JP3801169B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有し、圧縮機の吐出冷媒温度が目標値になるように膨張弁開度を制御するヒートポンプ給湯装置に関する。

従来から圧縮機の吐出冷媒温度が目標値になるように膨張弁開度を制御するヒートポンプ給湯装置が提案されている。

そして、外気温度によって変わる給湯能力と給湯負荷をマッチングさせるために、外気温度に応じて圧縮機の吐出冷媒温度の目標値を決定し、吐出冷媒温度が目標値になるように膨張弁制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献１）。

外気温度が高い場合に吐出冷媒温度の目標値を下げることで、増大した給湯能力と低下した給湯負荷をマッチングさせることができ、また外気温度が低い場合に吐出冷媒温度の目標値を上げることで、低下した給湯能力と増大した給湯負荷をマッチングさせることができる。
特開２００１−７４２６２号公報（請求項１）

ヒートポンプ給湯装置は安価な夜間電力を使って一日に使用する湯量を確実にタンク内に貯湯する必要がある。

しかし、一日に使用する湯量は使用者によってバラバラであり、一日に使用する湯量に合わせて貯湯タンク内部の湯温を調整する必要がある。

また、外気温度によって吐出冷媒温度の目標値を決定し、給湯能力と給湯負荷をマッチングさせるものではあるが、貯湯タンク内部を任意の目標湯温にするための制御ではない。

本発明は、貯湯タンク内部を任意の目標湯温に沸き上げることができるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有したヒートポンプ給湯装置であって、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記給湯用熱交換器で熱交換された後の目標出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、前記圧縮機から冷媒が吐出された後の吐出冷媒温度の目標値を決定する目標吐出冷媒温度決定手段とを備え、前記目標出湯温度設定手段で設定した目標出湯温度に、目標出湯温度毎に設定された補正温度、または、前記目標出湯温度に依らず一定の補正温度を加算することで前記吐出冷媒温度の目標値を決定することを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、前記補正温度を前記目標出湯温度が高い場合に大きな値に決定し、前記目標出湯温度が低い場合に小さな値に決定することを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段を有し、前記入水温度検出手段によって検出された入水温度に応じて前記目標吐出冷媒温度を補正することを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度未満の場合に前記目標出湯温度に応じて目標吐出冷媒温度を決定することを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第１の設定温度未満の場合に前記目標吐出冷媒温度を上昇させることを特徴とする。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第２の設定温度以上の場合に、前記目標吐出冷媒温度を低下させることを特徴とする。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、目標出湯温度に合わせた最適な目標吐出冷媒温度を決定することができ、貯湯タンク内部を任意の目標湯温に沸き上げることができる。

第１の発明は、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有したヒートポンプ給湯装置であって、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記給湯用熱交換器で熱交換された後の目標出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、前記圧縮機から冷媒が吐出された後の吐出冷媒温度の目標値を決定する目標吐出冷媒温度決定手段とを備え、前記目標出湯温度設定手段で設定した目標出湯温度に、目標出湯温度毎に設定された補正温度、または、前記目標出湯温度に依らず一定の補正温度を加算することで前記吐出冷媒温度の目標値を決定することにより、目標出湯温度から目標吐出冷媒温度を決定するため、貯湯タンク内部を任意の目標湯温に沸き上げることができ、安価な夜間電力を使って、使用者ごとに異なる一日の必要湯量を確実にタンク内に貯湯することができ、目標出湯温度毎に設定された補正温度もしくは目標出湯温度に依らず一定の補正温度を用いて前記吐出冷媒温度を決定するので、目標出湯温度から目標吐出冷媒温度を決定する際のデータ量を減らすことができ、安価な制御装置を使用することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯装置において、補正温度を目標出湯温度が高い場合に大きな値に決定し、目標出湯温度が低い場合に小さな値に決定することにより、出湯温度を目標出湯温度に沸き上げるのに必要な熱量を確実に与えることができる。

第３の発明は、特に、第１または２の発明のヒートポンプ給湯装置において、給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段を有し、前記入水温度検出手段によって検出された入水温度に応じて前記目標吐出冷媒温度を補正することにより、目標出湯温度から決定される目標吐出冷媒温度を入水負荷に応じて補正することができ、貯湯タンク内部を任意の目標湯温により一層確実に沸き上げることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明のヒートポンプ給湯装置において、目標吐出冷媒温度決定手段で、入水温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度未満の場合に目標出湯温度に応じて目標吐出冷媒温度を決定することにより、給湯能力不足や高圧の異常過昇を生じない範囲の入水温度であれば、目標出湯温度に応じて目標吐出冷媒温度を決定するため、目標出湯温度に応じた最適な目標吐出冷媒温度を決定することができる。

第５の発明は、特に、第３または４の発明のヒートポンプ給湯装置において、目標吐出冷媒温度決定手段で、入水温度が第１の設定温度未満の場合に目標吐出冷媒温度を上昇させることにより、入水温度が低すぎる場合には、目標吐出冷媒温度を上昇させて能力不足を補い、貯湯タンク内部を任意の目標湯温により一層確実に沸き上げることができる。

第６の発明は、特に、第３〜５の発明のヒートポンプ給湯装置において、目標吐出冷媒温度決定手段で、入水温度が第２の設定温度以上の場合に、目標吐出冷媒温度を低下させることにより、入水温度が高い場合には、目標吐出冷媒温度を低下させることで、高圧の異常過昇を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。

まず、本実施例によるヒートポンプ給湯装置のヒートポンプ回路について説明する。

本実施例によるヒートポンプ回路１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転することが好ましい。

ヒートポンプ回路１０は、圧縮機１１、給湯用熱交換器１２、メイン膨張弁１３Ａ、キャピラリーチューブ１３Ｂ、及び蒸発器１４を順に配管で接続して構成されている。ヒートポンプ回路１０には、圧縮機１１の温度を検出する温度センサ１０Ａ、圧縮機１１からの吐出冷媒温度を検出する温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）１０Ｂ、圧縮機１１からの吐出冷媒圧力を検出する圧力センサ１０Ｃ、蒸発器１４の吸入空気を検出する温度センサ１０Ｄを備えている。ここで、温度センサ１０Ａは圧縮機の起動の制御方法決定するための温度の検出を、圧力センサ１０Ｃは圧縮機１１又はヒートポンプ回路１０の冷媒抜け等の異常検出を行う。

次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯回路について説明する。

貯湯タンク２０の底部配管２１は、減圧弁３１を介して水道管等の水供給配管３２に接続されている。また貯湯タンク２０の底部配管２２は、循環ポンプ２３を介して給湯用熱交換器１２の水用配管１２Ａの流入側と接続されている。また、貯湯タンク２０の上部循環用配管２４は、水用配管１２Ａの流出側と接続されている。なお、本実施例による貯湯タンク２０は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

一方、貯湯タンク２０の上部出湯用配管３３は、混合弁３４に接続されている。また、貯湯タンク２０の底部配管２１から分岐させた出水用配管３５は、混合弁３４に接続されている。混合弁３４の流出側の出湯回路は、キッチン、又は洗面所等の給湯用の蛇口３６に接続されている。この出湯回路には、出湯量を検出する流量センサ３０Ａ、出湯温度を
検出する温度センサ３０Ｂを備えている。

なお、貯湯タンク２０には、貯湯タンク２０内の湯量を検出するための複数の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが設けられている。また、水用配管１２Ａの流入側配管には、貯湯タンク２０の底部配管２２から導出される入水温度を検出する温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄが設けられている。また、上部循環用配管２４には、水用配管１２Ａから導出される出湯温度を検出する温度センサ２０Ｅが設けられている。

以下、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。
時刻が所定時刻になるか、または、貯湯タンク２０内の温度センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって、貯湯タンク２０内の湯量が所定量以下となったことを検出すると、ヒートポンプ回路１０を動作させて貯湯運転を開始する。

ヒートポンプ回路１０では、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、給湯用熱交換器１２で放熱し、メイン膨張弁１３Ａ及びキャピラリーチューブ１３Ｂで減圧された後、蒸発器１４にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。

一方、循環ポンプ２３の運転により、貯湯タンク２０内の水は、底部配管２２を通って水用配管１２Ａに導かれ、水用配管１２Ａで加熱された温水は、上部循環用配管２４を通って貯湯タンク２０に戻される。

圧縮機１１での能力制御及び膨張弁１３での開度制御は、温度センサ１０Ｂで検出される吐出冷媒温度が、あらかじめ設定された温度を維持するように制御される。

次に、本実施例によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転時の膨張弁制御について図２から図４を用いて説明する。

圧縮機１１の起動から所定の時間は、起動時に設定した起動時膨張弁開度にて運転を行う。起動時膨張弁開度にて所定時間運転した後には、圧縮機１１からの吐出冷媒温度が所定の温度を維持するような通常運転モードに切り換える。なお、圧縮機１１の運転開始から通常運転モードに切り換えるまでは、膨張弁開度を段階的に上昇させる起動制御を行う。

まず、通常運転モードでの膨張弁開度制御機能を、図２を用いて説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの膨張弁開度制御機能を示すブロック図である。

膨張弁開度決定手段４０は、補正温度設定手段４１と目標吐出冷媒温度上限設定手段４２と入水負荷設定手段４３を有している。補正温度設定手段４１では、あらかじめ基準となる補正温度を、目標出湯温度設定手段２０Ｒによって設定される目標出湯温度毎に設定している。目標出湯温度が高い場合は目標出湯温度が低い場合に比べて補正温度を高く設定することが望ましいが、目標出湯温度に依らず補正温度を一定としてもよい。ここで、目標出湯温度とはリモコンなどにより設定される一日の使用予定湯量設定値と温度センサ１０Ｄで検出される外気温度によって決まる出湯温度の目標値である。目標出湯温度は使用予定湯量が少なめと設定された場合は外気温度に依らず一定の低い値にすることができる。使用予定湯量が多めの場合は目標出湯温度を高く設定するが、外気温度が非常に高く過負荷の場合は外気温度が低い場合に比べて目標出湯温度を低く設定する。目標吐出冷媒温度上限設定手段４２では、目標出湯温度設定手段２０Ｒによって設定された目標出湯温度に補正温度設定手段４１によって設定された補正温度を加算したものがあらかじめ設定
されている目標吐出冷媒温度上限値よりも高いかどうかを判断して、高い場合には基本目標吐出冷媒温度を目標吐出冷媒温度上限値とし、低い場合には加算した値を基本目標吐出冷媒温度としている。入水負荷設定手段４３では、入水温度によって複数の区間に区分し、それぞれの区分において増減する目標吐出冷媒温度の修正量を設定している。例えば、この入水負荷設定手段４３では、第１の設定温度と第２の設定温度を設け、第１の設定温度と第２の設定温度の間を標準温度として、入水温度が標準温度の場合には基本目標吐出冷媒温度に変更を加えず、第１の設定温度より低い温度では低負荷温度として基本目標吐出冷媒温度を増加させ、第２の設定温度より高い温度では高負荷温度として基本目標吐出冷媒温度を減少させるように設定している。

また、膨張弁開度決定手段４０は、基本目標吐出冷媒温度決定手段４４と入水負荷決定手段４５と目標吐出冷媒温度決定手段４６と膨張弁開度操作量決定手段４７とを有している。

基本目標吐出冷媒温度決定手段４４では、目標出湯温度設定手段２０Ｒによって設定された目標出湯温度と補正温度設定手段４１によって設定される補正温度と目標吐出冷媒温度上限設定手段４２で設定している判断式から基本目標吐出冷媒温度を決定する。入水負荷決定手段４５では、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄで検出した入水温度と入水負荷設定手段４３で設定しているテーブルから入水負荷を決定する。

目標吐出冷媒温度決定手段４６では、基本目標吐出冷媒温度決定手段４４と入水負荷決定手段４５によって目標吐出冷媒温度を決定する。

膨張弁開度操作量決定手段４７では、温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）１０Ｂで検出した吐出冷媒温度と目標吐出冷媒温度決定手段４６で決定した目標吐出冷媒温度との差から膨張弁開度操作量を決定する。この膨張弁開度操作量決定手段４７で決定された膨張弁開度操作量によって膨張弁開度制御手段４８がメイン膨張弁１３Ａを制御する。

図３は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの膨張弁開度操作量決定の流れを示すフローチャートである。

運転開始時には、まず目標出湯温度信号を受信するとともに、温度センサ（入水温度検出手段）２０Ｄで入水温度を、温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）１０Ｂで吐出冷媒温度を、それぞれ検出する。

まずステップ１にて、受信した目標出湯温度信号に基づいて補正温度を決定し、ステップ２にて、目標出湯温度に補正温度を加算したものが目標吐出冷媒温度上限値よりも高いかどうかを判断し、低い場合（ステップ３）には、目標出湯温度に補正温度を加算したものを基本目標吐出冷媒温度とし、高い場合（ステップ４）には、目標吐出冷媒温度上限値を基本目標吐出冷媒温度とする。入水温度が第１の設定温度よりも低い場合（ステップ５）には、基本目標吐出冷媒温度を上昇させるように修正を行う（ステップ７）。また、入水温度が第２の設定温度よりも高い場合（ステップ６）には、基本目標吐出冷媒温度を低下させるように修正を行う（ステップ９）。

以上のようにして、通常運転モードの目標吐出冷媒温度が決定され（ステップ８）、吐出冷媒温度と目標吐出冷媒温度との差から膨張弁開度操作量が決定される（ステップ１０）。

図４は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの目標吐出冷媒温度を示すグラフである。

図４に示すように、入水温度が第１の設定温度と第２の設定温度との間の標準領域にある場合には、基本的には目標出湯温度によって目標吐出冷媒温度が決定される。しかし、入水温度が第１の設定温度より低い低負荷領域では、入水温度の低下に応じて目標吐出冷媒温度を増加させるため、目標出湯温度と入水温度によって目標吐出冷媒温度が決定される。また、入水温度が第２の設定温度より高い高負荷領域では、入水温度の上昇に応じて目標吐出冷媒温度を低下させるため、目標出湯温度と入水温度によって目標吐出冷媒温度が決定される。

なお、本実施の形態では、貯湯タンクを有する場合で説明したが、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する瞬間湯沸かし式のヒートポンプ給湯装置であってもよい。

以上のように、本発明は、ヒートポンプ給湯装置における貯湯タンクの沸き上げ運転の他、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯する瞬間湯沸かし運転にも適用でき、また本発明のヒートポンプ給湯装置は、給湯機能の他に、例えば、浴槽給湯機能、暖房機能、乾燥機能を有する装置にも適している。

本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の回路構成図 本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの膨張弁開度制御機能を示すブロック図 本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの膨張弁開度操作量決定の流れを示すフローチャート 本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の通常運転モードでの目標吐出冷媒温度を示すグラフ

符号の説明

１０ ヒートポンプ回路
１０Ｂ 温度センサ（吐出冷媒温度検出手段）
１１ 圧縮機
１２ 給湯用熱交換器
１３Ａ メイン膨張弁
１４ 蒸発器
２０ 貯湯タンク
２０Ｄ 温度センサ（入水温度検出手段）
２２ 底部配管
２４ 上部循環用配管

Claims (6)

1. 圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプ回路を有したヒートポンプ給湯装置であって、前記圧縮機から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度検出手段と、前記給湯用熱交換器で熱交換された後の目標出湯温度を設定する目標出湯温度設定手段と、前記圧縮機から冷媒が吐出された後の吐出冷媒温度の目標値を決定する目標吐出冷媒温度決定手段とを備え、前記目標出湯温度設定手段で設定した目標出湯温度に、前記目標出湯温度毎に設定された補正温度、または、前記目標出湯温度に依らず一定の補正温度を加算することで前記吐出冷媒温度の目標値を決定することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 前記補正温度を前記目標出湯温度が高い場合に大きな値に決定し、前記目標出湯温度が低い場合に小さな値に決定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記給湯用熱交換器に供給される入水温度を検出する入水温度検出手段を有し、前記入水温度検出手段によって検出された入水温度に応じて前記目標吐出冷媒温度を補正することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第１の設定温度以上で第２の設定温度未満の場合に前記目標出湯温度に応じて目標吐出冷媒温度を決定することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第１の設定温度未満の場合に前記目標吐出冷媒温度を上昇させることを特徴とする請求項３または４に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記目標吐出冷媒温度決定手段で、前記入水温度が第２の設定温度以上の場合に、前記目標吐出冷媒温度を低下させることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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