JP5761016B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。

ヒートポンプ式給湯機は、タンクから取り出した低温水を、水熱交換器において冷媒との熱交換により加熱して、タンクに戻す装置であって、圧縮機や電動弁（減圧弁）等を含む冷媒回路を有する（例えば特許文献１参照）。ヒートポンプ式給湯機は、沸上運転時には、圧水熱交換器で加熱された温水の温度（出湯温度）が、目標出湯温度に近付くように制御される。目標出湯温度は、リモコンで設定される給湯温度や、使用予定湯量などに基づいて変更される場合がある。

このようなヒートポンプ式給湯機には、例えば図３に示すように、沸上運転の起動時から所定時間が経過するまでの間、電動弁の開度を、目標出湯温度に関わらず、外気温度に基づいた所定の開度に制御（固定制御）して、所定時間が経過した後、出湯温度と目標出湯温度とに基づいて、電動弁の開度を制御（フィードバック制御）するものがある。そして、外気温度が低い場合には、目標出湯温度が低いときでも、できるだけ速く目標出湯温度に到達させるために、起動時の電動弁の開度は、最も高い目標出湯温度に合わせて小さく設定されている。

特開２００２−１２２３６２号公報

しかしながら、外気温度が低い場合に、起動時の電動弁の開度を、目標出湯温度に関わらず、最も高い目標出湯温度に合わせて設定した開度とした制御では、出湯温度を大きく上昇させるために開度を小さくした起動となるから、目標出湯温度が低い場合には、目標出湯温度とフィードバック制御開始時の出湯温度との温度差が小さくなる。したがって、フィードバック制御が開始された場合でも、出湯温度が目標出湯温度を超えてしまうため、出湯温度のハンチング（上下変動）が生じてしまう。
その結果、ＣＯＰ（着霜期ＣＯＰ）が低下すると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間が長くなる。

そこで、本発明は、外気温度が低い場合に、ＣＯＰの低下を抑制できると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間を短縮化できるヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、温水を加熱するための水熱交換器、電動弁及び空気熱交換器を順に接続した冷媒回路と、前記水熱交換器、タンク及び前記タンクからの温水を前記水熱交換器へ供給するポンプを順に接続した給湯回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、沸上運転の起動時から所定時間が経過するまでの間、前記電動弁を所定の開度に維持する第１制御と、前記所定時間が経過したあと、出湯温度が目標出湯温度に近づくように出湯温度を調整する第２制御とが行われるものであり、外気温度が所定温度以下において起動される場合に、前記第１制御時における前記電動弁の開度が、目標出湯温度が高いほど小さくされることを特徴とする。

このヒートポンプ式給湯機では、外気温度が低い場合に、起動時の電動弁の開度が目標出湯温度に基づいて制御されるため、目標出湯温度が低い場合であっても、出湯温度を目標出湯温度に近づけるフィードバック制御を開始する時点の出湯温度が高くなりすぎるのを防止できる。そのため、出湯温度のハンチングを抑制することができ、ＣＯＰの低下を抑制できると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間を短縮できる。

第２の発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、温水を加熱するための水熱交換器、電動弁及び空気熱交換器を順に接続した冷媒回路と、前記水熱交換器、タンク及び前記タンクからの温水を前記水熱交換器へ供給するポンプを順に接続した給湯回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、外気温度が所定温度以下において起動される場合に、前記電動弁が、目標出湯温度、および、目標出湯温度に対応した目標吐出温度と起動時の吐出温度との温度差に基づいて制御されることを特徴とする。

このヒートポンプ式給湯機では、起動時の電動弁の開度が、目標吐出温度と起動時の吐出温度との温度差に基づいて制御されるため、起動時の吐出温度が高い場合（例えば運転を終了した直後に起動した場合）であっても、フィードバック制御を開始する時点の出湯温度が高くなりすぎるのを防止できるため、出湯温度のハンチングを抑制することができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１の発明では、外気温度が低い場合に、起動時の電動弁の開度が目標出湯温度に基づいて制御されるため、目標出湯温度が低い場合であっても、出湯温度を目標出湯温度に近づけるフィードバック制御を開始する時点の出湯温度が高くなりすぎるのを防止できる。そのため、出湯温度のハンチングを抑制することができ、ＣＯＰの低下を抑制できると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間を短縮できる。

第２の発明では、起動時の電動弁の開度が、目標吐出温度と起動時の吐出温度との温度差に基づいて制御されるため、起動時の吐出温度が高い場合（例えば運転を終了した直後に起動した場合）であっても、フィードバック制御を開始する時点の出湯温度が高くなりすぎるのを防止できるため、出湯温度のハンチングを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の配管系統図である。 沸上運転時の電動弁等の制御値と出湯温度と吐出温度を示すグラフである。 従来のヒートポンプ式給湯機における沸上運転時の電動弁等の制御値と出湯温度と吐出温度を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ式給湯機１は、給湯端末に温水を供給するための装置であって、給湯端末に供給される温水を貯留するタンク３１を有する給湯ユニット３と、タンク３１内の温水を加熱するためのヒートポンプユニット２とを備えている。このヒートポンプ式給湯機１は、タンク３１に貯留される温水を加熱する沸上運転を行うと共に、ヒートポンプユニット２の空気熱交換器１４に付着した霜または雪を除去するために、沸上運転の途中で沸上運転を一時的に停止してデフロスト運転を行う。

［ヒートポンプユニット２の構成］
ヒートポンプユニット２は、冷媒（例えばＣＯ_２）が循環する冷媒回路４を有している。冷媒回路４は、圧縮機１１と、温水を加熱するための水熱交換器１２と、電動弁１３と、空気熱交換器１４と、これらを順に接続する配管とを備えている。冷媒回路４は、水熱交換器１２から出る高温高圧の冷媒と、空気熱交換器１４から出る冷温低圧の冷媒との間で熱交換を行うための液ガス熱交換器１６を備えている。

この冷媒回路４においては、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、水熱交換器１２に供給されて水熱交換器１２において温水との熱交換により冷却された後、液ガス熱交換器１６でさらに冷却される。その後、冷媒は電動弁１３において減圧された後、空気熱交換器１４において外気との熱交換により加熱されて、圧縮機１１に戻る。

空気熱交換器１４には、空気熱交換器１４の能力を調整するためのファン１５が付設されている。また、電動弁１３は開度が変更可能である。電動弁１３の開度を小さくすることで、圧縮機１１から吐出される冷媒の温度（吐出温度）が上昇する。開度を大きくした場合は、その逆となる。

また、ヒートポンプユニット２は、空気熱交換器１４の温度（空気熱交温度）を検知するための熱交サーミスタ２１と、圧縮機１１から吐出された冷媒の温度（吐出温度）を検知するための吐出サーミスタ２２と、外気温度を検知するための外気サーミスタ２３とを有する。

［給湯ユニット３の構成］
給湯ユニット３は、タンク３１を介して接続された沸上回路５と給湯回路６を有する。タンク３１は、その上部に給湯出口３１ａと上部戻し口３１ｂを有しており、下部に給水口３１ｃと取出口３１ｄと下部戻し口３１ｅを有する。

沸上回路５は、水熱交換器１２と、タンク３１と、ポンプ３２と、これらを順に接続する配管とを有する。この沸上回路５においては、ポンプ３２の駆動によって、タンク３１内の温水が取出口３１ｄから取り出されて、水熱交換器１２に供給されて水熱交換器１２において加熱された後、上部戻し口３１ｂまたは下部戻し口３１ｅからタンク３１内に戻される。

また、沸上回路５は、タンク３１の上部戻し口３１ｂと下部戻し口３１ｅのいずれかを水熱交換器１２と連通させるための三方弁３３を有している。三方弁３３は、水熱交換器１２で加熱された温水の温度（出湯温度）に応じて切り換えられる。出湯温度が低い場合（例えば沸上運転の起動直後）には、三方弁３３は、水熱交換器１２で加熱された温水が下部戻し口３１ｅからタンク３１内に流入するように切り換えられ、出湯温度が目標出湯温度に近付くと、水熱交換器１２で加熱された温水が上部戻し口３１ｂからタンク３１内に流入するように切り換えられる。

また、ポンプ３２は回転数が変更可能であり、ポンプ３２の回転数を下げることで、タンク３１に戻される温水の流量が低減すると共に、その温度が上昇する。ポンプ３２の回転数を上げた場合は、その逆となる。

また、沸上回路５は、水熱交換器１２に流入する温水の温度（入水温度）を検知する入水サーミスタ４１と、水熱交換器１２で加熱された温水の温度（出湯温度）を検知する出湯サーミスタ４２とを有する。

給湯回路６は、タンク３１の給湯出口３１ａから出湯された温水と給水源から供給された水とを混合弁３４において混合して給湯端末に供給するように構成されている。また、給湯回路６は、給湯出口３１ａから温水が出湯される際、同時に、給水源からの水が給水口３１ｃからタンク３１内に供給されるように構成されている。そのため、タンク３１内の温水がすべて加熱されて高温となっている場合を除けば、タンク３１内の温水の温度は、上部が高温、下部が低温となっている。

また、タンク３１の外側面には、複数のタンクサーミスタ４３が、上下方向に並んで取り付けられている。タンクサーミスタ４３は、タンク３１内の温水の温度を検知するためのものである。タンクサーミスタ４３により検知された温度は、タンク３１内に高温の温水がどれだけ残っているかを検知（残湯量検知）するために用いられる。

［制御部の構成］
次に、ヒートポンプ式給湯機１を制御する制御部について説明する。
制御部は、冷媒回路４の圧縮機１１、電動弁１３、ファン１５、沸上回路５のポンプ３２、三方弁３３を制御して、沸上運転およびデフロスト運転を制御する。また、制御部は、給湯端末から温水が出湯される場合には、設定された温度の温水が給湯端末に供給されるように混合弁３４を制御する。

制御部は、タンク３１の残湯量などに基づいて沸上運転を開始するか否か判定する。また、制御部は、リモコン等で設定された給湯温度および使用予定湯量などに基づいて目標出湯温度を設定すると共に、この目標出湯温度に基づいて目標吐出温度を設定する。本実施形態では、目標出湯温度は、６５℃と９０℃の２種類である。沸上運転時には、制御部は、冷媒回路４の電動弁１３、圧縮機１１、ファン１５、および沸上回路５のポンプ３２を制御する。表１に示すように、本実施形態では、沸上運転起動時の制御が、起動時の外気温度によって異なる。なお、沸上運転の起動時とは、沸上運転を一時的に中断してデフロスト運転（除霜運転）を行った後で沸上運転を再開するときを含む。

（沸上運転起動時の外気温度が温度Ｔａ以下の場合）
図２のグラフは、外気温度が所定の温度Ｔａ（例えば５℃）以下であって、デフロスト運転から沸上運転（目標出湯温度６５℃）に復帰して再びデフロスト運転を行う場合における圧縮機１１の周波数、電動弁１３の開度、ポンプ３２の回転数指令値、吐出温度、および出湯温度を示している。

制御部は、起動時の電動弁１３の開度を、目標出湯温度に基づいて設定した開度に制御し、起動時から時間ｔ１が経過するまで、この開度を維持する。本実施形態では、起動時の電動弁１３の開度は、目標出湯温度ごとに予め設定されており、目標出湯温度が高いほど小さい（表１参照）。

また、制御部は、起動時から所定の時間ｔ１が経過するまでの間、ポンプ３２の回転数を、目標出湯温度に基づいて設定した回転数に制御すると共に、圧縮機１１の運転周波数を、目標の周波数に対して階段状に上昇させる。

沸上運転起動時から時間ｔ１が経過した後は、制御部は、出湯サーミスタ４２で検知される出湯温度や吐出サーミスタ２２で検知される吐出温度等に基づいて、出湯温度が目標出湯温度に近付くように、電動弁１３の開度、ポンプ３２の回転数、および圧縮機１１の運転周波数を制御する。この制御をフィードバック制御という。

（沸上運転起動時の外気温度が温度Ｔａよりも高い場合）
制御部は、起動時の電動弁１３の開度を、目標出湯温度に関わらず、所定の開度に制御し、起動時から時間ｔ１が経過するまで、この開度を維持する。このときの開度は、起動時の外気温度がＡ以下の場合における起動時の電動弁１３の開度よりも大きい（表１参照）。

また、制御部は、起動時から時間ｔ１が経過するまでの間、ポンプ３２の回転数を、目標出湯温度に関わらず、所定の回転数に制御すると共に、圧縮機１１の運転周波数を、目標の周波数に対して階段状に上昇させる。

沸上運転起動時から時間ｔ１が経過した後は、起動時の外気温度が温度Ｔａ以下の場合と同様に、フィードバック制御を行う。

ここで、図２中の一点鎖線は、起動時の電動弁の開度を目標出湯温度に関わらず一定の開度とする従来の制御の場合（図３）における電動弁の開度、ポンプの回転数指令値、吐出温度、および出湯温度を示している。起動時の電動弁の開度を目標出湯温度に関わらず一定の開度とする場合には、起動時の電動弁の開度は、高い方の目標出湯温度の場合に合わせた開度に設定される。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機１では、起動時の外気温度が温度Ｔａ以下の場合、電動弁１３の開度を目標出湯温度に基づいて制御するため、図２に示すように、目標出湯温度が６５℃の場合、起動時の電動弁１３の開度は、図２中一点鎖線で示す従来の制御における開度よりも大きくなる。したがって、フィードバック制御を開始するときの出湯温度は、従来の制御の場合よりも低くなるため、目標出湯温度とフィードバック制御開始時の出湯温度との温度差は、従来の制御の場合よりも大きくなることから、出湯温度および吐出温度のハンチング（上下変動）を抑制できる。その結果、ＣＯＰの低下を抑制できると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間を短縮できる。
また、本実施形態のヒートポンプ式給湯機１では、起動時の外気温度が温度Ｔａ以下の場合には、ポンプ３２の回転数も目標出湯温度に基づいて制御するため、出湯温度のハンチングをより確実に抑制できる。

また、起動時の外気温度が温度Ｔａよりも高い場合には、出湯温度の立ち上がりが速いため、目標出湯温度９０℃の起動時に電動弁開度を小さくする必要がなく、目標出湯温度が６５℃に対応した電動弁１３の開度と目標出湯温度９０℃に対応した電動弁１３の開度とが同一であることから、目標出湯温度６５℃の場合でもハンチングが生じない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成は、上記実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記実施形態では、沸上運転起動時の外気温度が温度Ｔａ以下の場合、起動時の電動弁１３の開度を目標出湯温度のみに基づいて設定しているが、目標出湯温度に対応する目標吐出温度と起動時の吐出温度との温度差に基づいて開度を設定してもよい。温度差（目標吐出温度から吐出温度を引いた値）が大きいほど、開度を小さくする。つまり、起動時の吐出温度が同じ場合では、目標吐出温度が高いほど開度を小さくし、目標吐出温度が同じ場合では、起動時の吐出温度が低いほど開度を小さくする。

本発明を利用すれば、外気温度が低い場合に、ＣＯＰの低下を抑制できると共に、起動から出湯温度が安定するまでの時間を短縮化できる。

１ ヒートポンプ式給湯機
２ ヒートポンプユニット
３ 給湯ユニット
４ 冷媒回路
５ 沸上回路
６ 給湯回路
１１ 圧縮機
１２ 水熱交換器
１３ 電動弁
１４ 空気熱交換器
１５ ファン
３１ タンク
３２ ポンプ

Claims (2)

1. 圧縮機、温水を加熱するための水熱交換器、電動弁及び空気熱交換器を順に接続した冷媒回路と、前記水熱交換器、タンク及び前記タンクからの温水を前記水熱交換器へ供給するポンプを順に接続した給湯回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
   沸上運転の起動時から所定時間が経過するまでの間、前記電動弁を所定の開度に維持する第１制御と、前記所定時間が経過したあと、出湯温度が目標出湯温度に近づくように出湯温度を調整する第２制御とが行われるものであり、
   外気温度が所定温度以下において起動される場合に、前記第１制御時における前記電動弁の開度が、目標出湯温度が高いほど小さくされることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 圧縮機、温水を加熱するための水熱交換器、電動弁及び空気熱交換器を順に接続した冷媒回路と、前記水熱交換器、タンク及び前記タンクからの温水を前記水熱交換器へ供給するポンプを順に接続した給湯回路とを備えたヒートポンプ式給湯機であって、
   外気温度が所定温度以下において起動される場合に、前記電動弁が、目標出湯温度、および、目標出湯温度に対応した目標吐出温度と起動時の吐出温度との温度差に基づいて制御されることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

Images