(57)【要約】【課題】霜の付着の検出をより高い精度で行うことができるヒートポンプ給湯機を提供することを課題とする。【解決手段】ヒートポンプユニット２と貯湯タンクユニット３とを備えている。ヒートポンプユニット２は、圧縮機２１、放熱器２２、膨張弁２３、及び空気熱交換器２４を有し、内部に冷媒が循環している。貯湯タンクユニット３は、水を貯留する貯湯タンク３１、内部を流れる水と放熱器２２内を流れる冷媒とを熱交換させる吸熱器３２、貯湯タンク３１の下部に貯留する水を吸熱器３２に送り吸熱器３２で加熱された水を貯湯タンク３１内に戻す循環配管３３、吸熱器３２入口における水の温度を測定する入口温度センサ３４、吸熱器３２出口における水の温度を測定する出口温度センサ３５、及び循環配管３３内を流れる水の流量を測定する循環流量センサ３６、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張弁、及び空気熱交換器を有し、内部に冷媒が循環するヒートポンプユニットと、
内部に水を貯留する貯湯タンク、内部に流れる水を前記放熱器内を流れる冷媒と熱交換させる吸熱器、前記貯湯タンクの下部に貯留する水を前記吸熱器に送るとともに前記吸熱器において加熱された水を前記貯湯タンク内に戻す循環配管、前記吸熱器入口における水の温度を測定する入口温度センサ、前記吸熱器出口における水の温度を測定する出口温度センサ、及び前記循環配管内を流れる水の流量を測定する循環流量センサ、を有する貯湯タンクユニットと、
を備えた、ヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
前記入口温度センサ、出口温度センサ、循環流量センサによって測定された値に基づいて吸熱器における吸熱能力を算出し、前記吸熱能力が所定値を下回ると前記放熱器と吸熱器とにおける熱交換及び前記空気熱交換器における熱交換を停止させるとともに、前記膨張弁を全開にする制御ユニットをさらに備えた、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
前記ヒートポンプユニットは、前記空気熱交換器の出口における冷媒の温度を測定する空気熱交換器温度センサと、外気温度を測定する外気温度センサとをさらに備えた、請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ給湯機は、内部に冷媒が循環するヒートポンプユニットを使用して貯湯タンク内の水を加熱し温水を生成しているが、外気温度の低い冬期では、外気と冷媒とを熱交換させるための空気熱交換器に大気中の水分が霜となって付着する。このように空気熱交換機に霜が付着すると、空気熱交換機における外気と冷媒との熱交換が阻害されてしまい温水を生成することが困難となる。
【０００３】
このため、例えば特許文献１のヒートポンプ給湯機では、外気温度センサによって外気温度を検出するとともに、空気熱交換機温度センサによって空気熱交換器の温度を検出し、この２つの温度の関係により空気熱交換器に霜が付着したか否かを判定している。すなわち、図４に示すように、上記２つの温度の関係が領域Ａにある場合は、空気熱交換器に霜が付着していない状態と判断し、領域Ｃにある場合は、空気熱交換器に霜が付着している状態と判断する。なお、上記２つの温度の関係が領域Ｂにある場合は、領域Ｂに滞在していた時間などの他の条件を参考にして霜が付着しているか否かを判断する。そして、霜が付着していると判断すると、空気熱交換器の霜を溶かすための除霜運転を行う。
【特許文献１】特開２００６−２９２２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したヒートポンプ給湯機は、例えば湿度が高い環境下において上記２つの温度の関係が領域Ｂ近傍の領域Ａにある場合に、空気熱交換器に霜が付着していることがある。また、逆に湿度が低い環境下において上記２つの温度の関係が領域Ｂ近傍の領域Ｃにある場合に、空気熱交換器に霜が付着していないことがある。このように霜の付着の検出の精度が低いため、上述したヒートポンプ給湯機は、無駄に除霜運転を行ったり、逆に必要なときに除霜運転が行われないといった問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、霜の付着の検出をより高い精度で行うことができるヒートポンプ給湯機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るヒートポンプ給湯機は、上記課題を解決するためになされたものであり、圧縮機、放熱器、膨張弁、空気熱交換器を有し、内部に冷媒が循環するヒートポンプユニットと、内部に水を貯留する貯湯タンク、内部に水が流れており前記放熱器内を流れる冷媒と水とを熱交換させる吸熱器、前記貯湯タンクの下部に貯留する水を前記吸熱器に送るとともに前記吸熱器において加熱された水を前記貯湯タンク内に戻す循環配管、前記吸熱器入口における水の温度を測定する入口温度センサ、前記吸熱器出口における水の温度を測定する出口温度センサ、及び前記循環配管内を流れる水の流量を測定する循環流量センサ、を有する貯湯タンクユニットと、を備えている。
【０００７】
上記ヒートポンプ給湯機によれば、入口温度センサによって測定された吸熱器入口における水の温度、出口温度センサによって測定された吸熱器出口における水の温度、及び循環流量センサによって測定された循環配管内を流れる水の循環流量から吸熱器における吸熱能力を算出することができる。この吸熱能力は、放熱器における加熱能力とほぼ同じであるため、上記３つの測定値から算出された吸熱能力が所定の値よりも低ければ空気熱交換器２４に霜が付着していると判断して除霜運転を行うことができる。
【０００８】
上記ヒートポンプ給湯機は種々の構成をとることができるが、例えば、上記入口温度センサ、出口温度センサ、循環流量センサによって測定された値に基づいて吸熱器における吸熱能力を算出し、吸熱能力が所定値を下回ると放熱器と吸熱器とにおける熱交換及び前記空気熱交換器における熱交換を停止させるとともに、膨張弁を全開にする制御ユニットをさらに備えていることが好ましい。なお、上記吸熱能力は、（出口温度−入口温度）×循環流量によって算出することができる。また、上記所定値とは、種々の観点から決定することができるが、例えば、放熱器の設計能力特性（空気熱交換器に霜が付着していない場合における放熱器の加熱能力）の９０％とすることができる。
【０００９】
また、ヒートポンプユニットは、空気熱交換器の出口における冷媒の温度を測定する空気熱交換器温度センサと、外気温度を測定する外気温度センサとをさらに備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るヒートポンプ給湯機によれば、霜の付着の検出をより高い精度で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係るヒートポンプ給湯機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の構成図である。なお、図中の矢印は冷媒や水（温水）が流れる方向を示している。
【００１２】
図１に示すように、ヒートポンプ給湯機１は、内部に冷媒が循環して冷凍サイクルを行うヒートポンプユニット２と、ヒートポンプユニット２によって生成された温水を貯留するとともにその温水を必要に応じて台所や浴室などに供給する貯留タンクユニット３と、除霜運転を行うようヒートポンプユニット２を制御する制御ユニット４とを備えている。
【００１３】
［ヒートポンプユニット］
ヒートポンプユニット２は、冷凍サイクルを行うよう、圧縮機２１、放熱器２２，膨張弁２３，空気熱交換器２４がこの順で環状に接続されており、内部に冷媒が循環している。また、空気熱交換器２４に近接して送風機２５が設置されており、空気熱交換器２４の出口には冷媒の温度を測定する空気熱交換器温度センサ２６が設置され、空気熱交換器２４近傍には外気温度を測定するための外気温度センサ２７が設置されている。
【００１４】
圧縮機２１は、駆動装置（図示省略）によって駆動され、吸引した冷媒を内部で圧縮し高圧・高温として放熱器２２に吐出する。放熱器２２は、後述する貯湯タンクユニット３の吸熱器３２とともに冷媒水熱交換器５を構成しており、内部を流れる高圧・高温の冷媒を吸熱器３２内を流れる水と熱交換させることで、吸熱器３２内を流れる水を加熱している。なお、放熱器２２は、伝熱管やプレートに形成された流路等によって構成することができる。膨張弁２３は、冷媒を急激に減圧して低温低圧にする弁である。また、空気熱交換器２４は、室外に設置されており、その内部を流れる冷媒を外気と熱交換させるものであり、冷媒を蒸発させて圧縮機２１へと送る。送風機２５は、回転することで外気を空気熱交換器２４に送るように構成されている。
【００１５】
［貯湯タンクユニット］
貯湯タンクユニット３は、内部に温水を貯留するための貯湯タンク３１と、上述したヒートポンプユニット２の放熱器２２とともに冷媒水熱交換器５を構成する吸熱器３２と、貯湯タンク３１と吸熱器３２との間で水を循環させる循環配管３３と、を有している。
【００１６】
貯湯タンク３１は、内部に貯留する温水を保温するような構成となっており、内部に貯留する温水の温度及び貯湯タンク３１内の貯湯量を測定するための貯湯量判定センサ３１１ａ〜３１１ｅが上下方向に間隔をおいて内部に設置されている。吸熱器３２は、上記放熱器２２と同様に、伝熱管やプレートに形成された流路等によって構成することができる。
【００１７】
循環配管３３は、第１の循環配管３３ａと第２の循環配管３３ｂとから構成されている。第１の循環配管３３ａは、貯湯タンク３１下部に貯留する水を吸熱器３２に送るよう、貯湯タンク３１の下部及び吸熱器３２に接続されている。また、第２の循環配管３３ｂは、吸熱器３２において生成された温水を貯湯タンク３１の上部に送るよう、貯湯タンク３１の上部及び吸熱器３２に接続されている。この循環配管３３には、吸熱器３２の入口において循環配管３３内を流れる水の温度を測定する入口温度センサ３４や、吸熱器３２の出口において循環配管３３内を流れる温水の温度を測定する出口温度センサ３５、循環配管３３内を流れる水（又は温水）の流量を測定する循環流量センサ３６が設置されている。また、循環配管３３には、循環配管３３内の水を貯湯タンク３１と吸熱器３２との間で循環させるための循環ポンプ３７が設置されている。
【００１８】
貯湯タンク３１の底部には、第１の循環配管３３ａの他に給水配管３８が接続されており、この給水配管３８が給水源から貯湯タンク３１の下部へと水を供給している。また、貯湯タンク３１の上部には第２の循環配管３３ｂの他に給湯配管３９が接続されており、この給湯配管３９を介して貯湯タンク３１内の温水を台所や浴室へと供給している。
【００１９】
［制御ユニット］
制御ユニット４は、入口温度センサ３４や出口温度センサ３５、循環流量センサ３６によって測定された値が入力されるよう各センサと接続している。また、制御ユニット４は、各センサから入力された値に基づいて、後述するように吸熱器３２の吸熱能力を算出し、この算出した吸熱能力に基づいて、膨張弁２３を全開にしたり、送風機２５や循環ポンプ３７を停止するように各機器と接続している。
【００２０】
次に上述したヒートポンプ給湯機１の作動について説明する。
【００２１】
まず、ヒートポンプユニット２内を循環する冷媒を中心に説明すると、圧縮機２１により圧縮されて高温高圧のガスとなった冷媒が放熱器２２へと送られる。放熱器２２内を流れる冷媒は、後述する貯湯タンクユニット３における吸熱器３２内を流れる水と熱交換を行って水を加熱するとともに、冷媒自体は冷却されて膨張弁２３へと送られる。膨張弁２３に送られた冷媒は減圧されて低温低圧となり、続いて空気熱交換器２４によって外気と熱交換して蒸発して再度圧縮機２１へと送られる。以上の冷凍サイクルを貯湯タンク３１内の温水が所望の温度になるまで続ける。
【００２２】
次に、貯湯タンクユニット３を流れる水を中心に説明する。まず、給水源（図示省略）から給水配管３８を介して貯湯タンク３１の下部へ水を供給する。貯湯タンク３１の下部に貯留する水は、第１の循環配管３３ａを介して吸熱器３２へと送られる。吸熱器３２に送られた水は、上述した放熱器２２内を流れる冷媒と熱交換することで加熱される。このように吸熱器３２において生成された温水は、吸熱器３２を出て第２の循環配管３３ｂを介して貯湯タンク３１の上部へと送られる。このサイクルを繰り返すことで貯湯タンク３１内に温水が貯留される。各貯湯タンク３１内の温度が所望の温度（例えば、約６０〜９０℃）になったことを各貯湯量判定センサ３１１ａ〜３１１ｅによって検出すると、循環ポンプ３７を停止させる。このようにして貯湯タンク３１内に貯められた温水は、必要に応じて給湯配管３９を介して台所や浴室へと送られて使用される。
【００２３】
以上のように温水を生成するサイクルを繰り返すと、外気温度の低い冬期では、ヒートポンプユニット２における空気熱交換器２４に霜が付着する。この霜の付着の判定は以下の方法によって行う。すなわち、循環配管３３内を流れる水の吸熱器３２入口における入口温度を入口温度センサ３４により測定し、吸熱器３２出口における出口温度を出口温度センサ３５により測定する。また、循環流量センサ３６によって循環配管３３内を流れる水の循環流量を測定する。これら各センサにより測定した値が制御ユニット４に送信され、吸熱器３２においてヒートポンプユニット２の放熱器２２から受ける吸熱能力を算出する。なお、吸熱能力は、以下の式によって表すことができる。
吸熱能力＝（出口温度−入口温度）×循環流量
この吸熱能力は、放熱器２２による加熱能力とほぼ同じであるため、この吸熱能力が所定の値よりも低くなれば空気熱交換器２４に霜が付着していると判定して除霜運転を開始させる。例えば、上記式によって算出された吸熱能力が、放熱器２２の設計能力特性、すなわち、空気熱交換器２４に霜が付着していない場合の加熱能力の約９０％以下になると、空気熱交換器２４に霜が付着したとして除霜運転を開始させる。より具体的には、例えば、放熱器２２の加熱能力が図２に示すような設計能力特性を有していれば、外気温度が１０℃以上の場合に、上記式から算出された吸熱能力が４．５ｋＷ×０．９≒４．０ｋＷ以下であれば、空気熱交換器２４に霜が付着していると判定する。
【００２４】
空気熱交換器２４に霜が付着していると判定されると、制御ユニット４は、循環ポンプ３７を停止して循環配管３３内の水の循環を停止させるとともに、膨張弁２３を全開にして送風機２５を停止させる。これにより、圧縮機２１で圧縮されて高温となった冷媒が高温の状態を保持したまま空気熱交換器２４に送られるため、空気熱交換器２４に付着した霜を溶かすことができる。
【００２５】
以上、本実施形態によれば、入口温度センサ３４、出口温度センサ３５、及び循環流量センサ３６により測定した値から算出した吸熱能力を用いて、空気熱交換器２４に霜が付着したか否かを判定している。このため、空気熱交換器２４における霜の付着をより正確に判定することが可能である。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態において、ヒートポンプユニット２の放熱器２２と貯湯タンクユニット３の吸熱器３２とによって冷媒水熱交換器５を構成しているが、この冷媒水熱交換器５は、種々のタイプの熱交換器とすることができ、例えば、二重管式熱交換器や、渦巻き管式熱交換器、スパイラル式熱交換器、プレート式熱交換器など種々のタイプの冷媒水熱交換器５とすることができる。
【００２７】
また、上記実施形態では、循環流量センサ３６が第１の循環配管３３ａに設置されているが、循環流量センサ３６の設置場所は特に限定されるものではなく、第２の循環配管３３ｂに設置されていてもよい。
【００２８】
また、図３に示すように、放熱器２２の加熱能力は、ヒートポンプユニット２を作動させた直後の領域Ｄや貯湯タンク３１内の温水が所望の温度に近づいたときの領域Ｆにおいて不安定となる。このため、加熱能力が不安定の領域Ｄ，Ｆにおいては、空気熱交換器温度センサ２６によって測定した空気熱交換器２４出口の冷媒温度と、外気温度センサ２７によって測定した外気温度との関係から空気熱交換器２４に霜が付着したか否かを判断するように構成することもできる。そして、加熱能力が安定している領域Ｅでは、上記実施形態のように吸熱能力を算出することで霜の付着を判定する。なお、この領域Ｄから領域Ｅに移動したことの判断は、例えば、圧縮機２１を起動してからの経過時間によって行うことができ、例えば圧縮機２１を起動させてから１０分経過すると加熱能力が安定した状態となったと判断して、霜の付着の判定を算出された吸熱能力によって行うよう切り替えることができる。また、領域Ｅから領域Ｆに移動したことの判断は、例えば、貯湯タンク３１内の下部の温水の温度、すなわち、貯湯量判定センサ３１１ｅによって測定した温度によって行うことができる。例えば、貯湯量判定センサ３１１ｅによって測定した温度が、所望の温度よりも１５℃低い温度になった時点で領域Ｆになったと判断して、空気熱交換器２４出口の冷媒温度と外気温度とから霜の付着を判定するように切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るヒートポンプ給湯機の実施形態を示す構成図である。
【図２】本実施形態に係る放熱器の加熱能力と外気温度との関係を示すグラフである。
【図３】本実施形態に係る放熱器の加熱能力とヒートポンプユニットの運転時間との関係を示すグラフである。
【図４】空気熱交換器温度と外気温度とから空気熱交換器に対する霜の付着状態を判定する図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ヒートポンプ給湯機
２  ヒートポンプユニット
２１  圧縮機
２２  放熱器
２３  膨張弁
２４  空気熱交換器
２６  空気熱交換器温度センサ
２７  外気温度センサ
３  貯湯タンクユニット
３１  貯湯タンク
３２  吸熱器
３３  循環配管
３４  入口温度センサ
３５  出口温度センサ
３６  循環流量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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