(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式給湯装置の圧縮機起動時の吐出圧力および入力電流値のオーバーシュートを低減する。【解決手段】吐出温度センサ２５の吐出温度が目標吐出温度になるように膨張弁１６の開度を増減制御すると共に、沸き上げ温度センサ２４の検出温度が所望の沸き上げ温度になるように圧縮機１４の回転数を増減制御する制御手段２６とを備え、制御手段２６は、圧縮機１４の起動開始初期に圧縮機１４の回転数に起動時上限値を設定し、圧縮機１４の回転数がこの起動時上限値を超えないように制御すると共に、この起動時上限値の値を外気温度センサ２２で検出する外気温度と入水温度センサ２３で検出する入水温度とに応じて決定するようにした。【選択図】図２
2010060236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、外気温度を検出する外気温度センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記水冷媒熱交換器に供給される水の温度を検出する入水温度センサと、前記吐出温度センサの吐出温度が目標吐出温度になるように膨張弁の開度を増減制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の回転数を増減制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、圧縮機の起動開始初期に圧縮機の回転数に起動時上限値を設定し、圧縮機の回転数がこの起動時上限値を超えないように制御すると共に、この起動時上限値の値を前記外気温度センサで検出する外気温度と前記入水温度センサで検出する入水温度とに応じて決定するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
前記起動時上限値を以下の式より算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
Ｎｍａｘ＝（Ｔａ×α）＋（Ｔｗ×β）＋γ
Ｎｍａｘ：起動時上限値
Ｔａ：外気温度
Ｔｗ：入水温度
α：定数（＜０）
β：定数（＞０）
γ：定数（＞０）
【請求項３】
前記沸き上げ温度センサで検出する沸き上げ温度が所定の温度以上になると、起動時上限値の制限を解除するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
圧縮機の起動開始から所定時間経過すると、起動時上限値の制限を解除するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種のヒートポンプ式給湯装置においては、特許文献１のように、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、給湯用の湯を貯める貯湯タンクと、貯湯タンクと水冷媒熱交換器を循環ポンプを介して湯水が循環可能に接続する加熱循環回路と、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、水冷媒熱交換器で加熱した湯の温度を検出する沸き上げ温度センサとを備え、前記吐出温度センサの検出温度が目標値になるように前記膨張弁の開度を制御すると共に、記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の回転数を増減制御するようにしたものがあった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２７７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、この従来のヒートポンプ式給湯装置は、高外気温かつ高入水温時や、低外気温かつ低入水温時の沸き上げ開始において、圧縮機の回転数がその後に安定する回転数に対して大きくオーバーシュートしてしまう。
【０００５】
ここで、この従来のヒートポンプ式給湯装置の圧縮機の起動時の圧縮機回転数、吐出圧力および入力電流の関係を示すタイムチャートを図３に示す。この図３に示されるように、高外気温度かつ高入水温度の場合は、沸き上げ温度の応答が速いため、吐出圧力が急上昇して機器の上限圧力値をオーバーする可能性があり、低外気温度かつ低入水温度の場合は、電流値が大きく上昇して圧縮機の許容電流をオーバーしてしまう可能性があるものであった。
【０００６】
そのため、ヒートポンプ式給湯装置の耐久性の悪化や機具の異常を引き起こしてしまう可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項１では、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器を環状に接続したヒートポンプサイクルと、前記圧縮機から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサと、外気温度を検出する外気温度センサと、前記水冷媒熱交換器の水側に接続された熱交入水管および熱交出湯管と、前記熱交出湯管に設けられ前記水冷媒熱交換器で加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記水冷媒熱交換器に供給される水の温度を検出する入水温度センサと、前記吐出温度センサの吐出温度が目標吐出温度になるように膨張弁の開度を増減制御すると共に、前記沸き上げ温度センサの検出温度が所望の沸き上げ温度になるように前記圧縮機の回転数を増減制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、圧縮機の起動開始初期に圧縮機の回転数に起動時上限値を設定し、圧縮機の回転数がこの起動時上限値を超えないように制御すると共に、この起動時上限値の値を前記外気温度センサで検出する外気温度と前記入水温度センサで検出する入水温度とに応じて決定するようにした。
【０００８】
また、請求項２では、前記起動時上限値を以下の式より算出するようにした。
Ｎｍａｘ＝（Ｔａ×α）＋（Ｔｗ×β）＋γ
Ｎｍａｘ：起動時上限値
Ｔａ：外気温度
Ｔｗ：入水温度
α：定数（＜０）
β：定数（＞０）
γ：定数（＞０）
【０００９】
また、請求項３では、前記沸き上げ温度センサで検出する沸き上げ温度が所定の温度以上になると、起動時上限値の制限を解除するようにした。
【００１０】
また、請求項４では、圧縮機の起動開始から所定時間経過すると、起動時上限値の制限を解除するようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、外気温度と入水温度に応じた適切な起動時上限値を設定することで、圧縮機の起動から沸き上げ温度の安定までの沸き上げ温度立ち上がり時間を遅くせずに圧縮機回転数のオーバーシュートを防止することでき、圧縮機回転数のオーバーシュートに伴う吐出圧力、電流値の急上昇を防止して、ヒートポンプ式給湯装置の耐久性、信頼性を向上できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を有した貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段、４は前記貯湯タンク２の下部に接続された熱交入水管５および前記貯湯タンク２の上部に接続された熱交出湯管６よりなる加熱循環回路、７は前記貯湯タンク２の下部に接続され貯湯タンク２に水を給水する給水管、８は前記貯湯タンク２の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管である。
【００１３】
９は給水管７から分岐された給水バイパス管、１０は出湯管８からの湯と給水バイパス管９からの水を混合して給湯設定温度の湯とする混合弁、１１は混合弁１０で混合後の給湯温度を検出する給湯温度センサ、１２は貯湯タンク２の側面上下にわたり複数設けられ、貯湯タンク２内の湯の温度を検出する貯湯温度センサ、１３は前記貯湯タンクユニット１内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する貯湯制御手段である。
【００１４】
前記ヒートポンプ式加熱手段３は、冷媒を圧縮する圧縮機１４と、高温高圧の冷媒と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換する水冷媒熱交換器１５と、水冷媒熱交換器１５通過後の冷媒を減圧させる減圧器としての膨張弁１６と、膨張弁１６からの低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器としての空気熱交換器１７とを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプサイクル１８と、水冷媒熱交換器１５の水側の加熱循環回路４途中に設けられて貯湯タンク２の湯水を循環させる加熱循環ポンプ１９とから構成されている。ここで、前記水冷媒熱交換器１５は冷媒の流動方向と被加熱水の流動方向が対向する対向流式の熱交換器で、前記膨張弁１６はステッピングモータにより駆動されているものである。
【００１５】
２０は圧縮機１４と水冷媒熱交換器１５との間に設けられ、冷媒の吐出温度を検出する吐出温度センサ、２１は水冷媒熱交換器１５と膨張弁１６との間に設けられ、冷媒の水冷媒熱交換器１５からの流出温度を検出する流出温度センサ、２２は空気熱交換器１７の空気入口側に設けられ、外気温度を検出する外気温度センサ、２３は水冷媒熱交換器１５の水側の入水温度を検出する入水温度センサ、２４は水冷媒熱交換器１５の水側の沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサ、２５はヒートポンプサイクル１８の高圧側の圧力を検出する圧力センサである。
【００１６】
２６は前記ヒートポンプ式加熱手段３内の各センサの出力を受けて各機器の作動を制御する加熱制御手段で、貯湯制御手段１３と通信可能に接続され、貯湯制御手段１３と連携してヒートポンプ式給湯装置を制御する制御装置を構成しているものである。
【００１７】
そして、加熱制御手段２６は、沸き上げ温度センサ２４が検出する温度が所望の目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔとなるように圧縮機１４の駆動回転数をフィードバック制御し、吐出温度センサ２０の検出温度が目標吐出温度ＴＤとなるように膨張弁１６の開度をフィードバック制御し、加熱循環ポンプ１９の回転数が所定の回転数になるように制御するようにしている。
【００１８】
ここで、前記所定の目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔは、過去の給湯量の最大値や平均値等の給湯実績から翌日の給湯量の予測量を確保できるように貯湯制御手段１３によって算出されるもので、６５℃から９０℃の範囲で決定されるものである。また、目標吐出温度ＴＤは、目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔ＋一定値として設定されるものである。
【００１９】
次に、この一実施形態の沸き上げ運転開始時の作動について説明する。
沸き上げ運転が開始されると、加熱制御手段２６は、膨張弁１６を一時的に所定の開度に固定すると共に、圧縮機１４を起動し、沸き上げ温度センサ２４で検出する温度が目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔになるように圧縮機１４の回転数を増加していく。
【００２０】
この圧縮機１４の起動開始初期に、加熱制御手段２６は圧縮機１４の回転数に起動時上限値を設定し、圧縮機１４の回転数が起動時上限値を超えないように沸き上げ温度センサ２４で検出する温度が目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔになるようにフィードバック制御する。
【００２１】
ここで、起動時上限値の値は、外気温度センサ２２で検出する外気温度と入水温度センサ２３で検出する入水温度とに応じて決定されるもので、外気温度が高いほど外気温度が低いときよりも起動時上限値は低く、入水温度が高いほど入水温度が低いときよりも起動時上限値は高く設定するようにしており、入水温度よりも外気温度の方が起動時上限値の値の高低に対して大きく影響するようにしている。
【００２２】
この一実施形態においては、この起動時上限値の値Ｎｍａｘは以下の算式によって算出するようにしているものである。
Ｎｍａｘ＝（Ｔａ×α）＋（Ｔｗ×β）＋γ
Ｎｍａｘ：起動時上限値
Ｔａ：外気温度
Ｔｗ：入水温度
α：定数（＜０）
β：定数（＞０）
γ：定数（＞０）
｜α｜＞｜β｜
【００２３】
このように、沸き上げ運転開始時の圧縮機１４の起動初期には、圧縮機１４の駆動回転数に起動時上限値を設けたので、圧縮機１４の起動から沸き上げ温度の安定までの沸き上げ温度立ち上がり時間を遅くせずに圧縮機回転数のオーバーシュートを防止することでき、圧縮機回転数のオーバーシュートに伴う吐出圧力、電流値の急上昇を防止して、ヒートポンプ式給湯装置の耐久性、信頼性を向上できた。
【００２４】
とくに高外気温かつ高入水温度の場合は、沸き上げ温度の応答性が速いため、圧縮機１４の起動直後の短時間に吐出圧力や圧縮機への入力電流がその後の沸き上げ安定時の値に較べてオーバーシュートしやすいが、圧縮機の回転数に起動時上限値を設けているため、起動直後の急激なオーバーシュートを大幅に低減でき、冷凍サイクル状態を急変させることなく安定を保ちながら迅速に沸き上げ運転を立ち上げることができる。
【００２５】
また、低外気温かつ低入水温度の場合は、沸き上げ温度の応答性が遅いため、圧縮機１４の起動から沸き上げ温度が目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに近づくまでの間に吐出圧力や圧縮機への入力電流がその後の沸き上げ安定時の値に較べて緩慢に大きくオーバーシュートしてしまうが、圧縮機の回転数に起動時上限値を設けているため、起動から安定までのオーバーシュートを大幅に低減でき、冷凍サイクル状態の安定を保ちながら迅速に沸き上げ運転を立ち上げることができる。
【００２６】
そして、圧縮機１４の起動してから沸き上げ温度センサ２４の検出温度が所定温度（例えば６０℃）に達したことを検出すると、圧縮機１４の起動時上限値の制限を解除するようにした。このように沸き上げ運転開始後の冷凍サイクルが安定した後は、起動時上限値がないため、入水温度の変化等による負荷変動にも迅速に追随でき、適切な沸き上げ運転を継続することが可能となる。
【００２７】
ここで、起動時上限値の解除条件として別の例を挙げると、圧縮機１４の起動開始から冷凍サイクルが安定するのに必要な所定時間が経過することで圧縮機１４の起動時上限値の制限を解除するようにしてもよい。
【００２８】
そして、冷凍サイクルの安定後は、加熱制御手段２６は沸き上げ温度センサ２４で検出する沸き上げ温度が低下傾向となると、圧縮機１４の回転数を増加させると同時に、冷媒吐出温度センサ２０で検出する冷媒の吐出温度も低下傾向となっているため、膨張弁１６を閉じる方向へ操作する。逆に沸き上げ温度が上昇傾向となると、圧縮機１４の回転数を減少させると同時に、冷媒吐出温度センサ２０で検出する冷媒の吐出温度も上昇傾向となっているため、膨張弁１６を開く方向へ操作するようにしている。
【００２９】
そして、沸き上げ運転が進行していくと、貯湯タンク２の下部の水がヒートポンプ式加熱手段３へ循環され、貯湯タンク２の上部から目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔに加熱された湯が積層状態に貯湯される。貯湯タンク２内に必要な湯量が沸き上げられたことを貯湯温度センサ１２で検出するか、ヒートポンプ式加熱手段３の入水温度センサ２３で検出する入水温度Ｔｗｉが沸き上げし難い所定の高温度以上を検出するか、あるいは電力料金単価の安い深夜時間帯が終了した時点で、貯湯制御手段１３は沸き上げ運転を停止するべく加熱制御手段２６に停止指示を出し、加熱制御手段２６は圧縮機１４と加熱循環ポンプ１９の運転を停止して、沸き上げ運転を終了する。
【００３０】
このように、本発明によれば、外気温度と入水温度に応じた適切な起動時上限値を設定することで、圧縮機の起動から沸き上げ温度の安定までの沸き上げ温度立ち上がり時間を遅くせずに圧縮機回転数のオーバーシュートを防止することでき、圧縮機回転数のオーバーシュートに伴う吐出圧力、電流値の急上昇を防止して、ヒートポンプ式給湯装置の耐久性、信頼性を向上できた。
【００３１】
本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で改変が可能なものであり、例えば、給水を水冷媒熱交換器で加熱して貯湯タンクを通過することなく直接給湯栓へ給湯する瞬間式ヒートポンプ給湯機にも適用可能である。また、上記の実施形態では貯湯タンクユニットとヒートポンプ式加熱手段を分離した構成としているが、一体とした構成としてもよく、その場合、貯湯制御手段と加熱制御手段も一体として構成してもよいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置のシステム図。
【図２】同一実施形態の圧縮機の起動時の圧縮機回転数、吐出圧力および入力電流の関係を示すタイムチャート。
【図３】従来のヒートポンプ式給湯装置の圧縮機の起動時の圧縮機回転数、吐出圧力および入力電流の関係を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００３３】
５  熱交入水管
６  熱交出湯管
１４  圧縮機
１５  水冷媒熱交換器
１６  膨張弁
１７  空気熱交換器
１８  ヒートポンプサイクル
２０  吐出温度センサ
２２  外気温度センサ
２３  入水温度センサ
２４  沸き上げ温度センサ
２５  吐出圧力センサ
２６  加熱制御手段（制御装置）
【図１】
2010060236.tif 000003
【図２】
2010060236.tif 000004
【図３】
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