JP7205321B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関する。

下記特許文献１には、ヒートポンプユニットにより加熱された湯の温度のハンチングが発生した場合に、水循環ポンプの回転数を固定する技術が開示されている。

特開２００９－１２１７９４号公報

ヒートポンプユニットからの出湯温度が過度に上昇し、ヒートポンプユニット内の湯が沸騰すると、ヒートポンプユニット内の銅配管の腐食などを生ずる可能性がある。特許文献１の技術では、出湯温度の過度な上昇を確実に抑制できないという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、出湯温度の過度な上昇を抑制することと、出湯温度を安定させることとを両立する上で有利になるヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプにより水を加熱する加熱手段と、加熱手段により水を加熱する沸上げ運転のときに加熱手段へ水を送るポンプと、加熱手段から流出する湯の温度である出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、沸上げ運転のときに、出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、ポンプの回転数であるポンプ回転数を調整する制御手段と、を備え、沸上げ運転のときに、制御手段は、出湯温度が、目標出湯温度よりも高い上限温度に達すると、ポンプ回転数が所定回転数上昇するようにポンプを加速させるポンプ加速制御を実行可能であり、沸上げ運転の最中の所定時間内にポンプ加速制御が実行された回数であるポンプ加速制御実行回数が第一基準回数に達すると、制御手段は、それ以降のポンプ加速制御を禁止し、沸上げ運転の最中にポンプ加速制御が禁止された場合に、当該沸上げ運転の次の回の沸上げ運転では、ポンプ加速制御の禁止を解除するものである。

本発明によれば、出湯温度の過度な上昇を抑制することと、出湯温度を安定させることとを両立する上で有利になるヒートポンプ給湯装置を提供することが可能となる。

実施の形態１によるヒートポンプ給湯装置を示す図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯装置における沸上げ運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。なお、本実施の形態において、「回転数」とは、単位時間当たりの回転数、すなわち回転速度に相当している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯装置３０を示す図である。図１に示すように、本実施の形態のヒートポンプ給湯装置３０は、ヒートポンプユニット１００と、貯湯タンク１１を有する貯湯ユニット２００とを備えた貯湯式給湯装置に相当する。ヒートポンプユニット１００は、ヒートポンプを用いて水を加熱する加熱手段に相当する。ヒートポンプユニット１００及び貯湯ユニット２００との間は、水が通る配管１６ａ及び配管１６ｋと、電気配線（図示省略）とを介して接続されている。

ヒートポンプユニット１００は、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３及び空気熱交換器４等の機器を有しており、電力により作動する。これらの機器は、配管等により環状に接続され、圧縮機１により冷媒を循環させる冷媒回路１０１を構成している。冷媒回路１０１は、水を加熱するヒートポンプサイクルに相当する。水冷媒熱交換器２は、水と冷媒との間で熱を交換するもので、水の流入口及び流出口を有している。以下の説明では、ヒートポンプユニット１００から流出する湯水を「加熱湯」と呼ぶ場合がある。水冷媒熱交換器２は、流入口から流入した水を冷媒により加熱し、流出口から加熱湯を流出させる。また、空気熱交換器４は、空気と冷媒との間で熱を交換する。ヒートポンプユニット１００は、外気を空気熱交換器４へ送風するファン５をさらに備えている。なお、以下の説明において、単に「水」または「湯」と記載した場合には、低温の水から、高温の湯まで、あらゆる温度の液体の水が含まれうる。

貯湯ユニット２００内には、貯湯タンク１１のほか、循環ポンプ６ａ、追焚き用ポンプ６ｂ、切替弁７、切替弁８、切替弁９、及び混合弁１０などが備えられている。循環ポンプ６ａは、後述の貯湯回路２０１及び追焚き回路２０２などに水を循環させるためのポンプである。循環ポンプ６ａは、貯湯回路２０１及び追焚き回路２０２の一部を構成している。追焚き用ポンプ６ｂは、浴槽（図示省略）と、追焚き熱交換器１２との間で浴槽水を循環させるためのポンプである。切替弁７は、例えば、Ａポート、Ｂポート、Ｃポート、及びＤポートの４つのポートを有する電磁駆動式の四方弁等により構成されている。切替弁７は、水冷媒熱交換器２の流出口から流出する加熱湯の流路を、切替弁８と、貯湯タンク１１の下部にある低温水戻し口１１ｅとに切り替える切替機構を構成している。また、切替弁７は、貯湯タンク１１の上部にある高温水取出し口１１ａから流出した湯を低温水戻し口１１ｅに戻す切替機構を構成している。

切替弁８は、例えば、Ｅポート、Ｆポート、Ｇポート、及びＨポートの４つのポートを有する電磁駆動式の四方弁等により構成されている。切替弁８は、Ｅポートから流入する水の流路を、貯湯タンク１１の中間高さ部分にある追焚き戻し口１１ｃと、貯湯タンク１１の上部にある高温水流出入口１１ｂと、追焚き熱交換器１２とに切り替える切替機構を構成している。切替弁９は、例えば、Ｉポート、Ｊポート、及びＫポートの３つのポートを有する電磁駆動式の三方弁等により構成されている。切替弁９は、貯湯タンク１１の下部にある取出し口１１ｆから流出した水が循環ポンプ６ａを通過して水冷媒熱交換器２へ流入する流路状態と、追焚き熱交換器１２から流出した水が循環ポンプ６ａを通過して水冷媒熱交換器２へ流入する流路状態とを切り替える切替機構を構成している。

混合弁１０は、Ｌポート、Ｍポート、及びＮポートの３つのポートを有している。混合弁１０は、貯湯タンク１１の中間高さ部分にある中温水取出し口１１ｄから取り出される中温水と、水源に接続された給水端からの低温水とを混合、または中温水と低温水との切替えをし、給湯混合部１５へ流出させる。貯湯タンク１１は、加熱湯を貯留する。貯湯タンク１１は、前述した高温水取出し口１１ａ、高温水流出入口１１ｂ、追焚き戻し口１１ｃ、中温水取出し口１１ｄ、低温水戻し口１１ｅ、及び取出し口１１ｆのほか、貯湯タンク１１の下部に位置する給水口１１ｇを備えている。給水口１１ｇは、配管１６ｐを介して給水端に接続されている。給水端から供給される低温水が配管１６ｐを通って、貯湯タンク１１内に流入する。

水冷媒熱交換器２の流出口は、配管１６ａを介して切替弁７のＡポートに接続されている。切替弁７のＢポートは、配管１６ｂを介して切替弁８のＥポートに接続されている。切替弁８のＦポートは、配管１６ｃ及び配管１６ｅを介して追焚き熱交換器１２の一次側流入口に接続されている。追焚き熱交換器１２の一次側の流出口は、配管１６ｆを介して切替弁９のＪポートに接続されている。また、追焚き熱交換器１２の一次側の流出口は、配管１６ｇを介して、中温水取出し口１１ｄと混合弁１０のＬポートとの間をつなぐ流路に接続されている。切替弁９のＩポートは、配管１６ｈを介して取出し口１１ｆに接続されている。切替弁９のＫポートは、配管１６ｊを介して循環ポンプ６ａの吸込口に接続されている。循環ポンプ６ａの吐出口は、配管１６ｌを介して切替弁７のＣポートに接続されている。配管１６ｋは、配管１６ｌの途中に設けられた分岐部と、水冷媒熱交換器２の流入口との間をつないでいる。切替弁７のＤポートは、配管１６ｍを介して低温水戻し口１１ｅに接続されている。切替弁８のＨポートは、配管１６ｎ及び１６ｑを介して高温水流出入口１１ｂに接続されている。切替弁８のＧポートは、配管１６ｏを介して追焚き戻し口１１ｃに接続されている。

循環ポンプ６ａ、貯湯タンク１１、配管１６ａ，１６ｂ，１６ｈ，１６ｊ，１６ｋ，１６ｎ，１６ｑ、及び切替弁７，８，９は、水冷媒熱交換器２から流出する加熱湯を貯湯タンク１１内に貯湯する貯湯回路２０１を構成している。

循環ポンプ６ａ、追焚き熱交換器１２、配管１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｊ，１６ｌ，１６ｏ、及び切替弁７，８，９は、追焚き熱交換器１２により負荷側の加熱対象水を加熱する追焚き回路２０２を構成している。

追焚き熱交換器１２により加熱される加熱対象水は、前述した浴槽水に限定されるものではなく、例えば、床暖房用の循環水であってもよい。循環ポンプ６ａは、必ずしも貯湯ユニット２００に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１００側に搭載してもよい。また、高温水流出入口１１ｂ、中温水取出し口１１ｄ、配管１６ｑ、混合弁１０、及び給湯混合部１５は、貯湯タンク１１から温水を取り出して、浴槽あるいは給湯端に給湯する給湯回路２０３を構成している。

本実施の形態では、ヒートポンプユニット１００の冷媒回路１０１の加熱能力を調整可能である。以下の説明では、ヒートポンプユニット１００の冷媒回路１０１の加熱能力を単に「加熱能力」と呼ぶ場合がある。加熱能力は、ヒートポンプユニット１００が時間あたりに水に与える熱量に相当する。加熱能力の単位は、例えばｋＷ（キロワット）である。圧縮機１は、例えばインバータ制御式のＤＣブラシレスモータ等を備えた駆動装置（図示省略）により駆動される。この場合には、当該駆動装置により圧縮機１の回転数を調整することで、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力及び温度を変化させたり、加熱能力を変化させたりすることができる。ただし、本開示のヒートポンプ給湯装置３０においては、そのような駆動装置を用いなくてもよく、例えば、ヒートポンプユニット１００に複数台の圧縮機を搭載し、そのうちで稼働する圧縮機の台数を切り替えることで、吐出する冷媒の圧力及び温度、あるいは加熱能力を変化させる構成としてもよい。

また、圧縮機１には、他の構造物を付加してもよい。そのような他の構造物としては、例えば、その吸い込み側に配置されて冷媒音を低減させるサクションマフラーのような容器と、圧縮機１の吐出側に流出した潤滑油を分離回収する油分離装置とが挙げられる。ヒートポンプユニット１００の冷媒としては、例えば二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパン、プロピレンなどのように、高温出湯が可能な冷媒を用いるのが好ましいが、本開示のヒートポンプ給湯装置３０においては、これらの冷媒に限定されるものではない。

次に、ヒートポンプ給湯装置３０の制御系統について説明する。以下の説明では、水冷媒熱交換器２から流出する加熱湯の温度を「出湯温度」と称する。ヒートポンプユニット１００は、水冷媒熱交換器２に流入する水の温度を検出する入水温度センサ１３ａと、出湯温度を検出する出湯温度センサ１３ｂと、ヒートポンプユニット１００の周囲の外気温度を検出する外気温度センサ１３ｃとを備えている。出湯温度センサ１３ｂは、出湯温度検出手段に相当するものであり、図示の例では水冷媒熱交換器２の流出口の近傍に配置されている。また、冷媒回路１０１は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ１３ｄと、圧縮機１に吸い込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度センサ１３ｅと、空気熱交換器４の入口もしくは中間部となる位置で冷媒の温度を検出する蒸発温度センサ１３ｆとを備えている。貯湯ユニット２００には、複数の貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊが設けられている。貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊは、互いに異なる高さの位置において貯湯タンク１１に設置され、それぞれの設置場所で貯湯タンク１１内の水温を検出する。

本実施の形態のヒートポンプ給湯装置３０は、ヒートポンプユニット１００に搭載された制御装置１４と、貯湯ユニット２００に搭載された制御装置５０を備えている。制御装置１４及び制御装置５０のそれぞれは、例えばプロセッサ及びメモリを備えた制御手段に相当している。制御装置１４と制御装置５０とは、双方向に通信可能に接続されている。本実施の形態では、制御装置１４と制御装置５０とが連携して、沸上げ運転を含むヒートポンプ給湯装置３０の各種の動作を制御する。沸上げ運転では、ヒートポンプユニット１００及び循環ポンプ６ａが駆動され、循環ポンプ６ａにより水がヒートポンプユニット１００へ送られ、ヒートポンプユニット１００が水を加熱する。本実施の形態における沸上げ運転では、ヒートポンプユニット１００により加熱された湯は、貯湯タンク１１に蓄積される。

以下では、説明の便宜上、制御装置１４及び制御装置５０を総称して単に「制御装置５０」と呼ぶ。すなわち、以下の説明では、制御装置５０が処理を実行するものとして記載するが、いずれの処理についても、制御装置１４が単独で実行してもよいし、制御装置５０が単独で実行してもよいし、制御装置１４と制御装置５０とが連携して実行してもよい。また、制御装置１４及び制御装置５０に代えて例えばリモコン５１が処理を実行してもよい。その場合にはリモコン５１が制御手段に相当する。また、本開示におけるヒートポンプ給湯装置３０の制御手段は、本実施の形態のように複数の制御装置が連携する構成に限らず、単一の制御装置によって構成されるものでもよい。

制御装置５０と、リモコン５１との間は、有線通信または無線通信により、双方向に通信可能である。制御装置５０とリモコン５１とがネットワークを介して通信可能でもよい。リモコン５１は、ユーザインターフェースの例である。リモコン５１は、情報を表示する表示部５１ａと、使用者が操作する操作部５１ｂとを有する。リモコン５１は表示部５１ａ及び操作部５１ｂの両方の機能を有するタッチスクリーンを備えてもよい。使用者等の人間は、リモコン５１を操作することで、ヒートポンプ給湯装置３０を遠隔操作したり、各種の設定などを行ったりすることが可能である。表示部５１ａは、使用者等の人間に情報を報知あるいは通知する報知手段あるいは通知手段としての機能を有する。本実施の形態におけるリモコン５１は、表示部５１ａを報知手段あるいは通知手段として備えるが、変形例として、例えば音声案内装置のような他の報知手段あるいは通知手段を備えてもよい。リモコン５１は、例えば台所、リビング、浴室などの壁に設置されたものでもよい。または、例えばスマートフォンのような携帯情報端末がリモコン５１のようなユーザインターフェースとしての機能を有するように構成してもよい。複数のリモコン５１が制御装置５０に対して通信可能でもよい。

制御装置５０には、ヒートポンプ給湯装置３０が備える各種のセンサの出力と、リモコン５１に対する使用者の操作内容の情報などが入力される。制御装置５０は、これらの入力情報に基づいてヒートポンプユニット１００及び貯湯ユニット２００の動作をそれぞれ制御する。例えば、制御装置５０は、圧縮機１、循環ポンプ６ａ、及び追焚き用ポンプ６ｂの運転状態と、膨張弁３の開度と、切替弁７、切替弁８、切替弁９、及び混合弁１０の流路方向あるいは切り替え位置等を制御する。また、制御装置５０は、沸上げ運転、追焚き運転等を実行する。制御装置５０は、沸上げ運転中に、出湯温度の制御と、冷媒回路１０１の加熱能力の制御とを実行する。

制御装置５０は、外部機器（図示省略）とさらに通信可能に接続されていてもよい。当該外部機器は、例えばＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネジメントシステム）コントローラでもよい。

本実施の形態における制御装置５０は、給湯に使用された熱量（以下、「給湯使用熱量」と称する）を算出する給湯熱量算出手段５２を備える。給湯熱量算出手段５２は、給水温度センサ１３ｋが検出する給水温度と、給湯温度センサ１３ｌが検出する給湯温度と、ふろ給湯温度センサ１３ｍが検出する給湯温度と、給湯流量センサ１７ａが検出する給湯流量と、ふろ給湯流量センサ１７ｂが検出する給湯流量とに基づいて、給湯使用熱量を算出する。給水温度センサ１３ｋが検出する給水温度とは、水源から給水端へ供給された低温水の温度である。給湯温度センサ１３ｌが検出する給湯温度とは、給湯混合部１５から浴槽以外の給湯端へ供給された湯の温度である。ふろ給湯温度センサ１３ｍが検出する給湯温度とは、給湯混合部１５から浴槽へ供給された湯の温度である。給湯流量センサ１７ａが検出する給湯流量とは、給湯混合部１５から上記給湯端へ供給された湯の流量である。ふろ給湯流量センサ１７ｂが検出する給湯流量とは、給湯混合部１５から浴槽へ供給された湯の流量である。

制御装置５０は、過去所定期間（例えば過去２週間）に給湯熱量算出手段５２により算出された給湯使用熱量に関するデータを記憶することにより、給湯使用熱量を学習する機能を有している。例えば、制御装置５０は、過去所定期間の給湯使用熱量を統計的に処理することにより、給湯使用熱量を学習する。また、制御装置５０は、一日のうちの時間毎に給湯使用熱量を学習してもよい。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置３０は、深夜時間帯モードを設定可能とする設定手段を備えてもよい。例えば、使用者がリモコン５１を操作することによって深夜時間帯モードを設定可能としてもよい。また、制御装置５０が例えばＨＥＭＳコントローラのような外部機器からの指令を受信すると深夜時間帯モードが設定されるように構成してもよい。深夜時間帯モードは、特に電力単価の安い深夜時間帯により多くの熱量を貯湯タンク１１に貯めることで電力料金を安価とするためのモードに相当する。深夜時間帯モードが設定された場合には、深夜時間帯における沸上げ運転において、制御装置５０は、冷媒回路１０１の加熱能力を所定の最高加熱能力に設定するとともに、出湯温度が所定の最高目標温度に等しくなるように制御する。これにより、深夜時間帯に沸上げ運転を集中させるため、昼間時間帯での沸上げ運転が不要な程度の給湯使用量の場合には、ランニングコストの低減が可能となる。なお、最高目標温度は、例えば９０℃でもよい。

次に、図２を参照しつつ、ヒートポンプ給湯装置３０の沸上げ運転の動作について説明する。図２は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯装置３０における沸上げ運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。図２に示すように、沸上げ運転では、冷媒回路１０１及び貯湯回路２０１を作動させることにより、貯湯タンク１１の取出し口１１ｆから流出させた低温水を冷媒回路１０１により加熱し、水冷媒熱交換器２の流出口から流出する高温の加熱湯を高温水流出入口１１ｂから貯湯タンク１１内に流入させる。

沸上げ運転について、更に以下に説明する。冷媒回路１０１では、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒が水冷媒熱交換器２を流通する水に放熱しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。また、水冷媒熱交換器２から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁３を通過することにより低圧気液二相の状態に減圧される。そして、この冷媒は、空気熱交換器４内を流通しつつ外気から吸熱することにより、蒸発してガス化される。空気熱交換器４から流出した低圧冷媒は、圧縮機１に吸い込まれて循環するので、この循環により冷凍サイクルすなわちヒートポンプサイクルが形成される。

また、切替弁７により配管１６ａと配管１６ｂとが相互に接続され、切替弁８により配管１６ｂと配管１６ｎとが相互に接続され、切替弁９により配管１６ｈと配管１６ｊとが相互に接続される。これにより、貯湯回路２０１が形成される。そして、循環ポンプ６ａが作動すると、貯湯タンク１１内の水は、取出し口１１ｆから配管１６ｈ，１６ｊ，１６ｋを通って水冷媒熱交換器２に導入される。そして、この水は、水冷媒熱交換器２内でガス冷媒により加熱され、加熱湯となって水冷媒熱交換器２から流出する。この加熱湯は、配管１６ａ，１６ｂ，１６ｎ，１６ｑを通過して高温水流出入口１１ｂから貯湯タンク１１内に流入する。このように、沸上げ運転が実行されると、貯湯タンク１１の上部が高温水となり下部が低温水となる温度分布状態を維持しつつ、貯湯される。

次に、沸上げ運転時に制御装置５０が実行する加熱湯の温度制御及び冷媒回路１０１の加熱能力制御について説明する。温度制御として、制御装置５０は、出湯温度センサ１３ｂにより検出される出湯温度（以下、「実出湯温度」と称する）が所定の目標出湯温度に等しくなるように、循環ポンプ６ａの回転数を調整する。すなわち、制御装置５０は、目標出湯温度と実出湯温度との偏差に応じて、循環ポンプ６ａの回転数を制御する。この制御を以下「ポンプフィードバック制御」と称する。また、循環ポンプ６ａの回転数を以下「ポンプ回転数」と称する。ポンプフィードバック制御では、一定の時間間隔で周期的にポンプ回転数を調整する処理が実行される。沸上げ運転では、目標出湯温度を所定の貯湯目標温度に設定した状態で貯湯を実行する。すなわち、目標出湯温度は、貯湯目標温度に等しい。例えば、制御装置５０は、貯湯タンク１１の容量との関係において、目標蓄熱量を貯湯タンク１１に蓄えることができるように貯湯目標温度すなわち目標出湯温度を設定する。目標蓄熱量は、例えば、リモコン５１の操作内容等に基づいて設定されるか、または過去の給湯使用量などに基づいて算出される。また、制御装置５０は、貯湯目標温度すなわち目標出湯温度が、予め定められた範囲内（例えば、６５～９０℃）に収まるように設定する。

上記温度制御では、水冷媒熱交換器２に出入りする加熱湯の流量を制御するだけなので、温度制御により実現される出湯温度の最高値は、冷媒回路１０１の加熱能力に依存している。したがって、冷媒回路１０１には、目標出湯温度が設定範囲内の最大値（上記例では、９０℃）に設定された場合でも、これを実現できるだけの加熱能力が要求される。このため、加熱能力制御では、例えば、貯湯タンク１１内の残湯量すなわち残熱量、外気温度、給水温度等に基づいて上記要求を満たす加熱能力の目標値（目標加熱能力）を設定し、冷媒回路１０１の実際の加熱能力が目標加熱能力に等しくなるように、圧縮機１の回転数等を制御する。このように加熱能力を制御すれば、目標出湯温度の設定及び外部条件がどのように変化した場合でも、要求される出湯温度を安定的に確保することができる。加熱能力制御は、例えば、一定の時間間隔で周期的に実行される。また、圧縮機１の回転数には、耐久性の観点から上限回転数及び下限回転数が設けられている。

また、本実施形態におけるヒートポンプユニット１００として、例えば冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプユニットだけでなく、臨界圧力以下で作動するヒートポンプユニットを用いてもよい。この場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニア等を用いてもよい。

出湯温度が沸点付近の高温に到達すると、水の沸騰による膨張が発生したり、水流路を形成する銅配管の酸化銅腐食が発生したりするおそれがある。このため、出湯温度が沸点付近の高温に到達することを確実に防止することが望まれる。このことに鑑みて、本実施の形態における制御装置５０は、沸上げ運転のときに、ポンプ加速制御を実行可能としている。ポンプ加速制御は、実出湯温度が、目標出湯温度よりも高い上限温度に達した場合に、ポンプ回転数が所定回転数上昇するように循環ポンプ６ａを加速させる制御である。当該所定回転数を以下「追加回転数」と称する。上限温度は、水の沸点よりも低い温度であり、例えば９５℃でもよい。ポンプ加速制御では、制御装置５０は、例えば、ポンプ回転数が、実出湯温度が上限温度に達した時点のポンプ回転数よりも追加回転数だけ高い回転数まで加速されるように、循環ポンプ６ａを制御する。ポンプ加速制御が実行されると、循環ポンプ６ａは、ポンプフィードバック制御よりも急速に加速されるので、水の循環流量が急上昇する。その結果、出湯温度が速やかに低下するので、出湯温度が沸点付近の高温に到達することを確実に防止することができる。

ポンプ加速制御によってポンプ回転数が追加回転数だけ上昇した場合の出湯温度の低下度合いが大きくなり、実出湯温度が目標出湯温度よりも低くなる可能性がある。例えば、目標出湯温度が９０℃であり、ポンプ加速制御実行後の実出湯温度が８５℃まで低下するような場合がある。そのような場合には、ポンプフィードバック制御によりポンプ回転数が低下するので、実出湯温度を上昇させて目標出湯温度に近づけることができる。その際に、実出湯温度が急激に上昇して上限温度に達し、再びポンプ加速制御が実行される可能性がある。このような出湯温度のハンチングは、貯湯回路２０１の圧力損失と、ポンプ加速制御における追加回転数とのバランスに起因したり、または給湯混合部１５から給湯端末への給湯による貯湯回路２０１の圧力損失の低下に起因したりする。

ヒートポンプユニット１００と貯湯ユニット２００とを接続する配管１６ａ及び配管１６ｋは、ヒートポンプ給湯装置３０が使用される住宅における設置スペースの都合により、配管長、曲がり数、配管径、高低差などが様々に異なる。このため、配管１６ａ及び配管１６ｋの圧力損失は、個々のヒートポンプ給湯装置３０ごとに異なる。上記のような出湯温度のハンチングは、配管１６ａ及び配管１６ｋの圧力損失が小さい場合に顕著に発生しやすい。配管１６ａ及び配管１６ｋの圧力損失が小さいと、貯湯回路２０１の圧力損失が小さいので、ポンプ回転数の変化に対する水流量の変化が大きくなる。このため、以下のようにして、出湯温度のハンチングが発生する可能性がある。ポンプ加速制御が実行された場合の出湯温度の低下度合いが大きくなる。それゆえ、一旦ポンプ加速制御が発動すると、実出湯温度が目標出湯温度よりも大幅に低くなるため、その後にポンプフィードバック制御によりポンプ回転数を低下させるように働く。その際に、実出湯温度が目標出湯温度よりも低い状態が一定時間継続した場合には、実出湯温度が目標出湯温度に等しくなるポンプ回転数よりもずっと低い回転数にまでポンプ回転数が低下するので、実出湯温度は、目標出湯温度を超えて上昇する。その結果、ポンプフィードバック制御による出湯温度の調整が追いつかなくなり、ポンプ加速制御が再び発動する。この繰り返しにより出湯温度のハンチング現象が発生する。

上記のように、ポンプ加速制御が出湯温度のハンチングを誘発する可能性がある。ポンプフィードバック制御における制御システム定数（例えば比例ゲイン、積分時間、微分時間）、あるいは配管１６ａ及び配管１６ｋの圧力損失等により、出湯温度がハンチングした場合のハンチング時間周期は異なるが、本発明者らの知見によれば、ハンチング時間周期は、数分間（例えば３分間）となる事例がある。また、一旦ポンプ加速制御が実行された場合においても、２回目のポンプ加速制御に至らないケースがある。その一方で、一旦ポンプ加速制御が実行されると、数十回のポンプ加速制御の繰り返しにつながるケースがある。本発明者らの知見によれば、一旦ポンプ加速制御が実行されても、数十回のポンプ加速制御の連続によるハンチングにはつながらないケースでは、ほとんどの場合、ポンプ加速制御の実行回数は２回目までにとどまる。

以上のことから、比較的短い時間（例えば１０分間）のうちにポンプ加速制御が複数回実行された場合には、出湯温度のハンチングにつながる可能性があると言える。このことに鑑みて、本実施の形態では、沸上げ運転の最中の所定時間内にポンプ加速制御が実行された回数が第一基準回数に達すると、制御装置５０は、それ以降のポンプ加速制御を禁止する。これにより、その後にポンプ加速制御が繰り返し実行されることによって出湯温度のハンチングが発生することを確実に防止できる。

上記所定時間は、例えば１０分間としてもよい。第一基準回数は、２回以上が好ましい。第一基準回数は、例えば３回としてもよいし、２回としてもよいし、４回としてもよい。沸上げ運転の最中に、制御装置５０は、上記所定時間だけ前の時刻から現在までの間に実行されたポンプ加速制御の回数（以下、「ポンプ加速制御実行回数」と称する）をカウントし、ポンプ加速制御実行回数が第一基準回数に達すると、それ以降のポンプ加速制御を禁止する。

制御装置５０は、沸上げ運転の最中にポンプ加速制御を禁止した場合に、当該沸上げ運転が終了すると、ポンプ加速制御の禁止を解除してもよい。すなわち、制御装置５０は、当該沸上げ運転の次回の沸上げ運転では、ポンプ加速制御の禁止を解除し、ポンプ加速制御を実行可能としてもよい。これにより、次回の沸上げ運転のときには、ポンプ加速制御を実行可能となるので、出湯温度が沸点付近の高温に到達することを確実に防止できる。

ヒートポンプ給湯装置３０は、ポンプ加速制御を禁止することを事前に設定可能とする設定手段を備えていてもよい。例えば、リモコン５１等の外部機器を操作することにより、ポンプ加速制御を禁止し、沸上げ運転のときにポンプ加速制御を実行しないようにすることを事前に設定できるように構成してもよい。例えば、ヒートポンプ給湯装置３０の性能を測定するための能力試験において、ポンプ加速制御に起因した出湯温度のハンチングが万一発生すると、正常なデータの取得ができないという不都合がある。そのような場合に、ポンプ加速制御を禁止することを事前に設定することで、出湯温度のハンチングが発生することをより確実に防止できる。

以下の説明では、沸上げ運転の最中にポンプ加速制御が禁止された状態を「ポンプ加速制御の禁止状態」または単に「禁止状態」と呼び、ポンプ加速制御が禁止される前の状態を「ポンプ加速制御の禁止前状態」または単に「禁止前状態」と呼ぶ場合がある。

出湯温度のハンチングは、ポンプ回転数の変化に対する水流量の変動量が大きい場合に発生しやすい。このため、貯湯回路２０１に流れる水流量が大きいときには、出湯温度のハンチングは発生しにくい。貯湯回路２０１を流れる水流量が大きいと、ポンプ回転数の変化に対する水流量の変動の割合が小さくなるためである。このことに鑑みて、以下のようにしてもよい。

制御装置５０は、ポンプ加速制御が禁止されると、目標出湯温度を、禁止前状態の目標出湯温度よりも低くしてもよい。例えば、制御装置５０は、禁止状態のときの目標出湯温度を、禁止前状態の目標出湯温度よりも５℃低い温度にしてもよい。ヒートポンプユニット１００で生成される熱量が一定であれば、目標出湯温度を下げることで、貯湯回路２０１に流れる水流量が増加するので、出湯温度のハンチングが発生することをより確実に防止できる。

また、制御装置５０は、ポンプ加速制御の禁止状態に入る前に、目標出湯温度を低下させる処理を実施してもよい。例えば、制御装置５０は、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達すると、目標出湯温度を、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達する前の目標出湯温度よりも低い値に変更してもよい。第二基準回数は、第一基準回数よりも小さい値である。例えば、第一基準回数が３回である場合には、２回または１回を第二基準回数としてもよい。上記のようにすることで、出湯温度のハンチングが発生することをさらに確実に防止できる。

制御装置５０は、所定の最低回転数から所定の最高回転数までの範囲でポンプ回転数を調整する。制御装置５０は、ポンプ加速制御が禁止されると、最低回転数を、禁止前状態の最低回転数よりも高くしてもよい。例えば、制御装置５０は、禁止状態のときの最低回転数を、禁止前状態の最低回転数よりも２００ｒｐｍ高い値にしてもよい。最低回転数を上げることで、貯湯回路２０１に流れる水流量が小さくなることを抑制できるので、出湯温度のハンチングが発生することをより確実に防止できる。

また、制御装置５０は、ポンプ加速制御の禁止状態に入る前に、最低回転数を上げる処理を実施してもよい。例えば、制御装置５０は、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達すると、最低回転数を、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達する前の最低回転数よりも高い値に変更してもよい。これにより、出湯温度のハンチングが発生することをさらに確実に防止できる。

ポンプフィードバック制御において、制御装置５０は、ある所定の時間間隔毎に目標出湯温度と実出湯温度との差を取得し、その差に比例ゲインを乗じた値をその時点のポンプ回転数に加算または減算することにより、ポンプ回転数を調整する。以下、ポンプフィードバック制御における比例ゲインを単に「比例ゲイン」と称する。比例ゲインの値が大きいと、目標出湯温度と実出湯温度の差に対するポンプ回転数の変動が大きく、実出湯温度が目標出湯温度に達するまでの時間が短いという利点がある。その一方で、比例ゲインの値が大きいと、ポンプ回転数の変動の感度が高いため、ポンプ回転数のハンチング、さらには出湯温度のハンチングが起こる可能性が増加する傾向がある。これに対し、比例ゲインの値が小さいと、実出湯温度が目標出湯温度に達するまでの時間は延びるが、目標出湯温度と実出湯温度の差に対するポンプ回転数の変動が小さく、ポンプ回転数のハンチング、さらには出湯温度のハンチングが起こりにくい。これらの事項に鑑みて、以下のようにしてもよい。

制御装置５０は、禁止状態のときの比例ゲインを、禁止前状態の比例ゲインよりも小さくしてもよい。すなわち、制御装置５０は、ポンプ加速制御が禁止されると、比例ゲインを、禁止前状態の比例ゲインよりも小さい値に変更してもよい。これにより、出湯温度のハンチングが発生することをより確実に防止できる。

また、制御装置５０は、ポンプ加速制御の禁止状態に入る前に、比例ゲインを小さくする処理を実施してもよい。例えば、制御装置５０は、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達すると、比例ゲインを、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達する前の比例ゲインよりも小さい値に変更してもよい。これにより、出湯温度のハンチングが発生することをさらに確実に防止できる。

ヒートポンプ給湯装置３０は、沸上げ運転のときに水が循環する循環経路となる貯湯回路２０１の圧力損失を変化させる圧力損失可変手段を備えていてもよい。例えば、切替弁７、切替弁８、及び切替弁９のうちの少なくとも一つにおいて、弁の内部にある弁体の回転角度を調整することにより、弁の内部の流路断面積を縮小させることで、貯湯回路２０１の圧力損失を増加可能となるように構成してもよい。

圧力損失可変手段は、貯湯回路２０１の経路を変更することによって貯湯回路２０１の圧力損失を変化させてもよい。例えば、次のように貯湯回路２０１の経路を変更してもよい。配管１６ｈと配管１６ｅとを接続するバイパス配管（図示省略）と、そのバイパス配管と配管１６ｅとの接続点に位置する流路切替弁（図示省略）とを設ける。この流路切替弁は、上記バイパス配管からの水が追焚き熱交換器１２へ流入するように流路を切り替え可能である。切替弁９のＪポートとＫポートとを連通させる。貯湯タンク１１内の水は、取出し口１１ｆから、上記バイパス配管、上記流路切替弁、追焚き熱交換器１２、配管１６ｆ、及び切替弁９を通って配管１６ｊに流入し、水冷媒熱交換器２へ送られる。このように、追焚き熱交換器１２を経由するように貯湯回路２０１の経路を変更することにより、貯湯回路２０１の圧力損失を増加させることができる。

制御装置５０は、ポンプ加速制御が禁止されると、貯湯回路２０１の圧力損失が禁止前状態の圧力損失よりも大きくなるように、圧力損失可変手段を作動させてもよい。貯湯回路２０１の圧力損失が増加すると、ポンプ回転数の変化に対する水流量の変動量が縮小するので、出湯温度のハンチングが起こりにくくなる。このため、貯湯回路２０１の圧力損失を増加させることで、出湯温度のハンチングが発生することをより確実に防止できる。

また、制御装置５０は、ポンプ加速制御の禁止状態に入る前に、貯湯回路２０１の圧力損失を増加させる処理を実施してもよい。例えば、制御装置５０は、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達すると、貯湯回路２０１の圧力損失が、ポンプ加速制御実行回数が第二基準回数に達する前の圧力損失よりも大きくなるように、圧力損失可変手段を作動させてもよい。これにより、出湯温度のハンチングが発生することをさらに確実に防止できる。

ヒートポンプ給湯装置３０は、出湯温度が上限温度に達している状態が解消されない場合に異常を報知する報知手段を備えていてもよい。当該異常を以下「高温異常」と称する。例えば、リモコン５１を報知手段として用いてもよい。例えば、ポンプ加速制御が発動しても出湯温度が上限温度以下にならないときには、ヒートポンプユニット１００が制御不能な状態であるとして、高温異常を示すエラーをリモコン５１等に表示してもよい。

また、報知手段は、ポンプ加速制御が禁止されている場合に高温異常を報知するときの内容を、ポンプ加速制御が禁止されていない場合に高温異常を報知するときの内容とは異なるものにしてもよい。これにより、以下の効果が得られる。

ポンプ加速制御の禁止状態における高温異常の発生は、制御機器の異常に起因している可能性が高い。これに対し、ポンプ加速制御の禁止前状態における高温異常の発生は、水冷媒熱交換器２内の水流路が、炭酸カルシウムを主成分とするスケールによって詰まったことに起因している可能性が高い。このため、高温異常が発生した場合に、禁止状態であるか禁止前状態であるかによって、高温異常の原因が異なる可能性があるので、修理サービスの対応内容が異なる可能性がある。そこで、禁止状態における高温異常と、禁止前状態における高温異常とで、例えばエラー表示の内容を異ならせることにより、修理サービスをより適切に提供する上で有利になる。

ヒートポンプ給湯装置３０は、ポンプ加速制御が実施されたことを通知する通知手段を備えていてもよい。例えば、リモコン５１を通知手段として用いてもよい。ポンプ加速制御の発動は、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの詰まり、あるいは制御機器の異常があることを示唆している可能性がある。このため、ポンプ加速制御が実施された場合には、ヒートポンプ給湯装置３０の点検を受けることが望ましい。そこで、ポンプ加速制御の発動の有無をリモコン５１等に表示することにより、ヒートポンプ給湯装置３０が運転不可能な状態になるよりも前に、使用者にヒートポンプ給湯装置３０の状態を事前に知らせることができる。

１ 圧縮機、 ２ 水冷媒熱交換器、 ３ 膨張弁、 ４ 空気熱交換器、 ５ ファン、 ６ａ 循環ポンプ、 ６ｂ 追焚き用ポンプ、 ７ 切替弁、 ８ 切替弁、 ９ 切替弁、 １０ 混合弁、 １１ 貯湯タンク、 １１ａ 高温水取出し口、 １１ｂ 高温水流出入口、 １１ｃ 追焚き戻し口、 １１ｄ 中温水取出し口、 １１ｅ 低温水戻し口、 １１ｆ 取出し口、 １１ｇ 給水口、 １２ 追焚き熱交換器、 １３ａ 入水温度センサ、 １３ｂ 出湯温度センサ、 １３ｃ 外気温度センサ、 １３ｄ 吐出温度センサ、 １３ｅ 吸込温度センサ、 １３ｆ 蒸発温度センサ、 １３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊ 貯湯温度センサ、 １３ｋ 給水温度センサ、 １３ｌ 給湯温度センサ、 １３ｍ 給湯温度センサ、 １４ 制御装置、 １５ 給湯混合部、 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，１６ｊ，１６ｋ，１６ｌ，１６ｎ，１６ｍ，１６ｏ，１６ｐ，１６ｑ 配管、 １７ａ 給湯流量センサ、 １７ｂ 給湯流量センサ、 ３０ ヒートポンプ給湯装置、 ５０ 制御装置、 ５１ リモコン、 ５１ａ 表示部、 ５１ｂ 操作部、 ５２ 給湯熱量算出手段、 １００ ヒートポンプユニット、 １０１ 冷媒回路、 ２００ 貯湯ユニット、 ２０１ 貯湯回路、 ２０２ 追焚き回路、 ２０３ 給湯回路

Claims (12)

1. ヒートポンプにより水を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段により水を加熱する沸上げ運転のときに前記加熱手段へ水を送るポンプと、
   前記加熱手段から流出する湯の温度である出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、
   前記沸上げ運転のときに、前記出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、前記ポンプの回転数であるポンプ回転数を調整する制御手段と、
   を備え、
   前記沸上げ運転のときに、前記制御手段は、前記出湯温度が、前記目標出湯温度よりも高い上限温度に達すると、前記ポンプ回転数が所定回転数上昇するように前記ポンプを加速させるポンプ加速制御を実行可能であり、
   前記沸上げ運転の最中の所定時間内に前記ポンプ加速制御が実行された回数であるポンプ加速制御実行回数が第一基準回数に達すると、前記制御手段は、それ以降の前記ポンプ加速制御を禁止し、
   前記沸上げ運転の最中に前記ポンプ加速制御が禁止された場合に、当該沸上げ運転の次の回の前記沸上げ運転では、前記ポンプ加速制御の禁止を解除するヒートポンプ給湯装置。
2. 前記ポンプ加速制御を禁止することを事前に設定可能とする設定手段を備える請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 前記ポンプ加速制御が禁止されると、前記目標出湯温度を、当該禁止前の前記目標出湯温度よりも低くする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. 前記制御手段は、前記目標出湯温度と前記出湯温度との差に応じて前記ポンプ回転数をフィードバック制御し、
   前記ポンプ加速制御が禁止されると、前記フィードバック制御の比例ゲインを、当該禁止前の前記比例ゲインよりも小さくする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. 前記制御手段は、最低回転数から最高回転数までの範囲で前記ポンプ回転数を調整し、
   前記ポンプ加速制御が禁止されると、前記最低回転数を、当該禁止前の前記最低回転数よりも高くする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. 前記沸上げ運転のときに水が循環する循環経路の圧力損失を変化させる圧力損失可変手段を備え、
   前記ポンプ加速制御が禁止されると、前記圧力損失を、当該禁止前の前記圧力損失よりも大きくする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
7. 前記ポンプ加速制御実行回数が前記第一基準回数よりも小さい第二基準回数に達すると、前記目標出湯温度を、前記ポンプ加速制御実行回数が前記第二基準回数に達する前の前記目標出湯温度よりも低くする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
8. 前記制御手段は、前記目標出湯温度と前記出湯温度との差に応じて前記ポンプ回転数をフィードバック制御し、
   前記ポンプ加速制御実行回数が前記第一基準回数よりも小さい第二基準回数に達すると、前記フィードバック制御の比例ゲインを、前記ポンプ加速制御実行回数が前記第二基準回数に達する前の前記比例ゲインよりも小さくする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
9. 前記制御手段は、最低回転数から最高回転数までの範囲で前記ポンプ回転数を調整し、
   前記ポンプ加速制御実行回数が前記第一基準回数よりも小さい第二基準回数に達すると、前記最低回転数を、前記ポンプ加速制御実行回数が前記第二基準回数に達する前の前記最低回転数よりも高くする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
10. 前記沸上げ運転のときに水が循環する循環経路の圧力損失を変化させる圧力損失可変手段を備え、
    前記ポンプ加速制御実行回数が前記第一基準回数よりも小さい第二基準回数に達すると、前記圧力損失を、前記ポンプ加速制御実行回数が前記第二基準回数に達する前の前記圧力損失よりも大きくする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
11. 前記出湯温度が前記上限温度に達している状態が解消されない場合に異常を報知する報知手段を備え、
    前記報知手段は、前記ポンプ加速制御が禁止されている場合に前記異常を報知するときの内容を、前記ポンプ加速制御が禁止されていない場合に前記異常を報知するときの内容とは異なるものにする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。
12. 前記ポンプ加速制御が実施されたことを通知する通知手段を備える請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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