(57)【要約】【課題】冬期における高負荷時に圧縮機が異常停止してしまうことを防止する。【解決手段】圧縮機１４と水冷媒熱交換器１５と膨張弁１６と空気熱交換器１７を接続したヒートポンプサイクル１８と、圧縮機１４から吐出した冷媒温度を検出する吐出温度センサ２０と、水冷媒熱交換器１５に接続された熱交出湯管６と、加熱された湯の温度を検出する沸き上げ温度センサ２４と、吐出温度センサ２０の検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に膨張弁１６に与えて膨張弁１６を開閉制御すると共に、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の周波数を増減制御する制御装置２６とを備え、制御装置２６は、膨張弁１６の開度が一定以下に閉まっている場合で、かつ、圧縮機１４の周波数が所定周波数以上であると、一つの周期での膨張弁１６の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。【選択図】図２
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【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、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記圧縮機の周波数が所定周波数以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限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】
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、前記ヒートポンプサイクルの高圧側の圧力を検出する吐出圧力センサと、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記吐出圧力センサで検出する吐出圧力が所定圧力以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限したことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記外気温度センサで検出する外気温度が所定外気温度以下であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限したことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
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、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている場合で、かつ、沸き上げ温度が所定温度以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限したことを特徴とする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、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ようにしたものがあった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６９４７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、冬期には空気熱交換器での蒸発能力が小さいため、圧縮機回転数が高く、膨張弁開度が小さい状態で安定する傾向にあるが、積雪や着霜状況によって空気熱交換器の蒸発能力がさらに低下してしまうことがある。蒸発能力が低下すると、一定の加熱能力を保つように圧縮機の周波数が高くなって、吐出圧力が高圧となる。
【０００５】
このような状況下において、吐出温度センサの検出温度が目標値から低下すると、膨張弁の開度を閉じる方向へ操作されるが、その操作量が大きい場合、圧縮機の吐出圧力が更に高圧となり、圧縮機の許容トルクを超える負荷が発生して圧縮機が脱調し異常停止してしまう可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記圧縮機の周波数が所定周波数以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
【０００７】
また、請求項２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、前記ヒートポンプサイクルの高圧側の圧力を検出する吐出圧力センサと、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記吐出圧力センサで検出する吐出圧力が所定圧力以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
【０００８】
また、請求項３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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている状態で、かつ、前記外気温度センサで検出する外気温度が所定外気温度以下であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
【０００９】
また、請求項４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、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、前記吐出温度センサの検出温度と所定の目標吐出温度との温度差に応じた弁開度の操作量を所定の周期毎に前記膨張弁に与えて前記膨張弁を開閉制御すると共に、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周波数を増減制御する制御装置とを備え、前記膨張弁の開度が一定以下に閉まっている場合で、かつ、沸き上げ温度が所定温度以上であると、一つの周期での前記膨張弁の閉方向への操作量を通常よりも小さく制限した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冬期等における負荷が大きい状態においては、膨張弁開度の閉方向への操作量を小さく制限したので圧縮機のトルク増加が緩慢になり、圧縮機の許容トルクを超過して圧縮機が脱調し異常停止してしまうことを防止できると共に、膨張弁開度を閉方向のみに制限しているため、膨張弁を開方向へ操作する際には制限がなく、吐出温度が目標値を超過した場合にあっても、吐出温度を迅速に目標値へ戻すことができるものである。また、通常の負荷状態においては、膨張弁開度を通常に制御することで冷媒の吐出温度を迅速に目標値に到達させることができ、効率の良い運転を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
次に、この一実施形態の作動について説明する。
給湯を行う際は、ユーザーが蛇口（図示せず）を開くと、貯湯タンク２の下部の給水管７から市水が流入し、貯湯タンク２上部から深夜時間帯に沸き上げられて貯湯されている高温の湯が出湯管８へ出湯される。そして、出湯管８からの高温の湯と給水バイパス管９からの市水とが混合弁１０で混合される。このとき、給湯温度センサ１１で検出する混合後の給湯温度がリモートコントローラ（図示せず）等で設定された給湯設定温度になるように混合弁１０の混合比率が調整され、給湯設定温度の湯が蛇口から給湯される。
【００１７】
深夜時間帯となると、貯湯制御手段１３は貯湯タンク２内の湯水が所定の目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔになるように沸き上げ運転を開始するよう加熱制御手段２６へ沸き上げ開始命令を指示する。そして、加熱制御手段２６は、圧縮機１４と加熱循環ポンプ１９を駆動開始すると共に、目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔ＋一定値を目標吐出温度ＴＤとして設定し、吐出温度センサ２０で検出する冷媒の吐出温度が目標吐出温度ＴＤになるように膨張弁１６の開度を制御する。そして、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と同時に、沸き上げ温度センサ２４で検出する水冷媒熱交換器１５で加熱された湯の温度が目標沸き上げ温度Ｔｓｅｔとなるように圧縮機１４の周波数をフィードバックして増減制御する。
【００１８】
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の周波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の周波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ものである。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
ここで、沸き上げ運転中の膨張弁１６の制御について図２に基づいて詳細に説明すると、ステップＳ１で沸き上げ運転が開始され、ステップＳ２で膨張弁１６のフィードバック制御を開始すると、加熱制御手段２６は、一定の周期毎に目標吐出温度ＴＤと吐出温度センサ２０で検出する吐出温度との温度差を検出し、この温度差の大きさによって膨張弁１６の操作量を＋４ｐｌｓ〜−４ｐｌｓの範囲で選択する（ステップＳ３）。なお、正号は膨張弁１６を開方向へ駆動することを意味し、負号は閉方向へ駆動することを意味し、それぞれの数値が操作の絶対量を意味しているものである。
【００２２】
次に、ステップＳ４で、加熱制御手段２６は、膨張弁１６の開度が一定の開度以上に開けられているかどうか（一定の開度以下に閉じられているかどうか）を判断する。ここでは膨張弁１６のステッピングモータに対し、全開位置あるいは全閉位置からどれだけ駆動したかを加熱制御手段２６が積算記憶した値を用いて現在の膨張弁１６の開度を判断するようにしている。一定の開度以上であれば、沸き上げの負荷が通常の範囲内にあると判断されるため、ステップＳ３で選択した膨張弁の操作量をそのまま決定し、ステップＳ５でこの操作量に従い膨張弁１６を駆動し、再度ステップＳ３へ戻る。
【００２３】
一方、ステップＳ４で、膨張弁１６の開度が一定の開度以上に開けられていない場合（一定の開度以下に閉じられている場合）、次の４項目の条件の何れかを満たすかどうかを判断する（ステップＳ６）。
１．圧縮機１４の駆動周波数が所定の高周波数以上であるか。
２．吐出圧力センサ２５で検出する吐出圧力が所定の高圧力以上であるか。
３．外気温度が所定の低温度（例えば３℃以下）以下であるか。
４．目標沸き上げ温度が所定の高温度（例えば８５℃）以上であるか。
【００２４】
このステップＳ６で何れかの条件を満たす場合、何らかの原因によって沸き上げの負荷が過大になっていると判断し、ステップＳ３で選択した膨張弁１６の操作量を−１ｐｌｓ以上に制限する（ステップＳ７）。そして、ステップＳ５でこの制限された操作量に従い膨張弁１６を駆動し、再度ステップＳ３へ戻る。
【００２５】
このように、冬期等の沸き上げの負荷が大きい状況で空気熱交換器１７が積雪や着霜によって蒸発能力が低下しているような高負荷条件であっても、膨張弁１６の閉方向への操作量が制限され膨張弁１６が急激に閉じられることがないため、圧縮機１４のトルク増加を緩慢にでき、圧縮機１４の許容トルクを超過して圧縮機１４が脱調し異常停止してしまうことを防止できる。
【００２６】
さらに、高負荷条件であっても、膨張弁１６の開方向への操作量は制限していないため、吐出温度が目標値を超過した場合にあっても、吐出温度を迅速に目標値へ戻すことができるものである。
【００２７】
また、ステップＳ６の何れの条件も満たさなかった場合、膨張弁１６の開度は一定以下に閉じられていても、全体として沸き上げの負荷が通常の範囲内にあると判断されるため、ステップＳ６でＮｏとなり、ステップＳ３で選択した膨張弁の操作量をそのまま決定し、ステップＳ５でこの操作量に従い膨張弁１６を駆動し、再度ステップＳ３へ戻る。
【００２８】
また、通常の負荷状態においては、膨張弁開度を通常に制御することで冷媒の吐出温度を迅速に目標値に到達させることができ、効率の良い運転を行うことができる。
【００２９】
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】
【００３０】
【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】同一実施形態の作動を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
【００３１】
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
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】
2010060193.tif 000003
【図２】
2010060193.tif 000004