間Ｔｉの計測を開始する。そして、閾温度超過時間Ｔｉが、図４で示す閾温度超過時間Ｔｉ２のように超過限度時間Ｔｅ以上（図４の点Ｘ）となれば、圧縮機１の回転数を下限回転数Ｒｄから最適回転数Ｒｍに上昇させる（運転１から運転２に切り替える）。そして、圧縮機１を最適回転数Ｒｍで運転しているときに往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１以上となれば、圧縮機１を停止する。圧縮機１の回転数を、ＣＯＰが最高値となる最適回転数Ｒｍまで上昇させることで往き温度Ｔｇの上昇を早め、往き温度Ｔｇを上限温度Ｔｔ１に早く到達させて圧縮機１を停止させるので、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔ以上の温度で圧縮機１が運転され続けることを防止でき、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００のＣＯＰを向上させることができる。

次に、図５に示すフローチャートを用いて、上述した圧縮機回転数テーブル２００を用いて、暖房運転時や沸き上げ運転時に制御手段６０が行う圧縮機１の制御について説明する。図５に示すフローチャートは、ヒートポンプ式暖房給湯装置１００で暖房運転や沸き上げ運転を行うとき、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１と下限温度Ｔｔ２との間に収まるよう、圧縮機１を制御する際の処理の流れを示すものであり、ＳＴはステップを表し、これに続く数字はステップ番号を表している。尚、図５では、往き温度Ｔｇを目標温度Ｔｔまで上昇させるときの圧縮機１の制御や膨張弁４の開度制御、等といった、本発明に関わる制御以外のヒートポンプ式暖房給湯装置１００の制御に関しては、図示と説明を省略している。

制御手段６０は、暖房運転や沸き上げ運転を行っているとき、出口温度センサ５７で検出した往き温度Ｔｇを取り込み、暖房運転や沸き上げ運転の設定温度に応じて定められて記憶部に記憶されている目標温度Ｔｔ以上であるか否かを判断する（ＳＴ１）。往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔ以上でなければ（ＳＴ１−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ１に処理を戻し、現在の圧縮機回転数Ｒを維持する。尚、暖房運転や沸き上げ運転を開始して往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔとなるまでは、制御手段６０は、圧縮機回転数Ｒを起動時回転数（例えば、６０ｒｐｓ）として圧縮機１を駆動している。また、制御手段６０は、往き温度Ｔｇを所定時間毎（例えば、３０秒毎）に取り込んでいる。

ＳＴ１において、往き温度Ｔｇが目標温度Ｔｔ以上であれば（ＳＴ１−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、圧縮機回転数Ｒを低下させる（ＳＴ２）。尚、制御手段６０は、圧縮機回転数Ｒを所定速度、例えば、２ｒｐｓ／３０秒、で低下させる。

次に、制御手段６０は、圧縮機回転数Ｒが下限回転数Ｒｄ以下となったか否かを判断する（ＳＴ３）。尚、制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出した外気温度Ｔｏを所定時間毎（例えば、３０秒毎）に取り込んでおり、これと記憶している目標温度Ｔｔとを用い、圧縮機回転数テーブル２００を参照して下限回転数Ｒｄを抽出している。

圧縮機回転数Ｒが下限回転数Ｒｄ以下となっていなければ（ＳＴ３−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ２に処理を戻し、圧縮機回転数Ｒを低下させ続ける。圧縮機回転数Ｒが下限回転数Ｒｄ以下となっていれば（ＳＴ３−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満であるか否かを判断する（ＳＴ４）。

往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満であれば（ＳＴ４−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、圧縮機１を最低回転数Ｒｄで継続運転する（ＳＴ１１）。次に、制御手段６０は、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上となったか否かを判断する（ＳＴ１２）。

往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上となっていなければ（ＳＴ１２−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ４に処理を戻す。往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上となっていれば（ＳＴ１２−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、閾温度超過時間ｔｉの計測を開始する（ＳＴ１３）。

次に、制御手段６０は、往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満でなければ（ＳＴ１４−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ４に処理を戻す。往き温度Ｔｇが閾温度Ｔｓ以上上限温度Ｔｔ１未満であれば（ＳＴ１４−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、閾温度超過時間ｔｉが超過限度時間ｔｅ以上であるか否かを判断する（ＳＴ１５）。

閾温度超過時間ｔｉが超過限度時間ｔｅ以上でなければ（ＳＴ１５−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ１４に処理を戻す。閾温度超過時間ｔｉが超過限度時間ｔｅ以上であれば（ＳＴ１５−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、タイマーをリセットし（ＳＴ１６）、圧縮機回転数Ｒを最適回転数Ｒｍとして圧縮機１を運転する（ＳＴ１７）。尚、制御手段６０は、外気温度センサ５２で検出した外気温度Ｔｏを所定時間毎（例えば、３０秒毎）に取り込んでおり、これと記憶している目標温度Ｔｔとを用い、圧縮機回転数テーブル２００を参照して最適回転数Ｒｍを抽出している。

次に、制御手段６０は、圧縮機１を最適回転数Ｒｍで運転しているときの往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満であるか否かを判断する（ＳＴ１８）。往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満であれば（ＳＴ１８−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、ＳＴ１７に処理を戻し、圧縮機１を最適回転数Ｒｍで継続運転する。往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満でなければ（ＳＴ１８−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ５に処理を進める。

ＳＴ４において、往き温度Ｔｇが上限温度Ｔｔ１未満でなければ（ＳＴ４−Ｎｏ）、制御手段６０は、圧縮機１を停止する（ＳＴ５）。次に、制御手段６０は、往き温度Ｔｇが下限温度Ｔｔ２以下であるか否かを判断する（ＳＴ６）。往き温度Ｔｇが下限温度Ｔｔ２以下でなければ（ＳＴ６−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ５に処理を戻して圧縮機１を停止し続ける。往き温度Ｔｇが下限温度Ｔｔ２以下であれば（ＳＴ６−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、最低回転数Ｒｄで圧縮機１を再起動する（ＳＴ７）。

次に、制御手段６０は、タイマー計測を開始し（ＳＴ８）、タイマー計測開始つまり圧縮機１の再起動から所定時間が経過したか否かを判断する（ＳＴ９）。所定時間が経過していなければ（ＳＴ９−Ｎｏ）、制御手段６０は、ＳＴ９に処理を戻して圧縮機１を最低回転数Ｒｄで駆動させ続ける。所定時間が経過していれば（ＳＴ９−Ｙｅｓ）、制御手段６０は、タイマーをリセットし（ＳＴ１０）、ＳＴ４に処理を戻す。ここで、ＳＴ９における所定時間は、前述した圧縮機１の運転効率が向上する継続運転時間（例えば、１０分間）であり、圧縮機１の運転時間が所定時間より短い場合は運転効率が悪化し、所定時間より長くなれば圧縮機１の運転効率は向上する時間である。

以上説明した通り、本発明のヒートポンプ式暖房給湯装置は、往き温度が目標温度より所定温度高い温度である閾温度以上上限温度未満となっている閾温度超過時間が、所定の超過限度時間以上となれば、圧縮機の回転数を最適回転数まで上昇させ、往き温度が上限温度以上となれば圧縮機を停止する。圧縮機の回転数を、ＣＯＰが最高値となる最適回転数まで上昇させることで往き温度の上昇を早め、往き温度を上限温度に早く到達させて圧縮機を停止させるので、往き温度が目標温度以上の温度で圧縮機が運転され続けることを防止でき、ヒートポンプ式暖房給湯装置のＣＯＰを向上させることができる。

以上説明した実施形態では、下限回転数Ｒｄを、ＣＯＰが最高値なるときの圧縮機１の回転数である最適回転数Ｒｍより所定の割合低い回転数としたが、これに代えて、下限回転数ＲｄをＣＯＰの最高値より所定の割合低いＣＯＰの値（例えば、ＣＯＰの最高値より５％低いＣＯＰ値）に対応する圧縮機１の回転数としてもよい。

１ 圧縮機
３ 水冷媒熱交換器
１０ 冷媒回路
１２ 給湯回路
４０ 室内ユニット
５５ 外気温度センサ
５７ 出口温度センサ
６０ 制御手段
７０ 貯湯タンク
１００ ヒートポンプ式暖房給湯装置
２００ 圧縮機回転数テーブル
Ｃ１ ＣＯＰの最高値
Ｃ２ ＣＯＰの最高値
Ｔｏ 外気温度
Ｔｔ 目標温度
Ｔｔ１ 上限温度
Ｔｔ２ 下限温度
Ｔｇ 往き温度
Ｔｓ 閾温度
ｔｉ、ｔｉ１、ｔｉ２ 閾温度超過時間
ｔｅ 超過限度時間
Ｒ 圧縮機回転数
Ｒｍ 最適回転数
Ｒｄ 下限回転数

Claims (3)

1. 圧縮機と、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、流量調整手段と、熱源側熱交換器とを順次接続してなる冷媒回路と、
   暖房端末と前記水冷媒熱交換器との間で循環ポンプの運転により温水を循環させる給湯回路と、
   前記水冷媒熱交換器から流出する水温である往き温度を検出する往き温度検出手段と、
   前記圧縮機を制御する制御手段と、
   を有するヒートポンプ式暖房給湯装置であって、
   前記制御手段は、
   前記往き温度を、前記暖房端末で要求される能力に応じた目標温度を含み上限温度と下限温度とで定められる温度範囲内に収めるために、前記圧縮機をＣＯＰが最高値となる前記圧縮機の回転数である最適回転数より所定回転数低い下限回転数で運転しているとき、
   前記往き温度が、前記目標温度と前記上限温度との間の所定温度である閾温度以上となったか否かを判断し、
   前記往き温度が前記閾温度以上となっていれば、前記往き温度が前記閾温度となってから同閾温度以上前記上限温度未満の温度となっている時間である閾温度超過時間を計測し、
   前記閾温度超過時間が予め定められる超過限度時間以上となれば、前記圧縮機の回転数を前記最適回転数とし
   前記圧縮機を前記最適回転数で運転しているとき、前記往き温度が前記上限温度以上となれば、前記圧縮機を停止する、
   ことを特徴とするヒートポンプ式暖房給湯装置。
2. 前記制御手段は、
   前記閾温度超過時間が前記超過限度時間となるまでは、前記圧縮機を前記下限回転数で駆動し続け、
   前記圧縮機を前記下限回転数で運転しているとき、前記往き温度が前記上限温度以上となれば、前記圧縮機を停止する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式暖房給湯装置。
3. 前記下限回転数は、ＣＯＰの最高値から所定の割合低いＣＯＰの値に対応する前記圧縮機の回転数である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暖房給湯装置。

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