KR20040000484A - 히트 펌프 급탕 장치 - Google Patents

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와타나베다케시
곤도류타
마츠모토사토시
이마바야시사토시
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

냉매 유로와 수류로에서 열교환하는 열교환기의, 수류로에 직접 수돗물을 통수하고, 이 수류로로부터 출탕되는 온수를 사용하는 순간 탕비형 히트 펌프 급탕 장치에 있어서,
1) 열교환기에서의 가열량을 설정하는 부하 설정부와, 그 설정치에 따라 가열량을 제어하는 가열 제어부와,
2) 열교환기의 수류로를 포함하는 전후의 경로의 물을 가열하는 가열부와,
3) 복수의 압축기와,
4) 복수의 히트 펌프 사이클 중 어느 것을 적어도 갖는다. 이 급탕 장치는, 급탕 개시시의 급탕 온도의 상승이 빠르고, 게다가 제어성, 효율이 좋다.

Description

히트 펌프 급탕 장치{HEAT PUMP WATER HEATER}
순간 탕비형 급탕 장치로는 가스나 석유의 연소를 사용한 급탕기가 사용되어 오고 있다. 이것들은 온도 상승이 빠르고, 큰 능력이 나올 수 있는 특징이 있는 반면, 배기 가스에 의한 대기 오염이나, 직접 연소시키는 것에 대한 불안감, 연소음 등 피할 수 없는 과제를 안고 있다. 이에 대해, 대형의 저탕(貯湯) 탱크에 온수를 저장하여 급탕하는 히트 펌프 급탕기는 연소에 의한 급탕기의 문제를 해소하고, 게다가 히트 펌프에 의해 열효율이 좋다. 그러나, 이러한 급탕기는 저탕 탱크가 크고, 중량이나 설치 공간 등 시공상에 문제가 있다. 대형의 저탕 탱크의 문제를 해소하는 히트 펌프에 의한 순간 탕비의 발상은 있지만, 히트 펌프의 경우는 연소 급탕기와 상이하고, 히트 펌프 사이클의 열적 상승에 시간이 필요하다. 이 때문에, 온수가 나오는 데 시간이 걸려 사용자에게 불만감을 준다. 또한, 히트 펌프의 경우는 기온이나 습도나 수온 등의 자연 조건에 의해 급탕 능력이 변동한다. 게다가, 급탕 유량이 변화되는 조건하에서 폭넓은 급탕 능력을 커버하여, 민첩하게일정한 출탕 온도를 유지하기 어렵다. 이와 같이 히트 펌프형의 급탕기는 안정되게 급탕하는 점에 과제를 갖는다.
일본 특허 공개 공보 제 1990-223767 호에는, 이러한 문제를 해결하는 순간 탕비형의 히트 펌프 급탕 장치가 제안되어 있다. 개략을 도 11에 도시한다. 이 히트 펌프 급탕 장치는 압축기(202), 방열기(203), 감압부(204), 흡열기(205) 및 냉매 유로(201)로 밀폐 회로에 접속한 히트 펌프 사이클(207)을 갖는다. 또한 방열기(203)의 냉매 유로(208)와 열교환을 하는 수류로(209)를 구비한 열교환기(210)와, 수류로(209)에 수돗물을 공급하는 급수관(211)과, 수류로(209)와 샤워나 수도 꼭지 등의 급탕 단말(212)을 접속하는 급탕 회로(213)를 갖는다. 또한, 급탕 회로(213)에 설치하여 급탕 온도를 검출하는 온도 센서(214)와, 압축기(202)의 회전수를 제어하는 인버터(215)를 구비한다. 그리고 압축기(202)를 온도 센서(214)의 검출 온도와 설정 온도의 차이에 따라 인버터(215)의 출력 주파수를 변환한다. 즉 종래의 급탕 장치에서는 설정 온도에 대하여 급탕 온도가 낮은 경우는 압축기(202)의 회전수를 높이고, 급탕 온도가 높은 경우는 회전수를 내리도록 제어한다.
이러한 순간 탕비형에서는 급탕시에 있어서의 급탕 부하가 일정하지 않다. 특히 유량은 사용자가 급탕 목적에 따라 여러 가지로 변화되기 때문에 급탕 부하는 크게 변한다. 예컨대 가정용 급탕의 경우, 샤워나 목욕을 위한 온수 공급으로 급탕하는 경우는 10L/분 내지 20L/분의 대유량으로 되지만, 부엌에서 식기를 씻는 경우나 세면을 위한 급탕에서는 3L/분 내지 5L/분으로 소유량이다. 또한, 계절에 따른 급수 온도의 변화에 의해서도 급탕 부하는 크게 변한다.
이와 같이 유량이나 수온의 변화에 의해 급탕 부하는 크게 변한다. 이에 대하여, 종래의 히트 펌프 급탕 장치와 같이 급탕 온도와 설정 온도의 차이만으로 압축기의 회전수를 변경하여 급탕 열량을 제어하도록 한 경우에는 제어의 응답성과 안정성에 불편함이 생긴다. 예컨대 제어의 안정성을 양호하게 하기 위해서 급탕 온도와 설정 온도의 온도차와 압축기의 회전수의 계수인 제어 이득을 낮게 하면, 온도차의 변화량에 대한 회전수의 변화량이 적어진다. 그 때문에 급탕 온도 변화가 완만하게 되어, 설정 온도에 이르는 데에 시간이 걸리거나, 오프셋에 의해 유량이나 수온의 차이에 의해 급탕 온도의 안정치가 설정 온도로 되지 않고 변화되거나 한다. 제어 이득을 올리면 급탕 부하의 큰 대유량에서는, 압축기의 회전수의 변화에 대한 급탕 온도의 변화가 적기 때문에 안정하게 제어할 수 있다. 그러나, 소유량의 급탕에서는 압축기의 회전수의 변화에 대한 급탕 온도의 변화가 급변하게 된다. 그 때문에, 압축기의 회전수 제어의 변화가 급변하게 되어 급탕 온도가 안정되지 않을 뿐만 아니라, 급탕 온도와 회전수의 변화 및 위상의 어긋남에 의해 난조(亂調)를 일으켜 제어가 발산할 가능성도 있다.
또한, 순간 탕비형의 히트 펌프 급탕 장치는 급탕의 개시시에 히트 펌프 사이클 전체의 압력이나 온도의 상승에 시간이 필요하다. 이 때문에, 가스 급탕기 등과 비교하여 열교환기의 수류로로부터의 출탕이 늦다. 종래의 구성에서는 이 급탕 개시시에, 급탕 온도와 설정 온도의 차이만으로 압축기의 회전수를 설정한다. 이 때문에, 대유량이어도 소유량이어도 급탕 개시시와 같이 급탕 온도가 낮은 상태에서는 압축기의 회전수는 동일하게 높은 레벨로 설정된다. 따라서, 소유량의 경우에 열교환기로부터의 출탕 온도가 급상승하여, 오버슈트한다. 이로써 설정 온도보다 고온의 온수가 나가거나, 방열기 온도의 상승에 의해 압축기 출구의 압력이 매우 높아지는 등의 불편함이 발생한다.
또한, 종래의 히트 펌프 급탕 장치에서는, 단일의 압축기(202)의 운전 상태를 변경하여 회전수를 변경할 필요가 있지만, 단일의 압축기의 회전수를 변경하기만 하는 제어로는 능력 변경폭에 한계가 있다. 예컨대 겨울철의 샤워와 목욕의 급탕의 동시 사용이라는 대능력으로부터 여름철의 식기 세척 등의 미소 능력까지의 폭넓은 급탕 능력을 커버할 수 없다. 그 때문에 샤워 온도가 저하하거나, 식기 세척으로 뜨거운 온수가 나가거나 하는 불편함이 일어난다.
또한, 기온이나 수온이나 급탕 부하에 의해 히트 펌프 사이클의 운전조건이 변하면, 운전 효율도 변화된다. 종래의 히트 펌프 급탕 장치에서는 급탕 온도에 따라 압축기의 회전수를 변경하기만 하기 때문에, 운전 효율은 좋아지지 않고, 가열 효율이 불량한 조건이라도 그 상태로 운전되고 있다. 따라서 조건에 따라서는 극단적으로 효율이 악화하여, 능력이 발휘할 수 없게 될 뿐만 아니라, 가동 비용이 높아진다.
한편, 급탕 개시시의 출탕 온도의 상승에 필요한 시간을 단축하기 위해서, 방열기와 열교환하는 저탕 탱크를 설치하고, 이 저탕 탱크로 압축기를 둘러싸는 구성으로 한 것도 제안되어 있다. 이 구성으로, 급탕을 하면 저탕 탱크에 온수가 축적되고, 급탕을 정지해도 압축기가 식지 않기 때문에, 급탕을 재개한 경우에 급탕온도의 상승이 빠르게 된다.
그러나, 저탕 탱크가 식으면 압축기도 식어, 히트 펌프 사이클의 상승은 역으로 저탕 탱크에 압축기의 열이 빼앗기기 때문에 시간이 지연된다. 또한, 출탕은 저탕 탱크로부터 실행되기 때문에, 이 저탕 탱크의 온도가 식으면, 출탕 온도도 식고, 저탕 탱크의 탕온(湯溫)이 상승할 때까지 출탕 온도가 상승하지 않는다. 그 때문에, 저탕 탱크가 식은 상태에서의 급탕은 온수가 나올 때까지 역으로 많은 시간이 필요하다.
이상과 같이 종래의 히트 펌프 급탕 장치에서는 급탕 부하의 대소에 관계없이 일률적으로 가열 제어를 실행하기 때문에 폭넓은 급탕 부하로의 대응이 곤란하다. 또한 탕온 제어의 응답성과 안정성을 양립시키기 어렵다. 게다가 급탕 온도의 상승을 역으로 불량하게 하는 경우가 있어, 효율이 저하하는 등의 문제가 있다.
발명의 요약
본 발명의 급탕 장치는 압축기와, 방열기와, 감압부와, 흡열기와, 이것들을 밀폐 회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 히트 펌프 사이클과, 그 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와, 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과, 수류로로부터 급탕 단말로 통수하도록 접속하는 급탕 회로를 갖는다. 또한,
1) 열교환기에서의 가열량을 설정하는 부하 설정부와, 그 설정치에 따라 가열량을 제어하는 가열 제어부와,
2) 열교환기의 수류로를 포함하는 전후의 경로의 물을 가열하는 가열부와,
3) 복수의 압축기와,
4) 복수의 히트 펌프 사이클
중 어느 것을 갖는다.
본 발명은 순간 탕비형(湯沸型) 히트 펌프 급탕 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예 5에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 6은 본 발명의 실시예 6에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 제어 블록도,
도 7은 본 발명의 실시예 7에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 8은 본 발명의 실시예 8에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 9는 본 발명의 실시예 9에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 10은 본 발명의 실시예 10에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도,
도 11은 종래의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 각 실시예에 있어서, 동일한 구성, 동일한 동작을 실행하는 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여, 상세한 설명을 생략한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 히트 펌프식 급탕 장치의 구성도이다. 도 1에 있어서, 히트 펌프 사이클(7)에서는, 압축기(2), 제 1 방열기(3A), 제 2 방열기(3), 감압부(4), 흡열기(5)가 냉매 유로(1)에 의해 밀폐 회로에 접속되어 있다. 히트 펌프 사이클(7)은, 예컨대 탄산 가스를 냉매로서 사용하여, 고압측의 냉매 압력이 냉매의 임계압 이상으로 되는 초 임계 히트 펌프 사이클이다. 압축기(2)는 내장하는 전동 모터(도시하지 않음)에 의해 구동되어, 흡인한 냉매를 임계 압력까지 압축하여 토출한다. 또한, 열교환기(10)는 제 2 방열기(3)의 냉매 유로(8)와 열교환을 실행하는 수류로(9)를 갖는다. 수류로(9)에 수돗물을 직접 공급하는 급수관(11)은 수류로(9)로부터 출탕되는 온수를 샤워(16)나 수도꼭지(17) 등으로 구성되는 급탕 단말(12)로 통수시키기 위한 급탕 회로(13)와 접속되어 있다. 그리고 급탕 회로(13)의 물을 가열하는 가열부(38)는 급탕 회로 상류부(39)에 병렬로 접속한 축열부(40)로 이루어져 있다. 축열부(40)는 급탕 회로(13)의 유수를 저장하는 저류 탱크(41)와, 상류부(39)와 축열부(40)의 유수를 혼합하는 혼합 밸브(34)로 구성되어 있다. 저류 탱크(41)는 하단에 입구관(43)과, 상단에 출구관(44)과, 하부에 제 1 방열기(3A)를 내장하고, 단열재(45)로 피복되어 구성되어 있다. 제 1 방열기(3A)는 저탕 탱크(21)내의 축열 온도(이하, 저류 온도라고 함)를 소정 온도로 유지하기 위한 보온부를 겸하고 있다. 급탕 회로(13)는 분기부(46)로부터 상류부(39)와 입구관(43)으로 분기되고, 합류부(47)에서 상류부(39)와 출구관(44)으로부터 합류한다. 합류부(47)에 혼합 밸브(34)가 설치되어 있다.
또한, 열교환기(10)에서는, 냉매 유로(8)의 흐름 방향과 수류로(9)의 흐름 방향을 대향류로 하고, 양 유로는 그 사이의 열 이동이 용이하게 되도록 밀착하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 전열이 균일화하여, 열교환 효율이 양호하게 된다. 그리고, 고온의 온수가 나간다.
또한, 저류 탱크(41)의 크기는 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 출탕시의 열 응답 지연에 의한 부족 열량 상당의 축열량으로 하고 있다. 예컨대 급수 온도 5℃이고 목표 온도 45℃로 하며, 10L/분로 급탕하는 것으로 한 경우에, 목표 온도의 출탕까지 3분간의 지연이 있는 것으로 하면, 부족 열량은
(45℃-5℃)×10L/분×3분/860≒1.4kWh
로 된다. 이것을 80℃의 저탕 탱크(21)로 보충하는 경우는 1.4kWh ×860/(80℃-5℃)=16L의 용량으로 된다.
급수관(11)에는, 급탕 회로(13)의 유량을 검출하는 유량 검지부(20)와, 열교환기(10)로의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부(21)가 설치되어 있다. 그리고 급탕 회로(13)에는 출탕 온도를 검출하는 탕온 검지부(22)가 설치되어 있다. 또한 저류 탱크(41)의 상부에는 저류 탱크(41)내의 탕온을 검출하는 저류 온도 검지부(51)가 설치되어 있다. 사용자는 급탕의 목표 온도를 설정하는 온도 설정부(23)로 임의의 온도를 설정한다.
제어부(54)는 유량 검지부(20)에 의해 유량을 검지하면, 탕온 검지부(22)와 온도 설정부(23)의 각각이 출력하는 출탕 온도와 목표 온도의 편차로부터 피드백제어량을 산정한다. 그리고 수온 검지부(21)와 온도 설정부(23)와 유량 검지부(20)의 각 값으로부터 급탕 부하를 산정한다. 또한, 피드백 제어량과 급탕 부하를 가산하여, 이 가산치에 기초하여 압축기(2)의 회전수를 제어한다.
또한, 제어부(54)는 기온을 검출하는 기온 검지부(28)의 검출치에 따라 압축기(2)의 회전수를 보정한다. 또한, 감압부(4), 팬(32)을 각각 제어하여, 가장 효율이 양호하게 되도록 히트 펌프 사이클을 운전한다. 열교환기(10)에서의 가열량은 기온에 따라 압축기(2)의 회전수를 변경하면 비례적으로 변화된다. 따라서, 제어부(54)는 미리 각 기온마다의 열교환기(10)의 가열량과 압축기(2)의 회전수의 관계를 기억해 둔다. 그리고, 기온에 따라 소요 가열량과 열교환기(10)의 가열량이 일치하도록 회전수를 설정 제어한다. 이로써, 기온이 변동해도 양호한 정밀도로 급탕 제어된다.
또한, 제어부(54)는 혼합 밸브(34)를 구동하여, 급탕 회로 상류부(39)로부터의 유수와 저류 탱크(41)로부터의 유수의 혼합 비율을 제어하여, 출탕 온도를 목표 온도에 가깝게 한다.
또한, 제어부(54)는 급탕 정지시에, 저류 온도 검지부(51)로부터 저류 온도를 검지하고, 저류 온도를 소정 온도(예컨대 80℃)로 유지하도록 압축기(2)를 저속으로 회전 제어하여 보온 운전한다. 이 보온의 소정 온도를 급탕의 목표 온도(예컨대 45℃)보다 충분히 높게 함으로써 축열 밀도를 높인다. 이로써, 저류 탱크(25)의 크기는 작게 할 수 있다. 이상의 구성에 있어서, 그 동작, 작용에 대하여 설명한다. 도 1에 있어서, 수도꼭지(17)가 개방되면 급수관(11)으로부터 수돗물이 흘러 들어오기 시작한다. 이것을 유량 검지부(20)가 검지하여 제어부(54)에 신호를 보내어, 압축기(2)의 운전이 시작된다. 이 때 히트 펌프 사이클(7)이 냉각된 상태의 경우, 압축기(2)가 운전되어도 사이클 전체의 압력과 온도가 정상 상태에 이르고 있지 않기 때문에, 수류로(9)로부터는 급수 온도에 가까운 물이 나간다. 제어부(54)는 급탕 개시 후의 소정 시간(예컨대 3분간)은 혼합 밸브(34)의 혼합 비율을 예컨대 1:1로 설정하고 있다. 여기서, 급수 온도 5℃, 저류 온도 80℃로 하고, 수류로(9)로부터의 출구 온도가 아직 5℃라 하면, 혼합 밸브(34)의 출구 온도는 (80℃+5℃)/2이고, 42.5℃의 출탕 온도로 된다. 그 후, 수류로(9)의 출구 온도는 서서히 상승한다. 그러나, 저류 탱크(41)내의 저류 온도는 입구관(43)으로부터 급수 온도에 가까운 냉수가 유입되기 때문에, 저류 탱크(41)의 출구 온도는 서서히 저하한다. 따라서 혼합 밸브(34)의 출구 온도는 각각의 유수가 혼합되어 급탕의 목표 온도(예컨대 45℃)에 가까운 온도를 유지한다.
이상과 같이 혼합 밸브(34)는 급탕 개시 직후에 저탕 탱크(21)로부터의 온수를 이용함으로써, 열교환기(10)로부터의 출탕 지연을 보충하도록 제어된다. 또한, 급탕 개시시에 열교환기(10)의 온도가 식지 않은 경우는 탕온 검지부(22)로부터 목표 온도보다 높은 값이 출력된다. 이 경우는, 상류부(39)측이 많은 혼합 비율로 하여 출탕 온도가 목표에 접근하도록 조정한다.
그리고, 히트 펌프 사이클(7)의 온도가 안정되면, 혼합 밸브(34)의 혼합 비율을 상류부(39) 주체로 전환한다. 이 때, 압축기(2)로부터 토출되는 고온 고압의 냉매 가스는 제 1 방열기(3A)와 제 2 방열기(3)로 유입되어, 저류 탱크(41)의 물을가열하면서, 수류로(9)를 흐르는 물을 가열한다. 그리고, 가열된 물은 상류부(39), 급탕 회로(13)를 거쳐 급탕 단말(12)로부터 나간다. 한편, 제 1 방열기(3A)와 제 2 방열기(3)로 냉각된 냉매는 감압부(4)로 감압된 흡열기(5)에 유입되고, 여기서 대기열, 태양열 등 자연 에너지를 흡열하여 증발 가스화하여, 압축기(2)로 되돌아간다.
급탕중의 제어부(54)에서는, 출탕 온도와 목표 온도의 편차로부터 공지의 비례 적분 미분(PID) 제어를 사용하여 피드백 제어량을 산정한다. 여기에서의 제어 정수인 비례 이득이나 적분 계수나 미분 계수는 제어의 응답성과 안정성을 양립하기 위한 적절한 값을 미리 설정해 놓을 필요가 있다. 또한 피드백 제어는 비례 적분(PI) 제어일 수도 비례(P) 제어일수도 퍼지나 뉴로 제어(neural control)일수도 있다. 그리고, 한편으로는 목표 온도와 급수 온도의 차에, 유량 검지부(20)가 검지하는 유량을 곱하여 급탕 부하를 산정한다. 이것은 소위 피드-포워드(feed-forward) 제어량이다. 그리고, 피드백 제어량과 급탕 부하를 가산하고, 이 가산치를 사용하여 압축기(2)의 회전수 제어를 실행한다. 이 피드백 제어를 가미함으로써, 출탕 온도를 목표 온도로 정확히 제어한다. 특히 PID 제어나 PI 제어와 같이 적분 요소를 사용함으로써, 출탕 온도가 보다 목표 온도에 가까워진다. 또한, 비례 제어 요소를 사용함으로써, 급탕 개시 직후 등의 출탕 온도가 낮은 경우에 큰 능력으로 가열 제어하기 때문에 응답성이 양호하게 된다. 한편, 피드-포워드 제어는 급탕의 온도 안정시에 있어서의 소요 열량이기 때문에, 열량의 과부족이 적고 제어의 안정성이 우수하다. 또한, 급탕 유량이나 급수 온도가 급변한 경우에는 즉시 응답하여 가열량을 변경 제어하기 때문에, 이 점은 피드백 제어보다 응답성이 좋고 게다가 안정성이 좋다. 그리고, 이 피드백 제어와 피드-포워드 제어를 가산하여 제어하기 때문에, 각각의 특징이 살려져 응답성이 좋고 게다가 안정성이 좋은 제어가 가능하게 된다.
다음에 급탕 정지 중인 동작에 대하여 설명한다. 저류 탱크(41)는 단열재(45)로 피복되어 있지만, 저류 온도는 방열에 의해 서서히 저하한다. 제어부(54)는 이것을 저류 온도 검지부(51)로부터 검지한다. 그리고, 저류 온도가 하한 온도(예컨대 75℃)보다 내려가면, 압축기(2)를 저속으로 회전 제어하고, 제 1 방열기(3A)에 의해 가열하여 저류 탱크(25)내의 온도를 상승시킨다. 이 때, 제 2 방열기(3)도 가열되지만, 수류로(9)에 흐름이 없기 때문에, 열교환기(10)가 데워지면, 그 이상 열을 빼앗기지 않는다. 그리고 저류 온도가 소정 온도(예컨대 80℃)를 초과하면 압축기(2)의 운전을 정지한다. 이와 같이 저류 탱크(41)의 온도를 소정 온도 가까이 유지하도록 보온 운전한다.
또한, 본 실시예에서는 제 1 방열기(3A)를 저류 탱크(41) 내부에 설치하고 있지만, 저류 탱크(41)의 외주에 방열기를 둘러싸는 등, 외주에 밀착시켜 구성할 수도 있다. 또한, 저류 탱크(41)의 보온을 제 1 방열기(3A)가 아니라, 일반 히터에 의해 실행할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는, 혼합 밸브(34)는 급탕 개시시에 경과 시간과 혼합 온도에 따라 혼합 비율을 변경하도록 제어한다. 그러나 이 혼합 밸브(34)를 저류 탱크(41)의 유수와 급탕 회로 상류부(39)의 유수를 전환하는 전환 밸브로 할 수도있다. 이 경우는, 저류 탱크(41)의 저류 온도는 탕의 목표 온도로 설정하고, 수류로(9)로부터의 출구 온도가 목표 온도 근처까지 상승하면, 저류 탱크(41)로부터 상류부(39)로 흐름을 전환하도록 제어한다. 이러한 구성에 의하면 혼합 밸브(34)보다 전환 밸브쪽이 기구 및 제어가 간단하게 되어, 저비용화에 적합하다.
또한 본 실시예의 급탕 장치에서는, 히트 펌프 사이클(7)이, 냉매의 압력이 임계 압력 이상으로 되는 초임계 히트 펌프 사이클이다. 그리고 임계 압력 이상으로 승압된 냉매에 의해 열교환기(10)의 수류로(9)의 유수를 가열한다. 열교환기(10)의 냉매 유로(8)를 흐르는 냉매는 압축기(2)에 의해 임계 압력 이상으로 가압되어 있기 때문에, 수류로(9)의 유수에 의해 열을 빼앗겨 온도가 저하해도 응축되는 일이 없다. 따라서 열교환기(10)의 전 영역에서 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 온도차를 형성하기 쉬워져, 고온의 온수가 얻어지고, 또한 열교환 효율을 높게 할 수 있다. 그러나, 일반적인 임계 압력 이하의 히트 펌프 사이클일 수도 있다. 이것은 이하에 상술하는 각 실시예에 있어서도 동일하다.
또한 본 실시예의 급탕 장치에서는, 열교환기(10)에 있어서, 냉매 유로(8)의 흐름 방향과 수류로(9)의 흐름 방향이 대향류로 되어 있다. 이로써 열교환기(10)에 있어서, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 전열이 균일화하여, 열교환 효율이 좋고 고온의 출탕이 가능하게 된다. 이것도 이하에 상술하는 각 실시예에 있어서 동일하다.
실시예 2
도 2는 본 발명의 실시예 2에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다.도 2에 있어서, 실시예 1의 구성과 상이한 곳은 가열부(38) 대신에 가열부(60)를 설치하고 있는 점이다. 가열부(60)는 급탕 회로(13)에 축열부(61)를 직렬로 설치하여 구성하고 있다. 축열부(61)는 저류 탱크(62)의 상부에 입구관(63)을 배치하고 있고, 저류 탱크(62) 내부에서 저류 탱크(62)의 온수와 열교환기로부터의 물(온수)이 혼합되는 점도 상이하다. 그리고, 저류 탱크(62)의 보온 운전시의 저류 온도를 급탕의 목표 온도(예컨대 45℃)와 동등 온도로 하고 있다. 단, 저류 온도가 낮은 만큼, 저류 탱크(62)의 용량은 커진다.
이상의 구성으로, 열교환기(10)가 냉각된 상태에서 급탕이 개시되면, 입구관(63)으로부터 급수 온도에 가까운 냉수가 저류 탱크(62)에 유입한다. 그렇게 하면, 저류 탱크(62) 내부에서는, 내부의 온수와의 온도차로부터, 유입수는 저류 탱크(62)의 바닥으로 흘러 들어와, 내부의 온수만이 출구관(44)으로부터 출탕된다. 따라서, 급탕 개시 직후로부터 급탕의 목표 온도에 가까운 출탕이 가능하게 된다. 입구관(63)으로부터 유입되는 온도가 올라가면, 저류 탱크(62)내에서 상부 온수와 혼합되어 출구관(44)으로부터 나간다. 또한, 저류 온도보다 높은 온도의 출탕을 하는 경우는, 입구관(63)으로부터 저류 탱크(62)로 저류 온도보다 높은 온도의 온수가 유입한다. 이 경우, 유입하는 온수의 비중이 가볍기 때문에 저류 탱크(62)의 상단으로 흘러, 출구관(44) 그 상태로 출탕된다. 이와 같이 저류 탱크(62) 내부에서 더운물과 찬물의 전환 혼합이 실행된다.
이상과 같이 본 실시예에서는, 급탕 회로(13)에 직렬로 축열부(61)를 접속하기만 함으로써, 급탕 개시시의 출탕 지연을 보충하여 안정된 온도의 급탕이 실현된다. 또한, 저류 탱크(62) 내부에서 자연스럽게 적절한 온도로 혼합할 수 있기 때문에, 혼합부가 불필요하게 되어 비용 저감으로 이어진다.
실시예 3
도 3은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 3에 있어서, 실시예 2의 구성과 다른 곳은 가열부(60)를 대신하여 가열부(70)를 설치한 점이다. 가열부(70)는 급수관(11)에 축열부(71)를 직렬로 설치하여 구성하고 있다. 축열부(71)의, 저류 탱크(72)의 바닥부에 입구관(73)을 배치한 점도 상이하다. 그리고, 저류 탱크(72)의 보온 운전시의 저류 온도를 급탕의 목표 온도(예컨대 45℃)와 동등 온도로 하고 있다.
이상의 구성으로, 열교환기(10)가 냉각된 상태에서 급탕이 개시되면, 급수관(11)으로부터 냉수가 저류 탱크(72) 바닥부에 유입하여, 저류 탱크(72)의 온수가 출구관(44)으로부터 나간다. 그리고, 열교환기(10)의 가열량이 증가해 온 경우는, 탕온 검지부(22)의 검출 온도에 의해 압축기(2)의 회전수가 제어되어, 목표 온도의 출탕 온도가 유지된다.
이상과 같이 본 실시예에서는, 열교환기(10)의 상류측에 축열부(71)가 배치되어 있다. 이로써, 열교환기(10)의 가열이 지연되어 있는 경우는 축열부(71)가 보충한다. 열교환기(10)의 가열 능력이 상승된 경우는, 출탕 온도의 피드백 제어에 의해 압축기(2)가 제어되어, 항상 목표하는 급탕 온도가 유지된다. 또한, 목표 온도를 변경하더라도 곧 출탕 온도를 변경할 수 있다.
또한, 급탕 개시시에 저류 탱크(72)의 온수에 의해 열교환기(10)가 데워지기때문에 히트 펌프 사이클(7)의 온도 상승이 빠르게 된다.
또한 본 실시예에서는, 축열부(51)를 급수관(11)에 직렬로 구성하고 있다. 그러나, 급수관(11)에 병렬로 배치하여, 저류 온도를 급탕의 목표 온도보다 고온으로 하고, 급수관(11)의 유수와 축열부의 온수를 목표 온도에 가까운 온도로 혼합하여 열교환기(10)에 흘리면, 고온 축열에 의해 축열부(71)는 소형으로 할 수 있다.
또한, 실시예 1 및 실시예 2에서는 축열부를 열교환기(10)의 하류에 배치하고, 실시예 3에서는 상류에 배치하고 있다. 그러나, 축열부를, 열교환기(10)를 우회하도록 병렬로 배치하고, 열교환기(10)의 상류측에서, 수류로(11)의 유수와 축열부의 유수를 혼합하도록 배치할 수도 있다. 또한, 축열부에 열교환기(10)를 내장하도록 배치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시예 4
도 4는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 4에 있어서, 실시예 1의 구성과 다른 곳은 가열부(38)를 대신하여 가열부(80)를 설치하고 있는 점이다. 가열부(80)는 수류로(9)를 포함하여 형성한 물 순환로(81)와, 물 순환로(81)상에 배치한 축열부(82)로 구성하고 있다. 그리고, 물 순환로(81)와 축열부(82)의 순환수를 보온하기 위해서, 히트 펌프 사이클(7)을 구동하여 열교환기(10)의 수류로(9)를 가열하여, 물 순환로(81)에 자연 대류를 발생시키고 있다. 축열부(82)는 상하에 입구관(43)과 출구관(44)을 배치한 저류 탱크(83)와, 출구관(44)으로부터의 유수와 수류로(9)로부터의 유수를 혼합하여 급탕 배관(15)으로 유출시키는 혼합 밸브(34)로 구성되어 있다. 물 순환로(81)는 수류로(9)와 혼합 밸브(34)와 저류 탱크(83)를 루프상에 연통하여 구성하고 있다.
이상의 구성으로, 열교환기(10)가 냉각된 상태에서 급탕이 개시되면, 급수관(11)으로부터 냉수가 수류로(9)와 저류 탱크(83)에 유입하여, 수류로(9)의 출구로부터 냉수와, 저류 탱크(83)로부터의 온수가 혼합 밸브(34)에 의해 혼합되어 급탕 회로(13)로 나간다. 이 때 탕온 검지부(22)의 검지 온도에 의해 혼합 밸브(34)의 개방도를 결정하기 때문에, 급탕 회로(13)로 출탕되는 온도는 목표 온도로 제어된다. 그리고, 열교환기(10)의 가열량이 증가해 온 경우는 탕온 검지부(22)의 검출 온도에 의해 저류 탱크(83)로부터의 출탕 비율이 감소한다. 수류로(9)로부터의 출탕 온도가 목표 온도에 이르면, 저류 탱크(83)로부터의 출탕을 정지한다.
급탕이 정지한 경우는, 저류 탱크(83)내는 급탕 중에 유입된 급수에 의해 축열량은 내려가고 있다. 여기서, 제어부(54)는 우선 혼합 밸브(34)를 혼합 상태로 되돌린다. 그리고 저류 온도 검지부(51)에 의해 저류 온도의 저하(예컨대 75℃ 이하)를 검지하면, 히트 펌프 사이클(7)을 구동하여, 압축기(2)를 저속 회전으로 운전한다. 이로써, 고온 고압의 냉매가 냉매 유로(8)로 흘러, 수류로(9)를 가열한다. 수류로(9) 중의 수온이 상승하여 저류 탱크(83)내의 수온보다 높아지면, 양자의 온도차에 의해, 수류로(9)내의 물이 상승하여, 물 순환로(81)내에서 대류가 발생한다. 그리고, 저류 탱크(83)내의 온도가 상승하여, 저류 온도 검지부(51)의 검지 온도가 소정 온도(예컨대 80℃)를 초과하면 히트 펌프 사이클(7)의 운전을 정지한다. 이 운전 정지의 반복으로 축열부(82)와 물 순환로(81)의 순환수는 보온된다.
이상, 실시예 4의 구성에 의하면, 수류로(9) 및 축열부(82)를 포함한 물 순환로(81)가 보온되어, 급탕 개시시에 물 순환로(81)의 온수가 출탕된다. 따라서, 급탕 단말(12)로부터 출탕되는 온수의 온도 상승이 빠르게 된다. 또한, 히트 펌프 사이클(7)의 정지시에 물 순환로(81)의 열이 열교환기(10)를 데우기 때문에, 히트 펌프 사이클(7)의 상승도 빠르게 된다.
또한, 물 순환로(81)의 보온을 히트 펌프에 의해 실행하기 때문에, 히터 등에 비해 효율이 좋고, 동결의 우려도 없다.
또한, 축열부(82)에 고온의 온수가 축적되고, 혼합 밸브(34)에 의해 적절한 온도로 혼합하여 출탕하기 때문에, 급탕 개시시 등에 물 순환로(81)에 냉수가 흘러 들어와도, 출탕 온도의 저하를 방지한다.
또한 본 실시예에서는 보온 운전에 있어서의 물 순환로(81)내의 물의 순환에, 자연 대류에 의한 흐름을 이용했지만, 물 순환로(81)에 펌프를 설치하여, 강제적으로 순환할 수도 있다. 이 경우는 일정한 유량이 얻어지기 때문에 저류 온도나 열교환기에서의 가열 열량을 제어하기 쉽다.
또한, 본 실시예에서는 혼합 밸브(34)에 의해 혼합 비율을 변화시키고 있지만, 일정 비율로 고정한 합류 부재로 구성할 수도 있다. 이 경우는, 저류 탱크(83)의 온수의 감소에 맞추어 출탕 온도가 목표 온도로 되도록 열교환기(10)의 가열량을 압축기(2)에 의해 제어해야 한다. 이 구성에 의하면 간편한 혼합 밸브(34)를 사용하기 때문에 비용 절감으로 된다.
또한, 본 실시예에서는 물 순환로(81)에 축열부(82)를 배치하고 있지만, 축열부(82)가 없는 물 순환로(81)만의 구성일 수도 있다. 이 경우는, 저류 온도 검지부(51)에 의해 물 순환로(81)의 순환수를 온도 검지하도록 배치하여, 순환수의 온도를 소정 온도로 보온하도록 보온 운전한다. 이 구성에 의하면 출탕 온도는 약간 변동하지만, 축열부(82)가 불필요하게 되어, 비용이 대폭 절감된다.
본 실시예에서는 히트 펌프 사이클(7)을 구동하여 열교환기(10)의 수류로(9)의 가열에 의해, 물 순환로(81)에 자연 대류를 발생시켜 가열 보온하도록 되어 있다. 이와 같이 물 순환로의 보온을 히트 펌프에 의해 실행하기 때문에, 히터 등에 비해 효율이 좋고, 또한 보온시에 히트 펌프 사이클이 구동하기 때문에, 히트 펌프 사이클 자체의 개시도 빠르게 된다. 또한, 물 순환로(81)를 직접 히터로 가열할 수도 있고, 저류 탱크(83)를 직접 히터로 가열할 수도 있다.
또한, 통상의 급탕 사용 상태에 있어서, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 온도차가 작아질수록 히트 펌프 사이클(7)의 효율이 양호하게 된다. 그래서, 수온 검지부(21)가 검지하는 급수 온도에 따라, 열교환기(10)에서의 소요 가열량을 확보하여, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 온도차가 가장 작아지도록 감압부(4)의 냉매 유로 저항을 제어하면, 효율이 좋은 운전이 가능해진다.
실시예 1 내지 실시예 4에 의하면, 수돗물을 열교환기로 가열하는 것과는 별도로 가열부로도 가열하기 때문에, 열교환기에서의 가열이 불충분한 경우라도 부족을 보충하여 가열부에 의해 가열할 수 있다. 또한, 열교환기에 의한 출탕 온도 제어에 가열부가 직접 영향을 주지 않기 때문에 제어성이 좋다. 또한, 냉매와 물의열교환은 가열부와 독립하여 열교환기로 실행하기 위한 고효율의 열교환이 가능하다. 또한, 축열부의 온수가 소정 온도로 유지되기 때문에, 압축기나 열교환기가 냉각된 상태에서 급탕이 개시되어도, 축열부의 온수에 의해 급수관과 열교환기와 급탕 회로 중 어느 물이 가열되기 때문에, 출탕 온도의 상승을 항상 빠르게 할 수 있다. 또한, 축열부의 보온을 히트 펌프에 의해 실행하기 때문에, 히터 등에 비해 효율이 좋고, 또한 보온시에 히트 펌프 사이클이 구동하기 때문에, 급탕 개시시에 온도 상승이 빠르게 된다. 또한, 급수관과 수류로와 급탕 회로 중 적어도 하나가 보온되기 때문에, 급탕 개시시에 물 순환로의 온수가 출탕되어, 온도 상승이 빠르게 된다. 또한, 물 순환로의 열이 열교환기를 데우기 때문에, 히트 펌프 사이클의 개시도 빠르다. 또한, 축열부의 크기가 적절한 것으로 되기 때문에, 축열부가 지나치게 크고 방열 손실이 증가하거나, 설치 공간이나 중량이 커지는 일이 없다. 또한 축열부의 탕온을 급탕 온도보다 높게 함으로써, 축열 밀도를 상승시켜 축열 사이즈를 작게 하는 것으로, 설치 공간이나 중량을 적게 할 수 있다. 또한, 급탕에 사용하는 물을 축열부로서 사용함으로써, 유통시 물을 인출하면 경량으로 할 수 있다. 또한, 축열재로서 비열이 크고, 게다가 안전하다.
또한, 초임계 히트 펌프 사이클을 사용하면, 열교환기의 냉매 유로를 흐르는 냉매는, 압축기로 임계 압력 이상으로 가압되어 있다. 따라서, 열교환기의 수류로의 유수에 의해 열을 빼앗겨 온도 저하해도 응축되는 일은 없다. 따라서 열교환기 전 영역에서 냉매 유로와 수류로와 온도차를 형성하기 쉬워져, 고온의 온수가 얻어지고, 또한 열교환 효율을 높게 할 수 있다.
또한 실시예 1 및 실시예 4에 의하면, 축열부의 열에 의해 급수관과 열교환기와 급탕 회로 중 어느 물을 가열하는 열량을, 축열부측의 유량을 변경시킴으로써 자유롭게 설정할 수 있다. 또한, 축열부로부터의 온수가 급수관과 열교환기와 급탕 회로 중 어느 물과 소정의 비율로 혼합 가열할 수 있기 때문에, 소정의 출탕 온도가 즉시 얻어진다. 또한, 축열부로부터의 온수와, 급수관과 열교환기와 급탕 회로 중 어느 물을 변경하여 흘릴 수 있기 때문에, 급탕 개시시나 서리 제거시 등의 열교환기로부터의 가열이 충분하지 않은 경우에 축열부로부터의 온수를 이용할 수 있고, 사용자에게 불만감을 주지 않는다.
실시예 5
도 5는 본 발명의 실시예 5에 있어서의 히트 펌프식 급탕 장치의 구성도이다. 도 5에 있어서, 히트 펌프 사이클(7)에서는, 압축기(2), 방열기(3), 감압부(4) 및 흡열기(5)가 냉매 유로(1)에 의해 밀폐 회로에 접속되어 있다. 열교환기(10)는 방열기(3)의 냉매 유로(8)와 열교환을 실행하는 수류로(9)를 갖는다. 수류로(9)에 수돗물을 직접 공급하는 급수관(11)은 수류로(9)로부터 출탕되는 온수를 샤워(16)나 수도꼭지(17) 등으로 이루어지는 급탕 단말(12)로 통수시키기 위한 급탕 회로(13)와 접속되어 있다. 그리고 부하 설정부(18)는 열교환기(10)에서의 소요 가열량을 설정한다. 가열 제어부(19)는 부하 설정부(18)의 설정치에 따라 열교환기(10)의 가열량을 제어한다. 급수관(11)에는, 급탕 회로(13)의 유량을 검출하는 유량 검지부(20)와, 열교환기(10)로의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부(21)가 설치되어 있다. 급탕 회로(13)에는 수류로(9)로부터의 출탕 온도를 검출하는탕온 검지부(22)가 설치되어 있다. 사용자는 급탕의 목표 온도를 설정하는 온도 설정부(23)에 의해 임의로 온도를 설정한다.
부하 설정부(18)는 제 1 산정부(24)와, 제 2 산정부(25)와, 가산부(26)를 갖는다. 제 1 산정부(24)는 탕온 검지부(22)과 온도 설정부(23)의 각각이 출력하는 출탕 온도와 목표 온도의 편차로부터 제 1 소요 가열량을 산정한다. 제 2 산정부(25)는 수온 검지부(21)와 온도 설정부(23)와 유량 검지부(20)의 각 값으로부터 제 2 소요 가열량을 산정한다. 가산부(26)는 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량을 가산한다. 부하 설정부(18)는 가산된 소요 가열량을 출력한다.
가열 제어부(19)는 압축기(2)의 회전수를 변경하는 주파수 제어부(27)를 구비하고, 부하 설정부(18)에 의해 설정된 소요 가열량에 따라 압축기(2)의 회전수를 제어한다.
가열 제어부(18)는 기온을 검출하는 기온 검지부(28)의 검출치에 따라 히트 펌프 사이클의 운전 조건인 압축기(2)의 회전수를 변경하여 열교환기의 가열량을 제어한다. 열교환기(10)에서의 가열량은 기온에 따라 압축기(2)의 회전수를 변경하면 비례적으로 변화된다. 그래서, 가열 제어부(1)는 미리 각 기온마다의 열교환기(10)의 가열량과 압축기(2)의 회전수의 관계를 기억해 둔다. 그리고, 기온에 따라 부하 설정부(18)에 의해 설정된 소요 가열량과 열교환기(10)의 가열량이 일치하도록 회전수를 설정 제어한다. 이렇게 함으로써, 기온이 변동해도 정밀도 좋게 급탕 제어된다.
또한, 부하 설정부(18)와 가열 제어부(19)가 실시예 1 내지 실시예 4의 제어부(54)에 상당하는 제어부(29)를 구성하고 있다. 이것들은 일체로 구성할 수도 있다.
이상의 구성에 있어서, 그 동작, 작용에 대하여 설명한다. 도 5에 있어서, 수도꼭지(17)가 개방되면 급수관(11)으로부터 수돗물이 흘러들어 오기 시작한다. 이것을 유량 검지부(20)가 검지하여 부하 설정부(18)에 신호를 보낸다. 부하 설정부(18)는 소요 가열량을 산정하고, 이 산정치에 기초하여 가열 제어부(19)가 압축기(2)의 회전수를 제어한다. 그리고, 압축기(2)로부터 토출되는 고온 고압의 냉매 가스는 방열기(3)로 유입하여, 수류로(9)를 흐르는 물을 가열한다. 그리고, 가열된 물은 급탕 회로(13)를 거쳐 급탕 단말(12)로부터 출탕한다. 한편, 방열기(3)에 의해 냉각된 냉매는 감압부(4)로 감압되어 흡열기(5)로 유입하며, 여기서 대기열, 태양열 등 자연 에너지를 흡열하고 증발 가스화하여, 압축기(2)로 되돌아간다. 따라서, 출탕을 검출하자마자 압축기(1)로부터의 고온 고압의 냉매 가스가 방열기(3)로 유입하여, 물을 가열하고, 급탕 단말(12)로부터 출탕된다.
급탕중의 부하 설정부(18)에서는, 제 1 산정부(24)로 산정하는 제 1 소요 가열량을, 출탕 온도와 목표 온도의 편차로부터 실시예 1의 제어부(54)와 동일한 제어를 사용하여 산정한다. 즉, 출탕 온도의 피드백 제어가 된다. 또한, 출탕 온도와 목표 온도의 편차의 변화 속도로부터, 제 1 소요 가열량을 산정하여도 좋다. 급탕에 있어서의 유량이나 급수 온도로 급탕 부하가 변경되면, 출탕 온도와 목표 온도의 편차의 변화 속도에 차이가 나타난다. 예컨대, 동일한 가열량의 경우에 유량이 많으면 출탕 온도의 상승은 완만하게 되고, 유량이 적으면 빠르게 된다. 이속도 변화와 소요 가열량의 상관을 미리 기억시켜 놓아, 출탕 온도와 목표 온도의 편차의 변화 속도로부터 소요 가열량을 설정한다. 이와 같이 함으로써, 단순히 온도 편차만으로 가열량을 제어하는 경우보다도 안정적으로 소요 가열량으로 제어하는 시간이 단축된다.
한편, 제 2 산정부(25)에서 산정한 제 2 소요 가열량은 급탕 부하를 산정하고, 이 급탕 부하를 소요 가열량으로 한다. 즉 목표 온도와 급수 온도의 차이에, 유량 검지부(20)가 검지하는 유량을 다른 급탕 부하를 구하여, 이것을 제 2 소요 가열량이라 하고 있다. 이것은, 소위 피드-포워드의 제어량이다. 그리고, 가산부(26)로, 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량을 가산하여 소요 가열량을 구하고 있다. 이 소요 가열량 피드백 제어를 가미함으로써, 출탕 온도를 목표 온도로 정확히 제어한다. 이 제어도 실시예 1의 제어부(54)에 있어서의 제어와 동일하다.
이상과 같이 본 실시예의 급탕 장치에서는, 히트 펌프 사이클(7)은 압축기(2), 방열기(3), 감압부(4) 및 흡열기(5)가 냉매 유로(1)에 의해 밀폐 회로에 접속되어 있다. 냉매 유로(1)는 수류로(9)와 열교환을 실행하는 열교환기(10)를 통과한다. 수류로(9)는 급탕 단말(12)을 통해 급탕 회로(13)를 구성하고 있다. 그리고 열교환기(10)에서의 소요 가열량을 설정하는 부하 설정부(25)와, 부하 설정부(25)의 설정치에 따라 열교환기(10)의 가열량을 제어하는 가열 제어부(19)가 설치되어 있다. 부하 설정부(25)로 설정하는 소요 가열량은 급탕 부하나 열 응답 지연 등을 포함한 열교환기에서의 필요한 열교환 열량이다. 그리고 가열 제어부(19)가 이 소요 열량에 따라 열교환기의 가열량을 제어하기 때문에, 과부족이 없는 급탕 제어가 가능하다.
또한 본 실시예의 급탕 장치는 급탕 회로의 유량을 검출하는 유량 검지부(20)를 갖는다. 유량 검지부(20)의 검출치를 기초로 부하 설정부(25)가 소요 가열량을 구한다. 급탕 부하는 유량에 비례하기 때문에, 여기서 추정하는 소요 가열량은, 급탕 부하에 상관이 있다. 따라서 유량 변화에 의해 급탕 부하가 급변해도, 급탕 부하의 변화에 따라 민첩하게 대응하는 가열 제어가 가능하다.
또한 본 실시예의 급탕 장치는 급수관의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부(21)를 갖고, 수온 검지부(21)의 검출치를 기초로 부하 설정부(25)가 소요 가열량을 구한다. 급탕 부하는 급수 온도와 목표 온도의 차이에 비례하기 때문에, 급수 온도가 내려가면 소요 가열량이 증가하고, 급수 온도가 오르면 소요 가열량이 감소한다. 따라서 이 급수 온도에 의해 소요 가열량을 추정하여 열교환기의 가열 제어를 실행하면, 급수 온도가 변동해도, 이 변동에 수반하는 출탕 온도 변화가 최소한으로 억제된다.
또한 본 실시예의 급탕 장치는 급탕의 목표 온도를 설정하는 온도 설정부(23)를 갖는다. 상기 목표 온도를 온도 설정부(23)로부터 설정함으로써 사용자가 희망하는 온도에 대한 정확한 급탕 부하를 소요 가열량으로서 설정할 수 있다.
또한 본 실시예의 급탕 장치는 수류로의 출탕 온도를 검출하는 탕온 검지부(22)를 갖고, 부하 설정부(25)는 탕온 검지부(22)가 검지하는 출탕 온도와목표 온도의 편차로부터 소요 가열량을 산정한다. 여기서 산정하는 소요 가열량은 편차의 변화 속도로부터 급탕 부하를 판정하는 것이다. 급탕에 있어서의 유량이나 급수 온도로 급탕 부하가 변하면, 출탕 온도와 목표 온도의 편차의 변화 속도에 차이가 나타난다. 예컨대, 동일한 가열량의 경우에 유량이 많으면 출탕 온도의 상승은 완만하게 되고, 유량이 적으면 빠르게 된다. 이 속도 변화를 파악하여, 소요 가열량을 설정하기 때문에, 단지 온도 편차만으로 가열량을 제어하는 경우보다도 안정적으로 소요 가열량으로 제어하는 시간을 단축할 수 있다. 또한 본 실시예의 급탕 장치는, 급수관의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부(21)와, 급탕 회로(13)의 유량을 검출하는 유량 검지부(20)를 더 갖는다. 그리고 부하 설정부(25)가 탕온 검지부(22)의 검출치와 목표 온도의 편차로부터 피드백 제어에 따른 제 1 소요 가열량을 산정한다. 또한 수온 검지부(21)와 유량 검지부(20)의 검출값과 목표 온도의 값으로부터 피드-포워드 제어에 관한 제 2 소요 가열량을 산정한다. 그리고 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량을 가산한다. 이로써, 피드-포워드 제어에 의해 민첩하게 목표 열량을 설정하고, 피드백 제어에 의해 목표 열량과 현상을 보정하기 때문에, 안정적이고 민첩한 제어가 가능하다.
또한 본 실시예의 급탕 장치에서는, 가열 제어부(19)가 압축기의 회전수를 제어한다. 즉, 미리 회전수와 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 정하고, 설정된 소요 가열량으로 되도록 회전수를 제어한다. 이로써, 단시간에 소요 가열량이 얻어지는 회전수로 제어할 수 있다.
또한 본 실시예의 급탕 장치는 기온을 검출하는 기온 검지부(28)를 갖는다.그리고 가열 제어부(19)가 기온 검지부(28)의 검출치에 따라 부하 설정부(25)의 설정치를 변경하여 열교환기(10)의 가열량을 제어한다. 이와 같이, 기온 변화에 의한 열교환기(10)의 가열량의 오차를 보정한다. 히트 펌프 사이클(7)은 대기열을 이용하여 흡열기(5)로부터 흡열하기 위해서, 열교환기(10)에서의 가열량은 기온에 크게 영향을 받는다. 따라서 예컨대 압축기(2)의 회전수를 제어하는 경우에, 동일한 회전수라도 기온에 의해 가열량은 변하게 된다. 그 기온에 의한 영향을 상쇄하도록 열교환기(10)의 가열량을 제어함으로써, 정확한 급탕 제어를 할 수 있다.
본 실시예에서는 가산부(26)에 있어서 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량을 가산하여 소요 가열량을 구하고 있다. 그러나, 제 1 소요 가열량을 그대로 소요 가열량로 할 수도 있고, 제 2 소요 가열량을 그대로 소요 가열량으로 할 수도 있다. 또한 이것들을 가산하지 않고, 급탕 시간 경과나 출탕 온도에 따라 변경할 수도 있고, 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량에 각각 계수를 곱하여 가산하도록 할 수도 있다. 또한, 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량을 단독으로 사용하는 경우와 가산하는 경우를 변경할 수도 있다. 상기한 바와 같이 제 1 소요 가열량과 제 2 소요 가열량의 가산의 조합이나 가산 조건을 변경함으로써 급탕 조건에 따라서는, 보다 제어의 안정성이나 응답성이 향상하는 경우가 있다.
또한, 본 실시예에서는 제 2 산정부(25)에 있어서 제 2 소요 가열량으로서 연산하는 급탕 부하를, 목표 온도와 급수 온도의 편차에 유량을 곱하여 구하고 있다. 그러나, 개략적인 급탕 부하 설정을 하기만 하면 유량에 소정의 정수를 곱한 추정치를 사용할 수도 있다. 이 경우, 급탕 부하의 계산 정밀도는 악화되지만, 수온 검지부(21)와 온도 설정부(23)가 불필요하게 되기 때문에 저비용화된다.
또한, 제 2 산정부(25)에 있어서의 급탕 부하의 연산을, 급수 온도와 임시 목표 온도의 차에 소정의 정수를 곱한 추정치를 사용할 수도 있다. 이 경우도, 급탕 부하의 계산 정밀도는 악화되지만, 유량 검지부(20)와 온도 설정부(23)가 불필요하게 되기 때문에 저비용화된다. 단, 급탕 개시를 검지하기 위한 유량 스위치는 필요하게 된다.
실시예 6
도 6은 본 발명의 실시예 6에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 제어 블록도이다. 도 6에 있어서, 실시예 5의 구성과 다른 곳은 부하 설정부(18)의 구성이다. 즉, 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 열 응답 지연에 따른 열량을 정하는 개시 설정부(30)를 갖고, 소요 가열량을 설정할 때에 가산부(26)에 의해 개시 설정부(30)의 설정치를 가산한다. 히트 펌프 사이클(7)이 냉랭한 상태로부터 급탕을 개시한 경우에, 압축기(2)나 방열기(3)의 온도가 상승하고, 또한 흡열기(5)의 온도가 하강하여, 원래의 정상적인 운전 상태가 될 때까지 급탕 부하는 별도의 열량이 필요하다. 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 이와 같은 열 응답 지연에 따른 열량은 이러한 열량을 가리키고 있다.
이 열량은 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 운전 전의 온도와 정상 운전시의 온도차에 열 용량을 곱하여 구해진다. 그러나, 정상 운전시의 온도차는 부위에 따라 크게 다르다. 그래서 실시예 6에서는, 운전 전의 탕온 검지부(22)가 검출하는 온도와 온도 설정부(23)의 설정치의 온도차를 대표값으로서 채용하고, 이것에 계수를 곱하여 구하고 있다. 단, 개시 설정부(30)에서 구해지는 열량은 개시에 필요한 총 열량이기 때문에, 압축기(2)를 제어하기 위해서는 단위 시간당 열량으로 변환할 필요가 있다. 따라서, 가산부(26)에 있어서는 우선 제 2 산정부(25)로 산정되는 급탕 부하와 개시 설정부(30)의 설정 열량을 가산한다. 다음에 이 가산 열량을 압축기(2)의 최대 회전수에 있어서의 최대 가열량으로 나누어, 이 최대 가열량에 있어서의 운전 시간을 구한다. 그리고, 이 시간 이내의 소요 가열량을 압축기(2)의 최대 가열량으로 설정한다. 이 운전 시간을 초과하면, 개시 설정부(30)의 설정치의 가산을 종료하여, 실시예 5에 나타내는 운전 상태로 되돌린다.
이상과 같이 실시예 6에서는, 급탕 운전 개시시의 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 열 응답 지연만큼의 열량을 급탕 부하에 가산하여, 열 응답 지연만큼의 열량만을 압축기(2)의 최대 가열량으로 가열한다. 즉 본 실시예의 급탕 장치는, 부하 설정부(18)가 히트 펌프 사이클(7)이나 열교환기(10)의 열 응답 지연에 따른 열량을 정하는 개시 설정부(30)를 갖는다. 그리고 소요 가열량을 설정할 때에 개시 설정부(30)의 설정치를 가미한다. 따라서, 급탕 개시시나 급탕 부하의 변경시 등에 열 응답 지연만큼을 가미한 가열 제어가 가능해져, 열 응답 지연을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 열 응답 지연만큼의 열량을 운전 전의 탕온 검지부(22)가 검출하는 온도와 온도 설정부(23)의 설정치의 온도차에 계수를 곱하여 구하도록 하고 있다. 따라서, 특별한 검지부를 준비할 필요가 없이 저비용으로 이 제어가 실현된다.
또한, 실시예 6에서는 열 응답 지연만큼의 열량을, 운전 전의 탕온 검지부(22)가 검출하는 온도와 온도 설정부(23)의 설정치의 온도차에 계수를 곱하여 구한다. 그러나, 열교환기(10), 압축기(2), 흡열기(5) 또는 냉매 유로(1)의 압축기(2)의 토출부 등의 온도를 사용할 수도 있다.
실시예 7
도 7은 본 발명의 실시예 7에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 7에 있어서, 실시예 5의 구성과 다른 곳은 가열 제어부(19)가 압축기(2)를 제어할 뿐만 아니라, 감압부(4)의 냉매 유로 저항과, 흡열기(5)의 흡열량을 제어하는 점이다.
감압부(4)는 스로틀 밸브(도시하지 않음)와, 이 스로틀 밸브를 구동하는 스텝핑 모터(도시하지 않음)로 이루어지고, 스로틀 밸브의 구동에 의해 냉매 유로 저항을 변경한다. 그리고, 가열 제어부(19)는 미리 감압부(4)의 냉매 유로 저항과 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 정하고, 부하 설정부(18)로 설정된 소요 가열량으로 되도록 냉매 유로 저항을 제어한다. 고온의 출탕이 필요하거나, 외기 온도가 낮은 등으로 가열량이 부족된 경우 등에는, 냉매 유로 저항을 크게 함으로써 열교환기의 가열량을 소요 가열량이 확보되도록 작용한다.
또한, 통상의 급탕 사용 상태에 있어서, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 온도차가 작아질수록 히트 펌프 사이클(7)의 효율이 양호하게 된다. 따라서, 수온 검지부(21)가 검지하는 급수 온도에 따라, 열교환기(10)에서의 소요 가열량을 확보하여, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 온도차가 가장 작아지도록 감압부(4)의 냉매 유로저항을 제어하면, 효율적으로 운전된다.
흡열기(5)의 흡열량은 팬(31)의 모터(32)의 회전수를 변경하여, 흡열기(5)로의 송풍량을 변경함으로써 제어된다. 가열 제어부(19)는 미리 팬(31)의 풍량과 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 정하고, 설정된 소요 가열량으로 되도록 팬(31)의 풍량을 제어한다. 급탕 부하가 극단적으로 작고 열교환기(10)의 소요 가열량이 지나치게 작으며 압축기(2)의 회전수 제어 등으로는 압착할 수 없는 경우 등에 팬(31)의 풍량을 감소시킨다. 이로써 열교환기(10)의 가열량을 감소시켜 소요 가열량으로 제어한다. 또한, 압축기(2)의 최대 회전수라도 가열량이 부족한 경우에는, 팬(31)의 풍량을 높이고 열교환기(10)의 가열량을 증가시켜 소요 가열량으로 제어한다.
이와 같이 본 실시예의 급탕 장치는 가열 제어부(19)가, 감압부(4)의 냉매 유로 저항을 제어한다. 즉, 미리 감압부(4)의 냉매 유로 저항과 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 정하고, 설정된 소요 가열량으로 되도록 냉매 유로 저항을 제어한다. 이 때문에, 고온의 출탕이 필요하거나, 외기 온도가 낮은 등으로 가열량이 부족한 경우에는, 냉매 유로 저항을 크게 함으로써 열교환기의 가열량을 소요 가열량이 확보할 수 있다. 또한, 감압부(4)의 냉매 유로 저항의 제어를 수온 검지부(21)의 검지 온도에 따라 실행한다. 즉, 급수 온도에 따른 감압부(4)의 냉매 유로 저항과 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 미리 정하여, 설정된 소요 가열량으로 되도록 냉매 유로 저항을 제어한다. 고온의 출탕이 필요하거나, 외기 온도가 낮은 등으로 가열량이 부족한 경우에는, 냉매 유로 저항을 크게 함으로써열교환기(10)의 가열량을 소요 가열량이 확보할 수 있다. 또한, 보통 급탕시에 급수 온도에 의해 가장 가열 효율이 좋게 되는 냉매 유로 저항으로 제어하는 것도 가능하게 된다.
또한 본 실시예에 의한 급탕 장치는 가열 제어부(19)가 흡열기(5)의 흡열량을 제어한다. 여기서, 대기열로부터 흡열기(5)로 흡열시키는 흡열량을 팬(31)의 풍량에 의해 제어한다. 그리고 미리 팬(31)의 풍량과 열교환기(10)에서의 가열량의 관계를 정하고, 설정된 소요 가열량으로 되도록 팬(31)의 풍량을 제어한다. 급탕 부하가 극단적으로 작고 열교환기(10)의 소요 가열량이 지나치게 작으며 압축기(2)의 회전수 제어 등으로는 압착할 수 없는 경우 등에 팬(31)의 풍량을 감소시킴으로써 열교환기(10)의 가열량을 감소시켜 소요 가열량으로 제어하는 것이 가능하다.
실시예 8
도 8은 본 발명의 실시예 8에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 8에 있어서, 실시예 5의 구성과 다른 곳은 열교환기(10)의 수류로(9)의 중앙부로부터 분기관(33)을 취출하고, 급탕 회로(13)에 설치한 혼합 밸브(34)와 접속하여, 열교환기(10)의 전열 조건을 변경하는 점이다. 이 구성에서는, 가열 제어부(19)가 혼합 밸브(34)의 개방도를 제어함으로써, 수류로(9)의 분기관(33)으로부터 하류를 흐르는 수량을 제어한다. 그리고 수류로(9)의 유량이나 유속을 제어하여, 냉매 유로(8)와 수류로(9)의 전열 조건을 변경함으로써 열교환기(10)에서의 가열량을 제어한다. 수량이 저하하면 수류로(9)내의 열 전달율이 내려가, 결과적으로 가열량이 내려간다. 그리고, 수류로(9)의 분기관(33)으로부터 하류의 흐름을 정지시켜 버리면, 열교환하지 않게 되어, 전열 면적이 대략 절반으로 되는 것과 동일한 작용을 한다. 이와 같이 수류로의 길이나 수량을 변경하면 비례적으로 가열량이 변한다. 이러한 조건을 변경하면 즉시 가열량이 변하기 때문에, 열 응답성을 향상시킨 제어가 가능해져, 소요 가열량이 급변한 경우에도 대응할 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 급탕 장치에서는, 가열 제어부(19)가 열교환기(10)의 수류로(9)내의 유속이나 유량 등의 전열 조건을 변경하여 가열량을 제어한다. 구체적으로는, 열교환기(10)의 수류로의 길이나 수량을 변경한다. 열교환기(10)의 가열량은 전열 면적이나 열 전달율에 비례하기 때문에, 수류로의 길이나 수량을 변경하면 비례적으로 가열량을 변경할 수 있다. 이들 조건을 변경하면, 즉시 가열량이 변하기 때문에, 열 응답성을 향상시킨 제어가 가능해진다.
또한, 실시예 8에서는 분기관(33)을 열교환기(10)의 중앙부로부터 취출하고 있지만, 열교환기(10)의 상류에서 분기되어 열교환기(10)를 우회시켜서, 열교환기(10) 전체를 흐르는 유량을 변경할 수도 있다. 또한, 열교환기(10)의 상류측이나 하류측으로부터 분기되어 있어도 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 실시예 5 내지 실시예 8에 상술한 바와 같은 부하 설정부(18)와 가열 제어부(19)를 포함하여 실시예 1 내지 실시예 4의 제어부(54)를 구성할 수도 있다. 그와 같이 구성하면, 더욱 정밀한 급탕 온도 제어가 가능해져, 급탕 부하로의 추종성이 향상한다.
실시예 9
도 9는 본 발명의 실시예 9에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 9와 같이, 본 실시예는 히트 펌프 사이클(7)에 3대의 압축기(2A, 2B, 2C)를 병렬로 설치하고, 제어부(54)가 압축기(2A, 2B, 2C)의 대수와 회전수를 제어한다. 본 실시예에서는 압축기(2A)의 회전수를 제어하여, 미묘한 가열 능력 제어를 실행하며, 압축기(2B, 2C)는 온/오프 제어를 실행한다. 샤워나 목욕의 급탕 등의 급탕 부하에 큰 능력이 요구되는 경우는, 압축기를 2대 또는 3대로 운전한다. 여름철의 부엌에서의 식기 세척 등 급탕 부하가 극단적으로 적은 경우에는, 압축기(2A) 단독 운전함으로써, 대폭적인 급탕 부하의 변화에 대응한다.
이와 같이 본 실시예의 급탕 장치는 히트 펌프 사이클(7)에 복수의 압축기(2A, 2B, 2C)를 구비하고, 제어부(54)가 압축기의 대수를 제어한다. 급탕 부하가 대폭 변하도록 하는 사용 방법을 실행하는 경우에, 1대의 압축기로는 제어 폭에 한계가 있고, 만족한 급탕 제어를 실행할 수 없다. 그러나, 이와 같이 압축기의 대수를 제어하는 방법에서는, 급탕 부하에 따라 대수를 변경하면, 대폭적인 급탕 부하의 변화에 대응할 수 있다.
또한, 압축기의 대수는 2대이어도 무방하고, 3대 이상이어도 동일한 효과를 달성한다. 또한, 복수대의 압축기를 모두 회전수 제어하여, 대수 전환을 원활하게 제어할 수도 있다. 또한, 압축기를 직렬로 접속하여, 토출 압력을 제어할 수도 있다.
실시예 10
도 10은 본 발명의 실시예 10에 있어서의 히트 펌프 급탕 장치의 구성도이다. 도 10과 같이, 본 실시예의 히트 펌프 급탕 장치는 히트 펌프 사이클을 2대 구비하고 있다. 첫번째의 히트 펌프 사이클을 구성하는 제 1 유닛(92D)은 팬(32D)을 포함하는 흡열기(5D)와, 압축기(2D)와, 감압부(4D)와, 구동부(93D)를 내장하고 있고, 실외기로서 옥외에 배치된다. 두 번째의 히트 펌프 사이클을 구성하는 제 2 유닛(92E)은 팬(32E)을 포함하는 흡열기(5E)와, 압축기(2E)와, 감압부(4E)와, 구동부(93E)를 내장하고 있어, 실외기로서 동일하게 옥외에 배치된다. 그리고, 제 3 유닛(86)에는, 급수관(11)과 출탕관(13)에 접속한 열교환기(87)를 내장하여 옥내에 배치하고 있다.
열교환기(87)는 수류로(9)의 상류측과 하류측에서 방열기(88)와 방열기(89)의 2개의 방열기를 갖고, 각각이 수류로(9)의 유수를 가열한다. 그리고 냉매 유로(90D)와 냉매 유로(91D)가 제 1 유닛(92D)과 제 3 유닛(86)의 방열기(88)를 접속하고 있다. 또한 냉매 유로(90E)와 냉매 유로(91E)가 제 2 유닛(92E)과 제 3 유닛(86)의 방열기(89)를 접속하고 있다. 그리고 제어부(94)가 산정하는 급탕 부하에 따라, 구동부(93D)와 구동부(93E)에 운전 지시를 출력하여 급탕 제어한다. 이 때의 급탕 부하에 따라, 제 2 유닛(92E)을 정지시키거나, 압축기(2D)와 압축기(2E)의 회전수를 제어함으로써 목표 온도의 급탕을 실현한다. 제어부(94)와 구동부(93D) 또는 구동부(93E)의 조합이 실시예 1 내지 실시예 4의 제어부(54)나 실시예 5 내지 실시예 8의 제어부(29)에 상당한다. 이 중 어느 것에 실시예 5 내지 실시예 8의 부하 설정부(18)와 가열 제어부(19)를 포함하여 구성할 수도 있다.
이상의 구성으로, 구성하는 히트 펌프의 대수를 증감함으로써 최대 급탕 능력이 변경되기 때문에, 가족 인원수의 차이 등으로 상이한 필요 급탕 능력을 대수에 따라 간단히 조정할 수 있다. 또한, 2개의 히트 펌프 사이클을 3개의 유닛으로 분리하여 배치함으로써, 중량이 분산되어 운반이나 시공이 용이하게 된다.
또한, 급탕 부하가 대폭 변경되는 사용 방법을 실행하는 경우에, 종래의 구성에 의한 1대의 히트 펌프 사이클에서는 상술한 바와 같이 제어폭에 한계가 있어, 만족스러운 급탕 제어를 할 수 없다. 이 본 실시예와 같이 2개의 히트 펌프 사이클을 설치하고, 운전 대수나 압축기의 회전수를 제어하는 방법으로는 급탕 부하에 따라 대폭적인 급탕 능력의 변경이 가능하다. 또한 운전 개시시에는 2개의 히트 펌프 사이클을 모두 운전함으로써 탕온의 상승이 빠르게 된다. 또한, 급탕 부하가 적은 경우에 1대의 히트 펌프 사이클을 정지할 수 있기 때문에, 저부하시에 있어서도 고효율 운전이 가능해진다.
또한 본 실시예에서는 열교환기(86)의 방열기(88)와 방열기(89)를 수류로(9)에 대하여 상류측과 하류측에 직렬로 배치했지만, 수류로(9)에 대하여 병렬로 배치하여 구성할 수도 있다. 이 경우는, 각각의 방열기에 대한 수류로(9)의 입구 수온을 모두 수돗물 온도로 동일하게 할 수 있기 때문에, 열교환 효율이 향상한다. 또한, 이와 같이 2개의 방열기를 병렬하고, 그것들에 대하여 수류로(9)도 병렬에 분류시켜 각각 대향하도록 배치함으로써, 2개의 방열기 각각의 가열량을 독립하여 제어할 수도 있다. 이 경우, 열교환기를 복수 병렬로 설치하는 구성이어도 무방하다. 또한, 이 병렬의 수류로가 합류하는 혼합 비율을 제어함으로써, 급탕 온도 제어하는 것도 가능해진다.
또한 다른 실시예와 같이, 기온 검지부(28)를 설치하고, 그 검지 결과를 제어부(94)에 입력하여, 구동부(93D, 93E)의 제어에 반영시키면, 더욱 정밀하게 급탕 능력을 제어할 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 2개의 히트 펌프 사이클을 갖고 구성하고 있지만, 또한 히트 펌프 사이클수를 증가시킴으로써, 대능력이고 또한 대폭적인 급탕 능력 가변을 실현할 수도 있다.
또한 본 실시예에서는, 히트 펌프 사이클을 3개의 유닛으로 분할하여 구성하고 있지만, 일체로 구성해도 급탕 능력은 향상한다.
또한, 이와 같이 복수의 히트 펌프 사이클을 설치하여, 운전 대수나 압축기의 회전수를 제어하는 방법을 실시예 1 내지 실시예 9에 적용하면, 더욱 급탕 부하로의 추종성이 향상한다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 급탕 온도의 상승과 부하 추종성, 제어성이 좋고, 효율이 좋은 급탕을 할 수 있는 순간 탕비형의 히트 펌프 급탕 장치를 제공할 수 있다.

Claims (32)

  1. 히트 펌프 급탕 장치에 있어서,
    압축기와,
    방열기와,
    감압부와,
    흡열기와,
    상기 압축기와, 상기 방열기와, 상기 감압부와, 상기 흡열기를 밀폐 회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 히트 펌프 사이클과,
    상기 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와,
    상기 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과,
    상기 수류로로부터 급탕 단말로 통수하도록 접속하는 급탕 회로와,
    상기 급수관과 상기 수류로와 상기 급탕 회로로 구성되는 경로 중 적어도 1개소의 물을 가열하는 가열부를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로 중 어느 것에 직렬로 설치한 축열부를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로 중 어느 것에 병렬로 접속한 축열부를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로 중 어느 것의 유수와 상기 축열부에 의해 가열되는 물을 혼합하는 혼합부를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로 중 어느 것의 유수와 상기 축열부에 의해 가열되는 물을 전환하여 흘리는 전환부를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 가열부는 축열 온도를 소정 온도로 유지하기 위한 보온부를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보온부는 상기 방열기를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로 중 적어도 하나를 포함하여 형성한 물 순환로를 갖고, 상기 물 순환로의 순환수의 온도를 유지하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 히트 펌프 사이클을 구동하여 상기 수류로에 의해, 상기 물 순환로의 순환수의 온도를 유지하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 물 순환로에 축열부를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  11. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축열부는 상기 히트 펌프 사이클과 상기 열교환기 중 적어도 한쪽의 열 응답 지연에 의한 부족 열량 상당을 축열량으로 한
    히트 펌프 급탕 장치.
  12. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축열부의 축열 온도를 상기 급탕 회로의 급탕 온도보다 고온으로 한
    히트 펌프 급탕 장치.
  13. 제 2 항, 제 3 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축열부는 상기 급수관과 상기 열교환기와 상기 급탕 회로로 구성되는 물 순환로 중 적어도 1개소의 물을 저류하는 저류 탱크를 갖는
    히트 펌프 급탕 장치.
  14. 히트 펌프 급탕 장치에 있어서,
    압축기와,
    방열기와,
    감압부와,
    흡열기와,
    상기 압축기와, 상기 방열기와, 상기 감압부와, 상기 흡열기를 밀폐 회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 히트 펌프 사이클과,
    상기 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와,
    상기 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과,
    상기 수류로로부터 급탕 단말로 통수하도록 접속하는 급탕 회로와,
    상기 급탕 단말로의 통수에 의한 급탕 부하에 기초하여 상기 열교환기에서의 가열량을 설정하는 부하 설정부와,
    상기 부하 설정부의 설정치에 따라 상기 열교환기의 가열량을 제어하는 가열 제어부를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 급탕 회로의 유량을 검출하는 유량 검지부를 더 포함하며,
    상기 부하 설정부는 상기 유량 검지부의 검출치를 기초로 가열량을 구하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 급수관의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부를 더 포함하며,
    상기 부하 설정부는 상기 수온 검지부의 검출치를 기초로 가열량을 구하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    급탕의 목표 온도를 설정하는 온도 설정부를 더 포함하며,
    상기 부하 설정부는 상기 온도 설정부의 설정치를 기초로 가열량을 산정하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 급탕 회로의 출탕 온도를 검출하는 탕온 검지부를 더 포함하며,
    상기 부하 설정부는 상기 출탕 온도와 목표 온도의 편차를 기초로 제 1 가열량을 산정하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 급수관의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부와,
    급탕 회로의 유량을 검출하는 유량 검지부를 더 포함하며,
    상기 수온 검지부와 상기 온도 설정부와 상기 유량 검지부의 값을 기초로 제 2 가열량을 산정하여, 상기 제 1 가열량과 제 2 가열량을 가산하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 부하 설정부는 상기 히트 펌프 사이클과 상기 열교환기 중 적어도 한쪽의 열 응답 지연에 따른 열량을 정하는 개시 설정부를 갖고,
    가열량을 설정할 때에 상기 개시 설정부의 설정치를 가미하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 가열 제어부는 상기 압축기의 회전수를 제어하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 가열 제어부는 상기 냉매 유로의 저항을 제어하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 급수관의 급수 온도를 검출하는 수온 검지부를 더 포함하며,
    상기 냉매 유로의 저항 제어는 상기 수온 검지부의 검지 온도에 따라 실행하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 가열 제어부는 상기 흡열기의 흡열량을 제어하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 가열 제어부는 상기 열교환기에 있어서의 상기 수류로내의 유속과 유량 중 적어도 한쪽을 변경하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  26. 제 14 항에 있어서,
    기온을 검출하는 기온 검지부를 더 포함하며,
    상기 가열 제어부는 상기 기온 검지부의 검출치에 따라 상기 열교환기의 가열량을 제어하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  27. 히트 펌프 급탕 장치에 있어서,
    복수의 압축기와,
    방열기와,
    감압부와,
    흡열기와,
    상기 압축기와, 상기 방열기와, 상기 감압부와, 상기 흡열기를 밀폐 회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 히트 펌프 사이클과,
    상기 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와,
    상기 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과,
    상기 수류로로부터 급탕 단말로 통수하도록 접속하는 급탕 회로를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  28. 히트 펌프 급탕 장치에 있어서,
    압축기와,
    방열기와,
    감압부와,
    흡열기와,
    상기 압축기와, 상기 방열기와, 상기 감압부와, 상기 흡열기를 밀폐 회로로 구성하는 냉매 유로를 갖는 복수의 히트 펌프 사이클과,
    상기 냉매 유로와 열교환을 실행하는 수류로를 갖는 열교환기와,
    상기 수류로에 수돗물을 공급하는 급수관과,
    상기 수류로로부터 급탕 단말로 통수하도록 접속하는 급탕 회로를 포함하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 복수의 히트 펌프 사이클을 복수의 유닛으로 분할하여 배치한
    히트 펌프 급탕 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    급탕 부하에 따라 상기 복수의 히트 펌프 사이클의 운전 대수를 변경하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  31. 제 1 항, 제 14 항, 제 27 항 또는 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 펌프 사이클은 냉매의 압력이 임계 압력 이상으로 되는 초임계 히트 펌프 사이클이며, 임계 압력 이상으로 승압된 상기 냉매에 의해 상기 열교환기에 있어서의 상기 수류로의 유수를 가열하는
    히트 펌프 급탕 장치.
  32. 제 1 항, 제 14 항, 제 27 항 또는 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기에 있어서, 상기 냉매 유로의 흐름 방향과 상기 수류로의 흐름 방향을 대향류로 한
    히트 펌프 급탕 장치.
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