(57)【要約】【課題】低温下で長時間の貯湯運転を安定的に実行可能な貯湯給湯装置を提供すること。【解決手段】圧縮機と凝縮熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒回路で接続して構成され、凝縮熱交換器と膨張手段をバイパスするバイパス通路及びバイパス通路の開閉弁を備えたヒートポンプ熱源機と、ヒートポンプ熱源機により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクの湯水の再加熱給湯が可能な補助熱源機と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、学習記憶した給湯使用状況に基づき将来の給湯使用を予測すると共に予測した給湯使用量相当の熱量を給湯使用までに貯湯タンクに貯留する貯湯運転を制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、制御手段は外気温度と予測した給湯使用量に基づいて貯湯運転中に蒸発熱交換器の着霜の影響があると判定した場合に、貯湯運転中に外気温度に対応づけて予め設定された開閉パターンで開閉弁を開閉させる。【選択図】図２
2019113278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と凝縮熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒回路で接続して構成され、前記凝縮熱交換器と前記膨張手段をバイパスするバイパス通路及び前記バイパス通路を開閉するための開閉弁を備えたヒートポンプ熱源機と、前記ヒートポンプ熱源機により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を再加熱して給湯可能な補助熱源機と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用を予測すると共に予測した給湯使用量に相当する熱量を給湯使用までに前記貯湯タンクに貯留する貯湯運転を制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、
前記制御手段は、外気温度と予測した給湯使用量に基づいて前記貯湯運転中に前記蒸発熱交換器の着霜の影響があると判定した場合には、前記貯湯運転中に前記外気温度に対応づけて予め設定された開閉パターンで前記開閉弁を開閉させることを特徴とする貯湯給湯装置。
【請求項２】
前記開閉パターンは、外気温度が低い程前記開閉弁の開弁周期が短く設定されたことを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯装置。
【請求項３】
前記開閉パターンは、外気温度が低い程前記開閉弁の開弁時間が長く設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ熱源機と補助熱源機を備えた貯湯給湯装置に関し、特に給湯使用の予測に基づいてヒートポンプ熱源機により加熱した湯水を貯湯タンクに貯留する貯湯運転を行う貯湯給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、給湯や浴槽の湯張り用の湯水を加熱して貯湯タンクに貯留するためのヒートポンプ熱源機と、給湯等の使用時に湯水を加熱する燃焼式の補助熱源機を備えた貯湯給湯装置が広く利用されている。このような貯湯給湯装置は、学習記憶した過去の給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用を予測し、この給湯使用の予測に基づいてヒートポンプ熱源機により加熱した湯水を貯湯タンクに貯留する貯湯運転を行い、この貯留した湯水を給湯等に使用するように構成されている。補助熱源機は、貯湯タンクに貯留した湯水を給湯等に使用できない場合に、貯湯タンクの湯水を再加熱して、又は上水を加熱して給湯等を行う。
【０００３】
ヒートポンプ熱源機は、外気温度より低温の冷媒を蒸発熱交換器に流通させて外気から吸熱した熱により湯水を加熱するエネルギー効率の高い熱源機であるが、補助熱源機と比べて加熱能力が小さい。そのため、予測した給湯使用量に相当する熱量を貯留するために貯湯運転を長時間継続する場合がある。
【０００４】
外気温度が低いときに貯湯運転を行う場合には、外気に含まれる水分が凝縮して蒸発熱交換器に付着し凍結する着霜が発生し易くなる。蒸発熱交換器の着霜は外気からの吸熱を妨げるので、長時間の貯湯運転により着霜が多くなるとその吸熱量の低下の影響を無視できなくなる。そのため、定期的に又はある程度の着霜を検知した場合に、ヒートポンプ熱源機の駆動条件を変更して除霜運転を行うように構成されている。例えば特許文献１では、外気温度に応じて定期的に実行する除霜運転として、ヒートポンプ熱源機の暖房運転を冷房運転に切換える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭５４−６０７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
貯湯運転中に除霜運転を行うと、ヒートポンプ熱源機の駆動条件を変更するため湯水を加熱することができない。また、除霜運転終了後にヒートポンプ熱源機の駆動条件を戻して貯湯運転を再開するので、ヒートポンプサイクルが安定するまでヒートポンプ熱源機の成績係数（ＣＯＰ）が低下した状態で湯水を加熱することになり好ましくない。
【０００７】
本発明の目的は、低温下で長時間の貯湯運転を安定的に実行可能な貯湯給湯装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、圧縮機と凝縮熱交換器と膨張手段と蒸発熱交換器とを冷媒回路で接続して構成され、前記凝縮熱交換器と前記膨張手段をバイパスするバイパス通路及び前記バイパス通路を開閉するための開閉弁を備えたヒートポンプ熱源機と、前記ヒートポンプ熱源機により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を再加熱して給湯可能な補助熱源機と、外気温度を検知する外気温度検知手段と、学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用を予測すると共に予測した給湯使用量に相当する熱量を給湯使用までに前記貯湯タンクに貯留する貯湯運転を制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、前記制御手段は、外気温度と予測した給湯使用量に基づいて前記貯湯運転中に前記蒸発熱交換器の着霜の影響があると判定した場合には、前記貯湯運転中に前記外気温度に対応づけて予め設定された開閉パターンで前記開閉弁を開閉させることを特徴としている。
【０００９】
上記構成によれば、給湯使用の予測に基づいて貯湯運転を行うとき、外気温度が低いため貯湯運転を長く続けると蒸発熱交換器の着霜の影響があると判定した場合に、外気温度に対応する開閉パターンで開閉弁を短時間開放した後閉止させるので、周期的に高温の冷媒がバイパス通路を通って蒸発熱交換器に流入する。従って、開閉パターンに基づいて蒸発熱交換器の着霜を除去、予防できるので、外気温度が低いときでも長時間の貯湯運転を安定的に実行可能である。また、貯湯運転中のヒートポンプ熱源機のヒートポンプサイクルを崩さないように開閉弁を開閉させるので、安定的に貯湯運転を実行できる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記開閉パターンは、外気温度が低い程前記開閉弁の開弁周期が短く設定されたことを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、外気温度が低い程開閉パターンにおける開閉弁の開弁周期が短く設定されているので、外気温度が低い程着霜し易い蒸発熱交換器に、外気温度が低い程短い周期で高温の冷媒を流入させて着霜を除去、予防できる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記開閉パターンは、外気温度が低い程前記開閉弁の開弁時間が長く設定されたことを特徴としている。
【００１３】
上記構成によれば、外気温度が低い程開閉パターンにおける開閉弁の開弁時間が長く設定されているので、外気温度が低い程着霜し易い蒸発熱交換器に、外気温度が低い程長く高温の冷媒を流入させて着霜を除去、予防できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の貯湯給湯装置によれば、低温下で長時間の貯湯運転を安定的に実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係る貯湯給湯装置を示す図である。
【図２】貯湯運転における着霜除去予防制御を示すフローチャートである。
【図３】着霜除去予防制御の所定周期と所定時間の設定例を示すテーブルである。
【図４】着霜除去予防制御の所定周期と所定時間の別の設定例を示すテーブルである。
【図５】着霜除去予防制御の１例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１７】
最初に、本発明の貯湯給湯装置１の全体構成について、図１に基づいて説明する。
貯湯給湯装置１は、ヒートポンプ熱源機２と、貯湯給湯ユニット３を備えている。貯湯給湯ユニット３は、燃焼式の補助熱源機４と、ヒートポンプ熱源機２により加熱された湯水を貯留する貯湯タンク５と、給湯使用状況に基づいて給湯使用予測を行うと共に予測した給湯使用量に相当する熱量（必要熱量）を給湯使用までに貯湯タンク５に貯留するように貯湯運転を制御する制御部７（制御手段）等を備えている。
【００１８】
ヒートポンプ熱源機２は、貯湯運転時には外気から吸熱した熱により湯水を加熱して貯湯タンク５に貯留する。貯湯運転により貯湯タンク５に貯留された湯水が給湯や浴槽１９の湯張りに使用される。貯湯タンク５の湯水を給湯設定温度で給湯できない場合には、補助熱源機４において燃料を燃焼させて貯湯タンク５の湯水を再加熱して、又は上水を加熱して給湯する。
【００１９】
貯湯タンク５の上部には、貯湯タンク５に貯留した湯水を出湯するための出湯通路１１が接続されている。出湯通路１１には、出湯通路１１を流通して湯水混合弁１２に供給される湯水の出湯温度を検知するための出湯温度センサ１１ａが配設されている。また、貯湯タンク５の下部には、貯湯タンク５に上水源から上水を供給するための給水通路１３が接続されている。給水通路１３には給水温度を検知するための給水温度センサ１３ａが配設されている。
【００２０】
給水バイパス通路１４は、給水通路１３から分岐して湯水混合弁１２に接続されている。湯水混合弁１２は、給湯設定温度の給湯のために出湯通路１１の湯水と給水バイパス通路１４の上水との混合比率を調整して混合する。湯水混合弁１２には給湯通路１６が接続され、湯水混合弁１２で混合されて給湯設定温度に調整された湯水は、給湯通路１６を流通して図示外の給湯栓等に給湯可能である。
【００２１】
また、湯水混合弁１２で混合された湯水は、給湯通路１６から分岐して追焚回路１７に接続する湯張り通路１８を介して浴槽１９に湯張り可能である。給湯通路１６には、給湯温度を検知するための給湯温度センサ１６ａと給湯流量を検知する給湯流量センサ１６ｂが配設され、湯張り通路１８は湯張りのときに開弁する開閉弁１８ａを備えている。
【００２２】
貯湯タンク５の下部にはヒートポンプ熱源機２に湯水を供給する上流加熱通路２１ａが接続され、ヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯タンク５に供給する下流加熱通路２１ｂが貯湯タンク５の上部に接続されて、貯湯タンク５とヒートポンプ熱源機２の間で循環ポンプ２２により湯水が循環可能な循環加熱回路２１が形成されている。貯湯運転では、下流加熱通路２１ｂに配設された温度センサ２１ｃの検知温度が、制御部７が設定した目標貯湯温度となるようにヒートポンプ熱源機２及び循環ポンプ２２が制御される。
【００２３】
貯湯タンク５の外周には、貯留された湯水の温度を検知する複数の貯湯温度センサ５ａ〜５ｅが上下方向に所定の間隔を空けて配設されている。貯湯温度センサ５ａ〜５ｅ及び貯湯タンク５は、貯留された湯水の放熱を低減する図示外の保温材により覆われている。
【００２４】
貯湯タンク５の湯水を補助熱源機４で加熱するための補助加熱通路２３が、出湯通路１１から分岐されて補助熱源機４に接続されている。補助熱源機４で加熱した湯水を出湯するための補助出湯通路２４は、補助加熱通路２３の分岐部より下流側の出湯通路１１に接続されている。補助出湯通路２４に配設された調整弁２５は、補助出湯通路２４から出湯通路１１に供給される湯水量を調整する。補助加熱通路２３には、三方弁２６と補助熱源機４に湯水を送るためのポンプ２７が配設されている。
【００２５】
補助出湯通路２４から分岐した熱交換器通路２８は、三方弁２６に接続されている。三方弁２６は、補助熱源機４に貯湯タンク５の湯水又は熱交換器通路２８の湯水を供給可能となるように切換えられる。熱交換器通路２８には熱交換器２８ａと開閉弁２８ｂが配設されている。この熱交換器２８ａは、追焚ポンプ２９の作動により追焚回路１７を流れる浴槽１９の湯水を補助熱源機４で加熱した湯水との熱交換により加熱する追焚運転に使用される。また、熱交換器通路２８には、給水通路１３から分岐した分岐通路部１３ｂが熱交換器通路２８に上水を供給可能なように接続されている。
【００２６】
ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、凝縮熱交換器３３、膨張弁３４（膨張手段）、蒸発熱交換器３５を冷媒回路３６により接続して構成されている。このヒートポンプ熱源機２は、冷媒回路３６に封入された冷媒を圧縮機３２で圧縮して高温にし、循環ポンプ２２により循環加熱回路２１を流通する湯水を凝縮熱交換器３３において高温の冷媒との熱交換により加熱する。熱交換後の冷媒は、膨張弁３４により膨張して外気より低温になり、蒸発熱交換器３５で外気から吸熱した後、再び圧縮機３２に導入される。
【００２７】
蒸発熱交換器３５は外気温度Ｔｏを検知する外気温度センサ３５ａ（外気温度検知手段）と送風機３５ｂを備えている。冷媒回路３６には、凝縮熱交換器３３と膨張弁３４をバイパスするバイパス通路３８が配設され、このバイパス通路３８にバイパス通路３８を開閉するための開閉弁である除霜弁３９が配設されている。また、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、膨張弁３４、送風機３５ｂ、除霜弁３９等を制御するヒートポンプ制御部３７を備えている。ヒートポンプ制御部３７は、貯湯給湯装置１の主たる制御手段である制御部７に通信可能に接続され、制御部７の指令に従ってヒートポンプ熱源機２を制御する。尚、ヒートポンプ熱源機２は、起動後や駆動条件変更後にヒートポンプサイクルが安定するまで、通常１０分程度の時間を要する。
【００２８】
次に、除霜運転について説明する。
蒸発熱交換器３５に着霜すると外気からの吸熱が妨げられる。これを例えば冷媒回路３６の圧縮機３２と凝縮熱交換器３３の間に配設された冷媒温度センサ４０によって圧縮機３２で圧縮された冷媒の温度低下に基づいて検知して、除霜運転を実行する。除霜運転では、循環ポンプ２２と送風機３５ｂを停止させ、膨張弁３４を閉弁し、除霜弁３９を開弁し、圧縮機３２の回転数を増加させて高温の冷媒を蒸発熱交換器３５に流通させる。そのため、貯湯運転と除霜運転を同時に実行できず、除霜運転後の貯湯運転のヒートポンプサイクルはしばらく安定しない。
【００２９】
貯湯給湯装置１はこの除霜運転を実行可能であるが、長時間の貯湯運転を安定的に実行するために除霜運転を回避可能なように構成されている。以下ではその構成について説明する。
【００３０】
制御部７は、各種センサの検知信号等に基づいて給湯等の制御を行うと共に、給湯使用量や給湯使用時刻、その時の各種温度等の給湯使用状況を学習記憶している。そして、この給湯使用状況に基づいて周期的（例えば５分毎）に将来の給湯使用予測を行い、この給湯使用予測に基づいて予測した給湯使用時刻までに必要熱量の貯留が完了するように貯湯運転を制御する。また、外気温度Ｔｏと予測した給湯使用量に基づいて貯湯運転中に蒸発熱交換器３５の着霜の影響があると判定した場合に着霜除去予防制御を行う。この制御を図２のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。
【００３１】
最初にＳ１において、外気温度センサ３５ａにより外気温度Ｔｏを検知してＳ２に進む。次にＳ２において、外気温度Ｔｏがヒートポンプ熱源機２による貯湯運転実行可能な下限外気温度（例えば−７℃）以上か否か判定し、判定がＹｅｓの場合はＳ３に進み、判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。尚、外気温度Ｔｏが下限外気温度未満では、ヒートポンプ熱源機２で効率的な加熱ができないため、補助熱源機４により給湯等を行う。
【００３２】
次にＳ３において、学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用予測を行ってＳ４に進む。次にＳ４において、給湯使用予測に基づいて貯留する必要熱量、必要熱量を貯留する目標貯湯温度、必要熱量を給湯使用時刻までに貯留するための貯湯運転開始時刻等を含む貯湯運転条件を設定してＳ５に進む。
【００３３】
次にＳ５において、外気温度Ｔｏと予測した給湯使用量に基づいて給湯運転時に蒸発熱交換器３５の着霜の影響があるか否か判定し、着霜の影響があると判定した場合（判定がＹｅｓの場合）はＳ６に進む。このとき、外気温度Ｔｏが低い程着霜の可能性が高くなり、予測した給湯使用量から見積もられる貯湯運転時間が長い程着霜が貯湯運転に影響する。そのため、例えば外気温度Ｔｏが５℃未満で貯湯運転時間１５分以上と見積もられた場合に、着霜の影響があると判定する。
【００３４】
次にＳ６において、予め実験等によって外気温度Ｔｏに対応づけて設定された除霜弁３９の開閉パターンを選択してＳ７に進む。この開閉パターンは、図３に示すように開弁時間を一定に（例えば１５秒に）設定し、外気温度Ｔｏが低い程開弁周期が短くなるように外気温度区分毎に開弁周期を設定している。また、開閉パターンは、図４に示すように開弁周期を一定に（例えば６０分に）設定し、外気温度Ｔｏが低い程開弁時間が長くなるように外気温度区分毎に開弁時間を設定することもでき、図示を省略するが外気温度Ｔｏが低い程開弁周期が短く且つ開弁時間が長くなるように設定することも可能である。
【００３５】
次に図２のＳ７において、設定した貯湯運転開始時刻になったか否か判定し、判定がＹｅｓの場合はＳ８に進み、判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。
【００３６】
次にＳ８において、貯湯運転条件に基づく貯湯運転を実行してＳ９に進む。そしてＳ９において、選択した開閉パターンに開弁周期として設定された除霜弁３９の開弁タイミングになったか否か判定する。Ｓ９の判定がＹｅｓの場合は、Ｓ１０に進んでヒートポンプ熱源機２の駆動条件を維持したまま選択した開閉パターンに設定された開弁時間だけ除霜弁３９の開弁を実行してＳ１１に進み、Ｓ９の判定がＮｏの場合はＳ１１に進む。
【００３７】
次にＳ１１において、必要熱量の貯湯が完了したか否か判定する。判定がＮｏの場合はＳ８に戻って貯湯運転の実行を継続し、判定がＹｅｓの場合にはＳ１５に進んで循環ポンプ２２とヒートポンプ熱源機２を停止させて貯湯運転を終了してリターンする。このとき、次回の貯湯運転のために、選択した開閉パターンに設定された開弁時間だけ除霜弁３９を開弁させると共にヒートポンプ熱源機２の駆動を維持した後、除霜弁３９の閉弁とヒートポンプ熱源機２の停止を行うことも可能である。
【００３８】
一方、Ｓ５の判定がＮｏの場合、即ち外気温度Ｔｏが例えば５℃以上又は貯湯時間が例えば１５分未満のため、着霜の影響があると判定しなかった場合はＳ１２に進む。そしてＳ１２において、設定した貯湯運転開始時刻になったか否か判定し、判定がＹｅｓの場合はＳ１３に進み、判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。
【００３９】
次にＳ１３において、貯湯運転条件に基づく貯湯運転を実行してＳ１４に進む。そしてＳ１４において、必要熱量の貯湯が完了したか否か判定し、判定がＮｏの場合はＳ１３に戻って貯湯運転の実行を継続し、判定がＹｅｓの場合にはＳ１５に進んで貯湯運転を終了してリターンする。
【００４０】
ここで、例えば外気温度Ｔｏが−３℃、貯湯運転時間が７０分と見積もられた場合の着霜除去予防制御の１例を図５に示す。このとき例えば図３の開閉パターンＡ２が選択される。時刻ｔ０で貯湯運転が開始されると外気温度Ｔｏより低温の冷媒が蒸発熱交換器３５に流入して蒸発熱交換器温度が低下し、外気から吸熱するようになる。
【００４１】
除霜弁３９の開弁のタイミングとなる時刻ｔ１で除霜弁３９を開弁すると、高温の冷媒がバイパス通路３８を通って蒸発熱交換器３５に流入するため蒸発熱交換器温度が上昇し、着霜を除去、予防する。この冷媒の温度は湯水の加熱のために例えば６０℃以上になっているので、着霜の除去、予防に十分作用する。時刻ｔ１から１５秒後の時刻ｔ２で除霜弁３９を閉弁すると、再び外気温度Ｔｏより低温の冷媒が蒸発熱交換器３５に流入して蒸発熱交換器温度が低下する。貯湯運転中にこの開閉パターンＡ２で除霜弁３９を短時間開放した後閉止する動作を貯湯運転終了時刻ｔｅまで繰り返すことにより着霜を除去、予防して安定的に長時間の貯湯運転を実行している。
【００４２】
次に、本発明の貯湯給湯装置１の作用、効果について説明する。
制御部７は給湯使用予測に基づく貯湯運転を行う際に、外気温度Ｔｏと予測した給湯使用量に基づいて貯湯運転中に蒸発熱交換器３５の着霜の影響があると判定した場合には、貯湯運転中に外気温度Ｔｏに対応づけて予め設定された開閉パターンで除霜弁３９を短時間開放した後閉止する。従って、周期的に蒸発熱交換器３５に高温の冷媒を流通させて着霜を除去、予防することができ、外気温度Ｔｏが低いときでも長時間の貯湯運転を安定的に実行可能である。その上、貯湯運転中のヒートポンプ熱源機２のヒートポンプサイクルを崩さないように除霜弁３９を開閉させるので、安定的に貯湯運転を実行できる。
【００４３】
また、除霜弁３９の開閉パターンは、外気温度Ｔｏが低い程開弁周期が短く、又は外気温度Ｔｏが低い程開弁時間が長く、又は外気温度Ｔｏが低い程開弁周期が短く且つ開弁時間が長く設定されている。従って、外気温度Ｔｏが低い程着霜し易い蒸発熱交換器３５に、外気温度Ｔｏが低い程着霜の除去、予防作用を高めるように高温の冷媒を流入させて着霜を除去、予防できる。
【００４４】
上記実施例の各種温度や時間は例示であり、上記の値に限定されるものではない。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく上記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。
【符号の説明】
【００４５】
１      ：貯湯給湯装置
２      ：ヒートポンプ熱源機
４      ：補助熱源機
５      ：貯湯タンク
５ａ〜５ｅ：貯湯温度センサ
７      ：制御部（制御手段）
１１    ：出湯通路
１３    ：給水通路
１６    ：給湯通路
１６ｂ  ：給湯流量センサ
２１    ：循環加熱回路（循環回路）
２２    ：循環ポンプ（循環手段）
２３    ：補助加熱通路
２４    ：補助出湯通路
３２    ：圧縮機
３３    ：凝縮熱交換器
３４    ：膨張弁（膨張手段）
３５    ：蒸発熱交換器
３６    ：冷媒回路
３８    ：バイパス通路
３９    ：除霜弁（開閉弁）
【図１】
2019113278.tif 000003
【図２】
2019113278.tif 000004
【図３】
2019113278.tif 000005
【図４】
2019113278.tif 000006
【図５】
2019113278.tif 000007