(57)【要約】【課題】高効率な沸上運転及び除霜運転が可能なヒートポンプ給湯機を提供すること。【解決手段】圧縮機１１と給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａと膨張弁１３と蒸発器１４とを環状に接続したヒートポンプ回路と、除霜回路と、貯湯タンク１９と積層ポンプ２０と給湯熱交換器の水側配管１２ｂとを環状に接続した貯湯回路と、沸上モード判定手段２６で決定したヒートポンプ回路の加熱能力に応じて除霜開始条件を変える除霜判定手段２８と、沸上制御手段２７と、除霜制御手段２９とを備えたことにより、ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて適切なタイミングで除霜運転に移行することができるので、高効率な運転が可能となり、省エネを図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを有するヒートポンプ回路と、貯湯タンクと積層ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを接続して前記貯湯タンク下部の水を前記給湯熱交換器の水側配管内で加熱した後に前記貯湯タンク上部に戻す貯湯回路と、前記ヒートポンプ回路の加熱能力を設定する沸上モード判定手段と、前記沸上モード判定手段が設定した加熱能力に応じて前記ヒートポンプ回路と前記貯湯回路とを制御する沸上制御手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜運転の開始と終了とを検知する除霜判定手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜制御手段とを備え、前記除霜判定手段は前記ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて除霜開始条件を変化させることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
除霜判定手段は、ヒートポンプ回路の沸上運転時間が所定時間以上でありかつ蒸発器出口温度センサーで検出した蒸発器出口温度が除霜開始温度以下の場合に除霜運転の開始を検知し、沸上モード判定手段が設定した加熱能力が小さい場合は前記除霜開始温度を高く、前記沸上モード判定手段が設定した加熱能力が大きい場合は前記除霜開始温度を低く設定することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
沸上モード判定手段は、残湯量センサーで検出した貯湯タンク内の残湯量が所定量以上の場合はヒートポンプ回路の加熱能力を小さく、前記残湯量センサーで検出した貯湯タンク内の残湯量が所定量未満の場合は前記ヒートポンプ回路の加熱能力を大きく設定することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
除霜制御手段は、除霜弁の一端を圧縮機の吐出配管に、他端を膨張弁の上流または下流側に接続し、前記圧縮機から吐出されるホットガスを前記除霜弁を介して蒸発器にバイパスさせる請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
ヒートポンプ回路は、高圧側の冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱する請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項６】
使用する冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項５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、給湯負荷に応じた加熱能力可変型であり、かつ高効率な除霜運転ができるヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱能力可変型のヒートポンプ給湯機として図３に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。図３に示すように、このヒートポンプ給湯機は、貯湯装置１０１とヒートポンプ装置１０２と暖房装置１０３と制御装置１１３とから構成されている。ヒートポンプ装置１０２は、能力可変型の圧縮機１０４、除霜時に冷媒流動方向を逆転させる四方弁１０５、凝縮器として機能し貯湯槽１１０内の水を加熱する冷媒対水熱交換器１０６、膨張弁１０７、蒸発器として機能し室外空気から冷媒に吸熱する冷媒対空気熱交換器１０８が順次接続され、冷媒対空気熱交換器１０８に室外空気を供給するファン１０９が備えられている。また、貯湯装置１０１は、貯湯槽１１０、貯湯槽１１０底部の水を冷媒対水熱交換器１０６に搬送する水循環ポンプ１１１、冷媒対水熱交換器１０６、切換弁１１２が順次接続されている。暖房装置１０３は貯湯槽１１０上部の湯を切換弁１１２を介して室内に搬送し、室内を暖房した後に貯湯槽１１０底部に戻す回路を形成している。この時、切換弁１１２は、貯湯装置１０１の貯湯単独運転時と、暖房装置１０３の暖房単独運転時と、貯湯装置１０１と暖房装置１０３との貯湯暖房同時運転時とに応じて水流路を切り換える機能を有する。制御装置１１３は、貯湯槽１１０の残湯量や室内暖房負荷や外気温度などに応じて、貯湯装置１０１の貯湯単独運転時または暖房装置１０３の暖房単独運転時の比較的負荷が小さい場合にはヒートポンプ装置１０２の能力を小さく、貯湯装置１０１と暖房装置１０３との貯湯暖房同時運転時のように負荷が大きい場合にはヒートポンプ装置１０２を最大能力で運転するように制御するものである。
【０００３】
このため、貯湯単独運転時や暖房単独運転時など比較的負荷が小さい場合にはヒートポンプ装置１０２の能力を小さくすることで騒音を低く抑えるとともに消費電力を低減でき、貯湯暖房同時運転時はヒートポンプ装置１０２を最大能力で運転することで貯湯槽１１０の湯切れや暖房装置１０３の能力不足を防止することができる。
【特許文献１】特開２００４−３１７０９３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、前記従来の構成では、冷媒対空気熱交換器１０８に着霜する外気温度条件において負荷が増大し、ヒートポンプ装置１０２の運転を小能力から最大能力に切換えた場合に除霜運転を開始してしまい、ヒートポンプ装置１０２の加熱運転ができなくなる恐れがあった。ヒートポンプ装置１０２の除霜運転の開始の判定方法としては、冷媒の蒸発温度（本従来例では冷媒対空気熱交換器１０８の出口温度）を用いるのが一般的である。即ち、沸上運転中に冷媒対空気熱交換器１０８の出口温度が除霜開始温度を下回った場合に除霜運転を開始するのである。ここで、その除霜開始温度はヒートポンプ装置１０２の能力に関係なく一意的に決められているため、小能力運転から最大能力運転への移行に伴い、蒸発温度（冷媒対空気熱交換器１０８の出口温度）も除霜開始温度未満に低下して、沸上運転から除霜運転に移行するのである。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプ装置の加熱能力が小能力から大能力に切り替わった際にも除霜運転に移行することなく沸上運転を継続することができるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを環状に接続してこの順に冷媒が循環するヒートポンプ回路と、貯湯タンクと積層ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを環状に接続して前記貯湯タンク下部の水を前記給湯熱交換器の水側配管内で加熱した後に前記貯湯タンク上部に戻す貯湯回路と、前記ヒートポンプ回路の加熱能力を設定する沸上モード判定手段と、前記沸上モード判定手段が設定した加熱能力に応じて前記ヒートポンプ回路と前記貯湯回路とを制御する沸上制御手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜運転の開始と終了とを検知する除霜判定手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜制御手段とを備え、前記除霜判定手段は前記ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて除霜開始条件を変化させたものである。
【０００７】
これにより、ヒートポンプ回路の加熱能力が小能力から大能力に切り替わった際にも除霜運転に移行することなく沸上運転を継続することができる。
【発明の効果】
【０００８】
ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて除霜開始条件を変化させたことにより、ヒートポンプの加熱能力が小能力から大能力に切り替わった際にも除霜運転に移行することなく沸上運転を継続することができ、ヒートポンプの能力不足や貯湯タンクの湯切れを防止することができる。さらに、ヒートポンプの能力に応じて適切なタイミングで除霜運転に移行することができるので、高効率な運転が可能となり、省エネを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、圧縮機と給湯熱交換器の冷媒側配管と膨張弁と蒸発器とを有するヒートポンプ回路と、貯湯タンクと積層ポンプと給湯熱交換器の水側配管とを接続して前記貯湯タンク下部の水を前記給湯熱交換器の水側配管内で加熱した後に前記貯湯タンク上部に戻す貯湯回路と、前記ヒートポンプ回路の加熱能力を設定する沸上モード判定手段と、前記沸上モード判定手段が設定した加熱能力に応じて前記ヒートポンプ回路と前記貯湯回路とを制御する沸上制御手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜運転の開始と終了とを検知する除霜判定手段と、前記ヒートポンプ回路の除霜制御手段とを備え、前記除霜判定手段は前記ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて除霜開始条件を変化させることにより、ヒートポンプ回路の加熱能力が小能力から大能力に切り替わった際にも除霜運転に移行することなく沸上運転を継続することができ、ヒートポンプ回路の加熱能力不足や貯湯タンクの湯切れを防止することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプ給湯機の除霜判定手段を、ヒートポンプ回路の沸上運転時間が所定時間以上でありかつ蒸発器出口温度センサーで検出した蒸発器出口温度が除霜開始温度以下の場合に除霜運転の開始を検知し、沸上モード判定手段が設定した加熱能力が小さい場合は前記除霜開始温度を高く、前記沸上モード判定手段が設定した加熱能力が大きい場合は前記除霜開始温度を低く設定するようにしたものであり、ヒートポンプ回路の加熱能力に応じて適切なタイミングで除霜運転に移行することができるので、高効率な運転が可能となり、省エネを図ることができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１または第２のいずれかの発明のヒートポンプ給湯機の沸上モード判定手段を、残湯量センサーで検出した貯湯タンク内の残湯量が所定量以上の場合はヒートポンプ回路の加熱能力を小さく、前記残湯量センサーで検出した貯湯タンク内の残湯量が所定量未満の場合は前記ヒートポンプ回路の加熱能力を大きく設定するようにしたものであり、簡易な構成でヒートポンプ回路の加熱能力制御を精度良く行え、貯湯タンクの湯切れを防止することができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明のヒートポンプ給湯機の除霜制御手段を、除霜弁の一端を圧縮機の吐出配管に、他端を膨張弁の上流または下流側に接続し、前記圧縮機から吐出されるホットガスを前記除霜弁を介して蒸発器にバイパスさせたものであり、除霜運転を速やかに終了して沸上運転に移行することで、ヒートポンプの高効率な運転が可能となる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明のヒートポンプ給湯機のヒートポンプ回路を、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により給湯熱交換器の水側配管内の水を加熱することにより、前記給湯熱交換器の冷媒側配管内の冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、前記給湯熱交換器の水側配管内の水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、前記給湯熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第５の発明のヒートポンプ給湯機において、使用する冷媒を二酸化炭素としたものであり、比較的安価でかつ安定な二酸化炭素を冷媒に使用することにより、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。また、二酸化炭素はオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機の構成図である。
【００１７】
図１において、圧縮機１１と給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａと膨張弁１３と蒸発器１４とを環状に接続してヒートポンプ回路を形成しており、圧縮機１１の吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサー１７、蒸発器１４の出口冷媒温度を検出する蒸発器出口温度センサー１８が設置されている。また、ヒートポンプ回路は、除霜弁１６の一端を圧縮機１１の吐出配管に、他端を給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａと膨張弁１３との間に接続し、圧縮機１１から吐出されるホットガスを除霜弁１６を介して蒸発器１４にバイパスさせる除霜回路を備えている。蒸発器１４はファン１５を有しており、ファン１５により蒸発器１４に供給された空気と蒸発器１４内の冷媒との間で熱交換が行われる。一方、貯湯タンク１９と積層ポンプ２０と給湯熱交換器の水側配管１２ｂとを環状に接続して、貯湯タンク１９下部の水を給湯熱交換器の水側配管１２ｂ内で加熱した後に貯湯タンク１９上部に戻す貯湯回路を形成しており、給湯熱交換器の水側配管１２ｂの入口水温を検出する入水温度センサー２１、給湯熱交換器の水側配管１２ｂの出口水温を検出する出湯温度センサー２２、貯湯タンク１９の残湯量を検出する残湯量センサー２３が設置されている。また、貯湯タンク１９には、貯湯タンク１９に水を供給する給水配管２４と貯湯タンク１９内の湯を外部に供給する給湯配管２５とが接続されている。
【００１８】
また、本発明のヒートポンプ給湯機は、沸上運転時のヒートポンプ回路の加熱能力を設定する沸上モード判定手段２６と、沸上モード判定手段２６が設定した加熱能力に応じてヒートポンプ回路と貯湯回路とを制御する沸上制御手段２７と、ヒートポンプ回路の除霜運転の開始と終了とを検知する除霜判定手段２８と、ヒートポンプ回路の除霜制御手段２９とを備えている。
【００１９】
沸上モード判定手段２６は、残湯量センサー２３で検出した貯湯タンク１９内の残湯量が所定量以上の場合はヒートポンプ回路の加熱能力を小さく、残湯量センサー２３で検出した貯湯タンク１９内の残湯量が所定量未満の場合はヒートポンプ回路の加熱能力を大きく設定する。
【００２０】
除霜判定手段２８は、ヒートポンプ回路の沸上運転時間が所定時間以上でありかつ蒸発器出口温度センサー１８で検出した蒸発器出口温度が除霜開始温度以下の場合に除霜運転の開始を検知し、沸上モード判定手段２６が設定した加熱能力が小さい場合は除霜開始温度を高く、沸上モード判定手段２６が設定した加熱能力が大きい場合は除霜開始温度を低く設定する。
【００２１】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。
【００２２】
まず、貯湯タンク１９内の残湯量が所定量以上（例えば、貯湯タンク１９中央部の残湯量センサー２３の検出温度が４５℃以上）の場合には、沸上モード判定手段２６によりヒートポンプ回路の加熱能力が定格能力（例えば６ｋＷ）に設定される。そしてヒートポンプ回路の加熱能力が定格能力となるように、沸上制御手段２７は、圧縮機１１の運転周波数，ファン１５の回転数を所定の目標値に制御すると共に、吐出温度センサー１７で検出した吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁１３の開度を制御し、出湯温度センサー２２で検出した出湯温度が目標出湯温度となるように積層ポンプ２０の流量を制御する。ヒートポンプ回路の加熱能力が定格能力に設定されている場合、ヒートポンプ回路の沸上運転時間が所定時間以上でありかつ蒸発器出口温度センサー１８で検出した蒸発器出口温度が第１除霜開始温度（例えば−７℃）以下の場合に除霜運転の開始を検知し、除霜制御手段２９により除霜運転を行う。除霜運転時は、ファン１５が停止して除霜弁１６が開くと共に膨張弁１３の開度が全開となり、冷媒は図１中の破線矢印に沿って圧縮機１１，除霜弁１６，膨張弁１３，蒸発器１４の順に流れて圧縮機１１に戻る。圧縮機１１の吐出冷媒（ホットガス）は給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａをバイパスして蒸発器１４に流入し、蒸発器１４の表面に付着した霜を融解する。
【００２３】
次に、貯湯タンク１９内の残湯量が所定量未満（例えば、貯湯タンク１９中央部の残湯量センサー２３の検出温度が４５℃未満）の場合には、沸上モード判定手段２６によりヒートポンプ回路の加熱能力が最大能力（例えば１０ｋＷ）に設定される。そしてヒートポンプ回路の加熱能力が最大能力となるように、沸上制御手段２７は、圧縮機１１の運転周波数，ファン１５の回転数を所定の目標値に制御すると共に、吐出温度センサー１７で検出した吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁１３の開度を制御し、出湯温度センサー２２で検出した出湯温度が目標出湯温度となるように積層ポンプ２０の流量を制御して、速やかに貯湯タンク１９内に湯を補充する。ヒートポンプ回路の加熱能力が最大能力に設定されている場合、ヒートポンプ回路の沸上運転時間が所定時間以上でありかつ蒸発器出口温度センサー１８で検出した蒸発器出口温度が第２除霜開始温度（例えば−１０℃）以下の場合に除霜運転の開始を検知し、除霜制御手段２９により除霜運転を行う。
【００２４】
以上のような動作をするヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプ回路が定格能力（６ｋＷ）で運転している時に、貯湯タンク１９内の湯が多量に使用された場合を考えてみる。多量の湯が使用されると、やがて残湯量センサー２３の検出温度は４５℃未満となり、貯湯タンク１９内の残湯量が所定量未満であることを検知する。この時、沸上モード判定手段２６がヒートポンプ回路の加熱能力を最大能力（１０ｋＷ）に設定して貯湯タンク１９内に速やかに湯を補充するという動作を行う。この時、圧縮機１１の周波数が増大するために、蒸発温度（蒸発器出口温度）は低下する。従って、除霜開始温度をヒートポンプ回路の定格能力基準で設定していると、蒸発器出口温度が除霜開始温度以下となって除霜運転の開始を検知する。即ち、貯湯タンク１９内に速やかに湯を補充するためにヒートポンプ回路の加熱能力を増大させたことによって逆に除霜運転を開始することになり、貯湯タンク１９の湯切れを発生し易くするのである。一方、除霜開始温度をヒートポンプ回路の最大基準で設定していると、ヒートポンプ回路を定格能力で運転している場合の除霜開始タイミングが遅れることとなり、沸上運転及び除霜運転の効率低下を招く。
【００２５】
従って、ヒートポンプ回路の加熱能力が大きい（最大能力）場合の除霜開始温度（第２除霜開始温度）を、ヒートポンプ回路の加熱能力が小さい（定格能力）場合の除霜開始温度（第１除霜開始温度）よりも低く設定することにより、ヒートポンプ回路の加熱能力が定格能力から最大能力に切り替わった時にも除霜開始を検知することなく沸上運転を継続することができる。さらに、ヒートポンプ回路の加熱能力に応じた適切な除霜開始温度を
設定することにより、沸上運転及び除霜運転を効率的に行うことができる。
【００２６】
以上のように、本実施の形態１においては、ヒートポンプ回路の加熱能力が定格能力から最大能力に切り替わった時にも除霜運転に入ることなく沸上運転を継続でき、貯湯タンク１９の湯切れを防止できるだけでなく、ヒートポンプ回路による高効率な沸上運転及び除霜運転ができ、機器の省エネを図ることができる。
【００２７】
尚、上記では、ヒートポンプ回路が最大能力で運転している場合を加熱能力が大きいと表現し、ヒートポンプ回路が定格能力で運転している場合を加熱能力が小さいと表現してヒートポンプ装置の動作を説明したが、これはあくまで一例であって、本発明を限定するものではない。要は、ヒートポンプ回路の加熱能力が相対的に増大した場合には除霜開始温度を低く設定し、逆にヒートポンプ回路の加熱能力が相対的に減少した場合には除霜開始温度を高く設定するところにある。
【００２８】
また、図１には示していないが、ヒートポンプ回路で加熱した湯を貯湯タンク１９に戻さずに直接カラン（蛇口）やシャワーから給湯する場合においても、本発明は有効である。
【００２９】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態のヒートポンプ給湯機の構成図である。図２において、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機と同様の構成部分については共通の符号を用い、詳細な説明を省略する。
【００３０】
実施の形態１と異なるのはヒートポンプ回路の除霜回路の構成である。図２において除霜運転時は、ファン１５が停止して膨張弁１３の開度が全開となり、冷媒は図２中の破線矢印に沿って圧縮機１１，給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａ，膨張弁１３，蒸発器１４の順に流れて圧縮機１１に戻る。圧縮機１１の吐出冷媒（ホットガス）は給湯熱交換器の冷媒側配管１２ａをバイパスせずに蒸発器１４に流入し、蒸発器１４の表面に付着した霜を融解する。このように、ヒートポンプの除霜回路が異なっていても、除霜判定手段２８による除霜開始の判定は、本発明の第１の実施の形態のヒートポンプ給湯機と同様に行うことができる。例えば、本発明の第２の実施例の他の除霜回路構成として、ヒートポンプ回路に冷媒の流動方向を逆転させる四方弁（図示していない）を設けて行う逆サイクル除霜が知られているが、この逆サイクル除霜方式を用いるヒートポンプ給湯機においても本発明は、本発明の第１または第２の発明と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
なお、実施の形態１および実施の形態２では、ヒートポンプ回路のサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。またこの場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニアなどを用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、特に能力可変型ヒートポンプサイクルの除霜を効率的に行うのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の構成図
【図３】従来のヒートポンプ給湯機の構成図
【符号の説明】
【００３４】
１１  圧縮機
１２  給湯熱交換器
１２ａ  給湯熱交換器の冷媒側配管
１２ｂ  給湯熱交換器の水側配管
１３  膨張弁
１４  蒸発器
１５  ファン
１６  除霜弁
１７  吐出温度センサー
１８  蒸発器出口温度センサー
１９  貯湯タンク
２０  積層ポンプ
２１  入水温度センサー
２２  出湯温度センサー
２３  残湯量センサー
２４  給水配管
２５  給湯配管
２６  沸上モード判定手段
２７  沸上制御手段
２８  除霜判定手段
２９  除霜制御手段
【図１】
2006220357.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006220357.tif 000005