JP3864768B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式給湯装置は、一般には図７に示すように、貯湯タンク７０を有するタンクユニット７１と、冷媒回路７２を有する熱源ユニット７３とを備える。また、冷媒回路７２は、圧縮機７４と水熱交換器７５と膨張弁７７と蒸発器７８とを順に接続して構成される。そして、タンクユニット７１は、上記貯湯タンク７０と循環路７９とを備え、この循環路７９には、水循環用ポンプ８０と熱交換路８１とが介設されている。この場合、熱交換路８１は水熱交換器７５にて構成される。
【０００３】
上記装置においては、圧縮機７４を駆動させると共に、ポンプ８０を駆動（作動）させると、貯湯タンク７０の底部に設けた取水口から貯溜水（温湯）が循環路７９に流出し、これが熱交換路８１を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器７５によって加熱され（沸上げられ）、湯入口から貯湯タンク７０の上部に返流される。これによって、貯湯タンク７０に高温の温湯を貯めるものである。また、現状の電力料金制度は深夜の電力料金単価が昼間に比べて安価に設定されているので、この運転は、低額である深夜時間帯（例えば、２３時から７時までの時間帯）に行い、ランニングコストの低減を図るようにする場合が多くなっている。すなわち、深夜のうちに昼間に使用する温湯を貯湯タンク７０に貯める、いわゆる全量沸上運転を行うものである。
【０００４】
また、季節や使用する人数等によって必要とする湯量が相違し、深夜時間帯内に沸上げた貯湯タンク７０の湯量では不足することがあり、このような場合には、その不足分を昼間において沸上げる追い焚き運転Ａを行う必要があった。さらに、その設定していた必要湯量の温湯が沸上げられているにもかかわらず、予定していた必要湯量よりも多く使用される場合には、貯湯タンク７０の湯がなくなる「湯切れ」現象が生じるおそれがあり、このような場合にも、その不足分を昼間において沸上げる追い焚き運転Ｂを行う必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、上記全量沸上運転、及び追い焚き運転Ａ、Ｂは、全て同じ設定で運転していた。すなわち、圧縮機７４の周波数、蒸発器７８のファン回転数、循環ポンプ８０の回転数等を同一として運転していた。しかしながら、季節により入水温度（熱交換路８１に流入する水の温度）、蒸発器７８のファン回転数、出湯温度（熱交換路８１から流出する温湯の温度）が相違しているので、季節にかかわらず同一の設定で運転すれば、ＣＯＰを最適とすることができなかった。
【０００６】
また、湯切れを防止（回避）するための上記追い焚き運転Ｂでは、短時間で所定量の温湯を沸き上げる必要があるにもかかわらず、他の運転と同一の設定で運転を行ったのでは、短時間で沸き上げることができなかった。そのため、この追い焚き運転Ｂでは、湯切れに間に合わない場合もあった。
【０００７】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、季節を問わず、高いＣＯＰの運転が可能であり、また、湯切れの発生を防止することが可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプユニット２と、このヒートポンプユニット２にて沸上げられた温湯を貯える貯湯タンク３を有するタンクユニット１とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、深夜時間帯の沸上運転と、この深夜時間外の昼間の追加沸上運転とを行うことにより所定熱容量の湯を沸上げるように構成し、この深夜時間の沸上運転と追加沸上運転との両運転時に、上記ヒートポンプユニット２の圧縮機２５の周波数と蒸発器２８のファン風量とを季節に応じて変更する運転制御を行い、また設定される必要湯量よりも多く使用されたときの不足分の追い焚き時には、圧縮機２５の周波数と蒸発器２８のファン風量とを、上記季節に応じて変更された周波数とファン風量よりも増加させる周波数風量増加運転を行うことを特徴としている。
【０００９】
請求項１のヒートポンプ式給湯装置では、各運転において、ヒートポンプユニット２の圧縮機２５の周波数及びファン風量を季節に応じて変更して、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。すなわち、圧縮機２５の周波数及びファン風量を、外気温度が高い夏場では低く設定し、外気温度が低い冬場では高く設定することによって、季節に応じて能力を変更する。これによって、ＣＯＰの最適化を図ることができる。また、深夜時間の沸上運転と、昼間の追加沸上運転とを行うので、一日の必要湯量が貯湯タンク３の容量を越えるものであっても、この必要湯量を確保することができ、「湯切れ」の発生を防止することができる。さらに、追い焚き時が周波数及びファン風量を増加させる周波数風量増加運転であるので、沸上能力が向上する。このため、ある量の湯を所定温度まで沸上げる場合、通常の能力にて沸上げる時間よりもその沸上時間が短縮される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のヒートポンプ式給湯装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのヒートポンプ式給湯装置の簡略図を示し、このヒートポンプ式給湯装置は、タンクユニット１とヒートポンプユニット（熱源ユニット）２を備え、タンクユニット１の水（温湯）をヒートポンプユニット２にて加熱するものである。
【００１９】
タンクユニット１は貯湯タンク３を備え、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に出湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に市水が供給され、出湯口６から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが循環路１２にて連結されている。そして、この循環路１２に水循環用ポンプ１３と熱交換路１４とが介設されている。なお、給水口５には給水用流路８が接続されている。
【００２０】
ところで、貯湯タンク３には、上下方向に所定ピッチで５個の残湯量検出器１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅが設けられている。この上記各残湯量検出器１８a・・は、例えば、それぞれサーミスタからなる。また、上記循環路１２には、熱交換路１４の上流側に取水サーミスタ２０が設けられると共に、熱交換路１４の下流側に出湯サーミスタ２１が設けられている。
【００２１】
次に、ヒートポンプユニット（熱源ユニット）２は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機２５と、熱交換路１４を構成する水熱交換器２６と、電動膨張弁（減圧機構）２７と、空気熱交換器（蒸発器）２８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機２５の吐出管２９を水熱交換器２６に接続し、水熱交換器２６と電動膨張弁２７とを冷媒通路３０にて接続し、電動膨張弁２７と蒸発器２８とを冷媒通路３１にて接続し、蒸発器２８と圧縮機２５とをアキュームレータ３２が介設された冷媒通路３３にて接続している。これにより、水熱交換器２６が圧縮機２５が駆動すると、熱交換路１４を流れる水を加熱することができる。なお、上記空気熱交換器２８にはファン３４が付設されている。
【００２２】
ところで、このヒートポンプ式給湯装置の制御部は、図２に示すように、上記各残湯量検出器１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ等にて構成される残湯量検出手段３９と、次の表１のデータ等が設定される設定手段４０と、残湯量検出手段３９にて検出された検出値に基づいて圧縮機２５の周波数等を補正する補正手段４１と、残湯量検出手段３９や設定手段４０等のデータが入力される制御手段４２等を備える。なお、制御手段４２は例えばマイクロコンピュータを用いて構成することができる。
【００２３】
【表１】

【００２４】
上記ヒートポンプ式給湯装置は、上記設定手段４０にて設定された数値に基づいて上記制御手段４２にて圧縮機２５等を制御しつつ運転される。この表１では、１年を５分割して、圧縮機２５の周波数を冬場が最も高く、また夏場が最も低くなるように順次８６Ｈｚ、７４Ｈｚ、５８Ｈｚ、４４Ｈｚ、４０Ｈｚとしている。そして、圧縮機２５の周波数が８６Ｈｚのときに空気熱交換器２８のファン３４のファン回転数を５５０ｒｐｍとし、圧縮機２５の周波数が７４Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機２５の周波数が５８Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機２５の周波数が４４Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機２５の周波数が４０Ｈｚのときにファン回転数を４５０ｒｐｍとしている。この場合、各段階の吐出温度（吐出管温度）制限値を表１で示すように、１２０℃〜１１０℃としている。
【００２５】
次に、上記のように構成されたヒートポンプ式給湯装置の通常の運転制御を図３を使用して説明する。ステップＳ１で示されるように、各季節に応じて設定されている圧縮機２５の周波数（通常値）、ファン回転数（通常値）、吐出温度制限値（通常値）で運転を行う。すなわち、圧縮機２５を駆動させると共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）させる。すると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口１０から貯溜水（温湯）が流出し、これが循環路１２の熱交換路１４を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器２６によって加熱され（沸上げられ）、湯入口１１から貯湯タンク３の上部に返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に温湯が貯められることになる。
【００２６】
そして、ステップＳ２で入水温度（取水サーミスタ２０の温度）Ｔ６が６０℃以上か否かを判断する。６０℃以上であれば、貯湯タンク３の下部からの湯が６０℃以上であるので、貯湯タンク３内の湯が沸上っているとして、ステップＳ３へ移行してこの運転を停止する。また、ステップＳ２で６０℃未満であれば、まだ貯湯タンク３の下部の湯が沸上がっていないと判断して、ステップ１に戻って沸上までこの通常値の沸上運転を継続する。
【００２７】
この場合、季節毎に運転条件（通常値）を上記表１で示されるように変更している。そのため、一年を通じて所定時間内に所定熱容量の湯を沸上げることができる。すなわち、冬場においては、入水温度が低いので、圧縮機２５の周波数を大として能力をアップし、夏場においては、入水温度が高いので、圧縮機２５の周波数を小として運転することになる。これによって、季節にかかわらずＣＯＰを最適とすることができる。
【００２８】
ところで、この運転としては、図４に示す深夜時間帯（２３時から７時まで）で運転するのが好ましい。これは、現状の電力料金制度は深夜の電力料金単価が昼間に比べて安価に設定されているからである。しかしながら、上記図３のフローチャートのように運転しても、１日の必要湯量が深夜時間帯に沸上がらない量であれば（貯湯タンク３の容量以上であれば）、図４に示す昼間（７時から２３時まで）に追加の追い焚き運転（追加沸上運転）を行う必要がある。この追加沸上運転も、各季節に応じた通常値（表１の設定値等）で行う。
【００２９】
次に、この昼間の追加沸上運転を図５のフローチャート図に基づいて説明する。まず、ステップＳ４で残湯量検出器１８ｅにて検出された温度（Ｔ５）が４５℃以下であるかを判断する。Ｔ５が４５℃を越えていれば、貯湯タンク３の下部まで、４５℃を越えた温湯が存在するものであるので、追加の追い焚き運転を行う必要がなく、Ｔ５が４５℃以下であれば、この貯湯タンク３の下部には低温の温湯が有することになって、追加の追加沸上運転を行う必要があるからである。そのため、ステップＳ４で、追加沸上運転を行う必要がないと判断すれば、このまま追い焚きすることなく、追加沸上運転を必要とするまで待つ。そして、追加沸上運転を必要とすると判断すれば、ステップＳ５へ移行して追加沸上運転を開始する。
【００３０】
このステップＳ５では、上記図３のステップＳ１と同様、各季節に応じて設定されている圧縮機２５の周波数（通常値）、ファン回転数（通常値）、吐出温度制限値（通常値）で運転を行う。次に、ステップＳ６へ移行して、追加の追い焚き運転を終了するか否かの判断を行う。この場合、熱交換路１４に入る入水温度（Ｔ６）を取水サーミスタ２０にて検出して、この温度が所定温度であるかの判断と、予め設定していた所定時間（例えば、１時間）が終了しているかの判断を行う。すなわち、入水温度（Ｔ６）が６０℃を越えているか、または追加運転時間が終了していれば、ステップＳ７へ移行してこの運転を停止して終了する。また、入水温度（Ｔ６）が６０℃未満で、かつ追加運転時間が終了していなければ、まだ、この追加沸上運転が必要であると判断して、追加沸上運転が終了と判断されるまでこの追加沸上運転を継続する。
【００３１】
このように、貯湯タンク３の温湯が使用されて減少して、追加沸上運転が可能となった場合に、追加沸上運転が行われ、これによって、一日の必要湯量を確保することになって、貯湯タンク３の温湯がなくなる湯切れを防止することができる。しかも、貯湯タンク３内の温湯が減ったらその分を補充するものであり、いわゆる「使ったら追い焚き」運転を行うことになって、料金が高い昼間の無駄な追い焚き運転を防止することができる
【００３２】
ところで、上記のように、深夜時間帯のみの運転と、または深夜時間帯の運転及び上記追加沸上運転とを行って、一日の必要湯量の湯を沸上げるものであるが、予定外の量の湯を使用する場合があり、このような場合には、さらに上記追加沸上運転とは相違する補充のための追い焚き運転を行う必要がある。そして、この追い焚き運転は、予定外の使用に対する補充であるために、短時間に補充しなければ、貯湯タンク３内の湯がなくなって「湯切れ」が発生するおそれがある。
【００３３】
そのため、この追い焚き運転は図６に示すフローチャート図にしたがって運転される。この追い焚き運転では、まず、ステップＳ８でこの追い焚き運転を必要か否かの判断を行う。この場合、残湯量検出器１８ａにて検出された温度（Ｔ１）が４５℃以下であるかの判断を行う。すなわち、この温度（Ｔ１）が４５℃以下であれば、貯湯タンク３の上部の湯の温度がこの４５℃以下の低温であるので、使用すべき温度の湯がなくなっている状態であり、追い焚きを行う必要があるからである。そのため、ステップＳ８で温度（Ｔ１）が４５℃を越えている場合には、まだ追い焚き運転を行う必要がないと判断して、追い焚き運転を必要とするまでこの追い焚き運転を行わない。そして、ステップＳ８で温度（Ｔ１）が４５℃以下で追い焚き運転を行う必要があると判断すれば、ステップＳ９へ移行して、追い焚き運転を行う。
【００３４】
この追い焚き運転では、各季節に応じて設定されている圧縮機２５の周波数（通常値）、ファン回転数（通常値）、吐出温度制限値（通常値）にそれぞれ上記補正手段４１にて設定される補正値１、２、３を加えて運転する。周波数の補正値１は５〜１０Ｈｚであり、ファン回転数の補正値２は５０ｒｐｍであり、吐出温度制限値の補正値３は１０℃である。この補正値１、２、３を付加することによって、沸上能力を向上させることができる。このため、ある量の湯を所定温度に沸上げる場合に、通常値での運転時間よりも補正値１、２、３を加えた値での運転時間を短かくすることができる。すなわち、予定していた一日の必要湯量よりも多く使用される場合において、この不足分を短時間で補充することができる。
【００３５】
次に、ステップＳ１０へ移行してこの追い焚き運転を終了するか否かの判断を行う。すなわち、ステップＳ１０で、温度（Ｔ１）が６０℃以上であるかの判断と、この運転が所定時間（例えば、３０分）継続されたかの判断とを行う。そして、温度（Ｔ１）が６０℃以上であり、かつ３０分継続していれば、この追い焚き運転を停止するものとして、ステップＳ１１へ移行してその運転を停止して終了する。また、温度（Ｔ１）が６０℃未満であるか、または３０分継続していなければ、まだ、この追い焚き運転を停止する必要がないと判断して、追い焚き運転を終了すると判断されるまで追い焚き運転を継続する。
【００３６】
この図６に示すフローチャート図のような運転を行えば、追加の湯を短時間に沸上げることができ、使用中に所望する温度の湯を確保できなくなる「湯切れ」を防止することができる。ところで、図６に示すフローチャート図の追い焚き運転では、圧縮機２５の周波数を増加させる周波数増加運転と、ファン風量を増加させる風量増加運転とを行っているが、どちらか一方の増加運転であってよい。すなわち、どちらか一方の増加運転であっても沸上能力を向上させることができ、追い焚き運転の運転時間の短縮を図ることができるからである。しかしながら、周波数増加運転と、風量増加運転とを同時に行えば、確実な能力向上を達成でき、不足分のすばやい沸上が可能となり、「湯切れ」をより確実に回避することができる。
【００３７】
上記の実施の形態の図３に示す全量沸上運転、図５に示す追加沸上運転、図６に示す追い焚き運転では、湯量検出器１８ｂの温度Ｔ２、湯量検出器１８ｃの温度Ｔ３、湯量検出器１８ｄの温度Ｔ３、湯量検出器１８ｅの温度Ｔ４、出湯サーミスタ２１等を使用しなかったが、これらを使用してもよい。これらを使用することによって、貯湯タンク３の温度分布状況を確実に把握することができ、沸上運転、追加沸上運転、及び追い焚き運転をより細かく行うことができ、各運転の制御が安定する。
【００３８】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、圧縮機２５の周波数等の季節毎も設定値（通常値）として、表１に限るものではなく、一年を６以上や４以下の範囲に分割して、各範囲毎にその範囲に対応する通常値を設定するようにしてもよい。範囲を多く設定すれば、より細かい制御を行うことができる。また、周波数増加運転時の周波数の増加量（補正値１）や風量増加運転時のファン風量の増加量（補正値２）としても、必要とする追い焚き量や追い焚き時間等に応じて、さらには、各季節等に応じて任意に増減することができる。なお、追加沸上運転（予定される必要湯量を確保するために昼間の追加運転）においても、必要があれば、周波数増加運転や風量増加運転を行ってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１のヒートポンプ式給湯装置によれば、各運転は、季節に応じた能力の変更を行うことができ、ＣＯＰの最適化（高ＣＯＰの運転）を図ることができる。すなわち、一年を通じて低ランニングコストで安定した運転が可能であり、装置としての寿命の向上を図ることができる。また、深夜時間の沸上運転と、この深夜時間外の昼間に必要湯量に対する不足分の追加沸上運転とを行うので、一日の必要湯量が貯湯タンクの容量を越えるものであっても、この必要湯量を確保することができ、「湯切れ」の発生を防止することができる。これにより、湯の安定した供給が可能となって、使用者は快適に過ごすことができる。さらに、設定される必要湯量よりも多く使用されるときの不足分の追い焚き時に、能力が向上する。これにより、予め設定された一日の必要湯量よりも多く使用される場合において、この不足分を短時間で補充することができ、この使用による「湯切れ」の発生を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のヒートポンプ式給湯装置の実施形態を示す簡略図である。
【図２】上記ヒートポンプ式給湯装置の制御部の簡略ブロック図である。
【図３】上記ヒートポンプ式給湯装置の運転制御を示すフローチャート図である。
【図４】上記ヒートポンプ式給湯装置が運転を行う深夜時間帯と昼間との説明図である。
【図５】上記ヒートポンプ式給湯装置の追加沸上運転を示すフローチャート図である。
【図６】上記ヒートポンプ式給湯装置の追い焚き運転を示すフローチャート図である。
【図７】従来のヒートポンプ式給湯装置の簡略図である。
【符号の説明】
１ タンクユニット
２ ヒートポンプユニット
３ 貯湯タンク
２５ 圧縮機
２８ 蒸発器

Claims (1)

1. ヒートポンプユニット（２）と、このヒートポンプユニット（２）にて沸上げられた温湯を貯える貯湯タンク（３）を有するタンクユニット（１）とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、深夜時間帯の沸上運転と、この深夜時間外の昼間の追加沸上運転とを行うことにより所定熱容量の湯を沸上げるように構成し、この深夜時間の沸上運転と追加沸上運転との両運転時に、上記ヒートポンプユニット（２）の圧縮機（２５）の周波数と蒸発器（２８）のファン風量とを季節に応じて変更する運転制御を行い、また設定される必要湯量よりも多く使用されたときの不足分の追い焚き時には、圧縮機（２５）の周波数と蒸発器（２８）のファン風量とを、上記季節に応じて変更された周波数とファン風量よりも増加させる周波数風量増加運転を行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。

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