JP6745657B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプにより貯湯タンク内の水を加熱する給湯システムに関する。

従来、熱媒循環路の途中に接続された冷却器（蒸発器）により、熱交換器に供給される空気又は水を冷却するヒートポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたヒートポンプにおいては、冷却器内の熱媒の温度（ＣＦＴ）から、蒸発器内の熱媒の温度である飽和吸入温度（ＳＳＴ）を引いた温度差（ピンチ度）を最小限に維持することにより、熱交換性能が確保されるようにしている。

特開２００１−２８０７１３号公報

ヒートポンプは給湯システムの熱源としても使用されており、給湯システムにおいても、熱交換性能の向上が要望されている。

本発明は係る背景に鑑みてなされたものであり、給湯の熱源として使用されるヒートポンプにおける熱交換性能を向上させた給湯システムを提供することを目的とする。

本発明の給湯システムは、
熱媒が封入された熱媒循環路と、該熱媒循環路により順に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器とを有するヒートポンプと、
湯水が貯められる貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの上部と下部とを連通し、途中に前記凝縮器が接続されたタンク循環路と、
前記貯湯タンクに貯められた水を、前記タンク循環路を介して循環させるタンク循環ポンプと、
前記ヒートポンプと前記タンク循環ポンプとを作動させることにより、前記凝縮器において、前記熱媒循環路を流通する熱媒と前記タンク循環路を流通する水との間で熱交換を行って、前記貯湯タンク内の水を沸き上げ設定温度まで加熱する沸き上げ運転を実行する沸き上げ制御部と
を備えた給湯システムに関する。

そして、本発明の給湯システムは、
前記圧縮機から前記熱媒循環路に吐出される熱媒の温度を検出する圧縮機吐出温度検出部と、
前記凝縮器における熱媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出部と、
前記熱媒循環路から前記膨張弁に流入する熱媒の温度を検出する膨張弁流入温度検出部と、
前記タンク循環路から前記凝縮器に流入する水の入水温度を検出する入水温度検出部とを備え、
前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度と前記凝縮温度検出部の検出温度との差である吐出過熱度が、沸き上げ設定温度と前記入水温度に応じて、前記ヒートポンプの運転が現状よりも高効率となるように定められる目標吐出過熱度から当該目標吐出過熱度＋αの範囲内となるように、当該範囲以下であるときは前記膨張弁の開度を減少し、当該範囲以上であるときは前記膨張弁の開度を増大し、且つ、前記凝縮温度検出部の検出温度と前記膨張弁流入温度検出部の検出温度との差である過冷却度が、沸き上げ設定温度と前記入水温度に応じて、前記ヒートポンプの運転が現状よりも高効率となるように定められる目標過冷却度から当該目標過冷却度＋βの範囲内となるように、当該範囲以下であるときは前記膨張弁の開度を減少し、当該範囲以上であるときは前記膨張弁の開度を増大する第１膨張弁制御を実行することを特徴とする

かかる本発明によれば、貯湯タンク内の水の加熱を高能力且つ高効率に行うことができる沸き上げ運転の条件として、「吐出加熱度が目標吐出過熱度から当該目標吐出過熱度＋αの範囲内」且つ「過冷却度が目標過冷却度から当該目標過冷却度＋βの範囲内」であることが設定され、沸き上げ制御部は、沸き上げ運転の実行中に、これらの条件が満たされるように膨張弁の開度を調節する第１膨張弁制御を実行する。特に、沸き上げ制御部は、目標吐出過熱度（目標過冷却度）の範囲以下であるとき膨張弁の開度を減少させ、目標吐出過熱度＋α（目標過冷却度＋β）の範囲以上であるとき膨張弁の開度を増大させる。これにより、ヒートポンプサイクルにおけるＰ−ｈ（圧力−エンタルピー）線図及びＴ−ｈ（温度−エンタルピー）線図でのエンタルピー差を目標範囲内に維持して、要求出力を満たした高効率な貯湯タンク内の水の加熱を行うことができる。

また、前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度が、所定の上限吐出温度を超えているときには、前記第１膨張弁制御を禁止して、前記膨張弁の開度を増大させる第２膨張弁制御を実行し、該第２膨張弁制御により前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度が前記上限吐出温度以下に設定された吐出許容温度以下になった時に、前記第２膨張弁制御を終了して前記第１膨張弁制御を実行することを特徴とする。

この構成によれば、圧縮機の吐出温度が吐出上限以上となったときに、第２膨張弁制御により膨張弁の開度を増大させることによって、圧縮機の回転速度を低下させる場合よりも給湯システムの運転条件の変化を抑えて、圧縮機を保護することができる。そして、沸き上げ制御部は、圧縮機吐出温度検出部の検出温度が吐出許容温度以下になった時に、第２膨張弁制御を終了して第１膨張弁制御を速やかに開始することができる。

また、前記熱媒循環路から前記圧縮機に吸入される熱媒の温度を検出する圧縮機吸入温度検出部と、
前記熱媒循環路から前記蒸発器に流入する熱媒の温度を検出する蒸発器流入温度検出部とを備え、
前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吸入温度検出部の検出温度と前記蒸発器流入温度検出部の検出温度との差である吸入過熱度が、所定の過熱下限値よりも低くなっているときには、前記第１膨張弁制御を禁止して、前記膨張弁の開度を減少させる第３膨張弁制御を実行し、該第３膨張弁制御により前記吸入過熱度が前記過熱下限値以上に設定された過熱許容値以上になった時に、前記第３膨張弁制御を終了して前記第１膨張弁制御を実行することを特徴とする。

この構成によれば、吸入過熱度が過熱下限値よりも低くなって蒸発器から圧縮機への液バック（液体状態の熱媒が圧縮機に吸入される状況）が生じるおそれがあるときに、第３膨張弁制御により膨張弁の開度を減少させることによって、圧縮機を停止させる場合よりも給湯システムの運転条件の変化を抑えて圧縮機を保護することができる。そして、沸き上げ制御部は、吸入過熱度が過熱許容度以上になった時に、第３膨張弁制御を終了して第１膨張弁制御を速やかに開始することができる。

給湯システムの構成図。 図２ＡはヒートポンプサイクルにおけるＰ−ｈ（圧力−エンタルピー）線図、図２ＢはヒートポンプサイクルにおけるＴ−ｈ（温度−エンタルピー）線図。 トータル膨張弁制御の第１のフローチャート。 トータル膨張弁制御の第２のフローチャート。 第１膨張弁制御のフローチャート。 第２膨張弁制御のフローチャート。 第３膨張弁制御のフローチャート。

本発明の実施形態の一例について、図１〜図７を参照して説明する。

［１．給湯システムの構成］
図１を参照して、本実施形態の給湯システム１は、貯湯ユニット１０、ヒートポンプユニット５０、補助熱源機８０、及び、給湯システム１の全体的な作動を制御するコントローラ１２０を備えて構成されたハイブリッド方式の給湯システムである。

なお、図１では、給湯システム１のコントローラとして一つのコントローラ１２０を示したが、貯湯ユニット１０のコントローラと、ヒートポンプユニット５０のコントローラと、補助熱源機８０のコントローラを個別に備え、各コントローラ間の通信によって、給湯システム１の全体的な作動を制御する構成としてもよい。

貯湯ユニット１０は、貯湯タンク１１、給水管１２、出湯管１３等を備えている。貯湯タンク１１は内部に湯を保温して貯め、高さ方向に略等間隔で配置されて、各高さでの貯湯タンク１１内の湯水の温度ｔh2〜ｔh5を検出するタンク表面温度センサ１４〜１７と、貯湯タンク１１の上部に配置されて貯湯タンク１１から出湯管１３に供給される湯水の温度ｔh1を検出するタンク中温度センサ２６が設けられている。

また、貯湯タンク１１の上部と下部を接続するタンク循環路４１の貯湯タンク１１の下部との接続箇所の付近には、貯湯タンク１１の下部に貯められた湯水の温度ｔh6を検出するタンク下部温度センサ４２が設けられている。さらに、貯湯タンク１１の底部には、作業者の手動操作により開弁される排水弁１８が設けられている。

給水管１２は、一端が給水口３０を介して図示しない上水道に接続され、他端が貯湯タンク１１の下部に接続されて、貯湯タンク１１内の下部に水を供給する。給水管１２には、貯湯タンク１１の内圧が過大になることを防止するための減圧弁１９と、給水管１２から貯湯タンク１１への方向のみの通水を可能にして、貯湯タンク１１から給水管１２側への湯水の流出を阻止する第１湯側逆止弁２０が設けられている。

給水管１２から分岐した給水分岐管３４は、湯水混合弁２１を介して接続箇所Ｘで出湯管１３に連通しており、湯水混合弁２１によって貯湯タンク１１から出湯管１３に供給される湯水と給水分岐管３４から出湯管１３に供給される水との混合比が変更される。

給水分岐管３４には、給水分岐管３４に供給される水の温度Ｔw（以下、給水温度Ｔｗという）を検出する給水温度センサ２２と、給水分岐管３４を流通する水の流量Ｆwを検出する水側流量センサ２３と、給水分岐管３４から出湯管１３への方向のみの通水を可能にして、出湯管１３から給水分岐管３４側への湯水の流出を阻止する水側逆止弁２４とが設けられている。

出湯管１３は、一端が給湯口３１に接続され、他端が貯湯タンク１１の上部に接続されている。貯湯タンク１１の上部に貯められた湯水は、出湯管１３から給湯口３１を介して図示しない給湯栓（台所、洗面所、浴室のカランやシャワー等）に供給される。出湯管１３には、貯湯タンク１１から出湯管１３への方向のみの通水を可能にして、出湯管１３から貯湯タンク１１側への湯水の流入を阻止する第２湯側逆止弁２５と、貯湯タンク１１から出湯管１３に供給される湯水の流量Ｆhを検出する湯側流量センサ２７とが設けられている。

補助熱源機８０は、出湯管１３の給水分岐管３４との接続箇所Ｘよりも下流側の途中に設けられ、貯湯ユニット１０には、補助熱源機８０をバイパスして、補助熱源機８０の下流側と上流側の出湯管１３を連通する出湯バイパス管３３と、出湯バイパス管３３を開閉する出湯バイパス弁２９とが設けられている。

出湯管１３の出湯バイパス管３３との分岐箇所Ｙと湯水混合弁２１との間に、湯水混合弁２１を介して出湯管１３に供給される湯水の温度Ｔmを検出する混合温度センサ２８が設けられ、出湯管１３の出湯バイパス管３３との合流箇所Ｚと給湯口３１との間に、給湯口３１から出湯される湯水の温度を検出する給湯温度センサ３２が設けられている。

貯湯ユニット１０に備えられた各センサの検出信号は、コントローラ１２０に入力される。また、コントローラ１２０から出力される制御信号によって、湯水混合弁２１と出湯バイパス弁２９の作動が制御される。

次に、ヒートポンプユニット５０は、貯湯タンク１１内の湯水をタンク循環路４１を介して循環させて加熱するものであり、屋外に設置されている。ヒートポンプユニット５０は、熱媒（ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）等の代替フロン、二酸化炭素等）が封入されたヒートポンプ循環路５２（本発明の熱媒循環路に相当する）により接続された外気熱交換器（蒸発器）５３、圧縮機５４、水熱交換器（凝縮器）５５、及び膨張弁５６により構成されたヒートポンプ５１を有している。

外気熱交換器５３は、ファン６０の回転により供給される空気（外気、大気）から吸熱してヒートポンプ循環路５２内を流通する熱媒との間で熱交換を行う。圧縮機５４は、外気熱交換器５３から流出する熱媒を圧縮して高圧・高温とし、水熱交換器５５に吐出する。膨張弁５６は、圧縮機５４で加圧された熱媒を減圧する。

除霜弁６１は膨張弁５６をバイパスして設けられており、圧縮機５４から送出される熱媒により外気熱交換器５３を除霜する。ヒートポンプ循環路５２の膨張弁５６の上流側及び下流側、圧縮機５４の上流側及び下流側には、ヒートポンプ循環路５２内を流通する熱媒の温度を検出する熱媒温度センサ６２，６３，６４，６５が、それぞれ設けられている。また、外気熱交換器５３には、外気熱交換器５３に吸入される空気（外気）の温度Ｔ6を検出する外気温度センサ６７が設けられている。

以下では、熱媒温度センサ６４（本発明の圧縮機吸入温度検出部に相当する）により検出される熱媒の温度（圧縮機５４に吸入される熱媒の温度）を圧縮機吸入温度Ｔ1、熱媒温度センサ６５（本発明の圧縮機吐出温度検出部に相当する）により検出される熱媒の温度（圧縮機５４から吐出される熱媒の温度）を圧縮機吐出温度Ｔ2、熱媒温度センサ６２（本発明の膨張弁流入温度検出部に相当する）により検出される熱媒の温度（膨張弁５６に流入する熱媒の温度）を膨張弁流入温度Ｔ4、熱媒温度センサ６３（本発明の蒸発器流入温度検出部に相当する）により検出される熱媒の温度（外気熱交換器５３に流入する熱媒の温度）を外気熱交流入温度Ｔ5という。

水熱交換器５５はタンク循環路４１と接続され、圧縮機５４により高圧・高温とされた熱媒と、タンク循環路４１内を流通する水との間の熱交換により、タンク循環路４１内を流通する水を加熱する。タンク循環路４１には、貯湯タンク１１内の湯水をタンク循環路４１を介して循環させるためのタンク循環ポンプ６６が設けられている。

貯湯タンク１１内の下部に貯まった湯水は、タンク循環ポンプ６６によりタンク循環路４１に導かれ、水熱交換器５５で所定温度（沸き上げ温度）まで加熱されて貯湯タンク１１の上部に戻される。これにより、所定温度の湯が、貯湯タンク１１の上部から順次積層して貯められる。

タンク循環路４１の水熱交換器５５の上流側には、タンク循環路４１から水熱交換器５５に流入する水の温度（入水温度）Ｔ7を検出する入水温度センサ６８が設けられている。また、タンク循環路４１の水熱交換器５５の下流側には、水熱交換器５５からタンク循環路４１に流出する水の温度（出水温度）Ｔ8を検出する出水温度センサ６９が設けられている。さらに、水熱交換器５５には、水熱交換器５５における熱媒の凝縮温度Ｔ3を検出する凝縮温度センサ５７（本発明の凝縮温度検出部に相当する）が設けられている。

ヒートポンプユニット５０に備えられた各センサの検出信号は、コントローラ１２０に入力される。また、コントローラ１２０から出力される制御信号によって、圧縮機５４、、膨張弁５６、除霜弁６１、タンク循環ポンプ６６、及びファン６０等の作動が制御される。

次に、補助熱源機８０は、出湯管１３を流通する湯水を加熱するものであり、缶体８７内に収容された給湯バーナ８１及び給湯バーナ８１により加熱される給湯熱交換器８２等を備えている。

出湯管１３の給湯熱交換器８２の配置箇所よりも下流側の箇所に、浴槽１０５に連通した湯張り管１００が接続されている。湯張り管１００には、湯張り管１００を開閉する湯張り弁１０３が設けられており、コントローラ１２０は、湯張り弁１０３を開弁することによって、出湯管１３から湯張り管１００を介して浴槽１０５に湯を供給する。

給湯バーナ８１には、図示しないガス供給管から燃料ガスが供給されると共に、図示しない燃焼ファンにより燃焼用空気が供給される。コントローラ１２０は、給湯バーナ８１に供給する燃料ガスと燃焼用空気の流量を調節して、給湯バーナ８１の燃焼量を制御する。

給湯熱交換器８２は、出湯管１３の途中に接続されており、給湯バーナ８１の燃焼熱によって、内部を流通する湯水を加熱する。出湯管１３には、上流側から順に、止水弁９３と水量センサ８８が設けられている。給湯熱交換器８２の上流側と下流側は、熱源バイパス管８９により連通されており、熱源バイパス管８９には、熱源バイパス管８９の開度を調節するための熱源バイパス弁９０が設けられている。出湯管１３の給湯熱交換器８２の出口付近には熱交出湯温度センサ９１が設けられ、出湯管１３の熱源バイパス管８９との接続箇所の下流側には熱源出湯温度センサ９２が設けられている。

この構成により、貯湯タンク１１内に湯が無いとき（湯切れ状態であるとき）に、給水管１２から貯湯タンク１１及び給水分岐管３４を介して出湯管１３に供給される水が、給湯熱交換器８２により加熱されて湯となり、熱源バイパス管８９からの水と混合されて、目標給湯温度の湯が給湯口３１から供給されるようになっている。

補助熱源機８０に備えられた各センサの検出信号は、コントローラ１２０に入力される。また、コントローラ１２０から出力される制御信号によって、給湯バーナ８１、熱源バイパス弁９０、及び湯張り弁１０３の作動が制御される。

コントローラ１２０は、図示しないＣＰＵ，メモリ等により構成された電子回路ユニットであり、メモリに保持された給湯システム１の制御用プログラムをＣＰＵで実行することによって、給湯制御部１２１、湯張り制御部１２２、及び沸き上げ制御部１２３として機能する。また、メモリには、給湯システム１の運転に使用される種々の条件データ１２５が保持されている。

コントローラ１２０は、通信ケーブル１３０によりリモコン１４０と接続されている。リモコン１４０は、給湯システム１の運転状況や運転条件の設定等を表示するための表示器１４１と、各種スイッチが設けられたスイッチ部１４２とを備えている。給湯システム１の使用者は、リモコン１４０のスイッチ部１４２を操作することによって、給湯口３１から供給される湯の温度（目標給湯温度）の設定や、湯張り運転における浴槽１０５への給湯温度（目標湯張り温度）及び湯張り量（目標湯張り量）の設定等を行うことができる。

給湯制御部１２１は、貯湯タンク１１の湯切れが生じていない状態で、水側流量センサ２３により下限流量以上の通水が検出されている場合には、混合温度センサ２８又は給湯温度センサ３２の検出温度が目標給湯温度となるように、湯水混合弁２１の分配比を調節する混合温調制御を行う。このとき、給湯制御部１２１は、湯張り弁１０３が開弁して浴槽１０５への給湯が行われているときは出湯バイパス弁２９を閉弁し、湯張り弁１０３が閉弁しているときには出湯バイパス弁２９を開弁する。

また、給湯制御部１２１は、貯湯タンク１１の湯切れが生じている状態で、水側流量センサ２３により下限流量以上の通水が検出されている場合には、出湯バイパス弁２９を閉弁する。そして、水量センサ８８により下限流量以上の通水が検出されているときに、熱源出湯温度センサ９２の検出温度が目標給湯温度となるように、給湯バーナ８１の燃焼量（加熱量）を調節する加熱温調制御を実行する。

湯張り制御部１２２は、リモコン１４０のスイッチ部１４２により、湯張りを指示する操作（湯張り開始操作）がなされたとき、或は予め設定された予約時刻に浴槽１０５への湯張りが終了するように、湯張り弁１０３を開弁して出湯管１３から湯張り管１００を介して浴槽１０５に目標湯張り量分の湯を供給する湯張り運転を実行する。湯張り制御部１２２は、目標湯張り温度を目標給湯温度に設定して、湯張り運転を実行する。

沸き上げ制御部１２３は、タンク中温度センサ２６及びタンク表面温度センサ１４〜１７の検出温度を監視することによって、貯湯タンク１１に貯められた湯の量（貯湯量）を認識する。そして、貯湯タンク１１内の湯の残量が下限量以下になったときに、タンク循環ポンプ６６とヒートポンプ５１を作動させて、貯湯タンク１１内の湯水を設定された給湯温度に応じた目標沸き上げ温度（例えば４５℃）まで加熱する沸き上げ運転を実行する。

［２．ヒートポンプの動作］
次に、図２Ａに示したＰ−ｈ（圧力−エンタルピー）線図、及び図２Ｂに示したＴ−ｈ（温度−エンタルピー）線図を参照して、ヒートポンプ５１のヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）について説明する。

図２Ａに示したＰ−ｈ線図は、横軸を熱媒のエンタルピーｈ（ｋＪ／ｋｇ）に設定し、縦軸を熱媒の圧力Ｐ（ｋＰａ）に設定して示した熱媒の飽和液線・飽和蒸気線に、ヒートポンプ５１のヒートポンプサイクル（圧縮機５４→水熱交換器５５→膨張弁５６→外気熱交換器５３→圧縮機５４→…）を描いたものである。

圧縮機５４において、熱媒の（Ｐ，ｈ）が（Ｐ1，ｈ1）から（Ｐ2，ｈ2）に変化し、熱媒の温度がＴ1からＴ2に上昇している。水熱交換器５５において、熱媒の（Ｐ，ｈ）が（Ｐ2，ｈ2）から（Ｐ2，ｈ3（＝ｈ4））に変化し、熱媒の温度がＴ2からＴ3、さらにＴ4まで低下している。

膨張弁５６において、熱媒の（Ｐ，ｈ）が（Ｐ2，ｈ3）から（Ｐ1，ｈ4（＝ｈ3））に変化し、熱媒の温度がＴ4からＴ5に低下している。外気熱交換器５３において、熱媒の（Ｐ，ｈ）が（Ｐ1，ｈ4）から（Ｐ1，ｈ1）に変化し、熱媒の温度がＴ5からＴ1に上昇している。

また、図２Ｂに示したＴ−ｈ線図は、横軸を熱媒のエンタルピーｈ（ｋＪ／ｋｇ）に設定し、縦軸を熱媒の温度Ｔ（℃）に設定して示した熱媒の飽和液線・飽和蒸気線に、ヒートポンプ５１のヒートポンプサイクルを描いたものである。図２ＢのＴfwは、タンク循環路４１を流通する水の水熱交換器５５における温度の上昇を示したものであり、水の温度が入水温度Ｔ7から出水温度Ｔ8まで上昇している。

圧縮機５４において、熱媒の（Ｔ，ｈ）が（Ｔ1，ｈ1）から（Ｔ2，ｈ2）に変化している（(1)→(2)）。水熱交換器５５において、熱媒の（Ｔ，ｈ）が（Ｔ2，ｈ2）から（Ｔ4，ｈ4）に変化している（(2)→(3)→(4)、(3)でＴが凝縮温度Ｔ3となっている）。

膨張弁５６において、熱媒の（Ｔ，ｈ）が（Ｔ4，ｈ4）から（Ｔ5，ｈ4）に変化している（(4)→(5)）。外気熱交換器５３において、熱媒の（Ｔ，ｈ）が（Ｔ5，ｈ4）から（Ｔ1，ｈ1）に変化している（(5)→(1)）。

ここで、水熱交換器５５における加熱能力（沸き上げ能力）は、圧縮機５４からの熱媒の吐出温度Ｔ2が高く膨張弁５６への熱媒の流入温度Ｔ4が低いほど、高くなる。すなわち、図２ＡのＰ−ｈ線図及び図２ＢのＴ−ｈ線図において、(2)：Ｔ2〜(4)：Ｔ4でのエンタルピーｈの差が大きいほど高くなる。

そして、沸き上げ制御部１２３が、ある沸き上げ目標温度、入水温度Ｔ7、及び外気温度Ｔ6において、要求沸き上げ能力を満たして、高効率運転となる最適な回転速度で圧縮機５４を作動させて、貯湯タンク１１内の湯水の沸き上げ運転を実行している状況下において、ヒートポンプサイクルの安定状態及びその他の条件によって、出水温度Ｔ8が沸き上げ目標温度に達しない状況が生じ得る。

なお、圧縮機５４の最適な回転速度は、実験或はコンピュータシミュレーション等に基づいて、沸き上げ目標温度、入水温度Ｔ7、及び外気温度Ｔ6に応じて設定される。

この場合、圧縮機５４の吐出温度Ｔ2及び膨張弁５６の流入温度Ｔ4が、予め実験等で確認できた最適なヒートポンプサイクル状態とは異なっている状況が想定される。そこで、沸き上げ制御部１２３は、要求される沸き上げ能力を確保できる（出水温度Ｔ8が目標沸き上げ温度となる）「最適なヒートポンプサイクル状態となる(2)：Ｔ2〜(4)：Ｔ4の状態」を制御することによって、要求される沸き上げ能力を確保した高効率な沸き上げ運転を実行するため、また、圧縮機５４を保護するために以下の第１〜第３膨張弁制御を行う。

（１）第１膨張弁制御
圧縮機５４の回転速度指示が一定の状態（圧縮機５４の回転速度指示に変化がない状態）での膨張弁制御。沸き上げ制御部１２３は、ヒートポンプサイクルの最適化を図るために、吐出過熱度ΔＴe（＝圧縮機吐出温度Ｔ2−凝縮温度Ｔ3）が目標吐出過熱度〜目標吐出過熱度＋αの範囲内となり、且つ、過冷却度ΔＴc（＝凝縮温度Ｔ3−膨張弁流入温度Ｔ4）が目標過冷却度〜目標過冷却度＋βの範囲内となるように、膨張弁５６（電子膨張弁）の開度を調節する。

（２）第２膨張弁制御
圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高くなったときに、圧縮機５４を保護するための制御。沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ運転の実行中に圧縮機吐出温度Ｔ2を監視し、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高くなったときには、膨張弁５６の開度を増大させる処理を行う。

（３）第３膨張弁制御
液バック（外気熱交換器５３において気化されなかった液体状態の熱媒が圧縮機５４に吸入される現象）による圧縮機５４の破損を防止するための制御。沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ運転の実行中に、外気熱交換器５３における吸入過熱度ΔＴb（圧縮機吸入温度Ｔ1−外気熱交流入温度Ｔ5）を監視し、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値よりも低くなったときには、膨張弁５６の開度を減少させる処理を行う。

［３．トータル膨張弁制御］
次に、図３〜図４に示したフローチャートに従って、沸き上げ制御部１２３により実行される膨張弁の全体的な制御（トータル膨張弁制御）について説明する。沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ運転の実行時にトータル膨張弁制御を実行する。

トータル膨張弁制御においては、膨張弁５６の制御状態が膨張弁制御モードにより切り替えられ、第２膨張弁制御の実行時は、第１膨張弁制御が禁止されて膨張弁制御モードが「吐出温保護」に設定され、第３膨張弁制御の実行時は、第１膨張弁制御が禁止されて膨張弁制御モードが「液バック保護」に設定される。また、第２膨張弁制御及び第３膨張弁制御が実行されていないときには、膨張弁制御モードが「通常」に設定される。

図３のＳＴＥＰ１で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の起動初期動作（膨張弁５６の開度を設定するモータの原点出し等）が完了しているか否かを判断する。そして、起動初期動作が完了しているときはＳＴＥＰ２に進む。また、起動初期動作が完了していないときにはＳＴＥＰ３０に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、起動初期動作を実行してＳＴＥＰ３１に進む。

ＳＴＥＰ３１で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の起動待機解除条件が成立しているか否かを判断する。そして、起動待機解除条件が成立しているときはＳＴＥＰ３に分岐し、起動待機解除条件が成立していないときには図４のＳＴＥＰ１０に進む。

ＳＴＥＰ２で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の起動待機時間が経過しているか否かを判断する。そして、起動待機時間が経過しているときはＳＴＥＰ３に進んで膨張弁５６の制御を開始する。この時、沸き上げ制御部１２３は、初期設定として、膨張弁制御モードを「通常」に設定する。一方、起動待機時間が経過していないときにはＳＴＥＰ３１に分岐する。

ＳＴＥＰ３で、沸き上げ制御部１２３は、ヒートポンプ５１が除霜運転中（空気から吸熱する外気熱交換器５３の着霜状態を解消するための運転中）であるか否かを判断する。そして、除霜運転中であるときはＳＴＥＰ３２に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、除霜運転用の膨張弁制御を実行して図４のＳＴＥＰ１０に進む。一方、除霜運転中でないときにはＳＴＥＰ４に進む。

ＳＴＥＰ４で、沸き上げ制御部１２３は、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高いか否かを判断する。そして、吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高いときはＳＴＥＰ３３に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁制御モード「吐出温保護」に設定してＳＴＥＰ３４に進む。ＳＴＥＰ３４で、沸き上げ制御部１２３は第２膨張弁制御（詳細は後述する）を実行して、図４のＳＴＥＰ１０に進む。一方、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度以下であるときにはＳＴＥＰ５に進む。

ＳＴＥＰ５で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁制御モードが「吐出温保護」に設定されているか否かを判断する。そして、膨張弁制御モードが「吐出温保護」に設定されているときはＳＴＥＰ３４に分岐する。一方、膨張弁制御モードが「吐出温保護」に設定されていないときにはＳＴＥＰ６に進む。

ＳＴＥＰ６で、沸き上げ制御部１２３は、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値よりも小さくなっているか否かを判断する。吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値よりも低いときにには、液バック状態が進行中であると想定される。そして、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値よりも低いときはＳＴＥＰ３５に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁制御モードを「液バック保護」に設定してＳＴＥＰ３６に進む。一方、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値以上であるときにはＳＴＥＰ７に進む。

ＳＴＥＰ７で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁制御モードが「液バック保護」に設定されているか否かを判断する。そして、膨張弁制御モードが「液バック保護」に設定されている場合はＳＴＥＰ３６に分岐する。一方、膨張弁制御モードが「液バック保護」に設定されていないときには図４のＳＴＥＰ８に進む。

ＳＴＥＰ８で、沸き上げ制御部１２３は、圧縮機５４の回転速度指示が一定の状態であるか否かを判断する。沸き上げ制御部１２３は、圧縮機５４の回転速度指示に変化があるときはＳＴＥＰ４０に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、回転速度指示の変化あり時の膨張弁制御を実行してＳＴＥＰ１０に進む。一方、圧縮機５４の回転速度指示が一定の状態であるときにはＳＴＥＰ９に進む。

ＳＴＥＰ９で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁の制御更新タイマ（膨張弁５６の開度を調節する制御周期を計時するタイマ）がタイムアップしているか否かを判断する。そして、制御更新タイマがタイムアップしているときはＳＴＥＰ４１に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、第１膨張弁制御（圧縮機５４の回転速度指示が一定の状態であるときの膨張弁制御、詳細は後述する）を実行してＳＴＥＰ４２に進む。ＳＴＥＰ４２で、沸き上げ制御部１２３は、制御更新タイマをＸ秒に設定して計時をスタートさせ、ＳＴＥＰ１０に進む。

一方、ＳＴＥＰ９で制御更新タイマがタイムアップしていないときにはＳＴＥＰ１０に進む。ＳＴＥＰ１０で、沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ終了条件が成立しているか否かを判断する。沸き上げ終了条件としては、貯湯タンク１１内の水の沸き上げが終了したこと、使用者により貯湯タンク１１内の水の沸き上げを中止する操作がなされたこと等が設定されている。

そして、沸き上げ終了条件が成立したときはＳＴＥＰ１１に進み、沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ終了時の膨張弁制御を実行する。一方、沸き上げ終了条件が成立していないときには図３のＳＴＥＰ１に進む。

［４．第１膨張弁制御］
次に、図５に示したフローチャートに従って、図４のＳＴＥＰ４１で実行される第１膨張弁制御（圧縮機５４の回転速度指示が一定の状態であるときの膨張弁制御）の処理について説明する。

沸き上げ制御部１２３は、図５のＳＴＥＰ５０で、沸き上げ設定温度が変更されたか否かを判断する。そして、沸き上げ設定温度が変更されたときはＳＴＥＰ６０に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、沸き上げ設定温度と入水温度Ｔ7に応じて、目標吐出過熱度と目標過冷却度を設定してＳＴＥＰ５１に進む。一方、沸き上げ設定温度が変更されていないときにはＳＴＥＰ５１に進む。

ＳＴＥＰ５１で、沸き上げ制御部１２３は、吐出過熱度Ｔeが目標吐出過熱度よりも低いか否かを判断する。そして、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度よりも低いときはＳＴＥＰ６１に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量（膨張弁５６の現在の開度からの変更量）を「−Ａ」に設定（膨張弁５６の開度をＡだけ減少させる設定）してＳＴＥＰ５６に進む。一方、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度以上であるときにはＳＴＥＰ５２に進む。

ＳＴＥＰ５２で、沸き上げ制御部１２３は、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度＋α以上であるか否かを判断する。そして、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度＋α以上であるときはＳＴＥＰ６２に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「＋Ａ」に設定（膨張弁５６の開度をＡだけ増大させる設定）してＳＴＥＰ５６に進む。一方、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度＋αよりも低いときにはＳＴＥＰ５３に進む。

ＳＴＥＰ５３で、沸き上げ制御部１２３は、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度よりも低いか否かを判断する。そして、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度よりも低いときはＳＴＥＰ６３に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「−Ｂ」に設定（膨張弁５６の開度をＢだけ減少させる設定）してＳＴＥＰ５６に進む。一方、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度以上であるときはＳＴＥＰ５４に進む。

ＳＴＥＰ５４で、沸き上げ制御部１２３は、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度＋β以上であるか否かを判断する。そして、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度＋β以上であるときはＳＴＥＰ６４に分岐し、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「＋Ｂ」に設定（膨張弁５６の開度をＢだけ増大させる設定）してＳＴＥＰ５６に進む。一方、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度＋βよりも低いときにはＳＴＥＰ５５に進む。

ＳＴＥＰ５５で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「±０」に設定（膨張弁５６の開度を変更しない設定）してＳＴＥＰ５６に進む。ＳＴＥＰ５６で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量に応じて膨張弁５６の開度を制御（変更又は維持）し、ＳＴＥＰ５０に進む。

ＳＴＥＰ５１〜ＳＴＥＰ５２、ＳＴＥＰ６１，ＳＴＥＰ６２の処理により、吐出過熱度ΔＴeが目標吐出過熱度〜目標吐出過熱度＋αの範囲（本発明の第１所定範囲に相当する）内に維持される。また、ＳＴＥＰ５３〜ＳＴＥＰ５４、ＳＴＥＰ６３、ＳＴＥＰ６４の処理により、過冷却度ΔＴcが目標過冷却度〜目標過冷却度＋βの範囲（本発明の第２所定範囲に相当する）内に維持される。

ここで、目標吐出過熱度と目標過冷却度は、沸き上げ設定温度と入水温度に応じて、ヒートポンプの運転が高効率となるようにされる。例えば、沸き上げ設定温度が４５℃で入水温度Ｔ7が９℃であるときには、目標吐出過熱度が３５℃、目標過冷却度が３０℃等に設定される。

このように、吐出過熱度ΔＴeと過冷却度ΔＴcを一定範囲に維持することによって、ヒートポンプ５１を、要求能力を満たして高効率で作動させることができる。

［５．第２膨張弁制御］
次に、図６に示したフローチャートに従って、図３のＳＴＥＰ３４で実行される第２膨張弁制御（圧縮機吐出温度Ｔ2が高温になることを、膨張弁５６の開度調節によって防止する制御）の処理について説明する。

沸き上げ制御部１２３は、図６のＳＴＥＰ７０で、膨張弁５６の開度が最大開度未満であるか否かを判断する。そして、膨張弁５６の開度が最大開度未満であるときはＳＴＥＰ７１に進み、膨張弁５６の開度が最大開度であるときにはＳＴＥＰ８０に分岐する。

ＳＴＥＰ８０で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁の制御モードを「通常」に設定してＳＴＥＰ８１に進む。ＳＴＥＰ８１で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「±０」に設定（膨張弁５６の開度変更無しに設定）してＳＴＥＰ７５に進む。

ＳＴＥＰ７１で、沸き上げ制御部１２３は、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高いか否かを判断する。そして、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度よりも高いときにはＳＴＥＰ７２に進み、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度以下であるときにはＳＴＥＰ８０に進む。

ＳＴＥＰ７２で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の第１保護更新タイマ（圧縮機吐出温度Ｔ2に応じて膨張弁５６の開度を調節する周期を計時するタイマ）がタイムアップしているか否かを判断する。そして、第１保護更新タイマがタイムアップしているときはＳＴＥＰ７３に進み、第１保護更新タイマがタイムアップしていないときにはＳＴＥＰ８１に分岐する。

ＳＴＥＰ７３で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「＋Ｃ」に設定（膨張弁５６の開度をＣだけ増大させる設定）する。続くＳＴＥＰ７４で、沸き上げ制御部１２３は、第１保護更新タイマをＹ秒に設定して計時をスタートさせる。

次のＳＴＥＰ７５で、沸き上げ制御部１２３は、ＳＴＥＰ７３又はＳＴＥＰ８１で設定した制御量に応じて、膨張弁５６の開度を制御（変更又は維持）する。

第２膨張弁制御により、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度を超えたときに（ＳＴＥＰ７１でＹＥＳ）、膨張弁５６の開度をＣだけ増大する処理が行われて（ＳＴＥＰ７３）、圧縮機５４に吸入される熱媒の流量が増加する。吸入される熱媒の流量の増加によって、圧縮機５４から吐出される熱媒の温度が低下して圧縮機５４が保護される。

また、圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度以下になったときには、膨張弁５６の制御モードを「通常」に設定して（ＳＴＥＰ８０）、第１膨張弁制御を速やかに再開することができる。なお、本実施形態では、ＳＴＥＰ７１で圧縮機吐出温度Ｔ2が上限吐出温度以下となったときに、ＳＴＥＰ８０に分岐して膨張弁制御モードを「通常」に戻したが、上限吐出温度よりも低い許容吐出温度を設定し、圧縮機吐出温度Ｔ2が許容吐出温度以下になったときに膨張弁制御モードを「通常」に戻すようにしてもよい。

［６．第３膨張弁制御］
次に、図７に示したフローチャートに従って、図３のＳＴＥＰ３６で実行される第３膨張弁制御（外気熱交換器５３からの液バックを、膨張弁５６の開度調節によって防止する制御）の処理について説明する。

沸き上げ制御部１２３は、図７のＳＴＥＰ９０で、膨張弁５６の開度が最小開度よりも大きいか否かを判断する。そして、膨張弁５６の開度が最小開度よりも大きいときはＳＴＥＰ９１に進み、膨張弁５６の開度が最小開度であるときにはＳＴＥＰ１００に分岐する。

ＳＴＥＰ１００で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御モードを「通常」に設定する。続くＳＴＥＰ１０１で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「±０」に設定してＳＴＥＰ９５に進む。

ＳＴＥＰ９１で、沸き上げ制御部１２３は、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値以上であるか否か（液バック状態が解消されたか否か）を判断する。そして、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値以上であるときはＳＴＥＰ１００に分岐し、吸入過熱度ΔＴbが吸入過熱下限値よりも低いときにはＳＴＥＰ９２に分岐する。

ＳＴＥＰ９２で、沸き上げ制御部１２３は、第２保護更新タイマ（吸入過熱度ΔＴbに応じて膨張弁５６の開度を調節する周期を計時するタイマ）がタイムアップしているか否かを判断する。そして、第２保護更新タイマがタイムアップしているときはＳＴＥＰ９３に進み、第２保護更新タイマがタイムアップしていないときにはＳＴＥＰ１０１に分岐する。

ＳＴＥＰ９３で、沸き上げ制御部１２３は、膨張弁５６の制御量を「−Ｄ」に設定（膨張弁５６の開度をＤだけ減少させる設定）する。続くＳＴＥＰ９４で、沸き上げ制御部１２３は、第２保護タイマをＺ秒に設定して計時をスタートさせる。

次のＳＴＥＰ９５で、沸き上げ制御部１２３は、ＳＴＥＰ９３又はＳＴＥＰ１０１で設定した制御量に応じて、膨張弁５６の開度を制御（変更又は維持）する。

第３膨張弁制御部により、液バック状態となっているおそれがあるとき（図３のＳＴＥＰ６でＹＥＳ）に、膨張弁５６の開度をＤだけ減少させる処理が行われて（図７のＳＴＥＰ９３，ＳＴＥＰ９５）、外気熱交換器５３に流入する熱媒の流量が減少する。これにより、外気熱交換器５３における熱媒の気化が促進されて液バック状態が生じることが回避され、液体状態の熱媒が吸入されることによる圧縮機５４の故障を防止することができる。

また、液バック状態が解消されたときには、膨張弁５６の制御モードを「通常」に設定して（ＳＴＥＰ１００）第３膨張弁制御を終了し、第１膨張弁制御を速やかに再開することができる。

［７．他の実施形態］
上記実施形態では、第１膨張弁制御、第２膨張弁制御、及び第３膨張弁制御を実行する例を示したが、少なくとも第１膨張弁制御を実行することによって本発明の効果を得ることができ、第２膨張弁制御と第３膨張弁制御のいずれか又は両方を実行しない構成としてもよい。或は、第２膨張弁制御及び第３膨張弁制御以外の膨張弁制御と、第１膨張弁制御とを組み合わせて実行する構成としてもよい。

上記実施形態では、貯湯タンク１１に貯められた湯を出湯管１３に供給する給湯システム１を示したが、貯湯タンク１１に貯められた湯を暖房端末に循環供給して、暖房端末から放熱する給湯システムに対しても本発明の適用が可能である。

上記実施形態では、水熱交換器５５における熱媒の凝縮温度を凝縮温度センサ５７（サーミスタ等により構成される）により直接検出したが、凝縮圧力を検出して飽和凝縮温度を検出してもよい。また、外気熱交換器５３における熱媒の蒸発温度についても、蒸発圧力を検出して飽和蒸発温度を検出してもよい。

上記実施形態における膨張弁５６の開度の調節値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、固定値であってもよいし、沸き上げ温度や圧縮機５４の回転速度に応じて変更してもよい。

１…給湯システム、１０…貯湯ユニット、１１…貯湯タンク、１２…給水管、１３…出湯管、２２…給水温度センサ、３４…給水分岐管、４１…タンク循環路、５０…ヒートポンプユニット、５１…ヒートポンプ、５２…ヒートポンプ循環路（熱媒循環路）、５３…外気熱交換器（蒸発器）、５４…圧縮機、５５…水熱交換器（凝縮器）、５６…膨張弁、５７…凝縮温度センサ（凝縮温度検出部）、６２…熱媒温度センサ（膨張弁流入温度検出部）、６５…熱媒温度センサ（圧縮機吐出温度検出部）、６６…タンク循環ポンプ、６７…外気温度センサ、１２０…コントローラ、１２１…給湯制御部、１２２…湯張り制御部、１２３…沸き上げ制御部。

Claims (3)

1. 熱媒が封入された熱媒循環路と、該熱媒循環路により順に接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器とを有するヒートポンプと、
   湯水が貯められる貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの上部と下部とを連通し、途中に前記凝縮器が接続されたタンク循環路と、
   前記貯湯タンクに貯められた水を、前記タンク循環路を介して循環させるタンク循環ポンプと、
   前記ヒートポンプと前記タンク循環ポンプとを作動させることにより、前記凝縮器において、前記熱媒循環路を流通する熱媒と前記タンク循環路を流通する水との間で熱交換を行って、前記貯湯タンク内の水を沸き上げ設定温度まで加熱する沸き上げ運転を実行する沸き上げ制御部と
   を備えた給湯システムにおいて、
   前記圧縮機から前記熱媒循環路に吐出される熱媒の温度を検出する圧縮機吐出温度検出部と、
   前記凝縮器における熱媒の凝縮温度を検出する凝縮温度検出部と、
   前記熱媒循環路から前記膨張弁に流入する熱媒の温度を検出する膨張弁流入温度検出部と、
   前記タンク循環路から前記凝縮器に流入する水の入水温度を検出する入水温度検出部とを備え、
   前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度と前記凝縮温度検出部の検出温度との差である吐出過熱度が、沸き上げ設定温度と前記入水温度に応じて、前記ヒートポンプの運転が現状よりも高効率となるように定められる目標吐出過熱度から当該目標吐出過熱度＋αの範囲内となるように、当該範囲以下であるときは前記膨張弁の開度を減少し、当該範囲以上であるときは前記膨張弁の開度を増大し、且つ、前記凝縮温度検出部の検出温度と前記膨張弁流入温度検出部の検出温度との差である過冷却度が、沸き上げ設定温度と前記入水温度に応じて、前記ヒートポンプの運転が現状よりも高効率となるように定められる目標過冷却度から当該目標過冷却度＋βの範囲内となるように、当該範囲以下であるときは前記膨張弁の開度を減少し、当該範囲以上であるときは前記膨張弁の開度を増大する第１膨張弁制御を実行することを特徴とする給湯システム。
2. 請求項１に記載の給湯システムにおいて、
   前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度が、所定の上限吐出温度を超えているときには、前記第１膨張弁制御を禁止して、前記膨張弁の開度を増大させる第２膨張弁制御を実行し、該第２膨張弁制御により前記圧縮機吐出温度検出部の検出温度が前記上限吐出温度以下に設定された吐出許容温度以下になった時に、前記第２膨張弁制御を終了して前記第１膨張弁制御を実行することを特徴とする給湯システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の給湯システムにおいて、
   前記熱媒循環路から前記圧縮機に吸入される熱媒の温度を検出する圧縮機吸入温度検出部と、
   前記熱媒循環路から前記蒸発器に流入する熱媒の温度を検出する蒸発器流入温度検出部とを備え、
   前記沸き上げ制御部は、前記沸き上げ運転の実行中に、前記圧縮機吸入温度検出部の検出温度と前記蒸発器流入温度検出部の検出温度との差である吸入過熱度が、所定の過熱下限値よりも低くなっているときには、前記第１膨張弁制御を禁止して、前記膨張弁の開度を減少させる第３膨張弁制御を実行し、該第３膨張弁制御により前記吸入過熱度が前記過熱下限値以上に設定された過熱許容値以上になった時に、前記第３膨張弁制御を終了して前記第１膨張弁制御を実行することを特徴とする給湯システム。