(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１）、給湯用熱交換器（２）、電子膨張弁（３）および外気を熱源とする熱源側熱交換器（４）からなる冷媒サイクル（Ａ）と、給水ポンプ（５）、前記給湯用熱交換器（２）および給湯タンク（６）からなる給湯サイクル（Ｂ）とを備えた給湯装置であって、前記圧縮機（１）として、能力可変タイプの圧縮機を使用するとともに、前記熱源側熱交換器（４）における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機（１）の吐出温度が目標値になるように前記電子膨張弁（３）の開度制御を行う膨張弁開度制御手段と、前記熱源側熱交換器（４）における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機（１）の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段とを付設したことを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
前記熱源側熱交換器（４）における外部環境条件の変化に対応させて前記給水ポンプ（５）の給水量が目標値となるように制御する給水量制御手段を付設したことを特徴とすることを特徴とする前記請求項１記載の給湯装置。
【請求項３】
前記吐出温度の目標値を、昼間と夜間とで異ならしめたことを特徴とする前記請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置。
【請求項４】
前記吐出温度の目標値を、昼間においては高温追い炊きが可能となり、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となるように異ならしめたことを特徴とする前記請求項３記載の給湯装置。
【請求項５】
前記吐出温度の目標値を、追い炊きの有無により可変としたことを特徴とする前記請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置。
【請求項６】
前記吐出温度に代えて前記熱源側熱交換器（４）における過熱度を用いたことを特徴とする前記請求項１、２、３、４および５のいずれか一項記載の給湯装置。
【請求項７】
前記冷媒サイクル（Ａ）を循環する冷媒として、蒸発温度０℃で等エントロピー変化で昇圧して吐出温度１１５℃では臨界圧力を超えている冷媒を用いたことを特徴とする前記請求項１、２、３、４、５および６のいずれか一項記載の給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００２】
【発明の属する技術分野】
【０００３】
本願発明は、給湯装置に関し、さらに詳しくは給湯装置における能力制御に関するものである。
【従来の技術】
【０００４】
従来、図１１に示すように、圧縮機１、給湯用熱交換器２、電子膨張弁３および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、前記給湯用熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えた給湯装置が知られている。符号７は熱源側熱交換器４に付設されたファン、８は給湯タンク６の入口側の湯温（即ち、給湯温度）を検知する温度センサーである。
【０００５】
上記構成の給湯装置の場合、給湯サイクルＢ側においては温度センサー７により検知された湯温に基づいて給水ポンプ５により給水量を制御し、冷媒サイクルＡ側においては圧縮機１の回転数を一定としつつ圧縮機１の吐出温度や吸入温度で冷媒サイクル制御を行うようにしていた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記のように圧縮機１の回転数を一定として冷媒サイクルを運転すると、外気温が高くなるにつれて、熱源側熱交換器４における吸熱量が増大して給湯能力が増大するが、給湯負荷は外気温が高くなるにつれて少なくなる（図１２参照）。従って、外気低温条件で能力合わせをすると、外気高温時に能力が過剰となってコストアップにつながるという問題がある。
【０００７】
また、この種の給湯装置の場合、電気代の安い夜間電力を利用して給湯タンク６に所定量の湯を貯湯することとなっており、外気温毎に電気代で最適な湯温があるが、必ずしもその温度で運転できていなかった。例えば、図１３に示すように、湯温が高くなるにしたがって電気代が高くなるという現象が起きる。
【０００８】
従来の冷媒（例えば、Ｒ２２等）を用いた給湯装置の場合、高々６５℃での給湯なので、常にその最高温度での運転がなされており、給湯温度の調整は必要でなかった。
【０００９】
本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、熱源側熱交換器における外部環境条件の変化に対応させた最適運転状態を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明では、上記課題を解決するための手段として、圧縮機１、給湯用熱交換器２、電子膨張弁３および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、前記給湯用熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えた給湯装置において、前記圧縮機１として、能力可変タイプの圧縮機を使用するとともに、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の吐出温度が目標値になるように前記電子膨張弁３の開度制御を行う膨張弁開度制御手段と、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段とを付設している。
【００１１】
上記のように構成したことにより、熱源側熱交換器４における外部環境条件（例えば、外気温）の変化に対応させて電子膨張弁３の開度が圧縮機１の吐出温度が目標値になるように制御されることとなり、給湯能力と給湯負荷とがマッチングした最適運転状態が得られる。従って、成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となる。しかも、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて圧縮機１の回転数が目標値になるように制御されるところから、給湯能力と給湯負荷とがより一層マッチングした最適運転状態が得られる。
【００１２】
請求項２の発明におけるように、請求項１記載の給湯装置において、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御する給水量制御手段を付設した場合、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御されることとなり、給湯能力と給湯負荷とがより一層マッチングした最適運転状態が得られる。
【００１３】
請求項３の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、昼間と夜間とで異ならしめた場合、昼間においては高温追い炊きが可能となるとともに、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となる。従って、電力消費の節約を図りつつ湯切れをなくすことができる。
【００１４】
請求項４の発明におけるように、請求項３記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、昼間においては高温追い炊きが可能となり、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となるように異ならしめた場合、電力消費の節約を図りつつ湯切れをなくすことができる。
【００１５】
請求項５の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、追い炊きの有無により可変とした場合、次回の追い炊きの度数を低減できることとなり、電力消費を節約できる。
【００１６】
請求項６の発明におけるように、請求項１、２、３、４および５のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度に代えて前記熱源側熱交換器４における過熱度を用いた場合、熱源側熱交換器４における過熱度を指標として電子膨張弁３の開度制御、圧縮機１の回転数制御および給水ポンプ５の給水量制御を行うことにより、給湯能力を、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させることができる。
【００１７】
請求項７の発明におけるように、請求項１、２、３、４、５および６のいずれか一項記載の給湯装置において、前記冷媒サイクルＡを循環する冷媒として、蒸発温度０℃で等エントロピー変化で昇圧して吐出温度１１５℃では臨界圧力を超えている冷媒（例えば、炭酸ガス等）を用いた場合、超臨界では熱伝達性能が良くなるので、Ｒ２２などと同じ圧縮機吐出温度では給湯温度が高くなり、吐出温度を制御することによりＣＯＰ、給湯温度の最適な運転状態が得られる。
【発明の実施の形態】
【００１８】
以下、添付の図面を参照して、本願発明の幾つかの好適な実施の形態について詳述する。
【００１９】
第１の実施の形態
図１には、本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成が示されている。
【００２０】
この給湯装置における基本的な回路構成は、従来技術の項において説明したものと同様であり、圧縮機１、給湯用熱交換器２、電子膨張弁３および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、前記給湯用熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えて構成されている。符号７は熱源側熱交換器４に付設されたファン、８は給湯タンク６の入口側の湯温（即ち、給湯温度）を検知する温度センサー、９は圧縮機１の吐出冷媒の温度（即ち、吐出温度）Ｔｄを検出する吐出温度センサー、１０は圧縮機１の吸入冷媒の温度（即ち、吸入温度）Ｔｉを検出する吸入温度センサー、１１は外気温Ｔｏを検出する外気温センサー、１２は熱源側熱交換器４の温度（蒸発温度）Ｔｅを検出する蒸発温度センサー、１３は圧縮機１の回転周波数を制御するインバータ、１４は給水ポンプ５の水量を調整する水量調整器、１５はコントローラである。
【００２１】
上記冷媒サイクルＡを循環する冷媒としては、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）が用いられている。なお、該冷媒としては、炭酸ガス（ＣＯ２）に限らず、蒸発温度０℃で等エントロピー変化で昇圧して吐出温度１１５℃では臨界圧力を超えている冷媒を採用することもできる。
【００２２】
前記コントローラ１５は、例えばマイクロコンピュータユニットからなっており、前記各種温度センサー８〜１２から入力される温度情報に基づいて各種演算処理を行い、その結果により電子膨張弁３、インバータ１３および水量調整器１４に制御信号を出力することとなっている。なお、このコントローラ１５には、図３に示す目標値テーブルが予めメモリされている。
【００２３】
前記コントローラ１５は、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記電子膨張弁３の開度を制御する膨張弁開度制御手段としての機能と、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段としての機能と、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御する給水量制御手段としての機能とを有している。
【００２４】
ついで、本実施の形態にかかる給湯装置における能力制御について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２５】
ステップＳ１において各種温度センサー８〜１２からの温度情報がコントローラ１５に入力されると、ステップＳ２において図３に示す目標値テーブルから各種データが読み出される。
【００２６】
そして、ステップＳ３において圧縮機１の吐出温度Ｔｄが、外気温Ｔｏに対応する目標吐出温度Ｔｄ１〜Ｔｄ４となるように電子膨張弁３の開度がＰＩＤ制御され、ステップＳ４において圧縮機１の回転周波数Ｆが目標回転周波数Ｆ１〜Ｆ４となるように圧縮機１の能力（即ち、インバータ周波数）が制御され、ステップＳ５において給水ポンプ５の給水量が目標給水量Ｗ１〜Ｗ４となるように水量調整器１４による給水量制御が行われる。
【００２７】
上記制御による給湯能力Ｆ、給湯負荷Ｑ、吐出温度Ｔｄ、インバータ回転数Ｆおよび給水量Ｗの外気温Ｔｏに対する変化は、図４に示す通りである。これによれば、吐出温度Ｔｄ、インバータ回転数Ｆおよび給水量Ｗの制御により、外気温Ｔｏの上昇による給湯能力Ｆと給湯負荷Ｑとの乖離が抑制され、給湯能力Ｆと給湯負荷Ｑとがマッチングした最適運転状態が得られる。従って、成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となる。
【００２８】
第２の実施の形態
図５には、本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成が示されている。
【００２９】
この場合、水量調整器が省略されており、給水ポンプ５は一定の給水量で駆動されることとなっている。従って、コントローラ１５は、前記各種温度センサー８〜１２から入力される温度情報に基づいて各種演算処理を行い、その結果により電子膨張弁３およびインバータ１３に制御信号を出力することとなっている。
【００３０】
また、この場合、前記コントローラ１５は、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記電子膨張弁３の開度を制御する膨張弁開度制御手段としての機能と、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段としての機能とを有している。
【００３１】
その他の構成は、第１の実施の形態におけると同様なので説明を省略する。
【００３２】
ついで、本実施の形態にかかる給湯装置における能力制御について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
ステップＳ１において各種温度センサー８〜１２からの温度情報がコントローラ１５に入力されると、ステップＳ２において図３に示す目標値テーブルから各種データが読み出される。
【００３４】
そして、ステップＳ３において圧縮機１の吐出温度Ｔｄが、外気温Ｔｏに対応する目標吐出温度Ｔｄ１〜Ｔｄ４となるように電子膨張弁３の開度がＰＩＤ制御され、ステップＳ４において圧縮機１の回転周波数Ｆが目標回転周波数Ｆ１〜Ｆ４となるように圧縮機１の能力（即ち、インバータ周波数）が制御される。
【００３５】
上記制御による給湯能力Ｆ、給湯負荷Ｑ、吐出温度Ｔｄ、インバータ回転数Ｆおよび給水量Ｗの外気温Ｔｏに対する変化は、図７に示す通りである。これによれば、吐出温度Ｔｄおよびインバータ回転数Ｆの制御により、外気温Ｔｏの上昇による給湯能力Ｆと給湯負荷Ｑとの乖離が抑制され、給湯能力Ｆと給湯負荷Ｑとがマッチングした最適運転状態が得られる。従って、成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となる。
【００３６】
第３の実施の形態
図８には、本願発明の第３の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成が示されている。
【００３７】
この場合、インバータが省略されており、圧縮機１は一定の能力で駆動されることとなっている。従って、コントローラ１５は、前記各種温度センサー８〜１２から入力される温度情報に基づいて各種演算処理を行い、その結果により電子膨張弁３および水量調整器１４に制御信号を出力することとなっている。
【００３８】
また、この場合、前記コントローラ１５は、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記電子膨張弁３の開度を制御する膨張弁開度制御手段としての機能と、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御する給水量制御手段としての機能とを有している。
【００３９】
その他の構成は、第１の実施の形態におけると同様なので説明を省略する。
【００４０】
ついで、本実施の形態にかかる給湯装置における能力制御について、図９に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４１】
ステップＳ１において各種温度センサー８〜１２からの温度情報がコントローラ１５に入力されると、ステップＳ２において図３に示す目標値テーブルから各種データが読み出される。
【００４２】
そして、ステップＳ３において圧縮機１の吐出温度Ｔｄが、外気温Ｔｏに対応する目標吐出温度Ｔｄ１〜Ｔｄ４となるように電子膨張弁３の開度がＰＩＤ制御され、ステップＳ４において給水ポンプ５の給水量が目標給水量Ｗ１〜Ｗ４となるように水量調整器１４による給水量制御が行われる。
【００４３】
上記制御による給湯能力Ｆ、給湯負荷Ｑ、吐出温度Ｔｄ、インバータ回転数Ｆおよび給水量Ｗの外気温Ｔｏに対する変化は、図１０に示す通りである。これによれば、吐出温度Ｔｄおよび給水量Ｗの制御により、外気温Ｔｏの上昇による給湯能力Ｆと給湯負荷Ｑとの乖離がやや抑制される。従って、成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となる。なお、インバータが不要となり、コストダウンできるが、低温時の能力確保のためにコストアップを招くおそれがある。
【００４４】
なお、上記各実施の形態においては、外気温Ｔｏの変化に対応して圧縮機１の能力制御および給水ポンプ５の給水能力制御を行うようにしているが、外気温Ｔｏに代えて熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化を示すデータ（例えば、蒸発温度Ｔｅ）を用いることもできる。
【００４５】
また、上記各実施の形態においては、圧縮機１の吐出温度Ｔｄを制御の指標としているが、吐出温度Ｔｄに代えて熱源側熱交換器４における過熱度を用いることもできる。
【００４６】
また、上記各実施の形態においては、一つの目標値テーブルを設定しているが、昼間用と夜間用の２種の目標値テーブルを設定することもできる。このようにすると、昼間においては高温追い炊きが可能となるとともに、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となる。従って、電力消費の節約を図りつつ湯切れをなくすことができる。
【００４７】
また、吐出温度の目標値を、追い炊きの有無により可変とすることもできる。このようにすると、次回の追い炊きの度数を低減できることとなり、電力消費を節約できる。
【発明の効果】
【００４８】
請求項１の発明によれば、圧縮機１、給湯用熱交換器２、電子膨張弁３および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、前記給湯用熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えた給湯装置において、前記圧縮機１として、能力可変タイプの圧縮機を使用するとともに、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の能力制御を行う能力制御手段を付設して、熱源側熱交換器４における外部環境条件（例えば、外気温）の変化に対応させて前記圧縮機１の吐出温度が目標値になるように前記電子膨張弁３の開度制御を行う膨張弁開度制御手段と、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記圧縮機１の回転数が目標値になるように制御する回転数制御手段とを付設して、熱源側熱交換器４における外部環境条件（例えば、外気温）の変化に対応させて電子膨張弁３の開度を、圧縮機１の吐出温度が目標値になるように制御するとともに、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて圧縮機１の回転数が目標値になるように制御されるようにしたので、給湯能力と給湯負荷とがより一層マッチングした最適運転状態が得られることとなり、成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができるとともに、熱交換器などの要素の小型化が可能となるという効果がある。
【００４９】
請求項２の発明におけるように、請求項１記載の給湯装置において、前記熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて前記給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御する給水量制御手段を付設した場合、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させて給水ポンプ５の給水量が目標値となるように制御されることとなり、給湯能力と給湯負荷とがより一層マッチングした最適運転状態が得られる。
【００５０】
請求項３の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、昼間と夜間とで異ならしめた場合、昼間においては高温追い炊きが可能となるとともに、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となる。従って、電力消費の節約を図りつつ湯切れをなくすことができる。
【００５１】
請求項４の発明におけるように、請求項３記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、昼間においては高温追い炊きが可能となり、夜間においては高ＣＯＰ運転が可能となるように異ならしめた場合、電力消費の節約を図りつつ湯切れをなくすことができる。
【００５２】
請求項５の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度の目標値を、追い炊きの有無により可変とした場合、次回の追い炊きの度数を低減できることとなり、電力消費を節約できる。
【００５３】
請求項６の発明におけるように、請求項１、２、３、４および５のいずれか一項記載の給湯装置において、前記吐出温度に代えて前記熱源側熱交換器４における過熱度を用いた場合、熱源側熱交換器４における過熱度を指標として電子膨張弁３の開度制御、圧縮機１の回転数制御および給水ポンプ５の給水量制御を行うことにより、給湯能力を、熱源側熱交換器４における外部環境条件の変化に対応させることができる。
【００５４】
請求項７の発明におけるように、請求項１、２、３、４、５および６のいずれか一項記載の給湯装置において、前記冷媒サイクルＡを循環する冷媒として、蒸発温度０℃で等エントロピー変化で昇圧して吐出温度１１５℃では臨界圧力を超えている冷媒（例えば、炭酸ガス等）を用いた場合、超臨界では熱伝達性能が良くなるので、Ｒ２２などと同じ圧縮機吐出温度では給湯温度が高くなり、吐出温度を制御することによりＣＯＰ、給湯温度の最適な運転状態が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成図である。
【図２】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御の内容を示すフローチャートである。
【図３】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御において用いられる目標値テーブルである。
【図４】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御時の外気温と給湯能力、給湯負荷、吐出温度、インバータ回転数および給水量との関係を示す特性図である。
【図５】本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成図である。
【図６】本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御の内容を示すフローチャートである。
【図７】本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御時の外気温と給湯能力、給湯負荷、吐出温度、インバータ回転数および給水量との関係を示す特性図である。
【図８】本願発明の第３の実施の形態にかかる給湯装置の回路構成図である。
【図９】本願発明の第３の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御の内容を示すフローチャートである。
【図１０】本願発明の第３の実施の形態にかかる給湯装置における能力制御時の外気温と給湯能力、給湯負荷、吐出温度、インバータ回転数および給水量との関係を示す特性図である。
【図１１】従来の給湯装置の回路構成図である。
【図１２】従来の給湯装置における外気温と給湯能力、給湯負荷、吐出温度、インバータ回転数および給水量との関係を示す特性図である。
【図１３】従来の給湯装置における湯温と貯湯熱量、ＣＯＰ、電気代および追い炊き量との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５６】
１は圧縮機、２は給湯用熱交換器、３は電子膨張弁、４は熱源側熱交換器、５は給水ポンプ、６は給湯タンク、９は吐出温度センサー、１１は外気温センサー、１３はインバータ、１４は水量調整器、１５はコントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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