JP5948709B2

JP5948709B2 - ヒートポンプ式給湯機

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Publication number: JP5948709B2
Application number: JP2012260350A
Authority: JP
Inventors: 智史小沼; 高木　純一; 純一高木
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014105945A

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の除霜運転（デフロスト）は、冷媒の熱量を水冷媒熱交換器に奪われないように蒸発器に送り込み、かつ、凍結防止の為に微少の流量の水を流しておくのが最適である。そのため、水循環ポンプを一定の回転速度で動作させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２９３８１１号公報

しかしながら、水冷媒熱交換器の水を流す水循環ポンプの回転速度を一定にすると、ヒートポンプ式給湯機の設置形態や物のばらつきによっては流量が多くなり過ぎてしまうことがあり、除霜運転時間が延びることで成績係数（ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）など）が低下したり、霜が残るなどの問題があった。なお、設置形態とは、タンクとヒートポンプユニットを繋ぐ配管長などを意味し、物のばらつきとは、タンクとヒートポンプユニットとの間で水を循環させる循環ポンプを構成する部品の製造誤差などを意味している。

本発明は、設置形態や物のばらつきによらず、効率的に除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯機を提供することを課題とする。

本発明は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒と液体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置から流出する冷媒を空気との間で熱交換した後に冷媒が前記圧縮機に流出する蒸発器と、を備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルで加熱された液体を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記熱交換器との間で液体を循環させる循環経路と、前記循環経路に液体を通流させ、回転速度を変更可能で且つ磁極位置検出手段を内蔵しない循環ポンプと、前記冷凍サイクルと前記循環ポンプとを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記蒸発器の除霜運転を実行する除霜運転制御手段を備え、前記除霜運転制御手段は、前記循環ポンプの回転速度を除霜運転開始時の回転速度から低下させ、前記循環ポンプが動作停止した場合には前記循環ポンプが動作停止した回転速度よりも高く且つ前記除霜運転開始時の回転速度よりも低い回転速度で前記循環ポンプを動作させることを特徴とする。

本発明によれば、設置形態や物のばらつきによらず、効率的に除霜運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯機を提供できる。

本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機を示す全体構成図である。第１実施形態に係る除霜運転時の動作を説明するフローチャートである。第１実施形態に係る除霜運転時の循環ポンプの動作を示すタイムチャートである。第２実施形態に係る除霜運転時の動作を説明するフローチャートである。第２実施形態に係る除霜運転時の循環ポンプの動作を示すタイムチャートである。

以下、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機Ｓ（以下、給湯機Ｓと略記する）について図１ないし図５を参照して詳細に説明する。まず、給湯機Ｓの全体の構成について図１を参照して説明する。

図１に示すように、給湯機Ｓは、ヒートポンプユニット１と、貯湯ユニット２とを備え、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とが、接続配管Ｓ１，Ｓ２を介して接続されることで構成されている。なお、接続配管Ｓ１，Ｓ２は、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２の設置条件に応じて、その長さが適宜変更される。

ヒートポンプユニット１は、圧縮機３と、水冷媒熱交換器４（熱交換器、凝縮器）と、減圧弁５（減圧装置）と、蒸発器６と、制御部５０と、で主に構成されている。また、ヒートポンプユニット１は、圧縮機３の吐出口と水冷媒熱交換器４の流入口とが冷媒配管Ｌ１によって接続され、水冷媒熱交換器４の流出口と減圧弁５の導入口とが冷媒配管Ｌ２によって接続され、減圧弁５の導出口と蒸発器６の流入口とが冷媒配管Ｌ３によって接続され、蒸発器６の流出口と圧縮機３の吸入口とが冷媒配管Ｌ４によって接続され、冷媒が圧縮機３、水冷媒熱交換器４、減圧弁５、蒸発器６の順に通流するように冷媒配管Ｌ１〜Ｌ４が環状に連結されることでヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成している。

なお、本実施形態での冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。また、本実施形態でのヒートポンプユニット１では、圧縮機３より吐出される冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。これにより、タンク１６内の水を、例えば９０℃という高い温度まで沸き上げることが可能になる。

圧縮機３は、蒸発器６から冷媒配管Ｌ４を介して戻ってきた冷媒を圧縮するとともに、圧縮した高温・高圧のガス冷媒（以下、ホットガスということがある）を、冷媒配管Ｌ１を介して水冷媒熱交換器４に送り出している。

また、圧縮機３は、容量制御が可能で、例えば、高温水（例えば、９０℃）をタンク１６に貯湯する場合は、通常よりも速い回転速度（例えば、３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の中温水（例えば、６５℃）をタンク１６に貯湯する場合は、比較的遅い回転速度（例えば、１０００〜２０００回転／分）で運転する。

また、圧縮機３は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、電圧制御（例えばＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御）およびこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば、１０００回転／分）から高速（例えば、６０００回転／分）まで回転速度の制御が行えるようになっている。

圧縮機３の吐出口に接続される冷媒配管Ｌ１には、高圧側の冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）を検出する圧力センサ８と、圧縮機３の高圧側の冷媒温度（圧縮機吐出温度）を検出する温度センサ９と、が設けられている。

水冷媒熱交換器４は、圧縮機３から吐出されたホットガス（高温・高圧のガス冷媒）を通流させる冷媒伝熱管４ａと、タンク１６からの水を通流させる水伝熱管４ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管４ａおよび水伝熱管４ｂは、冷媒と水とが相互に熱交換するように冷媒が通る冷媒伝熱管４ａと水が通る水伝熱管４ｂとが密着して設けられている。また、水冷媒熱交換器４は、冷媒伝熱管４ａの冷媒の流れと水伝熱管４ｂの水の流れが対向するように構成されている。水冷媒熱交換器４は、凝縮後の中温・高圧の冷媒を、冷媒配管Ｌ２を介して減圧弁５に送り出している。

減圧弁５は、電動膨張弁などで構成され、水冷媒熱交換器４からの中温・高圧の冷媒を減圧し、蒸発し易い低温低圧の冷媒として冷媒配管Ｌ３を介して蒸発器６に送り出している。また、減圧弁５は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能なものであり、制御部５０がこの絞り開度を変化させることで、ヒートポンプユニット１での冷媒循環量を調節するようになっている。また、減圧弁５は、制御部５０によって絞り開度が変えられることで、圧縮機３の冷媒圧力（圧縮機吐出圧力）を調節することができる。なお、減圧弁５は、蒸発器６に着霜した場合、絞り開度を所定開度（例えば、制御部５０が予め設けている最大開度）にして除霜運転（デフロスト）を実行する機能を有している。

蒸発器６は、送風機７の回転によって取り入れた空気（外気）と、蒸発器６内を通流する冷媒との間で熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、中温・低圧となった冷媒（ガス冷媒）は、冷媒配管Ｌ４を介して蒸発器６から圧縮機３に戻されることとなる。

蒸発器６の流出口に接続される冷媒配管Ｌ４には、蒸発器６の下流側（出口）での冷媒の温度を検出する温度センサ１０が設けられている。制御部５０は、例えば、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器出口温度）に基づいて蒸発器６での除霜運転（デフロスト）を実行するか否かを判定し（除霜運転制御手段）、除霜運転（デフロスト）を実行する場合には減圧弁５を全開にする。

また、ヒートポンプユニット１には、外気温度を検出する温度センサ１４が設けられている。温度センサ１４は、例えば、送風機７の近傍に設けられている。なお、詳細については後記するが、制御部５０は、温度センサ１４の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機３の吐出圧力（圧縮機吐出圧力）の目標値を決定している。なお、目標値は、温度センサ１１による水入口温度や温度センサ１２による水出口温度を加味して決定してもよい。

水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂの水が流入する入口には、供給配管３５の一端が接続され、他端が接続配管Ｓ１と接続されている。この供給配管３５は、冷媒で加熱される前の水（液体、被加熱流体）を水冷媒熱交換器４に供給するものである。また、供給配管３５には、循環ポンプ１３（ポンプ）が配置されている。また、供給配管３５には、水冷媒熱交換器４に導入される水の温度（水入口温度）を検出する温度センサ１１が設けられている。

水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂの水が流出する出口には、送出配管３６の一端が接続され、他端が接続配管Ｓ２と接続されている。この送出配管３６は、冷媒で加熱された水（液体、被加熱流体）を水冷媒熱交換器４からタンク１６に向けて送り出すものである。

また、送出配管３６には、水冷媒熱交換器４の水の出口温度（被加熱流体出口温度）を検出する温度センサ１２が設けられている。

循環ポンプ１３は、制御部５０によってモータ（不図示）の回転速度を制御することで、循環水の流量（質量流量）を調整できるようになっている。なお、循環ポンプ１３は、圧縮機３と同様に、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、電圧制御（例えばＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御）およびこれらの組み合わせ制御により、回転速度の制御が行えるようになっている。

本実施形態での循環ポンプ１３は、ヒートポンプユニット１内に設けられ、水（被加熱流体）を水伝熱管４ｂの入口側に送り込むように駆動するものである。なお、本実施形態では、循環ポンプ１３がヒートポンプユニット１側に設けられているが、貯湯ユニット２側に設けられていてもよい。

貯湯ユニット２は、水（被加熱流体）を貯蔵するタンク１６を備えている。このタンク１６の下部には、往き配管３７ａの一端が接続され、他端が接続配管Ｓ１と接続されている。また、タンク１６の下部には、給水配管３８ａの一端が接続されている。給水配管３８ａの他端には、図示しない給水口を介して給水源と接続されている。なお、給水源は、水道に限定されるものではなく、井戸水など他の給水源を利用してもよい。

タンク１６の上部には、戻り配管３７ｂの一端が接続され、他端が接続配管Ｓ２と接続されている。また、タンク１６の上部には、給湯配管３８ｂの一端が接続されている。給湯配管３８ｂの他端には、図示しない給湯口が設けられる。なお、給湯口は、台所、洗面所、風呂などの蛇口やシャワーなどの一般給湯端末、風呂などの浴槽給湯端末である。

給水配管３８ａには、タンク１６の上流側から分岐して、給湯配管３８ｂに合流する分岐配管３８ｃが接続されている。給湯配管３８ｂと分岐配管３８ｃとの合流部には、給湯混合弁１７が設けられている。

給湯混合弁１７は、給水配管３８ａの一部を通って分岐配管３８ｃから流れ込む水の量と、給湯配管３８から流れ込む湯の量とを適宜調節することで、給湯配管３８ｂの他端に設けられる給湯口（図示省略）から出る湯の温度（給湯温度）を調節する。給湯温度は、台所などに設けられたリモコンによって設定される。

なお、給湯機Ｓは、給水口から減圧せずに供給された水と、タンク１６内の湯とを熱交換器（不図示）を介して熱交換することで一般給湯端末に給湯を行う直圧方式（例えば、水道直圧式）に適用してもよく、給水口から減圧して供給された水と、タンク１６内の湯とを混合することで一般給湯端末に給湯を行う減圧弁方式（混合弁方式）に適用してもよい。

制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係る給湯機Ｓのヒートポンプユニット１を制御するようになっている。また、制御部５０は、圧縮機３の回転速度、減圧弁５の開度、送風機７のＯＮ／ＯＦＦおよび循環ポンプ１３の回転速度をそれぞれ制御し、温度センサ９，１０，１１，１２，１４が検出した各温度（検出値、実測値）、圧力センサ８の検出した圧力（検出値、実測値）をそれぞれ取得する。

また、制御部５０は、前記したように、温度センサ１０の検出する温度（蒸発器６の出口の冷媒温度、蒸発器出口温度）に基づいて蒸発器６の除霜運転（デフロスト）を行うか否かを判定する他、温度センサ９，１１，１２，１４の検出した温度（検出値、実測値）、および圧力センサ８の検出した圧力（検出値、実測値）などに基づいて、後記する手順により圧縮機吐出圧力の目標値および圧縮機吐出温度の目標値を算出するとともに、これらの検出値（実測値）および目標値に基づいて、圧縮機３の回転速度および減圧弁５の開度を制御する。

次に、本実施形態に係る給湯機Ｓの動作について説明する。この給湯機Ｓでは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、タンク１６を満たすように水が供給される。このとき、タンク１６には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水口から給水配管３８ａを介して水が加えられる。以下では、タンク１６に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。

そして、制御部５０は、タンク１６が水で満たされてから、貯湯運転（沸き上げ運転）を実行する。制御部５０は、圧縮機３を駆動することで圧縮機３から吐出するホットガス（高温・高圧のガス冷媒）を水冷媒熱交換器４の冷媒伝熱管４ａに送り込む。冷媒伝熱管４ａに送り込まれたホットガスは、水伝熱管４ｂ内の水に熱を放出することで凝縮する。そして、水伝熱管４ｂ内の水はホットガスで加熱される。

そして、水冷媒熱交換器４の冷媒伝熱管４ａから送り出された冷媒は、減圧弁５（減圧装置、膨張弁）で減圧された後に、蒸発器６に流れ込む。そして、蒸発器６に流れ込んだ冷媒は、送風機７から送り込まれた空気（外気）によって蒸発する際に、蒸発器６を介して空気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は、圧縮機３に戻って再び圧縮される。

その一方で、タンク１６に満たされた水は、循環ポンプ１３が起動することで、往き配管３７ａ、接続配管Ｓ１、供給配管３５を介して水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂ内に送り込まれる。そして、送り込まれた水は、前記したように、冷媒との熱交換で加熱されて湯となって、送出配管３６に流れ込む。送出配管３６に流れ込んだ湯は、接続配管Ｓ２、戻り配管３７ｂを介してタンク１６に戻って貯蔵される。このようにタンク１６と水冷媒熱交換器４との間で水が循環する間に、給湯機Ｓは、タンク１６内に所定の温度で所定の湯量を確保する。なお、本実施形態では、往き配管３７ａ、接続配管Ｓ１、供給配管３５、送出配管３６、接続配管Ｓ２および戻り配管３７ｂによって循環経路が構成されている。

そして、制御部５０は、圧縮機３、循環ポンプ１３および減圧弁５を次のよう制御する。すなわち、制御部５０は、圧縮機３の回転速度を温度センサ１２で検出される水冷媒熱交換器４の水出口温度および温度センサ１４の外気温度に基づいて制御する。具体的に、制御部５０は、温度センサ１４で検出される外気温度に基づいて、温度センサ１２で検出される温度が、予め設定された水出口温度の目標値となるように、圧縮機３の回転速度を制御する。つまり、水出口温度の目標値に対して温度センサ１２の検出温度（計測値）が低い場合には圧縮機３の回転速度を速め、これとは逆に検出温度（計測値）が高い場合には圧縮機３の回転速度を遅くする。

また、制御部５０は、循環ポンプ１３が水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂに送り込む水の量を、予め求めた圧縮機３の目標回転速度に基づいて制御する。具体的には、圧縮機３の目標回転速度に対して実回転速度が遅い場合には、水伝熱管４ｂに送り込まれる水の量が増えるように循環ポンプ１３の回転速度を制御し、これとは逆に圧縮機３の実回転速度が速い場合には、水伝熱管４ｂに送り込まれる水の量が減るように循環ポンプ１３の回転速度を制御する。

なお、前記した圧縮機３の目標回転速度は、例えば、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度と、温度センサ１４の検出温度（外気温度）とに基づいて設定されるが、これらに加えて、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、および／または、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて設定してもよい。これにより、精度を高めることができる。

圧縮機３の目標回転速度の具体例としては、例えば、前記したように、タンク１６に高温水（例えば、９０℃）を貯湯する場合には、３０００〜４０００回転／分の範囲で設定され、タンク１６に中温水（例えば、６５℃）を貯湯する場合には、１０００〜２０００回転／分の範囲で設定されるが、これに限定されるものではない。

また、制御部５０は、圧縮機吐出温度が制御部５０によって予め算出された目標値となるように、減圧弁５を開閉制御する。具体的には、温度センサ９の検出温度が目標温度よりも高いときには減圧弁５を絞り開度を拡大する方向に制御し、検出温度が目標温度よりも低いときには減圧弁５を閉じるように（または絞り開度を縮小する方向に）制御する。このときの目標温度は、制御部５０が、前記した水冷媒熱交換器４の水出口温度と、温度センサ１４の検出温度（外気温度）とに基づいて算出されるが、これらに加えて、ヒートポンプユニット１の目標加熱能力（出力）、および／または、温度センサ１１の検出温度（水冷媒熱交換器４の水伝熱管４ｂに送り込まれる水の温度）に基づいて算出してもよい。この設定値は、ヒートポンプユニット１が最大の成績係数となるように設定されるが、この限りではない。

次に、給湯機Ｓにおける除霜運転時の動作について説明する。制御部５０は、以下に示す手順を実行することで、設置形態や物のばらつき（後記する）に拘らず、除霜運転中の循環ポンプ１３の回転速度を最低回転速度で動作するように制御できる。なお、除霜運転中の回転速度をなるべく低くするのは、凍結防止のためには、水を循環させることが必要であるが、少量でも水が循環していれば足り、それ以上多く循環させても熱効率の面からも消費電力の面からも無駄になり得るからである。ちなみに、冬期など外気温度が低い場合、蒸発器６において低温の空気から吸熱して、蒸発器６の表面温度が０℃以下に低下することで蒸発器６に霜（氷）が付着する。

まず、除霜運転時の動作について説明する前に、以下の第１実施形態および第２実施形態に示す除霜運転の意義について説明する。
従来の給湯機用の循環ポンプでは、モータのロータ（回転側）の位置検出の方法として、ホール素子を用いて磁界を検出する方法、誘起電圧から位置を検出する方法が採用されていた。ホール素子を用いるとロータの位置検出が容易であるが、ロータの近傍へのホール素子の取り付けが不可欠となる。このため、従来の循環ポンプでは、循環ポンプ内に位置検出を行う基板が埋め込まれており、ロータの位置検出はホール素子を用いていたため、ロータの位置検出が容易であった。

このように、循環ポンプに、ホール素子などの位置検出手段を備えた基板を埋め込むと、モータを低い回転速度で制御できるようになる。しかし、循環ポンプに基板を埋め込む場合には、循環ポンプの筐体を構成する樹脂部分に基板が埋め込まれるが、基板が水の近くに位置するため、物のばらつきによって樹脂部分と基板との間に隙間が発生していると、その隙間において結露が発生し、電気部品に不具合が発生する問題（信頼性が低下する問題）がある。また、基板を循環ポンプに内蔵することにより循環ポンプがコスト高になる問題もある。

一方、誘起電圧から位置を検出する方法を採用すれば前記のような問題は解消されるが、ロータの回転により発生する誘起電圧によってロータの位置を検出する場合、特に消費電力が低いポンプである循環ポンプを使用すると、ノイズがのったときや低回転速度域で誘起電圧が出にくいときに位置検出ができなくなり脱調してしまい、動作不能（動作停止）となる問題がある。脱調してしまう回転速度については、設置形態や物のばらつきによって変化する。なお、設置形態とは、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを繋ぐ接続配管Ｓ１，Ｓ２の長さなどであり、長さによって、配管抵抗が変化する。物のばらつきとは、循環ポンプ１３のばらつき（例えば、羽根の部分のばらつきによって水を吐出させる量が変化する、モータ（磁石）の部分のばらつき、磁束密度のばらつき）、制御部５０のばらつき(例えば、構成する部品のばらつき、回転速度を制御するために電流値を制御しているのでその読みのばらつき)もある。

また、モータの駆動方法として、ホール素子などのモータの磁極位置検出手段を循環ポンプ内に内蔵した方式と比べて、磁極位置検出手段を循環ポンプ内に内蔵しない方式では、制御できる回転速度の範囲を保つのが難しくなる。例えば、内蔵方式では、０〜６２００回転／分で制御できていたものが、内蔵しない方式では、５００〜６０００回転／分のように制御範囲が狭くなる。除霜運転時には、より低い回転速度で循環ポンプを運転するのが望ましいが、磁極位置検出手段を内蔵しない循環ポンプでは、除霜運転時の回転速度が最も低く運転できる回転速度以下となってしまう場合があり、前記した設置形態や物のばらつきによっては除霜運転時に循環ポンプを制御できないおそれがある。
これに対し、本実施形態によれば、循環ポンプから前記基板を取り除く構成にした場合であっても、除霜運転時に循環ポンプを低い回転速度で制御することが可能となる。

（第１実施形態）
給湯機Ｓにおける第１実施形態の除霜運転時の動作について図２および図３を参照して説明する。図２は、第１実施形態に係る除霜運転時の動作を説明するフローチャート、図３は、第１実施形態に係る除霜運転時の循環ポンプの動作を示すタイムチャートである。なお、除霜運転は、ヒートポンプユニット1による沸き上げ運転中に蒸発器6に着霜することにより実行される。また、図３において、横軸は、紙面左側から右側に向かって、給湯機Ｓの除霜運転前からからの経過時間を示し、左縦軸は、経過時間に応じて変化する循環ポンプ１３の回転速度を示し、右縦軸は、温度センサ１０が検出する温度（蒸発器出口温度）の温度変化を示している。また、図３に示す実線Ｇ１は、循環ポンプ１３の回転速度を示し、実線Ｇ２は、蒸発器出口温度を示す。

図２に示すように、制御部５０は、ステップＳ１において、温度センサ１０で検出した蒸発器６の出口温度（蒸発器出口温度）が第１所定温度以下であるか否かを判定する。なお、第１所定温度とは、例えば、温度センサ１４で検出した温度（外気温度）に基づいて判定することができるが、これに限定されるものではない。第１所定温度は、例えば、マイナス５℃に設定される。ステップＳ１において、制御部５０は、蒸発器出口温度が第１所定温度以下ではないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返し、蒸発器出口温度が第１所定温度以下であると判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、制御部５０は、除霜運転を開始する。すなわち、制御部５０は、圧縮機３の回転速度を除霜運転時に予め設定された目標回転速度に設定し、減圧弁５を所定開度（制御部５０によって設定可能な最大開度）にし、さらに送風機７を停止する。

以降のステップでは、制御部５０（除霜運転制御手段）が、循環ポンプ１３の回転速度を除霜運転開始時の回転速度（第１所定回転速度）から低下させ、循環ポンプ１３が動作した場合には循環ポンプ１３が動作停止した回転速度よりも高く且つ除霜運転開始時の回転速度（第１所定回転速度）よりも低い回転速度（新たな最低回転速度）で循環ポンプ１３を動作させる処理が実行される。

具体的には、ステップＳ３に進み、制御部５０は、循環ポンプ１３を第１所定回転速度で制御する（循環ポンプ１３の回転速度指令を第１所定回転速度に低下させる）。なお、第１所定回転速度とは、設置形態（例えば、接続配管Ｓ１，Ｓ２の長さが最大）や物のばらつきを考慮し、どのような状況においても循環ポンプ１３が動作する回転速度（例えば、５００回転／分）である。

そして、ステップＳ４に進み、制御部５０は、除霜運転を開始してから所定時間Ｔ（予め設定された制御周期）が経過したか否かを判定する。なお、所定時間Ｔは、循環ポンプ１３の応答時間に応じて決定され、例えば５秒に設定される。応答時間とは、回転速度の指令を出してからその回転速度になるまでの時間である。制御部５０は、所定時間Ｔが経過していないと判定した場合には（Ｓ４、Ｎｏ）、ステップＳ４の処理を繰り返し、所定時間Ｔが経過していると判定した場合には（Ｓ４、Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進む。なお、所定時間Ｔは、図示しないタイマにより計測される。

ステップＳ５において、制御部５０は、循環ポンプ１３の回転速度指令を第２所定回転速度低下させる。なお、第２所定回転速度は、循環ポンプ１３における制御の分解能と同じ値（例えば、３０回転／分）または分解能に近い値にする。これにより、より高い精度で最低回転速度の検出を行うことができる。

すなわち、分解能と同じ値にすることで、循環ポンプ１３の回転速度を第２所定回転速度分低下させたときに、循環ポンプ１３を設定変更後の回転速度で動作させることができる。また、分解能に近い値にすることで、循環ポンプ１３の回転速度を第２所定回転速度低下させたときに、循環ポンプ１３を設定変更後の回転速度で制御できない場合であっても、次回に第２所定回転速度低下させたときに、循環ポンプ１３を動作させることができ、第２所定回転速度を複数回続けて低下させても循環ポンプ１３を設定変更後の回転速度で動作できないといった不都合を防止でき、無駄な制御を抑制できる。

そして、ステップＳ６に進み、制御部５０は、循環ポンプ１３の回転速度が最低回転速度に到達したか否かを判定する。なお、最低回転速度（初期値）は、循環ポンプ１３に対する負荷が最も低いことが想定されるような設置形態において、水の流量が、例えば、０Ｌ／ＭＩＮ（リッター／分）〜０．１Ｌ／ＭＩＮ以下となるように循環ポンプ１３を動作させたときの回転速度に設定される。負荷が最も低いことが想定されるような設置形態とは、例えば、接続配管Ｓ１，Ｓ２の長さが最も短く、かつ、配管の曲がりが少ない形態（曲がりが多いと、配管抵抗が増える）であり、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とが互いに近傍に設置されている場合である。

制御部５０は、循環ポンプ１３の回転速度が最低回転速度に到達したと判定した場合には（Ｓ６、Ｙｅｓ）、ステップＳ９に進み、循環ポンプ１３の回転速度が最低回転速度に到達していないと判定した場合には（Ｓ６、Ｎｏ）、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、制御部５０は、循環ポンプ１３が動作停止したか否か（動作不能となったか否か、脱調したか否か）を判定する。循環ポンプ１３が動作停止するとは、モータの回転が停止して、循環経路に水を流すことができなくなる状態を意味している。循環ポンプ１３の動作停止は、例えば、指令回転速度を出力しているにもかかわらず回転がゼロであるとか、指令回転速度に対してとてつもなくかけ離れた回転速度を検出することで動作停止であると判定する。具体的には、電流の周波数を検出することで判定できる。

制御部５０は、循環ポンプ１３が動作停止していないと判定した場合には（Ｓ７、Ｎｏ）、タイマ（不図示）をリセットして、ステップＳ４に戻り、循環ポンプ１３が動作停止した（動作不能になった、脱調した）と判定した場合には（Ｓ７、Ｙｅｓ）、ステップＳ８に進む。

なお、循環ポンプ１３が動作停止していない場合には（Ｓ７、Ｎｏ）、再度、所定時間Ｔが経過した後に（Ｓ４、Ｙｅｓ）、循環ポンプ１３の回転速度指令を第２所定回転速度低下させる。このように、循環ポンプ１３の回転速度が最低回転速度に到達せず（Ｓ６、Ｎｏ）、かつ、循環ポンプ１３が動作停止していない場合には（Ｓ７、Ｎｏ）、所定時間Ｔ経過ごとに（制御周期ごとに）、循環ポンプ１３の回転速度を第２所定回転速度ずつ低下させていく。

循環ポンプ１３が動作停止した場合には（Ｓ７、Ｙｅｓ）、ステップＳ８に進み、制御部５０は、循環ポンプ１３が動作停止したときの回転速度に、第２所定回転速度を加算した値を、新たな最低回転速度として設定し（記憶し）、ステップＳ３に戻る。このように、循環ポンプ１３が動作停止（動作不能）となったときに、動作停止（動作不能）直前に設定されていた循環ポンプ１３の回転速度に戻すことで（動作停止回転速度＋第２所定回転速度）、循環ポンプ１３を動作可能な最低回転速度として設定することができる。

一方、循環ポンプ１３の回転速度が最低回転速度（または新たな最低回転速度）に到達した場合には（Ｓ６、Ｙｅｓ）、制御部５０は、ステップＳ９において、循環ポンプ１３を現在設定されている最低回転速度で制御する（回転制御を継続して実行する）。

そして、ステップＳ１０に進み、温度センサ１０で検出した蒸発器６の出口温度（蒸発器出口温度）が第２所定温度以上であるか否かを判定する。なお、第２所定温度は、例えば、温度センサ１４で検出した外気温度を考慮して事前の試験等に基づいて決定することができる。第２所定温度は、例えば、１０℃に設定される。制御部５０は、蒸発器出口温度が第２所定温度以上でないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ９に戻り、また蒸発器出口温度が第２所定温度以上であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、制御部５０は、圧縮機３を沸き上げ運転に必要な回転速度に制御し、減圧弁５を沸き上げ運転に必要な開度に絞り、送風機７をオンにする。なお、第２所定温度は、外気温度に基づいて決定するものに限定されず、外気温度を含めて他の温度センサの温度を考慮して決定してもよい。

なお、ステップＳ１０については、蒸発器出口温度が第２所定温度以上になったか否かに基づいて判定するものに限定されず、循環ポンプ１３が最低回転速度（または新たな最低回転速度）に到達したときから（Ｓ６、Ｙｅｓ）、最大除霜時間（所定時間）が経過したか否かに基づいて判定してもよい。ところで、除霜運転をすると、蒸発器６の表面を霜が溶けて水が滴り落ちるが、水が滴っているうちに除霜運転が終了すると、氷ができて空気が通る通路を塞ぐおそれがある。したがって、第２所定温度は、水が残らない温度に設定される。また、最大除霜時間は、水が残らない時間に設定される。なお、第２所定温度や最大除霜時間は、事前の試験等に基づいて決定される。

また、図３のタイムチャートに示すように、例えば、沸き上げ運転を実行している場合において、時刻ｔ０において、蒸発器出口温度が第１所定温度以下となり（Ｓ１、Ｙｅｓ）、除霜運転が開始された場合には（Ｓ２）、循環ポンプ１３を第１所定回転速度まで低下させる（Ｓ３）。そして、循環ポンプ１３を第１所定回転速度で所定時間Ｔ動作させた後（Ｓ４、Ｙｅｓ）、循環ポンプ１３の回転速度指令を第２所定回転速度分低下させる（Ｓ５）。このようにして、最低回転速度になるまで（Ｓ６、Ｙｅｓ）、循環ポンプ１３の回転速度を所定時間Ｔ経過ごとに第２所定回転速度ずつ低下させる。

そして、循環ポンプ１３が最低回転速度に到達する前の時刻ｔ１において（Ｓ６、Ｎｏ）、循環ポンプ１３の動作が停止した場合（Ｓ７，Ｙｅｓ：動作不能、脱調）、循環ポンプ１３の最低回転速度（初期値）を、新たな最低回転速度（動作停止検知後の最低回転速度）に置き換える（Ｓ８）。この新たな最低回転速度は、循環ポンプ１３が動作停止したときの動作停止回転速度に第２所定回転速度を加算することにより得られる。なお、図３では、循環ポンプ１３が動作途中（時刻ｔ１）において動作停止した（動作不能になった、脱調した）場合を示している。

そして、時刻ｔ２において、循環ポンプ１３の回転速度を第１所定回転速度まで上昇させる（戻す）。これは、一般的に、停止した循環ポンプ１３を再度動作させる場合には、一旦最低回転速度よりも高い回転速度で動作させる方がスムーズだからである。そして、循環ポンプ１３を、新たに設定された最低回転速度に向けて、所定時間Ｔ経過ごとに第２所定回転速度ずつ低下させる（Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６でＮｏ、Ｓ７でＮｏ）。

そして、時刻ｔ３において、循環ポンプ１３の回転速度が新たに設定された最低回転速度に到達した場合には（Ｓ６、Ｙｅｓ）、循環ポンプ１３を新たに設定された最低回転速度で、蒸発器出口温度が第２所定温度以上となるまで除霜運転を継続する（Ｓ９、Ｓ１０）。

そして、時刻ｔ４において、蒸発器出口温度が第２所定温度以上となった場合には（Ｓ１０、Ｙｅｓ）、除霜運転を終了し（Ｓ１１）、沸き上げ運転を開始する（時刻ｔ４以降）。

ところで、このような最低回転速度検出動作は、除霜運転の度に行われるものである。これは、水温によって密度が変わることで循環ポンプ１３の負荷も変わるため、除霜運転ごとに最低回転速度が変化し得るからである。また、熱交換器内のスケール等の蓄積によって水の流れ易さも長期的に変化し得るため、除霜運転の度に最低回転速度検出動作を行うことが好ましい。但し、最低回転速度検出動作を毎度行うことは必須ではなく、制御の簡素化や熱ロス等の防止のために、最低回転速度検出動作を一度行った後は再度行わないようにしてもよく、一定期間ごとに行うこととしてもよい。

以上説明したように、第１実施形態によれば、除霜運転を実行する際、まず（除霜運転の開始時に）循環ポンプ１３を第１所定回転速度で動作させ、循環ポンプ１３を最低回転速度に向けて、循環ポンプ１３を所定時間Ｔ経過ごとに第２所定回転速度ずつ低下させながら動作させることで、給湯機Ｓの設置形態や給湯機Ｓを構成する物のばらつきに拘らず、最低の回転速度で除霜運転を実行することができる。しかも、循環経路に微少の流量の水が循環することで循環経路を構成する配管が凍結するのを防止できる。

また、第１実施形態によれば、循環ポンプ１３が最低回転速度に到達する前に動作停止した場合には、循環ポンプ１３が動作停止したときの回転速度に第２所定回転速度を加算した回転速度を新たな最低回転速度として設定し、その後、循環ポンプ１３が新たな最低回転速度に到達するまで、循環ポンプ１３を所定時間Ｔ経過ごとに第２所定回転速度ずつ低下させながら動作させることで、循環ポンプ１３を新たな最低回転速度で動作させることができ、除霜運転が途中で停止するといった不都合を防止することができる。

また、第１実施形態によれば、最低回転速度または新たな最低回転速度に到達した場合には、除霜運転が終了するまで循環ポンプ１３を最低回転速度または新たな最低回転速度で動作させるので、循環ポンプ１３を最低回転速度（新たな最低回転速度）で動作させつつ除霜運転を終了させることができる。

（第２実施形態）
給湯機Ｓにおける第２実施形態の除霜運転時の動作について図４および図５を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る除霜運転時の動作を説明するフローチャート、図５は、第２実施形態に係る除霜運転時の循環ポンプの動作を示すタイムチャートである。また、図５に示す実線Ｇ３は、循環ポンプ１３の回転速度を示し、実線Ｇ２は、蒸発器出口温度を示す。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様の処理については、同一のステップ符号を付して重複した説明を省略する。

第１実施形態では、図２に示したように、循環ポンプ１３が最低回転速度（初期値）に到達する前（Ｓ６、Ｎｏ）に動作停止して（Ｓ７、Ｙｅｓ）、新たな最低回転速度を設定した場合には（Ｓ８）、ステップＳ３に戻って、循環ポンプ１３を再び第１所定回転速度で動作させて、新たな最低回転速度に到達するまで（Ｓ６、Ｙｅｓ）所定時間Ｔ経過ごとに（Ｓ４、Ｙｅｓ）第２所定回転速度ずつ低下（Ｓ５）させながら動作させていた。これに対して、第２実施形態では、図４に示すように、循環ポンプ１３が最低回転速度（初期値）に到達する前（Ｓ６、Ｎｏ）に動作停止して（Ｓ７、Ｙｅｓ）、新たな最低回転速度を設定した場合には（Ｓ８Ａ）、ステップＳ９に進み、循環ポンプ１３を第１所定回転速度まで戻すことなく、直ちに循環ポンプ１３を新たな最低回転速度で動作させるようにしたものである。

また、図５のタイムチャートに示すように、循環ポンプ１３が最低回転速度に到達する前の時刻ｔ１において（Ｓ６、Ｎｏ）、循環ポンプ１３の動作が停止した場合（Ｓ７、Ｙｅｓ：動作不能、脱調）、その後の時刻ｔ２において、最低回転速度（初期値）を置き換えた新たな最低回転速度（動作停止検出後）で直ちに動作させるものである。

このように、前記した第１実施形態では、時刻ｔ２において循環ポンプ１３の回転速度を第１所定回転速度まで上昇させた後、所定時間Ｔ経過ごとに第２所定回転速度ずつ低下させることとしたが、第２実施形態では、時刻ｔ２において循環ポンプ１３の回転速度を第１所定回転速度まで上昇させずに、新たに設定された最低回転速度に一度に低下させるものである。

以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、第１実施形態において第１所定回転速度から新たな最低回転速度まで低下させたときに必要であった電力を削減することができる。

なお、本発明はホール素子を用いて磁界を検出する方式の循環ポンプにも適用可能である。

Ｓ給湯機
１ヒートポンプユニット
２貯湯ユニット
３圧縮機
４水冷媒熱交換器（熱交換器）
４ａ冷媒伝熱管
４ｂ水伝熱管
５減圧弁（減圧装置）
６蒸発器
７送風機
８圧力センサ
９，１０，１１，１２，１４温度センサ
１３循環ポンプ
１６タンク（貯湯槽）
３５供給配管（循環経路）
３６送出配管（循環経路）
３７ａ往き配管（循環経路）
３７ｂ戻り配管（循環経路）
５０制御部（除霜運転制御手段）
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４冷媒配管
Ｓ１，Ｓ２接続配管（循環経路）

Claims

吸入した冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出される冷媒と液体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から流出する冷媒を減圧する減圧装置と、前記減圧装置から流出する冷媒を空気との間で熱交換した後に冷媒が前記圧縮機に流出する蒸発器と、を備えたヒートポンプ式の冷凍サイクルと、
前記冷凍サイクルで加熱された液体を蓄える貯湯槽と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間で液体を循環させる循環経路と、
前記循環経路に液体を通流させ、回転速度を変更可能で且つ磁極位置検出手段を内蔵しない循環ポンプと、
前記冷凍サイクルと前記循環ポンプとを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蒸発器の除霜運転を実行する除霜運転制御手段を備え、
前記除霜運転制御手段は、前記循環ポンプの回転速度を除霜運転開始時の回転速度から低下させ、前記循環ポンプが動作停止した場合には前記循環ポンプが動作停止した回転速度よりも高く且つ前記除霜運転開始時の回転速度よりも低い回転速度で前記循環ポンプを動作させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記除霜運転制御手段は、除霜運転を実行する際、除霜運転開始時に前記循環ポンプを第１所定回転速度で動作させ、前記循環ポンプが動作停止する最低回転速度に到達するまで、前記循環ポンプを予め設定された制御周期ごとに前記循環ポンプの回転速度を第２所定回転速度ずつ低下させながら動作させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
前記除霜運転制御手段は、前記循環ポンプが前記最低回転速度に到達する前に動作停止したと判定した場合、前記循環ポンプが動作停止したときの回転速度に前記第２所定回転速度を加算した回転速度を新たな最低回転速度として設定し、その後は前記循環ポンプの回転速度が前記新たな最低回転速度に到達するまで、前記循環ポンプの回転速度を前記第１所定回転速度から前記制御周期ごとに第２所定回転速度ずつ低下させながら動作させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。
前記除霜運転制御手段は、前記循環ポンプが前記最低回転速度に到達する前に動作停止したと判定した場合、前記循環ポンプが動作停止したときの回転速度に前記第２所定回転速度を加算した回転速度を新たな最低回転速度として設定し、その後は前記除霜運転が終了するまで前記循環ポンプの回転速度を前記新たな最低回転速度で動作させることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯機。